JPH0812934B2

JPH0812934B2 - 酸化物超伝導装置

Info

Publication number: JPH0812934B2
Application number: JP3094820A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1991-04-01
Filing date: 1991-04-01
Publication date: 1996-02-07
Anticipated expiration: 2011-02-07
Also published as: JPH04287981A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、酸化物系超伝導（超電
導とも表すがここでは超伝導と記す）材料を用いた固体
電子ディバイスに関する。

【０００２】本発明は、入力端子と出力端子とを有する
横接合型ジョセフソン装置、もしくは近接効果を用いた
電子装置、またはかかる構造に制御用電極を用いた４端
子（３端子を含む）装置に関する。

【０００３】

【従来の技術】従来、超伝導材料、例えばNb-Ge 系( 例
としてはNb₃Ge)等の金属材料を用いて固体電子ディバイ
スを作る試みがなされてきた。

【０００４】その代表が図１に示すジョセフソン装置で
ある。このジョセフソン装置は、超伝導現象とトンネル
電流現象とを組み合わせ、スイッチングを行わんとする
もので、２端子回路よりなっている。このジョセフソ
ン接合型の装置は図１に示す如く、第１の超伝導性材料
(21)の上面にトンネル電流を流し得る厚さで絶縁膜(23)
を形成し、さらにその上に第２の超伝導性材料(24)を積
層するものであった。そしてトンネル電流を上下方向に
流さんとする縦接合型に関するものである。

【０００５】さらに最近はかかる縦接合型ジョセフソン
装置の一方または双方の超伝導材料をYBa₂Cu₃O₆ 〜₈等
の酸化物超伝導材料により実施する試みもある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、かかる基板表
面に密接した絶縁膜を用いてジョセフソン装置の構成を
する場合、基板表面またはその近傍においては酸化物超
伝導性材料を用いる限り、酸素が本来あるべき量に比べ
て欠乏してしまう傾向があった。そしてこの表面または
その近傍で超伝導特性すらなくなってしまう場合があっ
た。そのため、実際に絶縁層となる部分の厚さがコヒー
レント長よりも大きくなってしまい、その結果トンネル
電流が信頼性良く流れないことがわかった。本発明はか
かる欠点を除去するためにされたものである。

【０００７】本発明はかかる欠点を除去し、上表面を接
合部に用いない横接合構成を有せしめるジョセフソン装
置を作らんとするものである。さらに加えて、超高周波
動作を４端子(3端子) 回路装置、即ち入力信号を加える
制御用電極および出力信号を導出する電極とに有せしめ
んとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明はかかる問題を解
決するため、複数の酸化物超伝導材料と前記酸化物超伝
導材料と同様の構造、すなわちペロブスカイト型構造を
有する非超伝導特性を有する材料からなり、前記非超伝
導材料を介して複数の前記酸化物超伝導材料同士が連結
されて設けられている構造を有している。前記非超伝導
特性を有する材料は、例えば酸化物超伝導材料に添加物
をイオン注入することによって得られる。本発明はさら
に前記した酸化物超伝導材料に同様の添加物が添加され
た非超伝導性の表面を有する基板または異種基板上に前
記した非超伝導材料を形成した基板を用いても良い。こ
の基板上面にab面(c軸に垂直な面をｃ面即ちab面とい
う）をこの上面と平行になるように配向させた単結晶ま
たは多結晶構造を有する超伝導性材料を用いた。尚、本
明細書において、基板上にab面が概略平行になるように
配向している（一般的にはｃ軸配向と言う）とは、Ｘ線
回折のパターンにおいて、ｃ軸配向に起因するピークの
相対強度が、他のａｂ軸配向のそれよりも10倍以上大き
いことを意味するものとする。さらにこの酸化物超伝導
材料の活性領域を除く外周辺の非活性領域にも熱処理を
施すと超伝導特性を失い続ける添加剤を添加してアイソ
レイションを施した。この酸化物超伝導材料は変形ペロ
ブスカイト構造を有し、ab面に平行な方向には電流をｃ
軸方向に比べて100 倍以上流すことができる。このた
め、この方向を基板の上面と平行にすることは大電流密
度を作り得るため、微細可能工程と高集積化に有効であ
る。さらにかくすると、この構造における変形ペロブス
カイト構造における上表面またはその近傍での上方への
酸素のぬけをより防ぐことができる。加えて前記した如
く、この酸化物超伝導材料の上面または上部にはこれと
同一材料に熱処理により超伝導特性を失う添加物を添加
した保護膜を設け、この保護膜との界面またはその近傍
での酸素濃度を酸化物超伝導材料の内部( バルク) と同
じまたは多めにすることにより高信頼性を超伝導特性を
有すべきすべての領域で得ることができる。

