JP3690823B2

JP3690823B2 - 超伝導接合体

Info

Publication number: JP3690823B2
Application number: JP05881694A
Authority: JP
Inventors: 並社許; 俊一郎田中
Original assignee: Toshiba Corp; Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Toshiba Corp; Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1994-03-29
Filing date: 1994-03-29
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: JPH07273377A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、Bi系高温酸化物超伝導体を用いた超伝導接合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Bi系高温酸化物超伝導体を用いたデバイスの開発においては、ジョセフソン接合を作製して、ジョセフソン特性を評価することが極めて重要である。従来、Bi系高温酸化物超伝導体を用いたジョセフソン接合としては、超伝導体（Ｓ）／常伝導体（Ｎ）／超伝導体（Ｓ）接合や超伝導体（Ｓ）／絶縁体（Ｉ）／超伝導体（Ｓ）接合が主に研究されてきた。また、人工的粒界接合、例えば超伝導体（Ｓ）／超伝導体（Ｓ）接合という双結晶接合等も検討されてきた。
【０００３】
上記したような超伝導電極としてBi系酸化物高温超伝導体のみを用いたジョセフソン接合は、液体窒素温度での動作が可能であること等から、実用化に向けて研究が進められている。その中でも、超伝導体として電気伝導性を示すペロブスカイト酸化物等を用いたＳ／Ｎ／Ｓ接合は、各層の格子定数の差が殆どなく、界面近傍の格子の乱れが極めて少ないという利点を有している反面、その出力電圧が非常に小さく、実用性に乏しいという問題を有していた。また、Ｓ／Ｎ／Ｓ接合は、スイッチング素子や記憶回路素子等として用いる場合に必要とされるヒステリシスを有するＩ−Ｖ特性を得ることができない。すなわち、ジョセフソン素子を論理素子等に応用する際には、非線形Ｉ−Ｖ特性の零電圧状態と電圧状態とを“ 0”と“ 1”に対応させて、高速スイッチングを行うことが検討されているため、ヒステリシスを有するＩ−Ｖ特性が必要となる。
【０００４】
一方、Ｓ／Ｉ／Ｓ接合は、上記したような論理素子等への応用が可能なヒステリシスを有するＩ−Ｖ特性が実現できると共に、実用レベルの出力電圧が得られる可能性を有していることから、その実用化が望まれている。しかしながら、現状の技術によるBi系高温酸化物超伝導体を用いたＳ／Ｉ／Ｓ接合では、トンネル電流はほとんど観測されていない。これは、Bi系酸化物超伝導体はコヒーレンス長が数原子層以下と極端に短いため、Bi系酸化物超伝導体の界面付近に僅かでも劣化層や変質層があると、そこでBi系酸化物超伝導体の超伝導ギャップが著しく抑制されてしまうか、あるいは消失してしまうためである。
【０００５】
例えば、絶縁層として ZrO₂、 MgO等の単純な絶縁酸化物薄膜やフッ化物薄膜(CaF₂等）を、スパッタリング法や真空蒸着法により形成することが試みられている（特開平2-185077号公報等参照）が、絶縁層上にBi系酸化物超伝導体層を膜質よく堆積することが難しいために、接合の臨界電流Ｉ_cが極端に低くなり、安定して高出力を得ることができないという問題を有していた。
【０００６】
上記したような従来のＳ／Ｉ／Ｓ接合に付随する問題は、接合界面が変質しやすく、またコヒーレンス長が極端に短いというBi系酸化物超伝導体特有の化学的および物理的性質に基くものであるため、現状の接合技術および接合構造では、Bi系酸化物超伝導体を用いた薄膜積層構造によるＳ／Ｉ／Ｓ接合の作製は事実上不可能に近いものとなっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、Bi系酸化物超伝導体を用いたジョセフソン接合において、Ｓ／Ｎ／Ｓ接合はその出力電圧が極めて小さく、かつヒステリシスを有するＩ−Ｖ特性が得られないという問題を有していた。一方、Ｓ／Ｉ／Ｓ接合は、出力電圧を大きくできると共に、ヒステリシスを有するＩ−Ｖ特性が得られる可能性を有する反面、薄膜積層構造では積層界面でのBi系酸化物超伝導体の劣化や変質によって、超伝導キャップが著しく抑制されたり、消失してしまうという問題を有しているため、実用的な出力電圧を有する接合は実現されていない。
