JP2641447B2 - 超電導スイツチング素子 - Google Patents

超電導スイツチング素子

Info

Publication number
JP2641447B2
JP2641447B2 JP62114605A JP11460587A JP2641447B2 JP 2641447 B2 JP2641447 B2 JP 2641447B2 JP 62114605 A JP62114605 A JP 62114605A JP 11460587 A JP11460587 A JP 11460587A JP 2641447 B2 JP2641447 B2 JP 2641447B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
superconducting
thin film
switching element
oxide
oxide superconducting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP62114605A
Other languages
English (en)
Other versions
JPS63281481A (ja
Inventor
良信 樽谷
晴弘 長谷川
壽一 西野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP62114605A priority Critical patent/JP2641447B2/ja
Publication of JPS63281481A publication Critical patent/JPS63281481A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP2641447B2 publication Critical patent/JP2641447B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はスイツチング素子に係り、特に高速で低消費
電力性能を有する超電導スイツチング素子に関する。
〔従来の技術〕
従来超電導スイツチング素子としてはジヨセフソン効
果を利用した超電導トンネル接合が製造され、論理回
路、記憶回路等に用いられて来た。超電導トンネル接合
の構造は二枚の超電導膜の間にトンネル障壁層としての
役割を果す極薄絶縁膜を挿入したものである。超電導ト
ンネル接合はジヨセフソン効果によつて直流超電導電流
の流れる零電圧状態と抵抗の発生する電圧状態との間を
スイツチング操作によつて遷移させることができる。素
子のスイツチングは超電導状態にある素子に対して磁界
を印加すること、あるいは素子に固有の臨界値以上に電
流を通じることにより起させることができる。超電導ス
イツチング素子はスイツチングに要する時間が数psと短
かく、消費電力がμWの単位しかないというスイツチン
グ素子としての性能を有している。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら従来の超電導トンネル素子を論理回路等
のスイツチング素子として用いようとする場合、以下に
述べる超電導トンネル素子特有の問題点を有していた。
(1)超電導トンネル素子は磁場に対して非常に敏感で
ある。したがつて外部からの磁気雑音によつて誤まつた
スイツチング動作を起してしまうことがある。
(2)超電導トンネル接合は通常磁場信号によつてスイ
ツチング動作を行わせる。このとき必要な磁束の単位は
2×10-15Wbである。したがつて、超電導トンネル接合
によつて構成するスイツチング素子は磁束の単位に対応
する素子面積を必要とする。たとえば信号電流が数百μ
Aの場合、素子面積は数十μm角となる。このことは高
密度集積化に対する制約となる。
(3)超電導トンネル接合のスイツチング特性は、電圧
−電流特性にヒステリシスを有する、いわゆるラツチン
グ動作を特徴とする。すなわち、零電圧状態から電圧状
態にスイツチングしたとき、超電導トンネル接合に通じ
る電流を一担零としなければ、たとえスイツチング信号
を取除いたとしても零電圧状態に復帰しない。したがつ
て回路を駆動するための電源として交流で波形整形され
た電流を必要とする。このことは回路を用いるための実
装系を繁雑にする。
本発明の目的は磁気的な雑音に対して誤動作の心配が
無く、磁束の単位による素子面積縮小化に対する制約が
無く、かつ直流電源で駆動できる超電導スイツチング素
子を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は以下のごとき材料および構造から成る超電
導スイツチング素子により達成される。このような超電
導スイツチング素子としては、酸素を成分として含む酸
化物超電導薄膜を抵抗可変部分として用い、酸化物超電
導薄膜に対して電界を印加するための電極を絶縁膜を介
して膜面方向に接続し、酸化物超電導薄膜に対して電流
を通じるための超電導電極を酸化物超電導薄膜の両側に
接続する。酸化物超電導薄膜としてはSr,Ti,O等を構成
元素として含むスピネル型結晶構造、Ba,Pb,Bi,O又はB
a,Y,Cu,O等を構成元素として含むペロブスカイト型結晶
