(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物超伝導体−障壁層−酸化物超伝導体構造を有するジョセフソン接合の作製方法であって、下部電極としてのＹＢＣＯ酸化物超伝導体上に形成したＹＢＣＯ酸化物超伝導体のアモルファス層にＧａおよびＰｒをドーピングし、次いで熱処理を行うことで障壁層を形成し、その後上部電極としてのＹＢＣＯ酸化物超伝導体を堆積することを特徴とするジョセフソン接合の作製方法。
【請求項２】
酸化物超伝導体−障壁層−酸化物超伝導体構造を有するジョセフソン接合の作製方法であって、下部電極としてのＹＢＣＯ酸化物超伝導体にイオンによってダメージを与えることでアモルファス層を形成し、このアモルファス層にＧａまたはＰｒをドーピングし、次いで熱処理を行うことで障壁層を形成し、その後上部電極としてのＹＢＣＯ酸化物超伝導体を堆積することを特徴とするジョセフソン接合の作製方法。
【請求項３】
請求項１または２の方法において、作製されるジョセフソン接合が積層構造であることを特徴とするジョセフソン接合の作製方法。
【請求項４】
請求項１または２の方法において、作製されるジョセフソン接合がランプエッジ構造であることを特徴とするジョセフソン接合の作製方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかの方法をジョセフソン素子製造のための少なくとも一部の工程としていることを特徴とするジョセフソン素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、酸化物超伝導体を電極とするジョセフソン接合の作製方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、酸化物超伝導体を電極とする、ピンホールのない薄い均一な障壁層を有する高品質なジョセフソン接合の作製方法とこの方法を用いたジョセフソン素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来より、著しい非線形性やヒステリシス特性を有しているジョセフソン接合を利用した演算素子は、高速化の点でシリコン半導体集積回路を遥かにしのぐものとして期待が集まっている。特に液体窒素温度での取り扱いが可能な高温超伝導体である酸化物超伝導体、とりわけＹＢａ2Ｃｕ3ＯX（以下ＹＢＣＯと略す）を電極とする酸化物超伝導体−障壁層−酸化物超伝導体構造のジョセフソン接合についての検討が進められている。
【０００３】
ジョセフソン接合の障壁層の厚さは通常数ｎｍ以下と非常に薄く、これをピンホール（マイクロショート）なく如何に均一に形成するかがジョセフソン接合の作製の鍵となっている。酸化物超伝導体を電極とするジョセフソン接合においては、従来は、障壁層を形成するに当たって下部電極としてのＹＢＣＯ等の酸化物超伝導体に障壁層を堆積させる方法をとってきた。しかしながらそのような方法によって障壁層を形成した場合、障壁層の成長が不均一であったため良好な接合が得られていなかった。
【０００４】
最近では、下部電極としてのＹＢＣＯの表面等にイオンでダメージを与えることでアモルファス層を形成し、そのアモルファス層を熱処理して再結晶化させることで障壁層を形成するといった方法も用いられている。
【０００５】
しかしながら、この方法においても少なからずマイクロショートが観測されており、障壁層を堆積させる方法に比べて改善されたとはいえ、依然としてマイクロショートがそのジョセフソン接合を用いたチップ内の素子特性のばらつきや再現性・制御性の向上を阻害する要因となっていると考えられる。
【０００６】
現在、障壁層を形成する手法として主流になっているアモルファス層を再結晶化させる手法においては、再結晶化の過程で大部分は絶縁化すると考えられるが、一部は再びＹＢＣＯ等電極と同じ材料へ再結晶化する可能性が否定できない。この電極材料への再結晶化部がピンホールとなりマイクロショートを引き起こしているものと考えられ、その結果、素子特性の劣化、特性のばらつきの増大、再現性の低下、制御性の低下等を招いている。
