JPH09307148A - High-temperature superconducting single crystalline type vortex flow element and its forming method - Google Patents

High-temperature superconducting single crystalline type vortex flow element and its forming method

Info

Publication number
JPH09307148A
JPH09307148A JP8143491A JP14349196A JPH09307148A JP H09307148 A JPH09307148 A JP H09307148A JP 8143491 A JP8143491 A JP 8143491A JP 14349196 A JP14349196 A JP 14349196A JP H09307148 A JPH09307148 A JP H09307148A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
single crystal
vortex flow
vortex
flow element
axis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP8143491A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kaname Matsumoto
要 松本
Yoshio Furuto
義雄 古戸
Yoshio Nakamura
芳雄 中村
Toshihiko Maeda
敏彦 前田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Furukawa Electric Co Ltd filed Critical Furukawa Electric Co Ltd
Priority to JP8143491A priority Critical patent/JPH09307148A/en
Publication of JPH09307148A publication Critical patent/JPH09307148A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Logic Circuits (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize miniaturization, high speed and high frequency operation of a vortex flow element, by arranging a high-temperature superconducting single crystalline small object on the surface of a substrate, and arranging an ab surface containing an (a) axis and a (b) axis perpendicularly to the substrate. SOLUTION: Crystal is grown on the surface of an NdGaO3 single crystalline substrate 11, orientation rectangular to the (a) axis direction is generated to the substrate surface, YBa2 Cu3 O7-x is deposited, and the film thickness T is formed. Photoresist is spread on a superconducting single crystalline film, and patterning is performed perpendicularly to both ends of a vortex transition region 12 while containing a vortex driving current supplying line 13. A driving current supplying line 15 is patterned in parallel to the vortex transition region 12, perpendicularly intersecting both ends of an input signal line 14. The patterned superconducting single crystallin film is etched, and a vortex flow element structure is formed. Therefore, a superconducting vortex flow element having a small size.high output power.high response frequency and its peripheral circuit are provided by a simple method of low costs.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、酸化物高温超電導
体単結晶を用いたボルテックスフロー素子に関するもの
である。より具体的には、外部より超電導体内に侵入し
た磁界が形成する磁束量子、すなわちボルテックス
(渦)が磁界と直交するボルテックス駆動電流によって
高温超電導体単結晶内を高速移動する現象(ボルテック
スフロー)を動作原理とする高温超電導単結晶体型ボル
テックスフロー素子およびその作製方法に関するもので
ある。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a vortex flow device using an oxide high temperature superconductor single crystal. More specifically, the phenomenon that a magnetic flux quantum formed by a magnetic field intruding into a superconductor from the outside, that is, a vortex (vortex) moves at high speed in a high-temperature superconductor single crystal by a vortex drive current orthogonal to the magnetic field (vortex flow). The present invention relates to a high-temperature superconducting single-crystal vortex flow element as an operating principle and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】超電導体を用いたエレクトロニクス素子
は本質的に低い消費電力と超高速のスイッチング速度を
持つ。この特性を生かしながら半導体トランジスタと同
様な動作方式を有し、微弱な電気信号を増幅できる超電
導素子が得られれば、半導体回路中の素子を超電導素子
に置き換えるだけで高性能の超電導回路を実現できるこ
とになる。
2. Description of the Related Art Electronic devices using superconductors have essentially low power consumption and ultra-fast switching speeds. If a superconducting element that has the same operation method as a semiconductor transistor while utilizing this characteristic and that can amplify a weak electric signal is obtained, a high-performance superconducting circuit can be realized simply by replacing the element in the semiconductor circuit with a superconducting element. become.

【0003】このような可能性を担った超電導増幅素子
としてはこれまで、次の3つのタイプが提案されてい
る。(1) 電界効果を応用する素子、(2) キャリア(電
荷)注入を応用する素子、(3) ボルテックスを応用する
素子、これらは信号を担う電界や、キャリア、或いはボ
ルテックスを制御して信号を増幅しようとするものであ
る。以下に、各々の超電導増幅素子について説明する。
The following three types have been proposed so far as superconducting amplifying elements having such a possibility. (1) An element that applies the electric field effect, (2) an element that applies carrier (charge) injection, and (3) an element that applies vortex. These control the electric field that carries the signal, the carrier, or the vortex to output the signal. It is an attempt to amplify. Hereinafter, each superconducting amplifier element will be described.

【0004】(1) 電界効果を基本とする超電導増幅素子
については、マンハートらによる報告が知られている
(J.Mannhart et al.:Phys.Rev.Lett. 67 (1991) 2099)
。半導体表面Sに絶縁物Iを介して金属電極Mを設け
たMISコンデンサCに、電圧Vを加えると半導体表面
Sに電荷Q=CVが誘起される。この電荷Qがもともと
半導体表面にある電荷の量と同じ程度になると、半導体
表面の電気伝導はVにより大きく変化することになり、
トランジスタ動作が可能となる。
(1) Regarding the superconducting amplifying element based on the electric field effect, a report by Manhart et al. Is known.
(J. Mannhart et al .: Phys. Rev. Lett. 67 (1991) 2099)
. When the voltage V is applied to the MIS capacitor C in which the metal electrode M is provided on the semiconductor surface S via the insulator I, the charge Q = CV is induced on the semiconductor surface S. When this electric charge Q becomes about the same as the amount of electric charge originally existing on the semiconductor surface, the electric conduction on the semiconductor surface changes greatly with V,
Transistor operation becomes possible.

【0005】図9はこの効果を利用した電界効果素子の
例である。酸化物高温超電導体のキャリア密度は金属の
1/10〜1/100と少なく、電界効果が金属より起
こり易い。しかし半導体に比べれば100〜1000倍
も多いことと、MIS構造の接合面を再現性よく制御す
ることが困難なため充分安定した素子作製は今のところ
成功していない。
FIG. 9 shows an example of a field effect element utilizing this effect. The oxide high-temperature superconductor has a carrier density as low as 1/10 to 1/100 of metal, and the electric field effect is more likely to occur than metal. However, since it is 100 to 1000 times as large as that of a semiconductor, and it is difficult to control the junction surface of the MIS structure with good reproducibility, a sufficiently stable device has not been produced so far.

【0006】(2) キャリア注入タイプの素子については
アベらによる報告がある。このキャリア注入タイプの素
子の構造の例を図10に示す(H.Abe et al.:Supercon
d.Sci.&Technol.4 (1991) 598)。これは半導体バイポー
ラトランジスタのベース領域を、超電導体で置き換える
ことによって電気抵抗を小さくし、より高性能を得よう
とするものである。例えばNbをドープしたn型半導体
基板をエミッタとし、(Ba,Rb)BiO3 超電導体
をベースとする素子ではエミッタ接地電流増幅率10が
得られている。しかしながら、この素子作製においては
3種類の材料を用いるため2つの接合界面を制御する技
術が重要であるが再現性に未だ問題がある。また上記超
電導体は臨界温度が低く液体窒素温度での動作はできな
い。
(2) Abe et al. Have reported a carrier injection type device. An example of the structure of this carrier injection type device is shown in FIG. 10 (H. Abe et al .: Supercon
d. Sci. & Technol. 4 (1991) 598). This is to replace the base region of the semiconductor bipolar transistor with a superconductor to reduce the electric resistance and obtain higher performance. For example, a grounded-emitter current amplification factor of 10 is obtained in an element in which an n-type semiconductor substrate doped with Nb is used as an emitter and a (Ba, Rb) BiO 3 superconductor is used as a base. However, although three types of materials are used in the fabrication of this element, a technique for controlling two bonding interfaces is important, but there is still a problem in reproducibility. Also, the superconductor has a low critical temperature and cannot operate at the liquid nitrogen temperature.