構造、あるいはBa,La,Cu,O等を構成元素として含むK2Ni
F4型結晶構造の酸化物超電導材料等がある。
〔作用〕
酸化物超電導薄膜は多結晶体により構成されており、
また、酸化物超電導薄膜の膜厚は超電導電極より十分に
薄いため、結晶粒界における酸素濃度が結晶粒内におけ
る酸素濃度より高い状態、あるいは結晶粒界に間隙を存
在させる等の方法により、結晶粒間の電気伝導が電子あ
るいは正孔のトンネル効果によつて生じる。このような
トンネル効果、あるいは結晶粒間における波動関数のカ
ツプリングの調節は、次のように行なわれる。すなわち
絶縁膜を介して印加された電界により酸化物超電導薄膜
内の結晶粒界トンネルバリアハイトを制御する。これに
より結晶粒界のトンネル抵抗が可変となり、ソース、ド
レイン電流の変化割合を大きくすることが出来る。ある
いは結晶粒間のカツプリングの強さに応じて、ジヨセフ
ソン効果による零電圧状態と有限電圧状態とのスイツチ
ングを起こさせることもできる。
〔実施例〕
以上の技術的手段に適用したスイツチングの原理を第
2図を用いて説明する。酸化物超電導薄膜の任意の結晶
粒界において、エネルギーダイアグラムは印加電界が零
の場合、破線21,22のようになる。トンネル障壁層を構
成する酸化物がn型の場合、伝導帯が両側金属伝導層の
フエルミ面Fに近くなる。障壁層のバンドは金属伝導帯
界面においてシヨツトキー効果のために湾曲する。ただ
し金属伝導層も酸化物であるために、シヨツトキー障壁
の高さは金属と半導体間のバリアハイトより十分低い。
絶縁層を介して電界を印加した場合、エネルギーダイア
グラムは実線23,24のようになる。つまり、電界を印加
しない場合と比較してトンネル障壁層の実効的な高さと
幅が小さくなる。なお、トンネル電流Jは で与えられることが知られている。ここでVはトンネル
接合電圧、me/mは電子の有効質量比、Egは障壁層のエネ
ルギーギヤツプ、Sおよびφは障壁層が矩形であるとみ
なしたときの厚みとバリアハイトである。したがつて、
トンネル障壁層の実効的な厚みとバリアハイトを変化さ
せることによりトンネル電流を指数関数的に変化させる
ことができる。
以上のような技術的手段を用いることにより、さきに
述べた技術的課題を以下のごとく解決することができ
る。
(1)磁気雑音に対する誤動作に関して、本発明になる
超電導スイツチング素子はこの確率がきわめて小さい。
本スイツチング素子は半導体トランジスタと類似のスイ
ツチング動作を行うものであり、磁場信号によるスイツ
チングを行わせるものではない。結晶粒界におけるトン
ネル障壁がジヨセフソン電流モードになることもあり得
るが、実効的な接合長が100nm以下ときわめて短いこ
と、およびトンネル障壁が並列に並んでいることから、
磁場に対する感度は純い。
(2)前項(1)で述べたごとく、本スイツチング素子
は磁場信号によるスイツチングを行わせるものではない
から、インダクタンスによる寸法の制約が生じない。サ
ブミクロン程度の寸法の素子を形成することも原理的に
は可能である。
(3)本超電導スイツチング素子は2種類のスイツチン
グモードがあり、一つは半導体トランジスタと同じく、
高抵抗状態と低抵抗状態のスイツチングであり、一つは
超電導状態と常電導状態間のスイツチングである。後者
の場合においても、単一の超電導トンネル接合のように
ヒステリシスを有する電圧−電流特性ではなく、高電流
密度素子に特有のヒステリシスの少ない特性を有する。
したがつてノンラツチング動作、すなわち直流駆動電源
でスイツチングを行わせることが可能である。
以下、本発明の実施例を第1図を用いて説明する。第
1図に示すごとき超電導スイツチング素子の作製を行つ
た。素子は基板1、酸化物超電導薄膜2、酸化物電極膜
3、ゲート絶縁膜4、およびゲート電極膜5から成る。
基板1はサフアイア(Al2O3単結晶)、酸化物超電導薄
膜および電極膜2,3は(SrxLa1-x2CuO4,ゲート絶縁膜
4はSiO2およびゲート電極膜5はAlとした。
本素子の作製方法は以下の通りである。高周波スパツ
タリング装置を用いて酸化物電極膜3となる(SrxL
a1-x2CuO4(Xは約0.1)の多結晶体をArと酸素の混合
ガス雰囲気中においてサフアイア基板全面に形成した。
ターゲツト材としてはあらかじめ原料粉のプレスおよび
焼結により成形した直径10cmの円板状(SrxLa1-x2CuO
4を用いた。Arガス中で(SrxLa1-x2CuO4のスパツタリ
ングを行つた場合、基板に付着する前に分解し酸素の不
足した状態となる。したがつて雰囲気ガスに酸素を混合
することにより膜中の酸素の不足を補つた。電極膜の膜
厚は200nmとした。同様の方法によりあらかじめ作製し
た(SrxLa1-x2CuO4膜はX線回折測定によればK2NiF4
型結晶構造を示し、超電導臨界温度は30K以上であつ
た。
つぎに、形成した電極膜に対し、電極として必要とす
る形状のレジストパタンを形成した。真空装置中でArビ
ームを照射することによりレジストに覆われていない
(SrxLa1-x2CuO4膜部分のエツチングを行つた。レジ
スト膜除去後、(SrxLa1-x2CuO4酸化物超電導薄膜2
を前記電極膜と同様の方法でサフアイア基板1全面に形
