JPH06237021A - トンネル接合 - Google Patents
トンネル接合Info
- Publication number
- JPH06237021A JPH06237021A JP50A JP4322293A JPH06237021A JP H06237021 A JPH06237021 A JP H06237021A JP 50 A JP50 A JP 50A JP 4322293 A JP4322293 A JP 4322293A JP H06237021 A JPH06237021 A JP H06237021A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thin film
- cuo
- ybco
- superconductor
- insulator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 超伝導体／絶縁体／超伝導体のＳＩＳトンネ
ル接合を実現する。 【構成】 酸化物超伝導体１／絶縁体２／酸化物超伝導
体３構造のトンネル接合において、前記絶縁体２はペロ
ウスカイト構造ＡＢＸ3（Ａ，Ｂは陽イオン、Ｘは酸素
に代表される陰イオン）であって、Ａをアルカリ土類元
素Ｂａ、あるいはその一部をＳｒとしたＢＸ6八面体ペ
ロウスカイト構造をもつことを特徴とする。 【効果】 薄膜最表面であるＣｕ−Ｏ終端をＢａＯの存
在でＣｕＯチェーン構造にすることからＳＩＳ構造での
界面であるＳ／ＩとＩ／Ｓ界面に非超伝導相を形成せ
ず、理想的なトンネル接合が実現できる利点がある。
ル接合を実現する。 【構成】 酸化物超伝導体１／絶縁体２／酸化物超伝導
体３構造のトンネル接合において、前記絶縁体２はペロ
ウスカイト構造ＡＢＸ3（Ａ，Ｂは陽イオン、Ｘは酸素
に代表される陰イオン）であって、Ａをアルカリ土類元
素Ｂａ、あるいはその一部をＳｒとしたＢＸ6八面体ペ
ロウスカイト構造をもつことを特徴とする。 【効果】 薄膜最表面であるＣｕ−Ｏ終端をＢａＯの存
在でＣｕＯチェーン構造にすることからＳＩＳ構造での
界面であるＳ／ＩとＩ／Ｓ界面に非超伝導相を形成せ
ず、理想的なトンネル接合が実現できる利点がある。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸化物超伝導体、
いわゆる高温超伝導体を用いた超伝導体／絶縁体／超伝
導体のＳＩＳ（Superconductor/Insulator/Superconduc
tor）トンネル接合、さらに詳細には上述のトンネル接
合を実現する上で不可欠な絶縁体材料を提示するもの
で、特に上部超伝導体と下部超伝導体には超伝導転移温
度が〜９０ＫのＹＢａ2Ｃｕ3Ｏx（以下、ＹＢＣＯと称
す）に代表されるＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏx（ＲＥ：ランタノ
イド希土類元素）としたときのＳＩＳ構造に適した中間
層絶縁体材料を提供するものである。
いわゆる高温超伝導体を用いた超伝導体／絶縁体／超伝
導体のＳＩＳ（Superconductor/Insulator/Superconduc
tor）トンネル接合、さらに詳細には上述のトンネル接
合を実現する上で不可欠な絶縁体材料を提示するもの
で、特に上部超伝導体と下部超伝導体には超伝導転移温
度が〜９０ＫのＹＢａ2Ｃｕ3Ｏx（以下、ＹＢＣＯと称
す）に代表されるＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏx（ＲＥ：ランタノ
イド希土類元素）としたときのＳＩＳ構造に適した中間
層絶縁体材料を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】１９８６年以来酸化物超伝導材料の探索
が活発になり、液体窒素温度７７Ｋを越す超伝導転移温
度Ｔｃをもつ物質であるＹＢａ2Ｃｕ3Ｏx族（ＲＥＢａ2
Ｃｕ3Ｏx）が発見され、この物質をジョセフソントンネ
ル接合で構成された電子デバイスに適用することが数多
くなされてきている。
が活発になり、液体窒素温度７７Ｋを越す超伝導転移温
度Ｔｃをもつ物質であるＹＢａ2Ｃｕ3Ｏx族（ＲＥＢａ2
Ｃｕ3Ｏx）が発見され、この物質をジョセフソントンネ
ル接合で構成された電子デバイスに適用することが数多
くなされてきている。
【０００３】図１に、ＹＢＣＯを超伝導体としたＳＩＳ
トンネル接合構造の模式図を示すが、単結晶基板４上に
ＹＢＣＯ薄膜（下部超伝導体薄膜）１を種々の物理蒸着
法、例えばスパッタ法、レーザ蒸着法、反応性共蒸着法
により所望の厚さにエピタキシャル成長させる。さらに
この上にＳｒＴｉＯ3、ＮｄＧａＯ3、Ｙ2Ｏ3などのトン
ネルバリア層とする絶縁体材料を同様の物理蒸着法によ
り例えば０．５〜５ｎｍ厚の絶縁体極薄膜２を積層し、
そしてこの上に下部超伝導体薄膜１と同じ超伝導体薄膜
３を所望の厚みに薄膜成長させる。
トンネル接合構造の模式図を示すが、単結晶基板４上に
ＹＢＣＯ薄膜（下部超伝導体薄膜）１を種々の物理蒸着
法、例えばスパッタ法、レーザ蒸着法、反応性共蒸着法
により所望の厚さにエピタキシャル成長させる。さらに
この上にＳｒＴｉＯ3、ＮｄＧａＯ3、Ｙ2Ｏ3などのトン
ネルバリア層とする絶縁体材料を同様の物理蒸着法によ
り例えば０．５〜５ｎｍ厚の絶縁体極薄膜２を積層し、
そしてこの上に下部超伝導体薄膜１と同じ超伝導体薄膜
３を所望の厚みに薄膜成長させる。