【０００９】かくして配向した超伝導材料薄膜における
周辺部を熱処理により非超伝導特性を有すべき添加物が
添加された非活性領域を添加物のイオン注入法等により
設けることにより、装置、電極およびリ−ドが構成すべ
き活性領域を不要部に対し何らのフォトエッチングを施
しすことなく選択的に設け得る。そしてこの活性領域の
ジョセフソン接合用面等の一部領域（中央部または設計
上必要な領域）にも同様の添加物を必要に応じて添加し
得る。

【００１０】この工程と上表面の保護膜形成とはその形
成順序が逆であってもよい。

【００１１】本発明は、前述の様に有限抵抗を有する非
超伝導性の酸化物材料の作製方法の例として、抵抗零の
酸化物超伝導性材料における所定の位置にイオン注入法
等により添加物を添加し、さらに熱処理を施し有限抵抗
を有する酸化物材料とした。

【００１２】即ち、超伝導特性を有する酸化物超伝導材
料に添加される添加物として鉄(Fe), ニッケル(Ni), コ
バルト(Co), 珪素(Si),ゲルマニウム(Ge),ホウ素(B),ア
ルミニウム(Al),ガリウム(Ga),リン(P),チタン(Ti),タ
ンタル(Ta), マグネシウム(Mg)より選ばれた１種類また
は複数種類がある。かかる場合、その添加物の濃度は１
〜25原子％とした。このうち、特にMg,Al は元素周期
表２族および３族の酸化物超伝導材料と同じ価数を有
し、かつ酸素と熱処理により強く結合し絶縁材料を構成
しやすい。そのため、添加物を酸化物超伝導材料の１〜
10原子％好ましくは５〜10原子％で添加することによ
り、熱処理後超伝導特性を破壊することができる。そし
てこの酸化物材料とはほぼ同じ熱膨張係数を有し、温度
変化によりクラックの発生を防ぐことができる。

【００１３】さらに３ａ２a₂Cu₃O₆〜₈で示される酸化
物超伝導性材料を構成する元素、例えば３ａ族元素のY
(イットリウム),銅(Cu), ２ａ族元素のバリウム(Ba),
カルシウム(Ca)を必要以上に含有する酸化物超伝導材料
と同一主成分を有する酸化物非超伝導材料であってもよ
い。かかる場合は、超伝導を呈する化学量論比を狂わせ
る程度に添加する必要がある。具体的には５×10²⁰〜2.
5 ×10²²cm^-3のオ−ダである。しかし酸化物超伝導材料
の一部を構成する酸素は注入した領域でその後の熱アニ
−ルにおいて外部に脱気しやすく、不適当な元素であ
る。

【００１４】尚、本明細書における元素周期表は理化学
辞典（岩波書店 1963年４月１日発行）によるものであ
る。

【００１５】本発明の超伝導装置の１例を図２に示す。

【００１６】図２(A) において、絶縁基体(1'') 上に、
非超伝導特性を有し超伝導材料と同じ主成分の材料(1')
とを有する基板(1) を用いた。この上に酸化物超伝導材
料の薄膜(30)を全面に形成した。そしてその周辺部をア
イソレイション（絶縁分離）して非活性領域とするた
め、酸化物超伝導性材料(3),(9) を残し、その周辺部に
加速電圧300 〜2000KeV で、Al,Mg 等の添加物をイオン
化し注入する。このイオン注入法により、超伝導性材料
を横切って（上下および図面の前後方向のすべてに対
し）添加して非活性領域(20)を形成する。同時に活性領
域(2) の装置用の第１の酸化物材料(4) をその厚さ（図
２(A) の(4) の左右方向）を可能なかぎり薄く、好まし
くは1000Å以下とし、ジョセフソン接合効果あるいは近
接効果を有すべくせしめた。

