JPH0666480B2

JPH0666480B2 - ジヨセフソン接合素子

Info

Publication number: JPH0666480B2
Application number: JP61055646A
Authority: JP
Inventors: 考井上; 剛司川上; 英明高柳
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1986-03-13
Filing date: 1986-03-13
Publication date: 1994-08-24
Anticipated expiration: 2009-08-24
Also published as: JPS62213179A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、第１の超伝導電極と、その第１の超伝導電極
上にトンネル障壁層を介して配されているまたは第１の
超伝導電極に狭い面積で接触している第２の超伝導電極
とを有するジョセフソン接合素子の改良に関する。

従来、第５図を伴って次に述べる構成のジョセフソン接
合素子が提案されている。

すなわち、絶縁性表面を有する基板10上に、第１の超伝
導電極11が形成されている。この場合、第１の超伝導電
極11は、Pb、Nbなどのそれ自体超伝導性を呈する単体金
属層またはNbN、Nb₃Snなどの、同様に、それ自体超伝導
性を呈する金属化合物層でなるのを普通とする。また、
この第１の超伝導電極11としての単体金属層または金属
化合物層は、それが基板10の絶縁性表面上に形成されて
いることから、多結晶単体金属層または多結晶金属化合
物層でなる。従って、第１の超伝導体電極は、多結晶担
体金属層または多結晶金属化合物層でなるのを普通とす
る。

また、第１の超伝導電極11上に、トンネル障壁層13を介
して、第２の超伝導電極12が形成されている。この場
合、トンネル障壁層13は、極めて薄い厚さである必要が
あるため、第１の超伝導電極11の表面に対する酸化処理
によって例えば数10Å程度の厚さに形成された第１の超
伝導電極11の材料の酸化物層でなるのを普通とする。ま
た、第２の超伝導電極12も、第１の超伝導電極11と同様
の単体金属層または金属化合物層でなるのを普通とし、
一方、その単体金属層または金属化合物は、第１の超伝
導電極の場合と同様の理由で、多結晶単体金属層または
多結晶金属化合物層でなる。従って、第２の超伝導電極
12も、第１の超伝導電極11と同様の多結晶単体金属層ま
たは多結晶金属化合物層でなるのを普通とする。

以上が、従来提案されているジョセフソン接合素子の構
成である。第５図に示すこのような構成を有するジョセ
フソン接合素子は、超伝導電流がトンネル障壁層13を流
れることを利用してジョセフソン接合素子としての特性
が得られることで、トンネル形ジョセフソン接合素子と
称されている。

また、従来、第６図を伴って次に述べる構成のジョセフ
ソン接合素子も提案されている。

すなわち、第５図で上述した従来のジョセフソン接合素
子の場合と同様の絶縁性表面を有する基板10上に、第５
図で上述した従来のジョセフソン接合素子の場合と同様
の、多結晶単体金属層または多結晶金属化合物層でなる
のを普通とする第１の超伝導電極11が形成されている。

また、第１の超伝導電極11上に、それを外部に臨ませる
窓15を有する絶縁層14が形成され、その絶縁層14上に、
第５図で上述した従来のジョセフソン接合素子の場合と
同様の、多結晶単体金属層または多結晶金属化合物層で
なるのを普通とする第２の超伝導電極12が、絶縁層14の
窓15を通じて、第１の超伝導電極11に接触して形成され
ている。この場合、絶縁層14の窓15は、第２の超伝導電
極12を、第１の超伝導電極11に極めて小さな面積で接触
させる必要があるため、例えば、0.2μｍ程度の直径を
有する円形パターンを有し、また、絶縁層14は、第２の
超伝導電極11の第１の超伝導電極11への接触部を薄い厚
さにする必要があるため、例えば、0.05μｍ程度という
ような薄い厚さを有している。

以上が、従来提案されているジョセフソン接合素子の他
の構成である。

第６図に示すこのような構成を有するジョセフソン接合
素子は、第１及び第２の超伝導電極11及び12が、第２の
超伝導電極12の第１の超伝導電極11への接触部を介して
弱結合することを利用してジョセフソン接合素子として
の特性が得られることで、弱結合形ジョセフソン接合素
子と称されている。

