JPH04275470A - 超電導体／絶縁体層構造からなる製品、およびその製品の製造方法 - 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】

【０００１】本発明は、超電導体／絶縁体層構造からな
る装置、およびその様な製品の製造方法に関する。超電
導体／絶縁体（ｓ−ｉ）　層構造には各種の重要な用途
がある。例えば、ある種の電子装置（例えば、信号処理
装置、コンピュータ）の性能限界は、それらの回路が超
電導性トンネル接合（ＳＴＪ、「ジョセフソン」接合と
呼ばれることが多い）を含むことができれば、著しく改
良されるであろうと考えられている。よく知られている
様に、ＳＴＪ　は超電導体／絶縁体／超電導体（ｓ−ｉ
−ｓ）　層構造からなる。ＳＴＪ　に関しては、例えば
、「応用超電導性」、第１巻、Ｖ．Ｌ．ニューハウス編
集、アカデミックプレス、１９７５を参照するとよい。

【０００２】１９８７年以前は、関連する努力のすべて
は金属（一般に元素上金属または合金、例えばＰｂ、Ｎ
ｂ、Ｐｂ−Ｉｎ−Ａｕ合金）電極を使用するＳＴＪ　に
向けられていた。しかし、先行技術は、少なくとも部分
的に、それらの技術のすべての運転温度が１０Ｋ　未満
であったために、重要な商業的用途を見出すことができ
なかった。最近の低温技術により、約１０−１２Ｋまで
の温度に容易に、効果的に到達できる密閉サイクル冷凍
装置が市販されている。しかし、１０Ｋ　未満の温度は
、なお液体ヘリウムを使用しないと到達できない。液体
ヘリウムは比較的高価であるのみならず、恐らくより重
要なことに、特殊な設備および技術を必要とし、使用す
るのがかなり困難である。

【０００３】１９８６年以降、それまで知られていた超
電導体より高い臨界温度（Ｔｃ）を有する超電導体が発
見されている。これらの「高Ｔｃ」超電導体の大部分は
、クプラートであった。その例としては、Ｌａ−Ｂａ−
Ｃｕ−　酸化物、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−酸化物、Ｔｌ−Ｂａ
−Ｃａ−Ｃｕ−酸化物およびＢｉ−Ｐｂ−Ｓｒ−Ｃａ−
Ｃｕ−　酸化物がある。新しい、非クプラート酸化物超
電導体も発見されている。公称組成ＡＢｉＯ３（Ａ　が
Ｂａおよび少なくとも一つの１価の元素、例えばＫであ
る）の超電導体を開示する米国特許第４，９３３，３１
７　号、およびＲ．Ｊ．キャバら、ネイチャー、Ｖｏｌ
．３３２　、８１４−８１６　頁、１９８８年、４月２
８日参照。現在では、組成Ｂａ１−ｘＫｘＢｉＯ３（ｘ
　〜０．４）の材料がＴｃ〜３０ｋ　を有することが知
られている。これまで、高Ｔｃに関連する開発努力の大
部分はクプラート、特にＴｃ＞７７Ｋを有するクプラー
トに向けられている。高品質のＳＴＪ　がＴｃ＞７７Ｋ
のクプラート系で信頼性良く製造されれば、冷却を液体
Ｎ２または簡単な密閉サイクル冷凍機構で容易に達成す
ることができる。しかし、トンネル接合がＹＢａ２Ｃｕ
３Ｏ７　および他の高Ｔｃクプラート（例えば、Ｊ．Ｍ
．ヴァレスら、材料研究協会シンポジウム会報、Ｖｏｌ
．１６９　、９８３−９８６　頁（１９９０）参照）中
に製造されても、これらの接合の挙動は、一般的に「理
想的な」ＢＣＳ　トンネル接合の挙動からは著しくかけ
離れている。特に、これらの接合は、比較的低い（ゼロ
の場合もある）「ジョセフソン」電流、ゼロバイアスで
著しいコンダクタンス、および他の超電導体では一般的
でないトンネル密度状態を示すことが多い。

【０００４】これらの特性から、高Ｔｃクプラート系ｓ
−ｉ　層構造（例えばＳＴＪ）からなる商業的に有用な
回路を信頼性良く製造できる様になるか否かは疑問であ
る。他方、例えば、液体ヘリウムを使用せずに到達でき
る温度で本質的に理想的な挙動を示すＳＴＪ　が得られ
るｓ−ｉ　層構造を信頼性良く製造できる技術が強く望
まれている。本出願はその様な技術を開示する。

【０００５】用語解説および定義 「超電導性トンネル接合（ＳＴＪ）　とは、ここでは、
電極のそれぞれの超電導性波動関数がオーバーラップし
、「バリヤー」を通して量子力学的トンネル効果が起こ
り得る様に選択された２個の超電導体「電極」を分離す
る本質的に均一な絶縁体の厚さを備えた、ｓ−ｉ−ｓ　
層構造を含む構造である。代表的なバリヤー厚さは約２
　ｎｍである。

