JPH0537032A

JPH0537032A - 超電導素子

Info

Publication number: JPH0537032A
Application number: JP3208613A
Authority: JP
Inventors: Takao Nakamura; 孝夫中村; Michitomo Iiyama; 道朝飯山
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1991-07-25
Filing date: 1991-07-25
Publication date: 1993-02-12

Abstract

(57)【要約】【構成】Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜２の中央部
付近が超電導チャネル20であり、超電導チャネル20上に
絶縁膜が配置され、絶縁膜を挟んで両側にやはりＹ₁Ba₂
Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導体で超電導ソース電極３および超
電導ドレイン電極４が配置されている。この絶縁膜上に
ゲート電極５を、また、「凹」の字の平面形の抵抗チャ
ネル６を各先端部が超電導ソース電極３および超電導ド
レイン電極４上に配置されるよう、真空蒸着法によりAu
で形成されている超電導素子。【効果】ヒステリシス特性が改善された超電導電界効
果型素子が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導素子に関する。
より詳細には、チャネルが酸化物超電導体で構成されて
いる電界効果型三端子素子と抵抗素子とを集積化した超
電導素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導現象を利用した素子は、従来の半
導体素子に比較して高速であり、消費電力も小さく、飛
躍的に高性能化することができると考えられている。特
に近年研究が進んでいる酸化物超電導体を使用すること
により、比較的高い温度で動作する超電導素子を作製す
ることが可能である。超電導素子としては、ジョセフソ
ン素子がよく知られているが、ジョセフソン素子は２端
子の素子であるので論理回路を構成しようとすると、回
路が複雑になる。そのため、３端子の超電導素子が実用
上有利である。

【０００３】３端子の超電導素子には、近接させて配置
した超電導電極間の半導体に超電導電流を流す超電導近
接効果を利用したものと、超電導チャネルに流れる超電
導電流をゲート電極で制御するものとが代表的である。
どちらの素子も入出力の分離が可能であり、電圧制御型
の素子であって、信号の増幅作用があるという点では共
通している。しかしながら、超電導近接効果を得るため
には、超電導体電極をその超電導体のコヒーレンス長の
数倍（酸化物超電導体の場合数nm）以内の距離に配置し
なければならない。従って、非常に精密な加工が要求さ
れる。それに対し、チャネルが超電導チャネルになって
いる超電導素子は、電流密度が大きく、製造上も超電導
電極を近接させて配置するという微細加工を必要としな
い。

【０００４】図３に、超電導チャネルを有する超電導電
界効果型素子の一例の概略図を示す。図３の超電導電界
効果型素子１は、基板10上に配置された酸化物超電導体
による超電導チャネル20と、超電導チャネル20の両端付
近にそれぞれ配置されたソース電極３およびドレイン電
極４と、超電導チャネル20上にゲート絶縁層９を介して
配置されたゲート電極５とを具備する。この超電導電界
効果型素子は、ソース電極３およびドレイン電極４間を
流れる超電導電流をゲート電極５に印加する電圧で制御
する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の超電導電界効果
型素子の特性を図４に示す。図４(a)は、図３に示した
超電導電界効果型素子において、特定のゲート電圧値に
対するソース−ドレイン間の電圧−電流特性を示したグ
ラフである。図４(a)のグラフに示した特性は、いわゆ
る所要特性と呼ばれる理想的な状態における特性であ
る。しかしながら、実際に図４(a)に示す所要特性の素
子を動作させた場合には、図４(a)のような特性を示さ
ず、ヒステリシス特性を示す。図４(b)に、図４(a)に示
した特性を有する超電導電界効果型素子のゲート電圧を
一定にして、ソース−ドレイン間の電圧を変化させたと
きの電流の変化を示す。

【０００６】図４(b)に示すようこの超電導電界効果型
素子は、電圧が上昇するときと、電圧が下降するときと
で、電流値が異なる変化を起こす。このような超電導電
界効果型素子は、ゲート電圧の値およびソース−ドレイ
ン間電圧の値に対するソース−ドレイン間電流の値が、
特定できないため実用性が低い。

