JPH0722661A - 制御可能な超電導体製構造素子 - Google Patents
制御可能な超電導体製構造素子Info
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】制御電極（ゲート）により、他の両電極間の電
流ないし電圧に直接影響を及ぼすことができる、超電導
体、特にＨＴＳＬを基材とする電子構造素子を提供す
る。 【構成】薄い超電導性層が、薄い、特に疑似絶縁性層
（変換層）と接触し該変換層中で、非金属／金属の相転
移により引き起こされる境界を接する金属電極（ゲー
ト）から流れる電流により、約数倍の伝導性の増加が引
き起こされ、それによって超伝導体路の電流負荷容量な
いしインピーダンスが制御される。
流ないし電圧に直接影響を及ぼすことができる、超電導
体、特にＨＴＳＬを基材とする電子構造素子を提供す
る。 【構成】薄い超電導性層が、薄い、特に疑似絶縁性層
（変換層）と接触し該変換層中で、非金属／金属の相転
移により引き起こされる境界を接する金属電極（ゲー
ト）から流れる電流により、約数倍の伝導性の増加が引
き起こされ、それによって超伝導体路の電流負荷容量な
いしインピーダンスが制御される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、能動的な制御および増
幅器機能を有する、超電導体系の新規な薄膜構造素子に
関する。現在分かっている限り、本発明の用途は主とし
てマイクロエレクトロニクス、通信技術、マイクロ波技
術および情報処理の分野である。
幅器機能を有する、超電導体系の新規な薄膜構造素子に
関する。現在分かっている限り、本発明の用途は主とし
てマイクロエレクトロニクス、通信技術、マイクロ波技
術および情報処理の分野である。
【０００２】
【従来の技術】７７Ｋ（窒素の沸点）を超える温度でも
使用できる高温超電導体（ＨＴＳＬ）の発見により、損
失の少ない、迅速な電子回路を実現するための新しい展
望が開けてきた。従来の低温超電導体（ＮＴＳＬ）が、
経費のかかる絶対零度近くまでの冷却を必要とし、その
ために用途が非常に限られているのに対し、窒素温度に
おける運転により、はるかに多くの用途が可能になる。
さらにいえば、それらの性能を十分に活用できる様にす
るためには、低雑音検波器または超高周波回路の様な、
半導体（ＨＬ）を基材とする他の高級な構造素子もこの
温度領域で作動する。超電導体（ＳＬ）は、その特別な
輸送機構のために、原則的に電子回路への使用に関し
て、高い電流負荷容量、最小限の導体断面、超高周波ま
での非常に低い損失性能、等の非常に重要な長所を提供
する。他方、超電導体系回路の構築には基本的な問題が
あり、能動的で、制御可能な素子、半導体トランジスタ
ーに相当するいわゆるトライオード、または「３端子デ
バイス」は、超電導体ではこれまで競争できる形態では
実現していないので、その可能性が限られた程度にしか
活用できていない。ＳＬから導体路(Leiterbahn)、イン
ダクタンス、共振器、アンテナ、等の高級な単一部品は
製造できるが、これらは比較的経費のかかるハイブリッ
ド回路中で能動的なＨＬ素子で接続しなければならない
ので、全体としては決定的な利点にはならない。
使用できる高温超電導体（ＨＴＳＬ）の発見により、損
失の少ない、迅速な電子回路を実現するための新しい展
望が開けてきた。従来の低温超電導体（ＮＴＳＬ）が、
経費のかかる絶対零度近くまでの冷却を必要とし、その
ために用途が非常に限られているのに対し、窒素温度に
おける運転により、はるかに多くの用途が可能になる。
さらにいえば、それらの性能を十分に活用できる様にす
るためには、低雑音検波器または超高周波回路の様な、
半導体（ＨＬ）を基材とする他の高級な構造素子もこの
温度領域で作動する。超電導体（ＳＬ）は、その特別な
輸送機構のために、原則的に電子回路への使用に関し
て、高い電流負荷容量、最小限の導体断面、超高周波ま
での非常に低い損失性能、等の非常に重要な長所を提供
する。他方、超電導体系回路の構築には基本的な問題が
あり、能動的で、制御可能な素子、半導体トランジスタ
ーに相当するいわゆるトライオード、または「３端子デ
バイス」は、超電導体ではこれまで競争できる形態では
実現していないので、その可能性が限られた程度にしか
活用できていない。ＳＬから導体路(Leiterbahn)、イン
ダクタンス、共振器、アンテナ、等の高級な単一部品は
製造できるが、これらは比較的経費のかかるハイブリッ
ド回路中で能動的なＨＬ素子で接続しなければならない
ので、全体としては決定的な利点にはならない。
【０００３】様々な公知の補助構造に関して、ＳＬ特性
を磁界により、温度の影響により、照射により、その他
これに類するものにより制御することは、速度が遅す
ぎ、効率的に増幅されず、小型化されないか、あるいは
その他の理由により電子部品としてトランジスターと同
様に使用できないので、ここでは考えない。
を磁界により、温度の影響により、照射により、その他
これに類するものにより制御することは、速度が遅す
ぎ、効率的に増幅されず、小型化されないか、あるいは
その他の理由により電子部品としてトランジスターと同
様に使用できないので、ここでは考えない。
【０００４】超電導体が低温領域（ＮＴＳＬ）に限られ
ていた間は、実用性が欠けていたために、この欠点は特
に現れていない。ＨＴＳＬが使用できるようになると共
