JPS63299282A - 超伝導素子 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、セラミック超伝導体を用い、半導体−超伝導
体の近接効果および超伝導体の非平衡化を利用して超伝
導電流特性を制御するようにした三端子の超伝導素子に
関する。

（従来の技術） 現在まで、超高密度電子素子や超高速電子素子の開発は
、シリコン及び化合物半導体を中心として進められてき
た。従来の半導体素子の高密度化、高速化は、高度の微
細加工技術、均質で完全性の高い結晶作製技術及びシミ
ュレーションを利用しｋｌｋ子設計技術によりなし遂げ
られてきた。

半導体素子の更なる高密度化、高速化を図る上で今後ま
すます重要になる問題は、発熱である。これは、結晶の
完全性や微細加工技術とは別に、半導体素子の高密度化
や高速化の限界を与える大きい要因になると考えられて
いる。

電子素子の発熱の点で、半導体素子に比べて優れている
のは、ジョセフソン接合素子に代表される超伝導素子で
ある。しかし、超伝導素子はこれまでのところ、本格的
な実用化の目途は立っていない。その理由は、超伝導現
象が液体ヘリウム温度という超低温でないと得られない
こと、超伝導材料として金属あるいは金属間化合物を用
いるため酸化され易いこと、ジョセフソン接合素子の場
合にはその絶縁膜として用いる金属酸化物の時間的安定
性、空間的−磁性が得られず、また本質的に二端子素子
であるため使い難いこと、等である。

近年、ジョセフソン接合素子の二端子素子という欠点を
解消するものとして、超伝導体と半導体を結合した超伝
導トランジスタが試作されている。

これは、半導体層の一方の面に微少間隔をもって対向す
る一対の超伝導体電極（ソース、ドレイン電極）を設け
、他方の面に半導体層内のキャリア濃度分布を制御する
電極（ゲート電極）を設けた構造を有する。ゲート電極
により、ソース、ドレイン近傍のキャリア濃度が減少す
る方向のバイアスを与えるとソース、ドレイン電極間に
はジョセフソン接合が形成されず、ソース、ドレイン電
極間に超伝導電流は流れない。これがトランジスタのオ
フ状態である。一方、ゲート電極によりソース、ドレイ
ン近傍のキャリア濃度を増大させるバイアスを与えると
、ある一定電圧以上でソース。

ドレイン電極間にジョセフソン接合（超伝導接合）が形
成され、トランジスタはオン状態になる。これは、従来
厚み方向に対向させていたジョセフソン素子の一対の超
伝導電極を平面上に展開した形とし、その超伝導電極間
のキャリア濃度の制御により超伝導接合を形成するか否
かを制御するようにしたものと言うことができる。超伝
導接合には電圧零で電流が流れるから、この超伝導トラ
ンジスタ（ま理論的に発熱がない。

この超伝導トランジスタは、三端子素子である点で従来
のジョセフソン素子に比べて使い易いという利点を有す
るが、動作温度が液体ヘリウムあるいはその近傍という
超低温であり、また超伝導電極が材料的に空気中で不安
定である、という超伝導体素子の難点が解決されなけれ
ば、実用化は難しい。

（発明が解決しようとする問題点） 以上のように超伝導素子は、発熱がない点で従来の半導
体素子の高密度化や高速化の限界を超え得るものとして
注目されるが、主として材料特性による制約から実用化
には至っていない。

本発明はこの様な点に鑑みなされたもので、新しい動作
原理を有し、−シかも液体窒素温度以上の温度で動作可
能で、空気中での安定性も優れた三端子超伝導素子を提
供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明による超伝導素子は、高温超伝導体である第１お
よび第２のセラミック超伝導体を絶縁膜を介して対向さ
せ、これら第１．第２のセラミック超伝導体の少なくと
も一方に、障壁絶縁部を介して、近接効果およびキャリ
注入による非平衡化によりその超伝導バンドギャップを
制御するための磁性半導体を設けて構成される。第１お
よび第２のセラミック超伝導体にはそれぞれ第１および
第２の主電極が設けられ、磁性半導体には制御電極が設
けられる。

