JPS61179583A - 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】 （産業上の利用分野） この発明はジ言セフソン素子、特に多端子型ジョセフソ
ン素子に関する。

（従来の技術） 従来からジ言セフソン素子としてトンネル型のものと、
弱接合型のものとが知られている。トンネル型のジョセ
フソン素子はそれぞれ超伝導膜からなる第一電極と第二
電極との間にバリアとして非超伝導材料からなる薄い絶
縁層を介挿させ、このバリアでのトンネル効果を利用す
る構造となっている。この型のジョセフソン素子は電流
−電圧特性のヒステリシス特性が大きいためスイッチン
グ素子としての使用に優れているため、その開発が進め
られている。しかしながら、この構造では絶縁層の膜厚
を通常数百人程度としているため第一及び第二電極間に
大きな静電容量が形成され、素子の動作に悪影響を及ぼ
すと共に、この絶縁層自体が電気的に短絡を起して故障
の原因となる欠点があった。

他方、弱結合型のジョセフソン素子は、−例として第５
図に概略的に示すような構造となっている。この素子に
よれば、基板６０上に第一電極６２と、その端部におい
て部分的に重畳するように絶縁層６４と第二電極６６と
を順次に積層させて設け、この積層体６８の、第一電極
６２の上面８２ａと境界を接する露出面８８ａの一部分
上に、この露出面６８ａを第一電極６２の上面６２ａか
ら第二電極６６の上面６６ａへ横断する方向に弱結合部
７０を具えた構造となっている。この弱結合部７０は超
伝導材料で形成する。しかしながら、このような三層構
造であると、トンネル型ジョセフソン素子が有するよう
な欠点はないものの、ヒステリス特性が小さい。

これがため、この弱結合型素子を用いて論理回路を構成
するとき、複雑な回路構成が必要となり、そのため、ゲ
ート当りの遅れ時間が大きく嬢るという欠点があった。

このような欠点を改善する方法として、弱結合部に更に
もう一個の超伝導膜からなる第三電極を弱結合させた三
端子構造のジョセフソン素子が提案されている（電子通
信学会技術研究報告：信学技ぢ（２５４）　、　５ＣＥ
８２−８０．　ｐ４５）　。

この三端子構造の素子を第６図に概略的に示す、この素
子は、基板６０の上面に第一及び第二電極膜６２及び６
６とその間に弱結合部７０を設け、さらにこの弱結合部
７０のほぼ中央部上に電極引き出し部？２ａを有する第
三電極膜７２を具えた構造となっている。この構造であ
ると、第三電極７２にから素子特性を直接制御すること
が出来る。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、一般に弱結合部は短いほうが素子特性上
好ましいといわれている。従って、第６図に示す構造に
おける弱結合部の長さが短いので、第三電極７２の引き
出し部７２ａを形成する領域は極めて狭く、その形成が
極めて困難であるという欠点があった。

この発明の目的は、弱結合部が短く、製造が容易でしか
も製造歩留りの高い構造の多端子型ジョセフソン素子を
提供することにある。

（問題点を解決するための手段） この目的の達成を図るため、この発明によれば、第１図
（Ａ）の部分的斜視図及び（Ｂ）の正面図に概略的に示
すように、下地層ｌ上に第一及び第二電極１０及び１２
と、その間に弱結合部２０を有するジョセフソン接合素
子において、 第一及び第二電極１０及び１２間に複数の非超伝導体膜
３０．３２．３４と、それぞれ個別の電極を形成する複
数の超伝導体膜４０．４２、とを交互に積層させた積層
体５０を具え、 この弱結合部２０は積層体５０の露出面５０ａにおける
これら超伝導体膜４０．４２の各露出端面４０ａ、’４
２ａを利用して形成してなることを特徴とする。

（作用） 第１図（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、この発明の基本的
構造に基づき作用を説明する。

ｌは下地層で例えば半導体基板とする。　１０はその７
．（馬面にλＯけた填−電極　５０１士其撥１の基板面
に設けた積層体で、１２は積層体５０の上面に設けた第
二電極である。この積層体５０は非超伝導体膜と超伝導
体膜とを、基板面側の層及び一番上の第二電極１２側の
層が非超伝導体膜となるように、交互に順次に複数層積
層させた構造となっている。非超伝導体膜としては、絶
縁膜又は半導体膜を用いるのが好適である。図示の例は
、この積層体を第一、第二及び第三の非超伝導体膜３０
．３２及び３４と、第三電極及び第四電極４０及び４２
とで構成した四端子素子を示しているが、これらの電極
の総数は設計に応じて更に増大させて多端子素子として
も良いことは勿論である。

