JPH104223A - 酸化物超電導体ジョセフソン素子 - Google Patents

酸化物超電導体ジョセフソン素子

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JPH104223A
JPH104223A JP8156627A JP15662796A JPH104223A JP H104223 A JPH104223 A JP H104223A JP 8156627 A JP8156627 A JP 8156627A JP 15662796 A JP15662796 A JP 15662796A JP H104223 A JPH104223 A JP H104223A
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JP
Japan
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thin film
superconducting
oxide superconductor
superconductor
film
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JP8156627A
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English (en)
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Alvarez Gusutabo
アルバレス グスタボ
Tadashi Utagawa
忠 歌川
Yoichi Enomoto
陽一 榎本
Shoji Tanaka
昭二 田中
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KOKUSAI CHODENDO SANGYO GIJUTSU KENKYU CENTER
Original Assignee
KOKUSAI CHODENDO SANGYO GIJUTSU KENKYU CENTER
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    • Y02E40/642

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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 高速の超電導回路、高感度の磁場センサや電
磁波検出器に用いられるジョセフソン素子を提供する。 【解決手段】 SrTiO3単結晶基板10上にレーザ
磨滅法で酸化物超電導体のNdBa2Cu37(NBC
O)薄膜20を形成した後、真空中でトンネル障壁とな
る非超電導体のPrBa2Cu37(PBCO)薄膜を
同一真空室内にあるその多結晶体から作成する。薄膜作
成条件は両者ほぼ同じで、基板温度は790℃、O2
圧100mTr、5分間で膜厚80nmとなる。これを
交互に5回繰返してNBCO/PBCO多層膜30を作
成した。次にリソグラフィとArRIE法により10μ
m角の接合部100及び下部電極を残して除去した後、
フォトレジスト80で絶縁膜を形成し、これを部分的に
除去し金層50電極を蒸着形成する。さらに金電極にワ
イヤボンデイングして4端子法で電流電圧特性を測定可
能にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高速な超電導回
路、高感度の磁場センサあるいは電磁波検出器に用いら
れるジョセフソン素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】超電導トンネル接合は量子効果が現れる
もので、量子現象を電子デバイスに応用する上で有力な
候補になっている。従来、トンネル型ジョセフソン素子
は、Pb,Nb,NbN等の超電導材料を用いて形成さ
れていた。トンネル障壁としては、超電導材料の酸化物
であるPbO,Nb23等、または、超電導材料とは異
なる物質、例えばAl,Al23,MgO,SiO2
が用いられてきた。このような材料構成のトンネル型ジ
ョセフソン素子においては、良好な特性が得られ、超電
導メモリ、論理回路、磁場センサ、ミリ波検出への応用
が進みつつある。しかし、このような材料系においては
超電導臨界温度が15K以下と低く、極低温への冷却を
必要とし、冷却に要するコスト、設備は大きく、簡単に
使用することは難しい状態であった。
【0003】ところで、酸化物超電導体等で、超電導臨
界温度が液体窒素温度以上の超電導材料が開発され、安
価な冷却手段による利用が可能になってきた。そこでト
ンネル型ジョセフソン素子を目指した研究が進められ
た。特に、高Tcの酸化物超電導体ではその結晶構造自
体が層状でありイントリンシック接合特性が観測された
り、超電導機構との関係からも積層薄膜は多くの研究が
なされている。
【0004】しかし人工的に作製する酸化物超電導材料
を用いたジョセフソン素子は特性制御の難しい弱結合型
での作製の報告はあるものの、制御性の良好なトンネル
型での作製の報告はない。これは酸化物超電導薄膜の作
製温度が600℃と高く障壁層との相互拡散による劣
化、加えてコヒーレント長が短いことにより超電導電極
