JPH04196183A - 超電導素子 - 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］ 本発明は超電導スイッチング素子等超電導エレクトロニ
クスの分野を始めとして、超電導薄膜を用いた低温エレ
クトロニクス素子の分野にかかわり、とくに高速デ、イ
シクル回路、高周波アナログ回路の分野に応用される酸
化物超電導素子に関するものである。

【従来の技術Ｊ ジョセフソン接合や超電導三端子素子等の超電導エレク
トロニクス素子を高臨界温度の酸化物超電導４Ａ料によ
って構成する場合、酸化物超電導材料のコヒーレンス長
さに対応した素子寸法が要求される。代表的な酸化物超
電導材料であるＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物のコヒーレンス長
さは０．３〜１．４ｎｍである。このような短い距離に
対応した素子寸法を実現するために、例えばジョセフソ
ン接合に対してはＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物等の結晶粒界を
接合部に用いた例がアプライド・フィジックス・レター
ズ５１巻２００頁（１９８７年）（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅ「ｓ、　Ｖｏｌ、５１．　ｐ
、２００゜＋９８７）に記載されている。この例ではＹ
−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜の幅がくびれだ部分の結晶粒界
をジョセフソン接合部とし、ループ状薄膜の２カ所にこ
のような接合部を設けて直流スクイドを構成している。 【発明が解決しようとする課題Ｉ 前記従来技術を用いて酸化物系の超電導材料を用いて超
電導三端子素子あるいはジョセフソン接合等の超電導素
子を得ようとする場合、つぎのような問題点が発生し、
素子の作製を困難にするとともに、酸化物系エレクトロ
ニクス素子に対する将来の発展性を阻害することになる
。すなわち従来技術及び知識によればジョセフソン接合
の接合部等の素子寸法を酸化物超電導材料のコヒーレン
ス長さであるＩｎｍ程度の極めて短い寸法にする必要が
あった。このような短い＝１法は超電導酸化物の結晶粒
界で実現された。 結晶粒界では多結晶体の結晶が境界を接する部分であり
、！原子層あるいは２原子層のレベルでの原子配列の乱
れが存在する。結晶粒界のこれより内側では超電導酸化
物本来の結晶格子、原子配列、および組成を有する。し
たがって、結晶粒界は酸化物薄膜の作製時にすでに形成
されたものであるが、ナノメートルレベルの常伝導領域
の実現を可能にした。 しかしながら上記従来技術は以下の問題点を有する。す
なわち、ナノメートルレベルのパタンを酸化物超電導材
料に対して人工的に形成することは、現在の微細加工技
術をもってしても不可能である。上記従来技術にがかる
ｌｎｍの寸法は自然現象の助力をもってして始めて実現
されたものである。したがって、あらかじめ設計された
通りにこのような微細寸法を形成し、素子作製を行うこ
とは不可能である。 このことは、素子特性の設定されたとおりに制御された
素子を得ることができないだけでなく、特性の揃った多
数の素子を同一基板上に集積化することが不可能である
ことを意味する。さらに従来例のような２端子素子であ
れば作製可能であるが、構造が複雑化した三端子素子の
ような超電導素子を従来技術によって作製することはき
わめて困難である。 そこで本発明の目的は高臨界温度を有する酸化物超電導
材料を電極とする超電導素子において、素子作製を可能
にする寸法領域で設計し、作製することを可能にならし
める常伝導層用の材料およびその仕様を提供することに
ある。 【課題を解決するための手段】 」二記課題を解決するために、本発明においては酸化物
系の超電導材料を電極と、例えば２個のこれらの超電導
電極をＣｕを成分として含む酸化物等の常伝導材料等を
介して接続するための能動領域とを有し、超電導電極に
よって該酸化物常伝導部が挾まれた領域の超電導電極間
距離をクリーンリミットによって決まる超電導電子対の
存在確率振幅の減衰長より長く、減衰長の１０倍より短
くする。クリーンリミットによって決まる長さとは、す
なわちクリーンリミットにおいて与えられる常伝導層中
における超電導電子対の存在確率振幅に対する減衰長ｄ
ｎに相当する。超電導電極間の距離をこの減衰長ｄｎと
同等、あるいはこれより大きくする。なおりリーンリミ
ットにおける超電導減衰長ｄｎはｈ−ｖ／４π２ｋＴで
与えられる。 ここで１１はプランク定数、ｋはボルツマン定数、■は
キャリアのフェルミ速度であり、キャリア質量をｍ、ｈ
　＝　ｈ　／　２π、ｎをフリーキャリア密度として、 ニ（３工２ｎ）＋３ で与えられる。また、Ｔは動作温度である。この値をた
とえば酸化物常伝導材料であるＬ　ａ　−Ｂ　ａ−Ｃｕ
酸化物に適用すれば１０　Ｋにおいて、５０ｎｍとなる
。したがってこの値は素子を動作させようとする温度に
よって決定される。 酸化物常伝導部としては酸化物超電導材料と結晶構造の
基本形を同じくし、かつ反強磁性的な磁気特性を有する
酸化物材料をもちいると良い。あるいは酸化物超電導材
料と結晶構造の基本形を同じくし、かつ半導体的な電気
特性を有する酸化物材料を酸化物常伝導部として用いる
と良い。 このような材料としては酸素濃度を欠乏させたＹ−Ｂ’
ａ−Ｃｕ酸化物、Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物、Ｌａ−Ｂａ
−Ｃｕ酸化物、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物にＦｅ、Ｃｏ、Ａ
Ｉ、Ｇａ等の磁性元素や、金属元素が不純物として含ま
れた常伝導酸化物等が含まれる。ただし、これら酸化物
材料によりなる常伝導層の厚み、すなわち超電導電極間
距離は上記等式で与えられる減衰長、すなわちフェルミ
速度によって個別に決定づけられる寸法より大きく取る
ものとする。 以上述べた超電導−常伝導−超電導接合は超電導三端子
素子の基本部分である。この常伝導層に流れる超電導電
流を制御する電極を設けることにより、三端子素子が得
られる。制御電極の一例としては常伝導層に積層化して
、層間絶縁膜を介してゲート電極を設ける方法が有る。 この制御電極に電圧を印加することにより、超電導電流
の大きさを制御する。

