CN1039154A

CN1039154A - 采用陶瓷超导元件的逻辑器件和存储器件

Info

Publication number: CN1039154A
Application number: CN89104039A
Authority: CN
Inventors: 野岛秀雄; 片冈照荣; 桥爪信郎; 土本修平; 森末道忠
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1988-06-16
Filing date: 1989-06-16
Publication date: 1990-01-24
Anticipated expiration: 2004-06-16
Also published as: CN1020363C; EP0347258A3; EP0347258A2; DE68922786T2; DE68922786D1; EP0347258B1; US5041880A

Abstract

一逻辑器件包括一具磁阻特性的陶瓷超导元件(4)和三个毗邻(4)配置的电极(12，14，16)，其中一个电极加电流时，元件(4)上通常总加有大于一阈值磁场(Ho)的磁场，电极(14，16)则用以增减磁场。一存储器件包括一超导环路(46，48)和一电极(44)，超导环路的至少一部分由具有晶粒间界的陶瓷超导元件(46)构成，电极(44)设在元件(46)附近，使流经元件(46)外的所述环路的一部分(48)电流可由控制流经电极(44)的电流产生的磁场使其被捕获在所述环路中。

Description

本发明涉及一种应用陶瓷超导元件的器件而且特别涉及对一种逻辑器件和存储器件的改进，这种逻辑器件和存储器件是根据磁场变化对超导元件的效应的超导器件的磁阻特性去控制的。

大家知道，利用约瑟夫逊效应在理论上可以制造逻辑电路，例如“与”门电路。约瑟夫逊器件是周知的利用超导体性能的逻辑器件之一。现有技术应用约瑟夫逊效应的逻辑器件（在这里我们称之为约瑟夫逊器件）具有这样的结构，即在诸如铌、铅或它们的合金的超导材料制成的薄层之间夹有极薄的绝缘膜。

上述那种约瑟夫逊器件中的绝缘膜需要有大约10埃的厚度。而生产这种薄的绝缘膜需要先进的薄膜制造技术，而且实际生产起来很困难。此外，虽然约瑟夫逊器件在技术上具有动作极其快速的优点，但其输出电平的变化很小。因此从实用的观点看，约瑟夫逊器件不适用于逻辑电路。

鉴于上述情况，有人发现了陶瓷超导元件的一种新现象，并详细公开在现行日本专利申请62-233369以及下列等等对应于1988年7月29日申请的美国专利申请226，067，并对应于1988年7月29日申请的欧洲专利申请88307044.3中，该日本专利申系转让给本申请的共同受让人之一的夏普股份有限公司。将应用上述新现象的陶瓷超导元件应用到诸如“与”门、“或”门、“异”门或“非”门之类的逻辑电路中时，这类逻辑电路的工作就稳定，且可以高生产率制造，如日本专利申请63-117472（对应于1988年12月23日申请的美国专利申请289，312和1988年12月23日申请的欧洲专利申请88312296.2，以及1988年12月24日申请的中国专利申请88109265.7）和日本专利申请63-29526〔对应于1989年2月10日申请的美国专利申请309，228和1989年2月10日申请的欧洲专利申请89301279.9以及（申请号未收到的）中国专利申请〕中所示的那样，该两个日本专利申请也转让给本申请的共同受让人之一夏普股份有限公司。

虽然这些专利申请教导了在诸如“与”门、“或”门、“异”门或“非”门之类的逻辑电路中使用陶瓷超导元件，但这些专利申请没有一个教导或提出在能执行“隐含”门或“等效”门电路操作的逻辑电路中使用陶瓷超导元件。下面的表A和表B示出了以真值表示的“隐含”逻辑和“等效”逻辑。

表 A 表 B

“隐含”真值表 “等效”真值表

输入端输出端输入端输出端

0 0 1 0 0 1

1 0 0 1 0 0

0 1 1 0 1 0

1 1 1 1 1 1

此外这些专利申请也没有教导或提出在存储器件中使用陶瓷超导元件。

另外，约瑟夫逊器件通常历来是通过利用超导性的特性来存储数据的。在这类器件中，存不存在穿过连接到约瑟夫逊器件的环路的全磁通量子，与存储态“1”和“0”有关。

但象那些用于一般超导存储器件中的约瑟夫逊器件，其结构一般是层状结构，具体地说，是那种有一薄膜绝缘层夹在铌、铅、它们的合金或其它材料制成的各超导薄层之间的结构。

在上述约瑟夫逊器件中，为获得能激发超导性的隧道效应，所夹入的绝缘膜必须制成大约10埃那么薄。而要生产如此之薄的绝缘膜是需要有先进的薄膜制造技术的，而且生产起来很困难。这类器件，输出电平低，而且只能用于非常低的温度，因而妨碍了其在实际中的应用。

