JP2003264319A - High temperature superconducting josephson junction and superconducting electronic device having it - Google Patents

High temperature superconducting josephson junction and superconducting electronic device having it

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JP2003264319A
JP2003264319A JP2002064448A JP2002064448A JP2003264319A JP 2003264319 A JP2003264319 A JP 2003264319A JP 2002064448 A JP2002064448 A JP 2002064448A JP 2002064448 A JP2002064448 A JP 2002064448A JP 2003264319 A JP2003264319 A JP 2003264319A
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JP
Japan
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superconductor
josephson junction
barrier layer
layer
superconducting
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Application number
JP2002064448A
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Japanese (ja)
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Seiji Adachi
成司 安達
Hironori Wakana
裕紀 若菜
Keiichi Tanabe
圭一 田辺
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Original Assignee
International Superconductivity Technology Center
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high temperature superconducting Josephson junction in which a variation in characteristics of Josephson junction is suppressed and the characteristics and reliability of a product employing the Josephson junction can be enhanced, and a superconducting electronic device employing it. <P>SOLUTION: The inventive high temperature superconducting Josephson junction sandwiches a barrier layer 5 by two superconductors 2 and 4 wherein the superconductors 2 and 4 contain one or more kinds of elements selected from among Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu, one or more kinds of elements selected from among Ba, Sr and Ca, Cu and oxygen, and the barrier layer 5 contains one or more kinds of elements selected from among La, Nd, Sm and Eu, and one or more kinds of elements selected from among Y, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は高温超電導ジョセフ
ソン接合及びそれを備えた超電導電子デバイスに係わ
り、特に、複数のジョセフソン接合を有するチップ等の
超電導電子デバイスに適用した場合に、これらのジョセ
フソン接合のばらつきを小さくすることで、このチップ
等を用いた製品の特性及び信頼性を向上させることが可
能な高温超電導ジョセフソン接合、及びこの高温超電導
ジョセフソン接合を備えた超電導電子デバイスに関する
ものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-temperature superconducting Josephson junction and a superconducting device having the same, and particularly when applied to a superconducting device such as a chip having a plurality of Josephson junctions. A high-temperature superconducting Josephson junction capable of improving the characteristics and reliability of a product using this chip by reducing the variation of the Son-junction, and a superconducting device having the high-temperature superconducting Josephson junction Is.

【0002】[0002]

【従来の技術】超電導体は、(1)電気抵抗がゼロ、
(2)完全反磁性、(3)ジョセフソン効果等、他の物
質にはない特性を有しているために、電力輸送、発電
機、核融合プラズマ閉じ込め、磁気浮上車両、磁気シー
ルド、超高感度磁気センサ、マイクロ波高速通信素子、
高速コンピュータ等への幅広い応用が期待されている。
従来、NbTi、Nb3Sn等の超電導転移温度(T
c)が低い超電導体しか知られていなかったが、198
6年にベドノルツ(Bednorz)とミューラー(Mueller)
により約30Kという超電導転移温度(Tc)を有する
銅酸化物高温超電導体(La1-xBax2CuO4が発見
された(J.G.Bednorz and K.A.Mueller: Z. Phys. B64,
189 (1986))。
2. Description of the Related Art Superconductors have (1) zero electrical resistance,
(2) Perfect diamagnetism, (3) Josephson effect, and other properties that other materials do not have, so power transport, generator, fusion plasma confinement, magnetic levitation vehicle, magnetic shield, ultra high Sensitive magnetic sensor, microwave high speed communication device,
Wide application to high-speed computers is expected.
Conventionally, the superconducting transition temperature (Tb) of NbTi, Nb 3 Sn
Only superconductors with low c) were known, but 198
In 6 years Bednorz and Mueller
Discovered a copper oxide high temperature superconductor (La 1-x Ba x ) 2 CuO 4 having a superconducting transition temperature (Tc) of about 30 K (JGBednorz and KAMueller: Z. Phys. B64,
189 (1986)).

【0003】それ以後、YBa2Cu3y(Tc=90
K)、Bi2Sr2Ca2Cu3y(Tc=110K)、
Tl2Ba2Ca2Cu3y(Tc=125K)、HgB
2Ca 2Cu3y(Tc=135K)等、相次いで高い
超電導転移温度(H−Tc)を有する酸化物高温超電導
体が報告され、現在では、これらの物質の製法、物性、
応用等に関して多くの研究がなされ、報告されている。
なかでも、YBa2Cu3y高温超電導体はTlやHg
のような有害な元素を含まず、しかも比較的異方性の小
さな超電導体であることから、電子デバイスや線材の実
用材料として最も有望視されている。
After that, YBa2Cu3Oy(Tc = 90
K), Bi2Sr2Ca2Cu3Oy(Tc = 110K),
Tl2Ba2Ca2Cu3Oy(Tc = 125K), HgB
a2Ca 2Cu3Oy(Tc = 135K) etc.
Oxide high temperature superconductivity having superconducting transition temperature (H-Tc)
The body was reported, and now the manufacturing process, physical properties,
Many studies have been made and reported on applications and the like.
Among them, YBa2Cu3OyHigh temperature superconductor is Tl or Hg
It does not contain harmful elements such as
Since it is a superconductor, it can be used for electronic devices and wire rods.
It is regarded as the most promising material for materials.

【0004】電子デバイスへの応用例として、ジョセフ
ソン効果を利用したジョセフソン素子があるが、この素
子では薄膜技術を用いたジョセフソン接合作製技術が必
要となる。酸化物高温超電導体のジョセフソン接合とし
ては、バイクリスタル接合、バイエピタキシャル接合、
ステップエッジ接合、ブリッジ接合、ランプエッジ接
合、積層接合等、様々な構造のジョセフソン接合が提案
されている(高田進:応用物理 62, 443 (1993))。な
かでも、ランプエッジ接合は、一対の酸化物高温超電導
体間にトンネルバリア層を斜めに形成した構造で、トン
ネルバリア層がスイッチング時の駆動能力が大きく、臨
界電流がトンネルバリア層の厚み制御で変えられること
もあって有望視されている(日高睦夫、佐藤哲朗、田原
修一:応用物理 67 1167 (1998))。
As an application example to an electronic device, there is a Josephson element utilizing the Josephson effect, but this element requires a Josephson junction fabrication technique using a thin film technique. As Josephson junctions for oxide high-temperature superconductors, bicrystal junctions, bi-epitaxial junctions,
Josephson junctions with various structures such as step edge junction, bridge junction, ramp edge junction, and laminated junction have been proposed (Susumu Takada: Applied Physics 62, 443 (1993)). Among them, the ramp edge junction has a structure in which a tunnel barrier layer is obliquely formed between a pair of high-temperature oxide superconductors, the tunnel barrier layer has a large driving capability during switching, and the critical current is a factor for controlling the thickness of the tunnel barrier layer. It is promising because it can be changed (Mitsuo Hidaka, Tetsuro Sato, Shuichi Tahara: Applied Physics 67 1167 (1998)).

【0005】ジョセフソン接合の性能を示す指標の一つ
としてIcRn積がある。このIcRn積は、ある温度
において超電導状態で流れることのできる最大の電流値
(臨界電流値:Ic)と、超電導状態が壊れて常伝導状
態となった際の抵抗率(Rn)を接合の大きさで規格化
した値であり、定性的にはスイッチング時の信号の大き
さを表す指標となる。このIcRn積が大きい程、高速
の動作が可能となる。上記のランプエッジ接合は、他の
構造のジョセフソン接合に比ベて大きなIcRn積が得
られる。このランプエッジ接合の例としては、トンネル
バリア層にPrBa2Cu3y(PBCO)を、上下の
電極となる高温超電導体にYBa2Cu 3y(YBC
O)をそれぞれ用いたものが提案されている。
One of the indicators showing the performance of the Josephson junction
Is the IcRn product. This IcRn product is a certain temperature
Maximum value of current that can flow in superconducting state at
(Critical current value: Ic), the superconducting state is broken and the state is normal.
Standardized the resistance (Rn) when the condition is reached.
Qualitatively, the signal magnitude during switching is qualitatively
It is an index that shows the quality. The larger this IcRn product, the faster
Can be operated. The above lamp edge joint is
A large IcRn product is obtained compared to the Josephson junction of the structure
To be An example of this ramp edge junction is a tunnel
PrBa for the barrier layer2Cu3Oy(PBCO)
YBa is used for the high temperature superconductor that becomes the electrode.2Cu 3Oy(YBC
O) has been proposed.

【0006】一方、積層接合は、酸化物高温超電導体
層、トンネルバリア層、酸化物高温超電導体層を順次積
層した構造であり、将来的な大規模集積化に有利な構造
として研究が続けられている。これらランプエッジ接合
及び積層接合においては、トンネルバリア層として、P
rBa2Cu3y(PBCO)層、NbドープSrTi
3層、プロセス時の損傷層等が用いられている。ここ
で、トンネルバリア層を形成するために、特に薄膜を堆
積させる場合を「人工バリア」と称し、薄膜を堆積せず
にプロセス途中のイオン照射による表面損傷層を利用す
る場合を「プロセス時の損傷層を用いたジョセフソン接
合(IEJ:Interface-Engineered Junction)」と称
する。
On the other hand, the laminated junction has a structure in which an oxide high temperature superconductor layer, a tunnel barrier layer, and an oxide high temperature superconductor layer are sequentially laminated, and research is continued as a structure advantageous for future large-scale integration. ing. In these ramp edge junctions and laminated junctions, P is used as a tunnel barrier layer.
rBa 2 Cu 3 O y (PBCO) layer, Nb-doped SrTi
An O 3 layer, a damaged layer during the process, etc. are used. Here, in order to form a tunnel barrier layer, a case where a thin film is deposited is called an "artificial barrier", and a case where a surface damage layer caused by ion irradiation during the process is used without depositing a thin film is referred to as a "process barrier". It is called a Josephson junction (IEJ: Interface-Engineered Junction) using a damaged layer.

【0007】このIEJは、接合層が極めて薄いために
大きなトンネル電流が得られる利点があり、盛んに研究
が行われている(B.H. Moeckly et al., Appl. Phys. L
ett.71, 2526 (1997))。上記のランプエッジ接合で
は、接合部に1〜2nm程度の極薄い層が形成されてい
ることが透過型電子顕微鏡(TEM)により確認されて
おり、この極薄い層がジョセフソン接合として機能して
いると考えられているが、詳細な構造については未だ解
明されていない(例えば、J.G. Wen et al., "Advances
in Superconductivity XII"-Proc.ISS'99, p.984, (19
99.10.17-19)、Y.Soutome et al., "Advances in Super
conductivity XII"-Proc.ISS'99, p.990, (1999.10.17-
19))。
This IEJ has the advantage that a large tunneling current can be obtained because the junction layer is extremely thin, and is actively studied (BH Moeckly et al., Appl. Phys. L).
ett.71, 2526 (1997)). It has been confirmed by a transmission electron microscope (TEM) that an extremely thin layer of about 1 to 2 nm is formed in the above-mentioned lamp edge junction, and this extremely thin layer functions as a Josephson junction. However, the detailed structure has not yet been elucidated (for example, JG Wen et al., "Advances
in Superconductivity XII "-Proc.ISS'99, p.984, (19
99.10.17-19), Y. Soutome et al., "Advances in Super
conductivity XII "-Proc.ISS'99, p.990, (1999.10.17-
19)).

