JP3075147B2 - Superconducting element - Google Patents

Superconducting element

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JP3075147B2
JP3075147B2 JP07198539A JP19853995A JP3075147B2 JP 3075147 B2 JP3075147 B2 JP 3075147B2 JP 07198539 A JP07198539 A JP 07198539A JP 19853995 A JP19853995 A JP 19853995A JP 3075147 B2 JP3075147 B2 JP 3075147B2
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  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は電子素子技術に関し、特
に素子の電流電圧特性上に強い非線形性を示し、しかも
高周波電磁界に応答して、その特性自身が変化するよう
な超伝導素子に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electronic device technology, and more particularly to a superconducting device which exhibits a strong non-linearity in current-voltage characteristics of the device and which itself changes in response to a high-frequency electromagnetic field. Things.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、非線形素子として、半導体を用い
たショットキーダイオード、PIN接合ダイオード、ト
ランジスタ、金属/絶縁体/金属接合で表されるM/I
/M素子、等多数存在した。また超伝導素子であるジョ
セフソン素子もまた、電流電圧特性上に非線形性を有す
る非線形素子である。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a nonlinear element, a Schottky diode using a semiconductor, a PIN junction diode, a transistor, and an M / I represented by a metal / insulator / metal junction.
/ M element, etc. The Josephson element, which is a superconducting element, is also a non-linear element having non-linearity in current-voltage characteristics.

【0003】この中でショットキーダイオード、PIN
ダイオード、M/I/M素子は、電極間に印加した電圧
により、ショットキーバリア、絶縁体で形成されたエネ
ルギー障壁を電子が飛び越えることによって電流が流れ
る。この電流値は、障壁に印加される電界に対して線形
ではないため、電流電圧特性上に非線形性が生まれる。
たとえばショットキーダイオードでは電圧があるしきい
値を越えると電流が急激に流れ易くなり、非線形な電流
電圧特性が得られる。トランジスタは基本的にショット
キーダイオードの組合せであり、電流電圧特性上の非線
形性はショットキーダイオードを考えることで説明でき
る。
[0003] Among them, Schottky diode, PIN
In a diode or an M / I / M element, a current flows when electrons jump over an energy barrier formed of a Schottky barrier or an insulator by a voltage applied between the electrodes. Since the current value is not linear with respect to the electric field applied to the barrier, a non-linearity is generated in the current-voltage characteristics.
For example, in the case of a Schottky diode, when the voltage exceeds a certain threshold value, the current easily flows rapidly, and a non-linear current-voltage characteristic is obtained. The transistor is basically a combination of Schottky diodes, and the non-linearity in the current-voltage characteristics can be explained by considering the Schottky diode.

【0004】一方、ジョセフソン素子は、量子現象であ
る超伝導現象に起因する非線形性が電流電圧特性上に現
れる。さらに特筆すべきことに、2端子素子でありなが
ら交流ジョセフソン効果により、電圧状態でその端子間
に高周波電流が流れている。
On the other hand, in the Josephson element, non-linearity due to a superconductivity phenomenon, which is a quantum phenomenon, appears on current-voltage characteristics. It should be further noted that despite being a two-terminal element, a high-frequency current flows between its terminals in a voltage state due to the AC Josephson effect.

【0005】一方、近年になって、非常に小さな静電容
量のトンネル型接合では、電子1個がトンネルすること
により電極間に蓄えられる静電エネルギーが大きいた
め、種々興味深い特性が得られることが理論的に導かた
(例えば、シ゛ャーナル オフ゛ ロー テンヘ゜レーチャ フィシ゛ックス 第62巻
第345頁(D.V.Averin、K.K.Likh
arev: J. Low Temp. Phys.6
2 (1983) pp.345)、フィシ゛カ B第152巻
第186頁(U.Geigenmuller、G.Sc
hon: Physica B 152 (1988)
pp.186)等)。
On the other hand, in recent years, in tunnel type junctions having very small capacitance, various interesting characteristics can be obtained because a large amount of electrostatic energy is stored between electrodes due to tunneling of one electron. It was theoretically derived (for example, Journal of Roten-Hearter Physics, Vol. 62, p. 345 (D.V. Averin, KK Likh).
arev: J. Low Temp. Phys. 6
2 (1983) pp. 345), Fisizuka B, Vol. 152, p. 186 (U. Geigenmuller, G. Sc)
hon: Physica B 152 (1988)
pp. 186) etc.).

【0006】この素子構造は、基本的に2端子構造であ
り、一方の電極より他方の電極へ電子(電荷e:1.6
×10-19クーロン)が1つトンネルすることにより、
電極間にe/Cの電位差が生じる。ここでCは素子の静
電容量である。
This element structure is basically a two-terminal structure, in which electrons (charge e: 1.6) are transferred from one electrode to the other electrode.
× 10 -19 coulombs) tunnel one,
A potential difference of e / C occurs between the electrodes. Here, C is the capacitance of the element.

【0007】このときCが非常に小さいと、電位差は観
測できるオーダーになる。例えばCが0.1ピコファラ
ッド(pF:10-12ファラッド)とすれば、電位差は
1マイクロボルトとなり計測できる値になる。言い替え
るとこの電圧以下では電流が流れない(電荷の最小単位
がeであるため)。
At this time, if C is very small, the potential difference is on the order of observable. For example, if C is 0.1 picofarad (pF: 10 -12 farad), the potential difference is 1 microvolt, which is a measurable value. In other words, no current flows below this voltage (because the minimum unit of charge is e).

【0008】また、外部より一定電流(I)を流すと、
素子の両端の電位差が時間に対して振動することにな
る。この振動は非常な高周波(周波数f=I/e:1マ
イクロアンペアで6テラヘルツ程度)となることが計算
できる。
When a constant current (I) is applied from the outside,
The potential difference between both ends of the element oscillates with time. This vibration can be calculated to be a very high frequency (frequency f = I / e: about 6 terahertz at 1 microampere).

【0009】一方、この理論的予測に対して、実験的に
もいくつかの検証結果が報告されている(例えば、シ゛ャハ
゜ニース゛ シ゛ャーナル オフ゛ アフ゜ライト゛ フィシ゛ックス第26巻第1379
頁(K.Yoshihiro、他:J. J. App
l. Phys.26 (1987) pp.137
9、 Suppl.26−3)、シ゛ャハ゜ニース゛ シ゛ャーナル オフ゛ア
フ゜ライト゛ フィシ゛ックス第26巻第1387頁(L.S.Kuz
min、K.K.Likharev:J. J. Ap
pl. Phys.26 (1987) pp.138
7、 Suppl.26−3)。ただし、微少な静電容
量の素子を実現するために、金属の微粒子薄膜を用いる
などしており、実用的な素子構造で理論的な予測を確認
した例はない。
On the other hand, some verification results have been reported experimentally with respect to this theoretical prediction (for example, Shah Nice Nice Off Aphis Physics, Vol. 26, No. 1379).
Page (K. Yoshihiro, et al .: JJ App)
l. Phys. 26 (1987) pp. 137
9, Suppl. 26-3), Sharjah Nice Journal of Affairs Physics, Vol. 26, p. 1387 (LS Kuz)
min, K. K. Likharev: J. J. Ap
pl. Phys. 26 (1987) pp. 138
7, Suppl. 26-3). However, in order to realize a device having a small capacitance, a fine metal particle thin film is used, and there is no example in which a theoretical prediction was confirmed in a practical device structure.

【0010】なお、この小さな静電容量のトンネル接合
において、電極が超伝導体であったならば、電極間にお
ける高周波発振とともに、電流電圧特性上に負性抵抗特
性が現れることが予測されている。
In the tunnel junction having a small capacitance, if the electrode is a superconductor, it is predicted that a negative resistance characteristic appears on the current-voltage characteristic together with the high-frequency oscillation between the electrodes. .

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】情報通信の大容量化、
デジタル化などに伴い、その使用周波数帯域の引き上
げ、現在使用されていない周波数の利用が期待されてい
る。現在のところ商用の衛生放送では十ギガヘルツ(G
Hz)程度の電波を用いているが、放送チャネル数の増
加に従い、将来より高い周波数の使用が必要となると考
えられている。
The capacity of information communication has been increased,
Along with the digitization, it is expected that the frequency band to be used is raised and a frequency not used at present is used. At present, commercial satellite broadcasts use 10 GHz (G
(Hz), but it is considered that higher frequencies will be required in the future as the number of broadcast channels increases.

【0012】また、信号処理周波数の上昇により、動作
周波数が数十GHz以上、もしくは、さらに高周波の数
百GHz程度の信号処理用素子が望まれている。
Further, as the signal processing frequency increases, there is a demand for a signal processing element having an operating frequency of several tens of GHz or higher, or a high frequency of about several hundred GHz.

【0013】これらの要求に対して、従来通信分野で用
いられてきた半導体素子、クリスタル発振子等の高周波
化が試みられているが、現在のところ技術的な限界が存
在することが明らかになりつつある。それに伴い、異な
った動作原理による素子によって、その限界を解決する
ことが期待されている。
In response to these demands, attempts have been made to increase the frequency of semiconductor devices, crystal oscillators and the like conventionally used in the field of communications, but it is clear that there are technical limitations at present. It is getting. Accordingly, it is expected that elements based on different operating principles will solve the limitations.

【0014】通信分野においては、送信側では搬送波に
用いる高周波電界を発生する発振器、搬送波を送信した
い信号で変調する変調器、受信側では参照周波数を発生
する発振器、搬送波と参照電波を混合する検波器、多く
の周波数の重畳した電界から特定の周波数を選別する、
もしくは検波後の信号から特定の周波数を選別する周波
数フィルターなどがキーデバイスとなる。
In the communication field, an oscillator that generates a high-frequency electric field used for a carrier on the transmitting side, a modulator that modulates a carrier by a signal to be transmitted, an oscillator that generates a reference frequency on the receiving side, and a detector that mixes the carrier and the reference radio wave , A specific frequency is selected from the superposed electric field of many frequencies,
Alternatively, a key device is a frequency filter that selects a specific frequency from a signal after detection.

【0015】この中で通信の高周波化にともない重要な
位置を占めるのは高周波発振器および検波器である。従
って、高周波通信分野では10GHzから1THz程
度、もしくはそれ以上の周波数で、発振動作をする素子
と、検波動作をする素子を実現するという課題があっ
た。
Among them, a high-frequency oscillator and a detector occupy important positions as the frequency of communication increases. Therefore, in the high-frequency communication field, there has been a problem of realizing an element that performs an oscillating operation and an element that performs a detecting operation at a frequency of about 10 GHz to about 1 THz or higher.

【0016】このうち検波動作は、電流電圧特性上に非
線形性があれば基本的には実現可能である。また、検波
動作の効率を考えた場合、その非線形性が強ければ強い
ほど効率が高くなる。従って検波器では強い非線形性を
持つ素子実現が課題である。
Of these, the detection operation can be basically realized if the current-voltage characteristics have nonlinearity. In consideration of the efficiency of the detection operation, the stronger the nonlinearity, the higher the efficiency. Therefore, the realization of an element having strong nonlinearity is an issue in the detector.

【0017】本発明は、10GHz以上の周波数で発振
する発振素子、および、検波作用のある極めて非線形性
の強い素子を提供することを目的とする。この素子は超
伝導体を電極に用いた超伝導素子であり、高周波電界に
応答し、高効率の検波作用を実現した非線形素子の提供
を目的とする。
An object of the present invention is to provide an oscillating element which oscillates at a frequency of 10 GHz or more, and an element having a detection function and extremely strong nonlinearity. This element is a superconducting element using a superconductor as an electrode, and has an object to provide a non-linear element which responds to a high-frequency electric field and realizes a highly efficient detection operation.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】本発明は、超伝導体より
なるA電極およびB電極と、そのA電極、およびB電極
に接し、かつA電極、B電極を隔てるバリア層で構成さ
れる素子において、そのバリア層中に種々の構成によ
り、(1)電気伝導キャリアの局在する部分、もしくは
(2)たとえ電気伝導を担うキャリアが均一に分布して
いたとしても、そのキャリアが影響を受ける物質内のエ
ネルギーポテンシャルが均一でないようなキャリアの局
在準位、を内包させた構造の接合型素子に関するもので
ある。
According to the present invention, there is provided an element comprising an A electrode and a B electrode made of a superconductor, and a barrier layer in contact with the A electrode and the B electrode and separating the A electrode and the B electrode. In the above, due to various configurations in the barrier layer, (1) the localized portion of the electric conduction carrier, or (2) even if the carrier responsible for electric conduction is uniformly distributed, the carrier is affected. The present invention relates to a junction-type element having a structure including a localized level of a carrier such that the energy potential in a substance is not uniform.

