JP2674680B2

JP2674680B2 - 超伝導超格子結晶デバイス

Info

Publication number: JP2674680B2
Application number: JP6025512A
Authority: JP
Inventors: 銀一郎大矢; 晃亘入江
Original assignee: 宇都宮大学長
Priority date: 1994-02-23
Filing date: 1994-02-23
Publication date: 1997-11-12
Anticipated expiration: 2012-11-12
Also published as: JPH07235700A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は銅酸化物系高温超伝導体
を用いたトンネル接合形ジョセフソン素子を、薄膜製作
技術によらず、同超伝導体の結晶構造を特徴づける特有
の積層構造を利用して、直列接続トンネル接合形ジョセ
フソン素子を構成した超伝導超格子結晶デバイスに関す
るものである。本発明は超伝導体を利用した電子素子製
作技術に関するもので電子機器、通信機器及び情報機器
に広く利用し得る多機能なジョセフソン素子を提供する
にある。

【０００２】本発明を適用できる製品は電磁波検出器、
電磁波発振器、電圧標準器、電子計算機素子、超高感度
ＳＱＵＩＤ磁束計（超伝導量子干渉計）等である。

【０００３】

【従来の技術】現在までに開発され利用されている超伝
導電子素子はジョセフソン素子であり、図１に示すよう
に、（ａ）トンネル接合形、（ｂ）点接触形及び（ｃ）
ブリッジ形の３種類の形状で代表される。

【０００４】ジョセフソン素子は、２個の超伝導体間の
超伝導電子（あるいは正孔）の弱い相互作用を利用する
素子であり、一般に、２個の超伝導体（あるいは超伝導
薄膜）とその間に設けた弱結合部とで構成される。これ
まで、実用的なジョセフソン素子は、超伝導材料として
金属Ｎｂ（ニオブ）（超伝導転移温度：9.2 Ｋ）を用い
て実現されている。それゆえ、まず、Ｎｂを超伝導電極
とする金属系ジョセフソン素子の代表的な製作法の概略
と問題点を述べる。図１（ａ）のトンネル接合形素子
は、２枚の超伝導薄膜電極１Ａ，１Ｂが厚さ約２ｎｍの
絶縁層（トンネル障壁）２を挟むサンドイッチ（積層）
構造となっている。その製作は、まず、スパッタ法によ
りＳｉ（シリコン）基板４上にＮｂ薄膜を厚さ100 〜
150 ｎｍに製作し、下部超伝導電極１Ａを形成する。そ
の上に数ｎｍのＡｌ（アルミニウム）薄膜を製作し、そ
の表面を熱酸化してＡｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）層
を形成しトンネル障壁２とする。この上に再度Ｎｂ薄膜
を厚さ100 〜150 ｎｍに製作し上部超伝導電極１Ｂを形
成する工程を経てＮｂ／Ａｌ・Ａｌ₂Ｏ₃／Ｎｂトンネ
ル接合素子が完成する。この素子製作技術は現在ほぼ完
成されており、安定な素子が製作される。

【０００５】さらに、より安定な素子の実現に向けて、
スパッタＮｂＮ（窒化ニオブ）薄膜（超伝導転移温度：
16Ｋ）を上下両電極１Ａ，１Ｂに用い、ＭｇＯ（酸化マ
グネシウム）層をトンネル障壁２とするＮｂＮ／ＭｇＯ
／ＮｂＮトンネル接合素子の開発も行われている。図１
（ｂ）に示す点接触素子は、一方の超伝導体１Ｃを機械
加工、化学研磨等の工程を経て針状（先端部の直径は約
１μｍ）に成形し、これをもう一方の超伝導体平板１Ｄ
に押しつけて構成する。この素子は、通常、超伝導材料
にバルクのＮｂを使用しており、その針状接触部を弱結
合部とすることから、機械的な振動に弱い欠点を有す
る。

