JPH05136470A - Tunnel type josephson element - Google Patents

Tunnel type josephson element

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JPH05136470A
JPH05136470A JP3119024A JP11902491A JPH05136470A JP H05136470 A JPH05136470 A JP H05136470A JP 3119024 A JP3119024 A JP 3119024A JP 11902491 A JP11902491 A JP 11902491A JP H05136470 A JPH05136470 A JP H05136470A
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Abstract

PURPOSE:To offer a tunnel type Josephson element exhibiting an excellent characteristic of an oxide high-temperature superconductor and having junction characteristic of a reduced junction noise and 1/f noise. CONSTITUTION:A lower superconductor layer 1a, an insulator layer 2 and an upper superconductor layer 1b are laminated on a substrate while the superconductor layers 1a, 1b consist of an oxide high-temperature superconductor of a Bi group or a Ti group. The interfaces between the superconductive layers 1a, 1b and an insulator layer 2 are constituted of superlattice structure of (a) a Ca atomic layer/Cu-O atomic layer/Sr (or Ba) -O atomic layer/Bi (or Tl) -O atomic layer/Bi (or Tl) -O atomic layer/insulator layer, or (c) Ca atomic layer/Cu-O atomic layer/Sr (or Ba) -O atomic layer/insulator layer.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、トンネル型ジョセフソ
ン素子に関する。より詳細には、本発明は、SQUID
(Superconductive Quantum
Interference Device:超電導量子
干渉装置)等へ応用できる酸化物高温超電導体からなる
トンネル型ジョセフソン素子の超格子構造に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a tunnel type Josephson device. More specifically, the present invention relates to SQUIDs.
(Superconductive Quantum
The present invention relates to a superlattice structure of a tunnel type Josephson device composed of an oxide high temperature superconductor, which can be applied to an interference device (superconducting quantum interference device) and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】ジョセフソン素子は、素子が有する超高
速性、低消費電力性、低ノイズ性、高感度性により、S
QUIDや超大型コンピュータの論理素子・記憶素子
等、デバイスへの応用に大きな期待が持たれている。こ
れらのデバイスを実現するためには、用いるジョセフソ
ン接合の特性を良好に保たなければならない。特に、S
QUIDにおいては、低ノイズのジョセフソン接合を作
製できることが、高感度のマグネットメータを提供する
上で、必須条件である。この接合の具体的構成として、
幾つかの構造が提案されている。
2. Description of the Related Art Josephson devices have an S element due to their ultra-high speed, low power consumption, low noise, and high sensitivity.
There are great expectations for application to devices such as logic elements and memory elements of QUIDs and super-large computers. In order to realize these devices, the characteristics of the Josephson junction used must be kept good. In particular, S
In QUID, the ability to fabricate a low noise Josephson junction is an essential condition for providing a highly sensitive magnetometer. As a concrete configuration of this joining,
Several structures have been proposed.

【0003】その中で最も典型的な構造を有するものと
して、トンネル型ジョセフソン素子が知られている。こ
のトンネル型ジョセフソン素子は、一対の超電導体層の
間に極めて薄い絶縁体層を挿入した構造を有し、再現性
と集積化の良さに特徴がある。実際に作製されたトンネ
ル型ジョセフソン素子は、超電導体としてNb,Nb
N,Pb等を用い、絶縁体としてNb又はPbの表面を
酸化した酸化物又はMgO,α−Siなどの蒸着膜を形
成したものを使用している。しかし、これらの金属系超
電導体は、一般に超電導臨界温度(Tc)が非常に低
く、実際には極めて高価な液体ヘリウムにより冷却しな
ければ有効な特性を発揮しなかった。
A tunnel type Josephson element is known as one having the most typical structure among them. This tunnel type Josephson element has a structure in which an extremely thin insulator layer is inserted between a pair of superconductor layers, and is characterized by good reproducibility and integration. The tunnel-type Josephson device actually manufactured has Nb and Nb as superconductors.
N, Pb or the like is used, and as the insulator, an oxide in which the surface of Nb or Pb is oxidized or a vapor deposition film of MgO, α-Si or the like is formed is used. However, these metal-based superconductors generally have a very low superconducting critical temperature (Tc), and in reality, they have not exhibited effective properties unless cooled by extremely expensive liquid helium.

【0004】一方、1986年に、[La,Sr]2
uO4等の酸化物焼結体が、高いTcを有する超電導材
料であることが見出され、これに続いてY1 Ba2 Cu
37-x で表される酸化物超電導体が、液体窒素の温度
以上の温度範囲で有効な超電導特性を示すことが確認さ
れた。このような高温で超電導特性を示す材料は、安価
な液体窒素を冷却媒体として使用することが出来るの
で、超電導技術の実用的な応用が検討されるようにな
り、酸化物高温超電導材料を用いたジョセフソン素子の
実現に向けて、各種の試みがなされている。このような
良好な特性をもつ酸化物高温超電導体を用いた、トンネ
ル型ジョセフソン素子の例として、超電導体層としてそ
のc軸が基板と垂直な方向に成長したY1 Ba2 Cu3
7-x で表わされる酸化物超電導体薄膜を用い、絶縁体
層としてMgO,SrTiO3 等の絶縁体薄膜を用いた
ものが知られている。
On the other hand, in 1986, [La, Sr] 2 C
It has been found that an oxide sintered body such as uO 4 is a superconducting material having a high Tc, followed by Y 1 Ba 2 Cu.
It was confirmed that the oxide superconductor represented by 3 O 7-x exhibits effective superconducting properties in the temperature range above the temperature of liquid nitrogen. Since a material exhibiting superconducting properties at such a high temperature can use inexpensive liquid nitrogen as a cooling medium, practical application of superconducting technology has been studied, and high-temperature oxide superconducting materials have been used. Various attempts have been made to realize the Josephson device. As an example of a tunnel type Josephson device using an oxide high temperature superconductor having such good characteristics, Y 1 Ba 2 Cu 3 having a c-axis grown as a superconductor layer in a direction perpendicular to the substrate is used.
It is known that an oxide superconductor thin film represented by O 7-x is used and an insulating thin film such as MgO or SrTiO 3 is used as an insulating layer.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、酸化物
高温超電導体を用いた従来のトンネル型ジョセフソン素
子は、ジョセフソン接合としての電流−電圧特性を示し
てはいるが、良好な特性を発揮する接合ではなかった。
すなわち、得られた素子のノイズを測定した結果、図1
6に示されるように、大きなノイズを発生していること
が分かり、SQUID等の電子デバイスに適用できない
という問題があった。特に、高感度マグネットメータ等
を目的とする、ジョセフソン素子のSQUID応用にお
いては、ノイズの大小だけでなく超電導体のトンネル効
果に起因しない、低周波側に見られる1/fノイズを低
減することが望まれていた。
However, the conventional tunnel type Josephson element using the high temperature oxide superconductor exhibits good characteristics although it shows the current-voltage characteristics as a Josephson junction. It was not a joint.
That is, as a result of measuring the noise of the obtained device,
As shown in FIG. 6, it was found that a large amount of noise was generated, and there was a problem that it could not be applied to electronic devices such as SQUIDs. In particular, in SQUID applications of Josephson devices intended for high-sensitivity magnetometers, etc., to reduce not only the magnitude of noise but also the 1 / f noise seen on the low frequency side that is not caused by the tunnel effect of superconductors. Was desired.

【0006】ところで、上述した酸化物高温超電導体薄
膜の成長は蒸着、スパッタリング、レーザアブレーショ
ンなど種々の方法で行なわれているが、いずれの方法も
結晶の構成元素を同時に基板上へ供給する方法をとって
いる。最近、酸化物高温超電導体薄膜において、低温成
長、配向等の結晶構造の精密制御、Bi系材料の高Tc
相の単相化を目的として、原子層オーダーで酸化物高温
超電導体の結晶成長を制御する方法が開発された。つま
り、各原子層毎に順次積層することで、超電導体層の層
状構造を半人工的に作製する方法である。しかし、現在
までのところ、この超電導体層の作製方法をSIS(超
電導体層/絶縁体層/超電導体層)積層型構造のトンネ
ル型ジョセフソン素子に適用するにあたって、SQUI
D等の電子デバイスへ応用可能な低ノイズ特性を得るに
は、如何なる層状構造をとれば良いかは不明であった。
By the way, the growth of the above-mentioned oxide high-temperature superconductor thin film has been carried out by various methods such as vapor deposition, sputtering and laser ablation. In each method, the constituent elements of the crystal are simultaneously supplied onto the substrate. I am taking it. Recently, in oxide high-temperature superconductor thin films, low-temperature growth, precise control of crystal structure such as orientation, and high Tc of Bi-based materials
A method for controlling the crystal growth of high temperature oxide superconductors on the atomic layer order was developed for the purpose of making the phases single. That is, it is a method of semi-artificially producing a layered structure of a superconductor layer by sequentially laminating each atomic layer. However, so far, when applying this method for producing a superconductor layer to a tunnel type Josephson device having a SIS (superconductor layer / insulator layer / superconductor layer) laminated structure, SQUI
It was unclear what kind of layered structure should be adopted in order to obtain low noise characteristics applicable to electronic devices such as D.

【0007】本発明は、上述の点に鑑みてなされ、その
目的は、酸化物高温超電導体の優れた超電導特性が有効
に発揮され、接合ノイズ及び1/fノイズが低減された
良好な接合特性を持つ、トンネル型ジョセフソン素子を
提供することにある。
The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to effectively exhibit the excellent superconducting characteristics of an oxide high temperature superconductor, and to obtain good joining characteristics with reduced joining noise and 1 / f noise. The purpose is to provide a tunnel type Josephson device.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明のトンネ
ル型ジョセフソン素子は、基板上に設けられたBi系又
はTl系の酸化物超電導体薄膜からなる一対の超電導体
層と、該一対の超電導体層の間に形成された絶縁体層と
を備え、上記の課題を達成するために、前記一対の超電
導体層を構成する結晶が、基板に対して垂直な方向をc
軸として、前記絶縁体層とエピタキシャルに成長してお
り、かつ、前記一対の超電導体層と前記絶縁体層との界
面が以下の(a) 又は(b) 又は(c) のいずれかの超格子構
造により形成されたものである。 (a) Ca原子層/Cu−O原子層/Sr(又はBa)−
O原子層/Bi(又はTl)−O原子層/Bi(又はT
l)−O原子層/絶縁体層 (b) Ca原子層/Cu−O原子層/Sr(又はBa)−
O原子層/Bi(又はTl)−O原子層/絶縁体層 (c) Ca原子層/Cu−O原子層/Sr(又はBa)−
O原子層/絶縁体層
A tunnel type Josephson element according to the invention of claim 1 comprises a pair of superconductor layers made of a Bi-based or Tl-based oxide superconductor thin film, which is provided on a substrate; In order to achieve the above-mentioned object, the crystals constituting the pair of superconductor layers have a direction c perpendicular to the substrate.
As the axis, is grown epitaxially with the insulator layer, and the interface between the pair of superconductor layers and the insulator layer is (a) or (b) or (c) It is formed by a lattice structure. (a) Ca atomic layer / Cu-O atomic layer / Sr (or Ba)-
O atomic layer / Bi (or Tl) -O atomic layer / Bi (or T
l) -O atomic layer / insulator layer (b) Ca atomic layer / Cu-O atomic layer / Sr (or Ba)-
O atomic layer / Bi (or Tl) -O atomic layer / insulator layer (c) Ca atomic layer / Cu-O atomic layer / Sr (or Ba)-
O atomic layer / insulator layer

【0009】また、請求項2のトンネル型ジョセフソン
素子は、基板上に設けられたY系酸化物超電導体薄膜か
らなる一対の超電導体層と、該超電導体層の間に形成さ
れた絶縁体層とを備え、上記の課題を達成するために、
前記一対の超電導体層を構成する結晶が、前記基板に対
して垂直な方向をc軸として、前記絶縁体層とエピタキ
シャルに成長しており、かつ、前記一対の超電導体層と
前記絶縁体層との界面が以下の(a) 又は(b) 又は(c) の
いずれかの超格子構造により形成されたものである。 (a) Y原子層/Cu−O原子層/Ba−O原子層/Cu
−O原子層/Ba−O原子層/絶縁体層 (b) Y原子層/Cu−O原子層/Ba−O原子層/Cu
−O原子層/絶縁体層 (c) Y原子層/Cu−O原子層/Ba−O原子層/絶縁
体層
According to a second aspect of the present invention, in a tunnel type Josephson element, a pair of superconductor layers made of a Y-based oxide superconductor thin film provided on a substrate and an insulator formed between the superconductor layers. In order to achieve the above-mentioned object,
The crystals forming the pair of superconductor layers are epitaxially grown with the insulator layer with the c-axis in the direction perpendicular to the substrate, and the pair of superconductor layers and the insulator layer are formed. The interface with and is formed by the superlattice structure of any of (a) or (b) or (c) below. (a) Y atomic layer / Cu-O atomic layer / Ba-O atomic layer / Cu
-O atomic layer / Ba-O atomic layer / insulator layer (b) Y atomic layer / Cu-O atomic layer / Ba-O atomic layer / Cu
-O atomic layer / insulator layer (c) Y atomic layer / Cu-O atomic layer / Ba-O atomic layer / insulator layer

【0010】[0010]

【作用】従来の金属系超電導体からなるトンネル型ジョ
セフソン素子では、超電導体のコヒーレンス長が長いこ
とから、超電導体/絶縁体/超電導体を単に積層するこ
とにより、良好な特性を有するものを得ることができ
た。しかし、酸化物高温超電導体からなるトンネル型ジ
ョセフソン素子においては、単に積層するだけでは、良
好な特性を有するものを得ることができなかった。そこ
で、本発明者らは、酸化物高温超電導体を用いた従来の
トンネル型ジョセフソン素子について、そのノイズ特性
を検討し、良好な特性が得られない理由を研究した。そ
の結果、接合のノイズ及び1/fノイズの原因は、絶縁
体層にできたサブギャップへトンネル電子がトラップさ
れることにより生じたジョセフソン接合の臨界電流のゆ
らぎであることを見出した。また、このサブギャップ
は、超電導体層と絶縁体層との界面において超電導体層
の超電導特性が劣化していることにより生じたものであ
ることも判明した。
In the conventional tunnel type Josephson element made of a metal-based superconductor, since the superconductor has a long coherence length, a superconductor / insulator / superconductor is simply laminated to obtain a good characteristic. I was able to get it. However, in the tunnel type Josephson device made of the high temperature oxide superconductor, it was not possible to obtain a device having good characteristics simply by laminating. Therefore, the present inventors examined the noise characteristics of the conventional tunnel-type Josephson element using the oxide high temperature superconductor and investigated the reason why good characteristics could not be obtained. As a result, it was found that the cause of the junction noise and 1 / f noise is fluctuation of the critical current of the Josephson junction, which is caused by the trapping of tunnel electrons in the subgap formed in the insulating layer. It was also found that this subgap was caused by deterioration of superconducting properties of the superconductor layer at the interface between the superconductor layer and the insulator layer.

