JPH0974231A - 超伝導三端子素子 - Google Patents

超伝導三端子素子

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JPH0974231A
JPH0974231A JP7230306A JP23030695A JPH0974231A JP H0974231 A JPH0974231 A JP H0974231A JP 7230306 A JP7230306 A JP 7230306A JP 23030695 A JP23030695 A JP 23030695A JP H0974231 A JPH0974231 A JP H0974231A
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JP
Japan
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superconducting
superconductor
layer
superconducting layer
terminal element
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Pending
Application number
JP7230306A
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English (en)
Inventor
Minoru Suzuki
実 鈴木
Keiichi Tanabe
圭一 田辺
Kazunori Miyahara
一紀 宮原
Shinichi Karimoto
慎一 狩元
浩二 ▲つる▼
Kouji Tsuru
Shugo Kubo
衆伍 久保
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Publication of JPH0974231A publication Critical patent/JPH0974231A/ja
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/10Junction-based devices
    • H10N60/128Junction-based devices having three or more electrodes, e.g. transistor-like structures

Landscapes

  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】高温超伝導体を用いて、非平衡超伝導効果を利
用した増幅機能を有する超伝導三端子素子を提供するこ
とを目的とする。 【解決手段】層状結晶構造を有し、かつその層状構造が
トンネル型ジョセフソン接合として作用する超伝導体か
らなる第1の超伝導層1と、第1の超伝導層1の一方の
面に接合され、第1の端子5を持つ第2の超伝導層2
と、第1の超伝導層1の他方の面に、二つに分離されて
接合され、それぞれに第2、第3の端子6、7を持つ第
3の超伝導層3、4とを設ける。さらに、第1の超伝導
層1はBi系2201超伝導体の他に、各種Bi系、Tl
系その他の超伝導体、あるいはその組合せから構成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、超伝導電子計算機
あるいは超伝導デジタル回路または超伝導量子デバイス
等超伝導回路に使用される超伝導三端子素子に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】超伝導体を用いた電気回路素子には、代
表的なものとしてジョセフソン素子があるが、増幅機能
を有するものはほとんどない。ジョセフソン素子も増幅
機能がないために、超伝導体で増幅回路を構成すること
が困難であり、デジタル回路を構成する際に設計マージ
ンが少なくなり、回路を構成する素子特性に厳しい条件
が付けらる。その為に超伝導電子計算機の構成などが困
難となる大きな欠点がある。このような欠点を克服する
ために、従来の超伝導三端子素子においては、米国特許
第4,334,158号明細書に示されるように、非平衡
超伝導効果を利用した素子が考えられた(アイ・イー・
イー・イー・トランザクション オン マグネティクス
(S.M.Faris,IEEE Transaction on Magnetics,Vol.MAG-
19,No.31983))。この素子はクイテロンと呼ばれてい
る。上記クイテロンは、3層の超伝導体がジョセフソン
接合で結合されており、中間の超伝導層が薄く設計され
ている。上記中間超伝導層に外層の超伝導層から準粒子
を注入させることにより、上記中間超伝導層の超伝導エ
ネルギーギャップを減少させ、それにより出力電流と電
圧を変化させる。上記のエス・エム・ファリス(S.M.Fa
ris)氏の報告によれば、電力利得が約2、電流利得は
約8に達し、半導体と同じノンラッチ、インバーティン
グ論理動作を示し、スイッチ速度は50ps程度にな
る。さらに、原理上寸法の制約がないため、高集積化が
可能であるという利点を有している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の超伝導三端子素子においては、利得をあげようとす
るためには、準粒子の注入をより効果的にする必要があ
る。上記クイテロンでは、上記中間超伝導層に30nm
のNbを用いており、利得をあげようとすれば、さらに
薄くする必要があるが、製造上の制約と信頼性などの問
題から10nm以下にするのは非常に難しいという問題
点がある。
