JPH01137682A - 超電導スイッチング素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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４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ｆｉ（１）−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ゃ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の超電導体よりも臨界磁
場の高い超電導体で挟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８０
人の酸化ジルコニウム薄膜、約２ｐｍのＬａ１．５ｓＢ
ａａ、＋ｓＣｕ＋酸化物薄膜、約８０人の酸化ジルコニ
ウム薄膜、約２μｍのＹ、Ｂａ２Ｃｕ３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Ｙ、Ｂａ２Ｃｕ３＃Ｉ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Ｌａ＋、５
ｓＢａｏ、＋ｓＣｕ＋酸化物薄膜、５は酸化ジルコニウ
ム薄膜、６は第２の超電導体であるＹ、Ｂａ２Ｃｕ８酸
化物薄膜である。すなわち第１の超電導体を、薄い層間
絶縁膜を介して、それより臨界磁場の大きい第２の超電
導体で挾む構造となっている。

各超電導体には電極？、８．９が形成されており、それ
ぞれの超電導体に適当なバイアス電圧を加えることがで
きる。

Ｙ、Ｂａ２Ｃｕｓ酸化物は、約９０にで超電導体となり
、その臨界磁場は８０テスラ（Ｔ）以上の第２種超電導
体である。第２種超電導体とは、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。

Ｌａ＋、５ｓＢａｏ、＋ｓＣｕ＋酸化物は、約３０にで
超電導体となり、その臨界磁場は５０テスラＭ程度の第
２種超電導体である。したがって、このような構造の素
子を３０に以下に冷却すれば、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っている。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ｔ−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１
ａ１．５ｓＢａｏ、　＋ｓＣｕ＋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Ｙ　ＨＢ　ａ　２　Ｃｕ　ａ
酸化物からＹａ＋、　ｍ５Ｂａｏ、　＋５ＣＬＩ＋酸化
物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。

Ｌｎ＋　Ｂａ２　Ｃｕａ酸化物（ただしＬｎは、Ｎｄ、
　　Ｓｍ、　　Ｅｕ、　　Ｇｄ、　　Ｔｂ、　　Ｄｙ、
　　Ｈｏ。

Ｅｒ、７ｍ、Ｙｂ、Ｌｕの少なくとも一つ）超電導体は
すべて臨界温度９０に、臨界磁場８０テスラ以上の第２
種超電導体となる。またＬａ＋、５ｓ−Ａｅｏ−ｌｓ　
　Ｃｕ、酸化物（ただしＡＳ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３０に程度、臨界磁場がＬｎ＋ＢａｚＣｕｔ酸化
物超電導体よりも低い超電導体である。したがって実施
例の構成において、第１の超電導体にＬ　ｎ　１Ｂ　ａ
　２　Ｃ１）３酸化物超電導体を、第２の超電導体にＬ
ａ１．ｓｓ　　Ａｅｏ、ｌｓ　　Ｃｕ＋酸化物超電導体
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。

Ｌｎ、Ｂａ２Ｃｕ３酸化物において、ＢａをＳｒに置換
していっても、はぼ類催の特性を有する超電導体が得ら
れる。したがって第２の超１ｉ導体として、Ｂａｔ−３
ｒに置換したものを用いても同様の効果の得られること
は明らかである。

磁場の加え方として、本実施例の構造の素子の近傍に導
線を設け、これに電流を流すことによって発生される磁
場を用いることができる。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。

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、価電子帯、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の導電帯の底よりも
上になるように、また超電導体４の価電子帯が、超電導
体６の導電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１ｉ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１ｉ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。この例かられ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。

発明の効果 以上述べたごと（、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の超電導体よりも臨界磁場の高い超電導体
で挟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組合せは、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。

また本実施例では、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。

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膜ジルコニウムを
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良く、こ
れに限られないことは明らかである。

以上述べたごとく、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の超電導体よりも臨界磁場の高
い超電導体で挟んだ構造からなり、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特性の一例を示すグラフ、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Ｔ−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・・・
・・・Ｙ１Ｂａ２　Ｃｕａ酸化酸化物ｍ型超電導体・・
・・・・層間絶縁膜、４−−Ｌａ１．５ｓＢａｏ、＋ｓ
Ｃｕ＋酸化物薄膜超電導体、５・・・・・・層間絶縁膜
、６・・・・・・Ｙ、Ｂａ２　Ｃｕａ酸化物薄膜超電導
体、７，８゜９・・・・・・電極。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の超電導体を、薄い層間絶縁膜を介して、第
   １の超電導体よりも臨界磁場の高い超電導体で挟んだ構
   造から成る磁場による超電導スイッチング素子。
2. （２）第１の超電導体として、Ｌａ−Ａｅ（ただしＡｅ
   は、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａの少なくとも一つ）−Ｃｕ酸化物
   を、第２の超電導体として、Ｌｎ（ただしＬｎは、Ｙ、
   Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔ
   ｍ、Ｙｂ、Ｌｕの少なくとも一つ）−Ａｅ（ただしＡｅ
   は、Ｂａ、Ｓｒ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. （３）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。