に、一方で、冷却した半導体回路と組み合わせて使用す
ることが初めてある温度水準まで可能になったので、他
方、純粋な超電導体回路がその様な冷却されたＨＬ回路
と競争できるようになったので、状況は一変した。良く
知られている様に、それ以来、「超トランジスター」、
「超ＦＥＴ」または類似の素子を開発する数多くの研究
活動が行きづまっている。
ていた間は、実用性が欠けていたために、この欠点は特
に現れていない。ＨＴＳＬが使用できるようになると共
に、一方で、冷却した半導体回路と組み合わせて使用す
ることが初めてある温度水準まで可能になったので、他
方、純粋な超電導体回路がその様な冷却されたＨＬ回路
と競争できるようになったので、状況は一変した。良く
知られている様に、それ以来、「超トランジスター」、
「超ＦＥＴ」または類似の素子を開発する数多くの研究
活動が行きづまっている。
【０００５】超素子の実現を阻んでいる問題点は良く知
られている。第一の問題点は、半導体構造に使用されて
いる機構が空間電荷効果および電場効果に基づいている
ことにあり、これらの効果は超電導体では原則的に比較
できない形態で生じ、したがってまったく別の制御機構
を開発し、使用しなければならない。
られている。第一の問題点は、半導体構造に使用されて
いる機構が空間電荷効果および電場効果に基づいている
ことにあり、これらの効果は超電導体では原則的に比較
できない形態で生じ、したがってまったく別の制御機構
を開発し、使用しなければならない。
【０００６】第二の、さらに重要な問題は、新しい超電
導体の技術にある。超電導体は複雑な結晶構造（例えば
ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7 ）を有する酸化物性の物質からな
り、高温（８００℃まで）および厳密に管理された周囲
条件下で行われる特殊な層形成法を必要とする。製造条
件は非常に厳しいので、集積回路の前提である多層構造
の構築が今日まで極めて困難である。例えば通常の導体
路交差用の絶縁層を間に挟んで２つの完璧なＳＬ層を重
ねることでも、著しい技術上の問題を引き起こし、これ
まで只一つの事例で、非常に小さな面でのみ成功しただ
けである。
導体の技術にある。超電導体は複雑な結晶構造（例えば
ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7 ）を有する酸化物性の物質からな
り、高温（８００℃まで）および厳密に管理された周囲
条件下で行われる特殊な層形成法を必要とする。製造条
件は非常に厳しいので、集積回路の前提である多層構造
の構築が今日まで極めて困難である。例えば通常の導体
路交差用の絶縁層を間に挟んで２つの完璧なＳＬ層を重
ねることでも、著しい技術上の問題を引き起こし、これ
まで只一つの事例で、非常に小さな面でのみ成功しただ
けである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の課題
は、制御電極（ゲート）により、他の両電極間の電流な
いし電圧に直接影響を及ぼすことができる、超電導体、
特にＨＴＳＬを基材とする電子構造素子を提供すること
である。この新規な素子は、その構造、大きさおよび製
造技術に関して微小電子回路の部品として好適であり、
超電導体の公知の長所（低インピーダンス、低損失、低
電圧レベル、分散のない高周波伝送、等）を、可能な始
動、制御または信号増幅の機能と組み合わせている。
は、制御電極（ゲート）により、他の両電極間の電流な
いし電圧に直接影響を及ぼすことができる、超電導体、
特にＨＴＳＬを基材とする電子構造素子を提供すること
である。この新規な素子は、その構造、大きさおよび製
造技術に関して微小電子回路の部品として好適であり、
超電導体の公知の長所（低インピーダンス、低損失、低
電圧レベル、分散のない高周波伝送、等）を、可能な始
動、制御または信号増幅の機能と組み合わせている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この課題は、基本的な構
造を図１に示す本発明の薄層素子により解決される。最
初に、好適な基材上に公知の方法によりＳＬ層を遊離さ
せ、構造化する。ＳＬ層の一部の上に、まず特殊な疑絶
縁層（変換層）を遊離させ、その上に金属電極（ゲー
ト）を配置する。そのため、上記の層構造はＭＩＳ素子
（金属−絶縁体−超電導体）と呼ぶことができよう。本
発明で新規なのは、ゲートを経由して電子を移動させる
ことにより、非常に薄く形成された変換層の中で、伝導
性を可逆的に何倍にも変化させ、それによって境界を接
する超電導体中の輸送特性を制御できることである。
造を図１に示す本発明の薄層素子により解決される。最
初に、好適な基材上に公知の方法によりＳＬ層を遊離さ
せ、構造化する。ＳＬ層の一部の上に、まず特殊な疑絶
縁層（変換層）を遊離させ、その上に金属電極（ゲー
ト）を配置する。そのため、上記の層構造はＭＩＳ素子
（金属−絶縁体−超電導体）と呼ぶことができよう。本
発明で新規なのは、ゲートを経由して電子を移動させる
ことにより、非常に薄く形成された変換層の中で、伝導
性を可逆的に何倍にも変化させ、それによって境界を接
する超電導体中の輸送特性を制御できることである。
【０００９】簡単にいうと、様々な物理的機構が考えら
れる絶縁体−金属−転移が変換層中で起こるのである。
しかしいずれの場合も、超電導体に接している変換層中
