JP3252999B2 - Flux quantum flow device - Google Patents

Flux quantum flow device

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JP3252999B2
JP3252999B2 JP20369495A JP20369495A JP3252999B2 JP 3252999 B2 JP3252999 B2 JP 3252999B2 JP 20369495 A JP20369495 A JP 20369495A JP 20369495 A JP20369495 A JP 20369495A JP 3252999 B2 JP3252999 B2 JP 3252999B2
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慎一 狩元
浩二 ▲つる▼
実 鈴木
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は磁束量子フロー素子
に関し、特に液体窒素温度(77K)の近傍あるいはそ
れ以上の温度で動作する高温超伝導デバイスに関するも
のである。より具体的には、超伝導体に侵入した磁束に
よって形成される磁束量子が超伝導体を流れるバイアス
電流によって駆動され、超伝導体内を走行する現象(磁
束量子フロー)を動作原理とするデバイスである磁束量
子フロー素子に関するものであり、具体的な応用例とし
ては、論理素子、マイクロ波増幅器、マイクロ波発振器
等への応用が期待される。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic flux quantum flow element, and more particularly to a high-temperature superconducting device operating at a temperature near or higher than the temperature of liquid nitrogen (77 K). More specifically, a device whose operation principle is a phenomenon (flux quantum flow) in which a flux quantum formed by a magnetic flux penetrating into a superconductor is driven by a bias current flowing through the superconductor and travels in the superconductor. The present invention relates to a certain flux quantum flow device, and specific applications are expected to be applied to logic devices, microwave amplifiers, microwave oscillators, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の磁束量子フロー素子とは、例えば
IEEE Transactionon Applie
d Superconductivity Vol.
1,No.2,p.95(1991)に記載されている
ように、基板上に堆積した一層の高温超伝導薄膜を用い
て形成された素子である。図3はこのような従来の磁束
量子フロー素子の模式的平面図である。図において、1
は磁束量子がフローするチャネル、2はバイアス電流供
給線、3は制御電流供給線、4は超伝導体の孔、5はチ
ャネルの磁束量子侵入端、6は層間絶縁層である。図3
に示すように、磁束量子Qが走行する部分(磁束量子走
行領域、以下この部分をチャネルと呼ぶ)1と、磁束量
子Qを駆動するためのバイアス電流をチャネル1に供給
するバイアス電流供給線2と、走行する磁束量子Qの密
度を制御する制御電流供給線3とで構成される。バイア
ス電流供給線2はチャネル1に接続され、制御電流供給
線3はチャネル1の磁束量子侵入端5の近傍に設けられ
る。従来では、チャネル1に磁束量子Qが侵入しやすい
ようにチャネル1内に所望の間隔で孔4を開け、さらに
チャネル1の膜厚をバイアス電流供給線2を構成する超
伝導膜より薄くしてある。
2. Description of the Related Art A conventional flux quantum flow element is, for example, an IEEE Transaction Applied.
d Superconductivity Vol.
1, No. 2, p. 95 (1991), a device formed using a single layer of a high-temperature superconducting thin film deposited on a substrate. FIG. 3 is a schematic plan view of such a conventional flux quantum flow device. In the figure, 1
Is a channel through which a flux quantum flows, 2 is a bias current supply line, 3 is a control current supply line, 4 is a hole in a superconductor, 5 is a flux quantum entry end of the channel, and 6 is an interlayer insulating layer. FIG.
As shown in (1), a portion where the flux quantum Q travels (a flux quantum travel region, hereinafter this portion is referred to as a channel) 1 and a bias current supply line 2 which supplies a bias current for driving the flux quantum Q to the channel 1 And a control current supply line 3 for controlling the density of the traveling magnetic flux quantum Q. The bias current supply line 2 is connected to the channel 1, and the control current supply line 3 is provided near the flux quantum entry end 5 of the channel 1. Conventionally, holes 4 are formed at desired intervals in the channel 1 so that the magnetic flux quantum Q easily enters the channel 1, and the thickness of the channel 1 is made thinner than the superconducting film constituting the bias current supply line 2. is there.

【0003】このような従来の磁束量子フロー素子にお
いては磁束量子の大多数は超伝導体のない部分、すなわ
ち孔4の中に存在する。そして、チャネル1の孔の手前
部分からさらに磁束量子Qが供給されると、孔4内の磁
束量子Qの数が増えて、その磁場圧力により磁束量子Q
は、孔4の周囲の超伝導体内、すなわちこの場合は、チ
ャネル内に侵入し、バイアス電流に駆動されてチャネル
1を走行する。このとき走行する磁束量子Qによって、
チャネル1の両端に誘起される電圧(フロー電圧)は、
単位時間にチャネル1の断面を通過する磁束量子Qの数
に比例する。したがって、制御電流を制御電流供給線3
に流すことでチャネル1に磁界を印加し、チャネル1に
侵入する磁束量子の密度を変えてやるとチャネル1に誘
起される電圧を変えることができる。
In such a conventional flux quantum flow element, the majority of the flux quanta exist in the portion without the superconductor, that is, in the hole 4. Then, when the magnetic flux quantum Q is further supplied from the front portion of the hole of the channel 1, the number of magnetic flux quantum Q in the hole 4 increases, and the magnetic flux Q
Penetrates into the superconductor around the hole 4, in this case, into the channel, and runs through the channel 1 driven by the bias current. At this time, the traveling magnetic flux quantum Q
The voltage (flow voltage) induced across channel 1 is
It is proportional to the number of magnetic flux quanta Q passing through the cross section of the channel 1 per unit time. Therefore, the control current is supplied to the control current supply line 3
When a magnetic field is applied to the channel 1 by changing the density of the magnetic flux quantum penetrating the channel 1, the voltage induced in the channel 1 can be changed.

