JPH07235700A - Superconductive super-lattice crystal device - Google Patents
Superconductive super-lattice crystal deviceInfo
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- JPH07235700A JPH07235700A JP6025512A JP2551294A JPH07235700A JP H07235700 A JPH07235700 A JP H07235700A JP 6025512 A JP6025512 A JP 6025512A JP 2551294 A JP2551294 A JP 2551294A JP H07235700 A JPH07235700 A JP H07235700A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は銅酸化物系高温超伝導体
を用いたトンネル接合形ジョセフソン素子を、薄膜製作
技術によらず、同超伝導体の結晶構造を特徴づける特有
の積層構造を利用して、直列接続トンネル接合形ジョセ
フソン素子を構成した超伝導超格子結晶デバイスに関す
るものである。本発明は超伝導体を利用した電子素子製
作技術に関するもので電子機器、通信機器及び情報機器
に広く利用し得る多機能なジョセフソン素子を提供する
にある。BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a tunnel junction type Josephson device using a copper oxide high temperature superconductor, which has a peculiar laminated structure which characterizes the crystal structure of the superconductor regardless of the thin film manufacturing technique. The present invention relates to a superconducting superlattice crystal device in which a series connection tunnel junction type Josephson device is constructed by utilizing. The present invention relates to an electronic element manufacturing technique using a superconductor, and an object thereof is to provide a multifunctional Josephson element which can be widely used in electronic devices, communication devices and information devices.
【0002】本発明を適用できる製品は電磁波検出器、
電磁波発振器、電圧標準器、電子計算機素子、超高感度
SQUID磁束計(超伝導量子干渉計)等である。Products to which the present invention can be applied are electromagnetic wave detectors,
It is an electromagnetic wave oscillator, a voltage standard, an electronic computer element, a super-sensitive SQUID magnetometer (superconducting quantum interferometer), and the like.
【0003】[0003]
【従来の技術】現在までに開発され利用されている超伝
導電子素子はジョセフソン素子であり、図1に示すよう
に、(a)トンネル接合形、(b)点接触形及び(c)
ブリッジ形の3種類の形状で代表される。2. Description of the Related Art Superconducting electronic devices developed and used up to now are Josephson devices, and as shown in FIG. 1, (a) tunnel junction type, (b) point contact type and (c)
It is represented by three types of bridge shapes.
【0004】ジョセフソン素子は、2個の超伝導体間の
超伝導電子(あるいは正孔)の弱い相互作用を利用する
素子であり、一般に、2個の超伝導体(あるいは超伝導
薄膜)とその間に設けた弱結合部とで構成される。これ
まで、実用的なジョセフソン素子は、超伝導材料として
金属Nb(ニオブ)(超伝導転移温度:9.2 K)を用い
て実現されている。それゆえ、まず、Nbを超伝導電極
とする金属系ジョセフソン素子の代表的な製作法の概略
と問題点を述べる。図1(a)のトンネル接合形素子
は、2枚の超伝導薄膜電極1A,1Bが厚さ約2nmの
絶縁層(トンネル障壁)2を挟むサンドイッチ(積層)
構造となっている。その製作は、まず、スパッタ法によ
り Si(シリコン)基板4上にNb薄膜を厚さ100 〜
150 nmに製作し、下部超伝導電極1Aを形成する。そ
の上に数nmのAl(アルミニウム)薄膜を製作し、そ
の表面を熱酸化してAl2 O3 (酸化アルミニウム)層
を形成しトンネル障壁2とする。この上に再度Nb薄膜
を厚さ100 〜150 nmに製作し上部超伝導電極1Bを形
成する工程を経てNb/Al・Al2 O3 /Nbトンネ
ル接合素子が完成する。この素子製作技術は現在ほぼ完
成されており、安定な素子が製作される。The Josephson device is a device that utilizes the weak interaction of superconducting electrons (or holes) between two superconductors, and is generally composed of two superconductors (or superconducting thin films). It is composed of a weakly coupled portion provided between them. Heretofore, practical Josephson devices have been realized by using metal Nb (niobium) (superconducting transition temperature: 9.2 K) as a superconducting material. Therefore, first, an outline and a problem of a typical manufacturing method of a metal-based Josephson device using Nb as a superconducting electrode will be described. The tunnel junction element shown in FIG. 1A is a sandwich (lamination) in which two superconducting thin film electrodes 1A and 1B sandwich an insulating layer (tunnel barrier) 2 having a thickness of about 2 nm.
It has a structure. First, a Nb thin film having a thickness of 100 to 100 is formed on a Si (silicon) substrate 4 by a sputtering method.
Fabricate to 150 nm and form the lower superconducting electrode 1A. An Al (aluminum) thin film having a thickness of several nm is formed thereon, and the surface thereof is thermally oxidized to form an Al 2 O 3 (aluminum oxide) layer to form the tunnel barrier 2. An Nb / Al.Al 2 O 3 / Nb tunnel junction device is completed through a step of forming an Nb thin film again to a thickness of 100 to 150 nm and forming an upper superconducting electrode 1B on this. This element manufacturing technology is almost completed at present, and stable elements are manufactured.
【0005】さらに、より安定な素子の実現に向けて、
スパッタNbN(窒化ニオブ)薄膜(超伝導転移温度:
16K)を上下両電極1A,1Bに用い、MgO(酸化マ
グネシウム)層をトンネル障壁2とするNbN/MgO
/NbNトンネル接合素子の開発も行われている。図1
(b)に示す点接触素子は、一方の超伝導体1Cを機械
加工、化学研磨等の工程を経て針状(先端部の直径は約
1μm)に成形し、これをもう一方の超伝導体平板1D
に押しつけて構成する。この素子は、通常、超伝導材料
にバルクのNbを使用しており、その針状接触部を弱結
合部とすることから、機械的な振動に弱い欠点を有す
る。Furthermore, in order to realize a more stable element,
Sputtered NbN (niobium nitride) thin film (superconducting transition temperature:
16K) for both upper and lower electrodes 1A and 1B and a MgO (magnesium oxide) layer as a tunnel barrier 2 NbN / MgO
/ NbN tunnel junction element is also being developed. Figure 1
In the point contact element shown in (b), one of the superconductors 1C is formed into a needle shape (the tip has a diameter of about 1 μm) through steps such as machining and chemical polishing, and the other superconductor is formed. Flat plate 1D
Press to configure. This element usually uses bulk Nb as a superconducting material, and has a weak point that it is weak against mechanical vibration because its needle-shaped contact portion is a weakly coupled portion.
【0006】図1(c)のブリッジ形素子は、基板4上
に製作した一枚の超伝導薄膜1あるいは超伝導薄膜と常
伝導薄膜の2層膜を用い、弱結合部3として、これらの
薄膜の一部を微細加工技術により幅を1μm程度にまで
狭め、電流方向の長さを200nm〜1μmの寸法に加工
し、この部分の超伝導性を弱める形で形成するものであ
る。通常、超伝導薄膜にはNb、常伝導薄膜にはTa
(タンタル)が用いられる。しかし、この素子は弱結合
部に電流が集中するため、電気的ショックで破壊しやす
い欠点をもつ。The bridge type device shown in FIG. 1 (c) uses a single superconducting thin film 1 or a two-layer film consisting of a superconducting thin film and a normal conducting thin film formed on a substrate 4, and these are used as weak coupling portions 3. A part of the thin film is narrowed down to about 1 μm by a microfabrication technique, and the length in the current direction is processed to a size of 200 nm to 1 μm, and the superconductivity of this part is weakened. Normally, Nb is used for the superconducting thin film and Ta is used for the normal conducting thin film.
