JPH0537030A - 超伝導整流素子 - Google Patents
超伝導整流素子Info
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- JPH0537030A JPH0537030A JP3188838A JP18883891A JPH0537030A JP H0537030 A JPH0537030 A JP H0537030A JP 3188838 A JP3188838 A JP 3188838A JP 18883891 A JP18883891 A JP 18883891A JP H0537030 A JPH0537030 A JP H0537030A
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- superconducting
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Abstract
(57)【要約】
【目的】演算回路の前段と後段を，電気的に分離するこ
とを可能とする高い周波数域にまで整流特性をもつ超伝
導整流素子を提供する。 【構成】仕事関数の異なる酸化物超伝導体を，トンネル
障壁層を挾んで接続した構造とする。さらに，トンネル
障壁層は，異なる酸化物超伝導体の接合界面に形成され
るバリアにより構成する。 【効果】室温以下の全温度領域で非対称の電流−電圧特
性を示し，特に２０Ｋ以下の温度における超伝導トンネ
ル電流に対しても非対称特性を示す。また，４.２Ｋの
温度で動作させる場合においてもエネルギギャップ幅が
大きく，準粒子数が減少するため雑音が低下し高感度化
がはかられる。
とを可能とする高い周波数域にまで整流特性をもつ超伝
導整流素子を提供する。 【構成】仕事関数の異なる酸化物超伝導体を，トンネル
障壁層を挾んで接続した構造とする。さらに，トンネル
障壁層は，異なる酸化物超伝導体の接合界面に形成され
るバリアにより構成する。 【効果】室温以下の全温度領域で非対称の電流−電圧特
性を示し，特に２０Ｋ以下の温度における超伝導トンネ
ル電流に対しても非対称特性を示す。また，４.２Ｋの
温度で動作させる場合においてもエネルギギャップ幅が
大きく，準粒子数が減少するため雑音が低下し高感度化
がはかられる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は，酸化物超伝導体を用い
た超伝導整流素子に関する。
た超伝導整流素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】超伝導体応用の一つとして，ジョセフソ
ン接合素子を用いた高速の論理演算回路がある。ジョセ
フソン接合素子は，半導体を用いた論理演算素子あるい
はメモリ素子に比べ，抵抗が低く，発熱量が少ないため
に高集積化が可能となり，またスイッチング速度が速い
ことから，高速素子に適用する場合に利点があるものと
考えられている。例えば，スイッチ回路としてジョセフ
ソン接合素子の臨界電流が磁場に敏感であることに注目
し，ＳＱＵＩＤを用いた磁気結合型，あるいはバイアス
電流を臨界電流の上下に制御する電流注入型が研究され
ている。しかし，磁気結合型では磁束量子により素子形
状が小さくできないこと，また電流注入型では回路の前
段と後段の分離が困難であることが問題となっていた。
また，２端子素子であるために回路の構成が難しく，素
子性能の許容範囲に対して厳しい条件が要求されてい
た。このように，素子数の多い回路へのジョセフソン接
合素子の適用を困難にすると共に，その開発を遅らせて
いた。ところで，半導体を用いる回路において，回路の
前段と後段の分離は整流素子において行われてきた。整
流素子として，従来は，半導体のＰＮ接合か，あるいは
半導体と金属の接合が広く用いられている。しかし，半
導体電極中ではキャリアの走行速度が遅く，また高い抵
抗により回路の速度を決めるＲＣ定数も大きくなるた
め，高速の応答は期待できない。また，発熱も生じるな
ど高速回路に使用する場合には問題となっていた。さら
に，整流素子では電磁波の検出にも用いられているが，
半導体により構成される素子では，整流検波の場合に応
答速度の限界から１Ｔ（テラ）Ｈz以下に制限され，そ
れよりも高い周波数領域に対しては，位相面，偏波面な
どに無関係に光量子エネルギのみで検出を行う雑音検出
器（量子型検出器）となり，光の広帯域特性を充分に活
用するには至っていなかった。
ン接合素子を用いた高速の論理演算回路がある。ジョセ
フソン接合素子は，半導体を用いた論理演算素子あるい
