【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、酸化物超電導体薄膜を
利用した超電導素子に係り、特に大きい超電導電流を流
せる方向を基板と垂直方向に設定した積層型の超電導素
子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a superconducting element using an oxide superconducting thin film, and more particularly to a laminated superconducting element in which a direction in which a large superconducting current can flow is set perpendicular to a substrate.
【０００２】[0002]
【従来の技術】超電導素子としては、従来から、Pbある
いはNb等の金属超電導体を用いて、超電導電子対がトン
ネルできる程度の薄い絶縁層を挟み込んだ積層構造のト
ンネル型ジョセフソン接合素子等が知られている。この
ような従来のトンネル型ジョセフソン素子は、液体ヘリ
ウム温度に近い極低温での動作が必要とされている。ま
た、トンネル型ジョセフソン接合に特有なヒステリシス
を持つ電流−電圧特性を示すために、回路構成が複雑に
なる等の問題を有しており、広く実用に供されるまでに
は至っていない。2. Description of the Related Art Conventionally, as a superconducting element, a tunnel type Josephson junction element having a laminated structure using a metal superconductor such as Pb or Nb and sandwiching a thin insulating layer capable of tunneling a superconducting pair has been used. Are known. Such a conventional tunnel type Josephson device needs to operate at an extremely low temperature close to the temperature of liquid helium. In addition, there is a problem that the circuit configuration becomes complicated due to the current-voltage characteristic having a hysteresis peculiar to the tunnel-type Josephson junction, and it has not been widely used.
【０００３】一方、金属超電導体を用いた、ヒステリシ
ス特性を持たないジョセフソン接合素子として、金属超
電導体からなる主電極間を、これと積層した薄い金属に
よって接続した、いわゆるブリッジ型接合の開発も進め
られている。しかし、このようなブリッジ型接合は、上
述したトンネル型接合の場合と同様に、液体ヘリウム温
度に近い極低温での動作が必要であると共に、ブリッジ
部の抵抗が小さく、かつ金属超電導体の超電導ギャップ
自体も小さいために、大きな出力電圧を得ることが困難
であった。On the other hand, as a Josephson junction element using a metal superconductor and having no hysteresis characteristics, a so-called bridge-type junction in which a main electrode made of a metal superconductor is connected by a thin metal laminated thereon has been developed. Is underway. However, such a bridge-type junction requires operation at an extremely low temperature close to the liquid helium temperature, as in the case of the tunnel-type junction described above, and has a low resistance of the bridge portion and a superconductivity of the metal superconductor. Since the gap itself was small, it was difficult to obtain a large output voltage.
【０００４】このような状況の下で、最近、液体窒素温
度以上の高温で超電導特性を示す酸化物超電導材料が発
見され、大きな注目を集めている。この酸化物超電導体
を用いて、積層型のトンネルジョセフソン接合、あるい
はブリッジ型接合を作製することが可能になれば、上述
した従来の金属超電導体を用いて構成したジョセフソン
接合に比べ、少なくとも極低温動作の必要がなくなるこ
とから、広範囲な応用が期待される。Under these circumstances, recently, oxide superconducting materials exhibiting superconducting properties at a high temperature equal to or higher than the temperature of liquid nitrogen have been discovered and have attracted much attention. If it becomes possible to produce a stacked tunnel Josephson junction or a bridge type junction using this oxide superconductor, at least compared to the above-described Josephson junction formed using a conventional metal superconductor, Since the need for cryogenic operation is eliminated, a wide range of applications is expected.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、酸化物
超電導体はその特性に大きな異方性を持ち、コヒーレン
ス長の短いｃ軸方向を基板に垂直とした積層構造では、
実用上十分な超電導電流を積層界面を通して流すことが
できないという本質的な問題を有している。However, the oxide superconductor has a large anisotropy in its characteristics, and in a laminated structure in which the c-axis direction having a short coherence length is perpendicular to the substrate,
There is an essential problem that a practically sufficient superconducting current cannot flow through the lamination interface.
【０００６】一方、酸化物超電導体のｃ軸を基板と平行
とし、これと平行な界面を持つ積層構造を作製すること
によって、積層界面を通して実用的な超電導電流を流す
ことが可能となるものの、酸化物超電導体固有のｃ軸方
向の熱膨脹率が異常に大きいという性質により、高温で
の製膜後の冷却時に、基板結晶との間に大きな歪みが生
じ、酸化物超電導体薄膜にクラックが生じ易いという問
題があった。On the other hand, by making the c-axis of the oxide superconductor parallel to the substrate and producing a laminated structure having an interface parallel to the substrate, a practical superconducting current can flow through the laminated interface. Due to the characteristic that the coefficient of thermal expansion in the c-axis direction, which is inherent to oxide superconductors, is abnormally large, during cooling after film formation at a high temperature, a large strain is generated between the substrate crystals and cracks occur in the oxide superconductor thin film. There was a problem that it was easy.
