JPH03190175A - 超伝導スイッチ素子 - Google Patents
超伝導スイッチ素子Info
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- JPH03190175A JPH03190175A JP1329158A JP32915889A JPH03190175A JP H03190175 A JPH03190175 A JP H03190175A JP 1329158 A JP1329158 A JP 1329158A JP 32915889 A JP32915889 A JP 32915889A JP H03190175 A JPH03190175 A JP H03190175A
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Landscapes
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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。
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、超伝導エレクトロニクス分野におけるスイッ
チ素子、コンピュータ等の集積回路内のスイッチ素子と
して応用しうる超伝導スイッチ素子に関する。
チ素子、コンピュータ等の集積回路内のスイッチ素子と
して応用しうる超伝導スイッチ素子に関する。
従来より、超伝導材料の研究開発が随所で盛んに行われ
てきているが、その多くはＮｂ系超伝導合金等の金属系
のものであった。ところが、近年、酸化物系超伝導体が
発見され、エレクトロニクス分野に応用できる新規な物
質として注目を浴びている。だが、その応用範囲は、ジ
ョセフソン素子、５ＱＵＩＤ、赤外線センサー等に大方
限られているのが実情である。しかし、スイッチ素子と
して、酸化物高温超伝導体を用いた例は知られている（
Ｔ、Ｎｌ５ＨＩＮＯ，Ｈ，ＮＡＫＡＮＥ ａｎｄ Ｕ、
ＫＡｗＡＢＥ ： Ｊｐｎ、 Ｊ。
てきているが、その多くはＮｂ系超伝導合金等の金属系
のものであった。ところが、近年、酸化物系超伝導体が
発見され、エレクトロニクス分野に応用できる新規な物
質として注目を浴びている。だが、その応用範囲は、ジ
ョセフソン素子、５ＱＵＩＤ、赤外線センサー等に大方
限られているのが実情である。しかし、スイッチ素子と
して、酸化物高温超伝導体を用いた例は知られている（
Ｔ、Ｎｌ５ＨＩＮＯ，Ｈ，ＮＡＫＡＮＥ ａｎｄ Ｕ、
ＫＡｗＡＢＥ ： Ｊｐｎ、 Ｊ。
Ａｐｐｌ、 Ｐｈｙｓ、 、 ２６ （１９８７） Ｌ
１３２０、等）。
１３２０、等）。
この酸化物超伝導体を用いたスイッチ素子は、ＭｇＯ基
板、Ｙ、Ｂａ２Ｃｕ、Ｏｘ超伝導薄膜、ＣｄＳ光導電性
薄膜、電流用電極、光ファイバーから構成されている。
板、Ｙ、Ｂａ２Ｃｕ、Ｏｘ超伝導薄膜、ＣｄＳ光導電性
薄膜、電流用電極、光ファイバーから構成されている。
ここでの超伝導薄膜は、高周波スパッタ法を用いて製膜
した後、熱処理して形成されたものであって、膜厚は２
μｍ、臨界温度はｌ１１５Ｋを示すとされている。この
超伝導薄膜の中央部には幅８ＩＩ１１、深さ５μｍの溝
が予め設けられており、この溝の底縁についている超伝
導薄膜の厚さは、０．５μｍ以下であり、この部分を弱
結合部というが、この上にさらにＣｄＳ薄膜を真空蒸着
法によって０．２μｍの厚さにつける。
した後、熱処理して形成されたものであって、膜厚は２
μｍ、臨界温度はｌ１１５Ｋを示すとされている。この
超伝導薄膜の中央部には幅８ＩＩ１１、深さ５μｍの溝
が予め設けられており、この溝の底縁についている超伝
導薄膜の厚さは、０．５μｍ以下であり、この部分を弱
結合部というが、この上にさらにＣｄＳ薄膜を真空蒸着
