JPH01162384A - 酸化物超電導素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、酸化物超電導体を用いた電子素子に係り、特
にトンネル効果を利用した超電導素子に関する。

（従来の技術） 近年、Ｂａ−Ｌａ−Ｃｕ−０系の層状ペロブスカイト型
の酸化物が高い臨界温度を有する可能性のあることが発
表されて以来、各所で酸化物超電導体の研究が行われテ
ィる（Ｚ、Ｐｈｙｓ、Ｂ　Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ　Ｍａｔ
ｔｅｒ６４、１８９−１９３（１９８６））。その中で
もＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系で代表される酸素欠陥を有する
欠陥ペロブスカイト型（ＬｎＢａ２　Ｃｕ３　　ｏ７−
δ型）（δは酸素欠陥を表わし通常１以下、Ｌｎは、Ｙ
、　ＬａＸＳｃ、　Ｎｄ、　Ｐｍ、　Ｓｍ、　［ｕ。

Ｇｄ、　Ｄｙ、　ｌｌｏ、　Ｅｒ、　Ｔｍ、　Ｙｂおよ
び［Ｕがら選ばれた少なくとも１種の元素、Ｂａの一部
はＳｒ等で置換可能）の酸化物超電導体は、臨界温度が
９０に以上と液体窒素以上の高い温度を示すため非常に
有望な材料として注目されている（Ｐｈｙｓ、、Ｒｅｖ
、Ｌｅｔｔ、Ｖｏｌ、５８Ｎｏ、　９．９０８−９１０
　）。

ところで、トンネル効果を利用した超電導素子は、超高
速動作が可能で消費電力も僅がであるため、コンピュー
タの論理素子やメモリ素子等のデジタルデバイスへの応
用が進められている。そして、Ｎｂ／　”ｏｘｉｄｅ　
／　Ｎｌ）接合やＮｂＮ／　Ｈり０／旧）Ｎ接合等を用
いた４ビット乗算器、３にゲートアレイ等が試作されて
いる。また、超電導体−半導体素子として超電導３端子
素子が試作されているが、これらの素子はいずれも臨界
Ｆ、度が低い超電導体からなり、液体ヘリウムを冷媒と
して用いるため、周辺技術の開発や経済性の問題等から
実用化には至っていない。

このため、高い臨界温度を有する酸化物超電導体を前述
の超電導素子に応用することが検討されている。

しかしながら、この酸化物超電導体を用いて上記超電導
素子を１（９る場合、酸化物超電導体層形成時の高温熱
処理や、酸化物超電導体に酸素を導入する時の高温熱処
理により、酸化物超電導体層間に介在させた電気絶縁物
層（以下、トンネルバリア層と称す）と酸化物超電導体
とが反応して超電導特性が低下または消滅し、所望の特
性を得ることが困難であるという問題があった。

（発明が解決しＪ：うとする問題点） このように、酸化物超電導体を用いてトンネル効果を利
用した超電導素子を得るにあったでは高温熱処理を必要
とするため、高温熱処理により酸化物超電導体層間に介
在さμた１〜ンネルバリア層と酸化物超電導体とが反応
して、所望の特性を得ることが困難であるという問題が
あった。

本発明はかかる従来の難点を解決すべくなされたもので
、高温熱処理時においても安定で酸化物超電導体と反応
しないトンネルバリア層を有する酸化物超電導素子を提
供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） すなわち、本発明の酸化物超電導素子は、超電導体層の
間に電気絶縁物の薄層を介在させて、トンネル効果によ
り電気絶縁物の薄層を通じて前記超電導体層間に電圧を
発生させずに電流を流す超電導素子において、 超電導体どして酸化物超電導体を用い、電気絶縁物とし
て非導電性酸化物を用いるとともに、前記非導電性酸化
物の酸化物超電導体と接する面に耐酸化性金属層を設け
てなることを特徴としている。

本発明には各種の酸化物超電導体を用いることができる
が、臨界温度の高い、希土類元素含有のペロブスカイト
型の酸化物超電導体を用いた場合に特に実用的効果が大
きい。