【０００７】そこで、本発明の目的は、上記の超電導電
界効果型素子の特性を改善した超電導素子を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に従うと、酸化物
超電導体で構成されたソース領域およびドレイン領域
と、該ソース領域およびドレイン領域間に配置された酸
化物超電導体で構成された超電導チャネルと、該超電導
チャネルを流れる電流を制御するためのゲート電圧が印
加される常電導体によるゲート電極とを備える超電導電
界効果型素子と、該超電導電界効果型素子の前記ソース
領域およびドレイン領域間に接続された抵抗チャネルと
を具備し、前記超電導電界効果型素子のゲート電極と、
前記抵抗チャネルとが等しい材料で構成されていること
を特徴とする超電導素子が提供される。

【０００９】

【作用】本発明の超電導素子は、ソース領域およびドレ
イン領域間に配置された超電導チャネルとこの超電導チ
ャネルを流れる電流を制御するためのゲート電圧が印加
される常電導体によるゲート電極とを有する超電導電界
効果型素子と、この超電導電界効果型素子のソース領域
およびドレイン領域間に超電導チャネルと並列に接続さ
れた抵抗素子とが集積化された素子であり、超電導電界
効果型素子のゲート電極と抵抗素子の抵抗チャネルとが
等しい常電導体材料で構成されている。この常電導体材
料としては、Au、Ag等の貴金属が好ましい。これらの貴
金属は、酸化物超電導体と反応を起こさず、酸化物超電
導体に接触させた場合でも悪影響を与えない。また、後
述するよう本発明の超電導素子において、抵抗チャネル
の電気抵抗は極めて小さいので、抵抗率の小さい貴金属
を使用することが好ましい。

【００１０】本発明の超電導素子は、ゲート電極で開閉
される超電導チャネルと抵抗チャネルとが、ソース電極
およびドレイン電極間に並列に配置されているので、超
電導チャネルが抵抗状態にあるときには、抵抗チャネル
にソース−ドレイン間電流が流れる。従って、超電導電
界効果型素子特有のヒステリシス特性が解消される。そ
のため、本発明の超電導素子において、抵抗チャネルの
抵抗値は、上記超電導電界効果型素子の超電導チャネル
が抵抗状態にあるときの超電導チャネルのソース−ドレ
イン間の抵抗値よりもかなり小さい値としなければなら
ない。

【００１１】本発明は、任意の酸化物超電導体に適用で
きるが、Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X系酸化物超電導体は安定的に高
品質の結晶性のよい薄膜が得られるので好ましい。ま
た、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃Ｏ_x系酸化物超電導体は、特にその超
電導臨界温度Ｔc が高いので好ましい。

【００１２】以下、本発明を実施例によりさらに詳しく
説明するが、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲をなんら制限するものではな
い。

【００１３】

【実施例】図１に本発明の超電導素子の一例の概略平面
図を示す。図１に示した本発明の超電導素子は、MgＯ基
板10上に形成されたＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜２
に形成された超電導チャネル20と、超電導チャネル20上
に絶縁層（不図示）を介して配置されたAuで構成された
ゲート電極５と、やはり、超電導チャネル20上のゲート
電極５の両側にそれぞれ配置されたＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化
物超電導体で構成された超電導ソース電極３および超電
導ドレイン電極４とを具備する。この超電導チャネル2
0、超電導ソース電極３、超電導ドレイン電極４および
ゲート電極５は超電導電界効果素子を構成する。

【００１４】また、「凹」の字型の平面形の抵抗チャネ
ル６の各先端部が、超電導ソース電極３および超電導ド
レイン電極４の両者上に配置されている。超電導チャネ
ル20と抵抗チャネル６は、超電導ソース電極３および超
電導ドレイン電極４間に並列に接続されている。

【００１５】上記本発明の超電導素子を作製する方法を
以下に説明する。まず、MgＯ基板10上に超電導チャネル
となるＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜２を成膜する。
成膜方法としては、各種のスパッタリング法、ＭＢＥ
法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等任意の方法が使用可能であ
る。スパッタリング法で成膜を行う際の主な成膜条件を
以下に示す。

