WO1993010565A1 - Superconductive element - Google Patents

Description

明 細 書

超伝 導 素 子

技 術分 野

本 発 明 は、 ス イ ッ チ、 メ モ リ ー、 S Q U I D、 電 磁波 検 出 器、 圧 標準 な ど に 用 い る 超 伝 導 素 子 に 関 す る も の で あ る。

超伝 導 素 子 は 電 気 的 お よ び磁 気 的 に 特 異 な 特 性 を 有 す る こ と お よ び高速 か つ 低 消 費 電 力 で 動 作 す る こ と か ら エ レ ク ト ロ ニ ク ス 分 野 に 多 様 な 応用 が 可 能 で あ り、 こ れ ま で 多 く の 研究 開 発 が行 わ れ て き た。 特 に 高 臨界 温 度 を 有 す る 酸 化 物 超 伝 導 体 の 発見 以 来 大 が か り な 冷 却 設 備 と ラ ン ニ ン グ コ ス ト の 問 題 も 解 決 し て ま す ま す 研究 開 発 に 拍 車 が か か り 現 在 に 至 つ て い る _c

超伝導 素 子 の 基 士 權構 成 妥 素 は一般 に 2 つ の 超 伝導 電極 と そ れ ら を 連 結 す る 結 合 体 で め る の こ と は 2 端 子 超伝 導 素 子 お よ び 3 端 子 超 伝導 素 子 の 双 方 に つ い て 曰 え る こ と で あ る。

結合 体 と し て は 一 般 に 絶 緣体、 半 導 体、 常伝 導体 が用 い ら れ る が、 超 伝導 材 料 が 用 い ら れ る こ と も あ る。 し か し、 fe 1ZS 導材 料 を 用 い る 場合 で も、 そ の 多 く は 素 子 の 動 作 温 度 が そ の 材 料 の 臨界 温度 よ り は る か に 高 い 温度 に 設 定 さ れ て い て、 そ の 材 料 は 完 全 な 常 伝導 体 と し て 用 い ら れ る こ と が 多 か つ た。

従来 の こ の よ う な 超 伝導 素 子 の 本 質 は 結 合体 に よ つ て 2 つ の 超 伝 導 電極 を 弱 く 結 合 す る 超 伝 導弱 結 合 に あ る。 超伝 導弱 結合 が 生 じ る 理 由 を ¾E ベ る と、 絶 縁 体 あ る い は一部 の 半 導 体 か ら な る 結 合 体 で は そ の 理 由 は ト ン ネ ル 効 果 で あ り、 ま た 他 の 一 部 の 半 導 体、 常 伝導体、 あ る い は 超 伝 導 材 料 か ら な る 系ロ ロ' 体 で は そ の 理 由 は 超伝 導 状 態 の し み 込 み 効 果、 す な わ ち 近 接 効 果 で あ る。

以上 述 べ た 従 来 例 の 他 に、 特 に ύ ¾ 子 超 伝導 素 子 に つ い て は 以 下 に 示 す 二 つ の 従来 例 が あ る。 ひ と つ は、 特 開平 1 一 2 0 7 9 8 2 に 示さ れ る よ う に、 結合体 に超伝導状態 に な っ て い る 超伝導材料を用 い、 結合体 に取 り 付けた制御電極 に 信号電圧 を 印加 す る こ と に よ つ て超伝導電極間 を流れ る 電流を変調 す る と い う 3 端子超伝導素子の 従来例で あ る。 こ の従来例で は結合体が第 1 お よ び第 2 超伝導電極 の機能を兼ねて い る。 換言すれば、 第 1 お よ び第 2 超伝導電極 と 結 合体は同一の超伝導材料で構成 さ れ て い る。 こ の よ う な 超伝導素子 が機能する こ と の本質は、 ト ン ネ ル効果や近接効果で はな く、 結合 体がそ の 臨界電流値以上の電流で は電気抵抗ゼ ロ の 状態が破壊さ れ る こ と、 そ し て信号電圧 に よ っ て結合体 に空乏層が形成 さ れ、 結合 体がチ ャ ネル と し て の機能 を果た す こ と に あ る。 他 の ひ と つ は、 特 開昭 6 3 — 2 3 4 5 7 2、 特開 昭 6 3 — 2 3 4 5 7 3、 お よ び特開 昭 6 3 — 2 3 4 5 7 4 に示さ れ る よ う に、 チャ ネル と な る結合体 を T c オ ンセ ッ ト （ 超伝導の始ま る 温度） と T c O ( 電気抵抗がゼ ロ にな る温度 ） の温度差の大 き い超伝導材料で構成 し て、 T c オ ン セ ッ ト と c 0 の 中間の温度で動作させる 3 端子超伝導素子の従来例 で あ る。

しか し、 ト ン ネ ル効果や近接効果 に も と づ ぐ 従来の超伝導素子 に は結合体を数 1 0 0 η πι以下の超薄膜あ る い は超微細パ タ ー ン に し な い と 充分 に その機能 を発揮 し な い と い う 欠点があ っ た。 そ の理 由 は、 ト ン ネ ル効果 に し ろ 近接効果 に し ろ そ れ ら が顕著に 現わ れる 長 さ の程度が従来の超伝導素子の 使用 材料 と 動作環境では数 1 0 か ら 数 1 0 0 n m以下だか ら であ る。 特 に近接効果 につ い て は、 一般 に しみ込み長 さ は結合体の コ ヒ ー レ ン ス長 と密接 に関係 し て い て両者 は同程度の長さ で あ る と さ れて い る。 一方、 酸化物高温超伝導体 の コ ヒ ー レ ン ス長は金属超伝導体の そ れよ り 短 く 数 n m以下で あ る こ と が知 ら れて い る。 し たがっ て、 特 に酸化物高温超伝導体の近接効 果 を用 い た超伝導素子の場合 に は結合体のサイ ズを 数 II m以下 に す る こ と が必要であ る。 チ ャ ネ ル を こ の程度のサ イ ズ にす る こ と は、 薄膜形成技術あ る い はフ ォ ト リ ソ グラ フ ィ 一技術の 見地か ら みて ひ じ ょ う に 難 し い 技 術 で あ る。 さ ら に、 結 合 体 に 制 御 電極 を 取 り 付 け た 3 端 子超伝導素 子 で は チ ャ ネ ル の サ イ ズ の 制 約 は そ の ま ま 制 御 電 極 の 取 り 付 け 領 域 の 制 約 と な る か ら 困 難 は い つ そ う 大 き く な る。 以 上 の こ と か ら 明 ら か な よ う に、 結 合 体 の サ イ ズ が数 1 0 O n m 以 下 あ る い は 数 n m 以 下 に 制 約 さ れ る こ と は 超 伝導 素 子 の 製 造歩 留 ま り、 信 頼性、 お よ び特 性 の 再 現 性 · 一 様 性 に お い て 大 き な マ イ ナ ス 要 因 に な る。 特 に 酸 化 物 高 温 超 伝 導 体 を 用 い る 場合 に は 既 に 述 べ た 理 由 に よ っ て 結 合 体 の サ イ ズ の 制 約 は よ り 厳 し く な り、 高 臨 界温 度 を 有 す る と い う せ つ か く の 長 所 を 生 か せ な い と い う 意味 で重 大 な 欠点 と 言 わ ざ る を 得 な い。

ま た 特 開 平 1 一 2 0 7 9 8 2 に 示 さ れ る よ う な 超 伝導 状態 の 結 合 体 を用 い る 3 端子 超伝 導 素 子 の 従 来 例 に つ い て 言 え ば、 良 好 な ス ィ ツ チ ン グ 特 性 を 得 る こ と が 難 し い と い う 問 題 が あ っ た。 そ の 理 由 は、 結 合体 を チ ャ ネ ル と し て 用 い て、 そ こ に 明 確 な O N O F F 状態 を 作 り 出 す た め に 充 分 な 厚 さ の 空 乏 層 を 形 成 さ せ る こ と が 難 し い こ と に あ る。 充 分 な 厚 さ の 空 乏 麿 を 得 る た め に は、 超伝 導素 子 の 動 作 電 圧 と し て は 非 '実用 的 な 高 い 信 号 電 圧 を 用 い る か、 あ る い は 結 合体 の 膜 厚 を 超伝 導特 性 が 劣 化 す る よ う な 厚 さ ま で 薄 く す る こ と が 必要 で あ っ た。

さ ら に ま た 特 開 昭 6 3 — 2 3 4 5 7 2、 特 開 昭 6 3 — 2 3 4 5 7 3、 お よ び 特 開 昭 6 3 — 2 3 4 5 7 4 に 示 さ れ る よ う な 3 端 子超 伝 導 素 子 の 従 来例 に つ い て 言 え ば、 チ ャ ネ ル を 抵 抗性 の 超 伝導 状態 で 用 い て い る た め に チ ャ ネ ル に 0 で な い 電 圧 を 印 加 す る こ と が 必要 で あ り、 超伝導 素 子 の 利 点 で あ る 超伝 導 電 流 を 利 用 で き な い と い う 欠 点 が あ る。 さ ら に、 T c オ ン セ ヅ ト と T c 0 の 温度 差が 大 き い 超 伝 導 材料 は 材 料技 術 の 観 点 か ら 見 る と 低 品 質 で あ り、 信頼 性や 安 定 性 に 乏 し く 実用 的 で は な い。

