JPH06338639A - ジョセフソン素子の製造方法 - Google Patents
ジョセフソン素子の製造方法Info
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- JPH06338639A JPH06338639A JP5128753A JP12875393A JPH06338639A JP H06338639 A JPH06338639 A JP H06338639A JP 5128753 A JP5128753 A JP 5128753A JP 12875393 A JP12875393 A JP 12875393A JP H06338639 A JPH06338639 A JP H06338639A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 金属酸化物超伝導薄膜の超伝導特性を部分的
に制御することにより、ジョセフソン接合を形成する。 【構成】 ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ3 等の誘電体基板１の上
に、金属酸化物超伝導薄膜２を形成する。金属酸化物超
伝導薄膜２としてＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系やＢｉ 2 Ｓｒ2
Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系の超伝導材料を用いれば、高周波ス
パッタリング法、レーザーアブレーション法などによっ
て高品質な薄膜を容易に形成することができる。以上の
ようにして金属酸化物超伝導薄膜２を形成し、微小な間
隙部３によって２つに分離された端子部４、４に水素イ
オンを照射した後、金属酸化物超伝導薄膜２に酸化処理
を施す。水素イオンの照射は、カウフマン型イオン源を
用い、イオン加速電圧；１ｋＶ、イオン電流密度；１０
-4Ａ／ｃｍ2 程度で、真空中において約２０分間行う。
に制御することにより、ジョセフソン接合を形成する。 【構成】 ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ3 等の誘電体基板１の上
に、金属酸化物超伝導薄膜２を形成する。金属酸化物超
伝導薄膜２としてＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系やＢｉ 2 Ｓｒ2
Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系の超伝導材料を用いれば、高周波ス
パッタリング法、レーザーアブレーション法などによっ
て高品質な薄膜を容易に形成することができる。以上の
ようにして金属酸化物超伝導薄膜２を形成し、微小な間
隙部３によって２つに分離された端子部４、４に水素イ
オンを照射した後、金属酸化物超伝導薄膜２に酸化処理
を施す。水素イオンの照射は、カウフマン型イオン源を
用い、イオン加速電圧；１ｋＶ、イオン電流密度；１０
-4Ａ／ｃｍ2 程度で、真空中において約２０分間行う。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超伝導素子、特に接合
部を有する金属酸化物超伝導薄膜を用いたジョセフソン
素子の製造方法に関する。
部を有する金属酸化物超伝導薄膜を用いたジョセフソン
素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、超伝導体としては、鉛（Ｐｂ）も
しくはニオブ（Ｎｂ）等の金属超伝導体、窒化ニオブ
（ＮｂＮ）、ニオブ３ゲルマニウム（Ｎｂ3 Ｇｅ）もし
くはシェブレル（ＰｂＭｏ6.4 Ｓ8 ）などの金属化合
物、又は金属酸化物のＢＰＢＯ（Ｂａ−Ｐｂ−Ｂｉ−
Ｏ）に限られていた。また、最近、ＢＫＢＯ（Ｂａ−Ｋ
−Ｂｉ−Ｏ）の金属酸化物も超伝導体であることが発見
された。これらの超伝導体において、その超伝導臨界温
度（Ｔc ）は、合金系では最高でもＮｂ3 Ｇｅの２３．
６ケルビンであり、ＢＰＢＯ、ＢＫＢＯ等の金属酸化物
でも３０ケルビン程度であり、超伝導装置として動作さ
せるためには、冷却材として高価で取扱いの難しい液体
ヘリウム（沸点４．２ケルビン）を用いなくてはならな
かった。これに対し、近年発見されたＣｕを含む酸化物
超伝導体の中にはＴc が１００ケルビンを超えるものも
あり、これらの超伝導体は安価で取扱いの容易な小型冷
凍機で冷却するだけで超伝導状態に遷移する。代表的な
物質としては、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃ
ａ−Ｃｕ−Ｏ系、Ｔｉ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系の材料
が知られており、超伝導臨界温度（Ｔc ）はそれぞれ約
９２ケルビン、１１５ケルビン、１２５ケルビンであ
る。このＣｕを含む酸化物超伝導体を用いれば、冷却材
として安価で取扱いの容易な小型冷凍機によって動作可
能な超伝導装置を作製することが可能となり、応用範囲
