JPH0322067B2

JPH0322067B2 -

Info

Publication number: JPH0322067B2
Application number: JP56103066A
Authority: JP
Inventors: Yoshifusa Wada
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1981-07-01
Filing date: 1981-07-01
Publication date: 1991-03-26
Also published as: JPS584931A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、論理回路や記憶装置を構成するスイ
ツチング素子、微小磁場測定素子、電圧標準器な
どに用いられるジヨセフソン接合素子の構造に関
するものである。

従来開発されてきたジヨセフソン接合素子は、
鉛合金／鉛合金の酸化物／鉛合金の構造をもつも
のが主であつた。しかし、これらの鉛合金系ジヨ
セフソン接合素子は、動作温度である液体ヘリウ
ム温度と室温との間の熱サイクルを経ることによ
つて接合が破壊され易く、特性の劣化が著しいと
いう欠点がある。これに代つて、熱サイクルや経
時変化による特性の劣化がほとんど生じないジヨ
セフソン接合素子として、機械的に鉛より硬いニ
オブもしくはニオブ化合物を電極とするニオブ系
ジヨ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ヨ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がほ
とんどないことが、東海林等により電子通信学会
技術研究報告CPM80−90（1981年２月17日発行）
に述べられている。このジヨセフソン接合素子の
接合層には、アモルフエスシリコン及びその酸化
物が用いられている。

ニオブは、ゲツタ作用が非常に強く、酸素や
種々の物質を吸着し易いという特徴がある。よつ
てニオブをジヨセフソン素子の電極体として用い
る場合、接合層の形成時に酸素などが余分に電極
体のニオブに拡散するという現象や、接合層の形
成後接合層中の酸素等が同様にして電極体のニオ
ブ中に拡散し易いという欠点があつた。このた
め、接合層の厚さの制御が非常に困難になるとい
う問題が生じた。ジヨ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響するた
め、接合層の厚さを数パーセント以下に制御する
必要があるが、従来のニオブを電極体として用い
たジヨセフソン接合素子では、この接合層の厚さ
の制御が困難であつた。しかも、経時変化により
接合層の等価的な厚さが変化するため、素子の電
気的特性が劣化するという欠点があつた。

一方窒化ニオブなどのニオブ化合物は、ニオブ
が既に窒素などと化合物として結合しているので
ゲツタ作用が著しく低下し、酸素などの吸着や化
合物中への拡散が著しく少くなるという特徴があ
る。よつ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
などのニオブ化合物は、ニオブに比べて、超伝導
状態での磁界侵入の深さが400〜500ナノメータで
４〜５倍大きいため、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いう欠点がある。

この窒化ニオブの欠点を除くため、窒化ニオブ
とニオブの２層膜をベース電極（第１の電極体）
とし、鉛合金をカウンタ電極（第２の電極体）と
するジヨセフソン接合素子の構造が幸坂等により
第28回応用物理学関係連合講演会の予稿集の第
444頁（講演番号29P−Ｕ−12）に述べられてい
る。

このジヨセフソン接合素子のカウンタ電極（第
２の電極体）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化による素子の電気
的特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、熱サイクルや経時変化による
素子の電気的特性の劣化がほとんどなく、高速で
磁場感度の良好なジヨセフソン接合素子を提供す
ることにある。

本発明によれば、ニオブ化合物からなる第１の
超伝導体と超伝導状態での磁場侵入の深さが第１
の超伝導より小さいニオブからなる第２の超伝導
体からなる第１の電極体と、前記第１の超伝導体
と前記第２の超伝導体からなる第２の電極体と、
前記第１の電極体と前記第２の電極体との間に介
在して超伝導トンネル効果を生じさせる接合層と
から構成されることを特徴とするジヨセフソン接
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
１の電極体の第１の超伝導体と前記第２の電極体
の第１の超伝導体で前記接合層をはさみ、前記第
１の電極体の第２の超伝導体と前記第２の電極体
の第２の超伝導体を、前記第１の電極体の第１の
超伝導体と前記第２の電極体と第１の超伝導体の
外側にそれぞれ配置するジヨ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
を特徴とする前述のジヨ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、
前記接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酸化物を
用いたジヨセフソン接合素子が得られる。

以下図面により本発明のさらに詳細な説明を行
なう。

第１図は、従来のジヨ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，アモルフアスシリコン，ア
モルフアスシリコンとその酸化物又は窒化ニオブ
などの絶縁物が通常用いられる。第１の電極体１
１と第２の電極体１２とを絶縁する絶縁層１４に
はSiOやSiO₂などのシリコン酸化膜又は窒化シリ
コンなどが通常用いられている。

