JP2831967B2 - Superconducting element - Google Patents

Superconducting element

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JP2831967B2
JP2831967B2 JP8033250A JP3325096A JP2831967B2 JP 2831967 B2 JP2831967 B2 JP 2831967B2 JP 8033250 A JP8033250 A JP 8033250A JP 3325096 A JP3325096 A JP 3325096A JP 2831967 B2 JP2831967 B2 JP 2831967B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、酸化物超電導体を
利用した超電導素子に係り、特に超電導電極間を常伝導
もしくは絶縁性のバリア層で接続したジョセフソン素子
として有用な超電導素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a superconducting element using an oxide superconductor, and more particularly to a superconducting element useful as a Josephson element in which superconducting electrodes are connected by a normal or insulating barrier layer.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、超電導集積回路を構成する素
子としてPbやNb等の金属超電導体を用いて、超電導
電子対がトンネルできる程度の薄い絶縁層を挟み込んだ
積層構造のトンネル型ジョセフソン接合が知られてい
る。このような従来のトンネル型ジョセフソン素子は、
液体ヘリウム温度に近い極低温動作が必要とされてい
る。また、トンネル型ジョセフソン接合に特有のヒステ
リシスを持つ電流−電圧特性を示すため、回路構成が複
雑になる等の問題を有し、広く実用に供されるまでには
至っていない。
2. Description of the Related Art Conventionally, a tunnel type Josephson junction having a multilayer structure in which a superconducting integrated circuit is made of a metal superconductor such as Pb or Nb and an insulating layer thin enough to allow a superconducting pair to tunnel is sandwiched therebetween. It has been known. Such a conventional tunnel-type Josephson device is:
Cryogenic operation near liquid helium temperature is needed. In addition, since it exhibits current-voltage characteristics having hysteresis peculiar to a tunnel-type Josephson junction, it has a problem such as a complicated circuit configuration, and has not yet been widely used.

【0003】一方、金属超電導体を用いた、ヒステリシ
ス特性を持たないジョセフソン接合素子として、金属超
電導体からなる主電極間をこれと積層した細くかつ薄い
金属で接続した、いわゆるブリッジ型接合の開発も進め
られている。しかし、このようなブリッジ型接合は、上
述したトンネル型接合の場合と同様に、液体へリウム温
度に近い極低温動作が必要であると共に、ブリッジ部の
抵抗が小さく、かつ金属超電導体の超電導ギャップ自体
も小さいために、大きい出力電圧を得ることは困難であ
り、十分に産業上寄与するまでには至っていなかった。
On the other hand, as a Josephson junction element using a metal superconductor and having no hysteresis characteristics, a so-called bridge-type junction in which a main electrode made of a metal superconductor is connected with a thin and thin metal laminated with the main electrode is developed. Is also underway. However, such a bridge-type junction requires cryogenic operation close to the liquid helium temperature, a low resistance of the bridge portion, and a superconducting gap of the metal superconductor, as in the case of the tunnel-type junction described above. Because of its small size, it is difficult to obtain a large output voltage, and it has not sufficiently contributed to the industry.

【0004】このような状況の下で、最近、液体窒素温
度以上の高温で超電導特性を示す酸化物超電導材料が発
見され、大きな注目を集めている。酸化物超電導体は超
電導ギャップの大きさが従来の金属超電導体に比べて 1
桁程度大きく、また金属的伝導から絶縁体まで広範囲の
特性を示す酸化物材料との積層に可能性を有している。
このような酸化物超電導体を用いて、トンネル型ジョセ
フソン接合、あるいは出力電圧が大きく、ヒステリシス
を持たないSNS(超電導−常伝導−超電導)型ジョセ
フソン接合を作製し、集積回路を構成することができれ
ば、従来の金属超電導体を用いたジョセフソン接合で構
成した集積回路に比べ、少なくとも極低温で動作させる
必要がなくなり、また大きい出力電圧に起因してはるか
に高速の動作が可能となるため、広範囲な応用が期待さ
れる。
Under these circumstances, recently, oxide superconducting materials exhibiting superconducting properties at a high temperature equal to or higher than the temperature of liquid nitrogen have been discovered and have attracted much attention. Oxide superconductors have larger superconducting gaps than conventional metal superconductors.
It has the potential to be laminated with an oxide material which is about an order of magnitude larger and exhibits a wide range of characteristics from metallic conduction to insulator.
Using such an oxide superconductor, a tunnel type Josephson junction or an SNS (superconducting-normal-superconducting) type Josephson junction having a large output voltage and no hysteresis is manufactured to form an integrated circuit. If it is possible, there is no need to operate at least at cryogenic temperatures compared to conventional integrated circuits composed of Josephson junctions using metal superconductors, and because it can operate much faster due to the large output voltage Widespread application is expected.

【0005】酸化物超電導体を用いたジョセフソン接合
は、大きく分けて 2つの方向で進められている。 1つは
酸化物超電導体薄膜内部に発生する結晶粒界がバリアと
しての機能を果たすことを利用したものであり、もう 1
つは従来の金属超電導体の場合と同様に、 2つの超電導
電極間に常伝導体もしくは絶縁体の薄膜を人工的に挿入
してジョセフソン接合を形成したものである。前者はそ
の作製が比較的容易ではあるが、不定形な結晶粒界を用
いるために接合特性の制御性が悪く、集積回路への応用
は難しい。このため、種々のバリア材料を用いた後者の
接合の開発が活発化している。
[0005] Josephson junctions using oxide superconductors have been broadly divided into two directions. One is to use the fact that the crystal grain boundaries generated inside the oxide superconductor thin film function as a barrier.
One is a method in which a thin film of a normal conductor or an insulator is artificially inserted between two superconducting electrodes to form a Josephson junction, as in the case of a conventional metal superconductor. The former is relatively easy to fabricate, but has poor control of the junction characteristics due to the use of amorphous crystal grain boundaries, and is difficult to apply to integrated circuits. For this reason, the development of the latter junction using various barrier materials has been activated.

【0006】酸化物超電導体とバリア材料とを積層した
接合においては、酸化物超電導体に固有の異方性のため
に、接合面と酸化物超電導体の結晶軸の方位との関係に
注意を払う必要がある。酸化物超電導体では、超電導状
態にある電子は結晶軸のc軸と垂直なCuΟ2 平面内に
閉じこめられているため、c軸方向のコヒーレンス長が
著しく短い。このため、一般的には接合面をc軸と直交
するように作製した場合には良好なジョセフソン特性は
得られない。この問題を回避する目的で、 2種類の接合
構造が検討されている。
In bonding in which an oxide superconductor and a barrier material are laminated, attention must be paid to the relationship between the bonding surface and the orientation of the crystal axis of the oxide superconductor due to the anisotropy inherent in the oxide superconductor. You need to pay. In an oxide superconductor, the electrons in the superconducting state are confined in a Cu 2 plane perpendicular to the c-axis of the crystal axis, so that the coherence length in the c-axis direction is extremely short. For this reason, in general, good Josephson characteristics cannot be obtained when the bonding surface is manufactured so as to be orthogonal to the c-axis. To avoid this problem, two types of joint structures are being studied.

【0007】1つは図6に示した接合構造であり、酸化
物超電導体薄膜1、2をそのc軸方向が基板3表面と平
行になるように形成し、これら酸化物超電導体薄膜1、
2間にバリア層4を介在させて接合を作製したものであ
る。この構造の接合を以下ではサンドイッチ型と呼ぶ。
酸化物超電導体薄膜1、2のc軸が基板面と平行になる
配置には、結晶軸のa軸もしくはb軸が基板面に直交す
る場合と、 [110]軸が基板面に直交する場合とが存在す
る。なお、図中PはCuΟ2 面を模式的に示すものであ
る。
One is a junction structure shown in FIG. 6, in which oxide superconductor thin films 1 and 2 are formed so that the c-axis direction thereof is parallel to the surface of substrate 3, and these oxide superconductor thin films 1 and 2 are formed.
In this case, a junction is produced by interposing a barrier layer 4 between the two. The joint having this structure is hereinafter referred to as a sandwich type.
The arrangement in which the c-axis of the oxide superconductor thin films 1 and 2 is parallel to the substrate surface includes a case where the a-axis or the b-axis of the crystal axis is orthogonal to the substrate surface and a case where the [110] axis is orthogonal to the substrate surface. And exists. In the figure, P shows a dihedral CuΟ schematically.

