JPH02181983A - 超伝導トンネル接合素子 - 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、ジョセフソン電流を抑圧した超伝導トンネル
接合素子に関する。

〔従来の技術〕

超伝導デバイスとして、超伝導トンネル接合素子は、大
きく二つの利用方法が考えられる。その一つとしては、
ジョセフソン接合素子であり、超伝導電流がトンネルバ
リアを介して両側の超伝導体に流れることを利用して計
算機用論理素子に適用したり、あるいは干渉素子として
用いたりする。

もう一つの利用方法は、その非線形の電圧電流特性を利
用して、高周波の混合に用いたり、あるいは、超伝導ト
ランジスタの一部に利用したりする。

超伝導トンネル接合素子は９通常の場合、ＷＩ膜を積層
して構成される１代表的な超伝導トンネル接合素子とし
ては９例えば、超伝導体として厚さ数千人のＮｂ膜を用
い、トンネルバリアとしては数十人のアルミ酸化膜を用
いている。超伝導体Ｎｂ膜のコヒーレント距離は４００
人程程度あるので。

トンネルバリアのＪＤさけコヒーレント距離に比して十
分に小さく、またそのバリア高さから２０人程度の１グ
さにおいて、実用的に用いられる素子寸法である数ｐ角
の接合面積において、十分に小さなトンネル抵抗、ひい
ては十分大きな直流ジョセフソン電流が流れることにな
る。第３図に、従来の典型的な超伝導トンネル接合素子
の電圧電流特性を示す０図において、直流ジョセフソン
電流１は電圧を発生せずに流れる超伝導電流である。そ
して、準粒子による常伝導電流２は、超伝導体のエネル
ギーギャップを反映した強い非線形の電圧電流特性を示
す。ジョセフソン接合素子として用いる場合には、直流
ジョセフソン電流１を、外部の磁場あるいは電流によっ
て変化させることにより。

例えばスイッチング素子として機能させる。また。

高周波の混合に用いる場合は、非線形の電圧電流特性を
利用する。さらに、超伝導トランジスタとして用いる場
合には、超伝導トンネル接合の超伝導体の一方に半導体
を付加する。超伝導体の一方をエミッタとし、もう一方
の超伝導体をベースにし、これに接する半導体をコレク
タとして用いる。

この場合には、超伝導体のエネルギーギャップに相当す
る電圧まで電流がほとんど流れず、この電圧を越えると
急に電流が増加し準粒子がエミッタからベースに注入さ
れ、これがコレクタへ通過する。デバイス動作の原理は
、半導体におけるバイポーラトランジスタにおいて、エ
ミッタからベースへ少数キャリアが注入されコレクタへ
通過することに似ている。

超伝導トンネル接合を、ジョセフソン接合として利用し
ない場合には直流ジョセフソン′市流は必ずしも有益な
ものではなく、かえってじゃまになる場合がある。直流
ジョセフソン電流が存在すると、一定電流以上の電流を
供給しないと、いつまでもゼロ電圧状態にオイＬ持され
、またいったん有限電圧状態に転移してしまうと、電流
をある程度以下にまで減少させないとゼロ電圧状態に復
帰し得ない、つまりヒステリシスが生じる。このヒステ
リシス状態を避けろため１例えば、外部から磁界を印加
することや、あるいはトンネルバリアの中に磁性不純物
を添加することによって直流ジョセフソン電流を抑圧し
ていた〔石川ら他：６Ｊｉ性バリア超伝導トンネル接合
のサブミリ波応答■、電子通信学会技術研究報告、　Ｖ
ｏｌ、８４．　Ｎｏ、３０７．　ｐ、７９（ＳＣＥ、８
４−５９））。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したごとく、従来の超伝導トンネル接合素子におい
て、直流ジョセフソン電流を抑圧しようとすると、ヒス
テリシスを有するため外部から磁界を印加したり、ある
いはトンネルバリア中に磁性不純物を添加する必要があ
った。

しかしながら、外部から磁界を印加してヒステリシス状
態を避ける場合には、磁界を印加する手段が必要であり
、そのため装置の構造が複雑になったりあるいは装置の
サイズが増大するなどの問題があった。また、トンネル
バリアに磁性不純物を添加してヒステリシス状態を避け
る場合には。

