JP2829201B2 - 超電導素子 - Google Patents
超電導素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ジョセフソン効果を利
用した超電導素子に関する。
用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、超電導体として酸
化物超電導体を用いると共に、常伝導体として貴金属、
酸化物超電導体の粒界、同系の組成の異なる非超電導酸
化物等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、超電導体として酸
化物超電導体を用いると共に、常伝導体として貴金属、
酸化物超電導体の粒界、同系の組成の異なる非超電導酸
化物等を用いることが試みられている。
【０００３】上記した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、常伝導体として電気伝導性を示すペロブスカイト酸
化物を用いた接合は、各層の格子定数の差が殆どなく、
界面近傍の格子の乱れが極めて少ないという利点を有し
ている。しかしながら、上記したような酸化物超電導体
／電気伝導性酸化物／酸化物超電導体によるＳＮＳ接合
は、その出力電圧が非常に小さく、実用性が極めて乏し
いという問題を有していた。
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、常伝導体として電気伝導性を示すペロブスカイト酸
化物を用いた接合は、各層の格子定数の差が殆どなく、
界面近傍の格子の乱れが極めて少ないという利点を有し
ている。しかしながら、上記したような酸化物超電導体
／電気伝導性酸化物／酸化物超電導体によるＳＮＳ接合
は、その出力電圧が非常に小さく、実用性が極めて乏し
いという問題を有していた。
【０００４】一方、酸化物超電導体／絶縁性酸化物／酸
化物超電導体による、いわゆるＳＩＳ接合は、実用レベ
ルの出力電圧が得られる可能性を有しているが、現状の
技術による上記したような接合構造では、トンネル電流
をほとんど観測することができない。これは、 Y系、Bi
系、Tl系等の酸化物超電導体はコヒーレンス長が数原子
層以下と極端に短いため、酸化物超電導体の界面付近に
僅かでも劣化層や変質層があると、そこで酸化物超電導
体の超電導ギャップが著しく抑制されてしまうか、ある
いは消失してしまうからである。
化物超電導体による、いわゆるＳＩＳ接合は、実用レベ
ルの出力電圧が得られる可能性を有しているが、現状の
技術による上記したような接合構造では、トンネル電流
をほとんど観測することができない。これは、 Y系、Bi
系、Tl系等の酸化物超電導体はコヒーレンス長が数原子
層以下と極端に短いため、酸化物超電導体の界面付近に
僅かでも劣化層や変質層があると、そこで酸化物超電導
体の超電導ギャップが著しく抑制されてしまうか、ある
いは消失してしまうからである。
【０００５】すなわち、ＳＩＳ接合におけるＩ層、すな
わち絶縁物は、通常、酸素との結合力が強いイオン性結
晶からなる物質で構成される。これに対して、上述した
酸化物超電導体は、よく知られているように、いずれも
酸素の脱離が起こりやすい物質である。このような絶縁
物と酸化物超電導体とを用いて、ＳＩＳ接合を成膜プロ
セスにより作製すると、Ｓ／Ｉ界面で酸化物超電導体側
の酸素が絶縁物に引きつけられたり、また結晶構造の異
なるＩ層と積層するため、Ｓ／Ｉ界面における酸化物超
電導体の最表面は応力を受けて内部とは違ったものとな
り、超電導性の低下もしくは消失した状態が 1原子層程
度の厚さで最表面に存在する。
わち絶縁物は、通常、酸素との結合力が強いイオン性結
晶からなる物質で構成される。これに対して、上述した
酸化物超電導体は、よく知られているように、いずれも
酸素の脱離が起こりやすい物質である。このような絶縁
物と酸化物超電導体とを用いて、ＳＩＳ接合を成膜プロ
セスにより作製すると、Ｓ／Ｉ界面で酸化物超電導体側
の酸素が絶縁物に引きつけられたり、また結晶構造の異
なるＩ層と積層するため、Ｓ／Ｉ界面における酸化物超