【0008】もう 1つの構造は図7に示した接合構造で
あり、下部超電導電極となる酸化物超電導体薄膜5をそ
のc軸が基板3表面と直交するように形成した後、その
一部を端面5aが基板面と傾斜角を持つようにエッチン
グし、この傾斜端面5a上にバリア層4と上部超電導電
極となる酸化物超電導体薄膜6を積層形成して接合を作
製したものである。この構造を以下では傾斜型接合と呼
ぶ。上部超電導電極となる酸化物超電導体薄膜6も同様
に、そのc軸が基板面と直交するように形成される。な
お、図中7は層間絶縁膜である。
Another structure is a bonding structure shown in FIG. 7, in which an oxide superconducting thin film 5 serving as a lower superconducting electrode is formed so that its c-axis is orthogonal to the surface of the substrate 3, and then a part thereof is formed. The end face 5a is etched so as to have an inclination angle with respect to the substrate surface, and a barrier layer 4 and an oxide superconductor thin film 6 serving as an upper superconducting electrode are laminated and formed on the inclined end face 5a to form a junction. This structure is hereinafter referred to as an inclined junction. Similarly, the oxide superconductor thin film 6 serving as the upper superconducting electrode is formed so that its c-axis is orthogonal to the substrate surface. In the figure, reference numeral 7 denotes an interlayer insulating film.

【0009】上述した 2つの構造の接合では、いずれも
バリア層4の構成材料を選択することでジョセフソン特
性が得られることが確認されている。とりわけ傾斜型接
合は、接合の 1つの寸法が下部超電導電極に用いた酸化
物超電導体薄膜5の厚さと端面(エッチング面)5aの
傾斜角で決まるため、微細化が容易であると共に、上部
超電導電極となる酸化物超電導体薄膜6をエッチングで
露出した基板面上まで連続させることができるために、
この酸化物超電導体薄膜6をそのまま配線として用いる
ことが可能である等の特徴を有している。これらの特徴
は集積回路を作製する上で大きな利点となるものと期待
されている。
It has been confirmed that in the above-described joining of the two structures, Josephson characteristics can be obtained by selecting the constituent material of the barrier layer 4. In particular, in the case of the inclined junction, one dimension of the junction is determined by the thickness of the oxide superconductor thin film 5 used for the lower superconducting electrode and the inclination angle of the end face (etched surface) 5a. Since the oxide superconductor thin film 6 serving as an electrode can be continued up to the substrate surface exposed by etching,
The oxide superconductor thin film 6 can be used as it is as a wiring. These features are expected to be of great advantage in fabricating integrated circuits.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、下部超
電導電極として代表的な酸化物超電導体であるYBa2
Cu3 7 のc軸配向膜(結晶軸のc軸が基板面と垂直
になるように形成した薄膜;以下同じ)を用いて、図7
に示したような傾斜型接合を実際に作製すると、ジョセ
フソン特性は示すものの、その出力電圧は極低温領域で
も理想的なジョセフソン接合に期待される超電導ギャッ
プ電圧の 2倍程度(〜30mV)に比べて 1桁以上小さい値
しか得られず、また接合特性のウェハー間のばらつきは
もとより、同一ウェハー内においても接合ごとにその特
性が大きく変動してしまうことが明らかになりつつあ
る。
However, a typical oxide superconductor, YBa 2 , is used as the lower superconducting electrode.
Using a c-axis oriented film of Cu 3 O 7 (a thin film formed so that the c-axis of the crystal axis is perpendicular to the substrate surface; the same applies hereinafter), FIG.
When a graded junction as shown in Fig. 1 is actually fabricated, the output voltage is about twice (~ 30mV) the superconducting gap voltage expected for an ideal Josephson junction even in the cryogenic temperature range, although the Josephson characteristics are exhibited. However, it is becoming clear that the bonding characteristics vary greatly from wafer to wafer as well as from one wafer to another, even within the same wafer.

【0011】このようなことから、従来の傾斜型接合に
おいては、本来期待される出力電圧を安定して得ること
を可能にすると共に、接合特性のばらつきや変動を抑制
することが課題とされていた。
For these reasons, in the conventional inclined junction, it is necessary to stably obtain the originally expected output voltage and to suppress the variation and fluctuation of the junction characteristics. Was.

【0012】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、例えば集積回路への対応が可能な大
きな出力電圧を再現性よく得ることができ、かつ接合特
性のばらつきや変動を極力抑制す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いる。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to address such a problem. For example, it is possible to obtain a large output voltage capable of coping with an integrated circuit with good reproducibility, and to reduce variations and fluctuations in junction characteristics. It is an object of the present invention to provide a superconducting element capable of suppressing as much as possible.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明者は、前述した従
来の傾斜型接合における出力電圧の制限因子ならびに特
性のばらつきの原因を究明すべく、傾斜型接合の微視的
な構造評価と電気特性評価を重ねた結果、まず以下の事
実が判明した。
SUMMARY OF THE INVENTION The inventors of the present invention have conducted a microscopic evaluation of the structure of an inclined junction and an investigation of the electrical characteristics in order to find the limiting factor of the output voltage and the cause of the characteristic variation in the conventional inclined junction. As a result of repeated characteristic evaluations, the following facts were first found out.

【0014】(1) 下部超電導電極に傾斜端面を形成す
るために、例えば斜め入射のイオンミリングを行うと、
酸化物超電導体はユニットセル単位で構造が破壊されて
エッチングが進むため、図8(a)に示すように、微視
的に見た場合の酸化物超電導体薄膜5の傾斜端面5a
は、ステップ部Sとテラス部Tとからなる階段状の形態
を呈する。ステップ部Sの高さhは 1ユニットセルでは
なく、むしろ数ユニットセル単位となることが通常であ
り、その段差は数nmに達することが多い。一方、テラス
部Tの幅wはステップ部Sの高さhと傾斜端面5a全体
の平均的な傾きでほぼ決まるが、前後のステップ部Sの
高さhによっては変動する。
(1) In order to form an inclined end face on the lower superconducting electrode, for example, ion milling at oblique incidence is performed.
Since the structure of the oxide superconductor is destroyed in units of unit cells and the etching proceeds, as shown in FIG. 8A, the inclined end face 5a of the oxide superconductor thin film 5 when viewed microscopically.
Has a step-like form including a step portion S and a terrace portion T. The height h of the step portion S is not usually one unit cell, but rather several unit cells, and the level difference often reaches several nm. On the other hand, the width w of the terrace portion T is substantially determined by the height h of the step portion S and the average inclination of the entire inclined end face 5a, but varies depending on the height h of the front and rear step portions S.

【0015】(2) 下部超電導電極の傾斜端面5a上で
のバリア層4は、下地の階段形状を反映し、所定の厚さ
を堆積した場合にテラス部T上での厚さはほぼこれに一
致する。バリア層4上の上部超電導電極としての酸化物
超電導体薄膜6も同様である。図8(b)はこの様子を
模式的に示している。
(2) The barrier layer 4 on the inclined end face 5a of the lower superconducting electrode reflects the step shape of the base, and when a predetermined thickness is deposited, the thickness on the terrace portion T is almost equal to this. Matches. The same applies to the oxide superconductor thin film 6 as an upper superconducting electrode on the barrier layer 4. FIG. 8B schematically illustrates this state.

【0016】(3) その結果として、通常用いられる傾
斜端面5aの傾斜角(<30°)においては、相対的に広
い面積を持つテラス部T上に酸化物超電導体薄膜5のc
軸方向には所定の厚さのバリア層4を有する接合が形成
されるものの、c軸と直交するa、b軸方向において
は、単に傾斜角に応じてバリア層4が厚くなるのみなら
ず、実効的なバリア層4の厚さがテラス部Tの幅wの変
動によって場所的に異なるという状況が発生する。
(3) As a result, when the inclination angle of the inclined end face 5a is generally used (<30 °), the c of the oxide superconductor thin film 5 is placed on the terrace portion T having a relatively large area.
Although a junction having the barrier layer 4 having a predetermined thickness is formed in the axial direction, in the a and b axis directions orthogonal to the c axis, the barrier layer 4 not only becomes thicker according to the inclination angle, A situation occurs in which the effective thickness of the barrier layer 4 is locally different due to the fluctuation of the width w of the terrace portion T.

【0017】以上の事実に基いて、超電導電極として酸
化物超電導体のc軸配向膜を用いた従来の傾斜型接合の
特性を解析すると、次のようになる。
Based on the above fact, the characteristics of a conventional inclined junction using a c-axis oriented film of an oxide superconductor as a superconducting electrode are analyzed as follows.

【0018】まず、バリア材が絶縁体としての性質を持
ち、ジョセフソン効果を発現させる機構がバリア層を介
してのクーパー対のトンネルによる場合を検討する。バ
リア層のポテンシャル障壁の高さに異方性がない場合に
は、テラス面上の電子はバリア層の 1番薄い方向、すな
わち下部超電導電極のc軸方向にトンネルすることにな
り、ステップ部の電子はその位置から見て最もトンネル
確率の高い方向を選択してトンネルすることが予想され
る。この正確な方位はステップ部をバリア層がどのよう
な形状で被覆しているかに依存するが、c軸と垂直な方
向への確率が制限されることは明らかである。
First, consider the case where the barrier material has the property of an insulator, and the mechanism for exhibiting the Josephson effect is a tunnel of a Cooper pair through a barrier layer. If there is no anisotropy in the height of the potential barrier of the barrier layer, electrons on the terrace surface tunnel in the thinnest direction of the barrier layer, that is, in the c-axis direction of the lower superconducting electrode. Electrons are expected to tunnel by selecting the direction with the highest tunnel probability from the position. Although the exact orientation depends on the shape of the barrier layer covering the step portion, it is clear that the probability in the direction perpendicular to the c-axis is limited.

