JPH0846255A - 超伝導素子およびその製造方法 - Google Patents

超伝導素子およびその製造方法

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JPH0846255A
JPH0846255A JP6182285A JP18228594A JPH0846255A JP H0846255 A JPH0846255 A JP H0846255A JP 6182285 A JP6182285 A JP 6182285A JP 18228594 A JP18228594 A JP 18228594A JP H0846255 A JPH0846255 A JP H0846255A
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JP
Japan
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thin film
superconducting
carbon
alkaline earth
copper
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Application number
JP6182285A
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English (en)
Inventor
Hideaki Adachi
秀明 足立
Masahiro Sakai
全弘 坂井
Kentaro Setsune
謙太郎 瀬恒
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 特性が優れ再現性よく作製可能な超伝導接合
およびその製造方法の提供する。 【構成】 アルカリ土類元素および銅の炭酸化物からな
る超伝導薄膜において、膜厚方向あるいは薄膜面内の一
部領域に炭素元素の濃度分布を設ける。製造方法として
は、アルカリ土類元素および銅の炭酸化物からなる超伝
導薄膜の面内の一部に各種ビームを照射して、炭素元素
を離脱させる。また、アルカリ土類元素および銅の炭酸
化物からなる薄膜を炭素と酸素を含む雰囲気中で堆積さ
せる際に、途中で雰囲気中の炭素と酸素の含有割合を変
化させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高速・高感度の動作が
期待される超伝導デバイスの要素部品となる超伝導接合
素子およびその製造方法に関する。特に炭酸系酸化物高
温超伝導体を利用した超伝導素子に関する。
【0002】
【従来の技術】近年発見された酸化物超伝導体の中に
は、その超伝導臨界温度が液体窒素温度を越えるものが
あり、超伝導体の応用分野が大きく広がった。エレクト
ロニクス分野に応用が期待される超伝導デバイスに関し
ては、その基本的要素部品である超伝導接合として、超
伝導薄膜の面内の粒界を利用した接合、階段状の段差を
利用した接合、積層型の接合などが試作されている(高
田進、応用物理、Vol.62,p.443 (1993))。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来試作
されている超伝導接合素子は、特性が不安定で、再現性
よく作製するのが困難であった。これは、接合が超伝導
物質と非超伝導物質という異種の材料の接触で構成され
るため、高温超伝導体のような複合酸化物で完全な乱れ
のない接合を実現することが技術的に困難であるからで
ある。すなわち薄膜における超伝導部と非超伝導部の膜
厚方向あるいは面内方向の接触を良質なものとし、実用
的な優れた特性の素子とするには、それぞれの材料の両
者の相性がよく、かつ作成が容易であることが必要であ
る。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、超伝導接合をアルカリ土類元素および
銅の炭酸化物からなる炭酸系超伝導体の薄膜を基に構成
し、膜厚方向あるいは薄膜面内の一部に炭素元素の濃度
が分布する領域を設ける。
【0005】また、本発明の超伝導薄膜の製造方法とし
て、アルカリ土類元素および銅の炭酸化物からなる超伝
導薄膜の面内の一部に各種ビームを照射し、炭素元素を
離脱させる方法をとる。
【0006】あるいは、アルカリ土類元素および銅の炭
酸化物からなる薄膜を炭素と酸素を含む雰囲気中で堆積
させる際に、堆積課程の途中で雰囲気中の炭素と酸素の
含有割合を変化させる方法をとる。
【0007】
【作用】炭酸系超伝導体は、炭素と銅を主成分とする酸
化物の層(CxCu1-x3)と、アルカリ土類元素
(A)を介して連なったn枚の銅酸素面(CuO2)か
らなる層とが、層状に重なった結晶構造を持ち、一般式
(CxCu1-x)An+1Cun2n +3 で表される物質である
(nは1以上の整数、xは0から1の間の値)。