本发明是在考虑到了上述问题的基础上研制出来的，其主要目的是改进采用能执行“隐含”和“等效”门操作的陶瓷超导元件的逻辑器件。

本发明还有一个目的，即改进采用陶瓷超导元件的存储器件。

为达到上述和其它目的，本发明的“隐含”逻辑器件包括：一衬底;一陶瓷超导元件，淀积在衬底上，具有磁阻特性;第一电极，毗邻陶瓷超导元件配置，用以通过陶瓷超导元件加第一电流时给陶瓷超导元件提供第一磁场;第二电极，毗邻陶瓷超导元件配置，用以通过陶瓷超导元件加第二电流时给陶瓷超导元件提供第二磁场;第三电极，毗邻陶瓷超导元件配置，用以通过陶瓷超导元件加第三电流时为陶瓷超导元件提供第三磁场;因此当存在第一磁场时，就使陶瓷超导元件处于磁阻状态，当存在第一和第二磁场时，就使陶瓷超导元件就处于超导状态，当存在第一和第三磁场时，就使陶瓷超导元件处于磁阻状态，当存在第一、第二和第三磁场时，就使陶瓷超导元件处于磁阻状态。

此外本发明的“等效”逻辑器件包括：一衬底;一陶瓷超导元件，淀积在衬底上，具有磁阻特性;第一电极，毗邻陶瓷超导元件配置，用以通过陶瓷超导元件加第一电流时给陶瓷超导元件提供第一磁场;第二电极，毗邻陶瓷超导元件配置，用以通过陶瓷超导元件加第二电流时给陶瓷超导元件提供第二磁场;第三电极，毗邻陶瓷超导元件配置，用以通过陶瓷超导元件加第三电流时给陶瓷超导元件提供第三磁场;因此当存在第一磁场时，使陶瓷超导元件处于磁阻状态，当存在第一和第二磁场时，或当存在第一和第三磁场时，使陶瓷超导元件处于超导状态，当存在第一、第二和第三磁场时，则使陶瓷超导元件处于磁阻状态。

此外本发明的存储器件包括：一衬底;一陶瓷超导元件，淀积在衬底上，具有磁阻特性;第一电极，毗邻陶瓷超导元件配置，用以通过陶瓷超导元件加电流时给陶瓷超导元件提供大于临界磁场的磁场，并使陶瓷超导元件处于磁阻状态;第二电极，其相应的两端分别连接到陶瓷超导元件相应的两端，形成由陶瓷超导元件与第二电极组成的闭合环路;因此当往第二电极毗邻陶瓷超导元件其中一端的第一部分与第二电极毗邻陶瓷超导元件另一端的第二部分之间加第一电流时，第一电流部分流经陶瓷超导元件，部分流经第二电极;然后，通过第一电极加第二电流时，陶瓷超导元件呈磁阻状态，使第一电流大部分流经第二电极;这之后，同时切断第一和第二电流时，第一电流就为闭合环路所捕获，以便将数据存储起来。

下面就上述新现象进行说明。通常，当没有磁场加到陶瓷超导元件上时，陶瓷超导元件在低于象77°K那样的某些温度下表现出超导性能。当往陶瓷超导元件加磁场但其大小不大于阈值H0时，陶瓷超导元件仍然表现出超导性，如图1所示。然后，当加到超导元件的磁场变得与阈值HO相等时，超导元件就丧失其超导性，同时突然表现出磁阻性其阻值以高于磁场增加的速度增加。这之后，当磁场减少到阈值H0时磁阻值也减到零，于是超导元件再次表现出其超导性能。如图1所示以相反极性增加磁场时，可以观察到同样的现象。

鉴于陶瓷超导元件的电阻是通过施加磁场获得的，因而所获得的电阻就叫做磁阻，而这种在陶瓷超导元件中观察到的现象就叫做超导磁阻系统。

对超导磁阻系统系统可以如下加以理解。当陶瓷超导元件接收到大于阈值H0的磁场时，陶瓷超导体晶粒间界的超导状态为所加的磁场所破坏，从而使超导体从超导状态改变成电阻状态。

更具体地说，当晶体间界由陶瓷料粒形成的陶瓷超导元件没有接收到任何磁场时，陶瓷元件没有表现出任何电阻性，如图5所示。但当加上大于阈值H0的磁场时，陶瓷元件突然表现出电阻性，而且所加磁场增加时阻值急剧增加。由于在阈值磁场H0下电阻的变化率△R/△H等于无穷大，因而由利用超导磁阻系统的陶瓷超导元件制成逻辑器件比普通磁阻元件表现出更稳定和更高级的性能。

目前由许多研究单位所推进的对陶瓷超导器件所进行的研究，其动向是试图提高临界温度（Tc）、阈值磁场（H0）和阈值电流（Ic）特性。在本发明人对陶瓷超导器件所进行的研究中，在某些特殊类型的超导体（超导体各晶粒之间的弱耦合状态的那种超导体）中发现了上述现象。该现象是这样的，即弱磁场（几个高斯）破坏了这些弱耦合的超导状态，如图5所示，从而表现出电阻，而且该电阻值随所加磁场强度的增加而急剧增加。本发明提出了作为利用这种弱临界磁场现象的新型逻辑电路而工作的陶瓷超导器件。

