JPH03218686A - 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、ビスマス系酸化物超伝導体を用い、比較的高
温で動作させることが出来るジョセフソン素子に関する
。

（従来の技術） ジョセフソン接合は、二つの超伝導層を、極く薄い絶縁
物常伝導層等で隔てて形成したものであり、この接合部
の超伝導一常伝導転移が高速で生ずることから高速演算
素子とじの利用が考えられている。

このジョセフソン接合の形成方法の代表的な例としでは
、例えば、鉛薄膜を蒸着した後、その表面に掻く薄い酸
化膜（典型的には厚み３０人）を形成し、再び鉛薄膜を
蒸着するという様な手法（例えば、日本物理学会編「超
伝導」ｌ４７頁参照）が行われている。

一方、高い超伝導転移温度を有する酸化物超伝導体にお
けるジョセフソン効果の測定も幾つかなされている。

（発明が解決しようとする問題点）） しかし、上記高い超伝導転移温度のものにおける接合の
形態は、主に点接触型が利用されており、係る接合では
集積度の高い実用に共し得る素子を形成することが出来
ない。

又、酸化物超伝導体を利用した素子で鉛を用いた素子の
様な面接合型は、鉛の表面酸化膜の様な薄くて均一な厚
さの絶縁層を形成することが難しく、不均一な厚さのも
のでは良好な特性が得られないという欠点があり、更に
は超伝導層と結晶構造の異なる材料を絶縁層に用いると
、超伝導層の結晶性が非常に悪くなり、素子特性が良く
ないという欠点がある。

従って、本発明の目的は、上記従来の欠点に鑑み、絶縁
層の厚さの不均一性及び超伝導層の結晶性の悪化を解決
し、良好な面接合を有し、優れた特性が得られるジョセ
フソン素子を提供することである。

更に本発明の他の目的は、ビスマス系酸化物超伝導体を
用いることにより、とりわけ、大気中での劣化が少なく
、特性の安定性の点で優れたジョセフソン素子を提供す
ることである。

（問題点を解決する為の手段） 上記目的は以下の本発明によって達成される。

即ち、本発明は、基体面に、第１の超伝導層、接合層（
トンネル障壁膜）及び第２の超伝導層を順次積層してな
るジョセフソン素子において、上記第１及び第２の超伝
導層が、ビスマス銅含有酸化物超伝導体からなり、且つ
上記接合層が、ビスマス含有酸化物からなることを特徴
とするジョセフソン素子である。

（作　　用） 基板上に第１の酸化物超伝導層、接合層及び第２の酸化
物超伝導層を、順次積層してなるジョセフソン素子にお
いて、上記第１及び第２の酸化物超伝導層として、層状
複合ペロブスカイト構造を有するビスマス銅含有酸化物
超伝導体を用い、且つ接合層として、同様の層状複合ペ
ロブス力イト構造を有するビスマス層状化合物を用いる
ことによって、結晶性の良いジョセフソン素子を作成し
、且つ薄《均一な接合層を形成し、良好な特性を有する
ジョセフソン素子の提供を可能にした。

更には、ビスマス銅含有酸化物超伝導体を用いているの
で、液体窒素温度以上で十分に作動し、耐湿性や耐熱性
等の点でとりわけ優れれたジョセフソン素子の提供を可
能にした。

（好ましい実施態様） 本発明において、第１及び第２の酸化物超伝導層は、ビ
スマス銅含有酸化物超伝導体から形成されるが、好まし
く用いることの出来るビスマス銅含有酸化物超伝導体と
しては、その組成式が、周期律表のＩａ、Ｉｌａ、ＩＩ
Ｉａ及びＩＶｂ族からなる元素群より選ばれた少なくと
も１種以上の元素をＡとし、Ｉ　ｂ．ＩＶａ％Ｖａ，Ｖ
ｌａ及びＶＩＩＩａ族がらなる元素群より選ばれた少な
くとも１種以上の元素をＢとし、希土類元素より選ばれ
た少なくとも１種以上の元素をＣとするとき、一般式（
ｒ）｛　ｆＢｉ＋−ｂＣｂ）　２０２｝　　（Ｃｕ＋−
ａＢａ）　ｚ＋ｎＡ３＋ｎｏ　＋１２＋ａｎｌ　−１１
（Ｏ≦ｂ＜１、０≦ａ＜１、−１＜ｎ≦１０，ｘ＞０）
で表わされ、又、その結晶構造としては、｛　（Ｂｉｂ
−ｂＣｂ）　２０２｝　”層（０≦ｂ＜１）（７）間に
酸素欠損ベロブスカイト層が位置する様な層状構造を有
するものが挙げられる。

