JPH0758366A - トンネル型ジョセフソン接合素子およびその製造方法 - Google Patents
トンネル型ジョセフソン接合素子およびその製造方法Info
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- JPH0758366A JPH0758366A JP5222791A JP22279193A JPH0758366A JP H0758366 A JPH0758366 A JP H0758366A JP 5222791 A JP5222791 A JP 5222791A JP 22279193 A JP22279193 A JP 22279193A JP H0758366 A JPH0758366 A JP H0758366A
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- tunnel
- junction
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 高温超伝導体の接合素子において、ジョセフ
ソン電流とトンネル型電流−電圧特性を実現することが
可能となったトンネル型ジョセフソン接合素子とその製
造方法を提供すること。 【構成】 層状構造を有する２つの超伝導体１，４が層
絶縁膜３を介して層状構造の平面と平行な平面で相互に
結合され、この結合面積が０．０１ｍｍ2 以下の面積で
あるトンネル型ジョセフソン素子。
ソン電流とトンネル型電流−電圧特性を実現することが
可能となったトンネル型ジョセフソン接合素子とその製
造方法を提供すること。 【構成】 層状構造を有する２つの超伝導体１，４が層
絶縁膜３を介して層状構造の平面と平行な平面で相互に
結合され、この結合面積が０．０１ｍｍ2 以下の面積で
あるトンネル型ジョセフソン素子。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超伝導電子計算機、あ
るいは超伝導デジタル回路、または超伝導量子干渉デバ
イス（ＳＱＵＩＤ）、またはミリ波ないし遠赤外領域の
電波の検出に用いられる高周波ミキサーなどに使用する
トンネル型ジョセフソン接合素子およびその製造方法に
関するものである。
るいは超伝導デジタル回路、または超伝導量子干渉デバ
イス（ＳＱＵＩＤ）、またはミリ波ないし遠赤外領域の
電波の検出に用いられる高周波ミキサーなどに使用する
トンネル型ジョセフソン接合素子およびその製造方法に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の超伝導トンネル素子は液体ヘリウ
ム温度に冷却することにより機能が発現するため、実際
の動作に際して、冷却器や液体ヘリウム寒剤の使用が不
可欠になり、寒剤と冷却操作の特殊性とその煩雑さのた
めに、優れた機能および特性の実現が可能であるにも拘
らず、きわめて限られた用途にしか用いられていなかっ
た。また、そのような限られた用途の中に高周波ミキサ
ーなどがあるが、たとえば天体観測における遠赤外光検
出用ミキサーでは、従来は低温金属超伝導体を使用して
いたため、周波数の上限が約１ＴＨｚという制限があ
り、上限周波数の高周波化が望まれていた。１９８６年
の高温超伝導体の発見により、上記のような欠点が原理
的に克服され、超伝導の応用分野がそれ以前よりも飛躍
的に拡大することが予想された。しかし、実際には、高
温超伝導体の特性とその結晶構造に付随する種々の問題
のために、期待されたほど応用は進んでいない。特にエ
レクトロニクス応用関係では、トンネル接合型の素子が
まだ実現していないために、デジタル応用面での進歩が
遅々としている。
ム温度に冷却することにより機能が発現するため、実際
の動作に際して、冷却器や液体ヘリウム寒剤の使用が不
可欠になり、寒剤と冷却操作の特殊性とその煩雑さのた
めに、優れた機能および特性の実現が可能であるにも拘
らず、きわめて限られた用途にしか用いられていなかっ
た。また、そのような限られた用途の中に高周波ミキサ
ーなどがあるが、たとえば天体観測における遠赤外光検
出用ミキサーでは、従来は低温金属超伝導体を使用して
いたため、周波数の上限が約１ＴＨｚという制限があ
り、上限周波数の高周波化が望まれていた。１９８６年
の高温超伝導体の発見により、上記のような欠点が原理
的に克服され、超伝導の応用分野がそれ以前よりも飛躍
的に拡大することが予想された。しかし、実際には、高
温超伝導体の特性とその結晶構造に付随する種々の問題
のために、期待されたほど応用は進んでいない。特にエ
レクトロニクス応用関係では、トンネル接合型の素子が
まだ実現していないために、デジタル応用面での進歩が
遅々としている。
【０００３】高温超伝導体によるトンネル接合の形成が
困難であることの主な理由の一つは、高温超伝導体が異
方的であり、かつコヒーレンス長ξが極めて短いことで
ある。コヒーレンス長ξは超伝導オーダーパラメータΔ
（超伝導電子対の温度に比例する）の空間的な変化の許
容できる最小限の長さを示している。例えば、コヒーレ
ンス長ξが比較的長い場合、超伝導オーダーパラメータ
Δはコヒーレンス長ξよりも小さい結晶欠陥や析出物の
影響は受けないので超伝導性の劣化はほとんど見られな
