JP2731513B2 - 超電導素子およびその製造方法 - Google Patents
超電導素子およびその製造方法Info
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は高速デジタル回路、アナ
ログデ−タ処理回路、センサ回路装置、微小磁場信号検
出装置等、超電導性を用いることにより特有の性能を発
揮する超電導エレクトロニクスの分野に係り、特に高速
で低い消費電力特性を持つ構造の超電導素子およびその
製造方法に関する。
ログデ−タ処理回路、センサ回路装置、微小磁場信号検
出装置等、超電導性を用いることにより特有の性能を発
揮する超電導エレクトロニクスの分野に係り、特に高速
で低い消費電力特性を持つ構造の超電導素子およびその
製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】超電導特性の制御機能を備えた３端子素
子も含めて、超電導素子の基本となるものは超電導接合
素子であるが、この超電導接合素子は２枚の超電導電極
と、この超電導電極の間に介在する非超電導層を基本的
な構成要素とする。従来の超電導接合素子としては、例
えば、図７に示すごとく、非超電導層１９の上に、２枚
の超電導電極１１が積層された構造が用いられている
〔Y.Tarutani,et al：Applied Physics Letters,Vol.5
8,（1991）,p.2707〕。この素子構成では、エッチング
等の加工によって超電導電極１１のパタ−ンが形成され
る関係上、接合部１６で超電導電極１１間の非超電導層
１９はエッチングされる。つまり、非超電導層１９の接
合部１６での表面位置は、超電導電極１１と非超電導層
１９の２層領域よりも深くなっている。したがって、超
電導電極１１間で最も距離の短い電流経路であっても、
非超電導層１９内で電流は水平に流れず回り込んだ経路
を取る。また、他の構成の超電導接合素子の例として、
図８に示されるごとく、一方の超電導電極１２の端部上
に、非超電導層２０と、片一方の超電導電極１３が積層
された構造のものがある〔S.P.Hunt,et al：Applied Ph
ysics Letters,Vol.59,（1991）,p.982〕。この素子構
造では、エッチングされて表面層の原子配列が乱された
超電導電極１２が非超電導層２０の下地層となってい
る。したがって、非超電導層２０はエピタキシ−成長さ
れ難く、双晶や転位を含んだ結晶形態を有しているため
超電導接合特性が劣化するという問題があった。
子も含めて、超電導素子の基本となるものは超電導接合
素子であるが、この超電導接合素子は２枚の超電導電極
と、この超電導電極の間に介在する非超電導層を基本的
な構成要素とする。従来の超電導接合素子としては、例
えば、図７に示すごとく、非超電導層１９の上に、２枚
の超電導電極１１が積層された構造が用いられている
〔Y.Tarutani,et al：Applied Physics Letters,Vol.5
8,（1991）,p.2707〕。この素子構成では、エッチング
等の加工によって超電導電極１１のパタ−ンが形成され
る関係上、接合部１６で超電導電極１１間の非超電導層
１９はエッチングされる。つまり、非超電導層１９の接
合部１６での表面位置は、超電導電極１１と非超電導層
１９の２層領域よりも深くなっている。したがって、超
電導電極１１間で最も距離の短い電流経路であっても、
非超電導層１９内で電流は水平に流れず回り込んだ経路
を取る。また、他の構成の超電導接合素子の例として、
図８に示されるごとく、一方の超電導電極１２の端部上
に、非超電導層２０と、片一方の超電導電極１３が積層
された構造のものがある〔S.P.Hunt,et al：Applied Ph
ysics Letters,Vol.59,（1991）,p.982〕。この素子構
造では、エッチングされて表面層の原子配列が乱された
超電導電極１２が非超電導層２０の下地層となってい
る。したがって、非超電導層２０はエピタキシ−成長さ
れ難く、双晶や転位を含んだ結晶形態を有しているため
超電導接合特性が劣化するという問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】非超電導材料を介し
て、超電導電極間で超電導電流を通じる、いわゆる超電
導層−非超電導層−超電導層接合で、機能デバイスや超
電導回路等を構成するには、同一の接合抵抗で、できる
限り流し得る超電導電流の高い（大きい）接合が望まし
い。このような接合特性は、制御機能を有する超電導接
合素子にも当て嵌まるものである。この高性能の超電導
特性を得るためには、以下に述べる条件を満たす必要が
あり、この条件を満足するか否かは素子の接合構造に係
わる。しかしながら、上記従来構造の超電導素子におい
ては、超電導素子としての性能を十分に発揮し、かつ制
御機能を有する高性能の超電導素子を得る上で、以下に
示す必要条件と並列して述べる種々の問題点および障害
を有していた。すなわち、第１に、超電導電極間の距離
ができる限り短いことである。この長さの尺度は非超電
導層の材料の種類によって決まる超電導減衰長であり、
数ｎｍから数十ｎｍの寸法である。接合の超電導電流
は、電極間距離に対して超電導減衰長を尺度として指数
関数的に減少する。例えば、図７に示すように、超電導
電極１１間が非超電導層１９によって直線的に結ばれな
い構造の場合は、電極間隔が不必要に長くなるという問
題がある。第２に、非超電導層の結晶に粒界や転位等の
欠陥がなく、できる限り高品質の薄膜を用いる必要があ
る。超電導減衰長は、本来超電導材料の種類によって決
まる固有の超電導パラメ−タであるが、これは結晶の欠
陥密度が十分に低い場合である。例えば、結晶の欠陥の
間隔が超電導減衰長より長い場合は、超電導減衰長は欠
陥の影響を受けない。同一の超電導材料を用いた場合で
も、超電導減衰長は、上記のような結晶の品質に依存
し、欠陥密度の増加に従って減少する。例えば、図８に
示されるような、エッチング工程によって形成された超
電導電極１２の端部の表面層は、エッチングによる損傷
によって結晶欠陥密度の高い状態にある。このような超
電導電極１２を下地層として非超電導層２０を成長させ
る場合には、非超電導層２０も欠陥を高密度に含んだ結
晶により構成されることになる。したがって、非超電導
層の超電導減衰長は、超電導材料の本来の値よりも短く
なるという問題がある。第３に、超電導層−非超電導層
−超電導層接合に対して電圧等の制御信号を印加するに
は、上記制御信号は非超電導層に直接印加される構造で
ある必要がある。例えば、図９に示すような積層型の超
電導層−非超電導層−超電導層接合〔J.Barner,et al：
Applied Physics Letters,Vol.59,（1991）,p.742〕で
は、上記の第１および第２の接合条件は満たすが、非超
電導層２１に電界を印加するのに有利な構造ではない。
例えば、この積層構造の側面から絶縁層２３、２４を介
して電圧を印加することはできるが、非超電導層２１の
一部にしか電圧信号は伝わらないという問題がある。
て、超電導電極間で超電導電流を通じる、いわゆる超電
導層−非超電導層−超電導層接合で、機能デバイスや超
電導回路等を構成するには、同一の接合抵抗で、できる
限り流し得る超電導電流の高い（大きい）接合が望まし
い。このような接合特性は、制御機能を有する超電導接
合素子にも当て嵌まるものである。この高性能の超電導
特性を得るためには、以下に述べる条件を満たす必要が
あり、この条件を満足するか否かは素子の接合構造に係
わる。しかしながら、上記従来構造の超電導素子におい
ては、超電導素子としての性能を十分に発揮し、かつ制
御機能を有する高性能の超電導素子を得る上で、以下に
示す必要条件と並列して述べる種々の問題点および障害
を有していた。すなわち、第１に、超電導電極間の距離
ができる限り短いことである。この長さの尺度は非超電
導層の材料の種類によって決まる超電導減衰長であり、
数ｎｍから数十ｎｍの寸法である。接合の超電導電流
は、電極間距離に対して超電導減衰長を尺度として指数
関数的に減少する。例えば、図７に示すように、超電導
電極１１間が非超電導層１９によって直線的に結ばれな
い構造の場合は、電極間隔が不必要に長くなるという問
題がある。第２に、非超電導層の結晶に粒界や転位等の
欠陥がなく、できる限り高品質の薄膜を用いる必要があ
る。超電導減衰長は、本来超電導材料の種類によって決