電導体の最表面は応力を受けて内部とは違ったものとな
り、超電導性の低下もしくは消失した状態が 1原子層程
度の厚さで最表面に存在する。
【０００６】上述したような僅かな変質層は、超電導電
極全体としての性質には何等影響しないが、ＳＩＳ接合
に対しては、その特性に決定的な影響を及ぼす。すなわ
ち、超電導体の真のギャップ（△）が短いコヒーレンス
長のためトンネル障壁まで完全に到達せず、実効的には
著しく抑制された超電導ギャップ（△′）がＩ層に達す
る。そして、実効的な超電導ギャップ△′は、△＞＞
△′であり、またＳＩＳ接合の出力電圧（特性電圧）は
Ｉ層に達した超電導ギャップ△′に比例するため、実際
に得られる接合の特性電圧は著しく小さいか、もしくは
ほとんどの場合トンネル接合特性を得ることができない
ことになる。
極全体としての性質には何等影響しないが、ＳＩＳ接合
に対しては、その特性に決定的な影響を及ぼす。すなわ
ち、超電導体の真のギャップ（△）が短いコヒーレンス
長のためトンネル障壁まで完全に到達せず、実効的には
著しく抑制された超電導ギャップ（△′）がＩ層に達す
る。そして、実効的な超電導ギャップ△′は、△＞＞
△′であり、またＳＩＳ接合の出力電圧（特性電圧）は
Ｉ層に達した超電導ギャップ△′に比例するため、実際
に得られる接合の特性電圧は著しく小さいか、もしくは
ほとんどの場合トンネル接合特性を得ることができない
ことになる。
【０００７】上記したようなＳＩＳ接合に付随する問題
は、酸素が抜け易く、またコヒーレンス長が極端に短い
という酸化物超電導体特有の化学的および物理的性質に
基くものであり、従って現状の技術では酸化物超電導体
を用いたＳＩＳ接合の作製は、事実上不可能に近いもの
となっている。
は、酸素が抜け易く、またコヒーレンス長が極端に短い
という酸化物超電導体特有の化学的および物理的性質に
基くものであり、従って現状の技術では酸化物超電導体
を用いたＳＩＳ接合の作製は、事実上不可能に近いもの
となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、酸化
物超電導体と電気伝導性酸化物とを用いたＳ／Ｎ／Ｓ接
合は、その出力電圧値が極めて小さいという問題を有し
ており、一方酸化物超電導体と絶縁性酸化物とを用いた
Ｓ／Ｉ／Ｓ接合は、出力電圧値を大きくできる可能性を
有している反面、積層界面での酸化物超電導体の変質等
という作製上の大きな問題を有しているため、現状にお
いては実用的な出力電圧を有するＳＩＳ接合は実現され
ていない。
物超電導体と電気伝導性酸化物とを用いたＳ／Ｎ／Ｓ接
合は、その出力電圧値が極めて小さいという問題を有し
ており、一方酸化物超電導体と絶縁性酸化物とを用いた
Ｓ／Ｉ／Ｓ接合は、出力電圧値を大きくできる可能性を
有している反面、積層界面での酸化物超電導体の変質等
という作製上の大きな問題を有しているため、現状にお
いては実用的な出力電圧を有するＳＩＳ接合は実現され
ていない。
【０００９】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、酸化物超電導体の表面特性の劣化を
防止し、その高い超電導ギャップを有効に接合特性に反
映させることによって、高い出力電圧が得られ、かつ信
頼性に優れた、実用性の高い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、酸化物超電導体の表面特性の劣化を
防止し、その高い超電導ギャップを有効に接合特性に反
映させることによって、高い出力電圧が得られ、かつ信
頼性に優れた、実用性の高い超電導素子を提供すること
を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の超電導素予は、
酸化物超電導体と、常伝導性を有しかつパウリ常磁性を
示すＡＢＯ３型の結晶構造を有するペロブスカイト酸化
物と、絶縁物とを用いて、超電導体／常伝導体／絶縁体
／常伝導体／超電導体の積層構造からなる接合を構成し
たこと、すなわちＳＮＩＮＳ接合を有することを特徴と
している。
酸化物超電導体と、常伝導性を有しかつパウリ常磁性を
