JPS63281481A - 超電導スイツチング素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はスイッチング素子に係り、特に高速で低消費電
力性能を有する超電導スイッチング素子に関する。

〔従来の技術〕

従来超電導スイッチング素子としてはジョセフソン効果
を利用した超電導トンネル接合が製造され、論理回路、
記憶回路等に用いられて来た。超電導トンネル接合の構
造は二枚の超電導膜の間にトンネル障壁層としての役割
を果す極薄絶縁膜を挿入したものである。超電導トンネ
ル接合はジョセフソン効果によって直流超電導電流の流
れる零電圧状態と抵抗の発生する電圧状態との間をスイ
ッチング操作によって遷移させることができる。

素子のスイッチングは超電導状態にある素子に対して磁
界を印加すること、あるいは素子に固有の臨界値以上に
電流を通じることにより起させることができる。超電導
スイッチング素子はスイッチングに要する時間が数ｐｓ
と短かく、消費電力がμＷの単位しかないというスイッ
チング素子としての性能を有している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら従来の超電導トンネル素子を論理回路等の
スイッチング素子として用いようとする場合、以下に述
べる超電導トンネル素子特有の問題点を有していた。

（１）超電導トンネル素子は磁場に対して非常に敏感で
ある。したがって外部からの磁気雑音によって誤まった
スイッチング動作を起してしまうことがある。

（２）超電導トンネル接合は通常磁場信号によってスイ
ッチング動作を行わせる。このとき必要な磁束の単位は
２Ｘ１０−１５Ｗｂ　である。したがって、超電導トン
ネル接合によって構成するスイッチング素子は磁束の単
位に対応する素子面積を必要とする。たとえば信号電流
が数百μＡの場合、素子面積は数十μｍ角となる。この
ことは高密度集積化に対する制約となる。

（３）超電導トンネル接合のスイッチング特性は、電圧
−電流特性にヒステリシスを有する、いわゆるラッチン
グ動作を特徴とする。すなわち、零電圧状態から電圧状
態にスイッチングしたとき、超電導トンネル接合に通じ
る電流を一担零としなければ、たとえスイッチング信号
を取除いたとしても零電圧状態に復帰しない。したがっ
て回路を駆動するための電源として交流で波形整形され
た電流を必要とする。このことは回路を用いるための実
装系を繁雑にする二本発明の目的は磁気的な雑音に対し
て誤動作の心配が無く、磁束の単位による素子面積縮小
化に対する制約が無く、かつ直流電源で駆動できる超電
導スイッチング素子を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は以下のごとき材料および構造から成る超電導
スイッチング素子により達成される。このような超電導
スイッチング素子としては、酸素を成分として含む酸化
物超電導薄膜を抵抗可変部分として用い、酸化物超電導
薄膜に対して電界を印加するための電極を絶縁膜を介し
て膜面方向に接続し、酸化物超電導薄膜に対して電流を
通じるための超電導電極を酸化物超電導薄膜の両側に接
続する。酸化物超電導薄膜としてはＳｒ、Ｔｉ。

０等を構成元素として含むスピネル型結晶構造、Ｂａ、
Ｐｂ、Ｂｉ、Ｏ又はＢａ、Ｙ、’Ｃｕ、○等を構成元素
として含むペロブスカイト型結晶構造、あるいはＢａ、
Ｌａ、Ｃｕ、○等を構成元素として含むＫ２ＮｉＦ４型
結晶構造の酸化物超電導材料等がある。

〔作用〕

酸化物超電導薄膜は多結晶体により構成されており、結
晶粒界における酸素濃度が結晶粒内における酸素濃度よ
り高い状態、あるいは結晶粒界に間隙を存在させる等の
方法により、結晶粒間の電気伝導が電子あるいは正孔の
トンネル効果によって生じる。このようなトンネル効果
、あるいは結晶粒間における波動関数のカップリングの
調節は、次のように行なわれる。すなわち絶縁膜を介し
て印加された電界により酸化物超電導薄膜内の結晶粒界
トンネルバリアハイトを制御する。これにより結晶粒界
のトンネル抵抗が可変となり、従来の半導体トランジス
タのととき三端子素子としてのスイッチング特性を持た
せることができる。あるいは結晶粒間のカップリングの
強さに応じて、ジョセフソン効果による零電圧状態と有
限電圧状態とのスイッチングを起こさせることもできる
。

〔実施例〕

以上の技術的手段に適用したスイッチングの原理を第２
図を用いて説明する。酸化物超電導薄膜の任意の結晶粒
界において、エネルギーダイアグラムは印加電界が零の
場合、破線２１．２２のようになる。トンネル障壁層を
構成する酸化物がｎ型の場合、伝導帯が両側金属伝導層
のフェルミ面Ｆに近くなる。障壁層のバンドは金属伝導
帯界面においてショットキー効果のために湾曲する。た
だし金属伝導層も酸化物であるために、ショットキー障
壁の高さは金属と半導体間のバリアハイドより十分低い
。絶縁層を介して電界を印加した場合、エネルギーダイ
アグラムは実線２３．２４のようになる。つまり、電界
を印加しない場合と比較してトンネル障壁層の実効的な
高さと幅が小さくなる。なお、トンネル電流Ｊは で与えられることが知られている。ここでＶはトンネル
接合電圧、ｍ　ｅ　／　ｍは電子の有効質量比、Ｅｇは
障壁層のエネルギーギャップ、Ｓおよびφは障壁層が矩
形であるとみなしたときの厚みとバリアハイドである。

