JPH0461177A

JPH0461177A - 超伝導トンネル接合

Info

Publication number: JPH0461177A
Application number: JP2164526A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Enomoto; 陽一榎本; Shugo Kubo; 衆伍久保; Kazuyuki Moriwaki; 森脇　和幸
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1990-06-22
Filing date: 1990-06-22
Publication date: 1992-02-27

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）本発明は超伝導トンネル接合、さらに詳細には酸化物超
伝導体素子に用いるトンネル接合に関するものである。

（従来の技術）超伝導トンネル接合は量子効果が表れたもので、量子現
象を電子デバイスに応用する上で有力な候補になってい
る。このため高い温度でも動作するトンネル接合が作製
できると、応用が広がると期待されている。このトンネ
ル素子を実現するには、極めて薄い障壁層を超伝導体間
に形成する必要があり、多くの技術課題を解決しなけれ
ばならない。

特に高い温度でも超伝導性が得られる酸化物超伝導体で
は、その特異な性質により金属とは異なる作製法の開発
が必要である。従来、酸化物超伝導体を用いたトンネル
接合の作製には、主に３つの方法が試みられている。１
つは、下部電極として酸化物超伝導体を、上部電極とし
て金属系超伝導体を選び接合を形成するもので、この場
合には金属との界面で酸化還元反応が起き、界面に高抵
抗層が形成され再現性よ＜ｈンネル特性を得ることは難
しい。

そこで、酸化しにくいＡｕあるいはＡｇなとの貴金属を
対抗電極として用い、接合を作製することも試みられて
いる。しかし７これらはＳＩＮ型とよばれ高性能の接合
素子への適用には程遠いものである。

次Ｋ、画電極とも酸化物超伝導体で接合を作製するもの
で、この場合には、現在酸化物超伝導体薄膜の作製温度
が６００℃と高く上部電極の薄膜堆積時に下部電極表面
あるいはトンネル層が劣化すると、コヒーレンス長が短
く電極間の結合が弱いことから、問題となる。そこで、
トンネル層用の安定な材料の開発が進められているが、
まだ見い出されていない。また、トンネル層として金属
を用いる平面型の接合が作製されているがＳＮＳ型でや
はり充分の特性を持つとはいえない。

最後は、多結晶体の結晶粒界に形成されるジョセフソン
接合（文献１：特願平２−３８０４２号）を用いるもの
である。既に高Ｔｅとなる材料を含む酸化物超伝導体多
結晶薄膜で、この粒界ジョセフソン接合を用いてＳＱＬ
、ｌＩＤあるいは光検出素子の作製が試みられている。

しかしこの接合を５ＱＵＩＩ）等に応用する場合、イ◇
相差が各接合に分散されるため接合数を増や１のは意味
がなく、逆に不利になる。このため多結晶薄膜を使用Ｊ
る場合にはパターン幅を狭くし狭い部分の粒界接合のみ
を使うことが試みられているが、電極部分に残る接合の
ため高感度特性を実現することは難［７い。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、市販の簡便な冷凍器で充分到達しうるＩＯＫ
の温度でも、電流−電圧特性に履歴を持つトンネル型の
特性を持つ酸化物超伝導体からなる接合を実現すること
を目的とする。

く課題を解決するための手段）このような目的を達成するために本発明による超伝導Ｉ
・ンネル接合は、酸素八面体の中心に位置する金属が銅
である酸化物超伝導体をＦ部電極とし、酸素八面体の中
心に位置する金属がビスマスである酸化物超伝導体１１
３ａ１−ｙＭｙＢｉ　０３　（Ｍ：Ｋ、Ｒｂ）（Ｏ，２
＜ｙ＜Ｏ，６）の薄膜を［一部電極とする構造を持つこ
とを特徴とする。

