JPH0266978A - 超伝導三端子素子 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、極低温で機能する超伝導体を用いた素子、特
に、第１の電極に信号を印加し、第２、第３の電極から
出力を得る超伝導三端子素子に関する。

（従来の技術） 二つの超伝導体電極をトンネル障壁を介して接合した時
、ジョセフソン効果が生じることが知られている。この
構造の素子において、接合容量を著しく小さくシ、静電
容量Ｃに貯えられる静電エネルギーｅ”／２Ｃがジョセ
フソン結合エネルギーｈＩｃ／４πｅより大きく、かつ
熱エネルギーｋＢＴより充分大きくなると、ブロッホ振
動を観測できることが１９８５年発行の雑誌アイトリプ
ルイートランザクション　オン　マグネティックス（Ｉ
ＥＥＥ　　ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎＯｎ　　Ｍａｇｎｅ
ｔｉｃｓ）第ＭＡＧ−２１巻第２号第９４３頁から第９
４６頁（以下文献１とする）もしくは１９８７年発行の
応用物理学会誌、第５６巻第８号第１０４０頁から第１
０４６頁（以下文献２とする）に述べられている。ここ
で、ｅは電子の素電荷量、ｎはブランク定数、Ｉｃはジ
ョセフソン接合の臨界電流値を示す。この微細接合にお
いて、クーパ一対電子が離散的にトンネルすることが理
論的に示されている。

第３図（ａ）、（ｂ）は、上に説明した微細接合１０１
．１０２および微細接合１０３．１０４をそれぞれ直列
に結合し、入力信号端子１１１．１１２から中間電極に
コンデンサ１０５及び抵抗１０６を介して入力信号を与
え、出力端子１１３．１１４問および出力端子１１５．
１１６間から出力を得る超伝導三端子素子の回路図を示
す。

第３図の超伝導三端子素子の回路構成は、リカレフ（Ｋ
、に、Ｌｉｋｈａｒｅｖ）等により１９８７年に発行さ
れた雑誌ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎＭ
ａｇｎｅｔ　ｉｃｓ第ＭＡＧ−２３巻、第２号第１１４
２頁から第１１４５頁（以下文献３とする）に記載され
ている単一電子トンネリングトランジスタ回路と同一で
ある。単一電子トンネリングトランジスタは常伝導体間
の微細接合を用いた場合の例であるが、超伝導体を用い
て同様な微細接合を用いた回路が示されてる。

超伝導三端子素子の入出力特性として、文献２によれば
、入力信号端子１１１．１１２に加える入力電圧により
、微細接合１０１．１０２、および微細接合１０３．１
０４に電流が流れ始める臨界電圧が変調されることが理
論的に示されている。この臨界電圧の変化を次段の超伝
導三端子素子に入力することにより機能回路が構成され
る。

微細接合を用いた超伝導三端子素子の具体的な素子構造
に関する提案は未だ見られない。前述した単一電子トン
ネリングトランジスタ回路に関しては、フルトン（Ｔ、
Ａ、Ｆｕｌｔｏｎ）等により１９８７年に発行された雑
誌フィジカルリピューレターズ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　　
ＲｅｖｉｅｗＬｅ　ｔ　ｔ　ｅ　ｒ　ｓ）の第５９巻第
１号第１０９頁から１１２頁（以下文献４とする）に、
アルミニウム電極とアルミニウム電極間に形成される２
個の微細接合を、微小電極によって接続した構造が記載
されている。単一電子トンネリングトランジスタの従来
例において、２個の微細接合が直列に接続され、それぞ
れの端子間における単一電子トンネリングによる電流電
圧特性の変調状態を微小電極に接続された第３の電極か
ら測定している。

（発明が解決しようとする課題） 微細接合を用いた超伝導三端子素子の構造の具体例は未
だ提案されていない。しかし、第４図に示すような、単
一電子トンネリングトランジスタと同様な薄膜の細線を
重ねて構成される微細接合を用いた素子構造が考えられ
る。信号入力線２０１と、第１および第２の出力線２０
２．２０３が微小電極２０４に微細接合２１１．２１２
およびコンデンサ２１３を介して接続されている。しか
し、この構成では、微細配線の重なり部分として微細接
合が形成されているため、接合面積の大きさが、露光時
の目合せ精度に依存する。従って面積の制御が非常に困
難である。特に、超伝導三端子素子は、サブミクロン以
下の微細接合を必要とするため、目合せ露光技術により
、第４図の構造の素子を、要求される精度で実現するこ
とは非常に難しかった。

