JPS5830748B2 - ジョセフソン効果接合を作る方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ジョセフソン効果接合を形成する方法、およ
びこの方法によって形成したジョセフソン接合に関する
。

ジョセフソン効果は、２つの超導電性物質層を有し、こ
の２つの超導電体が非常に狭い導電性ブリッジによって
接続されているか、または非超導電性物質層によって分
離されている装置によって得られる。

この装置が超導電率状態になっている時には、例えば、
この装置が液体ヘリウムに浸漬されている時には、これ
らの超導電性素子は弱く結合されて、この２つの超導電
性素子間に特質的なトンネル効果現象を生ずる。

他方、この装置の端子間に一切電圧を印加しなくとも、
この接合は直流電流を形成し、またその最大レベル（臨
界電流）はこの接合に与えられた磁束の強さに対して非
常に敏感である。

他方、この接合にバイアス電圧を印加するとこの接合は
直流電流を形成するのみならず、バイアス電圧に正比例
する周波数の交流電流をも形成する。

また接合に対して交流信号を与えると、電流と接合の電
位との間の関係は大きく変る。

電流を連続的に増加させても、接合端子電圧は段階的に
増加する。

その方程式は、通常Ｖｏ −（ｎｈｆｓ ） ／ ２
ｅ であって、こ〜でＶｏは接合端子電圧、ｎは整数、ｈは
ブランクの定数、ｅは電子電荷、ｆｓ は接合が受ける
放射の周波数である。

ジョセフソン効果に関する詳細な情報を得るには、■９
７１年３月発行の” Ｅ １ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ”（
３８〜４６ページ）および” Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ” ３９巻、／％、
６（１９６８年５月）の２４０９〜２５０２ページが良
い参考となる。

ジョセフソン効果を生じるのに適した接合には、次のよ
うな種類がある。

（ａ） 例えばニオビウムから成る平坦表面にはｇ２
０大の曲率半径を有する点を設けた点接合。

この装置の特性はもちろん製作した点の品質に依存し、
この装置の安定性は極めて平均的であるが、常温に戻す
度に接合を調整しなげればならない（なぜなら動作の間
、接合を液体ヘリウムに浸漬するためである）。

（ｂ） 小さな狭搾部またはブリッジ（１μ×１μ）
によって相互に接続された２つの非常に薄い超導電性膜
から成るダイエム・ブリッジ （Ｄａｙｅｍ ｂｒｉｄｇｅ ）。

これらの装置は卓越した安定性を有するが、一般的なフ
ォトマスキングまたはメカニカルマスキングの技術によ
ってはこのような寸法の狭搾部を再現性よく生産するこ
とができないので接合を作成する過程において困難があ
る。

これまでに提案された解決案では、所定の特性、たとえ
ばジョセフノン臨界電流をもったブリッジを高精度に作
ることが不可能である。

（ｃ） ダイエム・ブリッジの変型であるノータリス
ブリッジ（Ｎｏｔａｒｙｓ ｂｒｉｄｇｅ ）。

これは近接効果を用い、またブリッジを長く（２５μ）
かつ幅広く（４μ）形成し、次いで１μの幅で長さの相
当長い非超導電性物質のストリップをこのブリッジに直
立して付着させたものである。

通常の方法を用いると、この物質を付着させるのに種々
の困難がある。

ダイエム・ブリッジを形成するには、例えば、以下の方
法が主として用いられる。

最も簡単な方法は、連続した超導電性フィルムを蒸着さ
せ、次いでこのフィルムを微細な刃先で切断して所要の
形とすることである。

これは勿論複雑であり、それで小規模であっても連続生
産で妨げる。

他の技術は基体上に特殊なワニスの微細なストリップを
薄く塗りつげ、次にマイクロポイントを用いてこのスト
リップを横に切断する。

こＳで超導電性物質を蒸着させ、次いでワニスを超音波
によってエチルアルコール浴中で除去する。

他の方法は、基体上に直径７μのタングステン線を張り
、超導電性物質の第一の蒸着層を形成し、このタングス
テン線を、このタングステン線の方向と直交する方向に
４μの幅のストリップを形成する金属マスクで置き換え
、次いで第二の蒸着層形成操作を行う。

これらの３つの方法によって得られたブリッジは同様の
形を有するが、寸法は接合ごとにかなり変化し、効果は
一定しない。

他の方法は半導体物質を金属マスクを介して蒸着させる
ことである。

この場合の主たる問題は、使用するマスクを薄くて充分
に堅固な材料から精密に機械加工しなげればならないこ
とであり、このような装置の再現性はあまりよくない。

本発明の目的は、上述の不利益を予防し、さらに詳しく
は、そのような接合を小規模に連続生産できるようにし
且つ接合の臨界ジョセフソン電流を大きな信頼性で調整
できるようにすることによって上述の不利益を予防する
、ジョセフソン接合を形成する方法およびこの方法によ
って形成されたジョセフソン接合を提供することにある
。

