JP2825374B2 - 超電導素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超電導近接効果を利用
した超電導素子に関する。
した超電導素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】超電導体／常伝導体／超電導体接合で
は、これを構成する常伝導体中に両側の超電導体より及
ぼされる超電導近接効果によって、超電導電流を流すこ
とができる。このような接合を有する素子は、いわゆる
ＳＮＳ接合型のジョセフソン素子として動作する。近
年、このような超電導接合において、超電導体として Y
系酸化物超電導体を用いると共に、常伝導体として Y系
酸化物超電導体の Yを一定の割合のPrで置換した電気伝
導性酸化物を用いることが試みられている。
は、これを構成する常伝導体中に両側の超電導体より及
ぼされる超電導近接効果によって、超電導電流を流すこ
とができる。このような接合を有する素子は、いわゆる
ＳＮＳ接合型のジョセフソン素子として動作する。近
年、このような超電導接合において、超電導体として Y
系酸化物超電導体を用いると共に、常伝導体として Y系
酸化物超電導体の Yを一定の割合のPrで置換した電気伝
導性酸化物を用いることが試みられている。
【０００３】このような酸化物高温超電導体のみを用い
た超電導素子は、液体窒素温度での動作が可能であり、
実用化に向けて研究が進められている。その中でも、上
述した超電導体として Y系酸化物超電導体を用い、かつ
常伝導体として Y系酸化物超電導体の Yの一部をPrで置
換した電気伝導性酸化物を用いた接合は、これらの格子
定数の差がほとんどなく、界面近傍の格子の乱れが極め
て少ないために、このような材料の組合せで超電導素子
を作製する研究が活発になってきている。
た超電導素子は、液体窒素温度での動作が可能であり、
実用化に向けて研究が進められている。その中でも、上
述した超電導体として Y系酸化物超電導体を用い、かつ
常伝導体として Y系酸化物超電導体の Yの一部をPrで置
換した電気伝導性酸化物を用いた接合は、これらの格子
定数の差がほとんどなく、界面近傍の格子の乱れが極め
て少ないために、このような材料の組合せで超電導素子
を作製する研究が活発になってきている。
【０００４】しかし、上記したような Y系酸化物超電導
体／(Y,Pr)系電気伝導性酸化物／ Y系酸化物超電導体に
よるＳＮＳ接合は、液体窒素温度での接合に流せる最大
の超電導電流の値、すなわち臨界電流Ｉc が十分に得ら
れないという問題を有していた。このような問題に起因
して、液体窒素温度で動作させる超電導素子として、上
記した接合を実用化することは困難とされていた。
体／(Y,Pr)系電気伝導性酸化物／ Y系酸化物超電導体に
よるＳＮＳ接合は、液体窒素温度での接合に流せる最大
の超電導電流の値、すなわち臨界電流Ｉc が十分に得ら
れないという問題を有していた。このような問題に起因
して、液体窒素温度で動作させる超電導素子として、上
記した接合を実用化することは困難とされていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、 Y系
酸化物超電導体とその Yの一部をPrで置換した電気伝導
性酸化物とを用いた、従来の超電導体／常伝導体／超電
導体接合は、液体窒素温度による臨界電流Ｉc の値が小
さいという問題を有していた。
酸化物超電導体とその Yの一部をPrで置換した電気伝導
性酸化物とを用いた、従来の超電導体／常伝導体／超電
導体接合は、液体窒素温度による臨界電流Ｉc の値が小
さいという問題を有していた。
【０００６】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、超電導体としてY系酸化物超電導体
を用い、かつ常伝導体層として Y系酸化物超電導体の Y
の一部をPrに置換した(Y,Pr)系電気伝導性酸化物を用い
る際に、液体窒素温度による臨界電流Ｉc の値を安定に
増加させることを可能にした超電導素子を提供すること
を目的としている。
になされたもので、超電導体としてY系酸化物超電導体
を用い、かつ常伝導体層として Y系酸化物超電導体の Y
の一部をPrに置換した(Y,Pr)系電気伝導性酸化物を用い
る際に、液体窒素温度による臨界電流Ｉc の値を安定に
増加させることを可能にした超電導素子を提供すること
を目的としている。
【０００７】
【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、 Y系酸化物超電導体と、前記 Y系酸化物超電導
体の Yの少なくとも一部をPrで置換した常伝導体とを用
いて、超電導体／常伝導体／超電導体接合を構成した超
電導素子において、前記常伝導体層内の前記Prによる置
換割合が、前記超電導体層と常伝導体層との界面近傍か
ら該常伝導体層の内部に向けて、連続的に増加している
ことを特徴としている。
素子は、 Y系酸化物超電導体と、前記 Y系酸化物超電導
体の Yの少なくとも一部をPrで置換した常伝導体とを用
いて、超電導体／常伝導体／超電導体接合を構成した超
電導素子において、前記常伝導体層内の前記Prによる置
換割合が、前記超電導体層と常伝導体層との界面近傍か
ら該常伝導体層の内部に向けて、連続的に増加している
ことを特徴としている。
【０００８】本発明に用いられる Y系酸化物超電導体
