JPH05251768A - Superconducting tunnel junction - Google Patents

Superconducting tunnel junction

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JPH05251768A
JPH05251768A JP4046458A JP4645892A JPH05251768A JP H05251768 A JPH05251768 A JP H05251768A JP 4046458 A JP4046458 A JP 4046458A JP 4645892 A JP4645892 A JP 4645892A JP H05251768 A JPH05251768 A JP H05251768A
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JP
Japan
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niobium
tunnel
magnetic
tunnel barrier
oxide
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Withdrawn
Application number
JP4046458A
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Japanese (ja)
Inventor
Mutsuo Hidaka
睦夫 日高
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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Publication of JPH05251768A publication Critical patent/JPH05251768A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To provide a niobium group Josephson junction with a magnetic tunnel barrier, in which there is no pinhole and no niobium lower oxide film is formed on a junction interface. CONSTITUTION:In a tunnel type Josephson junction, in which a lower electrode 11 and an upper electrode 15 are composed of niobium, a tunnel barrier 13 consisting of a nickel oxide film is held by aluminium 12, 14 having no magnetism. Consequently, the formation of a niobium lower oxide having an adverse effect on quasi-particle tunnel current characteristics on a junction interface by the reduction of a magnetic oxide can be prevented. Since aluminium is made easier to be oxidized than nickel, the thickness of the oxide of aluminium is thicker than that of niobium even when there is a pinhole. Accordingly, tunnel currents are made to flow only through the nickel oxide film.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はジョセフソンアナログも
しくはディジタル回路に用いるトンネル型ジョセフソン
接合に関する。より詳しくは、準粒子トンネル電流だけ
を利用し、超伝導トンネル電流を用いないジョセフソン
接合に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a tunnel type Josephson junction used in a Josephson analog or digital circuit. More specifically, it relates to a Josephson junction that uses only quasiparticle tunneling current and does not use superconducting tunneling current.

【0002】[0002]

【従来の技術】低雑音電磁波検出器等のいくつかのトン
ネル型ジョセフソン接合の応用回路においては、ジョセ
フソン接合の準粒子トンネル電流だけが利用される。こ
の場合は超伝導トンネル電流は特性を劣化させる原因に
なることがある。このような応用には電子通信学会技術
報告SCE−84、第55頁にある磁性を含むトンネル
バリアを有するトンネル接合が適している。トンネルバ
リア中に磁性が存在するとそこを通過する電子のスピン
が変わる。超伝導電子体は互いに逆向きのスピンを有し
ていなければならず、一方の電子のスピンが変われば超
伝導電子対は壊れる。このため超伝導電子はトンネルバ
リア中を通りにくくなり、超伝導トンネル電流は減少す
る。実際に前記文献にあるように超伝導トンネル電流を
完全にゼロにすることも容易である。このスピンの変化
は磁性が秩序状態にあるときは起こりにくいため、この
場合トンネルバリアは常磁性状態にあると思われる。一
方、準粒子トンネル電流の方は磁性の影響を直接には受
けない。
In some tunnel type Josephson junction application circuits such as low noise electromagnetic wave detectors, only the quasi-particle tunneling current of the Josephson junction is used. In this case, the superconducting tunnel current may cause deterioration of the characteristics. A tunnel junction having a tunnel barrier containing magnetism described in Technical Report SCE-84, page 55 of IEICE is suitable for such application. When magnetism exists in the tunnel barrier, the spin of electrons passing through it changes. Superconducting electrons must have opposite spins, and if the spin of one electron changes, the superconducting electron pair breaks. Therefore, superconducting electrons are less likely to pass through the tunnel barrier, and the superconducting tunnel current is reduced. In fact, it is easy to make the superconducting tunnel current completely zero as in the above-mentioned document. This change in spin is unlikely to occur when magnetism is in an ordered state, so in this case the tunnel barrier seems to be in a paramagnetic state. On the other hand, the quasiparticle tunneling current is not directly affected by magnetism.

