JPH07162043A - 超電導素子 - Google Patents
超電導素子Info
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- JPH07162043A JPH07162043A JP5307972A JP30797293A JPH07162043A JP H07162043 A JPH07162043 A JP H07162043A JP 5307972 A JP5307972 A JP 5307972A JP 30797293 A JP30797293 A JP 30797293A JP H07162043 A JPH07162043 A JP H07162043A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 超電導ギャップの縮小や下部超電導電極にお
ける超電導電流の飽和を防止することにより、高い出力
電圧が安定して得られる超電導素子を提供する。 【構成】 絶縁性基板１上には、第１の RE-M-Cu-O系酸
化物超電導体層（REはPrを除く希土類元素、 Mはアルカ
リ土類元素）２が設けられている。第１の酸化物超電導
体２層は、基板面に対してｃ軸が垂直となるように形成
されたｃ軸配向膜２ａと、基板面に対してａ軸が垂直と
なるようにｃ軸配向膜２ａ上に形成されたａ軸配向膜２
ｂとを有している。上記ａ軸配向膜２ｂ上には、常伝導
体または絶縁体からなる中間バリア層３を介して、第２
の RE-M-Cu-O系酸化物超電導体層４が設けられている。
第２の酸化物超電導体層４は、基板面に対してａ軸が垂
直となるように形成されたａ軸配向膜である。
ける超電導電流の飽和を防止することにより、高い出力
電圧が安定して得られる超電導素子を提供する。 【構成】 絶縁性基板１上には、第１の RE-M-Cu-O系酸
化物超電導体層（REはPrを除く希土類元素、 Mはアルカ
リ土類元素）２が設けられている。第１の酸化物超電導
体２層は、基板面に対してｃ軸が垂直となるように形成
されたｃ軸配向膜２ａと、基板面に対してａ軸が垂直と
なるようにｃ軸配向膜２ａ上に形成されたａ軸配向膜２
ｂとを有している。上記ａ軸配向膜２ｂ上には、常伝導
体または絶縁体からなる中間バリア層３を介して、第２
の RE-M-Cu-O系酸化物超電導体層４が設けられている。
第２の酸化物超電導体層４は、基板面に対してａ軸が垂
直となるように形成されたａ軸配向膜である。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ジョセフソン効果を利
用した超電導素子に関する。
用した超電導素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】酸化物超電導体を電子デバイスに応用す
るには、まず酸化物超電導体の薄膜化が不可欠であり、
またこのような応用においては、中間バリア層としての
薄い常伝導層もしくは絶縁層を酸化物超電導体薄膜で挟
んだサンドイッチ構造のジョセフソン接合を基本として
いる。このため、 Y系酸化物超電導体に代表される酸化
物超電導体を用いたサンドイッチ構造のジョセフソン接
合の作製に関して多数の報告が成されている。
るには、まず酸化物超電導体の薄膜化が不可欠であり、
またこのような応用においては、中間バリア層としての
薄い常伝導層もしくは絶縁層を酸化物超電導体薄膜で挟
んだサンドイッチ構造のジョセフソン接合を基本として
いる。このため、 Y系酸化物超電導体に代表される酸化
物超電導体を用いたサンドイッチ構造のジョセフソン接
合の作製に関して多数の報告が成されている。
【０００３】ところで、ジョセフソン接合は、上述した
ようなサンドイッチ構造を数μm から数十μm 角程度の
素子形状に加工して使用することが一般的であり、よっ
てジョセフソン電流は上記数μm から数十μm 角程度の
接合部に流れることになる。この接合部面積は、下部の
超電導電極の厚さが 1μm 以下であることを考えると、
下部電極の断面積に比べて非常に大きな面積である。こ
のため、接合部におけるジョセフソン電流が飽和する前
に、下部超電導電極の超電導電流が飽和しやすいという
問題が生じている。従って、特に下部超電導電極の臨界
電流を大きくすることが非常に重要である。
ようなサンドイッチ構造を数μm から数十μm 角程度の
素子形状に加工して使用することが一般的であり、よっ
てジョセフソン電流は上記数μm から数十μm 角程度の
接合部に流れることになる。この接合部面積は、下部の
超電導電極の厚さが 1μm 以下であることを考えると、
下部電極の断面積に比べて非常に大きな面積である。こ
