DE69718718T2

DE69718718T2 - Supraleitendes Tunnel-Sperrschichtelement und supraleitende Vorrichtung

Info

Publication number: DE69718718T2
Application number: DE69718718T
Authority: DE
Inventors: Hideaki Adachi; Akihiro Odagawa; Masahiro Sakai; Kentaro Setsune
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-07-09
Filing date: 1997-07-05
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2017-07-06
Also published as: EP0818831A2; EP0818831A3; DE69718718D1; US5885937A; EP0818831B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein supraleitendes Tunnel- Sperrschicht- bzw. Übergangselement und eine supraleitende Vorrichtung, welche dieses Element umfasst. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein supraleitendes Sperrschichtelement, das eine gute Josephson-Wirkung liefert und eine supraleitende Vorrichtung, von der angenommen wird, dass sie rasch und empfindlich in einer Apparatur, wie einem Magnetdetektor einer Submillimeter-Wellenlängen-Verarbeitungsvorrichtung und einem supraleitenden Computer, arbeitet.
Einige der kürzlich gefundenen supraleitenden Oxide besitzen eine supraleitende kritische Temperatur (Tc), welche höher als der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff ist, so dass die Anwendungen von Supraleitern wesentlich erweitert wurden. Zum Erhalten einer supraleitenden Vorrichtung, welche in einem elektronischen Bereich Anwendung finden soll, wurden einige Arten von supraleitenden Sperren bzw. Übergängen auf experimenteller Basis auf einem Grundelement der Vorrichtung erzeugt. Die Sperren bzw. Übergänge sind beispielsweise jene, welche Korngrenzen in der gleichen Ebene verwenden, solche, welche die Unterschiede von Oberflächen wie Stufen verwenden und jene vom Multi- bzw. Mehrfachschicht-Typ (S. Takada, Oyo Buturi, Bd. 62, 1993, S. 443).
Die supraleitenden Sperrschichten, welche bisher erzeugt worden sind, haben jedoch keine zufriedenstellende Wirkung geliefert. Mit anderen Worten, Tunnel-Sperrschichtelemente, welche ideale Josephson-Charakteristiken zeigen, wurden schwer erhalten. Grund dafür ist, dass es technisch schwierig ist, Störungen aus Tunnelsperrschichten infolge der Kontakte zwischen supraleitenden Verbindungen und nichtsupraleitenden Verbindungen vollständig los zu werden, insbesondere wenn sie ein zusammengesetztes Oxid mit einem hohen Tc-Wert. umfassen.
Wie oben beschrieben wurde, war es schwierig, ein Tunnel- Sperrschichtelement zu erzeugen, das in einer supraleitenden Vorrichtung angewendet werden kann. Um einen guten Kontakt zwischen einer supraleitenden Schicht und einer nicht- supraleitenden Schicht zu erhalten und das Element praktisch zu gestalten, ist es erforderlich, dass die Verbindungen der Schichten kompatibel sind und das Element nicht schwer zu erzeugen ist. Ein Tunnel-Sperrschichtelement, umfassend eine Niob(Nb)-Schicht, das als supraleitendes Metall bekannt ist, wurde nicht wirklich erkannt, bis eine ausgezeichnete Kombination des Metalls als Elektroden mit einem Aluminiumoxid als Sperrschicht entdeckt wurde. Eine solche ausgezeichnete Kombination, umfassend ein supraleitendes Oxid, war bisher schwer herzustellen. Supraleitende Tunnel-Sperrschichtelemente sind aus dem Artikel von Mizuno K. et al., Applied Physics Letters, Bd. 56, Nr. 15, S. 1469-1471, der ein Paar von supraleitenden Elektroden offenbart, wovon jede ein zusammengesetztes Oxid als eine Hauptkomponente und eine Sperrschicht zwischen den Elektroden umfasst, wobei die Sperrschicht ein zusammengesetztes Oxid der Zusammensetzung Bi&sub2;Sr&sub2;Cu&sub1;Oy als Hauptkomponente umfasst.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine hoch wirksame supraleitende Tunnel-Sperrschicht anzugeben, umfassend ein supraleitendes Oxid und eine supraleitende Vorrichtung, welche das Element umfasst.
Die obige Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird in Übereinstimmung mit den Ansprüchen 1, 2 und 3 erfüllt. Gemäß den Ansprüchen 1 und 2 umfasst ein supraleitendes Tunnel-Sperrschichtelement ein Paar von supraleitenden Elektroden, wovon jede ein zusammengesetztes Oxid als eine Hauptkomponente und eine Sperrschicht zwischen den Elektroden umfasst, wobei die Sperrschicht ein zusammengesetztes Oxid als eine Hauptkomponente umfasst, welches durch die nachfolgende Formel dargestellt ist:
Bi&sub2;Am+1CumO2m+4 (1)
wobei A wenigstens Sr als Erdalkalimetall und m eine ganze zahl mit 1 ≤ m ≤ 3 darstellt, wobei das zusammengesetzte Oxid in jeder der supraleitenden Elektroden durch die folgenden Formeln (2) oder (3) dargestellt ist:
