JPH03276776A - 超伝導記憶素子 - Google Patents
超伝導記憶素子Info
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- JPH03276776A JPH03276776A JP2077784A JP7778490A JPH03276776A JP H03276776 A JPH03276776 A JP H03276776A JP 2077784 A JP2077784 A JP 2077784A JP 7778490 A JP7778490 A JP 7778490A JP H03276776 A JPH03276776 A JP H03276776A
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
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】
〔発明の技術分野〕
本発明は超伝導体を利用した記憶素子に関するものであ
る。
る。
従来超伝導体を利用した記憶素子としてはジョセフソン
接合を用いた素子が提案されていた。これは、既に金属
系超伝導体をもちいて試作されている。しかしながら、
金属系超伝導体はその臨界温度が極めて低く、冷却には
高価で資源的にも偏在したヘリウムを必要とした。一方
、近年、液体窒素温度以上の高温でも、超伝導を示す超
伝導体が酸化物において見出された。いわゆる酸化物高
温超伝導体である。それを用いて従来の如く記憶素子を
作れば液体窒素冷却で動作させることが可能であると考
えられる。しかしながら、これら酸化物高温超伝導体は
、コヒーレント長が極めて短く、化学反応性が強いため
、人工的なジョセフソン接合は作製されていない。現在
までに報告されているジョセフソン効果は、自然に発生
する結晶粒界によるものであり、これは人工的に制御す
ることが難しいため素子の作製には無理がある。そこで
、ジョセフソン接合を全く使用しない素子（記憶素子を
含む）の開発が必要とされていた。
接合を用いた素子が提案されていた。これは、既に金属
系超伝導体をもちいて試作されている。しかしながら、
金属系超伝導体はその臨界温度が極めて低く、冷却には
高価で資源的にも偏在したヘリウムを必要とした。一方
、近年、液体窒素温度以上の高温でも、超伝導を示す超
伝導体が酸化物において見出された。いわゆる酸化物高
温超伝導体である。それを用いて従来の如く記憶素子を
作れば液体窒素冷却で動作させることが可能であると考
えられる。しかしながら、これら酸化物高温超伝導体は
、コヒーレント長が極めて短く、化学反応性が強いため
、人工的なジョセフソン接合は作製されていない。現在
までに報告されているジョセフソン効果は、自然に発生
する結晶粒界によるものであり、これは人工的に制御す
ることが難しいため素子の作製には無理がある。そこで
、ジョセフソン接合を全く使用しない素子（記憶素子を
含む）の開発が必要とされていた。
本発明は上記の通り、ジョセフソン素子等、作製上の困
難なものを全く含まない素子を目的とする。
難なものを全く含まない素子を目的とする。
そのためにジョセフソン接合に変わって、準粒子トンネ
ル接合もしくはＳＩＮ接合と呼ばれる、超伝導体−絶縁
体一常伝導体接合を使用する。これはジョセフソン接合
が超伝導体−絶縁体−超伝導体接合であるため、とおし
ても、絶縁体層を形成した後、再び、超伝導体を形成す
るために高温の処理が必要であったのに対し、−度超伝
導体層を形成すれば、その後の絶縁体層と常伝導体層は
室温で簡単な装置（例えば真空蒸着装置やスパッタリン
グ成膜装置等）で制御性よく作製が可能である。加えて
、この接合の速度の速度はジョセフソン接合のものに比
して、決して遅くはない。
ル接合もしくはＳＩＮ接合と呼ばれる、超伝導体−絶縁
体一常伝導体接合を使用する。これはジョセフソン接合
