JPH0479383A

JPH0479383A - 超電導素子および作製方法

Info

Publication number: JPH0479383A
Application number: JP2194456A
Authority: JP
Inventors: Michitomo Iiyama; 飯山　道朝
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-07-23
Filing date: 1990-07-23
Publication date: 1992-03-12

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】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超電導体層とこの超
電導体層に隣接する絶縁体層を具備し、新規な構成の超
電導素子およびその作製方法に関する。

従来の技術酸化物超電導体を超電導素子に使用する場合、酸化物超
電導体層を絶縁体、半導体等の層と積層した構造とする
ことが必要となる。例えば、トンネル型ジョセフソン接
合と称される超電導接合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、非超電導体層お
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。

上記のトンネル型ジョセフソン接合において、非超電導
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
接合では、非超電導体層の厚さを数ｎｍ程度にしなけれ
ばならない。

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。

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、超電導体層と該超電導体層に隣接する
絶縁体層とを有する超電導素子において、前記超電導体
層および前記絶縁体層が同一の基板上に配置され、前記
超電導体層が酸化物超電導体で構成され、前記絶縁体層
が前記酸化物超電導体と同じ構成元素且つ同じ結晶構造
を有し、しかも前記酸化物超電導体より結晶中の酸素が
少な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、基板上に一定の配向性を有する酸化物超電
導体結晶で構成された酸化物超電導薄膜を成膜し、該酸
化物超電導薄膜上の一部に被覆を形成し、高真空中で熱
処理することによって絶縁体層を形成する工程を含むこ
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超電導体
層および絶縁体層が同一の基板上に隣接して配置されて
いる。また、絶縁体層は、超電導体層を構成している酸
化物超電導体と同じ構成元素且つ同じ結晶構造を有し、
しかも結晶中の酸素数が酸化物超電導体よりも小さい酸
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、基板上に形成された酸化物
超電導薄膜の一部から「酸素を抜いて」形成した絶縁体
層を具備する。また、酸化物超電導薄膜のこの絶縁体層
以外の部分が、超電導体層となっている。

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、結晶構造は、どの部分も等しい。従
って、従来の超電導素子と異なり、全ての層の結晶性が
よい。

上記の本発明の超電導素子は、基板上に酸化物超電導薄
膜を形成し、この薄膜に、全幅および全厚に亘って結晶
中の酸素を抜いた部分を形成することにより作製できる
。酸化物超電導体の結晶中の酸素は、高真空中で熱処理
を行うことにより抜くことが可能である。特に、酸化物
超電導体は、結晶のａ軸と垂直な方向に酸素が動き易い
。従って、結晶のａ軸が基板表面に平行な、即ちａ軸ま
たはｂ軸配向の薄膜を形成し、酸素を抜く部分を除いて
表面を被覆して高真空中で熱処理を行うことにより、本
発明の超電導素子を作製可能である。

本発明の超電導素子の一例としては、ジョセフソン素子
が挙げられるが、ジョセフソン素子を作製する場合には
、基板上に酸化物超電導薄膜を形成し、この薄膜上に一
対の被覆を近接させて形成して高真空中で熱処理を行う
。酸化物超電導薄膜の被覆されなかった部分の結晶中か
らは酸素が抜けて絶縁体層となり、被覆された部分は超
電導体層となる。上記のジョセフソン素子を作製する場
合には、酸化物超電導薄膜の被覆されない部分の幅はジ
ョセフソン素子のギャップに相当するので酸化物超電導
体のコヒーレンス長との関係から、２〜３ｎｍとするこ
とが好ましい。

本発明の方法において、上記の熱処理は圧力１ＸＩＯ−
６Ｔｏｒｒ以下の高真空中、好ましくはｌＸｌ０−８Ｔ
ｏｒｒ以下の超高真空中で行うことが好ましい。また、
加熱温度は６５０〜７５０℃が好ましく、処理時間は１
０分以内が好ましい。

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、ＹＩＢａ２ＣＬＩ３０ｉ−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、Ｂｉ２５ｒ２Ｃａ２Ｃｕ３０＋＋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。

実施例本発明の方法により本発明の超電導素子の一例として超
電導ベーストランジスタを作製した。基板にはＭｇＯ単
結晶基板を用い、酸化物超電導体にはＹ　、　Ｂａ、Ｃ
ｕ３０７−ｘを使用した。第１図（ａ）〜（１）を参照
して、作製手順を説明する。

まず、Ｍｇ０（１００）基板４上に、スパッタリング法
により、第１図（ａ）に示すよう基板表面にａ軸が垂直
な（ａ軸配向の）　Ｙ、Ｂａ２Ｃｕ３０７−Ｘ超電導薄
膜１を形成した。主な成膜条件を以下に示す。

基板温度　　　６３０℃ スパッタリングガス　Ａｒ　　９０％０２１０％圧　　　力　　　　５　Ｘｌ０−２Ｔｏｒｒ膜　　　厚
　　　　４０叶ｍ次に、この酸化物超電導薄膜１上に第１図（ｂ）に示す
よう、厚さ３００　ｎｍのＡｕ薄膜５を真空蒸着法によ
り形成した。このＡｕ薄膜５上の左側を第１図（Ｃ）に
示すようフォトレジスト６で被覆し、第１図（ｄ）に示
すよう后イオンミリングにより酸化物超電導薄膜１の右
側が露出するまでエツチングを行った。

