JP2666978B2 - 超電導素子 - Google Patents
超電導素子Info
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
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- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、酸化物超電導体を用いた超電導素子に関す
る。
る。
（従来の技術） 近年、Ba−La−Cu−Ｏ系の層状ペロブスカイト型の酸
化物が高い臨界温度を有する可能性のあることが発表さ
れて以来、各所で酸化物超電導体の研究が行われている
（Z.Phys.B Condensed Matter64,189−193（19869）、P
CT国際公開WO88/05029）。その中でもＹ−Ba−Cu−Ｏ系
で代表される酸素欠陥を有する欠陥ペロブスカイト型
（REBa2Cu3O７−δ、ただし、REは、Ｙ、La、Nd、Sm、E
u、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、TmおよびYbから選ばれた１種
以上の希土類元素。Baの一部はSr等で置換可能。δは酸
素欠陥を示し通常１以下の数。以下同じ。）で表わされ
る酸化物超電導体は、臨界温度が90K以上と液体窒素以
上の高い温度を示すため非常に有望な材料として注目さ
れている（Phys.Rev.Lett.Vol.58No.9,908−910）。
化物が高い臨界温度を有する可能性のあることが発表さ
れて以来、各所で酸化物超電導体の研究が行われている
（Z.Phys.B Condensed Matter64,189−193（19869）、P
CT国際公開WO88/05029）。その中でもＹ−Ba−Cu−Ｏ系
で代表される酸素欠陥を有する欠陥ペロブスカイト型
（REBa2Cu3O７−δ、ただし、REは、Ｙ、La、Nd、Sm、E
u、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、TmおよびYbから選ばれた１種
以上の希土類元素。Baの一部はSr等で置換可能。δは酸
素欠陥を示し通常１以下の数。以下同じ。）で表わされ
る酸化物超電導体は、臨界温度が90K以上と液体窒素以
上の高い温度を示すため非常に有望な材料として注目さ
れている（Phys.Rev.Lett.Vol.58No.9,908−910）。
ところで、トンネル効果を利用した超電導素子は、超
高速動作が可能で消費電力も僅かであるため、コンピュ
ータの論理素子やメモリ素子等のデジタルデバイスへの
応用が進められている。そして、Nb/Aloxide/Nb接合やN
bN/MgO/NbN接合等を用いた４ビット乗算器、3Kゲートア
レイ等が試作されている。また、超電導体−半導体素子
として超電導３端子素子が試作されているが、これらの
素子はいずれも臨界温度が低い超電導体からなり、液体
ヘリウムを冷媒として用いるため、周辺技術の開発や経
済性の問題等から実用化には至っていない。
高速動作が可能で消費電力も僅かであるため、コンピュ
ータの論理素子やメモリ素子等のデジタルデバイスへの
応用が進められている。そして、Nb/Aloxide/Nb接合やN
bN/MgO/NbN接合等を用いた４ビット乗算器、3Kゲートア
レイ等が試作されている。また、超電導体−半導体素子
として超電導３端子素子が試作されているが、これらの
素子はいずれも臨界温度が低い超電導体からなり、液体
ヘリウムを冷媒として用いるため、周辺技術の開発や経
済性の問題等から実用化には至っていない。
このため、高い臨界温度を有する酸化物超電導体を前
述の超電導素子に応用することが検討されているが、酸
化物超電導体と電気絶縁物薄層との整合性が悪いためそ
の解決が望まれていた。
述の超電導素子に応用することが検討されているが、酸
化物超電導体と電気絶縁物薄層との整合性が悪いためそ
の解決が望まれていた。
すなわち、酸化物超電導体を用いて例えばジョセフソ
ン接合素子を製造する場合、ジョセフソン接合における
