JPH04152683A - 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】 産業上の利用分野 本発明は、超電導素子に関する。より詳細には、酸化物
超電導体による第１および第２の超電導層とこれらの超
電導層の間に配置された接合層を具備する超電導素子の
新規な構成に関する。

従来の技術 ジョセフソン素子は、ジョセフソン接合による強い非線
型の電流−電圧特性を利用した超電導素子の中でも最も
代表的なものである。ジョセフソン接合は、一般に一対
の超電導体を超電導接合が実現するような接合部で接合
したものである。最も好ましい構造のジョセフソン接合
は、一対の超電導体で薄い非超電導体をはさんだトンネ
ル型の接合である。この場合、接合部は薄い絶縁体層で
構成されている。しかしながら、接合部力＜微小な点で
ある点接触型弱結合の超電導接合、接合部が断面積の小
さい超電導体電流路であるマイクロブリッジ型弱結合の
超電導接合等、一対の超電導体を弱く結合した超電導接
合も、特性は異なるもののジョセフソン効果を発揮する
。一般に、このような超電導接合は非常に微細な構成で
あり、上記の超電導体および絶縁体は、いわゆる薄膜で
構成されている。

上記のトンネル型ジョセフソン接合のジョセフソン素子
を酸化物超電導体を使用して実現する場合、第１の酸化
物超電導体層、トンネル障壁の絶縁体層および第２の酸
化物超電導体層が順に積層された構成としなければなら
ない。

上記のジョセフソン素子において、絶縁体層の厚さは、
超電導体のコヒーレンス長によって決まる。酸化物超電
導体は、コヒーレンス長が非常に短いため、酸化物超電
導体を使用したトンネル型ジョセフソン素子では、絶縁
体層の厚さを数ｎｍ程度にしなければならない。

また、点接触型超電導接合、マイクロブリッジ型超電導
接合は、いずれも一対の超電導体の弱結合が実現するよ
うな非常に微細な加工を必要とする。

一方、素子としての特性を考慮すると、上記の各層の結
晶性がよくなければならない。即ち、全ての層が単結晶
で形成されていることが好ましく、多結晶またはアモル
ファスの層がある場合には、ジョセフソン素子の性能は
安定しない。

上記のトンネル型ジョセフソン素子だけでなく、酸化物
超電導体と半導体を組み合わせた超電導トランジスタ等
の素子でも同様に各層が単結晶で構成されていることが
要求される。

発明が解決しようとする課題 従来の酸化物超電導体を用いたトンネル型ジョセフソン
素子は、適当な基板上に第１の酸化物超電導薄膜、絶縁
体薄膜、第２の酸化物超電導薄膜を順に積層することで
実現されていた。従って、優れた特性の素子を作製する
には、酸化物超電導薄膜上に数ｎｍの厚さの単結晶の絶
縁体薄膜を形成することが必要であった。

しかしながら、酸化物超電導薄膜上に結晶性のよい他の
材料の薄膜を作製することは困難であり、そのため、そ
の上に積層する第２の酸化物超電導薄膜の結晶性も悪か
った。

また、上記従来の方法で作製した従来の構成のトンネル
型ジョセフソン接合では、酸化物超電導薄膜と絶縁体薄
膜との界面の状態が良好でなく所望の特性が得られなか
った。

一方、点接触型超電導接合、マイクロブリッジ型超電導
接合を実現するような、微細な加工も非常に困難であり
、安定した性能の超電導接合を再現性よく作製すること
ができなかった。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決
した、新規な構成の超電導素子を提供することにある。

課題を解決するための手段 本発明に従うと、基板上に形成された酸化物超電導体で
構成された第１および第２の超電導層と、前記第１およ
び第２の超電導層が超電導接合を構成するよう前記第１
および第２の超電導層の間に配置された接合層とを有す
る超電導素子において、前記接合層が基板上に形成され
た酸化物超電導体の結晶性を悪化させる物質の層上に配
置された前記酸化物超電導体と構成元素が等しい、前記
酸化物超電導体より結晶性が悪い酸化物で構成されてい
ることを特徴とする超電導素子が提供される。

作用 本発明の超電導素子は、酸化物超電導体による第１およ
び第２の超電導層と、第１および第２の超電導層の間に
超電導接合を生じさせる接合層が同一の基板上に隣接し
て配置されている。また、接合層は、超電導層を構成し
ている酸化物超電導体と構成元素が等しく、酸化物超電
導体よりも且つ結晶性が悪い酸化物で構成されている。

特に作製方法の面から換言すれば、本発明の超電導素子
は、一部に酸化物超電導体の結晶性を悪化させる物質の
層が形成された基板上に酸化物超電導薄膜を形成し、前
記物質の層により結晶性が乱れて、超電導性が弱くなっ
た酸化物超電導体による接合層または超電導性を失った
酸化物超電導体による接合層を具備する。また、酸化物
超電導薄膜のこの接合層以外の部分が、良好な超電導層
となっている。本発明の超電導素子では、上記の接合層
はトンネル障壁層または弱結合層である。

