JPH0964428A - トンネル型超伝導接合素子 - Google Patents
トンネル型超伝導接合素子Info
- Publication number
- JPH0964428A JPH0964428A JP7218523A JP21852395A JPH0964428A JP H0964428 A JPH0964428 A JP H0964428A JP 7218523 A JP7218523 A JP 7218523A JP 21852395 A JP21852395 A JP 21852395A JP H0964428 A JPH0964428 A JP H0964428A
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- Japan
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- superconducting
- oxide
- tunnel
- barrier layer
- junction
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- Pending
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 酸化物超伝導体を用いた高特性のトンネル型
超伝導接合素子の提供。 【構成】 アルカリ土類元素と銅の酸化物を主成分とす
る一般化学式Ｍ1-xＳｒ2Ｃａn-1Ｃｕn+xＯ2n+2+y の上
部および下部の超伝導電極と、酸化ビスマスのバリア層
とで構成される。ここで元素Ｍは、鉛、タリウム、水
銀、ガリウム、アルミニウム、ホウ素、炭素、硫黄、リ
ンのうちの少なくとも一つの元素、またｎは１〜５の整
数、ｘは０＜ｘ＜０.８の範囲の数値、ｙは０＜ｙ＜１
の範囲の数値をである。
超伝導接合素子の提供。 【構成】 アルカリ土類元素と銅の酸化物を主成分とす
る一般化学式Ｍ1-xＳｒ2Ｃａn-1Ｃｕn+xＯ2n+2+y の上
部および下部の超伝導電極と、酸化ビスマスのバリア層
とで構成される。ここで元素Ｍは、鉛、タリウム、水
銀、ガリウム、アルミニウム、ホウ素、炭素、硫黄、リ
ンのうちの少なくとも一つの元素、またｎは１〜５の整
数、ｘは０＜ｘ＜０.８の範囲の数値、ｙは０＜ｙ＜１
の範囲の数値をである。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高速・高感度の動作が
期待されている超伝導デバイスの要素部品となるトンネ
ル型超伝導接合素子に関するものである。
期待されている超伝導デバイスの要素部品となるトンネ
ル型超伝導接合素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年発見された酸化物超伝導体の中に
は、その超伝導臨界温度が液体窒素温度を越えるものが
あり、超伝導体の応用分野を大きく広げることとなっ
た。エレクトロニクス分野に応用が期待される超伝導デ
バイスに関しては、基本的要素部品である超伝導接合と
して、超伝導薄膜の面内の粒界を利用した接合、階段状
の段差を利用した接合、積層型の接合などが試作されて
いる（高田進、応用物理、Vol.62, p.443 (1993)）。
は、その超伝導臨界温度が液体窒素温度を越えるものが
あり、超伝導体の応用分野を大きく広げることとなっ
た。エレクトロニクス分野に応用が期待される超伝導デ
バイスに関しては、基本的要素部品である超伝導接合と
して、超伝導薄膜の面内の粒界を利用した接合、階段状
の段差を利用した接合、積層型の接合などが試作されて
いる（高田進、応用物理、Vol.62, p.443 (1993)）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】これら従来試作されて
いる超伝導接合素子は、再現性よく作製するのが難し
く、また特性が未だ不十分の状況であった。特に理想的
