JP2022136441A - 超伝導体素子、及び、超伝導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁場の変化に対して良好な感度を有する超伝導体素子、及び、超伝導体素子の製造方法を提供する。【解決手段】超伝導体素子は、酸化物基板と、前記酸化物基板の表面に設けられる酸化物超伝導体で形成される超伝導量子干渉素子ループであって、前記酸化物超伝導体の粒界によって実現される１つ又は２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子ループと、前記超伝導量子干渉素子ループに接続又は結合されるピックアップループと、前記超伝導量子干渉素子ループのうちの少なくとも前記ジョセフソン接合を覆い、原子層堆積法によって形成される絶縁層とを含む。【選択図】図３

Description

本発明は、超伝導体素子、及び、超伝導体素子の製造方法に関する。

従来より、酸素を含有する超伝導体と、該超伝導体の表面を覆った、酸素および水を透過しない被覆層とを含む超伝導複合材料がある。前記被覆層は、無機物誘電体、有機物誘電体、非酸化性金属、および不動態酸化皮膜形成金属の１種または２種以上で作製される。前記無機物誘電体は、ＳｉＯ_２、窒化シリコン、Ａｌ_２Ｏ_３、およびＡｌＮの１種または２種以上で作製される（例えば、特許文献１参照）。

特開平０１－０７７６１０号公報

ところで、従来の超伝導複合材料は、無機物誘電体を用いて超伝導体の磁場の変化に対する感度を改善するものではない。

そこで、磁場の変化に対して良好な感度を有する超伝導体素子、及び、超伝導体素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態の超伝導体素子は、酸化物基板と、前記酸化物基板の表面に設けられる酸化物超伝導体で形成される超伝導量子干渉素子ループであって、前記酸化物超伝導体の粒界によって実現される１つ又は２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子ループと、前記超伝導量子干渉素子ループに接続又は結合されるピックアップループと、前記超伝導量子干渉素子ループのうちの少なくとも前記ジョセフソン接合を覆い、原子層堆積法によって形成される絶縁層とを含む。

磁場の変化に対して良好な感度を有する超伝導体素子、及び、超伝導体素子の製造方法を提供することができる。

実施形態の超伝導体素子１００を示す図である。 超伝導体素子１００から絶縁層１４０を取り除いた構成を示す図である。 図１のＳＱＵＩＤ部１２０Ａに示す２つの四角い破線の領域内の構成を示す図である。 図３におけるＡ－Ａ矢視断面を示す図である。 超伝導体素子１００の磁場変調特性の測定結果を示す図である。 超伝導体素子１００の磁場変調特性の測定結果を示す図である。 ＴＥＭで取得した断面の画像を示す図である。 超伝導体素子１００の製造工程を示す図である。 超伝導体素子１００の製造工程を示す図である。 超伝導体素子１００の製造工程を示す図である。 超伝導体素子１００の製造工程を示す図である。

以下、本発明の超伝導体素子、及び、超伝導体素子の製造方法を適用した実施形態について説明する。

＜実施形態＞
図１は、実施形態の超伝導体素子１００を示す図である。以下では、ＸＹＺ座標系を定義して説明する。Ｘ軸に平行な方向（Ｘ方向）、Ｙ軸に平行な方向（Ｙ方向）、Ｚ軸に平行な方向（Ｚ方向）は、互いに直交する。また、以下では、説明の便宜上、－Ｚ方向側を下側又は下、＋Ｚ方向側を上側又は上と称す場合がある。また、平面視とはＸＹ面視することをいう。また、以下では構成が分かり易くなるように各部の長さ、太さ、又は厚さ等を誇張して示す場合がある。また、平行という文言は、実施形態の効果を損なわない程度のずれを許容するものとする。

超伝導体素子１００は、酸化物基板１１０、ＳＱＵＩＤ（Superconducting QUantum Interference Device：超伝導量子干渉素子）ループ１２０、ピックアップループ１３０、及び絶縁層１４０を含む。超伝導体素子１００は、微弱な磁気信号を検出可能な磁気センサとして利用可能な素子である。

以下では、図１に加えて図２乃至図４を用いて説明する。図２は、超伝導体素子１００から絶縁層１４０を取り除いた構成を示す図である。図３は、図１及び図２のＳＱＵＩＤ部１２０Ａに示す２つの四角い破線Ｓの領域のうちの一方の内部の構成を示す図である。図３では、酸化物基板１１０及び絶縁層１４０についてはＳＱＵＩＤ部１２０ＡのＹ方向の幅と同じ幅の部分を示す。図４は、図３におけるＡ－Ａ矢視断面を示す図である。

酸化物基板１１０は、一例として酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板であり、平面視のサイズは一例として１０ｍｍ×１０ｍｍ～５０ｍｍ×５０ｍｍ程度である。酸化物基板１１０の平面視の形状は正方形に限られず、Ｘ方向の長さとＹ方向の長さとが異なっていてもよい。