まる固有の超電導パラメ−タであるが、これは結晶の欠
陥密度が十分に低い場合である。例えば、結晶の欠陥の
間隔が超電導減衰長より長い場合は、超電導減衰長は欠
陥の影響を受けない。同一の超電導材料を用いた場合で
も、超電導減衰長は、上記のような結晶の品質に依存
し、欠陥密度の増加に従って減少する。例えば、図８に
示されるような、エッチング工程によって形成された超
電導電極１２の端部の表面層は、エッチングによる損傷
によって結晶欠陥密度の高い状態にある。このような超
電導電極１２を下地層として非超電導層２０を成長させ
る場合には、非超電導層２０も欠陥を高密度に含んだ結
晶により構成されることになる。したがって、非超電導
層の超電導減衰長は、超電導材料の本来の値よりも短く
なるという問題がある。第３に、超電導層−非超電導層
−超電導層接合に対して電圧等の制御信号を印加するに
は、上記制御信号は非超電導層に直接印加される構造で
ある必要がある。例えば、図９に示すような積層型の超
電導層−非超電導層−超電導層接合〔J.Barner,et al：
Applied Physics Letters,Vol.59,（1991）,p.742〕で
は、上記の第１および第２の接合条件は満たすが、非超
電導層２１に電界を印加するのに有利な構造ではない。
例えば、この積層構造の側面から絶縁層２３、２４を介
して電圧を印加することはできるが、非超電導層２１の
一部にしか電圧信号は伝わらないという問題がある。
【０００４】本発明の目的は、上記従来技術における問
題点を解消し、超電導層−非超電導層−超電導層接合に
おいて、上記高性能の超電導特性を得るための必要条件
を満足して固有の接合特性が発揮でき、かつ外部から直
接電圧信号を印加することにより、接合特性を十分に制
御し得る構造の超電導素子およびその製造方法を提供す
ることにある。
題点を解消し、超電導層−非超電導層−超電導層接合に
おいて、上記高性能の超電導特性を得るための必要条件
を満足して固有の接合特性が発揮でき、かつ外部から直
接電圧信号を印加することにより、接合特性を十分に制
御し得る構造の超電導素子およびその製造方法を提供す
ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構
成とするものである。すなわち、本発明は請求項１に記
載のように、基板上に直接もしくは第１の非超電導層を
介して形成された一対の超電導層からなる超電導電極
と、該超電導電極間に、超電導電流による結合を生じさ
せる凸形状の第１の非超電導層の接合部を有し、上記超
電導電極は、上記接合部の第１の非超電導層との間で電
気的に繋がり、上記接合部の第１の非超電導層上に、電
流を通じない絶縁層と、該絶縁層上に積層した第２の非
超電導層と、該第２の非超電導層と超電導層との拡散反
応もしくは変質化により形成した絶縁化部分を有し、上
記第１の非超電導層の接合部上方で、上記超電導層が電
気的に分離されたパターンを形成した構造の超電導素子
とするものである。また、本発明は請求項２に記載のよ
うに、請求項１において、超電導電極間の接合部は、基
板に近い側から電流を通じる第１の非超電導層と、電流
を通じない絶縁層と、第２の非超電導層と超電導層との
拡散反応もしくは変質化によって得られる非超電導層の
順に積層化した構造を有するか、もしくは上記第１の非
超電導層と、上記絶縁層と、未反応の上記第２の非超電
導層と、上記第２の非超電導層と超電導層との拡散反応
もしくは変質化によって得られる非超電導層の順に積層
化した構造を有する超電導素子とするものである。ま
た、本発明は請求項３に記載のように、請求項１または
請求項２において、絶縁層は、第１の非超電導層と第２
の非超電導層との拡散反応もしくは変質化を防止するた
めの保護膜としての機能を有し、上記第２の非超電導層
は、超電導電極と同一の組成で成膜される超電導層に対
し、超電導結晶の生成を阻止するか、もしくは拡散反応
または変質化により非超電導化させる機能を有する構造
の超電導素子とするものである。また、本発明は請求項
４に記載のように、請求項１ないし請求項３のいずれか
１項において、第１の非超電導層は周辺部よりも接合部
の領域で厚い層厚を有する構成とするものである。ま
た、本発明は請求項５に記載のように、請求項１ないし
請求項４のいずれか１項において、超電導電極および第
１の非超電導層は酸化物により構成した超電導素子とす
るものである。また、本発明は請求項６に記載のよう
に、請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、
超電導素子の接合部における超電導電極は、第１の非超
電導層の側面および上面で電気的に繋がる構造の超電導
素子とするものである。また、本発明は請求項７に記載
のように、請求項１ないし請求項６のいずれか１項にお
いて、絶縁層を介して第１の非超電導層に対して電界を
印加し得るゲ−ト電極を設けた超電導素子とするもので
ある。また、本発明は請求項８に記載のように、請求項
１ないし請求項７のいずれか１項において、第１の非超
電導層は接合部を残して除去され、かつ超電導電極と第
１の非超電導層が各々の側面で電気的に繋がる構造の超
電導素子とするものである。また、本発明は請求項９に
記載のように、請求項１ないし請求項８のいずれか１項
において、第１の非超電導層と超電導電極が同一の結晶
構造からなる超電導素子とするものである。また、本発
明は請求項１０に記載のように、請求項１ないし請求項
９のいずれか１項において、第１の非超電導層の結晶方
位が接合部において整合した構造の超電導素子とするも
のである。また、本発明は請求項１１に記載のように、
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項において、第
１の非超電導層の結晶のｃ軸が、超電導素子の接合部に
おいて基板面に対して垂直となるように構成した超電導
素子とするものである。また、本発明は請求項１２に記
載のように、基板上に直接もしくは第１の非超電導層を
介して形成された一対の超電導層からなる超電導電極
と、該超電導電極間に、超電導電流による結合を生じさ
せる凸形状の第１の非超電導層を含む接合部を有し、上
記超電導電極は、上記接合部の第１の非超電導層との間
で電気的に繋がり、上記接合部の第１の非超電導層上
に、電流を通じない絶縁層と、該絶縁層上に積層した第
２の非超電導層と、該第２の非超電導層と超電導層との
拡散反応もしくは変質化により形成した絶縁化部分を有
し、上記第１の非超電導層の接合部上方で、上記超電導
層が電気的に分離されたパターンを有する構造の超電導
素子の製造方法であって、基板上に第１の非超電導層
と、絶縁層および第２の非超電導層を順次成膜する工程
と、接合部を除いて、絶縁層および第２の非超電導層お
よび第１の非超電導層の一部を加工して除去する工程
と、さらに超電導電極となる超電導層を成膜する工程
と、接合部における上記第２の非超電導層と上記超電導
層との拡散反応もしくは変質化処理により非超電導層を
形成する工程を、少なくとも含む超電導素子の製造方法
とするものである。また、本発明は請求項１３に記載の
ように、請求項１２における製造の対象とする超電導素
子は、請求項２ないし請求項１１のいずれか１項に記載
された構造を持つ超電導素子とするものである。
するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構
成とするものである。すなわち、本発明は請求項１に記
載のように、基板上に直接もしくは第１の非超電導層を
介して形成された一対の超電導層からなる超電導電極
と、該超電導電極間に、超電導電流による結合を生じさ
せる凸形状の第１の非超電導層の接合部を有し、上記超
電導電極は、上記接合部の第１の非超電導層との間で電
気的に繋がり、上記接合部の第１の非超電導層上に、電
流を通じない絶縁層と、該絶縁層上に積層した第２の非
超電導層と、該第２の非超電導層と超電導層との拡散反
応もしくは変質化により形成した絶縁化部分を有し、上
記第１の非超電導層の接合部上方で、上記超電導層が電
気的に分離されたパターンを形成した構造の超電導素子
とするものである。また、本発明は請求項２に記載のよ
うに、請求項１において、超電導電極間の接合部は、基
板に近い側から電流を通じる第１の非超電導層と、電流
を通じない絶縁層と、第２の非超電導層と超電導層との
拡散反応もしくは変質化によって得られる非超電導層の
順に積層化した構造を有するか、もしくは上記第１の非