のため、接合部におけるジョセフソン電流が飽和する前
に、下部超電導電極の超電導電流が飽和しやすいという
問題が生じている。従って、特に下部超電導電極の臨界
電流を大きくすることが非常に重要である。
【０００４】下部超電導電極の臨界電流を大きくするた
めには、例えばその厚さを厚くすればよいが、 Y系酸化
物超電導体膜の場合、膜厚を厚くするとその表面の凹凸
が激しくなり、このような下部超電導電極上に薄い中間
バリア層および上部超電導電極を順に積層してサンドイ
ッチ構造を作製すると、上下の超電導電極間でショート
が生じやすくなるという問題を招いてしまう。
めには、例えばその厚さを厚くすればよいが、 Y系酸化
物超電導体膜の場合、膜厚を厚くするとその表面の凹凸
が激しくなり、このような下部超電導電極上に薄い中間
バリア層および上部超電導電極を順に積層してサンドイ
ッチ構造を作製すると、上下の超電導電極間でショート
が生じやすくなるという問題を招いてしまう。
【０００５】また、酸化物超電導体はその異方的結晶構
造を反映して、結晶方位によってその特性が大きく異な
るという特性を有しており、例えば Y系酸化物超電導体
では結晶のｃ軸方向のコヒーレンス長が非常に短い。よ
って、ｃ軸方向に接合を形成した場合に、言い換えれば
バリア層をｃ軸に垂直に形成した場合に、 Y系酸化物超
電導体層とバリア層との界面において酸化物超電導体層
側に僅かでも劣化層（変質層）が形成されると、コヒー
レンス長が非常に短いことに起因して、この界面の劣化
層によって Y系酸化物超電導体の超電導ギャップが著し
く縮小してしまい、良好な出力電圧を得ることができな
くなってしまう。
造を反映して、結晶方位によってその特性が大きく異な
るという特性を有しており、例えば Y系酸化物超電導体
では結晶のｃ軸方向のコヒーレンス長が非常に短い。よ
って、ｃ軸方向に接合を形成した場合に、言い換えれば
バリア層をｃ軸に垂直に形成した場合に、 Y系酸化物超
電導体層とバリア層との界面において酸化物超電導体層
側に僅かでも劣化層（変質層）が形成されると、コヒー
レンス長が非常に短いことに起因して、この界面の劣化
層によって Y系酸化物超電導体の超電導ギャップが著し
く縮小してしまい、良好な出力電圧を得ることができな
くなってしまう。
【０００６】一方、 Y系酸化物超電導体のａ軸方向に接
合を形成した場合は、この方向にはコヒーレンス長がや
や長いため、上述したような超電導ギャップの著しい縮
小は起こらないものの、ａ軸配向膜は膜面内の臨界電流
が小さいために、前述したような下部超電導電極におけ
る超電導電流の飽和が極めて起こりやすくなってしま
う。
合を形成した場合は、この方向にはコヒーレンス長がや
や長いため、上述したような超電導ギャップの著しい縮
小は起こらないものの、ａ軸配向膜は膜面内の臨界電流
が小さいために、前述したような下部超電導電極におけ
る超電導電流の飽和が極めて起こりやすくなってしま
う。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、 Y系
等の酸化物超電導体を用いた従来のジョセフソン接合に
おいて、酸化物超電導体のｃ軸配向膜を適用した場合に
は、コヒーレンス長が極端に短いことに起因してバリア
層付近における超電導ギャップが著しく縮小したり、さ
らには消失してしまうという問題を招いており、またａ
軸配向膜を適用した場合には、下部超電導電極における
超電導電流の飽和が生じやすいという問題を招いてい
た。
等の酸化物超電導体を用いた従来のジョセフソン接合に
おいて、酸化物超電導体のｃ軸配向膜を適用した場合に
は、コヒーレンス長が極端に短いことに起因してバリア
層付近における超電導ギャップが著しく縮小したり、さ
らには消失してしまうという問題を招いており、またａ
軸配向膜を適用した場合には、下部超電導電極における
超電導電流の飽和が生じやすいという問題を招いてい
た。
【０００８】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、超電導ギャップの縮小や下部超電導
電極における超電導電流の飽和を防止することによっ
て、高い出力電圧が安定して得られる実用性の高い超電
導素子を提供することを目的としている。
になされたもので、超電導ギャップの縮小や下部超電導
電極における超電導電流の飽和を防止することによっ
て、高い出力電圧が安定して得られる実用性の高い超電
導素子を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の超電導素子は、
基板と、前記基板上に設けられた第１の酸化物超電導体
