JPH07122790A - Thin film device - Google Patents

Thin film device

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JPH07122790A
JPH07122790A JP5266458A JP26645893A JPH07122790A JP H07122790 A JPH07122790 A JP H07122790A JP 5266458 A JP5266458 A JP 5266458A JP 26645893 A JP26645893 A JP 26645893A JP H07122790 A JPH07122790 A JP H07122790A
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impedance
thin film
superconducting
josephson
film element
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武富 上川
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栄治 名取
Setsuya Iwashita
節也 岩下
Tatsuya Shimoda
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Abstract

PURPOSE:To enable a thin film device to be set in I/V characteristics as required by a method wherein an impedance device is connected in parallel with a superconduction weak junction, and a means capable of controlling the impedance device in impedance is provided. CONSTITUTION:A Josephson device 12 and a transistor 13 are formed on a substrate 11 for the formation of a thin film device, wherein the Josephson device 12 is an SIS Josephson device composed of a first superconductor, an insulator, and a second superconductor which are connected in this sequence. The transistor 13 is a MOS field-effect transistor where Si is utilized, wherein control signals are inputted through a gate electrode G to control a resistive component between a source and a drain. The Josephson device 12 and the resistive component between the source and the drain of the transistor 13 are made to constitute a parallel circuit. As mentioned above, a resistance between the source and the drain of a MOS field-effect transistor is used as an impedance so as to finely control a thin film device of this constitution in I/V characteristics.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、スイッチ、メモリー、
ミキサー、センサーなどの素子として電子回路に用いら
れる薄膜素子、その中でも特に超伝導弱結合を用いた薄
膜素子に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a switch, a memory,
The present invention relates to thin film elements used in electronic circuits as elements such as mixers and sensors, and particularly to thin film elements using superconducting weak coupling.

【0002】[0002]

【従来の技術】超伝導弱結合を用いた薄膜素子は、高速
かつ低消費電力で動作する素子として注目と期待を集め
ている。かつてはその動作が極低温であったのでその応
用範囲はかなり制限されていた。しかし、近年の酸化物
高温超伝導体の発見によって液体窒素温度(77K)で
の動作が可能となり、冷凍技術が軽減され、その応用範
囲が広がろうとしている。
2. Description of the Related Art A thin film element using superconducting weak coupling has attracted attention and expectation as an element which operates at high speed and low power consumption. In the past, its operation was extremely cold, so its range of applications was quite limited. However, recent discoveries of high-temperature oxide superconductors have made it possible to operate at liquid nitrogen temperature (77K), the refrigeration technology is reduced, and its application range is expanding.

【0003】超伝導弱結合を用いた薄膜素子は2端子で
あるジョセフソン素子が主流であり、その電気的な等価
回路は、ジョセフソン接合、抵抗成分、そして容量成分
の並列回路によって記述できる。この等価回路にもとづ
く模型であるRSJ(Res−istively Sh
unted Junction)模型を用いて解析を行
えば、ジョセフソン素子のI/V特性はほぼ定量的に理
解できることが知られている。RSJ模型によれば、容
量成分が大きくてそれが支配的である場合にはヒステリ
シスをもつI/V特性が得られ、また、抵抗成分が小さ
くてそれが支配的である場合にはヒステリシスをもたな
いI/V特性が得られる。前者の特性は、薄い絶縁体を
2つの超伝導体ではさんだ構造、すなわちSIS構造か
らなるジョセフソン素子によって一般に得られる。それ
ゆえ、その特性を以下ではSISジョセフソン特性と呼
ぶことにする。一方、後者の特性は、常伝導体を2つの
超伝導体ではさんだ構造、すなわちSNS構造からなる
ジョセフソン素子によって一般に得られる。それゆえ、
その特性を以下ではSNSジョセフソン特性と呼ぶこと
にする。容量成分と抵抗成分のどちらが支配的とも言え
ない場合には、SISジョセフソン特性とSNSジョセ
フソン特性の中間的な特性、すなわちヒステリシスは存
在するもののそれが小さい特性が得られる。
A thin-film element using superconducting weak coupling is mainly a two-terminal Josephson element, and its electrical equivalent circuit can be described by a parallel circuit of a Josephson junction, a resistance component, and a capacitance component. A model based on this equivalent circuit is RSJ (Res-istive Sh
It is known that the I / V characteristics of the Josephson device can be understood almost quantitatively by conducting analysis using an unjunction model. According to the RSJ model, an I / V characteristic having a hysteresis is obtained when the capacitance component is large and dominant, and also a hysteresis is obtained when the resistance component is small and dominant. It is possible to obtain a stable I / V characteristic. The former characteristic is generally obtained by a Josephson device composed of a thin insulator sandwiched between two superconductors, that is, a SIS structure. Therefore, the characteristic will be referred to as a SIS Josephson characteristic hereinafter. On the other hand, the latter characteristic is generally obtained by a Josephson device having a structure in which a normal conductor is sandwiched between two superconductors, that is, an SNS structure. therefore,
Hereinafter, the characteristic will be referred to as an SNS Josephson characteristic. When neither the capacitive component nor the resistive component can be said to be dominant, an intermediate property between the SIS Josephson characteristic and the SNS Josephson characteristic, that is, a characteristic that hysteresis exists but is small is obtained.