【0019】すなわち、バリア層を介した電子のトンネ
ルの方向は、おおむね図9(実線矢印Aおよび破線矢印
B)のように表される。既に述べたように、酸化物超電
導体ではその異方性により、c軸方向のコヒーレンス長
が極めて短い。このような場合には、接合界面から酸化
物超電導体内部のc軸方向に向かっては超電導特性が容
易に劣化してしまう。すなわち、傾斜型接合のテラス部
Tではクーパー対のトンネルは有効には生じず(図中破
線矢印B)、この部分では接合の常伝導抵抗を低下させ
る準粒子のトンネルが支配的となる。
That is, the direction of tunneling of electrons through the barrier layer is generally represented as shown in FIG. 9 (solid arrow A and broken arrow B). As described above, the coherence length in the c-axis direction is extremely short in an oxide superconductor due to its anisotropy. In such a case, the superconductivity is easily deteriorated from the junction interface toward the c-axis direction inside the oxide superconductor. That is, a tunnel of the Cooper pair does not effectively occur in the terrace portion T of the inclined junction (broken arrow B in the figure), and a quasiparticle tunnel that lowers the normal conduction resistance of the junction is dominant in this portion.

【0020】一方、c軸に平行な界面が形成されるステ
ップ部Sでは、クーパー対のトンネルが可能ではある
が、実効的なバリア層4の厚さが厚くなり、また場所に
よって異なるため、接合全体としての超電導電流が制限
されると同時に、その値がばらつくことになる。このよ
うな状況は、ポテンシャル障壁の高さに異方性を持つバ
リア層4を用いることである程度緩和することが可能で
はあるが、ステップ部Sの被覆の一様性を確保すること
は難しく、接合特性のばらつきの問題は回避できない。
On the other hand, in the step portion S where an interface parallel to the c-axis is formed, tunneling of the Cooper pair is possible, but the effective barrier layer 4 becomes thicker and differs depending on the location. At the same time as the overall superconducting current is limited, its value varies. Although such a situation can be alleviated to some extent by using the barrier layer 4 having anisotropy in the height of the potential barrier, it is difficult to ensure uniformity of the covering of the step portion S. The problem of variations in junction characteristics cannot be avoided.

【0021】同様な状況はバリア層として常伝導体を用
い、近接効果によるジョセフソン接合を得る場合にも生
じる。図10は不純物をドーピングしたYBa2 Cu3
7材料のように、超電導電極と同一の結晶構造と伝導
の異方性を持ち、c軸方向の伝導率がそれと直交する方
向に比べて著しく低い常伝導体をバリア層4としてエピ
タキシャル成長させた接合において、バリア層4中に近
接効果によってしみ出したクーパー対の存在する領域
(図中斜線部)を模式的に示したものである。
A similar situation occurs when a normal conductor is used as a barrier layer to obtain a Josephson junction by the proximity effect. FIG. 10 shows YBa 2 Cu 3 doped with impurities.
A normal conductor, such as an O 7 material, having the same crystal structure and conduction anisotropy as the superconducting electrode, and having a significantly lower conductivity in the c-axis direction than in the direction orthogonal thereto is epitaxially grown as the barrier layer 4. FIG. 3 schematically shows a region (a hatched portion in the drawing) in which a Cooper pair extruded in the barrier layer 4 due to the proximity effect in the bonding.

【0022】バリア層4の伝導の異方性を反映して、ス
テップ部Sからc軸と直交する方向には長い距離に渡っ
てクーパー対がしみ出すが、テラス部T上からc軸方向
へのしみ出しは著しく小さいものとなる。その結果、上
下の超電導電極からしみ出したクーパー対が重なって存
在できる領域は、ステップ部Sの近傍に限定されること
になり、超電導電流is はこの部分のみを流れることに
なる。一方、テラス部T上の接合部でも準粒子(iq
は流れられるため、接合の常伝導抵抗は小さいものとな
る。これは、すなわちジョセフソン電流の出力電圧が低
下することを意味する。
Reflecting the conduction anisotropy of the barrier layer 4, the Cooper pair exudes from the step portion S in a direction perpendicular to the c-axis over a long distance, but from the terrace portion T in the c-axis direction. The oozing is extremely small. As a result, the area that can exist overlapping vertical Cooper pairs leaking from the superconducting electrodes is made to be restricted in the vicinity of the step portion S, the superconducting current i s will flow only this portion. On the other hand, quasiparticles ( iq ) also occur at the junction on the terrace T.
Flows, so that the normal conduction resistance of the junction is small. This means that the output voltage of the Josephson current decreases.

【0023】バリア層を形成する常伝導体が伝導に異方
性を持たない場合には、やや異なった機構でジョセフソ
ン接合の出力電圧が低下する。すなわち、テラス部上の
界面近傍では酸化物超電導体のc軸方向のコヒーレンス
長が短いために、近接効果によりバリア層中にクーパー
対をしみ出させると、酸化物超電導体側でのクーパー対
密度が著しく小さくなる。その結果として、テラス部上
の接合部は小さな超電導電流しか担えなくなる。すなわ
ち、異方的なバリア層を用いた場合と同様な結果が生じ
るわけである。
If the normal conductor forming the barrier layer does not have anisotropy in conduction, the output voltage of the Josephson junction drops by a slightly different mechanism. In other words, since the coherence length in the c-axis direction of the oxide superconductor is short near the interface on the terrace portion, if the Cooper pairs are extruded into the barrier layer by the proximity effect, the density of the Cooper pairs on the oxide superconductor side is reduced. It becomes significantly smaller. As a result, the junction on the terrace can carry only a small superconducting current. That is, the same result as when the anisotropic barrier layer is used is obtained.

【0024】このように、酸化物超電導体のc軸配向膜
を電極として用いた従来の傾斜型接合は、接合面積の微
細化、配線形成の容易さ等により、ジョセフソン接合を
用いて集積回路を作製する上で多くの利点を持つもの
の、酸化物超電導体が本質的に有する異方性やエッチン
グ加工によって形成される微視的な形状に起因して、出
力電圧の低下や接合特性のばらつきが生じていることが
判明した。
As described above, in the conventional inclined junction using the c-axis oriented film of the oxide superconductor as an electrode, an integrated circuit using a Josephson junction is used due to miniaturization of a junction area and ease of wiring formation. Despite having many advantages in fabricating an oxide semiconductor, the output voltage decreases and the bonding characteristics vary due to the intrinsic anisotropy of the oxide superconductor and the microscopic shape formed by etching. Was found to have occurred.

【0025】上記した点を踏まえて、傾斜型接合の特性
の向上ならびに安定化を図るべく、超電導電極の構造に
ついて検討を重ねた結果、c軸が基板面と平行になるよ
う形成した酸化物超電導体薄膜からなる超電導電極を用
いた場合、傾斜端面の微視的な形状は同様であったとし
ても、バリア層の厚さの均一性に優れるテラス面が酸化
物超電導体中で超電導を担うCuO2 面と直交した結晶
面となることから、テラス面からバリア層方向へのクー
パー対のトンネルが有効に生じ、あるいは近接効果によ
るクーパー対のしみ出し領域が増大し、それらに基く超
電導電流の値を安定化し得ることを見出した。
In consideration of the above points, the structure of the superconducting electrode was examined repeatedly in order to improve and stabilize the characteristics of the inclined junction. As a result, the oxide superconductor formed so that the c-axis became parallel to the substrate surface was obtained. When a superconducting electrode made of a body thin film is used, even if the microscopic shape of the inclined end face is the same, the terrace surface having excellent uniformity of the thickness of the barrier layer is formed of CuO which performs superconductivity in the oxide superconductor. Since the crystal planes are orthogonal to the two planes, a tunnel of the Cooper pair effectively occurs from the terrace surface toward the barrier layer, or the area where the Cooper pair exudes due to the proximity effect increases, and the value of the superconducting current based on these increases. Was found to be able to be stabilized.