【0004】以上が磁束量子フロー素子の動作原理であ
るが、従来例においては、チャネル1、バイアス電流供
給線2および制御電流供給線3をすべて一枚(単層)の
超伝導薄膜から形成するため、制御電流供給線3はチャ
ネル1およびバイアス電流供給線2から離れた位置の同
一平面上に電気的に絶縁されて形成されている。制御磁
界の強さは距離に逆比例するので制御電流が発生する磁
界のほんの一部がチャネル1に印加されるにすぎず、制
御電流供給線3とチャネル1との磁界結合度は小さく、
磁束量子Qをチャネル1に侵入させるのに多大な制御電
流が必要であった。このため従来例においては、大きな
電流利得が得られないという重大な欠点を有していた。
The operation principle of the flux quantum flow element has been described above. In the conventional example, the channel 1, the bias current supply line 2 and the control current supply line 3 are all formed of one (single-layer) superconducting thin film. Therefore, the control current supply line 3 is formed on the same plane at a position apart from the channel 1 and the bias current supply line 2 so as to be electrically insulated. Since the strength of the control magnetic field is inversely proportional to the distance, only a small part of the magnetic field generated by the control current is applied to the channel 1, the degree of magnetic field coupling between the control current supply line 3 and the channel 1 is small,
A large control current was required to cause the flux quantum Q to enter the channel 1. For this reason, the conventional example has a serious drawback that a large current gain cannot be obtained.

【0005】また従来例のようなデバイス構造では、チ
ャネル1およびバイアス電流供給線2および制御電流供
給線3はすべて同じ平面内にあるため、このデバイスの
占有面積は個々の占める面積とそれぞれを分離するため
の面積の和となる。したがって、この素子は、デバイス
占有面積が非常に大きく、高速動作および高集積化に適
さないという欠点を有していた。
In the device structure of the prior art, since the channel 1, the bias current supply line 2 and the control current supply line 3 are all on the same plane, the area occupied by the device is separated from the area occupied by each device. It is the sum of the areas to perform. Therefore, this element has a drawback that the device occupies a very large area and is not suitable for high-speed operation and high integration.

【0006】また従来例では、磁束量子が超伝導体の中
を走行するため、従来の金属系低温超伝導体のトンネル
形ジョセフソン接合のトンネルバリア内を走行する場合
に較べて少なくとも約1桁程度走行速度が遅かった。こ
のためフロー電圧も同じ数の磁束量子を走行させた場合
にやはり約1桁程度小さくなり、利得も大きくとれない
という問題点を有していた。
Further, in the conventional example, since the flux quantum travels in the superconductor, the flux quantum travels at least about one order of magnitude compared to the case where the flux quantum travels in the tunnel barrier of a tunnel-type Josephson junction of a conventional metal-based low-temperature superconductor. Running speed was slow. For this reason, the flow voltage is also reduced by about one digit when the same number of flux quanta is run, and there is a problem that the gain cannot be increased.

【0007】また、酸化物高温超伝導体の層状構造を磁
束量子フロー素子のチャネルに用いるという特許(特願
平5−277047号)はすでに出願されているが、こ
の特許では層状の超伝導体のc軸(層に垂直な軸)が基
板面と平行になるように超伝導結晶膜を配向させたもの
である。したがってチャネルを走行する磁束量子の軸は
基板とほぼ垂直になっており、本発明のように磁束量子
の軸が基板と平行になるデバイス構造とは異なってい
る。
Further, a patent (Japanese Patent Application No. 5-277047) for using a layered structure of an oxide high-temperature superconductor for a channel of a flux quantum flow element has already been filed, but in this patent, a layered superconductor is used. The superconducting crystal film is oriented so that the c-axis (axis perpendicular to the layer) is parallel to the substrate surface. Therefore, the axis of the flux quantum traveling through the channel is substantially perpendicular to the substrate, which is different from the device structure in which the axis of the flux quantum is parallel to the substrate as in the present invention.

【0008】また、BaSrCaCuO単結晶バルクに
ab面に平行に磁界を印加し、c軸方向に電流を流すと
c軸方向の結晶の両端で磁束量子フロー電圧が観測され
る現象については199年Applied Super
conductivityConference(AS
C94)で発表(Abstracts集p.32EIC
−10)されているが、この現象をデバイスに応用した
例は未だ公表されていない。
Further, when a magnetic field is applied to a bulk of BaSrCaCuO single crystal in parallel to the ab plane and a current is caused to flow in the c-axis direction, a phenomenon in which a flux quantum flow voltage is observed at both ends of the crystal in the c-axis direction has been described in 199 Applied. Super
conductivityConference (AS
C94) (Abstracts p.32 EIC)
-10), but no example of applying this phenomenon to a device has been published yet.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
例のデバイス構造における制御電流供給線が発生する磁
界と磁束量子フロー素子のチャネルとの磁気的結合度の
低さを改善し、大きな増幅作用を実現する磁束量子フロ
ー素子を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to improve the degree of magnetic coupling between the magnetic field generated by the control current supply line and the channel of the flux quantum flow element in the conventional device structure, An object of the present invention is to provide a flux quantum flow element that realizes an amplifying action.