(Tantalum) is used. However, this element has a drawback that it is easily destroyed by an electric shock because current concentrates on the weakly coupled portion.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】これら3種類の素子の
特性上の特徴は、図2に示すように、電流−電圧特性に
おいて、トンネル接合形素子は、基本的に接合容量を含
むために、大きなヒステリシスをもつが(図2(a)参
照)、他の2素子は接合容量を無視しうるため、ヒステ
リシスをもたない(同図(b)参照)。同図において、
Iは電流(軸)、Vは電圧(軸)、I0 は臨界電流(直
流ジョセフソン電流の最大値)、Δは超伝導体(電極)
のエネルギーギャップ、eは電子電荷である。しかし、
前者の素子は回路構成の工夫により、後者の素子特性も
実現でき、多機能であり、その製作の制御性の良好さ、
ならびに特性の安定性及び制御性の良好さからも、ジョ
セフソン素子の主流となっており、超伝導電子計算機用
スイッチング素子及び記憶素子、超高感度磁束計(SQ
UID磁束計)、電磁波混合器・検出器、電圧標準用素
子等として、情報処理、通信及び電子計測(生体計測を
含む)等に関する電子機器及び通信機器における超伝導
電子回路に広く応用が検討されてきている。しかし、こ
の素子の現在の問題点は、超伝導電極材料のNbが転移
温度9.2 Kであるため、その動作は極低温のみに限られ
るので、液体ヘリウム(沸点:4.2 K)による冷却が不
可欠なことである。The characteristic features of these three types of elements are that, as shown in FIG. 2, in the current-voltage characteristic, the tunnel junction type element basically includes a junction capacitance. Although it has a large hysteresis (see FIG. 2A), the other two elements do not have a hysteresis because the junction capacitance can be ignored (see FIG. 2B). In the figure,
I is current (axis), V is voltage (axis), I 0 is critical current (maximum DC Josephson current), Δ is superconductor (electrode)
, The energy gap, and e is the electronic charge. But,
The former element can realize the latter element characteristics by devising the circuit configuration, is multifunctional, and has good controllability in its manufacture.
Also, due to the stability of characteristics and good controllability, it is the mainstream of Josephson devices, such as switching devices and memory devices for superconducting electronic computers, and super-sensitive magnetometers (SQ).
UID magnetometer), electromagnetic wave mixer / detector, voltage standard element, etc. are widely studied for application to electronic devices related to information processing, communication and electronic measurement (including biological measurement), and superconducting electronic circuits in communication devices. Is coming. However, the current problem of this device is that the superconducting electrode material Nb has a transition temperature of 9.2 K, so its operation is limited to very low temperatures. Therefore, cooling with liquid helium (boiling point: 4.2 K) is essential. That is.
【0008】しかし、最近、液体窒素温度(77K)を上
回る超伝導転移温度をもつ銅酸化物系高温超伝導体が発
見されて以来、同超伝導体を電極に用い、液体窒素温度
においても動作しうるトンネル接合形ジョセフソン素子
(図1(a))の開発が進められている。この場合、中
心的超伝導材料はYBa2 Cu3 O7 化合物薄膜(転移
温度:約90K)であり、反応性スパッタ法や反応性蒸着
法等で製作できる。この薄膜製作技術を基盤として、Y
Ba2 Cu3 O7 薄膜上部電極1A(図1(a))を形
成後その上に、トンネル障壁となるSrTiO3 やY2
O3 薄膜等の絶縁層2(図1(a))を製作し、その後
再びYBa2 Cu3 O7 薄膜上部電極1B(図1
(a))を形成して、トンネル接合形素子を製作するこ
とが提案されたが、ヒステリシスをもつ、信頼できるト
ンネル特性の素子は現在までのところ実現されていな
い。この原因は、銅酸化物系高温超伝導体の構成元素の
種類が多く、結晶構造が複雑であるため、薄膜の品質及
び特性がその表面あるいは界面から内部まで充分に制御
できていないこと、ならびにトンネル障壁となる絶縁層
も高品質のものが得られていないことに基づくものであ
る。However, since a copper oxide high temperature superconductor having a superconducting transition temperature higher than the liquid nitrogen temperature (77K) was recently discovered, the same superconductor was used as an electrode and operated at the liquid nitrogen temperature. A possible tunnel junction type Josephson device (Fig. 1 (a)) is under development. In this case, the central superconducting material is a YBa 2 Cu 3 O 7 compound thin film (transition temperature: about 90 K), which can be manufactured by the reactive sputtering method or the reactive vapor deposition method. Based on this thin film manufacturing technology, Y
After forming the Ba 2 Cu 3 O 7 thin film upper electrode 1A (FIG. 1A), SrTiO 3 or Y 2 which becomes a tunnel barrier is formed on the upper electrode 1A.
O 3 insulating layer 2 of the thin film or the like to prepare a (FIG. 1 (a)), then again YBa 2 Cu 3 O 7 thin upper electrode 1B (Fig 1
It has been proposed to form (a)) to fabricate a tunnel junction type element, but an element having hysteresis and reliable tunnel characteristics has not been realized so far. The cause is that there are many kinds of constituent elements of the copper oxide high temperature superconductor and the crystal structure is complicated, so that the quality and characteristics of the thin film cannot be sufficiently controlled from its surface or interface to the inside, and This is based on the fact that high-quality insulating layers that serve as tunnel barriers have not been obtained.
【0009】一方、現在までに、ジョセフソン素子とし
ての動作が確認されている素子は、絶縁層としてPrB
a2 Cu3 O7 薄膜を用いたYBa2 Cu3 O7 /Pr
Ba2 Cu3 O7 /YBa2 Cu3 O7 積層接合形素子
であるが、PrBa2 Cu3 O7 層は実際には常伝導体
として働くため、その電流−電圧特性は図2(b)に示
すようなヒステリシスをもたない特性を示す。同様の特
性を示す素子として、Bi2 Sr2 CaCu2 Ox 超伝
導薄膜(転移温度:80K)とBi2 Sr2 CuOy 常伝
導薄膜の組合せによるBi2 Sr2 CaCu2 Ox /B
i2 Sr2 CuOy /Bi2 Sr2 CaCu2 Ox 積層
接合形素子も製作されている。その他の形式の素子とし
て、YBa2 Cu3 O7 エピタキシャル(結晶配向)薄
膜の結晶粒界におけるジョセフソン結合を利用した粒界
接合形ジョセフソン素子も製作されているが、その電流
−電圧特性は上述の特性と同様である。On the other hand, an element whose operation as a Josephson element has been confirmed to date is PrB as an insulating layer.
YBa 2 Cu 3 O 7 / Pr using a 2 Cu 3 O 7 thin film
Although it is a Ba 2 Cu 3 O 7 / YBa 2 Cu 3 O 7 laminated junction type element, since the PrBa 2 Cu 3 O 7 layer actually acts as a normal conductor, its current-voltage characteristic is shown in FIG. 2 (b). It shows the characteristics without hysteresis as shown in. As an element exhibiting similar characteristics, Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O x superconducting thin film (transition temperature: 80K) and Bi 2 Sr 2 CuO y Bi 2 by a combination of normal-conducting thin film Sr 2 CaCu 2 O x / B
An i 2 Sr 2 CuO y / Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O x laminated junction device has also been manufactured. As another type of element, a grain boundary junction type Josephson element utilizing Josephson coupling at the crystal grain boundary of a YBa 2 Cu 3 O 7 epitaxial (crystal orientation) thin film is also manufactured, but its current-voltage characteristic is The characteristics are the same as described above.
【0010】以上述べたように、銅酸化物系高温超伝導
体を電極とするトンネル接合形ジョセフソン素子(図1
(a))が実現された場合には、その多機能性を応用し
うるばかりでなく、液体窒素温度(77K)での使用が可
能となることからその利用範囲は金属系超伝導体を電極
とするジョセフソン素子に比し、大きく拡がることが期
待できる。しかし、現在の薄膜製作・加工技術により、
人工的に薄膜を積層する方法によるトンネル接合形ジョ
セフソン素子の製作は困難な状況にある。As described above, a tunnel junction type Josephson device having a copper oxide high temperature superconductor as an electrode (see FIG. 1).
When (a)) is realized, not only can the multi-functionality be applied, but it can also be used at liquid nitrogen temperature (77K), so the applicable range is metal-based superconductors. Compared with the Josephson device, which is said to be, it can be expected to spread greatly. However, with the current thin film manufacturing and processing technology,
It is difficult to fabricate a tunnel junction type Josephson device by artificially stacking thin films.
