JP4741805B2

JP4741805B2 - 超電導素子

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Publication number: JP4741805B2
Application number: JP2004061003A
Authority: JP
Inventors: 愛上谷; 成司安達; 裕紀若菜; 圭一田辺
Original assignee: International Superconductivity Technology Center; Sharp Corp
Current assignee: International Superconductivity Technology Center; Sharp Corp
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2024-03-04
Also published as: JP2005252019A

Description

本発明は、超電導素子に関し、特に、電子機器等に搭載されれば、その電子機器等の高速動作を可能にすると共に、その電子機器等の消費電力を格段に低減できる酸化物超電導体を用いた超電導素子に関する。

超電導体は臨界温度以下で電気抵抗が消失するジョセフソン効果を有するなどの特徴を持つことから、超電導体を用いた電子デバイスは低消費電力で高速動作が可能であると考えられている。中でも酸化物超電導体は80K以上の高い臨界温度を有することから、実用材料として有望であるとみなされており、現在、YBa₂Cu₃O_y、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_y等に代表される酸化物超電導体を用いた電子デバイスに関する研究が盛んに行われている。

また、上記酸化物超電導体を用いた電子デバイスに関する研究を行うにあたっては、単一磁束量子（Single Flux Quantum : SFQ）デバイスをはじめとする超電導体デバイスの多くが、多層から成る超電導体による配線構造を有するので、酸化物超電導体の上下の超電導体膜層間の電気的絶縁を目的とする層間絶縁層の研究が盛んに行われ、例えば、絶縁性が高い層間絶縁膜の研究、酸化物超電導体層の上に結晶性および表面平坦性が高い層間絶縁膜を形成する研究、または、結晶性および平坦性の高い酸化物超電導体層を表面上に形成できる層間絶縁膜の研究等が、盛んに行われている。

そして、現在までに、酸化物超電導体を用いたデバイスに用いられる層間絶縁膜としては、SrSnO₃及びCaSnO₃ （勝野ほか、第49回応用物理学関係連合講演会予稿集28a-ZD-2）、SrTiO₃とCeO₂の積層構造（Soutomeほか、IEICE TRANS. ELECTRON. Vol. E85-C, No3 March 2002）、Sr₂AlTaO₆ （Takahashiほか、IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, Vol. 11, No.1 March 2001）、（LaAlO₃）_0.3（SrAl_0.5Ta_0.5O3）_0.7とSrTiO₃ との積層構造（Wakanaほか、ASC2002）等が研究開発されている。

しかしながら、上記に示されたSrSnO₃、CaSnO₃、SrTiO₃とCeO₂の積層構造、Sr₂AlTaO₆ 、（LaAlO₃）_0.3（SrAl_0.5Ta_0.5O₃）_0.7とSrTiO₃ との積層構造による絶縁膜は、導電率が低くて電気的絶縁性が高い一方、17〜30程度の誘電率を有することから、絶縁膜部分のキャパシタンス成分が大きくなり、このことにより誘電損失が大きくなって、消費電力の増大を招くという問題がある。また、上記従来の絶縁膜は、17〜30程度の誘電率を有することから、高周波信号が入らなくなって、遅延時間の増加によって高周波信号の波形に乱れが生じるという問題や、寄生容量の発生により回路設計がより困難となるという問題がある。
第49回応用物理学関係連合講演会予稿集28a-ZD-2

そこで、本発明の課題は、導電率が低くて電気的絶縁性が高いと共に、誘電率が低くて誘電損失が低い絶縁層を有する超電導素子を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の超電導素子は、
第1の酸化物超電導体層と、
この第1の酸化物超電導体層の上に形成されると共に、MgOから成る絶縁層と、
この絶縁層の上に形成された第2の酸化物超電導体層と、
上記第1の酸化物超電導体層と上記絶縁層との間に第1の絶縁薄膜層と
を備え、
上記第1の絶縁薄膜層は、複数の層から構成され、
上記絶縁層の層厚が、上記第１の絶縁薄膜層の層厚よりも厚いことを特徴としている。

上記発明によれば、上記第1の酸化物超電導体層の上に、MgOから成る絶縁層を形成しているので、導電率を低くできて、電気絶縁性を高くできる。したがって、上記第1の酸化物超電導体層と上記第2の酸化物超電導体層との間を、絶縁することができる。