【００１７】この領域(4) は周辺領域よりも1/2 〜1/10
倍の濃度(0.1〜20原子%)とした。周辺部(20)に対しては
Al,Mg を５〜10原子％の濃度に添加した。

【００１８】さらにこの上に同様の方法で酸化物超伝導
薄膜(40)を全面に形成し、非活性領域(11)によりこれら
活性領域を覆うとともに、電極用の連結部(8')P (9')の
みと活性領域として選択的に超伝導特性をまだ残存させ
る。次にまったく同様にしてこの上に３層目の酸化物超
伝導薄膜(50)を形成する。そしてそのリ−ド(8),(9)の
領域を除きその他の領域(21)の不要薄膜に対し、前記し
たと同様の添加物を添加して絶縁化をはかる。そしてそ
の出力用の一対の電極・リ−ド(8),(9)を多層配線と
し、装置、電極、電極連結部、リ−ドのすべての活性領
域を酸化物超伝導材料で形成する。さらにその周辺部の
非活性領域はこれに熱処理により非超伝導特性を有せし
め得る添加物を添加して絶縁分離をすることができる。
この電極(9),(9')と(5) とは共に酸化物超伝導材料であ
り、かつその配向がab面を基板と平行に作ってあるた
め、何ら問題はない。

【００１９】かくしてジョセフソン装置(2) を構成せし
め図３の特性を得た。

【００２０】本発明は、さらにかかる２端子装置に加え
て、一対の出力用の酸化物超伝導性材料間に連結した電
極の間に、十分大きい電気抵抗、好ましくは第１の超伝
導材料の電気抵抗よりも10倍以上の電気抵抗を有する被
膜をその上面、下面または両面に設け、それに密接して
制御電極を設けてもよい。かかる２例を図２(B),(C)
に示す。

【００２１】図２(B) は制御用電極(10)が第１の酸化物
超伝導性材料(30)の上方に設けられ、この電極と多層配
線用連結部(8'),(9') および電極・リ−ド(8),(9),(10)
がともに酸化物超伝導材料によりできている。

【００２２】図２(C) では、酸化物超伝導性材料の制御
用電極(10),(10')は領域(4) の上下両面に設けられてい
る。

【００２３】層間絶縁物(11),(11''）も分離領域と同じ
く添加物を１〜30原子％代表的には５〜10原子％添加
し、同一熱膨張係数材料またはこれを主成分とするとよ
い。

【００２４】本発明の図２(B),(C) において、この制御
用電極と超伝導被膜との間に、酸化物超伝導性材料の電
気抵抗より十分大きい電気抵抗を有する被膜、好ましく
は絶縁膜(11)をその下の酸化物超伝導材料(30)の上部に
のみ前記した添加物を添加して設けた。そして、入力端
子である酸化物超伝導材料よりなる制御用電極(10)から
電圧を印加させ、その下側の第１の酸化物材料(4) に電
圧を印加する。この材料は、完全に超伝導を有する状態
とまったく超伝導を有さない状態の中間状態(一部が超
伝導性を有し、一部が非超伝導性の状態、即ちTcオンセ
ットとTco との間の温度領域の状態) また半導体または
絶縁体特性を有するため、自らのポテンシャルを入力の
制御用電極に加えられた電圧に従って変化、制御させる
ことができる。

【００２５】本発明の図２では、第２の酸化物超伝導材
料(3),(5)を全体に形成し、所望の形状の外周辺に本発
明に用いる添加物を多量に添加して隣の装置との絶縁分
離(20)をはかる。そのため前記した如き添加物を添加し
た後、またはこの工程が複数回ある場合はその各毎また
はこれらの工程の後、これら全体を酸素中で400 〜1000
℃、0.5 〜50時間、例えば900 ℃で３時間および徐冷し
つつ、400 ℃とし、この温度でさらに１時間酸素中でア
ニ−ルを行い、この不純物を酸化または酸化物超伝導材
料に一部を置換せしめるとともに、結晶構造を整えた。