【０００６】図１（ｃ）のブリッジ形素子は、基板４上
に製作した一枚の超伝導薄膜１あるいは超伝導薄膜と常
伝導薄膜の２層膜を用い、弱結合部３として、これらの
薄膜の一部を微細加工技術により幅を１μｍ程度にまで
狭め、電流方向の長さを200ｎｍ〜１μｍの寸法に加工
し、この部分の超伝導性を弱める形で形成するものであ
る。通常、超伝導薄膜にはＮｂ、常伝導薄膜にはＴａ
（タンタル）が用いられる。しかし、この素子は弱結合
部に電流が集中するため、電気的ショックで破壊しやす
い欠点をもつ。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】これら３種類の素子の
特性上の特徴は、図２に示すように、電流−電圧特性に
おいて、トンネル接合形素子は、基本的に接合容量を含
むために、大きなヒステリシスをもつが（図２（ａ）参
照）、他の２素子は接合容量を無視しうるため、ヒステ
リシスをもたない（同図（ｂ）参照）。同図において、
Ｉは電流（軸）、Ｖは電圧（軸）、Ｉ₀は臨界電流（直
流ジョセフソン電流の最大値）、Δは超伝導体（電極）
のエネルギーギャップ、ｅは電子電荷である。しかし、
前者の素子は回路構成の工夫により、後者の素子特性も
実現でき、多機能であり、その製作の制御性の良好さ、
ならびに特性の安定性及び制御性の良好さからも、ジョ
セフソン素子の主流となっており、超伝導電子計算機用
スイッチング素子及び記憶素子、超高感度磁束計（ＳＱ
ＵＩＤ磁束計）、電磁波混合器・検出器、電圧標準用素
子等として、情報処理、通信及び電子計測（生体計測を
含む）等に関する電子機器及び通信機器における超伝導
電子回路に広く応用が検討されてきている。しかし、こ
の素子の現在の問題点は、超伝導電極材料のＮｂが転移
温度9.2 Ｋであるため、その動作は極低温のみに限られ
るので、液体ヘリウム（沸点：4.2 Ｋ）による冷却が不
可欠なことである。

【０００８】しかし、最近、液体窒素温度（77Ｋ）を上
回る超伝導転移温度をもつ銅酸化物系高温超伝導体が発
見されて以来、同超伝導体を電極に用い、液体窒素温度
においても動作しうるトンネル接合形ジョセフソン素子
（図１（ａ））の開発が進められている。この場合、中
心的超伝導材料はＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇化合物薄膜（転移
温度：約90Ｋ）であり、反応性スパッタ法や反応性蒸着
法等で製作できる。この薄膜製作技術を基盤として、Ｙ
Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇薄膜上部電極１Ａ（図１（ａ））を形
成後その上に、トンネル障壁となるＳｒＴｉＯ₃やＹ₂
Ｏ₃薄膜等の絶縁層２（図１（ａ））を製作し、その後
再びＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇薄膜上部電極１Ｂ（図１
（ａ））を形成して、トンネル接合形素子を製作するこ
とが提案されたが、ヒステリシスをもつ、信頼できるト
ンネル特性の素子は現在までのところ実現されていな
い。この原因は、銅酸化物系高温超伝導体の構成元素の
種類が多く、結晶構造が複雑であるため、薄膜の品質及
び特性がその表面あるいは界面から内部まで充分に制御
できていないこと、ならびにトンネル障壁となる絶縁層
も高品質のものが得られていないことに基づくものであ
る。

【０００９】一方、現在までに、ジョセフソン素子とし
ての動作が確認されている素子は、絶縁層としてＰｒＢ
ａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇薄膜を用いたＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇／Ｐｒ
Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇／ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇積層接合形素子
であるが、ＰｒＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇層は実際には常伝導体
として働くため、その電流−電圧特性は図２（ｂ）に示
すようなヒステリシスをもたない特性を示す。同様の特
性を示す素子として、Ｂｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ_x超伝
導薄膜（転移温度：80Ｋ）とＢｉ₂Ｓｒ₂ＣｕＯ_y常伝
導薄膜の組合せによるＢｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ_x／Ｂ
ｉ₂Ｓｒ₂ＣｕＯ_y／Ｂｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ_x積層
接合形素子も製作されている。その他の形式の素子とし
て、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇エピタキシャル（結晶配向）薄
膜の結晶粒界におけるジョセフソン結合を利用した粒界
接合形ジョセフソン素子も製作されているが、その電流
−電圧特性は上述の特性と同様である。

【００１０】以上述べたように、銅酸化物系高温超伝導
体を電極とするトンネル接合形ジョセフソン素子（図１
（ａ））が実現された場合には、その多機能性を応用し
うるばかりでなく、液体窒素温度（77Ｋ）での使用が可
能となることからその利用範囲は金属系超伝導体を電極
とするジョセフソン素子に比し、大きく拡がることが期
待できる。しかし、現在の薄膜製作・加工技術により、
人工的に薄膜を積層する方法によるトンネル接合形ジョ
セフソン素子の製作は困難な状況にある。