層と、前記第１の酸化物超電導体層上に設けられた中間
バリア層と、前記中間バリア層上に設けられた第２の酸
化物超電導体層とを具備する超電導素子において、前記
第１の酸化物超電導体層は、前記基板面に対して RE-M-
Cu-O（ただし、REはPrを除く希土類元素から選ばれる少
なくとも 1種の元素を、 Mはアルカリ土類元素から選ば
れる少なくとも 1種の元素を示す）系酸化物超電導体の
ｃ軸が垂直となるように、前記基板上に形成されたｃ軸
配向膜と、前記基板面に対して前記 RE-M-Cu-O系酸化物
超電導体のａ軸が垂直となるように、前記ｃ軸配向膜上
に形成された前記中間バリア層と接するａ軸配向膜とを
有し、かつ、前記第２の酸化物超電導体層は、前記基板
面に対して前記 RE-M-Cu-O系酸化物超電導体のａ軸が垂
直となるように、前記中間バリア層上に形成されたａ軸
配向膜を有することを特徴としている。
基板と、前記基板上に設けられた第１の酸化物超電導体
層と、前記第１の酸化物超電導体層上に設けられた中間
バリア層と、前記中間バリア層上に設けられた第２の酸
化物超電導体層とを具備する超電導素子において、前記
第１の酸化物超電導体層は、前記基板面に対して RE-M-
Cu-O（ただし、REはPrを除く希土類元素から選ばれる少
なくとも 1種の元素を、 Mはアルカリ土類元素から選ば
れる少なくとも 1種の元素を示す）系酸化物超電導体の
ｃ軸が垂直となるように、前記基板上に形成されたｃ軸
配向膜と、前記基板面に対して前記 RE-M-Cu-O系酸化物
超電導体のａ軸が垂直となるように、前記ｃ軸配向膜上
に形成された前記中間バリア層と接するａ軸配向膜とを
有し、かつ、前記第２の酸化物超電導体層は、前記基板
面に対して前記 RE-M-Cu-O系酸化物超電導体のａ軸が垂
直となるように、前記中間バリア層上に形成されたａ軸
配向膜を有することを特徴としている。
【００１０】
【作用】一般に、酸化物超電導体を用いたジョセフソン
接合では、超電導電極と中間バリア層との界面における
格子の不整合による欠陥や酸素欠損が僅かでも存在する
と、コヒーレンス長が短いことに起因して、超電導電極
の超電導オーダーパラメータの縮小につながり、出力低
下、もしくはジョセフソン特性の消失を招くことにな
る。
接合では、超電導電極と中間バリア層との界面における
格子の不整合による欠陥や酸素欠損が僅かでも存在する
と、コヒーレンス長が短いことに起因して、超電導電極
の超電導オーダーパラメータの縮小につながり、出力低
下、もしくはジョセフソン特性の消失を招くことにな
る。
【００１１】これに対して、本発明の超電導素子におい
ては、中間バリア層と直接接続する酸化物超電導体層と
して、コヒーレンス長が長い RE-M-Cu-O系酸化物超電導
体のａ軸配向膜を配置している。これによって、中間バ
リア層近傍における超電導ギャップの縮小を大幅に回避
することができる。またさらに、 RE-M-Cu-O系酸化物超
電導体のａ軸配向膜は、 CuO2 伝導層が中間バリア層に
対して垂直に存在しているため、中間バリア層に向かっ
て電流が流れやすく、超電導素子の特性向上を図ること
ができる。
ては、中間バリア層と直接接続する酸化物超電導体層と
して、コヒーレンス長が長い RE-M-Cu-O系酸化物超電導
体のａ軸配向膜を配置している。これによって、中間バ
リア層近傍における超電導ギャップの縮小を大幅に回避
することができる。またさらに、 RE-M-Cu-O系酸化物超
電導体のａ軸配向膜は、 CuO2 伝導層が中間バリア層に
対して垂直に存在しているため、中間バリア層に向かっ
て電流が流れやすく、超電導素子の特性向上を図ること
ができる。
【００１２】一方、外部回路から接合に流れ込む超電導
電流は、接合部に至るまでは基板と平行に流れる。この
ため、下部の酸化物超電導体層全体を膜面内の臨界電流
が低い上記 RE-M-Cu-O系酸化物超電導体のａ軸配向膜で
構成すると、接合部におけるジョセフソン電流が飽和す
る前に、下部酸化物超電導体層の超電導電流が飽和して
しまう。
電流は、接合部に至るまでは基板と平行に流れる。この
ため、下部の酸化物超電導体層全体を膜面内の臨界電流
が低い上記 RE-M-Cu-O系酸化物超電導体のａ軸配向膜で
構成すると、接合部におけるジョセフソン電流が飽和す
る前に、下部酸化物超電導体層の超電導電流が飽和して
しまう。
【００１３】そこで、本発明においては、下部酸化物超
電導体層の一部であるａ軸配向膜の基板側に RE-M-Cu-O
系酸化物超電導体のｃ軸配向膜を接続させて配置してい
る。これによって、外部回路から接合部に至るまでは、
基板と平行方向の臨界電流が高いｃ軸配向膜に主として
