JPH0577347B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は低温で動作するジヨセフソン効果を用
いた素子、特に高速スイツチおよび高磁界感度を
有する素子の構造と製造方法に関する。

（従来の技術） 従来、ニオブ等の金属および窒化ニオブ等の金
属間化合物超伝導体を用いて構成したジヨセフソ
ン接合を用いた素子（ジヨセフソン素子）は、酸
化アルミニウムやゲルマニウム等の絶縁体や半導
体から成るトンネル障壁を超伝導体間に形成して
ジヨセフソン接合を構成することによつて作製さ
れている。トンネル障壁の形状の規定には、半導
体等の製造に用いられている露光技術と加工技術
が用いられ、主にシリコン基板上にジヨセフソン
素子が製作されていた。場合により基板上に形成
した超伝導体の薄膜のパターンエツジを用いたト
ンネル障壁の構造を有するエツジ接合型ジヨセフ
ソン素子も用いられている。このエツジ接合の構
造においては、一方の超伝導体電極のみが薄膜の
エツジを用いており、他方の超伝導体電極は薄膜
の面が用いられている。これは従来のニオブ等の
金属および金属間化合物の超伝導体の超伝導性
は、膜の方向や膜の結晶方位に依存してほとんど
変化しないことによつている。

一方、最近イツトリウム−バリウム−銅
（YBaCu）等の酸化物において、超伝導特性を示
す物質が存在することが発見された。希土類と銅
を含むこれらの酸化物超伝導体は、絶対温度40K
〜90K前後において超伝導状態に転移する。これ
らの高温酸化物超伝導体の超伝導特性、即ち臨界
電流密度や臨界磁界やコヒーレンス長等の物質定
数は、結晶の方位に著しく依存しており、AB面
内方向とＣ軸方向において１桁以上の差も見られ
る。

さらに酸化物高温超伝導体の薄膜は、チタン酸
ストロンチウム結晶上に基板温度500℃〜700℃で
成膜した時アニールなしで超伝導特性を示し、膜
の結晶性も基板の結晶方位を反映して配向するこ
とが知られている。又酸化物超伝導体膜中に生じ
た結晶の粒界をジヨセフソン素子として用いたス
クイツド（SQUID）も開発されている。

（発明が解決しようとする問題点） 酸化物高温超伝導体は、超伝導性が作用するコ
ヒーレンス長が２〜４mm程度と著しく小さく、か
つ真空による酸素の離脱や、大気中の水蒸気との
反応等による超伝導性の破壊が生じ易いことが知
られている。このため、超伝導体間にジヨセフソ
ン接合を制御性良く作ることが非常に困難であつ
た。酸化物高温超伝導体を用いたジヨセフソン素
子は、酸化物超伝導体セラミツクス棒にひび割れ
を入れて、棒内部に微小な弱結合を作る方法
（Jpn.J.Appl.Phys vol.26，No.５ ppL801〜
L703）や、チタン酸ストロンチウムやマグネシ
アの基板上に成膜後アニールして生じる結晶粒界
をジヨセフソン接合とする方法（信学技報
vol.87，No.249 P73〜78）によつて作られている。

しかしながら、これら従来の方法によつて作ら
れたジヨセフソン素子は、接合の臨界電流値の制
御と再現性が著しく悪く、又、所望の位置に接合
を形成することができなかつた。特に従来の方法
では、電流密度が高いab軸面に直交するジヨセ
フソン接合を制御性良く形成できなかつた。

本発明の目的は、従来の問題点を解決し、指定
位置に再現性良く形成できるジヨセフソン素子を
提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明のジヨセフソン接合素子は、結晶基板も
しくは基板上に設けた結晶膜と、前記結晶基板の
表面もしくは前記結晶膜に形成した結晶不連続部
と、前記結晶基板もしくは前記結晶膜上に成長さ
れた超伝導体膜と、前記結晶不連続部を反映させ
て結晶不連続部分上に超伝導体膜の粒界を形成さ
せてジヨセフソン接合としたことを特徴とする構
造にある。さらに本発明のジヨセフソン素子は、
結晶基板もしくは結晶膜中に加速されたイオンを
打込んで結晶を破壊して前記結晶不連続部を形成
することによつて製造される。