い。一方、コヒーレンス長ξが短い場合、微少な結晶性
の乱れや、析出物、不純物の影響を受けて超伝導オーダ
ーパラメータΔは減少し、そのため超伝導性が劣化し、
場合によってはコヒーレンス長ξは消失する。このよう
な劣化は特に高温超伝導体の表面、界面で著しい。もう
一つの理由は、高温超伝導体の表面または界面で酸素欠
損が生じ易いことである。表面または界面で酸素欠損が
生じると、高温超伝導体ではコヒーレンス長ξが短いた
めに、超伝導オーダーパラメータΔが著しく減少し、そ
の部分の超伝導性が失われる。このことは、高温超伝導
体を用いて接合を形成する際に大きく影響する。
困難であることの主な理由の一つは、高温超伝導体が異
方的であり、かつコヒーレンス長ξが極めて短いことで
ある。コヒーレンス長ξは超伝導オーダーパラメータΔ
（超伝導電子対の温度に比例する）の空間的な変化の許
容できる最小限の長さを示している。例えば、コヒーレ
ンス長ξが比較的長い場合、超伝導オーダーパラメータ
Δはコヒーレンス長ξよりも小さい結晶欠陥や析出物の
影響は受けないので超伝導性の劣化はほとんど見られな
い。一方、コヒーレンス長ξが短い場合、微少な結晶性
の乱れや、析出物、不純物の影響を受けて超伝導オーダ
ーパラメータΔは減少し、そのため超伝導性が劣化し、
場合によってはコヒーレンス長ξは消失する。このよう
な劣化は特に高温超伝導体の表面、界面で著しい。もう
一つの理由は、高温超伝導体の表面または界面で酸素欠
損が生じ易いことである。表面または界面で酸素欠損が
生じると、高温超伝導体ではコヒーレンス長ξが短いた
めに、超伝導オーダーパラメータΔが著しく減少し、そ
の部分の超伝導性が失われる。このことは、高温超伝導
体を用いて接合を形成する際に大きく影響する。
【０００４】高温超伝導体ではｃ軸方向（ＣｕＯ2 層と
直角方向）のコヒーレンス長ξは、超伝導物質の種類に
もよるが、たかだか０．２ｎｍ程度である。従来のよう
に、人為的に形成された絶縁体を障壁層としてトンネル
型接合を形成する場合、異種物質である絶縁体を超伝導
体の上に堆積するということ、およびそれに伴う加工プ
ロセスのために、超伝導体表面および界面には約０．１
ｎｍ程度の結晶性の乱れが生じる。この界面の乱れは異
種物質を堆積した場合必然的であって、避けられない。
この乱れの長さはｃ軸方向のコヒーレンス長ξの長さと
同程度であるために、界面で超伝導オーダーパラメータ
Δが著しく減少し、そのために素子特性には従来の金属
超伝導体によるトンネル型ジョセフソン素子のような超
伝導エネルギーギャップ２△／ｅが現われない。このよ
うに、ｃ軸が基板に直角な配置を有するいわゆるｃ軸膜
では、超伝導体／絶縁体／超伝導体（ＳＩＳ）接合で良
好なトンネル特性を実現するのは非常に困難である。ｃ
軸が基板に平行または傾斜している高温超伝導体配向膜
（非ｃ軸配向）でＳＩＳ接合を形成すれば、基板と直角
方向のコヒーレンス長ξは約１ｎｍ程度と長くなり、上
記の困難さはある程度緩和される。しかし、その程度の
コヒーレンス長ξの長さでも界面の約０．１〜１ｎｍ程
度の結晶性の乱れは避けられず、それが超伝導オーダー
パラメータΔの減少に大きく影響する。非ｃ軸配向の構
造においてもトンネル型の接合特性はまだ観測されるに
至っていない。非ｃ軸配向の薄膜を用いて超伝導体／常
伝導体／超伝導体（ＳＮＳ）接合を形成した場合、超伝
導オーダーパラメータΔが超伝導体界面で大幅に減少し
てもジョセフソン特性が観測されている。したがって、
ＳＩＳ型の特性の発現とは、その実現の困難さにおい
て、質的に異なるものである。
直角方向）のコヒーレンス長ξは、超伝導物質の種類に
もよるが、たかだか０．２ｎｍ程度である。従来のよう
に、人為的に形成された絶縁体を障壁層としてトンネル
型接合を形成する場合、異種物質である絶縁体を超伝導
体の上に堆積するということ、およびそれに伴う加工プ
ロセスのために、超伝導体表面および界面には約０．１
ｎｍ程度の結晶性の乱れが生じる。この界面の乱れは異
種物質を堆積した場合必然的であって、避けられない。
この乱れの長さはｃ軸方向のコヒーレンス長ξの長さと
同程度であるために、界面で超伝導オーダーパラメータ
Δが著しく減少し、そのために素子特性には従来の金属
超伝導体によるトンネル型ジョセフソン素子のような超
伝導エネルギーギャップ２△／ｅが現われない。このよ
うに、ｃ軸が基板に直角な配置を有するいわゆるｃ軸膜
では、超伝導体／絶縁体／超伝導体（ＳＩＳ）接合で良
好なトンネル特性を実現するのは非常に困難である。ｃ
軸が基板に平行または傾斜している高温超伝導体配向膜
（非ｃ軸配向）でＳＩＳ接合を形成すれば、基板と直角
方向のコヒーレンス長ξは約１ｎｍ程度と長くなり、上
記の困難さはある程度緩和される。しかし、その程度の
コヒーレンス長ξの長さでも界面の約０．１〜１ｎｍ程
度の結晶性の乱れは避けられず、それが超伝導オーダー
パラメータΔの減少に大きく影響する。非ｃ軸配向の構
造においてもトンネル型の接合特性はまだ観測されるに
至っていない。非ｃ軸配向の薄膜を用いて超伝導体／常
伝導体／超伝導体（ＳＮＳ）接合を形成した場合、超伝
導オーダーパラメータΔが超伝導体界面で大幅に減少し
てもジョセフソン特性が観測されている。したがって、
ＳＩＳ型の特性の発現とは、その実現の困難さにおい