【0011】本発明は、銅酸化物系高温超伝導体を用い
たトンネル接合形ジョセフソン素子を、薄膜製作技術に
より人工的に形成するのではなく、同超伝導体の結晶構
造を特徴づける特有の積層構造を直接的に利用して構成
するものであり、電子・通信・情報機器に広く利用しう
る多機能なジョセフソン素子を実現することが目的であ
る。According to the present invention, a tunnel junction type Josephson device using a copper oxide high temperature superconductor is characterized not by artificially forming it by a thin film manufacturing technique but by characterizing the crystal structure of the superconductor. The purpose is to realize a multifunctional Josephson device that can be widely used in electronic, communication, and information devices.
【0012】銅酸化物系高温超伝導体は、一般に、超伝
導発現を担う金属的CuO2 層と、これにキャリア(正
孔または電子)を注入する非金属的電荷蓄積層の交互の
積層構造で特徴づけられる。このため、その超伝導特性
は強い異方性を示す。特に、(Bi1-x Pbx )2 Sr
2 Can-1 Cun O2n+4(ただし、0≦X≦0.5 ,n=
2又は3)及びTl2 Ba2 Can-1 Cun O2n+4(た
だし、n=1〜3)化合物等の単結晶はそれぞれ金属的
CuO2 層を含む超伝導層と、絶縁体的または半導体的
{(Bi1-x Pbx )O}2 あるいは{TlO}2 層を
含む電荷蓄積層の交互の積層構造で構成された超伝導層
/絶縁層(半導体層)/超伝導層/--の超格子(多接合
直列)構造をその結晶成長過程で自然に形成し内含す
る。The copper oxide high temperature superconductor generally has an alternating laminated structure of a metallic CuO 2 layer responsible for superconductivity and a nonmetallic charge storage layer for injecting carriers (holes or electrons) into the CuO 2 layer. Characterized by. Therefore, its superconducting property exhibits strong anisotropy. In particular, (Bi 1-x Pb x ) 2 Sr
2 C n-1 C n O 2n + 4 (where 0 ≦ X ≦ 0.5, n =
2 or 3) and Tl 2 Ba 2 Ca n-1 Cu n O 2n + 4 ( however, n = 1 to 3) and the superconducting layer, each single crystal, such as a compound containing a metallic CuO 2 layers, the insulator manner Alternatively, a superconducting layer / insulating layer (semiconductor layer) / superconducting layer / which is formed of an alternating laminated structure of charge storage layers including semiconducting {(Bi 1-x Pb x ) O} 2 or {TlO} 2 layers - a superlattice (multi-junction series) structure spontaneously formed by the crystal growth process entailment of.
【0013】この自然超格子構造を内含する同超伝導体
結晶(以下では超伝導超格子結晶とよぶ)は、個々の超
伝導層/絶縁層(半導体層)/超伝導層接合が固有のト
ンネル接合的なジョセフソン特性をもち、結晶全体とし
ては多接合が直列接続された特性を示すので、それ自身
が素子機能をもつ。しかし、同結晶の絶縁体的または半
導体的{(Bi1-x Pbx )O}2 や{TlO}2 層の
層間結合はファンデルワールス力によるため結合力が弱
く、内在する個々のジョセフソン接合の電子的結合(相
互作用)に不確定さ及び不安定さを与える。このため、
結晶全体で接合は確率的な動作を伴うことから、結晶の
みで素子を構成することは、安定性、信頼性の点で問題
がある。The superconducting crystal including the natural superlattice structure (hereinafter referred to as a superconducting superlattice crystal) has a unique superconducting layer / insulating layer (semiconductor layer) / superconducting layer junction. It has a tunnel-junction-like Josephson characteristic, and since the whole crystal shows the characteristic that multiple junctions are connected in series, it has an element function itself. However, since the interlayer coupling of the insulating or semiconducting {(Bi 1-x Pb x ) O} 2 and {TlO} 2 layers of the same crystal is weak due to the Van der Waals force, the intrinsic Josephson It gives uncertainty and instability to the electronic coupling (interaction) of the junction. For this reason,
Since the junction is accompanied by the stochastic operation in the whole crystal, it is problematic in terms of stability and reliability to form the element only with the crystal.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】本発明の超伝導超格子結
晶デバイスは、極低温で歪みが小さく熱膨張率が小さい
セラミック基板と、該基板上に形成された微細加工の施
された超伝導超格子結晶と、該結晶層上に設けられた絶
縁層と、該結晶層上に設けられた制御端子として働く圧
電素子と、これら素子及び基板を覆うよう嵌め合される
基板材料と同質のセラミックカバーと、前記セラミック
カバー(補助的)固定用バネクリップとにより成り、前
記結晶層上と絶縁層上とにそれぞれ設けられた制御電極
をそれぞれリード線により基板上に設けられた制御電極
に接続し、前記超伝導層/半導体又は絶縁層/超伝導層
積層の構造に対し垂直方向の超伝導層間の電子的結合を
外部より機械的ならびに電気的、磁気的に制御し得るよ
う構成したことを特徴とするものである。A superconducting superlattice crystal device according to the present invention comprises a ceramic substrate having a low strain and a small coefficient of thermal expansion at an extremely low temperature, and a microfabricated superconducting film formed on the substrate. Superlattice crystal, insulating layer provided on the crystal layer, piezoelectric element provided on the crystal layer as a control terminal, and ceramic of the same material as the substrate material fitted to cover these elements and the substrate A control cover electrode and a ceramic cover (auxiliary) fixing spring clip. Control electrodes provided on the crystal layer and the insulating layer are connected to control electrodes provided on the substrate by lead wires. And a structure in which electronic coupling between superconducting layers in a direction perpendicular to the structure of the superconducting layer / semiconductor or insulating layer / superconducting layer stack can be mechanically, electrically and magnetically controlled from the outside. It is an butterfly.
【0015】本発明の超伝導超格子結晶デバイスの前記
超伝導超格子結晶は適当な樹脂により基板に固定され、
該結晶の上面にはイオンエッチングによる微細加工によ
り素子部となる凸部を形成し、これら凸部により直列接
続ジョセフソントンネル接合を構成し、前記ジョセフソ
ントンネル接合を構成する凸部以外の凹部上面を覆って
絶縁層を形成し、超伝導超格子結晶の上面に形成した金
電極と、絶縁層上に形成した金電極とをそれぞれリード
線により基板側部上に形成した金電極に接続し、前記セ
ラミックカバー上に圧電素子用電極を設けたものより成
り、前記圧電素子を前記結晶に内在する超伝導層間の相
互作用による電子的結合を機械的に制御する制御端子と
し、外部より個々の超伝導層/絶縁層/超伝導層接合構
造のジョセフソントンネル接合の同期及び共鳴現象を制
御できるよう構成したものである。The superconducting superlattice crystal of the superconducting superlattice crystal device of the present invention is fixed to a substrate by a suitable resin,
On the upper surface of the crystal, a convex portion to be an element portion is formed by microfabrication by ion etching, and these convex portions constitute a Josephson tunnel junction connected in series, and the upper surface of the concave portion other than the convex portion constituting the Josephson tunnel junction is formed. To form an insulating layer, and connecting the gold electrode formed on the upper surface of the superconducting superlattice crystal and the gold electrode formed on the insulating layer to the gold electrode formed on the substrate side portion by a lead wire, The ceramic cover is provided with electrodes for piezoelectric elements, and the piezoelectric elements are used as control terminals for mechanically controlling electronic coupling due to interaction between superconducting layers existing in the crystal, and individual piezoelectric elements from the outside. This structure is configured to control the synchronization and resonance phenomena of the Josephson tunnel junction of the conductive layer / insulating layer / superconducting layer junction structure.
【0016】本発明の前記超伝導超格子結晶は銅酸化物
系高温超伝導体を使用するものである。The superconducting superlattice crystal of the present invention uses a copper oxide type high temperature superconductor.