本 発 明 は か か る 問 題 を 解 決 す る も の で あ っ て、 薄 膜 の 膜厚 お よ び パ タ ー ン ル ー ル に 関 す る 制 約 が 少 な く、 製 造 が 容易 で あ っ て 歩 留 ま り と信頼性が高 く、 そ し て ま た結合体を 良質な 超伝導材料で構成 す る こ と が可能で あ っ て 0 電圧で流れ る超伝導電流が利用 で き る超伝 導素子を提俟す る もの であ る。 本発明は、 特 に 3 端子超伝導素子 に お い て は以上 に加 えて 良好なス イ ッ チ ン グ特性 を有 す る 超伝導素子 を提供す る も の であ る。 発明の 開示

本発明 は、 第 1 超伝導電極、 第 2 超伝導電極、 お よ び そ れ ら を連 結する 結合体を具備 し、 結合体が超伝導材料か ら構成 さ れ る 超伝導 素子'にお い て、 第 1 お よ び第 2 超伝導電極 よ り 弱 い 超伝導状態あ る い は超伝導状態 に近い常伝導状態を結合体 に用 い る。 こ の こ と に よ つ て、 薄膜の膜厚 と パ タ ー ンル ール に関 す る制約が少な く、 製造が 容易で あ っ て歩留 り と 信頼性が高 く、 そ し て結合体 を良質な超伝導 材料で構成する こ と が可能であ っ て 0 電圧で流 れ る 超伝導電流が利 用 で き る超伝導素子が得 ら れる。

さ ら に、 結合体 に制御電極を 隣接形成 し て、 結合体を チャ ネル と し て用 い る こ と に よ っ て、 良好なス ィ ヅ チ ング特性 を有する 3 端子 の超伝導素子が得 ら れ る。

結合体が第 1 お よ び第 2 超伝導電極よ り 弱 い 超伝導状態あ る い は 超伝導状態 に近 い常伝導状態 に な る こ と を実現 する 手段 と し て は、 結合体の 臨界温度 を第 1 お よ び第 2 超伝導電極 の臨界温度よ り 低 く す る方法、 粽合体の キ ヤ リ ャ密度を第 1 お よび第 2 超伝導電極の キ ャ リ ャ密度 よ り 小さ く す る 方法、 あ る い は結合体の ペア ボテ ン シ ャ ルの大 き さ を第 1 お よ び第 2 超伝導電極のペア ポ テ ン シ ャ ル の大 き さ よ り 小さ く す る 方法 を用 い る。

結合体、 第 1 超伝導電極、 第 2 超伝導電極 を 酸化物超伝導材料で 構成す る こ と、 結合体の キ ヤ リ ャ密度を 1 0 ^{1 S}〜 ： L 0 ^{2 a} / c m ³と す る こ と、 結合体の結晶構造 と第 1 お よ び第 2 超伝導体電極の 結晶構 造を異な る よ う な材料の組合せ を選択す る こ と、 そ し て 動作温度 を 結合体の 臨界温度 土 5 K の 温度範 囲 内 に 設定す る こ と に よ っ て、 ス ィ ヅ チ ン グ特性 と 信頼性 は さ ら に 向上 す る。 図面の簡単な 説明

図 1 は、 本発明 の 2 端子超伝導素 子の 斜視断面図 で あ る。

図 2 は、 本発明 に用 い た 超伝導体 の 比抵抗の 温度特性 で あ る。

図 3 は、 2 端子超伝導素 子 に お け る I / V特 性の 一例 を 示 す 図 で あ る。

図 4 は、 第 1 超伝導電極 と 第 2 超伝導電極の 間隔 d と 臨界電流 I c の 関係 を 示す 図 で あ る。

図 5 は、 本発明 の 3 端子超伝導素 子 の 斜視断 面図 で あ る。

図 6 は、 3 端子超伝導素 子 に お け る I Z V特 性の 制御 電極 電圧 依 存性の 一例 を 示 す 図 で あ る。

図 7 は、 動作温度 T と 第 1 お よ び第 2 超伝導電極 の 間 を流 れ る 臨 界電流 I c の 関係 を 示 す 図 で あ る。

図 8 は、 動作温度 T と ス イ ッ チ ン グ比 の 関係 を 示 す図 で あ る。

図 9 は、 キ ヤ リ ャ密度 に 差 を つ け る 方 法 に よ る 3 端子超伝導素 子 の 斜視断面 図で あ る。 発明 を 実施す る た め の 最良 の形態

図 1 は、 2 端子超伝導素子の 斜視 断面 図 で あ る。 超伝導素 子 は基 板 1 上 に形成 さ れ、 結合体 2、 第 1 超伝導電極 3、 第 2 超伝導電極 4 か ら 構成 さ れ る。 図 1 中 の 記号 d は第 1 超伝導電極 と 第 2 超伝導 電極の 間隔 を 示 し て い る。 材料 に 関 し て 言 え ば、 基板 1 は S r T i O s単結 晶、 結合体 2 は Y B a ₂ C u ₃ O ₇ - _x ( 0. 2 ≤ x ≤ 0. 5 ) 、 そ し て 第 1 超伝導電極 3 と 第 2 超伝導電極 4 は Y B a ₂ C u 30 7 - , ( 0 ≤ y < 0. 2 ) で あ る。

本超伝導素子の 製造方法 を 述べ る と、 次 の と お り で あ る。 基板 1 上 に M o l e c u l a r B e a m E i t a ( M B E ) を用 い て結合体 2 と な る Y B a ₂ C u ₃ O ₇ - _x ( 0. 2 ≤ x ≤ 0. 5 ) を約 l O O n m の膜厚で形成 し、 さ ら に連続 し て第 1 超伝導電極 3 お よび第 2 超伝導電極 4 と な る Y B a ₂ C u ₃〇 ₇ （ 0 ≤ y < 0. 2) を約 1 0 0 n m の 膜厚で形成す る。 薄膜の酸化 は M B E 中 に

E l e c t r o n C y c l o t r o n R e s o n a n c e ( E C R ) プラ ズマ発生装置を用 い て 活性化 した 酸素 を導入す る こ と に よ っ て膜形成 と 同時 に行 う。 その後パ タ ーユ ング を行 っ て 図 1 の 構造を有す る 2 端子超伝導素子 を得 る。

以上述べ た製造方法 にお い て、 指檫 X と y " に よ っ て示 さ れ る酸化 度の制御 は酸素の ガス 圧 と流量お よ び E C Rプラ ズマ発生装置 に よ る 活性化酸素量の 調整あ る い は蒸着 レー ト の調整 に よ っ て行 う こ と がで き る。 0. 2 x 0. 5 お よ び O y く 0. 2 と な る よ う に す る と、 Y B a s C u s O T - xは 7 0 K級の 超伝導体 に な り、 ま た Y B a ₂ C u ₃0 ₇ - _yは 9 0 K級の超伝導体 に な る。 こ の よ う に酸化度の 制 » に よ っ て 臨界温度が制御で き る 理由 は、 酸化物超伝導体の物性が 酸素 ド ーブ董 に本質的 に関係 し て い る こ と に あ る。 酸化度の指標 X あ る い は y を 0. 2 の近傍 に と る場合 に は臨界温度は 7 0 K ~ 9 0 K の 中簡の温度 に な り、 ま た X を 0. 5 の近傍 に と る場合 に は蹉界 温度は 7 0 K よ り 小 さ く な る。 さ ら に酸化度の 指標 を 0. 5 よ り 小 さ く し て い く と、 臨界温度は減少 し て行 き、 最後 に は超伝導 を示 さ な く な る。 それゆ え、 結合体の 臨界温度 を 7 0 K に、 ま た第 1 お よ び第 2 超伝導電極の臨界温度を 9 0 K に す る た め に は、 指標 X と y を そ れぞれ 0. 2 5 ≤ x ≤ 0. 4 お よび 0 ≤ y ≤ 0. 1 5 に す る こ と がよ り 望 ま し レ、。 本実施例で は結合体 と第 1 お よ び第 2 超伝導鼋 接 に同 じ Y B C O 系物質 を用 い て い る。 そ れゆ え連続形成が可能で あ り、 こ の こ と は薄膜形成技術の見地か ら みて 好都合で あ る。 ま た、 Y B a ₂ C u ₃0 7 - _x ( 0. 2 ≤ ≤ 0. 5 ) と Y B a ₂ C u 30 7-_y ( ひ く 0. 2 ) の格子定数は ほぼ同 じ で あ り、 こ れ は薄膜ェ ビ 夕 キ シ ャ ル成長技術の見地か ら みて好都合で あ る。 図 2 は、 本発 明 に 用 い た 超伝 導体 の 比 抵抗 の 温度 特 性 で あ る。 図 2 中 の a で 示 さ れ る 特 性 は 結 合 体 の 比 抵 抗 の 温 度特 性 で あ り、 b で 示 さ れ る 特 性 は 第 1 お よ び 第 2 超 伝 導 電 極 の 比 抵抗 の 温 度特 性 で あ る。 図 2 に 示 さ れ る よ う に、 結 合 体 と 第 1 お よ び第 2 超 伝導 電極 と も に T c オ ン セ ヅ ト と T c 0 の 温 度 差 は 数 K 以 下 で あ る。 こ の 温 度 差 は 酸 化 物 超伝導 体 と し て は 小 さ い 値 で あ り、 両 者 と も 良 質 な 超 伝 導 薄膜 で あ る こ と を 示 し て い る。