【０００６】「ＢＣＳ」超電導性トンネル接合とは、こ
こでは、良く知られた超電導性の「ＢＣＳ」理論に従う
予測に本質的に一致する特性を有するＳＴＪ　である。 例えば、Ｇ．リッケイゼン、「超電導性の理論」、イン
ターサイエンス出版、１９６５参照。

【０００７】ＳＴＪ　の「ジョセフソン」電流（Ｉｃ）
とは、絶縁層を通して、電圧降下無しに電極から電極に
流れることができるＤＣ電流である。

【０００８】「ビスマス酸塩」超電導体とは、ここでは
、公称組成がＢａ１−ｘＭｘＢｉＯ３−ｙ　で、ＭがＫ
　　、ＲｂまたはＫ　およびＲｂであり、０．３５≦ｘ
≒＜０．５　、および０≦ｙ≒＜０．２５である超電導
体を意味する。ビスマス酸塩超電導体は立方晶格子を有
し、格子定数が０．４２６−０．４３０　ｎｍの範囲内
であり、ペロブスカイト（ＡＢＯ３）構造を有する。良
く知られている様に、ペロブスカイトには、それぞれ一
般的にＡ−位置およびＢ−位置と呼ばれる２つの等しく
ない陰イオン位置がある。ビスマス酸塩超電導体では、
本質的にすべてのＢａおよびＭ原子がＡ−位置を占めて
いる。

【０００９】「エピタキシー関連」格子定数とは、ここ
では基材の配向を決定する周期性に適合する、または本
質的に適合する、その上にある材料の格子定数を意味す
る。この周期性は単位セル寸法である必要はなく、その
適当な倍数でよい。例えば、基材が立方格子を有する場
合、立方上層材料のエピタキシャル層の結晶格子は、基
材格子に対して、接触面内で４５゜回転できる。なお、
この場合上層材料の単位セルが基材単位セルの単位セル
の約√２倍である。これはＭｇＯ　（単位セル０．４２
１ｎｍ）　上のＢａＦ２（単位セル０．６２　ｎｍ）に
当てはまる。簡単にするために、基材の「配向を決定す
る周期性」を、基材の「格子定数」と呼ぶことにする。

【００１０】「公称」組成物とは、その実際の組成（各
元素に対する）が公称組成物の±１０％　以内である材
料を意味する。

【００１１】本発明は、請求項に記載する。本発明によ
り、転移温度Ｔｃが比較的低い（他の高Ｔｃ超電導体と
比較して）ために以前は当業者が商業的使用に興味を示
さなかったある種の超電導体を、ＳＴＪ　を含むｓ−ｉ
　層構造、および回路および一つ以上のＳＴＪ　または
他のｓ−ｉ　構造からなる製品に効果的に使用すること
ができる。これらの超電導体は、ビスマス酸塩超電導体
である。

【００１２】我々は、例えばＢａ０．６Ｋ０．４ＢｉＯ
３　電極により、本質的に理想的なＢＣＳ　ＳＴＪ　を
製造できることを発見した。これらのＳＴＪ　は、非直
線性の高いＩ／Ｖ　特性を有するのみならず、本質的な
ジョセフソン電流も示す。これは、一般的に非常に低い
ジョセフソン電流を示し、そのＩ／Ｖ　特性において強
い非直線性を示さない、クプラート系のＳＴＪ　で観察
される挙動と著しく異なっている。

【００１３】本発明の一実施形態は、基材上のビスマス
酸塩含有ｓ−ｉ　層を含む製品である。例えば、この製
品は、基材上の電子回路、およびその基材の少なくとも
一部上にｓ−ｉ−ｓ　構造を含む。その層構造の超電導
体材料の転移温度Ｔｃは一般に１５≦Ｔｃ≒＜６０Ｋ　
である。また、この製品は例えば、その層構造を載せた
基材の少なくとも一部をＴｃ未満の温度に冷却すること
ができる密閉サイクル冷凍装置も含む。この層構造は、
典型的には（ｉ）　Ｂｉ−　およびＢａ−　含有酸化物
、（ｉｉ）ＮａＣｌ構造を備えた酸化物（例えば、Ｍｇ
１−ｘＣａｘＯ　；０≦ｘ≒＜０．１５）　、（ｉｉｉ
）　絶縁性ペロブスカイト（例えば、ＢａＺｒＯ３）　
、（ｉｖ）Ｋ２ＮｉＦ４構造を備えた絶縁体（例えば、
Ｂａ２ＰｂＯ４）、（ｖ）　ＢａＦ２構造を備えた絶縁
性フッ化物（例えば、Ｂａ１−ｘＳｒｘＦ２（０≦ｘ≒
＜０．３５）　、および（ｖｉ）ＮａＣｌ構造を備えた
絶縁性フッ化物（例えば、ＬｉＦ）から選択された誘電
体を含む。（ｉ）　、（ｉｉ）、（ｖ）　および（ｖｉ
）の絶縁体材料は、基材の格子定数の約３％以内のエピ
タキシー関連格子定数を有するのが有利であり、（ｉｉ
ｉ）　および（ｉｖ）の絶縁体材料は基材の格子定数の
約６％以内のエピタキシー関連格子定数を有するのが有
利である。これによってエピタキシー成長し易くなる。 ２種類以上の好適な誘電体、例えばＣａＯ　およびＭｇ
Ｏ　、またはＢａＦ２およびＳｒＦ２の混合物を堆積さ
せることにより、格子適合を改良できることが多い。一
般に約３％以内の格子適合が望ましいが、すべての場合
における必要条件ではない。例えば、我々は、６％の格
子不適合があるにも関わらず、ＬｉＢａＦ３上のＢａ１
−ｘＫｘＢｉＯ３　の一様なエピタキシーを観察してい
る。一般に、絶縁体がペロブスカイト構造またはＫ２Ｎ
ｉＦ４構造を有していれば、格子適合はあまり重要では
ないと考えられる。