電流を流すことができ、接合部以外での超電導電流の飽
和を回避することができる。その結果として、例えばＳ
ＮＳ接合の出力を示すＩc ・Ｒn 積（Ｉc ：臨界電流、
Ｒn ：ノーマル抵抗）におけるＩc を大きくすることが
でき、超電導素子の出力の増加を図ることが可能とな
る。
電導体層の一部であるａ軸配向膜の基板側に RE-M-Cu-O
系酸化物超電導体のｃ軸配向膜を接続させて配置してい
る。これによって、外部回路から接合部に至るまでは、
基板と平行方向の臨界電流が高いｃ軸配向膜に主として
電流を流すことができ、接合部以外での超電導電流の飽
和を回避することができる。その結果として、例えばＳ
ＮＳ接合の出力を示すＩc ・Ｒn 積（Ｉc ：臨界電流、
Ｒn ：ノーマル抵抗）におけるＩc を大きくすることが
でき、超電導素子の出力の増加を図ることが可能とな
る。
【００１４】
【実施例】以下、本発明の超電導素子の実施例について
説明する。
説明する。
【００１５】図１は、本発明の一実施例による超電導素
子の概略構造を示す図である。同図において、１は SrT
iO3 (100)単結晶基板等の絶縁性基板であり、この絶縁
性基板１上には、下部超電導電極となる酸化物超電導体
層２が形成されている。
子の概略構造を示す図である。同図において、１は SrT
iO3 (100)単結晶基板等の絶縁性基板であり、この絶縁
性基板１上には、下部超電導電極となる酸化物超電導体
層２が形成されている。
【００１６】ここで、上記した下部酸化物超電導体層２
および後述する上部酸化物超電導体層４の構成材料は、
RE-M-Cu-Oを基本構成元素とし、ペロブスカイト型結晶
構造を有するものであって、超電導特性を実現し得るも
のであり、実質的には下記の(1)式で組成が表されるも
のである。
および後述する上部酸化物超電導体層４の構成材料は、
RE-M-Cu-Oを基本構成元素とし、ペロブスカイト型結晶
構造を有するものであって、超電導特性を実現し得るも
のであり、実質的には下記の(1)式で組成が表されるも
のである。
【００１７】 一般式：RE1 M2 Cu3 O7-δ ……(1) （式中、REは Y、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、E
r、Tm、Yb、Lu等のPrを除く希土類元素から選ばれる少
なくとも 1種の元素を、 MはBa、Sr、Ca等のアルカリ土
類元素から選ばれる少なくとも 1種の元素を示し、δは
酸素欠損を表し通常1以下の数である）ただし、各元素
の比率は、製造条件等により数mol%程度の割合で変動可
能であり、Cuの一部は他の遷移金属元素と置換可能であ
る。
r、Tm、Yb、Lu等のPrを除く希土類元素から選ばれる少
なくとも 1種の元素を、 MはBa、Sr、Ca等のアルカリ土
類元素から選ばれる少なくとも 1種の元素を示し、δは
酸素欠損を表し通常1以下の数である）ただし、各元素
の比率は、製造条件等により数mol%程度の割合で変動可
能であり、Cuの一部は他の遷移金属元素と置換可能であ
る。
【００１８】上述した下部酸化物超電導体層２は、絶縁
性基板１の基板面（酸化物超電導体層形成面）に対し
て、上記 RE-M-Cu-O系酸化物超電導体のｃ軸が垂直とな
るように、絶縁性基板１上に形成されたｃ軸配向膜２ａ
と、上記基板面に対して上記RE-M-Cu-O系酸化物超電導
体のａ軸が垂直となるように、ｃ軸配向膜２ａ上に形成
されたａ軸配向膜２ｂとを有している。このように、下
部酸化物超電導体層２は、 RE-M-Cu-O系酸化物超電導体
のｃ軸配向膜２ａとａ軸配向膜２ｂとの 2層積層構造を
有している。
性基板１の基板面（酸化物超電導体層形成面）に対し
て、上記 RE-M-Cu-O系酸化物超電導体のｃ軸が垂直とな
るように、絶縁性基板１上に形成されたｃ軸配向膜２ａ
と、上記基板面に対して上記RE-M-Cu-O系酸化物超電導
体のａ軸が垂直となるように、ｃ軸配向膜２ａ上に形成
されたａ軸配向膜２ｂとを有している。このように、下
部酸化物超電導体層２は、 RE-M-Cu-O系酸化物超電導体
のｃ軸配向膜２ａとａ軸配向膜２ｂとの 2層積層構造を
有している。
【００１９】上記した下部酸化物超電導体層２のうちの
RE-M-Cu-O系ａ軸配向膜２ｂ上には、接合部を構成する
中間バリア層３が形成されている。この中間バリア層３
の構成材料としては、 LaNiO3 、 LaTiO3 、Laドープ-S
rTiO3 、Nbドープ-SrTiO3 等の常伝導体や、Pr1 Ba2 Cu
3 O 7-y 、 Y2 Ba1 Cu1 O x 、 MgO、 SrTiO3 、 BaTiO
3 、 Y2 O 3 、 CeO2 、 NdGaO3 、 PrGaO3 等の絶縁体
