(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気伝導層とトンネル障壁層からなる積層状結晶構造を持つ層状酸化物超伝導体を用いた高温単電子対トンネル素子の製造方法において、
（ａ）層状酸化物超伝導体の針状単結晶を用意し、集束イオンビーム装置のホルダーに固定する工程と、
（ｂ）イオンビーム加工により前記単結晶の片面の所定位置にｘ方向の長さ、ｙ方向の幅とｚ方向の前記単結晶の厚さの半分以上の深さを有する第１の細い溝を形成する工程と、
（ｃ）前記第１の細い溝の輪郭を示すように、前記単結晶の厚さを貫通する深さまで標識となる小さいスポットを作る工程と、
（ｄ）その加工した単結晶の面を裏返しにして４端子測定に用いるために銀ペーストで固定する工程と、
（ｅ）前記スポットから目的とする接合の大きさに合わせたｘ方向の所定間隔をおいて、前記第１の細い溝と同一長さ、幅及び深さを有する第２の細い溝を前記第１の細い溝の平行線上に加工する工程と、
（ｆ）ｘｙ面上に長方形の接合を作製するためにエッジの部分をトリミングする工程と、
（ｇ）不要に残った部分を除去する工程とを施すことを特徴とする層状酸化物超伝導体を用いた高温単電子対トンネル素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の高温単電子対トンネル素子の製造方法において、前記単結晶の厚さを調整することによりトンネル接合数を可変にするようにしたことを特徴とする層状酸化物超伝導体を用いた高温単電子対トンネル素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の高温単電子対トンネル素子の製造方法において、前記長方形のトンネル接合面積がサブミクロン平方オーダーであることを特徴とする層状酸化物超伝導体を用いた高温単電子対トンネル素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、層状酸化物超伝導体を用いた高温単電子対トンネル素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、積層構造を持つ単電子トンネル素子としては、以下に示すようなものがあった。
図５は銅酸化物超伝導体のＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏy の結晶構造を示す模式図である。
【０００３】
この図に示すように、超伝導層（ＣｕＯ2 ）１とトンネル障壁層（ＢｉＯ）２が交互に積層した構造となっている。これを電極モデルで描いたものが、図６である。この図６において、Ｓは面積、ｄは格子間隔である。
このモデルで、電極ＡとＢの間の静電容量Ｃは、
Ｃ＝（ε0 Ｓ）／（ｄＮ）                                …（１）
となる。ここで、εは誘電率である。
【０００４】
また、トンネル抵抗Ｒは、
Ｒ＝（Ｎｐ0 ）（ｄ／Ｓ）                                …（２）
ここで、ｐ0 は比抵抗である。
このような構造を持つ素子が単電子トンネル効果を示す条件は、超伝導電子の電荷２ｅの一つを電極Ａから電極Ｂへ移動したときのエネルギー（２ｅ2 ／Ｃ）が、熱雑音エネルギーｋB Ｔより十分大きいときである。ここで、ｋB はボルツマン定数である。
【０００５】
よって、
（２ｅ2 ／Ｃ）＞（ｋB Ｔ）                              …（３）
上記（１）式と（２）式より、単電子トンネル効果のおこる層の数Ｎの条件は、
Ｎ＞〔（εＳ）／ｄ〕〔（ｋB Ｔ）／（２ｅ2 ）〕          …（４）
となる。１μｍ2 の素子をＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏy 単結晶で作ったときの、液体ヘリウム温度４Ｋで観測できる層数Ｎは、Ｎ＞５０となり、容易に実現できる厚さである。また、１０分の１μｍ2 ではＮ＞５となり、実現可能である。
【０００６】
また、単電子トンネル効果の観測できるもう一つの条件は、素子の抵抗Ｒが量子抵抗Ｒ0 、
Ｒ0 ＝ｈ／（４ｅ2 ）＝６ｋΩ                            …（５）
より大きくなければならない。
Ｒ＞ｈ／（４ｅ2 ）                                      …（６）
よって、上記（２）式と（５）式より
Ｎ＞〔Ｓ／（ｐ0 ｄ）〕〔ｈ／（４ｅ2 ）〕                …（７）
となり、１μｍ2 の上の素子の場合も、やはり、層数Ｎは、Ｎ＞５０となる。Ｎ＞５０で１μｍ2 の素子を作ることは、通常のＮ＝１に比して著しく容易である。また、１０分の１μｍ2 の素子の場合は、Ｎ＝５となり、実現可能である。
【０００７】
図７は通常の１層のトンネル障壁層よりなる単電子トンネル素子である。
この素子が単電子トンネル効果を示すための条件は上記（４）式より
Ｎ＝１＞〔（εＳ）／ｄ〕〔（ｋB Ｔ）／（２ｅ2 ）〕      …（８）
上記（７）式より
Ｎ＝１＞〔Ｓ／（ｐ0 ｄ）〕〔ｈ／（４ｅ2 ）〕            …（９）