また、上記発明によれば、上記第1の酸化物超電導体層の上に、MgOから成る絶縁層を形成しているので、誘電率を従来の17〜30程度から10程度（MgOはバルクで10程度の誘電率を有する）まで大幅に低減させることができる。したがって、酸化物超電導体層の間に形成されるキャパシタンス成分の容量を、従来よりも格段に小さくすることができるので、誘電損失を小さくすることができると共に、高周波信号の波形の乱れを防止することができ、また、容易に回路を設計することができる。

また、上記発明によれば、上記第1の酸化物超電導体層と上記MgOから成る絶縁層との間に第1の絶縁薄膜層を備えているので、上記第1の酸化物超電導体層と上記絶縁層との間に生じる可能性がある好ましくない反応を防止することができる。

また、上記発明によれば、上記第1の絶縁薄膜層が、複数の層から構成されているので、上記複数の層を適切に選択することにより、上記第1の絶縁薄膜層を一層で構成しているときと比べて、上記第1の絶縁薄膜層の歪みを小さくすることができる。したがって、上記第1の絶縁薄膜層の結晶性および表面平坦性を高くすることができるので、上記第1の絶縁薄膜層に形成される上記絶縁層の結晶性を優れたものにすることができる。

また、一実施形態の超電導素子は、上記絶縁層と上記第2の酸化物超電導体層との間に第2の絶縁薄膜層を備えることを特徴としている。

上記実施形態によれば、上記MgOから成る絶縁層と上記第2の酸化物超電導体層との間に第2の絶縁薄膜層を備えているので、上記絶縁層と上記第2の酸化物超電導体層との間に生じる可能性がある好ましくない反応を防止することができる。

また、一実施形態の超電導素子は、上記第2の絶縁薄膜層は、複数の層から構成されていることを特徴としている。

上記実施形態によれば、上記第2の絶縁薄膜層が、複数の層から構成されているので、上記複数の層を適切に選択することにより、上記第2の絶縁薄膜層を一層で構成しているときと比べて、上記第2の絶縁薄膜層の歪みを小さくすることができる。したがって、上記第2の絶縁薄膜層の結晶性および表面平坦性を高くすることができるので、上記第2の絶縁薄膜層に形成される上記第2の酸化物超電導体層の結晶性を優れたものにすることができる。

また、一実施形態の超電導素子は、上記第1の絶縁薄膜層が、BaZrO₃、（LaAlO₃）_0.3（SrAl_0.5Ta_0.5O₃）_0.7、Ba₂NdTaO₆、SrHfO₃、SrMoO₃およびBaSnO₃の内のいずれか1つから成るか、または、BaZrO₃、（LaAlO₃）_0.3（SrAl_0.5Ta_0.5O₃）_0.7、Ba₂NdTaO₆、SrHfO₃、SrMoO₃およびBaSnO₃の内の2つ以上から成ることを特徴としている。

上記実施形態によれば、上記第1の絶縁薄膜層が、BaZrO₃、SrHfO₃、（LaAlO₃）_0.3（SrAl_0.5Ta_0.5O₃）_0.7、Ba₂NdTaO₆、SrMoO₃およびBaSnO₃の内のいずれか1つから成るか、または、2つ以上から成るので、上記第1の絶縁薄膜層と上記MgOから成る絶縁層と上記第1（第２）の酸化物超電導体層との間の元素の相互拡散等を防ぐことができる。したがって、上記絶縁層が、上記第1の酸化物超電導体層と接触することによって好ましくない反応を引き起こすことを確実に防止できる。

また、一実施形態の超電導素子は、上記第2の絶縁薄膜層は、BaZrO₃、（LaAlO₃）_0.3（SrAl_0.5Ta_0.5O₃）_0.7、Ba₂NdTaO₆、SrHfO₃、SrMoO₃およびBaSnO₃の内のいずれか1つから成るか、または、BaZrO₃、（LaAlO₃）_0.3（SrAl_0.5Ta_0.5O₃）_0.7、Ba₂NdTaO₆、SrHfO₃、SrMoO₃およびBaSnO₃の内の2つ以上から成ることを特徴としている。

上記実施形態によれば、上記第2の絶縁薄膜層が、BaZrO₃、SrHfO₃、（LaAlO₃）_0.3（SrAl_0.5Ta_0.5O₃）_0.7、Ba₂NdTaO₆、SrMoO₃およびBaSnO₃の内のいずれか1つから成るか、または、2つ以上から成るので、上記第2の絶縁薄膜層と上記MgOから成る絶縁層と上記第1（第2）の酸化物超電導体層との間の元素の相互拡散等を防ぐことができる。したがって、上記絶縁層が、上記第2の酸化物超電導体層と接触することによって好ましくない反応を引き起こすことを確実に防止できる。

