JP2001274469A - 固有ジョセフソン型超伝導トンネル接合素子 - Google Patents
固有ジョセフソン型超伝導トンネル接合素子Info
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】極低温を必要としない酸化物超伝導体を用い
て、エレクトロニクス応用に必要な臨界電流値やステッ
プ電圧の大きさの正確な制御が可能であり、かつ良好か
つ設計通りの特性を有する超伝導トンネル接合素子を提
供する。 【解決手段】一般式（I）；Ｂｉ2-zＰｂzＳｒ2Ｃａn(1-
x)ＲnxＣｕn+1Ｏ2n+6 (n≧1, 0＜x≦0.2 , 0 ≦z≦1
Ｒ；希土類元素）で示される酸化物超伝導体を含有す
る固有ジョセフセン型超伝導トンネル接合素子。
て、エレクトロニクス応用に必要な臨界電流値やステッ
プ電圧の大きさの正確な制御が可能であり、かつ良好か
つ設計通りの特性を有する超伝導トンネル接合素子を提
供する。 【解決手段】一般式（I）；Ｂｉ2-zＰｂzＳｒ2Ｃａn(1-
x)ＲnxＣｕn+1Ｏ2n+6 (n≧1, 0＜x≦0.2 , 0 ≦z≦1
Ｒ；希土類元素）で示される酸化物超伝導体を含有す
る固有ジョセフセン型超伝導トンネル接合素子。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、少なくともビスマ
スを構成元素に含む酸化物超伝導体を用いてなる固有ジ
ョセフソン型超伝導トンネル接合素子に関するものであ
る。
スを構成元素に含む酸化物超伝導体を用いてなる固有ジ
ョセフソン型超伝導トンネル接合素子に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来知られている超伝導トンネル素子
は、概ね、（１）金属超伝導体を使用するものと（２）
酸化物超伝導体を用いるものに大別される。
は、概ね、（１）金属超伝導体を使用するものと（２）
酸化物超伝導体を用いるものに大別される。
【０００３】（１）の金属超伝導体を使用する超伝導ト
ンネル接合素子は、金属の酸化物をバリア層に利用して
おり、実用化されているものもあるが、超伝導臨界温度
が非常に低いため使用環境が著しく限定される欠点をも
つ。
ンネル接合素子は、金属の酸化物をバリア層に利用して
おり、実用化されているものもあるが、超伝導臨界温度
が非常に低いため使用環境が著しく限定される欠点をも
つ。
【０００４】（２）の酸化物超伝導体を使用する超伝導
体トンネル素子特に超伝導臨界温度が８０Ｋ以上である
酸化物超伝導体を用いる接合素子としては、微少な段
差構造を有する基板上に超伝導体を製膜して超伝導体の
段差部分を利用する段差型接合素子、超伝導体の薄膜
中に生じる結晶粒界をバリア層として利用する粒界型接
合素子、絶縁体のバリア層を超伝導体の層で挟んだ積
層型接合素子、およびビスマス系酸化物超伝導体の単
結晶固有の自然超格子結晶構造を利用する固有ジョセフ
ソン接合素子、等が知られている。
体トンネル素子特に超伝導臨界温度が８０Ｋ以上である
酸化物超伝導体を用いる接合素子としては、微少な段
差構造を有する基板上に超伝導体を製膜して超伝導体の
段差部分を利用する段差型接合素子、超伝導体の薄膜
中に生じる結晶粒界をバリア層として利用する粒界型接
合素子、絶縁体のバリア層を超伝導体の層で挟んだ積
層型接合素子、およびビスマス系酸化物超伝導体の単
結晶固有の自然超格子結晶構造を利用する固有ジョセフ
ソン接合素子、等が知られている。
【０００５】ところで、一般に、超伝導トンネル接合を
エレクトロニクス分野で広く利用するためには、極低温
を必要としない材料の選定が必要であるとされている
が、上記酸化物超伝導体はこの要求を少なくとも満足す
るものであるから、盛んに研究開発が行われ、試作品も
数多く試みられているものの、産業上利用できる形で提
供されていないのが現状である。
エレクトロニクス分野で広く利用するためには、極低温
を必要としない材料の選定が必要であるとされている
が、上記酸化物超伝導体はこの要求を少なくとも満足す
るものであるから、盛んに研究開発が行われ、試作品も
数多く試みられているものの、産業上利用できる形で提
供されていないのが現状である。
【０００６】すなわち、上記の従来試作されている酸化
物超伝導体を用いる超伝導トンネル接合素子は、段差型
接合素子、粒界型接合素子及び積層型接合素子では、得
られる特性が、たとえば、電流電圧特性のヒステリシス
カーブがジョセフソン効果に基づく理想的な特性から大
きくかけ離れ、大きな電流値で電圧状態からゼロ電圧状
態に遷移してしまい、エレクトロニクス応用に必要な良
好な特性が得られないという欠点がある。
物超伝導体を用いる超伝導トンネル接合素子は、段差型
接合素子、粒界型接合素子及び積層型接合素子では、得
られる特性が、たとえば、電流電圧特性のヒステリシス
カーブがジョセフソン効果に基づく理想的な特性から大
きくかけ離れ、大きな電流値で電圧状態からゼロ電圧状
態に遷移してしまい、エレクトロニクス応用に必要な良
好な特性が得られないという欠点がある。
【０００７】また、固有ジョセフソン型接合素子では、
電流電圧特性における比例関係（特性カーブの形状）は
一般に良好であるが、臨界電流値やステップ電圧などの
大きさの正確な制御は実現されていない。また、自然超
格子結晶構造を利用するために複数の超伝導トンネル接
合が直列に積層したものとなってしまい、その接合の数
（スタック数）を正確に制御することが容易ではなく、
エレクトロニクス応用においては設計通りの電気的特性
の素子が得られないという問題点がある。
電流電圧特性における比例関係（特性カーブの形状）は
一般に良好であるが、臨界電流値やステップ電圧などの
大きさの正確な制御は実現されていない。また、自然超
格子結晶構造を利用するために複数の超伝導トンネル接
合が直列に積層したものとなってしまい、その接合の数
（スタック数）を正確に制御することが容易ではなく、
エレクトロニクス応用においては設計通りの電気的特性
の素子が得られないという問題点がある。
【０００８】これらの問題点を解決するため、特開平１
０−２３３５３６号公報には、一般式Ｂｉ2Ａm+1Ｃｕm
Ｏ2m+4 (Ａは少なくとも一種のアルカリ土類元素、mは
４以下の整数 ）で表される複合酸化物を主成分とする
バリヤ層を備えた超伝導トンネル型接合素子が開示さ
れ、具体的なバリヤ層としては、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ0.6Ｙ
0.4Ｃｕ2Ｏ8、Ｂｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8、Ｂｉ2（Ｌａ0.
6Ｓｒ0.4)2Ｃｕ1.2Ｏ4.2 、Ｂｉ2Ｓｒ2ＣｕＯ5 が使用
されている。
０−２３３５３６号公報には、一般式Ｂｉ2Ａm+1Ｃｕm
Ｏ2m+4 (Ａは少なくとも一種のアルカリ土類元素、mは
４以下の整数 ）で表される複合酸化物を主成分とする
バリヤ層を備えた超伝導トンネル型接合素子が開示さ
れ、具体的なバリヤ層としては、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ0.6Ｙ
0.4Ｃｕ2Ｏ8、Ｂｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8、Ｂｉ2（Ｌａ0.
