JPH0831625B2 - 超電導三端子素子 - Google Patents
超電導三端子素子Info
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- JPH0831625B2 JPH0831625B2 JP4292441A JP29244192A JPH0831625B2 JP H0831625 B2 JPH0831625 B2 JP H0831625B2 JP 4292441 A JP4292441 A JP 4292441A JP 29244192 A JP29244192 A JP 29244192A JP H0831625 B2 JPH0831625 B2 JP H0831625B2
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- Japan
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- superconducting
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超電導エレクトロニク
スの分野にかかり、特に高速かつ低消費電力の超電導ス
イッチング素子に関する。
スの分野にかかり、特に高速かつ低消費電力の超電導ス
イッチング素子に関する。
【0002】
【従来の技術】超電導電流の電流経路をチャネルとし、
チャネル部に絶縁ゲートを設けて超電導電流を制御する
超電導三端子素子として、二つのタイプの三端子素子が
知られている。第一のタイプの素子は、超電導薄膜をそ
のままチャネルとして用いたものであり、SuFETと
名付けられている。この素子については例えば、IEE
E・トランザクション・オン・マグネティクス,MAG
−23巻1279頁、1989年(IEEE Tran
saction on Magnetics、Vol.
Mag−23、p.1279,1989)に報告されて
いる。超電導体としてIn/InOx、 ゲート絶縁膜と
して、Al2O3を用いた素子が試作され、ゲートに電圧
を印加することによりチャネルの超電導−常伝導転移を
確認している。第二のタイプは超電導−常伝導−超電導
接合を形成し、常伝導層の部分をチャネルとして常伝導
層に絶縁ゲートを設けた三端子素子であり、JOFET
と名付けられている。例えばIEEE・エレクトロン・
デバイス・レターズ、EDL−6巻、297頁、198
5年(IEEE Electoron DeviceL
etters,EDL−6,297,1985)に、常
伝導体としてシリコン、超電導体としてPbを用い、ゲ
ート絶縁膜としてシリコン酸化膜を用いた三端子素子が
報告されている。ゲート電圧によってチャネルの常伝導
−超電導転移を確認している。
チャネル部に絶縁ゲートを設けて超電導電流を制御する
超電導三端子素子として、二つのタイプの三端子素子が
知られている。第一のタイプの素子は、超電導薄膜をそ
のままチャネルとして用いたものであり、SuFETと
名付けられている。この素子については例えば、IEE
E・トランザクション・オン・マグネティクス,MAG
−23巻1279頁、1989年(IEEE Tran
saction on Magnetics、Vol.
Mag−23、p.1279,1989)に報告されて
いる。超電導体としてIn/InOx、 ゲート絶縁膜と
して、Al2O3を用いた素子が試作され、ゲートに電圧
を印加することによりチャネルの超電導−常伝導転移を
確認している。第二のタイプは超電導−常伝導−超電導
接合を形成し、常伝導層の部分をチャネルとして常伝導
層に絶縁ゲートを設けた三端子素子であり、JOFET
と名付けられている。例えばIEEE・エレクトロン・
デバイス・レターズ、EDL−6巻、297頁、198
5年(IEEE Electoron DeviceL
etters,EDL−6,297,1985)に、常
伝導体としてシリコン、超電導体としてPbを用い、ゲ
ート絶縁膜としてシリコン酸化膜を用いた三端子素子が
報告されている。ゲート電圧によってチャネルの常伝導
−超電導転移を確認している。
【0003】これらの従来技術において、超電導三端子
素子は、ゲート電極によってチャネルの状態として超電
導状態と常伝導状態の2種類の状態が実現できるので、
これらをオン、オフの2つの状態としたスイッチング素
子が実現できる。
素子は、ゲート電極によってチャネルの状態として超電
導状態と常伝導状態の2種類の状態が実現できるので、
これらをオン、オフの2つの状態としたスイッチング素
子が実現できる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、チャネルの状態として超電導状態、常伝導状態の2
状態を用いることができる。実際には同じ超電導状態で
あっても、ゲート電圧の値によってチャネルの超電導電
流の臨界電流は変わる。しかし、この臨界電流の変化は
ゲート電圧に対して連続的なので、回路に用いる場合に
