JPS63269585A - 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、超電導量子干渉素子、超電導ミクサー、デ
ジタル演算素子等に用いられるジョセフソン接合素子に
関する。

「従来の技術」 周知のように、ジョセフソン接合素子は、原理的に、第
３図に示すように、第１の超電導体２と、第２の超電導
体３と、これら第１、第２の超電導体２．３を弱結合す
る弱結合部４とで構成されている。

上記弱結合部４としては、第１の超電導体２の表面に酸
化処理を施すことにより形成された酸化物からなる絶縁
体、シリコン等の半導体、あるいは銅等の常電導金属が
用いられている。

「発明が解決しようとする問題点」 ところで、上記構成のジョセフソン接合素子では、ジョ
セフソン効果を得るために弱結合部４の厚さを弱結合部
４のコヒーレンス長さの数倍程度以下にしなければなら
ない。したがって、弱結合部４が絶縁体、あるいは半導
体のようなコヒーレンス長さが短いものの場合、弱結合
部４の厚さを、絶縁体で数十人、半導体で数百人程度の
超極薄にしなければならない。このため弱結合部４にピ
ンホールが生じ易く、よって素子特性にバラツキが生じ
るという問題があった。

また、弱結合部４が常電導金属の場合、その厚さを数千
人程度に厚くできるが、超電導体層２゜４が小さな電気
抵抗値で接続されていまい、このため、素子特性が低下
してしまうという問題があった。

「発明の目的」 この発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、一
様でかつ優れた素子特性を持つジョセフソン接合素子を
提供することを目的としている。

「問題点を解決するための手段」 この発明のジョセフソン接合素子は、第１．全２の超電
導体、およびこれらを弱結合する弱結合部が酸化物系の
超電導体からなり、かつ第１、第２の超電導体の臨界温
度、か弱結合部を構成する超電導体の臨界温度より高い
ことを特徴としている。

「実施例」 第１図はこの発明のジョセフソン接合素子をトンネル型
のジョセフソン接合素子に適用した一実施例を示すもの
であり、この図に示すジョセフソン接合素子は、サファ
イア等からなる基板１０上に形成された薄膜状の第１の
超電導体！２と、この第１の超電導体１２上に形成され
た薄膜状の弱結合部（厚さ：数千人）１３と、この弱結
合部１３上に形成された薄膜状の第２の超電導体１４と
で構成されている。

上記第１、第２の超電導体１２．１４および弱結合部１
３はＬ　ａ−９ｒ−Ｃｕ−０系（酸化物系）の超電導体
からなっており、それぞれの超電導体の臨界温度Ｔｌｆ
ｆ１、Ｔ、いおよびＴＩ３の関係はＴ　１ｆｆｉ−Ｔ　
Ｉ３≧３　Ｋ　、　Ｔ　、−−Ｔ　Ｉｓ≧３Ｋに設定さ
れている。そして、このような各超電導体の臨界温度の
調整は、Ｌ　ａ−Ｓ　ｒ−Ｃｕ−０系の超電導体の各元
素の組成比を調整すること等により行なわれている。

このようなジョセフソン接合素子では、超電導体１２．
１４の臨界温度Ｔ１１、Ｔ　Ｉ４のうち低い方の臨界温
度と、弱結合部１３の臨界温度Ｔ１．との間で、第１、
第２の超電導体１２．１４のみが超電導性を持ち、これ
らの間にトンネル効果による電流が流れるようになって
いる。なお、Ｔ１．とＴ、。との差、およびＴＩ４とＴ
Ｉ３との差を３に以上にしたのは、３に以下にすると超
電導体１２．１４の臨界温度Ｔ１ｔ、ＴＩ４のうち低い
方の臨界温度と、弱結合部１３の臨界温度Ｔ１３との差
がほとんどなくなるため弱結合部１３の機能がなくなり
ジョセフソン効果が得られないという理由による。

そして、上記ジョセフソン接合素子は、基板！θ上に第
１の超電導体１２と、弱結合部１３と、第２の超電導体
１４とをこれらの順にスパッタリング等の成膜技術によ
り積層することにより形成される。

上記ジョセフソン接合素子によれば、弱結合部１３が、
第１１第２の超電導体１２．１４′より臨界温度の低い
超電導体であるので、第１、第２の超電導体１２．１４
の臨界温度Ｔ　Ｉ！、Ｔ　Ｉ４のうち低い方の臨界温度
と、弱結合部１３の臨界温度Ｔ’＋ｓとの間でこのジョ
セフソン接合素子を使用すると、トンネル効果が生じ、
しかも弱結合部１３が超電導体であるので従来のような
弱結合部４が絶縁体、あるいは半導体のものに比べ、弱
結合部Ｉ３のコヒーレンス長さが長い。したがって、従
来に比べ弱結合部！３の厚さを厚くすることができるの
で、ジョセフソン接合素子を容易に製造することができ
ると共に、弱結合部１３へのピンホールの発生を防止す
ることができ、よって素子特性のバラツキを押さえるこ
とができる。

