JPS63306676A - ジョセフソン素子 - 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】 産業上の利用分野 本発明は超電導体を用いたジョセフソン素子に関するも
のである。特に化合物薄膜超電導体を用いたジョセフソ
ン素子に関するものである。

従来の技術 高温超電導体として、Ａ１５型２元系化合物として窒化
ニオブ（ＮｂＮ）やゲルマニウムニオブ（Ｎ　ｂ　ｓ　
Ｇ　ｅ　）などが知られていた。またこれらの材料を用
いたジョセフソン素子も数多く研究されてきた。これら
の材料の超電導転移温度はたかだか２４°にであった。

一方、ペロブスカイト系３元化合物は、さらに高い転移
温度が期待され、Ｂａ−Ｌａ−Ｃｕ−０系の高温超電導
体が提案された［　　Ｊ、　　Ｇ、　　Ｂｅｎｄｏｒｚ
　ａｎｄ　Ｋ、Ａ、Ｍｕｌｌｅｒ、　ツァイト　シュリ
フト　フェア　フィジーク（Ｚｅｔｓｈｒｉｆｔ　　ｒ
ｌｐｈｙｓｉｋ　Ｂ）−Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ　Ｍａｔｔ
ｅｒ　６４．１８９−１９３（１９８６）　］。

さらに、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系がより高温の超電導体で
あることが最近提案された。［Ｍ、　Ｋ、　Ｗｕ等、フ
ィジカルレビュー　レターズ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅ
ｖｉｅｗ　Ｌａｔｔｅｒｓ）　Ｖｏｌ、５８．　Ｎｏ９
．９０８−９１０　（１９８７）］］Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−
０の材料の超電導機構の詳細は明らかではないが、転移
温度が液体窒素温度以上に高（なる可能性があり、高温
超電導体として従来の２元系化合物より、より有望な特
性が期待される。

しかしながら、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系の材料は、現在の
技術では焼結という過程でしか形成できないため、セラ
ミックの粉末あるいはブロックの形状でしか得られない
。一方、この種の材料を実用化する場合、薄膜化が強（
要望されているが、従来の技術では、非常に困難である
。まして、この種の材料を用いたジョセフソン素子の実
現は非常に困難とされている。

本発明者らは、この種の材料を例えばスパッタリング法
等の薄膜化手法を用いると、薄膜状の高温超電導体が形
成されることを発見し、これにもとづいて新規なジョセ
フソン素子の構成を発明した。

問題点を解決するための手段 本発明のジョセフソン素子は、結晶性基体上に少なくと
もＡ、Ｂ、Ｃｕを含む酸化物で、元素比が の３元化合物被膜を付着させた超電導体電極より構成さ
れたことを特徴としている。ここにＡはＳｃ、Ｙおよび
ランタン系列元素（原子番号５７−７１）のうちすくな
くとも一種、ＢはＢａ、Ｓｒ。

Ｃａ、Ｂｅｓ　ＭｇなどＩｌａ族元素のうちの少なくと
も一種の元素を示す。そして、ジョセフソン素子の接合
層を、超電導体電極とは異なる組成比とした超電導転移
をしない層あるいは臨界電流の少ない層より構成するこ
とにより、製作性に優れたジョセフソン素子を提供さす
るものである。

作用 本発明にかかるジョセフソン素子は、金属酸化物超電導
体を薄膜化しているため、従来の焼結体に比べて本質的
に均質な超電導体を用いていること、かつ、その組成比
を変えることにより、接合層を超電導体にならない層あ
るいは臨界電流の小さな超電導体層とすることが出来る
ため、非常に高精度なジョセフソン素子が実現される。

実施例 本発明を図面とともに説明する。

第１図および第２図は本発明のジョセフソン素子の第１
の実施例を示す斜視図および側面図である。基体１１の
表面１２上に、３元化合物被膜１３．１４を例えばスパ
ッタリング法で形成しである。また被膜１３．１４の間
には、接合層１５を形成しである。接合層１５の金属金
属濃度比は、被！ｌ！１１３．１４のとは変えである。

