JPH0577316B2 - - Google Patents

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JPH0577316B2
JPH0577316B2 JP62095855A JP9585587A JPH0577316B2 JP H0577316 B2 JPH0577316 B2 JP H0577316B2 JP 62095855 A JP62095855 A JP 62095855A JP 9585587 A JP9585587 A JP 9585587A JP H0577316 B2 JPH0577316 B2 JP H0577316B2
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superconducting
superconducting material
oxide superconducting
impurity
control electrode
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Shunpei Yamazaki
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N60/01Manufacture or treatment
    • H10N60/0268Manufacture or treatment of devices comprising copper oxide
    • H10N60/0661Processes performed after copper oxide formation, e.g. patterning
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 「発明の利用分野」 本発明はセラミツクス系超電導(超伝導とも表
す)材料を用いた固体電子デイバイスの作製方法
に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Application of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a solid-state electronic device using a ceramic superconducting (also referred to as superconducting) material.

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)素子の作製方法に関する。本
発明は、かかる素子に増幅機能、スイツチ機能を
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。
The present invention relates to a method for manufacturing a four-terminal (including three-terminal) element having an input terminal and an output terminal. The present invention provides such an element with an amplifying function and a switching function, and also detects an output signal from the output by applying an input signal to a control input.

「従来の技術」 従来、超電導材料、例えばNb−Ge系(例とし
てはNb3Ge)等の金属材料を用いて固体電子デ
イバイスを作る試みがなされてきた。
"Prior Art" Conventionally, attempts have been made to fabricate solid-state electronic devices using superconducting materials, such as metal materials such as Nb-Ge (Nb 3 Ge, for example).

その代表がジヨセフソン素子である。このジヨ
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、スイツチングを行わんとするも
ので、2端子回路よりなつている。
A typical example is the Josephson device. This Josephson element attempts to perform switching by combining superconductivity and tunnel current phenomena, and consists of a two-terminal circuit.

「従来の問題点」 しかし、かかるジヨセフソン素子は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。
"Conventional Problems" However, since such a Josephson device is a two-terminal circuit device, the input signal and output signal cannot be used as independent signals. For this reason, when considering industrial applications, although it has the feature of being able to operate at ultra-high frequencies, circuit design is extremely difficult, and it is difficult to use the design technology that has been cultivated in conventional semiconductor integrated circuits. It has the disadvantage that it cannot.

特に2端子素子であるため、信号の増幅機能を
有さず、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。
In particular, since it is a two-terminal element, it does not have a signal amplification function, and the signal is attenuated slightly from the input end to the output end in the entire system, making it impossible to achieve a so-called gain of 1 or more. It has major drawbacks.

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。
The present invention aims to eliminate such drawbacks, operate at very high frequencies, and provide a four-terminal circuit element, that is, a control electrode for applying an input signal and an electrode for deriving an output signal.

「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
ラミツク材料(セラミツクス)を用いた4端子固
体電子素子(デイバイス)構造を有せしめるもの
である。
"Means to Solve the Problem" In order to solve the problem, the present invention provides a four-terminal solid-state electronic element (device) structure using superconducting ceramic material (ceramics).

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ツクスを設け、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の超電導セラミツクスを設ける。そしてその
セラミツクスの一方および他方には抵抗が零にな
る第2の超電導セラミツクスを設けている。
In the present invention, a superconducting ceramic is provided on a substrate having a non-superconducting insulating surface, and a first superconducting ceramic having a finite resistance at an operating temperature is provided in a partial region thereof. A second superconducting ceramic having zero resistance is provided on one and the other of the ceramics.

この有限抵抗を有するセラミツクスは、超電導
性セラミツ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の超電導性セラミツクスの上面また
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
ツクスとの間に、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。
Ceramics with finite resistance are made by adding impurities to superconducting ceramics, and the impurities weakly destroy the superconductivity. Furthermore, a control electrode is provided on the upper or lower surface of the first superconducting ceramic to control the current flowing therethrough. Between this control electrode and the ceramics, there is a coating that should prohibit the transfer of current.
In particular, an insulating film is provided.

本発明は、有限抵抗を有する第1の超電導性セ
ラミツクスは抵抗零の第2の超電導性セラミツク
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。
In the present invention, the first superconducting ceramic having finite resistance uses the same components as the second superconducting ceramic having zero resistance, and impurities are added thereto by ion implantation or the like.