【0010】また、本発明の目的は、層状構造超伝導体
をチャネルに用いるに際して層状構造が容易に形成され
るc軸が基板面に垂直な方向に配向した層状構造超伝導
体を磁束量子フロー素子のチャネルに用いてチャネルの
超伝導薄膜の製作を容易にするとともに薄膜の結晶性を
改善してフロー特性の改善を図ることである。
Another object of the present invention is to provide a layered superconductor in which the layered structure is easily formed when the layered superconductor is used for a channel and the c-axis of which is oriented in a direction perpendicular to the substrate surface. An object of the present invention is to facilitate the production of a superconducting thin film of a channel by using it for a channel of an element and to improve the flow characteristics by improving the crystallinity of the thin film.

【0011】さらにまた、本発明の目的は、基板面に平
行な層状構造の超伝導薄膜をチャネルに用いることによ
り、チャネルの数すなわちイントリンシック・ジョセフ
ソン接合の厚さによってフロー電圧を任意に設計制御で
きるようにすることである。
Still another object of the present invention is to use a superconducting thin film having a layered structure parallel to the substrate surface for a channel so that the flow voltage can be arbitrarily designed depending on the number of channels, that is, the thickness of the intrinsic Josephson junction. To be able to control it.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、請求項1に記載の発明によれば、磁束量子フロー素
子は、高温超伝導薄膜からなる磁束量子走行領域と、該
領域に接続されたバイアス電流供給線と、該領域の近傍
に設けられた磁束量子の密度を制御する制御電流供給線
とを有し、前記磁束量子走行領域を走行する磁束量子の
軸が磁束量子走行領域を構成する高温超伝導薄膜の下地
となる基板の基板面にほぼ平行であることを特徴とす
る。
According to the first aspect of the present invention, there is provided a magnetic flux quantum flow element comprising: a magnetic flux quantum traveling region formed of a high-temperature superconducting thin film; A bias current supply line, and a control current supply line for controlling the density of magnetic flux quanta provided in the vicinity of the region, and the axis of the magnetic flux quantum traveling in the magnetic flux quantum travel region corresponds to the magnetic flux quantum travel region. It is characterized by being substantially parallel to the substrate surface of the substrate serving as the base of the high-temperature superconducting thin film to constitute.

【0013】請求項2に記載の発明によれば、磁束量子
フロー素子は、請求項1に記載の磁束量子フロー素子に
おいて、前記磁束量子走行領域として、層状構造を有
し、超伝導性の弱い結晶層と超伝導性の強い結晶層が交
互に繰り返された構造をしている高温超伝導薄膜を用
い、該超伝導性の弱い結晶層を磁束量子が走行するよう
にしたことを特徴とする 請求項3に記載の発明によれば、磁束量子フロー素子
は、請求項1に記載の磁束量子フロー素子において、前
記磁束量子走行領域として、層状構造を有し、超伝導性
の弱い結晶層と超伝導性の強い結晶層が交互に繰り返さ
れた構造をしている高温超伝導薄膜であって、超伝導性
の強い層が超伝導性の弱い層を介してイントリンシック
・ジョセフソン接合を構成している薄膜を用い、該ジョ
セフソン接合のバリア層を磁束量子が走行するようにし
たことを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the magnetic flux quantum flow element according to the first aspect, the magnetic flux quantum traveling region has a layered structure as the magnetic flux quantum traveling region and has a weak superconductivity. A high-temperature superconducting thin film having a structure in which a crystal layer and a superconducting crystal layer are alternately repeated is used, and the flux quantum travels through the weakly superconducting crystal layer. According to the third aspect of the present invention, the magnetic flux quantum flow element according to the first aspect has a layered structure as the magnetic flux quantum running region, and a crystal layer having weak superconductivity. A high-temperature superconducting thin film with a structure in which strong superconducting crystal layers are alternately repeated, and a strong superconducting layer forms an intrinsic Josephson junction through a weak superconducting layer. Using the thin film The feature is that the flux quantum travels through the barrier layer of the Sefson junction.

【0014】請求項4に記載の発明によれば、磁束量子
フロー素子は、請求項1に記載の磁束量子フロー素子に
おいて、前記制御電流供給線が、該磁束量子走行領域の
上方に設けられていることを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in the magnetic flux quantum flow element according to the first aspect, the control current supply line is provided above the magnetic flux quantum traveling region. It is characterized by being.