【0004】ジョセフソン素子の抵抗成分と容量成分
は、素子構造、素子材料、そして製造条件によって決定
される。それゆえ、従来のジョセフソン素子、すなわち
従来の超伝導体を用いた薄膜素子のI/V特性は、その
構造、材料、および製造条件によって一義的に決定され
てしまう。
The resistance component and the capacitance component of the Josephson element are determined by the element structure, element material and manufacturing conditions. Therefore, the I / V characteristic of the conventional Josephson device, that is, the thin film device using the conventional superconductor is uniquely determined by its structure, material, and manufacturing conditions.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、超伝導弱結合
を用いた従来の薄膜素子には、そのI/V特性を目的に
応じて所望の特性に合わせ込むことができないという欠
点があった。この欠点をもう少し具体的に説明すると次
のとおりである。たとえば、薄膜素子をメモリーに応用
する場合にはヒステリシスをもつSISジョセフソン特
性が必要であり、また、薄膜素子を電磁波検出器に応用
する場合には容量成分の寄与が小さいSNSジョセフソ
ン特性が望ましい、というように目的によって異なるI
/V特性が求められる。このように多様な要求特性に対
して、超伝導弱結合を用いた従来の薄膜素子では一種類
の薄膜素子で複数の目的分野に応用することは困難であ
った。したがって、超伝導弱結合を用いた従来の薄膜素
子については、使用目的に応じて個々に、素子構造、素
子材料、そして製造条件について検討および技術確立を
しなければならないという煩わしさがあった。また、薄
膜素子を電磁波検出器に応用する場合には複数の薄膜素
子を直列接続して用いると検出器の出力電圧を高くする
ことができて感度が向上することが知られているが、そ
の場合には複数個の薄膜素子のそれぞれのI/V特性を
揃えることが必要になる。したがってこの場合には各薄
膜素子のI/V特性のバラツキを補正することが望まし
いが、超伝導弱結合を用いた従来の薄膜素子ではこの補
正を行うことは不可能であった。
However, the conventional thin film element using weak superconducting coupling has a drawback that its I / V characteristics cannot be adjusted to desired characteristics according to the purpose. This drawback will be explained more concretely as follows. For example, when the thin film element is applied to a memory, the SIS Josephson characteristic having a hysteresis is necessary, and when the thin film element is applied to an electromagnetic wave detector, the SNS Josephson characteristic with a small contribution of the capacitance component is desirable. , And so on, depending on the purpose I
/ V characteristic is required. As described above, it has been difficult for a conventional thin film device using weak superconducting coupling to be applied to a plurality of target fields with one kind of thin film device for various required characteristics. Therefore, with respect to the conventional thin film element using the superconducting weak coupling, there has been a problem that the element structure, the element material, and the manufacturing conditions must be individually examined and the technology must be established according to the purpose of use. Further, when the thin film element is applied to an electromagnetic wave detector, it is known that the output voltage of the detector can be increased and the sensitivity can be improved by using a plurality of thin film elements connected in series. In this case, it is necessary to make the I / V characteristics of the plurality of thin film elements uniform. Therefore, in this case, it is desirable to correct the variation in the I / V characteristics of each thin film element, but it is impossible to perform this correction in the conventional thin film element using weak superconducting coupling.