電気絶縁層の格子定数、熱膨脹係数などが酸化物超電導
体層のそれと相違すると良好な単結晶膜が再現性良く得
られず、また、絶縁体層と酸化物超電導体層が不整合で
あると界面準位の発生をもたらし、ジョセフソン接合の
特性を大きく劣化させるという問題があり、その解決が
望まれていた。
ン接合素子を製造する場合、ジョセフソン接合における
電気絶縁層の格子定数、熱膨脹係数などが酸化物超電導
体層のそれと相違すると良好な単結晶膜が再現性良く得
られず、また、絶縁体層と酸化物超電導体層が不整合で
あると界面準位の発生をもたらし、ジョセフソン接合の
特性を大きく劣化させるという問題があり、その解決が
望まれていた。
さらに、薄膜形成用の基板としては、現在、MgO、SrT
iO3等が用いられているが、これらの基板は格子定数、
熱膨脹係数が酸化物超電導体のそれと相違するため、良
好な単結晶膜が再現性良く得られないという問題があっ
た。
iO3等が用いられているが、これらの基板は格子定数、
熱膨脹係数が酸化物超電導体のそれと相違するため、良
好な単結晶膜が再現性良く得られないという問題があっ
た。
（発明が解決しようとする課題） 本発明はかかる問題を解決すべくなされたもので、式
REBa2Cu3O７−δで表わされる酸化物超電導体層と接す
る電気絶縁物の薄層または酸化物超電導体層形成用の基
板として、REBa2Cu3O７−δと同一の結晶構造を有し、
格子定数、熱膨脹係数がほぼ等しい酸化物電気絶縁体を
使用することにより、層間または基板と酸化物超電導体
層間の不整合を解消させて、上記問題のない超電導素子
を提供することを目的とする。
REBa2Cu3O７−δで表わされる酸化物超電導体層と接す
る電気絶縁物の薄層または酸化物超電導体層形成用の基
板として、REBa2Cu3O７−δと同一の結晶構造を有し、
格子定数、熱膨脹係数がほぼ等しい酸化物電気絶縁体を
使用することにより、層間または基板と酸化物超電導体
層間の不整合を解消させて、上記問題のない超電導素子
を提供することを目的とする。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） すなわち、本発明の超電導素子は、式 REBa2Cu3O７−δ （式中、REは、Ｙ、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、
Er、TmおよびYbから選ばれた希土類元素を示す）で表わ
される酸化物超電導体層上に電気絶縁物の薄層が介在す
る接合部を有する超電導素子、例えば電気絶縁物の薄層
上に、他の超電導体層を形成し、トンネル効果により前
記電気絶縁物の薄層を通じて前記両超電導体層間に電圧
を発生させずに電流を流すような超電導素子において、
前記電気絶縁物の薄層または前記酸化物超電導体層を形
成する基板を、式 REBa2-XLaXCu3O７−δ （式中、REは前記した通り（ただし、Laを除く）であ
り、ｘは0.6≦ｘ≦１である） で表わされる酸化物を用いたことを特徴としている。
Er、TmおよびYbから選ばれた希土類元素を示す）で表わ
される酸化物超電導体層上に電気絶縁物の薄層が介在す
る接合部を有する超電導素子、例えば電気絶縁物の薄層
上に、他の超電導体層を形成し、トンネル効果により前
記電気絶縁物の薄層を通じて前記両超電導体層間に電圧
を発生させずに電流を流すような超電導素子において、
前記電気絶縁物の薄層または前記酸化物超電導体層を形
成する基板を、式 REBa2-XLaXCu3O７−δ （式中、REは前記した通り（ただし、Laを除く）であ
り、ｘは0.6≦ｘ≦１である） で表わされる酸化物を用いたことを特徴としている。
本発明の超電導素子は、真空蒸着法、マグネトロンス
パッタ法、イオンビームスパッタ法、クラスタイオンビ
ーム法、分子線エピタキシャル法等の物理蒸着法や、CV
D、プラズマCVD等の化学気相蒸着法により、たとえばト
ンネル接合型のジョセフソン素子の場合は、基板上に酸
化物超電導体層、トンネルバリア層および酸化物超電導
体層を順次積層することにより、得ることができる。ま
た接合部は超電導体−超電導体に限らず、素子物性を発
