JPH0322068B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、論理回路や記憶装置を構成するスイ
ツチング素子、微小磁場測定素子、電圧標準器な
どに用いられるジヨセフソン接合素子の構造に関
するものである。

従来開発されてきたジヨセフソン接合素子は、
鉛合金／鉛合金の酸化物／鉛合金の構造を持つ物
が主であつた。しかし、これらの鉛合金系ジヨセ
フソン接合素子は、動作温度である液体ヘリウム
温度と室温との間の熱サイクルを経ることによつ
て接合が破壊され易く、特性の劣化が著しいとい
う欠点がある。これに代つて、熱サイクルや経時
変化による特性の劣化がほとんど生じないジヨセ
フソン接合素子として、機械的に鉛より硬いニオ
ブもしくはニオブ化合物を電極とするニオブ系ジ
ヨセフソン接合素子の開発が行なわれている。窒
化ニオブを電極としたジヨセフソン接合素子で
は、熱サイクルや経時変化による特性の劣化がほ
とんどないことが、東海林等により電子通信学会
技術研究報告CPM80−90（1981年２月17日発行）
に述べられている。このジヨセフソン接合素子の
接合層には、アモルフアスシリコン及びその酸化
物が用いられている。

ニオブは、ゲツタ作用が非常に強く、酸素や種
の物質を吸着し易いという特徴がある。よつてニ
オブをジヨセフソン素子の電極体として用いる場
合、接合層の形成時に酸素などが余分に電極体の
ニオブに拡散するという現象や、接合層の形成後
接合層中の酸素等が同様にして電極体のニオブ中
に拡散し易いという欠点があつた。このため、接
合層の厚さの制御が非常に困難になるという問題
が生じた。ジヨセフソン接合素子の接合層の厚さ
は、素子の電気的特性に大きく影響するため、接
合層の厚さを数パーセント以下に制御する必要が
あるが、従来のニオブを電極体として用いたジヨ
セフソン接合素子では、この接合層の厚さの制御
が困難であつた。しかも、経時変化により接合層
の等価的な厚さが変化するため、素子の電気的特
性が劣化するという欠点があつた。

一方窒化ニオブなどのニオブ化合物は、ニオブ
が既に窒素などと化合物として結合しているの
で、ゲツタ作用が著しく低下し、酸素などの吸着
や化合物中への拡散が著しく少くなるという特徴
がある。よつてニオブ化合物には、接合層の形成
において、厚さの制御が容易になりかつ経時変化
も減少するという長所がある。しかし、窒化ニオ
ブなどのニオブ化合物は、ニオブに比べて、超伝
導状態での磁界侵入の深さが400〜500ナノメータ
と４〜５倍大きいため、カイネテイツクインダク
タンスが増し、信号の転送時間が長くなると共に
磁場感度が低下するという欠点がある。

この窒化ニオブを電極体とした時の欠点を除く
ため、窒化ニオブとニオブの２層膜をベース電極
（第１の電極体）とし、鉛合金をカウンタ電極
（第２の電極体）とするジヨセフソン接合素子の
構造が幸板等により、第28回応用物理学関係連合
講演会の予稿集の第444頁（講演番号29P−Ｕ−
12）に述べられている。しかし、このジヨセフソ
ン接合素子のカウンタ電極（第２の電極体）には
鉛が用いられているので、前述した熱サイクルや
経時変化による素子の電気的特性の劣化が生じる
という欠点は、完全に除かれていない。

本発明の目的は、熱サイクルや経時変化による
素子の電気的特性の劣化が少なく、かつ高速で磁
場感度の良好なジヨセフソン接合素子を提供する
ことにある。

本発明によれば、ニオブ化合物からなる第１の
超伝導体と超伝導状態での磁界の侵入の深さが前
記第１の超伝導体より小さく前記第１の超伝導体
に接して配置されたニオブからなる第２の超伝導
体からなる第１の電極体と、ニオブ又はニオブ化
合物又はバナジウム化合物からなる第２の電極体
と、前記第１の電極体の前記第１の超伝導体と前
記第２の電極体との間に介在して超伝導トンネル
効果を生じさせる接合層とから構成されることを
特徴とするジヨセフソン接合素子が得られる。

