JPS59194482A - トンネル接合型ジヨセフソン素子 - 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、第１の超伝導体層と、その第１の超伝導体層
上に形成されて（Ｘるトンネル）＜１ノア層棲、その１
〜ンネルバリア層上に第１の超伝導体層と対向して延長
して０る第２の超伝導体層とを有するトンネル接合型シ
３［フソン素子の改良に関する。

このようなトンネル接合型ジョセフソン素子において、
従来、次の構成をｆＪＪるもの力＜１２案されている。

（イ）第１及び第２の超伝導体層の双方力（、多１）ま
たは鉛を主成分とする鉛合金でにする甲一層でなり、ト
ンネルバリア層が、鉛ｚＬだ（ま鉛を主成分とする鉛合
金（Ｐｂ−へ〇合金、ｐｌ）−１ｎ−Ａｕ合金など）で
なる第１の超伝導体層の表面を酸化して形成さｎｌこ鉛
または鉛を主成分とする鉛合金を構成している材料の酸
化物（第１の超伝導体’！７Ｊ（、Ｐｂ単体またはＰｂ
−Ａｕ合金でなる゛場合、Ｐｂ　Ｏ，Ｐｂ　Ｏ＋　、Ｐ
ｂ　−Ｉ　ｎ−Ａｕ合金でなる場合、Ｉｎ２０Ｉ　）で
なるトンネル接合型ジョセフソン素子。

（ロ）第１の超伝導体層がニオブまたはニオブを主成分
とするニオブ化合物でなる単一層でなり、第２の超伝導
体層が鉛または鉛を主成分とする鉛合金（Ｐｂ−Ａｕ合
金、Ｐｂ−Ｉｎ−Ａｌ１合金など）でなる単一層でなり
、トンネルバリア層がニオブまたはニオブを主成分とす
るニオブ化合物でなる第１の超伝導体層の表面を酸化し
て形成されたニオブの酸化物（Ｎｂ＋　Ｏｓ　）でなる
トンネル接合型ジョセフソン素子。

（ハ）第１及び第２の超伝導体層の双方がニオブまたは
ニオブを主成分とするニオブ化合物でなる単一層でなり
、トンネルバリア層がニオブｉたはニオブを主成分とす
るニオブ化合物でなる第１の超伝導体層の表面を酸化し
て形成されたニオブの酸化物（Ｎｂ２０１）でなるトン
ネル接合型ジョセフソン素子。

上述した（イ）のトンネル接合型ジョセフソン素子の場
合、トンネルバリア層が鉛または鉛を主成分とする鉛合
金を構ムしている材料の酸化物でなり、そして、その鉛
または鉛を主成分とづ゛る鉛合金を構成している祠お１
の酸化物が、ニオブの酸化物に比し低い誘電率を有する
ので、第１及び第２の超伝導体肢間の静電容量が、トン
ネルバリア層がニオブの酸化物でなる上述した（口）及
び（ハ）の場合に比し人きく、従って、トンネル接合型
ジョセフソン素子が、トンネルバリア層がニオブの酸化
物でなる十１ｉｌｉ　した（口）及び（ハ）の場合に比
し高速スイッチング動性をするという利益を右する。

しかしながら、上述した（イ）の１〜ンネル接合型ジミ
セフソン素子の場合、第１及び第２の超伝導体層が、と
もに、鉛または鉛を主成分とする鉛合金でなる単一層で
なり、そして、その鉛または鉛を主成分とり−る鉛合金
が、ニオブまたはニオブを主成分とする二ン１ブ化合物
に比し機械的強度が低いので、トンネル接合型ジョセフ
ソン素子に、その使用時、これ４極低温状態にし、また
不使用時、これを常温状態にづる、という熱サイクルが
与えられることによって、第１及び第２の超伝導体肢自
体に、それがニオブまたはニオブを主成分とするニオブ
化合物でなる単一層でなる場合に化身、ヒルロックが生
じ易く、そして、その影響がトンネルバリア層に与えら
れる。このため、トンネル接合型ジ」セフソン素子の特
性が、第１及び第２の超伝導体層の少くとも一方がニオ
ブまたはニオブを主成分とするニオブ化合物でなる単一
層でなる上述した（口）及び（ハ）のトンネル接合型ジ
ョセフソン素子の場合に比し、初期の特性から変化し易
いという欠点を有していた。

また、第１及び第２の超伝導体層に、上述したヒルロッ
クが生じ易いため、第１の超伝導体層が、それを形成し
ている絶縁性基板から、第１の超伝導体層がニオブまた
はニオブを主成分とするニオブ化合物でなる場合に比し
剥離し易く、また、第２の超伝導体層に連結して配線用
超伝導体層を延長ざゼている場合、その配線用超伝導体
層が、第２超伝導体層から、第２の超伝導体層がニオブ
またはニオブを主成分とするニオブ化合物でなる場合に
比し剥離し易い、という欠点を有していた。

