JP3207295B2 - Superconducting element - Google Patents

Superconducting element

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JP3207295B2
JP3207295B2 JP14187893A JP14187893A JP3207295B2 JP 3207295 B2 JP3207295 B2 JP 3207295B2 JP 14187893 A JP14187893 A JP 14187893A JP 14187893 A JP14187893 A JP 14187893A JP 3207295 B2 JP3207295 B2 JP 3207295B2
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fluorite
cuo
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純夫 池川
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【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、高温酸化物超電導体を
用いた超電導素子に係り、メモリ素子、論理演算素子、
SQUID等として利用されるジョセフソン接合素子に
好適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 a high-temperature oxide superconductor, and relates to a memory element, a logical operation element,
The present invention relates to a superconducting element suitable for a Josephson junction element used as a SQUID or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】高温酸化物超電導体を用いたジョセフソ
ン接合としては、超電導薄膜/絶縁体薄膜/超電導薄膜
構造(S/I/S構造)や、超電導薄膜/常伝導薄膜/
超電導薄膜構造(S/N/S構造)の 3層積層型構造が
研究されてきた。ジョセフソン接合をスイッチング素子
やメモリ素子に用いるためにも、またジョセフソン接合
素子の出力電圧を大きくとるためにも、良好なS/I/
Sトンネル型接合を得ることが望まれている。しかし、
高温酸化物超電導体を用いたS/I/Sトンネル型接合
は、従来、再現性よく得ることが困難であった。高温酸
化物超電導体を用いて、S/I/Sトンネル型接合を再
現性よく得るためには、第1に超電導層と絶縁層の界面
まで超電導の秩序パラメータがよく発達していることが
必要である。第2に、厚さ 2nm程度の薄い絶縁層をショ
ートやリーク電流を発生させることなく形成することが
必要である。
2. Description of the Related Art Josephson junctions using a high-temperature oxide superconductor include superconducting thin films / insulator thin films / superconducting thin film structures (S / I / S structures), superconducting thin films / normal conducting thin films /
A three-layer laminated structure of a superconducting thin film structure (S / N / S structure) has been studied. In order to use a Josephson junction for a switching element or a memory element, and to increase the output voltage of the Josephson junction element, a good S / I /
It is desired to obtain an S tunnel type junction. But,
Conventionally, it has been difficult to obtain an S / I / S tunnel junction using a high-temperature oxide superconductor with good reproducibility. In order to obtain an S / I / S tunnel junction with good reproducibility using a high-temperature oxide superconductor, first, it is necessary that the superconducting order parameter is well developed up to the interface between the superconducting layer and the insulating layer. It is. Second, it is necessary to form a thin insulating layer having a thickness of about 2 nm without causing a short circuit or a leak current.

【0003】例えば、超電導層としてc軸配向したBi2
Sr2 Ca2 Cu3 O y 薄膜を用いると共に、常伝導層として
超電導性を示さないBi2 Sr2 Cu Oy 薄膜を用いたS/N
/S接合が知られている。しかし、このような 3層積層
型接合には、積層界面に変成層が生じることによって、
その性質を制御しきれないという欠点がある。また、中
間のN層にピンホールが生じ易いと共に、N層がキャリ
ア濃度や組成の変動により容易に超電導体化する等とい
う欠点が存在している。これらによって、上記したよう
なS/N/S接合は、ジョセフソン特性の再現性に乏し
いという問題を有していた。
For example, as a superconducting layer, Bi 2 having c-axis orientation is used.
S / N using Sr 2 Ca 2 Cu 3 O y thin film and Bi 2 Sr 2 Cu O y thin film which does not show superconductivity as a normal conductive layer
/ S junction is known. However, such a three-layer laminate type bond has a metamorphic layer at the laminate interface,
It has the disadvantage that its properties cannot be controlled. Further, there are disadvantages that a pinhole is easily generated in the intermediate N layer, and the N layer is easily made into a superconductor due to a change in carrier concentration or composition. For these reasons, the S / N / S junction as described above has a problem that the reproducibility of Josephson characteristics is poor.

【0004】同様に、c軸配向したBi2 Sr2 CaCu2 O y
超電導層の間に、超電導性を示さないBi2 Sr2 Cu Oy
膜を挟んだS/N/S接合が、K.Mizuo et al により A
ppl.Phys.Lett.Vol.56,No.15, pp.1469〜1471に報告さ
れている。また他に、c軸配向したBi2 Sr2 CaCu2 O y
超電導層の間に、Bi2 Sr2 (Ca,Sr,Bi)7 Cu8 O20等の長
周期の層状銅系酸化物を絶縁層として挟んだS/I/S
接合が、M.E.Klausme-ier-Brown et al.により Appl. P
hys.Lett.Vol.60,No.22, pp.2806〜2808に報告されてい
る。これらは、超電導層からN層またはI層の中間層に
CaやSrが拡散して、中間層の一部が局所的に超電導体と
なり、リーク電流が発生し易いというという欠点を有し
ている。
Similarly, c-axis oriented Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O y
An S / N / S junction sandwiching a Bi 2 Sr 2 Cu O y thin film that does not exhibit superconductivity between the superconducting layers was formed by K. Mizuo et al.
Vol. 56, No. 15, pp. 1469 to 1471. In addition, c-axis oriented Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O y
S / I / S in which a long-period layered copper-based oxide such as Bi 2 Sr 2 (Ca, Sr, Bi) 7 Cu 8 O 20 is sandwiched between superconducting layers as an insulating layer
The bond was made by MEKlausme-ier-Brown et al. In Appl.
Hys. Lett. Vol. 60, No. 22, pp. 2806-2808. These are changed from the superconducting layer to the intermediate layer of the N layer or the I layer.
Ca and Sr diffuse, and a part of the intermediate layer locally becomes a superconductor, which has a disadvantage that a leak current is easily generated.

【0005】他に、絶縁層として ZrO2 、 MgO等の単純
な酸化物薄膜やフッ化物薄膜をスパッタリング法や真空
蒸着法により形成し、S/I/S接合を構成することも
試みられている。しかし、絶縁層にピンホールが生じ易
く、その上に酸化物超電導体層を膜質よく堆積すること
が難しいため、Tc が低くなる等の問題があった。例え
ば、特開平2-185077号公報には、螢石(CaF2 )を絶縁層
として用いたジョセフソン接合素子が記載されている。
この素子は、絶縁層を酸化物超電導体と格子整合させて
層状に成長させることを考慮していない。よって、上下
の酸化物超電導体の絶縁層との界面付近の超電導特性が
劣化したり、さらに段差やピンホールが発生し易いとい
う欠点を有している。特に、フッ素が上下の酸化物超電
導体層に拡散して、超電導特性を劣化させるという欠点
を有している。特開平3-296283号公報には、ー対のREBa
2 Cu3 O 7-x (REは希土類元素)超電導層間に、 PrO2
やY2 O 3 等のRE2 O w で表される絶縁層を挟んだジョ
セフソン接合が記載されている。この接合は、絶縁層を
層状に成長させることを考慮していないため、段差やピ
ンホールが発生し易いという欠点を有している。
In addition, it has been attempted to form an S / I / S junction by forming a simple oxide thin film such as ZrO 2 or MgO or a fluoride thin film as an insulating layer by a sputtering method or a vacuum evaporation method. . However, easy pinholes occur in the insulating layer, it is difficult to deposit good quality oxide superconductor layer thereon, there is a problem such that T c decreases. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-185077 describes a Josephson junction device using fluorite (CaF 2 ) as an insulating layer.
This device does not consider growing the insulating layer into a layer in lattice matching with the oxide superconductor. Therefore, it has the disadvantage that the superconducting characteristics near the interface between the upper and lower oxide superconductors and the insulating layer are deteriorated, and furthermore, steps and pinholes are easily generated. In particular, it has the disadvantage that fluorine diffuses into the upper and lower oxide superconductor layers and deteriorates the superconducting characteristics. JP-A-3-296283 discloses a pair of REBa
2 Cu 3 O 7-x ( RE is a rare earth element) to the superconducting layers, PrO 2
And Josephson junctions sandwiching an insulating layer represented by RE 2 O w such as Y 2 O 3 . This bonding has a drawback that a step or a pinhole is easily generated because no consideration is given to growing the insulating layer in layers.

【0006】さらに他に、 SrTiO3 、 PrGaO3 、 NdGaO
3 、 LaSrGaO4 、 BaTiO3 等のペロブスカイト型酸化物
を絶縁層として用いることが試みられている。これらの
単純な絶縁性酸化物を銅系酸化物超電導体とヘテロエピ
タキシャル成長させた場合には、本質的に以下の欠点を
有する。銅系層状酸化物を薄膜として成長させた場合、
その成長単位は伝導を担わないブロック層からブロック
層までである。例えば、Bi2 Sr2 CaCu2 O y の場合に
は、Bi-O面からBi-O面までが成長単位である。また、 Y
Ba2 Cu3 O 7 の場合には、 CuOδChain から CuOδChai
n までが成長単位である。酸化物超電導体からなる下部
超電導電極を成長させた後の表面は、超電導性を担わな
いブロック層になる。その上に中間層を積層し、次に上
部超電導電極を成長させると、中間層の真上にくるのは
やはり超電導性を担わないブロック層になる。従って、
超電導性を担う CuO2 面と絶縁性酸化物(中間層)との
界面に、絶縁体でも超電導体でもない常伝導層ができて
しまう。すなわち、S/I/S接合を作製しようとして
も、本質的にS/N/I/N/S接合になってしまうと
いう欠点を有する。その結果、絶縁層の界面まで超電導
の秩序パラメータがよく発達した良好な特性を持つS/
I/S接合が得られない。
Further, SrTiO 3 , PrGaO 3 , NdGaO
Attempts have been made to use perovskite oxides such as 3 , LaSrGaO 4 and BaTiO 3 as insulating layers. When these simple insulating oxides are heteroepitaxially grown with a copper-based oxide superconductor, they essentially have the following disadvantages. When a copper-based layered oxide is grown as a thin film,
The growth unit is from a block layer that does not carry conduction to a block layer. For example, in the case of Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O y , the growth unit is from the Bi-O plane to the Bi-O plane. Also, Y
In the case of Ba 2 Cu 3 O 7 is, CuO [delta] Chai from CuO [delta] Chain
Up to n are growth units. The surface after growing the lower superconducting electrode made of an oxide superconductor becomes a block layer that does not have superconductivity. When an intermediate layer is laminated thereon and then the upper superconducting electrode is grown, the block layer directly above the intermediate layer is also a block layer which does not have superconductivity. Therefore,
At the interface between the CuO 2 surface responsible for superconductivity and the insulating oxide (intermediate layer), a normal conductive layer that is neither an insulator nor a superconductor is formed. That is, even if an attempt is made to produce an S / I / S junction, there is a drawback that an S / N / I / N / S junction is essentially obtained. As a result, the superconducting order parameter is well developed up to the interface of the insulating layer and has good characteristics.
I / S junction cannot be obtained.

【0007】また、エピタキシャル成長による 3層積層
構造のジョセフソン接合としては、YBa2 Cu3 O 7 /PrB
a2 Cu3 O 7-δ/YBa2 Cu3 O 7 構造の接合が試作されて
いる。この例は、J.B.Barner et alにより Appl. Phys.
Lett.Vol.59,No.6, pp.742〜744に報告されている。し
かし、この接合は YとPrの相互拡散によって、中間層が
容易に導体化または超電導体化するという欠点を有して
いた。
Further, as a Josephson junction having a three-layer structure by epitaxial growth, YBa 2 Cu 3 O 7 / PrB
An a 2 Cu 3 O 7-δ / YBa 2 Cu 3 O 7 structure junction has been prototyped. This example is provided by JBBarner et al in Appl. Phys.
Lett. Vol. 59, No. 6, pp. 742-744. However, this junction had a disadvantage that the intermediate layer could easily be made conductive or superconductive due to the interdiffusion of Y and Pr.

【0008】さらに、特開平4-105373号公報には、 1重
の螢石型ブロック(Ln2 O 2 )を介して向かいあった C
uO5 ピラミッドおよびピラミッドの頂点に隣接したアル
カリ土類元素からなる部分と、PbとCuの酸化物からなる
部分とを、交互に積層した物質を、N層またはI層とし
て用いた超電導素子が記載されている。この超電導素子
は、 1重の螢石型ブロックを有する物質を用いている。
このため、N層またはI層として機能させるためには、
中間層の厚さを 2単位胞分以上の厚さ(典型的には50nm
の厚さ)にしなければならない。 1重の螢石型ブロック
を含む物質は、組成変動や超電導層からの元素拡散によ
って、容易に超電導体となる。また、 1重の螢石型ブロ
ックの厚さは CuO2 面間隔で測って、約 0.6nmとc軸方
向のコヒーレンス長に比べて十分に長くない。従って、
この物質が超電導体化すると、c軸方向にも超電導の結
合が起き、リーク電流が発生し易いという欠点を招いて
しまう。
[0008] Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-105373 discloses that C was directed through a single fluorite type block (Ln 2 O 2 ).
A superconducting element using as a N layer or an I layer a substance in which a portion composed of an alkaline earth element adjacent to the apex of the uO 5 pyramid and a pyramid and a portion composed of an oxide of Pb and Cu are alternately laminated is described. Have been. This superconducting element uses a material having a single fluorite type block.
Therefore, in order to function as an N layer or an I layer,
The thickness of the intermediate layer should be at least 2 unit cells thick (typically 50 nm
Thickness). A substance containing a single fluorite-type block easily becomes a superconductor due to composition fluctuation or element diffusion from the superconducting layer. The thickness of the single fluorite-type block, measured at the CuO 2 plane spacing, is about 0.6 nm, which is not much longer than the coherence length in the c-axis direction. Therefore,
When this substance is made into a superconductor, superconducting coupling also occurs in the c-axis direction, resulting in a disadvantage that a leak current is easily generated.

【0009】一方、高温酸化物超電導体の粒界を用い
て、再現性と特性のよいS/N/Sジョセフソン接合が
できることが、D.Dimos, P.Chaudhari, J.Mannhartらに
より、Physical Review B, Vol.41,No.7,pp.4038〜404
9,(1990) に報告されている。他に、 P.GrossらによりS
upercond.Sci.Technol.Vol.4, pp.S253〜255,(1991)
に、同様なジョセフソン接合が報告されている。これら
は、基板の双晶境界上にできる YBa2 Cu3 O 7 薄膜の粒
界を利用したものである。
On the other hand, it has been reported by D. Dimos, P. Chaudhari, J. Mannhart and others that an S / N / S Josephson junction having good reproducibility and characteristics can be formed by using grain boundaries of a high-temperature oxide superconductor. Review B, Vol.41, No.7, pp.4038〜404
9, (1990). S. by P. Gross et al.
upercond.Sci.Technol.Vol.4, pp.S253-255, (1991)
Reported a similar Josephson junction. These use grain boundaries of the YBa 2 Cu 3 O 7 thin film formed on the twin boundaries of the substrate.

【0010】しかし、このような粒界ジョセフソン接合
は、以下に示すような欠点を有している。第1に、双晶
基板を貼り合わせ等の方法で作製するため、基板作製工
程が煩雑となる。第2に、基板の双晶界面上でしか接合
を形成することができず、基板上の任意の場所に接合を
形成することができない。第3に、平面型の接合しかで
きず、基板面に垂直な方向に超電導電流が流れる積層型
の接合は作製不可能である。第4に、弱結合ジョセフソ
ン接合であるため、本来のS/I/S接合ほどには、I
c n 積を大きくすることができない。
[0010] However, such a grain boundary Josephson junction has the following disadvantages. First, since a twin substrate is manufactured by a method such as bonding, the substrate manufacturing process becomes complicated. Second, a bond can be formed only on the twin interface of the substrate, and cannot be formed anywhere on the substrate. Third, only a planar junction can be performed, and a stacked junction in which a superconducting current flows in a direction perpendicular to the substrate surface cannot be manufactured. Fourth, because of the weakly-coupled Josephson junction, the I / S / I
c R n product cannot be increased.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の積層型ジョセフソン接合は、酸化物超電導体層と中間
層との界面の整合性が不十分であると共に、中間層自体
に段差やピンホール等の欠陥が発生し易いため、リーク
電流が発生し易いという欠点を有していた。さらには、
中間層が組成変動等によって、容易に導体化または超電
導体化するという欠点があった。これらによって、従来
の積層型ジョセフソン接合では、良好なジョセフソン特
性を再現性よく得ることができなかった。一方、粒界ジ
ョセフソン接合は、従来の積層型接合に比べて特性的に
は優れるものの、作製工程が繁雑であると共に、形成形
態や形成箇所に制約が多く、実用性に欠けるという難点
を有していた。
As described above, the conventional laminated Josephson junction has insufficient matching at the interface between the oxide superconductor layer and the intermediate layer, and has a step or a step on the intermediate layer itself. Since defects such as pinholes are easily generated, there is a disadvantage that a leak current is easily generated. Moreover,
There is a disadvantage that the intermediate layer is easily converted into a conductor or a superconductor due to a composition change or the like. For these reasons, the conventional stacked-type Josephson junction cannot obtain good Josephson characteristics with good reproducibility. On the other hand, although grain boundary Josephson junctions are superior in characteristics as compared to conventional multilayer junctions, they have disadvantages in that the fabrication process is complicated, and there are many restrictions on the form and location of formation, and they lack practicality. Was.

