JPH09307148A - 高温超電導単結晶体型ボルテックスフロー素子及びその作製方法 - Google Patents
高温超電導単結晶体型ボルテックスフロー素子及びその作製方法Info
- Publication number
- JPH09307148A JPH09307148A JP8143491A JP14349196A JPH09307148A JP H09307148 A JPH09307148 A JP H09307148A JP 8143491 A JP8143491 A JP 8143491A JP 14349196 A JP14349196 A JP 14349196A JP H09307148 A JPH09307148 A JP H09307148A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- single crystal
- vortex flow
- temperature superconductor
- axis
- crystal body
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Logic Circuits (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高温超電導体単結晶体を用い、ボルテックス
フローの原理に基づき、新規で実用的なボルテックスフ
ロー素子の構造とその作製方法を提供する。 【解決手段】 高温超電導体単結晶小体と、この高温超
電導体単結晶小体のｃ軸方向の両端部に接合した一対の
電極と、高温超電導体単結晶小体に対してｃ軸と直交す
る方向に磁界を印加する励磁手段とを備え、前記一対の
電極間に超電導状態で電流が流れている状態で前記励磁
手段によって高温超電導体小体に磁界を印加した時に前
記一対の電極間に電圧を発生させる高温超電導単結晶体
型ボルテックスフロー素子において、前記高温超電導体
単結晶小体が基板表面上に設けられ、この高温超電導体
単結晶小体のａ軸とｂ軸とを含むａｂ面がこの基板に対
して直交して設けられたもの。
フローの原理に基づき、新規で実用的なボルテックスフ
ロー素子の構造とその作製方法を提供する。 【解決手段】 高温超電導体単結晶小体と、この高温超
電導体単結晶小体のｃ軸方向の両端部に接合した一対の
電極と、高温超電導体単結晶小体に対してｃ軸と直交す
る方向に磁界を印加する励磁手段とを備え、前記一対の
電極間に超電導状態で電流が流れている状態で前記励磁
手段によって高温超電導体小体に磁界を印加した時に前
記一対の電極間に電圧を発生させる高温超電導単結晶体
型ボルテックスフロー素子において、前記高温超電導体
単結晶小体が基板表面上に設けられ、この高温超電導体
単結晶小体のａ軸とｂ軸とを含むａｂ面がこの基板に対
して直交して設けられたもの。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸化物高温超電導
体単結晶を用いたボルテックスフロー素子に関するもの
である。より具体的には、外部より超電導体内に侵入し
た磁界が形成する磁束量子、すなわちボルテックス
（渦）が磁界と直交するボルテックス駆動電流によって
高温超電導体単結晶内を高速移動する現象（ボルテック
スフロー）を動作原理とする高温超電導単結晶体型ボル
テックスフロー素子およびその作製方法に関するもので
ある。
体単結晶を用いたボルテックスフロー素子に関するもの
である。より具体的には、外部より超電導体内に侵入し
た磁界が形成する磁束量子、すなわちボルテックス
（渦）が磁界と直交するボルテックス駆動電流によって
高温超電導体単結晶内を高速移動する現象（ボルテック
スフロー）を動作原理とする高温超電導単結晶体型ボル
テックスフロー素子およびその作製方法に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】超電導体を用いたエレクトロニクス素子
は本質的に低い消費電力と超高速のスイッチング速度を
持つ。この特性を生かしながら半導体トランジスタと同
様な動作方式を有し、微弱な電気信号を増幅できる超電
導素子が得られれば、半導体回路中の素子を超電導素子
に置き換えるだけで高性能の超電導回路を実現できるこ
とになる。
は本質的に低い消費電力と超高速のスイッチング速度を
持つ。この特性を生かしながら半導体トランジスタと同
様な動作方式を有し、微弱な電気信号を増幅できる超電
導素子が得られれば、半導体回路中の素子を超電導素子
に置き換えるだけで高性能の超電導回路を実現できるこ
とになる。
【０００３】このような可能性を担った超電導増幅素子
としてはこれまで、次の３つのタイプが提案されてい
る。(1) 電界効果を応用する素子、(2) キャリア（電
荷）注入を応用する素子、(3) ボルテックスを応用する
素子、これらは信号を担う電界や、キャリア、或いはボ
ルテックスを制御して信号を増幅しようとするものであ
る。以下に、各々の超電導増幅素子について説明する。
としてはこれまで、次の３つのタイプが提案されてい
る。(1) 電界効果を応用する素子、(2) キャリア（電
荷）注入を応用する素子、(3) ボルテックスを応用する
素子、これらは信号を担う電界や、キャリア、或いはボ
ルテックスを制御して信号を増幅しようとするものであ
る。以下に、各々の超電導増幅素子について説明する。
【０００４】(1) 電界効果を基本とする超電導増幅素子
については、マンハートらによる報告が知られている
(J.Mannhart et al.:Phys.Rev.Lett. 67 (1991) 2099)
。半導体表面Ｓに絶縁物Ｉを介して金属電極Ｍを設け
たＭＩＳコンデンサＣに、電圧Ｖを加えると半導体表面
Ｓに電荷Ｑ＝ＣＶが誘起される。この電荷Ｑがもともと
半導体表面にある電荷の量と同じ程度になると、半導体
表面の電気伝導はＶにより大きく変化することになり、
トランジスタ動作が可能となる。
については、マンハートらによる報告が知られている
(J.Mannhart et al.:Phys.Rev.Lett. 67 (1991) 2099)
。半導体表面Ｓに絶縁物Ｉを介して金属電極Ｍを設け
たＭＩＳコンデンサＣに、電圧Ｖを加えると半導体表面
Ｓに電荷Ｑ＝ＣＶが誘起される。この電荷Ｑがもともと
半導体表面にある電荷の量と同じ程度になると、半導体
表面の電気伝導はＶにより大きく変化することになり、
トランジスタ動作が可能となる。
【０００５】図９はこの効果を利用した電界効果素子の
例である。酸化物高温超電導体のキャリア密度は金属の
１／１０〜１／１００と少なく、電界効果が金属より起
こり易い。しかし半導体に比べれば１００〜１０００倍
も多いことと、ＭＩＳ構造の接合面を再現性よく制御す
ることが困難なため充分安定した素子作製は今のところ
成功していない。
例である。酸化物高温超電導体のキャリア密度は金属の
１／１０〜１／１００と少なく、電界効果が金属より起
こり易い。しかし半導体に比べれば１００〜１０００倍
も多いことと、ＭＩＳ構造の接合面を再現性よく制御す
ることが困難なため充分安定した素子作製は今のところ
成功していない。
【０００６】(2) キャリア注入タイプの素子については
アベらによる報告がある。このキャリア注入タイプの素
子の構造の例を図１０に示す（H.Abe et al.:Supercon
d.Sci.&Technol.4 (1991) 598)。これは半導体バイポー
ラトランジスタのベース領域を、超電導体で置き換える
ことによって電気抵抗を小さくし、より高性能を得よう
とするものである。例えばＮｂをドープしたｎ型半導体
基板をエミッタとし、（Ｂａ，Ｒｂ）ＢｉＯ3 超電導体
をベースとする素子ではエミッタ接地電流増幅率１０が
得られている。しかしながら、この素子作製においては
３種類の材料を用いるため２つの接合界面を制御する技
術が重要であるが再現性に未だ問題がある。また上記超
電導体は臨界温度が低く液体窒素温度での動作はできな
い。
アベらによる報告がある。このキャリア注入タイプの素
子の構造の例を図１０に示す（H.Abe et al.:Supercon
d.Sci.&Technol.4 (1991) 598)。これは半導体バイポー
ラトランジスタのベース領域を、超電導体で置き換える
ことによって電気抵抗を小さくし、より高性能を得よう
とするものである。例えばＮｂをドープしたｎ型半導体
基板をエミッタとし、（Ｂａ，Ｒｂ）ＢｉＯ3 超電導体
をベースとする素子ではエミッタ接地電流増幅率１０が
得られている。しかしながら、この素子作製においては
３種類の材料を用いるため２つの接合界面を制御する技
術が重要であるが再現性に未だ問題がある。また上記超
電導体は臨界温度が低く液体窒素温度での動作はできな
い。
【０００７】(3) ボルテックスを応用する素子について
はマルテンらによる報告が知られている。図１１はこの
ボルテックスの運動を利用した素子構造の例である（J.
