DE68923325T2

DE68923325T2 - Josephson-Einrichtung.

Info

Publication number: DE68923325T2
Application number: DE68923325T
Authority: DE
Inventors: Norio Kaneko; Takehiko Kawasaki; Kiyozumi Niizuma; Atsuko Tanaka; Keisuke Yamamoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-05-11
Filing date: 1989-05-11
Publication date: 1995-11-23
Anticipated expiration: 2009-05-12
Also published as: EP0342038A3; JPH03218686A; EP0342038A2; DE68923325D1; EP0342038B1; JP2740260B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Josephson- Vorrichtung unter Verwendung eines Oxid-Supraleiters auf Wismut-Basis, und der die Eigenschaft hat, daß er bei einer relativ hohen Temperatur betrieben wird.
Ein Josephson-Übergang wird zwischen zwei supraleitenden Schichten gebildet, die durch eine sehr dünne Isolierschicht getrennt sind, und er ist für die Verwendung als eine Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtung zur Verwendung in beispielsweise Computern vorgeschlagen worden, aufgrund des Tunnel-Effekts, der an dem Übergangsbereich erzeugt wird.
Ein typisches Verfahren zur Bildung eines Josephson-Übergangs beinhaltet die Bildung eines dünnen Bleifilms, die nachfolgende Bildung eines sehr dünnen Oxidfilmes auf der Oberfläche des dünnen Bleifilms, wobei der Oxidfilm typischerweise eine Dicke von 30 Å hat, wonach ein weiterer dünner Bleifilm darauf abgeschieden wird (siehe "CHODENDO (Supraleitung)", herausgegeben von der japanischen physikalischen Gesellschaft, Seite 147).
Es wurde über mehrere Messungen berichtet, die den Josephson- Effekt in Oxid-Supraleitern mit einer hohen SupraleiterÜbergangstemperatur betreffen. Supraleiter mit einer hohen Supraleiter-Übergangstemperatur sind hauptsächlich vom Punktkontakttyp gewesen, aber durch solche Übergänge können keine Vorrichtungen bereitgestellt werden, die praktisch verwendbar sind, beispielsweise in hochintegrierten Schaltungen.
Unter den Vorrichtungen, in denen ein Oxid-Supraleiter verwendet wird, haben die Übergänge vom Sandwich-Typ auf der Grundlage von Blei den Nachteil, daß es schwierig ist, eine Isolierschicht mit dünner und gleichförmiger Dicke zu bilden. Vorrichtungen, in denen die Isolierschicht eine ungleichförmige Dicke hat, zeigen keine guten Eigenschaften und haben den Nachteil, daß die Kristallisierbarkeit der supraleitenden Schicht signifikant verschlechtert werden kann, wenn die Isolierschicht aus einem Material mit einer von der des Supraleiters verschiedenen Kristallstruktur ist, was wiederum zu schlechten Vorrichtungseigenschaften führt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Josephson- Vorrichtung mit den in Anspruch 1 dargelegten Merkmalen bereitgestellt.
Formen dieser Josephson-Vorrichtung haben nicht die Probleme der Unförmigkeit und Kristallstruktur der supraleitenden Schicht, und es wird eine Josephson-Vorrichtung mit überlegenen Eigenschaften bereitgestellt. Der in den vorstehenden Josephson-Vorrichtungen vorliegende Supraleiter auf Wismut-Basis wird weniger Beeinträchtigung durch die Atmosphäre unterzogen und trägt zu den verbesserten Eigenschaften der Vorrichtung bei.
In einem Artikel von H. Kroger et al., Applied Physics Letters, Band 39, Nr. 3, 1. August 1981, Seiten 280 bis 282 wird eine Josephson-Vorrichtung mit einem Substrat beschrieben, auf das eine untere Supraleiter-Schicht, eine Tunnelschicht und eine obere Supraleiter-Schicht laminiert sind. Die Supraleiter-Schichten sind jedoch aus Material auf Niob-Basis, während die Schichten der vorliegenden Josephson- Vorrichtung aus Materialien auf Wismut-Basis sind.