が例示される。この中間バリア層３上には、上部超電導
電極となる酸化物超電導体層４が設けられている。この
上部酸化物超電導体層４は、絶縁性基板１の基板面に対
して上記 RE-M-Cu-O系酸化物超電導体のａ軸が垂直とな
るように形成されたａ軸配向膜である。上述したよう
に、この実施例の超電導素子においては、中間バリア層
３を RE-M-Cu-O系酸化物超電導体のａ軸配向膜２ｂ、４
で挟んだサンドイッチ構造により実質的な接合を形成し
ていると共に、下部酸化物超電導体層２の超電導電流路
として膜面内で電流を流しやすいｃ軸配向膜２ａを有し
ている。これらによって、中間バリア層３との界面付近
での超電導オーダーパラメータの著しい縮小を回避する
ことができると共に、下部酸化物超電導体層２による接
合部以外での超電導電流の飽和を回避することができ
る。
RE-M-Cu-O系ａ軸配向膜２ｂ上には、接合部を構成する
中間バリア層３が形成されている。この中間バリア層３
の構成材料としては、 LaNiO3 、 LaTiO3 、Laドープ-S
rTiO3 、Nbドープ-SrTiO3 等の常伝導体や、Pr1 Ba2 Cu
3 O 7-y 、 Y2 Ba1 Cu1 O x 、 MgO、 SrTiO3 、 BaTiO
3 、 Y2 O 3 、 CeO2 、 NdGaO3 、 PrGaO3 等の絶縁体
が例示される。この中間バリア層３上には、上部超電導
電極となる酸化物超電導体層４が設けられている。この
上部酸化物超電導体層４は、絶縁性基板１の基板面に対
して上記 RE-M-Cu-O系酸化物超電導体のａ軸が垂直とな
るように形成されたａ軸配向膜である。上述したよう
に、この実施例の超電導素子においては、中間バリア層
３を RE-M-Cu-O系酸化物超電導体のａ軸配向膜２ｂ、４
で挟んだサンドイッチ構造により実質的な接合を形成し
ていると共に、下部酸化物超電導体層２の超電導電流路
として膜面内で電流を流しやすいｃ軸配向膜２ａを有し
ている。これらによって、中間バリア層３との界面付近
での超電導オーダーパラメータの著しい縮小を回避する
ことができると共に、下部酸化物超電導体層２による接
合部以外での超電導電流の飽和を回避することができ
る。
【００２０】なお、上部酸化物超電導体層４上には、絶
縁膜５を介して、上部酸化物超電導体層４への配線層６
が設けられている。また、配線層６から上部酸化物超電
導体層４に達するように設けた溝７は、外部からの電流
端子と電圧端子とを完全に分離するためのものである。
縁膜５を介して、上部酸化物超電導体層４への配線層６
が設けられている。また、配線層６から上部酸化物超電
導体層４に達するように設けた溝７は、外部からの電流
端子と電圧端子とを完全に分離するためのものである。
【００２１】上述したような構成を有する超電導素子
は、例えば以下のようにして作製することができる。
は、例えば以下のようにして作製することができる。
【００２２】すなわち、まず SrTiO3 (100)単結晶基板
等の絶縁性基板１上に、マグネトロンスパッタ法等によ
って、 750℃前後の基板温度で RE-M-Cu-O系酸化物超電
導体を被着させる。上記したような基板温度によれば、
RE-M-Cu-O系酸化物超電導体はｃ軸配向膜となる。
等の絶縁性基板１上に、マグネトロンスパッタ法等によ
って、 750℃前後の基板温度で RE-M-Cu-O系酸化物超電
導体を被着させる。上記したような基板温度によれば、
RE-M-Cu-O系酸化物超電導体はｃ軸配向膜となる。
【００２３】そして、下部酸化物超電導体層２のうちの
RE-M-Cu-O系ｃ軸配向膜２ａを所望の厚さで形成した
後、基板温度を30〜50℃前後低下させる。このような基
板温度にすると、 RE-M-Cu-O系酸化物超電導体はａ軸配
向状態をとるようになる。なお、上記基板温度は、なる
べく短時間で下げることが好ましく、基板温度の低下に
あまり時間を要すると、ｃ軸配向膜２ａとａ軸配向膜２
ｂとの界面に酸素欠損のような劣化が生じる。
RE-M-Cu-O系ｃ軸配向膜２ａを所望の厚さで形成した
後、基板温度を30〜50℃前後低下させる。このような基
板温度にすると、 RE-M-Cu-O系酸化物超電導体はａ軸配
向状態をとるようになる。なお、上記基板温度は、なる
べく短時間で下げることが好ましく、基板温度の低下に
あまり時間を要すると、ｃ軸配向膜２ａとａ軸配向膜２
ｂとの界面に酸素欠損のような劣化が生じる。
【００２４】このようにして、ａ軸配向の初期層を極薄
く形成した後、基板温度を再度上げてａ軸配向膜２ｂの
大部分をｃ軸配向膜２ａの成膜時と同様な温度で形成す
