超伝導量子干渉素子及びその製造方法
【課題】絶縁バリア層の形成を不要とする新たな超伝導量子干渉素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】超伝導量子干渉素子１０は、リング部１２Ａを有する超伝導体層１２と、この超伝導体層１２のリング部１２Ａの一部を跨いで配設された強磁性層１３，１３と、を有する。２つの強磁性層１３、１３がリング部１２Ａに跨いで被覆している。超伝導体層１２のリング部１２Ａのうち強磁性層１３，１３で被覆した領域１２Ｂ，１２Ｂが、強磁性層１３により超伝導体（Ｓ）から絶縁体（Ｉ）へ転移し、障壁となる。この構造により所謂ＳＩＳ型のジョセフソン接合が２箇所で形成されるため、所謂ＤＣ−ＳＱＵＩＤを構成する。
【解決手段】超伝導量子干渉素子１０は、リング部１２Ａを有する超伝導体層１２と、この超伝導体層１２のリング部１２Ａの一部を跨いで配設された強磁性層１３，１３と、を有する。２つの強磁性層１３、１３がリング部１２Ａに跨いで被覆している。超伝導体層１２のリング部１２Ａのうち強磁性層１３，１３で被覆した領域１２Ｂ，１２Ｂが、強磁性層１３により超伝導体（Ｓ）から絶縁体（Ｉ）へ転移し、障壁となる。この構造により所謂ＳＩＳ型のジョセフソン接合が２箇所で形成されるため、所謂ＤＣ−ＳＱＵＩＤを構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジョセフソン接合を用いた超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）とこのＳＱＵＩＤを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、超伝導トンネル接合として、酸化膜（Ｉ）の両側に超伝導体層（Ｓ）を挟み込んだＳＩＳ型ジョセフソン接合がある。このＳＩＳ型ジョセフソン接合を作製する場合、超伝導体層と絶縁バリア層と超伝導体層との合計３層を順に積層するために最低でも３回の成膜工程が必要であった（例えば、非特許文献１参照）。超伝導トンネル接合の特性は、いわゆるＩｃＲＮ積によって特徴づけられ、この値が大きいほど良好な接合となる。
【０００３】
単一磁束量子デバイス（Single Flux Quantum Device、以下、ＳＦＱ素子と称する。）は、ジョセフソン接合を用いた論理回路である（非特許文献２参照）。このＳＦＱ素子においては、磁束量子一本がジョセフソン接合を横切るときに発生するパルス状の電圧を利用して論理回路を構成する。この場合のスイッチング速度は、ＩｃＲＮ積に逆比例する。従って、ＩｃＲＮ積が大きい程、高速で動作する。ＩｃＲＮ積は、大凡、ジョセフソン接合に用いる超伝導体の臨界温度（Ｔｃ）に比例して大きくなる。
【０００４】
【非特許文献１】Gomez Espinoza Luis Beltran、博士号学位論文、米国、Cincinnati大学、２００３年５月３０日提出
【非特許文献２】萬 伸一、「単一磁束量子デバイス」、固体物理、第４０巻、No.１０，ｐ．８０７、２００５年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高温超伝導体層を用いたジョセフソン接合によれば、そのＴｃが従来のＮｂなどの超伝導体よりも大きいので、ＩｃＲＮ積が大きくなることが予測されている。しかしながら、現状の高温超伝導体においては、ＩｃＲＮ積が理論的に期待される値に対し１０％程度の値をもつジョセフソン接合しか得られず、ＩｃＲＮ積が高くできないという課題がある。
【０００６】
特に、高温超伝導体においては、絶縁バリア層作製の制御性や再現性を高めることが非常に困難であるために、良質の超伝導ＳＩＳ型トンネル接合の作製ができなかった。そのため、安定した特性を有する量子磁束干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を簡便な方法で作製することが困難であった。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑み、超伝導体、特に高温超伝導体によるＳＩＳ型ジョセフソン接合において、良好な絶縁バリア層が得られないという技術的困難を克服するために、絶縁バリア層の形成を不要とする新たな超伝導量子干渉素子及びその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、超伝導体層上に強磁性層を被覆した構造において、強磁性層をなす磁性体が下側の超伝導体層の超伝導を抑制し、特に高温超伝導体層に対して超伝導体（Ｓ）から絶縁体（Ｉ）への転移を引き起こす点に着目してなされたものである。
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の超伝導量子干渉素子は、リング部を有する超伝導体層と、リング部上に配設された一又は複数の強磁性層と、を備える。
具体的には、一対のアンテナ部を一対の狭窄部で接続して構成したリング部を有する超伝導体層と、この一対の狭窄部の一方に跨るように配設された強磁性層と、を備える。
一対のアンテナ部を一対の狭窄部で接続して構成したリング部を有する超伝導体層と、一対の狭窄部のそれぞれに跨るように配設された強磁性層と、を備えるようにしてもよい。
好ましくは、超伝導体層及び強磁性層は、基板をオーバーエッチングして形成されたメサ部上に配設されている。
好ましくは、一対のアンテナ部のそれぞれは、縦幅０．１〜１０００μｍ×横幅０．１〜１０００μｍの矩形状を成し、狭窄部はμｍのオーダーの幅であり、強磁性層は、２ｎｍ〜１μｍの幅である。
【００１０】
上記他の目的を達成するため、本発明は、リング部を有する超伝導体層と、リング部上に配設された一又は複数の強磁性層とを備える超伝導量子干渉素子の作製方法であって、基板上に超伝導膜を形成するステップと、超伝導膜上に強磁性膜を形成してパターニングにより強磁性層を形成するステップと、超伝導膜の不要な部分をエッチングして超伝導体層を形成するステップと、を含む。
好ましくは、超伝導膜をエッチングして超伝導体層を形成した後に、さらに基板をオーバーエッチングする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の超伝導量子干渉素子によれば、超伝導体層のループ部の一部に強磁性層を配設して構成されているため、強磁性層で被覆された超伝導体層の超伝導体から絶縁体へ転移が生じ、これにより、ＳＩＳ型ジョセフソン接合が形成される。よって、従来のようにバリア層を超伝導体層で挟んだ構造と異なり、簡単な構造により超伝導量子干渉素子を実現できる。
【００１２】
本発明の超伝導量子干渉素子の製造方法によれば、従来のバリア層を形成する必要がなく、超伝導体層のループ部の一部に強磁性層が一又は複数跨って配設することで作製することができるので、従来のようにフッ酸などでパターニングしてバリア層を形成するというプロセスを経る必要がない。よって、従来のように、超伝導体層とバリア層との界面特性が劣化するという問題が生じない。また、プロセス工程数が少なく、作製制御が容易な作製方法を提供することができる。これにより、再現性がよく、感度の高い超伝導量子干渉素子を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。各図において、同一又は対応する部材には同一の符号を用いる。
超伝導量子干渉素子の第１実施形態について説明する。
図１は、第１実施形態に係る超伝導量子干渉素子を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ１-Ｘ１線に沿う断面図である。超伝導量子干渉素子１０は、リング部１２Ａを有する超伝導体層１２と、この超伝導体層１２のリング部１２Ａの一部を跨いで配設された強磁性層１３，１３と、を有する。第１実施形態では、複数の強磁性層１３、１３がリング部１２Ａに跨いで被覆している。超伝導体層１２のリング部１２Ａのうち強磁性層１３，１３で被覆された領域１２Ｂ，１２Ｂが、強磁性層１３により超伝導体（Ｓ）から絶縁体（Ｉ）へ転移し、障壁となる。この構造により所謂ＳＩＳ型のジョセフソン接合が２箇所で形成されるため、所謂ＤＣ−ＳＱＵＩＤを構成する。
【００１４】
上記構造において、超伝導体層１２の各両端部に電流端子１２Ｇ，１２Ｈが設けられている。電流端子１２Ｇ，１２Ｈ間に電流を流すと、ある閾値を超えたときに超伝導量子干渉素子１０にはゼロでない電圧が発生する。この閾値を臨界電流と呼ぶことにする。臨界電流が磁束の関数になることを利用することで、臨界電流の測定により磁束を高感度で検出することができる。
