JPH04105373A

JPH04105373A - 超伝導素子

Info

Publication number: JPH04105373A
Application number: JP2222757A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Adachi; 秀明足立; Seiji Adachi; 成司安達; Koichi Mizuno; 紘一水野; Hiroshi Ichikawa; 洋市川; Kentaro Setsune; 瀬恒　謙太郎
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-08-24
Filing date: 1990-08-24
Publication date: 1992-04-07

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（友　超伝導応用技術の超伝導素手に関するもの
であも従来の技術近年発見された酸化物超伝導体の中には　その超伝導臨
界温度が液体窒素温度を越えるものがあり、超伝導体の
応用分野を大きく広げることとなったその実用化の一つである超伝導素子について、酸化物超
伝導体を二つに割り、再びわずかに接触させたジョセフ
ソン素子、酸化物超伝導体を薄膜にし　小さなくびれを
つけたブリッジ型ジョセフソン素子などが従来試作され
ていも発明が解決しようとする課題従来試作されている素子のう板　ポイントコンタクト型
と呼ばれる酸化物超伝導体どうしを接触させるタイプで
は再現性が得られず、また特性が不安定であっ九　また
酸化物超伝導体にくびれをつけたブリッジ型素子でＣヨ
　　わずかな静電的ショックで破損するという欠点があ
つ九そこで酸化物超伝導体を用いた接合型の構造を持つ超伝
導素子が望まれているが、　酸化物超伝導体の成膜は比
較的高温で行なうた数　上部に位置する超伝導電極成膜
時に接合部の非超伝導層か拡散する力＼　あるいは超伝
導電極層に用いた材料と非超伝導層の材料の薯膨張係数
が違うた敦　熱ストレスにより上部に位置する超伝導電
極の超伝導性が損なわれたり、非超伝導層にゼンホール
ができる等の問題があったまた　超伝導電極層に用いた材料と非超伝導層の材料の
結晶構造の違いによる格子の不整合性などによって、上
部に位置する超伝導電極の結晶性が悪くなり、その超伝
導性が基板上の超伝導電極に比べ劣るなどの問題点も指
摘されていた課題を解決するための手段本発明は　超伝導体からなるＡ電極およびＢ電極と、そ
れらを隔てる非超伝導層の接合部により構成された超伝
導素子において、Ａ電極あるいはＢ１を極および非超伝
導層の材料として、少なくともＰｂ、アルカリ土類元素
（Ａｅ）、希土類元素（Ｌｎ）、Ｃｕを含むＰｂ系層状
酸化物を用いるというものであａ但しここでいうＰｂ系層状酸化物と１ＬＰｂを主体成分
とする酸化物ブロック層と、ペロブスカイト類型構造を
とるブロック層と力交　交互に積層された結晶構造をも
つ物質を示も作用本発明者らは　超伝導体からなるＡ電極あるいはＢＩＥ
％および中間の非超伝導層の材料としてＰｂ系層状酸化
物を用いると、Ａ電極あるいはＢ電極のＰｂ系超超伝導
薄膜比較的低温で合成でき、かつ酸化に特別の注意をは
らう必要がないので素子をつくる上で適していもまた非超伝導層も同じＰｂを含むた数　蒸気圧の高いＰ
ｂ元素に対しても熱的に安定で拡散が少なく、はぼ完全
に近い均一な絶縁層を再現性よく形成で駅　良好な電流
電圧特性を示す超伝導素子が形成できも同時へ　この超伝導素子の非超伝導層が超伝導電極と同
系列の結晶構造であるた敢　非超伝導層自体およびこれ
に対向する超伝導体電極材料の結晶性を向上させもこのことにより超伝導体電極の超伝導性を損なうことな
く、良好な超伝導性を有する超伝導素子を形成できも実施例本発明はＰｂ系層状酸化物を超伝導体（ＡＢ両電極）及
び非超伝導体（接合部）として用いるたべ　積層型で初
めて安定した特性を有する超伝導素子を実現し　同時に
超伝導体と非超伝導体とは構成元素を変えて適応できる
た取　非常に容易に超伝導素子が作製できも特に本発明のＰｂ系層状酸化物の非超伝導層としては　
Ｐｂ系超伝導体電極よりも希土類対アルカリ土類元素比
（Ｌｎ／Ａｅ）を増やした層を用いれば　非常に簡単に
実現することができるため好まし− 特にＡ、　　Ｂ両超伝導電極および非超伝導層となるＰ
ｂ系層状酸化物を、基板表面に対してその結晶のＣ軸が
垂直に配向した薄膜を用いることによリ、良好な結晶性
を有ｔ、、　　Ａ、　　Ｂ両電極においてより良好な超
伝導特性をもつ薄膜を実現することが可能となもまた非超伝導層の材料として第２図に示す結晶構ム　す
なわちＰｂとＣｕの酸化物からなるブロック層２１と、
　１原子層のＬｎ元素２２を介して向かい合ったＣｕＯ
５ピラミツケ２３、およびピラミッドの頂点に隣接した
Ａｅ元素２４からなるブロック層２５とへ　交互の積層
された構造をもつ物質を用いると、化学的に安定で、容
易に平滑な非超伝導層として作製可能であるため好まし
く−さらに非超伝導層の材料として第３図に示す結晶構
遂　すなわちＰｂとＣｕの酸化物からなるブロック層２
１と、蛍石構造のＬｎ２０２層３１を介して向かい合っ
たＣｕＯ５ピラミッド２３、およびピラミッドの頂点に
隣接したＡｅ元素２４からなるブロック層３２とへ　交
互の積層された構造をもつ物質を用いた場合にｋ　化学
的に安定で平滑な層が形成でき、また電気的特性も良い
ので良好な電流電圧特性を示す超伝導素子が実現できる
ため好ましく騙なおＰｂとＣｕの酸化物ブロック層としては３種類程度
存在することが確認されており、　Ｐｂ−Ｃｕ−Ｐｂの
順序で酸化物が積み重ねられた３層ブロック凰　Ｐｂと
Ｃｕがほぼ１対１でランダムに２層重なった２層ブロッ
クＷｉ、ＰｂとＣｕがほぼ１対１でランダムに１層なら
んだ単層プロ・ツク層などかあム本発明者らによる発明の内容をさらに深く理解されるた
めへ　以下に具体的な実施例を用いて説明すも実施例１第１図は本発明の一実施例を示すプロセス図であムまず、Ｍｇ○基板を基体１１に用（＼　ｒｆマグネトロ
ンスパッタリング法によって成膜した厚さ３００ｎｍの
Ｐｂ−３ｒ−Ｙ−Ｃａ−Ｃｕ−○をＡ電極１２としｔ：
にの物質は代表的なＰｂ系酸化物超伝導体の一種であり、
ペロブスカイト類型ブロック層の中で対向する２個のＣ
ｕｂａピラミッドの間に　Ｙ１９％Ｃａｓ、ｓの一原子
層が挿入された結晶構造をもつ。