実 験 と し て 第 1 超 伝 導 電 極 と 第 2 超 伝 導 電極 の 間 隔 d を 表 1 に 示 す 値 に 設定 し た 試 料 を 作 製 し た。

d t n m )

2 0 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 各 料 に つ い て 動 作 温 度 が 5 0 , 6 0 お よ び 7 7 K に お け る 第 1 超 伝導 電極 と 第 2 超 伝 導 電 極 間 の I / V 特 性 を 測定 し た, , 図 3 は、

2 端子 超伝 導 素 子 に お け る I / V 特 性 の — 例 を 示 す 図 で あ る。 図 3 中 の 記 号 I c は 臨 界 電 流 を 示 し て お り、 — I c か ら + I c の 電流 領 域 で は ゼ ロ 電圧 の 超伝 導 電 流 が 流 れ、 そ れ 以 外 の 電 流領 域 で は 電 圧 が 発 生 し て い る。 す な わ ち 図 3 に 示 さ れ る I V 特 性 は

R e s i s t i e 1 s h u n t e d J u n c t i o n ( R S J ) 的 な 特 性 を 示 し て い る 図 4 は、 第 1 超 伝導 電極 と 第 2 超 伝導 電 極 の 間 隔 d と 臨 界 流 I c の 関 係 を 示 す 図 で あ る。 図 4 に 示 さ れ る よ ラ に、 動 作 温 度 が結 合 体 の 臨 界 温度 7 0 K よ り 低 い 場 合 に は す ベ て の 試 料 に つ い て ゼ ロ 電 圧 の 超 伝 導 電 流 を 有 す る 特 性 が 得 ら れ、 ま た 動 作温 度 が 結 合 体 の 臨界 温度 7 0 K よ り 高 い 温度 で あ る 7 7 K の 場 合 で も d が 3 0 0 0 n m よ り 小 さ い 試 料 に つ い て は ゼ ロ 電圧 で超伝導電流 を有す る 特性が得 ら れ る。 仮 に超伝導素子 を実際 に動作させ る場合 に は 0· 1 m A以上の 臨界電流が必要で あ る と す る と、 d の最小値は、 た と えば 5 0 K動作では約 3 0 0 0 n m で あ り、 ま た 7 7 K動作で は約 l O O O n m で あ る。 こ れ ら の d の値 は 現有の フ ォ ト リ ソ グラ フ ィ 一で容易 に、 あ る い は技術的 困難 を伴 う こ と な く ノヽ · タ ー ニ ン グ可能なサイ ズであ る。

こ こ で、 結合体の 臨界温度よ り 低 い動作温度 にお い て はすべて の 弒料 につ い て R S J特性が得 ら れた こ と、 ま た 結合体の 臨界温度 よ り 高い動作温度 にお い て も フ ォ ト リ ソ グ ラ フ ィ 一で パ タ ーユ ング可 能な比較的大 き な d の値を有す る 試料 に つ いて R S J特性が得 ら れ た こ と の理由 を述べる と、 そ れ は次の と お り で あ る。

最初 に、 結合体の 臨界温度よ り 低い動作温度の場合の 理由 を述べ る。 Y B a s C u s O r- _x ( 0. 2 < x ≤ 0. 5 ) か ら な る超伝導体 は こ の動作温度で は超伝導状態に な っ て い る。 た だ し、 そ の臨界電流 密度は Y B a ₂ C u ₃ O _T-_y ( 0 ≤ y < 0. 2 ) か ら な る 第 1 お よ び第 2 超伝導電極の 臨界電流密度よ り 小 さ い。 こ の こ と に起因 し て本実 施例の構造か ら な る超伝導素子 に電流 を流す と 以下 に述べる 現象が 生 じ る。 ま ず、 電流の 大 き さが結合体の 臨界電流以 下の 場合 に は超 伝導電流が流れる。 こ の 閭隔 d に無関係 で あ り、 原理的 に は d を ど んな に長 く 選んで も 流 れる も ので あ る。 次 に、 電流 の大 き さ が結合 体の .臨界電流 を超えた場合 を考 え る。 こ の場合 は電流の 大 き さ に よ つ て さ ら に次 に述べる 2 つ の場合 に分け ら れる。 第 1 の 場合 は結合 体の 臨界電流 よ り やや大 き い電流 を流 し た場合であ り、 ま た第 2 の 場合は第 1 の場合 よ り 大 き な電流を流 し た場合で あ る。 第 1 の場合 では、 結合体単侔では本来超伝導状態が破 ら れ る は ずで あ る に も か かわ ら ず、 第 1 お よ び第 2 の超伝導電極が隣接 して い る こ と に よ る 近接効果の おかげで結合体の超伝導状態が維持 さ れ て い る。 し た が つ て、 こ の場合に は結合体の 臨界電流以下の大 き さ の電流を流 し た 場合 と 同様 に超伝導電流が流れ る。 た だ し、 本実施例の 実験水準で は d は 近接 効果 が 有 効 に 作 用 す る 長 さ よ り 充分 長 い た め 第 1 の 場 合 に 対応 す る 超伝導 電 流 の 領 域 は 狭 い 範 囲 に 限 ら れ て い る。 つ づ い て 第 2 の 場合 で は、 結合 体 の 超 伝 導 状 態 は 完 全 に 破 ら れ て い て、 第 1 と 第 2 の 超 伝導 電 極 の 間 に 電 圧 が 発 生 す る。 以 上 を ま と め る と、 臨 界 電流 I c ま で は 超 伝 導電 流 が 流 れ、 そ れ 以 上 の 電 流 で は 電 圧 が 発 生 す る こ と に な り、 R S J 特 性 が得 ら れ た こ と を 説 明 で き る。 た だ し 以 上 の 議 論 か ら 明 ら か な よ う に、 I c は 厳密 に 言 え ば 結合 体単 体 の 臨界 電流 よ り 大 き な 値 で あ る。

次 に、 結 合体 の 臨 界 温 度 よ り 高 い 動 作 温 度 の 場合 の 理 由 を 述 べ る。

Y B a ₂ C u ₃ O 7 ( 0. 2 < X ≤ 0. 5 ) か ら な る 結 合 体 は 単 体 で は こ の 動 作 温度 で は 超 伝 導 状 態 に な ら な い。 し か し、 結 合体 は 第 1 お よ び 第 2 超伝導 電 極 と 接 し て い る の で、 近接 効果 に よ っ て 結合 体 の 中 に も 超 伝導 状 態 が し み 込 ん で く る。 し た が っ て、 結 合体 に お い て 近接 効 果 が 及 ん で い る 領 域 は、 そ の 臨 界 温度 よ り 高 い 動 作 温度 で も 超伝導体 化 し て い る こ と に な る。 た だ し、 そ の し み込 み は 結合 体 の 中 で は 第 1 お よ び第 2 超 伝 導 電 極 と の 接 触 面 か ら 離 れ る に 従 っ て 減 衰 す る。 ギ ン ヅ ブ ル グ ' ラ ン ダ ウ 理 論 に よ れ ば、 こ の 減衰 の 様 子 は 温度 に 依 存 す る。 す な わ ち、 臨 界 温度 に 近 い ほ ど 減衰 の 仕 方 は 小 さ く な つ て し み 込 み 距 離 は 長 く な り、 そ し て 臨 界 温 度 で は そ の 距 離 は 無 限 大 に な る。 し た が っ て、 臨 界 温 度 よ り 高 く て も そ れ に 近 い 温 度 で あ れ ば 近接 効 果 は 充 分 長 い 距離 ま で 有 効 で あ る。 以 上 が 間 隔 d が 比較 的 大 き く て も 充 分 な 近接 効 果 が 得 ら れ る 理 由 で あ る。 こ の 理 由 に よ れ ば、 超伝 導 素 子 の 動 作 温 度 が 結 合 体 の 臨 界 温度 よ り 高 く 且 つ そ れ に 近 け れ ば 近 い ほ ど、 言 い 換 え る と、 動 作温 度 と 結合 体 の 臨 界 温度 の 比 が 1 よ り 大 き く 且 つ 1 に 近 い ほ ど 間 隔 d を 大 き く と る こ と が許 さ れ る の で、 設 計上 有 利 に な る。

