JP2835203B2 - 超電導素子の製造方法 - Google Patents
超電導素子の製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、酸化物超電導体薄膜を
用いた超電導素子の製造方法に係り、特に、そのような
超電導素子におけるトンネル型ジョセフソン接合の形成
に関する。
用いた超電導素子の製造方法に係り、特に、そのような
超電導素子におけるトンネル型ジョセフソン接合の形成
に関する。
【０００２】
【従来の技術】酸化物超電導体薄膜を用いた超電導素子
を実現するためには、トンネル型ジョセフソン接合の形
成が不可欠である。高温酸化物超電導体は、様々な物性
において異方性が大きい。例えば、トンネル型ジョセフ
ソン接合を形成する際に重要な因子であるコヒ−レンス
長ξも、異方性を示す物性の１つである。即ち、ａｂ面
内方向のコヒ−レンス長ξが約３０オングストロ−ムで
あるのに対し、ｃ軸方向のコヒ−レンス長ξは約５オン
グストロ−ムと極めて短い。また、超電導電流は、ｃ軸
方向に垂直な方向には多く流れるが、ｃ軸方向に平行な
方向にはあまり流れない。
を実現するためには、トンネル型ジョセフソン接合の形
成が不可欠である。高温酸化物超電導体は、様々な物性
において異方性が大きい。例えば、トンネル型ジョセフ
ソン接合を形成する際に重要な因子であるコヒ−レンス
長ξも、異方性を示す物性の１つである。即ち、ａｂ面
内方向のコヒ−レンス長ξが約３０オングストロ−ムで
あるのに対し、ｃ軸方向のコヒ−レンス長ξは約５オン
グストロ−ムと極めて短い。また、超電導電流は、ｃ軸
方向に垂直な方向には多く流れるが、ｃ軸方向に平行な
方向にはあまり流れない。
【０００３】高温酸化物超電導体薄膜を作成する際、ｃ
軸を基板面に対して垂直に形成する（ｃ軸配向）か、基
板面に対して平行に形成する（ａ軸配向）かによって、
２通りのジョセフソン接合の構造が考えられる。即ち、
図４に示すように、単結晶基板１上に、下部ａ軸配向超
電導体層２／絶縁体層３／上部ａ軸配向超電導体層４を
積層した構造と、図５に示すように、単結晶基板１上
に、下部ｃ軸配向超電導体層５／絶縁体層３／上部ｃ軸
配向超電導体層６を積層した構造とである。これらの構
造のうち、流すことが可能な超電導電流の大きさの観点
からは図４に示す構造が好ましく、しかもこの構造の場
合コヒ−レンス長ξが長いため、間に挟まれる絶縁体層
３としては、比較的厚いものでも許容されるため、絶縁
体層３の形成が容易であるという利点がある。
軸を基板面に対して垂直に形成する（ｃ軸配向）か、基
板面に対して平行に形成する（ａ軸配向）かによって、
２通りのジョセフソン接合の構造が考えられる。即ち、
図４に示すように、単結晶基板１上に、下部ａ軸配向超
電導体層２／絶縁体層３／上部ａ軸配向超電導体層４を
積層した構造と、図５に示すように、単結晶基板１上
に、下部ｃ軸配向超電導体層５／絶縁体層３／上部ｃ軸
配向超電導体層６を積層した構造とである。これらの構
造のうち、流すことが可能な超電導電流の大きさの観点
からは図４に示す構造が好ましく、しかもこの構造の場
合コヒ−レンス長ξが長いため、間に挟まれる絶縁体層
３としては、比較的厚いものでも許容されるため、絶縁
体層３の形成が容易であるという利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このような背景から、
実際には図４に示す構造の研究が進められてきた。しか
し、高温酸化物超電導体薄膜は、やはりその異方性故
に、ｃ軸配向膜は容易に得られるが、ａ軸配向膜を形成
しようとすると、ｂ軸配向と混相となってしまったり、
或いはａ軸の方向が一致しなかったり、均一な膜を再現
性よく形成することは非常に困難である。更に、ａ軸配
向膜は表面を平坦に形成することが困難なので、絶縁層
の膜厚が場所によって不均一であるとか、被覆率が低下
するという問題が生ずる。
実際には図４に示す構造の研究が進められてきた。しか
し、高温酸化物超電導体薄膜は、やはりその異方性故
に、ｃ軸配向膜は容易に得られるが、ａ軸配向膜を形成
しようとすると、ｂ軸配向と混相となってしまったり、
或いはａ軸の方向が一致しなかったり、均一な膜を再現
性よく形成することは非常に困難である。更に、ａ軸配
向膜は表面を平坦に形成することが困難なので、絶縁層