【0017】本発明の前記銅酸化物系高温超伝導体は
(Bi1-x Pbx )2 Sr2 Can-1 Cun O2n+4(た
だし、0≦x≦0.5 ,n=2〜3)及びTl2 Ba2 C
an-1 Cun O2n+4(ただし、n=1〜3)より選択さ
れた何れか1つを使用するものである。[0017] The copper oxide-based high temperature superconductor of the present invention (Bi 1-x Pb x) 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 2n + 4 ( however, 0 ≦ x ≦ 0.5, n = 2~ 3) and Tl 2 Ba 2 C
Any one selected from a n-1 Cu n O 2n + 4 (where n = 1 to 3) is used.
【0018】本発明の前記銅酸化物系高温超伝導体は、
それぞれ金属的CuO2 を含む超伝導層と、絶縁体的ま
たは半導体的{(Bi1-x Pbx )O}2 あるいは{T
lO}2 層を含む電荷蓄積層の交互の積層構造で構成さ
れた超伝導層/絶縁層又は半導体層/超伝導層より成る
多接合直列の超格子構造を結晶構造内に内包するもので
ある。The copper oxide type high temperature superconductor of the present invention comprises:
A superconducting layer containing metallic CuO 2 and an insulator or semiconductor {(Bi 1-x Pb x ) O} 2 or {T
those harboring lO} superconductive layer / insulating layer or semiconductor layer / made of superconducting layer multijunction series of superlattice structure constituted by alternating lamination structure of the charge storage layer comprising two layers in the crystal structure .
【0019】[0019]
【実施例】以下図面について、本発明の実施の一例態様
を説明する。図3は、本発明による超伝導超格子結晶デ
バイスの基本構成を示す。本発明のデバイスは、微細加
工の施された超伝導超格子結晶と、同結晶に内在する超
伝導層間の電子的結合(相互作用)を制御する制御端子
とにより構成される。11は極低温で歪みの小さい熱膨張
率が小さい例えばアルミナ、ベリリア等のセラミック基
板、12は例えば(Bi1-x Pbx )2 Sr2 CaCu2
Oy のような微細加工の施された超伝導超格子結晶、13
は制御端子として働く圧電素子、14は基板材料と同質の
セラミックカバー、15はセラミック基板11、圧電素子13
及びセラミックカバー14を補助的に固定するためのバネ
クリップ(例えばBe−Cu合金等)である。超伝導超
格子結晶12及びセラミックカバー14は、熱膨張係数の小
さな、低温で使用が可能な軟質エポキシ樹脂(例えばビ
スフェノールA形エポキシ樹脂等)によりセラミック基
板11に接着・固定される。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 3 shows the basic structure of a superconducting superlattice crystal device according to the present invention. The device of the present invention is composed of a microfabricated superconducting superlattice crystal and a control terminal for controlling electronic coupling (interaction) between superconducting layers in the crystal. Reference numeral 11 denotes a ceramic substrate made of, for example, alumina, beryllia or the like, which has a low coefficient of thermal expansion and a small strain at extremely low temperature, and 12 denotes, for example, (Bi 1-x Pb x ) 2 Sr 2 CaCu 2
A superconducting superlattice crystal subjected to fine processing such as O y , 13
Is a piezoelectric element acting as a control terminal, 14 is a ceramic cover of the same material as the substrate material, 15 is a ceramic substrate 11, piezoelectric element 13
And a spring clip (for example, Be—Cu alloy) for auxiliary fixing of the ceramic cover 14. The superconducting superlattice crystal 12 and the ceramic cover 14 are bonded and fixed to the ceramic substrate 11 with a soft epoxy resin (for example, bisphenol A type epoxy resin or the like) having a small thermal expansion coefficient and which can be used at low temperature.
【0020】図4(a)は、本発明のデバイス上面図、
図4(b)はその内部上面図及び図4(c)はその縦断
面図を示す。21はセラミック基板であり、このセラミッ
ク基板21の両側辺部に金電極22,22を設ける。23は超伝
導超格子結晶で、この結晶23はエポキシ樹脂によりセラ
ミック基板21に接着・固定される。結晶23上には、イオ
ンエッチングによる微細加工により素子部となる23A凸
部が形成される。この凸部23Aは本発明のデバイスの中
心となる直列接続ジョセフソントンネル接合を構成して
いる。23B凸部は結晶23の未加工部であり、23A凸部よ
り大きな面積を有し、素子として動作しない。24は、結
晶23の凹部23Cの上に設けた絶縁層であり、この絶縁層
24はこの凸部23Aに接触している電流注入及び信号取り
出し用端子25(金電極)と凹部23Cとの間の短絡を防止
するためのものであり、例えばSrTiO3 (チタン酸
ストロンチウム)等を使用する。26は金電極22と25との
間を接続するリード線である。27は圧電素子であり、結
晶に内在する超伝導層間の電子的結合(相互作用)を機
械的に制御する制御端子として作用するものである。こ
れにより、外部より、個々の超伝導層/絶縁層(半導体
層)/超伝導層接合構造のジョセフソントンネル接合特
性、ならびに複数個の接合の直列接続によるジョセフソ
ン効果同期・共鳴現象を容易に制御することができる。
また、結晶凸部23Aの形状によってもこれらの現象を選
定することができる。さらに、図3に示す基本デバイス
に図19に示すように同軸ケーブルを付加し、電磁波を照
射することにより、直列接続接合のジョセフソン効果同
期現象を制御できる。また、これに弱磁界を印加するこ
とによってジョセフソン効果の共鳴現象ならびに磁束量
子との相互作用を制御できる。28は基板21と同質のセラ
ミックカバーであり、結晶の保護及び圧電素子27の固定
のために使われる。29はセラミックカバー上に設けた圧
電素子用電極である。FIG. 4 (a) is a top view of the device of the present invention,
FIG. 4 (b) shows an internal top view thereof, and FIG. 4 (c) shows a longitudinal sectional view thereof. Reference numeral 21 is a ceramic substrate, and gold electrodes 22, 22 are provided on both sides of the ceramic substrate 21. 23 is a superconducting superlattice crystal, and this crystal 23 is bonded and fixed to the ceramic substrate 21 with an epoxy resin. On the crystal 23, a 23A convex portion to be an element portion is formed by fine processing by ion etching. The convex portion 23A constitutes a series connection Josephson tunnel junction which is the center of the device of the present invention. The 23B convex portion is an unprocessed portion of the crystal 23, has a larger area than the 23A convex portion, and does not operate as an element. Reference numeral 24 denotes an insulating layer provided on the recess 23C of the crystal 23.
Reference numeral 24 is for preventing a short circuit between the current injection / signal extraction terminal 25 (gold electrode) in contact with the convex portion 23A and the concave portion 23C. For example, SrTiO 3 (strontium titanate) or the like is used. use. Reference numeral 26 is a lead wire connecting between the gold electrodes 22 and 25. Reference numeral 27 denotes a piezoelectric element, which acts as a control terminal that mechanically controls electronic coupling (interaction) between superconducting layers in the crystal. As a result, the Josephson tunnel junction characteristics of the individual superconducting layer / insulating layer (semiconductor layer) / superconducting layer junction structure and the Josephson effect synchronization / resonance phenomenon due to the series connection of a plurality of junctions can be facilitated from the outside. Can be controlled.
Also, these phenomena can be selected depending on the shape of the crystal convex portion 23A. Furthermore, by adding a coaxial cable as shown in FIG. 19 to the basic device shown in FIG. 3 and irradiating with an electromagnetic wave, the Josephson effect synchronization phenomenon of the series connection junction can be controlled. Also, by applying a weak magnetic field to this, the resonance phenomenon of the Josephson effect and the interaction with the magnetic flux quantum can be controlled. Reference numeral 28 is a ceramic cover of the same quality as the substrate 21, and is used for protecting the crystal and fixing the piezoelectric element 27. Reference numeral 29 is a piezoelectric element electrode provided on the ceramic cover.