【０００４】このようなトンネル接合においては、トン
ネルバリア層（絶縁体極薄膜）２が下部超伝導薄膜１と
上部超伝導薄膜３と結晶学的に連続して接合していなく
てはならない。しかるに、これまでの報告では、例えば
Ｙ2Ｏ3をトンネルバリア層としたときには、下部超伝導
薄膜１をきれいに覆わずに島状に堆積して、下部超伝導
体薄膜１と上部超伝導体薄膜３とが短絡することが知ら
れている。これは、該超伝導体の格子定数とバリア材料
であるＹ2Ｏ3の格子定数が一致していないために、Ｙ2
Ｏ3の絶縁体極薄膜２が下部超伝導体薄膜１と結晶学的
に連続したいわゆるエピタキシャル成長していないこと
による、と解釈されている。この格子定数の不一致の観
点から、該超伝導体の格子定数と略々一致する、いわゆ
る格子整合材料をトンネルバリア材（Ｉ層）として用い
ることが検討されている。しかしながら、ＳＩＳ構造を
連続的に形成してもジョセフソン接合特有の超伝導電流
や超伝導ギャップなど電流−電圧特性の非線形性の明確
な検出には至っていない。
ネルバリア層（絶縁体極薄膜）２が下部超伝導薄膜１と
上部超伝導薄膜３と結晶学的に連続して接合していなく
てはならない。しかるに、これまでの報告では、例えば
Ｙ2Ｏ3をトンネルバリア層としたときには、下部超伝導
薄膜１をきれいに覆わずに島状に堆積して、下部超伝導
体薄膜１と上部超伝導体薄膜３とが短絡することが知ら
れている。これは、該超伝導体の格子定数とバリア材料
であるＹ2Ｏ3の格子定数が一致していないために、Ｙ2
Ｏ3の絶縁体極薄膜２が下部超伝導体薄膜１と結晶学的
に連続したいわゆるエピタキシャル成長していないこと
による、と解釈されている。この格子定数の不一致の観
点から、該超伝導体の格子定数と略々一致する、いわゆ
る格子整合材料をトンネルバリア材（Ｉ層）として用い
ることが検討されている。しかしながら、ＳＩＳ構造を
連続的に形成してもジョセフソン接合特有の超伝導電流
や超伝導ギャップなど電流−電圧特性の非線形性の明確
な検出には至っていない。
【０００５】酸化物超伝導ＳＩＳ接合が実現されていな
いもう一つの理由は、ＹＢＣＯに代表される酸化物超伝
導体のコヒーレント長ξ（超伝導粒子の染みだしの長
さ）が数Åから数十Åと極めて小さいことである。トン
ネル接合をさせるに適した絶縁体層の厚みがこのオーダ
である必要がある。しかるに、接合のＳ／ＩおよびＩ／
Ｓ界面が結晶学的に連続していても電気的に欠陥をもつ
層が各界面にできていれば超伝導粒子の絶縁層側への染
みだしを阻害することになり、良好な接合特性が得られ
ない重大な欠点となる。このことはＳＩＳ接合において
結晶学的に連続させる格子整合性のよい絶縁体材料の選
定のみでは解決できず、結晶化学的、電気化学的要因を
理解したうえでの材料選択の必要性を強く示唆してい
る。
いもう一つの理由は、ＹＢＣＯに代表される酸化物超伝
導体のコヒーレント長ξ（超伝導粒子の染みだしの長
さ）が数Åから数十Åと極めて小さいことである。トン
ネル接合をさせるに適した絶縁体層の厚みがこのオーダ
である必要がある。しかるに、接合のＳ／ＩおよびＩ／
Ｓ界面が結晶学的に連続していても電気的に欠陥をもつ
層が各界面にできていれば超伝導粒子の絶縁層側への染
みだしを阻害することになり、良好な接合特性が得られ
ない重大な欠点となる。このことはＳＩＳ接合において
結晶学的に連続させる格子整合性のよい絶縁体材料の選
定のみでは解決できず、結晶化学的、電気化学的要因を
理解したうえでの材料選択の必要性を強く示唆してい
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記した界面における
電気的に重大な欠点について、ＳＩＳ接合の二つの界面
である下部超伝導体薄膜１とトンネルバリア層（絶縁体
極薄膜）２との界面、およびトンネルバリア層（絶縁体
極薄膜）２と上部超伝導体薄膜３との界面を結晶化学的
に考察してみる。この考察は本発明に関わる重要な視点
であり、材料選定の概念を提示するものである。
電気的に重大な欠点について、ＳＩＳ接合の二つの界面
である下部超伝導体薄膜１とトンネルバリア層（絶縁体
極薄膜）２との界面、およびトンネルバリア層（絶縁体
極薄膜）２と上部超伝導体薄膜３との界面を結晶化学的
に考察してみる。この考察は本発明に関わる重要な視点
であり、材料選定の概念を提示するものである。
【０００７】超伝導体ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏxの代表的化合
物ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏx（ＹＢＣＯ）の結晶構造を図２、図
３に示す。図２の斜方晶のｂ軸方向から見た図で、図３
はａ軸方向から見た図である。図中、○は酸素、●は
銅、◎はＢａ、大きな○はＹを示す。
物ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏx（ＹＢＣＯ）の結晶構造を図２、図
３に示す。図２の斜方晶のｂ軸方向から見た図で、図３
はａ軸方向から見た図である。図中、○は酸素、●は
銅、◎はＢａ、大きな○はＹを示す。
【０００８】図２および図３に示すように、ＹＢＣＯは
室温で斜方晶に属し、その結晶学的主軸であるｃ軸方向
に沿って−ＣｕＯ2（いわゆるＣｕＯチェーン）−Ｂａ
Ｏ−ＣｕＯ4（いわゆるＣｕＯ2プレーン）−Ｙ−ＣｕＯ
4（ＣｕＯ2プレーン）−ＢａＯ−ＣｕＯ2（ＣｕＯチェ
ーン）−の層順に並んでいる構造をもっている。基板結
