JP2796099B2 - 超電導素子 - Google Patents

超電導素子

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【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超電導応用技術の超電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電導体の中には、その超電導
遷移温度が液体窒素温度(77.3ケルビン)を越えるもの
があり、超電導体の応用分野を大きく広げることとなっ
た。その酸化物超電導体を用いた超電導素子の中でも、
比較的安定なトンネル接合特性を利用した超電導素子と
して、CaF2とSrF2の混合物などを絶縁層とする超電導素
子が従来試作されていた。
発明が解決しようとしている課題 しかしながら従来製造されたCaF2とSrF2の混合物など
を絶縁層とする超電導素子は、熱的に不安定で、また絶
縁層の不完全性のため、ピンホールなどによるリーク電
流が大きい、あるいは超電導電流値の再現性が悪い、等
の欠点があった。さらに、積層構造により超電導素子を
形成する場合には、結晶性のよい絶縁層を下部電極上に
積層させることがむずかしく、従って、さらにその絶縁
層の上に積層する上部電極の結晶性が悪くなり、上部電
極の超電導性が著しく損なわれるという欠点があった。
また従来例として、絶縁層(バリア層)にペロブスカ
イト構造の酸化物材料を用いることが提案されているが
(特開昭56−66080号公報)、Bi−O酸化物で挟まれる
形で形成される安定な層状構造が得られず、超伝導電極
とバリア層間の良好な界面の形成が得られないという問
題があった。また、先願の特願昭63−170658号(特開平
2−21677号公報)には、酸化物超伝導体を用いたトン
ネル接合において、最大で100オングストロームまでの
バリア層を形成することが提案されているが、バリア層
はその格子定数の整数倍の厚さでしか形成することがで
きないため、Bi層状構造化合物のBi−O層で挟まれる面
内の構成元素、及び結晶構造によりその膜厚を変え、超
伝導素子の特性を制御することができないという問題が
あった。
本発明は、前記従来の問題を解決するため、絶縁層材
料として、Bi酸化物超電導体に適合した格子定数を有す
るBi酸化物系層状構造化合物を用いることにより、熱的
に安定な絶縁層で、しかも超伝導電極の種類によらず、
絶縁層の元素構成と厚みを選択できる超電導素子を提供
することを目的とする。
課題を解決するための手段 本発明の超電導素子は、超電導体からなるA電極、お
よびB電極と、それを隔てる絶縁層と、前記A電極また
は前記B電極上の一部に接触して形成したコンタクト電
極と、前記絶縁層より厚い前記コンタクト電極と前記A
電極または前記B電極の間を隔てる電極間分離層とから
なる超電導素子において、超電導体からなる前記A電極
及び前記B電極から選ばれる少なくとも一方の材料が、
少なくともBiと、アルカリ土類金属を含むBi酸化物超電
導体からなり、かつ、前記絶縁層の材料が、前記Bi酸化
物超電導体に適合した格子定数を有するBi酸化物系層状
構造化合物であることを特徴とする。
前記超電導素子においては、絶縁層の材料が、少なく
ともTi又はNb又はTa又はWを含むBi酸化物系層状構造化
合物であることが好ましい。
また前記超電導素子においては、絶縁層の材料が、Bi
4Ti3O12及びBi2Ti4O11から選ばれる少なくとも1つの化
合物であることが好ましい。
作用 発明者らは、超電導体からなるA電極、あるいはB電
極の材料として、Bi−Sr−Ca−Cu−O、Bi−Sr−Ba−Cu
−O、Bi−Ca−Ba−Cu−O、またはBi−Pb−Sr−Ca−Cu
−O、Bi−Pb−Sr−Ba−O、Bi−Pb−Ca−Ba−Oなどの
Bi酸化物超電導体を用い、また絶縁層の材料として、少
なくともTi、Nb、Ta、W、のうち1つを含むBi酸化物系
層状構造化合物を用いると、Bi酸化物系層状構造化合物
が、熱的に非常に安定で、またBi−O層ではさまれた層
状構造をとり易いために、絶縁層の拡散が少なく、ほぼ
完全に近い均一な絶縁層を再現性よく形成でき、良好な
電流電圧特性を示す超電導素子が形成できることを見い
だした。また、少なくともBi酸化物超電導体を用いた超
電導素子において、絶縁層として、Bi酸化物超電導体に
適合した格子定数を有するBi酸化物系層状構造化合物を
用いることにより、絶縁層自体の結晶性、およびこれに
対向する超電導体電極などの電極材料の結晶性を向上さ
せることを見いだした。このことにより超電導体電極の
超電導性を損なうことなく、良好な超電導性を有する超
電導素子を形成できることを見いだした。また、2つの
Bi酸化物超電導体を電極に用い、絶縁層に、Bi酸化物系
層状構造化合物のバリアを用いると、電極に用いたBi酸
化物超電導体は良好な超電導性を示し、さらに絶縁層が
熱的に安定であるがために、上下電極への拡散がほとん
どない接合が得られ、特性も向上することを見いだし
た。
さらにこのBi酸化物系層状構造化合物は、そのBi−O
層で挟まれる面内の構成元素、及び結晶構造によりその
層状構造の膜厚が変化する。そこで、絶縁層の材料をT
i、Nb、Ta、のうち少なくとも1つと、Pb、Ca、Sr、Ba
のうち少なくとも1つを含むBi酸化物系層状構造化合
物、または、Tiを含み、しかもNa、K、Fe、Nb、Taのう
ち少なくとも1つを含むBi酸化物系層状構造化合物、ま
たは、NbとKを含むBi酸化物系層状構造化合物とするこ
とにより、超電導素子の特性が制御できることを見いだ
した。さらに、Bi4Ti3O12あるいはBi2Ti4O11は、Bi酸化
物系層状構造化合物の中で最も単純なものであり、最も
容易に層状構造を形成できることを見いだした。
実 施 例 第1図は本発明の実施例である超電導素子の断面図を
示す。また第2図はこの超電導素子の製造方法を示すプ
