JPH02260674A - トンネル型ジョセフソン素子とその作製方法 - Google Patents
トンネル型ジョセフソン素子とその作製方法Info
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- JPH02260674A JPH02260674A JP1082690A JP8269089A JPH02260674A JP H02260674 A JPH02260674 A JP H02260674A JP 1082690 A JP1082690 A JP 1082690A JP 8269089 A JP8269089 A JP 8269089A JP H02260674 A JPH02260674 A JP H02260674A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
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- H10N60/0912—Manufacture or treatment of Josephson-effect devices
-
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- H10N60/10—Junction-based devices
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- H10N60/124—Josephson-effect devices comprising high-Tc ceramic materials
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- H10N60/00—Superconducting devices
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- H10N60/855—Ceramic superconductors
- H10N60/857—Ceramic superconductors comprising copper oxide
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- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
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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。
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Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は、トンネル型ジョセフソン素子とその作製方法
に関する。より詳細には、本発明は、複合酸化物系超電
導材料の優れた特性を活かした1、新規なトンネル型ジ
ョセフソン素子とその製造方法に関する。
に関する。より詳細には、本発明は、複合酸化物系超電
導材料の優れた特性を活かした1、新規なトンネル型ジ
ョセフソン素子とその製造方法に関する。
従来の技術
所謂ジョセフソン素子は超電導体同士の弱結合により構
成される。この弱結合を実現するための具体的構成とし
ていくつかの構造が提案されており、最も典型的な構造
として、トンネル型ジョセフソン素子が知られている。
成される。この弱結合を実現するための具体的構成とし
ていくつかの構造が提案されており、最も典型的な構造
として、トンネル型ジョセフソン素子が知られている。
即ち、トンネル型ジョセフソン素子は、一対の超電導体
の間に極めて薄い絶縁体層を間挿した構造である。
の間に極めて薄い絶縁体層を間挿した構造である。
従来から実際に作製されたトンネル型ジョセフソン素子
では、超電導体としてNb、NbN5 Pb等を使用し
、絶縁体層としてNbまたはPbの表面に形成した酸化
膜あるいはMgOまたはa −3iの蒸着膜等を使用し
ていた。しかしながら、これらの金属系超電導体は一般
に超電導臨界温度が非常に低く、実際には極めて高価な
液体ヘリウムにより冷却しなければ有効な特性を発揮し
なかった。
では、超電導体としてNb、NbN5 Pb等を使用し
、絶縁体層としてNbまたはPbの表面に形成した酸化
膜あるいはMgOまたはa −3iの蒸着膜等を使用し
ていた。しかしながら、これらの金属系超電導体は一般
に超電導臨界温度が非常に低く、実際には極めて高価な
液体ヘリウムにより冷却しなければ有効な特性を発揮し
なかった。
発明が解決しようとする課題
一方、1986年に[La、 Ba] 2cu04や(
La、 Sr) 2Cub1等の複合酸化物焼結体が高
いTcを有する超電導材料であることが見出され、これ
に続いてY+BazCus 0?−Xで表される組成を
有する複合酸化物が液体窒素温度以上の温度範囲で有効
な超電導特性を示すことが確認された。このような高い