【０００８】
このようなことから、Bi系酸化物超伝導体が本来有する大きな超伝導ギャップを損うことなく、論理素子等として用いる際に必須のヒステリシスを有するＩ−Ｖ特性が得られるジョセフソン接合の開発が強く求められている。
【０００９】
本発明は、このような課題に対処するためになされたもので、論理素子等に応用する際に必要となるＩ−Ｖ特性を有すると共に、Bi系酸化物超伝導体が有する大きな超伝導ギャップを有効に接合特性に反映させることによって、実用上十分な臨界電流Ｉ_cを得ることを可能にした、信頼性に優れた超伝導接合体を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段と作用】
本発明の超伝導接合体は、Bi₂Sr₂CaCu₂O_xで表されるBi系酸化物超伝導体のバルク状単結晶体同士を、前記バルク状単結晶体を大気中に放置して形成した表面絶縁層を介して接合してなる超伝導接合体であって、前記接合面は前記Bi系酸化物超伝導体のバルク状単結晶体の(001)面同士が実質的に 23°、28°または37°の[001]ねじり角で重ね合わされて構成されていると共に、ヒステリシスを有するＩ−Ｖ特性を持つことを特徴としている。
【００１１】
本発明の超伝導接合体に用いる超伝導体は、Bi₂Sr₂CaCu₂O _xで表されるBi系酸化物超伝導体のバルク状単結晶体である。ここでいうBi₂Sr₂CaCu₂O _xで表されるBi系酸化物超伝導体とは、いわゆるBi系酸化物超伝導体の(2212)相を有するものであればよく、各元素の比率は製造条件等により数mol%程度の割合で変動していてもよい。また、超伝導特性を劣化させない範囲で、Biの一部をPbで置換したり、SrやCaの一部を他のアルカリ土類元素で置換することができる。
【００１２】
本発明においては、上記Bi系酸化物超伝導体のバルク状単結晶体の(001)面を接合面として使用し、2つのバルク状単結晶体の(001)面同士を[001]ねじり角が23°、28°または37°となるように、直接重ね合わせて接合したものである。ここでいう直接接合とは、従来のＳ／Ｎ／Ｓ接合やＳ／Ｉ／Ｓ接合のように、積極的に他部材をＮ層やＩ層として介在させることなく、Bi系酸化物超伝導体のバルク状単結晶体同士を接合した状態を指すものである。なお、上記[001]ねじり角とは、図１に示すように、2つのBi系酸化物超伝導体のバルク状単結晶体Ａ、Ｂを、その(001)面同士を[001]方向を揃えて重ね合わせて接合した際のバルク状単結晶体Ａ、Ｂ間の結晶の成す角度θを指すものである。
【００１３】
上記した直接接合に際して、使用するBi系酸化物超伝導体のバルク状単結晶は、長時間大気中に放置したものを用いることが重要である。このようにして得られるBi系酸化物超伝導体のバルク状単結晶体同士の接合体においては、接合面に極薄い絶縁層が形成される。すなわち、本発明の超伝導接合体は、その接合形態からはＳ／Ｓ接合（他部材からなるＮ層やＩ層を含まない）であるが、特性的にはＳ／Ｉ／Ｓ接合としての特性が得られる。
【００１４】
また、Bi系酸化物超伝導体のバルク状単結晶体の(001)面同士の接合においては、その接合面の[001]ねじり角が23°、28°または37°となる際に界面エネルギーがそれぞれ極小となり、安定した粒界を構成することが可能となる。すなわち、接合面の[001]ねじり角を23°、28°または37°とすることにより、それぞれ臨界電流Ｉ_cがピークを示す。上記した[001]ねじり角のうち、特に37°付近で最も大きな臨界電流Ｉ_cを得ることができる。これらによって、良好な接合の臨界電流Ｉ_cを得た上で、ヒステリシスを有するＩ−Ｖ特性を得ることが可能となる。
【００１５】