上記一般式（Ｉ）のなかでも、とりわけＢｉｔ　（Ｓｒ
．　Ｃａｌ　ｓｃｕ２０ｘ　（　７≦Ｘ≦９）の組成式
で表されるものが好ましい。

更に本発明において、接合層はビスマス層状化合物から
形成されるが、ここで用いるビスマス層状化合物の好ま
しものは、その組成式が一般式（ＩＩ） （０≦ｂ＜１，Ｏ≦ａ＜１，１≦ｎ≦５、Ｃは希土類よ
り選ばれた少なくとも１種以上の元素であり、ＢはＣａ
，　Ｎａ％Ｋ　％Ｂａ％Ｓｒ，　Ｐｂ及びＰｒより選ば
れた少なくとも１種以上の元素であり、且つＡはＮｂ，
　Ｔａ，　Ｆｅ，　Ｓｎ及びＧａより選ばれた少なくと
も１種以上の元素である。）と表わされるもの、又はそ
の組成式が一般式（Ｉ［［） ｆｌｉ．ｓｒ２Ｌｎｃｕ２０， （ＬｎはＹ及びランタノイド元素より選ばれる少なくと
も１種以上の元素であり、７≦ｙ≦９である）で表され
るものが挙げられ、接合層として用いるビスマス層状化
合物は、絶縁体、常伝導体又は前記ビスマス銅含有酸化
物超伝導体より臨界電流が小さいか、又は臨界温度の低
い化合物が用いられる。

上記一般式（ＩＩ）及び（ｆｆｌ）の中でもとりわけＢ
ｉＪｉｓＯ＋ｚ　　　　　　　　　　　　　　（ＩＩ　
−ｉ１Ｂｉ＊ＰｂＦＥ！Ｔｉｔ．　ｓｓｎ＋．　＠Ｏｙ
（７≦ｙ≦９１　　　［−２］Ｎａａ５Ｂ１４．　ｓＴ
ｌ４０ｙ　　　　　　　　　　　　　　（　Ｉ［　−３
）ＢｉａＳｒｘＹＣａｚＯｙ　（７≦ｙ≦９１（ＩＩＩ
−２）は、本発明において特に好ましく用いられる。

以上例示したビスマス銅含有酸化物超伝導体及びビスマ
ス層状化合物は、その結晶構造が互いに類似している。

即ち、本発明のジョセフソン素子において、第１及び第
２の超伝導層として用いる前記一般式（Ｉ）のビスマス
銅含有酸化物超伝導体は、Ｘｍ回折結果より斜方品であ
り、その格子定数はａ＝５．４人、ｂ＝２７．０人（＝
５ｘａ）、Ｃ＝３０．８人であることがわかり、又、接
合層として用いる前記一般式（ＩＩ）及び（ＩＩＩ）の
ビスマス層状化合物も斜方晶であり、その格子定数はａ
＝５．５人、ｂ＝５．４人及びｃ＝３０．２人であるこ
とがわかる。

この様な結晶構造を有する超伝導層と接合層とを用いて
ジョセフソン素子を作成した場合、両者の格子定数が類
似している為に、材料同士のミスフィットが生ぜず、良
好な特性のジョセフソン素子が得られることになる。