このために接合層１５は、被膜１３．１４が超電導（Ｓ
）を示す温度においても超電導を示さないが、臨界電流
の小さな超電導体となる。従って、被膜１３（Ｓ）、接
合層１５と被膜１４（Ｓｏ）とで構成されるトンネル形
あるいは、弱結合形のジョセフソン接合を実現しその特
性を確認した。第３図は接合の幅方向を１μｍ程度にせ
ばめ、単一のトンネル形ジョセフソン素子を作製した時
の電流・電圧特性を示す。同図にみられる様なジョセフ
ソン電流と、準粒子トンネル電流が観測された。また第
４図の様な、電流・電圧特性を示す弱結合ジョセフソン
素子も作製できた。この場合には、素子の幅方向は５０
μｍで、接合層１５が、部分的に超電導状態となって、
臨界電流が被膜１３．１４よりも小さくなり、弱結合マ
イクロブリッジの集合体の様な特性を示しているものと
思われる。

第１図および第２図において、基体１１は、超電導を示
す３元化合物被膜１３．１４の保持を目的としている。

この被膜１３．１４は通常数１００℃の高温で形成し、
超電導を例えば液体窒素温度（−１９５℃）の低温で動
作させるため、特に基体１１と被膜１３．１４の密着性
が悪（なり、しばしば被膜１３．１４が破損されること
を本発明者らは確認した。さらに本発明者らは、詳細な
基体の熱的特性を各種の材質について調べた結果、基体
の線熱膨張係数α＞　１０−”仁であれば、上記被膜の
破損がなく、実用されることを確認した。

例えばα＜　１０−”ｅの石英ガラスを基体に用いると
、被膜１３．１４は無数の亀裂が入り不連続な被膜とな
り、実用に供しに（いことを本発明者らは確認した。

さらに１本発明者らは、第１図の基体１１に機能性から
見て、最適の材料があることを見い出した。

すなわち、結晶性の高い３元化合物被膜１３゜１４を基
体１１の表面１２に形成させるためには、単結晶の基体
が有効である。本発明者らは３元化合物被膜の超電導体
として有効な基体材料を調べた結果、基体として、酸化
マグネシウム、サファイア（α−ＡＩ２０３）、スピネ
ル、チタン酸ストロンチウム、シリコン、ガリウム砒素
等の単結晶が有効であることを確認した。もっとも、こ
れは表面１２に効果的に結晶性の高い被膜１３゜１４を
成長させるためのものであるから、少なくとも基体表面
１２が単結晶であればよい。

本発明の超電導体Ａ−Ｂ−Ｃリー０は結晶構造や組成式
がまだ明確には決定されていないが、酸素欠損ペロブス
カイト（Ａ、Ｂ）　３ｃ’ｕ３０ｖ−δともいわれてい
る。本発明者等は作製された被膜において元素比率が第
５図に示す様に、 の範囲であれば、臨界温度に多少の差があっても超電導
現象が見出されることを確認した。単結晶基体に基体温
度をエピタキシャル温度以上にあげて、単結晶被膜の超
電導材料を形成し得るが、基体温度を高めると正方晶へ
ロブスカイト構造が生成し易く、再現性よく超電導体が
得られない場合が多い。したがって、本発明の実施例に
述べたごとく、基体温度はむしろ低い範囲に選びアモル
ファスないしは微結晶構造の複合化合物被膜を形成した
後、熱処理により結晶化する方が再現性よく超電導体が
得られることを本発明者らは実験的にＮ認した。

この場合、単結晶構造の基体は、熱処理過程において被
膜の固相エピタキシャル成長を助は有効である。なお、
超電導被膜の結晶性が特に要求されない場合（急峻な超
電導転位が不要の時）は、多結晶の磁器基体が有効であ
る。

本発明者らはこの種の結晶性基体についてさらに詳細に
有効性を調べた結果、この種の結晶性基体の結晶方位に
ついても、最適方位があることを見い出した。すなわち
、サファイア単結晶を基体に用いた場合、Ｒ面上には例
えば（１００）Ｓｉ薄膜をヘテロエピタキシャル成長さ
せ、本発明の超電導体被膜をＳＯ８構造シリコンデバイ
スに集積化し得ることを本発明者は確認した。同様に０
面およびａ面サファイアでは（１１１）Ｓｉ薄膜をヘテ
ロエピタキシアル成長させ、これらのＳＯ３構成シリコ
ンデバイスと集積化させ得ることを本発明者らは確認し
た。

さらに、Ｃ面すファイア単結晶基体では、（１１１）Ｇ
ａＡｓ薄膜、（００１）ＧａＮ薄膜、（１１１）ＧａＰ
ｌ膜などの■−ｖ族半導体薄膜を基体上にヘテロエピタ
キシャル成長させ、ｍ−Ｖ族半導体デバイスと本発明の
層状構造の超電導体とが集積化されることを本発明者ら
は確認した。これは例えば超高速ＧａＡｓデバイスの配
線としても本発明の超電導体の実用されることを示す。