酸化物の超伝導体でコヒーレンズ長が長くしかも低基板
温度でも作製できるビスマス系酸化物超伝導体Ｂ　ａｌ
−ｙＭｙＢ　ｉ　０３　（Ｍ　：　Ｋ、　Ｒｂ　）に注
目し、それを上部電極に用いている。上記ｙはＯ，２＜
ｙ＜０．６であるが、これは下記の実施例より明らかな
ようＫ、この範囲を逸脱すると超伝導を示さないからで
ある。

一方基本結晶構造が上部電極と同じペロブスカイト型で
しかも低キヤリア濃度である銅系酸化物超伝導体、たと
えばＢａ２ＬｎＣｕ３Ｏ７−δ系（Ｌｈ　：Ｙ、Ｌａ、
Ｅｒ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ。

Ｈｏ）、（Ｌ　ａ　１−ｘ　Ｑ　ｘ　）　２　Ｃｕ　Ｏ
４系（Ｑ：Ｂａ、Ｓｒ）（０，０５＜Ｘ＜Ｏ，１５）あ
るいはＲｉ−Ｓｒ−Ｃａ、−Ｃ１１−０系などを、高い
作製温度が要求されることから１部電極として選択し、
接合を形成したものである。

第１図は本発明を説明する構成図である。

１は基板で、酸化物超伝導体の単結晶薄膜を実現するた
め適当な基板（たとえばＭｇＯあるいはＳｒＴｉＯ３）
を選択する必要がある。２は接合の下部電極で銅系の酸
化物超伝導体薄膜よりなり、３は接合の上部電極でビス
マス系の酸化物超伝導体薄膜よりなるもので、両者とも
基板１上で昨結晶となる条件で作製される。４は接合界
面のＩ・ンネル層である。このような構成は、酸化物超
伝導体薄膜２（たとえば、Ｂａ２ＬｎＣｕ３Ｏ７−δ系
（Ｌｎ　：Ｙ、Ｌａ、Ｅｒ、Ｅｕ、Ｇｄ、　Ｄｙ。

Ｈｏ）の場合）を６００℃程度の高温度の基板上に堆積
しパターンを形成した後、酸化物超伝導体３を３Ｏ０℃
程度の低温度の基板上に堆積しパターン化することで形
成される。ところで、酸化物超伝導体２は、電極３を形
成する３Ｏ０〜４００℃の温度に対しては安定であるた
め、この工程でｒ部電極の超伝導性は劣化せず超伝導接
合を作製することができる０雨音の基本結晶構造はべ０
ブスカイト＄１を造と同じであるが、格子定数の不整合
性が大きいため、トンネル層４の界面で多くの欠陥が生
成されることになるにれらの酸化物超伝導体は低キヤリ
ア濃度により、この接合界面の欠陥は電気伝導に対し障
壁層を形成することになる。

さらにキャリアの種類も銅系酸化物超伝導体は正孔であ
るのに対し、ビスマス系酸化物超伝導体では電子系と異
なるために空乏層の障壁が形成される。ただし半導体に
比べるとキャリア濃度が高いため、これらの障壁は超伝
導トンネル層として働くに適当なポテンシャル高さおよ
び幅となる。

（作用）本発明によれば、簡便な作製法で超伝導回路中における
単一トンネル接合が形成できるため、景子干渉効果を用
いる５ＱＵＩＤなどのジョセフソン接合に適用すること
が可能である。また一方多数の接合からなる集積化も可
能である。

（実施例）以上に実施例によ−って本発明の詳細な説明する。

なお、下部電極材１１として実施例１ではＢａ２ＹＣ＋
１３Ｏ７−δを、実施例２では（Ｌ、、　ａ　ｉ”’−
Ｘｓ　ｒｘ）　２Ｃ１，、Ｉ　０４　（ｘ−０、０”７
５　）を述べるが、これらのかわりＫ、１３ａ２Ｙｃｕ３Ｏ７−δでＹのかわりＧ、：、Ｉ、ａ
、Ｅｒ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏの元素を用いても、ま
たは（Ｌａ、１．−ｘＳ　ｒｘ）　２（’：ｕ０４　（
ｘＯ，０７５）系でＳｒのかわりにＢａを用い°ζも、
あるいはＲ１−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系を用いても、以
下の実施例は成り立つ、従って、ここでは代表例を述べ
るもので、これによって請求範囲が限定されるものでは
ない。

