JPH0394485A - トンネル型ジョセフソン素子および超伝導トランジスタ - 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、トンネルパリア層として空間電荷層を用いた
トンネル型ジ冒セフソン素子および超伝導トランジスタ
に関する０ 〔従来の技術〕 トンネル型ジラセフソン素子は、超伝専体／絶緑体／超
伝導体のサンドイッチ構造を持っており、特に絶縁体の
厚さを，電子対がトンネル可能な程度としてある＠第９
図はその素子構造を示した模式断面図であり、この素子
は、ガラスもしくはシリコンなどの基板１上に、下部電
極６としてＡ７もしくはＮｂ　，　Ｐｂ　，　Ｓｎなど
の超伝導体を堆積した後、その上にさらにＡｌまたはＭ
ｇを堆積して、これを０．ＩＴｏｒｒ程度の酸素雰囲気
に曝すことによりＡｌｍｏｓｔたはＭｇＯのトンネルバ
リア７を形成し、最後に上部ｔ極８としてＮｂまたはＭ
ｇをこの上に堆積して得られたものであり、第１０図の
線図のような電流電圧特性を示す〇 一方、酸化物超伝導体を用いたトンネル素子は、例えば
雑誌Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐ
目ｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．２６　，ＮＯ．　１
２　，　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　，　１９８７　，　ｐｐ−
　２０５５−２０５８．などに記載されており、これは
第１１図の模式断面図に示すように、例えば基板１上に
酸化物超伝導体Ｙ−　Ｂａ　−　Ｃｕ　−　０９，オー
ミック接触をするＡｕｔｏｓ絶縁層のＡＩＯＸ１１ｐ超
伝導体Ｎｂｌ２が順次堆積された構造となっている〇 第１２図はＡＪ薄膜をベースとした超伝導トランジスタ
の構造を示す模式断面図であり、この素子はジョセフソ
ントンネル素子を二つ重ねた構造を有し、これらがコレ
クタ，ベース，エミッタ各電極を形成しており，　ＡＪ
の臨界温度以下で機能するものである●第１２図を参照
してこの素子の主な作製手順を述べると、まず基板１上
にエミッタ電極１３としてＡＩを５００Ｘ堆積し、これ
を０．１　Ｔｏｒｒｃ７）酸素雰囲気中に放置して表面
を酸化することにより、トンネルバリアｌ４を形成した
後、この上にベース電極１５として再びＵを５０ＯＡ堆
積する。前と同じ方法でトンネルパリア１４　，ａを形
戒し、次にコレクタ電極１６として三度ＡＪ　７ｋ５０
０Ａ堆積した後、エクテングを施す● この超伝導トランジスタのコレクタ●ベース間，ベース
・エミクタ間の電流電圧特性は第ｌＯ図に示したような
通常のジッセ７ソントンネル素子の特性を持つ。この素
子はコレクタ●ベース間に流れる電流を、エミッタから
ベースへ準粒子を注入することにより制御する三端子素
子である０ベース・エミクタ間に、素子の臨界電流より
大きな電流を流すと、ベース電極に準粒子が注入され、
そしてベース電極の超伝導性が非平衡状態に変化する〇
このためコレクタ・ベース間の電流電圧特性は第１３図
に示す矢印方向に変化し、スイッチング素子として振舞
うことができる。

〔発明が寓決しようとする課題〕

しかしながら、以上の酸化物超伝導体のトンネル接合素
子および超伝導トランジスタにも、なお次のような問題
がある●酸化物超伝導へ，特にＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０（以
下ＹＢＣＯと略称する）を例として述べると、ＹＢＣＯ
のコヒーレンス長は非常に短く、２〜２０Ａ程度である
＠一般に電子対がバリアをトンネルする場合、そのトン
ネル確率は、トンネルパリアの膜厚，トンネルバリアの
高さ，形状などに依存するが、バリア材料および超伝導
体の材料が同じという条件では、トンネルバリアの高さ
と形状は一定であるから、トンネル確率は、トンネルバ
リアの膜厚に依存することになる０このとき、トンネル
確率Ｔは以下に示す式（１）のようになる。

