JP2624690B2 - 酸化物超電導装置およびその製造方法 - Google Patents
酸化物超電導装置およびその製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は高速で演算、記憶等を行う計算機用スイッチ
ング素子等の分野に利用される超電導デバイス装置の分
野に係り、とくに液体窒素温度で動作可能な酸化物超電
導装置に関するものである。
ング素子等の分野に利用される超電導デバイス装置の分
野に係り、とくに液体窒素温度で動作可能な酸化物超電
導装置に関するものである。
［従来の技術］ 従来の超電導電流カップリング装置の構造は下部電極
超電導膜、トンネル障壁層および上部電極超電導膜が積
層された構造である。トンネル障壁層は通常下部電極膜
表面層を酸化させるかあるいは半導体または絶縁膜の極
薄層を堆積させるか、あるいは金属の極薄層を堆積後酸
化させることにより形成されてきた。
超電導膜、トンネル障壁層および上部電極超電導膜が積
層された構造である。トンネル障壁層は通常下部電極膜
表面層を酸化させるかあるいは半導体または絶縁膜の極
薄層を堆積させるか、あるいは金属の極薄層を堆積後酸
化させることにより形成されてきた。
たとえばNb超電導電流カップリング装置の場合、下部
電極Nb膜上に膜厚３〜10nmのAl薄層を堆積し、酸化させ
ることによりトンネル障壁層が形成される。このような
Nb系超電導電流カップリング装置の構造および製造方法
についてはアイ・イー・イー・イー，トランザクション
オン マグネティクス，エム エー ジー 19,（198
3年）第791頁から794頁（IEEE Trans.Magnetics,MAG−
19（1983）PP791−794）において詳細に伸べられてい
る。このようなNb系超電導電流カップリング装置の動作
はその臨界温度である9Kまでである。このようなNb系の
素子を動作させるためには液体ヘリウムを用いた冷却が
必要であり，冷却設備とコストが膨大となる。これに対
して液体窒素温度等の高い温度で動作できる素子が存在
すれば、冷却コストと使い易さの点から非常に有利とな
る。
電極Nb膜上に膜厚３〜10nmのAl薄層を堆積し、酸化させ
ることによりトンネル障壁層が形成される。このような
Nb系超電導電流カップリング装置の構造および製造方法
についてはアイ・イー・イー・イー，トランザクション
オン マグネティクス，エム エー ジー 19,（198
3年）第791頁から794頁（IEEE Trans.Magnetics,MAG−
19（1983）PP791−794）において詳細に伸べられてい
る。このようなNb系超電導電流カップリング装置の動作
はその臨界温度である9Kまでである。このようなNb系の
素子を動作させるためには液体ヘリウムを用いた冷却が
必要であり，冷却設備とコストが膨大となる。これに対
して液体窒素温度等の高い温度で動作できる素子が存在
すれば、冷却コストと使い易さの点から非常に有利とな
る。
［発明が解決しようとする問題点］ 上記従来技術に対して動作温度の高い超電導電流カッ
プリング装置を得るためには、臨界温度の高い超電導材
料を電極膜として用いる必要がある。臨界温度の高い超
電導材料として、Ba−Ｙ−Cu酸化物等ペロブスカイト型
結晶構造、あるいはこの変形構造を有する酸化物が90K
以上の高い超電導臨界温度を有する。Ba−Ｙ−Cu酸化物
を電極材として用いれば90Kまでの温度で動作する超電
導電流カップリング装置が得られるはずである。
プリング装置を得るためには、臨界温度の高い超電導材
料を電極膜として用いる必要がある。臨界温度の高い超
電導材料として、Ba−Ｙ−Cu酸化物等ペロブスカイト型
結晶構造、あるいはこの変形構造を有する酸化物が90K
以上の高い超電導臨界温度を有する。Ba−Ｙ−Cu酸化物
