JPH0294676A

JPH0294676A - 超電導素子

Info

Publication number: JPH0294676A
Application number: JP63246809A
Authority: JP
Inventors: Shin Fukushima; 福島　伸; Hiromi Nibu; 丹生　ひろみ; Takeshi Ando; 健安藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-09-30
Filing date: 1988-09-30
Publication date: 1990-04-05
Anticipated expiration: 2012-10-22
Also published as: JP2666978B2

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て
いる（Ｚ、Ｐｈｙｓ、Ｂ　Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ　Ｍａｔ
ｔｅｒ８４．１８９−１９３（１９８６９）、ＰＣＴ国
際公開１０８８７０５０２９）。

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（ＲＥＢａ２ｃｕ３ｏ　
７−δ、ただし、ＲＥは、Ｙ　ｓ　Ｌａｓ　Ｎｄ、　Ｓ
ｓ、Ｅｕ５Ｇｄ、　Ｔｂｓ　Ｄｙ５Ｈｏ、　Ｅｒ、　Ｔ
ｍおよびＹｂから選ばれた１種以上の希土類元素。Ｂａ
の一部はＳｒ等で置換可能。δは酸素欠陥を示し通常１
以下の数。以下同じ。）で表わされる酸化物超電導体は
、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（　Ｐｈ
ｙｓ、Ｒｅｖ、Ｌｅｔｔ、Ｖｏｌ、５ｇＮｏ、９，９０
８−９１０）。

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かであるため、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／ＡＩ　　　　／Ｎ
ｂ接合やＮｂＮ／　ＭｇＯ／ＮｂＮ接ｘｉｄｅ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
れも臨界温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が、酸化
物超電導体と電気絶縁物薄層との整合性が悪いためその
解決が望まれていた。

すなわち、酸化物超電導体を用いて例えばジョセフソン
接合素子を製造する場合、ジョセフソン接合における電
気絶縁層の格子定数、熱膨脹係数などが酸化物超電導体
層のそれと相違すると良好な単結晶膜が再現性良く得ら
れず、また、絶縁体層と酸化物超電導体層が不整合であ
ると界面準位の発生をもたらし、ジョセフソン接合の特
性を大きく劣化させるという問題があり、その解決が望
まれていた。

さらに、薄膜形成用の基板としては、現在、ＭｇＯ，５
ｒＴＩＯａ等が用いられているが、これらの基板は格子
定数、熱膨脹係数が酸化物超電導体のそれと相違するた
め、良好な単結晶膜が再現性良く得られないという問題
があった。

（発明が解決しようとする課題）本発明はかかる問題を解決すべくなされたもので、式Ｒ
ＥＢａ　　Ｃｕ　　Ｏで表わされる酸化物超２３７−δ 電導体層と接する電気絶縁物の薄層または酸化物超電導
体層形成用の基板として、ＲＥＢａ２Ｃｕａ０７〜．と
同一の結晶構造を有し、格子定数、熱膨脹係数がほぼ等
しい酸化物電気絶縁体を使用することにより、層間また
は基板と酸化物超電導体層間の不整合を解消させて、上
記問題のない超電導素子を提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）すなわち、本発明の超電導素子は、式１式％（ただし、ＲＥは、Ｙ　５Ｌａｓ　Ｎｄ５ＳＩ１％　Ｅ
ｕ％Ｇｄ％ＴｂｑＤｙ、　ｌｌｏ、　Ｅｒ、Ｔ１１およ
びｙｂから選ばれた希土類元素。

以下同じ。）で表わされる酸化物超電導体層上に電気絶
縁物の薄層が介在する接合部を有する超電導素子、例え
ば電気絶縁物の薄層上に、他の超電導体層を形成し、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画
題電導体層間に電圧を発生させずに電流を流すような超
電導素子において、前記電気絶縁物の薄層または前記酸
化物超電導体層を形成する基板を、式％式％（ただし、０．８≦Ｘ≦１゜以下同じ。）で表わされる
酸化物を用いたことを特徴としている。

本発明の超電導素子は、真空蒸着法、マグネトロンスパ
ッタ法、イオンビームスパ・ツタ法、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、ＣＶＤ
、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、トンネルバリア層および酸化物超電
導体層を順次積層することにより、得ることができる。