【作用】

以上の本発明に係る課題を解決するための手段が酸化物
系の超電導三端子の作製に有効であることの根拠は本発
明を裏づける新しい実験事実、および以下に述べる理由
によるものである。 新しい実験事実を第１図を用いて説明する。本発明者等
はＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜３を電極とし、Ｌ　ａ　−
Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸化物薄膜２を常伝導層とするプレーナ
型の素子を作製した。Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物電極間の距
離は０．１μｍから０゜８１１ｍまでの範囲で異なった
寸法のものを作製した。Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物電極間の
距離が０，２μｍの素子の場合について、電圧−電流特
性の一例を第２図に示した。図に示されるごとく、超電
導電流が得られた。超電導電流はやく７０Ｋまで検出さ
れた。他の素子でも同様に超電導電流が得られた。ここ
で作製した素子の電極間距離は酸化物系のコヒーレンス
長さとして考えられている値、すなわち約１ｎｍの１０
０〜１０００倍である。 実験事実から、酸化物常伝導材料として酸化物超電導材
料と結晶構造の基本形を同じくし、場合により更に反強
磁性的な磁気特性を有する酸化物材料か、あるいは酸化
物超電導材料と結晶構造の基本形を同じくし、更に半導
体的な電気特性を有する酸化物材料を用いると良いこと
が分かった。 超電導体と常伝導体の界面において、原子配列および構
成元素の不連続な変化に起因して、超電導電子は連続的
な密度分布をするのではない。一般に、界面において超
電導電子密度は常伝導層に向かって不連続に減衰する。 この減衰割合は超電導材料と常伝導材料の種類が異なる
ほど大きい。たとえば酸化物超電導材料と金属常伝導材
料を接続する場合等がこれに当る。 界面において超電導電子密度を不連続に減衰させないた
めには、構造的に同種の超電導材料と常伝導材料を組み
合わせるのが好ましい。とくにＣｕ系酸化物超電導材料
に対してはＣｕ系酸化物常伝導材料を組み合わせた場合
に超電導電子密度の減衰を充分に抑えることができる。 Ｃｕ系酸化物常伝導材料はＣｕ系酸化物超電導材料のキ
ャリアを低減させることにより、反強磁性的性質をもた
せたもの、あるいは半導体的な電気特性を持たせたもの
が適している。一般に金属系超電導材料においては磁性
と超電導性は共存せず、磁性不純物の存在によって超電
導特性が失われる。 一方、酸化物系超電導材料においては超電導性を担う部
分はＣｕＯ２原子面である。ＣｕＯは本来反強磁性材料
である。しかるにＣｕ系酸化物超電導イＡ料の場合、Ｃ
ｕの価数が２より大きくなることによってキャリア、す
なわちホールが発生し、電子系の波動関数の局在性が弱
められる。これとともに反強磁性的な性質は薄めらでく
る。このことは酸化物常伝導材料において磁気的性質が
超電導の発現を抑えているのではなく、キャリアが存在
するかどうかで超電導になるか否かが決まることを意味
している。 酸化物常伝導材料におけるミクロなメカニズムは明らか
ではないが、現象論的にはＣｕＯ２面に超電導の起源と
なるキャリア間の引力相互作用となる機構を内在してい
る。このために酸化物超電導材料において、超電導的性
質と反強磁性的性質が共存するのである。これらのこと
を考慮することにより、超電導電極から常伝導層に染み
だす超電導電子対の距離が臨界磁場等の測定により決定
されるコヒーレンス長さではなく、より大きな−」法で
あることが分かる。 ホール係数と抵抗率から、ダーティリミットで割算され
るＬ　ａ−１３ａ　−Ｃｕ酸化物等の酸化物常伝導材料
の減衰長は約１ｎｍである。この減衰長は見かけ上、酸
化物材料の短い平均自由行程を反映したものである。酸
化物イ１料の抵抗発生原因は格子振動による散乱ではな
く、隣同志の原子間で波動関数が充分に重なっていない
ことによるものである。 すでに述べたように、Ｃｕ系酸化物では常伝導材料であ
ろうと、超電導的な性質を内在している。 常伝導層に染みだした超電導電子χｊは見が１１・の散
乱を受けるとしても、超電導的な性質は失わないのであ
る。このような点において、超電導電子対の染みだし距
離はダーティリミットにょって決まる減衰長ではなく、
むしろクリーンリミットによって規定される。超電導電
極間の距離はクリーンリミットによって決まる定数、す
なわち先に掲げた減衰長ｄｎで指数関数的に減衰してい
く。従ってジョセフソンカップリングを生じさせるのに
好適な電極間距離はｃａｎの値からその十倍までの範囲
である。この範囲に電極間距離を限定するのはｄｎの匝
より小さくすれば電極間で超電導波動関数の位相がずれ
なくなり、ｄｎＯ値より１０倍以」二大きければ素子の
超電導電流密度が実用上必要な値１０５Ａ／ｍ２より小
さくなるからである。