はメモリ素子に比べ，抵抗が低く，発熱量が少ないため
に高集積化が可能となり，またスイッチング速度が速い
ことから，高速素子に適用する場合に利点があるものと
考えられている。例えば，スイッチ回路としてジョセフ
ソン接合素子の臨界電流が磁場に敏感であることに注目
し，ＳＱＵＩＤを用いた磁気結合型，あるいはバイアス
電流を臨界電流の上下に制御する電流注入型が研究され
ている。しかし，磁気結合型では磁束量子により素子形
状が小さくできないこと，また電流注入型では回路の前
段と後段の分離が困難であることが問題となっていた。
また，２端子素子であるために回路の構成が難しく，素
子性能の許容範囲に対して厳しい条件が要求されてい
た。このように，素子数の多い回路へのジョセフソン接
合素子の適用を困難にすると共に，その開発を遅らせて
いた。ところで，半導体を用いる回路において，回路の
前段と後段の分離は整流素子において行われてきた。整
流素子として，従来は，半導体のＰＮ接合か，あるいは
半導体と金属の接合が広く用いられている。しかし，半
導体電極中ではキャリアの走行速度が遅く，また高い抵
抗により回路の速度を決めるＲＣ定数も大きくなるた
め，高速の応答は期待できない。また，発熱も生じるな
ど高速回路に使用する場合には問題となっていた。さら
に，整流素子では電磁波の検出にも用いられているが，
半導体により構成される素子では，整流検波の場合に応
答速度の限界から１Ｔ（テラ）Ｈz以下に制限され，そ
れよりも高い周波数領域に対しては，位相面，偏波面な
どに無関係に光量子エネルギのみで検出を行う雑音検出
器（量子型検出器）となり，光の広帯域特性を充分に活
用するには至っていなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は，演算
回路の前段と後段を，電気的に分離することを可能とす
る高い周波数域にまで整流特性をもつ超伝導接合体を提
供するにある。
回路の前段と後段を，電気的に分離することを可能とす
る高い周波数域にまで整流特性をもつ超伝導接合体を提
供するにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために，仕事関数の異なる酸化物超伝導体を，障壁
層を挾んで接続させるものである。いま，半導体を金属
で挾んだ接合モデルを考えてみる。金属と半導体の界面
では，仕事関数の大小により整流特性とオーミック特性
が決定される。Ｎ型半導体の場合，金属の仕事関数（φ
m）が半導体の仕事関数（φs）よりも高い場合（φm＞
φs）には整流特性が現われ，半導体の方が高い場合
（φs＞φm）にはオーミック特性が現われる。Ｐ型半導
体では，上記の逆の関係となる。したがって，半導体
を，その仕事関数が上下となる金属（φm1＞φs＞
φm2）で挾んだ接合を実現すると，この接合は整流特性
をもっている。また，仕事関数の異なる金属を絶縁体の
トンネル層を介して接続させた場合には，仕事関数の差
に対応して，図１（ａ）に示すようにポテンシャル障壁
の形状が非対称となる。ところで，トンネル電流は，両
電極の状態密度の積およびトンネル確率により決められ
る。このため，障壁層をトンネルする電流に非対称が生
じ，図１（ｂ）に示す電流−電圧曲線を描くようにな
る。この接合では，電子が１nmの障壁層をトンネルする
時間は約１０~16秒程度であるため，理論的には赤外光
にも充分追従できる応答速度をもつことになる。実際に
は，回路を構成するＲＣ時定数により応答速度は制限さ
れることになるが，それでもトンネル層以外は金属であ
るので直列抵抗は小さく，従来の整流素子に比べて高速
に応答することができる。さらに，超伝導電子対のトン
ネルに対しても，トンネル確率の非対称性が影響し方向
依存性をもつようになる。なお，整流特性を実現するた
めにはきれいな接合界面を作製しなければならない。例
えば，界面を高温状態に置くと界面を通して相互拡散が
起き，障壁層の形成ができなくなり整流特性が消失して
しまう。このように，界面の作製には表面の清浄化ある
いは低温プロセス等に注意をする必要がある。本発明で
は，５００℃程度まで安定である酸素８面体の中心に位
置する金属が銅である酸化物超伝導体を下部電極とし，
３００℃の作製温度でも超伝導性薄膜の作製が可能な，
酸素８面体の中心に位置する金属がビスマスである酸化
物超伝導体を上部電極とすることにより超伝導接合体の
作製を可能とした。
するために，仕事関数の異なる酸化物超伝導体を，障壁
層を挾んで接続させるものである。いま，半導体を金属
で挾んだ接合モデルを考えてみる。金属と半導体の界面