超電導層と、上記絶縁層と、未反応の上記第２の非超電
導層と、上記第２の非超電導層と超電導層との拡散反応
もしくは変質化によって得られる非超電導層の順に積層
化した構造を有する超電導素子とするものである。ま
た、本発明は請求項３に記載のように、請求項１または
請求項２において、絶縁層は、第１の非超電導層と第２
の非超電導層との拡散反応もしくは変質化を防止するた
めの保護膜としての機能を有し、上記第２の非超電導層
は、超電導電極と同一の組成で成膜される超電導層に対
し、超電導結晶の生成を阻止するか、もしくは拡散反応
または変質化により非超電導化させる機能を有する構造
の超電導素子とするものである。また、本発明は請求項
４に記載のように、請求項１ないし請求項３のいずれか
１項において、第１の非超電導層は周辺部よりも接合部
の領域で厚い層厚を有する構成とするものである。ま
た、本発明は請求項５に記載のように、請求項１ないし
請求項４のいずれか１項において、超電導電極および第
１の非超電導層は酸化物により構成した超電導素子とす
るものである。また、本発明は請求項６に記載のよう
に、請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、
超電導素子の接合部における超電導電極は、第１の非超
電導層の側面および上面で電気的に繋がる構造の超電導
素子とするものである。また、本発明は請求項７に記載
のように、請求項１ないし請求項６のいずれか１項にお
いて、絶縁層を介して第１の非超電導層に対して電界を
印加し得るゲ−ト電極を設けた超電導素子とするもので
ある。また、本発明は請求項８に記載のように、請求項
１ないし請求項７のいずれか１項において、第１の非超
電導層は接合部を残して除去され、かつ超電導電極と第
１の非超電導層が各々の側面で電気的に繋がる構造の超
電導素子とするものである。また、本発明は請求項９に
記載のように、請求項１ないし請求項８のいずれか１項
において、第１の非超電導層と超電導電極が同一の結晶
構造からなる超電導素子とするものである。また、本発
明は請求項１０に記載のように、請求項１ないし請求項
９のいずれか１項において、第１の非超電導層の結晶方
位が接合部において整合した構造の超電導素子とするも
のである。また、本発明は請求項１１に記載のように、
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項において、第
１の非超電導層の結晶のｃ軸が、超電導素子の接合部に
おいて基板面に対して垂直となるように構成した超電導
素子とするものである。また、本発明は請求項１２に記
載のように、基板上に直接もしくは第１の非超電導層を
介して形成された一対の超電導層からなる超電導電極
と、該超電導電極間に、超電導電流による結合を生じさ
せる凸形状の第１の非超電導層を含む接合部を有し、上
記超電導電極は、上記接合部の第１の非超電導層との間
で電気的に繋がり、上記接合部の第１の非超電導層上
に、電流を通じない絶縁層と、該絶縁層上に積層した第
２の非超電導層と、該第２の非超電導層と超電導層との
拡散反応もしくは変質化により形成した絶縁化部分を有
し、上記第１の非超電導層の接合部上方で、上記超電導
層が電気的に分離されたパターンを有する構造の超電導
素子の製造方法であって、基板上に第１の非超電導層
と、絶縁層および第２の非超電導層を順次成膜する工程
と、接合部を除いて、絶縁層および第２の非超電導層お
よび第１の非超電導層の一部を加工して除去する工程
と、さらに超電導電極となる超電導層を成膜する工程
と、接合部における上記第２の非超電導層と上記超電導
層との拡散反応もしくは変質化処理により非超電導層を
形成する工程を、少なくとも含む超電導素子の製造方法
とするものである。また、本発明は請求項１３に記載の
ように、請求項１２における製造の対象とする超電導素
子は、請求項２ないし請求項１１のいずれか１項に記載
された構造を持つ超電導素子とするものである。
【０００６】
【作用】本発明の請求項１または請求項２に記載の超電
導素子構造において、一対の超電導電極に挾まれた非超
電導層に超電導電流が流れるのは、超電導近接効果によ
るものである。すなわち、第１の非超電導層の幅を超電
導減衰長と同等、もしくはその数倍以内の寸法とするこ
とにより、第１の非超電導層を介して超電導電極間に超
電導電流が流れるものである。一方では、請求項１２ま
たは請求項１３に記載のように、１枚の超電導層を形成
し、これを分割することにより一対の超電導電極を作製
する必要がある。この超電導層を、従来行われている通
常の加工工程によって分割した場合には、電流を流すべ
き非超電導層に欠陥が導入され、結晶の欠陥密度の増加
に従って超電導減衰長は、本来の超電導材料の値よりも
短くなるという問題がある。本発明の超電導素子の製造
方法において、超電導層を形成する前に、あらかじめ超
電導層を電気的に分割する部分、すなわち接合部に第２
の非超電導層を設ける構造とし、第２の非超電導層に接
した超電導層は、拡散反応または変質化によって非超電
導化または絶縁体化される。ここで特に、拡散反応また
は変質化のための熱処理を施す必要はなく、超電導層を
成膜する工程で、上記の拡散反応または変質化が促進さ
れることになる。そして、結晶化に必要な温度に基板を
昇温し、接合部における加工工程は、接合部を除いて絶
縁層、第２の非超電導層および第１の非超電導層の一部
を加工して除去する工程のみであり、超電導層を分割加
工することは行わないので、上記した電流を流すべき非
超電導層に欠陥が導入されることはない。通常の場合、
超電導電極と第１の非超電導層は同一系の結晶が用いら
れる。したがって、超電導層と同様に、第１の非超電導
層と第２の非超電導層が直接、接して形成された場合は
互いに拡散反応が生じる。この結果、第１の非超電導層
も変質して絶縁体の状態に変化する可能性はある。しか
し、第２の非超電導層と超電導膜の拡散によって生じた
反応層は、必ずしも絶縁体状態である必要はなく第１の
非超電導層より十分に高い抵抗値を有しておればよい。
また、本発明の超電導素子は、請求項３に記載のよう
に、第１の非超電導層と第２の非超電導層の間に挿入さ
れる絶縁層は、これら非超電導層間の拡散反応の結果と
して、第１の非超電導層が変質、劣化するのを防止する
ための反応防止層としての役割を有する。したがって、
絶縁層としては第１の非超電導層とも、または第２の非
超電導層とも拡散反応を生じない絶縁体材料を選定する
ものであり、これにより超電導特性の劣化を抑制するこ
とができる。また、本発明の素子構造では、請求項４、
６、８、９、１０または１１に記載のように、第１の非
超電導層の結晶性および電気伝導性を保った状態で、超
電導薄膜が電気的に２個の超電導電極に分割される。ま
た、一方の超電導電極から非超電導層に入って、他方の
超電導電極に達するまで、直線的な電流経路で、かつ結
晶のただ一種類の方位内で超電導電流を流すことができ
るので高性能の超電導接合素子が得られる。さらに、本
発明の超電導素子の構造および製造方法は以下に示す理
由により、本発明の課題である超電導層−非超電導層−
超電導層接合における固有の接合特性を発揮することが
でき、かつ外部から直接電圧信号を印加することにより
接合特性を十分に制御し得る超電導素子を実現すること
が可能となる。これについては、発明が解決しようとす
る課題において述べたように、与えられた接合抵抗で、
できるだけ超電導電流の高い（大きい）接合を得るため
には次の要件を満たす必要がある。すなわち、実現可能
な素子の加工寸法の範囲内で、実効的な電極間隔、すな
わち一方の超電導電極から非超電導層に入って、他方の
超電導電極に達するまでの電流経路ができる限り短いこ
とが望ましい。本発明の超電導素子は、請求項１ないし
１１のいずれか１項に記載のように、非超電導層を、一
対（２枚）の超電導電極で面内方向に挟むような構造と
しているので、電極間隔あるいは非超電導層が同一の加
工寸法であっても、電流経路は迂回させることなく常に
直線的な電流経路を確保することができるので、超電導
電流の高い接合が得られる。本発明の超電導素子は、請
求項５に記載のように、一般的に、正方晶あるいは斜方
晶である酸化物超電導薄膜、および請求項１１に記載の
ように、同一結晶系の非超電導薄膜は結晶のｃ軸が基板
面に垂直方向であるのが最も容易な成長モ−ドである。
すでに知られているごとく、ｃ軸方向と比較して、ａｂ
面内方向の方が超電導特性および伝導特性に優れてい
