JP2623100B2 - 超電導ジョセフソン接合及びその形成方法 - Google Patents
超電導ジョセフソン接合及びその形成方法Info
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- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、超伝導ジョセフソン接合に関する。
集積回路の情報処理速度を高めるためには、電気信号
が伝わる距離を減少させる必要がある。回路構成要素の
寸法を減少させることにより、電気信号が伝わる距離を
減少させることもできるが、回路の電気抵抗を低くし
て、電力の消費を少なくし電気的な構成要素をより密集
させて、同じ目的を達成することもできる。超伝導回路
においては、構成要素が超伝導性を示す温度以下に回路
を冷却して電気抵抗を零（ゼロ）にする。中規模又は大
規模集積度の超伝導電子装置の組立は商業的にはなされ
ていないが、構成要素の設計に関してはある程度の研究
がなされている。
が伝わる距離を減少させる必要がある。回路構成要素の
寸法を減少させることにより、電気信号が伝わる距離を
減少させることもできるが、回路の電気抵抗を低くし
て、電力の消費を少なくし電気的な構成要素をより密集
させて、同じ目的を達成することもできる。超伝導回路
においては、構成要素が超伝導性を示す温度以下に回路
を冷却して電気抵抗を零（ゼロ）にする。中規模又は大
規模集積度の超伝導電子装置の組立は商業的にはなされ
ていないが、構成要素の設計に関してはある程度の研究
がなされている。
［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］ 超伝導電子装置で用いるジョセフソン・トンネル接合
は現在の技術レベルでは、超伝導性窒化ニオブ（NbN）
の層と、酸化マグネシウム（MgO）から成る絶縁層と、
その上の第二の窒化ニオブ層とが基板上に形成された３
層構造のものがある。この構造でも超伝導装置として作
動可能ではあるが、酸化マグネシウムと窒化ニオブは同
一の構造と結晶方位をもつけれども酸化マグネシウムの
格子間隔が窒化ニオブの格子間隔と一致しないので、上
記の構造が最適の構造ではない。窒化ニオブはB1（塩化
ナトリウム）構造を持ち格子定数（a0）が4.38オングス
トロームであり、酸化マグネシウム及び酸化カルシウム
は同じB1構造を持つが酸化マグネシウムの格子定数は4.
21オングストロームである。格子定数の不一致のため
に、上部窒化ニオブの始めの層が部分的に乱され、超伝
導エネルギー・ギャップが減少して、接合部の作動温度
も低くなる。
は現在の技術レベルでは、超伝導性窒化ニオブ（NbN）
の層と、酸化マグネシウム（MgO）から成る絶縁層と、
その上の第二の窒化ニオブ層とが基板上に形成された３
層構造のものがある。この構造でも超伝導装置として作
動可能ではあるが、酸化マグネシウムと窒化ニオブは同
一の構造と結晶方位をもつけれども酸化マグネシウムの
格子間隔が窒化ニオブの格子間隔と一致しないので、上
記の構造が最適の構造ではない。窒化ニオブはB1（塩化
ナトリウム）構造を持ち格子定数（a0）が4.38オングス
トロームであり、酸化マグネシウム及び酸化カルシウム
は同じB1構造を持つが酸化マグネシウムの格子定数は4.