の膜厚が場所によって不均一であるとか、被覆率が低下
するという問題が生ずる。
【０００５】そこで、図５に示す構造を実現する必要性
が生ずるが、この場合、ｃ軸方向のコヒ−レンス長ξは
短いため、絶縁体層３を非常に薄く形成しなければなら
ない。しかしながら、図５の構造を試みて、上部ｃ軸配
向超電導体層６を形成する際、基板温度が高いため絶縁
体層３が凝集し、図６に示すように島状になってしま
い、下部ｃ軸配向超電導体層５表面への被覆率が低下し
てしまう事態が生じる。これは、上部及び下部の超電導
体層が直接接してしまうことを意味し、そのためジョセ
フソン接合は形成されない。
が生ずるが、この場合、ｃ軸方向のコヒ−レンス長ξは
短いため、絶縁体層３を非常に薄く形成しなければなら
ない。しかしながら、図５の構造を試みて、上部ｃ軸配
向超電導体層６を形成する際、基板温度が高いため絶縁
体層３が凝集し、図６に示すように島状になってしま
い、下部ｃ軸配向超電導体層５表面への被覆率が低下し
てしまう事態が生じる。これは、上部及び下部の超電導
体層が直接接してしまうことを意味し、そのためジョセ
フソン接合は形成されない。
【０００６】本発明は、このような事情の下になされ、
絶縁体層が薄くとも絶縁体層が凝集して島状になること
のない、下部ｃ軸配向超電導体層／絶縁体層／上部ｃ軸
配向超電導体層の構造を有する超電導素子を提供するこ
とを目的とする。
絶縁体層が薄くとも絶縁体層が凝集して島状になること
のない、下部ｃ軸配向超電導体層／絶縁体層／上部ｃ軸
配向超電導体層の構造を有する超電導素子を提供するこ
とを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に、ｃ
軸が該基板面と垂直な方向に配向した下部超電導体層を
形成する工程、この下部超電導体層上に絶縁体層を形成
する工程、この絶縁体層上に、ｃ軸が該基板面と平行な
方向に配向した上部超電導体層を形成する工程、及び熱
処理を施し、該上部超電導体層のｃ軸を該基板面と垂直
な方向に配向させる工程を具備する超電導素子の製造方
法を提供する。
軸が該基板面と垂直な方向に配向した下部超電導体層を
形成する工程、この下部超電導体層上に絶縁体層を形成
する工程、この絶縁体層上に、ｃ軸が該基板面と平行な
方向に配向した上部超電導体層を形成する工程、及び熱
処理を施し、該上部超電導体層のｃ軸を該基板面と垂直
な方向に配向させる工程を具備する超電導素子の製造方
法を提供する。
【０００８】本発明の方法において、上部超電導体層を
形成した後の熱処理は、ハロゲン元素含有雰囲気中で行
なうことが好ましい。ハロゲン元素含有雰囲気として
は、臭素雰囲気が望ましい。酸素やオゾン等の酸化性を
有する気体雰囲気でも、ａ軸配向をｃ軸配向に変化させ
ることが可能であるが、熱処理温度が酸素の場合８５０
℃以上、オゾンの場合６００℃以上と非常に高い温度が
必要となり、表面状態が粗雑になってしまったり、ある
いは絶縁体層が凝集してしまうという問題が生ずる。そ
のため、低温処理可能なハロゲン元素含有雰囲気中での
熱処理が好ましい。
形成した後の熱処理は、ハロゲン元素含有雰囲気中で行
なうことが好ましい。ハロゲン元素含有雰囲気として
は、臭素雰囲気が望ましい。酸素やオゾン等の酸化性を
有する気体雰囲気でも、ａ軸配向をｃ軸配向に変化させ
ることが可能であるが、熱処理温度が酸素の場合８５０
℃以上、オゾンの場合６００℃以上と非常に高い温度が
必要となり、表面状態が粗雑になってしまったり、ある
いは絶縁体層が凝集してしまうという問題が生ずる。そ
のため、低温処理可能なハロゲン元素含有雰囲気中での
熱処理が好ましい。
【０００９】熱処理は、２００〜５５０℃で行なうこと
が好ましく、より好ましくは３００〜４５０℃である。
２００℃未満では温度が低すぎて熱処理の効果が得られ
ず、５５０℃を越えると、絶縁体層の凝集が生じてしま
う。
が好ましく、より好ましくは３００〜４５０℃である。
２００℃未満では温度が低すぎて熱処理の効果が得られ
ず、５５０℃を越えると、絶縁体層の凝集が生じてしま
う。
【００１０】本発明で用いることが出来る超電導体とし
ては、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X 、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ
3 ＯX 、Ｔｌ2 Ｂａ2Ｃａ2 Ｃｕ3 ＯX 等、種々のもの
が挙げられる。
ては、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X 、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ
3 ＯX 、Ｔｌ2 Ｂａ2Ｃａ2 Ｃｕ3 ＯX 等、種々のもの
が挙げられる。
【００１１】本発明において下部超電導体層と上部超電
導体層とによって挟まれる絶縁体としては、ＭｇＯ、Ｓ
ｒＴｉＯ3 、あるいはペロブスカイト構造を有する酸化
物材料等を用いることが出来る。
導体層とによって挟まれる絶縁体としては、ＭｇＯ、Ｓ
ｒＴｉＯ3 、あるいはペロブスカイト構造を有する酸化
物材料等を用いることが出来る。
【００１２】本発明で用いられる基板としては、ＭｇＯ
単結晶、ＳｒＴｉＯ3 、あるいはＮｄＧａＯ3 単結晶な
ど、ペロブスカイト型材料の単結晶等を挙げることが出
来る。
単結晶、ＳｒＴｉＯ3 、あるいはＮｄＧａＯ3 単結晶な
ど、ペロブスカイト型材料の単結晶等を挙げることが出
来る。
【００１３】本発明の超電導素子において、下部超電導
体層の厚さは１０００〜１００００オングストロ−ム、
絶縁体層の厚さは５〜３０オングストロ−ム、上部下部
超電導体層の厚さは１０００〜１００００オングストロ
−ムであるのが好ましい。
体層の厚さは１０００〜１００００オングストロ−ム、
絶縁体層の厚さは５〜３０オングストロ−ム、上部下部
超電導体層の厚さは１０００〜１００００オングストロ
−ムであるのが好ましい。
【００１４】
【作用】本発明は、気相からの析出により高温酸化物超
電導体薄膜を形成する際に、ｃ軸配向とａ軸配向とを作
り分ける因子は基板温度であることを利用する。即ち、
ａ軸配向の超導電体薄膜は、ｃ軸配向の超導電体薄膜を
形成する場合よりも低い基板温度で形成される。従っ
て、ｃ軸配向の下部超電導体層を高い基板温度で形成
し、その上に絶縁層を形成した後、ａ軸配向の上部超電
導体層を低い基板温度で形成する。その後、好ましくは
ハロゲン元素雰囲気中、例えば臭素雰囲気中で熱処理を
行なうことにより、上部超電導体層はａ軸配向からｃ軸
配向に変化する。
電導体薄膜を形成する際に、ｃ軸配向とａ軸配向とを作
り分ける因子は基板温度であることを利用する。即ち、
ａ軸配向の超導電体薄膜は、ｃ軸配向の超導電体薄膜を
形成する場合よりも低い基板温度で形成される。従っ
て、ｃ軸配向の下部超電導体層を高い基板温度で形成
し、その上に絶縁層を形成した後、ａ軸配向の上部超電
導体層を低い基板温度で形成する。その後、好ましくは
ハロゲン元素雰囲気中、例えば臭素雰囲気中で熱処理を
行なうことにより、上部超電導体層はａ軸配向からｃ軸
配向に変化する。
【００１５】このように、本発明の方法では、最初にａ
軸配向の上部超電導体層を低い基板温度で形成し、次い
で低温での熱処理によりａ軸配向からｃ軸配向に変化さ
せているため、絶縁層が凝集して島状となることがが防
止される。
軸配向の上部超電導体層を低い基板温度で形成し、次い
で低温での熱処理によりａ軸配向からｃ軸配向に変化さ
せているため、絶縁層が凝集して島状となることがが防
止される。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の実施例と比較例を示し、本発
明をより具体的に説明する。 実施例１ 本実施例に係るトンネル型ジョセフソン素子の構造を図
１に示す。
明をより具体的に説明する。 実施例１ 本実施例に係るトンネル型ジョセフソン素子の構造を図
１に示す。
【００１７】図１に示すように、このトンネル型ジョセ
フソン素子は、ＭｇＯ（１００）単結晶基板１１上に、
ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X で示されるイットリウム系酸化物
超電導体（以下、ＹＢＣＯと略す）からなる下部ＹＢＣ
Ｏ層１２、ＭｇＯ絶縁体層１３、及び上部ＹＢＣＯ層１
４が順次積層されている。絶縁体層１３及び上部ＹＢＣ
Ｏ層１４の一部は除去されて、下部ＹＢＣＯ層１２の一
部が露出している。下部ＹＢＣＯ層１２のこの露出面に
Ａｕからなる電流印加用電極１５ａが、上部ＹＢＣＯ層
１４の表面に電圧取り出し用電極１５ｂがそれぞれ形成
されている。
