JP2000514957A - ジョセフソン接合アレーデバイスとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 それぞれ垂直に積層されたジョセフソン接合を含んでいる複数のメサ（コラム形状のエレメント）からなる２次元横アレイを含むサブミリメーター波長放射の発生器及び／又は検出器の特別の特性を有する超伝導デバイスが開示されている。このデバイスは、放射放出及び検出を必要とする多くの応用機器におけるマイクロ波から遠赤外領域の間の全体の周波数をカバーすることができる。その種々の具体例に従えば、このジョセフソン接合のコラム（積層体）は、超伝導電気上及び下コンタクト層の間に一体的に立てられている。コンタクト層から切り離されて相互に分離されたセグメントは、負荷とのインピーダンス整合のような回路パラメーターを最適化することができ、出力電力を最大化できる。外部電子制御により放射界を変調したり、そのデバイスの他の動作モードとすることができる。開示されたデバイス（図１）の特別の応用もまた記述されている。

Description

【発明の詳細な説明】 ジョセフソン接合アレーデバイスとその製造方法 技術分野 本発明は超音波デバイス、その関連技術及び応用分野、特に新規なサブミリ波 の発生器及びディテクター並びにその複合応用機器に関する。 背景技術 １．擬似接合アレイ 可変マイクロ波源及びディテクターとしてジョセフソン接合の利用の可能性が 初めて示されたのは、Ｂ．ジョセフソンとＳ．シャピローの最も早い研究にまで さかのぼることができる。また、当初、単一のジョセフソン接合は、マイクロ波 源として利用するためには、強度が小さすぎかつライン幅が広すぎると考えられ ていた。これらの欠点は、ジョセフソン接合アレイを使用することにより除くこ とができる〔ジェイン（Jain）等1984;バインデレフ（Bindslev）ハンセン（Han sen）及びリンデロフ（Lindelof）1984;ルーケンス（Lukens）1990〕。 もし接合間の結合が十分強いと、フェーズロックがそれらの間で起こるであろう 。この場合アレイはコヒーレント放射をするであろう〔ルーケンス（Lukens）19 90;コノプカ（Konopka）1994〕。可能な結合メカニズム及び結合強度は、〔ジェ イン（Jain）等1984;ルーケンス（Lukens）1990〕に詳細に解析されている。ジ ョセフソン接合からの電磁放射のライン幅はアレイの増加に伴う接合数に従って 減少し大きなアレイでは大変狭くなることがわかっている〔ルーケンス（Lukens ）1990;バイゼンフェルド（Wiesenfeld）等1994;コノプカ（Konopka）〕。 放射される電力はまたアレイ内の接合数に従って増加し、そして大きなアレイ では、多くの実際の応用機器に対して十分な大きさ（Ｐ≧１ｍＷ）になる〔バイ ンデレフ（Bindslev）ハンセン（Hansen）及びリンデロフ（Lindelof）1984;ジ ェイン（Jain）等1984;コノプカ（Konopka）等1994;バイゼンフェルド（Wiesenf eld）等1994〕。対向するケースで放射のほとんどが反射され、デバイ ス自身の内部に放散されるので、負荷との間で良好なインピーダンス整合がされ ることが必要である〔ジェイン（Jain）等1984;バインデレフ（Bindslev）ハン セン（Hansen）及びリンデロフ（Lindelof）1984;コノプカ（Konopka）1994〕。 また、他に、例えば、接合容量等の種々の寄生的な接合が高い周波数において 電力を減少させる原因となる〔ルーケンス（Lukens）1990;バイゼンフェルド（W iesenfeld）等1994〕。これは小さい領域のジョセフソン接合が有利であること を示している。同じ結論を導く他の理由として、大きな面積の接合におけるノイ ズの増加と線幅の広がりがある〔クンケル（Kunkel）及びジーゲル（Siegel）19 94;コノプカ（Konopka）1994〕。技術的には、接合幅をｗとしジョセフソン侵入 長をλ_jとしたとき、ｗ≧４λ_jのときに、電流の流れが不均一になる〔クンケル （Kunkel）及びジーゲル（Siegel）1994〕。これは、結合ジョセフソン接合アレ イにおいて、完全なフェーズロッキングを達成するために、リニアアレイにとっ てアレイ内の全ての接合が通常±５％以内の類似した臨界電流（Ｉ_c）を有する ことが必要であると理解されている〔コノプカ（Konopka）1994参照〕。 放射される電磁放射の波長に接合間の距離が整合するように調整された等距離 のジョセフソン接合の分布アレイを使用することによって、上述の厳しい要求は いくらか緩和することが可能である〔ルーケンス（Lukens）1990;ハン（Han）等 1994〕。これは、放射される電力を十分増加させるが、明かに周波数の可変幅を 減少させる。 ジョセフソン接合の多くの実験的な研究が成され、いくつかの注目すべき結果 が得られている。これらのほとんどは、例えばＮｂ／Ａｌ−ＡｌＯ_x／Ｎｂの３ 重接合を使用した従来の（低い−Ｔｃ）超伝導体に基づいている。完全なフェー ズロッキングは、そのような１００の接合からなるリニアアレイにおいて実証さ れている〔ハン（Han）等1993〕。ある場合には、広帯域アンテナ（例えば、弓 形連結アンテナ、２アーム対数スパイラルアンテナ）がチップ上に集積され、チ ップ外の放射が検出され測定される。他の場合、チップ上に他のジョセフソン接 合が集積され伝送ラインを介してアレイに接続される。最も良い結果として次の ようなものが得られている。ν＝４００−５００ＧＨｚにおいてＰ＝５０μＷの 放射が５００のジョセフソン接合からなる分布アレイから観測されている〔ハン （Han）等1994〕。他の回路設計（１０×１０アレイ）において、Δν＝１０ｋ Ｈｚと同程度のライン幅でν＝５３−２３０ＧＨｚの広い範囲にわたって変化さ せることができる放射が発生される〔ブーイ（Booi）及びベンツ（Benz）1994〕 。Ｇ．ベドノーズとＫ．Ａ．ミューラーにより１９８６年に発見されたＬａ−Ｂ ａ−Ｃｕ−Ｏの高温超伝導特性とそれに続く銅化合物に関するＴｃ＞１６０ｋの 臨界温度の改良によって、超伝導エレクトロニクスの分野において液体窒素温度 又はそれ以上の温度における動作に対する大きな期待がされた。 実際、ジョセフソン接合は種々の技術により世界中の多くの研究所で１９８７年 から作製されている。人工の高Ｔｃジョセフソン接合における交流ジョセフソン 電流による放射が観測され、解析されている〔クンケル（Kunkel）及びジーゲル （Siegel）1994〕。同様の研究において、２段ステップ端接合のフェーズロッキ ングがν＝８０−５００ＧＨｚの広い周波数範囲で実証された。大きなアレイに おいて、ただ部分的（４接合以上）に、幾分不安定なフェーズロッキングが観測 された〔コノプカ（Konopka）1994〕。これは、臨界電流が±５０％変化するそ のようなステップ端高Ｔｃジョセフソン接合の一般的な大きな不均一性から生じ るものであると理解されている〔コノプカ（Konopka）1990〕。他の実験におい て、ステップ端ＨＴＳ接合を用いて一方が他方に接する部分的にフェーズロッキ ングし非常に出力の小さい５と１０の接合アレイが作製されている〔クンケル（ Kunkel）及びジーゲル（Siegel）1994〕。人工的な高Ｔｃジョセフソン接合と積 み重ねが必要であることが、本発明の１つの具体例に示されている（セクション Ｖ参照）。それらは実際はもうすでに原子レイヤーバイレイヤー分子線エピタキ シー（ＡＬＬ−ＭＢＥ）を用いて作製されている〔ボゾビック（Bozovic）等199 4，ボゾビック（Bozovic）及びエクステイン（Eckstein）1995,1996a,b;エクス テイン（Eckstein）等1992,1995,Ono等1995〕。Ｂｉ₂Ｓｒ₂ＣｕＯ₆〔ボゾビック （Bozovic）及びエクステイン（Eckstein）1996b〕，Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｄｙ_XＣａ_1-XＣ ｕ₂Ｏ₈〔ボゾビック（Bozovic）及びエクステイン（Eckstein）1995,1996〕，Ｂ ｉ₂Ｓｒ₂Ｄｙ_XＣａ_1-XＣＵ₈Ｏ₂₀及びＢｉＳｒ₂Ｄｙ_XＣａ_1-XＣｕ₈Ｏ₁₉〔ボゾビ ック（Bozovic）及びエクステイン（Eckstein）1996，エク ステイン（Eckstein）等1995〕等を含む種々の障壁層が調査されている。高解像 断面電子顕微鏡により、超伝導電極と障壁層との間の実質的に原子完全相互作用 を示している〔ボゾビック（Bozovic）等1994b〕。これらの多重層は垂直伝送デ バイスとするためにメサ構造にリソグラフィー処理されている〔エクステイン（ Eckstein）等1995，ボゾビック（Bozovic）及びエクステイン（Eckstein）1996 ｂ〕。近接効果（ＳＮＳ）接合〔ボゾビック（Bozovic）及びエクステイン（Eck stein）1995,1996ｂ〕及びチャンネル（ＳＩＳ）接合〔ボゾビック（Bozovic） 及びエクスティン（Eckstein）1996a,ボゾビック（Bozovic）等1994〕はこのよ うな方法で作製されている。それらは、Ｉ_cＲ_N＝１０ｍＶ（ν≒２．５ＴＨｚに 相当する）以上の注目に値する高い特性電圧と±５％以内の均一性とを示してい る〔ボゾビック（Bozovic）及びエクステイン（Eckstein）1996ａ〕。通常状態 における抵抗Ｒ_Nと臨界電流Ｉ_cを有する障壁層特性は、障壁層におけるドーピン グ濃度を変化させることにより、例えば、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｄｙ_XＣａ_1-XＣｕ₈Ｏ₂₀に おけるｘの値を変化させることにより、非常に広い範囲（４桁）にわたって作製 することができる〔ボゾビック（Bozovic）及びエクステイン（Eckstein）1996 ａ，ｂ，1995,1994a;エクステイン（Eckstein）等1992〕。いくつかのそのよう なジョセフソン接合の垂直方向の短い重ね合わせがもうすでに作製され、それら は完全なフェーズロッキングを示している〔ボゾビック（Bozovic）及びエクス テイン（Eckstein）1996b,1994a;エクステイン（Eckstein）等1995,オノ（Ono） 等1995〕。結論として、すべての重要な技術的ステップは人工の３層ジョセフソ ン接合の制作に関するものであり、それらはセクション５に関連しているもので あるが、それらの垂直方向の重ね合わせは十分に実証され実行に移されている。 