CN1489794A - 采用超晶格的无电介质势垒的开关装置 - Google Patents

Abstract

为打破“缩小法则”的界限而提出来的应用了超导体的元件，由于在元件中使用的用于隔断电流的电介质材料的存在，还没有被实用化。申请人提出利用无电介质势垒而对电流的流动进行控制的S－N－S接合的3端子元件。该元件在没有通过破坏超导状态而动作的元件的能量损失状态下，可以在超高频下动作。

Description

采用超晶格的无电介质势垒的开关装置

概要

由于计算机领域的信息处理量的增大，要求作为计算机心脏的中央处理器(Central Processing Unit：CPU)的指数级(order level)要高速化。以前，CPU的高速化一直遵从被称为“缩小法则”的原理，并随着元件集成化而发展。但是，高速化受限于这个“缩小法则”已经开始显现出来。为了解决这个问题，有人提出采用了超导的元件的方案，但一直没有得到实际应用。这是因为为了隔断电流，要考虑在元件中存在电介质材料。我们认为如果能不用电介质材料而隔断电流，则可以解决采用超导材料的超高速开关动作的问题。在本申请中，申请人提出了不用电介质势垒的4端子开关元件方案。

1.前言

自从1948年W.B.Schockly、J.Bardeen、W.H.Brattain等人发现晶体管效应以来，用于计算机中的半导体元件创造出了许多令世界改变面貌的观念。为了适应观念的变化趋势，要求数据处理速度达到最高速度。在电子元件领域中，为了追上这种趋势，构成元件基于“缩小法则”进行集成。所谓“缩小法则”是指通过减小含有作为集成电路基本要素的场效应管(FET)的整个电路的电阻值和电容尺寸，可以实现高速的开关。但是，我们开始意识到根据这个“缩小法则”无法适应现代社会的要求。由于FET的开关动作通过利用偏压控制FET栅极附近的载流子来实现，因此依赖于载流子的迁移率。最近，Y.Nishi预测2010年以前CPU动作频率会长时期上升。根据这个预测，动作频率到2010年将达到1.1×10⁹Hz⁽¹⁾。也就是说，CPU的信息处理能力将提高数倍。这就意味着通过庞大软件进行处理的大量信息处理量依赖于载流子的迁移率。

另一方面，我们知道B.D.Josephson(约瑟夫森)提倡的超导元件是高速动作、低消耗功率的元件⁽²⁾。但是，在7×10⁸Hz以上的开关频率下，约瑟夫森元件由于受因混乱信号的波动而产生的杂音影响，不能供在高频区域使用。而且，具有由于沟道势垒而造成透过率减少、信号延迟、及相对于热变形的机械脆化这样的性质。K.A.Muller、J.G.Bednorz等人发现的氧化物超导体⁽³⁾被期待用于高温下动作的元件，但是还未应用于开关元件。尽管多次进行实验，但还未实际应用是因为氧化物超导体固有的特性。本说明书中，说明了通过使用金属超导体超晶格(superlattice)，可以完全解决面向实际应用化的问题。

2.不用电介质材料隔断可干涉区域的方法

氧化物超导体没有实际用作约瑟夫森元件的原因有两个。第1是由于存在晶界等的一致性低的界面，所以波动函数的相位有偏移。第2是由于在如上的一致性低的界面上，波动函数的穿透率非常小，因此集成时信号极度衰减。

氧化物超导体的可干涉距离被设计得非常短(～0.1nm)，以使超导相转移温度(Tc)升高⁽⁴⁾。但是，为此，必须利用电介常数高的离子性结晶隔断可干涉区域。其结果，结晶本身的电介常数上升，不可避免地造成传导层层间波动函数的延迟(图1a)。而且，这种延迟在一致性低的界面上变得不均(图1b)。由于这样的不均，元件的动态阻抗上升、穿透率下降⁽⁵⁾⁽⁶⁾。即，氧化物超导体的问题点也可归结为电介常数的存在。

超导现象的特性可以用库柏对(Cooper pairs)的波动函数的可干涉性来描述，这种可干涉性可通过旋转交换相关(Spin exchangecorrelation)实现。这意味着，如果可以控制旋转交换相关，则可以操控电子的流动。因此，以人为地控制旋转交换相关为例，考察巨大磁阻效应(Giant Magneto-Resisitance；GMR)的发现机构。有报告说，在具有中型结构的金属系中发现了巨大磁阻效应，但是由于施加了外磁，电阻也减少了50％⁽⁷⁾。直至旋转记述的波动函数在相邻层间不同时，根据近藤效应⁽⁸⁾，由于巡回电子(itinerant electrons)的迁移受到限制而引起巨大磁阻效应。虽然有关于显示巨大磁阻效应以及中型磁排列⁽⁹⁾的报告，但如果这样，则可以通过中子的衍射，确认存在2倍于超晶格周期的磁排列。