S.Martens et al.:IEEE Trans.Appl.Supercond. 1 (199
1) 95)。２つの超電導体を微細加工された超電導体で弱
く結合（弱結合）する。２つの超電導体の間にバイアス
電流を流しておき、入力信号線に電流を流すと磁界が誘
起されるが、この磁界はボルテックスとなって弱結合部
に侵入する。ボルテックスにはボルテックス駆動電流に
よってローレンツ力が働くため、弱結合部をボルテック
スが高速でフローし、２つの超電導体の間にボルテック
スフロー電圧Ｖf が発生する。Ｖf はボルテックスフロ
ー速度とボルテックス密度に比例するため、入力信号に
よってＶfの大きさを制御することができる。
はマルテンらによる報告が知られている。図１１はこの
ボルテックスの運動を利用した素子構造の例である（J.
S.Martens et al.:IEEE Trans.Appl.Supercond. 1 (199
1) 95)。２つの超電導体を微細加工された超電導体で弱
く結合（弱結合）する。２つの超電導体の間にバイアス
電流を流しておき、入力信号線に電流を流すと磁界が誘
起されるが、この磁界はボルテックスとなって弱結合部
に侵入する。ボルテックスにはボルテックス駆動電流に
よってローレンツ力が働くため、弱結合部をボルテック
スが高速でフローし、２つの超電導体の間にボルテック
スフロー電圧Ｖf が発生する。Ｖf はボルテックスフロ
ー速度とボルテックス密度に比例するため、入力信号に
よってＶfの大きさを制御することができる。
【０００８】すなわち、電流信号を入力とし、ボルテッ
クスフロー電圧を出力とする増幅器が実現できる。Ｖf
としては１０ｍＶのものも得られているが、このために
は素子サイズが数ｍｍと大型化してしまう問題がある。
このように素子の縮小化に問題があるが、電力利得を得
ることが可能であり、他の端子に比べて実用化に近い。
クスフロー電圧を出力とする増幅器が実現できる。Ｖf
としては１０ｍＶのものも得られているが、このために
は素子サイズが数ｍｍと大型化してしまう問題がある。
このように素子の縮小化に問題があるが、電力利得を得
ることが可能であり、他の端子に比べて実用化に近い。
【０００９】一方、最近、増幅特性を有する新しい超電
導素子の原理が提案されている（T.Yamashita and M.Ta
chiki : Proc. of International Superconductive Ele
ctronic Conference (ISEC95) Sept. 18-21 (1995)）。
これは高温超電導体単結晶特有の異方的な結晶構造と物
性、及びボルテックスを利用するもので、図１２に素子
構造と動作原理を示した。
導素子の原理が提案されている（T.Yamashita and M.Ta
chiki : Proc. of International Superconductive Ele
ctronic Conference (ISEC95) Sept. 18-21 (1995)）。
これは高温超電導体単結晶特有の異方的な結晶構造と物
性、及びボルテックスを利用するもので、図１２に素子
構造と動作原理を示した。
【００１０】先ず、高温超電導体からなる単結晶小片の
ｃ軸方向に予めボルテックス駆動電流を流しておき、小
片外周に巻かれた入力信号電流線に電流Ｉc を流すこと
によって磁界を発生させる。発生した磁界は単結晶のａ
ｂ面に平行に異方的ボルテックスとなって侵入する。小
片中にボルテックスのピンニング点となる微細な結晶欠
陥が存在しなければ、ボルテックスはローレンツ力によ
って高速でａｂ面内をフローしていく。こうして小片の
両端にはボルテックスフロー電圧Ｖf が発生する。高温
超電導体単結晶においてはボルテックスのフロー速度が
大きいためＶfも大きく、これを入力信号で制御するこ
とで高い増幅機能を実現することができる。
ｃ軸方向に予めボルテックス駆動電流を流しておき、小
片外周に巻かれた入力信号電流線に電流Ｉc を流すこと
によって磁界を発生させる。発生した磁界は単結晶のａ
ｂ面に平行に異方的ボルテックスとなって侵入する。小
片中にボルテックスのピンニング点となる微細な結晶欠
陥が存在しなければ、ボルテックスはローレンツ力によ
って高速でａｂ面内をフローしていく。こうして小片の
両端にはボルテックスフロー電圧Ｖf が発生する。高温
超電導体単結晶においてはボルテックスのフロー速度が
大きいためＶfも大きく、これを入力信号で制御するこ
とで高い増幅機能を実現することができる。
【００１１】この素子の原理は、先の(3) ボルテックス
フロー素子に似ているが、従来素子に比べて素子の小型
化、高出力化、高速化が可能である。すなわちこのボル
テックス走行領域となる単結晶小片のａｂ面内方向の幅
（Ｗ）は、ｃ軸に平行に磁界を印加した時の磁界侵入長
λc の２倍以上、ｃ軸方向の長さ（Ｌ）はａｂ面に平行
に磁界を印加した時の磁界侵入長λabの２倍以上であれ
ばよい。
フロー素子に似ているが、従来素子に比べて素子の小型
化、高出力化、高速化が可能である。すなわちこのボル
テックス走行領域となる単結晶小片のａｂ面内方向の幅
（Ｗ）は、ｃ軸に平行に磁界を印加した時の磁界侵入長
λc の２倍以上、ｃ軸方向の長さ（Ｌ）はａｂ面に平行
に磁界を印加した時の磁界侵入長λabの２倍以上であれ
ばよい。
【００１２】ここでは材料としてＬａ2-x Ｓｒx Ｃｕ3
Ｏ（ＬＳＣＯ）が提案されているが、この場合、λab＝
０．０８μｍ、λc ＝０．８μｍと小さいため、素子サ
イズは２μｍ程度と先のボルテックスフロー素子に比べ
て大幅に素子を小型化できる。またｃ軸方向の臨界電流
値も弱結合を用いないため、〜１０11Ａ／ｍ2 と従来素
子より桁違いに大きく、高出力化ができる。更に、高温
超電導の特徴として、ａｂ面内でのボルテックスフロー
速度は〜１０6 ｍ／ｓとなるため、素子の小型化と合わ
せてスイッチング速度が速くなり高速化、高周波数化も
可能となり、従来ボルテックスフロー素子の特性を大幅
に上回ることになる。
Ｏ（ＬＳＣＯ）が提案されているが、この場合、λab＝
０．０８μｍ、λc ＝０．８μｍと小さいため、素子サ
イズは２μｍ程度と先のボルテックスフロー素子に比べ
て大幅に素子を小型化できる。またｃ軸方向の臨界電流
値も弱結合を用いないため、〜１０11Ａ／ｍ2 と従来素
子より桁違いに大きく、高出力化ができる。更に、高温
超電導の特徴として、ａｂ面内でのボルテックスフロー
速度は〜１０6 ｍ／ｓとなるため、素子の小型化と合わ
せてスイッチング速度が速くなり高速化、高周波数化も
可能となり、従来ボルテックスフロー素子の特性を大幅
に上回ることになる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この原
理の高温超電導体型ボルテックスフロー素子を実現する
ためには解決すべき問題が多々ある。すなわち、素子実
現のためには、ｃ軸方向に通電可能で幅が２λc 程度の
ボルテックス走行領域となる良質の単結晶小片と、これ
にボルテックス駆動電流供給線が接合され、また走行領
域のｃ軸方向に直交してボルテックスを導入するための
入力信号線を配した素子構造が必要である。さらに駆動
電流供給線や入力信号線は、熱損失や信号の歪みの問題
を考えると金属常電導体よりも高温超電導体そのもので
作製することが必要である。
理の高温超電導体型ボルテックスフロー素子を実現する
ためには解決すべき問題が多々ある。すなわち、素子実
現のためには、ｃ軸方向に通電可能で幅が２λc 程度の
ボルテックス走行領域となる良質の単結晶小片と、これ
にボルテックス駆動電流供給線が接合され、また走行領
域のｃ軸方向に直交してボルテックスを導入するための
入力信号線を配した素子構造が必要である。さらに駆動
電流供給線や入力信号線は、熱損失や信号の歪みの問題
を考えると金属常電導体よりも高温超電導体そのもので
作製することが必要である。
【００１４】以上述べたような素子を低コストで、簡便
な方法で作製する方法は先の文献においても開陳されて
なく未だ模索状態である。
な方法で作製する方法は先の文献においても開陳されて
なく未だ模索状態である。
【００１５】このような問題に鑑み、本発明は良質の高
温超電導体単結晶体を用い、ボルテックスフローの原理
