JP2583922B2 - Superconducting switching element - Google Patents
Superconducting switching elementInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、磁場によりスイッチングする超電導スイッ
チング素子に関するものである。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a superconducting switching element that switches by a magnetic field.
従来の技術 従来、超電導体を利用するスイッチング素子として、
ジョセフソン素子が知られている。ジョセフソン素子
は、第４図に示すように、２つの超電導体を薄い絶縁膜
で分離した構造からなっている。第４図において、21は
Nbなどの超電導体、22は酸化ニオブなどの絶縁体、23は
基板である。極低温において、Nb,21は超電導状態にあ
る。この時のジョセフソン素子の電流（Ｉ）−電圧
（Ｖ）特性は、絶縁体両端の超電導体のトンネル効果に
より第５図のようになる。したがって、２端子のスイッ
チング素子として利用できる。スイッチングは電流を変
えることによって、もしくは接合に磁場を加えることに
よって行う。磁場を加える方法として、磁場を形成する
ための導線をその近傍に配置し、そこに電流を流すこと
により発生する磁場で、零電圧状態を保つ最大電流値を
制御し、スイッチングを行わせるものもある。Conventional technology Conventionally, as a switching element using a superconductor,
Josephson devices are known. As shown in FIG. 4, the Josephson element has a structure in which two superconductors are separated by a thin insulating film. In FIG. 4, 21 is
A superconductor such as Nb, 22 is an insulator such as niobium oxide, and 23 is a substrate. At cryogenic temperatures, Nb, 21 is in a superconducting state. At this time, the current (I) -voltage (V) characteristics of the Josephson element are as shown in FIG. 5 due to the tunnel effect of the superconductor at both ends of the insulator. Therefore, it can be used as a two-terminal switching element. Switching is performed by changing the current or by applying a magnetic field to the junction. As a method of applying a magnetic field, a magnetic field generated by arranging a conducting wire for forming a magnetic field in the vicinity and flowing a current there, controlling the maximum current value that maintains the zero voltage state, and switching is performed. is there.
発明が解決しようとする問題点 しかし従来のジェセフソン素子では、リーク電流が多
い、磁場によるスイッチングを行う場合、しきい値の制
御が難しいなどの問題があった。Problems to be Solved by the Invention However, the conventional Jessefson element has problems such as a large leak current and difficulty in controlling a threshold value when switching is performed by a magnetic field.
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、リーク電流
の少ない、磁場しきい値の制御しやすい超電導スイッチ
ング素子を提供することを目的としている。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and has as its object to provide a superconducting switching element having a small leakage current and an easily controllable magnetic field threshold.
問題点を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するため、領域間絶縁され
た第１および第２の２つの超電導体をまたぐ形で、前記
第１および第２の超電導体とトンネル可能な膜厚の絶縁
膜を介して、前記第１および第２の超電導体よりも厚み
の薄い第３の超電導体を設けた構造から成るものであ
る。Means for Solving the Problems In order to solve the above-mentioned problems, the present invention relates to a method of forming a tunnel between the first and second superconductors so as to straddle the first and second two superconductors insulated from each other. It has a structure in which a third superconductor thinner than the first and second superconductors is provided via an insulating film having a possible thickness.
作用 本発明は、前記したように、薄い層間絶縁膜を介して
形成された第３の超電導体の超電導−常電導遷移を磁場
で引き起こす現象を用いるため、リーク電流が少なく、
スイッチングする磁場の制御が容易である。Function As described above, the present invention uses a phenomenon that causes a superconducting-normal conducting transition of the third superconductor formed through a thin interlayer insulating film by a magnetic field, so that the leakage current is small.
Control of the switching magnetic field is easy.
