JPH0964643A

JPH0964643A - 超伝導発振器およびその作製方法

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Publication number: JPH0964643A
Application number: JP7214845A
Authority: JP
Inventors: 浩二 ▲つる▼; Kouji Tsuru; Keiichi Tanabe; 圭一田辺; Kazunori Miyahara; 一紀宮原; Shinichi Karimoto; 慎一狩元; Shugo Kubo; 衆伍久保; Minoru Suzuki; 実鈴木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1995-08-23
Filing date: 1995-08-23
Publication date: 1997-03-07

Abstract

(57)【要約】【目的】従来より高温環境で動作し、かつ発振周波数の
スペクトル幅が狭く急峻で、可変周波数の一体化構造の
高周波発振器の実現及びその製造方法の開発。【構成】超伝導転移温度が高く異方性の大きい酸化物超
伝導結晶に形成される積層構造のイントリンシック・ジ
ョセフソン接合を用い、この超伝導結晶のｃ軸が基板表
面と並行になるように配置し、かつ単結晶を用いるため
超伝導であることの基板選択性がなく、低誘電率の誘電
導体基板上に高周波回路、電源回路等も構成しストリッ
プライン上での損失を押さえる構造としている。また、
この超伝導イントリンシック・ジョセフソン接合素子を
高精度で加工整形するために収束イオンビームによる加
工法を用いた。また、実際の応用装置においては超伝導
結晶のｃ軸を基板面と並行にして設置し、基板上に高周
波回路、電源回路その他弱結合型のジョセフソン接合に
よるミキサー回路等各種回路を基板上に形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は超伝導薄膜を用い
たイントリンシック・ジョセフソン素子による発振器お
よびその作製方法に関するものである。特に、この発振
器はミリ波・サブミリ波領域の電磁波を電圧制御によっ
て周波数を可変的に発振させることが出来るものであ
る。この種の発振器は近距離ミリ波通信、衛星によるリ
モートセンシング、分光器等に利用出来、情報および通
信産業分野において有効である。

【０００２】

【従来の技術】ミリ波・サブミリ波領域は、光通信に利
用される光の周波数領域といわゆる電波の周波数領域と
に挟まれた比較的利用が少ない周波数帯域である。利用
が進まない原因の一つとして、この周波数領域で使用可
能な発振器が少ないことが挙げられる。従来使用されて
きた代表的な発振素子としてはクライストロンやガンダ
イオード等があるが、これらは固定周波数しか発振出来
ず可変周波数または広帯域発振が要求される汎用発振器
への適用は困難であった。

【０００３】超伝導体を用いた発振器は、電圧制御によ
って周波数可変の発振器となるため、金属・合金系超伝
導薄膜でトンネル型ジョセフソン接合を用いた発振器が
検討されている。しかし、従来多く研究されて来たトン
ネル型ジョセフソン接合は素子のインピーダンスが低い
ため高出力が得られず、発振スペクトルの幅が広く、２
０Ｋ以下の極低温でしか使用出来ない、超伝導薄膜作製
用基板上に高周波回路を形成するのが困難である等の問
題があった。

【０００４】一方、このような金属・合金系超伝導体に
対し、酸化物超伝導体がある。酸化物超伝導体は特に超
伝導イントリンシック・ジョセフソン素子に利用され
る。この超伝導イントリンシック・ジョセフソン素子は
酸化物超伝導体の持つ大きな異方性を利用した素子であ
る。Bi系（Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O₈、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀等）或い
はTl系（Tl₂Sr₂Ca₁Cu₂O₈、Tl₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀等）超伝導
体は、超伝導電流を伝搬するCuO₂層と常伝導金属または
絶縁体または半導体からなる電荷供給層が交互に積層し
た構造になっている。このため積層方向に垂直なｃ軸方
向のコヒーレンス長がａ、ｂ軸方向（CuO₂層面内方向）
に比べて短いという性質を持ち、ｃ軸方向に自然にジョ
セフソン接合を形成している。また、酸化物超伝導体は
従来の合金系に比べ動作温度を７０Ｋ〜１００Ｋ高い温
度に設定することが可能なため、簡易な冷凍装置または
冷媒（例えば液体窒素）を用いて超高周波発振器が実現
出来る。