In einem Artikel von M. G. Blamire, Journal of Physics D: Applied Physics, Band 20, Nr. 10, 14. Oktober 1987 wird auf den Seiten 1330 bis 1335 eine Josephson-Vorrichtung beschrieben, die aus unteren und oberen Supraleiter-Schichten aus YBa&sub2;Cu&sub3;O7-x und einer Tunnelschicht aus Y&sub2;O&sub3; gebildet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Josephson-Vorrichtung mit einem Substrat, einer unteren Supraleiter-Schicht, einer Tunnelschicht und einer oberen Supraleiter-Schicht, die in dieser Reihenfolge laminiert sind, bereitgestellt, wobei:
Die untere und obere Supraleiterschichten jeweils einen Wismut-Kupfer-haltigen Oxid-Supraleiter umfassen, der durch die Formel:
{(Bi1-bcb)&sub2;O&sub2;}(Cu1-aBa)2+nA3+nO(12+3n)-x
dargestellt wird, worin A mindestens ein Element darstellt, das aus der Elementgruppe, bestehend aus den Elementen der Gruppe Ia, IIa, IIIa und IVb des Periodensystems ausgewählt ist; B mindestens ein Element darstellt, das aus der Elementgruppe, bestehend aus den Elementen der Gruppe Ib, IVa, Va, VIa und VIIIa, ausgewählt ist; C mindestens ein Element darstellt, das aus den Seltenerd-Elementen ausgewählt ist; und 0 ≤ b < 1, 0 ≤ a < 1, -1 < n ≤ 10 und x > 0; und die Tunnelschicht ein wismuthaltiges Oxid umfaßt, das durch die Formel:
{(Bi1-bCb)&sub2;O&sub2;}2+{Bi1-aBa)&sub2;(Ti1-aAa)&sub3;O&sub1;&sub0;}n²&supmin;
dargestellt wird, worin C mindestens ein Element darstellt, das aus den Seltenerd-Elementen ausgewählt ist, B mindestens ein Element darstellt, das aus der Gruppe, bestehend aus Ca, Na, K, Ba, Sr, Pb und Pr ausgewählt ist; A mindestens ein Element darstellt, das aus der Gruppe, bestehend aus Nb, Ta, Fe, Sn und Ga ausgewählt ist; und 0 ≤ b < 1, 0 ≤ a < 1 und 1 ≤ n ≤ 5.
In einer weiteren Ausführungsform wird gemäß der vorliegenden Erfindung auch eine Josephson-Vorrichtung bereitgestellt, umfassend ein Substrat, eine untere Supraleiter-Schicht, eine Tunnelschicht und eine obere Supraleiter-Schicht, die in dieser Reihenfolge laminiert sind, wobei:
die untere und obere Supraleiter-Schicht jeweils einen Wismut-Kupfer-haltigen Oxid-Supraleiter umfassen, der durch die Formel:
{(Bi1-bcb)&sub2;O&sub2;}(Cu1-aBa)2+nA3+nO(12+3n)-x
dargestellt wird, worin A mindestens ein Element darstellt, das aus der Elementgruppe, bestehend aus den Elementen der Gruppe Ia, IIa, IIIa und IVb des Periodensystems ausgewählt ist; B mindestens ein Element darstellt, das aus der Elementgruppe, bestehend aus den Elementen der Gruppe Ib, IVa, Va, VIa und VIIIa, ausgewählt ist; C mindestens ein Element darstellt, das aus den Seltenerd-Elementen ausgewählt ist; und 0 ≤ b < 1, 0 ≤ a < 1, -1 < n ≤ 10 und x > 0; und
die Tunnelschicht ein wismuthaltiges Oxid umfaßt, das durch die Formel:
Bi&sub2;Sr&sub2;LnCu&sub2;Oy
dargestellt wird, worin Ln mindestens ein Element darstellt, das aus der Gruppe, bestehend aus Y und den Lanthaniden, ausgewählt ist; und 7 ≤ y ≤ 9.
Fig. 1 veranschaulicht ein Beispiel für die Josephson- Vorrichtung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 veranschaulicht einen Zustand, in dem ein Wismut- Kupfer-haltiger Oxid-Supraleiterfilm auf einem Substrat gebildet ist;
Fig. 3 veranschaulicht einen Zustand, in dem ein Bi&sub4;Ti&sub3;O&sub1;&sub2;- Film auf dem Wismut-Kupfer-haltigen Oxid-Supraleiterfilm gebildet ist.
Fig. 4 veranschaulicht einen Zustand, in dem ein weiterer Wismut-Kupfer-haltiger Oxid-Supraleiterfilm ferner auf dem Bi&sub4;Ti&sub3;O&sub1;&sub2;-Isolierfilm gebildet ist;