実施例 以下本発明の一実施例について、図面を用いて説明す
る。Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
スパッタリング法を用い、チタン酸ストロンチウム基
板上に、約２μｍのY1Ba2Cu3酸化物薄膜を形成し、熱処
理によって超電導化した後、ホトリソグラフィー技術を
用いて、前記Y1Ba2Cu3酸化物薄膜の一部をエッチングに
より除去して２つの領域に絶縁分離し、その上から全体
に、スパッタリング法により約80Åの酸化ジルコニウム
薄膜を形成、その上にさらに約2000ÅのY1Ba2Cu3酸化物
薄膜を形成した。その後熱処理を行い薄膜を超電導化し
た。その構造を第１図に示す。第１図において、１はチ
タン酸ストロンチウム基板、2,5はその上に形成した第
１および第２のY1Ba2Cu3酸化物薄膜、３は酸化ジルコニ
ウム薄膜、４は第３の超電導体であるY1Ba2Cu3酸化物薄
膜、第３の超電導体薄膜の膜厚は、第１の超電導薄膜の
膜圧よりも薄くなっている。すなわち第1,第２の基板側
超電導体をまたぐ形で、薄い層間絶縁膜を介して、それ
より厚みの薄い第３の超電導体で接続した構造となって
いる。Using a sputtering method, a Y 1 Ba 2 Cu 3 oxide thin film of about 2 μm is formed on a strontium titanate substrate, and after superconducting by heat treatment, the Y 1 Ba 2 Cu 3 oxide is oxidized using photolithography technology. A part of the material thin film is removed by etching to insulate and separate into two regions, and a zirconium oxide thin film of about 80Å is formed on the whole from above by sputtering, and a further about 2000Å of Y 1 Ba 2 Cu 3 is formed thereon. An oxide thin film was formed. Thereafter, heat treatment was performed to make the thin film superconductive. The structure is shown in FIG. In FIG. 1, 1 is a strontium titanate substrate, 2, 5 are first and second Y 1 Ba 2 Cu 3 oxide thin films formed thereon, 3 is a zirconium oxide thin film, 4 is a third superconductor. The thickness of the Y 1 Ba 2 Cu 3 oxide thin film and the third superconducting thin film is smaller than the thickness of the first superconducting thin film. That is, the structure is such that the third superconductor having a smaller thickness is connected to the first and second substrate-side superconductors via a thin interlayer insulating film so as to straddle the first and second substrate-side superconductors.
各超電導体には電極6,7,8が形成されており、それぞ
れの超電導体に適当なバイアス電圧を加えることができ
る。Electrodes 6, 7, 8 are formed on each superconductor, and an appropriate bias voltage can be applied to each superconductor.
Y1Ba2Cu3酸化物は、約90Kで超電導体となり、そのバ
ルクの臨界磁場は80テスラ（Ｔ）以上の第２種超電導体
である。第２種超電導体とは、超電導状態を保ちなが
ら、磁場の超電導体内部への侵入が可能な超電導体のこ
とである。しかし超電導体の臨界磁場は薄膜化しその厚
みを極端に薄くしていくと、小さくなっていく。とくに
Y1Ba2Cu3酸化物超電導体は、この傾向が顕著であり、臨
界磁場は膜厚に極めて敏感である。したがって本実施例
の構造の第３の超電導体の臨界磁場は、その厚みが第1,
第２の超電導体の厚みよりも薄くなっていることから、
同一材料でありながら、第1,第２の超電導体よりもその
臨界磁場が低くなっている。The Y 1 Ba 2 Cu 3 oxide becomes a superconductor at about 90 K, and is a second-class superconductor having a bulk critical magnetic field of 80 Tesla (T) or more. The second-class superconductor is a superconductor that allows a magnetic field to enter the inside of the superconductor while maintaining the superconducting state. However, the critical magnetic field of a superconductor becomes smaller as its thickness becomes thinner and its thickness becomes extremely thin. Especially
This tendency is remarkable in the Y 1 Ba 2 Cu 3 oxide superconductor, and the critical magnetic field is extremely sensitive to the film thickness. Therefore, the critical magnetic field of the third superconductor having the structure of the present embodiment has a thickness of the first and second superconductors.
Because it is thinner than the thickness of the second superconductor,
Although the same material is used, the critical magnetic field is lower than that of the first and second superconductors.