となり、Ｓを２桁以下に小さくし、１００分の１μｍ2 とすることが必要となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の積層構造を持つ単電子トンネル素子においては、１００分の１μｍ以下の加工精度を持つ製造方法を実現することは、容易ではないといった問題があった。
本発明は、上記問題点に鑑みて、サブミクロン平方オーダー以下のトンネル接合層を備え、その接合数を可変にすることにより液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）以上で動作可能な層状酸化物超伝導体を用いた高温単電子対トンネル素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕電気伝導層とトンネル障壁層からなる積層状結晶構造を持つ層状酸化物超伝導体を用いた高温単電子対トンネル素子の製造方法において、層状酸化物超伝導体の針状単結晶を用意し、集束イオンビーム装置のホルダーに固定する工程と、イオンビーム加工により前記単結晶の片面の所定位置にｘ方向の長さ、ｙ方向の幅とｚ方向の前記単結晶の厚さの半分以上の深さを有する第１の細い溝を形成する工程と、前記第１の細い溝の輪郭を示すように、前記単結晶の厚さを貫通する深さまで標識となる小さいスポットを作る工程と、その加工した単結晶の面を裏返しにして４端子測定に用いるために銀ペーストで固定する工程と、前記スポットから目的とする接合の大きさに合わせたｘ方向の所定間隔をおいて、前記第１の細い溝と同一長さ、幅及び深さを有する第２の細い溝を前記第１の細い溝の平行線上に加工する工程と、ｘｙ面上に長方形の接合を作製するためにエッジの部分をトリミングする工程と、不要に残った部分を除去する工程とを施すようにしたものである。
【００１０】
〔２〕上記〔１〕記載の高温単電子対トンネル素子の製造方法において、前記単結晶の厚さを調整することによりトンネル接合数を可変にするようにしたものである。
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の高温単電子対トンネル素子の製造方法において、前記長方形の接合を前記針状単結晶に複数個並列に形成し、高温単電子対トンネル素子を得るようにしたものである。
【００１１】
〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の高温単電子対トンネル素子の製造方法において、前記長方形のトンネル接合面積がサブミクロン平方オーダーである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
従来技術で示したように、層状酸化物超伝導体の結晶構造は超伝導層と絶縁層（トンネル障壁層）が交互に積層した構造をしており、加工深さによってトンネル接合の数を制御することが可能である。
【００１３】
図１は本発明の実施例を示す層状酸化物超伝導体を用いた高温単電子対トンネル素子の製造工程図であり、集束イオンビーム加工によるトンネル接合層及び素子の製造工程を示している。
以下、本発明の実施例を示す層状酸化物超伝導体を用いた高温単電子対トンネル素子の製造方法を図１を参照しながら説明する。
【００１４】
（１）まず、図１（ａ）に示すように、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 針状単結晶（以下、単に単結晶という）１を用意し、集束イオンビーム装置のホルダー（図示なし）に固定する。
（２）次に、３０ｋＶのガリウム（Ｇａ）イオンを用いて、図１（ｂ）に示すように、その単結晶１の両面に目印となるマーク部２Ａ，２Ｂに接合の大きさに合わせたｘ方向の長さＬ1 、ｙ方向の幅Ｗ1 とｚ方向の層状高温超伝導体１の厚さの半分以上の深さＤ1 を有する第１の細い溝３を形成する。
【００１５】
（３）次に、第１の細い溝３の輪郭を示すように、単結晶の厚さを貫通する深さまで標識の小さいスポット４を作り、次に、図１（ｃ）に示すように、加工した単結晶の面を裏返しにして銀ペーストで固定する。なお、この銀ペーストを４端子測定の電極として使う。
（４）次いで、接続抵抗を減らすために、４５０度で１０分位の熱処理を行う。次に、図１（ｄ）に示すように、目的とする接合の大きさに合わせたｘ方向に間隔Ａをおいて、図１（ｂ）で作製した第１の細い溝３と同一長さＬ1 、同一幅Ｗ1 及び同一深さＤ1 の第２の細い溝５を平行線上に加工する。
【００１６】
（５）次に、図１（ｅ）に示すように、ｘｙ面上に長方形の接合を作製するためにエッジの部分をトリミングする。
（６）最後に、図１（ｆ）に示すように、不要に残った部分を除去し、層状酸化物超伝導体を用いた高温単電子対トンネル素子が完成する。
このように、本発明によれば、集束イオンビームの微細加工技術を用いることにより、サブμｍ以下までの素子を作製することが可能である。更に、酸化物超伝導体の固有積層構造を用いることにより、接合の面積及び層の数の制御が可能になる。
【００１７】
このような作製工程を用いて針状単結晶に作製した高温単電子対トンネル素子を図２に示す。
図２では、試作された４個の素子を示しており、最大は１μｍ×０．６μｍ、最小は０．５μｍ×０．３μｍを示す。
酸化物超伝導体は超伝導層と絶縁物層の積層構造を持っており、結晶自体が固有ジョセフソン効果を示すことが知られていたが、素子の面積を小さくしてサブμｍ2 （サブミクロン平方）にすると固有ジョセフソン効果の他に全く新しく、単電子対トンネル現象が起こることが明らかになった。