【0006】I/V特性の合わせ込みができないこと
は、特に酸化物高温超伝導体を用いた薄膜素子において
はさらに著しい欠点となる。その理由の1つは、酸化物
高温超伝導体は金属超伝導体に比べて加工精度が悪く寸
法形状の管理が難しいために電磁波検出器への応用のよ
うに複数個の薄膜素子を形成して用いる場合に各薄膜素
子の特性バラツキを小さくすることが難しいことであ
る。もう1つの理由は、酸化物高温超伝導体を用いる場
合には薄い絶縁層(I層)をつくることが難しいために
容量成分が支配的なジョセフソン素子は抵抗成分が支配
的なジョセフソン素子に比べて製造歩留りが低いことで
あり、そのためにSISジョセフソン特性が要求される
利用分野への酸化物高温超伝導体を用いた薄膜素子の応
用は大きな制限を受けることになる。
The inability to match the I / V characteristics is a further significant drawback, especially in thin film devices using high temperature oxide superconductors. One of the reasons is that high-temperature oxide superconductors have poorer processing accuracy than metal superconductors and it is difficult to control the size and shape. It is difficult to reduce the variation in characteristics of each thin film element when used as a thin film. Another reason is that when an oxide high temperature superconductor is used, it is difficult to form a thin insulating layer (I layer), so that the Josephson element in which the capacitance component is dominant is a Josephson element in which the resistance component is dominant. The production yield is lower than that of, and therefore, the application of the thin film element using the oxide high temperature superconductor to the application field where the SIS Josephson characteristic is required is greatly restricted.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は上述の欠点を取
り除いてI/V特性を所望の特性に合わせ込むことが可
能な超伝導薄膜素子を提供するものであって、超伝導弱
結合を具備する薄膜素子において、超伝導弱結合にはイ
ンピーダンス素子が並列に接続されていること、インピ
ーダンス素子のインピーダンスを制御する手段を具備し
ていること、制御されるインピーダンスの主成分が抵抗
であること、超伝導弱結合の特性は超伝導トンネル効果
が支配的であること、超伝導弱結合は、第1超伝導体、
絶縁体、第2超伝導体をこの順番に連結した構造である
こと、また、超伝導弱結合にはインピーダンスが並列に
接続されていて、該インピーダンスは複数のインピーダ
ンス素子の直列接続構造から構成されること、あるいは
また、超伝導弱結合には複数のインピーダンス素子の直
列接続構造から構成されるインピーダンスが並列に接続
されていて、直列接続構造を構成する複数のインピーダ
ンス素子のうち少なくとも1つは固定インピーダンスを
もち、他の少なくとも1つはインピーダンスを制御する
手段を具備していること、さらにまた、超伝導弱結合に
はインピーダンスが並列に接続されていて、該インピー
ダンスは複数のインピーダンス素子の直列接続構造を複
数個並列接続した構造から構成されること、各直列接続
構造を構成する複数のインピーダンス素子のうち少なく
とも1つは固定インピーダンスをもち、他の少なくとも
1つはインピーダンスを制御する手段を具備しているこ
と、インピーダンスを制御する手段を具備するインピー
ダンス素子のインピーダンス制御は各直列接続構造ごと
にそれぞれ独立に行うことが可能であること、また必要
に応じて、固定インピーダンスをもつインピーダンス素
子の主成分は容量であること、インピーダンスを制御す
る手段を具備するインピーダンス素子の主成分は抵抗で
あること、超伝導弱結合の特性は超伝導近接効果が支配
的であること、ジョセフソン接合は、第1超伝導体、常
伝導体、第2超伝導体をこの順番に連結した構造である
こと、インピーダンスを制御する手段を具備するインピ
ーダンス素子は半導体素子であること、そして、超伝導
弱結合を構成する超伝導体は酸化物超伝導体であること
を特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a superconducting thin film device capable of adjusting the I / V characteristic to a desired characteristic by eliminating the above-mentioned drawbacks. In the thin film element provided, the impedance element is connected in parallel to the superconducting weak coupling, the means for controlling the impedance of the impedance element is provided, and the main component of the controlled impedance is the resistance. , The property of superconducting weak coupling is that the superconducting tunnel effect is dominant, and the superconducting weak coupling is the first superconductor,
It has a structure in which an insulator and a second superconductor are connected in this order, and an impedance is connected in parallel to the superconducting weak coupling, and the impedance is composed of a series connection structure of a plurality of impedance elements. Alternatively, the superconducting weak coupling is connected in parallel with an impedance composed of a series connection structure of a plurality of impedance elements, and at least one of the plurality of impedance elements forming the series connection structure is fixed. At least one of them has means for controlling the impedance, and further, the impedance is connected in parallel to the superconducting weak coupling, and the impedance is connected in series. The structure consists of multiple structures connected in parallel. At least one of the impedance elements has a fixed impedance, and the other at least one has a means for controlling impedance, and the impedance control of the impedance element having means for controlling impedance has a series connection structure. Can be performed independently for each, and if necessary, the main component of the impedance element with fixed impedance is capacitance, and the main component of the impedance element equipped with means for controlling impedance is resistance. The superconducting proximity effect is dominant in the characteristics of superconducting weak coupling. The Josephson junction has a structure in which a first superconductor, a normal conductor, and a second superconductor are connected in this order. The impedance element having means for controlling impedance must be a semiconductor element. And superconductors constituting the superconducting weak coupling is characterized in that an oxide superconductor.

【0008】[0008]

【実施例】以下、本発明を実施例にもとづいて詳細に説
明する。
EXAMPLES The present invention will be described in detail below based on examples.

【0009】(実施例1)図1は、本発明の実施例1に
おける薄膜素子の平面構造図である。本薄膜素子は、基
板11上に、ジョセフソン素子12とトランジスタ13
を形成することによって構成される。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a plan view of a thin film element in Embodiment 1 of the present invention. The thin film element is composed of a Josephson element 12 and a transistor 13 on a substrate 11.
Is formed by forming.

