JPH02181983A - Superconducting tunnel junction element - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、ジョセフソン電流を抑圧した超伝導トンネル
接合素子に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a superconducting tunnel junction device in which Josephson current is suppressed.
超伝導デバイスとして、超伝導トンネル接合素子は、大
きく二つの利用方法が考えられる。その一つとしては、
ジョセフソン接合素子であり、超伝導電流がトンネルバ
リアを介して両側の超伝導体に流れることを利用して計
算機用論理素子に適用したり、あるいは干渉素子として
用いたりする。As a superconducting device, superconducting tunnel junction elements can be used in two major ways. One of them is
It is a Josephson junction element, and it is applied to logic elements for computers or used as an interference element by taking advantage of the fact that superconducting current flows through the superconductors on both sides through a tunnel barrier.
もう一つの利用方法は、その非線形の電圧電流特性を利
用して、高周波の混合に用いたり、あるいは、超伝導ト
ランジスタの一部に利用したりする。Another way to use it is to take advantage of its nonlinear voltage-current characteristics and use it for high-frequency mixing or as part of a superconducting transistor.
超伝導トンネル接合素子は９通常の場合、ＷＩ膜を積層
して構成される１代表的な超伝導トンネル接合素子とし
ては９例えば、超伝導体として厚さ数千人のＮｂ膜を用
い、トンネルバリアとしては数十人のアルミ酸化膜を用
いている。超伝導体Ｎｂ膜のコヒーレント距離は４００
人程程度あるので。A superconducting tunnel junction device is9 usually constructed by laminating WI films.A typical superconducting tunnel junction device is9 For example, a Nb film several thousand thick is used as a superconductor, and a tunnel As a barrier, dozens of aluminum oxide films are used. The coherence distance of the superconductor Nb film is 400
There are about as many people as there are.
トンネルバリアのＪＤさけコヒーレント距離に比して十
分に小さく、またそのバリア高さから２０人程度の１グ
さにおいて、実用的に用いられる素子寸法である数ｐ角
の接合面積において、十分に小さなトンネル抵抗、ひい
ては十分大きな直流ジョセフソン電流が流れることにな
る。第３図に、従来の典型的な超伝導トンネル接合素子
の電圧電流特性を示す０図において、直流ジョセフソン
電流１は電圧を発生せずに流れる超伝導電流である。そ
して、準粒子による常伝導電流２は、超伝導体のエネル
ギーギャップを反映した強い非線形の電圧電流特性を示
す。ジョセフソン接合素子として用いる場合には、直流
ジョセフソン電流１を、外部の磁場あるいは電流によっ
て変化させることにより。It is sufficiently small compared to the JD coherence distance of the tunnel barrier, and is sufficiently small for a junction area of several p square, which is the practically used element size, at a distance of about 20 people from the barrier height. The tunnel resistance, and therefore a sufficiently large DC Josephson current, will flow. In FIG. 3, which shows the voltage-current characteristics of a typical conventional superconducting tunnel junction element, a DC Josephson current 1 is a superconducting current that flows without generating a voltage. The normal current 2 caused by quasiparticles exhibits strong nonlinear voltage-current characteristics reflecting the energy gap of the superconductor. When used as a Josephson junction element, the DC Josephson current 1 is changed by an external magnetic field or current.
例えばスイッチング素子として機能させる。また。For example, it functions as a switching element. Also.
高周波の混合に用いる場合は、非線形の電圧電流特性を
利用する。さらに、超伝導トランジスタとして用いる場
合には、超伝導トンネル接合の超伝導体の一方に半導体
を付加する。超伝導体の一方をエミッタとし、もう一方
の超伝導体をベースにし、これに接する半導体をコレク
タとして用いる。When used for high frequency mixing, nonlinear voltage-current characteristics are used. Furthermore, when used as a superconducting transistor, a semiconductor is added to one side of the superconductor of the superconducting tunnel junction. One of the superconductors is used as an emitter, the other superconductor is used as a base, and the semiconductor in contact with it is used as a collector.