なジョセフソン特性を示すトンネル型接合素子は、これ
までほとんど実現されていない。この理由は、トンネル
接合が超伝導物質と非超伝導物質という異種の材料の接
触で構成されるため、高温超伝導体のような複合酸化物
を使って、完全な乱れのない接合を実現することが技術
的に困難なことに因る。すなわち超伝導薄膜層と非超伝
導薄膜層の膜厚方向の良質の接触を達成して、実用的な
優れた特性の素子となるには、材料的に両者の相性がよ
くしかも作り易い必要がある。例えば従来の金属超伝導
体として知られるＮｂ薄膜を用いたトンネル型超伝導接
合も、酸化アルミニウムのバリア層という絶好の材料の
組み合わせの発見を経てはじめて実現されるようになっ
た。
いる超伝導接合素子は、再現性よく作製するのが難し
く、また特性が未だ不十分の状況であった。特に理想的
なジョセフソン特性を示すトンネル型接合素子は、これ
までほとんど実現されていない。この理由は、トンネル
接合が超伝導物質と非超伝導物質という異種の材料の接
触で構成されるため、高温超伝導体のような複合酸化物
を使って、完全な乱れのない接合を実現することが技術
的に困難なことに因る。すなわち超伝導薄膜層と非超伝
導薄膜層の膜厚方向の良質の接触を達成して、実用的な
優れた特性の素子となるには、材料的に両者の相性がよ
くしかも作り易い必要がある。例えば従来の金属超伝導
体として知られるＮｂ薄膜を用いたトンネル型超伝導接
合も、酸化アルミニウムのバリア層という絶好の材料の
組み合わせの発見を経てはじめて実現されるようになっ
た。
【０００４】酸化物超伝導体においては従来このような
絶妙の組合せの接合が未だ作られていなかった。
絶妙の組合せの接合が未だ作られていなかった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決する本
発明のトンネル型超伝導接合素子は、アルカリ土類元素
と銅の酸化物を主成分とする一般化学式Ｍ1-xＳｒ2Ｃａ
n-1Ｃｕn+xＯ2n+2+yで表される上部および下部の超伝導
電極と、酸化ビスマスのバリア層とで構成するというも
のである。ここで元素Ｍは、鉛、タリウム、水銀、ガリ
ウム、アルミニウム、ホウ素、炭素、硫黄、リンのうち
の少なくとも一つの元素、またｎは１〜５の整数、ｘは
０＜ｘ＜０.８の範囲の数値、ｙは０＜ｙ＜１の範囲の
数値を示す。
発明のトンネル型超伝導接合素子は、アルカリ土類元素
と銅の酸化物を主成分とする一般化学式Ｍ1-xＳｒ2Ｃａ
n-1Ｃｕn+xＯ2n+2+yで表される上部および下部の超伝導
電極と、酸化ビスマスのバリア層とで構成するというも
のである。ここで元素Ｍは、鉛、タリウム、水銀、ガリ
ウム、アルミニウム、ホウ素、炭素、硫黄、リンのうち
の少なくとも一つの元素、またｎは１〜５の整数、ｘは
０＜ｘ＜０.８の範囲の数値、ｙは０＜ｙ＜１の範囲の
数値を示す。
【０００６】
【作用】本発明者等は、銅酸化物の高温超伝導体を用い
たトンネル型接合素子の実現を目指して鋭意研究した結
果、前記特定素材の超伝導電極とバリア層材料の組み合
わせの際に高性能の接合特性が得られることを発見し、
発明に至ったものである。この場合、相性の良い材料の
組み合わせを予測することは難しく、従来の金属超伝導
体のニオブと酸化アルミニウム絶縁膜の組み合わせよう
に、作製してみて初めて良質の接合素子となり得ること
が判断される。すなわち、Ｍ1-xＳｒ2Ｃａ n-1Ｃｕn+xＯ
2n+2+y (M=Pb,Tl,Hg,Ga,Al,B,C,S,P) の超伝導電極材料
を用いたときに、酸化ビスマスのバリア層が極めて薄く
均一に広がって挟み込めることを見いだした。酸化ビス
マス層以外の絶縁層、例えば酸化マグネシウムや酸化チ
タン、酸化アルミニウム等では、薄く均一なバリア層と
して成膜することが困難であった。また、上記以外の超
伝導材料、例えば一般的なイットリウム系超伝導体ＹＢ
ａ2Ｃｕ3Ｏ7 等を用いて酸化ビスマスのバリア層を形成