膜は５５０℃という比較的低温かつ希酸素雰囲気で作製
されたＣ軸配向薄膜で、膜組成はＰｂ２ＳｒｅＹｓ、５
ｃａｓ、５ＣｕｓＱｘ、また超伝導転移温度は７０にで
あっ九Ａ電極１２を成膜後、ひき続き同一真空中で、非超伝導
層１３としてｒｆマグネトロンスパッタリング法により
、厚さ５０ｎｍのＰ　ｂｇｓ　ｒｅＹｃｕ　ｓ　Ｏｖを
Ａ電極と同条件で堆積させた（第１図ａ）。

この非超伝導層１３ζよ　Ａ電極１２の超伝導層と同じ
結晶構造の材料である力交　超伝導材料において２個の
Ｃｕｏｓ間の一原子層の元素がＹ・、５Ｃａｓ、ｓであ
るのに対して、非超伝導層ではすべて希土類元素のＹと
なっていも　すなわち結晶構造は同じ物質であり、原子
層の組成のみを超伝導層においてＹ／Ｃａ二１、非超伝
導層においてＹ／Ｃａ＝１１０（無限大）と変化させて
構成していも次にＢ電極１４としてＡ電極１２と同じＰ
ｂｅＳｒｇＹｓ、５ｃａｓ、５ＣｕａＱｘ膜を、Ａ電極
１２と同様の手法で２００　ｎｍ堆積させた（第１図ｂ
）。