【0003】前記文献では下部電極材料がスズでありま
た上部の電極もニオブがポイントコンタクトで接触して
いる構造であるが、さらに広範な応用に適用するには上
下両電極をニオブにしたトンネル接合であることが望ま
しい。前記文献の接合を単純に上下両電極がニオブのト
ンネル接合に置き換えた場合の構造を図4に示す。図4
ではニオブからなる下部電極41とニオブからなる上部
電極43の間にニッケル酸化物からなる磁性トンネルバ
リア42がはさまれている。なお前記文献では磁性トン
ネルバリア42の両側または片側に酸化膜がある構造も
あるが、このような構造にすると、トンネルバリアの膜
厚が厚くなり準粒子トンネル電流密度が減少する。応用
によっては比較的に高い準粒子トンネル電流密度値が必
要になる場合も多く、そのような場合には前記磁性トン
ネルバリアの両側または片側に酸化膜がある構造は適し
ていない。
In the above literature, the lower electrode material is tin, and the upper electrode also has a structure in which niobium is in point contact, but in order to apply to a wider range of applications, the upper and lower electrodes are made of niobium tunnel junction. Is desirable. FIG. 4 shows a structure in which the upper and lower electrodes are simply replaced by a niobium tunnel junction in the above-mentioned document. Figure 4
Then, the magnetic tunnel barrier 42 made of nickel oxide is sandwiched between the lower electrode 41 made of niobium and the upper electrode 43 made of niobium. Although there is a structure in which an oxide film is provided on both sides or one side of the magnetic tunnel barrier 42 in the above-mentioned document, such a structure increases the thickness of the tunnel barrier and reduces the quasi-particle tunnel current density. Depending on the application, a relatively high quasi-particle tunnel current density value is often required, and in such a case, a structure having an oxide film on both sides or one side of the magnetic tunnel barrier is not suitable.

【0004】[0004]

【発明解決しようとする課題】図4に示した構造の接合
には二つの問題点がある。第一の問題点は、下部電極4
1表面には数nm程度の起伏がある場合が多いため、1
nmから2nm程度の薄い磁性トンネルバリア42を下
部電極41上に成膜した場合に被覆が十分でなくピンホ
ールができる可能性が高いことである。
There are two problems in joining the structure shown in FIG. The first problem is the lower electrode 4
Since there are often undulations of several nm on one surface, 1
When a thin magnetic tunnel barrier 42 having a thickness of about 2 nm to 2 nm is formed on the lower electrode 41, the coating is insufficient and there is a high possibility that pinholes will be formed.

【0005】第二の問題点は、磁性トンネルバリア42
を構成する酸化物にはニッケル酸化物、コバルト酸化
物、鉄酸化物等があるがいずれもニオブの低級酸化物で
ある一酸化ニオブ(NbO)、二酸化ニオブ(Nb
2 )より生成熱が小さく、上部電極43ニオブを磁性
トンネルバリア42に上に成膜したときにニオブが磁性
トンネルバリアの酸素を奪いニオブ低級酸化物が接合界
面に生じることである。ニオブ低級酸化物は金属的な性
質を示し、これが接合界面にあると準粒子トンネル電流
特性は著しく劣化する。
The second problem is the magnetic tunnel barrier 42.
There are nickel oxides, cobalt oxides, iron oxides, and the like as the oxides that make up Ni, but all of them are niobium monoxide (NbO) and niobium dioxide (NbO), which are lower oxides of niobium.
The heat of formation is smaller than that of O 2 ), and when the upper electrode 43 niobium is deposited on the magnetic tunnel barrier 42, niobium deprives oxygen of the magnetic tunnel barrier and niobium lower oxide is generated at the junction interface. The niobium lower oxide has a metallic property, and if it is present at the junction interface, the quasi-particle tunnel current characteristic is significantly deteriorated.

【0006】本発明は、このような従来技術の欠点を取
り除き、優れた準粒子トンネル電流特性を有する磁性材
料を用いたニオブ系トンネル接合を提供することを目的
としている。
It is an object of the present invention to eliminate such drawbacks of the prior art and to provide a niobium-based tunnel junction using a magnetic material having excellent quasi-particle tunnel current characteristics.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本出願の第一の発明によ
れば、下部電極、上部電極にニオブもしくはニオブ化合
物を用い、トンネルバリアに磁性材料を含むトンネル型
ジョセフソン接合において、少なくとも前記下部電極上
に磁性を有しない第一の金属層、前記第一の金属層上に
前記トンネルバリア、前記トンネルバリア上に磁性を有
しない第二の金属層、前記第二の金属層上に前記上部電
極を配置することを特徴とする超伝導トンネル接合が得
られる。
According to the first invention of the present application, at least the lower part of the tunnel type Josephson junction using niobium or a niobium compound for the lower electrode and the upper electrode and including a magnetic material for the tunnel barrier is used. A non-magnetic first metal layer on the electrode, the tunnel barrier on the first metal layer, a non-magnetic second metal layer on the tunnel barrier, and the upper portion on the second metal layer. A superconducting tunnel junction characterized by arranging electrodes is obtained.