Fig. 5 veranschaulicht einen Zustand, in dem ein Teil der laminierten Filme unter Bildung einer Eleketrode entfernt ist; und
Fig. 6 zeigt schematisch die Strom-Spannung-Kennlinie einer Josephson-Vorrichtung, die durch die vorliegende Erfindung erhalten wird.
In einer Josephson-Vorrichtung mit einem Substrat, einer unteren Supraleiter-Schicht, einer Tunnelschicht und einer oberen Supraleiter-Schicht, die in dieser Reihenfolge laminiert sind, wurde gemäß der vorliegenden Erfindung als ein Ergebnis intensiver Untersuchungen gefunden, daß ein Wismut-Kupfer-haltiger Oxid-Supraleiter mit einer Schichtgitter-Perovskitverbundstruktur als die untere und obere Oxid-Supraleiterschicht verwendet werden kann und eine Wismut-Schichtgitterverbindung mit der ähnlichen Schichtgitter-Perovskitverbundstruktur als die Tunnelschicht verwendet werden kann, wodurch es ermöglicht wird, eine Josephson-Vorrichtung mit einer guten Krisallisierbarkeit der Supraleiter-Schichten herzustellen und auch eine dünne und gleichförmige Tunnelschicht zu bilden, womit eine Josephson- Vorrichtung mit guten Eigenschaften bereitgestellt wird.
Ferner ist es durch die Verwendung des Wismut-Kupfer-haltigen Oxid-Supraleiters ermöglicht worden, eine Josephson- Vorrichtung bereitzustellen, die ausreichend bei Temperaturen betrieben werden kann, die nicht niedriger als die Temperatur von flüssigem Stickstoff ist, und die insbesondere in der Feuchtigkeitsbeständigkeit, thermischen Beständigkeit usw. überlegen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt der Wismut-Kupferhaltige Oxid-Supraleiter, der vorzugsweise in der unteren und oberen Oxid-Supraleiterschicht verwendbar ist, Materialien, die durch die allgemeine Formel (I) dargestellt werden:
{(Bi1-bcb)&sub2;O&sub2;}(Cu1-aBa)2+nA3+nO(12+3n)-x (I)
, worin A mindestens ein Element darstellt, das aus der Elementgruppe, bestehend aus den Elementen der Gruppe Ia, IIa, IIIa und IVb des Periodensystems ausgewählt ist; B mindestens ein Element darstellt, das aus der Elementgruppe, bestehend aus den Elementen der Gruppe Ib, IVa, Va, VIa und VIIIa, ausgewählt ist; C mindestens ein Element darstellt, das aus den Seltenerd-Elementen ausgewählt ist; und 0 ≤ b < 1, 0 ≤ a < 1, -1 < n ≤ 10 und x > 0; und die als ihre Kristallstruktur die Schichtgitter-Struktur hat, so daß eine Persovskit-artige Schicht zwischen {(Bi1-bCb)&sub2;O&sub2;}²&spplus;-Schichten positioniert ist (0 ≤ b < 1).
Von den durch die vorstehende Formel (I) dargestellten Materialien sind insbesondere solche, die durch die folgende Formel dargestellt werden, bevorzugt:
Bi&sub2;(Sr,Ca)&sub3;Cu&sub2;Ox(7 ≤ x 9).
Die Wismut-Schichtgitter-Verbindung, die als die Tunnelschicht in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, umfaßt bevorzugt Materialien, die durch die allgemeine Formel (II) dargestellt werden:
{(Bi1-bcb)&sub2;O&sub2;}²&spplus;{Bi1-aBa)&sub2;(Ti1-aAa)&sub3;O&sub1;&sub0;}n²&supmin; (II)
, worin C mindestens ein Element darstellt, das aus den Seltenerd-Elementen ausgewählt ist, B mindestens ein Element darstellt, das aus der Gruppe, bestehend aus Ca, Na, K, Ba, Sr, Pb und Pr ausgewählt ist; A mindestens ein Element darstellt, das aus der Gruppe, bestehend aus Nb, Ta, Fe, Sn und Ga ausgewählt ist; und 0 ≤ b < 1, 0 ≤ a < 1 und 1 ≤ n ≤ 5; oder
solche, die durch die folgende Formel (III) dargestellt werden:
Bi&sub2;Sr&sub2;LnCu&sub2;Oy (III)