その丸　ネガレジストを用いたフォトリソグラフィーお
よびイオンミリングによりにより、非超伝導層１３及び
Ｂ電極１４をトンネル接合形状にバターニングした（第
１図Ｃ）。

その徴　ネガレジスト１５を除去せずに　電極間分離層
１６として２５０　ｎｍのＣａＦ２を真空蒸着により堆
積後（第１図ｄ）、　トリクロロエタンによる超音波沈
木　および０２ガスプラズマ処理によるリフトオフ法で
Ｂ電極表面を露出させた（第１図ｅ）。

最後へ　メタルマスクを用いＢ電極の一部に接触させ、
コンタクト電極１７として２００　ｎｍのＰｔをｒｆマ
グネトロンスパッタリング法により堆積させ超伝導素子
を完成させた（第１図ｆ）。

この製造方法による超伝導素子？！５０Ｋにおいて良好
な超伝導トンネル特性およびジョセフソン効果を示し九この素子において１５０μＡの超伝導電流が流れななお本実施例では　非超伝導層の一原子層の希土類元素
がＹで構成される材料を用いた力＜、　　Ｇｄ、Ｅｕ、
Ｙｂなどの多くの他の希土類元素を用いたものでＬ　同
様に良好な超伝導素子が実現できること勿論であも実施例２実施例１と同様にして、ＭｇＯ基板の基体上にｒｆ？グ
ネトロンスパッタリング法によって成膜した厚さ３００
ｎｍのＰｂ２ｓ　ｒ２Ｙｓ、５Ｃａｓ、５ＣＩＨＱｘを
Ａ電極とじ九Ａ電極を成膜後ひき続き同一真空中で、非超伝導層とし
て厚さ５０ｎｍのＰ　ｂａＳ　ｚＰ　ｒ２ｃｕｓＯ，を
、　ｒｆマグネトロンスパッタリング法により作製し九この物質は　ＰｂとＣｕの酸化物からなるブロック層と
、蛍石構造のＰｒｚ○２層を介して向かい合ったＣｕＯ
５ピラミッドを主体とするブロック層との、　交互の積
層された結晶構造をもつ。すなわち超伝導層と接合部の
非超伝導層の結晶構造は同系列の物質であり、　Ｃ軸配
向膜どうしを接合させると、面内のａ、　　ｂ両結晶軸
の格子整合性がよく、結晶性の良い薄膜作製が実現され
も次にＢ電極として、Ａ電極と同様の手法てＡ電極と同じ
Ｐ　ｂａＳ　ｒ２Ｙｓ、ｓｃ　ａｓ、５ｃｕｓＱｘ膜を
２００　ｎｍ堆積させることにより、結晶性に優れた３
層の積層が実現され九実施例１と同様の手法で超伝導素子に加工した結果　こ
の超伝導素子は５０Ｋにおいて良好な超伝導トンネル特
性およびジョセフソン効果を示し九なお本実施例で（よ　非超伝導層の結晶構造における蛍
石構造Ｌｎ２Ｏ３層の希土類元素がＰｒで構成される材
料を用いたが、他の希土類元素あるいは（Ｙ、Ｃｅ）、
（Ｇｄ、Ｃｅ）、（Ｅｕ、Ｃｅ）、（Ｎｄ、　Ｃｅ）な
どの希土類元素の組合せ等でＬ　同様に良好な超伝導素
子が実現できること勿論であも発明の詳細な説明したように　本発明の超伝導素子は超伝導体から
なるＡ電極及びＢ電極と、ＡＢ両電極を隔てる非超伝導
体からなる接合部と力＜　　Ｐｂ系層状酸化物で構成さ
れているた＆　　ＡＢ両電極と接合部の材料組成・結晶
構造か同系列であるため化学的に安定であり、超伝導体
電極の超伝導性の劣化が少なく、優れた超伝導素子を製
造できる効果があもこのことは現在超伝導応用のひとつとしてジョセフソン
素子を構成要素とする超伝導量子干渉計が実用化されて
いる戟　本発明の超伝導素子はジョセフソン素子として
動作しており、この素子を用いると超伝導量子干渉計を
構成できる効果があムさらに本発明の超伝導素子は　低消費電力のスイッチン
グ素子も　非線形咀　あるいは超伝導体に特有の量子効
果を利用した高感度の高周波のミキサーとしても利用で
きもこれらの点だけでも本発明の超伝導素子法　計算機応尽
　電子機器応用などにたいする実用的効果は大であも