酸化物基板１１０の上面１１１は酸化物基板の表面の一例である。酸化物基板１１０の上面１１１には、ＳＱＵＩＤループ１２０、ピックアップループ１３０、及び絶縁層１４０が設けられている。酸化物基板１１０は、上面１１１に段差１１５を有する。段差１１５は、酸化物基板１１０の上面１１１のうち、段差１１５よりも下側の表面１１１Ａの＋Ｘ方向側の部分と、段差１１５よりも上側の表面１１１Ｂとを接続する傾斜面１１５Ａを有する。傾斜面１１５ＡのＸＹ平面に対する角度θは、一例として約３０度から約５０度である。

酸化物基板１１０の上面１１１は、段差１１５よりも下側の表面１１１Ａと、段差１１５よりも上側の表面１１１Ｂと、傾斜面１１５Ａとを有する。段差１１５よりも下側の表面１１１Ａは、図１に示すように、平面視において、ＳＱＵＩＤループ１２０のＳＱＵＩＤ部１２０Ａのうちの－Ｘ方向側の部分と、電圧端子１２０Ｖとが設けられる部分に存在する。すなわち、酸化物基板１１０の上面１１１は、中央部に位置する表面１１１Ａが、平面視で表面１１１Ａを囲む表面１１１Ｂに対して下方に凹んだ形状を有する。表面１１１Ａが存在する部分は、表面１１１Ｂに対する凹みである。表面１１１Ａと表面１１１Ｂとの段差１１５のＺ方向の高さは、一例として数μｍ未満である。

なお、ここでは酸化物基板１１０が酸化マグネシウム（ＭｇＯ）製である形態について説明するが、酸化物基板１１０は、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）製、又は、ＬａＳｒＡｌＴａＯ（ＬＳＡＴ）製の基板であってもよい。

ＳＱＵＩＤループ１２０は、超伝導量子干渉素子ループの一例であり、磁場の変化によって発生する誘導電流を超伝導体素子１００に入力する入力コイルとして機能する。ＳＱＵＩＤループ１２０は、一例として平面視で矩形環状であり、ピックアップループ１３０が接続されている。なお、ＳＱＵＩＤループ１２０の形状はループ状であればよく、矩形環状には限られない。

ＳＱＵＩＤループ１２０は、ＳＱＵＩＤ部１２０Ａ、１２０Ｂ、電圧端子１２０Ｖ、電流端子１２０Ｉ、及びジョセフソン接合１２５を有する。ＳＱＵＩＤループ１２０は、酸化物超伝導体で形成され、酸化物超伝導体の粒界（結晶粒界）によって実現される２つのジョセフソン接合１２５を有する。２つのジョセフソン接合１２５を有するＳＱＵＩＤループ１２０は、超伝導状態が生じる低温に保持して直流電流を流すと直流抵抗が略ゼロになるＤＣ(Direct Current)スキッドループである。２つのジョセフソン接合１２５は、図１のＳＱＵＩＤ部１２０Ａに示す２つの四角い破線の領域内に１つずつ設けられる。

ＳＱＵＩＤループ１２０を構築する酸化物超伝導体は、一例としてイットリウム系超伝導体である。イットリウム系超伝導体は、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７－ｘ（ＹＢＣＯ又はＹＢａＣｕＯ）である。イットリウム系超伝導体は、９０Ｋ以上で超伝導状態への転移を起こすため、沸点が７７Ｋの液体窒素で冷却することで超伝導転移を利用可能な高温超伝導体である。

ＳＱＵＩＤループ１２０のＸ方向の長さ（長手方向の長さ）は、一例として１０μｍ～数１０μｍ程度であり、Ｙ方向の長さ（短手方向の長さ）は、一例として２μｍ～５μｍ程度である。ＳＱＵＩＤループ１２０に接続されるピックアップループ１３０は、一例として１０ｍｍ（Ｘ方向）×１０ｍｍ（Ｙ方向）であるため、図１には実際のピックアップループ１３０のサイズに対してＳＱＵＩＤループ１２０を拡大して示す。

ＳＱＵＩＤループ１２０は、ＳＱＵＩＤ部１２０Ａ及び１２０Ｂに分けられる。ＳＱＵＩＤ部１２０Ａは、ＳＱＵＩＤループ１２０のうちのピックアップループ１３０に接続される接続部１３１、１３２よりも－Ｘ方向側の部分である。ここでは、説明の便宜上、ＳＱＵＩＤ部１２０Ａを表面１１１Ａ、表面１１１Ｂ、及び傾斜面１１５Ａの上にそれぞれ位置する区間１２０Ａ１、１２０Ａ２、１２０Ａ３に分ける。

ＳＱＵＩＤ部１２０Ｂは、ＳＱＵＩＤループ１２０のうちのピックアップループ１３０に接続される接続部１３１、１３２よりも＋Ｘ方向側の部分である。ＳＱＵＩＤ部１２０Ｂは、ピックアップループ１３０の一部分として機能するとともに、ＳＱＵＩＤループ１２０の一部分として機能する。一例としてＳＱＵＩＤ部１２０Ｂは、ＳＱＵＩＤ部１２０Ａよりも大きく線路長が長い。