在这里想要强调的是，中等规模的磁区结构是通过控制超晶格的周期发现的。这意味着，站在旋转交换相关的角度，通过改变密切相关的超导层的叠层周期，不配置电介质，而控制巡回电子的迁移。通过这种指导，不用电介质也可以制作出进行开关动作的超晶格。

3.采用金属超导超晶格的开关元件的可能性

在超导金属-普通传导金属-超导金属(Superconductingmetal-Normal metal-superconducting metal：S-N-S)超晶格中，可以观察到空间交叉现象(dimensional crossover effect)。对在Nb/Cu系超晶格中的空间交叉现象的研究，I.K.Schuller等人组成的小组扮演着先驱的角色⁽¹⁰⁾。根据他们的报告，Nb/Cu超晶格的可干涉距离，具有只有在中型结构金属系中才有的各向异性，通过使超晶格周期最佳化，使超导层间的相关达到最大。申请人通过申请提出利用该层间的相关，隔断直至旋转记述的波动函数。

最近，申请人等人指出在具有中型结构的超晶格周期的Nb/Cu超晶格中，存在每个超导层的反强磁性磁排列⁽¹¹⁾。测量Nb、Cu各层层厚固定在16.8nm、14.7nm的Nb/Cu系超导晶格电阻，可以观察到阻抗异常的再现性。考虑到这种阻抗异常只在层间相关性最大时出现，在中等规模中，可以实现电子频谱带的反强磁性排列，而且，阻抗异常导致因近藤效应而产生的巡回电子的产生(图2)。

如果在超导系中形成了反强磁性的磁排列，则可以推断超导现象和GMR是模拟的。如上所述，在显示GMR的金属系中，可以不用电介质势垒隔断电子的流动。因此，可以知道即使在S-N-S接合时，不用电介质势垒也可以隔断库柏对的流动。

4.提出的4端子元件方案

图3所示是4端子开关元件的示意图。只有在直至旋转记述的波动函数一致时，层间的电子迁移才受控制，向相邻层的迁移因反强磁性的旋转排列而受控(图3a)。基于这种哲学，申请人之一(K.Tsukui)提出具有源层、栅层、漏层的4端子元件(图3b)。开关动作的动作原理是调制Broch共鸣^(12)(13)后，依靠Broch共鸣的电子输送的非线性。依照图4所描述的那样，超导层中的具有不同旋转的占有轨道，与半导体超晶格一样，用普通传导层隔断。超晶格内部的库柏对处于共鸣状态，该共鸣状态通过对栅的操作和从外部导入的单一事件受到调制。调制Broch共鸣的结果，源-漏间电压通过超晶格的非线性输送被多值化⁽¹⁴⁾。这种现象与半导体超晶格一样，与使用超晶格的沟道势垒不同。

S-N-S超晶格时，巡回电子在普通磁性金属中传播。但是，低温下从某个超传导层向相邻超传导层的迁移由于近藤效应而受限。因巡回电子而产生的电阻值(ρ_↑)由下面的式子决定⁽⁸⁾。

${\mathrm{\ρ}}_{\↑}={\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{\π}}^2{\left(N_{\mathrm{Para}}\left({\mathrm{\ϵ}}_F\right)\right)}^2{J}^{2}S(S+1)(1-4N_{\mathrm{Para}}\left({\mathrm{\ϵ}}_F\right)J\log \frac{k_{B}T}{D})$

电阻值是温度和普通传导金属的费米单位的电子密度(N_para(ε_F))的函数。其结果，100K以下的巡回电子的迁移率明显降低，插入的普通磁性金属与绝缘体势垒的作用相同。这种作用与半导体超晶格的带隙一样。这种“沟道势垒效应”作为在旋转交换相关强的层电子和插入其间的普通磁性金属中的电子角运动量量子数不同时引起的现象，已被人认知⁽¹⁵⁾。结论是：由于该4端子元件通过Broch共鸣一直维持超导电流而动作，因此动作频率的上限与在这之前的RC型约瑟夫森元件的动作频率受隙能决定不同。