温度で超電導特性を示す材料は、廉価な液体窒素を冷却
媒体として使用することができるので、超電導技術の実
用的な応用が検討されるようになり、複合酸化物系超電
導材料を使用したジョセフソン素子の実現に向けて各種
の試みがなされている。
La、 Sr) 2Cub1等の複合酸化物焼結体が高
いTcを有する超電導材料であることが見出され、これ
に続いてY+BazCus 0?−Xで表される組成を
有する複合酸化物が液体窒素温度以上の温度範囲で有効
な超電導特性を示すことが確認された。このような高い
温度で超電導特性を示す材料は、廉価な液体窒素を冷却
媒体として使用することができるので、超電導技術の実
用的な応用が検討されるようになり、複合酸化物系超電
導材料を使用したジョセフソン素子の実現に向けて各種
の試みがなされている。
ところが、上述のような複合酸化物系超電導材料を使用
して試作したジョセフソン素子は、液体ヘリウム温度で
ある4、2Kにおいてすら十分な特性を発揮しないこと
が知られている。そこで、本発明は、上記従来技術の問
題点を解決し、複合酸化物系超電導材料の優れた超電導
特性を有効に発揮する新規なジョセフソン素子とその製
造方法を提供することをその目的としている。
して試作したジョセフソン素子は、液体ヘリウム温度で
ある4、2Kにおいてすら十分な特性を発揮しないこと
が知られている。そこで、本発明は、上記従来技術の問
題点を解決し、複合酸化物系超電導材料の優れた超電導
特性を有効に発揮する新規なジョセフソン素子とその製
造方法を提供することをその目的としている。
課題を解決するための手段
即ち、本発明に従うと、複合酸化物系超電導材料により
形成された1対の超電導体層と、該1対の超電導体層の
間に形成された絶縁体層とを備えるトンネル型ジョセフ
ソン素子において、該絶縁体層が、該超電導体層を形成
する複合酸化物と同じ構成元素により形成された複合酸
化物で形成されていることを特徴とするトンネル型ジョ
セフソン素子が提供される。
形成された1対の超電導体層と、該1対の超電導体層の
間に形成された絶縁体層とを備えるトンネル型ジョセフ
ソン素子において、該絶縁体層が、該超電導体層を形成
する複合酸化物と同じ構成元素により形成された複合酸
化物で形成されていることを特徴とするトンネル型ジョ
セフソン素子が提供される。
また、上記本発明に係るトンネル型ジョセフソン素子を
作製する方法として、複合酸化物系超電導材料により形
成された1対の超電導体層と、該1対の超電導体層の間
に形成された絶縁体層とを備えるトンネル型ジョセフソ
ン素子を作製する方法において、該絶縁体層を、該超電
導体層を形成する複合酸化物と同じ構成元素による複合
酸化物により形成し、該超電導体層および該絶縁体層の
成膜を、酸素を供給しながら連続して行うことを特徴と
するトンネル型ジョセフソン素子の作製方法が提供され
る。
作製する方法として、複合酸化物系超電導材料により形
成された1対の超電導体層と、該1対の超電導体層の間
に形成された絶縁体層とを備えるトンネル型ジョセフソ
ン素子を作製する方法において、該絶縁体層を、該超電
導体層を形成する複合酸化物と同じ構成元素による複合
酸化物により形成し、該超電導体層および該絶縁体層の
成膜を、酸素を供給しながら連続して行うことを特徴と
するトンネル型ジョセフソン素子の作製方法が提供され
る。
尚、上記ジョセフソン素子を形成する複合酸化物薄膜の
成膜方法としては、公知の物理蒸着法または化学蒸着法
をいずれも適用できるが、特に有利な方法として、スパ
ッタリング法、イオンブレーティング法等が挙げられる
。
成膜方法としては、公知の物理蒸着法または化学蒸着法
をいずれも適用できるが、特に有利な方法として、スパ
ッタリング法、イオンブレーティング法等が挙げられる
。
また、上記本発明に係るトンネル型ジョセフソン素子に
使用できる超電導材料としては、YBa。
使用できる超電導材料としては、YBa。
Cu30.、およびこの複合酸化物のYを、HOlEr
等のランタノイド元素で置換した組成を有する複合酸化
物、Tl2Ba2Ca2CII301o−yまたはBi
25r2Ca2Cu30Io−yおよびこれらの複合酸
化物にpbを添加したもの等を例示することができる。
等のランタノイド元素で置換した組成を有する複合酸化
物、Tl2Ba2Ca2CII301o−yまたはBi
25r2Ca2Cu30Io−yおよびこれらの複合酸
化物にpbを添加したもの等を例示することができる。
また、上記絶縁体層を形成する材料としては、例えば、
超電導体層をYBa2Cu、0.−8とした場合のY2
Ba+CLI+0s−ys Y+Ba5CuzOz等を
例示することができる。
超電導体層をYBa2Cu、0.−8とした場合のY2
Ba+CLI+0s−ys Y+Ba5CuzOz等を
例示することができる。
作用
本発明に係るトンネル型ジョセフソン素子は、特にその
絶縁体層が、該超電導体層を形成する複合酸化物と同じ
構成元素による複合酸化物により形成されていることを
その主要な特徴としている。
絶縁体層が、該超電導体層を形成する複合酸化物と同じ
構成元素による複合酸化物により形成されていることを
その主要な特徴としている。
即ち、従来から知られている、超電導体の表面酸化によ