は、 Y-Ba-Cu-Oを基本構成元素とし、ペロブスカイト構
造を有する酸化物超電導体であり、実質的に下記の (1)
式で組成が表されるものである。
は、 Y-Ba-Cu-Oを基本構成元素とし、ペロブスカイト構
造を有する酸化物超電導体であり、実質的に下記の (1)
式で組成が表されるものである。
【０００９】 式： YBa2 Cu3 O 7-δ ………(1) （式中、δは酸素欠損を表し、通常 1以下の数）ただ
し、各元素の比率は、製造条件等により数モル％程度の
割合で変動可能であり、また超電導特性を劣化させない
範囲で、 Yの一部は他の希土類元素と、またBaの一部は
他のアルカリ土類元素と置換可能である。
し、各元素の比率は、製造条件等により数モル％程度の
割合で変動可能であり、また超電導特性を劣化させない
範囲で、 Yの一部は他の希土類元素と、またBaの一部は
他のアルカリ土類元素と置換可能である。
【００１０】また、本発明に用いられる常伝導体は、上
記した Y系酸化物超電導体の Yの少なくとも一部をPrで
置換した電気伝導性酸化物であり、実質的に下記の (2)
式で組成が表されるものである。
記した Y系酸化物超電導体の Yの少なくとも一部をPrで
置換した電気伝導性酸化物であり、実質的に下記の (2)
式で組成が表されるものである。
【００１１】 式：(Y1-x Prx ）Ba2 Cu3 O 7-δ ………(2) （式中、 xは 0.4≦ x≦ 1を満足する数を示す）そし
て、本発明の超電導素子における常伝導体層は、上記
(2)式で実質的に表される(Y,Pr)系電気伝導性酸化物中
のPrによる置換割合を、超電導体層／常伝導体層の界面
近傍から常伝導体層の内部に向けて連続的に増加させた
ものである。このPrによる置換率の勾配は、接合の臨界
電流Ｉc と常伝導抵抗Ｒn とを考慮して適宜設定するも
のとするが、例えば常伝導体層内部のPrによる置換割合
を最大に設定する部分では、上記 (2)式における xの値
を 0.8〜 1程度とし、超電導体層／常伝導体層の界面近
傍では xの値を 0.4〜 0.8程度とすることが好ましい。
て、本発明の超電導素子における常伝導体層は、上記
(2)式で実質的に表される(Y,Pr)系電気伝導性酸化物中
のPrによる置換割合を、超電導体層／常伝導体層の界面
近傍から常伝導体層の内部に向けて連続的に増加させた
ものである。このPrによる置換率の勾配は、接合の臨界
電流Ｉc と常伝導抵抗Ｒn とを考慮して適宜設定するも
のとするが、例えば常伝導体層内部のPrによる置換割合
を最大に設定する部分では、上記 (2)式における xの値
を 0.8〜 1程度とし、超電導体層／常伝導体層の界面近
傍では xの値を 0.4〜 0.8程度とすることが好ましい。
【００１２】
【作用】一般に、ＳＮＳ接合の臨界電流Ｉc の大きさ
は、これを構成する常伝導体中に隣接する超電導体より
及ぼされる超電導近接効果の大きさによって決定され
る。超電導近接効果とは、超電導体中のクーパーペアが
常伝導体中に拡散してきて起きる現象と理解されてい
る。したがって、超電導近接効果の大きさは、超電導体
／常伝導体界面近傍で、超電導体中から常伝導体中へク
ーパーペアが行き易いほど大きくなると考えられる。ク
ーパーペアが電子から構成されていることを考慮する
と、この条件は電子が超電導体／常伝導体界面を透過し
易いほど、近接効果が大きいと解釈しなおすことができ
る。
は、これを構成する常伝導体中に隣接する超電導体より
及ぼされる超電導近接効果の大きさによって決定され
る。超電導近接効果とは、超電導体中のクーパーペアが
常伝導体中に拡散してきて起きる現象と理解されてい
る。したがって、超電導近接効果の大きさは、超電導体
／常伝導体界面近傍で、超電導体中から常伝導体中へク
ーパーペアが行き易いほど大きくなると考えられる。ク
ーパーペアが電子から構成されていることを考慮する
と、この条件は電子が超電導体／常伝導体界面を透過し
易いほど、近接効果が大きいと解釈しなおすことができ
る。
【００１３】一方、量子力学で知られているように、電
子はポテンシャルやフェルミ速度等の物理状態の急激な
変化によって、古典力学では反射されないような界面に
おいても反射され、透過率が小さくなる。ここで、従来
の接合で常伝導体として用いられている、 Y系酸化物超
電導体の Yの一部をPrで置換した酸化物の電気伝導度
は、 Y系酸化物超電導体のそれに比べて1桁以上小さ
い。したがって、従来の接合構造では、それらの界面に
おいて電気伝導度が不連続に変化していたことになる。
これにより電子の大部分は、上記界面において反射さ
れ、クーパーペアの拡散、すなわち超電導近接効果が起
こりにくくなっていたものと考えられる。つまり、従来
の接合の臨界電流Ｉc が小さかった原因は、超電導体／
常伝導体界面近傍での電子の界面反射にあると考えられ
る。
子はポテンシャルやフェルミ速度等の物理状態の急激な
変化によって、古典力学では反射されないような界面に
おいても反射され、透過率が小さくなる。ここで、従来
の接合で常伝導体として用いられている、 Y系酸化物超
電導体の Yの一部をPrで置換した酸化物の電気伝導度
は、 Y系酸化物超電導体のそれに比べて1桁以上小さ
い。したがって、従来の接合構造では、それらの界面に
おいて電気伝導度が不連続に変化していたことになる。
これにより電子の大部分は、上記界面において反射さ
れ、クーパーペアの拡散、すなわち超電導近接効果が起
こりにくくなっていたものと考えられる。つまり、従来