この場合には、超伝導体のエネルギーギャップに相当す
る電圧まで電流がほとんど流れず、この電圧を越えると
急に電流が増加し準粒子がエミッタからベースに注入さ
れ、これがコレクタへ通過する。デバイス動作の原理は
、半導体におけるバイポーラトランジスタにおいて、エ
ミッタからベースへ少数キャリアが注入されコレクタへ
通過することに似ている。In this case, almost no current flows until the voltage corresponds to the energy gap of the superconductor, and when this voltage is exceeded, the current suddenly increases and quasiparticles are injected from the emitter to the base, which then pass to the collector. The principle of device operation is similar to that of a bipolar transistor in semiconductors, in which minority carriers are injected from the emitter to the base and pass to the collector.
超伝導トンネル接合を、ジョセフソン接合として利用し
ない場合には直流ジョセフソン′市流は必ずしも有益な
ものではなく、かえってじゃまになる場合がある。直流
ジョセフソン電流が存在すると、一定電流以上の電流を
供給しないと、いつまでもゼロ電圧状態にオイＬ持され
、またいったん有限電圧状態に転移してしまうと、電流
をある程度以下にまで減少させないとゼロ電圧状態に復
帰し得ない、つまりヒステリシスが生じる。このヒステ
リシス状態を避けろため１例えば、外部から磁界を印加
することや、あるいはトンネルバリアの中に磁性不純物
を添加することによって直流ジョセフソン電流を抑圧し
ていた〔石川ら他：６Ｊｉ性バリア超伝導トンネル接合
のサブミリ波応答■、電子通信学会技術研究報告、 Ｖ
ｏｌ、８４． Ｎｏ、３０７． ｐ、７９（ＳＣＥ、８
４−５９））。If the superconducting tunnel junction is not used as a Josephson junction, the DC Josephson current is not necessarily beneficial and may even become a hindrance. When a DC Josephson current exists, unless a current above a certain level is supplied, it will remain in a zero voltage state forever, and once it transitions to a finite voltage state, it will go to zero unless the current is reduced below a certain level. The voltage state cannot be restored, that is, hysteresis occurs. In order to avoid this hysteresis state, the DC Josephson current has been suppressed, for example, by applying an external magnetic field or adding magnetic impurities into the tunnel barrier [Ishikawa et al.: 6 Ji barrier superconductivity] Submillimeter wave response of tunnel junction■, Institute of Electronics and Communication Engineers Technical Research Report, V
ol, 84. No, 307. p, 79 (SCE, 8
4-59)).
上述したごとく、従来の超伝導トンネル接合素子におい
て、直流ジョセフソン電流を抑圧しようとすると、ヒス
テリシスを有するため外部から磁界を印加したり、ある
いはトンネルバリア中に磁性不純物を添加する必要があ
った。As mentioned above, when trying to suppress the DC Josephson current in conventional superconducting tunnel junction devices, it was necessary to apply an external magnetic field or add magnetic impurities into the tunnel barrier because of the hysteresis.
しかしながら、外部から磁界を印加してヒステリシス状
態を避ける場合には、磁界を印加する手段が必要であり
、そのため装置の構造が複雑になったりあるいは装置の
サイズが増大するなどの問題があった。また、トンネル
バリアに磁性不純物を添加してヒステリシス状態を避け
る場合には。However, in order to avoid the hysteresis state by applying a magnetic field from the outside, a means for applying the magnetic field is required, which poses problems such as the structure of the device becoming complicated or the size of the device increasing. Also, when adding magnetic impurities to the tunnel barrier to avoid a hysteresis state.
トンネルバリア中に磁性不純物を均一に分散して添加さ
せる必要があり、これは実際上非常に難しい技術であり
、さらにトンネルバリア形成そのものが困難であるなど
の問題があった。It is necessary to uniformly disperse and add magnetic impurities into the tunnel barrier, which is a very difficult technique in practice, and there are also problems such as the difficulty of forming the tunnel barrier itself.