したがって、トンネル障壁層の実効的な厚みとバリアハ
イドを変化させることによりトンネル電流を指数関数的
に変化させることができる。

以上のような技術的手段を用いることにより、さきに述
べた技術的課題を以下のごとく解決することができる。

（１）磁気雑音に対する誤動作に関して、本発明になる
超電導スイッチング素子はこの確率がきわめて小さい。

本スイッチング素子は半導体トランジスタと類似のスイ
ッチング動作を行うものであり、磁場信号によるスイッ
チングを行わせるものではない。結晶粒界におけるトン
ネル障壁がジョセフソン電流モードになることもあり得
るが、実効的な接合長が１１００ｎ以下ときわめて短い
こと、およびトンネル障壁が並列に並んでいることから
、磁場に対する感度は純い。

（２）前項（１）で述べたごとく、本スイッチング素子
は磁場信号によるスイッチングを行わせるものではない
から、インダクタンスによる寸法の制約が生じない。サ
ブミクロン程度の寸法の素子を形成することも原理的に
は可能である。

（３）本超電導スイッチング素子は２種類のスイッチン
グモードがあり、一つば半導体トランジスタと同じく、
高抵抗状態と低抵抗状態のスイッチングであり、一つは
超電導状態と常電導状態間のスイッチングである。後者
の場合においても、単一の超電導トンネル接合のように
ヒステリシスを有する電圧−電流特性ではなく、高電流
密度素子に特有のヒステリシスの少ない特性を有する。

したがってノンラッチング動作、すなわち直流駆動電源
でスイッチングを行わせることが可能である。

以下、本発明の実施例を第１図を用いて説明する。第１
図に示すごとき超電導スイッチング素子の作製を行った
。素子は基板１、酸化物超電導薄膜２、酸化物電極膜３
、ゲート絶縁膜４、およびゲート電極膜５から成る。基
板１はサファイア（ＡＱｚＯｓ単結晶）、酸化物超電導
薄膜および電極膜２，３は（ＳｒｘＬａｚ−ｘ　）２ｃ
ｕｏｔｙゲート絶縁膜４は５ｉＯｚおよびゲート電極膜
５はＡＱとした。

本素子の作製方法は以下の通りである。高周波スパッタ
リング装置を用いて酸化物電極膜３となる（　Ｓ　ｒｘ
Ｌ　ａ　１−ｘ）　ｘｃ　ｕ　０４　（Ｘは約０．１）
の多結晶体をＡｒと酸素の混合ガス雰囲気中においてサ
ファイア基板全面に形成した。ターゲツト材としてはあ
らかじめ原料粉のプレスおよび焼結により成形した直径
１０印の円板状（Ｓ　ｒｘＬ　ａｌ−ｘ）５１ＣｕＯ２
を用いた。Ａｒガス中で（Ｓ　ｒ　ｘ　Ｌ　ａ　１−Ｘ
）２Ｃｕ　Ｏ４のスパッタリングを行った場合、基板に
付着する前に分解し酸素の不足した状態となる。

したがって雰囲気ガスに酸素を混合することにより膜中
の酸素の不足を補った。電極膜の膜厚は２００ｎｍとし
た。同様の方法によりあらかじめ作製した（Ｓ　ｒ　ｘ
　Ｌ　ａ　ｔ−ｘ）２ｃ　ｕ　０４膜はＸ線回折測定に
よればＫｚＮｉＦ４型結晶構造を示し、超電導臨界温度
は３０に以上であった。

つぎに、形成した電極膜に対し、電極として必要とする
形状のレジストパタンを形成した。真空装置中でＡｒビ
ームを照射することによりレジストに覆われていない（
Ｓ　ｒ　ｙ　Ｌ　ａ　ｘ−ｘｈＣｕ　Ｏｈ膜部分のエツ
チングを行った。レジスト膜除去後、（Ｓ　ｒｘＬ　ａ
　１−Ｘ）２Ｃｕ○香醋酸化物超電導薄膜２前記電極膜
と同様の方法でサファイア基板１全面に形成した。ただ
し、膜厚は１０膜ｍと薄くした。

さらに酸素雰囲気中で１００℃に加熱することにより、
酸化物超電導薄膜の表面および結晶粒界部のみが酸素過
剰な状態にした。さらにレジスト膜タンの形成およびＡ
ｒビームによる加工工程を経て所望の酸化物超電導薄膜
パタンを得た。

つぎに、ゲート絶縁膜４として必要なりフトオフ用レジ
ストパタンを先に形成し、マイクロ波によるプラズマ励
起法を用いてＳｉＯ２膜の堆積を行った。膜厚は３０〜
５０ｎｍとした。さらに真空蒸着法によるＡＱゲート電
極膜５の形成およびリフトオフ法によるバタン形成によ
り超電導スイッチング素子の完成を見た。

