JP2651480B2

JP2651480B2 - 超電導素子

Info

Publication number: JP2651480B2
Application number: JP62069452A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1987-03-23
Filing date: 1987-03-23
Publication date: 1997-09-10
Anticipated expiration: 2012-09-10
Also published as: JPS63234574A

Description

【発明の詳細な説明】「発明の利用分野」本発明はセラミックス系超電導材料を用いた固体電子
ディバイスに関する。

本発明は一対の出力端子を有する抵抗素子に関する。
本発明はかかる素子と４端子のアクティブ素子とを連結
してインバータ機能を有せしめるとともに、入力信号を
制御用入力に印加することにより出力信号をインバータ
の出力より検出せしめんとするものである。

「従来の技術」従来、超電導材料、例えばNb−Ge系（例としてはNb₃G
e）等の金属材料を用いて固体電子ディバイスを作る試
みがなされてきた。

その代表的なものはジョセフソン素子である。このジ
ョセフソン素子は超電導現象とトンネル電流現象とを組
み合わせ、スイッチングを行わんとするもので、２端子
回路よりなっている。

「従来の問題点」しかし、かかるジョセフソン素子は２端子回路素子で
あるため、入力信号と出力信号とを独立信号として用い
ることができない。このため工業用応用を考える時、超
高周波で動作させることができるという特長を有しつつ
も、回路設計がきわめて困難である。また、これまでの
半導体集積回路で培われている抵抗および抵抗とアクテ
ィブ素子とを連結して設けたインパータ、さらにそれを
応用した論理設計技術を用いることができないという欠
点を有する。

本発明はかかる欠点を除去したものである。

「問題を解決すべき手段」本発明はかかる問題を解決するため、超電導セラミッ
ク材料を用いたもので、動作温度で抵抗体とするセラミ
ックスと、それに連結した抵抗零とするセラミックスと
を複合化したものである。さらに本発明は、同じ基板上
に４端子固体電子素子（アクティブ・ディバイス）構造
を同時に有せしめるものである。

本発明は非超電導性を有する絶縁性表面を有する基板
上にセラミックスのTcオンセット（超電導の始まる温
度、以下単にTcともいう）とTco（電気抵抗が原理的に
零になる温度）との間の温度領域を有する第１の超電導
材料（かかる材料を超電導性セラミックスという）を設
け、さらにこの第１の超電導材料の両端部を、かかる温
度領域では電気抵抗が零または零に近い特性を有する第
２の超電導材料（Tco′を有しTco′＞Tcの関係を有す
る）（かかる材料を超電導セラミックスという）により
連結した固体抵抗素子に関する。

本発明の超電導素子においては、TcオンセットとTco
との差が10K以上を有することが実用上の必要温度範囲
に余裕を有して好ましい。このためその差が1Kまたはそ
れ以下の金属の超電導材料よりも本発明にはセラミック
材料がより好ましい。

本発明は一対の出力用の超電導セラミックス間に連結
した電極の間に制御用電極を十分大きい電気抵抗、好ま
しくは第１の超電導材料の電気抵抗よりも10倍以上の電
気抵抗を有する被膜をその上面、下面または両面に設け
たものである。

本発明においては、この制御用電極と超電導被膜との
間には超電導性セラミックスの電気抵抗より十分大きい
電気抵抗を有する被膜、好ましくは絶縁膜を設け、入力
端子である制御用電極から電圧を印加させ、その下側の
超電導性セラミックスに電圧を印加する。このセラミッ
クスは完全に超電導を有する状態とまったく超電導を有
さない状態の中間状態（一部が超電導性を有し、一部が
非超電導性の状態、即ちTcオンセットとTcoとの間の温
度領域の状態）であるため、自らのポテンシャルを入力
の制御用電極に加えられた電圧に従って変化、制御させ
ることができる。

本発明に用いられる制御用電極とセラミックスとの中
間に介在する被膜の絶縁性は、もし入力信号を与える時
の電流をも機能上において無視させ得るならば、除去し
てしまっても、またその間に介在させる被膜の抵抗を10
倍以下としたものでも可である。

本発明において、この超電導性セラミックスは、制御
用電極が第１図（Ａ）または（Ｂ）に示す如く、１つの
みであった場合、その反対面にまでポテンシャルの変更
をせしめ得べく、0.01〜10μｍと比較的薄くすることが
重要である。また制御用電極をこのセラミックスの上下
に第１図（Ｃ）に示す如く２個設ける場合は、この厚さ
は0.1〜50μｍと平均して約５倍であってもよい。しか
し、一般に超電導を有するセラミックスはその厚さが薄
ければ薄くなるほどTcオンセットが低い温度となってし
まう傾向を有する。このため、これらの厚さはTcオンセ
ット（超電導を起こす臨界温度）を実用化しにくい温度
にまで下げない範囲で薄ければ薄いほど、入力電圧に対
してより敏感に出力電流を制御し得る。

第１図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は本発明の抵抗および
アクティブ・ディバイスを用い得る固体素子の縦断面図
を示す。