【0021】本発明のデバイスの製作工程を図5に示
す。まず、金電極32を付設したセラミック基板31にエポ
キシ樹脂により厚さ100 μm〜1mm程度の超伝導体結晶
33を図5に示すように固定する。次に、この結晶33上に
(例えばネガ形の)フォトレジスト34を約2μmの厚さ
に図6に示すように塗布する。乾燥後、デバイス形状の
パターンのガラスマスク35をレジスト膜34の上に載せ、
紫外線を照射する(図7参照)。このレジスト膜34を現
像することにより、所望のレジストパターンを図8に示
すように形成する。この試料をAr(アルゴン)等のガ
スを用いたイオンエッチングにより結晶33を所望の厚さ
だけ図9に示すようにエッチングする。同期動作するジ
ョセフソン接合の最大の数はこの工程により決定され
る。ここで、ジョセフソン接合100 個当りの深さは300
nmに相当する。The manufacturing process of the device of the present invention is shown in FIG. First, a ceramic substrate 31 having a gold electrode 32 attached thereto is made of epoxy resin and has a thickness of about 100 μm to 1 mm.
Fix 33 as shown in FIG. Next, a photoresist (eg, negative type) photoresist 34 is applied on the crystal 33 to a thickness of about 2 μm as shown in FIG. After drying, a glass mask 35 having a device-shaped pattern is placed on the resist film 34,
Irradiate with ultraviolet rays (see FIG. 7). By developing this resist film 34, a desired resist pattern is formed as shown in FIG. This sample is ion-etched using a gas such as Ar (argon) to etch the crystal 33 by a desired thickness as shown in FIG. The maximum number of synchronous Josephson junctions is determined by this process. Here, the depth per 100 Josephson junctions is 300.
equivalent to nm.
【0022】次に、結晶加工部を平坦にするために、レ
ジストパターンの上から凸部の高さと同程度の厚さの絶
縁膜(例えば、SrTiO3 )36を蒸着する(図10参
照)。その後アセトン等のレジスト用溶剤に浸し、リフ
トオフ法により、フォトレジスト及びその上に付着して
いる絶縁膜を除去する(図11参照)。平坦化された結晶
33上に再び例えばネガ形のフォトレジスト37を塗布し
(図12参照)、金属電極パターンのガラスマスク38を用
いてレジストを露光・現象し、電極形状のレジストパタ
ーンを図13,図14に示すように形成する。次に、レジス
トパターン上に電極のための金属膜39(金,銀等)を図
15に示すように真空蒸着し、リフトオフ工程を経ること
により電極を図16に示すように形成する。結晶33上の金
属電極39とセラミック基板31上の金属電極32を金属ワイ
ヤ40により接続した後(図17参照)、制御端子用圧電素
子41が取り付けられたセラミックカバー42を結晶33が固
定されている基板31に取り付け固定することにより完成
する。この場合、セラミックカバー42の一部にくぼみを
設け、圧電素子41をそのくぼみに挿入・接着することに
より固定する(図18参照)。この時、制御端子は結晶凸
部(直列接続ジョセフソントンネル接合)に重なるよう
に取り付ける。制御端子用圧電素子41はセラミックカバ
ー上の電極43により調整する。また、図18の左側の金属
電極39の下の結晶33中にも直列接続ジョセフソン接合が
形成されているが、この部分の面積は結晶凸部の面積に
比べ大きいため、この部分はジョセフソントンネル接合
的な振舞いではなくバルク(結晶)的な振舞いを示し、
デバイス特性上問題は起こらない。逆に、この部分の面
積を小さくすることによって、この領域のジョセフソン
接合特性を積極的に利用することも可能である。Next, in order to flatten the crystallized portion, an insulating film (for example, SrTiO 3 ) 36 having the same thickness as the height of the convex portion is vapor-deposited on the resist pattern (see FIG. 10). Then, it is dipped in a resist solvent such as acetone, and the photoresist and the insulating film adhered thereon are removed by a lift-off method (see FIG. 11). Flattened crystal
For example, a negative photoresist 37 is applied again on 33 (see FIG. 12), and the resist is exposed and developed using a glass mask 38 having a metal electrode pattern, and the electrode-shaped resist pattern is shown in FIGS. 13 and 14. To form. Next, a metal film 39 (gold, silver, etc.) for the electrode is formed on the resist pattern.
As shown in FIG. 15, vacuum evaporation is performed and a lift-off process is performed to form electrodes as shown in FIG. After connecting the metal electrode 39 on the crystal 33 and the metal electrode 32 on the ceramic substrate 31 with the metal wire 40 (see FIG. 17), the crystal 33 is fixed on the ceramic cover 42 to which the control terminal piezoelectric element 41 is attached. It is completed by attaching and fixing to the existing substrate 31. In this case, a recess is provided in a part of the ceramic cover 42, and the piezoelectric element 41 is fixed by inserting and adhering in the recess (see FIG. 18). At this time, the control terminal is attached so as to overlap the crystal convex portion (serial connection Josephson tunnel junction). The piezoelectric element 41 for control terminal is adjusted by the electrode 43 on the ceramic cover. Further, a series connection Josephson junction is also formed in the crystal 33 below the metal electrode 39 on the left side of FIG. 18, but since the area of this portion is larger than the area of the crystal convex portion, this portion is Josephson. Shows bulk (crystalline) behavior instead of tunnel-junction behavior,
No problem occurs due to device characteristics. On the contrary, by reducing the area of this portion, it is possible to positively utilize the Josephson junction characteristic of this region.
【0023】〔応用例〕本発明による超伝導超格子結晶
デバイスは 単一ジョセフソントンネル接合特性 直列接続多ジョセフソントンネル接合特性及び同期
・共鳴特性 磁束フローデバイス特性及びソリトンデバイス特性 等を有し、同一デバイスにおいて外部からの制御により
上記の特性を自由に選択することができ、以下に挙げる
ようなデバイスに応用することができる。 応用例1 電圧標準器用デバイス[Application Example] The superconducting superlattice crystal device according to the present invention has a single Josephson tunnel junction characteristic, a series connection multi-Josephson tunnel junction characteristic and a synchronization / resonance characteristic, a magnetic flux flow device characteristic, a soliton device characteristic, and the like. The above characteristics can be freely selected in the same device by external control, and the invention can be applied to the following devices. Application example 1 Voltage standard device
【0024】現在、電圧標準器用デバイスには図1
(a)に示すようなトンネル接合形ジョセフソン素子を
1000個程度直列に接続したものが使われている。この場
合、ジョセフソン素子は平面的(2次元的)に配置され
るためにデバイスを小型化するには限度がある。本発明
のデバイスは3次元的に高さ方向にジョセフソントンネ
ル接合が配置されているのでデバイス面積は単一のジョ
セフソントンネル接合と同等であり、小型化が可能であ
る。したがって、電圧標準器用デバイスとして使用する
場合の構成図を図19に示す。この場合、セミリジッドケ
ーブル等の同軸ケーブル52によりデバイスに電磁波を導
入するために、図3に示すように基本デバイスに電磁波
導入用の端子51(長さは印加電磁波の波長の1/4に相
当)を付加しており、同軸ケーブル52の芯線が直接この
端子51に接触している。また、電流注入端子22A及び出
力信号取り出し端子22Bには高周波をカットするフィル
タ−53を接続する。電圧標準器用デバイスとして使用す
る場合は、電磁波が結晶23内の直列接続ジョセフソン接
合に効率良くバイアスされるようにジョセフソントンネ
ル接合の面積をジョセフソン磁場侵入長(結晶が(Bi
1-x Pbx )2 Sr2 CaCu2 Oy )の場合、約100
μm以下に微細加工する。ジョセフソントンネル接合に
電磁波等の交流電流がバイアスされると電流−電圧特性
上に交流電流の周波数に比例した電圧間隔(10GHzで
約20μV)の定電圧ステップが現れる。電圧標準は、こ
の定電圧ステップを利用している。本発明のデバイスは
多数のジョセフソントンネル接合が同期して動作するの
で、定電圧ステップ間隔はこの同期している接合の数倍
の大きさとなり、大きい電圧の標準が可能となる。ま
た、本発明デバイスでは、外部より同期している接合の
数を自由に変えることができるので、可変電圧標準器を
構成することができる。Currently, the voltage standard device is shown in FIG.
