JPH04287381A

JPH04287381A - 超電導素子

Info

Publication number: JPH04287381A
Application number: JP3052171A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kasai; 葛西　昌弘; Yoko Kanke; 管家　庸子; Toshiyuki Ono; 俊之大野; Yuzo Kozono; 小園　裕三; Masanobu Hanazono; 雅信華園
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-03-18
Filing date: 1991-03-18
Publication date: 1992-10-12

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導電子対の酸化物
磁性体中への近接効果を利用した、高感度電磁波検出素
子及び高速スイッチング素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の金属系超電導体（例えばＮｂやＰ
ｂ等）を用いた超電導デバイスでは、超電導体の間に数
十Å程度の膜厚の絶縁層をはさんだ３層構造のジョセフ
ソン接合を作製することにより、高速スイッチング素子
や高周波ミキサーを作製することは既に可能であった。高温超電導体を用いてこれらの素子を作製することが広
く試みられているが、現在のところ成功していない。こ
の理由としては、高温超電導体のコヒーレント長がａ−
ｂ面内で約１０Å、ｃ軸方向に約３Å程度と非常に短い
ため、絶縁体から成るバリア層を数Å以下にする必要が
あり、従来型のジョセフソン接合を作製することが望め
て困難なためである。また、下部の超電導電極に高温超
電導体を用い、上部の超電導電極にＮｂ，Ｐｂ等の金属
超電導体を用いて上記ジョセフソン接合を作製しようと
する試みもあるが成功していない。これについては、ア
プライド・フィジックス・レターズ第５６巻　　第１９
号（１９９０）第７８８頁から第７９０頁（Ａ・Ｐ・Ｌ
　　Ｖｏｌ．５６，Ｎｏ．１９（１９９０）ｐ．７８８
−７９０）において、詳しく論じられている。

【０００３】一方、積層型ジョセフソン接合を用いない
タイプの超電導素子として、超電導トランジスターがあ
る。これは、Ｓｉ等の半導体上に０．１μｍ　程度の長
さのギャップ部をはさんで対向する、１対の超電導電極
を設けこの間にゲート電極を設けたものである。この素
子は、超電導電極から半導体中に超電導電子対がしみだ
すいわゆる超電導近接効果を利用したものである。超電
導電子対（すなわち波動関数）のしみだした領域は超電
導体と同様の性質を持ち、上記１対の超電導電極間を超
電導電流が流れ、この電流をゲート電極に印加する電解
で制御することにより、トランジスターと同様な動作が
できる。これを高温超電導体を用いて作製する場合、従
来と同様に半導体基板としてシリコンを用いると超電導
膜と基板の反応により良好な超電導電極が得られ無いと
いう問題点があった。また、短コヒーレント長（ｃ軸方
向におよそ３〜４オングストロームである。）に対応し
て半導体中の波動関数のしみだし距離ξＮ　も短いため
超電導電極間のギャップ長をおおよそ１００Å程度にま
で短くする必要が有り、その作製は著しく困難である。また、さらに従来の金属超電導体を用いて上記超電導ト
ランジスターを作製する場合においても、上記１対の超
電導電極からしみだした波動関数が重なりあって、超電
導電流が流れるためには、ギャップの長さを０．１μｍ
　以下にする必要があり現状の技術では集積化が不可能
であった。

【０００４】発明者らは、超電導体の近接効果について
研究を進めて行くうち、酸化物磁性体中において極めて
長い滲みだし距離を持って超電導電子対がしみだし、そ
の距離は１．０μｍ　以上にも及ぶことを見出した。本
発明は、金属超電導体または化合物超電導体と、酸化物
磁性体の新規な近接効果を利用し、超電導体を用いた高
速スイッチング素子や、高感度電磁波検出素子の作製を
可能にしたものである。また、超電導トランジスターの
集積化を可能ならしめたものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来技術によるならば
、高温超電導体または、高温超電導体と金属超電導体を
用いた高速スイッチング素子や、電磁波検出素子を作製
することは困難であった。本発明は酸化物磁性体中では
超電導電子対が滲みだす距離が従来よりも長いという、
超電導体と酸化物磁性体の新規な近接効果を利用してこ
れらの素子を提供することを目的とする。

【０００６】従来技術によるならば、超電導トランジス
ターを集積化することは困難であった。本発明は、超電
導トランジスターを集積化した集積化素子を提供するこ
とにある。また、本超電導素子を用いた演算システムを
提供することに有る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、酸化物超電導体を下部電極としてこの上にペロブス
カイト構造を有する酸化物磁性体を積層し、さらに金属
または化合物から成る上部電極を積層した３層構造の超
電導トンネル接合を用いたものである。

【０００８】特に、上記超電導層間にペロブスカイト構
造を有する酸化物磁性体を介在させ、この新規な近接効
果を利用することにより、膜厚の厚い酸化物磁性体を有
する超電導素子を実現する。

【０００９】また、本発明の超電導素子は、一定の温度
領域で超電導状態を示す超電導体間に、前記温度領域で
非超電導状態を示す中間層をはさんで形成したことを特
徴とする。この中間層はペロブスカイト構造を有する酸
化物磁性体であることが好ましい。

【００１０】また、上記目的を達成するために酸化物磁
性体と超電導体を交互に積層した３層構造以上の多層構
造の積層薄膜を形成しても良い。

【００１１】このような積層膜から成る超電導トンネル
接合素子は、次のような利用法をすることが望ましい。すなわち、上部の超電導電極と下部の超電導電極に、電
流源を接続しこの間に電流を流し、これと同時に上記電
極間に電圧をモニターする手段を設置する。素子を超電
導体の超電導転移臨界温度（Ｔｃ）以下の温度に下げる
と、上記超電導電極間には非超電導状態にある酸化物磁
性体を介して超電導電流が流れる。この超電導電流は、
電磁波を照射したりあるいは、光を照射したりまた圧力
を加えることによって減少したり消失したりする。超電
導電流が消失することにより、上下の超電導電極間には
電圧が発生する。この電圧の発生を上記電圧をモニター
する手段により検出することにより、スイッチング素子
や電磁波，圧力検出素子としての応用が可能である。

