JPH06196763A - サブミクロン面積のエッジ接合を利用した弱接合型ジョセフソン素子の製造方法 - Google Patents
サブミクロン面積のエッジ接合を利用した弱接合型ジョセフソン素子の製造方法Info
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- JPH06196763A JPH06196763A JP4304877A JP30487792A JPH06196763A JP H06196763 A JPH06196763 A JP H06196763A JP 4304877 A JP4304877 A JP 4304877A JP 30487792 A JP30487792 A JP 30487792A JP H06196763 A JPH06196763 A JP H06196763A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 DC-SQUIDの作製等に好適に利用し得る優れた
特性を有する弱接合型ジョセフソン素子が容易に得られ
るようにする。 【構成】 基板２０にベース電極となるニオブまたはニ
オブ化合物層２４と絶縁層２６を積層して形成し、反応
性イオンエッチング法によりニオブまたはニオブ化合物
層２４および絶縁層２６をエッチングしてエッジ部を形
成し、該エッジ部に絶縁薄膜３２と対向電極３４をこの
順に積層して形成した後、ニオブまたはニオブ化合物層
２４のベース電極と対向電極３４が超伝導となる温度下
で前記ベース電極と前記対向電極との間に電圧を印加す
ることにより、絶縁薄膜３２中に存在するボイド内に前
記ベース電極あるいは対向電極の金属原子を電界蒸発さ
せて前記ベース電極と前記対向電極との間を電気的に連
絡するナノメートルサイズの金属ブリッジ３６を形成す
る。
特性を有する弱接合型ジョセフソン素子が容易に得られ
るようにする。 【構成】 基板２０にベース電極となるニオブまたはニ
オブ化合物層２４と絶縁層２６を積層して形成し、反応
性イオンエッチング法によりニオブまたはニオブ化合物
層２４および絶縁層２６をエッチングしてエッジ部を形
成し、該エッジ部に絶縁薄膜３２と対向電極３４をこの
順に積層して形成した後、ニオブまたはニオブ化合物層
２４のベース電極と対向電極３４が超伝導となる温度下
で前記ベース電極と前記対向電極との間に電圧を印加す
ることにより、絶縁薄膜３２中に存在するボイド内に前
記ベース電極あるいは対向電極の金属原子を電界蒸発さ
せて前記ベース電極と前記対向電極との間を電気的に連
絡するナノメートルサイズの金属ブリッジ３６を形成す
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は超伝導量子干渉型デバイ
ス（ＳＱＵＩＤ：Superconducting QuantumInterferenc
e Device)等の製造に利用できるサブミクロン面積のエ
ッジ接合を利用した弱接合型ジョセフソン素子の製造方
法に関する。
ス（ＳＱＵＩＤ：Superconducting QuantumInterferenc
e Device)等の製造に利用できるサブミクロン面積のエ
ッジ接合を利用した弱接合型ジョセフソン素子の製造方
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ジョセフソン素子は２個の超伝導体ある
いは超伝導薄膜を弱く結合して構成したものであるが、
形態としてトンネル型、弱接合型（ブリッジ型）、近接
効果型、ポイントコンタクト型等がある。ジョセフソン
素子は磁束に敏感で磁束計に利用される。超伝導量子干
渉型デバイス（DC-SQUID）は導電性のループ内に２つの
ジョセフソン素子を形成したもので、きわめて高感度の
磁束計として利用される。図３はDC-SQUIDの概略構成を
示す。図で５はループ、６、７はジョセフソン素子であ
る。ループ５を貫く外部磁場によってジョセフソン結合
素子６、７を横切る電子の干渉が影響を受けこれによっ
て磁気検出する。DC-SQUIDの電流−電圧特性は外部磁束
に対して周期的に変動し、その周期はΦ0 ＝2.07×10
-15 Ｗｂという極めて微小な磁束量である。したがっ
て、この性質を利用することによりきわめて高感度の磁
束計測を行うことができる。
いは超伝導薄膜を弱く結合して構成したものであるが、
形態としてトンネル型、弱接合型（ブリッジ型）、近接
効果型、ポイントコンタクト型等がある。ジョセフソン
素子は磁束に敏感で磁束計に利用される。超伝導量子干
渉型デバイス（DC-SQUID）は導電性のループ内に２つの
ジョセフソン素子を形成したもので、きわめて高感度の
磁束計として利用される。図３はDC-SQUIDの概略構成を
示す。図で５はループ、６、７はジョセフソン素子であ
る。ループ５を貫く外部磁場によってジョセフソン結合
素子６、７を横切る電子の干渉が影響を受けこれによっ