る。すなわち、非超電導層のａｂ面内方向の超電導減衰
長は、ｃ軸方向の超電導減衰長より長くなり、かつ超電
導電極と非超電導層との界面での超電導電流の減衰も抑
えられる。したがって、本発明の膜面内方向での層状構
造は、基板に対して垂直方向の積層構造よりも高い超電
導特性を確保することができる。さらに、発明が解決し
ようとする課題において述べた第２の要件である、非超
電導層の結晶に粒界や転位等の欠陥がなく、できる限り
高品質の薄膜を用いる理由は以下に示す通りである。高
品質の非超電導層を形成するためには、下地層としてで
きる限り平坦で欠陥密度の低い単結晶を用いる必要があ
る。すなわち、平坦化され、結晶の低欠陥化のための表
面処理を施された下地層上に、非超電導層を形成するこ
とによって、はじめて欠陥密度の低い非超電導層の結晶
が得られる。本発明の超電導素子においては、このよう
な単結晶基板上に直接、非超電導層としての薄膜を形成
することができる素子構造を有する。すなわち、請求項
１２または１３に記載の素子の製造方法に示すように、
表面層が劣化するような加工工程を経る前に、非超電導
層を形成するので、欠陥密度の極めて低い非超電導層の
結晶が得られる。一方、超電導電極は加工された第１の
非超電導層上に積層されるため、超電導電極には構造の
欠陥は避けられない。しかし、超電導電極の構造の欠陥
によって超電導臨界温度が低下することはないので、臨
界電流密度への影響に対し特に考慮を払う必要はない。
さらに、発明が解決しようとする課題において述べた第
３の要件である、超電導電流を制御するために超電導層
−非超電導層−超電導層接合に制御電極を設ける場合
に、制御信号が非超電導層に直接印加される素子構造と
する必要がある。本発明の超電導素子構造においては、
請求項７に記載のように、超電導電極が第１の非超電導
層に覆いかぶさる接合構造ではないので、一方の超電導
電極から非超電導層に入って、他方の超電導電極に達す
るまでの電流経路の非超電導層部分に対して直接、電圧
信号を印加することができる。したがって、本発明の超
電導素子では、超電導電流を制御するための電極を絶縁
層を介して設けることができる。
導素子構造において、一対の超電導電極に挾まれた非超
電導層に超電導電流が流れるのは、超電導近接効果によ
るものである。すなわち、第１の非超電導層の幅を超電
導減衰長と同等、もしくはその数倍以内の寸法とするこ
とにより、第１の非超電導層を介して超電導電極間に超
電導電流が流れるものである。一方では、請求項１２ま
たは請求項１３に記載のように、１枚の超電導層を形成
し、これを分割することにより一対の超電導電極を作製
する必要がある。この超電導層を、従来行われている通
常の加工工程によって分割した場合には、電流を流すべ
き非超電導層に欠陥が導入され、結晶の欠陥密度の増加
に従って超電導減衰長は、本来の超電導材料の値よりも
短くなるという問題がある。本発明の超電導素子の製造
方法において、超電導層を形成する前に、あらかじめ超
電導層を電気的に分割する部分、すなわち接合部に第２
の非超電導層を設ける構造とし、第２の非超電導層に接
した超電導層は、拡散反応または変質化によって非超電
導化または絶縁体化される。ここで特に、拡散反応また
は変質化のための熱処理を施す必要はなく、超電導層を
成膜する工程で、上記の拡散反応または変質化が促進さ
れることになる。そして、結晶化に必要な温度に基板を
昇温し、接合部における加工工程は、接合部を除いて絶
縁層、第２の非超電導層および第１の非超電導層の一部
を加工して除去する工程のみであり、超電導層を分割加
工することは行わないので、上記した電流を流すべき非
超電導層に欠陥が導入されることはない。通常の場合、
超電導電極と第１の非超電導層は同一系の結晶が用いら
れる。したがって、超電導層と同様に、第１の非超電導
層と第２の非超電導層が直接、接して形成された場合は
互いに拡散反応が生じる。この結果、第１の非超電導層
も変質して絶縁体の状態に変化する可能性はある。しか
し、第２の非超電導層と超電導膜の拡散によって生じた
反応層は、必ずしも絶縁体状態である必要はなく第１の
非超電導層より十分に高い抵抗値を有しておればよい。
また、本発明の超電導素子は、請求項３に記載のよう
に、第１の非超電導層と第２の非超電導層の間に挿入さ
れる絶縁層は、これら非超電導層間の拡散反応の結果と
して、第１の非超電導層が変質、劣化するのを防止する
ための反応防止層としての役割を有する。したがって、
絶縁層としては第１の非超電導層とも、または第２の非
超電導層とも拡散反応を生じない絶縁体材料を選定する
ものであり、これにより超電導特性の劣化を抑制するこ
とができる。また、本発明の素子構造では、請求項４、
６、８、９、１０または１１に記載のように、第１の非
超電導層の結晶性および電気伝導性を保った状態で、超
電導薄膜が電気的に２個の超電導電極に分割される。ま
た、一方の超電導電極から非超電導層に入って、他方の
超電導電極に達するまで、直線的な電流経路で、かつ結
晶のただ一種類の方位内で超電導電流を流すことができ
るので高性能の超電導接合素子が得られる。さらに、本
発明の超電導素子の構造および製造方法は以下に示す理
由により、本発明の課題である超電導層−非超電導層−
超電導層接合における固有の接合特性を発揮することが
でき、かつ外部から直接電圧信号を印加することにより
接合特性を十分に制御し得る超電導素子を実現すること
が可能となる。これについては、発明が解決しようとす
る課題において述べたように、与えられた接合抵抗で、
できるだけ超電導電流の高い（大きい）接合を得るため
には次の要件を満たす必要がある。すなわち、実現可能
な素子の加工寸法の範囲内で、実効的な電極間隔、すな
わち一方の超電導電極から非超電導層に入って、他方の
超電導電極に達するまでの電流経路ができる限り短いこ
とが望ましい。本発明の超電導素子は、請求項１ないし
１１のいずれか１項に記載のように、非超電導層を、一
対（２枚）の超電導電極で面内方向に挟むような構造と
しているので、電極間隔あるいは非超電導層が同一の加
工寸法であっても、電流経路は迂回させることなく常に
直線的な電流経路を確保することができるので、超電導
電流の高い接合が得られる。本発明の超電導素子は、請
求項５に記載のように、一般的に、正方晶あるいは斜方
晶である酸化物超電導薄膜、および請求項１１に記載の
ように、同一結晶系の非超電導薄膜は結晶のｃ軸が基板
面に垂直方向であるのが最も容易な成長モ−ドである。
すでに知られているごとく、ｃ軸方向と比較して、ａｂ
面内方向の方が超電導特性および伝導特性に優れてい
る。すなわち、非超電導層のａｂ面内方向の超電導減衰
長は、ｃ軸方向の超電導減衰長より長くなり、かつ超電
導電極と非超電導層との界面での超電導電流の減衰も抑
えられる。したがって、本発明の膜面内方向での層状構
造は、基板に対して垂直方向の積層構造よりも高い超電
導特性を確保することができる。さらに、発明が解決し
ようとする課題において述べた第２の要件である、非超
電導層の結晶に粒界や転位等の欠陥がなく、できる限り
高品質の薄膜を用いる理由は以下に示す通りである。高
品質の非超電導層を形成するためには、下地層としてで
きる限り平坦で欠陥密度の低い単結晶を用いる必要があ
る。すなわち、平坦化され、結晶の低欠陥化のための表
面処理を施された下地層上に、非超電導層を形成するこ
とによって、はじめて欠陥密度の低い非超電導層の結晶
が得られる。本発明の超電導素子においては、このよう
な単結晶基板上に直接、非超電導層としての薄膜を形成
することができる素子構造を有する。すなわち、請求項
１２または１３に記載の素子の製造方法に示すように、
表面層が劣化するような加工工程を経る前に、非超電導
層を形成するので、欠陥密度の極めて低い非超電導層の
結晶が得られる。一方、超電導電極は加工された第１の
非超電導層上に積層されるため、超電導電極には構造の
欠陥は避けられない。しかし、超電導電極の構造の欠陥
によって超電導臨界温度が低下することはないので、臨
界電流密度への影響に対し特に考慮を払う必要はない。
さらに、発明が解決しようとする課題において述べた第
３の要件である、超電導電流を制御するために超電導層
−非超電導層−超電導層接合に制御電極を設ける場合
に、制御信号が非超電導層に直接印加される素子構造と
する必要がある。本発明の超電導素子構造においては、
請求項７に記載のように、超電導電極が第１の非超電導
層に覆いかぶさる接合構造ではないので、一方の超電導