本発明のジョセフソン効果の接合を形成する方法は、耐
火性超導電性物質の薄くて均一な付着層を絶縁基体上に
形成すること、２つのスタッドの間にブリッジがあって
該２つのスタッドの幅が該ブリッジの幅より広くなって
いる形状となるように該付着層を画定すること、次いで
極低温において前記接合に所要のジョセフノン臨界電流
に依存する値の強さおよび持続時間を有する少くとも一
つのパルス電流を与えることを特徴とするものである。

また、上記ブリッジは５〜３０μの寸法のものであるこ
とが好ましい。

好ましい実施態様によれば、超導電性物質はニオブであ
り、これを４００℃程度の温度に保った基体に真空蒸着
させる。

それ故この方法では、ブリッジは通常のグラビア技術や
化学的攻撃技術によって容易に得られる所定の寸法のも
のであるが、しかしこの生成接合にジョセフソン効果特
性を与えないという特徴がある。

そこで、この接合をパルス電流によって発生する加熱に
会わせる処理を行うことにより、ジョセフソン効果を有
する特性をこの接合に与えることができる。

本発明は上記の方法によって得られる接合であって、絶
縁基体と、この絶縁基体上にあって５〜３０ミクロンの
寸法のブリッジによって持続された２つのスタッドの形
状を有する耐火性超導電性物質の薄膜と、該各スタッド
上にあって電気的接続の着床に役立つ導電性物質の付着
層とを有することを特徴とする接合にも関する。

本発明を、以下その好ましい実施例について詳細に説明
する。

前記したように本発明のジョセフソン接合の製造は以下
の主たる三つの工程を含む： （ａ） 耐火性超導電性物質の均一な膜を付着させる
。

（ｂ） 前記付着膜の形状を画定する。

（ｅ） 前記付着膜をジョセフソン効果特性をもつよ
うに処理する。

以下の詳細な説明にはニオブを耐火性超導電性物質とし
て用いているが、バナジウム、タンタル等の他の超導電
性物質も勿論使用できる。

その場合にも技術は同じであり、ただ各物質に応じた数
値に適合させればよい。

しかし、ニオブの薄膜を得るのは比較的困難であるが、
この物質は湿度および温度のような外的要因に対して特
に抵抗性であるという極めて重要な利益を有しているこ
とに留意すべきである。

常温でのニオブ膜の形成には以下の諸工程を含む：（ａ
） 基体を洗浄して、真空閉鎖容器に入れ、基体用の
加熱支持体上に置く。

次にこの閉鎖容器を一次真空のためにクリオソープショ
ン （ｃｒｙｏｓｏｒｐｔｉ ｏｎ Ｉ）ポンプで、また二
次真空のためにチタンサブリメータを有するイオンポン
プでさらに排気する。

真空が１０−７ トル程度になった時に基体の加熱を開
始し、４００℃程度の高温を与えるようにして１０〜１
２時間続ける。

この間に基体を保護し、またニオブのインゴットの脱ガ
スを行うように規則的蒸発サイクルを行う。

この方法によって蒸発したニオブは優秀なゲッタであっ
て、室の壁を覆い、真空限界（約ｌ０−８ トル）を改
良する。

（ｂ） 次に蒸着操作を行うが、これは石英結晶の周
波数変化を利用する付着層の厚み測定手段で制御する。

この段階での真空は一般に１０−７ トル以下である。

この蒸着のために、例えば６ＫＷ程度の出力の四つのル
ツボのガンを用いる。

基体はゆっくり冷却される。

（ｃ）１２０℃程度の温度に到達すると、生成ブリッジ
上に接点用の金の層を蒸着させる。

蒸着が終了し、基体が約６０℃になると真空閉鎖容器を
開放する。

次の段階はニオブ付着層の正確な形を画定することであ
る。

この目的のためにフォトマスキングおよび化学的エツチ
ング技術を用いるとよい。

フォトマスキング工程は従来既知のものでよい。

化学的エツチングは以下のように行う。

各接合を基体上に作る際には、露光、現像後の樹脂は図
示の形状と同様の形状をして℃・る。

これはコーナーの所で接続した２個の正方形２，４から
成る。

二つの正方形２と４との間の狭搾部６を形成する共通の
コーナーがジョセフソン接合のブリッジとなる。

正方形２および４はスタッドを形成する。

−例として、正方形２，４（これは正方形に限るもので
はなＬ・が）の−辺は１闘である。

この例ではブリッジ６０幅は１０μである。

−例として、２５ｍｍ×２５ｍｍの基体上に、図に示す
ものと等しい３６個のパターンを絶縁し、がつエツチン
グすることが可能である。

次に上層の金の層および次のニオブの層のエツチングを
この幾何学的配置で行なって、接合の形状をこＮで完全
に画定する。

基体を洗浄し、乾燥する。

この段階で新鮮な樹脂を塗布する。この時に金の持続ス
タッドを画定する新たなマスクを介して露光する。

電気的接点として用いられる接続スタッド８および１０
以外の部分から金を全て除去する。

次に基体を裁断して（この例では３６の部分に）、各接
合を以下の方法で試験し、調整できるようにする。

この第三工程の目的は、一方では第二段階にて形成され
た未だジョセフソン効果を有していなＬ・接合にジョセ
フソン効果特性を与えることであり、他方では相当する
臨界電流の値を調整することである。

