JPH0638522B2

JPH0638522B2 - 超電導素子

Info

Publication number: JPH0638522B2
Application number: JP62095854A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: 株式会社半導体エネルギ−研究所
Priority date: 1987-04-18
Filing date: 1987-04-18
Publication date: 1994-05-18
Anticipated expiration: 2009-05-18
Also published as: JPS63261765A

Description

【発明の詳細な説明】「発明の利用分野」本発明はセラミックス系超電導（超伝導とも表す）材料
を用いた固体電子ディバイスに関する。

本発明は、入力端子と出力端子とを有する４端子（３端
子を含む）素子に関する。本発明は、かかる素子に増幅
機能、スイッチ機能を有せしめるとともに、入力信号を
制御用入力に印加することにより出力信号を出力より検
出せしめんとするものである。

「従来の技術」従来、超電導材料、例えばNb-Ge系（例としてはNb₂Ge）
等の金属材料を用いて固体電子ディバイスを作る試みが
なされてきた。

その代表がジョセフソン素子である。このジョセフソン
素子は、超電導現象とトンネル電流現象とを組み合わ
せ、スイッチングを行わんとするもので、２端子回路よ
りなっている。

「従来の問題点」しかし、かかるジョセフソン素子は２端子回路素子であ
るため、入力信号と出力信号とを独立信号として用いる
ことができない。このため工業用応用を考える時、超高
周波で動作させることができるという特長を有しつつ
も、回路設計がきわめて困難であり、これまでの半導体
集積回路で培われている設計技術を用いることができな
いという欠点を有する。

特に２端子素子であるため、信号の増幅機能を有さず、
系全体において入力端より出力端に至るまでに信号が若
干減衰して、いわゆる利得（ゲイン）を１以上とするこ
とができないという大きな欠点を有する。

本発明はかかる欠点を除去し、超高周波動作をさせると
ともに、素子を４端子回路素子、即ち入力信号を加える
制御用電極および出力信号を導出する電極とを有せしめ
んとするものである。

「問題を解決すべき手段」本発明はかかる問題を解決するため、超電導セラミック
材料（セラミックス）を用いた４端子固定電子素子（デ
ィバイス）構造を有せしめるものである。

本発明は、非超電導性の絶縁性表面を有する基板上に超
電導性を有するセラミックスを設け、その一部領域に動
作させる温度で有限抵抗を有する第１の超電導セラミッ
クスを設ける。そしてそのセラミックスの一方および他
方には抵抗が零になる第２の超電導セラミックスを設け
ている。

この有限抵抗を有するセラミックスは、超電導性セラミ
ックスに不純物を添加し、この不純物により超電導性を
弱く破壊せしめたものである。さらにこの第１の超電導
性セラミックスの上面または下面には、ここを流れる電
流を制御する制御用電極が設けられている。この制御用
電極とセラミックスとの間に、電流の授受を禁止すべき
被膜、特に絶縁膜が設けられている。

本発明は、有限抵抗を有する第１の超電導性セラミック
スは抵抗零の第２の超電導性セラミックスと同一成分を
用い、ここにイオン注入法等により不純物を添加したも
のである。

この不純物は超電導セラミックスを構成する元素、例え
ばY(イットリューム),銅(Cu)，バリューム(Ba)，酸素
(O)であってもよい。かかる不純物は、超電導を呈する
化学量論比を狂わせる程度に多量に添加する必要があ
る。具体的には５×10¹⁹〜５×10²¹cm^-3のオーダであ
る。

また、他の不純物として鉄(Fe)，ニッケル(Ni)，コバル
ト(Co)，珪素(Si)，ゲルマニューム(Ge)，ホウ素(B)，
アルミニューム(Al)，ガリューム(Ga)，リン(P)，砒素
(As)より選ばれた１種類または複数種類がある。かかる
場合、その不純物の濃度は５×10¹⁵〜３×10²⁰cm^-3とし
た。

本発明の超電導素子においては、第１の超電導性セラミ
ックスとするため、第２の超電導セラミックスに不純物
を添加する。これにより、Tc₀（抵抗を零とする温度）
は下がるが、Tcオンセットはあまり変わらない。その結
果、TcオンセットとTc₀との差が広がり、一般に10K以上
を有せしめ得る。

