JPH09266331A - トンネル型ジョセフソン素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸化物高温超電導体の固有ジョセフソン接合
を利用したトンネル型ジョセフソン素子及びその製造方
法を提供する。 【解決手段】 ＭｇＯの単結晶よりなる基板１１の上
に、Ｂｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ よりなる酸化物高温
超電導体の結晶化温度以上の温度で熱処理され、結晶粒
界１３に囲まれたＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ よりな
る複数の単結晶粒１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，…が形成さ
れている。単結晶粒１２Ａの上面部には、断面積が４０
０μｍ² 以下で、高さがＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈
のブロック層の間隔の１０倍以下である凸部１２ａが形
成されている。単結晶粒１２Ａの凸部１２ａの上面には
Ａｕよりなる第１の電極１４Ａが形成され、単結晶粒１
２Ａにおける凸部１２ａ以外の領域には第２の電極１４
Ｂが形成されている。１５はＣａＦ₂ よりなる絶縁体膜
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜素子及びその
製造方法に関し、特に、高周波通信や論理回路に応用可
能な、酸化物高温超電導体の固有ジョセフソン接合を利
用したトンネル型ジョセフソン薄膜素子及びその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の薄膜形成技術の進展により様々な
機能の薄膜素子が実用化されている。例えば、酸化物薄
膜を用いた薄膜素子においては、チタン酸鉛系薄膜が有
する焦電性を利用した赤外線センサや，酸化亜鉛薄膜が
有する圧電性を利用した表面弾性波フィルタなどが実用
化されている。これらの薄膜素子は、素子化に要求され
る薄膜の結晶化の程度が厳格ではないこと、また、結晶
構造が単純なため，必要とされる結晶性を有する薄膜に
容易に形成できること等の要因から、さほど困難を伴う
ことなく実用化がなされた。

【０００３】ところが、結晶の強い異方性を利用する素
子においては、わずかの結晶性（結晶の配向性）の乱れ
が素子の特性に大きく影響を与えるため、高い結晶性を
有する薄膜が要求される。例えば、極めて薄い絶縁層を
２つの超電導体を用いて挟むと、これら２つの超電導体
の間で電子対のトンネル現象が生じ、外部からの印加電
圧がなくても薄い絶縁層を通って超電導電流が流れるた
め、トンネル型ジョセフソン素子が得られるが、実際に
は、酸化物高温超電導体が薄い酸化物絶縁層を挟んでな
るトンネル型ジョセフソン素子の製造は、その超電導電
子対のコヒーレンス長が非常に短いため実現が困難であ
った。

【０００４】最近、酸化物高温超電導体の２次元性結晶
構造が本質的にジョセフソン接合、即ち、固有ジョセフ
ソン接合を形成していることが明らかにされ、特開平７
−５８３６６号公報にも示されているように、酸化物高
温超電導体よりなる薄膜素子としてのトンネル型ジョセ
フソン素子の製造方法が提案されている。

【０００５】以下、従来のトンネル型ジョセフソン素子
の製造方法を図面を参照しながら説明する。

【０００６】図１３は従来のトンネル型ジョセフソン素
子の製造方法を示す工程順断面図である。トンネル型ジ
ョセフソン素子の各製造方法を順次簡単に説明すると、
まず、図１３（ａ）に示すように、基板１０１の上に厚
さが約１００ｎｍの第１の超電導体薄膜１０２を形成し
た後、該第１の超電導体薄膜１０２の上面に選択的にフ
ォトレジストパターン１０３を形成する。

【０００７】次に、図１３（ｂ）に示すように、フォト
レジストパターン１０３をマスクにして第１の超電導体
薄膜１０２に対して例えば１０ｎｍのエッチングを行な
う。

【０００８】次に、図１３（ｃ）に示すように、基板１
０１の上に全面にわたって層間絶縁膜１０４を前記のエ
ッチング量と同じ程度に堆積する。

【０００９】次に、図１３（ｄ）に示すように、フォト
レジストパターン１０３をリフトオフして該フォトレジ
ストパターン１０３上の層間絶縁膜１０４を除去した
後、第１の超電導体薄膜１０２におけるフォトレジスト
パターン１０３が覆っていた表面を酸素イオンビームで
洗浄し、その後、真空を破ることなく基板１０１の上に
全面にわたって厚さが約１５０ｎｍの第２の超電導体薄
膜１０５を堆積する。その後、図１３（ｅ）に示すよう
に、第２の超電導体薄膜１０５に対して幅が１００μｍ
となるようにエッチングを行なう。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来のトンネル型ジョセフソン素子の製造方法は、図１３
（ｅ）に示す、第１の超電導体薄膜１０２と第２の超電
導体薄膜１０５との界面である接合領域１０２ａの結晶
性が粗悪になる。具体的には、図１３（ｅ）における接
合領域１０２ａの拡大図である図１４（ｂ）の平面図及
び図１４（ｂ）におけるXIV −XIV 線の断面構造を示す
図１４（ａ）に示すように、結晶が有する層状構造が接
合領域１０２ａ全体で保持されず，原子レベルにおいて
部分的に不連続になる。このため、結晶の層状構造にお
ける高抵抗層（ブロック層）による電気的な絶縁が十分
になされなくなることがあるので、結晶の層状構造にお
いて上下の（ｃ軸方向の）低抵抗層が電気的に接続され
てしまい、トンネル接合特性が得られなくなってしまう
という問題を有している。

【００１１】また、図１３（ｄ）に示す接合領域１０２
ａは微細加工技術により微細に形成されるため、第１の
超電導体薄膜１０２を形成する際に、少なくとも現在の
微細加工技術により加工可能な大きさ（約１μｍ以上）
の単結晶領域を、他の領域と容易に識別できる状態で得
ることが必要であるが、現在の薄膜化技術では、このよ
うな条件を満たす単結晶領域を得ることは困難である。

【００１２】さらに、接合領域１０２ａを形成する際
に、第１の薄膜形成、微細加工及び第２の薄膜形成とい
う工程を必要とするため、接合領域１０２ａに、例えば
水分子等の不純物が付着しやすくなる。従って、超電導
層と絶縁層とが交互に配向してなる固有ジョセフソン接
合を有する酸化物高温超電導体におけるｃ軸配向膜に該
不純物が付着すると、該絶縁層に新たな絶縁層が２層以
上積層することになるため、トンネル接合特性が得られ
なくなってしまう。このように、超電導体薄膜を複数回
に分けて形成すると、良質の接合を得ることが困難であ
るという問題を有している。

【００１３】このように、特開平７−５８３６６号公報
に提案された方法では、実質的に良好な素子特性を有す
るトンネル型ジョセフソン薄膜素子を製造することはで
きない。

【００１４】本発明は、前記従来の問題を解決し、酸化
物高温超電導体の固有ジョセフソン接合を利用したトン
ネル型ジョセフソン素子及びその製造方法を提供するも
のである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明は、基板の主面に酸化物高温超電導体よりな
る薄膜を形成し、該薄膜に対して酸化物高温超電導体の
結晶化温度以上の温度で熱処理を行なうことにより、該
薄膜内にｃ軸配向を有する単結晶粒を形成した後、該単
結晶粒の上面に第１の電極を形成し、基板の主面上にお
ける、該単結晶粒が形成された領域と異なる領域に第２
の電極を形成するものである。

【００１６】具体的に請求項１の発明が講じた解決手段
は、トンネル型ジョセフソン素子を、基板上に形成され
た導電性領域と、前記導電性領域の上に設けられ、酸化
物高温超電導体が該酸化物高温超電導体の結晶化温度以
上の温度で熱処理されることにより形成された単結晶粒
と、前記単結晶粒における前記導電性領域の反対側の面
に電気的に接続されている第１の電極と、前記導電性領
域の上における前記単結晶粒が形成されている領域と異
なる領域に電気的に接続されている第２の電極とを備
え、前記単結晶粒はトンネル型ジョセフソン効果を有す
るように形成されている構成とするものである。

【００１７】請求項１の構成により、基板上の導電性領
域の上にトンネル型ジョセフソン効果を示す結晶軸方向
に形成された酸化物高温超電導体よりなる単結晶粒が、
酸化物高温超電導体の結晶化温度以上の温度で熱処理さ
れることにより形成されているため、導電性領域の反対
側の面に電気的に接続されている第１の電極と導電性領
域を介して電気的に接続されている第２の電極が設けら
れていることにより、トンネル型ジョセフソン効果を有
する薄膜素子を実現することができる。

【００１８】ここで、結晶化温度とは化合物が結晶化を
開始する温度である。従来、基板上に成膜した薄膜を、
該薄膜を構成する化合物の結晶化温度以上の温度で熱処
理した場合は、薄膜を構成する化合物の各結晶粒の結晶
性は向上するものの、薄膜中には多数の粒界が生じるの
で、電子素子には利用できないと考えられていた。しか
しながら、本発明者らは、結晶が異方性を有する化合物
の薄膜を該化合物の結晶化温度以上の温度で熱処理した
場合は、薄膜内において結晶軸異方性を有する化合物が
微細加工技術で加工可能な大きさの単結晶粒（粒子径：
約１μｍ以上）に成長して，該単結晶粒が基板の主面に
対してある方向に配向することを見出だし、この知見に
基づいて、前記熱処理により得られる単結晶粒のある結
晶面を横切る方向を電流方向とする素子構成とすること
により薄膜素子を実現する。

【００１９】請求項２の発明は、請求項１の構成に、前
記単結晶粒における、前記トンネル型ジョセフソン効果
を示す領域のｃ軸方向に対して垂直な方向の断面積は４
００μｍ² 以下である構成を付加するものである。

【００２０】請求項２の構成により、ジョセフソン臨界
電流を越える電流が生ずることにより素子が電圧状態に
ジャンプしたときの電圧値を、固有ジョセフソン接合の
数により決定されるトンネル電圧と同程度又はそれ以下
に制限できるため、素子を動作させる際に素子が電圧状
態にジャンプしたときに発生する熱を抑制することがで
きる。

【００２１】請求項３の発明は、請求項１又は２の構成
に、前記単結晶粒における、前記トンネル型ジョセフソ
ン効果を示す領域のｃ軸方向の長さは、前記酸化物高温
超電導体のブロック層の間隔の１０倍以下である構成を
付加するものである。