【0011】この点について、図15を参照して説明す
る。図15(a) は従来例における超電導体層1a,1b
と絶縁体層2との界面におけるエネルギーギャップのよ
うすを示したものである。図に示されるように、従来例
においては、超電導体層1a,1bの表面(界面)での
超電導ギャップエネルギーが、コヒーレンス長ξよりも
長い距離にわたって小さくなっており、超電導体層の特
性が劣化している。つまり、図中斜線を付した部分にト
ンネル電子がトラップされてしまい、トンネル接合の臨
界電流にゆらぎが生じる。接合ノイズ及び1/fノイズ
の小さい素子を得るには、図15(b) に示すように、表
面まで超電導特性の劣化のない(エネルギーギャップの
低下のない)超電導体層1a,1bを作製することが重
要である。即ち、図14(b) のように、コヒーレンス長
ξに対応する部分で階段状にエネルギーギャップを低下
させることができれば、トンネル電子のトラップが防止
され、臨界電流のゆらぎが解消される。
This point will be described with reference to FIG. FIG. 15 (a) shows superconducting layers 1a and 1b in the conventional example.
2 shows the energy gap at the interface between the insulating layer 2 and the insulating layer 2. As shown in the figure, in the conventional example, the superconducting gap energy on the surfaces (interfaces) of the superconductor layers 1a and 1b becomes smaller over a distance longer than the coherence length ξ, and the characteristics of the superconductor layers deteriorate. is doing. That is, tunnel electrons are trapped in the shaded portion in the figure, causing fluctuations in the critical current of the tunnel junction. In order to obtain an element with low junction noise and 1 / f noise, superconducting layers 1a and 1b having no deterioration in superconducting properties (no reduction in energy gap) up to the surface are prepared as shown in FIG. 15 (b). This is very important. That is, as shown in FIG. 14B, if the energy gap can be reduced stepwise at the portion corresponding to the coherence length ξ, the trapping of tunnel electrons can be prevented and the fluctuation of the critical current can be eliminated.

【0012】ところで、酸化物高温超電導体は、1.構
成元素である酸素が比較的不安定で薄膜の表面からぬけ
やすい。2.キャリア密度が低い。3.コヒーレンス長
が短い。という性質をもっている。また、伝導電子系が
理想的な2次元であることから、表面での変質に非常に
敏感で、電気的な障壁が容易に形成される。そこで、本
願発明者らは、表面まで超電導特性の劣化のないよう
な、特定の原子層により界面が形成される超格子構造を
とることで、図14(a) に示されるような界面の問題を
解消し、良好な特性を有するトンネル型ジョセフソン素
子を得ることができると考え、本発明をなすに至った。
By the way, the high-temperature oxide superconductors are 1. Oxygen, which is a constituent element, is relatively unstable and easily escapes from the surface of the thin film. 2. Low carrier density. 3. The coherence length is short. It has the property of Further, since the conduction electron system is an ideal two-dimensional system, it is very sensitive to alteration on the surface, and an electric barrier is easily formed. Therefore, the inventors of the present application adopt the superlattice structure in which the interface is formed by a specific atomic layer so that the superconducting property does not deteriorate to the surface, and the problem of the interface as shown in FIG. Therefore, the present invention has been accomplished on the basis that the tunnel type Josephson device having excellent characteristics can be obtained.

【0013】以下、本発明の基本構成と作用について説
明する。まず、請求項1の発明に係るトンネル型ジョセ
フソン素子に使用されるBi系(Tl系)酸化物超電導
体としては、Bi2 Sr2 Ca1 Cu2x ,Tl2
2 Ca1 Cu2x (以下、2−2−1−2構造とい
う)、Bi2 Sr2 Ca2 Cu310-y,Tl2 Ba2
Ca2 Cu310-y(以下、2−2−2−3構造とい
う)、及びこれらの複合酸化物にPbを添加したもの等
を挙げることができる。
The basic structure and operation of the present invention will be described below. First, as the Bi-based (Tl-based) oxide superconductor used in the tunnel type Josephson device according to the invention of claim 1, Bi 2 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O x , Tl 2 B is used.
a 2 Ca 1 Cu 2 O x (hereinafter referred to as a 2-2-1-2 structure), Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10-y , Tl 2 Ba 2
Examples thereof include Ca 2 Cu 3 O 10-y (hereinafter referred to as a 2-2-2-3 structure), and a composite oxide obtained by adding Pb.

【0014】図1に、Bi系(Tl系)酸化物超電導体
の結晶構造図を示す。図1(a) が2−2−1−2構造で
あり、図1(b) が2−2−2−3構造である。図中1
(a) の結晶構造は、紙面下から順に、Bi(又はTl)
−O原子層/Bi(又はTl)−O原子層/Sr(又は
Ba)−O原子層/Cu−O原子層/Ca原子層/Cu
−O原子層/Sr(又はBa)−O原子層の単位が繰り
返された積層構造をなしている。2−2−1−2構造の
場合のCu−O原子層は、何れもCuサイトの片側にだ
け酸素が位置してCu−Oピラミッドを形成しているC
u−O原子層である。
FIG. 1 shows a crystal structure diagram of a Bi-based (Tl-based) oxide superconductor. FIG. 1 (a) has a 2-2-1-2 structure, and FIG. 1 (b) has a 2-2-2-3 structure. 1 in the figure
The crystal structures of (a) are Bi (or Tl) in order from the bottom of the paper.
-O atomic layer / Bi (or Tl) -O atomic layer / Sr (or Ba) -O atomic layer / Cu-O atomic layer / Ca atomic layer / Cu
It has a laminated structure in which units of —O atomic layer / Sr (or Ba) —O atomic layer are repeated. In each of the Cu-O atomic layers in the 2-2-1-2 structure, oxygen is located only on one side of the Cu site to form a Cu-O pyramid.
It is a u-O atomic layer.

【0015】また、図1(b) の結晶構造は、紙面下から
順に、Bi(又はTl)−O原子層/Bi(又はTl)
−O原子層/Sr(又はBa)−O原子層/Cu−O原
子層/Ca原子層/Cu−O原子層/Ca原子層/Cu
−O原子層/Sr(又はBa)−O原子層の単位が繰り
返された積層構造をなしている。2−2−2−3構造の
場合のCu−O原子層は、Ca原子層とSr(又はB
a)−O原子層の間がCuサイトの片側にだけ酸素が位
置してCu−Oピラミッドを形成しているCu−O原子
層であり、Ca原子層とCa原子層の間が頂点酸素を持
たず正方形CuO4 だけが平面を形成しているCuO2
シートとなっている。
Further, the crystal structure of FIG. 1 (b) has a Bi (or Tl) -O atomic layer / Bi (or Tl) sequence from the bottom of the paper.
-O atomic layer / Sr (or Ba) -O atomic layer / Cu-O atomic layer / Ca atomic layer / Cu-O atomic layer / Ca atomic layer / Cu
It has a laminated structure in which units of —O atomic layer / Sr (or Ba) —O atomic layer are repeated. In the case of the 2-2-2-3 structure, the Cu-O atomic layer is the Ca atomic layer and the Sr (or B
a) A Cu-O atomic layer in which oxygen is located only on one side of the Cu site to form a Cu-O pyramid between the -O atomic layer, and a peak oxygen is present between the Ca atomic layer and the Ca atomic layer. CuO 2 without having a square CuO 4 forms a plane
It is a sheet.

【0016】請求項1の発明では、図中矢印AのBi
(又はTl)−O原子層とSr(又はBa)−O原子層
の間のBi(又はTl)−O原子層、又は矢印BのSr
(又はBa)−O原子層とBi(又はTl)−O原子層
との間のBi(又はTl)−O原子層、又は矢印CのC
a原子層とSr(又はBa)−O原子層の間のCu−O
原子層の何れかで絶縁体層との界面が構成される。
In the invention of claim 1, Bi in the arrow A in the figure
Bi (or Tl) -O atomic layer between (or Tl) -O atomic layer and Sr (or Ba) -O atomic layer, or Sr of arrow B
Bi (or Tl) -O atomic layer between (or Ba) -O atomic layer and Bi (or Tl) -O atomic layer, or C of arrow C
Cu-O between a atomic layer and Sr (or Ba) -O atomic layer
An interface with the insulator layer is formed by one of the atomic layers.

【0017】次に、請求項2の発明に係るトンネル型ジ
ョセフソン素子に使用されるY系酸化物超電導体として
は、Y1 Ba2 Cu37-x ,で表わされる複合酸化
物、この複合酸化物のYをHo, Er等のランタノイド
元素により置換した組成を有する複合酸化物等を挙げる
ことが出来る。
Next, as the Y-based oxide superconductor used in the tunnel type Josephson device according to the second aspect of the present invention, a composite oxide represented by Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x , Examples thereof include a composite oxide having a composition in which Y of the composite oxide is replaced by a lanthanoid element such as Ho or Er.

【0018】図8にY系酸化物超電導体の結晶構造図を
示す。この結晶構造は、紙面下側からから順に、Cu−
O原子層/Ba−O原子層/Cu−O原子層/Y原子層
/Cu−O原子層/Ba−O原子層の単位が繰り返され
る積層構造となっている。図8におけるCu−O原子層
は、Yサイトの反対側にだけ酸素が位置してCu−Oピ
ラミッドを形成しているCu−O原子層(シート)であ
り、また、頂点酸素を含む2枚のBa−O原子層の間の
Cu−O原子層は、大幅な酸素の出入りを許す、Cu−
O原子層が、一方向に規則的に並び、Cu−O鎖構造に
なっている。
FIG. 8 shows a crystal structure diagram of the Y-based oxide superconductor. This crystal structure is Cu-
It has a laminated structure in which units of O atomic layer / Ba—O atomic layer / Cu—O atomic layer / Y atomic layer / Cu—O atomic layer / Ba—O atomic layer are repeated. The Cu-O atomic layer in FIG. 8 is a Cu-O atomic layer (sheet) in which oxygen is located only on the opposite side of the Y site to form a Cu-O pyramid, and two Cu-O atomic layers containing apex oxygen are included. Cu-O atomic layer between the Ba-O atomic layers of Cu-
O atomic layers are regularly arranged in one direction to have a Cu-O chain structure.

【0019】請求項2の発明においては、図中矢印Dの
Cu−O原子層(鎖)とCu−O原子層(シート)の間
のBa−O原子層、又は矢印EのBa−O原子層とBa
−O原子層の間のCu−O原子層(鎖)、又は矢印Fの
Cu−O原子層(シート)とCu−O原子層(鎖)の間
のBa−O原子層によって、絶縁体層との界面が構成さ
れる。
In the invention of claim 2, a Ba—O atomic layer between a Cu—O atomic layer (chain) and a Cu—O atomic layer (sheet) indicated by an arrow D in the figure, or a Ba—O atom indicated by an arrow E. Layer and Ba
The Cu-O atomic layer (chain) between the -O atomic layers or the Ba-O atomic layer between the Cu-O atomic layer (sheet) and the Cu-O atomic layer (chain) indicated by the arrow F is an insulator layer. The interface with is constructed.

【0020】請求項1及び2の発明に用いられる絶縁体
としては、MgO,SrTiO3 ,LaAlO3 ,等超
電導体の格子定数に近い格子定数を有する酸化物を挙げ
ることが出来る。さてここで、上述した超格子構造によ
って如何にして優れた超電導特性が確保されるかという
点についてであるが、現在、酸化物高温超電導体の超電
導特性・発現の機構は解明されていない。しかるに、本
発明の超格子構造の超電導特性への作用を明確に述べる
ことはできないが、本発明の超格子構造の作用を解く手
がかりは、酸化物高温超電導体の結晶構造における、以
下に述べる各原子層の役割であると言える。
Examples of the insulator used in the inventions of claims 1 and 2 include oxides having a lattice constant close to that of superconductors such as MgO, SrTiO 3 , LaAlO 3 , and the like. Now, regarding how the superlattice structure described above ensures excellent superconducting properties, the mechanism of superconducting properties and development of oxide high-temperature superconductors has not been clarified at present. However, although the action on the superconducting properties of the superlattice structure of the present invention cannot be clearly stated, the clue to solving the action of the superlattice structure of the present invention is as follows in the crystal structure of the oxide high temperature superconductor. It can be said that this is the role of the atomic layer.