【００１４】上記のＢａ−　およびＢｉ−　含有酸化物
誘電体は、好ましくは公称組成ＢａＢｉ２Ｏ４＋δ（以
下式においてδは下付きを表すものとする）（０≦δ≒
＜０．２５）　、Ｂａ１−ｘＭｘＢｉＯ３（ＭがＫ　、
Ｒｂまたはそれらの混合物、および０＜ｘ＜０．３５）
　、またはＢａ１＋ｘＢｉ１−ｘＯ３−δ（０≦ｘ≒＜
０．５　、　０≦δ≒＜０．２５）を有する。我々は、
これらの誘電体材料のすべてがＭＢＥ　により成長でき
ることを発見した。また、これらの材料は一般的に蒸着
、スパッタリング、またはレーザーアブレーションの様
な他の方法によっても成長可能である。

【００１５】上記のＢｉ−　およびＢａ−　含有酸化物
は新規な組成物であり、ここに説明する種類の層構造に
おける誘電体として効果的に使用できるだけではなく、
他の各種の用途も有する。例えば、この新規な酸化物の
層は、ＭｇＯ（または他の適当な）体上にエピタキシャ
ルビスマス酸塩超電導体を成長させるための核形成層と
して使用できる。これらの新規な酸化物には、とりわけ
公称組成Ｂａ１−ｘ’Ｍｘ’Ｂｉ２Ｏｚ、０≦ｘ’＜０
．３５、およびｚ　は４−６　の範囲である化合物が含
まれる。Ｘ線回折分析により、これらの新規な酸化物の
試料は、例えばａ〜０．４３５　ｎｍ、ｂ〜４ｘ０．４
３３　ｎｍ＝１．７３３　ｎｍ、およびｃ〜２．２３０
　ｎｍの斜方晶系単位セルを有することが分かった。し
たがって、この新規な酸化物のａおよびｂ格子定数は、
少なくともある種のビスマス酸塩超電導体の格子定数と
本質的に相容性である。その様な格子適合は、本発明に
係わる層構造の調製に有利である。したがって、本発明
の幾つかの好ましい実施形態はＢａ１−ｘ’Ｍｘ’Ｂｉ
２Ｏｚ核形成層を含む。

【００１６】ここでは、本発明に係わるｓ−ｉ　層構造
の有利な製作方法も開示する。これらの方法の中には、
ｓ−ｉ　層の堆積中に適当な点における粒子フラックス
の変化が関与するものや、堆積中に適当な点における基
材温度の変化が関与するものがある。公知のクプラート
高Ｔｃ超電導体はすべて電気的には異方性であり、一般
的に一つの結晶軸に関連する干渉長が、その軸に対して
垂直な結晶面（通常ａｂ面）に関連するよりもはるかに
短い。その上、多くの（すべてではないにしても）クプ
ラート超電導体で著しい磁気変動が存在することが分か
った。我々は、公知のクプラート超電導体のこれらの、
および他の特性のために、クプラート高Ｔｃ超電導体を
使用したのでは、本質的に理想的なＢＣＳ　ＳＴＪ　は
できそうにないと考える。というのは、上記の特性が本
質的な電子対破壊を引き起こし、これが、実験観察と一
致する、比較的低いジョセフソン電流および電流−電圧
特性における比較的僅かな非直線性につながると考えら
れるためである。良く知られている様に、大きなジョセ
フソン電流を必要としないＳＴＪ　の用途もあるが、少
なくとも本質的な非直線Ｉ／Ｖ　特性を必要としない、
商業的に重要な用途はない。

【００１７】ビスマス酸塩超電導体は立方体構造を有し
、したがって電気的に等方性であることが分かっている
。また、この等方性により、異方性のクプラートに対す
る幾つかの長所も得られる。しかし、Ｂａ０．６Ｋ０．
４ＢｉＯ３　および他の公知のビスマス酸塩超電導体の
Ｔｃが比較的低いために、当業者はこれまでこれらの材
料の商業的使用をあまり重視していない。