【００２２】請求項３の構成により、トンネル型ジョセ
フソン効果を示す領域のｃ軸方向の長さが、酸化物高温
超電導体のブロック層の間隔の１０倍以下であるため、
単結晶粒の厚さも酸化物高温超電導体のブロック層の間
隔の１０倍以下になるので、固有ジョセフソン接合とし
て動作する接合の数を１０個以下に制限できる。

【００２３】請求項４の発明は、請求項１〜３の構成
に、前記酸化物高温超電導体は、Ｂｉ（ビスマス），Ｓ
ｒ（ストロンチウム），Ｃａ（カルシウム），Ｃｕ
（銅）及びＯ（酸素）を含む化合物である構成を付加す
るものである。

【００２４】請求項４の構成により、酸化物高温超電導
体として結晶軸異方性が強いＢｉ系超電導体を用いてい
るため、結晶性に優れた単結晶粒が得られるので、固有
ジョセフソン接合を確実に形成することができる。

【００２５】請求項５の発明が講じた解決手段は、トン
ネル型ジョセフソン素子の製造方法を、基板の主面上に
酸化物高温超電導体よりなる薄膜を形成する超電導体薄
膜形成工程と、前記薄膜に対して前記酸化物高温超電導
体の結晶化温度以上の温度で熱処理を行なうことによ
り、前記酸化物高温超電導体よりなりｃ軸配向を有する
単結晶粒を形成する単結晶粒形成工程と、前記薄膜の上
面における一の領域に前記単結晶粒と電気的に接続され
る第１の電極を形成する第１の電極形成工程と、前記薄
膜の上面における他の領域に前記単結晶粒と電気的に接
続される第２の電極を形成する第２の電極形成工程とを
備えている構成とするものである。

【００２６】請求項５の構成により、基板の主面上に形
成された酸化物高温超電導体よりなる薄膜に対して該酸
化物高温超電導体の結晶化温度以上の温度で熱処理を行
なって、該薄膜内に酸化物高温超電導体よりなりｃ軸配
向を有する単結晶粒を形成する。従って、薄膜の上面に
おけるある領域に単結晶粒の上面部と電気的に接続され
る第１の電極を形成することができると共に、該第１の
電極が形成された領域と異なる他の領域に第２の電極を
形成することにより、該第２の電極は薄膜の単結晶粒の
下側部分と電気的に接続される。

【００２７】請求項６の発明が講じた解決手段は、トン
ネル型ジョセフソン素子の製造方法を、基板の主面上に
酸化物高温超電導体よりなる薄膜を形成する超電導体薄
膜形成工程と、前記薄膜の上面における一の領域に第１
の電極を形成する第１の電極形成工程と、前記薄膜の上
面における他の領域に第２の電極を形成する第２の電極
形成工程と、前記薄膜に対して前記酸化物高温超電導体
の結晶化温度以上の温度で熱処理を行なうことにより、
前記酸化物高温超電導体よりなりｃ軸配向を有する単結
晶粒を形成する単結晶粒形成工程とを備えている構成と
するものである。

【００２８】請求項６の構成により、基板の主面上に形
成された酸化物高温超電導体よりなる薄膜に対して該酸
化物高温超電導体の結晶化温度以上の温度で熱処理を行
なって、該薄膜内に酸化物高温超電導体よりなりｃ軸配
向を有する単結晶粒を形成する。従って、薄膜の上面に
おけるある領域に単結晶粒の上面部と電気的に接続され
た第１の電極を形成することができると共に、該第１の
電極が形成された領域と異なる他の領域に形成された第
２の電極は薄膜の単結晶粒の下側部分と電気的に接続さ
れる。

【００２９】請求項７の発明は、請求項５の構成に、前
記単結晶粒形成工程と前記第１の電極形成工程との間
に、前記単結晶粒の上面部における所定領域を除く領域
を、前記基板の主面に対して所定の深さまで除去するこ
とにより、前記単結晶粒の上面部に前記所定領域よりな
る凸部を形成する工程を含み、前記第１の電極形成工程
は、前記単結晶粒の前記凸部の上面に前記第１の電極を
形成する工程を含み、前記第２の電極形成工程は、前記
単結晶粒の前記凸部を除く領域に前記第２の電極を形成
する工程を含む構成を付加するものである。

【００３０】請求項７の構成により、実質的な素子形成
領域である凸部の上面に第１の電極を形成すると共に、
単結晶粒の凸部を除く領域に前記第２の電極を形成する
ため、該凸部を除く領域を素子形成領域である単結晶粒
の凸部が動作するための導電性領域に用いることができ
る。従って、凸部を除く領域に第２の電極を形成するこ
とにより、該第２の電極は単結晶粒の凸部の下側部分と
電気的に接続されるので、単結晶粒のｃ軸方向の電気特
性を素子として取り出すことができる。

【００３１】ここで、酸化物高温超電導体は、一般に広
い温度範囲でｃ軸配向膜となり、ｃ軸方向の臨界電流密
度は、ｃ面に平行な方向の臨界電流密度に比較して非常
に小さい。従って、前記凸部における基板に垂直な方向
（ｃ軸方向）が電流方向となるように、凸部の上面と除
去されて露出した表面とに電極をそれぞれ接続すること
により、凸部が実質的な素子部として動作する。また、
単結晶粒の凸部以外の領域は、単なる導電性領域である
チャネルとして考えることができる。

【００３２】請求項８の発明は、請求項７の構成に、前
記単結晶粒の前記凸部の上面の面積は４００μｍ² 以下
である構成を付加するものである。

【００３３】請求項８の構成により、ジョセフソン臨界
電流を越える電流により素子が電圧状態にジャンプした
ときの電圧値を、固有ジョセフソン接合の数により決定
されるトンネル電圧と同程度又はそれ以下に制限できる
ため、素子を動作させる際に素子が電圧状態にジャンプ
したときに発生する熱を抑制することができる。

【００３４】請求項９の発明は、請求項７又は８の構成
に、前記単結晶粒の前記凸部の高さは、前記超電導体薄
膜形成工程において形成される前記酸化物高温超電導体
のブロック層の間隔の１０倍以下である構成を付加する
ものである。

【００３５】請求項９の構成により、単結晶粒の上面に
おける凸部の高さが、酸化物高温超電導体のブロック層
の間隔の１０倍以下であるため、単結晶粒の厚さも酸化
物高温超電導体のブロック層の間隔の１０倍以下になる
ので、固有ジョセフソン接合として動作する接合の数を
１０個以下に制限できる。

【００３６】請求項１０の発明は、請求項５の構成に、
前記単結晶粒形成工程と前記第１の電極形成工程との間
に、前記単結晶粒の上面部に所定の深さを有する枠状の
凹状溝を形成して、前記単結晶粒の上面を前記凹状溝に
より囲まれた第１の領域と前記凹状溝の外側の第２の領
域とに分割する工程を含み、前記第１の電極形成工程
は、前記単結晶粒の前記第１の領域に前記第１の電極を
形成する工程を含み、前記第２の電極形成工程は、前記
単結晶粒の前記第２の領域に前記第２の電極を形成する
工程を含む構成を付加するものである。

【００３７】請求項１０の構成により、単結晶粒の上面
部に所定の深さを有する枠状の凹状溝を形成して、該単
結晶粒の上面を凹状溝により囲まれた第１の領域と凹状
溝の外側の第２の領域とに分割し、第１の領域に比較し
て第２の領域の面積を１桁以上大きい面積にすることに
より、素子形成領域である第１の領域におけるｃ軸方向
の接合の臨界電流値は、第２の領域におけるｃ軸方向の
接合の臨界電流値よりも１桁以上小さくなる。従って、
素子形成領域である第１の領域が動作するための導電性
領域として第２の領域を用いることができる。これによ
り、第２の領域に第２の電極を形成することにより、該
第２の電極は第１の領域の下側部分と電気的に接続され
るので、第１の領域のｃ軸方向の電気特性を素子として
取り出すことができる。

【００３８】請求項１１の発明は、請求項１０の構成
に、前記単結晶粒における前記第１の領域の面積は４０
０μｍ² 以下である構成を付加するものである。

【００３９】請求項１１の構成により、ジョセフソン臨
界電流を越える電流により素子が電圧状態にジャンプし
たときの電圧値を、固有ジョセフソン接合の数により決
定されるトンネル電圧と同程度又はそれ以下に制限でき
るため、素子を動作させる際に素子が電圧状態にジャン
プしたときに発生する熱を抑制することができる。

【００４０】請求項１２の発明は、前記単結晶粒の前記
凹状溝の所定の深さは、前記超電導体薄膜形成工程にお
いて形成される前記酸化物高温超電導体のブロック層の
間隔の１０倍以下である構成を付加するものである。

【００４１】請求項１２の構成により、単結晶粒の上面
部における凹状溝の所定の深さが、酸化物高温超電導体
のブロック層の間隔の１０倍以下であるため、単結晶粒
の厚さも酸化物高温超電導体のブロック層の間隔の１０
倍以下になるので、固有ジョセフソン接合として動作す
る接合の数を１０個以下に制限できる。

【００４２】請求項１３の発明は、請求項５又は６の構
成に、前記超電導体薄膜形成工程の前に、前記基板の主
面部に所定の深さを有する枠状の凹状溝を形成して、前
記基板の主面部を前記凹状溝により囲まれた第１の領域
と前記凹状溝の外側の第２の領域とに分割する工程を含
み、前記超電導体薄膜形成工程は、前記基板の主面上に
前記凹状溝の所定の深さよりも大きい膜厚を有する酸化
物高温超電導体よりなる薄膜を全面的に形成する工程を
含み、前記第１の電極形成工程は、前記薄膜における前
記基板の第１の領域の上側部分に前記第１の電極を形成
する工程を含み、前記第２の電極形成工程は、前記薄膜
における前記基板の第２の領域の上側部分に前記第２の
電極を形成する工程を含む構成を付加するものである。

【００４３】請求項１３の構成により、素子形成領域が
枠状の凹状溝により区画された基板の主面上に酸化物高
温超電導体よりなる薄膜を形成するため、該薄膜におけ
る素子形成領域も薄膜に形成される枠状の凹状溝により
区画されるので、薄膜に対してエッチングを行なうプロ
セスが不要になる。