本発明の目的は、製造し易くかつ素子定数の制御が簡単
な超伝導三端子素子を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明による超伝導三端子素子は、第１の超伝導体薄膜
片と、前記第１の超伝導体薄膜片に対して、互いの主平
面が有限の角度で交わる第２および第３の超伝導体薄膜
片から成り、前記第１の超伝導体薄膜片と前記第２の超
伝導体薄膜片がエツジ部で結合すると共に、前記第１の
超伝導体薄膜片の他のエツジ部と前記第３の超伝導体薄
膜片のエツジ部が結合されて構成される。

（作用） 本発明の超伝導三端子素子は、超伝導体薄膜間において
、パターンエツジの結合部に形成される微細接合を用い
て構成される。互いに結合されている二つの薄膜は、エ
ツジ接合の断面積の大きさが精度良く規定できるように
、有限の角度で交差するように配置される。２個の微細
接合を結合するベース電極は、電極の特性インピーダン
スを高く保つために、可能な限り小さく形成されている
。

信号入力線は、ベース電極にコンデンサもしくは抵抗を
介して接続される。２本の出力線は、微細接合を形成す
るもう一方の超伝導体薄膜の電極にそれぞれ接続されて
いる。

以上のような構造を有する本発明の超伝導三端子素子は
、微細接合の断面積が、超伝導体薄膜の厚さと、結合し
ている薄膜の交差角度によって規定できるので、寸法制
御が容易に行える特徴を持つ。従って、回路定数の制御
が容易に行えるので、素子の製造が容易になる。

（実施例） 本発明の第１の実施例による超伝導三端子素子の構造を
示す斜視図を第１図に示す。

本実施例の超伝導三端子素子は、超伝導体薄膜から成る
ベース電極１１と、超伝導体薄膜から成る第１の出力線
電極１２および第２の出力線電極１３とが、それぞれ微
細接合１４．１５により結合されている。ベース電極１
１を構成する薄膜は、基板２１上に設けられた基台２２
の側面に斜蒸着等により形成されている。第１および第
２の出力線電極１２．１３を構成する薄膜は、基板２１
上に直接形成される。

ベース電極１１を構成する薄膜は基板面に対してほぼ直
角に近い角度で交差している。この基板面に対するベー
ス電極薄膜の角度は、基台２２の加工方法に依存してお
り、加工方法の選択と、加工条件の制御により所望の値
に設定される。

本実施例において、ベース電極１１への信号の入力は、
基台２２の上部面に延長して形成された超伝導体薄膜に
溝を設けて形成されたコンデンサ１６を介して入力線１
７から行なわれる。他の信号入力方法として、コンデン
サ１６を常伝導体からなる抵抗に換えた構成も可能であ
る。入力用コンデンサおよび抵抗の構造に関しては上記
以外の種々の構成が考えられる。

例えばコンデンサとして超伝導薄膜で絶縁膜をはさんだ
構成等も考えられる。

次に本実施例の素子の製造方法に関して簡単に説明する
。超伝導体薄膜の傾斜構造を実現するための基台２２は
、絶縁体材料、たとえば二酸化シリコン、酸化マグネシ
ウム等の絶縁体を、通常の成膜、露光、加工技術を用い
て形成する。具体的には、電子ビーム蒸着もしくはスパ
ッタ成膜により、二酸化シリコンや酸化マグネシウム等
の絶縁体を成膜する。続いて露光プロセスによりレジス
トマスクを形成した後、反応性イオンエツチングで加工
し、基台２２を形成する。

次に基台２２のベース電極を形成する面が影となりかつ
基板の主平面とは４５度以上の角度を持つ方向から、超
伝導体、例えばＮｂや酸化物超伝導体を電子ビーム蒸着
する。その後、露光・現像プロセスによりレジストマス
クを形成し、反応性イオンエツチングで超伝導体薄膜を
加工し第１および第２の出力線電極１２．１３を形成す
る。

次に、基板の主平面にほぼ平行でかつベース電極を形成
する面のみを見込む方向から、超伝導体を電子ビーム蒸
着し、ベース電極を形成する。成膜方向が基板面と平行
方向であるので基板面上への超伝導体の堆積は生じない
。この時、超伝導体膜は、ベース電極面にだけ堆積する
ので、その後の露光・現像・加工プロセスによるベース
電極のパターン化の工程は省略できる。