間の結合が弱くなることによると考えられている。
【0005】積層構造を実現するには同種の材料を組み
合わせることが結晶成長上有利となる。このためYBa
2Cu37-δを代表例とする123構造の超電導体に対
しては、ほぼ同じ結晶構造をもつにもかかわらず超電導
性を示さないPrBa2Cu37が選択され多数の作製
結果が報告されている。ただし、従来ほとんど大部分は
超電導体層として高品質薄膜堆積法の確立したYBa2
Cu37-δが選択され作成されたものであった。
【0006】しかしYBa2Cu37-δでは基板とのミ
スフィット歪による螺旋転位が多く観測され表面平坦性
に加えて安定性に問題があった。加えてPrBa2Cu3
7とは格子整合性はあまりよくない。酸化物超電導体
では、格子歪により酸素欠損量が増加し超電導特性を劣
化させるが知られている。実際SrTiO3単結晶基板
上のa軸配向膜のTcは歪の効果により低く抑えられて
いる。このようにしてYBa2Cu37-δとPrBa2
Cu37の多層膜では内部に応力が蓄積され高品質の超
電導特性を得ることが困難である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は非超電導体の
PrBa2Cu37層を中心にそれと近い格子定数をも
つ超電導体例えばNdBa2Cu37を選択し、内部応
力の小さい従って高Tcとなる積層構造を実現し、酸化
物超電導体薄膜でトンネル型特性を得たものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明のジョセフソン素
子の接合部は、酸化物超電導体薄膜層と非超電導体薄膜
層とを交互に堆層した積層構造を備え、酸化物超電導体
の材料と非超電導体の材料は、酸化物超電導体薄膜層と
非超電導体薄膜層の間の界面に生ずる歪が実質的に無歪
となる材料系の組み合わせから選択されるものである。
両者の格子定数の整合性が極めて良いため、格子の内部
歪の小さい超電導特性に優れ界面での特性変化が鋭い構
造となり電流電圧特性に履歴が見える接合が得られる。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明の実施例について説明す
る。ここでは代表例を述べるもので、これによって請求
範囲が限定されるものではない。酸化物超電導体は低キ
ャリア濃度であるため、その電気特性は正孔キャリアを
供給する酸素の含有量に強く依存する。ところでこの酸
素量は格子歪と強く関係ずけられている。したがって歪
が加わった状態では酸素欠損が生じ超電導特性が劣化す
る。ところで、異なる材料を組み合わせる場合、一般に
格子定数あるいは熱膨張率の差により、接合界面より内
部歪が生じる。これにより機械強度が弱くなるばかりで
なく、酸化物超電導材料では超電導特性が低下してしま
う。したがって、このような積層構造を作る場合には、
この歪をできるだけ小さくし本来の高性能の超電導性を
界面ぎりぎりまで実現することが重要になる。本発明は
この課題に注目し、最適な材料を見出したことにある。
以下実施例に基づいて述べる。
【0010】実施例1 図1に作製した多層からなる接合構造と作製工程の概略
を示す。まず、図1aに示すように、SrTiO3単結
晶基板10上全面にレーザアブレーション法により酸化
物超電導体であるNdBa2Cu37薄膜20を作製す
る(以下、NBCOと称する)。
【0011】薄膜作製条件は、ターゲットとしてNdB
2Cu37多結晶体を用い、基板温度は790℃、酸
素分圧100mTorr、成長時間5分で膜厚は80n
mである。用いたレーザーはKrFのエキシマレーザー
で波長248nm、エネルギー密度5J/cm2であ
る。
【0012】その後、真空中でトンネル障害となる非超
電導体であるPrBa2Cu37薄膜を作製する(以
下、PBCDと称する)。ターゲットとして同一チャン
バー内にあるPrBa2Cu37多結晶体を用いる。薄
膜作製条件は、NdBa2Cu37とほぼ同じ、基板温
度は790℃、酸素分圧100mTorr、成長時間5
分で膜厚は80nmである。これを交互に繰り返すこと
により多層膜30を作製した。実施例の場合には5回繰
り返した。
【0013】例えば、基板10に接するNBCO層20
の膜厚は80nm、多層膜を構成する最下層のPBCO
層の膜厚は80nm、その上のNBCO層は45nm、
その上のPBCO層は45nm、最上層のNBCO層は
80nmの膜厚を有する。最後に取り出し電極になる金
層50を蒸着法により全面に堆積する。これらの工程は
界面抵抗の汚染による増加を防ぐためできるだけ真空を
破らずに行われた。
【0014】次に、通常のフォトリソグラフィおよびA
rイオンエッチングによって、10μm角の部分100
および下部電極70を残し除去した。10μm角の部分
100が接合となる。この後フォトレジスト80により
絶縁膜を形成し(図1b)、部分的にこれを除いて(図
1c)、金電極を形成する(図1d)。さらに金電極に
ワイヤをボンディングする(図1e)。これは4端子法
によって電流電圧特性を測定するためのものである。
【0015】図2は、第1に示して工程により得られた
試料を用いて4端子法によって電流電圧特性を示す装置
を示す。接合部100の金電極上に第1の端子201を
接触させ、接合部以外の金電極上に第2の端子202を
接触させて、電圧計200で電圧を測定する。接合部1
