JPH055192B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明はジヨセフソン接合素子に関する。

（従来の技術） 従来から、ジヨセフソン接合素子として、種々
の接合構造のものが提案されている。

第９図は、特公昭55−7712号及び特公昭58−
46197号に開示されたブリツジ型に属する準平面
型ジヨセフソン接合素子の構造を概略的に示した
線図で、この素子は、弱結合部を極限まで短縮し
てその特性を改善し、かつ、容易に同一特性の素
子を大量生産し得る構造となつている。

第９図に示す構造によれば、基板１０上に、
Nb、Ta等の第一超伝導体膜１１とSiO₂等の絶縁
体膜１２とを、第一超伝導体膜１１の端部に絶縁
体膜１２の端部が重なるようにして設け、この絶
縁体膜１２上に第二超伝導体膜１３を設けて、第
一及び第二超伝導体１１と１３とを絶縁体膜１２
を介して部分的に対向させ、そしてこの絶縁体膜
１２を横切つてNb、Bi等の弱結合部用膜１４を
両超伝導体膜１１及び１３にまたがつて形成させ
ている。

（発明が解決しようとする問題点） この従来構造では、絶縁体膜１２の膜厚を数百
Å程度としているため、第一及び第二超伝導体膜
１１及び１３間に無視出来ない程度の大きさの静
電容量が形成され、素子の動作特性に悪影響を及
ぼすと共に、この絶縁体膜１２が薄いため電気的
短絡を起して素子の故障の原因となり、さらに静
電容量を除去或いは低減するためにこの絶縁体膜
１２を一層薄く形成することは素子の信頼性上ほ
とんど不可能であつた。

この発明の目的は、弱結合部を極限まで短縮
し、接合部の静電容量を除去し、しかも、簡単容
易に製造出来る構造のジヨセフソン接合素子を提
供することにある。

（問題点を解決するための手段） この発明の目的の達成を図るため、この発明の
ジヨセフソン接合素子によれば、複数の超伝導体
膜の端面が互いにある角度をもつて直接結合して
いる部分を弱結合部として成ることを特徴とす
る。

この発明の実施に当つて、これら超伝導体膜を
第一及び第二超伝導体膜とし、これら第一及び第
二超伝導体膜を同一成膜工程で形成した膜とする
のが好適である。

さらに、これら超伝導体膜の膜数を第一、第二
及び第三の超伝導体膜とすることが出来る。

（作用） このような構成によれば、複数の超伝導体膜が
微小面積を以つて直接結合する構造となつている
ので、弱結合部の距離は極限まで短くて事実上零
となつているので静電容量を除去することが出来
る。

さらに、この超伝導体膜の形成は通常の半導体
技術の組み合わせで製造出来るので、同一特性の
素子を簡単かつ容易に大量に生産することが出来
る。

（実施例） 以下、図面を参照して、この発明の実施例につ
き説明する。尚、これら図において、同一の構成
成分については同一の符号を付して説明する。さ
らに、これらの図はこの発明の素子構造を理解出
来る程度に概略的に示すものであり、各構成成分
の寸法、形状及び配置関係は図示例のものに限定
されるものではない。

原理的構造の説明 第１図〜第３図はこの発明のジヨセフソン接合
素子の基本的な原理的構造を説明するための原理
図である。

先ず、第１図は二端子のジヨセフソン接合素子
を実現するための原理図で、第一超伝導体膜２１
と、第２超伝導体膜２３の二枚の膜を考える。仮
ににこれら膜２１，２２の膜厚を同一の均一な、
ジヨセフソン効果を生ずる程度の厚さとする。こ
れら二枚の膜２１及び２２のそれぞれの面が互い
にある角度をもつて傾斜し、従つて、この膜２１
及び２２の端面２１ａ及び２２ａが互いにある角
度をもつて直接結合している。

また、これら超伝導体膜２１及び２２は下地層
（図示していない）上に1μm以下通常は1000Å以
下の厚みに形成されるので、結合部Ｐの面積は極
めて小さく、この直接結合している結合部Ｐが弱
結合部となる。従つて、この場合には、両超伝導
体膜２１及び２２間の距離は事実上零に等しい。