【0019】また、これらの素子は、そのA電極・B電
極間の電流電圧特性上に強い非線形性を示し、高周波に
おける検波作用、もしくは発振素子を構成しうるもので
ある。
These elements exhibit strong non-linearity in the current-voltage characteristics between the A electrode and the B electrode, and can constitute a detection function at a high frequency or an oscillation element.

【0020】本発明は、(1)電気伝導キャリア密度の
異なる少なくとも2つの物質の複合体をバリア層とし、
そのバリア層をはさむ形で互いに対向して接するように
配置した1対の超伝導体よりなるA電極およびB電極に
よって接合型素子を構成、(2)金属微粒子もしくは半
導体微粒子を、それらとは異なる母体物質中に分散させ
た複合材料を薄膜化したものをバリア層として用い、そ
のバリア層をはさむ形で互いに対向して接するように配
置した1対の超伝導体よりなるA電極およびB電極によ
って接合型素子を構成、(3)電気伝導キャリア密度の
大きな部分よりなる層状の層と、同じく小さな部分より
なる層状の層が周期的に積重なった層状構造化合物をバ
リア層に用いた接合型素子であり、しかもその層状構造
化合物の電気伝導キャリア密度の物質中での平均値N
が、1×1015個/cm3≦N≦5×1021個/cm3
範囲にあるようなものを用い構成、(4)電気伝導キャ
リア密度の異なる物質を人為的に交互に積層した積層構
造物質(超格子構造、あるいは多層膜構造)をバリア層
として用い、そのバリア層をはさむ形で互いに対向して
接するように配置した1対の超伝導体よりなるA電極お
よびB電極によって接合型素子を構成、(5)バリア層
の材料が、金属微粒子もしくは半導体微粒子を集合した
薄膜(粒界部分が電流経路上に少なくとも1つ以上存在
する薄膜)であり、しかもそれら金属、もしくは半導体
微粒子間(粒界等)に伝導キャリアの伝導バリア層とな
るような酸化物層、窒化物層、硫化物層、フッ化物層、
塩化物層、臭化物層などの層を含み、そのバリア層をは
さむ形で互いに対向して接するように配置した1対の超
伝導体よりなるA電極およびB電極によって接合型素子
を構成、(6)酸化物超伝導体に異種元素をドープす
る、もしくは酸化物超伝導体の一つの構成元素の一部も
しくは全てを欠損させる、もしくは酸化物超伝導体の一
つの構成元素の一部もしくは全てを他の元素で置換す
る、などして伝導キャリア密度を減少させ、素子の動作
温度において超伝導性を示さないようにしたものをバリ
ア層に用いる、という種々の方法による接合型の超伝導
素子を形成することによって、従来の半導体などの非線
形性を有する素子よりも、より非線形性の強い超伝導素
子を構成した。
The present invention provides (1) a composite of at least two substances having different electric conduction carrier densities as a barrier layer,
A junction type element is constituted by a pair of A and B electrodes composed of a pair of superconductors disposed so as to face each other with the barrier layer interposed therebetween. (2) Metal fine particles or semiconductor fine particles are different from these. A thin film of a composite material dispersed in a base substance is used as a barrier layer, and a pair of superconductors, an A electrode and a B electrode, are arranged so as to face each other with the barrier layer interposed therebetween. (3) A junction type element using a layered structure compound in which a layered layer composed of a portion having a large electric conduction carrier density and a layered layer composed of a portion having a small electric conduction period are periodically stacked as a barrier layer. And the average value N of the electric conduction carrier density of the layered structure compound in the substance.
However, the composition is such that 1 × 10 15 / cm 3 ≦ N ≦ 5 × 10 21 / cm 3. (4) Materials having different electric conduction carrier densities are artificially and alternately laminated. A laminated structure material (superlattice structure or multilayer film structure) is used as a barrier layer, and is joined by an A electrode and a B electrode composed of a pair of superconductors arranged so as to face each other with the barrier layer interposed therebetween. (5) The material of the barrier layer is a thin film in which metal fine particles or semiconductor fine particles are aggregated (a thin film in which at least one grain boundary portion exists on a current path), and the metal or semiconductor fine particles are used. An oxide layer, a nitride layer, a sulfide layer, a fluoride layer, which serves as a conduction barrier layer of a conduction carrier between (eg, grain boundaries),
A junction type element is constituted by an A electrode and a B electrode including a pair of superconductors including a layer such as a chloride layer and a bromide layer and arranged so as to face each other with the barrier layer interposed therebetween. ) Doping the oxide superconductor with a different element, or omitting some or all of one constituent element of the oxide superconductor, or removing some or all of one constituent element of the oxide superconductor A junction type superconducting element by various methods, such as replacing the element with other elements, reducing the conduction carrier density, and using a barrier layer that does not exhibit superconductivity at the element operating temperature. By forming, a superconducting element having higher nonlinearity than a conventional element having nonlinearity such as a semiconductor was constituted.

【0021】また、これらの素子は10GHz以上の高
周波に対してビデオ検波作用、ヘテロダイン検波作用を
示し、とくに変換効率の点で有用な素子を構成すること
が可能であった。
Further, these devices exhibit a video detection function and a heterodyne detection function with respect to a high frequency of 10 GHz or more, and it is possible to constitute a device particularly useful in terms of conversion efficiency.

【0022】さらに、上記の構成の中であるもの(特に
(3)(4)(5)(6)など)では、バリア層の厚み
がある値(各バリア層の抵抗率、結晶性などに依存する
が、概ね150nm)以下とすることでジョセフソン素
子として動作することも見いだし、交流ジョセフソン効
果による高周波発振器を構成した。
Further, in the above-mentioned configuration (particularly, (3), (4), (5), (6), etc.), the thickness of the barrier layer is limited to a certain value (resistivity, crystallinity, etc. of each barrier layer). Although it depends, it was found that the element operates as a Josephson element when the thickness is about 150 nm or less, and a high-frequency oscillator based on the AC Josephson effect was constructed.

【0023】さらに、電流電圧特性上に負性抵抗部分が
生じ、この部分を用いて高効率の高周波検波動作、高周
波発振作用をもつ超伝導素子を構成した。
Further, a negative resistance portion is formed on the current-voltage characteristic, and a superconducting element having a high-efficiency high-frequency detection operation and a high-frequency oscillation operation is constructed by using this portion.

【0024】これらによって従来課題であった、高周波
の発振素子、並びに高効率の高周波検波素子を実現し
た。
As a result, a high-frequency oscillating element and a high-efficiency high-frequency detecting element, which were problems in the prior art, were realized.

【0025】[0025]

【作用】まず最初にK.K.Likharevらの主張
する微小容量トンネル接合について、U.Geigen
muller、G.Schonの解析(前述:フィシ゛カ B
第152巻第186頁(U.Geigenmulle
r、G.Schon: Physica B 152
(1988) pp.186))にしたがって説明す
る。
[Effect] First of all, K. K. Regarding the small-capacity tunnel junction claimed by Likharev et al., U.S. Pat. Geigen
muller, G .; Analysis of Schon
Vol. 152, p. 186 (U. Geigenmule)
r, G.R. Schon: Physica B 152
(1988) pp. 186)).

【0026】静電容量性の接合(接合の容量C)では、
その接合に電荷Qを蓄えたときの接合の静電エネルギー
Ecは、(数1)で与えられ、また、そのときの接合間
の電圧Vは(数2)で与えられる。
In a capacitive junction (a junction capacitance C),
The electrostatic energy Ec of the junction when the charge Q is stored in the junction is given by (Equation 1), and the voltage V between the junctions at that time is given by (Equation 2).

【0027】[0027]

【数1】 (Equation 1)

【0028】[0028]

【数2】 (Equation 2)

【0029】Likharevらは、接合の静電容量C
が非常に小さいトンネル接合を考えると、接合間で電子
1個がトンネルするだけ(電荷素量eの帯電)で、非常
に大きな静電エネルギーが得られ、次の電子のトンネル
を妨げることを示した(クーロンブロッケイド)。
Likharev et al. Describe the capacitance C of the junction.
Considering a very small tunnel junction, it is shown that only one electron tunnels between the junctions (charge of the elementary charge e), a very large electrostatic energy is obtained, and the tunneling of the next electron is prevented. (Coulomb blockade).

【0030】このとき接合間には(数2)で計算される
電圧が発生する。言うまでもなく電流は電子によって運
ばれるため、この変化(静電エネルギー変化と接合間電
圧の発生)は、量子化された振舞いを示す。
At this time, a voltage calculated by (Equation 2) is generated between the junctions. Needless to say, this change (change in electrostatic energy and generation of inter-junction voltage) shows a quantized behavior because the current is carried by the electrons.

【0031】この接合に電流を流した時の電流電圧特性
を考えると、電流を担う電子1個が接合間を流れただけ
で観測できる程の大きな電圧((数2)で計算される
V)が発生するため、電流は電圧Vから初めて流れ出す
と考えることができる。電圧Vまでは電流は流れず(ク
ーロンブロッケイド)、それ以上の電圧で流れ出すた
め、電流電圧特性上では電圧Vのところで急激に電流が
増加するような非線形性を示す。
Considering the current-voltage characteristics when a current flows through this junction, a voltage (V calculated by (Equation 2)) is large enough to be observed just by one electron carrying the current flowing between the junctions. Is generated, the current can be considered to flow out of the voltage V for the first time. Since the current does not flow up to the voltage V (Coulomb blockade) and flows out at a voltage higher than that, the current-voltage characteristic shows nonlinearity such that the current rapidly increases at the voltage V.

【0032】さらに、一定の電流を流した場合、電子は
1個1個トンネルするために、接合間の電圧は振動する
ことになる(ブロッホ振動:振幅は(数2)で計算され
る電圧V)。この周期(周波数f)は流す電流Iの値に
よって変わり、f=I/eとなる。
Further, when a constant current is passed, electrons tunnel through one by one, so that the voltage between the junctions oscillates (Bloch oscillation: the amplitude is the voltage V calculated by equation (2)). ). This cycle (frequency f) changes depending on the value of the current I flowing, and f = I / e.

【0033】これらのことを考慮し、さらに電極を超伝
導体にした場合、電流電圧特性上に負性抵抗特性が現れ
る。これは電極の超伝導性と微小容量素子の特性があい
まって現れる効果である。
In consideration of the above, when the electrode is made of a superconductor, a negative resistance characteristic appears on the current-voltage characteristic. This is an effect that appears in combination with the superconductivity of the electrode and the characteristics of the minute capacitance element.

【0034】発明者らは、これと同様なことがトンネル
接合に限らず起こることを見いだした。すなわち、接合
間の電流経路上に伝導電子の局在準位を設けたり、電子
自体を局在化させた状態で、外部より電流を流すと、微
小容量トンネル接合と同じ非線形性が電流電圧特性上に
現れることを見いだした。
The present inventors have found that a similar phenomenon occurs not only in a tunnel junction. In other words, if a localized level of conduction electrons is provided on the current path between the junctions, or if an external current is applied while the electrons themselves are localized, the same non-linearity as the small-capacity tunnel junction has the current-voltage characteristic. I found it to appear above.

【0035】物理的な説明はいまだ不明であるが、現在
のところ以下のように考えられる。すなわち、電子が局
在準位間もしくは空間的な場所を移動し、ある地点Xに
位置したとき、その部分の静電エネルギー、もしくは系
の他のエネルギーが上昇し、他の電子が位置Xのより高
い準位に来たり、Xを越えてさらに先の位置に移動する
ことを妨げる。この描像は、クーロンブロッケイドに対
比して考えることができる。
The physical explanation is still unknown, but at present it is considered as follows. That is, when an electron moves between localized levels or a spatial place and is located at a certain point X, the electrostatic energy of that part or other energy of the system increases, and another electron moves to the position X. Prevents you from reaching a higher level or moving further beyond X. This picture can be considered in contrast to Coulomb blockade.