法によって０．２μｍの厚さにつける。
このように形成された超伝導薄膜に電流を流すと、始め
は電圧０で流れるが、電流値が増加すると共に電圧が増
加する。次に、弱結合部に光ファイバーにより、 ０．
３５μｍ−０，８μｍの波長の光を照射すると、照射前
に比べて電流値が減少する。
は電圧０で流れるが、電流値が増加すると共に電圧が増
加する。次に、弱結合部に光ファイバーにより、 ０．
３５μｍ−０，８μｍの波長の光を照射すると、照射前
に比べて電流値が減少する。
そこで５この効果を利用してスイッチング動作に供する
ものである。
ものである。
しかしながら、上記従来の超伝導スイッチ素子では、光
ファイバー等、外部から光を照射する手段が必要であり
、集積回路内への組込等が困難であった。また、光ファ
イバー等を用いた光照射手段を必要とするため、コスト
高になる等の問題もあった。
ファイバー等、外部から光を照射する手段が必要であり
、集積回路内への組込等が困難であった。また、光ファ
イバー等を用いた光照射手段を必要とするため、コスト
高になる等の問題もあった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、超伝
導体の特性である低消費電力、高速応答性を利用し、し
かも外部から光を照射したり、あるいは磁場を印加する
ことのない超伝導スイッチ素子を提供することを目的と
する。
導体の特性である低消費電力、高速応答性を利用し、し
かも外部から光を照射したり、あるいは磁場を印加する
ことのない超伝導スイッチ素子を提供することを目的と
する。
上記目的を達成するため、本発明の超伝導スイッチ素子
は、絶縁性基板上に形成された第１の超伝導薄膜と、そ
の第１の超伝導薄膜の上に形成された酸化物反強磁性薄
膜及び第２の超伝導薄膜と、上記第１．第２の超伝導薄
膜に設けられた電流用電極と、上記反強磁性薄膜に設け
られ基板に対して垂直に電場を印加するための電極とを
備え、超伝導体と反強磁性体とを結合させたことを特徴
とするものである。
は、絶縁性基板上に形成された第１の超伝導薄膜と、そ
の第１の超伝導薄膜の上に形成された酸化物反強磁性薄
膜及び第２の超伝導薄膜と、上記第１．第２の超伝導薄
膜に設けられた電流用電極と、上記反強磁性薄膜に設け
られ基板に対して垂直に電場を印加するための電極とを
備え、超伝導体と反強磁性体とを結合させたことを特徴
とするものである。
上記反強磁性薄膜は、ここでは、特に酸化クロム： ｃ
ｒ２０ｊＦｉｔ膜を用いる。この物質は１本素子の動作
において重要な役割を果たすわけであるが、電場をＣ軸
に垂直に、あるいは並行に印加すると、磁気モーメント
が電場方向に誘起される性質を持ち、この性質を電気磁
気効果という（Ｅ、ＫＩＴＡ、 Ａ。
ｒ２０ｊＦｉｔ膜を用いる。この物質は１本素子の動作
において重要な役割を果たすわけであるが、電場をＣ軸
に垂直に、あるいは並行に印加すると、磁気モーメント
が電場方向に誘起される性質を持ち、この性質を電気磁
気効果という（Ｅ、ＫＩＴＡ、 Ａ。
ＴＡＳＡＫＩ ａｎｄ Ｋ、５ｌ（ＩＲＡＴＯＲＩ ：
Ｊｐｎ、 Ｊ、 Ａｐｐｌ、 Ｐｈｙｓ、 。
Ｊｐｎ、 Ｊ、 Ａｐｐｌ、 Ｐｈｙｓ、 。
１８ （１９７９） １３６１） 、以下では、Ｃｒ２
Ｏ，薄膜を電気磁気効果膜、略してＭＥ膜と呼ぶことと
する。
Ｏ，薄膜を電気磁気効果膜、略してＭＥ膜と呼ぶことと
する。
本発明では、このＭＥ膜に電場を印加した際に誘起され
る磁気モーメントにより電気抵抗を生じさせ、スイッチ
ング動作を行ねせる。すなわち、電場を０Ｎ−ＯＦＦす
ることにより、スイッチング動作を行わせるわけである
。
る磁気モーメントにより電気抵抗を生じさせ、スイッチ
ング動作を行ねせる。すなわち、電場を０Ｎ−ＯＦＦす
ることにより、スイッチング動作を行わせるわけである
。