【０００７】このように、臨界温度の高い酸化物超電導
体を用いたジョセフソン接合等の超電導素子の開発は、
産業上大きな効果をもたらすものと期待されているが、
現状では流し得る超電導電流が不十分であったり、ある
いは酸化物超電導体薄膜を安定に形成することができな
い等の難点を有することから、十分に実用に供するまで
には至っていない。よって、酸化物超電導体を用いた超
電導素子を実用に供し得る積層構造およびその製造方法
の開発が急務とされている。As described above, the development of a superconducting element such as a Josephson junction using an oxide superconductor having a high critical temperature has been proposed.
It is expected to have a great effect on the industry,
At present, there is a problem that the superconducting current that can flow is insufficient or the oxide superconducting thin film cannot be formed stably, so that it has not been sufficiently put to practical use. Therefore, there is an urgent need to develop a laminated structure capable of putting a superconducting element using an oxide superconductor into practical use and a method for manufacturing the same.
【０００８】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、ｃ軸が基板面と平行となる酸化物超
電導体薄膜ならびにその積層構造を、クラック等の発生
を防止して再現性よく得ることができ、かつ制御性に優
れると共に、大きい出力電圧が得られる超電導素子を提
供することを目的としている。The present invention has been made to address such a problem, and reproduces an oxide superconductor thin film having a c-axis parallel to the substrate surface and a laminated structure thereof by preventing the occurrence of cracks and the like. It is an object of the present invention to provide a superconducting element which can be obtained with good controllability, is excellent in controllability, and can obtain a large output voltage.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明の超電導素子は、
酸化物材料からなる基板と、ＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ
７（ＲＥ１は希土類元素から選ばれた少なくとも１種の
元素を示す）で実質的に表される組成を有し、その単位
格子のｃ軸が前記基板の製膜面と平行となるように配向
された酸化物超電導体薄膜とを具備する超電導素子にお
いて、前記基板と酸化物超電導体薄膜との間に、ＲＥ２
（Ｂａ２−ｘＲＥ２ｘ）Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥ２は希土類元
素から選ばれ、前記ＲＥ１とは異なる少なくとも１種の
元素を示し、ｘは０＜ｘ＜１を満足する数である）で表
される組成を有し、かつ前記基板との界面側のｘの値が
前記酸化物超電導体薄膜との界面側のｘの値より大きく
なるように形成された中間層が配置されていることを特
徴としている。The superconducting element of the present invention comprises:
A substrate made of an oxide material, and RE1 Ba2 Cu3 O
7 (RE1 represents at least one element selected from rare earth elements) such that the c-axis of its unit cell is parallel to the film-forming surface of the substrate. A superconducting device comprising an oriented oxide superconductor thin film, wherein RE2 is interposed between the substrate and the oxide superconductor thin film.
(Ba 2-x RE 2 x ) Cu 3 O y (RE2rare earth source
At least one member selected from the group consisting of
And x isa number satisfying 0 <x <1), and the value of x on the interface side with the substrate is such that the value of x on the interface side with the oxide superconductor thin film is An intermediate layer formed so as to be larger than the value of x is arranged.
【００１０】本発明の超電導素子における酸化物超電導
体薄膜は、 化学式：ＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７ ……（１） （式中、ＲＥ１はＹ、Ｌａ，Ｓｃ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、
Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等の希土類
元素から選ばれた少なくとも１種の元素を示す）で実質
的に表される組成を有している。ただし、各元素のモル
比は厳密に上記比率を満足させなければならないもので
はなく、超電導特性が得られる範囲であれば多少の変動
は許容される。そして、本発明の酸化物超電導体薄膜
は、その単位格子のｃ軸が基板の製膜面と平行となるよ
うに配向させた薄膜であり、基板面と垂直な方向（膜の
積層方向）に大きな超電導電流を流すことが可能な、い
わゆるａ軸配向膜である。The oxide superconductor thin film in the superconducting element of the present invention has a chemical formula: RE1 Ba2 Cu3 O7 (1) (wherein RE1 is Y, La, Sc, Nd, Sm, Eu,
At least one element selected from rare earth elements such as Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu). However, the molar ratio of each element does not have to strictly satisfy the above ratio, and some variation is allowed as long as the superconducting characteristics can be obtained. The oxide superconductor thin film of the present invention is a thin film oriented so that the c-axis of its unit cell is parallel to the film-forming surface of the substrate, and is oriented in a direction perpendicular to the substrate surface (the laminating direction of the film). This is a so-called a-axis alignment film through which a large superconducting current can flow.