ここに簡単に述べた文献は、ジョセフソン接合アレイの未来の応用機器を約束す るように書かれている。例えば、ＧＨｚからＴＨｚの発生器及びディテクターと しての応用が示されている〔ジェイン（Jain）等1984〕。さらには電波天文学や 重い分子の電波分光器〔コノプカ（Konopka）1994〕、標準電源〔オノ（Ono）等 1995〕その他である。上で説明した技術的な困難性により、そのような応用機器 はまだ実現（すなわち実用化）されていない。チップ外分光機器に応用するため には、可変特性を犠牲にすることなく０．１− １ｍＷ以上の出力電力が必要であることが、一般的に理解〔コノプカ（Konopka ）等1994〕されているが、実際にはこの画期的な内容までは実現されていない。 米国特許第３，７５２，２１３（１９７３）において、ピアスによって超伝導 障壁デバイスとその製造技術が開示されている。この他の目的は、超伝導材料の 粒又は特別の構造に基づいたミリメーター及びサブミリメーター放射の発生器又 はディテクターを提供することである。グレインに含まれる多くのジョセフソン 接合を加えあわせることにより感度と放射を向上させているが、制御が難しく再 現性が悪く、フェーズロッキングもなく、真空に対しては完全に負荷不整合とな る。しかしながら、このデバイスは、ジョセフソン接合と隣接する層を介して電 気パルスにより発生された磁界により、通常の伝導状態と超伝導との間でスイッ チングさせることができる。超伝導体のエネルギーギャップに磁界がかかる効果 による放射周波数を制御する試みは成されていない。 また、米国特許第４，８３７，６０４（１９８９）において、ファリスによっ て超伝導デバイスが開示されている。このデバイスは、垂直に互いに上に積み重 ねられて直列接続された多くのジョセフソン接合を含む。アナログ・デジタルス イッチング応用機器において、３つの端子スイッチは単一接合と接合の横型アレ イの取り替えを意図して仕立てられている。放射は、デバイスがそのような目的 に適合するように設計されないであろうことを意図していない。 また、米国特許第５，１１４，９１２（１９９１）において、ベンズによって ジョセフソン接合の２次元アレイをベースとした高周波発振器が開示されている 。それは、専用の電流源からの直流制御電流によって励起されている。ジョセフ ソン接合の周波数は、この直流バイアス電流を調整することによって連続的に変 化させることができる。 負荷に対するインピーダンスは、アレイにおけるジョセフソン接合数を適当に 選択することにより、または抵抗性の分岐を付加することにより整合させること ができる。そのデバイスは、ＧＨｚからＴＨｚの周波数におけるＤＣ−ＡＣ可変 コンバーターとしての応用が知られている。 このデバイスの一つの欠点は、チップ上に順次位置するジョセフソン接合の配 列が明かに２次元に制限されていることである。この配列はそのアレイにおける 接合最大可能数を制限することになる。すなわち、１つの接合の最小面積は、フ ォトリソグラフィー技術、均一性の要求、臨界電流を持つ必要性（最適出力に対 して１ｍＡ以上）及び上リード（又は各リード）の低い接触抵抗の必要性により 等による制約により約１μｍ²である。一方、フェーズロッキング要求はアレイ の横方向の寸法を約λ／４に制限する。尚、λ／４はν＝１ＴＨｚに対して７５ μｍである。接合間の距離をいくらか取ると、この設計によるフェーズロッキン グアレイにおける、最大接合数として約１−２０００得ることができる。実際に 、１０×１０＝１００接合が作製された。セクションＶ（ｖｉｉ）で議論するよ うに、このデザインでは放射されるマイクロ波のチップ外出力として、考えられ る応用機器の必要レベルである例えば少なくとも０．１−１ｍＷの出力は得られ ない。われわれは、ここに（セクションＶ）提案された代わりの設計方法によれ ば、本質的又は人為的により多くのジョセフソン接合をつめることが可能となり 、より高い放射電力とこの特性により平面アレイデバイスでは可能ではなかった 種々の応用機器に対する信号源としての可能性を開くことを議論するであろう。 原田及びホザックによる欧州特許第４４６１４６（１９８７）において、上と 下のＬ_yＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₄からなる超伝導電極と、Ｂｉ₂Ｙ_xＳｒ_yＣｕ₂Ｏ_w（０≦ｘ ≦２，１≦ｙ≦３，１≦ｚ≦３，及び６≦ｗ≦１３）からなる超伝導でない障壁 層とを含む３層ジョセフソン接合が開示されている。この特許において、そのよ うな接合のどのような特性（Ｉ_c，Ｒ_n，Ｉ−Ｖ特性、マイクロ波変調特性等）の 開示もない。また、アレイ形成、垂直か横方向か、それらの予期される特性又は 応用機器に関する情報の記述もない。 放射周波数の磁気モード制御は、スチャローダー（１９９２）らによる欧州特 許第５１３，５５７に開示されたデバイス用に提案されている。その発明のデバ イスは超伝導直列接合において、ジョセフソンチャンネル接合の積み重ねを含ん でいる。 隣接するＳＩＳジョセフソン接合ペアの各間に、隣接するジョセフソン接合と は両側で絶縁されたさらに１つの超伝導層がある。この層は、この層を介して電 流が横方向に流れることによって制御ラインとして使用するために設けられ、す でに米国特許第３，７２５，２１３において開示されているように、１つは超伝 導層におけるギャップを減少させることによってＳＩＳジョセフソン接合に作用 することを意図された磁界を発生するはずである。 このデバイスは、多くの欠点を有している。その欠点のいくつかは通常の物質 定数及び適用できる微細加工技術等の制約により除去することができないもので ある。 特に、その特許の記述には、デバイスを作製する上で重要な技術ステップであ る、重ねられたＳＩＳジョセフソン接合の超伝導電極間をどのように直列超伝導 接触を作製するかは示していない。垂直に積み重ねられたコラム構造において対 向する２つの横側面の上に約１μｍ×０．０１μｍの寸法の超伝導パッドを堆積 させることを必要とする。 現在そのようなことが可能な技術は存在しない。 さらに重要なことは、超伝導電極におけるギャップを減少させるのに十分な強 さの磁界を発生させることができるための、超伝導制御ラインに要求される厚さ （欧州特許５１３，５５７Ａ２の図１におけるＳ₂）である。例えば、１μｍ２ 以内のメサでは、１０ｎｍの厚さの層が必要である。 ジョセフソン接合の臨界電流を要求されるフェーズロッキング動作をさせるた めに十分小さく保つためには、詳細後述するようにそのような小さな面積が要求 される。 この層においてｊ_c＝１０⁶Ａ／ｃｍ²非常に高い臨界電流密度を仮定すると、Ｉ_c ＝ａ²ｊ_c＝１０⁶Ａ／ｃｍ²×１μｍ×１０ｎｍ＝１０⁶Ａ／ｃｍ²×１０^-4ｃｍ× １０^-6ｃｍ＝１０^-4Ａが得られる。約１０ｎｍの距離では、この電流はＢ≒０． ０１テスラの磁界を生じるであろう。そのような磁界は臨界温度と隣接する超伝 導電極における超伝導ギャップに十分作用するためには数桁低過ぎる。ＹＢａ₂ Ｃｕ₃Ｏ₇及びＢｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₈のような高Ｔｃ超伝導物質において、ただ 、磁界がＣｕＯ₂平面に対して垂直方向に向いている場合、Ｔ_cに関して測定でき る効果を得るためには数テスラの磁界が必要である。 欧州特許第５１３５５７Ａ２で与えられた構成では、磁界の向きは本質的にＣｕ Ｏ₂平面に対して平行である。 この好ましくない構成では、今日利用できる最も高い磁界（５０Ｔを越える） でさえＢｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₈のような高Ｔｃ超伝導物質に対しては、本質的に 作用しない。この困難性を克服するために、例えば、１μｍまたはそれ以上のよ り厚い超伝導制御ライン（例えば、米国特許第３，７２５，２１３によれば、６ μｍの厚さ）を使用することになるであろう。 それは、高品質の高Ｔｃ超伝導フィルム（数百ｎｍを越えない）のエピタキシャ ル成長のための電流制限とは釣り合わない。そのようなデバイスの積層体を作製 することはいっそう困難である。 別の方法は、例えば、印加される磁界に対してより感度の高いより低い臨界電 圧を有する従来の低いＴｃの超伝導材料を使用することである。しかしながら、 議論したデバイスのこの仮定の形態において、高いＴｃ（高価であること及び大 変低い低温システムにおける厄介な取り扱いをさけるそのような可能性）である という利点を除いて、もし高Ｔｃ超伝導銅化合物を使用すれば可能となる非常に 薄い超伝導電極の利点を失うことになるであろう。従来の低いＴｃの超伝導体に おいては、より厚い超伝導電極を使用する必要があるため、超伝導性コヒーレン ト長はより大きくなる。これは、結局、欧州特許第５１３５５７Ａ２のデバイス の記述から推測されるものと比べて、積層体におけるデバイス数を実際はわずか に制限することになるであろう。 一方、欧州特許５１３５５７Ａ２において提案されているようにギャップ及び 超伝導電極Ｔｃを調整することが実行不可能であることは明確であるが、磁界を 印加することにより障壁層に渦をもたらすこと及び臨界電流を制御することは可 能である。われわれはこれを後述のセクションＶで使用する。 別の問題は、デバイスのクロストークである。制御ラインの問題をなんとか解 決しようとし、十分強い電流を流すことができるある物質からそれらを造ろうと し、隣接する高Ｔｃ超伝導電極の超伝導ギャップを減少させることができる磁界 を発生しようとする場合を考えてみよう。問題は１以上のジョセフソン接合にそ のような界を印加することである。まず第１に、欧州特許第５１３５５７Ａ２の デザインに従って、各制御ラインに対して、等しく印加されるべき等距離の２つ のジョセフソン接合がある。議論している形状における磁界は、制御ラインから の距離の関数としてゆるやかに減衰するので、その積層体内の全てのジョセフソ ン接合にそれが印加されると期待できるであろう。そこで、個々のジョセフソン 接合の制御は、その提案の主要な目的であるけれども、そのようなデザインによ り損なわれるであろう。 さらに欧州特許第５１３５５７Ａ２のデザインによるデバイスの大きな問題は 、発生されるべき電磁放射の出力電力が考慮されていないことである。特に、真 空との負荷整合は考えられていない。上記の観点では、そのデザインにおいては 、少ない数の接合の積層もできないであろう。これは出力インピーダンスの不整 合を意味している。この場合、マイクロ波放射電力のほとんどは反射され、デバ イス自身の内部で消失される。