Institute 工nstitute of of Eleotronios Electronics,，Information, 工 nformation and Co Communication unioation Engineers Engineers ，and 社 団 法 人 電子 情 報通 信 学 会 信学技 報 THE 工NSTITUTE OF ELECTRONICS ， INFORMATION AND COMMUNICATION ENGIN 巳ERS IEICE Technical Report SCE2011 −15 （2011 − 10 ＞ プ ラ ズ マ 窒 化 AINx 障 壁 層 を持 舩井 辰則 NbN つ トン ネ ル 接 合 の 電 気 的 特 性 改 善 ＋ † 内 藤 直 生 人 赤 池 宏 之 † 藤巻 朗 † †名 古 屋 大 学 大 学 院 量 子 工 学 専 攻 〒 464 −8603 愛知 県 名 古 屋 市 千 種 区 不 老 町 nuqe ． nagoya −u ． ac ． E −mail †fUnai＠ super ． jp ： あ らま し つ い 述 べ る。こ て 、プ 本誌で は NbN の ラ ズ 窒 化 AINx マ 障壁 層 を持 NbN つ トン ネ ル 接 合 に お け る 接 合 作 製 プ トン ネル 接 合 を 高 周 波 電 磁 波 検 出 器 に 応 用 す る た め に は が 必 要 で あ る 。そ こ で 本研 究 で は 、接 合 特 性 改 善 の た め 、NbN 行 っ た 。そ の 結 果 、接 合 上 部 NbN 接 合 が 得 られ た 。ま た 、Al の ー ー キ ワ 窒化 ド プ ラ ズ マ セ ス 及 び 電 気 的 特 陸改 善 に ロ 、臨 界 電 流密 度 Jc及 び 0． 6 mV O mV 向 上 し 、5 ． 電 力 密 度 を 変 f匕 させ る こ と よ り 、 2 kA ！cm2 ゐ が 最 大 で 1 O ． RF の 向上 の トン ネ ル 接 合 の 上 部 電 極 堆 積 条 件 及 び 障 壁 層 形 成 条 件 の 検 討 を 層 の 堆 積 条 件 の 調 整 及 び 基 板 温 度 を 上 昇 さ せ る こ と に よ り 、嶋 が プラ ズ マ 窒化 時 Vg ギ ャ ッ ブ 電圧 の 接 合 が 得 られ た 。 の NbN 、AINx 、 Improvement in Electrical Characteristics of NbN tunnel Junctions With Plasma −Nitrided AINx Barriers ’ 」 Tatsunori FUNAI T Naoto NAITO Hiroyuki AKAIKB † Akira FUJIMAKI and † University Furo−cho ChikUsa−ku Nagoya Aichi 464 −8603 Japan −u ． nuqe ． nagoya ac ． E −Inail： †魚 nai ＠super ． jp Abstract We presen〔 the fabrication process of NbN tunnel junctions w 油 and the electrical plasma−nitrided AINx barriers characteristics of the junctions ．The applicat ［on of thc junctions tG high frequencyele tromagnet ｛c wavc dctcctors requires increasein the critical current density ノ and the gap voltage Vg fthejunctiQns ． examined In this work we the conditions ofdepositing a coun 亡er NbN ！ ayer ， and fbrming an AINx barr ｛ er for the ofimproving the characteristics ofthejunctions ． As a r hc Vg sult ， し was increased by O ． 4 mV to purpose 5． O mV by a ljusting the deposition conditions and by raising the substrate tenlperaturcduringdcposition of the counter NbN layeL On the other hand， the ノご up to l O． 