Sr&sub2;Cu3-xMxO7-d (2),
worin M wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), Rhenium (Re), Germanium (Ge), Eisen (Fe), Cobalt (Co), Chrom (Cr) und Titan (Ti) darstellt, x einen numerischen Wert ≤ 0,3 und d einen numerischen Wert zwischen null und eins darstellt;
Sr&sub2;Can-1CunO2n+2 (3),
worin n eine ganze Zahl von 1 ≤ n ≤ 4 darstellt.
Unter einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein supraleitendes Tunnel-Sperrschichtelement erreicht, worin eine Schicht zur strukturellen Stabilisierung (ein Stabilisator) zwischen der supraleitenden Elektrode und der Sperrschicht gemäß Anspruch 3 gebildet wird, wobei die Sperrschicht ein zusammengesetztes Oxid umfasst, das durch die Formel (1) als Hauptkomponente dargestellt ist.
Gemäß dem supraleitenden Tunnel-Sperrschichtelement wurde das durch die obige Formel (1) dargestellte zusammengesetzte Oxid für die Sperrschicht verwendet, anstelle der Oxide mit Perovskitstruktur, wie Strontiumtitanat (SrTiO&sub3;), welche als Sperrschicht versucht wurden, um die Übergangscharakteristiken zu verbessern und eine gute Josephson-Wirkung zu erhalten. Eine supraleitende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst das obige supraleitende Tunnel-Sperrschichtelement, um hoch wirksam und in vielen Bereichen praktisch zu sein. Das Hauptgebiet ist der elektronische Bereich, worin die supraleitende Vorrichtung zur magnetischen Aufzeichnung, Kommunikation, Berechnung usw. verwendet werden kann.
Wie oben beschrieben wurde, wurde die vorliegende Erfindung dadurch gemacht, dass herausgefunden wurde, dass das obige zusammengesetzte Oxid für die Sperrschicht zwischen supraleitenden Oxidelektroden äußerst geeignet ist, ebenso wie Aluminiumoxid für die Sperrschicht zwischen supraleitenden Metallelektroden (Nb). Da das Element der vorliegenden Erfindung bei einer höheren Temperatur arbeiten kann, ist die supraleitende Vorrichtung, welche das Element umfasst, als Basiselementteil in supraleitender Elektronik nützlicher.
Die vorliegende Erfindung kann besser aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen verstanden werden, worin:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht ist, die ein supraleitendes Tunnel-Sperrschichtelement in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ein Diagramm ist, das eine V-I-Kurve eines supraleitenden Tunnel-Sperrschichtelementes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3A bis 3B Querschnittsansichten sind, welche ein Verfahren zur Erzeugung eines supraleitenden Tunnel-Verbindungselementes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 eine schematische Kristallstrukturansicht ist, welche nahe dem Übergangsteil eines supraleitenden Tunnel- Sperrschichtelementes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5 ein Diagramm ist, das eine V-I-Kurve eines supraleitenden Tunnel-Sperrschichtelementes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 6 eine planare. Ansicht ist, welche eine supraleitende Quantuminterferenz-Vorrichtung (SQUID) zeigt, umfassend ein supraleitendes Tunnel-Sperrschichtelement in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 7 eine planare Ansicht ist, welche einen Millimeter- Wellendetektor zeigt, umfassend ein supraleitendes Tunnel-Sperrschichtelement in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 8 ein Schaltdiagramm ist, das eine Logikvorrichtung zeigt, welche ein supraleitendes Tunnel-Sperrschichtelement in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst.
Das supraleitende Tunnel-Sperrschichtelement gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine obere supraleitende Elektrode, eine untere supraleitende Elektrodenschicht und eine Sperrschicht zwischen den beiden Elektroden.
Bei dem supraleitenden Tunnel-Sperrschichtelement wird bevorzugt, dass die Dicke der Sperrschicht zwischen 1 nm und 20 nm liegt, um die supraleitenden Charakteristiken zu verbessern.
Bei dem supraleitenden Tunnel-Sperrschichtelement wird bevorzugt, dass die Elektroden frei von Barium (Ba) sind, da die Angst besteht, dass Barium mit Wismuth (Bi) unter Ausbildung einer stabilen unreinen Schicht reagiert.
Es wird bevorzugt, dass die Schicht zur strukturellen Stabilisierung frei von Barium (Ba) ist, weil dieselbe Angst, wie sie oben beschrieben ist, besteht. Die Schicht zur strukturellen Stabilisierung ist typischerweise eine Oxidschicht und vorzugsweise eine Schicht, welche ein zusammengesetztes Oxid der obigen Formel (2) oder (3) oder der folgenden Formel (4) umfasst:
