JP2856577B2 - 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、酸化物超電導体を用い
た超電導素子に関する。
た超電導素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在まで、超高密度電子素子や超高速電
子素子の開発は、シリコンおよび化合物半導体を中心と
して進められてきた。ところで、従来の半導体素子の高
密度化や高速化は、高度の微細加工技術、均質で完全性
の高い結晶作製技術およびシミュレーションを利用した
素子設計技術により成し遂げられてきた。
子素子の開発は、シリコンおよび化合物半導体を中心と
して進められてきた。ところで、従来の半導体素子の高
密度化や高速化は、高度の微細加工技術、均質で完全性
の高い結晶作製技術およびシミュレーションを利用した
素子設計技術により成し遂げられてきた。
【０００３】半導体素子の高密度化や高速化等をさらに
図る上で、今後ますます重要になる問題として、駆動・
動作発熱が挙げられる。つまり、半導体素子自体の結晶
の完全性や微細加工技術とは別に、半導体素子の駆動・
動作発熱が高密度化や高速化に限界を与える大きな要因
になると考えられるからである。
図る上で、今後ますます重要になる問題として、駆動・
動作発熱が挙げられる。つまり、半導体素子自体の結晶
の完全性や微細加工技術とは別に、半導体素子の駆動・
動作発熱が高密度化や高速化に限界を与える大きな要因
になると考えられるからである。
【０００４】ここで、ジョセフソン接合素子に代表され
る超電導素子は、駆動・動作発熱の点で、半導体素子等
の電子素子に比べて優れるという利点を有している。し
かし、超電導素子はこれまでのところ、本格的な実用化
の目途は十分立っているとはいえない。その理由として
は、従来のジョセフソン素子が液体ヘリウム温度まで冷
却しないと動作しないこと、動作電圧が約 1mVと低いた
めに1V以上で動作する半導体素子との整合性が悪いこと
等が挙げられる。
る超電導素子は、駆動・動作発熱の点で、半導体素子等
の電子素子に比べて優れるという利点を有している。し
かし、超電導素子はこれまでのところ、本格的な実用化
の目途は十分立っているとはいえない。その理由として
は、従来のジョセフソン素子が液体ヘリウム温度まで冷
却しないと動作しないこと、動作電圧が約 1mVと低いた
めに1V以上で動作する半導体素子との整合性が悪いこと
等が挙げられる。
【０００５】これに対して、近年、酸化物超電導体に代
表される高温超電導体の発見に伴って、液体窒素温度で
動作するジョセフソン素子の研究開発が活発に行われて
いる。しかしながら、液体窒素温度でジョセフソン特性
が確認された素子は、酸化物超電導体薄膜内に存在する
粒界を利用した粒界ジョセフソン素子に限られている。
粒界ジョセフソン素子は、ＳＱＵＩＤ（超電導磁束量子
干渉計）やマイクロ波ミキサ等の一部の用途としての利
用は期待されているものの、制御性の悪い粒界を利用す
るため、本格的な超電導エレクトロニクスへの応用は危
ぶまれている。また、粒界ジョセフソン素子は、素子の
出力となる実用上重要な臨界電流Ｉc と常伝導抵抗Ｒn
との積（Ｉc ・Ｒn 積）が数10μV 程度と小さいという
難点も有していた。
表される高温超電導体の発見に伴って、液体窒素温度で
動作するジョセフソン素子の研究開発が活発に行われて
いる。しかしながら、液体窒素温度でジョセフソン特性
が確認された素子は、酸化物超電導体薄膜内に存在する
粒界を利用した粒界ジョセフソン素子に限られている。
粒界ジョセフソン素子は、ＳＱＵＩＤ（超電導磁束量子
干渉計）やマイクロ波ミキサ等の一部の用途としての利
用は期待されているものの、制御性の悪い粒界を利用す
るため、本格的な超電導エレクトロニクスへの応用は危
ぶまれている。また、粒界ジョセフソン素子は、素子の
出力となる実用上重要な臨界電流Ｉc と常伝導抵抗Ｒn
との積（Ｉc ・Ｒn 積）が数10μV 程度と小さいという
難点も有していた。
【０００６】このようなことから、粒界ジョセフソン素
子に代るジョセフソン素子として、積層型のジョセフソ
ン素子の開発が期待されており、その研究も進められて
いる。例えば、ＳＮＳ接合型のジョセフソン素子におい
ては、PrBa2 Cu3 O7-δ、 (Pr1-x Yx ）Ba2 Cu3 O
7-δ、La1-x Bax Cu3 O7-δ、Bi2 Sr1 Cu1 O5-δ等の
