JPH0745877A

JPH0745877A - 検出装置及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0745877A
Application number: JP5186445A
Authority: JP
Inventors: Eiji Natori; 栄治名取; Taketomi Kamikawa; 武富上川; Setsuya Iwashita; 節也岩下; Tatsuya Shimoda; 達也下田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1993-07-28
Filing date: 1993-07-28
Publication date: 1995-02-14

Abstract

(57)【要約】【目的】安定性、再現性に優れ且つ高精度な電磁波また
は磁気検出装置を低コストで容易に得ることを目的とす
る。【構成】超電導体に隣接形成した制御電極により超電導
体のキャリヤを変調し超電導弱結合を形成する。制御電
極に印加する電界強度を変え超電導弱結合の精密適正
化、外因による変動抑制を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超電導弱結合を利用した
情報通信や天体観測・分光分析など科学機器等に用いら
れる電磁波検出装置、ＳＱＵＩＤをはじめとする高感度
磁気検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超電導弱結合を利用した検出装置は図１
に示す様に大別してトンネル型（ａ）、マイクロブリッ
ジ型（ｂ）、点接触型（ｃ）の３種類ある。また検出装
置を含む超電導デバイスは２端子型、３端子型に分けら
れるがこの検出装置は２端子型に該当する。これらは全
く異なった構造に見えるが２つの安定した超電導端子間
に弱結合部を形成した構造が基本となっている。

【０００３】用いられる超伝導材料はＰｂ、Ｎｂ、Ｎｂ
Ｎなど構成元素数が少なく臨界温度が２０Ｋ以下の超電
導体が主体である。トンネル型の場合の中間層は例えば
ＰｂＯの様に超伝導材料を酸化させ絶縁化や半導体化し
たものが多い。近年臨界温度が液体窒素温度（７７Ｋ）
を越えるＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x、
Ｔｌ₂Ｂａ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x等酸化物超電導体が何種類か
発見されるに至り容易に手に入る液体窒素やスターリン
グサイクル、ギフォードマクマホンサイクル等閉サイク
ル冷凍機を使用出来るため一般社会への応用を含む幅広
い応用が期待されている。特に閉サイクル冷凍機は民生
機器への応用には必要不可欠である。これらの微細加工
はＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）型プラズマ
エッチャー、ＲＦ型プラズマエッチャー、イオンビーム
エッチャー法が採用されている。この時の加工雰囲気は
減圧状態のＣｌ₂、ＣＣｌ₂、ＢＣｌ₃、ＸｅＦ₂、ＳＦ₆
等エッチングガス中または高真空中である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の超電導
弱結合を用いた検出装置は（１）トンネル型では弱結合
部となる中間層の厚さがコヒーレント長サイズ（数ｎｍ
〜数十ｎｍ）でピンホール無く形成しなくてはならない
ため高い成膜技術を必要とした。特に高臨界温度超伝導
体はＰｂ、Ｎｂ等金属超伝導体に比べコヒ−レント長が
１桁以上短いため中間層の厚さをより薄くする必要があ
り作製が極めて困難であった。故に未だ酸化物超伝導体
を用いたトンネル型に於いて安定性、再現性共に優れた
検出装置が得られた報告はない。トンネル型の一つであ
る結晶粒界を利用する粒界型は比較的容易に出来る反
面、粒界の制御が出来ないため集積化が図れない。
（２）点接触型は高周波検出装置に於いて最も優れたデ
ータが示されているが安定性、再現性に欠けると共に集
積化が困難である。（３）マイクロブリッジ型はブリッ
ジ部の幅ｄ長さｌをコヒーレント長サイズに微細化する
必要があるため、技術的に著しい発展を遂げた半導体で
も現在サブμｍの量産技術確立を進めている様に微細加
工上の限界に直面する。特に酸化物超伝導体は金属超伝
導体に比べ複数の元素により構成されており１ユニット
セルが大きい結晶構造であり、更に酸素が加工中に抜け
易いため微細加工しずらい問題を有していた。特に微細
加工する雰囲気がＣｌ₂ガスの様に酸素を含まず且つ減
圧中で行う場合はより顕著に劣化した。