上記の希土類元素を含有しペロブスカイト型構造を有す
る酸化物超電導体は、超電導状態を実現できるものであ
ればよく、１．ｎＢａ　　Ｃｕ　　Ｏ系（δ （δは酸素欠陥を表し通常１以下の数、［ｎは、Ｙ、Ｌ
ａ、　Ｓｃ、　Ｃｅ、　Ｐｒ、　Ｐｍ、　Ｎｄ、　Ｐｍ
、　Ｓｍ、Ｅｕ１Ｇｄ、　Ｔｂ。

ＤＶ、　１１ｏ、ＥｒＳＴｍ、　Ｙｂおよび１ｕから選
ばれた少なくとも１種の元素、Ｂａの一部はＳｒ等で置
換可能）等の酸素欠陥を有する欠陥ペロブスカイト型、
５ｒ−Ｌａ−Ｃｕ−０系等の層状ペロブスカイト型等の
広義にペロブスカイト型を有する酸化物が例示される。

また希土類元素も広義の定義とし、Ｓｃ、　　Ｙおよび
Ｌａ系を含むものとする。代表的な系としてＹ−Ｂａ−
Ｃｕ−０系のぽかに、ＹをＥｕ、　Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、
　Ｔｍ、　Ｙｂ、　Ｌｕ等の希土類で置換した系、５ｃ
−Ｂａ−Ｃｕ−０系、５ｒ−Ｌａ−ＣＵ−Ｏ系、さらに
はＳｒをＢａ、　Ｃａで置換した系等が挙げられる。

本発明に用いる耐酸化性金属は、耐酸化性に優れるとと
もに高融点であることが好ましく、このような金属とし
ては、Ａｕ（金）、Ａｕ−Ｐｔ　（金−白金）合金、Ａ
ｕ−Ｓｉ　（金−ケイ素）合金、Ａ（＋（銀）、酊−Ｐ
ｄ（銀−パラジウム）合金、ＰｔＸＡｇ−ｐｔ　（銀−
白金）合金等が例示される。

また、本発明に用いる電気絶縁物は、基本的に製造時の
高温熱処理温度より融点の高い非導電性酸化物であれば
よい。

本発明の酸化物超電導素子は、真空蒸着法、マグネトロ
ンスパッタ法、イオンビームスパッタ法、クラスタイオ
ンビーム法、分子線エピタキシ法等の物理蒸着法や、Ｃ
ＶＤ、プラズマＣＶＤ等の化学気相蒸着法により、たと
えばトンネル接合型のジョセフソン素子の場合は、基板
上に酸化物超電導体層、耐酸化性金属層、トンネルバリ
ア層、耐酸化性金属層および酸化物超電導体層を順次積
層することにＪ：す、得ることができる。

このとぎの各層の厚さは、酸化物超電導体層は超電導特
性を示す厚さ、すなわち概ね１２Å以上、トンネルバリ
ア層の厚さはトンネル効果を阻害しない厚さ、すなわち
５〜３０人、各耐酸化性金属層の厚さは１ヘンネル効果
を阻害せずかつ酸化物超電導体と電気絶縁物との反応を
防止することができる厚さ、すなわら２〜１５人である
ことが好ましい。

なお、このとき用いる酸化物超電導体の原料としては、
Ｙ２０３　、ＣｕＯ＠の酸化物や炭酸塩、硝酸塩、水酸
化物等の化合物、あるいは共沈法等で得たシュウ酸塩等
の原料粉末を製造条件等に応じて所望の割合いで混合し
、仮焼、粉砕して所望の形状にした後、８５０〜９８０
°Ｃ程度で焼成して得たバルクや、上述の原料の溶融液
、あるいは酸化物超電導体を構成する元素の各単金属の
溶融液等を用いることができる。

本発明の酸化物超電導素子は、各物質層を形成した後、
必要に応じて酸素含有雰囲気中４００〜９００℃で熱処
理し、酸化物超電導体の酸素空席に酸素を導入して超電
導特性を向上させる。