【００１２】本発明における超電導体とは、主として金
属単体からなる超電導体（例えばＰｂ，Ｎｂ等）や、化
合物超電導体（Ｎｂ３Ｇｅ，Ｎｂ３Ｓｎ等）を指す。し
かし、超電導転移臨界温度（Ｔｃ）が９０ＫのＹ１Ｂａ
２Ｃｕ３Ｏｚ（ｚは６．５から７．０）や、１２５Ｋの
Ｔｌ２Ｂａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０などのような酸化物超
電導体であっても構わない。

【００１３】ペロブスカイト構造とは、組成式ＡＢＯ３
　の一般式で表わされる結晶構造で、金属イオンＢが立
方体の各頂点に位置し、重心の位置に金属イオンＡが位
置する構造を基本としている。酸素Ｏは、Ｂイオンの周
囲に配位し、部分的に欠損することもある。この酸素Ｏ
の欠損量が本構造を持つ酸化物の物性に影響する。

【００１４】高温超電導体は全てこの結晶構造を有する
銅の酸化物である。ペロブスカイト構造を有する非銅系
の酸化物の中に比較的低い温度で超電導特性を示す物質
があるが、ここではそれらを含めて酸化物超電導体とよ
ぶ。

【００１５】ここで、金属超電導体及び化合物超電導体
を具体的に列挙すると以下のようなものがある。

【００１６】Ｂｅ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｌａ，Ｖ，Ｎｂ
，Ｃｅ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｐａ，Ｔｃ，Ｒｅ，Ｕ，Ｒｕ
，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｈｇ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，
Ｔｌ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｂｉ
，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｌｕ，Ｎｂ３Ｓｎ，Ｎｂ３Ｇｅ，Ｎｂ０
．７Ｔｉ０．３，（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎ，（Ｎｂ，Ｔｉ
）３Ｇｅ，Ｖ３Ｇａ，Ｎｂ３（Ａｌ，Ｇｅ），ＮｂＮ，
（Ｐｂ，Ｓｎ，Ｃｕ）Ｍｏ６Ｓ８。ただし、（Ａ，Ｂ）
とはＡまたはＢの元素の少なくとも一方という意味であ
る。

【００１７】また、上記のほかに高圧条件下でのみ超電
導を示す以下のような物質もある。Ｃｓ，Ｂａ，Ｓｉ，
Ｇｅ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｌｕ，Ｃｅ。

【００１８】また、酸化物超電導体を具体的に列挙する
と以下のようなものがある。

【００１９】（Ｌａ１−ｘＭｘ）Ｃｕ２Ｏ４（Ｍ＝Ｂａ
，Ｃａ，Ｓｒ．ｘ＝０．０５から１．０），Ｌａ１Ｂａ
２Ｃｕ３Ｏ７，Ｌａ２ＮａＣｕＯ４，Ｂｉ０．１Ｌａ１
．８Ｓｒ０．１ＣｕＯ，Ｌａ２ＣｕＯ４，Ｌａ２Ｂａ３
ＬｕＣｕ６Ｏ，ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７，Ｙ２Ｂａ４Ｃｕ８
Ｏ２０，Ｙｂ２Ｂａ４Ｃｕ７Ｏ１５，Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃｕ
Ｏ６，Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ２Ｏ８，Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃ
ａ２Ｃｕ３Ｏ１０，Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ３Ｃｕ４Ｏ１２，
Ｂａ（Ｐｂ１−ｘＢｉｘ）Ｏ３，（Ｂａ１−ｘＫｘ）Ｂ
ｉＯ３，（Ｂｉ１−ｘＰｂｘ）２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ
，Ｂｉ２Ｓｒ２．６Ｎｄ０．４ＣｕＯ８，Ｔｌ２Ｂａ２
ＣｕＯ６，Ｔｌ２Ｂａ２Ｃａ１Ｃｕ２Ｏ８，Ｔｌ２Ｂａ
２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０，Ｔｌ１Ｂａ２Ｃａ１Ｃｕ２Ｏ６
，Ｔｌ１Ｂａ２Ｃａ３Ｃｕ４Ｏ８，Ｔｌ１Ｂａ３Ｃａ２
Ｃｕ４Ｏ１０，Ｔｌ１Ｓｒ２Ｃｕ３Ｏ，（Ｔｌ０．５Ｐ
ｂ０．５）Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ８，Ｎｄ１．６Ｓｒ０
．２Ｃｅ０．２ＣｕＯ４，（Ｔｌ０．７５，Ｂｉ０．２
５）１．３（Ｓｒ０．５Ｃａ０．５）２．７Ｃｕ２Ｏ８
，Ｐｂ２Ｓｒ２Ｙ０．５Ｃａ０．５Ｃｕ３Ｏ８特に、本
発明においては、前記酸化物超電導体として、銅系の酸
化物超電導体が好ましい。

【００２０】また、本発明の超電導素子は、超電導体と
酸化物磁性体を積層して形成したもの、或は超電導体間
に酸化物磁性体をはさんで形成したものであって。前記
酸化物超電導体の少なくとも一方が前記酸化物磁性体と
同じ結晶構造を有することが好ましい。

