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JPS6386485A - トンネル型ジヨセフソン接合素子 - Google Patents

トンネル型ジヨセフソン接合素子

Info

Publication number
JPS6386485A
JPS6386485A JP61229535A JP22953586A JPS6386485A JP S6386485 A JPS6386485 A JP S6386485A JP 61229535 A JP61229535 A JP 61229535A JP 22953586 A JP22953586 A JP 22953586A JP S6386485 A JPS6386485 A JP S6386485A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
nbn
tunnel barrier
barrier layer
auxiliary
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP61229535A
Other languages
English (en)
Other versions
JPH0515314B2 (ja
Inventor
Hisanao Tsuge
久尚 柘植
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Agency of Industrial Science and Technology filed Critical Agency of Industrial Science and Technology
Priority to JP61229535A priority Critical patent/JPS6386485A/ja
Publication of JPS6386485A publication Critical patent/JPS6386485A/ja
Publication of JPH0515314B2 publication Critical patent/JPH0515314B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/10Junction-based devices
    • H10N60/12Josephson-effect devices

Landscapes

  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

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) 本発明は、トンネル型ジョセフソン接合素子に関する。
(従来の技術) ジョセフソン接合素子で構成される論理回路や記憶回路
は半導体回路に比べ消費電力が小さく、高速で動作する
という大きな利点を有している。
回路の集積化に伴ない、こうした利点を最大限に活用で
きるジョセフソン接合素子の開発が求められている。高
速動作のためにジョセフソン接合素子に要求される主な
特性として、ギャップ電圧が大きいこと、接合容量が小
さいこと、サブギャップリーク電流が小さいことがあげ
られる。これらの特性はエネルギーギャップの大きな超
伝導体層、すなわち超伝導転移温度Tcの大きな超伝導
体層と誘電率の小さいトンネル障壁層を用いて、しかも
超伝導体層とトンネル障壁層との間の低Tcまたはノー
マルな性質を示す遷移領域をできるだけ薄くすることに
よって実現される。こうした目的に最適なジョセフソン
接合素子として、超伝導体層にNbN膜を用い、トンネ
ル障壁層に金属または半導体の酸化膜を用いたものが注
目されている。
NbN膜の場合、各種スパッタ法によりTcの高い膜(
Tc−15K)が100°C以下の比較的低い基板温度
で得られることから、トンネル障壁層の形成後に超伝導
体層を被着する際にも、超伝導体層とトンネル障壁層と
の熱反応が他の高Tc超伝導体膜に比べて進行しにくく
、良好な接合特性が期待できる。
従来例として、上田らによって1985年に発表された
電子通信学会技術報告のCPM85−27〜12ページ
の論文などがある。ここで提案されたジョセフソン接合
素子は、第2図に示すように、基板21上に形成された
NbNでなる第1の超伝導体層22と、この第1の超伝
導体層22上に形成されたトンネル障壁層23と、この
トンネル障壁層23を介して第1の超伝導体層22と対
向して形成されたNbNでなる第2の超伏′22上に金
属層を被着した後、その表面を酸化を含むガス雰囲気で