【0008】また第二の発明によれば、下部電極、上部
電極にニオブもしくはニオブ化合物を用い、トンネルバ
リア近傍に磁性材料を有するトンネル型ジョセフソン接
合において、少なくとも前記下部電極上に磁性材料を含
む導電体の磁性層、前記磁性層上にニオブ酸化物より酸
化物の生成熱が大きくかつ磁性を有しない金属層、前記
金属層上に前記金属層の酸化物からなる前記トンネルバ
リア、前記トンネルバリア上に前記上部電極を配置する
ことを特徴とする超伝導トンネル接合が得られる。
According to the second invention, in the tunnel type Josephson junction having niobium or niobium compound for the lower electrode and the upper electrode and having the magnetic material in the vicinity of the tunnel barrier, at least the lower electrode contains the magnetic material. A magnetic layer of a conductor, a metal layer on the magnetic layer that has a larger heat of formation of oxide than niobium oxide and does not have magnetism, the tunnel barrier formed of the oxide of the metal layer on the metal layer, and the tunnel barrier A superconducting tunnel junction is obtained which is characterized in that the upper electrode is arranged on top.

【0009】[0009]

【作用】本発明の第一の発明では、磁性トンネルバリア
と下部電極の間に磁性を含まない第一の金属層がある。
この金属膜は下部電極表面をピンホールがないように覆
っている。このため磁性酸化物を蒸着したあと熱酸化を
行うか、もしくは磁性材料を成膜した後熱酸化を行え
ば、下部電極表面上にニオブの低級酸化物を生じさせる
ことなくトンネルバリア層を形成できる。このとき蒸着
する磁性酸化物または磁性材料の膜厚は磁性トンネルバ
リア形成に必要なだけとし、十分薄くする。このように
すると磁性トンネルバリアの膜厚が第一の金属を覆うの
に十分でないため、第一の金属層表面の一部が酸化され
トンネルバリアの一部となる可能性がある。しかしこの
場合も前記第一の金属層として前記磁性材料より酸化さ
れやすい金属を選んでおけば、露出した第一の金属層表
面の酸化膜厚の方を磁性酸化膜より厚くすることができ
る。トンネル電流はトンネルバリア膜厚の増加に対して
指数関数的に減少するため、実質的に磁性トンネルバリ
アだけを通してトンネル電流を流すことができる。以上
により前述の第一の問題点を克服できる。
In the first aspect of the present invention, the first metal layer containing no magnetism is provided between the magnetic tunnel barrier and the lower electrode.
This metal film covers the lower electrode surface without pinholes. Therefore, the tunnel barrier layer can be formed on the lower electrode surface without producing lower oxides of niobium by vapor-depositing the magnetic oxide and then performing thermal oxidation, or by depositing a magnetic material and then performing thermal oxidation. .. At this time, the film thickness of the magnetic oxide or the magnetic material to be vapor-deposited is only necessary for forming the magnetic tunnel barrier and is sufficiently thin. In this case, since the film thickness of the magnetic tunnel barrier is not sufficient to cover the first metal, there is a possibility that part of the surface of the first metal layer will be oxidized and become part of the tunnel barrier. However, also in this case, if a metal that is more easily oxidized than the magnetic material is selected as the first metal layer, the oxide film thickness on the exposed surface of the first metal layer can be made thicker than the magnetic oxide film. Since the tunnel current exponentially decreases with an increase in the tunnel barrier film thickness, the tunnel current can flow substantially only through the magnetic tunnel barrier. As described above, the first problem described above can be overcome.