また、上述した（イ）のトンネル接合型ジョセフソン素
子の場合、第１の超伝導体層が、鉛または鉛を主成分と
づ゛る鉛合金でなる単一層でなり、そして、その鉛また
は鉛を主成分とする鉛合金が、ニオブまたはニオブを主
成分とするニオブ化合物に比し融点が低いので、第１の
超伝導体層を形成するとぎとか、第１の超伝導体層を形
成して後トンネルバリア層を形成するときとか、トンネ
ルバリア層を形成して後第２の超伝導体層を形成すると
きとかにおいて、第１の超伝導体層が加熱される場合、
第１の超伝導体層内に、結晶粒が第１の超伝導体層がニ
オブまたはニオブを主成分とするニオブ化合物でなる場
合に比し多量且つ大きく成長し易い。このため、第１の
超伝導体層の表面が、第１の超伝導体層がニオブまたは
ニオブを主成分とづるニオブ化合物でなる場合に比し凹
凸面化し易い。

従って、トンネルバリア層が、第１の超伝導体層がニオ
ブまたはニオブを主成分とするニオブ化合物である場合
に比し、第１の超伝導体層−Ｖに各部均一の厚さに形成
され難い。よって、トンネル接合型ジョセフソン素子を
、第１の超伝導体層がニオブまたはニオブを主成分とす
るニオブ化合物でなる上述した（９）及び（ハ）のトン
ネル接合型ジョセフソン素子の場合に比し、所期の特性
を有するものとして、再現性良く製造することが困難で
ある、という欠点を有していた。

さらに、上述した（イ）のトンネル接合型ジョセフソン
素子の場合、第２の超伝導体層が、ニオブまたはニオブ
を主成分とするニオブ化合物に比し低い融点を有する鉛
または鉛を主成分とする鉛合金でなる単一層でなるため
、第２の超伝導体層を形成するときとか、第２の超伝導
体層を形成して後それに連結している配線用超伝導体層
を形成するときとかにおいて、第２の超伝導体層が加熱
される場合、第２の超伝導体層内に、結晶粒が、第２の
超伝導体層がニオブまたはニオブを主成分とり−るニオ
ブ化合物τ゛なる場合に比し多最且つ大ぎく成長し易い
ために、第２の超伝導体層内に結晶粒が多伍且っ人ぎく
成長している場合、第２の超伝導体層内に、その結晶の
粒界を通って、外部から空気中に含まれている水蒸気が
侵入して、第２の超伝導体層内に、それを構成している
材料の酸化物や水酸化物が、第２の超伝導体層がニオブ
またはニオブを主成分とするニオブ化合物でなる場合に
比し形成され易い。このため、第２の超伝導体層が、第
２の超伝導体層がニオブまたはニオブを主成分とするニ
オブ化合物でなる上述した（ハ）のトンネル接合型ジョ
セフソン素子の場合に比し、劣化し易く、このためトン
ネル接合型ジョセフソン素子の特性が、第２の超伝導体
層がニオブまたはニオブを主成分とするニオブ化合物で
なる上述した（ハ）のトンネル接合型ジョセフソン素子
の場合に比し劣化し易い、という欠点を有していた。

また、上述した（口）のトンネル接合型ジョセフソン素
子の場合、第１の超伝導体層がニオブまたはニオブを主
成分とするニオブ化合物でなる単一層でなり、そして、
そのニオブまたはニオブを主成分とするニオブ化合物が
、鉛または鉛を主成分とづ°る鉛合金に比し高い機械的
強瓜を有しているので、第１の超伝導体層に、前述した
熱サイクルによるヒルロックが、第１の超伝導体層が鉛
または鉛を主成分とする鉛合金の場合に比し生じ難いの
で、この点で、トンネル接合型ジョセフソン素子の特性
が、第１の超伝導体層が鉛または鉛を主成分とする鉛合
金でなる上述した（イ）のトンネル接合型ジョセフソン
素子の比し、初期の特性から変化し難い、という利益を
有する。

また、上述した（口）のトンネル接合型ジョセフソン素
子の場合、第１の超伝導体層がニオブまたはニオブを主
成分とするニオブ化合物でなる単一層でなり、そして、
そのニオブまたはニオブを主成分とするニオブ化合物が
、鉛または鉛を主成分とする鉛合金に比し高い融点を有
するので、第１の超伝導体層が形成されるとぎとか、第
１の超伝導体層を形成して後１〜ンネルバリア層を形成
する午きとかに、第１の超伝導体層が加熱されても、第
１の超伝導体局内に、結晶粒が、第１の超伝導体層が鉛
または鉛を主成分とする鉛合金でなる場合に比し成長し
難いので、第１の超伝導体層の表面が、第１の超伝導体
層が鉛または鉛を主成分とする鉛合金でなる場合に比し
凹凸面化し難い。このため、トン　　・′２、．７３．
ア□、１１．）ｆｆｌ（ｉ。。ｌよ九　１鉛を主成分と
する鉛合金でなる場合に比し、各　　ゝ、部均−の厚さ
に形成することができる。よって、　　゛、この点で、
トンネル接合型ジョセフソン素子を、！、。

第１の超伝導体層が鉛または鉛を主成分とする　　゛　
−鉛合金でなる（イ）のトンネル接合型ジョセフソン素
子の場合に比し、所期の特性を有するものとして再現性
良く製造することができる、という利益を有する。