【0007】(3) ボルテックスを応用する素子について
はマルテンらによる報告が知られている。図11はこの
ボルテックスの運動を利用した素子構造の例である(J.
S.Martens et al.:IEEE Trans.Appl.Supercond. 1 (199
1) 95)。2つの超電導体を微細加工された超電導体で弱
く結合(弱結合)する。2つの超電導体の間にバイアス
電流を流しておき、入力信号線に電流を流すと磁界が誘
起されるが、この磁界はボルテックスとなって弱結合部
に侵入する。ボルテックスにはボルテックス駆動電流に
よってローレンツ力が働くため、弱結合部をボルテック
スが高速でフローし、2つの超電導体の間にボルテック
スフロー電圧Vf が発生する。Vf はボルテックスフロ
ー速度とボルテックス密度に比例するため、入力信号に
よってVfの大きさを制御することができる。
(3) A report by Marten et al. Is known about an element to which vortex is applied. Fig. 11 is an example of the device structure using this vortex motion (J.
S. Martens et al .: IEEE Trans.Appl.Supercond. 1 (199
1) 95). The two superconductors are weakly coupled (weakly coupled) by the finely processed superconductor. When a bias current is made to flow between the two superconductors and a current is made to flow in the input signal line, a magnetic field is induced, but this magnetic field becomes a vortex and penetrates into the weak coupling part. Since the Lorentz force acts on the vortex by the vortex drive current, the vortex flows at a high speed through the weak coupling portion, and the vortex flow voltage V f is generated between the two superconductors. Since V f is proportional to the vortex flow velocity and the vortex density, the magnitude of V f can be controlled by the input signal.

【0008】すなわち、電流信号を入力とし、ボルテッ
クスフロー電圧を出力とする増幅器が実現できる。Vf
としては10mVのものも得られているが、このために
は素子サイズが数mmと大型化してしまう問題がある。
このように素子の縮小化に問題があるが、電力利得を得
ることが可能であり、他の端子に比べて実用化に近い。
That is, an amplifier which receives a current signal and outputs a vortex flow voltage can be realized. V f
Although a device having a voltage of 10 mV has been obtained as a result, there is a problem that the device size increases to several mm.
As described above, although there is a problem in reducing the size of the element, it is possible to obtain a power gain, which is closer to practical use than other terminals.

【0009】一方、最近、増幅特性を有する新しい超電
導素子の原理が提案されている(T.Yamashita and M.Ta
chiki : Proc. of International Superconductive Ele
ctronic Conference (ISEC95) Sept. 18-21 (1995))。
これは高温超電導体単結晶特有の異方的な結晶構造と物
性、及びボルテックスを利用するもので、図12に素子
構造と動作原理を示した。
On the other hand, recently, the principle of a new superconducting element having an amplification characteristic has been proposed (T. Yamashita and M. Ta.
chiki: Proc. of International Superconductive Ele
ctronic Conference (ISEC95) Sept. 18-21 (1995)).
This utilizes the anisotropic crystal structure and physical properties and vortex peculiar to a high-temperature superconductor single crystal, and FIG. 12 shows the device structure and operation principle.

【0010】先ず、高温超電導体からなる単結晶小片の
c軸方向に予めボルテックス駆動電流を流しておき、小
片外周に巻かれた入力信号電流線に電流Ic を流すこと
によって磁界を発生させる。発生した磁界は単結晶のa
b面に平行に異方的ボルテックスとなって侵入する。小
片中にボルテックスのピンニング点となる微細な結晶欠
陥が存在しなければ、ボルテックスはローレンツ力によ
って高速でab面内をフローしていく。こうして小片の
両端にはボルテックスフロー電圧Vf が発生する。高温
超電導体単結晶においてはボルテックスのフロー速度が
大きいためVfも大きく、これを入力信号で制御するこ
とで高い増幅機能を実現することができる。
First, a vortex drive current is made to flow in advance in the c-axis direction of a single crystal small piece made of a high-temperature superconductor, and a magnetic field is generated by causing a current I c to flow in an input signal current line wound around the small piece. The generated magnetic field is a
It enters as an anisotropic vortex parallel to the b-plane. If there is no fine crystal defect that is a pinning point of the vortex in the small piece, the vortex will flow in the ab plane at high speed due to the Lorentz force. Thus, a vortex flow voltage V f is generated at both ends of the small piece. In a high-temperature superconductor single crystal, the vortex flow rate is high, so V f is also large, and by controlling this with an input signal, a high amplification function can be realized.

【0011】この素子の原理は、先の(3) ボルテックス
フロー素子に似ているが、従来素子に比べて素子の小型
化、高出力化、高速化が可能である。すなわちこのボル
テックス走行領域となる単結晶小片のab面内方向の幅
(W)は、c軸に平行に磁界を印加した時の磁界侵入長
λc の2倍以上、c軸方向の長さ(L)はab面に平行
に磁界を印加した時の磁界侵入長λabの2倍以上であれ
ばよい。
The principle of this element is similar to the above (3) vortex flow element, but the element can be downsized, the output can be increased, and the speed can be increased as compared with the conventional element. That is, the width (W) in the ab plane direction of the single crystal piece that becomes the vortex traveling region is more than twice the magnetic field penetration length λ c when a magnetic field is applied parallel to the c axis, and the length in the c axis direction ( L) may be at least twice the magnetic field penetration length λ ab when a magnetic field is applied parallel to the ab plane.

【0012】ここでは材料としてLa2-x Srx Cu3
O(LSCO)が提案されているが、この場合、λab
0.08μm、λc =0.8μmと小さいため、素子サ
イズは2μm程度と先のボルテックスフロー素子に比べ
て大幅に素子を小型化できる。またc軸方向の臨界電流
値も弱結合を用いないため、〜1011A/m2 と従来素
子より桁違いに大きく、高出力化ができる。更に、高温
超電導の特徴として、ab面内でのボルテックスフロー
速度は〜106 m/sとなるため、素子の小型化と合わ
せてスイッチング速度が速くなり高速化、高周波数化も
可能となり、従来ボルテックスフロー素子の特性を大幅
に上回ることになる。
Here, as a material, La 2-x Sr x Cu 3 is used.
O (LSCO) has been proposed, but in this case λ ab =
Since the device size is as small as 0.08 μm and λ c = 0.8 μm, the device size is about 2 μm, and the device can be made much smaller than the vortex flow device. Further, since the critical current value in the c-axis direction also does not use weak coupling, it is -10 11 A / m 2, which is an order of magnitude larger than that of the conventional device, and high output can be achieved. Furthermore, as a feature of high-temperature superconductivity, the vortex flow speed in the ab plane is -10 6 m / s, so the switching speed becomes faster along with the miniaturization of the device, enabling higher speeds and higher frequencies. The characteristics of the vortex flow element will be greatly exceeded.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この原
理の高温超電導体型ボルテックスフロー素子を実現する
ためには解決すべき問題が多々ある。すなわち、素子実
現のためには、c軸方向に通電可能で幅が2λc 程度の
ボルテックス走行領域となる良質の単結晶小片と、これ
にボルテックス駆動電流供給線が接合され、また走行領
域のc軸方向に直交してボルテックスを導入するための
入力信号線を配した素子構造が必要である。さらに駆動
電流供給線や入力信号線は、熱損失や信号の歪みの問題
を考えると金属常電導体よりも高温超電導体そのもので
作製することが必要である。
However, there are many problems to be solved in order to realize the high temperature superconductor type vortex flow element of this principle. That is, in order to realize the device, a good-quality single crystal piece that can be energized in the c-axis direction and has a width of about 2λ c, which is a vortex traveling region, and a vortex drive current supply line are joined to this, and a c It is necessary to have an element structure in which an input signal line for introducing a vortex is arranged orthogonally to the axial direction. Further, the drive current supply line and the input signal line need to be made of a high temperature superconductor itself rather than a metal normal conductor in consideration of the problems of heat loss and signal distortion.

【0014】以上述べたような素子を低コストで、簡便
な方法で作製する方法は先の文献においても開陳されて
なく未だ模索状態である。
A method for producing the above-mentioned device at a low cost by a simple method has not been disclosed in the above literature and is still in a search state.

【0015】このような問題に鑑み、本発明は良質の高
温超電導体単結晶体を用い、ボルテックスフローの原理
に基づき、新規で実用的なボルテックスフロー素子の構
造とその製法を提供することを目的とする。
In view of the above problems, the present invention aims to provide a novel and practical structure of a vortex flow element and a method for manufacturing the vortex flow element based on the principle of vortex flow, using a high-quality high-temperature superconductor single crystal. And

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に係る高温超電導単結晶体型ボルテックスフ
ロー素子(以下、「ボルテックスフロー素子」と記す)
では、高温超電導体単結晶小体と、この高温超電導体単
結晶小体のc軸方向の両端部に接合した一対の電極と、
高温超電導体単結晶小体に対してc軸と直交する方向に
磁界を印加する励磁手段とを備え、前記一対の電極間に
超電導状態で電流が流れている状態で前記励磁手段によ
って高温超電導体小体に磁界を印加した時に前記一対の
電極間に電圧を発生させるボルテックスフロー素子にお
いて、前記高温超電導体単結晶小体が基板表面上に設け
られ、この高温超電導体単結晶小体のa軸とb軸とを含
むab面がこの基板に対して直交して設けられたもので
ある。
In order to solve the above problems, a high temperature superconducting single crystal body type vortex flow element according to the present invention (hereinafter referred to as "vortex flow element").
Then, a high-temperature superconductor single crystal body and a pair of electrodes bonded to both ends of the high-temperature superconductor single crystal body in the c-axis direction,
A high-temperature superconductor, comprising: an exciting means for applying a magnetic field to the single-crystal small body of the high-temperature superconductor in a direction orthogonal to the c-axis; and a current flowing in the superconducting state between the pair of electrodes by the exciting means. In a vortex flow element that generates a voltage between the pair of electrodes when a magnetic field is applied to the small body, the high temperature superconductor single crystal small body is provided on a substrate surface, and the a-axis of the high temperature superconductor single crystal small body is provided. And an ab plane including the b-axis are provided orthogonal to this substrate.