而且，如超晶格一样，以源层(S)/栅层(G)/漏层(D)/G/S/G/D/G…的顺序，对元件的基本单元进行叠层，因此从源层到漏层的相关以等比级数接近1。在具有电介质势垒的约瑟夫森接合中，混乱的杂音、波动函数的波动、透过率低、机械脆性等令人烦恼，但是提出的元件只用金属就解决了面向超导元件的实际实用时的所有问题。而且，该元件在没有通过破坏超导状态而动作的元件的能量损失状态下，可以在超高频下动作。动作频率的上限，如果考虑到金属的等离子体子损失(Cu时为10³eV级)，则可以预计达到10¹⁸Hz。假设，可以在这样的高频下动作，则可认为可以将电信号转换为高能光子，而且在进行其逆转换时，可以检出高能粒子。

5.结论

在该申请书中，论证了为使CPU更高速地动作，基于缩小法则并且不依赖集成化的方法。为了采用超导体，制作在超高频下动作的开关元件，不得不除去在接合处寄生的电容(电子分极)。作为这种元件的一个例子，申请人提出不用电介质势垒地控制电子流动的用于S-N-S接合的4端子元件。

6.谢词

申请人对京都大学的新宫秀夫教授和石原庆一助理教授表示深深的谢意。GMR和超导现象相似的这种观点，在与老师讨论之中形成。从内心感谢指导薄膜制作的金属材料技术研究所的矢田雅则博士。从内心感谢提供低温实验环境的早稻田大学理工学部的大泊严老师、大坂敏明老师。从内心感谢从低温工学的立场指导低温实验的大金工业机械技术研究所的八木信昭氏。而且，申请人对参与讨论的金属材料技术研究所、工业技术院电子技术综合研究所、工业技术院、早稻田大学、京都大学的老师们表示深深的谢意。对大冢国际特许事务所的大冢康德先生表示深深的感谢，感谢他在特许化方面给予的许多建议。另外，最后，申请人之一(K.Tsukui)对樱丘纪念病院的古茶大树先生全面地亲自指导研究生活进行感谢。

附图说明

图1.所示是氧化物超导体内部的电子分极对传导层间的波动函数传播的影响(a)。采用氧化物超导体的约瑟夫森元件时，在10⁴Hz以上的开关频率下，受热杂音所支配⁽⁶⁾。根据K.K.Likharev的报告⁽⁵⁾，这种杂音是由于高频区域的动态阻抗上升的缘故。也就是，在钙钛矿结构的结晶中，存在大的电子分极。波动函数由于这些电子分极的存在，在传播时产生延迟。图1b所示是在一致性低的界面附近，在波动函数的延迟上产生偏移的说明图。由于波动函数的延迟，界面附近的磁序参数变小，波动函数的结合必然变弱。

图2所示是得到阻抗测量实验结论的、在具有中型结构的超导体中的、每层的反强磁性的旋转排列。各层的电子状态通过作为非经验的分子轨道法的DV-Xα法⁽¹⁶⁾算出。同时提出的因“库泊对的热稳定机构”而产生的偏移可以被看作与普通状态的电子状态相互独立。因此，以普通的电子状态为基础，可以描写中型的旋转排列。由于降低了用交换相关参数函数表示的全部能量，因此相邻层的旋转方向相反。如果在超导体中存在这种反强磁性的磁排列，则可以在不用电介质的同时隔断电子的流动。

图3所示是4端子开关元件的示意图以及其动作原理。在包含旋转的波动函数一致的层间的迁移优先(a)。近藤效应的结果是向相邻层的迁移受到限制。4个端子的基本单元由源层、栅层、漏层组成(b)。开关的截止动作通过根据栅层的电子状态、外部环境的单一事件调制在元件内存在的Broch共鸣而进行动作。而且，如果认为超导现象和GMR是模拟的，则可以不用电介质的同时隔断电子的流动。即，我们知道如果将旋转交换相关作用强的层进行叠加，则可以作成该元件。

图4所示是提出的4端子元件的基本单元内部的能带示意图。如上所述，可以认为根据“库泊对的稳定机构”，旋转的偏移与普通状态的电子状态相互独立。因此，以普通电子状态为基础，可以描写中型旋转排列。超导层内部的电子状态在中等规模下成反强磁性排列，可以用普通金属隔断。作为近藤效应或者“沟道势垒效应”的结果，可以确定与半导体超晶格一样的Broch共鸣状态。