を電極材として用いれば90Kまでの温度で動作する超電
導電流カップリング装置が得られるはずである。
超電導電流カップリング装置の電極材としては薄膜が
用いられる。Ba−Ｙ−Cu酸化物薄膜の形成温度は800℃
以上である。Ba−Ｙ−Cu酸化物を電極材とし、厚さ約2n
mの絶縁物あるいは半導体をトンネル障壁層として、こ
れらの膜層を基板に対して垂直方向に積上げる従来方式
の接合構造を考える。このような高温動作超電導電流カ
ップリング装置を得るための作製工程としては、下部電
極としてのBa−Ｙ−Cu酸化物薄膜形成後、厚さ約2nmの
絶縁物あるいは半導体を被覆し、さらに上部電極として
のBa−Ｙ−Cu酸化物薄膜を形成する必要がある。上部電
極Ba−Ｙ−Cu酸化物を形成する際に基板を800℃以上に
加熱した場合、厚さ2nmの半導体あるいは絶縁体は熱拡
散によって破壊されてしまう。したがって従来方法によ
ってBa−Ｙ−Cu酸化物等の高臨界温度超電導材料を用い
た高温動作超電導電流カップリング装置を得るのは不可
能である。
用いられる。Ba−Ｙ−Cu酸化物薄膜の形成温度は800℃
以上である。Ba−Ｙ−Cu酸化物を電極材とし、厚さ約2n
mの絶縁物あるいは半導体をトンネル障壁層として、こ
れらの膜層を基板に対して垂直方向に積上げる従来方式
の接合構造を考える。このような高温動作超電導電流カ
ップリング装置を得るための作製工程としては、下部電
極としてのBa−Ｙ−Cu酸化物薄膜形成後、厚さ約2nmの
絶縁物あるいは半導体を被覆し、さらに上部電極として
のBa−Ｙ−Cu酸化物薄膜を形成する必要がある。上部電
極Ba−Ｙ−Cu酸化物を形成する際に基板を800℃以上に
加熱した場合、厚さ2nmの半導体あるいは絶縁体は熱拡
散によって破壊されてしまう。したがって従来方法によ
ってBa−Ｙ−Cu酸化物等の高臨界温度超電導材料を用い
た高温動作超電導電流カップリング装置を得るのは不可
能である。
そこで本発明の目的はBa−Ｙ−Cu酸化物等の高臨界温
度超電導材料を電極とする高温動作超電導電流カップリ
ング装置の構造と製造方法を与えるものである。これに
より、超電導現象を利用したスイッチング素子、高感度
磁束検出素子、あるいは高感度マイクロ波、赤外光検出
素子の動作を室温で簡便に行うことを可能ならしめるも
のである。
度超電導材料を電極とする高温動作超電導電流カップリ
ング装置の構造と製造方法を与えるものである。これに
より、超電導現象を利用したスイッチング素子、高感度
磁束検出素子、あるいは高感度マイクロ波、赤外光検出
素子の動作を室温で簡便に行うことを可能ならしめるも
のである。
［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために以下に述べる技術的手段を
採用した。すなわち、Ba−Ｙ−Cu酸化物をはじめとする
酸化物超電導材料を電極とする超電導電流カップリング
装置において、各両側超電導電極を結晶方位の揃った多
結晶あるいは単結晶酸化物とする。この酸化物結晶に対
して、一部の領域においてF,Cl,Br,I,C,O,S,Pあるいは
Ｎ元素、あるいはこれら元素の混合物、あるいはこれら
元素を含む有機物を結晶格子間あるいは結晶粒界に侵入
させるか、あるいは電極中の一部原子を置換させること
によってトンネル障壁層を形成する。
採用した。すなわち、Ba−Ｙ−Cu酸化物をはじめとする
酸化物超電導材料を電極とする超電導電流カップリング
装置において、各両側超電導電極を結晶方位の揃った多
結晶あるいは単結晶酸化物とする。この酸化物結晶に対
して、一部の領域においてF,Cl,Br,I,C,O,S,Pあるいは
Ｎ元素、あるいはこれら元素の混合物、あるいはこれら
元素を含む有機物を結晶格子間あるいは結晶粒界に侵入
させるか、あるいは電極中の一部原子を置換させること