A tunnel junction type Josephson device as shown in FIG.
About 1000 pieces are connected in series. In this case, since the Josephson elements are arranged in a plane (two-dimensional), there is a limit to miniaturize the device. Since the device of the present invention has the Josephson tunnel junctions arranged three-dimensionally in the height direction, the device area is equivalent to that of a single Josephson tunnel junction and can be miniaturized. Therefore, FIG. 19 shows a configuration diagram when the device is used as a voltage standard device. In this case, in order to introduce an electromagnetic wave into the device by a coaxial cable 52 such as a semi-rigid cable, as shown in FIG. 3, a terminal 51 for introducing an electromagnetic wave into the basic device (the length corresponds to 1/4 of the wavelength of the applied electromagnetic wave) Is added, and the core wire of the coaxial cable 52 is in direct contact with this terminal 51. A filter 53 for cutting high frequencies is connected to the current injection terminal 22A and the output signal extraction terminal 22B. When used as a voltage standard device, the area of the Josephson tunnel junction is set so that the electromagnetic wave is efficiently biased to the series-connected Josephson junction in the crystal 23.
In the case of 1-x Pb x ) 2 Sr 2 CaCu 2 O y ), about 100
Fine processing to μm or less. When an alternating current such as an electromagnetic wave is biased to the Josephson tunnel junction, a constant voltage step with a voltage interval (about 20 μV at 10 GHz) that is proportional to the frequency of the alternating current appears on the current-voltage characteristics. The voltage standard utilizes this constant voltage step. Since the device of the present invention operates with multiple Josephson tunnel junctions in synchronism, the constant voltage step interval is several times larger than the synchronised junctions, allowing large voltage standards. Further, in the device of the present invention, the number of junctions that are synchronized from the outside can be freely changed, so that a variable voltage standard device can be configured.
【0025】応用例2 高速高出力スイッチングデバイ
ス 電流−電圧特性上にヒステリシスを持つジョセフソント
ンネル接合は、零電圧状態(“0”)と有限電圧状態
(“1”)を用いることにより高速スイッチングデバイ
スとして使用できる。本発明のデバイスも電流−電圧特
性上にヒステリシスがあるためスイッチングデバイスと
して利用することができる。本発明デバイスは、前述の
如く直列接続の多数のジョセフソントンネル接合を内含
しているため、ボルトオーダの高出力が可能であり、こ
れは現在の半導体デバイスの動作電圧と同程度であるこ
とから、超伝導デバイス−半導体・光デバイス混成回路
の構成が可能である。また、本発明デバイスは制御端子
により同期している接合の数を自由に加減できるので、
出力電圧の可変が可能である。Application Example 2 High Speed and High Output Switching Device A Josephson tunnel junction having a hysteresis in current-voltage characteristics is a high speed switching device by using a zero voltage state (“0”) and a finite voltage state (“1”). Can be used as The device of the present invention also has hysteresis in current-voltage characteristics, and thus can be used as a switching device. Since the device of the present invention includes a large number of Josephson tunnel junctions connected in series as described above, a high output of volt order is possible, which is about the same as the operating voltage of current semiconductor devices. Therefore, a superconducting device-semiconductor / optical device hybrid circuit can be configured. Further, since the device of the present invention can freely adjust the number of joints synchronized by the control terminal,
The output voltage can be changed.
【0026】応用例3 電磁波混合・検出デバイス 本発明で使用する銅酸化物系高温超伝導体は、超伝導エ
ネルギーギャップが10〜30meVと大きくミリ波、サブ
ミリ波などの超高周波応答が可能なため、超高周波電磁
波混合・検出デバイスとしても利用できる。この場合、
(図3)に示す基本デバイスを導波管内に取り付けて使
用することができる。この場合も、本発明のデバイスの
同期現象を用いることにより高変換効率を得ることがで
きる。Application Example 3 Electromagnetic Wave Mixing / Detecting Device Since the copper oxide high temperature superconductor used in the present invention has a large superconducting energy gap of 10 to 30 meV and is capable of super high frequency response such as millimeter wave and submillimeter wave. It can also be used as an ultra-high frequency electromagnetic wave mixing / detection device. in this case,
The basic device shown in FIG. 3 can be used by mounting it in a waveguide. Also in this case, high conversion efficiency can be obtained by using the synchronization phenomenon of the device of the present invention.
【0027】応用例4 超高周波発振デバイス 応用例3で述べたような超高感度電磁波混合・検出器の
実現のためには局部発信器として低雑音超高周波発振器
が必要である。本発明デバイスは、磁束フロー特性を有
することから超高周波発振デバイスとして利用すること
ができる。この場合、磁束フローを生じさせるために接
合部を長さがジョセフソン磁場侵入長の数倍(約1m
m)、幅がジョセフソン磁場侵入長程度(約100 μm)
に加工して用いる。この時、本発明のデバイスでは結晶
内ジョセフソントンネル接合の同期現象を用いることに
より高出力発振が可能となる。また、応用例3のデバイ
スと併用することにより集積化電磁波検出デバイスが実
現できる。Application Example 4 Ultra High Frequency Oscillation Device In order to realize the ultra high sensitivity electromagnetic wave mixing / detecting device described in Application Example 3, a low noise ultra high frequency oscillator is required as a local oscillator. Since the device of the present invention has magnetic flux flow characteristics, it can be used as an ultra-high frequency oscillation device. In this case, the length of the junction is several times the length of the Josephson magnetic field penetration (about 1 m to generate the magnetic flux flow).
m), width is about Josephson magnetic field penetration length (about 100 μm)
It is processed into and used. At this time, in the device of the present invention, high output oscillation becomes possible by using the synchronization phenomenon of the Josephson tunnel junction in the crystal. An integrated electromagnetic wave detection device can be realized by using the device of Application Example 3 together.
【0028】図20にこの集積化電磁波検出デバイスの断
面図を示す。図20において、61は超高周波発振デバイス
であり、62は発振デバイス用電極、63は電磁波検出デバ
イス、64は電磁波検出デバイス用電極であり、デバイス
61で発生した電磁波はデバイス61とデバイス63間の絶縁
体65により63へと伝達される。この絶縁体65には誘電体
すなわち、この場合誘電率の高い材料(例えばSrTi
O3 )を用いることにより本発明のデバイスで超小型電
磁波検出器を実現することができる。FIG. 20 shows a sectional view of this integrated electromagnetic wave detection device. In FIG. 20, 61 is an ultra-high frequency oscillation device, 62 is an electrode for an oscillation device, 63 is an electromagnetic wave detection device, 64 is an electrode for an electromagnetic wave detection device, and the device
The electromagnetic wave generated at 61 is transmitted to 63 by the insulator 65 between the device 61 and the device 63. The insulator 65 is made of a dielectric material, that is, a material having a high dielectric constant in this case (for example, SrTi).
By using O 3 ), a microminiature electromagnetic wave detector can be realized by the device of the present invention.
【0029】応用例5 超高感度SQUID磁束計 本発明に使用する上記の超伝導超格子結晶は不純物層を
挿入することにより、電流−電圧特性上にヒステリシス
のないジョセフソン弱結合素子としても動作する。した
がって、図4の結晶23にこのような接合1個を含む凸部
を2つ形成し、例えばYBa2 Cu3 O7 、Bi2 Sr
2 CaCu2 Oy 等より成る超伝導配線により並列に接
続することによりSQUIDを形成し、超高感度SQU
ID磁束計に利用することができる。この場合、上記結
晶の超伝導エネルギーギャップが大きいことから高出力
が得られるという利点がある。Application Example 5 Ultra-sensitive SQUID magnetometer The above-mentioned superconducting superlattice crystal used in the present invention operates as a Josephson weak coupling element having no hysteresis in current-voltage characteristics by inserting an impurity layer. To do. Therefore, two protrusions including one such junction are formed on the crystal 23 of FIG. 4 and, for example, YBa 2 Cu 3 O 7 and Bi 2 Sr are formed.