また、本発明の超伝導接合体においては、Bi系酸化物超伝導体のバルク状単結晶体を用いているため、従来の薄膜積層構造による接合に比べて、製造プロセスを簡易化することができる。なお、従来の薄膜積層構造では、本発明のように [001]ねじり角を調整することができず、十分な接合の臨界電流Ｉ_cを得ることはできない。またこの際、接合の面積は 100〜 200μm ²程度とすることが好ましい。接合面積が 100μm ²未満であると、接合強度が小さくて壊れやすく、また 200μm ²を超えるとジョセフソン効果を安定して得ることができない。
【００１６】
本発明の超伝導接合体は、例えば以下のようにして作製される。まず、Bi₂Sr₂CaCu₂O_xで表されるBi系酸化物超伝導体のバルク状(001)単結晶体を2つ用意し、一方のバルク状(001)単結晶体の接合面に、接合面積に相当する突起を形成する。接合面積は、上述したように接合の安定性等を確保する上で、100〜200μm² の範囲とすることが好ましい。また接合前に、これら2つのバルク状(001)単結晶体は、それぞれ2400時間程度大気中に放置する。
【００１７】
次に、上記接合部に相当する突起部を除いて、2つのBi系酸化物超伝導体のバルク状(001)単結晶体間にMgO等の絶縁物を介在させて、バルク状(001)単結晶体の(001)面同士を[001]ねじり角が23°、28°または37°となるように重ね合せる。この後、接合部を例えばタングステンヒータ等を用いて局所加熱して接合させることによって、本発明の超伝導接合体が得られる。なお、上記接合にあたっては、ホットプレス等の接合法を採用することも可能であるが、上記局所加熱によれば上記[001]ねじり角の制御性が向上し、本発明の超伝導接合体を再現性よく得ることが可能となる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００１９】
実施例１
まず、溶融法によりBi₂Sr₂CaCu₂O _xで組成が表されるバルク状 (001)単結晶体（形状： 1× 2×0.05mm）を 2つ作製した。次いで、一方のバルク状単結晶体の (001)面に、直径φ10〜16μm の接合部形状のマスキングを形成した後、Arイオンを用いたイオンエッチングを施して、高さ10〜15μm の接合部に相当する突起を形成した。
【００２０】
次に、上記突起を有するバルク状単結晶体の (001)面に、スパッタ法により突起高さと同等の MgO膜を形成した後、突起上に形成したマスキングを除去し、他方のバルク状 (001)単結晶体と共に、大気中に 2400h放置した。この後、 2つのバルク状 (001)単結晶体を [001]ねじり角が37°となるように、突起を介して直接重ね合わせた。そして、接合部に相当する突起形成位置の裏側にタングステンヒータを直に接触させ、10^-2Torrの真空条件下で局所加熱を行うことによって、Bi系酸化物超伝導体のバルク状単結晶体同士を接合した。
【００２１】
このようにして得たBi系酸化物超伝導体のバルク状単結晶体同士の接合体の臨界温度と4.2KにおけるＩ−Ｖ特性とを 4端子法により測定した。その結果、臨界温度は 80Kであった。また、シンクロスコープによるＩ−Ｖ特性(at4.2K)を図２に模式的に示す。図３は図２のＩ−Ｖ特性をさらに模式化した図であり、これらの図から明らかなように、この実施例の超伝導接合体ではヒステリシスを有するＩ−Ｖ特性が得られた。また、接合体の臨界電流Ｉ_cは40〜5000μA と良好な値を示した。
【００２２】
また、上記Ｉ−Ｖ特性からBi系酸化物超伝導体による接合体のエネルギーギャップ(2△）を評価したところ、22〜24meV(at4.2K) という値が得られた。このエネルギーギャップ(2△）の値は、ＢＣＳ理論や (dI/dV)-V法による評価結果とよく一致した。
【００２３】
このように、上記実施例の超伝導接合体においては、Bi系酸化物超伝導体が本来有する大きな超伝導ギャップが維持されており、ヒステリシスを有するＩ−Ｖ特性と良好な臨界電流Ｉ_cとが得られている。よって、上記超伝導接合体を用いたジョセフソン素子等は、論理素子等に応用することが可能となる。
【００２４】
比較例１