このような構造の素子を臨界温度以下、この場合であ
れば、77K以下に冷却すれば、３つの超電導体が薄い層
間絶縁膜で分離された状態となる。層間絶縁膜をトンネ
ル可能な厚み以下としておけば、トンネル電流が流れ
る。したがって第１および第２の超電導体と第３の超電
導体との間で、通常のジョセフソン素子と同じＩ−Ｖ特
性が得られる。この様子を第２図Ａに示す。この接合に
零電圧を保つ最大電流以上を流すと、もはや零電圧は保
たれず、接合両端に電圧が発生する。この状態を第２図
Ｂとする。この接合に磁場をかけていく。第１の超電導
体の臨界磁場以上を加えると、常電導状態に急速に遷移
する。Y1Ba2Cu3酸化物は、常電導状態では、エネルギー
ギャップが超電導状態の時よりもはるかに大きくなる。
そのため第２の超電導体から第１の超電導体への電子の
トンネルができなくなり、電流が流れなくなる。これに
より電子のトンネル状態が変るとともに、常電導状態の
抵抗値は非常に高いので、電流はこの抵抗によっても制
限される。その時のＩ−Ｖ特性を第２図Ｃに示す。した
がって定電圧を接合に加えていた場合、回路に流れる電
流はＤに対応した値に減少し、負荷に抵抗を用いていれ
ば、その両端の電圧は急速に低下する。定電流を流して
いた場合は、直線Ｃにおいて、Ｂの電流に対応する電圧
が接合両端に発生する。いずれにしてもスイッチングを
行うことができる。When the element having such a structure is cooled to a critical temperature or lower, in this case, 77K or lower, three superconductors are separated by a thin interlayer insulating film. If the thickness of the interlayer insulating film is set to be equal to or less than the tunnelable thickness, a tunnel current flows. Therefore, the same IV characteristics as those of a normal Josephson element can be obtained between the first and second superconductors and the third superconductor. This is shown in FIG. 2A. When a current equal to or greater than the maximum voltage that maintains zero voltage is applied to this junction, the zero voltage is no longer maintained, and a voltage is generated across the junction. This state is shown in FIG. 2B. A magnetic field is applied to this junction. When a magnetic field equal to or more than the critical magnetic field of the first superconductor is applied, the state rapidly changes to a normal conducting state. The energy gap of the Y 1 Ba 2 Cu 3 oxide is much larger in the normal conducting state than in the superconducting state.
Therefore, tunneling of electrons from the second superconductor to the first superconductor cannot be performed, and no current flows. This changes the electron tunneling state and the resistance in the normal conducting state is very high, so that the current is also limited by this resistance. FIG. 2C shows the IV characteristics at that time. Therefore, when a constant voltage is applied to the junction, the current flowing in the circuit decreases to a value corresponding to D, and if a resistor is used for the load, the voltage across the resistor rapidly decreases. When a constant current is flowing, a voltage corresponding to the current of B is generated across the junction on the straight line C. In any case, switching can be performed.
Ln1Ba2Cu3酸化物（ただしLnは、La,Y,Nd,Sm,Eu,Gd,T
b,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luの少なくとも一つ）超電導体はす
べて臨界温度90K程度の第２種超電導体となる。またLa
1.85−Ae0.15−Cu1酸化物（ただし、AeはBa,Sr,Caのう
ちの少なくとも一つ以上）は、すべて臨界温度30K程度
の第２種超電導体となる。またいずれも薄膜化した場合
その臨界磁場が、膜厚が薄くなるほど小さくなる。した
がって実施例の構成において、上記酸化超電導体を用い
ることにより、実施例と同様のスイッチング動作の得ら
れることは明らかである。Ln 1 Ba 2 Cu 3 oxide (Ln is La, Y, Nd, Sm, Eu, Gd, T
(At least one of b, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu) All the superconductors are second-class superconductors having a critical temperature of about 90K. Also La
1.85 -Ae 0.15 -Cu 1 oxide (where Ae is at least one of Ba, Sr and Ca) is a second-class superconductor having a critical temperature of about 30K. In the case of thinning any of them, the critical magnetic field decreases as the film thickness decreases. Therefore, it is clear that a switching operation similar to that of the embodiment can be obtained by using the above-described oxide superconductor in the configuration of the embodiment.