L&sub2;CuO3+f (4),
worin L wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe von Lanthan (La) und Strontium (Sr) darstellt und f einen numerischen Wert zwischen null und 1,2 darstellt.
Es wird bevorzugt, dass die Schicht zur strukturellen Stabilisierung dünner als die Sperrschicht ist, genauer liegt die Dicke der Schicht vorzugsweise zwischen 0,7 nm und 10 nm, weil das Element in seinen Eigenschaften verbessert ist.
Für den Fall, dass die Schicht zur strukturellen Stabilisierung zwischen der supraleitenden Elektrode und der Barriereschicht ausgebildet ist, werden zusätzlich zu den durch die obigen Formeln (2) oder (3) dargestellten zusammengesetzten Oxide weitere zusammengesetzte Oxide vorzugsweise als eine Hauptkomponente der supraleitenden Elektroden verwendet. Die anderen zusammengesetzten Oxide sind beispielsweise durch die folgende Formel dargestellt:
R²Ba&sub2;Cu&sub3;O7-e (5),
worin R² wenigstens ein Seltenerdeelement darstellt, vorzugsWeise wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe Von Lanthan (La), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb), Lutetium (Lu) und Yttrium (Y), und e einen numerischen Wert zwischen null und eins darstellt. Bei Verwendung des durch die Formel (5) dargestellten zusammengesetzten Oxides wird ein höherer Tc-Wert beobachtet.
Die Sperrschicht der vorliegenden Erfindung kann eine gute Tunnelsperre liefern. In der Sperrschicht ist, wenn ein Erdalkalielement (A) wenigstens durch ein Seltenerdeelement (R³) substituiert ist, das heißt, wenn das zusammengesetzte Oxid in der Sperrschicht durch die Formel Bi&sub2;(A,R³)m+1CumO2m+4 dargestellt ist, das Element hinsichtlich seiner Eigenschaften verbessert und kann leichter hergestellt werden, da die strukturelle Übereinstimmung verbessert ist. Die Sperrschicht wird bevorzugter durch die Formel Bi&sub2;(Sr,Ca,R³)m+1CumO2m+4 dargestellt. Es wird bevorzugt, dass R³ wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe von Lanthan (La), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb), Lutetium (Lu) und Yttrium (Y) ist.
Wenn das zusammengesetzte Oxid mit der gleichen Art von Struktur, wie jener, die durch die Formel (2) dargestellt ist, für die supraleitende Elektrode verwendet wird, umfassen beispielhafte zusammengesetzte Oxide YSr&sub2;Cu2,7Re0,3O&sub7;, YSr&sub2;Cu2,7W0,3O&sub7;, YSr&sub2;Cu2,7Mo0,3O&sub7; und die gleichen Arten von Oxiden hinsichtlich der Struktur wie die obigen Oxide, zum Beispiel die Oxide, in welchen ein anderes Seltenerdeelement oder Calcium (Ca) wenigstens einen Teil von Yttrium (Y) substituiert, die Oxide, in welchen das Element, wie Germanium (Ge), Eisen (Fe), Cobalt (Co), Chrom (Cr) und Titan (Ti) Rhenium (Re), Molybdän (Mo) oder Wolfram (W) substituiert.
Wenn das durch die Formel (2) dargestellte zusammengesetzte Oxid für die supraleitende Elektrode verwendet wird, stabilisiert die Substituierung eines Seltenerdeelementes für einen Teil der Erdalkalielemente das zusammengesetzte Oxid in der Trennschicht die Struktur des supraleitenden Tunnel-Sperrschichtelementes, so dass die Reproduzierbarkeit erhöht wird. Im Falle einer solchen Substitution kann das Seltenerdeelement Y (R¹) durch Calcium (Ca) in dem durch die Formel (2) dargestellten zusammengesetzten Oxid ersetzt werden.
Wenn das zusammengesetzte Oxid mit der gleichen Art von Struktur, wie jener, die durch die Formel (3) dargestellt ist, für die supraleitende Elektrode verwendet wird, kann ein Teil des Calcium (Ca) durch Strontium (Sr) ersetzt werden. Durch den Ersatz des gesamten Calciums, das heißt, wenn das Oxid durch die Formel Srn+1CunO2n+2 dargestellt ist, kann ein zufriedenstellendes, supraleitendes Tunnel-Sperrschichtelement erzeugt werden, da die gute strukturelle Übereinstimmung beibehalten wird.
Wird ein Teil des Sauerstoffs (O) in dem durch die Formel (3) dargestellten zusammengesetzten Oxid durch ein Halogen, wie Fluor (F), Chlor (Cl) und Brom (Br) ersetzt, wird die supraleitende Eigenschaft und die Reproduzierbarkeit des supraleitenden Tunnel-Sperrschichtelementes erhöht.
Wird wenigstens ein Teil des Strontiums (Sr) in dem durch die Formel (3) dargestellten zusammengesetzten Oxid, zum Beispiel (La,Sr)&sub2;Can-1CunO2n+2, durch ein Seltenerdeelement ersetzt, wird die Stabilität der Struktur verbessert, wobei es möglich gemacht wird, ein besseres supraleitendes Element zu erhalten. Zusätzlich zu Lanthan (La) können andere Seltenerdeelemente, wie Neodym (Nd), Praseodym (Pr) und. Cer (Ce) für Strontium (Sr) ersetzen. Das durch die Formel R&sup4;CuO&sub4; dargestellte zusammengesetzte Oxid, worin R&sup4; wenigstens eine Art von Seltenerdeelementen darstellt, vorzugsweise wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe von Lanthan (La), Neodym (Nd), Praseodym (Pr) und Cer (Ce), kann ebenfalls verwendet werden.
