(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面三角形状の凸部領域からなるゲート電極を表面に有する加工基板と、
前記加工基板の上に形成された酸化物薄膜層と、
前記酸化物薄膜層上に形成された酸化物超伝導膜と、
前記凸部領域の先端上の前記酸化物超伝導薄膜の内部に形成された結晶粒界からなるジョセフソン結合部と、
前記結晶粒界を挟むドレイン電極およびソース電極と
を備えた超伝導素子。
【請求項２】
前記凸部領域が、配向結晶化した金属であることを特徴とする請求項１に記載の超伝導素子。
【請求項３】
前記配向結晶化した金属が、白金であることを特徴とする請求項２に記載の超伝導素子。
【請求項４】
前記凸部領域が、細線状であることを特徴とする請求項１に記載の超伝導素子。
【請求項５】
前記酸化物薄膜層が、絶縁膜であることを特徴とする請求項１に記載の超伝導素子。
【請求項６】
断面三角形状の凸部領域からなるゲート電極を表面に有する加工基板と、
前記加工基板の上に形成された酸化物薄膜層と、
前記酸化物薄膜層上に形成された酸化物超伝導膜と、
前記凸部領域の先端上の前記酸化物超伝導薄膜の内部に形成された結晶粒界からなるジョセフソン結合部と、
前記結晶粒界を挟むドレイン電極およびソース電極と
を備えた超伝導素子の製造方法であって、
前記断面三角形状の凸部領域からなるゲート電極を表面に有する加工基板に前記酸化物超伝導膜を形成する工程、
前記酸化物超伝導膜をアニールすることによって、前記酸化物超伝導膜を配向結晶化させ、前記加工基板と前記酸化物超伝導膜との間に前記酸化物薄膜層を形成し、かつ前記凸部領域の先端上の前記酸化物超伝導薄膜の内部に前記結晶粒界を形成する工程、および
前記結晶粒界を挟むように前記ドレイン電極及びソース電極を形成する工程
を有する超伝導素子の製造方法。
【請求項７】
前記酸化物薄膜層および前記酸化物超伝導膜が多結晶状態またはアモルファス状態の膜であることを特徴とする請求項６に記載の超伝導素子の製造方法。
【請求項８】
断面三角形状の凸部領域からなるゲート電極を表面に有する加工基板と、
前記加工基板の上に形成された酸化物薄膜層と、
前記酸化物薄膜層上に形成された酸化物超伝導膜と、
前記凸部領域の先端上の前記酸化物超伝導薄膜の内部に形成された結晶粒界からなるジョセフソン結合部と、
前記結晶粒界を挟むドレイン電極およびソース電極と
を備えた超伝導素子の製造方法であって、
前記断面三角形状の凸部領域からなるゲート電極を表面に有する加工基板に前記酸化物薄膜層を形成する工程、
前記加工基板を加熱しながら、前記酸化物薄膜層上に前記酸化物超伝導膜を形成することによって、前記凸部領域の先端上の前記酸化物超伝導薄膜の内部に前記結晶粒界を形成する工程、および
前記結晶粒界を挟むように前記ドレイン電極及びソース電極を形成する工程
を有する超伝導素子の製造方法。
【請求項９】
前記断面三角形状の凸部領域からなるゲート電極を表面に有する加工基板が、走査可能な針の先端部と基板の表面との間に電界を印加して前記凸部領域を前記基板の上に形成することよって得られる、請求項６から８までのいずれかに記載の超伝導素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導応用技術を利用した超伝導素子及びその製造方法に関する。さらに詳細には、酸化物超伝導体を用いた超伝導素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導電子デバイスの基本であるジョセフソン接合を含む素子を作製する場合には、障壁となるトンネル層を制御性良く形成する必要がある。超伝導素子を作製する際に、トンネル層を制御性良く形成するためには、界面においては、超伝導コヒーレンス長が重要なパラメータとなる。
【０００３】
ジョセフソン接合からなる超伝導素子の種類には、大きく分けて、積層型と平坦型とがある。超伝導素子を構成する酸化物超伝導体は、結晶構造、組成によって、超伝導特性が敏感に影響を受けるため、接合界面の欠陥で劣化層が生じる。この場合、コヒーレンス長が短いと、良好な接合特性が得られなくなる。積層型で広く用いられるｃ軸配向薄膜においては、ｃ軸方向のコヒーレンス長が短く、トンネル接合の作製が困難であり、形成の際の再現性が問題となっていた。
