(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、この誘電体基板上に形成され、超伝導層及び絶縁層が交互に自然積層された構造を有するメサ形状の超伝導超格子構造と、この超伝導超格子構造のメサ構造部分の上面に接触するようにして設けられた、マイクロ波導入のためのマイクロストリップラインと、前記超伝導超格子構造の少なくとも一部に電気的に接触するようにして設けられ、マイクロ波の誘起によって生成した電圧を取り出すための金属電極と、を具えることを特徴とする、定電圧発生装置。
【請求項２】
前記超伝導超格子構造の前記メサ構造部分の前記上面の面積が１００μｍ２以下であることを特徴とする、請求項１に記載の定電圧発生装置。
【請求項３】
前記超伝導超格子構造の前記メサ構造部分は絶縁層内に埋設されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の定電圧発生装置。
【請求項４】
前記超伝導超格子構造の側端部は、絶縁部材によって覆われていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の定電圧発生装置。
【請求項５】
前記超伝導超格子構造は追加のメサ構造部分を有し、前記金属電極は前記追加のメサ構造部分の上面に電気的に接触していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の定電圧発生装置。
【請求項６】
前記超伝導超格子構造は、(Bi1-XPbX)2Sr2Can-1CunO2n+δ（０≦X≦0.5, n=1-3）又はTl2Ba2Can-1CuｎO2n+4 (n=1-3)なる高温超伝導体からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の定電圧発生装置。
【請求項７】
前記マイクロストリップラインと、前記超伝導超格子構造との電気的に接触部分において、ジョセフソン接合を形成することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の定電圧発生装置。
【請求項８】
前記定電圧発生装置は、複数のジョセフソントンネル素子を含むジョセフソン接合アレイを構成することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載の定電圧発生装置。
【請求項９】
誘電体基板上に超伝導層及び絶縁層が交互に自然積層された構造を有する超伝導超格子構造を形成する工程と、
前記超伝導超格子構造に対してフォトリソグラフィ技術を施すことによって、前記超伝導超格子構造をメサ形状にパターニングする工程と、
前記超伝導超格子構造の、前記メサ形状の上面に接触するようにして、マイクロ波導入のためのマイクロストリップラインを形成する工程と、
前記超伝導超格子構造の少なくとも一部に電気的に接触するようにして、マイクロ波の誘起によって生成した電圧を取り出すための金属電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする、定電圧発生装置の製造方法。
【請求項１０】
前記フォトリソグラフィ技術において、前記超伝導超格子構造の前記メサ構造部分の上面の面積を１００μｍ２以下にパターニングすることを特徴とする、請求項９に記載の定電圧発生装置の製造方法。
【請求項１１】
前記超伝導超格子構造の前記メサ構造部分を絶縁層内に埋設する工程を含むことを特徴とする、請求項９又は１０に記載の定電圧発生装置の製造方法。
【請求項１２】
前記超伝導超格子構造の側端部を、絶縁部材によって覆う工程を含むことを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか一に記載の定電圧発生装置の製造方法。
【請求項１３】
前記フォトリソグラフィ技術において、前記超伝導超格子構造に対して追加のメサ構造部分を形成し、前記金属電極は前記追加のメサ構造部分の上面に電気的に接触するように形成することを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか一に記載の定電圧発生装置の製造方法。
【請求項１４】
前記超伝導超格子構造は、(Bi1-XPbX)2Sr2Can-1CunO2n+δ（０≦X≦0.5, n=1-3）又はTl2Ba2Can-1CuｎO2n+4 (n=1-3)なる高温超伝導体からなることを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか一に記載の定電圧発生装置の製造方法。
【請求項１５】
前記マイクロストリップラインと、前記超伝導超格子構造との電気的に接触部分において、ジョセフソン接合を形成することを特徴とする、請求項９〜１４のいずれか一に記載の定電圧発生装置の製造方法。
【請求項１６】
