JPH0194681A - 超電導カップリング装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高速、低消費電力でスイッチング動作を行う超
電導スイッチング装置等超電導エレクトロニクスの分野
に係り、とくに液体窒素温度で動作可能な酸化物系超電
導カップリング装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の超電導カップリング装置においてはｐｂ金合金あ
るいはＮｂ、あるいはＮｂ化合物が用いられて来た。こ
れらの金属系超電導材料を用いて、超電導膜の一部にく
びれを持たせたマイクロブリッジ、２枚の超電導膜の間
に極薄絶縁膜を挟んだトンネル型ジョセフソン接合等が
作製されている。

金属系超電導材料を用いた素子の場合、これらの素子構
造により、ジョセフソン効果を有する特性が再現性良く
得られている。

一方、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物をはじめとする斜方晶ペロ
ブスカイト系結晶構造の超電導材料は９０に以上の超電
導臨界温度を有する。したがってＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物
を用いた超電導カップリング装置を作製すれば、液体窒
素温度で動作する素子を得ることができるはずである。

Ｙ　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸化物を用いた超電導カップリン
グ装置としては、いわゆる粒界ジョセフソン素子がバル
ク材で作製され、液体窒素温度における動作が確認され
ている。これについては、ジャパニーズ・ジャーナル・
オン・アプライド・フィズイクスＶｏ１．２６．Ｎｏ、
５．１９８７年５月号の第５６７１頁から第５６７２頁
（Ｊ　ａｐａｎｅｓｅ　Ｊ　ｏｕｒｎａｌｏｆ　Ａｐｐ
ｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、　Ｖｏｌ、　２６　、　Ｎ
ｏ、　５　ｍＭＡＹ、　１９８７．　ｐｐ、Ｌ６７１−
Ｌ６７２）に記載されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来構造の韻電導カップリング装置において用いら
れたＮｂ、Ｎｂ金属間化合物等の超電導臨界温度は高々
２３にであり、動作させるために液体ヘリウムを用いる
ことを余儀なくされて来た。

一方Ｙ　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸化物を超電導カップリング
装置に用いるにあたっての問題点は超電導のコヒーレン
ス長さがｉｎｎ程度であり、非常に短かいことである。

電極間で超電導カップリングを生じさせるためには、電
極間距離をコヒーレンス長さ以下にする必要がある。と
くに電極間の接続部分に超電導特性の劣化層が存在し、
劣化層の長さがコヒーレンス長さ以上であれば、超電導
電流が流れなくなる。さらにトンネル型ジョセフソン接
合の場合、下層超電導電極膜表面にトンネル障壁層とな
る極薄膜化膜を形成する。極薄膜化膜の膜厚は通常２〜
３ｎｍである。この上に上層超電導膜を形成する。しか
るにＹ　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸化物薄膜の場合、室温基板
温度で形成しても非晶質であり、超電導状態にはならな
い。結晶化させるためには７０．０℃以上の熱処理が必
要である。上層超電導膜を形成後７００℃以上に加熱す
れば、厚さが２〜３ｎｍのトンネル障壁層は拡散により
破壊されてしまう。

Ｙ　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸化物を用いた超電導カップリン
グ装置でジョセフソン効果を示す構造は、粒界ジョセフ
ソン素子である。これはＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物の多結晶
薄膜において結晶粒界で超電導カップリングが生じるこ
とを利用するものである。

しかしながら、粒界ジョセフソン素子の場合、粒界の面
積制御や超電導カップリングの強さ制御を行えないため
に、素子特性や超電導カップリング電流の再現性を得る
のが困難である。

そこで本発明の目的は、液体窒素温度における動作が可
能であり、かつ再現性良く素子特性を得ることが可能な
超電導カップリング装置の構造を与えることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は以下の手段により達成される。すなわちＹ−
Ｂａ−Ｃｕ酸化物をはじめとするペロブスカイト系結晶
構造の超電導膜を電極材として用いた超電導カップリン
グ装置において、２枚の超電導膜の間に層間絶縁膜を介
在させる。ＷＪ層間絶縁膜開口を持たせ、開口部で２枚
の超電導膜が接するようにする。開口部を通して超電導
カップリング電流が流れるようにする。

超電導電極膜として、単結晶あるいは結晶方位の揃った
Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物を用いる。超電導結晶相である斜
方晶のＣ軸が膜面に対して垂直方向になるようにする。

