JPS63299281A - 超伝導素子 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、セラミック超伝導体を用いた超伝導素子に関
する。

（従来の技術） 最近、高温超伝導体として酸化物セラミック超伝導体が
注目されている。これらの多くは、希土類元素を含有す
るペロブスカイト型構造を有する酸化物である。この様
なセラミック超伝導体は、組成を選ぶことにより液体窒
素温度以上の高温で超伝導を示すことが確認されており
、材料作製技術の進歩により更に臨界温度の高いものが
得られる可能性がある。またセラミック超伝導体は、従
来の金属あるいは金属間化合物超伝導体と比べて大気中
での安定性にも優れている。

ところでこれまで提案されている超伝導素子は、ジョセ
フソン素子に代表されるように超伝導体−絶縁体−超伝
導体、または超伝導体−半導体−超伝導体接合を基本構
造として含んでいる。しかしセラミック超伝導体では良
好な絶縁膜が得られない、コヒーレンス長が短いため絶
縁膜の厚さに特性が大き（依存する、等の問題がある。

このため従来より、超伝導−絶縁体−超伝導体接合に代
えて、点接触型やスリット型の接合方式による素子の試
作が行われている。また、セラミック超伝導体はＳｔや
ＧａＡｓ等の半導体との接合特性も良くなく、実際には
超伝導体−半導体−超伝導接合構造の素子は殆ど試作も
行われていない。

従ってセラミック超伝導体を用いて具体的な素子を実現
するためには、良好な接合特性を示す超伝導体−絶縁体
あるいは超伝導体−半導体接合を如何にして作るかが問
題である。

（発明が解決しようとする問題点） 以上のように臨界温度の高いセラミック超伝導体が注目
され、各種素子への適用が期待されているが、今後これ
を実用に供するためには、セラミック超伝導体−絶縁体
またはセラミック超伝導体−半導体の接合特性の改善が
必須である。

本発明はこの様な点に鑑みなされたもので、接合特性の
改善を図った、セラミック超伝導体を用いた超伝導素子
を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明による超伝導素子は、セラミック超伝専体−絶縁
体−セラミック超伝導体またはセラミック超伝導体−半
導体−セラミック超伝導体の基本構造を有し、これらの
基本構造において、超伝導体と絶縁体または半導体との
間に薄い常伝導金属膜を介在させたことを特徴とする。

本発明で用いられるセラミック超伝導体は、希土類元素
を有するペロブスカイト型の酸化物が好ましい。　例え
ば、酸素欠陥を有する ＡＢａ　２　Ｃｕ　３０７−Ｊ系（ＡはＹ、Ｙｂ、Ｈｏ
。

Ｄｙｅ　Ｅｕ＋　　Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕなどの希土類元素
）などの欠陥ペロブスカイト型ｓ　Ｓ　ｒ　　Ｌ　ａ　
−Ｃｕ−Ｏ系等の層状ペロブスカイトなどの酸化物であ
る。また本発明で用いる常伝導金属には、Ａｕ。

Ａｇ、Ｃｕ、Ａ、１７．Ｉｎ、Ｎｂなど多くの単体金属
があるが、なかでも仕事関数が酸化物超伝導体のそれに
近いＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ；　Ｎｂ、Ｔａ、Ｗなどまたはこ
れらを櫃層したものが好ましい。

（作用） 本発明によれば、接合部に常伝導金属膜を介在させるこ
とにより、例えばこの金属膜を酸化する等の方法で良質
の絶縁膜を得ることができ、良好な超伝導接合を得るこ
とができる。この場合、超伝導接合部に常伝導金属膜が
残ることは、超伝導素子にとって有害になるよりむしろ
有用になる。

これは、金属膜の材質、膜厚等を選ぶことにより、近接
効果によって薄い金属膜が等価的に超伝導バンドギャッ
プの大きい超伝導体として振舞うからである。従って本
発明によれば、良好なセラミック超伝導体−絶縁体ある
いはセラミック超伝導体−半導体接合が得られ、また金
属膜の存在により超伝導バンドギャップが等価的に大き
くなる結果、超伝導電流密度も向上し、ジョセフソン素
子等の特性向上が図られる。