また、一実施形態の超電導素子は、上記絶縁層の層厚が30nm以上であることを特徴としている。

上記実施形態によれば、上記絶縁体層の厚さが30nm以上であるので、十分に絶縁性を確保することができる。

また、一実施形態の超電導素子は、上記絶縁層の層厚が600nm以下であることを特徴としている。

上記実施形態によれば、上記絶縁体層の厚さが600nm以下であるので、絶縁体層表面の平坦性の悪化等を回避することができる。

本発明の超電導素子によれば、第1の酸化物超電導体層の上に、MgOから成る絶縁層を形成しているので、導電率を低く、すなわち、電気絶縁性を高くできて、上記第1の酸化物超電導体層と上記第2の酸化物超電導体層との間を、問題なく絶縁することができる。

また、上記発明によれば、上記第1の酸化物超電導体層の上に、MgOから成る絶縁層を形成しているので、酸化物超電導体層の間に形成されるキャパシタンス成分の容量を、従来よりも格段に小さくすることができて、誘電損失を小さくすることができる。また、MgOから成る絶縁層を用いているので、高周波信号の波形の乱れを防止することができて、容易に回路を設計することができる。

以下、本発明を図示の形態により詳細に説明する。

（第1参考例）
図1は、第1参考例の超電導素子の層構成を示す断面図である。

第1参考例の超電導素子においては、基板の一例としてのMgO単結晶基板1上に、第1の酸化物超電導体層の一例としての第1のY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2と、MgOから成るMgO絶縁体層3と、第2の酸化物超電導体層の一例としてのY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 4が順に積層されている。

以下に、図1を用いて、第1参考例の超電導素子の製造方法を説明する。

先ず、MgO単結晶基板1上に、面方位が（00l）の単一配向で、かつ、層厚が200nmのY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2を形成する。詳細には、ターゲットとしてY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y焼結体を採用すると共に、MgO単結晶基板1の温度を約700℃まで上昇させた上で、雰囲気として、アルゴンと酸素の混合比がAr：O₂＝9：1で気圧が80mTorrの混合ガスを用いて、オフアクシスのDCマグネトロンスパッタリング（DCマグネトロンスパッタ堆積）を行い、MgO単結晶基板1上に、面方位が（00l）の単一配向で、かつ、層厚が200nmのY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2を形成する。

次に、上記Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2の成膜終了後、MgO単結晶基板1の加熱を直ちに停止すると同時に、成膜チャンバー内が300Torrになるまで成膜チャンバー内にO₂を導入して、20分程度の時間をかけて成膜チャンバー内の温度を室温まで低下させる。

続いて、上記Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2上にMgO絶縁体層3を形成する。詳細には、ターゲットとしてMgO単結晶を採用すると共に、MgO単結晶基板1の温度を約300℃まで上昇させた上で、雰囲気として、アルゴンと酸素の混合比がAr：O₂＝1：1で気圧が50mTorrの混合ガスを用いて、オンアクシスのRFマグネトロンスパッタリング（RFマグネトロンスパッタ堆積）を行い、上記Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2上に、層厚が200nmのMgO絶縁体層3を形成する。

最後に、上記Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2成膜後の冷却と同様に、成膜チャンバー内をO₂雰囲気中で冷却した後、第1の酸化物超電導体層を形成したときと同様に、MgO絶縁体層3上に、第2の酸化物超電導体層の一例として面方位が（00l）の単一配向で、かつ、層厚が200nmのY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層４を生成して、超電導素子を完成させる。

（第2参考例）
図2は、第2参考例の超電導素子の層構成を示す断面図である。

第2参考例の超電導素子は、Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2と、MgOから成るMgO絶縁体層3との間に、第1の絶縁薄膜層の一例としてのBaZrO₃薄膜層5を形成している点が、第1参考例の超電導素子と異なる。第2参考例の超電導素子では、第１参考例の超電導素子と同様の作用効果および変形例は省略し、第１参考例の超電導素子と異なる作用効果のみ記載することにする。

以下に、図2を使用して、第2参考例の超電導素子の製造方法を説明することにする。

先ず、第1参考例の超電導素子と同様な方法で、MgO単結晶基板1上に、第1の酸化物超電導体層の一例としてのY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2を形成する。