て、質的に異なるものである。
【０００５】界面における結晶性の乱れは、いかなる物
質であれ、異種物質が接するかぎり必ず存在する。高温
超伝導体のＳＩＳ構造の場合、超伝導体と絶縁体との界
面では、異種物質との間の結晶構造ないし格子定数、あ
るいは元素の種類、組成などが異なるために、結晶性の
乱れが必ず存在する。たとえ理想的な条件で形成された
界面でも、このような結晶性の乱れは存在し、界面で超
伝導オーダーパラメータΔの減少は避けられない。した
がって、このような界面を有するＳＩＳ構造では、超伝
導本来のエネルギーギャップ２△／ｅを反映する非線形
準粒子電流電圧（Ｉ−Ｖ）特性を観察することは本質的
に困難である。このことは、短いコヒーレンス長ξを有
する超伝導体、特に銅酸化物超伝導体にとっては本質的
なことである。
質であれ、異種物質が接するかぎり必ず存在する。高温
超伝導体のＳＩＳ構造の場合、超伝導体と絶縁体との界
面では、異種物質との間の結晶構造ないし格子定数、あ
るいは元素の種類、組成などが異なるために、結晶性の
乱れが必ず存在する。たとえ理想的な条件で形成された
界面でも、このような結晶性の乱れは存在し、界面で超
伝導オーダーパラメータΔの減少は避けられない。した
がって、このような界面を有するＳＩＳ構造では、超伝
導本来のエネルギーギャップ２△／ｅを反映する非線形
準粒子電流電圧（Ｉ−Ｖ）特性を観察することは本質的
に困難である。このことは、短いコヒーレンス長ξを有
する超伝導体、特に銅酸化物超伝導体にとっては本質的
なことである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の欠点を
改善するために提案されたもので、その目的は、層状二
次元的超伝導体あるいは銅酸化物高温超伝導体そのもの
が具備している、層間の真性ジョセフソン結合効果をト
ンネル接合素子の特性として現実に観測するための具体
的構成を示し、かつその製造方法を提供することにあ
る。上述したような層状構造を有する高温超伝導体配向
膜を用いたトンネル型接合における課題を解決するため
に、本発明におけるトンネル型ジョセフソン接合素子に
おいては、相互に０．０１ｍｍ2 以下の面積で、かつ前
記層状構造の平面と平行な平面で高温超伝導体配向膜を
相互に結合させていることを特徴としている。
改善するために提案されたもので、その目的は、層状二
次元的超伝導体あるいは銅酸化物高温超伝導体そのもの
が具備している、層間の真性ジョセフソン結合効果をト
ンネル接合素子の特性として現実に観測するための具体
的構成を示し、かつその製造方法を提供することにあ
る。上述したような層状構造を有する高温超伝導体配向
膜を用いたトンネル型接合における課題を解決するため
に、本発明におけるトンネル型ジョセフソン接合素子に
おいては、相互に０．０１ｍｍ2 以下の面積で、かつ前
記層状構造の平面と平行な平面で高温超伝導体配向膜を
相互に結合させていることを特徴としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明においては、トンネル型のジョセフソン
接合が、層状構造を有する二つの超伝導体の、その層に
平行な平面で、０．０１ｍｍ2 以下の面積で結合された
接合であることを特徴とする。また、この接合は、層状
構造を有する超伝導体薄膜表面の一部を層に平行に除去
し、除去した深さを絶縁体で埋め、さらに、この絶縁体
と超伝導体薄膜全体に、もう一つの層状構造を有する超
伝導体薄膜を堆積させることによって得られることに特
徴を有する。
ために、本発明においては、トンネル型のジョセフソン
接合が、層状構造を有する二つの超伝導体の、その層に
平行な平面で、０．０１ｍｍ2 以下の面積で結合された
接合であることを特徴とする。また、この接合は、層状
構造を有する超伝導体薄膜表面の一部を層に平行に除去
し、除去した深さを絶縁体で埋め、さらに、この絶縁体
と超伝導体薄膜全体に、もう一つの層状構造を有する超
伝導体薄膜を堆積させることによって得られることに特
徴を有する。
【０００８】
【作用】一般に、銅酸化物高温超伝導体は、導電性のＣ
ｕＯ2 層と非導電性のブロック層から構成されており、
ＣｕＯ2 面内（ｃ軸と直角方向）では電子が十分拡散で
きて金属的な電気伝導を示す。一方、ｃ軸方向ではブロ
ック層の存在のために、電子の拡散がきわめて少なくな
り、半導体的な電気伝導を示す。超伝導状態において
は、ＣｕＯ2 面内では超伝導オーダーパラメータΔがほ
ぼ均一に広がっているが、ｃ軸方向ではブロック層の部
分において著しく減少するために、ＣｕＯ2面間は超伝
導的には弱く結合している状態になっている。換言すれ
ば、銅酸化物高温超伝導体はＣｕＯ2 面間がジョセフソ
ン結合された二次元的な超伝導体であるということがで
きる。このようなジョセフソン結合による二次元性は、
超伝導転移温度の近傍を除けば、超伝導のゆらぎ、上部
臨界磁場の角度依存性などにおいて確認されている。し
かし、以下に述べるように、現実に高温超伝導体からそ
のまま観測し得るジョセフソン接合特性を得ることは極
めて困難である。また、同じ理由によってそのまま素子
に応用することも困難である。本発明の目的は、層間が
ジョセフソン結合している二次元超伝導体に内在する真