【０００５】また検出装置の特性を左右する因子である
キャリヤ数は２ＶＮ_F｜△₀｜√（１−Ｔ／Ｔｃ）、エネ
ルギーギャップは｜△₀｜√（１−Ｔ／Ｔｃ）で表すこ
とができるが式から検出装置の特性は使用環境温度に依
存し特に臨界温度近傍でその変化は著しくなることが判
る。ここでＶは系の体積、Ｎ_Fはフェルミ面に於ける状
態密度、△₀は絶対零度に於けるエネルギーギャップ、
Ｔｃは超伝導体の臨界温度、Ｔは使用環境温度を示す。
故に使い勝手を良くするため使用環境温度を高くすると
臨界温度に対してマージンが取れなくなり高精度な使用
環境温度のコントロールを必要とする。閉サイクル冷凍
機を用いる場合は液体窒素に浸漬する場合と異なり精密
に温度コントロールすることが出来ないため検出装置の
特性が変化し易い問題も有していた。

【０００６】本発明は以上述べた問題を解決するもので
あり安定性、再現性に優れた精度の高い検出装置を低コ
ストで容易に得んとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明よりなる検出装置
は超電導弱結合を用いた検出装置に於いて超電導膜の上
下両方あるいは一方に複数の制御電極を形成し、該制御
電極に電界を印加して超電導膜内のキャリヤ密度を制御
することにより超電導弱結合を複数個連続形成したこ
と、上記超電導膜の制御電極形成部またはその近傍に膜
厚または幅の異なるブリッジを形成したこと、上記超電
導膜の制御電極形成部またはその近傍に於けるキャリヤ
密度またはペアポテンシャルを超伝導体の組成を変え変
調したこと、超電導弱結合を用いた検出装置に於いて検
出装置の出力値や出力波形または検出装置の温度を元に
超電導弱結合部に形成した制御電極に補正信号をフィー
ドバックし超電導弱結合の状態を制御する補正回路を設
けたこと、超伝導弱結合を用いた検出装置に於いて超伝
導弱結合部に強誘電体を形成し該強誘電体の双安定な分
極により超伝導弱結合状態を変調固定したこと、超電導
膜のキャリヤ密度が１０²¹個／ｃｍ³以下であること、
超伝導弱結合、超伝導アンテナ、超伝導配線、電極等を
形成するための酸化物薄膜の微細加工を酸素雰囲気また
は酸素とＡｒ、Ｈｅ等との混合ガス雰囲気中でレーザー
アブレーション法により行ったことを特徴とする。

【０００８】

【実施例】以下、実施例に従って本発明を詳細に説明し
ていく。

【０００９】（実施例１）ビデオ検波用の検出装置を実
施例に説明する。図１はその平面、図２は図１のＡ−
Ａ’に於ける断面構造を示す図である。検出装置は超伝
導アンテナ１（ダイポール型）、超伝導細線２、誘電体
３、制御電極４、超伝導バイアス線５、及び基板６から
構成される。

【００１０】本実施例の作成プロセス、材料、構造のポ
イントは次の通りである。先ずＳｒＴｉＯ₃の単結晶よ
りなる基板６上に厚さ１０ｎｍ〜１００ｎｍのＹＢａ₂
Ｃｕ₃Ｏ_7-X膜を形成する。成膜はＭＢＥ（分子線エピタ
キシー）装置により金属材料であるＹ、Ｂａ、Ｃｕを蒸
着すると同時にＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonanc
e）型ラジカルビームガンにより活性酸素を供給し行っ
た。この方法により得られる膜の微細加工前の臨界温度
は９０Ｋである。次に酸素とＡｒの混合ガス雰囲気中に
於いてレーザーアブレイション法（Ｋｒ−Ｆエキシマレ
ーザー）によりＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-X膜をエッチングして
一体の超伝導アンテナ１、超伝導細線２とバイアス線５
をパターニング形成する。このときのエッチング条件は
圧力が０．５〜１５Ｔｏｒｒ、エネルギー密度が５〜２
００ｍＪ／ｃｍ²、繰り返し周波数１〜５０ｐｐｓであ
り最細部である超伝導細線２の幅は１μｍである。酸素
雰囲気中に於いて加工ができないエッチャーの場合は１
〜２μｍまで超伝導薄膜を微細化すると超伝導特性が劣
化（臨界温度低下）するが本実施例では劣化は殆ど無
い。その差を表１に示す。尚比較例に関しては同様なデ
ータが第５３回応用物理学会学術講演会予稿集（１９９
２年秋期）１７ｐ−Ｆ−１６や電子情報通信学会誌ＳＣ
Ｅ−８９−２９等にも述べられている。次に超伝導細線
２上にＳｒＴｉＯ₃よりなり厚さ５０〜１００ｎｍの誘
電体３とＡｕよりなり厚さ２００ｎｍ、幅１〜２μｍの
制御電極４をパターニング形成して検出装置を得る。