しかしながら、上述した（口）のトンネル接台架ジョセ
フソン素子の場合、第１の超伝導体層がニオブまたはニ
オブを主成分とするニオブ化合物でなり、これに応じて
トンネルバリア層が第１の超伝導体層の表面を酸化して
形成されたニオブの酸化物でなり、そして、そのニオブ
が、鉛または鉛を主成分とする鉛合金を構成している材
料に比し酸化し易いので、ニオブの酸化物でなるトンネ
ルバリア層を形成するのが、第１の超伝導体層を鉛また
は鉛を主成分とする鉛合金とし、これに応じてトンネル
バリア層を第１の超伝導体層の表面を酸化して形成され
た鉛または鉛を主成分とする鉛合金を構成している材料
の酸化物でなるものとして形成する場合に比し、再現性
良く形成するのが困難である。

このため、この点で、トンネル接合型ジョセフソン素子
を所期の特性を有するものとして形成するのが、第１の
超伝導体層が鉛または鉛を主成分とする鉛合金でなり、
これに応じてトンネルバリア層が第１の超伝導体層の表
面を酸化して形成された鉛または鉛を主成分とする鉛合
金を構成している材Ｈの酸化物でなる上述した（イ）の
場合に比し困難である、という欠点を有する。

また、上述した（口）のトンネル接合型ジョセフソン素
子の場合、トンネルバリア層が上述したように、二Ａノ
またはニオブを主成分とりるニオブ化合物でなり、そし
て、そのニオブよたはニオブを主成分とするニオブ化合
物が、鉛または鉛を一主成分とづる鉛合金を構成しでい
る材料の酸化物に比し高い誘電率を有するので、第１及
び第２の超伝導体層間の静電容量が、トンネルバリア層
が鉛または鉛を主成分とづる鉛合金を構成している材料
の酸化物でなる場合に比し大きく、従って、トンネル接
合型ジ：３′ｃ！フソン素子が、トンネルバリア層が鉛
または鉛を主成分とする鉛合金を構成している月利の酸
化物でなる場合に比し、高速スイッチング動作しない、
という欠点を有していた。

さらに、上述した（口）のトンネル接合型ジョセフソン
素子の場合、第２の超伝導体層が、鉛または鉛を主成分
とする鉛合金でなる単一層でなり、そしてその鉛または
鉛を主成分とする鉛合金がニオブまたはニオブを主成分
とづ゛るニオブ化合物に比し機械的強度が低いので、第
２の超伝導体層に、上述した熱サイクルによる、ヒルロ
ックが生じ易く、このため、トンネル接合型ジョセフソ
ン素子の特性が初期の特性から変化しやすい、という欠
点を有していた。

′　また、上述したように、上述した熱サイクルによる
ヒルロックが生じ易いため、第２の起転、導体層に連結
して配線出超′伝導体層を形成した場合、それが、第・
２の超伝導体層から剥離しやすい、という欠点を有して
いた。

さらに、上述した（口）の場合、第２の超伝導体層が、
ニオブまたはニオブを主成分とするニオブ化合物に比し
低い融点を有する鉛または鉛を主成分とする鉛合金でな
る単一層でなるので、第２の超伝導体層を形成するとき
とか、第′　　　２の超伝導体層を形成して後それに連
結している配線用超伝導体層を形成するときとかにおい
て、第２の超伝導体層が加熱される場合、第２の超伝導
・採層内１、結晶粒が、第２．）超伝導体層がニオブま
たはニオブを主成分とするニオブ化合物でなる場合に比
し多聞且つ大ぎく成長し易いために、第２の超伝導体層
内にン結晶粒が多聞且つ人きぐ成□゛長している場合、
１２６ｍ’伝導体層内に、−゛そ゛の結品の粒界を通っ
て、゛イ部°から空気中に含まれている゛水蒸気が′侵
入し′Ｃ１第２の超伝導体層内に、それを構成している
材料の゛酸゛化物や水酸化物が形成され易い。このため
、第２の超伝導体層が、第２の超伝導体層がニオブまた
はニオブを主成分とするニオブ化合物でトンネル接合型
ジョセフソン素子の特性が、第２の超伝導体層がニオブ
またはニオブを主成分とするニオブ化合物でなる上述し
たくハ）のトンネル接合型ジョセフソン素子の場合に比
し劣化し易い、という欠点を有していた。

さらに、上述した（ハ）の１−ンネル接合型ジヨセフソ
ン素子の場合、第１及び第２の超伝導体層の双方が、ニ
オブまたはニオブを主成分とＪるニオブ化合物でなる単
一層でなり、そして、そのニオブまたはニオブを主成分
とするニオブ化合物が、鉛または鉛を主成分とする鉛合
金に比し高い機械的強度を有するので、上述した熱サイ
クルによっても、第１及び第２の超伝導体層に、第１及
び第２の超伝導体層が鉛または鉛を主成分とづ−る鉛合
金の場合に比し、ヒルロックが生じ難く、従って、この
点で、上述した（イ）及び（ロ）のトンネル接合型ジョ
セフソン素子に比し、トンネル接合型ジョセフソン素子
の特性が初期の特性から変化しない、という利益を有す
る。