電圧端子１２０Ｖ及び電流端子１２０Ｉは、それぞれＳＱＵＩＤループ１２０における電圧及び電流の測定に用いる端子であり、一例として金（Ａｕ）等の金属製である。一例として、電圧端子１２０ＶはＳＱＵＩＤ部１２０Ａの－Ｘ方向側の端部に接続されており、電流端子１２０ＩはＳＱＵＩＤ部１２０Ｂの＋Ｘ方向側の端部に接続されている。

２つのジョセフソン接合１２５は、図１のＳＱＵＩＤ部１２０Ａに示す２つの四角い破線の領域内に１つずつ設けられており、ＳＱＵＩＤループ１２０に直列に挿入されている。各ジョセフソン接合１２５は、図３及び図４に示すように、２つの結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂを有する。

２つの結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂは、図３及び図４に示すように酸化物基板１１０の段差１１５の下側と上側の屈曲した部分に設けられている。結晶粒界１２５Ａは、ＳＱＵＩＤ部１２０Ａの区間１２０Ａ１及び区間１２０Ａ２の境界に存在し、結晶粒界１２５Ｂは、ＳＱＵＩＤ部１２０Ａの区間１２０Ａ２及び区間１２０Ａ３の境界に存在する。

結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂは、ＳＱＵＩＤループ１２０を構築する酸化物超伝導体の結晶粒界である。段差１１５の上に酸化物超伝導体を形成すると、ＳＱＵＩＤ部１２０Ａの区間１２０Ａ１及び区間１２０Ａ２の境界と、ＳＱＵＩＤ部１２０Ａの区間１２０Ａ２及び区間１２０Ａ３の境界とで結晶方位が変化することによって結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂが生じる。

各ジョセフソン接合１２５の２つの結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂは、電圧端子１２０Ｖ及び電流端子１２０Ｉの間で直列に設けられているため、１つのジョセフソン接合１２５を構築する。このため、図３及び図４に示すように２つの結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂによって構築されるジョセフソン接合１２５が図１に破線で示す２つの領域にそれぞれ設けられている場合には、ＳＱＵＩＤループ１２０は、２つのジョセフソン接合１２５を含むことになる。ジョセフソン接合１２５を構築する結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂは、段差（ステップ）１１５を利用したステップエッジ型の粒界である。なお、１つのジョセフソン接合１２５に含まれる結晶粒界の数は２つに限られず、１つ又は３つ以上であってもよい。

ＳＱＵＩＤループ１２０は、内部を磁束が通過することによってＳＱＵＩＤループ１２０に流れる誘導電流をジョセフソン接合１２５の常伝導抵抗（Ｒｎ）で電圧に変換して電圧端子１２０Ｖから出力することができる。常伝導抵抗とは、超伝導体が超伝導状態になっていない状態における抵抗である。また、ＳＱＵＩＤループ１２０は、電流端子１２０Ｉから誘導電流を出力可能である。電圧端子１２０Ｖの出力電圧、又は、電流端子１２０Ｉの出力電流に基づいて、超伝導体素子１００が配置された位置における磁場（磁界）の強度を検出することができる。ただし、ＳＱＵＩＤループ１２０は小さく、通過する磁束の数が少ないため、より大きな誘導電流を得るためにピックアップループ１３０が接続されている。

なお、ここでは、ＳＱＵＩＤループ１２０がイットリウム系超伝導体で形成される形態について説明するが、ＳＱＵＩＤループ１２０は、ビスマス系超伝導体で形成されていてもよく、同様に超伝導体素子１００が配置された位置における磁場（磁界）の強度を検出することができる。ビスマス系超伝導体は、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０（ＢｉＳｒＣａＣｕＯ）であり、１１０Ｋ以上で超伝導状態への転移を起こすため、沸点が７７Ｋの液体窒素で冷却することで超伝導状態への転移を実現することができる高温超伝導体である。また、ここでは、ジョセフソン接合１２５を構築する結晶粒界がステップエッジ型の結晶粒界（Basal-plane faced tilt型粒界）である形態について説明する。しかしながら、ジョセフソン接合１２５は、表面の角度が異なる２枚の基板を貼り付けた境界に設けられるバイクリスタル型の結晶粒界(tilt型粒界)、互いに結晶方位が異なる２つの結晶を成長させたバイエピタキシャル型の結晶粒界（twist型粒界）、又は、界面改質バリアを用いたランプエッジ型の結晶粒界によって実現されてもよい。