この積層体５０の少なくとも一端面は平担な露出面とな
っていて、各非超伝導体膜３０．３２．３４及び第三及
び第四電極４０．４２の端面が露出している。

この発明ではこの積層体５０の露出面５０ａに露出した
第三及び第四電極４０．４２の露出端面４０ａ、４２ａ
を利用して弱結合部を構成する。この場合、この露出面
５０ａ上にこの露出面５Ｑａに沿って第一電極ｌＯ及び
第二電極１２を橋絡するように幅が狭くかつ厚みの薄い
超伝導体層２０を設け、これを弱結合部２０として構成
する。或いは、幅が広くかつ厚みも厚い超伝導体層（図
示していない）を設け、この超伝導体層と、電極の露出
端面４０ａ、４２ａとの電気的接続面でジョセフソン効
果を生ずる接合部つまり弱結合部を形成しても良い。

この発明によれば、第三及び第四電極、或いはそれ以上
の電極を通常の積層技術で簡単に形成することが出来る
。

また、このように非超伝導体膜と超伝導体膜との交互の
積層体を用い、この場合超伝導体膜の総数を任意に設定
出来ると共に、及び積層体の厚みを制御出来るので、弱
結合部の長さを従来よりも著しく短く１例えば、１ｇｍ
以下とすることが出来、その間に−又はそれ以上の多数
の電極を設けることが出来る。また、弱結合部は積層体
の露出面トの第一及び第二電極間に形成すればよいので
、製造も簡単となり、また、製造歩留りも向上する。

（実施例） 以下、図面を参照してこの発明の実施例につき説明する
。尚、各図はそれぞれこの発明が理解出来る程度に概略
的に示しであるにすぎないので、形状、寸法及び配置関
係は図示の例にのみ限定されるものではない。また、各
図において、断面を示すハツチング等を省略して示しで
ある。

１二１１１ 第２図（Ａ）〜（Ｃ）はこの発明の一実施例である三端
子素子の説明に供する図で、（Ａ）図は製造の途中での
工程図、（Ｂ）図は素子の完成状態の部分的斜視図、（
Ｃ）図は（Ｂ）図の断面図である。

先ず第２図（Ａ）は、基板上ｌに第一電極ｌＯ１非超非
運伝導体膜３０て第一絶縁Ｉｌ＠（又は半導体層）及び
その上側に第三電極１２としての超伝導体膜を積層して
設け、さらに１弱結合部２０を構成するための、幅が狡
くかつ肉薄の超伝導体層（または膜ともいう）２０ａを
絶縁膜３０と第三電極４０の積層体の露出面と交差させ
て第一電極ｌＯの表面から第三電極４０の表面へと設け
た状態を示す。

第２図（Ｂ）は、このようにして得られた構造の第三電
極４０及び超伝導体膜２０ａの上側に、第二絶縁膜３２
及び第二電極１２をそれぞれ積層して積層体５０を形成
し、超伝導体膜２０ａ及び絶縁層３２の露出端面上に第
一電極ｌＯ側から第二電極１２の上面に達する超伝導体
［９２０１ｍを設けた構造を示す。この構造では、弱結
合部２０はその一部分が二重層となっている。この弱結
合部２０では、その幅は約１ｐｍ前後とし、厚さは約数
千λ程度またはそれ以下である。

この実施例では第一電極ｌＯ１第二電極１２及び第三電
極４０の面上に設けられた超伝導体膜の部分は弱結合と
ならないので、これら超伝導体膜２０ａ及び２０ｂのう
ち積層体５０の露出面５０ａ上に設けられた部分でジョ
セフソン効果を示す弱結合部２０を構成している。

第２図（Ｃ）は第２図（Ｂ）の弱結合部２０を通る面で
の断面を示す図である。

に災１遣 ＰＲ７ＴＫｌ＋、−ｎ）−Ｅ！＋Ｅａｍｍ−”３７ｍｍ
４ｊｌｌｌＥｍ６！ｔＬ−，；二、ト部分的斜視図であ
る。この実施例は第一実施例の構造とほぼ同一構造であ
るが、弱結合部２０が一層構造となっている点が異なる
。この場合には第一絶縁層３０から第二電極１２までを
先に形成し、その後に積層体５０の露出面５０ａ上にこ
れと交差させて弱結合部２０を形成すれば良い。その他
の点に？いては第一実施例と同じであるので、説明を省
略する。

匪ｍ誇 第４図はこの発明の第３実施例である四端子素子を概略
的に示す部分的斜視図である。この実施例では、弱結合
部を形成するだめの超伝導体層２２を積層体５０の露出
面５０ａと接触するように第一電極ｌＯの上側に設け、
第二電極１２の上面にまでは延長させていない構造とな
っている。この場合には、上述した第一及び第二実施例
の弱結合部と異なり、積層体５０の露出面５０ａ上に形
成する超伝導体層２２の幅及び厚みは上述した弱結合部
２０を形成する超伝導体膜の幅及び厚みよりもいずれも
寸法が大であるため、ジョセフソン効果を生ずる弱結合
部はこの超伝導体層２２と第三及び第四電極４０及び４
２の露出端面４０ａ及び４２ａとの電気的接続面で形成
することとなる。尚、この実施例において、超伝導体操
２２の厚みは絶縁膜３０〜第二電極１２までの厚みにほ
ぼ等しい。