の接合の臨界電流Ｉc が小さかった原因は、超電導体／
常伝導体界面近傍での電子の界面反射にあると考えられ
る。
【００１４】これらのことから、超電導体／常伝導体の
界面近傍における電気伝導度を連続的に変化させること
によって、クーパーペアの拡散が容易となり、超電導近
接効果を大きくできることが分かる。そこで、本発明に
おいては、常伝導体層内のPrによる置換率を、超電導体
／常伝導体の界面近傍から常伝導体層の内部に向けて連
続的に増加させている。これにより、電気伝導度を界面
近傍で連続的に変化させることが可能となる。よって、
界面近傍での電子の量子力学的反射が抑えられ、電子の
透過率が大きくなり、超電導近接効果を大きくすること
ができる。この結果、液体窒素温度で動作させる超電導
素子を作製するのに十分な臨界電流Ｉc を得ることが可
能となる。
界面近傍における電気伝導度を連続的に変化させること
によって、クーパーペアの拡散が容易となり、超電導近
接効果を大きくできることが分かる。そこで、本発明に
おいては、常伝導体層内のPrによる置換率を、超電導体
／常伝導体の界面近傍から常伝導体層の内部に向けて連
続的に増加させている。これにより、電気伝導度を界面
近傍で連続的に変化させることが可能となる。よって、
界面近傍での電子の量子力学的反射が抑えられ、電子の
透過率が大きくなり、超電導近接効果を大きくすること
ができる。この結果、液体窒素温度で動作させる超電導
素子を作製するのに十分な臨界電流Ｉc を得ることが可
能となる。
【００１５】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
て説明する。
【００１６】実施例１ 図１は、本発明の一実施例の積層型超電導素子の要部を
示す断面図である。下部超電導体層としては、 SrTiO3
基板１上に多元スパッタ法で成膜したY-Ba-Cu-O系酸化
物超電導体膜２を用いた。その上に常伝導体層として、
Prによる置換率を連続的に変化させると共に、常伝導体
層の中央部でPrの割合が最も高くなるように設定した、
(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物膜３を30nm程度の厚
さで形成した。このように、Prによる置換率を連続的に
変えるためには、例えば多元スパッタ法により、 YとPr
のスパッタパワーを連続的に変えて、(Y,Pr)-Ba-Cu-O膜
を成膜すればよい。さらに上記常伝導体層３上に、上部
超電導体層としてY-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜４を多
元スパッタ法により成膜した。この後、成膜装置より取
り出し、フォトレジスト（図示せず）をマスクとし、イ
オンミリング等の方法を用いて、上部 Y-Ba-Cu-O系酸化
物超電導体膜４、(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物膜
３を順次エッチングし、下部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導
体膜２に対する電極を形成した。このようにして作製し
たＳＮＳ接合の大きさは、この実施例では10μm ×10μ
m とした。
示す断面図である。下部超電導体層としては、 SrTiO3
基板１上に多元スパッタ法で成膜したY-Ba-Cu-O系酸化
物超電導体膜２を用いた。その上に常伝導体層として、
Prによる置換率を連続的に変化させると共に、常伝導体
層の中央部でPrの割合が最も高くなるように設定した、
(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物膜３を30nm程度の厚
さで形成した。このように、Prによる置換率を連続的に
変えるためには、例えば多元スパッタ法により、 YとPr
のスパッタパワーを連続的に変えて、(Y,Pr)-Ba-Cu-O膜
を成膜すればよい。さらに上記常伝導体層３上に、上部
超電導体層としてY-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜４を多
元スパッタ法により成膜した。この後、成膜装置より取
り出し、フォトレジスト（図示せず）をマスクとし、イ
オンミリング等の方法を用いて、上部 Y-Ba-Cu-O系酸化
物超電導体膜４、(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物膜
３を順次エッチングし、下部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導
体膜２に対する電極を形成した。このようにして作製し
たＳＮＳ接合の大きさは、この実施例では10μm ×10μ
m とした。
【００１７】このようにした得た積層構造体の深さ方向
への元素分析をイオンマイクロアナライザにより行っ
た。その結果を図２に示す。図２から分かるように、Pr
の割合は、下部超電導体層２／常伝導体層３および常伝
導体層３／上部超電導体層４のそれぞれの界面近傍から
常伝導体層３の内部に向けて、連続的に増加している。
また図３は、上記によって得た下部 Y-Ba-Cu-O系酸化物
超電導体層２／(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物層３