21オングストロームである。格子定数の不一致のため
に、上部窒化ニオブの始めの層が部分的に乱され、超伝
導エネルギー・ギャップが減少して、接合部の作動温度
も低くなる。
［課題を解決するための手段］ 本発明の要旨は、基板上に設けたNbN層と、前記NbN層
上に設けた擬二元化合物のエピタキシャル層から成る固
溶体であって、３原子％のMgOと97原子％のCaOとから成
る組成と97原子％のMgOと３原子％のCaOとから成る組成
との間の範囲内の組成を持つ固溶体の層と、前記擬二元
化合物層上に設けたNbNのエピタキシャル層とから成る
ことを特徴とする超伝導ジョセフソン接合にある。
上に設けた擬二元化合物のエピタキシャル層から成る固
溶体であって、３原子％のMgOと97原子％のCaOとから成
る組成と97原子％のMgOと３原子％のCaOとから成る組成
との間の範囲内の組成を持つ固溶体の層と、前記擬二元
化合物層上に設けたNbNのエピタキシャル層とから成る
ことを特徴とする超伝導ジョセフソン接合にある。
また、本発明の要旨は、適当な基板上にNbNの層を付
着させ、３原子％のMgOと、97原子％のCaOとから成る組
成から97原子％のMgOと３原子％のCaOとから成る組成に
至る組成範囲の擬二元化合物のエピタキシャル層を前記
NbN層上に付着させ、前記擬二元化合物層上にNbNのエピ
タキシャル層を付着させることを特徴とする超伝導ジョ
セフソン接合の製造方法にある。
着させ、３原子％のMgOと、97原子％のCaOとから成る組
成から97原子％のMgOと３原子％のCaOとから成る組成に
至る組成範囲の擬二元化合物のエピタキシャル層を前記
NbN層上に付着させ、前記擬二元化合物層上にNbNのエピ
タキシャル層を付着させることを特徴とする超伝導ジョ
セフソン接合の製造方法にある。
［作用］ ２層の窒化ニオブ層の間にはさまれた酸化マグネシウ
ムと酸化カルシウムの擬二元固溶体（pseudo−binary s
olid solution）によって超伝導ジョセフソン接合が形
成できるという知見が得られた。酸化カルシウムはMgO
と同じB1構造を持ち、その格子定数は4.84オングストロ
ームである。擬二元層中の酸化マグネシウムの酸化カル
シウムに対する割合を適当に選定することにより、窒化
ニオブの格子間隔と一致させ、擬二元層と窒化ニオブの
上部層の両層を窒化ニオブの底部層とエピタキシャルに
することができる。
ムと酸化カルシウムの擬二元固溶体（pseudo−binary s
olid solution）によって超伝導ジョセフソン接合が形
成できるという知見が得られた。酸化カルシウムはMgO
と同じB1構造を持ち、その格子定数は4.84オングストロ
ームである。擬二元層中の酸化マグネシウムの酸化カル
シウムに対する割合を適当に選定することにより、窒化
ニオブの格子間隔と一致させ、擬二元層と窒化ニオブの
上部層の両層を窒化ニオブの底部層とエピタキシャルに
することができる。
MgO−CaO系の平衡状態図の示すところによれば、２％
MgO−98％CaOと98％MgO−２％CaOの範囲内の組成の固溶
体は室温では存在しないので、酸化マグネシウムと酸化
カルシウムとの擬二元層が室温において形成されるとい
う知見は驚くべき知見である。即ち、1600゜以下では、
Mg1-xCaxO（0.02＜ｘ＜0.98）の混合物はMg1-xCaxOの固
溶体の形では存在せずに、結晶化して、実際上純粋なMg
Oと実際上純粋なCaOの分離した領域を形成しているから
である。
MgO−98％CaOと98％MgO−２％CaOの範囲内の組成の固溶
体は室温では存在しないので、酸化マグネシウムと酸化
カルシウムとの擬二元層が室温において形成されるとい
う知見は驚くべき知見である。即ち、1600゜以下では、
Mg1-xCaxO（0.02＜ｘ＜0.98）の混合物はMg1-xCaxOの固
溶体の形では存在せずに、結晶化して、実際上純粋なMg
Oと実際上純粋なCaOの分離した領域を形成しているから
である。
MgO−CaOの固溶体はNbNと同一の構造・方位を持ち、
同一格子間隔を持つエピタキシャル層を成長させること
ができるから、本発明のジョセフソン接合はMgOを用い
て形成されるジョセフソン接合よりも均一な酸化物層を
有する。［この主張の理論的背景及び実験的背景は、ジ
ェイ・ダブリィー・マシュース等（J.W.Mathews et a
l.）により“シン・ソリッド・フィルムズ”（Tnin Sol
id Films）、第26巻、129〜134頁（1975年）に報告され
た報文「薄膜の成長モードに及ぼす干渉性歪と不整合位
置乱れの影響」に見い出すことができる。］ 又、本発明の優れた酸化物層を用いると、酸化物層上
の窒化ニオブ上部層の品質が向上する。これまでは、窒
化ニオブ上部層の品質、特に窒化ニオブ上部層の底部の
品質を良くすることは極めて困難であった。しかしなが
ら、本発明による酸化物層の格子間隔は窒化ニオブ層の
格子間隔と同じであるため、極めて品質の良好な窒化ニ
オブ上部層を得ることができる。その結果、窒化ニオブ
層の超伝導転移温度が高くなる。