【００４４】また、薄膜に熱処理を施して該薄膜におけ
る凹状溝に区画された素子形成領域をｃ軸配向させて単
結晶粒にするため、つまり薄膜におけるｃ軸配向させる
領域の面積が限定されているため、素子形成領域におい
て結晶性に優れた酸化物高温超電導体よりなる単結晶粒
を得ることができる。

【００４５】また、単結晶粒の形成位置を基板の主面に
形成する凹状溝によって制御できるため、実態顕微鏡に
より単結晶粒の位置を特定する作業が不要になる。

【００４６】また、酸化物高温超電導体よりなる薄膜の
膜厚は基板に形成された凹状溝の深さよりも大きいた
め、第１の領域に形成された単結晶粒の下側には、第２
の領域の薄膜と一体に形成された薄膜が存在する。従っ
て、薄膜の第２の領域に接続される第２の電極を形成す
ると、該第２の電極は薄膜の第２の領域及び薄膜の単結
晶粒の下側部分と電気的に接続される。

【００４７】請求項１４の発明は、請求項１３の構成
に、前記薄膜における前記基板の第１の領域の上側部分
の面積は４００μｍ² 以下である構成を付加するもので
ある。

【００４８】請求項１４の構成により、ジョセフソン臨
界電流を越える電流により素子が電圧状態にジャンプし
たときの電圧値を、固有ジョセフソン接合の数により決
定されるトンネル電圧と同程度又はそれ以下に制限でき
るため、素子を動作させる際に素子が電圧状態にジャン
プしたときに発生する熱を抑制することができる。

【００４９】請求項１５の発明は、請求項１３又は１４
の構成に、前記薄膜における前記凹状溝の所定の深さ
は、前記超電導体薄膜形成工程において形成される前記
酸化物高温超電導体のブロック層の間隔の１０倍以下で
ある構成を付加するものである。

【００５０】請求項１５の構成により、凹状溝の所定の
深さが酸化物高温超電導体のブロック層の間隔の１０倍
以下であるため、単結晶粒の厚さも酸化物高温超電導体
のブロック層の間隔の１０倍以下になるので、固有ジョ
セフソン接合として動作する接合の数を１０個以下に制
限できる。

【００５１】請求項１６の発明は、請求項５又は６の構
成に、前記超電導体薄膜形成工程の前に、前記基板の主
面部を、第１の平面部と第２の平面部とに分割すると共
に、前記第１の平面部と前記第２の平面部との間に、前
記基板の主面に対して１５度以上且つ７５度以下の角度
を有し、前記第１の平面部と前記第２の平面部とをつな
ぐ斜面部を形成する斜面部形成工程を含み、前記超電導
体薄膜形成工程は、前記基板の主面上に前記斜面部の高
さよりも小さい膜厚を有する酸化物高温超電導体よりな
る薄膜を全面的に形成する工程を含み、前記単結晶粒形
成工程は、前記薄膜における前記基板の前記斜面部の上
側部分を含む領域に前記単結晶粒を形成した後、該単結
晶粒の前記斜面部に前記単結晶粒よりなる帯状部を前記
斜面部の傾斜方向に形成する工程を含み、前記第１の電
極形成工程は、前記第１の平面部に、前記単結晶粒にお
ける前記第１の平面部と電気的に接続する前記第１の電
極を形成する工程を含み、前記第２の電極形成工程は、
前記第２の平面部に、前記単結晶粒における前記第２の
平面部と電気的に接続する前記第２の電極を形成する工
程を含む構成を付加するものである。

【００５２】請求項１６の構成により、基板の主面部を
第１の平面部と第２の平面部とに分割すると共に、第１
の平面部と第２の平面部との間に、第１の平面部と第２
の平面部とをつなぐ斜面部を形成した後、基板の主面上
に全面的に斜面部の高さよりも小さい膜厚を有する酸化
物高温超電導体よりなる薄膜を形成し、その後、斜面部
を含む領域に単結晶粒を形成するため、例えば、斜面部
の上段側を第１の平面部、斜面部の下段側を第２の平面
部とすると、第２の平面部に形成される第２の電極は、
斜面部を含む領域に形成され、実質的な素子形成領域で
ある単結晶粒の下側部分と電気的に接続されるので、ｃ
軸方向の電気特性を素子として取り出すことができる。

【００５３】また、単結晶粒における第１の平面部の上
側部分と第２の平面部の上側部分とを結ぶ領域に単結晶
粒よりなる帯状部を形成し、実質的な素子形成領域の断
面積を小さくするため、ジョセフソン臨界電流を越える
電流により素子が電圧状態にジャンプしたときの電圧値
を、固有ジョセフソン接合の数により決定されるトンネ
ル電圧と同程度又はそれ以下に制限できるので、素子を
動作させる際に素子が電圧状態にジャンプしたときに発
生する熱を抑制することができる。

【００５４】また、単結晶粒形成工程において、単結晶
粒の成長が斜面部付近に促進されるため、薄膜中に粒界
が明確に生成するほど熱処理を行なう必要がない。

【００５５】請求項１７の発明は、請求項５又は６の構
成に、前記超電導体薄膜形成工程の前に、前記基板の主
面部を、第１の平面部と第２の平面部とに分割すると共
に、前記第１の平面部と前記第２の平面部との間に、前
記第１の平面部と前記第２の平面部とを画する突起部を
形成する突起部形成工程を含み、前記超電導体薄膜形成
工程は、前記基板の主面上に前記突起部の高さよりも小
さい膜厚を有する酸化物高温超電導体よりなる薄膜を全
面的に形成する工程を含み、前記単結晶粒形成工程は、
前記基板の主面上における前記突起部を含む領域に前記
単結晶粒を形成した後、前記単結晶粒における前記突起
部を跨ぐ領域に前記単結晶粒よりなる帯状部を形成する
工程を含み、前記第１の電極形成工程は、前記第１の平
面部に、前記単結晶粒における前記第１の平面部と電気
的に接続する前記第１の電極を形成する工程を含み、前
記第２の電極形成工程は、前記第２の平面部に、前記単
結晶粒における前記第２の平面部と電気的に接続する前
記第２の電極を形成する工程を含む構成を付加するもの
である。

【００５６】請求項１７の構成により、基板の主面部を
第１の平面部と第２の平面部とに分割すると共に、第１
の平面部と第２の平面部との間に、第１の平面部と第２
の平面部とを画する突起部を形成した後、基板の主面上
に全面的に突起部の高さよりも小さい膜厚を有する酸化
物高温超電導体よりなる薄膜を形成し、その後、突起部
を含む領域に単結晶粒を形成するため、第１の平面部に
形成される第１の電極及び第２の平面部に形成される第
２の電極は、突起部を含む領域に形成され、実質的な素
子形成領域である単結晶粒の下側部分に電気的に接続さ
れるので、ｃ軸方向の電気特性を素子として取り出すこ
とができる。

【００５７】また、単結晶粒における突起部を跨ぐ領域
に単結晶粒よりなる帯状部を形成し、実質的な素子形成
領域の断面積を小さくするため、ジョセフソン臨界電流
を越える電流により素子が電圧状態にジャンプしたとき
の電圧値を、固有ジョセフソン接合の数により決定され
るトンネル電圧と同程度又はそれ以下に制限できるの
で、素子を動作させる際に素子が電圧状態にジャンプし
たときに発生する熱を抑制することができる。

【００５８】また、単結晶粒形成工程において、単結晶
粒の成長が斜面部付近に促進されるため、薄膜中に粒界
が明確に生成するほど熱処理を行なう必要がない。

【００５９】請求項１８の発明は、請求項５〜１７の構
成に、前記超電導体薄膜形成工程における前記酸化物高
温超電導体は、Ｂｉ（ビスマス），Ｓｒ（ストロンチウ
ム），Ｃａ（カルシウム），Ｃｕ（銅）及びＯ（酸素）
を含む化合物である構成を付加するものである。

【００６０】請求項１８の構成により、酸化物高温超電
導体として結晶軸異方性が強いＢｉ系超電導体を用いて
いるため、結晶性に優れた単結晶粒が得られるので、固
有ジョセフソン接合を確実に形成することができる。

【００６１】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図面を参照し
ながら説明する。なお、各実施形態においてｃ軸異方性
を有する化合物にＢｉ（ビスマス）系高温超電導体を用
いたトンネル型ジョセフソン素子を説明するが、本発明
は、結晶軸異方性を有する化合物からなる薄膜を素子化
する場合に広く適用可能である。

【００６２】（第１の実施形態）図１は本発明の第１の
実施形態に係るトンネル型ジョセフソン素子の断面図で
ある。図１において、ＭｇＯ単結晶よりなる基板１１の
上に、Ｂｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ よりなる酸化物高
温超電導体の結晶化温度以上の温度で熱処理され、結晶
粒界１３に囲まれたＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ より
なる複数の単結晶粒１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，…が形成
されている。単結晶粒１２Ａの上面部には、断面積が４
００μｍ² 以下で、高さがＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ
₈ のブロック層の間隔（１５ｎｍ）の１０倍以下である
凸部１２ａが形成されている。単結晶粒１２Ａの凸部１
２ａの上面にはＡｕ（金）よりなる第１の電極１４Ａが
形成され、単結晶粒１２Ａにおける凸部１２ａ以外の導
電性領域には導電性チャネルとなる第２の電極１４Ｂが
形成されている。１５は単結晶粒１２Ａ及び１２Ｂの上
に形成され、第１の電極１４Ａと単結晶粒１２Ａ及び１
２Ｂとを絶縁し、また、第１の電極１４Ａと第２の電極
１４Ｂとを絶縁するＣａＦ₂ （フッ化カルシウム）より
なる絶縁体膜である。

