JPH0283986A - 超伝導ダイオード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 超伝導ダイオードに関し、 酸化物超伝導体からなる第１の超伝導体層、第２の超伝
導体層の間のバリア層を制御性良く形成することができ
る超伝導ダイオードを提供することを目的とし、 酸化物超伝導体からなる第１の超伝導体層と、酸化物超
伝導体からなる第２の超伝導体層との間に絶縁性あるい
は半導体的導電性のバリア層が形成され、該バリア層は
前記第１の超伝導体層および前記第２の超伝導体層を構
成するＣｕ、０を含む構成元素のうちＣｕ、０という２
種以上の元素が少なくとも共通となっているように構成
する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、超伝導体を用いたいわゆる二端子素子といわ
れる超伝導ダイオードに係り、詳しくは、特に酸化物超
伝導体を用いて構成し、バリア層を制御性良く形成する
ことができる超伝導ダイオードに関するものである。

近年、臨界温度が液体窒素の沸点（７７Ｋ　）を超える
酸化物超伝導体（酸化物超高温伝導体ともいわれる）が
発見され、この酸化物超伝導体を用いた例えばエレクト
ロニクス分野での超伝導現象の利用が期待されている。

従来、超伝導エレクトロニクス分野で使われている素子
はジョセフソン接合によるジョセフソン素子であり、こ
れは高速、低消費電力という利点を有するため、これを
高温超伝導体でも実現したいという要求がある。ここで
、ジョセフソン素子は通常、超伝導体からなる電極の間
に電子のトンネルが可能な薄さの絶縁膜を挟んだもので
ある。また、ジョセフソン接合による素子に限らず、酸
化物超伝導体を用いた構造の超伝導ダイオードを実現す
ることができる技術があれば産業上有用と考えられてい
る。

〔従来の技術〕

以下、低温の超伝導体を用いたジョセフソン接合による
従来の超伝導ダイオードについて具体的に図面を用いて
説明する。

第７図は従来の超伝導ダイオードの構造を示す断面図で
ある。

この図において、２１は例えばＳｉからなる基板、２２
は例えば５ｉＯｚからなる絶縁膜、２３は例えばＮｂか
らなる第１の超伝導体層で、ベース電極として機能する
ものである。２４は例えばＡＡＯｘからなるバリア層、
２５は例えばＮｂからなる第２の超伝導体層で、カウン
タ電極として機能するものである。２６は例えばＳｉＯ
□からなる層間絶縁膜、２７はコンタクトホール、２８
は例えばＮｂからなる配線層である。

なお、ここでジョセフソン接合は第１の超伝導体層２３
、バリア層２４及び第２の超伝導体層２５から構成され
ている。

次に、その製造方法について節単に説明する。

まず、例えば熱酸化法により基板２１を酸化して絶縁膜
２２を形成した後、例えばスパッタリング法により絶縁
膜２２上にＮｂを堆積して第１の超伝導体層２３を形成
する。次いで、例えばスパッタリング法によりベース電
極２３上にＡＡを薄く堆積し、このＡ１を酸化してバリ
ア層２４を形成した後、例えばスパッタリング法により
バリア層２４上にＮｂを堆積して第２の超伝導体層２５
を形成する。その後、ＣＦ４＋５％０□を用いた反応性
ドライエツチングにより超伝導体層２５、バリア層２４
をエツチングする。次いで、やはりＣＦ４＋５％０□に
よる反応性ドライエツチングでベース電極２３の加工を
行う。そして、例えばＣＶＤ法により全面にＳｉＯ□を
堆積して層間絶縁膜２６を形成し、第２の超伝導体層２
５上の層間絶縁膜２６を選択的にエツチングしてコンタ
クトホール２７を形成した後、コンタクトホール２７を
介して第２の超伝導体層２５とコンタクトを採るように
配線層２８を形成することにより、第７図に示すような
構造の超伝導ダイオードが完成する。

上記従来の低温の超伝導体を用いた超伝導ダイオードは
、高速、低消費電力という良好なジョセフソン接合の特
性を得ることができる。ジョセフソン接合やＳ　Ｉ　Ｓ
　（５ｕｐｅｒ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ　５ｕｐｅｒの略
）　、Ｓ　−Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｅｒ　−Ｓ　（Ｓ
ｕｐｅｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎ−ｄｕｃｔｅｒ−３ｕｐｅｒ
の略）接合を実現するためには、超伝導電極の間のバリ
ア層を制御性良く形成すればよく、具体的にはバリア層
のバリア高さやバリア層の厚みを適宜制御すればよい。