トンネルバリアの膜厚がコヒーレンス長より大きい場合 一の Ｔ＝（Ｔｎｏ）”＝｛Ａ，Ｘｅｘｐ（１）　　）２＊ｅ
ｅｅａｅ（１）ただし、Ｔ：電子対のトンネル確率 Ｔｎｏ　：電子のトンネル確率 ｔ：トンネルバリアの膜厚 Ａ，二定数 トンネルパリアの膜厚がコヒーレンス長と同じ程度の場
合 一ν１ Ｔ＝Ａ，Ｘｅｘｐ（ｔ）　　　　●●●●●●●●●●
●●●●●●●（２）ただし、Ａ，：定数 式（１）の場合、Ｔは殆どＯである０ したがって、電子対がバリアをトンネルするためには、
式（２）のようにトンネルバリアの膜厚を、コヒーレン
ス長程度にする必要がある〇しかし、実際問題として、
ＹＢＣＯ膜上に膜厚数ＩＯ久のバリア層を均一に堆積す
るのは、次の理由により極めて困難である０ ■ＹＢＣＯ膜表面の凹凸による平坦性の悪さから、バリ
ア層が均一に形成されない●現在までの所いかに良好な
膜であっても、数千Ａ程度の凹凸が生ずるのを避けるこ
とは不可能であり、上部電極と下部電極とのマイクロシ
璽一トが発生する● ■超伝導体とバリア材料との反応が起きると、反応した
部分は非超伝導体となり、その結果、実効的なバリア層
の膜厚が増加する●このため、式（２）を満足すること
ができず、電子対のトンネルが生じむくなる● 本発切は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その
目的は、バリアの幅が、酸化物超伝導体のコヒーレンス
長とほぼ等し＜、電子対のトンネルが可能なジ冒セフソ
ン素子および超伝導トランジスタを提供することにある
〇 〔課題を解決するための手段〕 上記の課題を解決するために、本発明のトンネル型ジ口
セフソン素子および超伝導トランジスタは、電気導電型
の異なるｎ型とｐ型の酸化物を接合させることにより生
ずる空間電荷層を、トンネルバリアとして利用したもの
である０ 〔作　用〕 例えばｎ型酸化物超伝導材料であるＮｄ，．ＨＣｅ６．
，＠Ｃｕ６，＠＠ＯｘまたはＢ　ａ　Ｐ　ｂ６．，，Ｂ
　ｉ　，，，，と、ｐ型酸化物超伝導体材料であるＬ，
　Ｂａ，　ＣＩ１．　０！（　Ｌは希土類元素），Ｂｉ
ＳｒＣａＣｕ１，＠ＯｘまたはＴＩＳｒＣａＣｕ＠．＠
Ｏｘの接合を形成すると、ｎ型超伝導材料からｐ型超伝
導材料へ電子の移動が起こり、接合面に空間電荷が生ず
る。

これは酸化物超伝導材料のキャリア＠度かＩＱＦＯ〜ｌ
び１Ｃ！！Ｌ司と低いことに起因するものであり、この
空間電荷の発生により形成されるポテンシャルノ｛リア
の幅は、ボアソンの方程式から（３）式で与えられるＯ ただし Ｎｄ：ドナー濃度（　〜３　ＸＩＯ”ｃｒＩＬ−”　）
Ｎａ：アクセプター濃度（〜３Ｘ１０”ｃｒｒＬ”）ｅ
：素′屯荷 Ｃｒ：比肪電率（１６） ε０：真空誘電率 Ｖｏ　ポテンシャルバリアの高さ（１６ｍｅＶ）Ｗ：ポ
テンシャルバリアの幅 ここで、括弧内の値を（３》式に代入すると、ポテンシ
ャルバリアの幅Ｗは、約２０大になる＠この値は、Ｎｄ
ｅｅＣｕＯおよびＬＢａＣｕＯの各材料のコヒーレンス
長とほほ等しく、したがって電子対のトンネルが可能で
ある。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づき説明する●前述のように
、酸化物超伝導体を用いたジ嘗セフソン素子を得るのが
困難な理由として，■マイクロシ璽一ト ■化学的な反応 の問題がある０これらは、超伝導体／パリア／！＃（絶
縁層）／超伝導体という構造とするから起きる問題であ
って、これに対して、超伝導体／超伝導体の少なくとも
一方を酸化物超伝導体とする構造をとることにより、こ
れらの界面にバリア層を作ることができれば、上記の問
題は関係なくなる●ここで、半導体的なエネルギーバン
ドモデルを考えると、この酸化物超伝導体は、キャリア
濃度が金属と比較して約１〜２桁低く、そのため縮退型
半導体的挙動を示すとみられるので、超伝導体／超伝導
体の構造としたとき、パリアの形成される条件は、 ■界面に捕獲中心がある場合、即ち捕獲中心にキャリア
がトラップされると、そこで空間電荷が形戒されてポテ
ンシャルバリアができ、これがトンネルバリアとなるＯ
このことは、グレイン●バウンダリージ冒セ７ソン接合
として多く報告されている。