銅の 2価イオンを含む電気伝導性酸化物を、常伝導体層
として用いることが検討されている。しかしながら、こ
のような電気伝導性酸化物を常伝導体層として用いると
共に、超電導体層として酸化物超電導体のみを用いたＳ
ＮＳ接合型のジョセフソン素子では、粒界ジョセフソン
素子と同様に、Ｉc ・Ｒn 積が数10μV 程度と極めて小
さく、実用化の妨げとなっていた。また、これまでに報
告された素子のなかには、 1mVを超えるＩc ・Ｒn 積を
示すものもあるが、それらは電流−電圧特性およびその
磁場依存性が明確なジョセフソン特性をしていない。
子に代るジョセフソン素子として、積層型のジョセフソ
ン素子の開発が期待されており、その研究も進められて
いる。例えば、ＳＮＳ接合型のジョセフソン素子におい
ては、PrBa2 Cu3 O7-δ、 (Pr1-x Yx ）Ba2 Cu3 O
7-δ、La1-x Bax Cu3 O7-δ、Bi2 Sr1 Cu1 O5-δ等の
銅の 2価イオンを含む電気伝導性酸化物を、常伝導体層
として用いることが検討されている。しかしながら、こ
のような電気伝導性酸化物を常伝導体層として用いると
共に、超電導体層として酸化物超電導体のみを用いたＳ
ＮＳ接合型のジョセフソン素子では、粒界ジョセフソン
素子と同様に、Ｉc ・Ｒn 積が数10μV 程度と極めて小
さく、実用化の妨げとなっていた。また、これまでに報
告された素子のなかには、 1mVを超えるＩc ・Ｒn 積を
示すものもあるが、それらは電流−電圧特性およびその
磁場依存性が明確なジョセフソン特性をしていない。
【０００７】一方、対極に従来の金属超電導体を用い
た、例えば Y-Ba-Cu-O/Au(Ag)/Nb(Pb)等の構成を有する
ジョセフソン素子によれば、明確なジョセフソン特性が
確認されているものの、このような素子は液体ヘリウム
温度でしか動作せず、酸化物超電導体による利点が活か
されないという問題を有していた。このように、液体窒
素温度で動作が可能で、実用上十分なＩc ・Ｒn 積を有
する、酸化物超電導体のみを用いたジョセフソン素子
は、未だ得られていないのが現状である。
た、例えば Y-Ba-Cu-O/Au(Ag)/Nb(Pb)等の構成を有する
ジョセフソン素子によれば、明確なジョセフソン特性が
確認されているものの、このような素子は液体ヘリウム
温度でしか動作せず、酸化物超電導体による利点が活か
されないという問題を有していた。このように、液体窒
素温度で動作が可能で、実用上十分なＩc ・Ｒn 積を有
する、酸化物超電導体のみを用いたジョセフソン素子
は、未だ得られていないのが現状である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、超電
導素子は発熱が少ない点で、従来の半導体素子の高密度
化や高速化の限界を超え得るものとして注目されている
ものの、従来の金属系超電導体を用いたジョセフソン素
子は、液体ヘリウムあるいはその近傍という極低温まで
冷却しなければ動作しないことから、実用化が妨げられ
てきた。
導素子は発熱が少ない点で、従来の半導体素子の高密度
化や高速化の限界を超え得るものとして注目されている
ものの、従来の金属系超電導体を用いたジョセフソン素
子は、液体ヘリウムあるいはその近傍という極低温まで
冷却しなければ動作しないことから、実用化が妨げられ
てきた。
【０００９】一方、酸化物超電導体を用いたジョセフソ
ン素子は、液体窒素温度での動作は可能であるものの、
例えば粒界ジョセフソン素子は、制御性が悪くかつＩc
・Ｒn 積が小さく、また積層型ジョセフソン素子もＩc
・Ｒn 積が小さいという問題を有していた。
ン素子は、液体窒素温度での動作は可能であるものの、
例えば粒界ジョセフソン素子は、制御性が悪くかつＩc
・Ｒn 積が小さく、また積層型ジョセフソン素子もＩc
・Ｒn 積が小さいという問題を有していた。
【００１０】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、液体窒素温度での動作が可能である
と共に、実用上十分なＩc ・Ｒn積を示し、かつ制御性
に優れた、酸化物超電導体を用いた超電導素子を提供す
ることを目的とするものである。
になされたもので、液体窒素温度での動作が可能である
と共に、実用上十分なＩc ・Ｒn積を示し、かつ制御性
に優れた、酸化物超電導体を用いた超電導素子を提供す