作製した超電導スイッチング素子の特性を液体ヘリウム
温度（４，２Ｋ）において調べた。素子の電圧−電流特
性を第３図に示した。破線はゲート電圧を印加しない場
合の特性である。ゲートに１ｖの負電圧を印加した場合
、素子に流れる電流値は増加し、特性は実線で示したよ
うになった。

このことから本超電導スイッチング素子はゲート電圧に
より超電導電流および常電導抵抗値を制御できることが
わかった。

超電導スイッチング素子の電圧−電流特性を磁界中で測
定したが、磁界強度が１０００ｅまでは特性に変化を来
たさなかった。

本超電導スイッチング素子の酸化物超電導薄膜部の面積
は長さ１μｍ２幅５μｍである。これは光学的にバタン
形成法を用いた寸法であるが、電子ビーム露光法等の技
術を用いれば、サブミクロン寸法の素子を作製すること
も可能である。

ここでは酸化物超電導薄膜として（ＳｒｘＬａｚ−ｘ）
２Ｃｕ　０４を用いた場合について例示したが、ペロブ
スカイト型結晶構造のＢ　ａ　（Ｐ　ｂｔ−ｘＢ　１ｘ
）０８あるいはスピネル型結晶構造の５ｒＴｉＯｓを用
いて作製した超電導スイッチング素子、あるいは同じＫ
ｚＮｉＦ４型結晶構造であっても（ＢａｘＬａｔ−ｘ）
ｚＣｕ○４等構○元素の異なる酸化物を用いて作製した
超電導スイッチング素子においても同様の特性および性
能が得られた。

〔発明の効果〕

以上実施例において述べたごとく、本発明によれば、超
電導スイッチング素子に関して以下の効果を有する。

（１）磁場に対する感度が低いために、磁気雑音による
誤ったスイッチングの確率が皆無である。

したがって本超電導スイッチング素子を用いて論理回路
等を構成する場合、従来の超電導トンネル接合を用いて
構成した回路と比較して信頼性が高くなる。のみならず
、高帯磁率材料による磁気遮蔽の必要性も生じない。

（２）スイッチング信号として磁束を用いないので、イ
ンダクタンスによる寸法限界が存在せず素子寸法を数ミ
クロンあるいはサブミクロンにできる。

（３）スイッチング動作の形態がノンラッチングである
から、駆動電源として従来の超電導トンネル接合のよう
に交流電流ではなく、直流電源によって動作させること
ができ、回路実装が簡素化される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である超電導スイッチング素
子の断面図、第２図は本発明の動作原理を示すトンネル
障壁層部のエネルギーダイアグラム図、第３図は超電導
スイッチング素子の電圧−電流特性を示す図である。 １・・・基板、２・・・酸化物超電導薄膜、３・・・酸
化物基茅　１　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酸素を成分として含む酸化物超電導薄膜を抵抗可変
   部分として用い、この酸化物超電導薄膜に対して電界を
   印加するための電極が絶縁膜を介して膜面方向に接続さ
   れ、かつ上記酸化物超電導薄膜に対して電流を通じるた
   めの超電導電極を上記酸化物超電導薄膜の両側に接続さ
   れていることを特徴とする超電導スイッチング素子。 ２、特許請求の範囲第１項において前記酸化物超電導薄
   膜がＳｒ，Ｔｉ，Ｏ等を構成元素として含むスピネル型
   結晶構造、Ｂａ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｏ又はＢａ，Ｙ，Ｃｕ，
   Ｏ等を含むペロブスカイト型結晶構造、あるいはＳｒ，
   Ｌａ，Ｃｕ，Ｏ等を構成元素として含むＫ＿２ＮｉＦ＿
   ４型結晶構造であることを特徴とする超電導スイッチン
   グ素子。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記酸化物超電導
   薄膜は多結晶体から成り、結晶粒界における酸素濃度が
   結晶粒内における酸素濃度より高いこと、あるいは結晶
   粒界に間隙が存在すること等により、結晶粒間の伝導が
   電子あるいは正孔のトンネル効果によつて生じることを
   特徴とする超電導スイッチング素子。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記酸化物超電導
   薄膜の膜厚は１００ｎｍ以下であることを特徴とする超
   電導スイッチング素子。 ５、特許請求の範囲第１項又は第３項において、前記絶
   縁膜を介して印加される電界により前記酸化物超電導薄
   膜内の結晶粒界トンネルバリアハイトは制御されること
   を特徴とする超電導スイッチング素子。 ６、特許請求の範囲第１項又は第２項において、前記超
   電導電極がＳｒ，Ｔｉ，Ｏ等を構成元素として含むスピ
   ネル型結晶構造、Ｂａ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｏ又はＢａ，Ｙ，
   Ｃｕ，Ｏ等を含むペロブスカイト型結晶構造、あるいは
   Ｓｒ，Ｌａ，Ｃｕ，Ｏ等を構成元素として含むＫ＿２Ｎ
   ｉＦ＿４型結晶構造であることを特徴とする超電導スイ
   ッチング素子。