このためその差が１Ｋまたはそれ以下しかできない従来
より公知の金属の超電導材料よりも、本発明の素子に用
いる材料はセラミック材料のほうがより好ましい。

本発明は、一対の出力用の超電導セラミックス間に連結
した電極の間に、十分大きい電気抵抗、好ましくは第１
の超電導材料の電気抵抗よりも10倍以上の電気抵抗を有
する被膜をその上面、下面または両面に設けたものであ
る。

本発明においては、この制御用電極と超電導被膜との間
に、超電導性セラミックスの電気抵抗より十分大きい電
気抵抗を有する被膜、好ましくは絶縁膜を設け、入力端
子である制御用電極から電圧を印加させ、その下側の超
電導性セラミックスに電圧を印加する。このセラミック
スは、完全に超電導を有する状態とまったく超電導を有
さない状態の中間状態（一部が超電導性を有し、一部が
非超電導性の状態、即ちTcオンセットとTc₀との間の温
度領域の状態）であるため、自らのポテンシャルを入力
の制御用電極に加えられた電圧に従って変化、制御させ
ることができる。

本発明に用いられる制御用電極とセラミックスとの中間
に介在する被膜の絶縁性は、もし入力信号を与える時の
電流をも機能上において無視させ得るならば、除去して
しまっても、またその間に介在させる被膜の抵抗を10倍
以下としたものでも可である。

本発明において、この超電導性セラミックスは、制御用
電極が第１図(A)または(B)に示す如く、１つのみであっ
た場合、その反対面にまでポテンシャルの変更をせしめ
得べく、0.01〜10μｍと比較的薄くすることが重要であ
る。また制御用電極をこのセラミックスの上下に第１図
(C)に示す如く２個設ける場合は、この厚さは0.1〜50μ
ｍと平均して約５倍であってもよい。

第１図(A),(B),(C)は本発明の固体素子の縦断面図を示
す。

第１図における第２の超電導セラミックス(3),(5)は第
３図の特性(3),(5)における特性(16)を用いる。この特
性のTc₀(28)は本発明の固体素子の使用温度（ここでは
液体窒素温度）(30)では抵抗は零または零に十分近い値
となる。

本発明では第２の超電導性セラミックスを全体に形成
し、所望の形状にフォトエッチングする。この後この第
１の超電導性セラミックスを作るため、この領域のみに
選択的に不純物を添加した。そしてこの領域のみ第２の
超電導性セラミックスのTc₀(28)とは異なるTc₀(26)を有
せしめた。この不純物の添加の巾は0.01〜５μ好ましく
は0.1〜１μと、チャネルの長さをフォトリングラフィ
技術を用いて可能な限り短くした。イオン注入による不
純物は５×10¹⁵〜３×10²¹cm^-3とし、この深さ方向にお
いてこの膜を横切って注入する。さらにこれら全体を40
0〜1000℃、例えば600℃で10時間酸素中でアニールを行
い、この不純物を酸化せしめるとともに、結晶構造を整
えた。かくして、第１図における第１の超電導性セラミ
ックス(4)は、例えば第３図における超電導セラミック
スの温度−固有抵抗特性における曲線(4)を用いる。こ
れはTc₀(26)とTcオンセット(25)との中間領域を用い
る。

第１図(A)において、非超電導性を有する絶縁表面を有
する基体(1)上の第１の超電導性セラミックス(4)および
第２の超電導セラミックス(3)および(5)よりなるセラミ
ックス(2)を構成せしめる。その出力用の一対の電極
(8),(9)（図面では省略）を図面における左右の端部に
設ければよい。また、制御用電極(10)下には被膜(11)を
設けている。

第１図(A)は制御用電極(10)が第１の超電導性セラミッ
クス(4)の上側に設けられ、第１図(B)では下側に設けら
れている。第１図(C)では被膜は超電導性セラミックス
(4)の上下両面に設けられ、さらに制御用電極がそれぞ
れ(10),(10′)として設けられている。

「作用」かかる構造とすることにより、入力信号と出力信号とを
独立関数として制御でき、かつこの素子をスイッチング
用素子、増幅機能を有する素子としてよ用いることがで
きる。

本発明は、同一基板上に複数個の固体素子を作ることが
でき、かかる素子を設計論理に基づき連結することによ
り、超電導集積回路を作らんとした時、その相互配線を
抵抗零で作ることができる。