フソン素子は、ＭｇＯ（１００）単結晶基板１１上に、
ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X で示されるイットリウム系酸化物
超電導体（以下、ＹＢＣＯと略す）からなる下部ＹＢＣ
Ｏ層１２、ＭｇＯ絶縁体層１３、及び上部ＹＢＣＯ層１
４が順次積層されている。絶縁体層１３及び上部ＹＢＣ
Ｏ層１４の一部は除去されて、下部ＹＢＣＯ層１２の一
部が露出している。下部ＹＢＣＯ層１２のこの露出面に
Ａｕからなる電流印加用電極１５ａが、上部ＹＢＣＯ層
１４の表面に電圧取り出し用電極１５ｂがそれぞれ形成
されている。
【００１８】以上のように構成される図１のトンネル型
ジョセフソン素子は、次のようにして作製される。ま
ず、多元蒸着法により、ＭｇＯ（１００）単結晶基板１
１上にＹＢＣＯからなる下部ＹＢＣＯ層１２を形成し
た。この下部ＹＢＣＯ層１２の形成条件は次の通りであ
る。即ち、蒸着源としてＹ、Ｂａ、Ｃｕの各金属元素を
電子銃によりそれぞれ独立に加熱し、蒸発させた。この
際、各蒸発速度も、水晶振動式膜厚計により独立に基板
１１上で理想組成になるように制御した。基板１１は６
５０℃に加熱され、ＹＢＣＯ層内に酸素を有効に取り込
むために、酸素ガスをノズルにより吹付け、基板近傍を
局所的に高酸素圧にした。このようにして、ＹＢＣＯ層
を３０００オングストロ−ムの厚さに形成した。その際
の酸素圧は約５×１０-4Ｔｏｒｒであった。下部ＹＢＣ
Ｏ層１２の形成後、ＲＨＥＥＤ（反射高エネルギ−電子
回折）によって膜表面の構造を観察したところ、ｃ軸配
向していることが分かった。
ジョセフソン素子は、次のようにして作製される。ま
ず、多元蒸着法により、ＭｇＯ（１００）単結晶基板１
１上にＹＢＣＯからなる下部ＹＢＣＯ層１２を形成し
た。この下部ＹＢＣＯ層１２の形成条件は次の通りであ
る。即ち、蒸着源としてＹ、Ｂａ、Ｃｕの各金属元素を
電子銃によりそれぞれ独立に加熱し、蒸発させた。この
際、各蒸発速度も、水晶振動式膜厚計により独立に基板
１１上で理想組成になるように制御した。基板１１は６
５０℃に加熱され、ＹＢＣＯ層内に酸素を有効に取り込
むために、酸素ガスをノズルにより吹付け、基板近傍を
局所的に高酸素圧にした。このようにして、ＹＢＣＯ層
を３０００オングストロ−ムの厚さに形成した。その際
の酸素圧は約５×１０-4Ｔｏｒｒであった。下部ＹＢＣ
Ｏ層１２の形成後、ＲＨＥＥＤ（反射高エネルギ−電子
回折）によって膜表面の構造を観察したところ、ｃ軸配
向していることが分かった。
【００１９】次に、蒸着源としてＭｇＯ焼結体タブレッ
トを用いて、下部ＹＢＣＯ層１２上にＭｇＯ絶縁体層１
３を１０オングストロ−ムの厚さに蒸着した。この時の
基板温度は６５０℃であった。なお、蒸着に際し、酸素
ガスの導入は行わなかった。ＭｇＯ絶縁体層１３の形成
後、ＲＨＥＥＤによって膜表面の構造を観察したとこ
ろ、（１００）配向していることが分かった。
トを用いて、下部ＹＢＣＯ層１２上にＭｇＯ絶縁体層１
３を１０オングストロ−ムの厚さに蒸着した。この時の
基板温度は６５０℃であった。なお、蒸着に際し、酸素
ガスの導入は行わなかった。ＭｇＯ絶縁体層１３の形成
後、ＲＨＥＥＤによって膜表面の構造を観察したとこ
ろ、（１００）配向していることが分かった。
【００２０】最後に、基板温度を５００℃とした以外は
下部ＹＢＣＯ層１２の形成条件と同様にして、上部ＹＢ
ＣＯ層１４を形成した。上部ＹＢＣＯ層１４の形成後、
ＲＨＥＥＤによって膜表面の構造を観察したところ、ａ
軸配向していることが分かった。
下部ＹＢＣＯ層１２の形成条件と同様にして、上部ＹＢ
ＣＯ層１４を形成した。上部ＹＢＣＯ層１４の形成後、
ＲＨＥＥＤによって膜表面の構造を観察したところ、ａ
軸配向していることが分かった。
【００２１】このようにして得た積層体を蒸着装置から
取り出し、電気炉内にセットして臭素雰囲気中３００℃
で１時間熱処理を施した。その結果、図２に示すよう
に、基板１１上にｃ軸配向下部ＹＢＣＯ層１２／ＭｇＯ
絶縁体層１３／ｃ軸配向上部ＹＢＣＯ層１４からなる積
層体が得られた。
取り出し、電気炉内にセットして臭素雰囲気中３００℃
で１時間熱処理を施した。その結果、図２に示すよう
に、基板１１上にｃ軸配向下部ＹＢＣＯ層１２／ＭｇＯ
絶縁体層１３／ｃ軸配向上部ＹＢＣＯ層１４からなる積
層体が得られた。
