JPS6211795B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ジヨセフソン接合を含む超伝導装置
及びその製法に関する。更に詳しくは接合層（障
壁層）として半導体材質を用いたジヨセフソン接
合が直列接続されてなる超伝導装置に関する。

〔従来技術〕

ジヨセフソン接合を利用した超伝導装置は、極
めて消費電力が少なく、かつ高速スイツチ動作が
可能であるのでスイツチング素子として有望であ
り、又、磁界に対して高感度であるという特性を
利用して、種々の検出器としての応用も図られて
いる。このようなジヨセフソン接合の基本的な構
造は、良く知られるように２つの超伝導材質を近
接させ、その中間部に障壁材層をはさむことによ
り、トンネル効果により超伝導電流が流れること
を利用する。即ち、一定の電流を流す間は、抵抗
が全くゼロの状態、即ち超伝導状態で障壁を介し
て電流が流れるが、一方、臨界電流以上の電流を
流すと極めて高速に上記障壁の両端に電圧が発生
する。

又、上記臨界電流値は、外部からジヨセフソン
接合に加えた磁界により変わり得るので、磁界を
入力手段として用いるスイツチ素子としても応用
できるものである。ここで、障壁層の材質として
は、一般的には超伝導電極材質の表面を酸化させ
て形成した絶縁物である構造が良く知られている
が、絶縁物に限定されることなく、半導体を用い
てもジヨセフソン接合を形成することが可能であ
る。

このような例として、レブー・デ・フイズイ
ク・アプリーケ（REVUE de PHYSIQUE
APPLIQU′EE）の1974年１月号 P167〜P171に
掲載された論文：オン・ザ・ユース・オブ・ロ
ウ・バリヤ・ポテンシヤル・マテリアルス・ツ
ー・インプルーブ・ハイ・フレケンシー・カツプ
リング・ツー・ジヨセフソン・トンネル・ジヤン
クシヨンズ（On the use of low barrier
potential materials to improve high freqaency
conpling to Josephson tunnel junction）の表
―１には種々の半導体材料がジヨセフソン接合と
なり得る障壁の厚さが示されている。これによる
と、障壁材層が絶縁物の場合には、数＋Å以下で
なければジヨセフソン接合にならないが、半導体
を用いる場合には、約百Å程度以上でも十分にジ
ヨセフソン接合となり得ることが示されている。

ところで、このようなジヨセフソン接合が有電
圧状態にスイツチした時に発生する電圧は、材料
の組合せにより決まる固有の値であり、高々数
mVである。従つて、回路機能上、大なる電圧の
発生を必要とするような場合は、複数のジヨセフ
ソン接合を直列接続し、各接合を有電圧状態にス
イツチせしめ、直列回路部の両端に発生する大な
る電圧（これは、材料の組み合わせできまる単一
の接合固有の発生電圧と直列接続した接合の個数
の積に等しい）を利用していた。

このような、ジヨセフソン接合を直列接続した
超伝導装置として従来は、第３図Ａ及びＢに示す
構造が知られていた。

第３図Ａは従来の、かかる超伝導装置の斜視図
であり、第３図Ｂは第３図Ａにおけるx₀x₀′断面
を示す。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来の超伝導装置には、以下に
述べる欠点があつた。

第３図Ｂの断面構造からも明らかなように、超
伝導層２ａの側端面P₁及び側端面P₁に連接する基
板主面と平行な端部平面Q₁に障壁材層３ａを設
け、次に、第２の超伝導層２ｂを、第１の超伝導
層２ａに一部重畳させて設け、２ｂの２ａとは重
畳しない端部に同様の構造をもつて、かつ、２ｂ
が下側の電極となる態様で、第２の接合が２ｂ，
３ｂ，２ｃをもつて形成されている。

