Ga-FIB照射による高温超伝導ジョセフソン接合作製法に関する研究

EIIRISプロジェクト
研究成果報告会
Feb. 22 2021

林 幹二、 上田 哲平、 大谷 涼、 有吉 誠一郎、田中 三郎*
https://chem.tut.ac.jp/squid/*email: tanakas@tut.jp

緒言

1. 背景と目的

我々は、超高感度な磁気センサである高温超伝導磁束量子干渉計（HTS-SQUID）の作製と、微小異物検査機器などへの応用を研究している。HTS-SQUIDのジョセフソン接合（J.J.）には、高温超伝導薄膜の結晶粒界を弱結合として利用するバイクリスタル型が多く用いられている。バイクリスタル型J.J.は、作製が容易である反面、ノイズが大きく、高価な特殊基板が必要で、接合が直線の結晶粒界上にしか作製できないなど課題がある。そこで、Ga-FIBによる微細加工技術を利用したナノブリッジ型J.J.の作製法を検討した。
高温超伝導薄膜にGaイオンビームを照射すると、結晶中に点欠陥が導入され、超伝導性が破壊される。
そこで、高温超伝導薄膜をナノメートルサイズのブリッジ部を残して常伝導化することで、高温超伝導ナノブリッジの作製を試みた。しかし、照射位置の調整時に観察視野がGaで汚染される課題が生じた。そこで、膜厚20 nmのAu保護層を高温超伝導薄膜層上に積層し、低加速電圧で照射位置を調整し、高加速電圧で常伝導化加工を行う手法を考案し、高温超伝導ナノブリッジの作製と特性評価を行った。作製した幅50 ~ 100nmのナノブリッジでは、マイクロ波の照射によりシャピロステップの出現を確認し、ジョセフソン接合ライクの特性を示していることを確認した。

HTS-SQUIDでは、結晶粒界を用いたバイクリスタル型J.J.が一般的に用いられている。しかし、バイクリスタル型J.Jの課題として、以下の点が挙げられる。
・ ノイズが比較的大きい。
・ J.J.の配置や個数が粒界位置に制限され、設計自由度が低い。
・ 高価なバイクリスタル基板である。
そこで低ノイズSQUID作製法として、Ga-FIB照射による欠陥生成を応用したナノブリ
ッジJ.J.の作製技術を検討している。
・ 特殊な基板が不要であり、任意の配置でJ.J.作製が可能
・ Ga-FIB照射条件を調整することで、J.J.の超伝導特性の制御が可能
本研究では、高温超伝導薄膜をGa-FIB照射によってナノメートル精度でパターニングすることで、ナノブリッジ型J.J.の作製および評価を行った。

2. Ga-FIBによるナノブリッジ作製の原理
ナノブリッジ接合について

Ga-FIBによる高温超伝導薄膜の常伝導化

Ga-FIBによるナノブリッジ作製

Point defects

HTS thin film(iii) High dose

ρ [Ω·cm]

LN
WN

tSC

ξ~

Superconductor
thin film

Nano-bridge(Superconductor)(ii) Low dose
TC<77 K(ii), (iii)(i) YBCO

Constriction

Ga-FIB照射によるパターニングの課題

Ga-FIBYBCO film

FOV of SIMWN

Irradiation
pattern

Ga-FIBirradiation

Superconductor
thin film

Fabricatedpattern

40 kV

Unwanteddamage

TC~90 K,

≪λ0

Ga ion beam

T [K]高温超伝導ナノブリッジJJは、高温超伝導薄膜に形成された狭窄部であり、幅WNおよび長さLNが超伝導体材料（YBCO）の磁場侵入長λ （~1 μm）よりも小さく、コヒーレンス長 ξ （~1 nm）に近い必要がある。

Irradiated regions(Normal conductor)(i) YBa2Cu3O7-δ

77 K(i) YBa2Cu3O7-δ（YBCO）薄膜は90 K程度の超伝導転移温度TCを示す 。 (ii) Gaイオンビームを照射された結晶には、点欠陥が導入されてTCが低下する 。 (iii) さらに照射量を増加すると、半導体や絶縁体特性に変化する。

MgO substrate

Micro-channel wide
W M = 4 µm

高温超伝導薄膜に対してGa-FIBを走査し、回路に不要な領域を常伝導・絶縁化あるいは除去することで超伝導回路を形成する。ナノメートルレベルの狭窄部を残して常伝導化することで、超伝導ナノブリッジの作製する。

Nano-bridge wide
W N = 500~1000 nm

フォーカスや位置合わせ時に必要となる走査イオン顕微鏡（SIM）観察の間に視野（FOV）全体のYBCO薄膜が損傷し、常伝導化する課題が生じた。

3. Au保護層による欠陥量の制御
欠陥生成シミュレーション

Au保護層による欠陥生成の抑制

tYBCO

5 kV Ga

0tprotect

Au保護層

tYBCO

YBCO層

Au

204060YBCO

8040 kV Ga

Defect density[vacancies/nm/ions]

0 1x102

1x102

Au
1x101

1x101

1x100

1x100

1x10-1

1x10-1

1x10-2

1x10-2-3

1x10-3YBCO
1x10-4

1x10-4-5-5204060 1x1080 1x10

加速電圧5 kV

MgO基板(a) Non-protected YBCO

Surface position [nm]02040-40-20
Defect density[vacancies/nm/ions]

0.03

T = 77 K

0.8

Normalconducting
regionYBCO
Substrate
Superconducting region

Substrate
Scattered ions

W N=80 nm, F=1×1018 ions/cm20.02
100 nm

0.6

0.01

0.4

0.00 175x101018
Fluence [ions/cm2]

0.2

500 nm
200 nm
100 nm0.0
W N = 100 nm, Au(20 nm)/YBCO(100 nm)/MgO
1015
Vacc = 40 kV, F = 1.0×1018 ions/cm2, Dbeam ~ 30 nm.