第１図における第１の超電導性セラミックス（４）
は、第３図における超電導セラミックスの温度−固有抵
抗特性における曲線（４）を用いる。これはTco（26）
とTcオンセット（25）との中間領域、好ましくはTc₁₀と
Tc₉₀との中間領域（15）を用いる。

第１図における第２の超電導セラミックス（３），
（５）は第３図の特性（３），（５）における特性（1
6）を用いる。この特性のTco′（28）はTcオンセットよ
りも高い温度であり、本発明の固体素子の使用温度（Tc
オンセットとTcoとの間）では抵抗は零または零に近い
値となる。

第１図（Ａ）において、非超電導性を有する絶縁表面
を有する基体（１）上の第１の超電導性セラミックス
（４）および第２の超電導セラミックス（３）および
（５）よりなるセラミックス（２）を有する。その出力
用の一対の電極（８），（９）（図面では省略）を図面
における左右の端部に設ければよい。また、制御用電極
（10）下には被膜（11）を設けている。

第１図（Ａ）は制御用電極（10）が第１の超電導性セ
ラミックス（４）の上側に設けられ、第１図（Ｂ）では
下側に設けられている。第１図（Ｃ）では被膜は超電導
性セラミックス（４）の上下両面に設けられ、さらに制
御用電極がそれぞれ（10），（10′）として設けられて
いる。

「作用」かかる構造とすることにより、入力信号と出力信号と
を独立関数として制御でき、かつこの素子をスイッチン
グ用素子、増幅機能を有する素子として用いることがで
きる。

またこの制御用電極の電圧を出力側の一方（３）また
は他方と連結して一定の電圧とすることにより、本発明
の抵抗体として用い得る。

本発明は、同一基板上に複数個の固体素子を作ること
ができ、かかる素子を設計論理に基づき連結することに
より超電導集積回路を作らんとした時、その相互配線を
抵抗零で作ることができる。

以下に図面に従って実施例を説明する。

「実施例１」この実施例は第１図（Ａ）の構造を示す。

基板としてYSZ（イットリア・スタビライズド・ジル
コン）を用いた。これはその上にスクリーン印刷法、ス
パッタ法、MBE（モレキュラ・ビーム・エピタキシャ
ル）法、CVD（気相反応）法、高速急冷法等を用いて形
成される超電導材料、例えば、（A_1-xBx）yCuOz,x＝0.0
1〜0.3,y＝1.0〜2.2,z＝２〜４を有し、ＡはＹ（イット
リューム）,Gu（ガドリニューム）,Yb（イッテルビュー
ム）,Eu（ユーロピューム）,Tb（テルビューム）,Dy
（ジスプロシューム）,Ho（ホルミウム）,Er（エルビウ
ム）,Tm（ツリウム）,Lu（ルテチウム）,Sc（スカンジ
ウム）またはその他の元素周期表III a族の１つまたは
複数種類より選ばれ、ＢはRa（ラジューム）,Ba（バリ
ューム）,Sr（ストロンチューム）,Ca（カルシュー
ム）,Mg（マグネシューム）,Be（ベリリューム）の元素
周期表II a族より選ばれた超電導材料、特に例えば（Y
_1-xBax）₂CuO_2.5〜₃x＝0.01〜0.3好ましくはｘ＝0.05〜
0.1を用いた。またＡとして元素周期表におけるランタ
ニド元素またはアクチニド元素を用い得る。

この形成と同時またはその後に、600〜1200℃の温度
で熱アニールを５〜10時間処理して作製した。さらにこ
れらの上面に絶縁膜（11′）を形成した。これはセラミ
ックス（４）を選択的にエッチングする時のマスクとし
て用い得る。次にこれらをフォトリソグラフィ技術によ
りパターニングし、さらに気相法により絶縁膜（11′）
を形成した。かくして、第１図（Ａ）における第２の超
電導セラミックス（３），（５）を作製した。かくして
第３図曲線（３），（５）を得た。

さらにこの後、第２の超電導セラミックスと同様の元
素を用い、x,yの値を変化させて同じ処理を行って第１
の超電導性セラミックス（４）を同様のプロセスで作製
した。この時、BaにさらにSrを加えてもよい。かくの如
き方法を用いて、Tcオンセット（25）をTco′より下げ
ることが重要である。かくして第３図曲線（４）を得
た。この第１の超電導性セラミックス（４）をもフォト
エッチングをした後、電気抵抗の十分大きい被膜（11）
を形成した。

次に制御用電極（10）を金属、例えば銅または銅とニ
ッケルとの化合物を真空蒸着法を用いて作製した。出力
用の電極はセラミック薄膜に密接し、オーム接触がなさ
れるべくした。

第１図（Ａ）において第１の超電導性セラミックス
（４）を先に設け、その後に第２の超電導セラミックス
（３），（５）を形成してもよい。

第２図はこの実施例での動作を示す。

この図面で、横軸は第１図に対応した距離を示し、縦
軸はエネルギレベル（ポテンシャル）を示す。

第２図（Ａ）において、第２の超電導セラミックス、
即ち出力の他端（５）に電圧を印加する。するとポテン
シャル（30）を得る。その結果、電子は（20），（2
0′）の双方に量子論的な波動性において存在するが、
（20）の方が十分大きいため、電流としては（22）とし
て観察される。