前記定電圧発生装置は、複数のジョセフソントンネル素子を含むジョセフソン接合アレイを構成することを特徴とする、請求項９〜１５のいずれか一に記載の定電圧発生装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、種々の電子デバイスや精密電子計測機器などに好適に用いることのできる、定電圧発生装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電圧の一次標準器として超伝導体からなるジョセフソン素子を利用した装置が用いられている。前記素子は二つの超伝導体の超伝導電子が弱く相互作用するような構造をしており、最も標準的なものは超伝導体／絶縁体／超伝導体からなるトンネル接合型素子である。前記素子にマイクロ波を照射すると交流ジョセフソン効果により電流−電庄特性上に量子化された定電圧ステップが発現する。この定電圧ステップの発生電圧は照射マイクロ波の周波数により一意的に決定されることからジョセフソン素子が電圧標準器として応用されている。
【０００３】
実用化されているジョセフソン素子は、通常、シリコンウェハ上にニオブ薄膜（〜１００ｎｍ厚）／酸化アルミニウム膜（〜２ｎｍ）／ニオブ薄膜（〜１００ｎｍ厚）を積層し、それを微細加工することにより作製する。このような作製方法によれば、数万個以上の素子からなる集積回路の作製が可能である。実際、金属系ジョセフソン素子を電圧標準器として用いる場合、１つの素子から発生可能な電圧は１ｍＶ程度なので数Ｖ〜数１０Ｖの標準電圧を得るために数千〜数万個の素子を直列接続して用いる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように金属系超伝導体ジョセフソン素子の作製技術ならびに定電圧発生技術はすでに確立しており高い信頼性をもっているが、従来のジョセフソン電圧標準器では、数千〜数万個の素子を２次元的に配置することが要求されるため、装置の面積が大きくなるとともに接続した全素子に対して均一にマイクロ波を印加することが困難であるという問題がある。そのため、大きい電圧が発生可能なよりコンパクトな装置が望まれている。
【０００５】
本発明は、コンパクトな定電圧発生装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明の定電圧発生装置は、誘電体基板と、この誘電体基板上に形成され、超伝導層及び絶縁層が交互に積層された構造を有するメサ形状の超伝導超格子構造と、この超伝導超格子構造のメサ構造部分の上面に接触するようにして設けられた、マイクロ波導入のためのマイクロストリップラインと、前記超伝導超格子構造の少なくとも一部に電気的に接触するようにして設けられ、マイクロ波の誘起によって生成した電圧を取り出すための金属電極と、を具えることを特徴とする。
【０００７】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を行った。その結果、超伝導層及び絶縁層が交互に自然積層された構造を有する超伝導超格子構造においては、超伝導層／絶縁層／超伝導層なる積層構造が１つのジョセフソントンネル素子として機能することを見いだした。そして、前記超伝導超格子構造内には、前述した積層構造が周期的に多数形成されているため、前記超伝導超格子構造単独で前述したような、ジョセフソントンネル素子が数千〜数万個直列に配置された場合と等価になることを見いだした。
【０００８】
さらに、前記超伝導超格子構造をメサ形状に微細加工し、メサ構造部分の上面の面積をある程度の大きさにまで低減させることにより、その上面部分にマイクロ波導入のためのマイクロストリップラインを接触させた場合において、その接触部における臨界電流が低減されるため、ジョセフソン接合アレイを実現できることを見いだした。
【０００９】
したがって、本発明によれば、単一の超伝導超格子構造のみでジョセフソン接合アレイを実現することができ、これを用いることによって極めてコンパクトな定電圧発生装置を提供することができる。
【００１０】
なお、「自然積層」とは、超伝導層及び絶縁層を所定の成膜技術を用いて意図的に積層させたものではなく、超伝導超格子構造を構成する超伝導体の結晶構造に起因し、その結晶構造において超伝導層と絶縁層とが交互に積層されているような場合を意味するものである。
【００１１】
また、本発明の定電圧発生装置の製造方法は、
誘電体基板上に超伝導層及び絶縁層が交互に自然積層された構造を有する超伝導超格子構造を形成する工程と、
前記超伝導超格子構造に対してフォトリソグラフィ技術を施すことによって、前記超伝導超格子構造をメサ形状にパターニングする工程と、
前記超伝導超格子構造の、前記メサ形状の上面に接触するようにして、マイクロ波導入のためのマイクロストリップラインを形成する工程と、
前記超伝導超格子構造の少なくとも一部に電気的に接触するようにして、マイクロ波の誘起によって生成した電圧を取り出すための金属電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明の製造方法によれば、多数のジョセフソン素子を２次元的に配置する必要がないため、目的とする定電圧発生装置を簡易に得ることができる。