【００１８】超電導体層がビスマス酸塩超電導体である
ｓ−ｉ　構造はそれ自体本質的に理想的なＢＣＳ　ＳＴ
Ｊ　の製造に使用できるという我々の発見は、これらの
材料を商業的使用にとって重要なものにするには十分で
はないかもしれない。しかし、市販の密閉サイクル式冷
凍装置を使用してこれらの超電導体をそれらのＴｃより
十分低い温度に冷却し、維持することができるので、少
なくとも幾つかの用途において、これらの材料のＴｃが
比較的（多くのクプラートとの比較で）低いことは、重
大な欠点ではないと認識している。無論、本発明に係わ
る構造は、必ずしも密閉サイクル式冷凍装置で冷却した
装置に使用する必要はない。例えば、極めて低騒音で運
転したい場合には、液体ヘリウム温度でその様な構造を
作動させるのが望ましいこともある。

【００１９】図１は、例として、本発明に係わる製品の
製造工程における中間製品である、絶縁基材上の３段階
構造を示す。基材１０（例えば、平らな主平面を有する
ＭｇＯ体）上に超電導体層１１を配置し、その上に誘電
層１３を配置し、さらに超電導体層１２を配置してある
。 両超電導体層は、一般的には本質的にビスマス酸塩から
なる（≧７５体積％、しばしば本質的に１００％）。現
在好ましい実施形態では、誘電層は、ＢａおよびＢｉの
両方を含む（例えば、公称組成Ｂａ１−ｘ’Ｍｘ’Ｂｉ
２Ｏ４、所望により使用するＭ　並びにｘ’は前に定義
した）酸化物である。本発明の実施で使用できる別のＢ
ａ−　およびＢｉ−　含有絶縁体は例えばＭ　およびｘ
’が前に定義した様な公称組成Ｂａ１−ｘ’Ｍｘ’Ｂｉ
Ｏ３　である。しかし、他の誘電体も、その誘電性材料
が、その誘電体上の超電導体材料の配向成長（好ましく
はエピタキシャル成長）と相容性がある格子構造および
関連格子定数を有していれば、排除するものではない。 好ましくは、誘電材料の関連格子定数は、超電導体材料
の格子定数の３％以内（場合により６％以内）　である
。密接な格子定数適合は、２種類以上の金属種の共堆積
により達成されることが多い。可能な誘電体の例は上に
記載してある。

【００２０】誘電層は結晶性である必要はない。事実、
実施形態によっては、誘電材料の化学組成が超電導性ビ
スマス酸塩電極のそれと本質的に同じであるが、誘電材
料は不規則であるのに対し、超電導性材料は本質的に規
則的である。この不規則性は、例えばビスマス酸塩層の
上表面を適当なプラズマ、例えばＡｒプラズマに露出す
ることにより引き起こすことができる。

【００２１】上記の３段階構造は、公知の技術、例えば
蒸着、レーザーアブレーション、スパッタリング、およ
び分子線エピタキシー（ＭＢＥ）　により形成すること
ができる。ＭＢＥ　は制御性が高いので、この技術が好
ましい。これらの方法の少なくともいくつかを使用して
、少なくとも２つの絶縁体層を含み、これらの少なくと
も２つの絶縁体層のそれぞれが２つの超電導体層の間に
配置されている、多層ｓ−ｉ　構造を形成することもで
きる。その様な多層構造をｓ−ｉ「規則格子（ｓｕｐｅ
ｒｌａｔｔｉｃｅｓ）」と呼ぶことにする。

【００２２】Ｂａ−　およびＢｉ−　含有酸化物絶縁体
層およびビスマス酸塩超電導体層からなる本発明に係わ
るｓ−ｉ　層構造は、例えば、ｓ−ｉ　転移におけるフ
ラックス組成を変化させる方法により形成できる。しか
し、その様な構造は、ｓ−ｉ　転移における基材の温度
を変化させる方法によっても形成することができる。こ
の後者の方法は、比較的高い温度における、Ｋ（および
／またはＲｂ）　の比較的低いｓｔｉｃｋｉｎｇ係数を
使用する。この様にして、層の堆積中に、基材温度を適
切に高く、または低くすることにより、Ｍ（Ｂａ−Ｍ−
Ｂｉ　酸化物層中の）の比率を変えることができる。ス
パッタリング装置では、フラックス組成を変えることよ
り、基材温度を変える方が容易な場合が多いので、この
方法はスパッター堆積に特に有利である。無論、スパッ
ター堆積でフラックス成分を変化させることは可能であ
る。一般に、それぞれ望ましい組成を堆積させるための
、２個（またはそれ以上の）のターゲットを使用する必
要がある。

