JP2005340453A - 酸化物高温超伝導体高周波素子の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】入力交流電力に対する非線形効果が小さい酸化物高温超伝導体高周波素子を提供する。
【解決手段】酸化物高温超伝導体高周波バンドパスフィルタは、マイクロストリップ線路で形成される。マイクロストリップ線路は、誘電体基板１と、誘電体基板１の表面に選択的に形成された酸化物高温超伝導体薄膜からなる線路導体２と、誘電体基板１の裏面全体に形成された酸化物高温超伝導体薄膜からなる接地導体とから構成される。酸化物高温超伝導体薄膜を誘電体基板１上に成膜し、成膜後に酸素雰囲気中で熱処理することにより酸化物高温超伝導体の酸素欠損を補償する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、酸化物高温超伝導体を用いた高周波素子の作製方法に関するものである。

酸化物高温超伝導体を用いた高周波素子は、損失が低いことを利点として、実用化が進んでいる（例えば、非特許文献１参照）。ところが、超伝導体は、非超伝導金属に比べて複素伝導度の非線形性が著しく大きい。そのために、超伝導体部分を通過する交流電力が大きい場合、超伝導体部分での複素伝導度の非線形効果が回路特性の劣化を招く。この非線形効果には、超伝導体部分の表面抵抗の増大と、超伝導体部分からの高調波および相互変調波の発生が含まれる（例えば、非特許文献２参照）。特に酸化物高温超伝導体の場合、この非線形効果のために発生する相互変調波の強度は、酸素欠損量が増えると急激に増大する。酸化物高温超伝導体を用いた高周波素子では、素子構造を作成する過程で、酸化物高温超伝導体中の酸素欠損量が増大することによって、相互変調波の発生強度が増大する。そのために、酸化物高温超伝導体高周波素子における入力可能な交流電力の上限値が著しく小さくなる問題があった。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
Ｂ．Ａ．ウイレムセン（B.A.Willemsen ），「ＨＴＳフィルタサブシステムズフォアワイヤレステレコミュニケーションズ（HTS Filter Subsystems for Wireless Telecommunications ）」，アイイーイーイートランザクションズオンアプライドスーパーコンダクティビティ（IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY），２００１年３月，第１１巻，第１号，ｐ．６０−６７ Ｄ．Ｅ．オーテス（D.E.Oates ），「ノンリニアビヘイビアオブスーパーコンダクティングデバイスズ（NONLINEAR BEHAVIOR OF SUPERCONDUCTING DEVICES ）」，マイクロウエーブスーパーコンダクティビティ（Microwave Superconductivity ），クルワーアカデミックパブリシャーズ（Kluwer Academic Publishers），２００１年，ｐ．１１７−１４８

以上のように、酸化物高温超伝導体を用いた従来の高周波素子では、入力交流電力に対する非線形効果が大きく、この非線形効果のために発生する相互変調波の強度が大きいので、入力可能な交流電力の上限値が著しく小さくなり、実際の応用に適していないという問題点があった。
本発明の目的は、入力交流電力に対する非線形効果が小さく、従って最大許容電力値が大きい酸化物高温超伝導体高周波素子を得るための素子作製方法を提供することにある。

本発明は、酸化物高温超伝導体を用いた高周波素子の作製方法において、基板上に前記酸化物高温超伝導体を形成途中に又は形成後に、前記酸化物高温超伝導体の酸素欠損を補償する補償工程を備えるようにしたものである。
また、本発明の酸化物高温超伝導体高周波素子の作製方法の１構成例において、前記補償工程は、酸素雰囲気中での熱処理により前記酸化物高温超伝導体の酸素欠損を補償するようにしたものである。
また、本発明の酸化物高温超伝導体高周波素子の作製方法の１構成例において、前記補償工程は、電気化学的酸素充填により前記酸化物高温超伝導体の酸素欠損を補償するようにしたものである。
また、本発明の酸化物高温超伝導体高周波素子の作製方法の１構成例において、前記補償工程は、オゾンを含む活性化酸素中に前記酸化物高温超伝導体を晒すことにより前記酸化物高温超伝導体の酸素欠損を補償するようにしたものである。

本発明によれば、酸化物高温超伝導体の酸素欠損を補償することにより、入力交流電力に対する非線形効果が小さい酸化物高温超伝導体高周波素子を実現することができ、より大きな交流電力を扱う用途への酸化物高温超伝導体高周波素子の利用を可能にすることができる。これにより、種々の高周波装置の損失の低減が期待できる。一例としては、近年急速に普及が拡大している携帯電話機や無線ＬＡＮなどに代表される種々の無線通信システムの送信部の部品としての利用が可能になることが予想される。

