JP2000353836A

JP2000353836A - 超伝導コヒーレント電磁波発振装置及びその製造方法

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Publication number: JP2000353836A
Application number: JP11164112A
Authority: JP
Inventors: Ienari Iguchi; 家成井口
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 1999-06-10
Publication date: 2000-12-19
Also published as: TW492203B; WO2000077892A1

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の原理から脱却した磁場の印加の必要の
ない増幅作用のある、しかも直流電流を流すだけの簡易
な方法でコヒーレントな電磁波発振ができる超伝導コヒ
ーレント電磁波発振装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】層状結晶構造を有する超伝導体単結晶１
１にトンネル障壁層１３を介して電流を注入し、生じた
電磁波を空洞共振器５内で増幅することにより、コヒー
レントな強い電磁波発振を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はコヒーレントな電
磁波の発振に利用し、特に酸化物高温超伝導体へ電流を
注入し非平衡状態の実現に伴う電磁波を放射してコヒー
レント電磁波発振するための超伝導コヒーレント電磁波
発振装置とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超伝導電磁波発振装置として、ジ
ョセフソン交流効果発振装置、超伝導磁束フロー発振装
置及びレーザー照射型電磁波発振装置等がある。これら
超伝導電磁波発振装置に関して、例えばＢ．Ｄ．Ｊｏｓ
ｅｐｈｓｏｎによる提案がある。この提案（Ｐｈｙｓｉ
ｃｓＬｅｔｔｅｒｓ, Ｖｏｌ. １，２５１−２５３，
１９６２）では、超伝導接合を有限電圧にバイアスする
と、超伝導接合に超高周波の交流電流が流れ、その周波
数に対応した電磁波が放射されるとしている。この方法
では、電磁波の発振はできるが、増幅作用のある電磁波
発振ができない。

【０００３】またＤ. Ｎ. Ｌａｎｇｅｎｂｅｒｇらは
（ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓＶ
ｏｌ. １５, ２９４−２９７，１９６５）、Ｂ．Ｄ．Ｊ
ｏｓｅｐｈｓｏｎの提案の検証実験を行い、９ＧＨｚの
マイクロ波電力の検出に成功しているが、増幅作用のあ
る発振ができない。

【０００４】さらにＴ．Ｎａｇａｔｓｕｍａらの提案
（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉ
ｃｓＶｏｌ．５４，３３０２−３３１１，１９８３）
では、長いジョセフソン接合に磁場を印加した状態で、
この接合に電流を流し、接合内に存在する量子磁束をロ
ーレンツ力によって駆動することにより、５００ＧＨｚ
程度のマイクロ波を発振できるが、その原理から増幅作
用のある電磁波発振を行うことはできない。

【０００５】またＨｅｃｈｔｆｉｓｃｈｅｒらの提案
（ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓＶ
ｏｌ．７９, １３６５−１３６８，１９９７）では、高
温超伝導体単結晶のｃ軸方向に垂直に磁場を印加し、生
じる１０ＧＨｚ程度の電磁波を検出できているが、この
提案においても、その原理から増幅作用のある電磁波発
振を行うことができないだけでなく、強い磁場を印加す
る必要がある。

【０００６】また、Ｔｏｎｏｕｃｈｉらの提案（Ｊａｐ
ａｎＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙ
ｓｉｃｓ, Ｖｏｌ．３５，２６２４−２６３２，１９９
６）では、高温超伝導薄膜にフェムト秒パルスレーザー
を照射すると、テラヘルツ波帯の電磁波発振が行える
が、その原理からコヒーレントな電磁波発振を実現する
ことは困難である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の方
法では、その原理上、超伝導体から増幅作用のある電磁
波発振をコヒーレントに行うことが困難である。そこ
で、この発明は従来の原理から脱却した磁場の印加の必
要のない増幅作用のある、しかも直流電流を流すだけの
簡易な方法でコヒーレントな電磁波発振ができる超伝導
コヒーレント電磁波発振装置及びその製造方法を提供す
ることを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明の超伝導コヒーレント電磁波発
振装置は、層状結晶構造を有する超伝導体単結晶と注入
電極とをトンネル接合したトンネル障壁層を有する電磁
波発振源を備え、超伝導状態にあって注入電極に電流注
入して位相の揃ったコヒーレントな電磁波を放射する構
成とした。また請求項２記載の発明は、超伝導体単結晶
の転移温度以下に冷却可能な冷却手段と、冷却手段に熱
接触して設けた電磁波発振源と、電磁波発振源の放射電
磁波を増幅する共振器とを備え、電磁波発振源が層状結
晶構造を有する超伝導体単結晶と注入電極とをトンネル
接合したトンネル障壁層を有し、注入電極に電流注入し
て位相の揃ったコヒーレントな電磁波を放射する構成で
ある。さらに請求項３記載の発明は上記構成に加え、ト
ンネル接合した面を超伝導体単結晶のｃ軸と垂直に形成
していることを特徴とする。また請求項４記載の発明は
超伝導体単結晶のギャップ電圧領域で電流注入すること
を特徴とする。

