JPH06252457A - ジョセフソン素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ウィークリンク長の短い、特性の良好なジョ
セフソン接合を容易に、かつ、安定して製造し得る構造
を持つ素子を提供する。 【構成】 超伝導体薄膜製の下部電極１と上部電極３と
が、絶縁膜２を介して積層され、その３層構造体の少な
くとも一側面Ｓは各層の端面が同一の平面上で揃い、そ
の各層が揃った側面Ｓに、弱結合部を形成するブリッジ
４が設けられた構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば微小磁場計測用
のＳＱＵＩＤや、ミリ波検出器などに用いられるジョセ
フソン素子に関し、更に詳しくは、２つの超伝導体電極
が弱結合部によって相互に接続された、いわゆるウィー
クリンク型のジョセフソン素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ジョセフソン素子は大別してトンネル型
とウィークリンク型があるが、トンネル型のジョセフソ
ン素子は製造が困難で、また、製造後に接合臨界電流の
トリミングができないという欠点がある。

【０００３】これに対しウィークリンク型のジョセフソ
ン素子は比較的製造が容易であるとともに、製造後の接
合臨界電流のトリミングを行うことができるという長所
があり、準平面型のジョセフソン素子等が既に提案され
ている。

【０００４】準平面型のジョセフソン素子は、図３にそ
の構成を例示するように、Nb等の超伝導体薄膜からなる
下部電極３１の上に、Nb₂O₅ 等の絶縁膜３２を介して同
じくNb等の超伝導体薄膜製の上部電極３３の一部を積層
し、下部および上部電極３１および３３の双方の表面に
跨がるようなブリッジ３４を形成した構造を持ち、この
ブリッジ３４によって下部電極３１と上部電極３３とを
ウィークに接合している。

【０００５】このような構造を持つ準平面型のジョセフ
ソン素子では、原理的にはそのウィークリンク長が絶縁
膜３２の厚さによって決まるため、平面上の微細加工を
必要とする平面型のジョセフソン素子に比して、比較的
制御が容易な膜厚の調整によってウィークリンク長が定
まる点において有利である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図３に示す
ような準平面型のジョセフソン素子を製造する場合、一
般には、まず基板上に下部電極３１を形成した後、その
上に絶縁膜３２を介して積層される上部電極３３のパタ
ーニングは、リフトオフ法によって行われる。

【０００７】このため、上部電極３３のブリッジ３４形
成側の端面は、ブリッジ３４の線幅であるサブミクロン
オーダーで見ると凹凸が激しく、また、端部であるが故
に粒状の突起等も見られる。更に、下部電極３１につい
ても、端面に近いために膜厚が薄かったり、膜質が悪く
なっていることもある得る。

【０００８】このような理由により、同一ロット内にお
いても素子の特性にばらつきが生じやすく、実質的にウ
ィークリンク長の長い性能の良くない素子を多く製造し
てしまうという問題がある。

【０００９】本発明の目的は、ウィークリンク長の短い
特性の良好なジョセフソン接合を、容易にしかも安定し
て製造し得る構造を持つ素子を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの構成を、実施例図面である図１を参照しつつ説明す
ると、本発明のジョセフソン素子は、超伝導体薄膜製の
下部電極１と上部電極３が、絶縁膜２を介して積層さ
れ、かつ、その３層構造体の少なくとも一側面Ｓは各層
１，２，３の端面が同一の平面上で揃い、その各層が揃
った一側面Ｓに、下部電極１と上部電極３との間の弱結
合部を形成するブリッジ４が設けられていることによっ
て特徴づけられる。

【００１１】

【作用】下部電極１、絶縁膜２および上部電極３の各端
面が揃った側面Ｓを得る場合、例えば一度のエッチング
によってこれらの３層を一挙にパターニングすることが
できる。この場合、リフトオフによるパターニングに比
してその各層の端面を平滑化することが容易であり、こ
こにブリッジ４を形成することにより、リフトオフ法で
パターニングする準平面型の素子に比して、上部電極３
の端面に凹凸や粒状突起等が少なく、安定して短いウィ
ークリンク長を持つ理想的なジョセフソン接合が得られ
る。