また、上述した（ハ）のトンネル接合型ジョセフソン素
子の場合、第１の超伝導体層が、鉛または鉛を主成分と
する鉛合金に比し高い融点を有するニオブまたはニオブ
を主成分とするニオブ化合物でなるので、上述したよう
に、第１の超伝導体層を形成するときとか、トンネルバ
リア層を形成するときとか、第′２の超伝導体層を形成
するときとかにおいて、第１の超伝導体層が加熱されて
も、第１の超１云導体層内に、第１の超伝導体層が鉛ま
たは鉛を主成分とりる鉛合金でなる場合に比し、結晶粒
が成長し難く、このため第１の超伝導体層の表面が、第
１の超伝導体層が鉛または鉛を主成分とする鉛合金でな
る場合に比し凹凸面化し難い、このため、この点で、ト
ンネルバリア層を、第１の超伝導体層が鉛または鉛を主
成分とする鉛合金でなる一Ｌ述した（イ）のトンネル接
合型ジョセフソン素子の場合に比し、各部均一の厚さに
形成覆ることができ、従って、ｌ〜ンネル接合型ジョセ
フソン素子を、上述した（イ）の１〜ンネル接合型ジョ
セフソン素子の揚台に比し、所期の特性を有するものに
、再現性良く製造りることができるという利益を有する
。

また、第２の超伝導体層がニオブまたはニオブを主成分
とするニオブ化合物でなる単一層でなり、そして、その
ニオブまたはニオブを主成分とするニオブ化合物が高い
融点を有するので、上述したように、第２の超伝導体層
を形成するときとか、第２の超伝導体層上に配線用超伝
導体層を形成するとぎとかに、第２の超伝導体層が加熱
されても、第２の超伝導体層内に結晶粒を多量且つ大ぎ
く成長させていないので、第１の超伝導体層内に、外部
から空気中に含まれている水蒸気が侵入して、第２の超
伝導体層内に、それを構成している酸化物や、水酸化物
が形成されたすせず、このため、この点で、第２の超伝
導体層が、第２の超伝導体層が鉛または鉛を主成分とす
る鉛合金でなる上述した（イ）及び（ロ）のトンネル接
合型ジョセフソン素子の場合に比し、劣化し難く、従っ
てトンネル接合型ジョセフソン素子が、上述した（イ）
及び（ロ）のトンネル接合型ジョセフソン素子の場合に
比し劣化しない、という利益を有する。

しかしながら、上述した（ハ）のトンネル接合型ジョセ
フソン素子の場合、上述した（口）のトンネル接合型ジ
ョセフソン素子の場合と同様に、第１の超伝導体層がニ
オブまたはニオブを主成分とするニオブ化合物でなり、
これに応じてトンネルバリア層が第１の超伝導体層の表
面を酸化して形成されたニア１ノの酸化物でなり、そし
て、そのニオブまたはニオブを主成分とするニオブ化合
物が、鉛または鉛を主成分とＪる鉛合金に比し酸化し易
いので、トンネルバリア層を再現性良く形成するのが、
トンネルバリア層を鉛または鉛を主成分とする鉛合金を
構成している材料の酸化物でなるものとして形成する場
合に比し困難であり、このため、この点で、上述した〈
イ）のトンネル接合型ジョセフソン素子の場合に比し、
トンネル接合型ジョセフソン素子を所期の特性を有づる
ものとして製造することが困難である、という欠点を有
していた。

また、上述した（ハ）のトンネル接合型ジョセフソン素
子の場合、第２の超伝導体層がニオブまたはニオブを主
成分とづるニオブ化合物でなる単一層でなり、そして、
そのニオブまはたはニオブを主成分とするニオブ化合物
でなる第２の超伝導体層がニオブの酸化物でなるトンネ
ルバリア層上に延長して形成され、一方、ニオブまたは
ニオブを主成分とするニオブ化合物が、鉛または鉛を主
成分とする鉛合金に比し酸化し易いので、第２の超伝導
体層を形成するときに、第２の超伝導体層を構成するニ
オブまたはニオブを主成分とするニオブ化合物と、トン
ネルバリア層を構成しているニオブの酸化物とが相互に
拡散し、このため、トンネル接合型ジョセフソン素子が
大なるリーク電流を有し、且つ低いジョセフソン臨界電
流値しか有しない特性を有するものとしてしか形成され
ない、という欠点を有していた。

よって、本発明は上述した従来のトンネル接合型ジョセ
フソン素子の利益を有するが、上述した従来のトンネル
接合型ジョセフソン素子の欠点を有しない、新規なトン
ネル接合型ジョセフソン素子を提案せんとするもので、
以下本発明の実施例を詳述するところから、明らかとな
るであろう。

第１図は、本発明によるトンネル接合型ジョセフソン素
子の第１の実施例を示し、次に述べる構成を有する。

すなわら、本発明によるトンネル接合型ジョレノソン崇
子の第１の実施例においては、例えばカラスでなる絶縁
性基板１上に形成された第１の超伝導体層２を右する。

。 この第１の超伝導体層２は、鉛または鉛を主成分とする
鉛合金でなる第１の層２ａと、その第１の層２ａと積層
された関係を有づ−る、第１の層２ａに比し高い機械的
強度と高いＦＡ’ｌｉ点とを有りる超伝導（Δの第２の
層２ｂとからなる。

