JPH04320074A - トンネル接合素子 - 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、トンネル接合素子の作
製方法に関する。より詳細には、本発明は、酸化物超電
導体薄膜により形成された１対の超電導電極層と、その
間に挟まれた非超電導体薄膜とにより形成されるトンネ
ル接合を含むトンネル接合素子の新規な構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来知られていた超電導材料は、一般に
液体ヘリウム温度以下の極低温でしか超電導体にならな
かったので、これを実用的に利用できる分野は非常に限
られていた。しかしながら、［Ｌａ，Ｂａ］２ＣｕＯ４
　あるいは［Ｌａ，Ｓｒ］２ＣｕＯ４　等の複合酸化物
焼結体が高い臨界温度を有する超電導材料であることが
１９８６年に報告されて以来、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ系あるい
はＢｉ−Ｂａ−Ｓｒ−Ｃｕ系等の複合酸化物が極めて高
い温度範囲で超電導特性を示すことが次々に確認された
。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、
超電導技術の応用が俄かに現実的な課題として検討され
るようになってきている。

【０００３】超電導現象を利用した最も基本的な電子デ
バイスのひとつとしてトンネル接合素子が知られている
。トンネル接合素子は、所謂弱結合により結合された１
対の超電導電極により形成されており、クーパー対のト
ンネル効果であると言われている直流ジョセフソン効果
や、離散的な電圧／電流特性を示す交流ジョセフソン効
果等の特異な特性を有している。

【０００４】一方、一連の酸化物超電導材料は、当初粉
末冶金法により焼結体として得られていたが、焼結体材
料では特に臨界電流密度等の特性について好ましい特性
が得られず、最近では薄膜として作製する方法が広く研
究されるようになっている。このような酸化物超電導体
薄膜により形成されるトンネル接合素子の代表的な構成
に、超電導トンネル接合を含むトンネル接合型ジョセフ
ソン素子がある。

【０００５】図２は、トンネル接合型ジョセフソン素子
の基本的な構造を示す図である。

【０００６】同図に示すように、このジョセフソン素子
は、基板１上の酸化物超電導体薄膜により形成された第
１超電導体層２と、この第１超電導電極上に形成された
非超電導体層４と、非超電導体層４上の酸化物超電導体
薄膜により形成された第２超電導体層６とから主に構成
されている。ここで、非超電導体層４は、隣接する超電
導体層材料のコヒーレンス長の数倍程度と極めて薄く形
成されていることが必須であり、実際には膜厚２０Å以
下の非超電導体薄膜により形成されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のようなトンネル
接合を含む素子において、その非超電導体層４の形成に
は非常に高度な技術が要求される。即ち、前述のように
、この非超電導体層４は膜厚が２０Å以下と極めて薄い
が、このように薄い非超電導体薄膜４をピンホールなし
に成膜することは実際には非常に難しい。この非超電導
体層４にピンホール等の欠陥が生じて第１および第２の
超電導体層２、６が短絡してしまうとこの素子の機能は
失われてしまう。

【０００８】更に、非常に薄い非超電導体薄膜を成膜す
ることができても、非超電導体薄膜４上に成膜された第
２の超電導体層６の界面近傍では、超電導体薄膜６の結
晶性が劣化してその領域の超電導特性が大幅に劣化する
。このため、実質的な非超電導体層の厚さが大きくなり
、トンネル接合素子としての特性も低下する。

【０００９】そこで、本発明は、上記従来技術の問題点
を解決し、有効に機能するトンネル接合を備えた新規な
素子構造を提供することをその目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明に従うと、
１対の超電導体層と、該超電導体層の間に間挿された薄
い非超電導体層とを含むトンネル接合素子であって、基
板１上に順次積層して形成された第１酸化物超電導体薄
膜、第１複合酸化物薄膜、非超電導体薄膜、第２薄複合
酸化物薄膜および第２酸化物超電導体薄膜を備え、該第
１および第２の複合酸化物薄膜がペロブスカイト型の結
晶構造を有するＬａ、ＢａおよびＣｕの複合酸化物によ
り形成されていることを特徴とするトンネル接合素子が
提供される。

【００１１】

【作用】本発明に係るトンネル接合素子は、その超電導
体層と非超電導体層との間に間挿された、ペロブスカイ
ト型の結晶構造を有するＬａ−Ｂａ−Ｃｕ複合酸化物層
を具備することをその主要な特徴としている。

【００１２】即ち、Ｌａ、ＢａおよびＣｕの複合酸化物
は、　Ｌａ１．５Ｂａ１．５Ｃｕ３．０Ｏ７−ｘ　なる
組成比でペロブスカイト型の結晶構造を形成することが
知られており、このときの格子定数は、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ
酸化物超電導体の格子定数３．８２／３．８９に対して
３．９１と極めて近い。また、この複合酸化物は、適切
な成膜条件を選択することにより、膜表面の平滑性が極
めて良好な薄膜とすることができ、更に、Ｙ−Ｂａ−Ｃ
ｕ複合酸化物等の酸化物超電導体との反応性も極めて低
い。

【００１３】また、Ｌａ、ＢａおよびＣｕの複合酸化物
は、１対の酸化物超電導体に挟まれたときに、殆ど電圧
を発生させることなく電流を流す特異な性質を有するこ
とが知られている。従って、上記本発明に係る構造を有
するトンネル接合素子において、複合酸化物層はあたか
も超電導体であるかのように振る舞う。