Wird das zusammengesetzte Oxid mit der gleichen Art von Struktur, wie jener, die durch die Formel (5) dargestellt ist, für die supraleitende Elektrode verwendet, umfassen beispielhafte zusammengesetzte Oxide YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;, EuBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;, NdBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; und die gleichen Arten von Oxide hinsichtlich der Struktur wie die oben genannten Oxide. Beispielhafte Oxide, welche zur strukturellen Stabilisierung verwendet werden können, umfassen La&sub2;CuO&sub4;, Sr&sub2;CuO&sub3; und feste Lösungen dieser Oxide. Die Schicht kann die strukturelle und chemische Übereinstimmung zwischen der supraleitenden Elektrode und der Sperrschicht viel besser machen, um es zu ermöglichen, ein supraleitendes Element zu erzeugen, das eine gute Reproduzierbarkeit und gute supraleitende Eigenschaften besitzt.
Beispielhafte Verfahren zur Erzeugung der Schichtender vorliegenden Erfindung, wie die Elektroden, die Sperrschichten und die Schichten zur strukturellen Stabilisierung, umfassen ein Atomschicht-Wachstumsverfahren durch reaktive Gasphasenablagerung, ein Sputter-Verfahren usw.
Wenn jede supraleitende Elektrode des supraleitenden Tunnel- Sperrschichtelementes sich mit einer oberen oder unteren Elektrode zu einer supraleitenden Vorrichtung verbindet, zeigt die Vorrichtung gute supraleitende Eigenschaften.
Wie eine supraleitende Vorrichtung besitzt das supraleitende Tunnel-Sperrschichtelement der vorliegenden Erfindung eine breite Anwendung für Messapparaturen, Kommunikationsapparaturen, supraleitende Rechner oder andere Apparaturen in den Bereichen, zu denen die obigen Apparaturen gehören.
Als eine supraleitende Vorrichtung kann eine Magnetdetektorvorrichtung genannt werden, umfassend eine supraleitende Quantuminterferenzvorrichtung (SQUTD). Eine supraleitende Quantuminterferenzvorrichtung besitzt eine geschlossene Schleife, bestehend aus zwei supraleitenden Tunnel-Sperrschichtelementen 51 und einem supraleitenden. Film 52, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Der magnetische Fluss in die Schleife kann empfindlich gemessen werden. Die Magnetdetektorvorrichtung, umfassend das supraleitende Tunnel-Sperrschichtelement der vorliegenden Erfindung, ist in einem Mineralsuchsystem nützlich und beim Feststellen von schwachem Biomagnetismus, wie Hirn- und Herzmagnetismus durch Messsysteme, wie einer empfindlichen Magnetdetektorapparatur.
Supraleitende Vorrichtung umfasst auch eine Kommunikationsvorrichtung, einen Resonator, einen Filter und eine Antenne, hauptsächlich für GHz- und THz-Banden. Die. Kommunikationsvorrichtung, umfassend das supraleitende Tunnel- bzw. Übergangselement der Erfindung liefert eine hohe Leistung als eine Signalverarbeitungsvorrichtung, hauptsächlich für Submillimeter- und Millimeterwellen, welche die Wellensignale aufzeichnen, handhaben oder verarbeiten können, da das Element einen guten SIS-Übergang bzw. eine gute SIS-Verbindung (Supraleiter- Isolator-Supraleiter) besitzt. Die Vorrichtung ist in Bereichen wie Radioastronomie und globalen atmosphärischen Untersuchungen nützlich. Eine Antenne, eine der Kommunikationsvorrichtungen, ist in Fig. 7 gezeigt. Die Antenne auf dem Substrat 63 umfasst zwei Dreieckmuster 62 aus Gold mit Seiten einer Länge von etwa drei Millimeter und einer gemeinsamen Spitze, zu welcher die Dreiecke zueinander symmetrisch sind. An der Spitze befindet sich ein supraleitendes Tunnelelement 61 der vorliegenden Erfindung.
Supraleitende Vorrichtung umfasst auch eine supraleitende Computervorrichtung. Eine Logikvorrichtung, umfassend ein supraleitendes Sperrschichtelement der vorliegenden Erfindung, eine der supraleitenden Computervorrichtungen, ist in Fig. 8 gezeigt. Die Logikvorrichtung, umfassend das Element 71 der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 8 gezeigt, kann Pulsspannung so gut kontrollieren, dass die Kombination von solchen Logikvorrichtungen einen Speicher oder einen Operator bilden können.
Die supraleitende Vorrichtung der Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele begrenzt und kann auf verschiedene Arten von Apparaturen angewendet werden.

