JPS60223175A - Superconductive switching device - Google Patents

Superconductive switching device

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JPS60223175A
JPS60223175A JP59077563A JP7756384A JPS60223175A JP S60223175 A JPS60223175 A JP S60223175A JP 59077563 A JP59077563 A JP 59077563A JP 7756384 A JP7756384 A JP 7756384A JP S60223175 A JPS60223175 A JP S60223175A
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superconducting
channel layer
superconductive
semiconductor
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豊 原田
Shinichiro Yano
振一郎 矢野
Mutsuko Miyake
三宅 睦子
Ushio Kawabe
川辺 潮
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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

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  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

PURPOSE:To make a superconductive switching circuit with remarkable circuit gain by means of producing a superconductive three terminal switching device of voltage-driven type as to input signal with remarkable current gain by a method wherein the current of Cooper coupling flowing from superconductive electrode to a semiconductor is controlled by electric signals transmitted to other electrode provided on the semiconductor. CONSTITUTION:A p type buried electrode 104 and an n type channel layer 101 come into contact with each other through the intermediary of a p-n junction 110. A depletion layer 111 is diffused in the n type channel layer 101 by the p-n junction 110 and the thickness of depletion layer 111 is fluctuated by the voltage impressed on the p type buried electrode 104, i.e. if e.g. an inverse bias voltage impressed on the p-n junction 110 is boosted, the thickness of depletion layer 111 is increased. Therefore, the thickness of active n type channel layer 101, apparent image and constant conduction resistance RN are increased resultantly decreasing the maximum superconductive current flowing between superconductive electrode 102 and 103. Through these procedures, the maximum superconductive current to be flown in the superconductive electrodes 102, 103 may be controlled by any voltage impressed on the p type buried electrode 104.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は超電導スイッチングデバイスに係り、特に半導
体と超電導金属との界面に流れる超電導電流を制御電極
を使って制御する3端子超電導スイツチングデバイスに
関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a superconducting switching device, and particularly to a three-terminal superconducting switching device that uses a control electrode to control a superconducting current flowing at an interface between a semiconductor and a superconducting metal.

〔発明の背景〕[Background of the invention]

超電導スイッチングデバイスは当技術分野では周知であ
り、ジョセフソンデバイス、クイトロンデバイス(Q 
uiteron)等により代表される。ジョセフソンデ
バイスは非常に薄いトンネル障壁によって隔てられた2
つの超電導体の間に零電圧の電流が流れるもので、この
デバイスを通る電流を増加させること、又はデバイスに
磁場を印加することによって、このデバイスを超電導状
態から電圧状態にスイッチさせることができる。しかし
このデバイスでは回路の利得が2程度と小さく1回路全
体に動作余裕を十分に確保できない欠点がある。
Superconducting switching devices are well known in the art and include Josephson devices, Quitron devices (Q
uiteron) etc. The Josephson device consists of two devices separated by a very thin tunnel barrier.
A zero-voltage current flows between two superconductors, and the device can be switched from a superconducting state to a voltage state by increasing the current through the device or by applying a magnetic field to the device. However, this device has a drawback in that the circuit gain is small, about 2, and it is not possible to ensure sufficient operational margin for the entire circuit.

一方、タイトロンデバイスは2枚の非常に薄いトンネル
障壁によって隔てられた3つの超電導体からなる制御電
極を有する3端子スイツチングデバイスであって、真中
の超電導体に大量の準粒子を注入して、その超電導体の
ギャップエネルギを減少させて当該デバイスに流れる電
流を変化させるものである。なお、このデバイスは特開
昭57−12575号に詳細に開示されている。しかし
、このデバイスは超電導体中の準粒子の緩和時間が遅く
、スイッチングデバイスとして速度が遅い欠点がある。
On the other hand, the Titron device is a three-terminal switching device that has a control electrode consisting of three superconductors separated by two very thin tunnel barriers, and a large amount of quasiparticles are injected into the middle superconductor. , which reduces the gap energy of the superconductor and changes the current flowing through the device. This device is disclosed in detail in Japanese Patent Laid-Open No. 12575/1983. However, this device has the disadvantage that the relaxation time of quasiparticles in the superconductor is slow, making it slow as a switching device.

