(57)【要約】【課題】本発明は、ジョセフソン接合素子、その形成方法、および超電導接合回路に関し、ＩｃＲｎ積を向上することを目的とする。【解決手段】ジョセフソン接合素子は、基板１１上に形成された下部電極層１２と、絶縁膜１３と、下部電極層１２の一端に形成された斜面を覆うバリア層１４と、バリア層１４を覆う上部電極層１５を有し、超電導接合部１６が形成される。下部電極層１２及び上部電極層１５は、（ＲＥ）1（ＡＥ）2Ｃｕ3Ｏyを主成分とする酸化物超電導材料からなり、元素ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群のうち少なくとも１種、元素ＡＥがＢａ、Ｓｒ、およびＣａからなる群のうち少なくとも１種である。バリア層１４は、元素ＲＥ、元素ＡＥ、Ｃｕ、及び酸素を含む材料からなり、この材料中のカチオンのうち、Ｃｕ含有量が３５〜５５原子％、かつ元素ＲＥ含有量が１２〜３０原子％の範囲に設定され、かつ下部電極層１２及び上部電極層１５の組成と異なる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の超電導電極層と、バリア層と、第２の超電導電極層とがこの順に積層されてなるジョセフソン接合素子であって、
前記第１および第２の超電導電極層は、（ＲＥ）1（ＡＥ）2Ｃｕ3Ｏyを主成分とする酸化物超電導材料からなり、該元素ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群のうち少なくとも１種であり、該元素ＡＥがＢａ、Ｓｒ、およびＣａからなる群のうち少なくとも１種であり、
前記バリア層は、元素ＲＥ、元素ＡＥ、Ｃｕ、および酸素を含む材料からなり、当該材料中のカチオンのうち、Ｃｕ含有量が３５原子％〜５５原子％、かつ元素ＲＥ含有量が１２原子％〜３０原子％の範囲に設定されてなり、かつ第１および第２の超電導電極層と組成が異なることを特徴とするジョセフソン接合素子。
【請求項２】
基板と、
前記基板上に、一側端面が傾斜面からなる第１の超電導電極層と、
前記第１の超電導電極層上に、前記傾斜面と連続する傾斜面が端面に形成された絶縁膜と、
前記第１の超電導電極層の傾斜面の表面に堆積したバリア層と、
前記バリア層を覆う第２の超電導電極層とを備え、
前記第１および第２の超電導電極層は、（ＲＥ）1（ＡＥ）2Ｃｕ3Ｏyを主成分とする酸化物超電導材料からなり、該元素ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群のうち少なくとも１種であり、該元素ＡＥがＢａ、Ｓｒ、およびＣａからなる群のうち少なくとも１種であり、
前記バリア層は、元素ＲＥ、元素ＡＥ、Ｃｕ、および酸素を含む材料からなり、当該材料中のカチオンのうち、Ｃｕ含有量が３５原子％〜５５原子％、かつ元素ＲＥ含有量が１２原子％〜３０原子％の範囲に設定されてなり、かつ第１および第２の超電導電極層と組成が異なることを特徴とするジョセフソン接合素子。
【請求項３】
基板と、
前記基板上に形成された第１の超電導電極層と、
前記第１の超電導電極層上に、厚さ方向に沿った貫通孔を有する絶縁膜と、
前記貫通孔中に、第１の超電導電極層の表面に堆積したバリア層と、
前記貫通孔を充填すると共にバリア層および絶縁膜を覆う第２の超電導電極層とを備え、
前記第１および第２の超電導電極層は、（ＲＥ）1（ＡＥ）2Ｃｕ3Ｏyを主成分とする酸化物超電導材料からなり、該元素ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群のうち少なくとも１種であり、該元素ＡＥがＢａ、Ｓｒ、およびＣａからなる群のうち少なくとも１種であり、
前記バリア層は、元素ＲＥ、元素ＡＥ、Ｃｕ、および酸素を含む材料からなり、当該材料中のカチオンのうち、Ｃｕ含有量が３５原子％〜５５原子％、かつ元素ＲＥ含有量が１２原子％〜３０原子％の範囲に設定されてなり、かつ第１および第２の超電導電極層と組成が異なることを特徴とするジョセフソン接合素子。
【請求項４】
前記第１の超電導電極層、絶縁膜、および第２の超電導電極層はペロブスカイト結晶構造を基本結晶構造として有し、第１および第２の超電導電極層のＣｕと酸素からなる原子面が基板面に垂直に形成されてなることを特徴とする請求項３記載のジョセフソン接合素子。
【請求項５】
前記バリア層の組成は、Ｃｕおよび元素ＲＥ含有量がそれぞれ第１および第２の超電導電極層の組成と３原子％以上異なることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載のジョセフソン接合素子。
【請求項６】
前記バリア層は、元素ＲＥがＹ、元素ＡＥがＢａからなり、当該バリア層中のカチオンのうち、Ｃｕ含有量が３５原子％〜５５原子％、かつＹ含有量が１２原子％〜３０原子％の範囲に設定されてなることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載のジョセフソン接合素子。
【請求項７】
前記第１および第２の超電導電極層、およびバリア層は元素ＬＲＥを含み、元素ＬＲＥは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、およびＥｕからなる群のうち少なくとも１種が選択され、
前記バリア層の元素ＬＲＥ含有量が第１および第２の超電導電極層のＬＲＥ含有量よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載のジョセフソン接合素子。
【請求項８】
前記バリア層のＣｕ含有量、元素ＲＥ含有量、あるいは元素ＬＲＥ含有量は、エネルギー分散型Ｘ線スペクトロスコピー法によりビーム径が１ｎｍ以下の電子線を照射して分析されてなることを特徴とする請求項１〜７のうち、いずれか一項記載のジョセフソン接合素子。
【請求項９】
基板上に酸化物超電導材料の第１の超電導電極層を形成する工程と、
前記第１の超電導電極層を覆う絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の一部を除去して第１の超電導電極層を露出する工程と、
前記露出した第１の超電導電極層の表面に酸化物材料を使用してバリア層を堆積する工程と、
前記バリア層を覆う酸化物超電導材料の第２の超電導電極層を形成する工程とを備え、
前記酸化物材料は、元素ＲＥ、元素ＡＥ、Ｃｕ、および酸素を含む材料からなり、該元素ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群のうち少なくとも１種であり、該元素ＡＥがＢａ、Ｓｒ、およびＣａからなる群のうち少なくとも１種であることを特徴するジョセフソン接合素子の形成方法。
【請求項１０】
前記第１および第２の超電導電極層は、（ＲＥ）1（ＡＥ）2Ｃｕ3Ｏyを主成分とする酸化物超電導材料からなり、該元素ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群のうち少なくとも１種であり、該元素ＡＥがＢａ、Ｓｒ、およびＣａからなる群のうち少なくとも１種であることを特徴する請求項９記載のジョセフソン接合素子の形成方法。
【請求項１１】
前記バリア層の酸化物材料は、Ｃｕ含有量が３５原子％〜５５原子％、かつＲＥ含有量が１２原子％〜３０原子％の範囲に設定されてなり、かつ第１および第２の超電導電極層と組成が異なることを特徴とする請求項９または１０記載のジョセフソン接合素子の形成方法。
【請求項１２】
前記バリア層を堆積する工程は、真空蒸着法、スパッタ法、パルスレーザ堆積法、および化学気相成長法のいずれかを用いることを特徴する請求項９〜１１のうち、いずれか一項記載のジョセフソン接合素子の形成方法。
【請求項１３】
前記バリア層を堆積する工程は、真空蒸着法、スパッタ法、パルスレーザ堆積法を用いて、酸素ガス雰囲気において圧力および基板とターゲットとの距離に基づいて形成されるバリア層の組成を制御することを特徴とする請求項９〜１１のうち、いずか一項記載のジョセフソン接合素子の形成方法。
【請求項１４】
磁束量子を信号の担体とし、請求項１〜８のうち、いずれか一項記載のジョセフソン接合素子を備える超電導接合回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物超電導体を用いたジョセフソン接合素子およびその形成方法、並びにジョセフソン接合素子を用いた超電導接合回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
１９８７年に臨界温度が９２ＫのＹＢａ2Ｃｕ3Ｏy（ＹＢＣＯ）の銅酸化物超電導体が発見されて以来、酸化物超電導体の研究が盛んに行われている。酸化物超電導体を用いたジョセフソン接合素子は、高いＩｃＲｎ積と、高い接合の超電導転移温度が得られる。ＩｃＲｎ積は、ある温度において超電導接合に流れることのできる最大超電導電流値（臨界電流値）Ｉｃと超電導状態が壊れて常伝導状態になった際の抵抗値Ｒｎとの積であり、定性的にはスイッチング時の信号の大きさや感度の大きさを表す指標である。そのため、このようなジョセフソン接合素子を利用して、４０Ｋ以上の温度での超電導接合回路の高速動作や、センサの高感度化が図られる。
【０００３】
酸化物超電導体を用いたデバイスの実現には、ジョセフソン効果を利用したジョセフソン接合素子の作製技術が必要不可欠となる。酸化物超電導体を用いたジョセフソン接合素子としては、バイクリスタル型、マイクロブリッジ型、ステップエッジ型、ランプエッジ型等の様々な構造が提案されている。
【０００４】
バイクリスタル型の接合は、結晶方位の異なる面を張り合わせた基板上に超電導膜を堆積することで、その基板境界上で超電導膜中にバリア層として働く結晶粒界が形成されるため、容易に作製することが可能である。この接合を用いたＳＱＵＩＤ素子等のデバイスは、既に商品化の段階まで達している。しかしながら、バイクリスタル型は、基板の張り合わせ境界にしか接合を作製できないため、複雑な構造を必要とする高機能デバイス応用には不向きである。
【０００５】