【０００９】さらに請求項５記載の発明は超伝導体単結
晶を電流注入により非平衡状態に駆動することを特徴と
する。また請求項６記載の発明は電流注入が直流であ
る。さらに請求項７記載の発明は超伝導体単結晶が増幅
作用を有していることを特徴とする。また請求項８記載
の発明はコヒーレントな電磁波の発振周波数を注入電力
で制御したことを特徴とする。さらに請求項９記載の発
明はコヒーレントな電磁波がマイクロ波放射であること
を特徴とする。

【００１０】また請求項１０記載の発明はコヒーレント
な電磁波の発振周波数がマイクロ波帯からテラヘルツ帯
であることを特徴とする。さらに請求項１１記載の発明
は超伝導体単結晶が酸化物高温超伝導体であることを特
徴とする。また請求項１２記載の発明は超伝導体単結晶
自体を共振器にしたことを特徴とする。

【００１１】さらに請求項１３記載の発明は超伝導体単
結晶に設けたメサ構造部に前記トンネル障壁層を設けた
ことを特徴とする。また請求項１４記載の発明は注入電
極の面積により電流の注入面積を制限したことを特徴と
する。さらに請求項１５記載の発明はトンネル障壁層の
材料が前記超伝導体単結晶の自然酸化膜であることを特
徴とする。

【００１２】このような構成でなる本発明の超伝導コヒ
ーレント電磁波発振装置は、高温超伝導単結晶と金属電
極との間にトンネル接合を形成し、外部よりトンネル障
壁層を通して電流を注入することにより、超伝導体単結
晶を非平衡状態に駆動し、生じる電荷の振動を超伝導体
表面で電磁波に変換し共振器内で増幅させるか、或いは
単結晶自体を共振器として増幅し、コヒーレントな電磁
波発振を可能にする。

【００１３】電流を注入することにより、過剰の準粒子
が超伝導体単結晶の中に励起し、超伝導体が熱平衡状態
から非平衡状態になり、そのエネルギーの高い状態で電
荷の振動状態を励起できる。

【００１４】超伝導体単結晶内部の電荷の振動により結
晶から電磁波が自由空間に放射されるが、これを共振器
内で増幅するか、結晶自体を共振器としてこれを増幅さ
せることができる。超伝導体単結晶の電流−電圧特性の
負性抵抗をもつギャップ電圧領域において、ジョセフソ
ン交流効果と電荷の振動効果を結合させて鋭いコヒーレ
ントな発振を得るものである。

【００１５】電流注入は、超伝導体単結晶の超伝導性を
破壊しない大きさまでの範囲で行われる。発振周波数は
超伝導体材料により異なるが、マイクロ波帯からテラヘ
ルツ波帯まで及ぶ。このように超伝導体電磁波発振源と
共振器を組み合わせた超伝導コヒーレント電磁波発振装
置を構成することは、現在までにない超伝導体のレーザ
発振装置が実現できる。

【００１６】また請求項１６記載の発明の超伝導コヒー
レント電磁波発振装置の製造方法は層状結晶構造を有す
る超伝導体単結晶の表面に金属電極を蒸着するとともに
トンネル障壁層を形成する第１の工程と、アニールする
第２の工程と、フォトレジストを塗布、露光及び現像す
る第３の工程と、イオンミリングする第４の工程と、電
極を形成する第５の工程とを備える構成とした。さらに
請求項１７記載の発明は上記構成に加え、トンネル障壁
層の材料が超伝導体単結晶表面の自然酸化膜であること
を特徴とする。また請求項１８記載の発明はイオンミリ
ングする第４の工程にあって超伝導体単結晶にメサ構造
部を形成することを特徴とする。