このようにして得られた酸化物超電導素子を構成する酸
化物超電導体は、酸素欠陥δを右する酸素欠陥型ペロブ
スカイト構造（ＬｎＢａ２Ｃｕ３０７−δ（δは通常１
以下））となる。なお、ＢａをＳｒ、　Ｃａの少なくと
も１種で置換することもでき、ざらにＣｕの一部をＴｉ
、　　Ｖ、　Ｃｒ、　Ｈｎ、　ｒｅ、、Ｃｏ、　ＮｉＸ
Ｚｎ等で置換することもできる。この置換量は、超電導
特性を低下させない程度の範囲で適宜設定可能であるが
、あまりに多量の置換は超電導特性を低下させてしまう
ので３０ｍｏ　１％以下、さらに実用上は２０ｍｏ１％
以下程度までとする。

また、同様にして超電導３端子素子や高感度磁気センナ
等を得ることもできる。

（作　用） 本発明の酸化物超電導素子は、トンネルバリア層と酸化
物超電導体層との間に耐酸化性金属を設りているため、
酸化物超電導体層形成時の高温熱処理、あるいは酸素導
入時の高温熱処理による電気絶縁物と酸化物超電導体と
の反応が防止され、超電導特性の低下が抑止される。ま
た、耐酸化性金属と酸化物超電導体との反応による超電
導特性の低下もないため、トンネル効果を利用した酸化
物超電導素子を得ることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について説明する。

実施例１ まず、Ｙ２Ｏ３粉末１６．７１１０　ＩＬ　ＢａＣＯ３
粉末３３．５ｍｏ１％、ＣｕＯ粉末５０．１ｍｏ１％を
用い、例えばジルコニアボールとともにモノボッ１−に
入れて湿式今差異を行った後、脱水乾燥を施し、加熱処
理して仮焼く８５０°Ｃ〜９００℃、２４ｈ）、更に再
度モノポットに入れて湿式粉砕を行い、脱水乾燥を施し
粒径〜１μｍの粉末（超電導体）を得る。粉砕混合は上
記例に限定されるものではなく、通常の方法を用いるこ
とができる。

次いで、前記原料粉末にポリビニルアルコールを加えて
造粒して造粒物を調整した。つづいて、前記各造粒物を
金型に充填し、１０００ｋｇ／　ｃ！の圧力下で加圧し
、直径１５４ｍｍ、厚さ６’、５ｍｍの円盤状に金型成
形した。

次いで、成形物を酸素含有雰囲気中９４０℃で７０時間
焼成して、Ｙｌ、０Ｂａ２．０Ｃｕ３．０５０６．８で
表される酸化物超電導体からなる焼結密度が９８％であ
るターゲット材料を得た。

このターゲット材料と、反応ガスとして９５ｍｏ１％の
アルゴンと５ｍ０１％の酸素からなる混合気体と、５ｒ
Ｔｉ０３からなる１０Ｘ　１０Ｘ　１ｍｍの基板とを用
い、基板温度７００℃、反応圧７Ｐａで基板上に高周波
マグネトロンスパッタにより厚さ１０μｍの酸化物超電
導体層を作成した。

また、同様にして、ターゲット材料としてＡｕおＪ、び
Ａｌ２Ｏ３をそれぞれ用いて、酸化物超電導体層上に厚
さ　５人のＡｕ層、厚さ１０人のＡｌ１０３層、および
厚さ５人のＡｕ層を順次積層した後、Ａｕ層上に再び厚
さ１０００人の酸化物超電導体層を作成した。

しかる後、酸素含有雰囲気中９００°Ｃで１時間熱処理
して、酸化物超電導体の酸素空席に酸素を導入して、ト
ンネル接合型の酸化物超電導素子を得た。

図面はこの素子の横断面を示づもので、同図において酸
化物超電導素子１は、酸化物超電導体層２、Ａｕ層３、
へＩ２Ｏ３層４．６０層５および酸化物超電導体層６が
順次積層されて、構成されている。

このようにして得られた酸化物超電導素子の臨異温度は
９０　Ｋであり、臨界電流密度１．５ｘ１０５八／ｃイ
で、７７ｋにおける１〜ンネル効果により電気絶縁物の
薄層を通じて電流が流れることが確認された。

