JP3326913B2 - 薄膜素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スイッチ、メモリー、
ミキサー、センサーなどの素子として電子回路に用いら
れる薄膜素子、その中でも特に超伝導弱結合を用いた薄
膜素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超伝導弱結合を用いた薄膜素子は、高速
かつ低消費電力で動作する素子として注目と期待を集め
ている。かつてはその動作が極低温であったのでその応
用範囲はかなり制限されていた。しかし、近年の酸化物
高温超伝導体の発見によって液体窒素温度（７７Ｋ）で
の動作が可能となり、冷凍技術が軽減され、その応用範
囲が広がろうとしている。

【０００３】超伝導弱結合を用いた薄膜素子は２端子で
あるジョセフソン素子が主流であり、その電気的な等価
回路は、ジョセフソン接合、抵抗成分、そして容量成分
の並列回路によって記述できる。この等価回路にもとづ
く模型であるＲＳＪ（Ｒｅｓ−ｉｓｔｉｖｅｌｙ Ｓｈ
ｕｎｔｅｄ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）模型を用いて解析を行
えば、ジョセフソン素子のＩ／Ｖ特性はほぼ定量的に理
解できることが知られている。ＲＳＪ模型によれば、容
量成分が大きくてそれが支配的である場合にはヒステリ
シスをもつＩ／Ｖ特性が得られ、また、抵抗成分が小さ
くてそれが支配的である場合にはヒステリシスをもたな
いＩ／Ｖ特性が得られる。前者の特性は、薄い絶縁体を
２つの超伝導体ではさんだ構造、すなわちＳＩＳ構造か
らなるジョセフソン素子によって一般に得られる。それ
ゆえ、その特性を以下ではＳＩＳジョセフソン特性と呼
ぶことにする。一方、後者の特性は、常伝導体を２つの
超伝導体ではさんだ構造、すなわちＳＮＳ構造からなる
ジョセフソン素子によって一般に得られる。それゆえ、
その特性を以下ではＳＮＳジョセフソン特性と呼ぶこと
にする。容量成分と抵抗成分のどちらが支配的とも言え
ない場合には、ＳＩＳジョセフソン特性とＳＮＳジョセ
フソン特性の中間的な特性、すなわちヒステリシスは存
在するもののそれが小さい特性が得られる。

【０００４】ジョセフソン素子の抵抗成分と容量成分
は、素子構造、素子材料、そして製造条件によって決定
される。それゆえ、従来のジョセフソン素子、すなわち
従来の超伝導体を用いた薄膜素子のＩ／Ｖ特性は、その
構造、材料、および製造条件によって一義的に決定され
てしまう。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、超伝導弱結合
を用いた従来の薄膜素子には、そのＩ／Ｖ特性を目的に
応じて所望の特性に合わせ込むことができないという欠
点があった。この欠点をもう少し具体的に説明すると次
のとおりである。たとえば、薄膜素子をメモリーに応用
する場合にはヒステリシスをもつＳＩＳジョセフソン特
性が必要であり、また、薄膜素子を電磁波検出器に応用
する場合には容量成分の寄与が小さいＳＮＳジョセフソ
ン特性が望ましい、というように目的によって異なるＩ
／Ｖ特性が求められる。このように多様な要求特性に対
して、超伝導弱結合を用いた従来の薄膜素子では一種類
の薄膜素子で複数の目的分野に応用することは困難であ
った。したがって、超伝導弱結合を用いた従来の薄膜素
子については、使用目的に応じて個々に、素子構造、素
子材料、そして製造条件について検討および技術確立を
しなければならないという煩わしさがあった。また、薄
膜素子を電磁波検出器に応用する場合には複数の薄膜素
子を直列接続して用いると検出器の出力電圧を高くする
ことができて感度が向上することが知られているが、そ
の場合には複数個の薄膜素子のそれぞれのＩ／Ｖ特性を
揃えることが必要になる。したがってこの場合には各薄
膜素子のＩ／Ｖ特性のバラツキを補正することが望まし
いが、超伝導弱結合を用いた従来の薄膜素子ではこの補
正を行うことは不可能であった。

