(57)【要約】【課題】  より高い周波数と出力強度を発生させることができる積層ジョセフソン接合を用いたテラヘルツ発振器を提供する。【解決手段】  超伝導層と絶縁層との固有ジョセフソン接合が直列に積層されている積層ジョセフソン接合を有する超伝導体単結晶の素子を用いたテラヘルツ発振器において、前記ジョセフソン接合が、幅が狭く、奥行きが長い接合であり、狭い素子幅に磁界を印加して四角形に並んだ磁束格子を形成し、前記狭い素子幅による定在波の共鳴を起こさせるように構成されていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導層と絶縁層との固有ジョセフソン接合が直列に積層されている積層ジョセフソン接合を有する超伝導体単結晶の素子を用いたテラヘルツ発振器において、前記ジョセフソン接合が、幅が狭く、奥行きが長い接合であり、狭い素子幅に磁界を印加して四角形に並んだ磁束格子を形成し、前記狭い素子幅による定在波の共鳴を起こさせるように構成されていることを特徴とするテラヘルツ発振器。
【請求項２】
前記超伝導体単結晶が、ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物単結晶であることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ発振器。
【請求項３】
前記四角形に並んだ磁束格子の集団的な磁束フローが位相整合状態で実現されることを特徴とする請求項１又は２に記載のテラヘルツ発振器。
【請求項４】
前記素子幅がジョセフソン侵入長の４倍以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のテラヘルツ発振器。
【請求項５】
前記素子幅が１．８μｍ以下であり、前記奥行きが５μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のテラヘルツ発振器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のジョセフソン接合を有する素子の上部及び下部電極を超伝導体単結晶で並列に繋いで並列の素子列を構成したことを特徴とするテラヘルツ発振器。
【請求項７】
前記ジョセフソン接合を有する素子が、基板と、該基板上に搭載される両面加工法によりパターン化された超伝導体単結晶からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のテラヘルツ発振器。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載のテラヘルツ発振器を備えていることを特徴とする画像診断・検査装置。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか一項に記載のテラヘルツ発振器を備えていることを特徴とする大気観測装置。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれか一項に記載のテラヘルツ発振器を備えていることを特徴とする無線通信装置。
【請求項１１】
請求項１〜７のいずれか一項に記載のテラヘルツ発振器における磁界の印加方法において、前記狭い素子幅に垂直に磁界を印加することを特徴とする磁界の印加方法。
【請求項１２】
超伝導電磁石、常伝導電磁石又は永久磁石を用いて磁界を印加することを特徴とする請求項１１に記載の磁界の印加方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導エレクトロニクス及びテラヘルツ応用に関し、特に、テラヘルツ帯連続波を発生させる新原理に基づく積層ジョセフソン接合を用いた新型テラヘルツ発振器に関するものである。その用途は、物性物理・分子科学・生物科学の基礎研究から、画像診断・検査・大気観測・将来の無線通信に至る広範なものである。
【背景技術】
【０００２】
金属系超伝導体では、幅の長いジョセフソン接合が磁束フロー発振器に応用されている。通常、この目的で用いられるジョセフソン接合は直線上に並んだ接合で、言い換えれば、磁界に垂直の幅はジョセフソン侵入長よりも長く、散逸を防ぐため平行な奥行きはジョセフソン侵入長よりも遙かに短く設計される。接合中の磁束がローレンツ力により加速され、素子端から飛び出すところで、放射が起きる。幅が長いため周波数は低く、素子幅との共鳴を使うことができないので出力強度も低い。
【０００３】
さらに、従来の金属系超伝導体を用いた素子では、放射マイクロ波の周波数は磁界強度と磁束フロー速度に比例するが、超伝導エネルギーギャップを越えることは出来ない。金属系では超伝導遷移温度が低いため、超伝導エネルギーギャップもそれに比例して低いため、周波数のカットオフも低くなってしまう。出力パワーは、主に接合の臨界電流と減衰特性に左右される。