【0021】(1) Cuサイトの片側にだけ酸素が位置し
てCu−Oピラミッドを形成している、あるいは、頂点
酸素を持たず正方形CuO4 だけが平面を形成している
CuO2 シートが、超電導特性発現に寄与している原子
層である。 (2) 上記CuO2 シートは、本来、絶縁体であり、その
隣の層に、Y系ではY原子層とBa−O原子層が、Bi
系(Tl系)ではCa原子層とSr(Ba)−O原子層
が配置されると、CuO2 シートにキャリアがドーピン
グされ伝導層となる。 この時、超電導体層の表面を単に超電導原子層であるC
u−O原子層を用いて形成しても、表面のCu−O原子
層にキャリアが充分ドープされないので、界面の超電導
体層の超電導特性が劣化して、良好な特性を有するトン
ネル型ジョセフソン素子が得られないことが判明した。
そこで、Cu−O層だけでなく、この層にキャリアドー
ピングする層まで含めた超格子構造によって超電導体表
面を構成することにより、界面による影響がなく、表面
まで超電導特性の劣化のない、従って、良好な特性をも
つトンネル型ジョセフソン素子が得られる。
(1) A CuO 2 sheet in which oxygen is located only on one side of the Cu site to form a Cu—O pyramid, or a square CuO 4 has no apical oxygen to form a flat surface, It is an atomic layer that contributes to the development of superconducting properties. (2) The CuO 2 sheet is originally an insulator, and in the layer next to it, the Y atomic layer and the Ba—O atomic layer in the Y system are formed of Bi.
In the system (Tl system), when the Ca atomic layer and the Sr (Ba) -O atomic layer are arranged, the CuO 2 sheet is doped with carriers to become a conductive layer. At this time, the surface of the superconducting layer is simply C which is a superconducting atomic layer.
Even if it is formed by using the u-O atomic layer, the Cu-O atomic layer on the surface is not sufficiently doped with carriers, so that the superconducting property of the superconducting layer at the interface is deteriorated and the tunnel type Josephson having good properties is obtained. It turned out that the element could not be obtained.
Therefore, not only the Cu—O layer but also the superlattice structure including a layer to be carrier-doped in this layer constitutes the superconducting surface so that there is no influence of the interface and the superconducting property does not deteriorate to the surface. A tunnel type Josephson element having good characteristics can be obtained.

【0022】[0022]

【実施例】以下に、本発明の実施例を説明する。まず、
本発明の実施例において用いた酸化物高温超電導体薄膜
成長装置の構成を図11に示す。図において、Kセル(K
nudsen Cell)101a〜101dには酸化物高温超電導
体の各構成元素である金属、酸化物或いは有機錯体など
が充填されており、各々102a〜102dのヒーター
によって所望の蒸気圧を得る温度に加熱される。これら
4元素の蒸発速度を水晶振動式の膜厚モニター103a
〜103dによって検知して、成膜中所望の速度になる
ようヒーターの出力へフィードバックをかける。基板4
はヒーター105によって所望の温度に加熱される。そ
して、シャッター106a〜106dは膜厚モニター1
03a〜103dと連動しており、所望の膜厚になった
時点で自動的に間欠開閉する仕組になっていて、順次積
層を可能にしている。また、ボンベ107には薄膜に酸
素を供給する、O2 ,O3 ,N2 O,NO2 等のガスが
充填されており、バルブ108、マスフロメーター10
9を介してチャンバー内に導入され、ノズル110を通
して基板4近傍へと吹付ける。また、111は排気用ポ
ンプ、112はチャンバー内圧力調節用バルブである。
酸素供給源である反応ガスは、基板4近傍で有効に酸化
作用を果たし、酸化物超電導体薄膜中への酸素の取り込
みを促進し、超電導特性の向上の役割を担っている。し
かし、蒸発原料部分は高真空に保持しないと原料の酸化
等の不都合が生じるので、113の差動排気板を設置す
る。薄膜成長中は、下側の材料部分は10-6Torr以
下の高真空に保持され、110のノズルによって局所的
に高酸素圧になっている基板4の近傍は、約10-4To
rrとなっている。
EXAMPLES Examples of the present invention will be described below. First,
The structure of the oxide high temperature superconductor thin film growth apparatus used in the examples of the present invention is shown in FIG. In the figure, K cell (K
Nudsen Cell) 101a to 101d are filled with metal, oxide, or organic complex, which are the respective constituent elements of the oxide high-temperature superconductor, and are heated to a temperature to obtain a desired vapor pressure by the heaters 102a to 102d, respectively. It The evaporation rate of these four elements is measured by a crystal vibration type film thickness monitor 103a.
-10d to feed back to the output of the heater so that the desired speed is obtained during film formation. Board 4
Is heated to a desired temperature by the heater 105. The shutters 106a to 106d are the film thickness monitor 1
It is interlocked with 03a to 103d, and has a mechanism to automatically intermittently open and close when a desired film thickness is reached, enabling sequential stacking. Further, the cylinder 107 is filled with a gas such as O 2 , O 3 , N 2 O or NO 2 which supplies oxygen to the thin film, and the valve 108 and the mass flow meter 10 are provided.
It is introduced into the chamber through the nozzle 9 and is sprayed to the vicinity of the substrate 4 through the nozzle 110. Further, 111 is an exhaust pump, and 112 is a chamber pressure control valve.
The reaction gas, which is an oxygen supply source, effectively performs an oxidizing action in the vicinity of the substrate 4, promotes the incorporation of oxygen into the oxide superconductor thin film, and plays a role of improving superconducting properties. However, if the evaporating raw material portion is not kept in a high vacuum, inconveniences such as the oxidation of the raw material will occur. Therefore, the differential exhaust plate 113 is installed. During the growth of the thin film, the lower material portion is kept at a high vacuum of 10 −6 Torr or less, and the vicinity of the substrate 4 where the nozzle 110 has a high oxygen pressure locally causes about 10 −4 Tor.
It is rr.

【0023】本発明のトンネル型ジョセフソン素子を実
現するためには、上述した酸化物高温超電導体薄膜成長
装置を用いて、順次積層法を適用する。なお、薄膜を形
成するに当たっては、薄膜全体で電荷が中性になる必要
があるので、酸化物高温超電導体薄膜の成長は、単位格
子の整数倍になるように順次積層を繰り返す。
In order to realize the tunnel type Josephson element of the present invention, the sequential stacking method is applied using the above-described oxide high temperature superconductor thin film growth apparatus. In forming the thin film, since it is necessary that the electric charge be neutral in the entire thin film, the growth of the oxide high-temperature superconductor thin film is sequentially laminated so as to be an integral multiple of the unit lattice.

【0024】請求項1の発明の実施例を実施例1〜5に
示す。図2は実施例1による素子の構造を示す概念図、
図3は実施例3による素子の構造を示す概念図、図4は
実施例4による素子の構造を示す概念図、図5〜7は更
に別の実施例による素子の構造を示す概念図である。
The first to fifth embodiments of the invention of claim 1 are shown. FIG. 2 is a conceptual diagram showing the structure of the device according to Example 1,
3 is a conceptual diagram showing the structure of an element according to Example 3, FIG. 4 is a conceptual diagram showing the structure of an element according to Example 4, and FIGS. 5 to 7 are conceptual diagrams showing the structure of an element according to yet another example. ..

【0025】実施例1 第11図において、Kセル101aにBi23 を、1
01bにSr金属を、101cにCa金属を、101d
にはCu金属をそれぞれ充填し、ヒーター102a〜1
02dをそれぞれ820℃、800℃、850℃、11
00℃に加熱して各原料を蒸発させた。各原料の蒸発速
度は、水晶振動式の膜厚モニター103a〜103dに
よって独立に、所望の蒸発速度(約0.05〜1Å/
秒)に制御されている。基板4はSrTiO3 (10
0)単結晶基板とし、予めヒーター5によって450〜
600℃に加熱されている。ボンベ107にはNO2
充填されており、バルブ108を開け、マスフローメー
ター109によって20sccmに調節してチャンバー
内に導入する。NO2 は、ノズル110を通じて基板4
の近傍に到達し、各金属元素の酸化を有効に行なう役割
を果たす。なお、成膜中はバルブ112と排気用ポンプ
111によって、チャンバー内は平均で5×10-5To
rrに保たれている。
Example 1 In FIG. 11, K 2 cell 101a was supplemented with Bi 2 O 3
01b is Sr metal, 101c is Ca metal, 101d
Cu metal is filled in each of the heaters 102a-1
02d at 820 ° C, 800 ° C, 850 ° C, 11
Each raw material was evaporated by heating to 00 ° C. The evaporation rate of each raw material is independently controlled by the crystal vibration type film thickness monitors 103a to 103d, and the desired evaporation rate (about 0.05 to 1Å /
Seconds). The substrate 4 is SrTiO 3 (10
0) A single crystal substrate is used, and the heater 5 is used beforehand for 450 to
It is heated to 600 ° C. The cylinder 107 is filled with NO 2 , the valve 108 is opened, the mass flow meter 109 adjusts to 20 sccm, and the gas is introduced into the chamber. NO 2 is passed through the nozzle 110 to the substrate 4
Reaches the vicinity of, and plays the role of effectively oxidizing each metal element. During film formation, the inside of the chamber was 5 × 10 −5 To on average by the valve 112 and the exhaust pump 111.
It is kept at rr.

【0026】最初に、トンネル型ジョセフソン素子にお
ける下部超電導体層1aの膜成長を以下のようにして行
なった。シャッター106を(b→d→c→d→c→d
→b→a→a→b→d→c→d→c→d→b→a→a)
を繰り返し単位として、順々に開閉して、基板4上に各
金属を原子層の厚さで堆積していく。即ち、SrCuC
aCuCaCuSrBiBiSrCuCaCuCaCu
SrBiBiの繰り返である。この操作により、図1
(b) に示されるような2−2−2−3構造のBi系酸化
物超電導体が得られるが、本実施例では、下部超電導体
層1aとして、結晶構造上のBi−O原子層とSr−O
原子層に挟まれたBi−O原子層を表面とする厚さ70
0Åの超電導体薄膜を成膜した。
First, film growth of the lower superconducting layer 1a in the tunnel type Josephson element was performed as follows. Set the shutter 106 to (b → d → c → d → c → d
→ b → a → a → b → d → c → d → c → d → b → a → a)
As a repeating unit, the metal is sequentially opened and closed to deposit each metal on the substrate 4 in an atomic layer thickness. That is, SrCuC
aCuCaCuSrBiBiSrCuCaCuCaCu
It is the repetition of SrBiBi. By this operation,
Although a Bi-based oxide superconductor having a 2-2-2-3 structure as shown in (b) is obtained, in the present embodiment, as the lower superconductor layer 1a, a Bi—O atomic layer on the crystal structure is used. Sr-O
Thickness with Bi-O atomic layer sandwiched between atomic layers as the surface 70
A superconducting thin film of 0Å was formed.

【0027】上述した操作により形成したBi系酸化物
電導体薄膜について、X線回折測定(XRD)によって
構造解析を行なった結果、c軸が基体4面に対して垂直
な方位に成長した、2−2−2−3構造のBi系酸化物
超電導体薄膜であることがわかった。また、高分解能透
過電子顕微鏡観察により、成長した超電導体薄膜を断面
観察した結果、2−2−2−3構造のBi系酸化物超電
導体薄膜において、結晶構造上のBi−O原子層とSr
−O原子層に挟まれたBi−O原子層が、超電導体層の
表面を形成していることが確認された。
The Bi-based oxide conductor thin film formed by the above-mentioned operation was subjected to a structural analysis by X-ray diffraction measurement (XRD). As a result, the c-axis grew in the direction perpendicular to the surface of the substrate 4. It was found to be a Bi-based oxide superconductor thin film having a -2-2-3 structure. In addition, as a result of observing the cross section of the grown superconductor thin film by observation with a high resolution transmission electron microscope, in the Bi-based oxide superconductor thin film of 2-2-2-3 structure, the Bi—O atomic layer and Sr on the crystal structure
It was confirmed that the Bi-O atomic layer sandwiched between the -O atomic layers formed the surface of the superconductor layer.