熱酸化やプラズマ酸化してトンネル障壁層23を形成す
る方法は、酸化膜そのものを被着する方法に比べて基板
面内での酸化膜厚の均−性及び制御性が優れていること
から一般によく用いられる。
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、上記ジョセフソン接合素子の構造では、
NbNでなる第1の超伝導体層22とトンネル障壁層2
3となるA1膜が直接接触している。そのため窒化の生
成エネルギーの小さいAIがNbNがらN原子を奪う反
応が起こり、第1の超伝導体層22表面に化学量論的組
成よりもN原子の少ない低Tc層またはノーマル層が形
成される。
このようにして、第1の超伝導体層22とトンネル障壁
層23との間の遷移領域が広がる結果、ジョセフソン接
合素子のギャップ電圧が減少するという問題やサブギャ
ップリーク電流が増加するという問題を生じる。また、
トンネル障壁層23と第2の超ギーが隅の値よりも小さ
いためにAIの場合と同じ問題を生じる。
本発明の目的は、このような従来の欠点を取り除いたジ
ョセフソン接合素子を提供することにある。
(問題点を解決するための手段) 本発明によれば、基板上に形成されたNbNでなる第1
の超伝導体層と、この第1の超伝導体層上に形成された
トンネル障壁層、と、このトンネル障壁層を介して前記
第1の超伝導体層と対向して形成されたNbNでなる第
2の超伝導体層とを基本構成要素とするジョセフソン接
合素子において、前記第1の超伝導体層と前記トンネル
障壁層との間または前記トンネル障壁層と前記第2の超
伝導体層との間の少なくとも一方にクーパー対の侵入深
さ以下の膜厚のSiまたはGeでなる補助層を介在させ
たことを特徴とするジョセフソン接合素子が得られる。
(作用) 本発明による構造では、NbNでなる第1の超伝導体層
とトンネル障壁層との間、またはトンネル障壁層とNb
Nでなる第2の超伝導体層との間の少なくたは半導体の
方が歯より窒素一原子当り窒化の生成エネルギーが小さ
い場合でも、上記金属または半導体が第1、第2の超伝
導体層からN原子を奪う反応は補助層によって防止され
る。また、補助層に用いたSiまたはGeの窒素一原子
当りの窒化の生成エネルギーがNbの値と同等かそれ以
上であるため、第1、第2の超伝導体層と補助層との反
応は進行しにくい。さらに、補助層の膜厚がクーパー対
の侵入深さ以下であることから、プロキシミティ効果に
より第1J第2の超伝導体材料であるNbNの超伝導特
性が保持され、しかもサブギャップリーク電流の小さい
ジョセフソン接合素子が形成できる。
第1の超伝導体層上に金属または半導体を被着した後、
その酸化、窒化、フッ化のいずれかの化学反応によって
形成されたトンネル障壁層は基板面内での膜厚の均−性
及び制御性が優れている。また、上記化学反応における
酸素、窒素、フッ素一原子当りの生成エネルギーがSi
またはGeにおける同一反応の値よりも小さな値をもつ
金属や半導体の化合物を用いることによって補助層とト
ンネル障壁層との反応を大幅に軽減することができる。
(実施例) 本発明の実施例を図面で参照して詳細に説明する。
このジョセフソン接合素子は第1図に示すように、絶縁
体基板あるいは表面に絶縁体を有する基板11上に形成
されml相Nでなる第1の超伝導体層12と、この第1
の超伝導体層12上に形成されたSiまたはGeでなる
第1の補助層13と、この第1の補助層13上に形成さ
れたトンネル障壁層14と、このトンネル障壁層14を
介して第1の補助層13と対向して形成されたSiまた
はGeでなる第2の補助層15と、この第2の補助層1
5上に形成されたNbNでなる第2の超伝導体層16と
で構成されている。第1、第2の超伝導体層12.16
はアルゴン−窒素雰囲気中でNbターゲットをスパッタ
して得られた膜厚2000人のNbN膜である。この膜
のTcは15〜16にである。第1、第2の補助R13
,15は膜厚約50人の電子ビーム蒸着膜である。トン
ネル障壁層14には、まず数10人のA1膜をスパッタ
した後、その表面を純酸素雰囲気中で熱酸化して形成さ
れたAI酸化膜が用いら°れる。
本実施例によれば、第1、第2の超伝導体層12゜16
とトンネル障壁層14との間にそれぞれ第1、第2の補
助層13.15が設けであるため、第1、第2の超伝導
体層12.16とトンネル障壁層14との反応は第1、
第2の補助層13.15によって防止される。また、補
助層に用いたSL、Geの窒化反応における窒素一原子
当りの生成エネルギーはそれぞt′L−59,−3,8
kcal/molで、Nbの同一 反応における値−5
6kcal /molと同等か、それ以上である。その