【０００４】
また、集積化素子の実現が期待される超伝導素子においては、ジョセフソン接合間の特性の一致が感度に影響を与えることが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上の点に鑑みて、再現性の研究が活発に続けられていた。このうち、基板上に１次元的な粒界のあるバイクリスタル基板に作製した粒界接合を用いた平坦型のものが再現性が良いことから、比較的容易にジョセフソン接合の作製を実現している。しかし、超伝導素子を作製する位置に関しては固定されるため、集積化する場合に問題となっており、積層型、平坦型ともに、実用上の問題点を有していた。
【０００６】
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、基板上の任意の場所に再現性良く形成される良質の超伝導素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係る超伝導素子は、断面三角形状の凸部領域からなるゲート電極を表面に有する加工基板と、前記加工基板の上に形成された酸化物薄膜層と、前記酸化物薄膜層上に形成された酸化物超伝導膜と、前記凸部領域の先端上の前記酸化物超伝導薄膜の内部に形成された結晶粒界からなるジョセフソン結合部と、前記結晶粒界を挟むドレイン電極およびソース電極とを備えたことを特徴とする。この超伝導素子の構成によれば、基板上の任意の位置に凸部領域を設けることにより、前記加工基板上の任意の場所に再現性良く良質の超伝導素子を実現することが可能となる。
【０００８】
また、前記本発明の超伝導素子の構成においては、前記凸部領域が、配向結晶化した金属であることが好ましい。この好ましい例によれば、凸部領域上に酸化物薄膜及び超伝導薄膜を結晶性良く形成することが可能となり、良質の超伝導素子を比較的容易に作製することができる。また、この場合には、前記配向結晶化した金属が、白金であることが好ましい。
【０００９】
また、前記本発明の超伝導素子の構成においては、前記凸部領域が、細線状であることが好ましい。
また、前記本発明の超伝導素子の構成においては、前記酸化物薄膜層が、絶縁膜であることが好ましい。
【００１０】
以上のように構成された超伝導素子によれば、線状凸部領域に配向結晶化した金属（金属薄膜）を用いることにより、前記金属（金属薄膜）を電界印加用の電極として用いることが可能となり、粒界接合部のキャリアを電界制御する電界効果素子を構成することができる。
【００１１】
また、本発明に係る超伝導素子の第１の製造方法は、前記断面三角形状の凸部領域からなるゲート電極を表面に有する加工基板に前記酸化物超伝導膜を形成する工程、前記酸化物超伝導膜をアニールすることによって、前記酸化物超伝導膜を配向結晶化させ、前記加工基板と前記酸化物超伝導膜との間に前記酸化物薄膜層を形成し、かつ前記凸部領域の先端上の前記酸化物超伝導薄膜の内部に前記結晶粒界を形成する工程、および前記結晶粒界を挟むように前記ドレイン電極及びソース電極を形成する工程を有する。この超伝導素子の第１の製造方法によれば、凸部領域上の酸化物超伝導膜内に、結晶粒界を形成することが可能となるため、ジョセフソン接合を有する素子を比較的容易に製造することができる。
【００１２】
また、前記本発明の超伝導素子の第１の製造方法においては、前記加工基板の上に酸化物超伝導膜を堆積した後、高温アニールを行う。これによれば、酸化物超伝導膜の結晶性や超伝導特性を向上することができるだけでなく、酸化物超伝導膜と凸部領域との界面に高抵抗の酸化物層を形成することが可能であるため、金属である凸部領域と酸化物超伝導膜との絶縁を容易に行うことができる。また、この場合には、前記酸化物膜および前記酸化物超伝導膜が多結晶状態またはアモルファス状態の膜であることが好ましい。この好ましい例によれば、高温アニールを行うことにより、結晶粒が大きく、超伝導特性および粒界抵抗の高い素子を実現できる。
【００１３】