【0012】このようなことから、実用性の高い積層型
ジョセフソン接合の構造および材質上の問題点を解消す
ることによって、ジョセフソン特性の向上を図ると共
に、その再現性を高めることが強く望まれていた。
Therefore, it is strongly desired to improve the Josephson characteristics and to improve the reproducibility thereof by solving problems in the structure and the material of the highly practical stacked Josephson junction. Was rare.

【0013】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、絶縁層の構造および特性の安定化を
図ると共に、積層界面の整合性を高める等によって、絶
縁層によるショート電流やリーク電流の発生を防止し、
かつ超電導層と絶縁層との界面まで超電導の秩序パラメ
ータをよく発達させた、良好なジョセフソン特性が再現
性よく得られる超電導素子を提供することを目的として
いる。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to address such a problem, and aims to stabilize the structure and characteristics of an insulating layer and to improve short-circuit current due to the insulating layer by improving the consistency of the lamination interface. Preventing the occurrence of leakage current,
It is another object of the present invention to provide a superconducting element in which the order parameter of superconductivity is well developed up to the interface between the superconducting layer and the insulating layer, and in which good Josephson characteristics can be obtained with good reproducibility.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明の超電導素子は、
銅系酸化物超電導体からなる下部超電導層と、前記下部
超電導層上に積層形成され、多重螢石型ブロックを結晶
構造中に含む層状銅系酸化物からなる中間層と、前記中
間層上に積層形成され、銅系酸化物超電導体からなる上
部超電導層とを具備することを特徴としている。
The superconducting element of the present invention comprises:
A lower superconducting layer composed of a copper-based oxide superconductor, an intermediate layer composed of a layered copper-based oxide laminated on the lower superconducting layer and including a multiple fluorite-type block in a crystal structure, and And an upper superconducting layer formed of a copper-based oxide superconductor.

【0015】本発明の超電導素子に用いる銅系酸化物超
電導体は、超電導状態を発現し得るものであれば特にそ
の材質に限定されるものではない。ただし、層状成長し
易い銅系酸化物超電導体が好ましく用いられる。このよ
うな銅系酸化物超電導体としては、例えばBiを含む銅系
酸化物超電導体、Tlを含む銅系酸化物超電導体、Pbを含
む銅系酸化物超電導体、希土類を含む銅系酸化物超電導
体等が例示される。これら銅系酸化物超電導体の具体例
としては、下記の化学式で実質的に組成が表されるもの
が挙げられる。
The copper-based oxide superconductor used in the superconducting device of the present invention is not particularly limited as long as it can exhibit a superconducting state. However, a copper-based oxide superconductor that easily grows in layers is preferably used. Examples of such a copper-based oxide superconductor include a copper-based oxide superconductor containing Bi, a copper-based oxide superconductor containing Tl, a copper-based oxide superconductor containing Pb, and a copper-based oxide containing a rare earth element. A superconductor is exemplified. Specific examples of these copper-based oxide superconductors include those whose composition is substantially represented by the following chemical formula.

【0016】 化学式:Bi2 Sr2 Can-1 Cun O z (n=1〜4) ………(1) :Tl2 Ba2 Can-1 Cun O z (n=1〜4) ………(2) :TlBa2 Can-1 Cun O z (n=1〜4) ………(3) : (Pb2 Cu) Sr2 (Ca,RE)n-1 Cun O z (n=1〜4) ………(4) : (Pb,Cu)Sr2 (Ca,RE)n-1 Cun O z (n=1〜4) ………(5) :REBa2 Cu3 O 7+δ ………(6) (上記式中、REは Yを含む希土類元素を示し、 zは酸素
数を表す)また、銅系酸化物超電導体層の形態として
は、c軸がランダムな方向に向いた形態では本発明の効
果を十分に発揮させることができないため、c軸を基板
面に垂直に配向させることが好ましい。このような配向
状態は、よく制御された薄膜形成法によって得ることが
できる。
Chemical formula: Bi 2 Sr 2 Can -1 Cu n O z (n = 1 to 4) (1): Tl 2 Ba 2 Can 1 Cu n O z (n = 1 to 4) ……… (2): TlBa 2 C a n-1 Cu n O z (n = 1 to 4) ……… (3): (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ca, RE) n-1 C a n O z (n = 1 to 4) ……… (4): (Pb, Cu) Sr 2 (Ca, RE) n-1 Cu n O z (n = 1 to 4) ……… (5): REBa 2 Cu 3 O 7 + δ (6) (In the above formula, RE represents a rare earth element containing Y, and z represents the oxygen number.) Also, as a form of the copper-based oxide superconductor layer, the c-axis is Since the effects of the present invention cannot be sufficiently exerted in a form oriented in a random direction, it is preferable to orient the c-axis perpendicular to the substrate surface. Such an alignment state can be obtained by a well-controlled thin film formation method.

【0017】ここで、銅系酸化物超電導体では、結晶構
造に共通して含まれる CuO2 面が電気伝導、ひいては超
電導を担っている。この CuO2 面に挟まれた部分を抽出
して、通常、ブロック層と呼ばれている(Tokura and Ar
ima,Jpn.J.Appl.Phys. Vol.29,p.2388〜(1990)等参
照)。現在発見されているTc が 40K以上の酸化物超電
導体は、いずれも 1〜 2種類のブロック層と、その間に
CuO2 面が積層した構造と見なすことができる。上記
(1)式〜 (6)式で表される酸化物超電導体は、それぞれ
ブロック層として、 [Bi2 O 2 ] 2+、 [Tl2 O 2 ] 2+
[TlO]1+、[PbO-Cu-PbO]1+、[(Pb,Cu)O]1+、 CuOδChai
n 等を含んでいる。このようなブロック層(以下、 [B]
と記す)を含むことから、銅系酸化物超電導体は層状成
長し易いといえる。特に、 [Bi2 O 2 ] 2+や[PbO-Cu-Pb
O]1+においては、Bi3+とPb2+が6s2 孤立電子対を持ち、
イオンが強く分極しているために結合に異方性が生じ、
層状結晶構造を取り易く、層状に結晶成長し易い。ま
た、他のブロック層として、(Ce,RE)O2 (代表的な螢石
型ブロック、REは希土類元素)が知られている。
Here, in the copper-based oxide superconductor, the CuO 2 plane commonly included in the crystal structure is responsible for electric conduction and, consequently, superconductivity. The part sandwiched between the CuO 2 planes is extracted and is usually called a block layer (Tokura and Ar
ima, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 29, p. 2388- (1990)). Currently discovered in which T c is 40K or more oxide superconductor, and both 1-2 kinds of blocking layer, during which
It can be regarded as a structure in which CuO 2 faces are stacked. the above
The oxide superconductors represented by the formulas (1) to (6) each have, as a block layer, [Bi 2 O 2 ] 2+ , [Tl 2 O 2 ] 2+ ,
[TlO] 1+ , [PbO-Cu-PbO] 1+ , [(Pb, Cu) O] 1+ , CuO δ Chai
n etc. Such a block layer (hereinafter, [B]
), It can be said that the copper-based oxide superconductor easily grows in a layered manner. In particular, [Bi 2 O 2 ] 2+ and [PbO-Cu-Pb
O] 1+ , Bi 3+ and Pb 2+ have a 6s 2 lone pair,
Because the ions are strongly polarized, the bond becomes anisotropic,
A layered crystal structure is easily formed, and crystals are easily grown in layers. As another block layer, (Ce, RE) O 2 (a typical fluorite type block, RE is a rare earth element) is known.

【0018】上述したようなブロック層は、一般的には
CuO2 面を挟まずにブロック層だけを多重に積層するこ
とはできない。ただし、上記螢石型ブロックだけは例外
であり、成膜条件の制御や成膜源の適切な選択により、
螢石型ブロックだけを多層化する(多重螢石型ブロッ
ク)ことができ、かつその層数の選択によって絶縁層と
して機能させることができることを、本発明者らは見出
した。
A block layer as described above generally comprises
It is not possible to stack multiple block layers without sandwiching the CuO 2 surface. However, only the fluorite type block is an exception, and by controlling the film forming conditions and selecting the film forming source appropriately,
The present inventors have found that the fluorite-type block alone can be multi-layered (multiple fluorite-type block) and can be made to function as an insulating layer by selecting the number of layers.

【0019】本発明の超電導素子は、上述したような多
重螢石型ブロックを含む層状銅系酸化物を中間層として
用いたものである。この多重螢石型ブロックを任意の厚
さで層状成長させることにより、良好なジョセフソン接
合等が得られる。
The superconducting element of the present invention uses a layered copper-based oxide containing a multiple fluorite-type block as described above as an intermediate layer. By growing this multiple fluorite-type block in a layer with an arbitrary thickness, a good Josephson junction or the like can be obtained.

【0020】なお、結晶構造中に螢石型ブロックを 2重
または 3重に積層した部分を含んだ層状銅系酸化物は、
バルクの焼結体としては既に合成されている。例えばT.
Wadaらは、Physica C,Vol.179, pp.455 〜460(1991)
に、螢石型ブロックの 2重積層部分を含んだ (Pb,Cu)Sr
2 (Ho,Ce)3 Cu2 O 11+ δの多結晶バルクを合成できた
ことを報告している。T.Wadaらは他に、Physica C, Vo
l.175, pp.529〜 533(1991)に、 (Tl,Cu)Sr2 (RE,Ce)
3 Cu2 O 11+ δの多結晶バルクを合成できたことを報告
している。また、A.Tokiwaらは、Physica C, Vol.181,
pp.311〜 319(1991)に、Pb2 Sr2 (Y,Ce)n Cu3 O
6+2n+δ(n=3,4)の多結晶バルクを合成したこと、また
これらの試料を透過型電子顕微鏡で観察すると、 n=5,
6,7に相当するinter growth があることを報告してい
る。A.Tokiwaらは、同時に Pb(Ba,Sr)2(Y,Ce)3 Cu3 O
11+δの多結晶バルクを合成したことを報告している。
The layered copper-based oxide containing a portion in which the fluorite-type block is double or triple laminated in the crystal structure is as follows:
It has already been synthesized as a bulk sintered body. For example, T.
Wada et al., Physica C, Vol. 179, pp. 455-460 (1991)
In addition, (Pb, Cu) Sr
It is reported that polycrystalline bulk of 2 (Ho, Ce) 3 Cu 2 O 11+ δ was synthesized. T. Wada et al., Physica C, Vo
l.175, pp.529-533 (1991), (Tl, Cu) Sr 2 (RE, Ce)
We report that a polycrystalline bulk of 3 Cu 2 O 11+ δ was synthesized. A. Tokiwa et al., Physica C, Vol. 181,
pp. 311-319 (1991), Pb 2 Sr 2 (Y, Ce) n Cu 3 O
The fact that a polycrystalline bulk of 6 + 2n + δ (n = 3,4) was synthesized, and these samples were observed with a transmission electron microscope, n = 5,
They report that there is intergrowth of 6,7. A. Tokiwa et al. Simultaneously reported that Pb (Ba, Sr) 2 (Y, Ce) 3 Cu 3 O
It reports that polycrystalline bulk of 11 + δ was synthesized.

【0021】これらは、いずれもバルクとして合成した
ものに関する報告である。本発明は、層状の結晶構造を
有する酸化物超電導体や上記した層状銅系酸化物を使用
し、薄膜の層状成長によって、バルクでは得られにくい
結晶構造を作り込むことを可能としたものである。
These are all reports on those synthesized as bulk. The present invention uses an oxide superconductor having a layered crystal structure or the above-described layered copper-based oxide, and makes it possible to create a crystal structure that is difficult to obtain in bulk by layered growth of a thin film. .

【0022】本発明で中間層として用いる層状銅系酸化
物(中間層物質)は、 式:[(RE11-y RE2y )O2 ] m+1 ………(7) (式中、 RE1は価数が 3価よりも高いイオンを形成する
ランタン族元素およびアクチノイド元素から選ばれる少
なくとも 1種の元素を、 RE2は価数が 3価のイオンを形
成するランタン族元素およびイットリウムから選ばれる
少なくとも 1種の元素を示し、 yは 0≦ y< 1を満足す
る数である)で表される多重(m重)螢石型ブロックを結
晶構造中に含むものである。すなわち、本発明の超電導
素子における中間層は、基本的には0.27nmを単位にその
m倍の厚さで多重(m重)螢石型ブロックを形成し、例え
ば膜厚方向にオーミック電流が流れない絶縁層としての
働きをもたせたものである。
The layered copper oxide used as an intermediate layer in the present invention (interlayer material) has the formula: [(RE1 1-y RE2 y) O 2] m + 1 ......... (7) ( wherein, RE1 Is at least one element selected from a lanthanum group element and an actinoid element that form ions having a valence higher than trivalent, and RE2 is at least one selected from a lanthanum group element that forms a trivalent ion and yttrium. It represents one kind of element, and y is a number satisfying 0 ≦ y <1) in the crystal structure. That is, the intermediate layer in the superconducting element of the present invention basically has a thickness of 0.27 nm.
A multiple (m-fold) fluorite-type block is formed with a thickness of m times, and has a function as, for example, an insulating layer through which no ohmic current flows in the film thickness direction.

【0023】上記中間層物質としての層状銅系酸化物中
のもう一つブロック層 [B]としては、銅系酸化物超電導
体層中に含まれるブロック層と同様なもの(例えば [Bi
2 O2 2+、 [Tl2 O2 ] 2+、[TlO] 1+、[PbO-Cu-PbO]
1+、[(Pb,Cu)O]1+、 CuOδChain 等)が例示される。特
に、使用した銅系酸化物超電導体層中に含まれているブ
ロック層と同一のブロック層とすることが好ましい。こ
れによって、エピタキシャル成長させ易いと共に、製造
工程における成膜源の数(例えば分子線エピタキシー法
におけるクヌーセン・セルの数)を少なくすることがで
きる。
The other block layer [B] in the layered copper oxide as the intermediate layer material is the same as the block layer contained in the copper oxide superconductor layer (for example, [Bi]
2 O 2 ] 2+ , [Tl 2 O 2 ] 2+ , [TlO] 1+ , [PbO-Cu-PbO]
1+ , [(Pb, Cu) O] 1+ , CuO δ Chain, etc.). In particular, it is preferable to use the same block layer as the block layer contained in the used copper-based oxide superconductor layer. This facilitates epitaxial growth and reduces the number of deposition sources in the manufacturing process (for example, the number of Knudsen cells in the molecular beam epitaxy method).

【0024】中間層となる層状銅系酸化物の代表的な化
学式としては、 化学式: [B]AE2 (RE11-y RE2y m+1 Cu2 O z ………(8) (式中、 [B]はブロック層を、AEはアルカリ土類元素
を、 RE1は価数が 3価よりも高いイオンを形成するラン
タン族元素およびアクチノイド元素から選ばれる少なく
とも 1種の元素を、 RE2は価数が 3価のイオンを形成す
るランタン族元素およびイットリウムから選ばれる少な
くとも 1種の元素を示し、 mは m≧2 を満足する数、 y
は 0≦ y< 1を満足する数であり、 zは酸素量を表す)
が例示される。 m=1の化合物は、キャリア濃度によって
は超電導体化してc軸方向に超電導の結合が起きるた
め、 mは 2以上に設定するものとする。またAEとして
は、全てのアルカリ土類元素を用いることができるが、
イオン半径を考慮すると、SrまたはBaが好ましい。中間
層物質の代表的な例の 1ユニット分(結晶構造の [B]か
ら [B]までを 1ユニットとする)を図1に示す。図1に
示す中間層物質は、 [B]として[PbO-Cu-PbO]1+を用いた
ものであり、かつ 8重螢石型ブロックを含むものであ
る。
A typical chemical formula of the layered copper oxide serving as the intermediate layer is as follows: Chemical formula: [B] AE 2 (RE11 -y RE2 y ) m + 1 Cu 2 O z (8) Where [B] is a block layer, AE is an alkaline earth element, RE1 is at least one element selected from lanthanum elements and actinoid elements that form ions having a valence higher than 3, and RE2 is A valence of at least one element selected from lanthanum group elements and yttrium forming trivalent ions, m is a number satisfying m ≧ 2, y
Is a number satisfying 0 ≦ y <1, and z represents the amount of oxygen.)
Is exemplified. Since the compound of m = 1 becomes a superconductor depending on the carrier concentration and superconducting coupling occurs in the c-axis direction, m is set to 2 or more. As AE, all alkaline earth elements can be used,
Considering the ionic radius, Sr or Ba is preferable. FIG. 1 shows a typical example of the intermediate layer material for one unit (the crystal structure [B] to [B] is one unit). The intermediate layer material shown in FIG. 1 uses [PbO-Cu-PbO] 1+ as [B] and contains an octuple-type block.