【実施例】

以下本発明の実施例を以下に述べる。 第３図に示すごとく、Ｓｒ’１ｒｉＣｈの（１１０）面
方位単結晶を超電導三端子素子用の基板１として用いる
。基板」二に常伝導層２としてＬａ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物
薄膜を形成する。成膜は高周波マグネトロンスパッタリ
ング法によって行う。雰囲気ガスはＡｒと濃度５０％の
酸素ガスとし、全圧力は０．４Ｐａとする。ターゲツト
材はＬａ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物の円板状焼結体とする。電
源として］、　３　、　５６ＭＩ（ｚの高周波を用い、
投入電力は１００Ｗとする。膜形成時の基板温度は５５
０℃−７００℃の範囲とする。このような成膜条件によ
って半導体的な電気抵抗特性を有するＬａ−ＢａＣｕ酸
化物薄膜を得る。 つぎにＹ、Ｂａ、およびＣｕ金属を蒸発源とする酸素雰
囲気中での反応性蒸着法によりＹ　−Ｔ３　ａ−Ｃｕ酸
化物薄膜をＬａ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜２上に形成し、
超電導電極膜３とする。Ｙ　−Ｂ　ａ−Ｃｕ酸化物薄膜
の膜厚は８０ｎｍとする。）ｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜
は８０にの超電導臨界温度を有する。 つぎに電子線描画法により有機性レジスト膜に幅０．２
７１ｍの溝パタンを形成する。この上からＡｒあるいは
Ａｒと酸素の混合ガスを用いた反応性イオンビームエッ
ヂフグ法によりＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜を加工するこ
とにより溝を形成する。加工工程によりＹ−Ｂａ　−Ｃ
ｕ酸化物薄膜が２個の電極部に分かたれ、かつ電極間距
離が０．２１１ｍに保たれる。これにより２個の超電導
電極膜３が得られる。 つぎに高周波マグネトロンスパッタリング法によって３
ｒＴｉ０３薄膜の形成を行い、ゲート絶縁膜４とする。 雰囲気ガスはＡｒと濃度５０％の酸素の混合ガスとする
。さらにＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物電極溝部直上にＡｕ薄膜
を形成し、ゲート電極膜５とする。 以上の方法により作製された酸化物系超電導三端子素子
は第４図に示されるごとく、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物電極
間で超電導電流が流れ、Ａｕケ＝１・電極に電圧を印加
することにより、超電導電流の１直を制御することがで
きる。すなわち、ゲ−１・に正の電圧を印加することに
より、常伝導層のキャリア濃度が減少する。この結果、
実効的な減衰長か短くなることにより、超電導電流を低
下させることかできる。これにより、本素子が超電導三
端子素子として動作することが示される。 Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜の電極間距離として０．２Ｉ
Ｊｍ以外に０．１１Ｊｍから１．０μｍまでの範囲で異
なった寸法を有する超電導三端子素子の作製を行い、こ
の素子特性を測定することにより、やはりゲート電圧に
よって超電導電流を制御できることが示される。電極間
距離が長い場合、零ゲート電圧下では超電導電流値が低
いので、負のゲート電圧を印加することにより蓄積層を
常伝導層に形成し、キーヤリア濃度を増加させて、超電
導電流を増大させる。 さらに超電導電極をＹ　−１３ａ　−Ｃｕ酸化物、酸化
物常伝導層としてＰ　ｒ　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸化物薄膜
、ゲート絶縁層として５ｒＴｉ０３薄膜、グー１〜電極
としてＡｕ薄膜を用いた超電導三端子素子も同様の方法
により作製される。この超電導三端子素子−はやはりＹ
　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸化物電極間で超電導電流が流れ、
Ａｕゲート電極に電圧を印加することにより超電導電流
のレベルを調節することができ、三端子としての動作が
有効に働いていることを示す。 酸化物常伝導層として」二記Ｌａ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物、
Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物以外に、ペロソスカイ）・型結
晶構造を有し、Ｃｕを含む酸化物であるＬ　ａ　−Ｃｕ
酸化物、Ｂ　ｉ　−３ｒ−Ｃｕ酸化物、酸素濃度を欠乏
させたＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物に
Ｆｅ、Ｃｏ、ＡＩ、Ｇａ等の磁性元素や、金属元素が不
純物として含まれた常伝導酸化物等を用いても同様に超
電導三端子素子を構成できる。さらに超電導電極として
Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物以外に、Ｂ１５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ酸
化物、Ｔ　ｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ酸化物等のＣｕを含む
酸化物材料を用いても同様に三端子素子を構成できる。 このような酸化物超電導三端子素子は高速ディジクル論
理回路や記憶回路、高速アナログ・ディジクル変換器等
のアナログ回路、高感度で磁場信号を検出するスクイド
やマイクロ波を検出するセンサ等の基本素子として用い
られる。