【００１５】
この構造は、トンネル層を超伝導体層で挟んで構成した従来のＳＩＳ型のジョセフソン接合とは異なり、超伝導体層、酸化膜などのトンネル層、超伝導体層の最低三層の成膜工程が必要ではないため、トンネル層の形成が不要となり工程数を減らすことができる。
特に、従来の構造では、銅酸化物による高温超電導体に対してトンネル層を積層するので、せっかく形成された洗浄表面が必ず汚染され、ジョセフソン接合の特性が悪くなっていた。しかしながら、超伝導量子干渉素子１０では、酸化膜を部分的に除去してトンネル層を形成することはないため、ジョセフソン接合の電気的な特性の制御や再現性が良くなり、超伝導量子干渉素子１０の感度などの特性も極めて向上する。
【００１６】
さらに、超伝導量子干渉素子１０の構成について具体的に説明する。
超伝導量子干渉素子１０は、図１に示すように、超伝導体層１２及び強磁性層１３が基板１１上に配設されて構成されている。図１（Ａ）では基板１１は省略している。
基板１１として、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板、ＬａとＡｌとＯからなる化合物（ＬａＡｌＯ３）基板、ＳｒとＡｌとＯとからなる化合物（ＳｒＡｌＯ３）基板が挙げられる。
【００１７】
超伝導体層１２は、四角形、矩形状、円環状その他のリング部１２Ａを有する。超伝導体層１２は、一対のアンテナ部１２Ｃ，１２Ｄが一対の狭窄部１２Ｅ，１２Ｆにより連結されてループを構成している。一対のアンテナ部１２Ｃ，１２Ｄは何れも、例えば図１に示すように横幅Ｗ１１、縦幅Ｗ１２、厚みＤ１１の矩形状である。一対のアンテナ部は、図示を省略するが、台形状、特に等脚台形状であってもよい。この場合、平行をなす上底部と下底部の何れか一方に一対の狭窄部１２Ｅ，１２Ｆが接続されている。一対の狭窄部１２Ｅ，１２Ｆは、図１に示すように幅Ｗ２１、長さＬ２１、厚みＤ１１を有する細線部である。
【００１８】
ここで、横幅Ｗ１１、縦幅Ｗ１２は何れも、０．１μｍ以上でかつ１０００μｍ以下であることが良く、特に下記の範囲であることが好ましい。
０．１μｍ≦Ｗ１１≦１０μｍ
１μｍ≦Ｗ１２≦１０μｍ
【００１９】
Ｗ２１は５μｍ程度以下であればよいが、高温超伝導体層１２のコヒーレンス長と同程度、例えば３０ｎｍから５０ｎｍ程度としてもよい。幅Ｗ２１は、電流分布が一様となるように設定される必要がある。これは、電流分布が一様でない場合には、ジョセフソン磁束が生じてしまい、動作に支障をきたすからである。そのため、高温超伝導体層１２における幅Ｗ２１はジョセフソン侵入長程度以下という条件でなければならない。ジョセフソン侵入長は臨界電流に反比例するので、温度を変化させることによってジョセフソン接合がこの条件を満たすようにすればよい。
【００２０】
高温超伝導体層１２における厚さＤ１１の唯一の制約は、超伝導特性が発現するための必要最小限の値以上になっていることである。その具体的値は、超伝導体の材料として何を用いるかに依存する。例えば、後述する実施例の銅酸化物超伝導体の場合、過去の文献では、数ｎｍで比較的良好な超伝導特性が発現している例がある。
【００２１】
一対のアンテナ部１２Ｃ，１２Ｄは、一対の狭窄部１２Ｅ，１２Ｆの長さＬ２１だけ離れて配設される。この長さＬ２１は下記の範囲が好ましい。
０．１μｍ≦Ｌ２１≦１０μｍ
上記範囲を超えると、磁束量子１個の運動を取り出すことが著しく困難になるからである。
【００２２】
超伝導体層１２は、超伝導体、例えばニオブ、窒化ニオブ、アルミニウム、鉛を含む化合物や銅酸化物超伝導体で成る。銅酸化物超伝導体として、Ｌａ，Ｓｒ，Ｃｕ及びＯからなる化合物（ＬＳＣＯ）、Ｙ，Ｂａ，Ｃｕ及びＯからなる化合物（ＹＢＣＯ）、Ｂｉ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ及びＯからなる化合物（ＢＳＣＣＯ）などが挙げられる。特に、超伝導体層１２が大きいＴｃを有することで、ジョセフソン接合のＩｃＲＮ積が大きくなる。
【００２３】
強磁性層１３は、第１の実施形態では、一対の狭窄部１２Ｅ，１２Ｆとしての細線部上にそれぞれ被覆されている。強磁性層１３は、図示するように、各狭窄部１２Ｅ，１２Ｆに被覆され、その両端部が基板１１上に延設されていても、図示を省略するが、各狭窄部１２Ｅ，１２Ｆ上にのみ被覆されていてもよい。強磁性層１３は、狭窄部１２Ｅ，１２Ｆのうち強磁性層１３で被覆されている領域が強磁性層１３により超伝導体（Ｓ）から絶縁体（Ｉ）に転移してバリアが形成されるため、強磁性層１３の幅Ｗ３１は下記の範囲であることが好ましい。
【００２４】
強磁性層１３の狭窄部１２Ｅ，１２Ｆ方向の幅Ｗ３１は、高温超伝導体層１２における狭窄部を覆う長さであればよい。例えば、強磁性層１３の幅Ｗ３１は、理論的には、超伝導体のコヒーレンス長程度でないとジョセフソン効果は起こらないが、未解明の機構などによりそれより長距離でジョセフソン効果が生起する可能性もある。この場合には、寸法上の制約はなくなる。強磁性層１３の幅Ｗ３１は、具体的には数ｎｍから１μｍ程度の範囲、即ち２ｎｍ〜１μｍであればよい。特に２ｎｍから０．１μｍの範囲が好ましい。
強磁性層１３の積層方向の厚さｔは、下部にある高温超伝導体層１２の超伝導特性を抑制してジョセフソン特性が出現しさえすればよいので、厚くする分には特に寸法上の制約はない。例えば、１０ｎｍ以上（ｔ≧１０ｎｍ）とすればよい。厚さｔが大凡１０ｎｍ未満では、後述する高温超伝導体層における狭窄部１２Ｃへのバリア作用が果たせなくなるので好ましくない。
なお、強磁性層１３の長さＬ３１は、狭窄部１２Ｅ，１２Ｆの幅Ｗ２１と同程度で狭窄部１２Ｅ，１２Ｆを被覆するだけの長さを有していても、また、図示するように、狭窄部１２Ｅ，１２Ｆの幅Ｗ２１よりも長くてもよい。
【００２５】
強磁性層１３は、Ｆｅ３Ｏ４など各種フェライトその他の絶縁性強磁性材料で構成しても、鉄（Ｆｅ），ニッケル（Ｎｉ），マンガン（Ｍｎ），クロム（Ｃｒ）などの単体又は合金その他の導電性強磁性材料で構成してもよい。
【００２６】
超伝導量子干渉素子の第２実施形態について説明する。
図２は、第２実施形態に係る超伝導量子干渉素子２０を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ２-Ｘ２線に沿う断面図である。なお、図１と同一又は対応する部材には同一の符号を付してある。
図２に示す超伝導量子干渉素子２０は第１の実施形態と異なり、リング部１２Ａを有する超伝導体層１２と、この超伝導体層１２のリング部１２Ａの一箇所を被覆した強磁性層１３と、を有する。超伝導体層１２のリング部１２Ａのうち強磁性層１３で被覆された領域１２Ｂが、強磁性層１３により超伝導体（Ｓ）から絶縁体（Ｉ）へ転移し、障壁となる。この構造により所謂ＳＩＳ型のジョセフソン接合が１箇所で形成されるため、ＲＦ−ＳＱＵＩＤを構成する。このＲＦ−ＳＱＵＩＤにおいても臨界電流の測定による磁束を高感度で検出することができる。
【００２７】
超伝導量子干渉素子の第３の実施形態について説明する。
図３は、第３実施形態に係る超伝導量子干渉素子３０を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ３-Ｘ３線に沿う断面図である。図３に示す超伝導量子干渉素子３０は第１の実施形態と異なり、基板１１において超伝導体層１２及び強磁性層１３が形成されない領域がオーバーエッチングされている。すなわち、超伝導体層１２及び強磁性層１３が基板１１のメサ部３１Ａ上に形成されている点で異なる。基板１１をオーバーエッチングすることで、基板１１上の超伝導体層１２や強磁性層１３との段差にウエットエッチング残渣が残らない。従って、ジョセフソン接合の特性劣化の要因とはならない。
【００２８】
超伝導量子干渉素子の第４の実施形態について説明する。
図４は、第４実施形態に係る超伝導量子干渉素子４０を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ４-Ｘ４線に沿う断面図である。図４に示す超伝導量子干渉素子４０は第２の実施形態と異なり、基板１１において超伝導体層１２及び強磁性層１３が形成されない領域がオーバーエッチングされている。すなわち、超伝導体層１２及び強磁性層１３が基板１１のメサ部３１Ａ上に形成されている点で異なる。基板１１をオーバーエッチングすることで、基板１１上の超伝導体層１２や強磁性層１３との段差にウエットエッチング残渣が残らない。従って、ジョセフソン接合の特性劣化の要因とはならない。