【0025】上述した多重螢石型ブロックは、絶縁層と
して安定に機能する。よって、本発明における中間層
は、多重螢石型ブロックを含む層状銅系酸化物を、 1ユ
ニットだけ堆積すればその効果を得ることができる。ま
た、層状銅系酸化物を 2〜12ユニット程度の範囲で積層
して用いることもできる。
The above-described multiple fluorite type block functions stably as an insulating layer. Therefore, the effect of the intermediate layer according to the present invention can be obtained by depositing only one unit of the layered copper-based oxide containing multiple fluorite-type blocks. Further, the layered copper-based oxide can be used in a laminated state in the range of about 2 to 12 units.

【0026】多重螢石型ブロックを含む層状銅系酸化物
は、上記したように、基本的には多重螢石型ブロックが
絶縁層として機能するものであるが、層状銅系酸化物全
体(1ユニット)を絶縁層とすることもできる。また、多
重螢石型ブロックのみを絶縁層とし、その上下の CuO2
面を電気的に活性な状態、すなわち導電性または超電導
性を持つ状態とすることもできる。本発明の超電導素子
で、ジョセフソン接合素子を作製する場合には、 1ユニ
ット分の層状銅系酸化物で中間層を構成し、かつ多重螢
石型ブロックのみを絶縁層とする形態、言い換えれば絶
縁層が CuO2 面を含まない形態が最適である。なぜなら
ば、 CuO2 面は僅かな組成変動で導電性を持ちやすく、
絶縁層としての機能を低下させるおそれがあるからであ
る。また、後に詳述するが、多重螢石型ブロックのみを
絶縁層とし、その上下の CuO2 面が超電導性を示す状態
とすることにより、超電導層と絶縁層の界面まで超電導
の秩序パラメータがよく発達する。この点からも、中間
層を 1ユニットの層状銅系酸化物とする形態は、ジョセ
フソン接合を形成する上で好ましいと言える。
As described above, the layered copper-based oxide containing multiple fluorite-type blocks basically has the multiple fluorite-type block functioning as an insulating layer. Unit) may be an insulating layer. In addition, only the multiple fluorite type block is used as the insulating layer, and the CuO 2
The surface may be in an electrically active state, ie, a state having conductivity or superconductivity. When a Josephson junction device is produced with the superconducting device of the present invention, the intermediate layer is composed of one unit of the layered copper-based oxide, and only the multiple fluorite-type block is used as the insulating layer, in other words. The form in which the insulating layer does not include the CuO 2 surface is optimal. Because the CuO 2 surface is likely to have conductivity with slight composition fluctuation,
This is because there is a possibility that the function as an insulating layer may be reduced. In addition, as will be described in detail later, the superconducting order parameter is improved up to the interface between the superconducting layer and the insulating layer by using only the multiple fluorite-type block as the insulating layer and the upper and lower CuO 2 surfaces exhibiting superconductivity. Develop. Also from this point, it can be said that an embodiment in which the intermediate layer is formed of one unit of the layered copper-based oxide is preferable in forming a Josephson junction.

【0027】S/I/S構造のジョセフソン接合の場
合、絶縁層(I層)の厚さは 1〜 4nm程度とすることが
好ましい。ここで、多重螢石型ブロックの厚さを CuO2
面からCuO2 面までの距離で測ると、 0.595+0.27(m-1)n
mとなる。よって、 1ユニットの層状銅系酸化物でS/
I/S接合の絶縁層を形成する場合、多重螢石型ブロッ
クの厚さは、 0.8〜 3.5nm(m=2〜12)程度とすることが
好ましい。より好ましいmの値は 4〜10程度であり、 m=
7近傍が最も好ましい。
In the case of a Josephson junction having an S / I / S structure, the thickness of the insulating layer (I layer) is preferably about 1 to 4 nm. Here, the thickness of the multiple fluorite type block is CuO 2
0.595 + 0.27 (m-1) n when measured from the surface to the CuO 2 surface
m. Therefore, one unit of the layered copper oxide has S /
When the insulating layer of the I / S junction is formed, the thickness of the multiple fluorite type block is preferably about 0.8 to 3.5 nm (m = 2 to 12). A more preferable value of m is about 4 to 10, and m =
A neighborhood of 7 is most preferred.

【0028】上述した多重螢石型ブロックは、 CuO2
の間に陽イオンだけの面と酸素だけの面が交互に積層し
た構造とみなせる。上記 (7)式で表されるように、多重
螢石型ブロック内の陽イオンサイト(A1サイト)は、 R
E1と RE2が占有する。 RE1は、価数が 3価よりも高いイ
オンを形成するランタン族元素やアクチノイド元素であ
り、例えばCe4+、Pr4+、Tb4+、Th4+、Pa4+、 U4+であ
る。それぞれのイオンのイオン半径から考えると、Ce4+
が最も望ましく、次いで U4+、Pr4+、Th4+の順で好まし
い。なぜなら、多重螢石型ブロックとその上下に位置す
る CuO2 面との格子整合がよく、中間層化合物が化学的
に安定になると共に、中間層に含まれるCuO2 面上のキ
ャリアが局在しにくくなるからである。 RE1は、多重螢
石型ブロックを化学的に安定に形成するために必要であ
る。
The above-described multiple fluorite type block can be regarded as a structure in which only cations and only oxygen are alternately stacked between CuO 2 surfaces. As expressed by the above equation (7), the cation site (A1 site) in the multiple fluorite-type block is R
E1 and RE2 occupy. RE1 is a lanthanum element or actinoid element that forms ions having a valence higher than 3, such as Ce 4+ , Pr 4+ , Tb 4+ , Th 4+ , Pa 4+ , and U 4+ . Considering the ionic radius of each ion, Ce 4+
Is most desirable, and then U 4+ , Pr 4+ , and Th 4+ . Because the lattice matching between the multiple fluorite-type block and the CuO 2 planes located above and below it is good, the intermediate layer compound is chemically stable, and carriers on the CuO 2 plane included in the intermediate layer are localized. This is because it becomes difficult. RE1 is required to form multiple fluorite-type blocks chemically stable.

【0029】また RE2は、価数が 3価のイオンを形成す
る元素であり、ランタン族元素全て(La、Pr、Nd、Sm、
Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)と Yが使用し得
る。ただし、層状銅系酸化物の中で、La3+だけは 9〜10
配位を好み、それ以外のイオンは 8配位を好むことか
ら、La3+はあまり好ましくない。 RE2は多重螢石ブロッ
クを形成するために必ずしも必要ではない。すなわち y
=0でもよい。ただし、後に詳述するように、超電導層と
絶縁層との界面まで超電導の秩序パラメータを発達させ
るためには必要となる。また、多重螢石型ブロックを化
学的に安定とするためには、 yの値を 0.6以下とするこ
とが好ましい。
RE2 is an element that forms a trivalent ion, and all lanthanum elements (La, Pr, Nd, Sm,
Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) and Y may be used. However, in the layered copper-based oxide, only La 3+ is 9 to 10
La 3+ is less preferred because coordination is preferred and other ions prefer 8-coordination. RE2 is not required to form multiple fluorite blocks. I.e. y
= 0 may be used. However, as will be described in detail later, it is necessary to develop the superconducting order parameter up to the interface between the superconducting layer and the insulating layer. In order to make the multiple fluorite-type block chemically stable, it is preferable that the value of y is 0.6 or less.

【0030】ところで、螢石型結晶構造は、A1サイト(8
配位)の平均イオン半径R(A1) が酸素のイオン半径R(O)
の0.73倍以上0.84倍以下の場合に安定である。R(A1)/R
(O)が0.73未満になると、陽イオンの周りに酸素が 6配
位したルチル構造やC型希土類構造(C-rare earth str
ucture:F.S.Galasso,”Structure and Properties ofI
norganic Solids (Pergamon, Oxford,1970))を好むよ
うになる。そこで、本発明においては、ある陽イオンだ
けの面に着目したときに、平均イオン半径R(A1)が0.099
1〜 0.11592nm(最も好ましくは 0.10074〜0.108nm)の
範囲になるように、 RE1と RE2の種類とその組成比を選
ぶことが望ましい。ただし、Ce4+、Pr4+、Tb4+、Th4+
Pa4+、 U4+がA1サイトの 70%以上を占める場合には、そ
もそもこれらの二酸化物は螢石型構造を取るため、上記
の範囲に限定されるものではない。また、比較的小さい
イオン半径を持つ RE2(例えばEr3+)を用いて、その組
成比が RE1の 2倍を超すと、その上下の酸素が規則的に
欠損して部分的に Y2 O 3 と同じ結晶構造(C型希土類
構造と呼ばれる結晶構造)になることがある。本発明の
中間層物質中の多重螢石型ブロックは、上記C型希土類
構造を一部含んでいてもよい。
By the way, the fluorite-type crystal structure has an A1 site (8
Average ionic radius R (A1) is the ionic radius R (O) of oxygen
It is stable when it is 0.73 times or more and 0.84 times or less. R (A1) / R
When (O) is less than 0.73, a rutile structure in which oxygen is coordinated around a cation or a C-type rare earth structure (C-rare earth str
ucture: FSGalasso, ”Structure and Properties ofI
norganic Solids (Pergamon, Oxford, 1970)). Therefore, in the present invention, when focusing on the surface of only certain cations, the average ion radius R (A1) is 0.099
It is desirable to select the types of RE1 and RE2 and the composition ratio thereof so as to be in the range of 1 to 0.11592 nm (most preferably 0.10074 to 0.108 nm). However, Ce 4+ , Pr 4+ , Tb 4+ , Th 4+ ,
When Pa 4+ and U 4+ occupy 70% or more of the A1 site, these dioxides have a fluorite structure in the first place and are not limited to the above range. If RE2 (for example, Er 3+ ) having a relatively small ionic radius is used and its composition ratio exceeds twice that of RE1, oxygen above and below it is regularly lost, and Y 2 O 3 (C-type rare earth structure). The multiple fluorite type block in the intermediate layer material of the present invention may partially include the C-type rare earth structure.

【0031】上記 (7)式および (8)式中の RE1元素と R
E2元素との組成比y は、キャリア濃度p をも考慮して範
囲を決めることが好ましい。ここで、キャリア濃度p と
は、陽イオンと陰イオンの組成から電荷中性の条件を用
いて求めた、 [CuO]+p当たりの過剰電荷p である。中間
層全体を半導体または絶縁体とする場合には、 p=0とな
るように yを選ぶ必要がある。また、多重螢石型ブロッ
クを十分厚くして、絶縁層として安定に機能させると共
に、中間層に含まれる CuO2 面を電気的に活性な(すな
わち超電導性をもつ)状態としたい場合には、p=0.15〜
0.25となるように yを選ぶことが好ましい。例えば、中
間層の構成材料として、 (Pb2 Cu) Sr2(Ce1-y Euy )
m+1 Cu2 O 8+2m- δを用いる場合、中間層全体を半導体
または絶縁体とする場合にはy=(1+2δ)/(m+1) 付近に設
定し、中間層に含まれる CuO2 面を電気的に活性な状態
にしたい場合にはy=(1.4+2δ)/(m+1) 付近に設定する。
In the formulas (7) and (8), the RE1 element and R
The range of the composition ratio y with the E2 element is preferably determined in consideration of the carrier concentration p. Here, the carrier concentration p 1 is an excess charge p per [CuO] + p obtained from the composition of cations and anions under the condition of neutral charge. If the entire intermediate layer is made of a semiconductor or an insulator, it is necessary to select y so that p = 0. In addition, when it is desired to make the multiple fluorite type block thick enough to function stably as an insulating layer and to make the CuO 2 surface included in the intermediate layer electrically active (that is, having superconductivity), p = 0.15 ~
It is preferable to choose y such that it is 0.25. For example, as a constituent material of the intermediate layer, (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ce 1-y Eu y )
When using m + 1 Cu 2 O 8 + 2m-δ , if the whole intermediate layer is a semiconductor or insulator, set it near y = (1 + 2δ) / (m + 1) and include it in the intermediate layer. If it is desired to make the CuO 2 surface electrically activated, the value is set to around y = (1.4 + 2δ) / (m + 1).

【0032】高温酸化物超電導体でS/I/Sトンネル
型接合を得るためには、超電導層と絶縁層の界面まで超
電導の秩序パラメータがよく発達していることが必要で
ある。そのためには、中間層に含まれる CuO2 面を電気
的に活性な状態、すなわち導電性のある状態、または超
電導性を持つ状態にすることが望ましい。すなわち、中
間層に含まれる CuO2 面にキャリアをドープすることが
望ましい。そのためには、上記したように、p=0.15〜0.
25となるように yを選んだ上で、多重螢石型ブロック内
で 3価の RE2を CuO2 面の近傍に局在させることが望ま
しい。現在まで、多重螢石型ブロックを含んだ層状銅系
酸化物がバルクの多結晶体で合成されているが、いずれ
も超電導にはならず、電気抵抗は温度低下と共に増大す
るという特性を持っている。バルクの多結晶試料で多重
螢石型ブロックを含む一連の化合物、例えばPb2 Sr2 Y
1 Cem Cu3 O 8+2m-δ:m=1,2,3 が合成されているが、
mが増大するに従い抵抗率が増大することが報告されて
いる(A.Tokiwa et al.,Physica C 181, 311(1991))。こ
れは、多重螢石型ブロック内で、Ce4+と Y3+がランダム
に分布しているために、 mの増大と共に酸素欠損δが増
大するためであることを、本発明者らは見出した。
In order to obtain an S / I / S tunnel junction with a high-temperature oxide superconductor, it is necessary that the superconducting order parameter is well developed up to the interface between the superconducting layer and the insulating layer. For this purpose, it is desirable that the CuO 2 surface included in the intermediate layer be in an electrically active state, that is, a conductive state or a superconductive state. That is, it is desirable to dope carriers on the CuO 2 surface included in the intermediate layer. To do so, as mentioned above, p = 0.15-0.
After selecting y so as to be 25, it is desirable to localize trivalent RE2 in the vicinity of the CuO 2 plane in the multiple fluorite-type block. Up to now, layered copper-based oxides containing multiple fluorite-type blocks have been synthesized as bulk polycrystals, but none of them have superconductivity and have the property that their electrical resistance increases with decreasing temperature. I have. A series of compounds containing multiple fluorite-type blocks in bulk polycrystalline samples, such as Pb 2 Sr 2 Y
1 Ce m Cu 3 O 8 + 2m-δ : m = 1,2,3
It has been reported that the resistivity increases as m increases (A. Tokiwa et al., Physica C 181, 311 (1991)). The present inventors have found that this is because Ce 4+ and Y 3+ are randomly distributed in multiple fluorite-type blocks, and oxygen deficiency δ increases with an increase in m. Was.

【0033】酸素欠損等の格子欠陥を減少させ、かつ y
をそれほど大きくせず(多重螢石型ブロックが化学的に
安定な範囲のy)に、有効に CuO2 面にキャリアドープす
るには、以下に示す手段が有効である。すなわち、 3価
の RE2を CuO2 面に隣接したA1サイトに局在させ、 3価
よりも高い価数を持つ RE1がなるべく多重螢石型ブロッ
クの中央付近に入るようにすることが有効である。その
結果、多重螢石型ブロック内で酸素欠損が生成しにくく
なり、かつ CuO2 面に有効にキャリアドープすることが
できる。さらに、中間層に含まれる CuO2 面を導電性の
ある状態、または超電導性を持つ状態にするには、 CuO
2 面に隣接したA1サイトの平均イオン半径が0.1007〜
0.108nmの範囲(最も望ましくは 0.102〜 0.106nmの範
囲)になるように、 RE1と RE2の種類とその組成比を選
ぶことが望ましい。
To reduce lattice defects such as oxygen vacancies, and
The following method is effective to effectively carry out carrier doping on the CuO 2 surface without increasing the value of y (in the range where the multiple fluorite-type block is chemically stable). In other words, it is effective to localize the trivalent RE2 at the A1 site adjacent to the CuO 2 plane so that the RE1 having a higher valence than trivalent is located near the center of the multiple fluorite block as much as possible. . As a result, oxygen vacancies are less likely to be generated in the multiple fluorite-type block, and carrier doping can be effectively performed on the CuO 2 surface. In order to make the CuO 2 surface contained in the intermediate layer conductive or superconductive, CuO
Average ionic radius of A1 site adjacent to two surfaces is 0.1007 ~
It is desirable to select the types of RE1 and RE2 and the composition ratio thereof so as to be in the range of 0.108 nm (most preferably in the range of 0.102 to 0.106 nm).