【００６３】このように、基板１１上に形成され、酸化
物高温超電導体の結晶化温度以上の温度で熱処理されて
形成された単結晶１２Ａの上面に断面積が４００μｍ²
以下で、且つ、高さが酸化物高温超電導体のブロック層
の間隔の１０倍以下である凸部１２ａを形成しておき、
導電性チャネルの反対側の面に電気的に接続されている
第１の電極１４Ａと、導電性チャネルである、単結晶１
２Ａにおける凸部１２ａを除く領域に形成された第２の
電極１４Ｂとが設けられていることにより、第２の電極
１４Ｂは単結晶粒１２Ａの凸部１２ａの下側部分と電気
的に接続されるので、凸部１２ａのｃ軸方向の電気特性
を素子として取り出すことができる。従って、トンネル
型ジョセフソン効果を有する薄膜素子を実現することが
できる。

【００６４】また、実質上の素子部である単結晶粒１２
Ａの凸部１２ａの断面積を４００μｍ² 以下にしている
ため、ジョセフソン臨界電流を越える電流により素子が
電圧状態にジャンプしたときの電圧値を、固有ジョセフ
ソン接合の数により決定されるトンネル電圧と同程度又
はそれ以下に制限できるので、素子を動作させる際に素
子が電圧状態にジャンプしたときに発生するジュール熱
を抑制することができる。その結果、安定して動作する
素子を実現することができる。

【００６５】また、単結晶粒１２Ａの凸部１２ａの高さ
は、酸化物高温超電導体のブロック層の間隔の１０倍以
下であるため、固有ジョセフソン接合として動作する接
合部の数を１０個以下に制限できる。これにより、素子
の動作に必要な電圧を数百ｍＶ以下にすることができる
ため、ジョセフソン素子のジュール熱による不安定動作
を抑制し、且つ、低消費電力化を図ることができる。

【００６６】なお、図２は本実施形態に係るトンネル型
ジョセフソン素子の部分平面図であって、図１は図２に
おけるII−II線の断面構造である。図２において、図１
と同一符号が同一または相当する部分を示している。ま
た、結晶粒界１３を便宜上方形で表わしているが、実際
には凹凸形状を有する多角形である。また、図２に示す
ように、４端子測定を可能にするため、第１の電極１４
Ａと同一形状を有する第３の電極１４Ｃと、第２の電極
１４Ｂと同一形状を有する第４の電極１４Ｄとがそれぞ
れ形成されている。例えば、第１の電極１４Ａと第２の
電極１４Ｂとの間に電流を流して第３の電極１４Ｃと第
４の電極１４Ｄとの間の電圧を測定することができる
が、素子として必ずしも４端子を必要とするものではな
い。

【００６７】以下、本発明の第１の実施形態に係るトン
ネル型ジョセフソン素子の製造方法を図面を参照しなが
ら説明する。

【００６８】図３（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施
形態に係るトンネル型ジョセフソン素子の製造方法の工
程順断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、例
えば、高周波マグネトロンスパッタ法を用いて、６００
℃に加熱したＭｇＯ単結晶よりなる基板１１の（１０
０）面上に、組成がＢｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝２．１：
２：１：２であるＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏをターゲ
ットとして厚みが約２００ｎｍのＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃ
ｕ₂ Ｏ₈ よりなる薄膜１２を形成する。この場合の雰囲
気ガスはアルゴンと酸素との混合ガスで、混合比はＡｒ
／Ｏ₂ ＝９０／１０である。また、成膜中のガス圧は
１．０Ｐａとした。一般に、結晶性の良いＢｉ₂ Ｓｒ₂
Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ よりなる薄膜１２を得るためには、８
００℃に近い基板温度が必要であるため、６００℃の基
板温度により形成した薄膜１２の結晶性はあまり良くな
い。しかしながら、６００℃の基板温度により薄膜１２
を形成した後、後述する熱処理を行なうと、大きな単結
晶粒が得られることが分かったので、薄膜１２を形成す
る際の基板温度として６００℃を採用する。なお、酸化
物高温超電導薄膜の酸素量を決定することは困難である
ため、実際には薄膜１２の酸素量は確認していない。

【００６９】また、成膜方法や、基板温度、混合ガスの
ガス比、ガス圧等の成膜条件は、形成された薄膜１２の
組成がＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ に近くなる範囲で
適宜変更可能である。

【００７０】次に、図３（ｂ）に示すように、Ｂｉ₂ Ｓ
ｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ よりなる薄膜１２内に単結晶粒１
２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，…を成長させるため、例えば、
薄膜１２に対して酸素雰囲気中における８７０℃の温度
下で２４時間の熱処理を施す。熱処理が施された薄膜１
２をＸ線回折により測定した結果、薄膜１２はＢｉ₂Ｓ
ｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ を主成分とし、副成分にＢｉ₂ Ｓ
ｒ₂ Ｃｕ₁ Ｏ₆ を含む非常に高度に結晶化したｃ軸（基
板１１の表面に対して垂直な軸）配向膜であることが分
かった。また、走査型電子顕微鏡を用いた観察により、
多数の１０μｍ以上の粒径を有する単結晶粒１２Ａ，１
２Ｂ，１２Ｃ，…及び結晶粒界１３が存在することが分
かった。さらに、エネルギー分散型Ｘ線分光測定の結果
から、結晶粒内の組成はＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈
であり、これらの結晶粒がｃ軸に配向した単結晶粒であ
って、結晶粒界１３の粒界部分にＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃｕ₁ Ｏ
₆相が存在することが確認された。

【００７１】単結晶粒１２Ａ等の電気抵抗温度依存性を
測定すると、超電導転移のオンセットが約８０Ｋで、零
抵抗温度が４０Ｋであった。転移がブロードであるの
は、測定が粒界部分を含んだ特性を示しているためであ
り、オンセットが９０Ｋより低いのは、単結晶粒１２Ａ
等が酸素雰囲気中で熱処理されたことにより、オーバー
ドープ領域にあるためと推測できる。

【００７２】次に、図３（ｃ）に示すように、例えば、
一つの単結晶粒１２Ａの上面部における２μｍ×５μｍ
の凸部１２ａを残し、該凸部１２ａ以外の単結晶粒１２
Ａの上面部を約１０ｎｍの深さで除去する。このとき、
前記の工程の長時間の熱処理によって結晶粒界１３が実
体顕微鏡によって容易に目視できる程度に大きく成長し
ているので、単結晶粒１２Ａを特定することは容易であ
る。

【００７３】次に、図３（ｄ）に示すように、凸部１２
ａの上面にＡｕよりなる第１の電極１４Ａと、単結晶粒
１２Ａの凸部１２ａを除く領域にＡｕよりなる第２の電
極１４Ｂとをそれぞれ形成すると共に、該電極同士、又
は第１の電極１４Ａと単結晶粒１２Ａとを絶縁するＣａ
Ｆ₂ からなる絶縁体膜１５をそれぞれ形成する。なお、
図２に示したように、４端子測定が可能となるよう第３
の電極１４Ｃ及び第４の電極１４Ｄも同時に形成する。

【００７４】以上の構成により、単結晶粒１２Ａのａｂ
面（基板１１の表面に対して平行な面）方向は電気抵抗
が小さいため、第２の電極１４Ｂは単結晶粒１２Ａの凸
部の下側部分と電気的に接続されるので、単結晶粒１２
Ａのｃ軸方向の電気特性を素子として利用することがで
きる。

【００７５】図４は、本実施形態により製造されたトン
ネル型ジョセフソン素子の電流電圧特性を示しており、
測定温度は５０Ｋである。２Δ＝４０ｍｅＶ（Δは超電
導エネルギーギャップ）とした場合の約４倍のエネルギ
ーギャップが測定されており、４個の固有ジョセフソン
接合が直列に接続された特性であると理解できる。

【００７６】本実施形態によると、Ｂｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁
Ｃｕ₂ Ｏ₈ の薄膜１２を形成した後、該薄膜１２に対し
て熱処理を行なうことにより、薄膜１２内に強いｃ軸異
方性を有するＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ よりなる単
結晶粒１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，…が形成される。これ
らの内の１つの単結晶粒のｃ軸方向を電流方向とするこ
とにより、薄膜１２が有する固有ジョセフソン接合特性
が安定して維持される優れた素子特性の薄膜素子を得る
ことができる。

【００７７】（第２の実施形態）以下、本発明の第２の
実施形態を図面を参照しながら説明する。

【００７８】図５（ａ）〜（ｄ）は本発明の第２の実施
形態に係るトンネル型ジョセフソン素子の製造方法を示
す工程順断面図である。まず、図５（ａ）に示すよう
に、前記第１の実施形態と同様の方法を用いて、６００
℃の温度下でＭｇＯ単結晶よりなる基板１１の（１０
０）面上に、厚みが約２００ｎｍのＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁
Ｃｕ₂ Ｏ₈ よりなる薄膜１２を形成する。

【００７９】次に、図５（ｂ）に示すように、薄膜１２
に対して酸素雰囲気中における８７０℃の温度下で２４
時間の熱処理を施すことにより、Ｂｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃ
ｕ₂Ｏ₈ よりなる薄膜１２内にそれぞれ結晶粒界１３に
より囲まれた単結晶粒１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，…を成
長させる。

【００８０】次に、図５（ｃ）に示すように、１つの単
結晶粒１２Ａの上面部に幅２μｍ、深さ１０ｎｍの枠状
の凹状溝１２ｃを形成することにより、単結晶粒１２Ａ
の上面を、凹状溝１２ｃに囲まれ面積が２μｍ×５μｍ
の第１の領域１２ｂと、凹状溝１２ｃの外側に位置する
第２の領域１２ｄとに分割する。

【００８１】次に、図５（ｄ）に示すように、凹状溝１
２ｃと単結晶粒１２Ａの所定領域とにＣａＦ₂ からなる
絶縁体膜１５を形成した後、単結晶粒１２Ａの第１の領
域１２ｂの上面にＡｕよりなる第１の電極１４Ａと，第
２の領域１２ｄの所定部分にＡｕよりなる第２の電極１
４Ｂをそれぞれ形成する。

【００８２】また、図６の部分平面図に示すように、第
１の電極１４Ａと同等の第３の電極１４Ｃと、第２の電
極１４Ｂと同等の第４の電極１４Ｄとをそれぞれ形成し
ておき、４端子測定を可能としている。図６において、
図５（ｄ）と同一符号が同一または相当する部分を示し
ており、図５（ｄ）は図６におけるVI−VI線の断面図で
ある。

