JPS5846197B2 - ジヨセフソン接合素子とその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、接合素子のサイズを小さく保ったままで臨界
電流を大きくし得るジョセフソン接合素子の構造とその
製造方法に関する。

ジョセフソン接合素子の応用範囲は広く、小電力超高速
スイッチングの電算機用素子として、マイクロ波、ミリ
波などの高感度高速度応答の検出器として、人間の脳や
心臓から放射される微弱磁場の検出器として、あるいは
電圧標準器として使用することが提案されており、その
工業化に対する要請が日ましに増大している。

本発明者は先に、ジョセフソン接合素子の弱結合部を極
限まで短縮してその特性を改善することを可能とし、し
かも容易に同一特性の素子を大量生産し得るジョセフソ
ン接合素子の構成（準平面型ジョセフソン接合素子）を
提案した（特公昭５５−７７１２号）。

第１図に示すように準平面型ジョセフソン接合素子では
基板１上に二つの超伝導体層２，３が絶縁体層４を介し
て部分的に向かい合いそしてこの絶縁体層４を横切って
弱結合部５が上下の超伝導体層２，３にまたがっている
。

このような構成としたので弱結合部の長さは極めて薄い
絶縁体層４の厚みに等しくなり、それ故弱結合部の長さ
は絶縁体層を形成するときの絶縁物質のスパッタリング
又は蒸着時間を調整することによって極めて小さくしか
も精確に制御し得る。

実際には、数百〜数千穴程度の厚さの超伝導体薄膜２の
上に５ｉ０２などの絶縁物質又は半導体をスパッタリン
グすることにより、或いは超伝導層２０表面を酸化性雰
囲気中で酸化することにより数百λ程度の厚さの絶縁体
層４を形成する。

絶縁体層４の厚みを横切って上下超伝導薄膜にまたがっ
て数百穴ないし数千穴の厚さに適当な障壁物質を蒸着し
て弱結合部５を形成する。

このようにして上下超伝導体層２，３を接続する弱結合
部５の長さは絶縁体層４の厚みとなり、要求されるイン
ピーダンスの大きさに応じて数百穴ないし数千穴の範囲
の適正値を選択することができる。

このような構造としたことにより■の電極部の超伝導体
層２，３の膜厚を大きく保ったままで、弱結合部の長さ
を極端に短くでき、それにより１ｒｎＪ積を著しく大き
くすることができ、■弱結合部に種々の材質を使用でき
、■静電容量を小さくでき、■上記超伝導体層３に鉛合
金以外のＮｂ等を用いて長寿命とすることができ、そし
て■フォトリングラフィや電子ビームリングラフィを用
いて容易に量産することができるようになったのである
。

この準平面型ジョセフソン接合素子の臨界電流１ｍと接
合抵抗Ｒｊは、絶縁体層４の厚み側面を横切っている部
分の弱結合部５０幅Ｃによって左右され、この幅Ｃが大
きくなる程臨界電流１ｍは大きくなり逆に接合抵抗Ｒｊ
は小さくなる。

また静電容量は絶縁体層４を挾んで対向している部分の
超伝導体層２，３０面積ａＸｂによって左右され、この
面積ａＸｂが小さくなる程静電容量は小さくなる。

第２図Ａ、Ｂ、Ｃは、面積ａＸｂを一定（したがって、
静電容量が一定）にして、幅Ｃを変えたときの臨界電流
１ｍと接合抵抗Ｒｊの関係を示したものである。

幅Ｃが大きくなるにしたがって、Ａ−＋Ｂ＋Ｃに示す如
く臨界電流１ｍが大きくなり接合抵抗Ｒｊが小さくなる
。

ところで、第１図から判るように、準平面型ジョセフソ
ン接合素子では、弱結合部５で上下の超伝導体層の重な
った部分の面積ａＸｂを覆うようにしても、上下の超伝
導体層２，３を結合している部分の幅Ｃはａ＋２ｂが限
度である。

そのため臨界電流１ｍを大きくし接合抵抗Ｒｊを小さく
したい場合でも、第２図Ｃに示すような１ｍ大、Ｒｊ小
の特性にすることは非常に困難である。

一般に、第２図Ａのような臨界電流１ｍの小さい接合素
子は高感度電磁波検出器としているが、電圧標準や可変
周波数の電磁波発生装置等への応用には、第２図Ｃに示
されたような臨界電流１ｍの大きな接合素子が必要であ
る。