示すＡＢＯ３型の結晶構造を有するペロブスカイト酸化
物と、絶縁物とを用いて、超電導体／常伝導体／絶縁体
／常伝導体／超電導体の積層構造からなる接合を構成し
たこと、すなわちＳＮＩＮＳ接合を有することを特徴と
している。
【００１１】
【作用】一般に、ジョセフソン接合の出力は、接合を流
れる超電導電流と、臨界電流以上の電流を流したときの
抵抗、すなわち接合の常伝導状態における抵抗値との積
で決まり、ジョセフソン超電導電流が同じであるなら
ば、接合抵抗が大きい方が出力が高い。また、接合抵抗
に大差がないときは、ジョセフソン超電導電流が大きい
方が有利であるが、ジョセフソン電流が大きい場合には
接合の中での電流の分布が不均一となるため、接合の大
きさをより小さくする必要が生じ、また電極と接合の境
界付近で著しい電流の集中が起こり、超電導電極の超電
導状態自体が壊れてしまう等、接合の取扱いが格段に難
しくなる。従って、ジョセフソン接合の出力電圧の増加
を図るには、ジョセフソン超電導電流を損なうことな
く、接合抵抗を増加させることが実用上重要である。
れる超電導電流と、臨界電流以上の電流を流したときの
抵抗、すなわち接合の常伝導状態における抵抗値との積
で決まり、ジョセフソン超電導電流が同じであるなら
ば、接合抵抗が大きい方が出力が高い。また、接合抵抗
に大差がないときは、ジョセフソン超電導電流が大きい
方が有利であるが、ジョセフソン電流が大きい場合には
接合の中での電流の分布が不均一となるため、接合の大
きさをより小さくする必要が生じ、また電極と接合の境
界付近で著しい電流の集中が起こり、超電導電極の超電
導状態自体が壊れてしまう等、接合の取扱いが格段に難
しくなる。従って、ジョセフソン接合の出力電圧の増加
を図るには、ジョセフソン超電導電流を損なうことな
く、接合抵抗を増加させることが実用上重要である。
【００１２】上記した接合抵抗は、ＳＮＳ接合の場合に
は、上下の超電導電極に挟まれたＮ層自体の抵抗と、Ｓ
層とＮ層の界面抵抗の和である。通常、Ｎ層が酸化物超
電導体層との相互拡散もなく、成膜技術で良好に積層構
造を形成することができる場合には、ジョセフソン超電
導電流の値自体は大きくなるが、界面抵抗は著しく低下
し、出力電圧が低いものとなってしまう。このようなこ
とから、ＳＮＳ型のジョセフソン接合の出力を高めるた
めには、Ｎ層自体の抵抗値を増加させることが有効であ
るが、Ｎ層の抵抗値が高いと、近接効果の及ぶ距離の目
安を与えるコヒーレンス長ξn が小さくなり、結果とし
てＮ層の厚さを薄くしなければならなくなるため、出力
電圧値を増加させることは困難となる。これらのことか
ら、ＳＮＳ型のジョセフソン素子の出力を増加させるこ
とには限界がある。
は、上下の超電導電極に挟まれたＮ層自体の抵抗と、Ｓ
層とＮ層の界面抵抗の和である。通常、Ｎ層が酸化物超
電導体層との相互拡散もなく、成膜技術で良好に積層構
造を形成することができる場合には、ジョセフソン超電
導電流の値自体は大きくなるが、界面抵抗は著しく低下
し、出力電圧が低いものとなってしまう。このようなこ
とから、ＳＮＳ型のジョセフソン接合の出力を高めるた
めには、Ｎ層自体の抵抗値を増加させることが有効であ
るが、Ｎ層の抵抗値が高いと、近接効果の及ぶ距離の目
安を与えるコヒーレンス長ξn が小さくなり、結果とし
てＮ層の厚さを薄くしなければならなくなるため、出力
電圧値を増加させることは困難となる。これらのことか
ら、ＳＮＳ型のジョセフソン素子の出力を増加させるこ
とには限界がある。
【００１３】一方、基本的に大きい超電導ギャップを有
する酸化物超電導体を用いたＳＩＳ型の超電導素子は、
高い出力電圧が得られる可能性があり、この点において
は十分実用的であるが、コヒーレンス長が非常に短い、
酸素との結合力が弱い等という酸化物超電導体の物理
的、化学的性質により、酸化物超電導体の大きい超電導
ギャップをＩ層まで到達させることが極めて困難であ
り、このために大きな出力電圧を得ることができない。
する酸化物超電導体を用いたＳＩＳ型の超電導素子は、
高い出力電圧が得られる可能性があり、この点において
は十分実用的であるが、コヒーレンス長が非常に短い、