に基づき、新規で実用的なボルテックスフロー素子の構
造とその製法を提供することを目的とする。
温超電導体単結晶体を用い、ボルテックスフローの原理
に基づき、新規で実用的なボルテックスフロー素子の構
造とその製法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に係る高温超電導単結晶体型ボルテックスフ
ロー素子（以下、「ボルテックスフロー素子」と記す）
では、高温超電導体単結晶小体と、この高温超電導体単
結晶小体のｃ軸方向の両端部に接合した一対の電極と、
高温超電導体単結晶小体に対してｃ軸と直交する方向に
磁界を印加する励磁手段とを備え、前記一対の電極間に
超電導状態で電流が流れている状態で前記励磁手段によ
って高温超電導体小体に磁界を印加した時に前記一対の
電極間に電圧を発生させるボルテックスフロー素子にお
いて、前記高温超電導体単結晶小体が基板表面上に設け
られ、この高温超電導体単結晶小体のａ軸とｂ軸とを含
むａｂ面がこの基板に対して直交して設けられたもので
ある。
に、本発明に係る高温超電導単結晶体型ボルテックスフ
ロー素子（以下、「ボルテックスフロー素子」と記す）
では、高温超電導体単結晶小体と、この高温超電導体単
結晶小体のｃ軸方向の両端部に接合した一対の電極と、
高温超電導体単結晶小体に対してｃ軸と直交する方向に
磁界を印加する励磁手段とを備え、前記一対の電極間に
超電導状態で電流が流れている状態で前記励磁手段によ
って高温超電導体小体に磁界を印加した時に前記一対の
電極間に電圧を発生させるボルテックスフロー素子にお
いて、前記高温超電導体単結晶小体が基板表面上に設け
られ、この高温超電導体単結晶小体のａ軸とｂ軸とを含
むａｂ面がこの基板に対して直交して設けられたもので
ある。
【００１７】本発明のボルテックスフロー素子における
高温超電導体単結晶小体は、その結晶構造（単位胞）に
おいて、ａ，ｂ軸の長さがほぼ等しく、ｃ軸が長い構造
となっている。超電導キャリアが自由に動ける CuO2 層
はａ，ｂ軸方向に広がっているが、ｃ軸方向にはこの C
uO2 層と、半導体的なブロック層とが積み重なった構造
をしており、ｃ軸方向には超電導キャリアは動きにくい
異方的電気特性を示す。図１２で示したように、高温超
電導体単結晶小体のｃ軸方向に予めボルテックス駆動電
流を流しておき、小体外に置かれた励磁手段によって磁
界を印加すると、磁界は異方的ボルテックスとなって単
結晶のａｂ面に平行に侵入する。この場合、先に述べた
異方的性質のため、ボルテックスはａ，ｂ軸方向に大変
動き易くなっており、ローレンツ力によって高速でａｂ
面内をフローする。その結果として、小体のｃ軸両端に
は大きなボルテックスフロー電圧Ｖf が発生するもので
ある。
高温超電導体単結晶小体は、その結晶構造（単位胞）に
おいて、ａ，ｂ軸の長さがほぼ等しく、ｃ軸が長い構造
となっている。超電導キャリアが自由に動ける CuO2 層
はａ，ｂ軸方向に広がっているが、ｃ軸方向にはこの C
uO2 層と、半導体的なブロック層とが積み重なった構造
をしており、ｃ軸方向には超電導キャリアは動きにくい
異方的電気特性を示す。図１２で示したように、高温超
電導体単結晶小体のｃ軸方向に予めボルテックス駆動電
流を流しておき、小体外に置かれた励磁手段によって磁
界を印加すると、磁界は異方的ボルテックスとなって単
結晶のａｂ面に平行に侵入する。この場合、先に述べた
異方的性質のため、ボルテックスはａ，ｂ軸方向に大変
動き易くなっており、ローレンツ力によって高速でａｂ
面内をフローする。その結果として、小体のｃ軸両端に
は大きなボルテックスフロー電圧Ｖf が発生するもので
ある。
【００１８】本発明では、この励磁手段によって磁界が
印加される高温超電導体単結晶小体が、基板に対してこ
の小体のａｂ面が直交するように基板表面上に設けられ
る。これにより、ボルテックスフロー素子の励磁手段に
よって磁界が印加される高温超電導体単結晶小体（即
ち、ボルテックス走行領域）を基板平面上に設けること
ができるため、製造上、ボルテックス走行領域の幅
（Ｗ）やボルテックス走行領域の長さ（Ｌ）等の加工が
容易になり、製造が容易で、大量に低コストな製作が可
能となる。
印加される高温超電導体単結晶小体が、基板に対してこ
の小体のａｂ面が直交するように基板表面上に設けられ
る。これにより、ボルテックスフロー素子の励磁手段に
よって磁界が印加される高温超電導体単結晶小体（即
ち、ボルテックス走行領域）を基板平面上に設けること
ができるため、製造上、ボルテックス走行領域の幅
（Ｗ）やボルテックス走行領域の長さ（Ｌ）等の加工が
容易になり、製造が容易で、大量に低コストな製作が可
能となる。
【００１９】本発明のボルテックスフロー素子では、励
磁手段によって磁界が印加される高温超電導体単結晶小
体（即ち、ボルテックス走行領域）のｃ軸に直交する方
向の幅（Ｗ）とｃ軸方向の長さ（Ｌ）とが、一定の条件
を満たす必要がある。前述の図１２で示された条件で
は、ボルテックス走行領域となる単結晶小片のａｂ面内
方向の幅（Ｗ）は、ｃ軸に平行に磁界を印加した時の磁
界侵入長λc の２倍以上、ｃ軸方向の長さ（Ｌ）はａｂ
面に平行に磁界を印加した時の磁界侵入長λabの２倍以
上であればよいとなっていた。しかし、本発明において
は、鋭意研究を重ねた結果、ボルテックス走行領域の幅
（Ｗ）が、ｃ軸に平行に磁界を印加した時の磁界侵入長
λc に対してＷ≦５λc を満たし、且つ、ボルテックス
領域の長さ（Ｌ）が、ａｂ面に平行に磁界を印加した時
の磁界侵入長λabに対してＬ≧λabである条件を満足し
ておれば、充分な臨界電流密度を有し、且つ、超高速ス
イッチング特性などの高機能が実現できることが確認さ
れた。
磁手段によって磁界が印加される高温超電導体単結晶小
体（即ち、ボルテックス走行領域）のｃ軸に直交する方
向の幅（Ｗ）とｃ軸方向の長さ（Ｌ）とが、一定の条件
を満たす必要がある。前述の図１２で示された条件で
は、ボルテックス走行領域となる単結晶小片のａｂ面内
方向の幅（Ｗ）は、ｃ軸に平行に磁界を印加した時の磁
界侵入長λc の２倍以上、ｃ軸方向の長さ（Ｌ）はａｂ
面に平行に磁界を印加した時の磁界侵入長λabの２倍以
上であればよいとなっていた。しかし、本発明において
は、鋭意研究を重ねた結果、ボルテックス走行領域の幅
（Ｗ）が、ｃ軸に平行に磁界を印加した時の磁界侵入長
λc に対してＷ≦５λc を満たし、且つ、ボルテックス
領域の長さ（Ｌ）が、ａｂ面に平行に磁界を印加した時
の磁界侵入長λabに対してＬ≧λabである条件を満足し
ておれば、充分な臨界電流密度を有し、且つ、超高速ス
イッチング特性などの高機能が実現できることが確認さ
れた。
【００２０】尚、本発明のボルテックスフロー素子にお
ける励磁手段は、高温超電導小体のｃ軸と直交する方向
に磁界を印加するするものであればよく、基板上の小体
のボルテックス走行領域を取巻く位置にあればよい。例
えば、磁界は電流が流れる導線の回りに発生するので、
ボルテックス走行領域に平行な導線を設けて励磁手段と
すればよい。このような導線は基板上でのパターニング
によって簡単に得ることができる。好ましくは、前記励
磁手段は前記高温超電導体単結晶小体が設けられた同一
基板表面上に設けられる。また、励磁手段は高温超電導
体単結晶小体の上又は下に絶縁層を介して重なるように
設けられてもよい。
ける励磁手段は、高温超電導小体のｃ軸と直交する方向
に磁界を印加するするものであればよく、基板上の小体
のボルテックス走行領域を取巻く位置にあればよい。例
えば、磁界は電流が流れる導線の回りに発生するので、
ボルテックス走行領域に平行な導線を設けて励磁手段と
すればよい。このような導線は基板上でのパターニング
によって簡単に得ることができる。好ましくは、前記励
磁手段は前記高温超電導体単結晶小体が設けられた同一
基板表面上に設けられる。また、励磁手段は高温超電導
体単結晶小体の上又は下に絶縁層を介して重なるように
設けられてもよい。
【００２１】また、本発明のボルテックスフロー素子に
おける電極も、基板上でのパターニングによって簡単に
得ることができる。従って、好ましくは、前記電極は前
記高温超電導体単結晶小体が設けられた同一基板表面上
に設けられたものである。
おける電極も、基板上でのパターニングによって簡単に
