JPH0812937B2 - 超電導体膜を含む多層膜の作製方法 - Google Patents

超電導体膜を含む多層膜の作製方法

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JPH0812937B2 JP2228132A JP22813290A JPH0812937B2 JP H0812937 B2 JPH0812937 B2 JP H0812937B2 JP 2228132 A JP2228132 A JP 2228132A JP 22813290 A JP22813290 A JP 22813290A JP H0812937 B2 JPH0812937 B2 JP H0812937B2
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  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超電導現象を利用するジョセフソン接合素
子、超電導トランジスタ、超電導スイッチング素子等、
超電導エレクトロニクスの分野に係り、特に超電導素子
の基本構造である超電導体と非超電導体との積層構造の
製法に関する。
〔従来の技術〕
ジョセフソン接合素子、超電導トランジスタ、超電導
スイッチング素子、に代表される超電導素子は超高速動
作や低消費電力等の優れた特長を持っている。しかし、
従来は超電導現象が液体ヘリウム温度付近の極低温でし
か現われないため、実用化は困難とされていた。
近年、液体窒素温度以上で超電導性を有する材料、す
なわち高温酸化物超電導体が発見され、超電導素子の実
用化は大きく前進した。
超電導素子に作製するために必要不可欠な基本技術の
一つに超電導体と非超電導体の積層技術が挙げられる。
たとえば、超電導体として酸素欠損三層ペロブスカイ
ト構造を持つYBa2Cu3OX(6.7≦x≦7)を用い、非超電
導体として酸化マグネシウム(MgO)を用いた超電導体
/非超電導体/超電導体の三層構造が第50回応用物理学
会学術講演会 講演予稿集 p.93 28p−q−14におい
て報告されているが、超電導体と非超電導体の反応や非
超電導体が一様に成長せず島状になる等の問題が生じ、
素子としての特性は得られていない。
〔発明が解決しようとする課題〕
超電導素子を作製するためには、基板上に超電導薄膜
を作製する技術の他に、超電導薄膜の上に異種材料を積
層する技術やさらにその異種材料上に再び超電導材料を
積層する技術が必要となってくる。例えばジョセフソン
トンネル接合素子を作製するためには、第1図に示すよ
うな積層構造が必要である。すなわち、基板4の上に下
部電極となる超電導体膜3を堆積させ、中間層としてそ
の上に絶縁体膜2を作製し、さらにその上に上部電極と
なる超電導体膜1を作製しなければならない。
特性の優れた素子を作製するためには、上部電極、下
部電極ともに優れた超電導特性を示すことが望まれる。
下部電極については、基板材料として超電導体と格子
の整合性のよい物質の単結晶となるものを選択すること
で、エピタキシャル成長を利用して、結晶性の優れた、
すなわち超電導特性の優れた単結晶薄膜を作製できる。
中間層となる絶縁体については超電導体と反応しにく
く、絶縁体膜が島状に核成長せずに一様に層成長するこ
とが望まれる。
さらに、上部電極に関しては、超電導体膜の結晶性、
従って超電導特性が、下地材料の結晶構造と結晶性に大
きく影響をうける。
本発明の目的は超電導体膜を含む多層膜の作製に適し
た異種材料を提供し、それらを用いることにより得られ
る超電導体膜と半導体膜、絶縁体膜または常電導体膜と
の積層膜に係り、特に、エピタキシャル成長を利用した
超電導体膜を含む多層膜の作製方法に関する。
〔問題点を解決するための手段〕
上記課題は、半導体、絶縁体または常伝導体として超
電導体と類似した結晶構造を持つ酸化物を用いて積層膜
を作製することにより解決することができる。
このような積層膜を作製する有力な方法に反応性蒸着
法がある。また原子層単位で順次膜成長させることによ
り、上記の積層膜はより精密に作製可能となる。
第1の発明の特徴は、超電導体膜と半導体膜、絶縁体
膜または常電導体膜との積層膜において、上記半導体
膜、上記絶縁体膜または上記常電導体膜として上記超電
導体と類似した結晶構造をもつ物質を用い、エピタキシ
ャル成長を利用して膜を多層化することにある。
上記超電導体としてBi系酸化物超電導体を用いる場
合、上記半導体、上記絶縁体または上記常電導体として
上記Bi系酸化物超電導体と類似した結晶構造をもつ物質
を用いればよい。
Bi系酸化物超電導体を用いる例としては、上記半導
体、上記絶縁体または上記常電導体として、一般式(Bi
1−yPh2An−1CunOX(A:一種類以上のアルカリ
土類金属元素;n=1,2,3,4;2n+4≦x≦2n+5,0≦y≦
0.2)で表わされる酸化物を用いたもの、一般式Bi2A
n+1ConOX(Aは一種類以上のアルカリ土類金属元素;
