JPH06283775A - 超伝導ジョセフソン素子の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】優れた性能を有する素子の再現性の良い作成方
法を提供する。 【構成】(1) 超伝導薄膜２上に金属薄膜または絶縁体薄
膜３を形成し、金属イオン元素を照射することにより、
そのイオンビームの衝突運動エネルギーによって金属原
子または絶縁体原子が超伝導薄膜中に打ち込まれること
を利用して、超伝導薄膜の一部に弱結合を形成すること
を特徴とする超伝導ジョセフソン素子の作成方法、ある
いは、(2) 誘電体基板上に形成した超伝導薄膜を金属イ
オンを用いて切断し、かつ、基板中に金属イオンを注入
することにより誘電体基板の一部を半導体化し、超伝導
体/半導体/超伝導体の平面型ジョセフソン接合を形成す
る、あるいは、(3) 超伝導薄膜と誘電体を交互に積層
し、さらに保護膜３を積層し、集束イオンビームを打ち
込み、超伝導体に挟まれた誘電体層に微小なジョセフソ
ン接合を形成することによって達成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高感度な磁気センサー及
び電磁波センサーや高速で低消費電力の電子デバイスと
して用いられる超伝導ジョセフソン接合の作製方法に係
わり、特に、優れた性能を有する超伝導ジョセフソン接
合の効率的な再現性の良い作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記接合を酸化物超伝導体で実現できる
と、従来の動作温度より 70〜100Ｋも高い温度で動作さ
せることが可能なため、簡易な冷凍装置を用いて低雑音
で信号処理を行うことができ、情報及び通信産業分野に
おいて有効である。しかし、酸化物超伝導体は、従来の
金属・合金系超伝導体に比べて臨界温度が高いという特
徴を有するものの、短コヒーレンス長、結晶異方性、含
有酸素量の不安定さなど電子デバイス化にとって困難な
特性も併せ有している。従って、従来の金属系低温超伝
導体で成功を収めた絶縁体を超伝導体で挟んだ構造を有
する積層型ジョセフソン接合の作製が著しく困難であ
る。このため、当初、酸化物超伝導体を熱処理した結果
できる結晶の自然粒界を利用した素子の作製が検討され
たが、自然粒界は制御性が悪くまた再現性に乏しいの
で、Bi‐crystal 基板や段差基板上に超伝導薄膜を成膜
し、粒界を人工的に作ることが試みられてきた。Bi‐cr
ystal 基板上に作製した接合は低雑音特性を示すが集積
化には適さず、また、段差基板を用いた接合は、比較的
簡単なプロセスを通じて１枚の基板上に多素子化できる
という利点はあるが、素子の再現性に問題がある。

【０００３】しかし、情報処理や高速度動作を行わせる
ためには、ジョセフソン接合の集積化や３端子動作を含
めた電子デバイスとしての機能性、信頼性を高めること
が必要である。また、酸化物超伝導体は酸素が抜けやす
く、特性が劣化しやすい。そこで、劣化を起すことのな
い微細加工法によるジョセフソン接合の作製技術の開発
が求められている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来技術においては、超伝導ジョセフソン素子の作製につ
いて優れた性能を有する素子の効率的な再現性の良い作
製方法は見出されていなかった。

【０００５】本発明の目的は、上記従来技術の有してい
た課題を解決して、優れた性能を有する素子の効率的な
再現性の良い作製方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、(1) 超伝導
薄膜上に金属薄膜または絶縁体薄膜を形成し、該薄膜上
に集束イオンビーム装置を用いて金属イオン元素を照射
することにより、イオンビームの衝突運動エネルギーに
よって金属原子または絶縁体原子が超伝導薄膜中に打ち
込まれることを利用して、超伝導薄膜の一部に弱結合を
形成することを特徴とする超伝導ジョセフソン素子の作
製方法とすること、あるいは、(2) 誘電体基板上に形成
した超伝導薄膜を金属イオンを用いた集束イオンビーム
装置を用いて切断し、かつ、基板中に金属イオンを注入
することにより誘電体基板の一部を半導体化し、超伝導
/半導体/超伝導の平面型ジョセフソン接合を形成するこ
とを特徴とする超伝導ジョセフソン素子の作製方法とす
ること、あるいは、(3) 超伝導薄膜と誘電体とを交互に
積層し、その上にさらに保護膜として金属または誘電体
薄膜を積層し、この積層膜上に集束イオンビーム装置を
用いて金属イオンを打ち込み、イオンの注入効果によっ
て超伝導体に挟まれた誘電体層に微小なジョセフソン接
合を形成することを特徴とする超伝導ジョセフソン素子
の作製方法とすることによって達成することができる。

【０００７】

【作用】上記 (1) の方法を適用することにより、例え
ばコヒーレンス長が数十Åと短く、このコヒーレンス長
と同程度の加工精度が求められる酸化物超伝導体などで
は、イオン注入径を絞ることによって微細な加工が可能
となる。

【０００８】また、上記 (2) の方法を適用して作製し
た超伝導/半導体/超伝導構造の平面型ジョセフソン接合
においては、半導体中の超伝導電流は電界を印加するこ
とによって制御することも可能である。

【０００９】また、上記 (3) の方法によって得られる
ジョセフソン接合はショートウィークリンク型ジョセフ
ソン接合と呼ばれる接合であり、例えば超伝導体として
ニオブを用い、また金属イオン源としてニオブを用いる
ことによって、再現性の高いジョセフソン接合を得るこ
とができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の方法について実施例によって
具体的に説明する。