ることを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の超電導素子は、
酸化物超電導体／常伝導体／酸化物超電導体によって構
成したジョセフソン接合を有する超電導素子において、
前記常伝導体はスピン磁気モーメントが１／２未満であ
る導電性酸化物からなることを特徴としている。
酸化物超電導体／常伝導体／酸化物超電導体によって構
成したジョセフソン接合を有する超電導素子において、
前記常伝導体はスピン磁気モーメントが１／２未満であ
る導電性酸化物からなることを特徴としている。
【００１２】本発明の超電導素子においては、各種の酸
化物超電導体を使用することが可能であり、下記の各式
で実質的に組成が表されるもの等が例示される。
化物超電導体を使用することが可能であり、下記の各式
で実質的に組成が表されるもの等が例示される。
【００１３】La2-a AEa Cu O4 （式中、AEはBa、SrおよびCaから選ばれた少なくとも 1
種の元素を、 aは0.05≦a≦ 0.2を満足する数を示す） RE Ba2 Cu3 O 7-δ （式中、REは Yを含む希土類元素から選ばれた少なくと
も 1種の元素を示し、δは酸素欠損を表す。以下同じ） Bi2-b Pbb (Sr,Ca)3-c REc Cu2 O 8+x （式中、 xは酸素の微小な変動を表し、 bおよび cは 0
≦b ≦ 1、 0≦c ≦0.3を満足する数を示す。以下同
じ） Bi2-b Pbb (Sr,Ca)4-d REd Cu3 O 10+x （式中、 dは 0≦d ≦0.4 を満足する数を示す） Tl2 Ba2 Ca1 Cu2 O 8+x Tl1 Ba2 Ca1 Cu2 O 7+x Tl2 Ba2 Ca2 Cu3 O 10+x Tl1 Ba2 Ca2 Cu3 O 9+x また、本発明に用いられる常伝導体は、超電導素子動作
時の常伝導層としてのスピン磁気モーメントが 1/2未満
となるものである。すなわち、本発明においては、 s=1
/2の磁気スピンをもつ銅イオンを含まない、低温で導電
性を示す遷移金属酸化物や、圧力または応力の印加によ
り s=1/2の磁気スピンの量を減少せしめたペロブスカイ
ト型導電性酸化物等の、弱磁性あるいは非磁性を示す常
伝導体が用いられる。
種の元素を、 aは0.05≦a≦ 0.2を満足する数を示す） RE Ba2 Cu3 O 7-δ （式中、REは Yを含む希土類元素から選ばれた少なくと
も 1種の元素を示し、δは酸素欠損を表す。以下同じ） Bi2-b Pbb (Sr,Ca)3-c REc Cu2 O 8+x （式中、 xは酸素の微小な変動を表し、 bおよび cは 0
≦b ≦ 1、 0≦c ≦0.3を満足する数を示す。以下同
じ） Bi2-b Pbb (Sr,Ca)4-d REd Cu3 O 10+x （式中、 dは 0≦d ≦0.4 を満足する数を示す） Tl2 Ba2 Ca1 Cu2 O 8+x Tl1 Ba2 Ca1 Cu2 O 7+x Tl2 Ba2 Ca2 Cu3 O 10+x Tl1 Ba2 Ca2 Cu3 O 9+x また、本発明に用いられる常伝導体は、超電導素子動作
時の常伝導層としてのスピン磁気モーメントが 1/2未満
となるものである。すなわち、本発明においては、 s=1
/2の磁気スピンをもつ銅イオンを含まない、低温で導電
性を示す遷移金属酸化物や、圧力または応力の印加によ
り s=1/2の磁気スピンの量を減少せしめたペロブスカイ
ト型導電性酸化物等の、弱磁性あるいは非磁性を示す常
伝導体が用いられる。
【００１４】本発明の超電導素子においては、上記した
条件を満足する常伝導体を用いれば本発明の効果が得ら
れるものの、優れたジョセフソン素子を得るためには、
さらに以下の条件を満足する導電性酸化物を常伝導体と
して用いることが好ましい。第１の条件は、酸素雰囲気
下での合成が可能であることである。La系、 Y系、Bi
系、Tl系等の多くの酸化物超電導体は p型の導体であ
り、酸化雰囲気下で合成される。これらの酸化物超電導
体と積層される酸化物は、やはり酸素雰囲気下で合成可
能な p型の導体であることが好ましい。 p型の酸化物超
電導体と n型の酸化物とを積層すると、界面での酸化還
元反応によって、酸化物超電導体は正孔を奪われ、界面
での超電導特性が著しく劣化してしまう。
条件を満足する常伝導体を用いれば本発明の効果が得ら
れるものの、優れたジョセフソン素子を得るためには、