が超伝導体−絶縁体−超伝導体接合であるため、とおし
ても、絶縁体層を形成した後、再び、超伝導体を形成す
るために高温の処理が必要であったのに対し、−度超伝
導体層を形成すれば、その後の絶縁体層と常伝導体層は
室温で簡単な装置（例えば真空蒸着装置やスパッタリン
グ成膜装置等）で制御性よく作製が可能である。加えて
、この接合の速度の速度はジョセフソン接合のものに比
して、決して遅くはない。
本発明における記憶素子は第１図（ｄ）のように酸化物
超伝導体層、絶縁体の薄い膜と金属からなり、場合によ
っては酸化物超伝導体と金属層の間の絶縁体膜は設けら
れないこともある。この素子は絶縁体層が設けられない
こともある。この素子は絶縁層が設けられても、そうで
なくても本質的には超伝導−絶縁体−常伝導体（ＳＩＮ
と略記する）接合からなっている。この例ではＳＩＮ接
合は２つであるが、必要に応じて３つ、４つの接合を直
列に接続することもある。
超伝導体層、絶縁体の薄い膜と金属からなり、場合によ
っては酸化物超伝導体と金属層の間の絶縁体膜は設けら
れないこともある。この素子は絶縁体層が設けられない
こともある。この素子は絶縁層が設けられても、そうで
なくても本質的には超伝導−絶縁体−常伝導体（ＳＩＮ
と略記する）接合からなっている。この例ではＳＩＮ接
合は２つであるが、必要に応じて３つ、４つの接合を直
列に接続することもある。
次にこの素子の動作原理を説明する。この素子の超伝導
体の臨界温度以下の有限温度における電圧−電流特性の
概念図を第３図に示す。ここで△は超伝導体のエネルギ
ーギャップ（単位は電子ホルトｅｖ）、ｅは電気素量１
．６ Ｘ １０−Ｉ９ｃＴ：ある。
体の臨界温度以下の有限温度における電圧−電流特性の
概念図を第３図に示す。ここで△は超伝導体のエネルギ
ーギャップ（単位は電子ホルトｅｖ）、ｅは電気素量１
．６ Ｘ １０−Ｉ９ｃＴ：ある。
ＳＩＮ接合が１つの場合には、電流が立ち上がるときの
電圧の大きさは△／ｅであるが、この場合にはＳＩＮ接
合が２つあるのでその２倍の２△／ｅである。もしなん
らかの理由でエネルギーギャップが小さくなったら、そ
のときの電圧−電流特性は第３図の破線のようになる。
電圧の大きさは△／ｅであるが、この場合にはＳＩＮ接
合が２つあるのでその２倍の２△／ｅである。もしなん
らかの理由でエネルギーギャップが小さくなったら、そ
のときの電圧−電流特性は第３図の破線のようになる。
さて、エネルギーギャップが△という状態で素子にｖ＜
２△／ｅなるバイアス電圧■をかけたとしよう。このと
きのエネルギー準位は第２図（ａ）のようになる。第２
図は本発明のエネルギー単位を示す図であり、（２２）
は超伝導体、（２１）は常伝導体、△はエネルギーギャ
ップ、■はバイアス電圧を示す。
２△／ｅなるバイアス電圧■をかけたとしよう。このと
きのエネルギー準位は第２図（ａ）のようになる。第２
図は本発明のエネルギー単位を示す図であり、（２２）
は超伝導体、（２１）は常伝導体、△はエネルギーギャ
ップ、■はバイアス電圧を示す。
超伝導体（２２）にはそのフェルミ面（２３）を中心と
して２△だけエネルギー準位にギャップがある。
して２△だけエネルギー準位にギャップがある。
矢印はトンネル電流を表す。光照射によるエネルギーギ
ャップの変化によってトンネル電流が観測される。） ここでそのエネルギーが２△／ｅ以上の光が照射された
とする。超伝導キャリヤ一対はこの光を吸収し、２つの
常伝導キャリヤーすなわち準粒子となって、ギャップの
上方に励起される。とともに、非平衡超伝導効果によっ
て、超伝導体のエネルギーギャップが狭められる。この
時のエネルギーギャップΔは、 △＝Δ（０）−２ｎ、、／Ｎ （０） （１）で
あられされる。ここで、ｎｑ、、は準粒子の量、△（０
）は絶対零度での超伝導エネルギーギャップであり、Ｎ
（０）は超伝導体の常伝導状態でのフェルミ面の状態密
度である。
ャップの変化によってトンネル電流が観測される。） ここでそのエネルギーが２△／ｅ以上の光が照射された
