JPS584931A - ジヨセフソン接合素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、論理回路や記憶装ｄを構成するスイッチング
素子、倣小磁場曙定ぶ子、電圧ｔ４準器などに用いられ
るジッセフノン接合素子の構造に閥するものである・ 従来開発されてきたジョセフノン接合素子は。

鉛合金／鉛合金の酸化’ＩＩＩＪ／鉛侍金の４鉛合金つ
ものが主であった。しかし、こルらの鉛合金糸ジ１セフ
ノン接合累子は、動作温度で必る献体ヘリウム温式と室
温との閾の熱サイクルを経ることｙｃよって接合が破壊
され易く、特注の劣化が着しｉという欠点がある。これ
に代って、熱ティクルや経時変化による特性の劣化がほ
とんど生じないジョセ７ノン接合菓子として、機械的に
鉛よシ硬い二オブもしくはニオブ化合物を一極とするニ
オブ系ジョセフソン接合素子の開発が行なわれている・
窒化ニオブを電極としたジョセフソン接合素子では、熱
サイクルや経時変化による特性の劣化かはとんどないこ
とが、東海林等により醒子通１８学会技術研究報告Ｃ１
’Ｍ８０−９０（１９８１年２月１７日発行）に述べら
れている・このジ冒セフノンｍ合素子の接合層には、ア
モルフェスジリコン及ヒソの酸化物が用いられている。

ニオブは、ゲッタ作用が非′にに強く％絨索や種々の物
＋ＩＲｔ教着し易いという特徴がある。よってニオブを
ジ曹セフソン素子ＯｗＬ框体として用いる場合、接合層
の形成時にａｌｔ累などが余分に一極体のニオブに拡散
するという現象や、接合層の形成後接合鳩中のａ１！素
等が同様にして一極体のニオブ中に拡散し易いという欠
点があった。このため。

接合層の厚さの制御が非常に困１１になるという問題が
生じた。ジョセフソン接合素子の接合層の厚さは、素子
の電気的特性に大きく影畳するため。

接合層の厚さを数パーセント以下に制御する会費がある
が、従来のニオブを電極体として用いたジョセフソン接
合素子では、この接合層の厚さの劃−が困難であった。

しかも、経時変化により接合層の等制約な犀さが変化す
るため、素子の電気的特性が劣化するという欠点があっ
た・ 一方窒化ニオンなどのニオブ化合物線、ニオブがＲＫ窒
素などと化合物として結合しているのでゲッタ作用が著
しく低下し、１１１１素などＯａ着や化合物中へＯ拡散
が着しく少くなるという特徴があゐ、よってニオブ化合
物には接合層の形成において、厚さの制御が容易になり
、かつ、経時変化が減少するという長所がある。しかし
、窒化ニオブなどＯＸＸツブ合物は、ニオブに比べて、
＠伝善状■でＯａ＊侵入の深さが４００〜５００ナノメ
ータで４−５倍大敬−ため、信号の転送時間が長くなる
と共に、磁場感度が低下すると匹う欠点がある拳この窒
化ニオブの欠点を除く九め、窒化ニオブとニオブの２層
礁をペース１に＠（麩１０を框体）とし、鉛合金をカウ
ンタ電極（＠２の電極体）とするジョセフソン接合素子
の構造が幸坂等により壓２８回応用物理学関係連合講演
会の予稿集の薦４４４頁（ｍ演番号２９Ｐ−〇−１２）
に述べられている・ このジョセフソン接合素子のカウンタ電極（嬉２の磁極
体）には、鉛合金が用いられているので前述した熱サイ
クルや経時変ｆとによる素子の鑞気的％性の劣化が生じ
るという欠点は、完全には除かれていない・ 本発明の目的は、熱フィクルや経時変化による素子の４
気的特注の劣化がはとんどなく、高速で磁場感度の良好
なジョセフソン接合素子を提供することにるる・ 本発明によれば、絹１（Ｄ超伝導体と超伝導状朧での磁
場侵入の深さが縞ｌの超伝導より小さい嬉２の超伏４体
からなる縞１の一極体と、前記第１０Ｍ１伝４犀と前記
第２の超伝導体からなる覇２の１一体と、前記第ｌの一
極体と前記藤２の一極体との閾に介在して超伏尋トンネ
ル幼未を生じさせる一合層とから構成されることを％Ｉ
ＩＩＬとするジョセフソン接合素子が得られる。

本発明の好ましい実施の態様によれば、前記第１０域極
体のＭｌの超伝導体と前記第２の電極体の菖ｌの超伝導
体で前記接合層を酸さみ、前記第１０電極体の第２の超
伝導体と前記第２の［框体の無２の超伝導体１−．前記
＠１の電極体の第１の超伝導体と前記＠２Ｃ）電極体と
第１の超伝導体の外側にそれでれ配置するジョセフソン
接合素子が得られる。