これに対し、積層型のジョセフソン接合素子や、図１（Ａ）に示す、基板１０１上に酸化物超電導体からなる下部電極層１０２と絶縁膜１０３を介して積層された上部電極層１０４とが接する斜面にバリア層１０２ａを介して形成された接合部を有するランプエッジ型のジョセフソン接合素子では、接合形成場所に制限がなく、超電導接合回路の大規模集積化に大変有利である。これらの構造のバリア層にはＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ、ＳｒＴｉＯ3、ＰｒＧａＯ3、ＣｅＯ2等の非超電導材料を用いたものや、界面改質型接合（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ−Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を用いたものが多数報告されている。なかでも界面改質型接合は、図１（Ｂ）に示すように、基板１０１上に下部電極層１０２と絶縁膜１０３を積層し、下部電極層に形成した斜面をＡｒイオンの衝撃によりアモルファス化させて数ｎｍの薄いバリア層を形成し、バリア層を覆う上部電極層を形成するプロセスにより作製される。そのため、界面改質型接合のジョセフソン接合素子は、非超電導材料を用いた接合に比べ接合特性のばらつきを抑制させ、比較的高いＩｃＲｎ積を有する特徴を持っている。
【０００６】
界面改質型接合のジョセフソン接合素子では、これまでに、温度４．２Ｋにおいて１００個の接合でＩｃＲｎ積が１．５〜３mV、Ｉｃの１σ（σ：標準偏差）が８％程度の実験結果（非特許文献１参照。）や、温度４．２Ｋにおいて１００個の接合でＩｃＲｎ積が１．５mV、Ｉｃの１σ（σ：標準偏差）が７．９％程度の実験結果（非特許文献２参照。）が報告されている。
【非特許文献１】T. Satoh et al., "High-Temperature Superconducting Edge-Type Josephson Junctions with Modified Interfaces", IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol.9, No.2, June 1999, pp.3141-3144
【非特許文献２】Y. Soutome et al., "HTS Surface-Modified Junctions with Integrated Ground-Planes for SFQ Circuits", IEICE Trans. Electron. Vol.E85-C, No.3, March 2002, pp.759-763
【非特許文献３】J. G. Wen et al., "Atomic structure and composition of the barrier in the modified interface high-Tc Josephson junction studied by transmission electron microscopy", Appl. Phys. Lett., Vol.75, No.16, 18 October 1999, pp.2470-2472
【非特許文献４】S. Adachi et al., "Structure and Formation Mechanism of Interface-Modified Layer in Ramp-Edge Josephson Junctions With La-Doped 123-Type Superconducting Electrodes", IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.13, No.2, June 2003, pp.877-880
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ジョセフソン接合のデバイスへの応用を考える場合、システムコスト削減の面から、高温で高速動作、および高感度なジョセフソン接合素子が必須となる。そのためにはより大きなＩｃＲｎ積を有するジョセフソン接合素子が望まれるが、上記非特許文献１および２では十分なＩｃＲｎ積が得られていない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、ＩｃＲｎ積を向上したジョセフソン接合素子およびその形成方法、並びにジョセフソン接合素子を用いた超電導接合回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によれば、第１の超電導電極層と、バリア層と、第２の超電導電極層とがこの順に積層されてなるジョセフソン接合素子であって、前記第１および第２の超電導電極層は、（ＲＥ）1（ＡＥ）2Ｃｕ3Ｏyを主成分とする酸化物超電導材料からなり、該元素ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群のうち少なくとも１種であり、該元素ＡＥがＢａ、Ｓｒ、およびＣａからなる群のうち少なくとも１種であり、前記バリア層は、元素ＲＥ、元素ＡＥ、Ｃｕ、および酸素を含む材料からなり、当該材料中のカチオンのうち、Ｃｕ含有量が３５原子％〜５５原子％、かつ元素ＲＥ含有量が１２原子％〜３０原子％の範囲に設定されてなり、かつ第１および第２の超電導電極層と組成が異なることを特徴とするジョセフソン接合素子が提供される。
【００１０】
本発明によれば、バリア層が酸化物材料の堆積膜であるので、従来の界面改質型接合のようにバリア層のＣｕ含有量が極めて小さくなる問題を回避でき、良質な超電導接合部を形成できる。その結果、ジョセフソン接合素子のＩｃＲｎ積を向上できる。さらに、臨界電流Ｉｃのばらつきも抑制できる。また、超電導接合部の臨界温度が従来の界面改質型よりも高温になるという効果も有する。その結果、ジョセフソン接合素子の冷却コストが低減できる。なお、第１および第２の超電導電極層の組成は、バリア層と同様の分析方法により検出し、バリア層との界面から例えば１０ｎｍ程度の組成と比較することが好ましい。この点は本明細書中および特許請求の範囲において同様である。
【００１１】
本発明の他の観点によれば、基板と、前記基板上に、一側端面が傾斜面からなる第１の超電導電極層と、前記第１の超電導電極層上に、前記傾斜面と連続する傾斜面が端面に形成された絶縁膜と、前記第１の超電導電極層の傾斜面の表面に堆積したバリア層と、前記バリア層を覆う第２の超電導電極層とを備え、前記第１および第２の超電導電極層は、（ＲＥ）1（ＡＥ）2Ｃｕ3Ｏyを主成分とする酸化物超電導材料からなり、該元素ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群のうち少なくとも１種であり、該元素ＡＥがＢａ、Ｓｒ、およびＣａからなる群のうち少なくとも１種であり、前記バリア層は、元素ＲＥ、元素ＡＥ、Ｃｕ、および酸素を含む材料からなり、当該材料中のカチオンのうち、Ｃｕ含有量が３５原子％〜５５原子％、かつ元素ＲＥ含有量が１２原子％〜３０原子％の範囲に設定されてなり、かつ第１および第２の超電導電極層と組成が異なることを特徴とするジョセフソン接合素子が提供される。
【００１２】
本発明によれば、上記の発明と同様の効果を有するランプエッジ型のジョセフソン接合素子が提供される。
【００１３】
本発明のその他の観点によれば、基板と、前記基板上に形成された第１の超電導電極層と、前記第１の超電導電極層上に、厚さ方向に沿った貫通孔を有する絶縁膜と、前記貫通孔中に、第１の超電導電極層の表面に堆積したバリア層と、前記貫通孔を充填すると共にバリア層および絶縁膜を覆う第２の超電導電極層とを備え、前記第１および第２の超電導電極層は、（ＲＥ）1（ＡＥ）2Ｃｕ3Ｏyを主成分とする酸化物超電導材料からなり、該元素ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群のうち少なくとも１種であり、該元素ＡＥがＢａ、Ｓｒ、およびＣａからなる群のうち少なくとも１種であり、前記バリア層は、元素ＲＥ、元素ＡＥ、Ｃｕ、および酸素を含む材料からなり、当該材料中のカチオンのうち、Ｃｕ含有量が３５原子％〜５５原子％、かつ元素ＲＥ含有量が１２原子％〜３０原子％の範囲に設定されてなり、かつ第１および第２の超電導電極層と組成が異なることを特徴とするジョセフソン接合素子が提供される。
【００１４】
本発明によれば、上記の発明と同様の効果を有する積層型のジョセフソン接合素子が提供される。
【００１５】
本発明のその他の観点によれば、基板上に酸化物超電導材料の第１の超電導電極層を形成する工程と、前記第１の超電導電極層を覆う絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の一部を除去して第１の超電導電極層を露出する工程と、前記露出した第１の超電導電極層の表面に酸化物材料を使用してバリア層を堆積する工程と、前記バリア層を覆う酸化物超電導材料の第２の超電導電極層を形成する工程とを備え、前記酸化物材料は、元素ＲＥ、元素ＡＥ、Ｃｕ、および酸素を含む材料からなり、該元素ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群のうち少なくとも１種であり、該元素ＡＥがＢａ、Ｓｒ、およびＣａからなる群のうち少なくとも１種であることを特徴するジョセフソン接合素子の形成方法が提供される。
【００１６】
本発明によれば、バリア層を堆積して形成することで、従来の界面改質型のバリア層と比較して、バリア層の膜質が良好となりＩｃＲｎ積が向上する。特に、バリア層のＣｕ含有量が、従来の界面改質型では第１の超電導電極層と第２の超電導電極層との間で電流リークが発生するような高いＣｕ含有量であっても結晶中の損傷を回避可能であるので、電流リークを抑止可能である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＩｃＲｎ積を向上したジョセフソン接合素子およびその形成方法、並びにジョセフソン接合素子を用いた超電導接合回路を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本願発明者等は鋭意の研究の結果、ジョセフソン接合素子において、第１および第２の超電導電極層の超電導材料を（ＲＥ）1（ＡＥ）2Ｃｕ3Ｏyを主成分とする酸化物超電導材料とし、第１の超電導電極層と第２の超電導電極層との超電導接合部のバリア層に所定の組成範囲の酸化物材料からなる堆積膜を採用することで優れたＩｃＲｎ積等の接合特性を示すことを知得した。ここで、元素ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群のうち少なくとも１種であり、該元素ＡＥがＢａ、Ｓｒ、およびＣａからなる群のうち少なくとも１種である。