worin Ln mindestens ein Element darstellt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Y und den Lanthaniden besteht; und 7 ≤ y ≤ 9. Als die Wismut-Schichtgitter-Verbindung, die als die Tunnelschicht verwendet wird, wird eine Isolatorverbindung, eine normalleitende Verbindung oder eine Verbindung mit einem kleineren kritischen Strom oder einer niedrigeren kritischen Temperatur als der des vorstehenden Wismut-Kupfer-haltigen Oxid-Supraleiters verwendet.
Insbesondere werden von den durch die allgemeinen Formeln (II) und (III) dargestellten Materialien:
(II) - 1) Bi&sub4;Ti&sub3;O&sub1;&sub2;
- 2) Bi&sub2;PbFeTi1,5Sn1,5Oy (7 ≤ y ≤ 9)
(III)- 1) Bi&sub2;Sr&sub2;YCu&sub2;Oy (7 ≤ y ≤ 9)
bevorzugt in der vorliegenden Erfindung verwendet.
Der Wismut-Kupfer-haltige Oxid-Supraleiter und die Wismut- Schichtgitter-Verbindung, wie vorstehend als Beispiel aufgeführt, sind einander in der Kristallstruktur ähnlich.
Insbesondere hat man gefunden, daß der Wismut-Kupfer-haltige Oxid-Supraleiter mit der vorstehenden Formel (I), der als die obere und untere Supraleiterschicht in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, rhombisch ist, als ein Ergebnis der Röntgen-Beugungsdaten, mit einer Gitterkonstanten mit a = 5,4 Å, b = 27,0 Å (= 5 x a) und c = 30,8 Å. Die Wismut- Schichtgitter-Verbindung der vorstehenden Formeln (II) und (III), die als die Verbindungsschicht verwendet wird, ist, wie man findet, auch rhombisch, mit der Gitterkonstanten von a = 5,5 Å, b = 5,4 Å und c = 30,2 Å.
Wenn solch eine Josephson-Vorrichtung unter Verwendung der Supraleiter-Schichten und der Tunnelschicht mit solch einer Kristallstruktur hergestellt wird, kann keine Fehlanpassung zwischen den Schichten auftreten, aufgrund der ähnlichen Gitterkonstanten in den beiden Schichten, so daß eine Josephson-Vorrichtung mit guten Eigenschaften erhalten werden kann. Die hier erwähnten guten Eigenschaften beziehen sich auf Eigenschaften wie beispielsweise Ansprechen auf Millimeterwellen und magnetisches Ansprechverhalten. Die Kristallstruktur ist eine Schichtgitter- Perovskitverbundstruktur, so daß die Filmbildung leicht gesteuert werden kann und die gleichförmige und dünne Schicht nach Wunsch gebildet werden kann.
Ein guter Josephson-Effekt, der auf diese Kristallstruktur zurückzuführen ist, kann gut gezeigt werden, wenn die obere und untere Supraleiter-Schicht und die Tunnelschicht ähnliche Gitterkonstanten haben.
Als ein Ergebnis der Messung der Strom-Spannung-Kennlinie der Josephson-Vorrichtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, zeigt die Vorrichtung die Kennlinien, wie in Fig. 6 gezeigt, woraus ein besserer Josephson-Effekt gefunden wird, daß sich die Menge an Strom wenig verändert, bis die Spannung einen Wert erreicht, der höher als ein gegebener Wert ist, und der Strom sich abrupt verändert, wenn die Spannung auf einen Wert niedriger als einem gegebenen Wert verringert wird.
Die Josephson-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann gemäß herkömmlichen Verfahren hergestellt werden. Insbesondere kann sie durch Sputtern bzw. Zerstäuben oder Vakuumabscheidung hergestellt werden, wobei eine Steuerung der Zusammensetzung erreicht werden kann, ebenso wie durch CVD.
Die obere und untere Supraleiter-Schicht der Josephson- Vorrichtung der vorliegenden Erfindung können jeweils bevorzugt eine Schichtdicke von 200 nm (2000 Å) bis 500 nm (5000 Å) haben, und die Tunnelschicht hat eine Schichtdicke von 1 bis 50 nm (10 Å bis 500 Å). Als Substrat, auf dem diese Schichten laminiert werden, werden vorzugsweise beispielsweise MgO (100)-Einkristalle und SrTiO&sub3;-Einkristalle verwendet.