【００１７】このような構成により、準粒子注入により
マイクロ放射する超伝導コヒーレント電磁波発振装置を
製造することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図１２に基づき、こ
の発明による超伝導コヒーレント電磁波発振装置及びそ
の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。な
お、実質的に同一又は対応する部材には同一符号を用い
た。図１は寒剤として液体ヘリウムを用いた場合の本発
明に係る超伝導コヒーレント電磁波発振装置の装置構成
概略図であり、図２は冷凍機を用いた場合の本発明に係
る超伝導コヒーレント電磁波発振装置の装置構成概略図
である。

【００１９】図１を参照すると、この発明に係る超伝導
コヒーレント電磁波発振装置は、超伝導体を転移温度Ｔ
_c以下に冷却するための冷却手段である液体ヘリウム１
を満たした冷却装置３と、この冷却装置３中に置かれた
空洞共振器５と、この空洞共振器から電磁波を取り出す
導波管７と、空洞共振器内の保持板８に固定された電磁
波発振源１０とを備え、この電磁波発振源１０に定電流
バイアス源（図示せず）から電流を供給するようになっ
ている。

【００２０】電磁波発振源１０は、結晶軸のｃ軸方向に
超伝導層が積層された層状結晶構造を有する超伝導体単
結晶１１と、この超伝導体単結晶１１上に形成されたト
ンネル障壁層１３とを有し、電極１５，１７によりトン
ネル障壁層１３を介して超伝導体単結晶１１に電子を多
量に注入するようになっている。なお、図１中、Ｊ₁及
びＪ₂は電流の供給を示し、電流を注入する側の電極を
特に注入電極と呼ぶ。

【００２１】この超伝導体単結晶１１は層状結晶構造の
ため、これらがジョセフソン接合している構造を有して
いる。さらにこの超伝導体単結晶１１はｃ軸方向にトン
ネル障壁層１３を介して直流電流を注入するとプラズマ
波の発生に基づき、マイクロ波放射が生じ、しかも増幅
作用を有しているものである。

【００２２】超伝導材料としてはＬａ_2-xＳｒ_xＣｕＯ
₄，転移温度Ｔ_cが８０ＫのＢｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ
_y（以下、「ＢＳＣＣＯ」と記す），転移温度Ｔ_cが１
１０ＫのＢｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y又は転移温度Ｔ
_cが８０〜９０ＫのＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-y（以下、「Ｙ
ＢＣＯ」と記す）等の酸化物高温超伝導体を用いるのが
好ましいが、これらに限らず結晶性のよい超伝導体であ
れば本発明に利用可能である。ＹＢＣＯはＹを他の遷移
元素で置き換えたものもあり、例えば、ＥｒＢａ₂Ｃｕ
₃Ｏ_7-y、ＮｄＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-yなどである。高温超
伝導体の場合は転移温度が液体窒素温度より高いため寒
剤として液体ヘリウムに代えて液体窒素を用いることが
可能である。なお、添え字のｘ及びｙは０を含む。

【００２３】電極材料としては、金、銀、銅等の金属を
用い、蒸着などにより形成されている。電子を注入する
側の電極１５は電流の注入面積を制限するように形成さ
れており、電流注入による電磁波発振の強度は接合の電
流密度が１０²〜１０³Ａ／ｃｍ²程度のとき効果的に
大きくなるため、超伝導体単結晶の大きさが１ｃｍ角程
度の場合、電極の面積は１ｍｍ²程度以下である。

【００２４】トンネル障壁層は超伝導体単結晶と金属電
極とをトンネル接合するためのものであり、トンネル効
果により電子を注入する。このトンネル障壁層は超伝導
体単結晶自体の自然酸化膜で足り、厚さは１ｎｍ〜３ｎ
ｍ程度である。このトンネル障壁層は高温超伝導体が酸
化物であるため金属電極を蒸着しただけで表面に形成で
きる。またトンネル障壁層として、例えばＭｇＯ、Ｙ₂
Ｏ₃などの酸化物薄膜を蒸着等の成長方法で１ｎｍ〜３
ｎｍ程度の極薄に形成するようにしてもよい。

