JPH0537033A - 超電導素子 - Google Patents

超電導素子

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JPH0537033A
JPH0537033A JP3208614A JP20861491A JPH0537033A JP H0537033 A JPH0537033 A JP H0537033A JP 3208614 A JP3208614 A JP 3208614A JP 20861491 A JP20861491 A JP 20861491A JP H0537033 A JPH0537033 A JP H0537033A
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JP
Japan
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superconducting
channel
superconductive
oxide
resistance
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP3208614A
Other languages
English (en)
Inventor
Takao Nakamura
孝夫 中村
Michitomo Iiyama
道朝 飯山
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 MgO基板10上に形成されたLa1.5Ba1.5Cu3
7-y酸化物による抵抗チャネル6と、抵抗チャネル6上
にc軸配向のY1Ba2Cu37-X酸化物超電導薄膜2の中央
部に形成された超電導チャネル20と、超電導チャネル20
の両側に抵抗チャネル6に達するよう配置されたa軸配
向のY1Ba2Cu37-X酸化物超電導薄膜で形成された超電
導ソース電極3および超電導ドレイン電極4と、超電導
チャネル20上に絶縁層9を介して配置されたゲート電極
5とを備える超電導素子。 【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、前記抵抗チャネルが、Laを含む酸化物半導体
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、抵抗素子の
抵抗チャネルがLaを含む酸化物半導体で構成されてい
る。本発明の超電導素子の抵抗チャネルに使用する酸化
物半導体としてはLa1.5Ba1.5Cu37-y等が好ましい。こ
の酸化物は、酸化物超電導体と格子整合がとれ、バッフ
ァ層として最適である。また、酸化物超電導体と組み合
わせた場合に、いわゆる長距離近接効果を示す。さら
に、結晶中に含まれる酸素量によりキャリア密度、即ち
抵抗率を制御することが可能である。従って、上記の酸
化物半導体を使用する本発明の超電導素子は、従来の超
電導素子よりも特性を向上させることができる。
【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
電導チャネルのゲートが閉じているときには、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。上述のように上記の酸化物半導体は、結晶
中の酸素量により抵抗率を制御できる。そのため、本発
明の超電導素子において、上記抵抗チャネルを構成する
酸化物は特に結晶中の酸素量を正確に制御し、また、基
板との相互拡散を制御して、抵抗値を、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、Y1Ba2Cu37-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、Bi2Sr2Ca2Cu3x 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断面
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c軸配向のLa1.5Ba1.5Cu37-y薄膜
による抵抗チャネル6と、抵抗チャネル6上に積層され
たc軸配向のY1Ba2Cu37-X酸化物超電導薄膜2に形成
された超電導チャネル20とを具備する。また、超電導チ
ャネル20上には、絶縁層9を介してAuで構成されたゲー
ト電極5配置され、超電導チャネル20の両側には抵抗チ
ャネル6にまで達するようにそれぞれ配置されたa軸配
向のY1Ba2Cu37-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20、超電導ソース電極3、超電
導ドレイン電極4、ゲート電極5および絶縁層9は超電
導電界効果素子を構成する。
【0014】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上に抵抗チャネル6
となるc軸配向のLa1.5Ba1.5Cu37-y薄膜を成膜する。
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。
【0015】次に、上記のように形成したLa1.5Ba1.5Cu
37-y薄膜の抵抗チャネル6上に、超電導チャネル20が
形成されるY1Ba2Cu37-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、MB
E法、真空蒸着法、CVD法等任意の方法が使用可能で
ある。オフアクシス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】上記のY1Ba2Cu37-X酸化物超電導薄膜2
の中央部付近を反応性イオンエッチング、Arイオンミリ
ング等の方法で約5nmの厚さまでエッチングし、超電導
チャネル20を形成する。酸化物超電導薄膜2の超電導チ
ャネル20の両側のソース領域およびドレイン領域を抵抗
チャネル6に達するまで上記の方法でエッチングし、a
軸配向のY1Ba2Cu37-X酸化物超電導薄膜により超電導
ソース電極3および超電導ドレイン電極4を形成する。
a軸配向のY1Ba2Cu37-X酸化物超電導薄膜は、オフア
クシススパッタリング法により、以下の条件で成膜し
た。
【0017】超電導チャネル20上にMgOの絶縁層9を真
空蒸着法で形成し、絶縁層9上にさらにAuのゲート電極
5をやはり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。尚、本実施例では、抵抗チャネル6を構成
する酸化物半導体にLa1.5Ba1.5Cu37-yを使用したが、
この酸化物半導体には他にもLa0.3Ca0.3MOw等も使用
可能である。
【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が抵抗状態の場合を示す。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Rs 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Rup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Rdownと、次のような関係になっ
ている。 Rup<Rs <Rdown 抵抗素子16の抵抗値Rは、R≪Rup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 (1)

  1. 【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、 前記抵抗チャネルが、Laを含む酸化物半導体で構成され
    ていることを特徴とする超電導素子。
JP3208614A 1991-07-25 1991-07-25 超電導素子 Withdrawn JPH0537033A (ja)

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Effective date: 19981008