晶上に堆積した下部超伝導体ＹＢＣＯ薄膜の最上面の原
子種はこれまでの研究によればＣｕ−Ｏであることが種
々の観測手段からほぼ確定している。ＹＢＣＯが超伝導
を示すのは、結晶構造から見て、ＣｕＯ2層（ＣｕＯチ
ェーン）からキャリアであるホールがＣｕＯ4層（Ｃｕ
Ｏ2プレーン）に注入されることによることが受け入れ
られている。したがって、最上面であるＣｕ−Ｏの終端
原子構造がＣｕＯチェーンになっていないとキャリアが
発生せずに超伝導にならないことに本発明者は着想し
た。これまでのトンネルバリア材料ではこの終端構造で
あるＣｕ−ＯをＣｕＯチェーンにはしていないことが強
く推定できる。このことは、下部および上部ＹＢＣＯで
挟んだ絶縁層界面では直下のＹＢＣＯ薄膜表面と直上の
ＹＢＣＯ薄膜最下部層はキャリアの出ない常伝導層
（Ｎ：Normal）あるいは絶縁層（Ｉ’：Insulator）に
なっていることになり、結果的にはＳＩＳ接合はＳＮＩ
ＮＳあるいはＳＩ’ＩＩ’Ｓの５層構造とみなせる。し
たがって、トンネルバリア層の厚みはＮＩＮあるいは
Ｉ’ＩＩ’分となって見かけ上厚くなり、かつ超伝導体
層からの超伝導粒子のトンネルバリア層への染みだし効
果がＮまたはＩ’層の存在により極端に妨げられること
になり、良好なＳＩＳトンネル接合特性が生じないこと
になる。
室温で斜方晶に属し、その結晶学的主軸であるｃ軸方向
に沿って−ＣｕＯ2（いわゆるＣｕＯチェーン）−Ｂａ
Ｏ−ＣｕＯ4（いわゆるＣｕＯ2プレーン）−Ｙ−ＣｕＯ
4（ＣｕＯ2プレーン）−ＢａＯ−ＣｕＯ2（ＣｕＯチェ
ーン）−の層順に並んでいる構造をもっている。基板結
晶上に堆積した下部超伝導体ＹＢＣＯ薄膜の最上面の原
子種はこれまでの研究によればＣｕ−Ｏであることが種
々の観測手段からほぼ確定している。ＹＢＣＯが超伝導
を示すのは、結晶構造から見て、ＣｕＯ2層（ＣｕＯチ
ェーン）からキャリアであるホールがＣｕＯ4層（Ｃｕ
Ｏ2プレーン）に注入されることによることが受け入れ
られている。したがって、最上面であるＣｕ−Ｏの終端
原子構造がＣｕＯチェーンになっていないとキャリアが
発生せずに超伝導にならないことに本発明者は着想し
た。これまでのトンネルバリア材料ではこの終端構造で
あるＣｕ−ＯをＣｕＯチェーンにはしていないことが強
く推定できる。このことは、下部および上部ＹＢＣＯで
挟んだ絶縁層界面では直下のＹＢＣＯ薄膜表面と直上の
ＹＢＣＯ薄膜最下部層はキャリアの出ない常伝導層
（Ｎ：Normal）あるいは絶縁層（Ｉ’：Insulator）に
なっていることになり、結果的にはＳＩＳ接合はＳＮＩ
ＮＳあるいはＳＩ’ＩＩ’Ｓの５層構造とみなせる。し
たがって、トンネルバリア層の厚みはＮＩＮあるいは
Ｉ’ＩＩ’分となって見かけ上厚くなり、かつ超伝導体
層からの超伝導粒子のトンネルバリア層への染みだし効
果がＮまたはＩ’層の存在により極端に妨げられること
になり、良好なＳＩＳトンネル接合特性が生じないこと
になる。
【０００９】本発明者はＹＢＣＯに代表されるＲＥＢａ
2Ｃｕ3Ｏx薄膜の終端であるＣｕ−Ｏを、キャリアを発
生させるに足るＣｕＯチェーン構造にすれば解決する、
との結論に帰着したもので、ＹＢＣＯ薄膜の終端面をＣ
ｕＯチェーンにする絶縁体材料を探索した。
2Ｃｕ3Ｏx薄膜の終端であるＣｕ−Ｏを、キャリアを発
生させるに足るＣｕＯチェーン構造にすれば解決する、
との結論に帰着したもので、ＹＢＣＯ薄膜の終端面をＣ
ｕＯチェーンにする絶縁体材料を探索した。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明によるトンネル結合は、酸化物超伝導体／絶
縁体／酸化物超伝導体構造のトンエル接合において、前
記絶縁体はペロウスカイト構造ＡＢＸ3（Ａ，Ｂは陽イ
オン、Ｘは酸素に代表される陰イオン）であって、Ａを
アルカリ土類元素Ｂａ、あるいはその一部をＳｒとした
ＢＸ6八面体ペロウスカイト構造をもつことを特徴とす
るものである。
め、本発明によるトンネル結合は、酸化物超伝導体／絶
縁体／酸化物超伝導体構造のトンエル接合において、前
記絶縁体はペロウスカイト構造ＡＢＸ3（Ａ，Ｂは陽イ
オン、Ｘは酸素に代表される陰イオン）であって、Ａを
アルカリ土類元素Ｂａ、あるいはその一部をＳｒとした
ＢＸ6八面体ペロウスカイト構造をもつことを特徴とす
るものである。
【００１１】幾つかの実験によれば、単位胞（ｃ軸長
１．１８ｎｍ）厚のＹＢＣＯ薄膜上にＢａＯを堆積する
と超伝導になり、これ以外の物質を堆積しても超伝導を
示さないことがわかっている。このことは上記の結晶化
学的考察を支持するもので、ＹＢＣＯ薄膜の直上にＢａ
Ｏがくる材料が最適であることに至り、本発明に記載す
る材料を提示するものである。
１．１８ｎｍ）厚のＹＢＣＯ薄膜上にＢａＯを堆積する
と超伝導になり、これ以外の物質を堆積しても超伝導を
示さないことがわかっている。このことは上記の結晶化
学的考察を支持するもので、ＹＢＣＯ薄膜の直上にＢａ
Ｏがくる材料が最適であることに至り、本発明に記載す
る材料を提示するものである。
【００１２】図４はＹＢＣＯ最上面にある終端構造を示
すｂ軸方向から見た図であり、ＹＢＣＯ表面に異元素◆
がきた場合でＣｕＯチェーンは構成されないことを示
し、図５はＹＢＣＯ最上面にある終端構造を示すｂ軸方
向から見た図であり、ＹＢＣＯ表面にＢａ元素◎を含む
ペロウスカイト構造ができた場合のＣｕＯチェーンが形
成されている場合を示す。ここで点線で示した結晶格子
はペロウスカイト構造の酸素八面体ＢＸ6を示す。