以下に図面に従って実施例を説明する。

「実施例１」この実施例は第１図(A)の構造を示す。

基板としてYSZ（イットリューム・スタビライズド・ジ
ルコン）を用いた。これはその上にスクリーン印刷性、
スパッタ法、MBE（モレキュラ・ビーム・エピタキシャ
ル）法、CVD（気相反応）法等を用いて超電導材料を形
成させる。この超電導材料の１例として、(A_1-xBx)yCuz
Ow,x＝０〜１，ｙ＝2.0〜4.0好ましくは2.5〜3.5,z＝１
〜４好ましくは1.5〜3.5,Ｗ＝４〜10好ましくは６〜８
を有する。ＡはY(イットリューム),Gu（ガドリニュー
ム),Yb（イッテルビューム),Eu（ユーロピューム),TD
（テルビューム),Dy（ジスプロシューム),Ho（ホルミウ
ム),Er（エルビウム),Tm（ツリウム),Lu（ルテチウム),
Sc（スカンジウム）またはその他の元素周期表IIIａ族
の１つまたは複数種類より選ばれる。ＢはRa（ラジュー
ム),Ba（バリューム),Sr（ストロンチューム),Ca（カル
シューム),Ma（マグネシューム),Be（ベリリューム）の
元素周期表IIａ族より選ばれる。特にその具体例として
(YBa₂)Cu₃O₆〜_８を用いた。またＡとして元素周期表に
おける前記した元素以外のランタニド元素またはアクチ
ニド元素を用い得る。

この形成と同時またはその後に、600〜1200℃の温度で
熱アニールを５〜20時間処理して作製した。かくして第
２の超電導セラミックスとして第３図特性(3),(5)を得
ることができた。

次に公知のフォトリソグラフィを用いる。即ち第１図
(A)において領域(5),(6)上にフォトレジストを設け、こ
のレジストのない領域(4)のみに選択的にイオン注入法
により不純物が添加されるようにした。不純物であるア
ルミニューム、珪素または鉄を５×10¹⁵〜３×10²¹c
m^-3、例えば５×10¹⁹cm^-3の濃度に添加した。この後フ
ォトレジストを除去し、さらにこれら全体にアルミニュ
ームを50〜500Å、例えば100Åの厚さに真空蒸着または
光CVD法により形成した。この後これら全体を酸化性雰
囲気で約400〜1000℃例えば700℃の温度にて全面アルミ
ニュームを酸化し、酸化アルミニューム絶縁膜(11)を構
成せしめるとともに、イオン注入法により添加された不
純物を酸化し、絶縁物に変成した。この結果、領域(4)
のTc₀を第３図に示す如く、一部のみが超電導特性(15)
の有限抵抗の領域とせしめた。

この不純物の添加は、第２の超電導セラミックスを構成
させる元素を用い、x,y,z,wの値を変化させ、同じ処理
を行って第１の超電導性セラミックスとすることは有効
である。かくの如き方法を用いて、Tcオンセット(25)を
Tc₀′より下げた。かくして第３図曲線(4)を得た。

次に制御用電極(10)を他の第２の超電導セラミックスと
同じ超電導セラミックスにより同様の方法で作製した。
出力用の電極はセラミック薄膜に密接し、オーム接触が
なされるべくした。

第２図はこの実施例での動作を示す。

この図面で、横軸は第１図に対応した距離を示し、縦軸
はエネルギレベル（ポテンシャル）を示す。

第２図(A)において、第２の超電導セラミックス、即ち
出力の他端(5)に電圧を印加する。するとポテンシャル
(30)を得る。その結果、電子は(20),(20′）の双方に量
子論的な波動性において存在するが、(20)の方が十分大
きいため、電流としては(22)として観察される。

第２図(A)においては制御用電極に何らの電圧も印加さ
れていない。

第２図(B)において、制御用電極に負の電圧を印加す
る。すると第１の超電導セラミックス即ち領域(4)のポ
テンシャル(21)は第２図(A)の(24)より第２図(B)の(2
4′）へと移る。その結果、形成された障壁に関連して
(20′）は更に小さくなり、また(20)は障壁のため極端
に小さくなる。かくして、第２の超電導セラミックスの
領域(3)より他の第２の超電導セラミックスの領域(5)へ
と一対の出力用電極間に電圧(30)を印加して電流(2
2′）を流さんとすると、実質的に電流は流れにくくな
り、その値は押さえられる。