如图2所示，陶瓷超导元件包含许多超导细粒的晶体，在各晶粒之间穿插有极细的绝缘体或电阻体，但这些晶粒间界由于在超导状态下的隧道效应表现出零电阻的状态，其中各电子能自由移动。或者，各晶粒处于点接触状态。当毗连的各晶体间界处于所谓弱耦合状态的点接触时就获得超导状态，而加上弱电场时，点接触状态遭破坏，于是就表现出磁阻。

换句话说，处于弱耦合状态的多晶陶瓷超导体同样也可以形成多个约瑟夫逊结121组成的键合体，如图2中所示。

往这类超导器件上加磁场时，磁场的作用破坏了各约瑟夫逊结121的超导状态，具体地说，由于施加弱磁场，因而破坏了超导的弱耦合状态，从而使器件表现出电阻，而且该电阻值随磁场强度的增加而增加。

从上述原理就可以知道，这种性能不取决于所加磁场的方向，因为各晶粒间界的配置是无规则的，但系取决于磁场强度的绝对值。

本发明利用了陶瓷超导元件各晶粒间界处存在的弱耦合。本发明的器件具有三个平行或垂直于超导器件的导电狭条以便藉流过这些导电狭条的电流给陶瓷超导元件提供不同大小的磁场，从而使陶瓷超导元件在超导态与磁阻态之间变化。

在本发明的一个最佳实施例中，陶瓷超导元件由Y₁Ba₂Cu₃O_7-x、Bi₁Sr₁Ca₁Cu₂O_x或任何其它超导薄膜制成，且形成细长的图形。各导流狭条系制成平行或垂直于陶瓷超导薄膜。

在上述陶瓷超导器件的另一个实施例中，设在单个衬底上的三个导电狭条可以由绝缘材料加以隔离的分层式结构形成，也可以平行或垂直的配置方式并置着。

此外在本发明的一个最佳实施例中，各导电狭条与一个独立的电流源连接。

根据另一个实施例，本发明实现上述目的的超导存储器件包含一至少部分由具有易为磁场所影响的晶粒间界的陶瓷超导体制成的超导性环路，并用加到为进行控制而设在所述陶瓷超导体附近的导电狭条的电流所产生的磁场来控制具有这种晶粒间界的陶瓷超导体的超导状态。

在上述超导存储器器件中，电源和信号检测用的引线元件装设的位置要使具有如上所述的晶粒间界的超导元件夹持在其间。在这种超导存储器中，电流系加到设在陶瓷超导元件附近的导电狭条，以操纵磁场并进行写入操作和读出及擦除操作，写入操作是将磁通存储在超导环路中，读出和擦除操作则是从环路中释放磁通。

以前在《电子技术》（第30卷，第2期，1988年出版于日本）中报道过，取决于各晶粒间界的状态，施加极弱的磁场可以破坏陶瓷超导体的超导状态，从而当超导状态遭破坏时电阻突然出现，而且当磁场快速增加时，该阻值迅速增加。本发明将此性能应用到作为存储器件而工作的一超导环路的开关元件上。

从下面参照附图连同一些最佳实施例所作的说明中可以理解本发明的上述和其它目的和特点，附图中，相同的各部件用相同的编号表示，其中：

图1是陶瓷超导元件中的磁阻相对于所加的磁场而变化的曲线;

图2是陶瓷超导材料中所形成的电传导路径的示意图;

图3是应用本发明一个最佳实施例的陶瓷超导元件的一个逻辑器件的示意图;

图4和5是为分别执行“隐含”逻辑和“等效”逻辑而施加磁场时陶瓷超导元件的情况变化的曲线;

图6是在衬底上制造陶瓷超导元件的方法的示意图;

图7是往陶瓷超导元件加不同的电流时;陶瓷超导元件中磁阻值相对于所施加磁场而变化的曲线;

图8与图3类似，但示出了其修改方案;

图9a和9b与图3类似，但示出了其另一些修改方案;

图10是应用本发明一最佳实施例的陶瓷超导元件的存储器件的示意图;

图11a、11b和11c是流经图10的存储器件的电流的示意图;

图12a、12b、12c和12d则是与图10类似的一些视图，但示出了其一些修改方案。

参看图3，图中示出了应用本发明一个最佳实施例的陶瓷超导元件的逻辑器件。

图3中，编号2是个逻辑器件，该逻辑器件包括一个淀积在衬底3上的陶瓷超导元件4并呈一延伸在电流电极6a和6b之间的细长形状。电流电极6a和6b分别与供流电极8a和8b相连接，供流电极8a和8b则反向延伸，以供应流经陶瓷超导元件4的电流。

沿陶瓷超导元件4在中间连接有电压电极10a和10b，供在陶瓷超导元件4的各连接点之间获取电压降之用。

三个电极狭条12、14和16紧挨着且平行于陶瓷超导元件4延伸，用以通过控制流经三个中的一个、两个或三个电极狭条电流在陶瓷超导元件4中提供预定的不同大小的磁场。

为了使用图3的逻辑器件执行“隐含”逻辑，直流电流源18、20、22和24系分别连接到电极8a、12、14和16。直流电流源18、20和24是为在例如图3中从左向右的方向供应直流电流而设的，电流源22则是为在例如从右向左的方向供应直流电流而设的。开关26插设在电流源22与电极14之间，开关28则插设在电流源24与电极16之间。

