JPS602797B2

JPS602797B2 - 超伝導装置

Info

Publication number: JPS602797B2
Application number: JP56199493A
Authority: JP
Inventors: 敏明村上; 実鈴木; 陽一榎本; 稔伊藤; 義和日高; 隆犬飼; 隆弘稲村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1981-12-12
Filing date: 1981-12-12
Publication date: 1985-01-23
Also published as: JPS58101481A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は電流制御により出力電圧を発生し、これを一定
値にラッチできる論理回路および定電圧回路超伝導装置
に関するものである。

従来の超伝導装置には外部回路からの制御により任意の
一定電圧（電流は任意）を出力できる装置は未だ提案さ
れていない。

ジョセフソン接合を直列にｎ個接続し、幼△／ｅ（△は
超伝導体エネルギーギャップ、ｅは電子電荷）の電圧を
発生することが実施されているが、これらは固定された
電圧であって、この電圧を自由に変えることは出釆ない
。また、ジョセフソン接合をｎ個直列にした素子を製造
するのは、工程が複雑になるためコストが高くなる。ま
た、従来のジョセフソン回路はラッチ回路であって、リ
セットする場合、ゲート電流を切る必要があり直流電源
で論理回路を駆動するのが簸かしい。

さらに、ジョセフソン接合はトランジスタのように入力
と出力の方向性をもたないので、論理回路構成上不便が
ある。

特に最近開発されつつある電流注入形回路では入力と出
力の相互干渉が起る問題があるなどの欠点を伴っている
。本発明は超伝導体多結晶薄膜の結晶粒界ジョセフソン
接合の網目構造の示す新現象を利用し、電流制御より２
△／ｅの整数倍の電圧を発生し、その電圧にラッチする
こと、あるいは琴電圧状態にリセットしたりできる機能
を有する装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は粒界にジョセフソ
ン接合を有する四角形の超伝導多結晶膜およびこれに接
続された対向する１組の制御端子と、体向する他の１組
のゲート端子とを備え、前記の１組の制御端子を流れる
制御電流により〜他の１組のゲート端子間に、微分抵抗
零の状態で、超伝導エネルギー・ギャップの幻倍（ｎは
整数）の電圧を発生し、前記の制御電流により、前記の
ゲート端子に発生する電圧を「保持するかあるいは零電
圧状態にリセットしうろことを特徴とする超伝導装置を
発明の要旨とするものである。

次に本発明の実施例を添附図面について説明する。なお
この実施例は１つの例示であって、本発明の精神を逸脱
しない範囲において、種々の変更あるいは改良がなされ
ることは云うまでもない。第１図は本発明の超伝導装置
の基本的構成を示し、図において、１は基板、２はこの
装置の主要な部分で、結晶粒界にジョセフソン接合をも
つ四角形の超伝導体多結晶薄膜からなり、３，３′，４
，４′は前記の薄膜において対向する辺に設けられた超
伝導体よりなる電極端子で、電極端子３，３′はゲート
端子を構成し、電極端子４，４′は制御端子を構成する
。２の粒界にジョセフソン接合をもつ超伝導体多結晶薄
膜は例えば特豚昭５６一１１８２１号出願に述べたよう
に、酸化物超伝導体ＢａＰｑ−ｘＢｉｘ０３などので薄
膜をスパッタ法又はＣＶＤ法で形成し、空気中又は酸素
中で、５０００〜６５０℃で３〜１幼時間熱処理して形
成される。

この場合には平均粒径２５００Ａの結晶粒の周にジョゼ
フソン接合が生じた第２図イのような構造になる。図に
おいて５は結晶粒子を示す。第３図は本発明の特性の一
つを示したものである。

第１図のＡＡ′方向に（すなわちゲート端子間に）その
方向の最大ジョゼフソン電流を１。として−ｌａ＜ｌａ
＜１。なる範囲の電流ｌａを流し、他の方向ＢＢ′（す
なわち制御端子間）に電流ｌｂを流した場合の特性があ
る。この場合ｌｂがある値ｌｂ，を越えるとゲート３，
３′間に微分抵抗が零のままで、電圧ＶＭ′＝２△／ｅ
を発生する。（ここに△は超伝導体のギャップエネルギ
ー、ｃは電子電荷である。）さらに電流を増加しｌｂ２
以上にすれば、微分抵抗零でＶＭ′＝４△／ｅとなる。
この電流ｌｂと電圧ＶＭ′との関係は第４図に示す通り
で、横軸にｌｂ、縦軸にＶＡＡ′をとってある。

図において、電流ｌｂが増加すると２△／ｅの整数倍の
電圧を発生する。電流ｌｂの方向が逆のときは負の電圧
を発生する。ＶＭ′＝２△／ｅ，４△／ｅ，……等とな
った後は、ｌｂを減少させても、各々１柵．，１風２’
１畑３，…・・・以上に保てば電圧ＶＭ′の値はそのま
ま保たれ、これらの値以下にして始めてこの電圧状態か
ら雫電圧状態にリセットされる。