【発明の効果】

本発明は以下の効果を有する。 （１）従来人工的に得ることがきわめて困難であった、
酸化物超電導電極の超電導コヒーレンス長さであるｌｎ
ｍの素子寸法を形成する必要がなく、０．１７１ｍ〜１
１１ｍの超電導電極間距離で超電導特性を有する素子を
得ることができる。 （２）このような素子寸法は結晶粒界や積層構造を採用
する必要がなく、集積化および三端子化等が可能なプレ
ーナ構造を容易に実現できる寸法形状である。 （３）本発明により、素子特性を人工的に制御て＝　１
６− きるかたちで三端子素子を含む酸化物系超電導素子を作
製することが可能である。これにより、スイッチング回
路、マイクロ波検出素子、スクイド等酸化物超電導素子
を用いたデバイスをあらかじめ設計された仕様にもとづ
いて作製することが極めて容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本となる超電導素子の構造を説明す
るための図、第２図は第１図に掲げた超電導素子の電圧
−電流特性を説明するための図、第３図は本発明の一実
施例である酸化物超電導三端子素子を説明するための図
、第４図は第３図に掲げた酸化物超電導三端子素子の電
圧−電流特性を示す図である。 符号の説明 １　・・・基板、２　・−酸化物常伝導層、３　　酸化
物超電導電極、４・・・・ゲート絶縁膜、５　　ゲート
電極膜。 電圧（４す

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超電導性を示す複数の電極と、これら複数の電極間
   を流れる電流のチャネルを形成するための能動領域と、
   この能動領域を流れる電流を制御するための制御手段と
   を有し、上記複数の電極間の距離が ｈｖ／４π＾２ｋＴ 但し、ｈはプランク定数、 ｖはキャリアのフェルミ速度、 ｋはボルツマン定数及び Ｔは動作温度 で与えられる値よりも大きい超電導素子。 ２、請求項１に記載の超電導素子において、前記能動層
   がＣｕ成分として含む酸化物材料である超電導素子 ３、請求項１に記載の超電導素子において、前記複数の
   電極間の距離が前記ｈｖ／４π＾２ｋＴで与えられる値
   の１０倍よりも小さい超電導素子。 ４、請求項１に記載の超電導素子において、前記能動領
   域が前記電極と同一の結晶構造の基本形を有する超電導
   素子。 ５、請求項１に記載の超電導素子において、前記能動領
   域が反強磁性的磁気特性を有する超電導素子。 ６、請求項１に記載の超電導素子において、前記能動領
   域が半導体的電気特性を有する超電導素子。