【００２９】
ここで、前述の超伝導量子干渉素子１０，２０，３０，４０では基板１１上に超伝導体層１２を直接設けていたが、超伝導体層１２の結晶性を高めるために基板１１と超伝導体層１２との間にバッファー層を設けても良い。
【００３０】
また、超伝導量子干渉素子１０，２０，３０，４０では、超伝導体層１２の上に強磁性層１３を直接設けていたが、特に導電性の強磁性層の場合には、超伝導体層１２と強磁性層１３との間に絶縁膜が介在していてもよい。この絶縁膜は従来のＳＩＳ型のジョセフソン接合に不可欠なトンネル層としては作用しない。この介在させる絶縁膜は、単に絶縁特性を有すれば良く、例えば数ｎｍから数十ｎｍの厚さを有する。絶縁膜は超伝導量子干渉素子の製造工程において強磁性層１３となる鉄やニッケルなどの単体又は合金その他の強磁性材料の表面に形成される自然酸化膜でも、意図的に形成したＳｉ３Ｎ４膜やＳｉＯ２膜などの絶縁膜でもよい。
【００３１】
次に、本発明の超伝導量子干渉素子の製造方法について、図１に示す第１の実施形態の場合を例にとって説明する。図５は、本発明の超伝導量子干渉素子の製造工程を示す図である。
先ず、図５（Ａ）に示すように、基板１１上に超伝導体層１２となる膜５１を成膜する。その際、基板１１には予めバッファー層（図示せず）が形成されていてもよい。成膜にはパルスレーザを用いたアブレーション法、すなわちＰＬＤ法等の堆積法を用い、所定の厚さとなるまで堆積を行う。
【００３２】
次に、超伝導量子干渉素子の電流端子１２Ｇ，１２Ｈに接続される電極を形成する。その際、アライメント用のマーカーを同時に形成することが好ましい。具体的には、膜５１の上に電子ビーム露光用レジストを塗布し、電子ビーム露光用レジストを露光し、電子ビーム露光用レジストを現像し、電極やマーカーとなる領域を開口したパターンを形成する。このマスクパターンに電極となる金属層を堆積し、レジストを除去する、所謂リフトオフ法により電極やマーカーを同時に形成することができる。
【００３３】
次に、強磁性層１３を形成するためのリフトオフマスクを形成する。具体的には、図５（Ｂ）に示すように膜５１の上に電子ビーム露光用レジスト５２を塗布し、図５（Ｃ）に示すように電子ビーム露光用レジスト５２に対して露光５６を行い、電子ビーム露光用レジスト５２の現像を行うことで、強磁性層が配置されるべき領域が開口されたレジストパターン５３をエッチングにより形成する（図５（Ｄ）参照）。
【００３４】
次に、レジストパターン５３が形成された基板の表面全体に、強磁性材料５４を抵抗加熱による蒸着法等により堆積し（図５（Ｅ）参照）、レジストパターンをエッチングにより除去する（図５（Ｆ）ご参照）。これで、所謂リフトオフ工程により余分な強磁性膜が除去され、強磁性層１３のパターンが超伝導膜５１上に形成される。
【００３５】
次に、余分な超伝導膜５１をエッチングにより除去して超伝導体層１２を形成する。具体的には、電子ビーム露光用レジスト５５を塗布し（図５（Ｇ）参照）、電子ビーム露光用レジストの露光５６を行い、電子ビーム露光用レジストの現像を行うことで、超伝導体層となる以外の領域が開口されたレジストパターン５７をエッチングにより形成する（図５（Ｉ）参照）。
【００３６】
その後、図５（Ｊ）に示すレジストパターン５７を除去することにより、図１に示す超伝導量子干渉素子１０を作製することができる（図５（Ｋ）参照）。
【００３７】
ここで、図２に示す超伝導量子干渉素子２０を作製する場合には、上記工程において、強磁性層が配置される領域が開口されたレジストパターンを変えることで実現できる。
【００３８】
図３及び図４に示す超伝導量子干渉素子３０，４０の作製方法について説明する。超伝導量子干渉素子３０と超伝導量子干渉素子４０とでは強磁性層のパターンが異なるだけであるので、特に、超伝導量子干渉素子３０の場合について説明する。
【００３９】
図６は、図３に示す超伝導量子干渉素子３０の作製工程の一部を示す図である。
図３に示す超伝導量子干渉素子３０を作製する場合、図５に示すように、超伝導量子干渉素子１０の作製工程と同様な工程を経る。そして、図５（Ｊ）に示す状態、すなわち、図６（Ａ）に示す状態となる。
次に、図６（Ｂ）に示すようにイオン５８でイオンミリングやリアクティグイオンエッチング（ＲＩＥ）を行うことで、基板１１のうち、超伝導体層及び強磁性層が形成されていない領域をオーバーエッチングして、メサ部３１Ａを形成する（図６（Ｃ）参照）。
その後、図６（Ｃ）に示すレジストパターン５７を除去することにより、図３に示す超伝導量子干渉素子３０を作製することができる（図６（Ｄ）参照）。
【００４０】
このようにして、超伝導量子干渉素子１０，２０，３０，４０が作製できるが、最終工程として、電極以外の領域に最終保護膜を形成することが好ましい。
【実施例】
【００４１】
超伝導量子干渉素子として図１に示すＤＣ−ＳＱＵＩＤを次の工程により作製した。
先ず、ＬａＳｒＡｌＯ４基板１１上にＬａ２−ｘＳｒｘＣｕＯ４（ＬＳＣＯ）を約４２ｎｍ堆積させた。波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザによるＰＬＤ法を用いた。
次に、Ｌａ２−ｘＳｒｘＣｕＯ４超伝導体層となる膜５１上にポジ型の電子ビーム露光用レジスト（Ｓｈｉｐｌｅｙ社製、型番１８１３）を塗布し、電子ビーム露光を行い、現像を行うことによって電極が配置されるべき領域が開口されたレジストパターンを形成した。
レジストパターンを形成した基板１１の表面全面に電極となる金を抵抗加熱による蒸着法により堆積させた。基礎真空度は約５×１０−６Ｔｏｒｒであり、１ｎｍ／秒の蒸着速度で２５０ｎｍ堆積させた。そして、レジストパターン５３をエッチングで除去する、所謂リフトオフ工程により余分な金を除去して電極及びアライメント用のマーカーを膜５１上に形成した。
【００４２】
次に、Ｌａ２−ｘＳｒｘＣｕＯ４超伝導体層となる膜５１上にポジ型の電子ビーム露光用レジスト５２（Ｓｈｉｐｌｅｙ社製、型番１８１３）を塗布し、電子ビーム露光を行い、現像を行うことによって強磁性層１３が配置されるべき領域を開口させたレジストパターン５３を形成した（図５（Ｄ）参照）。
図５（Ｅ）に示すようにレジストパターン５３を形成した基板１１の表面全体に強磁性層１３となる鉄を抵抗加熱による蒸着法により堆積させた。基礎真空度は約５×１０−7Ｔｏｒｒであり、１ｎｍ／秒の蒸着速度で６０〜１００ｎｍ堆積させた。
そして、レジストパターン５３をエッチングで除去する、所謂リフトオフ工程により余分な鉄を除去して強磁性層１３のパターンが超伝導体層１２上に形成した（図５（Ｆ）参照）。その際、強磁性層１３の幅Ｗ３１は１００〜５００ｎｍであり、長さＬ３１は２μ〜１０μｍであった。
【００４３】
その後、ＬＳＣＯ薄膜エッチングのために、電子ビーム露光用レジスト５５を塗布し（図５（Ｇ）参照）、電子ビーム露光用レジストを露光し、電子ビーム露光用レジストの現像を行うことで、超伝導体層となる以外の領域が開口されたレジストパターン５７をエッチングにより形成した。そして、超伝導体膜のうちマスクで覆われていない部分を０．０１〜０．０５％の塩酸でエッチングし、その後マスク５７を除去した。
【００４４】
図７は、作製した超伝導量子干渉素子１０のＳＥＭ像を示す図である。図７に示すように、超伝導体層１２として、一対の矩形状のアンテナ部１２Ｃ，１２Ｄにおける両側に電流端子１２Ｇ，１２Ｈが形成され、一対の矩形状のアンテナ部１２Ｃ，１２Ｄの間に一対の狭窄部１２Ｅ，１２Ｆとしての細線部が接続されて、略正方形状のループが形成されていることが分かる。また、一対の狭窄部１２Ｅ，１２Ｆとしての細線部にそれぞれ強磁性層１３がブリッジ状に跨って被覆されていることが分かる。
【００４５】
図８は、実施例においてパルスレーザアブレーション法で堆積したＬａ２−ｘＳｒｘＣｕＯ４（ｘ＝０．１５）膜の抵抗についての温度依存性を示す図である。図８の縦軸は抵抗（Ω）であり、横軸は絶対温度（Ｋ）である。図８から明らかなように、Ｌａ２−ｘＳｒｘＣｕＯ４（ｘ＝０．１５）膜からなる超伝導体層の臨界温度は約３０Ｋであることが分かった。
【００４６】
図９は、作製した超伝導量子干渉素子１０の電流−電圧特性を示す図である。図９の縦軸は電流（μＡ）であり、横軸は電圧（μＶ）である。測定温度は８Ｋとした。図９から、超伝導量子干渉素子１０は良好な電流−電圧特性を示すことが分かる。
【００４７】