【００２６】本発明は、同一基板上の１層目のみに酸化
物超伝導材料を作るのではなく、その上にも積層して２
層目またはさらにその上の３層目の酸化物超伝導材料を
作り得る。そしてこれらに対し選択的に活性領域を添加
物の添加による非活性領域を作ることにより構成させて
いる。そして図２に示したとは逆に、１層目は電極・リ
−ドとし２層目に装置とすることも可能である。また各
層毎に装置を配設することも本発明においては可能とな
る。また図２の基板(1'') は半導体集積回路が設けられ
たシリコン基板とし得る。そしてシリコン集積回路と超
伝導装置とを一体化し得る。その時、熱膨張係数の差を
除くため、図２の(1')のバッファ層は特に有効である。

【００２７】

【作用】かかる構造とすることにより、横接合型で信頼
性の高い電子装置を超伝導材料を用いて作製することが
可能になった。

【００２８】酸化物超伝導材料は基板の面と平行にab面
をそろえたため、その上面も平坦になり、周辺部もこれ
に添加物を添加するのみで絶縁にし、多層配線に対して
も断線がなく特性上の支障を除くことができた。

【００２９】かくして、複数個の装置を作ることがで
き、かかる装置を設計論理に基づき連結することにより
超伝導集積回路を作らんとした時、その相互配線を抵抗
零で作ることができる。

【００３０】以下に図面に従って実施例を説明する。

【００３１】

【実施例】「実施例１」この実施例は図２(A) の構造を
示す。

【００３２】基体(1'') としてYSZ(イットリュ−ム・ス
タビライズド・ジルコン) を用いた。これはその上に磁
界印加プラズマ被膜作製方法、MBE(モレキュラ・ビ−ム
・エピタキシャル）法、CVD(気相反応) 法、スパッタ法
等を用い酸化物非超伝導材料(1')を形成させ、基板(1)
とした。さらにこの上に同様の方法で添加物の添加を行
うことなく、酸化物超伝導材料(30)を形成した。その１
例として、(A_1-xBx)yCuzOw,x ＝0.1 〜1,ｙ＝2.0 〜4.
0 好ましくは2.5 〜3.5,ｚ＝１〜４好ましくは1.5 〜3.
5,Ｗ＝４〜10好ましくは６〜８を有する。ＡはY(イット
リウム),Gd( ガドリニウム),Yb( イッテルビウム),Eu(
ユ−ロピウム),Tb( テルビウム),Dy( ジスプロシウム),
Ho( ホルミウム),Er( エルビウム),Tm( ツリウム),Lu(
ルテチウム),Sc( スカンジウム) またはその他の元素周
期表３ａ族の１つまたは複数種類より選ばれる。

【００３３】ＢはBa( バリウム),Sr( ストロンチウム),
Ca ( カルシウム) の元素周期表２ａ族より選ばれた１
種または複数種の元素を用いる。特にその具体例として
(YBa₂)Cu₃O₆ 〜₈を用いた。またＡとして元素周期表に
おける前記した元素以外のランタニド元素またはアクチ
ニド元素を用い得る。

【００３４】この形成と同時またはその後に、600 〜 9
50℃の温度で熱アニ−ルを５〜20時間処理して作製しそ
の後徐冷した。かくして、酸化物超伝導性材料(30)はそ
の下側を同一主成分の酸化物超伝導材料(1')を有して設
けられた超伝導材料の特性としては、Tco は91K であっ
た。

【００３５】次に装置を作る領域の周辺(20)に対し、不
純物例えばマグネシウムまたはアルミニウムをイオン注
入法により添加して絶縁化する。さらに、領域(4) に対
しても不純物をこれより1/5 程度少なくして添加するよ
うにした。即ち図２(A) において、領域(3),(5)上にフ
ォトレジストを設け、このレジストのない領域(4),(20)
のみに選択的に、イオン注入法により添加物が添加され
るようにした。添加物であるアルミニウムまたはマグネ
シウムを５〜10原子％、例えば８原子％の濃度に添加し
て非活性領域(20)を設けた。この後フォトレジストを除
去し、さらにこれら全体に再び２層目の酸化物超伝導材
料の薄膜(40)を形成した。そして連結部(8'),(9') を除
く他部をイオン注入法による非活性領域とした。かくし
て活性領域(12)の上方は添加物の添加された同一主成分
材料によりパッシベイション膜とすることができた。こ
れを今一度繰り返し、２層目の酸化物超伝導材料(50)を
作り、それを用いてリ−ド(8),(9) と非活性領域(21)を
設けた。この後これら全体を酸化性雰囲気で約300 〜 9
50℃例えば900 ℃の温度にて全面を酸化し、それぞれの
膜同志をフィッティングせしめるとともに、それを積層
し400 ℃になった後、再びイオン注入法により酸素を酸
化工程により化学量論比より減少してしまった界面領域
に必要に応じて添加した。前記した熱処理は予め添加さ
れた添加物を酸化し、この領域を絶縁物に変成した。か
くして図３の特性を図２(A) の構造において作ることが
できた。