／上部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体層４構造のＳＮＳ接
合を有する超電導素子の、液体窒素温度(77K) における
Ｉ−Ｖ特性を示す図である。図３から明らかなように、
明瞭なジョセフソン特性が得らた。また、上記接合の臨
界電流Ｉc の値は1.98mAであった。
への元素分析をイオンマイクロアナライザにより行っ
た。その結果を図２に示す。図２から分かるように、Pr
の割合は、下部超電導体層２／常伝導体層３および常伝
導体層３／上部超電導体層４のそれぞれの界面近傍から
常伝導体層３の内部に向けて、連続的に増加している。
また図３は、上記によって得た下部 Y-Ba-Cu-O系酸化物
超電導体層２／(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物層３
／上部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体層４構造のＳＮＳ接
合を有する超電導素子の、液体窒素温度(77K) における
Ｉ−Ｖ特性を示す図である。図３から明らかなように、
明瞭なジョセフソン特性が得らた。また、上記接合の臨
界電流Ｉc の値は1.98mAであった。
【００１８】また、本発明との比較のために、常伝導体
層として Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体の YをPrで完全に
置換したものを用いる以外は、上記実施例と同一条件
で、超電導体／常伝導体／超電導体接合を作製したとこ
ろ、臨界電流Ｉc の値は0.17mAであった。
層として Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体の YをPrで完全に
置換したものを用いる以外は、上記実施例と同一条件
で、超電導体／常伝導体／超電導体接合を作製したとこ
ろ、臨界電流Ｉc の値は0.17mAであった。
【００１９】実施例２ 図４は、本発明の他の実施例の超電導素子の要部を示す
断面図である。この実施例の超電導素子は、常伝導体層
５としての(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物膜を多元
スパッタで作製する際に、 Yをスパッタせずに完全にPr
で置換して成膜した以外は、実施例１と同様な構成を有
している。ただし、常伝導体層５および上部超電導体層
４の成膜速度は、いずれもきわめて遅くした。
断面図である。この実施例の超電導素子は、常伝導体層
５としての(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物膜を多元
スパッタで作製する際に、 Yをスパッタせずに完全にPr
で置換して成膜した以外は、実施例１と同様な構成を有
している。ただし、常伝導体層５および上部超電導体層
４の成膜速度は、いずれもきわめて遅くした。
【００２０】図５は、このようにして得た接合のイオン
マイクロアナライザによる深さ方向への元素分析結果で
ある。図５から明らかなように、Prの置換割合は界面近
傍から常伝導体層５内部に向けて連続的に増加している
ことが分かる。これは、常伝導層５の成膜時に下部超電
導体層２と常伝導体層５との間で、また上部超電導体層
４の成膜時に常伝導体層５と上部超電導体層４との間
で、それぞれ YとPrとの相互拡散が起こり、その結果Pr
の置換率が連続的に変化したためである。このようにし
てPrの置換率を連続的に変化させる際には、成膜速度が
重要となる。この実施例では、常伝導体層５の成膜速度
を 0.2nm/minとした。この接合も液体窒素温度(77K）に
おいて、良好なジョセフソン素子として動作した。ま
た、この接合の臨界電流Ｉc の値は、1.68mAであった。
マイクロアナライザによる深さ方向への元素分析結果で
ある。図５から明らかなように、Prの置換割合は界面近
傍から常伝導体層５内部に向けて連続的に増加している
ことが分かる。これは、常伝導層５の成膜時に下部超電
導体層２と常伝導体層５との間で、また上部超電導体層
４の成膜時に常伝導体層５と上部超電導体層４との間
で、それぞれ YとPrとの相互拡散が起こり、その結果Pr
の置換率が連続的に変化したためである。このようにし
てPrの置換率を連続的に変化させる際には、成膜速度が
重要となる。この実施例では、常伝導体層５の成膜速度
を 0.2nm/minとした。この接合も液体窒素温度(77K）に
おいて、良好なジョセフソン素子として動作した。ま
た、この接合の臨界電流Ｉc の値は、1.68mAであった。
【００２１】また、本発明との比較のために、常伝導体
層の成膜速度を 2.5nm/minとする以外は、上記実施例と
同様にして、超電導体／常伝導体／超電導体接合を作製
したところ、臨界電流Ｉc の値は0.17mAであった。
層の成膜速度を 2.5nm/minとする以外は、上記実施例と
同様にして、超電導体／常伝導体／超電導体接合を作製
したところ、臨界電流Ｉc の値は0.17mAであった。
【００２２】この実施例のように、常伝導体層成膜時の
成膜速度を著しく遅くさせることによっても、成膜時の
相互拡散により、常伝導体層中のPrの置換率を連続的に
変化させることができる。そして、このようにして常伝
導体層中のPrの置換率を変化させることによっても、臨
界電流Ｉc を大幅に増大させることができる。
成膜速度を著しく遅くさせることによっても、成膜時の
相互拡散により、常伝導体層中のPrの置換率を連続的に