では，仕事関数の大小により整流特性とオーミック特性
が決定される。Ｎ型半導体の場合，金属の仕事関数（φ
m）が半導体の仕事関数（φs）よりも高い場合（φm＞
φs）には整流特性が現われ，半導体の方が高い場合
（φs＞φm）にはオーミック特性が現われる。Ｐ型半導
体では，上記の逆の関係となる。したがって，半導体
を，その仕事関数が上下となる金属（φm1＞φs＞
φm2）で挾んだ接合を実現すると，この接合は整流特性
をもっている。また，仕事関数の異なる金属を絶縁体の
トンネル層を介して接続させた場合には，仕事関数の差
に対応して，図１（ａ）に示すようにポテンシャル障壁
の形状が非対称となる。ところで，トンネル電流は，両
電極の状態密度の積およびトンネル確率により決められ
る。このため，障壁層をトンネルする電流に非対称が生
じ，図１（ｂ）に示す電流−電圧曲線を描くようにな
る。この接合では，電子が１nmの障壁層をトンネルする
時間は約１０~16秒程度であるため，理論的には赤外光
にも充分追従できる応答速度をもつことになる。実際に
は，回路を構成するＲＣ時定数により応答速度は制限さ
れることになるが，それでもトンネル層以外は金属であ
るので直列抵抗は小さく，従来の整流素子に比べて高速
に応答することができる。さらに，超伝導電子対のトン
ネルに対しても，トンネル確率の非対称性が影響し方向
依存性をもつようになる。なお，整流特性を実現するた
めにはきれいな接合界面を作製しなければならない。例
えば，界面を高温状態に置くと界面を通して相互拡散が
起き，障壁層の形成ができなくなり整流特性が消失して
しまう。このように，界面の作製には表面の清浄化ある
いは低温プロセス等に注意をする必要がある。本発明で
は，５００℃程度まで安定である酸素８面体の中心に位
置する金属が銅である酸化物超伝導体を下部電極とし，
３００℃の作製温度でも超伝導性薄膜の作製が可能な，
酸素８面体の中心に位置する金属がビスマスである酸化
物超伝導体を上部電極とすることにより超伝導接合体の
作製を可能とした。
【０００５】
【作用】本発明によれば，論理演算回路において前段と
後段の電気的な分離が可能となるため，回路設計が容易
となると共に，素子性能の許容範囲を広くすることがで
きる。
後段の電気的な分離が可能となるため，回路設計が容易
となると共に，素子性能の許容範囲を広くすることがで
きる。
【０００６】
【実施例】図２は，本発明の一例を示す超伝導整流素子
の構成図である。基板１として，酸化物超伝導体の単結
晶薄膜を実現するため適切な基板（例えばＭgＯあるい
はＳrＴiＯ3）を選択する必要がある。下部電極２は，
銅系の酸化物超伝導体薄膜からなり，上部電極３はビス
マス系の酸化物超伝導体薄膜よりなるもので，両者とも
基板１上で単結晶となる条件で成膜し，接合界面にはト
ンネル層４が形成される。このような構成は，酸化物超
伝導体薄膜｛例えば，Ｂa2ＬnＣu3Ｏ7-δ系（ＬnはＹ，
Ｌa，Ｅr，Ｅu，Ｇd，ＤyまたはＨo等の元素を表わ
す）｝からなる下部電極２を６００℃程度の高温度の基
板上に堆積させて電極パターンを形成した後，酸化物超
伝導体からなる上部電極３を，３００℃程度の低温度の
基板１上に堆積しパターン化することにより形成され
る。ところで，酸化物超伝導体からなる下部電極２は，
上部電極３を形成する３００〜４００℃の温度に対して
は安定であるため，この工程で下部電極２の超伝導性は
劣化せず超伝導接合体を形成することができる。両者の
基本結晶構造は，ペロブスカイト構造と同じであるが，
格子定数の不整合性が大きいために，接合界面であるト
ンネル層４では多くの欠陥が生成されることになる。こ
れらの酸化物超伝導体は，低キャリア濃度であり，この
接合界面での欠陥は，電気伝導に対し障壁層を形成する
ことになる。さらに，キャリアの種類も銅系酸化物超伝
導体は正孔であるのに対し，ビスマス系酸化物超伝導体
では電子系と異なるために，空乏層の障壁が形成され
る。ただし，半導体に比べるとキャリア濃度が高いた
め，これらの障壁は超伝導トンネル層として働くのに適
当なポテンシャル高さ，および幅となる。以下に具体的
実施例を挙げ，本発明の超伝導整流素子について詳細に
説明する。なお，実施例１ではＢa2ＹＣu3Ｏ7-δを，実
施例２では（Ｌa1-xＳrx)2ＣuＯ4（ｘ＝０.０７５）を
下部電極材料として用いた一例を述べるが，これらの他
に，Ｂa2ＹＣu3Ｏ7-δ系，あるいはＢa2ＹＣu3Ｏ7-δ系
で，Ｙの代わりに，Ｌa，Ｅr，Ｅu，Ｇd，ＤyまたはＨo
等の元素を含むもの，また（Ｌa1-xＳrx)2ＣuＯ4（０.