【００１６】次に、上記のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導
薄膜２の中央部付近に絶縁膜を、Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物
超電導薄膜２上の絶縁膜を挟んだ両側にやはりＹ₁Ba₂Cu
₃Ｏ_7-X酸化物超電導体で超電導ソース電極３および超電
導ドレイン電極４を形成する。このとき、Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ
_7-X酸化物超電導薄膜２上全体に亘ってＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X
酸化物超電導薄膜を形成し、レジスト等でこのＹ₁Ba₂Cu
₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜を被覆し、高真空中で熱処理を
行って中央部付近を帯状の部分のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物
超電導体結晶中の酸素を除去して絶縁体とする処理を行
ってもよい。Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜を作製す
る方法は、任意の方法が使用可能である。

【００１７】上記の絶縁膜上にゲート電極５を、「凹」
の字型の平面形の抵抗チャネル６を各先端が超電導ソー
ス電極３および超電導ドレイン電極４上に配置されるよ
う、Auを用いて真空蒸着法にて形成して本発明の超電導
素子が完成する。

【００１８】図２(a)〜(c)を参照して本発明の超電導素
子の動作を説明する。図２(a)および(b)は、本発明の超
電導素子の動作を等価回路で図示したものである。即
ち、本発明の超電導素子は、超電導電界効果型素子１
と、超電導電界効果型素子１の超電導チャネル20に並列
にソース電極３およびドレイン電極４間に接続されてい
る抵抗素子16で構成される回路と等価である。図２(a)
は、本発明の超電導素子において、超電導電界効果型素
子１のゲート電極５に電圧が印加されてなく、超電導チ
ャネル20のゲートが開いている状態を示す。このとき、
超電導チャネル20は、超電導状態であり、電気抵抗が事
実上０であるので、ソース−ドレイン間電流は全て超電
導チャネル20を流れる。

【００１９】図２(b)は本発明の超電導素子において
（超電導電界効果型素子１のゲート電極５に電圧が印加
されて）、超電導チャネル20が抵抗状態にある場合を示
す。この場合、超電導チャネル20の超電導状態は失われ
ている。このとき、超電導チャネル20の抵抗値Ｒ_sは、
ソース−ドレイン間の電圧が上昇して超電導チャネル20
に電流が流れ始めるときの抵抗値Ｒ_upおよびソース−ド
レイン間の電圧が下降して超電導チャネル20に流れてい
た電流が断たれる瞬間の抵抗値Ｒ_downと、次のような関
係になっている。Ｒ_up＜Ｒ_s＜Ｒ_down 抵抗素子16の抵抗値Ｒは、Ｒ≪Ｒ_upに設定されているの
で、このときのソース−ドレイン間電流はほとんど抵抗
素子16をながれる。従って、この場合のソース−ドレイ
ン間抵抗は、ほぼＲに等しい。

【００２０】図２(c)は、上記本発明の超電導素子の特
性図である。図２(c)に示すよう、本発明の超電導素子
では、超電導電界効果型素子１のヒステリシス特性が解
消されており、ゲート電圧によりソース−ドレイン間の
電圧電流特性のループを特定することができる。従っ
て、本発明の超電導素子は、特に電子機器等に使用する
場合に実用性が高い。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に従えば、
実用性の高い超電導３端子素子が提供される。本発明を
超電導回路、電子機器の作製に応用することにより、従
来得られなかった高性能な電子装置が作製可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超電導素子の概略平面図である。

【図２】(a)および(b)は、本発明の超電導素子の動作を
示す概念図であり、(c)は本発明の超電導素子の特性図
である。

【図３】超電導電界効果型素子の概略図である。

【図４】超電導電界効果型素子の特性図である。

【符号の説明】

１超電導電界効果型素子２酸化物超電導薄膜３ソース電極４ドレイン電極５ゲート電極６抵抗チャネル

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】酸化物超電導体で構成されたソース領域
およびドレイン領域と、該ソース領域およびドレイン領
域間に配置された酸化物超電導体で構成された超電導チ
ャネルと、該超電導チャネルを流れる電流を制御するた
めのゲート電圧が印加される常電導体によるゲート電極
とを備える超電導電界効果型素子と、該超電導電界効果型素子の前記ソース領域およびドレイ
ン領域間に接続された抵抗チャネルとを具備し、前記超電導電界効果型素子のゲート電極と、前記抵抗チ
ャネルとが等しい材料で構成されていることを特徴とす
る超電導素子。