デバイスは十分なマイクロ波電力を出力する前に 破壊されるであろう。 実際、最大出力電力のための高Ｔｃジョセフソン接合の最適化は、詳細はセク ションＶで後述するように、通常、直列と並列の双方の超伝導接続を必要とする 。 要約すると、われわれの結論は、欧州特許５１３５５７Ａ２に記述されたデバ イスは、主として以下のデザイン上のいくつかの欠点により実施することができ ないというものである。 （i）その製造は、ジョセフソン接合積層を含むメサの横側面上に約０．０１μ ｍ幅の超伝導コンタクトの堆積を必要とするが、このようなことができる技術は 従来知られていない。 （ii）デバイスの寸法上の制約のもとで、高Ｔｃ超伝導接合において超伝導ギャ ップを減少させることができる十分な強さの磁界を発生する十分な電流を維持す ることができる超伝導体は知られていない。 （iii）もし磁界が発生されたとして、その磁界は１以上のジョセフソン接合に 印加されるであろう。（例えば、同じ積層体内において複数のデバイスの間に許 容できないクロストークが存在することになるであろう。） （iv）そして、ジョセフソン接合アレイ回路の最適化のための、デバイスデザイ ンは許容できないので、提案されているシステム応用機器にとって出力電力は低 すぎるものとなるであろう。 本特許の目的は、上で議論された全ての欠点を克服できる発明にかかるデバイ スを開示することである。 ２．銅系超伝導体における固有のジョセフソン接合積層体 １９８６年の銅系超伝導体に関するごく初期の論文において、Ｊ．Ｇ．ベドノ ーズ及びＫ．Ａ．ミューラーは、そのはっきりした層構造からすると、Ｌａ−Ｂ ａ−Ｃｕ−Ｏは２次元コーシー超伝導体であるという意見を述べている。実質的 に、この仮定は、種々の銅系超伝導体に関する種々の実験的な発見により証明さ れている〔ボゾビック（Bozovic）1991参照〕。このなかで、最も直接的な証明 は、Ｂｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₈〔ボゾビック（Bozovic）等1994a〕の１つの厚い単 位セルにおける高Ｔｃ超伝導特性の観測である。一方、ｃ軸に沿った臨界電流（ 例えば、ＣｕＯ₂層と直交する方向）は、ＣｕＯ₂面に平行な方向より大変小さい 。しかしながら、それは０（ゼロ）ではない。例えば、超伝導電流は、ｃ軸方向 にも流れることができる。これは明らかに、その２次元コーシー超伝導板である 平板がジョセフソントンネリングによって弱く結合されていることを示している 。 言いかえると、銅系超伝導体はジョセフソン接合が６−２５Åの間隔で自然に 積層されたものと見ることができる。ジョセフソン結合した超伝導層の積層体は 、すでに２５年前に紹介され〔ローエンス（Lawrence）及びドニアッチ（Doniac h）1971〕、それから詳細に研究されている。その予言は、非線型のＩ−Ｖ特性 、Ｉ−Ｖステップにより引き起こされるマイクロ波放射過程〔シャピロ〕及び直 流バイアス電圧条件におけるサンプルからのマイクロ波放射を含んでいる。 実際には、これらの全ては銅系超伝導体において観測された。最初はＢｉ₂Ｓ ｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₈において〔クレイナー（Kleiner）等1992〕、続いて（Ｐｂ_yＢ ｉ_1-y）₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₈、Ｔｌ₂Ｂａ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ₁₀、その他〔クレイナー （Kleiner）及びミューラー（Muller）1994,ミューラー（Muller）1994,1996〕 、さらに種々のグループ〔レジ（Regi）等1994,イリア（Irie）等1994,スカミデ ル（Schmidl）等1995,ヤスダ（Yasuda）等1996,タナベ（Tanabe）等1996,ユルゲ ン（Yurgen）等1996,ジーデル（Seidel）等1996,Xiao等1996〕においてである。 これらの結果のほとんどは小さい単結晶に関して得られているが、 いくつかの研究は単結晶においてリソグラフィー的に形成されたメサ又は薄いフ ィルム〔スチャルンガ（Schlenga）等1995,ミューラー（Muller）1996,スカミデ ル（Schmidl）等1995〕に関してもまたなされている。ある場合には、１０００ の自然の接合にわたってフェーズロッキングが観測されている〔スチャルンガ（ Schlenga）等1995〕。一般的には、フェーズロッキングは、Ｉ−Ｖ特性における 多数の分岐の発生によってのみ生じる（これまで発行された全ての研究において ）。すなわち、積層体に属するジョセフソン接合が全て同一でない場合、例えば 、臨界電流が互いに異なる場合、バイアス電流が増加するのに従って、同じポイ ントで全ては切り替わらないであろう。同様に、１つのアレイからの放射は、コ ヒーレント（狭いバンド）とインコヒーレント（広いバンド）の重畳になると期 待でき、これは実際観測された〔スチャルンガ（Schlenga）等1995,ミューラー （Muller）1996〕。ジョセフソン接合特性におけるこれらの変化は、例えばメサ 断面構造の変化のような結晶成長及びメサ構造を形成する工程における不完全性 に起因すると考えられている（われわれは、この問題を以下のセクションＶ（iv ）で述べる）。放出された放射の最も高い周波数は、検出能力の制限によりこれ までにν＝９５ＧＨｚである〔ミューラー（Muller）1996〕。検出された放射の 電力は、１ｐＷ以下の非常に小さいものである。その１つの理由は、非常に大き い負荷不整合によるものである。サブミリメータ放射源としての考えられる応用 機器についての可能性は以前に示されているけれども、実用的なデバイス及び応 用機器は今までにまだ報告されていない。 発明の開示 そこで、本発明の目的は、いくらか又は全ての上述の困難を避ける方法を提供 することである。 本発明の別の目的は、発生されるマイクロ波電力が相当増加させるように２次 元ネットワークに接続された多くのジョセフソン接合が垂直方向に積層されたサ ブミリメーター電磁放射の安価な発生器及び／又は検出器を提供することである 。 本発明の別の目的は、チップの外に放射電力が最大にできるように負荷とのイ ンピーダンス整合が可能なアレイインピーダンスを有する安価なサブミリメータ ー放射デバイスを提供することである。 本発明の別の目的は、数ＴＨｚの周波数までのサブミリメーターバンド内で、 極めて小さい放射ライン幅を有する安価なサブミリメーター放射デバイスを提供 することである。 本発明の別の目的は、広いスペクトル範囲において、連続的に放射周波数を変 化させることができかつ／又は検出周波数を同調できる電気的な制御が可能でか つ安価なサブミリメーター放射デバイスを提供することである。 本発明の別の目的は、超伝導電子回路に対して早い切り替えを提供するｏｎ／ ｏｆｆモードを含む、マイクロ波の電気的に強度変調が可能でかつ安価なサブミ リメーター放射デバイスを提供することである。 本発明の別の目的は、波動場の主放射方向（例えば、平面波の伝達ベクトル） が伝達平面において電気的に回転させることができ、放射及び検出モードの双方 において掃引特性を有する安価なサブミリメーター放射デバイスを提供すること である。 本発明の別の目的は、放射された波動場が電気的に２以上に分割でき、それぞ れを別々に制御でき、他の形の間で結合波動場の焦点を結んだり焦点をぼかした りすることができる安価なサブミリメーター放射デバイスを提供することである 。 本発明の別の目的は、固定（あらかじめ決められた）された、又は電気的に変 化及び制御された異なる周波数チャンネルにおいて、独立してかつ同時に放射及 び／又は検出できる安価なサブミリメーター放射デバイスを提供することである 。 本発明の別の目的は、外部からの電気的方法で放射と検出モードを逆にするこ とができる安価なサブミリメーター放射デバイスを提供することである。 本発明の別の目的は、超伝導／半導体混成システムの中の結合に適した、サブ ミリメーター放射デバイスを提供することである。 これらの及び他の目的は、それぞれ垂直にジョセフソン接合が積層された直列 アレイを含み、あらかじめ設計された方法で電気コンタクト板の下でグルーピン グされた線形コラム形状超伝導エレメントの２次元ネットワークを備え、さらに 、本請求項１〜３５に加えて、上記電気コンタクト板を上記外部電子制御まで延 長することによって、本発明にしたがって達成される。 図面の簡単な説明 図１：発明のデバイス：積層されたジョセフソン接合（ｂ）と、上コンタクト （ｃ）と、下コンタクト（ｄ）と、コラム形状エレメント（メサ）（ａ）とを備 えた２次元横アレイの基本デザイン。（ｅ）には電子制御ユニットが含まれてい る。 図２：はメサ（コラム形状に形成された活性エレメント）の電気的接続。 （Ａ）各ジョセフソン接合アレイコラムはそれ自身の電気コンタクト（１，２， ３，４，５，６，他）を持っている。 （Ｂ）いくつかの活性エレメントの並列接続。上超伝導コンタクトは、それぞれ 電気的に制御されるグループ（セグメント）内のメサ（ジョセフソン接合アレイ コラム）に接続される。 （Ｃ）発明のデバイス：ジョセフソン接合アレイコラムの２つのセグメントを持 った短いジョセフソン接合アレイが、超伝導上及び下電極（（ｃ）と（ｄ））に よって直列に接続される。 （Ｄ）発明のデバイス：線形ジョセフソンアレイ（垂直コラム構造の中に含まれ る）の並列と直列の２つの超伝導接続を有するさらに複雑な回路。ｎセグメント を直列に接続するための分割された電気コンタクト、上（ｃ）と下（ｄ）１≦ｎ ≦１０００。 図３：（Ａ）メサ構造にエッチングされた高Ｔｃ超伝導体の単結晶（Ｍ−メタル コンタクトパッド）。 （Ｂ）メサ構造にエッチングされた高Ｔｃ超伝導のエピタキシャル薄膜。 図４：超伝導上電極の作製（略図） （Ａ）高Ｔｃ超伝導フィルムの堆積（ＨＴＳ−１） （Ｂ）冷却と保護膜によるカバー （Ｃ）スピン−オン、露光及びメサ形成のための開口部を有するフォトレジスト の作製 （Ｄ）保護膜を介してイオンミル及び高Ｔｃ超伝導体層（ＨＴＳ−１）の途中ま で除去 （Ｅ）絶縁物質Ｉの堆積 （Ｆ）ＰＲの分解とメサの上面上の絶縁体を除去 （Ｇ）成長槽にフィルムを戻し、保護膜が蒸発するように温度を上昇させ高Ｔｃ 超伝導体（ＨＴＳ−１）メサの上面を初期の状態に戻す （Ｈ）高Ｔｃ超伝導体層（ＨＴＳ−２）の堆積 図５：（Ａ）２つの高Ｔｃ超伝導体層（ＨＴＳ−１とＨＴＳ−２）間の境界にお ける、弱く結合したジョセフソン接合（ＷＬ）を含んでいるメサとイオンによる 除去プロセスの結果として広がった底部を持っていることを示す図４のデバイス の一部 （Ｂ）アンダーエッチングの結果、メサが収縮した底の部分を有するウェットエ ッチングを用いた場合の同様のものを示す。