Ln1Ba2Cu3酸化物において、BaをSr,Caに置換していっ
ても、ほぼ類似の特性を有する超電導体が得られる。し
たがって超電導体として、BaをSrやCaに置換したものを
用いても同様の効果の得られることは明らかである。Even when Ba is replaced with Sr or Ca in the Ln 1 Ba 2 Cu 3 oxide, a superconductor having substantially similar characteristics can be obtained. Therefore, it is clear that the same effect can be obtained by using a superconductor obtained by replacing Ba with Sr or Ca.
各超電導体には電極が形成してあり、それぞれの超電
導体にバイアス電圧を加えることができる。これにより
スイッチングの電流値もしくは電圧値の制御が極めて容
易となる。Electrodes are formed on each superconductor, and a bias voltage can be applied to each superconductor. This makes it extremely easy to control the switching current value or voltage value.
第３図は本実施例の素子において、超電導体５を最も
高い電位に、超電導体２を最も低い電位に、超電導体４
をその中間の電位になるように、各超電導体電極にバイ
アス電圧を加えた場合のエネルギーバンド図である。超
電導体は超電導状態においてエネルギーギャップが存在
し、通常の半導体と同様に、価電子帯、，禁制帯，導電
帯で表すことができる。３は層間絶縁膜である。いま超
電導体２の価電子帯が、超電導体４の導電帯の底よりも
上になるように、また超電導体４の価電子等が、超電導
体５の導電帯の底よりも上になるようにバイアスしたと
する。すると超電導体２の価電子帯から超電導体４の導
電帯へのトンネルが可能となり、多量の電子が超電導体
２から超電導体４へ注入される。超電導体４に注入され
た電子は、エネルギーを超電導体４の中で失わなけれ
ば、そのまま超電導体５の導電帯へトンネル注入され
る。エネルギーを失って超電導体４の価電子帯に落ちた
としても、超電導体４の価電子帯から超電導体５の導電
帯へのトンネルが可能であり、いずれにしても多量の電
子が超電導体５に注入される。したがってこのようなバ
イアス状態で磁場を加え、超電導体４を超電導状態から
常電導状態に遷移させることにより、電流にスイッチン
グを行うことができる。もし超電導体４の電位をもう少
し高くし、超電導体４の導電帯の底が、超電導体２の価
電子帯よりも上にくるようにしておくと、磁場がない時
にも電流は流れない。この例からわかるように各超電導
体のバイアス電位を調製することにより、電流および磁
場による制御性の自由度がより増す。超電導体４の電位
を変えることによってスイッチング制御のできる状態に
バイアスしておけば一種の増幅も可能である。FIG. 3 shows the superconductor 5 at the highest potential, the superconductor 2 at the lowest potential, and the superconductor 4 in the device of this embodiment.
FIG. 4 is an energy band diagram when a bias voltage is applied to each superconductor electrode so that the potential becomes an intermediate potential. A superconductor has an energy gap in a superconducting state, and can be represented by a valence band, a forbidden band, and a conductive band, like a normal semiconductor. 3 is an interlayer insulating film. Now, the valence band of the superconductor 2 is set above the bottom of the conduction band of the superconductor 4, and the valence electrons of the superconductor 4 are set above the bottom of the conduction band of the superconductor 5. Suppose that it was biased. Then, tunneling from the valence band of the superconductor 2 to the conduction band of the superconductor 4 becomes possible, and a large amount of electrons are injected from the superconductor 2 into the superconductor 4. The electrons injected into the superconductor 4 are tunnel-injected into the conduction band of the superconductor 5 as long as the energy is not lost in the superconductor 4. Even if it loses energy and falls into the valence band of the superconductor 4, a tunnel from the valence band of the superconductor 4 to the conduction band of the superconductor 5 is possible. Is injected into. Therefore, by switching the superconductor 4 from the superconducting state to the normal conducting state by applying a magnetic field in such a bias state, the current can be switched. If the electric potential of the superconductor 4 is set a little higher so that the bottom of the conduction band of the superconductor 4 is higher than the valence band of the superconductor 2, no current flows even when there is no magnetic field. As can be seen from this example, by adjusting the bias potential of each superconductor, the degree of freedom in controllability by a current and a magnetic field is further increased. By changing the potential of the superconductor 4 and biasing it to a state where switching can be controlled, a kind of amplification is possible.