によってトンネル障壁層を形成する。
このような酸化物超電導装置は以下のごとき方法によ
って形成する。基板材料としてたとえばSrTiO3単結晶を
用いる。SrTiO3結晶の（100）面は基板面に対して平行
とする。この上にたとえばBa−Ｙ−Cu酸化物を成長させ
ることによって結晶のＣ軸が基板面に垂直な方向を向く
ように制御する。このBa−Ｙ−Cu酸化物に対して、レジ
ストパタンを介してF,Cl,Br,I,C,O,S,P,あるいはＮ元
素、あるいはこれら元素の混合物、あるいはこれら元素
を含む化合物，有機物を結晶格子間あるいは結晶粒界に
侵入させるか、あるいは電極中の一部原子を置換させ
る。これら元素、あるいは分子の侵入はBa−Ｙ−Cu酸化
物薄膜の裏面、すなわち基板側にまで達するようにす
る。これら元素あるいは分子の侵入した部分をトンネル
障壁層として供する。以上の工程により超電導電流カッ
プリング装置が得られる。
って形成する。基板材料としてたとえばSrTiO3単結晶を
用いる。SrTiO3結晶の（100）面は基板面に対して平行
とする。この上にたとえばBa−Ｙ−Cu酸化物を成長させ
ることによって結晶のＣ軸が基板面に垂直な方向を向く
ように制御する。このBa−Ｙ−Cu酸化物に対して、レジ
ストパタンを介してF,Cl,Br,I,C,O,S,P,あるいはＮ元
素、あるいはこれら元素の混合物、あるいはこれら元素
を含む化合物，有機物を結晶格子間あるいは結晶粒界に
侵入させるか、あるいは電極中の一部原子を置換させ
る。これら元素、あるいは分子の侵入はBa−Ｙ−Cu酸化
物薄膜の裏面、すなわち基板側にまで達するようにす
る。これら元素あるいは分子の侵入した部分をトンネル
障壁層として供する。以上の工程により超電導電流カッ
プリング装置が得られる。
［作用］ 以上のごとき酸化物超電導装置の構造および製造方法
は従来の問題点を以下の理由により解決するものであ
る。
は従来の問題点を以下の理由により解決するものであ
る。
従来の超電導電流カップリング装置のようにトンネル
障壁層形成後高い基板温度条件で上部電極膜を形成した
場合、トンネル障壁層が熱拡散によって劣化をみるのは
明らかである。本発明にかかる酸化物超電導電流カップ
リング装置は電極膜を形成後にトンネル障壁層を形成す
る。したがってトンネル障壁層が後に続く作製工程によ
って劣化するという問題は生じない。
障壁層形成後高い基板温度条件で上部電極膜を形成した
場合、トンネル障壁層が熱拡散によって劣化をみるのは
明らかである。本発明にかかる酸化物超電導電流カップ
リング装置は電極膜を形成後にトンネル障壁層を形成す
る。したがってトンネル障壁層が後に続く作製工程によ
って劣化するという問題は生じない。
酸化物超電導装置の電極材となる酸化物超電導材料は
酸素原子の空孔を多量に含む構造である。たとえばBa−
Ｙ−Cu酸化物の結晶構造を第１図に示したが、基本的な
ペロブスカイト型結晶構造に対する酸素欠損の割合は25
％である。Ba−Ｙ−Baと原子が配列されるＣ軸に対して
垂直な面に関して、Ｙ原子を含む面では全く酸素原子が
存在しない。Ba原子とBa原子の中点を含む面において、
62.5％の割合で酸素原子が欠損している。したがってこ
のような酸素原子空孔を含む結晶構造に対して、F,Cl,B
r,I,C,O,S,P,あるいはＮ元素、あるいはこれら元素の混
合物、あるいはこれら元素を含む化合物、有機物を結晶
格子間に侵入させる反応は比較的進行しやすい。これら
の元素、これら元素の混合物、あるいはこれら元素を含
む有機物を結晶粒界に侵入させる反応はさらに進行しや
すい。
酸素原子の空孔を多量に含む構造である。たとえばBa−
Ｙ−Cu酸化物の結晶構造を第１図に示したが、基本的な
ペロブスカイト型結晶構造に対する酸素欠損の割合は25
％である。Ba−Ｙ−Baと原子が配列されるＣ軸に対して