【0015】請求項5に記載の発明によれば、磁束量子
フロー素子は、請求項1に記載の磁束量子フロー素子に
おいて、前記バイアス電流供給線からのバイアス電流が
前記高温超伝導薄膜で形成された磁束量子走行領域を基
板とほぼ垂直な方向に貫いて流れることを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in the magnetic flux quantum flow device according to the first aspect, the bias current from the bias current supply line is formed by the high temperature superconducting thin film. And flows through the magnetic flux quantum traveling region in a direction substantially perpendicular to the substrate.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】従来例では、デバイス構造が平面
構造のためデバイス占有面積が大きく、高集積化が困難
であったが、上述のように構成したことにより、本発明
ではチャネルの上に制御線があるのでデバイスサイズを
大幅に縮小することができ、高速動作を実現し、高集積
化に適したコンパクトなデバイスを提供できる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the prior art, since the device structure is a planar structure, the device occupation area is large and it is difficult to achieve high integration. Since there are control lines, the device size can be significantly reduced, high-speed operation can be realized, and a compact device suitable for high integration can be provided.

【0017】また、従来例では、磁束量子が超伝導体の
中を走行するため、従来の金属系低温超伝導体のトンネ
ル形ジョセフソン接合のトンネルバリヤ内を磁束量子が
走行する場合に較べて少なくとも約1桁程度、走行速度
が遅かったが、上述のように構成したことにより、本発
明においてはこれを従来の金属系のジョセフソン接合と
同じ程度まで高速化する。これによってフロー電圧が大
きくなり、電流利得も約1桁程度大きくなる。
Further, in the conventional example, since the flux quantum travels in the superconductor, the flux quantum travels in the tunnel barrier of the tunnel type Josephson junction of the conventional metal-based low-temperature superconductor compared to the case where the flux quantum travels in the tunnel barrier. Although the traveling speed was slow by at least about one digit, in the present invention, the speed is increased to about the same order as that of a conventional metallic Josephson junction. As a result, the flow voltage increases, and the current gain also increases by about one digit.

【0018】すなわち、本発明では、層状構造をもつ高
温超伝導薄膜、例えばBaSrCaCuOなどで発現す
るイントリンシック・ジョセフソン接合を磁束量子フロ
ーチャネルとして用い、磁束量子フロー素子を構成す
る。層状構造をもつ高温超伝導薄膜でc軸が基板面に垂
直に配向し、ab面が基板面に平行になるような薄膜
(このような超伝導薄膜が最も安定に成膜できて、結晶
性も優れている。)を用い、そしてイントリンシック・
ジョセフソン接合のバリヤ層すなわち超伝導性の弱い層
を磁束量子がフローするチャネルとして用いる。このよ
うにするとフローする磁束量子の軸が基板面と平行とな
る。さらにこのデバイス構造では、制御電流供給線をチ
ャネルを形成するイントリンシック・ジョセフソン接合
の上方に設ける。このようにすると制御電流が発生する
磁界のほとんどが、効率よくイントリンシック・ジョセ
フソン接合のバリヤ層すなわちチャネルに印加され、磁
界の方向は膜面(基板)と平行になる。このような構造
では制御電流供給線とチャネルとの磁界結合度はほぼ1
00%近くまで改善される。またこの構造では制御電流
供給線がチャネルの上方に設けられるため、制御電流供
給線の占有面積はゼロとなり、さらに制御電流供給線と
チャネルを分離するためのスペースも不要であるからデ
バイスサイズはさらに小さくなり、デバイスの高速動作
および高集積化に非常に有利となる。
That is, in the present invention, a high-temperature superconducting thin film having a layered structure, for example, an intrinsic Josephson junction expressed by BaSrCaCuO or the like is used as a flux quantum flow channel to constitute a flux quantum flow element. A high temperature superconducting thin film having a layered structure in which the c-axis is oriented perpendicular to the substrate surface and the ab surface is parallel to the substrate surface. Is also excellent.)
The barrier layer of the Josephson junction, that is, a layer having low superconductivity, is used as a channel through which flux quantum flows. By doing so, the axis of the flowing magnetic flux quantum becomes parallel to the substrate surface. Further, in this device structure, the control current supply line is provided above the intrinsic Josephson junction forming the channel. In this way, most of the magnetic field generated by the control current is efficiently applied to the barrier layer or channel of the intrinsic Josephson junction, and the direction of the magnetic field is parallel to the film surface (substrate). In such a structure, the degree of magnetic field coupling between the control current supply line and the channel is almost 1
It is improved to nearly 00%. Also, in this structure, the control current supply line is provided above the channel, so that the occupation area of the control current supply line is zero, and furthermore, the space for separating the control current supply line from the channel is not required, so the device size is further increased. This is very advantageous for high-speed operation and high integration of the device.

【0019】[0019]

【実施例】図1に本発明の実施例を説明するための磁束
量子フロー素子の構造を示す。(A)は斜視図、(B)
はその一部分の断面図である。図1において、1は超電
導製の弱い層(磁束量子Qが走行してその両端にフロー
電圧が誘起されるチャネル)、1′は超電導動性の強い
層、2はバイアス電流供給線、3は制御電流供給線であ
る。また、6はチャネルと制御電流供給線を電気的に絶
縁する層間絶縁層、7は超伝導薄膜を表面からある深さ
までメサ状エッチング(以下メサエッチと略称する)し
た部分、8は薄膜、9はデバイスパターン、10は基板
である。図2は図1のA−A′線における断面図であ
る。磁束量子Qは基板10の面に平行なチャネル1の中
をフローする。
FIG. 1 shows the structure of a magnetic flux quantum flow element for explaining an embodiment of the present invention. (A) is a perspective view, (B)
Is a sectional view of a part thereof. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a weak layer made of superconductivity (a channel in which a flux quantum Q runs and a flow voltage is induced at both ends), 1 'denotes a layer having strong superconductivity, 2 denotes a bias current supply line, and 3 denotes a bias current supply line. This is a control current supply line. Reference numeral 6 denotes an interlayer insulating layer that electrically insulates the channel from the control current supply line. Reference numeral 7 denotes a portion of the superconducting thin film that has been mesa-etched from the surface to a certain depth (hereinafter abbreviated as "mesa etch"). The device pattern 10 is a substrate. FIG. 2 is a sectional view taken along line AA 'of FIG. The flux quantum Q flows in a channel 1 parallel to the plane of the substrate 10.

