JPS63234573A - 超電導素子の作製方法 - 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】 「発明の利用分野」 本発明はセラミックス糸紐電導材料を用いた固体電子デ
ィバイスに関する。

本発明は入力端子と出力端子とを有する４端子素子の作
製方法に関する。本発明はかかる素子に増幅機能、スイ
ッ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Ｎ
ｂ＋Ｇｅ）等の金属材料を用いて固体電子ディバイスを
作る試みがなされてきた。

その代表的なものはジョセフソン素子である。

このジョ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、スイッチングを行わんとするもので、
２端子回路よりなっている。

「従来の問題点」 しかし、かかるジョセフソン素子は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る。また、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。

特に２端子素子であるため、信号の増幅機能を有さす、
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、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。

「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、超電導セラミック
材料を用いた４端子固体電子素子（ディバイス）の作製
方法を有せしめるものである。

本発明は非超電導性を有する絶縁性表面を有する基板上
にセラミックスのＴｃオンセット（超電導の始まる温度
、以下単にＴｃともいう）とＴｃｏ　（電気抵抗が原理
的に零になる温度）との間の温度領域を有する第１の超
電導材料（かかる材料を超電導性セラミックスという）
を設け、さらにこの第１の超電導材料の両端部を、かか
る温度領域では電気抵抗が零または零に近い特性を有す
る第２の超電導材料（Ｔｃｏ　’を有しＴｃｏ’＞Ｔｃ
の関係を有する）（かかる材料を超電導セラミックスと
いう）により連結した固体素子に関する。そしてこの第
２の超電導材料により、その一方より他方に電流が流れ
るべくその第２の超電導セラミックスの他端部にはそれ
ぞれ出力電極を有する。

本発明の超電導素子においては、Ｔｃオンセ・ノドとＴ
ｃｏとの差が１０に以上を有することが実用上の必要温
度範囲に余裕を有して好ましい。このためその差がＩＫ
またはそれ以下の金属の超電導材料よりも本発明にはセ
ラミック材料がより好ましい。

本発明は一対の出力用の超電導セラミックス間に連結し
た電極の間に制御用電極を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
には超電導性セラミッ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
電導性セラミックスに電圧を印加する。このセラミック
スは完全に超電導を有する状態とまったく超電導を有さ
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オンセントとＴｃｏとの間の
温度領域の状態）であるため、自らのポテンシャルを入
力の制御用電極に加えられた電圧に従って変化、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セラミックスとの中間
に介在する被膜の絶縁性は、もし入力信号を与える時の
電流をも機能上において無視させ得るならば、除去して
しまっても、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。

本発明において、この超電導性セラミックスは、制御用
電極が第１図（Ａ）または（Ｂ）に示す如く、１つのみ
であった場合、その反対面にまでポテンシャルの変更を
せしめ得べく　、ｏ、ｏｉ〜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ックス
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倍であっても
よい。しかし、一般に超電導を有するセラミックスはそ
の厚さが薄ければ薄くなるほどＴｃオンセントが低い温
度となってしまう傾向を有する。このため、これらの厚
さはＴｃオンセット（超電導を起こす臨界温度）を実用
化しにくい温度にまで下げない範囲で薄ければ薄いほど
、入力電圧に対してより敏感に出力電流を制御し得る。

第１図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）は本発明の固体
素子の縦断面図を示す。

第１図における第１の超電導性セラミックス（４）は、
第３図における超電導セラミックスの温度−固有抵抗特
性における曲線（４）を用いる。これはＴｃｏ　（２６
）　　とＴｃオンセット（２５）との中間領域、好まし
くはＴｃ＋ｏとＴｃｑ。との中間領域（１５）を用いる
。

第１図における第２の超電導セラミックス（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Ｔｃｏ”（２８）はＴｃ
オンセットよりも高い温度であり、本発明の固体素子の
使用温度（ＴｃオンセットとＴｃｏとの間）では抵抗は
零または零に近い値となる。

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の超電導性セラミックス（４
）および第２の超電導セラミックス（３）および（５）
よりなるセラミックス（２）を有する。

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。

第１図（Δ）は制御用電極（１０）が第１の超電導性セ
ラミックス（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
性セラミックス（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。