さらく本発明の好ましｂ実施の態様によれば。

前記Ｍｌの超伝導体としてニオブ化合物を用い。

前記第２の超伝導体としてニオブを用いたジョセフソン
接合素子が得られる。

さらに本発明の好ましい実施の態様によれば。

前記ニオブ化合物として窒化ニオブを用いたことを％黴
とする前述Ｏジョセフソン接合素子が得られる・ さらに本ｌＡ＃４の好ましい実施の一様によれば。

−記一合層として窒化シリコン、シリコン、シリコンの
酸化物又はシリコンとシリコンの＃ｆビ物をＭ−九ジ１
セフノン媛合虞子が得られる。

以下ｅｌＡ面により本発明のさらに詳細な説明を行なう
・ 第１図は、従来のジョセフソン接合素子の構造を示した
ものである・第１の電極体１１と第２の電極体１２とに
は、鉛合金、ニオブ又はニオブ化合物などが用いられる
。接合層１３には、第１の電極体１１の酸化物、アモル
ファスシリコン、アモルファスシリコンとその酸化物又
Ｆｉ窒化ニオブなどの絶縁物が通常用いられる・第１の
一極体１１と第２の１に一本１２とを絶縁する絶縁層１
４には８ｉ０や８ｉ０！などのシリ；ン鍍化膜又は窒化
シリコンなどが通常用いられている。

＃Ｉ２図は、前述した２層−ペース電極構造な°持つ従
来のジョセフソン接合素子の構造を示したものであるｏ
第１の一極体は、窒化ニオブ＠２１とニオブｌｉ＠２２
とから構成される。菖２の電極体１２には鉛合金が、接
合層１３にはアモルファスシリコン又はその酸化物が、
絶縁層１４にはシリコンの傘化膜がそれぞれ用いられて
いる。ニオブ験２２の膜厚を３００ナノメータとし、窒
化ニオブｌ［２１の膜厚を６０ナノメータとすることに
よ〕、磁界侵入の深さが１００ナノメータに減少され、
磁場感度が大＊ｍＫ改讐されている。しかし、亀２０域
極体１２に鉛合金が出いられてｉるので、纂１図の場合
と同じ＜、ＩＩ＆サイクルや経時変化による素子の１気
的特性の劣化が生じるという欠点紘除かれていない、な
お＊　ｍｔＷ、第２−ともジ■セフソン接合素子のスイ
ッチをｆｔｒｌＩｉｌする制−−や、グランドプレーン
及びその絶＃ｊＩＬｐｌＩ膜などの実用のための付加機
能部献説＠を廟埜にするために省略した・ 籐３図は１本発明によるジ冒セフンン簑会素子の第１の
実＆ｌ１ｆＩｌを示したものでるる０４１図及び第２図
と同Ｉａ、ｌｌｌ１＆御−やグランドプレーン等の夷＃
ＩＯためＯ付加機能部は省略しである・謳３図の接合層
１３と絶縁層１４とは脇ｌ−及び總２図の従来技術とＰ
Ｊ皺であるので同一番号で示しである・本発明のｊｌｌ
の電極体紘、ｓ１の超伝導体３１と超伝導状態での磁界
侵入の深さが謳１の超伝導よ）小さい亀２の超伝導体３
２とから構成される・また、嬉２の電極体は、第１の超
伝導体３３と第２の超伝導体３４とから構成される。電
工の電極体の第１０１伝導体３１とｓＩ２の電極体の繭
重の超伝導体３３は接合層１３をはさんで超伝導トンネ
ル効果を生じさせる。第１の電極体のｍ２の超伝導体３
２と第２の電極体の嬉２の超伝導体３４とは、それぞれ
の電極体のＩＩｌの超伝導体３１゜３３の外側に配置さ
れる・第１の電極体のＩｌｌの超伝導体３１と第２の１
１４体の第１の超伝導体３３は接合層１３の形成を経時
変化に対して、纂２の超伝導体３２．３４と接合層１３
の相互作用による前述の酸素の拡散等の影響を受けない
ような十分な厚さで形成される。第２の超伝導体、３２
．３４は、少くとも超伝導状態での磁界侵入の深さ以上
の厚さで、製造可能な適当な厚さで形成される。

よって、第１の電極体とｉ１２の一極体の等制約な超伝
導状態での磁界侵入の深さは、＄２の超伝導体と同等罠
な９．カイネティックィンダクタンスの増加による信号
の転送遅れやａ礒感度の低下を防ぐことができる。

