JP2583923B2 - 超電導スイッチング素子 - Google Patents

超電導スイッチング素子

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JP2583923B2 JP62298405A JP29840587A JP2583923B2 JP 2583923 B2 JP2583923 B2 JP 2583923B2 JP 62298405 A JP62298405 A JP 62298405A JP 29840587 A JP29840587 A JP 29840587A JP 2583923 B2 JP2583923 B2 JP 2583923B2
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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。
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。
発明が解決しようとする問題点 しかし従来のジョセフソン素子では、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。
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。
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、第1の超電導体
を、薄い層間絶縁膜を介して第1の超電導体よりも厚み
の厚い超電導体で挾んだ構造から成るものである。
作用 本発明は、前記したように、薄い層間絶縁膜を介して
挾まれた第1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。
実施例 以下本発明の超電導スイッチング素子の一実施例につ
いて、図面を用いて説明する。
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、約80Åの酸化
ジルコニウム薄膜、約2000ÅのY1Ba2Cu3酸化物薄膜、約
80Åの酸化ジルコニウム薄膜、約2μmのY1Ba2Cu3酸化
物薄膜を形成した。その後酸素中で熱処理を行い超電導
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はその上に形成した
第2の超電導体であるY1Ba2Cu3酸化物薄膜、3は酸化ジ
ルコニウム薄膜、4は第1の超電導体であるY1Ba2Cu3
化物薄膜、5は酸化ジルコニウム薄膜、6は第2の超電
導体であるY1Ba2Cu3酸化物薄膜で、第2の超電導体薄膜
の膜厚は、第1の超電導薄膜の膜厚よりも厚くなってい
る。すなわち第1の超電導体を、薄い層間絶縁膜を介し
て、それより厚みの厚い第2の超電導体で挾む構造とな
っている。
各超電導体に電極7,8,9が形成されており、それぞれ
が超電導体に適当なバイアス電圧を加えることができ
る。
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Y1Ba
2Cu3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1の超電導体の臨界磁場は、その厚みが第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2の超電導体よりもその臨界磁場が低
くなっている。
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の超電導体と第
2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。
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。
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が得られることは明らかである。
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。
第3図は本実施例の素子において、超電導体6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、価電子体,禁制帯,導電帯
で表すことができる。3,5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の電導帯の底よりも
上になるように、また超電導帯4の価電子帯が、超電導
体6の電導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6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6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6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整することにより、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。
本実施例の素子の磁場制御方法として、本実施例の素
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、スイッチングを制御することが
できる。
発明の効果 以上述べた如く、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。
本発明の効果は、第1の超電導体を、薄い層間絶縁膜
を介して、第1の超電導体よりも厚みの厚い超電導体で
挾んだ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。
また本実施例で、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もその形成可能
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。
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、これに限られないことは、明らかである。
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。
以上述べた如く、本発明は、第1の超電導体を、薄い
層間絶縁膜を介して、第1の超電導体よりも厚みの厚い
超電導体を挾んだ構造からなり、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。
【図面の簡単な説明】
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……Y1Ba2Cu3
化物薄膜超電導体、3……層間絶縁膜、4……Y1Ba2Cu3
酸化物薄膜超電導体、5……層間絶縁膜、6……Y1Ba2C
u3酸化物薄膜超電導体、7,8,9……電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−12575(JP,A) Japanese Journal of Applied Physics part2 letters Vo l.26.No.1(1987)PP.L1− L2 Japanese Journal of Applied Physics part2 letters Vo l.26.No.2(1987)PP.L123 −124

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1の超電導体を、トンネル可能な薄い絶
    縁膜を介して、第1の超電導体よりも膜厚の厚い第2の
    超電導体で挟んだ構造から成り、前記第1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。
  2. 【請求項2】第1、第2の超電導体の材料として、Ln
    (ただし、Lnは、Y,La,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Y
    b,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。
  3. 【請求項3】第1、第2のそれぞれの超電導体にバイア
    ス電圧印加用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。
  4. 【請求項4】素子近傍に設置された電極に電流を流すこ
    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。
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