【０００５】このように酸化物超伝導体は、従来の金属
・合金系に比べて７０Ｋ〜１００Ｋ程度臨界温度が高い
という特徴を持つが、短コヒーレンス長、結晶異方性、
含有酸素の不安定さ等電子デバイス化にとって困難な特
性を併せ持つため金属系超伝導体で試みられたようなト
ンネル型ジョセフソン接合を用いた発振器の作製は著し
く困難なものとなっていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】超伝導イントリンシッ
ク・ジョセフソン接合素子による発振器では、少なくと
も液体窒素温度以上で使用可能であり、ミリ波・サブミ
リ波帯域において出力が大きく、発振スペクトル幅の狭
いことが要求される。金属・合金系超伝導体を用いた発
振器では使用温度が極低温（２０Ｋ以下）に限られ、素
子の冷却に多くのエネルギーを必要としていた。そのた
め安価に入手出来る液体窒素又は液体窒素温度程度の冷
却能力を有する冷凍器を用いて使用出来る発振器が求め
られていた。また、従来の金属・合金系超伝導発振器で
は素子自体のインピーダンスが小さいため、取り出せる
ミリ波・サブミリ波の出力が１μＷ程度と弱く、更に強
い出力が得られる発振器が求められていた。ジョセフソ
ン素子を用いた発振器の特性としては一般に出力周波数
がある一定の幅を持ち発振スペクトルの幅が広い。そこ
で、よりスペクトル幅が狭く急峻なスペクトル特性を有
する可変周波数発振器が求められていた。

【０００７】上記のように本発明においては、ミリ波・
サブミリ波帯域領域での問題である可変周波数発振器を
より温度の高い領域で使用可能な超伝導体を利用し、か
つ発振スペクトル幅の狭い波形の良好な固体発振器を実
現することを目的としている。さらに、使用される超伝
導素子は脆く非常に壊れ易いものであった。このため従
来は接着剤で固めて素子加工が行われていたこともあり
生産性にも難点があった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
発明においては超伝導転移温度の高い酸化物超伝導体の
中でも異方性の大きい酸化物超伝導体結晶に形成される
イントリンシック・ジョセフソン接合を用いている。こ
のイントリンシック・ジョセフソン接合は複数の接合か
らなる積層構造となっている。この結晶構造をそのまま
接合が直列接続されたアレイ素子として利用することに
より、素子のインピーダンスを高くすることが出来、こ
れにより外部回路とのインピーダンス整合が実現出来、
さらに非常に近接した素子がコヒーレント（協同）動作
をすることにより出力が大きく、スペクトル幅も狭く急
峻なものとなる。また誘電体基板上に高周波回路、直流
電源回路及びアンテナとを一体化することにより効果的
なミリ波、サブミリ波の電圧制御による可変周波数発振
を達成することが出来る。このような集積回路形成は収
束イオンビーム加工装置を用いて、正確に形状加工を行
うことにより出力特性の制御も可能となる。このため、
請求項１においては、基板上に微小直方体に加工された
積層構造のイントリンシック・ジョセフソン接合を形成
している超伝導体結晶のｃ軸を基板面に平行に配置し、
同時に電源供給回路、モニター検出器、フィードバック
回路、フィルター、共振器、ハーモニックミキサー等を
同一基板上に一体化して形成し、電圧制御によって所定
の周波数を出力する構成としている。

【０００９】請求項２においては、上記請求項１におい
て微小直方体のイントリンシック・ジョセフソン接合素
子の高精度加工の為に収束イオンビーム加工装置を製造
工程中で使用することを特徴としている。

【００１０】請求項３においては、基板材料を誘電体と
し、かつ超伝導イントリンシック・ジョセフソン接合素
子のｃ軸を基板表面と平行になるように配置した構成と
している。

【００１１】さらに請求項４においては、上記請求項１
における超伝導発振器を共振器、インピーダンス変換
器、マイクロストリップライン−導波管（または同軸）
変換器、ホーンアンテナ等と一体化した構造としてい
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図を用
いて説明する。