【００２３】図２は、（ＢＣＳ）ＳＴＪのＤＣ　Ｉ／Ｖ
特性の例を示すが、Ｉｃはジョセフソン電流であり、２
Δｅは超電導性エネルギーギャップ（ｅは電荷である）
である。

【００２４】図３は、本発明に係わるｓ−ｉ　規則格子
の一部を図式的に示すが、そこでは番号３０が好適な基
材、例えばＭｇＯ　ウエハーを示し、３１が（所望によ
り使用する）核形成層を示し、番号３２０　、３２１　
、．．．．．．が複数の超電導体層を、３３０　、３３
１　．．．．．．が複数の絶縁体層を示す。

【００２５】図４は、本発明に係わる製品の一例である
冷却した電子部品４０の一部を図式的に示す。番号４１
はチップ担体（例えば回路基板またはＳｉウエハー）を
、４２はビスマス酸塩超電導体材料と共に使用できる基
材（例えばＭｇＯ　ウエハー）を、４３は本発明に係わ
るｓ−ｉ　層構造からなるデバイスを、４４および４５
はデバイス４３と相互作用する電子回路を示す。冷却装
置４６（例えば約１０Ｋ　の温度を得ることができる密
閉サイクル冷凍装置）は熱伝導体４７、例えば銅を撚り
合わせたリボンにより熱伝導的に４１に接続されている
。

【００２６】図５は、例としてＳＴＪ　を形成する本発
明に係わるｓ−ｉ−ｓ　層構造を図式的に示す。基材５
０上にビスマス酸塩超電導性電極５１が配置され、絶縁
体層５２により上のビスマス酸塩超電導体電極５３から
分離されている。金属パッド５４および５５はそれぞれ
層５１および５３の電気接点になる。無論、基材５０は
均一な物体である必要はなく、層構造を有する、例えば
核形成層を含むことができる。

【００２７】現在好ましい、本発明に係わる製品の製造
方法では、好適な基材を用意し、その基材を粒子フラッ
クス（Ｂａ　、Ｂｉおよび酸素、および所望により前に
定義したＭを含む）に露出し、Ｂａ、Ｂｉおよび酸素（
および所望により前に定義したＭ）を含む第一の材料層
を基材上に形成する。また、この方法は、フラックス中
のＢａ、Ｂｉおよび所望により使用するＭの少なくとも
一つの量を変化させること、および／または基材温度を
変化させること、およびその第一の材料層上に第二の材
料層が形成される様に、第一の材料層を載せた基材をフ
ラックスに露出することを含む。２つの層の一方はＢａ
−　およびＢｉ−　含有絶縁体層（一般的にＭ：Ｂａ比
が０−０．５３の範囲内）であり、２つの層のもう一方
は、公称組成Ｂａ１−ｘＭｘＢｉＯ３（Ｍ　、ｘ　およ
びｙ　は前に定義した）のビスマス酸塩超電導体層であ
る（またはその中に変質されている）。与えられた組成
の超電導体層「の中に変質された」層とは、その層が、
一般的に酸素含有雰囲気中で約５００　℃未満の温度で
適当な熱処理により超電導体層中に変質される様に、す
べての金属成分を好適な比率で含むが、酸素含有量に関
しては与えられた組成と異なる層を意味する。

【００２８】無論、上記の好適な基材は、例えばＭｇＯ
　ウエハーの様な本体およびその本体の主表面上の核形
成層からなる複合材料基材でよい。核形成層は、一般に
その場で形成されるＢａ−　およびＢｉ含有絶縁体層（
Ｍ：Ｂａ　の比が０−０．５３の範囲内）である。無論
、基材は一般的に、堆積工程の少なくとも一部期間中は
高温（一般的に１５０−４５０　℃）である。

【００２９】上記の様に、第一層から第二層への転移は
、フラックス組成を変えることにより（例えば、Ｍ供給
源を閉じること、および／または追加のＢｉ供給源を開
くこと、または異なったスパッタリングターゲットに切
り換えることにより）、および／または基材温度を変え
ることにより実行することができる。例えば、第一の層
が３００　℃で堆積されている超電導体層（ｘ〜０．４
）である場合、絶縁体層は（フラックス組成を変えずに
）４００−４５０℃の温度で堆積させることができる。

【００３０】本発明に係わる製品の別の製造方法では、
望ましいビスマス酸塩の結晶層が形成される様に適切な
粒子フラックスに基材を露出し、そのフラックスへの露
出を終了し、その結晶層の上部が電気的に絶縁性になる
様に、その結晶層の上部を本質的に不規則な材料に変質
させる。この変質は、その層表面をプラズマに露出する
ことにより効果的に達成することができる。