【００１３】
本発明のその他の特徴、及び本発明の定電圧発生装置の製造方法は、以下に示す発明の実施の形態において詳述する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態にしたがって詳細に説明する。図１は、本発明の定電圧発生装置の一例を示す平面図であり、図２は、図１に示す定電圧発生装置の長手方向中心に沿って切った場合の断面図である。図１及び図２に示す定電圧発生装置２０は、誘電体基板１上においてメサ形状の超伝導超格子構造３が形成されている。超伝導超格子構造３はエポキシ樹脂２を介して誘電体基板１に接着固定されている。超伝導超格子構造３のメサ構造部分３Ａは、金属薄膜４を介して、λ／４マイクロストリップライン（長さがマイクロ波の波長の１／４）８に電気的に接触されており、メサ構造部分３Ｂは、金属薄膜４を介して金属電極９に接続されている。
【００１５】
超伝導超格子構造３は、超伝導層及び絶縁層が交互に自然積層された構造を有することが必要である。上述したように、超伝導超格子構造３がこのような自然積層構造を有することによって、２次元的なアレイを形成することなく、超伝導超格子構造３単独でジョセフソン接合アレイを実現できるものである。このような超伝導超格子構造３は、例えば銅酸化物系の高温超伝導体から構成することができる。具体的には、(Bi1-XPbX)2Sr2Can-1CunO2n+δ（０≦X≦0.5, n=1-3）又はTl2Ba2Can-1CuｎO2n+4 (n=1-3)なる高温超伝導体から構成することができる。
【００１６】
図３は、Bi２Sr2CaCu２Oｙ単結晶の結晶構造を概念的に示す図である。この場合においては、CuO2-Ca-CuO2の結合によって超伝導層が形成され、SrO-BiO-BiO-SrOの結合によって絶縁層が形成されている。したがって、このような超伝導体から超伝導超格子構造３を構成することにより、ジョセフソントンネル素子が複数直列に接続された場合と等価な構造を得ることができる。したがって、上述したように、超伝導超格子構造３単独でジョセフソン接合アレイを実現することができる。
【００１７】
なお、上述した銅酸化物系の高温超伝導体の超伝導遷移温度は約８５Ｋであり、液体窒素温度（７７Ｋ）よりも高い。したがって、超伝導超格子構造３、すなわち定電圧発生装置２０を液体窒素温度範囲で駆動させることができる。この結果、より簡易な条件で定電圧発生装置２０を駆動させることができる。従来、液体窒素温度範囲で駆動できる信頼性のあるジョセフソン素子は実現されておらず、このようなジョセフソン素子の実現が望まれていた。かかる観点からも本発明は極めて重要である。
【００１８】
メサ構造部分３Ａはマイクロストリップライン８と電気的に接触されて、ジョセフソン接合アレイを構成するものであり、接触部での臨界電流を十分に低減されるべく、接触部である上面の面積をある大きさ以下に設定する必要がある。具体的には、１００μｍ２以下とすることが好ましい。これによって、接触部の臨界電流を十分に低減することができ、ジョセフソン接合アレイを簡易に形成することができる。
【００１９】
なお、前記上面の大きさの下限については特に限定されるものではないが、現状の加工技術及び加工精度などを考慮すると５μｍ２である。
【００２０】
また、メサ構造部分３Ａ及び３Ｂはマイクロストリップライン８及び金属電極９と超伝導超格子構造３との間に設けられた絶縁層６中に埋設されている。これによって、マイクロストリップライン８及び金属電極９の、超伝導超格子構造３におけるメサ構造部分３Ａ及び３Ｂ以外の部分との電気的な接触を簡易に防止し、装置全体の短絡を防止することができる。絶縁層６は、例えばＳｉＯなどから構成する。
【００２１】
また、超伝導超格子構造３の側端部は絶縁部材７によって覆われている。これによって、超伝導超格子構造３のエッジ部分とマイクロストリップライン８及び金属電極９との電気的な接触を防止することができ、これによって装置全体の短絡を防止することができる。絶縁部材７は、例えばエポキシ樹脂などから構成する。
【００２２】
誘電体基板１の下面及び一側面には銅などからなる金属接地板１０が設けられており、金属接地板１０の側面には高周波コネクタ１１が設けられている。さらに、マイクロストリップライン８の側方には、追加の金属電極１２が高周波フィルタ１３を介して設けられている。
【００２３】
次いで、図１及び図２に示す定電圧発生装置２０を用いて所定の定電圧を発生させるための操作手順について説明する。最初に、金属電極９及び１２間に直流又は低周波の交流バイアス電流を印加する。次いで、高周波コネクタ１１を介して図示しないマイクロ波発振源より所定のマイクロ波をマイクロストリップライン８に導入する。なお、高周波フィルタ１６によって前記マイクロ波は図示しないバイアス電源内に流入しないように構成されている。
【００２４】