BEISPIELE

Die vorliegende Erfindung wird nun nachstehend im größeren Detail durch Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

Ein Josephson-Übergang, wie in Fig. 1 veranschaulicht, wurde in der folgenden Weise hergestellt. In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Substrat aus MgO; 2, Sputter-Filme, umfassend einen Wismut-Kupfer-haltigen Oxid-Supraleiter; 3, einen Wismut-Schichtgitter-Verbindungsfilm; und 4, eine Elektrode.
Zuerst wurde unter Verwendung eines gesinterten Materials, das aus 1 Teil Wismut, 1 Teil Strontium, 1 Teil Kalzium und 2 Teilen Kupfer zusammengesetzt war, als ein Target eine Supraleiterschicht 2 mit einer Dicke von 300 nm (3000 Å) auf dem MgO-Substrat 1 gemäß dem Schnellfrequenz-Magnetron- Sputterverfahren hergestellt (Fig. 2). Die Zusammensetzung des sich ergebenden Films wurde gemäß Plasma- Emissionsspektroskopie analysiert, wobei sich ergab, daß der Film aus 2 Teilen Wismut, 1,48 Teilen Strontium, 1,5 Teilen Kalzium, und 2,0 Teilen Kupfer zusammengesetzt war. Die Substrattemperatur war bei 700ºC eingestellt, und die Filmbildung wurde in einem gemischten Gas, umfassend Argon und Sauerstoff, bei einem Gasdruck von 6,67 x 10&supmin;² mbar (5 x 10&supmin;² Torr) und einem Sauerstoff-Partialdruck von 6,67 x 10&supmin;³ mbar (5 x 10&supmin;³ Torr) durchgeführt.
Nachdem die vorstehende Supraleiterschicht gebildet war, wurde eine Wärmebehandlung (unter Bedingungen von 840ºC und 6 Stunden in Sauerstoff, 1 Atmosphärendruck) durchgeführt, nachfolgend bei einer Rate von 3ºC pro Minute getemperert.
Als nächstes wurde auf dem sich ergebenden Wismut-Kupferhaltigen Oxid-Supraleiterfilm 2 die Wismut-Schichtgitter- Verbindung (Bi&sub4;Ti&sub3;O&sub1;&sub2;)-Schicht 3, wie in Fig. 3 gezeigt, gebildet. Die Filmbildung wurde durch Ionenstrahlabscheidung durchgeführt, wobei Bi&sub2;O&sub3; als ein Ausgangsmaterial, das Wismut-Atome enthielt, verwendet wurde und metallisches Titan als ein Ausgangsmaterial, das Titan-Atome enthielt, verwendet wurde. Die Substrattemperatur wurde bei 200ºC eingestellt, Sauerstoffgas wurde zugeführt (9 bis 10 ml/Sek.), und der Titan-Bestandteil wurde ionisiert und bei einer Beschleunigungsspannung von 2 kV und einem Ionisierungsstrom von 100 mA beschleunigt. Andererseits wurde die verdampfte Substanz, die aus dem Ausgangsmaterial, das Wismut-Atome enthielt, erzeugt wurde, durch Widerstandsheizen abgeschieden.
Die Wismut- und Titan-Bestandteile wurden bei einer Rate von 2 bis 3 Å/Sek. abgeschieden, und der sich ergebende Bi&sub4;Ti&sub3;O&sub1;&sub2;-Dünnfilm 3 wurde in einem Schichtgitter-Film mit einer Dicke von 3 nm (30 Å) verwandelt.
Auf diesen Film wurde ein weiterer Wismut-Kupfer-haltiger Oxid-Supraleiterfilm 2 durch Schnellfrequenz-Magnetron- Sputterverfahren gebildet (Fig. 4). Die Filmbildungsrate war auf 5 Å/Sek. eingestellt, und die Wärmebehandlung wurde nicht wie in dem ersten Schichtfilm 1 durchgeführt. Der sich ergebende Film 2 hatte eine Filmdicke von 240 nm (2400Å).
Als nächstes wurde ein Teil der Filme durch Argon- Ionenstrahlfräsen entfernt, wobei sie in einen Zustand wie in Fig. 5 gezeigt gebracht wurden, nachfolgend wurde Gold im Vakuum unter Bildung der Elektrode 4 abgeschieden, womit die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gebildet wurde, wie in Fig. 1 gezeigt. Die kritische Temperatur der Supraleiterfilme dieser Vorrichtung wurde gemessen, wobei herausgefunden wurde, daß sie 105 K war.
Die Strom-Spannungs-(I-V)-Kennlinie dieser Josephson- Vorrichtung wurde bei 60 K gemäß einem Vierpunkt-Verfahren gemessen. Als ein Ergebnis wurde die wie in Fig. 6 gezeigte Kennlinie erhalten, und somit war zu sehen, daß sich ein guter Übergang gebildet hatte.