【０００７】
そこでこの出願の発明は以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、酸化物超伝導体を電極とする、ピンホール等のない、より薄い均一な障壁層を持った高品質なジョセフソン接合の新しい作製方法を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、酸化物超伝導体−障壁層−酸化物超伝導体構造を有するジョセフソン接合の作製方法であって、下部電極としてのＹＢＣＯ酸化物超伝導体上に形成したＹＢＣＯ酸化物超伝導体のアモルファス層にＧａおよびＰｒをドーピングし、次いで熱処理を行うことで障壁層を形成し、その後上部電極としてのＹＢＣＯ酸化物超伝導体を堆積することを特徴とするジョセフソン接合の作製方法を提供する。
【０００９】
また第２には、酸化物超伝導体−障壁層−酸化物超伝導体構造を有するジョセフソン接合の作製方法であって、下部電極としてのＹＢＣＯ酸化物超伝導体にイオンによってダメージを与えることでアモルファス層を形成し、このアモルファス層にＧａまたはＰｒをドーピングし、次いで熱処理を行うことで障壁層を形成し、その後上部電極としてのＹＢＣＯ酸化物超伝導体を堆積することを特徴とするジョセフソン接合の作製方法を提供する。
【００１０】
そして第３には、この出願の発明は、上記の第１または第２の発明において、作製されるジョセフソン接合が積層構造であることを特徴とするジョセフソン接合の作製方法を提供する。
【００１１】
第４には、上記第１または第２の発明において、作製されるジョセフソン接合がランプエッジ構造であることを特徴とするジョセフソン接合の作製方法を提供する。
【００１２】
さらにこの出願の発明は、第５には、上記第１ないし第４のいずれかの発明の方法をジョセフソン素子製造のための少なくとも一部の工程としていることを特徴とするジョセフソン素子の製造方法を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１５】
この出願の第１の発明のジョセフソン接合の作製方法では、酸化物超伝導体−障壁層−酸化物超伝導体構造を有するジョセフソン接合において、下部電極としての酸化物超伝導体上に形成した酸化物超伝導体のアモルファス層に元素をドーピングした後、そのアモルファス層に対して真空中あるいは酸素雰囲気中でアニール等の熱処理を行って障壁層を形成し、その後上部電極としての酸化物超伝導体を堆積する。
【００１６】
また、この出願の第２の発明のジョセフソン接合の作製方法では、酸化物超伝導体−障壁層−酸化物超伝導体構造を有するジョセフソン接合において、下部電極としての酸化物超伝導体にイオンによってダメージを与えることでアモルファス層を形成し、そのアモルファス層に元素をドーピングし、次いでそのアモルファス層に対して真空中あるいは酸素雰囲気中でアニール等の熱処理を行って障壁層を形成し、その後上部電極としての酸化物超伝導体を堆積する。
【００１７】
酸化物超伝導体にダメージを与えるイオンとしては、アモルファス層内にそのイオンが残らず、また反応性がないものが望ましいため、希ガスが適している。Ａｒイオンが安価であることから最も利用しやすいと考えられるが、Ｈｅ、Ｎｅ等のその他の希ガスを用いることも可能である。またイオンにより酸化物超伝導体にダメージを与えてアモルファス層を形成するためには、１００〜２０００ｅＶのエネルギーが必要となる。
【００１８】
またアニールは、高真空中、酸素雰囲気中もしくは上部電極の成膜条件である４０Ｐａ程度までのガス圧を有するアルゴンと酸素の混合ガス中等で行うことができ、アニールの温度範囲は上部電極成膜温度である６００〜７５０℃とする。
【００１９】