【００２５】空洞共振器５としては電磁波発振源の共振
条件がなるべく変わらないようなものを取り付け、その
大きさは共振周波数により異なり、またこの共振周波数
は使用する超伝導材料により大きく異なる。共振周波数
は例えばＢＳＣＣＯでは１００ＧＨｚ、ＹＢＣＯでは１
〜２ＴＨｚ程度であるため、空洞共振器の大きさは１０
０ＧＨｚ程度の場合では数ｃｍ以下でよいが、テラヘル
ツオーダーの超高周波ではこれより小さくする必要があ
る。

【００２６】次に、冷却手段に冷凍機を用いた超伝導コ
ヒーレント電磁波発振装置について説明する。図２に示
すように、冷凍機を用いた超伝導コヒーレント電磁波発
振装置は、真空排気可能なチャンバー２１と、このチャ
ンバー内に配設された冷凍機のコールドヘッド２３と、
このコールドヘッドに熱接触良好に設けられた保持板２
５と、この保持板に固定された電磁波発振源１０と、こ
の電磁波発振源の空洞共振器２７とを備え、この空洞共
振器２７から電磁波を取り出す穴２８に対向した位置に
てチャンバー２１に光学窓２９が設けられている。電磁
波発振源１０は図１に示した構成と同様である。

【００２７】次に、電磁波発振源自体を共振器とした実
施形態を説明する。図３は本発明に係る電磁波発振源の
断面図である。図３に示すように、電磁波発振源３０は
メサ構造部３１を有する超伝導体単結晶３３と、この超
伝導体単結晶３３の両端面に設けられた反射膜３２，３
２と、この反射膜の一方に電磁波を取り出すために設け
られた孔３４と、メサ構造部３１上に形成されたトンネ
ル障壁層３５と、電極３７，３８とを備え、メサ構造部
３１上に形成された電極３７からトンネル障壁層３５を
介して超伝導体単結晶３３に電流を注入するようになっ
ている。電極３７，３８は超伝導体単結晶３３に対して
同じ側に設けられているが、電極３８は超伝導単結晶の
裏面側に設けてもよい。なお、図３で示した電極３８は
対称の位置に形成するのが望ましい。

【００２８】超伝導体単結晶３３は図１で示したものと
同様であるが、メサ構造部が形成されている点と共振器
になるように所定の大きさにしている点が異なる。また
トンネル障壁層３５及び電極３７，３８の材料も図１で
示したものと同様である。

【００２９】超伝導体単結晶３３は図３で示すように層
状結晶構造を有し、多数のジョセフソン接合が結晶のｃ
軸方向に直列につながった構造であり、電流の注入によ
り放射される電磁波は接合面に平行方向である。

【００３０】反射膜３２，３２は電磁波を反射するもの
であればよく、例えばＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ等の金属膜を蒸
着することにより形成されている。

【００３１】超伝導体単結晶３５のメサ構造部３１は電
流の注入面積を制限し、電極形成を容易にするために設
けられている。電流注入による電磁波発振の強度を考慮
して注入面積を決定し、適当な大きさのメサ構造にして
いる。また超伝導体単結晶３５の大きさＬは超伝導材料
で決まる共振周波数に基づき設計されている。例えば発
振周波数がテラヘルツオーダーで超伝導体単結晶の大き
さＬが１ｃｍ程度の場合、注入面積は１ｍｍ²程度以下
である。

【００３２】図４は冷凍機を用いた場合であって、超伝
導体単結晶自体を共振器にした本発明に係る超伝導コヒ
ーレント電磁波発振装置の装置構成概略図である。な
お、図２及び図３で示した部材と同一のものは同一符号
を付した。またＪ₁及びＪ₂は電流の供給を示す。超伝
導体単結晶自体を共振器にした電磁波発振源３０は保持
板２５に固定されているが、この固定は例えば接着剤や
グリース等でとめてもよく、また板状のバネなどで挟み
込んで固定する機械的な方法でもよい。