2 kA 〆cm2 was obtained by changing thc RF powerrdens｛ty fornitriding an AE layez − AINx ， NbN Keyword Plasma Nitridation ， †Department ofQuamtum Engineering Nagoya ， （ は 、超 伝 導 トン ネ ル 接 合 の サ に 比 べ 2 つ の 超伝 導体間 流 れ る 準 粒 子 トン ネ ル 電 流 ヘ テ ロ ダイ 、高 変 換 ミキ ン 、 極 効 率 し て 実 用 化 され て シ ン の 強 い グ を行 う、 低雑 音 と る 。 S 匸S ッ プ領 域の い 特 性 と して サ ブ ギ ャ ッ プ 電圧 で い の リ 立 ち 上 が の ク サ で 絶縁層 の た 特 徴 が あ り、 っ 周 ーク 電 流 が 、受 信 機雑 極 上 記 4 2 倍で あ る約 の without peer review エ 評 価 を行 ピ タ キ シ 効果 と や ギャ し て ャ ル 、比 プ 電 圧 ッ ル き た て っ Al 。接 プ ラ ズ の −Al1NbN NbNfAINTx 合 接 合 作 製 に お の 窒化 を用 マ 作 の い て い て お り 接 合 と は 異 な り 、接 合 三 層 膜 が て い な い 。そ 結果 の 較 的良好 な サ ブ ギ ifgで の ャ ッ 、AINx 障 ブ リ ーク 小 さな 電 圧 遷 移 幅∠ Vg 、 、 エ 壁 層 特 性 が得 ら 、臨 界 電 流 密 度 Jc が 最 大 3kA ！cm2 （Al 膜 O nm 時 ）、あ る い は 8kA ！cm2 （Al 膜 厚 0 ． 厚 1． 7 nm 時 ） と 制 限 さ れ て い た 。ま た 、ギ ャ ッ プ 電 圧 Vg も 最 大 4 ． 35 れ て 1． 4 一 の ピ タ キ シ ャ ル に なっ 限 周 波数 は 性 び 特 ピ タ キ シ ャ エ 接 合 が 実 現 され て い る ［ 4］ 。 は こ れ ま で に 々 障壁 層 形 成 法 と して 。 の ． ．・ 方 、 我 製及 、量 ロ 検出では の う問題 が 起 こ る ［ 3 ］。そ こ 障 壁 層 と し た 高 品 質 な ル りが 急 峻 な 場 合 周 波 数 の に 増 大 す る とい 。 NTbNIAININbN め て 小 This article is a technical report べ SfS 接 合 っ 、動 作 上 と な り 、そ れ 以 上 を トン ネ つ 場合 ニ 半 導体 ミ ク マ 接合 、Nb に 代 わ る 超 伝 導 材 料 と し て 窒 化 オ ブ （NbN ）が 。Nb の 臨 界 温 度 Te が 約 9K で あ る の に 比 、NbN T は 約 16K で あ り 、NbN を 用 い る こ と で 動 作 上 限 波 数 は 約 2． 7THz と 倍 近 く に な る 。 こ れ ま で に AIN 非 線 形 性 を hvlkBに 迫 る 雑 音 温 度 で テ ダ イ ン ミ キ シ ン で き る 。h ．v 、kB は そ れ ぞ れ プ ラ ン ク 定 数 、 信 号 周 波 数 、ボ ル ツ ン 定 数 で あ る 。 し か し 、SIS ミ ク サ は 動 作 周 波 数 に 上 限 が あ り 、接 合 に 用 い る 超 伝 導 材 料 の 固 有 パ ラ メ ー タ で あ る ギ ャ ッ プ 周 波 ｝ft fkに よ て 制 限 さ れ る ［1 ］［ 2］ 在 な 。現 、良 好 接 合 特 性 を 持 こ と − か ら 主 に Nb 〆AIOx Al1Nb 接 合 が 使 用 さ れ て い る Nb 子 限 界 の あ る ミ ク サ に 用 い る ヘ グが 実 現 音 温 度が 急 激 ミ リ 波 、サ ブ ミ リ 波 帯 に お け る 高 感 度 な ミ ク サ 素 子 と さ く 、ギ ャ THz し て ， SIS （Superconductor −Insulator−Superconductor ） ミ 利用 じ じめ に して ， ¢ を通 1 ．は ， （） 。 ， い るが 19 − arld its ， polished and ／or extended version may be published elsewhere ． Copyright 一 ◎ 2G ユI by IEICE NNII-Electronic 工 工 Eleotronio Library Service Library Institute 工nstitute of of Eleotronios Electronics,，Information, 工 nformation and Co Communication unioation Engineers Engineers ，and 16 と なっ て い た ［ 5］ ］。我 mV 々 は 、検 出 器 に 求 め られ る 、ノ♂ 20kAtcm2 以 上 、 Vg 5． OmV 以 を 目 標 と し て い る 。そ こ で 、Vg 及 び Jc の 向 上 が 必 要 電 極 の 超 伝 な る 。 Vg 低 下 の 原 因 と し て 、上 部 NbN 6］ 従 て 、プ ラ ズ 性 の 劣 化 が 大 き い と考 え られ る［ − 窒 化 AINx Al 上 に お け る NbN の 超 伝 導 性 向 上 が 必 要 接 合 特 性 と し て 、Jc 向上 た め に は 障壁 層 形 成 メ カ の を解 明 す る 必 要 が あ る。こ れ ま で が Al と 避 け る た め で あ り 、ま た 導 配 置 し た マ あ る で ン ズ ム ニ 実 験 よ り接 合 特性 の 膜 厚及 び 窒化 時 間 に 依存す る こ とが 判 明 して 4｝ る［ 。そ こ で 、窒 化 時 RF 電 力 密 度 依 存 性 の も検討 す る必 要 が あ る と考 え た で は 本研 究 、上 に 、我 AINx 部 電 極 堆 積条 件 お よび 壁 層 を 用 い 特性 に い て つ NbN た 述 べ トン ． ネル い て 製 接 合 AIN DC 薄 膜 を N2 と と タ ーゲ 、基 板 グ ネ トロ 混合 ガ の トを 対 角 に ッ 堆 積 を避 け る た め で の マ ト を パ ス タ リ ッ Ar 積 した． で 堆 中 ス ン O sccm 流 量 は 2． 0 〜9 ． 、全 圧 〜 − 0， 8 1． 6Pa 、電 圧 は 342 400V 、電 流 は 500 mA で 200nm で あ た 。作 た 。NbN 薄 膜 の 膜 厚 は 145 −・ し た NbN 薄 膜 の Tc と 抵 抗 率 を 測 定 し 、 よ り 高 い Tc で あ り 、N2 っ っ が 得 られ た 条 件 を 新 し い 上 部 電 極 堆 積 条 件 と し て 接 合 が こ れ ま で 作 製 し た プ ラ ズ 々 つ 、NbN り 、Ar に グ法 に よ は あ し た の は試 料 に 与 え る ダ は 余 分 な Al や の ，次 を生 成 流 量 は 40sccm い 。 障壁 層 形 成 条 件 の 検 討 を行 うこ と で 特 性 向 上 を 試 み た で は 側 に プ ラ ズマ っ 。 ある。また 上 ： ーゲ ッ メ ージ が 形 成 さ れ る こ と に な る 。タ 、AINx 窒 化 され 。 た っ 。本 誌 AINx 窒化 マ 作 製 を 行 障 2． 2 ．接 合 作製 プ ロ セ ス 作 製 方 法 お よび 諸 の 。 る 2 ．実 験 方 法 2． 1．AINx −A 董上 に お け る NbN 薄 膜 の 作 製 こ こ で は 、 接 合 上 部 NbN 層 堆 積 時 の 下 地 条 件 を 模 擬 2 で 述 べ る 接合 多層 膜堆 積プ セ ス の う す る た め 、2 ， セ ス を 用 い ち 、 下 部 NbN 層 堆 積 プ ロ セ ス を除 い た プ × 10 mmXO 、 5 mm て 試 料 を 作 製 し た 。 ま ず 、 10mm MgO （100 ）単 結 晶 基 板 上 に 、Al 層 を RF グ ネ トロ ン ス パ ッ タ 法 で 、Ar プ ラ ズ で し た 中 堆積 。到 達 真 空 度 は ． 5Pa 8． 0 × 10 以 下 で 、基 板 は 室 温 で あ る ．Al の 堆 積 レ ー ト は 10nm ！min で あ た 。Al を lnm 堆 積 し 、表 面 を プ ラズ 窒 化 し た 。窒 化 時 の チ ャ ン バ ー内 の 様 子 を 4 Pa 、RF 電 力 図 1に示 す 窒 化 条 件 は 、窒 素 ガ ス 圧 0 ． は 2 ． 