【0004】さらにまた、上記クイテロンは金属の低温
超伝導体で構成されおり、高温超伝導体での動作が望ま
しいところである。しかし、上記の文献で発表された構
成のクイテロンを高温超伝導体で製造することは非常に
困難と考えられる。増幅機能を有する従来の超伝導素子
には以上のような問題点があった。
【0005】非平衡超伝導効果を効率的に起こすために
は、少ない電流で準粒子を多数注入することが必要であ
る。その時超伝導エネルギーギャップΔは1-2δnqp
比例する。δnqpは規格化された過剰準粒子濃度で次の
式で表される。
【0006】
【数1】δnqp=Iqpτeff/4N(0)Δ ここで、Iqpは準粒子注入率でIqp=J/edと表さ
れ、J,e,dはそれぞれ電流、電荷、および準粒子注
入層の厚さである。また、N(0)はフェルミ順位の状
態密度である。τは有効準粒子緩和時間で、フォノンが
対破壊を起こさないで超伝導体から逃げて行く時間をτ
es、フォノンが対破壊を起こすまでの時間をτB、準粒
子が再結合して対を形成するまでの時間をτRとして、
【0007】
【数2】τeff=τR(1+τes/τB) と表現される。通常金属超伝導体では、N(0)が大き
いので比較的大きなエネルギーギャップの変化を起こす
ためにはかなり大きな電流を流す必要がある。低キャリ
ア濃度超伝導体ではN(0)が金属超伝導体に比較して
約1桁小さいので、同じ電流注入でも10倍〜100倍
の大きな効果をあげることができる。また、τeffを大
きくとることで注入の効果をあげることも可能である
が、(数2)式の諸量は超伝導物質によって決まる量で
あるために、大幅に変えることはできない。 本発明は
上述の課題を解決するためになされたもので、高温超伝
導体を用いて、非平衡超伝導効果を利用した増幅機能を
有する超伝導三端子素子を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、層状結晶構造を有し、かつそ
の層状構造がトンネル型ジョセフソン接合として作用す
る超伝導体からなる第1の超伝導層と、上記第1の超伝
導層の一方の面に接合され、第1の端子を持つ第2の超
伝導層と、上記第1の超伝導層の他方の面に、二つに分
離されて接合され、それぞれに第2、第3の端子を持つ
第3の超伝導層とを設ける。
【0009】さらに、上記第1の超伝導層をBi系22
01超伝導体、Bi系2212超伝導体、Bi系2223
超伝導体、Tl系2201超伝導体、Tl系2212超伝
導体、Tl系2223超伝導体、La2-XSrXCuO4,Nd
2-XCeXCuO4のうちの一つ、もしくはその組合せから
構成する。
【0010】このような手段により、第2の超伝導層か
ら第1の超伝導層に電流を流した場合に発生する電圧
が、第3の超伝導層から第1の超伝導層へ流す電流によ
って制御される。
【0011】
【発明の実施の形態】図1は本発明に係わる超伝導三端
子素子の第1の超伝導層を示す図である。
【0012】本発明では準粒子を注入するトンネル接合
として、層状構造を有する超伝導体の中にあるSIS構
造、すなわちイントリンシックジョセフソン接合を利用
する。このイントリンシックジョセフソン接合には、一
例として図1に示すような層状構造を有する高温超伝導
体Bi2Sr2CaCu28の結晶構造がある。図1からわか
るように、層状構造では超伝導層と絶縁層が交互に積層
され、隣り合う超伝導層がジョセフソン結合している。
また、結合部が絶縁層であるためにトンネル接合(SI
S接合)になっており、層状構造超伝導体全体が直列に
接続されたトンネルジョセフソン接合と同等である。こ
のような接合はイントリンシックジョセフソン接合と呼
ばれる。(ただし、大きな層状構造超伝導体の単結晶を
そのまま用いても、イントリンシックジョセフソン接合
本来の特性を測定することはできない。これは、接合長
がジョセフソン侵入長より大きい場合にはジョセフソン
電流が小さく抑えられてしまうからである。これを解決
する方法は特願平5−222791号に記した。) 図1からわかるように、超伝導層の厚さは、Bi2Sr2
aCu28の場合、約0.3nmである。つまり、(数1)
式においてdが通常の準粒子注入層の厚さに比較して1
/100以下になる。このことは、層状構造の超伝導体
においては準粒子注入率が通常の超伝導体におけるクイ
テロン構造よりも100倍以上大きいことを意味してお
り、そのような超伝導体で非平衡超伝導効果を利用する
素子を構成すれば、クイテロンよりも利得の大きい特性
の超伝導増幅機能素子が可能であることがわかる。
【0013】図2は本発明に係わる超伝導三端子素子の
構成図を示す。1は第1の超伝導層、2は第2の超伝導
層、3および4は二つに分離された第3の超伝導層、5
は共通電極、6は準粒子注入電極、7は検出用電極であ
る。
【0014】図2において、準粒子注入電極6から第1
の超伝導層1に電流を流して、準粒子を注入することに
より、第1の超伝導層1の超伝導エネルギーギャップを
変化させ、それによるイントリンシックジョセフソント
ンネル接合の電流電圧特性の変化を検出用電極7で検出
することができる。
【0015】
【実施例】図3は本発明に係わる超伝導三端子素子の実
施例を示す図である。
【0016】図3において、SrTiO3の(100)面
基板8(以下STO基板)の上に基板温度700℃で高
周波スパッタ法によりYBa2Cu37薄膜9を厚み15
0nmエピタキシャル成長させた。その後、引き続き基
板温度650℃でBi2Sr2CaCu28薄膜10を厚さ6
0nmエピタキシャル成長させた。さらに上記の工程に
引き続き、700℃でYBa2Cu37薄膜11を厚み1
50nmエピタキシャル成長させた。以上の工程によ
