JPH04288885A - トンネル型ジョセフソン素子 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温超電導材料の優れ
た特性を活かしたトンネル型ジョセフソン素子に関する
。

【０００２】

【従来の技術】ジョセフソン素子は、超電導体同士の弱
結合から構成される。この弱結合を実現するための具体
的構成として幾つかの構造が提案されており、その中で
最も典型的な構造を有するものとして、トンネル型ジョ
セフソン素子が知られている。このトンネル型ジョセフ
ソン素子は、一対の超電導体層の間に極めて薄い非超電
導体層を挿入した構造を有する。

【０００３】実際に作製されたトンネル型ジョセフソン
素子は、超電導体としてＮｂ，ＮｂＮ、Ｐｂ等を用い、
非超電導体としてＮｂ又はＰｂの表面を酸化した酸化物
又はＭｇＯ、α−Ｓｉなどの蒸着膜を形成したものを使
用している。しかし、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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方、１９８６年に、
［Ｌａ，Ｓｎ］２　ＣｕＯ４　等の酸化物焼結体が、高
いＴｃを有する超電導材料であることが見出だされ、こ
れに続いてＹ１　Ｂａ２　Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ　で表される
酸化物超電導体が、液体窒素の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。

【０００５】このような高温で超電導特性を示す材料は
、安価な液体窒素を冷却媒体として使用することが出来
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、酸化物高温超電導材料を用い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。

【０００６】このような酸化物高温超電導体を用いて試
作したジョセフソン素子の例として、粒界接合型の素子
がある。しかし、この型のジョセフソン素子の接合の形
成は、偶然性に頼るところが多く、所望の特性を有する
ジョセフソン素子を再現性良く得ることは困難である。 従って、粒界接合型のジョセフソン素子は、工業的実用
性に欠けていた。これに対し、酸化物高温超電導体を用
いて試作したトンネル型ジョセフソン素子の例として、
以下のものが知られている。

【０００７】（１）超電導体としてｃ軸が基板と垂直な
方向に成長したＹ１Ｂａ２　Ｃｕ３　Ｏ７−Ｘ　で表さ
れる酸化物超電導体を用い、非超電導体としてＭｇＯ、
ＳｒＴｉＯ３、Ａｌ２　Ｏ３　等の絶縁体を用いたもの
、（２）（１）と同様の材料の組合わせであって、超電
導体のａ軸が基板に垂直な方向に成長したもの、

【００
０８】（３）超電導体としてｃ軸が基板と垂直な方向に
成長したＹ１Ｂａ２　Ｃｕ３　Ｏ７−Ｘ　で表される酸
化物超電導体を用い、非超電導体としてＰｒ１　Ｂａ２
　Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ　で表される常電導体を超電導体と同
一の方向に成長させたもの、 （４）（３）と同様の材料の組合わせであって、超電導
体と非超電導体のａ軸が基板に垂直な方向に成長したも
のしかし、これらのトンネル型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、充分な特
性を発揮するものではない。

【０００９】本発明は、上述の従来技術の問題点を解決
し、酸化物高温超電導体の優れた超電導特性を有効にに
発揮するトンネル型ジョセフソン素子を提供することを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によると、酸化物
高温超電導体からなる一対の超電導体層と、これら一対
の超電導体層の間に形成された非超電導体からなる非超
電導体層とを具備するトンネル型ジョセフソン素子であ
って、前記超電導体層のｃ軸は基板に垂直な方向に、ま
た前記超電導体層と非超電導体層とが相互に各々エピタ
キシャルに成長しており、前記非超電導体層は、前記超
電導体層の格子定数に近い格子定数を有し、伝導性かつ
正方晶のペロブスカイト型酸化物からなることを特徴と
するトンネル型ジョセフソン素子が提供される。

【００１１】本発明のトンネル型ジョセフソン素子に使
用される超電導材料としては、Ｙ１Ｂａ２　Ｃｕ３　Ｏ
７−Ｘ　で表される複合酸化物、この複合酸化物のＹを
Ｈｏ、Ｅｒ等のランタノイド元素により置換した組成を
有する複合酸化物、Ｔｌ２　Ｂａ２　Ｃａ１　Ｃｕ２　
Ｏｘ　、Ｔｌ２　Ｂａ２　Ｃａ２　Ｃｕ３　Ｏ１０−Ｙ
、Ｂｉ２　Ｓｒ２　Ｃａ１　Ｃｕ２　Ｏｘ　、Ｂｉ２　
Ｓｒ２　Ｃａ２　Ｃｕ３　Ｏ１０−Ｙ、及びこれらの複
合酸化物にＰｂを添加したもの等を挙げることが出来る
。

【００１２】非超電導材料としては、ＬａＮｉＯ３　、
Ｌａ０．５Ｓｒ０．５　ＶＯ３　、ＳｒＣｒＯ３　、Ｌ
ａＴｉＯ３　、ＢａＰｂＯ３　、ＳｒＦｅＯ３　、Ｂａ
１−Ｘ　ＫＸ　ＢｉＯ３　等、超電導材料の格子定数に
近い格子定数を有し、伝導性かつ正方晶のＡＢＯ３　型
のペロブスカイト酸化物を挙げることが出来る。

