JP3024400B2 - ジョセフソン接合素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超伝導体を用いたトン
ネル型ジョセフソン接合素子およびその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のジョセフソン接合素子は、例えば
電子通信学会編「超伝導集積回路」の３１頁に示されて
いるように、２つの超伝導電極の間にトンネル障壁が設
けられ、該トンネル障壁により上記超伝導電極間に流れ
るジョセフソン電流が制御されていた。そして、接合の
大きさが、ジョセフソン侵入距離以下になると最大ジョ
セフソン電流の大きさは接合面積に比例する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の従来の
ジョセフソン接合素子において、最大ジョセフソン電流
の大きさは、接合面積，トンネル障壁の厚さ，トンネル
障壁バリアハイトで規定されるため、一度形成された素
子において、その最大ジョセフソン電流の大きさを変化
させることは困難であった。

【０００４】本発明の目的は、一度形成されたジョセフ
ソン接合における最大ジョセフソン電流の大きさを変化
させることが可能なジョセフソン接合素子およびその製
造方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係るジョセフソン接合素子は、対をなす超
伝導電極と、トンネル障壁とを有するジョセフソン接合
素子であって、対をなす超伝導電極は、トンネル障壁の
両端に結合され、対をなす一方の超伝導電極は、異なる
臨界磁場をもつ電極ピースを並列に組合せた積層体であ
り、トンネル障壁は、対をなす超伝導電極間に流れるジ
ョセフソン電流を制御するものである。

【０００６】また本発明に係るジョセフソン接合素子の
製造方法は、第１超伝導電極形成工程と、トンネル障壁
形成工程と、第２超伝導電極形成工程とを有するジョセ
フソン接合素子の製造方法であって、第１超伝導電極形
成工程は、異なる臨界磁場をもつ電極ピースの対からな
る積層体を第１の超伝導電極として形成するものであ
り、トンネル障壁形成工程は、前記積層体の電極ピース
の対が並列に配列された端面上にトンネル障壁を形成す
るものであり、第２超伝導電極形成工程は、トンネル障
壁上に第１の超伝導電極と対をなす第２の超伝導電極を
形成するものである。

【０００７】

【作用】本発明のジョセフソン接合の構造は、対をなす
一方の超伝導電極が異なる臨界磁場をもつ第１と第２の
電極ピースを並列に組合せた積層体である。第２の電極
ピースの臨界磁場Ｈ_C2は第１の電極ピースの臨界磁場Ｈ
_C1よりも小さい。

【０００８】そのため、ジョセフソン接合にＨ_C2未満の
磁場が印加されている場合は、第１，第２の電極ピース
が超伝導性を示し、トンネル障壁に両者の臨界電流の和
が流れる。

【０００９】ジョセフソン接合にＨ_C2以上、Ｈ_C1未満の
磁場が印加されている場合は、第２の電極ピースの超伝
導性が消滅し、第１の電極ピースの臨界電流のみがトン
ネル障壁に流れる。

【００１０】その結果、ジョセフソン接合にＡ，Ｂの２
種類のバイアス磁場（Ａ＜Ｈ_C2，Ｈ_C2≦Ｂ≦Ｈ_C1）を選
択的に印加することで、ジョセフソン接合の最大ジョセ
フソン電流の大きさを接合形成後でも変化させることが
可能となる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図により説明す
る。図１は、本発明の一実施例を示す断面図である。

【００１２】図１において、本発明は、対をなす超伝導
電極１，３と、トンネル障壁４とを有している。対をな
す超伝導電極１，３は、トンネル障壁４の両端に結合さ
れている。対をなす一方の超伝導電極１は、異なる臨界
磁場をもつ第１と第２の電極ピース２ａ，２ｂを並列に
組合せた積層体である。この積層体は、２個の電極ピー
ス２ａ，２ｂが並列に配列された端面がトンネル障壁４
の端面に結合されている。

【００１３】また、電極ピース２ａの臨界磁場をＨ_C1，
電極ピース２ｂの臨界磁場をＨ_C2とすると、Ｈ_C1＞Ｈ_C2
の関係をもつ材料により各電極ピースを構築する。