第２図（Ａ）においては制御用電極に何らにの電圧も
印加されていない。

第２図（Ｂ）において制御用電極に負の電圧を印加す
る。すると第１の超電導セラミックス即ち領域（４）の
ポテンシャル（21）は第２図（Ａ）の（24）より第２図
（Ｂ）の（24′）へと移る。するとその結果形成された
障壁に関連して（20′）は更に小さくなり、また（20）
は障壁のため極端に小さくなる、かくして第２の超電導
セラミックスの領域（３）より他の第２の超電導セラミ
ックスの領域（５）へと一対の出力用電極間に電圧（3
0）を印加して電流（22′）を流さんとすると、実質的
に電流は流れにくくなり、その値は押さえられる。

結果として制御用電極に負の電圧が印加されると電流
（22′）は小さくなる。

また第２図（Ｃ）は制御用電極に正の電圧（21′）を
印加した場合を示す。電子の遷移確率（20′）は大きく
なり、逆に（20）は小さくなる。しかしこの領域（４）
の井戸は電子で埋められ、（24″）のバリアは（25）に
見掛け上のポテンシャルに移った後、実質的に消失す
る。結果として第２図（Ａ）と同じまたはそれに近い電
流（22″）が流れる。

かくして入力信号のポテンシャルにより出力電流を検
出できる。この時制御電極下の被膜の抵抗が十分であ
り、入力信号を供給するためのエネルギ構造よりも出力
信号を大きく取り出し得るならば増幅をしたこととな
り、４端子素子でありかつ増幅装置とし得る。この出力
を電圧で検出せんとするならば、この出力は直列に抵抗
を第２図（Ａ）に示す如くにして加えれば、その電流よ
り電圧として検出できる。即ちインバータを作り得る。

以上に示す後く、本発明はかかるアクティブ・ディバ
イスの制御電極を一定の電圧とし、または制御電極を除
去し抵抗体として第１の超セラミックスを用いたもので
ある。加えて、その両端には第２の超電導セラミックス
を設けることにより、集積回路における相互配線を抵抗
零の材料として用い得る。

第３図は既に第１図に関連して説明したが、本発明を
実施するために作られた第１の超電導性セラミックス
（４）および第２の超電導セラミックス（３），（５）
の実際のデータを示す。

図面において、横軸は絶対温度（Ｋ）を、また縦軸は
固有抵抗を示す。このデータでは4.2Kまで測定してい
る。また比抵抗がTcオンセット以上の温度での傾向よ
り、この材料は金属的特性を有している。しかし、この
図面において明らかな如く、第１の超電導性セラミック
ス（４）では超電導がおきる温度TcまたはTcオンセット
より低い温度では比抵抗が漸減し、抵抗が零となる温度
Tco以下では抵抗が零になる。このTcオンセットおよびT
coとの間の10％および90％をここではTc₁₀,Tc₉₀と一定
している。本発明の超電導素子は、TcオンセットとTco
との間であればよいが、動作をより安定化するため、Tc
₁₀,Tc₉₀を用いることが好ましい。

さらに第２の超電導セラミックス（３），（５）も同
様にTc′オンセット（２″）,Tco′（28）を構成してい
る。この時Tco′≧TcオンセットまたはTco′≧Tc₉₀であ
ることが重要である。

第３図においてTcオンセット、Tco,Tc′ｏは材料を制
御することにより可変され得る。

このデータは高温側より低温側にまた低温側より高温
側に温度を代えてとっても、再現性を有していた。実施
例１の実験は約Tc₅₀（50％）の温度で実験したものであ
る。

「効果」本発明はこれまで２端子素子であった超電導素子を４
端子素子としたことにある。そしてこの制御用電極下に
この電極によりポテンシャルの変化するTcオンセットと
Tcoとの中間の状態を広い温度範囲で有する第１の超電
導性セラミックスを設け、さらにその電極・リードを構
成させるため、かかる温度領域では抵抗が零または零に
十分近い第２の超電導セラミックスで相互配線としたも
のである。かくして、制御用電極の電圧に従って出力電
流を増幅し、かつ制御させることが可能となった。

このため、この超電導固体素子を同一基板に多数個設
け、集積化させることが可能となった。

本発明において、超電導材料としてセラミック材料を
用いた。しかし本発明の技術思想より明らかな如く、Tc
とTcoとの間の温度範囲が広い材料好ましくは10゜K以上
ある材料であれば酸化物セラミックスである必要はな
く、任意に選ぶことができることはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超電導固体素子の縦断面図を示す。第２図は本発明の超電導固体素子の動作原理を示す。第３図は本発明に用いた超電導特性を有するセラミック
スの温度特性例を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に設けられた超電導薄膜と、該超電
導薄膜に接して設けられた一対の超電導材料と、該一対
の超電導材料間において、前記超電導薄膜に電圧を印加
する電極とを有し、前記超電導薄膜のT_cは、前記一対の超電導材料のT_coよ
り低いことを特徴とする超電導素子。