セラミック超伝導体−常伝導金属の接合が超伝導素子特
性にとって有用である理由を簡単に説明すれば、次の通
りである。

第７図は、キャリア濃度の低い酸化物超伝導体と常伝導
金属の接合部の超伝導バンド構造を示す。

即ち両者の近接効果により、超伝導体に接する常伝導金
属部分が大きい超伝導バンドギャップを持ち、超伝導体
との接合部から所定距離の範囲で常伝導金属は超伝導状
態となる。この様な超伝導体と常伝導金属の接合部の理
論自体は、例えば、Ｐ、　Ｇ、　ｄｅ　　Ｇｅｎｎｅｓ
の論文等で知られている（Ｒｅｖｉｅｗｓ　　ｏｒ　　
Ｍｏｄｅｒｎ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ、　　　Ｊａｎ。

１９８４、　ｐｐ２２５−２３７参照）。ここで、Δ０
は酸化物超伝導体の超伝導バンドギャップであり、ξ。

は同じく酸化物超伝導体のコヒーレンス長、ノは平均自
由工程であり、Ｎは常伝導金属の電子状態密度、ｎは酸
化物超伝導体の電子状態密度、Ｔｊは接合界面を通して
の電子の透過率である。常伝導金属側の超伝導体となる
領域のコヒーレンス長ξＮは、 ξに−ｈ　Ｖ　Ｆ　／　ｋ　Ｔ となる。ｈはブランク定数、ｖＦは金属のフェルミ速度
、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。酸化物超
伝導体の電子状態密度ｎが常伝導金属のそれＮに比べて
２桁程度低（、透過率Ｔｊがほぼｌである場合には、上
記理論の近似の範囲では図示のように常伝導金属中の超
伝導バンドギャツブが酸化物超伝導体のそれより大きく
なり、超伝導体として振舞う。

（実施例） 以下、本発明の詳細な説明する。

第１図は一実施例の超伝導ジョセフソン素子である。こ
の素子は、所定の基板１１上にＡｕ電極１２が形成され
、この上に第１の酸化物超伝導体膜＋１！８１３．Ａノ
膜１４．アルミニウム酸化膜１５、Ａノ膜１６．第２の
酸化物超伝導体膜１７が順次形成され、この上にＡｕ電
極１８が形成されたものである。第１および第２の酸化
物超伝導体膜１３．１７はこの実施例では、スパッタ法
により形成されたＹＢａ　２　Ｃｕ　ｓ　０４膜であり
、その厚みは５０００人である。ＡＩ膜１４．１６は蒸
着法により形成されたもので約３００人とし、酸化膜１
５はＡノ膜１４の表面を熱酸化あるいは陽極酸化して得
られた３０人程度の薄膜とする。

この実施例の素子では、酸化物超伝導体膜１３゜１７に
それぞれ接するＡ、ｌ？膜１４．１６は、前述した近接
効果により全体が超伝導体として振舞い、従ってジョセ
フソン接合が構成される。

第２図はこの実施例の素子の電圧−電流特性である。一
定電圧以下で電圧降下なしに電極１２゜１８間に電流が
流れる。

この実施例によれば、ジョセフソン接合を構成する絶縁
膜として常伝導金属であるＡノの酸化膜を用いることに
より、良好なジョセフソン接合が得られる。また前述し
たように酸化物超伝導体膜はＡ、１１’膜の存在により
結果的に超伝導バンドギヤップが大きくなり、大きい臨
界電流密度が得られる。そして用いる酸化物超伝導体が
３０に程度で超伝導状態となるので、簡便な冷凍機で動
作可能なジョセフソン素子となる。

第２図は他の実施例の超伝導素子である。上記実施例の
ジョセフソン素子は２端子であり、使い難い。この実施
例では、酸ゴヒ物超伝導体の一方を半導体との近接効果
により制御して電流特性を制御するようにした３端子の
ジョセフソン素子を構成している。２１はｎ型Ｓｉ基板
であり、この上にＡｕ膜２２を介して第１の酸化物超伝
導体膜２３が形成されている。基板２１とＡｕ膜２２の
間にはショットキー障壁が形成され、無バイアス状態で
基板２１側に図示のような空乏層２４が形成されて、両
者の間は電気的に絶縁されている。

