JPH04134877A - 超電導素子およびその作製方法 - Google Patents

超電導素子およびその作製方法

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JPH04134877A
JPH04134877A JP2257859A JP25785990A JPH04134877A JP H04134877 A JPH04134877 A JP H04134877A JP 2257859 A JP2257859 A JP 2257859A JP 25785990 A JP25785990 A JP 25785990A JP H04134877 A JPH04134877 A JP H04134877A
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superconducting
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博史 稲田
Takao Nakamura
孝夫 中村
Michitomo Iiyama
飯山 道朝
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、超電導素子およびその作製方法に関する。よ
り詳細には、本発明は、実効的な膜厚の変化する酸化物
超電導薄膜により形成された弱結合を含む超電導素子で
あって、特にその表面が平坦な新規な構成を有する超電
導素子と、それを実現するための新規な作製方法とに関
する。
従来の技術 従来知られていた超電導材料は、一般に液体へリウム温
度以下の極低温でしか超電導体にならなかったので、こ
れを実用的に利用することはあまり考えられていなかっ
た。しかしながら、[La 。
[3a:] 2cu○4あるいは[:La、 Sr] 
2cu○2等の複合酸化物焼結体が高い臨界温度を有す
る超電導材料であることが1986年に見出されて以来
、Y −BaCu系あるいはBi −Ca −3r−C
u系等の複合酸化物が極めて高い温度範囲で超電導特性
を示すことが次々に確認された。このような高い温度で
超電導特性を示す材料は廉価な液体窒素を冷却媒体とし
て使用することができるので、超電導技術の応用が俄か
に現実的な課題として検討されるようになった。
超電導現象を利用した基本的な電子デバイスのひとつと
してジョセフソン素子が知られている。
ジョセフソン素子は、所謂弱結合により結合された1対
の超電導電極により形成されており、クーパ一対のトン
ネル効果であると言われている直流ジョセフソン効果や
、離散的な電圧/電流特性を示す交流ジョセフソン効果
等の特異な特性を有している。
一方、一連の酸化物超電導材料は、当初粉末冶金法によ
り焼結体として得られていたが、焼結体材料では特に臨
界電流密度等の特性について好ましい特性が得られず、
最近では薄膜として作製する方法が広く研究されるよう
になっている。このような酸化物超電導薄膜を加工して
作製されるプレーナ型ジョセフソン素子の構造としては
、膜厚一定型と膜厚変化型とに大別することができる。
第3図(a)および(社)は、プレーナ型ジョセフソン
素子の典型的な構造を示す図である。
第3図(a)は、膜厚一定型のジョセフソン素子の構造
を示す図であり、同図に示すように、基板ll上に形成
された膜厚の一定な酸化物超電導薄膜21をパターニン
グすることによって、充分な線幅を有する1対の超電導
電極領域11a、21cと、線幅Wが非常に細い弱結合
領域21aとが形成されている。
一方、第3図(社)は、膜厚変化型のジョセフソン素子
の構造を示す図であり、基板Il上に形成された酸化物
超電導薄膜21の特定の領域を薄化することによって、
充分な厚さを有する1対の超電導電極領域21b、21
cと、膜厚tの非常に薄い弱結合領域21aとが形成さ
れている。
以上のような構成の各種プレーナ型ジョセフソン素子に
おいては、その弱結合領域21aの膜幅Wまたは膜厚t
が素子の特性に密接に関係しており、所望の特性を再現
性良く実現するためにはサブミクロンレベルの高い加工
精度が要求される。
発明が解決しようとする課題 上述のような従来のプレーナ型ジョセフソン素子には、
それぞれ以下のような問題点がある。
即ち、膜厚一定型のジョセフソン素子は、素子の表面が
比較的平坦で集積回路素子としては好ましい構造である
。しかしながら、その弱結合領域21aを形成するため
には、膜厚0.5〜1.0μm程度の酸化物超電導薄膜
21を幅0.2μm以下までパターニングする必要があ
る。このような超微細加工を再現性良〈実施することは
実際には非常に困難である。
一方、膜厚変化型のジョセフソン素子は、弱結合領域2
1aのパターニング自体には極端な微細加工技術は必要
ないが、弱結合領域21aの残留膜厚tを均一に制御す
ることが極めて難しい。また、素子表面の平坦性に劣り
、集積回路を構成する素子として使用する場合には不利
である。
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、既
に確立されている加工技術によって再現性良く作製する
ことができ、且つ、素子表面の平坦化が容易な新規なジ
ョセフソン素子の構成と、その構成を実現するための新
規な作製方法とを併せて提供することをその目的として
いる。
課題を解決するための手段 即ち、本発明に従うと、充分に厚い酸化物超電導薄膜に
より形成された1対の超電導電極領域と、該1対の超電
導電極領域を弱く結合する薄い超電導薄膜により形成さ
れた弱結合領域とを基板の同一面上に搭載してなる超電
導素子でつあて、酸素イオンを注入することによって酸
化物超電導体化することができる化合物を材料として該