Beispiel 1

Ein supraleitendes Tunnel-Sperrschichtelement wurde aus YSr&sub2;Cu2,7Re0,3O&sub7; als Verbindung für supraleitende Elektroden und Bi&sub2;Sr&sub2;(Ca0,6Y0,4)Cu&sub2;O&sub8; als eine Verbindung für eine Sperrschicht erzeugt. Die Verbindung für supraleitende Elektroden, einer der Supraleiter, welcher ein 123-Struktursupraleiter genannt wird, dargestellt durch die Formel RSr&sub2;(Cu,M)&sub3;O&sub7;, worin R ein Seltenerdeelement und M Mo, W, Re, Ge, Fe, Co, Cr oder Ti darstellt, besitzt eine supraleitende kritische Temperatur (Tc) von etwa 50 K.
Dünne Filme des Elementes wurden durch eine reaktive Dampfphasenabscheidung erzeugt. Die oxidischen dünnen Filme, welche äquivalent zu einer Atomschicht sind, wurden abgeschieden und durch eine Apparatur zur Ausbildung von dünnen Filmen mit Dampfshuttern, einer Ozonstrahlquelle und sechs Dampfquellen von Y, Sr, Ca, Cu, Bi und Re gezüchtet. Die Shutter kontrollierten den Dampf aus jeder Quelle unabhängig voneinander und die Ozonstrahlquelle lieferte Sauerstoff auf eine Substratoberfläche. Die Substratoberfläche war eine (100)-Ebene eines Strontiumtitanats (SrTiO&sub3;), erhitzt auf 650ºC während der Abscheidung.
Ein YSr&sub2;Cu2,7Re0,3O&sub7;-Dünnfilm wurde als untere supraleitende Elektrode auf dem Substrat gebildet. Die Shutter bzw. Verschlüsse waren in der Reihenfolge (Re0,3Cu0,7)→Sr→Cu→Y→Cu→Sr→ (Re0,3Cu0,7) in Zyklen kontrolliert bzw. gesteuert, während das Substrat durch einen Ozonstrahl bestrahlt wurde. Die Durchführung von 80 Zyklen erbrachte eine Schicht von etwa 100 nm der unteren Elektrode. Die Shutter bzw. Verschlussklappen wurden dann in der Reihenfolge Sr→Cu→ (Ca0,6Y0,4)→ Cu→Sr→Ei→Bi→Sr→(Ca0,6Y0,4)→Cu→Sr in Zyklen gesteuert, um einen Dünnfilm von Bi&sub2;Sr&sub2;(Ca0,6Y0,4)Cu&sub2;O&sub8; auf eine Dicke von 2 nm als Sperrschicht abzuscheiden. Die Shutter bzw. Verschlussklappen wurden in der Reihenfolge (Re0,3Cu0,7)→Sr→CuY→Cu→Sr→ (Re0,3Cu0,7) wieder in Zyklen gesteuert, um einen Dünnfilm aus YSr&sub2;Cu2,7Re0,3O&sub7; auf eine Dicke von 50 nm als eine obere Elektrode abzuscheiden. Es wurde bestätigt, dass die c- krystallographische Achse bei allen Dünnfilmen senkrecht zur Oberfläche des Substrates war. Das beschichtete Produkt wurde fein verarbeitet, um einen Übergangs- bzw. Sperrschichtelement zu sein, dessen schematische Queransicht in Fig. 1 gezeigt wurde. Das beschichtete Produkt mit einer Abmessung von 3 um · 3 um auf dem Substrat 10 wurde durch eine Argon-Ätzung herausgeschnitten, um einen Übergang bzw. eine Sperre zu erhalten, umfassend die untere Elektrode 11, die obere Elektrode 12 und die Sperrschicht 13 zwischen den Elektroden. Die Elektroden 11, 12, von welchen Metallelektroden 15 abgeleitet wurden, würden mit einer Isolierungsschicht 14 aus abgeschiedenem CaF&sub2; isoliert.
Der elektrische Widerstand der YSr&sub2;Cu2,7Re0,3O&sub7; Elektrode betrug bei 27 K null. Ein typischer Josephson-Effekt mit einer deutlichen Hysteresekurve wurde gefunden, wie in Fig. 2 gezeigt ist, wenn die Spannung-Strom-Charakteristiken zwischen den beiden Elektroden des Elementes bei 5 K gemessen wurden. Wie oben gezeigt wurde, kann ein zufriedenstellendes supraleitendes Tunnel-Sperrschichtelement mit einem Cu-Oxidsupraleiter, dargestellt durch die Formel RSr&sub2;(Cu,M)&sub3;O&sub7; unter Verwendung der guten Kombination hinsichtlich der Struktur zwischen der supraleitenden Elektrode und der auf 81 basierenden Sperrschicht in Schichtstruktur produziert werden.
Obwohl YSr&sub2;Cu2,7Re0,3O&sub7; für die supraleitende Elektrode bei diesem Beispiel verwendet wurde, kann die Verbindung mit der gleichen Art von Struktur wie YSr&sub2;Cu2,7Re0,3O&sub7; verwendet werden, weil die gute Übereinstimmung erhalten bleibt. Y kann durch ein anderes Seltenerdeelement ersetzt sein oder Ca und Re können durch Mo, W, Ge, Fe, Co, Cr, Ti usw. ersetzt sein. Durch Ersetzen der obigen auf Bi basierenden Verbindung in der Sperrschicht wurde mit einer anderen einfacheren Verbindung, wie Bi&sub2;Sr&sub2;CaCu&sub2;O&sub8;, eine supraleitende Tunnelsperrschicht erzeugt. Durch ersetzen eines Teiles von Ca durch Y, wie die oben beschriebene Verbindung, wurde, bestätigt, dass die Reproduzierbarkeit erhöht wurde. Wenn die durch die Formel Bi&sub2;(Sr,Ca,R³)m+1CumO2m+4 dargestellte Verbindung Verwendet wurde, wurde die Übereinstimmung mit der supraleitenden Elektrode ebenfalls beibehalten.

Beispiel 2

Ein supraleitendes Tunnelelement wurde aus Sr&sub2;CaCu&sub2;O&sub6; (Tc = 80K) als Verbindung für supraleitende Elektroden und Bi&sub2;Sr&sub2;CaCu&sub2;O&sub8; als eine Verbindung für eine Sperrschicht durch das gleiche wie in Beispiel 1 beschriebene Verfahren erzeugt.
Die Shutter bzw. Verschlussklappen wurden in der Reihenfolge Sr→Sr→Cu→Cu→Cu→Sr in Zyklen gesteuert, um eine atomare Schicht des Oxides aufzubauen und einen dünnen Film auf eine Dicke von 100 nm als untere supraleitende Elektrode abzulagern.
Die Verschlussklappen wurden des Weiteren in der Reihenfolge Bi→Bi→Sr→Cu→Ca→Cu→Sr→Bi in Zyklen gesteuert, um eine Sperrschicht abzuscheiden. Die Shutter bzw. Verschlussklappen wurden in der gleichen Reihenfolge wie beim Aufbau der unteren Elektrode gesteuert, um einen dünnen Film auf eine Dicke von 50 nm als obere Elektrode abzuscheiden.
Bei diesem Beispiel wurde der Josephson-Effekt bei einer höheren Temperatur von 30 K beobachtet. Durch Untersuchen des Einflusses der Dicke der Sperrschicht wurde herausgefunden, dass die Sperrschicht mit einer Dicke zwischen 1 nm und 20 nm die Reproduzierbarkeit verbesserte.
Obwohl Sr&sub2;CaCu&sub2;O&sub6; als supraleitende Elektrode in diesem Beispiel verwendet wurde, kann eine Verbindung mit derselben Struktur wie Sr&sub2;CaCu&sub2;O&sub6; verwendet werden, weil die gute Übereinstimmung beibehalten wird. Solche Verbindungen umfassen die Verbindung, welche durch die Formel (3) dargestellt ist, und die Verbindung, welche durch die Formel Srn+1CunO2n+3 dargestellt ist, in welcher alles Ca durch Sr ersetzt ist. Wird ein Teil des Sauerstoffs (O) durch ein Halogen, wie F, Cl und Br, ersetzt, wurde bestätigt, dass die supraleitende Eigenschaft und die Reproduzierbarkeit erhöht waren.
Die oben beschriebenen supraleitenden Elemente sind durch andere Verfahren, wie das unten beschriebene Sputtering, hergestellt.