6Ｓｒ0.4)2Ｃｕ1.2Ｏ4.2 、Ｂｉ2Ｓｒ2ＣｕＯ5 が使用
されている。
【０００９】この接合素子は明確なヒステリシスを持つ
典型的なジョセフソン特性を示し、良質の超伝導トンネ
ル接合特性を有するものとされているが、上記の絶縁
体のバリア層を超伝導体の層で挟んだ積層の構造による
積層型接合素子に属し、上記の固有ジョセフソン素子
型接合素子とは範疇の異なるものであり、また、臨界電
流値やステップ電圧の大きさの正確な制御は実現されて
おらず、またその接合の数（スタック数）を正確に制御
することが容易ではなく、エレクトロニクス応用におい
ては設計通りの電気的特性の素子が得られないという難
点を依然として包含する。
典型的なジョセフソン特性を示し、良質の超伝導トンネ
ル接合特性を有するものとされているが、上記の絶縁
体のバリア層を超伝導体の層で挟んだ積層の構造による
積層型接合素子に属し、上記の固有ジョセフソン素子
型接合素子とは範疇の異なるものであり、また、臨界電
流値やステップ電圧の大きさの正確な制御は実現されて
おらず、またその接合の数（スタック数）を正確に制御
することが容易ではなく、エレクトロニクス応用におい
ては設計通りの電気的特性の素子が得られないという難
点を依然として包含する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる問題
点に鑑みて、極低温を必要としない酸化物超伝導体を用
いて、エレクトロニクス応用に必要な臨界電流値やステ
ップ電圧の大きさの正確な制御が可能であり、かつ良好
かつ設計通りの特性を有する固有ジョセフソン型超伝導
トンネル接合素子を提供することを目的としている。
点に鑑みて、極低温を必要としない酸化物超伝導体を用
いて、エレクトロニクス応用に必要な臨界電流値やステ
ップ電圧の大きさの正確な制御が可能であり、かつ良好
かつ設計通りの特性を有する固有ジョセフソン型超伝導
トンネル接合素子を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明者らは前記課題を
解決するために、長年研究を進めた結果、ビスマス（Ｂ
ｉ）系の酸化物超伝導体に見られる固有ジョセフソン効
果を酸化物超伝導体の限定した層に限って機能させるに
は、意外にも、特定量の希土類元素特にイットリウム
（Ｙ）を添加した酸化物超伝導体の層を用いることが有
効であることを知見し、本発明を完成するに至った。す
なわち、本発明によれば、第一に、一般式（I）；Ｂｉ2
-zＰｂzＳｒ2Ｃａn(1-x)ＲnxＣｕn+1Ｏ2n+6 (n≧1, 0
＜x≦0.2 , 0≦z≦1.0 , Ｒ；希土類元素）で示され
る酸化物超伝導体を含有することを特徴とする固有ジョ
セフソン型超伝導トンネル接合素子が提供される。第二
に、一般式（I）において、Ｒがイットリウム（Ｙ）で
あることを特徴とする固有ジョセフソン型超伝導トンネ
ル接合素子が提供される。第三に、第一又は第二の発明
において、一般式（I）のnが１であることを特徴とする
固有ジョセフソン型超伝導トンネル接合素子が提供され
る。第四に、第二又は第三の発明において、酸化物超伝
導体からなる層の両面に他の酸化物超伝導体が積層され
ていることを特徴とする固有ジョセフソン型超伝導トン
ネル素子超伝導トンネル接合素子が提供される。第五
に、第四の発明において、他の酸化物超伝導体が、Ｂ
ｉ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｕ及びＯを主成分とするＢｉ 系酸
化物超伝導体であることを特徴とする固有ジョセフソン
型超伝導トンネル接合素子が提供される。第六に、第五
の発明において、Ｂｉ 系酸化物超伝導体の組成が、一
般式（II）；Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2Ｏ8 で表されること
を特徴とする固有ジョセフソン型超伝導トンネル接合素
子が提供される。第七に、第一乃至第六何れかの発明に
おいて、その構造がメサ構造体であることを特徴とする
固有ジョセフソン型超伝導トンネル接合素子が提供され
る。
解決するために、長年研究を進めた結果、ビスマス（Ｂ
ｉ）系の酸化物超伝導体に見られる固有ジョセフソン効
果を酸化物超伝導体の限定した層に限って機能させるに
は、意外にも、特定量の希土類元素特にイットリウム
（Ｙ）を添加した酸化物超伝導体の層を用いることが有
効であることを知見し、本発明を完成するに至った。す
なわち、本発明によれば、第一に、一般式（I）；Ｂｉ2
-zＰｂzＳｒ2Ｃａn(1-x)ＲnxＣｕn+1Ｏ2n+6 (n≧1, 0
＜x≦0.2 , 0≦z≦1.0 , Ｒ；希土類元素）で示され
る酸化物超伝導体を含有することを特徴とする固有ジョ
セフソン型超伝導トンネル接合素子が提供される。第二
に、一般式（I）において、Ｒがイットリウム（Ｙ）で
あることを特徴とする固有ジョセフソン型超伝導トンネ
ル接合素子が提供される。第三に、第一又は第二の発明
において、一般式（I）のnが１であることを特徴とする
固有ジョセフソン型超伝導トンネル接合素子が提供され
る。第四に、第二又は第三の発明において、酸化物超伝
導体からなる層の両面に他の酸化物超伝導体が積層され
ていることを特徴とする固有ジョセフソン型超伝導トン
ネル素子超伝導トンネル接合素子が提供される。第五
に、第四の発明において、他の酸化物超伝導体が、Ｂ
ｉ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｕ及びＯを主成分とするＢｉ 系酸
化物超伝導体であることを特徴とする固有ジョセフソン
型超伝導トンネル接合素子が提供される。第六に、第五
の発明において、Ｂｉ 系酸化物超伝導体の組成が、一
般式（II）；Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2Ｏ8 で表されること
を特徴とする固有ジョセフソン型超伝導トンネル接合素
子が提供される。第七に、第一乃至第六何れかの発明に
おいて、その構造がメサ構造体であることを特徴とする
固有ジョセフソン型超伝導トンネル接合素子が提供され
る。
【００１２】本発明によれば、希土類元素特にイットリ
ウム（Ｙ）の添加量の調整で超伝導トンネル素子の特性
を制御することができ、極低温を必要としない環境で動
作するエレクトロニクス応用に必要な臨界電流値やステ
ップ電圧の大きさの正確な制御が可能であり、かつ良好
かつ設計通りの特性を有する超伝導トンネル接合素子が
実現できる。以下、本発明を更に詳細に説明する。
ウム（Ｙ）の添加量の調整で超伝導トンネル素子の特性
を制御することができ、極低温を必要としない環境で動
作するエレクトロニクス応用に必要な臨界電流値やステ
ップ電圧の大きさの正確な制御が可能であり、かつ良好
かつ設計通りの特性を有する超伝導トンネル接合素子が
実現できる。以下、本発明を更に詳細に説明する。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明の超伝導トンネル接合素子
は、一般式（I）；Ｂｉ2-zＰｂzＳｒ2Ｃａn(1-x)ＲnxＣ
ｕn+1Ｏ2n+6 (n≧1, 0＜x≦0.2 , 0≦z≦1.0 ,Ｒ;希
土類元素 ）で示される酸化物超伝導体を含有すること
を特徴としている。
は、一般式（I）；Ｂｉ2-zＰｂzＳｒ2Ｃａn(1-x)ＲnxＣ
ｕn+1Ｏ2n+6 (n≧1, 0＜x≦0.2 , 0≦z≦1.0 ,Ｒ;希
土類元素 ）で示される酸化物超伝導体を含有すること
を特徴としている。
【００１４】本発明者らは、組成が一般式（III）；Ｂ
ｉ2-zＰｂzＳｒ2ＣａnＣｕn+1Ｏ2n+6（各記号は前記と
同じ）で表されるビスマス系酸化物超伝導体のカルシウ
ム（Ｃａ）の一部をイットリウム（Ｙ）等の希土類元素
で置換した、一般式（I）；Ｂｉ2-zＰｂzＳｒ2Ｃａn(1-
x)ＲnxＣｕn+1Ｏ2n+6 (各記号は前記と同じ。）で表さ
れる単結晶を作製し、これをを用いて固有ジョセフソン
接合を作製したところ、その臨界電流密度及び臨界電圧
が一般式（III）のものと異なる特性が発現するとい
う、予想外の事実を知見した。なお、上記一般式（I）
及び一般式（III）において、酸素（Ｏ）の組成比はＯ2
n+6 で表されるが、これは、基本組成比であって、これ