トンネルバリア中に磁性不純物を均一に分散して添加さ
せる必要があり、これは実際上非常に難しい技術であり
、さらにトンネルバリア形成そのものが困難であるなど
の問題があった。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、用い
る超伝導体の特異な性質を利用し、簡便な方式により直
流ジョセフソン電流を抑圧した超伝導トンネル接合素子
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、従来の１−ンネル
型ジョセフソン接合素子において、トンネルバリアの厚
さは超伝導体のコヒーシン１−距離に比べ小さく、従っ
て超伝導体同士のジョセフソン接合によって直流ジョセ
フソン電流が流れるが。

コヒーシン１〜距離をトンネルバリアの厚さに比べて無
視できないほど小さくすると、超伝導体同士のジョセフ
ソン接合が急激に弱くなり、直流ジョセフソン電流が流
れなくなることを知見した。本発明は、この基本的現象
に着目し、また超伝導体が結晶学的あるいは電子物性上
の異方性を持つものであるとき、コヒーレント距離にも
異方性が生じることを活用したものであって、異方性の
大きい超伝導体において、コヒーレント距離の短い結晶
学的方位をトンネルバリア面に垂直に積層することによ
り直流ジョセフソン電流を抑圧した超伝導トンネル接合
素子を実現するものである。

本発明は、二つの超伝導体と、これらの超伝導体との間
に介在するトンネルバリアからなる超伝導トンネル接合
素子において、上記の超伝導体にはコヒーレント距離に
異方性を有し、上記トンネルバリアの厚さを、上記異方
性を有する超伝導体のコヒーレント距離のうちの最も短
いコヒーレント距離よりも大きクシ、かつ上記超伝導体
のコヒーレント距離の異方性のうちの最も短いコヒーレ
ント距離を有する方向と、上記トンネルバリアの法線方
向とがほぼ一致するように上記超伝導体を積層して構成
した超伝導トンネル接合素子である。

本発明の超伝導１−ンネル接合素子において、：Ｊ３子
を構成する超伝導体としては、Ｙ（イツトリウム）また
はランタノイド系希土類元素（Ｌｎと略記する）とＢａ
（バリウム）とＣｕ（銅）で構成される酸素欠損ペロブ
スカイト酸化物超伝導体り、　ｎ　Ｂ　ａ２　Ｇ　＋１
．○Ｘ、あるいはＢｉ（ビスマス）またはＴＱ　　（タ
リウム）を含む酸化物超伝導体に代表される結晶学的あ
るいは電磁気的異方性を有する。

いオ〕ゆる高温酸化物超伝導体を用いるのが好ましく、
これらの超伝導体の結晶方位のＣ軸方向が。

トンネルバリアの法線方向とおおむね一致するようにエ
ピタキシャル成長させて形成した超伝導ｊ〜ンネル接合
素子である。

そして２本発明の超伝導トンネル接合素子において、二
つの超伝導体との間に介在させるトンネルバリアの厚さ
は、　１０Å以上であることが好ましい。

本発明の超伝導トンネル接合素子は、スパッタリング、
真空蒸着などの物理蒸着法あるいは化学気相成長法など
によってエピタキシャル成長させることにより容易に形
成することができる。

〔実施例〕

以下に本発明の一実施例を挙げ９図面に基づいて、さら
に詳細に説明する。

第１図は９本発明の超伝導トンネル接合素子の断面もＹ
′ｊ造の一例を示す。図において、超伝導体１および１
′は、ＹとＢａとＣｕで構成された酸化物超伝導体Ｙ３
ａ２Ｃｕ、Ｏｘを用いる。この物質の結晶構造は酸素欠
損ペロブスカイト構造と称され。

結晶学的な方位であるｃＩＦｌ１１方向と、これに直角
なａ軸またはｂ軸方向とで大きな構造的異方性を有する
。従って、電気抵抗等の電子物性もＣ軸方向と、これに
垂直な方向とで大きく異なっている。

そして、超伝導コヒーレンス距離にも異方性を持ち、ａ
軸あるいはｂ軸方向のコヒーレント距離が数１−人なの
に対し、Ｃ軸方向では数人（例えば約８程度度）であり
、コヒーレント距離の異方性は。