性のジョセフソン効果を、現実に接合素子の形で観測す
ることができる素子構成を可能にするものである。一般
に、二次元超伝導体では、層間がジョセフソン結合して
おり、層に垂直方向に流れる電流はジョセフソン電流と
見なすことができる。このことは、見かけ上、三次元の
超伝導体における普通の超伝導電流のようにみえるが、
その超伝導電流を制限している要因が前者では最大ジョ
セフソン電流であり、後者では磁束量子が動き出す電流
値、あるいは、磁束量子のピン止め力が非常に強い場合
には、クーパー対破壊電流の値が臨界電流を決定してい
る。しかし、実際には二次元超伝導体、特に高温超伝導
体においてｃ軸方向に超伝導電流が流れている場合、試
料の断面積が実際にジョセフソン電流を観測する際に都
合の良い寸法に比較して大きすぎるため、大電流を流さ
ないと臨界値には達しない。そのため、通常の単結晶試
料で最大ジョセフソン電流に達することは普通困難であ
る。したがって、トンネル型ジョセフソン素子特性をそ
のまま単結晶で実現することは困難である。
ｕＯ2 層と非導電性のブロック層から構成されており、
ＣｕＯ2 面内（ｃ軸と直角方向）では電子が十分拡散で
きて金属的な電気伝導を示す。一方、ｃ軸方向ではブロ
ック層の存在のために、電子の拡散がきわめて少なくな
り、半導体的な電気伝導を示す。超伝導状態において
は、ＣｕＯ2 面内では超伝導オーダーパラメータΔがほ
ぼ均一に広がっているが、ｃ軸方向ではブロック層の部
分において著しく減少するために、ＣｕＯ2面間は超伝
導的には弱く結合している状態になっている。換言すれ
ば、銅酸化物高温超伝導体はＣｕＯ2 面間がジョセフソ
ン結合された二次元的な超伝導体であるということがで
きる。このようなジョセフソン結合による二次元性は、
超伝導転移温度の近傍を除けば、超伝導のゆらぎ、上部
臨界磁場の角度依存性などにおいて確認されている。し
かし、以下に述べるように、現実に高温超伝導体からそ
のまま観測し得るジョセフソン接合特性を得ることは極
めて困難である。また、同じ理由によってそのまま素子
に応用することも困難である。本発明の目的は、層間が
ジョセフソン結合している二次元超伝導体に内在する真
性のジョセフソン効果を、現実に接合素子の形で観測す
ることができる素子構成を可能にするものである。一般
に、二次元超伝導体では、層間がジョセフソン結合して
おり、層に垂直方向に流れる電流はジョセフソン電流と
見なすことができる。このことは、見かけ上、三次元の
超伝導体における普通の超伝導電流のようにみえるが、
その超伝導電流を制限している要因が前者では最大ジョ
セフソン電流であり、後者では磁束量子が動き出す電流
値、あるいは、磁束量子のピン止め力が非常に強い場合
には、クーパー対破壊電流の値が臨界電流を決定してい
る。しかし、実際には二次元超伝導体、特に高温超伝導
体においてｃ軸方向に超伝導電流が流れている場合、試
料の断面積が実際にジョセフソン電流を観測する際に都
合の良い寸法に比較して大きすぎるため、大電流を流さ
ないと臨界値には達しない。そのため、通常の単結晶試
料で最大ジョセフソン電流に達することは普通困難であ
る。したがって、トンネル型ジョセフソン素子特性をそ
のまま単結晶で実現することは困難である。
【０００９】特に、二次元超伝導体の場合、層間の結合
が、例えば通常の方法で形成された金属超伝導体のジョ
セフソン接合におけるバリア層の厚さ（約２ｎｍ程度）
に比較して０．４〜０．８ｎｍ程度であるので、最大ジ
ョセフソン電流値がさらに大きくなる。これにより最大
ジョセフソン電流の観測は一層困難となる。ここで、最
大ジョセフソン電流を観測するのに適した条件を考えて
みる。金属のジョセフソン接合の最大ジョセフソン電流
密度ｉJ はおよそ１０3 Ａ／ｃｍ2 であるのに対し、こ
のような二次元超伝導体におけるｉJ は約１桁以上多い
１０4 から１０6 Ａ／ｃｍ2 程度と推測される。ジョセ
フソン素子の接合部分の面積の目安として、ジョセフソ
ン磁場侵入長λJ があり、通常λJ よりも小さい接合で
良好な素子特性が観察される。高温超伝導体の磁場侵入
長を１４０ｎｍとしてλJ を評価すると約５μｍとな
る。したがって、二次元超伝導体による真性ジョセフソ
ン接合を形成する場合には接合の面積をおおよそ１０μ
ｍ×１０μｍ以下にすることが必要である。このこと
は、応用上意味のある最大ジョセフソン電流値ＩJ を持
つ素子を単結晶そのもので実現することは困難であるこ
とを意味している。かりに実現できたとしても実装の観
点からも欠点が多い。銅酸化物系高温超伝導体のなか
で、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7 系は例外的に異方性が小さく
（異方性因子がおよそ５）、そのため層間の超伝導結合
が他の高温超伝導体に比較してかなり強く、本発明のよ
うな真性ジョセフソン効果によるトンネル特性の実現は
困難である。一方、ＢｉＳｒＣａＣｕＯ系またはＴｉＢ
ａＣａＣｕＯ系、特にＴｉＯ層が２枚の系では、異方性
がきわめて強く、異方性因子は少なくとも１００以上は
あることが見積られている。したがって、このような系
は、真性ジョセフソン効果の素子化の対象として適して
いる。また、臨界温度Ｔｃは低いが、ＬａＳｒＣｕＯ系