本実施例の素子の磁場制御方法として、本素子の近傍
に導線を設け、この導線に電流を流したり切ったりする
ことにより、この導線の周りに磁場を発生させたり消滅
させることによって、スイッチング制御をた易く行うこ
とができる。As a method of controlling the magnetic field of the element according to the present embodiment, a switching wire is provided by providing a conducting wire near the device and generating or extinguishing a magnetic field around the conducting wire by passing or cutting a current through the conducting wire. Can be performed easily.
発明の効果 以上述べたごとく、本発明の方法によれば、臨界磁場
の異なる超電導体同志のトンネル接合を利用するので、
磁場の制御が容易である。またオフ時には、２つの超電
導体の間を、２つの絶縁膜で挾まれた常電導体で分離す
るため、従来のジョセフソン素子のように一つの層間絶
縁膜で分離されたものよりも、はるかにリーク電流が少
ない。Effect of the Invention As described above, according to the method of the present invention, tunnel junctions of superconductors having different critical magnetic fields are used.
The control of the magnetic field is easy. Also, when turned off, the two superconductors are separated by a normal conductor sandwiched between two insulating films, which is far more than that of a conventional Josephson element separated by a single interlayer insulating film. Low leakage current.
本発明の効果は、領域間絶縁された第１および第２の
２つの超電導体をまたぐ形で、前記第１および第２の超
電導体とトンネル可能な膜厚の絶縁膜を介して、前記第
１および第２の超電導体よりも厚みの薄い第３の超電導
体を設けた構造から得られるものであり、本実施例以外
にもこの構造を形成できる材料は、多数考えられるが、
いずれについても適用できるものである。The effect of the present invention is that the first and second superconductors, which are insulated between the regions, straddle the first and second superconductors through the insulating film having a thickness capable of tunneling. It is obtained from a structure in which a third superconductor thinner than the first and second superconductors is provided, and many other materials that can form this structure besides the present embodiment are conceivable.
Any of them can be applied.
また本実施例では、薄膜の厚みとして特定の値を用い
たが、層間絶縁膜の厚みは、トンネル効果の起る範囲内
で任意であり、また各超電導体薄膜の厚みのその形成可
能な範囲で任意である。しかしあまり厚くなると、臨界
磁場がバルクの値と同じになり膜厚に依存しなくなる。
限界の厚みは10μｍである。In this embodiment, a specific value is used as the thickness of the thin film. Is optional. However, if the thickness is too large, the critical magnetic field becomes the same as that of the bulk, and does not depend on the film thickness.
The limit thickness is 10 μm.
本実施例では、基板としてチタン酸ストロンチウム単
結晶を用いたが、超電導薄膜の形成できる基板であれば
良く、これに限らないことは、明らかである。In the present embodiment, a strontium titanate single crystal was used as the substrate, but it is clear that the substrate may be any substrate on which a superconducting thin film can be formed, and the present invention is not limited to this.
本実施例では、層間絶縁膜として酸化ジルコニウムを
用いたが、膜形成中ないしは形成後の熱処理などによっ
て、超電導膜と反応するようなものでなければよく、こ
れに限られないことは明らかである。In this embodiment, zirconium oxide is used as the interlayer insulating film. However, it is clear that the zirconium oxide does not need to react with the superconducting film during or after the film formation, and is not limited to this. .
