JPH0575169A

JPH0575169A - 光超伝導素子

Info

Publication number: JPH0575169A
Application number: JP3231662A
Authority: JP
Inventors: Yoko Sugaya; 庸子菅家; Masahiro Kasai; 昌弘葛西; Toshiyuki Ono; 俊之大野; Yuzo Kozono; 裕三小園; Yoshimasa Murayama; 良昌村山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-09-11
Filing date: 1991-09-11
Publication date: 1993-03-26

Abstract

(57)【要約】【構成】基板４上に、ペロブスカイト構造を有する酸
化物磁性体３を載せ、第１電極１および第２電極２では
さむ。第１電極１から第２電極２へ電流を流し、酸化物
磁性体３に電磁波を照射すると電極１，２間に超伝導電
流が流れる。【効果】酸化物磁性体に関する全く新しい物理現象を
利用した素子であるため、従来にはなかった機能・特性
を持つ素子としてあらゆる分野での測定・制御装置等の
機器に応用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、酸化物磁性体に電磁波
を照射することにより、超伝導電流が流れることを利用
した光超伝導素子及びこの素子を利用した応用品に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術として、ペロブスカイト構造
を有する複合酸化物で形成された単結晶のトンネルバリ
ア層を、高温酸化物超伝導体で形成された単結晶の第１
及び第２電極で挾む構造を有するトンネル接合素子が、
特開２−１３７３７９号公報として出願されている。こ
こでは実施例としてバリア層を形成する複合酸化物にＬ
ａＡｌＯ₃およびＬａＧａＯ₃以下いくつかのペロブスカ
イト構造を有する酸化物を掲げている。

【０００３】また、他の従来例として、特開昭５７−１
５９０７４号公報が挙げられる。この素子は、光を照射
することにより超伝導状態が解除されるという構造のも
のである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、ペ
ロブスカイト構造を有する複合酸化物を超伝導トンネル
接合素子のバリア層としてのみ利用することが目的であ
り、この技術により作製された超伝導トンネル素子の動
作原理においては、応答性が低い等の問題があった。特
に光を照射して超伝導状態を解除する構造の素子では、
広範囲な動作、機能を持つ光超伝導素子を開発すること
はできなかった。

【０００５】本発明の目的は、応答性が良く、広範囲な
動作、機能を持つ光超伝導素子及びそれを用いた応用品
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は電磁波が照射されると超伝導電流が流れる
ペロブスカイト構造を有する酸化物磁性体と、この酸化
物磁性体を挾む第１電極及び第２電極と、を備えた光超
伝導素子である。ここで、第１電極及び第２電極はペロ
ブスカイト構造を有する酸化物超伝導体であるものがよ
い。また、第１電極及び第２電極が半導体であるもの、
特に第１電極がｐ型又はｎ型半導体であり、第２電極が
ｎ型又はｐ型半導体であるもの、又は第１電極及び第２
電極がいずれもｐ型半導体又はｎ型半導体であるものが
よい。

【０００７】また、本発明は、ＯＮ−ＯＦＦ切り換え可
能な電磁波照射手段と、前記電磁波照射手段からのＯＮ
−ＯＦＦ電磁波を受けて超伝導電流がＯＮ−ＯＦＦ動作
される前記のいずれかに記載の光超伝導素子と、を備え
た光スイッチング素子である。

【０００８】また、本発明は、電磁波発生手段からの電
磁波を受ける前記のいずれかに記載の光超伝導素子と、
この光超伝導素子に流れる超伝導電流密度を検出する手
段と、前記検出された電流密度から前記電磁波の波長を
求める手段と、を備えた光センサーである。

【０００９】また本発明は、電磁波発生手段からの電磁
波を受ける前記のいずれかに記載の光超伝導素子と、該
光超伝導素子が超伝導状態になれずに残る残留抵抗を検
出する手段と、その検出された残留抵抗から前記電磁波
の強度を求める手段と、を備えた光量計である。

【００１０】また本発明は、電磁波照射手段と、前記の
酸化物超伝導体電極を備えた光超伝導素子と、第１電極
及び第２電極間に超伝導電流を流す手段と、を備えた光
超伝導トランジスタである。