次に本実施例のジ璽セフソ／素子の製造方法を簡単に述
べる。

先ずｇｌＯ域極体框体２の起伏４体３２を蒸着技術ヤス
バッタ技術等を用いて成膜し、続けて。

第１ｏｗｔ極体の第１の超伝導体３１を前述と同様な技
術を用いて成膜する。謳ｌｏ電一体をリフトオフ技術等
によりバターニングした嶽、ｉｉ！１轍層１４として８
ｉ０やＳｉへなどを１ＡＩ１１技術やケイカル・ベーパ
・ディボジシ曹ンｖＬ暫（ｃｖＤ技書と称する）等を用
いて成膜し、リフトオフ技術等によルハｆｉ−ユングす
る・接合７１１１：ｌｊ、アモルファスシリコンをＣＶ
Ｄ１術で成−したＷｋ％陽４に酸化によりアモルファス
シリコン全体又は−婦を８４（Ｊまた紘８ｉ鳴層に変え
る手法や、ＵＶＤＶｔ術により窒化シリコン等の鴫を成
−する手法や為１Ｏ１１１１に躯体の表面を＠他酸化す
る手法等によりて作られ為・続ｉて、菖２のｗｋ−極体
麹ｌの超伝導体３３と、第２の電極体のＪＩ２の超伝導
体３４を前述と同様Ｏ技術を用いて重ねて成膜する・總
２の電極体のパターニングは前述と同様のリフトオツ技
術等によ）行なわれる。この時、接合層１３を形成する
時絶縁層１４上に同時に形成される８ｉ０゜８１へ又は
窒化シリコンなどの藩層が残るが、これらは絶縁層１４
と同様の絶縁物であるので、素子の電気的特性には影響
しない。

第４図は１本発明の第２の実施例のジラセフソン接合素
子の構造を示したものである。素子の接合部の基本的な
構造は第１の実施列と同一であるので、第１の実施例と
同一の効果が得られる・但し％製造順序が一部異なるた
め、全体の構造が異なっている。第２の実施例のジョセ
フソン接合素子は以下の手順で製造される。

次は、絶縁層１４が前述と同様の技術により成膜され、
パターニングされる。その後、ｉｆの電極体の第１の超
伝導体４１が前述と同様の技術を用いて成膜され％続い
て接合Ｎｉ１１３と第２のｗＬ電極体第１の超伝導体４
３と＠２のｗＬ電極体第２の超伝導体４４とが前述と同
様の技術によシ順次成映２の電極体がパターニングされ
る〇 第２の実施例では、第１の実施例と異な〕、第１の電極
体の悪ｌの超伝導体４１と、同一物質の層４５と接合層
１３と同一の物質の層４６が絶縁層１４０上に＠るとい
う欠点がある・しかし製造上＊　ｔｇ　ｔの電極体の１
１１の超伝導体４１と接合層１３と１１２０電極体Ｏ＠
ＩＯ超伝尋体４３と＠２の電極体のｌＩ２の超伝導体４
４が、真空を破壊することなく作れるという特徴がある
。よって、謳１０ＩＥ４］ｉ体Ｏｊ１１０＋ＩＨｃｌ１
体４　ｉｌｌ　ｇｔＤＩＥｆｃ体の第１の超伝導体４３
と接合層１３との閾が空気中の酸素等による汚染を受け
ることなく素子が製造されるので、良貿のジ冒セフノン
接合素子が得られる命なお、ｅｓｉ層１層上４上１の超
伝導体のｌ１ｌ）の層４５と接合層と同−物質の残りの
層４６は、８１１１１１４に！ｊ）！ｌ１０ｍ＆体０ｍ
ｌ０超伝導体４１から絶縁されてｉるので、素子の電気
的４１Ｉ性には影響しない。

ｇｓａａは１本発明の菖３の実ＩＩＡ例のジ璽セフソン
接合素子の構造を示し丸ものである。素子の接合部の基
本的な構造は、第１の実ＩＭ例及び第２の実施列と同一
であるので、第１（２，）実施ガ及びル２の実施例と同
一の効果が得られる・製造方法とル１の一極体の第１の
超伝導体５１と接合Ｉｉ！Ｉ１３と躯２の一極体の菖１
の超伝導体５３の構造が、麹１の実施例及び第２の実施
例と１４なる。菖３の実施ガのジ冒セ７ンン接合素子は
以下の＋組で製造される。

先ず第１の一極体の第２の超伝導体５２が、亀２の実施
例と同様にしてａｍされ、パターニングされる。続いて
絶縁層１４が前述と同様にして成膜され、パターニング
される０次に、麹１の電極体の菖１の超伝導体５１と接
合−１３と論２の一極体のｍｌの超伝導体５３とが、前
述と同一の技術によル組次成−される・ここで嵌合−１
３のパターンをり７トオフ技倫勢によシバター二ンクす
る・この時、＾ｌの電極体の麹ｌの超伝導体５１とｌＩ
２の電極体の縞１１０１ｔ伝尋体５３も同時にパターニ
ングされる・従りて、絶縁ＰＭ１１４上には。