すｂ軸方向から見た図であり、ＹＢＣＯ表面に異元素◆
がきた場合でＣｕＯチェーンは構成されないことを示
し、図５はＹＢＣＯ最上面にある終端構造を示すｂ軸方
向から見た図であり、ＹＢＣＯ表面にＢａ元素◎を含む
ペロウスカイト構造ができた場合のＣｕＯチェーンが形
成されている場合を示す。ここで点線で示した結晶格子
はペロウスカイト構造の酸素八面体ＢＸ6を示す。
【００１３】具体的には、ＳＩＳ構造とすべきＹＢＣＯ
に代表される下部超伝導体は三層構造ペロウスカイト構
造（現在１−２−３構造とも称されている）をもつこと
から、絶縁体となる材料がＢａをカチオンとするペロウ
スカイト構造をもてば、図５に示すように、ＹＢＣＯ薄
膜の終端Ｃｕ−Ｏに結晶学的に連続してＢａＯ層が配列
し、その存在によりＣｕＯチェーンとすることになる。
したがって、本発明における絶縁体材料は化学式ＡＢＸ
3で表され、Ａをアルカリ土類元素のＢａとし、Ｘは酸
素を主とするがこれには限定されないペロウスカイト構
造をもつものであればよいことになる。ここでＡおよび
Ｂはカチオン元素であるが、ＡのＢａの一部を他のアル
カリ土類元素特にＳｒで置換してもよい。Ｂは特定する
ものではなく、また他のカチオン元素で一部置換されて
いてもよい。
に代表される下部超伝導体は三層構造ペロウスカイト構
造（現在１−２−３構造とも称されている）をもつこと
から、絶縁体となる材料がＢａをカチオンとするペロウ
スカイト構造をもてば、図５に示すように、ＹＢＣＯ薄
膜の終端Ｃｕ−Ｏに結晶学的に連続してＢａＯ層が配列
し、その存在によりＣｕＯチェーンとすることになる。
したがって、本発明における絶縁体材料は化学式ＡＢＸ
3で表され、Ａをアルカリ土類元素のＢａとし、Ｘは酸
素を主とするがこれには限定されないペロウスカイト構
造をもつものであればよいことになる。ここでＡおよび
Ｂはカチオン元素であるが、ＡのＢａの一部を他のアル
カリ土類元素特にＳｒで置換してもよい。Ｂは特定する
ものではなく、また他のカチオン元素で一部置換されて
いてもよい。
【００１４】このような材料には多くの化合物がある
が、上記に述べた選定理由から、表１に示す材料を実
施、検討した。
が、上記に述べた選定理由から、表１に示す材料を実
施、検討した。
【００１５】 表１ Ｂａを含むぺロウスカイト構造化合物とその格子定数 ───────────────────── 材料名 格子定数 ───────────────────── BaTiO3 4.0118Å(201℃) 4.0078Å(120℃) BaMoO3 4.0404Å BaFeO3 4.012 BaSnO3 4.1168 (Ba0.4Sr0.6)SnO3 4.07 BaZrO3 4.1929 BaPbO3 4.273 BaPuO3 4.39 BaUO3 4.40 BaPrO3 4.354 BaCeO3 4.397 BaThO3 4.480 BaMo0.5Co0.5O3 4.0429 BaMo0.5Ni0.5O3 4.0225 BaW0.5Co0.5O3 4.050 BaW0.5Ni0.5O3 4.0326 BaIn0.5Nb0.5O3 4.1454
【００１６】が挙げられる。これ以外にも多くのＢａＯ
を構成元素とするペロウスカイト化合物があり、表１に
限定するものではなく、材料選定概念を逸脱しない限り
本発明に含まれるものである。
を構成元素とするペロウスカイト化合物があり、表１に
限定するものではなく、材料選定概念を逸脱しない限り
本発明に含まれるものである。
【００１７】
【実施例１】基板結晶として一般的なＳｒＴｉＯ3（１
００）上にレーザ蒸着法により７００℃でｃ軸配向ＹＢ
ＣＯ薄膜を約２５Å厚成長させた後に、ＢａＳｎＯ3薄
膜を同じくレーザ蒸着法で連続して堆積した。この時の
ＹＢＣＯ薄膜の超伝導転移温度は〜３０Ｋであった。一
方、ＢａＳｎＯ3を堆積しなかった場合には超伝導転移
温度は示さなかった。また、膜厚約４０Åのｃ軸配向Ｙ
ＢＣＯ薄膜はＢａＳｎＯ3を堆積しなくても超伝導転移
温度〜６３Ｋを示した。このことは次のように考えるこ
とができる。すなわち、約２５Å厚のｃ軸配向ＹＢＣＯ
薄膜は、ＹＢＣＯの単位胞ｃ軸長が１１．８Åであるか
ら、−ＣｕＯ2−ＢａＯ−ＣｕＯ4−Ｙ−ＣｕＯ4−Ｂａ
Ｏ−（これが１ユニットの原子構成単位）の層が２回積
み重なっている、いわゆる２ユニット膜である。薄膜の
終端がＣｕ−Ｏであるとすれば、膜最上層から順にＣｕ
−Ｏ（終端）−ＢａＯ−ＣｕＯ4−Ｙ−ＣｕＯ4−ＢａＯ
−ＣｕＯ2−ＢａＯ−ＣｕＯ4−Ｙ−ＣｕＯ4−ＢａＯ−
ＳｒＴｉＯ3（基板）になっている。基板ＳｒＴｉＯ3直
上には超伝導発現のキャリア発生源であるＣｕＯチェー
ンがないことから、薄膜の基板側１ユニットは超伝導に
ならないことになる。一方、薄膜表面はＣｕ−Ｏで終端
されているが、ＢａＳｎＯ3をつけない場合にはこのＣ
ｕ−Ｏ終端はＣｕＯチェーンにならないから、薄膜の上
部１ユニットは超伝導を示さないことになる。すなわ
ち、ＢａＳｎＯ3がない場合には２ユニット膜でキャリ
ア発生源ＣｕＯチェーン一つしかもたないために膜全体
として超伝導にならない。
００）上にレーザ蒸着法により７００℃でｃ軸配向ＹＢ
ＣＯ薄膜を約２５Å厚成長させた後に、ＢａＳｎＯ3薄
膜を同じくレーザ蒸着法で連続して堆積した。この時の
ＹＢＣＯ薄膜の超伝導転移温度は〜３０Ｋであった。一
方、ＢａＳｎＯ3を堆積しなかった場合には超伝導転移
温度は示さなかった。また、膜厚約４０Åのｃ軸配向Ｙ
ＢＣＯ薄膜はＢａＳｎＯ3を堆積しなくても超伝導転移