垂直な面に関して、Ｙ原子を含む面では全く酸素原子が
存在しない。Ba原子とBa原子の中点を含む面において、
62.5％の割合で酸素原子が欠損している。したがってこ
のような酸素原子空孔を含む結晶構造に対して、F,Cl,B
r,I,C,O,S,P,あるいはＮ元素、あるいはこれら元素の混
合物、あるいはこれら元素を含む化合物、有機物を結晶
格子間に侵入させる反応は比較的進行しやすい。これら
の元素、これら元素の混合物、あるいはこれら元素を含
む有機物を結晶粒界に侵入させる反応はさらに進行しや
すい。
［実施例］ 以下、本発明を第２図に示す実施例にもとづいて説明
する。
する。
SrTiO3単結晶５を基板として用いる。基板は（100）
面が基板面と平行になるようにする。基板に対してサブ
ミクロン幅の溝６を形成する。この溝はサブミクロンの
溝を有するレジストパタンを形成し、電圧500Vのアルゴ
ンビームを照射することにより成型する。溝の幅は0.5
μｍ以内、深さは10nmとする。このような処理を施した
基板上にBa−Ｙ−Cu酸化物７を形成する。BaとＹおよび
Cuの組成比として2:1:3となるBa−Ｙ−Cu酸化物薄膜をS
rTiO3基板上に形成する。Ba−Ｙ−Cu酸化膜はBa−Ｙ−C
u酸化物ターゲットを用いて高周波マグネトロンスパッ
タリング法によって形成する。膜形成時の基板温度は40
0℃以内とする。膜厚は500nmとする。堆積速度は10nm/m
inとする。膜形成後酸素雰囲気中800℃〜1000℃の範囲
で熱処理を行うことによって、Ba−Ｙ−Cu酸化物の結晶
化を行う。Ｘ線回折測定の結果によれば、同一条件でSr
TiO3基板上に形成されたBa−Ｙ−Cu酸化物７の結晶構造
は第１図に示したごとく、ペロブスカイト型結晶の変形
構造であり、Ｃ軸が膜面に対して垂直な方位を示す。走
査電子顕微鏡観察の結果によれば、電極部におけるBa−
Ｙ−Cu酸化物７の結晶粒径は100μｍ以上であった。SrT
iO3基板に対してアルゴンビームを照射した部分に関し
ては、溝方向に添って結晶粒界が連なっていた。
面が基板面と平行になるようにする。基板に対してサブ
ミクロン幅の溝６を形成する。この溝はサブミクロンの
溝を有するレジストパタンを形成し、電圧500Vのアルゴ
ンビームを照射することにより成型する。溝の幅は0.5
μｍ以内、深さは10nmとする。このような処理を施した
基板上にBa−Ｙ−Cu酸化物７を形成する。BaとＹおよび
Cuの組成比として2:1:3となるBa−Ｙ−Cu酸化物薄膜をS
rTiO3基板上に形成する。Ba−Ｙ−Cu酸化膜はBa−Ｙ−C
u酸化物ターゲットを用いて高周波マグネトロンスパッ
タリング法によって形成する。膜形成時の基板温度は40
0℃以内とする。膜厚は500nmとする。堆積速度は10nm/m
inとする。膜形成後酸素雰囲気中800℃〜1000℃の範囲
で熱処理を行うことによって、Ba−Ｙ−Cu酸化物の結晶
化を行う。Ｘ線回折測定の結果によれば、同一条件でSr
TiO3基板上に形成されたBa−Ｙ−Cu酸化物７の結晶構造
は第１図に示したごとく、ペロブスカイト型結晶の変形
構造であり、Ｃ軸が膜面に対して垂直な方位を示す。走
査電子顕微鏡観察の結果によれば、電極部におけるBa−
Ｙ−Cu酸化物７の結晶粒径は100μｍ以上であった。SrT
iO3基板に対してアルゴンビームを照射した部分に関し
ては、溝方向に添って結晶粒界が連なっていた。
つぎに基板の溝に対応する部分にレジストパターンを
形成し、レジスト以外の部分にpt膜８を形成する。Pt膜
８の膜厚は200nmとする。Pt膜形成後レジスト材を除去
する。Ba−Ｙ−Cu酸化物薄膜を真空装置に設置し、高周
波スパッタリング法によって炭素（Ｃ）膜９の形成を行
う。炭素膜９の膜厚は20nmとする。炭素膜形成後Ba−Ｙ
−Cu酸化物薄膜を空気中300℃で加熱処理を処してトン