なお、第３図は接合の直列接合の個数が２であ
る場合を例示したが、順次このような関係を繰り
返して行くことにより、多数の接合の直列構造を
得ることができる。

かかる構造において、ジヨセフソン接合の障壁
部として作用するのは、例えばP₁，Q₁部に設け
た障壁層３ａである。

しかしながら、かかる構造の第１の欠点として
は、微細化に対して限界があるという点である。
即ち、装置の微細化の為、水平方向即ち、基板主
面方向の寸法を微細化しようとしても、各電極が
互いに重畳する部分（例えばQ₁部分）がこれを
阻止していた。また第２の欠点としては、障壁層
が基板主面と平行な部分Q₁を有するので、ピン
ホールに弱いという点である。即ち、パターンを
形成する時において、レジスト面上にゴミが付着
し、これが原因となつて障壁層にピンホールが発
生する確率は、基板主面に垂直な部分P₁よりも、
基板主面と平行な部分Q₁のほうが著しく高くな
る。従つて、第３図Ｂに示すようにピンホール等
S′が、Q₁部分に生ずる確率が高くなり、ジヨセ
フソン接合がシヨートしてしまう確率が高くなる
という欠点がある。

更に、第３の欠点として第３図Ｂに示すよう
に、超伝導層が一部重畳しているため、かかる装
置を製造するには次の工程をとつて製造せざるを
得ない。

すなわち、まず、絶縁基板１１上に、ジヨセフ
ソン接合Ｕ１の下側の電極となる超伝導材層１２
ａを形成し、次に障壁層１３ａを１２ａの側端部
近傍に形成し、次に第２の超伝導体層１２ｂを、
１３ａの側端部近傍の一部を被つて形成する。な
お、１２ｂが１２ａと重畳することなく、基板主
面に延長する部分は第２のジヨセフソン接合Ｕ２
の下側の電極をも兼ねるものである。１２ｂを形
成した後、１２ｂの側端部近傍に第２のジヨセフ
ソン接合の障壁材層１３ｂを形成し、次に第３の
超伝導体層１２ｃを形成する。

このようにして、目的とするジヨセフソン接合
Ｕ１及びＵ２が直列接続されている構成を得る。
しかしながら、障壁材層１３ａ，１３ｂを同時に
形成することができないし、超伝導体層１２ａ，
１２ｂ，１２ｃも同時に形成することができない
ので、極めて工程数が多くなるという欠点が有
る。この欠点は、直列接続すべき接合の個数の増
加とともに更に増大することは明らかである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記の欠点を解決するために、基板主
面上に複数のストライプ状の超伝導材層をそれぞ
れの側端面を互いに微小な間隙（但し、半導体を
障壁材として用いた場合に、ジヨセフソン接合と
なり得る程度の間隙）を介して対向せしめ、その
間隙部に半導体を充填することにより、基板主面
に垂直な方向にのみジヨセフソン接合の障壁を形
成せしめたものである。又、かかる構造を実現す
るための製法として、基板上に長いストライプ状
の超伝導材層を一括形成し、次に、電子ビーム露
光技術を用いたパターン形成により、上記超伝導
材層に微小な間隙を形成せしめることにより、複
数のより短いストライプ状の超伝導材層に分断す
る。

次に、少なくとも上記微小な間隙部に半導体を
充填せしめることにより、複数のジヨセフソン接
合が直列接続された構造を得るようにしたもので
ある。

〔作 用〕

次に、作用を第１図とともに説明する。第１図
Ａは本発明の一実施例の斜視図であり、第１図Ｂ
は、x₁x₁′の断面図である。１は絶縁性基板、２
ａ〜２ｃは短いストライプ状に分断された超伝導
体層、３は半導体層である。このような構造にな
つているので、第１図Ｂに示す構造において、ジ
ヨセフソン接合の障壁部として作用するのは、２
ａの側端面B₁と２ｂの側端面C₁が対向して形成
される空隙部D₁及び２ｂの側端面B₂と２ｃの側
端面C₂が対向して形成される空隙部D₂に充填さ
れた半導体層３のみである。なお、半導体層３
は、超伝導体層２ａ〜２ｃの主面、即ち、基板１
の主面と平行な面上にも付されているが、この部
分は片面が超伝導体層に接しているだけであるの
でジヨセフソン接合としては全く作用しない。従
つて、例えば第１図Ｂに示すように、超伝導体層
２ａ上の半導体層３にピンホール等Ｓが存在して
いても、ジヨセフソン接合Ｕ１はシヨートするこ
となく、本来のジヨセフソン接合としての機能を
秦する。又、従来の構造（第３図Ｂ）で必要であ
つた超伝導体層の重畳部分（例えばQ₁部分）を
必要としないから基板の主面と平行な方向での微
細化が極めて容易である。