の拡大を図ることができる。
しくはニオブ（Ｎｂ）等の金属超伝導体、窒化ニオブ
（ＮｂＮ）、ニオブ３ゲルマニウム（Ｎｂ3 Ｇｅ）もし
くはシェブレル（ＰｂＭｏ6.4 Ｓ8 ）などの金属化合
物、又は金属酸化物のＢＰＢＯ（Ｂａ−Ｐｂ−Ｂｉ−
Ｏ）に限られていた。また、最近、ＢＫＢＯ（Ｂａ−Ｋ
−Ｂｉ−Ｏ）の金属酸化物も超伝導体であることが発見
された。これらの超伝導体において、その超伝導臨界温
度（Ｔc ）は、合金系では最高でもＮｂ3 Ｇｅの２３．
６ケルビンであり、ＢＰＢＯ、ＢＫＢＯ等の金属酸化物
でも３０ケルビン程度であり、超伝導装置として動作さ
せるためには、冷却材として高価で取扱いの難しい液体
ヘリウム（沸点４．２ケルビン）を用いなくてはならな
かった。これに対し、近年発見されたＣｕを含む酸化物
超伝導体の中にはＴc が１００ケルビンを超えるものも
あり、これらの超伝導体は安価で取扱いの容易な小型冷
凍機で冷却するだけで超伝導状態に遷移する。代表的な
物質としては、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃ
ａ−Ｃｕ−Ｏ系、Ｔｉ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系の材料
が知られており、超伝導臨界温度（Ｔc ）はそれぞれ約
９２ケルビン、１１５ケルビン、１２５ケルビンであ
る。このＣｕを含む酸化物超伝導体を用いれば、冷却材
として安価で取扱いの容易な小型冷凍機によって動作可
能な超伝導装置を作製することが可能となり、応用範囲
の拡大を図ることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記のような超伝導材
料を用いて有効なデバイスを作製するためには、ジョセ
フソン接合の形成が不可欠である。そして、ジョセフソ
ン接合を用いれば、高周波ミキサーや高周波検波器、超
高感度磁気センサー、その他高性能な機能素子を実現す
ることが可能となる。
料を用いて有効なデバイスを作製するためには、ジョセ
フソン接合の形成が不可欠である。そして、ジョセフソ
ン接合を用いれば、高周波ミキサーや高周波検波器、超
高感度磁気センサー、その他高性能な機能素子を実現す
ることが可能となる。
【０００４】ところで、ジョセフソン接合を形成するに
当たって、超伝導体のコヒーレンス長程度のサイズの接
合部分を形成する必要がある。しかし、近年発見された
金属酸化物超伝導体のコヒーレンス長は数ｎｍ程度と非
常に短く、ジョセフソン接合を形成するには非常に微細
な接合部分を形成する必要がある。このため、従来の金
属系超伝導体に用いられてきた方法をそのまま適用する
ことは困難であり、ジョセフソン接合を形成する新たな
方法が要望されている。
当たって、超伝導体のコヒーレンス長程度のサイズの接
合部分を形成する必要がある。しかし、近年発見された
金属酸化物超伝導体のコヒーレンス長は数ｎｍ程度と非
常に短く、ジョセフソン接合を形成するには非常に微細
な接合部分を形成する必要がある。このため、従来の金
属系超伝導体に用いられてきた方法をそのまま適用する
ことは困難であり、ジョセフソン接合を形成する新たな
方法が要望されている。
【０００５】本発明は、前記従来技術の課題を解決する
ため、制御性良く簡単にジョセフソン接合を形成するこ
とのできる金属酸化物超伝導体を用いたジョセフソン素
子の製造方法を提供することを目的とする。
ため、制御性良く簡単にジョセフソン接合を形成するこ
とのできる金属酸化物超伝導体を用いたジョセフソン素
子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係るジョセフソン素子の第１の製造方法
は、基板上に金属酸化物超伝導薄膜を形成し、前記金属
酸化物超伝導薄膜上の微小な間隙部で分離された２つの
端子部に選択的に水素イオンを照射し、前記金属酸化物
超伝導薄膜に酸化処理を施すことを特徴とする。
め、本発明に係るジョセフソン素子の第１の製造方法
は、基板上に金属酸化物超伝導薄膜を形成し、前記金属
酸化物超伝導薄膜上の微小な間隙部で分離された２つの
端子部に選択的に水素イオンを照射し、前記金属酸化物
超伝導薄膜に酸化処理を施すことを特徴とする。
【０００７】また、本発明に係るジョセフソン素子の第
２の製造方法は、表面に段差部分と、前記段差部分によ
って分離された２つの平面部分とを有する基板上に、前
記段差部分及び前記２つの平面部分を含む領域に金属酸
化物超伝導薄膜を形成し、前記２つの平面部分上の金属
酸化物超伝導薄膜を端子部とし、前記段差部分上の金属
酸化物超伝導薄膜を接合部とするジョセフソン素子の製
造方法であって、少なくとも前記接合部に水素イオンを
照射し、前記金属酸化物超伝導薄膜に酸化処理を施すこ
とを特徴とする。
２の製造方法は、表面に段差部分と、前記段差部分によ
って分離された２つの平面部分とを有する基板上に、前
記段差部分及び前記２つの平面部分を含む領域に金属酸
化物超伝導薄膜を形成し、前記２つの平面部分上の金属
酸化物超伝導薄膜を端子部とし、前記段差部分上の金属
酸化物超伝導薄膜を接合部とするジョセフソン素子の製