（作用） 本発明のジヨセフソン素子では、先ず、酸化物
高温超伝導体等の超伝導物質を成膜する結晶基板
もしくは結晶薄膜上に結晶の不連続構造を形成す
る。続いて、この上に超伝導物質を成膜する。成
膜された超伝導膜の結晶性は下地の結晶性を反映
する。従つて、形成される膜は結晶の不連続部上
では結晶方位が定まらないため、膜の結晶化が抑
制される。このため、結晶の不連続部の両側に成
長した膜の結晶領域が徐々に拡大され不連続部に
結晶粒界を残して、不連続部の両側の膜が成長す
る。

本発明のジヨセフソン素子は上記のようにして
形成された結晶粒界をジヨセフソン接合として用
いた素子である。よつてジヨセフソン接合の位置
と寸法は、結晶上に形成する不連続部の制御と、
超伝導体膜の厚さと平面的な寸法によつて規定で
きる。

（実施例） 本発明の第１の実施例によるジヨセフソン素子
の構造断面図を第１図に示す。

本実施例のジヨセフソン素子はチタン酸ストロ
ンチウム結晶基板１の表面に形成された結晶の不
連続部２と、チタン酸ストロンチウム基板１の結
晶表面に形成された第１および第２のイツトリウ
ム・バリウム・銅酸化物からなる超伝導体電極
３，４と、第１の超伝導体電極３と第２の超伝導
体電極４の間に形成された結晶粒界から成るジヨ
セフソン接合５とから構成される。チタン酸スト
ロンチウム結晶基板１はＣ軸方向に配向してい
る。よつて第１および第２の超伝導体電極３，４
のイツトリウム・バリウム・銅酸化物超伝導体膜
は、基板と同一方向であるＣ軸が面に垂直に配向
している。従つて、ジヨセフソン接合５を通過し
て流れる電流は、第１および第２の超伝導体電極
３，４のイツトリウム・バリウム・銅酸化物の
AB軸面方向に流れる。ジヨセフソン接合の電流
密度として１センチメートル平方当り10⁶アンペ
ア以上が可能である。たとえば、ジヨセフソン素
子の臨界電流値として十分大きな値0.1mA以上
が、1μm線幅の0.2μm厚の超伝導体膜を用いたジ
ヨセフソン素子によつて容易に得られる。

本ジヨセフソン素子は、以下のようにして製造
される。先ずチタン酸ストロンチウム基板１のジ
ヨセフソン素子を形成する部分に収束イオンビー
ム法により100KVで加速した金イオンを打込む。
金イオンの打込みによりチタン酸ストロンチウム
基板の一部の結晶構造が破壊され、結晶の不連続
部２が形成される。

次に、チタン酸ストロンチウム基板１を650℃
に加熱し、イツトリウム・バリウム・銅酸化物を
成膜速度10nm／分で蒸着する。蒸着源であるイ
ツトリウム・バリウム・銅酸化物は、焼結体を
10KVで加速された電子ビームで加熱される。成
長する膜に十分酸素を補うために、好ましくは
100Vで加速された酸素イオンビームが試料全体
に照射される。以上の条件で30分間成膜すること
により第１および第２の超伝導体電極３，４が形
成される。超伝導体電極３，４の膜の結晶方位
は、それぞれ下地のチタン酸ストロンチウム基板
の結晶方位と一致し、Ｃ軸が面に垂直となつてい
る。又、第１及び第２の超伝導体３，４の境界に
は、両結晶膜の成長によつて生じた結晶粒界５
が、下地の不連続部上の位置となるように形成さ
れる。

続いて、露光、エツチング技術により、第１及
び第２の電極が所望の形状、たとえば4μm幅の線
に加工され、必要な配線が行なわれジヨセフソン
素子が形成される。イツトリウム・バリウム・銅
酸化物のエツチングには、10^-3Torrの塩素ガス
を高周波プラズマでイオン化し、引出し電圧
400Vで加速したビームによる反応性イオンビー
ムエツチング法が用いられる。エツチング速度
4nm／分で80分間エツチングすることにより超伝
導体電極３，４がパターンニングされる。

超伝導体膜の形成には、上記以外にも、イツト
リウム・バリウム・銅酸化物等の超伝導体の焼結
体等の電極を用いた直流スパツタ法、交流スパツ
タ法や、イツトリウムとバリウムと銅の金属をそ
れぞれ三つの電極として同時にもしくは時分割で
スパツタもしくは蒸着する方法等の公知の成膜手
法が利用できる。さらに超伝導体膜の加工には、
イオンビームエツチング、塩素以外の気体を用い
た反応性プラズマエツチング等が利用される。超
伝導体膜の形成時の温度は650℃以外にも必要に
より400℃〜900℃等の範囲で変化できることは明
らかである。又、基板としても、マグネシアやサ
フアイア等が使用できることも知られている。