セラミック超伝導体としては多数のものが知られている
が、最近注目されている臨界温度の高い希土類元素含有
のペロブスカイト型の酸化物が好ましい。ここで言う希
土類元素を含有する。ペロブスカイト型構造を有する酸
化物は超伝導状態を実現できればよく、　酸素欠陥を存
するＡＢａ　２　Ｃｕ　３０ｔ−ａ系（ＡはＹ、Ｙｂ、
Ｈｏ。

Ｄｙ、Ｅｕ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕなどの希土類元素）など
の欠陥ペロブスカイト型、Ｓｒ　−Ｌａ　−Ｃｕ−〇系
等の層状ペロブスカイト型等の広義にペロブスカイト構
造を有する酸化物とする。希土類元素も広義の定義とし
、Ｓｃ、Ｙおよびランタン系を含むものとする。代表的
な系として、Ｙ　−Ｂ　ａ−Ｃｕ−０の他に、ＹをＹｌ
）、Ｈ□、Ｄｙ、Ｅｕ。

Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕなどの希土類で置換した系、Ｓｃ　−
Ｂａ　−Ｃｕ−０系、Ｓｒ　−Ｌａ　−Ｃｕ　−０系、
更にＳｒをＢａ、Ｃａで置換した系等が挙げられる。こ
れらの材料の化学量論的組成からの僅かのずれは許容さ
れる。

（作用） 本発明の超伝導素子では、第１および第２のセラミック
超伝導体の組合わせにより二つの動作モードが得られる
。その一つは、第１．第２のセラミック超伝導体に互い
に異種の材料を用いた場合である。この場合、制御電極
にバイアスを印加しない状態では第１および第２のセラ
ミック超伝導体はいずれも超伝導状態であるが、両者は
超伝導バンドギャップが異なるため、第１．第２のセラ
ミック超伝導体の間の絶縁膜がトンネル電流が流れる程
度の薄いものであっても、超伝導電流に対する障壁が形
成されていて、第１．第２の主電極間は高抵抗状態に保
たれる。制御電極に所定のバイアスを与えると、半導体
とセラミック超伝導体の近接効果およびキャリア注入に
よりセラミック超伝導体の臨界温度が低下する。換言す
れば、セラミック超伝導体の超伝導バンドギャップが小
さくなり、ついには常伝導状態になる。これにより、第
１．第２のセラミック超伝導体間の超伝導電流の障壁は
なくなり、大きいトンネル電流が流れる。もう一つは、
第１．第２のセラミック超伝導体を同じ材料とした場合
である。この場合、制御電圧が零でいわゆるジョセフソ
ン接合が形成されていて、第１．第２の主電極間には電
圧降下なしにトンネル電流が流れる。制御電極に所定の
バイアスを与えると一方の酸化物超伝導体は近接効果お
よびキャリア注入により常伝導体になり、従って主電流
が減少する。

本発明によれば、この様な三端子の超伝導素子の電流制
御を行う半導体として磁性半導体を用いることによって
、効率よい制御が可能になる。またセラミック超伝導体
として高温超伝導体を用いることにより、簡便な冷凍機
で動作可能で、経時変化の少ない安定した素子特性が得
られる。モして三端子素子であるため使い易く、かつ超
伝導とトンネル電流を利用するため、従来の半導体材料
のみを用いた素子では得られない超高速素子の実現も可
能である。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は一実施例の超伝導素子を示す。１は磁性半導体
基板であり、この上に第１の酸化物超伝導体膜２が形成
されている。　基板１は、Ｍｎ　Ｆｅ　２０４−ａ　、
　　　Ｎｉ　Ｆｅ　２０ａ−ａ　＋ＬａＮ１０３−ａ＋
　　　ＬａＣｒ０ｔ−ａ。

