(57)【要約】【課題】銅酸化物高温超電導体の固有ジョセフソン接合に流れる電流を分流する抵抗素子（シャント抵抗）を内蔵させ、それを利用する抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置を用いたオンチップ検出器を提供する。【解決手段】抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置を用いたオンチップ検出器において、チップ３１と、このチップ３１上に形成され、単結晶の長尺状の銅酸化物高温超電導体の固有ジョセフソン接合を有する他の素子３２と、磁束フロー振動の検出を行うために、銅酸化物高温超電導体の突起部の側部にシャント抵抗材を有するジョセフソン接合装置からなる検出器３３を具備する。【選択図】図８
2005252277.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）チップと、
（ｂ）該チップ上に形成され、単結晶の長尺状の銅酸化物高温超電導体の固有ジョセフソン接合を有する他の素子と、
（ｃ）磁束フロー振動の検出を行うために、銅酸化物高温超電導体の突起部の側部にシャント抵抗材を有するジョセフソン接合装置からなる検出器を具備することを特徴とする抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置を用いたオンチップ検出器。
【請求項２】
請求項１記載のオンチップ検出器において、前記銅酸化物高温超電導体の突起部の側部に絶縁材と、該絶縁材をブリッジするように形成されるシャント抵抗材とを設けることを特徴とする抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置を用いたオンチップ検出器。
【請求項３】
請求項１記載のオンチップ検出器において、前記シャント抵抗材を有するジョセフソン接合装置からなる検出器を、前記チップ上で、かつ前記他の素子の側面近傍に配置することを特徴とする抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置を用いたオンチップ検出器。
【請求項４】
請求項１記載のオンチップ検出器において、前記他の素子上の一部に前記シャント抵抗材を有するジョセフソン接合装置が積層されることをことを特徴とする抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置を用いたオンチップ検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅酸化物高温超電導体を用いた抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置を用いたオンチップ検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、銅酸化物高温超電導体を用いた結晶粒界やステップエッジ等の各種の弱結合型のジョセフソン素子が、液体窒素温度（７７Ｋ）で動作可能なことから注目されている。弱結合型のジョセフソン素子には、（１）ブリッジ型、（２）点接触型、（３）近接効果型などの種々の構造の素子が提案されている。これらの素子は、弱結合部に浮遊の電気容量が極めて小さいので、電流−電圧特性に履歴がない。超伝導量子干渉素子はジョセフソン素子を含む超伝導体の閉回路で構成され、超高感度の磁気センサとして用いられている。
【特許文献１】なし
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の銅酸化物高温超電導体を用いたジョセフソン素子としては、その固有ジョセフソン接合（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ  Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ；ＩＪＪ）に流れる電流を分流する抵抗素子（シャント抵抗）を内蔵させ、それを利用するものは存在していない。
【０００４】