同一格子間隔を持つエピタキシャル層を成長させること
ができるから、本発明のジョセフソン接合はMgOを用い
て形成されるジョセフソン接合よりも均一な酸化物層を
有する。［この主張の理論的背景及び実験的背景は、ジ
ェイ・ダブリィー・マシュース等（J.W.Mathews et a
l.）により“シン・ソリッド・フィルムズ”（Tnin Sol
id Films）、第26巻、129〜134頁（1975年）に報告され
た報文「薄膜の成長モードに及ぼす干渉性歪と不整合位
置乱れの影響」に見い出すことができる。］ 又、本発明の優れた酸化物層を用いると、酸化物層上
の窒化ニオブ上部層の品質が向上する。これまでは、窒
化ニオブ上部層の品質、特に窒化ニオブ上部層の底部の
品質を良くすることは極めて困難であった。しかしなが
ら、本発明による酸化物層の格子間隔は窒化ニオブ層の
格子間隔と同じであるため、極めて品質の良好な窒化ニ
オブ上部層を得ることができる。その結果、窒化ニオブ
層の超伝導転移温度が高くなる。
［実施例］ 本発明をより明確に理解できるよう、ジョセフソン接
合をつくる方法を例示する添附の側部断面図である第2A
図乃至第2D図を参照しつつ、以下に本発明の一実施例に
ついて説明する。
合をつくる方法を例示する添附の側部断面図である第2A
図乃至第2D図を参照しつつ、以下に本発明の一実施例に
ついて説明する。
第１図に示した平衡状態図は、アール・シー・ドーマ
ン等（R.C.Doman et al.）による「ジャーナル・オブ・
ザ・アメリカン・セラミックス・ソサイアティ」（Jour
nal of the American Ceramics Society）の1983年７月
号の「CaO−MgO系の相平衡」と題する報文からとった図
であり、この報文を引用する。縦軸に摂氏温度を示し、
横軸はMgO−CaO系中の酸化カルシウムの原子％を示す。
この状態図に示されているように、2370℃以下の温度で
は、酸化マグネシウムと酸化カルシウムとの独立した固
溶体（SS）が形成され、1600℃以下で酸化カルシウムの
量が２％以上又は98％以下では酸化マグネシウムと酸化
カルシウムの混合固溶体は存在しない。
ン等（R.C.Doman et al.）による「ジャーナル・オブ・
ザ・アメリカン・セラミックス・ソサイアティ」（Jour
nal of the American Ceramics Society）の1983年７月
号の「CaO−MgO系の相平衡」と題する報文からとった図
であり、この報文を引用する。縦軸に摂氏温度を示し、
横軸はMgO−CaO系中の酸化カルシウムの原子％を示す。
この状態図に示されているように、2370℃以下の温度で
は、酸化マグネシウムと酸化カルシウムとの独立した固
溶体（SS）が形成され、1600℃以下で酸化カルシウムの
量が２％以上又は98％以下では酸化マグネシウムと酸化
カルシウムの混合固溶体は存在しない。
第2A図において、基板１には窒化ニオブの基部電極２
と、擬二元化合物のバリヤー層３と、窒化ニオブの対向
電極４とが付着されている。第2B図においては、対向電
極層、バリヤー層及び基部電極の一部分がエッチングに
より除去されている。第2C図では、好ましくは二酸化シ
リコンから成る絶縁層が、構造の或る特定の部分上に付
着されている。第2D図においては、窒化ニオブから成る
接点層６が付着されている。
と、擬二元化合物のバリヤー層３と、窒化ニオブの対向
電極４とが付着されている。第2B図においては、対向電
極層、バリヤー層及び基部電極の一部分がエッチングに
より除去されている。第2C図では、好ましくは二酸化シ
リコンから成る絶縁層が、構造の或る特定の部分上に付
着されている。第2D図においては、窒化ニオブから成る
接点層６が付着されている。
本発明においては、接合に機械的支持を与え、窒化ニ
オブの成長を促進する物質であれば、どのような基板物
質を用いてもよい。窒化ニオブの格子間隔と極めて良く
合致する物質であるサファイア（α−Al2O3）又は酸化
マグネシウム（MgO）が好ましい物質である。基板の寸
法及び厚さには制限がないが、通常は６ミリメートル角
から直径約5.04cm（２インチ）で厚さは約20ミルであ
る。基板の方位には制限がないが、酸化マグネシウム基
板の方位が（100）であれば滑らかな単結晶層が得られ
ることが判明した。又、サファイア基板上には方位が
（111）の窒化ニオブ単結晶フィルムが成長し、最上の
接合特性を持つという知見が得られた。サファイアの方
位が（11）又は（0001）である場合に、（111）の方
位の窒化ニオブが得られる。サファイアは入手し易く扱
い易いので、基板としては酸化マグネシウムよりもサフ
ァイアのほうが好ましい。
オブの成長を促進する物質であれば、どのような基板物
質を用いてもよい。窒化ニオブの格子間隔と極めて良く
合致する物質であるサファイア（α−Al2O3）又は酸化
マグネシウム（MgO）が好ましい物質である。基板の寸
法及び厚さには制限がないが、通常は６ミリメートル角
から直径約5.04cm（２インチ）で厚さは約20ミルであ
る。基板の方位には制限がないが、酸化マグネシウム基