【００３１】上記の工程に加えて、本発明に係わる方法
は、さらに金属被覆、フォトリソグラフィー、エッチン
グ、カプセル封入、および／または試験の様な一つ以上
の従来の工程を含む。これらの工程については詳細に説
明する必要は無い。以下に、ＭＢＥ　により形成された
構造を説明する。これは具体的に説明するために行なう
のであり、本発明を制限するものではない。一般的な成
長技術はＥ．Ｓ．ヘルマンら、アプライド　　フィジッ
クス　　レター、Ｖｏｌ．５５（２０）、２１２０−２
１２２　頁（１９８９）、およびＥ．Ｓ．ヘルマンら、
ジャーナル　　オブ　　バキュウム　　サイエンス　　
アンド　　テクノロジー、Ｖｏｌ．Ｂ８（２）　、３３
２−３３５　頁（１９９０）に記載されている。

【００３２】

【実施例１】ＲＦプラズマ原子酸素源を備えた市販（ラ
イバー）のＭＢＥ装置で（１００）　配向ＭｇＯ基材上
にｓ−ｉ−ｓ　層構造を成長させた。この基材を４７５
℃に加熱し、それぞれ　ＢａおよびＢｉ金属を含むエフ
ュージョンセルから出るフラックスおよびプラズマ源か
らの原子酸素フラックスに１０秒間露出した。得られる
核形成層の公称組成がＢａＢｉ２Ｏ４＋δ（０≦δ≒＜
２）になる様にフラックスを選択した。その場で行なっ
たＲＨＥＥＤ　分析の結果、この様にして成長させた核
形成層は基材とエピタキシャルであり、非常に滑らかな
表面を有することが分かった。続いて、基材温度を　３
２５℃に下げ、核形成層をＢａ、Ｋ　、Ｂｉおよび酸素
フラックスに露出したが、Ｂａ、Ｂｉおよび酸素フラッ
クスは核形成層の堆積の際に使用したのと同じで、Ｋ　
フラックス（標準エフュージョンセルに取り付けたＫ２
Ｏ　を含むマグネシアるつぼから；Ｋ２Ｏ　は過剰のＫ
金属を含む密封石英アンプル中である量のＫＯ２を３０
０℃に加熱して調製した）は、ビスマス酸塩フィルムの
公称組成がＢａ０．６５Ｋ０．３５ＢｉＯ３　になる様
に調整した。これらの条件を４５分間維持することによ
り、２２０　ｎｍ厚のビスマス酸塩フィルムが得られた
。 この時点でカリウムシャッターを１分間閉じ、ＢａＢｉ
２Ｏ４＋δのバリヤー層を成長させた（約４ｎｍ）。再
びシャッターを開き、最上部のビスマス酸塩層を成長さ
せた。３０分後、堆積を終了し（得られた層の厚さは１
５０　ｎｍであった）試料を室温に冷却し、ＭＢＥ　装
置から取り外した。ラザフォード後方散乱分光法（ＲＢ
Ｓ）　により、この様にして堆積させた多層構造がエピ
タキシャルであることを確認し、また、予想した深さの
Ｋ濃度が低下した層（すなわちバリヤー層）の存在を確
認した。

【００３３】

【実施例２】成長終了後に試料を酸素中で３７５　℃で
９０分間焼きなまし、酸素中でゆっくり冷却した以外は
、本質的に実施例１に記載する様にして、ＭｇＯ　基材
上に公称組成Ｂａ０．６Ｋ０．４ＢｉＯ３　のビスマス
酸塩フィルムを成長させた。得られたフィルムは室温に
おける抵抗が１　ｍΩ・ｃｍ未満であり、転移温度（Ｔ
ｃ）が約２４Ｋであり、転移幅が約１Ｋであった。

【００３４】

【実施例３】本質的に実施例１に記載する様にして、ｓ
−ｉ　規則格子（２４　層対）を調製した。ビスマス酸
塩超電導体層はそれぞれ公称４．０　ｎｍであり、誘電
層はそれぞれ公称２．０　ｎｍであった。Ｘ線回折分析
により、上記の規則格子から予想される回折側方帯が確
認された。

【００３５】

【実施例４】本質的に実施例１に記載する様にして、ｓ
−ｉ−ｓ　構造を処理することによりＳＴＪを形成する
。特に、望ましい接合の幾何学的構造は、従来のフォト
リソグラフィーにより決定し、従来のイオン切削により
ｓ−ｉ−ｓ　構造を通して基材に形成する。次に、上部
電極の幾何学的構造は従来のリソグラフィーにより決定
し、続いて不必要な上部電極部分およびバリヤー層部分
を従来のイオン切削により除去する。次いで、金層を堆
積させて上部および下部電極に対する抵抗接点を形成し
、通常のフォトレジストのリフト−オフによりパターン
形成する。得られたＳＴＪ　は、本質的に図２に示す様
なＩ／Ｖ　特性を有する。

