JPH0587154B2

JPH0587154B2 -

Info

Publication number: JPH0587154B2
Application number: JP62097973A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1987-04-20
Filing date: 1987-04-20
Publication date: 1993-12-15
Also published as: JPS63262877A

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イバイスに関する。

本発明は、入力端子と出力端子とを有する横接
合型ジヨ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。

「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。

その代表が第１図に示す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。

このジヨ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
のであつた。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、ジヨ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
つた。そしてこの表面またはその近傍で超電導性
すらなくなつてしまう場合があつた。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、従来のジヨ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。

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ヨ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、超電導材料を横切つ
て動作をさせるべき所望の温度で有限抵抗を有す
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（Ｏ）であつてもよい。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５×
10¹⁹〜５×10²²cm^-3のオーダである。

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）、ゲルマニウ
ム（Ge）、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５×10¹⁸
〜６×10²²cm^-3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
性材料を横切つて（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（図面
の左右方向）を可能なかぎり薄くし、ジヨセフソ
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。

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。

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、所望の形状にフオトエツチングする。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
10〜1000Å好ましくは50Å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５×10¹⁸〜３×
10²²cm^-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
℃、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。

かくしてジヨ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。

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。

以下に図面に従つ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、（A_1-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（イツテルビウム）、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ａ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ａ族より
選ばれる。特にその具体例として（YBa₂）Cu₃
O₆〜₈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
にした。不純物であるアルミニウム、珪素または
鉄を５×10¹⁵〜３×10²¹cm^-3、例えば５×10¹⁹cm^-
^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ウムを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，ｙ，ｚ，ｗの値
を変化させ、同じ処理を行つて第１の酸化物超電
導性材料とすることは有効である。

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ツク薄膜に
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。

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。

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°K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。

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
す。第２図は本発明の超電導固体素子の縦断面図
を示す。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

【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
添加され所望の温度領域で完全な超電導を有する
状態と全く超電導を有さない状態との中間状態を
有する第１の酸化物超電導性材料と、該材料の一
方および他方に接して設けられた前記所望の温度
領域で完全な超電導を有する第２の酸化物超電導
性材料とを有し、前記第１の酸化物超電導材料
は、トンネル電流を流し得る厚さを有することを
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ａ族およびａ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）、ニツケル（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）、ガリユーム（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。