本発明は、酸化物高温超伝導体高周波素子の作製方法において、素子構造を形成する過程または形成した後で酸化物高温超伝導体の酸素欠損を補償することを最も主要な特徴とする。酸化物高温超伝導体の酸素欠損量は、素子構造形成過程において増大するため、この酸素欠損の補償を、素子構造形成過程の途中又はその後に行うことが特に重要である。酸素欠損の補償方法としては、１５０℃から５００℃の間の温度で酸素分圧１０^-3以上の雰囲気に酸化物高温超電導体を晒す熱処理や、電解質溶液中に酸化物高温超電導体を参照電極と共に浸し、酸化物高温超電導体と参照電極との間に電圧を印加する電気化学的酸素充填、オゾンを含む活性化酸素に酸化物高温超電導体を晒す処理などがある。

本発明は、素子構造形成過程の途中又はその後に酸化物高温超伝導体の酸素欠損を補償する工程を経る点が従来の技術とは異なる。その結果、本実施の形態では、従来よりも酸化物高温超伝導体中の酸素欠損量が少なくなる。酸化物高温超電導体中の酸素欠損量が減少することによって、相互変調波の発生強度が減少する。したがって、本発明によれば、従来よりも入力可能な交流電力の上限値が大きい酸化物高温超伝導体高周波素子を実現できる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態で作製した酸化物高温超伝導体高周波バンドパスフィルタの構成を示す平面図である。図１に示す酸化物高温超伝導体高周波バンドパスフィルタは、マイクロストリップ線路で形成されている。マイクロストリップ線路は、誘電体基板１と、誘電体基板１の表面に選択的に形成された酸化物高温超伝導体薄膜からなる線路導体２と、誘電体基板１の裏面全体に形成された酸化物高温超伝導体薄膜からなる接地導体（不図示）とから構成されている。線路導体２を平面視Ｕ字型に形成することにより、共振器が構成されている。図１の例では、共振器を３個容量結合することで、高周波バンドパスフィルタを構成している。

３個の共振器のうち一端（図１では左端）の共振器には、給電線路の線路導体４が容量結合され、他端（図１では右端）の共振器には、給電線路の線路導体５が容量結合されている。さらに、線路導体４，５の端部には、それぞれ金電極６，７が形成されている。
一方の金電極６（または７）から入力された高周波信号のうち、酸化物高温超伝導体高周波バンドパスフィルタの通過帯域内の周波数成分だけがバンドパスフィルタを通過して、他方の金電極７（または６）から出力される。通過帯域外の周波数成分は、入力側の金電極６（または７）に反射される。

図２は図１の酸化物高温超伝導体高周波バンドパスフィルタの共振器の構成を示す断面図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。図２において、３は酸化物高温超伝導体薄膜からなる接地導体である。
本実施の形態では、以上のような酸化物高温超伝導体高周波バンドパスフィルタを酸化物高温超電導体の１種であるＮａＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇ の薄膜を用いて作製した。この薄膜を分子線エピタキシー法によって誘電体基板１上に成膜し、成膜後に酸素分圧１気圧、処理温度１５０℃以上４００℃以下、処理時間１２時間の条件で熱処理した。

酸素中での熱処理によって酸素欠損を補償した本実施の形態の酸化物高温超伝導体高周波バンドパスフィルタと酸素欠損を補償していない従来の酸化物高温超伝導体高周波バンドパスフィルタの耐電力特性を図３に示す。フィルタの耐電力特性の指標には、相互変調測定法から決定されるＩＰ₃ 値を用いた。図３において、１１が本実施の形態の酸化物高温超伝導体高周波バンドパスフィルタのＩＰ₃ 値であり、１２が従来の酸化物高温超伝導体高周波バンドパスフィルタのＩＰ₃ 値である。

交流回路が非線形性を持つ場合、異なる周波数ｆ₁，ｆ₂を持つ２つの交流電気信号を同時に回路に入力したとき、周波数ｆ₁，ｆ₂の信号と共に、周波数（２×ｆ₁−ｆ₂），（２×ｆ₂−ｆ₁）の信号が出力される。周波数ｆ₁，ｆ₂の信号を基本信号、周波数（２×ｆ₁−ｆ₂），（２×ｆ₂−ｆ₁）の信号を３次相互変調信号と呼ぶ。交流回路の非線形性が強いほど、同じ入力信号の強度に対して、３次相互変調信号強度の基本信号強度に対する比が大きい。また、入力信号強度が大きいほど、３次相互変調信号強度の基本信号強度に対する比が大きい。３次相互変調信号強度が基本信号強度に一致する入力信号強度をＩＰ₃ と表記し、回路の非線形性を表す指標として用いる。