【００１９】
本発明のジョセフソン接合素子のバリア層は、元素ＲＥ、元素ＡＥ、Ｃｕ、および酸素を含む堆積膜であり、さらに、バリア層を構成する酸化物材料中のカチオンのうち、Ｃｕ含有量が３５原子％〜５５原子％、かつ、元素ＲＥ含有量が１２原子％〜３０原子％の範囲に設定されてなり、かつ第１および第２の超電導電極層と組成が異なる。このようなバリア層を用いることで、従来の界面改質型接合を有するジョセフソン接合素子よりも、ＩｃＲｎ積が３０％以上向上することを本願発明者等は知得した。この作用は以下のように推察される。
【００２０】
酸化物超電導材料をジョセフソン接合素子に用いた場合、理論上ではＩｃＲｎ積は１０ｍＶ以上であるといわれている。しかしながら、界面改質型接合のジョセフソン接合素子では、実際にはそれほど大きなＩｃＲｎ積の接合が得られていない。それは、例えば、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏy（Ｙ：Ｂａ：Ｃｕ＝１７：３３：５０）の酸化物超電導材料をＡｒイオンの衝撃により形成したバリア層は、例えば、Ｙ：Ｂａ：Ｃｕ＝４３：３０：２７の組成比（非特許文献３）や、（Ｙ＋Ｙｂ）：（Ｂａ＋Ｌａ）：Ｃｕ＝２０：（３８＋１０）：３２の組成比（非特許文献４）であり、著しくＣｕ含有量が減少していることが報告されている。また、両者とも作製した接合のＩｃＲｎ積は２mＶ程度で十分とはいえない結果であった。これらの界面改質型接合のバリア層はペロブスカイト型構造を有する結晶相といわれている。ペロブスカイト型構造は化学式ＡＢＯ3で表され、ＡイオンおよびＢイオンはそれぞれ１２個、６個の酸素に囲まれている。比較的イオン半径の大きなカチオン（陽イオン）がＡイオンの位置（Ａサイト）に、比較的イオン半径の小さなカチオンがＢイオンの位置（Ｂサイト）を占める。ここで、上記の報告のＹ：Ｂａ：Ｃｕ＝３０：４３：２７の場合を検討すると、ＢａイオンはＡサイト、ＣｕイオンはＢサイトを占める。Ｙイオンは、ＡサイトおよびＢサイトに同程度分配されなければならない。しかしながら、ＹイオンがＢサイトを占めるのは非常に難しくため、不安定なＹは、Ｙ2Ｏ3のような形で析出してしまう可能性がある。実際に接合特性が良くないものでは、界面付近にＹ2Ｏ3の析出が確認されている。また、バリア層のＣｕ原子が極端に不足した組成の場合は、上部超電導電極の堆積中にバリア層の界面付近でＣｕ原子の拡散がおこり、接合界面付近の超電導性の劣化を引き起こす。これにより超電導接合部の超電導転移温度の低下、およびＩｃＲｎ積の低下が引き起こされていると推察される。
【００２１】
一方、本発明のジョセフソン接合素子のバリア層は、上述した材料を堆積した膜（堆積膜）であり、その材料中のカチオンのうちＣｕ含有量が３５原子％〜５５原子％、かつ元素ＲＥ含有量が１２原子％〜３０原子％の範囲に設定されているので、上述した界面改質型接合の場合のような過剰なＹイオン（元素ＲＥのイオン）や極端なＣｕイオン不足を回避できる。そのため、本発明のジョセフソン接合素子はＩｃＲｎ積が増加するものと推察される。以下図面を参照しつつ実施の形態を説明する。
【００２２】
（第１の実施の形態）
図２は、本発明の第１の実施の形態に係るジョセフソン接合素子の断面図である。
【００２３】
図２を参照するに、第１の実施の形態に係るジョセフソン接合素子１０はランプエッジ型構造を有する。ジョセフソン接合素子１０は、基板１１と、基板１１上に形成された下部電極層１２と、下部電極層１２を覆う絶縁膜１３と、基板１１の表面、下部電極層１２および絶縁膜１３の一端に形成された斜面、および絶縁膜１３の表面を覆うバリア層１４と、バリア層１４を覆う上部電極層１５から構成される。下部電極層１２、バリア層１４、および上部電極層１５により超電導接合部１６が形成されている。
【００２４】
基板１１は、その基板１１上に下部電極層１２をエピタキシャル成長させる結晶構造を有する材料から選択される。基板１１の材料としては、例えば、ＭｇＯ、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ3、（ＬａＡｌＯ3）0．3−（ＳｒＡｌ0．5Ｔａ0．5Ｏ3）0．7（ＬＳＡＴ）、ＬａＡｌＯ3、およびＳｒＴｉＯ3から選択される。
【００２５】
なお、図示を省略するが、基板１１上にバッファ層を設けてもよく、その場合バッファ層がその上に下部電極層１２をエピタキシャル成長させる結晶構造を有する材料を選択する。バッファ層としては、例えば、ＳｒＴｉＯ3、ＣｅＯ2、ＢａＺｒＯ3等が挙げられる。
【００２６】
下部電極層１２および上部電極層１５は、（ＲＥ）1（ＡＥ）2Ｃｕ3Ｏyを主成分とする酸化物超電導材料からなる。ここで、元素ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群のうち少なくとも１種であり、該元素ＡＥがＢａ、Ｓｒ、およびＣａからなる群のうち少なくとも１種である。（ＲＥ）1（ＡＥ）2Ｃｕ3Ｏyは、ペロブスカイト結晶構造を基本構造としている。なお、（ＲＥ）1（ＡＥ）2Ｃｕ3Ｏyは、元素ＲＥ、元素ＡＥ、Ｃｕ、Ｏのモル比が１：２：３：ｙであることを示している。また、主成分としたのは、各元素のモル比が１：２：３：ｙであることが最も良好であるが、下部電極層１２および上部電極層１５の表面の平坦性の制御や超電導臨界電流値が向上する等の理由により組成のわずかなずれが生じてよいことを意味する。
【００２７】
下部電極層１２および上部電極層１５として好適な超電導材料は、例えば、ＹＢａＣｕＯ系のＹＢａ2Ｃｕ3Ｏy（ＹＢＣＯ）、ＳｍＢａ2Ｃｕ3Ｏy（ＳＢＣＯ）、ＹｂＢａ2Ｃｕ3Ｏy（ＹｂＢＣＯ）等である。
【００２８】
絶縁膜１３は、下部電極層１２上にエピタキシャル成長し、かつ、絶縁膜１３上に上部電極層１５をエピタキシャル成長させるペロブカイト構造を基本構造とする絶縁性材料から選択される。絶縁膜１３は、例えば、ＳｒＳｎＯ3、ＳｒＴｉＯ3、ＰｒＧａＯ3等から選択することが好ましい。
【００２９】
バリア層１４は、上記元素ＲＥ、元素ＡＥ、Ｃｕ、および酸素を含み、元素ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群のうち少なくとも１種であり、元素ＡＥがＢａ、Ｓｒ、およびＣａからなる群のうち少なくとも１種である材料からなり、その材料中のカチオンのうち、Ｃｕ含有量が３５原子％〜５５原子％、かつ元素ＲＥ含有量が１２原子％〜３０原子％の範囲に設定され、下部電極層１２および上部電極層１５と組成が異なる。バリア層１４はこの組成を有すると共に堆積膜であることにより、良質な超電導接合部１６が形成され、ジョセフソン接合素子１０のＩｃＲｎ積を向上できる。
【００３０】
図３は、バリア層の組成範囲を示す図であり、ＲＥ、ＡＥ、およびＣｕのカチオンのみの三元系の組成を示す図である。図３において、組成を示す点から各辺に垂線を下ろすと、その垂線の長さがその辺に対向する頂点の元素の含有率に比例する。例えば点Ａの組成は、ＲＥ元素含有率が１２原子％、ＡＥ元素含有率が３３原子％、Ｃｕ元素含有率が５５原子％となる。図３中の目盛りの数字は原子百分率で示されている。
【００３１】
図３を図２と共に参照するに、バリア層１４は、カチオンのうち、Ｃｕ含有量が３５原子％〜５５原子％、かつ元素ＲＥ含有量が１２原子％〜３０原子％の範囲に設定される。この組成範囲は、図中の点ＡＢＣＤをこの順に直線で結んだ範囲内である。なお、図中点Ｍは、下部および上部電極層１２，１５の超電導材料の主成分である（ＲＥ）1（ＡＥ）2０Ｃｕ3Ｏyの超電導材料のカチオンの組成を示している。
【００３２】
バリア層１４を構成する酸化物のＣｕ含有量は、３５原子％〜５５原子％の範囲に設定されるが、Ｃｕ含有量が３５原子％を切るとジョセフソン接合素子１０のＩｃＲｎ積の低下が生じ、５５原子％を超えるとジョセフソン接合素子１０はフラックスフロー（Ｆｌｕｘ  Ｆｌｏｗ、ＦＦ）型の電流電圧特性を示し好ましくない。ＦＦ型の電流電圧特性については後ほど説明する。
【００３３】
また、バリア層１４を構成する酸化物のＲＥ含有量は１２原子％〜３０原子％の範囲に設定されるが、ＲＥ含有量が１２原子％を切ると元素ＲＥの不足が生じペロブスカイト構造を保つのが困難となり、別な相に転移して接合は抵抗型の特性を示す。ＲＥ含有量が３０原子％を超えると余分なＲＥ原子がＲＥ2Ｏ3等の形で析出し接合特性の低下、例えば、ＩｃＲｎ積の低下を招く。
【００３４】
さらに、バリア層１４の組成は、下部および上部電極層１２，１５の組成と異なるように設定される。これにより接合界面が形成されバリア層１４が障壁層として機能するためである。さらに、バリア層１４のＣｕおよび元素ＲＥ含有量がそれぞれ下部および上部電極層１２，１５の組成と３原子％以上異なることが好ましい。これにより安定したバリア層１４の形成が可能となるためである。
【００３５】
また、バリア層１４の膜厚は、０．５ｎｍ〜６ｎｍの範囲に設定されることが好ましい。バリア層１４の膜厚が０．５ｎｍを切るとジョセフソン接合素子はＦＦ型の電流電圧特性を示し始め、６ｎｍを超えるとＩｃＲｎ積の低下、例えば２ｍＶ以下への低下を引き起こす場合がある。なお、このようにバリア層１４の膜厚が極めて薄いので、後ほど説明するが、バリア層１４の組成の分析は、後述するように透過電子顕微鏡の電子ビーム径を１ｎｍ以下に設定してバリア層１４に照射し、エネルギー分散型Ｘ線スペクトロスコピー（ＥＤＸ）を用いて組成分析を行う。
【００３６】