更に、全ての超伝導体層２ａ〜２ｃが基板１の
主面に接して形成され、かつ、ジヨセフソン接合
の障壁となる部分は、上記超伝導体層２ａ〜２ｃ
の側端面が互いに対向して形成される極めて単純
な間隙部であるので、製造工程が簡単であり、直
列接続すべきジヨセフソン接合の個数が増えて
も、製造工程数が従来技術のように増加すること
が無い。即ち、長いストライプ状の超伝導体層を
絶縁性基板の主面上に形成せしめた後に、必要な
個数分だけの間隙を電子ビーム露光技術により一
括して形成せしめ、次に、これらの間隙部を充填
するように半導体層を被覆すれば良い。基本的に
は、この３工程で任意の個数の直列接続を作るこ
とができる。

なお、本発明において、上記間隙部の製法を電
子ビーム露光技術を用いたパターン形成法に限定
した理由は以下のとおりである。

障壁層が絶縁体である場合には、その厚さは
高々数＋Å以下でなければトンネル電流が流れず
ジヨセフソン接合にはなり得ない。

このような数＋Åの加工は、従来例に示すよう
に薄膜形成における膜厚のコントロール技術を用
いる以外に達成することができない。ところが、
障壁層として半導体を用いれば、その厚さが約
100〜150Å以上であつてもジヨセフソン接合とし
て機能することは先に文献を記して説明したとお
りである。更に、この程度の微細加工は現在の電
子ビーム露光技術を用いれば実現可能である。即
ち、従来技術のごとく薄膜を超伝導体の上平面及
び側端面に高精度な膜厚制御技術を用いて積層形
成し、これにより障壁の厚さを規定するという技
術思想とは全く異なる技術思想、即ち、あらかじ
め一体として形成した超伝導体層に電子ビーム露
光技術により微小な間隙部（溝）をほぼ垂直に形
成せしめ、次に、この間隙部を障壁材によつて充
填することによりジヨセフソン接合を実現すると
いう技術が実現可能となる。このような電子ビー
ム露光技術の加工限界を示す文献としては、例え
ば、ワシントンで開かれた国際会議：インターナ
シヨナル・エレクトロン・デバイス・ミーテイン
グ、1980（international ELECTRON
DEVICES meetinge 1980、WASHINGTON、
Ｄ・Ｃ December ８―９―10、）で発表された
論文：レゾルーシヨン、オーバーレイ・アンド・
フイールド・サイズ・フオー・リソグラフイー・
システムズ（Resolution、Onerlay and Field
size For Lithography Systems）がある。

同文献の第５図には、良く知られたレジスト
PMMAに電子ビームを用いて最小線幅10nm（＝
100Å）のパターン形成が実現できた旨記載され
ている。従つて、公知のエツチングやリフトオフ
技術を用いれば、上記のレジストパターンをもと
に、下地の超伝導体層を加工し、レジストのパタ
ーン、若しくはこれよりも若干線幅の広い寸法の
空隙部を得ることは極めて容易である。

〔実施例〕

第１図Ａ及びＢは、それぞれ本発明の構造を示
す斜視図及びx₁x₁′の断面図を示す。１は絶縁性
基板、２ａ〜２ｃは超伝導体層、３は半導体から
なる障壁材である。このような構造は第２図に示
す製造工程により得られる。