上記第１、第２の発明のいずれの方法においても、アモルファス層にドーピングする元素としては、酸化物超伝導体の構成要素に置換可能且つ置換後に超伝導性を失わせることが可能な元素を用いることになる。例えば、ＹＢＣＯに対してはＧａやＰｒ等を用いることができる。その場合、ＣｕがＧａに置換され、ＹがＰｒに置換される。Ｙが置換されかつ超伝導性を失わせる元素はＰｒのみであり、またＢａが置換されかつ超伝導性を失わせる元素はＬａのみと考えられるが、ＣｕはＺｎ、Ｃｏ等にも一部置換される。
【００２０】
ドーピングを行うのはアモルファス層が再結晶化する際に僅かにできるＹＢＣＯのＹ、Ｃｕの置換を意図しているため、ドーピングする元素の量はごく僅かで良く、アモルファス層中の置換される元素に対して、その１０％以下が置換される程度の量が好ましい。なお、アモルファス層の厚みは１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲とする。
【００２１】
上記のように、アモルファス層に元素のドーピングを行うことにより、アモルファス層が再び超伝導体へ再結晶化するのを防止することができ、アモルファス層を絶縁体に再結晶化させて障壁層を形成することができるため、障壁層にピンホールが形成されることなく、より薄い均一な障壁層を持ったジョセフソン接合を作製することができる。そして、この接合構造を有する新しいジョセフソン素子を製造することができる。
【００２２】
酸化物超伝導体を電極とするジョセフソン接合の構造は大きく分けて２種類ある。１つは超伝導体−障壁層−超伝導体の積層構造をとる積層型接合であり、もう１つが下部超伝導電極の傾斜した端面を利用したランプエッジ接合である。
【００２３】
この発明は上記のように、酸化物超伝導体を電極とし、積層型接合構造あるいはランプエッジ接合構造を有するジョセフソン接合の障壁層形成方法に関するものである。
【００２４】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００２５】
【実施例】
＜実施例１＞
図１は、酸化物超伝導体を電極とする、積層構造のジョセフソン接合の作製方法を示したものである。
【００２６】
図１（ａ）に示しているように、ＭｇＯ基板（１）の上に下部超伝導体電極としてのＹＢＣＯ電極（２）を厚みが３００ｎｍとなるように堆積した後、図１（ｂ）に示しているように、ＹＢＣＯ電極（２）の表面をＡｒイオン（３）で削り、ＹＢＣＯ電極（２）の表面に厚み約１０ｎｍのアモルファス層（４）を形成する。
【００２７】
次に図１（ｃ）に示しているように、アモルファス層（４）に対して、アモルファス層（４）が超伝導体に再結晶化するのを阻害する元素としてＰｒやＧａ（５）をドーピングし、その後このアモルファス層（４）をアルゴン：酸素＝１：１の１Ｐａのガス中において温度６６０℃で１時間アニールする。これによってアモルファス層（４）が絶縁体に再結晶化する。アニール前にＰｒやＧａ（５）をアモルファス層（４）にドーピングすることで、アモルファス層（４）が絶縁体に再結晶化して障壁層（６）が形成されるため、障壁層（６）中でのピンホール形成は低減化し、障壁層（６）が高抵抗化される。アニール後は、図１（ｄ）に示しているように、上部超伝導電極としてのＹＢＣＯ電極（７）を厚みが３００ｎｍとなるように堆積し、積層構造のジョセフソン接合を形成する。
【００２８】
上記のような方法により、ピンホールがほとんど存在しない、より薄い均一な障壁層を持った積層構造のジョセフソン接合を作製することができる。
＜実施例２＞
図２は、酸化物超伝導体を電極とする、ランプエッジ構造のジョセフソン接合の作製方法を示したものである。
【００２９】
図２（ａ）に示しているように、まずＭｇＯ基板（８）上に下部超伝導電極としてのＹＢＣＯ電極（９）を厚みが３００ｎｍとなるように堆積し、その上に層間絶縁層としてのＰｒＧａＯ3膜（ＰＧＯ）（１０）を堆積する。
【００３０】
次に図２（ｂ）に示しているように、さらにその上にマスクとしてのフォトレジスト（１１）を堆積させる。次いで、ＹＢＣＯ電極（９）およびＰｒＧａＯ3膜（ＰＧＯ）（１０）に対し、Ａｒイオン（１２）によって、それらの層の端部が３０°の角度で傾斜するようにダメージを与え、エッチングを行う。つまりランプエッジ構造を形成する。このとき、エッチングが行われたＹＢＣＯ電極（９）のランプエッジ面に厚み約１０ｎｍのアモルファス層（１３）が形成される。