【００１１】本発明は、銅酸化物系高温超伝導体を用い
たトンネル接合形ジョセフソン素子を、薄膜製作技術に
より人工的に形成するのではなく、同超伝導体の結晶構
造を特徴づける特有の積層構造を直接的に利用して構成
するものであり、電子・通信・情報機器に広く利用しう
る多機能なジョセフソン素子を実現することが目的であ
る。

【００１２】銅酸化物系高温超伝導体は、一般に、超伝
導発現を担う金属的ＣｕＯ₂層と、これにキャリア（正
孔または電子）を注入する非金属的電荷蓄積層の交互の
積層構造で特徴づけられる。このため、その超伝導特性
は強い異方性を示す。特に、（Ｂｉ_1-xＰｂ_x）₂Ｓｒ
₂Ｃａ_n-1Ｃｕ_nＯ_2n+4（ただし、０≦Ｘ≦0.5 ，ｎ＝
２又は３）及びＴｌ₂Ｂａ₂Ｃａ_n-1Ｃｕ_nＯ_2n+4（た
だし、ｎ＝１〜３）化合物等の単結晶はそれぞれ金属的
ＣｕＯ₂層を含む超伝導層と、絶縁体的または半導体的
｛（Ｂｉ_1-xＰｂ_x）Ｏ｝₂あるいは｛ＴｌＯ｝₂層を
含む電荷蓄積層の交互の積層構造で構成された超伝導層
／絶縁層（半導体層）／超伝導層／_--の超格子（多接合
直列）構造をその結晶成長過程で自然に形成し内含す
る。

【００１３】この自然超格子構造を内含する同超伝導体
結晶（以下では超伝導超格子結晶とよぶ）は、個々の超
伝導層／絶縁層（半導体層）／超伝導層接合が固有のト
ンネル接合的なジョセフソン特性をもち、結晶全体とし
ては多接合が直列接続された特性を示すので、それ自身
が素子機能をもつ。しかし、同結晶の絶縁体的または半
導体的｛（Ｂｉ_1-xＰｂ_x）Ｏ｝₂や｛ＴｌＯ｝₂層の
層間結合はファンデルワールス力によるため結合力が弱
く、内在する個々のジョセフソン接合の電子的結合（相
互作用）に不確定さ及び不安定さを与える。このため、
結晶全体で接合は確率的な動作を伴うことから、結晶の
みで素子を構成することは、安定性、信頼性の点で問題
がある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の超伝導超格子結
晶デバイスは、極低温で歪みが小さく熱膨張率が小さい
セラミック基板と、該基板上に形成された微細加工の施
された超伝導超格子結晶と、該結晶層上に設けられた絶
縁層と、該結晶層上に設けられた制御端子として働く圧
電素子と、これら素子及び基板を覆うよう嵌め合される
基板材料と同質のセラミックカバーと、前記セラミック
カバー固定用バネクリップとより成り、前記結晶層上と
絶縁層上とにそれぞれ設けられた制御電極をそれぞれリ
ード線により基板上に設けられた制御電極に接続したも
のにおいて、前記超伝導超格子結晶は（Ｂｉ_１−ｘＰｂ
_ｘ）_２Ｓｒ_２Ｃａ_ｎ−１Ｃｕ_ｎＯ_２ｎ＋４（ただし、０
≦ｘ≦０．５，ｎ＝２〜３）及びＴｌ_２Ｂａ_２Ｃａ
_ｎ−１Ｃｕ_ｎＯ_２ｎ＋４（ただし、ｎ＝１〜３）より選
択された何れか１つの銅酸化物系高温超伝導体であり、
かつ、前記銅酸化物系高温超伝導体の超伝導超格子結晶
は、それぞれ金属的ＣｕＯ_２を含む超伝導層と、絶縁体
的または半導体的｛（Ｂｉ_１−ｘＰｂ_ｘ）Ｏ｝_２層ある
いは｛ＴｌＯ｝_２層を含む電荷蓄積層の交互の積層構造
で構成された超伝導層／絶縁体層又は半導体層／超伝導
層より成る多接合直列の超格子構造を結晶構造内に内包
するものであって、前記超伝導層／半導体又は絶縁層／
超伝導層の積層接合構造のジョセフソントンネル接合に
対し垂直方向の超伝導層間の電子的結合を外部より機械
的ならびに電気的、磁気的に制御し得るよう構成したこ
とを特徴とするものである。