また、当然のことながら弱結合部４が金属であることに
起因する素子特性の低下を防止することができる。

さらに、超電導体１２．１４および弱結合部１３のそれ
ぞれがＬ　ａ−９ｒ−Ｃｕ−０系の超電導体であるので
、各超電導体の結晶整合性がよく、しかもこれらの熱膨
張率がほぼ等しい。よってヒートサイクルにより生じる
歪も少なくなるために素子特性の劣化を防止できる。

第２図はこの発明の他の実施例を示し、この発明をブリ
ッジ型のジョセフソン接合素子に適用したものである。

この図に示すジョセフソン接合素子は、基板ＩＯ上に図
中左右に互いに離間して形成された第１、第２の薄膜状
の超電導体２２．２３の間に位置する基板！０上に、こ
れら超電導体２２．２３を弱結合する弱結合部２４を形
成したものである。

上記第１１第２の超電導体２２．２３および弱結合部２
４はＬ　ａ−Ｓ　ｒ−Ｃｕ−０系（酸化物系）の超電導
体からなっており、それぞれの超電導′体の臨界温度Ｔ
。、Ｔ　２３、およびＴｔ４の関係は、上記トンネル型
のジョセフソン接合素子の場合と同じように、 Ｔ　ｔｔ−Ｔ　２＋≧３ＫＳＴ２３　　Ｔ！４≧３Ｋに
設定されている。

このようなジョセフソン接合素子は、弱結合部２４の臨
界温度Ｔ　２４以下の温度で使用され、このとき、弱結
合部２４の超電導性が超電導体２２゜２３の超電導性よ
り弱いのでジョセフソン効果を示すようになっている。

上記ジョセフソン接合素子によれば、同一の超電導体の
一部に不純物等を導入してその部分の臨界温度を低下さ
せることにより同部分に弱結合部を形成したジョセフソ
ン接合素子に比べ、弱結合部２４のコヒーレンスが長い
ので弱結合部２４　ノ長さを長くすることができる。よ
ってジョセフソン接合素子を容易に製造することができ
る。

また、超電導体２２．２３および弱結合部２４のそれぞ
れがＬ　ａ−Ｓ　ｒ−Ｃｕ−０系の超電導体であるので
、各超電導体の結晶整合性がよく、しかもこれらの熱膨
張率がほぼ等しい。よってヒートサイクルにより生じる
歪も少なくなるために素子特性の劣化を防止できる。

なお、上記実施例では、この発明のジョセフソン接合素
子をＬ　ａ−Ｓ　ｒ−Ｃｕ−０系の超電導体について適
用したが、これに限ることなく、Ａ−Ｂ−Ｃｕ−０系（
ＡはＬａ等のＩＩＩａ族元素、Ｂ　ｉ、ｔ　Ｓ　ｒ等の
アルカリ土類金属）等の酸化物系の超電導体について適
用してもよい。

また、超電導体１２，１４，２２．２３および弱結合部
１３．２４のそれぞれを、同じＬ　ａ−８ｒ−Ｃｕ−０
系の超電導体にしたが、異なる酸化物系の超電導体にし
てもよい。

「発明の効果」 以上説明したように、この発明のジョセフソン接合素子
によれば、第１１第２の超電導体、およびこれらの間に
形成された弱結合部に酸化物系の超電導体を用い、かつ
第１、第２の超電導体の臨界温度を弱結合部を構成する
超電導体の臨界温度より高くしたので、従来のような弱
結合部が絶縁体、あるいは半導体のものに比べ、弱結合
部のコヒーレンス長さが長い。したがって、従来に比べ
弱結合部の厚さを厚くすることができるので、ジョセフ
ソン接合素子を容易に製造することができると共に、弱
結合部へのピンホールの発生を防止することができ、よ
って素子特性のバラツキを押さえることができる。

また、当然のことながら弱結合部が金属であることに起
因する素子特性の劣化を防止することができる。

さらに、超電導体および弱結合部のそれぞれに、同系の
酸化物の超電導体を用いれば、各超電導体の結晶整合性
を向上させることができ、しかもこれらの熱膨張率をほ
ぼ等しくできるのでヒートサイクルにより生じる歪も少
なくなるために素子特性の劣化を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すものであり、トンネ
ル型のジョセフソン接合素子の断面図、第２図はこの発
明の他の実施例を示すものであり、ブリッジ型のジョセ
フソン接合素子の断面図、第３図は従来のジョセフソン
接合素子の断面図である。 １２．２２・・・・・・第１の超電導体、１３．２４・
・・・・・弱結合部、 １４．２３・・・・・・第２の超電導体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１の超電導体と、第２の超電導体との間に、これらを
   弱結合する弱結合部を有するジョセフソン接合素子にお
   いて、 上記第１、第２の超電導体および上記弱結合部が酸化物
   系の超電導体からなり、かつ上記第１、第２の超電導体
   の臨界温度が上記弱結合部を構成する超電導体の臨界温
   度より高いことを特徴とするジョセフソン接合素子。