【0008】ところで、ランプエッジ接合や積層接合に
おいては、作製時のパラメータが不適切な場合で、接合
層の厚みが極めて薄くなり、厚さの制御が困難になる
と、接合層のところどころが短絡してしまうということ
が起こる。接合部における電流−電圧特性(I−V特
性)は、接合部の厚みにより変化する。接合層の厚みが
厚すぎる場合、超電導電流が流れることができず、した
がって、接合部における電流−電圧特性(I−V特性)
は、図4(a)に示すように単に抵抗体としての特性を
示すことになる。
By the way, in the lamp edge joining or the lamination joining, when the parameters at the time of production are improper and the thickness of the joining layer becomes extremely thin, and it becomes difficult to control the thickness, some places of the joining layer are short-circuited. It happens that it ends up. The current-voltage characteristic (IV characteristic) at the joint changes depending on the thickness of the joint. When the thickness of the bonding layer is too thick, the superconducting current cannot flow, and therefore the current-voltage characteristic (IV characteristic) at the bonding portion is obtained.
Indicates simply the characteristics as a resistor as shown in FIG.

【0009】また、接合層の厚みが適当な厚みの場合、
図4(b)に示すように、臨界電流値Icの範囲内で電
圧を発生せずに、超電導電流が接合層をトンネリングす
ることができる。この場合、臨界電流値Icを超えた電
流を流すと急遽電圧が発生する。電圧が発生した状態で
のI−V特性は原点を通る直線に漸近する。このジョセ
フソン接合に特徴的なI−V特性はRSJ(Resistivel
y Shunted Junction)特性と呼ばれる。また、接合層が
薄すぎて短絡している場合、図4(c)に示すように、
臨界電流値Ic以上の電流で徐々に電圧が発生する。こ
の現象は、磁束が動き出すことによって電圧が誘起され
るものであるから、このI−V特性はFF(Flux Flo
w)特性と呼ばれる。
If the thickness of the bonding layer is appropriate,
As shown in FIG. 4B, the superconducting current can tunnel the junction layer without generating a voltage within the range of the critical current value Ic. In this case, when a current exceeding the critical current value Ic is passed, a sudden voltage is generated. The IV characteristic in the state where the voltage is generated gradually approaches a straight line passing through the origin. The IV characteristic of this Josephson junction is RSJ (Resistivel
y Shunted Junction) characteristic. When the bonding layer is too thin and short-circuited, as shown in FIG.
A voltage is gradually generated at a current of the critical current value Ic or more. This phenomenon is that a voltage is induced by the movement of the magnetic flux, so this IV characteristic is FF (Flux Flo
w) Called a property.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】ところで、ジョセフソ
ン効果を用いた超電導電子デバイスを実現するために
は、上記のRSJ特性を示すとともに、適当な臨界電流
値Ic及びIcRn積を有するジョセフソン接合を多数
作製する必要があるが、現状においては、ジョセフソン
接合のばらつきが大きく、特性の安定性及び信頼性が十
分に満足するには至っていないという問題点があった。
特に、臨界電流値Icは接合構造や作製プロセスに敏感
であるから、この臨界電流値Icのばらつきを抑える技
術を早急に確立する必要がある。
By the way, in order to realize a superconducting device using the Josephson effect, a Josephson junction having the above-mentioned RSJ characteristics and having an appropriate critical current value Ic and IcRn product is used. Although it is necessary to fabricate a large number, there is a problem that the Josephson junction has a large variation and the stability and reliability of the characteristics are not sufficiently satisfied under the present circumstances.
In particular, since the critical current value Ic is sensitive to the junction structure and the manufacturing process, there is an urgent need to establish a technique for suppressing the variation in the critical current value Ic.

【0011】ジョセフソン接合の工業的な応用を考える
場合、適当な特性で動作する複数個のジョセフソン接合
を再現性良く作製する技術が必須となる。将来的な大規
模集積化のためには、特性のばらつきの小さなジョセフ
ソン接合を多数作製する必要がある。これまでは、動作
温度の高い超電導電子デバイスの実現を目指して超電導
転移温度(Tc)の高い酸化物高温超電導体を用いたジ
ョセフソン接合の研究が行われてきたが、特性のばらつ
きが大きいため、回路動作の実証はごく小規模なものに
限られていた。
When considering the industrial application of Josephson junctions, a technique for producing a plurality of Josephson junctions operating with appropriate characteristics with good reproducibility is essential. For large-scale integration in the future, it is necessary to fabricate many Josephson junctions with small variations in characteristics. So far, Josephson junctions using oxide high-temperature superconductors with high superconducting transition temperature (Tc) have been studied for the purpose of realizing superconducting devices with high operating temperature. , Demonstration of circuit operation was limited to very small ones.

【0012】例えば、タルバッチオ(J.Talvacchio)等
によれば、100接合以上の回路を動作させるには特性
のばらつきを標準偏差(σ)で10%以下に抑える必要
があり(J.Talvacchio et al., IEEE Trans. Appl. Sup
ercond. 7, 2051 (1997))、最近では、ランプエッジ型
のジョセフソン接合においてこの特性を満たすものが報
告されている。
[0012] For example, according to J. Talvacchio et al., In order to operate a circuit having 100 junctions or more, it is necessary to suppress characteristic variation to 10% or less in standard deviation (σ) (J. Talvacchio et al. ., IEEE Trans. Appl. Sup
ercond. 7, 2051 (1997)), recently, a lamp-edge type Josephson junction that satisfies this characteristic has been reported.

【0013】また、サトウ(Satoh)等は、超電導電極
にYBa2Cu3y-xを、絶縁層に(La0.3Sr0.7
(Al0.65Ta0.35)Oyを用い、100接合で標準偏
差(σ)が8%(4.2Kにおいて)のものを得ている
(T.Satoh et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 9,
3141 (1999)、特開2000−150974号公報)。
サトウ(Satoh)等によれば、二つの超電導電極間に2
nm以下の厚みで均質なバリア層が形成されているこ
と、及びその界面にエッチング時に絶縁層からLaが混
入することにより、良好な接合特性を実現している。た
だし、Laの混入量は極微量で、ビーム径が1nm程度
の電子線を照射して生ずる特性X線を用いて分析する分
析型透過電子顕微鏡でも確認できないほどである(J.G.
Wen et al., Appl. Phys. Lett. 75 (1999))。
Also, Satoh et al. Use YBa 2 Cu 3 O yx for the superconducting electrode and (La 0.3 Sr 0.7 ) for the insulating layer.
(Al 0.65 Ta 0.35 ) O y was used to obtain a standard deviation (σ) of 8% (at 4.2 K) at 100 junctions (T. Satoh et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 9). ,
3141 (1999), JP 2000-150974 A).
According to Satoh et al., 2 between two superconducting electrodes
Good bonding characteristics are achieved by forming a uniform barrier layer with a thickness of nm or less and mixing La into the interface from the insulating layer during etching. However, the amount of La mixed in is so small that it cannot be confirmed even with an analytical transmission electron microscope that analyzes using characteristic X-rays generated by irradiating an electron beam with a beam diameter of about 1 nm (JG
Wen et al., Appl. Phys. Lett. 75 (1999)).

【0014】また、五月女等は、超電導電極にYBa2
Cu3y-xを、絶縁層にCeO2を用い、100接合で
標準偏差(σ)が7.9%(4.2Kにおいて)のもの
を得ている(五月女他、第62回応用物理学会学術講演
会講演予稿集No.1 p.195 14a-G-7 (2001.9/11-14))。
彼等はLaを含む材料はいっさい用いておらず、二つの
超電導電極間にLaが混入しない構造とプロセスによっ
てこの値を達成している。このように、従来のジョセフ
ソン接合においては、100接合で標準偏差(σ)が8
%程度のものは得られているが、100接合以上の集積
化を図るためには、この程度のものでは不十分であり、
より多数の接合でより小さな特性ばらつきを実現するこ
とのできるジョセフソン接合が切望されている。
[0014], Hitoshi Saotome, YBa 2 to the superconducting electrode
Using Cu 3 O yx and CeO 2 for the insulating layer, the standard deviation (σ) at 100 junctions was 7.9% (at 4.2K) (May May, et al., 62nd Academic Meeting of Applied Physics) Proceedings of the lecture No.1 p.195 14a-G-7 (2001.9 / 11-14)).
They did not use any material containing La, and achieved this value by a structure and process in which La was not mixed between two superconducting electrodes. Thus, in the conventional Josephson junction, the standard deviation (σ) is 8 at 100 junctions.
Although about 100% has been obtained, this level is not sufficient to achieve integration of 100 junctions or more,
There is a strong demand for Josephson junctions that can achieve smaller characteristic variations with a larger number of junctions.

【0015】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであって、ジョセフソン接合の特性のばらつ
きが小さく、このジョセフソン接合を用いた製品の特性
及び信頼性を向上させることが可能な高温超電導ジョセ
フソン接合及びそれを備えた超電導電子デバイスを提供
することを目的とする。
The present invention has been made in order to solve the above problems, and the dispersion of the characteristics of the Josephson junction is small, and the characteristics and the reliability of the product using the Josephson junction can be improved. An object of the present invention is to provide a high temperature superconducting Josephson junction and a superconducting device having the same.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】本発明者等は、ジョセフ
ソン接合における準安定相の安定性を高めるために鋭意
研究を重ねた結果、バリア層がLa,Nd,Sm,Eu
から選択された1種または2種以上の元素、及びY,G
d,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luから選択され
た1種または2種以上の元素を含有し、かつ酸素で6配
位した際のイオン半径が0.0947nm以上の陽イオ
ンが陽イオン原子比で35〜65%である場合に、特性
を損なうことなく安定性が高められ、よってチップ内の
特性ばらつきも抑えられることを見い出した。
Means for Solving the Problems As a result of intensive studies conducted by the present inventors to improve the stability of a metastable phase in a Josephson junction, the barrier layer was La, Nd, Sm, Eu.
One or more elements selected from Y, G
A cation containing one or more elements selected from d, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu and having an ionic radius of 0.0947 nm or more when 6-coordinated with oxygen is positive. It has been found that when the ion atomic ratio is 35 to 65%, the stability can be improved without impairing the characteristics, and thus the variation in the characteristics within the chip can be suppressed.