【００１１】本発明の超電導素子においては、酸化物基
板とａ軸配向させた酸化物超電導体薄膜との間に、 化学式：ＲＥ２（Ｂａ２−ｘＲＥ２ｘ）Ｃｕ３Ｏｙ ……（２） （式中、ＲＥ２はＹ、Ｌａ、Ｓｃ，Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、
Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等の
希土類元素から選ばれた少なくとも１種の元素であっ
て、ＲＥ１とは異なる元素を示し、ｘは０＜ｘ＜１を満
足する数である）で組成が表される中間層を介在させて
いる。この中間層の構成化合物は、酸化物超電導体と同
じ結晶構造を有するが、結晶格子中のＢａの一部が希土
類原子で置換されており、そのｃ軸方向の格子定数が酸
化物超電導体に比べて小さいと共に、室温以上での熱膨
張率も小さく、酸化物基板と酸化物超電導体との中間的
な熱膨張率を有するものである。これら格子定数や熱膨
張率は、希土類原子によるＢａの置換量（ｘの値）に基
くものである。ただし、ｘの値が１以上となると、結晶
構造が変化するため、上記（２）式におけるｘの値は１
未満とする。[0011] In the superconducting device of the present invention, between the oxide superconductor thin film has been oriented oxide substrate and a shaft, theformula: RE 2 (Ba 2-x RE 2 x) Cu 3 O y ...... ( 2) (where RE2 is Y, La, Sc, Pr, Nd, Sm,
Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, at least one element selected from rare earth elements Lu, etc.met
Represents an element different from RE1, and x is a number satisfying 0 <x <1). The constituent compound of the intermediate layer has the same crystal structure as that of the oxide superconductor, but a part of Ba in the crystal lattice is replaced by rare earth atoms, and the lattice constant in the c-axis direction of the oxide superconductor is It has a small thermal expansion coefficient at room temperature or higher and has an intermediate thermal expansion coefficient between the oxide substrate and the oxide superconductor. These lattice constants and coefficients of thermal expansion are based on the amount of replacement of Ba by rare earth atoms (the value of x). However, if the value of x becomes 1 or more, the crystal structure changes, and therefore the value of x in the above formula (2) is 1
Less than
【００１２】このような中間層を介在させることによっ
て、酸化物基板と酸化物超電導体薄膜との熱膨脹率の差
に起因して生じる歪みを緩和することができる。なお、
中間層となる化合物中の希土類元素（ＲＥ２）は、適用
した酸化物超電導体の希土類元素（ＲＥ１）と異なるも
のであり、基板表面の被覆性や成長の均一性等を考慮し
て決定される。なお、１種類の希土類元素を用いる代わ
りに、２種以上の希土類元素を混在させて用いた方が効
果が顕著になる場合もある。By interposing such an intermediate layer, it is possible to reduce distortion caused by a difference in the coefficient of thermal expansion between the oxide substrate and the oxide superconductor thin film. In addition,
Rare earth element compound in which an intermediate layer (RE2)arethose different and the applied oxide superconductor of rare earth elements(RE1), determined by considering the uniformity and the like of the coating and growth of the substrate surfaceIs done . In some cases, the effect may be more remarkable when two or more rare earth elements are mixed and used instead of using one kind of rare earth element.
【００１３】上記したような中間層の具体的な構成とし
ては、 (1) 酸化物基板との界面側から酸化物超電導体薄膜との
界面側に向けて、厚さ方向にBaの置換率(xの値）を徐々
に減少させた、 xの値が連続的に変化する化合物層。The specific structure of the intermediate layer as described above is as follows: (1) From the interface side with the oxide substrate to the interface side with the oxide superconductor thin film, the substitution rate of Ba in the thickness direction ( x)), a compound layer in which the value of x changes continuously.
【００１４】(2) Baの置換率(xの値）が異なる複数の化
合物層を積層すると共に、これら複数の化合物層の xの
値を酸化物基板との界面側から酸化物超電導体薄膜との
界面側に向けて減少するように設定したもの。(2) A plurality of compound layers having different Ba substitution rates (values of x) are laminated, and the value of x of the plurality of compound layers is changed from the interface side with the oxide substrate to the oxide superconductor thin film. Set to decrease toward the interface side of.
【００１５】等が好ましい。このように、中間層内のＢ
ａ置換率を基板側では大きくし、かつ酸化物超電導体薄
膜側では零に近似させることによって、高温での製膜時
における酸化物基板および酸化物超電導体薄膜両者の結
晶格子の整合性が改善される。従って、製膜後の冷却過
程での歪みの集積が緩和され、それに伴うクラックの発
生等を防止することができる。And the like. Thus, B in the intermediate layer
a By increasing the substitution rate on the substrate side and approaching zero on the oxide superconductor thin film side, the crystal lattice consistency of both the oxide substrate and the oxide superconductor thin film during film formation at high temperatures is improved. Is done. Therefore, the accumulation of distortion in the cooling process after film formation is reduced, and the occurrence of cracks and the like can be prevented.
【００１６】また、酸化物超電導体のｃ軸方向の大きい
熱膨脹率は、超電導性の発現の条件である斜方晶構造に
結び付いているものであることから、酸化物基板との界
面では正方晶、酸化物超電導体薄膜との界面では斜方晶
となるように、 (2)式におけるBaの置換率を設定するこ
とが好ましく、これによってより大きな効果が期待でき
る。The large thermal expansion coefficient of the oxide superconductor in the c-axis direction is linked to the orthorhombic structure which is a condition for the development of superconductivity. On the other hand, it is preferable to set the substitution rate of Ba in the equation (2) so as to be orthorhombic at the interface with the oxide superconductor thin film, whereby a greater effect can be expected.