り絶縁体層を形成する方法は、元々酸化物である複合酸
化物系超電導材料に対しては有効ではない。そこで、超
電導体層の間に、他の絶縁性材料による絶縁体層を形成
することが提案され、MgO、Al2O5,1r02な
どにより絶縁体層を薄膜として形成することが試みられ
た。
り絶縁体層を形成する方法は、元々酸化物である複合酸
化物系超電導材料に対しては有効ではない。そこで、超
電導体層の間に、他の絶縁性材料による絶縁体層を形成
することが提案され、MgO、Al2O5,1r02な
どにより絶縁体層を薄膜として形成することが試みられ
た。
しかしながら、前述のように、作製されたジョセフソン
素子は有効な特性を発揮しない。本発明者等の研究によ
れば、その原因は以下のようなものである。
素子は有効な特性を発揮しない。本発明者等の研究によ
れば、その原因は以下のようなものである。
(1)複合酸化物系超電導材料はその形成過程で熱処理
が必要であるが、この熱処理時に絶縁体層を形成する元
素が界面近傍の超電導体層に拡散して、超電導特性を損
なう。
が必要であるが、この熱処理時に絶縁体層を形成する元
素が界面近傍の超電導体層に拡散して、超電導特性を損
なう。
(2)成膜装置内のような、高温かつ酸素分圧の低い環
境では、超電導体中の酸素が絶縁体に吸収され、超電導
体層が変質してしまう。
境では、超電導体中の酸素が絶縁体に吸収され、超電導
体層が変質してしまう。
(3)絶縁体と高温超電導体との格子定数、熱膨張係数
等が大きく異なっているので、両者の界面に歪みが生じ
る。
等が大きく異なっているので、両者の界面に歪みが生じ
る。
そこで、本発明に係るジョセフソン素子では、複合酸化
物系超電導材料が、その構成元素の組成比を変化させる
と超電導性を失って絶縁体となることを利用して上述の
ような問題点を解決している。
物系超電導材料が、その構成元素の組成比を変化させる
と超電導性を失って絶縁体となることを利用して上述の
ような問題点を解決している。
即ち、ジョセフソン素子における絶縁体層を、超電導材
料に類似した複合酸化物で形成することによって、ジョ
セフソン素子を形成する超電導体層および絶縁層を、成
膜条件を変えることなく連続して成膜することができる
ようになる。また、超電導体層と絶縁体層との間で格子
定数、熱膨張係数等の差が少なくなり、界面歪みによる
特性劣化が抑えられ、膜質がエピタキシャル化しやすく
なる。更に、絶縁体層自体が複合酸化物なので、超電導
体層から酸素を吸収することがなく、超電導体層の特性
が損なわれることがない。
料に類似した複合酸化物で形成することによって、ジョ
セフソン素子を形成する超電導体層および絶縁層を、成
膜条件を変えることなく連続して成膜することができる
ようになる。また、超電導体層と絶縁体層との間で格子
定数、熱膨張係数等の差が少なくなり、界面歪みによる
特性劣化が抑えられ、膜質がエピタキシャル化しやすく
なる。更に、絶縁体層自体が複合酸化物なので、超電導
体層から酸素を吸収することがなく、超電導体層の特性
が損なわれることがない。
尚、本発明の好ましい態様に従えば、超電導体層並びに
絶縁体層の成膜操作を、酸素ノズルまたは酸素イオンガ
ンにより酸素を供給しながら実施することが好ましい。
絶縁体層の成膜操作を、酸素ノズルまたは酸素イオンガ
ンにより酸素を供給しながら実施することが好ましい。
即ち、この処理により、膜の酸化を促進させることがで
き、成膜後の高温熱処理を省略しても、優れた特性を有
する超電導薄膜が得られる。
き、成膜後の高温熱処理を省略しても、優れた特性を有
する超電導薄膜が得られる。
以下に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する
が、以下の開示は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の
技術的範囲を何ら限定するものではない。
が、以下の開示は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の
技術的範囲を何ら限定するものではない。
実施例
SrTiO3単結晶基板の(100)面を成膜面として
、まず、RFスパッタリング法により超電導体層を形成
した。ターゲットとしては、YおよびBaの各炭酸塩粉
末とCuの酸化物粉末とを、成膜後にYBa2Cu30
□−8が形成されるような割合で混合したものを使用し
た。成膜条件は以下の通りである。
、まず、RFスパッタリング法により超電導体層を形成
した。ターゲットとしては、YおよびBaの各炭酸塩粉
末とCuの酸化物粉末とを、成膜後にYBa2Cu30
□−8が形成されるような割合で混合したものを使用し
た。成膜条件は以下の通りである。
また、成膜中は、ノズルおよび酸素イオンガンにより基
板へ酸素および酸素イオンを吸きつけ、膜の酸化を促進
させた。
板へ酸素および酸素イオンを吸きつけ、膜の酸化を促進
させた。
尚、上述のようにして得られたYBa2Cu307−+
c薄膜は、X線回折法によると(001)配向特有の(
OOA)の回折ピークのみが観測され、この薄膜が(0
01)配向した結晶膜であることが確認された。