【0017】本発明のボルテックスフロー素子における
高温超電導体単結晶小体は、その結晶構造(単位胞)に
おいて、a,b軸の長さがほぼ等しく、c軸が長い構造
となっている。超電導キャリアが自由に動ける CuO2
はa,b軸方向に広がっているが、c軸方向にはこの C
uO2 層と、半導体的なブロック層とが積み重なった構造
をしており、c軸方向には超電導キャリアは動きにくい
異方的電気特性を示す。図12で示したように、高温超
電導体単結晶小体のc軸方向に予めボルテックス駆動電
流を流しておき、小体外に置かれた励磁手段によって磁
界を印加すると、磁界は異方的ボルテックスとなって単
結晶のab面に平行に侵入する。この場合、先に述べた
異方的性質のため、ボルテックスはa,b軸方向に大変
動き易くなっており、ローレンツ力によって高速でab
面内をフローする。その結果として、小体のc軸両端に
は大きなボルテックスフロー電圧Vf が発生するもので
ある。
The high-temperature superconductor single crystal body in the vortex flow device of the present invention has a crystal structure (unit cell) in which the a and b axes are substantially equal in length and the c axis is long. The CuO 2 layer in which the superconducting carriers can move freely extends in the a and b axis directions, but this C
It has a structure in which a uO 2 layer and a semiconductor block layer are stacked, and exhibits anisotropic electrical characteristics in which the superconducting carriers are hard to move in the c-axis direction. As shown in FIG. 12, when a vortex driving current is made to flow in the c-axis direction of the high-temperature superconductor single crystal body in advance and a magnetic field is applied by the excitation means placed outside the body, the magnetic field becomes an anisotropic vortex. Then, it penetrates parallel to the ab plane of the single crystal. In this case, the vortex is very easy to move in the a and b axis directions due to the anisotropic property described above, and the ab at high speed due to the Lorentz force.
Flow in the plane. As a result, a large vortex flow voltage V f is generated across the c-axis of the small body.

【0018】本発明では、この励磁手段によって磁界が
印加される高温超電導体単結晶小体が、基板に対してこ
の小体のab面が直交するように基板表面上に設けられ
る。これにより、ボルテックスフロー素子の励磁手段に
よって磁界が印加される高温超電導体単結晶小体(即
ち、ボルテックス走行領域)を基板平面上に設けること
ができるため、製造上、ボルテックス走行領域の幅
(W)やボルテックス走行領域の長さ(L)等の加工が
容易になり、製造が容易で、大量に低コストな製作が可
能となる。
In the present invention, the high temperature superconductor single crystal small body to which a magnetic field is applied by the exciting means is provided on the substrate surface so that the ab plane of the small body is orthogonal to the substrate. As a result, a high-temperature superconductor single crystal body (that is, a vortex traveling region) to which a magnetic field is applied by the exciting means of the vortex flow element can be provided on the substrate plane, so that the width of the vortex traveling region (W ) And the length (L) of the vortex traveling region are easily processed, and the manufacturing is easy, and mass production at low cost is possible.

【0019】本発明のボルテックスフロー素子では、励
磁手段によって磁界が印加される高温超電導体単結晶小
体(即ち、ボルテックス走行領域)のc軸に直交する方
向の幅(W)とc軸方向の長さ(L)とが、一定の条件
を満たす必要がある。前述の図12で示された条件で
は、ボルテックス走行領域となる単結晶小片のab面内
方向の幅(W)は、c軸に平行に磁界を印加した時の磁
界侵入長λc の2倍以上、c軸方向の長さ(L)はab
面に平行に磁界を印加した時の磁界侵入長λabの2倍以
上であればよいとなっていた。しかし、本発明において
は、鋭意研究を重ねた結果、ボルテックス走行領域の幅
(W)が、c軸に平行に磁界を印加した時の磁界侵入長
λc に対してW≦5λc を満たし、且つ、ボルテックス
領域の長さ(L)が、ab面に平行に磁界を印加した時
の磁界侵入長λabに対してL≧λabである条件を満足し
ておれば、充分な臨界電流密度を有し、且つ、超高速ス
イッチング特性などの高機能が実現できることが確認さ
れた。
In the vortex flow element of the present invention, the width (W) in the direction orthogonal to the c-axis of the high temperature superconductor single crystal small body (that is, the vortex traveling region) to which the magnetic field is applied by the exciting means and the c-axis direction. The length (L) needs to satisfy a certain condition. Under the conditions shown in FIG. 12, the width (W) in the ab in-plane direction of the single crystal piece that becomes the vortex traveling region is twice the magnetic field penetration length λ c when a magnetic field is applied parallel to the c-axis. As described above, the length (L) in the c-axis direction is ab
It is sufficient if it is at least twice the magnetic field penetration length λ ab when a magnetic field is applied parallel to the plane. However, in the present invention, as a result of intensive studies, the width (W) of the vortex traveling region satisfies W ≦ 5λ c with respect to the magnetic field penetration length λ c when a magnetic field is applied parallel to the c-axis, In addition, if the length (L) of the vortex region satisfies the condition that L ≧ λ ab with respect to the magnetic field penetration length λ ab when a magnetic field is applied parallel to the ab plane, a sufficient critical current density is obtained. It has been confirmed that high performance such as ultra high speed switching characteristics can be realized.

【0020】尚、本発明のボルテックスフロー素子にお
ける励磁手段は、高温超電導小体のc軸と直交する方向
に磁界を印加するするものであればよく、基板上の小体
のボルテックス走行領域を取巻く位置にあればよい。例
えば、磁界は電流が流れる導線の回りに発生するので、
ボルテックス走行領域に平行な導線を設けて励磁手段と
すればよい。このような導線は基板上でのパターニング
によって簡単に得ることができる。好ましくは、前記励
磁手段は前記高温超電導体単結晶小体が設けられた同一
基板表面上に設けられる。また、励磁手段は高温超電導
体単結晶小体の上又は下に絶縁層を介して重なるように
設けられてもよい。
The exciting means in the vortex flow element of the present invention may be any one that applies a magnetic field in a direction orthogonal to the c-axis of the high temperature superconducting body, and surrounds the vortex traveling region of the body on the substrate. All you need is a position. For example, since a magnetic field is generated around a conducting wire,
An exciting means may be provided by providing a conductor wire parallel to the vortex traveling region. Such a conductive wire can be easily obtained by patterning on the substrate. Preferably, the exciting means is provided on the same substrate surface on which the high temperature superconductor single crystal bodies are provided. Further, the exciting means may be provided so as to overlap the high-temperature superconductor single-crystal small body with the insulating layer interposed therebetween.

【0021】また、本発明のボルテックスフロー素子に
おける電極も、基板上でのパターニングによって簡単に
得ることができる。従って、好ましくは、前記電極は前
記高温超電導体単結晶小体が設けられた同一基板表面上
に設けられたものである。
The electrodes in the vortex flow device of the present invention can also be easily obtained by patterning on the substrate. Therefore, preferably, the electrode is provided on the same substrate surface on which the high-temperature superconductor single crystal body is provided.