尚、ここで良好な特性とはミリ波応答及び磁気応答等の
特性を意味している。これらの結晶構造は層状複合ベロ
ブス力イト構造であり、成膜制御により容易に行うこと
が出来、均一で薄い層を所望により形成しることが出来
る。

上記結晶構造の材料により得られる良好なジョセフソン
効果は、第１及び第２の超伝導層及び接合層のいずれも
が、類似した格子定数を有しているとき十分に発揮され
る。

本発明の構成によるジョセフソン素子の電流・電圧特性
を常法に従い測定すると、第６図に示した様な特性を示
し、ある一定以上の電圧に達する迄は電流量は殆ど変化
せず、又、電圧をある一定値以下に減少させた場合には
、電流が急激に変化するという、優れたジョセフソン効
果を発揮することがわかる。

尚、本発明のジョセフソン素子は常法に従い作製するこ
とが出来る。即ち、組成制御の可能なスパッタリング法
、蒸着法の他、ＣＶＤ法によっても行うことが出来る。

又、本発明のジョセフソン素子の第１及び第２の超伝導
層の層厚は２，０００人乃至ｓ．ｏｏｏ人とされ、接合
層の層厚は１０乃至５００人とされるのが好ましい。こ
れらが積層される基体としては、例えば、ＭｇＯ（１０
０）単結晶やＳｒＴｉＯａ単結晶等が好ましく用いられ
る。

（実施例） 次に実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明する。

実施例ｌ 第１図示の様なジョセフソン接合を次の様に形成した（
図で１はＭｇＯ基板、２は第１の超伝導層であるビスマ
ス銅含有酸化物超伝導体のスパッタ膜、３はビスマス層
状化合物膜、４は第２の超伝導層であるビスマス銅含有
酸化物超伝導体のスパッタ膜、５は電極である）。

先ず、ＭｇＯ基板１上にビスマスｌ１ストロンチウム１
、カルシウムｌ及び銅２の組成によりなる焼結体をター
ゲットとして用い、高周波マグネ？ロンスパッタ法で３
，０００人の厚さに第１の超伝導層２形成した（第２図
）。プラズマ発光分光法によりその膜の組成を分析した
ところ、ビスマス２、ストロウチウム１．４８、カルシ
ウム１．５０及び銅２．０の組成であった。基板温度は
７００℃とし、アルゴンと酸素との混合ガスで、ガス圧
は５　Ｘ　１　０−２Ｔｏｒｒとし、酸素分圧は５　Ｘ
　１　０−”Ｔｏｒｒとした。

上記第１の超伝導層２を形成後、熱処理（条件は酸素１
気圧中で８４０℃、６ｈｒ）を行い、その後毎分３℃の
速度で徐冷した。

次にこのビスマス銅含有酸化物超伝導層２上に第３図示
の様にビスマス層状化合物（ＢｉＪｉａＯ＋■）からな
る接合層３を形成した。成膜方法はイオンビーム蒸着法
により、ビスマス原子を含む原料物質としてＢｉｔ’ｓ
を、チタン原子を含む原料物質として金属チタンを使用
した。基板温度を２００℃とし、酸素ガスを導入し（９
乃至１０ｍｌ２７ｓｅｃ．）、チタン成分を加速電圧２
ＫＶ及びイオン化電流１００ｍＡとしてイオン化及び加
速した。

方、ビスマス原子を含む原料物質から発生した蒸発物質
は抵抗加熱法で蒸着した。

ビスマス及びチタン成分の蒸着速度は２乃至３人／ｓｅ
ｃ．であり、得られたＢＩＪｌａＯ＋ｉ薄膜３の厚さは
３０人の層状の膜となっていた。

この上に再度高周波マグネトロンスバッタ法により、ビ
スマス銅含有酸化物超伝導体からなる第２の超伝導層４
を形成した（第４図）。成膜速度は５人／ｓｅｃ．とじ
、この層４については一層目の膜２の様な熱処理は行わ
なかった。この膜４の膜厚は２，４００人であった。

