JP2790494B2 - 超伝導素子 - Google Patents

超伝導素子

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超伝導応用技術の超伝導素子に関し、特にア
ルカリ土類金属を含むBi系酸化物超伝導体を一対の電極
とし、この両電極の間にバリア層を設けた構造を有する
超伝導素子に関するものである。
従来の技術 近年発見された酸化物超伝導体の中には、その超伝導
遷移温度が液体窒素温度(77.3K)を越えるものがあ
り、超伝導体の応用分野を大きく拡げることとなった。
その実用化の一つである超伝導素子について、酸化物
超伝導体を二つに割り、再びわずかに接触させたジョセ
フソン素子、酸化物超伝導体を薄膜にし、小さなくびれ
をつけたブリッジ型ジョセフソン素子、酸化物超伝導体
間をAu,Ag等の貴金属で接続したジョセフソン素子が従
来試作されている。
発明が解決しようとしている課題 従来試作されている素子のうち、ポイントコンタクト
型と呼ばれる酸化物超伝導体同志を接触させるタイプで
は、再現性が得られず、また特性が非常に不安定であっ
た。
さらに酸化物超伝導体にくびれをつけたり、貴金属で
接続したブリッジ型素子では、わずかな静電的ショック
で破損するという欠点があった。
そこで酸化物超伝導体を用いた接合型の構造を持つ超
伝導素子が望まれているが、酸化物超伝導体の成膜温度
が約600℃以上必要なため、上部に位置する超伝導電極
成膜時にバリア層の材料が拡散するか、あるいは超伝導
電極層に用いた材料とバリア層の材料との熱膨張係数が
違うため、室温に戻したときに膜にストレスが入り、上
部に位置する超伝導電極の超伝導性が著しく損なわれた
り、バリア層にピンホールが存在する等の課題があっ
た。
また、超伝導電極層に用いた材料とバリア層の材料と
の結晶構造の違いによる格子定数のミスマッチによっ
て、上部に位置する超伝導電極の結晶性が悪く、その超
伝導性が基板上の超伝導電極に比べ劣るなどの課題も指
摘されていた。
本発明は、550℃以上で成膜した後室温に戻しても、
膜にストレスが入らず成膜時の結晶性を保ち、液体窒素
温度以上でも良好な超伝導特性を有し、ジョセフソン素
子として応用できる超伝導素子を提供することを目的と
する。
課題を解決するための手段 本発明は、アルカリ土類金属を含むBi系酸化物超伝導
体からなるA電極、およびB電極と、Bi−Sr−Cu−O、
Bi−Ca−Cu−O、Bi−Ba−Cu−Oのうち1つからなり、
前記A電極と前記B電極とを隔てるバリア層と、前記B
電極の一部に接触して形成したコンタクト電極と、前記
バリア層の端面を取り囲み、かつ前記コンタクト電極と
前記B電極および前記コンタクト電極と前記A電極の間
を隔て、前記バリア層より厚い電極間分離層とからなる
ことを特徴とする超伝導素子によって、かかる従来の課
題を解決した。
作用 発明者らは、超伝導素子の構成要素である超伝導素子
のA,B両電極、およびバリア層をすべて、アルカリ土類
金属を含むBi系酸化物とすることで、これら各層の同一
真空中での連続的な成膜が可能であるばかりでなく、各
層とも550℃以上で結晶性の薄膜が成長することを見い
だした。
また上部に位置する超伝導電極の超伝導性も、基板上
に成膜した超伝導電極に近いものが得られることを見い
だした。
特にA,B両電極及びバリア層とするBi系酸化物を、基
板表面に対して、それらの結晶のc軸が垂直に配向する
ように成膜することにより、良好な結晶性を有し、A,B
両電極においては、より良好な超伝導特性をもつ薄膜を
実現することが可能となることを本発明者らは見いだし
た。
実 施 例 本発明はアルカリ土類金属を含むBi系酸化物超伝導体
を一対の電極とし、この両電極の間にバリア層を設けた
構造を有する超伝導素子に関する。
本発明の超伝導素子は、特に薄膜形成プロセス及び層
状構造を有する材料を用いた薄膜型素子によって、その
効果をより顕著に示すものである。
ここでいう、アルカリ土類金属を含むBi系酸化物と
は、A,B両超伝導電極として、Bi−Sr−Ca−Cu−O、Bi
−Sr−Ba−Cu−O、Bi−Ca−Ba−Cu−Oの内1つ、ある