【００３６】「実施例２」さらに図２(B) を同様の方法
で作製した。この構造においては、基板(1'') としてシ
リコン基板を用い、すでに集積回路が作られているもの
を用いた。そしてこの上には酸化珪素または窒化珪素絶
縁膜が設けられている。これと熱膨張係数を合わせるた
め、図２(B) に示す如く、酸化物非超伝導材料(1')を２
μの厚さに設け、合わせて基板(1) とした。さらにこの
上に実施例１と同様の方法で活性領域(2),非活性領域(2
0), 上側酸化物超伝導材料(1')を作った。特にそのリ−
ド(8),(9) を構成させる際、制御用電極(10)も同時に周
辺部を添加物を添加することにより形成した。出力用の
電極はセラミック薄膜に密接し、オ−ム接触がなされる
べくした。かかる装置の電気特性を調べたところ、図３
に示すジョセフソン特性を液体窒素温度で有しているこ
とが判明した。

【００３７】半導体集積回路(1'') との連絡線は400 ℃
以上の熱処理を施さないようにし、またその酸化物超伝
導材料の形成も400 ℃までの温度で行った。それは酸化
物超伝導材料の酸素と半導体を構成する珪素とが互いに
反応して界面に酸化珪素を作ることを防ぐためである。
これ以上の温度にすることがやむを得ない時はその界面
をシリコン−耐熱性金属(W,Mo,Tiまたはその珪化物) −
非酸化性金属(Au,Ag)−酸化物超伝導材料とすると、700
℃, １時間までの処理または成膜にも耐えることがで
きる。

【００３８】

【発明の効果】本発明はこれまで縦接合型の２端子装置
であった超伝導装置を横接合型の２端子装置または多端
子装置とし、同一基板上に集積化させた。

【００３９】さらにその電極・リ−ドを２層配線で構成
させるため、かかる温度領域では抵抗が零または零に十
分近い酸化物超伝導性材料で相互配線したものである。

【００４０】このため、この超伝導装置を同一基板に多
数個設け、集積化させることが可能となった。

【００４１】本発明においては制御用電極を０ケまたは
１ケ示したが、これを２ケまたはそれ以上を直列または
並列に設けてもよい。

【００４２】この基板上に同時に選択的に周辺を絶縁物
で分離した。超伝導コイルを作ってSQUID としてもよ
い。

【００４３】本発明において、酸化物超伝導性材料とい
う表題を用いた。しかしこれは超伝導材料が酸化物であ
ることによる。その結晶構造は多結晶であっても、また
単結晶であってもよいことは、本発明の技術思想におい
て明らかである。特に単結晶構造の場合には、超伝導材
料を用いるに際し、基板上にエピタキシァル成長をさせ
ればよい。

【００４４】また、本明細書の実施例では超伝導材料間
の連結に、超伝導材料にイオン注入して非超伝導化した
材料を使用した例を示した。しかし、他の方法によっ
て、例えば超伝導薄膜をレーザーでパターニングし、そ
の上にペロブスカイト型構造を有する非超伝導材料を成
膜することによっても得られることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の超伝導装置の縦断面図

【図２】本発明の超伝導装置の縦断面図

【図３】本発明で作られた超伝導装置の特性

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に設けられた複数個の酸化物超伝導
材料と、前記酸化物超伝導材料と同一主成分であってかつ非超伝
導性を有する材料と、からなる酸化物超伝導装置であって、前記複数個の酸化物超伝導材料は基板上にそのａｂ面が
概略平行になるように配向して設けられており、前記酸化物超伝導材料と前記非超伝導特性を有する材料
とは横接合されていることを特徴とする酸化物超伝導装
置。