臨界電流の異なる状態を、区別して扱うことはできな
い。従って従来の素子で3状態以上の状態を扱うために
は、複数の素子の組合せが必要であった。従来の素子の
大きさで、単一素子で3状態以上の状態を扱えれば、同
じレベルの集積度で、より多くの情報を扱える。このこ
とは用いる素子数が多いほど顕著に現れる。例えば単純
計算で100素子を用いた場合に扱える情報量は、従来
素子では2100 =1.3×1030に対し、例えば単一素
子で4状態扱える素子では4100=1.6×1060と3
0桁も多くの情報を扱えることになる。この差は素子数
が多いほど顕著に現れるので、集積度の高い回路ほど効
果が大きい。
は、チャネルの状態として超電導状態、常伝導状態の2
状態を用いることができる。実際には同じ超電導状態で
あっても、ゲート電圧の値によってチャネルの超電導電
流の臨界電流は変わる。しかし、この臨界電流の変化は
ゲート電圧に対して連続的なので、回路に用いる場合に
臨界電流の異なる状態を、区別して扱うことはできな
い。従って従来の素子で3状態以上の状態を扱うために
は、複数の素子の組合せが必要であった。従来の素子の
大きさで、単一素子で3状態以上の状態を扱えれば、同
じレベルの集積度で、より多くの情報を扱える。このこ
とは用いる素子数が多いほど顕著に現れる。例えば単純
計算で100素子を用いた場合に扱える情報量は、従来
素子では2100 =1.3×1030に対し、例えば単一素
子で4状態扱える素子では4100=1.6×1060と3
0桁も多くの情報を扱えることになる。この差は素子数
が多いほど顕著に現れるので、集積度の高い回路ほど効
果が大きい。
【0005】本発明の目的は上に述べたような単一素子
で3状態以上の離散的な状態を制御できる三端子素子を
超電導体を利用して実現することにある。
で3状態以上の離散的な状態を制御できる三端子素子を
超電導体を利用して実現することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の三端子素子として、JOFETに対応して、以下に示
す超電導三端子素子が考えられる。
の三端子素子として、JOFETに対応して、以下に示
す超電導三端子素子が考えられる。
【0007】
【0008】電気伝導性材料からなるチャネル層と、上
記チャネル層に接して設けられた超電導体対と、上記超
電導体対の間に位置する上記チャネル層の上部または下
部に絶縁膜を介して設けられたゲート電極とによって構
成される超電導三端子素子において、上記チャネル層は
キャリア密度の異なる2種類以上の常伝導体からなる多
層膜を有し、上記多層膜は、Ln−Ba−Cu−Oまた
はY−Ba−Cu−Oからなる第1の酸化物材料と、
(Y・Pr)−Ba−Cu−Oからなる第2の酸化物材
料とからなる積層構造であり、上記LnはPrを除く1
種類もしくは複数の希土類元素を表わし、上記第1の酸
化物材料において、LnもしくはYとBaとの組成比が
1.3:1.7から1.5:1.5の範囲にあり、上記
第2の酸化物材料において、YとPrの組成比が1:1
以下とする。
記チャネル層に接して設けられた超電導体対と、上記超
電導体対の間に位置する上記チャネル層の上部または下
部に絶縁膜を介して設けられたゲート電極とによって構
成される超電導三端子素子において、上記チャネル層は
キャリア密度の異なる2種類以上の常伝導体からなる多
層膜を有し、上記多層膜は、Ln−Ba−Cu−Oまた
はY−Ba−Cu−Oからなる第1の酸化物材料と、
(Y・Pr)−Ba−Cu−Oからなる第2の酸化物材
料とからなる積層構造であり、上記LnはPrを除く1
種類もしくは複数の希土類元素を表わし、上記第1の酸
化物材料において、LnもしくはYとBaとの組成比が
1.3:1.7から1.5:1.5の範囲にあり、上記
第2の酸化物材料において、YとPrの組成比が1:1
以下とする。
【0009】
【作用】以上の超電導三端子素子の構造においては、チ
ャネル層において超電導電流の経路が複数存在する。J
OFET型の素子では、超電導キャリアの染みだしはキ
ャリア密度の1/n乗(nはキャリア系の次元)に比例
するので、主にキャリア密度の大きい材料の領域が超電
導電流の経路になる。
ャネル層において超電導電流の経路が複数存在する。J
OFET型の素子では、超電導キャリアの染みだしはキ
ャリア密度の1/n乗(nはキャリア系の次元)に比例
するので、主にキャリア密度の大きい材料の領域が超電
導電流の経路になる。
【0010】ゲート電極に電圧を印加すると、絶縁体膜
を介して電界がチャネル層に侵入し、チャネル層のキャ
リヤ密度が変化する。常伝導層のキャリヤが正孔である
場合、ゲートに正の電圧を印加すると、チャネル層の中
で絶縁体界面に近い部分、ほとんどキャリヤの存在しな
い空乏層ができる。超電導状態を保っているチャネルの
伝導層の枚数を決めることができる。したがってチャネ
ルの伝導層の枚数をnとすると超電導の枚数0枚からn