以上説明したように、第１の実施の形態に係るジョセフソン接合素子１０は、バリア層１４が酸化物材料の堆積膜であるので、従来の界面改質型接合のようにバリア層のＣｕ含有量が極めて小さくなる問題を回避でき、良質な超電導接合部１６を形成できる。その結果、ジョセフソン接合素子のＩｃＲｎ積を向上できる。さらに、臨界電流Ｉｃのばらつきも抑制できる。また、超電導接合部１６の臨界温度が従来の界面改質型よりも高温になるという効果も有する。その結果、ジョセフソン接合素子の冷却コストが低減できる。
【００３７】
次に第１の実施の形態に係るジョセフソン接合素子の形成方法を説明する。
【００３８】
図４（Ａ）〜（Ｅ）は第１の実施の形態に係るジョセフソン接合素子の製造工程図である。
【００３９】
最初に、図４（Ａ）の工程では、基板１１上に上述した材料を用いて、下部電極層１２、絶縁膜１３を順に形成する。下部電極層１２および絶縁膜１３は、真空蒸着法、スパッタ法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）法、化学気相成長法を用いることができる。これらの方法は、上部電極層１５や、後に示す図１２のジョセフソン接合素子３０のバッファ層３１を形成する場合も用いることができる。基板温度は、使用する材料によっても異なるが例えば３００℃〜８００℃に設定する。
【００４０】
次いで、図４（Ｂ）の工程では、絶縁膜１３上にレジスト膜２１を形成し、レジスト膜２１をパターニングしてランプエッジを形成する位置を開口する。次いで、レジスト膜２１のリフロー処理を行い、レジスト膜２１の側端面に傾斜面を形成する。
【００４１】
次いで、図４（Ｃ）の工程では、レジスト膜２１をマスクとして、Ａｒイオン照射により絶縁膜１３および下部電極層１２のエッチング処理を行う。Ａｒイオン照射は、入射方向を基板１１表面に対して、例えば３０°の傾きを持たせて、基板１１を回転させながら行う。その結果、絶縁膜１３および下部電極層１２の側端面に傾斜面が形成され、その後レジスト膜２１が除去される。
【００４２】
次いで、図４（Ｄ）の工程では、下部電極層１２の傾斜面、および絶縁膜１３の傾斜面および表面、露出した基板１１の表面にバリア層１４を形成する。酸化物材料を用いたバリア層１４の堆積は、真空蒸着法、スパッタ法、ＰＬＤ、化学気相成長（ＣＶＤ）法（例えば有機金属（ＭＯ）ＣＶＤ法）を用いることができる。
【００４３】
バリア層１４の堆積工程に、真空蒸着法、スパッタ法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）法
を用いる場合、蒸着源あるいはターゲットには、元素ＲＥ、元素ＡＥ、Ｃｕ、および酸素を含み、元素ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群のうち少なくとも１種であり、元素ＡＥがＢａ、Ｓｒ、およびＣａからなる群のうち少なくとも１種である、酸化物材料を用いる。このような酸化物ターゲット材料の例として、（ＲＥ）1（ＡＥ）2Ｃｕ3Ｏy、例えばＹＢａ2Ｃｕ3Ｏy、Ｙｂ0.9Ｌａ0.2Ｂａ1.9Ｃｕ3Ｏyが挙げられる。
【００４４】
また、バリア層１４の堆積時の基板温度は例えば６２０℃〜７６０℃に設定することがバリア層１４のエピタキシャル成長が良好な点で好ましい。さらに、成膜チャンバ内の雰囲気ガスとして、Ａｒガス、Ｎｅガス等の不活性ガスを用いてもよく、さらにこれらのガスに酸素ガスを混合してもよく、酸素ガスのみを用いてもよい。また、成膜チャンバ内の圧力は、例えば１０ｍＴｏｒｒ〜４００ｍＴｏｒｒに設定する。なお、バリア層１４の形成前に、図４（Ｃ）の構造体の表面、特に下部電極層１２の傾斜面を酸素プラズマに曝してクリーニングすることが好ましい。
【００４５】
また、バリア層１４をＰＬＤ法を用いて堆積する場合、例えば、レーザ照射エネルギーを１００ｍＪ／ｃｍ2〜６００ｍＪ／ｃｍ2、雰囲気ガスとして酸素ガスを用いて圧力を１０ｍＴｏｒｒ〜２００ｍＴｏｒｒ、基板温度を６２０℃〜７４０℃、基板−ターゲット間距離を４０ｍｍ〜１００ｍｍに設定することが好ましい。バリア層１４は、ターゲットの組成と同等の組成に形成できるが、レーザ照射エネルギー、基板−ターゲット間距離、あるいは圧力を制御することでバリア層１４の組成を変更する制御が可能であり、バリア層１４を構成する材料のカチオンのうち、Ｃｕ含有量が３５原子％〜５５原子％、かつ元素ＡＥが１２原子％〜３０原子％の範囲に設定可能である。
【００４６】
さらに、ＹＢａＣｕＯ系のバリア層１４の場合、バリア層１４を構成する酸化物材料のカチオン中、Ｙが１２原子％〜３０原子％に設定可能である。例えば、バリア層１４のＣｕ含有量を増加するには例えば基板−ターゲット間距離を減少させ、圧力を増加させる。また、元素Ｙの含有量を増加するには例えばレーザ照射エネルギーを増加させ、基板−ターゲット間距離を増加させる。
【００４７】
なお、バリア層１４は、下部電極層１２と上部電極層１５が直接接触しない程度に下部電極層１２の傾斜面全体を覆うように形成すればよい。
【００４８】
次いで、図４（Ｅ）の工程では、バリア層１４の表面を覆うように上部電極層１５を形成する。上部電極層１５の形成は、下部電極層１２と同様にして形成する。以上により、超電導接合部１６を有する第１の実施の形態に係るジョセフソン接合素子が形成される。なお、上部電極層１５上に、例えばＡｕ膜の保護膜を形成してもよい。
【００４９】
以上説明したように、第１の実施の形態に係るジョセフソン接合素子の形成方法によれば、バリア層１４を堆積して形成することで、従来の界面改質型のバリア層と比較して、バリア層１４近傍の下部および上部電極層１２，１５の膜質が良好となりＩｃＲｎ積が向上する。特に、バリア層１４のＣｕ含有量が、従来の界面改質型では下部電極層１２と上部電極層１５との間で電流リークが発生するような高いＣｕ含有量であっても結晶中の損傷を回避可能であるので、電流リークを抑止可能である。
【００５０】
図５は、第１の実施の形態の変形例に係るジョセフソン接合素子の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５１】
図５を参照するに、第１の実施の形態の変形例に係るジョセフソン接合素子２０は、基板１１と、基板１１上に形成されたグランドプレーン層２１と、グランドプレーン層２１上に形成された第１絶縁膜２２と、グランドプレーン層２１および第１絶縁膜２２を貫通する貫通孔２３に充填されると共に第１絶縁膜２２を覆う下部電極層１２と、下部電極層１２を覆う第２絶縁膜１３と、第１絶縁膜２２の表面、下部電極層１２および第２絶縁膜１３の一端に形成された傾斜面、および第２絶縁膜１３の表面を覆うバリア層１４と、バリア層１４を覆う上部電極層１５と、上部電極層１５を覆う保護膜２４から構成される。下部電極層１２、バリア層１４、および上部電極層１５により超電導接合部１６が形成されている。
【００５２】
グランドプレーン層２１は図２の下部電極層１２および上部電極層１５と同様の超電導材料から選択してもよく、他の公知の酸化物超電導材料を用いてもよい
また、第１絶縁膜２１および第２絶縁膜１３は図２の絶縁膜１３と同様の材料から選択される。なお、グランドプレーン層２１は超電導状態であることにより外部からの電磁波等ノイズを遮断し、超電導接合部１６の誤動作を防止する機能を有する。
【００５３】
以上により、第１の実施の形態の変形例に係るジョセフソン接合素子２０は、グランドプレーン層２１を有する以外は図２に示すジョセフソン接合素子２０と同様であり、その効果も同様である。
【００５４】
次に第１の実施の形態に係る実施例を説明する。
【００５５】
［実施例１−１］
実施例１−１では、図２に示すジョセフソン接合素子と同様の構成を有し、ランプエッジ型の堆積膜のバリア層を有するジョセフソン接合素子を形成した。
【００５６】
最初に、ＭｇＯの基板上に、マグネトロンスパッタ法を用いてＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙのターゲットを使用して基板温度７４０℃、Ａｒ＋１０ｖｏｌ％Ｏ2雰囲気、圧力８０ｍＴｏｒｒで膜厚２００ｎｍの下部電極層（ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ膜）を形成した。次いで、下部電極層上に、マグネトロンスパッタ法を用いてＳｒＳｎＯ3のターゲットを使用して基板温度６８０℃、Ａｒ＋５０ｖｏｌ％Ｏ2雰囲気中、圧力５０ｍＴｏｒｒで膜厚２５０ｎｍの絶縁膜を形成した。
【００５７】
次いで、フォトリソグラフィ法により超電導接合部を形成する領域を開口したレジスト膜をマスクとして、Ａｒイオンにより下部電極層および絶縁膜をエッチングして傾斜面を形成した。さらにレジスト膜を除去後、下部電極層であるＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ膜および絶縁膜であるＳｒＳｎＯ3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングした。
【００５８】
次いで、ＰＬＤ法により、Ｙ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏyのターゲットを使用して、レーザ照射エネルギーを４５０ｍＪ／ｃｍ2、酸素雰囲気、圧力５０ｍＴｏｒｒ、基板−ターゲット間距離７０ｍｍに設定して基板、下部電極層の傾斜面、絶縁膜の傾斜面および表面を覆う膜厚１ｎｍのバリア層を形成した。
【００５９】
次いで、バリア層上にマグネトロンスパッタ法を用いてＹ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏyのターゲットを使用して基板温度６６０℃、酸素雰囲気、圧力２００ｍＴｏｒｒで膜厚２００ｎｍの上部電極層（Ｙ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏy膜）を形成した。次いで、上部電極層上に金電極を蒸着し、さらにパターニングして１６個のジョセフソン素子を形成した。
【００６０】
このようにして形成した１６個のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を４．２Ｋの温度にて測定した。