【００１５】本発明の超伝導超格子結晶デバイスの前記
超伝導超格子結晶は適当な樹脂により基板に固定され、
該結晶の上面にはイオンエッチングによる微細加工によ
り素子部となる凸部を形成し、これら凸部により直列接
続ジョセフソントンネル接合を構成し、前記ジョセフソ
ントンネル接合を構成する凸部以外の凹部上面を覆って
絶縁層を形成し、超伝導超格子結晶の上面に形成した金
電極と、絶縁層上に形成した金電極とをそれぞれリード
線により基板側部上に形成した金電極に接続し、前記セ
ラミックカバー上に圧電素子用電極を設けたものより成
り、前記圧電素子を前記結晶に内在する超伝導層間の相
互作用による電子的結合を機械的に制御する制御端子と
し、外部より個々の超伝導層／絶縁層／超伝導層接合構
造のジョセフソントンネル接合の同期及び共鳴現象を制
御できるよう構成したものである。

【００１６】本発明の前記超伝導超格子結晶は銅酸化物
系高温超伝導体を使用するものである。

【００１７】本発明の前記銅酸化物系高温超伝導体は
（Ｂｉ_1-xＰｂ_x）₂Ｓｒ₂Ｃａ_n-1Ｃｕ_nＯ_2n+4（た
だし、０≦ｘ≦0.5 ，ｎ＝２〜３）及びＴｌ₂Ｂａ₂Ｃ
ａ_n-1Ｃｕ_nＯ_2n+4（ただし、ｎ＝１〜３）より選択さ
れた何れか１つを使用するものである。

【００１８】本発明の前記銅酸化物系高温超伝導体は、
それぞれ金属的ＣｕＯ₂を含む超伝導層と、絶縁体的ま
たは半導体的｛（Ｂｉ_1-xＰｂ_x）Ｏ｝₂あるいは｛Ｔ
ｌＯ｝₂層を含む電荷蓄積層の交互の積層構造で構成さ
れた超伝導層／絶縁層又は半導体層／超伝導層より成る
多接合直列の超格子構造を結晶構造内に内包するもので
ある。

【００１９】

【実施例】以下図面について、本発明の実施の一例態様
を説明する。図３は、本発明による超伝導超格子結晶デ
バイスの基本構成を示す。本発明のデバイスは、微細加
工の施された超伝導超格子結晶と、同結晶に内在する超
伝導層間の電子的結合（相互作用）を制御する制御端子
とにより構成される。11は極低温で歪みの小さい熱膨張
率が小さい例えばアルミナ、ベリリア等のセラミック基
板、12は例えば（Ｂｉ_1-xＰｂ_x）₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂
Ｏ_yのような微細加工の施された超伝導超格子結晶、13
は制御端子として働く圧電素子、14は基板材料と同質の
セラミックカバー、15はセラミック基板11、圧電素子13
及びセラミックカバー14を補助的に固定するためのバネ
クリップ（例えばＢｅ−Ｃｕ合金等）である。超伝導超
格子結晶12及びセラミックカバー14は、熱膨張係数の小
さな、低温で使用が可能な軟質エポキシ樹脂（例えばビ
スフェノールＡ形エポキシ樹脂等）によりセラミック基
板11に接着・固定される。

【００２０】図４（ａ）は、本発明のデバイス上面図、
図４（ｂ）はその内部上面図及び図４（ｃ）はその縦断
面図を示す。21はセラミック基板であり、このセラミッ
ク基板21の両側辺部に金電極22，22を設ける。23は超伝
導超格子結晶で、この結晶23はエポキシ樹脂によりセラ
ミック基板21に接着・固定される。結晶23上には、イオ
ンエッチングによる微細加工により素子部となる23Ａ凸
部が形成される。この凸部23Ａは本発明のデバイスの中
心となる直列接続ジョセフソントンネル接合を構成して
いる。23Ｂ凸部は結晶23の未加工部であり、23Ａ凸部よ
り大きな面積を有し、素子として動作しない。24は、結
晶23の凹部23Ｃの上に設けた絶縁層であり、この絶縁層
24はこの凸部23Ａに接触している電流注入及び信号取り
出し用端子25（金電極）と凹部23Ｃとの間の短絡を防止
するためのものであり、例えばＳｒＴｉＯ₃（チタン酸
ストロンチウム）等を使用する。26は金電極22と25との
間を接続するリード線である。27は圧電素子であり、結
晶に内在する超伝導層間の電子的結合（相互作用）を機
械的に制御する制御端子として作用するものである。こ
れにより、外部より、個々の超伝導層／絶縁層（半導体
層）／超伝導層接合構造のジョセフソントンネル接合特
性、ならびに複数個の接合の直列接続によるジョセフソ
ン効果同期・共鳴現象を容易に制御することができる。
また、結晶凸部23Ａの形状によってもこれらの現象を選
定することができる。さらに、図３に示す基本デバイス
に図19に示すように同軸ケーブルを付加し、電磁波を照
射することにより、直列接続接合のジョセフソン効果同
期現象を制御できる。また、これに弱磁界を印加するこ
とによってジョセフソン効果の共鳴現象ならびに磁束量
子との相互作用を制御できる。28は基板21と同質のセラ
ミックカバーであり、結晶の保護及び圧電素子27の固定
のために使われる。29はセラミックカバー上に設けた圧
電素子用電極である。