る。なお、一旦ａ軸配向させた RE-M-Cu-O系酸化物超電
導体膜は、基板温度を上げても配向性が変化することは
ない。これにより、ａ軸配向膜２ｂの臨界温度Ｔc を高
い値に保つことができる。また、配向性を変化させるた
めに形成したａ軸配向の初期層もその厚さは極薄いため
に、その後の再度の基板温度の上昇によって、その超電
導特性はａ軸配向膜２ｂ全体を形成する間に十分に回復
させることができる。
く形成した後、基板温度を再度上げてａ軸配向膜２ｂの
大部分をｃ軸配向膜２ａの成膜時と同様な温度で形成す
る。なお、一旦ａ軸配向させた RE-M-Cu-O系酸化物超電
導体膜は、基板温度を上げても配向性が変化することは
ない。これにより、ａ軸配向膜２ｂの臨界温度Ｔc を高
い値に保つことができる。また、配向性を変化させるた
めに形成したａ軸配向の初期層もその厚さは極薄いため
に、その後の再度の基板温度の上昇によって、その超電
導特性はａ軸配向膜２ｂ全体を形成する間に十分に回復
させることができる。
【００２５】次に、上述したような 2種類の配向膜２
ａ、２ｂからなる下部酸化物超電導体層２上に、中間バ
リア層３を形成した後、その上に下部酸化物超電導体層
２におけるａ軸配向膜２ｂを形成した方法と同様な方法
により、 RE-M-Cu-O系ａ軸配向膜からなる上部酸化物超
電導体層４を所望の厚さで形成する。
ａ、２ｂからなる下部酸化物超電導体層２上に、中間バ
リア層３を形成した後、その上に下部酸化物超電導体層
２におけるａ軸配向膜２ｂを形成した方法と同様な方法
により、 RE-M-Cu-O系ａ軸配向膜からなる上部酸化物超
電導体層４を所望の厚さで形成する。
【００２６】ここで、下部酸化物超電導体層２は 2つの
配向膜により構成しているため、下部酸化物超電導体層
２自体が粒界ジョセフソン接合となることが懸念される
が、異なる配向膜の間の界面を通して流れる超電導電流
Ｊは、ある温度以下ではいわゆるジョセフソン接合の関
係式 Ｊ＝Ｊ0 ・ sinθ （θはａ軸配向電極とｃ軸配向電極の位相差である）が
成立しなくなるほど、大きくとれるようになることが判
明した。言い換えれば、完全な単結晶ではなく、粒界を
内含する酸化物超電導体を電極とするジョセフソン接合
素子の動作温度は、電極自体が弱結合のジョセフソン特
性ではなくなるような低温に限られ、これは作製条件や
方法等によって異なるものであるが、この実施例の素子
においては 70K以下ということになる。
配向膜により構成しているため、下部酸化物超電導体層
２自体が粒界ジョセフソン接合となることが懸念される
が、異なる配向膜の間の界面を通して流れる超電導電流
Ｊは、ある温度以下ではいわゆるジョセフソン接合の関
係式 Ｊ＝Ｊ0 ・ sinθ （θはａ軸配向電極とｃ軸配向電極の位相差である）が
成立しなくなるほど、大きくとれるようになることが判
明した。言い換えれば、完全な単結晶ではなく、粒界を
内含する酸化物超電導体を電極とするジョセフソン接合
素子の動作温度は、電極自体が弱結合のジョセフソン特
性ではなくなるような低温に限られ、これは作製条件や
方法等によって異なるものであるが、この実施例の素子
においては 70K以下ということになる。
【００２７】この後、通常の光学露光工程により、所望
面積の接合部を形成した後、絶縁膜５および配線層６の
形成と同様な光学露光工程とを組合せることによって、
超電導素子が得られる。
面積の接合部を形成した後、絶縁膜５および配線層６の
形成と同様な光学露光工程とを組合せることによって、
超電導素子が得られる。
【００２８】次に、上記超電導素子の具体例とその特性
評価結果について説明する。なお、酸化物超電導体とし
ては、いずれも YBa2 Cu3 O7-δを用いた。
評価結果について説明する。なお、酸化物超電導体とし
ては、いずれも YBa2 Cu3 O7-δを用いた。
【００２９】実施例１ まず、 SrTiO3 (100)基板１上に、基板温度を 730℃と
したマグネトロンスパッタ法により、下部酸化物超電導
体層２のうちのｃ軸配向膜２ａを 350nmの厚さで形成し
た直後、基板温度を 690℃に低下させて、酸化物超電導
体の配向状態をａ軸配向に変化させた。再度基板温度を
730℃に上昇させた後、ａ軸配向膜２ｂを 4.8nmの厚さ
で形成した。
したマグネトロンスパッタ法により、下部酸化物超電導
体層２のうちのｃ軸配向膜２ａを 350nmの厚さで形成し
た直後、基板温度を 690℃に低下させて、酸化物超電導
体の配向状態をａ軸配向に変化させた。再度基板温度を
730℃に上昇させた後、ａ軸配向膜２ｂを 4.8nmの厚さ
で形成した。
【００３０】次に、上記 YBa2 Cu3 O7-δのａ軸配向膜