【０００６】Ｉ／Ｖ特性の合わせ込みができないこと
は、特に酸化物高温超伝導体を用いた薄膜素子において
はさらに著しい欠点となる。その理由の１つは、酸化物
高温超伝導体は金属超伝導体に比べて加工精度が悪く寸
法形状の管理が難しいために電磁波検出器への応用のよ
うに複数個の薄膜素子を形成して用いる場合に各薄膜素
子の特性バラツキを小さくすることが難しいことであ
る。もう１つの理由は、酸化物高温超伝導体を用いる場
合には薄い絶縁層（Ｉ層）をつくることが難しいために
容量成分が支配的なジョセフソン素子は抵抗成分が支配
的なジョセフソン素子に比べて製造歩留りが低いことで
あり、そのためにＳＩＳジョセフソン特性が要求される
利用分野への酸化物高温超伝導体を用いた薄膜素子の応
用は大きな制限を受けることになる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の欠点を取
り除いてＩ／Ｖ特性を所望の特性に合わせ込むことが可
能な超伝導薄膜素子を提供するものであって、超伝導弱
結合を具備する薄膜素子において、超伝導弱結合と、該
超伝導弱結合と並列に接続されるインピーダンスとを備
え、前記インピーダンスは、少なくとも１つの固定イン
ピーダンスをもつインピーダンス素子と、少なくとも１
つの可変インピーダンスをもつインピーダンス素子とを
直列接続構造に構成してなることを特徴とする。また、
超伝導弱結合を具備する薄膜素子において、超伝導弱結
合と、該超伝導弱結合と並列に接続されるインピーダン
スとを備え、前記インピーダンスは、複数のインピーダ
ンス素子の直列接続構造を複数個並列接続した構造から
構成されることを特徴とする。好ましくは、上記直列接
続構造を構成する複数のインピーダンス素子は、少なく
とも１つの固定インピーダンスをもつインピーダンス素
子と、少なくとも１つの可変インピーダンスをもつイン
ピーダンス素子とを備え、該可変インピーダンスをもつ
インピーダンス素子のインピーダンス制御は各直列接続
構造ごとにそれぞれ独立に行うことが可能であることを
特徴とする。好ましくは、上記固定インピーダンスをも
つインピーダンス素子は容量であり、可変インピーダン
スをもつインピーダンス素子は抵抗である。好ましく
は、上記超伝導弱結合の特性は超伝導近接効果である。
更に好ましくは、上記超伝導弱結合は、第１超伝導体、
常伝導体、第２超伝導体をこの順番に連結した構造であ
る。好ましくは、上記可変インピーダンスをもつインピ
ーダンス素子は半導体素子である。好ましくは、上記超
伝導弱結合を構成する超伝導体は酸化物超伝導体であ
る。

【０００８】

【実施例】以下、本発明を実施例にもとづいて詳細に説
明する。

【０００９】（実施例１）図１は、本発明の実施例１に
おける薄膜素子の平面構造図である。本薄膜素子は、基
板１１上に、ジョセフソン素子１２とトランジスタ１３
を形成することによって構成される。

【００１０】ジョセフソン素子１２は、第１超伝導体、
絶縁体、第２超伝導体をこの順番に連結した構造からな
るＳＩＳジョセフソン素子である。第１および第２超伝
導体はＹＢＣＯ酸化物超伝導体であり、その臨界温度は
９０Ｋである。ジョセフソン素子１２は単体ではトンネ
ル型のジョセフソン特性を示す。これは、容量成分は大
きく、そのノーマル抵抗は高いことによる。トランジス
タ１３はＳｉを用いたＭＯＳ電界効果型トランジスタで
あり、周辺に記載されている記号Ｓ，Ｄ，およびＧはそ
れぞれソース、ドレイン、およびゲートの各電極であ
る。ゲート電極Ｇには制御信号が入力されていてソース
・ドレイン間の抵抗成分を制御する。トランジスタ１３
はノーマリーオフ型であり、そのソース・ドレイン間抵
抗はゲート電圧がゼロであるときにはジョセフソン素子
１２のノーマル抵抗に比べて非常に大きく、またゲート
電圧が印加されるに従って小さくなる。図１が示してい
るように、ジョセフソン素子１２とトランジスタ１３の
ソース・ドレイン間の抵抗成分は並列回路を構成する。