【0008】本願発明の炭酸系超伝導体は、炭素の含有
量が少なくなると、その構造が銅酸素面とアルカリ土類
元素が積み重なった構造の無限層物質(ACuO2)に
変化し、電気抵抗が高くなり非超伝導体化する。
【0009】それ故、膜厚方向あるいは薄膜面内の一部
に炭素元素の濃度が分布する領域を設けることにより、
非超伝導体化を防ぎ、変化した無限層が元の炭酸系超伝
導体と相性よく良好な接合を作製し得る。
【0010】また、この炭素量が成膜条件あるいは成膜
後の後処理により容易に制御でき、超伝導体が無限層構
造に変化する。
【0011】また一度、炭酸系超伝導体の構造の生成の
後、表面を処理して炭素を離脱させ無限層構造に変える
方法は、異種の材料を改めて積層させる方式とは異なり
本質的に界面の整合性が優れており良好な接合を作るこ
とができる。
【0012】
【実施例】
(実施例1)本発明の1実施例を図1に基づき説明す
る。図1は、超伝導素子作製の工程図である。
【0013】図1(a)はチタン酸ストロンチウム基体
11上に炭酸系超伝導体(C,Cu)Ba2CuO5 薄膜1
2が形成される工程図である。
【0014】炭酸バリウム(BaCO3)と酸化銅(Cu
O)をモル比4:3の割合で混合・成形したものをター
ゲットとして用いたスパッタリング蒸着法により、55
0℃に加熱したチタン酸ストロンチウム11SrTiO
3(100)面基体上に薄膜形成を行った。スパッタガ
スとして、アルゴンに酸素と二酸化炭素をAr:O2
CO2=3:1:1のモル比で加えた混合ガス1Paを
用いたところ、炭酸系超伝導体(C,Cu)Ba2CuO5
12の薄膜が堆積した。
【0015】200nm厚の炭酸系超伝導体の薄膜12
が形成された時点でシャッターを閉め、堆積を停止さ
せ、そのままの基体温度550℃に保って雰囲気を酸素
100Paに変えて5分間放置した。
【0016】その結果、図1(b)に示すよう炭酸系超
伝導体薄膜12の表面5nm程度の部分13の炭素元素
が欠乏して無限層物質に変わった。
【0017】その後再びシャッターを開けて薄膜堆積を
行うと、図1(c)に示すよう無限層である薄層13の
上に再び炭酸系超伝導体(C,Cu)Ba2CuO5 薄膜1
4が形成された。
【0018】これら3層の膜は何れもc軸が基板に垂直
に配向したエピタキシャル薄膜となっており、結晶構造
的に乱れのない積層が達成されている。この方法で作製
した超伝導接合は、もとの薄膜の表面を改質させて形成
しているので、従来の薄膜積層で課題であった接合部の
非超伝導層と超伝導電極層との相互熱拡散による接合の
消失や、非超伝導層にピンホールができる等の問題がな
く、本質的に良質の接合が得られる。
【0019】この薄膜の超伝導接合部を用いてイオンエ
ッチングにより20μm角の超伝導素子形状を形成した
ところ、20Kの温度で再現性良くジョセフソン接合特
性を得ることができた。間に挟まれた無限層物質の抵抗
率が室温で10Ωcmと高く半導体的な温度依存性を示
すので、バリア層として適した材料であることも併せて
確認した。
【0020】(実施例2)本実施例においては、上記実
施例1と同様に、炭酸系超伝導体(C,Cu)Ba2CuO
5 の薄膜を550℃に加熱したチタン酸ストロンチウム
基体上に堆積させることを試みた。
【0021】スパッタガスとして、1Paのアルゴン・
酸素・二酸化炭素混合ガス(Ar:O2:CO2=3:
1:1)を用いて100nmの超伝導薄膜(C,Cu)B
2CuO5 を堆積させたところで、ガスの割合をA
r:O2:CO2=3:2:0すなわち二酸化炭素を酸素
に替えてあらたに100nmの膜厚まで堆積を続けた。
【0022】その結果無限層構造薄膜BaCuO2 が超
伝導薄膜に引き続いて成長し、超伝導と無限層の2層積
層となったものが得られた。
【0023】分析の結果、界面で結晶学的な乱れが全く
ない接合が形成されており、両者は、上記実施例1のよ
うに相が変化する関係にあり、結晶構造は異なるが同種
の物質なので、相性よく良質の接合を作ることができた
と思われる。この方法によると、単に薄膜堆積中に雰囲
気ガスの成分を切り替えるだけで任意の接合が形成でき
るので、簡便に超伝導素子を製造できる。
【0024】また、ある程度の炭素が雰囲気中に存在し
ていても、酸素の絶対量が多い場合には無限層構造が成
長する。
【0025】なお、本実施例では成膜法としてスパッタ
法を用いたが、他の方法を用いて雰囲気ガスの炭素と酸
素の割合の制御を行った場合でも同じである。
【0026】(実施例3)単位格子中に銅酸素面を2枚
有する結晶構造の炭酸系超伝導薄膜(C,Cu)Ba2Ca
Cu27 をスパッタリング法により300nmの厚さ
で作製した。
【0027】この薄膜は80Kで超伝導転移を示す。薄
膜をフォトリソグラフィによる微細パターン転写した後
イオンエッチングを用いて加工し、10μmの線幅を持
つくびれを形成した。このように形成した薄膜パターン
の外観を図2に示す。
【0028】チタン酸ストロンチウム基体11上に炭酸
系超伝導体(C,Cu)Ba2CaCu 27 の薄膜21が
くびれ部22を持つようにパターン化されている。前記
くびれ部22に電子ビーム23を加速電圧は35kV、
電流は10mAとして、真空中で照射した。
【0029】照射された部分24の分析を行ったとこ
ろ、炭酸系超伝導体から無限層構造に変化していた。こ
れは、電子ビーム23の照射部の炭酸系超伝導体から、
照射電子ビームによる熱の発生などにより、炭素元素が
離脱し無限層構造が再構築されたことを示している。
【0030】上記の方法で作製した素子は、超伝導電極
の間に電気抵抗の高い無限層物質が良好に接続された構
造となっており、ジョセフソン接合特性を示した。
【0031】なお、電子ビームの照射ではなく、放射
線、赤外線、レーザー光線等の他のビームの照射でも同
様であり、またイオンビーム照射で炭素元素を直接たた
き出す方法でもよい。
【0032】なお本実施例では炭酸系超伝導薄膜とし
て、単位格子中に銅酸素面を2枚有する構造の炭酸系超
伝導薄膜(C,Cu)Ba2CaCu27 を用いたが、一
般にn枚の銅酸素面を有するこの系の他の超伝導薄膜
(C,Cu)Ba2Can-1Cun2n +3 を用いた場合、あ
るいはアルカリ土類元素としてSr等の他の元素やいく
つかの組み合わせを用いた場合でも同様に超伝導素子が
実現できる。
【0033】
【発明の効果】以上のように本発明は、炭酸系超伝導体
を用いて、良質・高品質の超伝導接合素子を提供でき
る。特に、炭酸系超伝導体が炭素元素の含有量を制御す
ると抵抗の高い無限層物質に変化するという本物質の特
性を利用したもので、本質的に良質な接合の形成が可能
となった。超伝導接合は各種超伝導デバイスの基本要素
部品を構成するものであり、高品質な超伝導デバイスも
提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例における超伝導素子作製の工程
【図2】本発明の実施例における超伝導素子の外観図
【符号の説明】 11 チタン酸ストロンチウム基体 12 下部(C,Cu)Ba2CuO5 超伝導薄膜 13 無限層BaCuO2 薄膜 14 上部(C,Cu)Ba2CuO5 超伝導薄膜 21 (C,Cu)Ba2CaCu27 超伝導薄膜 22 くびれ部 23 電子ビーム 24 無限層構造部分

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも1種以上のアルカリ土類元素お
    よび銅の炭酸化物からなる超伝導薄膜の、膜厚方向ある
    いは薄膜面内に炭素元素の濃度分布のある領域を設けた
    ことを特徴とする超伝導素子。
  2. 【請求項2】超伝導薄膜が、炭素と銅を主成分とする酸
    化物の層と、アルカリ土類元素を介して連なった1枚以
    上の銅酸素面からなる層とが、層状に重なった結晶構造
    であることを特徴とする請求項1記載の超伝導素子。
  3. 【請求項3】超伝導薄膜が、炭素、アルカリ土類元素、
    銅の酸化物を主体成分とする炭酸系超伝導体の層と、ア
    ルカリ土類元素と銅の酸化物を主体成分とする無限層物
    質の層とが、積層された構造からなることを特徴とする
    請求項1記載の超伝導素子。
  4. 【請求項4】少なくとも1種以上のアルカリ土類元素お
    よび銅の炭酸化物からなる超伝導薄膜の面内の一部にエ
    ネルギービームを照射して、前記ビームの照射した領域
    の炭素元素を離脱させる工程を含むことを特徴とする超
    伝導素子の製造方法。
  5. 【請求項5】少なくとも1種以上のアルカリ土類元素お
    よび銅の炭酸化物からなる薄膜を成膜する工程におい
    て、積層雰囲気中の炭素と酸素の含有割合を変化させる
    ことを特徴とする超伝導素子の製造方法。
  6. 【請求項6】少なくとも1種以上のアルカリ土類元素お
    よび銅の炭酸化物からなる薄膜を成膜する工程におい
    て、途中で堆積を停止して主成分が酸素である雰囲気中
    で膜表面を加熱処理することを特徴とする請求項5に記
    載の超伝導素子の製造方法。
JP6182285A 1994-08-03 1994-08-03 超伝導素子およびその製造方法 Pending JPH0846255A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100416817C (zh) * 2000-09-07 2008-09-03 株式会社东芝 半导体装置及其制造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN100416817C (zh) * 2000-09-07 2008-09-03 株式会社东芝 半导体装置及其制造方法

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