【0017】すなわち、本発明の高温超電導ジョセフソ
ン接合は、バリア層を2つの超電導体により挟持してな
るジョセフソン接合において、前記超電導体は、Y,L
a,Nd,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,Er,T
m,Yb,Luから選択された1種または2種以上の元
素(RE)、Ba,Sr,Caから選択された1種また
は2種以上の元素(AE)、Cu及び酸素(O)を含有
し、前記バリア層は、La,Nd,Sm,Euから選択
された1種または2種以上の元素(RE1)、及びY,
Gd,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luから選択さ
れた1種または2種以上の元素(RE2)を含有してな
ることを特徴とする。
That is, the high temperature superconducting Josephson junction of the present invention is a Josephson junction in which a barrier layer is sandwiched between two superconductors, and the superconductors are Y, L.
a, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, T
Containing one or more elements (RE) selected from m, Yb and Lu, one or more elements (AE) selected from Ba, Sr and Ca, Cu and oxygen (O) The barrier layer includes one or more elements (RE1) selected from La, Nd, Sm, and Eu, and Y,
It is characterized by containing one or more elements (RE2) selected from Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu.

【0018】前記バリア層は、酸素(O)で6配位した
際のイオン半径が0.0947nm以上の陽イオンの割
合が、陽イオン原子比で35〜65%の範囲にあること
が望ましい。前記バリア層は、2つの前記超電導体とエ
ッジ接合または積層接合したものであることが望まし
い。
In the barrier layer, the proportion of cations having an ionic radius of 0.0947 nm or more when 6-coordinated with oxygen (O) is preferably in the range of 35 to 65% in terms of cation atomic ratio. It is desirable that the barrier layer be edge-joined or laminated-joined with the two superconductors.

【0019】本発明の超電導電子デバイスは、本発明の
高温超電導ジョセフソン接合を1つ以上備えてなること
を特徴とする。
The superconducting device of the present invention is characterized by comprising at least one high temperature superconducting Josephson junction of the present invention.

【0020】ここで、チップ内の特性ばらつきについ
て、さらに詳しく説明する。一般に、チップ内の特性ば
らつきは作製条件の微妙な変化によって生じる不均一性
によるものである。接合部分のバリア層は準安定相の非
常に薄い層であることが知られている(J.G.Wen et a
l., Appl. Phys. Lett. 75, 2470 (1999))。ジョセフ
ソン接合の特性ばらつきを小さくすることは、この不安
定な準安定相を再現性良く安定的に作製するということ
に他ならない。これは非平衡な準安定相を非常に薄い層
状に析出させるという厳しい要請である。
Here, the characteristic variation in the chip will be described in more detail. In general, characteristic variations within a chip are due to non-uniformity caused by subtle changes in fabrication conditions. The barrier layer at the junction is known to be a very thin metastable phase (JGWen et a
L., Appl. Phys. Lett. 75, 2470 (1999)). Reducing the variation in the characteristics of the Josephson junction is nothing but to produce this unstable metastable phase stably with good reproducibility. This is a strict requirement to precipitate a non-equilibrium metastable phase in a very thin layer.

【0021】これまで、高温超電導ジョセフソン接合の
研究では、ほとんどの場合、超電導材料としてYBa2
Cu3yが用いられてきた。Wen等が、YBa2Cu3
yを用いたランプエッジ型ジョセフソン接合において
分析型透過電子顕微鏡を用いて接合部分の組成を調ベた
ところ、Y:Ba:Cu=30:43:27であった
(J.G.Wen et al., Appl. Phys. Lett. 75, 2470 (199
9))。一方、Y−Ba−Cu−O系の相図の研究によれ
ば、このような陽イオン比の安定相は存在しないことが
既に分かっている(例えば、D.M.DeLeeuw et al., Phys
ica C 152, 39 (1988))。
Up to now, most of the researches on high temperature superconducting Josephson junctions have been carried out by using YBa 2 as a superconducting material.
Cu 3 O y has been used. Wen et al., YBa 2 Cu 3
When the composition of the junction portion in the lamp edge type Josephson junction using O y was measured using an analytical transmission electron microscope, it was Y: Ba: Cu = 30: 43: 27 (JGWen et al., Appl. Phys. Lett. 75, 2470 (199
9)). On the other hand, according to the study of the phase diagram of the Y-Ba-Cu-O system, it is already known that there is no stable phase having such a cation ratio (for example, DMDeLeeuw et al., Phys.
ica C 152, 39 (1988)).

【0022】接合界面に存在するバリア層は、約2nm
以下という極めて厚さの薄いぺロブスカイト型構造を有
する結晶相といわれている。このペロブスカイト型構造
は、化学式ABO3で表されるもので、Aサイトの原子
(A原子)は12個の酸素に、Bサイトの原子(B原
子)は6個の酸素に、それぞれ囲まれている。イオン半
径の比較的大きな陽イオンがAサイトを、小さな陽イオ
ンがBサイトを、それぞれ占める。
The barrier layer existing at the bonding interface has a thickness of about 2 nm.
It is said to be a crystal phase having a perovskite type structure having the following extremely thin thickness. This perovskite structure is represented by the chemical formula ABO 3 , and the A site atom (A atom) is surrounded by 12 oxygen atoms, and the B site atom (B atom) is surrounded by 6 oxygen atoms. There is. A cation having a relatively large ionic radius occupies the A site and a small cation occupies the B site.

【0023】ここで、Y:Ba:Cu=30:43:2
7の比で混合した陽イオンが酸素とともにペロブスカイ
ト型構造を構成することを考える。イオン半径を考慮す
ると、イオン半径の大きなBaはAサイトを、イオン半
径の小さなCuはBサイトを、それぞれ占めるであろう
ことは想像に難くなく、したがって、BaとCuの中間
的なイオン半径を有するYが両方のサイトに同程度の割
合で分配されなければならない。このYを規則配列させ
る際には微妙な熱処理制御が必要となる。
Here, Y: Ba: Cu = 30: 43: 2
Consider that cations mixed in a ratio of 7 form a perovskite structure together with oxygen. Considering the ionic radius, it is not difficult to imagine that Ba with a large ionic radius will occupy the A site and Cu with a small ionic radius will occupy the B site. Therefore, an intermediate ionic radius between Ba and Cu is considered. The Y with must be distributed to both sites in equal proportions. When this Y is regularly arranged, delicate heat treatment control is required.

【0024】また、Yが12配位のサイトを占めるのは
非常に難しく、ところどころにY23のような安定相と
して析出してしまうおそれがあり、このような異相の析
出がジョセフソン接合特性の制御性・信頼性を低下させ
る要因になっている。実際、特性の良くないジョセフソ
ン接合の界面部分には、Y23が析出していることが確
認されている。このような異相の析出は、界面近傍にお
いて12配位のサイトを占有できる比較的大きなサイズ
の元素が足りないことが原因の一つと考えられている。
Further, it is very difficult for Y to occupy a 12-coordinated site, and there is a possibility that it may be precipitated as a stable phase such as Y 2 O 3 in some places. It is a factor that reduces the controllability and reliability of the characteristics. In fact, it has been confirmed that Y 2 O 3 is precipitated at the interface portion of the Josephson junction, which has poor characteristics. It is considered that such precipitation of a different phase is one of the causes because there is not enough element having a relatively large size that can occupy the 12-coordinated site near the interface.

【0025】また、バリア層が、Y1-xBaCuxy
表される格子定数0.41〜0.43nmのペロブスカ
イト型構造を採る例もあるが、分析型透過電子顕微鏡を
用いて組成を調ベたところ、Ba:Y+Cuの比が1:
1からズレていることが分かった。これにより、YがA
サイトに入らないのならば、Y23として析出すること
は容易に考えられる。
There is also an example in which the barrier layer has a perovskite structure represented by Y 1-x BaCu x O y and having a lattice constant of 0.41 to 0.43 nm, but the composition is determined by using an analytical transmission electron microscope. As a result, the ratio of Ba: Y + Cu was 1:
It turned out that it was off from 1. As a result, Y becomes A
If it does not enter the site, it is easily considered to precipitate as Y 2 O 3 .

【0026】また、ペロブスカイト型の物質の電気中性
原理を考えた場合、例えば、Y1-xBaCuxy(=B
a(Y1-xCux)Oy)においては、Baの原子価は+
2、Yの原子価は+3で混合原子価をとらないので、C
uの価数が+2以上になるか、もしくは酸素が欠損した
状態に成らざるを得ない。いずれの場合も化学的には不
安定な状態と考えられる。さらに、YBa2Cu3y
温超伝導体の格子定数はa≒b≒c/3≒0.38〜
0.39nmであり、0.41〜0.43nmよりも小
さい。これらの要因を考えると、組成がY:Ba:Cu
=30:43:27であるバリア層がY1-xBaCux
yで表される格子定数0.41〜0.43nmのペロブ
スカイト型構造であったとしても、その安定性には問題
が残る。
When considering the electro-neutral principle of a perovskite type substance, for example, Y 1-x BaCu x O y (= B
a (Y 1-x Cu x ) O y ), the valence of Ba is +
Since the valence of 2, Y is +3 and does not take the mixed valence, C
The valence of u becomes +2 or more, or oxygen is deficient. In any case, it is considered to be chemically unstable. Furthermore, the lattice constant of the YBa 2 Cu 3 O y high temperature superconductor is a≈b≈c / 3≈0.38-
It is 0.39 nm, which is smaller than 0.41 to 0.43 nm. Considering these factors, the composition is Y: Ba: Cu.
= 30:43:27 barrier layer is Y 1-x BaCu x O
Even if the perovskite structure represented by y has a lattice constant of 0.41 to 0.43 nm, its stability remains a problem.

【0027】本発明では、バリア層を2つの超電導体に
より挟持してなるジョセフソン接合において、前記バリ
ア層が、La,Nd,Sm,Euから選択された1種ま
たは2種以上の元素(RE1)、及びY,Gd,Dy,
Ho,Er,Tm,Yb,Luから選択された1種また
は2種以上の元素(RE2)を含有したことにより、前
記バリア層を構成する元素(RE1)は、前記超電導体
を構成する元素(RE)のなかでも比較的大きなイオン
半径を有する元素であるから、ぺロブスカイト型構造の
Aサイトを占有し易い。一方、前記バリア層を構成する
元素(RE2)は、ぺロブスカイト型構造のBサイトを
占有し易い。
In the present invention, in the Josephson junction in which the barrier layer is sandwiched between two superconductors, the barrier layer is one or more elements (RE1) selected from La, Nd, Sm and Eu. ), And Y, Gd, Dy,
By containing one or more elements (RE2) selected from Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, the element (RE1) that constitutes the barrier layer is the element (RE1) that constitutes the superconductor ( Since RE) is an element having a relatively large ionic radius, it easily occupies the A site of the perovskite structure. On the other hand, the element (RE2) forming the barrier layer easily occupies the B site of the perovskite structure.