【0026】本発明はこのような知見に基いて成された
ものであって、本発明の超電導素子は、請求項1に記載
したように、基板と、REBaCu7−δ(ただ
し、REはPrを除く希土類元素から選ばれる少なくと
も1種の元素を、δは0〜0.5の数を示す)で実質的
に表される組成を有し、その単位格子のc軸が基板面と
略平行になるように、前記基板上に形成された酸化物超
電導体薄膜からなり、前記酸化物超電導体薄膜上に形成
された層間絶縁膜との積層膜として、前記基板面に対し
て傾斜された端面を有する下部超電導電極と、前記下部
超電導電極の傾斜された端面を少なくとも覆うように形
成された酸化物材料からなるバリア層と、前記バリア層
上に形成され、前記REBaCu7−δで実質的
に表される組成を有する酸化物超電導体薄膜からなる上
部超電導電極とを具備することを特徴としている。
The present invention has been made on the basis of such findings, and the superconducting element of the present invention comprises a substrate, REBa 2 Cu 3 O 7-δ (where , RE are at least one element selected from rare earth elements other than Pr, and δ is a number from 0 to 0.5). so as to face substantially parallel, an oxide superconductor thin film formed on the substrate, forming on said oxide superconductor thin film
A lower superconducting electrode having an end face inclined with respect to the substrate surface, and an oxide material formed so as to cover at least the inclined end face of the lower superconducting electrode as a laminated film with the formed interlayer insulating film. A barrier layer, and an upper superconducting electrode made of an oxide superconducting thin film having a composition substantially represented by REBa 2 Cu 3 O 7-δ formed on the barrier layer. .

【0027】本発明の超電導素子は、特に請求項2に記
載したように、前記下部超電導電極の端面と前記基板面
との成す角度が45度以下であることを特徴としている。
The superconducting element of the present invention is characterized in that the angle formed between the end face of the lower superconducting electrode and the substrate surface is not more than 45 degrees.

【0028】[0028]

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below.

【0029】図1は、本発明の一実施形態の超電導素子
の構成を模式的に示す図である。同図において、11は
基板であり、この基板11上には下部超電導電極12と
してREBa2 Cu3 7-δ(ただし、REはPrを除
く希土類元素から選ばれる少なくとも 1種の元素を、δ
は 0〜 0.5の数を示す)で実質的に表される組成を有す
る酸化物超電導体薄膜が形成されている。酸化物超電導
体薄膜を構成する元素のうちREは、Prを除く広義の
希土類元素(Yを含む)から選ばれる少なくとも 1種の
元素であればよく、代表例としてはY、Nd、Gd等が
挙げられる。なお、ここで希土類元素のうちPrを除く
理由は、REがPrである組成は超電導特性を示さない
からである。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a superconducting element according to one embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 11 denotes a substrate, and REBa 2 Cu 3 O 7-δ (where RE is at least one element selected from rare earth elements other than Pr;
Represents a number from 0 to 0.5), thereby forming an oxide superconductor thin film having a composition substantially represented by: RE among the elements constituting the oxide superconductor thin film may be at least one element selected from the broadly defined rare earth elements (including Y) excluding Pr, and typical examples include Y, Nd, and Gd. No. The reason why Pr is excluded from the rare earth elements is that a composition in which RE is Pr does not exhibit superconductivity.

【0030】上記した下部超電導電極12としての酸化
物超電導体薄膜は、その単位格子のc軸が基板11の表
面11aと平行になるよう形成されたものである。すな
わち、結晶軸のa軸、b軸、 [110]軸のいずれかを基板
面11aと直交させた配向膜である。これらの配向は用
いる基板11の材料ならびに結晶面により選択でき、少
なくとも酸化物超電導体薄膜が良好にエピタキシャル成
長する条件で適宜成膜すればよい。
The oxide superconductor thin film as the lower superconducting electrode 12 is formed such that the c-axis of its unit cell is parallel to the surface 11 a of the substrate 11. That is, it is an alignment film in which any one of the a-axis, the b-axis, and the [110] axis of the crystal axis is orthogonal to the substrate surface 11a. These orientations can be selected depending on the material and crystal plane of the substrate 11 to be used, and may be appropriately formed at least under the condition that the oxide superconductor thin film is favorably epitaxially grown.

【0031】下部超電導電極12としての酸化物超電導
体薄膜は、基板面11aに対して角度αで傾斜された端
面(傾斜端面)12aを有している。このような傾斜端
面12aは、例えばレジスト等の適当なマスクを用い、
エッチング端面が基板面11aと角度αを成して露出す
るように、酸化物超電導体薄膜をイオンミリング等の手
段を用いて選択的にエッチングすることによって、容易
に形成することができる。実際には、酸化物超電導体薄
膜上に層間絶縁膜13を形成し、この層間絶縁膜13の
端面を含めてエッチングを行って傾斜端面12aを形成
する。このようなエッチングを行うと、図2に拡大して
示すように、端面12aは微視的に見た場合に、基板面
11aに直交した面からなるステップ部Sと、基板面1
1aに平行な面からなるテラス部Tとで構成される。な
お、図2は後述する上部超電導電極15もc軸を基板面
11aと平行に配向させた酸化物超電導体薄膜で構成し
た場合を示している。
The oxide superconducting thin film as the lower superconducting electrode 12 has an end surface (inclined end surface) 12a inclined at an angle α with respect to the substrate surface 11a. Such an inclined end surface 12a is formed by using a suitable mask such as a resist, for example.
The oxide superconducting thin film can be easily formed by selectively etching using a means such as ion milling so that the etched end face is exposed at an angle α with the substrate surface 11a. Actually, the interlayer insulating film 13 is formed on the oxide superconductor thin film, and etching is performed including the end face of the interlayer insulating film 13 to form the inclined end face 12a. When such etching is performed, as shown in an enlarged manner in FIG. 2, when viewed microscopically, the end face 12 a includes a step portion S composed of a surface orthogonal to the substrate surface 11 a and the substrate surface 1 a.
And a terrace portion T composed of a surface parallel to 1a. FIG. 2 shows a case in which an upper superconducting electrode 15 described later is also formed of an oxide superconducting thin film in which the c-axis is oriented parallel to the substrate surface 11a.

【0032】酸化物超電導体においては、エッチングを
行うと結晶のユニットセル単位での除去が進行するた
め、テラス部Tには (100)面、 (010)面、 (110)面のい
ずれかが現れる。これらの面は酸化物超電導体中で超電
導を担っているCuO2 面Pに直交したものである。一
方、ステップ部Sにはc軸と直交した (001)面もしくは
テラス部Tと同様な結晶面のいずれかが現れる。基板1
1の形成材料として表面11aが 4回対称を持つ結晶面
のものを用いれば、酸化物超電導体薄膜内にc軸の方位
が互いに直交する 2つの結晶粒が存在するために、これ
ら 2種類の面は同一確率で現れ、より低対称の基板11
を用いてc軸方位を揃えた成長を行えば、ステップ部S
に現れる結晶面をいずれか 1種類にすることもできる。
In the oxide superconductor, when etching is performed, removal of crystals proceeds in unit cell units, so that any one of the (100), (010), and (110) planes is formed on the terrace portion T. appear. These planes are orthogonal to the CuO 2 plane P which is responsible for superconductivity in the oxide superconductor. On the other hand, in the step portion S, either a (001) plane orthogonal to the c-axis or a crystal plane similar to the terrace portion T appears. Substrate 1
If a material having a four-fold symmetry on the surface 11a is used as the material for forming the first material, there are two crystal grains having c-axis directions orthogonal to each other in the oxide superconductor thin film. The planes appear with equal probability and the lower symmetric substrate 11
If growth is performed with the c-axis orientation aligned using
Any one of the crystal planes appearing on the surface can be used.

【0033】上記した傾斜角α、すなわち下部超電導電
極12の端面12aと基板面11aとの成す角度は、ス
テップ部Sとテラス部Tとからなる階段構造の平均的な
角度を表すものである。この傾斜角αは45度以下とする
ことが好ましい。傾斜角αを45度以下とすることによっ
て、ステップ部Sの結晶面にかかわらず、ステップ部S
とテラス部Tとを合せた総接合面積の 50%以上をCuO
2 面Pと直交したものとすることができ、超電導電流を
効率よく流すことが可能となる。なお、傾斜角αの下限
値は特に限定されるものではないが、傾斜型接合による
接合面積の微細化効果等を良好に得る上で10度以上とす
ることが好ましい。
The above-mentioned inclination angle α, that is, the angle formed between the end surface 12a of the lower superconducting electrode 12 and the substrate surface 11a represents the average angle of the step structure composed of the step portion S and the terrace portion T. This inclination angle α is preferably set to 45 degrees or less. By setting the inclination angle α to 45 degrees or less, regardless of the crystal plane of the step portion S, the step portion S
50% or more of the total joint area of
The surface can be orthogonal to the two surfaces P, and the superconducting current can flow efficiently. The lower limit value of the inclination angle α is not particularly limited, but is preferably 10 degrees or more in order to obtain a favorable effect of miniaturization of the bonding area by the inclined bonding.

【0034】上述した下部超電導電極12としての酸化
物超電導体薄膜上には、その傾斜端面12aを少なくと
も覆うようにバリア層14が形成されている。このバリ
ア層14は、具体的には斜端端面12a上を介して、エ
ッチングにより露出された基板11の表面11a上から
層間絶縁膜13上にかけて形成されている。このバリア
層14は絶縁体および常伝導体のいずれで構成してもよ
い。
A barrier layer 14 is formed on the oxide superconductor thin film as the lower superconducting electrode 12 so as to cover at least the inclined end face 12a. Specifically, the barrier layer 14 is formed from the surface 11a of the substrate 11 exposed by etching to the interlayer insulating film 13 via the oblique end surface 12a. This barrier layer 14 may be composed of either an insulator or a normal conductor.