【0034】中間層の CuO2 面に有効にキャリアドープ
するには、もう一つのブロック層[B] にも望ましい条件
が存在する。すなわち、 [B]の電荷はなるべく小さい方
が望ましい。 [B]としては、 [Bi2 O 2 ] 2+や [Tl2 O
2 ] 2+よりも、[TlO] 1+、[PbO-Cu-PbO]1+、[(Pb,Cu)O]
1+、[(Tl0.5 Cu0.5 )O]0.5+、 [(Tl,Pb)O]0.5+〜 1.5+
の方が望ましい。
In order to effectively carry out carrier doping on the CuO 2 surface of the intermediate layer, there is a desirable condition in the other block layer [B]. That is, it is desirable that the charge of [B] be as small as possible. [B] includes [Bi 2 O 2 ] 2+ and [Tl 2 O
2] than 2+, [TlO] 1+, [ PbO-Cu-PbO] 1+, [(Pb, Cu) O]
1+ , [(Tl 0.5 Cu 0.5 ) O] 0.5+ , [(Tl, Pb) O] 0.5+ to 1.5+
Is more desirable.

【0035】上述したような条件を満たすことによっ
て、超電導層と絶縁層の界面まで超電導の秩序パラメー
タがよく発達する。これにより、特性やその再現性に優
れたS/I/Sトンネル型接合を得ることができる。こ
こで、超電導の秩序パラメータ(ψ)とは、局所的にそ
この電子が超電導になっている度合いを示し、下記の式
で表される。
By satisfying the above conditions, the order parameter of superconductivity is well developed up to the interface between the superconducting layer and the insulating layer. As a result, an S / I / S tunnel type junction excellent in characteristics and reproducibility can be obtained. Here, the order parameter (ψ) of superconductivity indicates the degree of superconductivity of the electron locally there, and is expressed by the following equation.

【0036】 秩序パラメータ(ψ)=(超電導電子密度)2 =(超電導電子の巨視的な波動関係の振幅) 超電導の秩序パラメータが超電導層(S)と絶縁層
(I)との界面までよく発達している状態を、図2
(a)に示す。また、図2(b)は超電導の秩序パラメ
ータがよく発達していない状態を示している。図2
(a)に示すように、S/I界面まで超電導の秩序パラ
メータがよく発達していることにより、良好な超電導ギ
ャップ△が得られる。
Order parameter (ψ) = (superconducting density) 2 = (amplitude of macroscopic wave relation of superconducting) Order parameter of superconductivity is well developed up to the interface between superconducting layer (S) and insulating layer (I) Fig. 2
(A). FIG. 2B shows a state in which the order parameter of superconductivity is not well developed. FIG.
As shown in (a), the superconducting order parameter is well developed up to the S / I interface, so that a good superconducting gap △ can be obtained.

【0037】本発明によれば、第1に超電導層と絶縁層
の界面まで超電導の秩序パラメータがよく発達している
こと、第2に絶縁層にショートが発生しにくいことによ
って、良好な特性を持つS/I/Sトンネル型ジョセフ
ソン接合が得られる。また、本発明によるジョセフソン
接合は、超電導3端子素子にも使用することができる。
超電導3端子素子の一つとして、S/I/S/I/S型
のものが提唱されている。これは、S/I/S接合を二
つ積み重ねたものである。本発明の薄膜を 3層積層した
S/I/Sトンネル型ジョセフソン接合を、二つ積み重
ねることにより、このような3端子素子が実現できる。
さらに、本発明の薄膜を 3層積層したS/I/Sトンネ
ル型ジョセフソン接合の上(または下)に半導体層を積
層することにより、超電導ベーストランジスタを実現す
ることができる。また、本発明の薄膜を 3層積層したS
/I/Sトンネル型ジョセフソン接合の上(または下)
に、S/N/S接合を積層することにより、S/I/S
/N/S構造の準粒子注入型3端子素子を実現すること
ができる。また、本発明の超電導素子は、直流トランス
フォーマー等に適用することもできる。さらに、本発明
における中間層物質は、 mを 100以上として素子分離の
ための絶縁層として用いることもできる。
According to the present invention, good characteristics are obtained firstly because the superconducting order parameter is well developed up to the interface between the superconducting layer and the insulating layer, and secondly, short-circuiting is less likely to occur in the insulating layer. The obtained S / I / S tunnel type Josephson junction is obtained. Also, the Josephson junction according to the present invention can be used for a superconducting three-terminal element.
As one of the superconducting three-terminal elements, an S / I / S / I / S type element has been proposed. This is a stack of two S / I / S junctions. Such a three-terminal device can be realized by stacking two S / I / S tunnel-type Josephson junctions in which three layers of the thin film of the present invention are stacked.
Further, a superconducting base transistor can be realized by laminating a semiconductor layer on (or below) an S / I / S tunnel type Josephson junction in which three thin films of the present invention are laminated. In addition, an S layer in which three thin films of the present invention are laminated
Above (or below) / I / S tunnel type Josephson junction
The S / N / S junction is laminated on the S / I / S
A quasiparticle-injection three-terminal element having a / N / S structure can be realized. Further, the superconducting element of the present invention can be applied to a DC transformer or the like. Further, the intermediate layer material in the present invention can be used as an insulating layer for element isolation by setting m to 100 or more.

【0038】[0038]

【作用】本発明の超電導素子において、中間層として用
いる層状銅系酸化物中の多重(m重)螢石型ブロックは、
mの数を 2以上とすることにより、絶縁層として安定に
機能させることができる。また、多重(m重)螢石型ブロ
ックは、相互拡散、キャリア濃度や組成の変動等によっ
ても、容易に導体化または超電導体化することがない。
すなわち、 CuO2 面を含んでいない多重螢石型ブロック
は、Cu、Pb、Bi、AE等が拡散により一部混入しても、ま
たキャリアが注入されても導体化しない。よって、安定
性に優れたS/I/S接合が得られる。
In the superconducting device of the present invention, the multiple (m-fold) fluorite type block in the layered copper oxide used as the intermediate layer is
By setting the number of m to 2 or more, it is possible to function stably as an insulating layer. Further, the multiple (m-fold) fluorite block does not easily become a conductor or a superconductor due to interdiffusion, a change in carrier concentration or composition, or the like.
That is, the multiple fluorite-type block not including the CuO 2 surface does not become conductive even when Cu, Pb, Bi, AE, etc. are partially mixed by diffusion, or when carriers are injected. Therefore, an S / I / S junction excellent in stability can be obtained.

【0039】また、多重螢石型ブロック層を含んだ層状
銅系酸化物は、銅系酸化物超電導体との格子マッチング
性に優れるため、中間層および上下の酸化物超電導体層
をそれぞれエピタキシャル成長させることができる。こ
こで、特に銅系酸化物超電導体層と同じブロック層[B]
を含む中間層を用いることにより、上下の超電導層と整
合性よくエピタキシャル成長させることができる。その
結果、超電導層と中間層の界面付近に変成層が生成しに
くくなり、絶縁層の界面まで超電導のオーダーパラメー
タを良好に維持することができる。さらに、多重螢石型
ブロック内において、 RE1と RE2のイオン半径と組成比
を適性化すること、 3価の RE2の占める位置を CuO2
の近傍に局在させること、 [B]として電荷の小さいもの
を選ぶこと等により、超電導層/絶縁層界面であるとこ
ろの中間層内の CuO2 面まで超電導のオーダーパラメー
タを良好に維持することができる。
Further, since the layered copper-based oxide containing the multiple fluorite-type block layer is excellent in lattice matching with the copper-based oxide superconductor, the intermediate layer and the upper and lower oxide superconductor layers are each epitaxially grown. be able to. Here, in particular, the same block layer as the copper-based oxide superconductor layer [B]
By using an intermediate layer containing, the epitaxial growth can be performed with good consistency with the upper and lower superconducting layers. As a result, a metamorphic layer is less likely to be generated near the interface between the superconducting layer and the intermediate layer, and the superconducting order parameter can be favorably maintained up to the interface with the insulating layer. Furthermore, to optimize the ionic radius and composition ratio of RE1 and RE2 in multiple fluorite-type blocks, to localize the position occupied by trivalent RE2 near the CuO 2 plane, By selecting a small one, the order parameter of superconductivity can be favorably maintained up to the CuO 2 plane in the intermediate layer at the superconducting layer / insulating layer interface.

【0040】さらに、中間層はブロック層 [B]を含むこ
とにより層状成長し易い。多重螢石型ブロック層も、
(RE1,RE2)の陽イオン層と O2-層が交互に積層した結晶
構造を持つため、層状成長し易い。このような層状成長
し易い物質をエピタキシャル成長させることによって、
段差や欠陥の少ない積層膜が得られ、絶縁層が薄くとも
ショート電流の発生しにくいジョセフソン接合が得られ
る。また、多重螢石型ブロックは、0.27nmを単位に任意
の厚さに作製することができるため、用途に応じて絶縁
バリヤの厚さを変ることができる。
Further, since the intermediate layer includes the block layer [B], the intermediate layer is easily grown in a layered manner. Multiple fluorite-type block layers
Since it has a crystal structure in which the cation layers of (RE1, RE2) and the O 2− layers are alternately stacked, layer growth is easy. By epitaxially growing such a substance which is easy to grow in layers,
A stacked film with few steps and defects can be obtained, and a Josephson junction in which short-circuit current hardly occurs even if the insulating layer is thin can be obtained. Further, since the multiple fluorite-type block can be manufactured to an arbitrary thickness in units of 0.27 nm, the thickness of the insulating barrier can be changed according to the application.

【0041】[0041]

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。Embodiments of the present invention will be described below.

【0042】図3は、本発明の一実施例による超電導素
子の要部構成を示す断面図である。同図において、1は
SrTiO3 単結晶体等からなる基板である。この基板1上
には、下部超電導層2として、結晶のc軸が基板面に垂
直に揃った銅系酸化物超電導体層、例えば前述した (1)
式〜 (6)式で実質的に表されるような酸化物超電導体層
が設けられている。この下部酸化物超電導体層2上に
は、中間層3として、前述した (8)式で実質的に表され
るような、多重螢石型ブロックを含む層状銅系酸化物層
が積層形成されている。さらに、その上には上部超電導
層4として、同様な銅系酸化物超電導体層が積層形成さ
れている。これら各層2、3、4によって、 3層積層構
造が構成されている。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of a main part of a superconducting element according to one embodiment of the present invention. In the figure, 1 is
This is a substrate made of SrTiO 3 single crystal or the like. On this substrate 1, as a lower superconducting layer 2, a copper-based oxide superconducting layer in which the c-axis of the crystal is aligned perpendicular to the substrate surface, for example, as described above (1)
An oxide superconductor layer substantially represented by the formulas (6) to (6) is provided. On the lower oxide superconductor layer 2, as the intermediate layer 3, a layered copper-based oxide layer containing multiple fluorite-type blocks, substantially represented by the above-mentioned formula (8), is formed. ing. Further, a similar copper-based oxide superconductor layer is formed thereon as an upper superconducting layer 4. These layers 2, 3, and 4 form a three-layer laminated structure.

【0043】図4に、上記超電導素子の 3層積層構造の
一例を、結晶構造の観点から表した図を示す。なお、図
4中では酸素イオンの配位を分かり易くするために、酸
素イオン同士を実線で結んである。図4は、まず基板1
上に下部超電導層2として、(Pb0.65Cu0.35) Sr2 (Ca
0.5 Dy0.5 ) Cu2 O 7-δ超電導体(超電導転移温度Tc
=80K) を成長させ、その上に中間層3として、 6重螢石
型ブロックを含んだ、 (Pb0.65Cu0.35) Sr2 (Ce,Eu)7
Cu2 O z を成長させ、さらに上部超電導層4として、
(Pb0.65Cu0.35) Sr2 (Ca0.76Dy0.24) 2 Cu3 O 9-δ
電導体 (Tc =90K)を成長させた状態を示している。同
図に示すように、中間層3としての層状銅系酸化物に含
まれる多重螢石型ブロックは、 (RE1,RE2)(具体的には
(Ce,Eu))の陽イオン層と O2-層が交互に積層した結晶構
造を有している。また、上記した上部超電導層4は、バ
ルクでは得られない、単位胞内に CuO2 面を 3枚含んだ
酸化物超電導体である。これは、分子線エピタキシー技
術等によって初めて得られる酸化物超電導体である。図
4に示す 3層積層構造においては、 3層の格子マッチン
グがよく、層状にエピタキシャル成長させることが可能
である。
FIG. 4 is a diagram showing an example of the three-layer laminated structure of the superconducting element from the viewpoint of the crystal structure. In FIG. 4, the oxygen ions are connected by solid lines in order to easily understand the coordination of the oxygen ions. FIG.
(Pb 0.65 Cu 0.35 ) Sr 2 (Ca
0.5 Dy 0.5 ) Cu 2 O 7-δ superconductor (superconducting transition temperature T c
= 80K), and as a middle layer 3 thereon, a hexafluorite-type block containing (Pb 0.65 Cu 0.35 ) Sr 2 (Ce, Eu) 7
After growing Cu 2 O z and further forming the upper superconducting layer 4,
(Pb 0.65 Cu 0.35 ) Sr 2 (Ca 0.76 Dy 0.24 ) 2 Cu 3 O 9-δ Superconductor (T c = 90K) is shown grown. As shown in the figure, the multiple fluorite-type block contained in the layered copper-based oxide as the intermediate layer 3 is represented by (RE1, RE2) (specifically,
(Ce, Eu)) has a crystal structure in which cation layers and O 2− layers are alternately stacked. The upper superconducting layer 4 is an oxide superconductor that cannot be obtained in bulk and contains three CuO 2 planes in a unit cell. This is an oxide superconductor obtained for the first time by a molecular beam epitaxy technique or the like. In the three-layer structure shown in FIG. 4, the lattice matching of the three layers is good, and the layers can be epitaxially grown.

【0044】次に、上記したような構成を有する超電導
素子を作製するための、薄膜の具体的な形成例とその評
価結果について述べる。
Next, a specific example of forming a thin film for manufacturing a superconducting element having the above-described configuration and an evaluation result thereof will be described.

【0045】図5は、この実施例で薄膜の形成に用い
た、分子線エピタキシーによる成膜装置の構成を模式的
に示す図である。同図において、11は成膜室であり、
この成膜室11内にはそれぞれ蒸発源、例えばPb、Sr、
Ca、RE、Cu等が収容されたクヌーセン・セル12、1
3、14、15、16が配置されている。また、ガスソ
ース用ノズル17が併置されている。各クヌーセン・セ
ル12、13、14、15、16、およびガスソース用
ノズル17には、図示しない加熱用ヒータが設置されて
いる。またこれらは、基板ホルダ18にセットさせた基
板1に向けて、金属元素または金属元素を含むガスが蒸
発するよう配置されている。各クヌーセン・セル12、
13、14、15、16、およびガスソース用ノズル1
7の前方には、それぞれシャッタ19、20、21、2
2、23、24が備えられており、各元素の基板1への
供給を止められるようになっている。基板ホルダ18
は、その後方に設けられた基板加熱ヒータ25によって
加熱される。
FIG. 5 is a diagram schematically showing the configuration of a film forming apparatus by molecular beam epitaxy used for forming a thin film in this embodiment. In the figure, reference numeral 11 denotes a film forming chamber,
Evaporation sources such as Pb, Sr,
Knudsen cells 12, 1 containing Ca, RE, Cu, etc.
3, 14, 15, and 16 are arranged. Further, a gas source nozzle 17 is also provided. Each of the Knudsen cells 12, 13, 14, 15, 16 and the gas source nozzle 17 are provided with a heater (not shown). These are arranged so that the metal element or the gas containing the metal element evaporates toward the substrate 1 set on the substrate holder 18. Each Knudsen cell 12,
13, 14, 15, 16 and nozzle 1 for gas source
7, shutters 19, 20, 21, 2 respectively.
2, 23 and 24 are provided so that the supply of each element to the substrate 1 can be stopped. Substrate holder 18
Is heated by a substrate heater 25 provided behind the substrate.

【0046】また、成膜室11内には、石英管からなる
酸素ガス導入管26が設置されている。この酸素ガス導
入管26の周囲には、コイル27が巻回されている。そ
して、高周波電源28から供給される電力によって、酸
素ガス導入管26内に酸素プラズマを生成し、その活性
酸素を基板ホルダ18にセットされた基板1に向けて供
給するよう構成されている。なお、図中29は、活性酸
素を直接基板1に照射しない時に用いるシャッタであ
り、通常は開いておく。
In the film forming chamber 11, an oxygen gas introducing pipe 26 made of a quartz tube is provided. A coil 27 is wound around the oxygen gas introduction pipe 26. Then, oxygen plasma is generated in the oxygen gas introduction pipe 26 by the power supplied from the high frequency power supply 28, and the active oxygen is supplied to the substrate 1 set in the substrate holder 18. Reference numeral 29 in the drawing denotes a shutter used when the active oxygen is not directly irradiated on the substrate 1, and is normally opened.