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、用い
る超伝導体の特異な性質を利用し、簡便な方式により直
流ジョセフソン電流を抑圧した超伝導トンネル接合素子
を提供することにある。An object of the present invention is to solve the problems of the prior art described above, and to provide a superconducting tunnel junction device that suppresses DC Josephson current by a simple method by utilizing the unique properties of the superconductor used. .
本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、従来の１−ンネル
型ジョセフソン接合素子において、トンネルバリアの厚
さは超伝導体のコヒーシン１−距離に比べ小さく、従っ
て超伝導体同士のジョセフソン接合によって直流ジョセ
フソン電流が流れるが。As a result of extensive research, the present inventors found that in conventional single-channel Josephson junction devices, the thickness of the tunnel barrier is smaller than the cohesin distance of superconductors, and therefore the Josephson junction between superconductors Although a dc Josephson current flows through the junction.
コヒーシン１〜距離をトンネルバリアの厚さに比べて無
視できないほど小さくすると、超伝導体同士のジョセフ
ソン接合が急激に弱くなり、直流ジョセフソン電流が流
れなくなることを知見した。本発明は、この基本的現象
に着目し、また超伝導体が結晶学的あるいは電子物性上
の異方性を持つものであるとき、コヒーレント距離にも
異方性が生じることを活用したものであって、異方性の
大きい超伝導体において、コヒーレント距離の短い結晶
学的方位をトンネルバリア面に垂直に積層することによ
り直流ジョセフソン電流を抑圧した超伝導トンネル接合
素子を実現するものである。They found that when the cohesin 1 distance is made so small that it cannot be ignored compared to the thickness of the tunnel barrier, the Josephson junction between the superconductors suddenly weakens, and the DC Josephson current no longer flows. The present invention focuses on this fundamental phenomenon and takes advantage of the fact that when a superconductor has anisotropy in terms of crystallographic or electronic properties, anisotropy also occurs in the coherent distance. Therefore, in a highly anisotropic superconductor, by stacking crystallographic orientations with short coherence distances perpendicular to the tunnel barrier surface, a superconducting tunnel junction device with suppressed DC Josephson current can be realized. .
本発明は、二つの超伝導体と、これらの超伝導体との間
に介在するトンネルバリアからなる超伝導トンネル接合
素子において、上記の超伝導体にはコヒーレント距離に
異方性を有し、上記トンネルバリアの厚さを、上記異方
性を有する超伝導体のコヒーレント距離のうちの最も短
いコヒーレント距離よりも大きクシ、かつ上記超伝導体
のコヒーレント距離の異方性のうちの最も短いコヒーレ
ント距離を有する方向と、上記トンネルバリアの法線方
向とがほぼ一致するように上記超伝導体を積層して構成
した超伝導トンネル接合素子である。The present invention provides a superconducting tunnel junction element consisting of two superconductors and a tunnel barrier interposed between these superconductors, in which the superconductors have anisotropy in the coherent distance, The thickness of the tunnel barrier is set to be larger than the shortest coherence distance among the coherence distances of the superconductor having anisotropy, and The superconducting tunnel junction element is constructed by stacking the superconductors so that the distance direction and the normal direction of the tunnel barrier substantially coincide with each other.
本発明の超伝導１−ンネル接合素子において、：Ｊ３子
を構成する超伝導体としては、Ｙ（イツトリウム）また
はランタノイド系希土類元素（Ｌｎと略記する）とＢａ
（バリウム）とＣｕ（銅）で構成される酸素欠損ペロブ
スカイト酸化物超伝導体り、 ｎ Ｂ ａ２ Ｇ ＋１
．○Ｘ、あるいはＢｉ（ビスマス）またはＴＱ （タ
リウム）を含む酸化物超伝導体に代表される結晶学的あ
るいは電磁気的異方性を有する。In the superconducting 1-channel junction device of the present invention, the superconductors constituting the J3 child include Y (yttrium) or a lanthanoid rare earth element (abbreviated as Ln) and Ba
Oxygen-deficient perovskite oxide superconductor composed of (barium) and Cu (copper), n Ba2 G +1
．． It has crystallographic or electromagnetic anisotropy as typified by oxide superconductors containing ○X, Bi (bismuth), or TQ (thallium).