ピックアップループ１３０は、図１に示すように、ＳＱＵＩＤループ１２０に接続される接続部１３１、１３２を有する。接続部１３１、１３２の間は、ピックアップループ１３０の一部として機能するＳＱＵＩＤ部１２０Ｂによって接続されている。ピックアップループ１３０は、一例として平面視で矩形環状であり、サイズが限られた酸化物基板１１０の上面１１１で可能な限りピックアップループ１３０を大きくするために、上面１１１の外縁の四辺に沿って設けられている。ピックアップループ１３０の内部を通過する磁束の数を増やすことで、より大きな誘導電流を得るためである。ピックアップループ１３０に生じる誘導電流は、ＳＱＵＩＤループ１２０に流れるため、電圧端子１２０Ｖの出力電圧、又は、電流端子１２０Ｉの出力電流として検出可能である。

絶縁層１４０は、酸化物基板１１０の上面１１１の全体を覆うように設けられており、ＳＱＵＩＤループ１２０及びピックアップループ１３０を覆っている。絶縁層１４０は、ＡＬＤ法(Atomic Layer Deposition:原子層堆積法)によって作製される絶縁層であり、一例としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）層である。絶縁層１４０は、電圧端子１２０Ｖ及び電流端子１２０Ｉを露出させる開口部１４０Ｖ、１４０Ｉを有する。なお、絶縁層１４０は、酸化物基板１１０の上面１１１の全体を覆うように設けられる構成に限られず、超伝導体素子１００の上面のうちの少なくともＳＱＵＩＤループ１２０のジョセフソン接合１２５の上に設けられて入ればよい。

ここで、磁場に対するＳＱＵＩＤループ１２０の出力電圧及び出力電流の感度（以下、ＳＱＵＩＤループ１２０の磁場感度と称す）を高くするには、ピックアップループ１３０を大型化するか、又は、ＳＱＵＩＤループ１２０のジョセフソン接合１２５の常伝導抵抗を大きくすればよい。ピックアップループ１３０の大型化は酸化物基板１１０の大型化やコストアップを招くため、本実施形態ではジョセフソン接合１２５の常伝導抵抗を大きくする手法を選択する。

一般に、ＳＱＵＩＤループを作製した後に、ＳＱＵＩＤループの常伝導抵抗又は超伝導電流の特性を変化させることは困難である。その一方で、ＳＱＵＩＤループを構築するような酸化物超伝導体にシリコン（Ｓｉ）又はアルミニウム（Ａｌ）等の原子を拡散させると、酸化物超伝導体の超伝導性が劣化することが知られている。超伝導性の劣化は、酸化物超伝導体の常伝導抵抗の増大を意味する。

このため、本実施形態では、ＳＱＵＩＤループ１２０のジョセフソン接合１２５の常伝導抵抗を増大させるために、ＳＱＵＩＤループ１２０のジョセフソン接合１２５の上を覆う絶縁層１４０をＡＬＤ法で形成する。ＡＬＤ法で絶縁層１４０としてのアルミナ層を形成する際に、アルミニウム原子がジョセフソン接合１２５の結晶粒界の内部に拡散することで、ジョセフソン接合１２５の常伝導抵抗を増大させることができる。ＡＬＤ法で絶縁層１４０としてのアルミナ層を形成すると、アルミニウム原子がジョセフソン接合１２５の結晶粒界の内部に拡散すること、及び、ジョセフソン接合１２５の常伝導抵抗が増大することについては、図５乃至図７を用いて後述する。なお、絶縁層１４０は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）層に限らず、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）層、又は、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）層であってもよい。

図５及び図６は、超伝導体素子１００の磁場変調特性の測定結果を示す図である。図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図６（Ａ）、図６（Ｂ）において、横軸は磁場であり、縦軸は電圧を表す。縦軸の１マス（１ｄｉｖｉｓｉｏｎ）は１０μＶ／ｄｉｖである。磁場変調特性は、磁場の変化に対するＳＱＵＩＤループ１２０の出力電圧の変化を表す。すなわち、磁場変調特性は、磁場感度を表す。磁場変調特性では、磁場の変化に対するＳＱＵＩＤループ１２０の出力電圧の変化が大きいほど（磁場の変化に対する出力電圧の変化の傾きが大きいほど）、磁場感度が高いことを表す。また、磁場感度が高いほど、磁気センサとしての超伝導体素子１００は高感度になる。

図５（Ａ）には、厚さが５μｍのＳＱＵＩＤループ１２０を形成した酸化物基板１１０を２００℃に過熱した状態において、ＡＬＤ法で絶縁層１４０として厚さ２．５ｎｍのアルミナ層を形成した超伝導体素子１００の磁場感度を示す。図５（Ｂ）には、比較用に絶縁層１４０を含まない超伝導体素子（超伝導体素子１００から絶縁層１４０を除いた超伝導体素子）の磁場感度を示す。比較用の超伝導体素子のＳＱＵＩＤループ１２０の厚さも５μｍである。