【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の製造方法のプ
ロセス医　第２図は本発明における非超伝導層の一実施
例の結晶構造図　第３図は本発明における非超伝導層の
別の実施例の結晶構造図であム１１・・・基恢　１２・・・Ａ電極　１３・・・非超伝
導層　１４・・・Ｂ電Ｋ　　１５・・・ネガレジスト、
　１６・・・電極間分離Ｉｔ　　１７・・・コンタクト
電極　２１・・・ＰｂとＣｕの酸化物ブロック凰　２２
・・・Ｌｎ−原子凰　２３・・・ＣｕＱｓピラミッド、
　２４・・・Ａｅ元魚　２５・・−Ａｅ２ＬｎＣｕ２０
ｚブロック恩　３１・・・Ｌｎ２Ｏ３恩　３２・・・Ａ
ｅ２Ｌｎ２Ｃｕ２ｏｚブロック凰代理人の氏名　弁理士
　小鍜治　明　ほか２名笛　ｌ　図第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）超伝導体からなるＡ電極、およびＢ電極と、それ
を隔てる非超伝導層よりなる接合部と、前記Ａ電極ある
いは前記Ｂ電極上の一部に接触して形成したコンタクト
電極と、前記非超伝導層より厚く前記コンタクト電極と
前記Ａ電極あるいは前記コンタクト電極と前記Ｂ電極と
の間を隔てる電極間分離層とからなる超伝導素子におい
て、前記Ａ電極あるいは前記Ｂ電極の少なくとも一方の
材料、および前記接合部の材料が、少なくともＰｂ、ア
ルカリ土類元素（Ａｅ）、希土類元素（Ｌｎ）、Ｃｕを
含むＰｂ系層状酸化物で構成されることを特徴とする、
超伝導素子。ここでＡｅはアルカリ土類元素のうち少なくとも一種類
以上の元素、Ｌｎは希土類元素のうち少なくとも一種類
以上の元素を示す。
（２）接合部のＰｂ系層状酸化物の希土類元素対アルカ
リ土類元素比（Ｌｎ／Ａｅ比）が、Ａ電極又はＢ電極材
料のＰｂ系層状酸化物超伝導体のＬｎ／Ａｅ比より大き
いことを特徴とする、請求項１記載の超伝導素子。
（３）Ａ電極、Ｂ電極および接合部を、すべてｃ軸配向
させて形成したＰｂ系層状酸化物を用いたことを特徴と
する、請求項１記載の超伝導素子。
（４）接合部の材料の結晶構造が、１原子層のＬｎ元素
を介して向かい合ったＣｕＯ＿５ピラミッドおよびピラ
ミッドの頂点に隣接したＡｅ元素からなるブロック層と
、ＰｂとＣｕの酸化物からなるブロック層との、交互の
積層された構造であることを特徴とする、請求項１記載
の超伝導素子。
（５）接合部の材料の結晶構造が、蛍石構造のＬｎ＿２
Ｏ＿２層を介して向かい合ったＣｕＯ＿５ピラミッドお
よびピラミッドの頂点に隣接したＡｅ元素からなるブロ
ック層と、ＰｂとＣｕの酸化物からなるブロック層との
、交互の積層された構造であることを特徴とする、請求
項１記載の超伝導素子。