酸素との結合力が弱い等という酸化物超電導体の物理
的、化学的性質により、酸化物超電導体の大きい超電導
ギャップをＩ層まで到達させることが極めて困難であ
り、このために大きな出力電圧を得ることができない。
【００１４】これらに対して、本発明の超電導素子にお
いては、基本的にはＳＩＳ接合を構成していると共に、
そのＳ層とＩ層の各々の間に、常伝導体層（Ｎ層）とし
て導電性を有しかつパウリ常磁性を示すＡＢＯ３型の結
晶構造を有するペロブスカイト酸化物層を介在させてい
る。このようなＮ層を介在させることによって、酸化物
超電導体の酸素に対する化学的不安定さを補うことがで
き、界面に変質層が形成されることを防止することがで
きると共に、Ｎ層とＩ層との間には理想的界面を形成す
ることができる。そして、酸化物超電導体の大きな超電
導ギャップは、近接効果によってＮ層に染み出すため、
この染み出した超電導ギャップ同志でＩ層を挟んでトン
ネルを行わせることができる。従って、本発明のＳＮＩ
ＮＳ接合によれば、実用的な出力電圧を得ることが可能
となる。
いては、基本的にはＳＩＳ接合を構成していると共に、
そのＳ層とＩ層の各々の間に、常伝導体層（Ｎ層）とし
て導電性を有しかつパウリ常磁性を示すＡＢＯ３型の結
晶構造を有するペロブスカイト酸化物層を介在させてい
る。このようなＮ層を介在させることによって、酸化物
超電導体の酸素に対する化学的不安定さを補うことがで
き、界面に変質層が形成されることを防止することがで
きると共に、Ｎ層とＩ層との間には理想的界面を形成す
ることができる。そして、酸化物超電導体の大きな超電
導ギャップは、近接効果によってＮ層に染み出すため、
この染み出した超電導ギャップ同志でＩ層を挟んでトン
ネルを行わせることができる。従って、本発明のＳＮＩ
ＮＳ接合によれば、実用的な出力電圧を得ることが可能
となる。
【００１５】ところで、大きい超電導ギャップを有する
酸化物超電導体は、そのキャリアが通常の金属に比べて
はるかに少数であり、かつ比抵抗も高いため、通常の金
属と接した場合には、 ｒ＝σn ξs ／σs ξn （式中、σs はＳ層の比抵抗、ξs はＳ層のコヒーレン
ス長、σn はＮ層の比抵抗、ξn はＮ層のコヒーレンス
長をそれぞれ示す）の割合で、酸化物超電導体の超電導
ギャップは、金属と接する界面で急激に縮小してしま
う。すなわち、キャリア数が多く（1023／cm3 ）、比抵
抗が小さい（10-6Ω・cm）金属と接した場合には、酸化
物超電導体の表面で超電導ギャップは1/10程度に縮小し
てしまい、Ｉ層によるトンネル過程を導入しても、出力
電圧の増加は望めなくなる。従って、ＳＮＩＮＳ接合に
おけるＮ層としては、酸化物超電導体と同程度のキャリ
ア濃度および比抵抗を有し、かつ積層した場合に酸化物
超電導体の表面を劣化させない、導電性を有するペロブ
スカイト酸化物を用いることが好ましい。このようなＮ
層を用いることによって、酸化物超電導体層（Ｓ層）か
らの大きな超電導ギャップを、Ｎ層の内部に有効に誘導
することができると共に、その超電導ギャップが中間の
Ｉ層の両端まで良好に染みだすため、これらのギャップ
間でトンネルが起こり、より一層高い出力電圧を得るこ
とが可能となる。
酸化物超電導体は、そのキャリアが通常の金属に比べて
はるかに少数であり、かつ比抵抗も高いため、通常の金
属と接した場合には、 ｒ＝σn ξs ／σs ξn （式中、σs はＳ層の比抵抗、ξs はＳ層のコヒーレン
ス長、σn はＮ層の比抵抗、ξn はＮ層のコヒーレンス
長をそれぞれ示す）の割合で、酸化物超電導体の超電導
ギャップは、金属と接する界面で急激に縮小してしま
う。すなわち、キャリア数が多く（1023／cm3 ）、比抵
抗が小さい（10-6Ω・cm）金属と接した場合には、酸化
物超電導体の表面で超電導ギャップは1/10程度に縮小し
てしまい、Ｉ層によるトンネル過程を導入しても、出力
電圧の増加は望めなくなる。従って、ＳＮＩＮＳ接合に
おけるＮ層としては、酸化物超電導体と同程度のキャリ
ア濃度および比抵抗を有し、かつ積層した場合に酸化物
超電導体の表面を劣化させない、導電性を有するペロブ
スカイト酸化物を用いることが好ましい。このようなＮ