【0035】ここで、バリア層14上には後に詳述する
上部超電導電極15としての酸化物超電導体薄膜が積層
形成されるが、この上部超電導電極15までをエピタキ
シャル的に成長させることは良好な特性を持つジョセフ
ソン接合を得る上で重要である。このために、バリア層
14の形成材料としては、超電導特性を持たない層状ペ
ロブスカイト酸化物であるPrBa2 Cu3 7-δやC
o等の不純物元素をドーピングすることで超電導特性を
弱めたREBa2 Cu3 7-δ、さらには下部超電導電
極12と擬似的に格子整合するSrTiΟ3 等の絶縁性
酸化物やCaRuO3 等の導電性酸化物等を用いること
が好ましい。
Here, an oxide superconducting thin film as an upper superconducting electrode 15 which will be described in detail later is formed on the barrier layer 14, and it is preferable to epitaxially grow up to the upper superconducting electrode 15. It is important in obtaining a Josephson junction with characteristics. For this reason, as a material for forming the barrier layer 14, PrBa 2 Cu 3 O 7-δ , which is a layered perovskite oxide having no superconductivity, or C
o such REBa 2 Cu 3 O 7-δ in which weakened superconductivity by doping an impurity element, and further lower the superconducting electrode 12 and the pseudo such SrTiomikuron 3 lattice-matched insulating oxide and CaRuO 3, etc. It is preferable to use a conductive oxide or the like.

【0036】これらのうち、下部超電導電極12と同一
の結晶構造を持つPrBa2 Cu37-δや不純物をド
ーピングしたREBa2 Cu3 7-δ等は、下部超電導
電極12としての酸化物超電導体薄膜と同じ配向を持っ
て傾斜端面12a上に成長する。このため、テラス部T
上の接合部では、バリア層14自体の異方性によって、
バリア層14が絶縁体の場合にはポテンシャル障壁が低
くトンネル確率が向上し、また常伝導体の場合には長い
常伝導コヒーレンス長のために、大きな超電導電流を担
えることとなり、接合特性が大幅に向上する。一方、バ
リア層14として等方的なSrTiO3 やCaRuO3
等を用いた場合にも、従来の傾斜型接合とは異なり、面
積の広いテラス部Tをジョセフソン効果発現に利用でき
るため、出力電圧が向上する。
[0036] Of these, REBa 2 Cu 3 O 7- δ or the like doped with PrBa 2 Cu 3 O 7-δ and impurities having the same crystal structure and the lower superconducting electrode 12, an oxide as a lower superconducting electrode 12 It grows on the inclined end face 12a with the same orientation as the superconductor thin film. For this reason, the terrace section T
At the upper junction, due to the anisotropy of the barrier layer 14 itself,
If the barrier layer 14 is an insulator, the potential barrier is low and the tunneling probability is improved. If the barrier layer 14 is a normal conductor, a large superconducting current can be carried due to a long normal coherence length, and the junction characteristics are greatly reduced. improves. On the other hand, isotropic SrTiO 3 or CaRuO 3
Also when using such a method, unlike the conventional inclined junction, the terrace portion T having a large area can be used for manifesting the Josephson effect, so that the output voltage is improved.

【0037】バリア層14上に形成された上部超電導電
極15は、下部超電導電極12と同様にREBa2 Cu
3 7-δで実質的に表される組成を有する酸化物超電導
体薄膜からなるものである。この上部超電導電極15と
しての酸化物超電導体薄膜は、一般的には下部超電導電
極12と同様に、そのc軸が基板面11aと平行となる
ように配向させた膜であることが超電導電流の流れやす
さ等の点から好ましい。しかし、バリア層14にPrB
2 Cu3 7-δやREBa2 Cu3 7-δ等の下部超
電導電極12と同一の結晶構造を持つ材料以外のものを
採用した場合には、傾斜端面12a上に形成されたバリ
ア層14の上部に、高品質でc軸が基板面11aに平行
な薄膜を直接作製することが難しい場合も生じる。これ
は、酸化物超電導体と擬似的に格子整合する材料上で
は、後に実施例で詳述するように、c軸が基板面11a
と平行になる薄膜は適当なバッファ層を用いないと必ず
しも良好な特性を示さないためである。
The upper superconducting electrode 15 formed on the barrier layer 14 is made of REBa 2 Cu like the lower superconducting electrode 12.
It is composed of an oxide superconductor thin film having a composition substantially represented by 3 O 7-δ . The oxide superconducting thin film as the upper superconducting electrode 15 is, like the lower superconducting electrode 12, generally a film oriented so that its c-axis is parallel to the substrate surface 11a. It is preferable from the viewpoint of easy flow. However, PrB
When a material other than a material having the same crystal structure as the lower superconducting electrode 12, such as a 2 Cu 3 O 7-δ or REBa 2 Cu 3 O 7-δ , is used, a barrier formed on the inclined end face 12a is used. In some cases, it is difficult to directly form a high-quality thin film having a c-axis parallel to the substrate surface 11a on the upper portion of the layer 14. This is because, on a material that is lattice-matched with the oxide superconductor in a quasi-lattice manner, the c-axis is set to
This is because a thin film parallel to the above does not necessarily show good characteristics unless an appropriate buffer layer is used.

【0038】このような場合には、上部超電導電極15
としてc軸が基板面11aに垂直である酸化物超電導体
薄膜を用いることも可能である。この場合には、上部超
電導電極15としてc軸が基板面11aと平行である酸
化物超電導体膜を用いた場合に比べて多少特性が低下す
るものの、それでも従来の傾斜型接合と比べた場合には
特性の改善が期待でき、また特性のばらつき抑制効果等
は良好に得ることができる。とりわけ、バリア層14と
して常伝導体を用いて、近接効果に基くジョセフソン接
合を作製する場合には、上下の超電導電極12、15が
共にc軸が基板面11aに平行である場合に比べて、バ
リア層14の厚さを 1/2程度とすることによって、同程
度の特性を得ることができる。なお、上下の超電導電極
をc軸配向とした従来の素子で同様な特性を得るために
は、酸化物超電導体c軸方向とこれに直交する方向のコ
ヒーレンス長の比に対応してバリア層を薄くしなくては
ならず、これに比べて素子の作製ははるかに容易にな
る。
In such a case, the upper superconducting electrode 15
Alternatively, an oxide superconductor thin film having a c-axis perpendicular to the substrate surface 11a may be used. In this case, although the characteristics are slightly reduced as compared with the case where the oxide superconductor film whose c-axis is parallel to the substrate surface 11a is used as the upper superconducting electrode 15, the characteristics still lower when compared with the conventional inclined junction. Can be expected to improve characteristics, and the effect of suppressing variations in characteristics can be obtained favorably. In particular, when a normal conductor is used as the barrier layer 14 to form a Josephson junction based on the proximity effect, the upper and lower superconducting electrodes 12 and 15 both have a c-axis that is parallel to the substrate surface 11a. By setting the thickness of the barrier layer 14 to about 1/2, similar characteristics can be obtained. In order to obtain the same characteristics in a conventional element in which the upper and lower superconducting electrodes are c-axis oriented, the barrier layer must be formed in accordance with the ratio of the coherence length in the c-axis direction of the oxide superconductor to the direction perpendicular thereto. It must be thin, making the device much easier to manufacture.

【0039】上述した実施形態の超電導素子において、
c軸を基板面11aと平行に配向させた酸化物超電導体
薄膜からなる下部超電導電極12の傾斜端面12aは、
図2に拡大して示したように、ステップ部Sとテラス部
Tとで構成され、このテラス部Tには超電導を担うCu
2 面Pと直交した (100)面、 (010)面、 (110)面のい
ずれかが現れている。すなわち、テラス部Tにおいて
は、バリア層14を介して上部超電導電極15に超電導
電流が流れやすい状況になっている。また、相対的に広
い面積を有するテラス部T上には、堆積厚にほぼ一致す
る厚さを有するバリア層14が形成されており、その厚
さの変動も少ない。なお、図2は上部超電導電極15も
c軸を基板面11aと平行に配向させた酸化物超電導体
薄膜で構成した場合を示している。
In the superconducting element according to the above-described embodiment,
The inclined end surface 12a of the lower superconducting electrode 12 made of an oxide superconducting thin film with the c-axis oriented parallel to the substrate surface 11a is:
As shown in FIG. 2 in an enlarged manner, a step portion S and a terrace portion T are formed, and the terrace portion T has Cu
One of (100), (010), and (110) planes orthogonal to the O 2 plane P appears. That is, in the terrace portion T, the superconducting current easily flows to the upper superconducting electrode 15 via the barrier layer 14. Further, on the terrace portion T having a relatively large area, the barrier layer 14 having a thickness substantially equal to the deposition thickness is formed, and the thickness varies little. FIG. 2 shows a case where the upper superconducting electrode 15 is also formed of an oxide superconducting thin film in which the c-axis is oriented parallel to the substrate surface 11a.