【０００４】
また、高温超伝導体の固有接合を用いたテラヘルツ電磁波発振器も公知である（例えば、特許文献１参照）が、従来の金属系超伝導体と同様の設計思想に基づくものであり、接合列の整合した放射や明確な共鳴電流ステップを観測するものではない。
【特許文献１】特開２００４−２３５６１４号公報
【０００５】
特許文献１には、「超伝導層と絶縁層との固有ジョセフソン接合が直列に積層されている超伝導体単結晶メサ構造よりなり、テラヘルツ電磁波を発振できる電磁波発振部」（請求項１）が設けられているが、「前記電磁波発振部の超伝導体単結晶メサ構造は、外部磁場に垂直な方向の長さがジョセフソンの侵入深さより長く構成され」るものである（段落［０００８］、［００３１］）から、従来の金属系超伝導体の場合と同様に素子幅との共鳴を使うことができず、テラヘルツ電磁波の発振は十分ではなく、出力強度を高くすることができないという問題がある。
【０００６】
また、ミリ波の発振器としては、アンダーダンプＮｂジョセフソン接合を２次元に配列する方式がある（例えば、非特許文献１参照）。２次元接合列の共振による、接合列はマイクロ波を整合共振により放射する。敷居値以上では、接合列がマイクロ波の空間波長に達するまで、素子数Ｎの二乗に比例した出力を発生する。この文献によれば、検出された出力は、０．４ｍＷで、周波数は０．１８ＴＨｚであるから、出力強度、周波数は低いものであった。
【非特許文献１】P. Barbara et al., Phys. Rev. Lett. 82, 1963(1999), and Vasilic, Appl. Phys. Lett. 78, 1137(2001)
【０００７】
さらに、両面加工法によりコンパクトな集積回路を構成することができる超伝導電子デバイスを製造すること、そのような加工法を用いて単結晶ジョセフソン接合テラヘルツ検出器を得ることも公知であり（例えば、特許文献２及び３参照）、これらの文献には、「この方法を用いて、ａ−ｂ面方向の寸法がサブミクロンから約５００ミクロンまで、ｃ軸方向の厚さが数十から数千オングストロームまで変えることができる超伝導電子デバイス
を製造することができる。」（特許文献２の段落［００２０］）、「典型的なものでは、接合のａ−ｂ面の寸法をサブミクロンまで下げることができ、一方、ｃ軸方向の厚さを数十から数百Åにすることができる。」（特許文献３の段落［００１０］）と記載されているが、ジョセフソン接合を、幅が狭く、奥行きが長い接合とすることは示されていない。
【特許文献２】特開２００２−２４６６６５号公報
【特許文献３】特開２００２−２４６６６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記のような問題を解決しようとするものであり、より高い周波数と出力強度を発生させることができる積層ジョセフソン接合を用いたテラヘルツ発振器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用する。
（１）超伝導層と絶縁層との固有ジョセフソン接合が直列に積層されている積層ジョセフソン接合を有する超伝導体単結晶の素子を用いたテラヘルツ発振器において、前記ジョセフソン接合が、幅が狭く、奥行きが長い接合であり、狭い素子幅に磁界を印加して四角形に並んだ磁束格子を形成し、前記狭い素子幅による定在波の共鳴を起こさせるように構成されていることを特徴とするテラヘルツ発振器である。
（２）前記超伝導体単結晶が、ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物単結晶であることを特徴とする前記（１）のテラヘルツ発振器である。
（３）前記四角形に並んだ磁束格子の集団的な磁束フローが位相整合状態で実現されることを特徴とする前記（１）又は（２）のテラヘルツ発振器である。
（４）前記素子幅がジョセフソン侵入長の４倍以下であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか一のテラヘルツ発振器である。
（５）前記素子幅が１．８μｍ以下であり、前記奥行きが５μｍ以上であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか一項に記載のテラヘルツ発振器である。
（６）前記（１）〜（５）のいずれか一のジョセフソン接合を有する素子の上部及び下部電極を超伝導体単結晶で並列に繋いで並列の素子列を構成したことを特徴とするテラヘルツ発振器である。