【００２２】ＲＨＥＥＤによって膜表面の構造を観察し
たところ、上部ＹＢＣＯ層１４はａ軸配向からｃ軸配向
に変化していることが分かった。また、ＴＥＭ（透過型
電子顕微鏡）により断面を観察したところ、ＭｇＯ絶縁
体層１３は凝集しておらず、設計値通り１０オングスト
ロ−ムの一様な厚さになっていることが分かった。
たところ、上部ＹＢＣＯ層１４はａ軸配向からｃ軸配向
に変化していることが分かった。また、ＴＥＭ（透過型
電子顕微鏡）により断面を観察したところ、ＭｇＯ絶縁
体層１３は凝集しておらず、設計値通り１０オングスト
ロ−ムの一様な厚さになっていることが分かった。
【００２３】図２に示す積層体に対し、下部ＹＢＣＯ層
１２の一部の領域が露出するまで、ＳＦ6 ガスによるＲ
ＩＢＥ（反応性イオンビ−ムエッチング）法を用いてエ
ッチングを行なった。次いで、露出した下部ＹＢＣＯ層
１２及び上部ＹＢＣＯ層１４のそれぞれの上面にＡｕを
蒸着し、電流印加用電極１５ａ及び電圧取り出し用電極
１５ｂを形成した。以上のようにして得たトンネル型ジ
ョセフソン素子の電圧−電流特性を測定したところ、図
３に示す結果を得た。測定は、７７Ｋの温度で行われ
た。
１２の一部の領域が露出するまで、ＳＦ6 ガスによるＲ
ＩＢＥ（反応性イオンビ−ムエッチング）法を用いてエ
ッチングを行なった。次いで、露出した下部ＹＢＣＯ層
１２及び上部ＹＢＣＯ層１４のそれぞれの上面にＡｕを
蒸着し、電流印加用電極１５ａ及び電圧取り出し用電極
１５ｂを形成した。以上のようにして得たトンネル型ジ
ョセフソン素子の電圧−電流特性を測定したところ、図
３に示す結果を得た。測定は、７７Ｋの温度で行われ
た。
【００２４】図３に示すように、本実施例に係るトンネ
ル型ジョセフソン素子では、エネルギ−ギャップに対応
する１０ｍＶ付近で急激に電流が低下しており、良質な
トンネル接合が形成されていることが確認された。
ル型ジョセフソン素子では、エネルギ−ギャップに対応
する１０ｍＶ付近で急激に電流が低下しており、良質な
トンネル接合が形成されていることが確認された。
【００２５】また、接合部分に１０．８ＧＨｚのマイク
ロ波を照射したところ、電圧−電流特性に約２０μＶご
とのシャピロステップが観測され、この接合がジョセフ
ソン接合効果を有していることが確認された。 実施例２
ロ波を照射したところ、電圧−電流特性に約２０μＶご
とのシャピロステップが観測され、この接合がジョセフ
ソン接合効果を有していることが確認された。 実施例２
【００２６】絶縁体層１３をＳｒＴｉＯ3 により形成し
たことを除いて、実施例１と同様にして、図２に示すよ
うに、ｃ軸配向下部ＹＢＣＯ層１２／ＳｒＴｉＯ3 絶縁
体層１３／ｃ軸配向上部ＹＢＣＯ層１４からなる積層体
を得た。ＲＨＥＥＤによって膜表面の構造を観察したと
ころ、上部ＹＢＣＯ層１４はａ軸配向からｃ軸配向に変
化していることがわかった。また、透過型電子顕微鏡
（ＴＥＭ）により断面を観察したところ、ＳｒＴｉＯ3
絶縁体層１３は凝集しておらず、設計値通り１０オング
ストロ−ムの一様な厚さになっていることが分かった。
たことを除いて、実施例１と同様にして、図２に示すよ
うに、ｃ軸配向下部ＹＢＣＯ層１２／ＳｒＴｉＯ3 絶縁
体層１３／ｃ軸配向上部ＹＢＣＯ層１４からなる積層体
を得た。ＲＨＥＥＤによって膜表面の構造を観察したと
ころ、上部ＹＢＣＯ層１４はａ軸配向からｃ軸配向に変
化していることがわかった。また、透過型電子顕微鏡
（ＴＥＭ）により断面を観察したところ、ＳｒＴｉＯ3
絶縁体層１３は凝集しておらず、設計値通り１０オング
ストロ−ムの一様な厚さになっていることが分かった。
【００２７】この積層体に対し、実施例１と同様に下部
ＹＢＣＯ層１２の一部の領域が露出するまで選択的にエ
ッチングを行ない、次いで、露出した下部ＹＢＣＯ層１
２及び上部ＹＢＣＯ層１４のそれぞれの上面にＡｕを蒸
着し、電流用電極１５ａ及び電圧用電極１５ｂを形成
し、図１に示すようなトンネル型ジョセフソン素子を得
た。この実施例のジョセフソン素子も、実施例１と同
様、ジョセフソン素子として動作することが確認され
た。 実施例３
ＹＢＣＯ層１２の一部の領域が露出するまで選択的にエ
ッチングを行ない、次いで、露出した下部ＹＢＣＯ層１
２及び上部ＹＢＣＯ層１４のそれぞれの上面にＡｕを蒸
着し、電流用電極１５ａ及び電圧用電極１５ｂを形成
し、図１に示すようなトンネル型ジョセフソン素子を得