この不純物は超電導セラミツクスを構成する元
素、例えばY(イツトリユーム)、銅(Cu)、バリ
ユーム(Ba)、酸素(O)であつてもよい。かかる不
純物は、超電導を呈する化学良論比を狂わせる程
度に多量に添加する必要がある。具体的には5×
1019〜5×1021cm-3のオーダである。
This impurity may be an element constituting the superconducting ceramic, such as Y (yttrium), copper (Cu), barium (Ba), or oxygen (O). Such impurities need to be added in large amounts to the extent that they disturb the chemical stoichiometric ratio that exhibits superconductivity. Specifically 5×
It is on the order of 10 19 to 5×10 21 cm −3 .

また、他の不純物として鉄(Fe)、ニツケル
(Ni)、コバルト(Co)、珪素(Si)、ゲルマニユ
ーム(Ge)、ホウ素(B)、アルミニユーム(Al)、
ガリユーム(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5×1015〜3×1020cm-3
とした。
In addition, other impurities include iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), silicon (Si), germanium (Ge), boron (B), aluminum (Al),
There is one or more types selected from galium (Ga), phosphorus (P), and arsenic (As). In such a case, the concentration of the impurity is between 5×10 15 and 3×10 20 cm -3
And so.

本発明の超電導素子においては、第1の超電導
性セラミツクスとするため、第2の超電導セラミ
ツ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オンセツ
トはあまり変わらない。その結果、Tcオンセツ
トとTcoとの差が広がり、一般に10K以上を有せ
しめ得る。
In the superconducting element of the present invention, impurities are added to the second superconducting ceramic to form the first superconducting ceramic. This allows Tco
(the temperature at which resistance becomes zero) decreases, but Tc onset does not change much. As a result, the difference between Tc onset and Tco widens and can generally be greater than 10K.

このための差が1K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ツク材料のほうが
より好ましい。
Ceramic materials are more preferred for use in the device of the present invention than conventionally known metallic superconducting materials, which have a difference of only 1K or less.

本発明は、一対の出力用の超電導セラミツクス
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。
The present invention has a sufficiently large electric resistance between electrodes connected between a pair of output superconducting ceramics.
Preferably the electrical resistance of the first superconducting material is 10
A coating having an electrical resistance more than double that is provided on the upper surface, lower surface, or both surfaces.

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、超電導性セラミツクスの電気抵抗よ
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ツクス
に電圧を印加する。このセラミツクスは、完全に
超電導を有する状態とまつ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オンセツトTcoとの
間の温度領域の状態)であるため、自らのポテン
シヤルを入力の制御用電極に加えられた電圧に従
つて変化、制御させることができる。
In the present invention, a film, preferably an insulating film, having an electrical resistance sufficiently higher than the electrical resistance of the superconducting ceramic is provided between the control electrode and the superconducting film, and a voltage is applied from the control electrode, which is an input terminal. Then, a voltage is applied to the superconducting ceramic underneath. This ceramic is produced in an intermediate state between completely superconducting and completely non-superconducting (partly superconducting and partially non-superconducting, that is, at a temperature between Tc onset and Tco). (region state), it is possible to change and control its own potential according to the voltage applied to the input control electrode.

本発明に用いられる制御用電極とセラミツクス
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構上において無視させ
得るならば、除去してしまつても、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。
The insulating properties of the coating interposed between the control electrode and the ceramic used in the present invention can be removed even if the current applied to the input signal can be ignored in terms of the mechanism. It is also possible to use a coating whose resistance is 10 times or less.

本発明において、この超電導性セラミツクス
は、制御用電極が第1図AまたはBに示す如く、
1つのみであつた場合、その反対面にまでポテン
シヤルの変更をせしめ得べく、0.01〜10μmと比
較的薄くすることが重要である。また制御用電極
をこのセラミツクスの上下に第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倍であつてもよい。
In the present invention, the superconducting ceramic has a control electrode as shown in FIG. 1A or B.
If there is only one layer, it is important to make it relatively thin, 0.01 to 10 μm, so that the potential can be changed even on the opposite side. In addition, when two control electrodes are provided above and below the ceramic as shown in FIG. 1C, the thickness may be 0.1 to 50 μm, which is about 5 times the thickness on average.

