JPH01316977A - セラミック超電導装置 - 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〉 本発明はセラミック超電導素子の磁気抵抗特性を、導体
線の磁界で制御する論理演算装置の改良に関するもので
ある。

〈従来の技術〉 超電導特性を用いた論理回路素子として、ジョセフソン
素子が知られている。このジョセフソン素子は、ニオブ
や鉛又はその合金よりなる超電導体の間に極めて薄い絶
縁膜を挾んだ接合構造である０ 〈発明が解決しようとする問題点〉 しかし上記したジョセフソン素子の接合の絶縁膜は数１
０Ａ程度の薄膜が必要であり、この絶縁膜を作製するた
めには高度の薄膜製造技術が要求され、生産が困難であ
った。またジョセフソン素子は動作速度が極めて速いこ
とが技術上の利点として挙げられるが、反面その出力レ
ベルの変化は大きくないため、実用的な使用が困難な素
子であった。

上記の点に鑑みて、先に、ジョセフソン素子よりなる論
理回路の有する問題点を除去した新規な超電導装置、即
ち製造が容易で、かつ動作特性が優れ、しかもＡＮＤ、
ＯＲ，Ｘ０Ｒ（イクスクルーシプオア）及びＮ０Ｔ（イ
ンバータ）の論理演算が可能なセラミック超電導装置を
特願昭６３−２９５２６及び、昭和６３年５月１３日付
の出願として出願人の１人であるシャープ株式会社から
提案している。

本発明は、前記の超電導装置について更に改良し、Ｉｍ
ｐｌｉｃａｔｉｏｎ　（含意）、及び、Ｅｑｕｉｖａｌ
ｅｎｃｅ（対等）の論理演算も可能にする超電導装置に
ついて提案することを目的としたものである。

く問題点を解決するための手段〉 上記の目的を達成するため、本発明のセラミック超電導
装置は、少なくとも一対の電極を備えた磁気抵抗効果を
もつセラミック超電導体と、上記のセラミック超電導素
子に近接して設けられた電流を流す少なくとも第１．第
２及び第３の導体線とを備え、上記第１の導体線に常に
一定の電流を流しておくことにより発生し、その臨界磁
界Ｈ８以上になる一定磁界を上記のセラミック超電導素
子と常に印加せしめた状態で、上記の第２及び第３の導
体線に流す電流により発生する磁界を上記のセラミック
超電導素子と作用せしめる制御線になるように構成して
いる。

即ち、本発明はセラミック系よシなる超電導素子の結晶
粒界に存在する弱結合を利用するものであって、超電導
体に平行または交差して少なくとも３本の導体線を配置
し、これらの導体線に流す電流によって発生する磁界が
上記の超電導素子に作用し、制御するように構成したも
のである。

上記の超電導素子は、好ましい実施例にあってはＹ＋Ｂ
ａ２Ｃｕ３０ｙ−Ｘ　Ｉ　ＢｉｔＳｒｔＣａ＋ＣｕｚＯ
２などのセラミック超電導体膜であり、一方向に長く形
成し、この超電導体膜に平行もしくは交差して少なくと
も３本の電流導体線を配置している。

また上記のセラミック超電導素子と電流を流す少なくと
も３本の導体線を同一基板上に設けてなるように構成し
ておシ、更に上記のセラミック超電導素子と、電流を流
す少なくとも３本の導体線を絶縁物？介して積層構成に
なしても良く、また上記のセラミック超電導素子と電流
を流す少なくとも３本の導体線とは近接して平行に配置
しても良く、あるいは交差させるように配置しても良い
。

また本発明の他の好ましい実施例にあっては一つのセラ
ミック超電導素子の両側にそれぞれ独立した電流を流す
導体線を設けるように構成しているＯ また、本発明のセラミック超電導装置を使用するにあた
っては、セラミック超電導素子に近接して設けた少なく
とも３つの導体線の、第１の導体線に常に一定の電流を
流し発生する一定強度の磁界をセラミック超電導素子に
常に作用させた状態で、第２の導体線に第１の導体線に
よって発生した磁界と逆の極性の磁界がセラミック超電
導素子に作用するように電流を流し、更に、第３の導体
線に、第１の導体線によって発生した磁界、又は、第２
の導体線によって発生した磁界と極性が同じ磁界がセラ
ミック超電導素子に作用するように電流を流すことによ
り、所定の論理演算の結果を、セラミック超電導素子の
一対の電極から電圧として出力する論理出力させるもの
である。