また接合部は超電導体−超電導体に限らず、素子物性を
発揮する例えば超電導体−メタル等の接合であってもよ
い。

このとき、基板としてＲＥＢａ、ｘＬａｘＣｕ３０７−
δを用いることにより、この上にＲＥＢａ２Ｃｕ３ｏ　
７−δを成長させる際、このＲＥＢａ　　Ｃｕ　　Ｏが
基板に２３７−δ 対しエピタキシャルに成長し方位の揃った膜を容易に得
ることができる。また、電気絶縁物の薄層としてＲＥＢ
ａ　　　Ｌａ　　Ｃｕ　　Ｏを形成した場合に２−Ｘ　
　ｘ　　３　７−δ は、ＲＥＢａ　　Ｃｕ　　Ｏ上にＲＥＢａ２−ｘＬａｘ
Ｃｕ３０７−２３７−δ 、を成長させる際、およびＲＥ　Ｂ　ａ　２−ｘ　Ｌ　
ａ　Ｘ　Ｃｕ　３０７　、、。

、上にＲＥＢａ　　Ｃｕ　　Ｏを成長させる際に、それ
２　　３　　７−δ ぞれ各層はその下の層に対してエピタキシャルに成長し
同様に方位の揃った膜を容易に得ることができる。

このときの各層の厚さは、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１０００Å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ｌＯ〜　１００人とすることが好ましい。

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ＲＥＢａ　　Ｃｕ　　Ｏ層は、
２３７−δ 酸素欠陥δを有する酸素欠陥型ペロブスカイト構造とな
る。なお、ＢａをＳ「、Ｃａの少なくとも　１種で置換
することもでき、さらにＣｕの一部をＴＩ、　　Ｖ。

ＣｒＳＭｎ５Ｐｅ、　Ｃｏ、Ｎ１．、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３０ｍ０１％
以下さらに実用上は２０脂０１％以下程度までとする。

本発明において、基板または電気絶縁物の薄層を構成す
る　ＹＢａ　　　Ｌａ　　Ｃｕ　　Ｏは、ＲＥＢａ２２
−ｘ　　　　ｘ　　　　３　　　７−δＣｕ　　Ｏと同
一結晶構造を有しており、したがって熱膨脹係数も近似
している。なお、その格子定数は、ＲＥＢａ　　Ｃｕ　
　Ｏがａ−３，８２、ｂ−３，８５，２３７−δ ｃ−１１，８６であるのに対して、ＹＢａ２−ｘＬａＸ
Ｃｕ３０　　は、ａ＝３．８６、ｂ−３，８６、ｃ＝１
１．６０である。

７−δ また、ＲＥＢａ　　Ｃｕ　　ＯおよびＲＥＢａ２−、　
Ｌａｘ２　　３　　７−δ Ｃｕ　　Ｏの原子組成は厳密に上記式通りである３７−
δ 必要はなく、それぞれの特性が発現する範囲で多少上記
式の組成から外れていてもよい。

また、基板と電気絶縁物の薄層のいずれもＲＥＢａ　　
Ｃｕ　　Ｏで構成することが望ましいが、い２３７−δ ずれか一方のみをＲＥＢａ　　Ｃｕ　　Ｏで構成するよ
２３７−δ うにしてもよい。

本発明の超電導素子は、上記したジョセフソン素子の他
、超電導３端子素子や高感度磁気センサ等にも適用可能
である。

（作　用）本発明においては、基板または電気絶縁物の薄層を、Ｒ
ＥＢａ　　Ｃｕ　　Ｏと同一結晶構造のＲＥＢａ２３７
−δ ２−ｘ　ＬａｘＣｕａ　Ｏ７−δで形成したので、スパ
ッタ等によりＲＥＢａ　　　Ｌａ　　Ｃｕ　　Ｏ基板上
にＲＥ　Ｂ　ａ　２２−ｘ　　　　Ｘ　　　　３　　　
７−δＣｕ　　Ｏ層を成長させる際、あるいＲＥＢａ２
Ｃｕａ３　　７−δ θ　　層上にＲＥＢａ　　　Ｌａ　　Ｃｕ　　Ｏの薄膜
を形７−δ　　　　　２−ｘ　　ｘ　　３　７−δ成す
る際、各層はそれぞれ基板または下の層に対してエピタ
キシャルに成長し、したがって基板の方位を選定するこ
とにより任意の方位をもった大面積の単結晶膜を容易に
得ることが可能となり層間の不整合のない超電導素子を
得ることができろうこのように発明の超電導素子は、基
板や電気絶縁物の薄層が、酸化物超電導体と同一の結晶
構造を有するので、格子定数、熱膨脹係数の不整合がな
い。

したがって、本発明の酸化物超電導体超電導素子は、ジ
ョセフソン素子、超電導３端子素子あるいは高感度磁気
センサ等の用途において優れた特性を発揮することがで
きる。