しても良質の接合は困難であった。本発明は、前記の絶
妙な材料の組み合わせの発見によりなし得たものであ
る。この場合、なぜこれらの組み合わせにおいて良質な
接合が形成されるのかは明かでないが、各材料の構造的
・化学的相性が関係していると考えられる。なお超伝導
電極 Ｍ1-xＳｒ2Ｃａn-1Ｃｕn+xＯ2n+2+y としては、超
伝導特性に優れた０＜ｘ＜０.８および０＜ｙ＜１の領
域でかつｎ＝１〜５の整数で規定される材料を用いた場
合に好ましい。
たトンネル型接合素子の実現を目指して鋭意研究した結
果、前記特定素材の超伝導電極とバリア層材料の組み合
わせの際に高性能の接合特性が得られることを発見し、
発明に至ったものである。この場合、相性の良い材料の
組み合わせを予測することは難しく、従来の金属超伝導
体のニオブと酸化アルミニウム絶縁膜の組み合わせよう
に、作製してみて初めて良質の接合素子となり得ること
が判断される。すなわち、Ｍ1-xＳｒ2Ｃａ n-1Ｃｕn+xＯ
2n+2+y (M=Pb,Tl,Hg,Ga,Al,B,C,S,P) の超伝導電極材料
を用いたときに、酸化ビスマスのバリア層が極めて薄く
均一に広がって挟み込めることを見いだした。酸化ビス
マス層以外の絶縁層、例えば酸化マグネシウムや酸化チ
タン、酸化アルミニウム等では、薄く均一なバリア層と
して成膜することが困難であった。また、上記以外の超
伝導材料、例えば一般的なイットリウム系超伝導体ＹＢ
ａ2Ｃｕ3Ｏ7 等を用いて酸化ビスマスのバリア層を形成
しても良質の接合は困難であった。本発明は、前記の絶
妙な材料の組み合わせの発見によりなし得たものであ
る。この場合、なぜこれらの組み合わせにおいて良質な
接合が形成されるのかは明かでないが、各材料の構造的
・化学的相性が関係していると考えられる。なお超伝導
電極 Ｍ1-xＳｒ2Ｃａn-1Ｃｕn+xＯ2n+2+y としては、超
伝導特性に優れた０＜ｘ＜０.８および０＜ｙ＜１の領
域でかつｎ＝１〜５の整数で規定される材料を用いた場
合に好ましい。
【０００７】
【実施例】以下具体的実施例を挙げ、本発明をより詳細
に説明する。
に説明する。
【０００８】反応性蒸着法によりトンネル型超伝導接合
素子の形成を次のように行った。鉛、ストロンチウム、
カルシウム、銅、ビスマスの５個の個別蒸発源と、それ
ら各々を独立に制御できる個別シャッターおよび成膜基
板表面に酸素を供給するオゾンビーム源で構成された薄
膜形成装置を用いて、原子層単位の酸化物薄膜を成長さ
せた。成長基板にはチタン酸ストロンチウムＳｒＴｉＯ
3（１００）面を用い、蒸着時に６００℃に加熱した。
下部超伝導電極として(Pb,Cu)Sr2Ca2Cu3O9 薄膜を形成
するため、基板にオゾンビームを照射しつつ (Pb0.5Cu
0.5)→Sr→Cu→Ca→Cu→Ca→Cu→Sr→(Pb0.5Cu0.5)の順
番で蒸発源のシャッター制御を繰り返し、各酸化物薄膜
の単原子層を逐次成長させた。７０サイクルの繰り返し
で約１０００Åの下部電極を成長させた後、(Pb0.5Cu
0.5)-O 層成長の手前のSr-O層で成長を止めた。
素子の形成を次のように行った。鉛、ストロンチウム、
カルシウム、銅、ビスマスの５個の個別蒸発源と、それ
ら各々を独立に制御できる個別シャッターおよび成膜基
板表面に酸素を供給するオゾンビーム源で構成された薄
膜形成装置を用いて、原子層単位の酸化物薄膜を成長さ
せた。成長基板にはチタン酸ストロンチウムＳｒＴｉＯ
3（１００）面を用い、蒸着時に６００℃に加熱した。
下部超伝導電極として(Pb,Cu)Sr2Ca2Cu3O9 薄膜を形成
するため、基板にオゾンビームを照射しつつ (Pb0.5Cu
0.5)→Sr→Cu→Ca→Cu→Ca→Cu→Sr→(Pb0.5Cu0.5)の順
番で蒸発源のシャッター制御を繰り返し、各酸化物薄膜
の単原子層を逐次成長させた。７０サイクルの繰り返し
で約１０００Åの下部電極を成長させた後、(Pb0.5Cu