よりも若干その組成比が変更されたもの、例えばＯ2n+6
+δ(0≦δ≦ 0.5)で表されるものも包含される。
ｉ2-zＰｂzＳｒ2ＣａnＣｕn+1Ｏ2n+6（各記号は前記と
同じ）で表されるビスマス系酸化物超伝導体のカルシウ
ム（Ｃａ）の一部をイットリウム（Ｙ）等の希土類元素
で置換した、一般式（I）；Ｂｉ2-zＰｂzＳｒ2Ｃａn(1-
x)ＲnxＣｕn+1Ｏ2n+6 (各記号は前記と同じ。）で表さ
れる単結晶を作製し、これをを用いて固有ジョセフソン
接合を作製したところ、その臨界電流密度及び臨界電圧
が一般式（III）のものと異なる特性が発現するとい
う、予想外の事実を知見した。なお、上記一般式（I）
及び一般式（III）において、酸素（Ｏ）の組成比はＯ2
n+6 で表されるが、これは、基本組成比であって、これ
よりも若干その組成比が変更されたもの、例えばＯ2n+6
+δ(0≦δ≦ 0.5)で表されるものも包含される。
【００１５】図１及び図２は、その特性変化の様子を表
したものであり、図１はその臨界電流密度の変化を、ま
た図２はそのステップ電圧の変化を明らかにしたもので
ある。図１から、一般式（III−ａ）（一般式IIIにおい
て、zが０のもの）；Ｂｉ2Ｓｒ2ＣａnＣｕn+1Ｏ2n+6で
表されるビスマス系酸化物超伝導体からなる接合素子に
おいて、イットリウム（Ｙ）を添加しない場合、その臨
界電流密度は１．７ｋＡ／ｃｍ2という一定値を示すに
過ぎないが、カルシウム（Ｃａ）の一部をイットリウム
（Ｙ）で置換すると、その置換量に応じて電流密度が連
続的に減少し、その置換量が１０％に達すると、ほぼ０
となることが判る。また、図２から、ジョセフソンの電
圧ステップの大きさは、イットリウム（Ｙ）の置換量が
５％未満の間では徐々に増加し、イットリウム（Ｙ）の
置換量が５％の時にイットリウム（Ｙ）無置換のものの
1.2倍となり、そしてイットリウム（Ｙ）の置換量が５
％を超えると、その増大量とともに電圧ステップは減少
していくことが判る。
したものであり、図１はその臨界電流密度の変化を、ま
た図２はそのステップ電圧の変化を明らかにしたもので
ある。図１から、一般式（III−ａ）（一般式IIIにおい
て、zが０のもの）；Ｂｉ2Ｓｒ2ＣａnＣｕn+1Ｏ2n+6で
表されるビスマス系酸化物超伝導体からなる接合素子に
おいて、イットリウム（Ｙ）を添加しない場合、その臨
界電流密度は１．７ｋＡ／ｃｍ2という一定値を示すに
過ぎないが、カルシウム（Ｃａ）の一部をイットリウム
（Ｙ）で置換すると、その置換量に応じて電流密度が連
続的に減少し、その置換量が１０％に達すると、ほぼ０
となることが判る。また、図２から、ジョセフソンの電
圧ステップの大きさは、イットリウム（Ｙ）の置換量が
５％未満の間では徐々に増加し、イットリウム（Ｙ）の
置換量が５％の時にイットリウム（Ｙ）無置換のものの
1.2倍となり、そしてイットリウム（Ｙ）の置換量が５
％を超えると、その増大量とともに電圧ステップは減少
していくことが判る。
【００１６】なお、本願発明で用いる一般式（I）の固
有ジョセフソン接合の臨界温度は概ね70Ｋ以上であり、
特にＹの置換量が５％以下のものでは８７Ｋ以上であっ
て、その臨界温度は一般式（III−ａ）Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａn
Ｃｕn+1Ｏ2n+6で表されるビスマス系酸化物超伝導体か
らなる接合素子の８８Ｋにほぼ匹敵するものである。
有ジョセフソン接合の臨界温度は概ね70Ｋ以上であり、
特にＹの置換量が５％以下のものでは８７Ｋ以上であっ
て、その臨界温度は一般式（III−ａ）Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａn
Ｃｕn+1Ｏ2n+6で表されるビスマス系酸化物超伝導体か
らなる接合素子の８８Ｋにほぼ匹敵するものである。
【００１７】従って、本発明の、一般式（III）；Ｂｉ2
-zＰｂzＳｒ2ＣａnＣｕn+1Ｏ2n+6で表されるビスマス系
酸化物超伝導体のカルシウム（Ｃａ）を一定量のイット
リウム（Ｙ）等の希土類元素（Ｒ）で置換した、一般式
（I）；Ｂｉ2-zＰｂzＳｒ2Ｃａn(1-x)ＲnxＣｕn+1Ｏ2n+
6 表されるビスマス系酸化物超伝導体は、臨界温度が高
く、かつイットリウム（Ｙ）の置換量を適宜変化させる
ことにより、その臨界電流密度やステップ電圧の自在な
制御が可能となることから、極低温を必要としない酸化
物超伝導体を用いて、エレクトロニクス応用に必要な臨
界電流値やステップ電圧の大きさの正確な制御が可能で
あり、かつ良好かつ設計通りの特性を有する超伝導トン
ネル接合素子を得ることができる。
-zＰｂzＳｒ2ＣａnＣｕn+1Ｏ2n+6で表されるビスマス系
酸化物超伝導体のカルシウム（Ｃａ）を一定量のイット
リウム（Ｙ）等の希土類元素（Ｒ）で置換した、一般式
（I）；Ｂｉ2-zＰｂzＳｒ2Ｃａn(1-x)ＲnxＣｕn+1Ｏ2n+
6 表されるビスマス系酸化物超伝導体は、臨界温度が高
く、かつイットリウム（Ｙ）の置換量を適宜変化させる
ことにより、その臨界電流密度やステップ電圧の自在な
制御が可能となることから、極低温を必要としない酸化
物超伝導体を用いて、エレクトロニクス応用に必要な臨
界電流値やステップ電圧の大きさの正確な制御が可能で
あり、かつ良好かつ設計通りの特性を有する超伝導トン
ネル接合素子を得ることができる。
【００１８】本発明で用いられる超伝導トンネル接合素
子は一般式（I）；Ｂｉ2-zＰｂzＳｒ2Ｃａn(1-x)ＲnxＣ
ｕn+1Ｏ2n+6 (n≧1, 0＜x≦0.2, 0≦z≦1.0 ,Ｒ；希
土類元素 ）で表されるビスマス系酸化物超伝導体を含
有するものである。一般式（I）において、Ｒはイット
リウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、
プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム
（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇ
ｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ディスプロシウム（Ｄ
ｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリ
ウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム
（Ｌｕ）等の希土類元素を示し、好ましくはイットリウ
ム（Ｙ）であり、ｎは１以上の整数、好ましくは１また
は２である。また、本発明において、希土類元素の置換
量であるxは、０超から０．２以下好ましくは０超〜
０．１に規定する必要がある。この理由はxが０である
と、接合全体の臨界電流値が一様になってしまい、限定
された部分のみを動作させることが不可能となり、xが
０．２を超えると超伝導の性質を失い絶縁体となってし
まい、固有ジョセフソン効果を発現しなくなるからであ
る。
子は一般式（I）；Ｂｉ2-zＰｂzＳｒ2Ｃａn(1-x)ＲnxＣ
ｕn+1Ｏ2n+6 (n≧1, 0＜x≦0.2, 0≦z≦1.0 ,Ｒ；希
土類元素 ）で表されるビスマス系酸化物超伝導体を含
有するものである。一般式（I）において、Ｒはイット
リウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、
プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム
（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇ
ｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ディスプロシウム（Ｄ
ｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリ
ウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム
（Ｌｕ）等の希土類元素を示し、好ましくはイットリウ
ム（Ｙ）であり、ｎは１以上の整数、好ましくは１また