【0028】したがって、例えば、Y1-xBaCuxy
(=Ba(Y1-xCux)Oy)においては、Baの一部
が元素(RE1)に置き換わることで、元素(RE1)
が+3の原子価をとることとなり、電気中性原理から考
えたぺロブスカイト型構造の安定性が増す。また、元素
(RE1)はBaよりもイオン半径が小さいので、ぺロ
ブスカイト型構造の格子定数が小さくなり、YBa2
3yと同様の結晶構造を有する超伝導体との格子整合
性を改善する。
Therefore, for example, Y 1-x BaCu x O y
In (= Ba (Y 1-x Cu x ) O y ), a part of Ba is replaced with the element (RE1), so that the element (RE1)
Has a valence of +3, which increases the stability of the perovskite structure, which is considered from the neutrality principle of electricity. Further, since the element (RE1) has a smaller ionic radius than Ba, the lattice constant of the perovskite structure becomes small, and YBa 2 C
Improves lattice matching with a superconductor having a crystal structure similar to that of u 3 O y .

【0029】[0029]

【発明の実施の形態】本発明の高温超電導ジョセフソン
接合及びそれを備えた超電導電子デバイスの各実施の形
態について説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Each embodiment of a high temperature superconducting Josephson junction and a superconducting device having the same according to the present invention will be described.

【0030】「第1の実施形態」図1は、本発明の第1
の実施形態のランプエッジ型高温超電導ジョセフソン接
合を示す断面図であり、図において、符号1は基板、2
は第1超電導体、3は層間絶縁層、4は第2超電導体、
5はバリア層である。
[First Embodiment] FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a lamp edge type high temperature superconducting Josephson junction according to the embodiment of the present invention, in which reference numeral 1 is a substrate
Is a first superconductor, 3 is an interlayer insulating layer, 4 is a second superconductor,
5 is a barrier layer.

【0031】第1超電導体2は、その端部が基板1に対
して斜めにエッジ加工されて基板面に対して所定の角度
で傾斜したエッジ面2aとされている。層間絶縁層3も
第1超電導体2と同様、その端部が基板1に対して斜め
にエッジ加工されて第1超電導体2のエッジ面2aと同
一平面のエッジ面3aとされている。
The end portion of the first superconductor 2 is edge-processed with respect to the substrate 1 to form an edge surface 2a which is inclined at a predetermined angle with respect to the substrate surface. Similarly to the first superconductor 2, the interlayer insulating layer 3 has its end portion obliquely edge-processed with respect to the substrate 1 to form an edge surface 3a flush with the edge surface 2a of the first superconductor 2.

【0032】第2超電導体4は、ジョセフソン接合部分
において第1超電導体2及び層間絶縁層3全体を覆うよ
うに形成されており、第1超電導体2のエッジ面2aと
の界面に極薄厚のバリア層5が形成されている。これに
より、バリア層5を2つの超電導体2、4により挟持し
たランプエッジ型のジョセフソン接合を構成している。
The second superconductor 4 is formed so as to cover the entire first superconductor 2 and the interlayer insulating layer 3 at the Josephson junction portion, and has an extremely thin thickness at the interface with the edge surface 2a of the first superconductor 2. Barrier layer 5 is formed. As a result, a ramp-edge type Josephson junction in which the barrier layer 5 is sandwiched between the two superconductors 2 and 4 is formed.

【0033】基板1は、表面が極めて平坦度の高い平坦
面とされた絶縁性の基板で、例えば、(La0.3
0.7)(Al0.65Ta0.35)O3等の(La1-xSrx
(Al1-yTay)O3、MgO、SrTiO3(ST
O)、NdGaO3、LaAlO3等の無機絶縁材料が好
適に用いられる。
The substrate 1 is an insulative substrate whose surface is a flat surface having an extremely high degree of flatness. For example, (La 0.3 S
r 0.7 ) (Al 0.65 Ta 0.35 ) O 3 etc. (La 1-x Sr x ).
(Al 1-y Ta y ) O 3 , MgO, SrTiO 3 (ST
O), an inorganic insulating material such as NdGaO 3, LaAlO 3 is preferably used.

【0034】第1超電導体2及び第2超電導体4は、
Y,La,Nd,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,E
r,Tm,Yb,Luから選択された1種または2種以
上の元素(Re)と、Ba,Sr,Caから選択された
1種または2種以上の元素(Ae)と、Cu及び酸素
(O)を含有する銅酸化物高温超電導体であり、ペロブ
スカイト型のセラミックスである。
The first superconductor 2 and the second superconductor 4 are
Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, E
One or more elements (Re) selected from r, Tm, Yb and Lu, one or more elements (Ae) selected from Ba, Sr and Ca, Cu and oxygen ( It is a copper oxide high temperature superconductor containing O) and is a perovskite type ceramics.

【0035】これら第1超電導体2及び第2超電導体4
の組成は、上記の条件を満たしているものであればよ
く、これら超電導体2、4の組成が全く同一の組成であ
っても、互いに異なる組成であってもよい。この銅酸化
物高温超電導体としては、例えば、Y3-x-yBaxLay
Cu3z(YBLCO)、YBa2Cu3y(YBC
O)、NdBa2Cu3y(NdBCO)、YbBa2
3y(YbBCO)、Yb3-x-yBaxLayCu3z
等が好適に用いられる。
These first superconductor 2 and second superconductor 4
As long as the above composition satisfies the above conditions, the superconductors 2 and 4 may have the same composition or different compositions. This copper oxide high temperature superconductor is, for example, Y 3-xy Ba x La y
Cu 3 O z (YBLCO), YBa 2 Cu 3 O y (YBC
O), NdBa 2 Cu 3 O y (NdBCO), YbBa 2 C
u 3 O y (YbBCO), Yb 3-xy Ba x La y Cu 3 O z
Etc. are preferably used.

【0036】層間絶縁層3は、第1超電導体2及び第2
超電導体4間を遮断するのに十分な絶縁性材料からなる
もので、例えば、CeO2、(La0.3Sr0.7)(Al
0.65Ta0.35)O3等の(La1-xSrx)(Al1-yTa
y)O3、SrTiO3(STO)、CaSnO3等が好適
に用いられる。
The interlayer insulating layer 3 is composed of the first superconductor 2 and the second superconductor 2.
It is made of an insulating material sufficient to cut off between the superconductors 4. For example, CeO 2 , (La 0.3 Sr 0.7 ) (Al
0.65 Ta 0.35 ) O 3 etc. (La 1-x Sr x ) (Al 1-y Ta
y ) O 3 , SrTiO 3 (STO), CaSnO 3 and the like are preferably used.

【0037】バリア層5は、第1超電導体2及び第2超
電導体4と異なる組成の極薄厚の層であり、La,N
d,Sm,Euから選択された1種または2種以上の元
素(RE1)と、Y,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,
Yb,Luから選択された1種または2種以上の元素
(RE2)を含有する酸化物系化合物である。この酸化
物系化合物としては、例えば、Y3-x-yBaxLayCu3
z(YBLCO)、(Y,Yb)1-x-y-zBaxLay
zw、Nd1-x-y-zxBayCuzw等が好適であ
る。このバリア層5に対しては、人工バリアの手法等を
用いてアルカリ金属、遷移金属等、他の元素を含有させ
てもよい。
The barrier layer 5 is an extremely thin layer having a composition different from that of the first superconductor 2 and the second superconductor 4, and La, N
one or more elements (RE1) selected from d, Sm and Eu, and Y, Gd, Dy, Ho, Er, Tm,
It is an oxide compound containing one or more elements (RE2) selected from Yb and Lu. Examples of the oxide-based compound include Y 3-xy Ba x La y Cu 3
O z (YBLCO), (Y, Yb) 1-xyz Ba x La y C
u z O w, Nd 1- xyz Y x Ba y Cu z O w and the like. The barrier layer 5 may contain other elements such as an alkali metal and a transition metal by using an artificial barrier method or the like.

【0038】このバリア層の、酸素(O)で6配位した
際のイオン半径が0.0947nm以上の陽イオンの割
合は、陽イオン原子比で35〜65%の範囲である。こ
のバリア層の組成は、電子線ビーム径が約1nm程度以
下の分析型透過電子顕微鏡を用いることで定量的に分析
することができる。ただし、本実施形態においては、イ
オン半径のデータはShannonの論文を参考にした(R.D.S
hannon, ActaCryst. A32 p.751 (1976))。
The ratio of cations having an ionic radius of 0.0947 nm or more when 6-coordinated with oxygen (O) in this barrier layer is in the range of 35 to 65% in terms of cation atomic ratio. The composition of the barrier layer can be quantitatively analyzed by using an analytical transmission electron microscope having an electron beam diameter of about 1 nm or less. However, in this embodiment, the data of the ionic radius is based on the paper of Shannon (RDS
hannon, ActaCryst. A32 p.751 (1976)).

【0039】次に、本実施形態のランプエッジ型高温超
電導ジョセフソン接合の製造方法について、図2に基づ
き説明する。まず、図2(a)に示すように、RFスパ
ッタ法、CVD法、反応性CVD法等により、基板1上
に、第1超電導体層11、層間絶縁層12を順次成膜
し、スピンコート法等により層間絶縁層12上にフォト
レジスト13を形成する。次いで、フォトリソグラフィ
法によりフォトレジスト13をパターニングし、このパ
ターニングされたフォトレジストにリフロー処理を施
し、その端部14aが穏やかな傾斜面のマスク14とす
る。
Next, a method of manufacturing the lamp edge type high temperature superconducting Josephson junction of this embodiment will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 2A, a first superconductor layer 11 and an interlayer insulating layer 12 are sequentially formed on a substrate 1 by RF sputtering, CVD, reactive CVD, etc., and spin-coated. A photoresist 13 is formed on the interlayer insulating layer 12 by a method or the like. Next, the photoresist 13 is patterned by the photolithography method, and the patterned photoresist is subjected to a reflow process to form the mask 14 having a gentle sloped end 14a.

【0040】次いで、図2(b)に示すように、このマ
スク14を用いて、Arイオン(Ar+)照射15によ
り層間絶縁層12及び第1超電導体層11にエッチング
処理を施し、ジョセフソン接合部分の層間絶縁層12及
び第1超電導体層11それぞれの端部を穏やかな傾斜面
とする。これにより、第1超電導体層11の傾斜面はA
rイオン(Ar+)照射15により損傷して極薄厚の損
傷層16となる。次いで、アッシング装置を用いてマス
ク14を除去する。
Next, as shown in FIG. 2B, the mask 14 is used to perform etching treatment on the interlayer insulating layer 12 and the first superconductor layer 11 by Ar ion (Ar + ) irradiation 15, to thereby make Josephson The end portions of the interlayer insulating layer 12 and the first superconductor layer 11 at the joint portion are made to have a gentle slope. As a result, the inclined surface of the first superconductor layer 11 is A
Damaged by the r ion (Ar + ) irradiation 15 results in an extremely thin damaged layer 16. Then, the mask 14 is removed using an ashing device.