ロセス図である。第2図において、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
成膜した厚さ300ナノメータのBi−Sr−Ca−Cu−OをA
電極1とした。A電極1を成膜後、絶縁層3としてrfマ
グネトロンスパッタリング法により厚さ3ナノメータの
Bi4Ti3O12を堆積させた(a)。次にB電極2としてA
電極1と同様にBi−Sr−Ca−Cu−O膜をrfマグネトロン
スパッタリング法により300ナノメータ堆積させた
(b)。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超電導素子形状を形
成し(c)、ネガレジストを除去し、電極間分離層4と
して1ミクロンメータのCaF2を真空蒸着により堆積後、
スピンオングラス8をスピンコートし表面を平坦化した
(d)。さらにB電極表面が現れるまでイオンミリング
によって表面を削った(e)。最後に、O2ガスプラズマ
に曝すことにより露出したB電極表面のエッチングによ
るダメージを回復した後、メタルマスクを用いコンタク
ト電極として500ナノメータのBi−Sr−Ca−Cu−Oをrf
マグネトロンスパッタリング法により堆積させ超電導素
子を完成させた(f)。150マイクロアンペアの超電導
電流が流れ、超電導素子として動作した。さらに特性
は、CaF2などを絶縁層とした超電導素子の特性より、非
線形性が大きく、またB電極の超電導遷移温度も高くB
電極の超電導性が向上した。
なお、本発明の実施例において、2つの電極の超電導
体として、Bi−Sr−Ca−Cu−Oを用いたが、Bi−Sr−Ba
−Cu−O、Bi−Ca−Ba−Cu−O、Bi−Pb−Sr−Ca−Cu−
O、Bi−Pb−Sr−Ba−Cu−O、Bi−Pb−Ca−Ba−Cu−O
を用いても同様に超電導素子が製造できた。さらに絶縁
層に、少なくともTi、Nb、Ta、Wのうち1つを含むBi酸
化物系層状構造化合物を用いても、同様にリーク電流の
少ないトンネル接合が得られることを見いだした。さら
に絶縁層にTi、Nb、Ta、のうち少なくとも1つと、Pb、
Ca、Sr、Baのうち少なくとも1つを含むBi酸化物系層状
構造化合物、または、Tiを含み、しかもNa、K、Fe、N
b、Taのうち少なくとも1つを含むBi酸化物系層状構造
化合物、または、NbとKを含むBi酸化物系層状構造化合
物とすると、同様に良好な接合が形成できた。またこれ
らの電流電圧特性は、その絶縁層の厚さ(構成元素に依
存する)によりの変化した。さらに、Bi2Ti4O11も実施
例同様に、良好な絶縁層を形成することを確認した。ま
たコンタクト電極は導電体であれば何でもない。
発明の効果 以上説明したように、本発明のような構成の超電導素
子において、絶縁層の材料として、Bi酸化物超電導体に
適合した格子定数を有するBi酸化物系層状構造化合物を
用いると、Bi酸化物系層状構造化合物が、熱的に非常に
安定で、また本来Bi−O層ではさまれた層状構造をと
り、超電導体電極への拡散がほとんどないために、超電
導体電極の超電導性の劣化が少なく、優れた超電導素子
を製造できた。特に絶縁層をバリアとし、2つの電極を
Bi酸化物超電導体とした接合では、良好な接合が形成で
き、良好な電流電圧特性を示す超電導素子が形成できる
ことを見いだした。さらにこのBi酸化物系層状構造化合
物は、そのBi−O層で挟まれる面内の構成元素、及び結
晶構造によりその層状構造の膜厚が変化する。その性質
を利用し、絶縁層の材料を各種Bi酸化物系層状構造化合
物とすることにより、超電導素子の特性が制御できるこ
とを見いだした。さらに、超電導体電極に合わせ、絶縁
層に格子定数の適当なものを選ぶことにより、結晶性の
良好な絶縁層ならびに超電導体電極を形成できた。
現在超電導応用のひとつとしてジョセフソン素子を構
成要素とする超電導量子干渉計が実用化されているが、
本発明の超電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電
導量子干渉計を構成できる。さらにこの超電導素子は、
低消費電力のスイッチング素子や、非線形性、あるいは
超電導体に特有の量子効果を利用した高感度の高周波の
ミキサーとしても利用できる。これらの点で本発明の、
計算機応用、電子機器応用などにたいする実用的効果は
大である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の超電導素子の実施例の断面図、第2図
は超電導素子の製造方法のプロセス図である。 1……A電極、2……B電極、3……絶縁層、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、8……スピンオングラス。
───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者 東野 秀隆 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超電導体からなるA電極、およびB電極
    と、それを隔てる絶縁層と、前記A電極あるいは前記B
    電極上の一部に接触して形成したコンタクト電極と、前
    記絶縁層より厚い前記コンタクト電極と前記A電極ある
    いは前記B電極の間を隔てる電極間分離層とからなるこ
    とを特徴とする超電導素子において、超電導体からなる
    前記A電極あるいは前記B電極どちらか一方の材料が、
    少なくともBiと、アルカリ土類金属を含むBi酸化物超電
    導体からなり、かつ、前記絶縁層の材料が、少なくとも
    Ti、Nb、Ta、Wのうちひとつを含むBi酸化物系層状構造
    化合物であることを特徴とする超電導素子。
  2. 【請求項2】絶縁層の材料が、Bi4Ti3O12あるいはBi2Ti
    4O11のうちどちらかであることを特徴とする請求項1記
    載の超電導素子。
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