従来の異方性の低い超伝導体に比べ著しく大きい。

この超伝導体１と１′の間に２例えば酸化アルミニウム
のような絶縁体のトンネルバリア２を介在させて、超伝
導トンネル接合を形成させる。実用的に用いられるトン
ネルバリア２の厚さは数十人（例えば３０人程度）であ
るので、この場合には。

超伝導体のコヒーレント距離の長い方向Ｃａ軸方向）が
トンネルバリア面に垂直である場合と、コヒーレント距
離の短い方向（Ｃ軸方向）が垂直である場合とで、ジョ
セフソン接合の強さが異なり。

後者の場合には、コヒーレント距離がトンネルバリアの
厚さより短くなり直流ジョセフソン電流が抑圧されるこ
とになる。本実施例においては、厚さが約３０人の酸化
アルミニウムよりなるトンネルバリア２と、Ｃ軸方向の
コヒーレノ１−距離が約８人を示すＹＢａ、Ｃｕ、Ｏｘ
膜よりなる超伝導体１゜１′　をスパッタリング法によ
りエピタキシャル成長させて超伝導トンネル接合素子を
形成した。

上記の方法で作製した第１図に示す本発明の超伝導トン
ネル接合素子においては、第２図に示すように、直流ジ
ョセフソン電流は流れなくなった。

従って、このような接合を高周波の混合等に用いれば、
付加的な直流ジョセフソン電流抑圧手段を用いなくても
よくなる。さらに、超伝導トンネル接合を用いた超伝導
ベーストランジスタにおいても、上記と同様の効果があ
ることを確認している。

本実施例においては、超伝導体として、ＹＢａＣｕＯ酸
素欠損ペロブスカイトを用いたが、他のランタノイド系
希土類元素（Ｌｎ）とＢａとＣｕで構成された酸素欠損
ペロブスカイト酸化物超伝導体ＬｎＢａ２Ｃｕ、Ｏｘで
あっても、あるいは、これとは構造を異にするＴＱ、Ｂ
ｉを含む酸化物超伝導体であっても、それらの超伝導体
が異方性を有し。

そのコヒーレント距離が一方向でトンネルバリアの厚さ
より小さい限り２本実施例と同様の効果が生ずることは
明らかである。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したごとく１本発明の超伝導トンネル接
合素子においては、超伝導体の結晶学的あるいは電子物
性上から生じるコヒーレント距離の異方性を利用して、
トンネルバリアの厚さを。

超伝導体のコヒーレント距離のうちの短い方の距離より
も大きくシ、かつ超伝導体のコヒーレント距離の短い方
の方向を、トンネルバリアに対してほぼ垂直に位置する
ように構成するという簡便な方式で、直流ジョセフソン
電流を効果的に抑圧することができるので、これを１例
えば高周波の混合、あるいは超伝導ベーストランジスタ
等に用いる場合に、外部磁界の印加などの付加的な直流
ジョセフソン電流抑圧手段を設ける必要がなく、また従
来、困難とされているトンネルバリアへの磁性不純物な
どの均一添加を行う必要もなく、極めて構造が簡単でコ
ンパクトな所望する高性能の超伝導トンネル接合素子を
実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例において例示した超伝導トンネ
ル接合素子の構成を示す模式図、第２図は第１図に示し
た超伝導トンネル接合素子の電圧電流特性を示すグラフ
、第３図は従来の超伝導トンネル接合素子の電圧電流特
性を示すグラフである。 １．１′・・・超伝導体（ＹＢａＣｕＯ酸素欠損ペロブ
スカイト） ２・・・トンネルバリア（酸化アルミニウム）３・・・
直流ジョセフソン電流 ４・・べｆ！粒子による常伝１ｒＸ電流Ｃ・・・超伝導
体のＣ軸方位

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、二つの超伝導体と、これらの超伝導体との間に介在
   するトンネルバリアからなる超伝導トンネル接合素子に
   おいて、上記超伝導体はコヒーレント距離に異方性を有
   し、上記トンネルバリアの厚さが、上記超伝導体のコヒ
   ーレント距離の異方性のうちの最も短いコヒーレント距
   離よりも大きく、かつ上記超伝導体のコヒーレント距離
   の異方性のうちの最も短いコヒーレント距離を有する方
   向と、上記トンネルバリアの法線方向とがほぼ一致する
   ように構成したことを特徴とする超伝導トンネル接合素
   子。