やＮｄＣｅＣｕＯ系も異方性が大きく（異方性因子で約
２０程度）、やはり素子化が可能と考えられる。
が、例えば通常の方法で形成された金属超伝導体のジョ
セフソン接合におけるバリア層の厚さ（約２ｎｍ程度）
に比較して０．４〜０．８ｎｍ程度であるので、最大ジ
ョセフソン電流値がさらに大きくなる。これにより最大
ジョセフソン電流の観測は一層困難となる。ここで、最
大ジョセフソン電流を観測するのに適した条件を考えて
みる。金属のジョセフソン接合の最大ジョセフソン電流
密度ｉJ はおよそ１０3 Ａ／ｃｍ2 であるのに対し、こ
のような二次元超伝導体におけるｉJ は約１桁以上多い
１０4 から１０6 Ａ／ｃｍ2 程度と推測される。ジョセ
フソン素子の接合部分の面積の目安として、ジョセフソ
ン磁場侵入長λJ があり、通常λJ よりも小さい接合で
良好な素子特性が観察される。高温超伝導体の磁場侵入
長を１４０ｎｍとしてλJ を評価すると約５μｍとな
る。したがって、二次元超伝導体による真性ジョセフソ
ン接合を形成する場合には接合の面積をおおよそ１０μ
ｍ×１０μｍ以下にすることが必要である。このこと
は、応用上意味のある最大ジョセフソン電流値ＩJ を持
つ素子を単結晶そのもので実現することは困難であるこ
とを意味している。かりに実現できたとしても実装の観
点からも欠点が多い。銅酸化物系高温超伝導体のなか
で、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7 系は例外的に異方性が小さく
（異方性因子がおよそ５）、そのため層間の超伝導結合
が他の高温超伝導体に比較してかなり強く、本発明のよ
うな真性ジョセフソン効果によるトンネル特性の実現は
困難である。一方、ＢｉＳｒＣａＣｕＯ系またはＴｉＢ
ａＣａＣｕＯ系、特にＴｉＯ層が２枚の系では、異方性
がきわめて強く、異方性因子は少なくとも１００以上は
あることが見積られている。したがって、このような系
は、真性ジョセフソン効果の素子化の対象として適して
いる。また、臨界温度Ｔｃは低いが、ＬａＳｒＣｕＯ系
やＮｄＣｅＣｕＯ系も異方性が大きく（異方性因子で約
２０程度）、やはり素子化が可能と考えられる。
【００１０】以上のように、本発明では高温超伝導体に
おけるトンネル型ジョセフソン素子特性を実現する手段
として、主として微細加工技術を用いて、高温超伝導体
物質そのものに内在する層間ジョセフソン効果の応用を
図ったものであり、従来、二次元超伝導体の諸特性を、
層間ジョセフソン効果の理論的なモデルを用いて理解す
る試みは多かったが、実際に素子への応用が考えられた
ことはなかった。トンネル接合素子に真性ジョセフソン
効果を応用することに付随して、接合作製に非常に都合
の良い製造方法が可能となる。通常の構成のＳＩＳ接合
では超伝導体の表面に絶縁物を堆積するために、超伝導
体の表面を必ず真空にさらす必要がある。一方、本発明
の真性ジョセフソン効果接合素子では接合以外の部分を
削って接合を形成する。したがって、表面を真空にさら
すことがなくなり、超伝導性の劣化を心配する必要がな
い。このことは、接合形成においてきわめて有利な点で
あり、従来には見られなかった方法である。本発明の接
合素子においては、層状構造を有する超伝導物質の超伝
導層間に存在する非超伝導層を理想的なトンネルバリア
層として利用することができる。さらに、本発明の製造
方法を用いれば、トンネルバリア層上下の界面およびバ
リア層の内部に、素子特性上望ましくない欠陥や歪等の
形成を大幅に制御することができる。
おけるトンネル型ジョセフソン素子特性を実現する手段
として、主として微細加工技術を用いて、高温超伝導体
物質そのものに内在する層間ジョセフソン効果の応用を
図ったものであり、従来、二次元超伝導体の諸特性を、
層間ジョセフソン効果の理論的なモデルを用いて理解す
る試みは多かったが、実際に素子への応用が考えられた
ことはなかった。トンネル接合素子に真性ジョセフソン
効果を応用することに付随して、接合作製に非常に都合
の良い製造方法が可能となる。通常の構成のＳＩＳ接合
では超伝導体の表面に絶縁物を堆積するために、超伝導
体の表面を必ず真空にさらす必要がある。一方、本発明
の真性ジョセフソン効果接合素子では接合以外の部分を
削って接合を形成する。したがって、表面を真空にさら
すことがなくなり、超伝導性の劣化を心配する必要がな
い。このことは、接合形成においてきわめて有利な点で
あり、従来には見られなかった方法である。本発明の接
合素子においては、層状構造を有する超伝導物質の超伝
導層間に存在する非超伝導層を理想的なトンネルバリア
層として利用することができる。さらに、本発明の製造
方法を用いれば、トンネルバリア層上下の界面およびバ
リア層の内部に、素子特性上望ましくない欠陥や歪等の
形成を大幅に制御することができる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明によるトンネル型ジョセフソン
接合素子とその製造方法について詳細を実施例に基づい
て説明する。
接合素子とその製造方法について詳細を実施例に基づい
て説明する。
【００１２】〔実施例１〕 （１） マグネトロンスパッタ法により、図１（ａ）に
示すごとく８００℃に加熱した（１００）面のＳｒＴｉ