く作　用〉 セラミック超電導体の結晶粒界は、微弱な磁界でその超
電導状態が破られ、超電導体は超電導状態から抵抗体に
変化することを、特願昭６２−２３３３６９号（出願人
シャープ株式会社）「超電導磁気抵抗システム」として
提案されているが、本発明は、この現象を利用したもの
で、超電導素子に平行あるいは交差して配置した導体線
に流れる電流によって発生する磁界をその超電導素子に
作用させ、超電導体が超電導状態と通常の抵抗体に変化
する状態を検出するようにしたものである。

更に詳細に説明すると、セラミック系の粒子よシなる結
晶粒界を有する超電導体よりなる素子は、磁界が印加さ
れない場合には、第５図に示すように、素子の示す電気
抵抗Ｒｏは完全に零の値を示すが、ある臨界磁界ＨＣを
加えると突然素子は電気抵抗を示し、印加磁界の増大と
ともに、電気抵抗が急激に増大する、現象を利用してい
るが、この素子の初期抵抗Ｒｏに対する抵抗の変化ΔＲ
の比、ΔＲ／Ｒｏは無限大となって、従来の磁気抵抗素
子とは比較にならない高性能を示す素子である。

即ち、最近多くの研究機関で進められているセラミック
超電導体の研究の方向は、臨界温度（Ｔｃ　）、臨界磁
界（Ｈｏ）、臨界電流（工。）の向上を図ることにある
が、本出願人も上記セラミック超電導体について種々研
究したところ、この超電導体のある種のもの（超電導体
の粒子間に弱結合状態を持つもの）が上記第５図に示す
ように極めて弱い磁界（数ガウス）で弱結合の超電導状
態が破れて電気抵抗を示し、印加磁界の強さとともに急
激に増加することを見出し、この低い臨界磁界現象を用
いて新規な論理回路素子として動作するセラミック超電
導装置を創案したものである。

上記第５図に示したような磁界の印加に対する電気抵抗
の変化特性は、セラミック系の超電導体が多くの超電導
体微粒子より構成される結晶体で、その粒子境界に極め
て薄い絶縁物あるいは抵抗体が介在、または、粒子間の
接触部分がポイント状態になる、即ち、粒界と粒界が点
状の接触をなしている等、いわゆる超電導の弱結合状態
にあり、超電導状態では、トンネル効果等により、電子
が自由に移動して電気抵抗零を示す。つま９セラミツク
系等の多結晶の弱結合状態にある超電導体は第６図に示
すように等制約には多数のジョセフソン接合１２１，１
２１．・・・の結合体とみなすことが出来る。

このような超電導体の素子に磁界を印加すると、磁界の
影響により、ジョセフソン接合１２１　、１２１　。

・・・から超電導状態が破れ、即ち、弱磁界の印加によ
っても超電導の弱結合状態が破れて、素子は電気抵抗を
示すようになり、磁界の強さの増大と共に電気抵抗は増
大する。

この性質は上記原理からも明らかなように、結晶粒界は
ランダムに配置されているため、印加する磁界の方向に
は依存せずに、磁界の強さの絶対値によって定まるもの
である。

〈実施例〉 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実施例を示す平面図である。

第１図において、１は、セラミック超電導体３゜この超
電導体３の両端近傍に設けられた一対の電流電極２１．
２１及びこの電極２１．２１の間に設けられた電圧電極
２２．２２よりなる、超電導素子であり、５，６及び７
はそれぞれこの超電導素子１の近傍に平行状態に設けら
れた第１．第２及び第３導体線であり、上記の超電導素
子１及び導体線５．６及び７は共通の基板８上に形成さ
れている。

次に、上記第１図に示した装置の作製方法について詳細
に説明する。

まず、本装置に用いられるセラミック超電導体膜の素子
１を作製するために、第４図に示す成膜装置において、
安定化ジルコニアの基板８をヒーター１０で基板温度を
４００℃に保ちながら、Ｙ（ＮＯ３）３　・６ＨｚＯ，
Ｂａ（ＮＯａ）ｚ　、　Ｃｕ（ＮＯ３）ｚ　中３Ｈ２０
をＹ＋　Ｂａ　２Ｃｕ３０７−Ｘ　　となる様所定量秤
量し、硝酸塩水溶液にして噴射装置１１からエアスプレ
ー１２で断続的に、基板８に向けて、膜厚５μｍの−様
な膜となる様に成膜し、その後９５０℃で６０分間と、
５００℃で１０時間の空気中アニールを行った。この様
にして作製したセラミック超電導体膜の臨界温度は、抵
抗が１００Ｋから下がりはじめ、８３にで完全に抵抗零
を示している０ 次に、このセラミック高温超電導体膜を５０μｍ幅、長
さ３０調に加工して超電導体３とするために、レジスト
を塗布し、通常のフォトリングラフィ工程にて細いスト
ライプ状に加工し超電導素子ｌの超電導体部分を作製し
た。このセラミック高温超電導体はリン酸系エツチング
液で容易に加工することが出来た。

