JPS592388B2 - 準粒子注入制御型超電導素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はジョセフソン接合を形成する一対の超。

電導体に準粒子注入用の第三電極を付し、ジョセフソン
接合の電流−電圧特性、超電導臨界電流およびジョセフ
ソン接合電圧を制御する素子に関するものである。近年
、電子技術の高度な進歩に伴つて、情報処理、宇宙通信
、各種計測などの多方面から、信号の超高速スイッチン
グや、超高周波信号の高感度低雑音検出、増幅などが強
く要求されている。

従来、トランジスタに代表される半導体を主体とした素
子の開発が電子技術の発達を促進してきたが、上記の面
でさらに性能を向上させ、且つ省エネルギー化の要請に
応えるものとして、近年超電導体を主体とした極低温で
動作する素子の開発が広く行なわれている。これまでの
こうした極低温素子では、その基本であるジョセフソン
接合素子の特性を制御するのに電流制御線を設け、それ
が作る磁界で制御するのが最も一般的であつた。

しかしこの方法では、配線の積層数が増し、断線や短絡
不良を起こしやすいなど信頼性に問題があり、従つて素
子を集積化することも容易でなかつた。本発明は、以上
に鑑み、上述の欠点を伴わない新たな構成の素子を提供
することを主目的としてなされたもので、ジョセフソン
接合を形成する超電導体に、第三電極を設け、その電極
から超電導体へ準粒子を注入することによりジョセフソ
ン接合の特性を制御するものである。

以下、添付の図面に即して本発明を詳説するが、先づ、
本発明素子の物的構成の各実施例を列挙し、動作原理、
作用についてはまとめて後述する。

第１図ａは、公知のジョセフソン接合素子１０、すなわ
ち、二個の超電導体１、２と、それらを量子力学的に弱
結合させる部分３から成る素子１０と、超電導体１、２
の一方に絶縁障壁部５を介して、第三電極４を付した従
来よりある素子である。これに対し、第１図ｂは本発明
の準粒子注入制御型超電導素子の基本構成例乃至基本的
実施例を示しており、本発明の素子は公知のジョセフソ
ン接合素子１０、すなわち、二個の超電導体１、２と、
それらを量子力学的に弱結合させる部分３から成る素子
１０と、超電導体１，２の双方に絶縁障壁部５を介して
、第三電極４を付けたものによつて構成されている。第
三電極４は常電導金属または起電導金属または半導体か
ら構成される。絶縁障壁部５は一般に絶縁膜で構成でき
るが、電極４として半導体を用いた場合、接合のシヨツ
トキ障壁が絶縁膜の効果をもたらすので、絶縁膜を設け
なくとも絶縁障壁部５を形成できることもある。簡単の
ために、第１図ｂの等価回路を同図ｃのような記号で表
わすものと約束する。ここに端子６，７，８は、第１図
ｂにおいて、超電導体１，２、及び第三電極４に夫々接
続された端子６，７，８に対応する。一般に、ジヨセフ
ソン接合素子１０には従来からも様々な構成法がある。

そこで、以下第１図ｄ乃至９に即し、そうした各構成例
に応じてどのように第三電極４を付し、本発明素子とす
るかを夫夫例示、説明する。尚、第１図ｂと対応する構
成要素には同一符号を付す。ｄはジヨセフソン接合素子
１０の弱結合部３が常電導金属Ｎを接したことによる近
接効果を利用したもので構成された素子の実施例である
。

ｅはジヨセフソン接合素子１０の弱結合部３が、超電導
金属を二分するように不純物原子をイオンインプランテ
ーシヨン法により打込むことにより形成された素子の実
施例である。ｆはジヨセフソン接合素子１０がマイクロ
ブリツジ型接合（部分３がブリツジ部）で構成された素
子の実施例である。９はジヨセフソン接合素子１０の弱
結合部３の膜厚を超電導体電極部１，２より薄くするこ
とによつてこの接合部を構成する素子の実施例である。