【0010】ジョセフソン素子12は、第1超伝導体、
絶縁体、第2超伝導体をこの順番に連結した構造からな
るSISジョセフソン素子である。第1および第2超伝
導体はYBCO酸化物超伝導体であり、その臨界温度は
90Kである。ジョセフソン素子12は単体ではトンネ
ル型のジョセフソン特性を示す。これは、容量成分は大
きく、そのノーマル抵抗は高いことによる。トランジス
タ13はSiを用いたMOS電界効果型トランジスタで
あり、周辺に記載されている記号S,D,およびGはそ
れぞれソース、ドレイン、およびゲートの各電極であ
る。ゲート電極Gには制御信号が入力されていてソース
・ドレイン間の抵抗成分を制御する。トランジスタ13
はノーマリーオフ型であり、そのソース・ドレイン間抵
抗はゲート電圧がゼロであるときにはジョセフソン素子
12のノーマル抵抗に比べて非常に大きく、またゲート
電圧が印加されるに従って小さくなる。図1が示してい
るように、ジョセフソン素子12とトランジスタ13の
ソース・ドレイン間の抵抗成分は並列回路を構成する。
The Josephson element 12 is a first superconductor,
This is a SIS Josephson device having a structure in which an insulator and a second superconductor are connected in this order. The first and second superconductors are YBCO oxide superconductors and have a critical temperature of 90K. The Josephson element 12 alone exhibits tunnel type Josephson characteristics. This is because the capacitance component is large and its normal resistance is high. The transistor 13 is a MOS field effect transistor using Si, and symbols S, D, and G described on the periphery thereof are source, drain, and gate electrodes, respectively. A control signal is input to the gate electrode G to control the resistance component between the source and drain. Transistor 13
Is a normally-off type, and its source-drain resistance is much larger than the normal resistance of the Josephson element 12 when the gate voltage is zero, and becomes smaller as the gate voltage is applied. As shown in FIG. 1, the Josephson device 12 and the resistance component between the source and drain of the transistor 13 form a parallel circuit.

【0011】図1に示す薄膜素子を用いてSISジョセ
フソン素子とMOS電界効果型トランジスタからなる並
列回路の両端子間のI/V特性を測定してMOS電界効
果型トランジスタのゲート電圧との関係を評価した。測
定は温度60Kのヘリウムガス雰囲気中で行った。
Using the thin film element shown in FIG. 1, the I / V characteristic between both terminals of a parallel circuit composed of a SIS Josephson element and a MOS field effect transistor was measured and the relationship with the gate voltage of the MOS field effect transistor was measured. Was evaluated. The measurement was performed in a helium gas atmosphere at a temperature of 60K.

【0012】図2は、薄膜素子のI/V特性のゲート電
圧依存性を示す図である。図2は、ゲート電圧を大きく
するに従って、薄膜素子のI/V特性がSISジョセフ
ソン特性からSNSジョセフソン特性に連続的に変化し
ていくことを示している。この理由はMOS電界効果型
トランジスタのソース・ドレイン間抵抗がゲート電圧が
大きくなるのに従って小さくなることにある。すなわ
ち、ゲート電圧が大きくなると薄膜素子の等価回路がト
ンネル型ジョセフソン接合と抵抗の並列回路として記述
できることによる。以上の結果はRSJ模型にもとづく
数値計算によって定量的にも説明できる。
FIG. 2 is a diagram showing the gate voltage dependence of the I / V characteristic of the thin film element. FIG. 2 shows that the I / V characteristic of the thin film element continuously changes from the SIS Josephson characteristic to the SNS Josephson characteristic as the gate voltage is increased. The reason is that the resistance between the source and drain of the MOS field effect transistor decreases as the gate voltage increases. That is, when the gate voltage increases, the equivalent circuit of the thin film element can be described as a parallel circuit of a tunnel type Josephson junction and a resistor. The above results can be quantitatively explained by numerical calculation based on the RSJ model.

【0013】本実施例ではMOS電界効果型トランジス
タとしてノーマリーオフ型を用いたが、ノーマリーオン
型を用いても本実施例と同様にI/V特性制御ができる
ことは言うまでもない。
In this embodiment, the normally-off type is used as the MOS field effect transistor, but it goes without saying that the normally-on type can be used to control the I / V characteristics as in the case of the present embodiment.

【0014】本実施例ではインピーダンスとしてMOS
電界効果型トランシスタのソース・ドレイン間抵抗を用
いてI/V特性の微細制御を行ったが、もし微細制御を
必要とせずに単にSISジョセフソン素子を用いてSN
Sジョセフソン特性を得たい場合にはMOS電界効果型
トランシスタのかわりに抵抗素子を用いてもよい。
In this embodiment, the impedance is MOS
The I / V characteristics were finely controlled by using the source-drain resistance of the field effect transistor. However, if the fine control is not necessary, the SIS Josephson element is simply used for SN control.
When it is desired to obtain the S Josephson characteristic, a resistance element may be used instead of the MOS field effect transistor.