上記のような構成を有する本発明の超電導素子は、もと
もと一体に形成した酸化物超電導薄膜で構成されており
、また、構成元素は、どの部分も等しい。また、超電導
層と接合層との界面は結晶粒界であり、シャープに形成
される。

上記の本発明の超電導素子は、一部に酸化物超電導体の
結晶性を悪化させる物質の層が形成された基板上に酸化
物超電導薄膜を形成することにより作製できる。酸化物
超電導体の薄膜の結晶状態は、下地の基板に大きく影響
を受ける。例えば、ＭｇＯ１ＳｒＴｉＯｈの（１００）
基板上には、Ｃ軸配向の単結晶からなる酸化物超電導薄
膜を容易に成長させることができる。しかしながら、例
えば多結晶Ｚｒ○２、多結晶ｙｓｚ、多結晶Ｐｒｏ２等
の上には同じ条件で成膜を行っても結晶性の悪い酸化物
超電導薄膜が成長する。

酸化物超電導体は、結晶性が悪いと結晶粒界等の影響で
その特性が大幅に低下するので、結晶性がよい酸化物超
電導体が超電導性を示す温度でも超電導性を示さない場
合がある。従って、本発明の素子は、表面の一部に多結
晶１ｒＣ）２、多結晶ＹＳｚ、多結晶Ｐｒｏ２等の層が
形成された基板上に酸化物超電導薄膜を成膜することに
より作製することができる。

酸化物超電導薄膜の結晶性を悪化させる物質としては、
上記の多結晶ＺｒＯ２、多結晶ｙｓｚ、多結晶ＰｒＯ２
の他に、単結晶または多結晶ＢａＦ２、単結晶または多
結晶ＣａＦ２、単結晶または多結晶Ｍｇ　Ｆ　２等が使
用可能である。上記の物質の層は、例えばジョセフソン
素子を作製する場合には、幅１μｍ程度の線状であるこ
とが好ましい。また、層の厚さは５０ｎｍ程度であるこ
とが好ましい。酸化物超電導体でジョセフソン素子を作
製する場合、必要なトンネル障壁の接合層の厚さは５ｎ
ｍ程度である。基板上に成長した酸化物超電導薄膜の基
板の直ぐ上の部分は基板の影響を大きく受けるが、成長
するに従い薄膜の他の部分からの影響が大きくなる。従
って、本発明の方法で酸化物超電導薄膜中に５ｎｍの厚
さの接合層を形成する場合、基板表面に１μｍ程度の幅
の上記物質の層を形成しておく必要がある。

本発明の超電導素子には、任意の酸化物超電導体が使用
できるが、Ｙ、Ｂａ２Ｃ１３０ｔ−ｘ系酸化物超電導体
は安定的に高品質の結晶性のよい薄膜が得られるので好
ましい。また、Ｂ１□５ｒ２Ｃａ２Ｃｕ、　ＣＬ系酸化
物超電導体は、特にその超電導臨界温度Ｔｃが高いので
好ましい。

以下、本発明を実施例により、さらに詳しく説明するが
、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎず、本発明
の技術的範囲をなんら制限するものではない。

実施例 第１図に、本発明の超電導素子の一例の概略断面図を示
す。第１図の超電導素子は、ジョセフソン素子であり、
表面に多結晶ＺｒＯ２層４０を有する基板４上に形成さ
れた酸化物超電導薄膜１０で構成されている。基板４の
表面の多結晶ＺｒＯ□層４０層外０以外の上の酸化物超
電導薄膜は、Ｃ軸配向の結晶で構成された超電導層１．
２となっている。

また、基板４の表面の多結晶Ｚｒ０２層４０の上の酸化
物超電導薄膜は結晶性が悪く、接合層３になっている。

作製例１ 本発明の超電導素子を作製した。基板にはＭｇＯ単結晶
基板を用い、酸化物超電導体にはＹＩＢａ２Ｃｕ＋０ｔ
−ｘを使用した。第２図（ａ）〜（Ｃ）を参照して、作
製手順を説明する。

まず、第２図（ａ）に示すようＭｇＯ（１００）基板４
の表面に第２図ら）に示すよう素子の全幅にわたる長さ
で、幅１μｍ、厚さ５０ｎｍの多結晶１ｒＯ２層４０を
真空蒸着法で形成する。この場合、厚さ５Ｑｎｍの１ｒ
Ｏ２を基板全面に蒸着した後、フォ）　ＩＪソグラフィ
法により、幅１μｍのパターンに成形する。

