(57)【要約】【課題】  超伝導配線表面における欠陥準位を多数含む表面酸化膜の形成を抑制することで、高周波損失が少なく、電荷雑音および磁気雑音の少ない超伝導配線を提供する。【解決手段】  超伝導配線層を表面が酸化されない金属からなる常伝導金属層で被覆する。超伝導層と常伝導金属層の界面には酸化膜等電子の伝導を妨げるものがない清浄界面とし、常伝導金属層は超伝導近接効果により超伝導体中のクーパー対が常伝導金属中へ滲みだす特徴的な長さスケールであるコヒーレント長よりも十分薄くする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に、アモルファス酸化膜を持たない絶縁体基板と、超伝導配線層と、当該超伝導配線層の少なくとも表面を覆うと共に、コヒーレント長よりも薄い厚さを有し、その表面が酸化されない常伝導金属層とを有することを特徴とする超伝導配線構造。
【請求項２】
前記超伝導配線層および常伝導金属層は、前記絶縁体基板上にエピタキシャル成長によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超伝導配線構造。
【請求項３】
前記絶縁体基板は単結晶サファイア基板であることを特徴とする請求項１又は２記載の超伝導配線構造。
【請求項４】
前記常伝導金属層は金又は白金によって形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の超伝導配線構造。
【請求項５】
前記超伝導配線層は、ニオブ、モリブデン、タンタル、及び、アルミニウムの何れか一つを含んでいることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の超伝導配線構造。
【請求項６】
前記常伝導金属層は２ｎｍの厚さを有する金層であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の超伝導配線構造。
【請求項７】
前記常伝導金属層は前記超伝導配線層の表面だけでなく、側面をも覆っていることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の超伝導配線構造。
【請求項８】
超伝導配線層の少なくとも一表面を覆う常伝導金属層を備え、前記常伝導金属層は、コヒーレント長よりも薄い厚さを有し、大気中で酸化されない金属によって形成されていることを特徴とする超伝導配線構造。
【請求項９】
前記常伝導金属層は、自然酸化膜を介在させることなく、直接、前記超伝導配線層上に被覆されていることを特徴とする請求項８記載の超伝導配線構造。
【請求項１０】
前記信号用配線、グランド配線の少なくとも一方を形成していることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の超伝導配線構造。
【請求項１１】
前記超伝導配線構造は、超伝導量子ビット、超伝導共振器、磁気センサ、光子検出器の少なくとも一つを含む超伝導回路の配線を構成していることを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記載の超伝導配線構造。
【請求項１２】
超伝導配線層の損失、雑音を軽減する方法において、前記超伝導配線層の少なくとも上下両面を、自然酸化膜を介在させることなく、絶縁体基板及び常伝導金属層によって覆うことを特徴とする超伝導配線層の損失、雑音を軽減する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子演算装置や高周波用機器や低雑音測定機器に用いられる超伝導回路中の超伝導配線構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年における技術の発展に伴い、超伝導回路に使用される各種のデバイスが開発されている。例えば、非特許文献１のような磁束量子干渉計（ＳＱＵＩＤ）を用いた磁気センサ、非特許文献２のような超伝導薄膜を用いた光子検出器、超伝導マイクロストリップラインやコプレーナラインを用いた超伝導共振器やフィルタのようなデバイス及び超伝導回路が提案されている。また、非特許文献３、４では、量子計算の実現に向けた超伝導量子ビット回路も提案されている。
【０００３】
一方、非特許文献５には、Ｓｉ基板、ＳｉＮｘ、及びＡｌパターンによって形成されたＣＰＷ（ｃｏｐｌａｎａｒ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）共振器、ＬＣ共振器における誘電損失が検討されている。また、非特許文献６では、量子ビット（ｑｕｂｉｔ）における緩和時間等の分析結果が記述されている。更に、非特許文献７には、１Ｋ以下の超伝導量子インターフェースデバイスにおける低周波ノイズの分析が行われ、非特許文献８では、ｄｃＳＱＵＩＤにおける磁気特性が分析されている。また、非特許文献９には、マイクロ共振器の温度依存性と周波数との関係について分析が行われている。
【０００４】
更に、特許文献１及び２は、それぞれ超伝導電界効果トランジスタ及びＩｃＲｎ積の大きいジョセフソン接合を開示している。
【０００５】
非特許文献１〜９、及び特許文献１及び２等に記載された各種の超伝導デバイスを用いて、超伝導回路、量子演算装置等を構成するためには、これら超伝導デバイス間を接続する超伝導配線が不可欠である。