ＬａＭｎＯ３−６等の酸化物半導体あるいは、Ｃｕ　Ｃ
ｒ　２５４−ａ　、　　　Ｃｕ　Ｃｒ　２　Ｓｅ　４−
ａ　。

Ｃｄ　Ｃｒ　２５４−ａ　、　Ｃｄ　Ｃｒ　２　Ｓｅ　
４−４等の硫化物やセレン化物半導体である。　第１の
酸化物超伝導体膜２はこの実施例では、 （Ｌａ　ｏ、５ｓｓｒ　ｏ、＋ｓ）　２　Ｃｕ　Ｏ＊、
ｅであり、スパッタ法により形成されている。この酸化
物超伝導膜２と）Ｊ、仮１の間には、ショットキー障壁
３が形成され、無バイアス状態で基板１側に図示のよう
な空乏層４が形成され、これにより両者の間は絶縁され
ている。第１の酸化物超伝導体膜２上には更に薄い絶縁
膜５を介して第２の酸化物超伝導体膜６が形成されてい
る。絶縁膜５はこの実施例では、第１の酸化物超伝導体
膜２の表面を、Ａ、ｅのイオン注入により絶縁層化した
ものである。第２の酸化物超伝導体膜６はこの実施例で
は第１の酸化物超伝導体膜２とは異種材料の、 Ｙ　Ｂ−ａ　２　Ｃｕ　３０７−Ｆであり、スパッタ法
により形成されている。第１．第２の酸化物超伝導体膜
２．６にはそれぞれ第１．第２の主電極７，８が形成さ
れ、基板１には制御電極８が形成されている。

この素子は、制御電極８に与える制御電圧により、主電
極７．８間の電流を制御するものであるが、制御電圧が
零で電流が流れず、所定の制御電圧を与えることにより
電流が流れる。即ち制御電圧が零の状態では、第２図（
ａ）に示すように第１の酸化物超伝導体膜２の超伝導バ
ンドギャップΔ□と、第２の酸化物超伝導体膜６の超伝
導バンドギャップΔ２とはそれぞれ所定の大きい値を示
し、従って超伝導状態である。しかし両者の間にはδな
る電流に対する障壁が形成されており、トンネル電流は
流れない。制御電極８に負の制御電圧を印加すると、第
１の酸化物超伝導膜２と基板１の間はいわば順バイアス
となり、空乏層４の幅が小さくなって、第１の酸化物超
伝導体膜２と基板１の近接効果が働く。つまり、第１の
酸化物超伝導体膜２と基板１の相互作用が大きくなり、
第２図（ｂ）に示すように第１の酸化物超伝導体膜２の
超伝導バンドギャップはΔ′と小さくなる。

この様な近接効果による超伝導バンドギャップの変化は
、従来より知られている　（例えば、Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　
　Ｔ　ｒａｎｓａｃｔｌｏｎｓ　　ｏｎ　　Ｍａｇｎｅ
ｔｌｃｓ。

Ｖｏｌ、　ＭＡＧ　　１９．　Ｎｏ　、　３　、　　Ｍ
ａｙ　１９８３のｐＩ）１２９３−１２９５に所載のＳ
、　Ｍ、　　ＦａｒＩｓ等の論文参照）。本発明では、
基板１に磁性半導体を用いることにより、この近接効果
およびキャリア注入による超伝導−常伝導の転移の効率
が非常に高いものとなっている。この結果、第１．第２
の酸化物超伝導体膜２．６間の電流障壁がな（なり、絶
縁膜５を通して大きいトンネル電流が流れる。

第３図は、この実施例の超伝導素子の２０にでの具体的
な素子特性例である。

第４図は、他の実施例の超伝導素子である。第１図と対
応する部分には、第１図と同一符号を付して詳細な説明
は省略する。先の実施例では磁性半導体基板１と第１の
酸化物超伝導体膜２の間には積極的には絶縁膜を形成せ
ず、両者の仕事関数の差によるショットキー障壁３を利
用したのに対し、この実施例では絶縁膜１０を介在させ
ている。

この絶縁膜１０は例えば、第１．第２の酸化物超伝導体
膜２．６間の絶縁膜５と同様に基板に所定の元素をイオ
ン注入して形成することができる。

この実施例によっても、先の実施例と同様の素子特性が
得られる。

第５図は他の実施例の超伝導素子である。第１図と対応
する部分には第１図と同一符号を付して詳細な説明は省
略する。先の実施例では、超伝導接合を構成する第１．
第２の二つの超伝導体膜２゜６を異なる酸化物超伝導体
材料としたが、この実施例では第１．第２の酸化物超伝
導体膜１２゜１６として同じ酸化物超伝導体材料を用い
ている。