26W 〆 cm 、 窒 化 時 間 は 5 分 で あ た［ t 密度 ロ 纓 AINx −AI 璽 NbN ロ Nb 黶 驤 SiO マ 2． NbN 図 マ −Al 〆NbN ／AINx 接合 、 の 断 面 圜 っ マ 。 ！ っ x −AVNbN − NbN 〆AINx Al ！NbN NbNIAIN NbN 電 極 下 部 よ り 、Ar Pa 、電 圧 混 合ガ で あ り 、N の 堆 MgO 基板 上 積 T、 ． 及 び 20K 个 35GV 、電 は NbN で あ ト Al は ン ロ で の パ ス 1mn 流 は 500 80 トは ッ 堆積 AI target 図 1 ，プ ラ ズ 試 料 は Al タ Al き タ ーゲ の ッ マ ーゲ ト上 に 窒 化 時 ッ N2 の チ ャ ン バ トに 対 し 対 角 プ ラ ズ マ の ー内 、2 ． iで し 、 位 置 に 配 置 させ を 発 生 させ た 。こ 生 成 し た 窒素 ラ ジ カ ル 及 び 窒 素原 子 に よ り い た 。 の Al ター グ に よ っ て パ ッ タ膜 を ベ ース NbN 。層 と が 500nm の 問 絶縁層 に Nb 薄膜の 臨 界 温 度 中 マ RF を ． ‘ つ Ω ！cm マ グ 積 。 。窒 化 条 〜3 、 057 40 し た で 堆 窒 化 し た マ 力 密 度は 。次 た Al 層 プ ラ ズ っ Ar 堆 積 し た。 2p 16 ． OK 、69． た よ うに に 上 部 NbN 層 を 、2 ． 1及 び 3． 1で 4 Pa ）を 用 、全 圧 1． 時の 堆 積 条 件 は トリ ソ グ ラ フ ィ ン い た NbN の で あ 分 ． ォ べ タ リン グ法に っ O sccm 流 量 4． 述 フ 述 ッ nm 8 、全 圧 は 0 ． で あ た 。こ の 時 、 で あ る。 こ の 条 件 で 、表 面 を プ ラ ズ RF 0． 4Pa 、 電 て あ る 新 条 件 （ N2 は タ 法 に よ り Ar べ 接合 様子 の ス 、 ず 3． 2 sccm は mA nmtmin パ ス 抵抗 率 はそ れ ぞれ 、窒 素 ガ 圧 W ！cm2 、窒 化 時 間 は 5 200nm 堆 積 し た 。こ の 件 は ン ，流 量 。ま 基板上 に 堆積 し たe 中 で 200 ス 堆 積 させ た 場 合 に た 。次 に っ ネ ー レ を 、MgO グ ネ トロ マ 、の と N 断 面図 を図 2に 示 す の 多層 膜 DC を 流 量 は 40sccm 十 十 十 ÷ 十 十 接合 ン ニ ン 層 を 堆 積 し 応 性 イ オ グ し た 。 350nm と配 線 コ ー と反 Nb の タ ク トホ 、配 線 の ン エ Sio2 ッ チ ス バ 層 問 絶縁層 と し て 用 ール を 形 成 を 形成 し た後 し た 、 。 一 20 一 一 NNII-Electronic 工 工 Eleotronio Library Service Library Institute 工nstitute of of Eleotronios Electronics,，Information, 工 nformation and Co Communication unioation Engineers Engineers ，and 3 ．実 験 結 果及 び 考 察 3．1．上 部 電 極 堆 積 条件 の 検 討 AINx −Al 上 に 成 膜 し た NbN 薄 膜 の 超 伝 導 エ ネ ル の Tc と 20 K 臨 界 温 度 3 に 示 す 。 図 3 （a ）は 、NbN 薄 膜 の N2 流 量 依 存 性 で あ る 。全 圧 は 0 ． 8Pa で 一定 と し た 。こ れ ま で 用 い て い た NbN の 堆 積 条 件 は 、 N2 流 量 3 ． 2 sccm 、 − 全 圧 0． 8Pa で あ り 、こ の 条 件 で AINx Al 上 に NbN を 堆 積 さ せ た 場 合 、Tc 及 び ρ2 K は そ れ ぞ れ 12 ． 4 K 、 163． l p Ω 1cm2 で あ た 。 こ の 結 果 か ら MgO 上 に 堆 積 さ せ た 場 合 と AINx −Al 上 に 堆 積 さ せ た 場 合 と で Tc及 び ρ 2DK が で の 抵 抗 率 ρ20K を 図 そ sccm Tc 及 に す る こ とで μΩ fcm2 と な させ 一 一 （ ミ 13 誉 Tc が 得 ル ツ ン マ N 流 られ た こ ・C k8Tc 。 