第1図A,B,Cは本発明の固体素子の縦断面
図を示す。
1A, B, and C show longitudinal cross-sectional views of the solid-state device of the present invention.

第1図における第2を超電導セラミツクス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Tco28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。
2 in Fig. 1 is superconducting ceramics 3,
5 uses characteristic 16 in characteristics 3 and 5 in FIG. With this characteristic, Tco28 has a resistance of zero or a value sufficiently close to zero at the operating temperature (liquid nitrogen temperature in this case) of the solid state element of the present invention.

本発明では第2の超電導性セラミツクスを全体
に形成し、所望の形状にフオトエツチングする。
この後この第1の超電導性セラミツクスを作るた
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の超電導性セラミツクス
のTco28とは異なるTco26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、チヤネルの長さをフオトリソグラフイ技
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5×1015〜3×1021cm-3とし、この深
さ方向においてこの膜を横切つて注入する。さら
にこれら全体を400〜1000℃、例えば600℃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。かくして、
第1図における第1の超電導性セラミツクス4
は、例えば第3図における超電導セラミツクスの
温度−固有抵抗特性における曲線4を用いる。こ
れはTco26とTcオンセツト25との中間領域
を用いる。
In the present invention, a second superconducting ceramic is formed over the entire surface and photoetched into a desired shape.
Thereafter, impurities were selectively added only to this region in order to produce the first superconducting ceramic.
Only this region was made to have a Tco26 different from Tco28 of the second superconducting ceramic. The width of this impurity addition is 0.01 to 5μ, preferably 0.1 to 5μ
The length of the channel was made as short as possible, 1μ, using photolithography technology. The impurity by ion implantation is 5×10 15 to 3×10 21 cm −3 and is implanted across the film in the depth direction. Furthermore, the whole was annealed in oxygen at 400 to 1000°C, for example 600°C, for 10 hours to oxidize the impurities and adjust the crystal structure. Thus,
First superconducting ceramic 4 in FIG.
For example, curve 4 of the temperature-specific resistance characteristics of superconducting ceramics in FIG. 3 is used. This uses the intermediate region between Tco 26 and Tc onset 25.

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の超電導性セラミツク
ス4および第2の超電導セラミツクス3および5
よりなるセラミツクス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。
In FIG. 1A, a first superconducting ceramic 4 and a second superconducting ceramic 3 and 5 on a substrate 1 having a non-superconducting insulating surface are shown.
The ceramics 2 is made up of: A pair of output electrodes 8 and 9 (not shown in the drawing) may be provided at the left and right ends in the drawing. Further, a coating 11 is provided under the control electrode 10.

第1図Aは制御用電極10が第1の超電導性セ
ラミツクス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
性セラミツクス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。
In FIG. 1A, the control electrode 10 is provided on the upper side of the first superconducting ceramic 4, and in FIG. 1B, it is provided on the lower side. In FIG. 1C, coatings are provided on both the upper and lower surfaces of the superconducting ceramic 4, and control electrodes 10 and 10' are provided, respectively.

第1図Bの作製方法は、非超電導表面を有する
基体上に制御用電極を設け、この電極を覆つて十
分電気抵抗の大きい被膜を形成する。次にこれら
全体に第2の超電導セラミツクスを形成する。そ
の後、制御用電極上面のみを残し、他をフオトマ
スクで覆い、イオン注入法により不純物を添加す
る。さらにこのフオトレジストを除去した後、全
体を酸素雰囲気で加熱酸化し、第1の超電導セラ
ミツクスを構成せしめる。その他は第1図Aと同
様である。
In the manufacturing method shown in FIG. 1B, a control electrode is provided on a substrate having a non-superconducting surface, and a film having a sufficiently high electrical resistance is formed to cover this electrode. Next, a second superconducting ceramic is formed over the entire structure. Thereafter, only the upper surface of the control electrode is left, the rest is covered with a photomask, and impurities are added by ion implantation. After removing this photoresist, the entire structure is heated and oxidized in an oxygen atmosphere to form a first superconducting ceramic. The rest is the same as in FIG. 1A.

第2図Cは第2図Bの構成をせしめた後、再び
このセラミツクス上に絶縁膜を形成し、さらに他
の制御用電極を設けたものである。
In FIG. 2C, after the structure shown in FIG. 2B has been formed, an insulating film is again formed on this ceramic, and another control electrode is provided.

