JPH0255955B2 - - Google Patents
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- JPH0255955B2 JPH0255955B2 JP60061244A JP6124485A JPH0255955B2 JP H0255955 B2 JPH0255955 B2 JP H0255955B2 JP 60061244 A JP60061244 A JP 60061244A JP 6124485 A JP6124485 A JP 6124485A JP H0255955 B2 JPH0255955 B2 JP H0255955B2
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- magnesium oxide
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- electrode
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/10—Junction-based devices
- H10N60/12—Josephson-effect devices
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
この発明は、トンネル・バリヤを改善したジヨ
セフソン接合素子に関するものである。
セフソン接合素子に関するものである。
従来、実用的な目的で製造せられるジヨセフソ
ン接合素子は、その電極に鉛薄膜または鉛と金、
インジウム、ビスマス等の合金薄膜またはニオブ
薄膜を用い、そのトンネル・バリヤには下部電極
表面を酸化して得られる酸化膜またはシリコン、
アルミニウム等の酸化膜を用いている。これら従
来のジヨセフソン接合素子は実用的な目的にかな
う良好な電気的特性を有しており、超高速計算機
の論理・記憶回路の試作等に応用されている。
ン接合素子は、その電極に鉛薄膜または鉛と金、
インジウム、ビスマス等の合金薄膜またはニオブ
薄膜を用い、そのトンネル・バリヤには下部電極
表面を酸化して得られる酸化膜またはシリコン、
アルミニウム等の酸化膜を用いている。これら従
来のジヨセフソン接合素子は実用的な目的にかな
う良好な電気的特性を有しており、超高速計算機
の論理・記憶回路の試作等に応用されている。
しかしながら、従来のジヨセフソン接合素子の
電極材料である鉛や鉛合金やニオブの超伝導臨界
温度（Tc）は10K以下と比較的低いために、従来
のジヨセフソン接合素子を動作するには、通常、
液体ヘリウムを用いなければならず、液体ヘリウ
ムを生産・貯蔵するための大型の冷凍システムが
必要であり、この制約の故に、従来のジヨセフソ
ン接合素子の応用範囲はかなり限られたものとな
つている。
電極材料である鉛や鉛合金やニオブの超伝導臨界
温度（Tc）は10K以下と比較的低いために、従来
のジヨセフソン接合素子を動作するには、通常、
液体ヘリウムを用いなければならず、液体ヘリウ
ムを生産・貯蔵するための大型の冷凍システムが
必要であり、この制約の故に、従来のジヨセフソ
ン接合素子の応用範囲はかなり限られたものとな
つている。
この限界を乗り越えるためには、10K以上の超
伝導臨界温度Tcを有するニオブ系化合物薄膜等
の高Tc超伝導薄膜をジヨセフソン接合素子の電
極に用いる必要がある。しかし、従来のジヨセフ
ソン接合素子に用いられているトンネル・バリヤ
を使用して、高Tc超伝導薄膜を電極とするジヨ
セフソン接合素子を製造すると良好な電気的特性
が得られなかつた。
伝導臨界温度Tcを有するニオブ系化合物薄膜等
の高Tc超伝導薄膜をジヨセフソン接合素子の電
極に用いる必要がある。しかし、従来のジヨセフ
ソン接合素子に用いられているトンネル・バリヤ
を使用して、高Tc超伝導薄膜を電極とするジヨ
セフソン接合素子を製造すると良好な電気的特性
が得られなかつた。
その原因は、従来のトンネル・バリヤに使用さ
れている絶縁物薄膜が十分に熱力学的に安定では
ないために、トンネル・バリヤの上に上部電極を
堆積する際に、トンネル・バリヤ中の原子と上部
電極中の原子が化学的に反応を起こし、トンネ
ル・バリヤと上部電極の間に低品質遷移層が形成
されてしまい、加えて高Tc超伝導薄膜の超伝導
コヒーレンス長が従来の鉛薄膜等に比較して極め
て短いために、低品質遷移層による素子の電気的
特性の劣化が著しく発生してしまうためである。
れている絶縁物薄膜が十分に熱力学的に安定では
ないために、トンネル・バリヤの上に上部電極を
堆積する際に、トンネル・バリヤ中の原子と上部
電極中の原子が化学的に反応を起こし、トンネ
ル・バリヤと上部電極の間に低品質遷移層が形成
されてしまい、加えて高Tc超伝導薄膜の超伝導
コヒーレンス長が従来の鉛薄膜等に比較して極め