、 定 数 で あ る 量 ヱ 、∠ 4． O sccm 、 とに よ る効果 、接 合 を 作 製 し 、4 ． 2K に て 特 性 評 価 を 2 sccm 、全 圧 0 ， 。 1日 条 件 （N2 流 量 3 ． 8 Pa ）及 び 新 N2 流 量 4 ． Osc m 、全 圧 1 ． 4Pa ）で 上 部 電 極 を 堆 積 （ た 接 合 の ／−7 特 性 を そ れ ぞ れ 図 4 （ a） 、（b ）に 示 す 。 た ¢ ス 圧 5 分で あ 1nm 膜 厚 は 、窒 化 条 件 は 、 ！cm2 、窒 化 時 間 10 μm ［コで あ る 。 で あ り た っ Al RF 0． 4 Pa 、 電 力 密 度 2． 26 W 。接 合サ イ ズ は ど ち ら も 一一 一一 一 一一一・ 一一一1300 ．28° 13・ 5 、 厂 メ は ボ 部 電 極 堆 積 条件 を 変 え た どち らの 接 合 も 12． 9 K 、157 ． 5 び ρ1。K は そ れ ぞ れ 、kB に は を新 し い 上 部 電極堆 積 条件 と し た 、上 こ で 窒 素 ガ O 流量 を 4． 、N2 回 1． 4Pa Tc プ ∠ と ッ 。 た っ 。今 っ 条件 る こ とが 分 か る い で ャ を確 認 す るた め 行 っ 大 き く 変化 して こ て 今 回 最 も高 い 全 圧 。 関 係 が あ る 。こ よっ ーギ ギ ｝ 一 1 ● ： 瀧 イ〉 lll ’ ゜ ・ ・ °° 2 篝 i ● “ 1 “ 笶 ・ 二 i ● a5i 』 ポ 10 一 ・ 冫 ◇ ◇ ・ 三 1soq − 16° ・ 一 一 一一 一 140 三 4 6 8 10 N ， ， flow （ sccm ） 0 2 ・臨 ● 界温 度 z ◇ 抵抗率 ρこ眠 （a ） N2 流 量 依 存 性 ． ． ．． t4． 4． 7． ． ． 、 ． ・ ．． 一 300 一 ， 814 ． 、 12SO 2 “ ． ○ i 萎丶 ◇ ・ 14 ． 12eo i ト 宅 三 13． ． 8 ● 譱2鵯 ρ r ト 霆 4220G 6 ；一 と 13． ● ・ N 墓 ◇ 如 Y − ・ ρ 13． 4L ロ IiS … 9 ° 13 ． ◇ 禰 占 ＿●． ｛ 12β ＿． O ． 6 0 £ 当 1． 2 1． 4 」． 6 ta 叢 ° ◇ 132L ． E ． 翼 ロ c q i16 L 図 Pa ） T 。 tal pressure （ ．驫 ● 界温 度 Te ◇ 抵抗率 Rsg／Rn 薄膜 Te 臨 界 温 度 の と 20 K 抵 抗 率 ρ2UK で の 28 ． 3 とな ： に 流 量 は 、NbN 4． O sccm 薄膜 ρ2 。K は そ れ ぞ れ で の 全圧 依存 性 を 図 一定 と した 。全 圧 3 （b ）に 1． 4 Pa 14． 2 K 、202 ． 7 μΩ1cm2 で となっ 示 す N2 。 、Tc 及 。 た □ ） び の 接 合 の 接合 とな っ て い る っ 、R 。は 。こ こ で 、 R g は 、 2mV で の 。 。各 条 件 の 臨 界 電 流 J の 温度 特 性 を図 5 に 示 す 。旧 条 件 と 新 条 件 の 接 合 の Tc は そ れ ぞ れ 12， 4 K 、 13． 8K い た 。新 し 条 件 で は 、Tc が 1． 4 K 向上 し た 。し サ ブ ギ ャ ッ 新条件 を用 次 1 −V 特 性 （10pm の V． OkA ！cm2 、 ： 図 4 の 接 合 特 性 は そ れ ぞ れ 、（a ）Jc ； 2 ． 4． 35mV 、 R、 ： 30 と b Jc ： 2 ． lkA ！ clnz Vg ： 4 ． 50 mV （ ） 、 、 gfRn PIOK （ b） 全 圧 依 存 性 NbN 図 3． 4 、NbN 〆AINx −Al1NbN 接 合 プ抵抗 い る こ とで 10 mV Vg が で の 接 合 抵 抗 で あ る 0． 15mV 向上 し た 。 一 21 一 一 NNII-Electronic 工 工 Eleotronio Library Service Library Institute 工nstitute of of Eleotronios Electronics,，Information, 工 nformation and Co Communication unioation Engineers Engineers ，and か し で あ 、A ［Nx −A1 た っ の NbN 上 に成膜 した に 対 し 、接 合 薄膜 Tc が 14 ． 