さらに以下の条件を満足する導電性酸化物を常伝導体と
して用いることが好ましい。第１の条件は、酸素雰囲気
下での合成が可能であることである。La系、 Y系、Bi
系、Tl系等の多くの酸化物超電導体は p型の導体であ
り、酸化雰囲気下で合成される。これらの酸化物超電導
体と積層される酸化物は、やはり酸素雰囲気下で合成可
能な p型の導体であることが好ましい。 p型の酸化物超
電導体と n型の酸化物とを積層すると、界面での酸化還
元反応によって、酸化物超電導体は正孔を奪われ、界面
での超電導特性が著しく劣化してしまう。
【００１５】第２の条件は、常伝導体のキャリア濃度が
超電導体のそれを大きく超えないことである。近接効果
の理論によれば、キャリア濃度が小さい超電導体とキャ
リア濃度の大きい常伝導体とを接触させると、その界面
近傍で超電導ギャップが著しく縮小することが知られて
いる。酸化物超電導体のキャリア濃度は1022cm-3程度で
あることが知られており、常伝導体のキャリア濃度はそ
の濃度を大きく超えないようにすることが好ましい。
超電導体のそれを大きく超えないことである。近接効果
の理論によれば、キャリア濃度が小さい超電導体とキャ
リア濃度の大きい常伝導体とを接触させると、その界面
近傍で超電導ギャップが著しく縮小することが知られて
いる。酸化物超電導体のキャリア濃度は1022cm-3程度で
あることが知られており、常伝導体のキャリア濃度はそ
の濃度を大きく超えないようにすることが好ましい。
【００１６】上述したような条件を満足する常伝導体、
すなわちスピン磁気モーメントが1/2未満で、酸化雰囲
気下で合成可能な導電性酸化物としては、例えばNi3+や
Co3+を含む導電性酸化物が挙げられる。このようなNi3+
やCo3+を含む導電性酸化物としては、ペロブスカイト構
造を有する、La1-x AEx NiO3 、La1-x AEx CoO3 （AE
はSr、CaおよびBaから選ばれた少なくとも 1種の元素
を、 xは 0≦ x≦ 0.3を満足する数を示す）や、層状α
-NaFeO2 型構造を有する、 A1-x CuO2 、 A1- x Ni
O2 、 A1-x CoO2 (AはLi、Naおよび Kから選ばれた少
なくとも 1種の元素を、 xは 0≦ x≦ 0.3を満足する数
を示す）等が例示される。
すなわちスピン磁気モーメントが1/2未満で、酸化雰囲
気下で合成可能な導電性酸化物としては、例えばNi3+や
Co3+を含む導電性酸化物が挙げられる。このようなNi3+
やCo3+を含む導電性酸化物としては、ペロブスカイト構
造を有する、La1-x AEx NiO3 、La1-x AEx CoO3 （AE
はSr、CaおよびBaから選ばれた少なくとも 1種の元素
を、 xは 0≦ x≦ 0.3を満足する数を示す）や、層状α
-NaFeO2 型構造を有する、 A1-x CuO2 、 A1- x Ni
O2 、 A1-x CoO2 (AはLi、Naおよび Kから選ばれた少
なくとも 1種の元素を、 xは 0≦ x≦ 0.3を満足する数
を示す）等が例示される。
【００１７】また、これまでに常伝導体層として用いら
れてきたペロブスカイト型銅系酸化物、例えばPrBa2 Cu
3 O7-δ、 (Pr1-x Yx ）Ba2 Cu3 O7-δ、La1-x Bax
Cu3 O7-δ、Bi2 Sr1 Cu1 O5-δ等は、酸素雰囲気下で
合成可能であるが、通常の状態では銅の 2価イオンに起
因する s=1/2のスピンを有している。これらにおいて
は、適正な圧力あるいは応力を加え、銅−酸素間の波動
関数の重なりを増大させることにより、局在スピンを持
つ銅の 2価イオンを減少させることができ、常伝導体層
としてのスピン磁気モーメントを 1/2未満とすることが
できる。すなわち、ペロブスカイト型銅系酸化物は、適
正な圧力あるいは応力を加えた状態とすることによっ
て、本発明の常伝導体として用いることが可能となる。
れてきたペロブスカイト型銅系酸化物、例えばPrBa2 Cu
3 O7-δ、 (Pr1-x Yx ）Ba2 Cu3 O7-δ、La1-x Bax
Cu3 O7-δ、Bi2 Sr1 Cu1 O5-δ等は、酸素雰囲気下で
合成可能であるが、通常の状態では銅の 2価イオンに起
因する s=1/2のスピンを有している。これらにおいて
は、適正な圧力あるいは応力を加え、銅−酸素間の波動
関数の重なりを増大させることにより、局在スピンを持
