JP2761504B2 - 酸化物超伝導デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

酸化物超伝導デバイスおよびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は小型にして超高感度,超高速,高効率な超伝
導デバイスのジョセフソン結合の構成に関するものであ
る。
[従来の技術] 量子干渉素子(SQUID)に代表される超伝導デバイス
は、(1)10〜20K程度の臨界温度(Tc)を有するNb,Pb
等の金属系超伝導膜,(2)60〜110K程度のTcを有する
YBaCuO,BiSrCaCuO等の酸化物超伝導膜,等を主な構成要
素としている。これらの超伝導膜の一部を人為的に、弱
い超伝導状態(ジョセフソン結合)とすることによっ
て、磁界,光,マイクロ波等の外部信号に対して応答す
るセンサー等の超伝導デバイスを構成することができ
る。
薄膜に適したジョセフソン結合には、主に第3図に示
すような超伝導膜の一部を極細のくびれ(リンク)とし
たブリッジ構造および第4図に示すような2枚の超伝導
膜の間に絶縁層を介したトンネル構造がある。第3図の
構造はバンク1,リンク部2を有し、第4図の構造は、超
伝導膜3および絶縁層4を具えている。金属系超伝導膜
のコヒーレンス長(超伝導に寄与する対電子の位相が揃
う距離)は数十nm(例えば、Nb金属では39nm)程度であ
る。ブリッジ構造でジョセフソン結合を実現する場合、
ブリッジの長さlはコヒーレンス長の3.5分の一以下が
要求されるので、例えばNbでは10nm長の平面加工技術が
必要となる。一方、トンネル構造でジョセフソン結合を
実現する場合、2〜5nmの均一でピンホールのない絶縁
層を形成しなければならない。
酸化物超伝導膜のTcは金属系に比べ大幅に高いもの
の、コヒーレンス長はほぼ1桁短い。また、酸化物超伝
導膜のコヒーレンス長は結晶方位によっても異なり、例
えばBiSrCaCuO膜結晶のc軸方向は0.21nm,c軸の直角方
向つまりa,b軸方向は4nm程度である。超伝導膜の厚さ方
向をc軸とする配向膜・単結晶膜でトンネル型ジョセフ
ソン結合を作成するためには、厚さtが0.2nm以下の絶
縁層を均一に形成しなければならず、製造が困難であ
る。そのため、少なくともジョセフソン結合部には、厚
さ方向(電流方向)をa,あるいはb軸とする配向膜・単
結晶膜が必要である。また、これらの結合はループ構成
の一部として組み込まれることが多く、ループ内の超伝
導特性は面内等方性であることが望ましいため、超伝導
膜のa軸(またはb軸)配向化・単結晶化はジョセフソ
ン結合部のみに限定されることが要求される。一方、酸
化物超伝導膜によるブリッジ型では、通常幅wを数μm
に加工したリンク部に存在する結晶粒界によるジョセフ
ソン結合が用いられている。しかし結晶粒界は制御性に
乏しいため、超伝導デバイスの信頼性・再現性が保証で
きないという問題があった。このため、制御性・再現性
に優れたジョセフソン結合が望まれている。
[発明が解決しようとする課題] 以上のように、ジョセフソン結合を利用した超伝導デ
バイスでは、ブリッジ型,トンネル型のジョセフソン結
合を形成する必要がある。酸化物超伝導膜は金属系超伝
導膜に比べコヒーレンス長が短いために、これらのジョ
セフソン結合を安定にかつ制御性良く製造することはき
わめて困難である。従って、酸化物超伝導膜に適したジ
ョセフソン結合の構成が強く望まれている。
本発明は、ジョセフソン結合を基本構成要素とする超
伝導デバイスにおいて、安定でかつ制御性良いジョセフ
ソン結合を実現することによって、高性能な超伝導デバ
イスを提供すること、およびかかるデバイスを製造する
方法を提供することを目的とする。
[課題を解決するための手段] 本発明による酸化物超伝導デバイスは、MgO基板の同
一平面上に形成され、それぞれc軸が膜面と垂直方向に
配向しているBiSrCaCuOからなる酸化物超伝導薄膜の二
つのバンク部と、該二つのバンク部の間に形成され、c
軸が膜面内でかつ電流の方向に配向したBiSrCaCuOから
なる酸化物超伝導膜のジョセフソン結合部を有すること
を特徴とする。
本発明による酸化物超伝導デバイスの製造方法は、Mg
O(100)単結晶基板の一部に(110)結晶面を有する溝
あるいは突起をその長手方向が酸化物超伝導デバイスと