第２図は、前述した２層膜ベース電極構造を持
つ従来のジヨセフソン接合素子の構造を示したも
のである。第１の電極体は、窒化ニオブ膜２１と
ニオブ膜２２とから構成される。第２の電極体１
２には鉛合金が、接合層１３にはアモルフアスシ
リコン又はその酸化物が、絶縁層１４にはシリコ
ンの酸化膜がそれぞれ用いられている。ニオブ膜
２２の膜厚を300ナノメータとし、窒化ニオブ膜
２１の膜厚を60ナノメータとすることにより、磁
界侵入の深さが100ナノメータに減少され、磁場
感度が大幅に改善されている。しかし、第２の電
極体１２に鉛合金が用いられているので、第１図
の場合と同じく、熱サイクルや経時変化による素
子の電気的特性の劣化が生じるという欠点は除か
れていない。なお、第１図、第２図とも、ジヨセ
フソン接合素子のスイツチを制御する制御線や、
ブランドプレーン及びその絶縁層膜などの実用の
ための付加機能部は、説明を簡単にするために省
略した。

第３図は、本発明によるジヨセフソン接合素子
の第１の実施例を示したものである。第１図及び
第２図と同様、制御線やグランドプレーン等の実
用のための付加機能部は省略してある。第３図の
接合層１３と絶縁層１４とは第１図及び第２図の
従来技術と同様であるので同一番号で示してあ
る。本発明の第１の電極体は、第１の超伝導体３
１と超伝導状態での磁界侵入の深さが第１の超伝
導より小さい第２の超伝導体３２とから構成され
る。また、第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。第１の
電極体の第１の超伝導体３１と第２の電極体の第
１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の電極体の第２
の超伝導体３２と第２の電極体の第２の超伝導体
３４とは、それぞれの電極体の第１の超伝導体３
１，３３の外側に配置される。第１の電極体の第
１の超伝導体３１と第２の電極体の第１の超伝導
体３３は接合層１３の形成を経時変化に対して、
第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３
２，３４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。よつて、第１の電極体と第２の電極体の
等価的な超伝導状態での磁界侵入の深さは、第２
の超伝導体と同等になり、カイネテイツクインダ
クタンスの増加による信号の転送遅れや磁場感度
の低下を防ぐことができる。

次に本実施例のジヨセフソン素子の製造方法を
簡単に述べる。

先ず第１の電極体の第２の超伝導体３２を蒸着
技術やスパツタ技術等を用いて成膜し、続けて、
第１の電極体の第１の超伝導体３１を前述と同様
な技術を用いて成膜する。第１の電極体をリフト
オフ技術等によりパターニングした後、絶縁層１
４としてSiOやSiO₂などを蒸着技術やケミカル・
ベーパ・デイポジシヨン技術（CVD技術と称す
る）等を用いて成膜し、リフトオフ技術等により
パターニングする。接合層１３は、アモルフアス
シリコンをCVD技術で成膜した後、陽極酸化に
よりアモルフアスシリコン全体又は一部をSiOま
たはSiO₂層に変える手法や、CVD技術により窒
化シリコン等の膜を成膜する手法や第１の電極体
の表面を陽極酸化する手法等によつて作られる。
続いて、第２の電極体の第１の超伝導体３３と、
第２の電極体の第２の超伝導体３４を前述と同様
の技術を用いて重ねて成膜する。第２の電極体の
パターニングは前述と同様のリフトオフ技術等に
より行なわれる。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SiO，SiO₂又
は窒化シリコンなどの薄層が残るが、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、本発明の第２の実施例のジヨセフソ
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の実施例と同一である
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
が異なつている。第２の実施例のジヨセフソン接
合素子は以下の手順で製造される。

先ず、第１の電極体の第２の超伝導体４２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。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、第１
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、続いて接合層１３と第２の
電極体の第１の超伝導体４３と第２の電極体の第
２の超伝導体４４とが前述と同様の技術により順
次成膜される。最後に、前述と同様の技術を用い
て、第２の電極体がパターニングされる。