とする。超伝導キャリヤ一対はこの光を吸収し、２つの
常伝導キャリヤーすなわち準粒子となって、ギャップの
上方に励起される。とともに、非平衡超伝導効果によっ
て、超伝導体のエネルギーギャップが狭められる。この
時のエネルギーギャップΔは、 △＝Δ（０）−２ｎ、、／Ｎ （０） （１）で
あられされる。ここで、ｎｑ、、は準粒子の量、△（０
）は絶対零度での超伝導エネルギーギャップであり、Ｎ
（０）は超伝導体の常伝導状態でのフェルミ面の状態密
度である。
エネルギーギャップがＶ以下になったとき、トンネル効
果によって素子に電流が流れる（第２図（ｂ））。とこ
ろが、左の常伝導体から超伝導体にながれてくるキャリ
ヤーは準粒子として振る舞う。電流が十分少なければ、
式（１）からも明らかなように△の変化も小さく、光の
照射が終わればもとの超伝導状態に復帰するが、多量の
電流が流れていた場合には光が遮断されても△がもとの
状態に復帰せず、したがって、定常的にトンネル電流が
流れるようになる（第２図（Ｃ））。すなわち、記憶状
態と見なせる。第３図で説明すると、バイアス電圧■を
印加しただけの状態のときはＡ点にある。これに光を照
射するとＢ点に移り、光が無くなってもその位置に留ま
る。点Ａから点Ｂへの移動はエネルギーギャップの変化
の速度によって決定されるが、この過程に要する時間は
１〜１０ｐｓと考えられているため、極めて高速で動作
可能である。
果によって素子に電流が流れる（第２図（ｂ））。とこ
ろが、左の常伝導体から超伝導体にながれてくるキャリ
ヤーは準粒子として振る舞う。電流が十分少なければ、
式（１）からも明らかなように△の変化も小さく、光の
照射が終わればもとの超伝導状態に復帰するが、多量の
電流が流れていた場合には光が遮断されても△がもとの
状態に復帰せず、したがって、定常的にトンネル電流が
流れるようになる（第２図（Ｃ））。すなわち、記憶状
態と見なせる。第３図で説明すると、バイアス電圧■を
印加しただけの状態のときはＡ点にある。これに光を照
射するとＢ点に移り、光が無くなってもその位置に留ま
る。点Ａから点Ｂへの移動はエネルギーギャップの変化
の速度によって決定されるが、この過程に要する時間は
１〜１０ｐｓと考えられているため、極めて高速で動作
可能である。
以上のように本発明の素子は超伝導体層、金属層という
接合（ＳＮ接合）もしくは超伝導体層、絶縁層、金属層
という接合（ＳＩＮ接合）を直列に２つ以上有する素子
で、超伝導臨界温度以下の温度において、素子の両端に
ｎΔ／ｅ（ただし、△は超伝導体のエネルギーギャップ
（単位は電子ボルトｅｖ）、ｅは電気素量１．６ Ｘ
１０−Ｉ９ｃ、 ｎは接合の数）以下の電圧をかけた状
態で、超伝導体層に光を照射することによって、トンネ
ル電流を流し、これが光を遮断した後も流れ続けること
を用いて、書込み、記憶することのできる素子である。
接合（ＳＮ接合）もしくは超伝導体層、絶縁層、金属層
という接合（ＳＩＮ接合）を直列に２つ以上有する素子
で、超伝導臨界温度以下の温度において、素子の両端に
ｎΔ／ｅ（ただし、△は超伝導体のエネルギーギャップ
（単位は電子ボルトｅｖ）、ｅは電気素量１．６ Ｘ
１０−Ｉ９ｃ、 ｎは接合の数）以下の電圧をかけた状
態で、超伝導体層に光を照射することによって、トンネ
ル電流を流し、これが光を遮断した後も流れ続けること
を用いて、書込み、記憶することのできる素子である。
本発明に用いられる超伝導体としては低キャリヤー濃度
超伝導体として知られている、イツトリウム（もしくは
他のランタノイド族元素）−バリウム−銅−酸素からな
る超伝導体、もしくは主としてビスマス−ストロンチウ
ム−カルシウム−銅酸素からなる超伝導体、もしくは主
としてタリウム−バリウム−カルシウム−銅−酸素から
なる超伝導体、もしくはランタン−アルカリ土類金属銅
−酸素からなる超伝導体、もしくはバリウムカリウム−