この場合、第１の層２ａ及び第２の層２ｂは、第１のｌ
ｆｆ１２ａが次に述べる１〜ンネルバリア層３と連接す
るように、それらの順に形成されている。また、第１の
層２ａは５〜３０　ｎｍという薄い厚さを有している。

さらに、第１の層２ａは、１〕ｂ単体、ｐｌ、−Ａｕ　
ＳＰｂ　−１ｕ−Ａｕなどの鉛を主成分とする鉛合金な
どでなり、・第２の層２ｂは、Ｎｂ単体、Ｎｂ　Ｎ、Ｎ
ｂ　＋　Ｇｅなどのニオブを主成分とするニオブ化合物
、ＭＯ−Ｒｅ合金とし得る。

なおさらに、第２の層２ｂは、配線用超伝導体層を兼ね
るように、絶縁性基板１に延長して形成されているが、
第１の層２ａは、電極部として、第２の居２ｂの遊端上
に局部的に形成されている。

上述した第１の層２ａ及び第２の層２ｂのそれぞれは、
それ自体は公知の蒸着法、スパッタリング法によって、
第１の層２ａ及び第２の層２ｂのそれぞれになる層を形
成して後、その層に対しリソグラフィ法によってパター
ニングを施して形成し得る。

また、本発明によるトンネル接合型ジョセフソン素子の
第１の実施例においては、上述した第１の超伝導体層２
上に形成されているトンネルバリア層３を有する。

このトンネルバリア層３は、鉛または鉛を主成分とする
鉛合金でなる第１の層２ａの表面の酸化よって形成され
た鉛または鉛を主成分とづる鉛合金を構成している４Ａ
旧の酸化物でなる。

この場合、トンネルバリア層３は、第１の層２ａがｐｂ
またはｐｂ−Ａｕ合金で゛なる場合、ＰｂＯ１Ｐｌ］Ｃ
ｈ　などでなり、またｐｌ＋−Ｉｎ−Ａｕ合金でなる場
合、１ｎ）Ｏｉでなる。

また、トンネルバリア層３は１〜３ｎｍ程麿の厚さを有
す゛る。

また、トンネルバリアｌ１８ｉ３は、第１の層２ａ上に
局部的に形成されている。

このようなトンネルバリア層３は、それ自体公知の、マ
スクを用いたプラズマ酸化法によって形成することがで
きる。

さらに、本発明によるトンネル接合型ジョセフソン素子
の第１の実施例においては、トンネルバリア層３上に第
１の超伝導体層２を対向して延長している第２の超伝導
体層４を有°りる。

この第２の超伝導体層４は、第１の超伝導体層２と同様
に、鉛または鉛を特徴とする特許金でなる第１の層４ａ
と、その第１の層４ａと積層された関係を有する、第１
の層４ａに比し高い機械的強度と高い融点とを有する超
伝導材でな、る第２の層４ｂとからなる。

この場合、第１の層４ａ及び第２の層の４ｂは、第１の
層４ａがトンネルバリア層３と連接するように、それら
の順に形成されている。

また、第１の層４ａは、第１の超伝導体層２の第１の層
２ａと同様に、５〜３Ｑｎｍという薄い厚さに形成され
ている。

さらに、第１の層４ａは、第１の超伝導体層２の第１の
層２ａと同様に、ｐｂ単体、ｐｂ−Ａｕ　、ｐｂ　−Ｉ
ｎ−ＡＶなどの鉛を主成分とする鉛合金などでなり、第
２の層４ｂは、第１の超伝導体層２の第２の層２ｂと同
様に、Ｎｂ単体、Ｎ　ｂ　Ｎ　、　Ｎ’ｂ　ＩＧ　ｅな
どのニオブを主成分とするニオブ化合物、Ｍｏ−Ｒｅ合
金とし得る。

さらに、第１の層４ａは、電極部として、トンネルバリ
ア層３に連接して形成され、第２の層４ｂは、配線用超
伝導体層を兼ねるように、次に述べる層間絶縁層６上に
延長している。

上述した第１の層４ａ及び第２の層４ｂは、第１の超伝
導体層２の第１の層２ａ及び第２の層２ｂと同様に、そ
れ自体は公知の方法にＪ、って形成されている。

絶縁性基板１上には、上述したＭｌの超伝導体Ｍ２を覆
い、且つ第１の超伝導体層２の第１の層２ａを外部に臨
ませる窓５を有する例えばＳｉＯでなる層間絶縁層６が
形成され、しかして、上述したトンネルバリア層３が、
第１の超伝導体層２の第１の層２ａの層間絶縁層６の窓
５に臨む領域上に形成され、また、第２の超伝導体層４
の第１の層４ａが、窓５内に、トンネルバリア層３に連
接して形成され、第２の層４ｂが、窓５を通じて第１の
層４ａに連接して、層間絶縁層６上に延長して形成され
ている。