以上述べたごとく、本発明は、領域間絶縁された第１
および第２の２つの超電導体をまたぐ形で、前記第１お
よび第２の超電導体とトンネル可能な膜厚の絶縁膜を介
して、前記第１および第２の超電導体よりも厚みの薄い
第３の超電導体を設けた構造からなり、リーク電流が少
なく、磁場制御の容易なスイッチング素子を提供するも
のである。As described above, the present invention provides the first insulated region.
And a second thinner superconductor that is thinner than the first and second superconductors through an insulating film having a thickness capable of tunneling with the first and second superconductors so as to straddle the two superconductors. The present invention provides a switching element having a structure in which the superconductor of No. 3 is provided, having a small leakage current and easy magnetic field control.
第１図は本発明の構造の一実施例を示す断面図、第２図
は本発明の素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフ、第３図は本
実施例の素子のエネルギーバンド図の一例を示す説明
図、第４図は従来のジョセフソン素子の構造例を示す断
面図、第５図は従来のジョセフソン素子のＩ−Ｖ特性を
示すグラフである。 １……チタン酸ストロンチウム基板、2,4,5……Y1Ba2Cu
3酸化物薄膜超電導体、３……層間絶縁膜、6,7,8……電
極。FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the structure of the present invention, FIG. 2 is a graph showing the IV characteristics of the device of the present invention, and FIG. 3 is an example of an energy band diagram of the device of the present embodiment. FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a conventional Josephson element, and FIG. 5 is a graph showing the IV characteristics of the conventional Josephson element. 1 ... Strontium titanate substrate, 2,4,5 ... Y 1 Ba 2 Cu
3 oxide thin film superconductor, 3 ... interlayer insulating film, 6, 7, 8 ... electrodes.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−12575（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−15895（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−42747（ＪＰ，Ｕ) Ｊａｐａｎｃｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｐａｒｔ２ ｂｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ. 26 Ｎｏ．１（1987）ＰＰ．Ｌ１−２ ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-57-12575 (JP, A) JP-A-60-15895 (JP, A) JP-A-60-42747 (JP, U) Japan Journal of Applied Physics part2 butters Vol. 26 No. 1 (1987) PP. L1-2
Claims (4)
体をまたぐ形で、前記第１および第２の超電導体とトン
ネル可能な膜厚の絶縁膜を介して、前記第１および第２
の超電導体よりも厚みの薄い第３の超電導体を設けた構
造からなり、前記第３の超電導体に磁場を印加すること
によりスイッチング動作を行うことを特徴とする超電導
スイッチング素子。The first and second superconductors are provided so as to straddle the first and second superconductors through an insulating film having a film thickness capable of tunneling with the first and second superconductors. 2
A superconducting switching element having a structure in which a third superconductor having a thickness smaller than that of the third superconductor is provided, and performing a switching operation by applying a magnetic field to the third superconductor.
d,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luの少なくとも一つ）
−Ae（ただしAeは、Ba,Sr,Caの少なくとも一つ）−Cu酸
化物を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第（１）
項記載の超電導スイッチング素子。2. A superconductor comprising Ln (where Ln is Y, La, N
d, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu)
Claims (1) wherein -Ae (where Ae is at least one of Ba, Sr and Ca) -Cu oxide is used.
A superconducting switching element according to claim 1.
端子を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第（１）
項記載の超電導スイッチング素子。3. The method according to claim 1, wherein a bias voltage applying terminal is provided on each superconductor.
A superconducting switching element according to claim 1.
とにより素子に磁場を印加することを特徴とする特許請
求の範囲第（１）項記載の超電導スイッチング素子。4. The superconducting switching element according to claim 1, wherein a magnetic field is applied to the element by passing a current through an electrode provided near the element.
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| JP62296509A JP2583922B2 (en) | 1987-11-25 | 1987-11-25 | Superconducting switching element |
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| Title |
|---|
| Ｊａｐａｎｃｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｐａｒｔ２ ｂｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．２６ Ｎｏ．１（１９８７）ＰＰ．Ｌ１−２ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01137683A (en) | 1989-05-30 |
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