【００２１】なお、前記超電導体の少なくとも一方と前
記磁性体は、それぞれ、ペロブスカイト構造を有する酸
化物超電導体及びペロブスカイト構造を有する酸化物磁
性体であることが好ましく、そのそれぞれの層がエピタ
キシャルな方位関係を持って成長することが好ましい。

【００２２】また、前記バリア層、いわゆる中間層の材
料としてはペロブスカイト構造を有する酸化物磁性体が
好ましく、具体的には、Ｍｎ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｉ
，Ｒｕ等の磁性元素を含むことが好ましい。さらに、具
体的には、（Ｌａ，Ｃａ）１Ｍｎ１Ｏｙ（ｙは２．７か
ら３．３、以下同様）がある。括弧内に記載されている
ものは、少なくともどちらかを含むとの意味である。さ
らに、中間層として以下のような材料がある。（Ｌａ，
Ｓｒ）１Ｍｎ１Ｏｙ，Ｂｉ１Ｍｎ１Ｏｙ，Ｂａ１Ｆｅ１
Ｏｙ，Ｓｒ１Ｃｏ１Ｏｙ，（Ｌａ，Ａ）１Ｂ１Ｏｙ（Ａ＝Ｂａ，Ｓｒ，Ｐｂ，Ｃｄ
　　Ｂ＝Ｍｎ，Ｃｏ），［（Ｐｒ，Ｎｄ），（Ｂａ，Ｓ
ｒ）］１Ｍｎ１Ｏｙ，（Ｂｉ，Ｃａ）１Ｍｎ１Ｏｙ，Ｌ
ａ１（Ｍ，Ｍｎ）１Ｏｙ（Ｍ＝Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｒ
），（Ｌａ，Ａ）１Ｂ１Ｃ１Ｏｙ（Ａは希土類元素、Ｂは少
なくとも１種以上のアルカリ土類元素、ＣはＦｅ，Ｃｏ
，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏの少なくとも１つ）Ｇｄ１（
Ｃｏ，Ｍｎ）１Ｏｙ，Ａ１（Ｆｅ，Ｂ）１Ｏｙ（Ａ＝Ｂ
ａ，Ｃａ，Ｓｒ　　Ｂ＝Ｍｏ，Ｍｎ），Ｂｉ１Ｃｒ１Ｏｙ，Ｃａ１Ｒｕ１Ｏｙ，Ａ１（Ｂ，Ｃ）
１Ｏｙ（Ａ＝Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｐｂ　　Ｂ＝Ｎｉ，Ｍ
ｎ，Ｃｒ，Ｆｅ　　Ｃ＝Ｗ，Ｓｂ，Ｍｏ，Ｕ），（Ｓｒ
，Ｌａ）１（Ｃ，Ｄ）１Ｏｙ（Ｃ＝Ｃｏ，Ｎｉ　　Ｄ＝
Ｎｂ，Ｓｂ，Ｔａ）これらの材料を用いることにより、
酸化物磁性体から構成されるバリア層の膜厚は、１００
ｎｍを超える。これにより、従来の超電導素子では実現
不可能であったベースバイアス型超電導素子の作製が可
能と成った。

【００２３】上記の効果は、本発明者等による次の新現
象の発見に基づくものである。本発明者は、ペロブスカ
イト構造を有する酸化物磁性体中には、超電導電子対が
極めて長い距離にわたってしみだすという現象を発見し
た。

【００２４】このしみだし効果は、Ｎｂ超電導体とＳｉ
半導体とを積層した構造を作製したときに、超電導体か
ら半導体中に超電導電子対がしみだし、半導体の一部が
超電導体の性質を持つようになる、いわゆる近接効果と
して知られていた現象と類似のものである。

【００２５】すなわち、３層構造の上部の超電導層と下
部の超電導層とからしみだした超電導の性質が重なりあ
うことによって、厚い非超電導層を介して超電導電流が
流れるのである。

【００２６】本発明者は、バリア層としてペロブスカイ
ト構造を有する酸化物磁性体を用いることによって、こ
のような３層構造の接合を作製す幣ことに成功した。こ
れは、酸化物磁性体の電子構造が酸化物超電導体の電子
構造と類似していることに基づくものである。

【００２７】又、これは超電導電子対が容易にしみだし
えることと及び磁性体の持つ磁気的なスピン秩序が、電
子対を安定に保つことが、重要な役割を果たしているも
のと考えられる。この磁気的な作用とは、磁性元素の混
合原子価状態における、動的なスピン相互作用である。

【００２８】一方、金属系超電導体においては、超電導
体の間に数１０オングストロームの膜厚の絶縁体をはさ
んだ３層構造の積層膜で、上部超電導層から下部超電導
層へと電流を流す場合、超電導層の臨界温度以下で電流
が流れる。しかし、電圧は発生しない。

【００２９】これは、超電導電子対が、薄い絶縁体、い
わゆるバリア層をトンネルすることによって起こるもの
でジョセフソン効果と云われ、またこの３層の積層構造
はジョセフソン接合と云われている。

【００３０】本発明による３層構造の積層薄膜は、従来
のジョセフソン接合とは原理的に異なる現象に基づくと
考えている。そこでこの点を明確にするため、本発明に
よる３層構造の接合を，「超電導トンネル接合」と称す
ることとする。

【００３１】従来の超電導素子は、超電導体の薄に数十
オングストロームの膜厚の非磁性の絶縁物をはさんだ構
造を持つものである。この膜厚は、超電導電子対が相互
作用を持ちえる距離であるところのコヒーレント長を超
えることは出来なかった。

【００３２】Ｎｂ超電導体においてはこのコヒーレント
長は約３００オングストロームであるが、実際の素子作
製のためには、バリア層である絶縁体の膜厚は５０オン
グストローム以下にする必要があった。高温超電導体で
は、コヒーレント長がａ−ｂ面内で約１０オングストロ
ーム程度、ｃ軸方向に約３オングストローム（Å）程度
と非常に短いため、絶縁体から成るバリア層を数オング
ストローム以下にする必要があり、従来のジョセフソン
接合は作製が不可能であった。