板の方位が（100）であれば滑らかな単結晶層が得られ
ることが判明した。又、サファイア基板上には方位が
（111）の窒化ニオブ単結晶フィルムが成長し、最上の
接合特性を持つという知見が得られた。サファイアの方
位が（11）又は（0001）である場合に、（111）の方
位の窒化ニオブが得られる。サファイアは入手し易く扱
い易いので、基板としては酸化マグネシウムよりもサフ
ァイアのほうが好ましい。
本発明による超伝導ジョセフソン接合を形成する第一
工程は、基板上に窒化ニオブ層を付着させる工程であ
る。当業界で周知の化学蒸着法又はスパッタリングによ
って、窒化ニオブを付着させることができる。化学蒸着
法においては、高温の表面上にニオブ含有ガスを流し
て、窒化ニオブを形成する反応を生起させ、窒化ニオブ
を基板上に付着させる。無線周波数（RF）スパッタリン
グ又は直流スパッタリングの何れを用いてもよいが、超
伝導転移温度が高くなるので、反応直流スパッタリング
が好ましい。窒化とアルゴンとを含有する（酸素を含有
しない）ガス中でニオブのスパッタリングを行ない、ニ
オブと窒素とを反応させて基板上で窒化ニオブを形成さ
せることにより、反応直流スパッタリングを行なう。
［直流マグネストロン・スパッタリングにより単結晶窒
化ニオブ超伝導体を付着させる条件は文献に報告されて
いる。たとえば、ブイ・エル・ノスコフ等（V.L.Noskov
et al.）によりソビエト・フィジックス・クリスタロ
グラフィ（Soviet Physics Crystallography）の第25
（４）巻、504頁（1980年）に記載の報文を参照された
い。］窒化ニオブ層は、多結晶層でもよく、単結晶層で
もよいが、試験が容易である点から単結晶層が好まし
い。窒化ニオブ層の厚さは400乃至5000オングストロー
ム、好ましくは1500乃至2500オングストロームにする。
窒化ニオブ層の厚さが大きすぎると、窒化ニオブ層をエ
ッチングしたときに形成される階段状部分を覆うのが困
難になり、窒化ニオブ層が薄すぎると、回路の速度が低
下する。窒化ニオブ層の厚さは、付着時間によって定ま
る。
工程は、基板上に窒化ニオブ層を付着させる工程であ
る。当業界で周知の化学蒸着法又はスパッタリングによ
って、窒化ニオブを付着させることができる。化学蒸着
法においては、高温の表面上にニオブ含有ガスを流し
て、窒化ニオブを形成する反応を生起させ、窒化ニオブ
を基板上に付着させる。無線周波数（RF）スパッタリン
グ又は直流スパッタリングの何れを用いてもよいが、超
伝導転移温度が高くなるので、反応直流スパッタリング
が好ましい。窒化とアルゴンとを含有する（酸素を含有
しない）ガス中でニオブのスパッタリングを行ない、ニ
オブと窒素とを反応させて基板上で窒化ニオブを形成さ
せることにより、反応直流スパッタリングを行なう。
［直流マグネストロン・スパッタリングにより単結晶窒
化ニオブ超伝導体を付着させる条件は文献に報告されて
いる。たとえば、ブイ・エル・ノスコフ等（V.L.Noskov
et al.）によりソビエト・フィジックス・クリスタロ
グラフィ（Soviet Physics Crystallography）の第25
（４）巻、504頁（1980年）に記載の報文を参照された
い。］窒化ニオブ層は、多結晶層でもよく、単結晶層で
もよいが、試験が容易である点から単結晶層が好まし
い。窒化ニオブ層の厚さは400乃至5000オングストロー
ム、好ましくは1500乃至2500オングストロームにする。
窒化ニオブ層の厚さが大きすぎると、窒化ニオブ層をエ
ッチングしたときに形成される階段状部分を覆うのが困
難になり、窒化ニオブ層が薄すぎると、回路の速度が低
下する。窒化ニオブ層の厚さは、付着時間によって定ま
る。
本発明の次の工程においては、窒化ニオブ層の上に擬
二元化合物の層を付着させる。単結晶エピタキシャル成
長（single crystalepjtaxy）によって擬二元化合物を
窒化ニオブ層上で成長させると、この擬二元化合物は窒
化ニオブ層と同一の構造を持つ。擬二元化合物の組成
は、MgO3原子％とCaO97原子％とから成る組成から、MgO
97原子％とCaO3原子％とから成る組成に至る範囲内で変
化させることができる。本発明者等の計算結果によれ
ば、原子百分比でMgO0.73対CaO0.27の組成が最適組成で
あり、この範囲内の組成物の格子間隔の不一致は１％又
はそれ未満であるから、好ましい組成範囲は、CaOが22
乃至35原子％（残部MgO）を占める範囲である。たとえ
ば、RFスパッタリング又は蒸着によって、擬二元化合物
を付着させることができる。MgO−CaOの適当な混合物を
MgOの融点（2800℃）以上の温度に加熱することによっ
て、蒸着することができる。蒸着時における酸化マグネ
シウムの蒸気圧と酸化カルシウムの蒸気圧とが相違する
ので、擬二元化合物層の組成は、該層の形成のために使
用した材料の組成と正確には一致しない。しかしなが
ら、特定の装置及び特定の蒸着パラメータを採用した場
合の組成の相違を一度測定しておくと、出発原料の組成