１ｍｌの電極体の菖１の超伝導体５１と嬉２の電極体の
菖１の超伝導体５３と、接合−１３に相当する膜は残ら
なＩｔｓ、Ｑ後に、籐２の電極体の第２の超伝導体５４
が前述と同僚の技術によシ成穢されパターニングされる
。なお、ｄｌ１２のＷＩＬ４ｊ体の＃＆ｌの超伝導体５
３は、鵜５園では絶縁層１４の接合パターンの内＠に凹
状に配置されているが、絶縁層１４上に凸状に突起した
状態で配置されても素子Ｏ電気的特性に影響しない。

篇３の実ｊＭ例では、ジョセフソン接合を形成する菖ｌ
の電極体のＭ五の超伝導体５１と接合層１３とｌＩ２の
電一体の無１０超伝婆体５３とが、接合パターン部分の
みに、しかも製造装置の真空を破ることなく製造できる
という特徴がある。よって＄１３０１！１ｉｌｆｌでは
、総２の実施列の利点と、絶縁層１４上に不畳なパター
ンが残らｔいので素子の電気的ｌＩＩ性が安定して得ら
れるという利点がある・さらに＠３の＊＊＊では、通常
、第１の電極体と必要な付加回路が、超伝導状態での磁
界侵入の深さか小さい第２の超伝導体のみで製造できる
ので信号の転送遅れを他の実施例より小さくできるとい
う利点がある・但し、接合パターンのバターニングの工
程を余分に必要とするという欠点がある０以上述べた各
実施例の製造手順の詳細や、実用上必要なグランドプレ
ーンや制御−等の付加機貴。

部の製造方法については、グレイナ（Ｊ、Ｈ，Ｇｒｅｉ
−ｎｅｒ）等によシアイービー・エム・ジャーナル・オ
ブ・リサーチ・アンド・ディベロブメン）　（ＩＨＭＪ
ｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　　）Ｌｅｓｅａｒｅｈ　　ａｎ
ｄ　　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）の第２４巻館２号の第
１９５頁から第２０５頁に詳細に述べられている。

以上述べたように１本発明によれば、熱サイクルや経時
変化による劣化がｔよとんとなく、かつ高速で磁場感に
の良好なジョセフソン接合素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

縞１図は従来のジョセフソン接合素子の構造を示す断面
図、第２國は２層膜４億構造を持つ従来のジョセフソン
接合素子の構造を示すｒｔＪＴ［ｆＩ図、縞３図は本発
明による第１ｏ実施飼のジョセフソン接合素子の構造を
示す断面図、第４図は本発明の第２の実施列のジョセフ
ソン接合菓子の４造を示すｌＩＴ面図、第５図は本発明
の第３０実厖九のジョセフソン接合素子の構造を示す断
面図である。 １１・・・第１の螺−座、１２・・・第２０颯憶体、　
１３・・・接合層、１４・・・絶縁層、２１，３１，４
１゜５１・・・第１のｗｔ極框体第１の超伝導体、２２
゜３２．４２．５２・・・菖ｌの電極＾の譲２の超伝導
体、３３，４３．５３・・・第２の４他体の第ｌの超伝
導体、３４，４４．５４・・・第２の電極体の第２の超
伝導体、４５・・・絶縁層上の第１ｏ）４伝尋体の残り
、４６・・・絶縁層上の接合層と同一物質の残り・第１
図 Ｉ １１ 第２図 平３図 閉４図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　超伝導体からなる２個の１＆体の關に超伝尋
   トンネル効果を生じさせる接曾紬を介在させ九ジ曹セフ
   ソン接合素子にｐいて、前記ｍ極体は献ｌの超伝導体と
   勉伝尋状態での磁界侵入の深さがそ（Ｄｍｌの超伝導体
   よシ小さい＠２の超伝導体との２層構造からな９．かつ
   それぞれ第１の超伝導体−においてＷＭ記接合論に接し
   ていることをＩＩＩ倣とするジ■セフソン接合素子。
2. （２）　　繭配躯１（Ｄ超伝導体としてニオブ化合物を
   用い、ＩＩ記菖２の超伝導体としてニオブを用い友特許
   請求の範ｈｓｉ項に記載のジョセフノン接合素子・
3. （３）　　前記ニオブ化合物として窒化ニオブを用いた
   特許請求の範囲第２項記載のジョ七ノノン接合菓子・
4. （４）　　前記接合層として窒化シリコンを用い丸特許
   請求の範囲第１項に記載のジョセフノン接合素子。 （＆）　　前記接合層としてシリコン、シリコン酸化物
   又はシリコンとシリコン酸化物を用いた特許請求の範囲
   ＠１項に記載のジ冒セフノン接合素子。