JPS63261771A - ジヨセフソン型装置の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「発明の利用分野」 本発明はセラミックス系超電導材料を用いた固体素子（
ディバイス）特にジョセフソン型素子の作製方法に関す
る。

本発明は、酸化物超電導材料の表面を用いるディバイス
において、特に重要な表面近傍の物性の改良を施し、表
面利用型素子の高信頼性化を図らんとするものである。

「従来の技術」 最近、セラミックス系超電導材料が注目されている。こ
れは１８Ｍチューリッヒ研究所においてなされたＢａ−
Ｌａ−Ｃｕ−０系の酸化物超電導材料の開発にその端を
発している。これに加えて、イソトリューム系の超電導
セラミックスも知られ、液体窒素温度での固体電子ディ
バイスの応用の可能性が明らかになった。

他方、Ｎａ：＋Ｇｅ等の金属を用いた超電導材料がこれ
までによく知られている。そしてこの金属の超電導材料
を用いて、ジョセフソン素子等の固体電子ディバイスを
構成させる試みがなされている。

この金属を用いたジョセフソン素子は十数年の研究によ
りほぼ実用化が近くなった。しかし、この超電導体はＴ
ｃｏ　（電気抵抗が零となる温度）が２３にときわめて
低く、液体へリュームを用いなければならず、実用性は
十分ではない。

この金属の超電導材料においては、材料のすべてが金属
であるため、その材料の成分を表面においても、また内
部（バルク）においてもまったく均一に作ることができ
る。

「従来の問題点」 しかし、最近注目されている酸化物セラミックスの超電
導材料は、その特性を調べてい（と、表面およびその近
傍（表面より概略２００人までの深さ）が内部（バルク
）に比べて特性の劣化（信頼性の低下）がおきることが
わかった。

このため、ジョセフソン素子を作らんとしても初期にお
いては正常であったセラミックスの特性が劣化してしま
った。

その原因として、酸化物セラミックスにおける酸素が表
面近傍においてはきわめて容易に脱気してしまうことが
実験的に確かめることができた。

この酸素が理想状態にあるかまたは不足状態にあるかは
、その材料にとって、超電導特性を有するかまたは単に
常電導特性を有するにすぎない、との根本的な問題を提
供することが判明した。

本発明はこのため、この酸化物セラミックスの表面また
は表面近傍においても、超電導特性を有せしめるべく、
その表面にトンネル接合を可能にするに十分な薄さを有
し、かつ酸化物や材料よりの酸素の脱気に対してブロッ
キング作用を有する被膜を形成するとともに、その内側
の酸素欠乏型になりやすいセラミックス中に酸素を添加
し、表面近傍においても内部と同様に超電導特性を有せ
しめんとする方法を提供せんとするものである。

「問題を解決する手段」 本発明は、超電導性セラミックスの表面に被膜を形成し
、これをより完全なブロッキング層とするとともに、こ
の被膜を金属または半導体においては酸化し、絶縁膜に
変成する。さらにこの被膜の酸素を固相−固相拡散（固
体の被膜から他の固体であるセラミックス中への酸素の
拡散）を行わしめることにより、表面またはその近傍、
一般には約２００人の深さまでの領域の酸素濃度を適性
にせんとするものである。

このために用いる被膜は、酸化アルミニューム、酸化タ
ンタル、酸化チタン等の酸化物絶縁膜であってもよい。

またこの被膜としては、酸化処理後、酸化物絶縁膜にな
る金属または半導体をも用い得る。即ち金属にあっては
、アルミニューム、チタン、タンタル、銅、バリューム
、イットリューム、また半導体にあってはシリコンまた
はゲルマニュームである。これらは酸化により酸化アル
ミニューム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化銅、酸化
バリューム、酸化イントリュームとすることができる。