【0028】次に、図11には示さなかった別のKセル
にMg金属を蒸発原料として充填し、対応するヒーター
を650℃に加熱してMg金属を蒸発させた。この時、
他の成膜条件は、下部超電導体層1aと同じにした。酸
化性ガスの導入を行なっているので、蒸発したMg金属
は、気相中、或いは、基板4上で酸化され、MgOが成
長する。先に形成した下部超電導体層1a上にMgO絶
縁体層2を20Å形成した。成長後、RHEEDによっ
て膜表面の構造を観察したところ、MgO層はエピタキ
シャル成長していることが分かった。最後に上部超電導
体層1bを形成する。原子層の成長順序が下部超電導体
層1aの時と逆の順序となるように、即ち、シャッター
106を(a→a→b→d→c→d→c→d→b→a→
a→b→d→c→d→c→d→b)を繰り返し単位とし
て、順々に開閉して、先に形成したMgO絶縁体層2上
に各金属を原子層の厚さで堆積していく。即ち、BiB
iSrCuCaCuCaCuSrBiBiSrCuCa
CuCaCuSrの繰り返しであること以外は下部超電
導体層1aと同様の方法によってBi系酸化物超電導体
薄膜を成長させた。この操作により、2−2−2−3構
造(図1(b) )のBi系酸化物超電導体からなり、か
つ、結晶構造上のSr−O原子層とBi−O原子層に挟
まれたBi−O原子層が最下層として絶縁体層2との界
面を形成している厚さ700Åの上部超電導体層1bを
形成した。
Next, another K cell not shown in FIG. 11 was filled with Mg metal as an evaporation raw material, and the corresponding heater was heated to 650 ° C. to evaporate Mg metal. At this time,
The other film forming conditions were the same as those for the lower superconductor layer 1a. Since the oxidizing gas is introduced, the evaporated Mg metal is oxidized in the vapor phase or on the substrate 4, and MgO grows. The MgO insulator layer 2 was formed on the lower superconducting layer 1a formed earlier by 20Å. After the growth, the structure of the film surface was observed by RHEED, and it was found that the MgO layer was epitaxially grown. Finally, the upper superconductor layer 1b is formed. The atomic layer is grown in the reverse order of that of the lower superconductor layer 1a, that is, the shutter 106 is moved to (a → a → b → d → c → d → c → d → b → a →).
a → b → d → c → d → c → d → b) are sequentially opened and closed to deposit each metal on the previously formed MgO insulator layer 2 in an atomic layer thickness. To go. That is, BiB
iSrCuCaCuCaCuSrBiBiSrCuCa
A Bi-based oxide superconductor thin film was grown by the same method as that for the lower superconductor layer 1a except that CuCaCuSr was repeated. By this operation, it was composed of a Bi-based oxide superconductor having a 2-2-2-3 structure (Fig. 1 (b)) and was sandwiched between the Sr-O atomic layer and the Bi-O atomic layer on the crystal structure. An upper superconducting layer 1b having a thickness of 700Å, in which the Bi-O atomic layer forms the interface with the insulator layer 2 as the lowermost layer, was formed.

【0029】上述した操作により成膜したBi系酸化物
超電導体薄膜について、X線回折測定(XRD)によっ
て構造回折を行なった結果、c軸方向が基体面に対して
垂直な方位に成長した、2−2−2−3構造のBi系酸
化物超電導体薄膜であることがわかった。また、高分解
能透過電子顕微鏡観察によって、成膜した超電導体薄膜
を断面観察した結果、2−2−2−3構造のBi系酸化
物超電導体薄膜において、結晶構造上のSr−O原子層
とBi−O原子層に挟まれたBi−O原子層が上部超電
導体層1aの最下層でMgO絶縁体層2との界面を形成
していることが確認された。成長終了後、RHEEDに
よって膜表面の構造を観察したところ、上部超電導体層
(BSCCO層)1bはエピタキシャル成長ていること
が分かった。
The Bi-based oxide superconductor thin film formed by the above operation was subjected to structural diffraction by X-ray diffraction measurement (XRD), and as a result, the c-axis direction grew in a direction perpendicular to the substrate surface. It was found to be a Bi-based oxide superconductor thin film having a 2-2-2-3 structure. Further, as a result of observing the cross section of the formed superconductor thin film by observation with a high resolution transmission electron microscope, in the Bi-based oxide superconductor thin film of 2-2-2-3 structure, an Sr-O atomic layer on the crystal structure It was confirmed that the Bi-O atomic layer sandwiched between the Bi-O atomic layers formed the interface with the MgO insulator layer 2 at the lowermost layer of the upper superconductor layer 1a. After the growth was completed, the structure of the film surface was observed by RHEED, and it was found that the upper superconductor layer (BSCCO layer) 1b was epitaxially grown.

【0030】上述した積層操作は、すべて同一装置内で
(いわゆるIn−Situ)で行なった。こうして得ら
れたSIS型積層構造物について、一部の領域を下部超
電導体層1bが露出するまで、SF6 ガスによるRIB
E(Reactive Ion Beam Etching) 法を用いてドライエッ
チングし、各超電導体層1a,1bの上面にそれぞれ金
蒸着による電極3a,3bを形成した(図12)。図1
2に示すように、このトンネル型ジョセフソン素子は、
基板4上に下部超電導体層1a、絶縁体層2、上部超電
導体層1bが順次積層されている。また、絶縁体層2と
上部超電導体層1bの一部は除去されて、下部超電導層
1aの一部が表面に露出しており、この露出領域と上部
超電導体層1bの表面にはそれぞれ電極3a,3bが形
成されている。本実施例1では、単結晶基板4をSrT
iO3 (000)、下部超電導層1a及び上部超電導層
1bをc軸配向、2−2−2−3構造Bi系酸化物超電
導体、絶縁体層2を厚さ20Åの(100)MgO、電
圧用電極3a-(イ),3b-(イ)及び電流用電極3a-(ロ),
3b-(ロ)をAuで構成した。
The above-mentioned lamination operation was performed in the same apparatus (so-called In-Situ). In the SIS type laminated structure thus obtained, RIB with SF 6 gas is applied to a part of the region until the lower superconducting layer 1b is exposed.
E is dry-etched using the (R eactive I on B eam E tching) method, the superconducting layer 1a, the electrode 3a by the respective gold deposited on the upper surface 1b, the was formed 3b (FIG. 12). Figure 1
As shown in 2, the tunnel type Josephson device
A lower superconducting layer 1a, an insulating layer 2, and an upper superconducting layer 1b are sequentially laminated on a substrate 4. Further, a part of the insulator layer 2 and the upper superconducting layer 1b is removed, and a part of the lower superconducting layer 1a is exposed on the surface. The exposed region and the surface of the upper superconducting layer 1b are respectively provided with electrodes. 3a and 3b are formed. In the first embodiment, the single crystal substrate 4 is made of SrT.
iO 3 (000), lower superconducting layer 1a and upper superconducting layer 1b are c-axis oriented, 2-2-2-3 structure Bi-based oxide superconductor, insulator layer 2 is (100) MgO having a thickness of 20Å, voltage Electrodes 3a- (a), 3b- (a) and current electrodes 3a- (b),
3b- (b) was composed of Au.

【0031】図13は本実施例によるトンネル型ジョセ
フソン素子の電圧−電流特性を77Kで測定した結果で
ある。図に示すように、このトンネル型ジョセフソン素
子は、エネルギーギャップに相当する10mV付近で急
激に電流が低下しており、良質なトンネル接合が形成さ
れていることが確認された。また、接合部分に10.8
GHzのマイクロ波を照射すると、その電圧−電流曲線
に約20μV毎のシャピロステップが観測され、この接
合がジョセフソン接合効果を持つことが確認された。図
14に、作製したトンネル型ジョセフソン素子の77K
での低周波側ノイズのパワースペクトルを示す(比較例
については後述)。
FIG. 13 shows the results of measuring the voltage-current characteristics of the tunnel type Josephson element according to this example at 77K. As shown in the figure, in this tunnel type Josephson element, the current drastically decreased in the vicinity of 10 mV corresponding to the energy gap, and it was confirmed that a good-quality tunnel junction was formed. Also, 10.8 at the joint
When irradiated with a microwave of GHz, a Shapiro step of about 20 μV was observed on the voltage-current curve, and it was confirmed that this junction has a Josephson junction effect. Fig. 14 shows the tunnel-type Josephson device manufactured at 77K.
The power spectrum of the low frequency side noise in is shown (a comparative example is mentioned later).

【0032】実施例2 絶縁体層2の材料をSrTiO3 とした以外は実施例1
と同様の方法によって、BSCCO上部超電導体層/S
rTiO3 絶縁体層/BSCCO下部超電導体層のSI
S積層型接合を形成し、トンネル型ジョセフソン素子を
作製した。その評価結果は、実施例1と同じであった。
Example 2 Example 1 except that the material of the insulator layer 2 was SrTiO 3.
BSCCO upper superconductor layer / S
SI of rTiO 3 insulator layer / BSCCO lower superconductor layer
An S stacking type junction was formed to produce a tunnel type Josephson device. The evaluation results were the same as in Example 1.

【0033】実施例3 トンネル型ジョセフソン素子における下部超電導体層1
aを形成するために、シャッター106を(a→a→b
→d→c→d→c→d→b→a→a→b→d→c→d→
c→d→b)を繰り返し単位として、順々に開閉して、
基板4上に各金属を原子層の厚さで堆積していく。即
ち、BiBiSrCuCaCuCaCuSrBiBiS
rCuCaCuCaCuSrの繰り返しであること以外
は実施例1と同様の方法によってBi系酸化物超電導体
薄膜を成膜した。この操作により、図1(b) のような2
−2−2−3構造のBi系酸化物超電導体薄膜が得られ
るが、結晶構造上のCu−O原子層とBi−O原子層に
挟まれたSr−O原子層が薄膜の表面となり、絶縁体層
2成長後、絶縁体層2との界面を形成していることが実
施例1と異なっている。
Example 3 Lower superconductor layer 1 in tunnel type Josephson device
In order to form a, the shutter 106 is moved to (a → a → b
→ d → c → d → c → d → b → a → a → b → d → c → d →
c → d → b) is used as a repeating unit to open and close in sequence,
Each metal is deposited on the substrate 4 in an atomic layer thickness. That is, BiBiSrCuCaCuCaCuSrBiBiS
A Bi-based oxide superconductor thin film was formed by the same method as in Example 1 except that rCuCaCuCaCuSr was repeated. By this operation, as shown in Fig. 1 (b),
Although a Bi-based oxide superconductor thin film having a -2-2-3 structure is obtained, the Sr-O atomic layer sandwiched between the Cu-O atomic layer and the Bi-O atomic layer on the crystal structure becomes the surface of the thin film. It is different from the first embodiment that the interface with the insulator layer 2 is formed after the growth of the insulator layer 2.

【0034】次いで、トンネル型ジョセフソン素子の上
部超電導体層1bを形成するために、原子層の成長順序
が下部超電導体層(BSCCO層)1aの時と逆の順序
となるように、即ち、シャッター106を(b→d→c
→d→c→d→b→a→a→b→d→c→d→c→d→
b→a→a)を繰り返し単位として、順々に開閉して、
絶縁体層2上に各金属を原子層の厚さで堆積していく。
即ち、SrCuCaCuCaCuSrBiBiSrCu
CaCuCaCuSrBiBiの繰り返しであること以
外は実施例1と同様の方法によってBi系酸化物超電導
体薄膜を成膜した。この操作により、2−2−2−3構
造のBi系酸化物超電導体が得られるが、結晶構造上の
Cu−O原子層とBi−O原子層に挟まれたSr−O原
子層が、上部超電導体層1bの最下層で絶縁体層2との
界面を形成していることが実施例1と異なっている。
Next, in order to form the upper superconducting layer 1b of the tunnel type Josephson element, the growth order of atomic layers is opposite to that of the lower superconducting layer (BSCCO layer) 1a, that is, Press the shutter 106 (b → d → c
→ d → c → d → b → a → a → b → d → c → d → c → d →
b → a → a) is used as a repeating unit to open and close in sequence,
Each metal is deposited on the insulator layer 2 in the atomic layer thickness.
That is, SrCuCaCuCaCuSrBiBiSrCu
A Bi-based oxide superconductor thin film was formed by the same method as in Example 1 except that CaCuCaCuSrBiBi was repeated. By this operation, a Bi-based oxide superconductor having a 2-2-2-3 structure is obtained, but the Sr-O atomic layer sandwiched between the Cu-O atomic layer and the Bi-O atomic layer on the crystal structure is It differs from the first embodiment in that the lowermost layer of the upper superconductor layer 1b forms an interface with the insulator layer 2.

【0035】上記以外は、実施例1と同じ操作により形
成したSIS積層構造物について、X線回折測定(XR
D)と高分解能透過電子顕微鏡観察を行なったところ、
超電導体層1a,1bはc軸を基体4と垂直な方向とし
て、絶縁体層2とエピタキシャルに成長しており、か
つ、絶縁体層2との界面が、結晶構造上のCu−O原子
層とBi−O原子層に挟まれたSr−O原子層により形
成された、超格子構造を持つ2−2−2−3構造のBi
系酸化物超電導体薄膜であることが分かった。上述した
操作によって、図3に示されるようなBSCCO上部超
電導体層(700Å)/MgO絶縁体層(20Å)/B
SCCO下部超電導体層(700ÅのSIS積層型接合
を形成し、トンネル型ジョセフソン素子を作製した。そ
の評価結果は、実施例1と同じであった。
Except for the above, the SIS laminated structure formed by the same operation as in Example 1 was subjected to X-ray diffraction measurement (XR
D) and high resolution transmission electron microscope observation,
The superconductor layers 1a and 1b are epitaxially grown with the insulator layer 2 with the c-axis perpendicular to the substrate 4, and the interface with the insulator layer 2 is a Cu—O atomic layer having a crystalline structure. Bi having a 2-2-2-3 structure having a superlattice structure formed by an Sr-O atomic layer sandwiched between a Bi-O atomic layer and a Bi-O atomic layer
It was found to be a system oxide superconductor thin film. By the above operation, the BSCCO upper superconductor layer (700Å) / MgO insulator layer (20Å) / B as shown in FIG.
An SCCO lower superconductor layer (700 Å SIS laminated junction was formed to fabricate a tunnel-type Josephson device. The evaluation result was the same as that of Example 1.