以上が、本発明によるトンネル接合型ジョセフソン素子
の第１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トンネル接合型ジ
ョセフソン素子によれば、トンネルバリア層３が、鉛ま
たは鉛を主成分とする鉛合金でなる第１の超伝導体層２
の第１の層２ａの表面が酸化されて形成された、前述し
た従来の（イー）のトンネル接合型ジョセフソン素子の
トンネルバリア層と同様の、鉛またｔよ鉛を主成ブ）と
する鉛合金を構成している材料の酸化物でなる。そして
、その酸化物は、前述したように、ニオブの酸化物に比
し、低い誘電率を有する。

このため、前述した従来の（イ）のトンネル接合型ジョ
セフソン素子の場合と同様に、第１の超伝導体層２及び
Ｍ２の超伝導体層４間の静電容拉が、トンネルバリア層
がニオブの酸化物でなる前述した従来の（ロ）及び（ハ
）のトンネル接合型ジョセフソン素子の場合に比し小さ
く、従って、前述した（イ）のトンネル接合型ジョセフ
ソン素子の場合と同様に、（ロ）及び（ハ）のトンネル
接合型ジョセフソン素子の場合に比し高速スイッチング
動作をする、と０う利益を有する。

また、第１図で上述した本発明によるトンネル接合型ジ
ョセフソン素子の場合、第１の超伝導体層２が、トンネ
ルバリア層３と連接している鉛または鉛を主成分と′ツ
る鉛合金でなる第１の層２ａと、その第１の層２８にト
ンネルバリア層３側とは反対側で積層されている、第１
の層２ａに比し高い機械的強度と高い融点とを右する月
利でなる第２の層２ｂとからなる二層構成を有する。そ
して、この場合、第１の１２ａが５〜３Ｑｎｍという薄
いＷさを右する。

このため、第１の超伝導体層２が、ト・ンネルバリア層
３側を鉛または鉛を主成分とり−る鉛合金でなる第１の
層２ａとし、そして、その第１の層２ａを構成している
鉛または鉛を主成分とする鉛合金が、ニオブまたはニオ
ブを主成分とするニオブ化合物に比し低い機械的強度を
有していても、第１の層２ａに、前述した熱サイクルに
よるヒルロックが生じ難い。勿論、第１の超伝導体層２
を構成している第２の層４ｂには、第１の超伝導体層が
ニオブまたはニオブを主成分とするニオブ化合物でなる
前述した従来の（ロ）及び（ハ）のトンネル接合型ジョ
セフソン素子の場合と同様に、生じ難い。

従って、第１及び第２の超伝導体層の何れか一方が、ニ
オブまたはニオブを主成分とするニオブ化合物でなる前
述した従来の（ロ）及び（ハ）のトンネル接合型ジョセ
フソン素子の場合と同様に、トンネル接合型ジョセフソ
ン素子の特性が初期の特性から変化し難い、という利益
を有する。

さらに、第１図で上述した本発明によトンネル接合型ジ
ョセフソン素子の場合、第１の超伝導体層２の第１の層
２ａを構成している鉛または鉛を主成分とする鉛合金が
、ニオブまたはニオブを主成分とするニオブ化合物に比
し低い融点を有しているので、第１の超伝導体層２を形
成するときとか、第１の超伝導体層２を形成して後トン
ネルバリア層３を形成するときとか、トンネルバリア層
３を形成して後筒２の超伝導体層４を形成するときとか
において、第１の超伝導体Ｍ２が加熱され、これにより
、第１の超伝導体層２を構成している第１の層２ａ内に
、結晶粒が成長し易いとしても、それが上述したように
５〜３０ｎｍという薄い厚さを有しているので、第１の
層２ａの表面が、第１の超伝導体層が鉛または鉛を主成
分と覆る釣合′金でなる単一層でなる前述した従来の（
イ）のトンネル接合型ジョセフソン素子における、その
第１の超伝導体層の場合に比し、凹凸面化し難い。

このため、トンネルバリア層３を、第１の超伝導体層が
ニオブまたはニオブを主成分とするニオブ化合物でなる
前述した従来の（ロ）及び（ハ）のトンネル接合型ジョ
セフソン素子の場合と同様に、第１の超伝導体層２上に
、各部均一の厚さに、容易に形成することができる、と
いう利益を有する。

従って、トンネル接合型ジョセフソン素子を、第１の超
伝導体層がニオブまたはニオブを主成分とするニオブ化
合物でなる前述したくし］）及び（ハ）のトンネル接合
型ジョセフソン素子の場合と同様に、所期の特徴を有す
るものとして、再現性良く、容易に製造することができ
る、という利益を有する。

さらに、第１図で上述した本発明による１〜ヘンネル接
型ジョセフソン素子の場合、第２の超伝導体層４が、ト
ンネルバリア層３と連接している鉛または鉛を主成分と
する鉛合金でなる第１の層４ａと、その第１のｌ１ｔ４
ａにトンネルノ＼リア層３側とは反対側で積層されてい
る、第１の層４ａに比し高い機械的強度と高い融点とを
有する第２の層４ｂとからなる二層構成を有り”る。そ
して、この場合、第１の層４ａが、第１の超伝導体層２
の第１の層２ａと同様に、５〜３０ｎｍという薄い厚さ
を有する。