て磁気検出する。DC-SQUIDの電流−電圧特性は外部磁束
に対して周期的に変動し、その周期はΦ0 ＝2.07×10
-15 Ｗｂという極めて微小な磁束量である。したがっ
て、この性質を利用することによりきわめて高感度の磁
束計測を行うことができる。
【０００３】図４は超伝導膜のエッジを利用したトンネ
ル型のジョセフソン素子を製作する従来例を示す。エッ
ジトンネル型のジョセフソン素子は積層した膜のエッジ
部を利用することによって弱接合部の面積を微細に形成
できるという特徴がある。これはDC-SQUIDの高感度化や
ジョセフソン素子部分での磁束トラップの軽減に有用で
ある。図４はNbN/MgO/NbN によってエッジトンネル型ジ
ョセフソン素子を形成したもので、まず、窒化ニオブ層
８および接続用電極としてアルミニウム９を蒸着した後
(a) 、窒化ニオブ層８を保護するためのアルミナ膜１０
を形成し(b) 、窒化ニオブ層８をエッチングしてエッジ
を形成し(c) 、最後に酸化マグネシウムの絶縁薄膜と窒
化ニオブの対向電極１１を形成する(d) 。窒化ニオブ層
８はベース電極であり対向電極１１との間で酸化マグネ
シウムの絶縁薄膜１２を挟むことによってこの部分でエ
ッジトンネル型素子１３を構成する。
ル型のジョセフソン素子を製作する従来例を示す。エッ
ジトンネル型のジョセフソン素子は積層した膜のエッジ
部を利用することによって弱接合部の面積を微細に形成
できるという特徴がある。これはDC-SQUIDの高感度化や
ジョセフソン素子部分での磁束トラップの軽減に有用で
ある。図４はNbN/MgO/NbN によってエッジトンネル型ジ
ョセフソン素子を形成したもので、まず、窒化ニオブ層
８および接続用電極としてアルミニウム９を蒸着した後
(a) 、窒化ニオブ層８を保護するためのアルミナ膜１０
を形成し(b) 、窒化ニオブ層８をエッチングしてエッジ
を形成し(c) 、最後に酸化マグネシウムの絶縁薄膜と窒
化ニオブの対向電極１１を形成する(d) 。窒化ニオブ層
８はベース電極であり対向電極１１との間で酸化マグネ
シウムの絶縁薄膜１２を挟むことによってこの部分でエ
ッジトンネル型素子１３を構成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、金属ブリッ
ジをもつ弱接合型ジョセフソン素子の場合は弱接合部
（超伝導性が左右で弱くつながる部分）の寸法（長さ、
幅、膜厚）を超伝導コヒーレンス長（Nbでは4.2Kで10ナ
ノメートル、NbN では4 〜5 ナノメートル) の３〜５倍
以下に微細化する加工技術（ナノメートルパターニング
技術）が必要である。また、たとえばトンネル型ジョセ
フソン素子の場合には、トンネルバリア厚を0.1 ナノメ
ートル程度で制御する必要があり、きわめて難しい技術
となっている。このように超伝導量子干渉型デバイスの
製作には高度の加工技術が要求され、これが普及が遅れ
る原因になっている。DC-SQUIDの製作においても同様で
あり、従来のトンネル型のジョセフソン素子を用いたも
のでは絶縁薄膜（トンネルバリア層）の厚さが約〜１ナ
ノメートル程度のきわめて薄い膜を使用しているが、膜
厚が0.5 ナノメートル程度変動するだけで臨界電流密度
が１桁もばらついてしまうため、トンネルバリア層の厚
さを0.1 ナノメートル程度で制御しなければならず、ト
ンネル型ジョセフソン素子によるDC-SQUIDの製作におけ
る技術上の一つの問題点となっている。
ジをもつ弱接合型ジョセフソン素子の場合は弱接合部
（超伝導性が左右で弱くつながる部分）の寸法（長さ、
幅、膜厚）を超伝導コヒーレンス長（Nbでは4.2Kで10ナ
ノメートル、NbN では4 〜5 ナノメートル) の３〜５倍
以下に微細化する加工技術（ナノメートルパターニング
技術）が必要である。また、たとえばトンネル型ジョセ
フソン素子の場合には、トンネルバリア厚を0.1 ナノメ
ートル程度で制御する必要があり、きわめて難しい技術
となっている。このように超伝導量子干渉型デバイスの
製作には高度の加工技術が要求され、これが普及が遅れ
る原因になっている。DC-SQUIDの製作においても同様で
あり、従来のトンネル型のジョセフソン素子を用いたも
のでは絶縁薄膜（トンネルバリア層）の厚さが約〜１ナ
ノメートル程度のきわめて薄い膜を使用しているが、膜
厚が0.5 ナノメートル程度変動するだけで臨界電流密度
が１桁もばらついてしまうため、トンネルバリア層の厚
さを0.1 ナノメートル程度で制御しなければならず、ト
ンネル型ジョセフソン素子によるDC-SQUIDの製作におけ
る技術上の一つの問題点となっている。
【０００５】また、DC-SQUIDの場合はループ内に一対の
ジョセフソン素子をつくるが、このDC-SQUIDの感度はル
ープインダクタンスＬs および素子容量Ｃが小さいほど
高くなることが知られている。ここで、ループインダク
タンスＬs は検出コイル系との磁束伝達効率を保つため