（７）前記ジョセフソン接合を有する素子が、基板と、該基板上に搭載される両面加工法によりパターン化された超伝導体単結晶からなることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれか一のテラヘルツ発振器である。
（８）前記（１）〜（７）のいずれか一のテラヘルツ発振器を備えていることを特徴とする画像診断・検査装置である。
（９）前記（１）〜（７）のいずれか一のテラヘルツ発振器を備えていることを特徴とする大気観測装置である。
（１０）前記（１）〜（７）のいずれか一のテラヘルツ発振器を備えていることを特徴とする無線通信装置である。
（１１）前記（１）〜（７）のいずれか一のテラヘルツ発振器における磁界の印加方法において、前記狭い素子幅に垂直に磁界を印加することを特徴とする磁界の印加方法である。
（１２）超伝導電磁石、常伝導電磁石又は永久磁石を用いて磁界を印加することを特徴とする前記（１１）の磁界の印加方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、より高い周波数と出力強度を発生するテラヘルツ帯固体連続波発振器を提供することができるという効果を奏する。また、単に固体連続波発振器を提供し、画像診断・検査、大気観測、将来の無線通信を可能にするだけでなく、物性物理、分子科学
、生物科学の基礎研究に貢献するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
通常、定在波はジョセフソン接合では、弱い共鳴しか起こさなかった。従って、その原理から発振器を開発しようという試みはない。よって、定在波の原理に、磁束格子を加えたジョセフソン接合列の発振器は、新原理である。
【００１２】
また、固有ジョセフソン接合において、明瞭な共鳴発振現象を観測したのは最初である。これは、本発明のの進んだ加工法と磁束フロー運動の深い理解に基づくものである。
【００１３】
本発明においては、幅の狭い固有ジョセフソン素子を接合に平行な磁界中に置き、層に垂直な外部電流によるローレンツ力によりジョセフソン磁束を層内でフローさせ、磁束フロー電圧を発生させる。ジョセフソン接合は、電圧に比例する周波数で交流電流が流れる。外部電流を増加させると、フロー電圧が増加し、それに比例した交流電流の周波数が高くなる。即ち、波長が短くなっていく。この交流電流による電磁波の波長が素子の幅と一致すると共鳴が起きる。電磁波の周波数は、素子の幅に反比例することになる。
【００１４】
前述したように、従来技術においては、素子の幅を長く、素子の奥行きを短くして、幅の対角線成分を抑制することが必要であるが、本発明では高い磁界により固有ジョセフソン接合素子内部に、四角形に並んだ磁束格子を形成し、その集団的なフローを利用することから、素子の幅を短く、素子の奥行きを長くすることができる。素子の両端面に平行な磁束線により、電磁波の進行方向が磁界と垂直方向に絞られるからである。
【００１５】
すなわち、本発明は、超伝導層と絶縁層との固有ジョセフソン接合が直列に積層されている積層ジョセフソン接合を有する超伝導体単結晶よりなる素子を用いる点では従来技術と同じであるが、磁界を、狭い素子幅、好ましくはジョセフソン侵入長の４倍以下（ジョセフソン侵入長は、０．２〜１μｍであることが知られており、４倍は０．８〜４μｍに相当する。）、例えば１．８μｍ以下に作製された素子幅に対して印加する。素子幅は、さらに好ましくは、１．５μｍ以下である。逆に奥行きは、出来るだけ長く、例えば５μｍ以上とする。幅が狭く、さらに直線上に並んだ磁束格子が存在するために、定在波がジョセフソン接合内に発生する。
【００１６】
素子の電流―電圧特性にみられる共鳴に起因する電流ステップが、共鳴する接合数に比例して、徐々に増加することから、各接合の位相が揃った整合放射がおきていることが解る。この発信周波数は接合幅に反比例し、磁界強度とは関係ない。狭い素子幅に起因するエッジ効果により、四角磁束格子が形成され、その集団的な磁束フローが位相整合状態で実現し、ジョセフソン接合列の整合発振が誘起された。そして、素子の幅が１μｍ以下になると、その周波数はテラヘルツにまで達する。
【００１７】
このような幅の狭い固有接合を有する素子の上部及び下部電極を超伝導体単結晶で多数並列に繋いで、それらを共振させることにより、ライン幅は狭く、パワーは増大する。これにより、並列固有ジョセフソン接合素子列は、１０μＷを越える出力を発生させることが可能となる。
【００１８】