「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ッチング
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。

以下に図面に従って実施例を説明する。

「実施例１」 この実施例は第１図（＾）の構造を示す。

基板としてＹＳＺ　（イツトリア・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、
スパッタ法、ＭＢＥ（モレキュラ・ビーム・エピタキシ
ャル）法、ＣＶＤ　（気相反応）法、高速急冷法等を用
いて形成される超電導材料、例えば、（Ａ＋−ｘ　Ｂｘ
）ｙｃｕｏｚ、ｘ＝０．０１〜０．３．’ｔ　〜１．０
〜２．２．　ｚ−２〜４を有し、ＡはＹ（イントリュー
ム）、Ｇｕ（ガドリニューム）、Ｙｂ（イソテルビュー
ム）、Ｅｕ（ユーロピューム）、Ｔｂ（テルビューム）
、Ｄｙ（ジスプロシューム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｅ
ｒ（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、ＢはＲａ（ラ
ジューム）、Ｂａ（バリューム）、Ｓｒ（ストロンチュ
ーム）、Ｃａ（カルシューム）、Ｍｇ（マグネシューム
）、Ｂｅ（ベリリューム）の元素周期表Ｉｌａ族より選
ばれた超電導材料、特に例えば（Ｙｌ−Ｘ　Ｂａｘ）ｚ
ＣｕＯｚ、ｓ　〜３　Ｘ　〜０．０１〜０．３好ましく
ばｘ−０，０５〜０．１を用いた。またＡとして元素周
期表における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５〜１０時間処理して作製した。さ
らにこれらの上面に絶縁膜（１１’）を形成した。これ
はセラミックス（４）を選択的にエツチングする時のマ
スクとして用い得る。次にこれらをフォトリソグラフィ
技術によりパターニングし、さらに気相法により絶縁膜
（１１’）を形成した。かくして、第１図（Ａ）におけ
る第２の超電導セラミックス（３）　、　（５）を作製
した。かくして第３図曲線（３）　、　（５）を得た。

さらにこの後、第２の超電導セラミックスと同様の元素
を用い、Ｘ＋Ｖの値を変化させて同じ処理を行って第１
の超電導性セラミックス（４）を同様のプロセスで作製
した。この時、ＢａにさらにＳｒを加えてもよい。かく
の如き方法を用いて、Ｔｃオンセント（２５）をＴｃｏ
”より下げることが重要である。

かくして第３図曲線（４）を得た。この第１の超電導性
セラミックス（４）をもフォトエツチングをした後、電
気抵抗の十分大きい被膜（１１）を形成した。

次に制御用電極（１０）を金属、例えば銅または銅とニ
ッケルとの化合物を真空蒸着法を用いて作製した。出力
用の電極はセラミック薄膜に密接し、オーム接触がなさ
れるべ（した。

第１図（Ａ）において第１の超電導性セラミックス（４
）を先に設け、その後に第２の超電導セラミックス（３
）　、　（５）を形成してもよい。

第２図はこの実施例での動作を示す。

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（ポテンシャル）を示す。

第２図（Ａ）において、第２の超電導セラミックス、即
ち出力の他端（５）に電圧を印加する。するとポテンシ
ャル（３０）を得る。その結果、電子は（２０）　。

（２０’）の双方に量子論的な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（２
２）として観察される。

第２図（Ａ）においては制御用電極に何らにの電圧も印
加されていない。

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の超電導セラミックス即ち領域（４）のポ
テンシャル（２１）は第２図（Ａ）の（２４）より第２
図（Ｂ）の（２４’）へと移る。するとその結果形成さ
れた障壁に関連して（２０’）は更に小さくなり、また
（２０）は障壁のため極端に小さくなる。かくして第２
の超電導セラミックスの領域（３）より他の第２の超電
導セラミックスの領域（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。

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。

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。電子の遷移確率（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）に見掛は上のポテンシャルに移った後、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。

かくして入力信号のポテンシャ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幅をしたこととなり、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。

第３図は既に第１図に関連して説明したが、本発明を実
施するために作られた第１の超電導性セラミックス（４
）および第２の超電導セラミックス（３）　、　（５）
の実際のデータを示す。

