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超伝導トンネル接合（STJ）は、超伝導体－絶縁体－超伝導体トンネル接合（SIS）とも呼ばれ、非常に薄い絶縁体層で隔てられた2つの超伝導体からなる電子デバイスです。電流は量子トンネル効果によって接合部を通過します。STJはジョセフソン接合の一種ですが、STJのすべての特性がジョセフソン効果によって説明できるわけではありません。
これらのデバイスは、電磁波の高感度検出器、磁力計、高速デジタル回路素子、量子コンピューティング回路など、幅広い用途に利用されている。
STJを流れるすべての電流は、量子トンネル効果によって絶縁層を通過します。トンネル電流には2つの成分があります。1つ目はクーパー対のトンネル効果によるものです。この超伝導電流は、 1962年にブライアン・デイビッド・ジョセフソンによって初めて予測された交流および直流ジョセフソン関係によって記述されます。 [ 1 ]この予測により、ジョセフソンは1973年にノーベル物理学賞を受賞しました。2つ目は準粒子電流で、これは温度がゼロの極限において、バイアス電圧からのエネルギーが超伝導エネルギーギャップΔの2倍を超える値 （ベース電極と対向電極のギャップが等しくない場合、電流の開始はΔ 1 + Δ 2で発生します。）有限温度では、ギャップを超える準粒子の熱的励起により、エネルギーギャップの2倍未満の電圧でも、サブギャップ電流と呼ばれる小さな準粒子トンネル電流が存在します。
STJに周波数の光子を照射すると直流電流-電圧曲線は、シャピロステップと光子アシストトンネル効果によるステップの両方を示します。シャピロステップは超伝導電流の応答から生じ、電圧が等しいときに発生します。、 どこプランク定数は、は電子の電荷であり、は整数である。[ 2 ]光子アシストトンネル効果は準粒子の応答から生じ、電圧が だけずれたステップを生じさせる。ギャップ電圧に対して。[ 3 ]
初期の研究では、鉛-酸化鉛-鉛 (Pb-PbO-Pb) トンネル接合が使用されました。たとえば、ジョセフソン効果の実験的発見は、このような接合で行われました。[ 4 ]鉛の超伝導臨界温度は 7.2 K であるため、鉛-酸化鉛接合は 4.2 K の液体ヘリウム中で動作できます。しかし、鉛接合は不安定で、動作温度 4.2 K と室温の間で数回、多くの場合 1 回の温度サイクルで故障します。接合の安定性を向上させるために、IBM の研究者は鉛に少量のインジウム (In) と金 (Au) を添加し、純鉛製のものよりも安定したトンネル接合を作成しましたが、それでも望ましい性能には程遠いものでした。さらに、このようなソフト接合が許容できるプロセス工程は限られています。これらの問題の結果、鉛および鉛合金ソフト接合は、もはや STJ の製造には使用されていません。その代わりに、1980年代初頭から中頃にかけて、超伝導エレクトロニクスではニオブをベースとした耐火性（硬質金属ベース）トンネル接合が使用されてきた。
デバイスの製造プロセスは、求められる特性によって異なります。ほとんどの場合、製造の目的は、4.2 Kのヘリウム浴中で超伝導状態となるトンネル接合を作製することです。この場合、1983年以降、AT&Tベル研究所で1980年代初頭に開発された技術が広く用いられてきました。この技術については、「ジョセフソン接合」という記事の「SISトンネル接合」および「製造」のセクションでより詳しく説明されています。ここでは、その説明を簡略化して紹介します。
デバイスの製造は、基板全体（通常はシリコンウェハ、場合によっては酸化されている）を覆うNb/Al酸化物/Nbの均一な三層構造の形成から始まります。すべての金属層は通常スパッタリングによって堆積されます。Nb/Alベース構造（Nbは100～150 nmの金属膜で、非常に薄い（通常5 nm）アルミニウム層で覆われている）が形成された後、堆積チャンバーを開けることなく、減圧（大気圧以下）で数分間純酸素に曝されます。このベース（Nb/Al酸化物）構造は、同じシステム内で、最初のものと同程度の厚さの2番目のニオブ電極（対向電極と呼ばれる）で覆われます。構造が過熱しないように注意する必要があります。多くの場合、堆積中に温度を下げるために水冷が使用されます。結果として得られるS'ISサンドイッチは、シリコンウェハ全体を均一に覆います。ここで、S'はNb/Al二重層からなる下部電極を表し、「I」は薄い（通常約1 nm）トンネルアルミニウム酸化物を表します。 Sは2番目のNb電極を表す。Alの役割は、問題のある酸化ニオブを、実績があり信頼性の高いアルミニウムトンネル酸化物Al₂O₃に置き換えることである。この置換がうまく機能するのは、1980年代初頭にベル研究所で示されたように、極めて薄いアルミニウム層でもニオブ表面を完全に覆い、「濡らす」傾向があるためである。[ 5 ]低温超伝導アルミニウムの薄さにより、比較的高温超伝導ニオブによって、よく知られている近接効果を介して誘起される超伝導が可能になる。