【００１３】（発明の実施の形態１）図１において、積
層構造を有する超伝導イントリンシック・ジョセフソン
接合を有する微小直方体に加工した縦0.5mm、横0.5mm、
厚さ0.1mm の超伝導イントリンシック・ジョセフソン接
合素子１を作製し、ｃ軸方向に垂直な結晶面に、交流ス
パッタ装置により金を厚さ５０ｎｍにスパッタして電極
を形成した。この工程はさらに反対側の他の面にも電極
を形成するために結晶を上下逆にして同様に繰返され
る。この時、側面に金が回り込まないようにメタルマス
クを用いている。また、結晶と金電極間のコンタクト抵
抗を下げるために６００℃で１０分間酸素中で熱処理を
行う。このようにして得られた超伝導イントリンシック
・ジョセフソン接合素子１の結晶を図１に示すように金
薄膜によるフィードライン３と電極６を有する誘電体基
板２上に載せ、低温で熱収縮の少ない接着剤例えばエポ
キシ系の接着剤４を用いて接着し、電源供給用の電極６
と半波長マイクロストリップ共振器７との間に超伝導イ
ントリンシック・ジョセフソン接合素子１を挿入し、金
線５によりワイヤーボンドするかまたは銀塗料で接続し
た。このようにして作製した素子の両端に直流電圧を印
加すると交流ジョセフソン効果によって高周波電磁波を
発生することが出来る。さらに、この発振器とサイドカ
ップリングさせた共振器７を通して高周波電磁波を外部
に送出する。素子の両端に約６２μＶの電圧を印加した
場合、出力周波数は３０ＧＨｚであった。電圧を１００
μＶにすると４９.５ＧＨｚの発振を確認した、また、
超伝導イントリンシック・ジョセフソン接合一対の電極
間の距離（即ち一接合当たりの厚さ）は約１.５ｎｍな
ので上記結晶サイズに対してはこの接合は約６７０００
個の接合を直列に接続したことになる。このため、単一
のジョセフソン接合に比べてコヒーレント動作により、
従来の合金型超伝導接合を用いた発振器に比べ約１〜２
桁大きい出力と狭いスペクトル幅を持った発振を実現出
来た。

【００１４】（発明の実施の形態２）超伝導素子は結晶
を劈開した部分から微小直方体を切り出して作製される
が、この加工は高精度が要求されるため、サブミクロン
加工が出来切除端面の結晶構造を損なうことのない収束
イオンビーム加工装置を用いる。図２によりこの加工状
況を説明する。先ず最初に、劈開した結晶薄片のｃ軸方
向にあたる２面に電極用として厚さ５０ｎｍの金薄膜を
交流スパッタ装置を用いて形成し、さらに、コンタクト
抵抗を下げるために６００℃で３０分熱処理を行う。次
にその結晶を微細加工するために、この結晶のｃ軸が基
板平面と平行となるように劈開した結晶薄片１０をシリ
コンまたは金属板９上に銀塗料を用いて図２に示すよう
に接着固定する。これを収束イオンビーム加工装置を用
い、２次電子像を見ながらガリウムイオンビーム８を打
ち込んで切断し、所定の大きさに（例えば 1x1x0.1mm）
に加工する。この時のガリウムイオンビームの先端径は
５０ｎｍである。この切り出された超伝導結晶の試料を
アセトン等の有機溶剤中で銀塗料を除去し乾燥させた
後、真空ピンセットを用いて高周波回路及び直流電源回
路をパターン加工した誘電体基板の上に搭載する。この
超伝導結晶は結晶の電極部と電源供給用の電極とを金線
を用いたワイヤーボンディング又は銀塗料で接続する。
このように製造工程に収束イオンビーム加工装置を導入
することにより高精度加工が容易となり形状が正確で安
定しているため発振器からの出力を制御することが出来
るのみならず、生産性も向上し得る。

【００１５】（発明の実施の形態３）図３において、Ｍ
ｇＯ誘電体基板の結晶方位の異なる２枚の基板を融着し
て作製したバイクリスタル酸化マグネシウム基板（双晶
基板）１３上に基板温度７００℃で直流スパッタ成膜装
置を用いて超伝導薄膜を形成する。次にこの超伝導薄膜
を通常のリソグラフィーの手法で幅５μｍ、長さ１０μ
ｍのマイクロブリッジ１２１を中央部に有する幅５００
μｍ、特性インピーダンス５０Ωのマイクロストリップ
ライン１２２を形成する。この時マイクロブリッジ１２
１が基板融着部１４にかかるようにすることにより弱結
合型のジョセフソン接合を作製することが出来る。この
マイクロストリップライン１２２の一端を導波管−マイ
クロストリップ変換器に接続し、他端をＳＭＡコネクタ
ーに接続する。導波管の先には受信用のホーンアンテナ
が接続されている。この弱結合型ジョセフソン接合を有
する基板上に超伝導イントリンシック・ジョセフソン接
合素子１及び電源回路を形成する。弱結合型のジョセフ
ソン素子をミキサー１２とし、超伝導イントリンシック
・ジョセフソン接合素子１に電圧を印加することによ
り、局部発振器として用いる。超伝導イントリンシック
・ジョセフソン接合素子１に発生した電磁波（局部発
振）９８ＧＨｚと外部からの信号１００ＧＨｚが、弱結
合型ジョセフソン接合であるミキサー部１２で混合さ
れ、各周波数の差分２ＧＨｚが中間周波数成分（ＩＦ信
号）としてＳＭＡコネクターを介して外部に出力され
る。このようにして、超伝導イントリンシック・ジョセ
フソン接合素子１をヘテロダイン検波の局部発振器とし
て用いることが可能である。また、局部発振器の周波数
を主信号の１／２に相当する４９ＧＨｚ、１／３に相当
する３３ＧＨｚ、１／４に相当する１４．５ＧＨｚ等の
周波数を設定することにより、ハーモニックミキシング
高調波成分利用による主信号周波数の低減化も可能であ
る。