【0015】(実施例2)図3は、本発明の実施例2に
おける薄膜素子の平面構造図である。本薄膜素子は、基
板21上に、ジョセフソン素子22、トランジスタ2
3、そしてキャパシタ24を形成することによって構成
される。
(Embodiment 2) FIG. 3 is a plan structural view of a thin film element in Embodiment 2 of the present invention. This thin film element is composed of a substrate 21, a Josephson element 22, and a transistor 2.
3 and then by forming the capacitor 24.

【0016】ジョセフソン素子22は、第1超伝導体、
常伝導体、第2超伝導体をこの順番に連結した構造から
なるSNSジョセフソン素子である。第1および第2超
伝導体はYBCO酸化物超伝導体であり、その臨界温度
は90Kである。ジョセフソン素子22は単体では近接
効果型のジョセフソン特性を示す。これは、容量成分は
小さく、またノーマル抵抗は低いことによる。トランジ
スタ23はSiを用いたMOS電界効果型トランジスタ
であり、周辺に記載されている記号S,D,およびGは
それぞれソース、ドレイン、およびゲートの各電極であ
る。ゲート電極Gには制御信号が入力されていてソース
・ドレイン間の抵抗成分を制御する。トランジスタ23
はノーマリーオフ型であり、そのソース・ドレイン間抵
抗はゲート電圧がゼロであるときにはジョセフソン素子
22のノーマル抵抗に比べて非常に大きく、またゲート
電圧が印加されるに従って小さくなる。図3が示してい
るように、ジョセフソン素子22とキャパシタ24はト
ランジスタ23のソース・ドレインを通じて並列回路を
構成する。
The Josephson element 22 is a first superconductor,
It is an SNS Josephson device having a structure in which a normal conductor and a second superconductor are connected in this order. The first and second superconductors are YBCO oxide superconductors and have a critical temperature of 90K. The Josephson element 22 alone exhibits a proximity effect type Josephson characteristic. This is because the capacitance component is small and the normal resistance is low. The transistor 23 is a MOS field effect transistor using Si, and symbols S, D, and G described on the periphery thereof are source, drain, and gate electrodes, respectively. A control signal is input to the gate electrode G to control the resistance component between the source and drain. Transistor 23
Is a normally-off type, and its source-drain resistance is much larger than the normal resistance of the Josephson element 22 when the gate voltage is zero, and becomes smaller as the gate voltage is applied. As shown in FIG. 3, the Josephson element 22 and the capacitor 24 form a parallel circuit through the source and drain of the transistor 23.

【0017】図3に示す薄膜素子を用いて、MOS電界
効果型トランジスタのオン、オフ状態をゲート電圧によ
って制御し、それぞれの状態におけるI/V特性を測定
した。測定は温度60Kのヘリウムガス雰囲気中で行っ
た。
Using the thin film element shown in FIG. 3, the on / off state of the MOS field effect transistor was controlled by the gate voltage, and the I / V characteristic in each state was measured. The measurement was performed in a helium gas atmosphere at a temperature of 60K.

【0018】図4は、ゲート電圧によって制御されたト
ランジスタのオフ、オンのそれぞれの状態における薄膜
素子のI/V特性を示す図である。図4は、トランジス
タがオフの状態では薄膜素子のI/V特性はSNSジョ
セフソン特性であり、またオンの状態ではSISジョセ
フソン特性であることを示している。この理由は、ゲー
ト電圧が零である場合にはソース・ドレイン間抵抗がほ
とんど無限大であってキャパシタが切り離された状態に
なっていること、一方、ゲート電圧が印加されている場
合にはソース・ドレイン間抵抗がほとんど零であってキ
ャパシタがSNSジョセフソン素子に並列接続した状態
になっていることによる。すなわち、この特性制御はゲ
ート電圧によってSNSジョセフソン素子に並列接続し
ている容量成分が制御されることによる。以上の説明か
らも明らかなように、この場合のトランジスタはスイッ
チとして機能している。
FIG. 4 is a diagram showing the I / V characteristics of the thin film element in each of the off and on states of the transistor controlled by the gate voltage. FIG. 4 shows that the I / V characteristic of the thin film element is the SNS Josephson characteristic when the transistor is off, and the SIS Josephson characteristic when the transistor is on. The reason is that the resistance between the source and drain is almost infinite when the gate voltage is zero, and the capacitor is disconnected. On the other hand, when the gate voltage is applied, the source is drained.・ Drain resistance is almost zero, and the capacitor is in parallel with the SNS Josephson device. That is, this characteristic control is based on the control of the capacitance component connected in parallel with the SNS Josephson element by the gate voltage. As is clear from the above description, the transistor in this case functions as a switch.