【００１１】図１に示す薄膜素子を用いてＳＩＳジョセ
フソン素子とＭＯＳ電界効果型トランジスタからなる並
列回路の両端子間のＩ／Ｖ特性を測定してＭＯＳ電界効
果型トランジスタのゲート電圧との関係を評価した。測
定は温度６０Ｋのヘリウムガス雰囲気中で行った。

【００１２】図２は、薄膜素子のＩ／Ｖ特性のゲート電
圧依存性を示す図である。図２は、ゲート電圧を大きく
するに従って、薄膜素子のＩ／Ｖ特性がＳＩＳジョセフ
ソン特性からＳＮＳジョセフソン特性に連続的に変化し
ていくことを示している。この理由はＭＯＳ電界効果型
トランジスタのソース・ドレイン間抵抗がゲート電圧が
大きくなるのに従って小さくなることにある。すなわ
ち、ゲート電圧が大きくなると薄膜素子の等価回路がト
ンネル型ジョセフソン接合と抵抗の並列回路として記述
できることによる。以上の結果はＲＳＪ模型にもとづく
数値計算によって定量的にも説明できる。

【００１３】本実施例ではＭＯＳ電界効果型トランジス
タとしてノーマリーオフ型を用いたが、ノーマリーオン
型を用いても本実施例と同様にＩ／Ｖ特性制御ができる
ことは言うまでもない。

【００１４】本実施例ではインピーダンスとしてＭＯＳ
電界効果型トランシスタのソース・ドレイン間抵抗を用
いてＩ／Ｖ特性の微細制御を行ったが、もし微細制御を
必要とせずに単にＳＩＳジョセフソン素子を用いてＳＮ
Ｓジョセフソン特性を得たい場合にはＭＯＳ電界効果型
トランシスタのかわりに抵抗素子を用いてもよい。

【００１５】（実施例２）図３は、本発明の実施例２に
おける薄膜素子の平面構造図である。本薄膜素子は、基
板２１上に、ジョセフソン素子２２、トランジスタ２
３、そしてキャパシタ２４を形成することによって構成
される。

【００１６】ジョセフソン素子２２は、第１超伝導体、
常伝導体、第２超伝導体をこの順番に連結した構造から
なるＳＮＳジョセフソン素子である。第１および第２超
伝導体はＹＢＣＯ酸化物超伝導体であり、その臨界温度
は９０Ｋである。ジョセフソン素子２２は単体では近接
効果型のジョセフソン特性を示す。これは、容量成分は
小さく、またノーマル抵抗は低いことによる。トランジ
スタ２３はＳｉを用いたＭＯＳ電界効果型トランジスタ
であり、周辺に記載されている記号Ｓ，Ｄ，およびＧは
それぞれソース、ドレイン、およびゲートの各電極であ
る。ゲート電極Ｇには制御信号が入力されていてソース
・ドレイン間の抵抗成分を制御する。トランジスタ２３
はノーマリーオフ型であり、そのソース・ドレイン間抵
抗はゲート電圧がゼロであるときにはジョセフソン素子
２２のノーマル抵抗に比べて非常に大きく、またゲート
電圧が印加されるに従って小さくなる。図３が示してい
るように、ジョセフソン素子２２とキャパシタ２４はト
ランジスタ２３のソース・ドレインを通じて並列回路を
構成する。

【００１７】図３に示す薄膜素子を用いて、ＭＯＳ電界
効果型トランジスタのオン、オフ状態をゲート電圧によ
って制御し、それぞれの状態におけるＩ／Ｖ特性を測定
した。測定は温度６０Ｋのヘリウムガス雰囲気中で行っ
た。

【００１８】図４は、ゲート電圧によって制御されたト
ランジスタのオフ、オンのそれぞれの状態における薄膜
素子のＩ／Ｖ特性を示す図である。図４は、トランジス
タがオフの状態では薄膜素子のＩ／Ｖ特性はＳＮＳジョ
セフソン特性であり、またオンの状態ではＳＩＳジョセ
フソン特性であることを示している。この理由は、ゲー
ト電圧が零である場合にはソース・ドレイン間抵抗がほ
とんど無限大であってキャパシタが切り離された状態に
なっていること、一方、ゲート電圧が印加されている場
合にはソース・ドレイン間抵抗がほとんど零であってキ
ャパシタがＳＮＳジョセフソン素子に並列接続した状態
になっていることによる。すなわち、この特性制御はゲ
ート電圧によってＳＮＳジョセフソン素子に並列接続し
ている容量成分が制御されることによる。以上の説明か
らも明らかなように、この場合のトランジスタはスイッ
チとして機能している。