り、それぞれの超伝導層の界面は乱れや不純物相のない
清浄な界面が得られた。この状態を図3(a)に示す。
【0017】次にレジスト12Aを塗布し、準粒子注入
層の大きさに相当する部分を残し、超伝導層10および
11をイオンミリングにより取り除いた。この状態を図
3(b)に示す。次に超伝導層9の上にイオンミリング
で、取り除いた超伝導層10と11の厚さだけSiO絶
縁体層13を堆積した。この状態を図3(c)に示す。
次にレジスト12Aをアセトンで取り除いた後、再びレ
ジスト12Bを塗布し、超伝導層11の上に、準粒子注
入用と検出用の二つの電極用のパターンを形成し、この
二つの電極に使われない残りの超伝導層の部分をイオン
ミリングで取り除いた。その後取り除いた超伝導層11
の厚さと同じ厚さだけSiO絶縁層14を堆積した。こ
の状態を図3(d)に示す。次に超伝導層9から電極を
とるために、電極となる領域以外の部分にふたたびレジ
スト12Cを塗布し、残りをイオンミリングで取り去っ
た。この状態を図3(e)に示す。最後にAuからなる
電極15,16,17をリフトオフで100nm堆積し
た。この状態を図3(f)に示した。
【0018】図4は本発明に係わる超伝導三端子素子の
電流電圧特性を示す図である。
【0019】図4において、図3の準粒子注入電極16
から共通電極15に種々の大きさの電流を流した時の、
検出用電極17と共通電極15の間の電流電圧特性を示
した。準粒子注入しない場合、すなわち注入電流をIi
として、Ii=0の場合、図4に示すような著しい非線
形特性を示した。次にIi=0.6mAの場合、非平衡超
伝導効果によるエネルギーギャップが減少した。Ii=
1.2mAの場合にはほとんど線形な電流電圧特性にな
った。Ii=0.9mAから1.2mAに変化した時の検
出用電極17側の電流変化は2mAであり、電流利得が
約1.7であった。
【0020】また、実施例に用いたBi系2212超伝
導体の代りに、本発明の請求項2に示した、Bi系22
01超伝導体、Bi系2223超伝導体、Tl系2201
超伝導体、Tl系2212超伝導体、Tl系2223超伝
導体、La2-XSrXCuO4,Nd2-XCeXCuO4のうちの一
つ、もしくはその組合せた他の超伝導体を用い、図3の
工程を経て得られた素子の特性は図4とほとんど同じで
あった。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように、この発明に係わる
超伝導三端子素子においては、第2の超伝導層から第1
の超伝導層に電流を流した場合に発生する電圧が、第3
の超伝導層から第1の超伝導層へ流す電流によって制御
されるので、高温超伝導体を用いて、非平衡超伝導効果
を利用した増幅機能を有する超伝導素子を構成すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】超伝導三端子素子の第1の超伝導層を示す図で
ある。
【図2】超伝導三端子素子の構成図である。
【図3】超伝導三端子素子の実施例を示す図である。
【図4】超伝導三端子素子の電流電圧特性を示す図であ
る。
【符号の説明】
1…第1の超伝導層(層状構造超伝導体) 2…第2の超伝導層 3…第3の超伝導層 4…第3の超伝導層 5…共通電極 6…準粒子注入電極 7…検出用電極 8…基板 9…YBa2Cu37超伝導体 10…Bi2Sr2CaCu28層状構造超伝導体 11…YBa2Cu37超伝導体 12…レジスト 13,14…SiO絶縁層 15,16,17…電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 狩元 慎一 東京都千代田区内幸町一丁目1番6号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 ▲つる▼ 浩二 東京都千代田区内幸町一丁目1番6号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 久保 衆伍 東京都千代田区内幸町一丁目1番6号 日 本電信電話株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】層状結晶構造を有し、かつその層状構造が
    トンネル型ジョセフソン接合として作用する超伝導体か
    らなる第1の超伝導層と、上記第1の超伝導層の一方の
    面に接合され、第1の端子を持つ第2の超伝導層と、上
    記第1の超伝導層の他方の面に、二つに分離されて接合
    され、それぞれに第2、第3の端子を持つ第3の超伝導
    層とを有することを特徴とする超伝導三端子素子。
  2. 【請求項2】上記第1の超伝導層がBi系2201超伝
    導体、Bi系2212超伝導体、Bi系2223超伝導
    体、Tl系2201超伝導体、Tl系2212超伝導体、
    Tl系2223超伝導体、La2-XSrXCuO4,Nd2-XCe
    XCuO4のうちの一つ、もしくはその組合せからなるこ
    とを特徴とする請求項1に記載の超伝導三端子素子。
JP7230306A 1995-09-07 1995-09-07 超伝導三端子素子 Pending JPH0974231A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100346491C (zh) * 2003-06-18 2007-10-31 南京大学 高温超导材料本征结的制备方法
TWI382948B (zh) * 2006-02-15 2013-01-21 Miraial Co Ltd 薄板收納容器

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