Beispiel 3

Ein supraleitendes Tunnelelement wurde aus (La0,9Sr0,1)&sub2;CuO&sub4; (Tc = 40K) als Verbindung für supraleitende Elektroden und Bi&sub2;(La0,6Sr0,4)&sub2;CuO&sub6; als eine Verbindung für eine Sperrschicht durch ein Sputterverfahren hergestellt.
Die durch die Formeln (La0,9Sr0,1)&sub2;Cu1,2O4,2 und Bi2,4(La0,6Sr0,4)&sub2;Cu1,2O&sub7; dargestellten Sputter-Targets für jede Schicht wurden in das gleiche Gefäß gesetzt. In einer Argonatmosphäre, umfassend 20% Sauerstoff bei einem Druck von 0,5 Pa, wurden dünne Filme auf dem auf 600ºC erhitzten Substrat durch Sputtern bei einer Leistung von 50 W ausgebildet. Die Schritte des Verfahrens zur Herstellung des Elementes wurden in Fig. 3 gezeigt. Zunächst wurde ein dünner Film aus Bi&sub2;(La0,6Sr0,4)&sub2;CuO&sub6;, eine auf Bi basierende Schichtstrukturverbindung, auf der (100)-Ebene des SrTiO&sub3;-Substrates 31 zu einer Dicke von 50 nm als die Pufferschicht 32 abgeschieden. Dann wurde ein dünner Film aus (La0,9Sr0,1)&sub2;CuO&sub4; auf der Pufferschicht 32 zu einer Dicke von 300 nm als die untere Elektrode 33 abgeschieden. Drittens wurde ein dünner Film aus Bi&sub2;(La0,6Sr0,4)&sub2;CuO&sub6; auf der unteren Elektrode 33 als die Sperrschicht 34 abgeschieden. Viertens wurde ein dünner Film aus (La0,9Sr0,1)&sub2;CuO&sub4; auf der Sperrschicht 34 zu einer Dicke von 100 nm als die obere Elektrode 35 abgeschieden. Die Dicke der Sperrschicht 34 wurde zwischen 0,4 nm und 100 nm ausgewählt. Es wurde bestätigt, dass die c-kristallographische Achse in all den dünnen Filmen senkrecht zur Oberfläche des Substrates war. Der. Sperrschicht- bzw. Übergangsteil 37 wurde durch Argonätzen herausgeschnitten, nachdem ein Photoresistfilm 36 auf einem Bereich von 5 um · 5 um ausgebildet war. Ein dünner Film aus CaF&sub2; wurde als Isolierschicht 38 ausgebildet, bevor die Ag-Elektroden 39 an die Elektroden 33, 35 angeschlossen wurden.
Der elektrische Widerstand der (La0,9Sr0,1)&sub2;CuO&sub4;-Elektrode war bei 38 K null. Eid typischer Josephson-Effekt mit einer deutlichen Hysteresekurve wurde bei 10 K gefunden, wenn die Spannungs-Strom-Charakteristiken zwischen den zwei Elektroden des Elementes mit einer Sperrschicht bei einer Dicke von 1,2 nm gemessen wurde. Ein solcher Josephson-Effekt wurde in guter Reproduzierbarkeit beobachtet, wenn die Dicke der Sperrschicht zwischen 1 nm und 20 nm liegt. Die strukturelle Übereinstimmung zwischen dem Supraleiter und der auf Bi basierenden Sperrschicht sollte so gut sein, dass ein ausreichender Effekt erhalten wurde.
Die kristalline Struktur nahe dem Sperrschicht- bzw. Übergangsteil des Elementes mit einer Sperrschicht mit einer Dicke von 1,2 nm wurde in Fig. 4 gezeigt. Wie aus Fig. 4 gesehen werden kann, passen die kristallinen Strukturen der supraleitenden Elektroden 33, 35 und der Sperrschicht 34 gut zueinander. Es wird davon ausgegangen, dass Übereinstimmung der Struktur es möglich macht, ein zufriedenstellendes Josephson-Sperrschichtelement zu liefern, umfassend den auf Kupferoxid basierenden Supraleiter sowie das Josephson-Sperrschichtelement, umfassend einen metallischen Supraleiter.
Bei Anwendung anderer auf La basierender Supraleiter, wie (La0,7Sr0,3)&sub2;CaCu&sub2;O&sub6;, auf die supraleitende Elektrode, wurde das gleiche wie oben beschriebene Element erzeugt. In einem solchen Fall konnte der Tunneleffekt bei einer hohen Temperatur von 30 K beobachtet werden, aufgrund eines höheren Tc-Wertes des Supraleiters. Wird Bi&sub2;(La0,6Sr0,4)&sub2;CuO&sub6; durch Bi&sub2;(La0,6Sr0,4)&sub2;CaCu&sub2;O&sub8; ersetzt, wurde der gleiche Effekt beobachtet. Obwohl ein anderes Seltenerdeelement La in der Sperrschicht ersetzen konnte, um ein zufriedenstellendes Element zu liefern, lieferte die La enthaltende Sperrschicht die gute Produzierbarkeit. Es konnten auch andere Erdalkalielemente für das Element verwendet werden.