【００８３】以上説明したように、単結晶粒１２Ａにお
ける第２の領域１２ｄのａｂ面と十分大きい面積を有す
るｃ軸方向の第２の電極１４Ｂによる接合構造は、第１
の領域１２ｂに比較して電気抵抗が十分小さいため、第
２の電極１４Ｂは単結晶粒１２Ａの第１の領域１２ｂの
下側部分と電気的に接続されるので、第１の領域１２ｂ
のｃ軸方向の電気特性を素子として利用できる。

【００８４】なお、５０Ｋの温度下で測定した電流電圧
特性は図４に示す前記第１の実施形態と同様の特性を示
した。

【００８５】本実施形態の特徴として、単結晶粒１２Ａ
に対するエッチング量が少なくてすむため、単結晶粒１
２Ａのエッチングによるダメージが少なくなるので、安
定した動作が可能となる。

【００８６】（第３の実施形態）以下、本発明の第３の
実施形態を図面を参照しながら説明する。

【００８７】図７（ａ）〜（ｄ）は本発明の第３の実施
形態に係るトンネル型ジョセフソン素子の製造方法を示
す工程順断面図である。まず、図７（ａ）に示すよう
に、ＭｇＯ単結晶よりなる基板１１の面方位が（１０
０）である主面に対して、例えばアルゴンイオンミリン
グ法を施して幅２μｍ、深さ１０ｎｍの平面四方形状の
第１の凹状溝１１ａを形成することにより、基板１１の
表面部を第１の凹状溝１１ａにより囲まれた第１の領域
１６と第１の凹状溝１１ａの外側に位置する第２の領域
１７とに分割する。本実施形態においては、第１の領域
１６の大きさを５μｍ×１０μｍに設定している。

【００８８】次に、図７（ｂ）に示すように、基板温度
が６００℃の条件下で、組成がＢｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ
＝２．１：２：１：２のＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏよ
りなるターゲットを用いる高周波マグネトロンスパッタ
法により、基板１１の上に約１００ｎｍの膜厚を有する
Ｂｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ よりなる薄膜１２を形成
する。この場合の雰囲気ガスはアルゴンと酸素との混合
ガスで、混合比は例えばＡｒ／Ｏ₂ ＝９０／１０であ
る。また、成膜中のガス圧は１．０Ｐａとした。基板１
１には第１の凹状溝１１ａが形成されているため、薄膜
１２にも第１の凹状溝１１ａに対応する深さ１０ｎｍの
第２の凹状溝１２ｅが形成され、薄膜１２における第１
の領域１６は第２の凹状溝１２ｅにより囲まれた形状と
なる。

【００８９】また、前記の実施形態と同様に、成膜方法
や、基板温度、ガス比、ガス圧等の成膜条件は、作製さ
れた薄膜１２の組成がＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ に
近くなる範囲で適宜変更可能である。

【００９０】次に、図６（ｃ）に示すように、薄膜１２
に対して酸素雰囲気中における８６０℃の温度下で２４
時間の熱処理を施す。熱処理が施された薄膜１２をＸ線
回折により測定した結果、薄膜１２は、Ｂｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃ
ａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ を主成分とし、副成分にＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃ
ｕ₁ Ｏ₆ を含む非常に高度に結晶化したｃ軸配向膜であ
ることが分かった。また、原子間力顕微鏡を用いた観察
により、薄膜１２における第１の領域１６は、単位格子
レベルの凹凸しか持たない平坦な表面を有していること
が分かった。さらに、エネルギ分散型Ｘ線分光測定の結
果から、薄膜１２における第１の領域１６は、Ｂｉ₂ Ｓ
ｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ の単結晶粒１２Ａであると結論づ
けられた。

【００９１】次に、図８及び図８におけるVIII−VIII線
の断面構造を示す図７（ｄ）に示すように、単結晶粒１
２Ａ及び薄膜１２の上の各所定領域にＣａＦ₂ よりなる
絶縁膜１５及びＡｕよりなる第１、第２、第３及び第４
の電極１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄをそれぞれ形成
してトンネル型ジョセフソン素子を得る。

【００９２】図８において、図７（ｄ）と同一符号が同
一または相当する部分を示し、第１及び第３の電極１４
Ａ，１４Ｃは単結晶粒１２Ａに接続されていると共に、
第２及び第４の電極１４Ｂ，１４Ｄは薄膜１２の第２の
領域１７に接続されている。なお、単結晶粒１２Ａに接
続される電極を第１の電極１４Ａと第３の電極１４Ｃと
に分離すると共に、薄膜１２の第２の領域１７に接続さ
れる電極を第２の電極１４Ｂと第４の電極１４Ｄとに分
離して４端子測定を可能にしている。

【００９３】以上のようにして、単結晶粒１２のｃ軸方
向の電気特性をジョセフソン効果として利用するトンネ
ル型ジョセフソン素子を製造することができる。

【００９４】本実施形態の特徴として、Ｂｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃ
ａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ よりなる薄膜１２に結晶化温度以上の熱
処理を施して、該薄膜１２における第２の凹状溝１２ｅ
に区画された素子形成領域である第１の領域１６をｃ軸
配向したＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁Ｃｕ₂ Ｏ₈ よりなる単結晶
粒にするため、つまり薄膜１２におけるｃ軸配向させる
領域の面積が限定されているため、第１の領域１６に結
晶性に優れた単結晶粒１２Ａを得ることができる。

【００９５】また、単結晶粒１２Ａの形成位置を基板１
１の主面に形成する凹状溝１１ａによって制御できるた
め、実態顕微鏡により単結晶粒１２Ａの位置を特定する
作業が不要になる。

【００９６】また、薄膜１２の膜厚は基板に形成された
凹状溝１１ａの深さよりも大きいため、第１の領域１６
に形成された単結晶粒１２Ａの下側には、第２の領域１
７の薄膜１２と一体に形成された薄膜が存在する。従っ
て、薄膜１２における第２の領域１７に接続される第２
の電極１４Ｂを形成すると、該第２の電極１４Ｂは薄膜
１２における第２の領域１７及び薄膜１２における単結
晶粒１２Ａの下側部分を介して単結晶粒１２Ａの下面と
電気的に接続される。

【００９７】さらに、単結晶粒１２Ａに対するアルゴン
イオンミリング等のエッチングプロセスが不要となるた
め、トンネル型ジョセフソン素子を歩留まり良く製造す
ることができる。

【００９８】なお、本実施形態により製造されたトンネ
ル型ジョセフソン素子における測定温度５０Ｋ下の電流
電圧特性は、前記の各実施形態により得られた薄膜素子
の特性と同様であった。

【００９９】以上説明した第１〜３の実施形態により得
られる薄膜素子は、実質的な素子部である第１の電極１
４Ａと単結晶粒１２Ａとの接合部において４つのトンネ
ル型ジョセフソン接合が直列に繋がっている。すなわ
ち、酸化物高温超電導体薄膜であるＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁
Ｃｕ₂ Ｏ₈ の薄膜１２のエッチング量を、薄膜中のブロ
ック層（ＢｉＯ層）の間隔の４倍以上、且つ、５倍以下
にして得られている。本発明においては、実質的な素子
部となる第１の電極１４Ａとの接合部に少なくとも１つ
のブロック層を含んでいればよく、前記第１〜３の実施
形態に示した素子構成に限定されない。特に、前記接合
部に含まれるブロック層の数を前記各実施形態の素子の
ように、１０以下になるように製造すれば、動作電圧を
約４００ｍＶ以下に制限できるため、ジョセフソン素子
の低消費電力化を図ることができる。

【０１００】また、前記各実施形態の素子は、前記接合
部の面積（断面積）が２μｍ×５μｍあるいは５μｍ×
１０μｍに設定されている。本発明において、第１の電
極１４Ａと単結晶粒１２Ａとの接合部の面積は、該接合
部が電圧状態にジャンプしたときの電圧値により該接合
部で発生するジュール熱を抑制するため、接合部の固有
ジョセフソン接合の数で決定されるトンネル電圧と同程
度かそれ以下に該電圧値を抑えることができる程度の面
積にするのが好ましい。現実的には、前記接合部で発生
するジュール熱を考慮すると、接合部の４００μｍ² 以
下にするのが好ましい。

【０１０１】（第４の実施形態）以下、本発明の第４の
実施形態を図面を参照しながら説明する。

【０１０２】図９（ａ）〜（ｄ）は本発明の第４の実施
形態に係るトンネル型ジョセフソン素子の製造方法を示
す工程順断面図である。まず、図９（ａ）に示すよう
に、ＭｇＯ単結晶よりなる基板１１の（１００）主面上
に、該主面に対して６０度の傾斜角を有し且つ２００ｎ
ｍの段差を有する斜面部１８を設け、該斜面部１８を境
にして基板１１の主面を第１の平面部１９と第２平面部
２０とに分割する。

【０１０３】次に、図９（ｂ）に示すように、基板１１
の表面に全面にわたって１５０ｎｍのＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ
₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ よりなる薄膜１２を形成した後、図９
（ｃ）に示すように、薄膜１２に対して酸素雰囲気中に
おける８５０℃の温度下で６時間の熱処理を施すことに
より、薄膜１２における斜面部１８及び該斜面部１８の
周辺部に単結晶粒１２Ａを形成する。ここで、熱処理温
度及び熱処理を行なう時間は、前記各実施形態の場合よ
りも低温で且つ短時間であるが、これは基板１１に斜面
部１８を設けておくと該斜面部１８の近傍に単結晶粒１
２Ａの成長が促進され、薄膜中に結晶粒界が明確に生成
するほどの熱処理を行なうことなく単結晶粒１２Ａが形
成されるためである。なお、薄膜１２中において、単結
晶粒１２Ａは超電導体により第１の平面部１９及び第２
の平面部２０と接続されている。また、第１の平面部１
９及び第２の平面部２０は単結晶化していないが、その
結晶化が促進されて超電導体になっている。