電極から非超電導層に入って、他方の超電導電極に達す
るまでの電流経路の非超電導層部分に対して直接、電圧
信号を印加することができる。したがって、本発明の超
電導素子では、超電導電流を制御するための電極を絶縁
層を介して設けることができる。
【０００７】
【実施例】以下に本発明の実施例を挙げ、図面を用いて
さらに詳細に説明する。 〈実施例１〉図１に示す構造の超電導素子を、図２
（ａ）〜（ｃ）に示す製造工程により作製した。基板１
として、（１００）面方位のチタン酸ストロンチウム単
結晶を用いる。この基板１上に、金属元素の組成比がほ
ぼ１：２：３であるＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜よりな
る第１の非超電導層２を形成する。成膜はレ−ザ蒸着法
によって行い、光源にはフッ化クリプトンを用いる。成
膜温度は７００℃を中心とした温度とし、雰囲気ガスは
酸素で、圧力は２００ｍＴｏｒｒ（約２６．７Ｐａ）と
する。この条件下で、膜厚が５０〜６０ｎｍのＰｒ−Ｂ
ａ−Ｃｕ酸化物薄膜を得る。このＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化
物薄膜は、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物の超電導材料と同じ結
晶構造である斜方晶の結晶構造を有し、ｃ軸が基板１面
に対して垂直な結晶方位を示した。また、面内の結晶方
位もチタン酸ストロンチウムの結晶方位と一致した。ダ
ミ−膜で調べたところ、電気抵抗は温度を下げるにした
がって増加する、いわゆる半導体的な電気伝導特性を示
した。引き続いて、絶縁層３としてのＭｇ酸化物薄膜
を、同じくレ−ザ蒸着法によって、膜厚が２０ｎｍの厚
みに形成する。次に、レ−ザ蒸着法によって、第２の非
超電導層４としてのＳｉ酸化物薄膜を、膜厚が２０ｎｍ
の厚みに形成する〔図２（ａ）〕。このＳｉ酸化物薄膜
は、後で述べる超電導層５の形成工程で、超電導層５と
拡散反応により、第２の非超電導層と超電導層の反応に
よる絶縁化部分６を生成し絶縁体層が形成される。次
に、図３に示すように、Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜、
Ｍｇ酸化物薄膜およびＳｉ酸化物薄膜の３層積層膜２７
上に、電子線描画法によって接合部レジストパタ−ン２
６を形成する。Ａｒビ−ム、あるいはＡｒと酸素の混合
ガスを用いたビ−ムによってＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄
膜、Ｍｇ酸化物薄膜およびＳｉ酸化物薄膜の３層積層膜
２７のエッチングを行い、Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜
を膜表面より３０ｎｍ進んだ深さでエッチングを止め
る。このエッチング工程の後、上記３層積層膜２７の突
起部分の幅は１００ｎｍ以下であった〔図２（ｂ）〕。
さらに、金属元素の組成比がほぼ１：２：３であるＹ−
Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜よりなる超電導層５を、レ−ザ蒸
着法によって膜厚を３０ｎｍの厚みに形成する。膜形成
条件は、上記Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜の場合とほぼ
同様とした。素子とは別のダミ−パタ−ンで測定したと
ころ、この条件で作製したＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜
は、Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物層と接する超電導電極７の
部分では超電導特性を示し、Ｓｉ酸化物薄膜と接する部
分、すなわち第２の非超電導層と超電導層の反応による
絶縁化部分６では絶縁体的な特性を示した。したがっ
て、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜よりなる超電導層５は、
Ｓｉ酸化物層である絶縁層３を渡る部分で、超電導特性
を有する一対の超電導電極７に分断される。そして、Ｐ
ｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物層（第１の非超電導層２）で、両
側からＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物層（超電導層５）に挾まれ
る部分が接合部８となる〔図２（ｃ）〕。上記した製造
方法により、平面構造の超電導層−非超電導層−超電導
層接合の超電導素子を作製した。この超電導素子は、液
体窒素温度以下の測定温度で超電導電流が検出された。
Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜よりなる超電導層５が、接合
部８で電気的に分割されていることから、上記の超電導
電流はＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物層よりなる第１の非超電
導層２を介した電流であることは明らかであった。この
超電導電流は、マイクロ波の照射および磁場の印加によ
って、その臨界電流が変調された。また、電極間隔およ
び電極幅を等しくしても、従来構造の、例えば図７に示
す素子よりも高い超電導電流値が得られた。さらに、Ｐ
ｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物層（第１の非超電導層２）の突起
部の幅、すなわち電極間の距離を違えた超電導素子を作
製して、超電導電流値を測定したところ、得られた超電
導減衰長の値は段差形状の従来の素子構造の値よりも大
きかった。本実施例における超電導素子の材料構成とし
て、第１の非超電導層２、絶縁層３、第２の非超電導層
４、および超電導電極７のそれぞれの機能を、材料的お
よび電気特性の面から満足させるものであれば、どのよ
うな材料を用いても特に問題は生じない。例えば、第１
の非超電導層２として、Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物以外
に、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物のＹ、Ｂａ、あるいはＣｕサ
イト元素の一部をＣａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｍｎ等で一
部置換した酸化物を用いても、本実施例と同様の結果が
得られた。また、絶縁層３としてＭｇ酸化物に代えて、
Ｙ酸化物、Ｃｅ酸化物等の酸化物、あるいはフッ化物を
用いても本実施例と同様の結果が得られた。さらに、第
２の非超電導層４として、Ｓｉ酸化物以外にＳｉ、Ｎ
ｂ、Ｔｉ等遷移金属等を用いても本実施例と同様の結果
が得られた。また、超電導電極７としてＹ−Ｂａ−Ｃｕ
酸化物に代えて、ＹをＨｏ、Ｅｕ、Ｇｄ等他の希土類元
素に置き換えた酸化物を用いても本実施例と同様の結果
が得られた。さらに、素子構造に関して図４に示すごと
く、第１の非超電導層２であるＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物
の接合部８を除いて、その他の部分はすべて加工工程で
除去した構造の超電導素子を作製した。なお、素子構造
の他の部分は図１に示す素子と同一である。この超電導
素子においても、本実施例と同等の超電導特性を得るこ
とができた。なお、この接合構造においては、Ｙ−Ｂａ
−Ｃｕ酸化物層（超電導層５）とＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化
物層（第１の非超電導層２）は、ａｂ面に垂直な面で接
する断面積が大きいために、臨界電流は図１に示す構造
の超電導素子の値よりも大きかった。
さらに詳細に説明する。 〈実施例１〉図１に示す構造の超電導素子を、図２
（ａ）〜（ｃ）に示す製造工程により作製した。基板１
として、（１００）面方位のチタン酸ストロンチウム単
結晶を用いる。この基板１上に、金属元素の組成比がほ
ぼ１：２：３であるＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜よりな
る第１の非超電導層２を形成する。成膜はレ−ザ蒸着法
によって行い、光源にはフッ化クリプトンを用いる。成