図１０は、作製した超伝導量子干渉素子１０の電圧−磁束特性を示す図である。図１０の縦軸は生じる電圧（μＶ）であり、横軸は外部からの磁束（Ｇ）である。なお、測定温度は１８Ｋとし、電流端子間に５３０μＡの一定電流を流した。図１０から、外部からの磁束の変化に応じて電圧が振動しており、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ特有の特性が得られていることが分かった。
【００４８】
（比較例）
比較例として、強磁性層の素材を鉄（Ｆｅ）から、非磁性層の銅（Ｃｕ）に代え、同一寸法で同一構造の素子を作製した。
図１１は、実施例と比較例における電流−電圧特性を示す図である。図の縦軸は電流（ｍＡ）を、横軸は電圧（ｍＶ）を示す。実施例の結果を塗り潰したマーク（■等）で示し、比較例の結果を中空のマーク（□等）で示している。測定温度は、８，１０，１２，１４，１６，１８，２０Ｋとした。
図１１から、実施例では臨界電流は小さいのに対して、比較例では臨界電流が大きくなっていることが分かった。また、電流−電圧特性の曲線は、比較例ではフラックスフロー的になっており、ジョセフソン接合が形成されていないことが示唆されている。
【００４９】
図１２は臨界電流の磁場依存性を示す図であり、図の縦軸は臨界電流Ｉｃ（μＡ）、横軸は磁束密度Ｂ（Ｇ）である。マーク（●）のプロットが実施例の結果であり、マーク（■）のプロットが比較例の結果である。
図１２から、鉄からなる磁性層を狭窄部に載置してブリッジ構造とした場合には、●プロットが示すように、ジョセフソン接合特有のフランホファー型の磁場依存性が観測されたが、鉄からなる層を狭窄部に載置した場合にはそのような変化は観察されなかった。
【００５０】
図１３は、実施例の超伝導量子干渉素子で用いたジョセフソン接合において、２ＧＨｚのマイクロ波を照射したときの電流電圧特性及び微分抵抗を測定した結果を示す図である。図の横軸は一対のアンテナ部間への印加電圧（μＶ）であり、左縦軸が電流（μＡ）を、右縦軸が微分抵抗（ｄＶ／ＤＩ［Ω］）を示している。測定温度は３５Ｋである。図中、■のプロットはマイクロ波を照射していないときの電流電圧特性の測定結果を示し、●のプロットはマイクロ波を８００μＷ照射したときの電流電圧特性の測定結果を示し、○のプロットは、マイクロ波を８００μＷ照射したときの微分抵抗の測定結果を示す。
図１３から明らかなように、実施例ではジョセフソン接合に流れる電流は、その微分抵抗においてなだらかなキンクが約４μＶおきに観測された。
【００５１】
ジョセフソン接合が示す干渉効果であるシャッピーロ・ステップは、下記式（１）で表される。
Ｖ＝ｈｆ／（２ｅ）＝Φｆ （１）
ここで、Ｖはシャッピーロ・ステップの間隔電圧（Ｖ）、ｈはプランク定数（6.626×10-34Ｊ・ｓ）、ｅは電子の単位電荷（1.602×10-19Ｃ）、Φ＝ｈ／（２ｅ）は磁束量子である。
２ＧＨｚのマイクロ波を照射したときのシャッピーロ・ステップの間隔は、式（１）から、約４μＶと計算される。従って、実施例で観察されたキンクのステップ間隔は式（１）を満足し、ジョセフソン接合の干渉効果によるシャッピーロ・ステップが観察されていることが判明した。
【００５２】
図１４は、比較例の素子において、２ＧＨｚのマイクロ波を照射したときの電流電圧特性及び微分抵抗を測定した結果を示す図である。図の横軸は一対のアンテナ部間への印加電圧（μＶ）であり、縦軸が電流（μＡ）を示している。測定温度は９Ｋである。図中、■プロットはマイクロ波を照射していないときの電流電圧特性の測定結果を示し、●プロットはマイクロ波を８００μＷ照射したときの電流電圧特性の測定結果を示す。
図１４から明らかなように、比較例では、図１３と異なり、臨界電流の変化のみであり、干渉構造は一切観察されなかった。
【００５３】
以上の実施例及び比較例の結果から、一対の狭窄部に鉄からなる強磁性層を載せた素子では、ジョセフソン接合が形成されていることが分かった。
【００５４】
上記実施例において、超伝導体層１２の一部に強磁性層１３を配置するという所謂ブリッジ構造のジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子１０〜４０が簡単な製造工程で実現できることが分かった。
【００５５】
本発明は図面に示された形状などの構造に限定されるものではなく、発明の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、超伝導体層１２や強磁性層１３の寸法は所望のＩｃＲＮ積が得られるよう適宜設計することができ、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】第１実施形態に係る超伝導量子干渉素子を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ１-Ｘ１線に沿う断面図である。
【図２】第２実施形態に係る超伝導量子干渉素子を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ２-Ｘ２線に沿う断面図である。
【図３】第３実施形態に係る超伝導量子干渉素子を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ３-Ｘ３線に沿う断面図である。
【図４】第４の実施形態に係る超伝導量子干渉素子を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ４-Ｘ４線に沿う断面図である。
【図５】本発明の超伝導量子干渉素子の製造工程を示す図である。
【図６】図３に示す超伝導量子干渉素子の作製工程の一部を示す図である。
【図７】作製した超伝導量子干渉素子のＳＥＭ像を示す図である。
【図８】実施例においてパルスレーザアブレーション法で堆積したＬａ２−ｘＳｒｘＣｕＯ４（ｘ＝０.１５）膜の抵抗についての温度依存性を示す図である。
【図９】作製した超伝導量子干渉素子の電流−電圧特性を示す図である。
【図１０】作製した超伝導量子干渉素子の電圧−磁束特性を示す図である。
【図１１】実施例と比較例における電流−電圧特性を示す図である。
【図１２】臨界電流の磁場依存性を示す図である。
【図１３】実施例の超伝導量子干渉素子で用いたジョセフソン接合において、２ＧＨｚのマイクロ波を照射したときの電流電圧特性及び微分抵抗を測定した結果を示す図である。
【図１４】比較例の素子において、２ＧＨｚのマイクロ波を照射したときの電流電圧特性及び微分抵抗を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０，２０，３０，４０ 超伝導量子干渉素子
１１ 基板
１２ 超伝導体層
１２Ａ リング部
１２Ｂ 領域
１２Ｃ，１２Ｄ アンテナ部
１２Ｅ，１２Ｆ 狭窄部
１２Ｇ，１２Ｈ 電流端子
１３ 強磁性層
３１Ａ メサ部
５１ 超伝導膜
５２ 電子ビーム露光用レジスト
５３ レジストパターン
５４ 強磁性材料
５５ 電子ビーム露光用レジスト
５６ 露光
５７ レジストパターン
５８ イオン流
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジョセフソン接合を用いた超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）とこのＳＱＵＩＤを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、超伝導トンネル接合として、酸化膜（Ｉ）の両側に超伝導体層（Ｓ）を挟み込んだＳＩＳ型ジョセフソン接合がある。このＳＩＳ型ジョセフソン接合を作製する場合、超伝導体層と絶縁バリア層と超伝導体層との合計３層を順に積層するために最低でも３回の成膜工程が必要であった（例えば、非特許文献１参照）。超伝導トンネル接合の特性は、いわゆるＩｃＲＮ積によって特徴づけられ、この値が大きいほど良好な接合となる。
【０００３】
単一磁束量子デバイス（Single Flux Quantum Device、以下、ＳＦＱ素子と称する。）は、ジョセフソン接合を用いた論理回路である（非特許文献２参照）。このＳＦＱ素子においては、磁束量子一本がジョセフソン接合を横切るときに発生するパルス状の電圧を利用して論理回路を構成する。この場合のスイッチング速度は、ＩｃＲＮ積に逆比例する。従って、ＩｃＲＮ積が大きい程、高速で動作する。ＩｃＲＮ積は、大凡、ジョセフソン接合に用いる超伝導体の臨界温度（Ｔｃ）に比例して大きくなる。
【０００４】
【非特許文献１】Gomez Espinoza Luis Beltran、博士号学位論文、米国、Cincinnati大学、２００３年５月３０日提出