【０１０４】次に、図１０及び図１０におけるＸ−Ｘ線
の断面構造を示す図９（ｄ）に示すように、単結晶粒１
２Ａにおける斜面部１８の傾斜方向と平行に且つ幅が１
０μｍ以上の帯状パターンとなるように単結晶粒１２Ａ
に対してエッチング加工を行なう。また、第１及び第２
の平面部１９，２０に対して斜面部１８が延びる方向に
幅が共に１ｍｍとなるようにそれぞれエッチング加工を
行なう。なお、図１０において、図９（ｄ）と同一符号
が同一または相当する部分を示している。

【０１０５】次に、薄膜１２における第１の平面部１９
にＡｕよりなる第１の電極１４Ａ及び第３の電極１４Ｃ
を形成すると共に、薄膜１２における第２の平面部２０
にＡｕよりなる第２の電極１４Ｂ及び第４の電極１４Ｄ
を形成する。第１の平面部１９と第２の平面部２０と
は、単結晶粒１２Ａにおける斜面部１８の上面又は下面
とそれぞれ電気的に接続されている。本実施形態におい
ても４端子測定が可能なように、４つの電極を形成して
いるが、必ずしもこれに限るものではない。

【０１０６】また、電極を形成する部材を熱処理に耐え
る部材とすれば、熱処理の前に電極を形成することも可
能である。

【０１０７】本実施形態により製造されたトンネル型ジ
ョセフソン素子における測定温度５０Ｋ下の電流電圧特
性は、前記の各実施形態により得られた薄膜素子の特性
と同様であった。

【０１０８】本実施形態の特徴として、Ｂｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃ
ａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ よりなる薄膜１２内に単結晶粒を形成す
る際に、該薄膜内に結晶粒界が明確に生成するほどの熱
処理を行なう必要がないため、前記各実施形態に比べて
素子の製造が容易となる。

【０１０９】なお、基板１１における斜面部１８の高
さ、すなわち第１の平面部１９と第２の平面部２０との
段差を２００ｎｍに設定し薄膜１２の膜厚を１５０ｎｍ
に形成したが、本発明はこれに限定されない。単結晶粒
１２Ａにおける斜面部１８上の帯状パターンに第１の平
面部１９と第２の平面部２０とを貫通するａｂ面が存在
しないように、すなわち、該帯状パターンを流れる電流
が必ずｃ軸方向に流れるようにするために、斜面部１８
の高さが薄膜１２の膜厚よりも大きくなるという条件を
満たすようにすれば、本実施形態と同様の効果を有する
素子を得ることができる。

【０１１０】また、本実施形態において、基板１１にお
ける斜面部１８の基板面に対する傾斜角度を６０度に形
成したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本
発明は斜面部１８の傾斜角度が１５度ないし７５度の範
囲にあれば本実施形態と同様の効果を有する素子を得る
ことができる。

【０１１１】また、本実施形態において、単結晶粒１２
Ａにおける斜面部１８上の帯状パターンの幅を１０μｍ
に形成したが、本発明はこれに限定されない。すなわ
ち、本発明は帯状パターンの幅が１μｍないし１００μ
ｍの範囲にあれば本実施形態と同様の効果を得ることが
できる。

【０１１２】（第５の実施形態）以下、本発明の第５の
実施形態を図面を参照しながら説明する。

【０１１３】図１１（ａ）〜（ｄ）は本発明の第５の実
施形態に係るトンネル型ジョセフソン素子の製造方法を
示す工程順断面図である。まず、図１１（ａ）に示すよ
うに、ＭｇＯ単結晶よりなる基板１１の主面部に、高さ
２００ｎｍ、幅２μｍの帯状の突起部２１を設け、該突
起部２１を境にして基板１１の主面を第１の平面部２２
と第２平面部２３とに分割する。

【０１１４】次に、図１１（ｂ）に示すように、基板１
１の表面に全面にわたって１５０ｎｍのＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃ
ａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ よりなる薄膜１２を形成した後、図１１
（ｃ）に示すように、薄膜１２に対して酸素雰囲気中に
おける８５０℃の温度下で６時間の熱処理を施すことに
より、薄膜１２における突起部２１及び該突起部２１の
段差部にｃ軸配向した単結晶粒１２Ａを形成する。ここ
で、熱処理温度及び熱処理を行なう時間は、前記第４の
実施形態の場合と同様に低温で且つ短時間でよく、基板
１１に突起部２１を設けておくと該突起部２１の近傍に
単結晶粒１２Ａの成長が促進される。その後、単結晶粒
１２Ａにおける突起部２１に直交する方向に幅１０μｍ
の帯状パターンとなるように単結晶粒１２Ａに対してエ
ッチング加工を行なう。なお、薄膜１２中において、単
結晶粒１２Ａは超電導体により第１の平面部２２及び第
２の平面部２３と接続されている。また、第１の平面部
２２及び第２の平面部２３は単結晶化していないが、そ
の結晶化が促進されて超電導体になっている。

【０１１５】次に、図１２及び図１２におけるXII −XI
I 線の断面構造を示す図１１（ｄ）に示すように、薄膜
１２における第１の平面部２２にＡｕよりなる第１の電
極１４Ａ及び第３の電極１４Ｃを形成すると共に、薄膜
１２における第２の平面部２３にＡｕよりなる第２の電
極１４Ｂ及び第４の電極１４Ｄを形成する。第１の平面
部２２と第２の平面部２３とは、単結晶粒１２Ａの突起
部２１の両側にそれぞれ電気的に接続されている。本実
施形態においても４端子測定が可能なように、４つの電
極を形成しているが、必ずしもこれに限るものではな
い。なお、図１２において、図１１（ｄ）と同一符号が
同一または相当する部分を示している。

【０１１６】また、電極を形成する部材を熱処理に耐え
る部材とすれば、熱処理の前に電極を形成することも可
能である。

【０１１７】本実施形態により製造されたトンネル型ジ
ョセフソン素子における測定温度５０Ｋ下の電流電圧特
性は、前記の各実施形態により得られた薄膜素子の特性
と同様であった。

【０１１８】本実施形態の特徴として、前記第４の実施
形態と同様に、帯状の突起部２１がＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁
Ｃｕ₂ Ｏ₈ よりなる薄膜１２の単結晶化を促進するた
め、該薄膜１２内に単結晶粒１２Ａを形成する際に、該
薄膜内に結晶粒界が明確に生成するほどの熱処理を行な
う必要がないため、素子の製造が容易となる。

【０１１９】なお、本実施形態においては、帯状の突起
部２１の幅を２μｍにしたが、本発明はこれに限定され
るものではない。すなわち、突起部２１の幅は単結晶粒
１２Ａの大きさ、すなわち熱処理工程の処理条件に応じ
て調整すれば良い。

【０１２０】また、本実施形態においては、帯状の突起
部２１の高さを２００ｎｍに形成し、Ｂｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ
₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ よりなる薄膜１２の膜厚を１５０ｎｍに形
成したが、本発明はこれに限定されない。単結晶粒１２
Ａにおける突起部２１上の帯状パターンに第１の平面部
２２と第２の平面部２３とを貫通するａｂ面が存在しな
いように、すなわち、該帯状パターンを流れる電流が必
ずｃ軸方向に流れるようにするために、突起部２１の高
さが薄膜１２の膜厚よりも大きいという条件を満たせ
ば、本発明は本実施形態と同様の効果を有する素子を得
ることができる。

【０１２１】また、本実施形態においては、単結晶粒１
２Ａにおける突起部２１と直交する部分の幅を１０μｍ
に形成したが、本発明はこれに限定されない。すなわ
ち、本発明は単結晶粒１２Ａにおける突起部２１と直交
する部分の幅が１μｍないし１００μｍの範囲にあれ
ば、本実施形態と同様の効果を有する素子を得ることが
できる。

【０１２２】また、前記第４の実施形態及び第５の実施
形態により得られる素子は、帯状の接合部の面積と該接
合部におけるジョセフソン接合の数とを特定することは
難しい。しかしながら、これらの素子が前記第１〜３の
実施形態により得られる素子と同様の素子特性を示すこ
とから、第４及び第５の実施形態による素子は前記第１
〜３の実施形態の素子と同様のトンネル型ジョセフソン
素子を構成しているものと考えられる。

【０１２３】また、前記各実施形態において、酸化物高
温超電導体膜としてＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ から
なる薄膜を用いたが、本発明はこれに限定されるもので
はなく、これ以外の他の組成からなる酸化物高温超電導
体膜を用いても同様の効果を得ることができる。特に、
Ｂｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₁₀や，Ｐｂを含んだ（Ｂ
ｉ，Ｐｂ）₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₁₀は、Ｂｉ₂ Ｓｒ₂
Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ よりも超電導臨界温度が高い酸化物高
温超電導体であるため、この薄膜を用いた場合は、液体
窒素温度７７Ｋ以上の高温度下で素子を動作させること
が可能となる。また、Ｂｉ系の酸化物高温超電導体と同
様に、その結晶構造内に２重のブロック層を有するＴｌ
系の酸化物高温超電導体は、同一の結晶構造のＢｉ系の
酸化物高温超電導体に比べて超電導臨界温度が高くなる
ので、素子を高温動作させる上で有益である。

【０１２４】また、前記各実施形態では単結晶粒が基板
に対してｃ軸配向しているが、本発明はこれに限定され
ない。すなわち、単結晶粒がその配向方向が明確になっ
ているものであれば、同様の効果を得ることができる。

【０１２５】また、前記各実施形態において、基板にＭ
ｇＯ単結晶を使用し、該ＭｇＯ単結晶の（１００）面上
にＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ₈ 膜を形成したが、本発
明はこれに限定されない。すなわち、本発明は、基板に
例えばＳｒＴｉＯ₃ 単結晶若しくはＬａＡｌＯ₃ 単結晶
の（１００）面、又はＮｄＧａＯ₃ 単結晶の（００１）
面を用い、これらの結晶面に酸化物高温超電導体膜を形
成するようにしても、同様の効果を得ることができる。
この場合は、ＭｇＯ単結晶の（１００）面を用いる場合
に比して、格子定数のミスマッチが低減されるため、薄
膜中に形成される単結晶粒の粒径が大きくなることが予
想され、一つの単結晶粒に複数の素子を作製することも
可能となる。