【0036】さらに外部より一定電流を流した場合、電
子の移動にともなって経路上のコンダクタンスが変化す
る。この変化も電流の担体が量子化された電子であるた
め、振動すると予想される。この描像は、ブロッホ振動
と対比できる。これらのことは伝導電子がホールの場合
にも当てはまる。
Further, when a constant current flows from the outside, the conductance on the path changes with the movement of the electrons. This change is also expected to oscillate because the current carrier is a quantized electron. This picture can be contrasted with Bloch oscillation. These are also true when the conduction electrons are holes.

【0037】発明者らは以下のように、伝導キャリアを
空間的に局在化させる方法、あるいは伝導キャリアの局
在準位制御する方法で種々の接合を構成し、電流電圧特
性上に非線形性を示すことを見いだし、またその中のあ
るものは高周波発振することを見いだした。
The inventors constructed various junctions by a method of spatially localizing conduction carriers or a method of controlling localization levels of conduction carriers as described below, and showed a non-linearity in current-voltage characteristics. And some of them found to oscillate at high frequencies.

【0038】とくに、バリア層が層状の構造をしてお
り、さらに電流の方向がこの層状構造を突き抜ける形で
流れるように構成した場合、電流電圧特性上に負性抵抗
特性を見いだした。
In particular, when the barrier layer has a layered structure and the direction of the current flows so as to penetrate through the layered structure, a negative resistance characteristic was found on the current-voltage characteristic.

【0039】具体的には、バリア層を超伝導体であるA
電極、B電極で挟む接合型の素子を基本として、以下の
ようなバリア層、(1)バリア層を、電気伝導キャリア
密度の異なる少なくとも2つの物質(不純物濃度の異な
る同種もしくは異種の半導体材料、電気伝導度の異なる
酸化物材料、窒化物材料等)の複合体で構成すること、
(2)バリア層が、Au、Ag、Pt、Pd等の金属微
粒子もしくはSi、Geなどの半導体微粒子をこれらと
は固溶体を形成しないSiO2、Al23、などの比較
的電気伝導度小さな母体物質中に分散させた複合材料を
薄膜化したもので構成すること、(3)バリア層が、少
なくとも電気伝導キャリア密度の異なる物質を人為的に
交互に積層(GaAs/GaAlAs系半導体超格子、
Si/Ge系半導体超格子、半導体材料、金属材料、誘
電体材料などを組み合わせた積層構造、酸化物同士の積
層構造など)した積層構造物質で構成すること、(4)
バリア層の材料が、金属微粒子もしくは半導体微粒子を
集合した薄膜であり、しかもその金属微粒子、もしくは
半導体微粒子間に結晶粒界、結晶粒表面の酸化物層、窒
化物層、結晶粒界に不純物を拡散させたもの、微粒子間
がごく微細なコンタクト構造でつながっているものな
ど、伝導キャリアの伝導を妨げるポテンシャルバリアと
なる層を設けた構造で構成すること、(5)酸化物超伝
導体に異種元素をドープする、もしくは少なくとも酸化
物超伝導体の一つの構成元素の一部もしくは全てを欠損
させる、もしくは少なくとも酸化物超伝導体の一つの構
成元素の一部もしくは全てを他の元素で置換する、とい
ういずれか一つの方法によって超伝導性を示さないよう
にした酸化物でバリア層を構成すること、で、そのバリ
ア層中に伝導キャリアが空間的に局在している構造を実
現できることを見いだした。
Specifically, the barrier layer is made of a superconductor A
Based on a junction type element sandwiched between an electrode and a B electrode, the following barrier layer and (1) a barrier layer is formed of at least two substances having different electric conduction carrier densities (same or different semiconductor materials having different impurity concentrations, Oxides and nitrides with different electrical conductivities).
(2) The barrier layer is made of metal fine particles such as Au, Ag, Pt, and Pd, or semiconductor fine particles such as Si and Ge, which have a relatively small electric conductivity such as SiO 2 and Al 2 O 3 which do not form a solid solution therewith. (3) the barrier layer is formed by alternately laminating at least materials having different electric conduction carrier densities (GaAs / GaAlAs-based semiconductor superlattice;
(4) a layered material having a layered structure in which a Si / Ge-based semiconductor superlattice, a layered structure obtained by combining a semiconductor material, a metal material, a dielectric material, and the like;
The material of the barrier layer is a thin film in which metal fine particles or semiconductor fine particles are aggregated, and furthermore, impurities are present between the metal fine particles or semiconductor fine particles in a crystal grain boundary, an oxide layer, a nitride layer, and a crystal grain boundary on a crystal grain surface. (5) Different types of oxide superconductors, such as those that are diffused and those that have a very fine contact structure between the fine particles, are provided with a layer that serves as a potential barrier that hinders the conduction of conductive carriers. Doping an element, or at least partially or entirely missing one constituent element of the oxide superconductor, or replacing at least a part or all of one constituent element of the oxide superconductor with another element The barrier layer is made of an oxide that does not exhibit superconductivity by any one of the methods described above. There was found to be able to realize a structure which is localized spatially.

【0040】さらにまた、バリア層中に伝導キャリアの
局在準位を内包するものとして、バリア層の材料が、少
なくとも電気伝導キャリア密度の異なる層状の部分を周
期的に含んだ層状構造化合物であり、しかもその層状構
造を人為的に設計し、任意の層のキャリアを、不純物の
導入、原子の置換、構成原子間の結合状態を変化させる
等の方法で制御し、局在準位を導入したものを用いる
と、非線形性の強い接合型の素子が構成でき、その素子
を用いて高周波の発振素子、検波素子として有効である
ことを見いだした。
Further, the material of the barrier layer is a layered structure compound containing at least layered portions having different electric conduction carrier densities periodically so that the localized level of the conductive carriers is included in the barrier layer. In addition, the layered structure was artificially designed, and the carriers in any layer were controlled by introducing impurities, replacing atoms, changing the bonding state between constituent atoms, etc., and introducing localized levels. By using such a device, a junction-type device having a strong nonlinearity can be formed, and the device was found to be effective as a high-frequency oscillation device and a detection device.

【0041】とくに、層状構造化合物の電気伝導キャリ
ア密度の平均値Nが、1×1015個/cm3≦N≦5×
1021個/cm3の範囲であると、非線形性が強く観測
される条件のもとで、その非線形性の現れる電圧領域が
実際に使用する際に扱い易い10μVから1V程度の素
子となり、実用上有用であることを見いだした。
In particular, the average value N of the electric conduction carrier density of the layered structure compound is 1 × 10 15 / cm 3 ≦ N ≦ 5 ×
When it is in the range of 10 21 / cm 3 , under the condition that the nonlinearity is strongly observed, the voltage region where the nonlinearity appears becomes an element of about 10 μV to about 1 V which is easy to handle when actually used. Was found to be useful.

【0042】以上の素子は、全ての素子で電流電圧特性
上に強い非線形性あるいは負性抵抗特性が観測され、ま
たこの非線形性を利用して10GHz帯で高周波検波で
き、しかも変換効率も大きなものが得られることを見い
だした。さらに、高周波での発振作用も見いだし、高周
波通信における2つの課題を解決できることを見いだし
た。
In the above devices, strong nonlinearity or negative resistance characteristic is observed in the current-voltage characteristics in all the devices, and the nonlinearity can be used for high-frequency detection in the 10 GHz band and the conversion efficiency is large. Was obtained. In addition, they have found that they can oscillate at high frequencies and can solve two problems in high-frequency communication.

【0043】[0043]

【実施例】本発明は、一対の超伝導電極間に挟まれたバ
リア層を有する構造の接合型の素子であり、しかもその
電流電圧特性上に非線形性を有し、高周波通信分野での
発振素子、検波素子に利用できる超伝導素子に関するも
のである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention is a junction type element having a structure having a barrier layer sandwiched between a pair of superconducting electrodes, and has a non-linearity in current-voltage characteristics, and has an oscillation in a high-frequency communication field. The present invention relates to a superconducting element that can be used for an element and a detecting element.

【0044】この超伝導素子を構成する場合、超伝導電
極材料は金属系超伝導材料、酸化物系超伝導材料等、現
在見つかっているクーパーペアの存在する超伝導体であ
れば特に制限はなく、各バリア層に対して良好な界面を
形成できればよい。
In constructing this superconducting element, the superconducting electrode material is not particularly limited as long as it is a superconductor having a Cooper pair presently found, such as a metallic superconducting material or an oxide superconducting material. It suffices if a good interface can be formed for each barrier layer.

【0045】ここで言う良好な界面とは、構成元素の相
互拡散等がほとんどなく、反応などによってバリア層の
化学的な状態を損なうものでない限り実用的なものを用
いることができる。
The term "good interface" as used herein means a practical interface as long as there is almost no mutual diffusion of constituent elements and the chemical state of the barrier layer is not impaired by a reaction or the like.

【0046】また、バリア層はその構成する構造、及び
性質(伝導キャリアが空間的に局在していること、もし
くは伝導キャリアの局在準位が存在すること)が重要で
あり、その組合せは多種考えられる。
The structure and properties of the barrier layer (that the conductive carriers are spatially localized or the localized level of the conductive carriers are present) are important. There are many possibilities.

【0047】以下に具体的実施例を挙げて、本発明をよ
り詳細に説明する。 (実施例1)図1は本発明の一実施例を示す概略図であ
る。この実施例によって電気伝導キャリア密度の異なる
物質の複合体をバリア層にした超伝導素子につて説明す
る。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. (Embodiment 1) FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of the present invention. A description will be given of a superconducting element in which a composite of substances having different electric conduction carrier densities is used as a barrier layer according to this embodiment.

【0048】まず、(100)MgO基板を基体3に用
い、rfマグネトロンスパッタリング法によって、主と
してY1Ba2Cu3xが堆積するように調合したセラミ
ックタ−ゲットを用い、いわゆる123構造の123相
Y−Ba−Cu−O(123相YBCO)をA電極1と
して堆積させた。
First, a (100) MgO substrate was used for the substrate 3, and a ceramic target prepared so as to mainly deposit Y 1 Ba 2 Cu 3 O x by rf magnetron sputtering was used. Phase Y-Ba-Cu-O (123 phase YBCO) was deposited as A electrode 1.

【0049】このときスパッタガスは、ArとO2の混
合ガスであり、ArとO2はガス圧比にして7:3とし
た。また、基板は680℃に加熱した。このとき123
相のYBCOはc軸配向性薄膜となる。膜厚は約200
nmである。
The sputtering gas at this time, a mixed gas of Ar and O 2, Ar and O 2 is 7 in the pressure ratio gas: 3. The substrate was heated to 680 ° C. At this time, 123
The phase YBCO becomes a c-axis oriented thin film. The film thickness is about 200
nm.

【0050】次に、主として211相と呼ばれるY2
1Cu1y(211相YBCO)が堆積するように調
整されたセラミックタ−ゲットと、先に述べた123相
YBCOを堆積するためのタ−ゲットを用い、交互にタ
−ゲットシャッターを開閉し、厚さ10nmのバリア層
2を堆積させた。このときのスパッタガス、並びに基板
温度は、A電極堆積時と同様である。
Next, Y 2 B mainly called 211 phase
a 1 Cu 1 O y (211 phase YBCO) is deposited on the ceramic target and the target for depositing the 123 phase YBCO is alternately used. It was opened and closed, and a barrier layer 2 having a thickness of 10 nm was deposited. The sputtering gas and the substrate temperature at this time are the same as those at the time of depositing the A electrode.

【0051】さらに、つぎに123相YBCOを同じ条
件で、B電極3を約100nm堆積させ、その積層膜よ
り、接合面積10×20μm2の接合型素子をフォトリ
ソグラフィー技術と、イオンスパッタリング技術を用い
て作製した。
Then, a B electrode 3 is deposited to a thickness of about 100 nm under the same conditions as the 123-phase YBCO, and a junction element having a junction area of 10 × 20 μm 2 is formed from the laminated film by photolithography and ion sputtering. Produced.

【0052】バリア層2は、211相YBCOと、12
3相のYBCOの複合体であるが、各々安定に結晶化す
るため、固溶体とはならず、共晶体として形成される。
この各々の物質の電気伝導キャリア密度は、123相Y
BCOが約1×1020であるのに対して、211相YB
COは、それよりも小さな値となる。
The barrier layer 2 comprises 211-phase YBCO and 12
Although it is a three-phase YBCO complex, each of them is crystallized stably, so that it does not become a solid solution but is formed as a eutectic.
The electric conduction carrier density of each substance is 123 phase Y
While BCO is about 1 × 10 20 , 211 phase YB
CO takes a smaller value.