０５＜ｘ＜０.１５）系，および（Ｌa1-xＳrx)2ＣuＯ4
系でＳrの代わりにＢaを含むもの，あるいはＢi−Ｓr−
Ｃa−Ｃu−Ｏ系のものを用いた場合においても，以下の
実施例は成り立つ。したがって，ここでは代表例を述べ
るだけであり，これにより本発明の特許請求の範囲が制
限されるものではない。
の構成図である。基板１として，酸化物超伝導体の単結
晶薄膜を実現するため適切な基板（例えばＭgＯあるい
はＳrＴiＯ3）を選択する必要がある。下部電極２は，
銅系の酸化物超伝導体薄膜からなり，上部電極３はビス
マス系の酸化物超伝導体薄膜よりなるもので，両者とも
基板１上で単結晶となる条件で成膜し，接合界面にはト
ンネル層４が形成される。このような構成は，酸化物超
伝導体薄膜｛例えば，Ｂa2ＬnＣu3Ｏ7-δ系（ＬnはＹ，
Ｌa，Ｅr，Ｅu，Ｇd，ＤyまたはＨo等の元素を表わ
す）｝からなる下部電極２を６００℃程度の高温度の基
板上に堆積させて電極パターンを形成した後，酸化物超
伝導体からなる上部電極３を，３００℃程度の低温度の
基板１上に堆積しパターン化することにより形成され
る。ところで，酸化物超伝導体からなる下部電極２は，
上部電極３を形成する３００〜４００℃の温度に対して
は安定であるため，この工程で下部電極２の超伝導性は
劣化せず超伝導接合体を形成することができる。両者の
基本結晶構造は，ペロブスカイト構造と同じであるが，
格子定数の不整合性が大きいために，接合界面であるト
ンネル層４では多くの欠陥が生成されることになる。こ
れらの酸化物超伝導体は，低キャリア濃度であり，この
接合界面での欠陥は，電気伝導に対し障壁層を形成する
ことになる。さらに，キャリアの種類も銅系酸化物超伝
導体は正孔であるのに対し，ビスマス系酸化物超伝導体
では電子系と異なるために，空乏層の障壁が形成され
る。ただし，半導体に比べるとキャリア濃度が高いた
め，これらの障壁は超伝導トンネル層として働くのに適
当なポテンシャル高さ，および幅となる。以下に具体的
実施例を挙げ，本発明の超伝導整流素子について詳細に
説明する。なお，実施例１ではＢa2ＹＣu3Ｏ7-δを，実
施例２では（Ｌa1-xＳrx)2ＣuＯ4（ｘ＝０.０７５）を
下部電極材料として用いた一例を述べるが，これらの他
に，Ｂa2ＹＣu3Ｏ7-δ系，あるいはＢa2ＹＣu3Ｏ7-δ系
で，Ｙの代わりに，Ｌa，Ｅr，Ｅu，Ｇd，ＤyまたはＨo
等の元素を含むもの，また（Ｌa1-xＳrx)2ＣuＯ4（０.