は２である。また、本発明において、希土類元素の置換
量であるxは、０超から０．２以下好ましくは０超〜
０．１に規定する必要がある。この理由はxが０である
と、接合全体の臨界電流値が一様になってしまい、限定
された部分のみを動作させることが不可能となり、xが
０．２を超えると超伝導の性質を失い絶縁体となってし
まい、固有ジョセフソン効果を発現しなくなるからであ
る。
【００１９】本発明の固有ジョセフソン型超伝導トンネ
ル接合素子は、前記したように一般式（I）で示され
る、イットリウム（Ｙ）等の希土類元素を特定量含有さ
せたビスマス系酸化物超伝導体を主体とするものである
が、かかる酸化物超伝導体からなる層の両面に他の酸化
物超伝導体が積層されている態様とすることが好まし
い。
ル接合素子は、前記したように一般式（I）で示され
る、イットリウム（Ｙ）等の希土類元素を特定量含有さ
せたビスマス系酸化物超伝導体を主体とするものである
が、かかる酸化物超伝導体からなる層の両面に他の酸化
物超伝導体が積層されている態様とすることが好まし
い。
【００２０】他の酸化物超伝導体としては、従来公知の
ものが全て適用でき、例えば、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｕ
及びＯを主成分とするＢｉ 系酸化物超伝導体、前記Ｂ
ｉ 系酸化物超伝導体のＢｉの一部を鉛（Ｐｂ）で置換
したもの、Ｙ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｏを主成分とするＹ系酸化
物超伝導体、Ｔｌ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｏを主成分とす
るＴｌ系酸化物超伝導体、Ｈｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｏ
を主成分とするＨｇ系酸化物超伝導体、Ｃｕ、Ｂａ、Ｃ
ａ、Ｏを主成分とするＣｕ系酸化物超伝導体等が挙げら
れる。
ものが全て適用でき、例えば、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｕ
及びＯを主成分とするＢｉ 系酸化物超伝導体、前記Ｂ
ｉ 系酸化物超伝導体のＢｉの一部を鉛（Ｐｂ）で置換
したもの、Ｙ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｏを主成分とするＹ系酸化
物超伝導体、Ｔｌ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｏを主成分とす
るＴｌ系酸化物超伝導体、Ｈｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｏ
を主成分とするＨｇ系酸化物超伝導体、Ｃｕ、Ｂａ、Ｃ
ａ、Ｏを主成分とするＣｕ系酸化物超伝導体等が挙げら
れる。
【００２１】本願発明で好ましく使用される他の酸化物
超伝導体は、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｕ及びＯを主成分と
するＢｉ系酸化物超伝導体であり、更に好ましく使用さ
れるＢｉ 系酸化物超伝導体は、その組成が、一般式（I
I）；Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2Ｏ8 で示されるものである
超伝導体は、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｕ及びＯを主成分と
するＢｉ系酸化物超伝導体であり、更に好ましく使用さ
れるＢｉ 系酸化物超伝導体は、その組成が、一般式（I
I）；Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2Ｏ8 で示されるものである
【００２２】このような態様の組み合わせからなる超伝
導体トンネル接合素子は、相の状態が安定で、超伝導体
の作製が容易であり、かつ臨界温度が８０Ｋ以上と高い
という特性を有するので実使用上極めて有利となる。
導体トンネル接合素子は、相の状態が安定で、超伝導体
の作製が容易であり、かつ臨界温度が８０Ｋ以上と高い
という特性を有するので実使用上極めて有利となる。
【００２３】本発明の固有ジョセフソン型超伝導体トン
ネル接合素子の形態は種々の構造体とすることができ
る。このような構造体としては、メサ構造体、プレーナ
ー構造体（超伝導体の結晶のｃ軸の方位が基板と垂直の
もの、超伝導体の結晶のｃ軸の方位が基板と水平のも
の）、イオン注入により一部を絶縁化して得られる構造
体、フォーカスドイオンビームエッチングにより加工し
て得られる形状の構造体が例示されるが、加工の容易さ
および集積化の容易さの点からみた場合メサ構造体とす
ることが好ましい。
ネル接合素子の形態は種々の構造体とすることができ
る。このような構造体としては、メサ構造体、プレーナ
ー構造体（超伝導体の結晶のｃ軸の方位が基板と垂直の
もの、超伝導体の結晶のｃ軸の方位が基板と水平のも
の）、イオン注入により一部を絶縁化して得られる構造
体、フォーカスドイオンビームエッチングにより加工し
て得られる形状の構造体が例示されるが、加工の容易さ
および集積化の容易さの点からみた場合メサ構造体とす
ることが好ましい。
【００２４】本発明の固有ジョセフソン型超伝導トンネ
ル接合素子を作製するには、それぞれの構造に応じて、
それぞれに適した基板を用い、作製する構造に応じた原
料の供給を順番に行い、薄膜が生成するように、それぞ
れの材料に適した温度と供給量を設定して、薄膜を従来
公知の気相成長法やスピン塗布法や液相成長法などによ
り成長させればよい。気相成長法としては、レーザー・
アブレーション、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イ
オン・プレーティング、ＲＦ−マグネトロン・スパッタ
リング、モレキュラー・ビーム・エピタキシー（ＭＢ
Ｅ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ、有機金属
化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）等が挙げられ、またスピン塗布
法としてはゾルゲル法や有機金属分解法などが挙げられ
る。
ル接合素子を作製するには、それぞれの構造に応じて、
それぞれに適した基板を用い、作製する構造に応じた原
料の供給を順番に行い、薄膜が生成するように、それぞ
れの材料に適した温度と供給量を設定して、薄膜を従来
公知の気相成長法やスピン塗布法や液相成長法などによ
り成長させればよい。気相成長法としては、レーザー・
アブレーション、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イ
オン・プレーティング、ＲＦ−マグネトロン・スパッタ
リング、モレキュラー・ビーム・エピタキシー（ＭＢ
Ｅ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ、有機金属
化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）等が挙げられ、またスピン塗布
法としてはゾルゲル法や有機金属分解法などが挙げられ
る。
【００２５】以下、本発明の固有ジョセフソン型超伝導
トンネル接合素子およびその製造方法の好ましい実施形
態を図面を用いて説明する。
トンネル接合素子およびその製造方法の好ましい実施形
態を図面を用いて説明する。
【００２６】図３は、本発明の典型的な固有ジョセフソ
ン型超伝導トンネル接合素子の断面の構造の説明図であ
る。図３において、１および３はビスマス系の酸化物超
伝導体であり、その組成がたとえば化学式Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃ
ａＣｕ2Ｏ8で表される酸化物超伝導体である。１ｍは酸
化物超伝導体１のうちのメサ構造の部分である。２はイ
ットリウム（Ｙ）を添加したビスマス系の酸化物超伝導
体であり、その組成がたとえば化学式Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ1-
xＹxＣｕ2Ｏ8で表される酸化物超伝導体である。４は基