【0053】この複合体の抵抗率の温度依存性は、温度
が下がるにつれて上昇し、平均的にみて局在準位間のホ
ッピング伝導に支配されていると考えられる。局在準位
の起因は明かではないが、211相YBCOと、123
相YBCOの結晶粒界の化学的な欠陥、物理的な欠陥、
さらには各YBCOの酸素欠陥などによるものと推測し
ている。
The temperature dependence of the resistivity of the composite increases as the temperature decreases, and is considered to be dominated by hopping conduction between localized levels on average. Although the cause of the localized level is not clear, the 211-phase YBCO and 123
Chemical defects, physical defects, at the grain boundaries of phase YBCO,
Further, it is presumed that this is due to oxygen deficiency of each YBCO.

【0054】この接合は電流電圧特性上に非線形性を示
し、約10GHzの高周波の照射時、非照射時(オン、
オフ)に対して電流電圧特性が変化した。これによっ
て、この素子を用いてビデオ検波動作が確認された。特
に50Kより低温においてこの非線形性は大きくなり、
実用的な検波動作が確認された。
This junction exhibits non-linearity in the current-voltage characteristics, and is irradiated with a high frequency of about 10 GHz and irradiated (non-irradiated).
OFF), the current-voltage characteristics changed. As a result, a video detection operation was confirmed using this element. Especially at temperatures lower than 50K, this nonlinearity increases,
Practical detection operation was confirmed.

【0055】なお、バリア層の厚みの異なる素子を種々
作製したが、バリア層の厚み100nm以下の条件で、
同様な非線形素子が作製できてた。また、A電極、B電
極に結晶化したYBCO薄膜を用いたが、これはバリア
相である複合体を構成する際に、良好な結晶性を有する
共晶体を形成するのに有用であった。
Various devices having different thicknesses of the barrier layer were manufactured.
A similar non-linear element could be manufactured. In addition, a crystallized YBCO thin film was used for the A electrode and the B electrode, but this was useful for forming a eutectic having good crystallinity when forming a composite as a barrier phase.

【0056】但し、A電極およびB電極はYBCOでな
くともよく、Yを希土類元素で置換した酸化物超伝導体
でも実現できることは容易に類推できる。発明者らは、
Yを置換する希土類として、Er、Gd、Ho、Nd、
Dyについて同様な効果を確認した。
However, the A electrode and the B electrode need not be YBCO, and it can be easily analogized that they can be realized by an oxide superconductor in which Y is substituted by a rare earth element. The inventors have
Er, Gd, Ho, Nd,
Similar effects were confirmed for Dy.

【0057】さらに、バリア層には、123、211相
YBCOのY部分を他の希土類元素で置換した物質でも
同様に超伝導素子が作製できることを確認している。
Further, it has been confirmed that a superconducting element can be similarly produced by using a material in which the Y portion of the 123, 211 phase YBCO is replaced with another rare earth element in the barrier layer.

【0058】また、バリア層の堆積に2つのタ−ゲット
を用いて交互に堆積させたが、いわゆる同時に堆積させ
ても、また123相、211相の薄膜が堆積するような
ターゲットの中間の組成を有する単一のターゲットを用
いても、同様な共晶体が作製できることを確認してい
る。但し、薄膜の特性、特に接合の非線形性は、各々の
123相、211相の相対的な比率と、その粒径に大き
く依存し、素子特性の制御性、再現性という実用的観点
からは、各々別のターゲットよりの成膜が望ましい。
Although the barrier layer is deposited alternately by using two targets, a so-called simultaneous deposition or an intermediate composition of a target such that a 123-phase or 211-phase thin film is deposited. It has been confirmed that a similar eutectic can be produced even when a single target having However, the characteristics of the thin film, especially the non-linearity of the junction, largely depend on the relative ratio of each of the 123 phases and 211 phases and the particle size thereof, and from the practical viewpoint of controllability and reproducibility of the device characteristics, It is desirable to form films from different targets.

【0059】さらに、酸化物の組み合わせに限らず、電
気伝導キャリア密度の異なる(不純物濃度の異なる)半
導体を複合させてバリア層とし、そのバリア層の両側
に、対向する形でNb、NbN、Nb3Ge、Nb3
i、Nb3Ti、MoN、Pb、PbIn合金などの金
属超伝導体の電極で形成しても、良好な超伝導素子が形
成できることを見いだしている。
Further, not only the combination of oxides but also semiconductors having different electric conduction carrier densities (different impurity concentrations) are combined to form a barrier layer, and Nb, NbN, Nb are formed on both sides of the barrier layer so as to face each other. 3 Ge, Nb 3 S
It has been found that a good superconducting element can be formed even when the electrode is formed of a metal superconductor electrode such as i, Nb 3 Ti, MoN, Pb, or PbIn alloy.

【0060】(実施例2)図2は本発明の別の実施例の
バリア層部分の概略図である。この実施例によって金属
もしくは半導体を母体物質中に分散させたバリア層の構
成を説明する。なお、本実施例では、石英ガラス(Si
O2)中に、Auの微粒子あるいはPtの微粒子を分散
させたものや、Siを母体としてAuの微粒子を分散さ
せた複合体を説明する。
(Embodiment 2) FIG. 2 is a schematic view of a barrier layer portion according to another embodiment of the present invention. The configuration of a barrier layer in which a metal or a semiconductor is dispersed in a base material will be described with reference to this embodiment. In this embodiment, quartz glass (Si
A composite in which Au fine particles or Pt fine particles are dispersed in O2) or a composite in which Au fine particles are dispersed using Si as a base will be described.

【0061】これらの系は、約200℃以下の基板上に
形成できるため、A電極、B電極などは、通常の金属超
伝導薄膜とした。例えば200℃に加熱した石英ガラス
基板上を基体として、NbN薄膜を堆積し、A電極を形
成した後、同じ温度で母体物質7である石英ガラスを厚
さ2nmから4nmの厚さで設計値にあわせてスパッタ
リング成膜し、次に、金属微粒子6としてAuをAu膜
厚換算で1nm同じくスパッタリング成膜した。この条
件では、Auは連続的な薄膜とはならず、島状成長し
た。
Since these systems can be formed on a substrate at a temperature of about 200 ° C. or less, the A electrode, the B electrode, etc. were made of ordinary metal superconducting thin films. For example, a NbN thin film is deposited on a quartz glass substrate heated to 200 ° C. as a substrate, and an A electrode is formed. Then, at the same temperature, the quartz glass as the base substance 7 is set to a design value with a thickness of 2 nm to 4 nm. At the same time, a film was formed by sputtering, and then Au as the metal fine particles 6 was similarly formed by sputtering to a thickness of 1 nm in terms of Au film thickness. Under these conditions, Au did not become a continuous thin film but grew like an island.

【0062】この手順を2ないし5回繰り返すことによ
って、石英ガラス中にAuの微粒子が層状に分散して並
んだバリア層を形成できる。なお、図2では簡便のため
Au微粒子が2層分布した状態を示した。
By repeating this procedure two to five times, it is possible to form a barrier layer in which fine particles of Au are dispersed in a layered manner in quartz glass. FIG. 2 shows a state in which two layers of Au fine particles are distributed for simplicity.

【0063】次に、NbN薄膜をB電極として成膜し、
その積層膜より、接合面積20×20μm2の接合型素
子をフォトリソグラフィー技術と、イオンスパッタリン
グ技術を用いて作製した。
Next, an NbN thin film is formed as a B electrode,
From the laminated film, a junction element having a junction area of 20 × 20 μm 2 was manufactured by using a photolithography technique and an ion sputtering technique.

【0064】この実施例のバリア層中では、電子はAu
の島状部分に局在して存在しており、このAu微粒子間
の石英ガラスを介して電子がトンネルするあるいは電界
放出によって伝導する。
In the barrier layer of this embodiment, electrons are Au
And electrons are tunneled or conducted by field emission through the quartz glass between the Au fine particles.

【0065】この接合は、10K以下で電流電圧特性上
に強い非線形性を示し、約10GHzの高周波に対して
電流電圧特性が変化した。これによって、この素子を用
いてビデオ検波動作が確認された。
This junction showed strong non-linearity in the current-voltage characteristics at 10 K or less, and the current-voltage characteristics changed at a high frequency of about 10 GHz. As a result, a video detection operation was confirmed using this element.

【0066】また、バリア層を作製する際の石英ガラス
のターゲットをSiターゲットに置き換え、同様の方法
で接合を作製しても、超伝導素子が作製できた。このA
u/Si系は素子のコンダクタンスが大きく、より実用
的な電流及び電圧レンジで動作することが確認された。
Also, a superconducting element could be produced by replacing the quartz glass target used for producing the barrier layer with an Si target and producing a junction by the same method. This A
It has been confirmed that the u / Si system has a large conductance of the device and operates in a more practical current and voltage range.

【0067】(実施例3)図3は本発明の他の実施例の
バリア層を示す概略図である。この実施例によって電気
伝導キャリア密度が1×1017から1×1021の層状構
造化合物を用いたバリア層の構成を説明する。
Embodiment 3 FIG. 3 is a schematic view showing a barrier layer according to another embodiment of the present invention. The structure of a barrier layer using a layered compound having an electric conduction carrier density of 1 × 10 17 to 1 × 10 21 will be described with reference to this example.

【0068】まず、(100)MgO基板を基体に用
い、rfマグネトロンスパッタリング法によって、主と
して2212相のBi系酸化物超伝導体(Bi1-y
y2−Sr2−Ca1−Cu2−Ox(ただし0≦y<0.
5、xは任意)(BSCCO)が堆積するように調整し
た酸化物粉末のターゲットを用い、厚さ300nmのA
電極を堆積させた。
First, a (12) -phase Bi-based oxide superconductor (Bi 1-y P) was mainly formed by using an (100) MgO substrate as a substrate by rf magnetron sputtering.
b y) 2 -Sr 2 -Ca 1 -Cu 2 -O x ( provided that 0 ≦ y <0.
5, x is optional) A 300 nm thick A using an oxide powder target adjusted to deposit (BSCCO)
Electrodes were deposited.

【0069】ひき続き、同一真空中において、主として
2212相のBi系酸化物(Bi1- yPby2−Sr2
(Nd、Ca)1−Cu2−Ox(ただし0≦y<0.5、xは
任意)(BSNCO)が堆積するように、分子線エピタ
キシー法(MBE法)によって、もしくはシャッターコ
ントロール付きの多元スパッタリング装置を用い、バリ
ア層として層状構造化合物5を各構成元素を順番に積み
重ね、全体として厚さ12nm堆積させた。
[0069] continuing, in the same vacuum, primarily 2212 phase of Bi-based oxide (Bi 1- y Pb y) 2 -Sr 2 -
(Nd, Ca) 1 -Cu 2 -O x (where 0 ≦ y <0.5, x is arbitrary) Multi-source sputtering by molecular beam epitaxy (MBE) or with shutter control to deposit (BSNCO) Using a device, the layered structure compound 5 as a barrier layer was sequentially stacked with each of the constituent elements, and a total thickness of 12 nm was deposited.

【0070】そののち、さらにB電極となる2212相
のBi系酸化物超伝導体、(Bi1- yPby2−Sr2
Ca1−Cu2−Ox(ただし0≦y<0.5、xは任意)が堆
積するように調整した酸化物粉末のターゲットを用い
て、B電極を200nm堆積させ、最後に表面保護層と
してのPtを60nm堆積させた。
[0070] After that, further Bi-based oxide superconductor B electrode to become 2212 phase, (Bi 1- y Pb y) 2 -Sr 2 -
A B electrode was deposited to a thickness of 200 nm using an oxide powder target adjusted to deposit Ca 1 —Cu 2 —O x (where 0 ≦ y <0.5, where x is arbitrary). Finally, a B electrode was deposited as a surface protective layer. Pt was deposited to a thickness of 60 nm.