【0036】実施例4 トンネル型ジョセフソン素子の下部超電導体層1aを形
成するために、シャッター106を(a→b→d→c→
d→c→d→b→a→a→b→d→c→d→c→d→b
→a)を繰り返し単位として、順々に開閉して、基板4
上に各金属を原子層の厚さで堆積していく。即ち、Bi
SrCuCaCuCaCuSrBiBiSrCuCaC
uCaCuSrBiの繰り返しであること以外は実施例
1と同様の方法によってBi系酸化物超電導体薄膜を成
膜した。この操作により2−2−2−3構造のBi系酸
化物超電導体薄膜が得られるが、結晶構造上のSr−O
原子層とBi−O原子層に挟まれたBi−O原子層が薄
膜の表面となり、絶縁体層2成長後、絶縁体層2との界
面を形成していることが実施例1と異なっている。
Example 4 In order to form the lower superconducting layer 1a of the tunnel type Josephson device, the shutter 106 was set to (a → b → d → c →).
d → c → d → b → a → a → b → d → c → d → c → d → b
→ Open and close in sequence with a) as a repeating unit, and
Each metal is deposited on top of this in atomic layer thicknesses. That is, Bi
SrCuCaCuCaCuSrBiBiSrCuCaC
A Bi-based oxide superconductor thin film was formed by the same method as in Example 1 except that uCaCuSrBi was repeated. By this operation, a Bi-based oxide superconductor thin film having a 2-2-2-3 structure can be obtained.
It differs from Example 1 in that the Bi—O atomic layer sandwiched between the atomic layer and the Bi—O atomic layer forms the surface of the thin film, and forms an interface with the insulating layer 2 after the growth of the insulating layer 2. There is.

【0037】次いで、トンネル型ジョセフソン素子の上
部超電導体層1bを形成するために、原子層の成長順序
が下部超電導体層(BSCCO層)1aの時と逆の順序
となるように、即ち、シャッター106を(a→b→d
→c→d→c→d→b→a→a→b→d→c→d→c→
d→b→a)を繰り返し単位として、順々に開閉して、
絶縁体層2上に各金属を原子層の厚さで堆積していく。
即ち、BiSrCuCaCuCaCuSrBiBiSr
CuCaCuCaCuSrBiの繰り返しであること以
外は実施例1と同様の方法によってBi系酸化物超電導
体薄膜を成膜した。この操作により、2−2−2−3構
造のBi系酸化物超電導体薄膜が得られるが、結晶構造
上のSr−O原子層とBi−O原子層に挟まれたBi−
O原子層が、上部超電導体層1bの最下層で絶縁体層2
との界面を形成していることが実施例1と異なってい
る。上記以外は、実施例1と同じ操作により形成したS
IS積層構造物について、X線回折測定(XRD)と高
分解能透過電子顕微鏡観察を行なったところ、超電導体
層1a,1bはc軸を基体4と垂直な方向として絶縁体
層2とエピタキシャルに成長しており、かつ、絶縁体層
2との界面が、結晶構造上のSr−O原子層とBi−O
原子層に挟まれたBi−O原子層により形成された、超
格子構造を持つ2−2−2−3構造のBi系酸化物超電
導体薄膜であることが分かった。上述した操作により、
図4に示すようなBSCCO上部超電導体層(700
Å)/MgO絶縁体層(20Å)/BSCCO下部超電
導体層(700Å)のSIS積層型接合を形成し、トン
ネル型ジョセフソン素子を作製した。その評価結果は、
実施例1と同じであった。
Next, in order to form the upper superconductor layer 1b of the tunnel type Josephson device, the growth order of the atomic layers is opposite to that of the lower superconductor layer (BSCCO layer) 1a, that is, Shutter 106 (a → b → d
→ c → d → c → d → b → a → a → b → d → c → d → c →
Repeatedly open and close with d → b → a) as a repeating unit,
Each metal is deposited on the insulator layer 2 in the atomic layer thickness.
That is, BiSrCuCaCuCaCuSrBiBiSr
A Bi-based oxide superconductor thin film was formed by the same method as in Example 1 except that CuCaCuCaCuSrBi was repeated. By this operation, a Bi-based oxide superconductor thin film having a 2-2-2-3 structure can be obtained, but the Bi- sandwiched between the Sr-O atomic layer and the Bi-O atomic layer on the crystal structure.
The O atomic layer is the lowermost layer of the upper superconductor layer 1b and is the insulator layer 2.
It is different from Example 1 in that an interface with and is formed. S formed by the same operation as in Example 1 except for the above
X-ray diffraction measurement (XRD) and high-resolution transmission electron microscope observation of the IS laminated structure revealed that the superconducting layers 1a and 1b were grown epitaxially with the insulator layer 2 with the c-axis perpendicular to the substrate 4. And the interface with the insulator layer 2 has a Sr-O atomic layer and a Bi-O on the crystal structure.
It was found to be a Bi-based oxide superconductor thin film having a 2-2-2-3 structure having a superlattice structure formed by Bi—O atomic layers sandwiched between atomic layers. By the above operation,
As shown in FIG. 4, the BSCCO upper superconductor layer (700
Å) / MgO insulator layer (20Å) / BSCCO lower superconducting layer (700Å) SIS laminated type junction was formed to produce a tunnel type Josephson device. The evaluation result is
It was the same as in Example 1.

【0038】なお、上記の実施例においては、下部及び
上部超電導体層1a,1bの表面(絶縁体層2との界
面)が、結晶構造上の同じ層によって構成されている
が、前述した超格子構造の条件(a) ,(b) ,(c) を満た
せば、両者の表面は同じ層である必要はない。 この例
を図5に示す。図5の例では、下部及び上部超電導体層
1a,1bは、2−2−2−3構造のBi系酸化物超電
導体薄膜であり、下部超電導体層1aの表面はCu−O
原子層とBi−O原子層に挟まれたSr−O原子層で形
成され、上部超電導体層1bの表面はSr−O原子層と
Bi−O原子層に挟まれたBi−O原子層で形成されて
いる。
In the above embodiment, the surfaces of the lower and upper superconductor layers 1a and 1b (interfaces with the insulator layer 2) are made of the same crystal structure layer. As long as the conditions (a), (b), and (c) of the lattice structure are satisfied, both surfaces need not be the same layer. An example of this is shown in FIG. In the example of FIG. 5, the lower and upper superconductor layers 1a and 1b are Bi-based oxide superconductor thin films having a 2-2-2-3 structure, and the surface of the lower superconductor layer 1a is Cu—O.
The upper superconductor layer 1b is formed of a Sr-O atomic layer sandwiched between the atomic layer and the Bi-O atomic layer, and the surface of the upper superconductor layer 1b is a Bi-O atomic layer sandwiched between the Sr-O atomic layer and the Bi-O atomic layer. Has been formed.

【0039】また、実施例1〜4では2−2−2−3構
造(図1(b) )の例を示したが、図6,図7に2−2−
1−2構造(図1(a) )のBi系酸化物超電導体薄膜で
下部及び上部超電導体層1a,1bを構成した例を示
す。図6の例では、下部及び上部超電導体層1a,1b
の表面はSr−O原子層とBi−O原子層に挟まれたB
i−O原子層で形成されている。図7の例では、下部及
び上部超電導体層1a,1bの表面はCu−O原子層と
Bi−O原子層で挟まれたSr−O原子層で形成されて
いる。
Further, in Examples 1 to 4, an example of the 2-2-2-3 structure (FIG. 1 (b)) was shown.
An example in which the lower and upper superconductor layers 1a and 1b are composed of a Bi-based oxide superconductor thin film having a 1-2 structure (FIG. 1 (a)) is shown. In the example of FIG. 6, the lower and upper superconductor layers 1a and 1b
The surface of B is sandwiched between Sr-O atomic layer and Bi-O atomic layer.
It is formed of an i-O atomic layer. In the example of FIG. 7, the surfaces of the lower and upper superconductor layers 1a and 1b are formed of Sr—O atomic layers sandwiched by Cu—O atomic layers and Bi—O atomic layers.

【0040】比較例1 トンネル型ジョセフソン素子の下部超電導体層を形成す
るために、シャッター106を(b→a→a→b→d→
c→d→c→d→b→a→a→b→d→c→d→c→
d)を繰り返し単位として、順々に開閉して、基板4上
に各金属を原子層の厚さで堆積していく。即ち、SrB
iBiSrCuCaCuCaCuSrBiBiSrCu
CaCuSrBiBiSrCuCaCuCaCuの繰り
返しであること以外は実施例1と同様の方法によってB
i系酸化物超電導体薄膜を成膜した。この操作により2
−2−2−3構造のBi系酸化物超電導体薄膜が得られ
るが、結晶構造上のSr−O原子層とCa原子層に挟ま
れたCu−O原子層が薄膜の表面となり、絶縁体層成長
後、絶縁体との界面を形成していることが実施例1と異
なっている。
Comparative Example 1 In order to form the lower superconducting layer of the tunnel type Josephson device, the shutter 106 was set to (b → a → a → b → d →).
c → d → c → d → b → a → a → b → d → c → d → c →
Using d) as a repeating unit, the metals are sequentially opened and closed to deposit each metal on the substrate 4 in an atomic layer thickness. That is, SrB
iBiSrCuCaCuCaCuSrBiBiSrCu
B was prepared in the same manner as in Example 1 except that CaCuSrBiBiSrCuCaCuCaCu was repeated.
An i-based oxide superconductor thin film was formed. 2 by this operation
Although a Bi-based oxide superconductor thin film having a -2-2-3 structure is obtained, the Cu-O atomic layer sandwiched between the Sr-O atomic layer and the Ca atomic layer on the crystal structure serves as the surface of the thin film, and thus the insulator. It differs from Example 1 in that an interface with the insulator is formed after the layer growth.

【0041】次いで、トンネル型ジョセフソン素子の上
部超電導体層を形成するために、原子層の成長順序が下
部超電導体層(BSCCO層)の時と逆の順序となるよ
うに、即ち、シャッター106を(d→c→d→c→d
→b→a→a→b→d→c→d→c→d→b→a→a→
b)を繰り返し単位として、順々に開閉して、絶縁体層
上に各金属を原子層の厚さで堆積していく。即ち、Cu
CaCuCaCuSrBiBiSrCuCaCuCaC
uSrBiBiSrの繰り返しであること以外は実施例
1と同様の方法によってBi系酸化物超電導体薄膜を成
膜した。この操作により、2−2−2−3構造のBi系
酸化物超電導体薄膜が得られるが、結晶構造上のSr−
O原子層とCa原子層に挟まれたCu−O原子層が、上
部超電導体層の最下層で絶縁体層との界面を形成してい
ることが実施例1と異なっている。
Next, in order to form the upper superconductor layer of the tunnel type Josephson device, the growth order of the atomic layers is opposite to that of the lower superconductor layer (BSCCO layer), that is, the shutter 106. (D → c → d → c → d
→ b → a → a → b → d → c → d → c → d → b → a → a →
Using b) as a repeating unit, opening and closing are sequentially performed to deposit each metal on the insulator layer in the thickness of the atomic layer. That is, Cu
CaCuCaCuSrBiBiSrCuCaCuCaC
A Bi-based oxide superconductor thin film was formed by the same method as in Example 1 except that uSrBiBiSr was repeated. By this operation, a Bi-based oxide superconductor thin film having a 2-2-2-3 structure can be obtained.
It differs from Example 1 in that the Cu—O atomic layer sandwiched between the O atomic layer and the Ca atomic layer forms an interface with the insulator layer at the lowermost layer of the upper superconductor layer.

【0042】上記以外は、実施例1と同じ操作により形
成したSIS積層構造物について、X線回折測定(XR
D)と高分解能透過電子顕微鏡観察を行なったところ、
下部及び上部超電導体層は、c軸を基体に垂直な方向と
して絶縁体層とエピタキシャルに成長しており、かつ、
絶縁体層との界面が、結晶構造上のSr−O原子層とC
a原子層に挟まれたCu−O原子層により形成された、
超格子構造を持つ2−2−2−3構造のBi系酸化物超
電導体薄膜であることが分かった。上述した操作によ
り、BSCCO上部超電導体層(700Å)/MgO絶
縁体層(20Å)/BSCCO下部超電導体層(700
Å)のSIS積層型接合を形成し、トンネル型ジョセフ
ソン素子を作製した。図14に、作製したトンネル型ジ
ョセフソン素子における、77Kでの低周波数側ノイズ
のパワースペクトルを示す。
Except for the above, the SIS laminated structure formed by the same operation as in Example 1 was subjected to X-ray diffraction measurement (XR
D) and high resolution transmission electron microscope observation,
The lower and upper superconductor layers are epitaxially grown with the insulator layer with the c-axis perpendicular to the substrate, and
The interface with the insulator layer is C and the Sr-O atomic layer on the crystal structure.
a formed by Cu-O atomic layers sandwiched between a atomic layers,
It was found to be a Bi-based oxide superconductor thin film having a 2-2-2-3 structure having a superlattice structure. By the operation described above, the BSCCO upper superconductor layer (700Å) / MgO insulator layer (20Å) / BSCCO lower superconductor layer (700
A tunnel type Josephson device was produced by forming the SIS laminated junction of Å). FIG. 14 shows the power spectrum of low-frequency noise at 77K in the manufactured tunnel-type Josephson device.

