JPH04155875A - 超電導素子および作製方法 - 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、超電導素子およびその作製方法に関する。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、新規な構成の超電導素子およびその作製方法に
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、接合部が微小な点であ
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およびそれを作製する方
法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ふよび第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の超電導層の開に配置された接合層とを有す
る超電導素子において、前記超電導層および前記接合層
がそれぞれ同一の基板面の結晶性のよい部分上およびア
モルファス部分上に配置され、前記超電導層が酸化物超
電導体で構成され、前記接合層が、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。

また、本発明においては、上記の超電導素子を作製する
方法として、成膜面の一部をアモルファス化した単結晶
基板上に酸化物超電導薄膜を成膜する工程を含むことを
特徴とする超電導素子の作製方法が提供される。

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、一部がアモルファス化された単結晶基板上に酸化物
超電導薄膜を形成し、基板のアモルファス部分で結晶性
が乱れて超電導性を失った接合層を具備する。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、成膜面の一部がアモルフ
ァス化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
、下地の基板の状態に大きく影響を受ける。例えば、Ｍ
ｇＯ１ＳｒＴｉＣｈ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、ＭｇＯ，５ｒＴｉ　Ｏｓ
であっても結晶面が異なる基板、アモルファス基板、表
面が平滑でない基板に同じ条件で成膜を行っても結晶性
のよい酸化物超電導薄膜を成長させることが困難である
。

また、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非超電導体とな
る。従って、表面の一部がアモルファス化された基板上
に酸化物超電導薄膜を成膜することにより、本発明の超
電導素子を作製することが可能である。

基板表面のアモルファス化された部分は、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。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５ｎｍ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、基板表面の１μｍ程度の
幅の部分を予めアモルファス化しておく必要がある。

基板表面の１μｍ程度の幅の部分をアモルファス化する
には、例えば、基板表面の該当部分をレーザ等で溶融し
、再凝固させる方法が使用できる。

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　１Ｂａ２Ｃｕ３０　ｑ−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、Ｂｔ、５ｒ３Ｃａ３Ｃｕ３０Ｘ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、
表面の一部４３がアモルファスになっている単結晶基板
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４０表面の結晶性のよい部分４１．４２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の表面のアモルフ
ァス部分４３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。接合層３により、超電導層１お
よび２の間には超電導接合が成立している。

作製例１ 本発明の方法により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Ｙ
、Ｂａ２Ｃｕ＋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）に示すようなＭｇＯ（１００）基板
４の表面の幅１μｍの部分４３を第２図ら）に示すよう
素子の全幅にわたる長さで、エキシマレーザを照射して
溶融・再凝固させ、アモルファスにする。レーザは以下
の条件で照射した。

波　　　長　　　　　　　１９３　ｎｍ出　　　力　　
　　　　　　　３．５Ｊ／ｃｕｔパルスレート　　　　
１＆ 第２図（Ｃ）に示すよう、表面の一部４３がアモルファ
スとなり、その両側４１．４２が単結晶の基板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表面の単結晶部分４１
．４２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　ＳＣＣＭ０２　４Ｓ
ＣＣＭ 圧力　　　５　Ｘｌ０−２Ｔｏｒｒ 上記の条件で形成した酸化物超電導薄膜は、基板４表面
の単結晶部分４１．４２上はＣ軸配向の結晶で構成され
、基板４のアモルファス部分４３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 Ｂｉ２Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｕ、　ＯＸ超電導体を使用し、作
製例１と同様の本発明の方法により第１図に示す本発明
の超電導素子を作製した。基板には、３ｒＴｉＯａ（１
００）基板を使用した。作製例１同様にエキシマレーザ
により以下の条件でアモルファス部分を１μｍ幅で、作
製する素子の全幅に亘る長さに形成した。

波　　　長　　　　　　　１９３　ｎｍ出　　　力　　
　　　　　　　３，５Ｊ／ｃｎｆパルスレート　　　　
ＩＨｚ アモルファス部分を形成した基板上に、Ｂｉ、　Ｓｒ、
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、５ｒ２Ｃ
ａ、Ｃｕ、　ＯＸ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　　８ＳＣＣＭ０２４ＳＣＣ
Ｍ 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、基板表面の
単結晶部分上はＣ軸配向の結晶で構成され、基板のアモ
ルファス部分上は、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１５ＧＨｚ、
出力０．１ｍＷのマイクロ波を印加したところ、３１μ
Ｖ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
導薄膜の一部を接合層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非超電導体薄膜
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、本発明の方法により本発明の超電導素子を作
製する場合の工程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 (2)

【特許請求の範囲】
1. （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、前記超電導層および前記接合層がそれぞれ
   同一の基板面の結晶性のよい部分上およびアモルファス
   部分上に配置され、前記超電導層が酸化物超電導体で構
   成され、前記接合層が、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。
2. （２）請求項１に記載の超電導素子を作製する方法にお
   いて、成膜面の一部をアモルファス化した単結晶基板上
   に酸化物超電導薄膜を成膜する工程を含むことを特徴と
   する超電導素子の作製方法。