【0019】ゲート電圧が上記の2つの場合の中間の電
圧である場合にはSISジョセフソン特性とSNSジョ
セフソン特性の混ざり合った両者の中間的な特性を示
す。この特性は、通常のRSJ模型では定量的に説明で
きないが、RSJ模型の容量成分を抵抗成分と容量成分
の直列接続で置き換えた模型を用いてその抵抗成分が可
変であるとして数値計算を行えば定量的にも説明でき
る。
When the gate voltage is an intermediate voltage between the above two cases, an intermediate characteristic of both the SIS Josephson characteristic and the SNS Josephson characteristic is shown. This characteristic cannot be quantitatively explained by an ordinary RSJ model, but if the resistance component is variable using a model in which the capacitance component of the RSJ model is replaced by a resistance component and a series connection of the capacitance component, numerical calculation is performed. It can be explained quantitatively.

【0020】本実施例ではMOS電界効果型トランジス
タとしてノーマリーオフ型を用いたが、ノーマリーオン
型を用いても本実施例と同様にI/V特性制御ができる
ことは言うまでもない。
In this embodiment, the normally-off type is used as the MOS field effect transistor, but it goes without saying that the normally-on type can be used to control the I / V characteristics as in the case of the present embodiment.

【0021】本実施例ではキャパシタの容量成分とMO
S電界効果型トランジスタのソース・ドレイン間抵抗の
直列接続構造をジョセフソン素子に並列接続してI/V
特性の制御を行ったが、もし制御を必要としない場合に
はMOS電界効果型トランジスタのかわりに抵抗素子を
用いてもよい。また、単にSNSジョセフソン素子を用
いてSISジョセフソン特性を得たい場合にはMOS電
界効果型トランジスタを除去してキャパシタだけをジョ
セフソン素子に並列接続させてもよい。
In this embodiment, the capacitance component of the capacitor and the MO
A series connection structure of the source-drain resistance of the S field effect transistor is connected in parallel to the Josephson element to form an I / V.
Although the characteristics are controlled, if no control is required, a resistance element may be used instead of the MOS field effect transistor. Further, when it is desired to obtain the SIS Josephson characteristics by simply using the SNS Josephson element, the MOS field effect transistor may be removed and only the capacitor may be connected in parallel to the Josephson element.

【0022】(実施例3)実施例2ではキャパシタとト
ランジスタから構成される構造を1つのジョセフソン素
子に対して1個だけ並列接続した。本実施例の薄膜素子
は、キャパシタとトランジスタから構成される構造を複
数個並列接続した構造を構成して、それを1つのジョセ
フソン素子に並列接続することによって得られる。図5
は、本実施例における薄膜素子の等価回路を示す図であ
る。図5の中に記載されている記号について説明する
と、JJはジョセフソン接合からなる超伝導弱接合、R
は超伝導弱結合に付随する抵抗、Cは容量であり、ま
た、S,D,およびGはそれぞれトランジスタのソー
ス、ドレイン、およびゲートの各電極である。本実施例
では、各トランジスタのゲート電圧を独立に制御する。
これによって、段階的に容量成分を変化させることに対
応するI/V特性を得る。
(Embodiment 3) In Embodiment 2, only one structure composed of a capacitor and a transistor is connected in parallel to one Josephson element. The thin film element of this embodiment is obtained by forming a structure in which a plurality of structures each including a capacitor and a transistor are connected in parallel, and connecting them in parallel to one Josephson element. Figure 5
FIG. 4 is a diagram showing an equivalent circuit of a thin film element in this example. Explaining the symbols shown in FIG. 5, JJ is a superconducting weak junction composed of Josephson junction, R
Is the resistance associated with superconducting weak coupling, C is the capacitance, and S, D, and G are the source, drain, and gate electrodes of the transistor, respectively. In this embodiment, the gate voltage of each transistor is controlled independently.
As a result, the I / V characteristic corresponding to the stepwise change of the capacitance component is obtained.

【0023】[0023]