Ｏ3 基板１上に、組成がＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2Ｏ8 で
あるＢｉＳｒＣａＣｕＯ系ターゲットから、ターゲット
面と基板面が直角の状態にある配置において（いわゆる
オフアクシススパッタ法）によりＢｉＳｒＣａＣｕＯ薄
膜を１００ｎｍ成長させた。雰囲気ガスは酸素比率が
１．５％のアルゴン・酸素混合ガスで、スパッタ中の圧
力は０．２Ｔｏｒｒ、印加電圧は２００Ｖで、堆積速度
は１００ｎｍ／ｈであった。得られたＢｉＳｒＣａＣｕ
Ｏ薄膜はＴo （Ｒ＝０）＝７６Ｋであった。Ｘ線回折に
よる構造解析の結果は、ｃ軸が基板と直角にＢｉＳｒＣ
ａＣｕＯ薄膜が成長していることがわかった。このよう
にして得られた薄膜にレジストとイオンミリングにより
パターニングを施し、幅１００μｍのトンネル接合素子
の下部電極２とした。 （２） 次に図１（ｂ）に示すごとく下部電極２上に、
レジストとイオンミリングにより、１０μｍ×１０μｍ
の部分のみを残し、それ以外の薄膜表面を約１０ｎｍだ
けエッチングした。その後、レジストをそのままにし、
基板加熱を施さない状態で、高周波スパッタ法により、
ＭｇＯ薄膜を１０ｎｍ堆積し、層絶縁膜３とした。その
後、アセトンを用いて、残ったレジストとその上のＭｇ
Ｏ薄膜を除去し、１０μｍ×１０μｍの窓を形成した。 （３） 次に、図１（ｃ）に示すごとく上記の窓の部分
を２０ｅＶのエネルギーの酸素イオンビームでクリーニ
ングし、真空を保ったまま（１）の工程と同じ手順によ
りＢｉＳｒＣａＣｕＯ薄膜を１５０ｎｍ成長させた。そ
の後、図１（ｅ）に示すごとくレジストとイオンミリン
グにより、上部電極４を加工し、トンネル型接合素子を
形成した。この素子の断面図ならびに平面図を図１
（ｅ）および図２に示す。 （４） 図３に上述の一連の操作によって得られた素子
の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示す。この特性には超伝
導のエネルギーギャップ△が明確に現れており、かつそ
の大きさは２△／ｋB Ｔo ＝５とした場合の単一接合の
場合の値２△＝４０ｍｅＶの約４倍であり、４個の真性
ＳＩＳ接合が直列になった特性であることがわかる。こ
こで、ｋB はボルツマン定数である。 （５） 上述した（１）〜（３）の工程により、接合の
大きさが１００μｍ×１００μｍの真性ＳＩＳ接合を形
成し、Ｉ−Ｖ特性を測定したところ、図４に示すＩ−Ｖ
特性を得た。駆動電流が最大ジョセフソン電流を越えて
電圧状態にスイッチした段階での電流値が大きく、ジュ
ール熱のために超伝導が破壊されかかっていることがわ
かる。実際、接合面積が１５０μｍ×１５０μｍの真性
ＳＩＳ接合を形成し評価したところ、電圧状態でのジュ
ール熱発生のために超伝導エネルギーギャップ２△／ｅ
は観察することができなかった。したがって、１００μ
ｍ×１００μｍがＳＩＳ特性発現のための接合面積の上
限と考えることができる。
示すごとく８００℃に加熱した（１００）面のＳｒＴｉ
Ｏ3 基板１上に、組成がＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2Ｏ8 で
あるＢｉＳｒＣａＣｕＯ系ターゲットから、ターゲット
面と基板面が直角の状態にある配置において（いわゆる
オフアクシススパッタ法）によりＢｉＳｒＣａＣｕＯ薄
膜を１００ｎｍ成長させた。雰囲気ガスは酸素比率が
１．５％のアルゴン・酸素混合ガスで、スパッタ中の圧
力は０．２Ｔｏｒｒ、印加電圧は２００Ｖで、堆積速度
は１００ｎｍ／ｈであった。得られたＢｉＳｒＣａＣｕ
Ｏ薄膜はＴo （Ｒ＝０）＝７６Ｋであった。Ｘ線回折に
よる構造解析の結果は、ｃ軸が基板と直角にＢｉＳｒＣ
ａＣｕＯ薄膜が成長していることがわかった。このよう
にして得られた薄膜にレジストとイオンミリングにより
パターニングを施し、幅１００μｍのトンネル接合素子
の下部電極２とした。 （２） 次に図１（ｂ）に示すごとく下部電極２上に、
レジストとイオンミリングにより、１０μｍ×１０μｍ
の部分のみを残し、それ以外の薄膜表面を約１０ｎｍだ
けエッチングした。その後、レジストをそのままにし、
基板加熱を施さない状態で、高周波スパッタ法により、
ＭｇＯ薄膜を１０ｎｍ堆積し、層絶縁膜３とした。その
後、アセトンを用いて、残ったレジストとその上のＭｇ
Ｏ薄膜を除去し、１０μｍ×１０μｍの窓を形成した。 （３） 次に、図１（ｃ）に示すごとく上記の窓の部分
を２０ｅＶのエネルギーの酸素イオンビームでクリーニ
ングし、真空を保ったまま（１）の工程と同じ手順によ
りＢｉＳｒＣａＣｕＯ薄膜を１５０ｎｍ成長させた。そ
の後、図１（ｅ）に示すごとくレジストとイオンミリン
グにより、上部電極４を加工し、トンネル型接合素子を
形成した。この素子の断面図ならびに平面図を図１
（ｅ）および図２に示す。 （４） 図３に上述の一連の操作によって得られた素子
の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示す。この特性には超伝
導のエネルギーギャップ△が明確に現れており、かつそ
の大きさは２△／ｋB Ｔo ＝５とした場合の単一接合の
場合の値２△＝４０ｍｅＶの約４倍であり、４個の真性