２ｂ上に、中間バリア層３として厚さおよそ 8nmの LaN
iO3 層を形成した後、基板温度を再度 690℃として、 L
aNiO3 層３上に厚さ 250nmのａ軸配向膜からなる上部酸
化物超電導体層４を形成した。なお、上記各層の形成に
あたっては、その積層構造を同一装置内において大気に
晒すことなく連続的に形成することが重要である。
２ｂ上に、中間バリア層３として厚さおよそ 8nmの LaN
iO3 層を形成した後、基板温度を再度 690℃として、 L
aNiO3 層３上に厚さ 250nmのａ軸配向膜からなる上部酸
化物超電導体層４を形成した。なお、上記各層の形成に
あたっては、その積層構造を同一装置内において大気に
晒すことなく連続的に形成することが重要である。
【００３１】この後、上部酸化物超電導体層４上への絶
縁膜５と金配線層６の形成と、通常の光学露光工程とを
組合せて、接合面積20μm ×20μm のＳＮＳ接合を有す
る超電導素子を作製した。
縁膜５と金配線層６の形成と、通常の光学露光工程とを
組合せて、接合面積20μm ×20μm のＳＮＳ接合を有す
る超電導素子を作製した。
【００３２】このようにして得たいくつかの超電導素子
の液体ヘリウム温度での電流−電圧特性を測定し、超電
導電流が流れるか否かを評価すると共に、その際に接合
に平行に磁場を印加して、超電導電流の磁場強度による
変化を測定した。その結果、いずれも超電導電流が観測
され、図２に示すような電流−電圧特性が観測された。
これらの接合の典型的な出力電圧、すなわちＩc ・Ｒn
積の値は 200μV であった。また、臨界電流は磁場に対
して図３に示すようなジョセフソン接合に特有な変化を
示した。これは、図２における超電導電流が全てジョセ
フソン電流であることの直接的な証拠を与えるものであ
り、また接合が均一にできていることを示唆するもので
ある。
の液体ヘリウム温度での電流−電圧特性を測定し、超電
導電流が流れるか否かを評価すると共に、その際に接合
に平行に磁場を印加して、超電導電流の磁場強度による
変化を測定した。その結果、いずれも超電導電流が観測
され、図２に示すような電流−電圧特性が観測された。
これらの接合の典型的な出力電圧、すなわちＩc ・Ｒn
積の値は 200μV であった。また、臨界電流は磁場に対
して図３に示すようなジョセフソン接合に特有な変化を
示した。これは、図２における超電導電流が全てジョセ
フソン電流であることの直接的な証拠を与えるものであ
り、また接合が均一にできていることを示唆するもので
ある。
【００３３】比較例１ ａ軸配向の Y系酸化物超電導体膜／中間バリア層／ａ軸
配向の Y系酸化物超電導体膜というように、接合をａ軸
配向膜のみで形成したところ、電極層を厚くしないと下
部超電導電極での超電導電流の飽和が顕著となり、これ
が接合の出力電圧を制限してしまう結果となった。ま
た、下部超電導電極の厚さを厚くしたところ、積層膜全
体にクラックが入る等の問題が生じた。なお、これらの
接合の出力は50μV 以下であった。
配向の Y系酸化物超電導体膜というように、接合をａ軸
配向膜のみで形成したところ、電極層を厚くしないと下
部超電導電極での超電導電流の飽和が顕著となり、これ
が接合の出力電圧を制限してしまう結果となった。ま
た、下部超電導電極の厚さを厚くしたところ、積層膜全
体にクラックが入る等の問題が生じた。なお、これらの
接合の出力は50μV 以下であった。
【００３４】比較例２ ｃ軸配向の Y系酸化物超電導体膜／中間バリア層／ｃ軸
配向の Y系酸化物超電導体膜というように、接合をｃ軸
配向膜のみで形成したところ、超電導ジョセフソン電流
が著しく小さいか、あるいは観測されないという結果し
か得られなかった。従って、出力電圧は著しく低いもの
であった。
配向の Y系酸化物超電導体膜というように、接合をｃ軸
配向膜のみで形成したところ、超電導ジョセフソン電流
が著しく小さいか、あるいは観測されないという結果し
か得られなかった。従って、出力電圧は著しく低いもの
であった。
【００３５】上述した比較例１、２から明らかなよう
に、超電導電極を Y系酸化物超電導体の単一配向膜で構
成した場合には、その配向膜に特有の物理的な問題によ
り出力は低く抑えられてしまう。
に、超電導電極を Y系酸化物超電導体の単一配向膜で構
成した場合には、その配向膜に特有の物理的な問題によ
り出力は低く抑えられてしまう。
【００３６】以上のことから、ｃ軸配向酸化物超電導体
層／ａ軸配向酸化物超電導体層／中間バリア層／ａ軸配
向酸化物超電導体層の積層構造を有するジョセフソン接
合によれば、コヒーレンス長の長いａ軸配向膜が中間バ
リア層と接しているため、中間バリア層と超電導電極と
の界面における超電導オーダーパラメータの著しい縮小
も起こらず、また超電導電極による超電導電流の飽和も
回避することができるため、実用的な出力電圧を安定し
て得ることができる。
層／ａ軸配向酸化物超電導体層／中間バリア層／ａ軸配
向酸化物超電導体層の積層構造を有するジョセフソン接
合によれば、コヒーレンス長の長いａ軸配向膜が中間バ
リア層と接しているため、中間バリア層と超電導電極と
の界面における超電導オーダーパラメータの著しい縮小
も起こらず、また超電導電極による超電導電流の飽和も
回避することができるため、実用的な出力電圧を安定し
て得ることができる。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の超電導素
子によれば、実用性が高い優れた出力電圧を再現性よく
得ることができるため、実用性および再現性が共に高い
超電導素子を提供することが可能となる。本発明の超電
導素子は、超電導磁束量子干渉計やジョセフソン集積回
路を実現する基本構成要素として好適であり、産業上多
大な寄与をすることが期待できる。
子によれば、実用性が高い優れた出力電圧を再現性よく
得ることができるため、実用性および再現性が共に高い
超電導素子を提供することが可能となる。本発明の超電
導素子は、超電導磁束量子干渉計やジョセフソン集積回
路を実現する基本構成要素として好適であり、産業上多
大な寄与をすることが期待できる。
【図１】 本発明の一実施例による超電導素子の構成を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図２】 本発明の一実施例による超電導素子の電流−
電圧特性を示す図である。
電圧特性を示す図である。
【図３】 本発明の一実施例による超電導素子の臨界電
流の印加磁界依存性を示す図である。
流の印加磁界依存性を示す図である。
１……絶縁性基板 ２……下部酸化物超電導体層 ２ａ… RE-M-Cu-O系ｃ軸配向膜 ２ｂ… RE-M-Cu-O系ａ軸配向膜 ３……中間バリア層 ４…… RE-M-Cu-O系ａ軸配向膜からなる上部酸化物超電
導体層
導体層
Claims (1)
- 【請求項１】 基板と、前記基板上に設けられた第１の
酸化物超電導体層と、前記第１の酸化物超電導体層上に
設けられた中間バリア層と、前記中間バリア層上に設け
られた第２の酸化物超電導体層とを具備する超電導素子
において、 前記第１の酸化物超電導体層は、前記基板面に対して R
E-M-Cu-O（ただし、REはPrを除く希土類元素から選ばれ
る少なくとも 1種の元素を、 Mはアルカリ土類元素から
選ばれる少なくとも 1種の元素を示す）系酸化物超電導
体のｃ軸が垂直となるように、前記基板上に形成された
ｃ軸配向膜と、前記基板面に対して前記RE-M-Cu-O系酸
化物超電導体のａ軸が垂直となるように、前記ｃ軸配向
膜上に形成された前記中間バリア層と接するａ軸配向膜
とを有し、かつ、前記第２の酸化物超電導体層は、前記
基板面に対して前記 RE-M-Cu-O系酸化物超電導体のａ軸
が垂直となるように、前記中間バリア層上に形成された
ａ軸配向膜を有することを特徴とする超電導素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5307972A JPH07162043A (ja) | 1993-12-08 | 1993-12-08 | 超電導素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5307972A JPH07162043A (ja) | 1993-12-08 | 1993-12-08 | 超電導素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07162043A true JPH07162043A (ja) | 1995-06-23 |
Family
ID=17975381
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5307972A Pending JPH07162043A (ja) | 1993-12-08 | 1993-12-08 | 超電導素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07162043A (ja) |
-
1993
- 1993-12-08 JP JP5307972A patent/JPH07162043A/ja active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 19990706 |