板であり、例えばチタン酸ストロンチウムの結晶を板状
にしたものである。５は該超伝導トンネル接合素子に接
続する１つの電極（下部電極）であり、例えば金（Ａ
ｕ）で形成される。６は該超伝導トンネル接合素子に接
続する他の１つの電極（上部電極）であり、これも同様
に例えばＡｕで形成される。７は、電極５および電極６
を電気的に分離するための絶縁体であり、例えば一酸化
珪素（ＳｉＯ）で形成される。
ン型超伝導トンネル接合素子の断面の構造の説明図であ
る。図３において、１および３はビスマス系の酸化物超
伝導体であり、その組成がたとえば化学式Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃ
ａＣｕ2Ｏ8で表される酸化物超伝導体である。１ｍは酸
化物超伝導体１のうちのメサ構造の部分である。２はイ
ットリウム（Ｙ）を添加したビスマス系の酸化物超伝導
体であり、その組成がたとえば化学式Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ1-
xＹxＣｕ2Ｏ8で表される酸化物超伝導体である。４は基
板であり、例えばチタン酸ストロンチウムの結晶を板状
にしたものである。５は該超伝導トンネル接合素子に接
続する１つの電極（下部電極）であり、例えば金（Ａ
ｕ）で形成される。６は該超伝導トンネル接合素子に接
続する他の１つの電極（上部電極）であり、これも同様
に例えばＡｕで形成される。７は、電極５および電極６
を電気的に分離するための絶縁体であり、例えば一酸化
珪素（ＳｉＯ）で形成される。
【００２７】酸化物超伝導体１は基板４の上に形成され
ており、酸化物超伝導体１の結晶のｃ軸の方向が基板４
の面と垂直であると好適である。イットリウム（Ｙ）を
添加したビスマス系の酸化物超伝導体２は、酸化物超伝
導体１の上に例えばエピタキシャルに形成され、その結
晶の方位は好ましくは酸化物超伝導体１と同じである。
同様に、酸化物超伝導体３は、イットリウム（Ｙ）を添
加したビスマス系の酸化物超伝導体２の上に例えばエピ
タキシャルに形成され、その結晶の方位は好ましくは酸
化物超伝導体２と同じである。
ており、酸化物超伝導体１の結晶のｃ軸の方向が基板４
の面と垂直であると好適である。イットリウム（Ｙ）を
添加したビスマス系の酸化物超伝導体２は、酸化物超伝
導体１の上に例えばエピタキシャルに形成され、その結
晶の方位は好ましくは酸化物超伝導体１と同じである。
同様に、酸化物超伝導体３は、イットリウム（Ｙ）を添
加したビスマス系の酸化物超伝導体２の上に例えばエピ
タキシャルに形成され、その結晶の方位は好ましくは酸
化物超伝導体２と同じである。
【００２８】酸化物超伝導体１から３は、図示するよう
にメサ構造であり、図中の１ｍ，２、および３の部分が
固有ジョセフソン接合を形成している。固有ジョセフソ
ン接合とは、ビスマス系酸化物超伝導体の単結晶固有の
自然超格子結晶構造を利用する接合で、結晶構造中の銅
（Ｃｕ）およびカルシウム（Ｃａ）を含む原子層が超伝
導層として機能し、ビスマス（Ｂｉ）およびストロンチ
ウム（Ｓｒ）を含む原子層が絶縁層として機能する。ビ
スマス系酸化物超伝導体は、銅（Ｃｕ）およびカルシウ
ム（Ｃａ）を含む原子層と、ビスマス（Ｂｉ）およびス
トロンチウム（Ｓｒ）を含む原子層とが交互に積層した
結晶構造であり、結晶のｃ軸方向に天然のジョセフソン
接合が形成されている。なお、固有ジョセフソン接合に
ついての参考文献としては、例えば、ReinholdKleiner
および Paul Muller による「Intrinsic Josephson eff
ects in high-Tc superconductors」（Physical Review
B volume 49, pp. 1327〜1341, 1994年）がある。
にメサ構造であり、図中の１ｍ，２、および３の部分が
固有ジョセフソン接合を形成している。固有ジョセフソ
ン接合とは、ビスマス系酸化物超伝導体の単結晶固有の
自然超格子結晶構造を利用する接合で、結晶構造中の銅
（Ｃｕ）およびカルシウム（Ｃａ）を含む原子層が超伝
導層として機能し、ビスマス（Ｂｉ）およびストロンチ
ウム（Ｓｒ）を含む原子層が絶縁層として機能する。ビ
スマス系酸化物超伝導体は、銅（Ｃｕ）およびカルシウ
ム（Ｃａ）を含む原子層と、ビスマス（Ｂｉ）およびス
トロンチウム（Ｓｒ）を含む原子層とが交互に積層した
結晶構造であり、結晶のｃ軸方向に天然のジョセフソン
接合が形成されている。なお、固有ジョセフソン接合に
ついての参考文献としては、例えば、ReinholdKleiner
および Paul Muller による「Intrinsic Josephson eff
ects in high-Tc superconductors」（Physical Review
B volume 49, pp. 1327〜1341, 1994年）がある。
【００２９】図３に示す構造では、１ｍによる固有ジョ
セフソン接合と、２による固有ジョセフソン接合と、３
による固有ジョセフソン接合とが電気的にも直列に接続
している。図３の構造では、１ｍ，２，３それぞれの接
合の面積は同じである。
セフソン接合と、２による固有ジョセフソン接合と、３
による固有ジョセフソン接合とが電気的にも直列に接続
している。図３の構造では、１ｍ，２，３それぞれの接
合の面積は同じである。
【００３０】固有ジョセフソン接合の電流電圧特性の一
例を図４に示す。図４の（ａ）は、イットリウム（Ｙ）
を添加した場合の固有ジョセフソン接合（図３の構造の
２の部分）の電流電圧特性の例であり、この接合の臨界
電流はIc-a、接合のスタック数は２である。また、図４
の（ｂ）は、イットリウム（Ｙ）を添加しない場合の固
有ジョセフソン接合（図３の構造の１ｍおよび３の部
分）の電流電圧特性の例であり、この接合の臨界電流は
Ic-b、接合のスタック数は５である。（ｂ）の接合に供
給される電流が常にIc-bより小さい場合、この接合には
電圧が発生しない状態（ゼロ電圧状態）を維持してい
る。
例を図４に示す。図４の（ａ）は、イットリウム（Ｙ）
を添加した場合の固有ジョセフソン接合（図３の構造の
２の部分）の電流電圧特性の例であり、この接合の臨界
電流はIc-a、接合のスタック数は２である。また、図４
の（ｂ）は、イットリウム（Ｙ）を添加しない場合の固
有ジョセフソン接合（図３の構造の１ｍおよび３の部
分）の電流電圧特性の例であり、この接合の臨界電流は
Ic-b、接合のスタック数は５である。（ｂ）の接合に供
給される電流が常にIc-bより小さい場合、この接合には
電圧が発生しない状態（ゼロ電圧状態）を維持してい
る。
【００３１】固有ジョセフソン接合のスタック数はメサ
構造部分の高さに対応して決まる。すなわち、イットリ
ウム（Ｙ）を含むＢｉ系酸化物超伝導体２の部分におい
て、Ｓｒ及びＢｉの層の数がスッタク数に対応する。ま
た酸化物超伝導体２の部分において接合の臨界電流Ic-a
はイットリウム（Ｙ）の添加量により減少するので、Ic
-aはIc-bより小さく、イットリウム（Ｙ）の添加量に応
じてIc-aの値が定まる。
構造部分の高さに対応して決まる。すなわち、イットリ
ウム（Ｙ）を含むＢｉ系酸化物超伝導体２の部分におい
て、Ｓｒ及びＢｉの層の数がスッタク数に対応する。ま
た酸化物超伝導体２の部分において接合の臨界電流Ic-a
はイットリウム（Ｙ）の添加量により減少するので、Ic
-aはIc-bより小さく、イットリウム（Ｙ）の添加量に応
じてIc-aの値が定まる。
【００３２】図３の構造の超伝導トンネル接合素子に発
生する電圧は、図４の（ａ）と（ｂ）に示される電流電
圧特性の電圧における和である。従って、該超伝導トン
ネル接合素子に流れる電流が常にIc-bよりも小さいとき
には、図４の（ｂ）の接合、すなわち図１の１ｍおよび
３の部分の接合は、ゼロ電圧状態を保持し、電圧が発生
しない。その結果、該超伝導トンネル接合素子の電流電
圧特性は、（ａ）の電流電圧特性に等しくなる。イット
リウム（Ｙ）を添加した図３の構造の２の部分の厚さを
制御することにより、容易に該超伝導トンネル接合素子
のスタック数が制御でき、接合数が１の場合も容易に実
現できる。
生する電圧は、図４の（ａ）と（ｂ）に示される電流電
圧特性の電圧における和である。従って、該超伝導トン