【0022】本発明に係るボルテックスフロー素子の製
作方法では、高温超電導体単結晶小体と、この高温超電
導体単結晶小体のc軸方向の両端部に接合した一対の電
極と、高温超電導体単結晶小体に対してc軸と直交する
方向に磁界を印加する励磁手段とを備え、前記一対の電
極間に超電導状態で電流が流れている状態で前記励磁手
段によって高温超電導体単結晶小体に磁界を印加した時
に前記一対の電極間に電圧を発生させるボルテックスフ
ロー素子の作製方法において、前記基板上に、高温超電
導体単結晶膜をa軸とb軸とを含むab面が基板表面に
対して直交するように成膜するものである。
In the method of manufacturing a vortex flow element according to the present invention, a high-temperature superconductor single crystal body, a pair of electrodes bonded to both ends of the high-temperature superconductor single crystal body in the c-axis direction, and a high-temperature superconductor body. Exciting means for applying a magnetic field to the single crystal body in a direction orthogonal to the c-axis, and a high-temperature superconductor single crystal small body is provided by the exciting means while a current is flowing in a superconducting state between the pair of electrodes. In a method of manufacturing a vortex flow element that generates a voltage between a pair of electrodes when a magnetic field is applied to a body, a high-temperature superconductor single crystal film has an ab plane including an a-axis and a b-axis on the substrate. The film is formed so as to be orthogonal to.

【0023】即ち、適当な基板上に基板面に対して高温
超電導単結晶膜のab面が直交するように単結晶膜を成
膜する。この場合、超電導単結晶膜は基板上にエピタキ
シャル成長した欠陥の極めて少ない単結晶膜である必要
がある。
That is, a single crystal film is formed on a suitable substrate so that the ab plane of the high temperature superconducting single crystal film is orthogonal to the substrate surface. In this case, the superconducting single crystal film needs to be a single crystal film epitaxially grown on the substrate with very few defects.

【0024】従って、好ましくは高温超電導体単結晶膜
を、少なくとも表面が予め定められた結晶配位を有する
基板表面上に、液相エピタキシャル法又は気相エピタキ
シャル法によって、a軸とb軸とで構成される面が前記
基板表面と直交するように成膜して得るものである。
Therefore, preferably, a high-temperature superconductor single crystal film is formed on the surface of a substrate having at least a predetermined crystal orientation by a liquid-phase epitaxial method or a vapor-phase epitaxial method to form an a-axis and a b-axis. It is obtained by forming a film so that the surface to be formed is orthogonal to the surface of the substrate.

【0025】従って、高温超電導体単結晶膜を形成する
基板は、高温超電導単結晶膜のab面が基板表面と直交
するように液相又は気相エピタキシャル成長を促す結晶
面が表出されればよい。例えば、NdGaO3 単結晶基
板の(110)面を表出させたもののほか、LaGaO
3 ,SrTiO3 ,LaAlO3 やこれらに他元素、例
えばGd等を微量添加し、基板特性を改善した単結晶基
板の特定面が用いられれる。この場合、高温超電導単結
晶と格子定数が近く、且つ、熱膨張係数が近く、結晶成
膜温度以下で相転位のない結晶構造が好ましい。また高
温超電導体と同じ結晶構造を有するが、超電導特性を示
さないPrBa2 Cu37-x 等や、キャリアを制御し
て臨界温度Tc を押えた高温超電導体単結晶体自身も用
いることができる。
Therefore, in the substrate on which the high-temperature superconductor single crystal film is formed, a crystal plane that promotes liquid-phase or vapor-phase epitaxial growth should be exposed so that the ab plane of the high-temperature superconductor single crystal film is orthogonal to the substrate surface. . For example, in addition to the one in which the (110) plane of the NdGaO 3 single crystal substrate is exposed, LaGaO
3 , SrTiO 3 , LaAlO 3 or a specific surface of a single crystal substrate, in which a small amount of another element, such as Gd, is added to these to improve the substrate characteristics, is used. In this case, a crystal structure having a lattice constant close to that of the high-temperature superconducting single crystal, a thermal expansion coefficient close to that of the high-temperature superconducting single crystal, and no phase transition at a crystal deposition temperature or lower is preferable. Also, PrBa 2 Cu 3 O 7-x , which has the same crystal structure as the high-temperature superconductor but does not exhibit superconducting properties, and the high-temperature superconductor single crystal itself that controls the carrier to suppress the critical temperature T c are used. You can

【0026】尚、本発明のボルテックスフロー素子にお
ける高温超電導材料としては、高温超電導体単結晶特有
の異方的な結晶構造,物性等を有するものが適宜選択さ
れる。特にペロブスカイト型結晶構造を有する超電導体
が好ましくは用いられる。素子の高速化・小型化の観点
から、臨界温度が高く侵入長λab、λc が小さい材料が
望ましい。従って、例えばLSCO系、YBa2 Cu3
7-x (YBCO)、Yを他の元素に置換したRBa2
Cu37-x (R=希土類)等が有望である。これ以外
にもY,R系の124構造物質やBi系(例えば、Bi
2 Sr2 CaCu28 )、Tl系(例えば、Tl2
2 Can-1 Cuny (n=1,2,3,4))、H
g系(例えば、Hg2 Ba2 Ca2 Cu38+x )など
も用途によっては利用される。
As the high temperature superconducting material in the vortex flow element of the present invention, a material having an anisotropic crystal structure, physical properties and the like peculiar to the high temperature superconductor single crystal is appropriately selected. In particular, a superconductor having a perovskite type crystal structure is preferably used. From the viewpoint of speeding up and downsizing of the device, a material having a high critical temperature and a small penetration length λ ab , λ c is desirable. Therefore, for example, LSCO type, YBa 2 Cu 3
O 7-x (YBCO), RBa 2 in which Y is replaced by another element
Cu 3 O 7-x (R = rare earth) and the like are promising. In addition to these, Y- and R-based 124 structural materials and Bi-based (for example, Bi-based
2 Sr 2 CaCu 2 O 8 ), Tl-based (eg, Tl 2 B
a 2 Ca n-1 Cu n O y (n = 1,2,3,4)), H
A g-type (for example, Hg 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 8 + x ) or the like is also used depending on the application.

【0027】成膜された膜には微細加工を施してボルテ
ックス走行領域を形成する。ここでボルテックス走行領
域に流れるボルテックス駆動電流はc軸方向に流れるよ
うにし、かつ走行領域の幅WはW≦5λc を満たし、か
つその長さLはL≦λabを満たすように作製する。
The formed film is subjected to fine processing to form a vortex traveling region. Here, the vortex drive current flowing in the vortex travel region is made to flow in the c-axis direction, and the width W of the travel region satisfies W ≦ 5λ c and the length L thereof satisfies L ≦ λ ab .

【0028】なお、励磁手段と電極等については、走行
領域と同時に成膜した単結晶膜に微細加工によって形成
してもよく、また、走行領域を形成した後に別途気相法
或いは液相法を用いて走行領域に組み合わて形成しても
よい。後者の場合は、励磁手段,電極を形成するものは
臨界電流密度が高ければよいため特に高品質単結晶膜で
ある必要はない。このようにa軸又はb軸配向した高品
質な高温超電導単結晶膜を用いて、新規な原理に基づく
ボルテックスフロー素子を作製することができる。
The exciting means, electrodes and the like may be formed by microfabrication on a single crystal film formed at the same time as the running region, or after forming the running region, a separate vapor phase method or liquid phase method may be used. It may be used in combination with the running area. In the latter case, it is not necessary that the high-quality single crystal film is used for forming the exciting means and the electrode, as long as the critical current density is high. In this way, a high-quality high-temperature superconducting single crystal film with a-axis or b-axis orientation can be used to manufacture a vortex flow element based on a novel principle.

【0029】[0029]

【発明の実施の形態】本発明においては、高温超電導体
単結晶小体が基板表面上に設けられ、この高温超電導体
単結晶小体のa軸とb軸とを含むab面がこの基板に対
して直交して設けられたものである。これにより、ボル
テックスフロー素子のボルテックス走行領域を基板平面
上に設けることができるため、製造上、c軸に直交する
方向の幅Wやボルテックス走行領域のc軸方向の長さL
の加工が容易になり、製造が容易で、大量に低コストで
製作が可能となる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the present invention, a high-temperature superconductor single crystal small body is provided on a substrate surface, and an ab plane including the a-axis and the b-axis of this high-temperature superconductor single-crystal small body is formed on this substrate. In contrast, they are provided orthogonally. As a result, the vortex traveling region of the vortex flow element can be provided on the plane of the substrate. Therefore, in manufacturing, the width W in the direction orthogonal to the c-axis and the length L of the vortex traveling region in the c-axis direction L.
Can be easily processed and easily manufactured, and can be mass-produced at low cost.