【0020】このようなデバイス構造を作るには、まず
基板(例えばMgO)に、例えば層状構造の高温超伝導
BaSrCaCuO薄膜8を蒸着あるいはスパッタなど
でエピ成長させる。このとき薄膜8の結晶構造のc軸が
基板面に垂直に配向し、ab面が基板面に平行になるよ
うに薄膜を成長させる。層状構造性が強い高温超伝導薄
膜においては、このような結晶方位の薄膜が最も成長し
やすく、得られた膜の結晶性も優れている。このように
して、図1(B)に示すような超伝導性の強い層1′と
弱い層1とが交互に積層した薄膜8が基板上に形成され
る。次にフォトリソグラフィでパターニングしたフォト
レジストをマスクとして薄膜を基板面までエッチング加
工(イオンミリングや化学エッチング)してデバイスパ
ターン9(バイアス電流供給線2や電圧端子など)を形
成する。そして次に同様にフォトリソグラフィでパター
ンニングしたフォトレジストをマスクとして薄膜をある
深さまでエッチング加工し、溝7(メサエッチ部分)を
形成する。このようにしてメサエッチによって層状の超
伝導薄膜の一部を表面からある深さまで他の薄膜部分か
ら切り出す。この部分がいわゆるイントリンシック・ジ
ョセフソン接合となる。すなわちこの部分は、超伝導性
の強い層と弱い層とが交互に積層された構造(図1
(B))となっており、超伝導性の弱い部分がジョセフ
ソン接合のバリヤ層の役割を果たす。したがって、この
部分に薄膜表面から基板面に向かって電流(バイアス電
流)を流し、薄膜表面と基板面の間で電圧を測定する
と、ゼロ電圧で超伝導電流(ジョセフソン電流)が流れ
るいわゆるジョセフソン接合を多数個直列に接続したか
たちの電流−電圧特性が得られる。これがイントリンシ
ック・ジョセフソン接合である。直列に接続された接合
の個数はメサエッチの深さを積層構造の1ユニットの厚
さで割ると求めることができる。本発明ではこのイント
リンシック・ジョフェフソン接合のバリヤ部分をフロー
チャネル1として用いる。特にBaSrCaCuO薄膜
の場合はこのバリヤ層は絶縁性であり、磁束量子はこの
バリヤの中を従来の金属系超伝導体のトンネル形ジョセ
フソン接合のバリヤの中と同程度に高速で走行する。イ
ントリンシック・ジョセフソン接合はメサエッチ部分7
の下でバイアス電流供給線2と接続している。また制御
電流供給線3は層間絶縁層6を介してチャネル1すなわ
ちイントリンシック・ジョセフソン接合の上に設けられ
る。これを製作するにはイントリンシック・ジョセフソ
ン接合の上に絶縁層6を堆積させ、これをパターニング
し、さらにその上に制御電流供給線3となる超伝導薄膜
を堆積させてパターニングして作る。この制御電流供給
線3は必ずしも超伝導体である必要はなく、常伝導体の
金属でもよい。
In order to form such a device structure, first, a high-temperature superconducting BaSrCaCuO thin film 8 having a layer structure, for example, is epitaxially grown on a substrate (eg, MgO) by vapor deposition or sputtering. At this time, the thin film is grown so that the c-axis of the crystal structure of the thin film 8 is oriented perpendicular to the substrate surface and the ab plane is parallel to the substrate surface. In a high-temperature superconducting thin film having a strong layered structure, a thin film having such a crystal orientation is most likely to grow, and the obtained film has excellent crystallinity. In this manner, a thin film 8 in which the layers 1 'having strong superconductivity and the layers 1 having weak superconductivity are alternately laminated as shown in FIG. 1B is formed on the substrate. Next, using the photoresist patterned by photolithography as a mask, the thin film is etched (ion milling or chemical etching) to the substrate surface to form a device pattern 9 (bias current supply line 2, voltage terminal, etc.). Then, similarly, the thin film is etched to a certain depth using a photoresist patterned by photolithography as a mask to form a groove 7 (mesa-etched portion). In this way, a part of the layered superconducting thin film is cut out from the other thin film part to a certain depth from the surface by the mesa etch. This portion becomes a so-called intrinsic Josephson junction. In other words, this part has a structure in which layers with strong superconductivity and layers with weak superconductivity are alternately laminated (FIG. 1).
(B)), where the weakly superconductive portion plays the role of the barrier layer of the Josephson junction. Therefore, when a current (bias current) flows from this thin film surface toward the substrate surface and a voltage is measured between the thin film surface and the substrate surface, a superconducting current (Josephson current) flows at zero voltage. A current-voltage characteristic in the form of a large number of junctions connected in series is obtained. This is an intrinsic Josephson junction. The number of junctions connected in series can be obtained by dividing the depth of the mesa etch by the thickness of one unit of the laminated structure. In the present invention, the barrier portion of the intrinsic Josephson junction is used as the flow channel 1. In particular, in the case of a BaSrCaCuO thin film, this barrier layer is insulative, and the flux quantum travels through this barrier at a speed as high as that of a conventional metal-based superconductor tunnel-type Josephson junction barrier. Intrinsic Josephson junction is Mesa etch 7
Is connected to the bias current supply line 2 below. The control current supply line 3 is provided on the channel 1, that is, on the intrinsic Josephson junction via the interlayer insulating layer 6. To manufacture this, an insulating layer 6 is deposited on the intrinsic Josephson junction, patterned, and a superconducting thin film serving as the control current supply line 3 is deposited and patterned thereon. The control current supply line 3 does not necessarily need to be a superconductor, but may be a normal conductor metal.