本発明は、接合素子のサイズを小さく保ったままで臨界
電流を大きくすることを目的とする。

この目的は、第１の超伝導体薄膜の上の絶縁体層と第２
の超伝導体薄膜の二重積層体に複数の溝又は穴を設け、
これらの溝又は穴において露出する絶縁体層の厚み側面
を横切って第１と第２の超伝導体薄膜を弱結合部により
結合させることによって達成される。

以下に本発明の実施例を詳しく説明する。

第３゜４．５．６図は本発明のジョセフソン接合素子の
各実施態様を示す拡大平面図である。

第７図は第３図の線Ａ−Ａに沿う断面斜視図である。

第８図は第４図の線Ａ−Ａに沿う断面斜視図である。

第３図〜第８図に示すように、基板１上に配置した第１
の超伝導体薄膜２の上に絶縁体層４と第２の超伝導体薄
膜３の積層体を配置し、この積層体に複数の溝６又は穴
７を設け、これらの溝又は穴において露出する絶縁体層
４の厚み側面を横切って第１と第２の超伝導体薄膜２，
３を弱結合部５により結合させている。

第３．４．５図の場合は第１と第２の超伝導体薄膜２，
３０重なった部分を覆うように弱結合部５を形成したも
のであり、第６図の場合は第１と第２の超伝導体薄膜２
，３０重なった部分において、溝６と交差するように複
数の帯状の弱結合部５を形成したものである。

このように、絶縁体層と第２の超伝導体薄膜の積層体に
複数の溝又は穴を設け、これらの溝又は穴において露出
する絶縁体層の厚み側面を横切って両超伝導体薄膜を弱
結合部により結合しているので、両超伝導体薄膜を結合
する弱結合部の実効的な幅を極めて大きくしている。

この場合、接合素子の面積ａＸｂを変えることなく弱結
合部の実効的な幅が大きくなっている。

これにより、接合素子の面積を小さく保ったままで第２
図Ｃに示すような臨界電流１ｍの大きい接合素子が得ら
れる。

すなわち、このようにして得られたジョセフソン接合素
子の等他回路は第９図に示されているように、多数個の
接合素子が並列に接続されたものであるため、臨界電流
１ｍが極めて太きい。

本発明のジョセフソン接合素子は、次のような長所を有
している。

（ｉ） 量産したとき、素子１個当りのコストが下が
る。

（ＩＤ 基板上で素子の集積度を上げることができる
。

（ｉｉＤ電圧標準、可変周波数の電磁波発生装置等に応
用するとき、非常に高い周波数（非常に短い波長）でも
素子のサイズを波長にくらべて小さく保てる。

本発明のジョセフソン接合素子の製造方法について、第
６図の場合を例にとって述べる。

先ず基板１上にマスクを使用して第１の帯状の超伝導体
薄膜２をつくる。

この超伝導体薄膜は、Ｎｂ ｙ Ｔａ 、Ｗ 、Ｌａ
ｓ Ｐｂ ｓ Ｓｎ ｔ Ｉｎ ｔ Ａｌなどの金属あ
るいはそれらの合金など超伝導性を示す各種の超伝導物
質からなる。

第１０図を参照する。

フォトリングラフィ又は電子ビームリソグラフィにより
レジストマスクＭ１を基板１上につくり（第１０図Ａ）
、このマスクＭ１を通して超伝導物質を数百ないし数千
穴の厚さにスパッタリング又は蒸着し、次にマスクを取
除いて帯状のパターン（第１の帯状超伝導体薄膜２）を
残す（第１０図Ｂ）。

このパターンの両端は外部接続を容易にするため拡大し
ておく。

次いでこの第１の帯状超伝導体薄膜２に交差してレジス
トマスクＭ２を配置しく第１０図Ｃ）（以下、説明の便
宜上図を一部拡大して示す。

） Ｓ ｉ ０２などの絶縁物質又は半導体物質を五十
人ないし数千穴の厚さにスパッタリング又は蒸着し、そ
れから超伝導物質を数百ないし数千穴の厚さにスパッタ
リング又は蒸着し、その後マスクを取除いてパターン（
第２の複数のスリットをもつ帯状超伝導体薄膜３）を残
す（第１０図Ｄ）。