支星遣 上述した各実施例では三端子或いは四端子素子の場合に
つき説明したが、積層体５０を構成する絶縁膜（または
半導体膜）と、超伝導体膜との積層数を増大させること
により五端子以上の多端子の素子構造とすることも出来
る。その場合、各層の厚みを制御して弱結合部の長さを
ジョセフソン効果を生ずる範囲内に押えることが出来る
。

また、積層体５０は第一電極１０上に部分的に乗り土げ
て重なり合った構造となっているが、この重なり部分は
設計に応じて適当に設定することが出来る。

また各絶縁膜（又は半導体膜）の各層をそれぞれ一層構
造とする代りに多層構造としても良い。

かれら各層の材質、膜厚は任意に設定出来るが、薄いほ
うが好適であり、１００Ａ程度とすることも出来る。

超伝導体膜もＮｂを始めジョセフソン素子に好適な他の
任意な材料を使用することが出来例えば複合材料或いは
化合物材料であっても良い。これら電極膜毎に材料を変
えても良く、或いは、一つの層を同一材料または異る材
料の多層構造として形成することも出来る。

尚、上述した各実施例において、各絶縁膜の厚みは通常
３００Ａ程度とし、電極を形成する超伝導体膜の厚みは
１ｐａ＋以下、通常は２００Ａ程度とするのが好適であ
る。

また、これらの各層の成膜並びに膜厚の制御は蒸着やス
パッタリングその他の従来の成膜技術を用いて充分に行
うことが出来る。また、積層体の露出面の形成や弱結合
部の形成も、通常のフｔトリソ技術を用いて形成するこ
とが出来る。

上述したところから明らかなように、この発明は超伝導
体膜の露出端面を電気的に接続することにより多端子型
のジョセフソン素子を得ることである。従って、各超伝
導体膜間の薄膜がいかなる材質、構造により実現されて
も、或いは、超伝導体の露出端面を得るために、薄膜及
び下地層をどのように加工しようとも、この発明の範囲
内に含まれること明らかである。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明によれば
、弱結合部が短く、製造が容易でしかも製造歩留りの高
い構造の多端子型ジョセフソン素子を得ることが出来る
。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）及びＣＢ）はこの発明の多端子型ジョセフ
ソン素子の基本的構造を概略的に示す部分的斜視図及び
断面図、 第２図はこの発明の第一実施例を略図的に示す図で、（
Ａ）図は工程図、（Ｂ）図は部分的斜視図及び（Ｃ）図
は（Ｂ）図の弱結合部を通る面上での断面図。 第３図はこの発明の第二実施例を略図的に示す第４図は
この第三実施例を略図的に示す部分的斜視図、 第５図及び第６図は従来のジョセフソン素子の説明に供
する図である。 ｌ・・・下地層、　　　　　ＩＯ・・・第一電極１２・
・・第二電極、　　　　２０・・・弱結合部２ｏａ、２
０ｂ・・・弱結合部を形成する部分３０　、３２　、３
４　、・・・・・・非超伝導体膜３０ａ、３２ａ、３４
ａ　＊Φ拳・・・非超伝導体膜の露出端面４０．４２、
・番・・・・超伝導体膜 ４０ａ、４２ａ、・会・・・・超伝導体膜５０・・・積
層体、　　　　　５０ａ・・・積層体の露出面特許出願
人　　　　沖電気工業株式会社第１図 １２：ｌ！二ｆＩｉ壬西 ２０：弱絡合部 ３０．３２．３４：　短連１シイ本月葵（ｆ３　）　　
　　　　　　　　　　４０．４２：ｆｌ“租８“壌刹更
５Ｑ：　ａ／ｉイ本 第２図（Ａ） 第２図（Ｂ） 第４図 第５図 第６図 手続補正書 昭和８１年４月２５日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、下地層上に第一及び第二電極と、その間に弱結合部
   を有するジョセフソン接合素子において、 該第一及び第二電極間に複数の非超伝導体膜と、それぞ
   れ個別の電極を形成する複数の超伝導体膜とを交互に積
   層させた積層体を具え、 前記弱結合部は該積層体の露出面におけるこれら超伝導
   体膜の各露出端面を利用して形成してなる ことを特徴とするジョセフソン接合素子。 ２、弱結合部は第一及び第二電極間を結ぶように前記露
   出面に沿って設けた幅狭でかつ薄い厚さの超伝導体膜を
   以って構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のジョセフソン接合素子。 ３、弱接合部は第一及び第二電極間を結ぶように前記露
   出面に沿って設けた幅広でかつ厚い厚さの超伝導体膜の
   、前記電極の露出端面との接触部分を以って構成したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のジョセフソ
   ン接合素子。