第２の実施例では、第１の実施例と異なり、第
１の電極体の第１の超伝導体４１と、同一物質の
層４５を接合層１３と同一の物質の層４６が絶縁
層１４の上に残るという欠点がある。しかし製造
上、第１の電極体の第１の超伝導体４１と接合層
１３と第２の電極体の第１の超伝導体４３と第２
の電極体の第２の超伝導体４４が、真空を破壊す
ることなく作れるという特徴がある。よつて、第
１の電極体の第１の超伝導体４１と第２の電極体
の第１の超伝導体４３と接合層１３との間が空気
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、良質のジヨセフソン接合素子が得
られる。なお、絶縁層１４上の第１の超伝導体の
残りの層４５と接合層と同一物質の残りの層４６
は、絶縁層１４により第１の電極体の第１の超伝
導体４１から絶縁されているので、素子の電気的
特性には影響しない。

第５図は、本発明の第３の実施例のジヨセフソ
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の実施例及び第２の
実施例と同一であるので、第１の実施例及び第２
の実施例と同一の効果が得られる。製造方法と第
１の電極体の第１の超伝導体５１と接合層１３と
第２の電極体の第１の超伝導体５３の構造が、第
１の実施例及び第２の実施例と異なる。第３の実
施例のジヨセフソン接合素子は以下の手順で製造
される。

先ず第１の電極体の第２の超伝導体５２が、第
２の実施例と同様にして成膜され、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。次に、第１の電極
体の第１の超伝導体５１と接合層１３と第２の電
極体の第１の超伝導体５３とが、前述と同様の技
術により順次成膜される。ここで接合層１３のパ
ターンをリフトオフ技術等によりパターニングす
る。この時、第１の電極体の第１の超伝導体５１
と第２の電極体の第１の超伝導体５３も同時にパ
ターニングされる。従つて、絶縁層１４上には、
第１の電極体の第１の超伝導体５１と第２の電極
体の第１の超伝導体５３と、接合層１３に相当す
る膜は残らない。最後に、第２の電極体の第２の
超伝導体５４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。なお、第２の電極体の第１
の超伝導体５３は、第５図では絶縁層１４の接合
パターンの内側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
子の電気的特性に影響しない。

第３の実施例では、ジヨセフソン接合を形成す
る第１の電極体の第１の超伝導体５１と接合層１
３と第２の電極体の第１の超伝導体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。よつ
て第３の実施例では、第２の実施例の利点と、絶
縁層１４上に不要なパターンが残らないので素子
の電気的特性が安定して得られるという利点があ
る。さらに第３の実施例では、通常、第１の電極
体と第２の電極体の製造時に同時に形成される電
極体間の配線パターンやインダクタンスループな
どの実用上必要な付加回路が、超伝導状態での磁
界侵入の深さが小さい第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
のパ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。

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線等の付加機能
部の製造方法については、グレイナ（J.H.
Greiner）等によりアイ・ビー・エム・ジヤーナ
ル・オブ・リサーチ・アンド・デイベロプメント
（IBM Journal of Research and
Development）の第24巻第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、本発明によれば、熱サイク
ルや経時変化による劣化がほとんどなく、かつ高
速で磁場感度の良好なジヨセフソン接合素子が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のジヨセフソン接合素子の構造を
示す断面図、第２図は２層膜電極構造を持つ従来
のジヨセフソン接合素子の構造を示す断面図、第
３図は本発明による第１の実施例のジヨセフソン
接合素子の構造を示す断面図、第４図は本発明の
第２の実施例のジヨセフソン接合素子の構造を示
す断面図、第５図は本発明の第３の実施例のジヨ
セフソン接合素子の構造を示す断面図である。１１……第１の電極体、１２……第２の電極
体、１３……接合層、１４……絶縁層、２１，３
１，４１，５１……第１の電極体の第１の超伝導
体、２２，３２，４２，５２……第１の電極体の
第２の超伝導体、３３，４３，５３……第２の電
極体の第１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１の超伝導体の残り、４６……絶縁層上の接
合層と同一物質の残り。

Claims

【特許請求の範囲】１超伝導体からなる２個の電極体の間に超伝導
トンネル効果を生じさせる接合層を介在させたジ
ヨセフソン接合素子において、前記電極体はニオ
ブ化合物からなる第１の超伝導体と超伝導状態で
の磁界侵入の深さがその第１の超伝導体より小さ
いニオブからなる第２の超伝導体との２層構造か
らなり、かつそれぞれ第１の超伝導体側において
前記接合層に接していることを特徴とするジヨセ
フソン接合素子。２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１項記載のジヨセフソン接合素
子。３前記接合層として窒化シリコンを用いた特許
請求の範囲第１項に記載のジヨセフソン接合素
子。４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
の範囲第１項に記載のジヨセフソン接合素子。