本発明では、超伝導体単結晶として、Ｂｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10等のビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物、Ｔｌ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10等のタリウム・バリウム・カルシウム・銅酸化物からなる単結晶などを用いることができるが、特に、ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物単結晶（ＢＳＣＣＯ）が好ましい。
【００１９】
このような高温超伝導体単結晶を用いると超伝導エネルギーギャップが大きいことから、周波数の上限は２０ＴＨｚに達する。我々の研究で、既に０．６ＴＨｚ間での発振を検出している。出力パワーは、接合数の二乗に比例することから、数十μＷを見込んでいる。さらに、個々の接合列にはもっと多くの接合を積層させ、それらを並列素子列として集積することが容易に出来るので、数ｍＷのパワーが期待できる。
【００２０】
本発明の超伝導体単結晶の加工法としては、基板上に搭載された超伝導体単結晶を両面加工法によりパターン化する方法を採用することができる（例えば、特許文献２及び３参照）。
従来のＮｂ系の技術と比較して、本発明の高温超伝導体を用いた加工法は簡略で、加工コストも安価である。しかも、同じ接合数の集積に対して、１００分ノ１の面積で実現可能である。
また、動作温度も、Ｎｂ系では４．２Ｋであるが、ＢＳＣＣＯでは４０Ｋまで可能である点で有利である。
【実施例】
【００２１】
ＢＳＣＣＯ単結晶から両面加工法によりパターン化されている素子を作製した。具体的には、（ａ）基板上に劈開されたＢＳＣＣＯ単結晶を固定する工程と、（ｂ）第１のフォトレジストを前記ＢＳＣＣＯ単結晶表面上にフォトリソグラフィ技術を用いて形成する工程と、（ｃ）第１のイオンミリングにより特定の深さにまで前記ＢＳＣＣＯ単結晶をエッチングする工程と、（ｄ）第２のフォトレジストを前記ＢＳＣＣＯ単結晶表面上にフォトリソグラフィ技術を用いて形成する工程と、（ｅ）前記第２のフォトレジストを用いて第２のイオンミリングを行い、固有ジョセフソン接合素子を形成する工程と、（ｆ）前記第２のフォトレジストを除去し、前記固有ジョセフソン接合素子を劈開し、裏返したＢＳＣＣＯ単結晶片を得る工程と、（ｇ）新たな基板上に前記ＢＳＣＣＯ単結晶片を固定し、フォトリソグラフィ技術を用いて形成する工程と、（ｈ）第３のフォトレジストを前記ＢＳＣＣＯ単結晶片上に形成する工程と、（ｉ）前記第３のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィと第３のイオンミリングでＢＳＣＣＯ単結晶素子をパターニングする工程と、（ｊ）前記第３のフォトレジストを剥離してから、下部電極及び上部電極を形成する工程を施すことにより、幅１μｍ、奥行き（長さ）３０μｍのジョセフソン接合を有するＢＳＣＣＯ単結晶からなるテラヘルツ発振器を得た。
【００２２】
テラヘルツ発振器の基本構成要素を図１に示す。層平行磁場を幅の狭い方の側面に印加し、接合にバイアス電流を流すと、磁束はフローし、一方の幅の大きな接合面から入り、もう一方から外へ出る。幅の狭い接合では、磁束の出入りに伴う側面の交流電流が両端面において整合する。このような状態の接合がある一定数を超えると、各接合の定在波が同期し共鳴を起こし、外部に強い電磁波を放出する。強い発振を得るために、このような固有ジョセフソン素子をさらに並列に数十個集積した。
【００２３】
図１で示した基本構成要素を集積した素子列を図２に示す。それぞれの上部及び下部電極は超伝導体（ＢＳＣＣＯ単結晶）で並列に繋がれている。この配列では、全ての固有ジョセフソンのスタックが等電圧となり、言い換えれば、周波数の固定状態になる。
【００２４】
図３に示したのは、４０個の１μｍ幅、３０μｍ長の固有接合を４０個並列に並べた素子の一般的な電流―電圧特性である。３００μＶの等間隔な電流ステップが見られる。ここで重要な点は、電流ステップの高さが、数番めのステップ以降、増加する点にある。振動の２次の高調波に対応するステップも見られ、これは２９０ＧＨｚのマイクロ波に相当する。この振動周波数が素子幅に反比例することから、これまでの最高の共鳴周波数は、素子幅が０．３μｍで６００ＧＨｚに達している。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】テラヘルツ発振器の基本構成要素の概念図である。
【図２】図１で示した基本構成要素を集積した素子列の概念図である。
【図３】４０個の１μｍ幅、３０μｍ長の固有接合を４０個並列に並べた素子の一般的な電流―電圧特性を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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