【００１１】また本発明は、電磁波が照射されると超伝
導電流が流れるペロブスカイト構造を有する酸化物磁性
体と、この酸化物磁性体とホーム性接触を形成する電極
と、前記酸化物磁性体とｐｎ接合を形成する半導体と、
を備えた光超伝導ダイオードである。

【００１２】

【作用】ペロブスカイト構造を有する酸化物磁性体に電
磁波を照射することで、エネルギーギャップ中に存在す
る強い電子相関によって動くことのできなかったキャリ
アにエネルギーが与えられる。その結果、キャリアは動
くことのできる状態となり、エネルギー的に安定なこと
からキャリア対ができる。このキャリア対が移動するこ
とで超伝導電流が流れる。ペロブスカイト構造を構成す
るそれぞれのイオンの持つスピン相互作用が、上記作用
に深く関与していると思われる。

【００１３】第１電極および第２電極が一般的な金属材
料であれば、上記作用を利用した光超伝導素子に応用す
ることができる。

【００１４】また、第１電極および第２電極が酸化物超
伝導体であれば、酸化物超伝導体中で既に対となったキ
ャリアが存在しており、超伝導電流を担っているキャリ
アがそのまま電子相関を保ちながら酸化物磁性体中を通
過するため、酸化物磁性体に電磁波を照射しなくとも超
伝導電流が流れる。その状態で更に電磁波を照射する
と、上記作用によりまた特にキャリア対が発生し、超伝
導電流密度が増加する。上記作用を利用し、光超伝導増
幅器として応用することができる。

【００１５】また、第１電極および第２電極が半導体で
あれば、その半導体のタイプ（ｎ型またはｐ型）と酸化
物磁性体の電気伝導により現われるタイプとの組み合わ
せにより、界面でキャリアの再結合または空乏層が生じ
る。この状態で電磁波を照射して酸化物磁性体に超伝導
電流が流れるようにすると、上記界面での状態に変化が
生ずる。この作用を利用し、各種光超伝導素子に応用す
ることができる。

【００１６】ただし、酸化物超伝導体と酸化物磁性体と
の界面では、相互の格子定数の不整合や原子の拡散・反
応などが起こると、キャリア対の移動のさまたげとなる
場合がある。そこで、この酸化物磁性体は格子定数が酸
化物超伝導体の値に近く、原子の相互拡散が少ないと考
えられるペロブスカイト構造を有することが望ましい。

【００１７】

【実施例】本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る光超伝導素子の断面図を示す。本発
明の光超伝導素子は、ペロブスカイト構造を有する酸化
物磁性体３を第１電極１および第２電極２ではさみ、前
記酸化物磁性体３に電磁波２０を照射することにより超
伝導電流が流れることを特徴とする。このとき、前記磁
性体３は４.２Ｋ以上１５０Ｋ以下の温度に冷却手段
（図示せず）によって冷却する。電磁波を照射しない状
態では、エネルギーバンド構造は、キャリアがエネルギ
ーギャップ中に存在しているが、強い電子相関の働きに
よって動くことはできない。その酸化物磁性体に波長１
０nm以上１μｍ以下の電磁波を照射すると、エネルギー
ギャップ中のキャリアに大きさｈνのエネルギーが与え
られる。その結果、電子相関は弱まり、キャリアは動く
ことができるようになるが、わずかに存在している相互
作用のため、キャリアは単独でいるよりも対をつくって
いるほうがエネルギー的にむしろ安定である。そのため
両電極間に電流を流すと、キャリアは超伝導電流として
観測される。

【００１８】超伝導電流が観測されることを具体的に説
明する。図２は単結晶ＭｇＯ（１００）へき開面基板４
上に作製した酸化物磁性体３の薄膜の四端子測定用パタ
ーンである。作製方法は、ターゲットに（化８）

【００１９】

【化８】

【００２０】の焼結体を用いたｒｆマグネトロンスパッ
タ法で、酸素とアルゴンの混合ガス雰囲気中、基板温度
を６００℃に保ちながら１時間スパッタリングを行な
う。すると膜厚およそ８００nmの酸化物磁性体３薄膜が
得られ、ここにフォトリソグラフ技術を用いて四端子パ
ターンとなるようエッチングを施す。実際の測定部分３
ｂは、電極取付部３ａ間の中央線部で、線幅は１０μｍ
である。図４は実験に用いた試料とその測定における概
略図である。図２で示した試料に真空蒸着法で、前記電
極取付部３ａ上に金電極５を蒸着し、銅のリード線７を
それぞれの電極５に超音波インジウムはんだで取りつけ
る。そして、電流源８より酸化物磁性体３に５μＡの電
流を流し、電圧計９で起電力を測定する。