若将图3中所示从左向右流动的电流视为正方向，则直流电流I1、-I2和I3可从电流源20、22和24供到电极12、14和16上。磁场强度分别为H1、-H2和H3借助于电流I1、-I2和I3在陶瓷超导元件4上产生。

取决于各种因素，例如陶瓷超导元件4和电极12之间的距离以及流经电极12的电流量，选取磁场强度，使其满足以下不等式。

H1＞H0 （1a）

其中H0是陶瓷超导元件4的阈值场强。如图4中所示的那样，若陶瓷超导元件4中的场强在-H0与+H0之间，则陶瓷超导元件4保持超导状态;若陶瓷超导元件4中的场强增加到大于+H0或减少到小于-H0，则陶瓷超导元件4表现出磁阻状态。因此当将开关26和28断开只供应电流I1时，陶瓷超导元件4接收磁场H1，促使元件4处于磁阻状态。

以类似的方式，磁场强度H2系选取得使其满足下列不等式：

｜H1-H2｜＜HO （1b）

因此将开关26接通，将开关28断开以便除供应电流I1外还供应电流-I2时，陶瓷超导元件4接收如图4所示下降到-H0与+H0之间的磁场H1-H2，促使元件4处于超导状态。

此外选取磁场强度H3，使其满足以下不等式：

H1-H2+H3＞0 （1c）

因此将开关26和28都接通以便除供应电流I1外还供应电流-I2和I3时，陶瓷超导元件4接收如图4所示大于阈值场强H0的磁场H1-H2+H3，促使元件4处于磁阻状态。

此外将开关26切断、开关28接通以便除供应电流I1外还供应电流I3时，陶瓷超导元件4接收如图4所示大于H0的磁场H1+H3，从而也促使元件4处于磁阻状态。

从直流电流源18往陶瓷超导元件4加电流时，当陶瓷超导元件4处于磁阻状态时，电极10a与10b之间的元件4两端会出现电压降，而当陶瓷超导元件4处于超导状态时，则不会有电压降。

因此若将电流的存在与否分别用“1”和“0”表示，将电压的存在与否也分别用“1”和“0”表示，则获得下列表C：

表C

输入电流输出电压

I1 I2 I3 10a-10b

1 0 0 1

1 1 0 0

1 0 1 1

1 1 1 1

从表C可以知道，输入电流I2和I3以及电极10a与10b之间的输出电压对应于“隐含”逻辑。

应该指出的是，为满足上面所示的不等式（1a）、（1b）、（1c）的条件，电流源20、22和24可以产生例如分别为10毫安、25毫安和40毫安的电流I1、-I2和I3。

为执行“等效”逻辑，以直流电流源25代替直流电流源24，如图3中的虚线所示，直流电流源24是为供应从图3中看起时系从右向左的直流电流而设的。

因此若将图3中从左向右流动的电流视为正向电流，则直流电流I1、-I2和-I4可从电流源20、22和25分别加到电极12、14和16上。借助于电流I1、-I2和-I4在陶瓷超导元件4上产生场强为H1、-H2和-H4的磁场。

和上面类似，磁场强度H1系选取得使其满足下列不等式：

H1＞H0 （2a）

因此，将开关26和28断开以便只供应电流I1时，陶瓷超导元件4接收磁场H1，促使元件4处在磁阻状态，这从图5可以了解到这一点。

磁场强度H2系选取得使其满足以下不等式：

｜H1-H2｜＜0 （2b）

因此，将开关26接通而开关28断开以便除供应电流I1之外还供应电流-I2时，陶瓷超导元件4接收如图5所示下降到-H0与+H0之间的磁场H1-H2，促使元件4处于超导状态。

此外磁场强度H4系选取得使其满足以下的不等式：

｜H1-H2-H4｜＞H0 （2c）

因此将开关26和28都接通，以便除供应电流I1外还供应电流-I2和-I4时，陶瓷超导元件4接收如图5所示大于阈值场强H0的磁场｜H1-H2-H4｜，促使元件4处于磁阻状态。

此外将开关26断开，但将开关28接通，以便除供应电流I1之外还供应电流I4时，陶瓷超导元件4接收如图5所示下降到-H0与+H0之间的磁场H1-H4，促使元件4处于超导状态。

于是若分别以“1”和“0”表示电流的有和无，分别以“1”和“0”表示电压的有和无，则可以获得下表D。

表D

输入电流输出电压

I1 I2 I3 10a-10b

1 0 0 1

1 1 0 0

1 0 1 0

1 1 1 1

从表D可以知道，输入电流I2和I3以及电极10a和10b之间的输出电压对应于“等效”逻辑。

应该指出的是，为满足上面所示的不等式（2a）、（2b）和（2c）的条件，电流源20、22和25可以产生例如分别为10毫安、25毫安和40毫安的电流I1、-I2和-I4。