て短いために、低品質遷移層による素子の電気的
特性の劣化が著しく発生してしまうためである。
この発明は、こうした従来の問題点を解決する
ことを目的とし、従来にはない熱力学的に安定で
あり、かつ極めて薄く、均一な絶縁物薄膜から成
るトンネル・バリヤを提供せんとするものであ
る。
ことを目的とし、従来にはない熱力学的に安定で
あり、かつ極めて薄く、均一な絶縁物薄膜から成
るトンネル・バリヤを提供せんとするものであ
る。
この発明に係るジヨセフソン接合素子は、超伝
導薄膜から成る下部電極および上部電極と、これ
ら両電極間に介在する非晶質マグネシウム酸化物
薄膜からなるトンネル・バリヤとによつて構成さ
れるものである。
導薄膜から成る下部電極および上部電極と、これ
ら両電極間に介在する非晶質マグネシウム酸化物
薄膜からなるトンネル・バリヤとによつて構成さ
れるものである。
この発明では、非晶質マグネシウム酸化物薄膜
がトンネル・バリヤとなり、この中をトンネルし
て電流が流れジヨセフソン接合素子として作動す
る。
がトンネル・バリヤとなり、この中をトンネルし
て電流が流れジヨセフソン接合素子として作動す
る。
以下この発明の一実施例を図面について説明す
る。
る。
この発明で使用するトンネル・バリヤは非晶質
のマグネシウム酸化物薄膜から成る。
のマグネシウム酸化物薄膜から成る。
ところで、マグネシウム酸化物は非常に熱力学
的に安定な材料であり、マグネシウム酸化物の最
も一般的な形態である一酸化マグネシウム
（MgO）を基板として、その上に高Tc超伝導薄膜
を堆積した場合には良好な伝導品質を有する薄膜
が得られることはすでに知られていることであ
る。
的に安定な材料であり、マグネシウム酸化物の最
も一般的な形態である一酸化マグネシウム
（MgO）を基板として、その上に高Tc超伝導薄膜
を堆積した場合には良好な伝導品質を有する薄膜
が得られることはすでに知られていることであ
る。
しかし、マグネシウム酸化物は、また、極めて
絶縁性の高い材料であるために、ジヨセフソン接
合素子のトンネル・バリヤとして使用するには、
その厚さを極めて薄くする必要があり、そのよう
に薄くした場合に、はたして上部、下部電極の表
面を均一に覆いうるマグネシウム酸化物薄膜が得
られるかどうかという点に関しては全く知られて
いなかつた。この点に関し、本願発明者等は種々
の検討を重ねた結果、非晶質のマグネシウム酸化
物を用いた場合に、トンネル・バリヤに適する薄
く、かつ均一な膜が得られることを見い出したの
である。
絶縁性の高い材料であるために、ジヨセフソン接
合素子のトンネル・バリヤとして使用するには、
その厚さを極めて薄くする必要があり、そのよう
に薄くした場合に、はたして上部、下部電極の表
面を均一に覆いうるマグネシウム酸化物薄膜が得
られるかどうかという点に関しては全く知られて
いなかつた。この点に関し、本願発明者等は種々
の検討を重ねた結果、非晶質のマグネシウム酸化
物を用いた場合に、トンネル・バリヤに適する薄
く、かつ均一な膜が得られることを見い出したの
である。
以下、この発明の実施例を製造工程例によつて
説明する。
説明する。
(1) 下部電極の作製
第１図ａに示すように、まず、シリコンウエ
ハ等の基板４上に、窒化ニオブ膜をアルゴンと
窒素の混合気中、1.1Paの圧力において高周波
スパツタ・デポジシヨン法により堆積し、下部
電極１を形成する。ただし、この電極材料は
Nb3、Ge、Nb3、Sn、Nb3Al等の他の高Tc超
伝導材料でも良い。
ハ等の基板４上に、窒化ニオブ膜をアルゴンと
窒素の混合気中、1.1Paの圧力において高周波
スパツタ・デポジシヨン法により堆積し、下部
電極１を形成する。ただし、この電極材料は
Nb3、Ge、Nb3、Sn、Nb3Al等の他の高Tc超
伝導材料でも良い。
(2) 非晶質マグネシウム酸化物薄膜の作製
次に、第１図ｂに示すように、すでに堆積し
た下部電極１上に、厚さ10Å以下の非晶質マグ
ネシウム酸化物薄膜をアルゴンガス中1.3Paの
圧力において、MgOターゲツトを高周波スパ
ツタリングすることによつて堆積し、トンネ
ル・バリヤ３を形成する。ここで、堆積したマ
グネシウム酸化物薄膜が非晶質となるように、
堆積中の基板温度は必ず300℃未満とした。
た下部電極１上に、厚さ10Å以下の非晶質マグ
ネシウム酸化物薄膜をアルゴンガス中1.3Paの
圧力において、MgOターゲツトを高周波スパ
ツタリングすることによつて堆積し、トンネ
ル・バリヤ３を形成する。ここで、堆積したマ
グネシウム酸化物薄膜が非晶質となるように、
堆積中の基板温度は必ず300℃未満とした。
基板温度を300℃以上にする場合には、マグ
ネシウム酸化物は結晶質となり、第２図ａに示
すように、結晶粒５が成長し、それに伴い結晶
粒間にすき間６が生じてしまい、膜厚が薄い場
合には下部電極１を完全に覆うことができなく
なる。従つて、第２図ｂに示すように、結晶質