ネル障壁層10を形成し、酸化物超電導電流カップリング
装置の完成をみる。
形成し、レジスト以外の部分にpt膜８を形成する。Pt膜
８の膜厚は200nmとする。Pt膜形成後レジスト材を除去
する。Ba−Ｙ−Cu酸化物薄膜を真空装置に設置し、高周
波スパッタリング法によって炭素（Ｃ）膜９の形成を行
う。炭素膜９の膜厚は20nmとする。炭素膜形成後Ba−Ｙ
−Cu酸化物薄膜を空気中300℃で加熱処理を処してトン
ネル障壁層10を形成し、酸化物超電導電流カップリング
装置の完成をみる。
以上のごとく作製したBa−Ｙ−Cu超電導電流カップリ
ング装置の特性は液体窒素に浸漬して測定する。超電導
電流カップリング装置の電圧−電流特性は典型的な超電
導電流カップリング装置としての特性を示すものであ
る。超電導臨界電流は100μＡ以上の実用に必要な値が
得られる。超電導臨界電流は磁場に対して周期的な依存
性を示し、超電導電流カップリング装置としての特性を
反映するものである。
ング装置の特性は液体窒素に浸漬して測定する。超電導
電流カップリング装置の電圧−電流特性は典型的な超電
導電流カップリング装置としての特性を示すものであ
る。超電導臨界電流は100μＡ以上の実用に必要な値が
得られる。超電導臨界電流は磁場に対して周期的な依存
性を示し、超電導電流カップリング装置としての特性を
反映するものである。
酸化物超電導装置のトンネル障壁層として、Ｃ以外に
F,Cl,Br,I,O,S,P,あるいはＮ元素あるいはこれら元素の
混合物、あるいはこれら元素を含む化合物，有機物を結
晶格子あるいは結晶粒界に侵入させた場合も同様の結果
が得られる。Ba−Ｙ−Cu酸化物以外に弗素を含むBa−Ｙ
−Cu酸化物あるいはLa−Sr−Cu酸化物等別の酸化物超電
導材料を電極材として用いた場合も結果は同様である。
結晶方位の揃った酸化物超電導電極を用いることによ
り、結晶粒が柱状でかつ結晶粒界が基板面まで連続的に
つながった構造が得られる。このような粒界構造におい
ては上記C,F,Cl,Br,I,O,S,P,あるいはＮ元素あるいはこ
れらの元素の混合物あるいはこれら元素を含む化合物，
有機物を結晶粒界に添って侵入させるのが容易である。
結晶格子間に侵入させる場合も同様である。但し、上記
物質は結晶格子間よりも、結晶粒界に添って優先的に侵
入するため、結晶格子間に侵入させるためには単結晶薄
膜を用いる必要がある。
F,Cl,Br,I,O,S,P,あるいはＮ元素あるいはこれら元素の
混合物、あるいはこれら元素を含む化合物，有機物を結
晶格子あるいは結晶粒界に侵入させた場合も同様の結果
が得られる。Ba−Ｙ−Cu酸化物以外に弗素を含むBa−Ｙ
−Cu酸化物あるいはLa−Sr−Cu酸化物等別の酸化物超電
導材料を電極材として用いた場合も結果は同様である。
結晶方位の揃った酸化物超電導電極を用いることによ
り、結晶粒が柱状でかつ結晶粒界が基板面まで連続的に
つながった構造が得られる。このような粒界構造におい
ては上記C,F,Cl,Br,I,O,S,P,あるいはＮ元素あるいはこ
れらの元素の混合物あるいはこれら元素を含む化合物，
有機物を結晶粒界に添って侵入させるのが容易である。
結晶格子間に侵入させる場合も同様である。但し、上記
物質は結晶格子間よりも、結晶粒界に添って優先的に侵
入するため、結晶格子間に侵入させるためには単結晶薄
膜を用いる必要がある。
［発明の効果］ 本発明によれば酸化物超電導装置に関して以下に述べ
る効果を有する。
る効果を有する。
（１）液体窒素温度における動作が可能であり、素子の
冷却に要するコストの低減や装置の簡素化がはかれる。
冷却に要するコストの低減や装置の簡素化がはかれる。
（２）両側電極膜形成後にトンネル障壁層を形成するた
め、形成工程における障壁層劣化の問題がなく、高品質
超電導装置が得られる。