成した。ただし、膜厚は10nmと薄くした。さらに酸素雰
囲気中で100℃に加熱することにより、酸化物超電導薄
膜の表面および結晶粒界部のみが酸素過剰な状態にし
た。さらにレジストパタンの形成およびArビームによる
加工工程を経て所望の酸化物超電導薄膜パタンを得た。
つぎに、ゲート絶縁膜4として必要なリフトオフ用レ
ジストパタンを先に形成し、マイクロ波によるプラズマ
励起法を用いてSiO2膜の堆積を行つた。膜厚は30〜50nm
とした。さらに真空蒸着法によるAlゲート電極膜5の形
成およびリフトオフ法によるパタン形成により超電導ス
イツチング素子の完成を見た。
作製した超電導スイツチング素子の特性を液体ヘリウ
ム温度(4.2K)において調べた。素子の電圧−電流特性
を第3図に示した。破線はゲート電圧を印加しない場合
の特性である。ゲートに1Vの負電圧を印加した場合、素
子に流れる電流値は増加し、特性は実線で示したように
なつた。このことから本超電導スイツチング素子はゲー
ト電圧により超電導電流および常電導抵抗値を制御でき
ることがわかつた。
超電導スイツチング素子の電圧−電流特性を磁界中で
測定したが、磁界強度が100Oeまでは特性に変化を来た
さなかつた。
本超電導スイツチング素子の酸化物超電導薄膜部の面
積は長さ1μm,幅5μmである。これは光学的にパタン
形成法を用いた寸法であるが、電子ビーム露光法等の技
術を用いれば、サブミクロン寸法の素子を作製すること
も可能である。
ここでは酸化物超電導薄膜として(SrxLa1-x2CuO4
を用いた場合について例示したが、ペロブスカイト型結
晶構造のBa(Pb1xBix)O3あるいはスピネル型結晶構
造のSrTiO3を用いて作製した超電導スイツチング素子、
あるいは同じK2NiF4型結晶構造であつても(BaxLa1-x
2CuO4等構成元素の異なる酸化物を用いて作製した超電
導スイツチング素子においても同様の特性および性能が
得られた。
〔発明の効果〕
以上実施例において述べたごとく、本発明によれば、
超電導スイツチング素子に関して以下の効果を有する。
(1)磁場に対する感度が低いために、磁気雑音による
誤つたスイツチングの確率が皆無である。したがつて本
超電導スイツチング素子を用いて論理回路等を構成する
場合、従来の超電導トンネル接合を用いて構成した回路
と比較して信頼性が高くなる。のみならず、高帯磁率材
料による磁気遮蔽の必要性も生じない。
(2)スイツチング信号として磁束を用いないので、イ
ンダクタンスによる寸法限界が存在せず素子寸法を数ミ
クロンあるいはサブミクロンにできる。
(3)スイツチング動作の形態がノンラツチングである
から、駆動電源として従来の超電導トンネル接合のよう
に交流電流ではなく、直流電源によつて動作させること
ができ、回路実装が簡素化される。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の一実施例である超電導スイツチング素
子の断面図、第2図は本発明の動作原理を示すトンネル
障壁層部のエネルギーダイアグラム図、第3図は超電導
スイツチング素子の電圧−電流特性を示す図である。 1……基板、2……酸化物超電導薄膜、3……酸化物電
極膜、4……ゲート絶縁膜、5……ゲート電極膜。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上に形成された酸化物超電導薄膜を抵
    抗可変部分として用い、上記酸化物超電導薄膜に電界を
    印加するための電極が絶縁膜を介して上記酸化物超電導
    薄膜の膜面方向に接続され、上記酸化物超電導薄膜に対
    して十分に厚い膜厚を有する超電導電極が上記酸化物超
    電導薄膜の両側に接続されており、上記酸化物超電導薄
    膜は、多結晶体より成り、結晶粒界における酸素濃度が
    結晶粒内における酸素濃度より高いことあるいは結晶粒
    界に間隙が存在することにより、結晶粒間の伝導が電子
    あるいは正孔のトンネル効果によって生じることを特徴
    とする超電導スイッチング素子。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項において、上記基板
    は、サファイア基板であることを特徴とする超電導スイ
    ッチング素子。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項において、上記酸化
    物超電導薄膜は、Sr,Ti,Oを構成元素として含むスピネ
    ル型結晶構造、Ba,Pb,Bi,O、又はBa,Y,Cu,Oを構成元素
    として含むペロブスカイト型結晶構造、あるいはSr,La,
    Cu,Oを構成元素として含むK2NiF4型結晶構造であること
    を特徴とする超電導スイッチング素子。
JP62114605A 1987-05-13 1987-05-13 超電導スイツチング素子 Expired - Lifetime JP2641447B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP62114605A JP2641447B2 (ja) 1987-05-13 1987-05-13 超電導スイツチング素子