【0043】実施例,1,2,3,4と比較例1を比べ
ると明らかなように、請求項1の発明による、Bi系酸
化物超電導体薄膜の超格子構造により形成されているト
ンネル型ジョセフソン素子は、接合ノイズ及び1/fノ
イズが低減された、良好な接合特性を持つ素子であると
言える。なお、比較例1において、超電導体層と絶縁体
層との界面を形成する原子層として、上述したCu−O
原子層以外で、実施例1,2,3,4以外の原子層につ
いて実施したが、結果は、比較例1と同じであった。
As is clear from a comparison between Examples 1, 2, 3, 4 and Comparative Example 1, the tunnel type formed by the superlattice structure of the Bi-based oxide superconductor thin film according to the invention of claim 1 It can be said that the Josephson element is an element having good junction characteristics with reduced junction noise and 1 / f noise. In Comparative Example 1, as the atomic layer forming the interface between the superconductor layer and the insulator layer, the above-mentioned Cu—O was used.
Other than the atomic layer, the atomic layers other than Examples 1, 2, 3 and 4 were used, but the results were the same as those of Comparative Example 1.

【0044】実施例5 Kセル101aにTl23 を101bにBaを充填
し、ヒーター102aを720℃に、102bを740
℃に加熱した以外は、実施例1と同様の方法により、2
−2−2−3構造のTl系酸化物超電導体薄膜を成長
し、下部及び上部超電導体層を形成した。上記以外は、
実施例1と同じ操作により形成したSIS積層構造物に
ついて、X線回折測定(XRD)及び高分解能透過電子
顕微鏡観察を行なったところ、下部及び上部超電導体層
はc軸を基体と垂直な方向として絶縁体層とエピタキシ
ャルに成長しており、かつ、絶縁体層との界面が、結晶
構造上のTl−O原子層とBa−O原子層に挟まれたT
l−O原子層により形成された、超格子構造を持つ2−
2−2−3構造のTl系酸化物超電導体薄膜であること
が分かった。上記のようにして、TBCCO上部超電導
体層(700Å)/MgO絶縁体層(20Å)/TBC
CO下部超電導体層(700Å)のSIS積層型接合を
形成し、トンネル型ジョセフソン素子を作製した。その
評価結果は、実施例1と同じであった。
Example 5 K cell 101a was filled with Tl 2 O 3 and 101b with Ba, the heater 102a was heated to 720 ° C., and 102b to 740.
By the same method as in Example 1 except that the heating was performed at 2 ° C, 2
A Tl-based oxide superconductor thin film having a -2-2-3 structure was grown to form lower and upper superconductor layers. Other than the above,
X-ray diffraction measurement (XRD) and high-resolution transmission electron microscope observation of the SIS laminated structure formed by the same operation as in Example 1 revealed that the lower and upper superconductor layers had the c-axis perpendicular to the substrate. T which is grown epitaxially with the insulator layer and whose interface with the insulator layer is sandwiched between the T1-O atomic layer and the Ba-O atomic layer on the crystal structure.
2- with a superlattice structure formed by an I-O atomic layer
It was found to be a Tl-based oxide superconductor thin film having a 2-2-3 structure. As described above, the TBCCO upper superconductor layer (700Å) / MgO insulator layer (20Å) / TBC
A tunnel type Josephson device was prepared by forming a SIS laminated junction of the CO lower superconductor layer (700 Å). The evaluation results were the same as in Example 1.

【0045】比較例2 トンネル型ジョセフソン素子の下部超電導体層を形成す
るために、実施例5と同様の成長条件、比較例1と同様
のシャッター操作により、Tl系酸化物超電導体薄膜を
成膜した。即ち、BaTlTlBaCuCaCuCaC
uBaTlTlBaCuCaCuCaCuの繰り返しで
ある。この操作により、2−2−2−3構造のTl系酸
化物超電導体薄膜が得られるが、結晶構造上のBa−O
原子層とCa原子層に挟まれたCu−O原子層が薄膜の
表面となり、絶縁体層成長後、絶縁体との界面を形成し
ていることが実施例5と異なっている。
Comparative Example 2 In order to form a lower superconductor layer of a tunnel type Josephson device, a Tl-based oxide superconductor thin film was formed under the same growth conditions as in Example 5 and the same shutter operation as in Comparative Example 1. Filmed That is, BaTlTlBaCuCaCuCaC
It is the repetition of uBaTlTlBaCuCaCuCaCuCu. By this operation, a Tl-based oxide superconductor thin film having a 2-2-2-3 structure can be obtained.
It differs from Example 5 in that the Cu—O atomic layer sandwiched between the atomic layer and the Ca atomic layer becomes the surface of the thin film, and forms an interface with the insulator after the insulator layer has grown.

【0046】次いで、トンネル型ジョセフソン素子の上
部超電導体層を形成するために、実施例5と同様の成長
条件で、原子層の成長順序が下部超電導体層(TBCC
O層)の時と逆となるように、即ち、比較例1と同様の
シャッター操作により、Tl系酸化物超電導体薄膜を成
長した。この操作により、2−2−2−3構造のTl系
酸化物超電導体薄膜が得られるが、結晶構造上のBa−
O原子層とCa原子層に挟まれたCu−O原子層が、上
部超電導体層の最下層で絶縁層との界面を形成している
ことが実施例5と異なっている。
Next, in order to form the upper superconducting layer of the tunnel type Josephson element, under the same growth conditions as in Example 5, the atomic layers were grown in the lower superconducting layer (TBCC).
The Tl-based oxide superconductor thin film was grown so as to be opposite to the case of the O layer), that is, by the same shutter operation as in Comparative Example 1. By this operation, a Tl-based oxide superconductor thin film having a 2-2-2-3 structure can be obtained.
It differs from Example 5 in that the Cu—O atomic layer sandwiched between the O atomic layer and the Ca atomic layer forms an interface with the insulating layer at the lowermost layer of the upper superconductor layer.

【0047】上記以外は、実施例5と同じ操作により成
長したSIS積層構造物についてX線回折測定(XR
D)及び高分解能透過電子顕微鏡観察を行なったとこ
ろ、下部及び上部超電導体層はC軸を基体と垂直な方向
として絶縁体層とエピタキシャルに成長しており、か
つ、絶縁体層との界面が、結晶構造上のBa−O原子層
とCa原子層に挟まれたCu−O原子層により形成され
た、超格子構造を持つ2−2−2−3構造のTl系酸化
物超電導体薄膜でるあことが分かった。上記のようにし
て、TBCCO上部超電導体層(700Å)/MgO絶
縁体層(20Å)/TBCCO下部超電導体層(700
Å)のSIS積層型接合を形成し、トンネル型ジョセフ
ソン素子を作製した。その評価結果は、比較例1と同じ
であった。
X-ray diffraction measurement (XR) was performed on the SIS laminated structure grown by the same operation as in Example 5 except for the above.
D) and high-resolution transmission electron microscope observation revealed that the lower and upper superconductor layers were epitaxially grown with the insulator layer with the C-axis perpendicular to the substrate, and the interface with the insulator layer was , A 2-2-2-3 structure Tl-based oxide superconductor thin film having a superlattice structure formed by a Cu-O atomic layer sandwiched between a Ba-O atomic layer and a Ca atomic layer on a crystal structure I knew that. As described above, the TBCCO upper superconducting layer (700Å) / MgO insulator layer (20Å) / TBCCO lower superconducting layer (700
A tunnel type Josephson device was produced by forming the SIS laminated junction of Å). The evaluation result was the same as that of Comparative Example 1.

【0048】実施例5と比較例2からわかるように、請
求項1の発明によるTl系酸化物超電導体薄膜の超格子
構造により形成されているトンネル型ジョセフソン素子
は、接合ノイズ及び1/fノイズが低減された、良好な
接合特性を持つ素子に改善されている。なお、比較例2
において、超電導体層と絶縁体層との界面を形成する原
子層として、上述したCu−O原子層以外で実施例1,
2,3,4,5以外の原子層について実施したが、結果
は、比較例2と同じであった。
As can be seen from Example 5 and Comparative Example 2, the tunnel type Josephson element formed by the superlattice structure of the Tl-based oxide superconductor thin film according to the invention of claim 1 has a junction noise and 1 / f. It has been improved to a device having good junction characteristics with reduced noise. Comparative Example 2
In Example 1, the atomic layer forming the interface between the superconductor layer and the insulator layer was a layer other than the above-mentioned Cu—O atomic layer.
The results were the same as those of Comparative Example 2, although the atomic layers other than 2, 3, 4, and 5 were implemented.

【0049】次に、請求項2の発明に係る実施例を実施
例6〜8に示す。図9は実施例6による素子の構造を示
す概念図、図10は実施例7による素子の構造を示す概
念図である。 実施例6 Yは蒸発温度が高く、Kセルでは蒸発が困難であるの
で、カーボン製のるつぼに充填し電子銃で加熱する。一
方、Kセル101aにBa、101bにCuを充填し、
ヒーター102a〜102bをそれぞれ、740℃、1
100℃に加熱して蒸発させる。Yを充填したるつぼの
直上のシャッターを106e(図示せず)とする。トン
ネル型ジョセフソン素子の下部超電導体層1aを形成す
るために、シャッター106を(b→e→b→a→b→
a)を繰り返し単位として、順々に開閉して、基板4上
に各金属を原子層の厚さで堆積していく。即ち、CuY
CuBaCuBaの繰り返しであること以外は実施例1
と同様の方法によってY系酸化物超電導体薄膜を成膜し
た。この操作により、図8のような1−2−3構造のY
系酸化物超電導体薄膜が得られるが、本実施例では結晶
構造上のCu−O原子層とCu−O原子層に挟まれたB
a−O原子層が、薄膜の表面となり、絶縁体層成長後、
絶縁体との界面を形成する。
Next, Examples 6 to 8 according to the invention of claim 2 will be described. FIG. 9 is a conceptual diagram showing the structure of the element according to Example 6, and FIG. 10 is a conceptual diagram showing the structure of the element according to Example 7. Example 6 Y has a high evaporation temperature and is difficult to evaporate in the K cell. Therefore, Y is filled in a crucible made of carbon and heated by an electron gun. On the other hand, K cell 101a is filled with Ba and 101b is filled with Cu,
Heaters 102a to 102b at 740 ° C. and 1
Heat to 100 ° C. and evaporate. The shutter immediately above the crucible filled with Y is 106e (not shown). In order to form the lower superconducting layer 1a of the tunnel type Josephson device, the shutter 106 is (b → e → b → a → b →).
Using a) as a repeating unit, each metal is deposited on the substrate 4 in atomic layer thickness by sequentially opening and closing. That is, CuY
Example 1 except that CuBaCuBa is repeated
A Y-based oxide superconductor thin film was formed by the same method as described above. By this operation, Y of 1-2-3 structure as shown in FIG. 8 is obtained.
Although a system-based oxide superconductor thin film is obtained, in the present embodiment, the Cu—O atomic layer on the crystal structure and the B sandwiched between the Cu—O atomic layers are formed.
After the a-O atomic layer becomes the surface of the thin film and the insulator layer is grown,
Form an interface with the insulator.

【0050】トンネル型ジョセフソン素子の上部超電導
体層1bを形成するために、原子層の成長順序が下部超
電導体層(YBCCO層)1aの時と逆の順序になるよ
うに、即ち、シャッター106を(a→b→a→b→e
→b)を繰り返し単位として、順々に開閉して、絶縁体
層2上に各金属を原子層の厚さで堆積していく。即ち、
BaCuBaCuYCuの繰り返しであること以外は実
施例1と同様の方法によってY系酸化物超電導体薄膜を
成膜した。この操作により、図8のような1−2−3構
造のY系酸化物超電導体薄膜が得られるが、本実施例で
は結晶構造上のCu−O原子層とCu−O原子層に挟ま
れたBa−O原子層が、上部超電導体層1bの最下層で
絶縁体層2との界面を形成する。
In order to form the upper superconducting layer 1b of the tunnel type Josephson element, the growth order of atomic layers is reversed from that of the lower superconducting layer (YBCCO layer) 1a, that is, the shutter 106 is formed. (A → b → a → b → e
→ Using b) as a repeating unit, opening and closing are sequentially performed to deposit each metal on the insulating layer 2 in the thickness of the atomic layer. That is,
A Y-based oxide superconductor thin film was formed by the same method as in Example 1 except that BaCuBaCuYCu was repeated. By this operation, a Y-based oxide superconductor thin film having a 1-2-3 structure as shown in FIG. 8 is obtained, but in this example, it is sandwiched between the Cu—O atomic layer and the Cu—O atomic layer on the crystal structure. The Ba—O atomic layer forms the interface with the insulator layer 2 at the lowermost layer of the upper superconductor layer 1b.