における著しい伝導性の変化が、超電導体の特性制御の
原因と見なされる。最も簡単な場合には、電子が変換層
の伝導帯中にくぐり抜けることにより伝導性が制御さ
れ、その際、ゲートと超電導体の間に、変換層の突破電
圧に近い数ボルトの電圧が生じる。
れる絶縁体−金属−転移が変換層中で起こるのである。
しかしいずれの場合も、超電導体に接している変換層中
における著しい伝導性の変化が、超電導体の特性制御の
原因と見なされる。最も簡単な場合には、電子が変換層
の伝導帯中にくぐり抜けることにより伝導性が制御さ
れ、その際、ゲートと超電導体の間に、変換層の突破電
圧に近い数ボルトの電圧が生じる。
【００１０】絶縁体−金属−転移を相転移の形態で行う
ことが分かっている材料が、変換層に特に好適であると
思われる（N.F.Mott, E.A.Davis: Electronic Processe
s inNon-Cristalline Materials; Clarendon Press Oxf
ord(1971), 121 頁以降）。その様な相転移の例して
は、とりわけ遷移金属の化合物、例えばバナジウム、タ
ングステン、ニオブ、チタン、等の酸化物、ならびにそ
れらの混合酸化物がある。これらの物質の表面上の特徴
は、温度の影響により電子伝導性が著しく変化し得るこ
とである。一定の跳躍温度または転移温度より高い温度
では一般的に良好な伝導性を有する金属相が存在し、低
温では伝導性が著しく低い絶縁性または半伝導性の相が
存在する。この相転移は、通常の結晶変態の変化により
起こることがあるが、第一に結晶の電子的な帯構造の変
化により相転移が起こることもあり、その場合、格子構
造は本質的に保存される。例としてはキャリアの非局在
化により起こる、いわゆるアンダーソン転移（P.W.Ande
rson, Phys. Rev. 111, 1029(1958)）がある。遊離した
電荷キャリアが伝導帯に集まり、伝導性が大きく増加す
る。非局在化は熱的な活性化により最も簡単に起こり、
観察できるが、原則的にそれに限定するものではない。
本発明の意味における変換層には、これらの物質区分か
ら、電子的にのみ相転移する物質だけを考える。
ことが分かっている材料が、変換層に特に好適であると
思われる（N.F.Mott, E.A.Davis: Electronic Processe
s inNon-Cristalline Materials; Clarendon Press Oxf
ord(1971), 121 頁以降）。その様な相転移の例して
は、とりわけ遷移金属の化合物、例えばバナジウム、タ
ングステン、ニオブ、チタン、等の酸化物、ならびにそ
れらの混合酸化物がある。これらの物質の表面上の特徴
は、温度の影響により電子伝導性が著しく変化し得るこ
とである。一定の跳躍温度または転移温度より高い温度
では一般的に良好な伝導性を有する金属相が存在し、低
温では伝導性が著しく低い絶縁性または半伝導性の相が
存在する。この相転移は、通常の結晶変態の変化により
起こることがあるが、第一に結晶の電子的な帯構造の変
化により相転移が起こることもあり、その場合、格子構
造は本質的に保存される。例としてはキャリアの非局在
化により起こる、いわゆるアンダーソン転移（P.W.Ande
rson, Phys. Rev. 111, 1029(1958)）がある。遊離した
電荷キャリアが伝導帯に集まり、伝導性が大きく増加す
る。非局在化は熱的な活性化により最も簡単に起こり、
観察できるが、原則的にそれに限定するものではない。
本発明の意味における変換層には、これらの物質区分か
ら、電子的にのみ相転移する物質だけを考える。
【００１１】実験により、ＳＬ層中の電流はゲートにお
ける電圧により非常に効果的に制御できることが確認さ
れた。図２は、素子の代表的な特性曲線を示す。この図
から、４０mAのＳＬ路の臨界電流がゲート信号により完
全に抑制される、すなわち超電導状態から常電導状態へ
の完全な転移が起こることが分かる。同時にゲート（接
触表面積１０μm ｘ１０μm ）を通して流れる制御電流
はその際約１００μAであるが、すでに数μA のゲート
電流で超電導体中の臨界電流密度に影響を及ぼすことが
観察される。
ける電圧により非常に効果的に制御できることが確認さ
れた。図２は、素子の代表的な特性曲線を示す。この図
から、４０mAのＳＬ路の臨界電流がゲート信号により完
全に抑制される、すなわち超電導状態から常電導状態へ
の完全な転移が起こることが分かる。同時にゲート（接
触表面積１０μm ｘ１０μm ）を通して流れる制御電流
はその際約１００μAであるが、すでに数μA のゲート
電流で超電導体中の臨界電流密度に影響を及ぼすことが
観察される。
【００１２】本発明の構造素子と、文献から公知の機構
との比較において、類似の層構造中で疑似粒子が超電導
体中に取り込まれ、その輸送特性を変化させる構造を考
える［T.Kobayashi, K.Hashimoto, U.Kabasawa, M.Tono
uchi: Three Terminal YBaCuO Josephson Device with
Quasi-Particle Injection Gate; IEEE Transactionson
Magnetics 25, 927-930(1989) ／ K.Takeuchi, Y.Okab
e: Injection Controlled Superconducting Links; Jp