０５＜ｘ＜０.１５）系，および（Ｌa1-xＳrx)2ＣuＯ4
系でＳrの代わりにＢaを含むもの，あるいはＢi−Ｓr−
Ｃa−Ｃu−Ｏ系のものを用いた場合においても，以下の
実施例は成り立つ。したがって，ここでは代表例を述べ
るだけであり，これにより本発明の特許請求の範囲が制
限されるものではない。
【０００７】＜実施例１＞基板１としてＭgＯ単結晶の
Ｃ面を用い，基板１上に酸化物超伝導体Ｂa2ＹＣu3Ｏ7-
δを，ＲＦスパッタ法により約１００nmの膜厚に堆積し
た。堆積後，リソグラフ技術を使用して下部電極２のパ
ターンを形成した。下部電極２のパタ−ンは幅２０μｍ
とした。その後，下部電極２の上に，酸素イオンビーム
照射共蒸着装置（特願昭６３−４２２１１号参照）また
はスパッタ装置により （Ｂa0.7Ｋ0.3）ＢiＯ3薄膜を
形成した。なお，単結晶薄膜が成長できるように，基板
温度は３００〜４００℃とした。次に，トンネル接合部
を形成するために，フォトリソグラフ技術によりレジス
トパターンを形成し，イオンミリングエッチング技術を
用いて上部電極３をパターン化した。上下電極の重ね合
わせの距離は２０μｍで，接合面積は２０×２０μｍ2
とした。イオンミリングの際，上部電極３のエッチング
速度が，下部電極２に比べて５倍程度と著しく高く，接
合部の形成を容易にすることができた。この上下電極パ
ターン上に，取り出し電極として金蒸着膜を堆積するこ
とにより，トンネル接合素子を作製した。この超伝導整
流素子について抵抗の温度依存性を測定した結果を，図
３に示す。抵抗は温度低下とともに半導体に類似して上
昇する。８０Ｋにおける抵抗の大きな変化は，下部電極
のＢa2ＹＣu3Ｏ7-δの超伝導転移によるもので，２０Ｋ
における抵抗の急激な低下は上部の電極の（Ｂa0.7Ｋ
0.3）ＢiＯ3の超伝導転移によるものである。４．２Ｋ
および６０Ｋにおける電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を４端
子法で測定した結果を，図４（ａ），（ｂ）に示す。電
圧状態の特性から異なる超伝導エネルギ−ギャップ幅を
もつ超伝導体により構成されるトンネル型接合が形成さ
れていることが分かった。また，超伝導トンネル電流が
観測された。この臨界電流値に方向依存性があり，（Ｂ
a1-yＫy）ＢiＯ3を正極とする場合には臨界電流値が高
くなり，整流特性をもつことが分かった。なお（Ｂa1-y
Ｋy）ＢiＯ3が超伝導性を示す０.２＜ｙ＜０.６の範囲
で，超伝導接合の特性を観測することができた。また，
（Ｂa1-yＫy）ＢiＯ3において，Ｋ元素の代わりにＲb元
素を含む組成のものを用いても同様の結果が得られた。
Ｃ面を用い，基板１上に酸化物超伝導体Ｂa2ＹＣu3Ｏ7-
δを，ＲＦスパッタ法により約１００nmの膜厚に堆積し
た。堆積後，リソグラフ技術を使用して下部電極２のパ
ターンを形成した。下部電極２のパタ−ンは幅２０μｍ
とした。その後，下部電極２の上に，酸素イオンビーム
照射共蒸着装置（特願昭６３−４２２１１号参照）また
はスパッタ装置により （Ｂa0.7Ｋ0.3）ＢiＯ3薄膜を
形成した。なお，単結晶薄膜が成長できるように，基板
温度は３００〜４００℃とした。次に，トンネル接合部
を形成するために，フォトリソグラフ技術によりレジス
トパターンを形成し，イオンミリングエッチング技術を
用いて上部電極３をパターン化した。上下電極の重ね合
わせの距離は２０μｍで，接合面積は２０×２０μｍ2
とした。イオンミリングの際，上部電極３のエッチング
速度が，下部電極２に比べて５倍程度と著しく高く，接
合部の形成を容易にすることができた。この上下電極パ
ターン上に，取り出し電極として金蒸着膜を堆積するこ
とにより，トンネル接合素子を作製した。この超伝導整
流素子について抵抗の温度依存性を測定した結果を，図
３に示す。抵抗は温度低下とともに半導体に類似して上