本発明は、上記状況に鑑みて、銅酸化物高温超電導体の固有ジョセフソン接合に流れる電流を分流する抵抗素子（シャント抵抗）を内蔵させ、それを利用する抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置を用いたオンチップ検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置を用いたオンチップ検出器において、チップと、このチップ上に形成され、単結晶の長尺状の銅酸化物高温超電導体の固有ジョセフソン接合を有する他の素子と、磁束フロー振動の検出を行うために、銅酸化物高温超電導体の突起部の側部にシャント抵抗材を有するジョセフソン接合装置からなる検出器を具備することを特徴とする。
【０００６】
〔２〕上記〔１〕記載の抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置を用いたオンチップ検出器において、前記銅酸化物高温超電導体の突起部の側部に絶縁材と、該絶縁材をブリッジするように形成されるシャント抵抗材とを設けることを特徴とする。
【０００７】
〔３〕上記〔１〕記載の抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置を用いたオンチップ検出器において、前記シャント抵抗材を有するジョセフソン接合装置からなる検出器を、前記チップ上で、かつ前記他の素子の側面近傍に配置することを特徴とする。
【０００８】
〔４〕  上記〔１〕記載の抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置を用いたオンチップ検出器において、前記他の素子上の一部に前記シャント抵抗材を有するジョセフソン接合装置が積層されることをことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００１０】
（Ａ）銅酸化物高温超電導体の固有ジョセフソン接合に流れる電流を分流する抵抗素子（シャント抵抗）を内蔵させ、それを利用する銅酸化物高温超電導体の抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置を提供することができる。
【００１１】
（Ｂ）ジョセフソン接合装置のシャント抵抗を高周波結合回路となし、電圧−周波数変換機能を付加して、超放射電磁波発振器を得ることができる。
【００１２】
（Ｃ）ジョセフソン接合装置の特定の数の接合を直流電流とマイクロ周波数でバイアスし、一次のシャピロステップで量子電圧を得ることにより、高精度なジョセフソンＤ／Ａ変換器を得ることができる。
【００１３】
（Ｄ）ジョセフソン接合装置のシャント抵抗を金属材となし、異なる周波数のミキシングを行う周波数ミキサーを得ることができる。
【００１４】
（Ｅ）磁束フロー振動を的確に検出することができるオンチップ検出器を得ることができる。
【００１５】
上記したように、超放射電磁波発振器、高精度なジョセフソンＤ／Ａ変換器、周波数ミキサー、オンチップ検出器など広範な適用が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置を用いたオンチップ検出器は、チップと、このチップ上に形成され、単結晶の長尺状の銅酸化物高温超電導体の固有ジョセフソン接合を有する他の素子と、磁束フロー振動の検出を行うために、銅酸化物高温超電導体の突起部の側部にシャント抵抗材を有するジョセフソン接合装置からなる検出器を具備する。
【実施例】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
本発明の特徴は、銅酸化物高温超電導体の固有ジョセフソン接合（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ  Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ；ＩＪＪ）に流れる電流を分流する抵抗素子（シャント抵抗）を用いることである。この新たな構造のＩＪＪを抵抗シャント固有ジョセフソン接合（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅｌｙ  Ｓｈｕｎｔｅｄ  ＩＪＪ；ＲＳ−ＩＪＪ）装置と名付ける。
【００１９】
図１は本発明のオンチップ検出器を用いる抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置の構成図、図２はその抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置の等価回路図である。
【００２０】