Beispiel 2

Beispiel 1 wurde unter Bildung einer Josephson-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wiederholt, außer, daß das bei der Bildung des Wismut-Kupfer-enthaltenden Oxid-Supraleiters durch Sputtern verwendete Targetmaterial durch ein Material ersetzt wurde, das aus 0,9 Teilen Wismut, 0,1 Teil Blei, 1 Teil Strontium, 1 Teil Kalzium und 2 Teilen Kupfer zusammengesetzt war. Nach der Filmbildung wurde die Zusammensetzung des Films durch Plasma-Emissionsspektroskopie analysiert, wobei man fand, daß der Film 2 Teile Wismut, 1,0 Teil Blei, 3,0 Teile Strontium, 2,0 Teile Kalzium und 5,0 Teile Kupfer im Zusammensetzungsverhältnis umfaßte. Die sich ergebende Vorrichtung hatte eine kritische Temperatur von 92 K, und die I-V-Kennlinie wurde bei 60 K gemessen. Als Ergebnis wurden im wesentlichen dieselben Ergebnisse wie in Beispiel 1 erhalten.

Beispiel 3

Beispiel 1 wurde unter Bildung einer Josephson-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wiederholt, außer, daß das bei der Bildung des Wismut-Kupfer-enthaltenden Oxid-Supraleiters durch Sputtern verwendete Targetmaterial durch ein Material ersetzt wurde, das aus einem Teil Wismut, einem Teil Strontium, einem Teil Kalzium, 1,8 Teilen Kupfer und 0,2 Teilen Titan zusammengesetzt war. Nach der Filmbildung wurde die Zusammensetzung des Films durch Plasma- Emissionsspektorskopie analysiert, wobei man fand, daß der Film einen Teil Wismut, 1,5 Teile Strontium, 1,5 Teile Kalzium, 1,5 Teile Kupfer und 0,5 Teile Titan im Zusammensetzungsverhältnis umfaßte. Die sich ergebende Vorrichtung hatte eine kritische Temperatur von 60 K.
Die I-V-Kennlinie wurde bei 20 K gemessen, wobei man fand, daß im wesentlichen dieselben Ergebnisse wie in Beispiel 1 erhalten wurden.

Beispiel 4

Der Wismut-Kupfer-haltige Oxid-Supraleiter wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 gebildet, und das Material, das aus 0,5 Teilen Natrium, 4,5 Teilen Wismut und 4,0 Teilen Titan zusammengesetzt war, wurde als die Wismut- Schichtgitterverbindung als Isolierschicht verwendet. Die Filmbildung wurde in der selben Weise wie im Beispiel 1 durchgeführt, gemäß der Ionenstrahlabscheidung. Natrium, Titan und Bi&sub2;O&sub3; wurden als Ausgangsmaterialien verwendet. Die Abscheidung wurde unter dem vorstehenden Zusammensetzungsverhältnis durchgeführt, während das Substrat auf eine Temperatur von 600ºC erhitzt wurde und Sauerstoffgas bei einer Rate von 10 bis 20 ml/Min. zugeführt wurde.
Die Abscheidungsrate wurde jeweils auf einen Wert von 0,5 bis 3 Å/Sek. eingestellt und der Film hatte eine Dicke von 3 nm (30 Å).
Weitere Vorgänge folgten denen in Beispiel 1 unter Bildung einer Josephson-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung. Die sich ergebenden Vorrichtung zeigte im wesentlichen dieselben Ergebnisse für sowohl die kritische Temperatur als auch die I-V-Kennlinie.