またシリコンは酸化珪素に、ゲルマニュームは酸化ゲル
マニュームとし得る。

本発明では、スクリーン印刷法、スパッタ法、ＭＢＥ　
（モレキュラ・ビーム・エピタキシャル）法、ＣＶＤ（
気相反応）法等を用いて超電導材料を形成させる。この
１例として、（ＡＩ−Ｘ　Ｂｘ）ｙｃｕｚｏｗ、ｘ　＝
　０〜１．　）Ｆ　＝２．０〜４．０好ましくは２．５
〜３．５．２　＝　１〜４好ましくは１．５〜３．５．
Ｗ＝４〜１０好ましくは６〜８を有する。ＡはＹ（イッ
トリューム）、Ｇｕ（ガドリニューム）、Ｙｂ（イッテ
ルビューム）、Ｅｕ（ユーロビューム）、Ｔｂ（テルビ
ューム）、Ｄｙ（ジスプロシューム）、Ｈｏ（ホルミウ
ム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｌｕ（
ルテチウム）、Ｓｃ（スカンジウム）またはその他の元
素周期表ｍａ族の１つまたは複数種類より選ばれる。Ｂ
はＲａ（ラジューム）、Ｂａ（バリューム）、Ｓｒ（ス
トロンチューム）、Ｃａ（カルシューム）、Ｍｇ（マグ
ネシューム）、Ｂｅ（ベリリューム）の元素周期表ｍａ
族より選ばれる。特にその具体例として（ＹＢａｚ）Ｃ
ｕａＯ６〜８を用いた。またＡとして元素周期表におけ
る前記した元素以外のランタニド元素またはアクチニド
元素を用い得る。

本発明においては、この酸化熱処理により形成された絶
縁膜として、５〜５０人のトンネル電流を流し得る厚さ
とした。そしてこの絶縁膜の上面に他の超電導材料を配
設して第２図（Ａ）に示す如きジョフソン素子を構成せ
しめるものである。

即ち、被膜を超電導セラミックス上に形成した後、これ
らを空気または酸素中に４００〜１０００°Ｃ例えば６
００℃に加熱処理を１〜１００時間例えば５時間施すこ
とにより、この被膜を完全な絶縁膜とし得る。さらにか
かる高温においては、この絶縁膜の酸素がセラミックス
中に拡散（固相−固相拡散）し、この表面またはその近
傍の酸素欠乏状態に対し酸素を供給し、この表面または
その近傍においても超電導特性を十分保持し得る。その
結果、液体窒素温度に保持してジョセフソン効果の確認
を行った結果、その特性として第２図（Ｂ）に示す性能
を得ることができた。

「作用」 かくすることにより、これまで酸化物超電導セラミック
スの表面近傍で原因不明で超電導状態が消えてしまうと
いう信頼性低下問題がなくなり、長期間安定に表面の超
電導状態を有効利用することができるようになった。

その結果、この表面を用いるディバイス特にジョセフソ
ン素子を長期間安定して高信頼性を有して動作させるこ
とができるようになった。

以下に図面に従って本発明を説明する。

「実施例１」 第１図は本発明の実施例の製造工程およびそれに関する
酸素濃度分布の相対特性を示す。

第１図（八）は超電導セラミックス、例えばＹＢａ。

Ｃｕ３０．〜８である。銅の成分は３またはそれ以下に
なり得る。かかる超電導性セラミックスをタブレットま
たは薄膜上に単結晶または多結晶構造を有して形成し、
出発材料（第１図（Ａ）　（１））　とした。

これを真空装置に保持し、雰囲気を真空引きすると、そ
の表面近傍（１゛）の酸素が脱気し、概略２００人まで
の範囲の電気特性に劣化がおきてしまう。

即ち、第１図（Ａ）と対応した酸素濃度を第１図（Ｄ）
に示す。図面において、領域（１）は正常の酸素濃度を
有する。また領域（１゛）は不足の領域を示す。この深
さは超電導材料の種類、構造、緻密さにもよるが、５０
〜１０００人、一般には約２００人程度である。

これらの上面にアルミニューム（２）を真空蒸着法で３
０人の厚さに形成した。

さらにこれら全体を酸素中で４００〜１０００℃、例え
ば６００°Ｃで加熱処理を１〜１００時間例えば５時間
行った。この加熱処理は減圧状態ではなく、大気圧また
は加圧状態が好ましい。