【0021】このバイアス構造においては図2の断面図
に示すように、制御電流供給線3はチャネル1の上方に
あるため、制御電流によって制御線3の周りに発生され
る磁界は基板面に平行となり、イントリンシック・ジョ
セフソン接合のバリヤ層すなわちチャネル1には横方向
から印加される。この磁界の一部が磁束量子となってチ
ャネル1の中に侵入していく。この場合、制御電流によ
って発生される磁界のほとんどが、効率よくイントリン
シック・ジョセフソン接合のバリヤ層すなわちチャネル
1に印加される。このような構造では制御電流供給線3
とチャネル1との磁界結合度はほぼ100%近くまで改
善される。またこの構造では制御電流供給線3がチャネ
ル1の上方に設けられるため、制御電流供給線3を設け
るために必要となる追加のスペースとしての占有面積は
ゼロとなり、さらに制御電流供給線3とチャネル1を分
離するための平面上のスペースも不要であるからデバイ
スサイズは小さくなる。これはデバイスの高速動作、高
集積化を可能にするものである。
In this bias structure, as shown in the sectional view of FIG. 2, since the control current supply line 3 is above the channel 1, the magnetic field generated around the control line 3 by the control current is parallel to the substrate surface. Thus, the barrier layer of the intrinsic Josephson junction, that is, the channel 1 is applied from the lateral direction. Part of this magnetic field becomes flux quanta and penetrates into the channel 1. In this case, most of the magnetic field generated by the control current is efficiently applied to the barrier layer or channel 1 of the intrinsic Josephson junction. In such a structure, the control current supply line 3
The degree of magnetic field coupling between the channel and channel 1 is improved to almost 100%. Further, in this structure, since the control current supply line 3 is provided above the channel 1, the occupation area as an additional space required for providing the control current supply line 3 becomes zero, and the control current supply line 3 and the channel Since a space on a plane for separating 1 is not required, the device size is reduced. This enables high-speed operation and high integration of the device.

【0022】本実施例の素子構造においては磁束量子Q
はイントリンシック・ジョセフソン接合のバリヤ部分す
なわちフローチャネル1をフローする。イントリンシッ
ク・ジョセフソン接合のバリヤ層は多数あり、その数は
メサエッチ7の深さで決まる。そのためこの素子構造で
は、多数の磁束量子フローチャネルを持った磁束量子フ
ロー素子(マルチチャネルフロー素子)を簡単にしかも
再現性よく製作することができる。マルチチャネルフロ
ー素子では、各チャネルで磁束量子のフローが生じるた
めチャネルの数Nに比例してフロー電圧が増加する。こ
のため利得を大幅に向上させることができる。
In the device structure of this embodiment, the flux quantum Q
Flows through the barrier portion or flow channel 1 of the intrinsic Josephson junction. There are many barrier layers for intrinsic Josephson junctions, the number being determined by the depth of the mesa etch 7. Therefore, with this element structure, a flux quantum flow element (multi-channel flow element) having a large number of flux quantum flow channels can be manufactured easily and with good reproducibility. In the multi-channel flow element, since the flow of the magnetic flux quantum occurs in each channel, the flow voltage increases in proportion to the number N of the channels. Therefore, the gain can be greatly improved.

【0023】このように本実施例では磁束量子フロー素
子のフロー電圧をメサエッチ7の深さというパラメータ
を使ってマルチチャネルフロー素子のチャネル本数を決
めることで所望の値に設計することができる。
As described above, in this embodiment, the flow voltage of the flux quantum flow element can be designed to a desired value by determining the number of channels of the multi-channel flow element using the parameter of the depth of the mesa etch 7.

【0024】また、図1,図2では説明の都合上、縮尺
・形状は任意に設定してあり、本発明は図示の例に限定
されないことは勿論である。
In FIGS. 1 and 2, the scale and shape are arbitrarily set for convenience of explanation, and the present invention is not limited to the illustrated example.