【0051】上記以外は、実施例1と同じ操作により形
成したSIS積層構造物についてX線回折測定(XR
D)と高分解能透過電子顕微鏡観察を行なったところ、
下部及び上部超電導体層はc軸を基体と垂直な方向とし
て絶縁体層とエピタキシャルに成長しており、かつ、絶
縁体層との界面が、結晶構造上のCu−O原子層とCu
−O原子層に挟まれたBa−O原子層により形成され
た、超格子構造を持つ1−2−3構造のY系酸化物超電
導体薄膜であることが分かった。上記のようにして、図
9に示されるようなYBCO上部超電導体層(700
Å)/MgO絶縁体層(20Å)/YBCO下部超電導
体層(700Å)のSIS積層型接合を形成し、トンネ
ル型ジョセフソン素子を作製した。その評価結果は、実
施例1と同じであった。
X-ray diffraction measurement (XR) was performed on the SIS laminated structure formed by the same operation as in Example 1 except for the above.
D) and high resolution transmission electron microscope observation,
The lower and upper superconductor layers are epitaxially grown with the insulator layer with the c-axis perpendicular to the substrate, and the interface with the insulator layer has a Cu--O atomic layer and Cu on the crystal structure.
It was found to be a Y-based oxide superconductor thin film having a 1-2-3 structure having a superlattice structure, which was formed by Ba-O atomic layers sandwiched between -O atomic layers. As described above, the YBCO upper superconductor layer (700
Å) / MgO insulator layer (20Å) / YBCO lower superconducting layer (700Å) SIS laminated junction was formed to produce a tunnel type Josephson device. The evaluation results were the same as in Example 1.

【0052】実施例7 トンネル型ジョセフソン素子の下部超電導体層を形成す
るために、シャッター106を(a→b→e→b→a→
b)を繰り返し単位として、順々に開閉して、基板4上
に各金属を原子層の厚さで堆積していく。即ち、BaC
uYCuBaCuの繰り返しであること以外は実施例6
と同様の方法によってY系酸化物超電導体薄膜を成長し
た。この操作により、図8のような1−2−3構造のY
系酸化物超電導体薄膜が得られるが、結晶構造上のBa
−O原子層とBa−O原子層に挟まれたCu−O原子層
が、薄膜の表面となり、絶縁体層2成長後、絶縁体層2
との界面を形成していることが実施例6と異なってい
る。
Example 7 In order to form the lower superconducting layer of the tunnel type Josephson element, the shutter 106 was set to (a → b → e → b → a →).
Using b) as a repeating unit, the metals are sequentially opened and closed to deposit each metal on the substrate 4 in an atomic layer thickness. That is, BaC
Example 6 except that uYCuBaCu is repeated
A Y-based oxide superconductor thin film was grown by the same method as described above. By this operation, Y of 1-2-3 structure as shown in FIG. 8 is obtained.
-Based oxide superconductor thin film is obtained, but Ba on the crystal structure
The Cu-O atomic layer sandwiched between the -O atomic layer and the Ba-O atomic layer becomes the surface of the thin film, and after the growth of the insulating layer 2, the insulating layer 2 is formed.
It is different from Example 6 in that the interface with is formed.

【0053】次いで、トンネル型ジョセフソン素子の上
部超電導体層1bを形成するために、原子層の成長順序
が下部超電導体層(YBCO層)1aの時と逆の順序に
なるように、即ち、シャッター106を(b→a→b→
e→b→a)を繰り返し単位として、順々に開閉して、
絶縁体層2上に各金属を原子層の厚さで堆積していく。
即ち、CuBaCuYCuBaの繰り返しであること以
外は実施例6と同様の方法によってY系酸化物超電導体
薄膜を成膜した。この操作により、図8のような1−2
−3構造のY系酸化物超電導体薄膜が得られるが、結晶
構造上のBa−O原子層とBa−O原子層に挟まれたC
u−O原子層が、上部超電導体層の最下層で絶縁体層と
の界面を形成していることが実施例6と異なっている。
Then, in order to form the upper superconducting layer 1b of the tunnel type Josephson device, the growth order of the atomic layers is opposite to that of the lower superconducting layer (YBCO layer) 1a, that is, Set the shutter 106 to (b → a → b →
e → b → a) as a repeating unit, open and close in sequence,
Each metal is deposited on the insulator layer 2 in the atomic layer thickness.
That is, a Y-based oxide superconductor thin film was formed by the same method as in Example 6 except that CuBaCuYCuBa was repeated. By this operation, 1-2 as shown in FIG.
Although a Y-based oxide superconductor thin film having a -3 structure is obtained, a Ba-O atomic layer on the crystal structure and a C sandwiched between the Ba-O atomic layers are obtained.
It differs from Example 6 in that the u-O atomic layer forms an interface with the insulator layer at the lowermost layer of the upper superconductor layer.

【0054】上記以外は、実施例6と同じ操作により形
成したSIS積層構造物について、X線回折測定(XR
D)と高分解能透過電子顕微鏡観察を行なったところ、
下部及び上部超電導体層1a,1bはc軸を基体と垂直
な方向として絶縁体層とエピタキシャルに成長してお
り、かつ、絶縁体層2との界面が、結晶構造上のBa−
O原子層とBa−O原子層に挟まれたCu−O原子層に
より形成された、超格子構造を持つ1−2−3構造のY
系酸化物超電導体薄膜であることが分かった。上記のよ
うにして、図10に示されるようなYBCO上部超電導
体層(700Å)/MgO絶縁体層(20Å)/YBC
O下部超電導体層(700Å)のsis積層型接合を成
長し、トンネル型ジョセフソン素子を作製した。その評
価結果は、実施例6と同じであった。
X-ray diffraction measurement (XR) was performed on the SIS laminated structure formed by the same operation as in Example 6 except for the above.
D) and high resolution transmission electron microscope observation,
The lower and upper superconductor layers 1a and 1b are epitaxially grown with the insulator layer with the c-axis being the direction perpendicular to the substrate, and the interface with the insulator layer 2 has a crystal structure of Ba-
1-2-3 structure Y having a superlattice structure formed by a Cu-O atomic layer sandwiched between an O atomic layer and a Ba-O atomic layer
It was found to be a system oxide superconductor thin film. As described above, the YBCO upper superconductor layer (700Å) / MgO insulator layer (20Å) / YBC as shown in FIG.
A tunnel type Josephson device was produced by growing a sis laminated junction of the O lower superconductor layer (700 Å). The evaluation result was the same as in Example 6.

【0055】実施例8 トンネル型ジョセフソン素子の下部超電導体層を形成す
るために、シャッター106を(b→a→b→e→b→
a)を繰り返し単位として、順々に開閉して、基板4上
に各金属を原子層の厚さで堆積していく。即ち、CuB
aCuYCuBaの繰り返しであること以外は実施例6
と同様の方法によってY系酸化物超電導体薄膜を成膜し
た。この操作により、図8のような1−2−3構造のY
系酸化物超電導体薄膜が得られるが、結晶構造上のCu
−O原子層とCu−O原子層に挟まれたBa−O原子層
が薄膜の表面となり、絶縁体層成長後、絶縁体との界面
を形成していることが実施例6と異なっている。
Example 8 In order to form the lower superconducting layer of the tunnel type Josephson device, the shutter 106 was set to (b → a → b → e → b →).
Using a) as a repeating unit, each metal is deposited on the substrate 4 in atomic layer thickness by sequentially opening and closing. That is, CuB
Example 6 except that aCuYCuBa is repeated
A Y-based oxide superconductor thin film was formed by the same method as described above. By this operation, Y of 1-2-3 structure as shown in FIG. 8 is obtained.
-Based oxide superconductor thin film is obtained, but Cu on the crystal structure
It differs from Example 6 in that the Ba-O atomic layer sandwiched between the -O atomic layer and the Cu-O atomic layer becomes the surface of the thin film, and forms an interface with the insulator after the growth of the insulating layer. ..

【0056】次いで、トンネル型ジョセフソン素子の上
部超電導体層を形成するために、原子層の成長順序が下
部超電導体層(YBCO層)の時と逆の順序になるよう
に、即ち、シャッター106を(a→b→a→b→e→
b)を繰り返し単位として、順々に開閉して、絶縁体層
上に各金属を原子層の厚さで堆積していく。即ち、Ba
CuBaCuYCuの繰り返しであること以外は実施例
6と同様の方法によってY系酸化物超電導体薄膜を成膜
した。この操作により、図8のような1−2−3構造の
Y系酸化物超電導体薄膜が得られるが、結晶構造上のC
u−O原子層とCu−O原子層に挟まれたBa−O原子
層が、上部超電導体層の最下層で絶縁体層との界面を形
成していることが実施例6と異なっている。
Then, in order to form the upper superconductor layer of the tunnel type Josephson device, the growth order of the atomic layers is reversed from that of the lower superconductor layer (YBCO layer), that is, the shutter 106. (A → b → a → b → e →
Using b) as a repeating unit, opening and closing are sequentially performed to deposit each metal on the insulator layer in the thickness of the atomic layer. That is, Ba
A Y-based oxide superconductor thin film was formed by the same method as in Example 6 except that CuBaCuYCu was repeated. By this operation, a Y-based oxide superconductor thin film having a 1-2-3 structure as shown in FIG. 8 can be obtained.
It differs from Example 6 in that the Ba-O atomic layer sandwiched between the u-O atomic layer and the Cu-O atomic layer forms an interface with the insulator layer at the lowermost layer of the upper superconductor layer. ..

【0057】上記以外は、実施例6と同じ操作により形
成したSIS積層構造物について、X線回折測定(XR
D)と高分解能透過電子顕微鏡観察を行なったところ、
下部及び上部超電導体層は、c軸を基体と垂直な方向と
して絶縁体層とエピタキシャルに成長しており、かつ、
絶縁体層との界面が結晶構造上のCu−O原子層とCu
−O原子層に挟まれたBa−O原子層により形成され
た、超格子構造を持つ1−2−3構造のY系酸化物超電
導体薄膜であることが分かった。上記のようにして、Y
BCO上部超電導体層(700Å)/MgO絶縁体層
(20Å)/YBCO下部超電導体層(700Å)のS
IS積層型接合を成長し、トンネル型ジョセフソン素子
を作製した。その評価結果は、実施例6と同じであっ
た。
Except for the above, the SIS laminated structure formed by the same operation as in Example 6 was subjected to X-ray diffraction measurement (XR
D) and high resolution transmission electron microscope observation,
The lower and upper superconductor layers are epitaxially grown with the insulator layer with the c-axis perpendicular to the substrate, and
The interface with the insulator layer is a Cu-O atomic layer having a crystalline structure and Cu.
It was found to be a Y-based oxide superconductor thin film having a 1-2-3 structure having a superlattice structure, which was formed by Ba-O atomic layers sandwiched between -O atomic layers. As above, Y
S of BCO upper superconductor layer (700Å) / MgO insulator layer (20Å) / YBCO lower superconductor layer (700Å)
An IS stacked junction was grown to produce a tunnel type Josephson device. The evaluation result was the same as in Example 6.

【0058】比較例3 トンネル型ジョセフソン素子の下部超電導体層を形成す
るために、シャッター106を(a→b→a→b→e→
b)を繰り返し単位として、順々に開閉して、基板4上
に各金属を原子層の厚さで堆積していく。即ち、BaC
uBaCuYCuの繰り返しであること以外は実施例6
と同様の方法によってY系酸化物超電導体薄膜を成膜し
た。この操作により、図8のような1−2−3構造のY
系酸化物超電導体薄膜が得られるが、結晶構造上のY原
子層とBa−O原子層に挟まれたCu−O原子層が、薄
膜の表面となり、絶縁体層成長後、絶縁体との界面を形
成していることが実施例6と異なっている。
Comparative Example 3 In order to form the lower superconducting layer of the tunnel type Josephson element, the shutter 106 was (a → b → a → b → e →).
Using b) as a repeating unit, the metals are sequentially opened and closed to deposit each metal on the substrate 4 in an atomic layer thickness. That is, BaC
Example 6 except that uBaCuYCu is repeated
A Y-based oxide superconductor thin film was formed by the same method as described above. By this operation, Y of 1-2-3 structure as shown in FIG. 8 is obtained.
A system oxide superconductor thin film is obtained, but the Cu—O atomic layer sandwiched between the Y atomic layer and the Ba—O atomic layer on the crystal structure becomes the surface of the thin film, and after the insulating layer is grown, it becomes The difference from Example 6 is that an interface is formed.

【0059】次いで、トンネル型ジョセフソン素子の上
部超電導体層を形成するために、原子層の成長順序が下
部超電導体層(YBCO層)の時と逆の順序になるよう
に、即ち、シャッター106を(b→e→b→a→b→
a)を繰り返し単位として、順々に開閉して、絶縁体層
上に各金属を原子層の厚さで堆積していく。即ち、Cu
YCuBaCuBaの繰り返しであること以外は実施例
6と同様の方法によってY系酸化物超電導体薄膜を成膜
した。この操作により、図8のような1−2−3構造の
Y系酸化物超電導体薄膜が得られるが、結晶構造上のY
原子層とBa−O原子層に挟まれたBa−O原子層が、
上部超電導体層の最下層で絶縁体層との界面を形成して
いることが実施例6と異なっている。
Then, in order to form the upper superconductor layer of the tunnel type Josephson device, the growth order of the atomic layers is reversed from that of the lower superconductor layer (YBCO layer), that is, the shutter 106. (B → e → b → a → b →
Using a) as a repeating unit, opening and closing are sequentially performed to deposit each metal on the insulator layer in the thickness of the atomic layer. That is, Cu
A Y-based oxide superconductor thin film was formed by the same method as in Example 6 except that YCuBaCuBa was repeated. By this operation, a Y-based oxide superconductor thin film having a 1-2-3 structure as shown in FIG. 8 can be obtained.
The Ba-O atomic layer sandwiched between the atomic layer and the Ba-O atomic layer is
It differs from Example 6 in that the interface with the insulator layer is formed in the lowermost layer of the upper superconductor layer.