た。この実施例のジョセフソン素子も、実施例１と同
様、ジョセフソン素子として動作することが確認され
た。 実施例３
【００２８】下部及び上部ＹＢＣＯ層１２，１４を、ｒ
ｆマグネトロンスパッタリング法により設けたことを除
いて、実施例１と同様にして、図２に示す積層体を作製
した。ｒｆマグネトロンスパッタリング法の条件は次の
通りである。
ｆマグネトロンスパッタリング法により設けたことを除
いて、実施例１と同様にして、図２に示す積層体を作製
した。ｒｆマグネトロンスパッタリング法の条件は次の
通りである。
【００２９】即ち、タ−ゲットとしてＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-X 焼結体、スパッタガスとしてＡｒとＯ2 の１：１混
合ガスを用い、ガス圧１６０ｍＴｏｒｒで行なった。ｃ
軸配向ＹＢＣＯ層とａ軸配向ＹＢＣＯ層とを作り分ける
温度は、実施例１の多元真空蒸着法の場合と同様であ
る。
7-X 焼結体、スパッタガスとしてＡｒとＯ2 の１：１混
合ガスを用い、ガス圧１６０ｍＴｏｒｒで行なった。ｃ
軸配向ＹＢＣＯ層とａ軸配向ＹＢＣＯ層とを作り分ける
温度は、実施例１の多元真空蒸着法の場合と同様であ
る。
【００３０】下部ＹＢＣＯ層１２及び上部ＹＢＣＯ層１
４をそれぞれ形成した直後に、ＲＨＥＥＤによって膜表
面の構造を観察したところ、下部ＹＢＣＯ層１２はｃ軸
配向、上部ＹＢＣＯ層１４はａ軸配向であることが確認
された。また、ＭｇＯ絶縁体層１３の形成直後にＲＨＥ
ＥＤによって膜表面の構造を観察したところ、ＭｇＯ絶
縁体層１３は（１００）配向であることも確認された。
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によりＭｇＯの断面を観察
したところ、凝集しておらず、設計値通り１０オングス
トロ−ムの一様な厚さになっていることが分かった。
４をそれぞれ形成した直後に、ＲＨＥＥＤによって膜表
面の構造を観察したところ、下部ＹＢＣＯ層１２はｃ軸
配向、上部ＹＢＣＯ層１４はａ軸配向であることが確認
された。また、ＭｇＯ絶縁体層１３の形成直後にＲＨＥ
ＥＤによって膜表面の構造を観察したところ、ＭｇＯ絶
縁体層１３は（１００）配向であることも確認された。
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によりＭｇＯの断面を観察
したところ、凝集しておらず、設計値通り１０オングス
トロ−ムの一様な厚さになっていることが分かった。
【００３１】この積層体に対し、実施例１と同様に下部
ＹＢＣＯ層１２の一部の領域が露出するまで選択的にエ
ッチングを行ない、次いで、露出した下部ＹＢＣＯ層１
２及び上部ＹＢＣＯ層１４のそれぞれの上面にＡｕを蒸
着し、電流用電極１５ａ及び電圧用電極１５ｂを形成
し、図１に示すようなトンネル型ジョセフソン素子を得
た。この実施例のジョセフソン素子も、実施例１と同
様、ジョセフソン素子として動作することが確認され
た。 比較例１
ＹＢＣＯ層１２の一部の領域が露出するまで選択的にエ
ッチングを行ない、次いで、露出した下部ＹＢＣＯ層１
２及び上部ＹＢＣＯ層１４のそれぞれの上面にＡｕを蒸
着し、電流用電極１５ａ及び電圧用電極１５ｂを形成
し、図１に示すようなトンネル型ジョセフソン素子を得
た。この実施例のジョセフソン素子も、実施例１と同
様、ジョセフソン素子として動作することが確認され
た。 比較例１
【００３２】上部ＹＢＣＯ層６を形成する際の基板温度
を、下部ＹＢＣＯ層５を形成する際の基板温度と同様６
５０℃とし、後熱処理を行わなかったことを除いて、実
施例１と同様にして、図５に示すような積層体を作製し
た。
を、下部ＹＢＣＯ層５を形成する際の基板温度と同様６
５０℃とし、後熱処理を行わなかったことを除いて、実
施例１と同様にして、図５に示すような積層体を作製し
た。
【００３３】下部ＹＢＣＯ層５及び上部ＹＢＣＯ層６を
それぞれ形成した直後に、ＲＨＥＥＤによって膜表面の
構造を観察したところ、下部ＹＢＣＯ層５及び上部ＹＢ
ＣＯ層６はともにｃ軸配向であることが確認された。ま
た、ＭｇＯ絶縁体層３の形成直後にＲＨＥＥＤによって
膜表面の構造を観察したところ、ＭｇＯ絶縁体層３は
（１００）配向であることも確認された。
それぞれ形成した直後に、ＲＨＥＥＤによって膜表面の