【０００６】
超伝導回路等に用いられる超伝導配線構造は、一般に、絶縁体基板２０１上に形成された超伝導配線層によって構成されている。また、超伝導配線層２０２上に、ＳｉＯ２やＳｉＮｘなどのアモルファス絶縁体で覆う構成が採用される場合もある。
【０００７】
更に、特許文献３には、情報処理機器において、配線おける信号の伝搬速度を高速化するために、Ａｌ層の代わりに用いられる超伝導配線構造が開示されている。特許文献３は、超伝導体層、誘電体層、及び、超伝導体層を積層した構成の超伝導配線構造を採用した場合、磁場侵入長との関係で信号の伝搬速度が遅くなることを指摘している。
【０００８】
信号の伝搬速度を高速化するために、特許文献３では、基板と、基板上に配置され、超伝導体で形成された第１配線部分と、半導体で形成され、第１配線部分と近接して基板上に配置され、少なくとも一部近接効果によって超伝導体になる第２配線部分とを備えた超伝導配線構造が開示されている。
【０００９】
【非特許文献１】The SQUID Handbook, (Wiley-VCH, 2004)
【非特許文献２】A broadband superconducting detector suitable for use in large arrays, (Nature (London)/Vol. 425/817, 23 Oct 2003)
【非特許文献３】Coherent control of macroscopic quantum states in a single-Cooper-pair box, (Nature (London)/Vol. 398/786, 29 Apr 1999)
【非特許文献４】Strong coupling of a single photon to a superconducting qubit using circuit quantum electrodynamics, (Nature (London)/Vol. 431/162, 9 Sep 2004)
【非特許文献５】Microwave Dielectric Loss at Single Photon Energies and milliKelvin Temperatures, (arXiv:cond-mat/0802.2404, 18 Feb 2008)
【非特許文献６】Controlling the spontaneous emission of a superconducting transmon qubit (arXiv:cond-mat/0803.4490, 31 Mar 2008)
【非特許文献７】Low frequency noise in dc superconducting quantum interference device below 1 K, (Applied Physics Letters/Vol.50/772, 21 Jan 1987)
【非特許文献８】Magnetism in SQUIDs at Millikelvin Temperatures, (arXiv:cond-mat/0802.1518, 11 Feb 2008)
【非特許文献９】Experimental evidence for a surface distribution of two-level systems in superconducting lithographed microwave resonators, (arXiv:cond-mat/0802.4457, 29 Feb 2008)
【特許文献１】特開平８−８３９３４号公報
【特許文献２】特開平６-１５１９８６号公報
【特許文献３】特開平７-８６６４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献３では、その具体例として、半導体又は誘電体で形成された基板上に、ニオブによって形成された厚さ１００ｎｍ超伝導体を積層し、その上に、ＩｎＳｎによって形成された厚さ１０ｎｍ以下の半導体層を積層した構成の超伝導配線構造が開示されている。更に、特許文献３では、半導体層上に、誘電体層であるＭｇＯ層、半導体層であるＩｎＳｂ層、及び、超伝導体層であるニオブ層が、それぞれ数１０００Å、１０ｎｍ以下、及び、数１０００Åの厚さ形成されている。
【００１１】
この構成の超伝導配線構造が液体ヘリウム温度に冷却されると、半導体層であるＩｎＳｂ層のドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ-３の時、ＩｎＳｂのコヒーレンス長は約２００ｎｍとなること、及び、この結果、半導体層であるＩｎＳｂ層はほぼ完全に超伝導状態となることが開示されている。
【００１２】
しかしながら、特許文献３に示されたように、超伝導体層上に半導体層を積層した構造では、高周波における損失、及び、低周波における電荷雑音、磁場雑音が大きいと云う欠点がある。
【００１３】
これは、超伝導配線用の金属ニオブやアルミニウムなどは、概して大気中で表面に自然酸化膜を形成してしまう。しかもそこには多数の欠陥が存在しているためであると考えられる。
【００１４】