かかる酸化雰囲気での加熱処理を長時間行うことにより
、この金属（２）は酸化され、酸化アルミニューム（３
）に変成する。さらに酸化アルミニューム中より酸素が
超電導材料中に拡散する。その結果、第１図（Ｅ）に示
す如く、内部と酸素の濃度が同じとすることができた。

この実施例で作られた試料を加熱状態より取り出し、再
び真空中に保存してみた。するとこのブロッキング層（
３）により超電導材料の表面または近傍において、酸素
が欠乏することがなく、高信頼性の素子を作ることがで
きた。

この絶縁膜はパッシベイション膜としてきわめて有効で
あった。

「実施例２」 この実施例は実施例１の事実に基づき、ジョセフソン接
合型超電導素子を作ったものである。

実施例１に従って酸化物絶縁物（３）を２０人の厚さに
形成した。この後この上面に他の超電導材料（４）をス
パッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ス’）’）　−７印刷
法等の方法により選択的に形成した。この他に超電導材
料を全面に形成した後、選択的に超電導材料を形成する
方法をとってもよい。

かくするとトンネル接合型のジョセフソン接合装置が得
られ、その特性の１例を第２図（Ｂ）に示す。図面より
明らかなように、ジョセフソン効果により同一電流で２
つの安定点が作られ、論理回路素子、メモリ素子への応
用が可能であることが判明した。

「実施例３」 この実施例は第３図にその作製工程を示す。即ち、非超
電導性表面を有する基体（１ｏ）上に薄膜で超電導材料
（１）を形成している。

この超電導材料上に酸化珪素膜（６）をＣＶＤ法により
０．５μｍの厚さに形成した。

さらに第３図（Ｂ）に示す如く、この酸化珪素膜にフォ
トエツチングを施し、ジョセフソン接合を有すべき領域
のみに開穴（７）を設けた。

この後実施例１を行い、トンネル電流を流し得る絶縁膜
（３）を全面に形成した。さらにその上面に他の超電導
セラミックス（４）をスパッタ法等により形成した。

次にこのセラミックス（４）をフォトエツチング法によ
り選択的に除去し、複数のジョセフソン接合素子（２０
）　、　（２０”）　、　（２０’“）を設けた。

それらは下側の超電導材料（１）、接合用ｍｇ兎３゛）
。

（３°’）、（３°゛）さらに上側の超電導材料（４’
）、（４”）。

（４”’）により構成している。

また図面において、下側の超電導材料を第１図（Ａ）に
示すように選択的に不要部分を除去し、複数の島状領域
を構成させると、いわゆる集積化されたジョセフソン接
合素子を作ることができる。

「効果」 本発明に示す如く、酸化物超電導体を作製し、その表面
にパッシベイション膜を形成し、さらにそれを緻密化ま
たは酸化絶縁化することにより、この膜をより完全な状
態にすると同時に、それに密接した超電導材料の改質を
行うことにより高倍転性のジョセフソン素子を作製する
方法は、その製造工程をより簡単にできるため、きわめ
て有効であった。

本発明において、超電導性セラミックスという言葉を用
いた。しかしこれは超電導材料が酸化物であることによ
る。その結晶構造は多結晶であっても、また単結晶であ
ってもよいことは、本発明の技術思想において明らかで
ある。特に単結晶構造の場合には、超電導材料を用いる
に際し、基板上にエピタキシアル成長をさせればよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の作製方法および不純物濃度を示す。 第２図および第３図は本発明のジョセフソン接合型超電
導装置およびその特性を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超電導性セラミックスの上面に絶縁膜または酸化後
   絶縁膜になる金属または半導体を形成する工程と、これ
   ら全体を酸化性雰囲気にて熱処理をすることにより前記
   セラミックス上部の酸素欠乏状態を除去する工程と、該
   工程の後、前記被膜上に他の超電導材料を配設すること
   を特徴とするジョセフソン型装置の作製方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、他の超電導材料は
   超電導性セラミックスよりなることを特徴とするジョセ
   フソン型装置の作製方法。 ３、特許請求の範囲第１項において、被膜は金属または
   半導体により形成され、酸化性雰囲気で熱処理すること
   により絶縁膜に変成することを特徴とするジョセフソン
   型装置の作製方法。