を調整して所望の付着層の組成を得ることができる。擬
二元化合物から成る絶縁層への厚さは約５オングストロ
ーム乃至約25オングストロームであるのが好ましく、こ
れより薄い層の場合には超伝導短絡を起こし、これによ
り厚い層は抵抗が大きくして回路の速度を低下させる。
二元化合物の層を付着させる。単結晶エピタキシャル成
長（single crystalepjtaxy）によって擬二元化合物を
窒化ニオブ層上で成長させると、この擬二元化合物は窒
化ニオブ層と同一の構造を持つ。擬二元化合物の組成
は、MgO3原子％とCaO97原子％とから成る組成から、MgO
97原子％とCaO3原子％とから成る組成に至る範囲内で変
化させることができる。本発明者等の計算結果によれ
ば、原子百分比でMgO0.73対CaO0.27の組成が最適組成で
あり、この範囲内の組成物の格子間隔の不一致は１％又
はそれ未満であるから、好ましい組成範囲は、CaOが22
乃至35原子％（残部MgO）を占める範囲である。たとえ
ば、RFスパッタリング又は蒸着によって、擬二元化合物
を付着させることができる。MgO−CaOの適当な混合物を
MgOの融点（2800℃）以上の温度に加熱することによっ
て、蒸着することができる。蒸着時における酸化マグネ
シウムの蒸気圧と酸化カルシウムの蒸気圧とが相違する
ので、擬二元化合物層の組成は、該層の形成のために使
用した材料の組成と正確には一致しない。しかしなが
ら、特定の装置及び特定の蒸着パラメータを採用した場
合の組成の相違を一度測定しておくと、出発原料の組成
を調整して所望の付着層の組成を得ることができる。擬
二元化合物から成る絶縁層への厚さは約５オングストロ
ーム乃至約25オングストロームであるのが好ましく、こ
れより薄い層の場合には超伝導短絡を起こし、これによ
り厚い層は抵抗が大きくして回路の速度を低下させる。
本発明の次の工程においては、擬二元化合物の層の上
に第二の窒化ニオブ層を付着させる。この第二の窒化ニ
オブ層の付着工程及び付着条件は第一の窒化ニオブ層の
場合と同じである。
に第二の窒化ニオブ層を付着させる。この第二の窒化ニ
オブ層の付着工程及び付着条件は第一の窒化ニオブ層の
場合と同じである。
基板上に３層構造を付着させた後に、当業界で周知の
種々の工程を用いて、回路パターンを形成し接続部を取
りつけることができる。これらの工程は、エッチング，
フォトレジストの塗布、フォトレジストの現像による回
路パターンの形成、及び接点層の付着を含む。本発明の
ジョセフソン接合は、超伝導コンピュータで使用する以
外にも、レーダ信号処理装置のような他の種類の装置で
使用することもできる。
種々の工程を用いて、回路パターンを形成し接続部を取
りつけることができる。これらの工程は、エッチング，
フォトレジストの塗布、フォトレジストの現像による回
路パターンの形成、及び接点層の付着を含む。本発明の
ジョセフソン接合は、超伝導コンピュータで使用する以
外にも、レーダ信号処理装置のような他の種類の装置で
使用することもできる。
次に、実施例を挙げて、本発明を例示する。
実施例 0.8cm×0.8cm（1/4インチx1/4インチ）、厚さ20ミル
で（11０）の方位の研磨した単結晶サファイア板を直
流マグネトロン中に入れ、700℃に加熱した。4mtorrの
アルゴンと、0.8mtorrの窒素と、0.05mtorrのメタンと
のガス混合物を使用して、１分間当たり40オングストロ
ームの速度で基板上に窒化ニオブをスパタッタリングに
より付着させた。得られたフィルムの厚さは約1000オン
グストロームでありその結晶方位は（111）であった。
で（11０）の方位の研磨した単結晶サファイア板を直
流マグネトロン中に入れ、700℃に加熱した。4mtorrの
アルゴンと、0.8mtorrの窒素と、0.05mtorrのメタンと
のガス混合物を使用して、１分間当たり40オングストロ
ームの速度で基板上に窒化ニオブをスパタッタリングに
より付着させた。得られたフィルムの厚さは約1000オン
グストロームでありその結晶方位は（111）であった。
温度を700℃に保持し、7mtorrの純アルゴン中でのRF
マグネトロン・スパッタリングにより、酸化マグネシウ
ム73モル％と酸化カルシウム27モル％との混合物から、
窒化ニオブ層上にバリヤー層を付着させた。付着速度は
１分間当たり６オングストローム、バリヤー・フィルム
の厚さは20オングストロームであった。
マグネトロン・スパッタリングにより、酸化マグネシウ
ム73モル％と酸化カルシウム27モル％との混合物から、
窒化ニオブ層上にバリヤー層を付着させた。付着速度は
１分間当たり６オングストローム、バリヤー・フィルム
の厚さは20オングストロームであった。
塗布基板の温度を150℃にまで低下させ、基板電極と
同一の方法で同一付着速度で対向電極を付着させた。対
向電極の厚さは500オングストロームであり、結晶方位
は（111）であった。
同一の方法で同一付着速度で対向電極を付着させた。対
向電極の厚さは500オングストロームであり、結晶方位
は（111）であった。
従来法の写真印刷法により、フォトレジストを基板上