変化させることができる。そして、このようにして常伝
導体層中のPrの置換率を変化させることによっても、臨
界電流Ｉc を大幅に増大させることができる。
【００２３】実施例３ 図６は、本発明のさらに他の実施例の超電導素子の要部
を示す断面図である。この実施例では、まず SrTiO3 基
板１上に常伝導体層として、上方にいくほどPrの割合を
減少させた(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物膜６を、
多元スパッタ法により 100nmの厚さで形成した。次い
で、この常伝導体層上に、 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体
膜７を 200nmの厚さで成膜した。
を示す断面図である。この実施例では、まず SrTiO3 基
板１上に常伝導体層として、上方にいくほどPrの割合を
減少させた(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物膜６を、
多元スパッタ法により 100nmの厚さで形成した。次い
で、この常伝導体層上に、 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体
膜７を 200nmの厚さで成膜した。
【００２４】この後、成膜装置より取り出してフォトレ
ジストをマスクとし、イオンミリング等の方法を用いて
10μm 幅を残してエッチングした。さらに、 Y-Ba-Cu-O
系酸化物超電導体膜７に 0.1μmの開口部８を、(Y,Pr)-
Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物膜６が露出するように形成
した。この開口部８の形成は、例えばＥＢ露光装置とイ
オンミリング等とを用いれて行えばよい。
ジストをマスクとし、イオンミリング等の方法を用いて
10μm 幅を残してエッチングした。さらに、 Y-Ba-Cu-O
系酸化物超電導体膜７に 0.1μmの開口部８を、(Y,Pr)-
Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物膜６が露出するように形成
した。この開口部８の形成は、例えばＥＢ露光装置とイ
オンミリング等とを用いれて行えばよい。
【００２５】Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜７は、 2つ
の領域７ａ、７ｂに分離されている。そして、 Y-Ba-Cu
-O系酸化物超電導体膜７の 2つの領域７ａ、７ｂと、
(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物膜６とにより、ＳＮ
Ｓ接合が形成されている。
の領域７ａ、７ｂに分離されている。そして、 Y-Ba-Cu
-O系酸化物超電導体膜７の 2つの領域７ａ、７ｂと、
(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物膜６とにより、ＳＮ
Ｓ接合が形成されている。
【００２６】このようにした得た接合の超電導体層から
常伝導体層方向への元素分析結果を図７に示す。Prの置
換率は、常伝導体層と超電導体層との界面近傍から常伝
導体層内部に向けて連続的に増加していることが分か
る。この接合も液体窒素温度(77K)において、良好なジ
ョセフソン素子として動作した。また、上記接合の臨界
電流Ｉc の値は 4.1×10-5A であった。
常伝導体層方向への元素分析結果を図７に示す。Prの置
換率は、常伝導体層と超電導体層との界面近傍から常伝
導体層内部に向けて連続的に増加していることが分か
る。この接合も液体窒素温度(77K)において、良好なジ
ョセフソン素子として動作した。また、上記接合の臨界
電流Ｉc の値は 4.1×10-5A であった。
【００２７】また、本発明との比較のために、常伝導体
層として Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体の Yの完全にPrで
置換したものを用いる以外は、上記実施例と同一条件で
接合を作製したところ、臨界電流Ｉc の値は 4.3×10-6
A であった。
層として Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体の Yの完全にPrで
置換したものを用いる以外は、上記実施例と同一条件で
接合を作製したところ、臨界電流Ｉc の値は 4.3×10-6
A であった。
【００２８】実施例４ 図８は、本発明をエッジ接合型超電導素子に適用した実
施例の要部を示す断面図である。
施例の要部を示す断面図である。
【００２９】この実施例では、まず SrTiO3 基板１上
に、下部超電導体層として多元スパッタ法で Y-Ba-Cu-O
系酸化物超電導体膜９を 200nm程成膜した。次いで、そ
の上に層間絶縁層１０としてMgO膜を30nm程成膜した
後、さらに上部超電導体層として厚さ約 200nmの Y-Ba-
Cu-O系酸化物超電導体膜１１および上部絶縁層１２とし
て厚さ約50nmの MgO膜を順に成膜した。
に、下部超電導体層として多元スパッタ法で Y-Ba-Cu-O
系酸化物超電導体膜９を 200nm程成膜した。次いで、そ
の上に層間絶縁層１０としてMgO膜を30nm程成膜した
後、さらに上部超電導体層として厚さ約 200nmの Y-Ba-