【００２１】図４は上記系において液体ヘリウムを冷媒
として用い、抵抗率温度依存特性を測定した結果を示
す。横軸に絶対温度を、縦軸は抵抗率とする。曲線２１
試料に光を照射せずに測定した結果であり、温度の低下
とともに抵抗率が上昇している。一方、曲線２２は試料
測定部に半導体レーザー１０を用いて波長３００nmの光
２３を照射しながら測定した結果であるが、および７０
Ｋ付近で抵抗率がゼロとなっていることがわかる。次に
図５に半導体レーザー１０の出力を５ns間隔のパルスと
して試料に照射し、それにともなう上記系の起電力Ｖの
変化を横軸特間としてオシロスコープで観察した結果を
示す。（ａ）がパルスレーザーの出力、（ｂ）が起電力
であるが、光が照射されると起電力はゼロとなり、照射
がなくなると起電力が生ずる。起電力信号のたち上が
り、下がりの形状より応答性はきわめて高速なものと言
える。

【００２２】図６は上記系において温度を４.２Ｋに保
ちながら、測定電流を０から１００ｍＡまで変化させ、
異なる波長の光を試料に照射した場合の電流−電圧特性
を示す。（ｃ）は半導体レーザを用いて波長３００nmの
光を照射した場合、（ｄ）は半導体レーザーを用いて波
長４００nmの光を照射した場合、そして（ｅ）はエキシ
マレーザーを用いて波長１０nmの紫外線を照射した場合
である。まずこの結果より、臨界電流密度は（ｄ）より
も（ｃ）が大きいことがわかる。これはこの酸化物磁性
体において超伝導電流を担うキャリア対が発生し移動す
るためには、４００nmよりも３００nmの波長のエネルギ
ーがより条件として適しているためと考えられる。ま
た、（ｅ）では超伝導電流はみられず、単なる抵抗体的
な特性を示している。これはキャリアに与えられたエネ
ルギーが大きすぎ、電子相関がこわれてしまい、キャリ
アが単体としてふるまったためと考えられる。

【００２３】この光超伝導素子の実際の大きさは、縦お
よび横の長さが１μｍ以上１０cm以下、厚さが１００nm
以上１０mm以下である。ここで電磁波の照射をｏｎ−ｏ
ｆｆ切換えすると、それにともない超伝導電流もｏｎ−
ｏｆｆ動作をするため、光超伝導スイッチング素子とし
て使用することができる。また、入射電磁波の持つエネ
ルギーの大きさはその波長によって異なるが、それにと
もない超伝導電流密度Ｊｃの大きさも変化する。図７は
超伝導電流の照射波長依存特性を示す図である。この値
を読み取ることにより、光センサーまたは分光素子とし
て使用することができる。さらに入射電磁波の強度（Ｐ
ower）が不充分であると、超伝導転移温度Ｔｃより低温
になっても完全に超伝導状態にならずにある程度の残留
抵抗が観測される。この抵抗値は入射電磁波の強度によ
って異なるため、これを利用して光量計として使用する
ことができる。

【００２４】上記目的を達するために、ペロブスカイト
構造を有する酸化物磁性体は、下式（化９）乃至（化１
５）を用いる。

【００２５】

【化９】

【００２６】

【化１０】

【００２７】

【化１１】

【００２８】

【化１２】

【００２９】

【化１３】

【００３０】

【化１４】

【００３１】

【化１５】

【００３２】上記目的を達するために、また第１および
第２電極にもペロブスカイト構造を有する、臨界温度が
４.２Ｋ以上１５０Ｋ以下の酸化物超伝導体を用いると
よい。臨界温度以下で第１電極から第２電極へ電流を流
すと、酸化物超伝導体中ですでに対となり、超伝導電流
を担っているキャリアがそのまま電子相関を保ちながら
酸化物磁性体中を通過する。その結果、超伝導電流が観
測される。その場合の臨界電流密度Ｊｃは、酸化物超伝
導体および酸化物磁性体の持つ固有の性質によって決ま
る。さらに酸化物磁性体に上記電磁波を照射すると、上
記原理によって酸化物磁性体中より超伝導電流が増加し
増幅効果が得られる。この現象は光超伝導トランジスタ
として使用できる。またその場合の増幅率は、入射電磁
波の波長によって決まる。