して形成されるジョセフソン接合素子のリンクに電流の
流れる方向と平行になるように形成する工程と、前記単
結晶基板上にBiSrCaCuOからなる酸化物超伝導薄膜を前
記溝の深さあるいは前記突起の高さを超える厚さに形成
する工程と、前記酸化物超伝導薄膜の軸をMgO(100)の
垂直方向に配向させ、同時に前記溝あるいは突起の長さ
方向に沿った方向にc軸を配向させるためのアニール工
程とを含むことを特徴とする。
[作用] 本発明においては、ブリッジ型,トンネル型のジョセ
フソン結合に相当する基板部分にMgO(110)結晶面を局
部的に形成し、その上に超伝導膜を堆積させアニールす
ることにより、ジョセフソン結合部における酸化物超伝
導膜のc軸を基板面と平行に成長させる。従来の技術で
は、高性能超伝導デバイスに必要な局部的な結晶配向制
御は困難であり、結晶基板の方位,超伝導膜の作成条件
等により超伝導膜全体の配向を制御していた。本発明に
よれば、超伝導デバイスに必要な配向制御を局部的に行
うことができる。
[実施例] 第1図を参照して、本発明によるブリッジ構造デバイ
スの製造方法を説明する。
まず第1図(a)に示すように、MgO(100)単結晶基
板5にドライエッチングおよびウェットエッチングによ
り、ブリッジのリンクに相当する部分にV溝6を形成す
る。点線7は後に形成されるべきブリッジパターンを示
す。基板面に対して45度の溝を付けることにより、第1
図(b)(第1図(a)のA−A′線断面図)に示すよ
うにV溝の斜面はMgO(110)となり、それ以外の部分は
MgO(100)となる。この場合、MgO(110)を局部的に形
成することが重要であり、V溝だけでなく45度の角度を
有する突起部を設けても同様の効果があることはもちろ
んである。次に、基板全面にBiSrCaCuO膜をスパッタ等
の気相成長法により1〜2μm堆積させ、その後、膜表
面に鏡面のMgO(100)単結晶を置いて、790〜920℃の高
温でアニールを行なう。このようにしてアニールする
と、MgO(100)面にはc軸を膜厚方向(Z方向)とする
平板状の結晶が、MgO(110)面にはc軸をX方向とする
数μmの結晶が成長する。さらにこれらの酸化物超伝導
膜をバンク8,リンク9から成るブリッジ形状にパターン
加工し、第1図(c)のような形状のブリッジ型ジョセ
フソン結合を得る。第1図(d)および(e)はそれぞ
れ第1図(c)のB−B′およびA−A′断面である。
バンク部の結晶はZ方向をc軸とするために面内の超
伝導特性は等方性となる。一方、リンク部結晶のc軸は
X方向であり、この方向のコヒーレンス長は数オングス
トロームとなる。即ち、X方向のコヒーレンス長は原子
の直径程度になるため、特殊な細工無しにジョセフソン
結合が形成できる。従って、リンク長さに関わらず結晶
粒とほぼ同程度の幅を有するブリッジ形状で安定なジョ
セフソン結合が形成できる。
この結果から明らかなように、本発明は基板の一部に
異なる結晶面を人工的に形成し、その上に形成した酸化
物超伝導膜をアニールすることにより、酸化物超伝導膜
の結晶配向を局部的に制御している。そのため、従来の
ブリッジ型ジョセフソン結合に比べ、原子オーダーの加
工技術も必要なく、しかも結晶粒界を使用しないために
再現性・制御性に優れている。
次に第2図を参照して本発明によるトンネル型ジョセ
フソン結合の製造法を説明する。まず第2図(a)およ
びそのA−A′線断面を示す第2図(b)に示すよう
に、MgO(100)基板5の、接合部に対応する部分に基板
面に対して45度の角度を有するV溝10,(あるいは突
起)を形成する。点線11は次に形成されるべき下部超伝
導膜パターンを示す。次に、BiSrCaCuO膜等からなる下
部超伝導膜を全面に堆積させ、その後ブリッジ型の場合
と同様の方法でアニールを行い、フォトリソグラフィと
ドライエッチングによるパターン加工、並びに表面平坦
化処理によって第2図(c)(平面図)およびのA−
A′断面図である第2図(d)に示すように下部超伝導
パターン12を形成する。これにより、V溝以外の部分は
Z方向をc軸とする平板結晶から構成されるが、V溝部
はX,あるいはY方向をc軸とする超伝導結晶から構成さ
れる。次に、第2図(e)およびそのA−A′断面であ
る第2図(f)に示すように、下部超伝導パターン上に
絶縁層13を気相成長法等で形成した後、表面平坦化処理
を行うことにより絶縁層の形成を行い、その上にBiSrCa