他のスイッチングデバイスとしてハイブリッドジョセフ
ソン電界効果トランジスタ(以下JOFET)が提案さ
れている。JOFETについてはT 、 D 、 C1
ark他J 、Appl、 Phys、 51(5)2
736−2743に記載されている。JOFETは半導
体(常電導体)と超電導体とが接合された構造を有して
いる。超電導体中の電子対すなわちクーパ対は半導体中
にコヒーレント距離に相当する深さだけしみ出す。この
半導体にしみ出したクーパ対を半導体の面内方向に移動
させるのがJOFETの原理である。このJOFETで
はゲート電極がらクーパ対が供給されるため、電流利得
が1を超えることができない。そのため回路利得が小さ
い欠点がある。このように、上記のような従来のスイッ
チングデバイスでは、いまだ回路利得及び速度の点で満
足のいくものがないのが実情である。
A hybrid Josephson field effect transistor (hereinafter referred to as JOFET) has been proposed as another switching device. T, D, C1 for JOFET
ark et al. J, Appl, Phys, 51(5)2
736-2743. A JOFET has a structure in which a semiconductor (normal conductor) and a superconductor are joined. Electron pairs, or Cooper pairs, in the superconductor seep into the semiconductor to a depth corresponding to the coherence distance. The principle of the JOFET is to move the Cooper pair seeping into the semiconductor in the in-plane direction of the semiconductor. In this JOFET, the current gain cannot exceed 1 because the Cooper pair is supplied from the gate electrode. Therefore, the disadvantage is that the circuit gain is small. As described above, the reality is that conventional switching devices as described above are still unsatisfactory in terms of circuit gain and speed.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明の目的は、入力信号に関して電圧駆動形の、電流
利得の大きい超電導3端子スイツチングデバイスを提供
することにより、回路利得の大きな高速超電導スイッチ
ング回路を得ることを可能にすることにある。
An object of the present invention is to provide a voltage-driven superconducting three-terminal switching device with a large current gain with respect to an input signal, thereby making it possible to obtain a high-speed superconducting switching circuit with a large circuit gain.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

この目的を達成するために本発明は、半導体上に超電導
電極が設けられ、該超電導電極がら半導体中に注入され
たクーパ対の流れを、該半導体に設けた他の電極に加わ
る電気信号により制御することを特徴とする。さらに詳
しくは、この制御電極に印加する電圧により半導体のチ
ャネル層の空乏層の厚さを制御して半導体にしみ出した
クーパ対の数を制御し、該チャネル層に流れる最大超電
導電流を制御するものである。
To achieve this object, the present invention provides a superconducting electrode provided on a semiconductor, and the flow of Cooper pairs injected into the semiconductor from the superconducting electrode is controlled by an electric signal applied to another electrode provided on the semiconductor. It is characterized by More specifically, the thickness of the depletion layer in the channel layer of the semiconductor is controlled by the voltage applied to this control electrode, the number of Cooper pairs seeped into the semiconductor is controlled, and the maximum superconducting current flowing through the channel layer is controlled. It is something.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

第1図に本発明の第1の実施例を示す。不純物10”a
n−’のシリコン基板100にP形埋込み電極104が
形成してあり、また不純物(ヒ素あるいはリン)を1O
11′〜1020an−’導入して深さ0.1〜0.1
5岬のN形チャネル層101が形成しである。このP形
埋込み電極104とN形チャネル層101はPN接合1
10を介して接触している。N形チャネル層101の端
部には蒸着により形成された第1.第2の超電導電極1
02.103が設けられ該電極とN形チャネル層101
との間には第1、第2の信号120,130が設けであ
る。なお、2つの超電導電極102.= 103の間隔
りは狭< (0、3ttm )、該2つの電極は超電導
状態の弱結合している。また、この第1、第2の接合1
20.130はショットキーバリアを構成しており、こ
のショットキーバリアの厚さは非常に薄く、電子はトン
ネル現象により通過できる。P形埋込み電極104はゲ
ート端子107に接続され、第1、第2の超電導電極1
02,103は各々ソース端子1o5、ドレイン端子1
06に接続されている。
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. Impurity 10”a
A P-type buried electrode 104 is formed on a silicon substrate 100 of n-', and an impurity (arsenic or phosphorus) is added to
11'~1020an-' introduced to depth 0.1~0.1
An N-type channel layer 101 with five capes is formed. This P-type buried electrode 104 and N-type channel layer 101 are connected to the PN junction 1
Contact is made through 10. At the end of the N-type channel layer 101, a first. Second superconducting electrode 1
02.103 is provided and the electrode and the N-type channel layer 101
First and second signals 120 and 130 are provided between the two. Note that two superconducting electrodes 102. = 103, the interval is narrow < (0, 3ttm), and the two electrodes are weakly coupled in a superconducting state. Moreover, this first and second joining 1
20.130 constitutes a Schottky barrier, and the thickness of this Schottky barrier is very thin, allowing electrons to pass through it due to tunneling. The P-type buried electrode 104 is connected to the gate terminal 107 and is connected to the first and second superconducting electrodes 1.
02 and 103 are source terminal 1o5 and drain terminal 1, respectively.
Connected to 06.