メサの中央部分のみに人工ジョセフ ソン接合（ＡＪＪｓ）が位置し、これにより、両端からの不均一性を避ける。 図６（１）と６（２）：メサ構造における３つの線形ジョセフソン接合アレイの 間の並列超伝導コンタクトの作製 （Ａ）第１高Ｔｃ超伝導体フィルム（ＨＴＳ−１）と保護膜Ｏの堆積 （Ｂ）スピン−オン、露光及びメサエッチングのためのフォトレジストＲの作製 （Ｃ）メサ構造形成のためのエッチング又はイオン−ミル （Ｄ）絶縁体Ｉの堆積 （Ｅ）フォトレジストの分解とその上の絶縁体の除去 （Ｆ）成長槽中における蒸発による保護膜の除去 （Ｇ）第２高Ｔｃ超伝導体フィルム（ＨＴＳ−２）の堆積 （Ｈ）スピン−オン、露光及びクラスター形成エッチングのためのフォトレジス トの作製 （Ｉ）クラスター構造形成のためのエッチング又はイオン−ミル （Ｊ）フォトレジストの分解 （Ｋ）高Ｔｃ超伝導体電極の上面および底面とにメタルコンタクトの堆積 図７（１）−７（３）：メサの直列接続又は並列接続 （Ａ）高Ｔｃ超伝導体（ＨＴＳ−１）及び保護膜の堆積、メサの形成、絶縁体の 形成、及びフォトレジストの除去（側面図） （Ｂ）ステップＡの後の４つのメサを持つクラスターの上面図 （Ｃ）２つのクラスターを分離するトレンチのエッチング、絶縁体の堆積、及び フォトレジストの除去（側面図） （Ｄ）ステップＣ完了後の同一ウエハーの上面図 （Ｅ）保護膜の除去及び第２高Ｔｃ超伝導体層（ＨＴＳ−２）の堆積、フォトレ ジストのスピンオフ、慎重な調整、露光の促進及びクラスターを分離するための 高Ｔｃ超伝導体層（ＨＴＳ−２）におけるトレンチのエッチング（側面図） （Ｆ）ステップＥ後の上面図 （Ｇ）Ｅの構造の電流路 （Ｈ）Ｅの構造の等価回路；各ボックスは１つのメサに含まれたジョセフソン接 合アレイを示す。 （Ｉ）並列及び直列接続の双方を含んでいるメサのクラスター（上面図） （Ｊ）Ｉのジョセフソン接合アレイの等価回路 図８それぞれジョセフソン接合の積層体を含んで伝送ラインに接続されたメサの クラスターの分布アレイ、クラスター間の距離はλ（構造内における電磁波の波 長）に等しい 図９ＡＡ−トンネルトロンの４つの異なる動作の概略表現 それぞれ、ジョセフソン接合のリニア積層体を含む、２次元メサアレイが示され ている。各メサは別々に制御され、影を付したサークルは、不活性メサ（オフ） を表し、オープンサークルは活性（放射）メサを表す。 発明デバイスの詳細な説明 図１及び２に本発明にかかるジョセフソンアレイが示されている。 それらは、垂直クーロン形状超伝導エレメント（ａ）を含む。いずれも超伝導 電気コンタクト領域を有する、上超伝導体（ｄ）と下超伝導体（ｃ）との間に立 てられ、それぞれ積層されたジョセフソン接合からなる直列アレイ（ｂ）として 表される、垂直クーロン形状超伝導エレメント（ａ）を含む。 図２ｃの場合、上超伝導体層（ｄ）は、２以上のセグメントに分割され、図２ ｄでは、さらに下超伝導体（ｃ）がまたセグメントに分割されている。これらの セグメントは、異なった方法で接続することができる。放射器及び放射検出のよ うにデバイスの用途に従って選択された制御モードの他に回路パラメータ（負荷 インピーダンスのような）は最適に設定することができる。従来の超伝導体（低 温）の場合、ジョセフソン接合を形成する超伝導体と障壁層が、全ての超伝導体 層のペアの間に障壁層が存在するように、交互に積層されている。主として、本 発明で選択される高温超伝導体の場合、単結晶成長モードとすれば、ジョセフソ ン接合もまた自然に形成されるであろう。 図１及び図２の標準デバイスでは、下超伝導体（ｃ）は全ての活性エレメントに 対して共通とし、上超伝導体（ｄ）は、２又はそれ以上の部分に分割されるであ ろう。上部コンタクトの全ての部分（セグメント）は、それ自身の電気コンタク トパッドを有している。そのようなセグメントの数は、ジョセフソン接合の線形 アレイ（積層体）を含むコラムの数に等しいか又は小さいであろう。 図２Ｄのデバイスでは、下超伝導体（ｃ）は、２又はそれ以上の部分に分割さ れる。ここで、全ての部分（セグメント）は、それ自身の電気コンタクトパッド をまた有している。図に示されたジョセフソン接合の積層体（直列アレイ）を含 むコラムの数は小さいけれども、超伝導エレメント（コラム）の数はどのような 数に選んでも良い。全ての活性コラム形状超伝導エレメントにおけるジョセフソ ン接合では、高Ｔｃ超伝導体材料を用いることにより特に非常に大きい数が可能 である。各接合は、次のものに強く結合しているので、積層体全体は放射支配に よりフェーズロックされるであろう。 （i）前の章IVで説明したように、高温銅系超伝導体には、ＳＩＳ．．．．ＳＮ Ｓ．．．．又は、ＳＩＮＩＳ．．．形の自然の超伝導超格子が認められる。その ような自然のジョセフソン接合の線形アレイを製造する簡単な方法は、図３に示 すようなメサ構造を作製することである。 例えば、単結晶又はエピタキシャル薄膜形成において、Ｂｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂ Ｏ₈，Ｔｌ₂Ｂａ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ₁₀，ＨｇＢａ₂ＣａＣｕ₂Ｏ_6.2，Ｌａ_1.85Ｓｒ_0.15 ＣｕＯ₄を用いることができる。 メサ構造は、ウエットエッチングやイオンミリングを含む標準的なフォトリソ グラフィー技術によって、製造することができる。そのようなメサ構造は、いく つかのグループ〔クレイナー（Kleiner）及びミューラー（Muller）1994，ミュ ーラー（Muller）1995,ミューラー（Muller）1996,レジ（Regi）等1994,スカミ デル（Schmidl）等1995〕によって作製され、それらは実際に多くのブランチ、 マイクロ波技術及びマイクロ波放出により誘発されたシャピロステップとともに ブランチ間のスイッチング゛およびヒステリシスを持ったＩ−Ｖ特性を示した。 (ii)しかしながら、それらのメサ構造のＩ−Ｖ特性及び他の性質は、理想的なフ ェーズロックリニアジョセフソン接合アレイとして期待されるものからは程遠い ものであった。特に、観測される放射電力は、ｐＷ領域の非常に小さいものであ り、それゆえ、そのようなジョセフソン接合アレイは技術的な価値がなかった。 これは次の３つの主要な理由によるものである。 （ａ）接合がＩ_c及びＲ_Nにおいて均一ではなかった。 （ｂ）接合面積が、一般的に３０×３０μｍ²≒１０^-5ｃｍ²程度で大きすぎた。 （ｃ）チップ外へのマイクロ波放出に対して回路が最適化されていなかった。 （ａ）及び（ｂ）に関して言えば、フェーズロッキングが不安定で不規則でかつ 不安定であった。銅系化合物の自然のジョセフソン接合は、ｃ軸方向に比較的大 きな臨界電流密度（≒１０⁴−１０⁶Ａ／ｃｍ²）を示している。 そのような接合は１００ｍＡ又はそれ以上の多き過ぎる臨界電流を示している 。そのような大きなジョセフソン接合は、磁束量子運動、２つの方向の超伝導流 等の多くの複雑な励起モードを有する。 これらの困難性を取り除こうとしても、あるグループの研究者は、接触抵抗の 問題により接触面の面積を十分小さくすることはできなかった。コンタクト抵抗 が大きすぎるので、接合積層体は上から多くの熱を受け、これにより、臨界電流 の不均一性がもたらされ、フェーズロッキングが妨げられる。極端な場合、ジョ セフソン接合アレイが破壊される。 （iii）従来の技術を越えるわれわれの最初の改良は、超伝導状態を維持して堆 積させるこことにより、上述の接触抵抗の問題を解決する方法である。この方法 は、例えば、１μｍ²又はそれ以下の非常に小さい面積の自然のジョセフソン接 合アレイを作製することができる方法である。特に、その方法は、メサと上超伝 導電極との間の弱い結合の形成を避けることができる。（そのような弱い接合は 、ジョセフソン接合に自然のジョセフソン接合アレイと連続して、より小さな臨 界電流を実現できる。この臨界電流は応答を支配し、ジョセフソン接合アレイの 働きを減少させる。） この方法は図４に示されている。 まず、 （Ａ）例えば、ＳｒＴｉＯ₃，ＬａＡｌＯ₃，ＭｇＯ等のような基板上に、Ｌａ_{1. 85} Ｓｒ_0.15ＣｕＯ₄，Ｂｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₈，Ｔｌ₂Ｂａ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ₁₀又は ＨｇＢａ₂ＣａＣｕ₂Ｏ_6.2のような高温超伝導体（ＨＴＳ−１）の薄いエピタキ シャルフィルムを、可能であればエピタキシーを改良するために１又は２以上の バッファ層（ＣｅＯ₂，Ｂｉ₂Ｓｒ₂ＣｕＯ₆等）を介して堆積させる。堆積方法は 、熱蒸着（例えば、分子線ビームエピタキシーＭＢＥ）、スパッタリング、パル スレーザー堆積（ＰＬＤ）、化学気相成長（ＣＶＤ）、液相エピタキシー（ＬＰ Ｅ）等を用いることができる。 （Ｂ）そして、成長槽から取り出すことなく冷却し、このステップにおいて保護 膜（Ｏ）を高Ｔｃ超伝導体（ＨＴＳ−１）の上面上に形成する。この化合物は、 超伝導物質に対して化学的に安定している必要がある。すなわち、これらの２つ の化合物間は相互に反応しないものである必要がある。また、それは揮発性であ る必要がある。すなわち、高Ｔｃ超伝導体フィルムの成長温度Ｔ_s（通常、Ｔ＝ ６００−７００℃）より低い中間温度Ｔ_lで蒸発しなければならない。保護膜と して適する材料の例として、Ｐｂ，Ｓｎ，Ｂｉ等の揮発性金属等、Ｃ₆₀等の有機 分子等がある。 （Ｃ）そのフィルムは成長槽の外に出され、通常のフォトリソグラフィーを使用 して、適当なマスクで露光されるフォトレジストで覆われ、エッチングのための 開口部が形成される。 （Ｄ）そのフィルムはイオンミリングのための槽に運ばれ、保護膜を介して、高 Ｔｃ超伝導体層（ＨＴＳ−１）の約半分の深さまでイオンミリングすることによ ってメサが形成される。 トレンチの底において、上（下高Ｔｃ超伝導電極）から十分な超伝導接触が得 られるように、ダメージを受けていない高Ｔｃ超伝導体フィルムが十分残ってい ることが重要である。基板に達する前にエッチングを止めることができ、下電極 と接触しないようにできるように、エッチングレートが制御できるドライ又はウ エットのどのようなエッチング処理を用いることができる。 （Ｅ）その処理チャンバーから外に出すことなく、又その同じフォトレジストを 使用して、絶縁層（Ｉ）を堆積される。使用できる適当な材料として、ＳｉＯ₂ 、ＣｅＯ₂、ＳｒＴｉＯ₃、ＺｒＯ₂又はＹＳＺ（ジルコニア安定化イットリウム ）等である。使用できる方法は、例えば、電子ビーム、エバポレーションである 。 高真空における物理的気相成長（ＰＶＤ）は方向性堆積が可能であり、後に続 くリフトオフ除去される。 （Ｆ）次に、処理槽の外にフィルムを出し、適当な溶剤（アセトン）によってフ ォトレジストを除去し、フォトレジスト上の絶縁体を除去する。 （Ｇ）フィルムを成長槽に戻し、通常の高Ｔｃ超伝導体の堆積温度（６００−７ ５０℃）に上昇させる。Ｔ_s＞Ｔ_lであるから、保護膜は取り除かれ、メサの上面 の高Ｔｃ超伝導体表面を元のようにする。このステップにおいて、保護膜に影響 を与え、エッチング除去でき、高Ｔｃ超伝導化合物とは反応しない、反応性ガス （フッ素のような）を用いることができる。 （Ｈ）最後に、上高Ｔｃ超伝導体電極として働く他の高Ｔｃ超伝導体（ＨＴＳ− ２）を堆積させる。さらに、図３に示すように厚い金属コンタクトを、下（ＨＴ Ｓ−１）及び上（ＨＴＳ−２）電極上に形成するようにしてもよい。 （iv）我々の従来の技術を上回る次の改善は、自然のジョセフソン接合をしよう することよりむしろ人工的に作成したものを使用することである。 文献〔ボゾビック（Bozovic）等1994a,b,1996a,b;ボゾビック（Bozovic）及びエ クステイン（Eckstein）1995,エクステイン（Eckstein）等1992,1995〕中に記述 されているような単位セル層に選択的にドーピングする技術を用いることができ る。 例えば、Ｂｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₈におけるＣａサイトにＹ³⁺又はＤｙ³⁺をドー プ又は、Ｎｉ、Ｚｎ及びＣｏをＣｕサイトにドープすることができる。 Ｌａ_2-xＳｒ_xＣｕＯ_yシステムにおける他の適当な選択は、最適なドーピング レベル（ｘ≒０．１５〜０．２、ｙ≒４）を有する層を高Ｔｃ超伝導体層として 用い、最適化されていないｘ（例えば、ｘ＝０）を有する層を障壁層として用い ることである。このそれぞれは、１又は１以上の臨界温度と臨界電流密度（Ｊｃ ）とが減少した高Ｔｃ超伝導体を生じ、それゆえ、それらが直列に接続されて いる自然のジョセフソン接合より低い臨界電流を有する人工的なジョセフソン接 合を創り出す。 この方法では、自然のジョセフソン接合の臨界電流より動作電流が小さい限り 、人工のジョセフソン接合間の超伝導性接続として動作するので、人工的なジョ セフソン接合の積層体をまた作製することができ、後者は人工的なジョセフソン 接合の間の超伝導接続として単に動作し、区別できなくなるであろう。ドーピン グレベルを変化させることによって、人工のジョセフソン接合の通常状態の抵抗 値（Ｒ_N）は、それらのＩ_cと同様に制御することができる。それのら距離（例え ば、最適のＴｃとＪ_cを有する高Ｔｃ超伝導体層の数）を変化させることにより 、２つの連続したジョセフソン接合の間の結合と相互作用の程度を変化させるこ とができる。 最終的に、この変形は３つの他の問題に関する改善を可能とする。 第１に、保護膜を使用しそれを超真空状態で除去するわれわれの技術にもかか わらず、保護膜を除去した後露出された表面はほとんどダメージは受けず、内部 の境界面に比較してほとんど変化しないようにできる。これによって、弱く結合 したジョセフソン接合を形成することができる。例えば、メサの最も上のジョセ フソン接合（例えば、低いＩｃを有する）は、他のものより弱くなり、それゆえ 、バイアス電流の増加に伴って、最も早く通常状態になるであろう。 第２の問題は、図５ａにおいて概要が示されているように不均一のトレンチを 作成するためにイオンミリングプロセスの性質に起因して生じる。 図５ｂに示すウエット又はドライエッチング等の他のエッチングプロセスに対 しても同様である。ある場合には、いわゆるアンダーエッチングが発生し、トレ ンチが底で広くなる。他の場合には、逆になるであろう。これは実際に、図３に おいて概要を示すように、自然のジョセフソン接合アレイの均一性にかなり悪影 響を及ぼす。 ここでは、ただ単に活性人工ジョセフソン接合を上コンタクトからメサの中間 に配置しベースに近いメサ幅が変化することに起因する不均一性を避けることに よりこの問題を解決することができる。 最終的に、人工のジョセフソン接合のＲ_Nを自然のジョセフソン接合に比較し て増加させることにより、寸法（例えば、メサの断面領域）を標準的なフォトリ ソグラフィー技術を用いて技術的に可能な寸法（例えば、〜１−５μｍ幅）に最 適化することができる。 （ｖ）クラスターとなる複数のメサの接合：並列接続 回路パラメーターを最適化するために（例えば、真空とのインピーダンス整合 を図り、デバイスと真空との間の境界での電磁放射の反射を最小にするため）、 セクション（iv）で説明したように種々の好ましい方法を用いてメサ構造との電 気的接続できることが望まれる。接続は超伝導的であるべきであり、ジョセフソ ン接合アレイと直列に接続されてジョセフソン接合を弱めるように振舞うどのよ うな弱い結合もしてはいけない。言いかえれば、共通の高Ｔｃ超伝導体電極を持 たなければならない。 通常、直列と並列の２つの接続が必要である。このサブセクションにおいては 、超伝導性接続を実現する実際的な方法を説明する。 ２又は２以上のメサの間の並列高Ｔｃ超伝導体接続の作製方法は、セクション （iii）で記述した上高Ｔｃ超伝導体電極を作製する方法に直接関係する。 図６に示されている。 この図で説明されているように、セクション（ii）で説明した方法に関係して いる。秘訣は、下電極の完全な状態を保持するために本質的にエッチングレート と深さを制御する能力に依存している。成長槽の中での高真空中における保護膜 の除去及び上高Ｔｃ超伝導体材料の直接堆積はまた重要である。これは、ＨＴＳ −１及びＨＴＳ−２層の間に、境界に弱い結合が発生しないような連続性を保証 する。 この処理において困難な調整ステップがないことに注目してください。特に、 絶縁とメサエッチングは、２つの連続ステップとしてウエハを動かすことなくか つ同じフォトレジストマスクを用いてセルフアラインで同じ処理槽の中で行われ る。この技術は、人工又は自然のジョセフソン接合アレイを有する任意の数のメ サの並列アレイを作製するために、変更することなく使用することができる。 （vi）クラスターとなる複数のメサの接続：直列接続 このセクションでは、個々のメサ間又は複数のメサがすでに並列に接続された クラスター間を直列に接続する方法を記述する。方法は普通であり、ただ１つの 精密な調整ステップを含んでいるが、その調整ステップは接合の不均一性に対し ては重要なものではない。それは、図７に示されている。多くの処理ステップは 、セクション（ii）とセクション（v）において上述したものと同様である。ス テップＣにおいて、２つのクラスターを分離するために、それらは全て基板まで 至るエッチングを必要とするので、調整は厳しいものではなくエッチングレート 制御も必要ない。 例えば、硝酸ＨＮＯ₃を用いた簡単なウエットエッチングをこのステップでは 使用することができる。しかしながら、２つの上ＨＴＳ−２電極を分離するトレ ンチは２つのメサの間に位置する必要があるので、ステップＥではいくらか細や かな調整が必要である。 複数のメサを可能な限り互いに近接して詰める必要があれば、トレンチは１μ ｍの精度で位置していなければならないので、この分離は１−２μｍであると考 えられる。 これは通常のフォトリソグラフィーにおいて調整できる範囲のものである。 図７Ｇ及び７Ｈにおいて、われわれは電流路と、含まれているメサとジョセフ ソン接合とをこの方法で実際に直列接続したことを示す等価回路とを示す。全て のコンタクトは、超伝導性であり、この構造において弱い結合もしていないこと に注目してください。図７Ｉ及び７Ｊは、回路パラメーターの最適化において弾 力に対応できるように直列及び並列接続の双方で接続されたより複雑なネットワ ークの作製可能性を示している。 （vii）回路の最適化 上述のセクション（v）（vi）において、直列及び並列超伝導接続を含む複雑 な形態のジョセフソン接合ネットワークを作製する方法を示した。これは回路設 計上及び種々のパラメーター最適化の適用性を高めることができる。われわれは 、いくつかの現実的な場合を考慮して説明する。 自然の又は人工のジョセフソン接合からなる線形ジョセフソン接合アレイ（積 層体）を含んでいる第１の単一メサを考えてみよう。そのような接合の特性電圧 は、自然のジョセフソン接合に対して約２５ｍＶであろう。人工のジョセフソン 接合に対して報告されている最大値は、Ｉ_cＲ＝１０ｍＡである。ここで、Ｒは 単一の接合の通常（ノーマル）状態の抵抗である。単一接合に対する許容できる 臨界電流の最大値は、約Ｉｃ＝１ｍＡであり、その値以上では、通常、磁束フロ ーによって曲げられたＩ−Ｖ特性が観測される（言いかえると、接合は接合内の 異なった場所で前と後ろの双方に電流フローを有する長い接合のように振舞う。 ）。 ＩｃＲ＝１０ｍＶとＩｃ＝１ｍＡとから、単一接合に対する代表的な下限値とし てＲ＝１０Ωが得られる。デバイスと真空との負荷整合（ジョセフソン接合アレ イから最大の電力を取り出したいので、デバイスと真空の境界のマイクロ波放射 の反射を最小にしなければならない。）は、Ｒ_TOT＝ＮＲ≒３００Ω、Ｒ＝１０ ΩからＮ＝３０が得られることを要求する。もし、Ｉｃが１ｍＡより小さかった ならば、単一負荷整合線形ジョセフソン接合アレイにとって上限であるであろう 、より大きい値のＲが得られ、それゆえ、小さいＮの値が得られるであろう。 実際は、Ｉｃ≦１ｍＡを越えることが無いので、容易に到達できるより小さいＩ ｃＲを持つことを犠牲にしてより小さいＲと大きいＮを得ることができるが、こ れは実際には出力電力を増加させない。これは、Ｒ_TOTとＩ_c（Ｉ_c ^MAX＝１ｍＡ， Ｒ_TOT＝３００Ω）に依存してＮには依存しないＰ_MAX ^out＝１／８Ｉ_c ²Ｒ_TOTとい う式で電力が表すことがてきることから理解できる。 接合の寸法はまた、これらの値に依存する。もし、ｊ_c ^⊥＝１０⁴Ａ／ｃｍ²で あると、Ｉ_c＝１ｍＡであるから接合面積としてＡ＝Ｉ_c／ｊ_c＝１０^-3Ａ／１０⁴ Ａ／ｍ²＝１０^-7ｃｍ²＝１０μｍ²が得られる。それゆえ、１辺が約３μｍの正 方形の横断面のジョセフソン接合、又は直径３．５μｍの円形横断面のジョセフ ソン接合が必要である。