まず、第２図Ａに示すように、ガラス，シリコ
ンなどでなる絶縁基板１を予め用意する。

そして、その絶縁基板１の主面１０上に、第２
図Ｂに示すように、その全域に亘り、ニオブ，窒
化ニオブなどでなる超伝導材層３を、それ自体は
公知の蒸着法によつて、例えば0.05μｍの厚さに
形成する。

次に、超伝導材層３から、第２図Ｃに示すよう
に、長いストライプ状の超伝導材層２を、それ自
体は公知の光を用いた露光処理を含むリソグラフ
イ法によつて、例えば２μｍのストライプ幅に形
成する。

次に、ストライプ状の超伝導材層２に複数の溝
を一括形成し、複数の短いストライプ状の部分に
分断する。第２図Ｄでは、２つの溝部を形成し３
つのストライプ状の部分に分断する場合を示す。
この場合の溝形成には、電子ビーム露光技術を用
いる。電子ビーム露光技術を用いたリソグラフイ
ー技術では、第２図Ｃの状態にレジストを塗布
し、露光した後に、レジストをマスクとしてエツ
チング等の処理をすれば、第２図Ｄに示す間隙
（溝）が形成できる。（なお、図においては、レジ
ストに関する工程及びエツチング等の処理工程は
省略してある。）この場合、間隙の幅、即ち２ａ
の側端面B₁と２ｂの側端面C₁が対向している空
隙の間隔D₁（及び２ｂの側端面B₂と２Ｃの側端
面C₂が対向している空隙の間隔D₂）は約100〜
150A程度に加工・形成することができる。

次に第２図Ｅに示すように、少なくとも、上記
間隙部を充填するようにTe，CdS等でなる半導
体障壁材層３を、それ自体は公知の蒸着法によつ
て形成する。

以上のようにして、第２図Ｅ又は第１図Ａ，Ｂ
に示す、本発明の構造が実現できる。これは第１
図Ｂより容易に理解できるように２つのジヨセフ
ソン接合Ｕ１，Ｕ２が直列に接続された構成であ
り、超伝導体２ｂはＵ１とＵ２の双方の電極とし
て機能するものである。又、半導体材層３は間隙
部に充填された部分のみが、ジヨセフソン接合の
障壁材としての意味を持ち、超伝導体層２ａ，２
ｂ，２ｃの主面上に延長した部分は意味を持たな
い。

従つて、この部分に第１図Ｂに示すようにピン
ホール等があつても、又は、導伝体からなる異物
が混入していてもジヨセフソン接合の特性は、何
ら悪影響を受けないという利点がある。なお、上
記の観点から半導体からなる障壁材層３は、間隙
部のみを充填するように、パターニング工程を付
加して、選択的に形成しても良いことは言うまで
もない。

以上で、本発明による超伝導装置及びその製法
の一例が明らかとなつた。

本発明による第１図に示す超伝導装置と第３図
に示す従来の超伝導装置を比較すると、各々２つ
のジヨセフソン接合Ｕ１とＵ２の直列接続からな
る点で共通であり、従来の障壁材１３ａは本発明
のＢ１，Ｃ１間の間隙に充填された半導体からな
る障壁材３に対応し、同様に１３ｂはＢ２，Ｃ２
間の間隙に充填された３に対応する。又、超伝導
材層１２ａ，１２ｂ，１２ｃはそれぞれ２ａ，２
ｂ，２ｃに対応している。従つて、従来例と同
様、ジヨセフソン接合Ｕ１及びＵ２が有電圧状態
にスイツチすれば、単一の接合がスイツチした時
に生ずる電圧の２倍が両端（２ａ・２ｃ間及び１
２ａ・１２ｃ間）に生ずる。しかしながら、第１
図に示す本発明においては、超伝導材層２ａ〜2c
は絶縁性基板主面に密着しており、かつ、他の超
伝導材層の一部に乗り上げるように重畳すること
は無い。従つて、ジヨセフソン接合の個数が増加
しても、工程数を何ら増やす必要が無く、電子ビ
ーム露光を用いた間隙（溝）形成工程において、
加工・形成すべき間隙の数だけを増やせば良いの
で、多数のジヨセフソン接合を直列に接続して、
より大なる電圧を得んとする場合でも、極めて少
ない工程数で目的とする構造が得られるという利
点がある。