【００６１】
図６はジョセフソン接合素子の電流電圧特性図であり、（Ａ）が実施例１−１、（Ｂ）が比較例１−１である。（Ａ）および（Ｂ）とも縦軸は電流を示し０．５ｍＡ／目盛、横軸は電圧を示し１．０ｍＶ／目盛である。
【００６２】
実施例１−１では、１６個のジョセフソン接合素子の全てが、抵抗シャント型接合（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅｌｙ  Ｓｈｕｎｔｅｄ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ、ＲＳＪ）型の電流電圧特性を示した。ＲＳＪ型の電流電圧特性は、下部電極層と上部電極層との間に電流を印加しても電流が所定の範囲ではゼロ電圧状態を示し、超電導接合部には超電導電流が流れる。下部電極層と上部電極層との間に印加される電流が所定の値を超えると不連続的に有限電圧状態に移る。ＲＳＪ型の場合はそれらの状態間のスイッチングにより論理素子を構成可能であり、論理回路に必須の特性である。実施例１−１の一例の電流電圧特性を図６（Ａ）に示している。
【００６３】
また、実施例１−１では、４．２ＫにおけるＩｃＲｎ積は３．０ｍＶ〜４．０ｍＶ、臨界電流Ｉｃの平均値は０．８ｍＡ、余剰電流成分ΔＩ（図６（Ａ）に示す有限電圧状態の曲線を電圧０に直線的に外挿したときの電流値を示す。）はＩｃの１０％〜３０％であった。
【００６４】
また、実施例１−１の断面が露出するようにした透過電子顕微鏡用の試料を作製し、透過電子顕微鏡およびＥＤＸ装置を使用して、電子線のビーム径を１ｎｍに設定してバリア層の組成分析を行った。その結果、バリア層は、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Ｙが２１原子％、Ｂａが３３原子％、Ｌａが５原子％、Ｃｕが４１原子％であった。なお、透過電子顕微鏡は日本電子社製ＪＥＭ−２０１０Ｆ型電界放射形透過電子顕微鏡（加速電圧２００ｋＶ）を使用し、ＥＤＸ装置はノーラン社製ＵＴＷ型Ｓｉ（Ｌｉ）半導体検出器を用いた。なお、分析領域を直径１ｎｍとした。なお、以下の実施例あるいは比較例における組成分析もこれらの装置を使用した。
【００６５】
［比較例１−１］
比較例１−１では、バリア層以外は実施例１−１と同じ材料組成のターゲットを用いて、ランプエッジ型の界面改質型接合を有するジョセフソン接合素子を作製した。
【００６６】
最初に、実施例１−１と同様にして、基板上に下部電極層および絶縁膜を形成し、さらに下部電極層および絶縁膜に傾斜面を形成した。
【００６７】
次いで、下部電極層であるＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ膜および絶縁膜であるＳｒＳｎＯ3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングした。さらに、加速電圧５００VのＡｒイオンを３分間照射し、下部電極層に傾斜面にバリア層を形成した。
【００６８】
次いで、実施例１−１と同様にして、上部電極層および金電極を蒸着し、さらにパターニングして１６個のジョセフソン素子を形成した。このようにして形成した１６個のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を４．２Ｋの温度にて測定したところ、１６個の全てがＲＳＪ型の電流電圧特性を示した。この一例を図６（Ｂ）に示した。
【００６９】
また、比較例１−１の場合、４．２ＫにおけるＩｃＲｎ積は２．０ｍＶ〜２．５ｍＶ、臨界電流Ｉｃの平均値は０．６ｍＡ、余剰電流成分ΔＩはＩｃの１０％〜３０％であった。
【００７０】
また、比較例１−１のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Ｙが１９原子％、Ｂａが３９原子％、Ｌａが１２原子％、Ｃｕが３０原子％であった。
【００７１】
実施例１−１と比較例１−１とを比較すると、実施例１−１は、比較例１−１よりもＩｃＲｎ積が３０％以上も大きいことが分かる。これはバリア層のＣｕ含有量（カチオン比）が１１原子％も大きいことによると考えられる。
【００７２】
図７は、バリア層付近の組成分析方法を説明するための超電導接合部の拡大断面図である。
【００７３】
図７を参照するに、下部電極層、バリア層、および上部電極層からなる比較例１−１の超電導接合部の組成分析を、実施例１−１で説明したように超電導接合部の断面に直交するようにビーム径が１ｎｍの電子線を照射して、その照射によって生じた特性Ｘ線のエネルギーおよび強度から組成分析を行った。ビーム位置Ｃはバリア層の膜厚方向上の中心であり、ビーム位置ＤおよびＥは、ビーム位置Ｃからそれぞれ下部電極層側に１．５ｎｍ、３．０ｎｍだけ変位した位置である。また、ビーム位置ＢおよびＡは、ビーム位置Ｃからそれぞれ上部電極層１５側に１．５ｎｍ、３．０ｎｍだけ変位した位置である。
【００７４】
図８は実施例１−１および比較例１−１の超電導接合部のＣｕ含有量分布図である。図８中、横軸はバリア層中心からの位置を示し、"＋"側が下部電極層、"−"側が上部電極層を示し、−３．０、−１．５、０、１．５、３．０ｎｍの各点が図７のＡ〜Ｅに対応している。
【００７５】
図８を参照するに、比較例１−１では、バリア層中心からＣｕが電極組成よりも低下した領域が略−３．０ｎｍ〜＋３．０ｎｍの範囲に広がっている。これに対して、実施例１−１では、０ｎｍ（バリア層中心）の位置だけでＣｕ含有量が電極組成の４７．５原子％よりも低下し、±１．５ｎｍおよび±３．０ｎｍの位置では電極組成と略同等になっている。このことから、実施例１−１では、バリア層が比較例１−１よりも非常に薄く、かつ、下部電極層および上部電極層がバリア層界面付近でのＣｕの欠損がほとんど生じていないので、ＩｃＲｎ積が向上していると推察される。これは、本発明のバリア層が堆積膜であることによってもたらされるものである。
［実施例１−２］
実施例１−２では、バリア層および上部電極層以外は実施例１−１と同じ材料組成のターゲットを用いて、実施例１−１と同じ構成のランプエッジ型の堆積膜のバリア層を有するジョセフソン接合素子を作製した。
【００７６】
バリア層は、ＰＬＤ法により、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙのターゲットを使用して、レーザ照射エネルギーを４５０ｍＪ／ｃｍ2、酸素雰囲気、圧力５０ｍＴｏｒｒ、基板−ターゲット間距離８０ｍｍに設定して基板、下部電極層の傾斜面、絶縁膜の傾斜面および表面を覆う膜厚１．５ｎｍのバリア層を形成した。
【００７７】
また、上部電極層は、バリア層上にマグネトロンスパッタ法を用いてＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙのターゲットを使用して基板温度６６０℃、酸素雰囲気、圧力２００ｍＴｏｒｒで膜厚２００ｎｍの上部電極層を形成した。
【００７８】
実施例１−２では、パターニングにより１６個のジョセフソン素子を形成した。このようにして形成した１６個の全てのジョセフソン接合素子がＲＳＪ型の電流電圧特性を示した。
【００７９】
また、実施例１−２の場合、４．２ＫにおけるＩｃＲｎ積は２．５ｍＶ〜３．５ｍＶ、臨界電流Ｉｃの平均値は０．６ｍＡ、余剰電流成分ΔＩはＩｃの１０％〜３０％であった。
【００８０】
また、実施例１−２のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Ｙが３２原子％、Ｂａが３３原子％、Ｃｕが３５原子％であった。
【００８１】
［比較例１−２］
比較例１−２では、バリア層以外は実施例１−１と同じ材料組成のターゲットを用いて、比較例１−１と同じ構成のランプエッジ型の界面改質型接合を有するジョセフソン接合素子を作製した。
【００８２】
最初に、実施例１−１と同様にして、基板上に下部電極層および絶縁膜を形成し、さらに下部電極層および絶縁膜に傾斜面を形成した。
【００８３】
次いで、下部電極層であるＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ膜および絶縁膜であるＳｒＳｎＯ3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングした。さらに、加速電圧５００VのＡｒイオンを３分間照射し、下部電極層に傾斜面にバリア層を形成した。
【００８４】
次いで、実施例１−１と同様にして、上部電極層および金電極を蒸着し、さらにパターニングして１０個のジョセフソン素子を形成した。このようにして形成した１０個のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を４．２Ｋの温度にて測定したところ、８個がフラックスフロー（Ｆｌｕｘ  Ｆｌｏｗ、ＦＦ）型の電流電圧特性を示した。ＦＦ型の電流電圧特性はゼロ電圧状態から電圧が略連続的に変化して有限電圧状態に移るので十分なスイッチング特性が得られず論理素子を構成するには好ましくない特性である。また、２個がＲＳＪ型の電流電圧特性を示したが、実施例１−１と比べて極めて大きい余剰電流成分を示した。
【００８５】
また、比較例１−２の場合、４．２ＫにおけるＩｃＲｎ積はＲｎが導き出せないため計算不能であり、臨界電流Ｉｃの平均値は約８ｍＡ、余剰電流成分９８％であった。
【００８６】
また、比較例１−２のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Ｙが２９原子％、Ｂａが３６原子％、Ｃｕが３５原子％であった。
【００８７】
以上により、実施例１−２と比較例１−２とを比較すると、バリア層のカチオンのうちＣｕ含有量は３５原子％で同等であるが、実施例１−２と比較すると比較例１−２のジョセフソン接合素子の素子特性は非常に劣ることが分かる。これは、実施例１−２のバリア層が堆積膜であり、さらに実施例１−１と同様の超電導接合部が形成されているだめであると推察される。
【００８８】
［比較例１−３］