【0041】次いで、図2(c)に示すように、レーザ
蒸着法等により第1超電導体層11及び層間絶縁層12
上に第2超電導体層17を成膜する。この第2超電導体
層17を成膜することで、第1超電導体層11の傾斜面
に生じた損傷層16が、第1超電導体層11及び第2超
電導体層17と相互に反応してバリア層5となる。
Then, as shown in FIG. 2C, the first superconductor layer 11 and the interlayer insulating layer 12 are formed by a laser deposition method or the like.
A second superconductor layer 17 is formed on top. By forming this second superconductor layer 17, the damaged layer 16 generated on the inclined surface of the first superconductor layer 11 reacts with the first superconductor layer 11 and the second superconductor layer 17 to react with each other. It becomes the barrier layer 5.

【0042】最後に、第1超電導体層11及び第2超電
導体層16それぞれの所定位置に、蒸着法あるいはスパ
ッタ法等により金(Au)等の導電材料からなる電極を
形成する。以上により、IEJの手法を用いて、極薄厚
のバリア層5を2つの超電導体2、4により挟持したラ
ンプエッジ型ジョセフソン接合を容易に作製することが
できる。
Finally, an electrode made of a conductive material such as gold (Au) is formed at a predetermined position on each of the first superconductor layer 11 and the second superconductor layer 16 by a vapor deposition method, a sputtering method or the like. As described above, the lamp edge type Josephson junction in which the extremely thin barrier layer 5 is sandwiched between the two superconductors 2 and 4 can be easily manufactured by using the IEJ method.

【0043】本実施形態のランプエッジ型高温超電導ジ
ョセフソン接合によれば、バリア層5が、La,Nd,
Sm,Euから選択された1種または2種以上の元素
(RE1)、及びY,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,
Yb,Luから選択された1種または2種以上の元素
(RE2)を含有したので、元素(RE1)はAサイト
を、元素(RE2)はBサイトを、それぞれ占有し易く
なり、バリア層5の安定性を増加させることができる。
According to the ramp edge type high temperature superconducting Josephson junction of this embodiment, the barrier layer 5 is formed of La, Nd,
One or more elements (RE1) selected from Sm and Eu, and Y, Gd, Dy, Ho, Er, Tm,
Since the element (RE1) contains one or more elements (RE2) selected from Yb and Lu, the element (RE1) easily occupies the A site, and the element (RE2) easily occupies the B site. The stability of can be increased.

【0044】また、バリア層5が元素(RE1)及び元
素(RE2)を含有したので、バリア層5と、2つの超
電導体2、4との間の格子整合性を改善することがで
き、より安定したジョセフソン接合を具現化することが
できる。以上により、良好なRSJ特性を示すととも
に、臨界電流値Ic及びIcRn積のばらつきが極めて
小さいジョセフソン接合を得ることができる。
Since the barrier layer 5 contains the element (RE1) and the element (RE2), the lattice matching between the barrier layer 5 and the two superconductors 2 and 4 can be improved, and A stable Josephson junction can be realized. As described above, it is possible to obtain a Josephson junction that exhibits good RSJ characteristics and has extremely small variations in the critical current values Ic and IcRn products.

【0045】また、1つのチップ上に本実施形態のラン
プエッジ型高温超電導ジョセフソン接合を多数形成する
ことにより、臨界電流値Ic及びIcRn積のばらつき
が極めて小さい超電導電子デバイスを得ることができ
る。
By forming a large number of ramp-edge type high temperature superconducting Josephson junctions of this embodiment on one chip, it is possible to obtain a superconducting device having extremely small variations in the critical current values Ic and IcRn products.

【0046】「第2の実施形態」図3は、本発明の第2
の実施形態の積層型高温超電導ジョセフソン接合を示す
断面図であり、基板1上に、第1超電導体2及び層間絶
縁層3が順次成膜され、層間絶縁層3のジョセフソン接
合に当たる部分に開口3bが形成され、この層間絶縁層
3上及び開口3bに露出した第1超電導体2上に第2超
電導体4が成膜され、前記開口3bに露出した第1超電
導体2の表面にArイオン(Ar+)照射により生じた
損傷層が、第1超電導体2及び第2超電導体4と相互に
反応して極薄厚のバリア層5となっている。
[Second Embodiment] FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a stacked high temperature superconducting Josephson junction of the embodiment of FIG. 1, in which a first superconductor 2 and an interlayer insulating layer 3 are sequentially formed on a substrate 1, and a portion corresponding to the Josephson junction of the interlayer insulating layer 3 is formed. An opening 3b is formed, a second superconductor 4 is formed on the interlayer insulating layer 3 and on the first superconductor 2 exposed in the opening 3b, and Ar is formed on the surface of the first superconductor 2 exposed in the opening 3b. The damaged layer generated by the ion (Ar + ) irradiation reacts with the first superconductor 2 and the second superconductor 4 to form an extremely thin barrier layer 5.

【0047】このように、本実施形態のジョセフソン接
合は、上述した第1の実施形態のジョセフソン接合とジ
ョセフソン接合部分の構造が異なっている。本実施形態
のジョセフソン接合は、上述した第1の実施形態のジョ
セフソン接合と同様に、IEJの手法により容易に作製
することができる。本実施形態の積層型高温超電導ジョ
セフソン接合においても、上述した第1の実施形態のラ
ンプエッジ型高温超電導ジョセフソン接合と全く同様の
効果を奏することができる。
As described above, the Josephson junction of this embodiment is different from the Josephson junction of the first embodiment described above in the structure of the Josephson junction. The Josephson junction of the present embodiment can be easily manufactured by the IEJ method, like the Josephson junction of the first embodiment described above. The stacked high temperature superconducting Josephson junction of the present embodiment can also achieve the same effects as the ramp edge high temperature superconducting Josephson junction of the first embodiment described above.

【0048】[0048]

【実施例】以下、実施例及び比較例により本発明を具体
的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定
されるものではない。
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples.

【0049】1.ランプエッジ型高温超電導ジョセフソ
ン接合 (実施例1)第1超電導体にY0.9Ba1.9La0.2Cu3
yを、第2超電導体にYBa2Cu 3yを、基板に(L
0.3Sr0.7)(Al0.65Ta0.35)O3(以後、LS
ATと略称する)を用い、IEJの手法によってランプ
エッジ型ジョセフソン接合を作製した。
1. Lamp edge type high temperature superconducting Josephson
Junction (Example 1) Y was added to the first superconductor.0.9Ba1.9La0.2Cu3
OyTo the second superconductor as YBa2Cu 3OyOn the substrate (L
a0.3Sr0.7) (Al0.65Ta0.35) O3(Hereinafter, LS
Lamp (abbreviated as AT) using the IEJ method.
An edge type Josephson junction was prepared.

【0050】まず、オフアクシスRFスパッタ法によ
り、LSAT基板上に、第1超電導体を、さらにその上
に層間絶縁層としてLSATを、それぞれ200nmの
膜厚で成膜した。次いで、スピンコート法により層間絶
縁層上にフォトレジストを塗布し、その後、フォトリソ
グラフィー法によりパターニングを行い、フォトレジス
トの端部が緩やかな傾斜を有するようにリフロー処理を
行なった。次いで、加速電圧400V、イオン電流50
mAの条件でArイオン照射により層間絶縁層及び第1
超電導体のエッチング処理を行った。Arイオン照射
は、その入射方向を基板表面に対し30°傾かせ、基板
を回転させながら行った。
First, the first superconductor was formed on the LSAT substrate by the off-axis RF sputtering method, and LSAT as an interlayer insulating layer was further formed thereon to a film thickness of 200 nm. Next, a photoresist was applied on the interlayer insulating layer by the spin coating method, followed by patterning by the photolithography method, and a reflow treatment was performed so that the edges of the photoresist had a gentle slope. Next, acceleration voltage 400V, ion current 50
The interlayer insulating layer and the first layer are irradiated by Ar ion irradiation under the condition of mA.
The superconductor was etched. Ar ion irradiation was performed while rotating the substrate with the incident direction inclined at 30 ° with respect to the substrate surface.

【0051】結果として、層間絶縁層及び第1超電導体
になだらかな斜面が形成された。この斜面の表面はAr
イオン照射による損傷層で覆われている。残ったレジス
トをアッシング装置により除去し、次いで、レーザ蒸着
法により層間絶縁層及び第1超電導体上に第2超電導体
を成膜した。さらに金(Au)を蒸着し、適当なパター
ニングを施すことによって所定形状の電極とすることに
より、実施例1の試料とした。
As a result, a gentle slope was formed on the interlayer insulating layer and the first superconductor. The surface of this slope is Ar
It is covered with a layer damaged by ion irradiation. The remaining resist was removed by an ashing device, and then a second superconductor was formed on the interlayer insulating layer and the first superconductor by a laser deposition method. Further, gold (Au) was vapor-deposited and subjected to appropriate patterning to form an electrode having a predetermined shape, whereby a sample of Example 1 was obtained.

【0052】この試料では、基板上に形成した10個の
ジョセフソン接合は、いずれもRSJ型のI−V特性を
示した。また、4.2KにおけるIcRn積は2.1〜
2.6mV、臨界電流値Icは約0.9mAであった。
また、同一基板上に形成した直列に接続した100個の
ジョセフソン接合について臨界電流値Icを測定し、そ
の平均値(X)及び標準偏差(σ)を求めた。臨界電流
値Icのばらつき(σ/X)は7.0%であった。
In this sample, all 10 Josephson junctions formed on the substrate showed RSJ type IV characteristics. The IcRn product at 4.2K is 2.1 to
The critical current value Ic was 2.6 mV and was about 0.9 mA.
Further, the critical current value Ic was measured for 100 Josephson junctions connected in series formed on the same substrate, and the average value (X) and standard deviation (σ) were obtained. The variation (σ / X) of the critical current value Ic was 7.0%.

【0053】また、電子線ビーム径が約1nmの分析型
透過電子顕微鏡を用いてバリア層を観察したところ、厚
さ1nm以下の部分がほとんどであった。また、この分
析型透過電子顕微鏡を用いてバリア層の20点の部分の
組成分析を行ったところ、Y:Ba:La:Cu=1
9:39:12:30であった。ここで、酸素で6配位
した際のイオン半径が0.0947nm以上の原子はB
aとLaで、陽イオン原子比で51%を占めていた。
When the barrier layer was observed using an analytical transmission electron microscope having an electron beam diameter of about 1 nm, most of the thickness was 1 nm or less. Further, when the composition analysis of 20 points of the barrier layer was performed using this analytical transmission electron microscope, Y: Ba: La: Cu = 1
It was 9: 39: 12: 30. Here, an atom having an ionic radius of 0.0947 nm or more when 6-coordinated with oxygen is B
a and La accounted for 51% of the cation atomic ratio.