造方法であって、少なくとも前記接合部に水素イオンを
照射し、前記金属酸化物超伝導薄膜に酸化処理を施すこ
とを特徴とする。
【０００８】また、前記本発明の第１又は第２の製造方
法の構成においては、金属酸化物超伝導薄膜としてＡ−
Ｂ−Ｃｕ−Ｏ複合化合物を用いるのが好ましい。但し、
ＡはＳｃ、Ｙ、Ｌａ及びＬａ系列元素（原子番号５７、
５９〜６０、６２〜７１）から選ばれる少なくとも１種
の元素、Ｂは６ａ族元素から選ばれる少なくとも１種の
元素であり、Ａ、Ｂ元素とＣｕ元素の濃度比は前記（数
１）によって表記される。
法の構成においては、金属酸化物超伝導薄膜としてＡ−
Ｂ−Ｃｕ−Ｏ複合化合物を用いるのが好ましい。但し、
ＡはＳｃ、Ｙ、Ｌａ及びＬａ系列元素（原子番号５７、
５９〜６０、６２〜７１）から選ばれる少なくとも１種
の元素、Ｂは６ａ族元素から選ばれる少なくとも１種の
元素であり、Ａ、Ｂ元素とＣｕ元素の濃度比は前記（数
１）によって表記される。
【０００９】また、前記本発明の第１又は第２の製造方
法の構成においては、金属酸化物超伝導薄膜としてＢｉ
−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−ＯもしくはＴｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃ
ｕ−Ｏ複合化合物を用いるのが好ましい。
法の構成においては、金属酸化物超伝導薄膜としてＢｉ
−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−ＯもしくはＴｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃ
ｕ−Ｏ複合化合物を用いるのが好ましい。
【００１０】
【作用】前記本発明の第１又は第２の製造方法によれ
ば、均一に薄膜化した金属酸化物超伝導薄膜を用い、水
素イオンの照射と酸化処理を基本とするプロセスによっ
てジョセフソン接合を形成することができる。水素イオ
ンの照射による金属酸化物超伝導薄膜の処理は制御性が
良く、しかも簡単であるため、従来行われてきた積層構
造を利用して作製する方法に比べ、極めて簡単なプロセ
スで再現性良くジョセフソン素子を作製することができ
る。また、基本的に平面構造によってジョセフソン接合
が形成されるので、他の電子デバイスや他の材料との集
積化の際などに特に有効である。
ば、均一に薄膜化した金属酸化物超伝導薄膜を用い、水
素イオンの照射と酸化処理を基本とするプロセスによっ
てジョセフソン接合を形成することができる。水素イオ
ンの照射による金属酸化物超伝導薄膜の処理は制御性が
良く、しかも簡単であるため、従来行われてきた積層構
造を利用して作製する方法に比べ、極めて簡単なプロセ
スで再現性良くジョセフソン素子を作製することができ
る。また、基本的に平面構造によってジョセフソン接合
が形成されるので、他の電子デバイスや他の材料との集
積化の際などに特に有効である。
【００１１】
【実施例】以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的
に説明する。 （実施例１）図１（ａ）は本発明に係るジョセフソン素
子の製造方法を示す平面図、図１（ｂ）はその要部断面
図である。
に説明する。 （実施例１）図１（ａ）は本発明に係るジョセフソン素
子の製造方法を示す平面図、図１（ｂ）はその要部断面
図である。
【００１２】図１に示すように、例えばＭｇＯ、ＬａＡ
ｌＯ3 等の誘電体基板１の上に、金属酸化物超伝導薄膜
２を形成する。金属酸化物超伝導薄膜２としてＹＢａ2
Ｃｕ 3 Ｏx 系やＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系の超伝
導材料を用いれば、高周波スパッタリング法、レーザー
アブレーション法などによって高品質な薄膜を容易に形
成することができる。
ｌＯ3 等の誘電体基板１の上に、金属酸化物超伝導薄膜
２を形成する。金属酸化物超伝導薄膜２としてＹＢａ2
Ｃｕ 3 Ｏx 系やＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系の超伝
導材料を用いれば、高周波スパッタリング法、レーザー
アブレーション法などによって高品質な薄膜を容易に形
成することができる。
【００１３】以上のようにして金属酸化物超伝導薄膜２
を形成し、微小な間隙部３によって２つに分離された端
子部４、４（図１（ａ）の斜線部分）に水素イオンを照
射した後、金属酸化物超伝導薄膜２に酸化処理を施す。
水素イオンの照射は、例えば、カウフマン型イオン源を
用い、イオン加速電圧；１ｋＶ、イオン電流密度；１０
-4Ａ／ｃｍ2 程度で、真空中において約２０分間行えば
効果が生じる。尚、図１（ａ）のように必要な部分（斜
線部分）のみに水素イオンを照射するには、金属酸化物
超伝導薄膜２の上にメタルマスク等を置くか、又はパタ
ーン化されたエポキシ系等の紫外線フォトレジストやＰ
ＭＭＡ、ＣＭＳ等の電子ビームレジストなどを用いれば
よい。但し、水素イオンは材料を透過する割合が大きい