【００３３】次に、本発明に係る超伝導コヒーレント電
磁波発振装置の作用を説明する。電磁波発振源の超伝導
体単結晶は転移温度Ｔ_c以下に冷却されており、超伝導
状態を維持している。図４を参照すると、先ず、図示し
ない外部回路の定電流バイアス源で所定の直流電流を電
極３７に流し、この電極３７からトンネル障壁層３５を
介してメサ構造部３１から超伝導体単結晶３３に電流を
注入する。

【００３４】トンネル障壁層３５のトンネルバリアを通
して注入した電子により超伝導体単結晶の中に過剰の準
粒子が励起する。超伝導体が熱平衡状態から非平衡状態
になり、そのエネルギーの高い状態で電荷の振動状態を
励起し、レーザ発振する。この発振はジョセフソン交流
効果と電荷の振動効果との結合に基づき、鋭いコヒーレ
ントな発振になる。

【００３５】この超伝導体内部の電荷の振動により超伝
導体単結晶３３から電磁波が放射する。図１及び図２で
示した超伝導コヒーレント電磁波発振装置では放射した
電磁波を空洞共振器で増幅するが、図４に示した超伝導
コヒーレント電磁波発振装置では超伝導体単結晶自体を
共振器として増幅する。増幅した電磁波は光学窓２９か
ら取り出す。図１に示した超伝導コヒーレント電磁波発
振装置では導波管で取り出す。

【００３６】ここで、電流注入は超伝導体単結晶の超伝
導性を破壊しない大きさまでの範囲で行う。発振周波数
は超伝導材料により異なるが、マイクロ波帯からテラヘ
ルツ帯まで可能である。

【００３７】図５はこの発明に係る超伝導体単結晶がＢ
ＳＣＣＯの場合の電流−電圧特性図である。これはＢＳ
ＣＣＯのｃ軸方向に電流を流したときの電流−電圧特性
例であるが、結晶の厚さに対応して多数のジョセフソン
接合が結晶のｃ軸方向に直列につながった多分岐型の電
流−電圧特性となる。

【００３８】図６は電流を流したとき、電流−電圧特性
の負性抵抗領域で１１．６ＧＨｚの受信周波数において
検出されたマイクロ波発振出力の測定例である。注入電
流は負性抵抗領域で流す必要があり、この負性抵抗領域
で鋭い発振が可能である。この負性抵抗領域で出現して
いる電圧がギャップ電圧であり、本発明ではこのギャッ
プ電圧領域で電流注入をする。なお、超伝導体は常伝導
体よりエネルギー的に低い状態が実現しているが、超伝
導体の電子レベルでのエネルギー差であるギャップが超
伝導接合の電流−電圧特性に直接出現し、この出現電圧
をギャップ電圧という。

【００３９】図７はこの発明の超伝導コヒーレント電磁
波発振装置におけるジョセフソンプラズマ発振の周波数
が注入電力の大きさによって制御できることを示したも
のである。ＢＳＣＣＯの場合、注入の影響を受けない１
００ＧＨｚ程度の周波数から電流制御により０Ｈｚ近く
まで変えることができる。なお、受信周波数は、その電
力での発振周波数に等しい。このように本発明の超伝導
コヒーレント電磁波発振装置では、注入電力で発振周波
数を制御できる。

【００４０】次に、この発明に係る超伝導コヒーレント
電磁波発振装置の製造方法について製造工程順に（ａ）
〜（ｏ）で示す図８〜図１２を参照しつつ説明する。先
ず図８を参照して、（ａ）超伝導体単結晶５０を劈開し
清浄な表面を露出し、（ｂ）真空蒸着法により電極とな
る金属膜、例えばＡｕを蒸着する。このとき超伝導体が
酸化物のため金属電極を蒸着しただけで１〜３ｎｍのト
ンネル障壁層５３が形成できる。これは金属が超伝導体
から酸素を奪い、薄い金属酸化膜を形成することに基づ
く。なお、超伝導体単結晶自体の自然酸化膜を利用しな
い場合は、蒸着等の成長方法により酸化物薄膜を形成
後、金属電極を形成する。

【００４１】次に、（ｃ）金属膜を蒸着した超伝導体単
結晶を大気中で１時間、６００℃でアニール後、（ｄ）
保持板５４に接着剤などで固定する。そして図９を参照
して、（ｅ）フォトレジスト５６を金属膜蒸着側に塗布
し、接合部を規定するようなフォトマスクにより露光、
パターニングする。このとき接合面積は０．０１ｍｍ²
〜１ｍｍ²程度である。