得ることができる。従って、好ましくは、前記電極は前
記高温超電導体単結晶小体が設けられた同一基板表面上
に設けられたものである。
【００２２】本発明に係るボルテックスフロー素子の製
作方法では、高温超電導体単結晶小体と、この高温超電
導体単結晶小体のｃ軸方向の両端部に接合した一対の電
極と、高温超電導体単結晶小体に対してｃ軸と直交する
方向に磁界を印加する励磁手段とを備え、前記一対の電
極間に超電導状態で電流が流れている状態で前記励磁手
段によって高温超電導体単結晶小体に磁界を印加した時
に前記一対の電極間に電圧を発生させるボルテックスフ
ロー素子の作製方法において、前記基板上に、高温超電
導体単結晶膜をａ軸とｂ軸とを含むａｂ面が基板表面に
対して直交するように成膜するものである。
作方法では、高温超電導体単結晶小体と、この高温超電
導体単結晶小体のｃ軸方向の両端部に接合した一対の電
極と、高温超電導体単結晶小体に対してｃ軸と直交する
方向に磁界を印加する励磁手段とを備え、前記一対の電
極間に超電導状態で電流が流れている状態で前記励磁手
段によって高温超電導体単結晶小体に磁界を印加した時
に前記一対の電極間に電圧を発生させるボルテックスフ
ロー素子の作製方法において、前記基板上に、高温超電
導体単結晶膜をａ軸とｂ軸とを含むａｂ面が基板表面に
対して直交するように成膜するものである。
【００２３】即ち、適当な基板上に基板面に対して高温
超電導単結晶膜のａｂ面が直交するように単結晶膜を成
膜する。この場合、超電導単結晶膜は基板上にエピタキ
シャル成長した欠陥の極めて少ない単結晶膜である必要
がある。
超電導単結晶膜のａｂ面が直交するように単結晶膜を成
膜する。この場合、超電導単結晶膜は基板上にエピタキ
シャル成長した欠陥の極めて少ない単結晶膜である必要
がある。
【００２４】従って、好ましくは高温超電導体単結晶膜
を、少なくとも表面が予め定められた結晶配位を有する
基板表面上に、液相エピタキシャル法又は気相エピタキ
シャル法によって、ａ軸とｂ軸とで構成される面が前記
基板表面と直交するように成膜して得るものである。
を、少なくとも表面が予め定められた結晶配位を有する
基板表面上に、液相エピタキシャル法又は気相エピタキ
シャル法によって、ａ軸とｂ軸とで構成される面が前記
基板表面と直交するように成膜して得るものである。
【００２５】従って、高温超電導体単結晶膜を形成する
基板は、高温超電導単結晶膜のａｂ面が基板表面と直交
するように液相又は気相エピタキシャル成長を促す結晶
面が表出されればよい。例えば、ＮｄＧａＯ3 単結晶基
板の（１１０）面を表出させたもののほか、ＬａＧａＯ
3 ，ＳｒＴｉＯ3 ，ＬａＡｌＯ3 やこれらに他元素、例
えばＧｄ等を微量添加し、基板特性を改善した単結晶基
板の特定面が用いられれる。この場合、高温超電導単結
晶と格子定数が近く、且つ、熱膨張係数が近く、結晶成
膜温度以下で相転位のない結晶構造が好ましい。また高
温超電導体と同じ結晶構造を有するが、超電導特性を示
さないＰｒＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 等や、キャリアを制御し
て臨界温度Ｔc を押えた高温超電導体単結晶体自身も用
いることができる。
基板は、高温超電導単結晶膜のａｂ面が基板表面と直交
するように液相又は気相エピタキシャル成長を促す結晶
面が表出されればよい。例えば、ＮｄＧａＯ3 単結晶基
板の（１１０）面を表出させたもののほか、ＬａＧａＯ
3 ，ＳｒＴｉＯ3 ，ＬａＡｌＯ3 やこれらに他元素、例
えばＧｄ等を微量添加し、基板特性を改善した単結晶基
板の特定面が用いられれる。この場合、高温超電導単結
晶と格子定数が近く、且つ、熱膨張係数が近く、結晶成
膜温度以下で相転位のない結晶構造が好ましい。また高
温超電導体と同じ結晶構造を有するが、超電導特性を示
さないＰｒＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 等や、キャリアを制御し
て臨界温度Ｔc を押えた高温超電導体単結晶体自身も用
いることができる。
【００２６】尚、本発明のボルテックスフロー素子にお
ける高温超電導材料としては、高温超電導体単結晶特有
の異方的な結晶構造，物性等を有するものが適宜選択さ
れる。特にペロブスカイト型結晶構造を有する超電導体
が好ましくは用いられる。素子の高速化・小型化の観点
から、臨界温度が高く侵入長λab、λc が小さい材料が
望ましい。従って、例えばＬＳＣＯ系、ＹＢａ2 Ｃｕ3
Ｏ7-x （ＹＢＣＯ）、Ｙを他の元素に置換したＲＢａ2
Ｃｕ3 Ｏ7-x （Ｒ＝希土類）等が有望である。これ以外
にもＹ，Ｒ系の１２４構造物質やＢｉ系（例えば、Ｂｉ
2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 ）、Ｔｌ系（例えば、Ｔｌ2 Ｂ
ａ2 Ｃａn-1 Ｃｕn Ｏy （ｎ＝１，２，３，４））、Ｈ
ｇ系（例えば、Ｈｇ2 Ｂａ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ8+x ）など
も用途によっては利用される。
ける高温超電導材料としては、高温超電導体単結晶特有
の異方的な結晶構造，物性等を有するものが適宜選択さ
れる。特にペロブスカイト型結晶構造を有する超電導体
が好ましくは用いられる。素子の高速化・小型化の観点
から、臨界温度が高く侵入長λab、λc が小さい材料が
望ましい。従って、例えばＬＳＣＯ系、ＹＢａ2 Ｃｕ3
Ｏ7-x （ＹＢＣＯ）、Ｙを他の元素に置換したＲＢａ2
Ｃｕ3 Ｏ7-x （Ｒ＝希土類）等が有望である。これ以外
にもＹ，Ｒ系の１２４構造物質やＢｉ系（例えば、Ｂｉ
2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 ）、Ｔｌ系（例えば、Ｔｌ2 Ｂ
ａ2 Ｃａn-1 Ｃｕn Ｏy （ｎ＝１，２，３，４））、Ｈ
ｇ系（例えば、Ｈｇ2 Ｂａ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ8+x ）など
も用途によっては利用される。
【００２７】成膜された膜には微細加工を施してボルテ
ックス走行領域を形成する。ここでボルテックス走行領
域に流れるボルテックス駆動電流はｃ軸方向に流れるよ
うにし、かつ走行領域の幅ＷはＷ≦５λc を満たし、か
つその長さＬはＬ≦λabを満たすように作製する。
ックス走行領域を形成する。ここでボルテックス走行領
域に流れるボルテックス駆動電流はｃ軸方向に流れるよ
うにし、かつ走行領域の幅ＷはＷ≦５λc を満たし、か
つその長さＬはＬ≦λabを満たすように作製する。
【００２８】なお、励磁手段と電極等については、走行
領域と同時に成膜した単結晶膜に微細加工によって形成
してもよく、また、走行領域を形成した後に別途気相法
或いは液相法を用いて走行領域に組み合わて形成しても
よい。後者の場合は、励磁手段，電極を形成するものは
臨界電流密度が高ければよいため特に高品質単結晶膜で
ある必要はない。このようにａ軸又はｂ軸配向した高品
質な高温超電導単結晶膜を用いて、新規な原理に基づく
ボルテックスフロー素子を作製することができる。
領域と同時に成膜した単結晶膜に微細加工によって形成
してもよく、また、走行領域を形成した後に別途気相法
或いは液相法を用いて走行領域に組み合わて形成しても
よい。後者の場合は、励磁手段，電極を形成するものは
臨界電流密度が高ければよいため特に高品質単結晶膜で
ある必要はない。このようにａ軸又はｂ軸配向した高品
質な高温超電導単結晶膜を用いて、新規な原理に基づく
ボルテックスフロー素子を作製することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】本発明においては、高温超電導体
単結晶小体が基板表面上に設けられ、この高温超電導体
単結晶小体のａ軸とｂ軸とを含むａｂ面がこの基板に対
して直交して設けられたものである。これにより、ボル
テックスフロー素子のボルテックス走行領域を基板平面
上に設けることができるため、製造上、ｃ軸に直交する
方向の幅Ｗやボルテックス走行領域のｃ軸方向の長さＬ
の加工が容易になり、製造が容易で、大量に低コストで
製作が可能となる。
単結晶小体が基板表面上に設けられ、この高温超電導体