又、構造面からは不要な重畳部分がないので、
平面的な寸法を小とすることが可能であるため、
装置全体を微細化するのに適し、高集積化が可能
であるという大なる利点を有する。

なお上述の説明においては、２つのジヨセフソ
ン接合が直列接続されている場合について例示し
たが、３つ以上の複数のジヨセフソン接合が直列
に接続されている場合についても同様の効果が期
待できることは言うまでもない。又、超伝導材層
としてはニオブ，窒化ニオブについて説明した
が、これに何ら限定されることなく、他の超伝導
材であつても良いことは言うまでもない。又、障
壁層を形成する半導体としてはTe，CdSについ
て説明したが、電子ビーム露光技術により形成し
得る微小な空隙に充填した場合に、ジヨセフソン
接合の障壁層として機能するような半導体であれ
ば、他のいかなる半導体材料であつても良いこと
は言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば複数のジ
ヨセフソン接合を超伝導材層の一部を重畳するこ
となく形成できるので、微細化、高集積化が容易
である。又、障壁層は超伝導材層の側端面が対向
して形成される間隙部に充填される部分のみで良
いので、例え、超伝導材層の上面に延長して形成
された障壁材層に欠陥があつても、ジヨセフソン
接合の特性には何ら影響を与えることがない。即
ち安定性に優れるという利点がある。

更には、長いストライプ状の超伝導材層に必要
な個数の間隙部を電子ビーム露光技術により一括
して形成した後に、半導体障壁材でこの間隙部を
一括充填せしめているので、直列接続すべきジヨ
セフソン接合の個数が増加しても、製造工程数を
何ら増加させる必要が無いという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ及びＢは、本発明の超伝導装置の一例
を示す略線的斜視図及びその断面図である。第２
図Ａ〜Ｅは、本発明の超伝導装置の製法の一例を
示す工程図である。第３図Ａ及びＢは、従来の超
伝導装置の一例を示す略線的斜視図及びその断面
図である。 Ｕ１，Ｕ２…ジヨセフソン接合、１，１１…絶
縁性基板、２，２ａ，２ｂ，２ｃ，１２ａ，１２
ｂ，１２ｃ…超伝導材層、１３ａ，１３ｂ…善縁
体からなる障壁層、３…半導体からなる障壁層、
Ｂ１，Ｂ２，Ｃ１，Ｃ２…超伝導材層の側端面、
Ｓ，S′…ピンホール等の欠陥、d₁，d₂，D₁，D₂…
間隙部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 絶縁性基板と、当該絶縁性基板上に設けられ
   た少なくとも３つのストライプ状の超伝導材層
   と、当該超伝導材層の側端面が互いに対向して形
   成される微小間隙部を少なくとも充填する半導体
   とからなり、上記微小間隙部に充填された半導体
   がジヨセフソン接合の障壁層を形成し、上記間隙
   部の個数分のジヨセフソン接合が直列接続されて
   なることを特徴とする超伝導装置。 ２ 絶縁性基板上に超伝導材層を蒸着法によつて
   形成する工程と、上記超伝導材層を第１のリソグ
   ラフイー法によつて、長いストライプ状のパタン
   を上記絶縁性基板上に残存せしめる工程と、 電子ビーム露光処理を含む第２のリソグラフイ
   ー法によつて、上記長いストライプ状の超伝導材
   層に複数の微小間隙部を形成せしめることにより
   少なくとも３つの短いストライプ状部分に分断す
   る工程と、 上記微小間隙部に充填した場合に、ジヨセフソ
   ン接合の障壁となり得る半導体材を蒸着せしめ
   て、上記微小間隙部を少なくとも充填せしめる工
   程とを含むことを特徴とする複数のジヨセフソン
   接合が直列接続されてなる超伝導装置の製法。