次に第１図に示す素子１の電極２１．２２、及び、磁界
を発生させるための導体線５，６及び７を作製するため
、再びフォトリソグラフィ工程とリフトオフ法により、
Ｔｉ蒸着膜による配線パターンを形成し、第１図に示す
本発明のセラミック超電導装置を作製した。

本発明に用いたセラミック超電導素子１ば、粒界に介在
する絶縁層やポイントコンタクトによる弱結合になり、
ジラセフソン接合の集合体と考えられ、印加磁界と電気
抵抗の関係は第２図に示す様に、抵抗零の状態からある
磁界において突然抵抗が現われ、しかもその抵抗の磁界
に対する増加率は極めて大きい。また、突然抵抗が現わ
れる磁界の大きさ（閾値）とその増加率は、このセラミ
ック超電導素子１に流す定電流の大きさによって制御す
ることが出来る。

一方、第１図に示すＴｉ膜から構成してなる導体線５に
端子ｅｌｆを介して１０ｒｎＡの電流を流すと、距離５
０μｍの所では、０．４ガウスの磁界を得ることが出来
る。したがって、第２図に示す超電導素子の特性から分
るように、本素子１に端子ａ　−ｂを介して２ｍＡの定
電流を流し、０．４ガウスの磁界を作用させた場合、２
０μＶの出力を得ることが出来る。

以上の実験結果から、第１図に示す構造において、導体
線７．導体線６、導体線５及び超電導素子１の６各の中
心間距離を５０ｐｍとし、また各々の幅を３０μｍ　、
３０　ａｍ　＋　３０　ａｍ及び５０ａｍにパターン形
成した。

上記のような構成において、少なくとも超電導素子１を
８３に以下の温度に冷却した状態において、導体線５．
６及び７に電流を流さず、超電導素子１に磁界が印加さ
れないときは、端子ａ＋ｂを介してセンサ１に電流を流
しても超電導状態のため、端子ｃ、ｄ間に出力電圧は現
われないが、端子ｅ、ｆを介して導体線５に１０ｍＡの
定電流Ｉ＋　を流すことによシ、その電流の作る磁界が
超電導体３の超電導状態を破って抵抗性を示すので、電
流■に対応して端子ｃｏｄ間に出力電圧として２０１ｔ
Ｖの出力が得られた。なお、このとき超電導素子１の端
子ａ＋ｂ間の定電流は２ｍＡとしていた。

導体線５に常に流しておく電流を１１＋導体線６に流す
電流Ｉｚ’ｆ”Ｉ＋　と逆方向とし、導体線７に流す電
流Ｉ３を工１と同じ方向とし、電流Ｌ＋工２及びＩ３に
よシ発生し、超電導体３に作用する磁界の強さをそれぞ
れＨ，Ｈｚ及びＪ（３＋超電導素子１に所定の電流を流
して閾値出力を発生させる印加磁界の強さをＨｏ　とす
る。

こ＼で、以上の磁界の強を次の条件になるよう設定した
。

Ｈｔ　＞　Ｏ、ｌ　Ｈｔ　−Ｈｚ　Ｉ　＜Ｈｎ　、　Ｈ
ｔ　−Ｈｚ　＋Ｈｓ　＞Ｈｏ　−・・（１）上記の条件
で、Ｈｔ　を発生する電流■１を常に流しておき、電流
Ｉ２＋又は、工３を流したときを１１流さないときをＯ
で表わし、超電導素子ｌの電圧端子ｃ　−ｄに出力電圧
があるときを１、ないときをＯで表わせば、次のような
論理演算の表になる 上記の表から分るように、これはＩｍｐｌｉｃａｔｉｏ
ｎ（含意）の論理出力になる。

なお、前記（１）式の条件は、１例として常時流す電流
■１を１０ｍＡとし、Ｉ２と１３を、それぞれ２５ｍＡ
と４０ｍＡにしても満たされる。

次に、上記と異なる論理演算の例を示す。

前記のように、電流Ｉ２はＩ＋　と逆の方向に流れるよ
うにし、更に電流■３もＩ＋　と逆の方向に流れるよう
にした。

上記の電流Ｉｔ、Ｉ２及びＩ３で発生し、超電導体３に
作用する磁界の強さをそれぞれＨｌ、Ｉ２及びＩ３とし
、超電導素子１に所定の電流を流して閾値出力を発生さ
せる印加磁界の強さ’？Ｈ８とじ、各磁界の強さが次の
条件を満たすよう設定した。