【００１１】

【表１】

【００１２】ここで誘電体２にＳｒＴｉＯ₃を用いたの
は超伝導細線２と同じ酸化物であり相互間の反応が少な
い、結晶構造が似ており格子定数と線膨張係数がほぼ同
じで歪が少ない、誘電率の膜厚依存性が少ない（但し５
０ｎｍ以下になると誘電率は急激に低下する）、分極を
繰り返しても安定している理由による。これら一連の成
膜、パターニングはロードロック方式により大気に晒す
ことなく別チャンバーに移動しながら連続して行う。尚
超伝導体が露出する超伝導アンテナ１、超伝導細線２、
バイアス線５上には必要に応じて保護膜を形成する。

【００１３】この時点では臨界温度以下に冷却しても超
伝導弱結合は形成されないが制御電極４に電界を印加す
ることにより誘電体３に接合している超伝導細線２部の
キャリヤを減少させ超伝導弱結合部を形成する。キャリ
ヤの減少は印加する電界の強度により超伝導体を半導体
化（臨界温度が使用環境温度以下となり半導体になる場
合と更にキャリヤが減少し完全な半導体になる場合があ
る）更には絶縁体化（空乏層を形成）することができ
る。実施例で超伝導弱結合部を連続して複数個（ここで
は５個）形成したのは多段にすることにより出力電圧を
多くすると共にＳ／Ｎ比を向上させるためである。

【００１４】得られた検出装置を７７Ｋに冷却（液体窒
素中浸漬）し且つ弱結合部が適正条件になるように電界
を印加した後１２ＧＨｚのマイクロ波を照射してビデオ
検波特性を調べたところ図８に示す様に大きな検波出力
が得られた。

【００１５】キャリヤ密度は印加する電界の強度により
変えることができるため印加する電界により弱結合部の
制御が可能である。即ち１μｍと広いパターンサイズで
も容易に超伝導弱結合を形成できるだけでなく検出装置
を構成する超伝導薄膜の厚さ、パターニングサイズ、臨
界温度がばらついても印加する電界の強度を変えること
により弱結合部を適正条件にすることができる。

【００１６】尚キャリヤの変調による超伝導弱結合の制
御であるため酸化物超伝導体の様に１０×１０²¹個／ｃ
ｍ³と最初からキャリヤ密度が少なく且つ一部価数のこ
となる元素で置換することによりキャリヤ密度の調整が
図れる超伝導体が好ましい。

【００１７】（実施例２）実施例１と同様に基板６上に
ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-X膜を形成した後、図３に示す様に超
伝導細線２にブリッジ７を設けたパターンでエッチング
を行った。超伝導細線２の一般部の幅は実施例１より広
い３μｍ、ブリッジの幅と長さは０・６μｍである。こ
のサイズに於ける臨界温度は８２〜８５Ｋであった。こ
の様に局部的に幅が狭い場合は１μｍ以下になっても臨
界温度の低下は少ない。

【００１８】次に超伝導細線２のブリッジ７上にＳｒＴ
ｉＯ₃よりなる誘電体３とＡｕよりなる制御電極４をパ
ターニング形成して検出装置を得た。

【００１９】実施例１と同様に得られた検出装置を７７
Ｋに冷却し且つ弱結合部が適正条件になるように電界を
印加した後１２ＧＨｚのマイクロ波を照射してビデオ検
波特性を調べたところ実施例１と同様に大きな検波出力
が得られた。更に実施例１より少ない印加電界でより高
精度な超伝導弱結合の調整ができること、より高い周波
数の電磁波まで検波できることを確認した。