このような構成の第1図に示したスイッチングデバイス
の動作を第2図を用いて説明する。N形チャネル層10
1には第1の超電導電極102がら第1のショットキ接
合120を介してクーパ対200が供給される。同様に
、N形チャネル層101には第2の超電導電極103か
ら第2のショットキ接合130を介してクーパ対180
が供給される。2つの超電導電極の間隔りは前述のよう
に例えば0.3虜と非常に狭く、2つの超電導電極は弱
結合しているためその間に超電導電流が流れる。2つの
電極に流れうる最大超電導電流工、は(1)式で表わさ
れる。
The operation of the switching device shown in FIG. 1 having such a configuration will be explained using FIG. 2. N-type channel layer 10
A Cooper pair 200 is supplied to the first superconducting electrode 102 via a first Schottky junction 120. Similarly, a Cooper pair 180 is connected to the N-type channel layer 101 from the second superconducting electrode 103 via the second Schottky junction 130.
is supplied. As mentioned above, the distance between the two superconducting electrodes is very narrow, for example, 0.3 mm, and since the two superconducting electrodes are weakly coupled, a superconducting current flows between them. The maximum superconducting current that can flow between the two electrodes is expressed by equation (1).

Im”4πΔ/2eRN・= (1) ここでΔは超電導電極102,103の超電導金属のギ
ャップ・エネルギー(mV)、RNはN形チャネル層1
01の常電導体抵抗(Ω)である。この常電導抵抗RN
はP形埋込み電極104に印加する電圧により制御され
る。前述のように、P形埋込み電極104とN形チャネ
ル層101とはPN接合110を介して接触している。
Im”4πΔ/2eRN・= (1) Here, Δ is the gap energy (mV) of the superconducting metal of the superconducting electrodes 102 and 103, and RN is the N-type channel layer 1
01 normal conductor resistance (Ω). This normal conductive resistance RN
is controlled by the voltage applied to the P-type buried electrode 104. As described above, the P-type buried electrode 104 and the N-type channel layer 101 are in contact via the PN junction 110.

PN接合110によりN形チャネル層101には空乏層
111が広がっているが、この空乏層111の厚さはP
形埋込み電極104に印加する電圧により変化する。す
なわち、例えばPN接合110に印加した逆バイアス電
圧を増加すると、空乏層工房の厚さは増加する。このた
め、実効的なN形チャネル層101の厚さは現象視、N
形チャネル層101の常電導抵抗RNは増加する。この
ため。
A depletion layer 111 is spread in the N type channel layer 101 due to the PN junction 110, and the thickness of this depletion layer 111 is P
It changes depending on the voltage applied to the embedded electrode 104. That is, for example, when the reverse bias voltage applied to the PN junction 110 is increased, the thickness of the depletion layer factory increases. Therefore, the effective thickness of the N-type channel layer 101 is
The normal conductivity resistance RN of the shaped channel layer 101 increases. For this reason.

(1)式より明らかなように、2つの超電導電極102
.103間に流れる最大超電導電流は減少する。
As is clear from equation (1), two superconducting electrodes 102
.. The maximum superconducting current flowing between 103 and 103 decreases.

以上の説明により、P形埋込み電極104に印加する電
圧により、2つの超電導電極102.103に流れうる
最大超電導電流を制御できることは明らかである。
From the above explanation, it is clear that the maximum superconducting current that can flow through the two superconducting electrodes 102 and 103 can be controlled by the voltage applied to the P-type buried electrode 104.

本実施例によれば、ゲートであるP形埋込み電極104
は、PN接合110でN形チャネル層101と分離され
ている。そのため、ゲートであるP形埋込み電極104
に信号電流が流れることはなく、第1図に示すデバイス
は入力信号に関し電圧で駆動されるデバイスである。第
1図に示した実施例はP形埋込み電極とN形チャネル層
の組合せであるが、N形埋込み電極とP形チャネル層の
組合せでも本発明が実施できることはいうまでもない。
According to this embodiment, the P-type buried electrode 104 which is the gate
is separated from the N-type channel layer 101 by a PN junction 110. Therefore, the P-type buried electrode 104 which is the gate
No signal current flows through the input signal, and the device shown in FIG. 1 is a voltage driven device with respect to the input signal. Although the embodiment shown in FIG. 1 is a combination of a P-type buried electrode and an N-type channel layer, it goes without saying that the present invention can also be practiced with a combination of an N-type buried electrode and a P-type channel layer.