に吹きつけ、露光し、現像して、接合領域を画定した。
第2B図に示すように、露光した領域を反応イオン・エッ
チングにより基板電極に至るまでエッチングした。上部
電極に接触させるための開口部を残して、第二のフォト
レジスト層を塗布した。第2C図に示すように、絶縁物と
してフォトレジストをそのまま残留させた。最後に、他
の窒化ニオブ層と同様にして、第2D図に示すように、窒
化ニオブの接点層を付着させた。
に吹きつけ、露光し、現像して、接合領域を画定した。
第2B図に示すように、露光した領域を反応イオン・エッ
チングにより基板電極に至るまでエッチングした。上部
電極に接触させるための開口部を残して、第二のフォト
レジスト層を塗布した。第2C図に示すように、絶縁物と
してフォトレジストをそのまま残留させた。最後に、他
の窒化ニオブ層と同様にして、第2D図に示すように、窒
化ニオブの接点層を付着させた。
完成したジョセフソン接合を4.2゜Kの液体ヘリウムを
充填し磁気遮蔽されたデューワー容器に入れ、ジョセフ
ソン接合に流す電流を徐々に増加させて電圧を測定する
ことにより、試験を行なった。電圧が増大して約７ミリ
ボルトになった時点で、実験を終了した。
充填し磁気遮蔽されたデューワー容器に入れ、ジョセフ
ソン接合に流す電流を徐々に増加させて電圧を測定する
ことにより、試験を行なった。電圧が増大して約７ミリ
ボルトになった時点で、実験を終了した。
この実験の結果を示す電流対電圧のグラフを第３図に
示す。このグラフは、ジョセフソン接合では金属伝導に
よってではなくトンネル効果により伝導が行なわれてい
ることを示している。このグラフは、混合酸化物の曲線
Ａの傾斜は電圧4.8ミリボルト（ギャップ電圧）で最大
であることをも示している。これをギャップ電圧が4.5
ミリボルトである酸化マグネシウムのバリヤー層を用い
た一般的なジョセフソン接合のギャップ電圧と比較する
と、極めて好ましい結果であることがわかる。このよう
に顕著にギャップ電圧が高いことは、以下の式によって
示されるようにギャップ電圧は転移温度に正比例するの
で、本発明によるジョセフソン接合がより高温度の超伝
導転移温度で作動し得ることを示す。
示す。このグラフは、ジョセフソン接合では金属伝導に
よってではなくトンネル効果により伝導が行なわれてい
ることを示している。このグラフは、混合酸化物の曲線
Ａの傾斜は電圧4.8ミリボルト（ギャップ電圧）で最大
であることをも示している。これをギャップ電圧が4.5
ミリボルトである酸化マグネシウムのバリヤー層を用い
た一般的なジョセフソン接合のギャップ電圧と比較する
と、極めて好ましい結果であることがわかる。このよう
に顕著にギャップ電圧が高いことは、以下の式によって
示されるようにギャップ電圧は転移温度に正比例するの
で、本発明によるジョセフソン接合がより高温度の超伝
導転移温度で作動し得ることを示す。
式中、Vgはギャップ電圧、KBはボルツマン定数、TCは
超伝導転移温度である。
超伝導転移温度である。
第１図はCaO−MgO系の平衡状態図である。 第2A図乃至第2D図は、ジョセフソン接合をつくる方法の
一例を示す断面図である。 第３図は、ジョセフソン接合の電流対電圧の関係を示す
グラフである。 １……基板 ２……基部電極（NbN層） ３……絶縁バリヤー層（擬二元化合物層） ４……対向電極（NbN層）
一例を示す断面図である。 第３図は、ジョセフソン接合の電流対電圧の関係を示す
グラフである。 １……基板 ２……基部電極（NbN層） ３……絶縁バリヤー層（擬二元化合物層） ４……対向電極（NbN層）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アレクサンダー・イグナス・ブラギンス キイ アメリカ合衆国、ペンシルベニア州、ピ ッツバーグ メリーランド・アベニュー 713 (72)発明者 マイケル・アンドリュー・ジャノッコ アメリカ合衆国、ペンシルベニア州、ピ ッツバーグ ビーチ・ストリート 300 (72)発明者 ジョン・レイモンド・ガバラー アメリカ合衆国、ペンシルベニア州、ピ ッツバーグ エディンバーグ・ドライブ 21 (56)参考文献 特開 昭57−34073（ＪＰ，Ａ)
Claims (20)
- 【請求項１】基板上に設けたNbN層と、前記NbN層上に設
けた擬二元化合物のエピタキシャル層から成る固溶体で
あって、３原子％のMgOと97原子％のCaOとから成る組成
と97原子％のMgOと３原子％のCaOとから成る組成との間
の範囲内の組成を持つ固溶体の層と、前記擬二元化合物
層上に設けたNbNのエピタキシャル層とから成ることを
特徴とする超伝導ジョセフソン接合。 - 【請求項２】基板が、（11０）又は（0001）の方位の
サファイアから成ることを特徴とする特許請求の範囲第
１項に記載の接合。 - 【請求項３】基板が（100）の方位のMgOから成ることを
特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の接合。 - 【請求項４】NbN層の厚さが、夫々、400乃至5000オング