【００４２】続いて、（ｆ）現像によりフォトレジスト
を取り除き、（ｇ）イオンミリング技術により例えば２
５０Ｖの加速電圧でエッチング加工し、（ｈ）メサ構造
部５８を形成する。このメサ構造部５８はエッチング条
件により決まる。次いで図１０を参照して、（ｉ）Ｃａ
Ｆ₂膜６２を室温で１００ｎｍ程度の厚さまで真空蒸着
し、（ｊ）超音波アセトン中でリフトオフしてレジスト
５６を除去する。

【００４３】最後に、（ｋ）電極リードを取るため、金
属膜６４、例えばＡｇを全面に真空蒸着し、電極形状形
成用のフォトマスクを用いて露光、パターニング、現像
をして、図１１に示すように超伝導体単結晶５０の四隅
とメサ構造部５８に電極リードを形成する。超伝導体単
結晶自体を共振器にする場合は、この単結晶の両側面に
厚さ１００μｍ程度に金属膜を真空蒸着するプロセスを
追加する。

【００４４】上記（ｉ）〜（ｋ）のプロセスではＣａＦ
₂を蒸着したが、これに代えてフォトレジストを用いて
もよい。図１２を参照して、（ｌ）接合部のフォトレジ
スト５６を現像して除去し、（ｍ）再びフォトレジスト
７２を全面に塗布し露光する。次いで、（ｎ）接合部の
フォトレジストを取り除くためフォトマスクを用い露
光、現像する。最後に（ｏ）電極リードをとるため、金
属膜７４を全面に真空蒸着する。再びフォトレジストを
全面に塗布し、電極形状形成用のフォトマスクを用いて
露光、パターニング、現像を行う。

【００４５】このようにして製造した電磁波発振源を図
１、図２又は図４に示したように取り付けて超伝導コヒ
ーレント電磁波発振装置が完成する。

【００４６】

【発明の効果】以上詳述したように、この発明の超伝導
コヒーレント電磁波発振装置では、電流注入をした超伝
導体単結晶から位相の揃ったコヒーレントな電磁波発振
させることができ、また共振器の効果により、その振幅
を増大させることができる優れた装置が実現できる。ま
たこの発明の超伝導コヒーレント電磁波発振装置の製造
方法では、準粒子注入によりマイクロ放射する超伝導コ
ヒーレント電磁波発振装置を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】寒剤として液体ヘリウムを用いた場合の、この
発明に係る超伝導コヒーレント電磁波発振装置の装置構
成概略図である。