ため、レジストの厚さは十分厚くするのが好ましい。ま
た、水素イオンによる集束イオンビームを用いれば、マ
スク等を用いなくても、図１（ａ）のパターン部分（斜
線部分）に水素イオンを選択的に照射することができ
る。この方法は、非常に高精度に照射することができ最
も有効性が高いが、装置が非常に大がかりとなり高価で
ある。
を形成し、微小な間隙部３によって２つに分離された端
子部４、４（図１（ａ）の斜線部分）に水素イオンを照
射した後、金属酸化物超伝導薄膜２に酸化処理を施す。
水素イオンの照射は、例えば、カウフマン型イオン源を
用い、イオン加速電圧；１ｋＶ、イオン電流密度；１０
-4Ａ／ｃｍ2 程度で、真空中において約２０分間行えば
効果が生じる。尚、図１（ａ）のように必要な部分（斜
線部分）のみに水素イオンを照射するには、金属酸化物
超伝導薄膜２の上にメタルマスク等を置くか、又はパタ
ーン化されたエポキシ系等の紫外線フォトレジストやＰ
ＭＭＡ、ＣＭＳ等の電子ビームレジストなどを用いれば
よい。但し、水素イオンは材料を透過する割合が大きい
ため、レジストの厚さは十分厚くするのが好ましい。ま
た、水素イオンによる集束イオンビームを用いれば、マ
スク等を用いなくても、図１（ａ）のパターン部分（斜
線部分）に水素イオンを選択的に照射することができ
る。この方法は、非常に高精度に照射することができ最
も有効性が高いが、装置が非常に大がかりとなり高価で
ある。
【００１４】酸化処理の方法として最も簡便で確実な方
法は、酸素中でアニール処理を施す方法である。例え
ば、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系の材料を用いる場
合には、８５０℃前後の温度でアニール処理を施せばよ
く、他の材料を用いる場合であっても、多少の差はある
ものの、それに近い温度でアニール処理を施せばよい。
また、照射後の試料を酸素プラズマ中に置くことによっ
ても酸化処理を実現することができる。
法は、酸素中でアニール処理を施す方法である。例え
ば、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系の材料を用いる場
合には、８５０℃前後の温度でアニール処理を施せばよ
く、他の材料を用いる場合であっても、多少の差はある
ものの、それに近い温度でアニール処理を施せばよい。
また、照射後の試料を酸素プラズマ中に置くことによっ
ても酸化処理を実現することができる。
【００１５】以上のようにして金属酸化物超伝導薄膜２
に水素イオンを照射した後、酸化処理を施すことによっ
て、その超伝導特性を制御することができる。図２は、
この効果を明らかにするための実験結果の一例である。
この実験においては、ＭｇＯ単結晶基板を約６５０℃に
加熱し、高周波マグネトロンスパッタリング法によって
膜厚２５０ｎｍのＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏx 薄膜を
堆積させたものを用いた。そして、このＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃ
ａ2 Ｃｕ3 Ｏx 薄膜に水素イオンを照射した後、酸化処
理を施したものの臨界電流密度の温度変化を示したもの
が図２である。ここで、水素イオンの照射は、イオン加
速電圧；１ｋＶ、イオン電流密度；８×１０-5Ａ／ｃｍ
2 で、真空中において１５００秒間行った。その後、８
５５℃の温度で５時間にわたって酸素アニールを施し
た。図２において、Ａは水素イオンを照射した後に酸化
処理を施した試料の特性を示し、Ｂ（比較例）は水素イ
オンを照射せずに酸化処理のみを施した試料の特性を示
す。図２から明らかなように、Ａにおいては、超伝導特
性を示す一つの指標である臨界電流密度が約１桁上昇し
ている。この原因は、水素イオンの照射及び酸化処理に
よって材料中のイオン、特に酸素イオンの結合状態が変
化し、材料中にピンニングセンターが導入され、また、
材料の結晶性が向上したことによるものと考えられる。
尚、本発明者等は、図２に示したような超伝導特性の向
上の程度は、イオン照射の条件及び酸化処理の条件を調
節することにより、極めて再現性良く制御できることを
見い出した。これにより、金属酸化物超伝導薄膜に部分
的に水素イオンを照射すれば、部分的に超伝導特性を生
じさせたり、部分的に超伝導特性を消失させることも可
能である。
に水素イオンを照射した後、酸化処理を施すことによっ
て、その超伝導特性を制御することができる。図２は、
この効果を明らかにするための実験結果の一例である。
この実験においては、ＭｇＯ単結晶基板を約６５０℃に
加熱し、高周波マグネトロンスパッタリング法によって
膜厚２５０ｎｍのＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏx 薄膜を
堆積させたものを用いた。そして、このＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃ
ａ2 Ｃｕ3 Ｏx 薄膜に水素イオンを照射した後、酸化処
理を施したものの臨界電流密度の温度変化を示したもの