発明が解決しようとする問題点第５図に示す従来のジョセフソン接合素子の場合、第１
の超伝導電極11が、多結晶単体金属層または多結晶金属
化合物でなるのを普通としているため、その第１の超伝
導電極11の表面が粒面による平坦性の悪い表面でなり、
このため、トンネル障壁層13を、ピンホールなどの欠陥
を有さず且つ各部均一な極めて薄い厚さに形成するのが
極めて困難であった。また、トンネル障壁層13が第１の
超伝導電極11の材料の酸化物層でなるのを普通としてい
るため、トンネル障壁層13を、低い誘電率を有するもの
として形成するのに一定の限度を有し、また、第１及び
第２の超伝導電極11及び12が、多結晶単体金属層または
多結晶金属化合物層でなるのを普通としているため、そ
れら第１及び第２の超伝導電極11及び12が、トンネル障
壁層13を誘電体層とする容量素子の良好な電極として作
用し、そのため、ジョセフソン接合素子を、十分低い容
量値を有するものとして形成するのに一定の限度を有し
ていた。

さらに、トンネル障壁層３が第１の超伝導電極11の材料
の酸化物層でなるのを普通としているため、トンネル障
壁層13を高い絶縁性を有するものとして形成するのに一
定の限度を有し、このため、ジョセフソン接合素子を、
第１及び第２の超伝導電極11及び12間のリーク電流の少
ないものとして形成するのに一定の限度を有していた。

また、第１及び及び第２の超伝導電極11及び12が、多結
晶単体金属層または多結晶金属化合物でなるのを普通と
しているため、極低温と常温との間の熱サイクルによっ
て、それら第１及び第２の超伝導電極11及び12が内部歪
を緩和させようとして変形したり、第１及び第２の超伝
導電極11及び12にマイグレーションが生じたりして、ト
ンネル障壁層13が損傷するおそれを有していた。

また、第６図に示す従来のジョセフソン接合素子の場
合、第１及び第２の超伝導電極11及び12が多結晶単体金
属層または多結晶金属化合物層でなるのを普通としてい
るため、第２の超伝導電極12が、第１の超伝導電極11
に、粒界面を以て接触し、各部均一に接触していない。

また、第１及び第２の超伝導電極11及び12が多結晶単体
金属層または多結晶金属化合物層でなるのを普通として
いるため、それら第１及び第２の超伝導電極11及び12
が、絶縁層14を誘電体層とする容量素子の良好な電極と
して作用し、このため、ジョセフソン接合素子を、十分
低い容量を有するものとして形成するのに一定の限度を
有していた。

さらに、第１及び第２の超伝導電極11及び12が多結晶単
体金属層または多結晶金属化合物でなるのを普通として
いるため、極低温と常温との間の熱サイクルによって、
それら第１及び第２の超伝導電極11及び12が内部歪を緩
和させようとして変形したり、第１及び第２の超伝導電
極11及び12にマイグレーションが生じたりし、第２の超
伝導電極12の第１の超伝導電極11への接触面が変形した
りするおそれを有していた。

従って、第５図及び第６図に示す従来のジョセフソン接
合素子の場合、それらのいずれも、十分満足し得るジョ
セフソン接合素子としての特性を有さず、また、比較的
大きな容量を有し、さらに極低温と常温との間の熱サイ
クルによってジョセフソン接合素子としての特性が劣化
するなどの欠点を有していた。

問題点を解決するための手段よって、本発明は、このような欠点のない、新規なジョ
セフソン接合素子を提案せんとするものである。

本発明によるジョセフソン接合素子は、第５図または第
６図で上述した従来のジョセフソン接合素子の場合と同
様に、第１の超伝導電極と、その第１の超伝導電極上に
トンネル障壁層を介して配されているまたは第１の超伝
導電極に狭い面積で接触している第２の超伝導電極とを
有する。