このため、第２の超伝導体層４が、トンネルバリア層３
側を、鉛または鉛を主成分とする鉛合金でなる第１の層
４ａとし、そして、その第１の層４ａを構成している鉛
または鉛を主成分とする鉛合金が、ニオブまたはニオブ
を主成分とするニオブ化合物に比し低い機械的強度を有
していても、第１の層４ａに、前述した熱サイクルにＪ
：るヒルロックが生じ勤い。勿論、第２の超伝導体層４
を構成しているトンネルバリア層３側とは反対側の第２
の層４ｂは高い機械的強度を有するので、その第２の層
４ｂに、前述した熱サイクルによってヒルロツゲが生じ
難い。

従って第２の超伝導体層４が、第２の超伝導体層がニオ
ブまたはニオブを主成分とするニオブ化合物でなる単一
層でなる前述ルた従来の（ハ）のトンネル接合型ジョセ
フソン素子の場合と同様に生じ難い。

従って、第２の超伝導体層がニオブまたはニオブを主成
分とするニオブ化合物でなる単一層でなる前述した従来
の（ハ）の１〜ヘンネル接型ジョセフソン素子の場合と
同様に、１ヘンネル接合型ジョセフソン素子の特性が変
化し難い、という特徴を有する。

また、第１図で上述した本発明によるトンネル接合型ジ
ョセフソン素子の第１の実施例の場合、第２の超伝導体
層４がトンネルバリア層３側に鉛または鉛を主成分とす
る鉛合金でなる第１の層４ａを有していても、トンネル
バリア層側とは反対側に第２の層４ｂを有し、そして、
それが第１の層４ａに比し高い融点を有するので、その
第２の層４ｂが前述したように加熱されても、その第２
の層４ｂには結晶粒が成長し難く、このため第２の層４
ｂ内・に、空気中に含まれている水蒸気が侵入して、そ
の第２の層４ｂ内にそれを構成している材料の酸化物や
水酸化物が形成され難い。また、第１の層４ａは、それ
が低い融点を有するとしても、第１の層の４ａによって
覆われているので、その第１の層４ａ内に外部から水蒸
気などが侵入しない。

従って、第２の超伝導体層４が、第２の超伝導体層がニ
オブまはたニオブを主成分とするニオブ化合物でなる重
一層でなる前述した従来の（ハ）のトンネル接合型ジョ
セフソン素子の場合と同様に、劣化し難く、従って、ト
ンネル接合型ジョセフソン素子が劣化しない、という特
徴を有する。

次に、第２図を伴なって本発明によるトンネル接合型ジ
ョセフソン素子の第２の実施例を述べにう。

第２図に示１本発明にＪ、る１〜ンネル接合型ジョセフ
ソン素子の第２の実施例において、第１図との対応部分
には同−符８を付して、詳細説明を省略する。

第２図に示す本発明によるトンネル接合型ジョセフソン
素子の第２の実施例は、第１図に示す本発明によるトン
ネル接合型ジョセフソン素子の第１の実施例の構成にｄ
５いて、次の事項を除いて、第１図で上述した本発明に
よるトンネル接合型ジョセフソン素子と同様の構成を有
する。

すなわち、第１の超伝導体層２を構成している第１の層
２ａが、遊端部において、メリー状に形成され、そして
第１の超伝導体層２を構成してる第２の層２ｂと、トン
ネルバリア層３と、第２の超伝導体層４を構成しでいる
第１の層４ａ及び第２の層４ｂとが、それ等の両側面を
、第１の超伝導体層２を構成しでいる第１の層２ａのメ
サ部の両側面と略々同一面となるように形成されている
。

また、層間絶縁層６が、第１の超伝導体層２を構成して
いる第１の層２ａ上に、その第１の層２ａのメサ部の両
側囮−←一連接し且つ、第１の超伝導体層を構成してい
る第２の層２ｂ、トンネルバリア層３、及び第２の超伝
導体層４の両側面に連接して形成され、そして、その層
間絶縁層６上に、第２の超伝導体層を構成している第２
の層４ｂに連結している配線用超伝導体層７が形成され
ている。

以上が、本発明によるトンネル接合５型ジヨセフソン素
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トンネル接合型ジ
ョセフソン素子によれば、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トンネル接合型ジョセ
フソン素子の第１の実施例の構成と同様であるので、詳
細説明は省略するが、第１図で上述したと同様の特徴を
有する。

なお、第２図に示す本発明によるトンネル接合型ジョセ
フソン素子の構成によれば、第１の超伝導体層２の第１
の層２ａ及び第２の層２１１になる層と、トンネルバリ
ア層３になる層と、興２の超伝導体層４の第１の層４ａ
及び第２の層４ｂになる層とをそれらの順に、同一真空
装置内で、その真空を破ることなく、順次形成して後、
それら層による積層体（対しエツチングを施すことによ
って、第１の超伝導体層２の第１及び第２の層２ａ及び
２ｂ１トンネルバリア層３及び第２の超伝導体層４の第
１及び第２の層４ａ及び４ｂを、それら及びそれら間に
汚染物を混入させることなしに容易に形成することがで
きるので、トンネル接合型ジ」レフソン素子を、ばらつ
きなしに、容易に所期の特性を有するものとして製造す
ることができる、という”特徴を併せ有する。