任意には小さくできない。したがって、感度を上げるた
めには素子容量Ｃを小さくしなければならない。この素
子容量Ｃはトンネル型のジョセフソン素子の場合、対向
電極面積Ａ、面間隔ｄとするとＡ／ｄに依存するから、
素子容量を小さくするには電極面積Ａを小さくし面間隔
(トンネルバリア層の厚さ) ｄを大きくすればよい。し
かしながら、トンネル型ジョセフソン素子の場合はトン
ネル効果による特性を得るため面間隔ｄを1 〜2 ナノメ
ートル程度より大きくすることは不可能である。そこ
で、従来のDC-SQUIDでは〜1 ナノメートル程度の薄い絶
縁薄膜を使用してジョセフソン素子を形成しているが、
この薄膜形成技術は容易ではなく、工業上はよりシンプ
ルな素子作製法が望ましい。
ジョセフソン素子をつくるが、このDC-SQUIDの感度はル
ープインダクタンスＬs および素子容量Ｃが小さいほど
高くなることが知られている。ここで、ループインダク
タンスＬs は検出コイル系との磁束伝達効率を保つため
任意には小さくできない。したがって、感度を上げるた
めには素子容量Ｃを小さくしなければならない。この素
子容量Ｃはトンネル型のジョセフソン素子の場合、対向
電極面積Ａ、面間隔ｄとするとＡ／ｄに依存するから、
素子容量を小さくするには電極面積Ａを小さくし面間隔
(トンネルバリア層の厚さ) ｄを大きくすればよい。し
かしながら、トンネル型ジョセフソン素子の場合はトン
ネル効果による特性を得るため面間隔ｄを1 〜2 ナノメ
ートル程度より大きくすることは不可能である。そこ
で、従来のDC-SQUIDでは〜1 ナノメートル程度の薄い絶
縁薄膜を使用してジョセフソン素子を形成しているが、
この薄膜形成技術は容易ではなく、工業上はよりシンプ
ルな素子作製法が望ましい。
【０００６】本発明は上記問題点を解消すべくなされた
ものであり、その目的とするところは、良好な特性を有
し、かつ再現性に優れた弱接合型ジョセフソン素子を好
適に作製することができ、DC-SQUID等のデバイスにも好
適に利用できるサブミクロン面積のエッジ接合を利用し
た弱接合型ジョセフソン素子の製造方法を提供するにあ
る。
ものであり、その目的とするところは、良好な特性を有
し、かつ再現性に優れた弱接合型ジョセフソン素子を好
適に作製することができ、DC-SQUID等のデバイスにも好
適に利用できるサブミクロン面積のエッジ接合を利用し
た弱接合型ジョセフソン素子の製造方法を提供するにあ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため次の構成を備える。すなわち、弱接合型ジョセ
フソン素子の製造方法において、基板にベース電極とな
るニオブまたはニオブ化合物層と絶縁層を積層して形成
し、反応性イオンエッチング法により前記ニオブまたは
ニオブ化合物層および前記絶縁層をエッチングしてエッ
ジ部を形成し、該エッジ部に絶縁薄膜と対向電極をこの
順に積層して形成した後、前記ニオブまたはニオブ化合
物層のベース電極と前記対向電極が超伝導となる温度下
で前記ベース電極と前記対向電極との間に電圧を印加す
ることにより、前記絶縁薄膜中に存在するボイド内に前
記ベース電極あるいは対向電極の金属原子を電界蒸発さ
せて前記ベース電極と前記対向電極との間を電気的に連
絡するナノメートルサイズの金属ブリッジを形成するこ
とを特徴とする。また、前記基板にニオブ化合物として
窒化ニオブ層を、絶縁層として窒化シリコン層を積層し
て形成し、酸素ガスとＣＦ4 ガスとの混合ガスを使用し
た反応性イオンエッチング法により前記窒化ニオブ層お
よび前記絶縁層のエッジ端面を基板に対して斜めにエッ
チングしてエッジ部を形成することを特徴とする。
するため次の構成を備える。すなわち、弱接合型ジョセ
フソン素子の製造方法において、基板にベース電極とな
るニオブまたはニオブ化合物層と絶縁層を積層して形成
し、反応性イオンエッチング法により前記ニオブまたは
ニオブ化合物層および前記絶縁層をエッチングしてエッ
ジ部を形成し、該エッジ部に絶縁薄膜と対向電極をこの
順に積層して形成した後、前記ニオブまたはニオブ化合
物層のベース電極と前記対向電極が超伝導となる温度下
で前記ベース電極と前記対向電極との間に電圧を印加す
ることにより、前記絶縁薄膜中に存在するボイド内に前
記ベース電極あるいは対向電極の金属原子を電界蒸発さ
せて前記ベース電極と前記対向電極との間を電気的に連
絡するナノメートルサイズの金属ブリッジを形成するこ
とを特徴とする。また、前記基板にニオブ化合物として
窒化ニオブ層を、絶縁層として窒化シリコン層を積層し
て形成し、酸素ガスとＣＦ4 ガスとの混合ガスを使用し
た反応性イオンエッチング法により前記窒化ニオブ層お
よび前記絶縁層のエッジ端面を基板に対して斜めにエッ
チングしてエッジ部を形成することを特徴とする。
【０００８】
【作用】基板に形成したニオブまたはニオブ化合物層と
絶縁層を反応性イオンエッチング法によりエッチングす
ることによって好適なエッジ部が形成でき、該エッジ部