0.5)-O 層成長の手前のSr-O層で成長を止めた。
【０００９】その後バリア層としてビスマス酸化物(Bi-
O)を２原子層約５Å成長させた後、再び Sr→Cu→Ca→C
u→Ca→Cu→Sr→(Pb0.5Cu0.5) の順番で逐次堆積を繰り
返し、約５００Å成長させて上部超伝導電極とした。図
１は、この素子のバリア層近傍の原子層構造の模式図で
ある。上部および下部電極の超伝導転移温度は約７０Ｋ
程度であり、高いものでは９０Ｋに達するものもあっ
た。
O)を２原子層約５Å成長させた後、再び Sr→Cu→Ca→C
u→Ca→Cu→Sr→(Pb0.5Cu0.5) の順番で逐次堆積を繰り
返し、約５００Å成長させて上部超伝導電極とした。図
１は、この素子のバリア層近傍の原子層構造の模式図で
ある。上部および下部電極の超伝導転移温度は約７０Ｋ
程度であり、高いものでは９０Ｋに達するものもあっ
た。
【００１０】前記積層膜の微細加工を行い、図２の断面
形状をもつ接合素子を作製した。基板10上に形成された
積層膜を、アルゴンイオンエッチングにより３μｍ×３
μｍの面積に切り出し、下部電極11と上部電極12の間に
バリア層13が挟まれた接合部を形成した。上部および下
部電極はＣａＦ2を堆積させた層間絶縁層14により分離
され、そこから金属電極15,15'が引き出されて素子を構
成している。１０Ｋにおける素子の両電極間の電流・電
圧特性を測定したところ、図３のように明確なヒステリ
シスを持つ典型的なジョセフソン特性を示した。すなわ
ち良質の超伝導トンネル素子が、銅酸化物超伝導体を用
いても再現性良く実現できることが示された。
形状をもつ接合素子を作製した。基板10上に形成された
積層膜を、アルゴンイオンエッチングにより３μｍ×３
μｍの面積に切り出し、下部電極11と上部電極12の間に
バリア層13が挟まれた接合部を形成した。上部および下
部電極はＣａＦ2を堆積させた層間絶縁層14により分離
され、そこから金属電極15,15'が引き出されて素子を構
成している。１０Ｋにおける素子の両電極間の電流・電
圧特性を測定したところ、図３のように明確なヒステリ
シスを持つ典型的なジョセフソン特性を示した。すなわ
ち良質の超伝導トンネル素子が、銅酸化物超伝導体を用
いても再現性良く実現できることが示された。
【００１１】なお、ここでは元素ＭとしてPbを用いた
が、他に Y, Nd, Tl, Hg, Cr, Ga, Ta, Al, Nb, B, C,
N, S, P 等を試みたところ、これらの中で M= Tl, Hg,
Ga, Al, B, C, S, P の時にも良質の接合素子が形成で
きることを確認した。
が、他に Y, Nd, Tl, Hg, Cr, Ga, Ta, Al, Nb, B, C,
N, S, P 等を試みたところ、これらの中で M= Tl, Hg,
Ga, Al, B, C, S, P の時にも良質の接合素子が形成で
きることを確認した。
【００１２】さらに酸化ビスマスのバリア層の厚みの検
討の結果、酸化ビスマス２原子層を堆積させたBi2O2２
重層を形成した場合に最も安定に接合素子が形成できる
ことを確認した。またバリア層の挿入位置としては同様
な検討の結果、下部超伝導電極の酸化ストロンチウム層
(SrO)の上に挿入した場合に好ましく、上部電極につい
てもバリア層成長後に酸化ストロンチウム層から成長を
再開した場合に再現性の良い接合が作製できることを確
認した。これらの理由は定かではないが、結晶学的およ
び化学的な相性に起因していると思われる。
討の結果、酸化ビスマス２原子層を堆積させたBi2O2２
重層を形成した場合に最も安定に接合素子が形成できる
ことを確認した。またバリア層の挿入位置としては同様
な検討の結果、下部超伝導電極の酸化ストロンチウム層
(SrO)の上に挿入した場合に好ましく、上部電極につい
てもバリア層成長後に酸化ストロンチウム層から成長を
再開した場合に再現性の良い接合が作製できることを確