膜温度は７００℃を中心とした温度とし、雰囲気ガスは
酸素で、圧力は２００ｍＴｏｒｒ（約２６．７Ｐａ）と
する。この条件下で、膜厚が５０〜６０ｎｍのＰｒ−Ｂ
ａ−Ｃｕ酸化物薄膜を得る。このＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化
物薄膜は、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物の超電導材料と同じ結
晶構造である斜方晶の結晶構造を有し、ｃ軸が基板１面
に対して垂直な結晶方位を示した。また、面内の結晶方
位もチタン酸ストロンチウムの結晶方位と一致した。ダ
ミ−膜で調べたところ、電気抵抗は温度を下げるにした
がって増加する、いわゆる半導体的な電気伝導特性を示
した。引き続いて、絶縁層３としてのＭｇ酸化物薄膜
を、同じくレ−ザ蒸着法によって、膜厚が２０ｎｍの厚
みに形成する。次に、レ−ザ蒸着法によって、第２の非
超電導層４としてのＳｉ酸化物薄膜を、膜厚が２０ｎｍ
の厚みに形成する〔図２（ａ）〕。このＳｉ酸化物薄膜
は、後で述べる超電導層５の形成工程で、超電導層５と
拡散反応により、第２の非超電導層と超電導層の反応に
よる絶縁化部分６を生成し絶縁体層が形成される。次
に、図３に示すように、Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜、
Ｍｇ酸化物薄膜およびＳｉ酸化物薄膜の３層積層膜２７
上に、電子線描画法によって接合部レジストパタ−ン２
６を形成する。Ａｒビ−ム、あるいはＡｒと酸素の混合
ガスを用いたビ−ムによってＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄
膜、Ｍｇ酸化物薄膜およびＳｉ酸化物薄膜の３層積層膜
２７のエッチングを行い、Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜
を膜表面より３０ｎｍ進んだ深さでエッチングを止め
る。このエッチング工程の後、上記３層積層膜２７の突
起部分の幅は１００ｎｍ以下であった〔図２（ｂ）〕。
さらに、金属元素の組成比がほぼ１：２：３であるＹ−
Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜よりなる超電導層５を、レ−ザ蒸
着法によって膜厚を３０ｎｍの厚みに形成する。膜形成
条件は、上記Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜の場合とほぼ
同様とした。素子とは別のダミ−パタ−ンで測定したと
ころ、この条件で作製したＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜
は、Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物層と接する超電導電極７の
部分では超電導特性を示し、Ｓｉ酸化物薄膜と接する部
分、すなわち第２の非超電導層と超電導層の反応による
絶縁化部分６では絶縁体的な特性を示した。したがっ
て、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜よりなる超電導層５は、
Ｓｉ酸化物層である絶縁層３を渡る部分で、超電導特性
を有する一対の超電導電極７に分断される。そして、Ｐ
ｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物層（第１の非超電導層２）で、両
側からＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物層（超電導層５）に挾まれ
る部分が接合部８となる〔図２（ｃ）〕。上記した製造
方法により、平面構造の超電導層−非超電導層−超電導
層接合の超電導素子を作製した。この超電導素子は、液
体窒素温度以下の測定温度で超電導電流が検出された。
Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜よりなる超電導層５が、接合
部８で電気的に分割されていることから、上記の超電導
電流はＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物層よりなる第１の非超電
導層２を介した電流であることは明らかであった。この
超電導電流は、マイクロ波の照射および磁場の印加によ
って、その臨界電流が変調された。また、電極間隔およ
び電極幅を等しくしても、従来構造の、例えば図７に示
す素子よりも高い超電導電流値が得られた。さらに、Ｐ
ｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物層（第１の非超電導層２）の突起
部の幅、すなわち電極間の距離を違えた超電導素子を作
製して、超電導電流値を測定したところ、得られた超電
導減衰長の値は段差形状の従来の素子構造の値よりも大
きかった。本実施例における超電導素子の材料構成とし
て、第１の非超電導層２、絶縁層３、第２の非超電導層
４、および超電導電極７のそれぞれの機能を、材料的お
よび電気特性の面から満足させるものであれば、どのよ
うな材料を用いても特に問題は生じない。例えば、第１
の非超電導層２として、Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物以外
に、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物のＹ、Ｂａ、あるいはＣｕサ
イト元素の一部をＣａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｍｎ等で一
部置換した酸化物を用いても、本実施例と同様の結果が
得られた。また、絶縁層３としてＭｇ酸化物に代えて、
Ｙ酸化物、Ｃｅ酸化物等の酸化物、あるいはフッ化物を
用いても本実施例と同様の結果が得られた。さらに、第
２の非超電導層４として、Ｓｉ酸化物以外にＳｉ、Ｎ
ｂ、Ｔｉ等遷移金属等を用いても本実施例と同様の結果
が得られた。また、超電導電極７としてＹ−Ｂａ−Ｃｕ
酸化物に代えて、ＹをＨｏ、Ｅｕ、Ｇｄ等他の希土類元
素に置き換えた酸化物を用いても本実施例と同様の結果
が得られた。さらに、素子構造に関して図４に示すごと
く、第１の非超電導層２であるＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物
の接合部８を除いて、その他の部分はすべて加工工程で
除去した構造の超電導素子を作製した。なお、素子構造
の他の部分は図１に示す素子と同一である。この超電導
素子においても、本実施例と同等の超電導特性を得るこ
とができた。なお、この接合構造においては、Ｙ−Ｂａ
−Ｃｕ酸化物層（超電導層５）とＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化
物層（第１の非超電導層２）は、ａｂ面に垂直な面で接
する断面積が大きいために、臨界電流は図１に示す構造
の超電導素子の値よりも大きかった。
【０００８】〈実施例２〉図５に示す構造の制御機能を
有する超電導素子を、以下に示す工程によって作製し
た。この製作工程は、実施例１の図２（ａ）〜（ｃ）に
示す工程とほぼ同様であり、異なるところは、図２
（ｂ）の工程において、Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物からな
る第１の非超電導層２の接合部８を除き、他はすべて除
去した構造の超電導素子とし、これに制御電圧を印加す
るためのゲート電極９が設けた点である。すなわち、両
面を研磨した（１００）面方位のチタン酸ストロンチウ
ム単結晶を基板１として用いる。この基板１上に、金属
元素の組成比がほぼ１：２：３であるＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ
酸化物薄膜よりなる第１の非超電導層２を、レ−ザ蒸着
法によって形成する工程と、次に絶縁層３としてＭｇ酸
化物薄膜を、同じくレ−ザ蒸着法によって形成する工程
と、次に第２の非超電導層４としてＳｉ酸化物薄膜を形
成する工程とによって接合部８の積層構造を作製する。
次に、電子線描画法およびイオンビ−ムエッチング法に
よってＳｉ酸化物よりなる第２の非超電導層４、Ｍｇ酸
化物よりなる絶縁層３およびＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物よ