「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
をスイツチング用素子、増幅機能を有する素子と
して用いることができる。
"Operation" With such a structure, the input signal and the output signal can be controlled as independent functions, and this element can be used as a switching element or an element having an amplification function.

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。
The present invention makes it possible to create a plurality of solid-state devices on the same substrate, and when trying to create a superconducting integrated circuit by connecting such devices based on design logic, the mutual wiring can be created with zero resistance. I can do it.

以下に図面に従つて実施例を説明する。 Examples will be described below with reference to the drawings.

実施例 1 この実施例は第1図Aの構造を示す。Example 1 This embodiment shows the structure of FIG. 1A.

基板としてYSZ(イツトリユーム・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、スパツタ法、MBE(モレキユラ・
ビーム・エピタキシヤル)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、(A1-xBx)yCuzOw、x=
0〜1、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(イツトリユーム)、
Gu(ガドリニユーム)、Yb(イツテルビユーム)、
Eu(ユーロピユーム)、Tb(テルビユーム)、Dy
(ジスプロシユーム)、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
a族の1つまたは複数種類より選ばれるBはRa
(ラジユーム)、Ba(バリユーム)、Sr(ストロンチ
ユーム)、Ca(カルシユーム)、Mg(マグネシユー
ム)、Be(ベリリユーム)の元素周期表a族よ
り選ばれる。特にその具体例として(YBa2
Cu3O68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。尚、明細書における
元素周期表は理化学辞典(岩波書店1963年4月1
日発行)によるものである。
YSZ (yttrium stabilized zircon) was used as the substrate. This can be applied using the screen printing method, sputtering method, MBE (Molecular
Beam epitaxial) method, CVD (vapor phase reaction)
A superconducting material is formed using a method or the like. As an example of this superconducting material, (A 1-x Bx)yCuzOw, x=
0-1, y=2.0-4.0 preferably 2.5-3.5, z=
1 to 4, preferably 1.5 to 3.5, W=4 to 10, preferably 6 to 8. A is Y (Itztriyum),
Gu (Gadolinium), Yb (Itterbiyum),
Eu (europium), Tb (terubium), Dy
(dysprosium), Ho (holmium), Er (erbium), Tm (thulium), Lu (lutetium),
B selected from Sc (scandium) or one or more other elements in group a of the periodic table is Ra
(radium), Ba (barium), Sr (strontium), Ca (calcium), Mg (magnesium), Be (beryllium), group A of the periodic table of elements. Especially as a specific example (YBa 2 )
Cu3O6-8 was used . Further, as A, a lanthanide element or an actinide element other than the above-mentioned elements in the periodic table of elements can be used. In addition, the periodic table of elements in the specification is from the Physical and Chemistry Dictionary (Iwanami Shoten April 1, 1963).
(Published on 2017).

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の超電導セラミツクスとして第
3図特性3,5を得ることができた。
Simultaneously with or after this formation, 600-1200℃
It was fabricated by thermal annealing at a temperature of 5 to 20 hours. In this way, properties 3 and 5 in Figure 3 could be obtained as a second superconducting ceramic.

次に公知のフオトリソグラフイを用いる。即ち
第1図Aにおいて領域5,6上にフオトレジスト
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
うした。不純物であるアルミニユーム、珪素また
は鉄を5×1015〜3×1021cm-3、例えば5×1019
cm-3の濃度に添加した。この後フオトレジストを
除去し、さらにこれら全体にアルミニユームを50
〜500Å、例えば100Å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
て全面アルミニユームを酸化し、酸化アルミニユ
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。
Next, known photolithography is used. That is, in FIG. 1A, a photoresist is provided on regions 5 and 6, and impurities are selectively added only to region 4 where there is no resist by ion implantation. Impurities such as aluminum, silicon or iron are contained in an amount of 5×10 15 to 3×10 21 cm -3 , e.g. 5×10 19
It was added to a concentration of cm -3 . After this, the photoresist is removed and aluminum is applied over the entire area.
Vacuum evaporation or light deposition to ~500Å, e.g. 100Å thickness
Formed by CVD method. Thereafter, the entire aluminum is oxidized in an oxidizing atmosphere at a temperature of about 400 to 1000 degrees Celsius, for example, 700 degrees Celsius, to form the aluminum oxide insulating film 11, and impurities added by ion implantation are oxidized to insulate the aluminum. transformed into a thing. As a result, as shown in FIG. 3, the Tco of region 4 was made to be only partially in the region of finite resistance with superconducting property 15.