層を用いることによって、酸化物超電導体層（Ｓ層）か
らの大きな超電導ギャップを、Ｎ層の内部に有効に誘導
することができると共に、その超電導ギャップが中間の
Ｉ層の両端まで良好に染みだすため、これらのギャップ
間でトンネルが起こり、より一層高い出力電圧を得るこ
とが可能となる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の超電導素子の実施例について
説明する。
説明する。
【００１７】図１は、本発明の一実施例による超電導体
層（Ｓ層）／常伝導体層（Ｎ層）／絶縁体層（Ｉ層）／
常伝導体層（Ｎ層）／超電導体層（Ｓ層）の積層構造か
らなる接合を有する超電導素子の断面構造を示す図であ
る。同図において、１はSrTiO3 の (100)単結晶基板等
の絶縁性基板であり、この絶縁性基板１上には、下側の
主電極部となる酸化物超電導体層（Ｓ層）２が形成され
ている。
層（Ｓ層）／常伝導体層（Ｎ層）／絶縁体層（Ｉ層）／
常伝導体層（Ｎ層）／超電導体層（Ｓ層）の積層構造か
らなる接合を有する超電導素子の断面構造を示す図であ
る。同図において、１はSrTiO3 の (100)単結晶基板等
の絶縁性基板であり、この絶縁性基板１上には、下側の
主電極部となる酸化物超電導体層（Ｓ層）２が形成され
ている。
【００１８】ここで、上記した下部酸化物超電導体層２
および後述する上部酸化物超電導体層６としては、 Y系
酸化物超電導体、Bi系酸化物超電導体、Tl系酸化物超電
導体、Pb系酸化物超電導体等、超電導状態を実現するこ
とが可能な各種の銅系酸化物超電導体を使用することが
可能である。この実施例では、 Y系酸化物超電導体を用
いた例について述べる。なお、 Y系酸化物超電導体は、
Y-Ba-Cu-Oを基本構成元素とし、ペロブスカイト型結晶
構造を有するものであり、実質的には下記の(1)式で組
成が表されるものである。
および後述する上部酸化物超電導体層６としては、 Y系
酸化物超電導体、Bi系酸化物超電導体、Tl系酸化物超電
導体、Pb系酸化物超電導体等、超電導状態を実現するこ
とが可能な各種の銅系酸化物超電導体を使用することが
可能である。この実施例では、 Y系酸化物超電導体を用
いた例について述べる。なお、 Y系酸化物超電導体は、
Y-Ba-Cu-Oを基本構成元素とし、ペロブスカイト型結晶
構造を有するものであり、実質的には下記の(1)式で組
成が表されるものである。
【００１９】 化学式： Y1 Ba2 Cu3 O7-δ ……(1) （式中、δは酸素欠損を表し、通常 1以下の数である）
ただし、各元素の比率は、製造条件等により数mol%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、Baの一部は他
のアルカリ土類元素と置換可能である。
ただし、各元素の比率は、製造条件等により数mol%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、Baの一部は他
のアルカリ土類元素と置換可能である。
【００２０】上記した下部酸化物超電導体層２上には、
超電導ギャップの染みだし層（近接効果層）となる常伝
導体層（Ｎ層）として、導電性を有するペロブスカイト
酸化物層３が形成されている。この常伝導体層は、基本
組成がＡＢＯ３型の金属的電気伝導性を示すと共に、パ
ウリ常磁性を示すペロブスカイト酸化物からなるもので
あり、特に酸化物超電導体と同程度のコヒーレンス長お
よび比抵抗を有するペロブスカイト酸化物を使用するこ
とが好ましい。
超電導ギャップの染みだし層（近接効果層）となる常伝
導体層（Ｎ層）として、導電性を有するペロブスカイト
酸化物層３が形成されている。この常伝導体層は、基本
組成がＡＢＯ３型の金属的電気伝導性を示すと共に、パ
ウリ常磁性を示すペロブスカイト酸化物からなるもので
あり、特に酸化物超電導体と同程度のコヒーレンス長お
よび比抵抗を有するペロブスカイト酸化物を使用するこ
とが好ましい。
【００２１】このようなペロブスカイト酸化物は、酸化
物超電導体と近い結晶構造を有していると共に、酸素と
の結合力についての化学的性質が酸化物超電導体に似て