比較例１−３では、実施例１−１と同じ材料組成のターゲットを用いて、実施例１−１と同じ構成のランプエッジ型の堆積膜のバリア層を有するジョセフソン接合素子を作製した。
【００８９】
バリア層は、下部電極層であるＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ膜および絶縁膜であるＳｒＳｎＯ3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングし、次いで、ＰＬＤ法により、Ｙ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏyのターゲットを使用して、レーザ照射エネルギーを６００ｍＪ／ｃｍ2、酸素雰囲気、圧力１５０ｍＴｏｒｒ、基板−ターゲット間距離５０ｍｍに設定して基板、下部電極層の傾斜面、絶縁膜の傾斜面および表面を覆う膜厚０．５ｎｍのバリア層を形成した。
【００９０】
比較例１−３では、パターニングにより１６個のジョセフソン素子を形成した。このようにして形成した１６個のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を４．２Ｋの温度にて測定したところ、１６個の全てがＦＦ型の電流電圧特性を示した。
【００９１】
また、比較例１−３の場合、４．２ＫにおけるＩｃＲｎ積はＲｎが導き出せないため計算不能であり、臨界電流Ｉｃの平均値は約１０ｍＡ以上あった。
【００９２】
また、比較例１−３のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層は、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Ｙが１５原子％、Ｂａが２６原子％、Ｌａが３原子％、Ｃｕが５６原子％であった。
【００９３】
［比較例１−４］
比較例１−４では、実施例１−１と同じ材料組成のターゲットを用いて、実施例１−１と同じ構成のランプエッジ型の堆積膜のバリア層を有するジョセフソン接合素子を作製した。
【００９４】
バリア層は、下部電極層であるＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ膜および絶縁膜であるＳｒＳｎＯ3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングし、次いで、ＰＬＤ法により、Ｙ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏyのターゲットを使用して、レーザ照射エネルギーを４００ｍＪ／ｃｍ2、酸素雰囲気、圧力５０ｍＴｏｒｒ、基板−ターゲット間距離９０ｍｍに設定して基板、下部電極層の傾斜面、絶縁膜の傾斜面および表面を覆う膜厚３ｎｍのバリア層を形成した。
【００９５】
比較例１−４では、パターニングにより１６個のジョセフソン素子を形成した。このようにして形成した１６個のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を４．２Ｋの温度にて測定したところ、１６個の全てがＲＳＪ型の電流電圧特性を示した。
【００９６】
また、比較例１−４の場合、４．２ＫにおけるＩｃＲｎ積は１．０ｍＶ〜２．０ｍＶ、臨界電流Ｉｃの平均値は０．５ｍＡ、余剰電流成分ΔＩはＩｃの１０％〜３０％であった。
【００９７】
また、比較例１−４のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層は、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Ｙが２７原子％、Ｂａが４０原子％、Ｌａが３原子％、Ｃｕが３０原子％であった。
【００９８】
［比較例１−５］
比較例１−５では、実施例１−１と同じ材料組成のターゲットを用いて、実施例１−１と同じ構成のランプエッジ型の堆積膜のバリア層を有するジョセフソン接合素子を作製した。
【００９９】
バリア層は、下部電極層であるＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ膜および絶縁膜であるＳｒＳｎＯ3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングし、次いで、ＰＬＤ法により、Ｙ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏyのターゲットを使用して、レーザ照射エネルギーを５００ｍＪ／ｃｍ2、酸素雰囲気、圧力１００ｍＴｏｒｒ、基板−ターゲット間距離７０ｍｍに設定して基板、下部電極層の傾斜面、絶縁膜の傾斜面および表面を覆う膜厚５ｎｍのバリア層を形成した。
【０１００】
比較例１−５では、パターニングにより１６個のジョセフソン素子を形成した。このようにして形成した１６個のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を４．２Ｋの温度にて測定したところ、１６個の全てがＲＳＪ型の電流電圧特性を示した。
【０１０１】
また、比較例１−５の場合、４．２ＫにおけるＩｃＲｎ積は０．４ｍＶ〜１．０ｍＶ、臨界電流Ｉｃの平均値
は０．１ｍＡであった。
【０１０２】
また、比較例１−５のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層は、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Ｙが３１原子％、Ｂａが４０原子％、Ｌａが３原子％、Ｃｕが３６原子％であった。
【０１０３】
［比較例１−６］
比較例１−６では、実施例１−１と同じ材料組成のターゲットを用いて、ランプエッジ型の堆積膜のバリア層を有するジョセフソン接合素子を作製した。
【０１０４】
バリア層は、下部電極層であるＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ膜および絶縁膜であるＳｒＳｎＯ3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングし、次いで、ＰＬＤ法により、Ｙ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏyのターゲットを使用して、レーザ照射エネルギーを４００ｍＪ／ｃｍ2、酸素雰囲気、圧力４００ｍＴｏｒｒ、基板−ターゲット間距離５０ｍｍに設定して基板、下部電極層の傾斜面、絶縁膜の傾斜面および表面を覆う膜厚３ｎｍのバリア層を形成した。
【０１０５】
比較例１−６では、パターニングにより１６個のジョセフソン素子を形成した。このようにして形成した１６個のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を４．２Ｋの温度にて測定したところ、１６個の全てがＦＦ型の電流電圧特性を示した。
【０１０６】
また、比較例１−６の場合、４．２ＫにおけるＩｃＲｎ積はＲｎが導き出せないため計算不能であり、臨界電流Ｉｃの平均値は約７ｍＡ、余剰電流成分９８％であった。
【０１０７】
また、比較例１−６のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層は、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Ｙが１１原子％、Ｂａが３３原子％、Ｌａが３原子％、Ｃｕが５３原子％であった。
［実施例２］
実施例２では、下部電極層、バリア層、および上部電極層をＳｍＢａ2Ｃｕ3Ｏｙのターゲットを使用して形成した以外は、実施例１−１と略同様にしてランプエッジ型の堆積膜のバリア層を有するジョセフソン接合素子を形成した。
【０１０８】
下部電極層は、マグネトロンスパッタ法を用いてＳｍＢａ2Ｃｕ3Ｏｙのターゲットを使用して基板温度７８０℃、Ａｒ＋１０ｖｏｌ％Ｏ2雰囲気、圧力１００ｍＴｏｒｒで膜厚２００ｎｍに形成した。また、上部電極層は、ＳｍＢａ2Ｃｕ3Ｏｙのターゲットを使用して基板温度７６０℃、Ａｒ＋１０ｖｏｌ％Ｏ2雰囲気、圧力１００ｍＴｏｒｒで膜厚２００ｎｍに形成した。
【０１０９】
バリア層は、ＰＬＤ法により、ＳｍＢａ2Ｃｕ3Ｏｙのターゲットを使用して、レーザ照射エネルギーを５００ｍＪ／ｃｍ2、酸素雰囲気、圧力５０ｍＴｏｒｒ、基板−ターゲット間距離６０ｍｍに設定して基板、下部電極層の傾斜面、絶縁膜の傾斜面および表面を覆う膜厚１ｎｍのバリア層を形成した。
【０１１０】
実施例２では、パターニングにより１６個のジョセフソン素子を形成した。このようにして形成した１６個の全てのジョセフソン接合素子がＲＳＪ型の電流電圧特性を示した。
【０１１１】
また、実施例２では、４．２ＫにおけるＩｃＲｎ積は３．０ｍＶ〜３．８ｍＶ、臨界電流Ｉｃの平均値は０．９ｍＡ、余剰電流成分ΔＩはＩｃの３０％であった。
【０１１２】
また、実施例２のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Ｓｍが２３原子％、Ｂａが３２原子％、Ｃｕが４５原子％であった。
【０１１３】
［実施例３］
実施例３では、下部電極層にＹ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏy、上部電極層をＹｂ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏyのターゲットを使用して形成し、さらに、バリア層をＹｂ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏyのターゲットを使用して膜厚を異ならせてそれぞれ形成した以外は、実施例１−１と略同様にしてランプエッジ型の堆積膜のバリア層を有するジョセフソン接合素子を形成した。
【０１１４】
下部電極層は、マグネトロンスパッタ法を用いてＹ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏyのターゲットを使用して基板温度７４０℃、Ａｒ＋１０ｖｏｌ％Ｏ2雰囲気、圧力８０ｍＴｏｒｒで膜厚２００ｎｍに形成した。また、上部電極層は、Ｙｂ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏyのターゲットを使用して基板温度６６０℃、酸素雰囲気、圧力２００ｍＴｏｒｒで膜厚２００ｎｍに形成した。