この不純物の添加は、第2の超電導セラミツク
スを構成させる元素を用い、x、y、z、wの値
を変化させ、同じ処理を行つて第1の超電導性セ
ラミツ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オンセツト25をTco′より下
げた。かくして第3図曲線4を得た。
It is effective to add this impurity by using the elements constituting the second superconducting ceramic, changing the values of x, y, z, and w, and performing the same process to obtain the first superconducting ceramic. Using such a method, Tc onset 25 was lowered below Tco'. Thus, curve 4 in Figure 3 was obtained.

次に制御用電極10を他の第2の超電導セラミ
ツ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ツクス薄膜
に密接し、オーム接触がなされるべくした。
Next, the control electrode 10 was manufactured using the same superconducting ceramic as the other second superconducting ceramic by the same method. The output electrode was placed in close contact with the ceramic thin film to make ohmic contact.

第2図はこの実施例での動作を示す。 FIG. 2 shows the operation of this embodiment.

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(ポテンシヤル)を示
す。
In this drawing, the horizontal axis indicates distance corresponding to FIG. 1, and the vertical axis indicates energy level (potential).

第2図Aにおいて、第2の超電導セラミツク
ス、即ち出力の他端5に電圧を印加する。すると
ポテンシヤル30を得る。その結果、電子は2
0,20′の双方に量子論的に波動性において存
在するが、20の方が十分大きいため、電流とし
ては22として観察される。
In FIG. 2A, a voltage is applied to the second superconducting ceramic, ie the other end 5 of the output. Then you will get a potential of 30. As a result, the electron is 2
0 and 20' exist in quantum theoretical wave nature, but since 20 is sufficiently larger, it is observed as 22 as a current.

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。
In FIG. 2A, no voltage is applied to the control electrode.

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の超電導セラミツクス即ち領
域4のポテンシヤル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2
0は障壁のため極端に小さくなる。かくして、第
2の超電導セラミツクスの領域3より他の第2の
超電導セラミツクスの領域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。
In FIG. 2B, a negative voltage is applied to the control electrode. The potential 21 of the first superconducting ceramic, region 4, then moves from 24 in FIG. 2A to 24' in FIG. 2B. As a result, 20' becomes even smaller in relation to the formed barrier, and 20'
0 is extremely small because it is a barrier. Thus, when a voltage 30 is applied between the pair of output electrodes to cause a current 22' to flow from the region 3 of the second superconducting ceramic to the other region 5 of the second superconducting ceramic, the current is substantially It becomes difficult to flow and its value is suppressed.

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。
As a result, current 22' becomes smaller when a negative voltage is applied to the control electrode.

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。電子の繊維確率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に見掛け上のポテンシヤルに移つた後、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。
Further, FIG. 2C shows the case where a positive voltage 21' is applied to the control electrode. The electron fiber probability 20' increases, and conversely 20 decreases. However, this well in region 4 is filled with electrons, and the barrier at 24'' virtually disappears after moving to the apparent potential at 25.As a result, a current 22'' equal to or close to that of Figure 2A flows. .

かくして入力信号のポテンシヤルにより出力電
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
らば増巾をしたこととなり、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
に示す如くにして加えれば、その電流より電圧と
して検出できる。即ちインバータを作り得る。
In this way, the output current can be detected based on the potential of the input signal. At this time, if the resistance of the film under the control electrode is sufficient and the output signal can be extracted larger than the energy structure for supplying the input signal, then the width has been increased, and it is a 4-terminal element and can be used as an amplifier. obtain. If you want to detect this output as a voltage, connect a resistor in series with the output as shown in Figure 2A.
If it is added as shown in the figure, the current can be detected as a voltage. In other words, an inverter can be made.

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
セラミツクス4および第2の超電導セラミツクス
3,5の実際のデータを示す。
Although FIG. 3 has already been explained in connection with FIG.
Actual data of the first superconducting ceramic 4 and the second superconducting ceramics 3, 5 made to carry out the present invention are shown.