つ銅の 2価イオンを減少させることができ、常伝導体層
としてのスピン磁気モーメントを 1/2未満とすることが
できる。すなわち、ペロブスカイト型銅系酸化物は、適
正な圧力あるいは応力を加えた状態とすることによっ
て、本発明の常伝導体として用いることが可能となる。
【００１８】
【作用】積層型ジョセフソン素子の常伝導体層として
は、これまで銅の 2価イオンを含む酸化物が用いられて
きた。銅の 2価イオンは s=1/2のスピン磁気モーメント
をもっており、スピン磁気モーメントが超電導特性を劣
化させることが知られている。従来の積層型ジョセフソ
ン素子のＩc ・Ｒn 積が小さかった理由としては、銅の
2価イオンを含む常伝導体層内で、超電導ギャップが著
しく減少してしまうためと考えられる。また、粒界ジョ
セフソン素子では、どのような物質が常伝導体として働
いているのか明確にはされていないが、界面での格子の
周期性の乱れ、組成ずれ等により、スピンをもった銅の
2価イオンが存在する可能性が強く、このためＩc ・Ｒ
n 積が小さくなってしまうと考えられる。
は、これまで銅の 2価イオンを含む酸化物が用いられて
きた。銅の 2価イオンは s=1/2のスピン磁気モーメント
をもっており、スピン磁気モーメントが超電導特性を劣
化させることが知られている。従来の積層型ジョセフソ
ン素子のＩc ・Ｒn 積が小さかった理由としては、銅の
2価イオンを含む常伝導体層内で、超電導ギャップが著
しく減少してしまうためと考えられる。また、粒界ジョ
セフソン素子では、どのような物質が常伝導体として働
いているのか明確にはされていないが、界面での格子の
周期性の乱れ、組成ずれ等により、スピンをもった銅の
2価イオンが存在する可能性が強く、このためＩc ・Ｒ
n 積が小さくなってしまうと考えられる。
【００１９】これらに対して、本発明の酸化物超電導体
を用いた超電導素子では、酸化物超電導体／常伝導体／
酸化物超電導体接合構造における常伝導体層を、スピン
磁気モーメントが 1/2未満の導電性酸化物によって構成
している。このように、弱磁性あるいは非磁性の常伝導
体層を用いることによって、常伝導体層内での超電導ギ
ャップの減少を抑制することが可能となる。よって、実
用上十分なＩc ・Ｒn 積を積層型構造で得ることが可能
となる。
を用いた超電導素子では、酸化物超電導体／常伝導体／
酸化物超電導体接合構造における常伝導体層を、スピン
磁気モーメントが 1/2未満の導電性酸化物によって構成
している。このように、弱磁性あるいは非磁性の常伝導
体層を用いることによって、常伝導体層内での超電導ギ
ャップの減少を抑制することが可能となる。よって、実
用上十分なＩc ・Ｒn 積を積層型構造で得ることが可能
となる。
【００２０】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。
【００２１】実施例１ この実施例の超電導素子の製造工程を図１にしたがって
説明する。まず、 SrTiO3 基板１上に、下部酸化物超電
導体膜として YBa2 Cu3 O 7-δ膜２（膜厚 300nm）、 L
aNiO3 膜３（膜厚100nm)、および上部酸化物超電導体膜
として YBa2 Cu3 O 7-δ膜４（膜厚300nm)を、スパッタ
法により順に成膜し、 3層積層膜構造を作製した（図１
−ａ）。成膜時の基板温度は 680℃とし、またスパッタ
ガスとしては50%O2 /Ar の混合ガスを用いた。成膜後、
直ちに基板加熱を止めると共に、成膜室内に 1気圧純酸
素を導入し、常温まで冷却した。
説明する。まず、 SrTiO3 基板１上に、下部酸化物超電
導体膜として YBa2 Cu3 O 7-δ膜２（膜厚 300nm）、 L
aNiO3 膜３（膜厚100nm)、および上部酸化物超電導体膜
として YBa2 Cu3 O 7-δ膜４（膜厚300nm)を、スパッタ
法により順に成膜し、 3層積層膜構造を作製した（図１
−ａ）。成膜時の基板温度は 680℃とし、またスパッタ
ガスとしては50%O2 /Ar の混合ガスを用いた。成膜後、
直ちに基板加熱を止めると共に、成膜室内に 1気圧純酸
素を導入し、常温まで冷却した。
【００２２】得られた Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜
２、４は、ａ軸が基板に垂直なａ軸配向膜であり、 LaN