第２図は三端子のジヨセフソン接合素子を実現
するための原理図である。三端子素子は第三電極
を弱結合部に設けて、素子特性の制御が出来ると
いうことで実用化が望まれているが現状では実用
化が困難である（電子通信学会技術研究報告、信
学技82，（254），SCE82−60，p45）。

この図において、膜数を第一、第二及び第三超
伝導体膜３１，３２，３３の三枚とし、これらの
膜３１，３２，３３が集合して結合している結合
部Ｑが弱結合部を形成している。尚、この図で
は、説明を容易にするため、これらの膜厚を示し
ていないが、各膜は当然超伝導を生ずる程度の膜
厚は有している。

第３図は第２図の原理的構造を実現した場合の
構造を超伝導体膜のみで簡単に示した原理図であ
る。この場合には、各超伝導体膜３１，３２，３
３が一箇所Ｑで集合結合して電気的に接続した構
造となる。この場合でも、第一、第二及び第三超
伝導体膜３１、３２、３３間の距離は結合部Ｑに
おいて事実上零となつており、しかも、結合部で
の接触面積も小さく、この集合結合部Ｑが弱結合
部を形成する。

具体的構造の説明 次に、第４図Ａ〜Ｄを参照して、第１図に示し
た原理的構造の具体化した構造のジヨセフソン接
合素子の一実施例を、その製造方法に基づいて、
説明する。

先ず、第４図Ａに示すように、下地層１０とし
ての基板上に部分的に耐エツチング性の膜４１例
えばAl薄膜或いはレジスト膜を被着する。

次に、第４図Ｂに示すように、基板上及び膜４
１上にまたがつて、かつ、例えば、この膜４１の
端縁４２と直交する方向に軸心を有する半円柱状
の表面整形部５０を部分的に被着形成する。この
整形部５０は基板上の部分５１と膜４１上の部分
５２が膜４１の端縁４２で段差をもつて連続的に
形成されている。この形状の整形部５０の形成
は、例えば、部分５１及び５２に相当する部分以
外の所に金網またはマスクを設置して蒸着を行う
とか或いはその他の方法でも簡単に形成すること
が出来る。この整形部５０の形状は最終目的とし
た超伝導体膜の形状に適合した形状とするので、
半円柱以外の他の形状とすることも出来る。ま
た、整形部５０の材料を基板１０と同一材料とし
ても良く、或いは基板１０とは異なる材料とする
ことも出来る。尚、この被着に際し、整形部用の
材料が基板１０及び膜４１上の他の部分に若干被
着しても問題とならない。

次に、第４図Ｃに示すように、対エツチング性
膜４１が被覆されている基板部分を除く整形部５
０及び基板の露出面を部分的にエツチングし、点
線で示す原状態（第４図Ｂの状態）から実戦で示
すような状態に整形する。このエツチングにより
半円柱の部分５１，５２が小さくなると共に、基
板１０が厚み方向にエツチングされる。

このエツチングに際し、エツチング液又はエツ
チング用ガスとしては、例えば、膜４１に対して
はエツチングしないか或いは極めてエツチング速
度が遅く、整形部５０（５１，５２）及び基板１
０に対してのみエツチングするようなものを使用
する。例えば、膜４１をAlとし、整形部５０
（５１，５２）及び基板１０を石英とする場合に
は、エツチング方法としてスパツタエツチングを
行えば図示のようなエツチング形状を得ることが
出来る。

或いは又、膜４１を金を主体とした膜とし、整
形部５０（５１，５２）及び基板１０を石英とす
る場合には、プラズマエツチング法又はHFを主
成分としたウエツト方式によるエツチング方法で
図示のような構造にエツチング出来る。

尚、この図において、５３及び５４はエツチン
グ後の半円柱部分、１１１及び１１２はエツチン
グ後の基板の露出面、１１３及び１１４はエツチ
ング後の基板の露出面１１１，１１２に直交する
方向に現われた露出断面である。

次に、第４図Ｃの構造における膜４１をエツチ
ング液で除去する。このエツチングにより、膜４
１上の円柱部分５４も除去される。然る後、露出
した半円中部分５３の露出面を含む基板面上に第
一及び第二超伝導体膜２３，２４を被着して、第
４図Ｄに示すような、この発明のジヨセフソン接
合素子構造を得る。