n.J.Appl.Phys. 28, 1810-1815(1989)］。その様な構造
の特性曲線は、本発明の構造素子の特性曲線と定性的に
類似している様に見えるが、そこでは超電導体を作動さ
せるために本質的により高い温度を必要とし、そのため
に異なった作動機構を引き起こすことになろう。文献で
通常行われている様に、電流増幅度を、超電導体中の作
動臨界電流の注入されたゲート電流に対する商（場合に
より微分）として定義すると、文献中に記載されている
機構の値は１〜１０になるのに対し、この新規な素子に
よる増幅度は、この定義にしたがって１００〜１０００
に達する。
との比較において、類似の層構造中で疑似粒子が超電導
体中に取り込まれ、その輸送特性を変化させる構造を考
える［T.Kobayashi, K.Hashimoto, U.Kabasawa, M.Tono
uchi: Three Terminal YBaCuO Josephson Device with
Quasi-Particle Injection Gate; IEEE Transactionson
Magnetics 25, 927-930(1989) ／ K.Takeuchi, Y.Okab
e: Injection Controlled Superconducting Links; Jp
n.J.Appl.Phys. 28, 1810-1815(1989)］。その様な構造
の特性曲線は、本発明の構造素子の特性曲線と定性的に
類似している様に見えるが、そこでは超電導体を作動さ
せるために本質的により高い温度を必要とし、そのため
に異なった作動機構を引き起こすことになろう。文献で
通常行われている様に、電流増幅度を、超電導体中の作
動臨界電流の注入されたゲート電流に対する商（場合に
より微分）として定義すると、文献中に記載されている
機構の値は１〜１０になるのに対し、この新規な素子に
よる増幅度は、この定義にしたがって１００〜１０００
に達する。
【００１３】類似の構造は、ＳＬ層に対する電場効果の
研究にも使用されている。ＩＢＭは、３０ボルトの領域
のゲート電圧で作動する、厚さ約１６０nmの絶縁体を有
する構造を報告している［J.Mannhart, J.G.Bednorz,
K.A.Mueller, D.G.Schlom: Electric Field Effect on
SuperconductingＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-δFilms; Z.Phys.B
-Condensed Matter 83, 307-311(1991)］。この電場の
影響下で、超電導体中で１％の抵抗変動が観察されてい
る。この配置では非常にわずかなゲート電流が記録され
るが、この電流は超電流にまったく影響せず、制御機構
に関係しない。導電性のWeak Linksを研究する場合、こ
の効果はより大きい。ついでだが、この種の電場効果素
子は半導体技術からも公知であり、そこでは同様にＭＩ
Ｓ（この場合金属−絶縁体−半導体）と呼ばれている。
研究にも使用されている。ＩＢＭは、３０ボルトの領域
のゲート電圧で作動する、厚さ約１６０nmの絶縁体を有
する構造を報告している［J.Mannhart, J.G.Bednorz,
K.A.Mueller, D.G.Schlom: Electric Field Effect on
SuperconductingＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-δFilms; Z.Phys.B
-Condensed Matter 83, 307-311(1991)］。この電場の
影響下で、超電導体中で１％の抵抗変動が観察されてい
る。この配置では非常にわずかなゲート電流が記録され
るが、この電流は超電流にまったく影響せず、制御機構
に関係しない。導電性のWeak Linksを研究する場合、こ
の効果はより大きい。ついでだが、この種の電場効果素
子は半導体技術からも公知であり、そこでは同様にＭＩ
Ｓ（この場合金属−絶縁体−半導体）と呼ばれている。
【００１４】この新規なＭＩＳトランジスターの特性曲
線を詳しく研究することにより、すでに公知の構造素子
に対する違いが明らかに示される。図２から臨界電流と
インジェクター電流の間に明らかに関連が見られる、す
なわちＳＬ／ＮＬ変換が精確にゲート電圧で起こり、そ
の電圧でゲート電極への電子移動も開始する。構造の構
築に他の材料を使用する場合、閾電圧が一般的に０．５
〜７ボルトの範囲で変動するであろうが、インジェクタ
ー電流と臨界電流の間には常に上記の関係が保存されて
いる。そこから、明らかに下記の結論を引き出すことが
できる。
線を詳しく研究することにより、すでに公知の構造素子
に対する違いが明らかに示される。図２から臨界電流と
インジェクター電流の間に明らかに関連が見られる、す
なわちＳＬ／ＮＬ変換が精確にゲート電圧で起こり、そ
の電圧でゲート電極への電子移動も開始する。構造の構
築に他の材料を使用する場合、閾電圧が一般的に０．５
〜７ボルトの範囲で変動するであろうが、インジェクタ
ー電流と臨界電流の間には常に上記の関係が保存されて
いる。そこから、明らかに下記の結論を引き出すことが
できる。
【００１５】（イ） 本発明の構造素子は純粋な電場効
果によるものではなく、常にゲートにおける電流ないし