ｍｌの酸化物超伝導体膜２３の上には、Ａノ膜２５、ア
ルミニウム酸化Ｉｆ！Ｉ２６．ＡＩ！膜２７が積層され
、更にこの上に第２の酸化物超伝導体膜２８がスバッ・
り法により形成されている。この実施例では、第１およ
び第２の酸化物超伝導体膜２３および２８は共に、　２
０００人の（Ｌａ　ｏ、ａｓｓｒ　Ｏ，＋５）　２　Ｃ
ｕ　０３．９膜であル。マた、Ａ、ｅ膜２５および２７
は共に３００人であり、酸化膜２６はＡｔ膜２５の表面
を熱酸化あるいは陽極酸化により形成したもので、膜厚
約３０堆積度である。第１．第２の酸化物超伝導体ＦＡ
２３゜２８にはそれぞれ主電極であるＡｕ電極２９゜３
０が形成され、基板２１には制御電極であるＡＩ！電極
３１が形成されている。

第４図は、この実施例の素子の特性である。この素子で
は先の実施例と同様に、第１．２２の酸化物超伝導体膜
２３．２８間は、ＡＩ！膜２５゜２７が等価的に超伝導
体として振舞うためジョセフソン接合を構成する。一方
、基板２１と第１の酸化物超伝導体膜２３の間のバイア
スを変化させると、これらの間の近接効果により第１の
酸化物超伝導体膜２３の超伝導−常伝導相転移を制御す
ることができる。即ち、制御電極３１と主電極２９間に
印加する制御電圧が零の場合、第１の酸化物超伝導体膜
２３と基板２１とは空乏層２４により電気的に分離され
、第１．第２の酸化物超伝導体膜２３．２８間にジョセ
フソン接合が形成されている（第４図の注入電流０のカ
ーブ）。制御電極３１に所定の２２電圧を印加すると、
空乏層２４の幅が小さくなって第１の酸化物超伝導体膜
２３と基板２１の相互作用が大きくなり、酸化物超伝導
体膜２３が常伝導体に相転移する。この結果ジョセフソ
ン接合は消滅し、電流−電圧特性に抵抗成分の影響が入
ってくる（第４図の注入電流１ｍＡのカーブ）。

こうしてこの実施例によれば、制御電極により電流−電
圧特性を制御できる３端子のジョセフソン接合素子が得
られる。先の実施例と同様、ジョセフソン接合を構成す
る絶縁膜はＡノ酸化膜であルカら、接合特性は優れたも
のとなる。

なおこの実施例において、基板として磁性半導体を用い
ると、酸化物超伝導体との間の近接効果による相互作用
がより大きくなり、より効果的である。例えば磁性半導
体として、 Ｍｎ　Ｆｅ　２０ａ−ａ　、　　Ｎｉ　Ｆｅ　２０４−
Ｊ　。

ＬＲＮｌ　０３−ａ　、　　　Ｌａ　Ｃｒ　０３＋ａ　
＋Ｌ　ＦＩ　Ｍ　ｎＯ３＋ａ　　等の酸化物半導体ある
いは、Ｃｕ　Ｃｒ　２５４−Ｊ　、　　Ｃｕ　Ｃｒ　２
　Ｓｅ　４−ａ　。

Ｃｄ　Ｃｒ　２５４−ａ　、　Ｃｄ　Ｃｒ　２　Ｓｅ　
４−４等の硫化物やセレン化物等を用い得る。

第５図は更に他の実施例のジョセフソン素子である。こ
の実施例では、ｐ型Ｓｉ基板４１上に薄いＡｕ膜４２１
を介して第１の酸化物超伝導体膜４３１が形成され、こ
れに隣接して同様に薄いＡｕ膜４２２を介して第２の酸
化物超伝導体膜４３２が形成されている。第１．第２の
酸化物超伝導体膜４３１．４３２にはそれぞれ主電極４
４゜４５が形成され、基板４１の裏面に制御電極４６が
形成されている。酸化物超伝導体膜４３１゜４３２はこ
の実施例ではいずれも５０００人のＹＢａ　Ｃｕ　ＯＨ
であり、Ａｕ膜４２．．４２２は３００人とする。この
構造は、基板上にＡｕ膜続いてＹＢａ　Ｃｕ　ＯＪＩ％
を連続的にスパッタ形成した後、これらをフォトエツチ
ングすることにより得られる。