【００１７】[0017]
【作用】一般に、良好な酸化物超電導体膜を製膜するた
めには、薄膜形成に必要な 700℃前後の温度で酸化物超
電導体と反応せず、かつ結晶格子の寸法が近い材料から
なる基板を用いる必要がある。このような基板として
は、 SrTiO3やこれと類似のペロブスカイト構造の酸化
物が広く用いられている。これらの基板は、図２に示す
ように、室温では酸化物超電導体のｃ軸とよい格子整合
性を示すが、製膜が行われるような高温ではその整合性
が悪い。これは、酸化物超電導体のｃ軸方向の熱膨張率
が特異な温度依存性を示すためである。この特異な温度
依存性は、酸化物超電導体中の銅と酸素原子が 1次元の
秩序構造を作り、結晶系が高温での正方晶から、低温で
の斜方晶に変化する現象と対応している。従って、酸化
物超電導体のｃ軸が基板面と平行となるように配向させ
て製膜する場合、高温での製膜時には、基板上の酸化物
超電導体膜は圧縮力を受けながら成長することになる。
また、製膜が終了した後に基板を冷却していくと、酸化
物超電導体膜は収縮し、圧縮力が引張り力に変化する。
この結果、室温まで冷却する過程で、酸化物超電導体膜
にはクラックが発生する。酸化物超電導体は、ｃ面に沿
ってへき開性が強いため、このクラックは酸化物超電導
体膜が薄くても防止することが難しい。[Function] Generally, in order to form a good oxide superconductor film, a material which does not react with the oxide superconductor at a temperature of about 700 ° C. necessary for forming a thin film and has a close crystal lattice size is used. It is necessary to use a substrate. As such a substrate, SrTiO3 or an oxide having a perovskite structure similar thereto is widely used. As shown in FIG. 2, these substrates have good lattice matching with the c-axis of the oxide superconductor at room temperature, but their matching is poor at high temperatures at which film formation is performed. This is because the coefficient of thermal expansion of the oxide superconductor in the c-axis direction shows a unique temperature dependency. This unique temperature dependence corresponds to the phenomenon that copper and oxygen atoms in the oxide superconductor form a one-dimensional ordered structure, and the crystal system changes from tetragonal at high temperature to orthorhombic at low temperature. ing. Therefore, when the film is formed by orienting the oxide superconductor so that the c-axis is parallel to the substrate surface, the oxide superconductor film on the substrate may grow while receiving a compressive force during film formation at a high temperature. become.
When the substrate is cooled after the film formation is completed, the oxide superconductor film contracts, and the compressive force changes to a tensile force.
As a result, cracks occur in the oxide superconductor film during the process of cooling to room temperature. Since the oxide superconductor has a strong cleavage along the c-plane, it is difficult to prevent this crack even if the oxide superconductor film is thin.
【００１８】一方、RE-Ba-Cu-O系の化合物では、REのモ
ル比を 1より大きく、Baのモル比を2より小さくする
と、希土類原子が一部バリウム原子の位置に入り、結晶
構造には大きな変化を起こすことなく結晶が成長する。
この場合、希土類原子の大きさはバリウムに比較して小
さいために格子定数が小さくなる。また、酸素原子の占
める位置も一部変化し、酸化物超電導体の持つｃ軸方向
の大きな熱膨脹率の原因であった銅と酸素の 1次元鎖構
造が形成されなくなる。この結果、熱膨脹率も図２に見
られるような大きな値をとらなくなる。このような変化
は、バリウム位置を占める希土類原子の量に依存する。
また、希土類原子のモル比を 1.3以上（すなわちバリウ
ム原子のモル比を 1.7以下）とすることで、室温でも正
方晶が維持されるようにすることができる。On the other hand, in the RE-Ba-Cu-O compound, when the molar ratio of RE is larger than 1 and the molar ratio of Ba is smaller than 2, some of the rare earth atoms enter the barium atom positions and the crystal structure is reduced. The crystal grows without significant change.
In this case, since the size of the rare earth element is smaller than that of barium, the lattice constant becomes smaller. In addition, the position occupied by oxygen atoms also partially changes, and the one-dimensional chain structure of copper and oxygen, which caused the large thermal expansion coefficient in the c-axis direction of the oxide superconductor, is not formed. As a result, the coefficient of thermal expansion does not take a large value as shown in FIG. Such a change depends on the amount of rare earth atoms occupying the barium position.
When the molar ratio of rare earth atoms is 1.3 or more (that is, the molar ratio of barium atoms is 1.7 or less), a tetragonal crystal can be maintained even at room temperature.