以上 に 述 べ た 2 端子 超 伝 導 素 子 の 構 造 を 作製 後 に さ ら に 誘 電体 と 制 御電 極 を 形成 · パ タ ー ニ ン グ し て 3 端 子超伝 導素 子 を 作製 し た。 図 5 は、 本 発 明 の 3 端 子超 伝 導 素 子 の 斜 視 断 面 図 で あ る。 こ の 超 伝 導素子は、 基板 1、 結合体 2、 第 1 超伝導電極 3、 第 2 超伝導電極 4、 誘電体 5、 お よ び制御電極 6 か ら 構成 さ れ て い る。 間隔 d の 水 準は表 1 に示す水準 と ま っ た く 同様であ る。

本超伝導素子で は、 第 1 お よ び第 2 超伝導電極の 間 を 流れ る電流 の I Z V特性を制御電極 に 印加 した電圧 に よ つ て制御 し て電流の変 親を行 う。 各試料 につ い て動作温度が 5 0、 6 0 お よ び 7 7 K に お け る変調特性の測定を行 っ た。 図 6 は、 3 端子超伝導素子 に お け る I / V特性の制御電極電圧依存性の —例を示す 図で あ る。 図 中の 記 号 V _Gは制御電極電圧 を示 して い る。 図 6 に示 さ れ る よ う に、 I Z V 特性は制御電極 に 印加 さ れ る電圧 に よ っ て制御で き る。 臨界電流 は、 制御電極電圧が正の場合 に はそ の値が大 き く な る に従っ て滅少 し、 ま た負 の場合 に はそ の絶対値が大 き く な る に従っ て 増加 する。 こ の 変調特性は、 結合体の 臨界温度 7 0 K よ り 低 い 動作温度 にお い て は すべて の試料 につ い て、 ま た結合体の 臨界温度 7 0 K よ り 高 い動作 温度で あ る 7 7 K にお い て も d が 3 0 0 Ο η ιιι よ り 小 さ い試料 に つ い て得 ら れた。 ま た、 それ ら 以外の超伝導電流が流 れな い試料 につ い て も 電圧発生領域 に お い て I Z V特性が制御電極 に印加さ れ る 電 圧 に よ っ て制御で き る と い う 結果を得た。 この よ う な制御が可能で あ る理由 は、 印加電圧 に よ っ て誘電体 5 が分極 し、 そ の 結果 と し て 粽合体 2 の キ ヤ リ ャ密度が変調 さ れ る こ と にあ る。 すな わ ち、 結合 体 は 3 端子超伝導素子で はチャ ネル と し て機能 する。

なお、 以上で は臨界温度が 7 0 K級の結合体 を用 い たが、 結合体 の 臨界温度は酸素量： X を調整す る こ と に よ っ て 制御 する こ と がで き る。 そ こ で、 6 0 K ~ 7 0 Kの数種類の 臨界温度を も つ結合体を 用 い た試料を作製 し て I Z V特性の制御電極電圧依存性を 評価 した と こ ろ、 すべて の試料 につ いて I Z V特性が制御電極 に 印加 さ れ る 電 圧 に よ っ て 制御で き た。

本発明 を こ の よ う な 3 端子超伝導素子 に応用 すれば、 制御電極 を 取 り 付 け る領域を広 く と れ る か ら 製造が容易 に な る と い う長所が あ る。

つ づ い て、 本 発 明 に お け る 超 伝 導 素 子 の 動 作 温度 を 最 適 化 す る 実 験 を 行 っ た。 実 験 に 用 い た 試 料 の 基 本 構 造、 材 料 お よ び 製 造 方 法 は 図 5 に 示 し た 3 端 子 超 伝 導 素 子 と 同 様 で あ る。 た だ し、 よ り 顕著 な 変 調 特 性 を 得 る た め に 結 合 体 の 膜 厚 を 第 1 お よ び第 2 超 伝導 電 極 の 膜 厚 よ り 薄 く し、 結合 体 の 膜厚 を 5 0 〜 ： I 5 0 n m、 ま た 第 1 お よ び 第 2 超伝 導電 極 の 膜 厚 を 5 〜 1 0 O n m と し た。 結 合 体 の 臨界 温 度 は 7 0 K で あ る。 間 隔 d に つ い て は、 5 0 0 n m、 1 0 0 0 n m、 1 5 0 0 η m、 2 0 0 0 η m、 2 5 0 0 η m、 お よ び 3 0 0 0 n m の 6 種 類 の 試 料 を 作 製 し た。 以 上 に 述 べ た 試 料 を 用 い て、 6 0 K 〜 8 0 Κ の 範 囲 の よ り 詳 細 な 動 作 温 度 点 に つ い て 第 1 お よ び第 2 超 伝 導 電 極 間 を 流 れ る 電 流 の I Z V 特 性 の 測 定 を 行 っ た。 こ の 測 定 で は 制 御 電 極 は 電圧 を 印 加 し な い 浮 遊 状 態 と し た。 図 7 は、 動 作 温度 Τ と 第 1 お よ び第 2 超 伝 導 電 極 の 間 を 流 れ る 臨界 電流 I C の 関 係 を 示 す 図 で あ る。 図 7 に 示 さ れ る よ う に、 動 作温度 が約 7 5 Κ以 下、 す な わ ち 結 合 体 の 臨 界 温 度 7 0 Κ よ り 約 5 Κ 高 い 温度 以 下 で あ れ ば、 d が 2 0 0 0 n m で も I c は 0. 1 m A 以 上 で あ る。 d ≥ 2 0 0 0 n m は 現有 の フ ォ ト リ ソ グ ラ フ ィ ー 技 術 で も 容 易 に パ タ ー ン 形成 可 能 な 値 で あ る。 次 に、 d = 2 0 0 0 n m の 試料 を 用 い て、 6 0 K 〜 8 0 Κ の 範 囲 の よ り 詳 細 な 動 作 温 度 点 に つ い て I Z V特 性 を 制御 電 極 に 印 加 し た 電圧 に よ っ て 制 御 す る 実 験 を 行 っ た。 図 8 は、 動 作 温 度 Τ と ス イ ッ チ ン グ 比 の 関 係 を 示 す 図 で あ る。 た だ し、 ス イ ッ チ ン グ比 は 制 御 電 極 電 圧 に よ っ て 制 御 で き る 最 大 臨 界 電 流 と 最小 臨界 電 流 の 比 に よ っ て 定 義 し た。 図 8 に 示 さ れ る よ う に、 こ の 測定 の 範 囲 内 で は ス ィ ツ チ ン グ 比 は 動 作温 度 が 高 い ほ ど 大 き く な り、 特 に 動 作 温度 が 6 5 Κ 付 近、 す な わ ち 結 合 体 の 臨 界 温度 よ り 約 5 Κ 低 い 温 度 以 上 で は 急 激 に 大 き く な る。 特 に、 結 合 体 の 臨 界 温 度 よ り 2 〜 3 Κ 低 い 温 度 以 上 で は ス ィ ツ チ ン グ 比 は 2 0 以 上 に な っ て 充 分実 用 的 な 値 に な る。 な お、 d = 2 0 0 0 n m 以 外 の 試 料 に つ い て も 動 作温 度 と ス イ ッ チ ン グ比 の 閬 係 を 評価 し て み た が、 結果 は 図 8 と ほ ぽ同様 で あ っ た。

以上述べた実験 を ま と め る と、 動作温度 を結合体 の臨界温度 ± 5 さ ら に好ま し く は ± 3 Κ の 範囲 に設定すれ ば、 製造が容易で あ つ て電気的特性が良好な超伝導素子が得 ら れる こ と に な る。 なお、 動作温度が結合侓の 臨界温度よ り 低 い場合は臨界電流が大 き いの で 大髦流を必要 と す る分野 に適 し て お り、 ま た そ の逆の場合は大 き な ス ィ ツ チ ン グ比を必要 と す る分野 に適 し て い る。

さ ら に、 6 0 Κ： 〜 7 0 Κ の数種類の 臨界温度 を も つ結合体 を用 い た弒料 につ い て も、 結合体の膜厚が 5 0 〜 ： L 5 0 n m、 第 1 お よ び 第 2 超伝導電極の膜厚が 5 ~ 1 0 0 n m と い う 条件で作製 し て 同様 の動作温度最適化実験 を行っ た。 そ の結果、 や は り 動作温度 を結合 体の臨界温度土 5 K の 範囲 に設定すれば良好な電気 的特性が得 ら れ た。 さ ら に、 動作温度 を結合体の 臨界温度 ± 5 K の 範囲 に設定す る と い う 条件の 下で は結合体の臨界温度が低 い ほ どス イ ッ チ ン グ比 は 大 き く な る と い う 結果 を得た。 こ の結果は、 言 い換 えれば、 ス ィ ヅ チ ング特性 は第 1 お よび第 2 超伝導電極の 臨界温度 と結合体 の臨界 温度の差が大 き く な る ぽ ど向上する と い う 結果 にな る。