この超伝導体膜２３，２４の被着は通常の蒸着
或いはスパツタリングの方法を用いることが出来
るが、その場合断面１１３及び１１４には被着材
料は被着しない。その部分に仮に被着したとして
も、目的とする第一及び第二超伝導体膜２３及び
２４に比べて薄いので、このような不都合な被着
膜はエツチングにより断面１１３及び１１４から
容易に除去出来る。

上述した目的とする膜２３及び２４の厚みは通
常は1000Å程度或いはそれ以下である。

このようにして得られた第一及び第二超伝導体
膜２３及び２４はP₁及びP₂の箇所で互いに集合
結合して接続している。これら結合部P₁及びP₂
が弱結合部を形成していて、その接続面積は膜２
３及び２４の厚みと、両膜２３及び２４が交差す
る角度により決まり、この場合には著しく小さな
面積となつている。

上述した方法によれば、弱結合部は第一及び第
二超伝導体膜２３及び２４の形成と同時に結合さ
れることとなり、従つて、この発明の構造では、
従来のように弱結合部を別工程で形成する場合と
は異なり、弱結合部の形成の再現性が極めて良い
という特色を有する。

尚、第４図Ｄに示す構造では、P₁及びP₂が並
列に設置される構造となつているが、点線で示す
ような切断線に沿つて第一超伝導体膜２５を切断
して２つの二端子素子を得ることが出来る。

第５図Ａ〜Ｃはこの発明のジヨセフソン接合素
子の他の製造方法を説明するための略線図であ
る。

この場合には、先ず、第５図Ａに示すように、
第４図Ａに示した基板面及び耐エツチング性膜４
１上に、一端部を有する表面整形部５５を設け、
その基板面上の部分を５６とし及び膜４１上の部
分を５７として示す。両部分５６及び５７は連続
していて膜４１の端縁４２のところで段差を形成
している。

次に、第５図Ｂに示すように、整形部の部分５
６及び５７及び基板１０の一部分をエツチングし
て除去し、図に点線で示す原状態（第５図Ａに示
す状態）から実線で示す状態に整形する。このエ
ツチングに際して、エツチング液として膜４１を
エツチングしないものを用いることは前述の場合
と同様である。

次に、膜４１をエツチングして除去することに
より、第５図Ｃで実線で示すような構造を得る。
従つて、この構造の露出基板面及び残存した整形
部の一部分５８の露出面上に超伝導体膜２６，２
７（点線で示す）を被着することにより、第１図
に対応する二端子素子の一個の弱結合部P₁を第
一及び第二超伝導体膜２６，２７の形成と同時に
得ることが出来る。

第６図Ａ〜Ｃは第２図に示す三端子素子を実現
するための製造方法を説明するための略線図であ
る。

この方法では、前述した第４図Ｄにおいて、第
一及び第二超伝導体膜２３及び２４を被着する代
りに、エツチングが容易な被膜６１及び６２を被
着する（第６図Ａ）。

次に、この被膜６１及び６２のエツチングを行
わないで基板１０の露出断面１１３及び１１４を
エツチングする。そのため、この第６図Ａに示し
た構造をエツチング液中につけこむ。このエツチ
ングにより曲面１２３及び１２４（第６図Ｂに示
す）が得られる。次に、これら被膜６１及び６２
を除去し、第６図Ｂに示すような構造を得る。

次に、このような構造において、第６図ＢにＸ
で示す方向から第三超伝導体膜を被着する。この
場合、前述の曲面１２３及び１２４に対して一番
沢山第三超伝導体膜が被着するが、側面に対する
被着量は多くなく、また、平面上にも多少被着す
るが、それも薄い。続いて、第三超伝導体膜のエ
ツチング液に全体をつけこむか、或いは、エツチ
ングガス中に入れてエツチングすると、第三超伝
導体膜の薄い部分は除去されて第６図Ｃに２２３
及び２２４で示すように、曲面１２３及び１２４
にのみ残存する。