Cu-O系酸化物超電導体膜１１および上部絶縁層１２とし
て厚さ約50nmの MgO膜を順に成膜した。
【００３０】次に、成膜装置より取り出してフォトレジ
ストをマスクとしてイオンミリングにより、上部絶縁層
１２、上部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜１１、層間絶
縁層１０および下部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜９を
順次斜めにエッチングした。この後、エッチングによっ
て形成した斜面上に、完全にPrで置換した(Y,Pr)-Ba-Cu
-O系電気伝導性酸化物膜１３を 100nmの厚さで成膜し
た。
ストをマスクとしてイオンミリングにより、上部絶縁層
１２、上部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜１１、層間絶
縁層１０および下部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜９を
順次斜めにエッチングした。この後、エッチングによっ
て形成した斜面上に、完全にPrで置換した(Y,Pr)-Ba-Cu
-O系電気伝導性酸化物膜１３を 100nmの厚さで成膜し
た。
【００３１】次いで、 YとPrとを相互拡散させるため
に、成膜装置内で 1気圧の酸素雰囲気中にて、 700℃で
2時間熱処理した。この後、成膜装置より取り出し、接
合の大きさを決めるために、フォトレジスト工程および
イオンミリング工程を用いて、上部絶縁層１２、上部 Y
-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜１１、層間絶縁層１０およ
び下部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜９を幅10μm にエ
ッチングし、さらにフォトレジストをマスクとしてイオ
ンミリングを用いて、垂直にエッチングすることを繰り
返して、上部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜１１および
下部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜９に電極を形成し
た。この実施例では、傾斜されたエッジ部に設けられた
(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物膜１３を介して、Ｓ
ＮＳ接合が形成されている。
に、成膜装置内で 1気圧の酸素雰囲気中にて、 700℃で
2時間熱処理した。この後、成膜装置より取り出し、接
合の大きさを決めるために、フォトレジスト工程および
イオンミリング工程を用いて、上部絶縁層１２、上部 Y
-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜１１、層間絶縁層１０およ
び下部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜９を幅10μm にエ
ッチングし、さらにフォトレジストをマスクとしてイオ
ンミリングを用いて、垂直にエッチングすることを繰り
返して、上部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜１１および
下部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜９に電極を形成し
た。この実施例では、傾斜されたエッジ部に設けられた
(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物膜１３を介して、Ｓ
ＮＳ接合が形成されている。
【００３２】このようにした得た接合の常伝導体層１３
から超電導体層９、１０方向への元素分析結果を図９に
示す。Prの置換率は、常伝導体層と超電導体層との界面
近傍から常伝導体層内部に向けて連続的に増加している
ことが分かる。この接合も液体窒素温度(77K）におい
て、良好なジョセフソン素子として動作した。また、上
記接合の臨界電流Ｉc の値は 4.8×10-5A であった。
から超電導体層９、１０方向への元素分析結果を図９に
示す。Prの置換率は、常伝導体層と超電導体層との界面
近傍から常伝導体層内部に向けて連続的に増加している
ことが分かる。この接合も液体窒素温度(77K）におい
て、良好なジョセフソン素子として動作した。また、上
記接合の臨界電流Ｉc の値は 4.8×10-5A であった。
【００３３】また、本発明との比較のために、常伝導体
層を成膜した後に熱処理を行わない以外は、上記実施例
と同一条件で接合を作製したところ、臨界電流Ｉc の値
は6×10-6A であった。
層を成膜した後に熱処理を行わない以外は、上記実施例
と同一条件で接合を作製したところ、臨界電流Ｉc の値
は6×10-6A であった。
【００３４】実施例５ 図１０は、本発明のさらに他の実施例の超電導素子の要
部を示す断面図である。この実施例では、まず適当な段
差を有する SrTiO3 基板１４上に、多元スパッタ法等に
より Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜１５を成膜した。こ
の Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜１５は、 SrTiO3 基板