Beispiel 5

Ein Josephson-Übergang wie in Fig. 1 veranschaulicht wurde in der folgenden Weise gebildet. In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Substrat aus MgO; 2 eine untere Supraleiterschicht; 3 einen Isolierfilm, 4 eine obere Supraleiterschicht und 5 eine Elektrode.
Zuerst wurde unter Verwendung eines gesinterten Materials, das aus 1 Teil Wismut, 1 Teil Strontium, 1 Teil Kalzium und 2 Teilen Kupfer zusammengesetzt war, als Target ein Wismut- Kupfer-haltiger Oxid-Supraleiterfilm auf dem MgO-Substrat als eine untere Supraleiterschicht mit einer Dicke von 300 nm (3000 Å) gemäß einem Schnellfrequenz-Magnetron- Sputterverfahren gebildet (Fig. 2). Die Zusammensetzung des sich ergebenden Films wurde gemäß Plasma- Emissionsspektroskopie analysiert, wobei sich zeigte, daß der Film das Zusammensetzungsverhältnis von Bi&sub2;Sr1,48Ca1,50Cu2,03Ox hatte. Das Substrat wurde auf eine Temperatur von 700ºC erhitzt, und die Filmbildung wurde in einem gemischten Gas, umfassend Ar und O&sub2;, bei einem Gasdruck von 6,67 x 10&supmin;² mbar (5 x 10&supmin;² Torr) und einem O&sub2;- Partialdruck von 6,67 x 10&supmin;³ mbar (5 x 10&supmin;³ Torr) durchgeführt. Nachdem dieser Film gebildet war, wurde eine Wärmebehandlung (unter Bedingungen von 840ºC und 6 Stunden in O&sub2;, 1 Atmosphärendruck) durchgeführt, nachfolgend bei einer Rate von 3ºC pro Minute getempert.
Als nächstes wurde auf der sich ergebenden unteren Supraleiterschicht der Isolierfilm (Bi&sub2;Sr&sub2;YCu&sub2;Oy) wie in Fig. 3 gezeigt, gebildet. Die Filmbildung wurde durch Ionenstrahl-Abscheidung durchgeführt, wobei Bi&sub2;O&sub3; und SrO als Ausgangsmaterialien, die Bi- und Sr-Atome enthielten, verwendet wurde und Y und Cu als Ausgangsmaterialien, die Y- und Cu-Atome enthielten, verwendet wurden. Das Substrat wurde auf eine Temperatur von 200ºC erhitzt, Sauerstoffgas wurde zugeführt (9 bis 10 ml pro Sekunde), und die Y- und Cu- Bestandteile wurden ionisiert und beschleunigt bei einer Beschleunigungsspannung von 2 kV und einem Ionisierstrom von 100 mA. Andererseits wurden die verdampften Substanzen, die aus den Ausgangsmaterialien, die Bi- und Sr-Atome enthielten, erzeugt wurden, durch Widerstandsheizen abgeschieden. Die Abscheidung wurde bei einer Rate von 1 bis 2 Å/Sek. durchgeführt, und der sich ergebende Bi&sub2;Sr&sub2;YCu&sub2;Oy-Dünnfilm hatte eine Dicke von 3 nm (30 Å).
Auf diesem Film wurde ein weiterer Wismut-Kupfer-haltiger Oxid-Supraleiterfilm als eine obere Supraleiterschicht durch Schnellfrequenz-Magnetron-Sputterverfahren gebildet (Fig. 4). Die Filmbildungsrate war bei 5 Å/Sek. eingestellt, und die Wärmebehandlung wurde nicht wie in dem unteren Supraleiterschichtfilm 1 durchgeführt. Der sich ergebende Film 2 hatte eine Dicke von 240 nm (2400 Å).
Als nächstes wurde ein Teil der Filme durch Ar- Ionenstrahlfräsen entfernt, wobei sie in den Zustand wie in Fig. 5 gezeigt gebracht wurden, nachfolgend wurde Au unter Bildung der Elektrode im Vakuum abgeschieden, womit der wie in Fig. 1 gezeigte Übergang gebildet wurde. Die kritische Temperatur dieser Vorrichtung wurde gemessen, wobei man fand, daß sie 80 K war.
Die Strom-Spannungs-Kennlinie dieses Josephson-Übergangs wurde bei 60 K gemäß einem Vierpunkt-Verfahren gemessen. Als Ergebnis wurden die wie in Fig. 6 gezeigten Kennlinien erhalten, und somit war zu sehen, daß ein guter Übergang gebildet worden war.

Beispiel 6

Der Wismut-Kupfer-haltige Oxid-Supraleiter wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 gebildet, und das Material, das aus 2 Teilen Wismut, 1 Teil Blei, 1 Teil Eisen, 1,5 Teilen Titan, 1,5 Teilen Zinn und 7 Teilen Sauerstoff zusammengesetzt war, wurde als die Wismut-Schichtgitter-Verbindung als Isolierschicht verwendet. Die Filmbildung wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt, gemäß Ionenstrahl- Abscheidung. Blei, Eisen, Titan, Zinn und Bi&sub2;O&sub3; wurden als Ausgangsmaterialien verwendet. Die Abscheidung wurde unter dem vorstehenden Zusammensetzungsverhältnis durchgeführt, während das Substrat auf eine Temperatur von 600ºC erhitzt wurde und Sauerstoffgas bei einer Rate von 10 bis 20 ml/Min. zugeführt wurde.
Die Abscheidungsrate war jeweils eingestellt, so daß sie 0,5 bis 3 Å pro Sekunde war, und der Film hatte eine Dicke von 3 nm (30 Å).
Weitere Vorgänge folgten den in Beispiel 1 unter Bildung einer Josephson-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung. Die sich ergebende Vorrichtung zeigte im wesentlichen dieselben Ergebnisse für sowohl die kritische Temperatur als auch die I-V-Kennlinie.