いオ〕ゆる高温酸化物超伝導体を用いるのが好ましく、
これらの超伝導体の結晶方位のＣ軸方向が。Preferably, any high temperature oxide superconductor is used;
The C-axis direction of the crystal orientation of these superconductors is.
トンネルバリアの法線方向とおおむね一致するようにエ
ピタキシャル成長させて形成した超伝導ｊ〜ンネル接合
素子である。This is a superconducting tunnel junction element formed by epitaxial growth so as to roughly match the normal direction of the tunnel barrier.
そして２本発明の超伝導トンネル接合素子において、二
つの超伝導体との間に介在させるトンネルバリアの厚さ
は、 １０Å以上であることが好ましい。In the superconducting tunnel junction device of the present invention, the thickness of the tunnel barrier interposed between the two superconductors is preferably 10 Å or more.
本発明の超伝導トンネル接合素子は、スパッタリング、
真空蒸着などの物理蒸着法あるいは化学気相成長法など
によってエピタキシャル成長させることにより容易に形
成することができる。The superconducting tunnel junction device of the present invention can be produced by sputtering,
It can be easily formed by epitaxial growth using a physical vapor deposition method such as vacuum deposition, or a chemical vapor deposition method.
以下に本発明の一実施例を挙げ９図面に基づいて、さら
に詳細に説明する。An embodiment of the present invention will be described below in more detail based on nine drawings.
第１図は９本発明の超伝導トンネル接合素子の断面もＹ
′ｊ造の一例を示す。図において、超伝導体１および１
′は、ＹとＢａとＣｕで構成された酸化物超伝導体Ｙ３
ａ２Ｃｕ、Ｏｘを用いる。この物質の結晶構造は酸素欠
損ペロブスカイト構造と称され。Figure 1 shows the cross section of the superconducting tunnel junction device of the present invention.
An example of a construction is shown below. In the figure, superconductors 1 and 1
' is an oxide superconductor Y3 composed of Y, Ba, and Cu
a2Cu and Ox are used. The crystal structure of this material is called an oxygen-deficient perovskite structure.
結晶学的な方位であるｃＩＦｌ１１方向と、これに直角
なａ軸またはｂ軸方向とで大きな構造的異方性を有する
。従って、電気抵抗等の電子物性もＣ軸方向と、これに
垂直な方向とで大きく異なっている。It has large structural anisotropy in the cIFl11 direction, which is the crystallographic orientation, and in the a-axis or b-axis direction perpendicular to this direction. Therefore, electronic properties such as electrical resistance also differ greatly between the C-axis direction and the direction perpendicular thereto.
そして、超伝導コヒーレンス距離にも異方性を持ち、ａ
軸あるいはｂ軸方向のコヒーレント距離が数１−人なの
に対し、Ｃ軸方向では数人（例えば約８程度度）であり
、コヒーレント距離の異方性は。The superconducting coherence distance also has anisotropy, and a
While the coherent distance in the direction of the axis or b-axis is several 1 - people, in the direction of the c-axis it is several people (for example, about 8 degrees), and the anisotropy of the coherent distance is.
従来の異方性の低い超伝導体に比べ著しく大きい。This is significantly larger than conventional superconductors with low anisotropy.
この超伝導体１と１′の間に２例えば酸化アルミニウム
のような絶縁体のトンネルバリア２を介在させて、超伝
導トンネル接合を形成させる。実用的に用いられるトン
ネルバリア２の厚さは数十人（例えば３０人程度）であ
るので、この場合には。A tunnel barrier 2 made of an insulator such as aluminum oxide is interposed between the superconductors 1 and 1' to form a superconducting tunnel junction. In this case, the thickness of the tunnel barrier 2 that is practically used is several tens of people (for example, about 30 people).