これらの図において、１は突起部が形成されるＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ（ＢＳＣＣＯ）、２はそのＢＳＣＣＯ１の突起部の上面に形成されるＡｕ電極、３はそのＢＳＣＣＯ１の突起部の両側に形成されるシャント抵抗である。このシャント抵抗３は、ＩＪＪの常伝導抵抗と同等、もしくは低い金属か半導体で作られる。
【００２１】
ＢＳＣＣＯ１はアースされ、Ａｕ電極２から電流Ｉが供給されると、図２に示すように、ジョセフソン接合Ｊ(1) …Ｊ(i) …のそれぞれに並列にシャント抵抗ＲｃとＲｓが形成され、電流を分流する。
【００２２】
図３は本発明のオンチップ検出器を用いる抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置の他の例を示す構成図、図４はその抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置の等価回路図である。
【００２３】
これらの図において、１１は突起部が形成されるＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ（ＢＳＣＣＯ）、１２はそのＢＳＣＣＯ１１の突起部の上面に形成されるＡｕ電極、１３はそのＢＳＣＣＯ１１の突起部の両側に形成される絶縁材料、１４はそれらの絶縁材料１３をブリッジするように形成されるシャント抵抗である。このシャント抵抗１４は、ＩＪＪの常伝導抵抗と同等、もしくは低い金属か半導体で作られる。
【００２４】
ＢＳＣＣＯ１１はアースされ、Ａｕ電極１２から電流Ｉが供給されると、図４に示すように、ジョセフソン接合Ｊ(1) …Ｊ(i) …の直列回路に並列にシャント抵抗Ｒｓが形成され、電流を分流する。
【００２５】
なお、ＢＳＣＣＯ１１は、他の銅酸化物超電導体に置き換えることができる。また、上部のＡｕ電極１２は他の金属や従来の超電導体で置き換えることができる。シャントする材料は金属や半導体を用いることができる。もし、シャントするために金属を用いれば、接触抵抗（ＲC ）がシャント抵抗として支配的になり、金属の抵抗は、図２の点線で示されるゼロ抵抗の配線で置き換えることができる。
【００２６】
上記のように構成したので、従来のＩＪＪと比較して以下のような特性の向上が達成される。
【００２７】
（ａ）図１及び図２に示すように、ＲＳ−ＩＪＪはシャント抵抗があるために小さい履歴特性と低い電圧のとびを有する。したがって、ミリボルト領域の安定な電圧状態を維持できるので、外部から印加されるセンチメートル波、ミリ波、サブミリ波帯の電磁波と、内部のジョセフソン振動との間の位相ロックを得ることが容易である。
【００２８】
（ｂ）図３及び図４に示すように、シャント抵抗は、積層された接合中の各接合間において高周波の電磁的な結合を強める。また、図５に示すように、各接合のジョセフソン電圧Ｖ(1) …Ｖ(i) …振動は、結合回路Ｒｓ（シャント抵抗）と全接合Ｊに同じ周波数の電流Ｉｅを誘起する。
【００２９】
この電流は全ての接合の位相をロックすることができる。このような電磁気的な相互作用は（ジョセフソン周波数近傍の）高周波電流によるもので、いわゆる高周波電磁気結合である。これが得られることにより、分流するインピーダンスは、接合のジョセフソン周波数において接合インピーダンスのオーダーになるはずである。
【００３０】
（ｃ）このシャント構造は、ＩＪＪの有効的な磁界侵入厚さを増加させないので、高い静磁場（〜１テスラ）中でも高臨界電流を維持することができる。故にＲＳ−ＩＪＪは高磁界中で動作する検出器として非常に有望である。
【００３１】
本発明によれば、上記のような特性に基づき、以下のような応用が期待される。
【００３２】
〔Ａ〕超放射電磁波発振器
ジョセフソン接合装置は一般に電圧−周波数変換器とみなすことができる。直流電圧Ｖを接合に印加すると、ジョセフソン電流は周波数ｆ＝ＫJ Ｖ（ＫJ ＝４８３５９７．９ＧＨｚ／Ｖ；ジョセフソン定数）で振動する。しかしながら、一つの接合からの電磁波放射出力は比較的小さい。ＲＳ−ＩＪＪは高周波結合回路（シャント抵抗）により、各接合の位相を同相にすることができるので、Ｎ2 に比例するような出力を示すといった、超放射状態が現れると考えられる。ここでＮは積層構造中の接合の数である。このような発振器はＳＩＳ検出器の局部発振器など、数多くの応用に適している。
【００３３】
〔Ｂ〕高精度なジョセフソンＤ／Ａ変換器
図６は本発明に係るＲＳ−ＩＪＪで構成されたジョセフソンＤ／Ａ変換器の模式図である。
【００３４】
