JPH01140681A - 超電導スイッチング素子 - Google Patents

超電導スイッチング素子

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JPH01140681A
JPH01140681A JP62298405A JP29840587A JPH01140681A JP H01140681 A JPH01140681 A JP H01140681A JP 62298405 A JP62298405 A JP 62298405A JP 29840587 A JP29840587 A JP 29840587A JP H01140681 A JPH01140681 A JP H01140681A
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superconductor
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interlayer insulating
current
superconducting
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Kazuo Eda
江田 和生
Tetsuji Miwa
哲司 三輪
Yutaka Taguchi
豊 田口
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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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、超電導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
フソン素子の電流(■)−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、磁場を形成するだ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の超電導体よりも厚みの
厚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 以下本発明の超電導スイッチング素子の一実施例につい
て、図面を用いて説明する。
スパンタリング法を用い、チタン酸ストロンチウム基板
上に、約2μmのY 1B a 2 Cu 3酸化物薄
膜、約80人の酸化ジルコニウム薄膜、約2000人の
Y 1B a 2 Cu a酸化物薄膜、約80人の酸
化ジルコニウム薄膜、約2μmのY 1 B a 2 
Cu 3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YIBa2Cu3酸
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Y I B a 2 Cu a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 1 B a 2 Cu 3酸化物薄膜で、第2の超
電導体薄膜の膜厚は、第1の超電導薄膜の膜厚よりも厚
くなっている。すなわち第1の超電導体を、薄い層間絶
縁膜を介して、それより厚みの厚い第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7,8.9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、Ba2Cu3酸化物は、約90にで超電導体となり
、そのバルクの臨界磁場は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。
しかし超電導体の臨界磁場は、薄膜化しその厚みを極端
に薄<シていくと小さくなっていく。とくにYlB a
 2 Cu 3酸化物超電導体は、この傾向が顕著であ
り、臨界磁場は膜厚に極めて敏感である。したがって本
実施例の構造の第1の超電導体の臨界磁場は、その厚み
が第2の超電導体の厚みよりも薄くなっていることから
、同一材料でありながら、第2の超電導体よりもその臨
界磁場が低くなっている。
このような構造の素子を臨界温度以下、この場合であれ
ば、77に以下に冷却すれば、3つの超電う1体が薄い
層間絶縁膜で分離された状態となる。
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?fR体との間で、通常のジョセフソン素子と同じ
I−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。Y (B a 2 Cu 3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。そのため第2の超電導体か
ら第1の超電導体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l−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。
L n 1B a 2 Cu s酸化物(ただしLnは
、La、Y、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy。
Ho、Er、Tm、Yb、Luの少なくとも一つ)超電
導体はすべて臨界温度90に程度の第2種超電導体とな
る。またLa+、++s  A1)lo、+s  Cu
酸化物(ただし、Ae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に程度の第2
種超電導体となる。またいずれも薄膜化した場合その臨
界磁場が、膜厚が薄くなるほど小さくなる。したがって
実施例の構成において、上記酸化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。
L n r B a 2 Cu 3酸化物において、B
aをSr、Caに置換していっても、はぼ類似の特性を
有する超電導体が得られる。したがって超電導体として
、BaをSrやCa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。
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ヤ
ツブが存在し、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から超電導体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、そのまま超電導体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。
本実施例の素子の磁場制御方法として、本実施例の素子
の近傍に導線を設け、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。
発明の効果 以上述べた如く、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4与の厚い超電導体で挟
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材料は、多数考えられるが、いず
れも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A’LtC薄膜の厚みもその形
成可能な範囲で任意である。しがしあまり厚くなると、
臨界磁場がバルクの値と同しになり膜厚に依存しなくな
る。限界の厚みは10μm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よく、これ
に限られないことは明らかである。
以上述べた如く、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の超電導体よりも厚みの厚い超
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I−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・・・
・・・y、Ba2cu3M化物薄膜超電導体、3・・・
・・・層間絶縁膜、4・・・・・・YIBa2Cu3酸
化物薄膜超電導体、5・・・・・・層間絶縁膜、6・・
・・・・Y、Ba2Cu3酸化物薄膜超電導体、7.8
.9・・・・・・電極。 代理人の氏名 弁理士 中尾敏男 ほか1名−〜 ぺ             城

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の超電導体よりも厚みの厚い超電導体で挟んだ構造か
    ら成る超電導スイッチング素子。
  2. (2)超電導体として、Ln(ただし、Lnは、Y、L
    a、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er
    、Tm、Yb、Luの少なくとも一つ)−Ae(ただし
    Aeは、Ba、Sr、Ca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。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5376626A (en) * 1989-09-25 1994-12-27 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Magnetic field operated superconductor switch

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5712575A (en) * 1980-06-06 1982-01-22 Ibm Superconductive device

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