ここでバリア層のバリア高さはエネルギーダイアグラム
を書いた際の、電子の通り抜けに対しての衝壁の高さを
示すものである。バリア層の厚みは例えばＡ２の酸化時
間で適宜制御することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の低温の超伝導体を用い
た超伝導ダイオードにあっては、良好なジョセフソン接
合の特性を得ることができるが、高温の酸化物超伝導体
を用いて第１の超伝導体層２３及び第２の超伝導体層２
５を構成し、この酸化物超伝導体からなる第１の超伝導
体層２３、第２の超伝導体層２５間にバリア層を制御性
（バリア層のバリア高さや厚み）良く形成することが極
めて困難であるという問題点があった。

具体的にはＮｂからなる第１の超伝導体層２３、第２の
超伝導体層２５では多結晶体を用いても良好な超伝導特
性を得られるのに対し、酸化物超伝導体では、多結晶体
を用いると本来ジョセフソン接合があってはよくない結
晶粒界が一種のジョセフソン接合となってしまい、希望
の超伝導特性が得られなくなってしまうのである。また
、酸化物超伝導体の結晶成長のためには、通常９００℃
という高い基板温度（あるいは熱処理温度）が必要であ
り、高温のためバリア層と超伝導体からなる電極との間
で拡散が生じ、厚く反応した層が生じてしまい、目的と
するトンネルによる薄いバリア層を形成することができ
ないのである。したがって、酸化物超伝導体を用いて、
ジョセフソン接合、その他の超伝導ダイオードを形成す
ることは極めて困難であり、得られた素子の特性にも再
現性がないのである。

そこで本発明は、酸化物超伝導体からなる第１の超伝導
体層、第２の超伝導体層の間のバリア層を制御性良く形
成することができる超伝導ダイオードを提供することを
目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による超伝導ダイオードは上記目的達成のため、
酸化物超伝導体からなる第１の超伝導体層と、酸化物超
伝導体からなる第２の超伝導体層との間に絶縁性あるい
は半導体的導電性のバリア層が形成され、該バリア層は
前記第１の超伝導体層および前記第２の超伝導体層を構
成するＣｕ、Ｏを含む構成元素のうちＣｕ、０という２
種以上の元素が少なくとも共通となって構成されている
ものである。

本発明において、バリア層は第１の超伝導体層及び第２
の超伝導体層を構成するＣｕ、０を含む構成元素のうち
Ｃｕ、Ｏという２種以上の元素が少なくとも共通となっ
ているとは、第１の超伝導体層および第２の超伝導体層
を構成する構成元素にはＣｕ、０が含まれており、バリ
ア層もＣｕ、０の元素を含んで構成している態様の場合
であれはよく、バリア層を構成する構成元素が第１の超
伝導体層及び第２の超伝導体層を構成するＣＬＪ、０を
含む構成元素と全て共通である態様の場合を含むもので
ある。

〔作用） 本発明は、酸化物超伝導体からなる第１の超伝導体層と
、酸化物超伝導体からなる第２の超伝導体層との間に絶
縁性あるいは半導体的導電性のバリア層が形成され、バ
リア層は第１の超伝導体層及び第２の超伝導体層を構成
するＣｕ、０を含む構成元素のうちＣｕ、０という２種
以上の元素が少なくとも共通となるように構成される。

したがって、バリア高さを制御性、再現性良く形成する
ことができるようになり、バリア層の形状特に厚みを自
由に設定することができるようになり、バリア層を制御
性よく形成することができるようになる。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図〜第３図は本発明に係る超伝導ダイオードの一実
施例を説明する図であり、第１図は一実施例の構造を示
す断面図、第２図は一実施例の動作原理を説明する図、
第３図は一実施例のキャリアに対する模式的ポテンシャ
ルダイアダラムを示す図である。

これらの図において、１は例えば５ｒＴｉＯ＋からなる
基板、２は例えば（Ｌａ＋−ＸＳ　ｒ、）ｚＣｕｂ、の
酸化物超伝導体からなる第１の超伝導体層で、ヘース電
極として機能するものであり、Ｘは超伝導特性を良好に
示す値として好ましくは０．０７５程度である。３は例
えば（Ｌａ＋−ｘｓｒｘ）　２　Ｃｕ　Ｏａの酸化物体
からなる例えば絶縁性のバリア層で、Ｘは０．０２であ
り厚みが例えば１５ｎｍである。４は例えば（Ｌａ＋−
ｘ　Ｓｒｘ　）ｚ　Ｃｕ１ｔの酸化物超伝導体からなる
第２の超伝導体層で、カウンタ電極として機能するもの
であり、超伝導特性を良好に示す値としてＸは好ましく
は０．０７５程度である。５ａ、５ｂは例えばＡｌ１か
らなる電極で、厚みが例えば１μｍで素子に外部から電
流を流す機能を有するものである。