以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する
。
。
第１図は本発明の一実施例を示す超伝導スイッチ素子の
概略的斜視構成図であり、この超伝導スイッチ素子は、
絶縁性セラミック（ＭｇＯ）基板１と、基板１上に形成
された第１の超伝導薄膜２Ａ及び絶縁膜７と、その第１
の超伝導薄膜２Ａ及び絶縁膜７の上に形成されたＭＥ膜
３及び第２の超伝導薄膜２Ｂと、上記第１．第２の超伝
導薄膜２Ａ、２Ｂに設けられた電流印加用電極５及び信
号読取り用の信号読取用電極６と、上記ＭＥ膜３に設け
られ基板１に対し垂直に電場を印加するための電場印加
用電極４とを備えた構成を基本構成としている。
概略的斜視構成図であり、この超伝導スイッチ素子は、
絶縁性セラミック（ＭｇＯ）基板１と、基板１上に形成
された第１の超伝導薄膜２Ａ及び絶縁膜７と、その第１
の超伝導薄膜２Ａ及び絶縁膜７の上に形成されたＭＥ膜
３及び第２の超伝導薄膜２Ｂと、上記第１．第２の超伝
導薄膜２Ａ、２Ｂに設けられた電流印加用電極５及び信
号読取り用の信号読取用電極６と、上記ＭＥ膜３に設け
られ基板１に対し垂直に電場を印加するための電場印加
用電極４とを備えた構成を基本構成としている。
上記第１．第２の超伝導薄膜２Ａ、２Ｂの構成材料とし
ては、臨界温度７７Ｋを越えるＹよりａ、Ｃｕ□○、。
ては、臨界温度７７Ｋを越えるＹよりａ、Ｃｕ□○、。
Ｂｉ２Ｓｒ、Ｃａ２Ｃｕ、Ｏｘ、Ｂｉ２５ｒｚＣａ１Ｃ
ｕ、ＯＫ等の酸化物高温超伝導体が望ましい。また、電
極材料としては、白金、金を用いる。
ｕ、ＯＫ等の酸化物高温超伝導体が望ましい。また、電
極材料としては、白金、金を用いる。
第１．第２の超伝導薄膜２Ａ、 ２Ｂの作製方法として
は、スパッタ法、真空蒸着法、ＭＢＥ法、ＩＣＢ法、Ｃ
ＶＤ法等の周知の方法が用いられる。また、 ＭＥＩＩ
＠３、電極４，５，６及びＭＡ縁膜７は、真空蒸着法（
電子ビーム式、抵抗加熱式）を用いて行う。
は、スパッタ法、真空蒸着法、ＭＢＥ法、ＩＣＢ法、Ｃ
ＶＤ法等の周知の方法が用いられる。また、 ＭＥＩＩ
＠３、電極４，５，６及びＭＡ縁膜７は、真空蒸着法（
電子ビーム式、抵抗加熱式）を用いて行う。
第１．第２の超伝導薄膜２Ａ、 ２Ｂの膜厚は、０．２
μｍ−０，５μｍ、ＭＥ膜３の膜厚は、０．１μｍ〜０
゜１５μｍが良く、また、各電極４，５．６の厚さは１
μｍ以下、絶縁膜７は第１の超伝導薄膜２Ａと同程度が
望ましい。
μｍ−０，５μｍ、ＭＥ膜３の膜厚は、０．１μｍ〜０
゜１５μｍが良く、また、各電極４，５．６の厚さは１
μｍ以下、絶縁膜７は第１の超伝導薄膜２Ａと同程度が
望ましい。
次に、本素子の動作原理について説明する。
第１図において、第１．第２の超伝導薄膜２Ａ。
２Ｂの電流印加用電極５に電源を接続し、素子を臨昇温
度以下に冷却した状態で、両超伝導薄膜間に電流を流す
と、一方の超伝導薄膜中を流れた超伝導電流がＭＥ膜膜
中中流れ、もう一方の超伝導薄膜側へ到達する、所謂″
近接効果″により電流が流れる。
度以下に冷却した状態で、両超伝導薄膜間に電流を流す
と、一方の超伝導薄膜中を流れた超伝導電流がＭＥ膜膜
中中流れ、もう一方の超伝導薄膜側へ到達する、所謂″
近接効果″により電流が流れる。
次に、ＭＥ膜３の電極４に電圧を印加し、基板１に対し
垂直な向きの電場をＭＥ膜３に印加すると、電場方向と
平行な方向に磁気モーメントが誘起され、ＭＥ膜３は強
磁性状態になる。尚、このとき、ＭＥ膜は基板１に対し
垂直な方向がＣ軸である。この誘起された磁気モーメン
トにより、超伝導電流は、常伝導電流となり、抵抗を生
じて電圧が発生する。従って、電場印加前後で零電圧か
ら有限電圧を生ずる電圧信号変化を読み取り、これを０
Ｎ−ＯＦＦ動作に対応させればスイッチ素子として有効
に機能する。尚、電圧変化を特に顕著に読み取るために
は、流す電流値を最大零電圧電流（臨界電流）以下にす