次に、上記Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2上に、面方位が（k00）の単一配向で、かつ、層厚が20nmの第1の絶縁薄膜層の一例としてのBaZrO₃薄膜層5を形成する。詳細には、ターゲットとしてBaZrO₃焼結体を採用すると共にMgO単結晶基板1の温度を約720℃〜740℃まで上昇させた上で、雰囲気として、気圧が50mTorrのO₂を用いて、パルスレーザー蒸着（PLD）法を用いて、Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2上に、面方位が（k00）の単一配向で、かつ、層厚が20nmのBaZrO₃薄膜層5を形成する。尚、第2参考例では、パルスレーザー蒸着（PLD）を行う際、レーザーの照射エネルギーとして、600mJの照射エネルギーを使用し、レーザーパルスの周波数として、5Hzの周波数のレーザーパルスを使用した。

この後、第1参考例において、Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層2の成膜後に行った冷却と同様な冷却を行った後、第1参考例と同様な方法で、BaZrO₃薄膜層5上に、MgO絶縁体層3と、第2の酸化物超電導体層としてのY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 4を順次形成して、超電導素子を完成させる。

（第3参考例）
図3は、第3参考例の超電導素子の層構成を示す断面図である。

第3参考例の超電導素子は、MgOから成るMgO絶縁体層3と、第2の酸化物超電導体層の一例としてのY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 4との間に、第2の絶縁薄膜層の一例としてのBaZrO₃薄膜層6を形成している点が、第1参考例の超電導素子と異なる。第3参考例の超電導素子では、第１参考例の超電導素子と同様の作用効果および変形例は省略し、第１参考例の超電導素子と異なる作用効果のみ記載することにする。

以下に、図3を用いて、第3参考例の超電導素子の製造方法を説明することにする。

先ず、第1参考例の超電導素子と同様な方法で、MgO単結晶基板1上に、第1の酸化物超電導体層の一例としてのY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2、MgO絶縁体層3を順次形成する。

次に、上記MgO絶縁体層3上に、面方位が（k00）の単一配向で、かつ、層厚が20nmの第2の絶縁薄膜層の一例としてのBaZrO₃薄膜層6を形成する。詳細には、ターゲットとしてBaZrO₃焼結体を採用すると共にMgO単結晶基板1の温度を約720℃〜740℃まで上昇させた上で、雰囲気として、気圧が50mTorrのO₂を用いて、パルスレーザー蒸着（PLD）法を用いて、MgO絶縁体層3上に、面方位が（k00）の単一配向で、かつ、層厚が20nmのBaZrO₃薄膜層6を形成する。尚、第３参考例では、パルスレーザー蒸着（PLD）を行う際、レーザーの照射エネルギーとして、600mJの照射エネルギーを使用し、レーザーパルスの周波数として、5Hzの周波数のレーザーパルスを使用した。

最後に、上記第1参考例と同様な方法で、上記BaZrO₃薄膜層6上に、第2の酸化物超電導体層の一例としてのY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層4を形成して、超電導素子を完成させる。

（第4参考例）
図4は、第4参考例の超電導素子の層構成を示す断面図である。

第4参考例の超電導素子は、MgOから成るMgO絶縁体層3と、第2の酸化物超電導体層の一例としてのY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 4との間に、第2の絶縁薄膜層の一例としてのBaZrO₃薄膜層6を形成している点が、第2参考例の超電導素子と異なる。

以下に、図4を用いて、第4参考例の超電導素子の製造方法を説明することにする。

先ず、第2参考例の超電導素子と同様な方法で、MgO単結晶基板1上に、Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2、BaZrO₃薄膜層5、MgO絶縁体層3を順次形成する。

次に、第3参考例と同様に、MgO絶縁体層3上に、BaZrO₃薄膜層6、Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 4を堆積して、超電導素子を完成させる。

図5は、上記BaZrO₃5薄膜層上、あるいは、Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2上に堆積された上記MgO絶縁体層3表面の表面走査型電子顕微鏡像（表面ＳＥＭ（scanning electron microscope）像）である。

図5に示す表面走査型電子顕微鏡像から、MgO絶縁体層3の10μm²の範囲の平均表面粗さ（Ra）が、約2nmであることが観察された。このことから、MgO絶縁体層をその表面に形成する層として、BaZrO₃薄膜層かY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_yを選択すれば、非常に平坦で歪が小さく結晶性に優れたMgO絶縁体層3を形成でき、かつ、この非常に平坦で歪が小さく結晶性に優れたMgO絶縁体層3の上に形成される層の結晶性を優れたものにすることができる。

図6は、上記第2参考例で用いられたBaZrO₃薄膜層とMgO絶縁体層とで形成された絶縁体層における、印加電圧の周波数と、誘電率および導電率との関係を示す図である。

図6において、●は、上記絶縁体層の温度が4Kのときの誘電率と導電率の測定値を示し、▲は、上記絶縁体層の温度が20Kのときの誘電率と導電率の測定値を示し、◆は、上記絶縁体層の温度が40Kのときの誘電率と導電率の測定値を示している。