【0040】このようなことから、バリア層14として
絶縁体を用いた場合には、例えば図2に示すように、相
対的に広い面積を有し、かつ上方に位置するバリア層1
4の厚さが一定なテラス部Tからクーパー対のトンネル
が有効に生じることになる。従って、接合全体としての
超電導電流を増加させることができるため、超電導素子
の出力電圧であるIc ・Rn 積を再現性よく増大させる
ことが可能となる。また、接合部を流れる超電導電流に
影響を及すバリア層14の厚さは、テラス部T上ではほ
ぼ一定であるため、接合特性のばらつきや変動を極力抑
制することが可能となる。すなわち、大きな出力電圧を
有する超電導素子を再現性よく得ることができると共
に、例えばウェハー間や同一ウェハー内での超電導素子
の接合特性のばらつきや変動を抑制することが可能とな
る。
For this reason, when an insulator is used as the barrier layer 14, for example, as shown in FIG. 2, the barrier layer 1 having a relatively large area and located above
4, the tunnel of the Cooper pair is effectively generated from the terrace portion T having a constant thickness. Therefore, it is possible to increase the superconducting current of the whole joint, it is possible to increase good reproducibility I c · R n product, which is the output voltage of the superconducting elements. In addition, since the thickness of the barrier layer 14 that affects the superconducting current flowing through the junction is substantially constant on the terrace T, it is possible to minimize variations and variations in the junction characteristics. That is, a superconducting element having a large output voltage can be obtained with good reproducibility, and for example, it is possible to suppress variations and fluctuations in the bonding characteristics of the superconducting elements between wafers or within the same wafer.

【0041】また、バリア層14として常伝導体を用い
た場合にも、同様に相対的に広い面積を有し、かつ上方
に位置するバリア層14の厚さが一定なテラス部Tから
の近接効果によるクーパー対のしみ出し領域を増大させ
ることができる。あるいは、近接効果によりしみ出した
クーパー対密度を増大させることができる。従って、テ
ラス部Tから超電導電流を十分に流すことができるよう
になるため、超電導素子の出力電圧であるIc ・Rn
を再現性よく増大させることが可能となる。また、バリ
ア層14として絶縁体を用いた場合と同様に、接合特性
のばらつきや変動を極力抑制することが可能となる。す
なわち、大きな出力電圧を有する超電導素子を再現性よ
く得ることができると共に、例えばウェハー間や同一ウ
ェハー内での超電導素子の接合特性のばらつきや変動を
抑制することが可能となる。
Similarly, when a normal conductor is used as the barrier layer 14, the barrier layer 14 has a relatively large area, and is located close to the terrace portion T where the thickness of the upper barrier layer 14 is constant. The oozing area of the Cooper pair due to the effect can be increased. Alternatively, the density of the Cooper pairs exuded by the proximity effect can be increased. Accordingly, since it is possible to flow from the terrace portion T of the superconducting current sufficiently, it is possible to increase good reproducibility I c · R n product, which is the output voltage of the superconducting elements. In addition, as in the case where an insulator is used as the barrier layer 14, it is possible to minimize variations and variations in bonding characteristics. That is, a superconducting element having a large output voltage can be obtained with good reproducibility, and for example, it is possible to suppress variations and fluctuations in the bonding characteristics of the superconducting elements between wafers or within the same wafer.

【0042】[0042]

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。Next, an embodiment of the present invention will be described.

【0043】実施例1 図3は、本発明の超電導素子を適用した一実施例の傾斜
型ジョセフソン接合素子の構造を模式的に示す断面図で
ある。同図において、21はSrTiO3 単結晶体から
なる基板であり、その表面は (100)面に一致している。
このSrTiO3 (100) 基板21上には、YBa2 Cu
3 7-δで組成が実質的に表される酸化物超電導体から
なる厚さ 250nmの下部超電導電極22が、その結晶構造
の [100]軸方向が基板面21aと直交するように形成さ
れている。
Embodiment 1 FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the structure of an inclined Josephson junction device according to an embodiment to which the superconducting device of the present invention is applied. In the figure, reference numeral 21 denotes a substrate made of a single crystal of SrTiO 3 , and the surface thereof coincides with the (100) plane.
On this SrTiO 3 (100) substrate 21, YBa 2 Cu
A lower superconducting electrode 22 having a thickness of 250 nm and made of an oxide superconductor whose composition is substantially represented by 3 O 7-δ is formed so that the [100] axis direction of its crystal structure is orthogonal to the substrate surface 21 a. ing.

【0044】この下部超電導電極22を形成するにあた
っては、多元スパッタ法を用い、薄膜成長初期の10nm程
度は基板温度833Kで成長させ、その後基板温度を連続的
に1033Kまで増加させながら成長を継続し、下部超電導
電極22の上部側 200nmでは成長温度を 1033Kに固定し
た。このような成長方法を用いたのは以下の理由によ
る。
In forming the lower superconducting electrode 22, a multi-source sputtering method is used. The thin film is grown at a substrate temperature of 833K for about 10 nm in the initial stage of growth, and then the growth is continued while the substrate temperature is continuously increased to 1033K. The growth temperature was fixed at 1033 K on the upper side 200 nm of the lower superconducting electrode 22. The reason for using such a growth method is as follows.

【0045】一般に、SrTiO3 (100) 基板21上で
は成長温度を893K程度以下とすることで、 [100]軸が基
板面に垂直となったYBa2 Cu3 7-δ薄膜が得ら
れ、これより高温では [001]軸(c軸)が基板面に垂直
となった薄膜が成長する。しかし、このような比較的低
温の単一基板温度で成長させた [100]配向膜には、Y原
子とBa原子のサイト置換や酸素原子の欠損が存在し、
高い臨界温度と大きい臨界電流密度を持った超電導薄膜
を得ることは難しい。
Generally, by setting the growth temperature on the SrTiO 3 (100) substrate 21 to about 893 K or less, a YBa 2 Cu 3 O 7-δ thin film having the [100] axis perpendicular to the substrate surface can be obtained. At a higher temperature, a thin film whose [001] axis (c-axis) is perpendicular to the substrate surface grows. However, such a [100] alignment film grown at a relatively low single substrate temperature has site substitution of Y atoms and Ba atoms and lack of oxygen atoms.
It is difficult to obtain a superconducting thin film having a high critical temperature and a large critical current density.

【0046】一方、 [100]配向したYBa2 Cu3
7-δ上では、高い成膜温度においてもエピタキシャル成
長のために [100]配向の成長が生じる。この実施例で採
用した成膜手法はこの原理を応用したものであり、良好
な超電導特性を有する [100]配向膜を作製することがで
きる。ちなみに、この実施例での下部超電導電極22は
臨界温度 89K、 77Kでの臨界電流密度は 1.2×106 A/cm
2 を示した。
On the other hand, a [100] -oriented YBa 2 Cu 3 O
On 7-δ , [100] -oriented growth occurs due to epitaxial growth even at a high film formation temperature. The film forming method adopted in this example is based on this principle, and a [100] oriented film having good superconducting properties can be produced. Incidentally, the lower superconducting electrode 22 in this embodiment has a critical current density of 1.2 × 10 6 A / cm at a critical temperature of 89K and 77K.
2 shown.

【0047】下部超電導電極22を作製した後、同一真
空容器内で、基板温度953Kで層間絶縁膜23としてSr
TiO3 膜を 200nmの厚さで形成した。このSrTiO
3 膜は下部超電導電極22とエピタキシャル成長してお
り、その表面は (100)面に一致していた。
After the lower superconducting conductive electrode 22 is formed, Sr is formed as an interlayer insulating film 23 at a substrate temperature of 953 K in the same vacuum vessel.
A TiO 3 film was formed with a thickness of 200 nm. This SrTiO
The three films were epitaxially grown with the lower superconducting electrode 22, and their surfaces were coincident with the (100) plane.

【0048】次に、上述した積層膜を真空容器から取出
し、通常の光学露光法でポジ型レジストのパターンを所
定位置に形成し、このレジストをマスクとしてイオンミ
リング法で層間絶縁膜23と下部超電導電極22を、基
板21表面が露出するまで連続的にエッチングして、エ
ッジ部に傾斜端面22aを形成した。傾斜端面22aの
基板面21aに対する傾斜角αはミリングを行うイオン
の照射角で制御した。この実施例の場合、傾斜端面22
aの傾斜角が25度となるように設定した。レジストを除
去した後、 60Vの低電圧で加速したArイオンを数分間
照射してエッチング時に生じた歪み領域を除去し、直ち
に多元スパッタ装置に装着して酸素雰囲気中で加熱する
ことでエッジ端部に残留した歪みを回復させた。
Next, the above-described laminated film is taken out of the vacuum container, a positive resist pattern is formed at a predetermined position by a usual optical exposure method, and the interlayer insulating film 23 and the lower superconducting film are formed by ion milling using this resist as a mask. The electrode 22 was continuously etched until the surface of the substrate 21 was exposed to form an inclined end face 22a at the edge. The inclination angle α of the inclined end surface 22a with respect to the substrate surface 21a was controlled by the irradiation angle of the ions to be milled. In the case of this embodiment, the inclined end face 22
The angle a was set to be 25 degrees. After removing the resist, Ar ions accelerated at a low voltage of 60 V are irradiated for several minutes to remove the strained region generated at the time of etching, and immediately mounted on a multi-source sputtering apparatus and heated in an oxygen atmosphere to thereby remove the edge end. The remaining strain was recovered.