n=1,2,3;2n+4≦x≦3n+4)で表わされる酸化物を
用いたもの、または一般式Bi2An+1FenOX(n=1,2,
3;Aは一種類以上のアルカリ土類金属元素;n=1,2,3;2n
+4≦x≦3n+4)で表わされる酸化物を用いたものが
優れている。
また、上記超電導体として一般式TlAn+1CunOx(A:
一種類以上のアルカリ土類金属元素,n=1,2,3,4)ある
いは一般式Tl2An+1CunOx(A:一種類以上のアルカリ
土類金属元素;n=1,2,3,4;2n+4≦x≦2n+5)で表わ
されるTl系酸化物超電導体を用い、上記半導体、上記絶
縁体または上記常電導体として上記Tl系酸化物超電導体
と類似した結晶構造をもつ物質を用いてもよい。
第2の発明の特徴は、超電導体膜と半導体膜、絶縁体
膜または常電導体膜との積層膜の作製方法において、酸
素の活性種を使用した反応性蒸着法により膜を作製する
ことにある。
上記積層膜の作製法としては、上記超電導体膜と半導
体膜、絶縁体膜または常電導体膜の構成元素を原子層単
位で順次蒸着させる原子層制御成長法または上記酸素の
活性種源としてマイクロ波励起酸素プラズマを用いた反
応性蒸着法が適している。
〔作用〕
本発明では、非超電導体、すなわち、半導体、絶縁体
または常伝導体として超電導体と類似した結晶構造を持
つ材料を用いることにより、超電導体の上に非超電導体
を積層した場合および非超電導体の上に超電導体を積層
した場合、いずれの場合も、エピタキシャル的な結晶成
長が可能となることを利用して、上記の課題を解決し
た。
これにより、積層膜を作製した場合、接合界面での格
子の乱れや配向の乱れを低く抑えることができ、良好な
接合特性を得ることができる。
また、低温での薄膜形成に有効な反応性蒸着法を用い
ることによって、界面での原子の拡散を抑え、上述の積
層膜を作製できる。さらに、原子層単位で各原子を順次
蒸着する事により、積層欠陥の少なくかつ、平坦な薄膜
を積層し、積層膜を作製することができる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を説明する。
超電導体として第2図(a)に示すような結晶構造を
持つBi2Sr2Ca2Cu3Ox(10≦x≦11)を用い、半導体とし
て第2図(b)に示すような結晶構造を持つBi2Ca3Co2O
x(8≦x≦10)を用い、弱結合ジョセフソン接合素子
を作製した。これらの材料はいずれも、BiO二重層の間
にペロブスカイト類似構造がはさまれた構造となってい
る。薄膜の作製にはマイクロ波酸素プラズマを利用した
反応性蒸着法を用いた。基板12はチタン酸ストロンチウ
ム(SrTiO3)の(100)面を使用した。
まず、20mm×20mmのSrTiO3に第3図(a)に示すメタ
ルマスクをのせネジで基板ホルダーに固定した。その
後、真空槽内を10-6Torrまで排気したのち、酸素ガスを
3.5SCCM導入し真空槽内の圧力を8×10-5Torrにした。
次に120Wのマイクロ波と875gaussの磁場を加え酸素プラ
ズマを放電させ、プラズマ中で基板を500℃まで加熱し
た。
蒸発源にはTa製のKnudsen−cellを使用し、原料は金
属のBi,Sr,Ca,Cu,Coを使用した。Co以外の原料を加熱し
金属蒸気を生成させる。蒸着速度がBi,Sr,Ca,Cuでそれ
ぞれ0.14μmol/hcm2,0.14μmol/hcm2,0.14μmol/hcm2,
0.21μmol/hcm2になるまで原料を加熱した。蒸着速度が
安定したことを確認したあとで、メインシャッターを開
き、60分間プラズマ中で同時蒸着を行ない、下部電極と
なるBi2Sr2Ca2Cu3OX(10≦x≦11)薄膜を形成した。成
膜後は1Torrの酸素中で室温まで冷却した。
真空槽を酸素ガスで大気圧までリークし、第3図
(b)に示したメタルマスクに交換し、再び1×10-6To
rrまで真空槽を排気し、酸素ガスを3.5SCCM導入し真空
槽内の圧力を8×10-5Torrにした。次に120Wのマイクロ
波と875gaussの磁場を加え酸素プラズマを放電させ、プ
ラズマ中で基板を500℃まで加熱した。膜厚モニターに
検出される蒸着速度がBi,Sr,Coでそれぞれ0.14μmol/hc
m2,0.21μmol/hcm2,0.14μmol/hcm2になるまで原料を加
熱した。蒸着速度が安定したことを確認した後、メイン
シャッターを開き、5分間同時蒸着を行ない絶縁体のBi
2Sr3Co2OX(8≦x≦10)薄膜を5nm作製した。室温まで
冷却した後、第3図(c)に示したメタルマスクに変換
し、真空槽を10-6Torrまで排気し、再び酸素ガスを3.5S
CCM導入し、120Wのマイクロ波と875gaussの磁場を加え
酸素プラズマを放電させ、プラズマ中で基板を500℃ま
で加熱した。下部電極作製時と同一条件で、約200nmのB
i2Sr2Ca2Cu3OX(10≦x≦11)薄膜を上部電極として作
製した。マイクロ波の電力を0Wにして、酸素ガスを1Tor