ストロームであることを特徴とする特許請求の範囲第１
項、第２項又は第３項に記載の接合。 - 【請求項５】前記NbN層が単結晶層であることを特徴と
する特許請求の範囲第１項、第２項、第３項又は第４項
に記載の接合。 - 【請求項６】MgOの単結晶又は単結晶サファイアから成
る基板と、前記基板上に設けた厚さ400乃至5000オング
ストロームのNbN層と、前記NbN層上に設けた厚さ５乃至
25オングストロームのエピタキシャル単結晶擬二元化合
物の層であって、78原子％のMgOと22原子％のCaOから65
原子％のMgOと35原子％のCaOに至る範囲の組成を持つ化
合物の層と、前記単結晶擬二元化合物の層上に設けた厚
さ400乃至5000オングストロームのエピタキシャルNbN層
とから成ることを特徴とする超伝導ジョセフソン接合。 - 【請求項７】単結晶NbN層の厚さが、夫々、1500乃至250
0オングストロームであることを特徴とする特許請求の
範囲第６項に記載の接合。 - 【請求項８】基板が、（100）の方位のMgOであることを
特徴とする特許請求の範囲第６項又は第７項に記載の接
合。 - 【請求項９】基板が、（11０）又は（0001）の方位の
サファイアであることを特徴とする特許請求の範囲第６
項又は第７項に記載の接合。 - 【請求項１０】NbNから成る２層がいずれも単結晶層又
は多結晶層であることを特徴とする特許請求の範囲第６
項乃至第９項の何れかに記載の接合。 - 【請求項１１】適当な基板上にNbNの層を付着させ、３
原子％のMgOと、97原子％のCaOとから成る組成から97原
子％のMgOと３原子％のCaOとから成る組成に至る組成範
囲の擬二元化合物のエピタキシャル層を前記NbN層上に
付着させ、前記擬二元化合物層上にNbNのエピタキシャ
ル層を付着させることを特徴とする超伝導ジョセフソン
接合の製造方法。 - 【請求項１２】基板が、（11０）又は（0001）の方位
のサファイアであることを特徴とする特許請求の範囲第
11項に記載の方法。 - 【請求項１３】基板が、（100）の方位のMgOであること
を特徴とする特許請求の範囲第11項に記載の方法。 - 【請求項１４】NbN層の厚さが、夫々、400乃至5000オン
グストロームであることを特徴とする特許請求の範囲第
11項、第12項又は第13項に記載の方法。 - 【請求項１５】N2及びAr雰囲気中での反応直流スパッタ
リングによりNbN層を付着させることを特徴とする特許
請求の範囲第11項乃至第14項の何れかに記載の方法。 - 【請求項１６】RFスパッタリングにより擬二元化合物を
付着させることを特徴とする特許請求の範囲第11項乃至
第15項の何れかに記載の方法。 - 【請求項１７】蒸着により擬二元化合物を付着させるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第11項乃至第15項の何れ
かに記載の方法。 - 【請求項１８】擬二元化合物層の厚さが５乃至25オング
ストロームであることを特徴とする特許請求の範囲第11
項乃至第17項の何れかに記載の方法。 - 【請求項１９】NbNから成る層がいずれも単結晶層であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第11項乃至第18項の
何れかに記載の方法。 - 【請求項２０】接合をエッチングし、前記接合の上にフ
ォトレジストを塗布・現像して回路パターンを形成し、
接点層を付着させることを特徴とする特許請求の範囲第
11項乃至第19項の何れかに記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US30,003 | 1987-03-23 | ||
| US07/030,003 US4768069A (en) | 1987-03-23 | 1987-03-23 | Superconducting Josephson junctions |
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|---|---|
| JPS6439085A JPS6439085A (en) | 1989-02-09 |
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| JP (1) | JP2623100B2 (ja) |
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| US5362709A (en) * | 1988-09-22 | 1994-11-08 | Semiconductor Energy Laboratory, Co., Ltd. | Superconducting device |
| JPH02177381A (ja) * | 1988-09-22 | 1990-07-10 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | 超伝導体のトンネル接合素子 |