■半導体的なｐｎ扱合の場合 である０ そこで本発明者らは上記の■の点に看目し、酸化物超伝
導体を用いて、半導体的なｐｎ接合により形成される空
間電荷層を、トンネルノくリアとして利用するのが合目
的であるとの発想に基づき、本発明を達成したのである
。

第１図は、本発明のジ１セフソン素子の構成を示す模式
断面図であるＯ第１図のように本発明の素子は、ＭｇＯ
基板ｌ上に、ｐ型超伝導体薄膜としてＹ，　Ｂａ，　Ｃ
ｕ，　Ｏｘ（以下ＹＢＣＯと略称する）膜２，絶縁用Ｍ
ｇＯ膜３，ｎ型超伝導体薄膜としてＮｄ，，，，ｃｅｏ
．１１　Ｃｕ，，，，　Ｏｘ　（以下ＮＣＣＯと略称す
る）膜４を順次堆積して構成したものである＠超伝導薄
膜の臨界温度はＹＢＣＯ膜２が６０Ｋ，ＮＣＣＯ膜４が
２０Ｋである０なお、絶縁用ＭｇＯ膜３は場合によって
省略することもできる０ 次に、この素子の製造方法について、第２図（ａｌ〜（
ｆ）に示した主なる工程一を参照して述べる０先ず基板
１にＭｇＯ単結晶を用いて、この上にマグネトロンスバ
ッタ法により、下部電極としてＹＢＣＯｙＸ２を０．５
　μｍ堆積する〔第２図（ａ）：ｌ．次にＹＢＣＯ膜２
のバターニングのため、酸に強いレジスト５（ＯＭＲ）
を塗布〔第２図（ｂ）〕後、１％に稀釈した塩酸を用い
てＹＢＣＯ膜２を選択エッチングし、レジスト５を剥離
する〔第２図（Ｃ）〕。

次いで接合用の窓開げのため、後工程のリフトオフを考
慮して、ここではアセトンに解けるレジス｝　（　ＭＰ
　１４００）　５ａを塗布する〔第２図（ｄ）〕。

その後、絶縁用のＭｇＯ膜３を０．７５μｍ堆積する〔
？２図（ｅ）〕。全体をア七トンに浸し、レジス｝５ａ
およびこの上に付着した部分のみＭｇＯ膜３を除去して
、窓開けする〔第２！９（　ｆ　））ｏそして、この上
にＹＢＣＯ膜２と同様のパターニング手法とマグネトロ
ンスバッタ法を用いて、上部電極としてＮＣＣＯ膜４を
２μｍ堆積することにより、第１図に示した構造を持つ
ジ冒セフソン素子を得ることができる０なお，以上の手
順のうち、ＭｇＯ膜３を必要としない素子は、その形成
過程と窓開け過程は不要となる● 第３図（ａ），（ｂ）は、この素子のＮＣＣＯ／ＹＢＣ
Ｏ接合の電子状態を半導体的なバンドモデルで表わした
図であり、第３図（ａ）は接合前，第３図（ｂ）は接合
後の状態を表わしている０第ａｉｄ（ａ），（ｂ）のＥ
＠，Ｅｖはそれぞれ伝導帝端，価電子帯端のエネルギー
であり，　Ｅｔはフェル■エネルギーである●接合前は
室温では第３図（ａ）が期待されるが、ＮＣＣＯ膜４と
ＹＢＣＯｆ＄２とを接合させた状態では、ＮＣＣＯ膜４
とＹＢＣＯ膜２のキャリア濃度が〜ｔＯ”ｃＭＬ−″３
と低いために、ＮＣＣＯ膜４中の電子がＹＢＣＯ膜２中
へ移動し、接合面に空間電荷が生じ、これはポテンシャ
ル障壁が形放されたことを意味する＠実際に前述のボア
ソンの式（３）を用いて、このポテンシャル障壁の幅Ｗ
を計算すると ；　２ｏＡ となり、この状態が第３１Ｂ（　ｂ　）である。室温で
はボテンジャル障壁の幅は、’ＩＪＡと狭く、またポテ
ンシャル障壁の電気抵抗Ｒｐと、ＮＣＣＯ膜４の電気抵
抗Ｒ．，ＹＢＣＯ膜２の電気抵抗Ｒｙとの関係は Ｒｐ（（Ｒ−＋Ｒｙ であるから、この接合の電流電圧特性はオーム則に従う
〇 しかし、この接合を絶対零度に冷却（実際には４．２　
Ｋ　）すると、ＮＣＣＯ膜４　，ＹＢＣＯ膜２は超伝導
状態となるため、７エルミレベルＥｔのｉｔ子は電子対
を形放してポーズ凝縮状態となり、超伝導ギャップ（２
△）が生ずる＠絶対零度でもポテンシャル障壁の幅は、
殆ど変化しないと考えられ、そのときＮＣＣＯ／ＹＢＣ
Ｏの接合のバンドモデルは第４図のようになる。