ビスマス−酸素からなる超伝導体、もしくはバリウム−
ビスマス−鉛−酸素からなる超伝導体を用いることがで
きる。
超伝導体として知られている、イツトリウム（もしくは
他のランタノイド族元素）−バリウム−銅−酸素からな
る超伝導体、もしくは主としてビスマス−ストロンチウ
ム−カルシウム−銅酸素からなる超伝導体、もしくは主
としてタリウム−バリウム−カルシウム−銅−酸素から
なる超伝導体、もしくはランタン−アルカリ土類金属銅
−酸素からなる超伝導体、もしくはバリウムカリウム−
ビスマス−酸素からなる超伝導体、もしくはバリウム−
ビスマス−鉛−酸素からなる超伝導体を用いることがで
きる。
以下に実施例を示しさらに詳細に本発明を説明する。
実施例
第１図に本発明の超伝導記憶素子の作製工程を示す。
酸化物超伝導体ＢｉｚＳｒｚＣａＣｕｚＯｅ薄膜（２）
（膜厚は約０．１μｍ）を通常のスパッタリング法によ
って酸化マグネシウム単結晶（１００）面基板（３）上
に作製し、さらにその上に厚さ約１０ｎｍの酸化アルミ
ニウム薄膜（１）を堆積した（第１図（ａ））。超伝導
体膜（２）及び酸化アルミニウム膜（１）は極めて平坦
な膜であり、粒界らしきものは認められなかった。Ｘ線
解析法によってこの超伝導体膜はＣ軸が基板に対して垂
直であることがわかった。また、磁化率測定から、９０
に以下で超伝導を示すことがわかった。
（膜厚は約０．１μｍ）を通常のスパッタリング法によ
って酸化マグネシウム単結晶（１００）面基板（３）上
に作製し、さらにその上に厚さ約１０ｎｍの酸化アルミ
ニウム薄膜（１）を堆積した（第１図（ａ））。超伝導
体膜（２）及び酸化アルミニウム膜（１）は極めて平坦
な膜であり、粒界らしきものは認められなかった。Ｘ線
解析法によってこの超伝導体膜はＣ軸が基板に対して垂
直であることがわかった。また、磁化率測定から、９０
に以下で超伝導を示すことがわかった。
この絶縁層（１）及び酸化物超伝導体薄膜（２）を通常
のフォトリソグラフィー法によってエツチングし、−辺
の長さ５μｍの正方形に加工した（第１図（ｂ））。さ
らにその上に第１図（Ｃ）のように酸化アルミニュウム
の厚さ約０．１μｍの薄膜（５）をマスク（４）を用い
て真空蒸着法によって形成した。最後にやはりマスクを
用いて真空蒸着法によって金の薄膜（６）（厚さ約０．
１μｍ）を堆積し、ＳＩＮ接合とした。この金の薄膜（
６）が素子の電極も兼ねる。２つのＳＩＮ接合の間隔は
約２μｍであった。
のフォトリソグラフィー法によってエツチングし、−辺
の長さ５μｍの正方形に加工した（第１図（ｂ））。さ
らにその上に第１図（Ｃ）のように酸化アルミニュウム
の厚さ約０．１μｍの薄膜（５）をマスク（４）を用い
て真空蒸着法によって形成した。最後にやはりマスクを
用いて真空蒸着法によって金の薄膜（６）（厚さ約０．
１μｍ）を堆積し、ＳＩＮ接合とした。この金の薄膜（
６）が素子の電極も兼ねる。２つのＳＩＮ接合の間隔は
約２μｍであった。
このようにして作製した素子の特性を調べた。
素子を液体窒素で冷却し、バイアス電圧として１０ｍｖ
を印加した。この状態でパルス幅約ＩｏｎＳのＮｄ：Ｙ
ＡＧレーザー光（波長１．０６μｍ）を照射した。０．
１ ｍ Ｊ ／ ｃＩＩＹ以上の光の照射によって素子
が記憶状態になることがわかった。このとき素子に流れ
る電流の大きさは約５μＡであった〔効果〕 本発明の記憶素子は、従来から知られていた超伝導体（
特に低キャリヤー濃度超伝導体）にも適用でき、また、
近年発見された液体窒素温度を超える臨界温度を有する
酸化物高温超伝導体にも適用できる。本発明の記憶素子
はその書込みに要する時間が極めて短くてすみ、かつジ
ョセフソン接合が無いため構造及び作製方法が簡単であ
る。本発明の記憶素子は超伝導体素子を使用したコンピ
ュータや半導体を使用したコンピュータの記憶素子とし
て幅広く使用されうる。
を印加した。この状態でパルス幅約ＩｏｎＳのＮｄ：Ｙ
ＡＧレーザー光（波長１．０６μｍ）を照射した。０．