マグネシウム酸化物薄膜で下部電極１を覆うた
めには、かなりの厚さまで膜の堆積を行わなけ
ればならず、結果的に、ジヨセフソン接合素子
のトンネル・電流密度は実用に適さない極めて
小さい値となつてしまう。
ネシウム酸化物は結晶質となり、第２図ａに示
すように、結晶粒５が成長し、それに伴い結晶
粒間にすき間６が生じてしまい、膜厚が薄い場
合には下部電極１を完全に覆うことができなく
なる。従つて、第２図ｂに示すように、結晶質
マグネシウム酸化物薄膜で下部電極１を覆うた
めには、かなりの厚さまで膜の堆積を行わなけ
ればならず、結果的に、ジヨセフソン接合素子
のトンネル・電流密度は実用に適さない極めて
小さい値となつてしまう。
この発明で、非晶質マグネシウム酸化物薄膜
を用いた理由はこの点にある。すなわち、非晶
質である場合には、結晶粒の成長が本来有りえ
ないため、上記の結晶質である場合に生ずる問
題が起こらない。
を用いた理由はこの点にある。すなわち、非晶
質である場合には、結晶粒の成長が本来有りえ
ないため、上記の結晶質である場合に生ずる問
題が起こらない。
なお、非晶質マグネシウム酸化物薄膜の堆積
はアルゴンと酸素の混合気中におけるマグネシ
ウム・ターゲツトの高周波または直流スパツ
タ・デポジシヨン法によつても、MgOの蒸気
化・デポジシヨン法によつても良い。
はアルゴンと酸素の混合気中におけるマグネシ
ウム・ターゲツトの高周波または直流スパツ
タ・デポジシヨン法によつても、MgOの蒸気
化・デポジシヨン法によつても良い。
(3) 上部電極の作製
上部電極２（第１図ｃ）は下部電極１と同様
にアルゴンと窒素の混合気中で高周波スパツ
タ・デポジシヨン法によつて堆積される窒化ニ
オブ膜である。上部電極２の堆積時に、トンネ
ル・バリヤ３上に飛来する粒子のエネルギーは
大きいのであるが、非晶質マグネシウム酸化物
薄膜が熱力学的に安定であるために、トンネ
ル・バリヤ３と上部電極２との化学的反応は小
さく、素子の良好な電気的特性が実現されるの
である。
にアルゴンと窒素の混合気中で高周波スパツ
タ・デポジシヨン法によつて堆積される窒化ニ
オブ膜である。上部電極２の堆積時に、トンネ
ル・バリヤ３上に飛来する粒子のエネルギーは
大きいのであるが、非晶質マグネシウム酸化物
薄膜が熱力学的に安定であるために、トンネ
ル・バリヤ３と上部電極２との化学的反応は小
さく、素子の良好な電気的特性が実現されるの
である。
以上の(1)〜(3)の工程で製造されたジヨセフソン
接合素子の4.2Kで測定した電気的特性を第３図
に示す。電気的特性の良し悪しのパラメータであ
る零電圧ジヨセフソン電流（第３図のＡ点）と３
ｍＶ（第３図のＢ点）で定義されるサブギヤツプ
抵抗との積、いわゆるVm値は45と求められ、従
来のジヨセフソン接合素子のVm値と同等のある
いはそれ以上であり、この発明のジヨセフソン接
合素子の電気的特性が十分良好であることを示し
ている。
接合素子の4.2Kで測定した電気的特性を第３図
に示す。電気的特性の良し悪しのパラメータであ
る零電圧ジヨセフソン電流（第３図のＡ点）と３
ｍＶ（第３図のＢ点）で定義されるサブギヤツプ
抵抗との積、いわゆるVm値は45と求められ、従
来のジヨセフソン接合素子のVm値と同等のある
いはそれ以上であり、この発明のジヨセフソン接
合素子の電気的特性が十分良好であることを示し
ている。
第４図はこの発明のジヨセフソン接合素子の零
電圧トンネル電流密度と非晶質マグネシウム酸化
物薄膜の膜厚との関係を示す。実用的に意味のあ
る300〜30KA／cm2の電流密度が実現されている。
電圧トンネル電流密度と非晶質マグネシウム酸化
物薄膜の膜厚との関係を示す。実用的に意味のあ
る300〜30KA／cm2の電流密度が実現されている。
第５図はこの発明で製造したジヨセフソン接合
素子の零電圧ジヨセフソン電流の温度に対する変
化を示す。零電圧ジヨセフソン電流は14.5Kまで
存在しており、10K以上の温度でこの素子が動作
可能であることがこのデータから明らかである。
素子の零電圧ジヨセフソン電流の温度に対する変
化を示す。零電圧ジヨセフソン電流は14.5Kまで
存在しており、10K以上の温度でこの素子が動作
可能であることがこのデータから明らかである。
この発明は以上説明したとおり、トンネルバリ
ヤとして非晶質マグネシウム酸化物薄膜を用いた
ので、従来では不可能であつた良好な電気的特性
および実用的に意味のあるトンネル電流密度を特
ち、しかも、10K以上の温度で動作可能なジヨセ
フソン接合素子が得られる。
ヤとして非晶質マグネシウム酸化物薄膜を用いた
ので、従来では不可能であつた良好な電気的特性
および実用的に意味のあるトンネル電流密度を特
ち、しかも、10K以上の温度で動作可能なジヨセ
フソン接合素子が得られる。
また、10K以上で素子が動作可能であれば、従
来の素子では不可能であつた小型で経済的な閉サ