2 K の Tc は 13 ， 8 K の か ら上 部 電 極 の 初 期 成 長 部 分 で あ た こ と っ 超伝導性 が 不 十分 の で あ る と考 え られ る。 1 Ω 璽 O． 8 2 ］ ● ● △ 0． 6 ● 曇i △ ● 。、 … Ae … 2 O． ゜ 芭 24 。 l ・ tt 9 ぐ 春 （a ） 基 板 温 度 300 ℃ S4 1。 エ re （ K） TemperatL 旧条 件 ● 新 条 件 △ 図 5 ．各 接 合 の 臨 界 電 流 そ こ で 堆 積 時 400 ℃ の の 、上 部 電極 接 合 の 1−V 接 合特性 は 、（ ）Jr 8． 6 、（b ）Jc ： な っ 示 す た 初 期成長 の 基 板 温 度 上 昇 を行 ・ ・ すた 0， 9 kA 〆cm2 、 脆 ： 。 ・ g 、 こ の 部 電極 300 ℃ 6 〔a ）、 b ）に （ 4． 80 mV 5， 00 mV ／Rn め に 上 基 板 温 度 3． 7 kA1 ・m2 、 V ， 。ま た 、図 7 に Vg と R 400 温 度特 性 特 性 を そ れ ぞ れ 図 ・ 基 板 温 度 を 上 昇 させ る 。 を 促 た っ lcの 、 R gfR 、 、 示 す 。 ，1 、 とで ％が 板 温 ℃ に お 度の 上 昇は 障 壁 層 界面 が あ る と 考え ら れ る 一 方 、基 板 温 に よ 。 4 （b ）の ャ ッ ブ リ 。 リ ーク り ．障 壁 超 伝導性 向 上 に 効 果 度 を 上 昇 させ る と R 室 温 で 作 製 した 図 合はサ ブギ の 接 合 に 比 ーク電 べ g ／Rn が 、 、図 6 （a ）、（b ）の 接 ール 板温 度 上 昇 生 じた 可 能 性 や 障壁 層 界 面付 近 に 存 在 す る 常伝 導 層 の に 関 し て は 、／−V 特 れ る か らで あ る 性 い に お の シ ャ ン トパ が 実効 的膜 厚が 変化 して な ど 、基 ス ン ホ 。 流 が 増加 して い る こ とが 分 電 流増加 の 原 因 と して は 層 内に ピ 低下 した る 可 能性 が あ る 。実 際 け る Knee 構 造 。 今 後 、接 合 の 、 リーク 電 流 ℃ 部 電 極堆 積 時基板温 度 を 上 昇 させ た の f一 グ 特 性 5． 1 3G ◇、 （ 〉 日 首 ・ ・。 聟 〔 ） こ 3 5 ＼ ＼ 94 死8 ／ ノ1 ／ 7 4」 25 2° 蔑 西 lii ； ” ” ／ ° ’ ’ ” ・ ， ： 1慝 0 100 200 300 400 ° Substrate temperature （C ） 変化が み ら 2K 磁 場 応 答 や 4． で の 極 低 温 で の 測 定 を行 う こ とで を検討す る こ とが 課 題で あ る の 、後 者 ．上 接 合 度 27 ℃ の 基板 温 か る 図 6 、基 板 た 、基 向 上 し て が 得 ら れ た 。ま 、300 ℃ 、40G ℃ の 接 合 の Tc は そ れ ぞ れ 13 ． 2 K 、 14 ． 7 K で あ り 、基 板 温 度 を 上 昇 さ せ 8K 、 14 ． る と Te が 向 上 し た tt以 上 の こ と か ら 、上 部 電 極 堆 積 時 温 度 400 ll ， 6 と ： 基 板 温 度依 存 ． 1生 を ＝ OmV 梅 5． い （ b） 基 板 温 度 、R 、IRn ・ 以 下 の 原 因 ● ： 図 n ギ ャ ツ 7 ，玲 プ電 圧 と 1〜、 g ／Rn の 絵 ◇ ・罵〆篤 基 板温 度依存性 一 22 一 一 NNII-Electronic 工 工 Eleotronio Library Service Library Institute 工nstitute of of Eleotronios Electronics,，Information, 工 nformation and Co Communication unioation Engineers Engineers ，and 3． 2 ．障 壁 層 形 成 条 件 の 検討 接 合 の ノ。向 上 に 向 け て 、Al の プ ラ ズ 窒 化 時 の RF 57 Wcm2 2， 26 電 力 密 度 依 存 性 を 調 べ た 。