また、本発明に係る超伝導素子の第２の製造方法は、前記断面三角形状の凸部領域からなるゲート電極を表面に有する加工基板に前記酸化物薄膜層を形成する工程、前記加工基板を加熱しながら、前記酸化物薄膜層上に前記酸化物超伝導膜を形成することによって、前記凸部領域上の前記酸化物超伝導薄膜の内部に前記結晶粒界を形成する工程、および前記結晶粒界を挟むように前記ドレイン電極及びソース電極を形成する工程を有する。これによれば、電界効果素子のチャネル層の厚さや特性を制御しやすいために、素子を容易に製造することができる。
【００１４】
前記断面三角形状の凸部領域からなるゲート電極を表面に有する加工基板は、走査可能な針の先端部と基板の表面との間に電界を印加して前記凸部領域を前記基板の上に形成することよって得ることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。ここでは、代表的な実施形態について説明するが、これによって本発明が限定されるものではない。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態における超伝導素子の製造工程を示す工程断面図である。以下、図１（ａ）〜図１（ｅ）に基づいて、超伝導素子の製造工程について説明する。
【００１７】
図１（ａ）は、本実施の形態における超伝導素子を構成する基板１１を示している。この基板１１としては、例えば、ＳｒＴｉＯ3 単結晶基板を用いることができる。
【００１８】
図１（ｂ）に示す工程においては、基板１１の温度を５００℃とし、アルゴン雰囲気６０ｍＴｏｒｒ（約８．０Ｐａ）の下で、基板１１上に約１００ｎｍ厚の白金薄膜１２を堆積した。形成された白金薄膜１２は、（１００）に配向していた。以下、この工程で形成された基板（基板１１上に約１００ｎｍ厚の白金薄膜１２が形成されている）を『薄膜基板』という。
【００１９】
次に、図１（ｃ）に示す工程においては、走査型トンネル顕微鏡を用いて、その探針１３と薄膜基板表面との間に２ｎＡのトンネル電流を流し、バイアス電圧を−４Ｖ印加した。これにより、薄膜基板表面の原子群が誘導され、薄膜基板上に細線状の凸部領域１４が形成された。使用した走査型トンネル顕微鏡の探針１３は、金又は白金である。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による観察により、加工領域（この工程で加工された領域）に、断面三角形状の凸部部分が形成されていることが確認された。この加工された凸部領域１４は、用いた探針の走査により、幅が約２５０ｎｍ程度、高さが約１０ｎｍ程度であった。以下、この工程で形成された基板を『加工基板』という。
【００２０】
次に、図１（ｄ）に示す工程においては、加工基板上に、スパッタ法により、多結晶状態又はアモルファス状態のＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏx 酸化物超伝導薄膜１５を約２００ｎｍの膜厚で形成した。この状態で、酸素と窒素の混合雰囲気（内、酸素２〜１５％）中、約８００℃から８５０℃の温度で、高温アニールを行うことにより、酸化物超伝導薄膜１５を配向結晶化させた。この工程を経た状態を示しているのが、図１（ｅ）である。つまり、図１（ｅ）においては、高温アニール工程によって、配向結晶化した酸化物超伝導薄膜１７が形成されている。このとき、白金薄膜１２と配向結晶化した酸化物超伝導薄膜１７との間には、高抵抗の酸化物薄膜層１６が形成されていることが認められた。また、凸部領域１４上に粒界１８が形成されていることが認められた。
【００２１】
次に、図１（ｆ）に示す工程においては、粒界１８部分が結晶粒界型のジョセフソン接合部となるように、フォトリソグラフィ及びＡｒイオンを用いたエッチング技術により、幅１μｍ、長さ１０μｍの配線パターンとなっている超伝導ブリッジを凸部領域を横切るように形成した後、配線用金属電極１９ａ，１９ｂを形成し、超伝導素子を作成した。ここで、配線用金属電極１９ａ，１９ｂは、それぞれ凸部領域１４上に形成されている粒界１８を挟むようにして形成されている。そして、配線用金属電極１９ａ，１９ｂと白金薄膜１２の凸部領域１４とが超伝導素子の各電極として機能する。例えば、配線用金属電極１９ａがドレイン電極、配線用金属電極１９ｂがソース電極、白金薄膜１２の凸部領域１４がゲート電極という具合にである。
【００２２】