図6に示すように、酸化物超電導体を用いたデバイスの動作温度である4K〜40Kの範囲内において、上記絶縁体層の誘電率は、絶縁体層の温度に依存せず約11となっており、従来用いられてきた酸化物超電導体層の層間絶縁体膜の誘電率17〜30と比較して低くなっている。

また、図6に示すように、該絶縁体層の導電率は、周波数が増大するに従い増加する傾向にあるが、最大でも10⁻⁷S程度の値である。このため、絶縁体層を、MgO絶縁体層とBaZrO₃薄膜層とで構成すると、導電率を略10⁻⁷Sよりも小さな値にすることができ、絶縁性の点で全く問題がない。

尚、MgO絶縁体層一層で絶縁体層を形成した場合、上記と略同等の誘電率を獲得することができた一方、MgO絶縁体層とBaZrO₃薄膜層で絶縁体層を構成した場合と比較して、MgO絶縁体層表面の表面粗さRaがやや悪化する傾向が見られた。このことから、Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層等の酸化物超電導体層の上に、BaZrO₃薄膜層を形成すれば、表面平坦性に優れる超電導素子を形成できる。

また、MgO絶縁体層の厚さに関しては、30nm以下の層厚では、絶縁性が確保されなかった。また、600nm以上の層厚では、MgO絶縁体層の表面平坦性が悪化する現象が見られ、MgO絶縁体層上のY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層等の酸化物超電導体層にクラック等の格子欠陥が発生し、超電導素子の素子特性が大幅に悪化した。

更に、本発明者は、MgO絶縁体層上、または、第2の絶縁薄膜層としてのBaZrO₃薄膜層上のY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層の観察を行った。

その結果、MgO絶縁体層上に直接的にY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層を形成した場合でも、MgO絶縁体層上にBaZrO₃薄膜層を介して間接的にY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層を形成した場合でも、結晶性及び表面平坦性に関して概ね良好な第2の酸化物超電導体層としてのY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層が得られた。

しかしながら、MgO絶縁体層上に直接Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層を形成した第1および第2参考例の場合、表面に直径10nm程度の微少な突起が見られた。これは超電導素子にさほど深刻な影響を与えるものではなく、このままでも使用可能であると考えられるが、MgO絶縁体層３上にBaZrO₃薄膜層６を形成してからその上に第2の酸化物超電導体層としてのY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層４を形成した第3および第4参考例の場合には、上述の突起は見られなくなり、Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層６の平坦性がさらに向上した。

このことから、MgO絶縁体層３の上にBaZrO₃薄膜層６を形成すると、そのBaZrO₃薄膜層６上に結晶性に優れた第2の酸化物超電導体層を形成することができる。

上記第１〜第４参考例の超電導素子によれば、上記Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2の上に、MgOから成るMgO絶縁体層3を形成しているので、導電率を低くできて、電気絶縁性を高くできる。したがって、上記Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2と、Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 4との間を問題なく絶縁することができる。

また、上記第1〜第４参考例の超電導素子によれば、上記Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2の上に、MgO絶縁体層3を形成しているので、絶縁層の誘電率を従来の17〜30程度の値から10程度まで大幅に低減させることができて、Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2とY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 4の間に形成されるキャパシタンス成分の容量を、従来よりも格段に小さくすることができる。したがって、誘電損失を小さくすることができると共に、高周波信号の波形の乱れを防止することができ、かつ、容易に回路を設計することができる。

また、上記第１〜第４参考例の超電導素子によれば、MgO絶縁体層3の層厚を200nmに設定し、30nm以上に設定しているので、十分な絶縁性を確保することができる。また、MgO絶縁体層3の層厚が200nmで、600nm以下であるので、絶縁体層表面の平坦性の悪化等を回避することができる。

また、上記第2参考例の超電導素子によれば、第1の酸化物超電導体層の一例としてのY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2と、MgO絶縁体層3との間に、第1の絶縁薄膜層の一例としてのBaZrO₃薄膜層5を形成したので、Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2とMgO絶縁体層3との間に生じる可能性がある好ましくない反応を防止することができる。したがって、超電導素子の素子特性を優れたものにすることができると共に、超電導素子の寿命を長くすることができる。また、この超電導素子を用いて電子機器等を製造すれば、この電子機器等の動作を長期に亘って高速にすることができると共に、消費電力を格段に低減することができる。