ネル接合素子に流れる電流が常にIc-bよりも小さいとき
には、図４の（ｂ）の接合、すなわち図１の１ｍおよび
３の部分の接合は、ゼロ電圧状態を保持し、電圧が発生
しない。その結果、該超伝導トンネル接合素子の電流電
圧特性は、（ａ）の電流電圧特性に等しくなる。イット
リウム（Ｙ）を添加した図３の構造の２の部分の厚さを
制御することにより、容易に該超伝導トンネル接合素子
のスタック数が制御でき、接合数が１の場合も容易に実
現できる。
【００３３】このように、超伝導トンネル接合のスタッ
ク数の制御がヘテロ構造膜を構成するイットリウム
（Ｙ）を添加した超伝導体２の厚さのみで制御され、メ
サ構造の高さに依存しないことから、メサ構造の高さは
接合素子の特性にほとんど影響しない
ク数の制御がヘテロ構造膜を構成するイットリウム
（Ｙ）を添加した超伝導体２の厚さのみで制御され、メ
サ構造の高さに依存しないことから、メサ構造の高さは
接合素子の特性にほとんど影響しない
【００３４】従って、本発明の超伝導トンネル接合素子
では、イットリウム（Ｙ）を添加した超伝導体２のイッ
トリウム（Ｙ）の添加量によって接合の臨界電流値、ス
テップ電圧値が制御可能となり、さらにまた、超伝導体
２の厚さによって該超伝導トンネル接合素子のスタック
数が制御できるという優れた特徴が得られる．
では、イットリウム（Ｙ）を添加した超伝導体２のイッ
トリウム（Ｙ）の添加量によって接合の臨界電流値、ス
テップ電圧値が制御可能となり、さらにまた、超伝導体
２の厚さによって該超伝導トンネル接合素子のスタック
数が制御できるという優れた特徴が得られる．
【００３５】次に、本発明の超伝導トンネル接合素子の
製造方法の一実施例を示す。まず、図５に示す構成のヘ
テロ構造の膜を作製する。図５において、４は基板、１
Ｆおよび３Ｆはビスマス系の酸化物超伝導体薄膜であ
り、その組成がたとえば化学式Ｂｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8
で表される酸化物超伝導体で構成される。２Ｆはイット
リウム（Ｙ）を添加したビスマス系の酸化物超伝導体薄
膜であり、その組成がたとえば化学式Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ1-
xＹxＣｕ2Ｏ8で表される酸化物超伝導体で構成される。
基板４は図３に示したものと同じである。
製造方法の一実施例を示す。まず、図５に示す構成のヘ
テロ構造の膜を作製する。図５において、４は基板、１
Ｆおよび３Ｆはビスマス系の酸化物超伝導体薄膜であ
り、その組成がたとえば化学式Ｂｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8
で表される酸化物超伝導体で構成される。２Ｆはイット
リウム（Ｙ）を添加したビスマス系の酸化物超伝導体薄
膜であり、その組成がたとえば化学式Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ1-
xＹxＣｕ2Ｏ8で表される酸化物超伝導体で構成される。
基板４は図３に示したものと同じである。
【００３６】上記のヘテロ構造膜を作製するにあたって
は、種々の製膜装置が用いられるが、真空製膜装置の構
成の一例を図６に示す。
は、種々の製膜装置が用いられるが、真空製膜装置の構
成の一例を図６に示す。
【００３７】図６において、１１は真空容器、４は製膜
対象の基板、１２は基板４上に堆積する各種の原子、１
３は各種の原子１２を供給するための各種原子の発生
源、１４は各種の原子の供給量を製するためのシャッタ
ー、１５は酸化ガスを導入する酸化ガス導入部、１６は
基板４を薄膜作製に適した温度に保持するためのヒータ
ーである。なお、図６においては、薄膜の状態を観察す
る装置、原子の供給量を測定する装置、排気装置等は記
載を省略してある。
対象の基板、１２は基板４上に堆積する各種の原子、１
３は各種の原子１２を供給するための各種原子の発生
源、１４は各種の原子の供給量を製するためのシャッタ
ー、１５は酸化ガスを導入する酸化ガス導入部、１６は
基板４を薄膜作製に適した温度に保持するためのヒータ
ーである。なお、図６においては、薄膜の状態を観察す
る装置、原子の供給量を測定する装置、排気装置等は記
載を省略してある。
【００３８】基板４の表面には、シャッター１４の開閉
により各種原子の発生源１３から膜の構成元素となる各
種の原子１２が適量供給され、原子層が堆積する。この
とき、酸化ガス導入部からオゾンなどの酸化作用のある
ガスが供給され、酸化物が形成される。各種の原子１２
の供給量は、所定の原子層を形成する量の原子が供給さ
れるように制御される。なお、この供給量の制御は、特
開平１０−１３２７３６号公報に公開されている、本発
明者による「原子吸光分光法による真空製膜装置内の照
射原子数量測定方法」を用いることもできる。
により各種原子の発生源１３から膜の構成元素となる各
種の原子１２が適量供給され、原子層が堆積する。この
とき、酸化ガス導入部からオゾンなどの酸化作用のある
ガスが供給され、酸化物が形成される。各種の原子１２
の供給量は、所定の原子層を形成する量の原子が供給さ
れるように制御される。なお、この供給量の制御は、特
開平１０−１３２７３６号公報に公開されている、本発
明者による「原子吸光分光法による真空製膜装置内の照
射原子数量測定方法」を用いることもできる。
【００３９】上記の真空製膜装置を用いる方法で酸化物
超伝導体の薄膜を作製する場合、酸素（Ｏ）以外の薄膜
構成元素を１種類づつ逐次供給する方法と、薄膜を構成
する元素を複数同時に供給する方法がある。逐次供給の
方法では、シャッターの開閉順序は次のようにすればよ
い。
超伝導体の薄膜を作製する場合、酸素（Ｏ）以外の薄膜
構成元素を１種類づつ逐次供給する方法と、薄膜を構成
する元素を複数同時に供給する方法がある。逐次供給の
方法では、シャッターの開閉順序は次のようにすればよ
い。
【００４０】酸化物超伝導体薄膜１Ｆおよび３Ｆを作製
する場合、原子の発生源のシャッター１４の開閉を、Ｂ
ｉ→Ｓｒ→Ｃｕ→Ｃａ→Ｃｕ→Ｓｒの順序でシャッター
１４が開となるように制御し、この順序の開閉を繰り返
すことで、繰り返しの回数に対応した膜厚の製膜ができ
る。
する場合、原子の発生源のシャッター１４の開閉を、Ｂ
ｉ→Ｓｒ→Ｃｕ→Ｃａ→Ｃｕ→Ｓｒの順序でシャッター
１４が開となるように制御し、この順序の開閉を繰り返
すことで、繰り返しの回数に対応した膜厚の製膜ができ
る。
【００４１】酸化物超伝導体薄膜２Ｆを作製する場合、
シャッター１４の開閉を、Ｂｉ→Ｓｒ→Ｃｕ→Ｃａ→Ｙ
→Ｃｕ→Ｓｒの順序で原子の発生源のシャッターが開と
なるように制御し、この順序の開閉を繰り返すことで、
繰り返しの回数に対応した膜厚の製膜ができる。このと
き、ＣａとＹの順序は逆であってもよい。
シャッター１４の開閉を、Ｂｉ→Ｓｒ→Ｃｕ→Ｃａ→Ｙ
→Ｃｕ→Ｓｒの順序で原子の発生源のシャッターが開と
なるように制御し、この順序の開閉を繰り返すことで、
繰り返しの回数に対応した膜厚の製膜ができる。このと
き、ＣａとＹの順序は逆であってもよい。
【００４２】同時供給の方法では、イットリウム（Ｙ）
を含まない酸化物超伝導体薄膜１Ｆおよび３Ｆを作製す
る場合と、イットリウム（Ｙ）を含む酸化物超伝導体薄
膜２Ｆを作製する場合で、組成に対応して供給する原子
の種類および量を変更する。例えば、レーザーアブレー
ション法による場合には、イットリウム（Ｙ）を含むも
のと含まないものとの２種類の組成のターゲット（原子
の発生源）を用意して、薄膜の種類に応じてターゲット
を交換して製膜する。
を含まない酸化物超伝導体薄膜１Ｆおよび３Ｆを作製す
る場合と、イットリウム（Ｙ）を含む酸化物超伝導体薄
膜２Ｆを作製する場合で、組成に対応して供給する原子
の種類および量を変更する。例えば、レーザーアブレー
ション法による場合には、イットリウム（Ｙ）を含むも
のと含まないものとの２種類の組成のターゲット（原子
の発生源）を用意して、薄膜の種類に応じてターゲット
を交換して製膜する。
【００４３】このようにして、図５の構造のヘテロ構造
薄膜が作製される。さらにまた、このヘテロ構造薄膜上
に金（Ａｕ）等を用いた保護膜を形成すると、その後の
超伝導トンネル接合製造工程における超伝導体の劣化を