いは、少なくともPbを含むBi−Sr−Ca−Cu−O、Bi−Sr
−Ba−Cu−O、Bi−Ca−Ba−Cu−Oの内1つが供され
る。
このPbを混入すると、結晶化温度の範囲が拡がる効果が
ある。
特に下記2212相構造のBi系酸化物超伝導体では、結晶
構造が安定に得られる。
(Bi1-yPby−Sr2−Ca1−Cu2−Ox (但し0≦y<0.5、xは任意) また下記2223相構造のBi系酸化物超伝導体では、より
高温の超伝導遷移温度を有する超伝導体が得られるた
め、超伝導素子の動作温度のマージンが拡がるため好ま
しい。
(Bi1-yPby−Sr2−Ca2−Cu3−Ox (但し0<y<0.5、xは任意) またバリア層の材料としてはBi−Sr−Cu−O、Bi−Ca
−Cu−O、Bi−Ba−Cu−Oの内1つである。これらのバ
リア層材料は、高温で連続成膜が可能であり、しかもこ
のバリア層も層状構造化合物であるため好ましい。
つまりこれらはすべて同様な層状ペロブスカイト構造
をとり、そのa,b各結晶方位の格子定数がほぼ一致し、
また熱膨張係数もほとんど一致するために、基板を適当
に選択し基板の格子定数、熱膨張係数を近いものとする
ことによって、基板温度550℃以上で成膜し室温に戻し
ても、ストレスが入らず成膜時の結晶性を保て、しかも
上部に位置する超伝導電極の超伝導性も基板上に成膜し
た超伝導電極の超伝導性と同程度のものが得られること
を見いだした。
とくに基板として(100)SrTiO3、(100)MgO基板を
用い、A電極、B電極に主として2212相の下記酸化物超
伝導体を含むBi系酸化物超伝導体を用い、 (Bi1-yPby−Sr2−Ca1−Cu2−Ox (但し0≦y<0.5、xは任意) バリア層の材料に、主として2201相の下記酸化物を用い
るか、 Bi2−Sr2−Cu1−Ox (但しxは任意)、またはA電
極、B電極に主として2223相の下記酸化物超伝導体を含
むBi系酸化物超伝導体を用い、 (Bi1-yPby−Sr2−Ca2−Cu3−Ox (但し0<y<0.5、xは任意) バリア層の材料に、主として2201相の下記酸化物を用い
ると、 Bi2−Sr2−Cu1−Ox (但しxは任意) 基板温度を600℃から850℃とした場合、各層とも基板に
対し連続的にエピタキシャル成長し、また700℃以下の
酸素中でのアニール処理をしても結晶性を保ったまま
A、B両電極の超伝導性が向上することを見いだした。
さらに以上述べたこれらの三層膜を用い接合型の超伝
導素子を作製したところ、液体窒素温度以上でも良好な
超伝導特性を示し、ジョセフソン効果を示すことを見い
だした。
以下具体的な実施例を挙げて、本発明をより詳細に説
明する。
具体的実施例 第1図は本発明の一実施例を示す超伝導素子のプロセ
ス図である。
まず、MgO基板を基体6に用い、rfマグネトロンスパ
ッタリング法によって、主として2212相の下記酸化物超
伝導体を含むBi系酸化物超伝導体 (Bi1-yPby−Sr2−Ca1−Cu2−Ox (但し0≦y<0.5、xは任意) が堆積するように調整した、酸化物粉末のターゲットを
用い、厚さ300nmのA電極1を堆積させた。ひき続き同
一真空中において、主として2201相の下記Bi系酸化物 Bi2−Sr2−Cu1−Ox (但しxは任意) が堆積するように調整した、酸化物粉末のターゲットよ
りバリア層3を厚さ3nm堆積させた(第1図(a)参
照)。
次にB電極2となる2212相の下記酸化物超伝導体を含
むBi系酸化物超伝導体 (Bi1-yPby−Sr2−Ca1−Cu2−Ox (但し0≦y<0.5、xは任意) を200nm堆積させた(第1図(b)参照)。
但し基板温度はいずれの場合も650℃である。
その後、ネガレジストを用いたフォトリソグラフィー
およびイオンミリングにより、バリア層3およびB電極
2を接合形状にパターニングした(第1図(c)参
照)。
その後、ネガレジスト7を除去せずに、電極間分離層
4として250nmのCaF2を真空蒸着により堆積後(第1図
(d)参照)、トリクロロエタンによる超音波洗浄、お
よびO2ガスプラズマ処理(1Torr、13.56MHz、400W)に