また、上記第3参考例の超電導素子によれば、MgO絶縁体層3と、第2の酸化物超電導体層としてのY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 4との間に、第2の絶縁薄膜層としてのBaZrO₃薄膜層6を形成しているので、MgO絶縁体層3とY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 4との間に生じる可能性がある好ましくない反応を防止することができる。したがって、超電導素子の素子特性を優れたものにすることができると共に、超電導素子の寿命を長くすることができる。また、この超電導素子を用いて電子機器等を製造すれば、この電子機器等の動作を長期に亘って高速にすることができると共に、消費電力を格段に低減することができる。

また、上記第4参考例の超電導素子によれば、第1の酸化物超電導体層の一例としてのY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2と、MgO絶縁体層3との間に、第1の絶縁薄膜層の一例としてのBaZrO₃薄膜層5を形成すると共に、MgO絶縁体層3と、第2の酸化物超電導体層の一例としてのY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 4との間に、第2の絶縁薄膜層としてのBaZrO₃薄膜層6を形成しているので、Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 2とMgO絶縁体層3との間に生じる可能性がある好ましくない反応を防止することができると共に、MgO絶縁体層3とY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 4との間に生じる可能性がある好ましくない反応を防止することができる。したがって、超電導素子の素子特性を優れたものにすることができると共に、超電導素子の寿命を長くすることができる。また、この超電導素子を有する電子機器等の動作を長期に亘って高速にすることができると共に、消費電力を格段に低減することができる。

尚、上記第1〜第４参考例の超電導素子では、MgO絶縁体層3の層厚を、200nmに設定したが、MgO絶縁体層の層厚を、30ｎｍ以上600ｎｍ以下に設定すれば、第1〜第４参考例の超電導素子と同様の作用効果を獲得できる。

（第5参考例）
図7は、第5参考例の超電導素子の層構成を示す断面図である。

第5参考例の超電導素子は、酸化物超電導体を用いた電子回路内に適用されている所謂ランプエッジ型ジョセフソン接合素子である。

第５参考例では、MgO単結晶基板31上に、第1の酸化物超電導体層の一例としてのグランドプレーンと呼ばれるY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 32、MgOから成るMgO絶縁体層33、第2の酸化物超電導体層の一例としてのベース電極と呼ばれるY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層34、および、従来から絶縁体として使用されているSrSnO₃絶縁層等の絶縁体層35が順次積層されている。

また、上層である上記絶縁体層35から下層である絶縁体層33の一部にかけて、層が斜めにエッチングされており、斜面が形成されている。そして、絶縁体層35の表面上、上記斜面上、および、この斜面に連なると共に、上記エッチングによって露出した絶縁体層33の表面上に、第3の酸化物超電導体層であるカウンター電極と呼ばれるYb_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 36が堆積されている。

また、上記Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 34の斜面と、Yb_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 36層との間に、極薄い絶縁体が形成されている。上記Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 34、上記極薄い絶縁体、および、Yb_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層 36は、ジョセフソン接合37を構成している。

上記第5参考例の超電導素子によれば、グランドプレーンとベース電極層の間の絶縁体層として、MgOから成るMgO絶縁体層33を採用したので、グランドプレーンとベース電極層の間の絶縁体層の誘電率を、従来よりも小さくすることができる。したがって、キャパシタンス成分を小さくすることができるので、誘電損失を小さくすることができると共に、高周波信号の波形の乱れを防止することができる。

尚、上記第5参考例の超電導素子では、グランドプレーンとベース電極層の間の絶縁体層として、MgO絶縁体層33を採用したが、この発明の超電導素子では、グランドプレーンとベース電極層の間の絶縁体層として、MgO絶縁体層と一層のBaZrO₃薄膜層とから成る絶縁体層を採用しても良い。また、この発明の超電導素子では、グランドプレーンとベース電極層の間の絶縁体層として、二つのBaZrO₃薄膜層の間にMgO絶縁体層を挟みこんだ構成の絶縁体層を採用しても良い。グランドプレーンとベース電極層の間の絶縁体層として、MgO絶縁体層と、一つまたは二つのBaZrO₃薄膜層から成る絶縁体層を採用した場合、その絶縁体層上に結晶性に優れたベース電極を形成することができる。

（第6参考例）
図8は、第6参考例の超電導素子の層構成を示す断面図である。

第6参考例の超電導素子は、グランドプレーンとベース電極層の間の絶縁体層を、SrSnO₃絶縁層等の従来使用されている絶縁層43で構成すると共に、ベース電極層とカウンター電極層の間の絶縁体層を、MgOからなるMgO絶縁体層45で構成した点が、第5参考例の超電導素子と異なる。