为制造本发明中所用的那种陶瓷超导器件2，用如图6所示设在薄膜制造设备Fa中的加热器加热由稳定化过的氧化锆制成的衬底3，使其保持在400℃的温度。陶瓷材料是经称重以形成Y₁Ba₂Cu₃O_1-x的Y（NO₃）₃·6H₂O、Ba（NO₃）₂、与Cu（NO₃）₂·3H₂O的混合物的，将该混合物混合在硝酸盐的溶液中，再用空气喷雾器Sp喷到衬底3上，以便形成厚5微米的薄膜。因此可采用喷雾热解法。然后将衬底和薄膜在950℃下烘焙60分钟，这之后再在空气中在500℃下退火10小时。至于由此形成的陶瓷超导薄膜的临界温度，电阻值从100°K开始下降，而在83°K下丧失其所有阻值。

其次，为将高温陶瓷超导薄膜加工成宽50微米、长30毫米的超导元件4，将衬底3涂以光致抗蚀剂，并用普通的光刻法加工成细的狭条状，从而在衬底3上形成超导元件4。这种陶瓷高温超导元件不难在磷酸蚀刻剂中进行加工。

下一步，为制造电极6a、6b、8a、8b、10a、10b、12、14和16，用光刻蚀法和剥离法由Ti淀积薄膜形成图形，并制备图3所示的陶瓷超导器件。

本发明中所使用的陶瓷超导器件2由于各点接触和插设在各晶粒间界之间的绝缘层而形成弱耦合，因而可以认为是约瑟夫逊效应结的集合。至于如图7所示的所加磁场和电阻之间的关系，当加到处于超导状态的陶瓷超导元件的磁场其强度超过阈值时会突然出现磁阻状态，而且迅速增加。这个阈值的变化与流经陶瓷超导元件的电流有关。

另一方面，往Ti薄膜制成的电极12上加10毫安电流时，可在50微米的距离处获取0.4高斯的磁场。因此从图7所示的超导材料的特性看，显而易见，当接收0.4高斯磁场的同时通过端子6a和6b往超导元件4上供2毫安恒定电流时，超导元件会显示10毫欧的电阻，因而可获得20微伏（10毫欧×2毫安）的输出。

根据一个最佳实施例，图3所示的陶瓷超导器件2是这样配置的，使电极16与14之间、电极14与12之间、电极12与陶瓷超导元件4之间它们的中心距分别为50微米，各电极12、14和16的宽度为30微米，陶瓷超导元件4的宽度为50微米。

将上述结构的陶瓷超导器件冷却到低于83°K的温度时，如果不往电极12、14和16上供电流以便使陶瓷超导元件4处没有磁场，则即使通过电极8a和8b往陶瓷超导元件4上供电流也不会在电极10a与10b之间出现输出电压，因为在此情况下，元件4保持处于超导状态。但如果从电流源20往电极12上供应10毫安的电流I1，则此电流所产生的磁场破坏了元件4的超导状态，且产生磁阻。因此通过元件4供应2毫安的恒定电流时，在电极10a与10b之间获得20微伏的输出。

应该指出的是，根据如上所述的本发明，电流I1、I2和I3的值以及电极12、14、16和元件4的配置方式并不局限于上面所述，它们在数量和大小上可取任何其它值。举例说，供到电极12、14和16上的电流I1、I2和I3可以使其恒定和彼此相等，而且各电极12、14和16的间距可以取得使它们满足不等式（1a）、（1b）、和（1c）或不等式（2a）、（2b）和（2c）。

此外，上面所述的制造电极12、14和16的方法也不局限于上述的方法，其它方法例如溅射法、金属有机物化学汽相淀积法或电子束蒸发技术等都可以采用，只要能获得同样的效果即可。特别是，电极12、14和16可用超导薄膜形成，在此情况下，它们可在制造超导元件4的同时形成，从而简化了制造工艺。

另外，熟悉本技术领域的人士都知道，尽管本发明中所使用的陶瓷高温超导薄膜是Y₁Ba₂Cu₃O_7-x，另要各晶粒间界形成弱耦合，则采用其它高温超导体也可以取得同样的效果。

此外超导元件4和电极12、14和16在位置上的关系也不应局限于上述就本实施例所述的那种形式。举例说，其中一个电极，例如电极12可以在超导体4的对边形成，如图8中所示。此外若各电极12、14和16是一个在另一个的上方且其间插设有SiO₂或聚酰亚胺树脂的绝缘层，也可以取得同样的效果。

另外，如图9a中所示，为从不同的电流源20、22和24接收电流，可以只设一个电极30。在此情况下，设置了适当的二极管以防电流流回电流源中。不然也可以如图9b所示的那样，设电极32，用以接收一个方向的电流，设置另一个电极34以接收其它方向的电流。

参看图10，陶瓷超导存储器件40有一衬底42，衬底42上淀积着一电极44。陶瓷超导元件46系淀积得平行并毗连电极44。陶瓷超导元件46的各相应端与U形电极48电气连接，从而使元件46和电极48在一起形成矩形的闭合环路。陶瓷超导元件46的各相应端附近设有突出的电极48a和48b。根据本最佳实施例，电极48也是由超导元件制成，但即使加有磁场时也保持超导状态。