以上の如く、本発明の素子は、ＮＣＣＯ膜４とＹＢＣＯ
膜２が超伝導状態となることにより、電子が電子対を形
成し超伝導ギャップが生ずるが、これを超伝専体／絶縁
層／超伝島体構造のバンドモデル等価図として表わした
のが第５図である０第５図の絶縁層はポテンシャル障壁
であり，この厚さがコヒーレンス長＠度であるため、電
子対はこのポテンシャル障壁をトンネルすることが可能
となり、素子に外部から電流を流すと、ジ嘗セフソン電
流が観測されるのである●したがって、本発明の素子の
電気的な特性は、第９図に示したトンネル型ジ璽セフソ
ン素子の場合と同じになる＠この事実は素子にマイクロ
波を照射したとき、シャビロステップが現れることから
も確認することができる〇 第６図はこの素子の電流電圧特性線図を示したものであ
り、直線（イ）は室温，曲線（口）は４．２Ｋを表わし
ている０第６図において，４．２ＫにおけるＮＣＣＯ膜
４の超伝導ギャップは３ｍＶ，ＹＢＣＯ膜２の超伝導ギ
ャップは１０ｍＶであるから、第６図の曲線（ロ）よう
に（　１０　−　３　）　ｍＶと（ｔｏ＋３）ｍＶの点
で素子のコンダクタンスが増加する＠ 同様にしてｐ型超伝導体としてＹＢＣＯ，ｎ型超伝導体
としてＮＣＣＯを用いて、マグネトロンスバクタ法によ
り作製したｐ−ｎ−ｐ接合構造を有する超伝導トランジ
スタの模式断面図を第゛７図に示す。素子のパターニン
グにはメタルマスクを用い、各層間での原子の拡散を防
ぐために、基板温度は５００℃で或膜を行なった●この
素子は第７図のように、基板ｌ上にＹＢＣＯ膜２　ａ　
，　ＮＣＣＯ膜４　ａ　，ＹＢＣＯ膜２ａを順次堆積し
、ｐ型超伝導体とｎ型超伝導体との接合により生ずる空
間電荷層をトンネルバリアとして利用するものである。