RF 電 力 密 度 0 ． 、 − W ！cm2 、3 ． 40 Wfcm2 の で 作 製 した 接 合 （ 6pm □ ） J V 特 性 を そ れ ぞ れ 図 8（ a） 、（b ）、（c ）に 示 す 。 ど の 接 合 も Al 膜 ’ 厚 は 1nm で あ り 、窒 素 ガ ス 圧 は 0． 4 Pa 、窒 化 時 間 は 5 分 で あ る 。上 部 電 極 堆 積 条 件 に は 3 ． 1の 新条件 を用 い た ．接 合 特 性 は 、（ a ）」 le． 2 kA 〆 m2 、 V 4． 20 mV 、 ‘ Rsg／Rn 9 ， 8、 b ノ 2 ． 3kA ！ cm Vg 4 ． 50 MV Rsg ／ 8、 、 、 Rn 37 ． （） c ‘ 39 kA ！cm 、 4． 40 mV 、 Vg R ， 60 ． G とな （c ）Je 0 ． gfRn た 。 （ c ： ： ・ ： 丶 「 医 1り ξ ∩ ・・ … ＼ 60 ノ ／ 50 ／ 40 ◇ ℃ ぎ ぐ 30 丶 ゼ ＼ ／ ＼ → 2e ＼ 旨 el ／ 70 T 取 ／ 一 1io ≒ っ ＼ 冨 ・ ； ； 1 ： 丶 ・ 、 ： q つ ： き 0〇 量 「｛ 一 q マ ／ ／ ’ ls ◇ ． R ・ 仁 O ． 一 t 0． 5 1 さ o 遷10 f 15 〇 2 2 ． 5 3 3． 5 RF Power density （W fcm2 ＞ ， ／ R， 臨 界 電 流 密 度 Jc ◇ R 。 g． ● 9． Jc 図 図 9 R と る 。従 AINx （a ） RF 電 力 密 度 0． 57 Wcm2 、プ て っ 障 壁 層 低下 電 力 密 度 依 存 性 を 示 す 。、 ノ， RF の 力密 度依存性 ラ ズ マ 窒 化 時 RF の る こ 。た り 、こ が あ る 、接 合 の 高 Jc 化 を 実 、高 」 化 に 伴 い R 〆R い て は 、さ ら に 因 に が 見 られ て お だ し 。 原 の 一方 、 に 穐 着 目す る ， 現 象 が 若 干 見 られ て い 0． 2mV が 合 で NbN 程 度 小 さ く な は 、稔 は Al 膜 厚 て い る 4］ 。従 ［ て お り っ 。こ 能 性 が あ る り 定 、接 で っ 合 特 性 の の 場 合 、今 電 力 密 度 が 違 う接 合 部 Al て い な い Vg て っ 、A 困 莫 厚 低 の 層 が 極 わ ず ドが 起 こ っ た 可 を最適 化 す る こ と に よ つ な が る た め マ 窒化 、今 後 検討す る 予 AINx NbN 上 部 電 極 堆積 条件及 び 障壁 層形成 条件の 検討 を た 。上 部 電 極 堆 積 条 件 の 検 討 で は っ 堆 積 時 特性 っ 、下 行 NbN 、全 っ の な り 、我 こ い た 、AINx −Al 上 に Ug こ とに よ り とが で き た。 今 回 の 実 験 で は 、 圧 両 方 を 同時 に 変 化 させ た と き の 最適 条 て い な い の 基 板 温 度 々 障壁 を用 薄膜の 堆積条件 を調 整 す る 向 上 させ る の の で 、引 き続 き条件 。結 果 が 目標 と して い と し る値 を 検 討 を行 う の 、上 部 電 極 と で Vg を 0 ． 50 mV 向 て 、 Ug が 5 ． O mV と 得 る こ とが で きた 。 可 能性 が あ る。 上 昇 を行 うこ 上 させ る こ と が で き た 8． RF 分か 依 存す 接 合 回 プ ラ ズ と で 更 な る V． o向上 図 る こ とが 電 力 密 度 が 小 さい 場 合 の こ 1・ V 接 び に 件 化 を行 の −Al1NbN は 窒 素 流 量 3． 40 Wcm2 7g て 々 15mV を 0、 力密度 べ 我 お け る RF 電 検 ィ ン グ 接 合 に比 の の ある。 4 ．む す c） （ に 大 き く れ に よ 向 上 に ーテ ヒ 本 NbNIAINx 窒 化 され マ 、そ 、他 の た。 っ 、RF て 表面 に プ ラ ズ か に残 る も の 接 合で は 現 。 つ 、（a ）の と 、 電 力 密 度 に よ り 討 が 必 要 で あ る。 とが わ か 特 性 を 制 御 で き の きる 可能性 で RF 電 の 。 