【００１４】トンネル障壁４は、対をなす超伝導電極
１，３間に流れるジョセフソン電流を制御するものであ
る。

【００１５】実施例では、例えば、窒化ニオブで構成し
た第１の電極ピース２ａと、例えば第一種超伝導体の鉛
で構成した第２の電極ピース２ｂとからなる超伝導電極
１が例えば二酸化シリコンで構成したトンネル障壁４の
一端面に結合されている。また、トンネル障壁４の他端
面には、例えば窒化ニオブで構成した超伝導電極３を結
合した。

【００１６】その結果、例えば約０．０５テスラ以下の
磁場を印加した時には、トンネル障壁４の全面でジョセ
フソン効果が観察された。印加磁場を例えば約１テスラ
にしたところ、鉛で構成された電極ピース２ｂが常伝導
体に相転位し、ジョセフソン効果は、電極ピース２ａと
トンネル障壁４の接している部分に縮少され、０．０５
テスラ印加時に比較して最大臨界電流が減少した。

【００１７】図２（ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施例の
製造方法を説明するための工程順の断面図である。

【００１８】図２（ａ）において、例えば厚さ１μｍの
窒化ニオブの電極ピース２１ａ上に、例えば厚さ０．５
μｍの鉛からなる電極ピース２１ｂを蒸着する。そして
２つの電極ピース２１ａ，２１ｂからなる積層体Ｓを２
つの電極ピース２１ａ，２１ｂの配列方向に沿って、例
えばレーザー切断法を用いて切断し、第１の超伝導電極
２２を作製する（図２（ｂ））。

【００１９】次に２つの電極ピース２１ａ，２１ｂが並
列に配列された積層体の端面２２ａに、例えば二酸化シ
リコン層のトンネル障壁２３を厚さ１０ｎｍに堆積する
（図２（ｃ））。

【００２０】更にトンネル障壁層２３上に重ねて、第１
の超伝導電極２２と対をなし、例えば厚さ１０μｍの窒
化ニオブの第２の超伝導電極２４を形成する。

【００２１】上記製造方法によるジョセフソン接合に、
例えば約０．１テスラ以下の磁場を印加した時には、ト
ンネル障壁２３の全面でジョセフソン効果が観察され
た。

【００２２】印加磁場を例えば約１テスラにしたとこ
ろ、鉛で構成された電極ピース２１ｂが常伝導体に相転
位し、ジョセフソン効果は電極ピース２１ａとトンネル
障壁２３の接している部分に縮少され、０．１テスラ時
に比較して最大臨界電流が減少した。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、対
をなす一方の超伝導電極を異なる臨界磁場をもつ電極ピ
ースの積層体にて構成し、ジョセフソン接合に異なるバ
イアス磁場を印加することにより、素子完成後における
ジョセフソン電流を変化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るジョセフソン接合の構
造を示す断面図である。

【図２】本発明の一実施例の製造方法を説明するための
工程順の断面図である。

【符号の説明】

１，３，２２，２４ 超伝導電極 ２ａ，２ｂ，２１ａ，２２ｂ 電極ピース ４，２３ トンネル障壁

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対をなす超伝導電極と、トンネル障壁と
   を有するジョセフソン接合素子であって、 対をなす超伝導電極は、トンネル障壁の両端に結合さ
   れ、対をなす一方の超伝導電極は、異なる臨界磁場をも
   つ電極ピースを並列に組合せた積層体であり、 トンネル障壁は、対をなす超伝導電極間に流れるジョセ
   フソン電流を制御するものであることを特徴とするジョ
   セフソン接合素子。
2. 【請求項２】 第１超伝導電極形成工程と、トンネル障
   壁形成工程と、第２超伝導電極形成工程とを有するジョ
   セフソン接合素子の製造方法であって、 第１超伝導電極形成工程は、異なる臨界磁場をもつ電極
   ピースの対からなる積層体を第１の超伝導電極として形
   成するものであり、 トンネル障壁形成工程は、前記積層体の電極ピースの対
   が並列に配列された端面上にトンネル障壁を形成するも
   のであり、 第２超伝導電極形成工程は、トンネル障壁上に第１の超
   伝導電極と対をなす第２の超伝導電極を形成するもので
   あることを特徴とするジョセフソン接合素子の製造方
   法。