【0030】具体的な高温超電導体単結晶小体の形成
は、基板上に高温超電導体単結晶膜をa軸とb軸とを含
むab面が基板表面に直行するように成膜すればよい。
この成膜には、好ましくは液相エピタキシャル法又は気
相エピタキシャル法によって行われる。従って、基板に
は、高温超電導単結晶膜のab面が基板表面と直交する
ように液相又は気相エピタキシャル成長を促す結晶面が
表出されたものを用いる。
To form a specific high-temperature superconductor single crystal body, a high-temperature superconductor single crystal film may be formed on a substrate so that the ab plane including the a-axis and the b-axis is perpendicular to the substrate surface. .
This film formation is preferably performed by a liquid phase epitaxial method or a vapor phase epitaxial method. Therefore, as the substrate, a substrate in which a crystal plane that promotes liquid phase or vapor phase epitaxial growth is exposed so that the ab plane of the high temperature superconducting single crystal film is orthogonal to the substrate surface is used.

【0031】また、高温超電導体単結晶小体のc軸方向
の両端部に接合した一対の電極や、高温超電導体単結晶
小体に対してc軸と直交する方向に磁界を印加する励磁
手段は、同一の基板上に配置することができ、作製も通
常のパターニング、エッチング等の加工によって容易に
作製することができる。
Further, a pair of electrodes joined to both ends of the high-temperature superconductor single crystal body in the c-axis direction, and an excitation means for applying a magnetic field to the high-temperature superconductor single crystal body in a direction orthogonal to the c-axis. Can be arranged on the same substrate, and can be easily manufactured by processing such as ordinary patterning and etching.

【0032】以上のように構成されたボルテックスフロ
ー素子においては、ボルテックス走行領域に発生するフ
ロー電圧は、走行領域をフローするボルテックスの数と
フロー速度の積に比例する。また、ボルテックスの数は
入力信号電流で制御され、フロー速度は走行領域を流れ
るボルテックス駆動電流の大きさと、超電導体中の粘性
抵抗で決まる。また走行領域における超電導臨界電流値
は、走行領域におけるc軸方向の臨界電流密度と走行領
域の幅と厚さに比例する。
In the vortex flow element constructed as described above, the flow voltage generated in the vortex traveling region is proportional to the product of the number of vortexes flowing in the traveling region and the flow velocity. The number of vortexes is controlled by the input signal current, and the flow velocity is determined by the magnitude of the vortex drive current flowing in the traveling area and the viscous resistance in the superconductor. The superconducting critical current value in the traveling region is proportional to the critical current density in the c-axis direction in the traveling region and the width and thickness of the traveling region.

【0033】従って、駆動電流の大きさを適宜設定し、
入力信号を変化させることによって走行領域両端には変
調された大きなフロー電圧を取出すことができる。また
走行領域の本数を増やしたり、厚さや長さを適宜変えた
素子を作ることによって、より高出力の素子を作製する
ことも可能である。
Therefore, by appropriately setting the magnitude of the drive current,
By changing the input signal, a large modulated flow voltage can be taken out across the traveling region. It is also possible to fabricate a device with higher output by increasing the number of traveling regions or fabricating a device having a thickness or length appropriately changed.

【0034】[0034]

【実施例】以下、本発明を実施例により詳しく説明す
る。 実施例1(ボルテックスフロー素子の製作1) 図1は本発明のボルテックスフロー素子の一実施例の構
成を示す説明図である。図に示す通り、NdGaO3
結晶基板(11)の(110)面上に、液相エピタキシャル
法によって結晶を成長させてa軸配向(基板表面に対
し、a軸方向に直交する配向)したYBa2 Cu3
7-x (以下、YBCO単結晶薄膜)を5μm堆積させ、
その後ポリッシングとエッチングによって膜厚(T)を
1μmとした。従って、得られたYBCO単結晶膜はb
軸とc軸とが基板表面に平行な結晶構造となっている。
The present invention will be described below in more detail with reference to examples. Example 1 (Manufacturing 1 of Vortex Flow Element) FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of an example of the vortex flow element of the present invention. As shown in the figure, on the (110) plane of the NdGaO 3 single crystal substrate (11), a crystal was grown by a liquid phase epitaxial method and a-axis oriented (orientation orthogonal to the substrate surface in the a-axis direction) YBa. 2 Cu 3 O
Deposit 7-x (hereinafter referred to as YBCO single crystal thin film) to 5 μm,
Then, the film thickness (T) was set to 1 μm by polishing and etching. Therefore, the obtained YBCO single crystal film was b
It has a crystal structure in which the axis and the c-axis are parallel to the substrate surface.

【0035】この超電導単結晶膜上にフォトレジストを
塗り、通常のフォトリソグラフィでフォトレジストを、
図に示すような、5μmの長さ(L)と所望の幅(W)
とを有するボルテックス走行領域(12)と、この走行領域
(12)の両端に直交して配されたボルテックス駆動電流供
給線(13)とを含む略U字の形状にパターニングした。ま
た同時に、ボルテックス走行領域(12)と平行に配置した
入力信号線(14)と、この入力信号線(14)の両端に直交し
て配された駆動電流供給線(15)とをパターニングした。
A photoresist is applied on this superconducting single crystal film, and the photoresist is formed by ordinary photolithography.
5 μm length (L) and desired width (W) as shown
A vortex running area (12) having and this running area
Patterning was performed into a substantially U-shape including the vortex drive current supply line (13) arranged orthogonally to both ends of (12). At the same time, the input signal line (14) arranged in parallel with the vortex traveling region (12) and the drive current supply line (15) arranged orthogonal to both ends of the input signal line (14) were patterned.

【0036】パターニングした超電導単結晶膜をエッチ
ングしてボルテックスフロー素子構造を形成した。得ら
れた素子を形成する高温超電導体の臨界温度はいずれも
88〜92Kの範囲であった。尚、ボルテックス走行領
域の幅(W)は0.3μmから8μmの範囲で種々変化
させた試料を作製し、入力信号線(14)の幅(W’)は
W’≧Wとした。
The patterned superconducting single crystal film was etched to form a vortex flow element structure. The critical temperatures of the high temperature superconductors forming the obtained devices were all in the range of 88 to 92K. The width (W) of the vortex travel region was variously changed within the range of 0.3 μm to 8 μm, and samples were prepared, and the width (W ′) of the input signal line (14) was W ′ ≧ W.

【0037】実施例2(ボルテックスフロー素子のW依
存性の検証) 図2は液体窒素温度,ゼロ磁界下における各ボルテック
ス走行領域の臨界電流密度のボルテックス走行領域の幅
(W)依存性を示す線図であり、縦軸は臨界電流密度
(1010A/m2 )、横軸はW/λc である。図に示す
通り、臨界電流密度はWが小さくなるにつれて上昇し
た。特にこの変化はλc =0.7μmとした場合、W/
λc 5において顕著であった。図に示された臨界電流
密度の上昇は一種のサイズ効果である。
Example 2 (Verification of W Dependence of Vortex Flow Element) FIG. 2 is a line showing the dependence of the critical current density of each vortex running region on the width (W) of the vortex running region under liquid nitrogen temperature and zero magnetic field. In the figure, the vertical axis represents the critical current density (10 10 A / m 2 ), and the horizontal axis represents W / λ c . As shown in the figure, the critical current density increased as W became smaller. Especially, when λ c = 0.7 μm, this change is W /
It was remarkable in λ c 5. The increase in critical current density shown in the figure is a kind of size effect.

【0038】実施例3(ボルテックスフロー素子の特
性) 次に液体窒素温度にてボルテックスフロー素子特性の評
価を行った。図3はボルテックスフロー素子特性の評価
を行う際の測定系の概要を示す回路図である。評価は図
3に示す回路を用いて行った。試料としてはW=1μm
の素子を選択した。ボルテックス駆動電流Id =22m
Aを予め流しておき、入力信号線に入力電流Ic =1m
Aを通電したところ素子両端部にボルテックスフロー電
圧Vf =4mVが発生した。また素子の内部抵抗Ri
0.22オーム、トランスレジスタンスRm 〜10オー
ムであった。このVf の発生は入力信号が電圧信号に変
換されたことに相当し、付加抵抗R2 を調整することに
よって電力利得Gp を得ることができる。
Example 3 (Characteristics of Vortex Flow Element) Next, the characteristics of the vortex flow element were evaluated at the temperature of liquid nitrogen. FIG. 3 is a circuit diagram showing an outline of the measurement system when evaluating the vortex flow element characteristics. The evaluation was performed using the circuit shown in FIG. As a sample, W = 1 μm
Element was selected. Vortex drive current I d = 22m
A is made to flow in advance, and an input current I c = 1 m is applied to the input signal line.
When A was energized, a vortex flow voltage V f = 4 mV was generated at both ends of the device. Also, the internal resistance of the element R i =
The resistance was 0.22 ohms and the transresistance R m was 10 ohms. The generation of V f corresponds to the conversion of the input signal into the voltage signal, and the power gain G p can be obtained by adjusting the additional resistance R 2 .