ＳＩＳ接合が直列になった特性であることがわかる。こ
こで、ｋB はボルツマン定数である。 （５） 上述した（１）〜（３）の工程により、接合の
大きさが１００μｍ×１００μｍの真性ＳＩＳ接合を形
成し、Ｉ−Ｖ特性を測定したところ、図４に示すＩ−Ｖ
特性を得た。駆動電流が最大ジョセフソン電流を越えて
電圧状態にスイッチした段階での電流値が大きく、ジュ
ール熱のために超伝導が破壊されかかっていることがわ
かる。実際、接合面積が１５０μｍ×１５０μｍの真性
ＳＩＳ接合を形成し評価したところ、電圧状態でのジュ
ール熱発生のために超伝導エネルギーギャップ２△／ｅ
は観察することができなかった。したがって、１００μ
ｍ×１００μｍがＳＩＳ特性発現のための接合面積の上
限と考えることができる。
【００１３】〔実施例２〕 （１） 実施例１の（１）において、ＢｉＳｒＣａＣｕ
Ｏ組成がＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ10およびＢｉ1.4
Ｐｂ0.6 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ10であるターゲットを用
いて、同じスパッタ条件で薄膜を形成した。薄膜のＴo
（Ｒ＝０）はそれぞれ９０Ｋと１０５Ｋであった。実施
例１と同じプロセスを用いてＳＩＳトンネル接合素子を
形成したところ、実施例１の（４）と同様の特性が得ら
れた。
Ｏ組成がＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ10およびＢｉ1.4
Ｐｂ0.6 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ10であるターゲットを用
いて、同じスパッタ条件で薄膜を形成した。薄膜のＴo
（Ｒ＝０）はそれぞれ９０Ｋと１０５Ｋであった。実施
例１と同じプロセスを用いてＳＩＳトンネル接合素子を
形成したところ、実施例１の（４）と同様の特性が得ら
れた。
【００１４】〔実施例３〕 （１） レーザ蒸着法により、８００℃に加熱された
（１００）面のＳｒＴｉＯ3 基板１の上に、組成がＴｌ
ＢａＣａＣｕＯ系のＴｌ2 Ｂａ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 である
ターゲットを用いて、ＫＦエキシマレーザーのパルスエ
ネルギー１．２Ｊ、繰り返し周波数１２Ｈｚの条件でＴ
ｌＢａＣａＣｕＯ薄膜を１００ｎｍ成長させた。得られ
た薄膜のＴo （Ｒ＝０）は１１０Ｋであった。Ｘ線回折
による構造解析の結果は、ｃ軸が基板と直角にＴｌＢａ
ＣａＣｕＯ薄膜が成長していることがわかった。このよ
うにして得られた薄膜にレジストとイオンミリングによ
りパターニングを施し、幅１００μｍのトンネル接合素
子の下部電極２とした。 （２） 以下、実施例１と同様のプロセスにより１０μ
ｍ×１０μｍの接合を形成した。この接合において、実
施例１の（４）と同様の特性を観察することができた。
（１００）面のＳｒＴｉＯ3 基板１の上に、組成がＴｌ
ＢａＣａＣｕＯ系のＴｌ2 Ｂａ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 である
ターゲットを用いて、ＫＦエキシマレーザーのパルスエ
ネルギー１．２Ｊ、繰り返し周波数１２Ｈｚの条件でＴ
ｌＢａＣａＣｕＯ薄膜を１００ｎｍ成長させた。得られ
た薄膜のＴo （Ｒ＝０）は１１０Ｋであった。Ｘ線回折
による構造解析の結果は、ｃ軸が基板と直角にＴｌＢａ
ＣａＣｕＯ薄膜が成長していることがわかった。このよ
うにして得られた薄膜にレジストとイオンミリングによ
りパターニングを施し、幅１００μｍのトンネル接合素
子の下部電極２とした。 （２） 以下、実施例１と同様のプロセスにより１０μ
ｍ×１０μｍの接合を形成した。この接合において、実
施例１の（４）と同様の特性を観察することができた。
【００１５】〔実施例４〕 （１） 実施例１から実施例３にあげた超伝導材料の他
に、ＴｌＢａ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 ，ＴｌＢａ2 Ｃａ2 Ｃｕ
3 Ｏ10をターゲットとして、実施例３に示したレーザ蒸
着法により同様の条件とプロセスにより、接合素子を形
成し、特性を測定したところ７７Ｋにおいて実施例１の
（４）と同様の特性が得られた。 （２） また、Ｎｄ1.85Ｃｅ0.15ＣｕＯ4 ，Ｐｒ1.85Ｃ
ｅ0.15ＣｕＯ4 ，Ｓｍ1.85Ｃｅ0.15ＣｕＯ4 ，Ｌａ1.9
Ｓｒ0.1 ＣｕＯ4 ，Ｌａ1.9 Ｂａ0.1 ＣｕＯ4 ，Ｌａ
1.9 Ｃａ0.1 ＣｕＯ4 の組成のターゲットを用意し、上
記（１）と同様のプロセスにより接合を形成し、特性を
測定したところ、４．２Ｋの温度において２△＝２０ｍ
Ｖのギャップ構造を有する特性が得られた。
に、ＴｌＢａ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 ，ＴｌＢａ2 Ｃａ2 Ｃｕ
3 Ｏ10をターゲットとして、実施例３に示したレーザ蒸
着法により同様の条件とプロセスにより、接合素子を形
成し、特性を測定したところ７７Ｋにおいて実施例１の