Claims

1. Josephson-Vorrichtung, umfassend ein Substrat, eine untere Supraleiter-Schicht, eine Tunnelschicht und eine obere Supraleiter-Schicht, die in dieser Reihenfolge laminiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die untere und die obere Supraleiter-Schicht jeweils einen Wismut-Kupfer-Oxid- Supraleiter mit einer Perowskit-Schichtstruktur umfassen und die Tunnelschicht eine Wismutoxid-Verbindung mit einer ähnlichen Perowskit-Schichtstruktur umfaßt, wobei die Gitterkonstante der unteren Supraleiterschicht, der oberen Supraleiterschicht und der Tunnelschicht ähnlich ist, so daß keine Fehlanpassung auftritt, wenn eine Schicht über die andere gewachsen wird.

2. Josephson-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die untere und obere Supraleiter-Schicht jeweils einen Wismut-Kupferenthaltenden Oxid-Supraleiter umfassen, der durch die folgende Formel dargestellt wird:

{(Bi1-bCb)&sub2;O&sub2;} (Cu1-aBa)2+nA3+nO(12+3n)-X

worin:

A mindestens ein Element darstellt, das aus der Elementgruppe ausgewählt ist, die aus den Elementen der Gruppe Ia, IIa, IIIA und IVB des Periodensystems besteht;

B mindestens ein Element darstellt, das aus der Elementgruppe ausgewählt ist, die aus den Elementen der Gruppe Ib, IVa, Va, VIa und VIIIa besteht;

C mindestens ein Element darstellt, das aus den Seltenerdelementen ausgewählt ist; und

0 ≤ b < 1,

0 ≤ a < 1,

-1 < n ≤ 10, und

x > 0; und

die Tunnelschicht ein Wismut-enthaltendes Oxid umfaßt, das durch die folgende Formel dargestellt wird:

{(Bi1-bCb)&sub2;O&sub2;}²&spplus;{Bi1-aBa)&sub2;(Ti1-aAa)&sub3;O&sub1;&sub0;}²&supmin;n, worin:

C mindestens ein Element darstellt, das aus den Seltenerdelementen ausgewählt ist;

B mindestens ein Element darstellt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ca, Na, K, Ba, Sr, Pb und Pr besteht;

A mindestens ein Element darstellt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nb, Ta, Fe, Sn und Ga besteht; und

0 ≤ b < 1,

0 ≤ a < 1, und

1 ≤ n ≤ 5.

3. Josephson-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wismut- Kupfer-enthaltende Oxid-Supraleiter eine Schicht- Gitterstruktur hat, so daß sich eine Perowskit-ähnliche Schicht zwischen {(Bi1-bCb)&sub2;O&sub2;)²&spplus;-Schichten befindet.

4. Josephson-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei der Wismut-Kupfer-enthaltende Oxid-Supraleiter einen Supraleiter umfaßt, der aus Elementen, umfassend Bi, Sr, Ca, Cu und O aufgebaut ist.

5. Josephson-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tunnelschicht ein Wismut-enthaltendes Oxid umfaßt, das durch die folgende Formel dargestellt wird:

Bi&sub2;Sr&sub2;LnCu&sub2;Oy

worin Ln mindestens ein Element darstellt, das aus der Gruppe, bestehend aus Y und Lanthaniden ausgewählt ist; und 7 ≤ y ≤ 9.

6. Josephson-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wismut-enthaltende Oxid aus einer Isolatorverbindung, einer normalleitenden Verbindung, einer Verbindung mit einem kleinerem kritischen Strom als bei dem Wismut-Kupfer-enthaltenden Oxid-Supraleiter und einer Verbindung mit einer niedrigeren kritischen Temperatur als der des Wismut-Kupfer-enthaltenden Oxid-Supraleiters ausgewählt ist.

7. Josephson-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die untere und obere Supraleiterschicht jeweils eine Schichtdicke von 200 nm bis 500 nm (2000 Å bis 5000 Å) haben.

8. Josephson-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tunnelschicht eine Schichtdicke von 1 nm bis 50 nm (10 Å bis 500 Å) hat.

9. Josephson-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat ein MgO(100)-Einkristall oder ein SrTiO&sub3;-Einkristall ist.