に絶縁薄膜と対向電極を形成した後、電界蒸発の手段に
よってナノメートルサイズの金属ブリッジを形成するこ
とによってサブミクロン面積を有するエッジジャンクシ
ョンが容易に形成できる。基板に窒化ニオブ層と窒化シ
リコン層を設けて酸素ガスとＣＦ4 ガスとの混合ガスを
使用した反応性イオンエッチング法によってエッチング
することによって効果的な斜めエッチングがなされ、エ
ッジジャンクション部の形成がさらに効果的になされ
る。
絶縁層を反応性イオンエッチング法によりエッチングす
ることによって好適なエッジ部が形成でき、該エッジ部
に絶縁薄膜と対向電極を形成した後、電界蒸発の手段に
よってナノメートルサイズの金属ブリッジを形成するこ
とによってサブミクロン面積を有するエッジジャンクシ
ョンが容易に形成できる。基板に窒化ニオブ層と窒化シ
リコン層を設けて酸素ガスとＣＦ4 ガスとの混合ガスを
使用した反応性イオンエッチング法によってエッチング
することによって効果的な斜めエッチングがなされ、エ
ッジジャンクション部の形成がさらに効果的になされ
る。
【０００９】
【実施例】以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基
づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るサブミクロ
ン面積のエッジ接合を利用した弱接合型ジョセフソン素
子の製造方法を示す説明図である。まず、図１(1) に示
すように、シリコン基板２０上に酸化マグネシウム層２
２を成膜し、次に、反応性スパッタリング法によって窒
化ニオブ層２４と窒化シリコン層２６をこの順に成膜す
る。酸化マグネシウム層２２の膜厚は約20nm、窒化ニオ
ブ層２４の膜厚は約100nm 、窒化シリコンの膜厚は約10
0nm である。窒化ニオブ層２４はベース電極となるもの
であり、窒化シリコン層は絶縁層として設けたものであ
る。これら酸化マグネシウム層２２、窒化ニオブ層２
４、窒化シリコン層２６の成膜は同一の真空槽内で連続
的に行うことができ、効率的な操作で処理をすることが
できる。
づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るサブミクロ
ン面積のエッジ接合を利用した弱接合型ジョセフソン素
子の製造方法を示す説明図である。まず、図１(1) に示
すように、シリコン基板２０上に酸化マグネシウム層２
２を成膜し、次に、反応性スパッタリング法によって窒
化ニオブ層２４と窒化シリコン層２６をこの順に成膜す
る。酸化マグネシウム層２２の膜厚は約20nm、窒化ニオ
ブ層２４の膜厚は約100nm 、窒化シリコンの膜厚は約10
0nm である。窒化ニオブ層２４はベース電極となるもの
であり、窒化シリコン層は絶縁層として設けたものであ
る。これら酸化マグネシウム層２２、窒化ニオブ層２
４、窒化シリコン層２６の成膜は同一の真空槽内で連続
的に行うことができ、効率的な操作で処理をすることが
できる。
【００１０】次に、エッジ接合部を形成するため、図１
(2) に示すように窒化シリコン層２６および窒化ニオブ
層２４をエッジ端面が基板に対して斜めになるようにエ
ッチングする。エッチングに際してはあらかじめ窒化シ
リコン層２６の上面にレジストパターンを設け、レジス
トをマスクとしエッチングガスにＣＦ4 ＋10％Ｏ2 を使
用して反応性イオンエッチング法によりエッチングす
る。窒化シリコンおよび窒化ニオブはＣＦ4 ガスと酸素
ガスを混合したエッチングガスに対してともにほぼ同じ
エッチング速度を有するという特徴があり、これによっ
て端面が斜めにエッチングされる。窒化シリコンおよび
窒化ニオブの組み合わせはこのような反応性イオンエッ
チングによる斜めエッチングに好適である。このエッチ
ング方法はエッジ接合を有するジョセフソン素子の製作
にも有効に利用できる。また、エッチングガス中の酸素
分圧を変えることによってエッジ端面の傾斜角度を変え
ることが可能である。
(2) に示すように窒化シリコン層２６および窒化ニオブ
層２４をエッジ端面が基板に対して斜めになるようにエ
ッチングする。エッチングに際してはあらかじめ窒化シ
リコン層２６の上面にレジストパターンを設け、レジス
トをマスクとしエッチングガスにＣＦ4 ＋10％Ｏ2 を使
用して反応性イオンエッチング法によりエッチングす
る。窒化シリコンおよび窒化ニオブはＣＦ4 ガスと酸素
ガスを混合したエッチングガスに対してともにほぼ同じ
エッチング速度を有するという特徴があり、これによっ
て端面が斜めにエッチングされる。窒化シリコンおよび
窒化ニオブの組み合わせはこのような反応性イオンエッ
チングによる斜めエッチングに好適である。このエッチ
ング方法はエッジ接合を有するジョセフソン素子の製作
にも有効に利用できる。また、エッチングガス中の酸素
分圧を変えることによってエッジ端面の傾斜角度を変え
ることが可能である。