【0047】この実施例においては、多重螢石型ブロッ
クの形成に不可欠な RE1元素、例えばCeを有機金属ガス
ソースにより供給するよう構成している。Ceソースとし
て、Ce(DPM)3 や Ce(DPM)4 をクヌーセン・セルから昇
華させる方法を用いてもよいが、有機金属ガスソースの
方が安定度が高い。図中30は原料加熱用オーブンであ
る。ステンレス製の原料容器31内には、Ceを含んだ有
機金属原料、例えばβ-ジケトン金属錯体(Ce(DPM) 3
や Ce(DPM)4 )が投入されている。原料容器31とガス
ソース用ノズル17に接続された配管32は、大気圧以
下の減圧状態に保持されている。配管32内の圧力は圧
力計33によりモニターし、 2つのバリアブル・リーク
・バルブ34、35によって、原料容器31と配管32
内の圧力が制御される。配管、圧力計、バルブ類等に有
機金属原料が凝集しないように、それらも加熱用オーブ
ン30内に配置されている。ガスソース用ノズル17か
ら基板1に向けて供給されるCe含有有機金属ガスの供給
量は、配管32内の圧力と原料加熱用オーブン31の温
度により制御する。例えば、原料として Ce(DPM)3を用
いた場合、原料加熱用オーブン31の温度を 130℃〜 2
00℃、配管31内の圧力を0.01Torr〜10Torrの条件に設
定する。
In this embodiment, the RE1 element indispensable for the formation of the multiple fluorite type block, for example, Ce, is supplied from an organic metal gas source. As the Ce source, a method of sublimating Ce (DPM) 3 or Ce (DPM) 4 from a Knudsen cell may be used, but the organometallic gas source has higher stability. In the figure, reference numeral 30 denotes a raw material heating oven. An organic metal material containing Ce, for example, a β-diketone metal complex (Ce (DPM) 3
And Ce (DPM) 4 ) have been introduced. The piping 32 connected to the raw material container 31 and the gas source nozzle 17 is maintained at a reduced pressure below the atmospheric pressure. The pressure in the pipe 32 is monitored by a pressure gauge 33, and the raw material container 31 and the pipe 32 are monitored by two variable leak valves 34 and 35.
The pressure inside is controlled. These are also arranged in the heating oven 30 so that the organometallic raw materials do not aggregate on the pipes, pressure gauges, valves and the like. The supply amount of the Ce-containing organometallic gas supplied from the gas source nozzle 17 toward the substrate 1 is controlled by the pressure in the pipe 32 and the temperature of the raw material heating oven 31. For example, when Ce (DPM) 3 is used as a raw material, the temperature of the raw material heating oven 31 is set to 130 ° C. to 2 ° C.
At 00 ° C., the pressure in the pipe 31 is set to a condition of 0.01 Torr to 10 Torr.

【0048】多重螢石型ブロック層の形成にはCe等の R
E1元素が不可欠であり、また本発明の超電導素子の作製
には分子線エピタキシー法が有効である。そして、分子
線エピタキシー法を用いて多重螢石型ブロックを形成す
る場合には、CeソースとしてCeを含んだ有機金属のガス
を基板に向けて供給することが有効である。これによっ
て安定にCeを供給することができる。Ceは高温でも蒸気
圧が低いために、クヌーセン・セルで蒸発させることが
困難であり、また電子ビーム蒸着によっても蒸発量が安
定しないという欠点があった。有機金属ガスソースの使
用により、これらの欠点を克服することができる。ま
た、分子線エピタキシー法を用いて多重螢石型ブロック
層を形成する場合には、 (RE1,RE2)と活性酸素を別々に
交互に供給することによって、より層状成長し易くな
る。
For forming the multiple fluorite-type block layer, R such as Ce
The element E1 is indispensable, and molecular beam epitaxy is effective for producing the superconducting device of the present invention. When a multiple fluorite-type block is formed by molecular beam epitaxy, it is effective to supply an organic metal gas containing Ce as a Ce source toward the substrate. Thereby, Ce can be supplied stably. Since Ce has a low vapor pressure even at a high temperature, it is difficult to evaporate it in a Knudsen cell, and the amount of evaporation is not stable even by electron beam evaporation. The use of an organometallic gas source can overcome these disadvantages. Further, in the case of forming a multiple fluorite-type block layer by using a molecular beam epitaxy method, the layer growth becomes easier by separately supplying (RE1, RE2) and active oxygen separately.

【0049】上述した構成を有する成膜装置(分子線エ
ピタキシー装置)を使用して、まず上部および下部超電
導層として用いる、単層のPb-Sr-Ca-RE-Ca-O酸化物超電
導体薄膜を堆積した例について説明する。なお、基板1
としては SrTiO3 の (100)面を用い、以下の手順で酸化
物超電導体薄膜を成膜した。
First, a single-layer Pb—Sr—Ca—RE—Ca—O oxide superconductor thin film used as an upper and lower superconducting layer by using a film forming apparatus (molecular beam epitaxy apparatus) having the above-described configuration. An example in which is deposited will be described. The substrate 1
The oxide superconductor thin film was formed by the following procedure using the (100) plane of SrTiO 3 .

【0050】まず、成膜室11内を10-8Torr未満まで排
気した後、各クヌーセン・セル12、13、14、1
5、16を各蒸発源の必要な蒸発速度に見合った温度ま
で加熱する。Pb、Sr、Ca、RE2(EuまたはDy)、Cuそれぞ
れのソース温度は、例えば 600℃、 480℃、 526℃、 5
32℃(または1033℃)、1060℃である。活性酸素を供給
しながら基板1を 800℃に加熱した。この後、活性酸素
を供給しながら金属成分の蒸着を開始した。酸素の導入
流量は約 0.3〜 0.6SCCM、成膜室11内の酸素分圧は約
1.1〜 2×10-5Torr、投入高周波電力は40〜100Wにて行
った。成膜後、各クヌーセン・セルの直上にあるシャッ
ター19、20、21、22、23を閉めて金属成分の
蒸着を止め、活性酸素の供給は持続したまま基板温度を
600℃〜300℃まで下げた。その後、高周波放電を止
め、基板温度を 280℃以下まで下げてから試料を取り出
した。
First, after the inside of the film forming chamber 11 is evacuated to less than 10 -8 Torr, each Knudsen cell 12, 13, 14, 1
5 and 16 are heated to a temperature corresponding to the required evaporation rate of each evaporation source. The source temperatures of Pb, Sr, Ca, RE2 (Eu or Dy), and Cu are, for example, 600 ° C, 480 ° C, 526 ° C,
32 ° C (or 1033 ° C) and 1060 ° C. The substrate 1 was heated to 800 ° C. while supplying active oxygen. Thereafter, deposition of the metal component was started while supplying active oxygen. The introduction flow rate of oxygen is about 0.3 to 0.6 SCCM, and the oxygen partial pressure in the film forming chamber 11 is about
The operation was performed at 1.1 to 2 × 10 −5 Torr and input high frequency power of 40 to 100 W. After the film formation, the shutters 19, 20, 21, 22, and 23 immediately above each Knudsen cell are closed to stop deposition of the metal component, and the substrate temperature is reduced while the supply of active oxygen is maintained.
Reduced to 600-300 ° C. Thereafter, the high-frequency discharge was stopped, and the temperature of the substrate was lowered to 280 ° C. or lower, and then the sample was taken out.

【0051】このような手法を用いることによって、
(Pb2 Cu)Sr 2 (Ca0.5 Eu0.5 ) Cu2O8-δ超電導薄膜
や、 (Pb0.65Cu0.35) Sr2 (Ca0.5 Dy0.5 ) Cu2 O 7-δ
超電導薄膜を形成することができる。これら 2種類の酸
化物超電導体は、組成や活性酸素の照射条件を変えるこ
とにより作り分けることができる。さらには、シャッタ
を自動制御し、結晶構造に応じて成分を分けて積層する
ことにより、結晶性と超電導特性に優れた薄膜を得るこ
とができる。さらに、単位胞内の CuO2 面の枚数が 3枚
に増えた、 (Pb0.65Cu0.35) Sr2 (Ca0.76Eu0.24) 2 Cu
3 O 9-δ超電導薄膜や、 (Pb2 Cu) Sr2 (Ca0.8 E
u0.2 ) 2 Cu3 O 10- δ超電導薄膜等の、バルクでは得
られない酸化物超電導体を得ることができる。
By using such a method,
(Pb 2 Cu) Sr 2 (Ca 0.5 Eu 0.5 ) Cu 2 O 8-δ superconducting thin film or (Pb 0.65 Cu 0.35 ) Sr 2 (Ca 0.5 Dy 0.5 ) Cu 2 O 7-δ
A superconducting thin film can be formed. These two types of oxide superconductors can be made separately by changing the composition and the irradiation conditions of active oxygen. Furthermore, a thin film having excellent crystallinity and superconducting characteristics can be obtained by automatically controlling the shutter and stacking components separately according to the crystal structure. Furthermore, the number of CuO 2 planes in the unit cell increased to 3, (Pb 0.65 Cu 0.35 ) Sr 2 (Ca 0.76 Eu 0.24 ) 2 Cu
3 O 9-δ superconducting thin film, (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ca 0.8 E
u 0.2), such as 2 Cu 3 O 10- δ superconducting thin film, it can be obtained not obtained oxide superconductor in bulk.

【0052】また、一具体例として (Pb2 Cu) Sr2 (Ca
0.5 Eu0.5 ) Cu2 O 8-δ超電導薄膜を作製した例につい
て述べる。酸素分圧 2×10-5Torr、投入高周波電力100W
の活性酸素条件にて、シャッタ19、20、21、2
2、23を自動制御し、結晶構造に応じて成分を分けて
積層した。積層順序は、Pb+Sr(40sec)/Pb+Sr+Cu(40sec)
/Pb+Sr(40sec)/Ca+Eu+Cu(40sec)/Ca+Eu(40sec)/Ca+Eu+C
u(40sec)で単位胞分であり、これを30サイクル繰り返し
た。その結果、膜厚47nmの (Pb2 Cu) Sr2 (Ca0.5 Eu
0.5 ) Cu2 O 8-δ超電導薄膜を得た。この試料をX線デ
ィフラクトメータで調べた結果を図6に示す。c軸長1.
58nmに対応する (00n)ピークのみが観察され、c軸が基
板面に垂直に強く配向していることを確認した。この薄
膜の超電導転移温度Tc は約70K であった。また、この
薄膜の成長過程を反射高速電子線回折(RHEED) によって
モニターした。その結果、 6サイクル目から20サイクル
目までストリークパターンとその反射強度の振動が観測
され、 (Pb2 Cu) Sr2 (Ca0.5 Eu0.5 ) Cu2 O 8-δが単
位胞毎に層状成長していることが分かった。
As a specific example, (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ca
An example of producing a 0.5 Eu 0.5 ) Cu 2 O 8-δ superconducting thin film will be described. Oxygen partial pressure 2 × 10 -5 Torr, input high frequency power 100W
Shutters 19, 20, 21, 2
Components 2 and 23 were automatically controlled, and the components were laminated according to the crystal structure. The stacking order is Pb + Sr (40sec) / Pb + Sr + Cu (40sec)
/ Pb + Sr (40sec) / Ca + Eu + Cu (40sec) / Ca + Eu (40sec) / Ca + Eu + C
u (40 sec) is a unit cell, and this was repeated 30 cycles. As a result, a 47 nm-thick (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ca 0.5 Eu
0.5 ) A Cu 2 O 8-δ superconducting thin film was obtained. FIG. 6 shows the result of examining this sample with an X-ray diffractometer. c-axis length 1.
Only the (00n) peak corresponding to 58 nm was observed, confirming that the c-axis was strongly oriented perpendicular to the substrate surface. Superconducting transition temperature T c of the thin film was about 70K. The growth process of the thin film was monitored by reflection high-energy electron diffraction (RHEED). As a result, a streak pattern and the oscillation of its reflection intensity were observed from the 6th cycle to the 20th cycle, and (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ca 0.5 Eu 0.5 ) Cu 2 O 8-δ grew in layers in each unit cell. I knew it was.

【0053】ここで、膜厚35nm以上まで平坦に層状成長
させるために最も重要なことは、成長初期のPb堆積時に
島状に成長させないことである。成長条件が最適値から
ずれると最初のPb酸化物堆積時に、Pbソースのシャッタ
を開けて数秒の内に RHEEDパターンがスポット状になっ
てしまい、その後の層状成長を妨げる。このスポットパ
ターンは、 SrPbO3 ベースの化合物が基板とエピタキシ
ャルな関係を保ったまま島状成長したものと考えられ
る。最もよくない場合には、酸化物超電導体の結晶構造
ができず、 PbO1.57(JCPDSカード26-577) のb軸配向膜
となってしまう。これに対して、最初のPb酸化物堆積時
に、Pbソースのシャッタを開けた後にストリークパター
ンが弱くなり、ほとんど何の回折パターンも見えなくな
った状態から、Pbが 1/2原子層程度付着する時間を経過
させた後、ストリークパターンが復活してくる場合に、
その後も層状成長しやすい。
Here, the most important thing for growing a flat layer to a film thickness of 35 nm or more is not to form an island during the initial Pb deposition. If the growth conditions deviate from the optimum values, the RHEED pattern becomes spot-like within a few seconds after opening the shutter of the Pb source during the first Pb oxide deposition, which hinders subsequent layer growth. This spot pattern is considered to be a result of the island-like growth of the SrPbO 3 -based compound while maintaining an epitaxial relationship with the substrate. In the worst case, the crystal structure of the oxide superconductor cannot be formed, resulting in a b-axis oriented film of PbO 1.57 (JCPDS card 26-577). On the other hand, during the first Pb oxide deposition, the streak pattern became weak after opening the shutter of the Pb source, and almost no diffraction pattern became visible. When the streak pattern comes back after passing
Thereafter, layer growth is easy.

【0054】このように、層状の初期成長を実現するた
めには、以下のいずれかの成長条件を満足させることが
有効である。第1に、薄膜試料中のSrの組成を化学量論
組成以上にすることである。Srが 2割欠乏すると層状成
長しにくくなり、逆にSrが 1割過剰であると層状成長し
やすくなる。ただし、Srが 3割以上過剰になると、不純
物相として (Pb,Cu)(Sr,Ca,RE)2 CuO5-δが混じる。第
2に、基板上にまずSrO層を 1原子層分を超えて 3原子
層分以下程度バッファ層として堆積し、その後にPb系酸
化物超電導体を堆積する。他のバッファ層としては、 S
r/Cu/(Eu0.5Ca0.5 )/Cu/Sr の順で 1原子層分ずつ(た
だし、Srは 1割程度過剰にして)堆積させた層も有効で
ある。第3に、初期成長時のみ酸素分圧を下げる。例え
ば、最初の 1〜 3単位胞の成長を行っている時だけ、そ
の後の酸素分圧の 1/2程度にする。第4に、初期成長時
のみ基板温度を20℃程度上げる。初期成長時に基板温度
を20℃程度下げると、逆に層状成長しにくくなる。
As described above, in order to realize a layered initial growth, it is effective to satisfy any of the following growth conditions. First, the composition of Sr in the thin film sample must be equal to or higher than the stoichiometric composition. If Sr is deficient by 20%, layer growth becomes difficult, and if Sr is excessive by 10%, layer growth becomes easy. However, when Sr is excessive by 30% or more, (Pb, Cu) (Sr, Ca, RE) 2 CuO 5-δ is mixed as an impurity phase. Second, a SrO layer is first deposited on the substrate as a buffer layer in excess of one atomic layer and not more than three atomic layers, and then a Pb-based oxide superconductor is deposited. As another buffer layer, S
A layer deposited in the order of r / Cu / (Eu 0.5 Ca 0.5 ) / Cu / Sr by one atomic layer (however, with an excess of Sr by about 10%) is also effective. Third, the oxygen partial pressure is reduced only during the initial growth. For example, only during the growth of the first 1-3 unit vesicles, reduce the oxygen partial pressure to about 1/2. Fourth, the substrate temperature is raised by about 20 ° C. only during the initial growth. If the substrate temperature is lowered by about 20 ° C. during the initial growth, on the contrary, layer growth becomes difficult.

【0055】上記した初期成長条件のうち、第1と第2
の成長条件を用いて、 (Pb2 Cu) Sr2 (Ca0.5 Eu0.5 )
Cu2 O 8-δ超電導薄膜を、成膜室11の酸素分圧を約
1.1×10-5Torr、投入高周波電力を100Wとして作製し
た。 (Pb2 Cu) Sr2 (Ca0.5 Eu0.5 ) Cu2 O 8-δは、後
述するBi2 Sr2 CaCu2 O 8-δよりも低い酸素分圧で合成
できる。膜全体の組成としてSrを約 1割過剰にした。ま
た、バッファ層は、 Sr/Cu/(Ca0.5 Eu0.5 )/Cu/Sr/Pb/C
u/Pb/Sr/Cu/(Ca0.5 Eu0.5 )/Cu/Sr/Pb/Cu/Pb/Srの順で
積層した。その後、図7中の下部に示したシャッターシ
ークエンスで25単位胞分の (Pb2 Cu) Sr2 (Ca0.5 Eu
0.5 ) Cu2 O 8-δを堆積した。成長過程は、RHEEDによ
ってモニターした。その結果、成長開始から成長終了ま
でストリークパターンが観測され、平坦に層状成長して
いることが確認された。
Of the above initial growth conditions, the first and second
Using growth conditions of (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ca 0.5 Eu 0.5 )
The Cu 2 O 8-δ superconducting thin film is reduced to a partial pressure of oxygen in the film forming chamber 11.
It was manufactured at 1.1 × 10 -5 Torr and input high frequency power of 100W. (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ca 0.5 Eu 0.5 ) Cu 2 O 8-δ can be synthesized at a lower oxygen partial pressure than Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8-δ described later. Sr was made about 10% excess as the composition of the whole film. The buffer layer is made of Sr / Cu / (Ca 0.5 Eu 0.5 ) / Cu / Sr / Pb / C
The layers were laminated in the order of u / Pb / Sr / Cu / (Ca 0.5 Eu 0.5 ) / Cu / Sr / Pb / Cu / Pb / Sr. Thereafter, (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ca 0.5 Eu) for 25 unit cells was obtained by the shutter sequence shown in the lower part of FIG.
0.5 ) Cu 2 O 8-δ was deposited. The growth process was monitored by RHEED. As a result, a streak pattern was observed from the start of the growth to the end of the growth, and it was confirmed that the growth was flat and layered.