図２は、以上の工程を経て形成された本実施の形態における超伝導素子の素子形状を示す平面図である。図２から明らかなように、基板１１上には配向結晶化した酸化物超伝導薄膜１７が形成されており、粒界１８部分が結晶粒界型のジョセフソン接合部となっている。
【００２３】
図３は、本実施の形態における超伝導素子の電流−電圧特性を示す図である。図３に示すように、本実施の形態の超伝導素子においては、温度Ｔ〜８３Ｋ下においてマイクロ波を照射したところ、典型的なシャピロステップが観測された。これにより、ジョセフソン接合素子が得られたことが確認された。
【００２４】
以上説明した本実施の形態に係る超伝導素子の製造方法によれば、凸部領域１４上の酸化物超伝導薄膜内に結晶粒界を形成することが可能であるため、ジョセフソン接合を有する超伝導素子を比較的容易に製造することができる。また、凸部領域１４が形成された白金薄膜１２の上に酸化物超伝導膜１７を堆積させた後に高温アニールを行うことによって、酸化物超伝導薄膜の結晶性や超伝導特性を向上させることができるだけでなく、白金薄膜１２と酸化物超伝導薄膜１７との間に高抵抗の酸化物薄膜層１６を形成させることが可能であるため、白金薄膜１２と酸化物超伝導薄膜１７との絶縁を容易に行うことができる。
【００２５】
尚、本実施の形態においては、凸部領域１４を形成した基板上に、スパッタ法により、多結晶状態又はアモルファス状態のＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏx 酸化物超伝導薄膜１５を形成することにより、ジョセフソン接合素子を作製する場合を例に挙げて説明したが、必ずしもこの方法に限定されるものではない。例えば、次のようにしてジョセフソン接合素子を作製することもできる。まず、凸部領域を形成した基板上に、半導体的な伝導を示すＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯy 酸化物薄膜をスパッタ法によって堆積する。次いで、基板温度を６５０℃とし、アルゴンと酸素の混合雰囲気（内、酸素１０〜２５％）７．５ｍＴｏｒｒ（約１．０Ｐａ）の下で、高温アニールをせずに同じくスパッタ法によりｃ軸配向のＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏx 酸化物超伝導薄膜を形成する。以上のようにして作製されたジョセフソン接合素子もジョセフソン効果を示すことが認められた。しかし、臨界電流と接合抵抗との積であるＩc ・Ｒn を比較した場合、高温アニールしたものの方が約２倍大きく、１．５ｍＶ程度であった。
【００２６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態における超伝導素子について説明する。図４は本発明の第２の実施の形態における超伝導素子を示す断面図である。本実施の形態における超伝導素子は、以下のようにして作製される。
【００２７】
まず、基板４１の温度を５００℃とし、アルゴン雰囲気６０ｍＴｏｒｒ（約８．０Ｐａ）の下で、スパッタ法により、基板４１上の全面に約１５０ｎｍ厚の白金薄膜を堆積した。堆積した白金薄膜は（１００）に配向していた。本実施の形態においては、白金薄膜の膜厚を約１５０ｎｍに設定しているが、必ずしもこの膜厚に限定されるものではなく、後にこの白金薄膜の上に形成される膜を適当に形成し得る膜厚であればよい（つまり、適当な『ぬれ性』が得られる厚さであればよい）。従って、例えば、白金薄膜の厚さは８０ｎｍ程度であってもよい。
【００２８】
その後、フォトリソグラフィ及びＡｒイオンを用いたエッチング技術により、白金薄膜を、幅１μｍ、長さ１０μｍの細線状（細線状の白金薄膜４２）に加工する。上記基板４１としては、例えば、ＭｇＯ単結晶基板を用いることができる。
【００２９】
次に、その上に膜厚５００ｎｍのＳｒＴｉＯ3 薄膜４３を、さらにその上に膜厚１００ｎｍのＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7 酸化物超伝導薄膜４４を、それぞれスパッタ法により、エピタキシャル成長させることによって形成した。これらの薄膜の形成は、基板４１の温度を６５０℃とし、アルゴンと酸素の混合雰囲気４０ｍＴｏｒｒ（約５．３Ｐａ）の下で行った。
【００３０】