図５（Ａ）に示すように超伝導体素子１００の磁場変調による電圧値は１８μＶであり、超伝導電流Ｉｃは１２μＡ、常伝導抵抗Ｒｎは４Ωであった。また、図５（Ｂ）に示すように比較用の超伝導体素子の磁場変調による電圧値は１０μＶであり、超伝導電流Ｉｃは９０μＡ、常伝導抵抗Ｒｎは１．２５Ωであった。このように、ジョセフソン接合１２５の上にＡＬＤ法で絶縁層１４０を形成することにより、常伝導抵抗Ｒｎが増大して超伝導電流が減少し、磁場変調による電圧値が増大することが分かった。すなわち、ＳＱＵＩＤループ１２０の磁場感度が改善することが分かった。

また、図６（Ａ）には、厚さが１０μｍのＳＱＵＩＤループ１２０を形成した酸化物基板１１０を２００℃に過熱した状態において、ＡＬＤ法で絶縁層１４０として厚さ２．５ｎｍのアルミナ層を形成した超伝導体素子１００の磁場感度を示す。図６（Ｂ）には、比較用に絶縁層１４０を含まない超伝導体素子（超伝導体素子１００から絶縁層１４０を除いた超伝導体素子）の磁場感度を示す。比較用の超伝導体素子のＳＱＵＩＤループ１２０の厚さも１０μｍである。

図６（Ａ）に示すように超伝導体素子１００の磁場変調による電圧値は９μＶであり、超伝導電流Ｉｃは６μＡ、常伝導抵抗Ｒｎは３．１Ωであった。また、図６（Ｂ）に示すように比較用の超伝導体素子の磁場変調による電圧値は４μＶであり、超伝導電流Ｉｃは３０μＡ、常伝導抵抗Ｒｎは１．０５Ωであった。このように、ジョセフソン接合１２５の上にＡＬＤ法で絶縁層１４０を形成することにより、常伝導抵抗Ｒｎが増大して超伝導電流が減少し、磁場変調による電圧値が増大することが分かった。すなわち、ＳＱＵＩＤループ１２０の磁場感度が改善することが分かった。

図７は、ＴＥＭで取得した断面の画像を示す図である。図７には、図４における段差１１５の上側の結晶粒界１２５Ｂに相当する部分についてＴＥＭで取得した断面の画像を示す。酸化物基板１１０の段差１１５の上側の角部において、絶縁層１４０に覆われたＳＱＵＩＤループ１２０の結晶方位が横方向（右側部分）から斜め方向（左側部分）に変化しており、結晶粒界１２５Ｂが生じていることが分かる。また、ここには示さないが、ＴＥＭで断面画像を得た部分と同一の部分についてＥＤＸ(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy：エネルギ分散型Ｘ線分析)元素分析を行ったところ、結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂにアルミニウム原子が存在することを確認できた。すなわち、ＳＱＵＩＤループ１２０のジョセフソン接合１２５の上にＡＬＤ法でアルミナ製の絶縁層１４０を作製する際に、アルミニウム原子がジョセフソン接合１２５の結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂの内部に拡散することを確認できた。アルミニウム原子がジョセフソン接合１２５の結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂの内部に拡散することで、結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂの部分における超伝導性が低下し、常伝導抵抗Ｒｎが増大したものと考えられる。

ここで、絶縁層１４０としてのアルミナ層の形成を利用して結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂにアルミニウム原子を注入するには、例えばＲＦ(Radio Frequency：高周波)スパッタ法でアルミナ層を形成することも考えられる。しかしながら、ＲＦスパッタ法ではジョセフソン接合１２５の結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂにアルミニウム原子が打ち込まれる際のエネルギが強すぎて、超伝導性が低下しすぎてしまい、ＳＱＵＩＤループ１２０を構築するイットリウム系超伝導体の薄膜が十分な超伝導性を保持できなかった。

これに対して、ＡＬＤ法で絶縁層１４０としてのアルミナ層をジョセフソン接合１２５の上に形成した場合には、程良いエネルギでアルミニウム原子をジョセフソン接合１２５の結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂの内部に拡散させることができ、超伝導性を維持しながら程良く常伝導抵抗Ｒｎを増大させることができたものと考えられる。

図８乃至図１１は、超伝導体素子１００の製造工程を示す図である。ここでは、一例として、実際に超伝導体素子１００のサンプルを製造した際の工程について説明する。

まず、図８に示すように酸化物基板１１０の上面１１１にアルゴン（Ａｒ）ビームを照射するアルゴンイオンミリング装置でイオンミリングを行い、段差１１５を形成した。段差１１５の形成により、酸化物基板１１０の上面１１１は、図９に示すように、表面１１１Ａと、表面１１１Ｂと、傾斜面１１５Ａとに分かれる。

具体的には一例として、酸化物基板１１０として、Ｘ方向の長さ１５ｍｍ、Ｙ方向の長さ１５ｍｍで、Ｚ方向の厚さが０．５ｍｍの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板を用いた。酸化物基板１１０のうちの上面１１１にスピンコータで厚さが約１μｍのポジティブ型のレジストを塗布し、８５℃で２０分間のプリベークを行い、露光装置で表面１１１Ａ及び傾斜面１１５Ａを形成する矩形状の領域を露光した。レジストの現像とリンスを行った後に１１５℃で１０分間のポストベークを行った。この状態で、上面１１１のうちの表面１１１Ａ及び傾斜面１１５Ａが形成される領域が露出され、上面１１１のうち表面１１１Ｂとして残る部分がレジストで覆われた状態になる。

