JPS63261765A - 超電導素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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Ｎ
ｂ、Ｇｅ）等の金属材料を用いて固体電子ディバイスを
作る試みがなされできた。

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す、
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端子面体電子素子（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（イントリューム）、銅（Ｃｕ）、バリューム（Ｂ
ａ）、酸素（０）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５Ｘ１０１″”’　５　Ｘ　
１０”ｃｍ−”のオーダテアル。

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５Ｘ　
１０’　ｓ〜３　ｘ　１０”ｃｍ−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、Ｔｃｏ　（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Ｔｃ。

との差が広がり、一般にＩＯＫ以上を有せしめ得る。

このためその差がＩＫ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（一部が超電導性を存し、一部が
非超電導性の状態、即ちＴｃオンセットとＴｃｏ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（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０．１〜５０μｍ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Ｔｃｏ　（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ツチングする。

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・ノクスのＴ
ｃｏ　（２８）とは異なるＴｃｏ　（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ソグラフィ
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５Ｘ１０”〜３　ＸＩＯ”ａｍ−’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４００〜１０００℃、例えば６００″Ｃ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。がくして、第１図にお
ける第１℃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Ｔｃｏ　（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
法、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、
（Ａｌ−Ｘ　Ｂｘ）ｙｃｕｚＯｗ、ｘ　＝　０〜１＋　
）’　〜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＝４〜１
０好ましくは６〜８を有する。ＡはＹ（イソトリューム
）、Ｇｕ（ガドリニュ−ム）、Ｙｂ（イフテルビュ４ム
）、Ｅｕ（ユーロピューム）、Ｔｂ（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ｍａ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）。

？Ｉｇ（マグネシューム）、Ｂｅ（ベリリューム）の元
素周期表１１ａ族より選ばれる。特にその具体例として
（ＹＢａｚ）Ｃｕ３０ａ〜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　Ｘ　
１０”〜３　Ｘ　１０”ｃｍ−”、例えば５×１０”ｃ
ｍ−”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５０〜５００
人、例えば１００人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Ｔｃｏ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、ｔｍＯ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Ｔｃｏ’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・ツ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（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（２
２）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（２４″）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（２２’）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）に見掛は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（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°夕を作り得る。

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Ｔｃｏ以下では抵抗が零になる。このＴｃオンセ
ントおよびＴｃｏとの間の１０″ｔおよび９０χをここ
ではＴｃ、。、Ｔｃｑ。とじて示している。本発明の超
電導素子は、Ｔｃオンセソ１−とＴｃｏとの間であれば
よいが、動作をより安定化するため、ＴＣＩＯＩＴＣ９
゜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、Ｔｃｏ
　−Ｔｃ、。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）　、　Ｔｃｏ’　（２
８）を構成している。

第３図において、Ｔｃｏ　（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（３ｏ）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Ｔｃ
ｏ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、かが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個設け
、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＜、Ｔｃ
とＴｃｏとの間の温度範囲が広い材料好ましくは１０°
に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ア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 (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、非超電導性表面を有する基体上に、不純物が添加さ
   れた有限抵抗を有する第１の超電導性セラミックスと、
   該セラミックスの一方および他方には温度領域で抵抗が
   零または零に近い第２の超電導セラミックスとが連結し
   て設けられ、かつ前記第１の超電導性セラミックスを流
   れる電流を制御する制御用電極が設けられたことを特徴
   とする超電導素子。 ２、特許請求の範囲第１項において、第１の超電導性セ
   ラミックスの上面、下面または両面に密接して、または
   前記面上の前記第１の超電導性セラミックスより十分大
   きい電気抵抗を有する被膜に密接して制御用電極が設け
   られたことを特徴とする超電導素子。 ３、特許請求の範囲第１項において、不純物は酸素、銅
   、元素周期表IIａ族およびIIIａ族より選ばれた１種類
   または複数種類よりなることを特徴とする超電導素子。 ４、特許請求の範囲第１項において、不純物は鉄（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）より選ばれたことを特徴とする超電導素子。