さらに本発明によれば、前記接合層として窒化
シリコン又はシリコンの酸化物又はシリコンとシ
リコンの酸化物を用いたことを特徴とする前述の
ジヨセフソン接合素子が得られる。

以下図面により本発明のさらに詳細な説明を行
なう。

第１図は、従来のジヨセフソン接合素子の構造
を示したものである。第１の電極体１１と第２の
電極体１２とには、鉛合金やニオブ又はニオブ化
合物などが用いられている。接合層１３には、第
１の電極体１１の酸化膜もしくはアモルフアスシ
リコンとその酸化物や窒化ニオブなどの絶縁物が
通常用いられる。第１の電極体１１と、第２の電
極体１２とを絶縁する絶縁層１４には、SiOや
SiO₂などのシリコンの酸化物が通常用られてい
る。

第２図は、前述した２層膜ベース電極構断を持
つ従来のジヨセフソン接合素子の構造を示したも
のである。第１の電極体は、窒化ニオブ膜２１と
ニオブ膜２２とから構成される。第２の電極体１
２には鉛合金が、接合層１３にはアモルフアスシ
リコン及びその酸化物が、絶縁層１４にはシリコ
ンの酸化膜がそれぞれ用いられている。ニオブ膜
２２の膜厚を300ナノメータとし、窒化ニオブ膜
２１の膜厚を60ナノメータとすることにより、磁
界侵入の深さが100ナノメータと1/4〜1/5に減少
され、磁場感度が大幅に改善されている。しか
し、第２の電極体１２に鉛合金が用いられている
ので、熱サイクルや経時変化による素子の電気的
特性の劣化が生じるという欠点は除かれていな
い。なお、第１図及び第２図とも、ジヨセフソン
接合素子のスイツチングを制御する制御線や、グ
ランドプレーン及びその絶縁層膜などの実用のた
めの付加機能部は、説明を簡単にするために省略
した。

第３図は本発明によるジヨセフソン接合素子の
第１の実施例を示したものである。第１図及び第
２図と同様、制御線やブランドプレーン等の実用
のための付加機能部は省略してある。第１の実施
例の接合層１３と絶縁層１４とは、第１図及び第
２図の従来技術と同一であるので同一番号で示し
てある。本発明と第２図の違いは、第２の電極体
３３を鉛合金でなくニオブ又はニオブ化合物又は
バナジウム化合物とした点にある。これにより、
鉛合金を用いたことによつて起つていた劣化の問
題の解決をはかつた。ニオブ化合物は熱サイクル
と経時変化に対して劣化し難いが、素子の電気的
特性の面で鉛系に劣る。しかし、第１の電極体を
２層とすることにより、信号の転送遅れと磁場感
度の低下を押えることができる。故に、信号の転
送遅れが少く、かつ磁場感度が低下し難く、劣化
がほとんど生じないジヨセフソン接合素子を実現
できる。本発明の第１の電極体は、ニオブ化合物
などからなる第１の超伝導体３１と、超伝導状態
での磁界の侵入の深さが第１の超伝導体３１より
小さいニオブなどからなる第２の超伝導体３２が
層状に配置された構成をとつている。ニオブ又は
ニオブ化合物又はバナジウム化合物からなる第２
の電極体３３と第１の電極体の第１の超伝導体３
１とは、窒化シリコン又はシリコンの酸化物又は
アモルフアスシリコンとシリコンの酸化物などか
らなる、接合層１３をはさんで配置され、接合層
１３により超伝導トンネル効果を生じさせる。