次にアルゴンイオンミリング装置で、酸化物基板１１０を角度θ（＝４０度）だけ傾けて固定し、イオンビームが上面１１１に対して角度θの方向から入射するように設定する。ここでイオンミリング中は酸化物基板１１０を回転させずに、固定した位置関係を保持したままにする。この処理により、傾斜面１１５Ａと、傾斜面１１５Ａの－Ｘ方向側に隣接する表面１１１Ａとを形成した。イオンビームの照射によるエッチングを行う時間で表面１１１Ｂに対する表面１１１Ａの段差を制御することができる。表面１１１Ａは、表面１１１Ｂと平行であり、表面１１１Ｂよりも下側に位置する。表面１１１Ａの外縁の四辺のうちの＋Ｘ方向側には傾斜面１１５Ａが隣接し、＋Ｙ方向側及び－Ｙ方向側でＸ方向に延在する二辺と、－Ｘ方向側でＹ方向に延在する一辺との部分は、表面１１１Ａと表面１１１Ｂとの間に傾斜面が存在しない階段状の段差になる。なお、イオンミリングの終了後は、酸素アッシング装置でレジストを除去する。

次に、傾斜面１１５Ａ及び表面１１１Ａを形成した酸化物基板１１０の上面１１１の全体に、ＰＬＤ（パルス・レーザ・デポジション）法でＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７－ｘ（ＹＢＣＯ）薄膜を２００ｎｍ堆積（成膜）する。レーザは波長２４８ｎｍのエキシマレーザで、ＹＢＣＯターゲット上のレーザパワー密度は２Ｊ／ｃｍ^２で、５Ｈｚでターゲットに照射する。堆積中の酸素分圧は１３．３Ｐａで酸化物基板１１０の温度は７２０℃～７５０℃である。

この堆積処理（成膜処理）により、表面１１１Ａ、傾斜面１１５Ａ、及び表面１１１Ｂの上にＹＢＣＯ薄膜が形成される。表面１１１Ａの上に形成されるＹＢＣＯ薄膜は、表面１１１Ａの法線方向に配向したＣ軸を有する。傾斜面１１５Ａの上に形成されるＹＢＣＯ薄膜は、傾斜面１１５Ａの法線方向に配向したＣ軸を有する。表面１１１Ｂの上に形成されるＹＢＣＯ薄膜は、表面１１１Ｂの法線方向に配向したＣ軸を有する。このため、表面１１１Ａ及び傾斜面１１５Ａの境界と、傾斜面１１５Ａ及び表面１１１Ｂの境界との上に結晶粒界が得られる。境界の部分で結晶方位が異なるからである。

その後、ＳＱＵＩＤループ１２０及びピックアップループ１３０を形成するために、リソグラフィとアルゴンイオンミリングでＹＢＣＯ薄膜をパターニングする。これにより、図１０に示すようにＳＱＵＩＤループ１２０及びピックアップループ１３０が完成する。ＳＱＵＩＤ部１２０Ａの区間１２０Ａ１及び区間１２０Ａ２の境界に結晶粒界１２５Ａが得られ、ＳＱＵＩＤ部１２０Ａの区間１２０Ａ２及び区間１２０Ａ３の境界に結晶粒界１２５Ｂが得られる。

次に、ＳＱＵＩＤループ１２０及びピックアップループ１３０の上に絶縁層１４０を形成するために、ＡＬＤ法で、Ａｌ_２Ｏ_３薄膜を２．５ｎｍ堆積した。絶縁層１４０は、厚さが２．５ｎｍの極薄い保護層である。このときに酸化物基板１１０を加熱して保持する温度は２００℃であり、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とＨ_２Ｏの２種類のガスを交互に供給してＡｌ_２Ｏ_３薄膜を堆積した。

次に、レジストとイオンミリングを用いて、開口部１４０Ｖ及び１４０Ｉを絶縁層１４０に形成する。そして、レジストをアッシングして４００ｎｍの金（Ａｕ）薄膜を堆積し、Ａｕ薄膜をレジストとイオンミリングを用いてパターニングすることによって電圧端子１２０Ｖ及び電流端子１２０Ｉを形成した。これにより、図１１に示す超伝導体素子１００が完成する。

以上のように、ＳＱＵＩＤループ１２０のジョセフソン接合１２５の上にＡＬＤ法でアルミナ製の絶縁層１４０を形成することにより、ジョセフソン接合１２５の常伝導抵抗を増大させることができ、ＳＱＵＩＤループ１２０の磁場感度を増大させることができる。ＡＬＤ法で堆積した絶縁層１４０のような酸化膜は、低温かつ高酸素分圧下での成膜処理で形成されるため、ＳＱＵＩＤループ１２０及びピックアップループ１３０の超電導性は劣化しない。ＳＱＵＩＤループ１２０及びピックアップループ１３０の上にＡＬＤ法で絶縁層１４０としてのアルミナ薄膜を堆積させることで、結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂにアルミニウム原子が拡散し、ＳＱＵＩＤループ１２０の常電導抵抗Ｒｎを大きくして、ＳＱＵＩＤループ１２０の磁場変調電圧を大きくすることができる。