イクル冷凍システムを用いて素子を動作させるこ
とが可能となり、地質調査のための磁気探査装置
や医用診断装置へのジヨセフソン接合素子の使用
が容易となる。従つて、この発明は従来、極めて
限定されていた実用的電子装置へのジヨセフソン
接合素子の応用範囲を大きく拡大するもので、そ
の意義は極めて大きい。
来の素子では不可能であつた小型で経済的な閉サ
イクル冷凍システムを用いて素子を動作させるこ
とが可能となり、地質調査のための磁気探査装置
や医用診断装置へのジヨセフソン接合素子の使用
が容易となる。従つて、この発明は従来、極めて
限定されていた実用的電子装置へのジヨセフソン
接合素子の応用範囲を大きく拡大するもので、そ
の意義は極めて大きい。
第１図ａ〜ｃはこの発明の一実施例の素子の各
製造工程図、第２図ａ，ｂはマグネシウム酸化物
薄膜が結晶質である場合の説明図、第３図はこの
発明の一実施例の素子の電流−電圧特性を示す
図、第４図はこの発明の一実施例の素子のトンネ
ル電流密度と非晶質マグネシウム酸化物薄膜の膜
厚との関係を示す図、第５図はこの発明の一実施
例の素子の零電圧ジヨセフソン電流の温度変化を
示す図である。 図中、１は下部電極、２は上部電極、３はトン
ネル・バリヤ、４は基板である。
製造工程図、第２図ａ，ｂはマグネシウム酸化物
薄膜が結晶質である場合の説明図、第３図はこの
発明の一実施例の素子の電流−電圧特性を示す
図、第４図はこの発明の一実施例の素子のトンネ
ル電流密度と非晶質マグネシウム酸化物薄膜の膜
厚との関係を示す図、第５図はこの発明の一実施
例の素子の零電圧ジヨセフソン電流の温度変化を
示す図である。 図中、１は下部電極、２は上部電極、３はトン
ネル・バリヤ、４は基板である。
Claims (1)
- １ 相互に重ね合わされた超伝導膜から成る下部
電極および上部電極と、これらの両電極間に介在
する非晶質マグネシウム酸化物薄膜から成るトン
ネル・バリヤとによつて構成されたことを特徴と
するジヨセフソン接合素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60061244A JPS61220385A (ja) | 1985-03-26 | 1985-03-26 | ジヨセフソン接合素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60061244A JPS61220385A (ja) | 1985-03-26 | 1985-03-26 | ジヨセフソン接合素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61220385A JPS61220385A (ja) | 1986-09-30 |
| JPH0255955B2 true JPH0255955B2 (ja) | 1990-11-28 |
Family
ID=13165624
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60061244A Granted JPS61220385A (ja) | 1985-03-26 | 1985-03-26 | ジヨセフソン接合素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61220385A (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5047390A (en) * | 1988-10-03 | 1991-09-10 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Josephson devices and process for manufacturing the same |
| US5099294A (en) * | 1989-08-01 | 1992-03-24 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Edge geometry superconducting tunnel junctions utilizing an NbN/MgO/NbN thin film structure |
| JP2698484B2 (ja) * | 1991-03-27 | 1998-01-19 | 工業技術院長 | ジョセフソン接合の作製方法 |
-
1985
- 1985-03-26 JP JP60061244A patent/JPS61220385A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61220385A (ja) | 1986-09-30 |
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