第１の電極体の第１の超伝導体３１は、接合層
１３の形と経時変化に対して、第１の電極体の第
２の超伝導体３２と接合層１３の相互作用による
前述の酸素の拡散等の影響を受けないような十分
な厚さで形成される。第１の電極体の第２の超伝
導体３２と第２の電極３３は、少くとも超伝導状
態での磁界侵入の深さ以上の厚さで、製造可能な
適当な厚さに形成される。従つて、第１の電極体
の等価的な超伝導状態での磁界侵入の深さは、第
２の超伝導体と同程度になり、前述したカイネテ
イツクインダクタンスによる信号の転送遅れと磁
場感度の低下が防がれる。本発明のジヨセフソン
素子は、第２の電極体３３として、機械的に硬い
金属又は金属化合物であるニオブ又はニオブ化合
物又はバナジウム化合物を用いているので、経時
変化による劣化を非常に小さくできる。但し、第
２の電極体としてニオブ化合を用いると、磁界侵
入の深さは鉛やニオブより小さいので、素子の電
気的特性は鉛やニオブを用いた場合よりは悪くな
る。

次に第１の実施例のジヨセフソン素子の製造方
法を簡単に述べる。先ず第１の電極体の第２の超
伝導体３２の層を蒸着又はスパツタ技術などを用
いて成膜し、続けて、第１の電極体の第１の超伝
導体３１の層を前述と同様な技術を用いて成膜す
る。第１の電極体をリフトオフ技術などによりパ
ターニングした後、絶縁層１４の層として、
SiO，SiO₂などのシリコンの酸化物を蒸着技術又
はケミカル・ベーバ・デイポジシヨン技術
（CVD技術と称する）などを用いて成膜し、リフ
トオフ技術などによりパターニングする。接合層
１３の層として、CVD技術によりアモルフアス
シリコン又は窒化シリコンなどが成膜される。又
接合層１３の層を作る別の方法として、CVD技
術により成膜したアモルフアスシリコンの一部又
は全体を陽極酸化してシリコンの酸化物とする方
法がある。続いて、第２の電極体となるニオブ又
はニオブ化合物などがスパツタ技術又は蒸着技術
などにより成膜される。第２の電極体は、リフト
オフ技術などによりパターニングされる。この時
絶縁層１４上には、接合層１３の層を形成する時
同時に接合層と同一の物質３４が残るが、絶縁層
１４と同様の絶縁物であるので、素子の電気的特
性には影響しない。

第４図は、本発明の第２の実施例のジヨセフソ
ン接合素子の構造を示したものである。素子の接
合部の基本的な構造は、第１の実施例と同一であ
るので、第１の実施例と同じ効果が得られる。但
し、製造手順が異なるため、全体の構造が異なつ
ている。

第２の実施例のジヨセフソン接合素子は、以下
の手順で製造される。先ず第１の電極体の第２の
超伝導体４２が、第１の実施例と同様にして成膜
され、第１の電極体がパターニングされる。次
は、絶縁層１４が第１の実施例と同様にして成膜
されパターニングされる。その後、第１電極体の
第１の超伝導体４１の層が前述した技術により成
膜され、続いて、接合層１３の層と第２の電極体
４３の層が前述した技術により順次成膜される。
最後に、前述と同様の技術を用いて、第２の電極
体がパターニングされる。この時、絶縁層１４上
に第１の電極体の第１の超伝導体と同一物質の層
４５と接合層と同じ物質の層４５とが同時にパタ
ーニングされて残る。

第２の実施例は、第１の電極体の第１の超伝導
体４１と接合層１３と第２の電極体が、製造装置
の真空を破壊することなく連続して作れるという
特徴がある。よつて、第１の電極体の超伝導体４
１と接合層１３と第２の電極体４３との各層間の
表面が、空気中の酸素などによる汚染を受けるこ
となく素子が製造されるので、良質のジヨセフソ
ン接合素子が得られるという利点がある。但し、
絶縁層１４上に第１の超伝導体の層４５と接合層
と同一物質の層４４が残るという欠点がある。し
かし、絶縁層１４上の第１の超伝導体の層４５
は、絶縁層１４により第１の電極体とは絶縁され
ており、接合層と同一物質の層４４は、絶縁層１
４と同様の絶縁物であるので、共に素子の電気的
特性にはほとんど影響しない。