温度〜６３Ｋを示した。このことは次のように考えるこ
とができる。すなわち、約２５Å厚のｃ軸配向ＹＢＣＯ
薄膜は、ＹＢＣＯの単位胞ｃ軸長が１１．８Åであるか
ら、−ＣｕＯ2−ＢａＯ−ＣｕＯ4−Ｙ−ＣｕＯ4−Ｂａ
Ｏ−（これが１ユニットの原子構成単位）の層が２回積
み重なっている、いわゆる２ユニット膜である。薄膜の
終端がＣｕ−Ｏであるとすれば、膜最上層から順にＣｕ
−Ｏ（終端）−ＢａＯ−ＣｕＯ4−Ｙ−ＣｕＯ4−ＢａＯ
−ＣｕＯ2−ＢａＯ−ＣｕＯ4−Ｙ−ＣｕＯ4−ＢａＯ−
ＳｒＴｉＯ3（基板）になっている。基板ＳｒＴｉＯ3直
上には超伝導発現のキャリア発生源であるＣｕＯチェー
ンがないことから、薄膜の基板側１ユニットは超伝導に
ならないことになる。一方、薄膜表面はＣｕ−Ｏで終端
されているが、ＢａＳｎＯ3をつけない場合にはこのＣ
ｕ−Ｏ終端はＣｕＯチェーンにならないから、薄膜の上
部１ユニットは超伝導を示さないことになる。すなわ
ち、ＢａＳｎＯ3がない場合には２ユニット膜でキャリ
ア発生源ＣｕＯチェーン一つしかもたないために膜全体
として超伝導にならない。
【００１８】本発明の材料の一つであるＢａＳｎＯ3は
立方晶ペロウスカイト構造をもっており、Ｓｎは酸素６
つで囲まれた酸素八面体となっていて、Ｂａは酸素八面
体の間隙を埋める形で立方晶構造をなす。ＹＢＣＯ薄膜
の上につけると、図５に示すように、このＢａＯの存在
でＹＢＣＯ上層ユニットの終端Ｃｕ−ＯをＣｕＯチェー
ンになる、すなわちＣｕ−Ｏ−ＢａＯ−ＣｕＯ4−Ｙ−
ＣｕＯ4−ＢａＯ−をＣｕＯ2−ＢａＯ−ＣｕＯ4−Ｙ−
ＣｕＯ4−ＢａＯ−とすることからＢａＳｎＯ3とＹＢＣ
Ｏ薄膜の界面にはＣｕＯチェーンが形成され、二つのチ
ェーンをもってキャリアが導入され超伝導層となる薄膜
となる。すなわち、前述した界面でのＮまたはＩ’層が
なくなる。一方、約４０Å厚の薄膜はいわゆる３ユニッ
ト厚であるから、膜表面から順にＣｕ−Ｏ（終端）−Ｂ
ａＯ−ＣｕＯ4−Ｙ−ＣｕＯ4−ＢａＯ−ＣｕＯ2−Ｂａ
Ｏ−ＣｕＯ4−Ｙ−ＣｕＯ4−ＢａＯ−ＣｕＯ2−ＢａＯ
−ＣｕＯ4−Ｙ−ＣｕＯ4−ＢａＯ−ＳｒＴｉＯ3（基
板）の原子層構造となっているので、終端がＣｕＯチェ
ーンでなくても膜内部にキャリア発生源のＣｕＯチェー
ンが二つ存在することから超伝導を示すことになる。
立方晶ペロウスカイト構造をもっており、Ｓｎは酸素６
つで囲まれた酸素八面体となっていて、Ｂａは酸素八面
体の間隙を埋める形で立方晶構造をなす。ＹＢＣＯ薄膜
の上につけると、図５に示すように、このＢａＯの存在
でＹＢＣＯ上層ユニットの終端Ｃｕ−ＯをＣｕＯチェー
ンになる、すなわちＣｕ−Ｏ−ＢａＯ−ＣｕＯ4−Ｙ−
ＣｕＯ4−ＢａＯ−をＣｕＯ2−ＢａＯ−ＣｕＯ4−Ｙ−
ＣｕＯ4−ＢａＯ−とすることからＢａＳｎＯ3とＹＢＣ
Ｏ薄膜の界面にはＣｕＯチェーンが形成され、二つのチ
ェーンをもってキャリアが導入され超伝導層となる薄膜
となる。すなわち、前述した界面でのＮまたはＩ’層が
なくなる。一方、約４０Å厚の薄膜はいわゆる３ユニッ
ト厚であるから、膜表面から順にＣｕ−Ｏ（終端）−Ｂ
ａＯ−ＣｕＯ4−Ｙ−ＣｕＯ4−ＢａＯ−ＣｕＯ2−Ｂａ
Ｏ−ＣｕＯ4−Ｙ−ＣｕＯ4−ＢａＯ−ＣｕＯ2−ＢａＯ
−ＣｕＯ4−Ｙ−ＣｕＯ4−ＢａＯ−ＳｒＴｉＯ3（基
板）の原子層構造となっているので、終端がＣｕＯチェ
ーンでなくても膜内部にキャリア発生源のＣｕＯチェー
ンが二つ存在することから超伝導を示すことになる。
【００１９】この実験結果は発明が解決する課題で述べ
た、ＢａＯの有無でＳＮＩＮＳ構造ができる結晶化学的
推察と一致するものであり、逆に前記結晶化学的推論を
証明するものでもある。
た、ＢａＯの有無でＳＮＩＮＳ構造ができる結晶化学的
推察と一致するものであり、逆に前記結晶化学的推論を
証明するものでもある。
【００２０】
【実施例２】前記実施例１において、ＢａＳｎＯ3に替
わってＢａＴｉＯ3をＹＢＣＯ薄膜上に堆積させた。そ
の時の超伝導転移温度は３０Ｋ以下であったが、超伝導
薄膜となった。このことは次のように考えられる。すな
わち、ＢａＴｉＯ3は室温以下で強誘電体であること、
および７００℃以下で二つの構造変態（相転移）をもっ
ていることが知られている。したがって、ＹＢＣＯ薄膜
上に７００℃で堆積したＢａＴｉＯ3薄膜は複数回の相
転移を経ることから構造的に原子位置の変化が生じて、
ＹＢＣＯ薄膜終端上にＢａＯが規則的に配列しないため
と考えることができる。
わってＢａＴｉＯ3をＹＢＣＯ薄膜上に堆積させた。そ
の時の超伝導転移温度は３０Ｋ以下であったが、超伝導
薄膜となった。このことは次のように考えられる。すな
わち、ＢａＴｉＯ3は室温以下で強誘電体であること、
および７００℃以下で二つの構造変態（相転移）をもっ
ていることが知られている。したがって、ＹＢＣＯ薄膜
上に７００℃で堆積したＢａＴｉＯ3薄膜は複数回の相
転移を経ることから構造的に原子位置の変化が生じて、
ＹＢＣＯ薄膜終端上にＢａＯが規則的に配列しないため
と考えることができる。
【００２１】しかしながら、超伝導を示したことは、前
述した超伝導発現に関する結晶化学的考察からもわかる
ように、ＢａＯを含むペロウスカイト化合物の効果が発
揮されていることは十分理解できる。
述した超伝導発現に関する結晶化学的考察からもわかる
ように、ＢａＯを含むペロウスカイト化合物の効果が発
揮されていることは十分理解できる。
【００２２】
【実施例３】実施例１と同様に、ＹＢＣＯ薄膜上に（Ｂ
ａ1-xＳｒx）ＳｎＯ3の混晶薄膜を堆積させた。この