基板上に形成された化合物薄膜と、該化合物薄膜に酸素
イオンを注入して形成された1対の超電導電極領域と、
該化合物薄膜に酸素を導入して該1対の超電導電極領域
を互いに弱く結合するように形成された弱結合領域とを
備えることを特徴とする超電導素子が提供される。
また、上記本発明に係る超電導素子を作製する方法とし
て、本発明により、前記基板の成膜面上に、酸素イオン
を注入することにより酸化物超電導体化することができ
る化合物により薄膜を形成する工程と、該薄膜に対して
、前記超電導電極領域に酸素イオンを注入する工程と、
前記弱結合領域に酸素を導入する工程とを含むことを特
徴とする超電導素子の作製方法が提供される。
作用 本発明に係る超電導素子は、酸素イオンを注入して形成
された酸化物超電導体により形成された超電導電極と、
酸素を導入して形成された酸化物超電導体により形成さ
れた弱結合とを併せて具備することをその主要な特徴と
している。
即ち、従来の超電導素子は、−旦形成した超電導薄膜を
、特にその弱結合領域を物理的に加工して薄化または細
化することにより弱結合を形成していた。しかしながら
、弱結合を実現し得る膜幅または膜厚は極めて小さく、
所望の特性を発揮するジョセフソン素子を作製するため
には極端に高い加工精度が要求された。
これに対して、本発明に係る超電導素子は、酸化物超電
導体から酸素を除いたまたは酸素を不足させた化合物の
薄膜を基板上に形成した後、この化合物薄膜に対して適
切な条件で酸素イオンを注入することにより超電導電極
を形成している。また、酸素雰囲気中で加熱することに
より酸素が水平方向に移動し易いことを利用して、酸素
の導入により弱結合領域を結合している。従って、微細
な物理加工が不要であり、特性の制御性ならびに再現性
に優れている。また、この超電導素子の表面は、完成し
た時点で既に表面が平坦になっているので、集積回路素
子として好適である。
以上のような本発明に係る超電導素子において酸化物超
電導薄膜を形成する材料としては、Yea−cu−o系
、Bi −5r −Ca −Cu −0系、Tl−Ba
−Ca−Cu−0系等の複合酸化物超電導材料を例示す
ることができる。
また、上記酸化物超電導材料薄膜を成膜する際の好まし
い下地基板材料としては、MgO1SrTIOh、Cd
NdAlO4等の酸化物単結晶基板を例示することがで
きる。これらの基板上では、配向性の高い結晶を成長さ
せることが可能である。また、適切なバッファ層を搭載
した81基板等の半導体基板も下地基板として使用する
ことができる。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが
、以下の開示は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の技
術的範囲を何ら限定するものではない。
実施例 第1図は、本発明に係る超電導素子の具体的な構成例を
示す図である。
同図に示すように、この素子は、基板10上とその基板
10上に形成された化合物薄膜20とから主に構成され
ており、化合物薄膜20中の特定の領域は、酸素導入領
域30となっている。即ち、酸素導入領域30は、超電
導電極領域30b、30cでは、酸素イオンを注入され
た注入領域を形成しており、弱結合極領域30aでは、
酸素を導入されて薄い超電導領域を形成している。
ここで、この素子における化合物薄膜20は、それ自体
は超電導体ではないが、酸素イオンを注入することによ
って酸化物超電導体となるような化合物により形成され
ている。従って、この化合物薄膜20に対して、適切な
量の酸素を導入することにより形成された酸素導入領域
30は超電導体となっている。尚、このような化合物と
しては、意図的に酸素含有量を不足させた酸化物超電導
材料を使用すればよい。
第2図(a)〜(f)は、本発明に係る超電導素子の作
製過程を工程毎に示す図である。尚、本実施例では、酸
化物超電導材料としてY −Ba−Cu系の複合酸化物
超電導材料を使用するものとする。
第2図(a)に示すような平坦な基板lを用意する。
本実施例では、基板1としてAlga(100)基板を
使用したが、他にもCdNdA]04  (001)基
板等を好ましく使用することができる。このような基板
を使用することにより、基板lの表面と平行な方向に臨
界電流密度が大きい、C軸配向した酸化物超電導薄膜を
基板上に成長させることができる。
上述のような基板1に対して、第2図ら)に示すように
、化合物薄膜2を成膜する。ここで成膜される化合物薄
膜2は、Y−8a−Cuの複合酸化物であるが、意図的
に酸素含有量が不足させられており、それ自体は冷却し
ても超電導体にはならない。
尚、このような化合物薄膜2は、例えばオファクシスス
バッタリング法や反応性蒸着法により成膜することがで
きる。本実施例では、10PaのArベースのガス雰囲
気の下で、オファクシススバッタリング法により成膜し
た。基板温度は700℃とした。
次に、第2図(C)に示すように、化合物薄膜2上に、
所定のパターンでレジスト層4を形成する。
このレジスト層4は、後述する酸素イオン注入工程にふ
いて、弱結合領域に対する酸素イオン注入量を抑制する
目的で使用する。
続いて、第2図(d)に示すように、反応性イオンエツ
チングまたはアルゴンガスによるイオンミリング等の異
方性エツチング加工により、化合物薄膜2の表面に僅か
な溝2aを形成する。尚、ここで化合物薄膜2に溝2a
を形成するのは、後述するように、弱結合部の形状をシ
ャープにするためである。従って、エツチングにより浅
い段差を制御性よく形成することができるのならば、弱
結合部のみを残して一様にエツチングしてもよい。
以上のような前工程の後に、第2図(e)に示すように