前記マイクロ波はマイクロストリップライン８より超伝導超格子構造３内に導かれ、前記マイクロ波の周波数に応じて次式で示されるように、不連続的かつ広範囲に電圧が誘起される。誘起された電圧は金属電極９を介して外部へ取り出される。
【００２５】
Ｖｎ＝ｎ（ｈ／２ｅ）ｆ                      （１）
なお、Ｖｎは誘起された電圧値を示し、ｆはマイクロ波の周波数を示す。また、ｈはプランク定数であり、ｅは素電荷である。さらに、ｎは整数であり、ステップ次数を表す。
【００２６】
次に、図１及び図２に示す定電圧発生装置２０の製造方法について説明する。図４から図９は、定電圧発生装置２０の製造過程を順次に示す工程図である。
【００２７】
最初に、図４に示すように、誘電体基板１上に超伝導超格子構造３をエポキシ樹脂２で接着固定することによって形成する。次いで、超伝導超格子構造３の表面を劈開した後、直ちに真空蒸着法又はスパッタリング法によって金属薄膜４を例えば厚さ５０ｎｍ〜１００ｎｍに形成する。次いで、金属薄膜４の表面にフォトレジスト５を例えば厚さ０．５μｍ〜１μｍに形成した後乾燥し、フォトリソグラフィを施すことによって図５に示すようにメサ形状に加工する。
【００２８】
次いで、イオンエッチングにより超伝導超格子構造３及び金属薄膜４を所定の厚さだけエッチングした後、図６に示すように、加工部分を平坦にするためにＳｉＯなどからなる絶縁層６を真空蒸着法又はスパッタリング法などによって形成する。次いで、得られたアセンブリをアセトンなどの溶剤に浸漬させ、図７に示すように、フォトレジスト５及びその上に形成された金属薄膜６をリフトオフして除去する。
【００２９】
次いで、図８に示すように、超伝導超格子構造３と誘電体基板１との段差を埋めるようにエポキシ樹脂を塗布する。次いで、真空蒸着法又はスパッタリング法により金属薄膜を例えば１００ｎｍ〜２００ｎｍの厚さに形成した後、フォトリソグラフィ及びイオンエッチングによってパターンニングし、図９に示すように、絶縁層６上において、超伝導超格子構造３のメサ構造部分３Ａと電気的に接触するようにしてマイクロストリップライン８を形成するとともに、メサ構造部分３Ｂと電気的に接触するようにして金属電極９を形成する。
【００３０】
その後、金属接地板及び高周波コネクタを適宜に形成して、図１及び図２に示す定電圧発生装置を得る。
【００３１】
【実施例】
超伝導超格子構造３をBi２Sr2CaCu２Oｙ単結晶から構成し、上述した図４〜図９に示す工程に従って図１及び図２に示すような定電圧発生装置を作製した。そして、４．２Ｋの温度において、マイクロストリップライン８に周波数２０ＧＨｚのマイクロ波を印加し、マイクロ波注入電力を増減させたところ図１０に示すような電流−電圧特性を示すグラフが得られた。
【００３２】
図１０から明らかなように、マイクロ波注入電力の増減によって上記（１）式を満足するようにして不連続的に、広範囲において電圧が発現していることが分かる。したがって、Bi２Sr2CaCu２Oｙ単結晶から構成した超伝導超格子構造３単独でジョセフソン素子接合アレイが実現できることが確認された。
【００３３】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、単一の超伝導超格子構造のみを用いてジョセフソン接合アレイを実現することができるので、コンパクトな定電圧発生装置を提供することができる。また、多数の素子を２次元的に配列する必要がないため、簡易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の定電圧発生装置の一例を示す平面図である。
【図２】  図１に示す定電圧発生装置の長手方向中心に沿って切った場合の断面図である。
【図３】  Bi２Sr2CaCu２Oｙ単結晶の結晶構造を概念的に示す図である。
【図４】  本発明の製造方法における一工程図である。
【図５】  図４に示す工程の次の工程を示す図である。
【図６】  図５に示す工程の次の工程を示す図である。
【図７】  図６に示す工程の次の工程を示す図である。
【図８】  図７に示す工程の次の工程を示す図である。
【図９】  図８に示す工程の次の工程を示す図である。
【図１０】  本発明の定電圧発生装置における電流−電圧特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１  誘電体基板
２  エポキシ樹脂
３  超伝導超格子構造
３Ａ、３Ｂ  メサ構造部分
４  金属薄膜
５  フォトレジスト
６  絶縁層
７  絶縁部材
８  マイクロストリップライン
９  金属電極
１０  金属接地板
１１  高周波コネクタ
１２  追加の金属電極
１３  高周波フィルタ
２０  定電圧発生装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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