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれ
ば、超伝導弱結合を具備する薄膜素子において、超伝導
弱結合にはインピーダンス素子が並列に接続されている
こと、インピーダンス素子のインピーダンスを制御する
手段を具備していること、制御されるインピーダンスの
主成分が抵抗であること、超伝導弱結合の特性は超伝導
トンネル効果が支配的であること、超伝導弱結合は、第
1超伝導体、絶縁体、第2超伝導体をこの順番に連結し
た構造であること、また、超伝導弱結合にはインピーダ
ンスが並列に接続されていて、該インピーダンスは複数
のインピーダンス素子の直列接続構造から構成されるこ
と、あるいはまた、超伝導弱結合には複数のインピーダ
ンス素子の直列接続構造から構成されるインピーダンス
が並列に接続されていて、直列接続構造を構成する複数
のインピーダンス素子のうち少なくとも1つは固定イン
ピーダンスをもち、他の少なくとも1つはインピーダン
スを制御する手段を具備していること、さらにまた、超
伝導弱結合にはインピーダンスが並列に接続されてい
て、該インピーダンスは複数のインピーダンス素子の直
列接続構造を複数個並列接続した構造から構成されるこ
と、各直列接続構造を構成する複数のインピーダンス素
子のうち少なくとも1つは固定インピーダンスをもち、
他の少なくとも1つはインピーダンスを制御する手段を
具備していること、インピーダンスを制御する手段を具
備するインピーダンス素子のインピーダンス制御は各直
列接続構造ごとにそれぞれ独立に行うことが可能である
こと、また必要に応じて、固定インピーダンスをもつイ
ンピーダンス素子の主成分は容量であること、インピー
ダンスを制御する手段を具備するインピーダンス素子の
主成分は抵抗であること、超伝導弱結合の特性は超伝導
近接効果が支配的であること、ジョセフソン接合は、第
1超伝導体、常伝導体、第2超伝導体をこの順番に連結
した構造であること、インピーダンスを制御する手段を
具備するインピーダンス素子は半導体素子であること、
超伝導弱結合を構成する超伝導体は酸化物超伝導体であ
ることによって、ジョセフソン素子のI/V特性をSI
Sジョセフソン素子特性とSNSジョセフソン素子特性
の望ましい特性に合わせ込むことができるから、応用目
的に応じて最適特性を自由に選べるという効果がある。
As described above, according to the present invention, in a thin film element having a superconducting weak coupling, an impedance element is connected in parallel to the superconducting weak coupling, and the impedance of the impedance element is That the main component of the controlled impedance is resistance, that the characteristics of the superconducting weak coupling are dominated by the superconducting tunnel effect, and that the superconducting weak coupling is A structure in which a superconductor, an insulator, and a second superconductor are connected in this order, and impedance is connected in parallel to the superconducting weak coupling, and the impedance is a series connection of a plurality of impedance elements. The structure is composed of multiple impedance elements connected in parallel to the superconducting weak coupling. In addition, at least one of the plurality of impedance elements forming the series connection structure has a fixed impedance, and at least one of the other impedance elements has a means for controlling the impedance. Impedances are connected in parallel, and the impedance is composed of a structure in which a plurality of series connection structures of a plurality of impedance elements are connected in parallel, and at least one of the plurality of impedance elements forming each series connection structure is Has a fixed impedance,
At least one of the other has a means for controlling impedance, and impedance control of the impedance element having means for controlling impedance can be performed independently for each series connection structure. If necessary, the main component of the impedance element having a fixed impedance is capacitance, the main component of the impedance element having means for controlling impedance is resistance, and the characteristic of superconducting weak coupling is the superconducting proximity effect. Is dominant, the Josephson junction has a structure in which a first superconductor, a normal conductor, and a second superconductor are connected in this order, and the impedance element having means for controlling impedance is a semiconductor. Be an element,
Since the superconductor that constitutes the superconducting weak bond is an oxide superconductor, the I / V characteristic of the Josephson device is
Since it is possible to match the desired characteristics of the S Josephson element characteristics and the SNS Josephson element characteristics, there is an effect that the optimum characteristics can be freely selected according to the application purpose.

【0024】また、本発明をたとえば超伝導素子を利用
した電磁波検出器のように特性が等しい複数の検出素子
を接続して使用することが望まれる分野に応用すれば、
製造等に起因する素子の特性バラツキを補正して均一化
することができるから、その効果は大きい。
Further, if the present invention is applied to a field where it is desired to connect and use a plurality of detecting elements having the same characteristics, such as an electromagnetic wave detector using a superconducting element,
Since the characteristic variations of the element due to manufacturing or the like can be corrected and made uniform, the effect is large.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例1における薄膜素子の平面構造
図。
FIG. 1 is a plan structure diagram of a thin film element in Example 1 of the present invention.

【図2】薄膜素子のI/V特性のゲート電圧依存性を示
す図。
FIG. 2 is a diagram showing gate voltage dependence of I / V characteristics of a thin film element.

【図3】本発明の実施例2における薄膜素子の平面構造
図。
FIG. 3 is a plan structural view of a thin film element in Example 2 of the present invention.

【図4】ゲート電圧によって制御されたトランジスタの
オン、オフのそれぞれの状態における薄膜素子のI/V
特性を示す図。
FIG. 4 is an I / V of a thin film element in each of an on state and an off state of a transistor controlled by a gate voltage.
The figure which shows a characteristic.

【図5】本発明の実施例3における薄膜素子の等価回路
を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing an equivalent circuit of a thin film element in Example 3 of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 基板 12 ジョセフソン素子 13 トランジスタ 21 基板 22 ジョセフソン素子 23 トランジスタ 24 キャパシタ 11 substrate 12 Josephson device 13 transistor 21 substrate 22 Josephson device 23 transistor 24 capacitor

フロントページの続き (72)発明者 下田 達也 長野県諏訪市大和3丁目3番5号 セイコ ーエプソン株式会社内Continuation of the front page (72) Inventor Tatsuya Shimoda 3-5 Yamato, Suwa City, Nagano Seiko Epson Corporation