【００１９】本発明の超電導素子は、上述したような現
象を利用したものであり、基本的には酸化物基板と酸化
物超電導体薄膜との間に、これらの中間的な格子定数お
よび熱膨張率を有する中間層を介在させることによっ
て、熱膨張差等に起因する歪みを緩和したものである。
さらには、例えば酸化物基板に接して中間層を成長させ
る段階では、酸化物超電導体膜を得る場合に比べて、希
土類原子を過剰に、バリウム原子を少なく供給して製膜
し、徐々に組成比を超電導組成に変化させることで、薄
膜の格子定数および熱膨脹率を変化させることができ、
これにより上部に形成される酸化物超電導体膜に蓄積さ
れる歪みエネルギーをより一層小さくすることができ
る。このようなことから、酸化物基板上にｃ軸が基板面
と平行となるように配向させたREBa2Cu3O7組成の酸
化物超電導体薄膜中には大きな応力が残存せず、その結
果、クラックの発生や超電導転移温度の低下等を防止す
ることができ、よってこの酸化物超電導体薄膜上に良好
な特性を示す積層型素子を形成することが可能となる。The superconducting element of the present invention utilizes the above-mentioned phenomenon. Basically, an intermediate lattice constant and thermal expansion between an oxide substrate and an oxide superconductor thin film are provided between them. By interposing an intermediate layer having a specific modulus, distortion caused by a difference in thermal expansion and the like is reduced.
Furthermore, for example, in the step of growing the intermediate layer in contact with the oxide substrate, a film is formed by supplying an excessive amount of rare earth atoms and supplying a small amount of barium atoms as compared with the case of obtaining an oxide superconductor film, and gradually forming a composition. By changing the ratio to the superconducting composition, the lattice constant and coefficient of thermal expansion of the thin film can be changed,
Thereby, the strain energy stored in the oxide superconductor film formed on the upper portion can be further reduced. For this reason, no large stress remains in the oxide superconductor thin film of the REBa2 Cu3 O7 composition oriented on the oxide substrate so that the c-axis is parallel to the substrate surface. In addition, it is possible to prevent the occurrence of cracks, a decrease in the superconducting transition temperature, and the like, and thus, it is possible to form a stacked element exhibiting good characteristics on this oxide superconductor thin film.
【００２０】なお、上記中間層における組成の変化は連
続的に行ってもよいが、制御の容易さを考慮すれば、組
成を変化させる中間層を多層構造とし、層間での組成に
若干の不連続を持たせながら段階的に変化させる方法が
好ましい。中間層の基板側界面では、結晶構造が室温に
おいても正方晶に保たれるよう、組成比を制御すること
が、基板と中間層間の歪みを小さくするために有効であ
ることは、上述した議論から明らかである。The composition of the intermediate layer may be changed continuously. However, in consideration of the easiness of control, the intermediate layer whose composition is changed has a multi-layer structure, and the composition between the layers is slightly different. A method of changing stepwise while giving continuity is preferable. As discussed above, at the substrate-side interface of the intermediate layer, controlling the composition ratio so that the crystal structure is kept tetragonal even at room temperature is effective for reducing the distortion between the substrate and the intermediate layer. It is clear from
【００２１】[0021]
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【００２２】図１は、本発明の超電導素子を適用した一
実施例のジョセフソン接合素子の構造を示す断面図であ
る。同図において、１はＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶
体からなる基板であり、このＳｒＴｉＯ３（１００）基
板１上には中間層２として、前述した（２）式で表され
る化合物膜、例えばＰｒ（Ｂａ２−ｘＰｒｘ）Ｃｕ３Ｏ
７膜（以下、Ｐｒ−（Ｂａ，Ｐｒ）−Ｃｕ−Ｏ膜と記
す）が形成されている。このＰｒ−（Ｂａ，Ｐｒ）−Ｃ
ｕ−Ｏ膜２は、基板１側ではＰｒの過剰量ｘが大きくな
り（例えばＰｒのモル比が１．５、すなわちｘの値が
０．５）、かつ後述するＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７膜３側では
Ｐｒのモル比が１に近似するように、すなわちＰｒの過
剰量ｘが十分小さい値（ｘ〜０）となるように、膜の厚
さ方向にＰｒとＢａのモル比を変化させたものである。FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a Josephson junction device according to an embodiment to which the superconducting device of the present invention is applied. In the figure, 1 is a substrate of SrTiO3 (100) single crystal body, an intermediate layer 2 in the SrTiO3 (100) substrate 1, a compound film represented by the aforementioned formula (2), for example, Pr (Ba2-x Prx ) Cu3 O
Seven films (hereinafter, referred to as Pr- (Ba, Pr) -Cu-O films) are formed. This Pr- (Ba, Pr) -C
In the u—O film 2, the excess amountx of Pr is large on the substrate 1 side (for example, the molar ratio of Pr is 1.5, ie, the value ofx is large).