構造を観察したところ、下部ＹＢＣＯ層５及び上部ＹＢ
ＣＯ層６はともにｃ軸配向であることが確認された。ま
た、ＭｇＯ絶縁体層３の形成直後にＲＨＥＥＤによって
膜表面の構造を観察したところ、ＭｇＯ絶縁体層３は
（１００）配向であることも確認された。
【００３４】しかし、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によ
りＭｇＯの断面を観察したところ、ＭｇＯ絶縁体層は凝
集し、図６に示すように島状３´になっていることがわ
かった。これは上部ＹＢＣＯ層６の形成温度が高いため
である。 比較例２
りＭｇＯの断面を観察したところ、ＭｇＯ絶縁体層は凝
集し、図６に示すように島状３´になっていることがわ
かった。これは上部ＹＢＣＯ層６の形成温度が高いため
である。 比較例２
【００３５】後熱処理の温度を１５０℃したことを除い
て実施例１と同様にして、積層体を作製した。透過型電
子顕微鏡（ＴＥＭ）によりＭｇＯの断面を観察したとこ
ろ、凝集しておらず、設計値通り１０オングストロ−ム
の一様な厚さになっていることが分かった。しかし、Ｒ
ＨＥＥＤによって膜表面の構造を観察したところ、上部
ＹＢＣＯ層はａ軸配向のままであることが確認された。 比較例３
て実施例１と同様にして、積層体を作製した。透過型電
子顕微鏡（ＴＥＭ）によりＭｇＯの断面を観察したとこ
ろ、凝集しておらず、設計値通り１０オングストロ−ム
の一様な厚さになっていることが分かった。しかし、Ｒ
ＨＥＥＤによって膜表面の構造を観察したところ、上部
ＹＢＣＯ層はａ軸配向のままであることが確認された。 比較例３
【００３６】後熱処理の際の雰囲気を、オゾンを５体積
％含有する酸素としたことを除いて、実施例１と同様に
して、積層体を作製した。透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）
によりＭｇＯの断面を観察したところ、凝集しておら
ず、設計値通り１０オングストロ−ムの一様な厚さにな
っていることが分かった。しかし、ＲＨＥＥＤによって
膜表面の構造を観察したところ、上部ＹＢＣＯ層はａ軸
配向のままであることが確認された。
％含有する酸素としたことを除いて、実施例１と同様に
して、積層体を作製した。透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）
によりＭｇＯの断面を観察したところ、凝集しておら
ず、設計値通り１０オングストロ−ムの一様な厚さにな
っていることが分かった。しかし、ＲＨＥＥＤによって
膜表面の構造を観察したところ、上部ＹＢＣＯ層はａ軸
配向のままであることが確認された。
【００３７】以上の実施例及び比較例について検討する
と、実施例１から、本発明によると絶縁体層がトンネル
効果の機能を正常に果たすｃ軸配向超電導体層／絶縁層
／ｃ軸配向超電導体層の積層体が得られることが明らか
である。また、実施例２及び３から、絶縁体層の材質及
び超電導体層形成プロセスを変えても本発明の効果が得
られることがわかる。更に、実施例１と比較例１との比
較から、後熱処理により上部超電導体層をａ軸配向から
ｃ軸配向に変化させるという本発明の特徴が有効である
ことが明らかである。更にまた、比較例２及び３から、
熱処理の温度及び雰囲気によっては超電導体はａ軸配向
からｃ軸配向への変化が生じないことが明らかである。
と、実施例１から、本発明によると絶縁体層がトンネル
効果の機能を正常に果たすｃ軸配向超電導体層／絶縁層
／ｃ軸配向超電導体層の積層体が得られることが明らか
である。また、実施例２及び３から、絶縁体層の材質及
び超電導体層形成プロセスを変えても本発明の効果が得
られることがわかる。更に、実施例１と比較例１との比
較から、後熱処理により上部超電導体層をａ軸配向から
ｃ軸配向に変化させるという本発明の特徴が有効である
ことが明らかである。更にまた、比較例２及び３から、
熱処理の温度及び雰囲気によっては超電導体はａ軸配向
からｃ軸配向への変化が生じないことが明らかである。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
最初にａ軸配向の上部超電導体層を低い基板温度で形成
し、次いで熱処理によりａ軸配向からｃ軸配向に変化さ
せているため、絶縁層が凝集して島状となることがが防
止され、優れた特性の超電導素子を得ることが可能であ