c薄膜は、X線回折法によると(001)配向特有の(
OOA)の回折ピークのみが観測され、この薄膜が(0
01)配向した結晶膜であることが確認された。
以上のようにして、膜厚1000〜3000人まで超電
導体層を形成した後、づいて絶縁体層を形成した。
導体層を形成した後、づいて絶縁体層を形成した。
成膜条件は、超電導体層の成膜操作と同じとし、形成さ
れる薄膜の組成が、YBa2Cu300s=yとなるよ
うに、ターゲットの混合比を変えて行った。こうして、
Y B a 2 CU 30 q −)l薄膜上に、Y
2Ba、Cu、 0s−y薄膜を50〜100への厚さ
まで形成した。この成膜操作においても、ノズルおよび
酸素イオンガンにより成膜中の基板表面へ酸素および酸
素イオンを吸きつけ、膜の酸化を促進させた。
れる薄膜の組成が、YBa2Cu300s=yとなるよ
うに、ターゲットの混合比を変えて行った。こうして、
Y B a 2 CU 30 q −)l薄膜上に、Y
2Ba、Cu、 0s−y薄膜を50〜100への厚さ
まで形成した。この成膜操作においても、ノズルおよび
酸素イオンガンにより成膜中の基板表面へ酸素および酸
素イオンを吸きつけ、膜の酸化を促進させた。
上述のようにして形成した絶縁体層の上に、更に第2の
超電導体層を成膜した。ここでは、再びターゲットの組
成をYBa2Cu30 t−xを形成するように設定し
、依然として同じ成膜条件の下で成膜を行った。また、
酸素の供給も同様に行った。
超電導体層を成膜した。ここでは、再びターゲットの組
成をYBa2Cu30 t−xを形成するように設定し
、依然として同じ成膜条件の下で成膜を行った。また、
酸素の供給も同様に行った。
こうして得られた、超電導体層と絶縁体層とを積層して
SISトンネル接合を形成した薄膜に対して、一部の領
域を下層の超電導体層が露出するまでドライ・エツチン
グし、各超電導体層の上面にそれぞれAu蒸着による電
極を形成した。以上のようにして得られたのが第1図に
示すトンネル型ジョセフソン素子である。
SISトンネル接合を形成した薄膜に対して、一部の領
域を下層の超電導体層が露出するまでドライ・エツチン
グし、各超電導体層の上面にそれぞれAu蒸着による電
極を形成した。以上のようにして得られたのが第1図に
示すトンネル型ジョセフソン素子である。
即ち、第1図は、本発明に係るトンネル型ジョセフソン
素子の構成を示す断面図である。
素子の構成を示す断面図である。
第1図に示すように、このジョセフソン素子は、基板l
上に、超電導体層2、絶縁体3および超電導体層4が順
次積層して形成されている。また、絶縁体層3と超電導
体層4との一部は除去されて超電導体層2の一部が表面
に露出しており、この領域と超電導体層4との表面には
それぞれ電極5a、5bが形成されている。
上に、超電導体層2、絶縁体3および超電導体層4が順
次積層して形成されている。また、絶縁体層3と超電導
体層4との一部は除去されて超電導体層2の一部が表面
に露出しており、この領域と超電導体層4との表面には
それぞれ電極5a、5bが形成されている。
ここで、超電導体層2および4は、いずれもY13a2
cu30□−8により形成されている。また、絶縁体層
3は、Y2Ba、Cu+ 0s−yにより形成されてお
り、超電導体層2および4と共に、SIS接合を形成し
ている。
cu30□−8により形成されている。また、絶縁体層
3は、Y2Ba、Cu+ 0s−yにより形成されてお
り、超電導体層2および4と共に、SIS接合を形成し
ている。
第2図は、前述のようにして作製した本発明に係るトン
ネル型ジョセフソン素子の、電圧対電流特性を測定した
結果を示すグラフである。尚、測定は4.2Kにおいて
行った。
ネル型ジョセフソン素子の、電圧対電流特性を測定した
結果を示すグラフである。尚、測定は4.2Kにおいて
行った。
第2図に示すように、このトンネル型ジョセフソン素子
は、エネルギ・ギャップに対応するl1mV付近で急激
に電流が低下しており、良質なトンネル接合が形成され
ていることが確認された。
は、エネルギ・ギャップに対応するl1mV付近で急激
に電流が低下しており、良質なトンネル接合が形成され
ていることが確認された。
発明の効果
以上のように本発明に係るジョセフソン素子は、その絶
縁体層を、複合酸化物系超電導材料と同じ元素の複合酸
化物により形成されている。従って、超電導体層と絶縁
体層との界面で良質な接合が実現される。
縁体層を、複合酸化物系超電導材料と同じ元素の複合酸
化物により形成されている。従って、超電導体層と絶縁
体層との界面で良質な接合が実現される。
また、製造過程においても、絶縁体層自体が複合酸化物
なので、超電導体層から酸素を吸収することがなく、超
電導体層の品質が劣化することがない。
なので、超電導体層から酸素を吸収することがなく、超
電導体層の品質が劣化することがない。
このように、本発明に係るトンネル型ジョセフソン素子
は、高い臨界温度を有する複合酸化物系超電導材料を使
用して構成したものであり、ジョセフソン素子の経済的
な利用を実現している。
は、高い臨界温度を有する複合酸化物系超電導材料を使
用して構成したものであり、ジョセフソン素子の経済的