【００２０】（実施例３）図４に超伝導細線２の上下に
誘電体と制御電極を形成した検出装置の部分断面を示
す。先ず１００面のＳｒＴｉＯ₃基板６上にＰｔを１０
０ｎｍ基板温度６３０℃、蒸着法（電子ビームガン）に
よりエピタキシャル成長させ下部制御電極４ｂを得る。
基板温度６００℃以上で成膜したＰｔ膜の結晶面は１０
０面である。ここでＰｔを下部制御電極４ｂに用いたの
は以後形成する薄膜との格子定数のマッチングを図り下
部誘電体３ｂ、超伝導細線２、誘電体３をエピタキシャ
ル成長させるためである。次にＳｒＴｉＯ₃膜を基板温
度６５０℃、活性酸素を同時供給しながらＳｒ、Ｔｉを
共蒸着して膜厚５０〜１００ｎｍの下部誘電体３ｂを形
成する。ＳｒＴｉＯ₃膜の結晶面は１００面である。次
に実施例２と同様にブリッジ７を持つ超伝導細線２、誘
電体３、制御電極４を形成し検出装置を得る。超伝導細
線２の上下に制御電極を形成してキャリヤを両面から変
調することにより、更に少ない印加電界で高精度な超伝
導弱結合の制御が可能になる。

【００２１】（実施例４）図５に実施例１の超伝導細線
２の一部の組成を変え変調部７ｂを形成した検出装置の
部分断面を示す。変調部７ｂの組成は超伝導細線２の組
成であるＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-XのＹ元素を一部Ｐｒで置換
したＹ_0.9Ｐｒ_0.1Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_yである。３価であるＹ
のサイトを４価であるＰｒで置換することにより超伝導
体のキャリヤ密度を調整（少なくする）できる。ここで
Ｐｒ元素にしたのはＹと同じ希土類元素でありイオン半
径が近く置換し易いためである。この変調部７ｂの臨界
温度は単独ではなく他の超伝導細線２と組み合わせた状
態で７９Ｋであった。この様に制御電極４近傍に於ける
超伝導細線２のキャリヤ密度を調整することにより電界
効果によるキャリヤの変調がし易くなり、実施例３と同
様に少ない印加電界で高精度な超伝導弱結合の制御が可
能になる。更に実施例３（ブリッジ形成）と実施例４
（組成変調）を組み合わせるとより効果がある。尚本実
施例ではＹのＰｒ置換によりキャリヤ密度を変えたがが
ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-Xの酸素量調整やキャリヤ密度やペア
ポテンシャルの異なる別の超伝導材料例えばＢｉ系やＴ
ｌ系超伝導と組み合わせて行っても何等差し支えない。

【００２２】（実施例５）図６に実施例１〜４で述べた
検出装置に超伝導弱結合の外因による変動を修正する為
のフィードバック回路を設けた検出装置の構成図を示
す。先ず電磁波検出器から出る波形（図８参照）の形状
や検波出力−バイアス電圧特性の値を予め記録している
所定の条件（例えば調整直後の初期条件）のデータと比
較する。もし外因により変動している場合は電界効果に
よる超伝導弱結合の変調特性と外因による変動度から制
御電極に与える電界強度を割り出し、制御電極４に補正
信号（補正電界）を送り超伝導弱結合状態を適正化す
る。これら一連のコントロールはマイクロコンピュータ
を用いて行う。

【００２３】外因の中で大きな割合を占めるのが使用環
境温度の変動である。図７はその使用環境温度の変動を
より正確に且つ早く修正するために検出器に接合した温
度センサからの情報も考慮した検出装置を示す。前に閉
サイクル冷凍機は一般社会への普及には必要不可欠であ
るが精密な温度制御が出来ないことを述べた。特に民生
機器に用いる場合は小型化が要求されるが小型になれば
なるほど冷却能力が低下して温度は不安定になる。本実
施例では超伝導体の温度依存性の強い臨界温度近傍で使
用しても変動に合わせ瞬時に超電導弱結合を調整できる
ため閉サイクル冷凍機導入が容易になる。

【００２４】（実施例６）実施例２の誘電体３だけをＳ
ｒＴｉＯ₃から強誘電体である（Ｐｂ_0.93Ｌａ_0.0 ₇）
（Ｚｒ_0.35Ｔｉ_0.65）_0.98Ｏ_3-zに変えた。膜厚は２０
０〜６００ｎｍである。本実施例に用いた強誘電体もそ
うであるが一般的に強誘電体は誘電率に膜厚依存性があ
り厚い方が誘電率が高くなるため他の実施例とは膜厚が
大きく異なる。本実施例では制御電極４に電界を印加す
ると実施例２と同様に超電導弱結合の調整が可能となる
が、それだけでなく電界を取り除いても誘電体３は双安
定な分極をおこすため超電導弱結合を形成した状態で固
定することが出来る。常に電界を加えることが出来ない
応用も多々あるがその場合有効な手段となる。ここで誘
電体３に（Ｐｂ_0.93Ｌａ_0.07）（Ｚｒ_0.35Ｔｉ_0.65）
_0.98Ｏ_3-zを用いたのは下地層となる超電導細線２（Ｙ
Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-X）と近い結晶構造を有しエピタキシャ
ル成長しやすく、エピタキシャル成長する方向と分極方
向が同じであるため超電導弱結合の制御効率が高いため
である。