（実施例１）基板１と１７でＭｇＯ単結晶の０面を用い、基板１上に
酸化物超伝導体Ｂ　ａ　２ＹＣｕ　３Ｏ７−δを、ＲＦ
スパッタ法により約１００ｎｒｎの膜厚で堆積する。堆
積後、リソグラフ技術を使用し電極パターン２を形成す
る。電極２の形状は幅２０μｍとし、た。その後、その
上に酸素イオンビーム照射共蒸着装置（文献２：特願昭
６：３−４２２１１号）あるいはスパッタ装置により（
Ｂａｏ、７ＫＯ，３）ＢｉＯ３薄膜の作製を行う、単結
晶薄膜が成長できるようＫ、基板温度は３Ｏ０〜４００
℃としな。

その後、接合部を形成するようＫ、フォトリソグラフ技
術を使用しレジストパターンを作製し、イオンミリング
エツチング技術を用いて３の上部電極のパターン化する
。上下電極の重ね合わせの距離は２０μｍであり、接合
面積は２０Ｘ２０μｍ２となる。イオンミリングの際、
上部電極のエツチング速度が、下部電極に比べ５倍程度
と著しく高く、接合作製を容易にすることができた。

この上下電極パターン上に取り出し電極として金蒸着膜
を堆積することによりトンネル接合素子が作製できる。

この素子について、抵抗の温度依存性を測定した結果を
第２図に示す。

８０Ｋにおける抵抗の大きな変化はＦ部電極のＢａ２Ｙ
Ｃｕ３Ｏ７−δの超伝導転移によるもので、１０Ｋにお
ける抵抗の急激な低下は上部電極の（Ｂａｏ、７に０．
３）ＢｉＯ３の超伝導転移によるものである。２０に以
下で完全に抵抗は消えておらず、低温はどわずかに増加
している。４．２Ｋにおける電流−電圧（Ｉ−、Ｖ）特
性を４端子法で測定した結果を第３図に示す。異なる超
伝導エネルギーギャップ幅をもつ超伝導体から構成され
るトンネル型接合が形成されていることがわかる。

この場合には超伝導トンネル電流を観測することはでき
なかった。これは銅系酸化物超伝導体のコヒーレンス長
さがＣ軸方向で短いことによる。

なお（Ｂａａ、７ＫＯ７３）ＢｉＯ３の超伝導エネルギ
ーギャップ２Δは６ｍｅＶであることから、Ｂａ２ＹＣ
ｕ３Ｏ７−δのＣ軸方向の超伝導エネルギーギャップ２
ΔはＩ−Ｖ特性の電圧ギャップより約２　ｍ　ｅ　Ｖで
あることがわかる。