【０１２６】

【発明の効果】請求項１の発明に係るトンネル型ジョセ
フソン素子によると、基板上の導電性領域の上に形成さ
れた酸化物高温超電導体よりなる単結晶粒が、酸化物高
温超電導体の結晶化温度以上の温度で熱処理されること
により形成されているため、結晶軸異方性を示す結晶の
異方的電気特性が安定して維持されるので，素子は良好
な素子特性を示す。

【０１２７】請求項２の発明に係るトンネル型ジョセフ
ソン素子によると、請求項２の発明に係るトンネル型ジ
ョセフソン素子の効果が得られる上に、素子を動作させ
る際に素子が電圧状態にジャンプしたときに発生する熱
が抑制されるため、素子の動作が安定する。

【０１２８】請求項３の発明に係るトンネル型ジョセフ
ソン素子によると、請求項１又は２の発明に係るトンネ
ル型ジョセフソン素子の効果が得られる上に、単結晶粒
の厚さが酸化物高温超電導体のブロック層の間隔の１０
倍以下になり、固有ジョセフソン接合として動作する接
合の数を１０個以下に制限できるため、素子の動作に必
要な電圧を数百ｍＶ以下にすることができるので、ジョ
セフソン素子の低消費電力化を図ると共に安定した動作
を実現することができる。

【０１２９】請求項４の発明に係るトンネル型ジョセフ
ソン素子によると、請求項１〜３の発明に係るトンネル
型ジョセフソン素子の効果が得られる上に、酸化物高温
超電導体として結晶軸異方性が強いＢｉ系超電導体を用
いているため、結晶性に優れた単結晶粒が得られるの
で、固有ジョセフソン接合を確実に形成することができ
る。これにより、一層安定した動作を実現できる。

【０１３０】請求項５又は６の発明に係るトンネル型ジ
ョセフソン素子の製造方法によると、酸化物高温超電導
体の結晶化温度以上の温度で熱処理を行なって、酸化物
高温超電導体よりなる薄膜内にｃ軸配向を有する単結晶
粒を形成するため、結晶軸異方性を示す結晶の異方的電
気特性が安定して維持されるので、良好な素子特性を有
するジョセフソン素子を製造することができる。

【０１３１】請求項７の発明に係るトンネル型ジョセフ
ソン素子の製造方法によると、請求項５の発明に係るト
ンネル型ジョセフソン素子の製造方法の効果が得られる
上に、酸化物高温超電導体よりなる単結晶粒の上面部に
形成された凸部を除く領域に第２の電極を形成すること
により、該第２の電極は単結晶粒の凸部の下側部分と電
気的に接続されるため、ｃ軸方向の電気特性を素子とし
て取り出すことができる。これにより、酸化物高温超伝
導体よりなる単結晶粒の固有ジョセフソン接合を確実に
利用することができる。

【０１３２】請求項８、１１又は１４の発明に係るトン
ネル型ジョセフソン素子の製造方法によると、素子を動
作させる際に素子が電圧状態にジャンプしたときに発生
する熱を抑制できるので、安定して動作するジョセフソ
ン素子を製造することができる。

【０１３３】請求項９、１２又は１５の発明に係るトン
ネル型ジョセフソン素子の製造方法によると、単結晶粒
の厚さが酸化物高温超電導体のブロック層の間隔の１０
倍以下になり、固有ジョセフソン接合として動作する接
合の数を１０個以下に制限できるため、素子の動作に必
要な電圧を数百ｍＶ以下にすることができるので、ジョ
セフソン素子の低消費電力化を図ると共に安定した動作
を実現することができる。

【０１３４】請求項１０の発明に係るトンネル型ジョセ
フソン素子の製造方法によると、請求項５の発明に係る
トンネル型ジョセフソン素子の製造方法の効果が得られ
る上に、酸化物高温超電導体よりなる単結晶粒におけ
る、素子形成領域である第１の領域の外側部分である第
２の領域に第２の電極を形成することにより、該第２の
電極は第１の領域の下側部分を介して第１の電極と電気
的に接続されるので、ｃ軸方向の電気特性を素子として
取り出すことができる。これにより、酸化物高温超伝導
体よりなる単結晶粒の固有ジョセフソン接合を確実に利
用することができる。

【０１３５】請求項１３の発明に係るトンネル型ジョセ
フソン素子の製造方法によると、請求項５又は６の発明
に係るトンネル型ジョセフソン素子の製造方法の効果が
得られる上に、基板に形成する枠状の凹状溝により薄膜
における素子形成領域を制御できるため、薄膜をエッチ
ングするプロセスが不要になり、薄膜がエッチングによ
るダメージを受けないので、ジョセフソン素子の歩留ま
りが向上すると共に、薄膜におけるｃ軸配向させる領域
の面積が限定されているため、素子形成領域において結
晶性に優れた酸化物高温超伝導体よりなる単結晶粒を得
ることができるので、安定して動作するジョセフソン素
子を製造することができる。

【０１３６】また、単結晶粒の位置を基板の主面部に形
成する凹状溝によって制御できるため、実体顕微鏡によ
り単結晶粒の位置を特定する作業が不要になるので、工
業化に適した製造方法を実現できる。

【０１３７】さらに、酸化物高温超伝導体よりなる薄膜
の膜厚は基板に形成された凹状溝の深さよりも大きいた
め、薄膜における基板の第１の領域の上側部分つまり単
結晶粒の上面に接続された第１の電極と薄膜における基
板の第２の領域の上側部分に接続された第２の電極との
間に電流を流すことにより、薄膜の第１の領域に形成さ
れた酸化物高温超伝導体よりなる単結晶粒の固有ジョセ
フソン接合を確実に利用することができる。

【０１３８】請求項１６の発明に係るトンネル型ジョセ
フソン素子の製造方法によると、請求項５又は６の発明
に係るトンネル型ジョセフソン素子の製造方法の効果が
得られる上に、酸化物高温超伝導体よりなる薄膜の斜面
部を含む領域に単結晶粒を形成するため、斜面部の上段
側を第１の平面部、斜面部の下段側を第２の平面部とす
ると、第２の平面部に形成される第２の電極は、斜面部
を含む領域に形成された単結晶粒の下側部分に電気的に
接続されるので、ｃ軸方向の電気特性を素子として取り
出すことができる。これにより、酸化物高温超伝導体よ
りなる単結晶粒の固有ジョセフソン接合を確実に利用す
ることができる。

【０１３９】また、素子を動作させる際に素子が電圧状
態にジャンプしたときに発生する熱を抑制できるので、
安定して動作するジョセフソン素子を製造することがで
きる。

【０１４０】また、単結晶粒形成工程において、単結晶
粒の成長が斜面部付近に促進されるため、薄膜中に粒界
が明確に生成するほど熱処理を行なう必要がないので、
製造が容易になる。

【０１４１】請求項１７の発明に係るトンネル型ジョセ
フソン素子の製造方法によると、請求項５又は６の発明
に係るトンネル型ジョセフソン素子の製造方法の効果が
得られる上に、酸化物高温超伝導体よりなる薄膜の突起
部を含む領域に単結晶粒を形成するため、第１の平面部
に形成される第１の電極及び第２の平面部に形成される
第２の電極は、突起部を含む領域に形成された単結晶粒
の下側部分にそれぞれ電気的に接続されるので、ｃ軸方
向の電気特性を素子として取り出すことができる。これ
により、酸化物高温超伝導体よりなる単結晶粒の固有ジ
ョセフソン接合を確実に利用することができる。

【０１４２】また、単結晶粒形成工程において、単結晶
粒の成長が斜面部付近に促進されるため、薄膜中に粒界
が明確に生成するほど熱処理を行なう必要がないので、
製造が容易になる。

【０１４３】請求項１８の発明に係るトンネル型ジョセ
フソン素子の製造方法によると、請求項５〜１７の発明
に係るトンネル型ジョセフソン素子の製造方法の効果が
得られる上に、酸化物高温超電導体として結晶軸異方性
が強いＢｉ系超電導体を用いているため、結晶性に優れ
た単結晶粒が得られるので、固有ジョセフソン接合を確
実に形成することができるので、一層安定して動作する
ジョセフソン素子を製造することができる。

【０１４４】以上説明したように、本発明によると、超
電導コンピュータ、超電導デジタル回路、超電導量子干
渉素子又はミリ波ないし遠赤外領域の電磁波検出のため
のミキサ等に幅広く利用される、酸化物高温超電導体が
有する固有ジョセフソン接合を利用したトンネル型ジョ
セフソン素子を簡易且つ確実に製造することができるの
で、本発明の産業的価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るトンネル型ジョ
セフソン素子の断面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態に係るトンネル型ジョ
セフソン素子の部分平面図である。

【図３】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係
るトンネル型ジョセフソン素子の製造方法の工程順断面
図である。

【図４】本発明の第１の実施形態に係るトンネル型ジョ
セフソン素子の電流電圧特性を示す図である。

【図５】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第２の実施形態に係
るトンネル型ジョセフソン素子の製造方法の工程順断面
図である。

【図６】本発明の第２の実施形態に係るトンネル型ジョ
セフソン素子の部分平面図である。

【図７】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第３の実施形態に係
るトンネル型ジョセフソン素子の製造方法の工程順断面
図である。

【図８】本発明の第３の実施形態に係るトンネル型ジョ
セフソン素子の部分平面図である。

【図９】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第４の実施形態に係
るトンネル型ジョセフソン素子の製造方法の工程順断面
図である。

【図１０】本発明の第４の実施形態に係るトンネル型ジ
ョセフソン素子の部分平面図である。

【図１１】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第５の実施形態に
係るトンネル型ジョセフソン素子の製造方法の工程順断
面図である。

【図１２】本発明の第５の実施形態に係るトンネル型ジ
ョセフソン素子の部分平面図である。

【図１３】従来のトンネル型ジョセフソン素子の製造方
法の工程順断面図である。

【図１４】（ａ）は従来のトンネル型ジョセフソン素子
の接合領域の拡大断面図である。（ｂ）は従来のトンネ
ル型ジョセフソン素子の接合領域の拡大平面図である。

【符号の説明】

１１ 基板 １１ａ 第１の凹状溝 １２ 薄膜 １２ａ 凸部 １２ｂ 第１の領域 １２ｃ 凹状溝 １２ｄ 第２の領域 １２ｅ 第２の凹状溝 １２Ａ 単結晶粒 １２Ｂ 単結晶粒 １２Ｃ 単結晶粒 １３ 結晶粒界 １４Ａ 第１の電極 １４Ｂ 第２の電極 １４Ｃ 第３の電極 １４Ｄ 第４の電極 １５ 絶縁体膜 １６ 第１の領域 １７ 第２の領域 １８ 斜面部 １９ 第１の平面部 ２０ 第２の平面部 ２１ 突起部 ２２ 第１の平面部 ２３ 第２の平面部