この第３図、第４図の特性を利用すれば、ＡＡ′方向を
ゲートとして、ＢＢ方向を制御端子としてＢＢ′方向の
入力で、ゲートの電圧をか△／ｅにし、電流ｌｂをそれ
ぞれｌｂｍ・，１風２’・…．・以上に保持することに
より、その電圧にラッチできる。

巻電圧にリセットするときはｌｂ＝０とすればよい。入
力信号に対する利得を大きくするためには、入力を加え
る前にｌｂ一△ｌｂくｌｂｏくｌｂ，（△ｌｂは入力の
大きさ）なるｌｂｏにバイアスしておけばよい。第２図
イ〜二はこの機能の説明を行うためのものである。

イ図は第１図の超伝導薄膜２の部分を拡大したもので、
５は超伝導体の結晶粒である。口図は結晶粒をさらに拡
大したもので、その周囲にはジョゼフソン接合が形成さ
れている。超伝導薄膜２に電流ｌａ，ｌｂを注入すると
、一つの結晶粒には互に直角方向の電流ｉａ，ｉｂが流
れる。ｉａ，ｉｂは結晶粒周辺の異なる部分のジョゼフ
ソン接合を横切る。電流ｉａ，ｉｂが各接合部の最大ジ
ョゼフソン鰭流密度（ｉ。

）より小さい場合にはいずれも零電圧状態で互に独立で
干渉しない。しかし、。例えば電流ｉｂがｉｏより大き
くなると口図の６の部分は電圧状態になり、周波数の＝
４△／ｈ（△は超伝導体のギャップェネルギ、ｈはプラ
ンク定数）のマイクロ波が発生される。（Ｂ．Ｄ．Ｊｏ
ｓｅｐｈＳｏｎ“ＣｏｕｐｌｅｄＳｕｐｅｒｃｏｎｄ
ｕｃのｒｓ’’ＲｅｖｏｆＭｏｄｅｒｎＰｈｙｓｉ
ｃｓ，Ｊａｎｕａｒｙｌ９６４，ＰＰ２１６一物０参
照）。このマイクロ波エネルギーはハ図のように伝搬さ
れ、電流ｉａの流れる方向に電圧２△／ｅを発生する。
電流ｌｂが最大ジョゼフソン電流らを越えても、始めは
ハ図に示す状態になる粒子は少ないがｌｂ２１ｂ・とな
ると二に示すように超伝導薄膜２の部分を対角線状に電
圧状態の粒界ジョゼフソン接合がブリッジするようにな
る。

この状態になるとＡＡ′方向に電圧を生ずるが、電圧が
２△／ｅの整数倍のときジョゼフソンの理論により（前
世の論文参照）電流は−ｌｏとｌｏとの任意の値をとる
ことができ、その値は外部回路からの供Ｖ給の方法で決
まる。電流ｌｂを増加し、ｌｂ２以上になると、対角線
状に電圧状態の粒界ジョゼフソン接合が２列に並び、Ａ
Ａ′方向からみると直列に２園の電圧状態の接合が並ぶ
ことになるので、ＶＭ′＝４△／ｅとなる。

電流ｌｂを減少して行くときは、粒界ジョゼフソン接合
のヒステリシス特性にしたがって暫く電圧状態が続き、
１伽２，ｌｂｍ，，に至って順次粒界ジョゼフソンが
零電圧状態に戻る。

以上が現象の説明であるが、この素子の電気的等価回路
は第５図で表わされる。

８のトランス結合は上記説明における電流→マイクロ波
→電圧の変換に相当し、９はゲート電流がｌｏ以下のと
き微分抵抗零であることを示す。

このことから入力と出力はほぼ完全に分離されることが
わかる。〔実施例〕超伝導薄膜としてＢａＰｑ〜Ｂｉｘ
０３（０．２５＜×ミ０．３５）による例を示す。

特鹿昭５６−１１８２１号出願に記載したように、この
材料の多結晶薄膜の結晶粒界には、丁度ジョゼフソン接
合になりうるような薄いバリアが形成される。

このような額向は組成ｘ〉０．２５で著しくなる。実施
例ではｘ＝０．３を選んだ。薄膜の厚さは２０００〜７
０００Ａが適当であるが、ここでは５０００Ａを選んだ
。超伝導転移温度Ｔｃはｘ＝０．３で約鰍で、２△／ｅ
は２．２ｈＶである。超伝導薄膜の作成は特顕昭５５一
１２０２７号出願において記載されているように、母（
ＰｂＭＢｉＭ），．ｓ０４なる組成のターゲットを用い
、アルゴンと酸素各５０％の混合ガスのガス圧６×１０
‐２Ｔｏｍ、プルート電圧１．肌Ｖにおいて、約２６０
℃のサファイア基板上にスパッタリングで薄膜を形成し
、酸素中で５６ぴ○で約１加時間熱処理した。

