JPS63102383A - 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】 〔概要〕 本発明は２つの超伝導電極間にバリア病が挾まれた構造
のジョはフソン接合素子において、バリア層として絶縁
膜中に導電性領域を点在した構造とすることにより、 高周波数特性の優れたジョセフソン接合素子を再現性良
く得ることができるようにしたものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明はジョセフソン接合素子に係り、特にバリア層が
２つの超伝導電極間に挟まれた構造のジョセフソン接合
素子に関する。

ジョセフソン接合素子（ジョセフソン素子）は、超高速
性のため、高速の論理回路や高速・高感度の検波素子な
どに用いられる。このジョセフソン接合素子を高い周波
数で動作させる場合、素子の静電容量が有害な鋤きをし
、本来の超高速性能を生かせない場合がある。このため
、再現性良く製作できる静電容量の小なるジョセフソン
接合素子が必要とされる。

〔従来の技術〕

第３図は従来のジョセフソン接合素子の一例の斜視図を
示す。同図中、１は超伝導下部電極、２は超伝導上部電
極で、それらの電極間にトンネルバリア３が挾まれてい
る。トンネルバリア３は電子のトンネルが可能な極薄（
例えば数ｎｌ１１）の絶縁膜である。

かかる構造のトンネルｙ！のジョセフソン接合素子は、
極ａｔ温に冷却すると共に電極１．２間に電流を流すと
、その電流がしきい直以下では電圧は発生せず超伝導状
態であり、しきい値以上になると電圧が発生して電圧状
態ヘスイッヂする性質をもつことは周知の通りである。

このトンネル型のジョセフソン接合素子は広く用いられ
ている。

この他のジョセフソン接合素子としては、従来より第４
図に示す如き弱結合型のジョセフソン接合素子や、第５
図に示す如きＳＮＳ　（スーパー・ノーマル・スーパー
）接合型のジョセフソン接合素子が知られている。

第４図において、４は超伝導体の薄膜で、適当な幅に形
成されており、がっ、くびれ部分５を有する。このジョ
セフソン接合素子は、くびれ部分５により超伝導電極６
ａ及び６ｂが弱く結合されているため、ジョセフソン効
果を示す。

また、第５図に示すジョセフソン接合素子は、超伝導下
部電極８と超伝導上部電極９との間に、常伝導の金属（
例えば銅、アルミニウム等）１゜が挾まれた構造とされ
ている。このように、金属１０を超伏導電極８，９間に
挾んだＳＮＳ接合型によってもジョセフソン効果を得る
ことができることが知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかるに、第３図に示した従来のトンネル型のジョセフ
ソン接合素子はコンデンサの構造となっており、その静
電容Ｓが絶縁膜であるトンネルバリア３の膜厚によって
決まるが、トンネルバリア３は極めて薄いので静電容量
の値が例えば数μＦ／　ｃｉ　＆’　ＩＪ！と大なる値
となり、その結果、高周波数特性が制限されてしまう。

一方、素子の電流を一定とすると、電流密度は素子面積
に反比例して高くなる。そこで、素子の臨界電流密度を
高くして素子面積を小さくすることにより、上記静電容
ωを小さくすることが考えられる。しかし、トンネル型
のジョゼフソン接合素子の電流密度は通常１０２〜１０
３Ａ／Ｃｉであり、高くても１０’Ａ／ｃｊ程度であり
、それ以上の電流密度では通常、良好な特性が得られな
い。

このため、上記静電容量を小さくするにも限界がある。

また、第４図に示した弱結合型のジョセフソン接合素子
でｔまくひれ部分５を作るために、極めて微細な加工が
必要となる上、臨界電流の再現性が悪いため、集積回路
を作るのは極めて困難である。

更に、第５図に示したＳＮＳ接合型のジョセフソン接合
素子では、電極８及び９間に流れる電流は常伝導の金属
１０を通るから、金属１ｏをがなり厚くできるが、金属
１０を使用しているので極めて小なる並列抵抗値をもっ
こととなり、高周波検波素子などに使用した場合、伯の
回路とのインピーダンスマツチングができず、実用的で
ない。

本発明は上記の点に鑑みて創作されたもので、静電容量
が小で、かつ、実用的な抵抗値を有するジョセフソン接
合素子を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段〕 第１Ａ、１８図は本発明のジョセフソン接合素子の構造
断面図及びＢ−Ｂ線に沿う横断面図を示ず。同図中、１
１は第１の超伝導電極、１２は第２の超伝導電極、１３
はバリア層である。バリア層１３は絶縁層１４の中に導
電性領域１５が点在された構造とされている。