【００１９】ゲート電圧が上記の２つの場合の中間の電
圧である場合にはＳＩＳジョセフソン特性とＳＮＳジョ
セフソン特性の混ざり合った両者の中間的な特性を示
す。この特性は、通常のＲＳＪ模型では定量的に説明で
きないが、ＲＳＪ模型の容量成分を抵抗成分と容量成分
の直列接続で置き換えた模型を用いてその抵抗成分が可
変であるとして数値計算を行えば定量的にも説明でき
る。

【００２０】本実施例ではＭＯＳ電界効果型トランジス
タとしてノーマリーオフ型を用いたが、ノーマリーオン
型を用いても本実施例と同様にＩ／Ｖ特性制御ができる
ことは言うまでもない。

【００２１】本実施例ではキャパシタの容量成分とＭＯ
Ｓ電界効果型トランジスタのソース・ドレイン間抵抗の
直列接続構造をジョセフソン素子に並列接続してＩ／Ｖ
特性の制御を行ったが、もし制御を必要としない場合に
はＭＯＳ電界効果型トランジスタのかわりに抵抗素子を
用いてもよい。また、単にＳＮＳジョセフソン素子を用
いてＳＩＳジョセフソン特性を得たい場合にはＭＯＳ電
界効果型トランジスタを除去してキャパシタだけをジョ
セフソン素子に並列接続させてもよい。

【００２２】（実施例３）実施例２ではキャパシタとト
ランジスタから構成される構造を１つのジョセフソン素
子に対して１個だけ並列接続した。本実施例の薄膜素子
は、キャパシタとトランジスタから構成される構造を複
数個並列接続した構造を構成して、それを１つのジョセ
フソン素子に並列接続することによって得られる。図５
は、本実施例における薄膜素子の等価回路を示す図であ
る。図５の中に記載されている記号について説明する
と、ＪＪはジョセフソン接合からなる超伝導弱接合、Ｒ
は超伝導弱結合に付随する抵抗、Ｃは容量であり、ま
た、Ｓ，Ｄ，およびＧはそれぞれトランジスタのソー
ス、ドレイン、およびゲートの各電極である。本実施例
では、各トランジスタのゲート電圧を独立に制御する。
これによって、段階的に容量成分を変化させることに対
応するＩ／Ｖ特性を得る。

【００２３】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれ
ば、超伝導弱結合を具備する薄膜素子において、超伝導
弱結合にはインピーダンス素子が並列に接続されている
こと、インピーダンス素子のインピーダンスを制御する
手段を具備していること、制御されるインピーダンスの
主成分が抵抗であること、超伝導弱結合の特性は超伝導
トンネル効果が支配的であること、超伝導弱結合は、第
１超伝導体、絶縁体、第２超伝導体をこの順番に連結し
た構造であること、また、超伝導弱結合にはインピーダ
ンスが並列に接続されていて、該インピーダンスは複数
のインピーダンス素子の直列接続構造から構成されるこ
と、あるいはまた、超伝導弱結合には複数のインピーダ
ンス素子の直列接続構造から構成されるインピーダンス
が並列に接続されていて、直列接続構造を構成する複数
のインピーダンス素子のうち少なくとも１つは固定イン
ピーダンスをもち、他の少なくとも１つはインピーダン
スを制御する手段を具備していること、さらにまた、超
伝導弱結合にはインピーダンスが並列に接続されてい
て、該インピーダンスは複数のインピーダンス素子の直
列接続構造を複数個並列接続した構造から構成されるこ
と、各直列接続構造を構成する複数のインピーダンス素
子のうち少なくとも１つは固定インピーダンスをもち、
他の少なくとも１つはインピーダンスを制御する手段を
具備していること、インピーダンスを制御する手段を具
備するインピーダンス素子のインピーダンス制御は各直
列接続構造ごとにそれぞれ独立に行うことが可能である
こと、また必要に応じて、固定インピーダンスをもつイ
ンピーダンス素子の主成分は容量であること、インピー
ダンスを制御する手段を具備するインピーダンス素子の
主成分は抵抗であること、超伝導弱結合の特性は超伝導
近接効果が支配的であること、ジョセフソン接合は、第
１超伝導体、常伝導体、第２超伝導体をこの順番に連結
した構造であること、インピーダンスを制御する手段を
具備するインピーダンス素子は半導体素子であること、
超伝導弱結合を構成する超伝導体は酸化物超伝導体であ
ることによって、ジョセフソン素子のＩ／Ｖ特性をＳＩ
Ｓジョセフソン素子特性とＳＮＳジョセフソン素子特性
の望ましい特性に合わせ込むことができるから、応用目
的に応じて最適特性を自由に選べるという効果がある。