【００１１】次いで、図１(3) に示すように、さらに窒
化シリコン２８と酸化マグネシウム３０を成膜して、エ
ッジ接合を形成する部分に窓を形成する。窓幅は約２μ
m とし、これにより実際に弱接合型ジョセフソン素子を
つくるためのエッジ接合面積（幅×膜厚）はおよそ0.2
μm2となる。次に、窒化ニオブ層２４と窒化シリコン層
２６のエッジ部をスパッタリングによってクリーニング
した後、図１(4) に示すように酸化マグネシウム層３２
とニオブ層３４をスパッタリングによって成膜する。酸
化マグネシウム層３２の膜厚は約10nm、ニオブ層３４の
膜厚は約400nm である。こうして、窒化ニオブ層２４／
酸化マグネシウム層３２／ニオブ層３４からなるエッッ
ジ接合部が形成される。酸化マグネシウム層３２が絶縁
薄膜、窒化ニオブ層２４がベース電極、ニオブ層３４が
対向電極である。
化シリコン２８と酸化マグネシウム３０を成膜して、エ
ッジ接合を形成する部分に窓を形成する。窓幅は約２μ
m とし、これにより実際に弱接合型ジョセフソン素子を
つくるためのエッジ接合面積（幅×膜厚）はおよそ0.2
μm2となる。次に、窒化ニオブ層２４と窒化シリコン層
２６のエッジ部をスパッタリングによってクリーニング
した後、図１(4) に示すように酸化マグネシウム層３２
とニオブ層３４をスパッタリングによって成膜する。酸
化マグネシウム層３２の膜厚は約10nm、ニオブ層３４の
膜厚は約400nm である。こうして、窒化ニオブ層２４／
酸化マグネシウム層３２／ニオブ層３４からなるエッッ
ジ接合部が形成される。酸化マグネシウム層３２が絶縁
薄膜、窒化ニオブ層２４がベース電極、ニオブ層３４が
対向電極である。
【００１２】図１(4) のようにエッジ接合部を形成した
後、試料を液体ヘリウム中に浸漬し、図１(5) に示すよ
うにベース電極Ａと対向電極Ｂとの間にパルス電圧を印
加して絶縁薄膜の酸化マグネシウム層３２中にナノメー
トルサイズの金属ブリッジ３６を形成する。この電圧印
加によってナノメートルサイズの金属ブリッジを形成す
る方法は金属原子の電界蒸発を利用するもので、電極間
に107 〜109 Ｖ／cm程度の電界をかけることにより、対
向電極のニオブあるいはベース電極の窒化ニオブを電界
蒸発させ、絶縁薄膜中にナノメートルサイズの金属ブリ
ッジを生成させることができる。蒸発したニオブあるい
は窒化ニオブは絶縁薄膜である酸化マグネシウム層３２
中にあるボイド内に堆積・成長し他方の電極まで通じて
電極間を電気的に連絡する。絶縁薄膜の酸化マグネシウ
ム層３２はスパッタリング法によって成膜した際に膜中
に自然に微細なボイドが形成される。上記の電界蒸発法
はこの成膜時に形成されるボイドを利用してナノメート
ルサイズの金属ブリッジを形成するものである。したが
って、絶縁薄膜は電気的絶縁性を有する素材であればと
くに物質は限定されず、酸化アルミニウム等も使用でき
る。
後、試料を液体ヘリウム中に浸漬し、図１(5) に示すよ
うにベース電極Ａと対向電極Ｂとの間にパルス電圧を印
加して絶縁薄膜の酸化マグネシウム層３２中にナノメー
トルサイズの金属ブリッジ３６を形成する。この電圧印
加によってナノメートルサイズの金属ブリッジを形成す
る方法は金属原子の電界蒸発を利用するもので、電極間
に107 〜109 Ｖ／cm程度の電界をかけることにより、対
向電極のニオブあるいはベース電極の窒化ニオブを電界
蒸発させ、絶縁薄膜中にナノメートルサイズの金属ブリ
ッジを生成させることができる。蒸発したニオブあるい
は窒化ニオブは絶縁薄膜である酸化マグネシウム層３２
中にあるボイド内に堆積・成長し他方の電極まで通じて
電極間を電気的に連絡する。絶縁薄膜の酸化マグネシウ
ム層３２はスパッタリング法によって成膜した際に膜中
に自然に微細なボイドが形成される。上記の電界蒸発法
はこの成膜時に形成されるボイドを利用してナノメート
ルサイズの金属ブリッジを形成するものである。したが
って、絶縁薄膜は電気的絶縁性を有する素材であればと
くに物質は限定されず、酸化アルミニウム等も使用でき
る。
【００１３】なお、上記実施例においては基板側に形成
するベース電極として窒化ニオブを使用したが、窒化ニ
オブのかわりに炭化ニオブ等の他のニオブ化合物も使用
でき、対向電極で使用したようにニオブ金属も使用でき
る。また、実施例では接合部のエッジ端面を斜めにエッ
チングするため窒化ニオブ層と窒化シリコン層を設けた
が、窒化シリコンのかわりにSiO2、SiO 等の他の電気的
絶縁性を有する材料を使用することが可能である。な
お、図１(5) に示すようにナノメートルサイズの金属ブ
リッジを形成するためベース電極と対向電極間にパルス
電圧をかける際は対向電極のニオブ層３４をプラス側と
する方が電子の平均自由行程の関係でよりよい SQUIDが
作製できるが、実用上はどちらの極性で使うことも可能
である。。ただし、ベース電極としてニオブ金属を使用
した場合は極性はどちらでも良好なデバイスが作製でき
る。