【0010】また第一の発明では、磁性トンネルバリア
上に第二の金属層を介して上部電極のニオブを成膜して
いる。このため磁性酸化物とニオブは直接接触せずニオ
ブ低級酸化物は生じない。第二の金属層の酸化物の生成
熱が前記磁性酸化物の生成熱より大きい場合はトンネル
バリア界面の第二の金属層が酸化される。しかし第二の
金属層としてアルミニウム等の酸化物の絶縁性の高い材
料を選んでおけば、第二の金属層の酸化物が準粒子トン
ネル電流に悪影響を与えることはない。以上により前述
の第二の問題点も克服できる。
In the first invention, niobium for the upper electrode is formed on the magnetic tunnel barrier via the second metal layer. Therefore, the magnetic oxide and niobium do not come into direct contact with each other and niobium lower oxide is not generated. When the heat of formation of the oxide of the second metal layer is larger than the heat of formation of the magnetic oxide, the second metal layer at the tunnel barrier interface is oxidized. However, if a material having a high insulating property such as an oxide such as aluminum is selected as the second metal layer, the oxide of the second metal layer does not adversely affect the quasi-particle tunnel current. As described above, the second problem described above can be overcome.

【0011】本発明の第二の発明では、下部電極との界
面に導電性の磁性層を形成し、その上に通常のニオブ系
トンネル接合で用いられるアーティフィシャルバリア接
合と同じ構造の層がある。金属層は下部電極表面を十分
に覆っているためトンネルバリアにピンホールはできず
第一の問題点は発生しない。またトンネルバリアである
絶縁層はその生成熱がニオブ酸化物の生成熱より大きい
ため、上部電極ニオブの成膜時にニオブ低級酸化物は生
じない。このため第二の問題点も発生しない。
In the second aspect of the present invention, a conductive magnetic layer is formed at the interface with the lower electrode, and a layer having the same structure as an artificial barrier junction used in a normal niobium-based tunnel junction is formed thereon. .. Since the metal layer covers the surface of the lower electrode sufficiently, pinholes cannot be formed in the tunnel barrier and the first problem does not occur. Further, since the heat of formation of the insulating layer which is the tunnel barrier is larger than that of niobium oxide, niobium lower oxide is not generated during the film formation of the upper electrode niobium. Therefore, the second problem does not occur.

【0012】[0012]

【実施例】第一の発明の実施例を図1を参照して説明す
る。シリコンからなる基板10上にスパッタ法で成膜さ
れた膜厚200nmのニオブからなる下部電極11があ
る。この下部電極11表面には3nm程度の起状があ
る。下部電極11上に第一の金属層12としてアルミニ
ウムをスパッタ法を用いて厚さ6nm成膜すると下部電
極11表面は第一の金属層12によって完全に覆われ
る。次に磁性体であるニッケルを2nmスパッタ法で成
膜した後熱酸化を行いニッケル酸化物からなるトンネル
バリア13を形成する。ニッケル酸化物は通常反強磁性
を示すが、この場合はニッケル酸化物はアモルファス状
で常磁性状態にある。このためニッケル酸化物の磁性が
周囲の超伝導状態に与える影響は比較的小さい。また成
膜するニッケルの膜厚は2nmであるため、第一の金属
層12表面を十分には覆っておらず、熱酸化時に第一の
金属層12表面が一部露出している可能性がある。露出
している場合は熱酸化時に露出部のアルミニウムも酸化
されトンネルバリアの一部となる。しかし、アルミニウ
ムの方がニッケルより酸化されやすいこと、ニッケル酸
化物は半導体的な性質を有しバリアハイトが絶縁体であ
るアルミニウム酸化物より低いことから、酸化膜厚とバ
リアハイトの平方根の積に指数関数的に依存するトンネ
ル電流はアルミニウム酸化物を通ってほとんど流れず、
主にニッケル酸化物を通って流れると考えられる。一方
第一の金属層12は下部電極11表面を完全に覆ってい
るため準粒子トンネル電流特性を劣化させるニオブ低級
酸化物は生成されない。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the first invention will be described with reference to FIG. A lower electrode 11 made of niobium and having a film thickness of 200 nm is formed on a substrate 10 made of silicon by a sputtering method. The surface of the lower electrode 11 has a texture of about 3 nm. When aluminum having a thickness of 6 nm is formed as the first metal layer 12 on the lower electrode 11 by the sputtering method, the surface of the lower electrode 11 is completely covered with the first metal layer 12. Next, nickel, which is a magnetic substance, is deposited by a 2 nm sputtering method and then thermally oxidized to form a tunnel barrier 13 made of nickel oxide. Nickel oxide usually exhibits antiferromagnetism, but in this case, nickel oxide is amorphous and in a paramagnetic state. Therefore, the effect of the magnetism of nickel oxide on the surrounding superconducting state is relatively small. Moreover, since the film thickness of nickel to be formed is 2 nm, the surface of the first metal layer 12 is not sufficiently covered, and there is a possibility that the surface of the first metal layer 12 is partially exposed during thermal oxidation. is there. If exposed, aluminum in the exposed portion is also oxidized during thermal oxidation and becomes part of the tunnel barrier. However, since aluminum is more easily oxidized than nickel, and nickel oxide has a semiconducting property and the barrier height is lower than that of aluminum oxide, which is an insulator, the product of the oxide film thickness and the square root of the barrier height is an exponential function. -Dependent tunneling current flows through aluminum oxide with little
It is thought to flow mainly through nickel oxide. On the other hand, since the first metal layer 12 completely covers the surface of the lower electrode 11, no niobium lower oxide that deteriorates the quasi-particle tunnel current characteristic is not generated.