ため、SiまたはGeが超伝導体層のNbNと接触して
いても、SiまたはGeがNbNからN原子を奪う反応
は進行しにくい。さらに、補助層の膜厚が約50人と、
クーパー対の侵入深さ以下にされることによりNbN/
NbN接合素子の本来のギャップ電圧を保持し、しかも
サブギャップリーク電流の小さいジョセフソン接合素子
が得られる。
本実施例でトンネル障壁層14を形成するために用いた
AIの酸化反応における酸素一原子当りの生成エネルギ
ーは一130kcal/molで、Si、Geの同一反
応における値−108、−63kcal/molより大
きな絶対値をもつためAI酸化膜と超伝導体層との反応
も生じない。以上のことから、各層界面で遷移領域の薄
い良好なジョセフソン、接合素子が形成できる。
本実施例では、補助層を第1の超伝導体層12と゛トン
ネル障壁層14との間、トンネル障壁層14と第2の超
伝導体層16との間の双方に設けたが、成膜条件に応じ
てどちらか一方でもその効果は大きい。特に、トンネル
障壁層14を金属または半導体の被着後の酸化、窒化ま
たはフッ化によって形成する場合には、第1の超伝導体
層12とトンネル障壁層14と=AI酸化膜を用いたが
、他の金属や半導体を酸化、窒化またはフッ化の各反応
により形成した絶縁膜、被着した絶縁膜や半導体膜でも
同様な効果が得られる。特にトンネル障壁層14の構成
原子である金属または半導体の方がSi、Geよりも上
記各反応に対す・る生成エネルギーが小さい場合にはト
ンネル障壁層14はより安定である。
(発明の効果) 以上説明したように本発明によれば、NbNでなる超伝
導体層とトンネル障壁層との間にコヒーレンス長以下の
膜厚を有するSiまたはGeでなる補助層が設けられて
いるため、超伝導体層とトンネル障壁層との反応で生じ
る低Tc層やノーマル層を介在することなく、NbN本
来のギャップ電圧をもち、サブギャップリーク電流の小
さいジョセ7ソン接合素子が得られる。また、Si、G
eと比較して、反応の生成エネルギーが小さな金属また
は半導体を酸化、窒化またはフッ化して形成した化合物
をトンネル障壁層に用いることにより、その化学的な安
定性、膜厚の均−性及び制御性がさらに改善されたジョ
セフソン接合素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のジョセフソン接合素子を示す断面図、
第2図は従来のジョセフソン接合素子を示す断面図であ
る。 図において、 11.21は基板、12.22はNbNでなる第1の超
伝導体層、13はSiまたはGeでなる第1の補助層、
14.23はトンネル障壁層、15はSiまたはGeで
なる第2の補助層、16.24はNbNでなる第2の超
伝導体層である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、基板上に形成されたNbNでなる第1の超伝導体層
    と、この第1の超伝導体層上に形成されたトンネル障壁
    層と、このトンネル障壁層を介して前記第1の超伝導体
    層と対向して形成されたNbNでなる第2の超伝導体層
    とを基本構成要素とするジョセフソン接合素子において
    、前記第1の超伝導体層と前記トンネル障壁層との間ま
    たは前記トンネル障壁層と前記第2の超伝導体層との間
    の少なくとも一方にクーパー対の侵入深さ以下の膜厚の
    SiまたはGeでなる補助層を介在させたことを特徴と
    するジョセフソン接合素子。 2、前記トンネル障壁層が金属または半導体の酸化、窒
    化、フッ化のいずれかの化学反応により形成された化合
    物で、前記化学反応における酸素、窒素、フッ素一原子
    当りの生成エネルギーがSiまたはGeに対する同一反
    応よりも小さいことを特徴とする特許請求の範囲第1項
    記載のジョセフソン接合素子。
JP61229535A 1986-09-30 1986-09-30 トンネル型ジヨセフソン接合素子 Granted JPS6386485A (ja)

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JPH0515314B2 JPH0515314B2 (ja) 1993-03-01

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5990977A (ja) * 1982-10-15 1984-05-25 スペリ・コ−ポレ−シヨン 超伝導トンネルジヤンクシヨン素子

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