电极44通过开关56连接到供应电流Is的电流源52上，突出电极48a则通过开关54连接到供应电流Ib的电流源50上。电流源50和52彼此互连起来，且由单个开关58加以转换。

工作时，首先，陶瓷超导存储器件40系使其保持在这样一种状态，即，使陶瓷超导元件46处于超导状态。然后在断开开关54和56的情况下接通开关58，而后接通开关54，以便在突出电极48a与48b之间供应电流。这样，如图11a所示，1/2 Ib流经陶瓷超导元件46，同时大致相等的电流1/2 Ib流经电极48。

这之后，当接通开关56时，电流Is流经电极44，以便在陶瓷超导元件46提供大于阈值磁场HO的磁场。于是陶瓷超导元件46中产生有磁阻，以防电流流经陶瓷超导元件46。因此如图11b中所示，电流Ib大部分流经电极48。

这之后，将开关58断开时，电流源50和52同时处于不作用的状态。于是电极44中没有电流通过，因而也就不产生磁场，从而使陶瓷超导元件46恢复超导状态。此外没有电流加到电极48上。于是一直是流经电极48的电流Ib为电极48和陶瓷超导元件46所形成的闭合环路所捕获并在该环路中循环，如图11c所示。

当电流如图11c所示那样为该闭合环路所捕获时，显然象“1”之类的数据就存储在该闭合环路中，且无需电能就能维持在该闭合环路中。接通开关58可以将存储器清零，以便给电极44供应至少电流Is，从而使陶瓷超导元件46处于磁阻状态，以中断环路中的循环电流。

根据本最佳实施例，电极44与陶瓷超导元件46之间的中心距为50微米，电极44和元件46的宽度则分别取30微米和50微米。环路大致取方形，沿环路一个循环的距离约为300微米。使流经电极44的电流Is等于约10毫安时，陶瓷超导元件46上就加有0.4高斯的磁场。在此情况下，若往陶瓷超导元件46上加2毫安（＝1/2Ib）的电流，则元件46中会产生10毫欧的阻值。

在一具体实例中，令Ib等于4毫安，并在液氮中将超导存储器件冷却到77°K。陶瓷超导元件46处于超导状态时，大约二分之一即2毫安的电流流经元件46和电极48。令Is等于10毫安时，就有大约0.4高斯的磁场加到大约偏离50微米的陶瓷超导元件46上，从而在元件46中产生磁阻。断开开关58而使电流为闭合环路所捕获时，闭合环路中就流经有大约4毫安的恒定电流，从而使该环路产生磁通以使存储器件处于“写”的状态。环路中之所以流有恒定电流可以用两个理由加以解释，一是超导元件46恢复到超导状态的时间短于电子流经超导环路所需要的时间，二是确定着电子流动的阻抗在环路中是小于在电源方向的。只要恒定电流流经闭合环路，所写入的各数据就保持下来。

从已写入的存储元件读出是这样进行的：以与写入到超导环路相反的方向往电极48供应电流，使部分超导元件46中的电流大于阈值电流Ic，或者用破坏性读出的方法进行，即往电极44上供应电流，使得陶瓷超导元件46上加有大于阈值磁场HO的磁场，因而使加电流所形成的电阻断开恒定电流，从而在该过渡过程的瞬间产生脉冲电压。用这个脉冲电压进行读出。

要将写入状态转换成擦除状态，只需要在上述方法的超导元件46中产生电阻即可。

在上述实施例中，超导元件46和48可由溅射法、金属有机物化学汽相淀积法或电子束蒸发法制成的陶瓷超导薄膜形成，且可以通过使电极各杆部的图形更细的方法降低阈值电流Ic和阈值磁场HO。此外超导元件46和48还可以分开加工制成。另外调节线宽，则不仅使超导元件46和48而且使电极44也可用同样的超导薄膜形成。

参看图12a，该图示出了超导存储器件的第一个修改方案，其中超导元件50中可增设一个直径收缩的部件，其目的是提高该元件的电流密度，从而提高磁场的灵敏度。

参看图12b，图12b示出了第二个修改方案，其中供应电流Is用的电极52与其间带有适当绝缘层（例如SiO₂）或有机绝缘层（例如聚酰亚胺树脂）的电极48相交。用这种结构可以缩小制造器件用的面积。

参看图12c和12d，图中示出了任何提高施加磁场的效率的其它可能修改方案。

此外，形成超导环路的陶瓷超导元件46必须由晶粒间界磁灵敏度高的陶瓷超导元件构成;其它各部分可包含任何其它超导材料，例如HO高且不具有弱耦合晶粒间界的超导层，或这些薄层的叠层结构。再者，若该环路实质上由这些通常处于超导状态的部分构成，则通过缩短磁场所控制的超导部分或通过将电源的各突出电极48a和48b靠近超导电极48的垂直延伸部分安置，可以使写入过程更有把握，因为写入数据时，超导部分产生存储在环路中的磁通。