【0054】(比較例1)第1超電導体及び第2超電導
体にYBa2Cu3yを用い、IEJの手法によってラ
ンプエッジ型ジョセフソン接合を作製した。まず、オフ
アクシスRFスパッタ法により、LSAT基板上に第1
超電導体を、さらにその上に層間絶縁層としてLSAT
を、それぞれ200nmの厚みで成膜した。次いで、実
施例1と同様にして、層間絶縁層及び第1超電導体にな
だらかな斜面を形成し、その上に第2超電導体を成膜し
た。
(Comparative Example 1) A ramp edge type Josephson junction was produced by the method of IEJ using YBa 2 Cu 3 O y as the first superconductor and the second superconductor. First, the first off-axis RF sputtering method was used to form a first layer on the LSAT substrate.
A superconductor and LSAT as an interlayer insulating layer on the superconductor.
Was formed into a film having a thickness of 200 nm. Then, in the same manner as in Example 1, a gentle slope was formed on the interlayer insulating layer and the first superconductor, and the second superconductor was formed thereon.

【0055】この試料では、基板上に形成した10個の
ジョセフソン接合は、いずれもRSJ型のI−V特性を
示した。また、4.2KにおけるIcRn積は2.0〜
2.4mV、臨界電流値Icは約0.8mAであった。
また、同一基板上に形成した直列に接続した100個の
ジョセフソン接合について臨界電流値Icを測定したと
ころ、そのばらつき(σ/X)は9.7%であった。
In this sample, all ten Josephson junctions formed on the substrate showed RSJ type IV characteristics. The IcRn product at 4.2K is 2.0 to
2.4 mV, the critical current value Ic was about 0.8 mA.
When the critical current value Ic was measured for 100 Josephson junctions connected in series formed on the same substrate, the variation (σ / X) was 9.7%.

【0056】また、電子線ビーム径が約1nmの分析型
透過電子顕微鏡を用いてバリア層を観察したところ、厚
さ1nm以下の部分がほとんどであった。また、この分
析型透過電子顕微鏡を用いてバリア層の20点の部分の
組成分析を行ったところ、Y:Ba:Cu=30:4
1:29であった。このバリア層のLaの含有量は検出
限界以下であり、ほとんど混入していなかった。また、
バリア層のところどころには格子の乱れた厚さ3nm以
上の部分が観察された。そこで、この部分の組成分析を
行ったところ、Y23及びY2Ba25が析出している
ことが分かった。この析出物が現れる頻度は実施例1に
比べて多かった。
When the barrier layer was observed using an analytical transmission electron microscope with an electron beam diameter of about 1 nm, most of the thickness was 1 nm or less. Further, when the composition analysis of 20 points of the barrier layer was performed using this analytical transmission electron microscope, Y: Ba: Cu = 30: 4.
It was 1:29. The La content of this barrier layer was below the detection limit, and was hardly mixed. Also,
In some places of the barrier layer, a disordered portion of the lattice having a thickness of 3 nm or more was observed. Therefore, when the composition of this portion was analyzed, it was found that Y 2 O 3 and Y 2 Ba 2 O 5 were precipitated. The frequency of occurrence of these precipitates was higher than that in Example 1.

【0057】(実施例2)実施例1と同様にして、第1
超電導体にY0.9Ba1.9La0.2Cu3yを、第2超電
導体にYbBa2Cu3yを用い、IEJの手法によっ
てランプエッジ型ジョセフソン接合を作製した。ただ
し、基板にはMgOを、層間絶縁層にはCeO2を用い
た。
(Embodiment 2) In the same manner as in Embodiment 1, the first
Using Y 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y as the superconductor and YbBa 2 Cu 3 O y as the second superconductor, a ramp edge type Josephson junction was produced by the IEJ method. However, MgO was used for the substrate and CeO 2 was used for the interlayer insulating layer.

【0058】この試料では、基板上に形成した10個の
ジョセフソン接合は、いずれもRSJ型のI−V特性を
示した。また、4.2KにおけるIcRn積は2.1〜
2.5mV、臨界電流値Icは約0.9mAであった。
また、同一基板上に形成した直列に接続した100個の
ジョセフソン接合について臨界電流値Icを測定したと
ころ、そのばらつき(σ/X)は6.8%であった。
In this sample, all 10 Josephson junctions formed on the substrate showed RSJ type IV characteristics. The IcRn product at 4.2K is 2.1 to
The critical current value Ic was 2.5 mV and was about 0.9 mA.
Further, when the critical current value Ic was measured for 100 Josephson junctions connected in series formed on the same substrate, the variation (σ / X) was 6.8%.

【0059】また、実施例1と同様に分析型透過電子顕
微鏡を用いてバリア層を観察したところ、厚さ1nm以
下の部分がほとんどで、組成は(Y+Yb):Ba:L
a:Cu=20:38:10:32であった。ここで、
酸素で6配位した際のイオン半径が0.0947nm以
上の原子はBaとLaで、陽イオン原子比で48%を占
めていた。
When the barrier layer was observed using an analytical transmission electron microscope in the same manner as in Example 1, the thickness was almost 1 nm or less, and the composition was (Y + Yb): Ba: L.
It was a: Cu = 20: 38: 10: 32. here,
Atoms having an ionic radius of 0.0947 nm or more when 6-coordinated with oxygen were Ba and La, and accounted for 48% of the cation atomic ratio.

【0060】(比較例2)実施例2と同様にして、IE
Jの手法によってランプエッジ型ジョセフソン接合を作
製した。ただし、第1超電導体にはLaを含んでいない
YBa2Cu3yを用いた。この試料では、基板上に形
成した10個のジョセフソン接合は、いずれもRSJ型
のI−V特性を示した。また、4.2KにおけるIcR
n積は1.4〜1.9mV、臨界電流値Icは約0.6
mAであった。また、同一基板上に形成した直列に接続
した100個のジョセフソン接合について臨界電流値I
cを測定したところ、そのばらつき(σ/X)は18.
6%であった。
(Comparative Example 2) In the same manner as in Example 2, IE
A lamp edge type Josephson junction was manufactured by the method of J. However, YBa 2 Cu 3 O y containing no La was used for the first superconductor. In this sample, all 10 Josephson junctions formed on the substrate showed RSJ type IV characteristics. IcR at 4.2K
The n product is 1.4 to 1.9 mV, and the critical current value Ic is about 0.6.
It was mA. Also, the critical current value I for 100 Josephson junctions connected in series formed on the same substrate
When c was measured, the variation (σ / X) was 18.
It was 6%.

【0061】また、分析型透過電子顕微鏡を用いてバリ
ア層を観察したところ、厚さ3nm以上の格子の乱れた
部分が多数観察された。バリア層の厚みが1nm以下の
薄い部分を選んで組成を分析したところ、(Y+Y
b):Ba:Cu=30:34:36であった。ここ
で、酸素で6配位した際のイオン半径が0.0947n
m以上の原子はBaで、陽イオン原子比で34%であっ
た。
When the barrier layer was observed using an analytical transmission electron microscope, a large number of disordered portions of the lattice having a thickness of 3 nm or more were observed. When the composition was analyzed by selecting a thin portion of the barrier layer with a thickness of 1 nm or less, (Y + Y
b): Ba: Cu = 30: 34: 36. Here, the ionic radius when 6-coordinated with oxygen is 0.0947n
The atom of m or more was Ba, and the cation atomic ratio was 34%.

【0062】(実施例3)第1超電導体にNdBa2
3yを、第2超電導体にYBa2Cu3yを用い、こ
の第2超電導体を成膜する前に薄くY2Cu25を成膜
する人工バリアの手法によってランプエッジ型ジョセフ
ソン接合を作製した。
Example 3 NdBa 2 C was used as the first superconductor.
u 3 O y , YBa 2 Cu 3 O y as the second superconductor, and a lamp edge type by an artificial barrier method in which Y 2 Cu 2 O 5 is thinly formed before forming the second superconductor. A Josephson junction was created.

【0063】まず、オフアクシスRFスパッタ法によ
り、MgO基板上に第1超電導体を、さらにその上に層
間絶縁層としてCeO2を、それぞれ200nmの厚み
で成膜した。次いで、実施例1と同様にして、層間絶縁
層及び第1超電導体になだらかな斜面を形成した。その
後、これらの上にレーザー蒸着法によりY2Cu25
約3nm成膜し、その上に第二超電導体を成膜した。
First, the off-axis RF sputtering method was used to deposit a first superconductor on a MgO substrate and further deposit CeO 2 as an interlayer insulating layer thereon to a thickness of 200 nm. Then, in the same manner as in Example 1, a gentle slope was formed on the interlayer insulating layer and the first superconductor. After that, Y 2 Cu 2 O 5 was formed into a film of about 3 nm on them by a laser deposition method, and a second superconductor was formed thereon.

【0064】この試料では、基板上に形成した10個の
ジョセフソン接合は、いずれもRSJ型のI−V特性を
示した。また、4.2KにおけるIcRn積は1.9〜
2.3mV、臨界電流値Icは約0.8mAであった。
また、同一基板上に形成した直列に接続した100個の
ジョセフソン接合について臨界電流値Icを測定したと
ころ、そのばらつき(σ/X)は7.5%であった。
In this sample, all 10 Josephson junctions formed on the substrate showed RSJ type IV characteristics. Further, the IcRn product at 4.2K is 1.9 to
The critical current value Ic was 2.3 mV and was about 0.8 mA.
Further, when the critical current value Ic was measured for 100 Josephson junctions connected in series formed on the same substrate, the variation (σ / X) was 7.5%.

【0065】また、実施例1と同様に分析型透過電子顕
微鏡を用いてバリア層を観察したところ、厚さ1nm以
下の部分がほとんどであり、組成はNd:Ba:Y:C
u=15:36:20:29であった。ここで、酸素で
6配位した際のイオン半径が0.0947nm以上の原
子はNdとBaで、陽イオン原子比で51%を占めてい
た。
When the barrier layer was observed using an analytical transmission electron microscope in the same manner as in Example 1, most of the thickness was 1 nm or less and the composition was Nd: Ba: Y: C.
u = 15: 36: 20: 29. Here, the atoms having an ionic radius of 0.0947 nm or more when 6-coordinated with oxygen were Nd and Ba, and accounted for 51% of the cation atomic ratio.

【0066】(比較例3)実施例3と同様にして、IE
Jの手法によってランプエッジ型ジョセフソン接合を作
製した。ただし、Y2Cu25を成膜する工程を省いて
試料を作製した。この試料では、基板上に形成した10
個の接合のうち4個の接合はFF型のI−V特性を示
し、ジョセフソン接合にはなっていなかった。残り6個
はRSJ型のI−V特性を示し、ジョセフソン接合であ
った。これらのジョセフソン接合では、4.2Kにおけ
るIcRn積は0.4〜0.8mV、臨界電流値Icは
約0.1mAであった。
Comparative Example 3 In the same manner as in Example 3, IE
A lamp edge type Josephson junction was manufactured by the method of J. However, the sample was prepared by omitting the step of depositing Y 2 Cu 2 O 5 . In this sample, 10 formed on the substrate
Four of the junctions showed FF type IV characteristics and were not Josephson junctions. The remaining 6 showed RSJ type IV characteristics and were Josephson junctions. In these Josephson junctions, the IcRn product at 4.2K was 0.4 to 0.8 mV, and the critical current value Ic was about 0.1 mA.