この工程は、不活性媒質中における低温高速等時性焼戻
しと呼べるものである。

この操作は低温槽中で液体ヘリウム浴の直上のヘリウム
雰囲気中で実施される（この液体ヘリウム浴中に接合を
ひき続き浸漬してその動作を試験する）。

この操作は、それゆえサンプルがノーマル状態にはビ戻
る約１０°Ｋに相当する温度で行う。

次に、接合に必要とされるジョセフソンの臨界電流によ
って決まる振幅および持続時間をもつパルス電流を接合
に与える。

上述の処理から生じる変化は、下記のように、実質的に
高速焼戻しに対応する現象によって説明できる。

しかしこの説明は特許権の効力に影響を与えるものでは
ない。

接合にパルス電流を与えると、電流密度の極度に高いブ
リッジ部分に局所的な加熱が生じる。

こノハルスを停止してサンプルを液体ヘリウムにて急冷
する。

従って、パルス電流接続時間の間、ブリッジの所に異常
部を生じ、そしてパルスを停止するとこそ等の異常部が
即座に固定される。

この異常部のトラッピングはノーマル状態における接合
のオーム性抵抗を増加させ、超導電状態での臨界温度を
減少させる。

勿論接合を完全に処理するには、必要とする臨界電流値
に到達させるために数回のこれ等の操作を要する。

この方法は５ｍＡ〜５μＡの間の臨界電流を有する接合
を比較的精緻で再現性があり且つ信頼性のある方法で形
成し得る。

この方法によって形成されたままの接合は保護されてお
らず、急激な温度サイクルを受けて急速に常温に戻るこ
とができる。

また常温での保存には特別な考慮を必要とせず、８ケ月
経過しても何らの経時変化現象も見い出されなかった。

この方法は寸法的問題の解決を可能にし、このことは１
０〜２０μの間の幅のブリッジを有する接合について行
った数回の試験によって立証されており、またその接合
についてはフォトマスキングにおける問題は無かった。

ジョセフソン接合は磁気メータその他事数の応用分野を
有する。

この分野では、非常に小さい臨界電流を有する接合を超
導電性リングに挿入する。

これは実際には、小さな直径の円筒上に付着したニオブ
のエツチングを含む。

このような素子の理論的な感度の限界は、１０１１ガウ
ス程度である。

この種の装置は小電流を測定するためおよびそこから生
じる測定、抵抗、殊に電圧およびインダクタンス測定に
用いられる。

この種の装置は、接合がマイクロ波発生器およびサブミ
リ波発生器であることにより、マイクロ波領域において
応用できる。

これ等は恐らくマイクロ波およびサブミリ波の受信器と
して用いられる。

また、遠赤外線の検出にも比類のないものである。

それ等は電波天文学に利用される。

この種の装置は、放射性物質の核磁気共鳴を検出する分
光計にも利用できる。

本発明の実施態様は次の通りである： （１）特許請求の範囲記載の方法において、該ブリッジ
が５ないし３０ミクロンの間の寸法を有するものである
方法。

（２、特許請求の範囲または上記第（１）項記載の方法
において、超導電性物質がニオブであり、これをは２４
００℃の温度に保った基体上に真空蒸着させる方法。

（３）特許請求の範囲、上記第（１）項または第（２）
項記載の方法において、超導電性物質の付着後にその上
に導電性金属層を付着させる方法。

（４）％許請求の範囲第１項または上記第（１１−（３
）項の何れかに記載の方法において、付着金属が２個の
電気的接点の個所だけに残るようにフォトマスキングお
よび化学的エツチングすることにより、上記超導電性物
質の付着層と金属の付着層とを画定する方法。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明によるジョセフソン接合の一例を示す平面
図である。 ２．４・−・・・−超導電性膜のスタッド、６−・−・
・−ブリッジ、８，１０・・−・・−電気的接続部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ジョセフソン効果接合を形成する方法において、耐
   火性超導電性物質の薄くて均一な付着層を絶縁基体上に
   形成すること、２つのスタッドの間にブリッジがあって
   該２つのスタッドの幅が該ブリッジの幅より広くなって
   いる形状となるように該付着層を画定すること、次いで
   極低温において前記接合に所要のジョセフノン臨界電流
   に依存する値の強さおよび持続時間を有する少くとも一
   つのパルス電流を与えることを特徴とする方法。