さらに、スピネル単結晶基体では（１００）面スピネル
を用い、（１００）Ｓｉ薄膜あるいは（１１１）ＧａＡ
ｓ薄膜が基体表面にヘテロエピタキシャル成長させ、サ
ファイア単結晶基体と同様に、これらＳｉあるいはＧａ
Ａｓデバイスと本発明の超電導体と集積化できることを
本発明者らは確認した。

同様に（１１０）面スピネルを基体に用い、（１１０）
Ｓｉ薄膜および（１００）ＧａＡｓ薄膜を基体表面にヘ
テロエピタキシャル成長させ、これらのＳｉおよびＧａ
Ａｓデバイスと集積化できることを本発明者らは確認し
た。さらに、チタン酸トスロンチュウム単結晶基体の場
合、（１００）面を基体に用いると、成長させた超電導
被膜の結晶性が非常に優れていることを本発明者らは発
見した。

以下本発明の内容をさらに深（理解させるために、さら
に具体的な具体実施例を示す。

（具体実施例） サファイア単結晶Ｒ面を基体１１として用い、焼結した
ＹＢａ２ＣｕｓＯｖ−ａターゲットの高周波プレナーマ
グネトロンスパッタにより、被膜１３．１４を付着させ
た。この場合、Ａｒガスの圧力は０．５Ｐａ、スパッタ
リング電力１５０Ｗ、スパッタリング時間約４０分、被
膜の膜厚０．５μ−１基体温度２５０℃であった。基体
１１上にステンレスのマスクをのせて、スパッタを行い
、被膜１３のパターン形成を膜の堆積と同時に行った、
その後、被膜１４のパターン用のステンレスマスクを基
体１１上にのせて、Ｃｕを真空蒸着法により接合層１５
を約１０μｍ堆積させた後、再びスパッタにより被膜１
４を約０．５μｍ堆積させた。その後９００℃で約２時
間、酸素雰囲気中で熱処理徐冷した。

被膜１３．１４の室温抵抗率は１０ｍΩｃｍ、超電導転
移温度９０″にであった。接合層１５が超電導転移する
か否かの同定は困難であったが接合層１５をはさむ被１
］Ｗ１３，１４間で、ジョセフソン接合が形成されてい
ることを確認した。その特性は、本実施例で前述した様
に第３図や第４図のものが得られた。また、接合層１５
に１０ＧＨ°２程度のマイクロ波を照射した時、電流を
増減させると、約２０μＶ程度の階段電圧変化、いわゆ
るシャピロ（Ｓｈａｐｉｒｏ）ステップを観測した。こ
れらのことからジョセフソン素子が形成されていること
が確認できた。第４図の場合は、被膜１３．１４のみで
も同様な形状の電流電圧特性を示すが、超電導電流の値
は、接合層１５を介した場合の２〜３桁大きな値を示し
ており、接合層１５において、部分的にジョセフソン接
合が複数個形成されているものと思われるが、実用上は
問題なく使用できる。

また、接合層１５において、Ｃｕを蒸着した例を示した
が、その後の３元化合物被１１１１４の堆積と熱処理に
より、Ｃｕ元素の割合の多い（第５図の非超電導領域１
７）　Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０１１１が形成されていること
を確認している。本実施例において、接合層１５にＣｕ
元素割合が多い例を示したが、ＹやＢａ元素の割合の多
い組成のＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０膜（第５図の非超電導領域
１８）においても同様に、ジョセフソン素子が形成され
ていることを確認している。

この場合には、非超電導領域１８の組成のＹ−Ｂａ−Ｃ
ｕ−０膜は、絶縁体や半導体特性を示すことが多いこと
を確認している。

この種の３元化合物超電導体（Ａ、Ｂ）ｓＣｕｓＯ？　
−ａの構成元素ＡおよびＢの変化による超電導特性の変
化の詳細は明らかではない。ただＡは、３価、Ｂは２価
を示しているのは事実ではある。

Ａ元素としてＹについて例をあげて説明したが、Ｓｃや
Ｌａ、さらにランタン系列の元素（原子番号５７〜７１
）でも、超電導転移温度が変化する程度で本質的な発明
の特性を変えるものではない。