膜厚はＹＢＣＯ膜２ａを２００又，ＮＣＣＯ膜４ａを１
０ＯＡとした０臨界温度は前述の本発明によるトンネル
型ジ口セフソン素子と同じである〇なお、成膜順序を変
えることにより、ｎ−ｐ−ｎ型超伝導トランジスタを得
ることができる＠第８図にこの超伝導トランジスタのエ
ミフタ電極からの準粒子注入によるコレクタ・ベース間
のｔ流電圧の変調特性を示す◎第８図中の各特性線にベ
ース●エミッタ間電圧値を傍記してある●第８区のよう
に、エミッタ電極からの準粒子注入によりベース電極が
非平衡状態となり、そのためコレクタ●ベース間の電流
電圧特性が変調し、超伝導トランジスタの作用を示すこ
とがわかる〇〔発明の効果〕 従来、酸化物超伝導体と絶縁層との組み合わせからなる
ジ璽セ７ソン素子は、絶縁層の厚さを酸化物超伝導体の
コヒーレンス長に等しくなる程薄く形戒することが非常
に困難であり、電子対のトンネル効果を十分に満足する
ことができず、再現性に欠けるものであったのに対して
、本発明はこれまで述べてきた如く、素子構造として互
いに導電型の異なる酸化物超伝導体／酸化物超伝導体の
領域を設けて、半導体素子におけるようなｐｎ接合によ
って生ず゛る空間電荷層を形威し、これをトンネルバリ
アとして利用したために、このバリアの幅を酸化物超伝
導体のコヒーレンス長とほぼ等しくすることが可能とな
り、電子対のトンネル効果が確実容易に実現され、良好
なジ璽セフソン響性を極めて再現性よく得ることができ
たものである０また、同様にして空間竜荷層をトンネル
バリアとして利用したｐ−ｎ−ｐまたはｎ　−　ｐ　−
　ｎ構造を持つ超伝導トランジスタを効果的に得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のトンネル型ジ璽セ７ソン素子の構或を
示す模式断面図、第２図は本発明のトンネル型ジ璽セ７
ソン素子の主な製造工程図、第３図（ａ）はＮＣＣＯ，
ＹＢＣＯの接合前の室温におけるエネルギーバンドモデ
ル図、第３図（ｂ）は同じく接合後の室温におけるエネ
ルギーバンドモデル図、第４図は同じく接合後の絶対零
度におけるエネルギーバンドモデル図、第５図はＮＣＣ
Ｏ，ＹＢＣＯ接合の従来素子に対するエネルギーバンド
モデル等価図、第６図は本発明のトンネル型ジョセフソ
ン素子の電流電圧特性線図、第７図は本発明の超伝導ト
ランジスタの樽或を示す模式断面図、第８−は本発明の
超伝導トランジスタのコレクタ●ベース間の電流電圧特
性線図、第９図は従来のトンネル型ジ璽セフソン素子の
構戒を示す模式断面図、第ｌＯ図はその電流電圧特性線
図、第１１図は第９国とは別の従来のトンネル型ジ冒セ
フソン素子の構成を示す模式断面図、第１２図は従来の
超伝導トランジスタの構成を示す模式断面図、第１３図
はそのコレクタ・ベース間の電流電圧特性線囚である● １：基板、２　，２ａ　：ＹＢＣＯ膜、３　：　ＭｇＯ
膜、４　ｅ　４　ａ　：　Ｎ　Ｃ　Ｃ　Ｏ膜、５　１　
５　ａ　：レジスト、６：下部電極、７，１４．１４ａ
：｝’ンネルパリア、８：上部電極、９　：　Ｙ−Ｂａ
−Ｃｕ−０、１０　：　Ａｕ　，１１　：　ＡＩＯｘ　
．　１２　：　Ｎｂ．　１３　：エミッタｔ＠ｉ．．、
１５：ベ猶２ ■ ＮＣＣＱ ホ゛デンシャルＦ＊璧 ｙ’Ｉ５ｃｏ 窩４ 図 Ｆ−ｆ ＮＣＣ．０ ＹＢ（，０ （４） （ｂ） ｙＷ 痢 ３ （２） ％ ｊ 閃 （イ） 堂 圧（ｍＶ） ａら 喝 と Ｃ Ｏ ３ Ｖ斥 第 ｔ０ （和Ｖ） 圀 Ｂ っし７タ．ベース間電圧（仙Ｖ冫

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板上に形成した一導電型の酸化物超伝導薄膜およ
   びこれとｐｎ接合を形成する逆導電型の酸化物超伝導薄
   膜を有することを特徴とするトンネル型ジヨセフソン素
   子。 ２）基板上に形成した一導電型の酸化物超伝導薄膜およ
   び逆導電型の酸化物超伝導薄膜からなるｎ−ｐ−ｎまた
   はｐ−ｎ−ｐ接合構造を有することを特徴とする超伝導
   トランジスタ。