【０１１５】
バリア層は、ＰＬＤ法により、Ｙｂ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏyのターゲットを使用して、レーザ照射エネルギーを４５０ｍＪ／ｃｍ2、酸素雰囲気、圧力７０ｍＴｏｒｒ、基板−ターゲット間距離７０ｍｍに設定して、バリア層の膜厚を０．５ｎｍ〜５ｎｍの範囲で異ならせて形成した。なお、バリア層の膜厚は、接合部付近の断面を透過電子顕微鏡により撮影して得られた写真から求めた。
【０１１６】
図９は、４．２Ｋにおける実施例３の臨界電流Ｉｃとバリア層膜厚との関係図である。
【０１１７】
図９を参照するに、バリア層の膜厚の増加に伴い臨界電流Ｉｃが減少した。このことから、堆積膜のバリア層では、バリア層の膜厚を異ならせることによりジョセフソン接合素子の臨界電流Ｉｃが制御可能であること分かる。
【０１１８】
また、実施例３のバリア層の膜厚が１ｎｍのジョセフソン接合素子は、４．２ＫにおけるＩｃＲｎ積が２．６ｍＶ〜３．４ｍＶ、余剰電流成分ΔＩはＩｃの５％〜３０％であった。
【０１１９】
また、実施例３のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Ｙ原子およびＹｂ原子の総含有量が１７原子％、Ｂａが２７原子％、Ｌａが４原子％、Ｃｕが５２原子％であった。
【０１２０】
［比較例３］
比較例３では、バリア層以外は実施例３と同じ材料組成のターゲットを用いて、ランプエッジ型の界面改質型接合を有するジョセフソン接合素子を作製した。
【０１２１】
最初に、実施例３と同様にして、基板上に下部電極層および絶縁膜を形成し、さらに下部電極層および絶縁膜に傾斜面を形成した。
【０１２２】
次いで、下部電極層であるＹ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏy膜および絶縁膜であるＳｒＳｎＯ3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングした。さらに、加速電圧５００ＶのＡｒイオンを３分間照射し、下部電極層に傾斜面にバリア層を形成した。
【０１２３】
次いで、実施例３と同様にして、Ｙｂ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏyの上部電極層および金電極を蒸着し、さらにパターニングしてジョセフソン素子を形成した。
【０１２４】
図１０は、実施例３及び比較例３のＩｃＲ積と温度との関係図である。なお、図１０中は、実施例３のバリア層の膜厚が１ｎｍの場合を示している。
【０１２５】
図１０を参照するに、実施例３は、４．２Ｋ〜８０Ｋまでの全温度範囲でＩｃＲｎ積が比較例３よりも大きくなっており、実施例３は広い温度範囲に亘って従来の界面改質型接合の比較例３よりも優れていることが分かる。また、臨界温度も比較例３よりも実施例３の方が高く、より高温で動作可能である。
【０１２６】
［実施例４］
実施例４では、図５に示すジョセフソン接合素子と同様の構成を有するランプエッジ型の堆積膜のバリア層を有するジョセフソン接合素子を形成した。実施例４のグランドプレーン層にＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ膜、下部電極層および上部電極層にＹ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏy膜を用いた。
【０１２７】
最初に、ＭｇＯの基板上に、マグネトロンスパッタ法を用いて基板温度７４０℃、Ａｒ＋１０ｖｏｌ％Ｏ2雰囲気、圧力８０ｍＴｏｒｒでＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙのターゲットを使用して膜厚２００ｎｍのグランドプレーン層を形成し、さらに、ＳｒＳｎＯ3のターゲットを使用して膜厚２５０ｎｍの第１絶縁膜を形成した。
【０１２８】
次いで、フォトリソグラフィ法により第１絶縁膜の表面に開口部を有するレジストマスクを形成し、ドライエッチングにより第１絶縁膜およびグランドプレーン層に貫通孔を形成した。
【０１２９】
次いで、マグネトロンスパッタ法を用いてＹ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏyのターゲットを使用して、基板温度７２０℃、Ａｒ＋１０ｖｏｌ％Ｏ2雰囲気、圧力８０ｍＴｏｒｒで膜厚２００ｎｍの下部電極層（Ｙ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏy膜）を形成した。次いで、下部電極層上に、マグネトロンスパッタ法を用いてＳｒＳｎＯ3のターゲットを使用して基板温度６８０℃、Ａｒ＋５０ｖｏｌ％Ｏ2雰囲気、圧力５０ｍＴｏｒｒに設定して膜厚２５０ｎｍの第２絶縁膜を形成した。
【０１３０】
次いで、実施例１−１と同様にして、下部電極層および第２絶縁膜をエッチングして傾斜面を形成し、さらにレジスト膜を除去後、下部電極層であるＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ膜および第２絶縁膜であるＳｒＳｎＯ3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングした。
【０１３１】
次いで、ＰＬＤ法により、Ｙ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏyのターゲットを使用して、レーザ照射エネルギーを４５０ｍＪ／ｃｍ2、酸素雰囲気、圧力５０ｍＴｏｒｒに設定して基板、下部電極層の傾斜面、第２絶縁膜の傾斜面および表面を覆う膜厚１ｎｍのバリア層を形成した。
【０１３２】
次いで、バリア層上にマグネトロンスパッタ法を用いてＹ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏyのターゲットを使用して基板温度６６０℃、酸素雰囲気、圧力２００ｍＴｏｒｒに設定して膜厚２００ｎｍの上部電極層（Ｙ0.9Ｂａ1.9Ｌａ0.2Ｃｕ3Ｏy膜）を形成した。次いで、上部電極層上に金電極を蒸着し、さらにパターニングして１６個のジョセフソン素子を形成した。
【０１３３】
このようにして形成した１６個の全てのジョセフソン接合素子がＲＳＪ型の電流電圧特性を示した。
【０１３４】
また、実施例４の場合、４．２ＫにおけるＩｃＲｎ積は３．０ｍＶ〜３．９ｍＶ、臨界電流Ｉｃの平均値は０．８ｍＡ、余剰電流成分ΔＩはＩｃの１０％〜３０％であった。これは従来報告されているＩｃＲｎ積よりも約３０％以上も大きい値である。
【０１３５】
また、実施例４のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Ｙが２２原子％、Ｂａが３４原子％、Ｌａが５原子％、Ｃｕが３９原子％であった。
【０１３６】
図１１は、実施例４の超電導接合部のＬａ元素分布図である。図８中、横軸はバリア層中心からの位置を示し、"＋"側が下部電極層、"−"側が上部電極層を示し、−３．０、−１．５、０、１．５、３．０ｎｍの各点が図７のＡ〜Ｅに対応している。
【０１３７】
図１１を参照するに、バリア層（バリア中心から±１．５ｎｍの範囲）では下部電極層および上部電極層よりもＬａ含有量が１．５倍になっており、バリア層でのＬａ含有量が極めて増加している。これにより、Ｌａはイオン半径がＹ、Ｂａ、Ｃｕよりも大きいためバリア層と下部電極層あるいは上部電極層との間で組成が急峻に変化する接合界面が形成されると共に、接合界面の安定化に寄与していると推察される。なお、このような現象は、Ｌａの他、イオン半径が０．９５Åよりも大きな希土類元素である、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、およびＥｕによっても同様の現象が確認されている。
【０１３８】
［比較例４］
比較例４では、バリア層以外の各層は実施例４と同じ材料組成のターゲットを用いて同等の膜厚を有するランプエッジ型の界面改質型接合を有するジョセフソン接合素子を作製した。
【０１３９】
最初に、実施例４と同様にして、基板上にグランドプレーン層、第１絶縁膜、第１絶縁膜およびグランドプレーン層の貫通孔に充填すると共に第１絶縁膜の表面を覆う下部電極層と、下部電極層を覆う第２絶縁膜を形成した。さらに、実施例４と同様にして、下部電極層および第２絶縁膜に傾斜面を形成し、下部電極層および第２絶縁膜であるＳｒＳｎＯ3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングした。
【０１４０】
次いで、加速電圧５００VのＡｒイオンを３分間照射し、下部電極層の傾斜面にバリア層を形成した。
【０１４１】
次いで、実施例４と同様にして、上部電極層および金電極を蒸着し、さらにパターニングして１６個のジョセフソン素子を形成した。
【０１４２】
このようにして形成した１６個の全てのジョセフソン接合素子がＲＳＪ型の電流電圧特性を示した。
【０１４３】
また、比較例４の場合、４．２ＫにおけるＩｃＲｎ積は１．５ｍＶ〜２．２ｍＶ、臨界電流Ｉｃの平均値は１．３ｍＡ、余剰電流成分ΔＩはＩｃの１５％〜３０％であった。
【０１４４】
また、比較例４のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Ｙが２７原子％、Ｂａが４２原子％、Ｌａが３原子％、Ｃｕが２８原子％であった。
【０１４５】
以上により実施例４と比較例４を比較すると、４．２Ｋにおける臨界電流Ｉｃは略同等であるが、ＩｃＲｎ積は比較例４に対して実施例４が１．３倍から１．６倍もの大きな値を示した。
【０１４６】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は、積層型構造を有するジョセフソン接合素子である。
【０１４７】