【非特許文献２】萬 伸一、「単一磁束量子デバイス」、固体物理、第４０巻、No.１０，ｐ．８０７、２００５年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高温超伝導体層を用いたジョセフソン接合によれば、そのＴｃが従来のＮｂなどの超伝導体よりも大きいので、ＩｃＲＮ積が大きくなることが予測されている。しかしながら、現状の高温超伝導体においては、ＩｃＲＮ積が理論的に期待される値に対し１０％程度の値をもつジョセフソン接合しか得られず、ＩｃＲＮ積が高くできないという課題がある。
【０００６】
特に、高温超伝導体においては、絶縁バリア層作製の制御性や再現性を高めることが非常に困難であるために、良質の超伝導ＳＩＳ型トンネル接合の作製ができなかった。そのため、安定した特性を有する量子磁束干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を簡便な方法で作製することが困難であった。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑み、超伝導体、特に高温超伝導体によるＳＩＳ型ジョセフソン接合において、良好な絶縁バリア層が得られないという技術的困難を克服するために、絶縁バリア層の形成を不要とする新たな超伝導量子干渉素子及びその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、超伝導体層上に強磁性層を被覆した構造において、強磁性層をなす磁性体が下側の超伝導体層の超伝導を抑制し、特に高温超伝導体層に対して超伝導体（Ｓ）から絶縁体（Ｉ）への転移を引き起こす点に着目してなされたものである。
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の超伝導量子干渉素子は、リング部を有する超伝導体層と、リング部上に配設された一又は複数の強磁性層と、を備える。
具体的には、一対のアンテナ部を一対の狭窄部で接続して構成したリング部を有する超伝導体層と、この一対の狭窄部の一方に跨るように配設された強磁性層と、を備える。
一対のアンテナ部を一対の狭窄部で接続して構成したリング部を有する超伝導体層と、一対の狭窄部のそれぞれに跨るように配設された強磁性層と、を備えるようにしてもよい。
好ましくは、超伝導体層及び強磁性層は、基板をオーバーエッチングして形成されたメサ部上に配設されている。
好ましくは、一対のアンテナ部のそれぞれは、縦幅０．１〜１０００μｍ×横幅０．１〜１０００μｍの矩形状を成し、狭窄部はμｍのオーダーの幅であり、強磁性層は、２ｎｍ〜１μｍの幅である。
【００１０】
上記他の目的を達成するため、本発明は、リング部を有する超伝導体層と、リング部上に配設された一又は複数の強磁性層とを備える超伝導量子干渉素子の作製方法であって、基板上に超伝導膜を形成するステップと、超伝導膜上に強磁性膜を形成してパターニングにより強磁性層を形成するステップと、超伝導膜の不要な部分をエッチングして超伝導体層を形成するステップと、を含む。
好ましくは、超伝導膜をエッチングして超伝導体層を形成した後に、さらに基板をオーバーエッチングする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の超伝導量子干渉素子によれば、超伝導体層のループ部の一部に強磁性層を配設して構成されているため、強磁性層で被覆された超伝導体層の超伝導体から絶縁体へ転移が生じ、これにより、ＳＩＳ型ジョセフソン接合が形成される。よって、従来のようにバリア層を超伝導体層で挟んだ構造と異なり、簡単な構造により超伝導量子干渉素子を実現できる。
【００１２】
本発明の超伝導量子干渉素子の製造方法によれば、従来のバリア層を形成する必要がなく、超伝導体層のループ部の一部に強磁性層が一又は複数跨って配設することで作製することができるので、従来のようにフッ酸などでパターニングしてバリア層を形成するというプロセスを経る必要がない。よって、従来のように、超伝導体層とバリア層との界面特性が劣化するという問題が生じない。また、プロセス工程数が少なく、作製制御が容易な作製方法を提供することができる。これにより、再現性がよく、感度の高い超伝導量子干渉素子を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。各図において、同一又は対応する部材には同一の符号を用いる。
超伝導量子干渉素子の第１実施形態について説明する。
図１は、第１実施形態に係る超伝導量子干渉素子を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ１-Ｘ１線に沿う断面図である。超伝導量子干渉素子１０は、リング部１２Ａを有する超伝導体層１２と、この超伝導体層１２のリング部１２Ａの一部を跨いで配設された強磁性層１３，１３と、を有する。第１実施形態では、複数の強磁性層１３、１３がリング部１２Ａに跨いで被覆している。超伝導体層１２のリング部１２Ａのうち強磁性層１３，１３で被覆された領域１２Ｂ，１２Ｂが、強磁性層１３により超伝導体（Ｓ）から絶縁体（Ｉ）へ転移し、障壁となる。この構造により所謂ＳＩＳ型のジョセフソン接合が２箇所で形成されるため、所謂ＤＣ−ＳＱＵＩＤを構成する。
【００１４】
上記構造において、超伝導体層１２の各両端部に電流端子１２Ｇ，１２Ｈが設けられている。電流端子１２Ｇ，１２Ｈ間に電流を流すと、ある閾値を超えたときに超伝導量子干渉素子１０にはゼロでない電圧が発生する。この閾値を臨界電流と呼ぶことにする。臨界電流が磁束の関数になることを利用することで、臨界電流の測定により磁束を高感度で検出することができる。
【００１５】
この構造は、トンネル層を超伝導体層で挟んで構成した従来のＳＩＳ型のジョセフソン接合とは異なり、超伝導体層、酸化膜などのトンネル層、超伝導体層の最低三層の成膜工程が必要ではないため、トンネル層の形成が不要となり工程数を減らすことができる。
特に、従来の構造では、銅酸化物による高温超電導体に対してトンネル層を積層するので、せっかく形成された洗浄表面が必ず汚染され、ジョセフソン接合の特性が悪くなっていた。しかしながら、超伝導量子干渉素子１０では、酸化膜を部分的に除去してトンネル層を形成することはないため、ジョセフソン接合の電気的な特性の制御や再現性が良くなり、超伝導量子干渉素子１０の感度などの特性も極めて向上する。
【００１６】
さらに、超伝導量子干渉素子１０の構成について具体的に説明する。
超伝導量子干渉素子１０は、図１に示すように、超伝導体層１２及び強磁性層１３が基板１１上に配設されて構成されている。図１（Ａ）では基板１１は省略している。
基板１１として、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板、ＬａとＡｌとＯからなる化合物（ＬａＡｌＯ３）基板、ＳｒとＡｌとＯとからなる化合物（ＳｒＡｌＯ３）基板が挙げられる。
【００１７】
超伝導体層１２は、四角形、矩形状、円環状その他のリング部１２Ａを有する。超伝導体層１２は、一対のアンテナ部１２Ｃ，１２Ｄが一対の狭窄部１２Ｅ，１２Ｆにより連結されてループを構成している。一対のアンテナ部１２Ｃ，１２Ｄは何れも、例えば図１に示すように横幅Ｗ１１、縦幅Ｗ１２、厚みＤ１１の矩形状である。一対のアンテナ部は、図示を省略するが、台形状、特に等脚台形状であってもよい。この場合、平行をなす上底部と下底部の何れか一方に一対の狭窄部１２Ｅ，１２Ｆが接続されている。一対の狭窄部１２Ｅ，１２Ｆは、図１に示すように幅Ｗ２１、長さＬ２１、厚みＤ１１を有する細線部である。
【００１８】
ここで、横幅Ｗ１１、縦幅Ｗ１２は何れも、０．１μｍ以上でかつ１０００μｍ以下であることが良く、特に下記の範囲であることが好ましい。
０．１μｍ≦Ｗ１１≦１０μｍ
１μｍ≦Ｗ１２≦１０μｍ
【００１９】
Ｗ２１は５μｍ程度以下であればよいが、高温超伝導体層１２のコヒーレンス長と同程度、例えば３０ｎｍから５０ｎｍ程度としてもよい。幅Ｗ２１は、電流分布が一様となるように設定される必要がある。これは、電流分布が一様でない場合には、ジョセフソン磁束が生じてしまい、動作に支障をきたすからである。そのため、高温超伝導体層１２における幅Ｗ２１はジョセフソン侵入長程度以下という条件でなければならない。ジョセフソン侵入長は臨界電流に反比例するので、温度を変化させることによってジョセフソン接合がこの条件を満たすようにすればよい。
【００２０】