【００１１】

【実施例１】本発明の一実施例を図１及び図２によって
説明する。

【００１２】まず、酸化物超伝導薄膜２を、その膜と格
子定数、膨張係数の近い酸化マグネシウムやチタン酸ス
トロンチウムなどの基板１上に約300nmの厚さに堆積し
た。さらに、超伝導薄膜の微細加工による劣化を防ぐた
めに、上記超伝導薄膜上に厚さ約100nmの金属薄膜また
は絶縁体薄膜３を積層した。次に、該薄膜上に、ガリウ
ムなどの金属をイオン源とする集束イオンビーム４を幅
100nm以下の線状に照射した。この結果、金属イオンビ
ームは超伝導薄膜の保護層として堆積した金属薄膜また
は絶縁体薄膜中に注入され、それらの原子をはじき飛ば
し、図２に示すように、超伝導体中に注入された。

【００１３】このように、注入された原子によって超伝
導性が一部弱められることによって、超伝導/金属/超伝
導(SNS)または超伝導/絶縁体/超伝導(SIS)構造を有する
平面型ジョセフソン接合を作製することができた。

【００１４】

【実施例２】本発明の他の実施例について図３及び図４
によって説明する。

【００１５】まず、酸化物超伝導薄膜２を、その膜と格
子定数、膨張係数の近いチタン酸ストロンチウムなどの
基板１上に約300nmの厚さに堆積した。この薄膜を通常
のフォトリソグラフィーの手法を用いて10μm以下の幅
を持つブリッジ部を有するパターン形状に加工した。こ
のようにして加工したブリッジ形状の超伝導薄膜上にニ
オブなどの金属をイオン源とする高電圧で加速された集
束イオンビーム４を幅100nm以下の線状に照射してエッ
チングを行い超伝導ブリッジ部を切断し、さらに、基板
上にイオン源の金属を注入して、基板上の一部に例えば
ニオブをドープしたチタン酸ストロンチウムなどの半導
体層５を形成した。

【００１６】以上のようにして、図４に示すような超伝
導/半導体/超伝導構造を有する近接効果型ジョセフソン
接合を形成することができた。また、基板の裏面に図５
に示すような金属電極７を形成することによって、半導
体中を流れる超伝導電流を電極に印加する電圧で制御す
ることができる電界効果型３端子素子を作製することが
できた。

【００１７】

【実施例３】本発明のさらに他の実施例について図６及
び図７によって説明する。

【００１８】基板１上に形成した超伝導薄膜２の上にピ
ンホールのない絶縁体薄膜９を極薄く積層し、その上に
超伝導薄膜２を堆積し、この上に表面保護のために、金
などの金属薄膜８を薄く形成し、さらに、上記多層膜上
の微小領域(例えば、100nm×100nm)にイオンを注入し
た。このようなイオン注入による原子は、図６に示すよ
うに、多層膜の表面からある深さのところに集中して注
入されるので、イオンの注入原子数やイオンの加速電圧
を制御することによって絶縁体中に注入原子が集中する
ように設定すると、膜面に対して垂直な方向に超伝導/
半導体(金属)/超伝導構造を有する近接効果型ジョセフ
ソン接合を形成することができる。

【００１９】

【発明の効果】以上述べてきたように、超伝導ジョセフ
ソン素子の作製方法を本発明構成の方法とすることによ
って、従来技術の有していた課題を解決して、優れた性
能を有する素子を効率的に再現性良く作製することので
きる方法を提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１における超伝導薄膜への元素注入を説
明する概略断面図。

【図２】超伝導体上の絶縁膜原子が注入イオン原子によ
り押し出されて超伝導体中に拡散し、平面型ジョセフソ
ン接合が形成されることを説明する概略断面図。

【図３】実施例２において、超伝導薄膜のブリッジ部に
イオンを照射してエッチングを行い、さらに絶縁体基板
中にイオンを注入することによって絶縁体の一部を半導
体に変えることにより超伝導/半導体/超伝導構造のジョ
セフソン素子が形成されることを説明する図。

【図４】図３によって形成される素子の構成を示す図。

【図５】図３の素子構造にさらにゲート電極を付加する
ことによって電界効果型ジョセフソン接合を構成するこ
とを説明する図。

【図６】実施例３において、注入原子の深さ方向の濃度
分布を示す図。

【図７】図６の効果から、基板面に対して垂直方向にジ
ョセフソン接合を形成する方法を説明するための図。

【符号の説明】

１…基板、２…超伝導薄膜、３…金属薄膜または絶縁体
薄膜、４…金属イオンビーム、５…不純物ドープ部、６
…半導体部、７…金属電極、８…保護膜、９…金属薄膜
または絶縁体薄膜、10…不純物ドープ部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超伝導薄膜上に金属薄膜または絶縁体薄膜
   を形成し、該薄膜上に集束イオンビーム装置を用いて金
   属イオン元素を照射することにより、イオンビームの衝
   突運動エネルギーによって金属原子または絶縁体原子が
   超伝導薄膜中に打ち込まれることを利用して、超伝導薄
   膜の一部に弱結合を形成することを特徴とする超伝導ジ
   ョセフソン素子の作製方法。
2. 【請求項２】誘電体基板上に形成した超伝導薄膜を金属
   イオンを用いた集束イオンビーム装置を用いて切断し、
   かつ、基板中に金属イオンを注入することにより誘電体
   基板の一部を半導体化し、超伝導/半導体/超伝導の平面
   型ジョセフソン接合を形成することを特徴とする超伝導
   ジョセフソン素子の作製方法。
3. 【請求項３】超伝導薄膜と誘電体とを交互に積層し、そ
   の上にさらに保護膜として金属または誘電体薄膜を積層
   し、この積層膜上に集束イオンビーム装置を用いて金属
   イオンを打ち込み、イオンの注入効果によって超伝導体
   に挟まれた誘電体層に微小なジョセフソン接合を形成す
   ることを特徴とする超伝導ジョセフソン素子の作製方
   法。