【００２１】本発明のデバイスの製作工程を図５に示
す。まず、金電極32を付設したセラミック基板31にエポ
キシ樹脂により厚さ100 μｍ〜１mm程度の超伝導体結晶
33を図５に示すように固定する。次に、この結晶33上に
（例えばネガ形の）フォトレジスト34を約２μｍの厚さ
に図６に示すように塗布する。乾燥後、デバイス形状の
パターンのガラスマスク35をレジスト膜34の上に載せ、
紫外線を照射する（図７参照）。このレジスト膜34を現
像することにより、所望のレジストパターンを図８に示
すように形成する。この試料をＡｒ（アルゴン）等のガ
スを用いたイオンエッチングにより結晶33を所望の厚さ
だけ図９に示すようにエッチングする。同期動作するジ
ョセフソン接合の最大の数はこの工程により決定され
る。ここで、ジョセフソン接合100 個当りの深さは300
ｎｍに相当する。

【００２２】次に、結晶加工部を平坦にするために、レ
ジストパターンの上から凸部の高さと同程度の厚さの絶
縁膜（例えば、ＳｒＴｉＯ₃）36を蒸着する（図10参
照）。その後アセトン等のレジスト用溶剤に浸し、リフ
トオフ法により、フォトレジスト及びその上に付着して
いる絶縁膜を除去する（図11参照）。平坦化された結晶
33上に再び例えばネガ形のフォトレジスト37を塗布し
（図12参照）、金属電極パターンのガラスマスク38を用
いてレジストを露光・現象し、電極形状のレジストパタ
ーンを図13，図14に示すように形成する。次に、レジス
トパターン上に電極のための金属膜39（金，銀等）を図
15に示すように真空蒸着し、リフトオフ工程を経ること
により電極を図16に示すように形成する。結晶33上の金
属電極39とセラミック基板31上の金属電極32を金属ワイ
ヤ40により接続した後（図17参照）、制御端子用圧電素
子41が取り付けられたセラミックカバー42を結晶33が固
定されている基板31に取り付け固定することにより完成
する。この場合、セラミックカバー42の一部にくぼみを
設け、圧電素子41をそのくぼみに挿入・接着することに
より固定する（図18参照）。この時、制御端子は結晶凸
部（直列接続ジョセフソントンネル接合）に重なるよう
に取り付ける。制御端子用圧電素子41はセラミックカバ
ー上の電極43により調整する。また、図18の左側の金属
電極39の下の結晶33中にも直列接続ジョセフソン接合が
形成されているが、この部分の面積は結晶凸部の面積に
比べ大きいため、この部分はジョセフソントンネル接合
的な振舞いではなくバルク（結晶）的な振舞いを示し、
デバイス特性上問題は起こらない。逆に、この部分の面
積を小さくすることによって、この領域のジョセフソン
接合特性を積極的に利用することも可能である。

【００２３】〔応用例〕本発明による超伝導超格子結晶
デバイスは単一ジョセフソントンネル接合特性直列接続多ジョセフソントンネル接合特性及び同期
・共鳴特性磁束フローデバイス特性及びソリトンデバイス特性等を有し、同一デバイスにおいて外部からの制御により
上記の特性を自由に選択することができ、以下に挙げる
ようなデバイスに応用することができる。応用例１電圧標準器用デバイス