したがって２枚の超電導膜間のカップリング電流は結晶
のＣ軸に添って流れるような方位配列とする。

層間絶縁膜トシテはＭ　ｇ　Ｏｙ　Ｓ　ｒ　Ｔ　ｉＯ３
１Ａ　Ｑ　２０３　ｙ　ＳｉＯ２ｇ　ＺｒＯ２の中から
選ばれた酸化物を用いる。

〔作用〕

以上述べた超電導カップリング装置は以下の点で従来の
問題点を解決するものである＋＋　Ｙ　　Ｂ　ａ−Ｃｕ
酸化物等の酸化物系高臨界温度超電導材料は斜方晶系に
属し、結晶格子中の原子配列は第１図に示す通りである
。図において、ａ−ｂ面内における電気伝導は金属伝導
的であり、超電導状態になったときの臨界電流密度およ
び臨界磁界はＣ軸方向の値よりそれぞれ２桁および２倍
大きい。

Ｃ軸方向の電気伝導は半導体的である。このような電気
的特性に結晶方位依存性が生じる原因は原子配列の異方
性にある５Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物等のペロブスカイト系
結晶構造において、電気伝導は酸素原子の２ｐ軌道とＣ
ｕ原子の３ｄ軌道とのカップリングを通じて行われる。

しかるに、結晶格子の中央部の酸素原子は完全に欠落し
ている。

したがって、Ｃ軸方向に対するＣｕ、［子と酸素原子の
カップリングはＹ原子を含む平面において途切れること
になる。

以上述べた電気的特性の異方性に従えば、ａ　−５面内
方向を流れる超電導電流は量子力学的な位相の変化をほ
とんど伴わない電流である。Ｃ軸方向に流れる超電導電
流は、Ｃ軸方向の超電導的なカップリングが弱いために
、位相の変化を伴ったいわゆるジョセフソン電流となる
。

一方斜方晶系のペロブスカイト結晶の場合、自然成長面
はａ　−ｂ面である。つまり基板に対してＣ軸が垂直に
なるように結晶成長が行われる。

これらＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜の超電導的および結晶
的な性質を利用すれば、先に述べた超電導カップリング
装置の構造が得られる。本発明になる素子構造において
、カップリング電流の流れる方向は結晶のＣ軸方向であ
る。二枚の超電導膜に挟まれた層間絶縁膜の開口の大き
さを調節することにより、カップリング電流の大きさを
決定することができる。したがって、カップリング電流
の大きさは開口寸法によって正確に再現することができ
る。層間絶縁膜の種類としては超電導膜の熱処理を行う
ときに拡散反応を生じないＭｇＯ。

５ｒＴｘ０３ｐ　Ａｆｌ　２０３ｔ　５ｘＯｚｔ　Ｚｒ
Ｏ２等が適している。

〔実施例〕

本発明を以下の実施例に基づいて説明する。

第２図に示すごとき超電導カップリング装置は以下の方
法により作製する。（１００）面方位を有するＳｒＴｉ
０ｇ単結晶５を基板として用い、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物
薄膜６を形成する。Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜６はあら
かじめＹとＢａとＣｕを１ニー２：３の組成比に焼成し
た焼結体をターゲットとして用い、高周波マグネトロン
スパッタ法により、Ａｒと酸素の雰囲気中で堆積する。

膜形成時の基板温度は室温とする。膜厚は１μｍとする
。膜形成後Ｙ　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸化物を１気圧の酸素
雰囲気中で、９００℃、２時間の熱処理を施す。

これらの処理により、斜方晶結晶構造で、８０に以上の
臨界温度を有する超電導薄膜を得る。なおこのような条
件によって形成したＹ　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸化物薄膜６
は斜方晶のＣ軸が基板面に対して垂直な多結晶体である
。

つぎに下層超電導電極膜パタンに対応するパタンをレジ
スト材を用いてＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜６上に形成す
る。つぎに希硝酸を用いた化学的なエツチング法により
、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜６のパタン６を得る。

つぎに高周波マグネトロンスパッタリング法により、基
板全面にＭｇ○膜７を形成する。スパッタリングはＭｇ
Ｏ焼結体をターゲットとし、Ａｒと酸素の雰囲気中で高
周波放電を行なう。ＭｇＯ膜７の膜厚は０．５μｍとす
る。ＭｇＯ膜の上に超電導カップリング用の開口および
外部リード線用の穴を設けたレジストパタンを形成する
。超電導カップリング部分８の穴直径は１０μｍとする
。