枚までn+1の状態を区別することができる。各状態は
素子特性としてソース・ドレイン間の臨界電流に反映さ
れる。各層の担う超電導電流が仮に等しいとしてこれを
Icとおくと、ソース・ドレイン間の臨界電流IcSDは、Ic
の整数倍になる。従ってIcSDはゲート電圧に対して階段
状に変化することになる。
を介して電界がチャネル層に侵入し、チャネル層のキャ
リヤ密度が変化する。常伝導層のキャリヤが正孔である
場合、ゲートに正の電圧を印加すると、チャネル層の中
で絶縁体界面に近い部分、ほとんどキャリヤの存在しな
い空乏層ができる。超電導状態を保っているチャネルの
伝導層の枚数を決めることができる。したがってチャネ
ルの伝導層の枚数をnとすると超電導の枚数0枚からn
枚までn+1の状態を区別することができる。各状態は
素子特性としてソース・ドレイン間の臨界電流に反映さ
れる。各層の担う超電導電流が仮に等しいとしてこれを
Icとおくと、ソース・ドレイン間の臨界電流IcSDは、Ic
の整数倍になる。従ってIcSDはゲート電圧に対して階段
状に変化することになる。
【0011】
【0012】
【0013】
【0014】
【0015】
【0016】
【0017】
【0018】
【実施例】 第1図は本発明の第1の実施例示す図であ
り、図1において7および8は常伝導体であり、8に用
いる常伝導体のキャリア密度が7に用いる常伝導体のキ
ャリア密度より大きいものにする。例えば8としてキャ
リア密度3×1021/cm3のLa2-xBaxCu
3O7-y、7としてキャリア密度1×1019/cm3のP
rBa2Cu3O7−yを用いる。SrTiO3(11
0)基板の上に、(110)配向のLa2-XBaxCu3
O7-yおよび(110)配向のPrBa2Cu3O7-zを交
互にレ−ザ−蒸着によって成膜する。La2-XBaXCu
3O7-y層を3層とし、これをはさむ形でPrBa2Cu3
O7-Zを4層形成する。形成した積層膜に対して、ソー
ス電極およびドレイン電極を形成する部分をイオンビー
ムエッチングによって除去し、この部分に超電導体Ho
Ba2Cu3O7-yをプラズマ中の反応性蒸着によって形
成する。常伝導層の部分に対してSrTiO3絶縁膜を
レーザ蒸着し、その上からAuのゲート電極を形成す
る。2つの超電導層の各々に銀電極を形成し、ソースお
よびドレイン電極とする。この場合、La2-XBaXCu
3O7-y層の部分が、ソース−ドレイン間の超電導電流の
経路となる。ゲート電極の電圧によって、各La2-XB
aXCu3O7-y層が順次にキャリア密度変調をうけ、超
電導電流を流さなくなる。したがって、図3および図4
に示すような特性を示し、ゲート電圧による離散的な4
状態に制御が可能になる。常伝導体7として分子線エピ
タキシ法で形成したGaAsまたはシリコン単結晶、常
伝導体8としてAl0.3Ga0.7Asまたはホウ素をドー
プしたシリコンを用い、超電導体5としてNbNを用い
てもよい。
り、図1において7および8は常伝導体であり、8に用
いる常伝導体のキャリア密度が7に用いる常伝導体のキ
ャリア密度より大きいものにする。例えば8としてキャ
リア密度3×1021/cm3のLa2-xBaxCu
3O7-y、7としてキャリア密度1×1019/cm3のP
rBa2Cu3O7−yを用いる。SrTiO3(11
0)基板の上に、(110)配向のLa2-XBaxCu3
O7-yおよび(110)配向のPrBa2Cu3O7-zを交
互にレ−ザ−蒸着によって成膜する。La2-XBaXCu
3O7-y層を3層とし、これをはさむ形でPrBa2Cu3
O7-Zを4層形成する。形成した積層膜に対して、ソー
ス電極およびドレイン電極を形成する部分をイオンビー
ムエッチングによって除去し、この部分に超電導体Ho
Ba2Cu3O7-yをプラズマ中の反応性蒸着によって形
成する。常伝導層の部分に対してSrTiO3絶縁膜を
レーザ蒸着し、その上からAuのゲート電極を形成す
る。2つの超電導層の各々に銀電極を形成し、ソースお
よびドレイン電極とする。この場合、La2-XBaXCu
3O7-y層の部分が、ソース−ドレイン間の超電導電流の
経路となる。ゲート電極の電圧によって、各La2-XB
aXCu3O7-y層が順次にキャリア密度変調をうけ、超
電導電流を流さなくなる。したがって、図3および図4
に示すような特性を示し、ゲート電圧による離散的な4
状態に制御が可能になる。常伝導体7として分子線エピ
タキシ法で形成したGaAsまたはシリコン単結晶、常
伝導体8としてAl0.3Ga0.7Asまたはホウ素をドー
プしたシリコンを用い、超電導体5としてNbNを用い
てもよい。
【0019】本発明の第2の実施例を図2に示す。
【0020】実施例1と同様に3層のLa2-xBaxCu
3O7-y層と4層のPrBa2Cu3O7-zからなる積層膜
を形成する。さらにその上に超電導性を有するHoBa
2Cu3O7-y薄膜をプラズマ中の反応性蒸着によって形
成する。得られた積層膜に対して電子線描画法およびイ