【0049】この後、バリア層24となるPrBa2
3 7-δ薄膜を10nm、上部超電導電極25となるYB
2 Cu3 7-δ薄膜を 200nm積層した。これらの層の
積層時の基板温度は、バリア層24については923K、上
部超電導電極25については1033Kとした。この基板温
度で作製した場合、下部超電導電極22が露出している
傾斜端面22a上、層間絶縁膜23としてのSrTiO
3 薄膜上、およびエッチングで露出したSrTiO3 (1
00) 基板21上のいずれにおいても、バリア層24は
[010]軸が基板面21aに直交した配向状態で成長し、
その上の上部超電導電極25はこのバリア層24とエピ
タキシャル成長する形で、 [100]軸が基板面21aと直
交する方位を持って成長した。
Thereafter, PrBa 2 C, which becomes the barrier layer 24,
10 nm of u 3 O 7-δ thin film, YB to be the upper superconducting electrode 25
An a 2 Cu 3 O 7-δ thin film was laminated to a thickness of 200 nm. The substrate temperature at the time of stacking these layers was 923 K for the barrier layer 24 and 1033 K for the upper superconducting electrode 25. When manufactured at this substrate temperature, SrTiO as an interlayer insulating film 23 is formed on the inclined end surface 22a where the lower superconducting electrode 22 is exposed.
3 SrTiO 3 (1
The barrier layer 24 on any of the substrates 21
[010] The axis grows in an orientation state orthogonal to the substrate surface 21a,
The upper superconducting electrode 25 thereon is epitaxially grown on the barrier layer 24, and is grown with the [100] axis orthogonal to the substrate surface 21a.

【0050】一方、バリア層24をより高い温度で成長
させた場合には、下部超電導電極22が露出した傾斜端
面22a上ではバリア層24および上部超電導電極25
のエピタキシャル成長が生じる結果として、バリア層2
4および上部超電導電極25共に [100]軸が基板面21
aに直交する形で成長が生じたが、エッチングによって
露出させた基板21表面、ならびに層間絶縁膜23上で
は [001]軸が基板面21aに垂直な方向で成長が生じ
た。この場合、上部超電導電極25の [001]配向部と傾
斜端面22a上の [100]配向部との間に、CuO2 面が
直交する結晶粒界が形成されるが、このような粒界の結
合は強く、この部分が寄生的なジョセフソン接合として
動作する現象は認められなかった。ちなみに、この粒界
部での臨界電流密度は 77Kで 8×105 A/cm2 に達してお
り、実用上の問題はなかった。
On the other hand, when the barrier layer 24 is grown at a higher temperature, the barrier layer 24 and the upper superconducting electrode 25 are formed on the inclined end face 22a where the lower superconducting electrode 22 is exposed.
As a result of epitaxial growth of the barrier layer 2
[100] axis is the substrate surface 21 for both 4 and upper superconducting electrode 25
Although growth occurred perpendicular to a, the growth occurred on the surface of the substrate 21 exposed by etching and on the interlayer insulating film 23 in a direction in which the [001] axis was perpendicular to the substrate surface 21a. In this case, between the [001] -oriented portion of the upper superconducting conductive electrode 25 and the [100] -oriented portion on the inclined end face 22a, a crystal grain boundary where CuO 2 planes are orthogonal to each other is formed. The bond was strong, and no phenomenon in which this portion operated as a parasitic Josephson junction was observed. Incidentally, the critical current density at the grain boundary reached 8 × 10 5 A / cm 2 at 77 K, and there was no practical problem.

【0051】上部超電導電極25の加工には、通常のリ
ソグラフィー工程とArイオンによるエッチングを用
い、最終的に傾斜端面22a上に幅 5μm の接合を作製
した。図4は、この実施例による超電導素子の液体へリ
ウム温度での電流−電圧特性である。バリア層24とし
て用いたPrBa2 Cu3 7-δが常伝導体的性質を有
するために、ヒステリシスのないSNS型ジョセフソン
接合としての特性を示しており、上下の超電導電極2
2、25間でのマイクロショートによるリーク電流は存
在しないことが確認された。ジョセフソン接合による臨
界電流は 2mAであり、素子の出力電圧であるΙc ・Rn
積として約 7mVが得られた。またこの接合は 77Kにおい
ても動作し、Ιc ・Rn 積は約 0.3mVに達することが確
認された。これらの特性は従来の傾斜型接合の特性を大
幅に凌ぐものである。
For processing the upper superconducting electrode 25, a normal lithography step and etching with Ar ions were used to finally form a junction having a width of 5 μm on the inclined end face 22a. FIG. 4 is a current-voltage characteristic at a liquid helium temperature of the superconducting element according to this embodiment. Since PrBa 2 Cu 3 O 7-δ used as the barrier layer 24 has the property of a normal conductor, it exhibits characteristics as an SNS type Josephson junction without hysteresis.
It was confirmed that there was no leakage current due to micro-short between 2 and 25. The critical current due to the Josephson junction is 2 mA, and the output voltage of the device, Ι c · R n
About 7 mV was obtained as the product. This junction also operated at 77 K, and it was confirmed that the Ι c · R n product reached about 0.3 mV. These characteristics greatly surpass the characteristics of the conventional inclined junction.

【0052】実施例2 次に、本発明の超電導素子を単純ペロブスカイト構造の
常伝導体であるCaRuO3 をバリア層としたジョセフ
ソン接合に適用した実施例について、図5を参照して説
明する。
Embodiment 2 Next, an embodiment in which the superconducting element of the present invention is applied to a Josephson junction using CaRuO 3 , a normal conductor having a simple perovskite structure, as a barrier layer will be described with reference to FIG.

【0053】この実施例に用いた基板31、ならびに下
部超電導電極32、層間絶縁膜33は、実施例1の場合
と同様である。これらの層を作製した後、実施例1での
工程と同じ加工法を用いて傾斜端面32aを作製した。
端面32aの傾斜角は30度である。この後、レーザー蒸
着法を用いて、基板温度923Kで厚さ20nmのCaRuO3
薄膜をバリア層34として堆積し、連続して基板温度 1
033Kで上部超電導電極35となるYBa2 Cu3 7-δ
薄膜を 200nm積層した。
The substrate 31, lower superconducting electrode 32, and interlayer insulating film 33 used in this embodiment are the same as those in the first embodiment. After forming these layers, the inclined end face 32a was formed by using the same processing method as the process in the first embodiment.
The inclination angle of the end face 32a is 30 degrees. Thereafter, using a laser deposition method, a CaRuO 3 having a thickness of 20 nm and a substrate temperature of 923 K is used.
A thin film is deposited as a barrier layer 34, and continuously at a substrate temperature 1
YBa 2 Cu 3 O 7-δ which becomes upper superconducting electrode 35 at 33K
The thin film was laminated at 200 nm.

【0054】バリア層34として用いたCaRuO
3 は、立方晶からわずかに歪んだ斜方晶系の結晶構造を
持つ伝導性ペロブスカイト構造の酸化物であり、その
[110]方向の格子定数(の整数倍)がYBa2 Cu3
7-δの [100]、 [010]、 [001]の各方位、およびSrT
iΟ3 の [100]方位の格子定数とほぼ整合する。このた
め、図5に示した構造では、層間絶縁膜33としてのS
rTiΟ3 薄膜上、傾斜端面32a上、および露出した
基板31の表面31a上のいずれにおいても同一配向で
CaRuO3 が成長する。
The CaRuO used as the barrier layer 34
3 is an oxide having a conductive perovskite structure having an orthorhombic crystal structure slightly distorted from cubic,
The lattice constant (integer multiple) of the [110] direction is YBa 2 Cu 3 O
[100], [010], and [001] directions of 7-δ , and SrT
substantially aligned with the [100] orientation lattice constant of the iΟ 3. For this reason, in the structure shown in FIG.
RTiomikuron 3 thin film, on the inclined end face 32a, and CaRuO 3 identical orientation in any on the surface 31a of the substrate 31 exposed is grown.