結果として、制御用電極に負の電圧が印加されると電流
(22′）は小さくなる。

また第２図(C)は制御用電極に正の電圧(21′）を印加し
た場合を示す。電子の遷移確率(20′）は大きくなり、
逆に(20)は小さくなる。しかしこの領域(4)の井戸は電
子で埋められ、(24″）のバリアは(25)に見掛け上のポ
テンシャルに移った後、実質的に消失する。結果として
第２図(A)と同じまたはそれに近い電流(22″）が流れ
る。

かくして入力信号のポテンシャルにより出力電流を検出
できる。この時、制御電極下の被膜の抵抗が十分であ
り、入力信号を供給するためのエネルギ構造よりも出力
信号を大きく取り出し得るならば増幅をしたこととな
り、４端子素子でありかつ増幅装置とし得る。この出力
を電圧で検出せんとするならば、この出力は直列に抵抗
を第２図(A)に示す如くにして加えれば、その電流より
電圧として検出できる。即ちインバータを作り得る。

第３図は、第１図に関連して既に説明したが、本発明を
実施するために作られた第１の超電導性セラミックス
(4)および第２の超電導セラミックス(3),(5)の実際のデ
ータを示す。

図面において、横軸は絶対温度(K)を、また縦軸は固有
抵抗を示す。このデータでは4.2Ｋまで測定している。
しかし、この図面において明らかな如く、第１の超電導
性セラミックス(4)では超電導がおきるTcオンセットよ
り低い温度では比抵抗が漸減し、抵抗が零となる温度Tc
₀以下では抵抗が零になる。このTcオンセットおよびTc₀
との間の10％および90％をここではTc₁₀,Tc₉₀として示
している。本発明の超電導素子は、TcオンセットとTc₀
との間であればよいが、動作をより安定化するため、Tc
₁₀,Tc₉₀を用いることが好ましい。またその動作スピー
ドを速くせしめんためには、Tc₀〜Tc₁₀の間の特性を用
いると好ましい。

さらに第２の超電導セラミックス(3),(5)も同様にTcオ
ンセット(27),Tc₀′(28)を構成している。

第３図において、Tc₀(26)は材料に添加される不純物の
種類、量を制御することにより可変され得る。

このデータは高温側より低温側に、また低温側より高温
側に温度を替えてとっても、再現性を有していた。実施
例１の実験は液体窒素温度(30)で実験したものである。

「効果」本発明はこれまで２端子素子であった超電導素子を４端
子素子としたことにある。この制御用電極下に、この電
極によりポテンシャルの変化するTcオンセットとTc₀と
の中間の状態を広い温度範囲で有する第１の超電導性セ
ラミックスを設け、さらにその電極・リードを構成させ
るため、かかる温度領域では抵抗が零または零に十分近
い第２の超電導セラミックスで相互配線としたものであ
る。かくして、制御用電極の電圧に従って出力電流を増
幅し、かつ制御させることが可能となった。

このため、この超電導固体素子を同一基板に多数固設
け、集積化させることが可能となった。

本発明においては制御用電極を１ケを示したが、これを
２ケまたはそれ以上を直列または並列に設けてもよい。

本発明において、超電導材料としてセラミック材料を用
いた。しかし本発明の技術思想より明らかな如く、Tcと
Tc₀との間の温度範囲が広い材料好ましくは10゜K以上あ
る材料であれば、酸化物セラミックスである必要はな
く、任意に選ぶことができることはいうまでもない。

本発明において、超電導性セラミックスという表題を用
いた。しかしこれは超電導材料が酸化物であることによ
る。その結晶構造は多結晶であっても、また単結晶であ
ってもよいことは、本発明の技術思想において明らかで
ある。特に単結晶構造の場合には、超電導材料を用いる
に際し、基板上にエピタキシャル成長をさせればよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超電導固体素子の縦断面図を示す。第２図は本発明の超電導固体素子の動作原理を示す。第３図は本発明に用いた超電導特性を有するセラミック
スの温度特性例を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の超電導セラミックスと、該超電導セ
ラミックスに接して設けられた一対の第２の超電導セラ
ミックスと、前記第１の超電導セラミックスに電圧を印
加する制御用電極とを有し、前記第１の超電導セラミックスは、前記第２の超電導セ
ラミックスを構成する材料に不純物が添加されたもので
あり、かつ前記第２の超電導セラミックスより低いＴc₀
を有していることを特徴とする超電導素子