しかしながら、本発明によるジョセフソン接合素子は、
このような構成を有するジョセフソン接合素子におい
て、その第１の超伝導電極が、第３の超伝導電極が付さ
れている単結晶半導体基板または層の、第３の超伝導電
極による超伝導近接効果によって超伝導性を呈している
単結晶半導体領域でなる、という構成を有する。

作用・効果このような構成を有する本発明によるジョセフソン接合
素子によれば、第１の超伝導電極が単結晶半導体基板ま
たは層の単結晶半導体領域でなるとしても、それが超伝
導性を呈しており、一方単結晶半導体基板または層に、
第３の超伝導電極が付されているので、第２及び第３の
超伝導電極間でみて、第５図及び第６図で上述した従来
のジョセフソン接合素子の場合と同様に、ジョセフソン
接合素子としての特性を呈することは明らかである。

しかしながら、本発明によるジョセフソン接合素子の場
合、第１の超伝導電極が単結晶半導体基板または層の単
結晶半導体領域でなるので、その第１の超伝導電極の表
面が良好な平坦性を有している。

従って、本発明によるジョセフソン接合素子は、それが
第１の超伝導電極上にトンネル障壁層を介して第２の超
伝導電極を配している構成を有する場合、そのトンネル
障壁層を、第１の超伝導電極の表面の酸化物層でないも
のとしても、ピンホールなどの欠陥を有さず且つ各部均
一な極めて薄い厚さに、容易に形成することができる。
また、本発明によるジョセフソン接合素子が、第１の超
伝導電極に第２の超伝導電極が狭い面積で接触している
構成を有する場合、第２の超伝導電極を第１の超伝導電
極に各部均一に接触させることができる。

また、本発明によるジョセフソン接合素子の場合、第１
の超伝導電極が単結晶半導体基板または層の単結晶半導
体領域でなり、そして、その単結晶半導体基板または層
の単結晶半導体領域は、金属に比し格段的に少ないキャ
リア濃度しか有しないので、第１の超伝導電極が、容量
素子の良好な電極として作用しない。

さらに、本発明によるジョセフソン接合素子の場合、第
１の超伝導電極が単結晶半導体基板または層の単結晶半
導体領域でなるので、極低温と常温との間の熱サイクル
によっても、第１の超伝導電極が殆んど変形しない。従
って、本発明によるジョセフソン接合素子は、それが、
第１の超伝導電極上にトンネル障壁層を介して第２の超
伝導電極が配されている構成を有する場合、そのトンネ
ル障壁層が極低温と常温との間の熱サイクルによっても
殆んど損傷を受けない。また、本発明によるジョセフソ
ン接合素子が、第１の超伝導電極に第２の超伝導電極が
接触している構成を有する場合、第２の超伝導電極の第
１の超伝導電極への接触面が極低温と常温との間の熱サ
イクルによっても殆んど変形しない。

従って、本発明によるジョセフソン接合素子は、第５図
及び第６図で上述した従来のジョセフソン接合素子の場
合に比し格段的に良好なジョセフソン接合素子としての
特性を呈し、また、第５図及び第６図で上述した従来の
ジョセフソン接合素子の場合に比し格段的に小さな容量
しか有さず、さらに、極低温と常温との間の熱サイクル
によってもジョセフソン接合素子としての特性がほとん
ど劣化しない。

実施例１次に、第１図を伴なって本発明によるジョセフソン接合
素子の第１の実施例を述べよう。

第１図において、第５図との対応部分には同一符号を付
して示す。

第１図に示す本発明によるジョセフソン接合素子は、次
に述べる構成を有する。

すなわち、上面側に突部22を形成している単結晶半導体
基板21を有し、その上面に突部22を狭んで２つの第３の
超伝導電極23及び24が付されている。この場合、単結晶
半導体基板21としては、従来公知の種々の半導体、例え
ばInAs、InSb、Siなどを用い得る。また、単結晶半導体
基板21の突部22は、その幅（超伝導電極23及び24を結ぶ
方向の長さ）方向の全域が第３の超伝導電極23及び24に
よるそれ自体は公知の超伝導近接効果によって超伝導性
を呈するに十分な幅に選ばれ、従って、突部22は、単結
晶半導体基板21の、第３の超伝導電極23及び24による超
伝導近接効果によって超伝導性を呈している単結晶半導
体領域25であり、そして、その単結晶半導体領域25は、
超伝導性を呈しているので、第５図で上述した従来のジ
ョセフソン接合素子の第１の超伝導電極11として作用す
る。