図１２は、本発明の第２の実施の形態に係るジョセフソン接合素子の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【０１４８】
図１２を参照するに、第２の実施の形態に係るジョセフソン接合素子３０は、基板１１と、基板１１上に形成されたバッファ層３１と、バッファ層３１上に形成された下部電極層１２と、下部電極層１２の一部を覆うバリア層３４と、バリア層３４が形成された表面以外の下部電極層１２の表面を覆う絶縁膜３３と、バリア層３４および絶縁膜３３を覆う上部電極層１５から構成される。下部電極層１２、バリア層３４、および上部電極層１５により超電導接合部３６が形成されている。なお、下部電極層１２および上部電極層１５はペロブスカイト結晶構造を基本構造とし、銅と酸素からなる原子面が基板１１面に垂直に形成されていることが好ましい。
【０１４９】
バッファ層３１は、基板１１の表面にエピタキシャル成長して形成され、さらにバッファ層３１の上に下部電極層１２をエピタキシャル成長させてかつ下部電極層１２の結晶軸のｃ軸を膜面に平行に配向させる材料から選択される。バッファ層３１に好適な材料としては、ＰｒＧａＯ3、ＳｒＴｉＯ3、ＮｄＧａＯ3等のペロブスカイト構造を有する酸化物材料から選択される。
【０１５０】
なお、基板１１は、バッファ層３１を良好にエピタキシャル成長させる点でＳｒＴｉＯ3、ＬＳＡＴ、ＬａＡｌＯ3、ＮｄＧａＯ3等からなることが好ましい。
【０１５１】
また、絶縁膜３３はバッファ層３１と同様の材料から選択される。絶縁膜３３は、下部電極層１２の表面にエピタキシャル成長して形成される。
【０１５２】
バリア層３４は、図２に示す第１の実施の形態のバリア層１４と同様の材料、すなわち、元素ＲＥ、元素ＡＥ、Ｃｕ、および酸素を含み、該元素ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群のうち少なくとも１種であり、該元素ＡＥがＢａ、Ｓｒ、およびＣａからなる群のうち少なくとも１種であり、その材料中のカチオンのうち、Ｃｕ含有量が３５原子％〜５５原子％の範囲に設定され、ＲＥ含有量が１２原子％〜３０原子％の範囲に設定され、下部電極層１２および上部電極層１５と組成が異なる。
【０１５３】
第２の実施の形態によれば、バリア層３４が第１の実施の形態のバリア層と同様の材料からなる堆積膜であるのでＩｃＲｎ積が向上する。さらに、下部電極層１２および上部電極層１５は、結晶軸のａ，ｂ軸が基板面に垂直となる。酸化物超電導体は、ａ，ｂ軸方向に沿って電流が流れ易いので、ａ，ｂ軸が接合面に垂直な方が、垂直でない場合よりも臨界電流Ｉｃが増加してＩｃＲｎ積が向上する。したがって、第２の実施の形態によれば、ＩｃＲｎ積の向上した積層型のジョセフソン接合素子が実現する。
【０１５４】
次に、図１２を参照しつつ第２の実施の形態に係るジョセフソン接合素子の形成方法を説明する。
【０１５５】
最初に、例えばＳｒＴｉＯ3の基板１１上にバッファ層３１、下部電極層１２、バリア層３４、および上部電極層１５をこの順に堆積する。バッファ層３１、下部電極層１２、および上部電極層１５は、真空蒸着法、スパッタ法、ＰＬＤ法、化学気相成長法を用いることができる。バッファ層３１は、例えばスパッタ法により例えばＰｒＧａＯ3のターゲットを用いて例えば厚さ２０ｎｍ堆積して形成される。下部電極層１２は、例えばスパッタ法により、例えばＹＢａ2Ｃｕ3Ｏyのターゲットを用いて、例えば基板温度６００℃に加熱して、酸素ガス５０ｖｏｌ％およびＡｒガス５０ｖｏｌ％の圧力２０Ｐａの減圧雰囲気で堆積して形成される。バリア層３４は、第１の実施の形態と同様に行い、例えばＰＬＤ法によりＹＢａ2Ｃｕ3Ｏyのターゲットを用いて、例えば膜厚３ｎｍ堆積して形成される。
【０１５６】
次いで、フォトリソグラフィ法により超電導接合部３６を形成する領域を覆うレジスト膜（不図示）を形成し、さらに、Ａｒイオン照射により上部電極層１５、バリア層３４、および下部電極層１２の一部を除去するエッチング処理を行う。
【０１５７】
次いで、下部電極層１２および超電導接合部３６を覆う絶縁膜３３をバッファ層３１と同様にして形成し、さらに、リフトオフ法によりレジスト膜とその上の不要な絶縁膜３３を除去する。
【０１５８】
次いで、上部電極層１５および絶縁膜３３を覆うように、第２の上部電極層１５−１を形成する。第２の上部電極層１５−１は、下部電極層１２と同様にして形成する。さらに図示を省略しているが、第２の上部電極層１５−１の表面に電極パッドを形成する。以上により、積層型のジョセフソン接合素子３０が形成される。
【０１５９】
（第３の実施の形態）
図１３は、本発明の第３の実施の形態に係る超電導接合回路の断面図、図１４は図１３の等価回路図である。なお、先に示した図５は図１３のＡ−Ａ線断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【０１６０】
図１３および図１４を図５と共に参照するに、第３の実施の形態に係る超電導接合回路４０は、２つのジョセフソン接合素子４１を接続した超電導接合線路である。超電導接合回路４０は、図１４に示すように、ジョセフソン接合素子４１が、それぞれのインダクタ４３が直列になるように接続され、インダクタ４３同士の接続点で直流電流源４２と超電導接合部１６とが接続されている。
【０１６１】
超電導接合回路４０は、図５に示す構成を有する。基板１１、下部電極層１２、バリア層１４、および上部電極層１５はそれぞれ、図２に示すジョセフソン接合素子の基板１１、下部電極層１２、バリア層１４、および上部電極層１５とそれぞれ同様の材料から選択される。また、第１および第２絶縁膜２２，１３は、図２に示すジョセフソン接合素子の絶縁膜１３と同様の材料から選択される。
【０１６２】
下部電極層１２、バリア層１４、および上部電極層１５によりランプエッジ型の超電導接合部１６を形成する。なお、第３の実施の形態のジョセフソン接合素子の形態としては、第２の実施の形態の積層型としてもよい。
【０１６３】
図１３に示すように、ジョセフソン接合素子４１の上部電極層１５は、所定の接合幅を有して、バリア層１４を介して下部電極層１２との間に超電導接合部１６を形成している。上部電極層１５は、各々のジョセフソン接合素子４１同士を接続し、図１４に示すインダクタ４３を形成している。また、ジョセフソン接合素子４１には、直流電流源４２により上部電極層１５を介してバイアス電流が供給されている。
【０１６４】
下部電極層１２は、第１絶縁膜２２の一部に形成された貫通孔２３を介してグランドプレーン層２１に接触している。グランドプレーン層２１は図示を省略しているが接地されている。
【０１６５】
超電導接合回路４０の基本的な動作は以下の通りである。すなわち、入力側から磁束量子に伴う電流パルスを供給すると、紙面左側の超電導接合部１６を流れるバイアス電流に重畳され、先の図７に示すように、超電導状態である"ゼロ電圧状態"から、超電導接合部１６に流れる電流が臨界電流Ｉｃを超え、"有限電圧状態"へのスイッチングが起こる。さらに、超電導接合部１６の"有限電圧状態"へのスイッチングにより紙面右側の超電導接合部１６に磁束量子に伴う電流パルスが流れ、同様の動作で、"ゼロ電圧状態"から"有限電圧状態"へのスイッチングが起こる。このようにして磁束量子は次々とジョセフソン接合素子４１を伝送される。超電導接合回路４０は、バリア層１４の膜厚により臨界電流Ｉｃの大きさを制御可能である。
【０１６６】
第３の実施の形態に係る超電導接合回路は、ＩｃＲｎ積が従来よりも大きなジョセフソン接合素子４１により構成されているので高速動作可能である。また、超電導接合部１６の臨界温度が高いので、高温で動作可能であり、その結果、冷却コストの低減や装置の小型化が可能となる。
【０１６７】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１６８】
【図１】従来のジョセフソン接合素子の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るジョセフソン接合素子の断面図である。
【図３】バリア層の組成範囲を示す図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｅ）は第１の実施の形態に係るジョセフソン接合素子の製造工程図である。
【図５】第１の実施の形態の変形例に係るジョセフソン接合素子の断面図である。
【図６】ジョセフソン接合素子の電流電圧特性図であり、（Ａ）が実施例１−１、（Ｂ）が比較例１である。
【図７】バリア層の組成分析方法を説明するための接合部の拡大断面図である。
【図８】実施例１−１および比較例１−１の接合部のＣｕ含有量分布図である。
【図９】実施例３の臨界電流とバリア層膜厚との関係図である。
【図１０】実施例３及び比較例３のＩｃＲ積と温度との関係図である。
【図１１】実施例４の接合部のＬａ含有量分布図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係るジョセフソン接合素子の断面図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係る超電導接合回路の断面図である。
【図１４】図１３の等価回路図である。
【符号の説明】
【０１６９】
１０，３０，４１    ジョセフソン接合素子
１１    基板
１２    下部電極層
１２ａ
１３，３３    絶縁膜（第２絶縁膜）
１４，３４    バリア層
１５    上部電極層
１６，３６    超電導接合部
２１    グランドプレーン層
２２    第１絶縁膜
２３    貫通孔
２４    保護膜
３１    バッファ層
４０    超電導接合回路
４２    直流電流源
４３    インダクタ
【図１】
2008078639.tif 000003
【図２】
2008078639.tif 000004
【図３】
2008078639.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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