三層構造が形成された後、超伝導回路やジョセフソン接合（JJ）を形成するように加工することができます。この加工方法は様々ですが、1980年代初頭にAT&Tベル研究所でGurvitchらが開発した初期プロセス[ 6 ] [ 7 ]は、現在もすべての既存技術の基礎となっています。長年にわたり、初期の三層プロセスは、シリコン集積回路技術に匹敵する高度な多層プロセスへと改良されてきました[ 8 ] 。しかし、Nb/Al酸化物/Nb接合の作製における主要なステップは、40年以上前と本質的に同じです。これは、Nb/Al酸化物/Nb三層プロセスの基本的な単純さと自然さを物語る、珍しいほどの技術の長寿命です。
補足説明が必要でしょう。なぜNb酸化物-Nb構造は使用できないのでしょうか？この構造が使用できない理由は、Nbが不安定で混合した劣悪なトンネル酸化膜を形成し、2つ目のNb電極を堆積するとそれが破壊されて接合部が短絡してしまうためです。もう一つの理由は、Nb₂O₅の誘電率が高いことです。そのため、たとえNb酸化物-Nb接合を作製できたとしても、その理由だけで、デジタル用途においてはNb/Al酸化物/Nb接合よりも劣ってしまうのです。
三層構造の全ウェハプロセスで得られる利点は数多くあります。得られるジョセフソン接合は均一で再現性が高く、非常に信頼性があります。特に、4.2 Kと室温の間で繰り返される熱サイクルに対して完全に耐性があります[ 9 ]。接合特性の品質は理論上の理想値に近づきます（上の図は、理想化されたSISジョセフソン接合特性を示しています）。トンネル誘電体層の誘電率（詳細な研究で確認されたように、酸化アルミニウムAl2O3で構成されています）は低く、デジタルアプリケーションに有利です。
量子コンピューティングでは、科学者がジョセフソン接合とSQUID（2つのジョセフソン接合を持つループ）を用いて量子ビットを作成する際に、同じプロセスがしばらくの間使用されていました。しかし、量子回路の動作温度はわずか数ミリケルビンであるため、超伝導ニオブ（Tc = 9.2 K）はもはや必要なく、1.2 K以下で超伝導する純アルミニウムで十分です。以前の量子回路は三層構造技術で製造されていましたが、ここ10年ほどは、量子科学者はより単純なAl酸化物-Al構造を用いて超伝導量子ビットを製造しています。しかし、他のすべてのアプリケーションでは、Nb/Al酸化物/Nb構造が広く使用されています。
STJは100GHzから1000GHzの周波数範囲で最も感度の高いヘテロダイン受信機であり、そのためこれらの周波数での電波天文学に使用されています。[ 10 ]このアプリケーションでは、STJはギャップ電圧( ) 関心のある天体からの高周波信号が、局部発振器の光源とともに STJ に集束されます。STJ に吸収された光子により、準粒子が光子アシストトンネル効果によってトンネルします。この光子アシストトンネル効果により電流-電圧特性が変化するため、天体信号と局部発振器の差周波数で出力を生成する非線形性が生じます。この出力は、天体信号の周波数ダウンコンバートされたバージョンです。[ 11 ]これらの受信機は非常に高感度であるため、デバイス性能を正確に記述するには量子ノイズの影響を考慮する必要があります。[ 12 ]
ヘテロダイン検出に加えて、STJは直接検出器としても使用できます。このアプリケーションでは、STJはギャップ電圧よりも低い直流電圧でバイアスされます。超伝導体に吸収された光子はクーパー対を破壊し、準粒子を生成します。準粒子は印加電圧の方向に接合部をトンネルし、結果として生じるトンネル電流は光子エネルギーに比例します。STJデバイスは、X線から赤外線までの光子周波数の単一光子検出器として使用されています。[ 13 ]
超伝導量子干渉素子（SQUID）は、ジョセフソン接合を含む超伝導ループを基盤としています。SQUIDは世界で最も高感度な磁力計であり、磁束量子のごく一部に相当する磁場変化を検出することができます。
超伝導量子コンピューティングは、電荷量子ビット、磁束量子ビット、位相量子ビットなど、STJベースの回路を利用する。
高周波電流をジョセフソン接合に印加すると、交流ジョセフソン電流は印加周波数と同期し、デバイスのI-V曲線に一定電圧領域（シャピロステップ）が生じます。電圧標準の目的上、これらのステップは、どこは整数です。は印加周波数であり定数である。=483 597 .8484... × 10 9 Hz⋅V −1 [15 ]はジョセフソン定数に等しい。これらの手順により、周波数から電圧への正確な変換が実現されます。周波数は非常に高い精度で測定できるため、この効果はボルトのSI定義を実現するジョセフソン電圧標準の基礎として使用されます。[ 16 ] [ 17 ]
STJが非対称ジョセフソントンネル効果を示す場合、接合部はジョセフソンダイオードになる可能性がある[ 18 ]。