rになるまでリークし、室温まで基板を冷却した。
第5図に作製した弱結合ジョセフソン接合素子の概略
図を示す。第4図でA,Bで示した端子に電流を流し、C,D
で示した端子間に生じた電圧を測定した。第5図に測定
結果を示す。このように典型的な弱結合性が得られた。
〔発明の効果〕
本発明により以下のような効果が得られる。
すなわち、超電導体と類似した結晶構造を持つ半導
体、絶縁体または常電導体を非超電導体として用い、超
電導体と積層することで、エピタキシャル成長を行なう
ことが可能となり、超電導体膜を含む多層膜において、
異種化合物の積層による結晶性の劣化の抑制が実現され
た。
【図面の簡単な説明】
第1図は積層型ショセフソン接合素子の断面図、第2図
はBi2Sr2Ca2Cu3O10とBi2Ca3Co2O10の結晶構造を示す
図、第3図はメタルマスクのパターンを示す図、第4図
は弱結合ジョセフソン接合素子の上面図、第5図は弱結
合ジョセフソン接合素子の電流−電圧特性を示す線図で
ある。 1……上部電極用超電導薄膜、2……絶縁体薄膜、3…
…下部電極用超電導薄膜、4……基板、5……酸素原
子、6……Bi、7……Sr、8……Cu、9……Ca、10……
銅ペロブスカイト構造、11……Bi−O二重層、12……C
o、13……コバルト−ペロブスカイト構造、14……メタ
ルマスク、15……Bi2Ca3Co2OX半導体薄膜、16……Au薄
膜、17……Bi2Sr4Fe3OX絶縁体薄膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 会田 敏之 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 兼堀 恵一 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平2−177381(JP,A) 特開 平4−83383(JP,A) 特開 平4−64267(JP,A) 特開 平2−260674(JP,A) Appl.Phys.Lett.56 〔15〕(9 April 1990)pp. 1469−1471 Jpn.J.Appl.Phys.28 〔4〕(April 1989)pp.L635 −L638 Appl.Phys.Lett.53 〔6〕(8 August 1988)pp. 523−525

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(1)真空槽内の基板ホルダーにSrTiO3
    らなる基板を固定し、上記真空槽内を10-6Torrまで排気
    したのち、酸素ガスを3.5SCCM導入し、真空槽内の圧力
    を8×10-5Torrにする工程、 (2)下部電極となる原料の金属を、蒸着速度が安定す
    るまでそれぞれ加熱する工程、 (3)上記金属の蒸着速度が安定したことを確認した
    後、メインシャッターを開き、60分間プラズマ中におい
    て、上記基板に上記金属を蒸着することにより下部電極
    を形成する工程、 (4)上記(3)の工程後、1Torrの酸素中で上記真空
    槽内を室温まで冷却する工程、 (5)上記真空槽を酸素ガスで大気圧までリークし、再
    び10-6Torrまで排気したのち、酸素ガスを3.5SCCM導入
    し、真空槽内の圧力を8×10-5Torrにする工程、 (6)次に120Wのマイクロ波と875gaussの磁場を加え酸
    素プラズマを放電させ、プラズマ中で上記基板を500℃
    まで加熱する工程、 (7)絶縁体となる原料の金属を、蒸着速度が安定する
    までそれぞれ加熱する工程、 (8)上記金属の蒸着速度が安定したことを確認した
    後、メインシャッターを開き、5分間、上記基板に上記
    金属を同時蒸着することにより絶縁体を形成する工程、 (9)上記真空槽内を室温まで冷却した後、上記真空槽
    を10-6Torrまで排気し、再び酸素ガスを3.5SCCM導入
    し、120Wのマイクロ波と875gaussの磁場を加え酸素プラ
    ズマを放電させ、プラズマ中で上記基板を500℃まで加
    熱する工程、 (10)上記(9)の工程の後、上記下部電極作製時と同
    一条件により上部電極を作製する工程、を有することを
    特徴とする超電導体膜を含む多層膜の作製方法。
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JPH02260674A (ja) * 1989-03-31 1990-10-23 Sumitomo Electric Ind Ltd トンネル型ジョセフソン素子とその作製方法
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Appl.Phys.Lett.53〔6〕(8August1988)pp.523−525
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