ることが望ましい。
垂直な向きの電場をＭＥ膜３に印加すると、電場方向と
平行な方向に磁気モーメントが誘起され、ＭＥ膜３は強
磁性状態になる。尚、このとき、ＭＥ膜は基板１に対し
垂直な方向がＣ軸である。この誘起された磁気モーメン
トにより、超伝導電流は、常伝導電流となり、抵抗を生
じて電圧が発生する。従って、電場印加前後で零電圧か
ら有限電圧を生ずる電圧信号変化を読み取り、これを０
Ｎ−ＯＦＦ動作に対応させればスイッチ素子として有効
に機能する。尚、電圧変化を特に顕著に読み取るために
は、流す電流値を最大零電圧電流（臨界電流）以下にす
ることが望ましい。
次に、本発明による超伝導スイッチ素子のより具体的な
実施例について説明する。
実施例について説明する。
先ず、ＭｇＯ（１００）単結晶基板１上に蒸着法により
Ａｕ膜を０．５μｍ蒸着し、その上に幅５ｍｍ、長さ１
１０ｌ１、膜厚０．５μｍの第１のＹ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｏ
ｘ超伝導薄膜２人をスパッタ法等により形成する。
Ａｕ膜を０．５μｍ蒸着し、その上に幅５ｍｍ、長さ１
１０ｌ１、膜厚０．５μｍの第１のＹ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｏ
ｘ超伝導薄膜２人をスパッタ法等により形成する。
スパッタ時のターゲット組成は、Ｙ ： Ｂａ： Ｃｕ
＝１：２：３に近い組成にし、Ａｒ：Ｏ，＝９：１の混
合ガス雰囲気中、圧力２×１０″″” ｔｏｒｒで基板
温度約５５０℃の条件で作製した。その後、電気炉で９
００℃に加熱し、約１気圧の酸素気流中で、数時間の熱
処理を施した。この結果得られた超伝導薄膜の臨界温度
は９０にであった。
＝１：２：３に近い組成にし、Ａｒ：Ｏ，＝９：１の混
合ガス雰囲気中、圧力２×１０″″” ｔｏｒｒで基板
温度約５５０℃の条件で作製した。その後、電気炉で９
００℃に加熱し、約１気圧の酸素気流中で、数時間の熱
処理を施した。この結果得られた超伝導薄膜の臨界温度
は９０にであった。
次に、電子ビーム蒸着法によりＭＥ膜３の形成を行う。
蒸発源にはＣｒ２Ｏ，粉末焼結体を用い。
幅５朋、長さ１０ｍｍ、厚さ０．１μｍのＭＥ膜３を蒸
着した。この時の作製条件は、酸素雰囲気中、圧力Ｉ
Ｘ １０−’ｔｏｒｒ、基板温度４００℃で行った。さ
らにこの時、酸素ガスを高周波電界によりプラズマ状態
にして行うと、更によい膜ができた。尚、何れの場合も
得られたＭＥ膜３はＣ軸配向していた。
着した。この時の作製条件は、酸素雰囲気中、圧力Ｉ
Ｘ １０−’ｔｏｒｒ、基板温度４００℃で行った。さ
らにこの時、酸素ガスを高周波電界によりプラズマ状態
にして行うと、更によい膜ができた。尚、何れの場合も
得られたＭＥ膜３はＣ軸配向していた。
次に、第１図に示すように、ＭＥ膜３の上にさらに第２
のＹ□Ｂａ、Ｃｕ、０８薄膜２Ｂを第１の超伝導薄膜２
人と同じサイズで形成する。そして、最後に各電極４，
５．６を形成する。この電極は、Ａｕ電極を真空蒸着法
により、幅２ｍｍから３ｍｍ、長さ３ｎ＋ｍから５鰭、
厚さ０．５μｍに蒸着して形成した。
のＹ□Ｂａ、Ｃｕ、０８薄膜２Ｂを第１の超伝導薄膜２
人と同じサイズで形成する。そして、最後に各電極４，
５．６を形成する。この電極は、Ａｕ電極を真空蒸着法
により、幅２ｍｍから３ｍｍ、長さ３ｎ＋ｍから５鰭、
厚さ０．５μｍに蒸着して形成した。
尚、上述の各薄膜を作る際には、所定の形状となるよう
に、基板上にマスクを置いて作製した。
に、基板上にマスクを置いて作製した。
さて、以上のようにして作製された超伝導スイッチ素子
を温度７０にで冷却し、第１．第２の超伝導薄膜２Ａ、
２Ｂが超伝導状態となったところで、電極５にＯ〜４
０ｍＡの電流を流したところ、素子中を流れる電流と、
信号読取用電極６間で検出される電圧との関係は、第２