つぎにＡｒイオンビームを用いた物理的なエツチング法
により、Ｍｇ○膜７部分のエツチングを行う。エツチン
グはＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜６部分まで進め、Ｍｇ○
膜７膜製層全に除去する。このあと、試料表面を酸素ガ
ス雰囲気中で高周波プラズマに曝すとともに、酸素ガス
１気圧中４００℃で２時間の熱処理を施すことにより、
加工工程によって劣化したＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜６
の表面層を超電導状態に復帰させる。

さらに、基板全面に上層Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜６を
下層Ｙ二Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸化物薄膜と同様の方法、すな
わち、高周波マグネトロンスパッタリングと、これに続
く酸素雰囲気中熱処理によって形成し、超電導相を得る
。Ｙ　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸化物薄膜６の膜厚は１μｍと
する。このような方法により、下層Ｙ　−Ｂ　ａ　−Ｃ
ｕ酸化物薄膜６と結晶組織が同ムで、超電導臨界温度が
８０に以上のＹ−Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸化物薄膜６を得る。

さらに上層超電導電極膜パタンに対応するレジスト膜パ
タンを上層Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜６上に形成する。

つぎに加速電圧５００ｖのＡｒイオンビームを用いた物
理的なエツチング法により、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜
６部分のエツチングを行う。以上の作製工程により超電
導カップリング装置の完成をみる。

ＭｇＯ層間絶縁膜に超電導カップリング用の穴を２個設
けた量子干渉型の超電導カップリング装置の作製をもあ
わせて行った。

これら超電導カップリング装置の特性を、液体窒素によ
って冷却しながら行った。単一のカップリング装置の電
圧−電流特性は第３図に示すごとくになる。すなわち約
３ｍＡの超電導電流が流れる。一方量子干渉型の超電導
カップリング装置の場合、電圧−電流特性における電流
レベルは約２倍であるが、特性の形状はほとんど変わら
ない。

１　ｍ　Ｇａｕｓｓ以下の微弱な磁場を加えながら超電
導臨界電流を測定した場合、電流値は磁場に対して周期
的な依存性を示す。このことは超電導カップリング装置
に流れる電流がジョセフソン効果を有する電流、すなわ
ち電子波の位相変化を伴った電流であることを意味する
。

以上の方法により作製した超電導カップリング装置は異
なる装置間で、±５０％の範囲内で超電導臨界電流値が
一定になるとともに電圧−電流特性の形状はほぼ揃う。

以上の方法により作製した超電導カップリング装置は層
間絶縁膜としてＭｇＯを用いた場合だけでなく、５ｒＴ
ｉ０３．Ａｆｉ　２０３．ＳｉＯ２゜ＺｒＯ２等の酸化
物を層間絶縁膜として用いた場合にも同様の効果が得ら
れる。

〔発明の効果〕

以上述べたごとく、本発明にかかる超電導カップリング
装置は以下の効果を有する。

（１）　　従来の液体ヘリウムに代えて、液体窒素を用
いた冷却により動作させることが可能である。このこと
は冷却コストの大幅な低減と。

取扱いの容易さを与える。

（２）厚さが２〜３ｎｍの極薄トンネル障壁層を用いな
いので、作製が容易である。

（３）層間絶縁膜の開口寸法によって超電導臨界電流値
が決まるので、臨界電流値を±５０％以内の精度で再現
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は斜方晶系ペロブスカイト型結晶構造を有するＹ
−Ｂａ−Ｃｕ酸化物の原子配列を示す図、第２図は本発
明の超電導カップリング装置の断面図、第３図は超電導
カップリング装置の電圧−電流特性を示す図である。 １・・・Ｃｕｇ子、２・・・酸素原子、３・・・ＢａＪ
ｊｉ子、４−Ｙ原子、５−５−８ｒＴｉＯ３板、６−Ｙ
−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜、７・・・ＭｇＯ薄膜、８・・
・超電導カップリング部。 Ａ１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物をはじめとするペロブスカイ
   ト系結晶構造の超電導膜を電極材として用いた超電導カ
   ップリング装置において、２枚の超電導膜の間に層間絶
   縁膜が介在し、かつ層間絶縁膜が開口を有し、開口部で
   ２枚の超電導膜が接する部分において超電導電流が流れ
   る構造とし、かつ前記２枚の超電導膜の結晶方位が揃い
   、かつ斜方晶結晶のＣ軸が基板面と垂直となし、２枚の
   超電導膜の間を電流が結晶のＣ軸に添って流れる構造と
   したことを特徴とする超電導カップリング装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記層間絶縁膜が
   ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ＿３、Ａｌ＿２Ｏ＿３、ＳｉＯ＿２
   、ＺｒＯ＿２の中から選ばれた酸化物より成ることを特
   徴とする超電導カップリング装置。