よるリフトオフ法でB電極表面を露出させた(第1図
(e)参照)。
最後に、メタルマスクを用いB電極の一部に接触さ
せ、コンタクト電極として厚み200nmのPtをrfマグネト
ロンスパッタリング法により堆積させ、超伝導素子を完
成させた(第1図(f)参照)。
この製造方法による超伝導素子は良好な超伝導特性お
よびジョセフソン効果を示すことを確認した。
第2図は本超伝導素子作製に用いた三層膜のX線回折
パターンである。
これによると、650℃の成膜温度において各層はc軸
配向を示しており、また高速電子線回折(RHEED)観察
などよりエピタキシャル成長していることが確認され
た。
この超伝導素子の特性は150μAの超伝導電流が流れ
(直流ジョセフソン効果)。
一方本実施例に用いたものと同様な三層膜に対し700
℃以下の酸素中でのアニール処理をしても結晶性を保っ
たままであり、かつA、B両電極の超伝導性が向上し、
この三層膜を用いた接合型の超伝導素子の特性の向上が
できることを確認した。
なお、本発明の実施例において、超伝導素子の構成要
素である超伝導素子のA電極、B電極に主として2212相
の下記酸化物超伝導体を含むBi系酸化物超伝導体を用
い、 (Bi1-yPby−Sr2−Ca1−Cu2−Ox (但し0≦y<0.5、xは任意) バリア層の材料に、主として2201相の下記酸化物 Bi2−Sr2−Cu1−Ox (但しxは任意) を用いたが、A電極、B電極に主として2223相の下記酸
化物超伝導体を含むBi系酸化物超伝導体を用い、 (Bi1-yPby−Sr2−Ca2−Cu3−Ox (但し0<y<0.5、xは任意) バリア層の材料に、主として2201相の下記酸化物 Bi2−Sr2−Cu1−Ox (但しxは任意) を用いても同様に良好な結晶性を有する積層膜が製造で
き、さらにそれから良好な超伝導接合を作製できること
を確認した。
また、A、B両電極、およびバリア層をすべて、アル
カリ土類金属を含むc軸配向したBi系酸化物とすること
で、各層とも550℃以上で基板に対しc軸配向した膜が
成長することを確認し、その三層膜を用いて作製した接
合型の素子が超伝導素子として動作することを確認し
た。
但しここで言う、アルカリ土類金属を含むBi系酸化物
とは、A、B両超伝導電極用としては、Bi−Sr−Ca−Cu
−O、Bi−Sr−Ba−Cu−O、Bi−Ca−Ba−Cu−Oの内1
種、あるいは、少なくともPbを含むBi−Sr−Ca−Cu−
O、Bi−Sr−Ba−Cu−O、Bi−Ca−Ba−Cu−Oの内1種
の何れかであり、またバリア層の材料としてはBi−Sr−
Cu−O、Bi−Ca−Cu−O、Bi−Ba−Cu−Oの内の1種で
ある。
また700℃以下の酸素中でのアニール処理をしても結
晶性を保ったままA、B両電極の超伝導性が向上するこ
とを確認している。
さらにコンタクト電極としてはPtを用いたが、Au、A
g、Pd、Cuなどの金属でもよい。
発明の効果 以上説明したように、本発明の超伝導素子の構成要素
である超伝導素子のA、B両電極、およびバリア層をす
べて、アルカリ土類金属を含むBi系酸化物とすること
で、熱膨張係数がほとんど一致するために、基板温度55
0℃以上で成膜し室温に戻しても、ストレスが入らず成
膜時の結晶性を保ち、しかも上部に位置する超伝導電極
の超伝導性も基板上に成膜した超伝導電極の超伝導性と
同程度のものが得られる効果がある。
特にA、B両電極及びバリア層材料のBi系酸化物を、
基板表面に対してそれらの結晶のc軸が垂直に配向する
ように成膜することにより、それら3者のa、b各結晶
方位の格子定数がほぼ一致するため、良好な結晶性を有
し、A、B両電極において、より良好な超伝導特性をも
つ薄膜を実現できる効果がある。
また特に基板として(100)SrTiO3、(100)MgO基板
を用い、A電極、B電極に主として2212相の下記酸化物
超伝導体を含むBi系酸化物超伝導体を用い、 (Bi1-yPby−Sr2−Ca1−Cu2−Ox (但し0≦y<0.5、xは任意) バリア層の材料に、主として2201相の下記酸化物 Bi2−Sr2−Cu1−Ox (但しxは任意) を用いるか、またはA電極、B電極に主として2223相の