Beispiel 4

Ein supraleitendes Tunnelelement wurde aus (Nd0,8Ce0,2)&sub2;CuO&sub4; (Tc = 30K) als Verbindung für supraleitende Elektroden und aus Bi&sub2;Sr&sub2;CuO&sub6; als eine Verbindung für eine Sperrschicht durch das gleiche wie in Beispiel 3 beschriebene Verfahren erzeugt. Die Dicke der Sperrschicht betrug 2,4 nm. Die dünnen Filme würden bei 500ºC in einer Stickstoffatmosphäre als reduzierende Behandlung wärmebehandelt, um die Supraleitfähigkeit der supraleitenden Elektroden zu verbessern. Der elektrische Widerstand der (Nd0,8Ce0,2)CuO&sub4;-Elektrode betrug bei 25 K null. Ein typischer Josephson-Effekt mit einer deutlichen Hysteresekurve wurde bei 10 K gefunden, wenn die Spannungs-Strom-Charakteristiken zwischen den zwei Elektroden des Elementes gemessen wurden. Das bedeutet, dass die strukturelle Übereinstimmung zwischen dem Supraleiter und der auf Bi basierenden Sperrschicht ebenfalls gut war.
Wenn der Supraleiter durch (Pr0,8Ce0,2)&sub2;CuO&sub4; oder (Nd0,8Sr0,1Ce0,1)&sub2;CuO&sub4; ersetzt wurde, wurde derselbe Effekt beobachtet, wie er oben beschrieben wurde.

Beispiel 5

Ein supraleitendes Tunnelelement wurde aus YBa&sub2;Cu&sub3;C&sub7; als eine Verbindung für supraleitende Elektroden und aus Bi&sub2;Sr&sub2;(Ca0,6Y0,4)Cu&sub2;O&sub8; als eine Verbindung für eine Sperrschicht erzeugt. Die Verbindung für supraleitende Elektroden, einer der Supraleiter, der ein 123-Struktursupraleiter genannt wird, dargestellt durch die Formel R'Ba&sub2;Cu&sub3;O&sub7;, worin R' ein Seltenerdeelement darstellt, besitzt einen Tc-Wert von 94 K.
Der Schichtfilm wurde durch Sputtern in der Reihenfolge eines dünnen Filmes aus YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; zu einer Dicke von 300 nm als die untere Elektrode, einem dünnen Film aus Bi&sub2;Sr&sub2;(Ca0,6Y0,4)Cu&sub2;O&sub8; zu einer Dicke von 10 nm als die Sperrschicht, einem dünnen Film aus YBa&sub2;Cu&sub3;C&sub7; zu einer Dicke von 50 nm als die obere Elektrode auf der (100)-Ebene von SrTiO&sub3; erzeugt. Es war schwer, die Filme mit einer guten Kristallinität zu erzeugen, da häufig Unreinheiten auftraten und die Orientierung der Kristalle häufig gestört war. Im Falle der Substituierung von R'Ba&sub2;Cu&sub3;O&sub7; durch eine HgBa&sub2;Can-1CuO2n+3-Supraleiter konnte das oben beschriebene Problem nicht gelöst werden. Es wurde angenommen, dass das Problem von einer stabilen Verunreinigungsschicht von Ba mit Bi (Ba-Bi-O) herrührt.
Nicht wenige dünne Filme wurden zwischen die zwei Elektroden eingeführt, um die Struktur der dünnen Filme zu stabilisieren. Im Ergebnis wurde gefunden, dass La&sub2;CuO&sub4;, Sr&sub2;CuO&sub3; und ihre festen Lösungen die dünnen Filme stabilisieren, um eine zufriedenstellende Supraleitfähigkeit zu erhalten. Beispielsweise wurde der Schichtfilm durch Sputtern in der Reihenfolge eines dünnen Filmes aus YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; zu einer Dicke von 300 nm als die untere Elektrode, eines dünnen Filmes aus La&sub2;CuO&sub4; zu einer Dicke von 200 nm als die erste Schicht zur strukturellen Stabilisierung, eines dünnen Filmes aus Bi&sub2;Sr&sub2;(Ca0,6Y0,4)Cu&sub2;O&sub8; zu einer Dicke von 10 nm als die Sperrschicht, eines dünnen Filmes aus La&sub2;CuO&sub4; zu einer Dicke von 2 nm als die zweite Schicht zur strukturellen Stabilisierung, eines dünnen Filmes aus YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; zu einer Dicke von 50 nm als die obere Elektrode auf der (100)- Ebene von SrTiO&sub3; erzeugt. Es wurde bestätigt, dass die c- kristallographische Achse in allen dünnen Filmen senkrecht zur Oberfläche des Substrates war. Der Sperrschicht- bzw. Übergangsteil mit einem Bereich von 2 um · 2 um wurde herausgeschnitten, um das Element durch das wie oben beschriebene Verfahren zu erzeugen. Ein typischer Josephson-Effekt mit einer klaren Hysteresekurve wurde bei 80 K gefunden, wenn Spannungs- Strom-Charakteristiken zwischen den zwei Elektroden des Elementes gemessen wurden. Die Charakteristiken des Elementes bei 4,2 K wurden in Fig. 5 gezeigt. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, wurden sechs Hysteresekurven beobachtet, entsprechend der dickeren Sperrschicht bei einer Dicke von 10 nm. Die strukturelle und chemische Übereinstimmung unter dem Supraleiter, der auf Bi basierenden Sperrschicht und der Schicht zwischen den zwei Schichten sollte so gut sein, dass die zufriedenstellende Wirkung und die ausreichende Reproduzierbarkeit erhalten wurde. Die Schichten zur strukturellen Stabilisierung bei einer Dicke zwischen 0,7 nm und 10 nm wurden bevorzugt, sowohl hinsichtlich der strukturellen Stabilisierung, wie auch der Supraleitfähigkeit.
Wurde Y durch ein anderes Seltenerdeelement oder Calcium ersetzt, wurde derselbe Effekt beobachtet, wie er oben beschrieben wurde, da die gute Übereinstimmung beibehalten wurde. Im Falle der Substituierung von La&sub2;CuO&sub4; durch Sr&sub2;CuO&sub3; oder ihren festen Lösungen, dargestellt durch die Formel (La,Sr)&sub2;CuO3+f, welche die gleiche Struktur wie La&sub2;CuO&sub4; besitzen, wurde der gleiche Effekt beobachtet, wie er oben beschrieben wurde.
In den Beispielen 1 bis 4 wurde SrTiO&sub3; auf die Sperrschichten angewendet, um die Elemente zu erzeugen. Es wurden keine Tunnelsperrschicht- bzw. Übergangseffekte beobachtet, jedoch in einigen Fällen Leckströme.