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| US7060508B2 (en) * | 2003-02-12 | 2006-06-13 | Northrop Grumman Corporation | Self-aligned junction passivation for superconductor integrated circuit |
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| US9929334B2 (en) * | 2015-01-15 | 2018-03-27 | International Business Machines Corporation | Josephson junction with spacer |
| CN105449094B (zh) * | 2015-12-29 | 2019-04-05 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 氮化铌薄膜的制备方法、squid器件及其制备方法 |
| US11563162B2 (en) * | 2020-01-09 | 2023-01-24 | International Business Machines Corporation | Epitaxial Josephson junction transmon device |
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|---|---|---|---|---|
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| US3999203A (en) * | 1974-03-29 | 1976-12-21 | International Business Machines Corporation | Josephson junction device having intermetallic in electrodes |
| US4242419A (en) * | 1977-12-29 | 1980-12-30 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Epitaxial growth of superconductors such as Nb3 Ge superconductors |
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| JPS5734073A (en) * | 1980-07-31 | 1982-02-24 | Harima Refractories Co Ltd | Magnesia-carbon refractories |
| US4432134A (en) * | 1982-05-10 | 1984-02-21 | Rockwell International Corporation | Process for in-situ formation of niobium-insulator-niobium Josephson tunnel junction devices |
| US4499119A (en) * | 1983-07-06 | 1985-02-12 | Sperry Corporation | Method of manufacturing super-conductive tunnel junction devices with precise junction area control |
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1987
- 1987-03-23 US US07/030,003 patent/US4768069A/en not_active Expired - Lifetime
- 1987-11-19 DE DE8787310250T patent/DE3783359T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1987-11-19 ES ES87310250T patent/ES2043670T3/es not_active Expired - Lifetime
- 1987-11-19 EP EP87310250A patent/EP0283623B1/en not_active Expired
- 1987-11-24 JP JP62297300A patent/JP2623100B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1988
- 1988-02-22 IL IL85491A patent/IL85491A/xx not_active IP Right Cessation
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