【0039】図3の回路の場合、電力利得Gp は低周波
領域ではインダクタンス分を無視できて、 Gp =Rm 22 /R1 (Ri +R22 として近似できる。利得を大きくするためにはRm が大
きく、Ri が小さいことが重要である。尚、R1 =R2
=Ri =0.22オームとした時にGp =770が得ら
れている。以上の結果によって、本素子を電気信号の増
幅素子として容易に利用できることが示された。
In the case of the circuit of FIG. 3, the power gain G p can be approximated as G p = R m 2 R 2 / R 1 (R i + R 2 ) 2 with the inductance component neglected in the low frequency region. In order to increase the gain, it is important that R m is large and R i is small. In addition, R 1 = R 2
= R i = 0.22 ohm, G p = 770 is obtained. From the above results, it was shown that this device can be easily used as an amplification device for electric signals.

【0040】実施例4(ボルテックスフロー素子の交流
特性) 一方、本ボルテックスフロー素子の交流特性を調べた。
図4はボルテックスフロー素子の交流特性の検証に用い
た測定系の回路図である。図に示す回路において、信号
入力線に直流2.8mAとこの電流に重ねて搬送波電流
(周波数10kHz,振幅0.2mA)を入力した。ボ
ルテックス走行領域には直流21.5mAと信号波電流
(周波数1kHz,振幅0.5mA)を入力した。この
とき素子両端部には最大振幅2mVの振幅変調電圧信号
が発生した。これにより、本ボルテックスフロー素子を
用いて変調・復調回路が容易に作製できることが示され
た。
Example 4 (AC Characteristics of Vortex Flow Element) On the other hand, the AC characteristics of the present vortex flow element were examined.
FIG. 4 is a circuit diagram of a measurement system used to verify the AC characteristics of the vortex flow element. In the circuit shown in the figure, a direct current of 2.8 mA and a carrier current (frequency of 10 kHz, amplitude of 0.2 mA) were input to the signal input line in an overlapping manner with this current. Direct current 21.5 mA and signal wave current (frequency 1 kHz, amplitude 0.5 mA) were input to the vortex running region. At this time, an amplitude-modulated voltage signal with a maximum amplitude of 2 mV was generated at both ends of the element. As a result, it was shown that a modulation / demodulation circuit can be easily manufactured using the vortex flow element.

【0041】実施例5(ボルテックスフロー素子の発振
特性) さらに、本ボルテックスフロー素子を用いて発振回路を
作製し、高周波信号の発生を行った。図5はボルテック
スフロー素子を用いた発振回路の概要を示す説明図であ
る。素子の入力信号線に直流電流Id =21.5mV
と、ボルテックス走行領域に直流電流Ic =1.5mA
とを入力し、素子両端部に発生した電圧の一部を正帰還
して入力信号線に入力した。このとき、素子中のLC共
振部にGHz級周波数の発振が観測され、本素子を用い
て容易に高周波信号の発振回路が作製できることがわか
った。
Example 5 (Oscillation Characteristics of Vortex Flow Element) Further, an oscillation circuit was produced using this vortex flow element, and a high frequency signal was generated. FIG. 5 is an explanatory diagram showing an outline of an oscillation circuit using a vortex flow element. DC current I d = 21.5 mV to the input signal line of the element
And DC current I c = 1.5 mA in the vortex travel area
Was input, and part of the voltage generated at both ends of the element was positively fed back and input to the input signal line. At this time, oscillation of a GHz-class frequency was observed in the LC resonance part in the element, and it was found that a high-frequency signal oscillation circuit could be easily manufactured using this element.

【0042】なおこの素子の最大応答周波数は数100
GHzから数THzに達すると予想されるため、今後素
子を最適化することによって、これ以外にも本素子を用
いたミリ波・サブミリ波帯の超高周波用受動素子や、ピ
コセコンド級の超高速スイッチング素子などが用途とし
て考えられる。
The maximum response frequency of this element is several hundreds.
Since it is expected to reach several THz from GHz, by optimizing the element in the future, other than this, passive elements for millimeter-wave / submillimeter-wave band ultra-high frequencies and picosecond-class ultra-high-speed switching are also available. Elements and the like can be considered as applications.

【0043】実施例6(ボルテックスフロー素子の製作
2) 図6は本発明のボルテックスフロー素子の別の実施例の
構成を示す説明図である。NdGaO3 単結晶基板(61)
の(110)面上に、液相エピタキシャル法によってa
軸配向したYBCO単結晶薄膜を5μm堆積させた。そ
の後、ポリッシングとエッチングによって膜厚(T)を
1μmとした。
Embodiment 6 (Manufacturing 2 of Vortex Flow Element) FIG. 6 is an explanatory view showing the constitution of another embodiment of the vortex flow element of the present invention. NdGaO 3 Single Crystal Substrate (61)
On the (110) plane of
An axially oriented YBCO single crystal thin film was deposited to a thickness of 5 μm. Then, the film thickness (T) was set to 1 μm by polishing and etching.

【0044】この超電導単結晶薄膜上にフォトレジスト
を塗り、通常のフォトリソグラフィでフォトレジスト
を、図に示すような、ボルテックス走行領域(62)と対応
する形にパターニングした後、イオンミリングでエッチ
ングしてボルテックスフロー素子構造におけるボルテッ
クス走行領域(62)を作製した。形成された走行領域(62)
は長さ(L)が10μm,幅(W)が1μmであって。
この後、基板全体にフォトレジストを塗り、フォトリソ
グラフィでレジストを、ボルテックス駆動電流線(63)、
入力信号線(64)、駆動電流供給線(65)と対応する形状に
パターニングした。
A photoresist is applied on this superconducting single crystal thin film, and the photoresist is patterned by ordinary photolithography so as to correspond to the vortex traveling region (62) as shown in the figure, and then etched by ion milling. A vortex traveling region (62) in the vortex flow element structure was produced. Running areas formed (62)
Has a length (L) of 10 μm and a width (W) of 1 μm.
After that, a photoresist is applied to the entire substrate and the resist is photolithographically applied to the vortex drive current line (63),
It was patterned into a shape corresponding to the input signal line (64) and the drive current supply line (65).

【0045】この上からマグネトロンスパッタリングに
よってYBCO多結晶膜を0.5μm堆積させ、その後
フォトレジストを除去して図6に示すボルテックスフロ
ー素子を作製した。駆動電流線(63)は、ボルテックス走
行領域(62)の両端部に重なっており、入力信号線(64)は
ボルテックス走行領域(62)と平行に形成されいる。
A YBCO polycrystal film was deposited to 0.5 μm by magnetron sputtering from the above, and then the photoresist was removed to produce the vortex flow device shown in FIG. The drive current line (63) overlaps both ends of the vortex traveling region (62), and the input signal line (64) is formed in parallel with the vortex traveling region (62).

【0046】ボルテックス走行領域(62)の臨界電流密度
は77K,ゼロ磁界下において2.4×1010A/m2
であった。ボルテックス駆動電流Id =22.3mAを
流しておき、入力信号線にIc =1mAを通電したとこ
ろ素子両端部にボルテックスフロー電圧Vf =4.5m
Vが発生した。この場合、素子のRi =0.20Ω、R
m 〜10Ωであった。
The critical current density of the vortex traveling region (62) is 77 K, and 2.4 × 10 10 A / m 2 under zero magnetic field.
Met. When a vortex drive current I d = 22.3 mA was made to flow and I c = 1 mA was applied to the input signal line, a vortex flow voltage V f = 4.5 m was applied to both ends of the element.
V occurred. In this case, the element R i = 0.20Ω, R
It was m to 10 Ω.

【0047】このように、気相法によって素子のボルテ
ックス駆動電流線及び入力信号線を後から付加した素子
においても、実施例1と同様な基本特性が確認できた。
As described above, the basic characteristics similar to those of Example 1 were confirmed in the element to which the vortex driving current line and the input signal line of the element were added later by the vapor phase method.