【0013】トンネルバリア上には第二の金属層14と
してアルミニウムを6nmスパッタ法で成膜しトンネル
バリア13表面を完全に覆った後、上部電極15として
ニオブを200nmスパッタ法で成膜する。ニッケル酸
化物はニオブの低級酸化物より生成熱が低いためトンネ
ルバリア13上に直接上部電極15を成膜すると、ニッ
ケル酸化物が一部還元され、ニオブ低級酸化物が形成さ
れる。この場合は準粒子トンネル電流特性が劣化する
が、間に第二の金属層14を挟むことによりこの特性劣
化は回避できる。一方、トンネルバリア13のニッケル
酸化物が第二の金属層14成膜時を挟むことによりこの
磁性劣化は回避できる。一方、トンネルバリア13のニ
ッケル酸化物が第二の金属層14成膜時に一部還元され
アルミニウム酸化物が生じるが、アルミニウム酸化物は
絶縁性の高い物質であるため準粒子トンネル電流特性に
悪影響をおよぼすことはない。
Aluminum is deposited as a second metal layer 14 on the tunnel barrier by a 6 nm sputtering method to completely cover the surface of the tunnel barrier 13, and then niobium is deposited as an upper electrode 15 by a 200 nm sputtering method. Since nickel oxide has a lower heat of formation than a lower oxide of niobium, when the upper electrode 15 is directly formed on the tunnel barrier 13, the nickel oxide is partially reduced to form a lower niobium oxide. In this case, the quasi-particle tunnel current characteristic deteriorates, but this characteristic deterioration can be avoided by sandwiching the second metal layer 14 therebetween. On the other hand, by interposing the nickel oxide of the tunnel barrier 13 during the formation of the second metal layer 14, this magnetic deterioration can be avoided. On the other hand, the nickel oxide of the tunnel barrier 13 is partially reduced during the film formation of the second metal layer 14 to generate aluminum oxide. However, since aluminum oxide is a substance having a high insulating property, it adversely affects the quasi-particle tunnel current characteristics. It does not affect.

【0014】以上本実施例で示した構成を用いれば、準
粒子トンネル電流特性を劣化させることなしにニオブを
電極材料として用いた磁性トンネルバリアを有するトン
ネル型ジョセフソン接合を形成できる。また本構成で
は、使用する磁性材料膜厚はトンネルバリア形成に必要
な膜厚だけですみ十分薄くできる。この接合に電流を流
すと、超伝導トンネル電流は磁性トンネルバリア13の
部分で壊されるため流れず、準粒子トンネル電流だけが
流れる。
By using the structure shown in this embodiment, a tunnel type Josephson junction having a magnetic tunnel barrier using niobium as an electrode material can be formed without deteriorating the quasi-particle tunnel current characteristic. With this configuration, the film thickness of the magnetic material used is only the film thickness required for tunnel barrier formation, and can be made sufficiently thin. When a current is passed through this junction, the superconducting tunnel current is destroyed at the magnetic tunnel barrier 13 and does not flow, but only the quasi-particle tunnel current flows.