【００１２】

【実施例】図１は本発明実施例の構成を示す模式的斜視
図である。基板１０の表面にNb超伝導体薄膜からなる下
部電極１が形成されており、その表面に NbO_X 等の絶縁
膜２を介して、同様にしてNb超伝導体薄膜からなる上部
電極３が一部分において積層されている。

【００１３】下部電極１と絶縁膜２、および上部電極３
からなる３層の積層部分には、それぞれの層の端面が同
一平面上に揃った側面Ｓが形成されており、その側面Ｓ
に、Nb超伝導体薄膜製のブリッジ４が形成され、このブ
リッジ４によって下部電極１と上部電極３とがウィーク
に接合されている。

【００１４】このような構造を持つ本発明実施例は、以
下に示す手順によって製造することができる。図２はそ
の製造手順の説明図である。まず、基板１０の表面に、
フォトリソグラフィーによるリフトオフ法によって下部
電極１を形成し、その表面を酸化させて絶縁膜２を作
る。次に、その絶縁膜２の上から、同様にしてフォトリ
ソグラフィーによるリフトオフ法によって上部電極３を
形成する。この状態を（Ａ）に示す。ここまでは従来の
準平面型のジョセフソン素子と同一である。

【００１５】その後、素子の表面を一様にレジスト膜で
覆った後、（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー
の技法に基づくパターニングにより、レジスト膜２０に
図中ハッチング部で示す部分に窓２１をあける。

【００１６】次に、レジスト膜２０をマスクとして、例
えばＣＦ₄ ガスのＲＩＥ（リアクティブイオンエッチン
グ）等の方法を用いて素子をエッチングして、（Ｂ）に
示した窓２１の下の上部電極３、絶縁層２および下部電
極１を一挙に除去するとともに、残るレジスト膜２０を
除去する。これにより、（Ｃ）に示すように、下部電極
１と絶縁膜２および上部電極３の各端面が、同一平面で
揃った側面Ｓが得られる。

【００１７】最後に、素子の表面に薄いNb膜を成膜し、
ＥＢ露光等によってそのNb膜をパターニングしてブリッ
ジ４を形成する。これにより、図１に示した構造のジョ
セフソン素子が得られる。

【００１８】このようにして得られる素子は、ブリッジ
４の形成位置における下部電極１、絶縁膜２および上部
電極３の端面が同一平面上に揃い、しかもリフトオフ法
によるパターニングに比して下部電極１ないしは絶縁膜
２を含めて上部電極３の端面部に凹凸や粒状突起が少な
く、従って、下部電極１と上部電極３とのウィークリン
ク部分の長さは、安定して絶縁膜２の厚さに依存した短
いものとなる。

【００１９】なお、側面Ｓを形成する方法については、
種々のガスによるＲＩＥのほか、スパッタエッチングや
ウエットエッチング、あるいは物理的な研磨等の方法を
用いることができる。

【００２０】また、上記した例では、超伝導体薄膜をNb
とし、絶縁膜をニオブ酸化物としているが、本発明はこ
れらの物質に限らず、全ての種類の超伝導体薄膜ないし
は絶縁膜を用いた素子に適用することができる。また、
ブリッジの材質については、各種の超伝導体のほか、近
接効果を利用して常伝導体の金属を用いることもでき
る。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
下部電極の表面に絶縁膜を介して上部電極が形成された
３層構造体に、各層の端面が同一の平面に揃った側面を
形成して、その同一平面上の側面に弱結合部を形成する
ブリッジを設けているので、その構造上の特徴に基づい
て、従来の準平面型の素子に比してブリッジ形成面がよ
り平滑化され、絶縁膜の厚さにほぼ一意的に依存して短
いウィークリンク長を持つ特性の良好な素子を、容易に
しかも安定して得ることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の模式的斜視図

【図２】本発明実施例の製造手順の例の説明図

【図３】準平面型のジョセフソン素子の構造の説明図

【符号の説明】

１ 下部電極 ２ 絶縁膜 ３ 上部電極 ４ ブリッジ １０ 基板 ２０ レジスト膜 ２１ 窓

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超伝導体薄膜製の下部電極と上部電極
   が、絶縁膜を介して積層され、かつ、その３層構造体の
   少なくとも一側面は各層の端面が同一の平面上で揃い、
   その各層が揃った一側面に、上記下部電極と上部電極と
   の間の弱結合部を形成するブリッジが設けられてなるジ
   ョセフソン素子。