【００１６】（発明の実施の形態４）図４に本発明によ
る装置の全体構成を示す。超伝導イントリンシック・ジ
ョセフソン素子部１７の信号を図３におけるマイクロス
トリップラインで形成した共振器を介して取り出し、こ
れをインピーダンス変換部１６を通してマイクロストリ
ップライン−導波管変換器によって導波管に送りこみ、
さらにホーンアンテナに供給することにより、ミリ波信
号に指向性を持たせ特定の方向にのみ放射する装置が実
現出来る。なお、この装置には超伝導イントリンシック
・ジョセフソン接合素子１の冷却用の小型冷凍器１８が
付属している。また、マイクロストリップライン上での
ミリ波の減衰量は大きいため、共振器部、インピーダン
ス変換部は超伝導接合素子を固定した基板上に出来るだ
け小型になるように設計配置した。

【００１７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば異方
性の大きい酸化物超伝導結晶を用いた超伝導イントリン
シック・ジョセフソンソン素子を用い、電圧制御による
可変周波数出力が得られ、かつ発振出力の設計が可能
で、各種超高周波用基板に適用可能であり、更にスペク
トル幅が狭く急峻なミリ波・サブミリ波周波数の発振器
を再現性良く作製することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における回路の基本構成を示す部品及び
各要素の配置図。

【図２】収束イオンビーム加工装置を用いて酸化物超伝
導結晶を微小直方体に整形加工する際の試料保持法を示
す見取図。

【図３】本発明における超伝導イントリンシック・ジョ
セフソン接合素子発振器出力を局部発振周波数としてマ
イクロブリッジでミキシングしＩＦ信号としてストリッ
プラインを経由して取り出す回路の状況を示す回路構成
図。

【図４】本発明をミリ波発振装置として適用した場合の
装置構成図。

【符号の説明】

１超伝導イントリンシック・ジョセフソン接合素
子２誘電体基板３フィードライン４エポキシ系樹脂５金線ワイヤーボンディング６電極７共振器８収束イオンビーム９シリコン基板１０酸化物超伝導体結晶の劈開片１１銀塗料１２超伝導ミキサー部１２１マイクロブリッジ１２２マイクロストリップライン１３バイクリスタル酸化マグネシウム基板１４基板融着部１５ホーンアンテナ１６インピーダンス変換部１７超伝導イントリンシック・ジョセフソン素子
部１８小型冷凍機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者狩元慎一東京都千代田区内幸町一丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者久保衆伍東京都千代田区内幸町一丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者鈴木実東京都千代田区内幸町一丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に超伝導イントリンシック・ジョセ
フソン接合を有する単結晶片、高周波回路、直流電源回
路を備えた電圧制御型高周波発振回路であって、該単結
晶片のｃ軸が該基板表面と並行になるように配置された
ことを特徴とする超伝導発振器。
【請求項２】イントリンシック・ジョセフソン接合を有
する超伝導結晶を収束イオンビーム装置を用いて微小直
方体に加工する工程を含むことを特徴とする超伝導発振
器の作製方法。
【請求項３】誘電体基板上に、超伝導体あるいは半導体
のミキサー回路と高周波回路に接続された局部発振器と
なる超伝導イントリンシック・ジョセフソン接合を有す
る単結晶片を備え、該単結晶片のｃ軸が該基板表面と並
行になるように配列されたことを特徴とする超伝導発振
器。
【請求項４】請求項１または請求項３に記載の超伝導発
振器と共振器、インピーダンス変換器、マイクロストリ
ップライン−導波管変換器、ホーンアンテナ及び冷凍機
から構成された単一指向性を有することを特徴とする超
伝導発振器。