【００３３】上記目的を達するために、また第１および
第２電極に半導体を用いる。この半導体はＳｉなどの単
結晶半導体またはＧａＡｓなどの化合物半導体または非
晶質半導体のいずれかである。半導体のキャリアタイプ
は、第１電極にｐ型（もしくはｎ型）半導体を用い、か
つ第２電極にｎ型（もしくはｐ型）半導体を用いて構成
するもの、または第１及び第２電極ともｎ型またはｐ型
半導体で構成するものとする。

【００３４】光超伝導素子の作製方法としては、スパッ
タリング法またはＭＢＥおよび電子ビームを含む蒸着
法、ＣＶＤ法、ドクターブレード法などの薄膜作製技術
があげられる。一例としてスパッタリング法での作製方
法を説明すると、まず図８に示したように、基板（支持
体）４に第２電極２をたい積し、次に酸化物磁性体３を
第２電極２上に重ねてたい積する。そしてさらに酸化物
磁性体３上に第１電極１をたい積し、光超伝導素子とす
る。たい積したそれぞれの膜厚は、１nm以上１mm以下で
ある。この作製方法による光超伝導素子は、第１電極１
に電磁波２０が透過することのできる材料を用い、第１
電極１を透過して電磁波を酸化物磁性体３に照射する場
合に有効である。または図１に示したように基板（支持
体）４に、はじめに酸化物磁性体３をたい積し、第１電
極１および第２電極２を酸化物磁性体３上の同一平面上
にたい積する。この場合、第１電極１と第２電極２は接
触することのない配置とするので、電磁波２０は酸化物
磁性体３に直接照射する。この作製方法による光超伝導
素子は、第１電極１および第２電極２が電磁波が透過す
ることのできない材料を用いる場合または素子全体の膜
厚を薄く作製したい場合に有効である。

【００３５】図９は光超伝導ダイオードを示す。これは
酸化物磁性体の中には（化１６）に示すもののように、
半導体的電気特性を示すものがあることを利用したもの
である。

【００３６】

【化１６】

【００３７】図９（Ａ）において、３０は、一般的なｎ
型半導体、３１はｐ型半導体であるが、この半導体３１
は電磁波が照射されると超伝導電流が流れるペロブスカ
イト構造を有する酸化物磁性体よりなるものである。こ
の半導体が電極３２とオーム性接触している。作用を説
明すると、暗所すなわち電磁波が照射されない条件下で
は、通常のダイオードと同様に順方向の電流が流れ、逆
方向からの電流は流れない。一方、光を照射すると、半
導体３１が超伝導特性を示すので、逆方向からでも電磁
が流れるようになる。従って従来のダイオードにはない
機能を持たせることができる。

【００３８】図１０は光超伝導素子を用いた光コンピュ
ータへの応用を示すものである。従来の光超伝導スイッ
チング素子は、光を照射することで超伝導状態がこわれ
るという、入力（ＯＮ）→出力（ＯＦＦ）のものしかで
きなかったため、これを用いて光コンピュータを作製す
ることは非常に困難であった。本発明によれば、光照射
により、入力（ＯＦＦ）→出力（ＯＮ）の動作をするた
め、これらを組み合わせることにより、光コンピュータ
の基礎である論理演算が可能である。図１０（Ａ）はＮ
ＯＴ回路を示す一例である。入力信号を光源Ａからの光
のＯＮ，ＯＦＦ、出力信号を本発明に係る光超伝導素子
４０の電位差（１又は０）とする。図１０（Ｂ）はＯＲ
回路を示す一例である。入力Ｃを点Ｃの電圧（１又は
０）、入力Ｄを光源ＤのＯＮ，ＯＦＦ、出力Ｅを素子４
０に直接につないだ抵抗４１の電位差とする。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、電磁波を照射すること
で光半導体素子以上の高速・高信頼性の応答が可能な光
超伝導素子を作製することができる。このため光半導体
素子を用いたあらゆる装置において、光半導体素子の替
わりに光超伝導素子を用いることで、より応答性が良い
高性能な装置を作製することができる。