単結晶小体のａ軸とｂ軸とを含むａｂ面がこの基板に対
して直交して設けられたものである。これにより、ボル
テックスフロー素子のボルテックス走行領域を基板平面
上に設けることができるため、製造上、ｃ軸に直交する
方向の幅Ｗやボルテックス走行領域のｃ軸方向の長さＬ
の加工が容易になり、製造が容易で、大量に低コストで
製作が可能となる。
【００３０】具体的な高温超電導体単結晶小体の形成
は、基板上に高温超電導体単結晶膜をａ軸とｂ軸とを含
むａｂ面が基板表面に直行するように成膜すればよい。
この成膜には、好ましくは液相エピタキシャル法又は気
相エピタキシャル法によって行われる。従って、基板に
は、高温超電導単結晶膜のａｂ面が基板表面と直交する
ように液相又は気相エピタキシャル成長を促す結晶面が
表出されたものを用いる。
は、基板上に高温超電導体単結晶膜をａ軸とｂ軸とを含
むａｂ面が基板表面に直行するように成膜すればよい。
この成膜には、好ましくは液相エピタキシャル法又は気
相エピタキシャル法によって行われる。従って、基板に
は、高温超電導単結晶膜のａｂ面が基板表面と直交する
ように液相又は気相エピタキシャル成長を促す結晶面が
表出されたものを用いる。
【００３１】また、高温超電導体単結晶小体のｃ軸方向
の両端部に接合した一対の電極や、高温超電導体単結晶
小体に対してｃ軸と直交する方向に磁界を印加する励磁
手段は、同一の基板上に配置することができ、作製も通
常のパターニング、エッチング等の加工によって容易に
作製することができる。
の両端部に接合した一対の電極や、高温超電導体単結晶
小体に対してｃ軸と直交する方向に磁界を印加する励磁
手段は、同一の基板上に配置することができ、作製も通
常のパターニング、エッチング等の加工によって容易に
作製することができる。
【００３２】以上のように構成されたボルテックスフロ
ー素子においては、ボルテックス走行領域に発生するフ
ロー電圧は、走行領域をフローするボルテックスの数と
フロー速度の積に比例する。また、ボルテックスの数は
入力信号電流で制御され、フロー速度は走行領域を流れ
るボルテックス駆動電流の大きさと、超電導体中の粘性
抵抗で決まる。また走行領域における超電導臨界電流値
は、走行領域におけるｃ軸方向の臨界電流密度と走行領
域の幅と厚さに比例する。
ー素子においては、ボルテックス走行領域に発生するフ
ロー電圧は、走行領域をフローするボルテックスの数と
フロー速度の積に比例する。また、ボルテックスの数は
入力信号電流で制御され、フロー速度は走行領域を流れ
るボルテックス駆動電流の大きさと、超電導体中の粘性
抵抗で決まる。また走行領域における超電導臨界電流値
は、走行領域におけるｃ軸方向の臨界電流密度と走行領
域の幅と厚さに比例する。
【００３３】従って、駆動電流の大きさを適宜設定し、
入力信号を変化させることによって走行領域両端には変
調された大きなフロー電圧を取出すことができる。また
走行領域の本数を増やしたり、厚さや長さを適宜変えた
素子を作ることによって、より高出力の素子を作製する
ことも可能である。
入力信号を変化させることによって走行領域両端には変
調された大きなフロー電圧を取出すことができる。また
走行領域の本数を増やしたり、厚さや長さを適宜変えた
素子を作ることによって、より高出力の素子を作製する
ことも可能である。
【００３４】
【実施例】以下、本発明を実施例により詳しく説明す
る。 実施例１（ボルテックスフロー素子の製作１） 図１は本発明のボルテックスフロー素子の一実施例の構
成を示す説明図である。図に示す通り、ＮｄＧａＯ3 単
結晶基板(11)の（１１０）面上に、液相エピタキシャル
法によって結晶を成長させてａ軸配向（基板表面に対
し、ａ軸方向に直交する配向）したＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-x （以下、ＹＢＣＯ単結晶薄膜）を５μｍ堆積させ、
その後ポリッシングとエッチングによって膜厚（Ｔ）を
１μｍとした。従って、得られたＹＢＣＯ単結晶膜はｂ
軸とｃ軸とが基板表面に平行な結晶構造となっている。
る。 実施例１（ボルテックスフロー素子の製作１） 図１は本発明のボルテックスフロー素子の一実施例の構
成を示す説明図である。図に示す通り、ＮｄＧａＯ3 単
結晶基板(11)の（１１０）面上に、液相エピタキシャル
法によって結晶を成長させてａ軸配向（基板表面に対
し、ａ軸方向に直交する配向）したＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-x （以下、ＹＢＣＯ単結晶薄膜）を５μｍ堆積させ、
その後ポリッシングとエッチングによって膜厚（Ｔ）を
１μｍとした。従って、得られたＹＢＣＯ単結晶膜はｂ
軸とｃ軸とが基板表面に平行な結晶構造となっている。
【００３５】この超電導単結晶膜上にフォトレジストを
塗り、通常のフォトリソグラフィでフォトレジストを、
図に示すような、５μｍの長さ（Ｌ）と所望の幅（Ｗ）
とを有するボルテックス走行領域(12)と、この走行領域
(12)の両端に直交して配されたボルテックス駆動電流供
給線(13)とを含む略Ｕ字の形状にパターニングした。ま
た同時に、ボルテックス走行領域(12)と平行に配置した
入力信号線(14)と、この入力信号線(14)の両端に直交し
て配された駆動電流供給線(15)とをパターニングした。
塗り、通常のフォトリソグラフィでフォトレジストを、
図に示すような、５μｍの長さ（Ｌ）と所望の幅（Ｗ）
とを有するボルテックス走行領域(12)と、この走行領域
(12)の両端に直交して配されたボルテックス駆動電流供
給線(13)とを含む略Ｕ字の形状にパターニングした。ま
た同時に、ボルテックス走行領域(12)と平行に配置した
入力信号線(14)と、この入力信号線(14)の両端に直交し
て配された駆動電流供給線(15)とをパターニングした。
【００３６】パターニングした超電導単結晶膜をエッチ
ングしてボルテックスフロー素子構造を形成した。得ら
れた素子を形成する高温超電導体の臨界温度はいずれも
８８〜９２Ｋの範囲であった。尚、ボルテックス走行領
域の幅（Ｗ）は０．３μｍから８μｍの範囲で種々変化
させた試料を作製し、入力信号線(14)の幅（Ｗ’）は
Ｗ’≧Ｗとした。
ングしてボルテックスフロー素子構造を形成した。得ら
れた素子を形成する高温超電導体の臨界温度はいずれも
８８〜９２Ｋの範囲であった。尚、ボルテックス走行領
域の幅（Ｗ）は０．３μｍから８μｍの範囲で種々変化
させた試料を作製し、入力信号線(14)の幅（Ｗ’）は
Ｗ’≧Ｗとした。
【００３７】実施例２（ボルテックスフロー素子のＷ依
存性の検証） 図２は液体窒素温度，ゼロ磁界下における各ボルテック
ス走行領域の臨界電流密度のボルテックス走行領域の幅
（Ｗ）依存性を示す線図であり、縦軸は臨界電流密度
（１０10Ａ／ｍ2 ）、横軸はＷ／λc である。図に示す
通り、臨界電流密度はＷが小さくなるにつれて上昇し
た。特にこの変化はλc ＝０．７μｍとした場合、Ｗ／
λc ≦５において顕著であった。図に示された臨界電流
密度の上昇は一種のサイズ効果である。
存性の検証） 図２は液体窒素温度，ゼロ磁界下における各ボルテック
ス走行領域の臨界電流密度のボルテックス走行領域の幅
（Ｗ）依存性を示す線図であり、縦軸は臨界電流密度
（１０10Ａ／ｍ2 ）、横軸はＷ／λc である。図に示す
通り、臨界電流密度はＷが小さくなるにつれて上昇し
た。特にこの変化はλc ＝０．７μｍとした場合、Ｗ／
λc ≦５において顕著であった。図に示された臨界電流
密度の上昇は一種のサイズ効果である。
【００３８】実施例３（ボルテックスフロー素子の特
性） 次に液体窒素温度にてボルテックスフロー素子特性の評
価を行った。図３はボルテックスフロー素子特性の評価
を行う際の測定系の概要を示す回路図である。評価は図
３に示す回路を用いて行った。試料としてはＷ＝１μｍ
の素子を選択した。ボルテックス駆動電流Ｉd ＝２２ｍ
Ａを予め流しておき、入力信号線に入力電流Ｉc ＝１ｍ
Ａを通電したところ素子両端部にボルテックスフロー電
圧Ｖf ＝４ｍＶが発生した。また素子の内部抵抗Ｒi ＝
０．２２オーム、トランスレジスタンスＲm 〜１０オー
ムであった。このＶf の発生は入力信号が電圧信号に変
換されたことに相当し、付加抵抗Ｒ2 を調整することに