【0071】但し、基板温度は表面保護層のPtの堆積
を除き、いずれの場合も650℃である。表面保護層
は、室温で堆積した。その後、ネガレジストを用いたフ
ォトリソグラフィーおよびイオンミリングによりによ
り、バリア層、B電極、および表面保護層を10×20
μm2の接合形状にパターニングした。
However, the substrate temperature was 650 ° C. in all cases except for the deposition of Pt on the surface protective layer. The surface protection layer was deposited at room temperature. After that, the barrier layer, the B electrode, and the surface protective layer were 10 × 20 by photolithography and ion milling using a negative resist.
It was patterned to a bonding shape of μm 2 .

【0072】各電極及びバリア層は加熱した基板状に堆
積しており、しかも結晶構造が同一であるため良好なエ
ピタキシャル成長をした。特に(100)MgO基板状
ではc軸配向性を示し、バリア層の結晶化も幅広い条件
下で可能であった。このことはバリア層の特性の再現
性、制御性にとって有利であるばかりでなく、素子特性
も向上することが確認された。
Each electrode and barrier layer were deposited on a heated substrate and had the same crystal structure, so that good epitaxial growth was achieved. In particular, the (100) MgO substrate exhibited c-axis orientation, and crystallization of the barrier layer was possible under a wide range of conditions. It has been confirmed that this is not only advantageous for the reproducibility and controllability of the characteristics of the barrier layer, but also improves the device characteristics.

【0073】なお、一連の試作において、バリア層のキ
ャリア密度を制御するため、Caの量を種々変化させた
が、CaのNdに対する比は0.6以下で再現性より非
線形性素子を作製できた。
In a series of trial productions, the amount of Ca was varied in order to control the carrier density of the barrier layer. However, the ratio of Ca to Nd was 0.6 or less, so that a non-linear element could be produced due to reproducibility. Was.

【0074】また、バリア層の厚みは素子の抵抗値を制
御するため、事前に設計し、目的にあった膜厚(11n
mから125nmの範囲)とした。
The thickness of the barrier layer is designed in advance in order to control the resistance value of the element, and the thickness (11 n
m to 125 nm).

【0075】この組成制御、および膜厚制御を行うにあ
たり、MBE法、もしくは多元スパッタリング法は再現
性の点から非常に有用な手段であった。
In controlling the composition and the film thickness, the MBE method or the multiple sputtering method was a very useful means from the viewpoint of reproducibility.

【0076】この実施例で用いたバリア層は、後に述べ
るように局在準位を含むような物質である。結晶学的に
はBi−O2層の間に、Sr−(Nd、Ca)−Cu−
Oの層が挟まった形をしており、キャリアはそのSr−
(Nd、Ca)−Cu−O層に局在している。
The barrier layer used in this embodiment is a substance containing a localized level as described later. Crystallographically, between the Bi—O 2 layers, Sr— (Nd, Ca) —Cu—
O layer is sandwiched, and the carrier is the Sr-
It is localized in the (Nd, Ca) -Cu-O layer.

【0077】そのキャリア密度並びに局在準位(束縛エ
ネルギー)は、NdとCaの比率に大きく依存する。例
えば、Ndを含まないものでは、キャリア密度は約10
20から1021であり、ほとんど局在準位が電気的特性に
反映されない。
The carrier density and the local level (binding energy) greatly depend on the ratio between Nd and Ca. For example, without Nd, the carrier density is about 10
20 to 10 21 , and the localized level is hardly reflected in the electrical characteristics.

【0078】一方、Caを含まないNdのみのBSNC
Oでは、その抵抗率が2桁から6桁大きく、明確に局在
準位が電気伝導に反映される。キャリア密度は、抵抗率
の違いから、1015から1019程度の範囲にあった。
On the other hand, BSd of only Nd without Ca
In O, the resistivity is two to six orders of magnitude higher, and the localized level is clearly reflected in the electric conduction. The carrier density was in the range of about 10 15 to 10 19 due to the difference in resistivity.

【0079】この接合の電流電圧特性(測定温度4.2
K)の一例を図4に示す。この素子の各薄膜はc軸配向
したものであり、バリア層中のNdとCaの比は8:2
である。
The current-voltage characteristics of this junction (measurement temperature 4.2
An example of K) is shown in FIG. Each thin film of this device was c-axis oriented, and the ratio of Nd to Ca in the barrier layer was 8: 2.
It is.

【0080】この接合は、電流電圧特性上に非線形性を
示し、電流値にして約6mA以上で負性抵抗特性を示し
た。また、この素子はジョセフソン効果を示し、約10
GHzの高周波に対して電流電圧特性が変化した。これ
は交流ジョセフソン効果と共に、負性抵抗特性部分の電
圧値が照射高周波電力に対して増加する現象が見られ、
単純な交流ジョセフソン効果でないことが伺える。この
特性を使い、高周波のビデオ検波特性を確認した。
This junction exhibited non-linearity in current-voltage characteristics, and exhibited negative resistance characteristics at a current value of about 6 mA or more. This device exhibits the Josephson effect, and is approximately 10
The current-voltage characteristics changed for a high frequency of GHz. This is a phenomenon in which the voltage value of the negative resistance characteristic portion increases with respect to the irradiated high frequency power, together with the AC Josephson effect,
It can be said that it is not a simple exchange Josephson effect. Using these characteristics, high-frequency video detection characteristics were confirmed.

【0081】また、電流値を負性抵抗特性が始まる点、
もしくは再び通常の特性に復帰する点にバイアスし、異
なる2つの周波数の電磁波を照射したところ、その差周
波数に対応する周波数の信号が検出でき、この素子を用
いてヘテロダイン検波動作が確認された。
Further, the current value is determined at the point where the negative resistance characteristic starts,
Alternatively, when a bias was applied to the point where the characteristic returned to the normal characteristic again and electromagnetic waves having two different frequencies were irradiated, a signal having a frequency corresponding to the difference frequency could be detected, and heterodyne detection operation was confirmed using this element.

【0082】また、素子の非線形性の現れる部分で、ジ
ョセフソン発振以外の高周波発振が確認された。この発
振は外部から40GHzの高周波を印加したときの素子
特性の変化で確認したものである。
Further, high frequency oscillation other than Josephson oscillation was confirmed in the portion where the element exhibited nonlinearity. This oscillation was confirmed by a change in device characteristics when a high frequency of 40 GHz was applied from the outside.

【0083】なお、ここで用いたBSNCOは、BSC
COのCaをNdで置換したものにあたるが、他の希土
類、例えばYやEr、Pr、Nd、またはHo等でも同
様にキャリア密度を制御でき、超伝導素子が作製でき
た。さらに、c軸配向の素子において、再現性よく負性
抵抗特性が観測された。
The BSNCO used here is BSC
This is equivalent to the case where Ca of CO is replaced with Nd, but the carrier density can be similarly controlled with other rare earths, for example, Y, Er, Pr, Nd, Ho, and the like, and a superconducting element can be manufactured. Furthermore, in the element of c-axis orientation, negative resistance characteristics were observed with good reproducibility.

【0084】本実施例では、バリア層堆積をMBE法あ
るいは多元スパッタリング法によって各構成物質を堆積
させたが、これを単一ターゲットを用いたスパッタリン
グ法などでおこない、酸化物超伝導体であるBi系層状
構造化合物の一部を他の元素で置換したり、過剰にドー
プしたり、また欠損させたりしたものをもちいても同様
にキャリア密度を制御でき、非線形性を有する超伝導素
子を作製できた。この方法では、作製装置が簡便になる
という点で工業的に有利と考えられる。
In this embodiment, the constituent materials are deposited by the MBE method or the multi-source sputtering method in the barrier layer deposition. However, the deposition is performed by the sputtering method using a single target, and the oxide superconductor Bi Even if a part of the system layered structure compound is replaced with another element, excessively doped, or deleted, the carrier density can be controlled in the same way, and a superconducting element with nonlinearity can be manufactured. Was. This method is considered to be industrially advantageous in that the manufacturing apparatus is simplified.

【0085】また、この際バリア層は、その素子の動作
温度で超伝導性を示さない程度がよいが、動作温度はそ
の応用分野によって異なる(例えば冷凍器では20K程
度、液体ヘリウムを用いれば4.2K)ので、その動作
温度に合わせて、組成並びに膜厚の設計が必要であっ
た。
At this time, the barrier layer preferably has a degree that does not exhibit superconductivity at the operating temperature of the element, but the operating temperature differs depending on the application field (for example, about 20 K in a refrigerator, and 4 K in liquid helium). .2K), it was necessary to design the composition and the film thickness in accordance with the operating temperature.

【0086】また、123相のYBCOのYをPrで置
換したものも、同様にキャリア密度が小さく、超伝導素
子のバリア層に有効であった。この場合、Y/Prの比
を変えることによって同様にキャリア密度を制御でき、
実用上のメリットを確認している。この123系の場
合、電極としては同じく123系YBCOなどの酸化物
系で、しかも同じ結晶構造を有するものが有利である。
Also, the YBCO of 123 phase in which Y was substituted with Pr also had a low carrier density and was effective for a barrier layer of a superconducting element. In this case, the carrier density can be similarly controlled by changing the ratio of Y / Pr,
Practical benefits have been confirmed. In the case of the 123-based electrode, an electrode that is also an oxide-based electrode such as 123-based YBCO and has the same crystal structure is advantageous.

【0087】これは、バリア層の結晶性を向上させると
きに有効に作用することが確認され、素子の非線形性の
強さも大きくなり、検波作用の変換効率向上に有利であ
った。
This was confirmed to be effective when improving the crystallinity of the barrier layer, and the nonlinearity of the element was also increased, which was advantageous for improving the conversion efficiency of the detection function.

【0088】さらに、負性抵抗特性の点からいえば、層
状構造化合物の酸化物超伝導体に他の元素を置換する、
もしくは欠損させ、非超伝導体としたもので、しかもc
軸配向したものをバリア層に用い、そのc軸方向に電流
を流すように構成した素子(層状構造を突き抜ける形で
電流経路が存在する素子)が良好な負性抵抗特性を示し
た。
Further, in terms of negative resistance characteristics, another element is substituted for the oxide superconductor of the layered structure compound.
Or a non-superconductor made by removing it, and c
An element configured so that current was passed in the c-axis direction by using an axis-oriented one as a barrier layer (an element having a current path penetrating through the layered structure) exhibited good negative resistance characteristics.

【0089】図5は本実施例に用いたバリア層の抵抗率
の温度依存性である。低温において、急激に増化し、温
度に対して負の依存性を示している。ここでBSNCO
(2212)、BSECO(2212)は、それぞれ、
(Bi1-yPby2−Sr2−Nd1−Cu2−Ox(ただ
し0≦y<0.5、xは任意)、(Bi1-yPby2−Sr2
−Er1−Cu2−Ox(ただし0≦y<0.5、xは任意)を
表わし、BSNCO(2201)、BSECO(220
1)は、それぞれ、Bi系2201構造の、Bi−Sr
−Nd−Cu−O、Bi−Sr−Er−Cu−Oを表わ
す。この温度依存性は、局在準位間のバリアブルレンジ
ホッピング伝導で説明でき、素子の非線形性もこの特性
に起因すると考えられる。
FIG. 5 shows the temperature dependence of the resistivity of the barrier layer used in this embodiment. At low temperatures, it increases rapidly and shows a negative dependence on temperature. Where BSNCO
(2212) and BSECO (2212)
(Bi 1-y Pb y) 2 -Sr 2 -Nd 1 -Cu 2 -O x ( provided that 0 ≦ y <0.5, x is any), (Bi 1-y Pb y) 2 -Sr 2
—Er 1 —Cu 2 —O x (where 0 ≦ y <0.5, x is arbitrary), and BSNCO (2201), BSECO (220
1) is a Bi-Sr of a Bi-based 2201 structure, respectively.
-Nd-Cu-O, Bi-Sr-Er-Cu-O. This temperature dependence can be explained by variable range hopping conduction between localized levels, and it is considered that the non-linearity of the element is also caused by this characteristic.

【0090】(実施例4)本実施例では、電気伝導キャ
リア密度が1×1017から1×1021の層状構造化合物
を用いた超伝導素子のもう一つの例を説明する。
(Embodiment 4) In this embodiment, another example of a superconducting element using a layered compound having an electric conduction carrier density of 1 × 10 17 to 1 × 10 21 will be described.