りなる第１の非超電導層２により構成される３層膜のエ
ッチングを行い、第１の非超電導層２からなる接合部８
のみを残し他をエッチング除去する工程と、さらに金属
元素の組成比がほぼ１：２：３であるＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸
化物薄膜よりなる超電導層５をレ−ザ蒸着法によって形
成し、かつＳｉ酸化物層（第２の非超電導層４）を渡る
部分、すなわち第２の非超電導層と超電導層の反応によ
る絶縁化部分６で、超電導特性を有する一対の超電導電
極７に分断することにより、超電導素子の超電導層−非
超電導層−超電導層の接合部分を作製する。さらに、チ
タン酸ストロンチウムの基板１の裏面で、接合部８に対
応する部位にＡｕ膜を形成し、ゲ−ト電極９とする。こ
れにより、図５に示す構造の制御機能を有する超電導素
子を作製した。なお、一対の超電導電極７は、それぞれ
ソ−ス電極およびドレイン電極としての機能を有する。
ゲ−ト絶縁膜に電圧を印加した状態で、ソ−スとドレイ
ンの電極間の電圧−電流特性（零ゲ−ト電圧２８）を測
定したところ、図６に示すように、正ゲ−ト電圧２９で
超電導電流は減少し、負ゲ−ト電圧３０で超電導電流は
増大した。電圧状態では、正ゲ−ト電圧２９でコンダク
タンスが増大し、負ゲ−ト電圧３０でコンダクタンスが
減少した。すなわち、電流制御機能を有する超電導素子
が得られた。このような制御機能を有する超電導素子の
ゲ−ト電極９の設置位置は、特に基板１の裏面に限らな
い。層間絶縁膜を介して、基板１と第１の非超電導層２
の間にゲ−ト電極膜を配した構造としても電流制御機能
を有する超電導素子が得られた。さらに、第１の非超電
導層２、絶縁層３さらには第２の非超電導層４と超電導
層５の反応による絶縁化部分６である反応生成層の上部
に、ゲ−ト電極膜を形成した場合においても、本実施例
と同様の電流制御機能を有する超電導素子が得られた。
有する超電導素子を、以下に示す工程によって作製し
た。この製作工程は、実施例１の図２（ａ）〜（ｃ）に
示す工程とほぼ同様であり、異なるところは、図２
（ｂ）の工程において、Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物からな
る第１の非超電導層２の接合部８を除き、他はすべて除
去した構造の超電導素子とし、これに制御電圧を印加す
るためのゲート電極９が設けた点である。すなわち、両
面を研磨した（１００）面方位のチタン酸ストロンチウ
ム単結晶を基板１として用いる。この基板１上に、金属
元素の組成比がほぼ１：２：３であるＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ
酸化物薄膜よりなる第１の非超電導層２を、レ−ザ蒸着
法によって形成する工程と、次に絶縁層３としてＭｇ酸
化物薄膜を、同じくレ−ザ蒸着法によって形成する工程
と、次に第２の非超電導層４としてＳｉ酸化物薄膜を形
成する工程とによって接合部８の積層構造を作製する。
次に、電子線描画法およびイオンビ−ムエッチング法に
よってＳｉ酸化物よりなる第２の非超電導層４、Ｍｇ酸
化物よりなる絶縁層３およびＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物よ
りなる第１の非超電導層２により構成される３層膜のエ
ッチングを行い、第１の非超電導層２からなる接合部８
のみを残し他をエッチング除去する工程と、さらに金属
元素の組成比がほぼ１：２：３であるＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸
化物薄膜よりなる超電導層５をレ−ザ蒸着法によって形
成し、かつＳｉ酸化物層（第２の非超電導層４）を渡る
部分、すなわち第２の非超電導層と超電導層の反応によ
る絶縁化部分６で、超電導特性を有する一対の超電導電
極７に分断することにより、超電導素子の超電導層−非
超電導層−超電導層の接合部分を作製する。さらに、チ
タン酸ストロンチウムの基板１の裏面で、接合部８に対
応する部位にＡｕ膜を形成し、ゲ−ト電極９とする。こ
れにより、図５に示す構造の制御機能を有する超電導素
子を作製した。なお、一対の超電導電極７は、それぞれ
ソ−ス電極およびドレイン電極としての機能を有する。
ゲ−ト絶縁膜に電圧を印加した状態で、ソ−スとドレイ
ンの電極間の電圧−電流特性（零ゲ−ト電圧２８）を測
定したところ、図６に示すように、正ゲ−ト電圧２９で
超電導電流は減少し、負ゲ−ト電圧３０で超電導電流は
増大した。電圧状態では、正ゲ−ト電圧２９でコンダク
タンスが増大し、負ゲ−ト電圧３０でコンダクタンスが
減少した。すなわち、電流制御機能を有する超電導素子
が得られた。このような制御機能を有する超電導素子の
ゲ−ト電極９の設置位置は、特に基板１の裏面に限らな
い。層間絶縁膜を介して、基板１と第１の非超電導層２
の間にゲ−ト電極膜を配した構造としても電流制御機能
を有する超電導素子が得られた。さらに、第１の非超電
導層２、絶縁層３さらには第２の非超電導層４と超電導
層５の反応による絶縁化部分６である反応生成層の上部
に、ゲ−ト電極膜を形成した場合においても、本実施例
と同様の電流制御機能を有する超電導素子が得られた。
【０００９】
【発明の効果】以上詳細に説明したごとく、本発明の超
電導素子およびその製造方法は、以下に示す効果があ
る。 （１）同一の微細加工技術を用いた場合でも、従来構造
の超電導素子と比較して実効的な接合長の短い接合部を
有する超電導素子が得られる。 （２）接合部で超電導カップリングを生じるための非超
電導層を欠陥密度の低い状態で形成でき、したがって同
一の非超電導層材料を用いた場合においても超電導減衰
長の長い接合が得られる。 （３）接合部で超電導カップリングを生じるための非超
電導層が超電導電極によって覆われていない構造である
ため、非超電導層に制御電圧を印加することができる。
すなわち、ソ−ス電極とドレイン電極間の電流を制御す
ることが可能となる。
電導素子およびその製造方法は、以下に示す効果があ
る。 （１）同一の微細加工技術を用いた場合でも、従来構造
の超電導素子と比較して実効的な接合長の短い接合部を
有する超電導素子が得られる。 （２）接合部で超電導カップリングを生じるための非超
電導層を欠陥密度の低い状態で形成でき、したがって同
一の非超電導層材料を用いた場合においても超電導減衰
長の長い接合が得られる。 （３）接合部で超電導カップリングを生じるための非超
電導層が超電導電極によって覆われていない構造である
ため、非超電導層に制御電圧を印加することができる。
すなわち、ソ−ス電極とドレイン電極間の電流を制御す
ることが可能となる。
【図１】本発明の実施例１で例示した超電導素子の断面
構造を示す模式図。
構造を示す模式図。
【図２】本発明の実施例１で例示した超電導素子の作製
過程を示す工程図。
過程を示す工程図。
【図３】本発明の実施例１で例示したＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ
酸化物薄膜、Ｍｇ酸化物薄膜およびＳｉ酸化物薄膜の３
層積層膜上に電子線描画法により接合部レジストパター
ンを形成しエッチングする状態を示す平面図。
酸化物薄膜、Ｍｇ酸化物薄膜およびＳｉ酸化物薄膜の３
層積層膜上に電子線描画法により接合部レジストパター
ンを形成しエッチングする状態を示す平面図。
【図４】本発明の実施例１で例示した他の超電導素子の
断面構造を示す模式図。
断面構造を示す模式図。
【図５】本発明の実施例２で例示した超電導素子の断面
構造を示す模式図。
構造を示す模式図。
【図６】本発明の実施例２で例示した超電導素子の電圧
−電流特性を示すグラフ。
−電流特性を示すグラフ。
【図７】従来の超電導素子の断面構造を示す模式図。
【図８】従来の他の超電導素子の断面構造を示す模式
図。
図。
【図９】従来の他の超電導素子の断面構造を示す模式
図。
図。
１…基板 ２…第１の非超電導層 ３…絶縁層 ４…第２の非超電導層 ５…超電導層 ６…第２の非超電導層と超電導層の反応による絶縁化部
分 ７…超電導電極 ８…接合部 ９…ゲ−ト電極 １０…基板 １１…超電導電極 １２、１３、１４、１５…超電導電極 １６、１７、１８…接合部 １９、２０、２１…非超電導層 ２２、２３、２４…絶縁層 ２５…超電導配線 ２６…接合部レジストパタ−ン ２７…Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜、Ｍｇ酸化物薄膜お