【0015】本実施例では磁性材料としてニッケルを用
いたがマンガンやコバルト、鉄等の他の磁性材料も用い
ることができる。またトンネルバリア13は磁性材料を
成膜した後熱酸化を行うことにより形成したが、直接ニ
ッケル酸化物等の磁性酸化物を成膜してもよい。この場
合には磁性酸化物成膜後、熱酸化を行うことでトンネル
バリア13のピンホールをアルミニウム酸化物で塞ぐこ
とができる。電極材料としてはニオブを使用したが窒化
ニオブ等の超伝導性を有するニオブ化合物を用いること
もできる。第一、第二の金属12、14としてはアルミ
ニウムをもちいたがハフニウム、ジルコニウム、タンタ
ル等を用いることもできる。
Although nickel is used as the magnetic material in this embodiment, other magnetic materials such as manganese, cobalt and iron can be used. Although the tunnel barrier 13 is formed by performing thermal oxidation after depositing a magnetic material, a magnetic oxide such as nickel oxide may be deposited directly. In this case, the pinholes of the tunnel barrier 13 can be closed with aluminum oxide by performing thermal oxidation after forming the magnetic oxide film. Although niobium was used as the electrode material, a niobium compound having superconductivity such as niobium nitride may be used. Aluminum is used as the first and second metals 12 and 14, but hafnium, zirconium, tantalum, or the like may be used.

【0016】本発明の第二の発明の実施例を図2を参照
して説明する。シリコンからなる基板20上にスパッタ
法で成膜された膜厚200nmのニオブからなる下部電
極21がある。この下部電極21表面には多少の起状が
できるが、スパッタ条件によってはこの起状を1nm程
度にすることができる。下部電極21上に磁性層22と
してニッケルをスパッタ法を用いて厚さ2nm成膜する
と下部電極21表面は磁性層22によって完全に覆うこ
とができる。ニッケルは通常強磁性を示すが、この場合
はニッケルはアモルファス状で常磁性状態にあると思わ
れ、ニッケルの磁性が周囲の超伝導状態に与える影響は
比較的小さい。次に金属層23としてアルミニウム4n
mスパッタ法で成膜した後熱酸化を行いアルミニウム酸
化物からなるトンネルバリア24を形成する。下部電極
21表面は磁性層22、金属層23によって完全に覆わ
れているため準粒子トンネル電流特性を劣化させるニオ
ブ低級酸化物は生成されない。
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. A lower electrode 21 made of niobium having a film thickness of 200 nm is formed on a substrate 20 made of silicon by a sputtering method. The surface of the lower electrode 21 may have some undulations, but depending on the sputtering conditions, the undulations can be about 1 nm. When nickel is deposited as the magnetic layer 22 on the lower electrode 21 by sputtering to have a thickness of 2 nm, the surface of the lower electrode 21 can be completely covered with the magnetic layer 22. Nickel usually exhibits ferromagnetism, but in this case, nickel seems to be in an amorphous state and in a paramagnetic state, and the effect of the magnetism of nickel on the surrounding superconducting state is relatively small. Next, aluminum 4n is used as the metal layer 23.
After the film is formed by the m-sputtering method, thermal oxidation is performed to form the tunnel barrier 24 made of aluminum oxide. Since the surface of the lower electrode 21 is completely covered with the magnetic layer 22 and the metal layer 23, niobium lower oxide that deteriorates the quasi-particle tunnel current characteristic is not generated.

【0017】トンネルバリア24上には上部電極25と
してニオブを200nmスパッタ法で成膜する。アルミ
ニウム酸化物はニオブの低級酸化物より生成熱が高いた
めトンネルバリア24上に上部電極25を直接成膜して
もニオブの低級酸化物は生成されない。
Niobium is formed as an upper electrode 25 on the tunnel barrier 24 by a 200 nm sputtering method. Since aluminum oxide has a higher heat of formation than the lower oxide of niobium, the lower oxide of niobium is not generated even when the upper electrode 25 is directly formed on the tunnel barrier 24.