【００２４】現在、電圧標準器用デバイスには図１
（ａ）に示すようなトンネル接合形ジョセフソン素子を
1000個程度直列に接続したものが使われている。この場
合、ジョセフソン素子は平面的（２次元的）に配置され
るためにデバイスを小型化するには限度がある。本発明
のデバイスは３次元的に高さ方向にジョセフソントンネ
ル接合が配置されているのでデバイス面積は単一のジョ
セフソントンネル接合と同等であり、小型化が可能であ
る。したがって、電圧標準器用デバイスとして使用する
場合の構成図を図19に示す。この場合、セミリジッドケ
ーブル等の同軸ケーブル52によりデバイスに電磁波を導
入するために、図３に示すように基本デバイスに電磁波
導入用の端子51（長さは印加電磁波の波長の１／４に相
当）を付加しており、同軸ケーブル52の芯線が直接この
端子51に接触している。また、電流注入端子22Ａ及び出
力信号取り出し端子22Ｂには高周波をカットするフィル
タ−53を接続する。電圧標準器用デバイスとして使用す
る場合は、電磁波が結晶23内の直列接続ジョセフソン接
合に効率良くバイアスされるようにジョセフソントンネ
ル接合の面積をジョセフソン磁場侵入長（結晶が（Ｂｉ
_1-xＰｂ_x）₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ_y）の場合、約100
μｍ以下に微細加工する。ジョセフソントンネル接合に
電磁波等の交流電流がバイアスされると電流−電圧特性
上に交流電流の周波数に比例した電圧間隔（10ＧＨｚで
約20μＶ）の定電圧ステップが現れる。電圧標準は、こ
の定電圧ステップを利用している。本発明のデバイスは
多数のジョセフソントンネル接合が同期して動作するの
で、定電圧ステップ間隔はこの同期している接合の数倍
の大きさとなり、大きい電圧の標準が可能となる。ま
た、本発明デバイスでは、外部より同期している接合の
数を自由に変えることができるので、可変電圧標準器を
構成することができる。

【００２５】応用例２高速高出力スイッチングデバイ
ス電流−電圧特性上にヒステリシスを持つジョセフソント
ンネル接合は、零電圧状態（“０”）と有限電圧状態
（“１”）を用いることにより高速スイッチングデバイ
スとして使用できる。本発明のデバイスも電流−電圧特
性上にヒステリシスがあるためスイッチングデバイスと
して利用することができる。本発明デバイスは、前述の
如く直列接続の多数のジョセフソントンネル接合を内含
しているため、ボルトオーダの高出力が可能であり、こ
れは現在の半導体デバイスの動作電圧と同程度であるこ
とから、超伝導デバイス−半導体・光デバイス混成回路
の構成が可能である。また、本発明デバイスは制御端子
により同期している接合の数を自由に加減できるので、
出力電圧の可変が可能である。

【００２６】応用例３電磁波混合・検出デバイス本発明で使用する銅酸化物系高温超伝導体は、超伝導エ
ネルギーギャップが10〜30ｍｅＶと大きくミリ波、サブ
ミリ波などの超高周波応答が可能なため、超高周波電磁
波混合・検出デバイスとしても利用できる。この場合、
（図３）に示す基本デバイスを導波管内に取り付けて使
用することができる。この場合も、本発明のデバイスの
同期現象を用いることにより高変換効率を得ることがで
きる。

【００２７】応用例４超高周波発振デバイス応用例３で述べたような超高感度電磁波混合・検出器の
実現のためには局部発信器として低雑音超高周波発振器
が必要である。本発明デバイスは、磁束フロー特性を有
することから超高周波発振デバイスとして利用すること
ができる。この場合、磁束フローを生じさせるために接
合部を長さがジョセフソン磁場侵入長の数倍（約１m
m）、幅がジョセフソン磁場侵入長程度（約100 μｍ）
に加工して用いる。この時、本発明のデバイスでは結晶
内ジョセフソントンネル接合の同期現象を用いることに
より高出力発振が可能となる。また、応用例３のデバイ
スと併用することにより集積化電磁波検出デバイスが実
現できる。

【００２８】図20にこの集積化電磁波検出デバイスの断
面図を示す。図20において、61は超高周波発振デバイス
であり、62は発振デバイス用電極、63は電磁波検出デバ
イス、64は電磁波検出デバイス用電極であり、デバイス
61で発生した電磁波はデバイス61とデバイス63間の絶縁
体65により63へと伝達される。この絶縁体65には誘電体
すなわち、この場合誘電率の高い材料（例えばＳｒＴｉ
Ｏ₃）を用いることにより本発明のデバイスで超小型電
磁波検出器を実現することができる。

【００２９】応用例５超高感度ＳＱＵＩＤ磁束計本発明に使用する上記の超伝導超格子結晶は不純物層を
挿入することにより、電流−電圧特性上にヒステリシス
のないジョセフソン弱結合素子としても動作する。した
がって、図４の結晶23にこのような接合１個を含む凸部
を２つ形成し、例えばＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇、Ｂｉ₂Ｓｒ
₂ＣａＣｕ₂Ｏ_y等より成る超伝導配線により並列に接
続することによりＳＱＵＩＤを形成し、超高感度ＳＱＵ
ＩＤ磁束計に利用することができる。この場合、上記結
晶の超伝導エネルギーギャップが大きいことから高出力
が得られるという利点がある。