時、混晶比（置換比）ｘを順次増加していったが、増加
にしたがって電気抵抗の温度変化は金属的変化から半導
体的変化に移行すると共に超伝導転移温度は低下し、
０．７を越すと超伝導転移しなくなった。このことは、
次のように解釈できる。混晶比ｘを増やしていくと、Ｙ
ＢＣＯ薄膜終端上にくるＢａの数が減り、したがって超
伝導キャリアの発生源となるＣｕＯチェーンの形成数が
減じたことになり、超伝導転移はするものの、転移温度
は低下していく。そして、ＳｒＳｎＯ3はペロウスカイ
ト構造をもたないことが知られているから、ｘが０．７
を越すと、（Ｂａ1-yＳｒy）ＳｎＯ3（ｙ≧０．７）は
ペロウスカイト構造でなくなって、かつＹＢＣＯ膜終端
上には数少ないＢａＯがこなくなり、ＣｕＯチェーンが
形成されなく、超伝導にならない。この解釈もＹＢＣＯ
の結晶化学的考察から逸脱するものではない。すなわ
ち、ペロウスカイト構造でＢａＯをもつ必要性がここで
も実証されたものである。
ａ1-xＳｒx）ＳｎＯ3の混晶薄膜を堆積させた。この
時、混晶比（置換比）ｘを順次増加していったが、増加
にしたがって電気抵抗の温度変化は金属的変化から半導
体的変化に移行すると共に超伝導転移温度は低下し、
０．７を越すと超伝導転移しなくなった。このことは、
次のように解釈できる。混晶比ｘを増やしていくと、Ｙ
ＢＣＯ薄膜終端上にくるＢａの数が減り、したがって超
伝導キャリアの発生源となるＣｕＯチェーンの形成数が
減じたことになり、超伝導転移はするものの、転移温度
は低下していく。そして、ＳｒＳｎＯ3はペロウスカイ
ト構造をもたないことが知られているから、ｘが０．７
を越すと、（Ｂａ1-yＳｒy）ＳｎＯ3（ｙ≧０．７）は
ペロウスカイト構造でなくなって、かつＹＢＣＯ膜終端
上には数少ないＢａＯがこなくなり、ＣｕＯチェーンが
形成されなく、超伝導にならない。この解釈もＹＢＣＯ
の結晶化学的考察から逸脱するものではない。すなわ
ち、ペロウスカイト構造でＢａＯをもつ必要性がここで
も実証されたものである。
【００２３】
【実施例４】実施例１と同様にＹＢＣＯ薄膜上にＢａＭ
ｏＯ3あるいはＢａＦｅＯ3薄膜を堆積した。その結果、
ＢａＳｎＯ3と同様に、ＹＢＣＯ薄膜は超伝導転移を示
したが、その再現性は必ずしも良くなかった。ＢａＭｏ
Ｏ3あるいはＢａＦｅＯ3をレーザ蒸着する際に用いたタ
ーゲットを調べた結果、ＭｏあるいはＦｅが４価ではな
く、各々６価、３価になっていたことが判明した。すな
わち立方晶ペロウスカイト構造ではなかった。
ｏＯ3あるいはＢａＦｅＯ3薄膜を堆積した。その結果、
ＢａＳｎＯ3と同様に、ＹＢＣＯ薄膜は超伝導転移を示
したが、その再現性は必ずしも良くなかった。ＢａＭｏ
Ｏ3あるいはＢａＦｅＯ3をレーザ蒸着する際に用いたタ
ーゲットを調べた結果、ＭｏあるいはＦｅが４価ではな
く、各々６価、３価になっていたことが判明した。すな
わち立方晶ペロウスカイト構造ではなかった。
【００２４】しかしながら、超伝導転移を示したことか
ら、ＢａＯを含む本発明の材料から逸脱するものではな
く、ターゲットをペロウスカイト構造に注意深く製造す
ることで本発明の効果を生じせしめることができる。
ら、ＢａＯを含む本発明の材料から逸脱するものではな
く、ターゲットをペロウスカイト構造に注意深く製造す
ることで本発明の効果を生じせしめることができる。
【００２５】
【実施例５】実施例１と同様にＹＢＣＯ薄膜上に、Ｂａ
を含む立方晶ペロウスカイトのＢａ（Ｍｏ0.5Ｎｉ0.5）
Ｏ3を堆積した。その結果、超伝導転移温度は〜３０Ｋ
で、ＢａＳｎＯ3と同様の結果を得た。ただし、その電
気抵抗の温度変化は半導体的変化を示した。このこと
は、超伝導発現の妨げとなると考えられている遷移元素
ＭｏあるいはＮｉがＹＢＣＯ薄膜中に拡散したことが示
唆された。しかし、本発明の主旨であるＢａＯをもつ材
料であることから逸脱するものではないことは理解でき
る。
を含む立方晶ペロウスカイトのＢａ（Ｍｏ0.5Ｎｉ0.5）
Ｏ3を堆積した。その結果、超伝導転移温度は〜３０Ｋ
で、ＢａＳｎＯ3と同様の結果を得た。ただし、その電
気抵抗の温度変化は半導体的変化を示した。このこと
は、超伝導発現の妨げとなると考えられている遷移元素
ＭｏあるいはＮｉがＹＢＣＯ薄膜中に拡散したことが示
唆された。しかし、本発明の主旨であるＢａＯをもつ材
料であることから逸脱するものではないことは理解でき
る。
【００２６】他のＢａ混晶ペロウスカイト材料を用いて
も同様の超伝導発現が生ずることはこの実施例からも容
易に推測される。
も同様の超伝導発現が生ずることはこの実施例からも容
易に推測される。
【００２７】
【実施例６】上記実施例ではＹＢＣＯ薄膜上にＢａＯを
含むペロウスカイト複酸化物を用いたが、ここではＢａ
Ｏの単元素酸化物をＹＢＣＯ上に実施例１と同様に堆積
した。その結果やはりＹＢＣＯ薄膜は超伝導転移をし
た。しかし、ＢａＯは大気中では次第に炭酸塩ＢａＣＯ
3になること、および結晶構造がＮａＣｌ構造であるこ
と、等を考慮すると必ずしもＳＩＳ構造用絶縁材料には
適さないので、製造上の配慮を必要とすることは言うま
でもない。しかしながら、本発明の根幹であるＢａＯ化
合物の重要性をここでは示したことになる。
含むペロウスカイト複酸化物を用いたが、ここではＢａ
Ｏの単元素酸化物をＹＢＣＯ上に実施例１と同様に堆積
した。その結果やはりＹＢＣＯ薄膜は超伝導転移をし
た。しかし、ＢａＯは大気中では次第に炭酸塩ＢａＣＯ
3になること、および結晶構造がＮａＣｌ構造であるこ