【００３３】本発明は、超電導電子対が相関を持ち得る
距離であるコヒーレント長が、銅系の酸化物超電導体で
は、金属系超電導体に比べて非常に短いにもかかわらず
、高温超電導特性を示す銅系の酸化物超電導体を用いて
前記の特性を示す接合を作製する事に成功したものであ
り、これにより高速のスイッチング素子としての応用が
可能となった。

【００３４】本発明の超電導素子は、酸化物超電導体と
金属もしくは化合物超電導体の間に酸化物磁性体をはさ
んで形成したものであって、前記酸化物磁性体の膜厚が
前記酸化物超電導体のｃ軸方向のコヒーレント長より大
きいことを特徴とする。具体的には、コヒーレント長の
２５０倍程度又はそれ以上とすることが好ましく、１．
０μｍ　程度とできることを確認した。

【００３５】このように、中間層材料にペロブスカイト
構造を有する酸化物磁性体を用いることによって、酸化
物磁性体の示す新規な超電導近接効果により、超電導波
動関数がコヒーレント長をはるかに超える長い距離にわ
たって相互作用をする。

【００３６】一方、本発明の超電導素子を超電導近接効
果素子として用いる場合には、超電導近接効果素子は、
基体上に形成された酸化物磁性体上に、ギャップ部を介
して対向する一対の超電導電極を有するものである。上
記酸化物磁性体は、超電導トンネル接合素子と同様ペロ
ブスカイト構造を有する酸化物磁性体であることが望ま
しい。

【００３７】この素子は、以下のような利用が可能であ
る。上記一対の超電導体から成る電極間に、電流を流す
。超電導体の超電導転移臨界温度以下ではこの時に流れ
る電流は超電導電流と成り、電極間に電圧は発生しない
。この素子に電磁波を照射すると、この素子に流れる超
電導電流は電圧状態へと転移する。この電圧を検出する
ことにより、電磁波を検出することが可能である。

【００３８】また、本発明の超電導素子を超電導３端子
素子として用いる場合、次のようにすることが出来る。上記一対の超電導電極の間に、非磁性の絶縁物層を介し
てゲート電極を設置する。上記非磁性の絶縁層は、ペロ
ブスカイト構造を有する酸化物であることが望ましい。また、上記ゲート電極は、酸化物超電導体もしくは金属
または化合物の超電導体であることが望ましい。上記超
電導電極間に超電導電流が流れている状態に於いて、上
記ゲート電極に電圧を印加すると超電導電極間には、電
圧が発生する。この動作は、トランジスター同様であり
超電導トランジスターとして応用が可能である。この時
に発生する電圧は、従来の超電導トランジスターの発生
電圧よりも５倍以上高く、１００ｍＶを超える。このこ
とは、高い利得が得られることを意味しており、従来の
超電導トランジスターでは不可能であった増幅作用が得
られる。

【００３９】また、上記目的を達成するために、酸化物
磁性体上に対向して形成された超電導電極を有し、かつ
その間にホール供給層からなる受光部を作製したもので
ある。

【００４０】この素子は、高感度の光検出素子もしくは
超電導光スイッチング素子としての利用が可能である。受光部に光が照射されることにより、上記ホール供給層
から酸化物磁性体中にホールが供給される。これにより
、超電導近接効果が促進されるように作用し、超電導電
流が流れやすくなる。超電導近接効果が起こらないよう
な距離のギャップ長を有する上記光検出素子を作製する
と、上記超電導電極感には超電導電流が流れない。ギャ
ップ長は１．５　ミクロン以上であることが望ましい。ここで上記受光部に光を照射すると、前述の効果により
超電導電流が流れる。すなわち、光を当てることにより
、電圧状態から電圧０の状態へとスイッチング動作が可
能である。この特性は、光コンピューターや光論理回路
への応用が可能である。

【００４１】本発明からなる超電導素子を用いて、論理
動作及び演算動作等の機能を有する集積化素子を作製し
た場合、あい隣りあう素子からしみだした超電導電子対
が重なりあい、正常な動作ができない恐れがあり、この
ため非磁性の絶縁体層からなる干渉防止層を設けたもの
である。

【００４２】また、本発明を圧力センサーとして用いる
ため、上記超電導トンネル接合素子または、超電導近接
効果素子において上記超電導電極を、高圧下でのみ超電
導を示す超電導体Ｃｓ，Ｂａ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｐ，Ａｓ，
Ｓｂ，Ｂｉ，Ｌｕ，Ｃｅなどを用いたものである。高圧
下では、これらの超電導体が超電導特性を示し、これに
より超電導電極感を超電導電流が流れる。従って、圧力
をかけたときのみ電圧が０となる圧力検出素子としての
利用が可能である。

【００４３】また、本発明をベース接地型超電導トラン
ジスターとして用いるときは以下のようにしてこれを用
いる。超電導体の上に酸化物磁性体を積層し、磁に超電
導体を積層した３層構造の積層膜を作製する。上部超電
導電極と下部超電導電極との間に電流源から電流を流す
。超電導体が超電導状態にある温度では、上下の電極感
を超電導電流が流れ、従ってこの時電圧は発生しない。一方、上記電流源とは別の電流源を設置し酸化物磁性体
と下部超電導電極に接続する。上記、酸化物磁性体層を
介して超電導電流が流れる状態において、上記電流源に
より酸化物磁性体と下部超電導電極の間に電流を流すと
、酸化物磁性体に電流が注入された効果により、超電導
電流は流れなくなり電圧が発生する。この特性を活かし
てスイッチング動作が可能である。本発明により、中間
相として厚い膜厚の酸化物磁性体を用いたことにより、
従来作製不可能であった上記素子の作製が可能となった
。