【００３１】
そして図２（ｃ）に示しているように、フォトレジスト（１１）を除去した後に、アモルファス層（１３）に対して、アモルファス層（１３）が超伝導体に再結晶化するのを阻害する元素であるＰｒやＧａ（１４）をドーピングした後、図２（ｄ）に示しているように、アルゴン：酸素＝１：１の１Ｐａのガス中において温度６６０℃で１時間アニールすることにより、アモルファス層（１３）が絶縁体に再結晶化され、図２（ｅ）に示すように障壁層（１５）を形成する。さらに、上部超伝導電極としてのＹＢＣＯ電極（１６）を厚みが３００ｎｍとなるように堆積し、ランプエッジ構造のジョセフソン接合を形成する。
【００３２】
基本的にランプエッジ構造のジョセフソン接合の作製方法は積層構造のジョセフソン接合の作製方法と同様であるが、ランプエッジ構造では下部超伝導電極であるＹＢＣＯ電極（９）の端部（ランプエッジ面）を接合面として用いるため、自動的にアモルファス層（１３）が形成される点が積層構造のものと異なっている。
【００３３】
この場合も実施例１と同様に、ピンホールがほとんど存在しない、より薄い均一な障壁層を持ったランプエッジ構造のジョセフソン接合を作製することができる。
＜実施例３＞
次に元素のドーピングを行わずに作製した積層構造のジョセフソン接合と＜実施例１＞の手順にしたがってＰｒ、Ｇａのドーピングを行って作製した積層構造のジョセフソン接合の電流−電圧特性の比較を行い、また元素のドーピングを行って作製した積層構造のジョセフソン接合の磁場特性を調べた。
【００３４】
図３に積層構造のジョセフソン接合の電流−電圧特性の写真を示す。なお、この例ではＡｒイオンによりＹＢＣＯにエッチングを行った。エッチング時の加速電圧はＶacc＝７００Ｖであり、エッチング時間１０分、入射角度は３０度である。
【００３５】
図３において、上図はドーピング無しの電流−電圧特性を示しており、電圧が正のときに電圧状態から電圧を下げていったときに外挿先が原点から外れている。一方、図３の下図はＰｒ、Ｇａを添加したことによってＰＧＯを室温で１ｎｍ相当分アモルファス層に堆積した状態のドーピングありの電流−電圧特性を示しており、電圧が正のときに電圧状態から電圧を下げていったときに外挿先が原点を向いている。
【００３６】
外挿先が原点から外れている場合、Ｙ切片の電流値はＹ切片が正（第一象限）の場合余剰電流と呼ばれる。この余剰電流は多くの場合超伝導ショートによる電流で、ジョセフソン電流とは異なり応用上の障害となる。したがってこの余剰電流がないことが望ましく、ドーピングありの電流−電圧特性は余剰電流がなく、超伝導ショートによる電流が流れていないと言える。
【００３７】
また図４に、ＰＧＯが０ｎｍの場合と、ＰｒおよびＧａをドーピングすることによってＰＧＯを３０秒間で０．１６ｎｍ堆積させた場合およびＰＧＯを１分間で０．３２ｎｍ堆積させた場合の４．２Ｋでの電圧−電流特性の写真を示す。
【００３８】
図４（Ａ）はＰＧＯが０ｎｍの場合であり、電圧が正のときに電圧状態から電圧を下げていったときに外挿先は原点から外れているが、図４（Ｂ）のＰＧＯを０．１６ｎｍ堆積させたものおよび図４（Ｃ）のＰＧＯを０．３２ｎｍ堆積させたものは、電圧状態から電圧を下げていったときに外挿先が原点を向いている。
【００３９】
また、それぞれの臨界電流密度（Ｊｃ）、正規化接合抵抗（ＲｎＡ）、ＩｃＲｎ積および磁場による臨界電流の変調率を測定した。
【００４０】
図４（Ａ）の写真の下に示しているように、ＰＧＯが０ｎｍの場合の臨界電流密度（Ｊｃ）は１２ｋＡ／ｃｍ2、正規化接合抵抗（ＲｎＡ）は０．７５×１０-7Ωｃｍ2、ＩｃＲｎ積は０．９ｍＶであり、磁場による臨界電流の変調率は７０％であった。
【００４１】
それに対し、図４（Ｂ）の写真の下に示しているように、ＰＧＯを０．１６ｎｍ堆積させたときの臨界電流密度（Ｊｃ）は１．５７ｋＡ／ｃｍ2、正規化接合抵抗（ＲｎＡ）は１．２９×１０-6Ωｃｍ2、ＩｃＲｎ積は２．０２ｍＶであり、磁場による臨界電流の変調率は９０％以上であった。