注入効果が必然的に存在する。
果によるものではなく、常にゲートにおける電流ないし
注入効果が必然的に存在する。
【００１６】（ロ） 他方、この効果は純粋な電流導入
によっては説明できない。というのは、素子を製造する
際、絶縁体層を取り除き、ゲートを通して同じ大きさの
注入電流を超電導体に直接導入しても、上記の始動効果
がまったく現れないためである。
によっては説明できない。というのは、素子を製造する
際、絶縁体層を取り除き、ゲートを通して同じ大きさの
注入電流を超電導体に直接導入しても、上記の始動効果
がまったく現れないためである。
【００１７】（ハ） 超電導体中における測定可能な効
果に必要なゲート電流は非常に小さいので、超電導体中
の高エネルギー疑似粒子の直接作用は説明にならない。
同様のことが、熱的効果にも当てはまる。
果に必要なゲート電流は非常に小さいので、超電導体中
の高エネルギー疑似粒子の直接作用は説明にならない。
同様のことが、熱的効果にも当てはまる。
【００１８】この新規なＭＩＳ素子の物理的な作用機構
は完全には解明されていない。しかし、電子の受け入れ
により絶縁体層で金属状態への変換が起こることによ
り、境界を接するＳＬ層中に近接効果を引き起こす、と
いうのが最も妥当な解釈である。この近接効果により超
電導性電子のエネルギー欠陥が低減され、その結果、臨
界転移温度が低下する。変換層における転移の他の影響
は、超電導体が接触表面でその表面エネルギーの変動を
強制され、その結果ピニング力が低下することにあると
いえる。これがやはり最高超電導性電流密度を低下させ
る。恐らく、両方の効果が制御効果を引き起こすのであ
ろうが、それに関する一つの示唆を図３（臨界電流と注
入電流の関係）から見て取ることができ、そこでは明ら
かに２つの過程が異なった活性化エネルギーに関与して
いることが分かる。これに反して、超電導体自体への電
子導入は制御過程にまったく影響しないか、あるいは二
次的な影響しか及ぼさない様である。始動特性の機能的
異存性に関する他の実験的研究を、例えば温度変化によ
り（図４）、様々な材料および層の厚さを使用して、あ
るいは外部の磁界を使用することにより行い、上記の解
釈を立証した。
は完全には解明されていない。しかし、電子の受け入れ
により絶縁体層で金属状態への変換が起こることによ
り、境界を接するＳＬ層中に近接効果を引き起こす、と
いうのが最も妥当な解釈である。この近接効果により超
電導性電子のエネルギー欠陥が低減され、その結果、臨
界転移温度が低下する。変換層における転移の他の影響
は、超電導体が接触表面でその表面エネルギーの変動を
強制され、その結果ピニング力が低下することにあると
いえる。これがやはり最高超電導性電流密度を低下させ
る。恐らく、両方の効果が制御効果を引き起こすのであ
ろうが、それに関する一つの示唆を図３（臨界電流と注
入電流の関係）から見て取ることができ、そこでは明ら
かに２つの過程が異なった活性化エネルギーに関与して
いることが分かる。これに反して、超電導体自体への電
子導入は制御過程にまったく影響しないか、あるいは二
次的な影響しか及ぼさない様である。始動特性の機能的
異存性に関する他の実験的研究を、例えば温度変化によ
り（図４）、様々な材料および層の厚さを使用して、あ
るいは外部の磁界を使用することにより行い、上記の解
釈を立証した。
【００１９】本発明の構造素子は原則的にどの様な種類
の超電導体にも適しているが、それでも、変換層および
ゲート電極は、材料ならびに対応する層厚の選択におい
て注意深く相互に調和させなければならない。変換層の
層厚は、注入電子の自由経路長さのオーダー、つまり約
５〜２０nmであるのが有利であるが、いずれにせよ、ト
ンネルバリヤーの層厚よりは大きく、高オームのゲート
酸化物の厚さよりも小さい。超電導体の総厚は、始動効
果を考慮してできるだけ小さく調節し、超電導状態と常
電導状態において必要な電流負荷容量にしたがう。最大
許容ＳＬ層厚は、近接効果から公知の様に、主として干
渉長により異なる。代表的な値はＳＬの種類に応じて１
〜１００nmの間にある。実験ではこれまで超電導体にニ
オブ元素を、変換層には酸化ニオブＮｂＯx を使用し
た。後者は鉛、アルミニウム、等の他のＮＴＳＬにも適
している。変換層に、上記の材料区分の代表を絶縁体−
金属−相転移で使用する場合、転移温度は超電導体の運
転温度より上でなければならない。そのため、ＹＢａ2
Ｃｕ3 Ｏ7 の様なＨＴＳＬには、例えば酸化バナジウム
Ｖ2 Ｏ3 （１５０Ｋで転移）、ＮｉＳ（２５０Ｋ）また
はＴｉ2 Ｏ3 （＞３００Ｋ）が好ましい。
の超電導体にも適しているが、それでも、変換層および
ゲート電極は、材料ならびに対応する層厚の選択におい
て注意深く相互に調和させなければならない。変換層の
層厚は、注入電子の自由経路長さのオーダー、つまり約
５〜２０nmであるのが有利であるが、いずれにせよ、ト
ンネルバリヤーの層厚よりは大きく、高オームのゲート
酸化物の厚さよりも小さい。超電導体の総厚は、始動効
果を考慮してできるだけ小さく調節し、超電導状態と常
電導状態において必要な電流負荷容量にしたがう。最大
許容ＳＬ層厚は、近接効果から公知の様に、主として干
渉長により異なる。代表的な値はＳＬの種類に応じて１
〜１００nmの間にある。実験ではこれまで超電導体にニ
オブ元素を、変換層には酸化ニオブＮｂＯx を使用し
た。後者は鉛、アルミニウム、等の他のＮＴＳＬにも適