【００１４】以上のようなＬａ−Ｂａ−Ｃｕ複合酸化物
の独特の性質により、本発明に係るトンネル接合素子に
おいては、１対の複合酸化物層に挟まれた非超電導体層
のみがそれ自体の厚さの障壁層としてトンネル電流路と
なる。 また、酸化物超電導体は、非超電導体層との間にそれぞ
れ複合酸化物層を間挿されているので、界面近傍から良
好な結晶性を有し、良好な超電導特性を発揮する。

【００１５】尚、本発明に係るトンネル型接合素子にお
いて非超電導体層の直上および直下に形成されるＬａ−
Ｂａ−Ｃｕの複合酸化物薄膜は、スパッタリング法、蒸
着法等の方法で成膜することができる。

【００１６】また、例えばスパッタリング法により成膜
する場合では、成膜時の基板温度を５６０℃〜　６２０
℃の範囲とすることにより、有利な結晶構造と高い膜特
性とを得ることができる。

【００１７】以下、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。

【００１８】

【実施例】図１は、本発明に係るトンネル接合素子の基
本的な構成を模式的に示す断面図である。

【００１９】同図に示すように、このトンネル接合素子
は、基板１と、基板１上に順次積層された第１酸化物超
電導体層２、第１複合酸化物層３、非超電導体層４、第
２複合酸化物層５および第２酸化物超電導体層６とから
構成されている。

【００２０】ここで、第１および第２の酸化物超電導体
層２、６は、例えば、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ複合酸化物、Ｂｉ
系複合酸化物、Ｔｌ系複合酸化物等を材料として、スパ
ッタリング法等の公知の成膜法により形成することがで
きる。

【００２１】また、第１および第２の複合酸化物層３、
５は、　Ｌａ１．５Ｂａ１．５Ｃｕ３．０Ｏ７−ｘ　な
る組成比のＬａ−Ｂａ−Ｃｕ複合酸化物薄膜により形成
されている。成膜法としてはスパッタリング法を例示す
ることができるが、これに限定されるわけではない。

【００２２】更に、非超電導体層４は、例えば、ＭｇＯ
等の酸化物薄膜により形成することができる。

【００２３】以上のような本発明に係るトンネル接合素
子において、非超電導体層４の厚さは、　０．４〜５．
０ｎｍ　の範囲とすることが好ましい。即ち、非超電導
体層４がこれよりも厚くなると、第１および第２の酸化
物超電導体層２、６の間にトンネル電流が流れなくなり
トンネル接合素子としての機能が喪失してしまう。また
、膜厚がこの範囲よりも薄い場合は、実際に良質な薄膜
を成膜することが困難であり、第１および第２の酸化物
超電導体層２、６が短絡する恐れが極めて高い。

【００２４】また、第１および第２の複合酸化物層３、
５の厚さは、　１．２〜５０ｎｍの範囲とすることが好
ましい。 膜厚がこれよりも厚くなると、第１および第２の酸化物
超電導体層２、６の間にトンネル電流が流れなくなり、
トンネル接合素子としての機能が喪失してしまう。また
、この範囲よりも薄い薄膜は、実際に成膜することが困
難であり、ピンホール等の発生を回避できなくなる。

【００２５】〔作製例〕図１に示した構造のトンネル接
合素子を実際に作製した。

【００２６】基板としてＳｒＴｉＯ３　単結晶基板を、
酸化物超電導材料としてＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ　を、非超
電導体層の材料としてＭｇＯをそれぞれ使用して、スパ
ッタリング法により各薄膜を順次成膜した。成膜条件は
下記の表１、表２および表３に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】

【表３】

【００３０】以上のようにして作製したトンネル接合素
子に端子を設けてその特性を評価した。素子を７７Ｋ以
下に冷却して、周波数１１ＧＨｚ、出力　０．１Ｗのマ
イクロ波を印加したところ、２２．７μＶの倍数の電圧
点でシャピロステップが観測され、有効なトンネル接合
が形成されていることが確認された。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るトン
ネル接合素子では、酸化物超電導体層と非超電導体層と
の間にＬａ−Ｂａ−Ｃｕ複合酸化物層を間挿することに
より、非超電導体層直上の酸化物超電導体薄膜の膜特性
を向上させ、良好なトンネル接合を再現性良く形成する
ことを可能としている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るトンネル接合素子の具体的な構成
例を示す図である。

【図２】トンネル接合型ジョセフソン素子の典型的な構
成を示す図である。

【符号の説明号】

１　　　　基板、 ２　　　　第１酸化物超電導体層（酸化物超電導体薄膜
）、３　　　　第１複合酸化物層（Ｌａ−Ｂａ−Ｃｕ複
合酸化物薄膜）、 ４　　　　非超電導体層（酸化物薄膜）、５　　　　第
２複合酸化物層（Ｌａ−Ｂａ−Ｃｕ複合酸化物薄膜）、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１対の超電導体層と、該超電導体層の間に
   間挿された薄い非超電導体層とを含むトンネル接合素子
   であって、基板１上に順次積層して形成された第１酸化
   物超電導体薄膜、第１複合酸化物薄膜、非超電導体薄膜
   、第２薄複合酸化物薄膜および第２酸化物超電導体薄膜
   を備え、該第１および第２の複合酸化物薄膜がペロブス
   カイト型の結晶構造を有するＬａ、ＢａおよびＣｕの複
   合酸化物により形成されていることを特徴とするトンネ
   ル接合素子。