よって電力利得Ｇp を得ることができる。
性） 次に液体窒素温度にてボルテックスフロー素子特性の評
価を行った。図３はボルテックスフロー素子特性の評価
を行う際の測定系の概要を示す回路図である。評価は図
３に示す回路を用いて行った。試料としてはＷ＝１μｍ
の素子を選択した。ボルテックス駆動電流Ｉd ＝２２ｍ
Ａを予め流しておき、入力信号線に入力電流Ｉc ＝１ｍ
Ａを通電したところ素子両端部にボルテックスフロー電
圧Ｖf ＝４ｍＶが発生した。また素子の内部抵抗Ｒi ＝
０．２２オーム、トランスレジスタンスＲm 〜１０オー
ムであった。このＶf の発生は入力信号が電圧信号に変
換されたことに相当し、付加抵抗Ｒ2 を調整することに
よって電力利得Ｇp を得ることができる。
【００３９】図３の回路の場合、電力利得Ｇp は低周波
領域ではインダクタンス分を無視できて、 Ｇp ＝Ｒm 2Ｒ2 ／Ｒ1 （Ｒi ＋Ｒ2 ）2 として近似できる。利得を大きくするためにはＲm が大
きく、Ｒi が小さいことが重要である。尚、Ｒ1 ＝Ｒ2
＝Ｒi ＝０．２２オームとした時にＧp ＝７７０が得ら
れている。以上の結果によって、本素子を電気信号の増
幅素子として容易に利用できることが示された。
領域ではインダクタンス分を無視できて、 Ｇp ＝Ｒm 2Ｒ2 ／Ｒ1 （Ｒi ＋Ｒ2 ）2 として近似できる。利得を大きくするためにはＲm が大
きく、Ｒi が小さいことが重要である。尚、Ｒ1 ＝Ｒ2
＝Ｒi ＝０．２２オームとした時にＧp ＝７７０が得ら
れている。以上の結果によって、本素子を電気信号の増
幅素子として容易に利用できることが示された。
【００４０】実施例４（ボルテックスフロー素子の交流
特性） 一方、本ボルテックスフロー素子の交流特性を調べた。
図４はボルテックスフロー素子の交流特性の検証に用い
た測定系の回路図である。図に示す回路において、信号
入力線に直流２．８ｍＡとこの電流に重ねて搬送波電流
（周波数１０ｋＨｚ，振幅０．２ｍＡ）を入力した。ボ
ルテックス走行領域には直流２１．５ｍＡと信号波電流
（周波数１ｋＨｚ，振幅０．５ｍＡ）を入力した。この
とき素子両端部には最大振幅２ｍＶの振幅変調電圧信号
が発生した。これにより、本ボルテックスフロー素子を
用いて変調・復調回路が容易に作製できることが示され
た。
特性） 一方、本ボルテックスフロー素子の交流特性を調べた。
図４はボルテックスフロー素子の交流特性の検証に用い
た測定系の回路図である。図に示す回路において、信号
入力線に直流２．８ｍＡとこの電流に重ねて搬送波電流
（周波数１０ｋＨｚ，振幅０．２ｍＡ）を入力した。ボ
ルテックス走行領域には直流２１．５ｍＡと信号波電流
（周波数１ｋＨｚ，振幅０．５ｍＡ）を入力した。この
とき素子両端部には最大振幅２ｍＶの振幅変調電圧信号
が発生した。これにより、本ボルテックスフロー素子を
用いて変調・復調回路が容易に作製できることが示され
た。
【００４１】実施例５（ボルテックスフロー素子の発振
特性） さらに、本ボルテックスフロー素子を用いて発振回路を
作製し、高周波信号の発生を行った。図５はボルテック
スフロー素子を用いた発振回路の概要を示す説明図であ
る。素子の入力信号線に直流電流Ｉd ＝２１．５ｍＶ
と、ボルテックス走行領域に直流電流Ｉc ＝１．５ｍＡ
とを入力し、素子両端部に発生した電圧の一部を正帰還
して入力信号線に入力した。このとき、素子中のＬＣ共
振部にＧＨｚ級周波数の発振が観測され、本素子を用い
て容易に高周波信号の発振回路が作製できることがわか
った。
特性） さらに、本ボルテックスフロー素子を用いて発振回路を
作製し、高周波信号の発生を行った。図５はボルテック
スフロー素子を用いた発振回路の概要を示す説明図であ
る。素子の入力信号線に直流電流Ｉd ＝２１．５ｍＶ
と、ボルテックス走行領域に直流電流Ｉc ＝１．５ｍＡ
とを入力し、素子両端部に発生した電圧の一部を正帰還
して入力信号線に入力した。このとき、素子中のＬＣ共
振部にＧＨｚ級周波数の発振が観測され、本素子を用い
て容易に高周波信号の発振回路が作製できることがわか
った。
【００４２】なおこの素子の最大応答周波数は数１００
ＧＨｚから数ＴＨｚに達すると予想されるため、今後素
子を最適化することによって、これ以外にも本素子を用
いたミリ波・サブミリ波帯の超高周波用受動素子や、ピ
コセコンド級の超高速スイッチング素子などが用途とし
て考えられる。
ＧＨｚから数ＴＨｚに達すると予想されるため、今後素
子を最適化することによって、これ以外にも本素子を用
いたミリ波・サブミリ波帯の超高周波用受動素子や、ピ
コセコンド級の超高速スイッチング素子などが用途とし
て考えられる。
【００４３】実施例６（ボルテックスフロー素子の製作
２） 図６は本発明のボルテックスフロー素子の別の実施例の
構成を示す説明図である。ＮｄＧａＯ3 単結晶基板(61)
の（１１０）面上に、液相エピタキシャル法によってａ
軸配向したＹＢＣＯ単結晶薄膜を５μｍ堆積させた。そ
の後、ポリッシングとエッチングによって膜厚（Ｔ）を
１μｍとした。
２） 図６は本発明のボルテックスフロー素子の別の実施例の
構成を示す説明図である。ＮｄＧａＯ3 単結晶基板(61)
の（１１０）面上に、液相エピタキシャル法によってａ
軸配向したＹＢＣＯ単結晶薄膜を５μｍ堆積させた。そ
の後、ポリッシングとエッチングによって膜厚（Ｔ）を
１μｍとした。
【００４４】この超電導単結晶薄膜上にフォトレジスト
を塗り、通常のフォトリソグラフィでフォトレジスト
を、図に示すような、ボルテックス走行領域(62)と対応
する形にパターニングした後、イオンミリングでエッチ
ングしてボルテックスフロー素子構造におけるボルテッ
クス走行領域(62)を作製した。形成された走行領域(62)
は長さ（Ｌ）が１０μｍ，幅（Ｗ）が１μｍであって。
この後、基板全体にフォトレジストを塗り、フォトリソ
グラフィでレジストを、ボルテックス駆動電流線(63)、
入力信号線(64)、駆動電流供給線(65)と対応する形状に
パターニングした。
を塗り、通常のフォトリソグラフィでフォトレジスト
を、図に示すような、ボルテックス走行領域(62)と対応
する形にパターニングした後、イオンミリングでエッチ
ングしてボルテックスフロー素子構造におけるボルテッ
クス走行領域(62)を作製した。形成された走行領域(62)
は長さ（Ｌ）が１０μｍ，幅（Ｗ）が１μｍであって。
この後、基板全体にフォトレジストを塗り、フォトリソ
グラフィでレジストを、ボルテックス駆動電流線(63)、
入力信号線(64)、駆動電流供給線(65)と対応する形状に
パターニングした。
【００４５】この上からマグネトロンスパッタリングに
よってＹＢＣＯ多結晶膜を０．５μｍ堆積させ、その後
フォトレジストを除去して図６に示すボルテックスフロ
ー素子を作製した。駆動電流線(63)は、ボルテックス走
行領域(62)の両端部に重なっており、入力信号線(64)は
ボルテックス走行領域(62)と平行に形成されいる。
よってＹＢＣＯ多結晶膜を０．５μｍ堆積させ、その後
フォトレジストを除去して図６に示すボルテックスフロ
ー素子を作製した。駆動電流線(63)は、ボルテックス走
行領域(62)の両端部に重なっており、入力信号線(64)は
ボルテックス走行領域(62)と平行に形成されいる。
【００４６】ボルテックス走行領域(62)の臨界電流密度
は７７Ｋ，ゼロ磁界下において２．４×１０10Ａ／ｍ2
であった。ボルテックス駆動電流Ｉd ＝２２．３ｍＡを
流しておき、入力信号線にＩc ＝１ｍＡを通電したとこ
ろ素子両端部にボルテックスフロー電圧Ｖf ＝４．５ｍ
Ｖが発生した。この場合、素子のＲi ＝０．２０Ω、Ｒ
m 〜１０Ωであった。
は７７Ｋ，ゼロ磁界下において２．４×１０10Ａ／ｍ2
であった。ボルテックス駆動電流Ｉd ＝２２．３ｍＡを
流しておき、入力信号線にＩc ＝１ｍＡを通電したとこ
ろ素子両端部にボルテックスフロー電圧Ｖf ＝４．５ｍ
Ｖが発生した。この場合、素子のＲi ＝０．２０Ω、Ｒ
m 〜１０Ωであった。
【００４７】このように、気相法によって素子のボルテ
ックス駆動電流線及び入力信号線を後から付加した素子
においても、実施例１と同様な基本特性が確認できた。
ックス駆動電流線及び入力信号線を後から付加した素子