揮する例えば超電導体−メタル等の接合であってもよ
い。
パッタ法、イオンビームスパッタ法、クラスタイオンビ
ーム法、分子線エピタキシャル法等の物理蒸着法や、CV
D、プラズマCVD等の化学気相蒸着法により、たとえばト
ンネル接合型のジョセフソン素子の場合は、基板上に酸
化物超電導体層、トンネルバリア層および酸化物超電導
体層を順次積層することにより、得ることができる。ま
た接合部は超電導体−超電導体に限らず、素子物性を発
揮する例えば超電導体−メタル等の接合であってもよ
い。
このとき、基板としてREBa2-XLaXCu3O７−δを用いる
ことにより、この上にREBa2Cu3O７−δを成長させる
際、このREBa2Cu3O７−δが基板に対しエピタキシャル
に成長し方位の揃った膜を容易に得ることができる。ま
た、電気絶縁物の薄層としてREBa2-XLaXCu3O７−δを形
成した場合には、REBa2Cu3O７−δ上にREBa2-XLaXCu3O
７−δを成長させる際、およびREBa2-XLaXCu3O７−δ上
にREBa2Cu3O７−δを成長させる際に、それぞれ各層は
その下の層に対してエピタキシャルに成長し同様に方位
の揃った膜を容易に得ることができる。
ことにより、この上にREBa2Cu3O７−δを成長させる
際、このREBa2Cu3O７−δが基板に対しエピタキシャル
に成長し方位の揃った膜を容易に得ることができる。ま
た、電気絶縁物の薄層としてREBa2-XLaXCu3O７−δを形
成した場合には、REBa2Cu3O７−δ上にREBa2-XLaXCu3O
７−δを成長させる際、およびREBa2-XLaXCu3O７−δ上
にREBa2Cu3O７−δを成長させる際に、それぞれ各層は
その下の層に対してエピタキシャルに成長し同様に方位
の揃った膜を容易に得ることができる。
このときの各層の厚さは、酸化物超電導体層は超電導
特性を示す厚さ、すなわち概ね1000Å以上、トンネルバ
リア層の厚さはトンネル効果を阻害しない厚さ、すなわ
ち10〜100Åとすることが好ましい。
特性を示す厚さ、すなわち概ね1000Å以上、トンネルバ
リア層の厚さはトンネル効果を阻害しない厚さ、すなわ
ち10〜100Åとすることが好ましい。
本発明の酸化物超電導素子は、各物質層を形成した
後、必要に応じて酸化含有雰囲気中400〜900℃で熱処理
し、酸化物超電導体の酸素空席に酸素を導入して超電導
特性を向上させる。
後、必要に応じて酸化含有雰囲気中400〜900℃で熱処理
し、酸化物超電導体の酸素空席に酸素を導入して超電導
特性を向上させる。
このようにして得られたREBa2Cu3O７−δ層は、酸素
欠陥δを有する酸素欠陥型ペロブスカイト構造となる。
なお、BaをSr、Caの少なくとも１種で置換することもで
き、さらにCuの一部をTi、Ｖ、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn
等で置換することもできる。この置換量は、超電導特性
を低下させない程度の範囲で適宜設定可能であるが、あ
まりに多量の置換は超電導特性を低下させてしまうので
30mol％以下さらに実用上は20mol％以下程度までとす
る。
欠陥δを有する酸素欠陥型ペロブスカイト構造となる。
なお、BaをSr、Caの少なくとも１種で置換することもで
き、さらにCuの一部をTi、Ｖ、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn
等で置換することもできる。この置換量は、超電導特性
を低下させない程度の範囲で適宜設定可能であるが、あ
まりに多量の置換は超電導特性を低下させてしまうので
30mol％以下さらに実用上は20mol％以下程度までとす
る。
本発明において、基板または電気絶縁物の薄層を構成
する、例えばYBa2-xLaxCu3O７−δは、YBa2Cu3O７−δ
と同一結晶構造を有しており、したがって熱膨脹係数を
も近似している。なお、その格子定数は、YBa2Cu3O
７−δがａ＝3.82、ｂ＝3.85、ｃ＝11.66であるのに対
して、YBa2-xLaxCu3O７−δは、ａ＝3.86、ｂ＝3.86、
ｃ＝11.60である。