【００３０】

【発明の効果】本発明の超伝導超格子結晶デバイスは、
銅酸化物系高温超伝導体の単結晶に内在する直列接続ジ
ョセフソントンネル接合を利用するものであることか
ら、液体窒素温度（77Ｋ）で動作が可能であり、小型・
高集積・高出力等の特徴も有する。また、従来、単一ジ
ョセフソントンネル接合特性、多ジョセフソン接合特
性、磁束フロー特性等を利用したデバイスに対し、各々
専用のデバイス設計が必要であったが、本発明のデバイ
スの場合、１個のデバイスがこれらの特性を有してお
り、必要に応じて外部より各々の特性を選択して制御す
ることができる多機能超伝導デバイスとすることができ
るものであり、デバイス設計を容易にする効果がある。
さらに、また本発明の基本デバイスの制御端子より結晶
素子部に絶縁膜を介して電圧を印加することで、超伝導
トランジスタへの応用に拡張することが可能となる。

【００３１】本発明の超伝導超格子結晶デバイスは次の
効果を備えた電子デバイスを提供できる利点がある。 (1)銅酸化物系高温超伝導体（Ｂｉ_1-xＰｂ_x）₂Ｓｒ
₂Ｃａ_n-1Ｃｕ_nＯ_y及びＴｌ₂Ｂａ₂Ｃａ_n-1Ｃｕ_n
Ｏ_y等の単結晶に、その成長時に自然に形成され内在す
る超伝導層／絶縁層（半導体層）／超伝導層／--- の自
然超格子（多接合直列）構造の超伝導層間の電子的結合
（相互作用）を直接的に制御し、利用するようにしたの
で直列接続トンネル接合形ジョセフソン素子を構成した
デバイスを提供できる。

【００３２】(2)上記超格子結晶に微細加工を施した素
子部に、その超伝導層間の電子的結合（相互作用）を制
御するための制御端子を備えて構成されたデバイスであ
るので、外部よりジョセフソン効果、同期共鳴現象を容
易に制御できる。

【００３３】(3)本発明のデバイスは外部より機械的な
らびに電気・磁気的に制御することが可能なように構成
したことにより単一ジョセフソントンネル接合特性直列接続多ジョセフソントンネル接合特性及び同期・
共鳴特性磁束フローデバイス特性及びソリトンデバイス特性のいずれの特性も選択して制御し、多目的に利用できる
特徴を有するデバイスを提供できる工業上大なる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は従来の超伝導ジ
ョセフソン素子の代表例を示すもので、図１（ａ）はト
ンネル接合形、図１（ｂ）は点接触形及び図１（ｃ）は
ブリッジ形の３種の代表的超伝導ジョセフソン素子の一
例を示す説明図である。

【図２】図２（ａ），（ｂ）は図１のジョセフソン素子
の電流−電圧特性図である。

【図３】図３は本発明の超伝導超格子結晶デバイスの基
本構成を示す斜視図である。

【図４】図４（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ本発明
デバイスの上面図、その内部上面図及び縦断面図を対比
して示した図面である。