とりわけ、本発明にかかるジョセフソン素子は、超電導
体の金属組成割合を変えて超電導転移を示さない接合層
を形成する所に大きな特色がある。すなわち、超電導体
の素材を形成し、その間に金属組成を変えた素材を形成
するために、均質で、高精度なジョセフソン接合を容易
に形成し得る構造であるため、再再現性の良い生産性の
優れた高超電導転移温度のジョセフソン素子が実現され
る。

また、本実施例では超電導電極となる３元化合物被膜１
３．１４を接合層１５をはさんで積層する構造について
述べたが、この構造に限るわけではなく、第６図に示す
様に、基体２１上に、超電導電極となる３元化合物被膜
２３．２４が接合層２５をはさんで平面上でジョセフソ
ン接合を形成する構造においても同様に本発明の効果が
あるは明らかである。この構造の場合、第１図において
、被Ｉ！１１３上に積層された被膜１４をフォトリソグ
ラフィとドライエツチングにより除去するか、リフトオ
フ技術により容易に作製できた。また、集束イオンビー
ム注入により、Ｃｕ、Ｂａ。

Ｙ等の金属を打ち込んで接合層２５を形成できることも
確認した。

発明の効果 すでに説明したごと（、本発明を用いてＳｉあるいはＧ
ａＡｓなどのデバイスとの集積化が可能であるとともに
、スクイド（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　Ｑｕａ
ｎｔｎｍ　　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　Ｄｅｖｉｃｅ
　：　　超電導量子干渉計）等やジョセフソン論理回路
等の素子、あるいは非線形素子等として、実用される。

特にこの種の化合物超電導体の転移温度が室温になる可
能性もあり、従来の実用の範囲は広く、本発明の工業的
価値は高い。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の一実施例のジョセフソン
素子一実施例を示す斜視図および側面図、第３図および
第４図は本発明のジョセフソン素子の基本特性図、第５
図は本発明のジョセフソン素子を構成する材料の一例を
示すＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０１１１の相図、第６図は本発明
のジョセフソン素子の第二の実施例を示す側面図である
。 １１．２１・・・基体、１２・・・表面、１３．１４，
２３．２４・・・３元化合物被膜、１５．２５・・・接
合膜。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏−男　ほか１名第１図 ／ｌ五体 笥２図 ＠３図 第４図 “８５１′４ し

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属酸化物超電導体から成る少なくとも一対の電
   極と、上記電極間に上記金属酸化物超電体とは異なる組
   成比の金属酸化物から成る接合層とで構成したジョセフ
   ソン素子。
2. （２）接合層の金属酸化物の組成比を、金属濃度により
   変えたこと特徴とする特許請求の範囲第１項記載のジョ
   セフソン素子。
3. （３）金属酸化物として、Ａ−Ｂ−Ｃｕ−Ｏ複合化合物
   を用いたこと特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２
   項記載のジョセフソン素子。 ここに、ＡはＳｃ、Ｙ、ＬａおよびＬａ系列元素（原子
   番号５７〜７１）のうちすくなくとも一種、Ｂは、Ｂａ
   、ＳｒなどIIａ族元素のうちのすくなくとも一種、かつ
   Ａ、Ｂ元素とＣｕ元素の濃度は０．５≦（Ａ＋Ｂ／Ｃｕ
   ）≦２．５。
4. （４）金属酸化物を基体上に被覆した薄膜で構成したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のジョセフソ
   ン素子。
5. （５）基体を、線膨脹係数α＞１０＾−＾６／℃の材質
   で構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   のジョセフソン素子。
6. （６）基体を、（１００）面酸化マグネシウム単結晶を
   用いたことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のジ
   ョセフソン素子。
7. （７）基体として、Ｒ面サファイア単結晶を用いたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第４項記載のジョセフソン
   素子。
8. （８）基体として、Ｃ面サファイア単結晶を用いたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第４項記載のジョセフソン
   素子。
9. （９）基体として、ａ面サファイア単結晶を用いたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第４項記載のジョセフソン
   素子。
10. （１０）基体として、（１１１）面スピネル単結晶を用
    いたことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のジョ
    セフソン素子。
11. （１１）基体として、（１１０）面スピネル単結晶を用
    いたことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のジョ
    セフソン素子。
12. （１２）基体として、（１００）面スピネル単結晶を用
    いたことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のジョ
    セフソン素子。
13. （１３）基体として、（１００）面チタンストロンチウ
    ム単結晶を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第４
    項記載のジョセフソン素子。
14. （１４）基体としてシリコン、ガリウム砒素等の半導体
    単結晶を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第４項
    記載のジョセフソン素子。