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP62114605A JP2641447B2 (ja) 1987-05-13 1987-05-13 超電導スイツチング素子

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS63281481A JPS63281481A (ja) 1988-11-17
JP2641447B2 true JP2641447B2 (ja) 1997-08-13

Family

ID=14642038

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP62114605A Expired - Lifetime JP2641447B2 (ja) 1987-05-13 1987-05-13 超電導スイツチング素子

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2641447B2 (ja)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2641969B2 (ja) * 1990-09-27 1997-08-20 住友電気工業株式会社 超電導素子および作製方法
JP2656853B2 (ja) * 1990-09-27 1997-09-24 住友電気工業株式会社 超電導素子および作製方法
JP2641971B2 (ja) * 1990-09-27 1997-08-20 住友電気工業株式会社 超電導素子および作製方法
JP2641978B2 (ja) * 1990-11-01 1997-08-20 住友電気工業株式会社 超電導素子および作製方法
JP2641970B2 (ja) * 1990-09-27 1997-08-20 住友電気工業株式会社 超電導素子および作製方法
JP2641973B2 (ja) * 1990-09-27 1997-08-20 住友電気工業株式会社 超電導素子およびその作製方法
JP2641974B2 (ja) * 1990-09-27 1997-08-20 住友電気工業株式会社 超電導素子および作製方法
JP2641977B2 (ja) * 1990-10-30 1997-08-20 住友電気工業株式会社 超電導素子の作製方法
JP2773503B2 (ja) * 1991-11-30 1998-07-09 住友電気工業株式会社 超電導電界効果型素子およびその作製方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS564290A (en) * 1979-06-25 1981-01-17 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Superconductive element
JPS602797B2 (ja) * 1981-12-12 1985-01-23 日本電信電話株式会社 超伝導装置

Also Published As

Publication number Publication date
JPS63281481A (ja) 1988-11-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3221403B2 (ja) 酸化物超電導体
US5162298A (en) Grain boundary junction devices using high tc superconductors
WO1997034327A1 (en) Wide josephson junction with asymmetric control lines
JP2641447B2 (ja) 超電導スイツチング素子
JPH03228384A (ja) 超電導素子
JPH07235700A (ja) 超伝導超格子結晶デバイス
EP0482198B1 (en) Superconducting tunnel junction element comprising a magnetic oxide material and its use
JP3379533B2 (ja) 超電導デバイスの製造方法
JP2730502B2 (ja) 超電導トランジスタ
JP2867956B2 (ja) 超電導トランジスタ
JP2768276B2 (ja) 酸化物超電導接合素子
JP3026482B2 (ja) 超電導素子とその製法および動作方法
JP2679610B2 (ja) 超電導素子の製造方法
JP2907094B2 (ja) 超電導トランジスタ
JPH0810769B2 (ja) 超電導素子
JP2705306B2 (ja) 超伝導素子
JPH0561787B2 (ja)
JP3570418B2 (ja) 超伝導デバイス
JPS63211688A (ja) 超電導トランジスタ
JPH0194681A (ja) 超電導カップリング装置
JPH0537030A (ja) 超伝導整流素子
JP2003264319A (ja) 高温超電導ジョセフソン接合及びそれを備えた超電導電子デバイス
JPH1056213A (ja) 超電導デバイス
JPH06140680A (ja) 電界効果型超電導素子
JPH02273975A (ja) 超電導スイッチング素子