１４の段差により、互いに電気的に絶縁された 2つの領
域１５ａ、１５ｂに分離されている。これらの上に、上
記段差を越えて連続させ、かつその上方にいくほどPrの
割合を増加させた、(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物
膜１６を70nmの厚さで形成した。
部を示す断面図である。この実施例では、まず適当な段
差を有する SrTiO3 基板１４上に、多元スパッタ法等に
より Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜１５を成膜した。こ
の Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜１５は、 SrTiO3 基板
１４の段差により、互いに電気的に絶縁された 2つの領
域１５ａ、１５ｂに分離されている。これらの上に、上
記段差を越えて連続させ、かつその上方にいくほどPrの
割合を増加させた、(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物
膜１６を70nmの厚さで形成した。
【００３５】この後、成膜装置より取り出して、フォト
レジストをマスクとしてイオンミリング等の方法を用い
て、段差を挟んで10μm 幅を残してエッチングした。さ
らに、 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜１５ａ、１５ｂに
それぞれ電極を取る目的で、(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導
性酸化物膜１６を10μm の幅だけ残してエッチングし
た。
レジストをマスクとしてイオンミリング等の方法を用い
て、段差を挟んで10μm 幅を残してエッチングした。さ
らに、 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜１５ａ、１５ｂに
それぞれ電極を取る目的で、(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導
性酸化物膜１６を10μm の幅だけ残してエッチングし
た。
【００３６】このようにした得た接合の常伝導体層から
超電導体層方向への元素分析結果を図１１に示す。Prの
置換率は、常伝導体層と超電導体層との界面近傍から常
伝導体層内部に向けて連続的に増加していることが分か
る。この接合も液体窒素温度(77K）において、良好なジ
ョセフソン素子として動作し、その臨界電流Ｉc の値は
7.8×10-5A であった。
超電導体層方向への元素分析結果を図１１に示す。Prの
置換率は、常伝導体層と超電導体層との界面近傍から常
伝導体層内部に向けて連続的に増加していることが分か
る。この接合も液体窒素温度(77K）において、良好なジ
ョセフソン素子として動作し、その臨界電流Ｉc の値は
7.8×10-5A であった。
【００３７】また、本発明との比較のために、常伝導体
層として Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体の Yの完全にPrで
置換したものを用いる以外は、上記実施例と同一条件で
接合を作製したところ、臨界電流Ｉc の値は 8×10-6A
であった。
層として Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体の Yの完全にPrで
置換したものを用いる以外は、上記実施例と同一条件で
接合を作製したところ、臨界電流Ｉc の値は 8×10-6A
であった。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の超電導素
子によれば、超電導体／常伝導体の界面近傍部から常伝
導体層内部に向けてPrの割合を連続的に増加させている
ため、界面近傍での電子の量子力学的反射を小さくする
ことができ、よって接合の臨界電流を増大させることが
可能となる。これによって、液体窒素温度において良好
な特性を示す超電導素子を提供することが可能となる。
子によれば、超電導体／常伝導体の界面近傍部から常伝
導体層内部に向けてPrの割合を連続的に増加させている
ため、界面近傍での電子の量子力学的反射を小さくする
ことができ、よって接合の臨界電流を増大させることが
可能となる。これによって、液体窒素温度において良好
な特性を示す超電導素子を提供することが可能となる。
【図１】本発明の一実施例による積層型超電導素子の要
部を示す断面図である。
部を示す断面図である。
【図２】図１に示す超電導素子のイオンマイクロアナラ
イザによる深さ方向の元素分析結果を示す図である。
イザによる深さ方向の元素分析結果を示す図である。
【図３】図１に示す超電導素子の液体窒素温度における
Ｉ−Ｖ特性を示す図である。
Ｉ−Ｖ特性を示す図である。
【図４】本発明の他の実施例による超電導素子の要部を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図５】図４に示す超電導素子のイオンマイクロアナラ
イザによる深さ方向の元素分析結果を示す図である。
イザによる深さ方向の元素分析結果を示す図である。
【図６】本発明のさらに他の実施例による超電導素子の
要部を示す断面図である。
要部を示す断面図である。
【図７】図６に示す超電導素子のイオンマイクロアナラ
イザによる深さ方向の元素分析結果を示す図である。