次に、全面をスパッタークリーニングして酸化膜を超伝
導体表面から取除く。

それから、全面に障壁物質を数千穴の厚さにスパッタリ
ング又は蒸着する。

次いで、その帯状パターンの交差領域を覆う複数の線状
のレジストマスクＭ３をつくる（第１０図Ｅ）。

化学エツチングによりマスクされていない障壁物質を取
除く（第１０図Ｆ）。

最後にレジストマスクＭ３を取除いて完成する（第１０
図Ｇ）。

この製法においては第１の帯状超伝導体薄膜２に交差し
てレジストマスクＭ２を配置しく第５図へ）、絶縁物質
をスパッタリング又は蒸着し、それから同じマスクＭ２
を使用して超伝導物質をスパッタリング又は蒸着してい
る。

このように第１の帯状超伝導体薄膜２に交差して絶縁物
質をスパッタリング又は蒸着することが重要である。

もしこれと逆に第１の帯状超伝導体薄膜２をつくったマ
スクＭ１を利用して第１の帯状超伝導体薄膜２の全面に
重ねて絶縁物質薄膜をつげると素子の製造上著しい不都
合を生じる。

すなわち弱結合部をつくる前に上下の超伝導体薄膜の重
なり合う交差領域以外の部分から下の超伝導体薄膜表面
を損傷せずに絶縁物質のみを選択的にスパッタエツチン
グにより取除くことは極めて困難だからである。

又、全面をスパッタークリーニングして酸化膜を超伝導
体表面から取除いているが、この際絶縁体層の厚み側面
の整形も行なわれる。

絶縁物質又は半導体物質をスパッタリング又は蒸着して
絶縁体層をつくるが、この絶縁体層が比較的薄い場合（
通常２００λ以下）にはピンホールを生じて超伝導ショ
ートを生じることがある。

このピンホールを閉塞するには絶縁体層を酸化雰囲気に
さらして酸化すればよい。

絶縁物質又は半導体物質をスパッタリング又は蒸着して
絶縁体層をつくる代りに、マスクＭ２の窓を通して露出
している超伝導体薄膜２０表面を酸化雰囲気にさらして
酸化して絶縁体層としてもよい。

なお、第１０図Ｅ、Ｆ、Ｇの製造工程を第１１図Ａ、Ｂ
、Ｃの製造工程におきかえてもよい。

複数の線状の窓８を有するレジストマスクＭ４を、第１
の帯状の超伝導体薄膜２に対して配置しく第１１図Ａ）
、全表面をスパッタクリーニングした後にレジストマス
クＭ４の窓８を通して弱結合物質をスパッタリング又は
蒸着する（第１１図Ｂ）、次いで、レジストマスクＭ４
を取り除くとその上の弱結合物質が剥れ（リフトオンさ
れ）、接合素子が完成する（第１１図Ｃ）。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の準平面型ジョセフソン接合素子の拡大斜
視図である。 第２図Ａ、Ｂ、Ｃはジョセフソン接合素子の電圧電流特
性を示す。 第３図〜第６図は本発明のジョセフソン接合素子の各実
施態様を示す拡大平面図である。 第７図は第３図の線Ａ−Ａに沿う断面斜視図である。 第８図は第４図の線Ａ−Ａに沿う断面斜視図である。 第９図は本発明のジョセフソン接合素子の等価回路図で
ある。 第１０図Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ及び第１１図Ａ、
Ｂ、Ｃは本発明のジョセフソン接合素子の製造工程を示
す。 図中の符号、１・・・・・・基板、２，３・・・・・・
超伝導体薄膜、４・・・・・・絶縁体層、５・・・・・
・弱結合物質の薄膜、６・・・・・・積層体の溝、１・
・・・・・積層体の穴、８・・・・・・レジストマスク
の窓、Ｍ工〜Ｍ４・・・・・・レジストマスク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板上に配置した第１の超伝導体薄膜；この第１の
   超伝導体薄膜の上面に配置され、複数の溝又は穴を有す
   る絶縁体層と第２の超伝導体薄膜の二重積層体；及び 溝又は穴において露出する絶縁体層の厚み側面を横切っ
   て第１と第２の超伝導体薄膜を結合する弱結合部を備え
   たことを特徴とするジョセフソン接合素子。 ２ 基板上に第１の帯状の超伝導体薄膜をつくりこの第
   １の帯状の超伝導体薄膜に交差して複数の溝又は穴を有
   する絶縁体層と第２の超伝導体薄膜とをつくり、このよ
   うにしてつくった積層体表面をスパッタクリーニングし
   、そして交差領域の全域又は一部に弱結合物質の薄膜を
   形成する諸段階を備えたことを特徴とするジョセフソン
   接合素子の製造方法。