iO3 は立方晶であった。また、 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電
導体膜２、４の臨界温度は 91.5Kで、電気抵抗の転移幅
は0.5Kであった。
２、４は、ａ軸が基板に垂直なａ軸配向膜であり、 LaN
iO3 は立方晶であった。また、 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電
導体膜２、４の臨界温度は 91.5Kで、電気抵抗の転移幅
は0.5Kであった。
【００２３】次に、上記 3層膜をリソグラフィプロセス
を用いて加工することによって、接合の面積が10μm ×
10μm のジョセフソン素子を作製した。まず、上部 Y-B
a-Cu-O系酸化物超電導体膜４上に厚さ 1.2μm のAu膜５
を形成した後、Au膜５、上部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導
体膜４および LaNiO3 膜３をアルゴンイオンミリングに
よって、10μm 幅にエッチングした。引き続き、ネガレ
ジストを 1μm の厚さに塗布した。このレジストは、接
合上部のみを開口させるよう加工した後、層間絶縁膜６
として利用した（図−ｂ）。次に、厚さ 1.2μmのAu膜
７を上部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜４へのコンタク
トリードとして形成し（図−ｃ）、最後にイオンミリン
グによって電圧、電流リードを分離した（図−ｄ）。
を用いて加工することによって、接合の面積が10μm ×
10μm のジョセフソン素子を作製した。まず、上部 Y-B
a-Cu-O系酸化物超電導体膜４上に厚さ 1.2μm のAu膜５
を形成した後、Au膜５、上部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導
体膜４および LaNiO3 膜３をアルゴンイオンミリングに
よって、10μm 幅にエッチングした。引き続き、ネガレ
ジストを 1μm の厚さに塗布した。このレジストは、接
合上部のみを開口させるよう加工した後、層間絶縁膜６
として利用した（図−ｂ）。次に、厚さ 1.2μmのAu膜
７を上部 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜４へのコンタク
トリードとして形成し（図−ｃ）、最後にイオンミリン
グによって電圧、電流リードを分離した（図−ｄ）。
【００２４】得られたジョセフソン素子の電流−電圧特
性を図２に示す。この特性は、弱結合特性（ RSJモデ
ル）によく一致し、この素子が確かにジョセフソン素子
であることを強く支持している。また、Ｉc ・Ｒn積は
約 1.5mVと、実用上十分な値を示した。さらに、磁場を
印加することにより、臨界電流の変化を測定したとこ
ろ、図３に示すように、フラウンホーファー型の依存性
を示し、接合内を流れる電流に偏りのない良好なジョセ
フソン素子であることが確認された。
性を図２に示す。この特性は、弱結合特性（ RSJモデ
ル）によく一致し、この素子が確かにジョセフソン素子
であることを強く支持している。また、Ｉc ・Ｒn積は
約 1.5mVと、実用上十分な値を示した。さらに、磁場を
印加することにより、臨界電流の変化を測定したとこ
ろ、図３に示すように、フラウンホーファー型の依存性
を示し、接合内を流れる電流に偏りのない良好なジョセ
フソン素子であることが確認された。
【００２５】実施例２ Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体膜（膜厚400nm)／Pr-Ba-Cu-
O系導電性酸化物膜（膜厚50nm）／ Y-Ba-Cu-O系酸化物
超電導体膜（膜厚400nm)の 3層積層膜構造を、実施例１
と同様な方法によって形成した。ただし、Pr-Ba-Cu-O系
導電性酸化物膜の成膜は、成膜する際の基板温度、Ar/O
2 混合比、基板とターゲットとの距離を変化させ、種々
の条件下で行った。基板温度は600℃〜 750℃の範囲
で、Ar/O2 混合比は O2 量を 30%〜 70%の範囲で、基板
とターゲットとの距離は15cm〜30cmの範囲で変化させ
た。
O系導電性酸化物膜（膜厚50nm）／ Y-Ba-Cu-O系酸化物
超電導体膜（膜厚400nm)の 3層積層膜構造を、実施例１
と同様な方法によって形成した。ただし、Pr-Ba-Cu-O系