【図２】冷凍機を用いた場合の、この発明に係る超伝導
コヒーレント電磁波発振装置の装置構成概略図である。

【図３】この発明に係る電磁波発振源の断面図である。

【図４】超伝導体単結晶自体を共振器にした、この発明
に係る超伝導コヒーレント電磁波発振装置の装置構成概
略図である。

【図５】本発明に係る超伝導体単結晶がＢＳＣＣＯの場
合の電流−電圧特性図である。

【図６】本発明に係る電流注入により負性抵抗領域で発
振した電磁波の出力の測定例を示す図である。

【図７】本発明に係る電流−電圧特性図及び受信周波数
と注入電力との関係を示す図である。

【図８】本発明の超伝導コヒーレント電磁波発振装置の
製造方法を示す工程図（ａ）〜（ｃ）である。

【図９】本発明の超伝導コヒーレント電磁波発振装置の
製造方法を示す工程図（ｅ）〜（ｈ）である。

【図１０】本発明の超伝導コヒーレント電磁波発振装置
の製造方法を示す工程図（ｉ）〜（ｋ）である。

【図１１】本発明に係る電磁波発振源の上面図である。

【図１２】本発明の超伝導コヒーレント電磁波発振装置
の製造方法を示す工程図（ｌ）〜（ｏ）である。

【符号の説明】

１液体ヘリウム３冷却装置５，２７空洞共振器７導波管１０，３０電磁波発振源１１，３３超伝導体単結晶１３，３５トンネル障壁層１５，１７，３７，３８電極２１チャンバー２３コールドヘッド２５保持板２８穴２９光学窓３２反射膜３４孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】層状結晶構造を有する超伝導体単結晶と
注入電極とをトンネル接合したトンネル障壁層を有する
電磁波発振源を備え、超伝導状態にあって上記注入電極
に電流注入して位相の揃ったコヒーレントな電磁波を放
射する超伝導コヒーレント電磁波発振装置。
【請求項２】超伝導体単結晶の転移温度以下に冷却可
能な冷却手段と、この冷却手段に熱接触して設けた電磁
波発振源と、この電磁波発振源の放射電磁波を増幅する
共振器とを備え、上記電磁波発振源が層状結晶構造を有する超伝導体単結
晶と注入電極とをトンネル接合したトンネル障壁層を有
し、上記注入電極に電流注入して位相の揃ったコヒーレ
ントな電磁波を放射する超伝導コヒーレント電磁波発振
装置。
【請求項３】前記トンネル接合した面を前記超伝導体
単結晶のｃ軸と垂直に形成していることを特徴とする、
請求項１又は２に記載の超伝導コヒーレント電磁波発振
装置。
【請求項４】前記超伝導体単結晶のギャップ電圧領域
で前記電流注入することを特徴とする、請求項１〜３の
いずれかに記載の超伝導コヒーレント電磁波発振装置。
【請求項５】前記超伝導体単結晶を前記電流注入によ
り非平衡状態に駆動することを特徴とする、請求項１〜
４のいずれかに記載の超伝導コヒーレント電磁波発振装
置。
【請求項６】前記電流注入が直流であることを特徴と
する、請求項１〜５のいずれかに記載の超伝導コヒーレ
ント電磁波発振装置。
【請求項７】前記超伝導体単結晶が増幅作用を有して
いることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載
の超伝導コヒーレント電磁波発振装置。
【請求項８】前記コヒーレントな電磁波の発振周波数
を注入電力で制御したことを特徴とする、請求項１〜７
のいずれかに記載の超伝導コヒーレント電磁波発振装
置。
【請求項９】前記コヒーレントな電磁波がマイクロ波
放射であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに
記載の超伝導コヒーレント電磁波発振装置。
【請求項１０】前記コヒーレントな電磁波の発振周波
数がマイクロ波帯からテラヘルツ帯であることを特徴と
する、請求項１〜９のいずれかに記載の超伝導コヒーレ
ント電磁波発振装置。
【請求項１１】前記超伝導体単結晶が酸化物高温超伝
導体であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれ
かに記載の超伝導コヒーレント電磁波発振装置。
【請求項１２】前記超伝導体単結晶自体を共振器にし
たことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の
超伝導コヒーレント電磁波発振装置。
【請求項１３】前記超伝導体単結晶に設けたメサ構造
部に前記トンネル障壁層を設けたことを特徴とする、請
求項１〜１２のいずれかに記載の超伝導コヒーレント電
磁波発振装置。
【請求項１４】前記注入電極の面積により電流の注入
面積を制限したことを特徴とする、請求項１〜１３のい
ずれかに記載の超伝導コヒーレント電磁波発振装置。
【請求項１５】前記トンネル障壁層の材料が前記超伝
導体単結晶の自然酸化膜であることを特徴とする、請求
項１〜１４のいずれかに記載の超伝導コヒーレント電磁
波発振装置。
【請求項１６】層状結晶構造を有する超伝導体単結晶
の表面に金属電極を蒸着するとともにトンネル障壁層を
形成する第１の工程と、アニールする第２の工程と、フ
ォトレジストを塗布、露光及び現像する第３の工程と、
イオンミリングする第４の工程と、電極を形成する第５
の工程と、を備える超伝導コヒーレント電磁波発振装置
の製造方法。
【請求項１７】前記トンネル障壁層の材料が前記超伝
導体単結晶表面の自然酸化膜であることを特徴とする、
請求項１６に記載の超伝導コヒーレント電磁波発振装置
の製造方法。
【請求項１８】前記イオンミリングする第４の工程に
あって前記超伝導体単結晶にメサ構造部を形成すること
を特徴とする、請求項１６又は１７に記載の超伝導コヒ
ーレント電磁波発振装置の製造方法。