CuO等の酸化物超伝導膜を全面に堆積・アニールし、フ
ォトリソグラフィとドライエッチングによって、上部超
伝導パターン14を形成し、トンネル型ジョセフソン結合
を製造する。但し、上部超伝導パターンはZ方向をc軸
とする平板結晶から構成される。
この結果から明らかなように、トンネル接合部のみに
膜厚方向(Z方向)をa,あるいはb軸とする結晶が構成
されるため、トンネル電流に関与するコヒーレンス長は
4nm程度となり、c軸配向では事実上困難であった、絶
縁層によるジョセフソン結合が可能になる。また、トン
ネル接合以外の部分は膜厚方向(Z方向)をc軸とする
板状結晶からなるため、接合部以外の超伝導特性は面内
等方性となり、ループ形状の一部にジョセフソン結合を
配置しても問題はない。
以上のように、本発明は金属系超伝導体に比べて短
く、しかも結晶方位によって大きく異なったコヒーレン
ス長を有する酸化物超伝導膜によってブリッジ型または
トンネル型ジョセフソン結合を作成する際に、MgO単結
晶基板に溝などを付加することにより、ブリッジ型のリ
ンク部,あるいはトンネル型の接合部を構成する超伝導
膜の結晶配向性を局部的に、しかも再現性よく制御でき
る。それにより、従来再現性に乏しかったブリッジ型ジ
ョセフソン結合を、パターン精度を上げることなくしか
も制御性よく形成できる。また、トンネル型では従来困
難であったジョセフソン結合が可能となり、しかも接合
部以外は面内等方的な超伝導特性を有するため、DC−SQ
UIDなどで使用されるループ形状に加工しても異方性の
問題はない。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば量子効果を利用
した超伝導デバイスの基本要素であるジョセフソン結合
を臨界温度の高い酸化物超伝導膜で、制御性よく、しか
も安定に形成できるため、高感度・高効率・高速である
高性能超伝導デバイスを歩留まりよく製造できる利点が
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明によるブリッジ型ジョセフソン結合の製
造方法を説明する図、 第2図は本発明によるトンネル型ジョセフソン結合の製
造方法を説明する図、 第3図はブリッジ型ジョセフソン結合を示す斜視図、 第4図はトンネル型ジョセフソン結合を示す斜視図であ
る。 1……バンク部、2……リンク部、3……酸化物超伝導
膜、4……絶縁層、5……MgO(100)基板、6……V
溝、8……ブリッジのバンク部、9……ブリッジのリン
ク部、10……V溝、12……下部超伝導パターン、13……
絶縁層、14……上部超伝導パターン。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−241874(JP,A) 特開 平1−161880(JP,A) J.J.A.P.,Vol.28,N o.10,October,1989,PP. L1809−L1811

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】MgO基板の同一平面上に形成され、それぞ
    れc軸が膜面と垂直方向に配向しているBiSrCaCuOから
    なる酸化物超伝導薄膜の二つのバンク部と、該二つのバ
    ンク部の間に形成され、c軸が膜面内でかつ電流の方向
    に配向したBiSrCaCuOからなる酸化物超伝導薄膜のジョ
    セフソン結合部を有することを特徴とする酸化物超伝導
    デバイス。
  2. 【請求項2】MgO(100)単結晶基板の一部に(110)結
    晶面を有する溝あるいは突起をその長手方向が酸化物超
    伝導デバイスとして形成されるジョセフソン接合素子の
    リンクに電流の流れる方向と平行になるように形成する
    工程と、 前記単結晶基板上にBiSrCaCuOからなる酸化物超伝導薄
    膜を前記溝の深さあるいは前記突起の高さを超える厚さ
    に形成する工程と、 前記酸化物超伝導薄膜のc軸をMgO(100)の垂直方向に
    配向させ、同時に前記溝あるいは突起の長さ方向に沿っ
    た方向にc軸を配向させるためのアニール工程とを含む
    ことを特徴とする酸化物超伝導デバイスの製造方法。
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