次に、第２図を用いてその動作原理について説明する。

第１の超伝導体層２及び第２の超伝導体層４は使用する
温度で超伝導特性を示す機能を有しており、バリア層３
は第１の超伝導体層２及び第２の超伝導体Ｎ４を構成す
るＣｕ、０を含む構成元素（１、ａ＋−ｘ　Ｓ　ｒｘ　
）ｚ　Ｃｕｂｓ　と同様の構成の酸化物（Ｌａ＋−ｘ　
５ｒＸ）ｔ　ＣｕＯ４から構成され、第１の超伝導体層
２および第２の超伝導体層４とはＸ＝０．０２というよ
うに組成を適宜変えることにより超伝導性は示さないよ
うになっており、この場合は絶縁性を示すようになって
いる。なお、第１の超伝導体層２、バリア層３及び第２
の超伝導体層４は理想的には単一の単結晶からなること
が望ましく、第１の超伝導体層２、ハ１ノア層３及び第
２の超伝導体層４は少なくとも類似の結晶構造を持ち、
組成の違いや原子面の積み重なり方の相違によって超伝
導的、絶縁性（半導体的導電性であってもよい）、と導
電性に違いが生じる点を除けば同種の物質とみなせる。

次に、第３図を用いてキャリアに対する模式的ポテンシ
ャル・ダイアグラムについて説明する。

なお、ここでＶはバリア高さであり、超伝導体のキャリ
ア濃度の差で決定される。

第３図に示すように、このダイアグラムは第２図に示す
素子の第１の超伝導体Ｎ２から第２の超伝導体層４まで
のポテンシャル変化を示したものである。第１の超伝導
体層２及び第２の超伝導体層４はバリア層３に比べてキ
ャリア濃度が高いため、ポテンシャルとしては低くなっ
ている。一方、バリア層３は第１の超伝導体層２及び第
２の超伝導体層４と比べてキャリア濃度の低い領域であ
るのでキャリアに対するポテンシャルは高くなっている
。そして、このポテンシャルの高いバリア層３はキャリ
アに対してバリアとしての機能を果たすのである。なお
、キャリア濃度を変化させるには構成元素の組成比を適
宜変化させればよい。

すなわち、上記実施例では、第１の超伝導体・層２と第
２の超伝導体層４の間にバリア層３を形成し、第１の超
伝導体層２、第２の超伝導体層４及びバリア層３を（Ｌ
ａ＋−ｘ　Ｓｒ＊　）ｚ　ＣｕＯ４という同種類の物質
から構成したので、第１の超伝導体層２と第２の超伝導
体層４０間のバリア層３を制御性良く形成することがで
きる。制御性が良くなるのは具体的には、従来のもので
はバリア高さは半導体（または絶縁体）と超伝導体金属
とのへテロ界面で決定されてしまうのに対し、第３図に
示すようにバリア高さ■を超伝導体のキャリア濃度の差
で決定することができ、キャリア濃度の値を適宜変える
ことにより優れた制御性を与えるノテある。また、超伝
導エネルギギャップの大きな酸化物超伝導体を用いてい
るため、より高い温度で大きな非線型性が得られるとい
う利点がある。

したがって、バリア高さを’Ｍｌ　？２１１性よく、再
現性良く形成することができるうえ、バリアの形状、特
に厚みを自由に設定することもできる。例えばバリア層
３の物質の組成を連続的に変化させることにより、バリ
ア層３のプロファイルに傾斜をつけるといったことも可
能になるのである。

なお、上記実施例では、第１の超伝導体層２及び第２の
超伏４体層４を（Ｌａ＋−ｘ　Ｓ　ｒｘ　）　ｚ　Ｃｕ
Ｏ４という構成元素で構成し、バリア層３を第１の超伝
導体層２及び第２の超伝導体層４を構成する構成元素（
Ｌａ＋−ｘ　Ｓ　ｒｗ　）２　ＣＩＪＯ４と全て共通の
もので構成する場合について説明したが、本発明はこれ
に限定されるものではなく、バリア層３が第１の超伝導
体層２および第２の超伝導体層４を構成するＣｕ、０を
含む構成元素のうちＣＵ、０という２種以上の元素が少
なくとも共通となって構成されている場合であればよく
、例えば第１の超伝導体層２及び第２の超伝導体層４を
（Ｌａ＋−ｘ　Ｓ　ｒｘ　）ｚ　Ｃｕ０ａで構成し、バ
リア層３を絶縁性のＬａｚ　Ｃｕｂ、で構成する場合で
あってもよい。また、第１の超伝導体層２、第２の超伝
導体層４及びバリア層３をＢｉ、Ｓｒ、Ｃａｎ−Ｉ　Ｃ
ｕ、Ｏ□で構成する場合であってもよく、この場合、第
１の超伝導体層２及び第２の超伝導体層４をｎ＝３のＢ
　ｉｚ　Ｓｒｚ　Ｃａ２Ｃｕ＝　ｏ□で構成し、バリア
層３をｎ−１のＢｉｚＳｒ、ＣｕＯ□で構成して具体化
することができる。