【００１３】

【作用】本発明者らは、酸化物高温超電導体を用いたト
ンネル型ジョセフソン素子を得るために従来行われてい
た様々な試みについて、種々検討を加え、それらがいず
れも一定の問題点を有する理由について研究した。

【００１４】まず、超電導体の表面酸化により絶縁体を
形成する方法は、もともと酸化物である酸化物超電導体
に対しては有効ではない。そこで、既に述べたように、
一対の超電導体層の間に他の絶縁材料例えばＭｇＯ、Ｓ
ｒＴｉＯ３　、Ａｌ２　Ｏ３　などからなる絶縁層を形
成することが試みられたが、有効な特性が発揮されなか
った。 本発明者らの研究によれば、その原因は以下の通りであ
る。

【００１５】（１）酸化物高温超電導体は、その成膜の
際の温度が６５０〜７５０℃と高い。また、酸化物高温
超電導体のコヒ−レンス長は非常に短いので、ｃ軸が基
板に垂直な方向に成長し、かつ非超電導体層が絶縁体で
ある場合には、非超電導体層の厚さを１０〜５０オング
ストロ−ムと超薄膜にしなければならない。このような
成膜時の高温と膜厚の薄さのため、超電導体層の成膜時
に非超電導体層と超電導体層との界面近傍に拡散が生ず
る。この結果、非超電導体層は、平坦な表面から島状の
構造に変化してしまい、一対の超電導体層同士が、非超
電導体層を介さずに直接接合してしまう。 （２）絶縁層と酸化物高温超電導体との格子定数が大き
く異なることが多く、その場合、両者の界面に歪みが生
じてしまう。

【００１６】次に、酸化物高温超電導体のコヒ−レンス
長は、ａ軸方向がｃ軸方向より長いことが知られている
ので、上述した酸化物超電導体と絶縁体の組合わせにお
いて超電導体層のａ軸を基板に垂直な方向に成長させ、
絶縁層の膜厚を厚くすることが試みられた。しかし、こ
のようにして作製されたジョセフソン素子は、有効な特
性を発揮しなかった。本発明者らの研究によれば、その
原因は以下の通りである。

【００１７】（１）ａ軸が基板に垂直に成長した酸化物
高温超電導体は、表面の平坦性が悪い。従って、この上
に非超電導体を積層した場合、下地の凹凸のため、非超
電導体は不連続・非平坦な層となってしまう。この上に
上層の超電導体層を積層すると、一対の超電導体層同士
が直接接触してしまう。

【００１８】（２）ａ軸が基板に垂直に成長した酸化物
高温超電導体を得るためには、成膜温度をｃ軸の場合に
比べ５０〜１００℃低くする必要がある。このように低
温で成膜した場合には、得られた層は結晶性が悪く、液
体窒素温度では超電導特性を示さない。そこで、超電導
特性を得るためポストアニ−ルが施されるが、その際、
超電導体層と非超電導体層との間で拡散が生じてしまう
。

【００１９】更に、Ｙ１　Ｂａ２　Ｃｕ３　Ｏ７−Ｘ　
やＰｒ１　Ｂａ２　Ｃｕ３　Ｏ７−Ｘのような酸化物高
温超電導体は、構成元素の置換により超電導性を失って
非超電導体となることを利用して、超電導体の構成元素
を置換した複合酸化物により非超電導体層を形成するこ
とが試みられた。しかし、このようにして作製されたジ
ョセフソン素子も、有効な特性を発揮しなかった。本発
明者らの研究によれば、その原因は以下の通りである。

【００２０】（１）超電導体の構成元素の置換による非
超電導体層は、構造自体は超電導体の構造と同一である
ため、異方性が強い。ｃ軸が基板に垂直に成長したトン
ネル型ジョセフソン素子の場合には、上述と同様に、非
超電導体層の膜厚を１０〜５０オングストロ−ムという
超薄膜にしなければならない。従って、上述した絶縁体
の場合と同様の現象が生じてしまう。

【００２１】（２）超電導体の構成元素の置換による非
超電導体層は、構造自体は超電導体の構造と同一である
ため、界面において被置換元素と置換元素との間の拡散
が生じてしまう。この試みにおいて、ａ軸を基板に垂直
に成長させた場合には、上述したのと同様の不都合が生
じた。本発明は、以上の検討結果に基づきなされた。

【００２２】本発明のトンネル型ジョセフソン素子では
、一対の超電導体層に挟まれた非超電導体層のキャリア
密度の増加により、一対の超電導体層間の距離を大きく
することが出来ること、および非超電導体層のキャリア
密度が超電導体層のキャリア密度と同程度又は多いとき
は、異方性のない非超電導体層からの近接効果により超
電導体層の異方性を緩和する作用があることを利用して
、上述の問題点を解決している。