この図において、×はジョセフソン接合、Ｒs はシャント抵抗であり、デジタル入力バイアス電流（二進数０００．．．００１０１０）が印加されると、アナログ出力電圧Ｖa-out （０＋２×Ｖ0 ＋０＋８×Ｖ0 ＋０＝１０Ｖ0 ）を得ることができる。なお、各ビットに対応する素子は特定の接合数からなる接合数のスタックであり、１５は直流電源、１６はバイアス抵抗である。
【００３５】
積層接合中の各ＩＪＪの均一性と、その最密構造により、マイクロ波応答はどの接合でも同じであると考えられる。図６（ａ）に示すように、特定の数（Ｎ）の接合を直流電流Ｉb とマイクロ波でバイアスすることにより、図６（ｂ）に示すように、一次のシャピロステップ（１stＳｈａｐｉｒｏ  ｓｔｅｐ）で量子電圧Ｖ＝Ｎｆrf／ＫJ が得られる。
【００３６】
ここで、ｆrfはマイクロ波周波数である。マイクロ波の周波数は非常に良く制御できるため、異なるＮの接合アレイで生じる電圧を加算することで、高精度なＤ／Ａ変換器を作製することができる。
【００３７】
〔Ｃ〕周波数ミキサー
ＩC とＲN の積が数ミリボルトにもなるため、特性周波数（接合が動作できる上限周波数）が数テラヘルツにまで至る。ここで、ＩC は臨界電流、ＲN は常伝導抵抗である。加えて、電流−電圧特性上に安定な低電圧領域が存在するため、分光計測や周波数計測に向けたミキシングの実験を行うためにＲＳ−ＩＪＪを用いることは非常に有用である。
【００３８】
図７は本発明に係る抵抗シャント固有ジョセフソン接合を用いた周波数ミキサーの構成図である。
【００３９】
この図において、２１は突起部が形成されるＢＳＣＣＯ、２２はそのＢＳＣＣＯ２１の突起部の上面に形成されるＡｕ電極、２３はそのＢＳＣＣＯ２１の突起部の両側に形成されるシャント抵抗材としてのＡｕである。
【００４０】
また、Ａｕ電極２２からｄｃバイアスが加えられた電流が印加され、ＢＳＣＣＯ２１はアースされ、電流源には結合コンデンサ２４を介して増幅器２５が接続されている。
【００４１】
そこで、この周波数ミキサーに周波数ｆS とｆLOが作用すると、これらの周波数ｆS とｆLOがミキシングされ、ｆIF＝｜ｆS −ＮｆLO｜を得ることができる。  すなわち、局所振動器（ｆLO）の信号周波数（ｆS ）とＮ番目の高調波との差異に等しい中間周波数（ｆIF）により、この中間周波数（ｆIF）における出力レベルは、ジョセフソン接合の持つ特徴に強く依存している。
【００４２】
従って、高調波合成は、高周波照射、またはＩＪＪに存在する発光に対する反応を調査するための有用なプローブとなり得る。一方、低周波（ｆIF，ｆLO）における周波数の安定性と測定精度は、非常に高い周波数（ｆS ）へ移行することが可能である。高調波合成は、例えば位相ロックした（ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄ）振動器を作製するのに用いることが可能である。
【００４３】
本発明の新しい抵抗的にシャントしたＩＪＪを用いて、非常に高いＩＦ出力を取得する可能性がある。
【００４４】
なお、ＲＳ−ＩＪＪを構成する銅酸化物高温超電導体として、ＢＳＣＣＯを用いた例について述べたが、Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ（ＴＢＣＣＯ）又は酸素欠損型Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（ＹＢＣＯ）の単結晶又は薄膜を用いるようにしてもよい。
【００４５】
〔Ｄ〕オンチップ検出器
高温超電導体内のプラズマ振動を観測するためには、必然的にＩＪＪと他の素子のチップ上に検出器を作製しなければならない。
【００４６】
図８及び図９は本発明の実施例を示すＢＳＣＣＯ単結晶上に作製された長尺状の固有ジョセフソン接合中の磁束フロー振動の検出装置の構成図である。
【００４７】
図８と図９の構造における主な差異は、マイクロ波放射の結合方法にある。
【００４８】
図８におけるマイクロ波放射の結合は直接的な結合ではない。
【００４９】
ＢＳＣＣＯ単結晶からなる長尺状の固有ジョセフソン接合を有する他の素子（ＦＦＯ：Ｆｌｕｘ  Ｆｌｏｗ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：磁束フロー振動器）３２部からの発光はフリースペースへ進行し、ＲＳ−ＩＪＪからなる検出器３３と結合する。
【００５０】
