JPS592389B2 - 準粒子注入制御型超電導弱結合素子 - 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超電導体間の弱
結合部に準粒子注入用の第三電極を付し、ジョセフソン
接合の電流一電圧特性、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信号の高感度低雑音検出、増幅
などが強く要請されている。

従来、トランジスタに代表される半導体を構成主体とし
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、近年超電導体を用いた極低温で
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ことが最も一般的であ
つた。

しかし、この方法では配線の積層数が増し、断線不良や
短絡不良を超こしやすいなど信頼性に問題があり、従つ
て素子を高度に集積化することも容易でなかつた。本発
明はこのような点に鑑み、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間の弱結合部
に、準粒子注入用第三電極を設け、その電極から弱結合
部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、まず本発明素子の物的構成の各実施
例を開示し、動作原理、作用についてはまとめて後述す
る。

第１図ａには、本発明の準粒子注入制御型超電導弱結合
素子の基本構成例乃至基本的実施例を示している。この
図に見る通り、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
量子力学門に弱結合させる弱結合部３から成る素子１０
と、弱結合部３に絶縁障壁部５を介して、常電導金属ま
たは超電導金属または半導体からなる準粒子注入用第三
電極４を付けたものによつて構成されている。絶縁障壁
部５は一般に絶縁膜で構成できるが、第三電極４として
半導体を用いた場合には、接合のシヨツトキ一障壁が絶
縁膜の効果をもたらすので絶縁膜を設けなくとも絶縁膜
壁部５を形成できることもある。簡単のために、第１図
ａの等価回路を同図ｂのような記号で表わすものとする
。ここで端子６，７，８は、第１図ａの超電導体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ｃ乃至ｈ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
かを夫々例示説明する。尚、第１図ａと対応する構成要
素には同一符号を付してある。同図Ｃ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、または半導
体ＳＥ、または常電導半金属ＳＭ、または両側の超電導
体１，２より超電導臨界温度が小さい超電導体Ｓ′から
成つているサンドウイツチ型接合で構成された素子の実
施例である。

また同図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。同図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ブランテーシヨン法
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
。同図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（弱結合部３がブリツジ部）で構成された素子
の実施例である。同図ｇ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
。さらに同図ｈは絶縁体１をはさんだ二層の超電導電極
間を、半導体ＳＥ、または常電導金属Ｎ、または常電導
半金属ＳＭｌまたは超電導電極１，２より超電導臨界温
度が小さい超電導体Ｓ′によつて縦に接続することによ
り、ジヨセフソン接合素子１０を構成した素子の実施例
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
したものの回路を示している。

先ず、素子単体を考えると、注入電極端子８にＶ』なる
電王を印加したとき、端子８より流入する電流１ｊと印
加電圧ｊの関係は、第３図に示すようになる。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ＶＶｊを増すに従つて準粒子が弱結合部に注入さ
れ、ジヨセフソン接合の結合度がさらに弱まり、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。印加電圧Ｖｊが零の状態（第３図中
、状態ａ）のとき、ジヨセフソン接合の超電導臨界電流
は第４図においてのＩｃａであり、印加電圧Ｖｊが第３
図の状態ｂとなると、臨界電流は第４図のＣｂ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図の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及びス
イツチング動作が行なわれたことになる。本発明の素子
の特長を列記すれば次の通りである。

（１）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線の位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、本発明素子
では準粒子の注入をジヨセフソン接合の弱結合部に接続
された準粒子注入用電極で行ない、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）準粒子をジヨセフソン接合の弱結合部に注入する
ので、スイツチングのための動作感度が大幅に向上する
。

（３）絶縁障壁部を介して準粒子を注入する構造のため
に、素子の入力インピーダンスの制御が容易であり、回
路設計上自由度が増す。

（４）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、本発明によればジヨセフソン接合の弱結合
部に準粒子を注入することにより、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は本発明の素子の基本的実施例の概略構成図、
第１図ｂはその等価回路図、第１図ｃ乃至ｈは夫々本発
明の各実施例の概略構成図、萬２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の弱結合部
に注入される準粒子電流１ｊの関係図、第４図は本発明
の素子のジヨセフソン接合部が示す電圧一電流関係なら
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は弱結合部、４は準粒子注
入用第三電極、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、上記弱結合部に絶
   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弱結合素子。 ２ 特許請求の範囲１に記載の素子であつて、準粒子注
   入用第三電極を常電導金属で構成した素子。 ３ 特許請求の範囲１に記載の素子であつて、準粒子注
   入用第三電極を超電導金属で構成した素子。 ４ 特許請求の範囲１に記載の素子であつて、準粒子注
   入用第三電極を半導体で構成した素子。