オンイームエッチング法により溝を形成して、HoBa
2Cu3O7-x層を分断する。溝の底部にレーザー蒸着法
によりSrTiO3絶縁膜を成膜する。さらに真空蒸着
法によりソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を
形成する。超電導薄膜の下のLa2-xBaxCu3O7-y層
と4層のPrBa2Cu3O7-zの積層膜は超電導近接効
果により、全体が超電導状態になる。ゲート電圧がゼロ
の場合、チャネルの部分では、キャリアの多いLa2-x
BaxCu3O7-y層だけが超電導近接効果により超電導
状態になる。ゲートに電圧を印加すると、ゲートのLa
2-xBaxCu3O7-y層が順次にゲート電極からの電界の
影響を受けて常伝導状態になる。その結果図4で示され
るようにゲート電圧による離散的な臨界電流の制御が可
能になる。
3O7-y層と4層のPrBa2Cu3O7-zからなる積層膜
を形成する。さらにその上に超電導性を有するHoBa
2Cu3O7-y薄膜をプラズマ中の反応性蒸着によって形
成する。得られた積層膜に対して電子線描画法およびイ
オンイームエッチング法により溝を形成して、HoBa
2Cu3O7-x層を分断する。溝の底部にレーザー蒸着法
によりSrTiO3絶縁膜を成膜する。さらに真空蒸着
法によりソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を
形成する。超電導薄膜の下のLa2-xBaxCu3O7-y層
と4層のPrBa2Cu3O7-zの積層膜は超電導近接効
果により、全体が超電導状態になる。ゲート電圧がゼロ
の場合、チャネルの部分では、キャリアの多いLa2-x
BaxCu3O7-y層だけが超電導近接効果により超電導
状態になる。ゲートに電圧を印加すると、ゲートのLa
2-xBaxCu3O7-y層が順次にゲート電極からの電界の
影響を受けて常伝導状態になる。その結果図4で示され
るようにゲート電圧による離散的な臨界電流の制御が可
能になる。
【0021】
【発明の効果】絶縁ゲートを介して超電導電流を制御す
る電界効果形三端子素子に対して、チャネル部分にゲー
ト絶縁膜と平行に複数の導電面を有することによって、
ソース・ドレイン間の超電導電流を段階的に制御するこ
とができる。その結果単一素子で複数の状態を持たせた
多値論理の回路の構成が可能になる。
る電界効果形三端子素子に対して、チャネル部分にゲー
ト絶縁膜と平行に複数の導電面を有することによって、
ソース・ドレイン間の超電導電流を段階的に制御するこ
とができる。その結果単一素子で複数の状態を持たせた
多値論理の回路の構成が可能になる。
【図1】本発明の超電導三端子素子の構造の一例を示す
断面図である。
断面図である。
【図2】本発明の超電導三端子素子の構造の一例を示す
断面図である。
断面図である。
【図3】本発明の超電導三端子素子のソース・ドレイン
間の電圧電流特性と、負荷を接続した場合の動作点を示
す図である。
間の電圧電流特性と、負荷を接続した場合の動作点を示
す図である。
【図4】本発明の超電導三端子素子のソース・ドレイン
間の超電導臨界電流のゲート電圧依存性をしめす図であ
る。
間の超電導臨界電流のゲート電圧依存性をしめす図であ
る。
1 ソース電極、 2 ドレイン電極、 3 ゲート絶縁膜、 4 ゲート電極、 5 超電導体、 7 常伝導体、 8 常伝導体、 9 基板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲高▼木 一正 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 塚本 晃 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 岡本 政邦 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平1−102974(JP,A) 特開 平6−237023(JP,A) 特開 平1−265577(JP,A) 特開 昭64−48477(JP,A) A.JAGER ET.AL.”FIE LD EFFECT IN MULTIL AYERED YBACUO/PRBAC UO DEVICES”1992 APPLIED SUPERCONDU CTIVITY CONFERENCE〜 CONFERENCE DATE:23−28 AUG.1992! IEEE TRANSACTION O N APPLIED SUPERCOND UCTIVITY 3〜1!PP.2933− 2936 APPL.PHYS.LETT.56〜 4!(22 JANUARY 1990)PP. 400−402
Claims (1)
- 【請求項1】電気伝導性材料からなるチャネル層と、上
記チャネル層に接して設けられた超電導体対と、上記超
電導体対の間に位置する上記チャネル層の上部または下
部に絶縁膜を介して設けられたゲート電極とによって構
