JPS63262877A - 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、酸化物系超電導（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横接合型ジョ
セフソン素子およびこれに制御用電極を用いた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てきた。

その代表が第１図に示す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
＠子回路よりなっている。

このジョセフソン接合型の素子は第１図に示す如く、第
１の超電導性材料（２１）の上面にトンネル電流を流し
得る厚さで絶縁膜（２３）を形成し、さらにその上に第
２の超電導性材料（２４）を積層するものであった。そ
してトンネル電流を上下方向に流さんとするものである
。

「従来の問題点」 しかし、かかる基板表面に密接した絶縁膜を用いて、ジ
ョセフソン素子の構成をする場合、基板表面またはその
近傍においては酸化物超電導性材料を用いる限り、酸素
が欠乏してしまう傾向があった。そしてこの表面または
その近傍で超電導性すらなくなってしまう場合があった
。本発明はかかる欠点を除去するためにされたものであ
る。

さらに本発明はかかる表面の酸素濃度敏感性の欠点を除
去するにある。

さらに、従来のジョセフソン接合型素子は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
う大きな欠点を存する。

本発明はかかる欠点を除去し、表面に用いない構成を有
せしめるジョセフソン素子を作らんとするものである。

さらに加えて、超高周波動作を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
極とに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、非超電導性の絶縁
性表面を有する基板上に超電導性材料を薄膜状に選択的
に設け、その一部領域（中央部または設計上必要な領域
）に、超電導材料を横切って動作をさせるべき所望の温
度で有限抵抗を存する第１の酸化物超電導性材料を設け
る。そしてその超電導材料一方および他方には抵抗が零
になる第２の酸化物超電導性材料を設けている。そして
この一対の第２の超電導性材料間にはトンネル電流を流
し得る構成を有せしめている。

この有限抵抗を有する材料は、超電導性材料に不純物を
添加し、この不純物により超電導性を破壊せしめたもの
である。さらにこの第１の超電導性材料（出発状態が超
電導性材料であり、不純物の添加により絶縁性等の物性
を有せしめるため、以下においても第１の超電導性材料
という）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
超電導材料との間に、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の酸化物超電導性材料
として、抵抗零の第２の酸化物超電導性材料と同一成分
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、酸化物超電導性材料を構成する元素、例
えばＹ（イツトリウム）、銅（Ｃｕ）、バリウム（Ｂａ
）　、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５Ｘ１０”〜５ＸＩＯ”ｃｍづ
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（Ｓｔ）、ゲルマニウム（Ｇ
ｅ）　、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウ
ム（Ｇａ）、　　リン（Ｐ）、チタン（Ｔｉ）、タンタ
ル（Ｔａ）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　×１Ｑｌｌｌ〜６
　ＸＩＯ”ｃｍ−”とした。

本発明の超電導素子においては、第１の酸化物超電導性
材料とするため、第２の酸化物超電導性材料に不純物を
イオン注入法により第２の超電導性材料を横切って（上
下および図面の前後方向のすべてに対し）添加する。そ
してその厚さく図面の左右方向）を可能なかぎり薄くし
、ジョセフソン接合効果を有すべくせしめた。

本発明は、一対の出力用の酸化物超電導性材料間に連結
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、酸化物超電導性材料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、その下側の酸化
物超電導性材料に電圧を印加する。この材料は、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Ｔｃｏとの間の温度領域の
状態）また半導体または絶縁体特性を有するため、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材料との中間に介在す
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。

第２図（Ｂ）　、　（Ｃ）は制御用電極を設けたもので
ある。

第２図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）は本発明の固体
素子の縦断面図を示す。

本発明では第２の酸化物超電導性材料を全体に形成し、
所望の形状にフォトエツチングする。この後この第１の
酸化物超電導性材料を作るため、この領域のみに選択的
に不純物を添加した。

この不純物の添加の巾（図面での左右方向）は１０〜１
０００人好ましくは５０人と、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”〜３×１０”ｃｍ−”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℃、０．５〜５０
時間、例えば６００℃で３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。

第２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の酸化物超電導性材料（４）
および第２の酸化物超電導性材料（３）および（５）よ
りなる材料（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。

かくしてジョセフソン素子を構成せしめ第３図の特性を
得た。

第２図（Ｂ）は制御用電極（１０）が第１の酸化物超電
導性材料（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２図（Ｃ）では被膜は酸化物超
電導性材料（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　（イツトリウム・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、（
Ａ＋−ｘ　Ｂｘ）ｙｃｕｚＯｗ、ｘ　−Ｑ　ｘｌ、　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（イツトリウム）　
、　Ｇｄ　（ガドリニウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）
、Ｅｕ（ユーロピウム）、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（
ジスプロシウム）、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（ラジウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｒ（スト
ロンチウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｍｇ（マグネシウ
ム）。

Ｂｅ（ベリリウム）の元素周期表Ｕａ族より選ばれる。

特にその具体例として（ＹＢａｚ）Ｃｕ３０６〜８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の酸化物超電導性材料として第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ウム、珪素または鉄を５　ｘｌ
ＱＩｓ〜３　ＸＩＯ”ｃｍ−３、例えば５×１０”ｃｍ
−’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ウムを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４
００〜１０００℃例えば７００℃の温度にて全面アルミ
ニウムを酸化し、酸化アルミニウム絶縁膜（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。

この不純物の添加は、第２の酸化物超電導性材料を構成
させる元素を用い、ｘ＋３’＋Ｚ＋Ｈの値を変化させ、
同じ処理を行って第１の酸化物超電導性材料とすること
ばを効である。

次に制御用電極（１０）を他の第２の酸化物超電導性材
料と同じ酸化物超電導性材料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。

「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の酸化物
超電導性材料を設け、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の酸化物超電導性材料で相互配線したものであ
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、酸化物超電導性材料という表題を用い
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図は従来の超電導固体素子の縦断面図を示示す。 第３図は本発明で作られた超電導固体素子の特性を示す
。

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の酸化物超電導性材料と、該
   材料の一方および他方には所望の温度領域で抵抗が零の
   第２の酸化物超電導性材料とが連結して設けられ、かつ
   前記第２の材料の一方および他方の間にトンネル電流を
   流し得る厚さの前記第１の材料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の酸化物超電
   導性材料の上面、下面または両面に密接して、または前
   記面上の前記第１の酸化物超電導性材料より十分大きい
   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
   または元素周期表IIａ族およびIIIａ族より選ぼれた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
   ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ホウ素（Ｂ）、アルミニウ
   ム（Ａｌ）、ガリューム（Ｇａ）、リン（Ｐ）、チタン
   （Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）より選ばれたことを特徴と
   する超電導素子。