【００２４】また、本発明をたとえば超伝導素子を利用
した電磁波検出器のように特性が等しい複数の検出素子
を接続して使用することが望まれる分野に応用すれば、
製造等に起因する素子の特性バラツキを補正して均一化
することができるから、その効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における薄膜素子の平面構造
図。

【図２】薄膜素子のＩ／Ｖ特性のゲート電圧依存性を示
す図。

【図３】本発明の実施例２における薄膜素子の平面構造
図。

【図４】ゲート電圧によって制御されたトランジスタの
オン、オフのそれぞれの状態における薄膜素子のＩ／Ｖ
特性を示す図。

【図５】本発明の実施例３における薄膜素子の等価回路
を示す図。

【符号の説明】

１１ 基板 １２ ジョセフソン素子 １３ トランジスタ ２１ 基板 ２２ ジョセフソン素子 ２３ トランジスタ ２４ キャパシタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 下田 達也 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイ コーエプソン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−125885（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−315972（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−24289（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−130627（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−195731（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 39/22 - 39/24 H01L 39/00

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超伝導弱結合を具備する薄膜素子におい
   て、 超伝導弱結合と、 該超伝導弱結合と並列に接続されるインピーダンスとを
   備え、 前記インピーダンスは、少なくとも１つの固定インピー
   ダンスをもつインピーダンス素子と、少なくとも１つの
   可変インピーダンスをもつインピーダンス素子とを直列
   接続構造に構成してなることを特徴とする薄膜素子。
2. 【請求項２】 超伝導弱結合を具備する薄膜素子におい
   て、 超伝導弱結合と、 該超伝導弱結合と並列に接続されるインピーダンスとを
   備え、 前記インピーダンスは、複数のインピーダンス素子の直
   列接続構造を複数個並列接続した構造から構成されるこ
   とを特徴とする薄膜素子。
3. 【請求項３】 前記直列接続構造を構成する複数のイン
   ピーダンス素子は、少なくとも１つの固定インピーダン
   スをもつインピーダンス素子と、少なくとも１つの可変
   インピーダンスをもつインピーダンス素子とを備え、 該可変インピーダンスをもつインピーダンス素子のイン
   ピーダンス制御は各直列接続構造ごとにそれぞれ独立に
   行うことが可能であることを特徴とする請求項２記載の
   薄膜素子。
4. 【請求項４】 固定インピーダンスをもつインピーダン
   ス素子は容量であること、可変インピーダンスをもつイ
   ンピーダンス素子は抵抗であることを特徴とする請求項
   １あるいは３記載の薄膜素子。
5. 【請求項５】 超伝導弱結合の特性は超伝導近接効果で
   あることを特徴とする請求項４記載の薄膜素子。
6. 【請求項６】 超伝導弱結合は、第１超伝導体、常伝導
   体、第２超伝導体をこの順番に連結した構造であること
   を特徴とする請求項５記載の薄膜素子。
7. 【請求項７】 可変インピーダンスをもつインピーダン
   ス素子は半導体素子であることを特徴とする請求項１、
   請求項３、あるいは請求項４記載の薄膜素子。
8. 【請求項８】 超伝導弱結合を構成する超伝導体は酸化
   物超伝導体であることを特徴とする請求項１ないし７の
   いずれかに記載の薄膜素子。