いるため、積層形成した場合においても、酸化物超電導
体の表面から酸素を奪って、表面を劣化させることがな
い。さらに、キャリア濃度や比抵抗が酸化物超電導体と
同程度のペロブスカイト酸化物を使用することによっ
て、酸化物超電導体層（Ｓ層）からの大きな超電導ギャ
ップを、Ｎ層の内部に有効に誘導することができ、すな
わち強い超電導近接効果が実現でき、Ｎ層３（５）を介
在させたことによる超電導電流の低下を極めて小さくす
ることができる。上記したパウリ常磁性を示すペロブス
カイト酸化物としては、例えば LaNiO3 、 LaTiO3 、La
ドープ- SrCrO3 、Nbドープ-SrTiO3 等が例示される。
また、上記Ｎ層３の厚さは、 1.5nm〜10nm程度とするこ
とが好ましい。
物超電導体と近い結晶構造を有していると共に、酸素と
の結合力についての化学的性質が酸化物超電導体に似て
いるため、積層形成した場合においても、酸化物超電導
体の表面から酸素を奪って、表面を劣化させることがな
い。さらに、キャリア濃度や比抵抗が酸化物超電導体と
同程度のペロブスカイト酸化物を使用することによっ
て、酸化物超電導体層（Ｓ層）からの大きな超電導ギャ
ップを、Ｎ層の内部に有効に誘導することができ、すな
わち強い超電導近接効果が実現でき、Ｎ層３（５）を介
在させたことによる超電導電流の低下を極めて小さくす
ることができる。上記したパウリ常磁性を示すペロブス
カイト酸化物としては、例えば LaNiO3 、 LaTiO3 、La
ドープ- SrCrO3 、Nbドープ-SrTiO3 等が例示される。
また、上記Ｎ層３の厚さは、 1.5nm〜10nm程度とするこ
とが好ましい。
【００２２】上記した下側のＮ層３上には、トンネル障
壁となる絶縁体層（Ｉ層）４が形成されている。このＩ
層４を構成する絶縁物としては、絶縁性酸化物を用いる
ことが好ましく、特に Y2 O 3 、 CeO2 、Pr1 Ba2 Cu3
O 7-y 、 Y2 Ba1 Cu1 O x 、MgO、 SrTiO3 、 BaTiO3
等の絶縁性酸化物を用いることが望ましい。このＩ層４
の厚さは、 0.5nm〜 8nm程度とすることが好ましい。
壁となる絶縁体層（Ｉ層）４が形成されている。このＩ
層４を構成する絶縁物としては、絶縁性酸化物を用いる
ことが好ましく、特に Y2 O 3 、 CeO2 、Pr1 Ba2 Cu3
O 7-y 、 Y2 Ba1 Cu1 O x 、MgO、 SrTiO3 、 BaTiO3
等の絶縁性酸化物を用いることが望ましい。このＩ層４
の厚さは、 0.5nm〜 8nm程度とすることが好ましい。
【００２３】上記Ｉ層４上には、下部Ｎ層３と同様な構
成を有する、上部Ｎ層５が設けられており、さらにこの
上部Ｎ層５上には、上側の主電極部となる酸化物超電導
体層（Ｓ層）６が形成されている。そして、これら各層
によるサンドイッチ構造（積層構造）によって、ＳＮＩ
ＮＳ型のジョセフソン接合を有する超電導素子が構成さ
れている。
成を有する、上部Ｎ層５が設けられており、さらにこの
上部Ｎ層５上には、上側の主電極部となる酸化物超電導
体層（Ｓ層）６が形成されている。そして、これら各層
によるサンドイッチ構造（積層構造）によって、ＳＮＩ
ＮＳ型のジョセフソン接合を有する超電導素子が構成さ
れている。
【００２４】なお、上部酸化物超電導体層６上には、絶
縁膜７を介して、上部酸化物超電導体層６への配線８が
設けられている。また、配線８から上部酸化物超電導体
層６に達するように設けた溝９は、外部からの電流端子
と電圧端子とを完全に分離するためのものである。
縁膜７を介して、上部酸化物超電導体層６への配線８が
設けられている。また、配線８から上部酸化物超電導体
層６に達するように設けた溝９は、外部からの電流端子
と電圧端子とを完全に分離するためのものである。
【００２５】上述したＳＮＩＮＳ型の接合を有する超電
導素子の一例を、例えば以下のようにして作製した。す
なわち、 SrTiO3 (100)基板１上に、マグネトロンスパ
ッタ法等により、下部 Y系酸化物超電導体層２、下部Ｎ
層３、Ｉ層４、上部Ｎ層５、上部 Y系酸化物超電導体層