こ こ で、 結合体の 臨界温度以下の 温度領域に お い て動作温度が結 合体の 臨界温度 に近い ぽ ど大き な ス イ ッ チ ング比が得 ら れた理由 は 次の と お り で あ る。 第 1 の理由 は温度が高 く な る に した がっ て結合 体の キ ヤ リ ャ密度が滅少す る こ と で あ る。 ス イ ッ チ ング制御は、 印 加電圧 に よ っ て誘電体が分極 し、 そ の結果 と し て結合体のキ ヤ リ ャ 数が変調 さ れ る こ と に よ る。 し たがっ て、 同 じ数の キ ヤ リ ャ を変調 す る場合で も全体のキ ヤ リ ャ数が少 な い方が変調比、 換言す る と ス イ ツ チ ング比 は大 き く な る。 なお、 こ の こ と か ら、 酸化物超伝導体 の キ ヤ リ ャ濃度は金属超伝導铱の そ れよ り 小 さ い の で、 結合体 と し て は酸化物超伝導体 を用 い る と大 き な変調が可能 に な っ て都合が よ い こ と がわ か る。 第 2 の理 由 は、 結合体の超伝導状態は その 両側の -第 1 お よ び 第 2 超 伝 導 電 極 か ら の 超 伝 導 状 態 の し み 込 み に よ っ て 強 化 さ れ る が、 そ の 強 化 の 程 度 は 温 度 が 低 く な る に し た が っ て 大 き く な る こ と で あ る。 結 合 体 の 超伝 導 状 態 が 強 化 さ れ る と 変 調 を 受 け に く く な り、 そ の 結 果 と し て ス イ ッ チ ン グ 比 は 低 く な る の で あ る。 な お、 超 伝導 状態 の 強 弱 は 超 伝 導 キ ヤ リ ャ 密 度 の 高低 と 対 応 し て い る か ら、 そ の 意 味 で は 第 1 の 理 由 と 第 2 の 理 由 は 互 い に 関 係 し て い る d る。

以 上 に 述 べ て き た 2 端 子 お よ び 3 端 子 超伝導 素 子 で は 第 1 お よ び 第 2 超 伝導 電極 の 臨 界 温 度 は 結 合 体 の そ れ よ り 高 く な っ て い る。 こ れ に よ っ て、 結 合 体 の 臨 界 温度 よ り 低 い 動 作温 度 の 場合 に は 結合 体 は 第 1 お よ び第 2 超 伝 導 電 極 よ り 弱 い 超 伝 導状 態 に な り、 ま た そ れ よ り 高 い 動 作温 度 の 場 合 に は 超 伝導 状 態 に 近 い 常伝 導 状 態 に な っ て い る。 こ こ で、 も し 仮 に 第 1 お よ び 第 2 超伝導 電極 の 臨 界温 度 と 結 合 体 の そ れ が 同 じ で あ る 場 合 に は ど の よ う な 不 都合 が 生 じ る か に つ い て 述べ て お く。 第 1 お よ び第 2 超 伝 導 電 極 の 臨界 温度 と 結 合体 の そ れ が 同 じ で あ る と、 動 作 温 度 が そ の 臨 界 温度 以 上 で あ る 場 合 に は 第 1 お よ び 第 2 超 伝 導 電 極 が超 伝 導 状 態 で な く な る か ら 超伝 導素 子 と し て の 意 味 を 失 う。 一 方、 動 作温 度 が そ の 臨 界温 度以 下 で あ る 場 合 に は、 勤 作温 度 と 臨 界 温 度 の 差 が 小 さ い た め に 結 合 体 の み な ら ず 第 1 お よ び第 2 超 伝 導 電 極 の 超 伝導 状 態 も 弱 く な り、 し か も 周 囲 に そ の 状 態 を 支 え る 強 い 超 伝 導 状 態 の 部 分 が な い の で、 外 部 か ら の わ ず か な 攪乱 に よ っ て そ の 超 伝導 状 態 は 破 壊 さ れ る こ と に な る。 す な わ ち 誤 動 作 の 確 率 が大 き く 且 つ 信 頼 性 の 乏 し い 超伝 導 素 子 に な っ て し ま う。 以 上述 べ た よ う に、 第 1 お よ び 第 2 超 伝導 電極 の 臨 界温 度 が 結合 体 の そ れ よ り 高 い こ と は 重 要 な 役 割 を も っ て い る。

さ て、 結 合 体 の 臨 界 温度 よ り 低 い 動 作 温 度 の 場合 に は 結合 体 を 第 1 お よ び第 2 超 伝 導 電 極 よ り 弱 い 超 伝 導 状 態 に し、 ま た そ れ よ り 高 い 動作 温 度 の 場合 に は 超伝 導 状 態 に 近 い 常 伝導 状態 に す る 手 段 と し て は、 上述 の 方 法 の 他 に 第 1 お よ び 第 2 超 伝導 電極 の ペ ア · ポ テ ン シ ャ ル と結合体の ペア · ポ テ ン シ ャ ル に 差をつ ける方法 と第 ¹ お よ ぴ第 2 超伝導電極の キ ヤ リ ャ密度 と結合体の キ ヤ リ ャ密度 に差を つ ける方法があ る。 以下で は こ れ ら の 方法 につ い て説明す る。

ペア · ポ テ ン シ ャ ル に差をつ け る 方法 に よ る 2 端子超伝導素子の 基本構造は図 1 に示 し た 2 端子超伝導素子の構造 と 同様であ る。 材 料 に閱 し て言えば、 基板は S r T i O s単結晶、 結合体 は Y ₀.⁸⁷ P r a .！ 3 B a ₂ C u ₃0 _T-_xか ら な る低ポ テ ン シ ャ ル超伝導体、 そ し て第 1 お よび第 2 超伝導電極 は Y B a e C u s O T- yか ら な る高ポ テ ン シ ャ ル 超伝導体であ る。 本超伝導素子の構造で は、 結合体 であ る低 ポ テ ン シ ャ ル超伝導体の膜厚は 5 〜 1 0 0 η πι、 ま た 第 1 お よ び第 2 超伝 導窻極であ る高ポ テ ン シ ャル超伝導体の 膜厚は 5 0 〜 1 5 0 n m で あ る。

本超伝導素子の製造方法は次の と お り で あ る。 基板 1 上 に M B E を用 い て結合体 2 と な る低ポ テ ン シ ャ ル超伝導体 Y ₀.₈₇ P r _e . 1 3 Β a ₂ C u ₃0 ₇-_xお よび第 1 超伝導電極 3 お よ び第 2 超伝導電極 4 と な る高ポ テ ン シ ャル超伝導体 Y B a ₂ C u ₃0 ₇ -リを連続薄膜形成す る。 蒸着物質 に は金属材料 を用 い薄膜の酸化 は成膜 中 に E C E プラ ズ マ 発生装置を用 い活性酸素 を導入 し て行 う。 こ の 様 に して 得 ら れた 低 ポ テ ン シ ャ ル超伝導体 と 高ポ テ ン シ ャ ル超伝導体の 臨界温度 はそ れ ぞれ 7 2 K と 9 0 K で あ っ た。 なお、 低 ポ テ ン シ ャ ル超伝導体の 臨 界温度は Yサイ ト と P r g換量 に よ り 調整がで き、 g換量 を 少な く す る と 臨界 ¾度は高 く な り S換量が多 く な る と 睫界温度 は低下す る。 こ れ ら 2 種類の超伝導体の格子定数は ほ ぼ同 じ た め 薄膜ェ ビ タ キ シ ャ ル成長技術の見地か ら みて好都合で あ る。 基板上 に低 ポテ ン シ ャ ル超伝導体 と高ポ テ ン シ ャル超伝導体を連続薄膜形成 し た後、 フ ォ ト リ ソ グラ フ ィ 一 に よ っ て エ ッ チン グ を行 い 図 1 の 構造の 2 端子超 伝導素子を得る。 なお、 図示 し て い な い が劣化防止のた め取 り 出 し 鼋極部 を除 い た表面部 に は保護膜を形成す る。

得 ら れた超伝導素子の I / V特性を測定 し た と こ ろ 図 3 に示す E 狩 ¾ 観測 さ れ た。 測 定温 度 は 7 0 K で あ り、 冷却 は ソ ル ペ イ 冷 凍 機 に よ り 行 っ た。 第 1 お よ び第 2 超 伝 導電 極 の 間 隔 d を 2 0 0 n m か ら 9 0 0 0 n m ま で 変 化 さ せ I / V 特 性 を 調 べ た が 何 れ も 明 確 な R S J 特 性 を 示 し た。