【0018】図2で磁性層22がなければ、金属層23
は超伝導の近接効果により実質的に超伝導とみなせ、接
合は超伝導/絶縁体/超伝導構造になるが、磁性層22
がある場合は超伝導電子対は磁性層22を通過するとき
に壊れるので超伝導/常伝導/絶縁膜/超伝導構造にな
る。しかも下部電極と磁性層界面は状態密度の分布が不
連続的に変化していると考えられる。従って、本実施例
に示した構造のエネルギーバンドは模式的に書けば図3
に示される構造を有すると思われる。図中Vgb、Vg
cはそれぞれ下部電極、上部電極のエネルギーギャップ
値の2分の1の値を表わしている準粒子トンネル電流は
トンネルバリア24間の電圧が上部電極25エネルギー
ギャップVgcを越えると金属層23からなる常伝導領
域に流れ込もうとするが、トンネルバリア24間電圧が
下部電極21と上部電極25とのエネルギーギャップの
和Vgb+Vgcを越えないうちは、上部電極25から
の電流が金属層23を介して下部電極21に流れ込むこ
とはできないため準粒子トンネル電流は流れない。この
ため準粒子トンネル電流特性は原理的には磁性層22が
ない場合と変わらない。ここでは磁性層22が下部電極
21の超伝導特性に与える影響は無視したが、実際には
多少の影響を考慮しなければならない。しかし磁性層2
2は常磁性体であり強磁性体に比べれば超伝導特性への
影響ははるかに小さいこと、および磁性層22を磁性体
と磁性を有しない金属との混合物とすれば磁性体の含有
率を変えることで磁性の強さを任意に制御できることか
ら、この影響は十分小さくできる。
Without the magnetic layer 22 in FIG. 2, the metal layer 23
Can be regarded as substantially superconducting due to the proximity effect of superconductivity, and the junction has a superconducting / insulator / superconducting structure.
If there is, the superconducting electron pair is broken when passing through the magnetic layer 22, resulting in a superconducting / normal conducting / insulating film / superconducting structure. Moreover, it is considered that the distribution of the density of states changes discontinuously at the interface between the lower electrode and the magnetic layer. Therefore, the energy band of the structure shown in this example is schematically shown in FIG.
It seems to have the structure shown in. Vgb and Vg in the figure
c represents a half of the energy gap value of the lower electrode and that of the upper electrode, respectively. The quasi-particle tunneling current is usually composed of the metal layer 23 when the voltage between the tunnel barriers 24 exceeds the energy gap Vgc of the upper electrode 25. Although an attempt is made to flow into the conduction region, the current from the upper electrode 25 will pass through the metal layer 23 through the metal layer 23 while the voltage between the tunnel barriers 24 does not exceed the sum Vgb + Vgc of the energy gaps between the lower electrode 21 and the upper electrode 25. Since it cannot flow into the electrode 21, the quasi-particle tunnel current does not flow. For this reason, the quasi-particle tunneling current characteristics are basically the same as in the case without the magnetic layer 22. Although the influence of the magnetic layer 22 on the superconducting property of the lower electrode 21 is neglected here, some influence must be actually taken into consideration. However, the magnetic layer 2
2 is a paramagnetic material, which has a much smaller effect on superconducting properties than a ferromagnetic material, and when the magnetic layer 22 is a mixture of a magnetic material and a non-magnetic metal, the content of the magnetic material is This effect can be made sufficiently small because the strength of magnetism can be controlled arbitrarily by changing it.

【0019】以上本実施例で示した構成を用いれば、準
粒子トンネル電流特性を劣化させることなしに磁性トン
ネルバリア有するトンネル型ジョセフソン接合をニオブ
を電極材料として用いて形成できる。また磁性層22と
トンネルバリア24に別々の材料を用いることができる
ため、材料選択の自由度が上がる。
By using the configuration shown in this embodiment, a tunnel type Josephson junction having a magnetic tunnel barrier can be formed by using niobium as an electrode material without deteriorating the quasi-particle tunnel current characteristic. Moreover, since different materials can be used for the magnetic layer 22 and the tunnel barrier 24, the degree of freedom in material selection is increased.

【0020】本実施例では磁性材料としてニッケルを用
いたがマンガンやコバルト、鉄といった他の磁性材料も
用いることができる。電極材料としてはニオブを使用し
たが窒化ニオブ等の超伝導性を有するニオブ化合物を用
いることもできる。金属層23としてはアルミニウムを
もちいたがハフニウム、ジルコニウム、タンタル等を用
いることもできる。
In this embodiment, nickel is used as the magnetic material, but other magnetic materials such as manganese, cobalt and iron can be used. Although niobium was used as the electrode material, a niobium compound having superconductivity such as niobium nitride may be used. Although aluminum is used as the metal layer 23, hafnium, zirconium, tantalum, or the like can be used.