高温超伝導体層１２における厚さＤ１１の唯一の制約は、超伝導特性が発現するための必要最小限の値以上になっていることである。その具体的値は、超伝導体の材料として何を用いるかに依存する。例えば、後述する実施例の銅酸化物超伝導体の場合、過去の文献では、数ｎｍで比較的良好な超伝導特性が発現している例がある。
【００２１】
一対のアンテナ部１２Ｃ，１２Ｄは、一対の狭窄部１２Ｅ，１２Ｆの長さＬ２１だけ離れて配設される。この長さＬ２１は下記の範囲が好ましい。
０．１μｍ≦Ｌ２１≦１０μｍ
上記範囲を超えると、磁束量子１個の運動を取り出すことが著しく困難になるからである。
【００２２】
超伝導体層１２は、超伝導体、例えばニオブ、窒化ニオブ、アルミニウム、鉛を含む化合物や銅酸化物超伝導体で成る。銅酸化物超伝導体として、Ｌａ，Ｓｒ，Ｃｕ及びＯからなる化合物（ＬＳＣＯ）、Ｙ，Ｂａ，Ｃｕ及びＯからなる化合物（ＹＢＣＯ）、Ｂｉ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ及びＯからなる化合物（ＢＳＣＣＯ）などが挙げられる。特に、超伝導体層１２が大きいＴｃを有することで、ジョセフソン接合のＩｃＲＮ積が大きくなる。
【００２３】
強磁性層１３は、第１の実施形態では、一対の狭窄部１２Ｅ，１２Ｆとしての細線部上にそれぞれ被覆されている。強磁性層１３は、図示するように、各狭窄部１２Ｅ，１２Ｆに被覆され、その両端部が基板１１上に延設されていても、図示を省略するが、各狭窄部１２Ｅ，１２Ｆ上にのみ被覆されていてもよい。強磁性層１３は、狭窄部１２Ｅ，１２Ｆのうち強磁性層１３で被覆されている領域が強磁性層１３により超伝導体（Ｓ）から絶縁体（Ｉ）に転移してバリアが形成されるため、強磁性層１３の幅Ｗ３１は下記の範囲であることが好ましい。
【００２４】
強磁性層１３の狭窄部１２Ｅ，１２Ｆ方向の幅Ｗ３１は、高温超伝導体層１２における狭窄部を覆う長さであればよい。例えば、強磁性層１３の幅Ｗ３１は、理論的には、超伝導体のコヒーレンス長程度でないとジョセフソン効果は起こらないが、未解明の機構などによりそれより長距離でジョセフソン効果が生起する可能性もある。この場合には、寸法上の制約はなくなる。強磁性層１３の幅Ｗ３１は、具体的には数ｎｍから１μｍ程度の範囲、即ち２ｎｍ〜１μｍであればよい。特に２ｎｍから０．１μｍの範囲が好ましい。
強磁性層１３の積層方向の厚さｔは、下部にある高温超伝導体層１２の超伝導特性を抑制してジョセフソン特性が出現しさえすればよいので、厚くする分には特に寸法上の制約はない。例えば、１０ｎｍ以上（ｔ≧１０ｎｍ）とすればよい。厚さｔが大凡１０ｎｍ未満では、後述する高温超伝導体層における狭窄部１２Ｃへのバリア作用が果たせなくなるので好ましくない。
なお、強磁性層１３の長さＬ３１は、狭窄部１２Ｅ，１２Ｆの幅Ｗ２１と同程度で狭窄部１２Ｅ，１２Ｆを被覆するだけの長さを有していても、また、図示するように、狭窄部１２Ｅ，１２Ｆの幅Ｗ２１よりも長くてもよい。
【００２５】
強磁性層１３は、Ｆｅ３Ｏ４など各種フェライトその他の絶縁性強磁性材料で構成しても、鉄（Ｆｅ），ニッケル（Ｎｉ），マンガン（Ｍｎ），クロム（Ｃｒ）などの単体又は合金その他の導電性強磁性材料で構成してもよい。
【００２６】
超伝導量子干渉素子の第２実施形態について説明する。
図２は、第２実施形態に係る超伝導量子干渉素子２０を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ２-Ｘ２線に沿う断面図である。なお、図１と同一又は対応する部材には同一の符号を付してある。
図２に示す超伝導量子干渉素子２０は第１の実施形態と異なり、リング部１２Ａを有する超伝導体層１２と、この超伝導体層１２のリング部１２Ａの一箇所を被覆した強磁性層１３と、を有する。超伝導体層１２のリング部１２Ａのうち強磁性層１３で被覆された領域１２Ｂが、強磁性層１３により超伝導体（Ｓ）から絶縁体（Ｉ）へ転移し、障壁となる。この構造により所謂ＳＩＳ型のジョセフソン接合が１箇所で形成されるため、ＲＦ−ＳＱＵＩＤを構成する。このＲＦ−ＳＱＵＩＤにおいても臨界電流の測定による磁束を高感度で検出することができる。
【００２７】
超伝導量子干渉素子の第３の実施形態について説明する。
図３は、第３実施形態に係る超伝導量子干渉素子３０を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ３-Ｘ３線に沿う断面図である。図３に示す超伝導量子干渉素子３０は第１の実施形態と異なり、基板１１において超伝導体層１２及び強磁性層１３が形成されない領域がオーバーエッチングされている。すなわち、超伝導体層１２及び強磁性層１３が基板１１のメサ部３１Ａ上に形成されている点で異なる。基板１１をオーバーエッチングすることで、基板１１上の超伝導体層１２や強磁性層１３との段差にウエットエッチング残渣が残らない。従って、ジョセフソン接合の特性劣化の要因とはならない。
【００２８】
超伝導量子干渉素子の第４の実施形態について説明する。
図４は、第４実施形態に係る超伝導量子干渉素子４０を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ４-Ｘ４線に沿う断面図である。図４に示す超伝導量子干渉素子４０は第２の実施形態と異なり、基板１１において超伝導体層１２及び強磁性層１３が形成されない領域がオーバーエッチングされている。すなわち、超伝導体層１２及び強磁性層１３が基板１１のメサ部３１Ａ上に形成されている点で異なる。基板１１をオーバーエッチングすることで、基板１１上の超伝導体層１２や強磁性層１３との段差にウエットエッチング残渣が残らない。従って、ジョセフソン接合の特性劣化の要因とはならない。
【００２９】
ここで、前述の超伝導量子干渉素子１０，２０，３０，４０では基板１１上に超伝導体層１２を直接設けていたが、超伝導体層１２の結晶性を高めるために基板１１と超伝導体層１２との間にバッファー層を設けても良い。
【００３０】
また、超伝導量子干渉素子１０，２０，３０，４０では、超伝導体層１２の上に強磁性層１３を直接設けていたが、特に導電性の強磁性層の場合には、超伝導体層１２と強磁性層１３との間に絶縁膜が介在していてもよい。この絶縁膜は従来のＳＩＳ型のジョセフソン接合に不可欠なトンネル層としては作用しない。この介在させる絶縁膜は、単に絶縁特性を有すれば良く、例えば数ｎｍから数十ｎｍの厚さを有する。絶縁膜は超伝導量子干渉素子の製造工程において強磁性層１３となる鉄やニッケルなどの単体又は合金その他の強磁性材料の表面に形成される自然酸化膜でも、意図的に形成したＳｉ３Ｎ４膜やＳｉＯ２膜などの絶縁膜でもよい。
【００３１】
次に、本発明の超伝導量子干渉素子の製造方法について、図１に示す第１の実施形態の場合を例にとって説明する。図５は、本発明の超伝導量子干渉素子の製造工程を示す図である。
先ず、図５（Ａ）に示すように、基板１１上に超伝導体層１２となる膜５１を成膜する。その際、基板１１には予めバッファー層（図示せず）が形成されていてもよい。成膜にはパルスレーザを用いたアブレーション法、すなわちＰＬＤ法等の堆積法を用い、所定の厚さとなるまで堆積を行う。
【００３２】
次に、超伝導量子干渉素子の電流端子１２Ｇ，１２Ｈに接続される電極を形成する。その際、アライメント用のマーカーを同時に形成することが好ましい。具体的には、膜５１の上に電子ビーム露光用レジストを塗布し、電子ビーム露光用レジストを露光し、電子ビーム露光用レジストを現像し、電極やマーカーとなる領域を開口したパターンを形成する。このマスクパターンに電極となる金属層を堆積し、レジストを除去する、所謂リフトオフ法により電極やマーカーを同時に形成することができる。
【００３３】
次に、強磁性層１３を形成するためのリフトオフマスクを形成する。具体的には、図５（Ｂ）に示すように膜５１の上に電子ビーム露光用レジスト５２を塗布し、図５（Ｃ）に示すように電子ビーム露光用レジスト５２に対して露光５６を行い、電子ビーム露光用レジスト５２の現像を行うことで、強磁性層が配置されるべき領域が開口されたレジストパターン５３をエッチングにより形成する（図５（Ｄ）参照）。
【００３４】
次に、レジストパターン５３が形成された基板の表面全体に、強磁性材料５４を抵抗加熱による蒸着法等により堆積し（図５（Ｅ）参照）、レジストパターンをエッチングにより除去する（図５（Ｆ）ご参照）。これで、所謂リフトオフ工程により余分な強磁性膜が除去され、強磁性層１３のパターンが超伝導膜５１上に形成される。
【００３５】