读出方法并不局限于上述破坏性读出法，其它方法也可以采用，例如采用磁光效应薄膜的光读出法，或者也可以采用精致的磁传感器矩阵。

本发明利用了超导性的性能，但不采用一般方法极难以制造的极薄绝缘薄膜的约瑟夫逊器件。因此本发明的陶瓷超导元件由于应用了易于在陶瓷超导元件晶粒间界形成的超导元件的弱耦合磁阻效应，因而容易制造。所以本发明的器件的抗噪性能好，输入和输出用的电源极其实用，而且使用起来不困难。

虽然本发明已结合其一些最佳实施例参照各附图全面加以说明了，但应该指出的是，对熟悉本技术领域的人士来说，对上述实施例是可进行各种更改和修改的。在不脱离本发明在本说明书所附的权利要求书中所述的范围的前提下，这些更改和修改应理解为包括在本发明的该范围中。

Claims

1、一种逻辑器件，其特征在于，它包括：

一陶瓷超导元件(4)，具有磁阻特性；和

三个电极(12，14，16)，毗邻所述陶瓷超导元件配置，且构成得使往所述三个电极电的一个电极加电流时在所述陶瓷超导元件(4)上通常总加有一大于阈值磁场(Ho)的磁场，其它电极(14、16)则用以增加或减小磁场。

2、一种“隐含”逻辑器件，其特征在于，该器件包括：

一衬底（3）;

一陶瓷超导元件（4），淀积在所述衬底上，具有磁阻特性;

第一电极（12），毗邻所述陶瓷超导元件（4）配置，用于通过陶瓷超导元件（4）加第一电流时给陶瓷超导元件（4）提供第一磁场（H1）;

第二电极（14），毗邻所述陶瓷超导元件（4）配置，用以通过所述陶瓷超导元件（4）加第二电流时给陶瓷超导元件（4）提供第二磁场（-H2）;

第三电极（16），毗邻所述陶瓷超导元件（4）配置，用以通过陶瓷超导元件（4）加第三电流时给陶瓷超导元件（4）提供第三磁场（H3）;

因此当存在所述第一磁场（H1）时，就使所述陶瓷超导元件（4）处于磁阻状态，当存在所述第一和第二磁场（H1-H2）时，就使所述陶瓷超导元件（4）处于超导状态，当存在所述第一和第三磁场（H1+H3）时，就使所述陶瓷超导元件（4）处于所述磁阻状态，当存在所述第一、第二和第三磁场（H1-H2+H3）时，就使所述陶瓷超导元件（4）处于所述磁阻状态。

3、如权利要求2所述的“隐含”逻辑器件，其特征在于，它还包括：

第一电流源（20），用以将所述第一电流加到所述第一电极（12）上;

第二电流源（22），用以将所述第二电流通过第一开关装置（26）加到所述第二电极（14）上;和

第三电流源（24），用以将所述第三电流通过第二开关装置（28）加到所述第三电极（16）上。

4、如权利要求2所述的“隐含”逻辑器件，其特征在于，它包括：

一第四电流源（18），用以将一预定值的电流加到所述陶瓷超导元件（4）上，以便处于所述超导状态时，在所述陶瓷超导元件（4）两端产生电压。

5、一种“等效”逻辑器件，其特征在于，它包括：

一衬底（3）;

一陶瓷超导元件（4），淀积在所述衬底上，具有磁阻特性;

第一电极（12），毗邻所述陶瓷超导元件（4）配置，用以通过所述陶瓷超导元件（4）加第一电流时给所述陶瓷超导元件（4）提供第一磁场（H1）;

第二电极（14），毗邻所述陶瓷超导元件（4）配置，用以通过所述陶瓷超导元件（4）加第二电流时给所述陶瓷超导元件（4）提供第二磁场（-H2）;

第三电极（16），毗邻所述陶瓷超导元件（4）配置，用以通过所述陶瓷超导元件（4）加第三电流时给所述陶瓷超导元件（4）提供第三磁场（-H4）;

因此当存在在所述第一磁场（H1）时，就使所述陶瓷超导元件（4）处于磁阻状态，当存在所述第一和第二磁场（H1-H2）时，或当存在所述第一和第三磁场（H1-H4）时，就使所述陶瓷超导元件（4）处于超导状态，当存在所述第一、第二和第三磁场（H1-H2-H4）时，就使所述陶瓷超导元件（4）处于所述磁阻状态。

6、如权利要求5所述的“等效”逻辑器件，其特征在于，它还包括：

第二电流源（27），用以将所述第二电流通过第一开关装置（26）加到所述第二电极（14）上;和

第三电流源（25），用以将所述第三电流通过第二开关装置（28）加到所述第三电极（16）上。

7、如权利要求5所述的“等效”逻辑器件，其特征在于，它还包括：

第四电流源（18），用以将一预定值的电流加到所述陶瓷超导元件（4）上，以便处于所述磁阻状态时，在所述陶瓷超导元件（4）两端产生电压。

8、一种制造“隐含”逻辑器件的方法，其特征在于，该方法包括下列工序：

在预定温度下冷却具磁阻特性的陶瓷超导元件（4），使其处于超导状态;