【0025】また、本実施例では高温超伝導薄膜が層状
構造をなし、イントリンシック・ジョフソン接合が形成
されている場合について説明したが、イントリンシック
接合が形成されていることが本発明の本質ではなく、イ
ントリンシック接合が形成されていなくとも層状構造の
中に基板に平行な面内で、ある程度以下に超伝導性が弱
く、磁束量子が走行できる層が存在していればよい。こ
のような場合も本発明の範囲内に入るものである。
In this embodiment, the case where the high-temperature superconducting thin film has a layered structure and an intrinsic Joffson junction is formed has been described. However, the essential point of the present invention is that the intrinsic junction is formed. In addition, even if an intrinsic junction is not formed, it is sufficient that a layer having a weak superconductivity and a magnetic flux quantum can travel to a certain extent or less in a plane parallel to the substrate in the layered structure. Such a case also falls within the scope of the present invention.

【0026】[0026]

【発明の効果】請求項1に記載の発明によれば、磁束量
子フロー素子において、高温超伝導薄膜からなる磁束量
子走行領域と、該領域に接続されたバイアス電流供給線
と、該領域の近傍に設けられた磁束量子密度制御線とを
有し、前記磁束量子走行領域を走行する磁束量子の軸が
磁束量子走行領域を構成する高温超伝導薄膜の下地とな
る基板の基板面にほぼ平行である構成にしたことによ
り、磁束量子フロー素子のチャネルでの磁束量子フロー
速度を高速化することができ、これによって大きな電流
利得を得ることができる。
According to the first aspect of the present invention, in the magnetic flux quantum flow element, a magnetic flux quantum traveling region formed of a high temperature superconducting thin film, a bias current supply line connected to the region, and a vicinity of the region. A flux quantum density control line provided in the magnetic flux quantum travel region, the axis of the flux quantum traveling in the flux quantum travel region is substantially parallel to the substrate surface of the substrate which is the base of the high-temperature superconducting thin film constituting the flux quantum travel region. With this configuration, the flux quantum flow speed in the channel of the flux quantum flow element can be increased, and a large current gain can be obtained.

【0027】請求項2に記載の発明によれば、前記磁束
量子フロー素子において、前記磁束量子走行領域とし
て、層状構造を有し、超伝導性の弱い結晶層と超伝導性
の強い結晶層が交互に繰り返された構造をしている高温
超伝導薄膜を用い、超伝導性の弱い結晶層を磁束量子が
走行する構成にしたことにより、一層効率よく上述の効
果を達成することができるとともに、設計上の自由度が
増す。
According to the second aspect of the present invention, in the magnetic flux quantum flow element, the magnetic flux quantum traveling region has a layered structure, and includes a crystal layer having weak superconductivity and a crystal layer having strong superconductivity. By using a high-temperature superconducting thin film having a structure that is alternately repeated, and having a configuration in which the flux quantum travels through a crystal layer having weak superconductivity, the above-described effect can be achieved more efficiently, The degree of freedom in design increases.

【0028】請求項3に記載の発明によれば、前記磁束
量子フロー素子において、前記磁束量子走行領域とし
て、層状構造を有し、超伝導性の弱い結晶層と超伝導性
の強い結晶層が交互に繰り返された構造をしている高温
超伝導薄膜であって、超伝導性の強い層が超伝導性の弱
い層を介してイントリンシック・ジョセフソン接合を構
成している薄膜を用い、該ジョセフソン接合のバリア層
を磁束量子が走行する構成にしたことにより一層効率よ
く上述の効果を達成することができるとともに、高速
化、高利得化が達成される。
According to the third aspect of the present invention, in the magnetic flux quantum flow element, the magnetic flux quantum traveling region has a layered structure, and includes a crystal layer having a weak superconductivity and a crystal layer having a strong superconductivity. A high-temperature superconducting thin film having a structure repeated alternately, wherein a strong superconducting layer forms an intrinsic Josephson junction through a weak superconducting layer, With the configuration in which the flux quantum travels through the barrier layer of the Josephson junction, the above-described effects can be achieved more efficiently, and a higher speed and a higher gain can be achieved.

【0029】請求項4に記載の発明によれば、前記磁束
量子フロー素子において、前記磁束量子密度制御線が、
該磁束量子走行領域の上方に設けられている構成にした
ことにより、制御電流供給線がチャネルの上に設けられ
るため、磁気結合度の改善による電流利得の増加が実現
でき、また制御線の占める占有面積がゼロとなるため、
デバイスが小型化され、高速動作、高集積化が達成でき
る。。
According to the invention described in claim 4, in the magnetic flux quantum flow element, the magnetic flux quantum density control line is
With the configuration provided above the magnetic flux quantum traveling region, the control current supply line is provided above the channel, so that the current gain can be increased by improving the degree of magnetic coupling, and the control line occupies the control line. Because the occupation area becomes zero,
The device can be miniaturized, and high-speed operation and high integration can be achieved. .

【0030】請求項5に記載の発明によれば、前記磁束
量子フロー素子において、前記バイアス電流供給線から
のバイアス電流が前記高温超伝導薄膜で形成された磁束
量子走行領域を基板とほぼ垂直な方向に貫いて流れる構
成にしたことにより、一層効率よく上述の効果を達成す
ることができるとともに、安定性がよい。
According to the fifth aspect of the present invention, in the magnetic flux quantum flow element, the bias current from the bias current supply line causes the magnetic flux quantum traveling region formed of the high-temperature superconducting thin film to be substantially perpendicular to the substrate. With the configuration in which the fluid flows in the direction, the above-described effect can be more efficiently achieved, and the stability is good.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の磁束量子フロー素子の一実施例を説明
する図であって、(A)は斜視図、(B)は一部分の断
面図である。
FIGS. 1A and 1B are diagrams illustrating an embodiment of a magnetic flux quantum flow element according to the present invention, wherein FIG. 1A is a perspective view and FIG.