ペ ア · ポ テ ン シ ャ ル に 差 を つ け る 方 法 に よ る 3 端 子超 伝導 素 子 の 構 造 は 図 5 に 示 し た 3 端 子 超 伝 導 素 子 の 構 造 と 同 様 で あ る。 基板、 低 ポ テ ン シ ャ ル 超 伝 導 体、 お よ び 高 ポ テ ン シ ャ ル 超 伝導 体 の 材料 と 製 造 方 法 は 前 述 の ペ ア · ポ テ ン シ ャ ル に 差 を つ け る 方 法 に よ る 2 端 子 超伝 導 素 子 の そ れ ら と ま っ た く 同 じ で あ る。

本超 伝 導素 子 の I Z V 特 性 の 制 御 電 極 電 圧 依 存性 は 図 6 に 示 す 特 性 と 同 様 に な り、 I Z V 特 性 が 制 御 電 極 に 印 加 さ れ る 電 圧 に よ っ て 制 御 で き る こ と が 実 際 に わ か る。 こ の よ う な 制 御 が で き る 理 由 は、 印 加電 圧 に よ っ て 誘 電 体 4 が分 極 し、 そ の 結果 と し て 低 ポ テ ン シ ャ ル 超伝 導体 2 の キ ヤ リ ャ が 変 調 さ れ る こ と に あ る。 低 ポ テ ン シ ャ ル 超 伝導 体 と し て 酸 化 物 超 伝 導 体 を 用 い る と、 酸 化物 超伝 導体 の キ ヤ リ ャ は 金属 超 伝 導 体 の そ れ よ り 少 な い の で、 大 き な 変 調 が可 能 に な る か ら 都合 が よ い。

本 超 伝導 素 子 で は 第 1 お よ び第 2 超 伝 導 電極 側 の ペ ア · ポ テ ン シ ャ ル が 結 合 体 の そ れ よ り 高 い た め 結 合 体 の 超伝 導状 態 は 安定 と な る か ら、 熱 ノ イ ズ 等 の 外 乱 に 対 し て 強 い 超 伝導素 子 が 得 ら れ る。 さ ら に、 ス ィ ツ チ ン グ 時 間 は C R 時 定数 を 押 さ え る こ と が可 能 で あ る た め 高速 と な る。

表 2 に 本 超伝導 素 子 と 第 1 お よ び 第 2 超 伝導 電極 と 結 合体 を 同 一 の 超伝 導 材 料 で 形 成 し た 超 伝 導 素 子 （ 比 較 例 ） の ス イ ッ チ ン グ比 を 示 す。 比 較 例 に お け る 超 伝 導 体 の 臨 界 温 度 は 9 0 K で あ る。 表 2 よ り 明 か な よ う に、 第 1 お よ び 第 2 超 伝導 電 極 と 結合 体 を 構成 す る 超 伝 導体 を ペ ア · ポ テ ン シ ャ ル の 異 な る 超 伝 導体 で 組 み 合 わ せ 且 つ 結 合 体 の ペ ア · ポ テ ン シ ャ ル を 低 く す る こ と に よ り ス イ ッ チ ン グ 比 は 大 き く な る。 す な わ ち、 制 御 性 の 高 い 安 定 し た 超伝 導 素 子 と な る。 表 2

本発明 を こ の よ う な 3 端子素子 に応用 し、 さ ら に 制御電極 を複数 形成すれば、 デュ アル型 ト ラ ン ジ ス タ の よ う に多 目 的の 応用 も可能 と な る。

図 9 は、 キ ヤ リ ャ密度 に差を つ け る 方法 に よ る 3 端子超伝導素子 の斜視断面図で あ る。 超伝導素子は、 基板 1、 結合体 2、 第 1 超伝 導電極 3、 第 2 の 超伝導電極 4、 誘電体 5 お よ び制御電極 6 か ら 構 成 さ れ る。

本超伝導素子を作製する プ ロ セ ス と 材料の ポ イ ン ト は次の と お り で あ る。 ま ず、 S r T i 0 ₃単結晶 よ り な る基板 1 上 に膜厚が 5 0 η m 〜 1 0 0 n m の Y B a ₂ C u ₃0 ₇- χ系酸化物超伝導薄膜を形成 す る。 こ の Y B a s C u s O ?- 膜の 臨界温度は 9 0 Κ で あ る。 な お、 基板 は 超伝導薄膜 と の反応が少な く 格子定数整合性が良い 材料 で さ え あ れ ば S r T i 0 ₃に 限 ら れ る も の で はな い。 次 に超伝導薄膜形成後 に フ ォ ト リ ソ グラ フ ィ ー を用 い て パ タ ーニ ン グ を行 い第 1 超伝導電極 3 お よび第 2 超伝導電極 4 を 同時 に得る。 次 に、 膜厚が 5 〜 1 0 n m の L a ₂-_x S r _x C u 0 ₄系超伝導体を形成 · パ タ ー ニ ン グ し て結合体 2 を得る。 結合体 2 は 3 値であ る L a の一部を 2 価であ る S r で置 換 して正孔 を導入 し て い る。 故 に X の値を調整す る こ と に よ り キ ヤ リ ャ密度の調整が図れ る。 表 3 に X を調整 した試料 の キ ヤ リ ャ密度 を示す。 な お、 キ ヤ リ ャ密度は得 ら れた膜の ホ ール効果 の測定結果 か ら算出 し た。 そ の値は S r の g換量か ら 見稹 ら れ る値 と半定量 的 に は一致 し た も の の、 定量的一致 に は至 ら なか っ た。 そ の理 由 は S r の置換量 に応 じ て酸素量 も 化学量論組成か ら 外れ る こ と に あ る と 考 え ら れ る。 次 に 誘 電 体 5 と 制 御 電 極 6 を 形成 · パ タ ー ニ ン グ す る _c 表 3 試 料 N ο. キ ヤ リ ャ 密 度 ( 1/cm³ )

1 8 X 1 0 1 9 施 2 3 X 1 0 2 B 例 3 6 X 1 0 2 B

4 9 X 1 0 2 0

比 5 5 X 1 0 2 1 較 6 8 X 1 0 2 1 例 7 9 X 1 0 1 8

表 4

以 上 の プ ロ セ ス に よ り 超 伝導 素 子 を 作 製 し て、 そ の 超 伝導 素 子 の ス ィ ヅ チ ン グ比 を調べ た。 表 4 に そ の結果を キ ヤ リ ャ密度が適正値 でな い比較例 と と も に示 し た。 測定温度 はチャ ネル超伝導体 の臨界 温度よ り 3 K低 い温度であ る。 なお、 比較例 5 は臨界温度が一番高 い試料であ る。 表 4 に併記 さ れて い る評価 は次 の基準 に従っ た。 実 用 に応用可能な ス ィ ツ チ ン グ比の値 を 2 0 以上 と み な し、 そ の値 を 目標值 と し た。 ス イ ッ チ ン グ比が目 標値以上の場合 に は 「良 J と し、 特 に 3 0 以上の場合 に はス ィ ツ チ ン グ比が非常 に良好で あ る と判 断 して ¹ "優」 と し た。 ま た、 ス イ ッ チ ング比が 2 0 以下の場合 に は基 本的 に は Γ不可 j と し たが、 2 0 に近い場合に は 「可」 と し た。

表 3 と表 4 か ら、 良好な ス ィ ツ チ ン グ特性を 得る に は結合体 2 の キ ヤ リ ャ密度を特定の範囲 内 に 抑え る 必要があ り、 その キヤ リ ャ 密 度の範囲 は 1 0 ^{1 3}〜 1 O ²⁰Z c m ³台であ る こ と、 よ り 好ま し く は、 1 X 1 ο ^2Β〜 9 X 1 0 ^{2 B}Z c m ³で あ る こ と がわ か る。 キ ヤ リ ャ密度 と ス ィ ツ チ ング比の 関係は 当初 キ ヤ リ ャ密度の 滅少 と と も に ス ィ ヅ チ ン グ比は向上す るが 1 0 ^{1 9}Z c m ³台 に入 る と 今度は逆 に ス ィ ツ チ ン グ比は低下す る 傾向 に あ る。 こ れ はキ ヤ リ ャ密度 を抑 え る こ と に よ り 超伝導キ ヤ リ ャの変調 を容易 に する 反面キ ヤ リ ャ密度を少な く し通ぎ る と 結合体 2 の超伝導状態を不安定 にす る た め と 考え ら れ る。 なお、 、 ス イ ッ チ ン グ比の評価が 「不可 」 と な る の は、 キ ヤ リ ャ密 度が 2 1 0 ^{l s}Z c m ³程度よ り 小 さ く な る場合で あ る。 すなわ ち、 1 0 ¹³Z c m ³台 にお いて 2 X 1 0 ^{1 9}/ c m ³程度以上で あ れば、 ス ィ ヅ チ ング特性は確保で き る。 ス ィ ツ チ ン グ比 の低下は超伝導キ ヤ リ ャ変調が支 K的であ っ たス イ ッ チ ン グ特性が近接効果が支 E的 に な り サイ ズの 自 由度 （ 第 1 超伝導電極 3 と第 2 超伝導電極 4 の間 の 鉅雛） が失わ れつ つ あ る た め と も 言 え る。