よびＳｉ酸化物薄膜の３層積層膜 ２８…零ゲ−ト電圧 ２９…正ゲ−ト電圧 ３０…負ゲ−ト電圧
分 ７…超電導電極 ８…接合部 ９…ゲ−ト電極 １０…基板 １１…超電導電極 １２、１３、１４、１５…超電導電極 １６、１７、１８…接合部 １９、２０、２１…非超電導層 ２２、２３、２４…絶縁層 ２５…超電導配線 ２６…接合部レジストパタ−ン ２７…Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜、Ｍｇ酸化物薄膜お
よびＳｉ酸化物薄膜の３層積層膜 ２８…零ゲ−ト電圧 ２９…正ゲ−ト電圧 ３０…負ゲ−ト電圧
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 樺沢 宇紀 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所 中央研究所内 (72)発明者 長谷川 晴弘 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所 中央研究所内 (72)発明者 高木 一正 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所 中央研究所内 (56)参考文献 特開 平６−112538（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−5935（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−118978（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−334074（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−228383（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−296284（ＪＰ，Ａ)
Claims (13)
- 【請求項１】基板上に直接もしくは第１の非超電導層を
介して形成された一対の超電導層からなる超電導電極
と、該超電導電極間に、超電導電流による結合を生じさ
せる凸形状の第１の非超電導層の接合部を有し、上記超
電導電極は、上記接合部の第１の非超電導層との間で電
気的に繋がり、上記接合部の第１の非超電導層上に、電
流を通じない絶縁層と、該絶縁層上に積層した第２の非
超電導層と、該第２の非超電導層と超電導層との拡散反
応もしくは変質化により形成した絶縁化部分を有し、上
記第１の非超電導層の接合部上方で、上記超電導層が電
気的に分離されたパターンを形成してなることを特徴と
する超電導素子。 - 【請求項２】請求項１において、超電導電極間の接合部
は、基板に近い側から電流を通じる第１の非超電導層
と、電流を通じない絶縁層と、第２の非超電導層と超電
導層との拡散反応もしくは変質化によって得られる非超
電導層の順に積層化した構造を有するか、もしくは上記
第１の非超電導層と、上記絶縁層と、未反応の上記第２
の非超電導層と、上記第２の非超電導層と超電導層との
拡散反応もしくは変質化によって得られる非超電導層の
順に積層化した構造を有することを特徴とする超電導素
子。 - 【請求項３】請求項１または請求項２において、絶縁層
は、第１の非超電導層と第２の非超電導層との拡散反応
もしくは変質化を防止するための保護膜としての機能を
有し、上記第２の非超電導層は、超電導電極と同一の組
成で成膜される超電導層に対し、超電導結晶の生成を阻
止するか、もしくは拡散反応または変質化により非超電
導化させる機能を有する構成としたことを特徴とする超
電導素子。 - 【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれか１項に
おいて、第１の非超電導層は周辺部よりも接合部の領域
で厚い層厚を有することを特徴とする超電導素子。 - 【請求項５】請求項１ないし請求項４のいずれか１項に
おいて、超電導電極および第１の非超電導層は酸化物よ
りなることを特徴とする超電導素子。 - 【請求項６】請求項１ないし請求項５のいずれか１項に
おいて、超電導素子の接合部における超電導電極は、第
１の非超電導層の側面および上面で電気的に繋がる構成
としたことを特徴とする超電導素子。 - 【請求項７】請求項１ないし請求項６のいずれか１項に
おいて、絶縁基板を介して第１の非超電導層に対して電
界を印加し得るゲ−ト電極を設けたことを特徴とする超
電導素子。 - 【請求項８】請求項１ないし請求項７のいずれか１項に
おいて、第１の非超電導層は接合部を残して除去され、
かつ超電導電極と第１の非超電導層が各々の側面で電気
的に繋がる構成としたことを特徴とする超電導素子。 - 【請求項９】請求項１ないし請求項８のいずれか１項に
おいて、第１の非超電導層と超電導電極は同一の結晶構
造からなることを特徴とする超電導素子。 - 【請求項１０】請求項１ないし請求項９のいずれか１項
において、第１の非超電導層の結晶方位が接合部におい
て整合してなることを特徴とする超電導素子。 - 【請求項１１】請求項１ないし請求項１０のいずれか１
項において、第１の非超電導層の結晶のｃ軸が、超電導
素子の接合部において基板面に対して垂直となるように
構成したこととを特徴とする超電導素子。 - 【請求項１２】基板上に直接もしくは第１の非超電導層
を介して形成された一対の超電導層からなる超電導電極
と、該超電導電極間に、超電導電流による結合を生じさ
せる凸形状の第１の非超電導層の接合部を有し、上記超
電導電極は、上記接合部の第１の非超電導層との間で電
気的に繋がり、上記接合部の第１の非超電導層上に、電
流を通じない絶縁層と、該絶縁層上に積層した第２の非
超電導層と、該第２の非超電導層と超電導層との拡散反
応もしくは変質化により形成した絶縁化部分を有し、上
記第１の非超電導層の接合部上方で、上記超電導層が電
気的に分離されたパターンを有する超電導素子の製造方
法において、 基板上に第１の非超電導層と、絶縁層および第２の非超
電導層を順次成膜する工程と、 接合部を除いて、絶縁層および第２の非超電導層および
第１の非超電導層の全部を加工して除去する工程と、 さらに超電導電極となる超電導層を成膜する工程と、 接合部における上記第２の非超電導層と上記超電導層と
の拡散反応もしくは変質化処理により非超電導層を形成
する工程を、少なくとも含むことを特徴とする超電導素
子の製造方法。 - 【請求項１３】請求項１２において、製造する超電導素
子構造は請求項２ないし請求項１１のいずれか１項に記
載の超電導素子であることを特徴とする超電導素子の製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6274640A JP2731513B2 (ja) | 1994-11-09 | 1994-11-09 | 超電導素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6274640A JP2731513B2 (ja) | 1994-11-09 | 1994-11-09 | 超電導素子およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08139378A JPH08139378A (ja) | 1996-05-31 |
| JP2731513B2 true JP2731513B2 (ja) | 1998-03-25 |
Family
ID=17544527
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6274640A Expired - Fee Related JP2731513B2 (ja) | 1994-11-09 | 1994-11-09 | 超電導素子およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2731513B2 (ja) |
-
1994
- 1994-11-09 JP JP6274640A patent/JP2731513B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08139378A (ja) | 1996-05-31 |
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