においても、実施例１と同様な基本特性が確認できた。
【００４８】実施例７（ボルテックスフロー素子の製作
３） 図７は本発明のボルテックスフロー素子の更に別の実施
例の構成を示す説明図である。ＮｄＧａＯ3 単結晶基板
(71)の（１１０）面上に、液相エピタキシャル法によっ
てａ軸配向したＹＢＣＯ単結晶薄膜を５μｍ堆積させ
た。その後、ポリッシングとエッチングによって膜厚
（Ｔ）を１μｍとした。
３） 図７は本発明のボルテックスフロー素子の更に別の実施
例の構成を示す説明図である。ＮｄＧａＯ3 単結晶基板
(71)の（１１０）面上に、液相エピタキシャル法によっ
てａ軸配向したＹＢＣＯ単結晶薄膜を５μｍ堆積させ
た。その後、ポリッシングとエッチングによって膜厚
（Ｔ）を１μｍとした。
【００４９】このＹＢＣＯ単結晶薄膜上にフォトレジス
トを塗り、通常のフォトリソグラフィでフォトレジスト
をパターニングし、この後イオンミリングでエッチング
してボルテックスフロー素子構造におけるボルテックス
走行領域(72)よりも長い単結晶体(80)を作製した。更に
この上にもう一度フォトレジストを塗り、フォトリソグ
ラフィでレジストをパターニングし、この上からマグネ
トロンスパタリングによってｃ軸配向ＹＢＣＯ多結晶膜
を０．５μｍ堆積させ、その後、フォトレジストを除去
した。これにより単結晶体(80)の全面に重なるようにボ
ルテックス駆動電流線(73)を形成し、ボルテックス走行
領域(72)に平行した位置に入力信号線(74)を形成し、こ
の入力信号線(74)の両端に配して駆動電流供給線(75)と
を形成した。
トを塗り、通常のフォトリソグラフィでフォトレジスト
をパターニングし、この後イオンミリングでエッチング
してボルテックスフロー素子構造におけるボルテックス
走行領域(72)よりも長い単結晶体(80)を作製した。更に
この上にもう一度フォトレジストを塗り、フォトリソグ
ラフィでレジストをパターニングし、この上からマグネ
トロンスパタリングによってｃ軸配向ＹＢＣＯ多結晶膜
を０．５μｍ堆積させ、その後、フォトレジストを除去
した。これにより単結晶体(80)の全面に重なるようにボ
ルテックス駆動電流線(73)を形成し、ボルテックス走行
領域(72)に平行した位置に入力信号線(74)を形成し、こ
の入力信号線(74)の両端に配して駆動電流供給線(75)と
を形成した。
【００５０】ここで集束イオンビーム法によって、ボル
テックス走行領域(72)の上に積層されたＹＢＣＯ多結晶
膜に微細加工を施して除去し、図７に示すような小さな
ボルテックス走行領域(72)を有する素子を作製した。ボ
ルテックス走行領域(72)の長さ（Ｌ）は５μｍ、幅
（Ｗ）は１μｍであった。
テックス走行領域(72)の上に積層されたＹＢＣＯ多結晶
膜に微細加工を施して除去し、図７に示すような小さな
ボルテックス走行領域(72)を有する素子を作製した。ボ
ルテックス走行領域(72)の長さ（Ｌ）は５μｍ、幅
（Ｗ）は１μｍであった。
【００５１】この微細加工の長さは実施例１及び６にお
けるＬに相当するもので、Ｌは０．１μｍから１μｍの
範囲で変化させた素子を試作した。
けるＬに相当するもので、Ｌは０．１μｍから１μｍの
範囲で変化させた素子を試作した。
【００５２】図８は各素子のトランスレジスタンス（Ｒ
m ）とボルテックス走行領域長さ（Ｌ）との関係を示す
線図である。図８に示す通り、Ｒm はＬとほぼ比例関係
にあるが、Ｌ＝０．１μｍになると直線から大幅にずれ
て大きく低下し、Ｒm が小さくなり過ぎると電力利得が
得られないことが確認された。ＹＢＣＯ単結晶では、λ
ab＝０．１４μｍ，λc ＝０．７μｍであるので、本発
明による素子を得るにはＬ≧λabである必要があること
が確認された。
m ）とボルテックス走行領域長さ（Ｌ）との関係を示す
線図である。図８に示す通り、Ｒm はＬとほぼ比例関係
にあるが、Ｌ＝０．１μｍになると直線から大幅にずれ
て大きく低下し、Ｒm が小さくなり過ぎると電力利得が
得られないことが確認された。ＹＢＣＯ単結晶では、λ
ab＝０．１４μｍ，λc ＝０．７μｍであるので、本発
明による素子を得るにはＬ≧λabである必要があること
が確認された。
【００５３】
【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
基板上にａｂ面が垂直となるように成膜された高温超電
導単結晶膜に微細加工を施すことによって、新規な原理
に基づくボルテックスフロー素子を作製することがで
き、これによって簡便、低コストな方法で、小型・高出
力・高い応答周波数を持つ超電導ボルテックスフロー素
子およびその周辺回路が供給できるという効果がある。
基板上にａｂ面が垂直となるように成膜された高温超電
導単結晶膜に微細加工を施すことによって、新規な原理
に基づくボルテックスフロー素子を作製することがで
き、これによって簡便、低コストな方法で、小型・高出
力・高い応答周波数を持つ超電導ボルテックスフロー素
子およびその周辺回路が供給できるという効果がある。
【図１】本発明のボルテックスフロー素子の一実施例の
構成を示す説明図である。
構成を示す説明図である。
【図２】液体窒素温度，ゼロ磁界下における各ボルテッ
クス走行領域の臨界電流密度のボルテックス走行領域の
幅（Ｗ）依存性を示す線図であり、縦軸は臨界電流密度
（１０10Ａ／ｍ2 ）、横軸はＷ／λc である。
クス走行領域の臨界電流密度のボルテックス走行領域の
幅（Ｗ）依存性を示す線図であり、縦軸は臨界電流密度
（１０10Ａ／ｍ2 ）、横軸はＷ／λc である。
【図３】ボルテックスフロー素子特性の評価を行う際の
測定系の概要を示す回路図である。
測定系の概要を示す回路図である。
【図４】ボルテックスフロー素子の交流特性の検証に用
いた測定系の回路図である。
いた測定系の回路図である。
【図５】ボルテックスフロー素子を用いた発振回路の概
要を示す説明図である。
要を示す説明図である。
【図６】本発明のボルテックスフロー素子の別の実施例
の構成を示す説明図である。
の構成を示す説明図である。
【図７】本発明のボルテックスフロー素子の更に別の実
施例の構成を示す説明図である。
施例の構成を示す説明図である。
【図８】各素子のトランスレジスタンス（Ｒm ）とボル
テックス走行領域長さ（Ｌ）との関係を示す線図であ
る。
テックス走行領域長さ（Ｌ）との関係を示す線図であ
る。
【図９】電界効果を基本とする超電導増幅素子の構成を
示す説明図である。
示す説明図である。
【図１０】キャリア注入タイプの素子の構造を示す説明
図である。
図である。
【図１１】ボルテックスの運動を利用した素子の構造を
示す説明図である。
示す説明図である。
【図１２】高温超電導体単結晶を用いたボルテックスフ
ロー素子の構造を示す説明図である。
ロー素子の構造を示す説明図である。
(11)(61)(71)…ＮｄＧａＯ3 単結晶（基板） (12)(62)(72)…ボルテックス走行領域（高温超電導体単
結晶小体） (13)(63)(73)…ボルテックス駆動電流線（電極） (14)(64)(74)…入力信号線（励磁手段） (15)(65)(75)…駆動電流供給線（励磁手段）
結晶小体） (13)(63)(73)…ボルテックス駆動電流線（電極） (14)(64)(74)…入力信号線（励磁手段） (15)(65)(75)…駆動電流供給線（励磁手段）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 前田 敏彦 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内
Claims (6)
- 【請求項１】 高温超電導体単結晶小体と、この高温超
電導体単結晶小体のｃ軸方向の両端部に接合した一対の
電極と、高温超電導体単結晶小体に対してｃ軸と直交す
る方向に磁界を印加する励磁手段とを備え、前記一対の
電極間に超電導状態で電流が流れている状態で前記励磁
手段によって高温超電導体小体に磁界を印加した時に前
記一対の電極間に電圧を発生させる高温超電導単結晶体
型ボルテックスフロー素子において、 前記高温超電導体単結晶小体が基板表面上に設けられ、
この高温超電導体単結晶小体のａ軸とｂ軸とを含むａｂ
面がこの基板に対して直交して設けられたことを特徴と
