JPH01286373A - ジョセフソン素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超電導体を用いたジョセフソン素子とその製造
方法に関するものである。とくに金属酸化物超電導体薄
膜を用いたジョセフソン素子およびその製造方法に関す
るものである。

従来の技術 高温超電導体として、Ａ１５型２元系化合物として窒化
ニオブ（ＮｂＮ’）やゲルマニウムニオブ（ＮｂＧθ）
などが知られていた。またこれらの材料を用いたジョセ
フソン素子も数多く研究されてきた。これらの材料の超
電導転移温度はたかだか２４にであった。一方、ペロブ
スカイト系３元化合物は、さらに高い転移温度が期待さ
れ、Ｂａ−Ｌａ−Ｃｕ−０系の高温超電導体が提案され
たｌ−Ｊ、Ｇ。

Ｂｅｎｄｏｒｚ　ａｎｄ　Ｋ、Ａ、Ｍｕｌｌｅｒ、　ラ
フイト　シュリフトフェアフィンーク（Ｚｅｉｔｓｈｒ
ｉｆｔ　　ｆｕｒ　ｐｈｙｓｉｋＢ　）　−Ｃｏｎｄｅ
ｎｓｅｄ　Ｍａｔｔｅｒ　６４　、　ｊ　８９−１９３
（１９８６）Ｊ。

さらに、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系が９０に以上で、Ｂ１−
３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系が１００に以上で、Ｔｄ−Ｂａ
−Ｃａ　−Ｃｕ−０系が１１０に以上で超電導転移を示
すことが明らかになった。

この種の材料の超電導機購の詳細は明らかではないが、
転移温度が液体窒素温度以上に高くなる可能性があシ、
高温超電導体として従来の２元系化合物より、よシ有望
な特性が期待される。

これらの材料を用いたジョセフソン素子の作製等の実用
化も試みられているが、現在の技術では、焼結という過
程でしか形成出来ないため、セラミックの粉末あるいは
、ブロックの形でしか得られておらず、実用化について
は薄膜化が先決であシ、まして、これらの材料を用いた
ジョセフソン素子の実現は非常に困難とされている。

発明が解決しようとする課題 本発明者らは、これらの材料を例えばスパッタリング等
の薄膜化手法を用いると、薄膜状の高温超電導体が形成
されることを発見した。しかし、得られた薄膜超電導体
は、大気中で非常に不安定であること、かつジョセフソ
ン素子等に加工する場合、加工過程での超電導特性の劣
化が著しいことなどの問題点があり、これらに対しては
、加工途中での高温熱処理を行って特性を回復させてき
たが、その条件の設定が難しいこと、処理するのに長い
時間がかかることと、更には８００℃以上での高温プロ
セスのため、素子の表面の平坦度の悪化がみられ、ジョ
セフソン素子そのものの機能が損われてしまうという問
題があった。

課題を解決するだめの手段 本発明者らは、上記問題点で解決するため、基体上に形
成された少なくとも一部の膜厚を薄くし、かつ酸素濃度
を変えて接合部とした金属酸化物超電導体被膜と、上記
金属酸化物超電導体被膜上に被覆した保護膜とで構成さ
れる新規なジョセフソン素子の構成を発明し、さらにそ
の製造方法として、酸素プラズマ照射により、金属酸化
物超電導被膜の少なくとも一部の保護膜で被覆されない
部分を薄くし、かつ酸素濃度を変えて接合部を形成する
方法を見い出した。

作　　　用 本発明にかかるジョセフソン素子は、金属酸化物超電導
体を薄膜化しているため、従来の焼結体に比べて本質的
に均質な超電導体を用いており、少なくともその金属酸
化物超電導体の一部の膜厚を薄くし、かつ酸素濃度を変
えることにより、その部分のみ臨界電流の小さな超電導
体部分とすることが出来るため、ジョセフソン接合部の
寸法がトンネル型等に比較して大きくて良く、かつ非常
に高精度なジョセフソン素子が実現されると共に、保護
膜で被覆してさらに長期安定化が可能となる。