例えば第１．第２の酸化物超伝導体膜１２．１６として
共に、（Ｌａ　ｏ、ｓｓＳ　ｒ　Ｏ，＋５）’２　Ｃｕ
　０４−ａのスパッタ膜を用いる。

第６図はこの実施例の超伝導素子の特性である。

この素子特性は、先の実施例とは全く異なっている。即
ち制御電圧が零の状態で第１．第２の酸化物超伝導体膜
の間にジョセフソン接合が形成されて、大きいトンネル
電流が流れている。磁性半導体ｈ（板１に所定の制Ｗ電
圧を与えて、近接効果およびキャリア注入により第１の
酸化物超伝導体膜１２を常伝導体に転移させると、主電
流は減少する。この実施例でも、基板として磁性半導体
を用いることにより大きい近接効果が得られ、効率よい
超伝導−常伝導転移が可能で、先の実施例とは異なる電
流−電圧特性を示す超伝導素子が得られる。

第５図の超伝導素子について、第４図と同様に基板１と
第１の酸化物超伝導体膜１２との間の障壁絶縁部を絶縁
膜とすることが可能である。

本発明は上記実施例に限られない。上記実施例では、超
伝導体−半導体による近接効果およびキャリア注入で超
伝導電流を制御するために磁性半導体基板を用い、この
上に酸化物超伝導体膜を形成したが、磁性半導体が他の
基板上に薄膜上に形成され、この上に必要な酸化物超伝
導体膜が順次形成された構造としてもよい。また、第１
または第２の酸化物超伝導体のいずれか一方が下地とな
り、この上に順次必要な膜が形成された構造であっても
よい。磁性半導体が第１．第２の酸化物超伝導体の両方
に対して設けられてもよい。

その他車発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形し
て実施することができる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、高温超伝導体である
セラミック超伝導体を用い、超伝導体−半導体の近接効
果およびキャリア注入による超伝導電流の制御に磁性半
導体を利用することにょって、超伝導−常伝導の転移制
御を効率良く行うことを可能とした、高速動作可能な三
端子超伝導素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の超伝導素子を示す図、第２
図（ａ）（ｂ）はその素子の動作原理を説明するための
図、第３図は同じくその素子の電圧−電流特性を示す図
、第４図は第１図の変形例を示す図、第５図は本発明の
他の実施例の超伝導素子を示す図、第６図はその素子の
電圧−電流特性を示す図である。 １・・・磁性半導体基板、２・・・第１の酸化物超伝導
体膜、３・・・ショットキー障壁、４・・・空乏層、５
・・・絶縁膜、６・・・第２の酸化物超伝導体膜、７，
８・・・主電極、９・・・制御電極、１０・・・絶縁膜
、１２・・・第１の酸化物超伝導体膜、１６・・・第２
の酸化物超伝導体膜。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 １１図 （ａ）　　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）第２　図 主　　１１°　ノ丑　　［Ｆ■〕 １！３　　図 策４　図 １５　　図 主爪人〔ｍ■〕 １１６　図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁膜を介して対向配置された第１および第２の
   セラミック超伝導体と、これら第１および第２の酸化物
   超伝導体にそれぞれ設けられた第１および第２の主電極
   と、前記第１、第２のセラミック超伝導体の少なくとも
   一方に障壁絶縁部を介して接する磁性半導体と、この磁
   性半導体に設けられた制御電極とを有することを特徴と
   する超伝導素子。
2. （２）前記第１および第２のセラミック超伝導体は、希
   土類元素を含有する、互いに異種のペロブスカイト型の
   酸化物膜である特許請求の範囲第１頂記載の超伝導素子
   。
3. （３）前記第１および第２のセラミック超伝導体は、希
   土類元素を含有する同種のペロブスカイト型の酸化物膜
   である特許請求の範囲第１項記載の超伝導素子。
4. （４）前記障壁絶縁部はショットキー障壁である特許請
   求の範囲第１項記載の超伝導素子。
5. （５）前記障壁絶縁部は絶縁膜である特許請求の範囲第
   １項記載の超伝導素子。