また、第１の超伝導電極11としての、単結晶半導体基板
21の単結晶半導体領域25上に、第５図で上述した従来の
ジョセフソン接合素子の場合と同様に、トンネル障壁層
13を介して、第２の超伝導電極12が形成されている。た
だし、この場合、トンネル障壁層13は、単結晶半導体基
板21として、例えばSiなどの、酸化されることによって
形成される酸化物が高い緻密度で得られる半導体を用い
る場合、単結晶半導体基板21の単結晶半導体領域25の上
面の酸化処理によって形成された単結晶半導体基板21の
材料の酸化物層とすることができる。また、トンネル障
壁層13は、エピタキシャル成長法によって形成された単
結晶半導体層とすることもでき、例えば、単結晶半導体
基板21を、InAs層またはInSb層とするとき、それとは異
なるバンドギャップを有するGaAs層とすること、単結晶
半導体基板21をInAs層とするとき、それとは異なるバン
ドギャップを有するInAsxSb_(1-x₎（ただし、０＜ｘ＜
１）とすること、単結晶半導体基板21をN⁺型の単結晶半
導体層とするときN^-型の単結晶半導体層とすることもで
きる。また、第２の超伝導電極12は、第５図で上述した
従来のジョセフソン接合素子の場合と同様に、Pb、Nbな
どでなる、それ自体超伝導性を呈する多結晶単体金属層
またはNbN、Nb₃Sn₃などでなる、同様に、それ自体超伝
導性を呈する多結晶金属化合物層とし得る外、トンネル
障壁層13が上述した単結晶半導体層である場合、単結晶
単体金属層または単結晶金属化合物層とし得る。

以上が、本発明によるジョセフソン接合素子の第１の実
施例の構成であるるこのような構成を有する本発明によるジョセフソン接合
素子によれば、第１の超伝導電極11が、単結晶半導体基
板21の単結晶半導体領域25でなるとしても、それが超伝
導性を呈しており、一方、単結晶半導体基板21に、第３
の超伝導電極23及び24が付されているので、第２及び第
３の超伝導電極間でみて、第５図で上述した従来のジョ
セフソン接合素子の場合と同様に、ジョセフソン接合素
子としての特性を呈する。

しかしながら、第１の超伝導電極11が、単結晶半導体基
板21の単結晶半導体領域25でなるので、その第１の超伝
導電極11の表面が良好な平坦性を有している。従ってト
ンネル障壁層13を単結晶半導体領域25の表面の酸化物層
でないものとしても、ピンホールなどの欠陥を有さず、
且つ各部均一な極めて薄い厚さに、容易に形成すること
ができる。

また、第１の超伝導電極11が単結晶半導体基板21の単結
晶半導体領域25でなるので、極低温と常温との間の熱サ
イクルによっても、第１の超伝導電極11がほとんど変形
せず、従って、トンネル障壁層13が極低温と常温との間
の熱サイクルによってもほとんど損傷を受けない。

従って、第１図に示す本発明によるジョセフソン接合素
子によれば、第５図で上述した従来のジョセフソン接合
素子の場合に比し格段的に良好なジョセフソン接合素子
としての特性を呈し、また、第５図で上述した従来のジ
ョセフソン接合素子の場合に比し格段的に小さな容量し
か有さず、さらに、極低温と常温との間の熱サイクルに
よってもジョセフソン接合素子としての特性がほとんど
劣化しない。