さらに本発明にかかるジョセフソン素子の製造方法につ
いては保護膜をマスクとして、酸素プラズマによシ加工
している所に大きな特色がある。

すなわち、酸素を用いているために金属酸化物超電導体
からの酸素の離脱がなく、不純物の混入による影響もな
く、超電導特性の劣化がみられない。

従って、膜厚を薄くしても超電導電流が流れ、臨界電流
の小さな接合部分を形成することが出来る。

さらに酸素イオンによる加工後の素子の表面も非常に平
坦であり、敞細で均質な接合が可能となることを発明者
等は見い出した。

実施例 本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１図において、基体１１の表面１２上に、金属酸化物
超電導被膜１３が形成されておシ、被膜１３はその一部
のｌ膜厚が薄く、かつ酸素濃度が異なっており、この部
分が臨界電流密度の低い超電導体となっている。従って
この構成の素子は弱結合型のジョセフソン素子であるこ
とを確認した。さらに被膜１３は保護膜１４で被覆され
ておシ、長期にわたって素子の機能が安定であることも
確認した。保護膜１４としては、酸素プラズマ照射時の
マスクとなるため、エツチング速度の低い材料が良く、
被膜１３上に形成の容易な白金、金、ロジウム、フッ化
カルシウム、酸化ジルコニウム、酸化アＩレミニウム、
酸化シリコン、酸化クロム、窒化シリコン等が有効であ
ることを見い出した。第３図は、膜厚０．５ｐｍのＹＥ
ａ２Ｃｕ３０ｘ薄膜を用いて、薄い部分の膜厚０．１μ
ｍの素子において、長さ方向を０．２〜０．５μｍ９幅
を１０μｍにした時の単一ジョセフソン素子の電流・電
圧特性を示す。

同図に見られるような弱結合型の特性を示した。

これは膜厚を薄くした部分に直流ジョセフソン効果が残
っておシ、弱結合型となっていると思われる。

上述のようなジョセフソン素子を製造する場合に用いる
装置図の一実施例を示した。

第４図は真空槽２１内に酸素ガスを導入し、このガスに
マイクロ波を照射して放電プラズマを発生させ、プラズ
マに磁場２２を印加して、酸素イオンのイオン化効率を
上げ第１図の薄膜超電導体基体２０をエツチングするも
のである。この場合通常マイクロ波源２３には２．４５
ＧＨｚのマイクロ波を使用し磁場強度を８７６ガウス程
度にすると電子のサイクロトロン共鳴が生じるので酸素
イオン化の効率が上がるため、これ以上の磁場強度が望
ましい。この酸素イオンを真空槽２１と試料台２４との
間に電圧を印加することによって、試料台２４上に配置
された薄膜超電導体２ｏに照射する構造となっている。

この場合マイクロ波により効率よくイオン化された高エ
ネルギーの酸素イオンが、金属酸化物超電導被膜１３の
保護膜１４で被覆されていない部分１３ａを効率的にエ
ツチングするとともに、超電導特性を劣化させることな
く金属酸化物超電導被膜１３の一部の膜厚を薄く、しか
もその酸素濃度を変えることができることを見い出した
。

第５図は、本発明の一実施例の基本工程図である。先ず
基体１１上に金属酸化物超電導被膜１３を形成する。金
属酸化物超電導被膜１３の形成には、まずＡ−Ｂ−Ｃｕ
−０の複合化合物被膜をスパッタリング蒸着あるいは熱
蒸着例えば電子ビーム蒸着、レーザビーム蒸着等の物理
的気相成長法で基体上に付着させる。この場合、超電導
体Ａ−Ｂ−Ｃｕ−０は結晶構造や組成式がまだ明確には
決定されていないが、酸素欠損ベロプスカイ）（Ａ。

Ｂ）ＣｕＯともいわれている。本発明者等は、望けしく
は作製された被膜において元素比率が０．６≦（Ａ＋Ｂ
）／Ｃｕ≦２．５ の範囲にあれば、へ元素又はＢ元素の選択により臨界温
度に多少の差があっても超電導現象が見出されることを
確認した。この複合化合物被膜の形成法は物理的気相成
長法に限定されたものではなく、化学的気相成長法例え
ば常碇あるいは減圧化学的気相成長法、プラズマ化学的
気相成長法、光化学的気相成長法も、成分Ａ、Ｂ、Ｃｕ
Ｏ比を合致させれば、有効であることを本発明者らは確
認した。

又、ビスマス（Ｂｉ　）、アルカリ土類属、銅、酸素か
らなる金属酸化物超電導被膜１３も同様な手段によシ得
られることが確認された。この場合、転移温度は１００
に以上であり、さらに高精度のジョセフソン素子を得る
ことが可能となる。