導電性酸化物膜の成膜は、成膜する際の基板温度、Ar/O
2 混合比、基板とターゲットとの距離を変化させ、種々
の条件下で行った。基板温度は600℃〜 750℃の範囲
で、Ar/O2 混合比は O2 量を 30%〜 70%の範囲で、基板
とターゲットとの距離は15cm〜30cmの範囲で変化させ
た。
【００２６】上記各種の条件下で作製した 3層積層膜に
おいて、Pr-Ba-Cu-O系導電性酸化物膜に加わった歪の大
きさとジョセフソン特性との相関を調べた。ここで、Pr
-Ba-Cu-O膜は、 Y-Ba-Cu-O膜上にエピタキシャル成長す
るが、Pr-Ba-Cu-O系導電性酸化物の格子定数が数％大き
いため、Pr-Ba-Cu-O膜には応力が加わった状態になって
おり、応力による歪によってその特性は著しく変化す
る。応力のかかり方およびそれによる格子定数の変化
は、 Y-Ba-Cu-O膜／Pr-Ba-Cu-O膜の界面の状況、特に点
欠陥、ディスロケーション、ボイド等の欠陥によって大
きく左右されると考えられる。これらは積層膜形成条件
に依存する。
おいて、Pr-Ba-Cu-O系導電性酸化物膜に加わった歪の大
きさとジョセフソン特性との相関を調べた。ここで、Pr
-Ba-Cu-O膜は、 Y-Ba-Cu-O膜上にエピタキシャル成長す
るが、Pr-Ba-Cu-O系導電性酸化物の格子定数が数％大き
いため、Pr-Ba-Cu-O膜には応力が加わった状態になって
おり、応力による歪によってその特性は著しく変化す
る。応力のかかり方およびそれによる格子定数の変化
は、 Y-Ba-Cu-O膜／Pr-Ba-Cu-O膜の界面の状況、特に点
欠陥、ディスロケーション、ボイド等の欠陥によって大
きく左右されると考えられる。これらは積層膜形成条件
に依存する。
【００２７】上記した各種の条件下で作製した 3層積層
膜をそれぞれ用いて、実施例１と同様なプロセスを用い
て、ジョセフソン素子を15個の作製し、それらの特性の
評価を行った。
膜をそれぞれ用いて、実施例１と同様なプロセスを用い
て、ジョセフソン素子を15個の作製し、それらの特性の
評価を行った。
【００２８】上下の Y-Ba-Cu-O膜が明らかにショートし
ていると思われる（磁束フロータイプの電流−電圧特性
を示す） 3個の素子を除き、全て弱結合型（ RSJ型）の
電流−電圧特性を示し、その臨界電流はフラウンホーフ
ァー型の磁場依存性を示したが、その値自体は様々であ
った。そこで、Pr-Ba-Cu-O膜の歪み量として、格子定数
の変化を知らべた。図４に、Pr-Ba-Cu-O膜の歪み量と接
合の臨界電流との関係を示す。
ていると思われる（磁束フロータイプの電流−電圧特性
を示す） 3個の素子を除き、全て弱結合型（ RSJ型）の
電流−電圧特性を示し、その臨界電流はフラウンホーフ
ァー型の磁場依存性を示したが、その値自体は様々であ
った。そこで、Pr-Ba-Cu-O膜の歪み量として、格子定数
の変化を知らべた。図４に、Pr-Ba-Cu-O膜の歪み量と接
合の臨界電流との関係を示す。
【００２９】図４から明らかなように、接合の臨界電流
はPr-Ba-Cu-O膜の歪み量と明らかな相関があり、Pr-Ba-
Cu-O膜に応力を加えることにより、 Y-Ba-Cu-O系酸化物
超電導体膜／Pr-Ba-Cu-O系導電性酸化物膜／ Y-Ba-Cu-O
系酸化物超電導体膜の 3層積層膜構造を有するジョセフ
ソン素子の特性を大きく改善できることが分かる。
はPr-Ba-Cu-O膜の歪み量と明らかな相関があり、Pr-Ba-
Cu-O膜に応力を加えることにより、 Y-Ba-Cu-O系酸化物
超電導体膜／Pr-Ba-Cu-O系導電性酸化物膜／ Y-Ba-Cu-O
系酸化物超電導体膜の 3層積層膜構造を有するジョセフ
ソン素子の特性を大きく改善できることが分かる。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、酸
化物超電導体／常伝導体／酸化物超電導体による積層型
ジョセフソン素子において、常伝導体としてスピン 1/2
の銅イオンを含まない、あるいは減少せしめた導電性酸
化物を用いているため、実用上重要なＩc ・Ｒn 積が大
きく、かつ制御性に優れた超電導素子を再現性よく提供
することが可能となる。
化物超電導体／常伝導体／酸化物超電導体による積層型
ジョセフソン素子において、常伝導体としてスピン 1/2
の銅イオンを含まない、あるいは減少せしめた導電性酸