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の超電導性セラミツクス4では超電導
がおきるTcオンセツ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オンセツトおよびTcoとの
間の10%および90%をここではTc10,Tc90とし
て示している。本発明の超電導素子は、Tcオン
セツトとTcoとの間であればよいが、動作をより
安定化するため、Tc10,Tc90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〜Tc10の間の特性を用いると好まし
い。
In the drawings, the horizontal axis represents absolute temperature (K), and the vertical axis represents specific resistance. This data measures up to 4.2K. However, as is clear from this drawing, in the first superconducting ceramic 4, the specific resistance gradually decreases at a temperature lower than the Tc onset at which superconductivity occurs, and the resistance becomes zero below the temperature Tco at which the resistance becomes zero. The 10% and 90% between this Tc onset and Tco are shown here as Tc 10 and Tc 90 . The superconducting element of the present invention may have any value between Tc onset and Tco, but it is preferable to use Tc 10 and Tc 90 in order to further stabilize the operation. Further, in order to increase the operating speed, it is preferable to use a characteristic between Tco and Tc 10 .

さらに第2の超電導セラミツクス3,5も同様
にTcオンセツト27、Tco′28を構成している。
Further, the second superconducting ceramics 3 and 5 similarly constitute the Tc onset 27 and Tco'28.

第3図において、Tco26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。
In FIG. 3, Tco26 can be varied by controlling the type and amount of impurities added to the material.

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つても再現性を有し
ていた。実施例1の実験は液体窒素温度30で実
験したものである。
This data was highly reproducible when changing the temperature from a high temperature side to a low temperature side, and from a low temperature side to a high temperature side. The experiment of Example 1 was conducted at a liquid nitrogen temperature of 30°C.

「効果」 本発明はこれまで2端子素子であつた超電導素
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ヤルの変化する
TcオンセツトとTcoとの中間の状態を広い温度
範囲で有する第1の超電導性セラミツクスを設
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の超電導セラミツ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つて出
力電流を増幅し、かつ制御させることが可能とな
つた。
"Effects" The present invention consists in changing the superconducting element, which has hitherto been a two-terminal element, to a four-terminal element. Under this control electrode, the potential changes with this electrode.
In order to provide a first superconducting ceramic that has a state intermediate between Tc onset and Tco over a wide temperature range, and to configure its electrodes and leads,
In such a temperature range, the interconnection is made of a second superconducting ceramic whose resistance is zero or sufficiently close to zero. In this way, it has become possible to amplify and control the output current according to the voltage of the control electrode.

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つた。
Therefore, it has become possible to provide a large number of these superconducting solid-state devices on the same substrate and integrate them.

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。
Although one control electrode is shown in the present invention, two or more control electrodes may be provided in series or in parallel.

本発明において、超電導材料としてセラミツク
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〓以上ある材料であれば、酸化物
セラミツ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。
In the present invention, a ceramic material was used as the superconducting material. However, as is clear from the technical concept of the present invention, any material having a wide temperature range between Tc and Tco, preferably 10〓 or more, does not need to be an oxide ceramic and can be selected arbitrarily. Needless to say.

本発明において、超電導性セラミツクスという
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つ
ても、また単結晶であつてもよいことは、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させればよい。
In the present invention, the title superconducting ceramics is used. However, this is due to the fact that the superconducting material is an oxide. It is clear from the technical concept of the present invention that the crystal structure may be polycrystalline or single crystalline. In particular, in the case of a single crystal structure, when using a superconducting material, it is sufficient to epitaxially grow it on the substrate.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