【0091】まず、(100)MgO基板を基体に用
い、rfマグネトロンスパッタリング法によって、主と
して2223相のBi系酸化物超伝導体(Bi1-y
y2−Sr2−Ca2−Cu3−Ox(ただし0≦y<0.
5、xは任意)(2223相BSCCO)が堆積するよ
うに調整した酸化物粉末のターゲットを用い、厚さ30
0nmのA電極を堆積させた。
First, a (223) phase Bi-based oxide superconductor (Bi 1-y P) was mainly formed by rf magnetron sputtering using a (100) MgO substrate as a substrate.
b y) 2 -Sr 2 -Ca 2 -Cu 3 -O x ( provided that 0 ≦ y <0.
5, x is optional) using an oxide powder target adjusted to deposit (2223 phase BSCCO), and having a thickness of 30
A 0 nm A electrode was deposited.

【0092】ひき続き同一真空中において、主として2
201相のBi系酸化物(Bi1-yPby2−Sr2−C
1−Ox(ただし0≦y<0.5、xは任意)(BSCO)
が堆積するように、分子線エピタキシー法(MBE法)
によって、もしくはシャッターコントロール付きの多元
スパッタリング装置を用い、バリア層として層状構造化
合物を各構成元素を順番に積み重ね、全体として厚さ6
0nm堆積させた。
Subsequently, in the same vacuum, mainly 2
201 phase of Bi-based oxide (Bi 1-y Pb y) 2 -Sr 2 -C
u 1 -O x (where 0 ≦ y <0.5, x is arbitrary) (BSCO)
Beam epitaxy method (MBE method)
Or by using a multi-source sputtering apparatus with shutter control, a layered structure compound is sequentially stacked as a barrier layer on each of the constituent elements, and a total thickness of 6
0 nm was deposited.

【0093】このときバリア層のキャリア密度を制御す
るため、若干のCaをバリア層堆積中にドープした。C
aのドープ量は、2223相BSCCO中のCaに対
し、約10パーセントであった。また、バリア層の厚み
は素子の抵抗値を制御するため、事前に設計したもので
ある。これら組成制御を行うにあたり、MBE法、もし
くは多元スパッタリング法は再現性の点から非常に有用
な手段であった。
At this time, in order to control the carrier density of the barrier layer, some Ca was doped during the deposition of the barrier layer. C
The doping amount of a was about 10% based on Ca in the 2223 phase BSCCO. The thickness of the barrier layer is designed in advance in order to control the resistance value of the element. In controlling these compositions, the MBE method or the multi-source sputtering method was a very useful means from the viewpoint of reproducibility.

【0094】そののち、さらにB電極となる2223相
のBi系酸化物超伝導体(Bi1-yPby2−Sr2−C
2−Cu3−Ox(ただし0≦y<0.5、xは任意)が堆積
するように調整した酸化物粉末のターゲットを用いて、
B電極を200nm堆積させ、最後に表面保護層として
のPtを60nm堆積させた。
[0094] After that, further Bi-based oxide B electrode to become 2223 superconductor (Bi 1-y Pb y) 2 -Sr 2 -C
Using an oxide powder target adjusted to deposit a 2 —Cu 3 —O x (where 0 ≦ y <0.5, x is arbitrary),
A B electrode was deposited to a thickness of 200 nm, and finally Pt as a surface protective layer was deposited to a thickness of 60 nm.

【0095】但し、基板温度は表面保護層のPtの堆積
を除き、いずれの場合も650℃である。表面保護層
は、室温で堆積した。
However, the substrate temperature was 650 ° C. in all cases except for the deposition of Pt on the surface protective layer. The surface protection layer was deposited at room temperature.

【0096】その後、ネガレジストを用いたフォトリソ
グラフィーおよびイオンミリングによりにより、バリア
層、B電極、および表面保護層を10×20μm2の接
合形状にパターニングした。
Thereafter, the barrier layer, the B electrode, and the surface protective layer were patterned into a junction shape of 10 × 20 μm 2 by photolithography and ion milling using a negative resist.

【0097】各電極及びバリア層は、加熱した基板状に
堆積し、しかも薄膜の結晶構造が類似であり、a−b方
向で格子定数がほぼ同一であるため各薄膜は良好なエピ
タキシャル成長をした。(100)MgO基板上でc軸
配向性を示し、バリア層の結晶化も幅広い条件下で可能
であった。このことはバリア層の特性の再現性、制御性
にとって有利であるばかりでなく、素子特性の向上に有
利であると考えられる。
Each electrode and barrier layer were deposited on a heated substrate, and the thin films had similar crystal structures, and had substantially the same lattice constant in the ab direction. The (100) MgO substrate exhibited c-axis orientation, and crystallization of the barrier layer was possible under a wide range of conditions. This is considered to be advantageous not only for reproducibility and controllability of the characteristics of the barrier layer but also for improvement of device characteristics.

【0098】なお、この実施例で用いたバリア層は、さ
きに述べたような局在準位を含むような物質であるか否
かは不明である。しかしながら、伝導キャリアはCu−
O面に局在しており、各面にキャリアは比較的強く束縛
されていると考えられる。ちなみにバリア層中のキャリ
ア密度は約1020から1021であった。
It is unknown whether or not the barrier layer used in this example is a substance containing a localized level as described above. However, the conduction carrier is Cu-
It is considered that the carrier is localized on the O plane, and the carrier is relatively strongly bound to each plane. Incidentally, the carrier density in the barrier layer was about 10 20 to 10 21 .

【0099】この接合の電流電圧特性(測定温度4.2
K)の一例を図6に示す。この素子の各薄膜はc軸配向
したものである。この接合は電流電圧特性上に非線形性
を示し、電流値にして約30mA以上で負性抵抗特性を
示した。
The current-voltage characteristics of this junction (measurement temperature 4.2
An example of K) is shown in FIG. Each thin film of this element is c-axis oriented. This junction exhibited non-linearity in current-voltage characteristics, and exhibited negative resistance characteristics at a current value of about 30 mA or more.

【0100】また、この素子はジョセフソン効果を示
し、約10GHzの高周波に対して電流電圧特性が変化
した。これは交流ジョセフソン効果と共に、負性抵抗特
性部分の電圧値が照射高周波電力に対して増加する現象
が見られ、単純な交流ジョセフソン効果でないことが伺
える。この特性を使い、高周波のビデオ検波特性を確認
した。また電流値を負性抵抗特性が始まる点、もしくは
再び通常の特性に復帰する点にバイアスし、異なる2つ
の周波数の電磁波を照射したところ、その差周波数の対
応する周波数の信号が検出でき、この素子を用いてヘテ
ロダイン検波動作が確認された。
This element exhibited the Josephson effect, and the current-voltage characteristics were changed at a high frequency of about 10 GHz. This is due to the phenomenon that the voltage value of the negative resistance characteristic portion increases with respect to the irradiated high-frequency power together with the AC Josephson effect, which indicates that it is not a simple AC Josephson effect. Using these characteristics, high-frequency video detection characteristics were confirmed. When the current value is biased at the point where the negative resistance characteristic starts or returns to the normal characteristic again, and when electromagnetic waves of two different frequencies are irradiated, a signal of the frequency corresponding to the difference frequency can be detected. Heterodyne detection operation was confirmed using the device.

【0101】(実施例5)図7は本発明の別の実施例を
示すバリア層部分の概略図である。本実施例では、電気
伝導キャリア密度の異なる物質の積層構造よりなるバリ
ア層の構成を説明する。
(Embodiment 5) FIG. 7 is a schematic view of a barrier layer portion showing another embodiment of the present invention. Example 1 In this example, a configuration of a barrier layer having a stacked structure of substances having different electric conduction carrier densities will be described.

【0102】まず、(100)MgO基板を基体に用
い、rfマグネトロンスパッタリング法によって、主と
して2212相のBi系酸化物超伝導体(Bi1-y
y2−Sr2−Ca1−Cu2−Ox(ただし0≦y<0.
5、xは任意)(BSCCO)が堆積するように調整し
た酸化物粉末のターゲットを用い、厚さ300nmのA
電極を堆積させた。
First, a (100) MgO substrate was used as a substrate, and a 2212-phase Bi-based oxide superconductor (Bi 1-y P) was mainly formed by rf magnetron sputtering.
b y) 2 -Sr 2 -Ca 1 -Cu 2 -O x ( provided that 0 ≦ y <0.
5, x is optional) A 300 nm thick A using an oxide powder target adjusted to deposit (BSCCO)
Electrodes were deposited.

【0103】ひき続き同一真空中において、主として2
212相のBi系酸化物(Bi1-yPby2−Sr2−N
1−Cu2−Ox(ただし0≦y<0.5、xは任意)(BS
NCO)が堆積するように調整した酸化物粉末のターゲ
ットと、主として2201相のBi系酸化物超伝導体
(Bi1-yPby2−Sr2−Cu1−Ox(ただし0≦y<
0.5、xは任意)(BSCO)が堆積するように調整し
た酸化物粉末のターゲットを用い、BSCO(2単位格
子)/BSNCO(2単位格子)の積層膜を、4回繰り
返してバリア層を堆積させた。このときバリア層は、c
軸配向しており、2単格子の長さはc軸長に等しいもの
と定義する。この部分が図7に記述した第1物質8と第
2物質9である。
Subsequently, in the same vacuum, mainly 2
212 phase of Bi-based oxide (Bi 1-y Pb y) 2 -Sr 2 -N
d 1 -Cu 2 -O x (where 0 ≦ y <0.5, x is arbitrary) (BS
And target adjusted oxide powder as NCO) is deposited mainly Bi-based oxide superconductor of 2201 phase (Bi 1-y Pb y) 2 -Sr 2 -Cu 1 -O x ( provided that 0 ≦ y <
0.5, x is optional) A barrier layer is deposited by repeating a BSCO (2 unit lattice) / BSNCO (2 unit lattice) stacked film four times using an oxide powder target adjusted to deposit (BSCO). I let it. At this time, the barrier layer is c
It is axially oriented, and the length of the two single lattices is defined to be equal to the c-axis length. This portion is the first substance 8 and the second substance 9 described in FIG.

【0104】そののち、さらにB電極となる2212相
のBi系酸化物超伝導体(Bi1-yPby2−Sr2−C
1−Cu2−Ox(ただし0≦y<0.5、xは任意)が堆積
するように調整した酸化物粉末のターゲットを用いて、
B電極を200nm堆積させ、最後に表面保護層として
のPtを60nm堆積させた。
[0104] After that, further Bi-based oxide B electrode to become 2212 phase superconductor (Bi 1-y Pb y) 2 -Sr 2 -C
a 1 -Cu 2 -O x (where 0 ≦ y <0.5, x is arbitrary) using an oxide powder target adjusted to deposit,
A B electrode was deposited to a thickness of 200 nm, and finally Pt as a surface protective layer was deposited to a thickness of 60 nm.

【0105】ただし、基板温度は表面保護層のPtの堆
積を除き、いずれの場合も650℃である。表面保護層
は、室温で堆積した。
However, the substrate temperature was 650 ° C. in all cases except for the deposition of Pt on the surface protective layer. The surface protection layer was deposited at room temperature.

【0106】その後、ネガレジストを用いたフォトリソ
グラフィーおよびイオンミリングによりにより、バリア
層、B電極、および表面保護層を10×10μm2の接
合形状にパターニングした。
Thereafter, the barrier layer, the B electrode, and the surface protective layer were patterned into a junction shape of 10 × 10 μm 2 by photolithography and ion milling using a negative resist.

【0107】各電極及びバリア層は加熱した基板状に堆
積しており、しかも結晶構造が同一であるため良好なエ
ピタキシャル成長をする。特に(100)MgO基板状
ではc軸配向性を示し、バリア層の結晶化も幅広い条件
下で可能であった。このことはバリア層の特性の再現
性、制御性にとって有利であるばかりでなく、素子特性
も向上することが確認された。
The electrodes and barrier layers are deposited on a heated substrate and have the same crystal structure, so that good epitaxial growth can be achieved. In particular, the (100) MgO substrate exhibited c-axis orientation, and crystallization of the barrier layer was possible under a wide range of conditions. It has been confirmed that this is not only advantageous for the reproducibility and controllability of the characteristics of the barrier layer, but also improves the device characteristics.