している。変換層に、上記の材料区分の代表を絶縁体−
金属−相転移で使用する場合、転移温度は超電導体の運
転温度より上でなければならない。そのため、ＹＢａ2
Ｃｕ3 Ｏ7 の様なＨＴＳＬには、例えば酸化バナジウム
Ｖ2 Ｏ3 （１５０Ｋで転移）、ＮｉＳ（２５０Ｋ）また
はＴｉ2 Ｏ3 （＞３００Ｋ）が好ましい。
【００２０】本素子の電子特性と、その簡単な構造の組
み合わせにより、非常に有利な応用分野が開けてくる。
この構造の一部（ゲート電極）は常電導性の金属からな
るが、そのリード線を十分な厚さを持たせて短く設計
し、その中で引き起こされる抵抗による損失を無視でき
る程小さく維持することができる。ＮＴＳＬ回路には、
ゲート電極も同様に超電導性材料から構成できるので、
ＳＩＳ構造が得られる。ＨＴＳＬ回路に関して、ＭＩＳ
構造は、超電導性多層の製造における上記の技術的問題
が回避されるので、非常に有利である。
み合わせにより、非常に有利な応用分野が開けてくる。
この構造の一部（ゲート電極）は常電導性の金属からな
るが、そのリード線を十分な厚さを持たせて短く設計
し、その中で引き起こされる抵抗による損失を無視でき
る程小さく維持することができる。ＮＴＳＬ回路には、
ゲート電極も同様に超電導性材料から構成できるので、
ＳＩＳ構造が得られる。ＨＴＳＬ回路に関して、ＭＩＳ
構造は、超電導性多層の製造における上記の技術的問題
が回避されるので、非常に有利である。
【００２１】新規な構造素子の用途はまず、半導体−ト
ランジスターの代替品として使用できる分野、したがっ
て７７Ｋで作動させる、超電導体および半導体からなる
ハイブリッド回路、または場合によりヘリウム温度
（４．２Ｋ）でも運転する純粋な超電導性電子回路であ
る。無論その際、実際的な回路は、その始動、制御およ
び増幅機能を最も効率的に利用できる様に、この新規な
素子の特性曲線に適合させる。
ランジスターの代替品として使用できる分野、したがっ
て７７Ｋで作動させる、超電導体および半導体からなる
ハイブリッド回路、または場合によりヘリウム温度
（４．２Ｋ）でも運転する純粋な超電導性電子回路であ
る。無論その際、実際的な回路は、その始動、制御およ
び増幅機能を最も効率的に利用できる様に、この新規な
素子の特性曲線に適合させる。
【００２２】図３の特性曲線に注目すると、それに加え
て、超電導性フィルムの輸送特性の配分された変化も、
特殊な用途に使用できることが明らかである。ここでは
特に、超電導体の有利な高周波特性を利用できる高周波
構造素子を考えるべきである。高周波共振器の様なすで
に説明した超電導性素子で、導体路の一部に影響を及ぼ
すことにより、その性能を制御することができる。その
他の用途としては、例えば機能が導体部分の運動インダ
クタンスの変化を引き起こす位相器、あるいは再生ルー
プにおける新規なＭＩＳ素子を備えた発振器の様な、新
規な超電導性ＨＦ構造素子がある。
て、超電導性フィルムの輸送特性の配分された変化も、
特殊な用途に使用できることが明らかである。ここでは
特に、超電導体の有利な高周波特性を利用できる高周波
構造素子を考えるべきである。高周波共振器の様なすで
に説明した超電導性素子で、導体路の一部に影響を及ぼ
すことにより、その性能を制御することができる。その
他の用途としては、例えば機能が導体部分の運動インダ
クタンスの変化を引き起こす位相器、あるいは再生ルー
プにおける新規なＭＩＳ素子を備えた発振器の様な、新
規な超電導性ＨＦ構造素子がある。
【図１】本発明による薄層素子の断面図。
【図２】臨界電流と（ゲート電流）とゲート電圧との関
係を示すグラフ。
係を示すグラフ。
【図３】臨界電流とゲート電流との関係を示すグラフ。
【図４】臨界電流と温度との関係を示すグラフ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベルナー、シャーバー ドイツ連邦共和国ベルマティンゲン、ウン テラー、ヘーエンウェーク、22 (72)発明者 トーマス、ペーターラインス ドイツ連邦共和国レーゲンスブルク、ウィ ットウェーク、１ (72)発明者 パウル、ツィーマン ドイツ連邦共和国ラドルフツェル、ヘーガ ウシュトラーセ、30
Claims (9)
- 【請求項１】薄い超電導性層が、薄い、特に疑似絶縁性
層（変換層）と接触していること、変換層中で、境界を
接する金属電極（ゲート）から流れる電流により、約数
倍の伝導性の増加が引き起こされること、およびそれに
よって超電導体路の電流負荷容量ないしインピーダンス
が制御されることを特徴とする、マイクロエレクトロニ
クス用の薄膜構造素子。 - 【請求項２】伝導性の増加が、変換層中における非金属
／金属の相転移により引き起こされることを特徴とす
る、請求項１に記載の構造素子。 - 【請求項３】変換層に、使用する超電導体の跳躍温度よ
り高い温度で強い電子伝導性の変化を伴う著しい相変化
を示す遷移金属の化合物が使用されることを特徴とす
る、請求項１または２に記載の構造素子。 - 【請求項４】ゲート電極が同様に超電導性材料からなる
ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載
の構造素子。 - 【請求項５】制御すべき超電導体路が、外側境界面（ゲ
ートと反対側）上で、接触範囲内で薄い金属相により覆
われていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか
１項に記載の構造素子。 - 【請求項６】変換層が好ましくは５〜２０nmの層厚に、
超電導体層の厚さが好ましくは使用する超電導体の干渉
長の大きさに形成されることを特徴とする、請求項１〜
５のいずれか１項に記載の構造素子。 - 【請求項７】低温電子回路における、超電導体、半導
体、またはＳＬ／ＨＬハイブリッドモジュールを基材と
する能動的制御素子として使用され、その中に集積回路
が超電導体性または半導体性構造素子と共に一体化され
ていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項
に記載の構造素子。 - 【請求項８】半導体トランジスターと同様に、素子を増
幅器またはスイッチとして使用するためにゲートを作動
させることによる、超電導体層中の輸送特性を変化させ
る可能性が使用されていることを特徴とする、請求項１
〜７のいずれか１項に記載の構造素子。 - 【請求項９】例えば感度調節可能な共振器、位相器、ま
たは作動周波数を調節できる発振器の様な高周波構造素
子の部品として素子を使用するためにゲートを作動させ
ることによる、超電導体層中の輸送特性を変化させる可
能性が使用されていることを特徴とする、請求項１〜８
のいずれか１項に記載の構造素子。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4320484A DE4320484A1 (de) | 1993-06-21 | 1993-06-21 | Steuerbares Supraleiter-Bauelement |
| DE4320484.8 | 1993-06-21 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0722661A true JPH0722661A (ja) | 1995-01-24 |
Family
ID=6490803
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6107011A Pending JPH0722661A (ja) | 1993-06-21 | 1994-05-20 | 制御可能な超電導体製構造素子 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5721197A (ja) |
| EP (1) | EP0630060B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0722661A (ja) |
| DE (2) | DE4320484A1 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005183979A (ja) * | 2003-12-17 | 2005-07-07 | Samsung Electronics Co Ltd | 半導体装置の不揮発性キャパシタ、その不揮発性キャパシタを含む半導体メモリ素子およびその半導体メモリ素子の動作方法 |
| JP2006295168A (ja) * | 2005-04-06 | 2006-10-26 | Samsung Electronics Co Ltd | 多値抵抗体メモリ素子とその製造及び動作方法 |
| KR101234870B1 (ko) * | 2011-05-23 | 2013-02-19 | 한국과학기술원 | 반도체-초전도체 전이 트랜지스터 |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6518673B2 (en) * | 2001-06-15 | 2003-02-11 | Trw Inc. | Capacitor for signal propagation across ground plane boundaries in superconductor integrated circuits |
| UA82711C2 (en) * | 2003-09-12 | 2008-05-12 | Эли Лилли Энд Компани | Substituted 2-carbonylamino-6-piperidinaminopyridines and substituted 1-carbonylamino-3-piperidinaminobenzenes as 5-ht1f agonists |
| US7247603B2 (en) * | 2003-10-23 | 2007-07-24 | Star Cryoelectronics | Charge dissipative dielectric for cryogenic devices |
| US7615385B2 (en) | 2006-09-20 | 2009-11-10 | Hypres, Inc | Double-masking technique for increasing fabrication yield in superconducting electronics |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4430662A (en) * | 1981-04-09 | 1984-02-07 | Sperry Corporation | Superconductive tunnel junction integrated circuit |