これらの値は、例えば、Ｂｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₈等の大 変異方性の大きい高Ｔｃ超伝導体材料における自然のジョセフソン接合に対応す る。小さい異方性の高Ｔｃ超伝導体化合物では、ｊ_c ^⊥がより高い（ＹＢａ₂Ｃｕ₃ Ｏ₇では１０⁶Ａ／ｃｍ²以上）であり、より小さい接合が必要となるであろう。 一方、人口の接合はドーピング（セクション（ii）で説明したように）により作 製され、ｊ_c ^⊥は十分小さくでき、より長いジョセフソン接合が使用されるであ ろう。 しかしながら、そのような単一線形ジョセフソン接合積層体の出力電力は、あ まり大きくないＰ_MAX ^out＝１／８ＮＩ_c ²Ｒ_TOT＝（１／８）×３０×１０⁶×１０ Ａ²Ω＝５×１０^-4ｍＷになるであろう。 より高い出力電力は、並列直列接続で結ばれたより複雑なアレイで達成される 。本質的には、いくつかの並列線形アレイを使用することにより、一つの接合あ たりＩ_c ^MAX＝１ｍＡ限界を超えないように全体としての電流を増加させるように することである。勿論、これは、全体としての抵抗を減少させ、各線形要素にお けるジョセフソン接合の数の増加をもたらす。 それぞれＮ個のジョセフソン接合からなるＭ個の要素の直列接続に対して、Ｒ_TOT ＝（Ｎ／Ｍ）Ｒ；Ｒ_TOT＝３００Ω及びＲ＝１０ΩであるからＮ／Ｍ＝３０， 又はＮ＝３０Ｍが得られる。 全体の電力が、Ｐ_TOT ^out＝（１／８）（ＭＩ_c）²Ｒ_TOTとなるために、全体の 電流は、Ｉ＝ＭＩ_cとなる。Ｒ_TOT＝３００Ω及びＩｃ＝１ｍＡとすると、Ｐ_TOT ^{o ut} ＝（１／８）×１０^-6×３００×Ｍ²Ａ²Ω≒０．４×Ｍ²ｍＷになる。 全体の出力電力は、Ｍ²に比例し、それは無制限に増加することができること がわかる。しかしながら、個々のジョセフソン接合の許容できる最大寸法及びジ ョセフソンアレイ全体のクラスター等によりいくらかの制限はある。主として、 ひとまとまりのジョセフソンアレイに対して、λを放出される電磁放射の波長と したときに、約λ／４の間隔で繰り返しフェーズロッキングが起こる。もし、必 要な最大動作周波数がν＝３ＴＨｚであるとすると、そのときλ＝１００μｍで あり、ν＝１ＴＨｚであるとすると、そのときλ＝３００μｍである。 それゆえ、Ｍ個のメサが並列接続を有する２次元クラスターによって占められ る全体の面積は、３ＴＨｚ動作では約２５×２５μｍ²であり、１ＴＨｚ動作の ときは、約７５×７５μｍ²以上になる。 もし、１つのメサが３×３μｍ²の面積を占めるとすると、５×５＝２５（３ ＴＨｚ動作に対して）と２０×２０＝４００（１ＴＨｚ動作に対して）間のＭが 得られる。これらのＭの値で接合間をある間隔（２μｍ）とすると、応用機器に 対して十分な、３ＴＨｚでＰ≒１０ｍＷ、１ＴＨｚでＰ≒１６０ｍＷ程度の相当 の電力レベルが期待できる。 しかしながら、負荷整合の制約によりこれらの値を薄膜技術で達成することは 大変困難である。すなわち、Ｒ_TOT＝３００Ω及びＲ＝１０ΩでＮ＝３０Ｍとな ることをもうすでにし立証している。 このように、Ｍ＝２５に対してＮ＝７５０になり、Ｍ＝４００に対してＮ＝１ ２，０００になる。これらの数は、高Ｔｃ超伝導体化合物に使用される自然のジ ョセフソン接合でさえ、１つの薄膜フィルムの中における単一メサにとっては多 き過ぎる。ｃ軸方向の代表的な周期性は１０−２０Åであるから、３ＴＨｚデバ イスに対して約７５００Å＝０．７５μｍ、１ＴＨｚに限られたデバイスに対し て１５−３０μｍのメサが必要となる。これらのメサの高さは、現在のドライ薄 膜技術にとって、非現実的な大きさである。最大約１０００Åの高さを持った均 一なメサが、ＭＢＥのような単結晶薄膜成長技術で今日では作製することができ る。これは、多分近い将来２〜３倍になるであろう。このように、自然のジョセ フソン接合に対してさえ薄膜ではＮは約１００程度に制限される。普通、人工の ジョセフソン接合では、１つの（それ以上）の高Ｔｃ超伝導体に加えて数分子層 のアンドープの高Ｔｃ超伝導体が必要であるから、Ｎはさらに小さくなる。 実際、バルクの高Ｔｃ超伝導体化合物からなる単結晶をエッチングすることに より、１−１０μｍ十分高いメサ構造を作製することは可能である。しかしなが ら、これらは理想的なフェーズロッキング及び放出される電磁放射の十分な電力 レベルを示すことはない。 それゆえ、われわれの最適化された回路設計では、薄膜技術の制約内で、図７ Ｉ及び７Ｈに示されたラインに沿って直列及び並列にメサを接続する。 １つの例として、３ＴＨｚ動作において、Ｍ＝５（すべてのメサが１つの列に 並列に接続された）でありＮ＝５×３０＝１５０の、５×５メサからなるアレイ を用いることができる。ここで、３０のジョセフソン接合を持った５つのメサが 直列に接続されている。これは、まだ、多くの応用機器に対しては十分ではない が、Ｐ_TOT ^out≒０．４ＭｍＷ＝２ｍＷの出力電力を提供できる。１ＴＨｚに対し ては、２０×２０のメサを持った大きな面積を提供することができる。 もし、隣接する列が並列に接続されたならば、Ｍ＝４０とできる。負荷整合は 各メサにおいて１２０のジョセフソン接合で達成され、１０メサが直列に接続さ れ、例えば、Ｎ＝１２００、Ｎ／Ｍ＝３０となる。ここで、Ｐ_TOT ^out＝０．４× ４０ｍＷ＝１６ｍＷである。 上述の条件は、１つのひとまとまりのジョセフソン接合アレイの場合に制限さ れていた。実際には、〔ルーケンス（Lukens）1990,ハン（Han）等1992,1994〕 に開示されているように、クラスターのような分布アレイを使用して、放出され る電磁放射の最大出力電力さらに増加させることが可能である。上記記述されて いるようにλ（ν＝１ＴＨｚで、λ＝３００μｍ）の間隔で等距離にクラスター を配置することができる。 フィルム全体を絶縁体（ＳｉＯ₂，ＭｇＯ，ＣｅＯ₂等）及び金属層（例えば、 金又は銀）で覆うことによって、図８に示すように電磁波がそれに沿って伝播す る伝送ラインを作製することができる。 かなりの長さのそのような構造においてフェーズロッキングが達成され、その ようにして、放出出力電力が増加する（分布クラスターの数によって）。しかし ながら、そのようなデバイスの欠点は、その動作が２つの連続したクラスター間 の距離と同程度の電磁放射の波長の周波数に制限されることである。このように 、周波数の可変特性を犠牲にして十分高い出力電力を得ることができる。 チップ最適化の他の形態は、アンテナの１チップ上への集積化である。ここで 、必要なデザインがされたアンテナを作製するために、好都合なことに存在する 超伝導フィルム（ＨＴＳ−１及びＨＴＳ−２）を利用することができる。 （viii）トンネルトロンマイクロ波放射源 複数のメサ（それらの間に直列及び並列の超伝導接続を普通に持っている）か らなる１つのクラスターと、伝送ラインやアンテナのような他の標準的な回路要 素とを含んでいる薄膜チップを作製すると、制御可能（約１００ｍＡまで）な電 流源と、適当な制御及び放出された放射の電力と周波数の読み出しを含む標準制 御電子ボックスに接続することができる。これは、広い周波数範囲で可変でき５ −１０ＴＨｚ以上の周波数まで狭帯域の電磁放射する完全な発生源を含む。 われわれは、本発明にかかるこの装置を（基本）トンネルトロンと呼ぶ。それ は、図１Ａに概要が示されている。 （ix）適用性のある進んだトンネルトロン 本発明の装置のより進んだ拡張されたものは、上述のセクション（viii）に示 されているように、それぞれセクション（v）、（vi）及び（vii）に示されたよ うに超伝導コンタクトによって接続されているジョセフソン接合が自然又は人工 的に積層された直列アレイを含む複数のメサからなる多くのクラスターを含んで いる。ここで、そのような各クラスターは、外部制御のためのコンタクトとは分 離され、個々に制御される。これはユーザーに個々のクラスターのオンオフ制御 と回路の動作部分の効果的な幾何学形状変更の可能性を提供するものである。わ れわれは、本発明のこの装置を、進んだ適用性のあるトンネルトロンを略してＡ Ａ−トンネルトロンと呼ぶ。 ＡＡ−トンネルトロンの動作原理は、図９に示されている。単純にするために 、各クラスターは、例えば単一線形積層ジョセフソン接合アレイの単一メサから なり、Ｍ＝１でＮ＝３０の場合の例を示している。例えば、負荷インピーダンス が真空と整合され、各コラムは出力電力のために最適化されていると仮定されて いる。 各コラムはさらに、外部から標準的な電子制御回路によって別々に電気的に制 御することができると仮定されている。 全体的に見れば、この状態は図２Ａに概略示された１つに対応する。個々のコ ラムは、フェーズロックし、それらは十分近接（λ／４以内、ここで、λは放出 された電磁放射の波長である。）して設けられ、十分均一である（個々のジョセ フソン接合のＩｃ及びＲにおける広がりは、±５％以内である。）。 フェーズロッキング状態のもとでは、出力電力はＭ²に従う。ここで、Ｍは個 々のコラムの数である。 図９において、それぞれ人工的又は自然の積層されたジョセフソン接合の線形 アレイからなると仮定されたコラム（メサ）の２次元アレイのいくつかの可能な 形態を示している。各コラムはさらに別々に制御（コンタクトはしめされていな い。）することができ、放出出力電力のために最適化されていると仮定されてい る。 全てのジョセフソン接合はフェーズロックされると仮定されている。（これは 、上のセクション（vii）で説明したように、例えば、ＴＨｚ動作を必要とする 限 り、アレイの横幅は約２５−１００μｍに制限されるというような、実際には幾 何学的及び物理的な制約をもたらす）。他が放出している間にいくつかのコラム をスイッチングすることにより、ほぼ円形（図９Ａ）から伸ばされた及び長方形 に（図９Ｂ及び９Ｃ）、三角形（図９Ｄ）にアレイの効果的な幾何学形状を変化 させることが可能である。これは、ＡＡ−トンネルトロンのアイデアを説明して いる：放出されたマイクロ波ビームの幾何形状、焦点又は焦点外れ、掃引を電気 的に変化させることができる。 （x）高Ｔｃ超伝導体材料のバルク単結晶を使用したトンネルトロンの第２の具 体例 実際に、その技術における平均的な知識を持った者にとって、上のセクション （ii）−（ix）に記述されたプロセスと装置は、高Ｔｃ超伝導体の高品質な単結 晶を含んでいる極めて類似したステップによって作製することができる。上導電 電極としての他の高Ｔｃ超伝導体層（ＨＴＳ−２）の過成長の後と同様、エッチ ングとイオンミリングを含む同じフォトリソグラフィー技術とステップをこの場 合も適用できる。