が図２である。ここで、水素イオンの照射は、イオン加
速電圧；１ｋＶ、イオン電流密度；８×１０-5Ａ／ｃｍ
2 で、真空中において１５００秒間行った。その後、８
５５℃の温度で５時間にわたって酸素アニールを施し
た。図２において、Ａは水素イオンを照射した後に酸化
処理を施した試料の特性を示し、Ｂ（比較例）は水素イ
オンを照射せずに酸化処理のみを施した試料の特性を示
す。図２から明らかなように、Ａにおいては、超伝導特
性を示す一つの指標である臨界電流密度が約１桁上昇し
ている。この原因は、水素イオンの照射及び酸化処理に
よって材料中のイオン、特に酸素イオンの結合状態が変
化し、材料中にピンニングセンターが導入され、また、
材料の結晶性が向上したことによるものと考えられる。
尚、本発明者等は、図２に示したような超伝導特性の向
上の程度は、イオン照射の条件及び酸化処理の条件を調
節することにより、極めて再現性良く制御できることを
見い出した。これにより、金属酸化物超伝導薄膜に部分
的に水素イオンを照射すれば、部分的に超伝導特性を生
じさせたり、部分的に超伝導特性を消失させることも可
能である。
【００１６】図１に示すような本発明の方法で作製した
素子においては、金属酸化物超伝導薄膜２の形成条件や
水素イオンの照射条件、又は酸化処理の条件を適当に設
定することにより、水素イオンを照射した端子部４の領
域だけが超伝導特性を示し、照射しなかった他の部分は
超伝導特性を有しないか又は超伝導特性の劣った状態に
することができる。このことは、金属酸化物超伝導薄膜
２の疑似的なパターン化を行ったことになる。このた
め、超伝導状態にある２つの端子部４、４が、超伝導特
性を有しないか又は超伝導特性の劣った間隙部３を介し
て互い非常に接近した状態となる。従って、間隙部３の
幅を十分小さくすれば、２つの端子部４、４は間隙部３
を介して互いに弱く結合することとなり、間隙部３の両
端ではジョセフソン接合特性を示すことになる。実際、
本発明者等は、２つの端子部４、４に引き出し電極を接
続し、２つの端子部４、４間の電流電圧特性を測定した
結果、ジョセフソン特性を示すことを確認した。さら
に、本発明のジョセフソン素子の製造方法においては、
水素イオンの照射条件や酸化処理の条件を変えることに
よって間隙部３での結合状態を変化させることができる
ことから、このような条件を調節することにより、所望
のジョセフソン接合を制御性良く、しかも再現性良く作
製することが可能となる。
素子においては、金属酸化物超伝導薄膜２の形成条件や
水素イオンの照射条件、又は酸化処理の条件を適当に設
定することにより、水素イオンを照射した端子部４の領
域だけが超伝導特性を示し、照射しなかった他の部分は
超伝導特性を有しないか又は超伝導特性の劣った状態に
することができる。このことは、金属酸化物超伝導薄膜
２の疑似的なパターン化を行ったことになる。このた
め、超伝導状態にある２つの端子部４、４が、超伝導特
性を有しないか又は超伝導特性の劣った間隙部３を介し
て互い非常に接近した状態となる。従って、間隙部３の
幅を十分小さくすれば、２つの端子部４、４は間隙部３
を介して互いに弱く結合することとなり、間隙部３の両
端ではジョセフソン接合特性を示すことになる。実際、
本発明者等は、２つの端子部４、４に引き出し電極を接
続し、２つの端子部４、４間の電流電圧特性を測定した
結果、ジョセフソン特性を示すことを確認した。さら
に、本発明のジョセフソン素子の製造方法においては、
水素イオンの照射条件や酸化処理の条件を変えることに
よって間隙部３での結合状態を変化させることができる
ことから、このような条件を調節することにより、所望
のジョセフソン接合を制御性良く、しかも再現性良く作
製することが可能となる。
【００１７】（実施例２）図３（ａ）は本発明に係るジ
ョセフソン素子の製造方法の他の実施例を示す平面図、
図２（ｂ）はその要部断面図である。
ョセフソン素子の製造方法の他の実施例を示す平面図、
図２（ｂ）はその要部断面図である。
【００１８】図３に示すように、例えばＭｇＯ、ＬａＡ
ｌＯ3 等の誘電体基板５を用い、その表面に部分的にエ
ッチング等を施すことにより、段差部分６によって２つ
の平面部分７、７が分離されるように表面加工を行う。
そして、この表面上に金属酸化物超伝導薄膜８を形成す
る。金属酸化物超伝導薄膜８としてＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ x
系やＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系の超伝導材料を用
いれば、高周波スパッタリング法、レーザーアブレーシ
ョン法などによって高品質な薄膜を容易に形成すること
ができる。
ｌＯ3 等の誘電体基板５を用い、その表面に部分的にエ
ッチング等を施すことにより、段差部分６によって２つ
の平面部分７、７が分離されるように表面加工を行う。
そして、この表面上に金属酸化物超伝導薄膜８を形成す
る。金属酸化物超伝導薄膜８としてＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ x
系やＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系の超伝導材料を用
いれば、高周波スパッタリング法、レーザーアブレーシ
ョン法などによって高品質な薄膜を容易に形成すること
ができる。
【００１９】以上のようにして金属酸化物超伝導薄膜８
を形成した後、例えば、紫外線フォトレジストを用いた
フォトリソグラフィーとイオンビームエッチングとを組
み合わせて、２つの端子部９、９が段差部分６で接続さ
れるような形状にパターン化する（図３（ａ）の斜線部
分）。このように段差部分６を介して形成した金属酸化
物超伝導薄膜８においては、段差部分６の上に堆積した
部分は、段差部分６の基板表面が傾斜しているために他
の部分に比べて膜厚が薄くなる。また、特に基板５が単
結晶の場合には、段差部分６の基板表面での原子の並び
が不規則となるため、その上に形成された金属酸化物超
伝導薄膜８の結晶性は、平面部分７、７に形成された金
属酸化物超伝導薄膜８の結晶性よりも劣る。このため、
超伝導状態にある２つの端子部９、９が、超伝導特性を
有しないか又は超伝導特性の劣った接合部１０を介して
互い非常に接近した状態となる。
を形成した後、例えば、紫外線フォトレジストを用いた
フォトリソグラフィーとイオンビームエッチングとを組
み合わせて、２つの端子部９、９が段差部分６で接続さ
れるような形状にパターン化する（図３（ａ）の斜線部
分）。このように段差部分６を介して形成した金属酸化
物超伝導薄膜８においては、段差部分６の上に堆積した
部分は、段差部分６の基板表面が傾斜しているために他
の部分に比べて膜厚が薄くなる。また、特に基板５が単
結晶の場合には、段差部分６の基板表面での原子の並び
が不規則となるため、その上に形成された金属酸化物超
伝導薄膜８の結晶性は、平面部分７、７に形成された金
属酸化物超伝導薄膜８の結晶性よりも劣る。このため、
超伝導状態にある２つの端子部９、９が、超伝導特性を
有しないか又は超伝導特性の劣った接合部１０を介して
互い非常に接近した状態となる。
【００２０】しかし、接合部１０にジョセフソン効果を
発揮させるためには、段差部分６の幅をコヒーレンス長
程度に十分狭くするか、又は段差部分６の幅がある程度
広いときには、接合部１０の超伝導特性を精度良く制御
しなければならない。金属酸化物超伝導薄膜８のコヒー
レンス長は通常数ｎｍ程度であるから、段差部分６をコ
ヒーレンス長程度の幅で形成することは実際上非常に困
難である。従って、ジョセフソン素子を作製するに当た
っては、段差部分６の上の接合部１０の超伝導特性を精
度良く制御する必要がある。
発揮させるためには、段差部分６の幅をコヒーレンス長
程度に十分狭くするか、又は段差部分６の幅がある程度
広いときには、接合部１０の超伝導特性を精度良く制御
しなければならない。金属酸化物超伝導薄膜８のコヒー
レンス長は通常数ｎｍ程度であるから、段差部分６をコ
ヒーレンス長程度の幅で形成することは実際上非常に困
難である。従って、ジョセフソン素子を作製するに当た
っては、段差部分６の上の接合部１０の超伝導特性を精
度良く制御する必要がある。
【００２１】そこで、図３に示す素子構造を作製した後
に、金属酸化物超伝導薄膜８の表面に水素イオンを照射
すると共に、金属酸化物超伝導薄膜８に酸化処理を施し
た。水素イオン照射及び酸化処理の方法は実施例１に記
載したものと同様である。また、水素イオン照射及び酸
化処理の条件は、実施例１と多少の差異はあるが、基本
的には同程度で有効である。この処理によって、接合部
１０を含む金属酸化物超伝導薄膜８の超伝導特性が向上
するが、照射条件又は酸化処理の条件を変えることによ
り、その特性を精度良く制御することが可能となる。従
って、所望のジョセフソン特性を制御性良く、しかも再
現性良く実現することができる。
に、金属酸化物超伝導薄膜８の表面に水素イオンを照射
すると共に、金属酸化物超伝導薄膜８に酸化処理を施し
た。水素イオン照射及び酸化処理の方法は実施例１に記
載したものと同様である。また、水素イオン照射及び酸
化処理の条件は、実施例１と多少の差異はあるが、基本
的には同程度で有効である。この処理によって、接合部
１０を含む金属酸化物超伝導薄膜８の超伝導特性が向上
するが、照射条件又は酸化処理の条件を変えることによ
り、その特性を精度良く制御することが可能となる。従
って、所望のジョセフソン特性を制御性良く、しかも再
現性良く実現することができる。
【００２２】尚、水素イオンは、少なくとも接合部１０
に照射すればよく、必ずしも端子部９、９を含めた金属
酸化物超伝導薄膜８の全面に照射する必要はない。ま
た、本実施例２においては、端子部９、９をパターン化
した場合について説明したが、必ずしもこのようにパタ
ーン化して端子部９を形成する必要はなく、金属酸化物
超伝導薄膜８を形成する際に基板５の表面にメタルマス
クなどを置いて薄膜を形成してもよい。また、全くパタ
ーン化せずに、平面部分７、７の全体を端子部９、９と
して、作製プロセスの簡略化を図ることもできる。但
し、接合部１０の横方向の幅が非常に大きくなるので、