次に、余分な超伝導膜５１をエッチングにより除去して超伝導体層１２を形成する。具体的には、電子ビーム露光用レジスト５５を塗布し（図５（Ｇ）参照）、電子ビーム露光用レジストの露光５６を行い、電子ビーム露光用レジストの現像を行うことで、超伝導体層となる以外の領域が開口されたレジストパターン５７をエッチングにより形成する（図５（Ｉ）参照）。
【００３６】
その後、図５（Ｊ）に示すレジストパターン５７を除去することにより、図１に示す超伝導量子干渉素子１０を作製することができる（図５（Ｋ）参照）。
【００３７】
ここで、図２に示す超伝導量子干渉素子２０を作製する場合には、上記工程において、強磁性層が配置される領域が開口されたレジストパターンを変えることで実現できる。
【００３８】
図３及び図４に示す超伝導量子干渉素子３０，４０の作製方法について説明する。超伝導量子干渉素子３０と超伝導量子干渉素子４０とでは強磁性層のパターンが異なるだけであるので、特に、超伝導量子干渉素子３０の場合について説明する。
【００３９】
図６は、図３に示す超伝導量子干渉素子３０の作製工程の一部を示す図である。
図３に示す超伝導量子干渉素子３０を作製する場合、図５に示すように、超伝導量子干渉素子１０の作製工程と同様な工程を経る。そして、図５（Ｊ）に示す状態、すなわち、図６（Ａ）に示す状態となる。
次に、図６（Ｂ）に示すようにイオン５８でイオンミリングやリアクティグイオンエッチング（ＲＩＥ）を行うことで、基板１１のうち、超伝導体層及び強磁性層が形成されていない領域をオーバーエッチングして、メサ部３１Ａを形成する（図６（Ｃ）参照）。
その後、図６（Ｃ）に示すレジストパターン５７を除去することにより、図３に示す超伝導量子干渉素子３０を作製することができる（図６（Ｄ）参照）。
【００４０】
このようにして、超伝導量子干渉素子１０，２０，３０，４０が作製できるが、最終工程として、電極以外の領域に最終保護膜を形成することが好ましい。
【実施例】
【００４１】
超伝導量子干渉素子として図１に示すＤＣ−ＳＱＵＩＤを次の工程により作製した。
先ず、ＬａＳｒＡｌＯ４基板１１上にＬａ２−ｘＳｒｘＣｕＯ４（ＬＳＣＯ）を約４２ｎｍ堆積させた。波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザによるＰＬＤ法を用いた。
次に、Ｌａ２−ｘＳｒｘＣｕＯ４超伝導体層となる膜５１上にポジ型の電子ビーム露光用レジスト（Ｓｈｉｐｌｅｙ社製、型番１８１３）を塗布し、電子ビーム露光を行い、現像を行うことによって電極が配置されるべき領域が開口されたレジストパターンを形成した。
レジストパターンを形成した基板１１の表面全面に電極となる金を抵抗加熱による蒸着法により堆積させた。基礎真空度は約５×１０−６Ｔｏｒｒであり、１ｎｍ／秒の蒸着速度で２５０ｎｍ堆積させた。そして、レジストパターン５３をエッチングで除去する、所謂リフトオフ工程により余分な金を除去して電極及びアライメント用のマーカーを膜５１上に形成した。
【００４２】
次に、Ｌａ２−ｘＳｒｘＣｕＯ４超伝導体層となる膜５１上にポジ型の電子ビーム露光用レジスト５２（Ｓｈｉｐｌｅｙ社製、型番１８１３）を塗布し、電子ビーム露光を行い、現像を行うことによって強磁性層１３が配置されるべき領域を開口させたレジストパターン５３を形成した（図５（Ｄ）参照）。
図５（Ｅ）に示すようにレジストパターン５３を形成した基板１１の表面全体に強磁性層１３となる鉄を抵抗加熱による蒸着法により堆積させた。基礎真空度は約５×１０−7Ｔｏｒｒであり、１ｎｍ／秒の蒸着速度で６０〜１００ｎｍ堆積させた。
そして、レジストパターン５３をエッチングで除去する、所謂リフトオフ工程により余分な鉄を除去して強磁性層１３のパターンが超伝導体層１２上に形成した（図５（Ｆ）参照）。その際、強磁性層１３の幅Ｗ３１は１００〜５００ｎｍであり、長さＬ３１は２μ〜１０μｍであった。
【００４３】
その後、ＬＳＣＯ薄膜エッチングのために、電子ビーム露光用レジスト５５を塗布し（図５（Ｇ）参照）、電子ビーム露光用レジストを露光し、電子ビーム露光用レジストの現像を行うことで、超伝導体層となる以外の領域が開口されたレジストパターン５７をエッチングにより形成した。そして、超伝導体膜のうちマスクで覆われていない部分を０．０１〜０．０５％の塩酸でエッチングし、その後マスク５７を除去した。
【００４４】
図７は、作製した超伝導量子干渉素子１０のＳＥＭ像を示す図である。図７に示すように、超伝導体層１２として、一対の矩形状のアンテナ部１２Ｃ，１２Ｄにおける両側に電流端子１２Ｇ，１２Ｈが形成され、一対の矩形状のアンテナ部１２Ｃ，１２Ｄの間に一対の狭窄部１２Ｅ，１２Ｆとしての細線部が接続されて、略正方形状のループが形成されていることが分かる。また、一対の狭窄部１２Ｅ，１２Ｆとしての細線部にそれぞれ強磁性層１３がブリッジ状に跨って被覆されていることが分かる。
【００４５】
図８は、実施例においてパルスレーザアブレーション法で堆積したＬａ２−ｘＳｒｘＣｕＯ４（ｘ＝０．１５）膜の抵抗についての温度依存性を示す図である。図８の縦軸は抵抗（Ω）であり、横軸は絶対温度（Ｋ）である。図８から明らかなように、Ｌａ２−ｘＳｒｘＣｕＯ４（ｘ＝０．１５）膜からなる超伝導体層の臨界温度は約３０Ｋであることが分かった。
【００４６】
図９は、作製した超伝導量子干渉素子１０の電流−電圧特性を示す図である。図９の縦軸は電流（μＡ）であり、横軸は電圧（μＶ）である。測定温度は８Ｋとした。図９から、超伝導量子干渉素子１０は良好な電流−電圧特性を示すことが分かる。
【００４７】
図１０は、作製した超伝導量子干渉素子１０の電圧−磁束特性を示す図である。図１０の縦軸は生じる電圧（μＶ）であり、横軸は外部からの磁束（Ｇ）である。なお、測定温度は１８Ｋとし、電流端子間に５３０μＡの一定電流を流した。図１０から、外部からの磁束の変化に応じて電圧が振動しており、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ特有の特性が得られていることが分かった。
【００４８】
（比較例）
比較例として、強磁性層の素材を鉄（Ｆｅ）から、非磁性層の銅（Ｃｕ）に代え、同一寸法で同一構造の素子を作製した。
図１１は、実施例と比較例における電流−電圧特性を示す図である。図の縦軸は電流（ｍＡ）を、横軸は電圧（ｍＶ）を示す。実施例の結果を塗り潰したマーク（■等）で示し、比較例の結果を中空のマーク（□等）で示している。測定温度は、８，１０，１２，１４，１６，１８，２０Ｋとした。
図１１から、実施例では臨界電流は小さいのに対して、比較例では臨界電流が大きくなっていることが分かった。また、電流−電圧特性の曲線は、比較例ではフラックスフロー的になっており、ジョセフソン接合が形成されていないことが示唆されている。
【００４９】
図１２は臨界電流の磁場依存性を示す図であり、図の縦軸は臨界電流Ｉｃ（μＡ）、横軸は磁束密度Ｂ（Ｇ）である。マーク（●）のプロットが実施例の結果であり、マーク（■）のプロットが比較例の結果である。
図１２から、鉄からなる磁性層を狭窄部に載置してブリッジ構造とした場合には、●プロットが示すように、ジョセフソン接合特有のフランホファー型の磁場依存性が観測されたが、鉄からなる層を狭窄部に載置した場合にはそのような変化は観察されなかった。
【００５０】
図１３は、実施例の超伝導量子干渉素子で用いたジョセフソン接合において、２ＧＨｚのマイクロ波を照射したときの電流電圧特性及び微分抵抗を測定した結果を示す図である。図の横軸は一対のアンテナ部間への印加電圧（μＶ）であり、左縦軸が電流（μＡ）を、右縦軸が微分抵抗（ｄＶ／ＤＩ［Ω］）を示している。測定温度は３５Ｋである。図中、■のプロットはマイクロ波を照射していないときの電流電圧特性の測定結果を示し、●のプロットはマイクロ波を８００μＷ照射したときの電流電圧特性の測定結果を示し、○のプロットは、マイクロ波を８００μＷ照射したときの微分抵抗の測定結果を示す。
図１３から明らかなように、実施例ではジョセフソン接合に流れる電流は、その微分抵抗においてなだらかなキンクが約４μＶおきに観測された。
【００５１】
ジョセフソン接合が示す干渉効果であるシャッピーロ・ステップは、下記式（１）で表される。
Ｖ＝ｈｆ／（２ｅ）＝Φｆ （１）
ここで、Ｖはシャッピーロ・ステップの間隔電圧（Ｖ）、ｈはプランク定数（6.626×10-34Ｊ・ｓ）、ｅは電子の単位電荷（1.602×10-19Ｃ）、Φ＝ｈ／（２ｅ）は磁束量子である。
２ＧＨｚのマイクロ波を照射したときのシャッピーロ・ステップの間隔は、式（１）から、約４μＶと計算される。従って、実施例で観察されたキンクのステップ間隔は式（１）を満足し、ジョセフソン接合の干渉効果によるシャッピーロ・ステップが観察されていることが判明した。