【0067】また、分析型透過電子顕微鏡を用いてバリ
ア層を観察したところ、厚さ3nm以上の格子の乱れた
部分が多数観察された。バリア層の厚みが1nm以下の
薄い部分を選んで組成を分析したところ、Nd:Ba:
Y:Cu=33:39:7:21であった。ここで、酸
素で6配位した際のイオン半径が0.0947nm以上
の原子はNdとBaで、陽イオン原子比で72%を占め
ていた。
When the barrier layer was observed using an analytical transmission electron microscope, a large number of disordered portions of the lattice having a thickness of 3 nm or more were observed. When a thin portion of the barrier layer having a thickness of 1 nm or less was selected and its composition was analyzed, Nd: Ba:
It was Y: Cu = 33: 39: 7: 21. Here, atoms having an ionic radius of 0.0947 nm or more when 6-coordinated with oxygen were Nd and Ba, and accounted for 72% of the cation atomic ratio.

【0068】(実施例4)実施例3と同様にして、人工
バリアの手法によってランプエッジ型ジョセフソン接合
を作製した。ただし、第1超電導体及び第2超電導体に
はNdBa2Cu3yを用い、第2超電導体を成膜する
前に薄くY2BaCuO5を成膜した。
(Example 4) In the same manner as in Example 3, a ramp edge type Josephson junction was manufactured by an artificial barrier method. However, NdBa 2 Cu 3 O y was used for the first superconductor and the second superconductor, and Y 2 BaCuO 5 was thinly formed before forming the second superconductor.

【0069】この試料では、基板上に形成した10個の
ジョセフソン接合は、いずれもRSJ型のI−V特性を
示した。また、4.2KにおけるIcRn積は2.1〜
2.5mV、臨界電流値Icは約1.0mAであった。
また、同一基板上に形成した直列に接続した100個の
ジョセフソン接合について臨界電流値Icを測定したと
ころ、そのばらつき(σ/X)は7.3%であった。
In this sample, all 10 Josephson junctions formed on the substrate showed RSJ type IV characteristics. The IcRn product at 4.2K is 2.1 to
The critical current value Ic was 2.5 mV and about 1.0 mA.
Further, when the critical current value Ic was measured for 100 Josephson junctions connected in series formed on the same substrate, the variation (σ / X) was 7.3%.

【0070】また、実施例1と同様に分析型透過電子顕
微鏡を用いてバリア層を観察したところ、厚さ1nm以
下の部分がほとんどであり、組成はNd:Ba:Y:C
u=19:34:22:25であった。ここで、酸素で
6配位した際のイオン半径が0.0947nm以上の原
子はNdとBaで、陽イオン原子比で53%を占めてい
た。
When the barrier layer was observed using an analytical transmission electron microscope in the same manner as in Example 1, most of the thickness was 1 nm or less, and the composition was Nd: Ba: Y: C.
u = 19: 34: 22: 25. Here, atoms having an ionic radius of 0.0947 nm or more when 6-coordinated with oxygen were Nd and Ba, and accounted for 53% of the cation atomic ratio.

【0071】(比較例4)実施例4と同様にして、人工
バリアの手法によってランプエッジ型ジョセフソン接合
を作製した。ただし、第2超電導体を成膜する前には、
2BaCuO5の替わりにNd4Ba2Cu210を成膜
した。この試料では、基板上に形成した10個の接合の
うち、3個の接合はFF型のI−V特性を示し、ジョセ
フソン接合にはなっていなかった。残り7個の接合はR
SJ型のI−V特性を示し、ジョセフソン接合であっ
た。これらのジョセフソン接合では、4.2Kにおける
IcRn積は0.5〜1.1mV、臨界電流値Icは約
0.1mAであった。
(Comparative Example 4) In the same manner as in Example 4, a ramp-edge type Josephson junction was manufactured by an artificial barrier method. However, before depositing the second superconductor,
Nd 4 Ba 2 Cu 2 O 10 was deposited instead of Y 2 BaCuO 5 . In this sample, out of the 10 junctions formed on the substrate, 3 junctions showed FF type IV characteristics and were not Josephson junctions. The remaining 7 joints are R
It showed an SJ type IV characteristic and was a Josephson junction. In these Josephson junctions, the IcRn product at 4.2K was 0.5 to 1.1 mV, and the critical current value Ic was about 0.1 mA.

【0072】また、分析型透過電子顕微鏡を用いてバリ
ア層を観察したところ、厚さ3nm以上の格子の乱れた
部分が多数観察された。バリア層の厚みが1nm以下の
薄い部分を選んで組成を分析したところ、Nd:Ba:
Cu=29:37:34であった。ここで、酸素で6配
位した際のイオン半径が0.0947nm以上の原子は
NdとBaで、陽イオン原子比で66%を占めていた。
When the barrier layer was observed using an analytical transmission electron microscope, a large number of disordered portions of the lattice having a thickness of 3 nm or more were observed. When a thin portion of the barrier layer having a thickness of 1 nm or less was selected and its composition was analyzed, Nd: Ba:
Cu was 29:37:34. Here, the atoms having an ionic radius of 0.0947 nm or more when 6-coordinated with oxygen were Nd and Ba, and accounted for 66% of the cation atomic ratio.

【0073】2.積層型高温超電導ジョセフソン接合 (実施例5)第1超電導体にY0.9Ba1.9La0.2Cu3
yを、第2超電導体にYbBa2Cu3yを用い、IE
Jの手法によって積層型ジョセフソン接合を作製した。
ただし、基板にはMgOを、層間絶縁層にはCeO2
用いた。
2. Laminated high-temperature superconducting Josephson junction (Example 5) Y 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 was used as the first superconductor.
The O y, using YbBa 2 Cu 3 O y to the second superconductor, IE
A laminated Josephson junction was produced by the method of J.
However, MgO was used for the substrate and CeO 2 was used for the interlayer insulating layer.

【0074】まず、オフアクシスRFスパッタ法により
第1超電導体及び層間絶縁層をそれぞれ200nmの膜
厚で成膜した。次いで、スピンコート法により層間絶縁
層上にフォトレジストを塗布し、その後、フォトリソグ
ラフィー法によりパターニングを行いマスクを作製し
た。次いで、このマスクを用いて層間絶縁層に加速電圧
400V、イオン電流50mAの条件でArイオン照射
によりエッチング処理を施し、この層間絶縁層のジョセ
フソン接合に対応する部分に開口を形成した。露出した
第1超電導体の表面にはArイオン照射により損傷層が
生じている。次いで、層間絶縁層上及び露出した第1超
電導体の表面にレーザー蒸着法により第2超電導体を成
膜した。
First, the first superconductor and the interlayer insulating layer were each formed to a film thickness of 200 nm by the off-axis RF sputtering method. Next, a photoresist was applied on the interlayer insulating layer by spin coating, and then patterning was performed by photolithography to produce a mask. Then, using this mask, the interlayer insulating layer was subjected to etching treatment by Ar ion irradiation under the conditions of an acceleration voltage of 400 V and an ion current of 50 mA, and an opening was formed in a portion of the interlayer insulating layer corresponding to the Josephson junction. A damaged layer is formed on the exposed surface of the first superconductor by Ar ion irradiation. Then, a second superconductor was deposited on the interlayer insulating layer and on the exposed surface of the first superconductor by a laser deposition method.

【0075】この試料では、基板上に形成した10個の
ジョセフソン接合は、いずれもRSJ型のI−V特性を
示した。また、4.2KにおけるIcRn積は1.2〜
1.6mV、臨界電流値Icは約0.3mAであった。
また、同一基板上に形成した10個のジョセフソン接合
について臨界電流値Icを測定したところ、そのばらつ
き(σ/X)は9.8%であった。
In this sample, all 10 Josephson junctions formed on the substrate showed RSJ type IV characteristics. Also, the IcRn product at 4.2K is 1.2 to
The critical current value Ic was 1.6 mV and was about 0.3 mA.
Further, when the critical current value Ic was measured for 10 Josephson junctions formed on the same substrate, the variation (σ / X) was 9.8%.

【0076】また、電子線ビーム径が約1nmの分析型
透過電子顕微鏡を用いてバリア層を観察したところ、厚
さ1nm以下の部分がほとんどであった。また、この分
析型透過電子顕微鏡を用いてバリア層の20点の部分の
組成分析を行ったところ、(Y+Yb):Ba:La:
Cu=20:37:10:33であった。ここで、酸素
で6配位した際のイオン半径が0.0947nm以上の
原子はBaとLaで、陽イオン原子比で47%を占めて
いた。
When the barrier layer was observed using an analytical transmission electron microscope with an electron beam diameter of about 1 nm, most of the thickness was 1 nm or less. Further, when the composition analysis of 20 points of the barrier layer was performed using this analytical transmission electron microscope, (Y + Yb): Ba: La:
Cu was 20: 37: 10: 33. Here, the atoms having an ionic radius of 0.0947 nm or more when 6-coordinated with oxygen were Ba and La, and accounted for 47% of the cation atomic ratio.

【0077】(実施例6)第1超電導体及び第2超電導
体にYBa2Cu3yを用い、第2超電導体を成膜する
前に薄くNd2CuO4を成膜する人工バリアの手法によ
ってランプエッジ型ジョセフソン接合を作製した。ここ
では、Nd2CuO4の膜厚を様々に変化させて、この厚
みがジョセフソン接合に及ぼす影響を調べた。
Example 6 An artificial barrier method in which YBa 2 Cu 3 O y is used for the first superconductor and the second superconductor, and thin Nd 2 CuO 4 film is formed before the second superconductor film is formed. A lamp-edge type Josephson junction was prepared by. Here, the film thickness of Nd 2 CuO 4 was variously changed, and the influence of this thickness on the Josephson junction was investigated.

【0078】まず、オフアクシスRFスパッタ法によ
り、MgO基板上に第1超電導体を、さらにその上に層
間絶縁層としてCeO2を、それぞれ200nmの膜厚
で成膜した。次いで、実施例1と同様にして層間絶縁層
及び第1超電導体それぞれになだらかな斜面を形成し
た。その後、レーザー蒸着法によりNd2CuO4を約
0.5〜50nmの膜厚で成膜し、その上に第2超電導
体を成膜した。以上により、Nd2CuO4の膜厚が異な
る9種類の試料(No.1〜9)が得られた。
First, the first superconductor was deposited on the MgO substrate by the off-axis RF sputtering method, and CeO 2 was further deposited thereon to a film thickness of 200 nm as an interlayer insulating layer. Then, in the same manner as in Example 1, a gentle slope was formed on each of the interlayer insulating layer and the first superconductor. After that, Nd 2 CuO 4 was formed into a film with a film thickness of about 0.5 to 50 nm by a laser deposition method, and a second superconductor was formed thereon. As described above, nine kinds of samples (Nos. 1 to 9) having different film thicknesses of Nd 2 CuO 4 were obtained.