往所述陶瓷超导元件（4）加上预定值的电流;

往所述陶瓷超导元件（4）上加大于阈值磁场（H0）的第一磁场（H1），使所述陶瓷超导元件（4）处于磁阻状态;

除加上所述第一磁场（H1）外，还往所述陶瓷超导元件（4）加第二磁场（-H2），以抗衡第一磁场（H1），从而使所述陶瓷超导元件（4）处于超导状态;

除加上所述第一磁场（H1）外，还往所述陶瓷超导元件（4）加第三磁场（H3），以使所加的磁场保持大于所述阈值磁场（H0），从而使所述陶瓷超导元件（4）处于磁阻状态;和

除加上所述第一磁场（H1）外，还往所述陶瓷超导元件（4）上同时加所述第二和第三磁场（-H2）、（H3），使所加的磁场大于所述阈值磁场（H0），从而使所述陶瓷超导元件（4）处于所述磁阻状态。

9、一种制造“等效”逻辑器件的方法，其特征在于，该方法包括下列工序：

往所述陶瓷超导元件（4）上加上预定值的电流;

除加上所述第一磁场（H1）外，还往所述陶瓷超导元件（4）上加第二磁场（-H2），以抗衡第一磁场（H1），从而使所述陶瓷超导元件（4）处于超导状态;

除加上所述第一磁场（H1）外，还往所述陶瓷超导元件（4）上同时加所述第二和第三磁场（-H4），以抗衡第一磁场（H1），从而使所述陶瓷超导元件（4）处于所述超导状态;和

除加上所述第一磁场（H1）外，还往所述陶瓷超导元件（4）上同时加上所述第二和第三磁场（-H2）、（-H4）、使所加磁场保持大于所述阈值磁场（H0）的绝对值，从而使所述陶瓷超导元件（4）处于所述磁阻状态。

10、一种存储器件，其特征在于，它包括：

一超导环路（46，48），其至少一部分由具有晶粒间界的陶瓷超导元件（46）形成;和

一电极（44），设在所述陶瓷超导元件（46）附近;

因此流经所述陶瓷超导元件（46）以外的所述超导环路的一部分（48）的电流可以通过控制流经所述电极（44）的电流所产生的磁场使其被捕获在所述超导环路中。

11、一种存储器件，其特征在于，它包括：

一衬底42;

一陶瓷超导元件（46），淀积在所述衬底上，具有磁阻特性;

第一电极（44），毗邻所述陶瓷超导元件（46）配置，用以给所述陶瓷超导元件（46）提供大于阈值磁场（H0）的磁场（H1），使得通过所述陶瓷超导元件（46）加电流时，使所述陶瓷超导元件（46）处于磁阻状态;

第二电极（48），其各相应端分别与所述陶瓷超导元件（46）的各相应端相连接，使所述陶瓷超导元件（46）与所述第二电极（48）形成一个闭合环路;

因此往所述第二电极（48）毗邻所述陶瓷超导元件（46）其中一端的第一部分（48a）与所述第二电极（48）毗邻所述陶瓷超导元件（46）的另一端的第二部分（48b）之间加第一电流（Ib）时，所述第一电流部分流经所述陶瓷超导元件（46），部分流经所述第二电极（48），然后通过所述第一电极（44）加第二电流（Is）时，所述陶瓷超导元件（46）呈磁阻状态，使所述第一电流（Ib）大部分流经所述第二电极（48），这之后，同时切断所述第一和第二电流（Ib）、（Is）时，所述第一电流（Ib）就被捕获在存储数据的所述闭合环路中。

12、如权利要求11所述的存储器件，其特征在于，它还包括：

第一电流源（50），通过第一开关装置（54）连接到所述第二电极（48），用以提供所述第一电流（Ib）;

第二电流源（52），通过第二开关装置（56）连接到所述第一电极（44）上，用以提供所述第二电流（Is）;和

一截止装置（58），用以同时截止所述第一和第二电流源（50）、（52）。

13、一种制造存储器件的方法，其特征在于，该方法包括下列工序：

在一预定温度下冷却具磁阻特性的陶瓷超导元件（46），使其处于超导状态;

用一个电极（48）将所述陶瓷超导元件（46）的各相应端连接起来以形成一闭合环路;

往所述第二电极（48）毗邻所述陶瓷超导元件（46）的其中一端的第一部分（48a）与所述第二电极（48）毗邻所述陶瓷超导元件（46）的另一端的第二部分（48b）之间加第一电流（Ib），从而使所述第一电流部分流经所述所述陶瓷超导元件（46），部分流经所述第二电极（48）;

往所述陶瓷超导元件（46）加大于一阈值磁场（H0）的磁场（H1），使所述陶瓷超导元件（46）处于磁阻状态，从而使所述第一电流（Ib）大部分流经所述第二电极（48）;

同时除去所述第一电流（Ib）和所述第一磁场（H1），以便将所述第一电流（Ib）捕获在所述存储数据的闭合环路中。