する、例えばYBa2-xLaxCu3O７−δは、YBa2Cu3O７−δ
と同一結晶構造を有しており、したがって熱膨脹係数を
も近似している。なお、その格子定数は、YBa2Cu3O
７−δがａ＝3.82、ｂ＝3.85、ｃ＝11.66であるのに対
して、YBa2-xLaxCu3O７−δは、ａ＝3.86、ｂ＝3.86、
ｃ＝11.60である。
また、REBa2Cu3O７−δおよびREBa2-XLaXCu3O７−δ
の原子組成は厳密に上記式通りである必要はなく、それ
ぞれの特性が発現する範囲で多少上記式の組成から外れ
ていてもよい。
の原子組成は厳密に上記式通りである必要はなく、それ
ぞれの特性が発現する範囲で多少上記式の組成から外れ
ていてもよい。
また、基板と電気絶縁物の薄層のいずれもREBa2-XLaX
Cu3O７−δ（REはLaを除く）で構成することが望ましい
が、いずれか一方のみをREBa2-XLaXCu3O７−δで構成す
るようにしてもよい。
Cu3O７−δ（REはLaを除く）で構成することが望ましい
が、いずれか一方のみをREBa2-XLaXCu3O７−δで構成す
るようにしてもよい。
本発明の超電導素子は、上記したジョセフソン素子の
他、超電導３端子素子や高感度磁気センサ等にも適用可
能である。
他、超電導３端子素子や高感度磁気センサ等にも適用可
能である。
（作 用） 本発明においては、基板または電気絶縁物の薄層を、
REBa2Cu3O７−δと同一結晶構造のREBa2-XLaXCu3O
７−δ（REはLaを除く）で形成したので、スパッタ等に
よりREBa2-XLaXCu3O７−δ基板上にREBa2Cu3O７−δ層
を成長させる際、あるいはREBa2Cu3O７−δ層上にREBa
2-XLaXCu3O７−δの薄層を形成する際、各層はそれぞれ
基板または下の層に対してエピタキシャルに成長し、し
たがって基板の方位を選定することにより任意の方位を
もった大面積の単結晶膜を容易に得ることが可能となり
層間の不整合のない超電導素子を得ることができる。
REBa2Cu3O７−δと同一結晶構造のREBa2-XLaXCu3O
７−δ（REはLaを除く）で形成したので、スパッタ等に
よりREBa2-XLaXCu3O７−δ基板上にREBa2Cu3O７−δ層
を成長させる際、あるいはREBa2Cu3O７−δ層上にREBa
2-XLaXCu3O７−δの薄層を形成する際、各層はそれぞれ
基板または下の層に対してエピタキシャルに成長し、し
たがって基板の方位を選定することにより任意の方位を
もった大面積の単結晶膜を容易に得ることが可能となり
層間の不整合のない超電導素子を得ることができる。
このように発明の超電導素子は、基板や電気絶縁物の
薄層が、酸化物超電導体と同一の結晶構造を有するの
で、格子定数、熱膨脹係数の不整合がない。
薄層が、酸化物超電導体と同一の結晶構造を有するの
で、格子定数、熱膨脹係数の不整合がない。
したがって、本発明の酸化物超電導体超電導素子は、
ジョセフソン素子、超電導３端子素子あるいは高感度磁
気センサ等の用途において優れた特性を発揮することが
できる。
ジョセフソン素子、超電導３端子素子あるいは高感度磁
気センサ等の用途において優れた特性を発揮することが
できる。
（実施例） 次に本発明の実施例について説明する。
実施例１ 基板として、YBaLaCu3O７−δ単結晶を用いて、その
Ｃ面上にスパッタによりYBa2Cu3O７−δを２μｍの薄膜
に成長させ、さらに、この上にスパッタによりYBaLaCu3
O７−δを厚さ100Åに成長させて電気絶縁体層とした。
これを酸素気流中で400℃×24時間保持した後、この上
にPbを堆積してジョセフソン接合を形成した。次にこの
特性を4.2Kにおいて評価したところ、良好なトンネルジ
ョセフソン現象が観測された。また、このとき基板を介
してのリーク電流はほぼ０であった。
Ｃ面上にスパッタによりYBa2Cu3O７−δを２μｍの薄膜
に成長させ、さらに、この上にスパッタによりYBaLaCu3
O７−δを厚さ100Åに成長させて電気絶縁体層とした。
これを酸素気流中で400℃×24時間保持した後、この上