次にアルゴンイオンシリングにより、膜の一部を除去し
、第５図示の様な状態とし、続いて金を真空蒸着して電
極５を形成し、第１図に示した本発明のジョセフソン素
子を形成した。この素子の臨界温度を測定したところ１
０５Ｋであった。

このジョセフソン素子の電流一電圧（Ｉ−Ｖ）特性を四
端子法により６０Ｋで測定した。その結果、第６図に示
す様な特性が得られ、良好な接合が形成されているのが
わかった。

実施例２ ビスマス銅含有酸化物超伝導層からなる第１の超伝導層
２及び第２の超伝導層４をスパッタ法で形成する時に使
用するターゲット材を、ビスマス０．９、鉛０．１、ス
トロンチウム１、カルシウム１及び銅２の組成のものを
用いた以外は、実施例１と同様にして、本発明のジョセ
フソン素子を形成した。プラズマ発光分光法により成膜
後の層２及び４の組成を分析したところ、ビスマス２、
鉛ｌ、ストロンチウム３、カルシウム２及び銅５の組成
比であった。又、この素子の臨界温度は９２Ｋであり、
６０ＫにおいてＩ−Ｖ特性の測定を行ったところ、実施
例ｌとほぼ同様の結果が得られた。

実施例３ ビスマス銅含有酸化物超伝導体からなる第１及び第２の
超伝導層２及び４をスパッタ法で形成する時に使用する
ターゲット材を、ビスマス１、ストロンチウム１、カル
シウム１、銅１．８及びチタン０．２の組成のものを用
いた以外は実施例１？同様にして本発明のジョセフソン
素子を形成した。成膜後、層２及び４の組成をプラズマ
発光法により分析したところ、ビスマス１、ストロンチ
ウム１．５、カルシウム１．５、銅１．５及びチタン０
．５の組成比であった。又、この素子の臨界温度は６０
Ｋであった。

２０Ｋにおいてこの素子のＩ−Ｖ特性の測定を行ったと
ころ、実施例１とほぼ同様の結果が得られた。

実施例４ ビスマス銅含有酸化物超伝導体からなる第１及び第２の
超伝導層２及び４は実施例ｌと同様に、接合層３として
のビスマス層状化合物として、Ｎａｏ．　ｓＢｉ４．　
ｓＴｊ＋ｏ■を用いた。成膜方法は実施例１と同様にイ
オンビーム蒸着法により行った。原料物質はナトリウム
、チタン及びＢｉａｓｓを使用した。基板温度は６００
℃に加熱し、酸素ガスを１０乃至２　０　ｍ　１２　／
ｍｉｎ．の割合導入しながら、前記の組成比で蒸着した
。

蒸着速度は夫々０．５乃至３人／ｓｅｅ．とじ、膜厚は
３０人であった。

他は実施例１と同様にして、本発明のジョセフソン素子
を形成した。この素子の臨界温度及びＩ−Ｖ特性共に実
施例１と同様の結果であった。

実施例５ 第１図示の様なジョセフソン接合を次の様に形成した。

図で１はＭｇＯ基板、２は第１の超伝導層、３は接合層
、４は第２の超伝導層、５は電極である。

先ず、ＭｇＯ基板上に第１の超伝導層２としてビスマス
銅含有酸化物超伝導体を、ビスマス１、ストロンチウム
１、カルシウム１及び銅２の組成によりなる焼結体をタ
ーゲットとして用い、高周波マグネトロンスパッタ法で
３，０００人の厚さに形成した（第２図）。プラズマ発
光分光法により、その膜２の組成を分析したところ、Ｂ
ｌｇＳｒ＋．　４Ｊｌｃａｌ．　ｇｏｃｕｔ．　ａａＬ
の組成比であった。基板温度は７００℃とし、アルゴン
と酸素との混合ガス中で成膜し、ガス圧は５　Ｘ　１　
０−２Ｔｏｒｒとし、酸素分圧は５　Ｘ　１　０−”Ｔ
ｏｒｒとした。この膜２を形成後、熱処理（条件は酸素
１気圧中で８４０℃、６　ｈｒｓ．　）を行い、その後
毎分３℃の速度で徐冷した。