0.5), and as the molar ratio of Pr is approximated to 1 in described belowYBa 2Cu 3O 7 film 3 side,that is over the Pr
The molarratio between Pr and Bais changed in the thickness direction of the filmso that the surplus x becomes a sufficiently small value (x to 0) .
【００２３】また、上記 Pr-(Ba,Pr)-Cu-O膜２は、基板
１として SrTiO3(100）単結晶体を用いていると共に、
その製膜条件を制御することによって、単位格子のｃ軸
が基板１の製膜面に対して平行となるように配向された
膜である。The Pr- (Ba, Pr) -Cu-O film 2 uses a single crystal of SrTiO3 (100) as the substrate 1 and
By controlling the film forming conditions, the film is oriented so that the c-axis of the unit cell is parallel to the film forming surface of the substrate 1.
【００２４】上記Pr-Ba-Cu-O層２上には、厚さ 300nmの
YBa2Cu3O7膜（以下、 Y-Ba-Cu-O膜と記す）からな
る下部電極３、厚さ25nmのPrBa2Cu3O7膜（以下、Pr
-Ba-Cu-O膜と記す）からなるバリア層４、厚さ 100nmの
Y-Ba-Cu-O膜からなる上部電極５が順に積層形成されて
いる。下部電極３および上部電極５を構成する Y-Ba-Cu
-O膜は、いずれもその単位格子のｃ軸が基板１の製膜面
に対して平行となるように配向された膜、すなわちａ軸
配向された膜である。また、上部電極５上には、厚さ 1
00nmの金蒸着膜からなる表面保護層６が設けられてい
る。On the Pr-Ba-Cu-O layer 2, a 300 nm thick
A lower electrode 3 composed of a YBa2 Cu3 O7 film (hereinafter, referred to as a Y-Ba-Cu-O film), a 25 nm thick PrBa2 Cu3 O7 film (hereinafter, Pr)
-Ba-Cu-O film), a barrier layer 4 having a thickness of 100 nm.
An upper electrode 5 made of a Y-Ba-Cu-O film is sequentially laminated. Y-Ba-Cu constituting lower electrode 3 and upper electrode 5
Each of the -O films is a film oriented so that the c-axis of the unit lattice is parallel to the film-forming surface of the substrate 1, that is, a film oriented in the a-axis. In addition, a thickness of 1
A surface protection layer 6 made of a 00 nm gold evaporated film is provided.
【００２５】また、上記バリア層４、上部電極５および
金保護層６は、接合面積が10μm 角となるようにパター
ニングされている。そして、これらによる積層部および
下部電極３は、絶縁膜７により覆われており、この絶縁
膜７に設けられたコンタクトホール７ａを介して、上部
電極５へのAu配線層８が接続されて、積層型ジョセフソ
ン接合素子が構成されている。The barrier layer 4, the upper electrode 5, and the gold protective layer 6 are patterned so that the bonding area is 10 μm square. The stacked portion and the lower electrode 3 are covered with an insulating film 7, and the Au wiring layer 8 is connected to the upper electrode 5 via a contact hole 7 a provided in the insulating film 7. A stacked Josephson junction device is configured.
【００２６】上記実施例のジョセフソン接合素子は、ａ
軸配向させた健全な酸化物超電導体薄膜により積層型の
接合を形成しているため、積層界面を通して実用的な超
電導電流を流すことができ、さらには大きな出力電圧を
得ることが可能となる。The Josephson junction device of the above embodiment has a
Since a laminated junction is formed by the axially oriented sound oxide superconductor thin film, a practical superconducting current can flow through the lamination interface, and a large output voltage can be obtained.
【００２７】上記実施例によるジョセフソン接合素子
は、例えば以下のようにして作製される。この実施例の
ジョセフソン接合素子の製造工程を図３を参照して述べ
る。The Josephson junction device according to the above embodiment is manufactured, for example, as follows. A manufacturing process of the Josephson junction device of this embodiment will be described with reference to FIG.