次に、第３図を伴なって本発明にＪ：る１−ンネル接合
型ジョゼフソン素子の第３の実施例を述べよう。

第３図に示す本発明によるトンネル接合型ジョセフソン
素子の第２の実施例において、第１図との対応部分には
同一符号を付して、詳細説明を省略する。

第２図に示づ“本発明によるトンネル接合型ジョセフソ
ン素子の第２の実施例は、第１図に示す本発明によるト
ンネル接合型ジョセフソン素子の第１の実施例の構成に
おいて、その第２の超伝導体層４を構成している第２の
層４ｂが省略され、そして、第２の超伝導体層４を構成
している第１の層４ａが、層間絶縁層６上に延長し、配
線用超伝導体層を兼ねている構成を有する、ということ
を除いて、第１図に示す本発明によるトンネル接合型ジ
ョセフソン素子と同様の構成を右する。

以上が、本発明によるトンネル接合型ジョセフソン素子
の第３の実施例の構成である。このような構成によれば
、それが上述した事項を除いて、第１図で上述した本発
明によるトンネル接合型ジョセフソン素子の第１の実施
例の構成と同様であるので、詳細説明は省略Ｊるが、第
１図で上）ホしたと同様の特徴を有づる。

次に、第４図を伴なって本発明によるトンネル接合型ジ
ョセフソン素子の第４の実施例を述べよう。

第４図に示す本発明によるトンネル接合型ジョセフソン
素子の第４の実施例において、第１図との対応部分には
同一符号を付して、詳細説明を省略する。

第４図に示す本発明によるトンネル接合型ジョセフソン
素子の第４の実施例は、第１図に示す本発明によるトン
ネル接合型ジョセフソン素子の第１の実施例の構成にお
いて、その第１の超伝導体層２を構成している第１の層
２ａが省略され、これに応じて、その第２の層２ｂがト
ンネルバリア層３と連接し、また、１〜ンネルバリア層
３が第２のｍ２ｂの表面が酸化されて形成された、第２
の層２ｂを構成している材料の酸化物でなることを除い
て、第１図に示す本発明によるトンネル接合型ジョセフ
ソン素子と同様の構成を有する。

なお、この場合、トンネルバリア層３は、第２の層２ｂ
がＮｂ　、、Ｎｂ　Ｎでなる場合、Ｎｂ＋０５でなる。

以上が、本発明によるトンネル接合型ジョセフソン素子
の第４の実施例の構成である。

このような構成によれば、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トンネル接合型ジョセ
フソン素子の第１の実施例の構成と同様であるので、詳
細説明は省略するが、第１図で上述したと同様の特徴を
有する。

なお、上述に於いては、本発明によるトンネル接合型ジ
ョセフソン素子の４つの実施例を示したに留まり、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、本発明によるトンネル接合型ジョセフソン素
子の第１の実施例を示す路線的断面図である。 第２図は、本発明によるトンネル接合型ジョセフソン素
子の第２の実施例を示す路線的断面図である。 第３図は、本発明によるトンネル接合型ジョセフソン素
子の第３の実施例を示す路線的断面図である。 第４図は、本発明によるトンネル接合型ジョセフソン素
子の第４の実施例を示す路線的断面図である。 １・・・・・・・・・・・・絶縁・性基板２・・・・・
・・・・・・・第１の超伝導体層２ａ・・・・・・・・
・第１の超伝導体層を構成している鉛または鉛を主成分
とＪる鉛 合金でなる第１の層 ２ｂ・・・・・・・・・第１の超伝導体層を構成してい
る第１の層２ａに比し高い機械 的強度と高い融点とを右Ｊる祠 料でなる第２の層 ３・・・・−・・・・・・・トンネルバリア層４・・・
・・・・・・・・・第２の超伝導体層４ａ・・・・・・
・・・第２の超伝導体層を構成している鉛または鉛を主
成分とする鉛 合金でなる第１の層 ４ｂ・・・・・・・・・第２の超伝導体層を構成してい
る第１の層２ａに比し高い機械 的強度と高い融点とを有する材 料でなる第２の層 ６・・・・・・・・・・・・層間絶縁層７・・・・・・
・・・・・・配線用超伝導体層出願人　　日本電信電話
公社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１の超伝導体層と、該第１の超伝導体層上に形成され
   ているトンネルバリア層と、該トンネルバリア層上に上
   記第１の超伝導体層と対向して延長している第２の超伝
   導体層とを有するトンネル接合型ジョセフソン素子にお
   いて、上記第１及び第２の超伝導体層の何れか一方また
   は双方が、上記トンネルバリア層と連接し且つ５〜３Ｑ
   ｔｖの厚さを有する、鉛または鉛を主成分とする鉛合金
   でなる第１の層と、該第１−の層に上記トンネルバリア
   層側とは反対側で積層されている、上記第１の層に比し
   高い機械的強度と高い融点とを有する超伝導材の第２の
   層とからなることを特徴とするトンネル接合型ジョセフ
   ソン素子。