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
有するセラミツクスの温度特性例を示す。
FIG. 1 shows a longitudinal cross-sectional view of a superconducting solid-state device of the present invention. FIG. 2 shows the operating principle of the superconducting solid state device of the present invention. FIG. 3 shows an example of the temperature characteristics of ceramics having superconducting properties used in the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 非超電導性表面を有する基体上に酸化物超電
導材料を形成する工程と、 該酸化物超電導材料の一部領域に選択的に不純
物を添加して前記酸化物超電導材料より低いTcp
を有せしめる工程と、 前記一部領域上に制御用電極を形成する工程と
を有し、 前記不純物は前記酸化物超電導材料の構成元素
より選ばれた元素、または鉄(Fe)、ニツケル
(Ni)、コバルト(Co)、珪素(Si)、ゲルマニユ
ーム(Ge)、ホウ素(B)、アルミニユーム(Al)、
ガリユーム(Ga)、リン(P)、砒素(As)より選
ばれた元素であり、 前記酸化物超電導材料の構成元素より選ばれた
不純物は、その添加濃度が5×1019〜5×1021cm
-3であり、 前記鉄(Fe)、ニツケル(Ni)、コバルト
(Co)、珪素(Si)、ゲルマニユーム(Ge)、ホウ
素(B)、アルミニユーム(Al)、ガリユーム(Ga)、
リン(P)、砒素(As)より選ばれた不純物は、そ
の添加濃度が5×1015〜5×1020cm-3であること
を特徴とする超電導素子の作製方法。 2 特許請求の範囲第1項において、制御用電極
は酸化物超電導材料を覆つて酸化物超電導材料よ
り十分大きい電気抵抗を有する被膜を形成した後
に形成することを特徴とする超電導素子の作製方
法。 3 非超電導性表面を有する基体上に制御用電極
を形成する工程と、 前記基体上および前記電極上に酸化物超電導材
料を形成する工程と、前記制御用電極上の酸化物
超電導材料に不純物を添加し、前記酸化物超電導
材料より低いTcoを有せしめる工程とを有し、 前記不純物は前記酸化物超電導材料の構成元素
より選ばれた元素、または鉄(Fe)、ニツケル
(Ni)、コバルト(Co)、珪素(Si)、ゲルマニユ
ーム(Ge)、ホウ素(B)、アルミニユーム(Al)、
ガリユーム(Ga)、リン(P)、砒素(As)より選
ばれた元素からなり、 前記酸化物超電導材料の構成元素より選ばれた
不純物は、その添加濃度が5×1019〜5×1021cm
であり、 前記鉄(Fe)、ニツケル(Ni)、コバルト
(Co)、珪素(Si)、ゲルマニユーム(Ge)、ホウ
素(B)、アルミニユーム(Al)、ガリユーム(Ga)、
リン(P)、砒素(As)より選ばれた不純物は、そ
の添加濃度が5×1015〜5×1020cm-3であること
を特徴とする超電導素子の作製方法。 4 特許請求の範囲第3項において、酸化物超電
導材料は制御用電極上に酸化物超電導材料よりも
十分抵抗の大きい被膜を形成した後に形成するこ
とを特徴とする超電導素子の作製方法。
[Claims] 1. A step of forming an oxide superconducting material on a substrate having a non-superconducting surface, and selectively adding an impurity to a partial region of the oxide superconducting material to make the oxide superconducting material thinner. Low T cp
and a step of forming a control electrode on the partial region, and the impurity is an element selected from the constituent elements of the oxide superconducting material, iron (Fe), nickel (Ni), etc. ), cobalt (Co), silicon (Si), germanium (Ge), boron (B), aluminum (Al),
The impurity is an element selected from gallium (Ga), phosphorus (P), and arsenic (As), and the impurity selected from the constituent elements of the oxide superconducting material has an additive concentration of 5×10 19 to 5×10 21 cm
-3 , and the above-mentioned iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), silicon (Si), germanium (Ge), boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga),
A method for producing a superconducting element, wherein the impurity selected from phosphorus (P) and arsenic (As) has an additive concentration of 5 x 1015 to 5 x 1020 cm -3 . 2. A method for producing a superconducting element according to claim 1, characterized in that the control electrode is formed after forming a film covering the oxide superconducting material and having a sufficiently higher electrical resistance than the oxide superconducting material. 3. Forming a control electrode on a substrate having a non-superconducting surface; Forming an oxide superconducting material on the substrate and the electrode; and adding impurities to the oxide superconducting material on the control electrode. the impurity is an element selected from the constituent elements of the oxide superconducting material, or iron (Fe), nickel (Ni), cobalt ( Co), silicon (Si), germanium (Ge), boron (B), aluminum (Al),
The impurity is made of an element selected from gallium (Ga), phosphorus (P), and arsenic (As), and the impurity selected from the constituent elements of the oxide superconducting material has an additive concentration of 5×10 19 to 5×10 21 cm
The above iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), silicon (Si), germanium (Ge), boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga),
A method for producing a superconducting element, wherein the impurity selected from phosphorus (P) and arsenic (As) has an additive concentration of 5 x 1015 to 5 x 1020 cm -3 . 4. A method for manufacturing a superconducting element according to claim 3, characterized in that the oxide superconducting material is formed after forming a film having a sufficiently higher resistance than the oxide superconducting material on the control electrode.
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