【0048】実施例7(ボルテックスフロー素子の製作
3) 図7は本発明のボルテックスフロー素子の更に別の実施
例の構成を示す説明図である。NdGaO3 単結晶基板
(71)の(110)面上に、液相エピタキシャル法によっ
てa軸配向したYBCO単結晶薄膜を5μm堆積させ
た。その後、ポリッシングとエッチングによって膜厚
(T)を1μmとした。
Embodiment 7 (Manufacturing 3 of Vortex Flow Element) FIG. 7 is an explanatory view showing the constitution of still another embodiment of the vortex flow element of the present invention. NdGaO 3 single crystal substrate
On the (110) plane of (71), an a-axis oriented YBCO single crystal thin film was deposited to a thickness of 5 μm by a liquid phase epitaxial method. Then, the film thickness (T) was set to 1 μm by polishing and etching.

【0049】このYBCO単結晶薄膜上にフォトレジス
トを塗り、通常のフォトリソグラフィでフォトレジスト
をパターニングし、この後イオンミリングでエッチング
してボルテックスフロー素子構造におけるボルテックス
走行領域(72)よりも長い単結晶体(80)を作製した。更に
この上にもう一度フォトレジストを塗り、フォトリソグ
ラフィでレジストをパターニングし、この上からマグネ
トロンスパタリングによってc軸配向YBCO多結晶膜
を0.5μm堆積させ、その後、フォトレジストを除去
した。これにより単結晶体(80)の全面に重なるようにボ
ルテックス駆動電流線(73)を形成し、ボルテックス走行
領域(72)に平行した位置に入力信号線(74)を形成し、こ
の入力信号線(74)の両端に配して駆動電流供給線(75)と
を形成した。
A photoresist is applied onto the YBCO single crystal thin film, the photoresist is patterned by ordinary photolithography, and then ion milling is performed to etch the single crystal, which is longer than the vortex travel region (72) in the vortex flow element structure. A body (80) was created. Further, a photoresist was coated on this again, and the resist was patterned by photolithography. A 0.5 μm thick c-axis oriented YBCO polycrystalline film was deposited on the resist by magnetron sputtering, and then the photoresist was removed. As a result, the vortex drive current line (73) is formed so as to overlap the entire surface of the single crystal body (80), and the input signal line (74) is formed at a position parallel to the vortex travel region (72). The drive current supply line (75) was formed by arranging it at both ends of (74).

【0050】ここで集束イオンビーム法によって、ボル
テックス走行領域(72)の上に積層されたYBCO多結晶
膜に微細加工を施して除去し、図7に示すような小さな
ボルテックス走行領域(72)を有する素子を作製した。ボ
ルテックス走行領域(72)の長さ(L)は5μm、幅
(W)は1μmであった。
Here, the YBCO polycrystalline film laminated on the vortex traveling region (72) is finely processed and removed by the focused ion beam method, and a small vortex traveling region (72) as shown in FIG. 7 is formed. A device having the above was manufactured. The vortex running area (72) had a length (L) of 5 μm and a width (W) of 1 μm.

【0051】この微細加工の長さは実施例1及び6にお
けるLに相当するもので、Lは0.1μmから1μmの
範囲で変化させた素子を試作した。
The length of this microfabrication corresponds to L in Examples 1 and 6, and an element in which L was changed in the range of 0.1 μm to 1 μm was manufactured.

【0052】図8は各素子のトランスレジスタンス(R
m )とボルテックス走行領域長さ(L)との関係を示す
線図である。図8に示す通り、Rm はLとほぼ比例関係
にあるが、L=0.1μmになると直線から大幅にずれ
て大きく低下し、Rm が小さくなり過ぎると電力利得が
得られないことが確認された。YBCO単結晶では、λ
ab=0.14μm,λc =0.7μmであるので、本発
明による素子を得るにはL≧λabである必要があること
が確認された。
FIG. 8 shows the transresistance (R
It is a diagram which shows the relationship between m ) and a vortex running area length (L). As shown in FIG. 8, R m has a substantially proportional relationship with L, but when L = 0.1 μm, it largely deviates from the straight line and greatly decreases, and when R m becomes too small, power gain cannot be obtained. confirmed. For YBCO single crystal, λ
Since ab = 0.14 μm and λ c = 0.7 μm, it was confirmed that L ≧ λ ab was required to obtain the device according to the present invention.

【0053】[0053]

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
基板上にab面が垂直となるように成膜された高温超電
導単結晶膜に微細加工を施すことによって、新規な原理
に基づくボルテックスフロー素子を作製することがで
き、これによって簡便、低コストな方法で、小型・高出
力・高い応答周波数を持つ超電導ボルテックスフロー素
子およびその周辺回路が供給できるという効果がある。
As described above, according to the present invention,
By subjecting a high-temperature superconducting single crystal film formed so that the ab plane is vertical to the substrate to fine processing, a vortex flow element based on a new principle can be manufactured, which is simple and low cost. By the method, it is possible to supply a superconducting vortex flow element having a small size, a high output and a high response frequency and its peripheral circuit.

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

【図1】本発明のボルテックスフロー素子の一実施例の
構成を示す説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of an embodiment of a vortex flow device of the present invention.

【図2】液体窒素温度,ゼロ磁界下における各ボルテッ
クス走行領域の臨界電流密度のボルテックス走行領域の
幅(W)依存性を示す線図であり、縦軸は臨界電流密度
(1010A/m2 )、横軸はW/λc である。
FIG. 2 is a diagram showing the width (W) dependence of the critical current density of each vortex travel region under liquid nitrogen temperature and zero magnetic field, where the vertical axis represents the critical current density (10 10 A / m). 2 ), the horizontal axis is W / λ c .

【図3】ボルテックスフロー素子特性の評価を行う際の
測定系の概要を示す回路図である。
FIG. 3 is a circuit diagram showing an outline of a measurement system for evaluating characteristics of a vortex flow element.

【図4】ボルテックスフロー素子の交流特性の検証に用
いた測定系の回路図である。
FIG. 4 is a circuit diagram of a measurement system used for verification of AC characteristics of a vortex flow element.

【図5】ボルテックスフロー素子を用いた発振回路の概
要を示す説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an outline of an oscillation circuit using a vortex flow element.

【図6】本発明のボルテックスフロー素子の別の実施例
の構成を示す説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the configuration of another embodiment of the vortex flow element of the present invention.

【図7】本発明のボルテックスフロー素子の更に別の実
施例の構成を示す説明図である。
FIG. 7 is an explanatory view showing the constitution of still another embodiment of the vortex flow element of the present invention.

【図8】各素子のトランスレジスタンス(Rm )とボル
テックス走行領域長さ(L)との関係を示す線図であ
る。
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the transresistance (R m ) of each element and the vortex travel region length (L).

【図9】電界効果を基本とする超電導増幅素子の構成を
示す説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a configuration of a superconducting amplifier element based on a field effect.

【図10】キャリア注入タイプの素子の構造を示す説明
図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the structure of a carrier injection type element.

【図11】ボルテックスの運動を利用した素子の構造を
示す説明図である。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a structure of an element utilizing the motion of vortex.

【図12】高温超電導体単結晶を用いたボルテックスフ
ロー素子の構造を示す説明図である。
FIG. 12 is an explanatory view showing the structure of a vortex flow element using a high temperature superconductor single crystal.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