【0021】[0021]

【発明の効果】第一の発明を用いれば、準粒子トンネル
電流特性を劣化させることなしに磁性トンネルバリアを
有するトンネル型ジョセフソン接合をニオブまたはニオ
ブ化合物を電極材料として用いて形成できるという効果
を有する。また使用する磁性材料膜厚はトンネルバリア
形成に必要な膜厚だけですみ十分薄くできるという効果
も有する。
According to the first aspect of the present invention, it is possible to form a tunnel type Josephson junction having a magnetic tunnel barrier by using niobium or a niobium compound as an electrode material without degrading the quasi-particle tunnel current characteristics. Have. In addition, the thickness of the magnetic material used is only the thickness necessary for forming the tunnel barrier, and it has the effect that it can be made sufficiently thin.

【0022】第二の発明を用いれば、準粒子トンネル電
流特性を劣化させることなしに磁性トンネルバリア有す
るトンネル型ジョセフソン接合をニオブまたはニオブ化
合物を電極材料として用いて形成できるという効果を有
する。また磁性層とトンネルバリアに別々の材料を用い
ることができるため、材料選択の自由度が上がるという
効果も有する。
The use of the second invention has an effect that a tunnel-type Josephson junction having a magnetic tunnel barrier can be formed by using niobium or a niobium compound as an electrode material without deteriorating the quasi-particle tunnel current characteristic. Further, since different materials can be used for the magnetic layer and the tunnel barrier, there is an effect that the degree of freedom in material selection is increased.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】第一の発明の構造の断面を示した模式図であ
る。
FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of a structure of the first invention.

【図2】第二の発明の構造の断面を示した模式図であ
る。
FIG. 2 is a schematic view showing a cross section of the structure of the second invention.

【図3】第二の発明の接合におけるエネルギー状態を説
明するためのエネルギーバンド図である。
FIG. 3 is an energy band diagram for explaining an energy state in the junction of the second invention.

【図4】従来の構造を説明するための断面の模式図であ
る。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a conventional structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10、20、41 基板 11、21、42 下部電極 12 第一の金属層 13、24、42 トンネルバリア 14 第二の金属層 15、25、44 上部電極 22 磁性層 23 金属層 10, 20, 41 Substrate 11, 21, 42 Lower electrode 12 First metal layer 13, 24, 42 Tunnel barrier 14 Second metal layer 15, 25, 44 Upper electrode 22 Magnetic layer 23 Metal layer

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 下部電極、上部電極にニオブもしくはニ
オブ化合物を用い、トンネルバリアに磁性材料を含むト
ンネル型ジョセフソン接合において、少なくとも前記下
部電極上に磁性を有しない第一の金属層、前記第一の金
属層上に前記トンネルバリア、前記トンネルバリア上に
磁性を有しない第二の金属層、前記第二の金属層上に前
記上部電極を配置することを特徴とする超伝導トンネル
接合。
1. In a tunnel-type Josephson junction including niobium or a niobium compound for a lower electrode and an upper electrode and a magnetic material for a tunnel barrier, at least a first metal layer having no magnetism on the lower electrode, A superconducting tunnel junction, wherein the tunnel barrier is disposed on one metal layer, the second metal layer having no magnetism is disposed on the tunnel barrier, and the upper electrode is disposed on the second metal layer.
【請求項2】 下部電極、上部電極にニオブもしくはニ
オブ化合物を用い、トンネルバリア近傍に磁性材料を有
するトンネル型ジョセフソン接合において、少なくとも
前記下部電極上に磁性材料を含む導電体の磁性層、前記
磁性層上にニオブ酸化物より酸化物の生成熱が大きくか
つ磁性を有しない金属層、前記金属層上に前記金属層の
酸化物からなる前記トンネルバリア、前記トンネルバリ
ア上に前記上部電極を配置することを特徴とする超伝導
トンネル接合。
2. A tunnel type Josephson junction having niobium or a niobium compound for a lower electrode and an upper electrode and having a magnetic material in the vicinity of a tunnel barrier, wherein a magnetic layer of a conductor containing a magnetic material at least on the lower electrode, A metal layer having a larger heat of formation of oxide than niobium oxide and having no magnetism on the magnetic layer, the tunnel barrier made of the oxide of the metal layer on the metal layer, and the upper electrode on the tunnel barrier. A superconducting tunnel junction characterized by:
JP4046458A 1992-03-04 1992-03-04 Superconducting tunnel junction Withdrawn JPH05251768A (en)

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