ACジョセフソン効果の確認

200 nm

W N=800 nm

IC/IC0Nano-bridge
WN ≲ 100 nm

IC/IC0

LN ~ 100 nm

MgO

Ga-FIB

101310141015

膜厚20 nmのAu層で保護された膜厚100 nmの
YBCO薄膜に対してGa-FIBを照射し、照射前後の臨界電流比を評価した。5 kVでは1015 ions/cm2の照射でも80%以上の臨界電流が維持された。一方で、30 kVの照射では、照射量に依存して臨界電流が減少し、 1015 ions/cm2で常伝導化した。

5. まとめ
1.0

80 nm

0.0

Au保護層の最適膜厚を決定するために、二体衝突モデルのシミュレーションを行うSRIMプログラムを使用した。Au保護層の膜厚が20 nmの場合、低加速電圧5 kVのGaイオンはすべてAu保護層内で停止し、高加速電圧40 kVではYBCO層中に50 nm程度侵入した。この結果から、Au保護層の膜厚を20 nmとした。

臨界電流比のブリッジ幅・照射量依存性

Ga-FIBで作製したナノブリッジ

ナノブリッジの予想断面構造

VAcc = 30 kV

1x10

加速電圧40 kV

4. ナノブリッジ特性評価

2 µm

0.5

Fluence [ions/cm2](a) YBCO薄膜に対してGaイオンを照射すると、加速電圧が高いほどより薄膜の深い領域まで点欠陥が生成する。(b) そこで、YBCO層上に薄いAu保護層を積層し、低加速電圧（5 kV）で照射位置を調整し、高加速電圧（30 ~ 40 kV）でYBCO層の常伝導化による加工を行うことで、SIM視野への過剰な点欠陥生成を抑制する手法を考案した。

Au/YBCO

VAcc = 5 kV

1.0

SRIM code (5 kV and 40 kV into Au(20 nm)/YBCO(80 nm), 10000 ions, Full cascedes)(b) Protected YBCO

Au（20 nm）/YBCO（100 nm）/MgO@77 K

JC/JC0Focusing and FabricationPositioning
5 kV
20 kV 40 kV

Surface position [nm]
-20
02040

Target depth [nm]5 kV 20 kV 40 kV

1.5-40Target depth [nm]Ga ion beam

欠陥低減効果の実証実験

1016

80 nm
50 nm

1017

T = 77 K
fRF = 20 GHz

1018

1. 低ノイズの高温超伝導ジョセフソン接合の作製方法として、高温超伝導薄膜をGa-FIB照射によって常伝導化し、ナノブリッジ型J.J.を作製する手法を検討した。
2. 照射位置の調整時にSIM観察視野がGa汚染される課題に対して、YBCO高温超伝導層上に膜厚20 nmのAu保護層を積層し、低加速電圧で位置調整、高加速電圧で常伝導化を行うことで、過剰な欠陥生成を抑制した。
3. 加速電圧40 kV、照射量8×1017 ~ 1×1018 ions/cm2のGa-FIBで作製した幅50 ~ 100 nmの高温超伝導ナノブリッジでは、シャピロステップを確認した。このうち、幅80 nm、 1×1018 ions/cm2のナノブリッジでは明瞭なステップを確認し、ジョセフソン接合ライクの動作を確認した。

Fluence [ions/cm2]

加速電圧40 kV、ビーム径約30 nmのGa-FIBを照射量1015 ~ 1018 ions/cm2で走査し、幅50 ~800 nmの高温超伝導ナノブリッジを作製した。
Ga-FIB照射の接合1つあたりの所要時間は数秒から数十秒と短い。照射領域のAu層は1017 ~1018 ions/cm2以上の照射で完全に除去され、幅100 nm程度の溝が形成された。
照射前後の臨界電流比は、照射量の増加とブリッジ幅の減少に依存して減少し、幅80 nmでは1018 ions/cm2で常伝導化した。臨界電流はブリッジ幅から予想される値から大幅に減少し、散乱イオンによる欠陥生成が示唆された。

幅50 ~ 100 nm、照射量8×1017 ~1×1018 ions/cm2のナノブリッジについて、
20 GHzのマイクロ波を照射して電圧電流特性を評価し、ACジョセフソン効果の確認を試みた。その結果、評価したすべてのナノブリッジでACジョセフソン効果により電流電圧特性が量子化し、理論値に一致する一定電圧のステップ（シャピロステップ）の出現を確認した。特に、幅80 nm、 1×1018
ions/cm2のナノブリッジでは明瞭なステップを確認し、ジョセフソン接合ライクの動作を確認した。

研究業績
1. ○K Hayashi, T Ueda, R Ohtani, S Ariyoshi and S Tanaka, “A Study ofthe HTS Josephson Junction Formed by a Ga Focused Ion Beam,” J.
Phys.: Conf. Ser. 1590 (2020) 012044.
2. ○Kanji Hayashi, Teppei Ueda and Saburo Tanaka, “Study on Changeof properties of HTS Josephson Junction by Ion beam Irradiation”,
Extended Abstracts of 14th International Symposium on High
Temperature
SuperconductorsinHigh
FrequencyFields(HTSHFF2018), Poster 11, p56-57, June 5-8, 2018, Zao, Yamagata,Japan. (Poster)
3. ○Kanji Hayashi, Teppei Ueda and Saburo Tanaka, “Fabrication ofHTS Low-noise Nanobridge Josephson Junction by Gallium FIB,”
Applied Superconductivity Conference (2020) Wk1EOr4C-03.
(Accepted)