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。また比抵抗がＴｃオンセット以上の温度での傾向よ
り、この材料は金属的特性を有している。しかし、この
図面において明らかな如く、第１の超電導性セラミック
ス（４）では超電導がおきる温度ＴｃまたはＴｃオンセ
ッ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オンセッ
トおよびＴｃ。

との間の１０χおよび９０χをここではＴｃ＋。、Ｔｃ
＋１゜と一定している。本発明の超電導素子は、Ｔｃオ
ンセットとＴｃｏとの間であればよいが、動作をより安
定化するため、Ｔｅｌ。、Ｔｃ、。を用いることが好ま
しい。

さらに第２の超電導セラミックス（３）　、　（５）　
も同様にＴｃ”オンセット（２’”）　、　Ｔｃｏ’　
（２８）を構成している。この時Ｔｃｏ’≧Ｔｃオンセ
ットまたはＴｃｏ　’≧ＴＣ９゜であることが重要であ
る。

第３図においてＴｃオンセット、Ｔｃｏ＋　Ｔｃ’　ｏ
は材料を制御することにより可変され得る。

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
に温度を代えてとっても、再現性を有していた。実施例
１の実験は約Ｔｃ５ｏ（５０χ）の温度で実験したもの
である。

「実施例２」 この実施例は第１図（Ｂ）に関するものである。

まず制御用電極（１０）を形成した。この後この電極を
熱酸化し、酸化物絶縁物例えば酸化銅を形成した。この
後、実施例１と同様に第２の超電導セラミックスを形成
し、さらにフォトリソグラフィ技術を用い抵抗が零のセ
ラミックス（３）　、　（５）を作製した。次に第１の
超電導性セラミックス（４）を実施例１と同様にして形
成した。

この実施例において、第１の超電導性セラミックスを形
成した後、第２の超電導セラミックスを形成する工程を
とってもよい。その特性等は実施例１と同様である。

「実施例３」 この実施例は第１図（Ｃ）に関するものである。

実施例２と同様にして、制御用電極（１０’）、被膜（
１１”）を形成する。さらにセラミックス（３）　、　
（５）および（４）を形成する。次にこれら全体に他の
被膜（１１）を実施例１と同様に形成する。そして他の
制御用電極（１０）を形成する。かくして第１図（Ｃ）
を作る。その特性は実施例１と同様である。

「効果」 本発明はこれまで２端子素子であった超電導素子を４端
子素子としたことにある。そしてこの制御用電極下にこ
の電極によりポテンシャルの変化するＴｃオンセットと
Ｔｃｏとの中間の状態を広い温度範囲で有する第１の超
電導性セラミックスを設け、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の超電導セラミッ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って出力
電流を増幅し、かつ制御させることが可能となった。

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った。

本発明において、超電導材料としてセラミック材料を用
いた。しかし本発明の技術思想より明らかな如（、Ｔｃ
とＴｃｏとの間の温度範囲が広い材料好ましくは１０°
に以上ある材料であれば酸化物セラミックスである必要
はなく、任意に選ぶことができることはいうまでもない
。

【図面の簡単な説明】 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ック
スの温度特性例を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、非超電導性基体上にＴｃオンセットとＴｃｏとの間
   の温度領域を有する第１の超電導性セラミックスを形成
   する工程と、該工程の前または後に前記温度領域で抵抗
   が零または零に近い第２の超電導セラミックスを連結し
   て形成する工程と、前記第１のセラミックス上に電気抵
   抗の十分大きい被膜を形成する工程と、該被膜上の前記
   セラミックス上方に制御電極を形成する工程とを有する
   ことを特徴とする超電導素子の作製方法。 ２、非超電導性基体上に制御用電極と該電極を覆って電
   気抵抗の十分大きい被膜を形成する工程と、該被膜を覆
   って前記基体上にＴｃオンセットとＴｃｏとの間の温度
   領域を有する第１の超電導性セラミックスを形成する工
   程と、前記第１の超電導性セラミックスに密接して該工
   程の前または後に、前記温度領域で抵抗が零または零に
   近い第２の超電導セラミックスを前記第１のセラミック
   スの端部に連結して形成する工程とを有することを特徴
   とする超電導素子の作製方法。