本発明の第２の実施例を第２図に示す。第２の
実施例のジヨセフソン素子は、Ｃ軸が面に垂直に
配向しているサフアイア結晶基板２１上に、チタ
ン酸ストロンチウム結晶膜２２を成膜する。ここ
で基板としてサフアイアを用いたのは安価に良質
の結晶基板が得られるためである。チタン酸スト
ロンチウム膜２２は、電子ビーム蒸着法等によ
り、600℃に加熱したサフアイア基板２１上に
10nm／分の速度で20分間で200nm厚成膜される。
チタン酸ストロンチウム膜２２はＣ軸が膜面と垂
直な方向に配向する。

以下第１の実施例と同様の手法により、チタン
酸ストロンチウム膜２２の表面に結晶の不連続部
２が形成される。続いて、第１および第２の超伝
導体電極３，４が形成される。超伝導体電極とし
ては、イツトリウム・バリウム・銅酸化物やラン
タン・ストロンチウム・銅酸化物等の酸化物高温
超伝導体が厚さ300nm成膜される。基板温度600
℃程度と、十分な酸素を試料表面に供給すること
により、Ｃ軸が膜面に垂直に配向した単一結晶
が、それぞれの電極３，４として成長する。

チタン酸ストロンチウム膜中の結晶の不連続部
２上には、結晶の粒界が生じる。以上のようにし
て形成された結晶の粒界をジヨセフソン接合５と
し、超伝導電極３，４を各電極とするジヨセフソ
ン素子が構成される。第２の実施例の結晶の不連
続部２及び電極３，４およびジヨセフソン接合５
の製造方法は第１の実施例と同様である。

上記第１、第２の実施例のようにしてＣ軸が面
に対して垂直に配向している結晶基板もしくは結
晶膜上に形成した超伝導体膜の結晶は、Ｃ軸が面
に垂直方向に成長し易い。このようなジヨセフソ
ン接合素子は、AB軸面に沿つて流れる電流に対
してジヨセフソン接合が形成できるため、臨界電
流値を大きくできる。もちろん本発明はこれに限
定されるものではなくＣ軸が面に対して垂直に配
向していない結晶基板もしくは結晶膜を用いても
よいことは明らである。

超伝導体膜を形成する下地の結晶膜としては、
上記以外のマグネシア等も用いられる。超伝導体
膜を形成する下地として結晶膜を用いたジヨセフ
ソン素子の他の構造としては、基板と結晶膜の
種々の公知の組合せが利用できることは明らかで
ある。例えば、サフアイア膜を表面に形成したSi
基板やSrTiO₃膜を表面に形成したサフアイア基
板等が利用できる。

（発明の効果） 本発明のジヨセフソン素子は、ジヨセフソン効
果を生じさせる接合を、下地の単結晶中に形成し
た結晶の不連続部上に作ることにより、ジヨセフ
ソン接合の位置と寸法が精度よく規定でき、電気
的特性の安定化が計れる効果を持つ。さらに、電
極となる膜の結晶方位が下地の結晶方位で制御で
きるので、電流密度が高いジヨセフソン素子が制
御性良く形成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例のジヨセフソン
素子の断面構造図、第２図は本発明の第２の実施
例のジヨセフソン素子の断面構造図である。 １…チタン酸ストロンチウム基板、２…結晶の
不連続部、３…第１の超伝導体電極、４…第２の
超伝導体電極、５…ジヨセフソン接合、２１…サ
フアイア基板、２２…チタン酸ストロンチウム
膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 結晶基板もしくは基板上に設けた結晶膜と、
   前記結晶基板の表面もしくは前記結晶膜に形成し
   た結晶不連続部と、前記結晶基板もしくは前記結
   晶膜上に成長された超伝導体膜と、前記結晶不連
   続部を反映させて結晶不連続部分上に超伝導体膜
   の粒界を形成させてジヨセフソン接合としたこと
   を特徴とするジヨセフソン素子。 ２ 結晶基板もしくは結晶膜上に設けた結晶不連
   続部と、前記結晶基板もしくは結晶膜上に成長さ
   れた超伝導体膜と、前記結晶不連続部上の超伝導
   体膜に粒界を形成してジヨセフソン接合としたジ
   ヨセフソン素子の製造において、前記結晶基板も
   しくは結晶膜中に加速されたイオンを打ち込んで
   結晶を破壊して前記結晶不連続部を形成すること
   を特徴とするジヨセフソン素子の製造方法。