【0056】図7に、中央のストリークの反射強度の時
間変化を示す。成長終了時まで単位胞毎に反射強度が振
動し、c軸長1.58nmの単位胞を成長単位として層状成長
していることが分かる。特に、Ca-Eu-Cu-Oのペロブスカ
イト部分の成長終了時に反射強度が最大となり、平坦面
が形成される。[PbO-Cu-PbO]ブロック層の成長を開始す
ると、反射強度が弱まる。この試料のX線回折パターン
を図8に示す。図6よりも回折強度が強く、シャープな
ピークが得られており、よく配向し結晶性のよい酸化物
超電導体が得られていることが分かる。ところで、 RHE
EDで成長過程を観察していると、反射強度のみならず回
折パターンも周期的に変化する場合もある。例えば Pb-
Sr-O堆積中にスポット状のパターンがストリークに重畳
するが、後にストリークのみになる等である。
FIG. 7 shows the change over time in the reflection intensity of the central streak. It can be seen that the reflection intensity oscillates for each unit cell until the end of the growth, and the unit cell having a c-axis length of 1.58 nm grows in a layered manner. In particular, the reflection intensity becomes maximum at the end of the growth of the Ca-Eu-Cu-O perovskite portion, and a flat surface is formed. When the growth of the [PbO-Cu-PbO] block layer is started, the reflection intensity decreases. FIG. 8 shows an X-ray diffraction pattern of this sample. As shown in FIG. 6, the diffraction intensity is higher and a sharp peak is obtained, which indicates that an oxide superconductor with good orientation and good crystallinity is obtained. By the way, RHE
When observing the growth process with ED, not only the reflection intensity but also the diffraction pattern may periodically change. For example, Pb-
The spot-like pattern is superimposed on the streak during the Sr-O deposition, but only the streak is formed later.

【0057】また比較のために、Bi2 Sr2 CaCu2 O 8-δ
超電導薄膜をシャッターコントロールにより、結晶構造
に応じて成分を分けて積層して成長させながら RHEED観
察を行った。酸素分圧は約 2×10-5Torr、投入高周波電
力は100Wにて成膜した。 (Pb2 Cu) Sr2 (Ca0.5 E
u0.5 ) Cu2 O 8-δとは異なり、この系では [Bi2 O 2 ]
2+ブロック層堆積中の中点で反射強度が最大となる。
すなわち、 BiOから BiOの1/2単位胞が成長単位であ
る。Bi2 Sr2 CaCu2 O 8-δに比べて、 (Pb2 Cu) Sr2(Ca
0.5 Eu0.5 ) Cu2 O 8-δの方がストリークパターンとそ
の反射強度の周期的変動が明瞭に観察され、層状成長し
やすいことが判明した。従って、本発明の超電導素子に
は [Bi2 O 2 ] 2+ブロック層よりも、[PbO-Cu-PbO]1+
ロック層の方が好適である。この原因は以下のように考
えられる。
For comparison, Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8-δ
RHEED observation was performed while growing the superconducting thin film by stack control with the shutter control by separating the components according to the crystal structure. The film was formed at an oxygen partial pressure of about 2 × 10 −5 Torr and an applied high frequency power of 100 W. (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ca 0.5 E
u 0.5 ) Unlike Cu 2 O 8-δ , in this system [Bi 2 O 2 ]
The reflection intensity is maximized at the midpoint during 2+ block layer deposition.
That is, a half unit cell of BiO from BiO is a growth unit. Compared to Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8-δ , (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ca
In 0.5 Eu 0.5 ) Cu 2 O 8-δ , the streak pattern and the periodic fluctuation of its reflection intensity were clearly observed, and it was found that layer growth was easier. Therefore, the [PbO-Cu-PbO] 1+ block layer is more suitable for the superconducting element of the present invention than the [Bi 2 O 2 ] 2+ block layer. The cause is considered as follows.

【0058】すなわち、基板温度(約 800℃)程度の高
温では、PbおよびPb酸化物の蒸気圧が高いために、Pbが
基板に付着しても再蒸発が激しい。そこで、 (Pb2 Cu)
Sr2(Ca0.5 Eu0.5 ) Cu2 O 8-δを作製する場合のクヌー
セン・セルからのPbの蒸発量は、Bi2 Sr2 CaCu2 O 8-δ
を作製する場合のBiの蒸発量に比べて約10〜20倍に設定
する必要があり、Pb過剰の雰囲気で結晶が成長してい
る。膜成長表面では、PbまたはPb酸化物が頻繁に吸着と
再蒸発を繰り返していると考えられるが、ひとたび結晶
の入るべきサイトにPbが入れば再蒸発しにくくなる。つ
まり、結晶構造の形成に必要なPbだけが膜中に取り込ま
れ、それ以外の吸着鉛は再蒸発していくことから、重い
元素 (PbやBi)のマイグレーションや拡散を待たずに結
晶が形成される。その結果、平坦に層状成長しやすいと
考えられる。
That is, at a high temperature of about the substrate temperature (about 800 ° C.), the vapor pressure of Pb and Pb oxide is high, so that even if Pb adheres to the substrate, re-evaporation is severe. Then, (Pb 2 Cu)
When producing Sr 2 (Ca 0.5 Eu 0.5 ) Cu 2 O 8-δ , the evaporation amount of Pb from the Knudsen cell is Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8-δ
It is necessary to set about 10 to 20 times as large as the evaporation amount of Bi in the case of manufacturing, and the crystal grows in an atmosphere containing excess Pb. It is considered that Pb or Pb oxide is frequently adsorbed and re-evaporated on the film growth surface, but once Pb enters the site where the crystal should enter, it becomes difficult to re-evaporate. In other words, only Pb necessary for the formation of the crystal structure is incorporated into the film, and other adsorbed lead is re-evaporated, so that the crystal is formed without waiting for the migration or diffusion of heavy elements (Pb or Bi). Is done. As a result, it is thought that flat layer growth is likely to occur.

【0059】(Pb2 Cu) Sr2 (Ca0.5 Eu0.5 ) Cu2 O
8-δ超電導薄膜を他の積層方法で作製した例について述
べる。酸素分圧は 2×10-5Torr、投入高周波電力は100W
にて成膜した。シャッターコントロールにより Sr/Pb/C
u/Pb/Sr/Cu/(Ca0.5 Eu0.5 )/Cuの順で 1元素毎に30単位
胞分積層して作製した。成膜後、基板温度が 600℃に下
がった時点で活性酸素の基板への供給を中止した。この
活性酸素の供給を中止した温度は、Bi2 Sr2 CaCu2 O
8-δ超電導体を得る温度より高い。 1元素毎に積層して
も平坦に層状成長した超電導薄膜が得られた。ただし、
Pbだけを基板に供給した場合は、最初の例のように、Sr
やCuと同時に供給したPb+Sr/Pb+Sr+Cu/Pb+Srの積層の場
合に比べて、Pbの基板への付着率が約 1/3に減少する。
作製した膜の組成を化学分析した結果、Pb0.56Sr1.47Ca
0.55Eu0.45Cu2.83 Oy であった。この試料の超電導転移
温度を調べるために、電気抵抗率の温度依存性を測定し
た。その結果を図9に示す。温度を下げていくと約 70K
から抵抗が減少し初め、約9Kで抵抗が零となった。Pbが
欠乏しているにも拘らず超電導になることを確認した。
また、単位胞内の CuO2 面の枚数が 3枚に増えた、 (Pb
2 Cu) Sr2 (Ca0.8 Eu0.2 ) 2 Cu3 O 10- δ超電導体
を、シャッタを自動制御することにより、単位胞分とし
てPb+Sr/Pb+Sr+Cu/Pb+Sr/Ca+Eu+Ca/Ca+Eu/Ca+Eu+Ca/Ca+
Eu/Ca+Eu+Ca の積層を25サイクル繰り返して作製した。
この試料をX線ディフラクトメータで調べた結果、c軸
長 1.9nm〜 2.0nmに対応する (00n)ピークが観察され
た。
(Pb 2 Cu) Sr 2 (Ca 0.5 Eu 0.5 ) Cu 2 O
An example in which an 8-δ superconducting thin film is manufactured by another lamination method will be described. Oxygen partial pressure is 2 × 10 -5 Torr, input high frequency power is 100W
Was formed. Sr / Pb / C by shutter control
It was prepared by stacking 30 unit cells for each element in the order of u / Pb / Sr / Cu / (Ca 0.5 Eu 0.5 ) / Cu. After the film formation, the supply of the active oxygen to the substrate was stopped when the substrate temperature dropped to 600 ° C. The temperature at which the supply of this active oxygen was stopped was Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O
Higher than the temperature at which the 8-δ superconductor is obtained. A superconducting thin film grown flat and layered was obtained even if the layers were stacked for each element. However,
When only Pb is supplied to the substrate, as shown in the first example, Sr
Compared to the case of Pb + Sr / Pb + Sr + Cu / Pb + Sr supplied simultaneously with Cu and Cu, the adhesion rate of Pb to the substrate is reduced to about 1/3.
As a result of chemical analysis of the composition of the prepared film, Pb 0.56 Sr 1.47 Ca
0.55 Eu 0.45 Cu 2.83 O y . In order to investigate the superconducting transition temperature of this sample, the temperature dependence of the electrical resistivity was measured. FIG. 9 shows the result. About 70K when the temperature is lowered
Then the resistance began to decrease, and at about 9K the resistance became zero. It was confirmed that superconductivity was obtained despite the lack of Pb.
In addition, the number of CuO 2 surfaces in a unit cell was increased to three, (Pb
2 Cu) Sr 2 (Ca 0.8 Eu 0.2 ) 2 Cu 3 O 10- δ Superconducting, by automatically controlling the shutter, Pb + Sr / Pb + Sr + Cu / Pb + Sr / Ca + as a unit cell Eu + Ca / Ca + Eu / Ca + Eu + Ca / Ca +
The stacking of Eu / Ca + Eu + Ca was repeated 25 cycles.
As a result of examining this sample with an X-ray diffractometer, a (00n) peak corresponding to a c-axis length of 1.9 nm to 2.0 nm was observed.

【0060】次に、前述した成膜装置を用いて、中間層
として (Pb2 Cu) Sr2 (Ce1-y Euym+1 Cu2 O
8+2m- δを堆積した例について説明する。なお、分子線
エピタキシー法を用いる場合には、螢石型ブロック内の
RE2元素として、高温での蒸気圧が高いEu、Sm、Dy等を
用いることが望ましい。
Next, (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ce 1-y Eu y ) m + 1 Cu 2 O is used as an intermediate layer by using the above-mentioned film forming apparatus.
An example in which 8 + 2m-δ is deposited will be described. When using molecular beam epitaxy, the fluorite type block
It is desirable to use Eu, Sm, Dy or the like having a high vapor pressure at a high temperature as the RE2 element.

【0061】まず、Pb、Cu、Sr、Euをクヌーセン・セル
から蒸発させると共に、 Ce(DPM)3有機金属ガスを供給
した。また同時に、上述した例と同条件で活性酸素を基
板に照射した。 Ce(DPM)3 は加熱された基板上で分解
し、基板にはCeが堆積する。なお、従来のバルクにおい
ては、 m≧3 の化合物を単一相で合成することはできな
かった(A.Tokiwa et al.,Physica C, Vol.181, pp.311
〜319(1991) 等参照) 。これに対して、本発明において
は、シャッタ19、20、21、22、23、24を自
動制御し、結晶構造に応じて成分を分けて積層すること
によって、 mが 2から 100までのものを単一相として合
成することを可能としている。さらに、下部超電導層上
にエピタキシャルに層状成長させることを可能としてい
る。
First, Pb, Cu, Sr, and Eu were evaporated from the Knudsen cell, and a Ce (DPM) 3 organometallic gas was supplied. At the same time, the substrate was irradiated with active oxygen under the same conditions as in the above example. Ce (DPM) 3 decomposes on the heated substrate, and Ce is deposited on the substrate. In the conventional bulk, compounds with m ≧ 3 could not be synthesized in a single phase (A. Tokiwa et al., Physica C, Vol. 181, pp. 311).
319 (1991) etc.). On the other hand, in the present invention, shutters 19, 20, 21, 22, 23, and 24 are automatically controlled to separate components according to the crystal structure and to stack the components. It is possible to synthesize as a single phase. Further, it is possible to epitaxially grow a layer on the lower superconducting layer.

【0062】まず予備実験として、中間層として用いる
化合物層のみを30単位胞分積層する実験を繰り返すこと
によって、単一相が得られ、かつ層状成長し易い成膜条
件(基板温度、活性酸素照射条件等)を把握した。 6重
螢石型ブロックを含んだ、(Pb2 Cu) Sr2 (Ce1-y Euy )
7 Cu2 O 20- δを成長させた場合の積層順序は、Pb+Sr
(40sec)/Pb+Sr+Cu(40sec)/Pb+Sr(40sec)/Cu(40sec)/Ce+
Eu(18sec)/Ce(300sec)/Ce+Eu(18sec)/Cu(40sec) で単位
胞分であり、これを30サイクル繰り返した。ここで、中
間層に含まれる CuO2 面を電気的に活性な状態とするた
め、酸素欠損δ=0を仮定して y=0.2と設定し、Euは CuO
2 面に隣接したA1サイトを占有するようにした。また、
CuO2 面に隣接したA1サイトの平均イオン半径R(A1) は
0.1037nmである。 RHEEDによって成長過程をモニターし
た結果、図7の場合と同様に、単位胞毎に層状成長する
ことを確認した。また、多重螢石型ブロック [(Ce,Eu)O
2 ] m+1 の堆積中にもストリークパターンが観察され、
層状に平坦に成長していることを確認した。これは、単
位胞の中を局所的にみた場合に、 CeO2 の格子定数(a=
0.5409nm)と銅系層状酸化物との格子ミスマッチが1%以
下であるためと考えられる。
First, as a preliminary experiment, by repeating an experiment in which only the compound layer used as the intermediate layer is stacked for 30 unit cells, a single phase is obtained, and film forming conditions (substrate temperature, active oxygen irradiation Conditions, etc.) (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ce 1-y Eu y ) containing hexafluorite-type blocks
7 The stacking order when growing Cu 2 O 20- δ is Pb + Sr
(40sec) / Pb + Sr + Cu (40sec) / Pb + Sr (40sec) / Cu (40sec) / Ce +
The unit cell was Eu (18sec) / Ce (300sec) / Ce + Eu (18sec) / Cu (40sec), and this was repeated 30 cycles. Here, in order to make the CuO 2 plane included in the intermediate layer electrically active, y = 0.2 is set assuming oxygen deficiency δ = 0, and Eu is CuO
The A1 site adjacent to the two surfaces was occupied. Also,
The average ionic radius R (A1) at the A1 site adjacent to the CuO 2 plane is
0.1037 nm. As a result of monitoring the growth process by RHEED, it was confirmed that layer growth occurred for each unit cell as in the case of FIG. In addition, the multiple fluorite type block [(Ce, Eu) O
2 ] A streak pattern was observed during m + 1 deposition,
It was confirmed that the layer was grown flat in a layer. This is because the lattice constant of CeO 2 (a =
This is probably because the lattice mismatch between the copper-based layered oxide and 0.5409 nm) is 1% or less.

【0063】また、(Ce,RE2)と活性酸素を別々に交互に
供給することにより、ストリークパターンがより明瞭に
なり、層状成長し易くなる。このような場合には、例え
ば活性酸素用シャッタ29を閉めた状態で、Eu用クヌー
セン・セル上のシャッタ22とCeガスソース用シャッタ
24を、 1原子層堆積に相当する時間(約60秒)だけ開
け、これを閉めた後に活性酸素用シャッタ29を例えば
10〜60秒開けるという動作を繰り返えせばよい。
Further, by alternately supplying (Ce, RE2) and active oxygen separately, the streak pattern becomes clearer and the layer grows more easily. In such a case, for example, with the active oxygen shutter 29 closed, the shutter 22 on the Eu Knudsen cell and the Ce gas source shutter 24 are operated for a time equivalent to one atomic layer deposition (about 60 seconds). Only after opening and closing it, the active oxygen shutter 29 is opened, for example.
You can repeat the operation of opening for 10 to 60 seconds.