【００２３】即ち、トンネル型ジョセフソン素子におい
て、ｃ軸が基板に垂直な方向に成長した一対の超電導体
層の間に設けられる非超電導体層として、伝導性かつ正
方晶の酸化物を用いることにより、非超電導体層の厚さ
を厚くすることが出来、島状となることを防止すること
が出来、かつ異方性の影響を少なくすることが出来る。 更に、非超電導体層として、超電導体層の格子定数に近
い格子定数を有する正方晶のペロブスカイト型（ＡＢＯ
３　）酸化物を用いることにより、超電導体層と非超電
導体層との間で、格子定数、熱膨脹係数等の差が少なく
なり、エピタキシャル成長が行われ、界面の歪みによる
特性劣化を押さえることが可能である。

【００２４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を示し
、本発明をより具体的に説明する。なお、以下の実施例
は本発明を例示するものであって、本発明の技術的範囲
を何ら限定するものではない。本実施例に係るトンネル
型ジョセフソン素子の構造を図１に示す。

【００２５】図１に示すように、このトンネル型ジョセ
フソン素子は、基板１上に、第１の超電導体層２、非超
電導体層３、第２の超電導体層４が順次積層されている
。非超電導体層３及び第２の超電導体層４の一部は除去
されて、第１の超電導体層２の一部が露出している。 第１の超電導体層２のこの露出面に第１の電極５ａが、
第２の超電導体層４の表面に第２の電極５ｂがそれぞれ
形成されている。以上のように構成される図１のトンネ
ル型ジョセフソン素子は、次のようにして作製される。

【００２６】ＭｇＯ単結晶からなる基板１の（１００）
面を成膜面として用い、この面上にＲＦスパッタリング
法により１０００〜３０００オングストロ−ムの膜厚の
第１の超電導体層２を形成した。タ−ゲットとしてＹ１
　Ｂａ２　Ｃｕ３　Ｏ７−Ｘ　の組成を有する酸化物焼
結体を用いた。成膜条件は、基板温度：７００℃、成膜
速度：１オングストロ−ム／秒、ＲＦ電力：１５０Ｗ、
ガス流量：Ａｒ／Ｏ２　＝１０ＳＣＣＭ／１０ＳＣＣＭ
、圧力：４００ｍＴｏｒｒであった。

【００２７】このようにして得られたＹ１　Ｂａ２　Ｃ
ｕ３　Ｏ７−Ｘ　薄膜２は、Ｘ線回折法によると、ｃ軸
配向特有の（００ｌ［エル］）の回折ピ−クのみが観測
され、この薄膜が、ｃ軸が基板と垂直な方向に成長した
結晶膜であることが確認された。

【００２８】次に、タ−ゲットとしてＢａＰｂＯ３　焼
結体を用いたことを除いて、上述と同様の成膜条件で、
５０〜１００オングストロ−ムの膜厚のＢａＰｂＯ３　
薄膜からなる非超電導体層３を形成した。このようにし
て作製された非超電導体層３上に、更に、第１の超電導
体層２と同様にして第２の超電導体層４を形成した。

【００２９】このようにして得られた積層体に対し、、
第１の超電導体層２の一部の領域が露出するまで、ＳＦ
６　ガスによるＲＩＢＥ（反応性イオンビ−ムエッチン
グ）法を用いてエッチングを行なった。次いで、露出し
た第１の超電導体層２及び第２の超電導体層４のそれぞ
れの上面にＡｕを蒸着し、第１及び第２の電極５ａ，５
ｂを形成した。以上のようにして得たトンネル型ジョセ
フソン素子の電圧−電流特性を測定したところ、図２に
示す結果を得た。測定は、７７Ｋの温度で行われた。

【００３０】図２に示すように、本実施例に係るトンネ
ル型ジョセフソン素子では、エネルギ−ギャップに対応
する１０ｍＶ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。

【００３１】以上説明した手順に従い、１０個のトンネ
ル型ジョセフソン素子サンプルを作製し、エネルギ−ギ
ャップに相当する電圧を測定したところ、すべてのサン
プルが５ｍＡ〜１２ｍＡの範囲に入り、再現性が良好で
あることが確認された。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
一対の超電導体層の間に形成された非超電導体層として
、伝導性かつ正方晶のペロブスカイト型酸化物を用いて
いるため、超電導体層と非超電導体層との間の界面にお
いて良質な接合が実現され、優れた超電導特性を発揮す
るトンネル型ジョセフソン素子を得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るトンネル型ジョセフソ
ン素子の構成を示す斜視図。

【図２】本発明の一実施例に係るトンネル型ジョセフソ
ン素子の電圧−電流特性図。

【符号の説明】

１…基板、２…第１の超電導体層、３…非超電導体層、
４…第２の超電導体層、５ａ…第１の電極、５ｂ…第２
の電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　酸化物高温超電導体からなる一対の超
   電導体層と、これら一対の超電導体層の間に形成された
   非超電導体からなる非超電導体層とを具備するトンネル
   型ジョセフソン素子であって、前記超電導体層のｃ軸は
   基板に垂直な方向に、また前記超電導体層と非超電導体
   層とが相互に各々エピタキシャルに成長しており、前記
   非超電導体層は、前記超電導体層の格子定数に近い格子
   定数を有し、伝導性かつ正方晶のペロブスカイト型酸化
   物からなることを特徴とするトンネル型ジョセフソン素
   子。