防止することができるので好ましい。なお、基板４と酸
化物超伝導体薄膜１Ｆの間には適当なバッファー層を設
けてもよい。
薄膜が作製される。さらにまた、このヘテロ構造薄膜上
に金（Ａｕ）等を用いた保護膜を形成すると、その後の
超伝導トンネル接合製造工程における超伝導体の劣化を
防止することができるので好ましい。なお、基板４と酸
化物超伝導体薄膜１Ｆの間には適当なバッファー層を設
けてもよい。
【００４４】次に、フォトリソグラフィーの技術を用い
て、図５の構造のヘテロ構造薄膜を加工し、図３の構造
の超伝導トンネル接合素子を作製する。すなわち、該ヘ
テロ構造薄膜上にフォトレジストによるメサ構造部分の
パターンを形成し、アルゴンイオンミリング等のドライ
エッチング技術、あるいは、ヨウ素を含む溶液を用いる
ウエットエッチング技術を用いてメサ構造部分を形成す
る。また、同様にフォトリソグラフィーの技術を用い
て、絶縁体７、電極５および６を形成する。絶縁体７を
形成する場合、メサ構造部分のフォトレジストのパター
ンをそのまま用いてセルフアライメントの技術を用いて
もよい。
て、図５の構造のヘテロ構造薄膜を加工し、図３の構造
の超伝導トンネル接合素子を作製する。すなわち、該ヘ
テロ構造薄膜上にフォトレジストによるメサ構造部分の
パターンを形成し、アルゴンイオンミリング等のドライ
エッチング技術、あるいは、ヨウ素を含む溶液を用いる
ウエットエッチング技術を用いてメサ構造部分を形成す
る。また、同様にフォトリソグラフィーの技術を用い
て、絶縁体７、電極５および６を形成する。絶縁体７を
形成する場合、メサ構造部分のフォトレジストのパター
ンをそのまま用いてセルフアライメントの技術を用いて
もよい。
【００４５】以上の手順によって、超伝導トンネル接合
を製造することができる。ここで、イットリウム（Ｙ）
の添加量の調整で超伝導トンネル素子の特性を制御する
ことができ、超伝導トンネル接合のスタック数の制御が
イットリウム（Ｙ）を添加した酸化物超伝導体薄膜２Ｆ
の厚さのみで制御可能であり、メサ構造の高さに依存し
ないことから、メサ構造作製時のエッチング深さ制御は
従来のように高い制度を必要とせず、このため、従来よ
り飛躍的に容易にメサ構造の作製が可能となる。
を製造することができる。ここで、イットリウム（Ｙ）
の添加量の調整で超伝導トンネル素子の特性を制御する
ことができ、超伝導トンネル接合のスタック数の制御が
イットリウム（Ｙ）を添加した酸化物超伝導体薄膜２Ｆ
の厚さのみで制御可能であり、メサ構造の高さに依存し
ないことから、メサ構造作製時のエッチング深さ制御は
従来のように高い制度を必要とせず、このため、従来よ
り飛躍的に容易にメサ構造の作製が可能となる。
【００４６】また、図３における酸化物超伝導体１およ
び３は、イットリウム（Ｙ）を含まないビスマス系酸化
物超伝導体に限らず、イットリウム（Ｙ）を含むビスマ
ス系酸化物超伝導体２に対してエピタキシャルに結晶成
長する任意の酸化物超伝導体であってもよい。このと
き、酸化物超伝導体１および３の結晶の方位は、酸化物
超伝導体２の結晶の方位と異なっていてもよい。
び３は、イットリウム（Ｙ）を含まないビスマス系酸化
物超伝導体に限らず、イットリウム（Ｙ）を含むビスマ
ス系酸化物超伝導体２に対してエピタキシャルに結晶成
長する任意の酸化物超伝導体であってもよい。このと
き、酸化物超伝導体１および３の結晶の方位は、酸化物
超伝導体２の結晶の方位と異なっていてもよい。
【００４７】また、超伝導トンネル接合素子の製造方法
においても同様であり、図５におけるヘテロ構造膜中の
酸化物超伝導体薄膜１Ｆおよび３Ｆが、イットリウム
（Ｙ）を含むビスマス系酸化物超伝導体薄膜２Ｆに対し
てエピタキシャルに結晶成長する任意の酸化物超伝導体
であってもよい。
においても同様であり、図５におけるヘテロ構造膜中の
酸化物超伝導体薄膜１Ｆおよび３Ｆが、イットリウム
（Ｙ）を含むビスマス系酸化物超伝導体薄膜２Ｆに対し
てエピタキシャルに結晶成長する任意の酸化物超伝導体
であってもよい。
【００４８】かかる実施例によれば、前述の実施例と同
様に優れた特性を有する超伝導トンネル接合素子および
その製造法が実現できる。
様に優れた特性を有する超伝導トンネル接合素子および
その製造法が実現できる。
【００４９】以上の実施例で述べたビスマス系酸化物超
伝導体は、鉛（Ｐｂ）を含まないものであったが、言う
までもなく、ビスマス（Ｂｉ）の一部をＰｂに置換した
酸化物超伝導体であってもよい。
伝導体は、鉛（Ｐｂ）を含まないものであったが、言う
までもなく、ビスマス（Ｂｉ）の一部をＰｂに置換した
酸化物超伝導体であってもよい。
【００５０】
【発明の効果】本発明によれば、ビスマス系の酸化物超
伝導体に見られる固有ジョセフソン効果を酸化物超伝導
体の限定した層に限って機能するようにイットリウムな
どの希土類を特定量添加した酸化物超伝導体の層を用い
ることで、極低温を必要としない環境で動作するエレク
トロニクス応用に必要な、臨界電流値やステップ電圧の
大きさの正確な制御が可能であり、かつ良好かつ設計通
りの特性を有する超伝導トンネル接合素子を得ることが
できる。さらにまた、イットリウム（Ｙ）等の希土類元
素の添加量の調整で超伝導トンネル素子の特性を制御す
ることができ、超伝導トンネル接合のスタック数の制御
がヘテロ構造膜を構成するイットリウム（Ｙ）を添加し
た薄膜２Ｆの厚さのみで制御可能であり、しかもこれら
の特性はメサ構造の高さに依存しないことから、メサ構
造の作製が従来より飛躍的に容易になるという更なる効
果がある。また、電極／配線の材料などにビスマス系酸
化物超伝導体以外の酸化物超伝導体を用いる場合には、
超伝導トンネル接合素子を構成する酸化物超伝導体１お
よび３と電極／配線の部分を一体に構成可能となり、超
伝導トンネル接合を用いた電子回路の構成が簡単化さ
れ、該電子回路の製造をも容易にするといった効果が奏
される。
伝導体に見られる固有ジョセフソン効果を酸化物超伝導
体の限定した層に限って機能するようにイットリウムな
どの希土類を特定量添加した酸化物超伝導体の層を用い
ることで、極低温を必要としない環境で動作するエレク
トロニクス応用に必要な、臨界電流値やステップ電圧の
大きさの正確な制御が可能であり、かつ良好かつ設計通
りの特性を有する超伝導トンネル接合素子を得ることが
できる。さらにまた、イットリウム（Ｙ）等の希土類元
素の添加量の調整で超伝導トンネル素子の特性を制御す
ることができ、超伝導トンネル接合のスタック数の制御
がヘテロ構造膜を構成するイットリウム（Ｙ）を添加し
た薄膜２Ｆの厚さのみで制御可能であり、しかもこれら
の特性はメサ構造の高さに依存しないことから、メサ構
造の作製が従来より飛躍的に容易になるという更なる効
果がある。また、電極／配線の材料などにビスマス系酸
化物超伝導体以外の酸化物超伝導体を用いる場合には、
超伝導トンネル接合素子を構成する酸化物超伝導体１お
よび３と電極／配線の部分を一体に構成可能となり、超
伝導トンネル接合を用いた電子回路の構成が簡単化さ
れ、該電子回路の製造をも容易にするといった効果が奏
される。
【図１】ビスマス系酸化物超伝導体のＣａの一部をイッ
トリウム（Ｙ）で置換した場合の固有ジョセフソン効果
における臨界電流密度の変化についての実験結果を示す
図である。
トリウム（Ｙ）で置換した場合の固有ジョセフソン効果
における臨界電流密度の変化についての実験結果を示す
図である。
【図２】ビスマス系酸化物超伝導体のＣａの一部をイッ
トリウム（Ｙ）で置換した場合の固有ジョセフソン効果
におけるスッテプ電圧の変化についての実験結果を示す
図である。
トリウム（Ｙ）で置換した場合の固有ジョセフソン効果
におけるスッテプ電圧の変化についての実験結果を示す
図である。
【図３】本発明に係る固有ジョソフソン型超伝導トンネ
ル接合素子の断面の構造を説明する図である。
ル接合素子の断面の構造を説明する図である。
【図４】本発明に係る固有ジョセフソン接合の電流電圧
特性の一例を模式的に示す図であり、（ａ）は、イット
リウム（Ｙ）を添加した場合の固有ジョセフソン接合の
電流電圧特性の例であり、（ｂ）は、イットリウム
（Ｙ）を添加しない場合の固有ジョセフソン接合の電流
電圧特性の例である。
特性の一例を模式的に示す図であり、（ａ）は、イット