【００４４】

【作用】バリア層材料にペロブスカイト構造を有する酸
化物磁性体を用いたことは、酸化物磁性体の示す特異な
超電導近接効果により、超電導波動関数がコヒーレント
長をはかるかに超える長い距離にわたって相互作用をす
るように作用する。

【００４５】このような長距離にわたる超電導近接効果
が観測されるのは、ちょうど素子の非超電導層として用
いた磁化物磁性体のスピンのゆらぎの効果で、これが超
電導電子対を安定に保つ様に作用にしている。

【００４６】また、ペロブスカイト構造を有する酸化物
磁性体上に対向して設置された超電導電極を有する超電
導素子を作製することは、超電導波動関数の滲み出し距
離が長いためギャップ長の長い素子での動作が可能にな
ることにより、従来作製不可能であった素子作製が可能
になり、電磁波検出素子としての応用やスイッチング素
子，圧力検出素子等への応用，集積化が可能になるよう
に作用する。

【００４７】また、ペロブスカイト構造を有する酸化物
磁性体上にギャップ部を介して設置された対向する一対
の超電導電極を有し、かつ上記超電導電極間にゲート電
極を有する超電導素子を作製することは、ゲート電極に
印加する電圧により超電導電流を制御し、これによりス
イッチング動作を可能成らしめるように作用する。

【００４８】また、プロブスカイト構造を有する酸化物
磁性体上にギャップ部を介して設置された対向する一対
の超電導電極を有し、かつ上記超電導電極間にホール供
給層からなる受光部を設置することは、受光部に光が照
射されたときに酸化物磁性体層にホールが供給されるよ
うに作用し、これによって近接効果が促進されるように
作用する。この特性を利用したスイッチング動作が可能
なように作用する。

【００４９】また、本発明による超電導素子を用いた集
積回路を作製することは従来にない高速動作性能を有す
る演算素子や論理素子、及びそれらを用いたシステムを
提供することができるように作用する。

【００５０】また、本発明による超電導素子を集積化す
る際、干渉防止層を設けることは、各々の超電導素子の
超電導電子対が相互にかさなって干渉することを防ぐよ
うに作用する。

【００５１】また、本発明の素子において高圧でのみ超
電導を示す超電導体を用いることは、高圧でのみ本発明
による近接効果が起こるように作用し、圧力検出素子を
作製可能とする。

【００５２】

【実施例】実施例１本発明者等は、酸化物超電導体と磁性体を近接させたと
きの相互作用を調べることは、高温超電導の発現の機構
，超電導特性，デバイス応用等の幅広い観点から興味深
いと考えた。本発明者等は、Ｍｎ系酸化物磁性体である
Ｌａ１−ｘＣａｘＭｎ１Ｏｙ（ｘ＝０〜１，ｙ＝２．７
〜３．３以下ＬＣＭＯと略す）障壁層をＹ１Ｂａ２Ｃｕ
３Ｏｚ（ｚは６．８から７．０）高温超電導体（以下Ｙ
ＢＣＯと略す）ではさんだ３層構造の接合において、障
壁層が５０００Åと厚くても超電導電流（接合電流）が
ながされるという特異な近接効果を見出した。ＬＣＭＯ
障壁層は単独では比抵抗が温度低下と共に増大するとい
う半導体的特性であるが、接合を作ると接合抵抗は低下
と共に減少する金属的な特性になるという特異な現象で
ある。これをさらに発展させたのが本発明である。

【００５３】以下、本発明の実施例を図１によって説明
する。１は酸化物高温超電導体からなる超電導層であり
、２は酸化物磁性体層である。また、３は金属または化
合物超電導体からなる超電導層である。超電導層の膜厚
は、２００ｎｍ、磁性体層の膜厚は５〜１００ｎｍの各
場合について検討した。それぞれの膜は、ＲＦマグネト
ロンスパッタリング法により作製した。酸化物超電導体
にはペロブスガイト構造を有するＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｚ
（ｚは６．８から７．０）を用い、酸化物磁性体には、
ペロブスカイト構造を有するＬａ０．３Ｃａ０．７Ｍｎ
Ｏｙ及びＬａ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯｙを用いた。ここ
で、ｙの値は３を中心とした２．７〜３．３の範囲であ
る。また、３の超電導層には金属超電導体であるＮｂま
たは化合物超電導体であるＮｂＮを用いた。上記磁性体
をバリア層に用いた超電導トンネル接合素子は、図２の
形状に作製した。接合部の面積は、０．８×１．０ｍｍ２　である。素子
には図中に示すような方法で、電圧計と電流計を接続し
て上部の超電導層と下部の超電導層の間に電流を流して
、その間に発生する電圧を測定した。測定した温度は、
５Ｋである。上記素子では、１００ｎｍの膜厚のバリア
層を介して、図３中符号３０１のように超電導電流が流
れた。一方、バリア層の膜厚が１μｍのときには、図３中符号
３０２に示すような素子特性となった。上下の超電導層
に相互作用があることは示す非線形な電流−電圧特性の
折れ曲がりが見られるものの、超電導電流は観測されな
かった。同様な超電導トンネル接合を酸化物超電導体の
みで作製した場合は、バリア層の膜厚が１μｍでも超電
導電流が観測された。本実施例の場合では、金属超電導
体と酸化物磁性体の界面に、絶縁物であるＮｂの酸化物
が形成され超電導電子対の滲みだしを妨げているためと
思われる。図４に、５Ｋの温度で１０ＧＨｚのマイクロ
波を照射した場合の電流−電圧特性を示す。素子は、マ
イクロ波に応答し、電流−電圧特性に明確なステップが
認められた。本発明により、マイクロ波応答性のある積
層型超電導トンネル接合の作製が可能になった。この素
子は、電磁波検出素子及び高感度ミキサーとしての応用
が可能である。このような従来では考えられなかった厚
い膜厚の非超電導体を介して超電導電流が流れるという
現象は、本発明者らによって新規に見出されたものであ
る。これによって、従来は酸化物高温超電導体のコヒー
レント長が短く、数Å以下の膜厚のバリア層を作製する
ことが困難であることによって、実現不可能であった超
電導トンネル接合の作製が可能と成った。このことは、
バリア層としてペロブスカイト構造を有する酸化物磁性
体を用いることによる効果であり、酸化物磁性体の持つ
スピン相関、及びホッピング伝導型の伝導機構が重要な
役割を果たしている。