実施例２〜実施例５ 酸化物超電導体、耐酸化性金属および電気絶縁物の組成
を変えた以外は実施例１と同様にして、計５秤類の酸化
物超電導素子を得た。

これらの酸化物超電導素子の動作の有無を確認したとこ
ろ、いずれの素子も動作することが確認された。

なお、実施例コないし実施例５で得た酸化物超電導素子
を構成する酸化物超電導体の系、耐酸化性金属層および
電気絶縁物層の組成、各素子の臨界温度および臨界電流
の一覧を、第１表に示す。

（以下余白） ＊＊：　Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０、Ｅｒ−Ｂａ−Ｃｕ−０、
Ｎｄ−Ｂａ−Ｃｕ−０が、それぞれＡｌ２Ｏ３、ＺｒＯ
２、ＭｇＯと反応して、超電導特性を示さな力じた。

比較例１ 実施例１の比較例として、耐酸化性金属層を設けなかっ
た以外は実施例１と同様にして酸化物超電導素子を得た
ところ、素子は動作しなかった。

比較例２　ｉ１５よび比較例３ 実施例２および実施例３の比較例として、耐酸化性金属
層を設けなかった以外は実施例２および実施例３と同様
にして酸化物超電導素子を得たところ、いずれの素子も
動作しなかった。

なお、比較例１ないし比較例５で得た酸化物超電導素子
を構成する酸化物超電導体の系、電気絶縁物層の組成、
各素子の臨界温度および動作の有無を、第１表に併記す
る。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の酸化物超電導素子は、臨
界温度の高い酸化物超電導体を用い、トンネル効果によ
り電気絶縁物の薄層を通じて酸化物超電導体間に電圧を
発生させ−ずに電流を流すことかできる。

したがって、本発明の酸化物超電導素子を用いることに
より、超高速動作で低消費電力のＩＣ、トランジスタ、
高感度磁気センサ等を製造することが可能となる。ざら
に、本発明の酸化物超電導素子をトンネル接合型の素子
とした場合には、耐酸化性金属層を通じて制御電流を印
加することができるため、酸化物超電導素子の制御を容
易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

図は実施例で得たトンネル接合型の酸化物超電導素子の
横断面図である。 １・・・・・・・・・酸化物超電導素子２．６・・・酸
化物超電導体層 ３．５・・・銀層 ４・・・・・・・・・Ａｌ２Ｏ３層 出願人　　　　　株式会社　東芝

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）超電導体層の間に電気絶縁物の薄層を介在させて
   、トンネル効果により前記電気絶縁物の薄層を通じて前
   記超電導体層間に電圧を発生させずに電流を流す超電導
   素子において、 超電導体として酸化物超電導体を用い、電気絶縁物とし
   て非導電性酸化物を用いるとともに、前記非導電性酸化
   物の酸化物超電導体と接する面に耐酸化性金属層を設け
   てなることを特徴とする酸化物超電導素子。
2. （２）耐酸化性金属は、Ａｕ、Ａｕ−Ｐｔ合金、Ａｕ−
   Ｓｉ合金、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄ合金、ｐｔまたはＡｇ−Ｐ
   ｔ合金であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の酸化物超電導素子。
3. （３）酸化物超電導体は、希土類元素を含有するペロブ
   スカイト型の酸化物超電導体であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項または第２項記載の酸化物超電導素
   子。
4. （４）酸化物超電導体は、Ｌｎ元素（Ｌｎは、希土類元
   素から選ばれた少なくとも１種の元素）、ＢａおよびＣ
   ｕを原子比で実質的に１：２：３の割合で含有すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項のいず
   れか１項記載の酸化物超電導素子。
5. （５）酸化物超電導体は、ＬｎＢａ＿２Ｃｕ＿３Ｏ＿７
   ＿−＿δ（δは酸素欠陥を表わす）で表わされる酸素欠
   陥型ペロブスカイト構造を有することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか１項記載の酸
   化物超電導素子。