（４）と同様の特性が得られた。 （２） また、Ｎｄ1.85Ｃｅ0.15ＣｕＯ4 ，Ｐｒ1.85Ｃ
ｅ0.15ＣｕＯ4 ，Ｓｍ1.85Ｃｅ0.15ＣｕＯ4 ，Ｌａ1.9
Ｓｒ0.1 ＣｕＯ4 ，Ｌａ1.9 Ｂａ0.1 ＣｕＯ4 ，Ｌａ
1.9 Ｃａ0.1 ＣｕＯ4 の組成のターゲットを用意し、上
記（１）と同様のプロセスにより接合を形成し、特性を
測定したところ、４．２Ｋの温度において２△＝２０ｍ
Ｖのギャップ構造を有する特性が得られた。
【００１６】
【発明の効果】本発明のジョセフソン素子によって、高
温超伝導体の接合素子において、ジョセフソン電流とト
ンネル型電流電圧特性を実現することが可能となった。
さらにリーク電流が少ないため、超伝導ギャップ電圧以
下における抵抗が大きく、トンネル接合素子の特性を大
幅に改善することができた。さらにまた、特性の向上に
より、液体窒素温度以上でのジョセフソントンネル接合
素子の動作が可能となった。
温超伝導体の接合素子において、ジョセフソン電流とト
ンネル型電流電圧特性を実現することが可能となった。
さらにリーク電流が少ないため、超伝導ギャップ電圧以
下における抵抗が大きく、トンネル接合素子の特性を大
幅に改善することができた。さらにまた、特性の向上に
より、液体窒素温度以上でのジョセフソントンネル接合
素子の動作が可能となった。
【図１】本発明のトンネル型ジョセフソン接合素子の製
造方法の実施例を示し、（ａ）〜（ｅ）はそれぞれの製
造工程である。
造方法の実施例を示し、（ａ）〜（ｅ）はそれぞれの製
造工程である。
【図２】本発明の素子の平面図を示す。
【図３】ＢｉＳｒＣａＣｕＯ系超伝導体による１０μｍ
×１０μｍ接合素子のＩ−Ｖ特性を示す。
×１０μｍ接合素子のＩ−Ｖ特性を示す。
【図４】ＢｉＳｒＣａＣｕＯ系超伝導体による１００μ
ｍ×１００μｍ接合素子のＩ−Ｖ特性を示す。
ｍ×１００μｍ接合素子のＩ−Ｖ特性を示す。
１ ＳｒＴｉＯ3 基板 ２ 下部超伝導電極 ３ 層間絶縁膜 ４ 上部超伝導電極
フロントページの続き (72)発明者 宮原 一紀 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内
Claims (2)
- 【請求項１】 層状構造を有する二つの超伝導体が、前
記層状構造の平面と平行な平面で相互に結合され、かつ
前記結合の面積が０．０１ｍｍ2 以下の面積であること
を特徴とするトンネル型ジョセフソン接合素子。 - 【請求項２】 層状構造を有する超伝導体薄膜表面の一
部を、前記表面からの深さを一定に保持したまま除去
し、除去した部分に、除去した前記表面の深さに相当す
る厚さで絶縁体を堆積し、さらに前記超伝導体薄膜と前
記絶縁体上に層状構造を有する超伝導体薄膜を堆積する
ことを特徴とするトンネル型ジョセフソン接合素子の製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5222791A JPH0758366A (ja) | 1993-08-16 | 1993-08-16 | トンネル型ジョセフソン接合素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5222791A JPH0758366A (ja) | 1993-08-16 | 1993-08-16 | トンネル型ジョセフソン接合素子およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0758366A true JPH0758366A (ja) | 1995-03-03 |
Family
ID=16787960
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5222791A Pending JPH0758366A (ja) | 1993-08-16 | 1993-08-16 | トンネル型ジョセフソン接合素子およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0758366A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5856204A (en) * | 1995-09-28 | 1999-01-05 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Tunnel-type Josephson element and method for manufacturing the same |
-
1993
- 1993-08-16 JP JP5222791A patent/JPH0758366A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5856204A (en) * | 1995-09-28 | 1999-01-05 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Tunnel-type Josephson element and method for manufacturing the same |
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