所望のジョセフソン効果を得るためには、水素イオンの
照射条件や酸化処理の条件をより精度良く設定する必要
がある。
に照射すればよく、必ずしも端子部９、９を含めた金属
酸化物超伝導薄膜８の全面に照射する必要はない。ま
た、本実施例２においては、端子部９、９をパターン化
した場合について説明したが、必ずしもこのようにパタ
ーン化して端子部９を形成する必要はなく、金属酸化物
超伝導薄膜８を形成する際に基板５の表面にメタルマス
クなどを置いて薄膜を形成してもよい。また、全くパタ
ーン化せずに、平面部分７、７の全体を端子部９、９と
して、作製プロセスの簡略化を図ることもできる。但
し、接合部１０の横方向の幅が非常に大きくなるので、
所望のジョセフソン効果を得るためには、水素イオンの
照射条件や酸化処理の条件をより精度良く設定する必要
がある。
【００２３】また、上記実施例１、２においては、金属
酸化物超伝導体としてＹＢａ2 Ｃｕ 3 Ｏx 系やＢｉ2 Ｓ
ｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系の材料を例に挙げて説明した
が、必ずしもこれらの材料に限定されるものではなく、
金属酸化物超伝導薄膜としては、Ａ−Ｂ−Ｃｕ−Ｏ複合
化合物であれば同様に有効である。但し、ＡはＳｃ、
Ｙ、Ｌａ及びＬａ系列元素（原子番号５７、５９〜６
０、６２〜７１）から選ばれる少なくとも１種の元素、
ＢはＢａ、Ｓｒなどの６ａ族元素から選ばれる少なくと
も１種の元素である。また、Ａ、Ｂ元素とＣｕ元素の濃
度比としては、前記（数１）で示す範囲内にあれば、多
少の超伝導特性の差はあるものの、基本的には本発明に
おいて有効である。また、金属酸化物超伝導薄膜として
Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ又はＴｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃ
ｕ−Ｏ複合化合物を用いても、同様に有効である。これ
らの超伝導材料の中には、超伝導臨界温度（Ｔc ）が１
００ケルビンを超えるものも含まれており、実用上も有
効性が高い。
酸化物超伝導体としてＹＢａ2 Ｃｕ 3 Ｏx 系やＢｉ2 Ｓ
ｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系の材料を例に挙げて説明した
が、必ずしもこれらの材料に限定されるものではなく、
金属酸化物超伝導薄膜としては、Ａ−Ｂ−Ｃｕ−Ｏ複合
化合物であれば同様に有効である。但し、ＡはＳｃ、
Ｙ、Ｌａ及びＬａ系列元素（原子番号５７、５９〜６
０、６２〜７１）から選ばれる少なくとも１種の元素、
ＢはＢａ、Ｓｒなどの６ａ族元素から選ばれる少なくと
も１種の元素である。また、Ａ、Ｂ元素とＣｕ元素の濃
度比としては、前記（数１）で示す範囲内にあれば、多
少の超伝導特性の差はあるものの、基本的には本発明に
おいて有効である。また、金属酸化物超伝導薄膜として
Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ又はＴｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃ
ｕ−Ｏ複合化合物を用いても、同様に有効である。これ
らの超伝導材料の中には、超伝導臨界温度（Ｔc ）が１
００ケルビンを超えるものも含まれており、実用上も有
効性が高い。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るジョ
セフソン素子の第１又は第２の製造方法によれば、均一
に薄膜化した金属酸化物超伝導薄膜を用い、水素イオン
の照射と酸化処理を基本とするプロセスによってジョセ
フソン接合を形成することができる。水素イオンの照射
による金属酸化物超伝導薄膜の処理は制御性が良く、し
かも簡単であるため、従来行われてきた積層構造を利用
して作製する方法に比べ、極めて簡単なプロセスでジョ
セフソン素子を作製することができる。また、基本的に
平面構造によってジョセフソン接合が形成されるので、
他の電子デバイスや他の材料との集積化の際などに特に
有効である。また、本発明のジョセフソン素子の製造方
法はＳＱＵＩＤ（磁界検出素子）や高周波ミキサー等の
各種の超伝導デバイスの製造に応用することができる。
特に、この種の金属酸化物超伝導体の超伝導臨界温度
（Ｔc ）が室温になる可能性もあるため、実用の範囲が
広く本発明の工業的価値は高い。
セフソン素子の第１又は第２の製造方法によれば、均一
に薄膜化した金属酸化物超伝導薄膜を用い、水素イオン
の照射と酸化処理を基本とするプロセスによってジョセ
フソン接合を形成することができる。水素イオンの照射
による金属酸化物超伝導薄膜の処理は制御性が良く、し
かも簡単であるため、従来行われてきた積層構造を利用
して作製する方法に比べ、極めて簡単なプロセスでジョ
セフソン素子を作製することができる。また、基本的に
平面構造によってジョセフソン接合が形成されるので、
他の電子デバイスや他の材料との集積化の際などに特に
有効である。また、本発明のジョセフソン素子の製造方