め、形成工程における障壁層劣化の問題がなく、高品質
超電導装置が得られる。
（３）１回の膜形成によって両側電極膜を形成するの
で、工程が簡略化されるとともに、素子構造が簡単とな
る。
で、工程が簡略化されるとともに、素子構造が簡単とな
る。
第１図はBa−Ｙ−Cu酸化物の原子配列を示す図、第２図
は本発明の一実施例である酸化物超電導装置の断面図で
ある。 １……Cu、２……酸素、３……Ba、４……Y,5……SrTiO
3基板、６……SrTiO3溝、７……Ba−Ｙ−Cu酸化物電
極、８……Pt膜、９……Ｃ膜、10……トンネル障壁層。
は本発明の一実施例である酸化物超電導装置の断面図で
ある。 １……Cu、２……酸素、３……Ba、４……Y,5……SrTiO
3基板、６……SrTiO3溝、７……Ba−Ｙ−Cu酸化物電
極、８……Pt膜、９……Ｃ膜、10……トンネル障壁層。
Claims (4)
- 【請求項１】溝を有する基板と、上記基板上に形成され
た酸化物超電導体と、上記酸化物超電導体を第１及び第
２の超電導電極に分けるように上記溝に対応する上記酸
化物超電導体の部分に導入された所定の物質により形成
されたトンネル障壁層とからなることを特徴とする酸化
物超電導装置。 - 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の酸化物超電
導装置において、上記酸化物超電導体は、結晶方位の揃
った多結晶あるいは単結晶酸化物よりなることを特徴と
する酸化物超電導装置。 - 【請求項３】特許請求の範囲第１項に記載の酸化物超電
導装置において、上記所定の物質は、Ｆ、Cl、Br、Ｉ、
Ｃ、Ｏ、Ｓ、ＰあるいはＮ元素、あるいはこれら元素の
混合物、あるいはこれら元素を含む化合物、有機物より
構成されていることを特徴とする酸化物超電導装置。 - 【請求項４】ビームを照射することにより基板上に溝を
形成する工程、上記溝を有する基板上に酸化物薄膜を形
成する工程、上記溝方向に沿って上記酸化物薄膜に結晶
粒界を形成する工程、上記粒界に沿って元素を侵入させ
る工程、とを有することを特徴とする酸化物超電導装置
の製造方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62165318A JP2624690B2 (ja) | 1987-07-03 | 1987-07-03 | 酸化物超電導装置およびその製造方法 |
| EP88110583A EP0297617B1 (en) | 1987-07-03 | 1988-07-01 | Oxide-superconducting device |
| DE3851919T DE3851919D1 (de) | 1987-07-03 | 1988-07-01 | Supraleiteranordnung vom Oxid-Typ. |
| US07/790,085 US5198413A (en) | 1987-07-03 | 1991-11-13 | Oxide-superconducting tunneling device formed on a submicron recess in the substrate |
| US08/009,082 US5424281A (en) | 1987-07-03 | 1993-01-26 | Oxide-superconduction grain boundary tunneling device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62165318A JP2624690B2 (ja) | 1987-07-03 | 1987-07-03 | 酸化物超電導装置およびその製造方法 |
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