(11)(61)(71)…NdGaO3 単結晶(基板) (12)(62)(72)…ボルテックス走行領域(高温超電導体単
結晶小体) (13)(63)(73)…ボルテックス駆動電流線(電極) (14)(64)(74)…入力信号線(励磁手段) (15)(65)(75)…駆動電流供給線(励磁手段)
(11) (61) (71)… NdGaO 3 single crystal (substrate) (12) (62) (72)… Vortex traveling region (high temperature superconductor single crystal body) (13) (63) (73)… Vortex Drive current line (electrode) (14) (64) (74) ... Input signal line (excitation means) (15) (65) (75) ... Drive current supply line (excitation means)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 前田 敏彦 東京都千代田区丸の内2丁目6番1号 古 河電気工業株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (72) Inventor Toshihiko Maeda 2-6-1, Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Furukawa Electric Co., Ltd.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 高温超電導体単結晶小体と、この高温超
電導体単結晶小体のc軸方向の両端部に接合した一対の
電極と、高温超電導体単結晶小体に対してc軸と直交す
る方向に磁界を印加する励磁手段とを備え、前記一対の
電極間に超電導状態で電流が流れている状態で前記励磁
手段によって高温超電導体小体に磁界を印加した時に前
記一対の電極間に電圧を発生させる高温超電導単結晶体
型ボルテックスフロー素子において、 前記高温超電導体単結晶小体が基板表面上に設けられ、
この高温超電導体単結晶小体のa軸とb軸とを含むab
面がこの基板に対して直交して設けられたことを特徴と
する高温超電導単結晶体型ボルテックスフロー素子。
1. A high-temperature superconductor single crystal body, a pair of electrodes joined to both ends of the high-temperature superconductor single crystal body in the c-axis direction, and a c-axis for the high-temperature superconductor single crystal body. Exciting means for applying a magnetic field in a direction orthogonal to each other, between the pair of electrodes when a magnetic field is applied to the high temperature superconductor body by the exciting means in a state where a current is flowing in a superconducting state between the pair of electrodes. In a high-temperature superconducting single crystal body type vortex flow element for generating a voltage, the high-temperature superconductor single crystal body is provided on a substrate surface,
Ab including the a-axis and the b-axis of this high-temperature superconductor single crystal body
A high-temperature superconducting single-crystal vortex flow element having a surface orthogonal to this substrate.
【請求項2】 請求項1に記載の高温超電導単結晶体型
ボルテックスフロー素子において、 前記励磁手段によって磁界が印加される高温超電導体単
結晶小体のc軸に垂直な幅Wが、c軸に平行に磁界を印
加した時の磁界侵入長λc の5倍以下とし、 前記励磁手段によって磁界が印加される高温超電導体単
結晶小体のc軸方向の長さLが、ab面に平行に磁界を
印加した時の磁界侵入長λab以上としたことを特徴とす
る高温超電導単結晶体型ボルテックスフロー素子。
2. The high-temperature superconducting single crystal body type vortex flow element according to claim 1, wherein a width W perpendicular to the c-axis of the high-temperature superconductor single crystal body to which a magnetic field is applied by the exciting means is the c-axis. The length L in the c-axis direction of the high temperature superconductor single crystal body to which the magnetic field is applied by the exciting means is set to be 5 times or less of the magnetic field penetration length λ c when the magnetic field is applied in parallel to the ab plane. A high-temperature superconducting single-crystal vortex flow element characterized by having a magnetic field penetration length of λ ab or more when a magnetic field is applied.
【請求項3】 請求項1又は2に記載の高温超電導単結
晶体型ボルテックスフロー素子において、 前記励磁手段は、前記高温超電導体単結晶小体が設けら
れた同一基板表面上に設けられたことを特徴とする高温
超電導単結晶体型ボルテックスフロー素子。
3. The high-temperature superconducting single crystal body type vortex flow element according to claim 1, wherein the exciting means is provided on the same substrate surface on which the high-temperature superconductor single crystal bodies are provided. High-temperature superconducting single crystal body type vortex flow element.
【請求項4】 請求項1〜3の何れかに記載の高温超電
導単結晶体型ボルテックスフロー素子において、 前記電極は、前記高温超電導体単結晶小体が設けられた
同一基板表面上に設けられたことを特徴とする高温超電
導単結晶体型ボルテックスフロー素子。
4. The high-temperature superconducting single-crystal vortex flow element according to claim 1, wherein the electrodes are provided on the same substrate surface on which the high-temperature superconductor single-crystal bodies are provided. A high-temperature superconducting single crystal body type vortex flow element.
【請求項5】 高温超電導体単結晶小体と、この高温超
電導体単結晶小体のc軸方向の両端部に接合した一対の
電極と、高温超電導体単結晶小体に対してc軸と直交す
る方向に磁界を印加する励磁手段とを備え、前記一対の
電極間に超電導状態で電流が流れている状態で前記励磁
手段によって高温超電導体単結晶小体に磁界を印加した
時に前記一対の電極間に電圧を発生させる高温超電導単
結晶体型ボルテックスフロー素子の作製方法において、 前記基板上に、高温超電導体単結晶膜をa軸とb軸とを
含むab面が基板表面に対して直交するように成膜する
ことを特徴とする高温超電導単結晶体型ボルテックスフ
ロー素子の製作方法。
5. A high-temperature superconductor single crystal body, a pair of electrodes bonded to both ends of the high-temperature superconductor single crystal body in the c-axis direction, and a c-axis for the high-temperature superconductor single crystal body. An exciting means for applying a magnetic field in a direction orthogonal to each other, the pair of electrodes when a magnetic field is applied to the high temperature superconductor single crystal body by the exciting means in a state where a current is flowing in a superconducting state between the pair of electrodes. In a method of manufacturing a high-temperature superconducting single crystal body type vortex flow element for generating a voltage between electrodes, an ab plane including a high-temperature superconductor single-crystal film on the substrate, the a-plane including the a-axis and the b-axis is orthogonal to the substrate surface. A method for manufacturing a high-temperature superconducting single crystal body type vortex flow element, which is characterized in that
【請求項6】 請求項5に記載の高温超電導単結晶体型
ボルテックスフロー素子の作製方法において、 前記高温超電導体単結晶膜を、少なくとも表面が予め定
められた結晶配位の前記基板表面上に、液相エピタキシ
ャル法又は気相エピタキシャル法によって、a軸とb軸
とで構成される面が直交するように成膜して得ることを
特徴とする高温超電導単結晶体型ボルテックスフロー素
子。
6. The method for producing a high-temperature superconducting single crystal body type vortex flow element according to claim 5, wherein the high-temperature superconductor single-crystal film is formed on at least the surface of the substrate having a predetermined crystal orientation. A high-temperature superconducting single-crystal vortex flow element, which is obtained by a liquid phase epitaxial method or a vapor phase epitaxial method so that a plane formed by the a-axis and the b-axis is orthogonal to each other.
JP8143491A 1996-05-15 1996-05-15 High-temperature superconducting single crystalline type vortex flow element and its forming method Pending JPH09307148A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8143491A JPH09307148A (en) 1996-05-15 1996-05-15 High-temperature superconducting single crystalline type vortex flow element and its forming method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8143491A JPH09307148A (en) 1996-05-15 1996-05-15 High-temperature superconducting single crystalline type vortex flow element and its forming method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH09307148A true JPH09307148A (en) 1997-11-28

Family

ID=15339952

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP8143491A Pending JPH09307148A (en) 1996-05-15 1996-05-15 High-temperature superconducting single crystalline type vortex flow element and its forming method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH09307148A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112204679A (en) * 2018-05-25 2021-01-08 赫姆霍兹-森德拉姆德雷斯顿-罗森多夫研究中心 Method for reconstructing vortex density in rare earth manganate, and nonvolatile impedance switch and application thereof

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112204679A (en) * 2018-05-25 2021-01-08 赫姆霍兹-森德拉姆德雷斯顿-罗森多夫研究中心 Method for reconstructing vortex density in rare earth manganate, and nonvolatile impedance switch and application thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5729046A (en) Superconducting device having pinning regions
US5401714A (en) Field-effect device with a superconducting channel
Latyshev et al. Dimensional Crossover for Intrinsic dc Josephson Effect in B i 2 S r 2 CaC u 2 O 8 2212 Single Crystal Whiskers
US5981443A (en) Method of manufacturing a high temperature superconducting Josephson device
Trotel et al. Magnetically tunable YBaCuO microstrip resonators and bandpass filters
JPH09307148A (en) High-temperature superconducting single crystalline type vortex flow element and its forming method
JP3189403B2 (en) Element having superconducting junction and method of manufacturing the same
JPH0783144B2 (en) Jyosefson device using oxide superconductor
JP2002009353A (en) Bicrystal oxide superconducting film and high temperature superconducting josephson junction element and superconducting quantum inteference element using it
Wang et al. Microwave responses of an insular intrinsic Josephson junction stack fabricated from Bi-Sr-Ca-Cu-O single crystal
JP3379533B2 (en) Method for manufacturing superconducting device
JP3570418B2 (en) Superconducting device
JPH04332180A (en) Josephson element
JPH0629583A (en) Superconducting device
US5183970A (en) Oriented superconductors for AC power transmission
JPH05291632A (en) Superconductive junction structure
JPH02181983A (en) Superconducting tunnel junction element
JPH05267736A (en) Element having superconductive junction and manufacturing method thereof
JPH07101759B2 (en) Superconducting element
WANG et al. Intrinsic Josephson Junctions in BiSrCaCuO-2212: Recent Progress
JPH05267735A (en) Superconductive junction and element and manufacturing method thereof
Clarke et al. High-T {sub c} Thin-Film Microelectronics
JPH1056213A (en) Superconducting device
JPH05327047A (en) Josephson element and manufacture thereof
JPH0974232A (en) Josephson junction element