【００２５】尚実施例ではＹ系超電導体を用いたがＴｌ
₂Ｂａ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_xをはじめとするＴｌ系、Ｂｉ₂Ｓｒ
₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_xをはじめとするＢｉ系、ＢａＰｂ_1-xＢ
ｉ_xＯ₃系、等他の超電導体でもよく誘電体３にＳｒＴｉ
Ｏ₃や（Ｐｂ_0.93Ｌａ_0.07）（Ｚｒ_0.35Ｔｉ_0.65）_0.98
Ｏ_3-zを用いたがＢａＴｉＯ₃、ＥｕＴｉＯ₃、ＰｂＴｉ
Ｏ₃、Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ₃等でもよく制御電極にＡｕを
用いたがＡｇ、Ｐｔ、Ａｌ等金属や超伝導体であっても
何等差し支えない。また電磁波検出装置を例に述べたが
基本となる素子の構造は同じであるため磁気検出装置に
も適用出来る。

【００２６】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明は超伝導
弱結合を超伝導体のキャリヤを変調して形成するため高
度な加工技術を必要とせず簡単なプロセスで作製出来
る。更に制御電極により超電導弱結合状態を調整できる
ため精密な素子条件の適正化、外因による変動の抑制が
可能となる。しかして安定性、再現性に優れた精度の高
い検出装置を低コストで容易得られる。また民生機器へ
の普及に必要不可欠である閉サイクル冷凍機との組み合
わせが容易となるため効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に於ける検出装置の平面図。

【図２】本発明の実施例１に於ける検出装置の部分断面
図（Ａ−Ａ’方向）。

【図３】本発明の実施例２に於ける検出装置の部分平面
図。

【図４】本発明の実施例３に於ける検出装置の部分断面
図（Ａ−Ａ’方向）。

【図５】本発明の実施例４に於ける検出装置の部分断面
図（超電導細線の長手方向断面）。

【図６】本発明の実施例５に於ける検出装置のフィード
バック回路構成図。

【図７】本発明の実施例５に於ける検出装置のフィード
バック回路構成図。

【図８】本発明の実施例１に於ける検出装置のビデオ検
波波形を示す図。

【図９】従来の検出装置を示す図。

【符号の説明】

１超電導アンテナ２超電導細線３誘電体４制御電極５超電導バイアス線６基板７ブリッジ７ｂ変調部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者下田達也長野県諏訪市大和３丁目３番５号セイコーエプソン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導弱結合を用いた検出装置に於いて
超電導膜の上下両方あるいは一方に複数の制御電極を形
成し、該制御電極に電界を印加して超電導膜内のキャリ
ヤ密度を制御することにより超電導弱結合を複数個連続
形成したことを特徴とする検出装置。
【請求項２】上記超電導膜の制御電極形成部またはそ
の近傍に膜厚または幅の異なるブリッジを形成したこと
を特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項３】上記超電導膜の制御電極形成部またはそ
の近傍に於けるキャリヤ密度またはペアポテンシャルを
超伝導体の組成を変え変調したことを特徴とする請求項
１記載の検出装置。
【請求項４】超電導弱結合を用いた検出装置に於いて
検出装置の出力値や出力波形または検出装置の温度を元
に超電導弱結合部に形成した制御電極に補正信号をフィ
ードバックし超電導弱結合の状態を制御する補正回路を
設けたことを特徴とする検出装置。
【請求項５】超伝導弱結合を用いた検出装置に於いて
超伝導弱結合部に強誘電体を形成し該強誘電体の双安定
な分極により超伝導弱結合状態を変調固定したことを特
徴とする検出装置。
【請求項６】超電導膜のキャリヤ密度が１０²¹個／ｃ
ｍ³以下であることを特徴とする請求項１から請求項５
記載の検出装置。
【請求項７】超伝導弱結合、超伝導アンテナ、超伝導
配線、電極等を形成するための酸化物薄膜の微細加工を
酸素雰囲気または酸素とＡｒ、Ｈｅ等との混合ガス雰囲
気中でレーザーアブレーション法により行ったことを特
徴とする検出装置の製造方法。