なお（Ｂａｔ−ｙＫｙ）ＢｉＯ３が超伝導性を示す０．
２＜ｙ＜Ｏ，６の範囲で、超伝導トンネル接合の特性を
観測することができた。

なお、（Ｂａｘ−ｙＫｙ）ＢｉＯ３において、Ｋのかわ
りにＲｂを用いても同様の結果が得られた。

また、ｙの範囲が上記以外では起伏導性を示さない（実施例２）基板１としてＳｒＴｉ０３単結晶の（１１，０）面を用
い、２の酸化物超伝導体薄膜材料として（Ｌａ１−ｘ５
ｙ−ｘ）　２ｃｕｏ４（Ｘ、＝０．０７５）を選択し、
ＲＦスパッタ法により基板１上に約１、ＯＯｎｍの膜厚
で堆積する。なおＸの範囲は、（Ｌ　ａ　１−ｘ　Ｓ　
ｒ　ｘ　）　２　Ｃｕ　０４が超伝導を示す領域で決ま
り、０．０５＜Ｘ＜０．１５となる。２の電極を形成す
るための堆積後、リソグラフ技術を使用しパターンを形
成しておく、電極の形状は幅２０μｍとした。その後、
実施例１と同様の方法によりトンネル接合素子作製を行
う、この素子について、４，２Ｋにおける電流−電圧特
性を４端子法で測定した結果を第４図に示す、異なる超
伝導エネルギー・ギャップ幅をもつ超伝導体から構成さ
れるトンネル型ジョセフソン接合が形成さしていること
がわかる。また、Ｉ−Ｖ特性の電圧ギヤ’ｙブより（Ｂ
ａｏ、７ＫＯ，３）　Ｂ　ｊ、　０３の超伝導エネルギ
ーギャップΔが３　ｍ　ｅ　Ｖと、（Ｌａｘ−ｘＳｒｘ
）２ＣｕＯ４　（１０３）方向の超伝導エネルギーギャ
ップ２Δが６ｎ“ｉｅＶとなることがわかる。

第５図に超伝導電流の温度依存性を示す、これより、２
２にの温度まで超伝導電流が流れトンネル接合になって
いることがわかる。

（発明の効果）以上説明したようＫ、本発明により超伝導転移温度の高
い酸化物超伝導体のトンネル接合を作製することができ
る。この接合は、２０に以下の温度において超伝導トン
ネル特性を示す。従って、小型冷凍器が既に実現してい
るＩＯＫの温度において動作することができ、操作性お
よび経済性において利点がある。また、４．２にの温度
で動作させる場合にも、超伝導のエネルギーギャップ幅
が大きく、準粒子数が減少するため、センサーとして用
いる場合、′！ａ′Ｂ′が低下し高感度化が図れる利点
がある。また、上部電極として使用しまた酸化物超伝導
体は等方的でしかも超伝導のコヒーレント長が長いとい
う特性をもつため、高Ｔｃではあるが異方性が大きい銅
系酸化物超伝導体の取り出し電極のバッファとしてもこ
の接合は有用になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を説明する構成図、第２図はＢ　ａ　２ＹＣｕ　３Ｏ７−ｓ（Ｂａｏ、７に
０．３）Ｂｉ０３接合素子の抵抗の温度依存性、第３図は４端子法で測定したＢ　ａ　２ＹＣｕ　３Ｏ７−δ （Ｂａｏ、７ＫＯ，３）Ｂ　ｉｏ：ｉ接合素子の４．２
Ｋにおける電流−電圧特性、第４図は４端子法で測定した４、２Ｋにおける（Ｌａｘ
−ｘＳｒｘ）　２ｃｕｏ４− （Ｂａｏ、７に０．３）Ｂｉ０３接合素子の電流−電圧
特性、第５図は（Ｌａｔ−ｘＳｒｘ、）　２ｃｕ０４（Ｂａａ
、７に０．３）Ｂ　ｉ０３接合素子の超伝導１＝。ンネル電流の温度依存性を示す図である。１・・・基板、２・・・銅系酸化物超伝導体単結晶薄膜
よりなる下部電極、３・・・ビスマス系の酸化物超伝導
体単結晶薄膜よりなる上部電極、４・・・接合界面のト
ンネル層。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）酸素八面体の中心に位置する金属が銅である酸化
物超伝導体を下部電極とし、酸素八面体の中心に位置す
る金属がビスマスである酸化物超伝導体Ｂａ＿１−ｙＭ
ｙＢｉＯ＿３（Ｍ：Ｋ、Ｒｂ）（０．２＜ｙ＜０．６）
の薄膜を上部電極とする構造を持つことを特徴とする超
伝導トンネル接合。
（２）下部電極はＢａ２ＬｎＣｕ＿３Ｏ＿７＿−＿δ系
（Ｌｎ：Ｙ、Ｌａ、Ｅｒ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ）あ
るいは（Ｌａ＿１＿−＿ｘＱ＿ｘ）＿２ＣｕＯ＿４系（
Ｑ：Ｂａ、Ｓｒ）（０．０５＜Ｘ＜０．１５）あるいは
Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系であることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の超伝導トンネル接合。