る。
最初にａ軸配向の上部超電導体層を低い基板温度で形成
し、次いで熱処理によりａ軸配向からｃ軸配向に変化さ
せているため、絶縁層が凝集して島状となることがが防
止され、優れた特性の超電導素子を得ることが可能であ
る。
【図１】本発明の一実施例に係るトンネル型ジョセフソ
ン素子の構成を示す斜視図。
ン素子の構成を示す斜視図。
【図２】本発明の一実施例に係るトンネル型ジョセフソ
ン素子の積層構造を示す断面図。
ン素子の積層構造を示す断面図。
【図３】本発明の一実施例に係るトンネル型ジョセフソ
ン素子の電圧−電流特性図。
ン素子の電圧−電流特性図。
【図４】従来のトンネル型ジョセフソン素子における下
部ａ軸配向超電導体層／絶縁体層／上部ａ軸配向超電導
体層からなる積層構造を示す断面図。
部ａ軸配向超電導体層／絶縁体層／上部ａ軸配向超電導
体層からなる積層構造を示す断面図。
【図５】従来のトンネル型ジョセフソン素子における下
部ｃ軸配向超電導体層／絶縁体層／上部ｃ軸配向超電導
体層からなる積層構造を示す断面図。
部ｃ軸配向超電導体層／絶縁体層／上部ｃ軸配向超電導
体層からなる積層構造を示す断面図。
【図６】図５の積層構造における表面が凝集した島状と
なった絶縁体層を示す断面図。
なった絶縁体層を示す断面図。
１…単結晶基板、２…下部ａ軸配向超電導体層、３…絶
縁体層、ｃ´…凝集して島状になった絶縁体層、４…上
部ａ軸配向超電導体層、５…下部ｃ軸配向超電導体層、
６…上部ｃ軸配向超電導体層、１１…ＭｇＯ（１００）
単結晶基板、１２…下部ＹＢＣＯ層、１３…ＭｇＯ絶縁
体層、１４…上部ＹＢＣＯ層、１５ａ…電流印加用電
極、１５ｂ…電圧取り出し用電極。
縁体層、ｃ´…凝集して島状になった絶縁体層、４…上
部ａ軸配向超電導体層、５…下部ｃ軸配向超電導体層、
６…上部ｃ軸配向超電導体層、１１…ＭｇＯ（１００）
単結晶基板、１２…下部ＹＢＣＯ層、１３…ＭｇＯ絶縁
体層、１４…上部ＹＢＣＯ層、１５ａ…電流印加用電
極、１５ｂ…電圧取り出し用電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 39/00 H01L 39/00 - 39/24
Claims (1)
- 【請求項１】基板上に、ｃ軸が該基板面と垂直な方向に
配向した下部超電導体層を形成する工程、この下部超電
導体層上に絶縁体層を形成する工程、この絶縁層上に、
ｃ軸が該基板面と平行な方向に配向した上部超電導体層
を形成する工程、及び熱処理を施し、該上部超電導体層
のｃ軸を該基板面と垂直な方向に配向させる工程を具備
する超電導素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3092415A JP2835203B2 (ja) | 1991-04-23 | 1991-04-23 | 超電導素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3092415A JP2835203B2 (ja) | 1991-04-23 | 1991-04-23 | 超電導素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04323882A JPH04323882A (ja) | 1992-11-13 |
| JP2835203B2 true JP2835203B2 (ja) | 1998-12-14 |
Family
ID=14053789
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3092415A Expired - Lifetime JP2835203B2 (ja) | 1991-04-23 | 1991-04-23 | 超電導素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2835203B2 (ja) |
-
1991
- 1991-04-23 JP JP3092415A patent/JP2835203B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04323882A (ja) | 1992-11-13 |
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