第3図に本発明の第2の実施例を示す。第1の実施例と
同様に、シリコン基板100にP形埋込み電極104と
N形チャネル層101とが形成しである。
FIG. 3 shows a second embodiment of the invention. Similar to the first embodiment, a P-type buried electrode 104 and an N-type channel layer 101 are formed on a silicon substrate 100.

Pがた埋込み電極104とN形チャネル層101とはP
N接合110を介して接触している。N形チャネル層1
01の表面には、蒸着により形成された厚さ0.2〜1
pの超電導電極220がショットキーバリア221を介
して接触している。N形チャネル層101の両端部は第
1、第2の電極202,203と、不純物10”’−1
0”an−”のN形コンタクト層212,213を介し
てオーミック接触をしている。各電極は絶縁層211(
例えば5iO1Sin、層他)によりシリコン基板10
0、チャネル層101と接触しないように分離されてい
る。P形埋込み電極104はゲート端子107に接続さ
れ、第1、第2の電極202,203は各々ソース端子
105、ドレイン端子106に接続されている。
The buried electrode 104 and the N type channel layer 101 have a P shape.
They are in contact via an N junction 110. N-type channel layer 1
The surface of 01 has a thickness of 0.2 to 1 formed by vapor deposition.
A p superconducting electrode 220 is in contact with the Schottky barrier 221 . Both ends of the N-type channel layer 101 are connected to first and second electrodes 202, 203 and an impurity 10'''-1.
Ohmic contact is made through N-type contact layers 212 and 213 of 0"an-". Each electrode has an insulating layer 211 (
For example, a silicon substrate 10
0, separated so as not to contact the channel layer 101; P-type buried electrode 104 is connected to gate terminal 107, and first and second electrodes 202 and 203 are connected to source terminal 105 and drain terminal 106, respectively.

第3図に示したスイッチングデバイスの動作を第4図を
用いて説明する6N形チャネル層101には超電導電極
220からショットキーバリア221を介してクーパ対
200がしみ出す。クーパ対200は半導体中にコヒー
レント距離(1〜o、t、m)に相当する深さに拡がり
、このクーパ対200は半導体の横方向に移動し、2つ
の電極202.203の間に超電導電流が流れる。この
N形チャネル層101に流れる最大超電導電流は上記(
1)式で表わされる。N形チャネル層101の常電導抵
抗RNはP形埋込み層104に印加する電圧によって制
御できる。この動作原理は第1の実施例で説明したもの
と同様である。
The operation of the switching device shown in FIG. 3 will be explained with reference to FIG. 4. A Cooper pair 200 seeps into the 6N type channel layer 101 from the superconducting electrode 220 via the Schottky barrier 221. The Cooper pair 200 extends into the semiconductor to a depth corresponding to the coherent distance (1~o, t, m), and this Cooper pair 200 moves laterally in the semiconductor, creating a superconducting current between the two electrodes 202, 203. flows. The maximum superconducting current flowing through this N-type channel layer 101 is the above (
1) It is expressed by the formula. The normal conductivity resistance RN of the N-type channel layer 101 can be controlled by the voltage applied to the P-type buried layer 104. The principle of operation is similar to that described in the first embodiment.

第3図に示した実施例の動作を第5図、第6図を用いて
エネルギ帯構造から説明する。第5図、第6図は第4図
のA−A’位置におけるエネルギ帯構造を示す図で、第
5図はP形埋込み電極104に電圧を印加しない場合、
第6図はP形埋込み電極104にPN接合110に逆バ
イアスになるように電圧を印加した場合である。第5図
の電圧を印加しない場合においては、超電導電極220
. N形チャネル層101及びP形埋込み電極104の
フェルミ準位EFは一致する。N形チャネル層1011
CハlO”an−”程度の高濃度の不純物をドープしで
あるので、N形チャネル層101のフェルミ準位は電導
対の下端より100〜200m V上がった所にある。
The operation of the embodiment shown in FIG. 3 will be explained from the energy band structure using FIGS. 5 and 6. 5 and 6 are diagrams showing the energy band structure at the AA' position in FIG. 4. In FIG. 5, when no voltage is applied to the P-type buried electrode 104,
FIG. 6 shows a case where a voltage is applied to the P-type buried electrode 104 so that the PN junction 110 is reverse biased. When the voltage shown in FIG. 5 is not applied, the superconducting electrode 220
.. The Fermi levels EF of the N-type channel layer 101 and the P-type buried electrode 104 match. N-type channel layer 1011
Since it is doped with a high concentration impurity such as ClO "an-", the Fermi level of the N-type channel layer 101 is 100 to 200 mV higher than the lower end of the conductive pair.