一般には、基本信号強度と３次相互変調信号強度の入力信号強度依存性を図４のように破線で示した２つの直線で外挿したとき、この２つの直線の交点での入力信号強度をＩＰ₃ として決定する。ＩＰ₃ は、回路の非線形性が大きいほど小さい。
図３に示すように、本実施の形態の酸化物高温超伝導体高周波バンドパスフィルタでは、従来の酸化物高温超伝導体高周波バンドパスフィルタに比べて各温度でのＩＰ₃ が５−１０ｄＢ増大していることが分かる。このことは、本実施の形態により、従来に比べて入力交流電力に対する非線形効果が小さく、従って最大許容電力値が大きい酸化物高温超伝導体高周波バンドパスフィルタが得られることを示している。

［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、酸化物高温超伝導体高周波素子の１例としてバンドパスフィルタを説明したが、これに限るものではなく、例えば電力分配合成器に本発明を適用してもよい。図５（Ａ）は本発明の第２の実施の形態で作製した酸化物高温超伝導体電力分配合成器の構成を示す平面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の電力分配合成器の断面図である。図５に示す酸化物高温超伝導体電力分配合成器は、マイクロストリップ線路で形成されている。マイクロストリップ線路は、誘電体基板２１と、誘電体基板２１の表面に選択的に形成された酸化物高温超伝導体薄膜からなる線路導体２２，２２ａ，２２ｂと、誘電体基板２１の裏面全体に形成された酸化物高温超伝導体薄膜からなる接地導体２３とから構成されている。線路導体２２を途中で２分岐させ、分岐させた線路導体２２ａ，２２ｂをそれぞれの終端付近で抵抗２４を介して接続し、ウイルキンソン型の電力分配合成器を構成している。線路導体２２，２２ａ，２２ｂの端部には、それぞれ金電極２５，２６，２７が形成されている。

金電極２５から入力された高周波電流は、線路導体２２から線路導体２２ａ，２２ｂのそれぞれに二等分され、金電極２６，２７のそれぞれに同相かつ入力時の半分の強度で出力される。こうして、図５の素子は電力分配器として機能する。一方、金電極２６，２７のそれぞれに同相で入力された高周波電力は、合成され、全て金電極２５に出力され、金電極２６，２７には出力されない。こうして、図５の素子は電力合成器として機能する。

本実施の形態では、以上のような酸化物高温超伝導体電力分配合成器を酸化物高温超電導体の１種であるＮａＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇ の薄膜を用いて作製した。この薄膜を分子線エピタキシー法によって誘電体基板２１上に成膜し、成膜後に第１の実施の形態と同様に熱処理した。これにより、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

本発明は、比較的大きな交流電力を扱う用途に利用できる。一例としては、近年急速に普及が拡大している携帯電話や無線ＬＡＮなどに代表される種々の無線通信システムの送信部の部品としての利用が可能になる。

本発明の第１の実施の形態で作製した酸化物高温超伝導体高周波バンドパスフィルタの構成を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態の酸化物高温超伝導体高周波バンドパスフィルタにおける共振器の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態の酸化物高温超伝導体高周波バンドパスフィルタと従来の酸化物高温超伝導体高周波バンドパスフィルタの耐電力特性を示す図である。 ＩＰ₃ の決定方法を説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態で作製した酸化物高温超伝導体電力分配合成器の構成を示す平面図および断面図である。

符号の説明

１、２１…誘電体基板、２、２２、２２ａ、２２ｂ…マイクロストリップ線路の線路導体、３、２３…接地導体、４、５…給電線路の線路導体、６、７、２５〜２７…金電極、２４…抵抗。

Claims (4)

1. 酸化物高温超伝導体を用いた高周波素子の作製方法において、
   基板上に前記酸化物高温超伝導体を形成途中に又は形成後に、前記酸化物高温超伝導体の酸素欠損を補償する補償工程を備えることを特徴とする酸化物高温超伝導体高周波素子の作製方法。
2. 請求項１記載の酸化物高温超伝導体高周波素子の作製方法において、
   前記補償工程は、酸素雰囲気中での熱処理により前記酸化物高温超伝導体の酸素欠損を補償することを特徴とする酸化物高温超伝導体高周波素子の作製方法。
3. 請求項１記載の酸化物高温超伝導体高周波素子の作製方法において、
   前記補償工程は、電気化学的酸素充填により前記酸化物高温超伝導体の酸素欠損を補償することを特徴とする酸化物高温超伝導体高周波素子の作製方法。
4. 請求項１記載の酸化物高温超伝導体高周波素子の作製方法において、
   前記補償工程は、オゾンを含む活性化酸素中に前記酸化物高温超伝導体を晒すことにより前記酸化物高温超伝導体の酸素欠損を補償することを特徴とする酸化物高温超伝導体高周波素子の作製方法。
   

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