１ ｍ Ｊ ／ ｃＩＩＹ以上の光の照射によって素子
が記憶状態になることがわかった。このとき素子に流れ
る電流の大きさは約５μＡであった〔効果〕 本発明の記憶素子は、従来から知られていた超伝導体（
特に低キャリヤー濃度超伝導体）にも適用でき、また、
近年発見された液体窒素温度を超える臨界温度を有する
酸化物高温超伝導体にも適用できる。本発明の記憶素子
はその書込みに要する時間が極めて短くてすみ、かつジ
ョセフソン接合が無いため構造及び作製方法が簡単であ
る。本発明の記憶素子は超伝導体素子を使用したコンピ
ュータや半導体を使用したコンピュータの記憶素子とし
て幅広く使用されうる。
また本発明によって、量産性・再現性に優れた酸化物超
伝導体を使用した記憶素子ができるようになった。この
素子は、液体窒素温度でも十分動作する超伝導素子であ
るため、従来の金属系超伝導体を用いた超伝導素子より
も運転コストが安（できる。またジョセフソン接合を用
いないので構造が簡単で、作製が容易である。
伝導体を使用した記憶素子ができるようになった。この
素子は、液体窒素温度でも十分動作する超伝導素子であ
るため、従来の金属系超伝導体を用いた超伝導素子より
も運転コストが安（できる。またジョセフソン接合を用
いないので構造が簡単で、作製が容易である。
以上のことから明らかなように、本発明は工業上有益な
発明である。
発明である。
第１図は本発明の記憶素子の作製方法を示す口笛２図は
本発明の記憶素子のエネルギー準位図第３図は本発明の
記憶素子における電流−電圧特性を示す図 （実線は光を照射しないとき、破線は光を照射したとき
、及びその後） １・・・絶縁層（酸化アルミニウム） ２・・・超伝導体層（ＢｉｚＳｒｚＣａＣｕｚＯｓ ）
・基板（酸化マグネシウム） ・マスク ・絶縁膜（酸化アルミニウム） ・常伝導体膜（金）
本発明の記憶素子のエネルギー準位図第３図は本発明の
記憶素子における電流−電圧特性を示す図 （実線は光を照射しないとき、破線は光を照射したとき
、及びその後） １・・・絶縁層（酸化アルミニウム） ２・・・超伝導体層（ＢｉｚＳｒｚＣａＣｕｚＯｓ ）
・基板（酸化マグネシウム） ・マスク ・絶縁膜（酸化アルミニウム） ・常伝導体膜（金）
Claims (1)
- （１）超伝導体層、金属層という接合もしくは超伝導体
層、絶縁層、金属層という接合を用いたことを特徴とす
る超伝導記憶素子
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2077784A JP2921697B2 (ja) | 1990-03-27 | 1990-03-27 | 超伝導記憶素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2077784A JP2921697B2 (ja) | 1990-03-27 | 1990-03-27 | 超伝導記憶素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03276776A true JPH03276776A (ja) | 1991-12-06 |
| JP2921697B2 JP2921697B2 (ja) | 1999-07-19 |
Family
ID=13643600
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| JP (1) | JP2921697B2 (ja) |
-
1990
- 1990-03-27 JP JP2077784A patent/JP2921697B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2921697B2 (ja) | 1999-07-19 |
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