【0055】このようなCaRuO3 からなるバリア層
34上に作製したYBa2 Cu3 7-δからなる上部超
電導電極35は、この実施例で用いた成膜温度では [00
1]軸が基板面31aに直交した形で成長する。この点が
実施例1との大きい相違になっている。成膜温度を下げ
ることで、上部超電導電極35を [001]軸が基板面31
aと平行になるよう作製することも可能ではあるが、こ
の場合には上部超電導電極35自体の超電導特性が劣化
するため、良好な特性を持つジョセフソン接合を得るこ
とは困難となる。
The upper superconducting electrode 35 made of YBa 2 Cu 3 O 7-δ formed on the barrier layer 34 made of CaRuO 3 has a film thickness of [0098] at the film forming temperature used in this embodiment.
1] Grow with the axis orthogonal to the substrate surface 31a. This is a great difference from the first embodiment. By lowering the film forming temperature, the upper superconducting electrode 35 is moved to the
Although it is possible to fabricate the upper superconducting electrode 35 itself in such a case, it is difficult to obtain a Josephson junction having good characteristics because the superconducting characteristic of the upper superconducting electrode 35 itself deteriorates.

【0056】既に述べたように、異方性の強い酸化物超
電導体と常伝導体とを接合した場合に生じる近接効果
は、酸化物超電導体の [001]方向では弱く、これと直交
する方向では強く現れる。この実施例の場合には、下部
超電導電極32のテラス部とバリア層34とで形成する
接合が後者に対応し、バリア層34のテラス部と上部超
電導電極35との接合は前者に対応する。このため、常
伝導バリア層34中にしみ出すクーパー対は、ほぼ下部
超電導電極32から供給されることになる。これは、上
下の超電導電極の両方からクーパー対が供給される理想
的な場合に比べればジョセフソン接合としての特性が劣
ることを意味している。
As described above, the proximity effect generated when a highly anisotropic oxide superconductor and a normal conductor are joined is weak in the [001] direction of the oxide superconductor, and is perpendicular to the direction. Then it appears strongly. In the case of this embodiment, the junction formed between the terrace of the lower superconducting electrode 32 and the barrier layer 34 corresponds to the latter, and the junction between the terrace of the barrier layer 34 and the upper superconducting electrode 35 corresponds to the former. Therefore, the Cooper pairs that seep into the normal-conductivity barrier layer 34 are supplied from the lower superconducting electrode 32 substantially. This means that the characteristics as a Josephson junction are inferior to the ideal case where the Cooper pair is supplied from both the upper and lower superconducting electrodes.

【0057】しかしながら、この実施例のように下部超
電導電極32のみをc軸が基板面31aと平行となるよ
うにすれば、傾斜端面32a内のテラス部をジョセフソ
ン特性発現のために利用できることから、ステップ部近
傍のみがジョセフソン特性に寄与していた従来構造の傾
斜型接合に比べて大幅に特性を向上させることができ
た。ちなみに、この実施例において得られた4.2Kにおけ
るジョセフソン臨界電流密度は 3×105 A/cm2 程度であ
り、従来構造の素子に比べて 1桁程度大きいものであっ
た。また、同一基板上に作製した多数の接合におけるジ
ョセフソン臨界電流のバラつきは±13% 程度、異なるウ
ェハー間においても±20% 以内であり、特性の安定性、
再現性の優れていることが確認された。
However, if only the lower superconducting electrode 32 is made so that the c-axis is parallel to the substrate surface 31a as in this embodiment, the terrace portion in the inclined end surface 32a can be used for developing Josephson characteristics. The characteristics could be greatly improved as compared with the inclined type junction of the conventional structure in which only the vicinity of the step portion contributed to the Josephson characteristics. Incidentally, the Josephson critical current density at 4.2 K obtained in this example was about 3 × 10 5 A / cm 2 , which was about one digit larger than that of the element having the conventional structure. In addition, the variation in the critical current of Josephson in many junctions fabricated on the same substrate is about ± 13%, and within ± 20% between different wafers.
It was confirmed that the reproducibility was excellent.

【0058】[0058]

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の超電導
素子によれば、酸化物超電導体を用いて、大きい出力電
圧を有し、高温でも動作し得る微小面積のジョセフソン
接合素子を、安定かつ再現性よく提供することが可能と
なる。このようなジョセフソン接合素子は、例えば単一
磁束量子転送型の超高速論理回路やA/Dコンバータ等
を実現する基本構成素子や、SQUID(超電導磁束量
子干渉計)への応用に最適であり、本発明の超電導素子
は産業上多大の寄与をすることが期待される。
As described above, according to the superconducting element of the present invention, a Josephson junction element having a large output voltage and a small area capable of operating even at a high temperature using an oxide superconductor is provided. It is possible to provide the information stably and with good reproducibility. Such a Josephson junction element is most suitable for application to, for example, a basic constituent element for realizing a single flux quantum transfer type ultra-high-speed logic circuit, an A / D converter, and the like, and a SQUID (superconducting flux quantum interferometer). The superconducting element of the present invention is expected to make a great contribution to industry.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の一実施形態による超電導素子の構造
を模式的に示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a superconducting element according to one embodiment of the present invention.

【図2】 図1に示す超電導素子の要部を拡大して示す
断面図である。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a main part of the superconducting element shown in FIG.

【図3】 本発明の実施例1による超電導素子の構造を
模式的に示す断面図である。
FIG. 3 is a sectional view schematically showing the structure of the superconducting element according to the first embodiment of the present invention.

【図4】 図3に示す超電導素子の液体ヘリウム温度に
おける電流−電圧特性を示す図である。
4 is a diagram showing current-voltage characteristics of the superconducting element shown in FIG. 3 at liquid helium temperature.

【図5】 本発明の実施例2による超電導素子の構造を
模式的に示す断面図である。
FIG. 5 is a sectional view schematically showing a structure of a superconducting element according to a second embodiment of the present invention.

【図6】 従来の [100]配向の酸化物超電導体薄膜を電
極としたサンドイッチ型接合の構造を模式的に示す断面
図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a conventional sandwich-type junction structure using a [100] -oriented oxide superconductor thin film as an electrode.

【図7】 従来の [001]配向の酸化物超電導体薄膜を電
極とした傾斜型接合の構造を模式的に示す断面図であ
る。
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a conventional inclined junction structure using a [001] -oriented oxide superconductor thin film as an electrode.

【図8】 図7に示す従来の傾斜型接合の要部を拡大し
て示す断面図である。
FIG. 8 is an enlarged sectional view showing a main part of the conventional inclined junction shown in FIG.

【図9】 図7に示す従来の傾斜型接合がトンネルバリ
アを持つ場合に電子がトンネルする方向を模式的に示し
た図である。
9 is a diagram schematically illustrating a direction in which electrons tunnel when the conventional inclined junction illustrated in FIG. 7 has a tunnel barrier.

【図10】 図7に示す従来の傾斜型接合が常伝導バリ
ア層を有する場合の常伝導バリア層中でのクーパー対の
存在領域を模式的に示した図である。
10 is a diagram schematically showing a region where a Cooper pair exists in the normal barrier layer when the conventional inclined junction shown in FIG. 7 has a normal barrier layer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11、21、31……基板 12、22、32……下部超電導電極 12a、22a、32a……傾斜端面 14……バリア層 15……上部超電導電極 11, 21, 31 ... substrate 12, 22, 32 ... lower superconducting electrode 12a, 22a, 32a ... inclined end face 14 ... barrier layer 15 ... upper superconducting electrode

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基板と、 REBaCu7−δ(ただし、REはPrを除く
希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素を、δは
0〜0.5の数を示す)で実質的に表される組成を有
し、その単位格子のc軸が基板面と略平行になるよう
に、前記基板上に形成された酸化物超電導体薄膜からな
り、前記酸化物超電導体薄膜上に形成された層間絶縁膜
との積層膜として、前記基板面に対して傾斜された端面
を有する下部超電導電極と、 前記下部超電導電極の傾斜された端面を少なくとも覆う
ように形成された酸化物材料からなるバリア層と、 前記バリア層上に形成され、前記REBaCu
7−δで実質的に表される組成を有する酸化物超電導体
薄膜からなる上部超電導電極とを具備することを特徴と
する超電導素子。
1. A substrate and substantially REBA 2 Cu 3 O 7-δ (where RE is at least one element selected from rare earth elements other than Pr, and δ is a number from 0 to 0.5). It has a composition represented by the formula, composed of an oxide superconductor thin film formed on the substrate such that the c-axis of the unit cell is substantially parallel to the substrate surface, and is formed on the oxide superconductor thin film. Interlayer insulating film formed
A laminated film of a lower superconducting electrodes having inclined end faces to the substrate surface, a barrier layer made of an oxide material formed so as to cover at least the inclined end faces of the lower superconducting electrodes, wherein The REBa 2 Cu 3 O formed on the barrier layer;
A superconducting electrode comprising an oxide superconducting thin film having a composition substantially represented by 7-δ .
【請求項2】 請求項1記載の超電導素子において、 前記下部超電導電極の端面と前記基板面との成す角度が
45度以下であることを特徴とする超電導素子。
2. The superconducting element according to claim 1, wherein an angle formed between an end surface of said lower superconducting electrode and said substrate surface is 45 degrees or less.
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