と、等を考慮すると必ずしもＳＩＳ構造用絶縁材料には
適さないので、製造上の配慮を必要とすることは言うま
でもない。しかしながら、本発明の根幹であるＢａＯ化
合物の重要性をここでは示したことになる。
【００２８】
【発明の効果】以上、課題に対する解決と手段、および
実施例で詳しく説明したように、本発明による絶縁体材
料は、結晶化学的見地からも矛盾せず、ＹＢＣＯに代表
される超伝導体ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏxの薄膜最表面である
Ｃｕ−Ｏ終端をＢａＯの存在でＣｕＯチェーン構造にす
ることからＳＩＳ構造での界面であるＳ／ＩとＩ／Ｓ界
面に非超伝導相を形成せず、理想的なトンネル接合が実
現できる利点がある。さらには、実施例では下部ＹＢＣ
Ｏ膜は基板表面に垂直右側にＹＢＣＯのｃ軸が配向し
た、いわゆるｃ軸配向膜の結果について述べたが、ＹＢ
ＣＯのａ軸配向膜（基板表面に垂直右側がａ軸）につい
ても、その膜終端はＣｕ−Ｏで、あることから、ａ軸配
向ＳＩＳを構成する場合においても、本発明による絶縁
体材料は全く同様に理想的なトンネル接合が実現できる
ことは、本発明で述べた結晶化学的観点からも、期待で
きることは明白である。なお、超伝導体薄膜にＹＢａ2
Ｃｕ3Ｏx（ＹＢＣＯ）についての実施例を示したが、他
のランタニド系超伝導体１−２−３構造であっても、超
伝導発現機構が同じであることから、本発明による絶縁
体材料が活用できることは明白である。
実施例で詳しく説明したように、本発明による絶縁体材
料は、結晶化学的見地からも矛盾せず、ＹＢＣＯに代表
される超伝導体ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏxの薄膜最表面である
Ｃｕ−Ｏ終端をＢａＯの存在でＣｕＯチェーン構造にす
ることからＳＩＳ構造での界面であるＳ／ＩとＩ／Ｓ界
面に非超伝導相を形成せず、理想的なトンネル接合が実
現できる利点がある。さらには、実施例では下部ＹＢＣ
Ｏ膜は基板表面に垂直右側にＹＢＣＯのｃ軸が配向し
た、いわゆるｃ軸配向膜の結果について述べたが、ＹＢ
ＣＯのａ軸配向膜（基板表面に垂直右側がａ軸）につい
ても、その膜終端はＣｕ−Ｏで、あることから、ａ軸配
向ＳＩＳを構成する場合においても、本発明による絶縁
体材料は全く同様に理想的なトンネル接合が実現できる
ことは、本発明で述べた結晶化学的観点からも、期待で
きることは明白である。なお、超伝導体薄膜にＹＢａ2
Ｃｕ3Ｏx（ＹＢＣＯ）についての実施例を示したが、他
のランタニド系超伝導体１−２−３構造であっても、超
伝導発現機構が同じであることから、本発明による絶縁
体材料が活用できることは明白である。
【００２９】また、実施例２および４以降ではペロウス
カイト構造ＡＢＸ3のＡをＢａに限定した例であるが、
Ｂａの一部を同じアルカリ土類元素で一部置換した場合
でも、実施例３に述べたように本発明の範囲を逃れるも
のではないこと、またＢが種々の元素の混合でも本発明
の技術的範囲を制約するものではないことは、実施例お
よび材料選定の概念から明かである。
カイト構造ＡＢＸ3のＡをＢａに限定した例であるが、
Ｂａの一部を同じアルカリ土類元素で一部置換した場合
でも、実施例３に述べたように本発明の範囲を逃れるも
のではないこと、またＢが種々の元素の混合でも本発明
の技術的範囲を制約するものではないことは、実施例お
よび材料選定の概念から明かである。
【図１】基板上に形成されたＳＩＳ構造示す図。
【図２】超伝導体Ｙｂａ2Ｃｕ3Ｏxの結晶構造を斜方晶
のｂ軸方向から見た図。
のｂ軸方向から見た図。
【図３】超伝導体Ｙｂａ2Ｃｕ3Ｏxの結晶構造を斜方晶
のａ軸方向から見た図。
のａ軸方向から見た図。
【図４】ＹＢＣＯの最上面である終端構造を示すｂ軸方
向から見た図であって、ＹＢＣＯ表面に異元素◆がきた
場合でＣｕＯチェーンは構成されないことを示す図。
向から見た図であって、ＹＢＣＯ表面に異元素◆がきた
場合でＣｕＯチェーンは構成されないことを示す図。
【図５】ＹＢＣＯの最上面である終端構造を示すｂ軸方
向から見た図であって、ＹＢＣＯ表面にＢａ元素◎を含
むペロウスカイト構造がきた場合でＣｕＯチェーンが形
成されていることを示す図。
向から見た図であって、ＹＢＣＯ表面にＢａ元素◎を含
むペロウスカイト構造がきた場合でＣｕＯチェーンが形
成されていることを示す図。
１ 下部超伝導薄膜 ２ 絶縁体極薄膜 ３ 上部超伝導体薄膜 ４ 基板結晶
Claims (2)
- 【請求項１】 酸化物超伝導体／絶縁体／酸化物超伝導
体構造のトンネル接合において、前記絶縁体はペロウス
カイト構造ＡＢＸ3（Ａ，Ｂは陽イオン、Ｘは酸素に代
表される陰イオン）であって、Ａをアルカリ土類元素Ｂ
ａ、あるいはその一部をＳｒとしたＢＸ6八面体ペロウ
スカイト構造をもつことを特徴とするトンネル接合。 - 【請求項２】 前記トンネル接合用絶縁体が、ＲＥＢa2
Ｃｕ3Ｏx（ＲＥ：ランタノイド希土類元素）超伝導体の
ＣｕＯ2層直上に形成されていることを特徴とする請求
項１記載のトンネル接合。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP50A JPH06237021A (ja) | 1993-02-08 | 1993-02-08 | トンネル接合 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP50A JPH06237021A (ja) | 1993-02-08 | 1993-02-08 | トンネル接合 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06237021A true JPH06237021A (ja) | 1994-08-23 |