次にこの第１の超伝導層２上に第３図示の様に接合層（
ＢｉａＳｒｚＹＣｕｚＯｙｌ　　３を形成した。成膜方
法はイオンビーム蒸着法により、ビスマス原子及びスト
ロンチウム原子を含む原料物質としてＢｉ２ｓｓ及びＳ
ｒＯを、イットリウム及び銅原子を含む原料物質として
イットリウム及び銅を使用した。基板温度を２００℃と
し、酸素ガスを導入し（９乃至１　０ｍＩ２／ｓｅｃ．
）　、イットリウム及び銅成分を加速電圧２ＫＶ及びイ
オン化電流１００ｍＡとしてイオン化及び加速した。一
方、ビスマス原子及びストロンチウム原子を含む原料物
質から発生した蒸発物質は抵抗加熱法で蒸着した。

蒸着速度は１乃至２人／ｓｅｃ．であり、得られたＢｉ
ｚＳｒｚＹＣｕｚＯｙ薄膜３の厚さは３０人となってい
た。

この上に再度高周波マグネトロンスパッタ法により、第
２の超伝導層４としてビスマス銅含有酸化物超伝導層を
形成した（第４図）。成膜速度は５人／ｓｅｃ．とじ、
この層４については第１の超伝導層２の様な熱処理は行
わなかった。膜厚は２，４００人であった。

次にアルゴンイオンシリングにより、膜の一部を除去し
、第５図示の様な状態とし、続いて金を真空蒸着して電
極５を形成し、第１図に示した本発明の素子を形成した
。この素子の臨界温度を測定したところ８０Ｋであった
。

このジョセフソン素子の電流一電圧特性な四端子法によ
り６０Ｋで測定した。その結果、第６図に示す様な特性
が得られ、良好な接合が形成されているのがわかった。

実施例６ 第１及び第２の超伝導層としてのビスマス銅含有酸化物
超伝導層は、実施例１と同様に、接合層としてのビスマ
ス層状化合物として、ＢｉｚＰｂＦｅＴｉ＋．　ｓＳｎ
＋．　８０？を用いた。成膜方法は実施例１と同様にイ
オンビーム蒸着法により行った。

原料物質は鉛、鉄、チタン、錫及びＢｉｚＯａを使用し
た。基板温度は６００℃に加熱し、酸素ガスを１０乃至
２　０　ｍ　（２　／　ｍｉｎ．の割合導入しながら、
前記の組成比で蒸着した。

蒸着速度は夫々０，５乃至３人／ｓｅｃ．とし、膜厚は
３０人であった。

他は実施例１と同様にして、本発明のジョセフソン素子
を形成した。この素子の臨界温度及びＩ−Ｖ特性共に実
施例１と同様の結果であった。

（発明の効果） 以上の如き本発明によれば、基板上に第１の酸化物超伝
導層、接合層及び第２の酸化物超伝導層を、順次積層し
てなるジョセフソン素子において、上記第１及び第２の
酸化物超伝導層として、層状複合ベロブスカイト構造を
有するビスマス銅含有酸化物超伝導体を用い、且つ接合
層として、同様の層状複合ベロブスカイト構造を有する
ビスマス層状化合物を用いることによって、結晶性の良
いジョセフソン素子を作成し、且つ薄く均一な接合層を
形成し、良好な特性を有するジョセフソン素子が提供さ
れる。