【0060】上記以外は、実施例6と同じ操作により形
成したSIS積層構造物について、X線回折測定(XR
D)と高分解能透過電子顕微鏡観察を行なったところ、
下部及び上部超電導体層は、c軸を基体と垂直な方向と
して絶縁体層とエピタキシャルに成長しており、かつ、
絶縁体層との界面が、結晶構造上のY原子層とBa−O
原子層に挟まれたCu−O原子層により形成された、超
格子構造を持つ1−2−3構造のY系酸化物超電導体薄
膜であることが分かった。上記のようにして、YBCO
上部超電導体層(700Å)/MgO絶縁体層(20
Å)/YBCO下部超電導体層(700Å)のSIS積
層型接合を成長し、トンネル型ジョセフソン素子を作製
した。その評価結果は、比較例1と同じであった。
X-ray diffraction measurement (XR) was performed on the SIS laminated structure formed by the same operation as in Example 6 except for the above.
D) and high resolution transmission electron microscope observation,
The lower and upper superconductor layers are epitaxially grown with the insulator layer with the c-axis perpendicular to the substrate, and
The interface with the insulator layer has a Y-atom layer and Ba—O on the crystal structure.
It was found to be a Y-based oxide superconductor thin film having a 1-2-3 structure having a superlattice structure formed by Cu—O atomic layers sandwiched between atomic layers. As above, YBCO
Upper superconductor layer (700 Å) / MgO insulator layer (20
Å) / YBCO lower superconducting layer (700Å) SIS laminated type junction was grown to produce a tunnel type Josephson device. The evaluation result was the same as that of Comparative Example 1.

【0061】比較例4 図11の酸化物高温超電導体薄膜成長装置において、シ
ャッターの間欠開閉により原子層ごとに順次積層するの
ではなく、シャッター106a,106b,106eを
同時に開けることにより、結晶の構造元素を同時に基板
4上へ供給して、1−2−3構造のY系酸化物超電導体
薄膜を成長した。この時、水晶振動式の膜厚モニター1
03により、各元素の蒸発速度の制御を行なって、基板
4上に所定組成のY系酸化物超電導体薄膜を成膜する。
また、ヒータ105により基板温度を600−700℃
に加熱した。上記の操作による超電導体層と実施例1で
述べた絶縁体層を同一装置内(In−Situ)で積層
することにより、YBCO上部超電導体層(700Å)
/MgO絶縁体層20Å)/YBCO下部超電導体層
(700Å)のSIS積層型接合を形成し、トンネル型
ジョセフソン素子を作製した。
Comparative Example 4 In the oxide high temperature superconductor thin film growth apparatus of FIG. 11, the shutters 106a, 106b and 106e are simultaneously opened instead of sequentially laminating the atomic layers by intermittently opening and closing the shutters, thereby forming a crystal structure. The elements were simultaneously supplied onto the substrate 4 to grow a Y-based oxide superconductor thin film having a 1-2-3 structure. At this time, the crystal vibration type film thickness monitor 1
The evaporation rate of each element is controlled by 03 to form a Y-based oxide superconductor thin film having a predetermined composition on the substrate 4.
In addition, the substrate temperature is set to 600 to 700 ° C. by the heater 105.
Heated to. By stacking the superconductor layer by the above operation and the insulator layer described in Example 1 in the same device (In-Situ), the YBCO upper superconductor layer (700 Å)
/ MgO insulator layer 20Å) / YBCO lower superconductor layer (700Å) was formed into a SIS laminated type junction to produce a tunnel type Josephson device.

【0062】得られた素子の超電導体層は、X線回折測
定(XRD)と高分解能透過電子顕微鏡観察の結果、c
軸を基体と垂直な方向として絶縁体層とエピタキシャル
に成長しているが、絶縁体層との界面を形成している原
子層は、結晶粒ごとに、様々に異なる原子層であると分
かった。図14に、作製したトンネル型ジョセフソン素
子の77Kでの低周波側ノイズのパワースペクトルを示
す。実施例6,7,8と比較例3,4からわかるよう
に、請求項2の発明による、Y系酸化物超電導体薄膜の
超格子構造により形成されているトンネル型ジョセフソ
ン素子は、接合ノイズ及び1/fノイズが低減された、
良好な接合特性を持つ素子に改善されている。なお、比
較例3において、超電導体層と絶縁体層との界面を形成
する原子層として、上述したCu−O原子層以外のY原
子層について実施したが、結果は、比較例3と同じであ
った。
The superconducting layer of the obtained device was c-shaped as a result of X-ray diffraction measurement (XRD) and high-resolution transmission electron microscope observation.
It was grown epitaxially with the insulator layer with the axis perpendicular to the substrate, but the atomic layer forming the interface with the insulator layer was found to be different for each crystal grain. .. FIG. 14 shows the power spectrum of the low-frequency noise at 77K of the manufactured tunnel-type Josephson device. As can be seen from Examples 6, 7 and 8 and Comparative Examples 3 and 4, the tunneling type Josephson element formed by the superlattice structure of the Y-based oxide superconductor thin film according to the invention of claim 2 has a junction noise. And 1 / f noise has been reduced,
It has been improved to an element having good junction characteristics. In Comparative Example 3, as the atomic layer forming the interface between the superconductor layer and the insulating layer, a Y atomic layer other than the Cu—O atomic layer described above was used, but the result is the same as that of Comparative Example 3. there were.

【0063】[0063]

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、SI
S積層構造における超電導体層と絶縁体層との界面を酸
化物高温超電導体の特定の超格子構造で構成しているた
め、トンネル型ジョセフソン素子の接合ノイズ及び1/
fノイズを低減することができる。本発明のトンネル型
ジョセフソン素子は、酸化物高温超電導体の優れた超電
導特性を有効に発揮して良好な接合特性を示し、SQU
ID等に好ましく用いることができる。
As described above, according to the present invention, the SI
Since the interface between the superconductor layer and the insulator layer in the S laminated structure is formed by a specific superlattice structure of the oxide high-temperature superconductor, the junction noise of the tunnel-type Josephson element and 1 /
f noise can be reduced. The tunnel-type Josephson device of the present invention effectively exhibits the excellent superconducting properties of the oxide high-temperature superconductor and exhibits good junction properties.
It can be preferably used for ID and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】請求項1の超電導体層の結晶構造を示す概念図
である。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a crystal structure of a superconductor layer according to claim 1.

【図2】実施例1によるトンネル型ジョセフソン素子の
構造を示す概念図である。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a structure of a tunnel type Josephson element according to Example 1.

【図3】実施例3によるトンネル型ジョセフソン素子の
構造を示す概念図である。
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a structure of a tunnel type Josephson element according to a third embodiment.

【図4】実施例4によるトンネル型ジョセフソン素子の
構造を示す概念図である。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing the structure of a tunnel type Josephson element according to Example 4.

【図5】別の実施例によるトンネル型ジョセフソン素子
の構造を示す概念図である。
FIG. 5 is a conceptual diagram showing the structure of a tunnel type Josephson device according to another embodiment.

【図6】別の実施例によるトンネル型ジョセフソン素子
の構造を示す概念図である。
FIG. 6 is a conceptual diagram showing the structure of a tunnel type Josephson device according to another embodiment.

【図7】別の実施例によるトンネル型ジョセフソン素子
の構造を示す概念図である。
FIG. 7 is a conceptual diagram showing a structure of a tunnel type Josephson device according to another embodiment.

【図8】請求項2の超電導体層の結晶構造を示す概念図
である。
FIG. 8 is a conceptual diagram showing a crystal structure of a superconductor layer according to claim 2.

【図9】実施例6によるトンネル型ジョセフソン素子の
構造を示す概念図である。
FIG. 9 is a conceptual diagram showing the structure of a tunnel-type Josephson device according to Example 6.

【図10】実施例7によるトンネル型ジョセフソン素子
の構造を示す概念図である。
FIG. 10 is a conceptual diagram showing the structure of a tunnel type Josephson element according to Example 7.

【図11】実施例及び比較例で用いた酸化物高温超電導
体薄膜成長装置の構成図である。
FIG. 11 is a configuration diagram of an oxide high temperature superconductor thin film growth apparatus used in Examples and Comparative Examples.

【図12】実施例で作製したトンネル型ジョセフソン素
子の斜視図である。
FIG. 12 is a perspective view of a tunnel type Josephson device manufactured in an example.

【図13】実施例で作製したトンネル型ジョセフソン素
子の電圧−電流特性を示す線図である。
FIG. 13 is a diagram showing the voltage-current characteristics of the tunnel type Josephson device manufactured in the example.

【図14】実施例で作製したトンネル型ジョセフソン素
子の低周波側ノイズのパワースペクトルを示す線図であ
る。
FIG. 14 is a diagram showing a power spectrum of low frequency side noise of the tunnel type Josephson element manufactured in the example.

【図15】(a) ,(b) は超電導体層と絶縁体層の界面に
おけるエネルギーギャップの様子を示す概念図である。
15 (a) and 15 (b) are conceptual diagrams showing a state of an energy gap at an interface between a superconductor layer and an insulator layer.

【図16】従来のトンネル型ジョセフソン素子の低周波
側ノイズのパワースペクトルを示す線図である。
FIG. 16 is a diagram showing a power spectrum of low-frequency noise of a conventional tunnel type Josephson element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1a 下部超電導体層 1b 上部超電導体層 2 絶縁体層 3a 電圧用電極 3b 電流用電極 4 基板 1a Lower superconductor layer 1b Upper superconductor layer 2 Insulator layer 3a Voltage electrode 3b Current electrode 4 Substrate

フロントページの続き (72)発明者 吉原 正司 東京都千代田区丸の内二丁目6番1号 古 河電気工業株式会社内Front page continuation (72) Inventor Shoji Yoshihara 2-6-1, Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Furukawa Electric Co., Ltd.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に設けられたBi系又はTl系の
酸化物超電導体薄膜からなる一対の超電導体層と、該一
対の超電導体層の間に形成された絶縁体層とを備えるト
ンネル型ジョセフソン素子において、前記一対の超電導
体層を構成する結晶が、基板に対して垂直な方向をc軸
として、前記絶縁体層とエピタキシャルに成長してお
り、かつ、前記一対の超電導体層と前記絶縁体層との界
面が以下の(a) 又は(b) 又は(c) のいずれかの超格子構
造により形成されていることを特徴とするトンネル型ジ
ョセフソン素子。 (a) Ca原子層/Cu−O原子層/Sr(又はBa)−
O原子層/Bi(又はTl)−O原子層/Bi(又はT
l)−O原子層/絶縁体層 (b) Ca原子層/Cu−O原子層/Sr(又はBa)−
O原子層/Bi(又はTl)−O原子層/絶縁体層 (c) Ca原子層/Cu−O原子層/Sr(又はBa)−
O原子層/絶縁体層
1. A tunnel comprising a pair of superconductor layers made of a Bi-based or Tl-based oxide superconductor thin film provided on a substrate, and an insulator layer formed between the pair of superconductor layers. Type Josephson device, the crystals forming the pair of superconductor layers are epitaxially grown with the insulator layer with the c-axis in the direction perpendicular to the substrate, and the pair of superconductor layers are formed. A tunnel-type Josephson device characterized in that an interface between the insulating layer and the insulating layer is formed by a superlattice structure of any one of (a), (b) and (c) below. (a) Ca atomic layer / Cu-O atomic layer / Sr (or Ba)-
O atomic layer / Bi (or Tl) -O atomic layer / Bi (or T
l) -O atomic layer / insulator layer (b) Ca atomic layer / Cu-O atomic layer / Sr (or Ba)-
O atomic layer / Bi (or Tl) -O atomic layer / insulator layer (c) Ca atomic layer / Cu-O atomic layer / Sr (or Ba)-
O atomic layer / insulator layer
【請求項2】 基板上に設けられたY系酸化物超電導体
薄膜からなる一対の超電導体層と、該超電導体層の間に
形成された絶縁体層とを備えるトンネル型ジョセフソン
素子において、前記一対の超電導体層を構成する結晶
が、基板に対して垂直な方向をc軸として、前記絶縁体
層とエピタキシャルに成長しており、かつ、前記一対の
超電導体層と前記絶縁体層との界面が以下の(a) 又は
(b) 又は(c) のいずれかの超格子構造により形成されて
いることを特徴とするトンネル型ジョセフソン素子。 (a) Y原子層/Cu−O原子層/Ba−O原子層/Cu
−O原子層/Ba−O原子層/絶縁体層 (b) Y原子層/Cu−O原子層/Ba−O原子層/Cu
−O原子層/絶縁体層 (c) Y原子層/Cu−O原子層/Ba−O原子層/絶縁
体層
2. A tunnel-type Josephson device comprising a pair of superconductor layers made of a Y-based oxide superconductor thin film provided on a substrate, and an insulator layer formed between the superconductor layers, Crystals constituting the pair of superconductor layers are epitaxially grown with the insulator layer with the c axis perpendicular to the substrate, and the pair of superconductor layers and the insulator layer are formed. The interface of (a) or
A tunnel-type Josephson device characterized by being formed by the superlattice structure of either (b) or (c). (a) Y atomic layer / Cu-O atomic layer / Ba-O atomic layer / Cu
-O atomic layer / Ba-O atomic layer / insulator layer (b) Y atomic layer / Cu-O atomic layer / Ba-O atomic layer / Cu
-O atomic layer / insulator layer (c) Y atomic layer / Cu-O atomic layer / Ba-O atomic layer / insulator layer
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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