成される超電導三端子素子において、上記チャネル層は
キャリア密度の異なる2種類以上の常伝導体からなる多
層膜を有し、上記多層膜は、Ln−Ba−Cu−Oまた
はY−Ba−Cu−Oからなる第1の酸化物材料と、
(Y・Pr)−Ba−Cu−Oからなる第2の酸化物材
料とからなる積層構造であり、上記LnはPrを除く1
種類もしくは複数の希土類元素を表わし、上記第1の酸
化物材料において、LnもしくはYとBaとの組成比が
1.3:1.7から1.5:1.5の範囲にあり、上記
第2の酸化物材料において、YとPrの組成比が1:1
以下であることを特徴とする超電導三端子素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4292441A JPH0831625B2 (ja) | 1992-10-30 | 1992-10-30 | 超電導三端子素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4292441A JPH0831625B2 (ja) | 1992-10-30 | 1992-10-30 | 超電導三端子素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06151988A JPH06151988A (ja) | 1994-05-31 |
JPH0831625B2 true JPH0831625B2 (ja) | 1996-03-27 |
Family
ID=17781839
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4292441A Expired - Fee Related JPH0831625B2 (ja) | 1992-10-30 | 1992-10-30 | 超電導三端子素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0831625B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
TW335558B (en) * | 1996-09-03 | 1998-07-01 | Ibm | High temperature superconductivity in strained SiSiGe |
US11165429B2 (en) * | 2020-03-26 | 2021-11-02 | International Business Machines Corporation | Operating a superconducting channel by electron injection |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6448477A (en) * | 1987-08-19 | 1989-02-22 | Mitsubishi Electric Corp | Superconductive three-terminal element |
JPH01102974A (ja) * | 1987-10-16 | 1989-04-20 | Hitachi Ltd | 超伝導デバイス |
JPH01265577A (ja) * | 1988-04-15 | 1989-10-23 | Seiko Epson Corp | ジョセフソン電界効果トランジスタ |
FR2674374A1 (fr) * | 1991-03-22 | 1992-09-25 | Bull Sa | Transistor supraconducteur a effet de champ et procede de fabrication d'une structure multicouche telle que celle utilisee dans le transistor. |
-
1992
- 1992-10-30 JP JP4292441A patent/JPH0831625B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
A.JAGERET.AL."FIELDEFFECTINMULTILAYEREDYBACUO/PRBACUODEVICES"1992 |
APPL.PHYS.LETT.56〜4!(22JANUARY1990)PP.400−402 |
APPLIEDSUPERCONDUCTIVITYCONFERENCE〜CONFERENCEDATE:23−28AUG.1992! |
IEEETRANSACTIONONAPPLIEDSUPERCONDUCTIVITY3〜1!PP.2933−2936 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH06151988A (ja) | 1994-05-31 |
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