下記酸化物超伝導体を含むBi系酸化物超伝導体を用い、 (Bi1-yPby−Sr2−Ca2−Cu3−Ox (但し0<y<0.5、xは任意) バリア層の材料に、主として2201相の下記酸化物 Bi2−Sr2−Cu1−Ox (但しxは任意) を用いると、基板温度を600℃から850℃とした場合、各
層とも基板に対し連続的にエピタキシャル成長し、また
700℃以下の酸素中でのアニール処理をしても結晶性を
保ったままA、B両電極の超伝導性を向上させる効果が
ある。
さらに以上述べたこれらの三層膜を用い接合型の超伝
導素子を作製したところ、良好な超伝導特性を示し、ジ
ョセフソン効果が得られた。
現在超伝導応用の一つとして、ジョセフソン素子を構
成要素とする超伝導量子干渉計があげられる。この超伝
導量子干渉計は、磁場に対して非常に高感度に応答し、
生体磁気測定、地磁気測定等の磁気測定や、また低消費
電力のスイッチング素子を用いた計算機メモリー、計算
機ロジック等に応用できる。特に生体磁気測定の分野で
は、従来非侵襲で測定できなかった脳の神経活動を、磁
気的信号として非侵襲で取り出せるため、基礎医学分野
のみならず臨床医学の分野で注目されており、その超伝
導量子干渉計システムを安価で、しかも取扱いの簡単な
液体窒素を用い動作させることが可能となった。
本発明の超伝導素子はジョセフソン素子として動作し
ており、この素子を用いると液体窒素温度で動作する超
伝導量子干渉計を構成できる。
これらの点で本発明の、基礎医学分野および臨床医学
分野での生体磁気計測応用、低消費電力のスイッチング
素子を用いた計算機応用、電子機器応用などに対する実
用的効果は大である。
【図面の簡単な説明】
第1図(a),(b),(c),(d),(e)及び
(f)は各々本発明の超伝導素子の製造一方法を説明す
るプロセス図、第2図は本発明の実施例に用いた三層膜
のX線回折パターン図である。 1……A電極、2……B電極、3……バリア層、4……
電極間分離層、5……コンタクト電極、6……基体、7
……ネガレジスト。
フロントページの続き (72)発明者 瀬恒 謙太郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−97074(JP,A) J.J.A.P.part2 let ters Vol.27.No.9 P P.L1629−1630

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基体上にアルカリ土類金属を含むBi系酸化
    物超伝導体からなるA電極を設け、前記A電極上にBi−
    Sr−Cu−O、Bi−Ca−Cu−OもしくはBi−Ba−Cu−Oの
    内何れか一種からなるバリア層を設け、前記バリア層上
    に前記A電極と同一材料からなるB電極を設け、かつ少
    なくとも前記B電極の一部と接するコンタクト電極と、
    前記B電極の端面、前記バリア層の端面及び前記A電極
    とを分離する電極間分離層とを有することを特徴とする
    超伝導素子において、前記Bi系酸化物超伝導体の材料
    が、主として2212相の下記酸化物超伝導体 (Bi1-yPby−Sr2−Ca1−Cu2−Ox、 (但し0≦y<0.5、xは任意) もしくは、主として少なくともPbを含む2223相の下記酸
    化物超伝導体 (Bi1-yPby−Sr2−Ca2−Cu3−Ox、 (但し0<y<0.5、xは任意) の内何れか一種であり、かつ前記A電極、前記バリア
    層、前記B電極を550℃以上の温度に加熱した前記基体
    上に形成することを特徴とする超伝導素子。
  2. 【請求項2】バリア層の材料が、主として2201相の下記
    酸化物 Bi2−Sr2−Cu1−Ox(但しxは任意) であることを特徴とする請求項1記載の超伝導素子。
  3. 【請求項3】A電極、B電極及びバリア層を、すべてc
    軸配向させて形成したことを特徴とする請求項1もしく
    は2記載の超伝導素子。
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