昇する。８０Ｋにおける抵抗の大きな変化は，下部電極
のＢa2ＹＣu3Ｏ7-δの超伝導転移によるもので，２０Ｋ
における抵抗の急激な低下は上部の電極の（Ｂa0.7Ｋ
0.3）ＢiＯ3の超伝導転移によるものである。４．２Ｋ
および６０Ｋにおける電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を４端
子法で測定した結果を，図４（ａ），（ｂ）に示す。電
圧状態の特性から異なる超伝導エネルギ−ギャップ幅を
もつ超伝導体により構成されるトンネル型接合が形成さ
れていることが分かった。また，超伝導トンネル電流が
観測された。この臨界電流値に方向依存性があり，（Ｂ
a1-yＫy）ＢiＯ3を正極とする場合には臨界電流値が高
くなり，整流特性をもつことが分かった。なお（Ｂa1-y
Ｋy）ＢiＯ3が超伝導性を示す０.２＜ｙ＜０.６の範囲
で，超伝導接合の特性を観測することができた。また，
（Ｂa1-yＫy）ＢiＯ3において，Ｋ元素の代わりにＲb元
素を含む組成のものを用いても同様の結果が得られた。
【０００８】＜実施例２＞基板１としてＳrＴiＯ3単結
晶の（１１０）面を用い，下部電極２として酸化物超伝
導体薄膜材料である（Ｌa1-xＳrx)2ＣuＯ4（ｘ＝０.０
７５）を選択し，ＲＦスパッタ法により，基板１上に約
１００nmの膜厚に堆積した。なお，ｘの範囲は，（Ｌa
1-xＳrx)2ＣuＯ4が超伝導を示す領域で決まり，その範
囲は０.０５＜ｘ＜０.１５であつた。下部電極２を形成
するため，上記の酸化物超伝導体薄膜を堆積した後，リ
ソグラフ技術を使用して電極パターンを形成した。な
お，下部電極２のパタ−ンは幅２０μｍとした。その
後，実施例１と同様の方法によりトンネル接合素子を作
製した。この素子について，４.２Ｋにおける電流−電
圧特性を４端子法で測定した結果を，図５に示す。超伝
導トンネル電流の臨界電流値に方向依存性があり，（Ｂ
a1-yＫy）ＢiＯ3を正極とする場合には臨界電流値が高
い。また，Ｉ−Ｖ特性の電圧ギャップより，（Ｂa0.7Ｋ
0.3）ＢiＯ3の超伝導エネルギ−ギャップΔが３ｍeＶ
と，（Ｌa1-xＳrx)2ＣuＯ4（１０３）方向の超伝導エネ
ルギ−ギャップ２Δが６ｍeＶとなることが分かった。
図６に，超伝導電流の温度依存性を示す。これより，２
２Ｋの温度まで超伝導電流が流れ，また整流特性をもつ
超伝導接合体になっていることが分かる。
晶の（１１０）面を用い，下部電極２として酸化物超伝
導体薄膜材料である（Ｌa1-xＳrx)2ＣuＯ4（ｘ＝０.０
７５）を選択し，ＲＦスパッタ法により，基板１上に約
１００nmの膜厚に堆積した。なお，ｘの範囲は，（Ｌa
1-xＳrx)2ＣuＯ4が超伝導を示す領域で決まり，その範
囲は０.０５＜ｘ＜０.１５であつた。下部電極２を形成
するため，上記の酸化物超伝導体薄膜を堆積した後，リ
ソグラフ技術を使用して電極パターンを形成した。な
お，下部電極２のパタ−ンは幅２０μｍとした。その
後，実施例１と同様の方法によりトンネル接合素子を作
製した。この素子について，４.２Ｋにおける電流−電
圧特性を４端子法で測定した結果を，図５に示す。超伝
導トンネル電流の臨界電流値に方向依存性があり，（Ｂ
a1-yＫy）ＢiＯ3を正極とする場合には臨界電流値が高
い。また，Ｉ−Ｖ特性の電圧ギャップより，（Ｂa0.7Ｋ
0.3）ＢiＯ3の超伝導エネルギ−ギャップΔが３ｍeＶ
と，（Ｌa1-xＳrx)2ＣuＯ4（１０３）方向の超伝導エネ
ルギ−ギャップ２Δが６ｍeＶとなることが分かった。
図６に，超伝導電流の温度依存性を示す。これより，２
２Ｋの温度まで超伝導電流が流れ，また整流特性をもつ
超伝導接合体になっていることが分かる。
【０００９】＜実施例３＞基板１として，ＳrＴiＯ3単
結晶の（１００）面を用い，下部電極２として酸化物超
伝導体薄膜材料である（Ｌa1-xＳrx)2ＣuＯ4（ｘ＝０.
