JPH0831625B2 - 超電導三端子素子 - Google Patents

超電導三端子素子

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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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良信 樽谷
徳海 深沢
一正 ▲高▼木
塚本  晃
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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。
【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、Al23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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【0011】
【0012】
【0013】
【0014】
【0015】
【0016】
【0017】
【0018】
【実施例】図は本発明の第の実施例示す図であ
り、図において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
37-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
7-yおよび(110)配向のPrBa2Cu37-zを交
互にレ−ザ−蒸着によって成膜する。La2-XBaXCu
37-y層を3層とし、これをはさむ形でPrBa2Cu3
7-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、この部分に超導体Ho
Ba2Cu37-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
37-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-X
XCu37-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、超導体5としてNbNを用い
てもよい。
【0019】本発明の第の実施例を図に示す。
【0020】実施例1と同様に3層のLa2-xBaxCu
37-y層と4層のPrBa2Cu37-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
2Cu37-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
2Cu37-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-xBaxCu37-y
と4層のPrBa2Cu37-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
BaxCu37-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-xBaxCu37-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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】
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)

    【特許請求の範囲】
  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。
JP4292441A 1992-10-30 1992-10-30 超電導三端子素子 Expired - Fee Related JPH0831625B2 (ja)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW335558B (en) * 1996-09-03 1998-07-01 Ibm High temperature superconductivity in strained SiSiGe
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Non-Patent Citations (4)

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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

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