フロントページの続き (72)発明者 瀬恒 謙太郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成された導電性領域と、 前記導電性領域の上に設けられ、酸化物高温超電導体が
   該酸化物高温超電導体の結晶化温度以上の温度で熱処理
   されることにより形成された単結晶粒と、 前記単結晶粒における前記導電性領域の反対側の面に電
   気的に接続されている第１の電極と、 前記導電性領域の上における前記単結晶粒が形成されて
   いる領域と異なる領域に電気的に接続されている第２の
   電極とを備え、 前記単結晶粒はトンネル型ジョセフソン効果を有するよ
   うに形成されていることを特徴とするトンネル型ジョセ
   フソン素子。
2. 【請求項２】 前記単結晶粒における、前記トンネル型
   ジョセフソン効果を示す領域のｃ軸方向に対して垂直な
   方向の断面積は４００μｍ² 以下であることを特徴とす
   る請求項１に記載のトンネル型ジョセフソン素子。
3. 【請求項３】 前記単結晶粒における、前記トンネル型
   ジョセフソン効果を示す領域のｃ軸方向の長さは、前記
   酸化物高温超電導体のブロック層の間隔の１０倍以下で
   あることを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネル
   型ジョセフソン素子。
4. 【請求項４】 前記酸化物高温超電導体は、Ｂｉ（ビス
   マス），Ｓｒ（ストロンチウム），Ｃａ（カルシウ
   ム），Ｃｕ（銅）及びＯ（酸素）を含む化合物であるこ
   とを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のト
   ンネル型ジョセフソン素子。
5. 【請求項５】 基板の主面上に酸化物高温超電導体より
   なる薄膜を形成する超電導体薄膜形成工程と、 前記薄膜に対して前記酸化物高温超電導体の結晶化温度
   以上の温度で熱処理を行なうことにより、前記酸化物高
   温超電導体よりなりｃ軸配向を有する単結晶粒を形成す
   る単結晶粒形成工程と、 前記薄膜の上面における一の領域に前記単結晶粒と電気
   的に接続される第１の電極を形成する第１の電極形成工
   程と、 前記薄膜の上面における他の領域に前記単結晶粒と電気
   的に接続される第２の電極を形成する第２の電極形成工
   程とを備えていることを特徴とするトンネル型ジョセフ
   ソン素子の製造方法。
6. 【請求項６】 基板の主面上に酸化物高温超電導体より
   なる薄膜を形成する超電導体薄膜形成工程と、 前記薄膜の上面における一の領域に第１の電極を形成す
   る第１の電極形成工程と、 前記薄膜の上面における他の領域に第２の電極を形成す
   る第２の電極形成工程と、 前記薄膜に対して前記酸化物高温超電導体の結晶化温度
   以上の温度で熱処理を行なうことにより、前記酸化物高
   温超電導体よりなりｃ軸配向を有する単結晶粒を形成す
   る単結晶粒形成工程とを備えていることを特徴とするト
   ンネル型ジョセフソン素子の製造方法。
7. 【請求項７】 前記単結晶粒形成工程と前記第１の電極
   形成工程との間に、 前記単結晶粒の上面部における所定領域を除く領域を、
   前記基板の主面に対して所定の深さまで除去することに
   より、前記単結晶粒の上面部に前記所定領域よりなる凸
   部を形成する工程を含み、 前記第１の電極形成工程は、前記単結晶粒の前記凸部の
   上面に前記第１の電極を形成する工程を含み、 前記第２の電極形成工程は、前記単結晶粒の前記凸部を
   除く領域に前記第２の電極を形成する工程を含むことを
   特徴とする請求項５に記載のトンネル型ジョセフソン素
   子の製造方法。
8. 【請求項８】 前記単結晶粒の前記凸部の上面の面積は
   ４００μｍ² 以下であることを特徴とする請求項７に記
   載のトンネル型ジョセフソン素子の製造方法。
9. 【請求項９】 前記単結晶粒の前記凸部の高さは、前記
   超電導体薄膜形成工程において形成される前記酸化物高
   温超電導体のブロック層の間隔の１０倍以下であること
   を特徴とする請求項７又は８に記載のトンネル型ジョセ
   フソン素子の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記単結晶粒形成工程と前記第１の電
    極形成工程との間に、 前記単結晶粒の上面部に所定の深さを有する枠状の凹状
    溝を形成して、前記単結晶粒の上面を前記凹状溝により
    囲まれた第１の領域と前記凹状溝の外側の第２の領域と
    に分割する工程を含み、 前記第１の電極形成工程は、前記単結晶粒の前記第１の
    領域に前記第１の電極を形成する工程を含み、 前記第２の電極形成工程は、前記単結晶粒の前記第２の
    領域に前記第２の電極を形成する工程を含むことを特徴
    とする請求項５に記載のトンネル型ジョセフソン素子の
    製造方法。
11. 【請求項１１】 前記単結晶粒における前記第１の領域
    の面積は４００μｍ² 以下であることを特徴とする請求
    項１０に記載のトンネル型ジョセフソン素子の製造方
    法。
12. 【請求項１２】 前記単結晶粒の前記凹状溝の所定の深
    さは、前記超電導体薄膜形成工程において形成される前
    記酸化物高温超電導体のブロック層の間隔の１０倍以下
    であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のト
    ンネル型ジョセフソン素子の製造方法。
13. 【請求項１３】 前記超電導体薄膜形成工程の前に、 前記基板の主面部に所定の深さを有する枠状の凹状溝を
    形成して、前記基板の主面部を前記凹状溝により囲まれ
    た第１の領域と前記凹状溝の外側の第２の領域とに分割
    する工程を含み、 前記超電導体薄膜形成工程は、前記基板の主面上に前記
    凹状溝の所定の深さよりも大きい膜厚を有する酸化物高
    温超電導体よりなる薄膜を全面的に形成する工程を含
    み、 前記第１の電極形成工程は、前記薄膜における前記基板
    の第１の領域の上側部分に前記第１の電極を形成する工
    程を含み、 前記第２の電極形成工程は、前記薄膜における前記基板
    の第２の領域の上側部分に前記第２の電極を形成する工
    程を含むことを特徴とする請求項５又は６に記載のトン
    ネル型ジョセフソン素子の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記薄膜における前記基板の第１の領
    域の上側部分の面積は４００μｍ² 以下であることを特
    徴とする請求項１３に記載のトンネル型ジョセフソン素
    子の製造方法。
15. 【請求項１５】 前記薄膜における前記凹状溝の所定の
    深さは、前記超電導体薄膜形成工程において形成される
    前記酸化物高温超電導体のブロック層の間隔の１０倍以
    下であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の
    トンネル型ジョセフソン素子の製造方法。
16. 【請求項１６】 前記超電導体薄膜形成工程の前に、 前記基板の主面部を、第１の平面部と第２の平面部とに
    分割すると共に、前記第１の平面部と前記第２の平面部
    との間に、前記基板の主面に対して１５度以上且つ７５
    度以下の角度を有し、前記第１の平面部と前記第２の平
    面部とをつなぐ斜面部を形成する斜面部形成工程を含
    み、 前記超電導体薄膜形成工程は、前記基板の主面上に前記
    斜面部の高さよりも小さい膜厚を有する酸化物高温超電
    導体よりなる薄膜を全面的に形成する工程を含み、 前記単結晶粒形成工程は、前記薄膜における前記基板の
    前記斜面部の上側部分を含む領域に前記単結晶粒を形成
    した後、該単結晶粒の前記斜面部に前記単結晶粒よりな
    る帯状部を前記斜面部の傾斜方向に形成する工程を含
    み、 前記第１の電極形成工程は、前記第１の平面部に、前記
    単結晶粒における前記第１の平面部と電気的に接続する
    前記第１の電極を形成する工程を含み、 前記第２の電極形成工程は、前記第２の平面部に、前記
    単結晶粒における前記第２の平面部と電気的に接続する
    前記第２の電極を形成する工程を含むことを特徴とする
    請求項５又は６に記載のトンネル型ジョセフソン素子の
    製造方法。
17. 【請求項１７】 前記超電導体薄膜形成工程の前に、 前記基板の主面部を、第１の平面部と第２の平面部とに
    分割すると共に、前記第１の平面部と前記第２の平面部
    との間に、前記第１の平面部と前記第２の平面部とを画
    する突起部を形成する突起部形成工程を含み、 前記超電導体薄膜形成工程は、前記基板の主面上に前記
    突起部の高さよりも小さい膜厚を有する酸化物高温超電
    導体よりなる薄膜を全面的に形成する工程を含み、 前記単結晶粒形成工程は、前記基板の主面上における前
    記突起部を含む領域に前記単結晶粒を形成した後、前記
    単結晶粒における前記突起部を跨ぐ領域に前記単結晶粒
    よりなる帯状部を形成する工程を含み、 前記第１の電極形成工程は、前記第１の平面部に、前記
    単結晶粒における前記第１の平面部と電気的に接続する
    前記第１の電極を形成する工程を含み、 前記第２の電極形成工程は、前記第２の平面部に、前記
    単結晶粒における前記第２の平面部と電気的に接続する
    前記第２の電極を形成する工程を含むことを特徴とする
    請求項５又は６に記載のトンネル型ジョセフソン素子の
    製造方法。
18. 【請求項１８】 前記超電導体薄膜形成工程における前
    記酸化物高温超電導体は、Ｂｉ（ビスマス），Ｓｒ（ス
    トロンチウム），Ｃａ（カルシウム），Ｃｕ（銅）及び
    Ｏ（酸素）を含む化合物であることを特徴とする請求項
    ５〜１７のいずれか１項に記載のトンネル型ジョセフソ
    ン素子の製造方法。