【００５２】
図１４は、比較例の素子において、２ＧＨｚのマイクロ波を照射したときの電流電圧特性及び微分抵抗を測定した結果を示す図である。図の横軸は一対のアンテナ部間への印加電圧（μＶ）であり、縦軸が電流（μＡ）を示している。測定温度は９Ｋである。図中、■プロットはマイクロ波を照射していないときの電流電圧特性の測定結果を示し、●プロットはマイクロ波を８００μＷ照射したときの電流電圧特性の測定結果を示す。
図１４から明らかなように、比較例では、図１３と異なり、臨界電流の変化のみであり、干渉構造は一切観察されなかった。
【００５３】
以上の実施例及び比較例の結果から、一対の狭窄部に鉄からなる強磁性層を載せた素子では、ジョセフソン接合が形成されていることが分かった。
【００５４】
上記実施例において、超伝導体層１２の一部に強磁性層１３を配置するという所謂ブリッジ構造のジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子１０〜４０が簡単な製造工程で実現できることが分かった。
【００５５】
本発明は図面に示された形状などの構造に限定されるものではなく、発明の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、超伝導体層１２や強磁性層１３の寸法は所望のＩｃＲＮ積が得られるよう適宜設計することができ、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】第１実施形態に係る超伝導量子干渉素子を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ１-Ｘ１線に沿う断面図である。
【図２】第２実施形態に係る超伝導量子干渉素子を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ２-Ｘ２線に沿う断面図である。
【図３】第３実施形態に係る超伝導量子干渉素子を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ３-Ｘ３線に沿う断面図である。
【図４】第４の実施形態に係る超伝導量子干渉素子を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ４-Ｘ４線に沿う断面図である。
【図５】本発明の超伝導量子干渉素子の製造工程を示す図である。
【図６】図３に示す超伝導量子干渉素子の作製工程の一部を示す図である。
【図７】作製した超伝導量子干渉素子のＳＥＭ像を示す図である。
【図８】実施例においてパルスレーザアブレーション法で堆積したＬａ２−ｘＳｒｘＣｕＯ４（ｘ＝０.１５）膜の抵抗についての温度依存性を示す図である。
【図９】作製した超伝導量子干渉素子の電流−電圧特性を示す図である。
【図１０】作製した超伝導量子干渉素子の電圧−磁束特性を示す図である。
【図１１】実施例と比較例における電流−電圧特性を示す図である。
【図１２】臨界電流の磁場依存性を示す図である。
【図１３】実施例の超伝導量子干渉素子で用いたジョセフソン接合において、２ＧＨｚのマイクロ波を照射したときの電流電圧特性及び微分抵抗を測定した結果を示す図である。
【図１４】比較例の素子において、２ＧＨｚのマイクロ波を照射したときの電流電圧特性及び微分抵抗を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０，２０，３０，４０ 超伝導量子干渉素子
１１ 基板
１２ 超伝導体層
１２Ａ リング部
１２Ｂ 領域
１２Ｃ，１２Ｄ アンテナ部
１２Ｅ，１２Ｆ 狭窄部
１２Ｇ，１２Ｈ 電流端子
１３ 強磁性層
３１Ａ メサ部
５１ 超伝導膜
５２ 電子ビーム露光用レジスト
５３ レジストパターン
５４ 強磁性材料
５５ 電子ビーム露光用レジスト
５６ 露光
５７ レジストパターン
５８ イオン流
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リング部を有する超伝導体層と、該リング部上に配設された一又は複数の強磁性層と、を備える超伝導量子干渉素子。
【請求項２】
一対のアンテナ部を一対の狭窄部で接続してなるリング部を有する超伝導体層と、
上記一対の狭窄部の一方に跨るように配設された強磁性層と、を備える、超伝導量子干渉素子。
【請求項３】
一対のアンテナ部を一対の狭窄部で接続してなるリング部を有する超伝導体層と、
上記一対の狭窄部のそれぞれに跨るように配設された強磁性層と、を備える、超伝導量子干渉素子。
【請求項４】
前記超伝導体層及び前記強磁性層は、基板をオーバーエッチングして形成されたメサ部上に配設されている、請求項１〜３の何れかに記載の超伝導量子干渉素子。
【請求項５】
前記一対のアンテナ部のそれぞれは、縦幅０．１〜１０００μｍ×横幅０．１〜１０００μｍの矩形状を成し、前記狭窄部の幅はμｍのオーダーである、請求項２又は３に記載の超伝導量子干渉素子。
【請求項６】
前記強磁性層の幅は２ｎｍ〜１μｍである、請求項２又は３に記載の超伝導量子干渉素子。
【請求項７】
リング部を有する超伝導体層と、該リング部上に配設された一又は複数の強磁性層と、を備える超伝導量子干渉素子の作製方法であって、
基板上に超伝導膜を形成するステップと、
上記超伝導膜上に強磁性膜を形成してパターニングにより上記強磁性層を形成するステップと、
上記超伝導膜の不要な部分をエッチングして上記超伝導体層を形成するステップと、
を含む、超伝導量子干渉素子の製造方法。
【請求項８】
前記超伝導膜をエッチングして前記超伝導体層を形成した後に、さらに前記基板をオーバーエッチングする、請求項７に記載の超伝導量子干渉素子の製造方法。
【請求項１】
リング部を有する超伝導体層と、該リング部上に配設された一又は複数の強磁性層と、を備える超伝導量子干渉素子。
【請求項２】
一対のアンテナ部を一対の狭窄部で接続してなるリング部を有する超伝導体層と、
上記一対の狭窄部の一方に跨るように配設された強磁性層と、を備える、超伝導量子干渉素子。
【請求項３】
一対のアンテナ部を一対の狭窄部で接続してなるリング部を有する超伝導体層と、
上記一対の狭窄部のそれぞれに跨るように配設された強磁性層と、を備える、超伝導量子干渉素子。
【請求項４】
前記超伝導体層及び前記強磁性層は、基板をオーバーエッチングして形成されたメサ部上に配設されている、請求項１〜３の何れかに記載の超伝導量子干渉素子。
【請求項５】
前記一対のアンテナ部のそれぞれは、縦幅０．１〜１０００μｍ×横幅０．１〜１０００μｍの矩形状を成し、前記狭窄部の幅はμｍのオーダーである、請求項２又は３に記載の超伝導量子干渉素子。
【請求項６】
前記強磁性層の幅は２ｎｍ〜１μｍである、請求項２又は３に記載の超伝導量子干渉素子。
【請求項７】
リング部を有する超伝導体層と、該リング部上に配設された一又は複数の強磁性層と、を備える超伝導量子干渉素子の作製方法であって、
基板上に超伝導膜を形成するステップと、
上記超伝導膜上に強磁性膜を形成してパターニングにより上記強磁性層を形成するステップと、
上記超伝導膜の不要な部分をエッチングして上記超伝導体層を形成するステップと、
を含む、超伝導量子干渉素子の製造方法。
【請求項８】
前記超伝導膜をエッチングして前記超伝導体層を形成した後に、さらに前記基板をオーバーエッチングする、請求項７に記載の超伝導量子干渉素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図７】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図７】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−１４７１７９（Ｐ２００９−１４７１７９Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２４０９３（Ｐ２００７−３２４０９３）
【出願日】平成１９年１２月１５日（２００７．１２．１５）
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１５日（２００７．１２．１５）
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
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