【0064】上述した中間層としての層状銅系酸化物層
上に、上部超電導層として銅系酸化物超電導体膜を、前
述した条件と同様な条件で成長させることによって、層
状にエピタキシャル成長させることができた。これらに
よって、格子マッチングに優れ、層状にエピタキシャル
成長させた 3層の積層構造が得られる。
On the above-mentioned layered copper-based oxide layer as an intermediate layer, a copper-based oxide superconductor film as an upper superconducting layer is grown under the same conditions as those described above, whereby the layer is epitaxially grown. did it. As a result, a three-layer stacked structure excellent in lattice matching and epitaxially grown in layers can be obtained.

【0065】なお、上述した実施例においては、本発明
の一実施例による 3層積層型ジョセフソン接合の作製に
分子線エピタキシー法を用いた例について説明したが、
他の成膜方法例えばスパッタリング法、クラスターイオ
ンビーム法、CVD法等であっても、結晶構造に応じて
成分を分けて積層すれば、同様に本発明の超電導素子を
作製することが可能である。
In the above-described embodiment, an example in which a molecular beam epitaxy method is used to fabricate a three-layered Josephson junction according to an embodiment of the present invention has been described.
The superconducting element of the present invention can be manufactured by another film forming method such as a sputtering method, a cluster ion beam method, or a CVD method, if the components are laminated according to the crystal structure. .

【0066】次に、前述した成膜方法および成膜条件を
用いて、本発明の一実施例による 3層積層型ジョセフソ
ン接合を作製した具体例について述べる。
Next, a specific example in which a three-layered Josephson junction according to one embodiment of the present invention is manufactured by using the above-described film forming method and film forming conditions will be described.

【0067】実施例1 基板1として SrTiO3 単結晶の (100)面を用い、まず下
部超電導層2として、(Pb2 Cu) Sr2 (Ca0.5 Eu0.5 ) C
u2 O 8-δ超電導薄膜を50単位胞分(79nm)堆積した。基
板温度を高温に保持したまま、引き続き中間層3とし
て、 (Pb2 Cu) Sr2 (Ce1-y Euy ) m+1 Cu2 O 8+2m- δ
(m=7) を 1ユニット分だけ堆積した。この場合の絶縁層
として働く多重螢石型ブロックの厚さは、 CuO2 面から
CuO2 面までの距離で測ると約 2.2nmとなる。中間層3
を堆積する際には、上述した予備実験で把握した、単一
相が得られ、かつ層状成長し易い成膜条件(基板温度、
活性酸素照射条件、積層順序等)を用いた。さらに、引
き続き上部超電導層4として、 (Pb2 Cu)Sr2 (Ca0.5
Eu0.5 ) Cu2 O 8-δ超電導薄膜を50単位胞分(79nm)堆積
した。薄膜の堆積は全て、 RHEEDによって層状に成長し
ていることを確認しながら行った。この後、上記積層膜
をメタルマスクとイオンミリングによりパターニング
し、下部超電導層2と上部超電導層4から電極を取り出
した。このようにして得たジョセフソン接合の電流−電
圧特性を温度 40Kで測定した。その結果を図10に示
す。図10から明らかなように、明瞭なジョセフソン効
果が観測された。実施例2 基板1として SrTiO3 単結晶の (100)面を用い、まず下
部超電導層2として、(Pb0.65Cu0.35) Sr2 (Ca0.5 Dy
0.5 ) Cu2 O 7-δ超電導薄膜(Tc =80K) を成長させ
た。その上に中間層3として、 6重螢石型ブロックを含
む (Pb0.65Cu0.35)Sr2 (Eu,Ce)7 Cu2 O z を 1ユニッ
ト分成長させた。さらに、その上に上部超電導層4とし
て、 (Pb0.65Cu0.35) Sr2 (Ca0.76Dy0.242 Cu3 O
9-δ超電導薄膜(Tc =90K)を形成した。なお、この積層
構造を結晶構造の観点から表したものが図4である。こ
の積層膜をメタルマスクとイオンミリングによりパター
ニングし、下部超電導層2と上部超電導層4から電極を
取り出した。このようにして得たジョセフソン接合の電
流−電圧特性を測定した結果、明瞭なジョセフソン効果
が観測された。
Example 1 A (100) plane of SrTiO 3 single crystal was used as a substrate 1 and (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ca 0.5 Eu 0.5 ) C
The u 2 O 8-δ superconducting thin film was deposited for 50 unit cells (79 nm). While maintaining the substrate temperature at a high temperature, (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ce 1-y Eu y ) m + 1 Cu 2 O 8 + 2m- δ
(m = 7) was deposited for one unit. The thickness of the multi-fluorite-block which acts as an insulating layer in this case, the CuO 2 plane
When measured from the distance to the CuO 2 plane, it is about 2.2 nm. Middle layer 3
When depositing, the film formation conditions (substrate temperature,
Active oxygen irradiation conditions, stacking order, etc.) were used. Further, as the upper superconducting layer 4, (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ca 0.5
Eu 0.5 ) Cu 2 O 8-δ superconducting thin film was deposited for 50 unit cells (79 nm). All thin film depositions were performed while confirming that they were grown in layers by RHEED. Thereafter, the laminated film was patterned by a metal mask and ion milling, and electrodes were taken out from the lower superconducting layer 2 and the upper superconducting layer 4. The current-voltage characteristics of the Josephson junction thus obtained were measured at a temperature of 40K. The result is shown in FIG. As is clear from FIG. 10, a clear Josephson effect was observed. Example 2 A (100) plane of SrTiO 3 single crystal was used as a substrate 1, and (Pb 0.65 Cu 0.35 ) Sr 2 (Ca 0.5 Dy) was used as a lower superconducting layer 2 first.
0.5 ) A Cu 2 O 7-δ superconducting thin film (T c = 80K) was grown. On the intermediate layer 3, (Pb 0.65 Cu 0.35 ) Sr 2 (Eu, Ce) 7 Cu 2 O z containing a hexafluorite-type block was grown for one unit. Furthermore, as the upper superconducting layer 4 thereon, (Pb 0.65 Cu 0.35 ) Sr 2 (Ca 0.76 Dy 0.24 ) 2 Cu 3 O
A 9-δ superconducting thin film (T c = 90K) was formed. FIG. 4 shows this laminated structure from the viewpoint of the crystal structure. This laminated film was patterned by a metal mask and ion milling, and electrodes were taken out from the lower superconducting layer 2 and the upper superconducting layer 4. As a result of measuring the current-voltage characteristics of the Josephson junction thus obtained, a clear Josephson effect was observed.

【0068】実施例3 基板1として SrTiO3 単結晶の (100)面を用い、まず下
部超電導層2として、Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 O 10- δ超電導
体を成長させた。その上に中間層3として、 8重螢石型
ブロックを含むBi2 Sr2 (Sm,Ce)9 Cu2 O z を 1ユニッ
ト分成長させた。さらに、その上に上部超電導層4とし
て、Bi2 Sr2 CaCu2 O 8-δ超電導薄膜を形成した。この
積層膜をメタルマスクとイオンミリングによりパターニ
ングし、下部超電導層2と上部超電導層4から電極を取
り出し、ジョセフソン接合の電流−電圧特性を測定した
ところ、ジョセフソン効果が観測された。
Example 3 A (100) plane of SrTiO 3 single crystal was used as a substrate 1, and a Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10-δ superconductor was first grown as a lower superconducting layer 2. As an intermediate layer 3, Bi 2 Sr 2 (Sm, Ce) 9 Cu 2 O z containing an octuple-fluorite type block was grown for one unit. Further, a Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8-δ superconducting thin film was formed thereon as the upper superconducting layer 4. This laminated film was patterned by a metal mask and ion milling, electrodes were taken out from the lower superconducting layer 2 and the upper superconducting layer 4, and the current-voltage characteristics of the Josephson junction were measured. As a result, the Josephson effect was observed.

【0069】上述した各実施例においては、本発明の超
電導素子をS/I/Sトンネル型接合素子に適用した例
について説明したが、本発明の超電導素子は超電導3端
子素子に適用することもできる。例えば、S/I/S/
I/S型の超電導3端子素子は、S/I/S接合を二つ
積み重ねたものである。一方のS/I/S接合を電圧発
生状態にして電流を流し、トンネルした準粒子が真ん中
のS層に溜まることにより、他方のS/I/S接合の電
流−電圧特性が変化して3端子素子として動作する。こ
こでは、二つの接合のI層の厚さを変えて、それぞれの
接合に最適な電流−電圧特性を持つようにする必要があ
る。本発明の薄膜を 3層積層したS/I/Sトンネル型
ジョセフソン接合を、二つ積み重ねることにより、この
ような3端子素子が実現できる。また、二つの接合の多
重螢石型ブロックの厚さを変えることにより、二つの接
合で互いに異なった特性を持ち、かつそれぞれの接合に
最適な電流−電圧特性を持つ超電導素子を作製すること
ができる。
In each of the embodiments described above, the example in which the superconducting element of the present invention is applied to an S / I / S tunnel type junction element has been described. However, the superconducting element of the present invention may be applied to a superconducting three-terminal element. it can. For example, S / I / S /
The I / S type superconducting three-terminal element is formed by stacking two S / I / S junctions. A current is caused to flow while one S / I / S junction is in a voltage generating state, and the tunneling quasiparticles accumulate in the middle S layer, so that the current-voltage characteristic of the other S / I / S junction changes to 3 Operates as a terminal element. Here, it is necessary to change the thickness of the I layer of the two junctions so that each junction has an optimum current-voltage characteristic. Such a three-terminal device can be realized by stacking two S / I / S tunnel-type Josephson junctions in which three layers of the thin film of the present invention are stacked. Also, by changing the thickness of the multiple fluorite type block of the two junctions, it is possible to produce a superconducting element having different characteristics from each other in the two junctions and optimal current-voltage characteristics for each junction. it can.

【0070】特に、本発明においては、例えば図11に
示すように、 2単位胞分の多重螢石型ブロックを含む中
間層(中間層物質Aと中間層物質B)を積層することに
より、真ん中のS層が非常に薄い3端子素子(S/I1
/S/I2 /S)が実現できる。また、それぞれの絶縁
層の厚さ(I1 層とI2 層の厚さ)が異なるものを容易
に作製することができる。そして、真ん中のS層を非常
に薄くすることができるため、そこに溜まる準粒子密度
が増大し、動作効率が高くなる。この他、真ん中のS層
が非常に薄いことにより、最上端のS層から最下端のS
層までトンネルする準粒子電流や超電導電流をも素子動
作に利用することが可能となる。例えば、ギャップトン
ネルトランジスタと呼ばれる3端子素子においては、最
上端超電導電極から最下端超電導電極にトンネルする電
流を、真ん中に挟んだS層(ベース)の電位を変化させ
ることにより、トンネル確率を変化させるものである。
この素子においては、真ん中のS層が非常に薄いことが
利点となる。
In particular, in the present invention, for example, as shown in FIG. 11, an intermediate layer (intermediate layer material A and intermediate layer substance B) containing multiple fluorite-type blocks of two unit cells is laminated to form a middle layer. 3 terminal element (S / I 1
/ S / I 2 / S). Further, it is possible the thickness of the respective insulating layers (the thickness of the I 1 layer and I 2 layer) is easily prepared different. And since the middle S layer can be made very thin, the density of quasi-particles accumulated therein increases and the operation efficiency increases. In addition, since the middle S layer is very thin, the uppermost S layer is shifted from the lowermost S layer.
Quasiparticle current and superconducting current that tunnel to the layer can also be used for device operation. For example, in a three-terminal element called a gap tunnel transistor, the tunneling probability is changed by changing the potential of a current tunneling from the uppermost superconducting electrode to the lowermost superconducting electrode by changing the potential of the S layer (base) sandwiched in the middle. Things.
This device has the advantage that the middle S layer is very thin.

【0071】また、本発明の薄膜を 3層積層したS/I
/Sトンネル型ジョセフソン接合の上(または下)に半
導体層を積層することにより、超電導ベーストランジス
タを実現することができる。この場合のS/I/S接合
は、半導体層に注入するための準粒子を発生させる役割
を持つ。さらに、本発明の薄膜を 3層積層したS/I/
Sトンネル型ジョセフソン接合の上(または下)に、S
/N/S接合を積層することにより、S/I/S/N/
S構造の準粒子注入型3端子素子を実現することができ
る。この場合のS/I/S接合は、S/N/S接合に注
入するための準粒子を発生させる役割を持つ。
The S / I in which three layers of the thin film of the present invention are laminated
By stacking a semiconductor layer on (or below) the / S tunnel type Josephson junction, a superconducting base transistor can be realized. The S / I / S junction in this case has a role of generating quasiparticles for injection into the semiconductor layer. Furthermore, the S / I /
Above (or below) the S tunnel type Josephson junction, S
By laminating / N / S junctions, S / I / S / N /
A quasiparticle-injection type three-terminal element having an S structure can be realized. The S / I / S junction in this case has a role of generating quasiparticles to be injected into the S / N / S junction.

【0072】次に、本発明の超電導素子を直流トランス
フォーマーに適用した例について説明する。
Next, an example in which the superconducting element of the present invention is applied to a DC transformer will be described.

【0073】図12に示すように、基板として SrTiO3
単結晶の (100)面を用い、まず下部超電導層41とし
て、 (Pb2 Cu) Sr2 (Ca0.5 Eu0.5 ) Cu2 O 8-δ超電導
体を50ユニット分(79nm)堆積した。引き続き中間層42
として、 (Pb2 Cu) Sr2 (Ce1-y Euy m+1 Cu2 O
8+2m- δ(m= 70)を 1ユニット分堆積した。この場合の
絶縁層として働く多重螢石型ブロックの厚さは、 CuO2
面から CuO2 面までの距離で測ると約19.5nmとなる。さ
らに引き続き、上部超電導層43として、 (Pb2 Cu)Sr
2 (Ca0.5 Eu0.5 ) Cu2 O 8-δ超電導体を50ユニット分
(79nm)堆積した。下部超電導層41と上部超電導層43
から電極を取り出して、電流−電圧特性を測定した。そ
の結果、ジョセフソン効果は観測されなかった。すなわ
ち、上部超電導層43から下部超電導層41に向けてク
ーパー対のトンネル現象が起きず、超電導電流が流れな
かった。
As shown in FIG. 12, SrTiO 3 was used as a substrate.
First, (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ca 0.5 Eu 0.5 ) Cu 2 O 8-δ superconductor was deposited as a lower superconducting layer 41 for 50 units (79 nm) using the (100) plane of the single crystal. Continue with the middle layer 42
(Pb 2 Cu) Sr 2 (Ce 1-y Eu y ) m + 1 Cu 2 O
8 + 2m-δ (m = 70) was deposited for one unit. In this case, the thickness of the multiple fluorite-type block acting as an insulating layer is CuO 2
The distance from the surface to the CuO 2 surface is about 19.5 nm. Further, as the upper superconducting layer 43, (Pb 2 Cu) Sr
2 (Ca 0.5 Eu 0.5 ) Cu 2 O 8-δ superconductor for 50 units
(79 nm) deposited. Lower superconducting layer 41 and upper superconducting layer 43
The electrode was taken out from the sample, and current-voltage characteristics were measured. As a result, no Josephson effect was observed. That is, the tunnel phenomenon of the Cooper pair did not occur from the upper superconducting layer 43 to the lower superconducting layer 41, and the superconducting current did not flow.

【0074】次に、上記積層膜試料を、上部超電導層4
3や下部超電導層41の抵抗が零になる温度よりも約5K
低い温度に保持し、膜面に垂直に0.003Tの磁場をかけ
た。この試料に、図12に示したように、下部超電導層
41に電流Iを流し、下部超電導層41の電圧V0 と上
部超電導層43の電圧V1 を測定した。下部超電導層4
1には、フラックスクリープによる電圧V0 が発生し
た。上部超電導層43には電流を流していないにも拘ら
ず、電圧V1 がV0 と同じオーダーで発生した。すなわ
ち、直流のトランスフォーマーとして働くことが確認さ
れた。下部超電導層41を貫いたボルテックスが電流I
からローレンツカを受けて動くのに従って、上部超電導
層43を貫いたボルテックスが動き、その結果、上部超
電導層43に電圧が発生したと考えられる。
Next, the laminated film sample was placed on the upper superconducting layer 4
5K lower than the temperature at which the resistance of 3 or lower superconducting layer 41 becomes zero
The temperature was kept low, and a magnetic field of 0.003 T was applied perpendicular to the film surface. This sample, as shown in FIG. 12, electric current I to the lower superconducting layer 41 were measured voltage V 1 of the voltage V 0 and the upper superconducting layer 43 of the lower superconducting layer 41. Lower superconducting layer 4
In No. 1, a voltage V 0 due to flux creep was generated. The voltage V 1 was generated in the same order as V 0 although no current was flowing through the upper superconducting layer 43. In other words, it was confirmed that it worked as a DC transformer. The vortex penetrating through the lower superconducting layer 41 is the current I
It is considered that the vortex penetrating through the upper superconducting layer 43 moved as it received Lorentzka from, and as a result, a voltage was generated in the upper superconducting layer 43.