図８において、３１はチップ、３２はそのチップ３１上に形成された、ＢＳＣＣＯ単結晶からなる長尺状の固有ジョセフソン接合を有する他の素子（ＦＦＯ：Ｆｌｕｘ  Ｆｌｏｗ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：磁束フロー振動器）、３３はチップ３１上に形成され、固有ジョセフソン接合中の磁束フロー振動（プラズマ振動）３５を検出するためのＲＳ−ＩＪＪからなる検出器であり、この検出器３３の側面にはシャント抵抗３４が形成される。
【００５１】
そこで、ＦＦＯ３２に電流Ｉｂが加えられ、チップ３１はアースされ、検出器３３から電流Ｉｂに対応した電圧Ｖが得られる。
【００５２】
図９における結合は直接的な結合である。理由としては、超伝導ＣｕＯ2 （二酸化銅）層が、ロンドンの浸透長よりも非常に薄いためである。チップ４１部のＩＪＪの位相変化は、ＲＳ−ＩＪＪからなる検出器４３部のＲＳ−ＩＪＪの位相変化に対し多大な影響を及ぼす。
【００５３】
図９の場合も同様に、４１はチップ、４２はそのチップ４１上に形成された、ＢＳＣＣＯ単結晶からなる長尺状の固有ジョセフソン接合を有する他の素子（ＦＦＯ）、４３はそのＦＦＯ４２の一端の上部に積層され、固有ジョセフソン接合中の磁束フロー振動（プラズマ振動）４５を検出するためのＲＳ−ＩＪＪからなる検出器であり、この検出器４３の側面にはシャント抵抗４４が形成される。
【００５４】
そこで、ＦＦＯ４２に電流Ｉｂが加えられ、チップ４１はアースされ、検出器４３から電流Ｉｂに対応した電圧Ｖが得られる。
【００５５】
したがって、このオンチップ検出器によれば、単結晶上の長尺状の固有ジョセフソン接合中の磁束フロー振動（プラズマ振動）を検出することができる。
【００５６】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置を用いたオンチップ検出器は、固有ジョセフソン接合中の磁束フロー振動（プラズマ振動）の検出に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明のオンチップ検出器に用いる抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置の構成図である。
【図２】本発明のオンチップ検出器に用いる抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置の等価回路図である。
【図３】本発明のオンチップ検出器に用いる抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置の他の例を示す構成図である。
【図４】本発明のオンチップ検出器に用いる抵抗シャント固有ジョセフソン接合装置の他の例の等価回路図である。
【図５】本発明に係る各接合のジョセフソン電圧振動は、結合回路（シャント抵抗）と全接合に同じ周波数の電流を誘起し、この電流が全ての接合の位相をロックすることを説明する図である。
【図６】本発明に係るＲＳ−ＩＪＪで構成されたジョセフソンＤ／Ａ変換器の模式図である。
【図７】本発明に係る抵抗シャント固有ジョセフソン接合を用いた周波数ミキサーの構成図である。
【図８】本発明の実施例を示すＢＳＣＣＯ単結晶上に作製された長尺状の固有ジョセフソン接合中の磁束フロー振動の検出装置の構成図（その１）である。
【図９】本発明の実施例を示すＢＳＣＣＯ単結晶上に作製された長尺状の固有ジョセフソン接合中の磁束フロー振動の検出装置の構成図（その２）である。
【符号の説明】
【００５９】
１，１１，２１    突起部が形成されるＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ（ＢＳＣＣＯ）
２，１２，２２    Ａｕ電極
３，１４，３４，４４    シャント抵抗
１３    絶縁材料
１５    直流電源
１６    バイアス抵抗
２３    シャント抵抗（Ａｕ）
２４    結合コンデンサ
２５    増幅器
３１，４１    チップ
３２，４２    ＦＦＯ（他の素子）
３３，４３    検出器
３５，４５    磁束フロー振動（プラズマ振動）
【図１】
2005252277.tif 000003
【図２】
2005252277.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005252277.tif 000008
【図７】
2005252277.tif 000009
【図８】
2005252277.tif 000010
【図９】
2005252277.tif 000011