【図2】図1(A)のA−A′線における断面図であ
る。
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.

【図3】磁束量子フロー素子の従来例を説明するための
模式的平面図である。
FIG. 3 is a schematic plan view for explaining a conventional example of a flux quantum flow element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 超伝導性の弱い層(磁束量子がフローするチャネ
ル) 1′ 超伝導性の強い層 2 バイアス電流供給線 3 制御電流供給線 4 超伝導体の孔 5 チャネルの磁束量子侵入端 6 層間絶縁層 7 超伝導薄膜を表面からメサエッチした溝 8 高温超伝導体の薄膜 9 デバイスパターン 10 超伝導薄膜をエピ成長させるための基板 Q 磁束量子
REFERENCE SIGNS LIST 1 weak superconducting layer (channel through which flux quantum flows) 1 ′ strong superconducting layer 2 bias current supply line 3 control current supply line 4 superconductor hole 5 channel flux quantum intrusion end 6 interlayer insulating layer 7 Mesa-etched groove of superconducting thin film from surface 8 Thin film of high-temperature superconductor 9 Device pattern 10 Substrate for epitaxial growth of superconducting thin film Q Flux quantum

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 実 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平7−131080(JP,A) 特開 昭64−21974(JP,A) 特開 平8−250776(JP,A) 特開 平7−58366(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 39/22 - 39/24 H01L 39/00 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Minoru Suzuki 1-6-1 Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Nippon Telegraph and Telephone Corporation (56) References JP-A-7-131080 (JP, A) JP-A Sho 64-21974 (JP, A) JP-A-8-250776 (JP, A) JP-A-7-58366 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 39/22 -39/24 H01L 39/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 高温超伝導薄膜からなる磁束量子走行領
域と、該領域に接続されたバイアス電流供給線と、該領
域の近傍に設けられた磁束量子の密度を制御する制御電
流供給線とを有し、前記磁束量子走行領域を走行する磁
束量子の軸が磁束量子走行領域を構成する高温超伝導薄
膜の下地となる基板の基板面にほぼ平行であることを特
徴とする磁束量子フロー素子。
1. A magnetic flux quantum traveling region comprising a high-temperature superconducting thin film, a bias current supply line connected to the region, and a control current supply line provided near the region for controlling the density of magnetic flux quanta. A flux quantum flow element, wherein the axis of the flux quantum traveling in the flux quantum traveling region is substantially parallel to a substrate surface of a substrate serving as a base of the high-temperature superconducting thin film constituting the flux quantum traveling region.
【請求項2】 前記磁束量子走行領域として、層状構造
を有し、超伝導性の弱い結晶層と超伝導性の強い結晶層
が交互に繰り返された構造をしている高温超伝導薄膜を
用い、該超伝導性の弱い結晶層を磁束量子が走行するよ
うにしたことを特徴とする請求項1に記載の磁束量子フ
ロー素子。
2. A high-temperature superconducting thin film having a layered structure and having a structure in which crystal layers having weak superconductivity and crystal layers having strong superconductivity are alternately repeated is used as the flux quantum traveling region. 2. The magnetic flux quantum flow element according to claim 1, wherein the magnetic flux quantum runs through the crystal layer having a weak superconductivity.
【請求項3】 前記磁束量子走行領域として、層状構造
を有し、超伝導性の弱い結晶層と超伝導性の強い結晶層
が交互に繰り返された構造をしている高温超伝導薄膜で
あって、超伝導性の強い層が超伝導性の弱い層を介して
イントリンシック・ジョセフソン接合を構成している薄
膜を用い、該ジョセフソン接合のバリア層を磁束量子が
走行するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の
磁束量子フロー素子。
3. A high-temperature superconducting thin film having a layered structure as the magnetic flux quantum traveling region and having a structure in which crystal layers having weak superconductivity and crystal layers having strong superconductivity are alternately repeated. A thin film in which a layer of strong superconductivity forms an intrinsic Josephson junction through a layer of weak superconductivity, and the flux quantum travels through the barrier layer of the Josephson junction. The magnetic flux quantum flow device according to claim 1, wherein:
【請求項4】 前記制御電流供給線が、該磁束量子走行
領域の上方に設けられていることを特徴とする請求項1
に記載の磁束量子フロー素子。
4. The control current supply line is provided above the magnetic flux quantum traveling region.
7. A magnetic flux quantum flow device according to claim 1.
【請求項5】 前記バイアス電流供給線からのバイアス
電流が前記高温超伝導薄膜で形成された磁束量子走行領
域を基板とほぼ垂直な方向に貫いて流れることを特徴と
する請求項1に記載の磁束量子フロー素子。
5. The method according to claim 1, wherein the bias current from the bias current supply line flows through the flux quantum traveling region formed of the high-temperature superconducting thin film in a direction substantially perpendicular to the substrate. Flux quantum flow device.
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