実施例２次に、第２図を伴なって本発明によるジョセフソン接合
素子の第２の実施例を述べよう。

第２図において、第１図及び第６図との対応部分には同
一符号を付して示す。

第２図に示す本発明によるジョセフソン接合素子は、次
に述べる構成を有する。

すなわち、第１図で上述した本発明によるジョセフソン
接合素子の場合と同様に、上面側に突部22を形成してい
る単結晶半導体基板21を有し、その突部22を挟んで、２
つの第３の超伝導電極23及び24が付されている。この場
合、単結晶半導体基板21としては、第１図で上述したと
同様に、同様の半導体を用い得、また、単結晶半導体基
板21の突部22は、第１図で上述した本発明によるジョセ
フソン接合素子と同様の幅に選ばれ、そして、突部22
は、単結晶半導体基板21の、第３の超伝導電極23及び24
による超伝導近接効果によって超伝導性を呈している単
結晶半導体領域25であり、そして、その単結晶半導体領
域25は、第１の超伝導電極11として作用する。

また、第１の超伝導電極としての単結晶半導体基板21の
単結晶半導体領域25上に、第６図で上述した従来のジョ
セフソン接合素子の場合と同様に、単結晶半導体領域25
を外部に臨ませる窓15を有する絶縁層14が形成され、そ
の絶縁層14上に、第２の超伝導電極12が、絶縁層14の窓
15を通じて、第１の超伝導電極11としての単結晶半導体
基板21の単結晶半導体領域25に接触して形成されてい
る。この場合、絶縁層14は、第６図で上述した従来のジ
ョセフソン接合素子の場合と同様のパターンを有し且つ
第６図で上述した従来のジョセフソン接合素子の場合と
同様の厚さを有している。また、第２の超伝導電極12
は、第６図で上述した従来のジョセフソン接合素子の場
合と同様の多結晶単体金属層または多結晶金属化合物層
とし得る。

以上が、本発明によるジョセフソン接合素子の第２の実
施例の構成である。

このような構成を有する本発明によるジョセフソン接合
素子によれば、第１図で上述した本発明によるジョセフ
ソン接合素子の場合と同様に、第１の超伝導電極11が、
単結晶半導体基板21の単結晶半導体領域25でなるとして
も、それが超伝導性を呈しており、一方、単結晶半導体
基板21に、第３の超伝導電極23及び24が付されているの
で、第２及び第３の超伝導電極間でみて、第６図で上述
した従来のジョセフソン接合素子の場合と同様に、ジョ
セフソン接合素子としての特性を呈する。

しかしながら、第１の超伝導電極11が、単結晶半導体基
板21の単結晶半導体領域25でなるので、その第１の超伝
導電極11の表面が良好な平坦性を有している。従って第
２の超伝導電極12を第１の超伝導電極11としての単結晶
半導体基板21の単結晶半導体領域25に各部均一に接触さ
せることができる。

また、第１の超伝導電極11が単結晶半導体基板21の単結
晶半導体領域25でなるので、極低温と常温との間の熱サ
イクルによっても、第１の超伝導電極11がほとんど変形
せず、従って、第２の超伝導電極12の第１の超伝導電極
11への接触面が極低温と常温との間の熱サイクルによっ
てもほとんど損傷を受けない。

従って、第２図に示す本発明によるジョセフソン接合素
子によれば、第６図で上述した従来のジョセフソン接合
素子の場合に比し格段的に良好なジョセフソン接合素子
としての特性を呈し、また、第６図で上述した従来のジ
ョセフソン接合素子の場合に比し格段的に小さな容量し
か有さず、さらに、極低温と常温との間の熱サイクルに
よってもジョセフソン接合素子としての特性がほとんど
劣化しない。

実施例３次に、第３図を伴なって、本発明によるジョセフソン接
合素子の第３の実施例を述べよう。

第３図に示す本発明によるジョセフソン接合素子は、次
の事項を除いて、第１図で上述した本発明によるジョセ
フソン接合素子と同様の構成を有する。

すなわち、突部22を有する単結晶半導体基板21が、単結
晶半導体基板27と、その単結晶半導体基板27上にエピタ
キシャル成長によって形成され且つ突部22を有する単結
晶半導体基板21に対応している単結晶半導体領域25とし
ての従って超伝導電極11としての突部29を有する単結晶
半導体層30とを有する単結晶半導体基板体26に置換さ
れ、そして、その単結晶半導体層30の上面に、突部29を
挟んで、第１図で上述した本発明によるジョセフソン接
合素子の場合と同様の第３の超伝導電極23及び24が付さ
れている。