【００３６】

【実施例５】底部超電導体層の堆積完了後、Ｂａ、Ｂｉ
およびＫフラックスを停止し、酸素プラズマ源を閉じ、
ＢａＦ２をＢａＦ２源から蒸着させた以外は、本質的に
実施例１に記載する様にして、ｓ−ｉ−ｓ　層構造を成
長させる。約１分後、蒸着を終了し、以前の条件を再設
定し、上部超電導体層を成長させる。誘電層の公称組成
はＢａＦ２であり、厚さは約２　ｎｍである。

【００３７】

【実施例６】底部超電導体層の堆積完了後、Ｂｉおよび
Ｋ　フラックスを停止し、Ｐｂフラックスを開始した以
外は、本質的に実施例１に記載する様にして、ｓ−ｉ−
ｓ　層構造を成長させる。Ｐｂフラックスは、堆積する
材料の組成がＢａ２ＰｂＯ４　になる様に設定した。１
０　ｎｍ　のＢａ２ＰｂＯ４　層が成長した後、Ｐｂフ
ラックスを停止し、ＢｉおよびＫ　フラックスを再開し
た。

【００３８】

【実施例７】本質的に実施例１に記載する様にしてビス
マス酸塩超電導体層を成長させた。この層が望ましい厚
さに達した時、フラックスを停止し、表面をイオン化し
たアルゴンのビーム（３００　ｅＶ　、１　ｍＡ／ｃｍ
２）に４５秒間露出する。この露出により、ビスマス層
の表面に近い区域が絶縁性になるが、上部のビスマス酸
塩超電導体層のエピタキシャル成長はなお支持できる様
に、その区域の結晶程度を下げる。Ａｒ攻撃が完了した
後、Ｂａ、Ｂｉ、Ｋ　および酸素フラックスを再設定し
、本質的に上記の様にして上部ビスマス酸塩超電導体層
を堆積させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】基材上のｓ−ｉ−ｓ　層構造を図式的に示す図
である。