０７５）を選択し，ＲＦスパッタ法により，基板１上に
約１００nmの膜厚に堆積した。下部電極２を形成するた
めに酸化物超伝導体薄膜を堆積した後，リソグラフ技術
を使用しパターンを形成した。下部電極２のパタ−ンは
幅２０μｍとした。その後，下部電極２の上にトンネル
障壁層となるＢaＢiＯ3半導体薄膜を酸素イオンビーム
照射共蒸着装置，あるいはスパッタ装置により数１０nm
堆積した。また，単結晶薄膜が成長できるように，基板
温度は３００〜４００℃に保持した。その後，実施例１
と同様の方法により上部電極３を堆積しパターン化する
ことにより接合素子を作製した。この素子について，
４.２Ｋおよび７７Ｋにおける電流−電圧特性を４端子
法で測定した結果を，図７（ａ），（ｂ）に示す。非対
称の特性がジョセフソン接合状態でもまた両電極とも常
伝導体である状態でも観測されている。このことから，
広い温度範囲で整流特性をもつ超伝導接合体が形成され
ていることが分かる。
結晶の（１００）面を用い，下部電極２として酸化物超
伝導体薄膜材料である（Ｌa1-xＳrx)2ＣuＯ4（ｘ＝０.
０７５）を選択し，ＲＦスパッタ法により，基板１上に
約１００nmの膜厚に堆積した。下部電極２を形成するた
めに酸化物超伝導体薄膜を堆積した後，リソグラフ技術
を使用しパターンを形成した。下部電極２のパタ−ンは
幅２０μｍとした。その後，下部電極２の上にトンネル
障壁層となるＢaＢiＯ3半導体薄膜を酸素イオンビーム
照射共蒸着装置，あるいはスパッタ装置により数１０nm
堆積した。また，単結晶薄膜が成長できるように，基板
温度は３００〜４００℃に保持した。その後，実施例１
と同様の方法により上部電極３を堆積しパターン化する
ことにより接合素子を作製した。この素子について，
４.２Ｋおよび７７Ｋにおける電流−電圧特性を４端子
法で測定した結果を，図７（ａ），（ｂ）に示す。非対
称の特性がジョセフソン接合状態でもまた両電極とも常
伝導体である状態でも観測されている。このことから，
広い温度範囲で整流特性をもつ超伝導接合体が形成され
ていることが分かる。
【００１０】
【発明の効果】以上詳細に説明したごとく，本発明によ
れば超伝導転移温度の高い酸化物超伝導体を接合した超
伝導整流素子が得られる。この超伝導整流素子は，室温
以下の全温度領域で非対称の電流−電圧特性を示し，特
に操作性および経済性において有利である２０Ｋ以下の
温度における超伝導トンネル電流に対しても非対称特性
を示す。また４.２Ｋの温度で動作させる場合において
も，超伝導のエネルギ−ギャップ幅が大きく，準粒子数
が減少するために雑音が低下し高感度化がはかられる利
点がある。また，高周波領域まで整流特性をもつことか
らアンテナ結合型の光検出素子あるいは太陽電池への適
用も可能である。
れば超伝導転移温度の高い酸化物超伝導体を接合した超
伝導整流素子が得られる。この超伝導整流素子は，室温
以下の全温度領域で非対称の電流−電圧特性を示し，特
に操作性および経済性において有利である２０Ｋ以下の
温度における超伝導トンネル電流に対しても非対称特性
を示す。また４.２Ｋの温度で動作させる場合において
も，超伝導のエネルギ−ギャップ幅が大きく，準粒子数
が減少するために雑音が低下し高感度化がはかられる利
点がある。また，高周波領域まで整流特性をもつことか
らアンテナ結合型の光検出素子あるいは太陽電池への適
用も可能である。
【図１】本発明の原理を説明する模式図で，絶縁体のト
ンネル層を仕事関数の異なる金属で挾んで構成した場合
のポテンシャル形状（ａ）と，その電流−電圧特性
（ｂ）を示す図。
ンネル層を仕事関数の異なる金属で挾んで構成した場合
のポテンシャル形状（ａ）と，その電流−電圧特性
（ｂ）を示す図。
【図２】本発明の実施例で例示した超伝導整流素子の構
成を示す模式図。
成を示す模式図。
【図３】Ｂa2ＹＣu3Ｏ7-δ−（Ｂa0.7Ｋ0.3）ＢiＯ3接
合素子の抵抗の温度依存性を示す図。
合素子の抵抗の温度依存性を示す図。
【図４】４端子法で測定したＢa2ＹＣu3Ｏ7-δ−（Ｂa
0.7Ｋ0.3）ＢiＯ3接合素子の４．２Ｋおよび６０Ｋにお
ける電流−電圧特性を示す図。
0.7Ｋ0.3）ＢiＯ3接合素子の４．２Ｋおよび６０Ｋにお
ける電流−電圧特性を示す図。
【図５】４端子法で測定した４.２Ｋにおける（Ｌa1-x
Ｓrx)2ＣuＯ4−（Ｂa0.7Ｋ0.3）ＢiＯ3接合素子の電流
−電圧特性を示す図。
Ｓrx)2ＣuＯ4−（Ｂa0.7Ｋ0.3）ＢiＯ3接合素子の電流
−電圧特性を示す図。
【図６】（Ｌa1-xＳrx)2ＣuＯ4−（Ｂa0.7Ｋ0.3）ＢiＯ
3接合素子の超伝導トンネル電流の温度依存性を示す
図。
3接合素子の超伝導トンネル電流の温度依存性を示す
図。
【図７】（Ｌa1-xＳrx)2ＣuＯ4−（Ｂa0.7Ｋ0.3）ＢiＯ
3接合素子の４端子法で測定した４.２Ｋおよび７７Ｋに
おける電流−電圧特性を示す図。
3接合素子の４端子法で測定した４.２Ｋおよび７７Ｋに
おける電流−電圧特性を示す図。
１…基板
２…下部電極（銅系酸化物超伝導体単結晶薄膜）
３…上部電極（ビスマス系酸化物超伝導体単結晶薄膜）
４…トンネル層（接合界面）
Claims (5)