したがって、磁場の変化に対して良好な感度を有する超伝導体素子１００、及び、超伝導体素子１００の製造方法を提供することができる。

また、イットリウム系超伝導体の薄膜で構築されるＳＱＵＩＤループ１２０及びピックアップループ１３０は、液体窒素を使用した７７Ｋという超伝導の中では非常に高い温度で使用できるので、利用時のコスト低下と、取扱いの容易さとを実現することができる。

また、ＳＱＵＩＤループ１２０のジョセフソン接合１２５の上に形成される絶縁層１４０は、ＳＱＵＩＤループ１２０を構築するイットリウム系超伝導体の薄膜を保護する保護膜として機能するため、イットリウム系超伝導体の薄膜を経時劣化等から保護し、長寿命化を図ることができる。

なお、以上では、表面１１１Ａ、傾斜面１１５Ａ、及び表面１１１Ｂを有する酸化物基板１１０にＳＱＵＩＤループ１２０を形成することで得られるステップエッジ型の結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂを有するジョセフソン接合１２５を用いる形態について説明した。しかしながら、ジョセフソン接合１２５は、表面の角度が異なる２枚の基板を貼り付けた境界に設けられるバイクリスタル型の結晶粒界(tilt型粒界)、互いに結晶方位が異なる２つの結晶を成長させたバイエピタキシャル型の結晶粒界（twist型粒界）、又は、界面改質バリアを用いたランプエッジ型の結晶粒界によって実現されてもよい。これらの結晶粒界を用いても、ステップエッジ型の結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂを有するジョセフソン接合１２５を用いた場合と同様に、ＳＱＵＩＤループ１２０の常電導抵抗Ｒｎを大きくして、ＳＱＵＩＤループ１２０の磁場変調電圧を大きくすることができる。

また、以上では、酸化物基板１１０がＭｇＯ製の基板である形態について説明したが、ＳｒＴｉＯ_３（ＳＴＯ）製、又は、ＬａＳｒＡｌＴａＯ（ＬＳＡＴ）製の基板を用いてもよい。これらの酸化物製の基板についても傾斜面１１５Ａを同様に形成でき、同様に結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂを有するジョセフソン接合１２５を含むＳＱＵＩＤループ１２０を形成することができる。

また、以上では、ＳＱＵＩＤループ１２０及びピックアップループ１３０がＹＢａＣｕＯ（ＹＢＣＯ）製である形態について説明したが、ＢｉＳｒＣａＣｕＯ製であってもよい。ＢｉＳｒＣａＣｕＯ製であっても同様に結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂを有するジョセフソン接合１２５を含むＳＱＵＩＤループ１２０を形成することができ、ＳＱＵＩＤループ１２０にピックアップループ１３０を接続して、磁場の変化に対して良好な感度を有する超伝導体素子１００、及び、超伝導体素子１００の製造方法を提供することができる。

また、以上では、ＳＱＵＩＤループ１２０にピックアップループ１３０が接続される形態について説明したが、ピックアップループ１３０はＳＱＵＩＤループ１２０に結合（容量結合）されていてもよい。ピックアップループ１３０がＳＱＵＩＤループ１２０に結合（容量結合）されている構成であっても、ピックアップループ１３０に生じる誘導起電力をＳＱＵＩＤループ１２０に流すことができ、小型のＳＱＵＩＤループ１２０に流れる電流を増大させることができる。この結果、磁場の変化に対して良好な感度を有する超伝導体素子１００、及び、超伝導体素子１００の製造方法を提供することができる。

また、以上では、ＳＱＵＩＤループ１２０のジョセフソン接合１２５がステップエッジ型の結晶粒界１２５Ａ、１２５Ｂを有する形態について説明したが、バイクリスタル型、バイエピタアキシャル型、又はランプエッジ型の結晶粒界を有する構成であってもよい。これらの結晶粒界を有する構成であっても、絶縁層１４０の形成に伴うアルミニウム原子の拡散でＳＱＵＩＤループ１２０の常伝導抵抗Ｒｎを増大させて、磁場の変化に対する感度を良好にすることができる。

また、以上では、絶縁層１４０がアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）製である形態について説明したが、ＨｆＯ_２製又はＹ_２Ｏ_３製であってもよい。ＨｆＯ_２製又はＹ_２Ｏ_３製の絶縁層１４０をＡＬＤ法で作製することにより、結晶粒界１２５Ａにハフニウム（Ｈｆ）又はイットリウム（Ｙ）の原子が拡散してＳＱＵＩＤループ１２０の常伝導抵抗Ｒｎを増大させて、磁場の変化に対する感度を良好にすることができる。