【００２８】まず、図１（ａ）に示すように、 SrTiO3
(100）基板１の上に多元反応性スパッタ法で中間層であ
る Pr-(Ba,Pr)-Cu-O層２を製膜する。この製膜にあたっ
ては、Pr、Cu、Ba2CuO3の各ターゲットを用い、薄膜
作製過程でPrターゲットとBa2CuO3ターゲットに印加
する高周波電力を徐々に変えることで、PrとBaの組成比
を変化させた。この実施例においては、基板１側の界面
でのPrおよびBaのモル比はそれぞれ 1.5とし、 100nmの
厚さの範囲で徐々に Pr:Ba=1:2まで変化させた。次い
で、この中間層２上に、同一真空容器中で Y、Cu、Ba2
CuO3の各ターゲットを使用し、下部電極３として厚さ
300nmの Y-Ba-Cu-O膜、バリア層４として厚さ25nmのPr
-Ba-Cu-O膜、上部電極５として厚さ 100nmの Y-Ba-Cu-O
膜を順次成長させた。製膜時の温度は 680℃とし、作製
した薄膜はいずれもｃ軸が基板面に平行なａ軸配向して
いることをＸ線回折によって確認した。First, as shown in FIG. 1 (a), SrTiO3
(100) A Pr- (Ba, Pr) -Cu-O layer 2 as an intermediate layer is formed on a substrate 1 by a multiple reactive sputtering method. In this film formation, each target of Pr, Cu, and Ba2 CuO3 was used, and the composition ratio of Pr and Ba was gradually changed by gradually changing the high-frequency power applied to the Pr target and the Ba2 CuO3 target during the thin film production process. Was changed. In this example, the molar ratio of Pr and Ba at the interface on the substrate 1 side was 1.5, respectively, and was gradually changed to Pr: Ba = 1: 2 in a thickness range of 100 nm. Next, on this intermediate layer 2, Y, Cu, Ba2
Using each target of CuO3 , thickness as lower electrode 3
300 nm Y-Ba-Cu-O film, 25 nm thick Pr as barrier layer 4
-Ba-Cu-O film, 100 nm thick Y-Ba-Cu-O as upper electrode 5
The films were grown sequentially. The temperature during film formation was 680 ° C., and it was confirmed by X-ray diffraction that the c-axis of all the prepared thin films was oriented in the a-axis parallel to the substrate surface.
【００２９】得られた積層膜の超電導転移温度は 83Kで
あった。この転移温度が理想的なY-Ba-Cu-O膜の持つ 92
Kに比べて若干低いのは、製膜時の基板温度が低いため
である。ａ軸配向を維持して転移温度を高めるには、配
向性が決定される中間層２の作製時には上記温度とし、
酸化物超電導体膜作製時には基板温度を高めればよい。
作製された積層膜の表面は極めて平滑であり、高分解能
の電子顕微鏡によってもクラック等の発生は一切観察さ
れなかった。The superconducting transition temperature of the obtained laminated film was 83K. This transition temperature has the ideal Y-Ba-Cu-O film 92
The reason why the temperature is slightly lower than K is that the substrate temperature during film formation is low. In order to maintain the a-axis orientation and increase the transition temperature, the above temperature is used when the intermediate layer 2 whose orientation is determined is made,
When the oxide superconductor film is manufactured, the substrate temperature may be increased.
The surface of the produced laminated film was extremely smooth, and no occurrence of cracks or the like was observed even by a high-resolution electron microscope.
【００３０】また、本発明との比較として、中間層２を
用いない積層膜、ならびにPrBa2Cu3O7の組成の単純
な中間層を用いた積層膜をそれぞれ作製したところ、い
ずれも微小なクラック構造が認められ、超電導転移温度
は 70K前後であった。このことは、本発明の効果を明瞭
に示すものである。As a comparison with the present invention, a laminated film using no intermediate layer 2 and a laminated film using a simple intermediate layer having a composition of PrBa2 Cu3 O7 were produced. A crack structure was observed, and the superconducting transition temperature was around 70K. This clearly shows the effect of the present invention.
【００３１】上記積層膜を形成した後の加工工程は、通
常の半導体素子の作製に用いられるものと同様である。
すなわち、図３（ｂ）に示すように、表面の保護のため
に厚さ 100nmの金蒸着膜６を形成した後、光学露光法で
接合部のパターンをレジスト膜に転写し、次いでレジス
トをマスクとしてイオンミリング法により、上部電極と
なる Y-Ba-Cu-O膜５とバリア層となる中間のPr-Ba-Cu-O
膜４をエッチングする。接合面積は10μm 角とした。The processing steps after the formation of the above-mentioned laminated film are the same as those used for manufacturing a normal semiconductor device.
That is, as shown in FIG. 3 (b), after forming a 100-nm-thick gold vapor-deposited film 6 to protect the surface, the pattern of the bonding portion is transferred to a resist film by an optical exposure method, and then the resist is masked. By the ion milling method, the Y-Ba-Cu-O film 5 serving as the upper electrode and the intermediate Pr-Ba-Cu-O serving as the barrier layer
The film 4 is etched. The bonding area was 10 μm square.
【００３２】次に、図３（ｃ）に示すように、上部電極
５および下部電極３への配線を互いに絶縁するための絶
縁膜７を積層し、接合部上部のみに穴（コンタクトホー
ル７ａ）のあいた形に加工する。この絶縁膜７として
は、種々のものが利用できるが、この実施例では工程を
簡略化する目的でネガレジストを利用した。この後、上
部 Y-Ba-Cu-O膜５への配線８をAuによって形成すること
で、積層型ジョセフソン素子が完成する。Next, as shown in FIG. 3C, an insulating film 7 for insulating the wiring to the upper electrode 5 and the lower electrode 3 from each other is laminated, and a hole (contact hole 7a) is formed only at the upper part of the joint. Process into a shape that is open. Various materials can be used as the insulating film 7, but in this embodiment, a negative resist was used for the purpose of simplifying the process. Thereafter, the wiring 8 to the upper Y-Ba-Cu-O film 5 is formed of Au, thereby completing the stacked Josephson device.