【0108】本実施例で用いたバリア層は、2201相
とNdの入った2212相のBi系酸化物の積層構造で
あるが、キャリアは2201相のBSCO層に相対的に
多く局在している。このときBSCO層のキャリアの束
縛エネルギーは、隣合うBSCO層の間隔(BSNCO
層の厚み)と、BSCO、BSNCO各層のキャリア密
度に影響を受ける。そこでBSCO/BSNCOの積層
周期を変えたり、BSNCO中のNdとCaをある比率
で置換したりすることによって、素子の特性を変化させ
ることができた。
The barrier layer used in this embodiment has a laminated structure of 2201 phase and 2212 phase Bi-based oxide containing Nd, but the carrier is relatively more localized in the 2201 phase BSCO layer. I have. At this time, the binding energy of carriers in the BSCO layer is determined by the distance between adjacent BSCO layers (BSNCO
Layer thickness) and the carrier density of each of the BSCO and BSNCO layers. Therefore, the characteristics of the device could be changed by changing the lamination cycle of BSCO / BSNCO or replacing Nd and Ca in BSNCO at a certain ratio.

【0109】この接合は、電流電圧特性上に非線形性を
示し、約10GHzの高周波に対して電流電圧特性が変
化した。また、異なる2つの周波数の電磁波を照射した
ところ、その差周波数の対応する周波数の信号が検出で
き、この素子を用いてヘテロダイン検波動作が確認され
た。また、素子の非線形性の現れる部分で、高周波発振
が確認された。この発振は外部から40GHzの高周波
を印加したときの素子特性の変化で確認したものであ
り。
This junction exhibited non-linearity in the current-voltage characteristics, and the current-voltage characteristics changed at a high frequency of about 10 GHz. In addition, when electromagnetic waves having two different frequencies were irradiated, a signal having a frequency corresponding to the difference frequency could be detected, and heterodyne detection operation was confirmed using this element. In addition, high-frequency oscillation was confirmed in a portion where the nonlinearity of the element appeared. This oscillation was confirmed by a change in device characteristics when a high frequency of 40 GHz was applied from the outside.

【0110】なお、ここで用いたBSNCOは、BSC
COのCaをNdで置換したものにあたるが、他の希土
類、例えばYやEr、またはHo等でも同様にキャリア
密度を制御でき、超伝導素子が作製できた。
The BSNCO used here is BSC
This is equivalent to the case where Ca of CO is replaced with Nd, but the carrier density can be similarly controlled with other rare earth elements, for example, Y, Er, or Ho, and a superconducting element can be manufactured.

【0111】また、バリア層として123相のYBCO
のYをPrで置換したものと、123相の他のYBCO
系材料(Er−Ba−Cu−O、Nd−Ba−Cu−
O、Ho−Ba−Cu−O等)の積層膜でも、同様に超
伝導素子のバリア層に有効であった。この場合、Y/P
rの比を変えることによってキャリア密度を制御でき、
実用上のメリットを確認している。
Further, as a barrier layer, 123-phase YBCO
In which Y is replaced by Pr, and the other YBCO
System material (Er-Ba-Cu-O, Nd-Ba-Cu-
O, Ho-Ba-Cu-O, etc.) were similarly effective for the barrier layer of the superconducting element. In this case, Y / P
The carrier density can be controlled by changing the ratio of r,
Practical benefits have been confirmed.

【0112】この123系の場合、電極としては同じく
123系のYBCOなど酸化物系で、しかも同じ結晶構
造を有するものが有利である。これはバリア層の結晶性
を向上させるときに有効に作用することが確認され、素
子の非線形性の強さも大きくなり、検波作用の変換効率
向上に有利であった。
In the case of the 123 system, it is advantageous that the electrode is also an oxide system such as YBCO of the 123 system and has the same crystal structure. This was confirmed to work effectively when improving the crystallinity of the barrier layer, and the nonlinearity of the element was also increased, which was advantageous for improving the conversion efficiency of the detection function.

【0113】さらに、ペロブスカイト構造を有するPb
−Ti−O系材料、あるいはBi−Ti−O系材料、C
a−Ti−O系材料、Ba−Ti−O系材料とBSCO
との積層膜でも、同様にバリア層となる積層膜を形成で
き、良好な超伝導素子が作製できた。これらの素子で
も、約10GHzの高周波に対して電流電圧特性が変化
し、また異なる2つの周波数の電磁波を照射したとこ
ろ、その差周波数の対応する周波数の信号が検出を確認
している。また、素子の非線形性の現れる部分で、高周
波発振も同様に確認した。
Further, Pb having a perovskite structure
-Ti-O-based material or Bi-Ti-O-based material, C
a-Ti-O based material, Ba-Ti-O based material and BSCO
Similarly, a laminated film serving as a barrier layer could be formed, and a good superconducting element could be manufactured. Also in these elements, the current-voltage characteristics change at a high frequency of about 10 GHz, and when electromagnetic waves of two different frequencies are irradiated, a signal of a frequency corresponding to the difference frequency has been detected. In addition, high-frequency oscillation was also confirmed in a portion where the nonlinearity of the element appeared.

【0114】(実施例6)図8は本発明の他の実施例を
のバリア層部分を示す概略図である。本実施例では、粒
界を含むバリア層バリア層の構成を説明する。
(Embodiment 6) FIG. 8 is a schematic view showing a barrier layer portion according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, a configuration of a barrier layer including a grain boundary will be described.

【0115】まず、(100)MgO基板を基体に用
い、rfマグネトロンスパッタリング法によって、主と
して2212相のBi系酸化物超伝導体(Bi1-y
y2−Sr2−Ca1−Cu2−Ox(ただし0≦y<0.
5、xは任意)(BSCCO)が堆積するように調整し
た酸化物粉末のターゲットを用い、厚さ300nmのA
電極を堆積させた。
First, a (12) -phase Bi-based oxide superconductor (Bi 1-y P) was mainly formed by rf magnetron sputtering using a (100) MgO substrate as a substrate.
b y) 2 -Sr 2 -Ca 1 -Cu 2 -O x ( provided that 0 ≦ y <0.
5, x is optional) A 300 nm thick A using an oxide powder target adjusted to deposit (BSCCO)
Electrodes were deposited.

【0116】次に、Pt薄膜を20nm堆積させた。こ
のときPt薄膜は(100)配向した。
Next, a Pt thin film was deposited to a thickness of 20 nm. At this time, the Pt thin film was (100) oriented.

【0117】次に、rfマグネトロンスパッタリング法
によって、主として2201相のBi系酸化物(Bi
1-yPby2−Sr2−Cu1−Ox(ただし0≦y<0.5、
xは任意)(BSCO)が堆積するように調整した酸化
物粉末のターゲット、もしくは主として2212相のB
i系酸化物(Bi1-yPby2−Sr2−Nd1−Cu2
x(ただし0≦y<0.5、xは任意)(BSNCO)が堆
積するように調整した酸化物粉末のターゲットを用い、
厚さ30nmから100nmのバリア層を堆積させた。
このとき基板温度は730℃に設定した。
Next, a 2201-phase Bi-based oxide (Bi-oxide) was mainly formed by rf magnetron sputtering.
1-y Pb y) 2 -Sr 2 -Cu 1 -O x ( provided that 0 ≦ y <0.5,
x is optional) a target of oxide powder adjusted to deposit (BSCO), or mainly 2212 phase B
i based oxide (Bi 1-y Pb y) 2 -Sr 2 -Nd 1 -Cu 2 -
O x (provided that 0 ≦ y <0.5, x is any) (BSNCO) using an oxide powder target was adjusted so that is deposited,
A barrier layer having a thickness of 30 nm to 100 nm was deposited.
At this time, the substrate temperature was set at 730 ° C.

【0118】この条件では、Pt上の酸化物薄膜は多く
の結晶粒界部分10を含む多結晶体薄膜となった。ま
た、堆積する膜厚によって多結晶体の粒径が変化した。
ひき続き同一真空中において、B電極となるBSCCO
を200nm堆積した。
Under these conditions, the oxide thin film on Pt became a polycrystalline thin film including many crystal grain boundary portions 10. In addition, the particle size of the polycrystal changed depending on the thickness of the deposited film.
BSCCO to become B electrode in the same vacuum
Was deposited to a thickness of 200 nm.

【0119】その後、ネガレジストを用いたフォトリソ
グラフィーおよびイオンミリングによりにより、バリア
層、B電極、を10×10μm2の接合形状にパターニ
ングした。
Thereafter, the barrier layer and the B electrode were patterned into a junction shape of 10 × 10 μm 2 by photolithography and ion milling using a negative resist.

【0120】本実施例で用いたバリア層は、2201相
あるいは2212相のBi系酸化物であるが、結晶粒界
はキャリアのポテンシャルバリアとして働き、伝導キャ
リアの粒界間の移動を妨げるよう働く。各酸化物結晶中
に局在しているキャリアはある活性化エネルギーを外部
から受け取って初めて隣の結晶に移動することが出来
る。このときキャリアの束縛エネルギーは、隣合う結晶
粒の間隔と、結晶粒界の化学状態に影響を受ける。バリ
ア層堆積後の雰囲気中の酸素濃度を変えることによっ
て、この素子の特性を変化することが確認出来た。
Although the barrier layer used in this embodiment is a Bi-based oxide of 2201 phase or 2212 phase, the crystal grain boundary functions as a potential barrier for carriers, and functions to hinder the movement of conductive carriers between grain boundaries. . Carriers localized in each oxide crystal can move to an adjacent crystal only after receiving a certain activation energy from the outside. At this time, the binding energy of the carrier is affected by the distance between adjacent crystal grains and the chemical state of the crystal grain boundaries. It was confirmed that the characteristics of the device were changed by changing the oxygen concentration in the atmosphere after the deposition of the barrier layer.

【0121】この接合は電流電圧特性上に非線形性を示
し、約10GHzの高周波に対して電流電圧特性が変化
した。
This junction exhibited non-linearity in the current-voltage characteristics, and the current-voltage characteristics changed at a high frequency of about 10 GHz.

【0122】なお、ここで用いたBSNCOはBSCC
OのCaをNdで置換したものにあたるが、他の希土
類、例えばYやEr、またはHo等でも同様にキャリア
密度を制御でき、超伝導素子が作製できた。
The BSNCO used here is BSCC
This is equivalent to O obtained by substituting Ca for Nd with Nd, but the carrier density can be similarly controlled with other rare earth elements, for example, Y, Er, or Ho, and a superconducting element can be manufactured.

【0123】また、バリア層として123相のYBCO
のYをPrで置換したものや、123相の他のYBC
O、Er−Ba−Cu−O、Nd−Ba−Cu−O、H
o−Ba−Cu−O等の多結晶薄膜でも、同様に超伝導
素子のバリア層に有効であった。
Further, as a barrier layer, 123-phase YBCO
In which Y is replaced by Pr, and other YBCs in the 123 phase
O, Er-Ba-Cu-O, Nd-Ba-Cu-O, H
A polycrystalline thin film such as o-Ba-Cu-O was similarly effective for a barrier layer of a superconducting element.

【0124】この場合、Y/Prの比を変えることによ
ってキャリア密度を制御でき、実用上のメリットを確認
している。
In this case, the carrier density can be controlled by changing the ratio of Y / Pr, and practical advantages have been confirmed.

【0125】さらに遷移金属(例えば、Nb、Mo、T
a、Ti等)や、Alをバリア層に用い、さらにB電極
を堆積する前に、酸素プラズマ、フッ素プラズマ、窒素
プラズマ、S蒸気、塩素プラズマ等にさらし、結晶粒界
に酸化物相、フッ化物相、窒化物相、硫化物相、塩化物
相など伝導キャリアのポテンシャルバリアを設けること
により、高周波に応答する超伝導素子を作製できること
を確認した。
Further, transition metals (for example, Nb, Mo, T
a, Ti, etc.) or Al for the barrier layer, and before depositing the B electrode, exposing it to oxygen plasma, fluorine plasma, nitrogen plasma, S vapor, chlorine plasma, etc. It has been confirmed that a superconducting device that responds to high frequency can be manufactured by providing a potential barrier of a conductive carrier such as a nitride phase, a nitride phase, a sulfide phase, and a chloride phase.