蒸着条件を以下に示す。

基板温度　　　８００℃ 圧　　　力　　５　Ｘｌ０−’Ｔｏｒｒ　　（ｏ２　）
蒸着速度　　　１０人／秒 第２図（Ｃ）に示すよう、表面に多結晶１ｒ０２　層４
０を具備する基板４上に酸化物超電導薄膜を形成した。

Ｙ、ＢａおよびＣｕを原子比１：２：４．５で含む焼結
体をターゲットに用いて、スパッタリング法により、基
板４表面の多結晶１ｒＣｈ層４０以外の部分上にＣ軸配
向の酸化物超電導薄膜が成長するように成膜を行った。

以下にスパッタリングの条件を示す。

基板温度　６３０℃ スパッタリングガス　Ａｒ　　８　ＳＣＣＭ○２４ＳＣ
ＣＭ 圧力　　　５　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ 上記の条件で形成した酸化物超電導薄膜は、基板４表面
の多結晶ＺｒＣｈ層４０層外０以外上はＣ軸配向の結晶
で構成され、基板４の多結晶１ｒＣｈ層４０上は、多結
晶またはアモルファスで構成されていた。また、８５Ｋ
に冷却し、周波数１０ＧＨｚ、出力０．１ｍＷのマイク
ロ波を印加したところ、２０．７μＶの倍数の電圧点で
シャピロステップが観測され、ジョセフソン結合が実現
していることが確認された。

作製例２ Ｂ＋２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３０ｗ超電導体を使用し、作製
例１と同様の方法により第１図に示す本発明の超電導素
子を作製した。基板には、５ｒＴｉＯ：＋　　（１００
）基板を使用した。作製例１同様に基板の表面に素子の
全幅にわたる長さで、幅１μｍ、厚さ５０ｎｍの多結晶
Ｚｒ０ｚ層を真空蒸着法で形成する。この場合、厚さ５
０ｎｍのＺｒＯ□を基板全面に蒸着した後、フォトリン
グラフィ法により、幅１μｍのパターンに成形する。蒸
着条件を以下に示す。

基板温度　　　８００℃ 圧　　　力　　５　Ｘｌ０−’Ｔｏｒｒ　　（０２）蒸
着速度　　　１０八／秒 多結晶ＺｒＯ□層を形成した基板上に、”ＳＳｒ。

ＣａおよびＣｕを原子比２＋２＋２：３で含む焼結体を
ターゲットに用いたスパッタリング法でＢｉ、Ｓｒ、Ｃ
ａ２Ｃｕ３０．酸化物超電導薄膜を形成した。

スパッタリング条件を以下に示す。

基板温度　６５０℃ スパッタリングガス　Ａｒ　　８　ＳＣＣＭ０２　４Ｓ
ＣＣＭ 圧力　　　５　ＸＩＯ’Ｔｏｒｒ 上記の条件で形成した酸化物超電導薄膜は、基板表面の
多結晶ＺｒＯ２層以外の部分上はＣ軸配向の結晶で構成
され、基板の多結晶ＺｒＯ２層上は、多結晶またはアモ
ルファスで構成されていた。また、９０Ｋに冷却し、周
波数１５Ｇ＆、出力０．１ｍＷのマイクロ波を印加した
ところ、３１μＶの倍数の電圧点でシャピロステップが
観測され、ジョセフソン結合が実現していることが確認
された。

発明の詳細 な説明したように、本発明の超電導素子は、酸化物超電
導薄膜の一部を、超電導性が弱い酸化物超電導体または
超電導を示さない酸化物に変えた構成となっている。従
って、従来のように酸化物超電導薄膜上に絶縁体薄膜等
を積層することなく作製可能である。本発明の方法に従
って、本発明の超電導素子を作製すると、全体を一体に
形成するので、作製が容易であるだけでなく、特性も安
定している。さらに、接合層は、酸化物超電導体と等し
い構成元素からなる酸化物で構成されているので、各種
特性に悪影響を与えることもない。

本発明により、超電導技術の電子デバイスへの応用がさ
らに促進される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の超電導素子の概略断面図であり、 第２図は、本発明の超電導素子を作製する場合の工程の
一例を示す概略図である。 〔主な参照番号〕 １．２・・・超電導層、 ３・・・接合層、　４・・・基板 特許出願人　　住友電気工業株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　基板上に形成された酸化物超電導体で構成された第１
   および第２の超電導層と、前記第１および第２の超電導
   層が超電導接合を構成するよう前記第１および第２の超
   電導層の間に配置された接合層とを有する超電導素子に
   おいて、前記接合層が基板上に形成された酸化物超電導
   体の結晶性を悪化させる物質の層上に配置された前記酸
   化物超電導体と構成元素が等しい、前記酸化物超電導体
   より結晶性が悪い酸化物で構成されていることを特徴と
   する超電導素子。