【００３３】図４は、この実施例で得られた超電導素子
の液体ヘリウム温度における電流−電圧特性である。臨
界電流として 1.2mA、素子の出力電圧であるＩc・Ｒn
積として 4mVが得られた。酸化物超電導体に期待される
出力電圧20mVに比べて低いのは、Pr-Ba-Cu-O膜４の厚さ
が最適化されていないためであり、Pr-Ba-Cu-O膜４を薄
くすることで、さらに良好な特性を得ることができる。FIG. 4 shows current-voltage characteristics of the superconducting element obtained in this embodiment at liquid helium temperature. The critical current is 1.2 mA, and the output voltage of the device, Ic · Rn
A product of 4 mV was obtained. The reason why the output voltage is lower than the expected output voltage of the oxide superconductor of 20 mV is that the thickness of the Pr-Ba-Cu-O film 4 is not optimized. Even better characteristics can be obtained by reducing the thickness.
【００３４】また図５は、この実施例の超電導素子が実
際に均一なジョセフソン特性を示すことを確認するため
に行った臨界電流の印加磁界依存性を示す図である。こ
の図から分かるように、作製した素子は理想的なフラウ
ンホファーパターンを示した。このようなジョセフソン
特性は液体窒素温度でも確認され、本発明による超電導
素子が高温で動作し得ることを検証できた。FIG. 5 is a diagram showing the dependence of the critical current on the applied magnetic field, which was performed to confirm that the superconducting element of this embodiment actually exhibited uniform Josephson characteristics. As can be seen from this figure, the fabricated device exhibited an ideal Fraunhofer pattern. Such Josephson characteristics were confirmed even at the temperature of liquid nitrogen, and it was verified that the superconducting element according to the present invention can operate at a high temperature.
【００３５】なお、上記実施例のジョセフソン接合素子
においては、中間層２として、Pr-(Ba,Pr)-Cu-O膜を用
いた例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、中間層の組成制御性や中間層と酸化物超
電導体膜間の希土類元素の拡散防止が満たされれば、他
の希土類元素を用いた場合おいても同様な効果が期待で
きる。ただし、 Pr-(Ba,Pr)-Cu-O膜は酸化物基板との濡
れ性に優れることから、本発明に好適な材料といえる。In the Josephson junction device of the above embodiment, an example was described in which a Pr- (Ba, Pr) -Cu-O film was used as the intermediate layer 2, but the present invention is not limited to this. However, if the composition controllability of the intermediate layer and the prevention of rare earth element diffusion between the intermediate layer and the oxide superconductor film are satisfied, similar effects can be expected even when other rare earth elements are used. However, the Pr- (Ba, Pr) -Cu-O film has excellent wettability with an oxide substrate, and thus can be said to be a suitable material for the present invention.
【００３６】[0036]
【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
酸化物高温超電導体を利用した高温で動作し得るジョセ
フソン接合素子をはじめとして、積層構造を有する各種
の超電導素子の安定性、再現性を大幅に高めることがで
き、産業上多大な寄与をすることが期待される。According to the present invention as described above,
The stability and reproducibility of various superconducting elements with a multilayer structure, including Josephson junction elements that can operate at high temperatures using oxide high-temperature superconductors, can be greatly improved, and make a great contribution to industry. It is expected.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図１】本発明の一実施例による超電導素子の構成を示
す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a superconducting element according to one embodiment of the present invention.
【図２】Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体および基板用酸化
物の熱膨張率の温度依存性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the temperature dependence of the coefficient of thermal expansion of a Y—Ba—Cu—O-based oxide superconductor and an oxide for a substrate.
【図３】本発明の一実施例による超電導素子の製造工程
を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the superconducting device according to one embodiment of the present invention.
【図４】本発明の一実施例により得た超電導素子の電流
−電圧特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing current-voltage characteristics of a superconducting element obtained according to one example of the present invention.
【図５】本発明の一実施例により得た超電導素子の臨界
電流の印加磁界依存性を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the applied magnetic field dependence of the critical current of the superconducting element obtained according to one embodiment of the present invention.
１…… SrTiO3(100）基板 ２…… Pr-(Ba,Pr)-Cu-O膜からなる中間層 ３…… Y-Ba-Cu-O膜からなる下部電極 ４……Pr-Ba-Cu-O膜からなるバリア層 ５…… Y-Ba-Cu-O膜からなる上部電極1 SrTiO3 (100) substrate 2 Interlayer composed of Pr- (Ba, Pr) -Cu-O film 3 Lower electrode composed of Y-Ba-Cu-O film 4 Pr-Ba- Barrier layer made of Cu-O film 5 Upper electrode made of Y-Ba-Cu-O film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 39/22 H01L 39/24 H01L 39/00 H01L 39/02──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl.6 , DB name) H01L 39/22 H01L 39/24 H01L 39/00 H01L 39/02
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