ま た、 本超伝導素子の キ ヤ リ ャ密度の調整は結合体 2 の組成比 を 変え て行 う た め新た な工程 を加え る の で はな く 極め て容易 に 行 う こ と がで き る。

つづ い て、 キ ヤ リ ャ密度 に差をつ ける 方法 に よ る 3 端子超伝導素 子 の 別 の 例 を 述 べ る。 本超 伝 導 素 子 が 先 の 例 と 異 な る 点 は、 第 1 お よ び第 2 超 伝導 電 極 に N d B a ₂ C u ₃ 0 7 -リ系 超 伝 導 体 を 用 い、 そ し -て 結 合 体 の キ ヤ リ ャ 密 度 の 調 整 に は 3 価 元 素 で あ る N d を 4 価 を と る P r で 置換 し て N d ！ - P r x B a z C u ₃〇 7 - _v系 超 伝 導 体 を 用 い た こ と に あ る。 表 5 に 作 製 し た 試 料 の キ ヤ リ ャ 密 度 を 示 す。

表 5 試 料 N U · -r Ύ ソ ャ 密 度 ( 1 / cm ³ )

1 7 X 1 0 ^{1 9}

施 2 3 X 1 0 ²⁰

例 3 6 X 1 0 ⁰

4 9 X 1 0 ²⁰ 比 5 4 X 1 0 ^{2 1}

較 6 9 X 1 0 ^{2 1}

例

P r を 選 択 し た 理 由 は N d と 同 じ 希 土 類 元 素 で あ り 特 性 が 類似 し て い る た め と イ オ ン 半 径 が 近 い た め 格 子 定 数 の 変 化 を 極 力 押 え キ ヤ リ ャ 密 度 の 調 整 が で き る た め で あ る。 超 伝 導構 成 元 素 の 組合 せ種 類 に よ り 置換元 素 は い く つ か 選 択 で き る が 超 伝導 体 の 臨界 温度 は 周 知 の ご と く 格 子定 数 に よ り 大 き く 左 右 さ れ る 点 を 考慮 す る 必要 が あ る。

N d B a a C u ₃0 ₇ -リ系 超 伝導 体 の キ ヤ リ ャ 密 度 の 調 整 は こ の 他 に 酸 素 の 量 を 制 御 す る 方 法 も 可 能 で あ る が キ ヤ リ ャ 密度 を 精 密 に 制御 す る 場合 に は 適 さ な レ、。

得 ら れ た 超伝導 素 子 の ス ィ ツ チ ン グ 比 を 調 べ た。 結果 を キ ヤ リ ャ 密度 の 適正 値 で な い 比 較 例 と と も に 表 6 に 示 し た。 な お、 比 較例 5 は 結合 体 の 臨 界温 度 が 一 番 高 い 試 料 で あ り 第 1 お よ び第 2 超 伝導 電 と結合体は同一組成 と な っ て い る。 表 6 に併記さ れて い る 評値の 基準は表 4 の そ れ と 同 じ で あ る。 表 6 に 示 さ れ る よ う に 本超伝導素 子は比較例 と比べて顕著 に ス ィ ヅ チ ン グ比が向上 し て い る。 こ の 結 果か ら 言えば、 良好な ス ィ ツ チ ン グ特性が得 ら れ る キヤ リ ャ 密度の 範囲 は 1 0 ^{1 3}〜 ： L 0 ^{2 B}Z c m ³台で あ り、 好ま し く は、 3 X 1 O ^{2 0} 6 X 1 0 ^{2 a}Z c m ³で あ る。 表 6

本超伝導素子の よ う に結合体の両端 に それよ り キ ヤ リ ャ密度が高 く ペア · ポ テ ン シ ャル の高 い超伝導体 （ こ こ で は第 1 お よ び第 2 超 伝導電極 ） を形成する と、 結合体の臨界温度は結合体単体で臨界温 度 を測定 した と き よ り 顕著 に高 く な る 傾向 を示 す。 こ れ は結合体 の ペアポテ ン シ ャルが周囲の超伝導体 に よ り 引 き 上げ ら れ る た め と 考 え ら れ る。 こ の よ う な特徴を利用 す る と 結合体 を単体で超伝導素子 に ¾ い る タ イ プ に比べ よ り 高い温度で使用 す る こ と が可能 と な る。 場合 に よ っ て は結合体単体 に お け る 臨界温度よ り 高 い温度で使用 し て も 結合体 を超伝導状態 に維持す る こ と も で き る。 ま た 結合钵を 単 体 で 用 い る と き よ り も 特 性 の 安 定性、 再 現 性 が 高 い こ と も 特 徴 で あ る。

以 上 の 説 明 で は キ ヤ リ ャ 密 度 の 制 御 を 組 成 比 と 価 数 の 異 な る 元 素 置 換 す る 方 法 を 2 つ の 例 に よ っ て 説 明 し た が、 置換 元 素 と し て は こ れ ら の 他 に C e、 T b、 B i、 S b、 P b、 T 1、 A g、 K、 R b、 あ る い は C s を 用 い て も よ い。 ま た こ の 方 法 の 他 に、 正 孔 ま た は 電 子 が導 入 さ れ る C u — 0 結 合 の C u の サ イ ト を 直接 別 元 素 で 置換 す る 方 法 を 用 い る こ と も で き、 導 電 展 の C u サ イ 卜 の 置換 元 素 と し て は 酸 素 2 p 軌道 と の 結 合 エ ネ ル ギ ー に 差 が あ る T i、 Z r、 H f、 V、 N b、 T a、 C r、 M o、 W、 M n、 F e、 C o、 N i、 あ る い は Z n を 用 い る こ と が で き る。 さ ら に、 こ れ ら の 方 法 を 複 合 し て 用 い て も 良 い。

以 上 述 べ て き た キ ヤ リ ャ 密 度 に 差 を つ け る 方 法 に よ る 超伝 導 素 子 の 説 明 で は 3 端子 超 伝 導 素 子 に つ い て の み 取 り 上 げ た が、 キ ヤ リ ャ 密 度 に 差 を つ け る 方 法 自 身 は 2 端子 超伝 導 素 子 に も そ の ま ま 応用 で き る こ と は 言 う ま で も な い。

次 に、 第 1 お よ び 第 2 超 伝導 電 極 と 結 合 体 に 結 晶 学 的 に 異 な る 超 伝導体 を 用 い た 超 伝 導 素 子 に つ い て 説 明 す る。 そ の 基本 構造 は 図 5 に 示 さ れ る 3 端子 超伝 導 素 子 の 構 造 と 同 様 で あ る。 結 晶 学 的 に 異 な る 超伝 導体 の 組合 せ と し て 以 下 で 述 べ る 3 種類 を 選 択 し て、 そ れ ぞ れ 試 料 を 作 製 し た,

第 1 の 組 合 せ に よ る 超 伝 導 素 子 は、 S r T i O s単 結 晶 か ら な る 基 板 上 に 形成 さ れ た 超 伝 導 体 Y B a ₂ C u ₄0 ₈か ら な る 結 合 体、 該 結 合 体 と 結 晶 学 的 に 異 な る 超 伝 導体 Y B a ₂ C u ₃ O ₇ - _y ( 0 ^ y < 0. 2) か ら な る 第 1 お よ び 第 2 超 伝導 電 極、 結 合 体 上 に 形 成 さ れ た 誘電 体、 そ し て 制 御 電 極 5 か ら 構 成 さ れ る。 こ の 超 伝導 素 子 の ス イ ッ チ ン グ や 増 幅 は 誘 電 体 と 制 御 電 極 に よ り 結 合 体 内 の キ ヤ リ ャ 密 度 を 変 え 臨 界 電 流 値 を 制 御 し て 行 う も の で あ る。

作製 は 基 板 上 に M B E を 用 い て 結 合 体 と な る Y B a ₂ C u 4 〇 ₈お よ ぴ第 1 お よ び第 2 超伝導電極 と な る Y B a ₂ C u ₃0 ₇- _y ( 0 ≤ y < 0.