【図５】図５は本発明デバイスの製造過程を示す断面図
である。

【図６】図６は本発明デバイスの製造過程を示す断面図
である。

【図７】図７は本発明デバイスの製造過程を示す断面図
である。

【図８】図８は本発明デバイスの製造過程を示す断面図
である。

【図９】図９は本発明デバイスの製造過程を示す断面図
である。

【図１０】図10は本発明デバイスの製造過程を示す断面
図である。

【図１１】図11は本発明デバイスの製造過程を示す断面
図である。

【図１２】図12は本発明デバイスの製造過程を示す断面
図である。

【図１３】図13は本発明デバイスの製造過程を示す断面
図である。

【図１４】図14は本発明デバイスの製造過程を示す断面
図である。

【図１５】図15は本発明デバイスの製造過程を示す断面
図である。

【図１６】図16は本発明デバイスの製造過程を示す断面
図である。

【図１７】図17は本発明デバイスの製造過程を示す断面
図である。

【図１８】図18は本発明デバイスの製造過程を示す断面
図である。

【図１９】図19は本発明のデバイスで電圧標準器用デバ
イスに応用した場合の基本構成を分解して示した斜視図
である。

【図２０】図20は本発明のデバイスを応用した集積化電
磁波検出デバイスの基本構成の一例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１，１Ａ，１Ｂ超伝導薄膜１Ｃ，１Ｄ超伝導体２トンネル障壁３弱結合部４基板Ｉ電流（軸）Ｖ電圧（軸）Ｉ₀ 臨界電流（直流ジョセフソン電流の最大値） Δ 超伝導体（電極）のエネルギーギャップｅ電子電荷１１セラミック基板１２超伝導超格子結晶１３制御端子用圧電素子１４セラミックカバー１５セラミックカバー（補助的）固定用バネクリップ２１セラミック基板２２金電極２３超伝導超格子結晶２３Ａ凸部２３Ｂ凸部２３Ｃ凹部２４絶縁層２５金電極２６リード線２７圧電素子２８セラミックカバー２９圧電素子用電極３１セラミック基板３２金電極３３超伝導超格子結晶３４フォトレジスト３５フォトマスク３６絶縁層３７フォトレジスト３８フォトマスク３９金電極４０金属ワイヤー４１圧電素子４２セラミックカバー４３圧電素子用電極５１電磁波導入用端子５２同軸ケーブル５３フィルター６１超高周波発振デバイス６２発振デバイス用電極６３電磁波検出デバイス６４電磁波検出デバイス用電極６５絶縁体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−204484（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−17420（ＪＰ，Ａ) 特開平３−71646（ＪＰ，Ａ) ＪＰＮ．Ｊ．ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．, ＶＯＬ．31，ＮＯ．７Ａ，（１ＪＵＬＹ 1992），ＰＰ．Ｌ829−Ｌ831 ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳＯＦＴＨＥ５ＴＨＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬＳＹＭＰＯＳＩＵＭＯＮＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ（ＩＳＳ 792）（1992），ＰＰ．85−91

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】超伝導超格子結晶デバイスは、極低温で
歪みが小さく熱膨張率が小さいセラミック基板と、該基
板上に形成された微細加工の施された超伝導超格子結晶
と、該結晶層上に設けられた絶縁層と、該結晶層上に設
けられた制御端子として働く圧電素子と、これら素子及
び基板を覆うよう嵌め合される基板材料と同質のセラミ
ックカバーと、前記セラミックカバー固定用バネクリッ
プとより成り、前記結晶層上と絶縁層上とにそれぞれ設
けられた制御電極をそれぞれリード線により基板上に設
けられた制御電極に接続したものにおいて、前記超伝導
超格子結晶は（Ｂｉ_１−ｘＰｂ_ｘ）_２Ｓｒ_２Ｃａ_ｎ−１
Ｃｕ_ｎＯ_２ｎ＋４（ただし、０≦ｘ≦０．５，ｎ＝２〜
３）及びＴｌ_２Ｂａ_２Ｃａ_ｎ−１Ｃｕ_ｎＯ_２ｎ＋４（た
だし、ｎ＝１〜３）より選択された何れか１つの銅酸化
物系高温超伝導体であり、かつ、前記銅酸化物系高温超
伝導体の超伝導超格子結晶は、それぞれ金属的ＣｕＯ_２
を含む超伝導層と、絶縁体的または半導体的｛（Ｂｉ
_１−ｘＰｂ_ｘ）Ｏ｝_２層あるいは｛ＴｌＯ｝_２層を含む
電荷蓄積層の交互の積層構造で構成された超伝導層／絶
縁体層又は半導体層／超伝導層より成る多接合直列の超
格子構造を結晶構造内に内包するものであって、前記超
伝導層／半導体又は絶縁層／超伝導層の積層接合構造の
ジョセフソントンネル接合に対し垂直方向の超伝導層間
の電子的結合を外部より機械的ならびに電気的、磁気的
に制御し得るよう構成したことを特徴とする超伝導超格
子結晶デバイス。
【請求項２】前記超伝導超格子結晶は適当な樹脂によ
り基板に固定され、該結晶の上面にはイオンエッチング
による微細加工により素子部となる凸部を形成し、これ
ら凸部により直列接続ジョセフソントンネル接合を構成
し、前記ジョセフソントンネル接合を構成する凸部以外
の凹部上面を覆って絶縁層を形成し、超伝導超格子結晶
の上面に形成した金電極と、絶縁層上に形成した金電極
とをそれぞれリード線により基板側部上に形成した金電
極に接続し、前記セラミックカバー上に圧電素子用電極
を設けたものより成り、前記圧電素子を前記結晶に内在
する超伝導層間の相互作用による電子的結合を機械的に
制御する制御端子とし、外部より個々の超伝導層／絶縁
層／超伝導層接合構造のジョセフソントンネル接合の同
期及び共鳴現象を制御できるよう構成したことを特徴と
する請求項１記載の超伝導超格子結晶デバイス。」にあ
る。