【図２】ＢＣＳ　ＳＴＪ　の代表的なＩ／Ｖ　特性を示
す図である。

【図３】ｓ−ｉ　規則格子を図式的に示す図である。

【図４】本発明に係わる製品の関連する部分を図式的に
示す図である。

【図５】本発明に係わるＳＴＪ　を図式的に示す図であ
る。

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基材（１０）の少なくとも一部の上に
   配置した超電導体／絶縁体（ｓ−ｉ）　層構造を含み、
   そのｓ−ｉ　構造が絶縁体層（１３）に接触する少なく
   とも一つの超電導体層（１１　および／または１２）　
   を含み、転移温度Ｔｃが超電導体に関連し、格子定数が
   基材に関連する製品であって、ａ）　　その超電導体材
   料の公称組成がＢａ１−ｘＭｘＢｉＯ３−ｙ　であり、
   Ｍ　がＫ　、Ｒｂ、およびそれらの組み合わせからなる
   群から選択され、０．３５≦ｘ≒＜０．５　、および０
   ≦ｙ≒＜０．２５であり、および ｂ）　　その絶縁体材料が、ｉ）　Ｂａ−およびＢｉ−
   　含有酸化物、ｉｉ）　ＮａＣｌ構造を備えた絶縁性酸
   化物、ｉｉｉ）絶縁性ペロブスカイト、ｉｖ）　Ｋ２Ｎ
   ｉＦ４構造を備えた絶縁体、ｖ）ＢａＦ２構造を備えた
   絶縁性フッ化物、およびｉｖ）　ＮａＣｌ構造を備えた
   絶縁性フッ化物からなる群から選択され、ｉ）、ｉｉ）
   　、ｖ）およびｖｉ）　の絶縁体が、基材の格子定数の
   ３％以内であるエピタキシー関連格子定数を有し、ｉｉ
   ｉ）およびｉｖ）　の絶縁体が基材の格子定数の６％以
   内であるエピタキシー関連格子定数を有することを特徴
   とする製品。
2. 【請求項２】　　さらに、層構造を載せた基材の少なく
   とも一部をＴｃ未満の温度に冷却できる密閉サイクル冷
   却装置（４６）を含む請求項１記載の製品。
3. 【請求項３】　　絶縁体材料が、公称組成ＢａＢｉ２Ｏ
   ４＋δ（以下式においてδは下付きを表すものとする）
   （０　≦δ≒＜０．２５）　、Ｂａ１−ｘＭｘＢｉＯ３
   （ＭがＫ　、Ｒｂまたはそれらの混合物、および０＜ｘ
   ＜０．３５）　、Ｂａ１＋ｘＢｉ１−ｘＯ３−δ（０≦
   ｘ≒＜０．５、および　０≦δ≒＜０．２５）　、Ｍｇ
   １−ｘＣａｘＯ　（０≦ｘ≒＜０．１５）　、ＢａＯ　
   、ＢａＺｒＯ３、Ｂａ２ＰｂＯ４　、Ｂａ１−ｘＳｒｘ
   Ｆ２（０≦ｘ≒＜０．３５）　、およびＬｉＦ　からな
   る群から選択される請求項１記載の製品。
4. 【請求項４】　　基材が、主表面およびその主表面上に
   配置されたＢａ−　およびＢｉ−　含有絶縁体層（３１
   　；「核形成」層と称する）を有する物体であり、その
   核形成層の上に少なくとも一つの超電導体層（３２０）
   　が配置されている請求項１記載の製品。
5. 【請求項５】　　核形成層材料の公称組成が、Ｂａ１−
   ｘＭｘＢｉ２Ｏ４＋δであり、所望によりＭ　がＫ　、
   Ｒｂおよびそれらの組み合わせからなる群から選択され
   、０　≦ｘ≒＜０．３５、および　０≦δ≒＜０．２５
   である請求項４記載の製品。
6. 【請求項６】　　少なくとも一つの超電導体層が、本質
   的に絶縁体層とエピタキシャルである請求項１記載の製
   品。
7. 【請求項７】　　ｓ−ｉ　層構造が、複数の超電導体層
   を含む請求項１記載の製品。
8. 【請求項８】　　少なくとも一つの超電導体層が、核形
   成層とエピタキシャルである請求項４記載の製品。
9. 【請求項９】　　ｓ−ｉ　層構造が超電導性トンネル接
   合を含む請求項７記載の製品。
10. 【請求項１０】　　基材上に配置した超電導体／絶縁体
    （ｓ−ｉ）　層構造を含む製品の製造方法であって、ａ
    ）基材を用意し、 ｂ）基材上に第一の材料層が形成され、その第一材料層
    がＢａ、Ｂｉおよび酸素を含み、所望によりＭ（ここで
    ＭはＫ、Ｒｂおよびそれらの組み合わせからなる群から
    選択される）を含む様に、Ｂａ、Ｂｉおよび酸素を含み
    、所望によりＭを含む粒子フラックスに基材を露出し、
    ｃ）前記フラックス中のＢａ、Ｂｉおよび所望によりＭ
    の少なくとも一つの相対的な量を変え、および／または
    基材温度を変え、および ｄ）第一の材料層の上に第二の材料層が形成され、その
    第二の材料層の組成が第一の材料層の組成と異なり、第
    一および第二材料層の一方がＢａ−　およびＢｉ−　含
    有絶縁体層であり、第一および第二材料層のもう一方が
    、公称組成Ｂａ１−ｘＭｘＢｉＯ３−ｙ　、（ここで０
    ．３５≦ｘ≒＜０．５　、および０≦ｙ≒＜０．２５で
    ある）の超電導体層である、またはその超電導体層中に
    変質していく様に、第一の材料層を載せた基材をフラッ
    クスに露出することを特徴とする方法。
11. 【請求項１１】　　ａ）が、主表面を有する物体を用意
    し、その主表面上にＢａ−およびＢｉ−　含有絶縁体層
    （「核形成」層と称する）が形成される様に、その物体
    の主表面をＢａ、Ｂｉおよび酸素を含み、所望によりＭ
    を含む粒子フラックスに露出し、かつ第一材料層が超電
    導体層である層、または超電導体層中に変質する層であ
    る請求項１０記載の方法。
12. 【請求項１２】　　第一材料層が超電導体層である層、
    または超電導体層中に変質する層であり、かつｃ）が、
    第二材料層中のＭ：Ｂａ比が０−０．５３の範囲内にな
    る様にフラックス中のＭの相対量を減少させる請求項１
    ０記載の方法。
13. 【請求項１３】　　第一材料層が超電導体層である層、
    または超電導体層中に変質する層であり、かつｃ）が、
    第二材料層中のＭ：Ｂａ比が０−０．５３の範囲内にな
    る様に基材温度を上昇させる請求項１０記載の方法。
14. 【請求項１４】　　基材上に配置した超電導体／絶縁体
    （ｓ−ｉ）　層構造を含む製品の製造方法であって、ａ
    ）基材を用意し、 ｂ）組成Ｂａ１−ｘＭｘＢｉＯ３−ｙ（ここで０．３５
    ≦ｘ≒＜０．５　、０≦ｙ≒＜０．２５）　の結晶層が
    形成される様に、Ｂａ、Ｂｉ、Ｍ（ここでＭはＫ、Ｒｂ
    およびそれらの組み合わせからなる群から選択される）
    および酸素を含む粒子フラックスに基材を露出し、 ｃ）粒子フラックスに対する露出を停止し、およびｄ）
    結晶層の一部が、電気的に絶縁性になる様に本質的に不
    規則な材料に変質させること、を特徴とする方法。
15. 【請求項１５】　　ｄ）が結晶層をプラズマに露出する
    請求項１４記載の方法。
16. 【請求項１６】　　さらに、ｄ）に続いて、電気的に絶
    縁性の層の少なくとも一部の上に、組成Ｂａ１−ｘＭｘ
    ＢｉＯ３−ｙ　の材料層が形成される様に、基材を粒子
    フラックスに露出する請求項１４記載の方法。