【００１８】
図３は本発明の実施例を示す０．６μｍ2 の接合面積Ｓを持つ素子の電流−電圧特性図である。なお、ここで、温度Ｔ＝４．２Ｋ、電流Ｉ＝０．２μＡ／目盛り、電圧Ｖ＝２ｍＶ／目盛りである。
この図から明らかなように、原点近くに約３００μＶの間隔を持つ５つのスパイク状の電圧周期構造が明瞭に見られる。このスパイク状電圧が単電子対トンネル素子の特徴で、最初のスパイクは電子が２個トンネルする時に対応し、次のスパイクは４個のトンネルを示す。
【００１９】
また、図４は本発明の実施例を示す０．３μｍ2 の接合面積Ｓを持つ素子の電流−電圧特性図である。
そのスパイク状電圧は温度依存性を示し、Ｔ＞１２Ｋで消滅することが分かる。
単電子トンネル効果はこれまで金属や半導体で観測されているが、面積がサブμｍ2 程度では１０ｍＫ適度の極低温が必要であった。ところがＢＳＣＣＯ単結晶素子は、その静電容量Ｃが接合の層の数Ｎに逆比例して小さくなるため、単電子の帯電エネルギーｅ2 ／２ＣがＮの増加と共に大きくなる。このため、層の数Ｎが６０位で、帯電エネルギーが、熱雑音エネルギーｋB Ｔより大きくなり、単電子トンネル効果が起こることが分かった。
【００２０】
単電子トンネルの起こるためのもう一つの条件がある。それは接合の抵抗が量子抵抗Ｒ0 ＝ｈ／４ｅ2 ＝６．４ｋΩより大となり、いわゆる“クーロン閉塞”が満足されなくてはならないが、ＢＳＣＣＯ単結晶は、その比抵抗が他の材料に比して大きいために満足されていることも分かった。
一連の実験の結果、面積を２μｍ2 以下にすると、ＢＳＣＣＯ単結晶は４．２Ｋ以上で動作する高温単電子対トンネル素子となることが分かった。
【００２１】
ここで、単電子トンネル素子としては、電気伝導層とトンネル障壁層からなる積層状結晶構造をもつ銅酸化物超伝導体を用い、その銅酸化物超伝導体としてはＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏy ，Ｌａ1.9 Ｓｒ0.1 ＣｕＯ4 ，ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx などを用いる。
また、銅酸化物超伝導体に代えて、遷移金属カルコゲナイドやグラファイトを用いることができる。この遷移金属カルコゲナイドとしては、ＴａＳ2 ，ＴａＳｅ2 ，ＮｂＳｅ2 を用いることができる。
【００２２】
そして、層数が多い積層構造を持つ単電子トンネル素子の製造方法の一例として、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法によって、結晶を一層ずつ成長させ、電気導電層とトンネル障壁層を交互に成長させて、人工的積層構造を形成することができる。この場合、電気伝導層は、金属や導電性半導体を用い、トンネル障壁層としては、酸化物や絶縁性半導体を用いることもできる。
【００２３】
以上の説明は、液体ヘリウム温度以上で動作する高温単電子対トンネル素子が再現性よく実現できることを示したものであり、従来の単電子素子ではできない高温動作の大集積回路用のトランジスタやメモリーの実現の可能性を示した。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００２４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（Ａ）サブミクロン平方オーダー以下のトンネル接合層を備え、その接合数を可変にすることにより、液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）以上で動作させることができる。
【００２５】
（Ｂ）液体ヘリウム温度以上で動作する高温単電子対トンネル素子を再現性よく実現することができ、高温動作の大集積回路用のトランジスタやメモリーの実現に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す層状酸化物超伝導体を用いた高温単電子対トンネル素子の製造工程図である。
【図２】本発明の実施例を示す針状単結晶に作製した高温単電子対トンネル素子の平面図である。
【図３】本発明の実施例を示す０．６μｍ2 接合面積を持つ素子の電流−電圧特性図である。
【図４】本発明の実施例を示す０．３μｍ2 接合面積を持つ素子の電流−電圧特性図である。
【図５】銅酸化物超伝導体のＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏy の結晶構造を示す模式図である。
【図６】銅酸化物超伝導体のＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏy の結晶構造の層状構造の模式図である。
【図７】通常の単電子トンネル素子（層数Ｎ＝１）の模式図である。
【符号の説明】
１    Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 針状単結晶
２Ａ，２Ｂ    マーク部
３    第１の細い溝
４    スポット
５    第２の細い溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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