超伝導電極１１及び１２は導電性領域１５を介して導電
的に結合されることになる。

（作用） 超伝導電極１１及び１２はバリア層１３を介して結合さ
れており、これによりジョセフソン効果を生ずる。

超伝導電極１１及び１２が′４電性領域１５を介して良
好に３４電的な結合が行なわれている場合、バリア層１
３の厚みが従来のトンネルバリア３のそれよりも厚くて
も、ジョセフソン電流は導電性領域１５を通して超伝導
電極１１．１２間に十分な間流れることができる。従っ
て、このバリア層１３の膜圧はトンネルバリア３の膜圧
（通常は３０人〜５０人）に比し、例えば１μｍと極め
て厚くすることができる。

また、接合全面積に対する導電性領域１５の割合を調整
することにより、臨界電流密度を制御することができる
。

〔実施例〕

第２図（Ａ）〜（Ｃ）は夫々本発明になるジョセフソン
接合素子の一実施例を製造する各過程における構造断面
図を示す。まず、第２図（Ａ）に示す如く、シリコン基
板１７上にスパッタリングによりニオブ（Ｎｂ　）から
なる超伝導電極２０が形成される。シリコン基板１７は
シリコンウェーハ１８上に例えば１０００人程度０厚さ
でＳｉＯ２の酸化膜１９が形成された構造である。また
、超伏Ｓ電極２０の膜厚は例えば３０００八程度である
。次に、上記のＮｂのスパッタリング終了後、同じ装置
で金（Ａｕ　）を極めて薄く（例えば質ω膜厚で１０人
〜２０人程度）蒸着する。これにより、ＡＬＩは第２図
（Ａ）に２１で示ザ如く、超伝導電極２０上に島状に形
成される。

しかる後に、プラズマ酸化により超伝導゛電極２０を酸
化すると、Ｎｂの酸化膜（例えばＮｂｚＯｓ）２２が、
第２図（８）に示ず如くＡｌｌの蒸着領域２１以外の個
所に１００八〜５００人の厚さで成長される。Ａ１１ｌ
よ酸化されないからである。

次に、上記の蒸着領域２１及び酸化膜２２上からＮｂを
スパッタリングして第２図（Ｃ）に示す如＜Ｎｂからな
る超伝導電極２３が准＋１！１される。

その後にバターニング等所定の１稈を経てジョセフソン
結合素子が製造される。第２図（Ｃ）中、超伝導電極２
０．２３が前記超伝導電極１１゜１２に相当し、Ａｕの
島状の蒸着領域２１は前記導電性領域１５に相当し、更
に酸化膜２２は前記絶縁層１４に相当する。

なお、Ａ１３の蒸着量を変えることにより、蒸着領域２
１の面積を変えることができるので、臨界電流密度の制
御が容易である。

なお、八〇の代りにＰｔｌを使用してもよい。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明によれば、バリア層の厚さを、従来
のトンネル型のジョセフソン接合素子のトンネルバリア
の厚さに比べて極めて厚くできるので、単位面積当りの
静電容品を従来のトンネル型のジョセフソン接合素子に
比べて極めて小にすることができ、従って高周波数特性
を大幅に向上することかできる。また、臨界電流密度の
制御が容易にできるので、素子のインピーダンスを最適
な値に設定することが容易にでき、更に弱結合型のジョ
セフソン接合素子のような超精密加工を要することはな
く、実用的なジョセフソン接合素子を再現性良く得るこ
とができる等の特長を有するものである。

【図面の簡単な説明】 第１Ａ、１８図は本発明の構造断面図及び横断面図、 第２図（Ａ）〜（Ｃ）は夫々本発明の一実施例の各製造
過程での構造断面図、 第３図乃至第５図は夫々従来のジョセフソン接合素子の
各個を示ず斜視図である。 図において、 １１は第１の超伝導電極、 １２４ま第２の超伝導電極、 １３はバリア層、 １４は絶縁層、 １５は導電性領域、 ２０．２３は超伝導領域、 ２１は金の蒸着ｇＡ域、 ２２は酸化膜である。 代理人　弁理士　井　桁　貞　−。 ゛・、二？ン′

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　第１の超伝導電極（１１）と第２の超伝導電極（１２
   ）との間にバリア層（１３）が挾まれた構造のジョセフ
   ソン接合素子であって、 該バリア層（１３）を絶縁層（１４）中に該第１及び第
   ２の超伝導電極（１１，１２）を導電的に結合する導電
   性領域（１５）を点在せしめた構造としたことを特徴と
   するジョセフソン接合素子。