00の他の金電極上に第3の端子211を接触し、接合
部以外の金電極上に第4の端子212を接触させて、電
流計210で電流を測定する。
【0016】図3は得られた試料の電気抵抗の温度依存
性を示す。90K以下で超電導となっており、良質の接
合110を有する薄膜が作製できていることがわかる。
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4及びその拡大図である図5に示す。超電導トン
ネル電流と超電導エネルギーギャップ電圧に対応する5
0mVで電流の急激な増加が見られ、準粒子トンネル特
性が得られていることがわかる。
【0017】図6は本発明の実施例にかかわる素子に、
9.3GHzのマイクロ波を照射して電流電圧特性を測
定したものである。超電導電流が減少している。また1
00μV程度のところで段差が現れている。この値は
9.3GHzに対する交流ジョセフソン効果から導かれ
る値(18μV)の約5倍と一致し、シャピロステップ
である。つまりこれはジョセフソン接合を形成している
ということである。
【0018】実施例2 基本的に実施例1と同様の工程により素子が形成され
る。SrTiO3単結晶基板上全面にスパッタ法により
SmBa2Cu37薄膜を作製する。薄膜作製条件は、
ターゲットとしてSmBa2Cu37多結晶体を用い、
基板温度は740℃、雰囲気圧84mTorr、酸素ガ
ス流量0.5sccmで、アルゴンガス流量10scc
m、成長時間10分で膜厚は80nmである。用いたR
Fパワーは80Wである。
【0019】その後、基板上全面にスパッタ法によりS
cBa2Cu37薄膜を作製する。ターゲットとしてS
cBa2Cu37多結晶体を用い、基板温度は740
℃、雰囲気圧84mTorr、酸素ガス流量0.5sc
cmで、アルゴンガス流量10sccm、成長時間10
分で膜厚は80nmである。その上にSmBa2Cu3
7を上と同じ条件で堆積した。
【0020】その後、通常のフォトリソグラフィおよび
Arイオンエッチングによって、10μm角の部分およ
び下部電極を残し除去した。10μm角の部分が接合と
なる。次に絶縁膜を形成し、部分的にこれを除いて、金
電極を形成する。さらに金電極にワイヤをボンディング
する。これは4端子法によって電流電圧特性を測定する
ためのものである。この接合についても実施例1と同様
の電流電圧特性が観測されトンネル型接合が作製できて
いることがわかった。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
格子不整合性の小さい層から構成されるため内部応力が
なく高品質の超電導トンネル接合が得られる。このた
め、超電導回路を実現する上での基礎技術を提供するも
のである。
【図面の簡単な説明】
【図1】作製した多層からなる接合構造と作製工程の概
略を示す図。
【図2】4端子法によって試料の電流電圧特性を得る装
置の構造図。
【図3】得られた試料の電気抵抗の温度依存性を示す
図。
【図4】4.2Kにおける電流電圧特性を4端子法で測
定した結果を示す。
【図5】図4の拡大図。
【図6】9.3GHzのマイクロ波を照射した電流電圧
特性を示す図。
【符号の説明】
10 SrTiO3基板 20 NBCO膜 30 NBCO/PBCO膜 50 金層 80 フォトレジスト 100 接合部 200 電圧計 210 電流計
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 榎本 陽一 東京都江東区東雲一丁目14番3 財団法人 国際超電導産業技術研究センター 超電 導工学研究所内 (72)発明者 田中 昭二 東京都江東区東雲一丁目14番3 財団法人 国際超電導産業技術研究センター 超電 導工学研究所内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に形成される接合部は、酸化物超
    電導体薄膜層と非超電導体薄膜層とを交互に堆層した積
    層構造を備え、 酸化物超電導体の材料と非超電導体の材料は、酸化物超
    電導体薄膜層と非超電導体薄膜層の間の界面に生ずる歪
    が実質的に無歪となる材料系の組み合わせから選択され
    る酸化物超電導体ジョセフソン素子。
  2. 【請求項2】 基板上に形成される接合部は、酸化物超
    電導体薄膜層と非超電導体薄膜層とを交互に積層した積
    層構造を備え、 酸化物超電導体は、組成化学式M′Ba2Cu37(こ
    こでM′はNd,Sm,Eu等の希土類元素あるいはそ
    れらの合金)で表わされる酸化物超電導体薄膜であり、 非超電導体は、組成化学式M*Ba2Cu37(ここ
    で、M*はPr,Scあるいはそれらの合金)で表わさ
    れる酸化物薄膜であって、両者を交互に堆積した積層構
    造を備える酸化物超電導体ジョセフソン素子。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の積層構造は、レーザ堆積
    法により形成される酸化物超電導体ジョセフソン素子。
  4. 【請求項4】 請求項2記載の積層構造は、スパッタ法
    により形成される酸化物超電導体ジョセフソン素子。
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