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 超伝導弱結合を具備する薄膜素子におい
て、超伝導弱結合にはインピーダンス素子が並列に接続
されていることを特徴とする薄膜素子。
1. A thin-film element having a superconducting weak coupling, wherein an impedance element is connected in parallel to the superconducting weak coupling.
【請求項2】 インピーダンス素子のインピーダンスを
制御する手段を具備していることを特徴とする請求項1
記載の薄膜素子。
2. A means for controlling the impedance of the impedance element is provided.
The thin film element described.
【請求項3】 制御されるインピーダンスの主成分が抵
抗であることを特徴とする請求項2記載の薄膜素子。
3. The thin film element according to claim 2, wherein the main component of controlled impedance is resistance.
【請求項4】 超伝導弱結合の特性は超伝導トンネル効
果が支配的であることを特徴とする請求項1記載の薄膜
素子。
4. The thin film element according to claim 1, wherein the superconducting weak coupling property is dominated by the superconducting tunnel effect.
【請求項5】 超伝導弱結合は、第1超伝導体、絶縁
体、第2超伝導体をこの順番に連結した構造であること
を特徴とする請求項4記載の薄膜素子。
5. The thin film element according to claim 4, wherein the weak superconducting bond has a structure in which a first superconductor, an insulator, and a second superconductor are connected in this order.
【請求項6】 超伝導弱結合にはインピーダンスが並列
に接続されていて、該インピーダンスは複数のインピー
ダンス素子の直列接続構造から構成されることを特徴と
する薄膜素子。
6. A thin film element, wherein an impedance is connected in parallel to the superconducting weak coupling, and the impedance is composed of a series connection structure of a plurality of impedance elements.
【請求項7】 超伝導弱結合には複数のインピーダンス
素子の直列接続構造から構成されるインピーダンスが並
列に接続されていて、直列接続構造を構成する複数のイ
ンピーダンス素子のうち少なくとも1つは固定インピー
ダンスをもち、他の少なくとも1つはインピーダンスを
制御する手段を具備していることを特徴とする薄膜素
子。
7. The superconducting weak coupling is connected in parallel with an impedance composed of a series connection structure of a plurality of impedance elements, and at least one of the plurality of impedance elements forming the series connection structure is a fixed impedance. And at least one other comprises means for controlling impedance.
【請求項8】 超伝導弱結合にはインピーダンスが並列
に接続されていて、該インピーダンスは複数のインピー
ダンス素子の直列接続構造を複数個並列接続した構造か
ら構成されることを特徴とする薄膜素子。
8. A thin film element, wherein an impedance is connected in parallel to the superconducting weak coupling, and the impedance is composed of a structure in which a plurality of series connection structures of a plurality of impedance elements are connected in parallel.
【請求項9】 各直列接続構造を構成する複数のインピ
ーダンス素子のうち少なくとも1つは固定インピーダン
スをもち、他の少なくとも1つはインピーダンスを制御
する手段を具備していること、インピーダンスを制御す
る手段を具備するインピーダンス素子のインピーダンス
制御は各直列接続構造ごとにそれぞれ独立に行うことが
可能であることを特徴とする請求項8記載の薄膜素子。
9. A means for controlling impedance, wherein at least one of a plurality of impedance elements forming each series connection structure has a fixed impedance, and at least one of the other impedance elements comprises means for controlling impedance. 9. The thin film element according to claim 8, wherein the impedance control of the impedance element including the element can be performed independently for each series connection structure.
【請求項10】 固定インピーダンスをもつインピーダ
ンス素子の主成分は容量であること、インピーダンスを
制御する手段を具備するインピーダンス素子の主成分は
抵抗であることを特徴とする請求項7あるいは9記載の
薄膜素子。
10. The thin film according to claim 7, wherein the main component of the impedance element having a fixed impedance is capacitance, and the main component of the impedance element having means for controlling impedance is resistance. element.
【請求項11】 超伝導弱結合の特性は超伝導近接効果
が支配的であることを特徴とする請求項10記載の薄膜
素子。
11. The thin film element according to claim 10, wherein the superconducting weak coupling property is dominated by the superconducting proximity effect.
【請求項12】 超伝導弱結合は、第1超伝導体、常伝
導体、第2超伝導体をこの順番に連結した構造であるこ
とを特徴とする請求項11記載の薄膜素子。
12. The thin film element according to claim 11, wherein the weak superconducting bond has a structure in which a first superconductor, a normal conductor and a second superconductor are connected in this order.
【請求項13】 インピーダンスを制御する手段を具備
するインピーダンス素子は半導体素子であることを特徴
とする請求項2、請求項3、請求項7、請求項9、ある
いは請求項10記載の薄膜素子。
13. The thin-film element according to claim 2, claim 3, claim 7, claim 9, or claim 10, wherein the impedance element having means for controlling impedance is a semiconductor element.
【請求項14】 超伝導弱結合を構成する超伝導体は酸
化物超伝導体であることを特徴とする請求項1から請求
項12、あるいは請求13項記載の薄膜素子。
14. The thin film element according to claim 1, wherein the superconductor constituting the superconducting weak bond is an oxide superconductor.
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