なお、シミツトキーバリア221の厚さは10〜20人
と極めて薄く電子は自由に通過できる。そのため、超電
導電極220のクーパ対200はショットキーバリア2
21を通過してN形チャネル層101にしみ出す。N形
チャネル層101にはショットキーバリア221とPN
接合110によりエネルギの谷間ができている。N形チ
ャネル層101にしみ出したクーパ対200はこのエネ
ルギの谷間に蓄積される。この蓄積されたクーパ対が半
導体横方向に移動し、超電導電流となる。
The thickness of the Schmitt key barrier 221 is extremely thin, 10 to 20 mm, and electrons can freely pass through it. Therefore, the Cooper pair 200 of the superconducting electrode 220 is connected to the Schottky barrier 2
21 and seeps into the N-type channel layer 101. The N-type channel layer 101 has a Schottky barrier 221 and a PN
The junction 110 creates an energy valley. The Cooper pair 200 seeping into the N-type channel layer 101 is accumulated in this energy valley. This accumulated Cooper pair moves laterally in the semiconductor and becomes a superconducting current.

一方、第6図に示す如く、P形埋込み電極104に逆バ
イアス電圧を印加するとPN接合110の空乏層の厚さ
が増大し、り〜パ対が蓄積されるエネルギの谷間が小さ
くなる。そのため、蓄積されたクーパ対の量が少なくな
り最大超電導電流は減少する。以上の説明によりP形埋
込み電極104に印加する電圧により2つの電極202
.203に流れうる最大超電導電流を制御できることは
明らかである。
On the other hand, as shown in FIG. 6, when a reverse bias voltage is applied to the P-type buried electrode 104, the thickness of the depletion layer of the PN junction 110 increases, and the valley of energy in which the RP pair is accumulated becomes smaller. Therefore, the amount of accumulated Cooper pairs decreases, and the maximum superconducting current decreases. As explained above, the voltage applied to the P-type buried electrode 104 causes the two electrodes 202 to
.. It is clear that the maximum superconducting current that can flow through 203 can be controlled.

本実施例によれば、ゲートであるP形埋込み電極104
はPN接合110でN形チャネル層101と分離されて
いる。そのため、ゲートであるP形埋込み電極104に
信号電流が流れることはなく、第3図に示したデバイス
は入力信号に関し電圧で駆動されるデバイスであること
は明らかである。
According to this embodiment, the P-type buried electrode 104 which is the gate
is separated from the N-type channel layer 101 by a PN junction 110. Therefore, no signal current flows through the P-type buried electrode 104, which is the gate, and it is clear that the device shown in FIG. 3 is a device driven by a voltage with respect to an input signal.

なお、第3図に示した実施例はP形埋込み電極とN形チ
ャネル層の組合せであったが、N形埋込み電極とP形チ
ャネル層の組合せでも本発明が実施できることはいうま
でもない。
Although the embodiment shown in FIG. 3 is a combination of a P-type buried electrode and an N-type channel layer, it goes without saying that the present invention can also be practiced with a combination of an N-type buried electrode and a P-type channel layer.

さらに、上記実施例において超電導電極220の電位を
変えることによりN形チャネル層101にしみ出すクー
パ対の量が変わる。このため超電導電極220をスイッ
チングデバイスのオフセット電極として使えることは明
らかである。
Furthermore, in the above embodiment, by changing the potential of the superconducting electrode 220, the amount of Cooper pairs seeping into the N-type channel layer 101 changes. Therefore, it is clear that the superconducting electrode 220 can be used as an offset electrode of a switching device.