【００５４】実施例２次に、同じくペロブスカト構造を有する酸化物磁性体（
Ｌａ，Ｓｒ）１Ｍｎ１Ｏｙ　をバリア層に用いた場合に
ついての実施例を示す。バリア層膜厚は２００ｎｍとし
、実施例１と同様の素子を作製したものである。上記酸
化物磁性体は、組成Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎ１Ｏｙ（ｙ＝
２．７〜３．３）においてｘ＝０のときは反強磁性体で
、ｘの値が増加するにしたがい強磁性を示すようになり
、ｘ＝０．３　のときに最も強い強磁性体となることが
公知の事実である。また、ｘがさらに増加しｘ＝０．８
　を超えると再び反強磁性体となることも公知である。図５に、組成ｘの値にたいして素子の電流−電圧特性が
どのように変化しているかについて調べた結果を示す。図５中、ｘで示したのは上記組成式におけるＳｒの置換
量を表す組成である。ｘ＝０のときは電流−電圧特性は
線形的であり上下の超電導層間に相互作用が無いことを
示している。ｘ＝０．１　では、接合の抵抗値は非常に
低くなり金属的になる。しかし、この時超電導電流は流
れない。さらにＳｒの置換量を増やしたｘ＝０．２　で
は超電導電流が流れる。これよりもＳｒの置換量ｘが増
えた領域では、酸化物磁性体が強磁性を示すようになり
、ｘ＝０．３　以上では準粒子的特性を示すようになる
。ＬａをすべてＳｒで置換した組成のｘ＝１．０　にお
いては、ｘ＝０と同様の線形的な電流−電圧特性が得ら
れる。これらの結果をまとめて表１に示す。

【００５５】

【表１】

【００５６】２００ｎｍの磁性体層を介してなお上下の
超電導相関に相互作用があり、長距離の近接効果が起こ
っている。Ｍｎの価数が３価と４価の混合状態にあるこ
とが重要であることが分かる。この素子は、図４の場合
と同様な電磁波に対する応答性を示した。準粒子的なト
ンネル特性を有する本実施例による素子は、従来のジョ
セフソン接合を用いた高周波素子よりも、ノイズの少な
い素子として応用することが出来る。なお、この素子特
性のバリア層依存性は上部超電導層に酸化物超電導体を
用いた場合でも、同刺は観測された。

【００５７】実施例３厚膜１００ｎｍのＬａ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯｙを、バ
リア層として用いた超電導トンネル接合素子の、接合抵
抗−温度特性を調べた。作製した素子の膜厚の関係は、
ＮｂＮ（３０００Å）／酸化物磁性体（１０００Å）／
ＹＢＣＯ（２０００Å）である。ここでＹＢＣＯとは酸
化物超電導体ＹＢａ２Ｃｕ３ｙ（ｙは７から６．５）の
略称である。結果を、図６に示す。図中符号４が本素子の特性であり
、図６中符号５は比較のために示したＹＢＣＯ／酸化物
磁性体／ＹＢＣＯ接合の特性である。接合抵抗は、温度
の低下と共に増大し飽和した後、約８Ｋで急速に低下し
超電導状態に転移する特性を示した。接合抵抗が飽和す
る温度は下部超電導導体ＹＢＣＯのＴｃ（超電導転移臨
界温度）にほぼ一致し、８Ｋでの急激な低下はＮｂＮの
Ｔｃに一致している。このように上部超電導体を金属系
もしくは化合物系超電導体にした場合でも酸化物磁性体
障壁層を介し、超電導電流が流れることが分かった。しかし上部超電導層がＹＢＣＯのときは接合抵抗が金属
的であったが、ＮｂＮの場合には抵抗が飽和するまで半
導体的である点が異なる。本特性を利用して、常伝導抵
抗Ｒｎの高い超電導素子が得られ、利得の高い超電導ト
ランジスターの作製が可能である。

【００５８】実施例４図７に示すように、超電導トンネル接合素子の酸化物磁
性体層に電流を流し、これによって上下の超電導層間を
流れる超電導電流を制御することのできる素子を作製し
た。図７中符号６及び７に示した上下の超電導層間に、
電流源を接続し電流を流す。これとは異なる図７中符号
８の第２の電流源を設け、磁性体と接地電位との間に電
流を流す。酸化物磁性体に電流を流したときには超電導
電流が流れず、流さないときには超電導電流が流れる。この動作特性はスイッチング素子として利用できる。こ
のような素子を作製することが可能になったのは、膜厚
の充分に厚いバリア層を介して超電導電流が流れる酸化
物磁性体をバリア層材として用いたことの効果による。上記素子は、上部及び下部の超電導層ともに酸化物超電
導体としても、同様に動作する。