また、以上では、ＳＱＵＩＤループ１２０が２つのジョセフソン接合１２５を含むＤＣスキッドループである形態について説明した。しかしながら、ＳＱＵＩＤループ１２０は、２つのジョセフソン接合１２５を含むＲＦ(Radio Frequency：高周波)スキッドループであってもよい。

以上、本発明の例示的な実施形態の超伝導体素子、及び、超伝導体素子の製造方法について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
以上の実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
酸化物基板と、
前記酸化物基板の表面に設けられる酸化物超伝導体で形成される超伝導量子干渉素子ループであって、前記酸化物超伝導体の粒界によって実現される１つ又は２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子ループと、
前記超伝導量子干渉素子ループに接続又は結合されるピックアップループと、
前記超伝導量子干渉素子ループの少なくとも前記ジョセフソン接合上に形成された絶縁層と
を含む、超伝導体素子。
（付記２）
前記酸化物基板は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）基板、又は、ＬａＳｒＡｌＴａＯ（ＬＳＡＴ）基板である、付記１に記載の超伝導体素子。
（付記３）
前記酸化物超伝導体は、イットリウム系超伝導体、又は、ビスマス系超伝導体である、付記１又は２に記載の超伝導体素子。
（付記４）
前記酸化物超伝導体の粒界は、ステップエッジ型、バイクリスタル型、バイエピタアキシャル型、又は、ランプエッジ型の粒界である、付記１乃至３のいずれか１項に記載の超伝導体素子。
（付記５）
前記ステップエッジ型の粒界は、前記酸化物基板の表面の凹みに設けられた傾斜面と前記表面との境界、又は、前記凹みの内部で前記傾斜面に続く表面と前記傾斜面との境界に設けられる、付記４に記載の超伝導体素子。
（付記６）
前記絶縁層は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）層、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）層、又は、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）層である、付記１乃至５のいずれか１項に記載の超伝導体素子。
（付記７）
前記絶縁層はアルミナ層であり、
前記ジョセフソン接合にアルミニウム原子が拡散した、付記１乃至６のいずれか１項に記載の超伝導体素子。
（付記８）
酸化物基板の表面に、酸化物超伝導体で形成される超伝導量子干渉素子ループであって、前記酸化物超伝導体の粒界によって実現される１つ又は２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子ループを形成する工程と、
前記酸化物基板の表面に、前記超伝導量子干渉素子ループに接続又は結合されるピックアップループを形成する工程と、
前記超伝導量子干渉素子ループの少なくとも前記ジョセフソン接合上に原子層堆積法で絶縁層を形成する工程と
を含む、超伝導体素子の製造方法。

１００ 超伝導体素子
１１０ 酸化物基板
１１１ 上面
１１１Ａ、１１１Ｂ 表面
１１５ 段差
１１５Ａ 傾斜面
１２０ ＳＱＵＩＤループ
１２０Ａ、１２０Ｂ ＳＱＵＩＤ部
１２５ ジョセフソン接合
１２５Ａ、１２５Ｂ 結晶粒界
１３０ ピックアップループ
１４０ 絶縁層

Claims (7)

1. 酸化物基板と、
   前記酸化物基板の表面に設けられる酸化物超伝導体で形成される超伝導量子干渉素子ループであって、前記酸化物超伝導体の粒界によって実現される１つ又は２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子ループと、
   前記超伝導量子干渉素子ループに接続又は結合されるピックアップループと、
   前記超伝導量子干渉素子ループの少なくとも前記ジョセフソン接合上に形成された絶縁層と
   を含む、超伝導体素子。
2. 前記酸化物基板は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）基板、又は、ＬａＳｒＡｌＴａＯ（ＬＳＡＴ）基板である、請求項１に記載の超伝導体素子。
3. 前記酸化物超伝導体は、イットリウム系超伝導体、又は、ビスマス系超伝導体である、請求項１又は２に記載の超伝導体素子。
4. 前記酸化物超伝導体の粒界は、ステップエッジ型、バイクリスタル型、バイエピタアキシャル型、又は、ランプエッジ型の粒界である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超伝導体素子。
5. 前記絶縁層は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）層、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）層、又は、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）層である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超伝導体素子。
6. 前記絶縁層はアルミナ層であり、
   前記ジョセフソン接合にアルミニウム原子が拡散した、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超伝導体素子。
7. 酸化物基板の表面に、酸化物超伝導体で形成される超伝導量子干渉素子ループであって、前記酸化物超伝導体の粒界によって実現される１つ又は２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子ループを形成する工程と、
   前記酸化物基板の表面に、前記超伝導量子干渉素子ループに接続又は結合されるピックアップループを形成する工程と、
   前記超伝導量子干渉素子ループの少なくとも前記ジョセフソン接合上に原子層堆積法で絶縁層を形成する工程と
   を含む、超伝導体素子の製造方法。

Images