また、上記2つの実施例では基板としてシリコンを用い
たが、ゲルマニウム、ガリウムーヒ素、インジウム−ア
ンチモン、インジウムーヒ素等を用いてもよく、超電導
電極の材料としては鉛、ニオブ、インジウムの化合物あ
るいは単体を用いることができることはいうまでもない
Furthermore, although silicon was used as the substrate in the above two embodiments, germanium, gallium-arsenide, indium-antimony, indium-arsenic, etc. may also be used, and compounds or simple substances of lead, niobium, and indium may be used as the material for the superconducting electrode. Needless to say, it can be used.

また、ゲートあるいはソース・ドレインにかける電圧と
しては例えば0〜10m V、流れる電流としては例え
ばゲート幅が10tl!nの場合100μAである。
Also, the voltage applied to the gate or source/drain is, for example, 0 to 10 mV, and the current flowing is, for example, gate width 10 tl! In the case of n, it is 100 μA.

次に、本発明において電圧利得が向上する理由を説明す
る。従来技術によるC 1arkの提案するデルに供給
され、この供給されたクーパ対がチャネル内を移動する
。なお、回路的にこの動作を見ると以下のようになる。
Next, the reason why the voltage gain is improved in the present invention will be explained. According to the prior art, C 1ark's proposal is fed to the del, and this fed Cooper pair moves within the channel. In addition, looking at this operation from a circuit perspective, it is as follows.

すなわち、入力信号電圧が変化すると、それに相当する
入力信号電流がチャネル内に流れ込み、これがドレイン
電極に流れ込むことになる。つまり、入力信号と同量の
電流が出力電流として得られることになる。これは回路
の入力インピーダンスが小さいことを意味している。こ
の回路では回路の利得、特に電流利得が得られないこと
は明らかである。一方、本発明によるデバイスではクー
パ対はゲート電極具なる電極から供給される構造である
。ゲート電極とチャネルは例えばPN接合で絶縁されて
いる。このため入力信号電圧が変化してもゲート電極に
は電流が流れ込むことはない。回路的にみれば、本発明
によるデバイスはゲート電極が絶縁されており、入力電
圧が変化しても入力電流が流れない、入力インピーダン
スの高いデバイスである。したがって、本発明のデバイ
スを使った回路においては、特に電流利得を大きくする
ことができ、ひいては電圧利得を大きくすることができ
る。
That is, when the input signal voltage changes, a corresponding input signal current flows into the channel, which flows into the drain electrode. In other words, the same amount of current as the input signal is obtained as the output current. This means that the input impedance of the circuit is small. It is clear that this circuit does not provide any circuit gain, especially current gain. On the other hand, in the device according to the present invention, the Cooper pair is supplied from an electrode, which is a gate electrode. The gate electrode and the channel are insulated, for example, by a PN junction. Therefore, even if the input signal voltage changes, no current flows into the gate electrode. From a circuit perspective, the device according to the present invention has an insulated gate electrode, and is a high input impedance device in which no input current flows even when the input voltage changes. Therefore, in a circuit using the device of the present invention, the current gain can be particularly increased, and the voltage gain can also be increased.

ところで、本発明による超電導スイッチング素子は、他
の超電導スイッチング素子、例えばクイトロン、ジョセ
フソン素子や、超電導配線(超電導電送線路を含む)と
混在させて使うことができる。超電導配線は配線に流す
電流による電圧降下かないため、小信号電圧振幅の高速
回路には必要不可欠である。これはシリコン半導体に代
表される従来の半導体技術にはないものである。ジョセ
フソン素子は最も高速なスイッチング素子である。
By the way, the superconducting switching device according to the present invention can be used in combination with other superconducting switching devices, such as Quitron and Josephson devices, and superconducting wiring (including superconducting transmission lines). Superconducting wiring is essential for high-speed circuits with small signal voltage amplitudes because there is no voltage drop due to the current flowing through the wiring. This is something that conventional semiconductor technology, typified by silicon semiconductors, does not have. Josephson devices are the fastest switching devices.

本発明による超電導スイッチング素子はジョセフソン素
子と混在させて動作させることができ、ジョセフソン素
子の性能をより引き出すことができる。第7図に本発明
による超電導スイッチング素子とジョセフソン素子とを
混在させて使った例を示す。ジョセフソン素子について
はAnacker他“J osephson Comp
uter T echnology”IBMR&D V
O1124No、 2 (1980)に詳しく記載され
ている。第7図の例はジョセフソン素子900と本発明
による超電導スイッチング素子910とを並列に接続し
た回路に低電流源920を接続した構成である。ジョセ
フソン素子は電圧状態にあると。
The superconducting switching element according to the present invention can be operated in combination with a Josephson element, and the performance of the Josephson element can be brought out even more. FIG. 7 shows an example in which a superconducting switching element according to the present invention and a Josephson element are used together. Regarding Josephson elements, see Anacker et al. “Josephson Comp
uter Technology”IBM R&D V
O1124 No. 2 (1980). The example shown in FIG. 7 has a configuration in which a low current source 920 is connected to a circuit in which a Josephson device 900 and a superconducting switching device 910 according to the present invention are connected in parallel. The Josephson element is in a voltage state.