にPbを堆積してジョセフソン接合を形成した。次にこの
特性を4.2Kにおいて評価したところ、良好なトンネルジ
ョセフソン現象が観測された。また、このとき基板を介
してのリーク電流はほぼ０であった。
比較例１ 基板として、YBa2Cu3O７−δ単結晶を用い、実施例１
と同様にジョセフソン接合を形成し同じ条件で熱処理を
施した。この特性を実施例１と同じ条件下で評価したと
ころ、ジョセフソン現象の観測は得られたものの、基板
の測定温度において超電導特性を示したため、同一基板
上にある他の素子との絶縁は不可能であった。
と同様にジョセフソン接合を形成し同じ条件で熱処理を
施した。この特性を実施例１と同じ条件下で評価したと
ころ、ジョセフソン現象の観測は得られたものの、基板
の測定温度において超電導特性を示したため、同一基板
上にある他の素子との絶縁は不可能であった。
実施例２ 基板として、YBaLaCu3O７−δ単結晶を用いて、その
Ｃ面上にスパッタによりYBa2Cu3O７−δを２μｍの薄膜
に成長させ、次いでこの上にスパッタによりYBaLaCu3O
７−δを厚さ100Åに成長させて電気絶縁体層とし、さ
らにこの電気絶縁体層上にYBa2Cu3O７−δを２μｍの薄
層を成長させてジョセフソン接合を形成した。これを酸
素気流中で400℃×24時間保持した後、このジョセフソ
ン素子の特性を60Kで評価したところ、良好なトンネル
ジョセフソン現象が観測された。また、このとき基板を
介してのリーク電流はほぼ０であった。
Ｃ面上にスパッタによりYBa2Cu3O７−δを２μｍの薄膜
に成長させ、次いでこの上にスパッタによりYBaLaCu3O
７−δを厚さ100Åに成長させて電気絶縁体層とし、さ
らにこの電気絶縁体層上にYBa2Cu3O７−δを２μｍの薄
層を成長させてジョセフソン接合を形成した。これを酸
素気流中で400℃×24時間保持した後、このジョセフソ
ン素子の特性を60Kで評価したところ、良好なトンネル
ジョセフソン現象が観測された。また、このとき基板を
介してのリーク電流はほぼ０であった。
比較例２ 絶縁層としてO6YBa2Cu3O6を低酸素分圧中で堆積した
以外は実施例２と同じ条件で、ジョセフソン接合を作製
した。
以外は実施例２と同じ条件で、ジョセフソン接合を作製
した。
これに実施例２と同様の熱処理を施したところ、成膜
部分全体が超電導となり、ジョセフソン特性は得られな
かった。
部分全体が超電導となり、ジョセフソン特性は得られな
かった。
比較例３ 絶縁層としてSiO2を用いた以外は実施例２と同様にし
てジョセフソン接合を形成した。
てジョセフソン接合を形成した。
これに実施例２と同様の熱処理を施した後、60Kで特
性を評価したところ、超電導体−絶縁体層界面準位の発
生により、トンネルジョセフソン特性は得られなかっ
た。
性を評価したところ、超電導体−絶縁体層界面準位の発
生により、トンネルジョセフソン特性は得られなかっ
た。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の酸化物超電導素子は、
基板または電気絶縁物の薄層を、REBa2Cu3O７−δと同
一結晶構造のREBa2-xLaxCu3O７−δ（REはLaを除く）で
形成したので、スパッタ等によりREBa2-xLaxCu3O７−δ
基板上にREBa2Cu3O７−δ層を成長させる際、あるいはR
EBa2Cu3O７−δ層上にREBa2-xLaxCu3O７−δの薄膜を形
成する際、各層はそれぞれ基板または下の層に対してエ
ピタキシャルに成長し、したがって基板の方位を選定す
ることにより任意の方位をもった大面積の単結晶膜を容
易に得ることが可能となり、層間の不整合のない超電導
素子を得ることができる。
基板または電気絶縁物の薄層を、REBa2Cu3O７−δと同
一結晶構造のREBa2-xLaxCu3O７−δ（REはLaを除く）で
形成したので、スパッタ等によりREBa2-xLaxCu3O７−δ
基板上にREBa2Cu3O７−δ層を成長させる際、あるいはR
EBa2Cu3O７−δ層上にREBa2-xLaxCu3O７−δの薄膜を形
成する際、各層はそれぞれ基板または下の層に対してエ