更には、ビスマス銅含有酸化物超伝導体を用いているの
で、液体窒素温度以上で十分に作動し、耐湿性や耐熱性
等の点でとりわけ優れれたジョセフソン素子が提供され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のジョセフソン素子の一例を示す図。 第２図は、基板上に第１の超伝導層としてビスマス銅含
有酸化物超伝導層を形成した状態を示す図。 第３図は、第１の超伝導層上に接合層としてビスマス含
有酸化物を形成した状態を示す図。 第４図は接合層上に更に第２の超伝導層としてビスマス
銅含有酸化物超伝導層を形成した状態を示す図。 第５図は電極形成の為、積層膜の一部を除去した状態を
示す図。 第６図は本発明により得られたジョセフソン素子の電流
一電圧特性を示す図。 １・・・・・・ＭｇＯ基板 ２・・・・・・第１の超伝導層 ３・・・・・・接合層 ４・・・・・・第２の超伝導層 ５・・・・・・電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基体面に、第１の超伝導層、接合層及び第２の超
   伝導層を順次積層してなるジョセフソン素子において、
   上記第１及び第２の超伝導層が、ビスマス銅含有酸化物
   超伝導体からなり、且つ上記接合層が、ビスマス含有酸
   化物からなることを特徴とするジョセフソン素子。
2. （２）第１及び第２の超伝導層が、周期律表の I ａ、
   IIａ、IIIａ及びIVｂ族からなる元素群より選ばれた少
   なくとも１種以上の元素をＡとし、 I ｂ、IVａ、Ｖａ
   、VIａ及びVIIIａ族からなる元素群より選ばれた少なく
   とも１種以上の元素をＢとし、且つ希土類元素より選ば
   れた少なくとも１種以上の元素をＣとするとき、 ｛（Ｂｉ＿１＿−＿ｂＣ＿ｂ）＿２Ｏ＿２｝（Ｃｕ＿１
   ＿−＿ａＢ＿ａ）＿２＿＋＿ｎＡ＿３＿＋＿ｎＯ＿（＿
   １＿２＿＋＿３＿ｎ＿）＿−＿ｘで表わされ、０≦ｂ＜
   １、０≦ａ＜１、−１＜ｎ≦１０及びｘ＞０であるビス
   マス銅含有酸化物超伝導体からなり、且つ接合層が、希
   土類元素より選ばれた１種以上の元素をＣとし、Ｃａ、
   Ｎａ、Ｋ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｐｂ及びＰｒより選ばれた１種
   以上の元素をＢとし、且つＮｂ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｓｎ及び
   Ｇａより選ばれた１種以上の元素をＡとするとき、 ｛（Ｂｉ＿１＿−＿ｂＣ＿ｂ）＿２Ｏ＿２｝＾２＾＋｛
   （Ｂｉ＿１＿−＿ａＢ＿ａ）＿２（Ｔｉ＿１＿−＿ａＡ
   ＿ａ）＿３Ｏ＿１＿０｝＿ｎ＾２＾−で表わされ、０≦
   ｂ＜１、０≦ａ＜１及び１≦ｎ≦５であるビスマス含有
   酸化物からなる請求項１に記載のジョセフソン素子。
3. （３）第１及び第２の超伝導層が、周期律表の I ａ、
   IIａ、IIIａ及びIVｂ族からなる元素群より選ばれた少
   なくとも１種以上の元素をＡとし、 I ｂ、IVａ、Ｖａ
   、VIａ及びVIIIａ族からなる元素群より選ばれた少なく
   とも１種以上の元素をＢとし、且つ希土類元素より選ば
   れた少なくとも１種以上の元素をＣとするとき、 ｛（Ｂｉ＿１＿−＿ｂＣ＿ｂ）＿２Ｏ＿２｝（Ｃｕ＿１
   ＿−＿ａＢ＿ａ）＿２＿＋＿ｎＡ＿３＿＋＿ｎＯ＿（＿
   １＿２＿＋＿３＿ｎ＿）＿−＿ｘで表わされ、０≦ｂ＜
   １、０≦ａ＜１、−１＜ｎ≦１０及びｘ＞０であるビス
   マス銅含有酸化物超伝導体からなり、且つ接合層が、Ｙ
   及びランタノイド元素より選ばれた１種以上の元素をＬ
   ｎとするとき、 Ｂｉ＿２Ｓｒ＿２ＬｎＣｕ＿３Ｏ＿ｙ で表わされ、７≦ｙ≦９であるビスマス含有酸化物から
   なる請求項１に記載のジョセフソン素子。