第５図は、本発明の第３の実施例のジヨセフソ
ン接合素子の構造を示したものである。素子の接
合部の基本的な構造は、第１の実施例及び第２の
実施例と同一であるので、第１の実施例及び第２
の実施例と同一の効果が得られる。製造方法が異
なるので、第１の電極体の第１の超伝導体５１の
層と接合層１３の層の構造が第１の実施例及び第
２の実施例と異なる。

第３の実施例のジヨセフソン接合素子は以下の
手順で製造される。先ず第１の電極体の第２の超
伝導体５２が第２の実施例と同様にして成膜さ
れ、パターニングされる。続いて絶縁膜１４が前
述と同様にして成膜され、パターニングされる。
次に、第１の電極体の第１の超伝導体５１と接合
層１３と第２の電極体の一部の層が５３が、前述
と同様の技術により順次成膜される。ここで、接
合層１３のパターンがリフトオフ技術等によりパ
ターンニングされる。この時、第１の電極体の第
１の超伝導体５１と第２の電極体の１部の層５３
が同時にパターニングされる。従つて、絶縁層１
４上には、第１の電極体の第１の超伝導体５１と
接合層１３とに相当する膜が残らない。最後に、
第２の電極体の残りの部分５４が前述と同様の技
術により成膜され、第２の電極体が前述と同様の
技術によりパターニングされる。

第３の実施例では、ジヨセフソン接合を形成す
る第１の電極体の第１の超伝導体５１と接合層１
３と第２の電極体の一部５３とが真空を破ること
なく接合のパターン部分のみに製造できるという
特徴がある。よつて第３の実施例では、第２の実
施例の利点と、絶縁層１４上に不用なパターンが
残らないので素子の電気的特性がより安定すると
いう利点がある。

以上述べた各実施例の製造手順の詳細や、実用
上必要なグランドプレーンや制御線等の付加機能
部の製造方法については、グレイナ（J.H.
Greiner）等によりアイ・ビー・エム・ジヤーナ
ル・オブ・リサーチ・アンド・デイベロプメント
（IBM Journal of Research and
Development）の第24巻第２号の第195頁から第
205頁に詳細に述べられている。

以上述べたように、本発明によれば、熱サイク
ルや経時変化による劣化が少なく、高速で磁場感
度の良好なジヨセフソン接合素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のジヨセフソン接合素子の構造を
示したもの、第２図は２層膜ベース電極構造を持
つ従来のジヨセフソン接合素子の構造を示したも
の、第３図は本発明による第１の実施例のジヨセ
フリン接合素子の構造を示したもの、第４図は本
発明の第２の実施例のジヨセフソン接合素子の構
造を示したもの、第５図は本発明の第３の実施例
のジヨセフソン接合素子の構造を示したものであ
る。 １１……第１の電極体、１２……第２の電極
体、１３……接合層、１４……絶縁層、２１，３
１，４１，５１……第１の電極体の第１の超伝導
体、２２，３２，４２，５２……第１の電極体の
第２の超伝導体、３３，４３……第２の電極体、
３４，４４……絶縁層上に残つた接合層と同一物
質の層、４５……絶縁層上に残つた第１の超伝導
体、５３……第２の電極体の一部で接合層と同時
にパターニングされた部分、５４……第２の電極
体の残りの部分で第２の電極体としてパターニン
グされた部分。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ニオブ化合物からなる第１の超伝導体と超伝
   導状態での磁界侵入の深さが前記第１の超伝導体
   より小さく前記第１の超伝導体に接して配置され
   たニオブからなる第２の超伝導体からなる第１の
   電極体と、ニオブ又はニオブ化合物又はパナジウ
   ム化合物からなる第２の電極体と、前記第１の電
   極体の前記第１の超伝導体と前記第２の電極体と
   の間に介在して超伝導トンネル効果を生じさせる
   接合層とから構成されることを特徴とするジヨセ
   フソン接合素子。 ２ 前記接合層として窒化シリコン又はシリコン
   の酸化物又はシリコンとシリコンの酸化物を用い
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   ジヨセフソン接合素子。