具体的に説明すると、高周波、特に、マイクロ波帯域における損失が大きい原因は、超伝導体表面に形成される自然酸化膜中およびその界面における欠陥または不純物に起因している。その理由は、アモルファス構造を持つ酸化膜およびその界面に多数存在するこれらの欠陥等が幅広い励起エネルギー分布を持つ量子２準位系の集団を形成し、そのうち信号の持つ周波数成分と共鳴するものが信号からエネルギーを奪って励起され、格子振動等の他の自由度にエネルギーを放出して緩和することで信号に損失を与えるからである。
【００１５】
特に、低温環境下で微小な信号を扱う超伝導量子ビット回路に上記した構成の配線構造を適用した場合、多数の欠陥等の２準位系が飽和せずに存在しているので、それらによる量子ビットのエネルギー損失が問題になる。また、高感度の検出器等に用いられるＱ値の高い超伝導共振器等では、これらの内部損失が感度の低下につながる。
【００１６】
また、低周波における電荷雑音や磁気雑音が大きい原因も、超伝導体表面に形成される自然酸化膜中およびその界面における欠陥または不純物に起因すると考えられる。その理由は、アモルファス構造を持つ酸化膜およびその界面に多数存在するこれらの欠陥等が幅広い励起エネルギー分布を持つ量子２準位系の集団を形成し、その量子２準位系が電荷や磁荷の自由度を持つため、特に、低い励起エネルギーを持つ２準位系で顕著に起こる揺らぎが、雑音を作り出すからである。
【００１７】
このため、上記した超伝導配線構造を適用した超伝導量子ビット回路では、これらの雑音により量子ビットの位相が揺らいでしまい、量子状態が乱される。また超伝導素子を用いた高感度の電荷系や磁束計では、これらの雑音によりその感度が制限を受けてしまう。
【００１８】
このように、特許文献３は、超伝導配線層上に半導体層を積層することを開示しているだけで、超伝導配線層の界面における状態について何等考慮していないし、また、界面における状態が信号等に及ぼす影響についても指摘していない。
【００１９】
本発明の目的は、高周波損失の少ない超伝導配線構造を提供することにある。
【００２０】
本発明の他の目的は、電荷雑音および磁気雑音の少ない超伝導配線構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明によれば、単結晶絶縁体基板上に形成された超伝導配線層と、それを覆う常伝導金属層とを有する超伝導配線構造が得られる。また、超伝導層と常伝導金属層の界面には酸化膜等電子の伝導を妨げるものがない清浄界面とし、常伝導金属層は超伝導近接効果により超伝導体中のクーパー対が常伝導金属中へ滲みだす特徴的な長さスケールであるコヒーレント長よりも十分薄い。常伝導金属層の金属は金や白金な大気中でも表面に酸化膜が形成されないものを用いる。
【００２２】
常伝導金属からなる被覆層を、表面が大気中でも酸化されない金属とすることにより、大気中での表面酸化膜の成長による不純物準位の形成を防ぐことが可能となる。また常伝導金属層に覆われた超伝導金属層は、大気中の酸素と接触することがなく酸化膜の形成および不純物準位の形成を防ぐことができる。その結果、これら不純物準位に起因する超伝導電気回路における高周波損失や低周波雑音を減少させることが可能となる。常伝導金属層は、超伝導近接効果によりその表面まで超伝導特性を帯びるため、常伝導性に起因する高周波損失も十分小さくなる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、超伝導配線層表面を表面が酸化しない金属で被覆することで、少ない高周波損失を実現した超伝導配線を提供することができると共に、低周波の電荷雑音や磁場雑音の抑制を実現した超伝導配線構造を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
図１を参照すると、本発明の第一の実施の形態に係る超伝導配線構造は、単結晶絶縁体基板１０１と、当該絶縁体基板１０１上に形成された超伝導配線層１０２と、超伝導配線層１０２上に形成された常伝導金属層１０３を備えた構造を有している。
【００２６】
図示された絶縁体基板１０１としては、大気中でアモルファス酸化膜等が成長しない安定な表面を備えた材料、例えば、単結晶サファイア（Ａｌ２Ｏ３）等が用いられている。
【００２７】
このように、絶縁体基板１０１として、単結晶サファイア等、アモルファス酸化膜が成長しないを使用することにより、超伝導配線層１０２との間に、アモルファス層、欠陥層等の発生を防止できる。
【００２８】
一方、超伝導配線層１０２上に形成される常伝導金属層１０３を構成する金属は、大気中で表面が酸化しない金属によって形成されている。このため、常伝導金属層１０３上に、表面酸化膜が形成されるのを抑制できる。また、このような常伝導金属層１０３により超伝導配線層１０２を被覆することにより、超伝導配線層１０２も大気にさらされず、この結果、超伝導配線層１０２は酸化されることがない。
【００２９】
更に、図示された常伝導金属層１０３は、超伝導近接効果により超伝導配線層１０２中のクーパー対が常伝導金属層１０３へ滲みだす特徴的な長さスケールであるコヒーレント長よりも十分薄く形成されている。このため、常伝導金属層１０３自体も超伝導近接効果により常伝導金属層１０３表面まで超伝導性を帯びている。
【００３０】
このように、図１に示された超伝導配線構造は、超伝導配線層１０２と常伝導金属層１０３の界面は、酸化膜等、電子の伝導を妨げるものがない清浄界面を形成している。このため、超伝導配線層１０２上に酸化膜等が形成された場合に、酸化膜中の不純物準位に起因する超伝導配線層１０２における高周波損失や低周波雑音を減少させることができる。