するベース電極として窒化ニオブを使用したが、窒化ニ
オブのかわりに炭化ニオブ等の他のニオブ化合物も使用
でき、対向電極で使用したようにニオブ金属も使用でき
る。また、実施例では接合部のエッジ端面を斜めにエッ
チングするため窒化ニオブ層と窒化シリコン層を設けた
が、窒化シリコンのかわりにSiO2、SiO 等の他の電気的
絶縁性を有する材料を使用することが可能である。な
お、図１(5) に示すようにナノメートルサイズの金属ブ
リッジを形成するためベース電極と対向電極間にパルス
電圧をかける際は対向電極のニオブ層３４をプラス側と
する方が電子の平均自由行程の関係でよりよい SQUIDが
作製できるが、実用上はどちらの極性で使うことも可能
である。。ただし、ベース電極としてニオブ金属を使用
した場合は極性はどちらでも良好なデバイスが作製でき
る。
【００１４】本発明方法のエッジ接合を利用した弱接合
型ジョセフソン素子の製造方法は超伝導量子干渉型デバ
イス（DC-SQUID) の作成に好適に使用できる。すなわ
ち、超伝導ループ内に形成する２つのジョセフソン素子
に上記方法を適用することによって好適なデバイスを形
成することができる。実際には、上記製造方法にしたが
って同一の真空槽内で成膜等を行って一対のジョセフソ
ン素子を形成することによって得られる。ナノメートル
サイズの金属ブリッジを形成する場合には、一対のジョ
セフソン素子のエッジ部に共通に電圧パルスを印加する
ことによって行う。これによって、２つのエッジ部の絶
縁薄膜に同じように、かつ同時にナノメートルサイズの
金属ブリッジを形成させることができる。
型ジョセフソン素子の製造方法は超伝導量子干渉型デバ
イス（DC-SQUID) の作成に好適に使用できる。すなわ
ち、超伝導ループ内に形成する２つのジョセフソン素子
に上記方法を適用することによって好適なデバイスを形
成することができる。実際には、上記製造方法にしたが
って同一の真空槽内で成膜等を行って一対のジョセフソ
ン素子を形成することによって得られる。ナノメートル
サイズの金属ブリッジを形成する場合には、一対のジョ
セフソン素子のエッジ部に共通に電圧パルスを印加する
ことによって行う。これによって、２つのエッジ部の絶
縁薄膜に同じように、かつ同時にナノメートルサイズの
金属ブリッジを形成させることができる。
【００１５】上記のように各々のエッジ部に共通に電圧
パルスを印加し電界蒸発によってナノメートルサイズの
金属ブリッジを形成する場合には、それぞれの接合部で
多数本のナノメートルサイズの金属ブリッジがバランス
して生成され、デバイス特性( 臨界電流など) の自動調
整機構が作用するという大きな特徴を有する。すなわ
ち、電圧を徐々に印加していくことによるナノメートル
サイズの金属ブリッジの生成と、ジュールヒーティング
による破壊がバランスして各々のエッジ接合部に形成さ
れるナノメートルサイズの金属ブリッジがバランスしな
がら形成されていく。この自動調整機構を利用すること
によって、２つの特性のそろったジョセフソン素子を有
するDC-SQUIDを容易に得ることが可能になる。このよう
に特性が揃ったジョセフソン素子が得られることはデバ
イスの特性上きわめて有効である。
パルスを印加し電界蒸発によってナノメートルサイズの
金属ブリッジを形成する場合には、それぞれの接合部で
多数本のナノメートルサイズの金属ブリッジがバランス
して生成され、デバイス特性( 臨界電流など) の自動調
整機構が作用するという大きな特徴を有する。すなわ
ち、電圧を徐々に印加していくことによるナノメートル
サイズの金属ブリッジの生成と、ジュールヒーティング
による破壊がバランスして各々のエッジ接合部に形成さ
れるナノメートルサイズの金属ブリッジがバランスしな
がら形成されていく。この自動調整機構を利用すること
によって、２つの特性のそろったジョセフソン素子を有
するDC-SQUIDを容易に得ることが可能になる。このよう
に特性が揃ったジョセフソン素子が得られることはデバ
イスの特性上きわめて有効である。
【００１６】上記実施例におけるナノメートルサイズの
金属ブリッジを形成する方法で電極間に印加するパルス
電圧は20Ｖ以下である。この印加するパルス電圧は実際
にDC-SQUIDを作動させる際に外部から突発的に侵入して
くることが考えられるサージ電圧を考えると、デバイス
形成電圧以下のサージ電圧ではもはや特性は変わらない
わけであるから、サージ電圧耐性のよいDC-SQUIDを得る
ことができるという優れた効果もある。これは、たとえ
ばサブミクロン面積のトンネル型素子の場合、トンネル
バリア層がきわめて薄いため小さな電圧でも大きな電界
が加わり、破壊に至りやすいという事実を考慮すると大
きな利点である。図２は電極Ａ、Ｂ間に電圧を印加して
電界蒸発を行わせた際のDC-SQUIDの２つのジョセフソン
素子の臨界電流の変化を示すパラメータである。各電圧
で臨界電流２Ｉmax （磁束のないときの臨界電流）、２