超伝導体のコヒーレント距離の長い方向Ｃａ軸方向）が
トンネルバリア面に垂直である場合と、コヒーレント距
離の短い方向（Ｃ軸方向）が垂直である場合とで、ジョ
セフソン接合の強さが異なり。The strength of the Josephson junction differs depending on whether the superconductor's longer coherent distance (Ca-axis direction) is perpendicular to the tunnel barrier surface or when the shorter coherent distance (C-axis direction) is perpendicular. .
後者の場合には、コヒーレント距離がトンネルバリアの
厚さより短くなり直流ジョセフソン電流が抑圧されるこ
とになる。本実施例においては、厚さが約３０人の酸化
アルミニウムよりなるトンネルバリア２と、Ｃ軸方向の
コヒーレノ１−距離が約８人を示すＹＢａ、Ｃｕ、Ｏｘ
膜よりなる超伝導体１゜１′ をスパッタリング法によ
りエピタキシャル成長させて超伝導トンネル接合素子を
形成した。In the latter case, the coherent distance will be shorter than the thickness of the tunnel barrier, and the DC Josephson current will be suppressed. In this example, the tunnel barrier 2 is made of aluminum oxide and has a thickness of about 30 mm, and YBa, Cu, Ox
A superconducting tunnel junction element was formed by epitaxially growing a superconductor film of 1°1' by a sputtering method.
上記の方法で作製した第１図に示す本発明の超伝導トン
ネル接合素子においては、第２図に示すように、直流ジ
ョセフソン電流は流れなくなった。In the superconducting tunnel junction device of the present invention shown in FIG. 1 manufactured by the above method, as shown in FIG. 2, no DC Josephson current flows.
従って、このような接合を高周波の混合等に用いれば、
付加的な直流ジョセフソン電流抑圧手段を用いなくても
よくなる。さらに、超伝導トンネル接合を用いた超伝導
ベーストランジスタにおいても、上記と同様の効果があ
ることを確認している。Therefore, if such a junction is used for high frequency mixing, etc.,
There is no need to use additional DC Josephson current suppression means. Furthermore, it has been confirmed that a superconducting base transistor using a superconducting tunnel junction has the same effect as above.
本実施例においては、超伝導体として、ＹＢａＣｕＯ酸
素欠損ペロブスカイトを用いたが、他のランタノイド系
希土類元素（Ｌｎ）とＢａとＣｕで構成された酸素欠損
ペロブスカイト酸化物超伝導体ＬｎＢａ２Ｃｕ、Ｏｘで
あっても、あるいは、これとは構造を異にするＴＱ、Ｂ
ｉを含む酸化物超伝導体であっても、それらの超伝導体
が異方性を有し。In this example, YBaCuO oxygen-deficient perovskite was used as the superconductor, but other oxygen-deficient perovskite oxide superconductors LnBa2Cu and Ox composed of other lanthanoid rare earth elements (Ln), Ba, and Cu may also be used. However, TQ, B with a different structure from this
Even oxide superconductors containing i have anisotropy.
そのコヒーレント距離が一方向でトンネルバリアの厚さ
より小さい限り２本実施例と同様の効果が生ずることは
明らかである。It is clear that as long as the coherent distance is smaller than the thickness of the tunnel barrier in one direction, the same effect as in the two embodiments will be produced.
以上詳細に説明したごとく１本発明の超伝導トンネル接
合素子においては、超伝導体の結晶学的あるいは電子物
性上から生じるコヒーレント距離の異方性を利用して、
トンネルバリアの厚さを。As explained in detail above, in the superconducting tunnel junction device of the present invention, the anisotropy of the coherent distance arising from the crystallographic or electronic properties of the superconductor is utilized to
tunnel barrier thickness.