リウム（Ｙ）を添加した場合の固有ジョセフソン接合の
電流電圧特性の例であり、（ｂ）は、イットリウム
（Ｙ）を添加しない場合の固有ジョセフソン接合の電流
電圧特性の例である。
【図５】本発明に係る固有ジョソフソン型超伝導トンネ
ル接合素子を製造する際に最初に作製する酸化物超伝導
体のヘテロ構造膜の断面の構造を説明する図である。
ル接合素子を製造する際に最初に作製する酸化物超伝導
体のヘテロ構造膜の断面の構造を説明する図である。
【図６】本発明に係る固有ジョセフソン型超伝導トンネ
ル接合素子を製造する際に用いる真空製膜装置の構成の
一例を説明する図である。
ル接合素子を製造する際に用いる真空製膜装置の構成の
一例を説明する図である。
１、３；イットリウム（Ｙ）を含まないビスマス系酸化
物超伝導体 ２；イットリウム（Ｙ）を含むビスマス系酸化物超伝導
体 ４； 基板 ５、６； 電極 ７； 絶縁体 １Ｆ、３Ｆ；イットリウム（Ｙ）を含まないビスマス系
酸化物超伝導体薄膜 ２Ｆ；イットリウム（Ｙ）を含むビスマス系酸化物超伝
導体薄膜 １１； 真空容器 １２； 原子 １３； 原子の発生源 １４； シャッター １５； 酸化ガス導入部 １６； ヒーター
物超伝導体 ２；イットリウム（Ｙ）を含むビスマス系酸化物超伝導
体 ４； 基板 ５、６； 電極 ７； 絶縁体 １Ｆ、３Ｆ；イットリウム（Ｙ）を含まないビスマス系
酸化物超伝導体薄膜 ２Ｆ；イットリウム（Ｙ）を含むビスマス系酸化物超伝
導体薄膜 １１； 真空容器 １２； 原子 １３； 原子の発生源 １４； シャッター １５； 酸化ガス導入部 １６； ヒーター
Claims (7)
- 【請求項１】一般式（I）；Ｂｉ2-zＰｂzＳｒ2Ｃａn(1-
x)ＲnxＣｕn+1Ｏ2n+6 (n≧1, 0＜x≦0.2, 0≦z≦1.0,
Ｒ；希土類元素 ）で示される酸化物超伝導体を含有
することを特徴とする固有ジョセフソン型超伝導トンネ
ル接合素子。 - 【請求項２】一般式（I）において、Ｒがイットリウム
（Ｙ）であることを特徴とする請求項１の固有ジョソフ
ソン型超伝導トンネル接合素子 - 【請求項３】一般式（I）において、nが１であることを
特徴とする請求項１又は２の固有ジョセフソン型超伝導
トンネル接合素子。 - 【請求項４】請求項１乃至３何れか記載の固有ジョセフ
ソン型超伝導トンネル接合素子において、酸化物超伝導
体からなる層の両面に他の酸化物超伝導体が積層されて
いることを特徴とする固有ジョセフソン型超伝導トンネ
ル接合素子。 - 【請求項５】請求項４の固有ジョセフソン型超伝導トン
ネル接合素子において、他の酸化物超伝導体が、Ｂｉ、
Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｕ及びＯを主成分とするＢｉ 系酸化物
超伝導体であることを特徴とする固有ジョセフソン型超
伝導トンネル接合素子。 - 【請求項６】請求項５の固有ジョセフソン型超伝導トン
ネル接合素子において、Ｂｉ 系酸化物超伝導体の組成
が、一般式（II）；Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2Ｏ8 で表され
ることを特徴とする固有ジョセフソン型超伝導トンネル
接合素子。 - 【請求項７】請求項１乃至６何れかの記載の固有ジョセ
フソン型超伝導トンネル接合素子において、その構造が
メサ構造体であることを特徴とする固有ジョセフソン型
超伝導トンネル接合素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000084421A JP3328698B2 (ja) | 2000-03-24 | 2000-03-24 | 固有ジョセフソン型超伝導トンネル接合素子 |
| US09/746,767 US6441394B2 (en) | 2000-03-24 | 2000-12-26 | Intrinsic Josephson superconducting tunnel junction device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000084421A JP3328698B2 (ja) | 2000-03-24 | 2000-03-24 | 固有ジョセフソン型超伝導トンネル接合素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001274469A true JP2001274469A (ja) | 2001-10-05 |
| JP3328698B2 JP3328698B2 (ja) | 2002-09-30 |
Family
ID=18600900
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000084421A Expired - Lifetime JP3328698B2 (ja) | 2000-03-24 | 2000-03-24 | 固有ジョセフソン型超伝導トンネル接合素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6441394B2 (ja) |
| JP (1) | JP3328698B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4711249B2 (ja) * | 2002-08-01 | 2011-06-29 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 超伝導集積回路及びその作製方法 |
| US10840295B2 (en) | 2019-04-17 | 2020-11-17 | International Business Machines Corporation | Fluxonium qubits and devices including plurality of vertical stacks of Josephson junctions |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0442210B1 (en) * | 1990-02-13 | 1996-03-06 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Bi oxide superconductors |
| EP0562601A1 (en) * | 1992-03-27 | 1993-09-29 | Hitachi, Ltd. | Oxide superconductors |
| US5401717A (en) * | 1992-09-28 | 1995-03-28 | General Electric Company | Elongate bismuth system superconductor having aligned 2212 phase |
| JPH10233536A (ja) | 1996-07-09 | 1998-09-02 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | トンネル型超伝導接合素子および超伝導デバイス |
| JPH10132736A (ja) | 1996-10-28 | 1998-05-22 | Agency Of Ind Science & Technol | 原子吸光分光法による真空製膜装置内の照射原子数量測定方法 |
-
2000
- 2000-03-24 JP JP2000084421A patent/JP3328698B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 2000-12-26 US US09/746,767 patent/US6441394B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20010050362A1 (en) | 2001-12-13 |
| JP3328698B2 (ja) | 2002-09-30 |
| US6441394B2 (en) | 2002-08-27 |
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