SQUID is formed by connecting in parallel with a superconducting wire made of 2 CaCu 2 O y, etc.
It can be used for an ID magnetometer. In this case, there is an advantage that a high output can be obtained because the superconducting energy gap of the crystal is large.
【0030】[0030]
【発明の効果】本発明の超伝導超格子結晶デバイスは、
銅酸化物系高温超伝導体の単結晶に内在する直列接続ジ
ョセフソントンネル接合を利用するものであることか
ら、液体窒素温度(77K)で動作が可能であり、小型・
高集積・高出力等の特徴も有する。また、従来、単一ジ
ョセフソントンネル接合特性、多ジョセフソン接合特
性、磁束フロー特性等を利用したデバイスに対し、各々
専用のデバイス設計が必要であったが、本発明のデバイ
スの場合、1個のデバイスがこれらの特性を有してお
り、必要に応じて外部より各々の特性を選択して制御す
ることができる多機能超伝導デバイスとすることができ
るものであり、デバイス設計を容易にする効果がある。
さらに、また本発明の基本デバイスの制御端子より結晶
素子部に絶縁膜を介して電圧を印加することで、超伝導
トランジスタへの応用に拡張することが可能となる。The superconducting superlattice crystal device of the present invention comprises:
Since the series connection Josephson tunnel junction that is inherent in the single crystal of the copper oxide high temperature superconductor is used, it is possible to operate at liquid nitrogen temperature (77K),
It also has features such as high integration and high output. Further, conventionally, a device designing dedicated to each of the devices utilizing the single Josephson tunnel junction characteristic, the multi-Josephson junction characteristic, the magnetic flux flow characteristic, etc. was required. Device has these characteristics, and it can be a multifunctional superconducting device that can be controlled by selecting each characteristic from the outside as needed, facilitating device design. effective.
Furthermore, by applying a voltage from the control terminal of the basic device of the present invention to the crystal element portion through the insulating film, it is possible to extend the application to a superconducting transistor.
【0031】本発明の超伝導超格子結晶デバイスは次の
効果を備えた電子デバイスを提供できる利点がある。 (1)銅酸化物系高温超伝導体(Bi1-x Pbx )2 Sr
2 Can-1 Cun Oy 及びTl2 Ba2 Can-1 Cun
Oy 等の単結晶に、その成長時に自然に形成され内在す
る超伝導層/絶縁層(半導体層)/超伝導層/--- の自
然超格子(多接合直列)構造の超伝導層間の電子的結合
(相互作用)を直接的に制御し、利用するようにしたの
で直列接続トンネル接合形ジョセフソン素子を構成した
デバイスを提供できる。The superconducting superlattice crystal device of the present invention has an advantage that it can provide an electronic device having the following effects. (1) Copper oxide high temperature superconductor (Bi 1-x Pb x ) 2 Sr
2 Ca n-1 Cu n O y and Tl 2 Ba 2 Can n-1 Cu n
Between the superconducting layer of the natural superlattice (multijunction series) structure of superconducting layer / insulating layer (semiconductor layer) / superconducting layer / ---- which is naturally formed during the growth of the single crystal such as O y Since the electronic coupling (interaction) is directly controlled and used, it is possible to provide a device having a series connection tunnel junction type Josephson element.
【0032】(2)上記超格子結晶に微細加工を施した素
子部に、その超伝導層間の電子的結合(相互作用)を制
御するための制御端子を備えて構成されたデバイスであ
るので、外部よりジョセフソン効果、同期共鳴現象を容
易に制御できる。(2) Since the device portion is obtained by finely processing the above-mentioned superlattice crystal, the device portion is provided with a control terminal for controlling electronic coupling (interaction) between the superconducting layers. The Josephson effect and the synchronous resonance phenomenon can be easily controlled from the outside.
【0033】(3)本発明のデバイスは外部より機械的な
らびに電気・磁気的に制御することが可能なように構成
したことにより 単一ジョセフソントンネル接合特性 直列接続多ジョセフソントンネル接合特性及び同期・
共鳴特性 磁束フローデバイス特性及びソリトンデバイス特性 のいずれの特性も選択して制御し、多目的に利用できる
特徴を有するデバイスを提供できる工業上大なる効果が
ある。(3) The device of the present invention is configured so that it can be mechanically, electrically and magnetically controlled from the outside. Single Josephson tunnel junction characteristics Series-connected multi-Josephson tunnel junction characteristics and synchronization・
Resonance characteristics Both the magnetic flux flow device characteristics and the soliton device characteristics are selected and controlled, and there is an industrially great effect that a device having characteristics that can be used for multiple purposes can be provided.
【図1】図1(a),(b),(c)は従来の超伝導ジ
ョセフソン素子の代表例を示すもので、図1(a)はト
ンネル接合形、図1(b)は点接触形及び図1(c)は
ブリッジ形の3種の代表的超伝導ジョセフソン素子の一
例を示す説明図である。1A, 1B, and 1C show a typical example of a conventional superconducting Josephson device. FIG. 1A is a tunnel junction type, and FIG. 1B is a point. The contact type and FIG. 1C are explanatory views showing an example of three typical superconducting Josephson devices of the bridge type.
【図2】図2(a),(b)は図1のジョセフソン素子
の電流−電圧特性図である。2 (a) and 2 (b) are current-voltage characteristic diagrams of the Josephson device of FIG.
【図3】図3は本発明の超伝導超格子結晶デバイスの基
本構成を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing a basic configuration of a superconducting superlattice crystal device of the present invention.
【図4】図4(a),(b),(c)はそれぞれ本発明
デバイスの上面図、その内部上面図及び縦断面図を対比
して示した図面である。4 (a), (b), and (c) are drawings respectively showing a top view, an internal top view, and a vertical cross-sectional view of the device of the present invention.
【図5】図5は本発明デバイスの製造過程を示す断面図
である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the device of the present invention.
【図6】図6は本発明デバイスの製造過程を示す断面図
である。FIG. 6 is a sectional view showing a manufacturing process of the device of the present invention.
【図7】図7は本発明デバイスの製造過程を示す断面図
である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the device of the present invention.
【図8】図8は本発明デバイスの製造過程を示す断面図
である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the device of the present invention.
【図9】図9は本発明デバイスの製造過程を示す断面図
である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the device of the present invention.
【図10】図10は本発明デバイスの製造過程を示す断面
図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the device of the present invention.
【図11】図11は本発明デバイスの製造過程を示す断面
図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the device of the present invention.
【図12】図12は本発明デバイスの製造過程を示す断面
図である。FIG. 12 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the device of the present invention.
【図13】図13は本発明デバイスの製造過程を示す断面
図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the device of the present invention.
【図14】図14は本発明デバイスの製造過程を示す断面
図である。FIG. 14 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the device of the present invention.
【図15】図15は本発明デバイスの製造過程を示す断面
図である。FIG. 15 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the device of the present invention.
【図16】図16は本発明デバイスの製造過程を示す断面
図である。FIG. 16 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the device of the present invention.
【図17】図17は本発明デバイスの製造過程を示す断面
図である。FIG. 17 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the device of the present invention.
【図18】図18は本発明デバイスの製造過程を示す断面
図である。FIG. 18 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the device of the present invention.
【図19】図19は本発明のデバイスで電圧標準器用デバ
イスに応用した場合の基本構成を分解して示した斜視図
である。FIG. 19 is a perspective view showing an exploded basic configuration of the device of the present invention when applied to a device for a voltage standard.
【図20】図20は本発明のデバイスを応用した集積化電
磁波検出デバイスの基本構成の一例を示す断面図であ
る。FIG. 20 is a sectional view showing an example of the basic configuration of an integrated electromagnetic wave detection device to which the device of the present invention is applied.