| DE3370901D1 (en) * | 1982-05-31 | 1987-05-14 | Nec Corp | Method of producing josephson tunnel barrier |
| US4459321A (en) * | 1982-12-30 | 1984-07-10 | International Business Machines Corporation | Process for applying closely overlapped mutually protective barrier films |
| KR910002311B1 (ko) * | 1987-02-27 | 1991-04-11 | 가부시기가이샤 히다찌세이사꾸쇼 | 초전도 디바이스 |
| JPS6431475A (en) * | 1987-07-28 | 1989-02-01 | Univ Tokyo | Superconducting device and forming method thereof |
| US5055158A (en) * | 1990-09-25 | 1991-10-08 | International Business Machines Corporation | Planarization of Josephson integrated circuit |
| EP0523279A1 (en) * | 1991-07-19 | 1993-01-20 | International Business Machines Corporation | Electric field-effect devices having a superconducting channel |
| DE69210150T2 (de) * | 1991-08-26 | 1996-10-31 | Sumitomo Electric Industries | Supraleitende Einrichtung mit extrem dünnen supraleitenden Kanal aus oxydisch supraleitendem Material und Verfahren zu deren Herstellung |
| EP0534811B1 (en) * | 1991-08-28 | 1996-05-08 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Method of manufacturing superconducting thin film formed of oxide superconductor having non superconducting region in it, and method of manufacturing superconducting device utilizing the superconducting thin film |
-
1993
- 1993-06-21 DE DE4320484A patent/DE4320484A1/de not_active Withdrawn
-
1994
- 1994-04-13 EP EP94105654A patent/EP0630060B1/de not_active Expired - Lifetime
- 1994-04-13 DE DE59403085T patent/DE59403085D1/de not_active Expired - Fee Related
- 1994-05-20 JP JP6107011A patent/JPH0722661A/ja active Pending
-
1995
- 1995-10-06 US US08/540,134 patent/US5721197A/en not_active Expired - Fee Related
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| JP2005183979A (ja) * | 2003-12-17 | 2005-07-07 | Samsung Electronics Co Ltd | 半導体装置の不揮発性キャパシタ、その不揮発性キャパシタを含む半導体メモリ素子およびその半導体メモリ素子の動作方法 |
| JP2006295168A (ja) * | 2005-04-06 | 2006-10-26 | Samsung Electronics Co Ltd | 多値抵抗体メモリ素子とその製造及び動作方法 |
| KR101234870B1 (ko) * | 2011-05-23 | 2013-02-19 | 한국과학기술원 | 반도체-초전도체 전이 트랜지스터 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE59403085D1 (de) | 1997-07-17 |
| DE4320484A1 (de) | 1994-12-22 |
| US5721197A (en) | 1998-02-24 |
| EP0630060B1 (de) | 1997-06-11 |
| EP0630060A1 (de) | 1994-12-21 |
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