図の１（印加前）のようになる０次に、電極４に５０Ｖ
／Ｃｍの電圧をかけてＭＥ膜３に電場を印加したところ
、電流と電圧の関係は第２図の２（印加後）のようにな
り、スイッチング動作が可能となった。
を温度７０にで冷却し、第１．第２の超伝導薄膜２Ａ、
２Ｂが超伝導状態となったところで、電極５にＯ〜４
０ｍＡの電流を流したところ、素子中を流れる電流と、
信号読取用電極６間で検出される電圧との関係は、第２
図の１（印加前）のようになる０次に、電極４に５０Ｖ
／Ｃｍの電圧をかけてＭＥ膜３に電場を印加したところ
、電流と電圧の関係は第２図の２（印加後）のようにな
り、スイッチング動作が可能となった。
以上説明したように、本発明によれば、超伝導体の特性
である低消費電力、高速応答性を有し、しかも、外部か
らの光や磁場を用いずともスイッチング動作を行うこと
ができる、新規で、低コストな超伝導スイッチ素子を提
供することができる。
である低消費電力、高速応答性を有し、しかも、外部か
らの光や磁場を用いずともスイッチング動作を行うこと
ができる、新規で、低コストな超伝導スイッチ素子を提
供することができる。
また、本発明による超伝導スイッチ素子は、外部からの
光照射や磁場印加を必要としないため、集積回路等など
への組込も容易に可能となる。
光照射や磁場印加を必要としないため、集積回路等など
への組込も容易に可能となる。
第１図は本発明の一実施例を示す超伝導スイッチ素子の
概略的斜視構成図、第２図は第１図に示す構成の超伝導
スイッチ素子のスイッチング動作の説明図。 １・・・・絶縁性基板、２Ａ・・・・第１の超伝導薄膜
、２Ｂ・・・・第２の超伝導薄膜、３・・・・酸化物反
強磁性薄膜（ＭＥ膜）、４・・・・電場印加用電極、５
・・・・電流用電極、６・・・・信号読取用電極、７・
・・・絶縁膜。
概略的斜視構成図、第２図は第１図に示す構成の超伝導
スイッチ素子のスイッチング動作の説明図。 １・・・・絶縁性基板、２Ａ・・・・第１の超伝導薄膜
、２Ｂ・・・・第２の超伝導薄膜、３・・・・酸化物反
強磁性薄膜（ＭＥ膜）、４・・・・電場印加用電極、５
・・・・電流用電極、６・・・・信号読取用電極、７・
・・・絶縁膜。
Claims (1)
- 絶縁性基板上に形成された第１の超伝導薄膜と、その第
１の超伝導薄膜の上に形成された酸化物反強磁性薄膜及
び第２の超伝導薄膜と、上記第１、第２の超伝導薄膜に
設けられた電流用電極と、上記反強磁性薄膜に設けられ
基板に対して垂直に電場を印加するための電極とを備え
、超伝導体と反強磁性体とを結合させたことを特徴とす
る超伝導スイッチ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1329158A JP3016566B2 (ja) | 1989-12-19 | 1989-12-19 | 超伝導スイッチ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1329158A JP3016566B2 (ja) | 1989-12-19 | 1989-12-19 | 超伝導スイッチ素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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-
1989
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| US20120302446A1 (en) * | 2011-01-26 | 2012-11-29 | Ryazanov Valery V | Josephson magnetic switch |
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