以上のような各実施例における動作原理、及び作用に就
き、以下説明するが、そのために、第２図には本発明素
子の一つの応用例として、スイツチング回路を構成した
ものの回路例を示している。先づ、素子単体で考えると
、注入電極端子８にＶＪなる電圧を印加したとき、端子
８より流入する電流１１と印加電圧ＶＪの関係は、第３
図＆酵すように、著しい非線形性を呈し、注入電極４と
して常電導金属または半導体を用いた場合、印加電暦ｊ
が超電導体のエネルギーギヤツプΔに対応する電圧士Ｊ
／／ｅ（ｅは素電荷）付近に達すると準粒子が急激に注
入され、注入電極としてエネルギーギヤツプΔ５の超電
導体を用いた場合印加電圧ＶＪが士（Δ＋Ｊ′）／ｅ付
近に達すると準粒子が急激に注入されるようになる。本
素子は印加電圧Ｊの正負によらず作用するが、簡単のた
め正の電圧を加えたとして第２図の回路の動作を説明す
る。印加電圧Ｖｊを増すに従つて、準粒子が注入された
超電導体の超電導性が弱まり、第２図のジヨセフソン接
合端子６〜７間の電流一電圧特性は第４図のようになる
。ここで同図ａはヒステリシス特性が現れる場合であり
、ジヨセフソン接合素子１０が絶縁体をはさんだサンド
ウイツチ型で構成された場合の実施例に典型的に見られ
る特性である。また同図ｂは第１図ｆのようにジヨセフ
ソン接合素子１０がマイクロブリツジ型で構成された場
合の実施例に典型的に見られる特性である。印加電圧ｊ
が零の状態（第３図中、状態ａ）のとき、ジヨセフソン
接合間の超電導臨界電流は第４各図においてのＩｃａで
あり、印加電圧ｊが第３図の状態ｂとなると、臨界電流
は第４図Ａ，ｂＯｌｃｂのようになり、Ｉｃｂ＜Ｉｃａ
である。そこで第２図の回路においてバイアス電流１Ｂ
をＩｃａ（５１ｃｂの間に選んでおき、はじめに第３図
の状態ａにしておけば、第２図のジヨセフソン接合間電
圧は零（第４図Ａ，ｂの点Ｃ）であるが、次に第３図の
状態ｂになるように印加電圧Ｖｊを変えると、バイアス
電流１Ｂがこの時の臨界電流ＩＣＢより大きくなるため
に、動作点は負荷曲線Ａに従つてｄ点に移行し、ジヨセ
フソン接合間に、第４図Ａ，ｂ（１７）ｄ点に対応する
電圧が生じる。すなわち、準粒子注入電極４に電圧を加
えることにより、ジヨセフソン接合電圧の制御、および
スイツチング動作が行なわれたことになる。本発明の素
子の特徴を列記すれば次の通りである０１）従来の磁界
制御型ジヨセフソン接合素子では、接合に対する電流制
御装置が特性を大きく左右し、また磁界を有効に作り得
る電流制御線の寸法にも制限があるために、こうした素
子を用いて信頼性よく回路を集積構成することは必ずし
も容易でなかつたが、本発明による素子では準粒子の注
入をジヨセフソン接合に直接接続された準粒子注入端子
で行ない、接合の特性を制御するので素子の大きさに対
する制限は大幅に改善され、集積構成が格段と容易にな
り、信頼性も向上する。

２）ジヨセフソン接合への準粒子の注入は、注入電極が
加わる電圧が、構成している超電導体のエネルギーギヤ
ツプに対応する値に近い値になつて急激に増大するので
、動作注入電圧には比較的明瞭な下限があるために、雑
音等信号以外の電圧による誤動作が少ない。

３）注入電極の正負にかかわらず本素子は作用するので
回路設計上自由度が増す。

このように、本発明によれば超電導体に注入される準粒
子により、ジヨセフソン接合の電流一電圧特性、超電導
臨界電流、接合電圧を制御する構造の素子が提供でき、
超高速で発熱量が極端に小さく省電力性に優れるという
従来の長所に加えて高密度の集積が可能となるという利
点を生み、論理演算用の集積デバイスなどに用いて、そ
の発展に大きく貢献することが期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは起電導体の片側に第三電極をもつ従来の素子
、第１図ｂは、本発明の素子の基本的実施例の概略構成
図、第１図ｃは等価回路図、第１図ｄ乃至９は、夫々、
本発明素子の各実施例の概略構成図、第２図は本発明の
素子を用いたスイツチング回路への応用例の回路図、第
３図は注入電極への印加電圧Ｖｊとジヨセフソン接合を
構成する超電導体に注入される準粒子電流１Ｊの関係図
、第４図Ａ，ｂは、夫々、本発明の素子のジヨセフソン
接合部が示す電圧−電流関係ならびに第２図の回路の動
作の説明図である。 図中、１，２は超電導体、３はそれ等の弱結合部、４は
準粒子注入電極、５は絶縁障壁部、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一対の超電導体を、量子力学的弱結合部を介して接
   合させたジョセフソン接合素子に対し、上記一対の超電
   導体に絶縁障壁部を介して準粒子注入用第三電極を接続
   したことを特徴とする準粒子注入制御型超電導素子。 ２ 特許請求の範囲１に記載の素子であつて、第三電極
   が常電導金属から成る素子。 ３ 特許請求の範囲１に記載の素子であつて、第三電極
   が超電導金属から成る素子。 ４ 特許請求の範囲１に記載の素子であつて、第三電極
   が半導体から成る素子。