６を順に積層形成した。各層の膜厚は、 300nm、 2nm、
1nm、 2nm、200nmとした。また、基板温度は 700℃に
設定し、Ｎ層３、５としては LaNiO3を、Ｉ層４として
は CeO2 を用いた。上記各層の形成にあたっては、その
積層構造を同一装置において大気に晒すことなく連続的
に形成することが重要である。この後、上部 Y系酸化物
超電導体層６上への絶縁膜７と金配線層８の形成と、通
常の光学露光工程とを組合せて、接合面積10μm ×10μ
m のＳＮＩＮＳ接合を有する超電導素子を作製した。
導素子の一例を、例えば以下のようにして作製した。す
なわち、 SrTiO3 (100)基板１上に、マグネトロンスパ
ッタ法等により、下部 Y系酸化物超電導体層２、下部Ｎ
層３、Ｉ層４、上部Ｎ層５、上部 Y系酸化物超電導体層
６を順に積層形成した。各層の膜厚は、 300nm、 2nm、
1nm、 2nm、200nmとした。また、基板温度は 700℃に
設定し、Ｎ層３、５としては LaNiO3を、Ｉ層４として
は CeO2 を用いた。上記各層の形成にあたっては、その
積層構造を同一装置において大気に晒すことなく連続的
に形成することが重要である。この後、上部 Y系酸化物
超電導体層６上への絶縁膜７と金配線層８の形成と、通
常の光学露光工程とを組合せて、接合面積10μm ×10μ
m のＳＮＩＮＳ接合を有する超電導素子を作製した。
【００２６】このようにして得たいくつかの超電導素子
の液体ヘリウム温度での電流−電圧特性を測定し、超電
導電流が流れるか否かを評価すると共に、その際に接合
に平行に磁場を印加して、超電導電流の磁場強度による
変化を測定した。その結果、いずれも超電導電流が観測
され、図２に示すような電流−電圧特性が観測された。
これらの接合の典型的な出力電圧、すなわち（臨界電
流）×（ノーマル抵抗）の値は 1.8mVであった。また、
接合を流れる臨界電流は、磁場に対して図３に示すよう
なジョセフソン接合に特有な変化を示した。これは、図
２における超電導電流が全てジョセフソン電流であるこ
との直接的な証拠を与えるものであり、また接合が均一
にできていることを示唆するものである。
の液体ヘリウム温度での電流−電圧特性を測定し、超電
導電流が流れるか否かを評価すると共に、その際に接合
に平行に磁場を印加して、超電導電流の磁場強度による
変化を測定した。その結果、いずれも超電導電流が観測
され、図２に示すような電流−電圧特性が観測された。
これらの接合の典型的な出力電圧、すなわち（臨界電
流）×（ノーマル抵抗）の値は 1.8mVであった。また、
接合を流れる臨界電流は、磁場に対して図３に示すよう
なジョセフソン接合に特有な変化を示した。これは、図
２における超電導電流が全てジョセフソン電流であるこ
との直接的な証拠を与えるものであり、また接合が均一
にできていることを示唆するものである。
【００２７】以上のことから、全て酸化物による積層構
造を有するＳＮＩＮＳ接合によれば、実用的な出力電圧
を得ることが可能となると共に、Ｎ層が酸化物超電導体
層の表面を覆うような構造となるため、両超電導電極間
のショートを確実に防止することができ、実用上十分な
信頼性を確保することが可能となる。特に、Ｎ層３、５
として、酸化物超電導体と同程度のコヒーレンス長およ
び比抵抗を有し、かつパウリ常磁性を示す導電性のペロ
ブスカイト酸化物を用いることによって、Ｎ層中に酸化
物超電導体の大きな超電導ギャップを十分に染み出させ
ることができるため、トンネル過程をベースとした、出
力電圧の大きな接合を作製することが可能となる。
造を有するＳＮＩＮＳ接合によれば、実用的な出力電圧
を得ることが可能となると共に、Ｎ層が酸化物超電導体
層の表面を覆うような構造となるため、両超電導電極間
のショートを確実に防止することができ、実用上十分な
信頼性を確保することが可能となる。特に、Ｎ層３、５
として、酸化物超電導体と同程度のコヒーレンス長およ
び比抵抗を有し、かつパウリ常磁性を示す導電性のペロ
ブスカイト酸化物を用いることによって、Ｎ層中に酸化
物超電導体の大きな超電導ギャップを十分に染み出させ
ることができるため、トンネル過程をベースとした、出