上記実施例１において、 2つのBi系酸化物超伝導体のバルク状 (001)単結晶体を、 [001]ねじり角が33°となるように重ね合せる以外は、上記実施例１と同様にして、Bi系酸化物超伝導体のバルク状単結晶体を用いた超伝導接合体を作製した。この超伝導接合体の4.2KにおけるＩ−Ｖ特性を 4端子法により測定したところ、ジョセフソン効果は観測できなかった。
【００２５】
実施例２
上記実施例１において、 2つのBi系酸化物超伝導体のバルク状 (001)単結晶体を、 [001]ねじり角が28°となるように重ね合せる以外は、上記実施例１と同様にして、Bi系酸化物超伝導体のバルク状単結晶体を用いた超伝導接合体を作製した。
【００２６】
このようにして得た超伝導接合体の臨界温度と4.2KにおけるＩ−Ｖ特性とを 4端子法により測定した。その結果、臨界温度は 80Kであった。また、シンクロスコープによるＩ−Ｖ特性(at4.2K)を図４に模式的に示す。図４から明らかなように、この実施例の超伝導接合体ではヒステリシスを有するＩ−Ｖ特性が得られた。また、接合体の臨界電流Ｉ_cは40μA と良好な値を示した。さらに、上記Ｉ−Ｖ特性からBi系酸化物超伝導体による接合体のエネルギーギャップ(2△）を評価したところ、23meV(at4.2K) という値が得られた。このエネルギーギャップ(2△）の値は、ＢＣＳ理論や (dI/dV)-V法による評価結果とよく一致した。
【００２７】
実施例３
上記実施例１において、 2つのBi系酸化物超伝導体のバルク状 (001)単結晶体を、 [001]ねじり角が23°となるように重ね合せる以外は、上記実施例１と同様にして、Bi系酸化物超伝導体のバルク状単結晶体を用いた超伝導接合体を作製した。
【００２８】
このようにして得た超伝導接合体の臨界温度と4.2KにおけるＩ−Ｖ特性とを 4端子法により測定した。その結果、臨界温度は 80Kであった。また、シンクロスコープによるＩ−Ｖ特性(at4.2K)を図５に模式的に示す。図５から明らかなように、この実施例の超伝導接合体ではヒステリシスを有するＩ−Ｖ特性が得られた。また、接合体の臨界電流Ｉ_cは 110μA と良好な値を示した。さらに、上記Ｉ−Ｖ特性からBi系酸化物超伝導体による接合体のエネルギーギャップ(2△）を評価したところ、22meV(at4.2K) という値が得られた。このエネルギーギャップ(2△）の値は、ＢＣＳ理論や (dI/dV)-V法による評価結果とよく一致した。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の超伝導接合体によれば、Bi系高温酸化物超伝導体を用いて、論理素子等として用いる際に必須のヒステリシスを有するＩ−Ｖ特性を示し、かつ実用的な接合の臨界電流Ｉ_cを有するジョセフソン接合が再現性よく得られる。従って、本発明の超伝導接合体を用いることによって、各種ディジタル素子への応用が可能な例えばジョセフソン素子を再現性よく作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超伝導接合体における [001]ねじり角を説明するための図である。
【図２】本発明の実施例１による超伝導接合体のＩ−Ｖ特性を模式的に示す図である。
【図３】図２に示すＩ−Ｖ特性をヒステリシスを模式化して示す図である。
【図４】本発明の実施例２による超伝導接合体のＩ−Ｖ特性を模式的に示す図である。
【図５】本発明の実施例３による超伝導接合体のＩ−Ｖ特性を模式的に示す図である。
【符号の説明】
Ａ、Ｂ……Bi系酸化物超伝導体のバルク状単結晶体

Claims

Bi₂Sr₂CaCu₂O_xで表されるBi系酸化物超伝導体のバルク状単結晶体同士を、前記バルク状単結晶体を大気中に放置して形成した表面絶縁層を介して接合してなる超伝導接合体であって、
前記接合面は、前記Bi系酸化物超伝導体のバルク状単結晶体の(001)面同士が実質的に 23°、28°または37°の[001]ねじり角で重ね合わされて構成されていると共に、ヒステリシスを有するＩ−Ｖ特性を持つことを特徴とする超伝導接合体。
請求項１記載の超伝導接合体において、
一方の前記バルク状単結晶体は接合の面積が 100 〜 200 μ m ² の範囲となるように形成された突起部を有し、前記突起部と他方の前記バルク状単結晶体とが接合されていることを特徴とする超伝導接合体。