以上が、本発明によるジョセフソン接合素子の第３の実
施例の構成である。

このような構成を有する本発明によるジョセフソン接合
素子によれば、それが、上述した事項を除いて、第１図
で上述した本発明によるジョセフソン接合素子と同様の
構成を有するので、詳細説明は省略するが、第１図に示
す本発明によるジョセフソン接合素子と同様の作用効果
が得られる。

実施例４次に、第４図を伴なって、本発明によるジョセフソン接
合素子の第４の実施例を述べよう。

第４図に示す本発明によるジョセフソン接合素子は、次
の事項を除いて、第２図で上述した本発明によるジョセ
フソン接合素子と同様の構成を有する。

すなわち、第３図で上述した本発明によるジョセフソン
接合素子の場合と同様に、突部22を有する単結晶半導体
基板21が、第３図の場合と同様の単結晶半導体領域25と
しての従って第１の超伝導電極11としての単結晶半導体
基板27と突部29を有する単結晶半導体層30とを有する単
結晶半導体基板26に置換され、そして、その単結晶半導
体基板26の上面に、第２図の場合と同様の第３の超伝導
電極23及び24が付されている。

以上が、本発明によるジョセフソン接合素子の第４の実
施例の構成である。

このような構成を有する本発明によるジョセフソン接合
素子によれば、それが、上述した事項を除いて、第２図
で上述した本発明によるジョセフソン接合素子と同様の
構成を有するので、詳細説明は省略するが、第２図に示
す本発明によるジョセフソン接合素子と同様の作用効果
が得られる。

なお、上述においては、本発明の僅かな実施例を示した
に留まり、例えば、第１図及び第２図に示す構成におい
て、その単結晶半導体基板21の突部22を省略し、そし
て、この場合の単結晶半導体基板21の平らな上面上に、
第３の超伝導電極23及び24を、所要の内側間隔を保って
付し、この場合の単結晶半導体基板21の第３の超伝導電
極23及び24間の単結晶半導体領域を第１の超伝導電極11
とし、その第１の超伝導電極11上にトンネル障壁層13を
介して第２の超伝導電極12を配しまたは第１の超伝導電
極11に第２の超伝導電極12を挟む面積で接触させた構成
とすることもでき、また、２つの第３の超伝導電極23及
び24のいずれか一方を省略した構成とすることもでき、
その他、本発明の精神を脱することなしに、種々の変
型、変更をなし得るであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるジョセフソン接合素子の第１の
実施例を示す略線的断面図である。第２図は、本発明によるジョセフソン接合素子の第２の
実施例を示す略線的断面図である。第３図は、本発明によるジョセフソン接合素子の第３の
実施例を示す略線的断面図である。第４図は、本発明によるジョセフソン接合素子の第４の
実施例を示す略線的断面図である。第５図及び第６図は、従来のジョセフソン接合素子を示
す略線的断面図である。 10……基板 11……第１の超伝導電極 12……第２の超伝導電極 13……トンネル障壁層 14……絶縁層 15……窓 21……単結晶半導体基板 22……突部 23、24……第３の超伝導電極 25……単結晶半導体領域 26……単結晶半導体基板体 27……単結晶半導体基板 28……単結晶半導体層 29……突部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の超伝導電極と、該第１の超伝導電極
上にトンネル障壁層を介して配されているまたは上記第
１の超伝導電極に狭い面積で接触している第２の超伝導
電極とを有するジョセフソン接合素子において、上記第１の超伝導電極が、第３の超伝導電極が付されて
いる単結晶半導体基板または層の、上記第３の超伝導電
極による超伝導近接効果によって超伝導性を呈いている
単結晶半導体領域でなることを特徴とするジョセフソン
接合素子。