Claims

1. Supraleitendes Tunnelübergangselement, das ein Paar von supraleitenden Elektroden, wovon jede ein gemischtes Oxid als Hauptkomponente umfasst, und eine Grenzschicht zwischen den Elektroden umfasst, wobei die Grenzschicht ein gemischtes Oxid als eine Hauptkomponente umfasst, dargestellt durch die folgende Formel:

Bi&sub2;Am+1CumO2m+4,

worin A wenigstens Sr als Erdalkalimetall und m eine ganze Zahl darstellt, wobei 1 ≤ m ≤ 3 ist, dadurch gekennzeichnet, dass das gemischte Oxid in jeder der supraleitenden Elektroden durch die folgende Formel

YSr&sub2;Cu3-xMxO7-d

dargestellt ist, worin M wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Mo, W, Re, Ge, Fe, Co, Cr und Ti, x einen numerischen Wert von ≤ 0,3 und d einen numerischen Wert zwischen 0 und 1 darstellt.

2. Supraleitendes Tunnelübergangselement, das ein Paar von supraleitenden Elektroden, wovon jede ein gemischtes Oxid als eine Hauptkomponente umfasst, und eine Grenzschicht zwischen den Elektroden umfasst, wobei die Grenzschicht ein gemischtes Oxid als eine Hauptkomponente umfasst, dargestellt durch die folgende Formel:

Bi&sub2;Am+1CumO2m+4,

worin A wenigstes Sr als Erdalkalimetall und m eine ganze Zahl darstellt, mit 1 ≤ m ≤ 3, dadurch gekennzeichnet, dass das gemischte Oxid in jeder der supraleitenden Elektroden durch die folgende Formel dargestellt ist:

Sr&sub2;Can-1CunO2n+2,

worin n eine ganze Zahl darstellt, mit 1 ≤ n ≤ 4.

3. Supraleitendes Tunnelübergangselement, das ein Paar supraleitender Elektroden, wovon jede ein gemischtes Oxid als eine Hauptkomponente umfasst, und eine Grenzschicht zwischen den Elektroden umfasst, wobei die Grenzschicht ein gemischtes Oxid als eine Hauptkomponente umfasst, das durch die folgende Formel dargestellt ist:

Bi&sub2;Am+1CumO2m+4,

worin A wenigstens Sr als Erdalkalimetall und m eine ganze Zahl darstellt, mit 1 ≤ m ≤ 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht f zwischen der supraleitenden Elektrode und der Grenzschicht ausgebildet ist, die eine strukturelle und chemische Übereinstimmung zwischen der Elektrode und der Grenzschicht liefert.

4. Supraleitendes Tunnelübergangselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Dicke der Grenzschicht zwischen 1 nm und 20 nm liegt.

5. Supraleitendes Tunnelübergangselement nach Anspruch 1, worin ein Teil von Y durch Ca ersetzt ist.

6. Supraleitendes Tunnelübergangselement nach Anspruch 2, worin wenigstens ein Teil von Ca durch Sr ersetzt ist.

7. Supraleitendes Tunnelübergangselement nach Anspruch 2, worin ein Teil von Sauerstoff durch wenigstens ein Element ersetzt ist, das aus der aus F, Cl und Br bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

8. Supraleitendes Tunnelübergangselement nach Anspruch 2, worin wenigstens ein Teil von Sr durch wenigstens ein Seltenerdenelement ersetzt ist.

9. Supraleitendes Tunnelübergangselement nach Anspruch 8, worin das Seltenerdenelement aus der Gruppe, die aus La, Nd und Pr besteht, ausgewählt ist.

10. Supraleitendes Tunnelübergangselement nach Anspruch 3, worin die Schicht zur strukturellen Stabilisierung frei von Ba ist.

11. Supraleitendes Tunnelübergangselement nach Anspruch 3, worin die Schicht zur strukturellen Stabilisierung ein gemischtes Oxid als eine Hauptkomponente umfasst, das durch die folgende Formel dargestellt ist:

L&sub2;CuO3+f,

worin L wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe von La und Sr und f einen Zahlenwert zwischen 0 und 1,2 darstellt.

12. Supraleitendes Tunnelübergangselement nach Anspruch 3, worin das gemischte Oxid in jeder der supraleitenden Elektroden durch die folgende Formel dargestellt ist:

R²Ba&sub2;Cu&sub3;O7-e,

worin R² wenigstens ein Seltenerdenelement und e einen numerischen Wert zwischen 0 und 1 darstellt.

13. Supraleitendes Tunnelübergangselement nach Anspruch 3, worin die Schicht zur strukturellen Stabilisierung dünner als die Grenzschicht ist.

14. Supraleitendes Tunnelübergangselement nach Anspruch 3, worin die Dicke der Schicht zur strukturellen Stabilisierung zwischen 0,7 nm und 10 nm liegt.

15. Supraleitendes Tunnelübergangselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin ein Teil des Erdalkalielementes in der Grenzschicht durch wenigstens ein Seltenerdenelement ersetzt ist.

16. Supraleitende Vorrichtung, umfassend ein supraleitendes Tunnelübergangselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3.

17. Verwendung einer supraleitenden Vorrichtung nach Anspruch 16 zur magnetischen Detektion, Übertragung oder Berechnung.