Ｉmin （(1/2) 磁束量子（(1/2)Φ0 ）加えたときの臨
界電流）の値を比較して示す。電界強度を徐々に上げて
いくと、物性のバランスの良いDC-SQUIDが形成されてい
ることがよくわかる。
金属ブリッジを形成する方法で電極間に印加するパルス
電圧は20Ｖ以下である。この印加するパルス電圧は実際
にDC-SQUIDを作動させる際に外部から突発的に侵入して
くることが考えられるサージ電圧を考えると、デバイス
形成電圧以下のサージ電圧ではもはや特性は変わらない
わけであるから、サージ電圧耐性のよいDC-SQUIDを得る
ことができるという優れた効果もある。これは、たとえ
ばサブミクロン面積のトンネル型素子の場合、トンネル
バリア層がきわめて薄いため小さな電圧でも大きな電界
が加わり、破壊に至りやすいという事実を考慮すると大
きな利点である。図２は電極Ａ、Ｂ間に電圧を印加して
電界蒸発を行わせた際のDC-SQUIDの２つのジョセフソン
素子の臨界電流の変化を示すパラメータである。各電圧
で臨界電流２Ｉmax （磁束のないときの臨界電流）、２
Ｉmin （(1/2) 磁束量子（(1/2)Φ0 ）加えたときの臨
界電流）の値を比較して示す。電界強度を徐々に上げて
いくと、物性のバランスの良いDC-SQUIDが形成されてい
ることがよくわかる。
【００１７】本発明方法によって得られるジョセフソン
素子は絶縁薄膜中にナノメートルサイズの金属ブリッジ
を形成して弱接合型のジョセフソン素子を形成したもの
であり、従来の膜のエッジを使ったトンネル型のジョセ
フソン素子とは構造的にも電気輸送機構的にもまったく
異なったものである。すなわち、本発明方法によれば絶
縁薄膜中にナノメートルサイズの金属ブリッジを形成す
る方法をとることによって従来の弱接合型素子で達成し
得なかった良好な物性と再現性が得られる。また、通常
のトンネル型のジョセフソン素子で使用する絶縁薄膜
（トンネルバリア層）の10倍程度の厚さで絶縁薄膜を形
成することが可能になった結果、デバイスを作製する際
の膜厚制御の厳しさが緩和されデバイスプロセス上の困
難さを解消することができる。また、絶縁薄膜の厚さが
厚くできることから素子容量Ｃでの面間隔ｄが大きくと
れ、素子容量Ｃを効果的に小さくすることができデバイ
スの感度を向上させることが可能になる。
素子は絶縁薄膜中にナノメートルサイズの金属ブリッジ
を形成して弱接合型のジョセフソン素子を形成したもの
であり、従来の膜のエッジを使ったトンネル型のジョセ
フソン素子とは構造的にも電気輸送機構的にもまったく
異なったものである。すなわち、本発明方法によれば絶
縁薄膜中にナノメートルサイズの金属ブリッジを形成す
る方法をとることによって従来の弱接合型素子で達成し
得なかった良好な物性と再現性が得られる。また、通常
のトンネル型のジョセフソン素子で使用する絶縁薄膜
（トンネルバリア層）の10倍程度の厚さで絶縁薄膜を形
成することが可能になった結果、デバイスを作製する際
の膜厚制御の厳しさが緩和されデバイスプロセス上の困
難さを解消することができる。また、絶縁薄膜の厚さが
厚くできることから素子容量Ｃでの面間隔ｄが大きくと
れ、素子容量Ｃを効果的に小さくすることができデバイ
スの感度を向上させることが可能になる。
【００１８】また、本発明方法ではエッジ部を形成する
ためベース電極や絶縁層を成膜し、反応性イオンエッチ
ングによってエッジ部を形成するが、これらの操作は同
一の真空槽内で行うことができ、デバイス作製を容易に
することができる。また、本発明方法をDC-SQUIDの製作
に適用することによって、特性のそろった弱接合型ジョ
セフソン素子を有するデバイスを容易に得ることがで
き、優れた特性を有するデバイスを得ることが可能にな
る。
ためベース電極や絶縁層を成膜し、反応性イオンエッチ
ングによってエッジ部を形成するが、これらの操作は同
一の真空槽内で行うことができ、デバイス作製を容易に
することができる。また、本発明方法をDC-SQUIDの製作
に適用することによって、特性のそろった弱接合型ジョ
セフソン素子を有するデバイスを容易に得ることがで
き、優れた特性を有するデバイスを得ることが可能にな
る。
【００１９】
【発明の効果】本発明に係るサブミクロン面積のエッジ
接合を利用した弱接合型ジョセフソン素子の製造方法に
よれば、上述したように、接合部のエッジ形成が好適に
なされ、金属原子の電界蒸発を利用してナノメートルサ
イズの金属ブリッジを形成することにより、優れた特性
を有する弱接合型ジョセフソン素子を得ることができ
る。また、基板に窒化ニオブ層と窒化シリコン層を設
け、酸素ガスとＣＦ4 ガスとの混合ガスを使用した反応
性イオンエッチング法を使用することによりエッジ部形
成が好適になされ、デバイスの作製がさらに好適にでき
る。また、本発明方法をDC-SQUIDの製造に利用すること
によって優れた特性のデバイスを容易に得ることができ
る等の著効を奏する。
接合を利用した弱接合型ジョセフソン素子の製造方法に