、中央のレジスト層4aを残してレジスト層4を除去し
た後、化合物薄膜2の上方から深く酸素イオン注入を行
う。このとき形成される酸素イオン注入領域3は、同図
に示すように、後に超電導電極領域となる両側部では、
化合物薄膜2の厚さの略全部に形成される。一方、レジ
スト層4aによってマスクされた中央部には、酸素イオ
ン注入領域は形成されない。
次に、第2図(f)に示すように、レジスト層4aを除
去した後に酸素雰囲気中でアニール処理することにより
、酸素イオン注入領域3が拡大すると共に、前の工程で
はレジスト層4aにマスクされていた領域に対して、雰
囲気中の酸素が導入される。このとき、化合物薄膜2内
では、酸素は水平方向に拡散し易いので、前工程でエツ
チングにより形成された溝2aの側面から取り込まれた
酸素が水平に拡散し、やがて、この拡散領域が両酸素イ
オン注入領域3を結合して弱結合を形成する。
このような処理により、同図に示すように、酸素イオン
が深く注入された1対の超電導電極領域3b、3Cと、
酸素が導入されて水平に拡散した弱結合領域3aとが形
成される。尚、この熱処理は、400℃で行い、最終的
に得られた超電導素子の弱結合領域3aにおける超電導
層の実効的な厚さは5〜lOnm程度となっていた。
以上のようにして、第1図に示したような本発明に係る
超電導素子が完成する。
発明の詳細 な説明したように、本発明に係る超電導素子は、超電導
薄膜の一部分を物理的に加工して弱結合を形成するので
はなく、酸素の取り込みにより形成される所望の厚さの
超電導体により構成されている。従って、その作製には
、特定領域に対する超微細加工が不要であると同時に、
工数も少なく生産性が高い。
また、本発明に係る超電導素子は、その独特の構成によ
り、作製時に既に素子の表面が平坦化されているので集
積回路素子として扱い易い。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係る超電導素子の具体的な構成例を
示す図であり、 第2図(a)〜(f)は、本発明に係る超電導素子の作
製過程を工程毎に示す図であり、 第3図(a)および(b)は、従来のブレーナ型ジョセ
フソン素子の典型的な構成を示す図である。 〔主な参照番号〕 1.10.11・・・基板、 2.20・・・化合物薄膜(非超電導体)、2a・・・
溝、 3・・・酸素イオン注入領域(超電導体)、4・・・レ
ジスト層、 21・・・酸化物超電導薄膜、 3a、21a、30a・・・弱結合領域、3 b、 3
 c、 21b、 21’c。 30・・・酸素導入領域(超電導体)、30b、30C
・・・超電導電極領域 特許出願人  住友電気工業株式会社

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)充分に厚い酸化物超電導薄膜により形成された1
    対の超電導電極領域と、該1対の超電導電極領域を弱く
    結合する薄い超電導薄膜により形成された弱結合領域と
    を基板の同一面上に搭載してなる超電導素子でっあて、 酸素イオンを注入することによって酸化物超電導体化す
    ることができる化合物を材料として該基板上に形成され
    た化合物薄膜と、該化合物薄膜に酸素イオンを注入して
    形成された1対の超電導電極領域と、該化合物薄膜に酸
    素を導入して該1対の超電導電極領域を互いに弱く結合
    するように形成された弱結合領域とを備えることを特徴
    とする超電導素子。
  2. (2)請求項1に記載された超電導素子を作製する方法
    であって、 前記基板の成膜面上に、酸素イオンを注入することによ
    り酸化物超電導体化することができる化合物により薄膜
    を形成する工程と、 該薄膜に対して、前記超電導電極領域に酸素イオンを注
    入する工程と、 前記弱結合領域に酸素を導入する工程と を含むことを特徴とする超電導素子の作製方法。
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EP91402594A EP0478464B1 (en) 1990-09-27 1991-09-27 Method for manufacturing a superconducting device having an extremely thin superconducting channel formed of oxide superconductor material
CA002052380A CA2052380C (en) 1990-09-27 1991-09-27 Superconducting device having an extremely thin superconducting channel formed of oxide superconductor material and method for manufacturing the same
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6465886A (en) * 1987-09-07 1989-03-13 Sumitomo Electric Industries Manufacture of high-tenperature superconducting device
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JPH02234479A (ja) * 1989-03-07 1990-09-17 Nec Corp 超伝導素子とその製造方法

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