【００３１】
同時に、常伝導金属層１０３は、超伝導近接効果によりその表面まで超伝導特性を帯びるため、常伝導性に起因する高周波損失も十分小さくなる。
【００３２】
このように、この実施の形態に係る超伝導配線構造は、絶縁体基板１０１と超伝導配線層１０２との間における欠陥層の発生を抑制できると共に、超伝導配線層１０２と常伝導金属層１０３との間における酸化膜等の発生を防止でき、更に、常伝導金属層１０３自体における酸化膜等の発生を抑制できる。
【００３３】
したがって、絶縁体基板１０１及び超伝導配線層１０２表面およびその界面における欠陥または不純物が存在しない。このため、これら欠陥、不純物に起因するマイクロ波帯域における損失及び低周波における電荷雑音及び磁気雑音を抑制できる。
【実施例１】
【００３４】
本発明の具体的な実施例１に係る超伝導配線構造について説明する。この実施例１では、絶縁体基板１０１として、アモルファス酸化膜等、自然酸化膜が形成されない単結晶サファイア（Ａｌ２Ｏ３）を用いた。また、表面にアモルファス酸化膜が形成されない単結晶サファイアによって形成された絶縁体基板１０１上には、ニオブ、モリブデン、タンタル、アルミニウム等によって形成された超伝導配線層１０２がエピタキシャル成長によって設けられている。更に、超伝導配線装置１０２上には、常伝導金属層１０３として、大気中で酸化膜が形成されない金層、又は白金層がエピタキシャル成長によって被覆されている。
【００３５】
この場合、常伝導金属層１０３を形成する金層又は白金層は、コヒーレント長よりも十分薄い厚さだけ形成された。この例では、常伝導金属層１０３は２ｎｍの厚さを有し、これによって、常伝導金属層１０３はその表面まで、超伝導近接効果により超伝導性を帯び、常伝導性に起因する高周波損失を十分小さくできる。
【００３６】
ここで、本発明の実施例に係る超伝導配線構造の具体的な製造工程について説明する。まず、絶縁体基板１０１としての単結晶サファイア基板を７５０℃に保った状態で、超導電配線層１０２を形成するニオブ層を毎秒０．６Åの成長速度で厚さ３００Å（３０ｎｍ）成長させた。続いて、絶縁体基板１０１の温度を１００℃に低下させて、常伝導金属層１０３を形成する金層を毎秒０．１Åの成長速度で厚さ２０Å（２ｎｍ）成長させ、本発明の実施例に係る超伝導配線構造を構成した。
【００３７】
この構成の超導電配線構造は、マイクロ波帯域における損失及び低周波における電荷雑音及び磁気雑音を低減できることができた。これは、単結晶サファイアのように、自然酸化膜が形成されない絶縁体基板１０１を用いること、及び、大気中で酸化膜の形成されない常伝導金属層１０３で超伝導配線層１０２を被覆したことによるものである。即ち、本発明の実施例に係る超伝導配線構造は、アモルファス酸化膜のように欠陥層を含まない絶縁体基板１０１及び常伝導金属層１０３によって超伝導配線層１０２を挟んだ構造を有しているためである。
【００３８】
また、本発明に係る常伝導金属層１０３の厚さは、超伝導体金属層１０２中のクーパー対が常伝導金属層１０３中へ滲みだすコヒーレント長よりも薄いため、常伝導性に起因する高周波損失も十分小さくできる。
【実施例２】
【００３９】
図２を参照すると、本発明の他の実施例に係る超伝導配線構造が示されている。この実施例は、単結晶サファイアを絶縁体基板１０１として使用し、超伝導配線層１０２としてニオブ層を使用する点では、上に示した実施例１と同様であるが、常伝導金属層１０３が超伝導配線層１０２の側面をも覆っている点で、実施例１と相違している。
【００４０】
実施例２に係る超伝導配線構造は、超伝導配線層１０２を形成した後、蒸着又はスパッタリングの手法を用いて、超伝導配線層１０２の上面だけでなく側面をも覆う常伝導金属層１０３を形成できる。
【００４１】
実施例２に示すように、超伝導配線層１０２の上面だけでなく、超伝導配線層１０２の側面をも、常伝導金属層１０３によって覆うことにより、超導電配線層１０２の側面に酸化膜等が形成されるのを抑制できる。この実施例２においても、常伝導金属層１０３をコヒーレント長よりも薄い金層、或いは、白金層により形成することにより、常伝導金属層１０３の表面抵抗による悪影響を防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、超伝導量子ビット、超伝導共振器、磁気センサ、光子検出器等に使用される超伝導配線構造に適用できると共に、信号用配線のみならず、グラウンド配線、特にマイクロ波伝送線路のグラウンド面として利用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の超伝導配線の実施の形態を示す斜視図。
【図２】従来の超伝導配線の例を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４４】
１０１  絶縁体基板
１０２  超伝導配線層
１０３  常伝導金属層
【図１】
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【図２】
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