ここの主要な制限ファクターは、１つのメサと異なるメサとの 間のジョセフソン接合の均一性である。それ以外のものとして、ｊ_cやＲのよう な材料パラメーターの制御に関する制限された適用性である。しかし、これらの 制約の中で、本発明のトンネルトロンの中に具体化され、本発明の他の特別な具 体例に用いられている同じ考え方をここで実行することができる。 （xi）従来の（低温）超伝導体材料を使用したトンネルトロンの第３の具体例 さらに本発明の装置の類似した具体例は、例えば、Ｎｂ／ＡｌＯ_x／Ｎｂ又は ＮｂＣＮ／ＭｇＯ／ＮｂＣＮチャンネル接合等の従来の（低温）超伝導材料を使 用することにより実現される。その技術の通常の知識を有するものにとって明ら かなように、これらの超伝導材料をまた有する本発明の装置を作成するために、 極めて類似した薄膜成長技術及びフォトリソグラフィーステップを使用すること ができる。この場合、材料パラメーターが不利であるために、いくつかの新たな 制約が生じるであろう。第一に、低い臨界温度（ＮｂではＴｃ＝９．２Ｋ、Ｎｂ Ｎ又はＮｂＣＮではＴｃ＝１６Ｋ等）のために、これらの材料におけるギャップ 周波数はまた、高Ｔｃ超伝導体材料におけるこれらに比較してかなり低くなる （νｇ＝５−１０ＴＨｚまで）。それゆえ、低温超伝導体のものは低い周波数に 限られる。 第２の制約は、従来の（低温）超伝導体におけるより長い超伝導コヒーレンス 長によるものである。この理由は、この場合、１つのメサ又はジョセフソン接合 の積層体の中の特別の内部電極を含む十分厚い超伝導電極を使用しなければなら ないからである。同じトータルのフィルムの厚さに対して、より少ないジョセフ ソン接合を得なければならない。実際、垂直に５−１０以上積層されたジョセフ ソン接合をこの方法で作製することは困難である。 最後の限定は、より低いＴｃから生じるものである。この場合、原理がさらに 複雑でより高価なクライオ冷却器を必要とする低い動作温度（例えば、４．２Ｋ 又は液体ヘリウム）が必要である。 しかしながら、これらの制約はあるけれども、本発明の他の具体例と同様従来 の低Ｔｃ超伝導体を使用することにより、この発明の装置（トンネルトロン）も また作製することが可能である。 応用：電子部品、サブシステム及びトンネルトロンをベースとするシステム あるレーザー及び後進波管（カルシノトロン）はサブミリ波領域で動作するが 、それらはおおきな電力消費を伴い扱いにくい。インパット又はガンダイオード のような固体発振器は、ミリ波領域に制限される。アレイの中に集められ、かつ 最適出力のために負荷整合されたジョセフソン接合は電圧制御することができ、 テラヘルツ周波数領域において広い周波数帯をカバーすることができる。 スペクトルの可視及び近赤外領域において同様のコンセプトである電磁放射の 量子検出は、数少ないメーザー増幅器の共振周波数において中心に位置する狭い バンド幅においてのみスペクトルのマイクロ波及びミリ波部分で可能である。こ の周波数領域をカバーする標準的な技術は、古典的な整流器やヘテロダインミキ サーとしてのショットキーバリアダイオードのような非線型抵抗エレメントを使 用することである。それらの動作は、量子検出のようなフォトンとキャリアの変 換というよりはむしろ周波数の間の電力の変換に基づいている。 ＳＩＳチャンネル障壁の単一粒子トンネリングにおける直流Ｉ−Ｖ特性の急な 非線形性は、抵抗性ミキシングの道具を提供する。 そのようなミキシングエレメントとしてのジョセフソン接合を有するヘテロダ イン受信機は、数１００ＧＨｚまでの周波数において、量子限界に接近した感度 を示している。ヘテロダイン受信機の機能は、周波数ν_sの弱い入力信号と大き な振幅の局部発振器の周波数ν_L0の大きな振幅とを混合することであり、これに よって、中間の周波数ν_if＝｜ν_s−ν_LO｜の出力を発生し、さらに電気的処理 に使用される。ナノセカントあたり１つのフォトンの到達率を有するフォトンの 流れは、そのようなデバイスの代表的な検出電力の値である。星と星との間（惑 星間）の物質の探索活動のために非常に注目されている、スペクトルのミリ波及 びサブミリ波の電波天文学は、宇宙の構造の解明において多いに役立つ可能性が ある。 λ＝２．６ｎｍの波長を有する、星と星との間にある一酸化炭素（ＣＯ）から の１１５ＧＨｚの回転放出は、提案されたデバイスが有機及び無機材料の地球に 向かうマイクロ波分光学に適用できる可能性を示している。 通常の用語としての分光学は、励起源の放射周波数に関係した電磁放射の放出 と吸収の研究を意味する。トンネルトロンデバイスは、吸収と放出によって研究 中の目的物の励起及びそれらの応答の検出の双方に使用される傑出した新しい特 別の可能性を提供する。 １つの例として、トンネルトロンは、プロセスの相互作用、種々の外部パラメ ーター及び時間分解方法における関数としてのこれらすべてと同様に、蒸気、液 体及び固体中の無機及び有機化合物の化学組成、幾何及びエネルギー構造に関す るモニタリングが可能であると考えられ、このように発明のデバイスにとって幅 広い応用分野を開くことができる。実際、たとえば、適当なサブミリメーター電 磁放射による応答励起後の、露出された又は隠された化学物質（薬、プラスチッ ク．．．）の検出、特別の材料特性（水分、固体中の不純物）に対する品質制御 デバイスのような、分光特性を使用することができる他に関係した多くの問題が ある。 これらはまた、本発明のデバイスに新しい応用の広い分野をもたらす。 コヒーレント及び可変放射源としての、特に具体例の中のメーザーとしてのト ンネルトロンは、フォログラフィーや干渉計に使用することができる放出された 放射界（コヒーレントで単色）の波を提供することができる。 フォログラフィーは、原理的には、乱されていないビームと観測される対象から 反射されたビームが検出媒体上で干渉して結んだ特有のフォトグラフィク像を創 る方法である。 この干渉パターンの復元は、対象物の３次元画像を提供する。対象物の前にあ る障害物（可視光に対して不透明であるが、対応するミリメーター又はサブミリ メーター放射に対しては透過させることができる）を通って伝送する能力と同様 にコヒーレントトンネルトロン源の周波数を変化させる能力は、さらに多くの応 用機器への展望を開くものである。 通信やデータ伝送（例えば、画像伝送）は、現在、ＩＴＵ（国際電気通信連合 ）によって管理され調整されている周波数帯を大きく超える周波数をカバーする その能力により影響を与えている、ここに提案されたデバイスの他の分野の応用 機器である。新しい周波数領域は、衛星又は地上通信に対してかなり増加された 新しいチャンネル数を提供する（２０ＭＨｚのチャンネル幅とすると、５ＴＨｚ 幅の周波数帯域は約２５０，０００チャンネルを含むであろう。これに比較して 、ＩＴＵによってヨーロッパ、アフリカおよびソビエト連邦に割り当てられた１ １．７．．．１２．５ＧＨｚの周波数帯（領域１）では、１９．１８ＭＨｚの衛 星通信のチャンネルが４０チャンネルである）。４ｋＨｚ帯域幅の電話通信では 、この場合そのような高い搬送周波数において２０億通話チャンネルとなる。 高い品質の伝送はパルスコード変調（ＰＣＭ）を有するデジタルシステムを必 要とする。 周波数変調はＣＣＩＲによって上限として推薦されている３ｐＷ／ｋｍ（約、 ５２ｄＢ）以上に雑音電力を増加させるであろう。 デジタルシステムでは、中間の中継ステーションにおいて信号を訂正すること ができ、誤りの蓄積を避けている。 大きい電話チャンネル数の全ての利点、サブミリ波に対する人間の皮膚の小さ い吸収深さの効能による危険な放射の負荷を減らせるという別の利益により、完 全な地上マイクロ波中継通信ネットワーク、新しい周波数領域におけるインター ネット広帯域無線リンク及び広帯域衛星通信リンクの構築さえも可能とするであ ろう。 遠くの衛生又は下にある大気空間又は地球表面の離れた観察のための多周波撮 像マイクロ波ラジオメーターは、実用的な高い可能性を有する。未来の衛星の離 れた探索は、現在の７つのスペクトルバンド以上カバーする多重スペクトル装置 を持つ代わりに、さらに多くのスペクトルバンドにおける像を集めるハイパース ペクトル機器を持つことになるであろう。最近、注目された飛んでいるヘリコプ ターからのパノラマ観察は、空港に接近及び離陸している飛行機からと同様に、 操縦のしやすさおよび通常の安全性に衝撃を与えるであろう。道路交通（自動車 エレクトロニクス）に対しても同様であり、同様の環境のもとにおけるロボット の応用に対してさえ同様である。基本的な要求は、高い周波数、可変であること 、単色であること、そして大変進んだサブミリ波源及び検出器であることと、強 力である。そのようなデバイスは、本発明によって提供される。本発明にかかる 、チップ上にミリメーター及びサブミリメーター放射の放出器と検出器を集積す ることができるデバイスは、無線位置認識システム、無線航行システム、無線電 子偵察及び無線電子逆探等の最も普通の意味のレーダー応用機器に適している。 民間及び軍隊応用機器としての低出力レーダーはコンパクトであることが必要 とされる。動いている対象物の速度の決定に使用することができるので、自動車 の衝突防止システムが改善されるであろう。侵入防止及び交通モニターに対して も同様である。 トンネルトロンは、シンセティク・アパーチァー・レーダー（ＳＡＲ）応用の アクティブセンサーとして動作させることができるであろう。ＳＡＲシステムは 、マイクロ波を目標物（衛星からの遠隔検出の時の地上を考える）に対して発し て、戻されたエコーを検出する。放出器の細かいチューニングは、大気の吸収最 小値内の周波数に位置させておく。改良されたトンネルトロンの電子スキャン能 力は、さらに別の利点を提供する。本発明のデバイスのバイオロジカル及び医学 的応用は、大きく直接前進させる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．基板と、該基板の上に設けられかつ垂直に積層されたジョセフソン接合の直 列アレイの中に連続した層を含んでいる超伝導薄膜フィルムを含み、さらに電気 下及び上コンタクト上の、上記超伝導フィルムから作製された１又は複数の超伝 導メサ構造物及び電圧と電流を電極に供給する手段とを含み、 上記メサが両側の超伝導電気端コンタクトの間に一体的に集積化され、かつ該 手段は相互に群をなして接続されているこれらの超伝導メサのうちのどのような 部分数に対しても設けられ制御することを特徴とするジョセフソン接合アレイデ バイス。 ２．複数の固有のジョセフソン接合積層体を含むｃ軸配向された高Ｔｃ超伝導体 をエピタキシャル成長させて作製された請求項１記載のジョセフソン接合アレイ デバイス。 ３．超伝導電極として動作する複数の高Ｔｃ超伝導体層の間に障壁層を挿入する ことにより人工的に作製されたジョセフソン接合積層体を有する請求項１記載の ジョセフソン接合アレイデバイス。 ４．高Ｔｃ超伝導体材料の臨界温度を減少させる選択的ドーピングによって障壁 層が形成された請求項１記載のジョセフソン接合アレイデバイス。 ５．複数の固有のジョセフソン接合積層体を含む高Ｔｃ超伝導体単結晶で作製さ れた請求項１記載のジョセフソン接合アレイデバイス。 ６．各金属−絶縁体−金属ユニットがジョセフソン接合の性質を有するように設 計された金属−絶縁体−金属の超伝導超格子で作製された請求項１記載のジョセ フソン接合アレイデバイス。 ７．超伝導多層フィルムは分子線エピタキシー（ＭＢＥ）及びそれに類似した、 例えば、原子層エピタキシー（ＡＬＥ）、ファインフォーカスイオンビームエピ タキシー（ＦＩＢＥ）等によりエピタキシャル成長された請求項１〜６のうちの いずれか１項に記載のジョセフソン接合アレイデバイスを作製する方法。 ８．ＭＢＥ装置は境界面検査及びフィルムの成長を制御するための分光手段を有 している請求項７記載のジョセフソン接合アレイデバイスを作製する方法。 ９．（ａ）高Ｔｃ超伝導体フィルムを略１００−２００ｎｍの厚さに適当なウエ ハ上に形成すること、 （ｂ）冷却して、保護膜を１−１０ｎｍの厚さに上記高Ｔｃ超伝導体フィルム上 に形成すること、 （ｃ）上記膜上にアレイを形成するためにリソグラフィーを適用し、上記膜を介 して上記形成された高Ｔｃ超伝導体フィルムの中間までイオンミルすること、 （ｄ）絶縁フィルムを形成し、上記メサ上のフォトレジストを分解すること、 （ｅ）温度サイクルを与え、初期のコラム（メサ）上表面を再現するために保護 膜を除去すること、 （ｆ）上コンタクトを定義するために全体の上表面上に第２超伝導体フィルムを 形成すること、 （ｇ）上記上及び下高Ｔｃ超伝導体電極上に金属コンタクトを形成すること、 をさらに含む請求項２、３又は７記載のジョセフソン接合アレイデバイスを作 製する方法。 １０．（ａ）第１高Ｔｃ超伝導体フィルム（ＨＴＳ−１）を上記保護膜上に形成 すること、 （ｂ）スピン−オン、露光、及びメサエッチのためにフォトレジストを形成する こと、 （ｃ）メサ構造の境界を定めるためのエッチングまたはイオンミルすること、 （ｄ）絶縁体を形成すること、 （ｅ）フォトレジストを分解し、その上の絶縁体をリフトオフすること、 （ｆ）成長槽において蒸発させることにより、上記保護膜を除去すること、 （ｇ）上記第２高Ｔｃ超伝導体層（ＨＴＳ−２）を形成すること、 （ｈ）スピン−オン、露光、及びセグメントの境界を定めるエッチングのための フォトレジストを形成すること、 （ｉ）上記クラスター構造の境界を定めるためのエッチング又はイオンミルする こと、 （ｊ）フォトレジストを分解すること、 （ｋ）上記上と下高Ｔｃ超伝導体電極上に金属コンタクトを形成すること、 をさらに含み、 メサ構造における線形ジョセフソン接合アレイの間に、平行な超伝導体コンタ クトをさらに作製することを有する請求項２、３又は７記載のジョセフソン接合 アレイデバイスを作製する方法。 １１．（ａ）上記第１高Ｔｃ超伝導体フィルム（ＨＴＳ−１）と保護膜とを形成 し、メサの境界を定めるためのエッチング、絶縁体を形成、フォトレジストを除 去すること、 （ｂ）上記２つのクラスターを分離する上記トレンチを形成するためにエッチン グ除去すること及びフォトレジストを除去すること、 （ｃ）上記保護膜を除去すること上記第２高Ｔｃ超伝導体フィルム（ＨＴＳ−２ ）を形成すること、 （ｄ）フォトレジストをスピンオンし、慎重に調整、露光、促進及び上記高Ｔｃ 超伝導体層（ＨＴＳ−２）においてセグメントを分離する上記トレンチをエッチ ングすること、 （ｅ）上記上及び下高Ｔｃ超伝導体電極上に、金属コンタクトを形成すること、 をさらに含むメサ間の直列接続及びメサ間の並列接続の双方を作成することが できる請求項１０記載のジョセフソン接合アレイデバイスを製造する方法。 １２．（ａ）少なくとも１超伝導コヒーレント長の厚さに第１金属フィルム（Ｍ ）をエピタキシャル成長させること、 （ｂ）第１金属フィルム上に薄い絶縁体（Ｉ）をエピタキシャル作製すること、 （ｃ）少なくとも１超伝導コヒーレント長の厚さに第２金属フィルムを上記絶縁 体上にエピタキシャル成長させること、 （ｄ）第２の薄い絶縁体を上記第２金属フィルム上にエピタキシャル成長させ、 （ａ）〜（ｄ）を２−１００回繰り返すこと、 （ｅ）保護膜を形成すること、 （ｆ）その最上層の上にアレイの境界を定めるためにリソグラフィーを適用し、 上記保護膜を介して上記形成されたＭＩＭ構造の中間までイオンミルすること、 （ｇ）絶縁体フィルムを形成し、上記メサ上の上記フォトレジストを分解するこ と、 （ｅ）温度サイクルを与え、コラム（メサ）の上表面を初期状態に戻すために保 護膜をリフトオフすること、 （ｆ）上コンタクトの境界を定めるために、上記結晶性のコラムの上に厚い金属 層を形成すること、 を含む請求項６又は７記載のジョセフソン接合アレイデバイスを製造する方法 。 １３．上記超伝導多重フィルムは化学気相成長（ＣＶＤ）及び類似の方法でエピ タキシャル成長されている請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載のジョセフ ソン接合アレイデバイスの作製方法。 １４．上記超伝導層システムはパルスレーザー成長（ＰＬＤ）及び類似の方法で 成長されている請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載のジョセフソン接合ア レイデバイスの作製方法。 １５．上記ＰＬＤ装置は、境界面検査及びフィルムの成長を制御するための分光 手段を有している請求項１４記載のジョセフソン接合アレイデバイスを作製する 方法。 １６．上記超伝導層システムはスパッタ成長（ＳＤ）及び類似の方法で成長され ている請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載のジョセフソン接合アレイデバ イスの作製方法。 １７．上記ＳＤ装置は、フィルムの成長を制御するための分光手段を有している 請求項１６記載のジョセフソン接合アレイデバイスを作製する方法。 １８．上記高Ｔｃ超伝導体はバルクの単結晶材料として成長されている請求項１ 〜６のうちのいずれか１項に記載のジョセフソン接合アレイデバイスの作製方法 。 １９．上記デバイスは、アレイの境界を定めるマスクを使用することによって作 製されている請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載のジョセフソン接合アレ イデバイスの作製方法。 ２０．少なくとも２〜数千の並列接続されたコラムからなる線形又は２次元横ア レイを含み、 上記コラムはそれぞれ、共通の超伝導ベースと上コンタクトの間において、２ 〜２０００の垂直に積層されたジョセフソン接合を含んでなり、上記ジョセフソ ン接合が交流駆動されるように制御可能な電流源に接続するための手段を有して いる請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載のジョセフソン接合アレイデバイ ス。 ２１．上記接触手段が検出体制の中で電圧測定をする請求項２０記載のジョセフ ソン接合アレイデバイス。 ２２．２つのセグメントに分割された超伝導上コンタクトを含み、それぞれ多重 並列接続されたコラムを含んでいる上記２つのセグメントの間を制御可能な電流 源を接続するための手段によって直列接続した請求項２０記載のジョセフソン接 合アレイデバイス。 ２３．上記上コンタクトは、並列接続されたコラムを有する３又はそれ以上のセ グメントに分割され、３又はそれ以上のセグメントの直列接続が達成されるよう に制御可能な電流源に接続する手段を有する請求項２０記載のジョセフソン接合 アレイデバイス。 ２４．あるセグメントの交流支配に作用し又は抑圧するための外部手段よって、 利用できるどのセグメントも独立して利用できる請求項２０、２１及び２３のい ずれかに記載のジョセフソン接合アレイデバイス。 ２５．他のセグメントの交流（放出）支配と同時に、いくつかのセグメントの集 積化された検出器を創設するための外部手段によって、利用できるどのセグメン トも独立して利用できる請求項２０、２１及び２３のいずれかに記載のジョセフ ソン接合アレイデバイス。 ２６．高出力電力のために曲がりくねったマイクロストリップラインに沿って波 長間隔で設けられ、直列に接続されたトンネルトロンセグメントからなる分布ア レイが形成された請求項２３記載のジョセフソン接合アレイデバイス。 ２７．前の請求項のうちのいずれか１つに記載のジョセフソン接合アレイデバイ スを基礎とした通信及びデータ伝送用のミリメーター及びサブミリメータースペ クトル領域における電磁放射の放出器及び／又は検出器（センサー） ２８．請求項１から２６のうちのいずれか１つに記載のジョセフソン接合アレイ デバイスを基礎としたパノラマ観測を含むレーダー応用機器用の、モノリシック 電磁放射放出−検出デバイス。 ２９．請求項１から２６のうちのいずれか１つに記載のジョセフソン接合アレイ デバイスを基礎とした、焦点シフト波動特性（例えば、画像フォログラフィーに 使用される）を有する放出及び検出デバイス。 ３０．請求項１から２６のうちのいずれか１つに記載のジョセフソン接合アレイ デバイスを基礎とした、空間的に分割された複数の受信機又は複数の検出器の位 置を調整するための掃引特性を有する放出デバイス。 ３１．請求項１から２６のうちのいずれか１つに記載のジョセフソン接合アレイ デバイスを基礎とし、衛星を基礎とした統合アパーチャーレーダー（ＳＡＲ）用 の放出及び検出デバイス。 ３２．請求項１から２６のうちのいずれか１つに記載のジョセフソン接合アレイ デバイスを基礎とした、多重周波数撮像マイクロ波ラジオメーター応用機器用の ミリメーター及びサブミリメーター電磁放射のためのモノリシック放出−検出デ バイス。 ３３．請求項１から２６のうちのいずれか１つに記載のジョセフソン接合アレイ デバイスからなる手段によって、コード化及び暗号化に使用されるミリメーター 及びサブミリメータースペクトル領域における電磁放射モノリシック放出−検出 デバイス。 ３４．請求項１から２６のうちのいずれか１つに記載のジョセフソン接合アレイ デバイスを基礎としたマイクロ波分光器用の放出及び検出デバイス。 ３５．請求項１から２６のうちのいずれか１つに記載のジョセフソン接合アレイ デバイスを基礎とした天文観測機器用のヘテロダインミキサーに局部発振器とし て用いられる放出デバイス。