2 ) を 同一 チ ャ ン パ 一 内で連続形成 す る。 蒸着物質 に は金属 材料 を 用 い、 薄膜の酸化 は成膜中 に E C R プラ ズマ発生装置か ら活性化 し た酸素 を導入す る こ と に よ っ て行 う。 次 に フ ォ ト リ ソ グ ラ フ ィ — に よ り Y B a 2 C u ₃0 ₇- _y ( O y く 0- 2 ) 薄膜を エ ッ チ ング す る こ と に よ り パ タ ーエ ン グ して 第 1 お よ び第 2 超伝導電極 を 形成 する。 さ ら に第 1 超伝導電極 と第 2 超伝導電極の間 に誘電体 と 制御電極 を 形成 し超伝導素子 を得 る。

こ こ で用 いた第 1 お よ び第 2 超伝導電極 と結合体の 臨界温度は そ れぞ 9 0 K と 7 8 K で あ っ た。

第 2 の組合せ に よ る 超伝導素子 は、 第 1 の組合せ に よ る超伝導素 子 と 同様な構造 に お い て、 第 1 お よ び第 2 超伝導電極 に は B i ₂ S r 2 C a ₂ C u ₃ O _w系超伝導体 を、 ま た結合体 に は第 1 お よ び第 2 超伝 導電極 と結晶学的 に異な る B i a S r a C a C u a O , ( B i の 一部 を P b で «換する場合も あ る ） を 用 い て作製 した。

第 3 の組合せ に よ る超伝導素子は、 第 1 の組合せ に よ る超伝導素 子 と 同様な構造 に お い て、 第 1 お よ び第 2 超伝導電極 に Y B a ₂ C u 30 7 - , ( 0 ≤ y < 0. 2 ) 超伝導体 を、 ま た結合体 に B i ₂ S r ₂ C a a C u 30 , ( B i の 一部 を P b で «換す る 場合 も あ る ） を用 い て作 製 した。 なお、 第 1 の組合せ と 第 2 の組合せ超伝導素子では同一 の チ ャ ンパ一内で第 1 お よ び第 2 超伝導電極 と な る超伝導薄膜 と結合 体 と な る超伝導薄膜 を形成 して い るが、 第 3 の 組合せに よ る 超伝導 素子で は 2 台の M B E で別々 に形成 し て い る。 ただ し、 2 台の M B E 装置は接続さ れ大気 に晒す こ と な く 連続 に成膜で き る よ う に構成 さ れて い る。

以上の第 1 か ら 第 3 の組合せ に よ る 超伝導素子を 各々 1 0 サ ン ブ ル作製 し、 所定の 制御電圧 にお け る I Z V特性 を測定 し た。 測定 は 結合体の 臨界温度一 2 K の 温度で H e ガス雰囲気中 で行 っ た。 各 々 1 0 サ ンプルの臨界電流値の初回パラ ヅ キ、 お よ び緩 り 返 し 測定 を 5 回 行 い 再 現 性 （ 変 動 ） を 調 べ た そ の う ち 変 動 量 が最 も 大 き い 測 定 時 の 変 動 量 の 平 均 値 を 臨 界 電 流 の 平 均 値 で 割 っ た 値 を 変 動 率 と し、 初 回 ノ ラ ヅ キ、 変 動 率、 お よ び Y 系 の 酸 素 量 を 変 え 臨界 温 度 を 調 整 し た 比 較 試 料 に よ る 従 来 例 を 表 7 に 示 す,

表 7 か ら わ か る よ う に 第 1 か ら 第 3 の 組 合 せ に よ る 超 伝導 素 子 で は 結 晶 構 造 が異 な り 超 伝 導 状 態 の 安 定 し た 超伝 導 体 を 組 み 合 わ せ る こ と に よ り 顕著 に 安 定 性 と 信 頼 性 が 向 上 し て い る。 こ れ は 揺 ら ぐ 因 子 が 少 な く な つ た た め と エ レ ク ト 口 マ イ グ レ ー シ ョ ン の 抑 制 に よ る も の で あ る。 こ れ ら の 値 は ま だ 改 良 を 加 え 小 さ く す る 必 要 が あ る 値 で あ り、 ま た さ ら に 小 さ く す る こ と も 可 能 で あ る が 今後 技 術 が進 歩 し て も 前 に 述 べ た よ う に 不 安 定 さ の 因 子 数 が第 1 か ら 第 3 の 組 合 せ に よ る 超 伝 導 素 子 よ り 従 来 例 の 方 が 多 い た め 両 者 の 値 が 逆 転 す る こ と は 考 え ら れ な い。

表 7

以 上 述 べ て き た 第 1 お よ び第 2 超 伝 導 電 極 と 結合 体 に 結 晶 学 的 に 異 な る 超 伝 導 体 を 用 い た 超 伝 導 素 子 に つ い て の 説 明 で は 3 端 子 超 伝 導 素 子 に つ い て の み 取 り 上 げ た が、 こ の 方 法 自 身 は 2 端 子超 伝 導 素 子 に も そ の ま ま 応 用 で き る こ と は 言 う ま で も な い。 . 産 業 上 の 利 用 可 能 性 以上の よ う に、 本発明 にかか る 超伝導素子は、 製造が容易で あ る た め、 高い歩留 り、 高い信頼性を有す る超伝導素子 と し て 有用 であ り、 特 に 3 端子超伝導素子 と し て用 い る 場合 に はス ィ ツ チ ン グ特性が優 れて い る た め、 高速低消費電力 が要求 さ れ る論理回路用 のス ィ ツ チ ン グ素子 に適 し て い る。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 第 1 超 伝零 電 極、 第 2 超 伝 導 電 極、 お よ び そ れ ら を 連結 す る 結 合 体 を 具 備 し、 結 合 体 が 超 伝 導 材 料 か ら 構成 さ れ る 超 伝導 デ バ イ ス に お い て、 結 合 体 は 第 1 お よ び 第 2 超 伝導 電 極 よ り 弱 い 超伝 導 状態 に な っ て い る こ と を 特 徴 と す る 超 伝 導 素 子。

2. 結 合 体 に 制 御 電 極 を 隣 接 形 成 し て、 結 合 体 を チ ャ ネ ル と し て 用 い る こ と を 特 徴 と す る 請 求 の 範 囲 第 1 項 記載 の 超 伝導 素 子。

3. 結 合体 の 臨 界 温 度 が 第 1 お よ び 第 2 超 伝導 電極 の 臨 界 温 度 よ り 低 い こ と、 動 作 温度 を 第 1 お よ び 第 2 超 伝導 電極 の 臨 界温 度 よ り 低 い 温 度 に 設 定 し た こ と を 特 徴 と す る 請 求 の 範 囲 第 1 項 あ る い は 第 2 項記 載 の 超 伝 導 素 子。

4. 動 作温 度 を 結 合 体 の 臨 界 温 度 土 5 K の 温度 範 囲 内 に 設定 し た こ と を 特 徴 と す る 請 求 の 範 囲 第 3 項 記 載 の 超伝 導 素 子。

5. 結 合体 の キ ヤ リ ャ 密 度 が第 1 お よ び 第 2 超 伝導 電 極 の キ ヤ リ ャ 密度 よ り 小 さ い こ と を 特 徴 と す る 請 求 の 範 囲 第 1 項 あ る い は 第 2 項記 載 の 超伝 導 素 子。

6. 結 合体 の ペ ア ポ テ ン シ ャ ル の 大 き さ が 第 1 お よ び第 2 超 伝導 電 極 の ペ ア ポ テ ン シ ャ ル の 大 き さ よ り 小 さ い こ と を 特 徴 と す る 請 求 の 範 囲 第 1 項 あ る い は 第 2 項 記 載 の 超 伝 導 素 子。

7. 結 合体、 第 1 超伝 導電 極、 第 2 超 伝 導 電極 が 酸 化物 超伝 導材 料 か.ら な る こ と を 特 徴 と す る 請 求 の 範 囲 第 1 項 か ら 第 6 項記 載 の 超 伝導 素 子。

8. 結 合 体 の 結 晶 構 造 と 第 1 お よ び 第 2 超 伝導 体電 極 の 結 晶 構造 が 異 な っ て い る こ と を 特 徴 と す る 第 7 項 記 載 の 超伝 導 素 子。

9. 結 合体 の キ ヤ リ ャ 密 度 が 1 0 ^{1 9} 〜 1 O ^{2 0} Z c m ³台 で あ る こ と を 特 徴 と す る 請求 の 範 囲 第 7 項 あ る い は 第 8 項 記載 の 超 伝 導 素 子。

1 0. 結合 体 の キ ヤ リ ャ 密 度 を、 超 伝 導 体 構成 元 素 で あ っ て、 電 子 ま た は 正 孔 を 導 入 す る 元 素 の 組 成 比 に よ り 調 整 す る か、 あ る い は ま た 超伝 導構 成 元 素 で な く、 電 子 ま た は 正 孔 を 導 入 す る 元 素 と 価 数の 異な る 元素 で置換 し て 調整 す る こ と を 特徴 と す る 請求 の 範 囲 第 9 項記載の超伝導素子。