イザによる深さ方向の元素分析結果を示す図である。
【図８】本発明の他の実施例によるエッジ接合型の超電
導素子の要部を示す断面図である。
導素子の要部を示す断面図である。
【図９】図８に示す超電導素子のイオンマイクロアナラ
イザによる深さ方向の元素分析結果を示す図である。
イザによる深さ方向の元素分析結果を示す図である。
【図１０】本発明のさらに他の実施例による超電導素子
の要部を示す断面図である。
の要部を示す断面図である。
【図１１】図１０に示す超電導素子のイオンマイクロア
ナライザによる深さ方向の元素分析結果を示す図であ
る。
ナライザによる深さ方向の元素分析結果を示す図であ
る。
１…… SrTiO3 基板 ２、９…下部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜 ３、５、６、１３、１６…Prの置換割合を連続的に変化
させた(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物膜 ４、１１…上部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜 ７、１５… 2つの領域に分離された Y-Ba-Cu-O系酸化物
超電導体膜 １４…段差を有する SrTiO3 基板
させた(Y,Pr)-Ba-Cu-O系電気伝導性酸化物膜 ４、１１…上部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜 ７、１５… 2つの領域に分離された Y-Ba-Cu-O系酸化物
超電導体膜 １４…段差を有する SrTiO3 基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水島 公一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝 総合研究所内 (56)参考文献 特開 平２−21676（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−196686（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−192381（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 39/00 H01L 39/22 - 39/24
Claims (1)
- 【請求項１】 Y系酸化物超電導体と、前記 Y系酸化物
超電導体の Yの少なくとも一部をPrで置換した常伝導体
とを用いて、超電導体／常伝導体／超電導体接合を構成
した超電導素子において、 前記常伝導体層内の前記Prによる置換割合が、前記超電
導体層と常伝導体層との界面近傍から該常伝導体層の内
部に向けて連続的に増加していることを特徴とする超電
導素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3247721A JP2825374B2 (ja) | 1991-09-26 | 1991-09-26 | 超電導素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3247721A JP2825374B2 (ja) | 1991-09-26 | 1991-09-26 | 超電導素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0590653A JPH0590653A (ja) | 1993-04-09 |
| JP2825374B2 true JP2825374B2 (ja) | 1998-11-18 |
Family
ID=17167689
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3247721A Expired - Fee Related JP2825374B2 (ja) | 1991-09-26 | 1991-09-26 | 超電導素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2825374B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6476413B1 (en) * | 1995-10-24 | 2002-11-05 | The Regents Of The University Of California | High temperature superconducting Josephson junctions and SQUIDs |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0221676A (ja) * | 1988-07-08 | 1990-01-24 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | 超伝導体のトンネル接合 |
-
1991
- 1991-09-26 JP JP3247721A patent/JP2825374B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0590653A (ja) | 1993-04-09 |
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