この素子は、ジョセフソン素子を２次元的に展開した構
造と云うことができる。即ちジョセフソン素子は二つの
超伝導体の間の薄い絶縁膜を介しての量子力学的な結合
を利用するものであるが、その結合部のキャリア濃度を
制御することにより結合の度合いを制御することが可能
である。この実施例ではｐ型Ｓｔ基板４１をジョセフソ
ン接合の量子力学的結合部として用いているのであって
、制ｒ８電極４６に与える電圧により第１．第２の酸化
物超伝導体膜４３□、４３２近傍のキャリア濃度を制御
することで、第１．第２の酸化物超伝導体Ｍ４３１．４
３２間の超伝導電流を制御できる３端子素子となってい
る。

ｍ６図にその素子特性を示す。

この実施例の場合、ｐ型Ｓ１基板４１と第１゜第２の酸
化物超伝導体Ｈ４３，，４３２の間にＡｕＭ４２□、４
２２を介在させることにより、直接Ｓｉ基板上に酸化物
超伝導体膜をスパッタ形成する場合に比べて良質の酸化
物超伝導体膜が得られる。また薄いＡｕ膜４２１，４２
２は上記実施例と同様に超伝導バンドギャップの大きい
超伝導体として振舞う。

本発明は上記実施例に限られるものではない。

例えば、第１図、第３図の実施例のように酸化物超伝導
体−絶縁体構造、あるいは第５図の実施例のような酸化
物超伝導体−半導体構造の界面に設ける金属膜は、ＡＩ
膜、Ａｕ膜の他、Ａｇ、Ｃ’ｕ。

Ｉ　ｎ　、Ｎ　ｂ　＊　　Ｔ　ａ等あるいはこれらの積
層膜を用い得る。

その池水発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形
して実施することが可能である。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、セラミック超伝導体
−絶縁体またはセラミック超伝導体−半導体の接合構造
を持つ素子において、これらの接合部に薄い常伝導金属
膜を介在させることにより接合特性を改善し、しかも高
い電流密度が得られるようにした超伝導素子を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例の超伝導素子を示す図、第２
図はその特性を示す図、第３図は他の実施例の超伝導素
子を示す図、第４図はその特性を示す図、第５図は更に
他の実施例の超伝導素子を示す図、第６図はその特性を
示す図、第７図は金属−超伝導体の近接効果を説明する
ための図である。 １１・・・基板、１２・・・Ａｕ電極、１３・・・第１
の酸化物超伝導体膜、１４・・・Ａ、ｌ！膜、１５・・
・Ａノ酸化膜、１６・・・Ａ、１７膜、１７・・・第２
の酸化物超伝導体膜、１８・・・Ａｕ電極、２１・・・
ｎ型Ｓｉ基板、２・・・Ａｕ膜、２３・・・第１の酸化
物超伝導体膜、２４・・・空乏層、２５・・・Ａノ膜、
２６・・・Ａノ酸化膜、２７・・・Ａ、１７膜、２８・
・・第２の酸化物超伝導体膜、２９゜３０・・・主電極
、３１・・・制御電極、４１・・・ｐ型Ｓｉ基板−，４
２１ｒ　４２２　＝・Ａ　ｕ膜、４３　ｔ　−第１の酸
化物超伝導体膜、４３２・・・第２の酸化物超伝導体膜
、４４．４５・・・主電極、４６・・・制御爪、極。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 べ°ア・ボテンきマル ｇＮ　　　　　８計 第７図 −）　σ Ｖ禿（７Ａ） 電流　ひＡ〕

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミック超伝導体−絶縁体−セラミック超伝導
   体、またはセラミック超伝導体−半導体−セラミック超
   伝導体の接合構造を持つ超伝導素子において、前記超伝
   導体と絶縁体または半導体との間に常伝導金属膜を介在
   させたことを特徴とする超伝導素子。
2. （２）所定基板上に第１のセラミック超伝導体膜、第１
   の常伝導金属膜、この金属膜表面を酸化して得られた絶
   縁膜、第２の常伝導金属膜および第２のセラミック超伝
   導体膜が順次積層形成された特許請求の範囲第１項記載
   の超伝導素子。