【0079】その後、各試料毎に、I−V特性、臨界電
流値Ic、臨界電流値Icのばらつきσ/X、(Nd+
Ba):(Y+Cu)を求め、表1にまとめた。なお、
I−V特性及び臨界電流値Icについては、基板上に形
成した10個のジョセフソン接合について測定した。I
−V特性については、「FF」、「RSJ」、「抵抗」
のうちのいずれかのタイプで表示した。また、ばらつき
σ/Xについては、同一基板上に形成した100個のジ
ョセフソン接合について4.2Kにおける臨界電流値I
cを測定し、そのばらつきσ/Xを求めた。
Thereafter, for each sample, the IV characteristic, the critical current value Ic, the variation σ / X of the critical current value Ic, (Nd +
Ba): (Y + Cu) was determined and summarized in Table 1. In addition,
The IV characteristics and the critical current value Ic were measured for 10 Josephson junctions formed on the substrate. I
For -V characteristics, "FF", "RSJ", "resistance"
Displayed in any type of As for the variation σ / X, the critical current value I at 4.2K for 100 Josephson junctions formed on the same substrate
c was measured and the variation σ / X was determined.

【0080】[0080]

【表1】 [Table 1]

【0081】表1によれば、Nd2CuO4の膜厚が1〜
20nmの範囲で、RSJ型のI−V特性を示し、膜厚
が2〜5nmの範囲でばらつきσ/Xが10%より小さ
くなることが分かった。特に、膜厚が2〜3nmの試料
が、RSJ型のI−V特性を示すとともに、ばらつきσ
/Xが8%より小さく、特性のばらつきを小さく抑える
効果があることが分かった。また、酸素で6配位した際
のイオン半径が0.0947nm以上の原子はNdとB
aであるが、NdとBaとの和(Nd+Ba)が陽イオ
ン原子比で35〜65%の場合に、ばらつきσ/Xが1
0%より小さくなることが分かった。
According to Table 1, the film thickness of Nd 2 CuO 4 is 1 to
It was found that RSJ type IV characteristics were exhibited in the range of 20 nm, and the variation σ / X was smaller than 10% in the range of the film thickness of 2 to 5 nm. In particular, the sample with a film thickness of 2 to 3 nm exhibits RSJ type IV characteristics and the variation σ
It was found that / X was smaller than 8% and the effect of suppressing the variation in characteristics was small. In addition, atoms with an ionic radius of 0.0947 nm or more when 6-coordinated with oxygen are Nd and B.
However, the variation σ / X is 1 when the sum of Nd and Ba (Nd + Ba) is 35 to 65% in terms of cation atomic ratio.
It was found to be smaller than 0%.

【0082】[0082]

【発明の効果】本発明の高温超電導ジョセフソン接合に
よれば、バリア層を挟持する超電導体を、Y,La,N
d,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,Y
b,Luから選択された1種または2種以上の元素(R
E)、Ba,Sr,Caから選択された1種または2種
以上の元素(AE)、Cu及び酸素(O)を含有するこ
ととし、前記バリア層を、La,Nd,Sm,Euから
選択された1種または2種以上の元素(RE1)、及び
Y,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luから選
択された1種または2種以上の元素(RE2)を含有す
ることとしたので、バリア層と、2つの超電導体との間
の格子整合性を改善することができ、より安定したジョ
セフソン接合を具現化することができる。したがって、
良好なRSJ特性を示すとともに、臨界電流値Ic及び
IcRn積のばらつきが極めて小さいジョセフソン接合
を得ることができる。また、超電導体及びバリア層それ
ぞれの構成元素を上記の様に限定することで、特性ばら
つきの小さな複数のジョセフソン接合を再現性良く作製
することができる。
According to the high temperature superconducting Josephson junction of the present invention, the superconductors sandwiching the barrier layer are made of Y, La and N.
d, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Y
one or more elements selected from b and Lu (R
E), one or more elements (AE) selected from Ba, Sr and Ca, Cu and oxygen (O) are contained, and the barrier layer is selected from La, Nd, Sm and Eu. And at least one element (RE2) selected from Y, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu (RE2). Therefore, the lattice matching between the barrier layer and the two superconductors can be improved, and a more stable Josephson junction can be realized. Therefore,
It is possible to obtain a Josephson junction exhibiting excellent RSJ characteristics and having extremely small variations in the critical current values Ic and IcRn products. Further, by limiting the constituent elements of the superconductor and the barrier layer as described above, a plurality of Josephson junctions with small characteristic variations can be manufactured with good reproducibility.

【0083】本発明の超電導電子デバイスによれば、本
発明の高温超電導ジョセフソン接合を1つ以上備えたの
で、1つの超電導電子デバイス内でのジョセフソン接合
の特性のばらつきを小さく抑えることができ、この超電
導電子デバイスの電気的特性及び信頼性を向上させるこ
とができる。したがって、この超電導電子デバイスを用
いた製品の電気的特性及び信頼性を向上させることがで
きる。また、特性ばらつきの小さな1つ以上のジョセフ
ソン接合を有する超電導電子デバイスを再現性良く作製
することができる。
According to the superconducting device of the present invention, since one or more high-temperature superconducting Josephson junctions of the present invention are provided, it is possible to suppress variations in the characteristics of the Josephson junction within one superconducting device. The electric characteristics and reliability of this superconducting device can be improved. Therefore, it is possible to improve the electrical characteristics and reliability of the product using this superconducting electronic device. Further, it is possible to reproducibly manufacture a superconducting device having one or more Josephson junctions with small characteristic variations.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の第1実施形態のランプエッジ型高温
超電導ジョセフソン接合を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a ramp edge type high temperature superconducting Josephson junction according to a first embodiment of the present invention.

【図2】 本発明の第1実施形態のランプエッジ型高温
超電導ジョセフソン接合の製造方法を示す過程図であ
る。
FIG. 2 is a process diagram showing a method for manufacturing a ramp-edge type high temperature superconducting Josephson junction according to the first embodiment of the present invention.

【図3】 本発明の第2実施形態の積層型高温超電導ジ
ョセフソン接合を示す断面図である。
FIG. 3 is a sectional view showing a laminated high temperature superconducting Josephson junction according to a second embodiment of the present invention.

【図4】 接合部のI−V特性を示す図であり、(a)
は抵抗を示す場合の、(b)はRSJ特性を示す場合
の、(c)はFF特性を示す場合のそれぞれのI−V特
性を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing IV characteristics of a joint part, (a)
FIG. 4 is a diagram showing respective IV characteristics in the case of showing resistance, (b) showing RSJ characteristics, and (c) showing FF characteristics.

【符号の説明】 1 基板 2 第1超電導体 2a エッジ面 3 層間絶縁層 3a エッジ面 3b 開口 4 第2超電導体 5 バリア層 11 第1超電導体層 12 層間絶縁層 13 フォトレジスト 14 マスク 14a 端部 15 Arイオン(Ar+)照射 16 損傷層 17 第2超電導体層[Explanation of Codes] 1 substrate 2 first superconductor 2a edge surface 3 interlayer insulating layer 3a edge surface 3b opening 4 second superconductor 5 barrier layer 11 first superconductor layer 12 interlayer insulating layer 13 photoresist 14 mask 14a edge portion 15 Ar ion (Ar + ) irradiation 16 Damage layer 17 Second superconductor layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 若菜 裕紀 東京都江東区東雲1丁目14番3号 財団法 人国際超電導産業技術研究センター 超電 導工学研究所内 (72)発明者 田辺 圭一 東京都江東区東雲1丁目14番3号 財団法 人国際超電導産業技術研究センター 超電 導工学研究所内 Fターム(参考) 4M113 AA06 AA16 AA25 AA37 AD36 AD37 AD67 AD68 BA04 BA07 BA11 BA15 BA23 BB07 BC04 BC08 CA34    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Yuki Wakana             Foundation law, 1-14-3 Shinonome, Koto-ku, Tokyo             International Superconductivity Technology Center             Conducting Engineering Laboratory (72) Inventor Keiichi Tanabe             Foundation law, 1-14-3 Shinonome, Koto-ku, Tokyo             International Superconductivity Technology Center             Conducting Engineering Laboratory F term (reference) 4M113 AA06 AA16 AA25 AA37 AD36                       AD37 AD67 AD68 BA04 BA07                       BA11 BA15 BA23 BB07 BC04                       BC08 CA34

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 バリア層を2つの超電導体により挟持し
てなるジョセフソン接合において、 前記超電導体は、Y,La,Nd,Sm,Eu,Gd,
Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luから選択された1
種または2種以上の元素、Ba,Sr,Caから選択さ
れた1種または2種以上の元素、Cu及び酸素(O)を
含有し、 前記バリア層は、La,Nd,Sm,Euから選択され
た1種または2種以上の元素、及びY,Gd,Dy,H
o,Er,Tm,Yb,Luから選択された1種または
2種以上の元素を含有してなることを特徴とする高温超
電導ジョセフソン接合。
1. A Josephson junction in which a barrier layer is sandwiched between two superconductors, wherein the superconductors are Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd,
1 selected from Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu
One or more elements, one or more elements selected from Ba, Sr and Ca, Cu and oxygen (O) are contained, and the barrier layer is selected from La, Nd, Sm and Eu. 1 or 2 or more elements and Y, Gd, Dy, H
A high-temperature superconducting Josephson junction comprising one or more elements selected from o, Er, Tm, Yb and Lu.
【請求項2】 前記バリア層は、酸素(O)で6配位し
た際のイオン半径が0.0947nm以上の陽イオンの
割合が、陽イオン原子比で35〜65%であることを特
徴とする請求項1記載の高温超電導ジョセフソン接合。
2. The barrier layer is characterized in that the proportion of cations having an ionic radius of 0.0947 nm or more when 6-coordinated with oxygen (O) is 35 to 65% in terms of cation atomic ratio. The high temperature superconducting Josephson junction according to claim 1.
【請求項3】 前記バリア層は、2つの前記超電導体と
エッジ接合または積層接合してなることを特徴とする請
求項1または2記載の高温超電導ジョセフソン接合。
3. The high temperature superconducting Josephson junction according to claim 1, wherein the barrier layer is formed by edge joining or laminated joining with the two superconductors.
【請求項4】 請求項1、2または3記載の高温超電導
ジョセフソン接合を1つ以上備えてなることを特徴とす
る超電導電子デバイス。
4. A superconducting device comprising one or more high temperature superconducting Josephson junctions according to claim 1, 2 or 3.
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