本発明の第２の実施例による超伝導三端子素子の構造を
示す斜視図を第２図に示す。

本実施例の超伝導三端子素子は、第１の実施例の素子と
ベース電極１１の形状を除いて同一に構成されている。

即ち本実施例の素子は、ベース電極１１、第１および第
２の出力線電極１２．１３、微細接合１４．１５、コン
デンサ１６、入力線１７がそれぞれ基板２１および基板
２１上に形成され溝の壁面に構成されている。

本実施例の素子は、基板の溝の加工以外は第１の実施例
と同様の方法を用いることにより製造される。本実施例
の素子の製造は、次のように行われる。

基板の溝の外形を規定する窓明き状のレジストマスクを
、通常の露光・現像プロセスにより製作する。次にフッ
酸と硝酸の混合によって作られたエツチング液を用いて
シリコン基板２１を結晶面異方性エツチングにより加工
する。７リコン基板２１の表面が（１００）而である時
、約５４．７度の傾斜を持ってシリコン基板２１がエッ
チングされ、ベース電極１１を形成する而と、第１およ
び第２の出力線電極を形成する面とを存するＶ字状の溝
が形成される。

次に通常の露光・現像プロセスにより、ベース電極を反
転したレジストマスクを形成する。出力線電極を形成す
る而とほぼ平行な方向から超伝導体を電子ビーム蒸着に
より成膜し、続いて８１０２膜をスパッタ法で成膜した
後、リフトオフしてベース電極１１を形成する。

続いて第１および第２の出力線電極を反転したレジスト
マスクを通常の露光・現像プロセスにより形成する。ベ
ース電極１１の面とほぼ平行な方向から超伝導体を電子
ビーム蒸着により成膜した後、リフトオフして第１およ
び第２の出力線電極１２．１３を形成する。

シリコン基板２１の主表面上のパターンおよび信号入力
用コンデンサ１６は、この後、レジストマスクを用いた
反応性イオンエツチングにより加工される。

以上で述べた以外にも、超伝導体薄膜のエツジ間に形成
される微細接合を２個直列接続した構造として上述のベ
ース電極と出力線電極の配置を入換えた構成、２つの超
伝導体薄膜の交差角度の異なる構成も本発明に含まれる
。前述の２つの実施例より交差角度を許容誤差範囲内で
浅くしてもよい。

（発明の効果） 本発明によれば、超伝導体薄膜と超伝導体薄膜のエツジ
間に形成された微細接合を用いた超伝導三端子素子が形
成できる。超伝導体薄膜間のエツジ接合を超伝導三端子
素子の微細接合として用いているので、接合の寸法が超
伝導体薄膜の膜厚と交差角度によって制御でき、高い加
工精度が得られる。従って、再現性良く、素子を製造す
ることができ、回路の集積化が容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明の第１および第２の実施
例による超伝導三端子素子の構造を示す斜視図、第３図
（ａ）（ｂ）は、超伝導三端子素子の回路図、第４図は
、超伝導三端子素子の構造を示す斜視図である。 １１・・・ベース電極、１２・・・第１の出力線電極、
１３・・・第２の出力線電極、１４．１５・・・微細接
合、１６・・・コンデンサ、１７・・・入力信号線、２
１・・・基板、２２・・・基台、１０１〜１０４・・・
微細接合、１０５・・・コンデンサ、１０６・・・抵抗
、１１Ｌ１１２・・・入力信号端子、１１３〜１１６・
・・出力端子、２０１・・・入力信号線、２０２・・・
第１の出力線、２０３・・・第２の出力線、２０４・・
・微小電極、２１１．２１２・・・微細接合、２１３・
・・コンデンサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　第１の超伝導体薄膜片と、前記第１の超伝導体薄膜片
   に対して、互いの主平面が有限の角度で交わる第２およ
   び第３の超伝導体薄膜片から成り、前記第１の超伝導体
   薄膜片と前記第２の超伝導体薄膜片がエッジ部で結合す
   ると共に、前記第１の超伝導体薄膜片の他のエッジ部と
   前記第３の超伝導体薄膜片のエッジ部が結合されている
   ことを特徴とした超伝導三端子素子。