摘要

由于计算机领域的信息处理量的增大，要求作为计算机心脏的中央处理器(CPU)的指数级要高速化。以前，CPU的高速化一直遵从被称为“缩小法则”的原理，并随着元件集成化而发展。但是，高速化受限于这个“缩小法则”已经开始显现出来。为了解决这个问题，有人提出采用了超导的元件的方案，但一直没有得到实际应用。这是因为为了隔断电流，要考虑在元件中存在电介质材料。我们认为如果能不用电介质材料而隔断电流，则可以解决采用超导材料的超高速开关动作的问题。在本说明书中，申请人提出了不用电介质势垒的4端子开关元件方案。

该元件在没有通过破坏超导状态而动作的元件的能量损失状态下，可以在超高频下动作。动作频率的上限，如果考虑到金属的等离子体子损失(Cu时，为10³eV级)，则可以预计达到10¹⁸Hz。假设，可以在这样的高频下动作，则可认为可以将电信号转换为高能光子，而且在进行其逆转换时，可以检出高能粒子。

(1)Y.Nish，Proceedings of Internatinal Symposium on Control ofSingle Particles and its Application(1996)

(2)B.D.Josephson，Phys.Rev.lett.，1(7)(1962)251

(3)K.Alex Muller and J.Georg Bednorz，Zeitschrift fur Physik，B64(1986)April

(4)H.Hayakawa and Y.Takagi，Oyo Butsuri(in Japanese)，58(5)(1989)766

(5)K.K.Likharev and V.K.Semenov，JETP.I.Lett.，15(1972)3537

(6)L.Hao，J.C. MacFarlane，C.M.Pegrum，Supercond. Sci.Technol.，9(1996)678

(7)eg.M.N.Baibich，J.M.Broto，A.Fert，F.Nguyen Van Dau，F.Petroff，P.Etienne，G.Creuzet，A.Friederich and J.Chazelas，Phys，Rev.Lett.，61(1988)2472

(8)Jun Kondo，“An abstract of metal electron theory”(inJapanese)，Shokabo Press(1983)

(9)N.Hosono，S.Araki，K.Mibu and T.Shinjo.，J.Phys.Soc.Jpn.，59(6)(1990)1925

(10)Cornel S.L.Chun，Guo-Guang-Zheng，Jose L.Vincent，and IvanK.Schuller，Phys.Rev.，B29(9)(1984)4915

(11)K.Tsukui，M.Yata，I.Ohdomari，T.Osaka，N.Yagi and H.Tsukui，Appl.Surface Sci.，162-163(2000)239-244

(12)L.Esaki and R.Tsu，IBM research Note，RC-2418(1969)L.Esaki and R.Tsu，IBM J.Res.Develop.，14(1970)61

(13)L.Esaki，Physica Scripta，T42(1992)103

(14)K.F.Renk，E.Schomburg，A.A.Ignatov，J.Grenzer，S.Winnerl，K.Hofbeck，Physica，B244(1998)196

(15)L.I.Schiff，”Quantum Mechanics”(Second Edition)，MeGraw-Hill(1955)

(16)H.Adachi，M.Tsukada and C.Satoko，J.Phys.Soc.Jpn.，45(1978)875

权利要求书

(按照条约第19条的修改)

1.(修改)一种开关装置，交替地对超导体(A层)、常磁性普通传导体(B层)进行叠层。

2.(修改)一种开关装置，仅在A层设置端子。

3.(修改)可以使用超导体，代替B层的常磁性普通传导体。

4.(删除)

5.一种进行开关动作的装置，如图3所示，顺次给A层命名为源层、栅层、漏层，通过在栅层上施加的电流或者电压对源层和漏层之间的Broch共鸣进行调制。

6.权利要求5所述的装置，多次叠层的装置。

7.在A层和B层之间，可以插入其它的金属层。

Claims (7)

1.一种装置，旋转交换相关强的传导体(A层、B层)相互交叉叠层。

2.一种装置，在A层设立端子。

3.旋转交换相关强的层(A层、B层)可以是超导体。

4.B层的旋转交换相关可以较弱。

5.一种进行开关动作的装置，如图3所示，顺次给A层命名为源层、栅层、漏层，通过在栅层上施加的电流或者电压对源层和漏层之间的Broch共鸣进行调制。

6.如权利要求5所述的装置，多次叠层的装置。

7.在A层和B层之间，可以插入其它的金属层。

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