RF 電 力 密 度 に 大 き く 依 存 す は gfRn 択 、ぎ R、 gfRn に ノ。と ， R と ま た 一 23 一 一 NNII-Electronic 工 工 Eleotronio Library Service Library Institute 工nstitute of of Eleotronios Electronics,，Information, 工 nformation and Co Communication unioation Engineers Engineers ，and し か し 、基 板 温 度 ま 、特 性 向 上 の た め の た 、障 壁 層 形 成 条 件 化 時 の RF 化 や 、Al への 膜厚 。今 後 た い 、Al の と で J。 が 検 討 で は の は こ の で き て お る。 て い プ ラ ズ 窒 マ 大 き く変 化 、更 な る 低 RF 電 力 密 度 最適 化 に よ り高 の あ る と考 え て っ 影響 を解明 今 後 の 課 題 と考 え 電 力 密 度 を制 御 す る す る こ とが 分か 上 昇 に よ る接 合 障壁 層 界 面 付 近 の 超 伝 導 特 性 や 障 壁 層 そ の もの らず ノ。 の 接合 が 作製可 能 で る。 5．謝 辞 本研 究は 、科 学 研 （課 題 番 号 221115e5 究費補助金 ）の 支援 に よ ・新 学 術 領 域 研 て 行 わ れ た っ 究 。 文 献 ． Wang ， Y ． Uzawa Takeda Kawakami 、M ． ，A ． 田 Z’ ， Tcrahcrtz−band SIS mixers w ｛th NbN tunnel 「 ’ Junctions 電 子 情 報 通 信 学 会 総 合 大 会 CS −7 −1 2005 Kawakami ， U awa M ． Takeda ， Z． Wang ［2 〕A ． Y ． c ら ー Development ofinf ∠ ， of SIS mixers using Single −cry ． s ta ］ NbN films in thc Sub −mm Wavc Rcgio バ 信 学 技 報 SCE2GO3 −8 M W2003 −8 （2003 −4 ）2003 Karpov 、B ． Plathner ，J． Bionde ］ ， M ． Schicke ，K ． ［3］A ． 驢 Gundlach ，M ． Aoyagi and S ． Takada ’ Low noise H ． submillimctcr S ［S receiver with niobium nitride ”International journal quasiparticlc 匸unncl junctions ね red andmillimeters waves ’ 、 01umel7number7 1139−ll47 4 ］Z ． Wan9 ， Makise and H ． Terai ［ W ． Qiu ， K， ’ ‘ −Fabrication or high −quality NbN ／AIN ／NbN tun 冂 el” junctions with a wide rallgc of currcnt dcnsity ASC 20101EPB −092010 5J Y ． Nagao ． Akaike ， R ． Kanada ， N． Nait〔〕 and ［ H ． “ Fujirnaki ． A． The preparation process 〔）f barriers in NbN Josephson junctions plasma −nitridcd ” Supercond ． ScL Technol vol ． ， for digital application 22 ，ll40 且5 ，2009 6 ］N ． Naito ， T． Funai ， C ． Maruyama ， H． Akaike ， ［ Fujimaki “ Electric Characteristics ofNbN Tunnel A． 言学 Junctions with plasma −nitrided AINx barrierゴ イ 技 幸陵 SCE20iG −10ppi3 −182010 ， 一 24 一 一 NNII-Electronic 工 工 Eleotronio Library Service Library
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