1,1A,1B 超伝導薄膜 1C,1D 超伝導体 2 トンネル障壁 3 弱結合部 4 基板 I 電流(軸) V 電圧(軸) I0 臨界電流(直流ジョセフソン電流の最大値) Δ 超伝導体(電極)のエネルギーギャップ e 電子電荷 11 セラミック基板 12 超伝導超格子結晶 13 制御端子用圧電素子 14 セラミックカバー 15 セラミックカバー(補助的)固定用バネクリップ 21 セラミック基板 22 金電極 23 超伝導超格子結晶 23A 凸部 23B 凸部 23C 凹部 24 絶縁層 25 金電極 26 リード線 27 圧電素子 28 セラミックカバー 29 圧電素子用電極 31 セラミック基板 32 金電極 33 超伝導超格子結晶 34 フォトレジスト 35 フォトマスク 36 絶縁層 37 フォトレジスト 38 フォトマスク 39 金電極 40 金属ワイヤー 41 圧電素子 42 セラミックカバー 43 圧電素子用電極 51 電磁波導入用端子 52 同軸ケーブル 53 フィルター 61 超高周波発振デバイス 62 発振デバイス用電極 63 電磁波検出デバイス 64 電磁波検出デバイス用電極 65 絶縁体1,1A, 1B Superconducting thin film 1C, 1D Superconductor 2 Tunnel barrier 3 Weak coupling part 4 Substrate I Current (axis) V Voltage (axis) I 0 Critical current (maximum DC Josephson current) Δ Superconductor Energy gap of (electrode) e Electronic charge 11 Ceramic substrate 12 Superconducting superlattice crystal 13 Piezoelectric element for control terminal 14 Ceramic cover 15 Ceramic cover (auxiliary) fixing spring clip 21 Ceramic substrate 22 Gold electrode 23 Superconducting superlattice crystal 23A convex part 23B convex part 23C concave part 24 insulating layer 25 gold electrode 26 lead wire 27 piezoelectric element 28 ceramic cover 29 piezoelectric element electrode 31 ceramic substrate 32 gold electrode 33 superconducting superlattice crystal 34 photoresist 35 photomask 36 insulating layer 37 Photoresist 38 Photomask 39 Gold electrode 40 Metal Wire 41 Piezoelectric element 42 Ceramic cover 43 Piezoelectric element electrode 51 Electromagnetic wave introduction terminal 52 Coaxial cable 53 Filter 61 Ultra high frequency oscillation device 62 Oscillation device electrode 63 Electromagnetic wave detection device 64 Electromagnetic wave detection device electrode 65 Insulator
Claims (5)
歪みが小さく熱膨張率が小さいセラミック基板と、該基
板上に形成された微細加工の施された超伝導超格子結晶
と、該結晶層上に設けられた絶縁層と、該結晶層上に設
けられた制御端子として働く圧電素子と、これら素子及
び基板を覆うよう嵌め合される基板材料と同質のセラミ
ックカバーと、前記セラミックカバー(補助的)固定用
バネクリップとより成り、前記結晶層上と絶縁層上とに
それぞれ設けられた制御電極をそれぞれリード線により
基板上に設けられた制御電極に接続し、前記超伝導層/
半導体又は絶縁層/超伝導層積層の構造に対し垂直方向
の超伝導層間の電子的結合を外部より機械的ならびに電
気的、磁気的に制御し得るよう構成したことを特徴とす
る超伝導超格子結晶デバイス。1. A superconducting superlattice crystal device comprises a ceramic substrate having a low strain and a small coefficient of thermal expansion at a cryogenic temperature, a microfabricated superconducting superlattice crystal formed on the substrate, and the crystal. An insulating layer provided on the layer, a piezoelectric element provided on the crystal layer as a control terminal, a ceramic cover of the same quality as a substrate material fitted to cover the element and the substrate, and the ceramic cover ( (Auxiliary) fixing spring clips, and connecting the control electrodes respectively provided on the crystal layer and the insulating layer to the control electrodes provided on the substrate by lead wires,
A superconducting superlattice characterized in that the electronic coupling between the superconducting layers in the direction perpendicular to the structure of the semiconductor or the insulating layer / superconducting layer stack can be controlled mechanically, electrically and magnetically from the outside. Crystal device.
り基板に固定され、該結晶の上面にはイオンエッチング
による微細加工により素子部となる凸部を形成し、これ
ら凸部により直列接続ジョセフソントンネル接合を構成
し、前記ジョセフソントンネル接合を構成する凸部以外
の凹部上面を覆って絶縁層を形成し、超伝導超格子結晶
の上面に形成した金電極と、絶縁層上に形成した金電極
とをそれぞれリード線により基板側部上に形成した金電
極に接続し、前記セラミックカバー上に圧電素子用電極
を設けたものより成り、前記圧電素子を前記結晶に内在
する超伝導層間の相互作用による電子的結合を機械的に
制御する制御端子とし、外部より個々の超伝導層/絶縁
層/超伝導層接合構造のジョセフソントンネル接合の同
期及び共鳴現象を制御できるよう構成したことを特徴と
する請求項1記載の超伝導超格子結晶デバイス。2. The superconducting superlattice crystal is fixed to a substrate with a suitable resin, and a convex portion to be an element portion is formed on the upper surface of the crystal by fine processing by ion etching. A Son tunnel junction is formed, and an insulating layer is formed to cover the upper surfaces of the recesses other than the protruding portions that form the Josephson tunnel junction, and the gold electrode is formed on the upper surface of the superconducting superlattice crystal, and is formed on the insulating layer. A gold electrode is connected to a gold electrode formed on the side of the substrate by a lead wire respectively, and a piezoelectric element electrode is provided on the ceramic cover, and the piezoelectric element is provided between the superconducting layers existing in the crystal. A control terminal that mechanically controls electronic coupling due to interaction, and controls the synchronization and resonance phenomena of the Josephson tunnel junctions of individual superconducting layer / insulating layer / superconducting layer junction structures from the outside. The superconducting superlattice crystal device according to claim 1, which is configured to be controlled.
超伝導体である請求項1及び2記載の超伝導超格子結晶
デバイス。3. The superconducting superlattice crystal device according to claim 1, wherein the superconducting superlattice crystal is a copper oxide high-temperature superconductor.
1-x Pbx )2 Sr2 Can-1 Cun O2n+4(ただし、
0≦x≦0.5 ,n=2〜3)及びTl2 Ba2 Can-1
Cun O2n+4(ただし、n=1〜3)より選択された何
れか1つである請求項3記載の超伝導超格子結晶デバイ
ス。4. The copper oxide high temperature superconductor is (Bi
1-x Pb x ) 2 Sr 2 Can n-1 Cu n O 2n + 4 (however,
0 ≦ x ≦ 0.5, n = 2 to 3) and Tl 2 Ba 2 C an -1.
The superconducting superlattice crystal device according to claim 3, which is any one selected from Cu n O 2n + 4 (where n = 1 to 3).
れ金属的CuO2 を含む超伝導層と、絶縁体的または半
導体的{(Bi1-x Pbx )O}2 あるいは{TlO}
2 層を含む電荷蓄積層の交互の積層構造で構成された超
伝導層/絶縁層又は半導体層/超伝導層より成る多接合
直列の超格子構造を結晶構造内に内包するものである請
求項1ないし4記載の超伝導超格子結晶デバイス。5. The copper oxide high-temperature superconductor comprises a superconducting layer containing metallic CuO 2 and an insulating or semiconducting {(Bi 1-x Pb x ) O} 2 or {TlO}.
A multi-junction series superlattice structure composed of a superconducting layer / insulating layer or a semiconductor layer / superconducting layer constituted by an alternating laminated structure of charge storage layers including two layers is included in the crystal structure. The superconducting superlattice crystal device according to any one of 1 to 4.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP6025512A JP2674680B2 (en) | 1994-02-23 | 1994-02-23 | Superconducting superlattice crystal device |
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JPH07235700A true JPH07235700A (en) | 1995-09-05 |
JP2674680B2 JP2674680B2 (en) | 1997-11-12 |
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JP2674680B2 (en) | 1997-11-12 |
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