ピタキシャルに成長し、したがって基板の方位を選定す
ることにより任意の方位をもった大面積の単結晶膜を容
易に得ることが可能となり、層間の不整合のない超電導
素子を得ることができる。
Claims (2)
- 【請求項１】式 REBa2Cu3O７−δ （式中、REは、Ｙ、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、
Er、TmおよびYbから選ばれた希土類元素を示す）で表わ
される酸化物超電導体層上に電気絶縁物の薄層が介在す
る接合部を有する超電導素子において、 前記電気絶縁物の薄層を、式 REBa2-xLaxCu3O７−δ （式中、REは前記した通り（ただし、Laを除く）であ
り、ｘは0.6≦ｘ≦１である） で表わされる酸化物により形成したことを特徴とする超
電導素子。 - 【請求項２】基板上に、式 REBa2Cu3O７−δ （式中、REは、Ｙ、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、
Er、TmおよびYbから選ばれた希土類元素を示す）で表わ
される酸化物超電導体層を形成し、この酸化物超電導体
層上に、接合部を形成させる超電導素子において、 前記基板を、式 REBa2-XLaXCu3O７−δ （式中、REは前記した通り（ただし、Laを除く）であ
り、ｘは0.6≦ｘ≦１である） で表わされる酸化物により形成したことを特徴とする超
電導素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63246809A JP2666978B2 (ja) | 1988-09-30 | 1988-09-30 | 超電導素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63246809A JP2666978B2 (ja) | 1988-09-30 | 1988-09-30 | 超電導素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0294676A JPH0294676A (ja) | 1990-04-05 |
| JP2666978B2 true JP2666978B2 (ja) | 1997-10-22 |
Family
ID=17154005
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63246809A Expired - Fee Related JP2666978B2 (ja) | 1988-09-30 | 1988-09-30 | 超電導素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2666978B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2730336B2 (ja) * | 1991-07-02 | 1998-03-25 | 住友電気工業株式会社 | 超電導装置の作製方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63306676A (ja) * | 1987-06-08 | 1988-12-14 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | ジョセフソン素子 |
| JPH0278282A (ja) * | 1988-09-14 | 1990-03-19 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | ジヨセフソン素子 |
-
1988
- 1988-09-30 JP JP63246809A patent/JP2666978B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0294676A (ja) | 1990-04-05 |
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