Ｈｌ＞ＨＯ、１Ｈｔ−Ｈｚ　ｌ　＜Ｈａ　、ｌＨ＋　　
Ｈｓ　ｌ　＜Ｈｏ　。

Ｉ２　＋Ｈ３−Ｈｔ　＞Ｈｏ　　　　　　　　・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）上記
の条件で、Ｈｌを発生する電流１１を常に流しておき、
電流Ｉ２、又は、Ｉ３を流したとき全１、流さないとき
を０で表し、超電導素子１の電圧端子ｃ　−ｄに出力電
圧があるときを１、ないときをＯで表わすと、次のよう
な論理演算の表になる０ 上記の表から分るように、これはＥｑｕｉｖａｌｅｎｃ
ｅ（対等）の論理出力である。

なお、前記（２）式の条件は、−１例としてＩＩ、Ｉ２
及びＩ３をそれぞれ１０ｍＡ、２５ｍＡ及び４０ｍＡと
しても、満たし、上記の表で示した論理出力が得られる
０ なお、上記の実施例にあっては電流値１１．Ｉｚ及び工
３の値を適宜選定するようになしているが、本発明はこ
れに限定されるものではなく、例えば導体線５．６及び
７に流す電流値Ｉｔ　、　Ｉ２及びＩ３を等しくかつ一
定の値とし、超電導体３と導体線５、導体線６または導
体線７の間隔を適宜選定して、上記（１）式または（２
）式を満足する位置に導体線５．６及び７を設けるよう
にしても良い。

また、本発明の装置を作製する場合、上記した方法に限
定されるものではなく、導体線５，６゜７または超電導
素子１をスパッタやＭＯＣＶＤあるいは電子ビーム蒸着
法等による超電導薄膜で作成しても同様に結果を得るこ
とが出来、また素子形状の微細化をも期待することが出
来る。特に導体線５．６及び７を超電導薄膜で形成した
場合、超電導素子１の超電導体３と同時に形成すること
も可能で、装置の作製工程が簡単化されることになる０ また、本発明の実施例に用いたセラミック高温超電導体
膜はＹ＋Ｂａ２Ｃｕ３０ｙ−ｘとしたが、粒界に弱接合
を形成すれば、他の成分の高温超電体を用いても同様の
結果が得られることは言うまでもない。

また超電導体３と導体線５，６及び７の配置関係は上記
の実施例に限定されるものではなく、第３図に示すよう
に超電導体３の両側に導体５及び６と７を配置しても良
い。更に超電導素子の上にポリイミド樹脂やＳｉＯ２等
の保護膜を形成した上に導体線５．６及び７全形成して
も同様の作用効果が得られる。

また、導体線の配置関係、又は、その形状は上記各実施
例に限定されるものではない。

〈発明の効果〉 以上のように、本発明は従来の極めて薄い絶縁層を人工
的に作製するジョセフノン素子でなく、セラミック超電
導体の作製時に容易に構成できる粒界の弱結合を利用し
た超電導素子を用い、それを入力信号による電流で発生
する磁界で制御する３本以上の導体線も実施例のように
基板上に平面的に配置するか、樹脂か酸化物の絶縁層を
介在させて導体線を積層構成にするもので、本発明の装
置の作製は容易になった。

本発明により、Ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎ　（含意）及び
り超電導装置によるＡＮＤ、ＯＲ，ＸＯＲ及びＮＯＴの
基本論理演算と組み合せることにより、多様な論理演算
を可能にした。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセラミック超電導装置の一実施例の構
成を示す平面図、第２図はセラミック超電導素子の特性
の一例を示す図、第３図は本発明のセラミック超電導装
置の他の実施例の配置を示す平面図、第４図は本発明の
実施例装置の作製に用いたセラミック超電導膜の作製方
法の概略構成を示す図、第５図は超電導素子の特性の一
例を示す図、第６図は超電導体の等価回路を示す図であ
る。 ■・・・超電導素子、２１．２１・・・電流電極、２２
゜２２・・・電圧電極、３・・・超電導体、５・・・第
１の導体線、６・・・第２の導体線、７・・・第３の導
体線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、磁気抵抗特性をもつセラミック超電導素子と、上記
   セラミック超電導素子に近接し、流した電流で発生する
   磁界が前記セラミック超電導素子に作用する磁界を発生
   する少なくとも３本の導体線を備え、前記導体線の１本
   には、常に前記セラミック超電導磁気抵抗素子にその臨
   界磁界以上の磁界を印加する電流を流し、他の導体線を
   制御用とする構成にしたことを特徴とするセラミック超
   電導装置。 ２、前記セラミック超電導装置は、命令された論理演算
   方式に従い、前記各制御線に流す電流の方向、又は、大
   きさを変えることを特徴とする請求項１記載のセラミッ
   ク超電導装置。