次に、図２とほぼ同様の形状となるように、加工領域（加工された凸部領域）を横切るように、幅１μｍ、長さ１０μｍの配線パターンとなっている超伝導ブリッジをフォトリソグラフィ及びＡｒイオンを用いたエッチング技術によって形成した。
【００３１】
以上の工程により作製された超伝導素子の断面を示しているのが図４である。図４において、４１は基板、４２は細線状に加工された白金薄膜、４３はＳｒＴｉＯ3 薄膜、４４はＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7 酸化物超伝導薄膜、４５は粒界部分、４６、４７は電極である。図４は、細線状に加工された白金薄膜４２をゲート電極とし、電極４６、電極４７をそれぞれソース電極、ドレイン電極として、またＳｒＴｉＯ3 薄膜４３をゲートバリアとして用いたときの、電界によって粒界に流れる超伝導電流を制御する電界効果素子の構成を示したものである。
【００３２】
つまり、図４における超伝導素子は、基板４１上に配向結晶化した金属からなる凸部領域（細線状に加工された白金薄膜）４２をゲート電極として設け、その上に酸化物絶縁膜（ＳｒＴｉＯ3 薄膜４３）を堆積させ、さらにその上にＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7 酸化物超伝導薄膜４４を堆積させることにより、凸部領域４２上に粒界部分４５が形成され、この粒界部分４５を挟んでドレイン電極４６、ソース電極４７が形成されている。この素子においては、ゲート電極（白金薄膜４２）に電圧を印加することにより、ドレイン電極４６、ソース電極４７間のコンダクタンスが変化した。これにより、電界効果型素子を得ることができた。
【００３３】
以上説明した本実施の形態に係る超伝導素子の製造方法によれば、電界効果型素子のチャネル層の厚さや特性を制御しやすいために、素子を容易に製造することができる。
【００３４】
尚、本実施の形態においては、フォトリソグラフ及びＡｒイオンを用いたエッチング技術により、ゲート電極部（凸部領域４２）を形成する場合を例に挙げて説明したが、必ずしもこの方法に限定されるものではない。例えば、走査型トンネル顕微鏡を用いて、探針と薄膜基板表面との間に電界を印加することにより、ゲート電極部（凸部領域４２）を形成してもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来の平坦型の超伝導素子であるバイクリスタル基板などを用いたタイプが抱えていた課題を解消することが可能となり、基板上の任意の場所に再現性良く形成される良質の超伝導素子およびその製造方法を提供することができる。また、加工した凸部領域に配向結晶化した金属を用いることにより、電界効果素子をも構成することができる。従って、簡便な作製プロセスによって素子を作製することができるため、集積化技術を向上させ、トランジスタ回路あるいは単一磁束量子素子などを用いた超伝導回路を得ることができ、超伝導電子素子を実現する上での基礎技術となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における超伝導素子の製造工程を示す工程断面図
【図２】本発明の第１の実施の形態における超伝導素子の素子形状を示す平面図
【図３】本発明の第１の実施の形態における超伝導素子の電流−電圧特性を示す図
【図４】本発明の第２の実施の形態における超伝導素子を示す断面図
【符号の説明】
１１，４１    基板
１２    白金薄膜
１３    走査型トンネル顕微鏡の探針
１４    凸部領域
１５    酸化物超伝導薄膜
１６    酸化物薄膜層
１７    酸化物超伝導薄膜（高温アニール工程の後配向結晶化したもの）
１８    粒界
１９ａ，１９ｂ    配線用金属電極
４２    細線状に加工した白金薄膜（ゲート電極）
４３    ＳｒＴｉＯ3 薄膜（ゲートバリア）
４４    超伝導薄膜
４５    粒界部分
４６    電極（ソース電極）
４７    電極（ドレイン電極）
【図１】
0004056575.tif 000002
【図２】
0004056575.tif 000003
【図３】
0004056575.tif 000004
【図４】
0004056575.tif 000005