法はＳＱＵＩＤ（磁界検出素子）や高周波ミキサー等の
各種の超伝導デバイスの製造に応用することができる。
特に、この種の金属酸化物超伝導体の超伝導臨界温度
（Ｔc ）が室温になる可能性もあるため、実用の範囲が
広く本発明の工業的価値は高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係るジョセフソン素子の製造
方法の一実施例を示す平面図、（ｂ）はその要部断面図
である。
方法の一実施例を示す平面図、（ｂ）はその要部断面図
である。
【図２】同じ金属酸化物超伝導薄膜に対して、水素イオ
ンの照射を行った場合（Ａ）と、行わなかった場合
（Ｂ）の臨界電流密度の温度変化を示す図である。
ンの照射を行った場合（Ａ）と、行わなかった場合
（Ｂ）の臨界電流密度の温度変化を示す図である。
【図３】（ａ）は本発明に係るジョセフソン素子の製造
方法の他の実施例を示す平面図、（ｂ）はその要部断面
図である。
方法の他の実施例を示す平面図、（ｂ）はその要部断面
図である。
１、５ 基板 ２、８ 金属酸化物超伝導薄膜 ３ 間隙部 ４、９ 端子部 ６ 段差部分 ７ 平面部分 １０ 接合部
Claims (4)
- 【請求項１】 基板上に金属酸化物超伝導薄膜を形成
し、前記金属酸化物超伝導薄膜上の微小な間隙部で分離
された２つの端子部に選択的に水素イオンを照射し、前
記金属酸化物超伝導薄膜に酸化処理を施すジョセフソン
素子の製造方法。 - 【請求項２】 表面に段差部分と、前記段差部分によっ
て分離された２つの平面部分とを有する基板上に、前記
段差部分及び前記２つの平面部分を含む領域に金属酸化
物超伝導薄膜を形成し、前記２つの平面部分上の金属酸
化物超伝導薄膜を端子部とし、前記段差部分上の金属酸
化物超伝導薄膜を接合部とするジョセフソン素子の製造
方法であって、少なくとも前記接合部に水素イオンを照
射し、前記金属酸化物超伝導薄膜に酸化処理を施すこと
を特徴とするジョセフソン素子の製造方法。 - 【請求項３】 金属酸化物超伝導薄膜としてＡ−Ｂ−Ｃ
ｕ−Ｏ複合化合物を用いる請求項１又は２に記載のジョ
セフソン素子の製造方法。但し、ＡはＳｃ、Ｙ、Ｌａ及
びＬａ系列元素（原子番号５７、５９〜６０、６２〜７
１）から選ばれる少なくとも１種の元素、Ｂは６ａ族元
素から選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ａ、Ｂ元
素とＣｕ元素の濃度比は下記（数１）によって表記され
る。 【数１】 - 【請求項４】 金属酸化物超伝導薄膜としてＢｉ−Ｓｒ
−Ｃａ−Ｃｕ−ＯもしくはＴｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ
複合化合物を用いる請求項１又は２に記載のジョセフソ
ン素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5128753A JPH06338639A (ja) | 1993-05-31 | 1993-05-31 | ジョセフソン素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5128753A JPH06338639A (ja) | 1993-05-31 | 1993-05-31 | ジョセフソン素子の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06338639A true JPH06338639A (ja) | 1994-12-06 |
Family
ID=14992618
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5128753A Pending JPH06338639A (ja) | 1993-05-31 | 1993-05-31 | ジョセフソン素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06338639A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2717253C1 (ru) * | 2019-09-18 | 2020-03-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Сверхпроводящая цепь с участком слабой связи |
-
1993
- 1993-05-31 JP JP5128753A patent/JPH06338639A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2717253C1 (ru) * | 2019-09-18 | 2020-03-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Сверхпроводящая цепь с участком слабой связи |
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