認した。これらの理由は定かではないが、結晶学的およ
び化学的な相性に起因していると思われる。
【００１３】
【発明の効果】以上のように本発明は、銅酸化物高温超
伝導体においてこれまで困難とされていた良質の超伝導
トンネル接合特性を有する素子を提供するものである。
超伝導トンネル接合は各種超伝導デバイスの基本要素部
品を構成するもので、本発明のように高品質のものを簡
単に実現できると超伝導エレクトロニクスの発展を大い
に促すものとなる。よって本発明の工業的価値は大き
い。
伝導体においてこれまで困難とされていた良質の超伝導
トンネル接合特性を有する素子を提供するものである。
超伝導トンネル接合は各種超伝導デバイスの基本要素部
品を構成するもので、本発明のように高品質のものを簡
単に実現できると超伝導エレクトロニクスの発展を大い
に促すものとなる。よって本発明の工業的価値は大き
い。
【図１】本発明の一実施例の超伝導接合におけるバリア
層近傍の原子層構造模式図
層近傍の原子層構造模式図
【図２】本発明の一実施例において作製されたトンネル
型超伝導接合素子の断面図
型超伝導接合素子の断面図
【図３】本発明の一実施例において作製されたトンネル
型超伝導接合素子の電流電圧特性を示す図
型超伝導接合素子の電流電圧特性を示す図
１０ チタン酸ストロンチウム基板 １１ 下部 (Pb,Cu)Sr2Ca2Cu3O9 超伝導電極 １２ 上部 (Pb,Cu)Sr2Ca2Cu3O9 超伝導電極 １３ 酸化ビスマスバリア層 １４ CaF2 層間絶縁層 15,15' 引き出し金属電極
Claims (3)
- 【請求項１】主体成分が、アルカリ土類元素、銅の酸化
物からなる一般化学式Ｍ1-xＳｒ2Ｃａn-1Ｃｕn+xＯ
2n+2+y で表される上部および下部の超伝導電極と、酸
化ビスマスのバリア層とで構成されたことを特徴とする
トンネル型超伝導接合素子。ここで元素Ｍは、鉛、タリ
ウム、水銀、ガリウム、アルミニウム、ホウ素、炭素、
硫黄、リンのうちの少なくとも一つの元素を示す。また
ｎは１〜５の整数、ｘは０＜ｘ＜０.８の範囲の数値、
ｙは０＜ｙ＜１の範囲の数値を示す。 - 【請求項２】バリア層が、酸化ビスマスの２重層（Ｂｉ
2Ｏ2）で構成されたことを特徴とする請求項１記載のト
ンネル型超伝導接合素子。 - 【請求項３】上部および下部の超伝導電極の酸化ストロ
ンチウム層に接してバリア層が設けられたことを特徴と
する、請求項１記載のトンネル型超伝導接合素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7218523A JPH0964428A (ja) | 1995-08-28 | 1995-08-28 | トンネル型超伝導接合素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7218523A JPH0964428A (ja) | 1995-08-28 | 1995-08-28 | トンネル型超伝導接合素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0964428A true JPH0964428A (ja) | 1997-03-07 |
Family
ID=16721273
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7218523A Pending JPH0964428A (ja) | 1995-08-28 | 1995-08-28 | トンネル型超伝導接合素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0964428A (ja) |
-
1995
- 1995-08-28 JP JP7218523A patent/JPH0964428A/ja active Pending
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