【0126】[0126]

【発明の効果】以上説明したように、超伝導体よりなる
A電極およびB電極と、そのA電極、およびB電極に接
し、かつその両電極を隔てるように位置する伝導キャリ
アが局在する、もしくは伝導キャリアの局在準位が存在
するようなバリア層より接合型素子を構成することによ
って、電流電圧特性上に非線形性示す超伝導素子が実現
でき、これを用いると、高周波検波器、高周波発振素子
を構成出来る効果がある。
As described above, the A electrode and the B electrode made of a superconductor, and the conduction carrier which is in contact with the A electrode and the B electrode and is located so as to separate both the electrodes are localized. Alternatively, a superconducting element exhibiting non-linearity in current-voltage characteristics can be realized by forming a junction-type element from a barrier layer in which a localized level of a conduction carrier exists. There is an effect that an oscillation element can be formed.

【0127】実施例1で説明したような電気伝導キャリ
ア密度の異なる2つの物質の複合体よりなるバリア層を
用いるると、バリア層の製造プロセスが簡便な実用的な
素子を提供するのに効果がある。
When a barrier layer composed of a composite of two substances having different electric conduction carrier densities as described in Embodiment 1 is used, it is effective to provide a practical device whose barrier layer manufacturing process is simple. There is.

【0128】また、実施例2で説明したようにバリア層
の材料を、金属微粒子もしくは半導体微粒子を母体物質
中に分散させた複合材料を薄膜化したもので構成する
と、母体の電気的特性で微粒子中のキャリアの束縛状態
を変化させ得る。この状態の変化は素子特性に直接関わ
り、素子特性の制御に有効である。また、MBE法ほど
ではないにしろ、比較的簡便に、また制御性良く周期的
に微粒を配置することも可能であり、実用上のメリット
は大きなものである。
Further, as described in Example 2, when the material of the barrier layer is constituted by a thin film of a composite material in which metal fine particles or semiconductor fine particles are dispersed in a base material, the fine particles can be formed based on the electrical characteristics of the base material. The bound state of the carrier inside can be changed. This change in state is directly related to the element characteristics and is effective in controlling the element characteristics. Although not as large as the MBE method, it is also possible to arrange fine particles relatively easily and with good controllability, and this has a great practical advantage.

【0129】さらに、実施例3、および4で述べたよう
にバリア層の材料が、少なくとも電気伝導キャリア密度
の異なる層状の部分を周期的に含んだ層状構造化合物で
あり、しかも前記層状構造化合物の前記電気伝導キャリ
ア密度の平均値Nが、1×1015個/cm3≦N≦5×
1021個/cm3であるような材料を、MBE法などを
用いて構成すれば、目的に合った任意のキャリア密度の
バリア層を作製でき、ひいてはバリア中のキャリア密
度、局在準位の数、準位のレベルの高さ、空間的な位置
を任意に設定でき、例えばキャリアの束縛され易い位置
を周期的に配置するなど、非線形特性並びに高周波特性
の向上に有効である。また負性抵抗特性が現れ、高周波
の効率的な検波に有効であった。この負性抵抗特性は、
c軸配向膜を用いることにより再現性よく得られた。
Further, as described in Examples 3 and 4, the material of the barrier layer is a layered structure compound containing at least layered portions having different electric conduction carrier densities periodically. The average value N of the electric conduction carrier density is 1 × 10 15 / cm 3 ≦ N ≦ 5 ×
If a material having a density of 10 21 / cm 3 is formed by MBE or the like, a barrier layer having an arbitrary carrier density suitable for the purpose can be produced. The number, the level of the level, and the spatial position can be arbitrarily set, and this is effective for improving the non-linear characteristics and the high-frequency characteristics, for example, by periodically arranging the positions where the carriers are easily bound. In addition, a negative resistance characteristic appeared, which was effective for high-frequency efficient detection. This negative resistance characteristic is
The reproducibility was obtained by using the c-axis alignment film.

【0130】また、実施例5で説明したようにバリア層
の材料が、少なくとも電気伝導キャリア密度の異なる物
質を交互に積層した積層構造物質とすれば、人為的にバ
リアの性質を設計、制御出来、望みの特性、もしくはよ
り高性能な高周波用素子を実現できる。このことは素子
特性の再現性も含めて非常に有用な方法であるばかりで
なく、通常の方法では得られないような理想的な素子を
構成できる可能性から非常に有効である。
Further, as described in the fifth embodiment, if the material of the barrier layer is a laminated structure material in which at least substances having different electric conduction carrier densities are alternately laminated, the properties of the barrier can be artificially designed and controlled. Thus, a high-frequency element having desired characteristics or higher performance can be realized. This is not only a very useful method including the reproducibility of element characteristics, but also very effective because it is possible to construct an ideal element that cannot be obtained by a normal method.

【0131】また、実施例3および4で述べたと同様に
負性抵抗特性が現れ、高周波の効率的な検波に有効であ
った。この負性抵抗特性は、c軸配向膜を用いることに
より再現性よく得られた。
Further, negative resistance characteristics appeared as described in Examples 3 and 4, which was effective for efficient high-frequency detection. This negative resistance characteristic was obtained with good reproducibility by using the c-axis oriented film.

【0132】一方、バリア層の材料が、金属微粒子もし
くは半導体微粒子を集合した薄膜は、多結晶体として得
るのが容易であり、またそれらの薄膜をガスプラズマや
ガス雰囲気中に曝すだけで微粒子間(結晶粒界)に伝導
キャリアの伝導バリア層を設けることが出来、容易に高
周波応答可能な超伝導素子を作製できる。これは実用上
たいへん有効である。
On the other hand, a thin film in which the material of the barrier layer is a collection of metal fine particles or semiconductor fine particles is easy to obtain as a polycrystalline material. A conductive barrier layer of a conductive carrier can be provided at (a crystal grain boundary), and a superconducting element capable of easily responding to a high frequency can be manufactured. This is very effective in practice.

【0133】ここで説明した実施例では、多くの場合酸
化物超伝導体と、酸化物バリアの組合せであるが、この
組合わせは同一温度で連続的に成膜でき、作製工程が簡
便になるメリットがある。また酸化物超伝導体は、それ
自体キャリアが局在しているといわれ、それに異種元素
をドープしたり構成元素を欠損させたり、さらには置換
したりしたものは、キャリアの局在化を顕著にして、バ
リア層に用いた場合、非線形超伝導素子を再現性よく構
成できる効果があった。
In the embodiments described here, in many cases, a combination of an oxide superconductor and an oxide barrier is used, but this combination can form a film continuously at the same temperature, and the manufacturing process is simplified. There are benefits. It is said that the oxide superconductor itself has a localized carrier, and when a different element is doped into the oxide superconductor, or a constituent element is deleted or further substituted, the carrier localization is remarkable. Then, when the non-linear superconducting element is used for the barrier layer, there is an effect that the non-linear superconducting element can be configured with good reproducibility.

【0134】現在電気通信の分野では、自動車電話の普
及、デジタル画像情報の伝送、情報ネットワークの普及
などにより、大量の信号を伝達する手段として、より高
周波を用いた通信手段が望まれていた。本発明による超
伝導素子は、従来使用できなかった高周波の電波の発
生、検波に利用できるため、これら電気通信分野の電波
周波数の利用範囲を拡大できる。さらに検波においては
高効率であるため、送信電力を小さくし、電波障害の問
題も低減出来る可能性がある。
At present, in the field of telecommunications, with the spread of automobile telephones, the transmission of digital image information, the spread of information networks, etc., communication means using higher frequencies has been desired as means for transmitting a large amount of signals. Since the superconducting element according to the present invention can be used for generating and detecting high-frequency radio waves that could not be used conventionally, the range of use of radio frequencies in the telecommunications field can be expanded. Further, since the detection efficiency is high, the transmission power may be reduced, and the problem of radio interference may be reduced.

【0135】これらの点で本発明の実用的効果は、電気
情報通信分野で大である。
In these respects, the practical effect of the present invention is great in the field of telecommunications.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本第1の実施例を説明する、超伝導素子の概略
FIG. 1 is a schematic view of a superconducting element for explaining a first embodiment.

【図2】本第2の実施例を説明する、超伝導素子のバリ
ア層の概略図
FIG. 2 is a schematic view of a barrier layer of a superconducting element for explaining the second embodiment.

【図3】本第3の実施例を説明する、超伝導素子のバリ
ア層の概略図
FIG. 3 is a schematic view of a barrier layer of a superconducting element for explaining the third embodiment.

【図4】本第3の実施例の電流電圧特性図FIG. 4 is a current-voltage characteristic diagram of the third embodiment.

【図5】本第3の発明に用いた、チャネル層の材料の抵
抗率の温度依存性を示す図
FIG. 5 is a diagram showing the temperature dependence of the resistivity of the material of the channel layer used in the third invention.

【図6】本第4の実施例の電流電圧特性図FIG. 6 is a current-voltage characteristic diagram of the fourth embodiment.

【図7】本第5の実施例を説明する、超伝導素子のバリ
ア層の概略図
FIG. 7 is a schematic view of a barrier layer of a superconducting element for explaining the fifth embodiment.

【図8】本第6の実施例を説明する、超伝導素子のバリ
ア層の概略図
FIG. 8 is a schematic view of a barrier layer of a superconducting element for explaining the sixth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 A電極 2 バリア層 3 基体 4 B電極 5 層状構造化合物 6 金属もしくは半導体微粒子 7 母体物質 8 第1物質 9 第2物質 10 結晶粒界部分 Reference Signs List 1 A electrode 2 Barrier layer 3 Base 4 B electrode 5 Layered structure compound 6 Metal or semiconductor fine particle 7 Base substance 8 First substance 9 Second substance 10 Crystal grain boundary portion

フロントページの続き (72)発明者 瀬恒 謙太郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−102383(JP,A) 特開 平3−160771(JP,A) 特開 平4−192381(JP,A) 特開 平3−295282(JP,A) 特開 平4−267569(JP,A) 特開 平7−15049(JP,A) 特開 平8−228029(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 39/22 H01L 39/24 H01L 39/00 Continuation of front page (72) Inventor Kentaro Seto 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) References JP-A-63-102383 (JP, A) JP-A-3-160771 ( JP, A) JP-A-4-192381 (JP, A) JP-A-3-295282 (JP, A) JP-A-4-267569 (JP, A) JP-A-7-15049 (JP, A) JP Hei 8-228029 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 39/22 H01L 39/24 H01L 39/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 バリア層と、前記バリア層を挟み、かつ
互いに対向して接する少なくとも一対の超伝導体よりな
るA電極およびB電極とを含む接合型素子において、
記バリア層の材料が、金属微粒子もしくは半導体微粒子
の何れかの粒子を、母体物質中に層状に分散させた複合
材料よりなることを特徴とする超電導素子。
And 1. A barrier layer, sandwiching the barrier layer, and the junction element including an A electrode and a B electrode comprising at least a pair of superconductor in contact opposite to each other, before
The material of the barrier layer is metal fine particles or semiconductor fine particles.
A composite in which any of the above particles is dispersed in a layered form in a base substance.
A superconducting element comprising a material .
【請求項2】 バリア層と、前記バリア層を挟み、かつ
互いに対向して接する少なくとも一対の超伝導体よりな
るA電極およびB電極とを含む接合型素子において、前
記バリア層が、少なくとも電気伝導キャリア密度の異な
る酸化物材料を交互に積層した積層構造であり、前記バ
リア層の膜厚が11nmから125nmの範囲であり、
かつ前記バリア層における電気伝導キャリア密度の平均
値Nが、1X1015個/cm3≦N≦5X1021個/c
3であることを特徴とする超電導素子。
2. A barrier layer sandwiching said barrier layer, and
It consists of at least one pair of superconductors
In the junction type element including the A electrode and the B electrode,
The barrier layer has at least a different electric conduction carrier density.
Oxide materials are alternately stacked, the barrier layer has a thickness of 11 nm to 125 nm,
And the average value N of the electric conduction carrier density in the barrier layer is 1 × 10 15 / cm 3 ≦ N ≦ 5 × 10 21 / c
superconducting device which is a m 3.
【請求項3】 バリア層の材料が、A電極あるいはB電
極を構成する酸化物超伝導体の一つの構成元素の一部も
しくはすべてを他の元素で置換した酸化物材料を含む
とを特徴とする請求項2記載の超電導素子。
3. The material of the barrier layer is an A electrode or a B electrode.
The superconducting element according to claim 2, wherein the superconducting element comprises an oxide material in which part or all of one constituent element of the oxide superconductor constituting the pole is replaced with another element.
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