- 【請求項１】仕事関数の異なる酸化物超伝導体を，トン
ネル障壁層を挾んで接続して構成したことを特徴とする
超伝導整流素子。 - 【請求項２】請求項１において，酸化物超伝導体は，酸
素８面体の中心に位置する金属が銅である酸化物超伝導
体薄膜からなる下部電極と，酸素８面体の中心に位置す
る金属がビスマスである酸化物超伝導体薄膜からなる上
部電極とを接合して構成したことを特徴とする超伝導整
流素子。 - 【請求項３】請求項２において，下部電極はＢa2ＬnＣu
3Ｏ7-δ系（ＬnはＹ，Ｌa，Ｅr，Ｅu，Ｇd，Ｄyまたは
Ｈoの元素を表わす），または（Ｌa1-xＱx)2ＣuＯ4系
（ＱはＢaまたはＳrの元素を表わし，ｘは０.０５＜ｘ
＜０.１５の範囲とする），またはＢi−Ｓr−Ｃa−Ｃu
−Ｏ系，またはＮdＣeＣuＯ4系からなり，上部電極はＢ
a1-yＭyＢiＯ3系（ＭはＫまたはＲbの元素を表わし，ｙ
は０.２＜ｙ＜０.６の範囲とする）からなることを特徴
とする超伝導整流素子。 - 【請求項４】請求項１において，トンネル障壁層は，異
なる酸化物超伝導体の接合界面に形成されるバリアであ
ることを特徴とする超伝導整流素子。 - 【請求項５】請求項１において，トンネル障壁層は，一
方の酸化物超伝導体電極とはオーミックコンタクトし，
他方の酸化物超伝導体電極とはショットキーコンタクト
をする酸化物半導体を用いて構成したことを特徴とする
超伝導整流素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3188838A JPH0537030A (ja) | 1991-07-29 | 1991-07-29 | 超伝導整流素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3188838A JPH0537030A (ja) | 1991-07-29 | 1991-07-29 | 超伝導整流素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0537030A true JPH0537030A (ja) | 1993-02-12 |
Family
ID=16230729
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3188838A Pending JPH0537030A (ja) | 1991-07-29 | 1991-07-29 | 超伝導整流素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0537030A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003019684A1 (en) * | 2001-08-22 | 2003-03-06 | International Superconductivity Technology Center, The Juridical Foundation | High-temperature superconducting josephson junction, superconducting electronic device having the same and method for forming high-temperature superconducting josephson junction |
| US6790675B2 (en) | 2002-03-26 | 2004-09-14 | International Superconductivity Technology Center | Josephson device and fabrication process thereof |
-
1991
- 1991-07-29 JP JP3188838A patent/JPH0537030A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003019684A1 (en) * | 2001-08-22 | 2003-03-06 | International Superconductivity Technology Center, The Juridical Foundation | High-temperature superconducting josephson junction, superconducting electronic device having the same and method for forming high-temperature superconducting josephson junction |
| US6790675B2 (en) | 2002-03-26 | 2004-09-14 | International Superconductivity Technology Center | Josephson device and fabrication process thereof |
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