超伝導体のコヒーレント距離のうちの短い方の距離より
も大きくシ、かつ超伝導体のコヒーレント距離の短い方
の方向を、トンネルバリアに対してほぼ垂直に位置する
ように構成するという簡便な方式で、直流ジョセフソン
電流を効果的に抑圧することができるので、これを１例
えば高周波の混合、あるいは超伝導ベーストランジスタ
等に用いる場合に、外部磁界の印加などの付加的な直流
ジョセフソン電流抑圧手段を設ける必要がなく、また従
来、困難とされているトンネルバリアへの磁性不純物な
どの均一添加を行う必要もなく、極めて構造が簡単でコ
ンパクトな所望する高性能の超伝導トンネル接合素子を
実現することが可能となる。A simple method in which the distance is larger than the shorter coherence distance of the superconductor, and the direction of the shorter coherence distance of the superconductor is located almost perpendicular to the tunnel barrier. Since the DC Josephson current can be effectively suppressed, when this is used for example in high frequency mixing or superconducting base transistors, additional DC Josephson current suppression such as the application of an external magnetic field can be applied. There is no need to provide any means, and there is no need to uniformly add magnetic impurities to the tunnel barrier, which has been considered difficult in the past.Achieving the desired high-performance superconducting tunnel junction device with an extremely simple and compact structure. It becomes possible to do so.
第１図は本発明の実施例において例示した超伝導トンネ
ル接合素子の構成を示す模式図、第２図は第１図に示し
た超伝導トンネル接合素子の電圧電流特性を示すグラフ
、第３図は従来の超伝導トンネル接合素子の電圧電流特
性を示すグラフである。
１．１′・・・超伝導体（ＹＢａＣｕＯ酸素欠損ペロブ
スカイト）
２・・・トンネルバリア（酸化アルミニウム）３・・・
直流ジョセフソン電流
４・・べｆ！粒子による常伝１ｒＸ電流Ｃ・・・超伝導
体のＣ軸方位FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a superconducting tunnel junction device illustrated in an example of the present invention, FIG. 2 is a graph showing the voltage-current characteristics of the superconducting tunnel junction device shown in FIG. 1, and FIG. is a graph showing voltage-current characteristics of a conventional superconducting tunnel junction element. 1.1'...Superconductor (YBaCuO oxygen-deficient perovskite) 2...Tunnel barrier (aluminum oxide) 3...
DC Josephson current 4...bef! Ordinary 1rX current C due to particles... C-axis orientation of superconductor
Claims (1)
するトンネルバリアからなる超伝導トンネル接合素子に
おいて、上記超伝導体はコヒーレント距離に異方性を有
し、上記トンネルバリアの厚さが、上記超伝導体のコヒ
ーレント距離の異方性のうちの最も短いコヒーレント距
離よりも大きく、かつ上記超伝導体のコヒーレント距離
の異方性のうちの最も短いコヒーレント距離を有する方
向と、上記トンネルバリアの法線方向とがほぼ一致する
ように構成したことを特徴とする超伝導トンネル接合素
子。1. In a superconducting tunnel junction device consisting of two superconductors and a tunnel barrier interposed between these superconductors, the superconductors have anisotropy in the coherent distance, and the tunnel barrier has anisotropy. a direction in which the thickness is greater than the shortest coherence distance among the coherence distance anisotropies of the superconductor and has the shortest coherence distance among the coherence distance anisotropies of the superconductor; A superconducting tunnel junction element characterized in that the normal direction of the tunnel barrier is configured to substantially coincide with the normal direction of the tunnel barrier.
Priority Applications (1)
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ID=11525728
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1002308A Pending JPH02181983A (en) | 1989-01-09 | 1989-01-09 | Superconducting tunnel junction element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02181983A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0513832A (en) * | 1991-07-02 | 1993-01-22 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Manufacture of superconducting device |
| JP2006351803A (en) * | 2005-06-15 | 2006-12-28 | Ulvac Japan Ltd | Manufacturing method of josephson element |
-
1989
- 1989-01-09 JP JP1002308A patent/JPH02181983A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0513832A (en) * | 1991-07-02 | 1993-01-22 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Manufacture of superconducting device |
| JP2006351803A (en) * | 2005-06-15 | 2006-12-28 | Ulvac Japan Ltd | Manufacturing method of josephson element |
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