（実施例）次に本発明の実施例について説明する。

実施例１基板として、ＹＢａＬａＣｕ　　Ｏ単結晶を用いて、３
７−δ そのＣ面上にスパッタにより　ＹＢａ　　Ｃｕ　　Ｏを
２μｍのＮｕに成長させ、さらに、この上にスパッタに
より　ＹＢａＬａＣｕ　　Ｏを厚さ　１００人に成長３
７−δ させて電気絶縁体層とした。これを酸素気流中で４００
℃×２４時間保持した後、この上にｐｂを堆積してジョ
セフソン接合を形成した。次にこの特性を４．２Ｋにお
いて評価したところ、良好なトンネルジョセフソン現象
が観測された。また、このとき基板を介してのリーク電
流はほぼ０であった。

比較例１基板として、ＹＢａ　　Ｃｕ　　Ｏ単結晶を用い、２３
７−δ 実施例１と同様にジョセフソン接合を形成し同じ条件で
熱処理を施した。この特性を実施例１と同じ条件下で評
価したところ、ジョセフソン現象の観測は得られたもの
の、基板も測定温度において超電導特性を示したため、
同一基板上にある他の素子との絶縁は不可能であった。

実施例２基板として、ＹＢａＬａＣｕ　　Ｏ単結晶を用いて、３
７−δ そのＣ面上にスパッタにより　ＹＢａ　　Ｃｕ　　Ｏを
２μ腸の薄膜に成長させ、次いでこの上にスパッタによ
り　ＹＢａＬａＣｕ　　Ｏを厚さ　１００人に成長さ３
　　７−δ せて電気絶縁体層とし、さらにこの電気絶縁体層上にＹ
Ｂａ　　Ｃｕ　　Ｏを２μｌの薄膜に成長させ２３７−
δ てジョセフソン接合を形成した。これを酸素気流中で４
００℃Ｘ２４時間保持した後、このジョセフソン素子の
特性を８０にで評価したところ、良好なトンネルジョセ
フソン現象が観測された。また、このとき基板を介して
のリーク電流はほぼＯであった。

比較例２絶縁層として０６　ＹＢａ２Ｃｕ３０６を低酸素分圧中
で堆積した以外は実施例２と同じ条件で、ジョセフソン
接合を作製した。

これに実施例２と同様の熱処理を施したところ、成膜部
分全体が超電導となり、ジョセフソン特性は得られなか
った。

比較例３絶縁層として８１０゜を用いた以外は実施例２と同様に
してジョセフソン接合を形成した。

これに実施例２と同様の熱処理を施した後、６０にで特
性を評価したところ、超電導体−絶縁体層界面準位の発
生により、トンネルジョセフソン特性は得られなかった
。

［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、基
板または電気絶縁物の薄層を、ＲＥＢａ２Ｃｕ３０７−
６と同一結晶構造のＲＥＢａ２−ｘｌ、ａ、　Ｃｕ３０
７−δで形成したので、スパッタ等によりＲＥＢａｚ−
ｘＬａＸ　”３０１−５基板上にＲＥＢａ　　Ｃｕ　　
Ｏ層を成長２　　３　　７−δ させる際、あるいＲＥＢａ　　Ｃｕ　　Ｏ層上にＲＥＢ
ａ２−２　　３　　７−δ 工Ｌａ　！　Ｃｕ　３０□−８の薄膜を形成する際、各
層はそれぞれ基板または下の層に対してエピタキシャル
に成長し、したがって基板の方位を選定することにより
任意の方位をもった大面積の単結晶膜を容易に得ること
が可能となり、層間の不整合のない超電導素子を得るこ
とができる。

出願人　　　　　株式会社　東芝

Claims

【特許請求の範囲】

（１）式ＲＥＢａ＿２Ｃｕ＿３Ｏ＿７＿−＿δ （ただし、ＲＥは、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ
、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、ＴｍおよびＹｂから選ばれ
た希土類元素。以下同じ。）で表わされる酸化物超電導体層上に電気絶
縁物の薄層が介在する接合部を有する超電導素子におい
て、前記電気絶縁物の薄層を、式ＲＥＢａ＿２＿−＿ｘＬａ＿ｘＣｕ＿３Ｏ＿７＿−＿δ
（ただし、０．６≦ｘ≦１。以下同じ。）で表わされる酸化物により形成したことを特徴とする超
電導素子。
（２）基板上に、式ＲＥＢａ＿２Ｃｕ＿３Ｏ＿７＿−＿δ で表わされる酸化物超電導体層を形成し、この酸化物超
電導体層上に、接合部を形成させる超電導素子において
、前記基板を、式ＲＥＢａ＿２＿−＿ｘＬａ＿ｘＣｕ＿３Ｏ＿７＿−＿δ
で表わされる酸化物により形成したことを特徴とする超
電導素子。