第6参考例の超電導素子によれば、ベース電極層とカウンター電極層の間の絶縁体層として、MgOからなるMgO絶縁体層45を採用したので、ベース電極層とカウンター電極層の絶縁体層の誘電率を、従来よりも小さくすることができる。したがって、キャパシタンス成分を小さくすることができるので、誘電損失を小さくすることができると共に、高周波信号の波形の乱れを防止することができる。

尚、上記第6参考例の超電導素子では、ベース電極層とカウンター電極層の間の絶縁体層として、MgO絶縁体層45を採用したが、この発明の超電導素子では、ベース電極層とカウンター電極層の間の絶縁体層として、MgO絶縁体層と一層のBaZrO₃薄膜層とから成る絶縁体層を採用しても良い。また、この発明の超電導素子では、ベース電極層とカウンター電極層の間の絶縁体層として、二つのBaZrO₃薄膜層の間にMgO絶縁体層を挟みこんだ構成の絶縁体層を採用しても良い。ベース電極層とカウンター電極層の間の絶縁体層として、MgO絶縁体層と、一つまたは二つのBaZrO₃薄膜層から成る絶縁体層を採用した場合、その絶縁体層上に結晶性に優れたカウンター電極を形成することができる。

また、上記第6参考例の超電導素子では、グランドプレーンとベース電極層の間の絶縁体層として、SrSnO₃絶縁層等の従来使用されている絶縁層43を採用したが、この発明の超電導素子では、このグランドプレーンとベース電極層の間の絶縁体層として、MgOからなるMgO絶縁体層、MgO絶縁体層と一つのBaZrO₃薄膜層とから成る絶縁体層、または、二つのBaZrO₃薄膜層にMgO絶縁体層をサンドイッチ状に挟み込んだ形式の絶縁体層を採用しても良いことは勿論である。そして、ベース電極層とカウンター電極層の間の絶縁体層に加えて、グランドプレーンとベース電極層の間の絶縁体層として、これらの絶縁体層を採用した場合、動作がよりいっそう高速な超電導素子を形成できる。

尚、上記第1〜第6参考例および上で述べた全ての変形例の超電導素子では、MgO絶縁体層を一つの連続層で構成したが、この発明の超電導素子では、MgO絶縁体層を離散的に複数配置して、この離散的なMgO絶縁体層の間にBaZrO₃薄膜層を形成しても良い。

また、上記第1〜第6参考例および上で述べた全ての変形例の超電導素子では、第1または第2の絶縁薄膜層として、BaZrO₃薄膜層を採用したが、参考例の超電導素子では、第1または第2の絶縁薄膜層として、SrMoO₃薄膜層、Ba₂NdTaO₆薄膜層、（LaAlO₃）_0.3（SrAl_0.5Ta_0.5O₃）_0.7薄膜層、SrHfO₃薄膜層、BaSnO₃薄膜層を採用しても良く、この場合でも、第1または第2の絶縁薄膜層としてBaZrO₃薄膜層を採用した場合と同様の作用効果を獲得できる。また、この発明の超電導素子は、第1,第2の絶縁薄膜層のうちの少なくとも第１の絶縁薄膜層を、BaZrO₃薄膜層、（LaAlO₃）_0.3（SrAl_0.5Ta_0.5O₃）_0.7薄膜層、Ba₂NdTaO₆薄膜層、SrHfO₃薄膜層、SrMoO₃薄膜層、BaSnO₃薄膜層の内の二つ以上の薄膜層を積層することによって絶縁薄膜層を構成する点だけが参考例の発明、参考例の変形例の発明と異なるが、この場合、二つ以上の薄膜層を適切に選択することによって、第1,第2の絶縁薄膜層のうちの少なくとも第１の絶縁薄膜層と、MgOから成る絶縁層との格子整合性を良くすることができて、MgOから成る絶縁層と、上記第1または第2の酸化物超電導体層との接触によって、好ましくない反応が発生することを効果的に防止できる。

また、上記第1〜第6参考例および上で述べた全ての変形例の超電導素子では、第1、第2または第3の酸化物超電導体層として、Yb_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層またはY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層を採用したが、この発明の超電導素子では、第1、第2または第3の酸化物超電導体層として、YBa₂Cu₃O_y層を採用しても良く、または、YBa₂Cu₃O_yのYをY以外の希土類元素で置換した酸化物超電導体材料を使用した酸化物超電導体層を採用しても良い。これらの場合も上記第1〜第6参考例の超電導素子と同様な作用効果を獲得することができる。ここで、上記希土類元素を希土類の中でYと置換した際に超電導特性を発現する次の１２の元素、すなわち、Y、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb およびLuで定義するものとする。