ジョセフソン素子に流れる電流を一定量以下にしないと
超電導状態に遷移しない、いわゆるラッチングモードで
動作する。従来においては電圧状態にあるジョセフソン
素子を超電導状態に遷移するために電源電圧を落とす、
いわゆる交流電源方式の回路が提案されていた。この方
式の回路は交流電源の周波数がクロック周波数となる。
The Josephson device operates in a so-called latching mode, in which it does not transition to a superconducting state unless the current flowing through it falls below a certain amount. Conventionally, in order to transition a Josephson element that is in a voltage state to a superconducting state, the power supply voltage is reduced.
A so-called AC power supply circuit was proposed. In this type of circuit, the frequency of the AC power source is the clock frequency.

高周波の交流電源では回路間のクロストローク雑音が多
いため高速動作させるには限界があった。第7図に示す
回路においてはジョセフソン素子900を電圧状態から
超電導状態に遷移させるのに、並列に接続された本発明
による超電導スイッチング回路をスイッチさせる原理に
基づく、直流電源で駆動されるスイッチング回路である
With high-frequency AC power supplies, there is a lot of cross-stroke noise between circuits, so there is a limit to high-speed operation. In the circuit shown in FIG. 7, a switching circuit driven by a DC power supply is based on the principle of switching superconducting switching circuits according to the present invention connected in parallel to transition the Josephson element 900 from a voltage state to a superconducting state. It is.

以下に第7図に示す回路の動作を説明する。ジョセフソ
ン素子900が超電導状態にあるときは、低電流源92
0の電流は全てジョセフソン素子900に流れ込む。こ
の状態でジョセフソン素子900の入力線901に電流
を流し、ジョセフソン素子を電圧状態に遷移させる。ジ
ョセフソン素子が電圧状態にあるときに本発明による超
電導スイッチング素子910の入力端子911の電圧を
上げると、超電導スイッチング素子910に電流が流れ
込み、ジョセフソン素子900に流れていた電流が減少
し、ジョセフソン素子900は超電導状態に遷移する。
The operation of the circuit shown in FIG. 7 will be explained below. When Josephson element 900 is in a superconducting state, low current source 92
All zero current flows into Josephson element 900. In this state, a current is applied to the input line 901 of the Josephson element 900, causing the Josephson element to transition to a voltage state. If the voltage at the input terminal 911 of the superconducting switching device 910 according to the present invention is increased while the Josephson device is in a voltage state, current flows into the superconducting switching device 910, the current flowing through the Josephson device 900 decreases, and the Josephson device The Son element 900 transitions to a superconducting state.

第7図の回路は直流電源で駆動され、従来のジョセフソ
ン技術で問題となった交流電源を使わないため、システ
ムを高速動作させることが可能である。第7図の例から
本発明による超電導デバイスとジョセフソン素子を混在
させて回路を構成することができ、ジョセフソン素子の
性能を十分に引き出すことができることは明らかである
The circuit shown in FIG. 7 is driven by a DC power supply and does not use an AC power supply, which was a problem with the conventional Josephson technology, so it is possible to operate the system at high speed. From the example shown in FIG. 7, it is clear that the superconducting device according to the present invention and the Josephson element can be combined to form a circuit, and that the performance of the Josephson element can be fully brought out.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明してきたように、本発明は半導体上に超電導電
極を設け、該超電導電極から半導体中に注入された電子
対の流れを、該半導体に設けた他の電極に加わる電気信
号により制御することにより、入力信号に関し電圧で駆
動されるスイッチングデバイスを実現することができる
。このため。
As explained above, the present invention provides a superconducting electrode on a semiconductor, and controls the flow of electron pairs injected from the superconducting electrode into the semiconductor by an electric signal applied to another electrode provided on the semiconductor. Accordingly, a switching device driven by a voltage with respect to an input signal can be realized. For this reason.