力電圧の大きな接合を作製することが可能となる。
【００２８】
【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、実用に耐え得る出力電圧を有し、かつトン
ネル型の素子でありながら、マイクロショートの発生を
確実に防止することができるため、実用性および信頼性
が共に高い超電導素子を再現性よく提供することが可能
となる。本発明の超電導素子は、超電導磁束量子干渉計
やジョセフソン集積回路を実現する基本構成要素として
好適であり、産業上多大な寄与をすることが期待でき
る。
子によれば、実用に耐え得る出力電圧を有し、かつトン
ネル型の素子でありながら、マイクロショートの発生を
確実に防止することができるため、実用性および信頼性
が共に高い超電導素子を再現性よく提供することが可能
となる。本発明の超電導素子は、超電導磁束量子干渉計
やジョセフソン集積回路を実現する基本構成要素として
好適であり、産業上多大な寄与をすることが期待でき
る。
【図１】本発明の一実施例による超電導素子の構成を示
す断面図である。
す断面図である。
【図２】本発明の一実施例による超電導素子の電流−電
圧特性を示す図である。
圧特性を示す図である。
【図３】本発明の一実施例による超電導素子の臨界電流
の印加磁界依存性を示す図である。
の印加磁界依存性を示す図である。
１……絶縁性基板 ２……下部酸化物超電導体層（Ｓ層） ３……下部常伝導体層（Ｎ層） ４……絶縁体層（Ｉ層） ５……上部常伝導体層（Ｎ層） ６……上部酸化物超電導体層（Ｓ層）
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−295282（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−320074（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】 酸化物超電導体と、常伝導性を有しかつ
パウリ常磁性を示すＡＢＯ３型の結晶構造を有するペロ
ブスカイト酸化物と、絶縁物とを用いて、超電導体／常
伝導体／絶縁体／常伝導体／超電導体の積層構造からな
る接合を構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 |
|---|---|---|---|
| JP4243216A JP2829201B2 (ja) | 1992-09-11 | 1992-09-11 | 超電導素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4243216A JP2829201B2 (ja) | 1992-09-11 | 1992-09-11 | 超電導素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0697517A JPH0697517A (ja) | 1994-04-08 |
| JP2829201B2 true JP2829201B2 (ja) | 1998-11-25 |
Family
ID=17100558
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4243216A Expired - Fee Related JP2829201B2 (ja) | 1992-09-11 | 1992-09-11 | 超電導素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2829201B2 (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 |
-
1992
- 1992-09-11 JP JP4243216A patent/JP2829201B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0697517A (ja) | 1994-04-08 |
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