な利用を実現している。
第1図は、本発明に係るトンネル型ジョセフソン素子の
構成例を示す断面図であり、 第2図は、本発明に従って作製したトンネル型ジョセフ
ソン素子の電圧対電流特性を示すグラフである。 〔主な参照番号〕 1・・・・・基板(SrTiOa)、 2.4・・・超電導体層(YBa2Cu307−X)、
3・・・・・絶縁体層(Y2ea+cu+ 0s−y)
、5a、5b・・特性測定用Au電極
構成例を示す断面図であり、 第2図は、本発明に従って作製したトンネル型ジョセフ
ソン素子の電圧対電流特性を示すグラフである。 〔主な参照番号〕 1・・・・・基板(SrTiOa)、 2.4・・・超電導体層(YBa2Cu307−X)、
3・・・・・絶縁体層(Y2ea+cu+ 0s−y)
、5a、5b・・特性測定用Au電極
Claims (2)
- (1)複合酸化物系超電導材料により形成された1対の
超電導体層と、該1対の超電導体層の間に形成された絶
縁体層とを備えるトンネル型ジョセフソン素子において
、 該絶縁体層が、該超電導体層を形成する複合酸化物と同
じ構成元素により形成された複合酸化物で形成されてい
ることを特徴とするトンネル型ジョセフソン素子。 - (2)複合酸化物系超電導材料により形成された1対の
超電導体層と、該1対の超電導体層の間に形成された絶
縁体層とを備えるトンネル型ジョセフソン素子を作製す
る方法において、 該絶縁体層を、該超電導体層を形成する複合酸化物と同
じ構成元素による複合酸化物により形成し、該超電導体
層および該絶縁体層の成膜を、酸素を供給しながら連続
して行うことを特徴とするトンネル型ジョセフソン素子
の作製方法。
Priority Applications (8)
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|---|---|---|---|
| JP1082690A JPH02260674A (ja) | 1989-03-31 | 1989-03-31 | トンネル型ジョセフソン素子とその作製方法 |
| KR1019900004284A KR900015364A (ko) | 1989-03-31 | 1990-03-30 | 터널형 조셉슨 소자와 그 제작방법 |
| CN90102462A CN1022654C (zh) | 1989-03-31 | 1990-03-31 | 隧道型约瑟夫森器件及其制造方法 |
| CA002013643A CA2013643C (en) | 1989-03-31 | 1990-04-02 | Tunnel junction type josephson device and method for fabricating the same |
| EP90400899A EP0390704B1 (en) | 1989-03-31 | 1990-04-02 | Tunnel junction type Josephson device and method for fabricating the same |
| DE69032845T DE69032845T2 (de) | 1989-03-31 | 1990-04-02 | Josephsoneffektbauelement des Typs mit Tunnelverbindung und Verfahren zu seiner Herstellung |
| AU52495/90A AU625159B2 (en) | 1989-03-31 | 1990-04-02 | Tunnel junction type josephson device and method for fabricating the same |
| US08/029,361 US6157044A (en) | 1989-03-31 | 1993-03-10 | Tunnel junction type josephson device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1082690A JPH02260674A (ja) | 1989-03-31 | 1989-03-31 | トンネル型ジョセフソン素子とその作製方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02260674A true JPH02260674A (ja) | 1990-10-23 |
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ID=13781413
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| KR (1) | KR900015364A (ja) |
| CN (1) | CN1022654C (ja) |
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| CA (1) | CA2013643C (ja) |
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