Family
ID=12657892
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP50A Pending JPH06237021A (ja) | 1993-02-08 | 1993-02-08 | トンネル接合 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06237021A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014205907A1 (en) * | 2013-06-26 | 2014-12-31 | Tsinghua University | Field effect transistor and method for forming the same |
-
1993
- 1993-02-08 JP JP50A patent/JPH06237021A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014205907A1 (en) * | 2013-06-26 | 2014-12-31 | Tsinghua University | Field effect transistor and method for forming the same |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5274249A (en) | Superconducting field effect devices with thin channel layer | |
| EP0430737B1 (en) | A superconducting thin film | |
| US4962086A (en) | High Tc superconductor - gallate crystal structures | |
| WO2010044928A9 (en) | Superconductor films with improved flux pinning and reduced ac losses | |
| US4983575A (en) | Superconducting thin films made of stacked composite oxide layers | |
| JPH02177381A (ja) | 超伝導体のトンネル接合素子 | |
| JPH0730161A (ja) | 絶縁体薄膜と酸化物超電導薄膜との積層膜及び作製方法 | |
| Wasa et al. | Thin film processing for high-Tc superconductors of the Bi-system | |
| US20060084578A1 (en) | Bismuth based oxide superconductor thin films and method of manufacturing the same | |
| EP1443131B1 (en) | Oxide high-temperature superconductor and its production method | |
| US5422338A (en) | Layer-by-layer vapor deposition method for forming a high Tc superconductor thin film device | |
| JP2902939B2 (ja) | 酸化物薄膜とその製造方法、およびそれを用いた超電導素子 | |
| Hott | Materials aspects of high-temperature superconductors for applications | |
| JPH06302872A (ja) | 酸化物超電導薄膜上に上層の薄膜を積層する方法 | |
| JP2517085B2 (ja) | 超電導薄膜 | |
| JP2931779B2 (ja) | 超電導素子 | |
| JP3696158B2 (ja) | 超電導素子およびその製造方法 | |
| US5362709A (en) | Superconducting device | |
| JPH0824200B2 (ja) | トンネル接合素子 | |
| JP3207295B2 (ja) | 超電導素子 | |
| JP3155641B2 (ja) | 超伝導トンネル接合デバイス | |
| Božović et al. | Atomic-Layer Synthesis of Cuprate Superconductors and other Complex Oxides | |
| JP2006222314A (ja) | 超電導積層体およびその製造方法、ジョセフソン接合素子、電子装置 | |
| Sakuta et al. | Hetero-Epitaxial Growth of YBaCuO Thin Films | |
| JPH0738164A (ja) | 酸化物超電導薄膜上に上層の薄膜を積層する方法 |