また、タリウム（Ｔｅ）、アルカリ士金属、銅、酸素か
らなる金属酸化物超電導被膜１３も同様な手段により得
られることが確認された。この場合、転移温度は１１０
に以上であり、しかも非常に安定なため、さらに高品質
のジョセフソン素子を得ることが可能となる。

具体的には、酸化マグネシウム而（１０ｏ）を基体１１
として用い高周波プレナーマグネトロンスパノタにより
、焼結したＹ　−Ｂａ　−Ｃｕ　＝Ｏターゲ７）、Ｂ１
−Ｃａ　−５ｒ−Ｃｕ−０，’ｒ６−Ｂａ−Ｓｒ−Ｃｕ
　−０をＡｒとｏ２の混合ガス雰囲気でスパッタリング
蒸着し、上記基体１１上にそれぞれ結晶性のＹ　−Ｂ　
ａ　−Ｃｕ−０被膜、Ｂ　ｉ　−Ｃａ　−Ｓｒ　−Ｃｕ
−Ｏ被膜、Ｔｌ−Ｂａ−３ｒ−Ｃｕ−〇波膜１３として
付着させた。

この場合、ともにガス圧力は０，５Ｐａ、スパッタリン
グ電力１ｓｏＷ、スパッタリング時間１時間、被膜の膜
厚０，５μｍ、基体温度７ｏ○℃であった。

試料の超電導転移温度は、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−〇被膜が９
０　Ｋ、　Ｂｉ　−Ｃａ　−５ｒ−Ｃｕ−０被膜が１０
０ＫＳＴｅ−Ｂａ−３ｒ−Ｃｕ−〇が１１０にであった
。

次に、金属酸化物超電導被膜１３上に保護膜１４を形成
した。実際には、膜１４として高周波マグネトロンスパ
ッタ法により酸化アルミニウム膜を０．１μｍ堆積した
。これを、フォトリングラフィによりパターン形成を行
い第５図ａのＦｆ’６１ｍにした。

さらに、第４図の装置を用いて、第５図すに示すように
、酸素イオン１００により、保護膜１４で被覆されない
部分１３ａをエツチングしてこの部分の被膜１３の膜厚
を薄くするとともに、その部分の超電導薄膜の酸素濃度
を変え、第５図Ｃの構造ＶＣし、ジョセフソン素子を作
製した。

具体的には、マイクロ波２００Ｗ、試料台２４と真空槽
２１との間に一３００Ｖの電圧を印加し、ガス圧２×１
σ３Ｔｏｒｒ　、加工時間３０分の条件で行なった。試
料の加熱は特に行なわなかったが、加工時の温度は３５
０１１：であった。残された被膜１３の膜厚の薄い部分
１３ａは０．１μｍであった。

被膜１３のエツチング速度は１μｍ　／　ｈ　ｒ以上で
あった。なお、このエツチング速度は、ガス圧、印加電
圧、処理時間を調整することによりＭ密に制御できるこ
とも判った。加工後の試料の超電導薄膜転移温度はとも
に加工前と同じであったが、膜厚の薄い部分の臨界電流
密度は、他の部分にくらべ、２〜３桁小さな値が得られ
た。作製したジョセフソン素子の電流・電圧特性はｆＦ
Ｔ述の第３図のようなものが得られた。さらに、ＳＥＭ
（走査電子顕微鏡）観察の結果、ジョセフソン素子表面
は平坦であることがわかった。

ここで、マイクロ波の出力は、２０ｏＷとしだが、６０
〜１ＫＷの間であればよい。２．４６ＧＨｚの周波数を
用いた場合、５０Ｗ以下では、プラズマが安定せず、１
ＫＷ以上では薄膜のマイクロ波による損傷が大きい。