する高温超電導単結晶体型ボルテックスフロー素子。 - 【請求項２】 請求項１に記載の高温超電導単結晶体型
ボルテックスフロー素子において、 前記励磁手段によって磁界が印加される高温超電導体単
結晶小体のｃ軸に垂直な幅Ｗが、ｃ軸に平行に磁界を印
加した時の磁界侵入長λc の５倍以下とし、 前記励磁手段によって磁界が印加される高温超電導体単
結晶小体のｃ軸方向の長さＬが、ａｂ面に平行に磁界を
印加した時の磁界侵入長λab以上としたことを特徴とす
る高温超電導単結晶体型ボルテックスフロー素子。 - 【請求項３】 請求項１又は２に記載の高温超電導単結
晶体型ボルテックスフロー素子において、 前記励磁手段は、前記高温超電導体単結晶小体が設けら
れた同一基板表面上に設けられたことを特徴とする高温
超電導単結晶体型ボルテックスフロー素子。 - 【請求項４】 請求項１〜３の何れかに記載の高温超電
導単結晶体型ボルテックスフロー素子において、 前記電極は、前記高温超電導体単結晶小体が設けられた
同一基板表面上に設けられたことを特徴とする高温超電
導単結晶体型ボルテックスフロー素子。 - 【請求項５】 高温超電導体単結晶小体と、この高温超
電導体単結晶小体のｃ軸方向の両端部に接合した一対の
電極と、高温超電導体単結晶小体に対してｃ軸と直交す
る方向に磁界を印加する励磁手段とを備え、前記一対の
電極間に超電導状態で電流が流れている状態で前記励磁
手段によって高温超電導体単結晶小体に磁界を印加した
時に前記一対の電極間に電圧を発生させる高温超電導単
結晶体型ボルテックスフロー素子の作製方法において、 前記基板上に、高温超電導体単結晶膜をａ軸とｂ軸とを
含むａｂ面が基板表面に対して直交するように成膜する
ことを特徴とする高温超電導単結晶体型ボルテックスフ
ロー素子の製作方法。 - 【請求項６】 請求項５に記載の高温超電導単結晶体型
ボルテックスフロー素子の作製方法において、 前記高温超電導体単結晶膜を、少なくとも表面が予め定
められた結晶配位の前記基板表面上に、液相エピタキシ
ャル法又は気相エピタキシャル法によって、ａ軸とｂ軸
とで構成される面が直交するように成膜して得ることを
特徴とする高温超電導単結晶体型ボルテックスフロー素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8143491A JPH09307148A (ja) | 1996-05-15 | 1996-05-15 | 高温超電導単結晶体型ボルテックスフロー素子及びその作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8143491A JPH09307148A (ja) | 1996-05-15 | 1996-05-15 | 高温超電導単結晶体型ボルテックスフロー素子及びその作製方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09307148A true JPH09307148A (ja) | 1997-11-28 |
Family
ID=15339952
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8143491A Pending JPH09307148A (ja) | 1996-05-15 | 1996-05-15 | 高温超電導単結晶体型ボルテックスフロー素子及びその作製方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09307148A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112204679A (zh) * | 2018-05-25 | 2021-01-08 | 赫姆霍兹-森德拉姆德雷斯顿-罗森多夫研究中心 | 在稀土锰酸盐中重构涡旋密度的方法，以及一种非易失性阻抗开关及其用途 |
-
1996
- 1996-05-15 JP JP8143491A patent/JPH09307148A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112204679A (zh) * | 2018-05-25 | 2021-01-08 | 赫姆霍兹-森德拉姆德雷斯顿-罗森多夫研究中心 | 在稀土锰酸盐中重构涡旋密度的方法，以及一种非易失性阻抗开关及其用途 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5729046A (en) | Superconducting device having pinning regions | |
| US5401714A (en) | Field-effect device with a superconducting channel | |
| Latyshev et al. | Dimensional crossover for intrinsic dc Josephson effect in B i 2 S r 2 CaC u 2 O 8 2212 single crystal whiskers | |
| JP3589656B2 (ja) | 段付きエッジ間のＳＮＳ接合を用いる高Ｔｃマイクロブリッジ超電導体装置 | |
| US5250817A (en) | Alkali barrier superconductor Josephson junction and circuit | |
| US5981443A (en) | Method of manufacturing a high temperature superconducting Josephson device | |
| Trotel et al. | Magnetically tunable YBaCuO microstrip resonators and bandpass filters | |
| JPH09307148A (ja) | 高温超電導単結晶体型ボルテックスフロー素子及びその作製方法 | |
| JP3189403B2 (ja) | 超電導接合を有する素子およびその作製方法 | |
| JPH0783144B2 (ja) | 酸化物超伝導体を用いたジヨセフソン素子 | |
| Irie et al. | Fabrication of DC SQUIDs based on Bi/sub 2/Sr/sub 2/CaCu/sub 2/O/sub y/intrinsic Josephson junctions | |
| JP2002009353A (ja) | バイクリスタル酸化物超電導膜体及び該膜体を用いた高温超電導ジョセフソン接合素子並びに超電導量子干渉素子 | |
| Wang et al. | Microwave responses of an insular intrinsic Josephson junction stack fabricated from Bi-Sr-Ca-Cu-O single crystal | |
| JPH02391A (ja) | 超電導電界効果トランジスタ | |
| JP3570418B2 (ja) | 超伝導デバイス | |
| US5183970A (en) | Oriented superconductors for AC power transmission | |
| JP2002141565A (ja) | 超電導デバイスの製造方法 | |
| WANG et al. | Intrinsic Josephson Junctions in BiSrCaCuO-2212: Recent Progress | |
| JPH05267736A (ja) | 超電導接合を有する素子およびその作製方法 | |
| JPH02181983A (ja) | 超伝導トンネル接合素子 | |
| JPH07101759B2 (ja) | 超電導素子 | |
| JPH0738165A (ja) | 超伝導ジョセフソン素子の作製方法 | |
| JPH05327047A (ja) | ジョセフソン素子およびその製造方法 | |
| JPH05291632A (ja) | 超電導接合構造体 | |
| Clarke et al. | High-T {sub c} Thin-Film Microelectronics |