【0075】このように、銅系酸化物超電導体を上地層
および下地層として用い、かつ CuO2 面に垂直に磁場を
印可した場合には、磁束のピンニング力が弱いために、
効率のよい直流トランスフォーマーが実現できる。な
お、直流トランスフォーマーを実現するには、中間層の
厚さを10nm〜20nm程度とすることが望ましい。この場
合、中間層の層状銅系酸化物層は 1ユニット分ではな
く、 2〜12ユニット程度積層したものを用いてもよい。
As described above, when the copper-based oxide superconductor is used as the upper layer and the lower layer and a magnetic field is applied perpendicularly to the CuO 2 plane, the pinning force of the magnetic flux is weak.
An efficient DC transformer can be realized. In order to realize a DC transformer, it is desirable that the thickness of the intermediate layer be about 10 nm to 20 nm. In this case, the layered copper-based oxide layer of the intermediate layer is not limited to one unit but may be a layered layer of about 2 to 12 units.

【0076】[0076]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、構
造および特性的な安定性や銅系酸化物超電導体との格子
マッチングに優れ、層状成長しやすく、かつ絶縁層とし
て機能する多重螢石型ブロックを結晶構造中に含む層状
銅系酸化物を中間層として用いているため、良好なジョ
セフソン特性が得られると共に、その再現性に優れた超
電導素子を提供することが可能となる。特に、絶縁層が
薄くともショート電流等の発生しにくいジョセフソン接
合を提供することができる。
As described above, according to the present invention, a multi-layer fluorescent material which is excellent in structural and characteristic stability, lattice matching with a copper-based oxide superconductor, easily grows in layers, and functions as an insulating layer. Since the layered copper-based oxide containing the stone block in the crystal structure is used as the intermediate layer, good Josephson characteristics can be obtained and a superconducting element excellent in its reproducibility can be provided. In particular, it is possible to provide a Josephson junction in which a short current or the like is unlikely to be generated even when the insulating layer is thin.

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

【図1】 本発明の超電導素子における中間層物質の一
例の結晶構造を模式的に示す図である。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a crystal structure of an example of an intermediate layer material in a superconducting element of the present invention.

【図2】 S/I/S接合における超電導の秩序パラメ
ータを説明するための図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining an order parameter of superconductivity in an S / I / S junction.

【図3】 本発明の一実施例による超電導素子の要部構
成を模式的に示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration of a main part of a superconducting element according to an embodiment of the present invention.

【図4】 本発明のー実施例による超電導素子の 3層積
層構造を結晶構造の観点から模式的に示す図である。
FIG. 4 is a diagram schematically showing a three-layer laminated structure of a superconducting element according to an embodiment of the present invention from the viewpoint of a crystal structure.

【図5】 本発明の実施例で用いた成膜装置の構成を模
式的に示す図である。
FIG. 5 is a diagram schematically showing a configuration of a film forming apparatus used in an example of the present invention.

【図6】 本発明の実施例で作製した一例の酸化物超電
導体薄膜のX線回折パターンを示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of an example of an oxide superconductor thin film manufactured in an example of the present invention.

【図7】 本発明のー実施例で作製した酸化物超電導体
薄膜の成長過程における反射高速電子線回折強度の時間
依存性を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing the time dependence of the reflected high-speed electron beam diffraction intensity during the growth process of the oxide superconductor thin film manufactured in Example of the present invention.

【図8】 本発明の他の実施例で作製した酸化物超電導
体薄膜のX線回折パターンを示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of an oxide superconductor thin film manufactured in another example of the present invention.

【図9】 本発明の他の実施例で作製した酸化物超電導
体薄膜の電気抵抗率の温度依存性を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing the temperature dependence of the electrical resistivity of an oxide superconductor thin film manufactured in another example of the present invention.

【図10】 本発明の一実施例による積層型ジョセフソ
ン素子の電流−電圧特性を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing current-voltage characteristics of a stacked Josephson device according to one embodiment of the present invention.

【図11】 本発明の超電導素子をS/I/S/I/S
接合を有する超電導3端子素子に適用した例を結晶構造
の観点から示す模式図である。
FIG. 11 shows that the superconducting element of the present invention is S / I / S / I / S
It is a schematic diagram which shows the example applied to the superconducting three-terminal element which has a junction from a viewpoint of a crystal structure.

【図12】 本発明の一実施例による直流トランスフォ
ーマーの構成を模式的に示す図である。
FIG. 12 is a diagram schematically showing a configuration of a DC transformer according to one embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1……基板 2……下部超電導層 3……中間層 4……上部超電導層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate 2 ... Lower superconducting layer 3 ... Intermediate layer 4 ... Upper superconducting layer

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−105373(JP,A) 特開 平3−173184(JP,A) S.Ikegawa et.al." Hall effect in oxi de superconductors having fluorite−t ype layers”Adv.Sup ercond.vol.2,p.517− 520(1990) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 39/22 - 39/24 H01L 39/00 JICSTファイル(JOIS)Continuation of the front page (56) References JP-A-4-105373 (JP, A) JP-A-3-173184 (JP, A) Ikegawa et. al. "Hall effect in oxi de superconductors having fluorite-type layers" Adv. Supercond. vol. 2, p. 517-520 (1990) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 39/22-39/24 H01L 39/00 JICST file (JOIS)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 銅系酸化物超電導体からなる下部超電導
層と、 前記下部超電導層上に積層形成された中間層であって、
CuO 2 面と、前記 CuO 2 面間に介在され、[(RE1 1-y R
E2 y )O 2 ] m+1 (ただし、 RE1は価数が 3価よりも高い
イオンを形成するランタン族元素およびアクチノイド元
素から選ばれる少なくとも 1種の元素を、 RE2は価数が
3価のイオンを形成するランタン族元素およびイットリ
ウムから選ばれる少なくとも 1種の元素を示し、 yは 0
≦ y< 1 mは 2≦ m≦100 を満足する数である)で表
されると共に、前記 RE1元素または RE2元素による陽イ
オン層と O 2- 陰イオン層とが交互に積層した結晶構造を
有する多重螢石型ブロックと、前記 CuO 2 面と積層さ
れ、 [Bi 2 O 2 2+ 、 [Tl 2 O 2 ] 2+ 、[TlO] 1+ 、[PbO-
Cu-PbO] 1+ 、[(Pb,Cu)O] 1+ 、および CuO δ 鎖から選ばれ
る少なくとも 1種とアルカリ土類元素とを含むブロック
層とを有する層状銅系酸化物からなる中間層と、 前記中間層上に積層形成され、銅系酸化物超電導体から
なる上部超電導層とを具備することを特徴とする超電導
素子。
1. A lower superconducting layer made of a copper-based oxide superconductor, and an intermediate layer laminated on the lower superconducting layer ,
Interposed between the CuO 2 surface and the CuO 2 surface, [(RE1 1-y R
E2 y ) O 2 ] m + 1 (However, RE1 has higher valence than trivalent
Lanthanide elements and actinide sources forming ions
RE2 has at least one element selected from
Lanthanum elements and yttrium forming trivalent ions
Represents at least one element selected from the group consisting of
≦ y <1 , m is a number that satisfies 2 ≦ m ≦ 100)
And at the same time,
The crystal structure in which the ON layer and the O2 - anion layer are alternately stacked
Having multiple fluorite-type blocks and laminated with the CuO 2 surface
[Bi 2 O 2 ] 2+ , [Tl 2 O 2 ] 2+ , [TlO] 1+ , [PbO-
Selected from Cu-PbO] 1+ , [(Pb, Cu) O] 1+ , and CuO δ chains
Containing at least one kind of alkaline earth element
A superconducting element comprising: an intermediate layer made of a layered copper-based oxide having a layer; and an upper superconducting layer formed on the intermediate layer and formed of a copper-based oxide superconductor.
【請求項2】 前記中間層を構成する層状銅系酸化物に
おいて、前記 RE2元素は前記多重螢石型ブロック内の陽
イオンサイトのうち前記 CuO 2 面に隣接したサイトに局
在しており、かつ前記 RE1元素は前記多重螢石型ブロッ
クの中央付近の陽イオンサイトを占有していることを特
徴とする、請求項1記載の超電導素子
2. A layered copper-based oxide constituting said intermediate layer.
In the above, the RE2 element is a positive element in the multiple fluorite-type block.
The ion site is located at the site adjacent to the CuO 2 surface.
And the RE1 element is the multiple fluorite-type block.
Occupy the cation site near the center of the
The superconducting element according to claim 1, which is a feature .
【請求項3】 前記 CuO 2 面に隣接した前記陽イオンサ
イトの平均イオン半径が0.1007〜 0.108nmの範囲である
ことを特徴とする、請求項2記載の超電導素子。
3. The cation collector adjacent to the CuO 2 surface.
The average ionic radius of the site is in the range of 0.1007 to 0.108 nm
3. The superconducting element according to claim 2, wherein:
【請求項4】 超電導体/絶縁体/超電導体構造のジョ
セフソン接合を有することを特徴とする、請求項1記載
の超電導素子。
4. A process for a superconductor / insulator / superconductor structure.
2. The method according to claim 1, wherein the element has a Sefson junction.
Superconducting element.
【請求項5】 (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ca,RE) n-1 Cu n O
z (ただし、REは Yを含む希土類元素を示し、 nは 1〜
4の数を、 zは酸素数を表す)で実質的に表される組成
を有する銅系酸化物超電導体からなる下部超電導層と、 前記下部超電導層上に積層形成され、 (Pb 2 Cu) AE2 (R
E11-y RE2y m+1 Cu2 O z ただし、AEはアルカリ土
類元素を、 RE1は価数が 3価よりも高いイオンを形成す
るランタン族元素およびアクチノイド元素から選ばれる
少なくとも 1種の元素を、 RE2は価数が 3価のイオンを
形成するランタン族元素およびイットリウムから選ばれ
る少なくとも 1種の元素を示し、 mは 2≦m ≦100 を満
足する数、 yは 0≦ y< 1を満足する数であり、 zは酸
素量を表す)で実質的に表される組成を有し、多重螢石
型ブロックを結晶構造中に含む層状銅系酸化物からなる
中間層と、 前記中間層上に積層形成され、 (Pb 2 Cu) Sr 2 (Ca,RE)
n-1 Cu n O z (ただしREは Yを含む希土類元素を示
し、 nは 1〜 4の数を、 zは酸素数を表す)で実質的に
表される組成を有する銅系酸化物超電導体からなる上部
超電導層とを具備することを特徴とする超電導素子。
(5)(Pb Two Cu) Sr Two (Ca, RE) n-1 Cu n O
z (However, RE indicates a rare earth element containing Y, and n is 1 to
4 is the number, z is the number of oxygen)
HavingA lower superconducting layer made of a copper-based oxide superconductor; and a laminate formed on the lower superconducting layer., (Pb Two Cu)AETwo(R
E11-y RE2y)m + 1CuTwoOz(However,AE is alkaline earth
RE1 forms ions with valences higher than three
Selected from lanthanum elements and actinoid elements
At least one element, RE2 is a trivalent ion
Selected from lanthanum elements and yttrium
At least one element, where m is 2 ≦ m≤100Full
Y is a number that satisfies 0 ≦ y <1, and z is an acid
Represents the elementary quantity)Having a substantially represented composition, Multiple fluorite
Consists of a layered copper-based oxide containing a mold block in the crystal structure
An intermediate layer, which is laminated on the intermediate layer,(Pb Two Cu) Sr Two (Ca, RE)
n-1 Cu n O z (However,,RE indicates rare earth elements including Y
Where n is a number from 1 to 4 and z is the number of oxygen)
Having the composition representedUpper part made of copper-based oxide superconductor
A superconducting element comprising a superconducting layer.
【請求項6】 REBa 2 Cu 3 O 7-δ (ただし、REは Yを含
む希土類元素を示しδは酸素欠損を表す)で実質的に
表される組成を有する銅系酸化物超電導体からなる下部
超電導層と、 前記下部超電導層上に積層形成され、CuAE2 (RE11-y R
E2y m+1 Cu2 O z ただし、AEはアルカリ土類元素
を、 RE1は価数が 3価よりも高いイオンを形成するラン
タン族元素およびアクチノイド元素から選ばれる少なく
とも 1種の元素を、 RE2は価数が 3価のイオンを形成す
るランタン族元素およびイットリウムから選ばれる少な
くとも 1種の元素を示し、 mは 2≦m ≦100 を満足する
数、 yは 0≦ y< 1を満足する数であり、 zは酸素量を
表す)で実質的に表される組成を有し、多重螢石型ブロ
ックを結晶構造中に含む層状銅系酸化物からなる中間層
と、 前記中間層上に積層形成され、REBa 2 Cu 3 O 7-δ (ただ
し、REは Yを含む希土類元素を示し、δは酸素欠損を表
す)で実質的に表される組成を有する銅系酸化物超電導
体からなる上部超電導層とを具備することを特徴とする
超電導素子。
6. REBa 2 Cu 3 O 7-δ (where RE includes Y
Represents a rare earth element, and δ represents oxygen deficiency.)
A copper oxide superconductor or Rana Ru lower superconducting layer having a composition expressed, it is laminated on the lower superconductive layer, Cu AE 2 (RE1 1- y R
E2 y ) m + 1 Cu 2 O z ( where AE is an alkaline earth element, and RE1 is at least one element selected from lanthanide elements and actinoid elements that form ions having a valence higher than trivalent.) And RE2 represent at least one element selected from lanthanum group elements and yttrium that form trivalent ions, m is a number satisfying 2 ≦ m ≦ 100 , and y is a number satisfying 0 ≦ y <1 is a number which, z is a tier in at an oxygen amount) has a substantially composition represented, ing a layered copper oxide containing multiple fluorite-block in the crystal structure, the intermediate Layered on top of the REBA 2 Cu 3 O 7-δ (only
RE indicates a rare earth element containing Y, and δ indicates oxygen deficiency.
And an upper superconducting layer made of a copper-based oxide superconductor having a composition substantially represented by the following formula:
【請求項7】 Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O z (ただし、 nは
1〜 4の数を、 zは酸素数を表す)で実質的に表される
組成を有する銅系酸化物超電導体からなる下部超電導層
と、 前記下部超電導層上に積層形成され、Bi 2 Sr 2 (RE1 1-y
RE2 y m+1 Cu 2 O z (ただし、 RE1は価数が 3価より
も高いイオンを形成するランタン族元素およびアクチノ
イド元素から選ばれる少なくとも 1種の元素を、 RE2は
価数が 3価のイオンを形成するランタン族元素およびイ
ットリウムから選ばれる少なくとも 1種の元素を示し、
mは 2≦m ≦100 を満足する数、 yは 0≦ y< 1を満足
する数であり、 zは酸素量を表す)で実質的に表される
組成を有し、かつ[(RE1 1-y RE2 y )O 2 m+1 で表され
ると共に、 RE1元素または RE2元素の陽イオン層と O 2-
陰イオン層とが交互に積層した結晶構造を有する多重螢
石型ブロックを含む層状銅系酸化物からなる中間層と、 前記中間層上に積層形成され、Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O z
(ただし、 nは 1〜 4の数を、 zは酸素数を表す)で実
質的に表される組成を有する銅系酸化物超電導体からな
る上部超電導層と を具備することを特徴とする超電導素
子。
7. Bi 2 Sr 2 Can -1 Cu n O z (where n is
The number from 1 to 4, z represents the number of oxygen)
Lower superconducting layer composed of copper oxide superconductor having composition
And laminated on the lower superconducting layer, and Bi 2 Sr 2 (RE1 1-y
RE2 y ) m + 1 Cu 2 O z (However, RE1 has a valence of more than 3
Lanthanum and Actino Form Highest Ions
RE2 is at least one element selected from the group consisting of
Lanthanum group elements and trivalent ions forming trivalent ions
At least one element selected from thorium,
m is a number that satisfies 2 ≦ m ≦ 100, y is 0 ≦ y <1
And z represents the amount of oxygen).
It has a composition, and is represented by [(RE1 1-y RE2 y ) O 2] m + 1
Rutotomoni, RE1 cation layer elements or RE2 element and O 2-
Multiple fluorescents having a crystal structure in which anion layers are alternately stacked
An intermediate layer consisting of a layered copper oxide containing stone type block, are stacked on the intermediate layer, Bi 2 Sr 2 Ca n- 1 Cu n O z
(Where n is a number from 1 to 4 and z is an oxygen number)
From a copper-based oxide superconductor having a qualitatively expressed composition.
Superconducting element, characterized in that it comprises an upper superconducting layer that
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S.Ikegawa et.al."Hall effect in oxide superconductors having fluorite−type layers"Adv.Supercond.vol.2,p.517−520(1990)

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