この酸化物超電導薄膜１の露出した部分は、半導体とな
る部分である。

フォトレジスト６および酸化物超電導薄膜１の露出した
部分上に、スパッタリング法により、第１図（ｅ）に示
すよう多結晶Ｓｉ薄膜７１および７２をＡｕ薄膜５と同
じ＜３００ｎｍの厚さに形成する。リフトオフ法により
フォトレジスト６および多結晶Ｓｉ薄膜７１を除去し、
第１図（ｆ）に示すようＡｕ薄膜５および多結晶Ｓｉ薄
膜７２上にフォトレジスト６１および６２を形成する。

この場合、フォトレジスト６１および６２はできるだけ
接近させ、また、両者の間の隙間は、Ａｕ薄膜５上にな
るように形成する。

再びＡｒイオンミリングによるエツチングを行い、へＵ
薄膜５を第１図（ｇ）に示すよう５１および５２に分割
する。次に、斜め蒸着により、第１図（社）に示すよう
Ａｕ薄膜５１および５２間が３ｎｍに狭まるようＡｕ薄
膜８１および８２を堆積させる。リフトオフ法により、
第１ｍ（ｉ）に示すようフォトレジスト６１および６２
、へｕ薄膜８１およびＡｕ薄膜８２の余分な部分を除去
する。

このように、加工した薄膜を高真空中で熱処理する。熱
処理条件を、以下に示す。

圧力（真空度）　　Ｉ　Ｘｌ０−９Ｔｏｒｒ基板温度　
　　７００℃ 処理時間　　　　３分間熱処理後、多結晶Ｓ１薄膜７２をＡｒイオンミリングに
より除去し、第１図（」）に示すようＡｕ薄膜５３をＡ
ｕ薄膜５２か′ら離して形成する。上記の熱処理により
Ａｕ薄膜５１および８２の隙間の部分の酸化物超電導薄
膜１の部分は、結晶中の酸素が抜けて絶縁体３となり、
Ａｕ薄膜５１の下側の部分は第１の超電導体層１１に、
Ａｕ薄膜５２の下側の部分は第２の超電導体層１２にな
る。また、多結晶Ｓｉ薄膜７２の下の酸化物超電導薄膜
１の部分には、Ｓｉが拡散し、半導体２となる。

最後に第１図（９）に示すよう絶縁体膜９１．９２．９
３および９４と、配線用金属膜１０１．１０２および１
０３とを形成し、本発明の超電導素子が完成する。

完成後、第１、第２の超電導体層１１．１２および絶縁
体層３の結晶性を調べたところ、いずれもほぼ単結晶の
良好な結晶であった。また、第１および第２の超電導体
層１１および１２の超電導臨界温度は、ともに８８にで
あった。

尚、本実施例では、酸化物超電導薄膜１上に多結晶Ｓ１
薄膜７２を成膜し、Ｓｉを酸化物超電導薄膜１内に拡散
させて半導体層２を形成したが、Ｓｌに代えて例えば、
Ｎｉを使用することも可能である。

発胡の効果以上説明したように、本発明の超電導素子は、酸化物超
電導薄膜の一部を絶縁体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、各部の
結晶性もよく、特性も安定している。さらに、　縁体層
は、酸化物超電導体と等しい構成元素からなる等しい結
晶構造の酸化物で構成されているので、絶縁体層を構成
する絶縁体が、酸化物超電導薄膜の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。第１図〔主な参照番号〕１・・・超電導体薄膜、２・・・半導体層、３・・・絶縁体層、４・・・基板、５・・・Ａｕ薄膜、６・・・フォトレジスト

Claims

【特許請求の範囲】

（１）超電導体層と該超電導体層に隣接する絶縁体層と
を有する超電導素子において、前記超電導体層および前
記絶縁体層が同一の基板上に配置され、前記超電導体層
が酸化物超電導体で構成され、前記絶縁体層が前記酸化
物超電導体と同じ構成元素且つ同じ結晶構造を有し、し
かも前記酸化物超電導体より結晶中の酸素が少ない酸化
物で構成されていることを特徴とする超電導素子。
（２）基板上にあって酸化物超電導体で構成された超電
導体層と、前記基板上で前記超電導体層に隣接し、前記
酸化物超電導体と同じ構成元素且つ同じ結晶構造を有し
、しかも前記酸化物超電導体より結晶中の酸素が少ない
酸化物で構成された絶縁体層とを有する超電導素子を作
製する方法において、基板上に一定の配向性を有する酸
化物超電導体結晶で構成された酸化物超電導薄膜を成膜
し、該酸化物超電導薄膜上の一部に被覆を形成し、高真
空中で熱処理することによって絶縁体層を形成する工程
を含むことを特徴とする超電導素子の作製方法。