よれば、上述したように、接合部のエッジ形成が好適に
なされ、金属原子の電界蒸発を利用してナノメートルサ
イズの金属ブリッジを形成することにより、優れた特性
を有する弱接合型ジョセフソン素子を得ることができ
る。また、基板に窒化ニオブ層と窒化シリコン層を設
け、酸素ガスとＣＦ4 ガスとの混合ガスを使用した反応
性イオンエッチング法を使用することによりエッジ部形
成が好適になされ、デバイスの作製がさらに好適にでき
る。また、本発明方法をDC-SQUIDの製造に利用すること
によって優れた特性のデバイスを容易に得ることができ
る等の著効を奏する。
【図１】本発明に係る弱接合型ジョセフソン素子の作製
方法を示す説明図である。
方法を示す説明図である。
【図２】弱接合型ジョセフソン素子によるDC-SQUIDの特
性（臨界電流）のバランスの良さを示すグラフである。
性（臨界電流）のバランスの良さを示すグラフである。
【図３】DC-SQUIDの動作を説明する図である。
【図４】膜のエッジを利用したトンネル型ジョセフソン
素子の作製方法を示す説明図である。
素子の作製方法を示す説明図である。
５ ループ ６、７ ジョセフソン素子 ８ 窒化ニオブ層 ９ アルミニウム １０ アルミナ膜 １１ 対応電極 １２ 絶縁薄膜 １３ エッジトンネル型素子 ２０ シリコン基板 ２２、３０ 酸化マグネシウム層 ２４ 窒化ニオブ層 ２６、２８ 窒化シリコン層 ３２ 酸化マグネシウム層 ３４ ニオブ層 ３６ ナノメートルサイズの金属ブリッジ
Claims (2)
- 【請求項１】 弱接合型ジョセフソン素子の製造方法に
おいて、 基板にベース電極となるニオブまたはニオブ化合物層と
絶縁層を積層して形成し、 反応性イオンエッチング法により前記ニオブまたはニオ
ブ化合物層および前記絶縁層をエッチングしてエッジ部
を形成し、 該エッジ部に絶縁薄膜と対向電極をこの順に積層して形
成した後、 前記ニオブまたはニオブ化合物層のベース電極と前記対
向電極が超伝導となる温度下で前記ベース電極と前記対
向電極との間に電圧を印加することにより、前記絶縁薄
膜中に存在するボイド内に前記ベース電極あるいは対向
電極の金属原子を電界蒸発させて前記ベース電極と前記
対向電極との間を電気的に連絡するナノメートルサイズ
の金属ブリッジを形成することを特徴とするサブミクロ
ン面積のエッジ接合を利用した弱接合型ジョセフソン素
子の製造方法。 - 【請求項２】 基板にニオブ化合物として窒化ニオブ層
を、絶縁層として窒化シリコン層を積層して形成し、 酸素ガスとＣＦ4 ガスとの混合ガスを使用した反応性イ
オンエッチング法により前記窒化ニオブ層および前記絶
縁層をのエッジ端面を基板に対して斜めにエッチングし
てエッジ部を形成することを特徴とする請求項１記載の
サブミクロン面積のエッジ接合を利用した弱接合型ジョ
セフソン素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30487792A JP3267353B2 (ja) | 1991-10-18 | 1992-10-16 | サブミクロン面積のエッジ接合を利用した弱接合型ジョセフソン素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3-299803 | 1991-10-18 | ||
| JP29980391 | 1991-10-18 | ||
| JP30487792A JP3267353B2 (ja) | 1991-10-18 | 1992-10-16 | サブミクロン面積のエッジ接合を利用した弱接合型ジョセフソン素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06196763A true JPH06196763A (ja) | 1994-07-15 |
| JP3267353B2 JP3267353B2 (ja) | 2002-03-18 |
Family
ID=26562080
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30487792A Expired - Fee Related JP3267353B2 (ja) | 1991-10-18 | 1992-10-16 | サブミクロン面積のエッジ接合を利用した弱接合型ジョセフソン素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3267353B2 (ja) |
-
1992
- 1992-10-16 JP JP30487792A patent/JP3267353B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3267353B2 (ja) | 2002-03-18 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |