JPH10233536A - トンネル型超伝導接合素子および超伝導デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸化物超伝導薄膜と材料的に相性が良く、つ
くりやすいバリア層をを用いることにより、高性能のト
ンネル型超伝導接合素子およびこの素子を備えた超伝導
デバイスを提供することを目的とする。 【解決手段】 複合酸化物を主成分とする上部および下
部の超伝導電極と、Ｂｉ₂Ａ_m+1Ｃｕ_mＯ_2m+4（但しＡは
少なくとも一種のアルカリ土類元素、ｍは１以上４以下
の整数）で表される複合酸化物を主成分とするバリア層
とを備えたトンネル型超伝導結合素子を作製したとこ
ろ、良好なジョセフソン特性が得られた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル型超伝導
接合素子およびこの超伝導接合素子を用いた超伝導デバ
イスに関するものであり、さらに詳しくは、良好なジョ
セフソン特性が得られるトンネル型超伝導接合素子、お
よび磁気検出装置、サブミリ波信号処理装置、超伝導コ
ンピューター等において高速・高感度の動作が期待され
る超伝導デバイスに関するものである。

【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を大きく広げることとなっ
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、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、積層型の接合等が試作されてい
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】これら従来試作されて
いる超伝導接合素子は特性が未だ不十分であり、理想的
なジョセフソン特性を示すトンネル型接合素子はほとん
ど実現されていない。この理由は、トンネル接合が超伝
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を使って、
完全に乱れのない接合を実現することが技術的に困難な
ことに因る。唯一、ビスマス系酸化物超伝導体の単結晶
を用いた場合、トンネル接合的な特性が得られることが
報告されているが（鈴木、田辺、日高、狩元、宮原、電
子情報通信学会技術報告 SCE95-30,p.7 (1995) ）、こ
れは単結晶内で観察された現象であって、素子としてエ
レクトロニクス分野へ応用することが容易ではないもの
である。

【０００４】このように、これまで超伝導デバイスに応
用可能な薄膜を使ったトンネル型接合素子を作ることは
困難であった。すなわち酸化物超伝導薄膜層と非超伝導
薄膜層の膜厚方向の良質の接触を達成して、実用的な優
れた特性の素子となるには、材料的に両者の相性がよ
く、しかも作り易い必要がある。例えば従来の金属超伝
導体として知られるニオブ（Ｎｂ）薄膜を用いたトンネ
ル型超伝導接合も、酸化アルミニウムのバリア層という
絶好の材料の組み合わせの発見を経てはじめて実現され
るようになった。酸化物超伝導体においては従来このよ
うな絶妙の組合せの接合がほとんど作られていなかっ
た。

【０００５】本発明は、かかる事情に鑑み、酸化物超伝
導薄膜を用いた高性能のトンネル型超伝導接合素子およ
びこの素子を備えた超伝導デバイスを提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明のトンネル型超伝導接合素子は、複合酸化物
を主成分とする上部および下部の超伝導電極と、下記一
般式（１）で表される複合酸化物を主成分とするバリア
層とを備えたことを特徴とする。

【０００７】Ｂｉ₂Ａ_m+1Ｃｕ_mＯ_2m+4 （１） 但し、Ａは少なくとも一種のアルカリ土類元素、好まし
くはストロンチウム（Ｓｒ）およびカルシウム（Ｃａ）
から選ばれる少なくとも一種であり、ｍは１以上４以下
の整数である。

【０００８】本発明のトンネル型超伝導接合素子によれ
ば、従来、バリア層として採用が試みられてきたチタン
酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ₃）等のペロブスカイト
型酸化物に代えて上記複合酸化物を用いることにより、
超伝導電極とバリア層との間の接合特性を改善し、例え
ば良好なジョセフソン特性を得ることができる。また、
本発明の超伝導デバイスは、前記トンネル型超伝導接合
素子を備えることにより、エレクトロニクスを中心とし
た分野において、例えば通信用、磁気検出用、コンピュ
ータ用として有用な高性能のデバイスとすることができ
る。

【０００９】このように、本発明は、金属超伝導体（Ｎ
ｂ）に対して酸化アルミニウムがバリア層として好適で
あったと同様に、酸化物超伝導体に対して前記バリア層
が好適であることを見出だして為されたものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明のトンネル型超伝導接合素
子の好ましい実施形態を以下に説明する。

【００１１】本発明のトンネル型超伝導接合素子におい
ては、素子特性を良好なものとするためには、バリア層
の厚さを１ｎｍ〜２０ｎｍとすることが好ましい。

【００１２】また、超伝導電極がバリウム（Ｂａ）を含
まないことが好ましい。Ｂａはバリア層中のビスマス
（Ｂｉ）と反応して安定な不純物層を形成するおそれが
あるからである。

【００１３】また、超伝導電極が下記一般式（２）また
は下記一般式（３）で表される複合酸化物を主成分とす
ることが好ましい。これらの複合酸化物と前記バリア層
とを組み合わせることにより、特に良質のトンネル接合
を構成することができる。

【００１４】Ｒ¹Ｓｒ₂Ｃｕ_3-xＭ_xＯ_7-d （２） 但し、Ｒ¹は少なくとも一種の希土類元素、好ましくは
ランタン（Ｌａ），ネオジウム（Ｎｄ），サマリウム
（Ｓｍ），ユウロピウム（Ｅｕ），ガドリニウム（Ｇ
ｄ），テルビウム（Ｔｂ），ジスプロシウム（Ｄｙ），
ホルミウム（Ｈｏ），エルビウム（Ｅｒ），ツリウム
（Ｔｍ），イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌ
ｕ）およびイットリウム（Ｙ）であり、Ｍはモリブデン
（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、ゲ
ルマニウム（Ｇｅ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、
クロム（Ｃｒ）およびチタン（Ｔｉ）から選ばれる少な
くとも一種の元素であり、ｘは０≦ｘ≦１の範囲の数値
であり、ｄは０≦ｄ≦１の範囲の数値である。

【００１５】Ｓｒ₂Ｃａ_n-1Ｃｕ_nＯ_2n+2 （３） 但し、ｎは１以上５以下の整数である。

【００１６】また、本発明のトンネル型超伝導接合素子
においては、超伝導電極とバリア層との間に、素子の構
造を安定化させる層を挿入することが好ましい。この構
造安定化層は、前述と同様の理由から、Ｂａを含まない
ことが好ましい。構造安定化層は、典型的には酸化物層
であり、好ましくは、前記一般式（２）もしくは前記一
般式（３）で表される複合酸化物を主成分とする層、ま
たは下記一般式（４）で表される複合酸化物を主成分と
する層である。これらの好ましい例によれば、素子の構
造を安定化させることができる。

【００１７】Ｌ₂ＣｕＯ_3+f （４） 但し、ＬはＬａおよびＳｒから選ばれる少なくとも一種
の元素であり、ｆは０≦ｆ≦１．２の範囲の数値であ
る。

【００１８】構造安定化層は、バリア層よりも薄い層で
あることが好ましく、具体的には、層の厚さが０．７ｎ
ｍ〜１０ｎｍの範囲にあることが好ましい。これらの好
ましい例によれば、素子特性を優れたものとすることが
できる。

【００１９】構造安定化層を挿入する場合には、超伝導
電極は、前記一般式で表される複合酸化物以外にも、例
えば、下記一般式（５）で表される複合酸化物を主成分
とするものを好適に用いることができる。この複合酸化
物を採用すれば、例えば高いＴｃを得ることが可能とな
る。

【００２０】Ｒ²Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-e （５） 但し、Ｒ²は少なくとも一種の希土類元素、好ましく
は、ランタン（Ｌａ），ネオジウム（Ｎｄ），サマリウ
ム（Ｓｍ），ユウロピウム（Ｅｕ），ガドリニウム（Ｇ
ｄ），ジスプロシウム（Ｄｙ），ホルミウム（Ｈｏ），
エルビウム（Ｅｒ），ツリウム（Ｔｍ），イッテルビウ
ム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）およびイットリウム
（Ｙ）から選ばれる少なくとも一種の元素であり、ｅは
０≦ｅ≦１の範囲の数値である。

【００２１】このように、本発明においては、前記バリ
ア層を用いることにより良質のトンネル接合が構成され
るが、さらに前記一般式（１）におけるアルカリ土類元
素（Ａ）の一部を希土類元素で置換して、Ｂｉ₂（Ａ，
Ｒ³）_m+1Ｃｕ_mＯ_2m+4で示されるものとすると素子特性
が向上するのに加えて構造上の相性もさらに良くなって
製造も容易となる。Ｂｉ₂（Ｓｒ，Ｃａ，Ｒ³）_m+1Ｃｕ_m
Ｏ_2m+4とすることがさらに好ましい。この場合、希土類
元素（Ｒ³）としては、Ｒ²に好ましく用い得るとして例
示した希土類元素等を好適に用いることができる。

【００２２】本発明の超伝導電極を構成する複合酸化物
として、一連の類型構造を示す前記式（２）で表される
酸化物を用いる場合には、具体的には、例えば、ＹＳｒ
₂Ｃｕ_2.7Ｒｅ_0.3Ｏ₇，ＹＳｒ₂Ｃｕ_2.7Ｗ_0.3Ｏ₇，ＹＳｒ
₂Ｃｕ_2.7Ｍｏ_0.3Ｏ₇、またはこれと同型の物質すなわち
Ｙの代わりに他の希土類元素やカルシウム元素を用いた
ものや、Ｒｅ，ＷまたはＭｏの代わりに，Ｇｅ，Ｆｅ，
Ｃｏ，Ｃｒ，Ｔｉ等を用いたものを使用することができ
る。

【００２３】前記一般式（２）で表される複合酸化物を
用いる場合には、特にバリア層を構成する複合酸化物の
アルカリ土類元素の一部を希土類元素で置換すると構造
がより安定化して再現性が向上し好ましい結果が得られ
る。また、この場合には、前記一般式（２）における希
土類元素（Ｒ¹）の一部をカルシウム（Ｃａ）で置換し
たものを用いてもよい。

【００２４】また、超伝導電極を構成する複合酸化物と
して、一連の類型構造を示す前記一般式（３）で表され
る酸化物を用いる場合には、式中のＣａの少なくとも一
部をＳｒで置換したものを用いてもよく、全てを置換し
たＳｒ_n+1Ｃｕ_nＯ_2n+2（但しｎは前記と同じ）を用いた
場合でも、材料間の相性は変わらないので同様に良質の
超伝導素子を構成することができる。

【００２５】また、前記一般式（３）中の酸素元素の一
部をフッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）等のハ
ロゲン元素で置換した場合には、超伝導特性が向上し、
再現性良くトンネル型超伝導接合素子を作製することが
できる。

【００２６】さらに、前記一般式（３）中のストロンチ
ウム（Ｓｒ）の少なくとも一部を希土類元素で置換した
もの（例えばランタン（Ｌａ）で置換した（Ｌａ，Ｓ
ｒ）₂Ｃａ_n-1Ｃｕ_nＯ_2n+2）を用いた場合、構造安定性
が優れているので、さらに良質の超伝導素子の作製が可
能となる。この場合の希土類元素としてはＬａの他に例
えばＮｄ、Ｐｒ、Ｃｅ等を用いることができる。なお、
全てのＳｒを希土類元素で置換したＲ⁴ ₂ＣｕＯ₄（但し
Ｒ⁴は少なくとも一種の希土類元素、好ましくはＬａ、
Ｎｄ、ＰｒおよびＣｅから選ばれる少なくとも一種）を
用いてもよい。

【００２７】また、超伝導電極を構成する複合酸化物と
して、一連の類型構造を示す前記一般式（５）で表され
る酸化物を用いる場合には、例えば、ＹＢａ₂Ｃｕ
₃Ｏ₇、ＥｕＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇、ＮｄＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇、または
これと同型の物質を用いることができ、この場合には、
超伝導電極とバリア層との間に挿入する構造安定化層と
して、例えば、Ｌａ₂ＣｕＯ₄、Ｓｒ₂ＣｕＯ₃またはこれ
らの固溶物質の層を用いることができる。構造安定化層
の挿入により、超伝導電極とバリア層の構造の相性が格
段に向上し、素子特性および再現性が優れた素子が実現
可能である。

【００２８】本発明の電極、バリア層、構造安定化層、
その他適宜必要とされる層の成膜方法としては、特に限
定されるものではないが、例えば、反応性蒸着による原
子層成長法、スパッタリング法等を用いることができ
る。

【００２９】また、上記各々のトンネル型超伝導接合素
子における超伝導電極を、上部および下部電極に組み合
わせて構成した場合も、同様に良質の超伝導素子を実現
することができる。

【００３０】本発明のトンネル型超伝導接合素子は、そ
の良好な特性から、計測機器、通信機器、超伝導コンピ
ュータ等を中心とした用途に好適な超伝導デバイスとし
て活用できるものである。

【００３１】このような超伝導デバイスとしては、例え
ば、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を備えた磁気検
出用デバイスを挙げることができる。超伝導量子干渉素
子は、例えば、図６に示すように、本発明による２個の
トンネル型超伝導接合素子５１と超伝導薄膜５２により
構成した閉ループ構造を含むものであって、その閉ルー
プの穴に入る磁束を高い感度で検出し得るものである。
本発明の良質なトンネル型超伝導接合素子を用いること
により、磁気検出用デバイスは、極めて高感度の磁気検
出装置として、鉱物探索システム、生体微弱磁気（脳磁
波、心磁波等）測定システム等において有用なものとな
る。

【００３２】また、超伝導デバイスとしては、主として
ＧＨｚ帯〜ＴＨｚ帯を対象とした共振器、フィルタ、ア
ンテナ等の通信用デバイスを挙げることができる。本発
明のトンネル型超伝導接合素子の良質ないわゆるＳＩＳ
接合により、通信用デバイスは、特にミリ波やサブミリ
波の信号検出、処理等を行うサブミリ波ないしミリ波信
号処理装置として優れた性能を発揮し、例えば、電波天
文、地球環境計測等の分野で有用なものとなる。通信用
デバイスの例として、図７にアンテナを含む本発明のト
ンネル型超伝導接合素子を用いたミリ波検出器の構成例
を示す。基板６３上に形成された、このアンテナは、全
幅が約３ｍｍであって、２つの三角形が共有する１つの
頂点を点対称中心とするように構成された金からなるパ
ターン６２であって、その頂点には本発明のトンネル型
超伝導接合素子６１が用いられている。

【００３３】また、超伝導デバイスとしては、いわゆる
超伝導コンピューター用デバイスを挙げることができ
る。本発明のトンネル型超伝導接合素子７１を用いるこ
とにより、例えば、図８に示したような論理回路装置を
構成して、パルス電圧の制御を良好に行なうことができ
るので、このような回路を組み合わせることにより、演
算子やメモリを構成することができる。

【００３４】以上、超伝導デバイスの具体例について説
明したが、本発明の超伝導デバイスはこれに限ることな
く、各種用途に応じたデバイスとして用いることが可能
である。

【００３５】

【実施例】以下、本発明のトンネル型超伝導接合素子
を、実施例によりさらに具体的に説明する。

【００３６】（実施例１）超伝導電極としてＹＳｒ₂Ｃ
ｕ_2.7Ｒｅ_0.3Ｏ₇材料を、またバリア層材料としてビス
マス層状物質Ｂｉ₂Ｓｒ₂（Ｃａ_0.6Ｙ_0.4)Ｃｕ₂Ｏ₈を用
いて超伝導素子の作製を行った。この超伝導電極材料
は、１２３構造Ｒ¹Ｓｒ₂(Ｃｕ，Ｍ)₃Ｏ₇超伝導体（Ｒ¹
＝希土類，Ｍ＝Ｍｏ，Ｗ，Ｒｅ，Ｇｅ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃ
ｒまたはＴｉ）のうちの一種で、約５０Ｋの臨界温度を
持つ。

【００３７】薄膜の作製は反応性蒸着法により行った。
イットリウム（Ｙ）、ストロンチウム（Ｓｒ)、カルシ
ウム（Ｃａ）、銅（Ｃｕ)、ビスマス（Ｂｉ）およびレ
ニウム（Ｒｅ）の６個の個別蒸発源と、それら各々を独
立に制御できる個別シャッターおよび成膜基板表面に酸
素を供給するオゾンビーム源で構成された薄膜形成装置
を用いて、原子層単位の酸化物薄膜を成長させた。成長
基板にはチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ₃）（１
００）面を用い、蒸着時に６５０℃に加熱した。下部超
伝導電極としてＹＳｒ₂Ｃｕ_2.7Ｒｅ_0.3Ｏ₇薄膜を形成す
るため、基板にオゾンビームを照射しつつ、（Ｒｅ_0.3
Ｃｕ_0.7）→Ｓｒ→Ｃｕ→Ｙ→Ｃｕ→Ｓｒ→（Ｒｅ_0.3Ｃ
ｕ_0.7）の順番で蒸発源のシャッター制御を繰り返し、
各酸化物薄膜の単原子層を逐次成長させた。８０サイク
ルの繰り返しで約１００ｎｍの下部電極を成長させた
後、（Ｒｅ_0.3Ｃｕ_0.7）−Ｏ層成長に引き続けてＳｒ→
Ｃｕ→（Ｃａ_0.6Ｙ_0.4）→Ｃｕ→Ｓｒ→Ｂｉ→Ｂｉ→Ｓ
ｒ→Ｃｕ→（Ｃａ_0.6Ｙ_0.4）→Ｃｕ→Ｓｒの順序で原子
層を積層してバリア層Ｂｉ₂Ｓｒ₂（Ｃａ_0.6Ｙ_0.4）Ｃｕ
₂Ｏ₈の薄膜を約２ｎｍ成長させた後、再び（Ｒｅ_0.3Ｃ
ｕ_0.7）→Ｓｒ→Ｃｕ→Ｙ→Ｃｕ→Ｓｒ→（Ｒｅ_0.3Ｃｕ
_0.7）の順番で逐次堆積を繰り返し、約５０ｎｍ成長さ
せて上部超伝導電極とした。これらの薄膜は、全てｃ軸
方位が基板面に垂直に配向して成長していることが確認
されている。前記積層膜の微細加工を行い、図１に示し
た断面形状をもつ接合素子を作製した。基板１０上に形
成された積層膜を、アルゴンイオンエッチングにより３
μｍ×３μｍの面積に切り出し、下部電極１１と上部電
極１２の間にバリア層１３が挟まれた接合部を形成し
た。上部および下部電極はＣａＦ₂を堆積させた層間絶
縁層１４により分離され、そこから金属電極１５が引き
出されて素子を構成している。

【００３８】この工程を経た後でも、超伝導電極ＹＳｒ
₂Ｃｕ_2.7Ｒｅ_0.3Ｏ₇は２７Ｋでゼロ抵抗を示す超伝導転
移をすることが確認された。５Ｋにおける素子の両電極
間の電流・電圧特性を測定したところ、図２のように明
確なヒステリシスを持つ典型的なジョセフソン特性を示
した。すなわち良質の超伝導トンネル素子が、ＲＳｒ ₂
（Ｃｕ，Ｍ)₃Ｏ₇超伝導電極とビスマス層状物質のバリ
ア層という特に相性の良い材料を用いた本素子構造によ
り、銅酸化物超伝導体を用いても再現性良く実現できる
ことが示された。

【００３９】なお本実施例では超伝導電極としてＹＳｒ
₂Ｃｕ_2.7Ｒｅ_0.3Ｏ₇の場合について説明したが、これと
同型の物質、すなわちＹの代わりに他の希土類元素やカ
ルシウム元素、またはＲｅの代わりにＭｏ，Ｗ，Ｇｅ，
Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｔｉ等を用いた場合でも、材料間の
相性は変わらないので同様に良質の超伝導素子が出来
る。またバリア層のビスマス層状物質については、組成
の簡単なＢｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₈を用いた場合でもトン
ネル型接合素子が作製できたが、本実施例のようにＣａ
の一部をＹで置換すると、より再現性が向上することが
確認された。超伝導電極との相性は、類型構造のＢｉ₂
（Ｓｒ，Ｃａ，Ｒ³）_m+1Ｃｕ_mＯ_2m+4を用いた場合でも
同様である。

【００４０】（実施例２）実施例１と同様の方法で、臨
界温度８０Ｋの銅酸化物超伝導体Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₆を
超伝導電極として用い、ビスマス層状物質Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃ
ａＣｕ₂Ｏ₈をバリア層にして素子作製を行った。原子層
積層を、下部超伝導電極の形成にはＳｒ→Ｓｒ→Ｃｕ→
Ｃａ→Ｃｕ→Ｓｒの順番で蒸発源のシャッター制御を繰
り返し、各酸化物薄膜の単原子層を逐次成長させて約１
００ｎｍの下部電極を成長させた後、Ｓｒ−Ｏ層成長に
引き続けてＢｉ→Ｂｉ→Ｓｒ→Ｃｕ→Ｃａ→Ｃｕ→Ｓｒ
→Ｂｉの順序で原子層を積層してバリア層Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃ
ａＣｕ₂Ｏ₈の薄膜を成長させた後、再び上部超伝導電極
としてＳｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₆薄膜層を同様の手法で約５０
ｎｍ成長させて形成した。

【００４１】本実施例の接合素子構造の場合、３０Ｋの
高温でもトンネル型ジョセフソン特性を観測することが
できた。すなわち良質の超伝導トンネル素子が、Ｓｒ₂
ＣａＣｕ₂Ｏ₆超伝導電極とビスマス層状物質のバリア層
という特に相性の良い材料を用いた本素子構造により実
現できることが見いだされた。バリア層の厚さに関して
は、素子特性との関係を検討した結果、バリア層厚が１
ｎｍから２０ｎｍの時に特に再現性よく得ることがで
き、好ましいことが確認された。

【００４２】なお超伝導電極として、前記一般式（３）
により表される複合酸化物を用いた場合、あるいはＣａ
の全部をＳｒで置換したＳｒ_n+1Ｃｕ_nＯ_2n+2の場合で
も、材料間の相性は変わらないので同様に良質の超伝導
素子が出来る。また超伝導電極の酸素元素の一部をフッ
素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）等のハロゲン元
素で置換した超伝導電極を用いた場合、超伝導特性が向
上し、さらに再現性良くトンネル型超伝導接合素子が作
製できることを確認した。

【００４３】また、前記実施例では成膜方法として反応
性蒸着による原子層成長法を用いたが、スパッタリング
法等の他の方法でも同じ構成が実現される。

【００４４】（実施例３）超伝導電極として、臨界温度
４０Ｋのランタン系超伝導体（Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1） ₂Ｃｕ
Ｏ₄を、またバリア層材料としてビスマス層状物質Ｂｉ₂
（Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4）₂ＣｕＯ₆を用いて超伝導素子の作製
を行った。薄膜の作製にはそれぞれ（Ｌａ _0.9Ｓｒ_0.1）
₂Ｃｕ_1.2Ｏ_4.2およびＢｉ_2.4（Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4）₂Ｃｕ
_1.2Ｏ₇のターゲットを用いたスパッタリング法により行
い、同一真空槽内で積層を実施した。スパッタリングは
酸素２０％混合した０．５Ｐａアルゴン雰囲気中で５０
Ｗの放電電力で行い、約６００℃に加熱した基板上に成
膜を実施した。図３に素子形成の工程図を示す。ＳｒＴ
ｉＯ₃（１００）面基板３１上にビスマス層状物質 Ｂｉ
₂（Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4）₂ＣｕＯ₆のバッファ層３２を５０
ｎｍ始めに設けた後、下部超伝導電極（Ｌａ_0.9Ｓ
ｒ_0.1）₂ＣｕＯ₄薄膜３３を３００ｎｍ堆積させ、バリ
ア層となるＢｉ₂（Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4）₂ＣｕＯ₆膜３４を
挟み込んだ後再び超伝導薄膜の（Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1）₂Ｃ
ｕＯ₄を１００ｎｍ堆積させ、上部電極３５とした。バ
リア層の膜厚は、堆積速度換算で０．４ｎｍから１００
ｎｍまで変化させて素子形成を行った。これらの薄膜
は、全てｃ軸方位が基板面に垂直に配向して成長してい
ることが確認されている。素子面積５μｍ×５μｍに描
画したフォトレジスト３６を形成した後アルゴンイオン
でエッチングを行い、接合部３７の切り出しを行った。
その後ＣａＦ₂薄膜の絶縁分離層38を形成し、引き出し
銀電極３９を配線して素子を完成させた。

【００４５】この工程を経た後で超伝導電極（Ｌａ_0.9
Ｓｒ_0.1）₂ＣｕＯ₄は、３８Ｋでゼロ抵抗を示す超伝導
転移をすることが確認された。バリア層の厚さが１．２
ｎｍの場合、１０Ｋにおいて素子の電極間の電流・電圧
特性に明確なヒステリシスを持つ良質のジョセフソン特
性が認められた。この様なジョセフソン特性は、特にバ
リア層厚が１ｎｍから２０ｎｍの時に再現性よく得るこ
とができ、好ましいことが確認された。この様に本素子
構造において優れた特性が得られるのは、超伝導電極お
よびバリア層材料の組み合わせの相性が非常によいため
であると考えられる。図４に、１．２ｎｍのバリア層を
用いた素子の接合部付近の結晶構造模式図を示す。図の
ように超伝導電極３３，３５とバリア層３４の結晶構造
はよく適合して接続されており、このことが良質のトン
ネル型ジョセフソン特性を可能にしたものと思われる。
すなわち良質の超伝導トンネル素子が、本素子構造によ
り銅酸化物超伝導体を用いても再現性良く実現できるこ
とが示された。

【００４６】なお超伝導電極として、例えば（Ｌａ_0.7
Ｓｒ_0.3）₂ＣａＣｕ₂Ｏ₆等の一連のランタン系超伝導体
を用いた場合も同様に素子の実現が可能である。この場
合、超伝導臨界温度が高いので、３０Ｋの高温でもトン
ネル型ジョセフソン特性を観測できた。また本実施例で
はバリア層にＢｉ₂（Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4）₂ＣｕＯ₆を用い
たが、Ｂｉ₂（Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4）₂ＣａＣｕ₂Ｏ₈を用いた
場合でも特性に大差なかった。バリア層のＬａ元素は他
の希土類元素でも同様に良質な特性の素子を構成できた
が、特にＬａ元素を使用した場合に再現性よく素子の実
現が可能であった。またアルカリ土類元素として、本実
施例以外の組み合わせでもトンネル型超伝導接合素子が
形成できる。

【００４７】（実施例４）実施例３と同様の方法で、臨
界温度３０Ｋのネオジウム系超伝導体（Ｎｄ_0.8Ｃ
ｅ_0.2）₂ＣｕＯ₄を超伝導電極として用い、２．４ｎｍ
のビスマス層状物質Ｂｉ₂Ｓｒ₂ＣｕＯ₆をバリア層にし
て素子作製を行った。上部および下部超伝導電極の超伝
導特性を向上させるため、還元処理として成膜後に窒素
雰囲気中で５００℃の熱処理を行った。その結果約２５
Ｋでゼロ抵抗を示す超伝導電極が作製された。本素子で
は、１０Ｋにおいて明瞭なヒステリシスを持つ理想的な
トンネル型ジョセフソン特性を観測することが出来、こ
の組み合わせが優れた特性の素子を再現性よく作るのに
適していることを確認した。なお本実施例の超伝導電極
の代わりに（Ｐｒ_0.8Ｃｅ_0.2）₂ＣｕＯ₄や（Ｎｄ_0.8Ｓ
ｒ_0.1Ｃｅ_0.1）₂ＣｕＯ₄を用いた場合でも特性に大差な
いことも併せて確認した。

【００４８】（実施例５）超伝導電極としてＹＢａ₂Ｃ
ｕ₃Ｏ₇材料を、またバリア層材料としてビスマス層状物
質Ｂｉ₂Ｓｒ₂（Ｃａ_0.6Ｙ_0.4）Ｃｕ₂Ｏ₈を用いて超伝導
素子の作製を行った。この超伝導電極材料は、１２３構
造超伝導体Ｒ´Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇（Ｒ´＝希土類元素）の
うちの一種で、９４Ｋの臨界温度を持つ。薄膜の作製は
各々の複合酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法
により行った。２元スパッタの逐次積層により、ＳｒＴ
ｉＯ₃（１００）面基板上に３００ｎｍのＹＢａ₂Ｃｕ₃
Ｏ₇下部超伝導電極、１０ｎｍのＢｉ₂Ｓｒ₂（Ｃａ_0.6Ｙ
_0.4）Ｃｕ₂Ｏ₈バリア層、５０ｎｍのＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇上
部超伝導電極を順次堆積させた。しかしこの場合、結晶
性のよい積層膜を安定に得るには難があり、しばしば不
純物の生成や配向性の乱れが認められた。また、Ｒ´Ｂ
ａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇ 超伝導体に代えて、ＨｇＢａ₂Ｃａ_n-1Ｃｕ
_nＯ_2n+3で示される水銀系超伝導体を用いても同様の結
果となった。これは、ＢａとＢｉが安定不純物（Ｂａ−
Ｂｉ−Ｏ）層を形成したためであると考えられる。

【００４９】そこで、これらの構造を安定化させるた
め、超伝導電極とバリア層との間に薄い膜の挿入を試み
た。幾つかの物質について鋭意研究を行った結果、Ｌａ
₂ＣｕＯ₄層、Ｓｒ₂ＣｕＯ₃層あるいはこれらの固溶物質
の層を挿入した場合に、超伝導性が損なわれることなく
積層構造が安定に得られることが分かった。例えば構造
安定化層としてＬａ₂ＣｕＯ₄を用いた例では、３元スパ
ッタの逐次積層によりＳｒＴｉＯ₃基板上に３００ｎｍ
のＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇下地超伝導電極を形成した後、２ｎ
ｍのＬａ₂ＣｕＯ₄層を挿入して、１０ｎｍのＢｉ₂Ｓｒ₂
（Ｃａ_0.6Ｙ_0.4）Ｃｕ₂Ｏ₈バリア層を形成し、やはり２
ｎｍのＬａ₂ＣｕＯ₄層を挿入して、５０ｎｍのＹＢａ₂
Ｃｕ₃Ｏ₇上地超伝導電極を順次堆積させた。これらの膜
は、全てｃ軸方位が基板面に垂直に配向してエピタキシ
ャル成長したことが確認された。構造安定化層を用いた
積層膜の微細加工を行い、２μｍ×２μｍの接合部を切
り出して素子を作製した。低温で電流・電圧特性を測定
したところ、８０Ｋ以下でトンネル型ジョセフソン接合
特性が得られた。図５は、本素子の４．２Ｋにおける素
子特性である。バリア層が１０ｎｍと厚いので、それに
対応して６本のヒステリシスが認められる。このような
良質のトンネル特性は、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇超伝導電極と
ビスマス層状物質のバリア層およびその間のＬａ₂Ｃｕ
Ｏ₄構造安定化層という、特に相性の良い材料の組み合
わせを用いて安定化させた本素子構造により、再現性良
く実現されたものである。Ｌａ₂ＣｕＯ₄層の厚さとして
は、構造安定性および超伝導性の兼ね合いから、０．７
ｎｍから１０ｎｍの間が適していた。

【００５０】なお本実施例では超伝導電極としてＹＢａ
₂Ｃｕ₃Ｏ₇の場合について説明したが、これと同型の物
質、すなわちＹの代わりに他の希土類元素やカルシウム
元素を用いた場合でも、材料間の相性は変わらないので
同様に良質の超伝導素子が出来る。また構造安定化層と
してはＬａ₂ＣｕＯ₄を用いたが、類型のＳｒ₂ＣｕＯ₃あ
るいはこれらの固溶物質（Ｌａ，Ｓｒ）₂ＣｕＯ_3+fの層
を挿入した場合でも同様に優れた超伝導素子を実現でき
た。

【００５１】（比較例）上記実施例１〜４において、バ
リア層としてＳｒＴｉＯ₃を用いて同様の素子を作製し
たところ、超伝導電流が流れず、流れたとしてもリーク
電流の特性であったりして、トンネル型超伝導接合特性
を観測することはできなかった。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高温で動作可能な酸化物超伝導体を用いた良質の超伝導
トンネル接合特性を有する素子を実現できる。このトン
ネル型超伝導接合素子は各種の超伝導デバイスとして超
伝導エレクトロニクスの基本要素部品となり、その発展
を大いに促すものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例において作製されたトンネ
ル型超伝導接合素子の断面図である。

【図２】 本発明の一実施例において作製されたトンネ
ル型超伝導接合素子の電流・電圧特性を示すグラフであ
る。

【図３】 本発明の一実施例における超伝導素子作製の
工程を示す図である。

【図４】 本発明の一実施例において作製された超伝導
素子の接合部付近の結晶構造図である。

【図５】 本発明の一実施例において作製されたトンネ
ル型超伝導接合素子の電流・電圧特性を示すグラフであ
る。

【図６】 本発明のトンネル型超伝導接合素子を用いた
超伝導量子干渉素子（ＳＱＩＵＤ）の一例を示した平面
図である。

【図７】 本発明のトンネル型超伝導接合素子を用いた
ミリ波検出器の一例を示した平面図である。

【図８】 本発明のトンネル型超伝導接合素子を用いた
論理回路の一例を示した図である。

【符号の説明】

１０ チタン酸ストロンチウム基板 １１ 下部ＹＳｒ₂Ｃｕ_2.7Ｒｅ_0.3Ｏ₇超伝導電極 １２ 上部ＹＳｒ₂Ｃｕ_2.7Ｒｅ_0.3Ｏ₇超伝導電極 １３ Ｂｉ₂Ｓｒ₂（Ｃａ_0.6Ｙ_0.4）Ｃｕ₂Ｏ₈バリア層 １４ ＣａＦ₂層間絶縁層 １５ 引き出し金属電極 ３１ チタン酸ストロンチウム基板 ３２ Ｂｉ₂（Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4）₂ＣｕＯ₆バッファ層 ３３ （Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1）₂ＣｕＯ₄下部超伝導電極 ３４ Ｂｉ₂（Ｌa_0.6Ｓｒ_0.4）₂ＣｕＯ₆バリア層 ３５ （Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1）₂ＣｕＯ₄上部超伝導電極 ３６ フォトレジスト ３７ 接合部 ３８ ＣａＦ₂層間絶縁分離層 ３９ 引き出しＡｇ電極 ５１、６１、７１ 本発明のトンネル型超伝導接合素子 ５２ 超伝導薄膜 ６２ 金薄膜 ６３ アンテナ基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 瀬恒 謙太郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複合酸化物を主成分とする上部および下
   部の超伝導電極と、一般式Ｂｉ₂Ａ_m+1Ｃｕ_mＯ_2m+4（但
   しＡは少なくとも一種のアルカリ土類元素、ｍは１以上
   ４以下の整数）で表される複合酸化物を主成分とするバ
   リア層とを備えたトンネル型超伝導接合素子。
2. 【請求項２】 超伝導電極がバリウム（Ｂａ）を含まな
   い請求項１に記載のトンネル型超伝導接合素子。
3. 【請求項３】 バリア層の厚さが１ｎｍから２０ｎｍの
   範囲にある請求項１に記載のトンネル型超伝導結合素
   子。
4. 【請求項４】 超伝導電極が一般式Ｒ¹Ｓｒ₂Ｃｕ_3-xＭ_x
   Ｏ_7-d（但しＲ¹は少なくとも一種の希土類元素、ＭはＭ
   ｏ、Ｗ、Ｒｅ、Ｇｅ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＣｒおよびＴｉから
   選ばれる少なくとも一種の元素、ｘは０≦ｘ≦１の範囲
   の数値、ｄは０≦ｄ≦１の範囲の数値）で表される複合
   酸化物を主成分とする請求項１に記載のトンネル型超伝
   導接合素子。
5. 【請求項５】 超伝導電極の主成分である複合酸化物の
   希土類元素（Ｒ¹）の一部をカルシウム（Ｃａ）で置換
   した請求項４に記載のトンネル型超伝導接合素子。
6. 【請求項６】 超伝導電極が一般式Ｓｒ₂Ｃａ_n-1Ｃｕ_n
   Ｏ_2n+2（但しｎは１以上５以下の整数）で表される複合
   酸化物を主成分とする請求項１に記載のトンネル型超伝
   導接合素子。
7. 【請求項７】 超伝導電極の主成分である複合酸化物の
   カルシウム（Ｃａ）の少なくとも一部をストロンチウム
   （Ｓｒ）で置換した請求項６に記載のトンネル型超伝導
   接合素子。
8. 【請求項８】 超伝導電極の主成分である複合酸化物の
   酸素（Ｏ）の一部を，フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）およ
   び臭素（Ｂｒ）から選ばれる少なくとも一種で置換した
   請求項６に記載のトンネル型超伝導接合素子。
9. 【請求項９】 超伝導電極の主成分である複合酸化物の
   ストロンチウム（Ｓｒ）の少なくとも一部を希土類元素
   で置換した請求項６に記載のトンネル型超伝導接合素
   子。
10. 【請求項１０】 ストロンチウム（Ｓｒ）を置換する希
    土類元素が、ランタン（Ｌａ）、ネオジウム（Ｎｄ）お
    よびプラセオジウム（Ｐｒ）から選ばれる少なくとも一
    種である請求項９に記載のトンネル型超伝導接合素子。
11. 【請求項１１】 超伝導電極とバリア層との間に構造安
    定化層を形成した請求項１に記載のトンネル型超伝導接
    合素子。
12. 【請求項１２】 構造安定化層がバリウム（Ｂａ）を含
    まない請求項１１に記載のトンネル型超伝導接合素子。
13. 【請求項１３】 構造安定化層が一般式Ｌ₂ＣｕＯ
    _3+f（但しＬはＬａおよびＳｒから選ばれる少なくとも
    一種の元素、ｆは０≦ｆ≦１．２の範囲の数値）で表さ
    れる複合酸化物を主成分とする請求項１１に記載のトン
    ネル型超伝導接合素子。
14. 【請求項１４】 超伝導電極が一般式Ｒ²Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ
    _7-e（但しＲ²は少なくとも一種の希土類元素、ｅは０≦
    ｅ≦１の範囲の数値）で表される複合酸化物を主成分と
    する請求項１１に記載のトンネル型超伝導接合素子。
15. 【請求項１５】 構造安定化層がバリア層よりも薄い層
    である請求項１１に記載のトンネル型超伝導接合素子。
16. 【請求項１６】 構造安定化層の厚さが０．７ｎｍから
    １０ｎｍの範囲にある請求項１１に記載のトンネル型超
    伝導接合素子。
17. 【請求項１７】 バリア層の主成分である複合酸化物の
    アルカリ土類元素（Ａ）の一部を希土類元素で置換した
    請求項１に記載のトンネル型超伝導接合素子。
18. 【請求項１８】 請求項１〜１７のいずれかに記載のト
    ンネル型超伝導接合素子を備えた超伝導デバイス。
19. 【請求項１９】 磁気検出用、通信用およびコンピュー
    ター用から選ばれるいずれかの用途に供される請求項１
    ８に記載の超伝導デバイス。