【００４０】また本発明によれば、動作原理上高い精度
を要求する薄膜作成技術を必要としないため、作製プロ
セスの容易性において効果がある。

【００４１】また本発明によれば、電極材料を特に限定
せず、また酸化物磁性体との界面に新しい物理現象が現
れる可能性を持ち、従来にはなかった機能・特性を持つ
素子の開発が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光超伝導素子の断面図である。

【図２】本発明に係る光超伝導素子の四端パターンを示
す図である。

【図３】（図２）の素子の測定系を示す斜視図である。

【図４】本発明に係る素子の抵抗率温度依存特性を示す
図である。

【図５】本発明に係る素子にパルスレーザを照射したと
きの酸化物磁性体の起電力（時間依存）を示す図であ
る。

【図６】本発明に係る素子の４.２Ｋにおける電流−電
圧特性を示す図である。

【図７】本発明に係る素子の電流−波長特性を示す図で
ある。

【図８】本発明に係る素子の他実施例を示す断面図であ
る。

【図９】本発明に係る光超伝導ダイオードを示す構成図
であり、（Ａ）は光照射しない状態、（Ｂ）は光照射し
た状態を示す。

【図１０】本発明に係る素子の光コンピュータへの応用
を説明する図であり、（Ａ）はＮＯＴ回路、（Ｂ）はＯ
Ｒ回路を示す。

【符号の説明】１第１電極２第２電極３酸化物磁性体４支持体（基板）２０電磁波

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小園裕三茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者村山良昌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基礎研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電磁波が照射されると超伝導電流が流れ
るペロブスカイト構造を有する酸化物磁性体と、この酸
化物磁性体を挾む第１電極及び第２電極と、を備えた光
超伝導素子。
【請求項２】請求項１において、第１電極及び第２電
極はペロブスカイト構造を有する酸化物超伝導体である
光超伝導素子。
【請求項３】請求項１又は２において、ペロブスカイ
ト構造を有する酸化物磁性体は、下式の（化１）乃至
（化７）のいずれかのものである光超伝導素子。【化１】【化２】【化３】【化４】【化５】【化６】【化７】
【請求項４】請求項１〜３のいずれかにおいて、第１
電極及び第２電極が半導体である光超伝導素子。
【請求項５】請求項４において、第１電極がｐ型又は
ｎ型半導体であり、第２電極がｎ型又はｐ型半導体であ
る光超伝導素子。
【請求項６】請求項４において、第１電極及び第２電
極がいずれもｐ型半導体又はｎ型半導体である光超伝導
素子。
【請求項７】ＯＮ−ＯＦＦ切り換え可能な電磁波照射
手段と、前記電磁波照射手段からのＯＮ−ＯＦＦ電磁波
を受けて超伝導電流がＯＮ−ＯＦＦ動作される請求項１
〜３のいずれかに記載の光超伝導素子と、を備えた光ス
イッチング素子。
【請求項８】電磁波発生手段からの電磁波を受ける請
求項１〜３のいずれかに記載の光超伝導素子と、この光
超伝導素子に流れる超伝導電流密度を検出する手段と、
前記検出された電流密度から前記電磁波の波長を求める
手段と、を備えた光センサー。
【請求項９】電磁波発生手段からの電磁波を受ける請
求項１〜３のいずれかに記載の光超伝導素子と、該光超
伝導素子が超伝導状態になれずに残る残留抵抗を検出す
る手段と、その検出された残留抵抗から前記電磁波の強
度を求める手段と、を備えた光量計。
【請求項１０】電磁波照射手段と、請求項２又は３に
記載の光超伝導素子と、第１電極及び第２電極間に超伝
導電流を流す手段と、を備えた光超伝導トランジスタ。
【請求項１１】電磁波が照射されると超伝導電流が流
れるペロブスカイト構造を有する酸化物磁性体と、この
酸化物磁性体とホーム性接触を形成する電極と、前記酸
化物磁性体とｐｎ接合を形成する半導体と、を備えた光
超伝導ダイオード。