【００５９】実施例５また、本発明の他の実施例を図８によって説明する。図
８は、本発明による超電導スイッチング素子の概略を示
したものである。図８中符号９は酸化物磁性体単結晶基
板であり、この上に化合物超電導体Ｎｂ３Ｇｅ　からな
る図８中符号１０の１対の超電導電極を、ギャップ部を
介して対向して形成し、その間に絶縁層図８中符号１１
を介してゲート電極図８中符号１２を作製した。この時
、酸化物磁性体には反強磁性体であるＢｉ１Ｍｎ１Ｏｙ
（ｙは２．７〜３．３）を用い、ゲート部の絶縁層には
酸化物磁性体及び高温超電導体と同じペロブスカイト構
造を有する非磁性の酸化物であるＬａＧａＯ３　を用い
た。超電導電極間の距離は１．８　マイクロメートルで
ある。この素子の上記１対の超電導電極間に、電流源と
電圧計を接続し、またこれとは別の電圧源をゲート電極
に接続して、素子の電気特性を調べた。

【００６０】図９は５Ｋで測定した超電導電極間の電流
−電圧特性である。ゲート電圧を印加すると超電導電極
間を流れる超電導電流の値が増加することが分かる。こ
の特性を利用したスイッチング動作の実施例を図１０に
示す。ゲート電圧のオン−オフに対応して、超電導状態
（０）と電圧状態（１）が得られる。

【００６１】実施例６また、本発明の実施例を図１１によって説明する。図１
１中符号１３は酸化物磁性体Ｌａ０．７Ｃａ０．３Ｍｎ
Ｏｙ　であり、この上にＰｂからなる超電導電極図１１
中符号１４を形成した。超電導電極の間には、ｐ型のア
モルファスシリコン膜を用いた図１１中符号１５の受光
部を形成した。これに、波長５１４５オングストローム
のレーザー光を照射したところ、光を照射すると超電導
電流が増加するという、光に対する応答性が認められた
。光照射により超電導臨界電流値が変化することから、
光検出素子として、もしくは光スイッチング素子として
の利用が可能である。

【００６２】実施例７本発明による超電導トンネル接合素子の超電導層として
、ＳｉまたはＢｉを用いた素子を作成した。これらの元
素は本来半導体および半金属であるが、高圧下において
は超電導特性を示すことが知られている。この素子に１
００気圧以下の圧力をかけながら温度を下げたところ、
或る一定の温度以下で超電導電流が流れた。この特性を
利用して、高圧の圧力センサーとして利用することがで
きる。

【００６３】

【発明の効果】本発明によるならば、バリア層の膜厚を
数オングストローム以下の極めて薄い膜厚のものにする
必要がなくなるので、これにより酸化物超電導体を用い
た超電導素子の作製が可能になる効果がある。

【００６４】また、本発明によれば、超電導電極間のギ
ャップ長を１マイクロメートル程度にまで長くすること
ができるので、微細加工が極めて容易になり、これによ
り金属もしくは化合物から成る超電導体を用いた超電導
近接効果素子の集積化が可能になるという効果がある。

【００６５】また、本発明によれば、金属もしくは化合
物から成る超電導体を用いた電磁波検出素子が作製可能
となるので、検出感度の向上及び動作速度の高速化とい
う効果がある。

【００６６】また、本発明によれば、金属もしくは化合
物から成る超電導体を用いた超電導近接効果素子を作製
できるのでスイッチング動作の高速化という効果がある
。

【００６７】特に、超電導体間にペロブスカイト構造を
有する酸化物磁性体を介在させ、この新規な近接効果を
利用することにより、膜厚の厚い酸化物磁性体を有する
超電導素子を実現する。

【００６８】これによりバリア層に電流注入電極を設置
することが可能になり、これによりベース注入型超電導
トランジスターが提供出来る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】超電導トンネル接合素子の断面図である。