上記実施例は、第１の超伝導体層２、第２の超伏４体層
４及びバリア層３を（Ｌａ１−ｘ　Ｓ　ｒｘ　）　２Ｃ
ｕｂｓという構成元素で構成し、構成元素の組酸比を変
化させてキャリア濃度を適宜変える場合について説明し
たが２本発明はこれに限定されるものではなく、第１の
超伝導体層２、第２の超伝導体層４及びバリア層３をＢ
ａｚ　ＹＣｕ３０ｎで構成し、酸素のｉｘを変えること
でキャリア濃度を適宜変える場合であってもよい。この
場合、Ｘが７に近いときには超伝導体になりＸが０に近
いときには絶縁体になる。具体的には第４図に示すよう
に、ブレーナ構造の超伝導ダイオードを実現することが
でき、第１の超伝導体層２ａ及び第２の超伝導体層４ａ
を構成する酸素量Ｘが例えば６゜８であり、第１の超伝
導体層２ａ及び第２の超伝導体層４ａはバリア層３ａを
含む酸素量Ｘの少ない領域の中に設けられている。この
素子では、第１の超伝導体層２ａと第２の超伝導体層４
ａの距離（間隔）が十分短ければ、平面形の弱結合型ジ
ョセフソン素子になり、第１の超伝導体層２ａと第２の
超伝導体層４ａの距離が長い場合はＳＮ接合が２個直列
になった非線型特性を示し、このタイプの素子はプラズ
マ酸化等の選択酸化法により容易に実現することができ
る。

また、第５図に示すような超伏４ダイオードも実現する
ことができ、これは第１図に示すような構造のものとほ
とんど同じであるが、バリア層３ｂの厚みが１１００ｎ
であり、バリア層３ｂの組成のパラメータｙが図の左か
ら出発してｙ　＝０．０７５から始まってバリア層３ｂ
右端の値ｙ　＝０．０２まで連続的に変化している。こ
のため、第６図に示すように、ポテンシャルの形状は非
対象の三角形となりその結果電流−電圧特性に整流性を
もたせることができる。

上記実施例は、例えば（Ｌａ＋−ｘ　Ｓ　ｒｘ　）　ｚ
　ＣＵＯａのＸをｘ＝０．０２としてバリア層３を絶縁
性の機能を有するように構成する場合について説明した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、半導体的
感電性の機能を有するように構成する場合であってもよ
い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、酸化物超伝導体からなる第１の超伝導
体層と酸化物超伝導体からなる第２の超伏４体層との間
のバリア層を制御性良（形成することができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明に係る超伝導ダイオードの一実
施例を説明する図であり、 ４・・・・・・第２の超伝導体層、 ５ａ、５ｂ・・・・・・電極。 ／−−〜・ 代　理　人　弁理士 井　　桁 貞 第２図は一実施例の動作原理を説明する図、第３図は一
実施例のキャリアに対する模式的ポテンシャルダイアグ
ラムを示す図、 第４図及び第５図は他の実施例の構造を示す断面図、 第６図は第５図に示す他の実施例のキャリアに対する模
式的ポテンシャルダイアグラムを示す図、第７図は従来
例の構造を示す断面図である。 １・・・・・・基板、 ２・・・・・・第１の超伝導体層、 ３・・・・・・バリア層、 一実施例の構造を示す断面図 第１図 他の実施例の構造を示す断面図 第４図 他の実施例の構造を示す断面図 第５図 ・’ＡＡ例の動作原理を説明する図 第２ｒＭ −実施例のキャリアに対する模式的ボテンンヤルダイア
グラムを示す図第５ＵｊＪに示す他の実施例のキャリア
に対する模式的ポテンシャルダイアグラムを示す図第６
図 従来例の構造を示す断面図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 酸化物超伝導体からなる第１の超伝導体層と、酸化物超
   伝導体からなる第２の超伝導体層との間に絶縁性あるい
   は半導体的導電性のバリア層が形成され、該バリア層は
   前記第１の超伝導体層および前記第２の超伝導体層を構
   成するＣｕ、Ｏを含む構成元素のうちＣｕ、Ｏという２
   種以上の元素が少なくとも共通となっていることを特徴
   とする超伝導ダイオード。