本発明により回路利得の大きな高速超電導スイッチング
回路を得ることが可能となった。また、本発明の超電導
スイッチングデバイスを用いれば、超電導配線も可能で
あるので、配線の抵抗成分を無視することができ、また
ジョセフソン接合素子で作った高速デジタル回路と同じ
チップ上に混在させることができる。したがって、本超
電導スイッチングデバイスを用いて超高速の計算機シス
テムを構成することもできる。このように本発明の降下
は顕著である。
The present invention has made it possible to obtain a high-speed superconducting switching circuit with a large circuit gain. Furthermore, if the superconducting switching device of the present invention is used, superconducting wiring is also possible, so the resistance component of the wiring can be ignored, and high-speed digital circuits made with Josephson junction elements can be mixed on the same chip. I can do it. Therefore, it is also possible to configure an ultra-high speed computer system using the present superconducting switching device. Thus, the reduction of the present invention is significant.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の第1の実施例を示す図、第2図は第1
の実施例の動作説明図、第3図は本発明の第2の実施例
を示す図、第4図は第2の実施例の動作説明図、第5図
、第6図は第2の実施例のデバイスのエネルギ帯構造図
、第7図は本発明による超電導スイッチング素子とジョ
セフソン素子とを混在させて使った例を示す回路図であ
る。 100・・・半導体基板 101・・・チャネル層10
2.103,220・・・超電導電極104・・・埋込
み電極 120、130.221・・・ショットキーバリア11
0・・・PN接合 111・・・空乏層180.200
・l−パ対 202.2o3川電極211・・・絶縁膜
 212,213・・・コンタクト層900・・・ジョ
セフソンデバイス 910・・・超電導スイッチングデバイス920・・・
低電流源 代理人弁理士 中 村 純之助 少 2 図 t3図 ヤ4 図 A2 米5図 A−−−−−−,6j オ6図 オフ図
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing the second embodiment of the present invention, FIG. 4 is an explanatory diagram of the operation of the second embodiment, and FIGS. 5 and 6 are diagrams showing the second embodiment. FIG. 7 is a diagram showing the energy band structure of the example device, and is a circuit diagram showing an example in which a superconducting switching element and a Josephson element according to the present invention are used in combination. 100... Semiconductor substrate 101... Channel layer 10
2.103,220...Superconducting electrode 104...Buried electrode 120, 130.221...Schottky barrier 11
0...PN junction 111...Depletion layer 180.200
・L-Pa pair 202.2o3 River electrode 211... Insulating film 212, 213... Contact layer 900... Josephson device 910... Superconducting switching device 920...
Low current source representative patent attorney Junnosuke Nakamura 2 Fig. t3 Fig. Y4 Fig. A2 U.5 Fig. A -------, 6j O Fig. 6 Off view

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)半導体上に超電導電極が設けられ、該超電導電極
から前記半導体中に注入された電子対の流れを、該半導
体に設けた制御電極に加わる電気信号により制御するこ
とを特徴とする超電導スイッチングデバイス。
(1) Superconducting switching characterized in that a superconducting electrode is provided on a semiconductor, and the flow of electron pairs injected from the superconducting electrode into the semiconductor is controlled by an electric signal applied to a control electrode provided on the semiconductor. device.
(2)前記超電導電極と前記制御電極とを分離させたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の超電導スイ
ッチングデバイス。
(2) The superconducting switching device according to claim 1, wherein the superconducting electrode and the control electrode are separated.
(3)前記制御電極と前記半導体のチャネル層とがPN
接合を介して接触していることを特徴とする特許請求の
範囲第1項記載の超電導スイッチングデバイス。
(3) The control electrode and the semiconductor channel layer are PN.
2. The superconducting switching device according to claim 1, wherein the superconducting switching device is in contact via a junction.
(4)前記制御電極が前記半導体のチャネル層の下に埋
め込んであることを特徴とする特許請求の範囲第1項記
載の超電導スイッチングデバイス。
(4) The superconducting switching device according to claim 1, wherein the control electrode is buried under the channel layer of the semiconductor.
(5)前記半導体に前記制御電極とチャネル層が設けら
れ、 該チャネル層の表面に絶縁層を介して前記超電導
電極と、前記制御電極及び前記超電導電極とは別の電極
とが設けられていることを特徴とする特許請求の範囲第
1項記載の超電導スイッチングデバイス。
(5) The semiconductor is provided with the control electrode and a channel layer, and the superconducting electrode and an electrode different from the control electrode and the superconducting electrode are provided on the surface of the channel layer with an insulating layer interposed therebetween. A superconducting switching device according to claim 1, characterized in that:
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