【００４２】
さらに、図４（Ｃ）の写真の下に示しているように、ＰＧＯを０．３２ｎｍ堆積させたときの臨界電流密度（Ｊｃ）は１０．１Ａ／ｃｍ2、正規化接合抵抗（ＲｎＡ）は４．２６×１０-5Ωｃｍ2、ＩｃＲｎ積は０．４２９ｍＶであり、磁場による臨界電流の変調率は９０％以上であった。
【００４３】
上記のような測定結果により以下のようなことが示唆される。
【００４４】
臨界電流密度（Ｊｃ）はＰＧＯの堆積幅が増えるにつれて小さくなり、また正規化接合抵抗（ＲｎＡ）は増加している。つまり、ＰＧＯが障壁層を高抵抗化させているといえる。その一方で、ＩｃＲｎ積はＰＧＯの堆積幅に関わりなく、同じオーダとなっている。
【００４５】
また、元素のドーピングを行ったジョセフソン接合は磁場による臨界電流の変調率が、元素のドーピングを行わなかったジョセフソン接合の臨界電流の変調率よりも高く、元素のドーピングを行ったジョセフソン接合はジョセフソン電流以外の余剰電流が少なく障壁層が均一に形成されているといえる。
【００４６】
なお図４（Ａ）および（Ｂ）の上図は磁場Ｂが０の場合であり、下図は磁場Ｂが０ではない場合であり、図４（Ｃ）は磁場Ｂが０の場合の電流−電圧特性を示している。
【００４７】
磁場Ｂが０ではない場合は超伝導電流がほとんど０に近くなる。わずかに残った超伝導電流は余剰電流であり、磁場Ｂが０でないときのように余剰電流がほぼ０の場合、見かけ上第一象限から第三象限にかけて１本の直線となる。
【００４８】
また、図５に元素のドーピングを行って作製したジョセフソン接合の磁場特性の写真を示している。図５の特徴としては、臨界電流の谷の部分がＸ軸に近いことが挙げられる。
【００４９】
磁場を印加するとジョセフソン電流が変調され、ある磁場の値（磁束量子の整数倍に対応した値）では臨界電流は０となる。一方余剰電流成分は通常は磁場に不感であるため、ジョセフソン電流が０になった場合にも超伝導電流として観測される。したがって、磁場を印加したときに臨界電流の谷の部分がＸ軸に近く超伝導電流がほぼ０であることにより、余剰電流がほとんど発生していないということがいえる。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、酸化物超伝導体を電極とする、ピンホールがほとんど存在しない、薄い均一な障壁層を持った高品質なジョセフソン接合の作製が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の積層構造のジョセフソン接合の作製方法を例示した工程図である。
【図２】この発明のランプエッジ構造のジョセフソン接合の作製方法を例示した工程図である。
【図３】この発明のドーピングを行って作製したジョセフソン接合と元素のドープを行わずに作製したジョセフソン接合の電流−電圧特性を示す写真である。
【図４】この発明のドーピングを行って作製したジョセフソン接合と元素のドープを行わずに作製したジョセフソン接合の電流−電圧特性を示す写真である。
【図５】この発明のドーピングを行って作製したジョセフソン接合の磁場特性を示す写真である。
【符号の説明】
１  ＭｇＯ基板
２  ＹＢＣＯ電極（下部超伝導電極）
３  Ａｒイオン
４  アモルファス層
５  Ｐｒ（Ｇａ）
６  障壁層
７  ＹＢＣＯ電極（上部超伝導電極）
８  ＭｇＯ基板
９  ＹＢＣＯ電極（下部超伝導電極）
１０  ＰｒＧａＯ3膜（ＰＧＯ）
１１  フォトレジスト
１２  Ａｒイオン
１３  アモルファス層
１４  Ｐｒ（Ｇａ）
１５  障壁層
１６  ＹＢＣＯ電極（上部超伝導電極）
【図１】
0004104323.tif 000002
【図２】
0004104323.tif 000003
【図３】
0004104323.tif 000004
【図４】
0004104323.tif 000005
【図５】
0004104323.tif 000006