ガス圧は、１Ｃｆ５〜１０ＴＯτｒの範囲で磁場による
効果が顕著にあられれた。

試料台と真空槽との間には、−３００Ｖの電圧を印加し
たが、−１ｏＫＶ以下の範囲で同様の効果がみられた。

正の電圧を印加しても、エツチングは可能だが、負の電
圧を印加するとエツチング速度は大きくなる。

加工時の試料温度は、特に加熱しなかったが、８００℃
以下の範囲であれば超電導特性を安定に保って加工する
ことが可能であるとともに望ましくは４００℃以下が良
い。

発明の効果 本発明にかかるジョセフソン素子は、基体上に形成した
金属酸化物超電導被膜において、少なくともその一部の
膜厚を薄くし、かつ酸素濃度を変えている所に大きな特
色がある。さらに保護膜で被覆するだめに、均質で高精
度で安定なジョセフソン接合を容易に形成し得る構造で
あり、再現性の良い生産性の優れた高温超電導転移温度
のジョセフソン素子が実現される。またその製造方法に
おいては、酸素プラズマにより加工しているため、加工
中に酸素の補給が可能であり、これにより酸素濃度を変
えることが出来、さらに不純物の混入も見られず、超電
導特性の劣化がみられない。従って膜厚を薄くするとい
う加工を行なった後も臨界電流密度が零とならず、臨界
電流の小さな部分を形成することが可能である。つまり
弱結合型のジョセフソン素子の製造には優れた方法であ
る。

木発明を用いてＳｔあるいはＧ　ａ　Ａ　ｓなどのデバ
イスとの集積化が可能であるとともに、スクイド（Ｓｕ
ｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｉｎｔ
ｅｒｆｅｒｅｎｃｅＤｅｖｉｃｅ：　　超電導量子干渉
計）等やジョセフソン論理回路等の素子、あるいは非線
形素子等として実用される。特にこの種の化合物超電導
体の転移温度が室温になる可能性もあり、従来の実用の
範囲は広く、本発明の工業的価値は高い。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の一実施例のジョセフソン
素子一実施例を示す斜視図および要部側面図、第３図は
木発明のジョセフソン素子の基本特性図、第４図は本発
明のジョセフソン素子の製造方法で形成する場合に用い
る装置の概略図、第６図は本発明のジョセフソン素子の
製造方法の一実施例の基本工程断面図である。 １１・・・・・・基体、１２・・・・・・表面、１３・
・・・・・金属酸化物超電導被膜、１４・・・・・保護
膜。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 第３図

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）基体上に形成された少なくとも一部の膜厚を薄く
   し、かつ酸素濃度を変えて接合部とした金属酸化物超電
   導体被膜と、上記金属酸化物超電導体被膜上に被覆した
   保護膜とで構成されたことを特徴とするジョセフソン素
   子。
2. （２）保護膜として金、白金、ロジウム、フッ化カルシ
   ウム、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化シリ
   コン、酸化クロム、窒化シリコンを用いたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のジョセフソン素子。
3. （３）金属酸化物超電導体被膜が、Ａ元素、Ｂ元素及び
   Ｃｕを含む酸化物で、元素のモル比率が０．５≦（Ａ＋
   Ｂ）／Ｃｕ≦２．５ で構成されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のジョセフソン素子。 ここに、ＡはＳｃ、Ｙ及びランタン系列元素（原子番号
   ５７、６０、６２〜７１）のうち少なくとも一種、Ｂは
   少なくともIIａ族元素のうちの少なくとも一種あるいは
   二種以上の元素を示す。
4. （４）金属酸化物超電導体被膜が、少なくともビスマス
   （Ｂｉ）、アルカリ土類、Ｃｕを含む酸化物で構成され
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のジョセ
   フソン素子。 ここに、アルカリ土類はIIａ族元素のうちの少なくとも
   一種あるいは二種以上の元素を示す。
5. （５）金属酸化物超電導体被膜が、少なくともタリウム
   （Ｔｌ）、アルカリ土類、Ｃｕを含む酸化物で構成され
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のジョセ
   フソン素子。
6. （６）金属酸化物超電導体被膜上に、前記金属酸化物超
   電導体被膜の接合部の上部に窓の開いた保護膜を被覆し
   た後、酸素プラズマ照射により、前記被膜の加工を行う
   ことを特徴とするジョセフソン素子の製造方法。
7. （７）真空槽内に、酸素ガスを導入し、磁界とマイクロ
   波を印加して発生させた酸素プラズマを照射することを
   特徴とする特許請求の範囲第６項記載のジョセフソン素
   子の製造方法。
8. （８）磁界の強度が電子サイクロトロン共鳴条件以上で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第７項記載のジョ
   セフソン素子の製造方法。
9. （９）真空槽内の酸素プラズマと金属酸化物超電導体被
   膜を被覆した基体を保持した試料台との間に電圧を印加
   することを特徴とする特許請求の範囲第７項記載のジョ
   セフソン素子の製造方法。