化物を用いているため、実用上重要なＩc ・Ｒn 積が大
きく、かつ制御性に優れた超電導素子を再現性よく提供
することが可能となる。
【図１】本発明の一実施例における超電導素子の製造工
程を示す断面図である。
程を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施例によるジョセフソン素子の電
流−電圧特性を示す図である。
流−電圧特性を示す図である。
【図３】本発明の一実施例によるジョセフソン素子の臨
界電流の磁場依存性を示す図である。
界電流の磁場依存性を示す図である。
【図４】Y-Ba-Cu-O膜／Pr-Ba-Cu-O膜／ Y-Ba-Cu-O膜の
3層積層膜構造を有するジョセフソン素子の臨界電流とP
r-Ba-Cu-O膜の格子定数との相関を示す図である。
3層積層膜構造を有するジョセフソン素子の臨界電流とP
r-Ba-Cu-O膜の格子定数との相関を示す図である。
１…… SrTiO3 基板 ２……下部 YBa2 Cu3 O 7-δ膜 ３…… LaNiO3 膜 ４……上部 YBa2 Cu3 O 7-δ膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 砂井 正之 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 (72)発明者 吉田 二朗 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２−137379（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−288885（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−287381（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−228381（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／常伝導体／酸化物超電
導体によって構成したジョセフソン接合を有する超電導
素子において、 前記常伝導体は、スピン磁気モーメントが１／２未満で
ある導電性酸化物からなることを特徴とする超電導素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3247722A JP2856577B2 (ja) | 1991-09-26 | 1991-09-26 | 超電導素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3247722A JP2856577B2 (ja) | 1991-09-26 | 1991-09-26 | 超電導素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0590654A JPH0590654A (ja) | 1993-04-09 |
| JP2856577B2 true JP2856577B2 (ja) | 1999-02-10 |
Family
ID=17167705
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3247722A Expired - Fee Related JP2856577B2 (ja) | 1991-09-26 | 1991-09-26 | 超電導素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2856577B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU2001280206A1 (en) | 2000-09-01 | 2002-03-22 | Nok Corporation | Cover gasket for hard disk device |
-
1991
- 1991-09-26 JP JP3247722A patent/JP2856577B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0590654A (ja) | 1993-04-09 |
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