次に、第４図Ｄで第一及び第二超伝導体膜２３
及び２４を被着したと同様に、この場合でも、被
膜６１及び６２が除去されて露出した基板面上に
第一及び第二超伝導体膜２３及び２４を被着し、
第６図Ｃに示すような構造が得られる。この構造
ではP₁及びP₂が弱結合部である。

このようにして形成して得られた構造は原理的
には第３図に示した構造に対応し、三端子素子を
構成する構造である。

第７図及び第８図はこの発明の他の実施例を示
す略線的斜視図である。

第７図に示す例では基板面の一部分に屋根型に
突出した表面整形部１００を設け、この整形部１
００の両斜面１０１及び１０２上に第一超伝導体
膜１０３、第二超伝導体膜１０４及び平坦な基板
面１０５上に第三超伝導体膜１０６を形成した例
である。この構造ではP₁及びP₂が弱結合部であ
り、第２図の構造に対応する。

第８図に示す例は整形部１００を屋根型にする
代りに、幅狭の長方体の形状に形成した構造であ
る。この場合にはこの長方体の側面１０３及び１
０４と平坦な基板面１０５上に第一、第二及び第
三超伝導体膜１０３，１０４及び１０６を同様に
して被着すれば良い。この構造もP₁及びP₂が弱
結合部であり、第２図の構造に対応するものであ
る。

尚、これら第７図及び第８図の構造において、
各膜の被着は基板側を回転させて成膜を行うこと
により所要の各面に成膜を行うことが出来る。

（発明の効果） 上述した実施例からも明らかなように、この発
明のジヨセフソン接合素子によれば、これを構成
する各超伝導体膜の端面を互いにある角度をもつ
て直接結合しているので、これら結合部の距離は
零となり、静電容量を除去することが出来る。し
かも、結合の断面積も従来構造のものと比べて著
しく小さくすることが出来るので素子の性能も従
来より著しく向上する。また、この弱結合部を結
合すべき超伝導体膜の形成と同時に簡単かつ容易
に形成することが出来る。

また、複数の超伝導体薄膜を同一成膜工程で形
成した膜とした構成の場合、これら薄膜を別々の
成膜工程で形成した場合に問題となるこれら膜の
界面の制御が、問題でなくなる。

従つて、この発明のジヨセフソン接合素子は高
性能が得られ、RF−SQUIDのような測定器の構
成に適用して極めて好適である。又、計算機等に
も適用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図はこの発明のジヨセフソン接合
素子の基本的構造を示す原理的構成図、第４図Ａ
〜Ｄ及び第５図Ａ〜Ｃはこの発明のジヨセフソン
接合素子の一実施例の具体的構造の説明に供する
製造工程図、第６図Ａ〜Ｃはこのこの発明のジヨ
セフソン接合素子の他の実施例の具体的構造の説
明に供する製造工程図、第７図及び第８図はこの
発明の他の実施例を説明するための略図的部分的
斜視図、第９図は従来のジヨセフソン接合素子の
説明に供する略線図である。 １０……下地層、２１，２３，２６，３１，１
０３……第一超伝導体膜、２１ａ……第一超伝導
体膜の端面、２２，２４，２７，３２，１０４…
…第二超伝導体膜、２２ａ……第二超伝導体膜の
端面、３３，１０６，２２３，２２４……第三超
伝導体膜、４１……耐エツチング性膜、４２……
膜の端縁、５０，１００……表面整形部、５１，
５２，５６，５７，５８……表面整形部の部分、
５３，５４……エツチング後の半円柱部分、６
１，６２……被膜、１０１，１０２……斜面、１
０５……基板面、１０７，１０８……側面、１１
１，１１２……エツチング後の基板の露出面、１
１３，１１４……エツチング後の基板の露出断
面、１２３，１２４……曲面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数の超伝導体膜の端面が互いにある角度を
   もつて直接結合している部分を弱結合部として成
   ることを特徴とするジヨセフソン接合素子。 ２ 前記複数の超伝導体膜を第一及び第二超伝導
   体膜とし、これら第一及び第二超伝導体膜を同一
   成膜工程で形成した膜とし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。 ３ 前記複数の超伝導体膜を第一、第二及び第三
   の超伝導体膜とし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。