【図２】超電導トンネル接合素子の平面図である。

【図３】酸化物磁性体バリア層の膜厚を、１００ｎｍ及
び１μｍとしたときの電流−電圧特性図である。

【図４】超電導素子にマイクロ波を照射したときに、電
流−電圧特性図である。

【図５】種々の磁性を有するバリア層に対する素子の電
流−電圧特性図である。

【図６】超電導素子の接合抵抗の温度変化を示す図であ
る。

【図７】ベース注入型超電導素子の断面図である。

【図８】超電導スイッチング素子の断面図である。

【図９】超電導スイッチング素子の電流−電圧特性のゲ
ート電圧依存性を示す図である。

【図１０】超電導スイッチング素子のスイッチング動作
特性図である。

【図１１】光超電導素子の断面図である。

【符号の説明】

１…金属又は化合物から成る超電導体、２…酸化物磁性
体、３…酸化物超伝導体、４…ＮｂＮ酸化物磁性体／Ｙ
ＢＣＯ超電導素子の接合抵抗の温度変化、５…ＹＢＣＯ
／酸化物磁性体／ＹＢＣＯ超電導素子の接合抵抗の温度
変化、６…上部超電導電極、７…下部超電導電極、８…
バイアス用電流源、９…酸化物磁性体、１０…超電導電
極、１１…ゲート絶縁層、１２…ゲート電極、１３…酸
化物磁性体、１４…超電導電極、１５…受光部、３０１
…バリア層膜厚１００ｎｍの接合素子の電流−電圧特性
、３０２…バリア層膜厚１μｍの接合素子の電流−電圧
特性。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化物もしくは、金属または化合物超電導
体からなる上部及び下部電極を有し、この間に非超電導
体であるバリア層をはさんで積層した超電導トンネル接
合において、バリア層の厚さがペロブスカイト構造を有
する銅系酸化物超電導体のｃ軸方向のコヒーレント長の
少なくとも２５０倍を超えることを特徴とする超電導ト
ンネル接合。
【請求項２】請求項第１項において、バリア層を構成す
る非超電導層は、ペロブスカイト構造を有する酸化物磁
性体であることを特徴とする超電導トンネル接合。
【請求項３】請求項第１項において、バリア層を構成す
る非超電導層は、ペロブスカイト構造を有する酸化物磁
性体であって少なくとも１種類以上の磁性元素（磁性元
素とは、Ｍｎ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｒｕを言う。）ことを特徴とする超電導トンネル接合。
【請求項４】請求項第１項又は第２項においてペロブス
カイト構造を有する酸化物磁性体は（Ｌａ，Ｃａ）１Ｍ
ｎ１Ｏｙ，（Ｌａ，Ｓｒ）１Ｍｎ１Ｏｙ，Ｂｉ１Ｍｎ１
Ｏｙ，Ｂａ１Ｆｅ１Ｏｙ，Ｓｒ１ＣＯ１Ｏｙ，（Ｌａ，
Ａ）１Ｂ１Ｏｙ（Ａ＝Ｂａ，Ｓｒ，Ｐｂ，Ｃｄ：Ｂ＝Ｍ
ｎ，Ｃｏ），（Ｌａ，Ａ）１Ｂ１Ｃ１Ｏｙ（Ａは希土類元素、Ｂは少
なくとも１種以上のアルカリ土類元素、ＣはＦｅ，Ｃｏ
，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏの少なくとも１つ）［（Ｐｒ
，Ｎｄ），（Ｂａ，Ｓｒ）］１Ｍｎ１Ｏｙ，（Ｂｉ，Ｃ
ａ）１Ｍｎ１Ｏｙ，Ｌａ１（Ｍ，Ｍｎ）１Ｏｙ（Ｍ＝Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃ
ｒ），Ｇｄ１（Ｃｏ，Ｍｎ）１Ｏｙ，Ａ１（Ｆｅ，Ｂ）１Ｏｙ（Ａ＝Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ：Ｂ＝
Ｍｏ，Ｍｎ），Ｂｉ１Ｃｒ１Ｏｙ，Ｃａ１Ｒｕ１Ｏｙ，Ａ１（Ｂ，Ｃ）１Ｏｙ（Ａ＝Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｐｂ：
Ｂ＝Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｆｅ：Ｃ＝Ｗ，Ｓｂ，Ｍｏ，Ｕ
）または、（Ｓｒ，Ｌａ）１（Ｃ，Ｄ）１Ｏｙ（Ｃ＝Ｃ
ｏ，Ｎｉ：Ｄ＝Ｎｂ，Ｓｂ，Ｔａ）であることを特徴と
する超電導トンネル接合。
【請求項５】基体上に形成された酸化物磁性体もしくは
、酸化物磁性体単結晶基板上に対向して配置された一対
の超電導電極を有し、超電導転移温度以下で酸化物磁性
体中へしみだした波動関数が重なることにより上記超電
導電極間を超電導電流が流れ、この超電導電流が電磁波
の照射により電圧状態へと転移することにより電磁波を
検出することを特徴とした超電導近接効果素子。
【請求項６】基体上に形成された酸化物磁性体もしくは
、酸化物磁性体単結晶基板上に、ギャップ部を介して配
置された対向する一対の超電導電極を有し、超電導転移
温度以下で酸化物磁性体中へしみだした波動関数が重な
ることにより上記超電導電極間を超電導電流が流れるこ
とを利用した超電導素子であって、この超電導電流を上
記一対の超電導電極間に、ペロブスカイト構造を浄する
非磁性酸化物からなる絶縁層を介して設けられたゲート
電極に電圧を印加して制御することにより、高速のスイ
ッチング動作を行うことを特徴とする超電導近接効果素
子。
【請求項７】基体上に形成された酸化物磁性体もしくは
、酸化物磁性体単結晶基板上に対向して配置された一対
の超電導電極を有し、超電導転移温度以下で酸化物磁性
体中へしみだした波動関数が重なることにより上記超電
導電極間を超電導電流が流れることを利用した超電導素
子であって、この超電導電流を上記一対の超電導電極に
設けられたホール供給層から成る受光部を持ち、これに
光が照射された際の超電導電流の変化により高感度で光
を検出することを特徴とする超電導近接効果素子。
【請求項８】請求項５から第７項における酸化物磁性体
は、請求項第４項において規定された酸化物磁性体であ
ることを特徴とする超電導近接効果素子。
【請求項９】請求項第６項または第７項の素子を用い、
論理判断，演算機能を有することを特徴とする機能性素
子及び、これを用いた演算システム。
【請求項１０】請求項第６項又は第７項の素子の少なく
とも２つ以上用いた集積化素子であって、あい隣りあう
素子の超電導電流の干渉を防ぐための、磁性を有さずか
つ絶縁性の領域からなる干渉防止層を有することを特徴
とする超電導近接効果素子。
【請求項１１】酸化物磁性体と、金属または化合物から
なる超電導体を積層したことを特徴とする積層薄膜。
【請求項１２】酸化物磁性体と、金属または化合物から
なる超電導体が、少なくとも一つ以上の界面を持って接
していることを特徴とする超電導素子。
【請求項１３】酸化物磁性体を超電導体ではさんだ３層
構造を有する超電導素子であって、上記酸化物磁性体層
に電流を注入することにより、上下の超電導層間を流れ
る超電導電流を制御し、増幅やスイッチングを行なうこ
とを特徴とする超電導素子。
【請求項１４】非超電導体と超電導体が接合界面をもっ
て接する超電導素子であって、上記超電導体は高圧下で
のみ超電導特性を示す超電導体であることを特徴とする
超電導素子。