結晶粒の直径は平均２４００Ａであった。この薄膜をエ
ッチングするには、特藤昭５６−９５６計号出願に記載
してあるように、ＨＣそ０４（６０．０〜６２．０％溶
液）を水に対して容積比２０〜６０％加え、この溶液に
対してＨＣ〆（３５．０〜３７．０％溶液）を港積比で
１〜０．３％加えた溶液によりエッチングすることによ
り、サイズは第１図の２の部分としてｌｏＡｍ×１０ム
ｍと１０ムｍ×２０一ｍとの２種のパターンを形成した
。次に電極端子および配線パターン形成にはＢａＰｂｏ
．７あｉｏ．２５０３なる組成を選んだ。

この組成にするとｘ＝０．３の場合に比べ臨界電流密度
が第１図の薄膜２の部分の最大ジョセフソン電流の４倍
大きくなるので、薄膜２の部分が電圧状態になっても電
極端子および配線部は零電圧状態が保たれる。薄膜のス
パッタ条件、熱処理条件はｘ＝０．３のときと同じであ
る。スパッタを行う際あらかじめ薄膜２の部分の上にの
み約１０００Ａ厚の金蒸着膜を形成しておき、その上に
ＢａＰ広．７５Ｂｉぃ２５０３膜を全面にスパッタし、
電極端子、配線部パターンをエッチングで形成し、同時
に薄膜２の部分の上のＢａＰｂｏ．？好ｉｏ．２５０３
膜を除去した。その後薄膜２の部分に形成した金蒸着膜
を１２一１Ｎ夜でエッチングして除去し素子を完成させ
た。この素子の各端子からの最大ジョセフソン電流はｌ
ｏＡｍの辺で７２ムＡ，２０山ｍの辺で１４０山ｍであ
り、ｌｂ，＝１４０仏Ａ，ｌｂよ＝１６０ＡＡ制御端子
側（辺長１０ｒｍ）およびｌｂ，＝２５０仏Ａ，ｌｂ２
＝２６７ムＡであった。

制御端子の辺長がゲート側の辺長より小さくなると１一
Ｖ特性が理想的状態（微分抵抗零であること）が劣化す
る。実施例のＢａＰｑ‐ｘＢｉｘ０３薄膜以外でも、第
１図、第２図で説明した構造をもつ素子で一般に第３図
、第４図の特性を得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば電流制御により一
定電圧の整数倍を発生することができ、その電圧にラッ
チしたり、ゲート電流を０にしないで舞電圧状態にリセ
ットできる。

また、第５図の等価回路のため入力と出力の相互干渉は
少ない。このような利点があるので論理回路および定電
圧回路の設計、製作を容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の構造、第２図イ〜ニは現象の説
明図、第３図及び第４図は本発明の素子の特性、第５図
は本発明素子の等価回路を示す。１・・・基板、２…粒界にジョセフソン接合をもつ超伝
導薄膜、３，３′，４，４′・・・電極端子、５・・・
結晶粒子、６・・・マイクロ波発生部、７…マイクロ波
エネルギーを吸収した電圧状態に変る部分、８・・・ト
ランス結合、９・・・ジョセフソン接合、１０・・・も
れ電流の抵抗、い・・最大ジョセフソン電流（臨界電流
）、△・・・ヱネルギギャップ電圧、ｅ・・・電子電荷
、ｌｂ．，ｌｂ２・・・ＡＡ′方向に電圧を発生するた
めの電流ｌｂの閥値。第１図第２図第３図第４図第５図

Claims

【特許請求の範囲】１粒界にジヨセフソン接合を有する四角形の超伝導多
結晶膜およびこれに接続された対向する１組の制御端子
と、対向する他の１組のゲート端子とを備え、前記の１
組の制御端子を流れる制御電流により、他の１組のゲー
ト端子間に、微分抵抗零の状態で、超伝導エネルギー・
ギヤツプの２ｎ倍（ｎは整数）の電圧を発生し、前記の
制御電流により、前記のゲート端子に発生する電圧を、
保持するかあるいは零電圧状態にリセツトしうることを
特徴とする超伝導装置。２粒界ジヨセフソン接合部の四角形のうち制御端子側
の辺の長さを、ゲート端子側の辺の長さと同等もしくは
、それ以上とすることを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の超伝導装置。３粒界ジヨセフソン接合を有する多結晶薄膜にＢａＰ
ｂ＿１−＿ｘＢｉ＿ｘＯ＿３（０．１５＜ｘ≦０．３５
）を用い、電極端子としては超伝導電極材料を用いたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項及び第２項記載の
超伝導装置。