また、上記第1〜第6参考例および上で述べた全ての変形例の超電導素子では、基板としてMgO単結晶基板を採用したが、この発明の超電導素子では、基板としてSrToO₃、（LaAlO₃）_0.3（SrAl_0.5Ta_0.5O₃）_0.7等、通常、酸化物超電導体デバイス作製に用いられるMgO単結晶基板以外の基板を採用しても良い。

また、この発明の超電導素子の各層の層厚は、上記参考例の超電導素子で具体的に記載された各層の層厚の数値に限定されるものでないことも勿論である。

尚、第1の酸化物超電導体層と、この第1の酸化物超電導体層の上に形成されると共に、少なくとも一部にMgO絶縁層を含む絶縁層と、この絶縁層の上に形成された第2の酸化物超電導体層とから構成される構造を部分的に有する超電導素子が、全てこの発明の範疇に入ることは勿論である。例えば、上記構造を部分的に有する全てのランプエッジ型ジョセフソン接合素子や、上記構造を部分的に有する全ての積層型ジョセフソン接合素子等の超電導素子がこの発明の範疇に入ることは勿論である。

第1参考例の超電導素子の層構成を示す概略断面図である。第2参考例の超電導素子の層構成を示す概略断面図である。第3参考例の超電導素子の層構成を示す概略断面図である。第4参考例の超電導素子の層構成を示す概略断面図である。第1の絶縁薄膜層としてのBaZrO₃薄膜層上、または、第1の酸化物超電導体層としてのY_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層上に堆積されたMgO絶縁体層表面の表面ＳＥＭ像を示す図である。 BaZrO₃薄膜層とMgO絶縁体層とで形成された絶縁体層における、印加電圧の周波数と、誘電率および導電率との関係を示す図である。第5参考例の超電導素子の層構成を示す概略断面図である。第6参考例の超電導素子の層構成を示す概略断面図である。

1 MgO単結晶基板
2,32,34 Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層
3,33,45 MgO絶縁体層
4 Y_0.9Ba_1.9La_0.2Cu₃O_y層
5,6 BaZrO₃薄膜層

Claims

第1の酸化物超電導体層と、
この第1の酸化物超電導体層の上に形成されると共に、MgOから成る絶縁層と、
この絶縁層の上に形成された第2の酸化物超電導体層と、
上記第1の酸化物超電導体層と上記絶縁層との間に第1の絶縁薄膜層と
を備え、
上記第1の絶縁薄膜層は、複数の層から構成され、
上記絶縁層の層厚が、上記第１の絶縁薄膜層の層厚よりも厚いことを特徴とする超電導素子。
請求項1に記載の超電導素子において、
上記絶縁層と上記第2の酸化物超電導体層との間に第2の絶縁薄膜層を備えることを特徴とする超電導素子。
請求項2に記載の超電導素子において、
上記第2の絶縁薄膜層は、複数の層から構成されていることを特徴とする超電導素子。
請求項1から3までのいずれか一項に記載の超電導素子において、
上記第1の絶縁薄膜層は、BaZrO₃、（LaAlO₃）_0.3（SrAl_0.5Ta_0.5O₃）_0.7、Ba₂NdTaO₆、SrHfO₃、SrMoO₃およびBaSnO₃の内のいずれか1つから成るか、または、BaZrO₃、（LaAlO₃）_0.3（SrAl_0.5Ta_0.5O₃）_0.7、Ba₂NdTaO₆、SrHfO₃、SrMoO₃およびBaSnO₃の内の2つ以上から成ることを特徴とする超電導素子。
請求項2または3に記載の超電導素子において、
上記第2の絶縁薄膜層は、BaZrO₃、（LaAlO₃）_0.3（SrAl_0.5Ta_0.5O₃）_0.7、Ba₂NdTaO₆、SrHfO₃、SrMoO₃およびBaSnO₃の内のいずれか1つから成るか、または、BaZrO₃、（LaAlO₃）_0.3（SrAl_0.5Ta_0.5O₃）_0.7、Ba₂NdTaO₆、SrHfO₃、SrMoO₃およびBaSnO₃の内の2つ以上から成ることを特徴とする超電導素子。
請求項1から5までのいずれか一項に記載の超電導素子において、
上記絶縁層の層厚が30nm以上であることを特徴とする超電導素子。
請求項1から6までのいずれか一項に記載の超電導素子において、
上記絶縁層の層厚が600nm以下であることを特徴とする超電導素子。