JPH0636440B2 - 超電導スイッチング素子 - Google Patents
超電導スイッチング素子Info
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- JPH0636440B2 JPH0636440B2 JP2021981A JP2198190A JPH0636440B2 JP H0636440 B2 JPH0636440 B2 JP H0636440B2 JP 2021981 A JP2021981 A JP 2021981A JP 2198190 A JP2198190 A JP 2198190A JP H0636440 B2 JPH0636440 B2 JP H0636440B2
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- oxide
- film
- thin film
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超電導エレクトロニクスの分野に係り、特に
ディジタル回路、アナログ回路の分野に応用される電界
効果型の超電導スイッチング素子に関するものである。
ディジタル回路、アナログ回路の分野に応用される電界
効果型の超電導スイッチング素子に関するものである。
電界効果型の超電導スイッチング素子をジョセフソン接
合素子と比較したときの利点としては、三端子構造であ
り、入出力分離が充分であり、電圧信号でスイッチング
を行え、かつ直流電源によって駆動できるという点をあ
げることができる。
合素子と比較したときの利点としては、三端子構造であ
り、入出力分離が充分であり、電圧信号でスイッチング
を行え、かつ直流電源によって駆動できるという点をあ
げることができる。
電界効果を用いた超電導スイッチング素子としては、液
体ヘリウム温度動作の必要なＮｂ系の超電導材料を用
い、超電導電子のしみだし効果とＣａＡｓあるいはＳｉ
の電界効果を用いたスイッチング装置が知られている。
この例はフィジカルレビューレターズ、５４巻２４４９
頁、１９８５年(Physical Review Letters,Vol.54,p.24
49,1985)に記載されている。この素子においては、半導
体基板上にソースと、ドレイン電極となるべき２枚の超
電導膜を近接して配し、この間にゲート電極膜を挿入し
た構造となっている。すなわちＩｎＡｓ半導体基板の片
側に、ソース，ゲートおよびドレイン電極が並んで配さ
れた構造となっている。超電導電流はソースから半導体
を通ってドレインに流れる。半導体部は超電導電子のし
みだし効果によって、超電導電流が流れる超電導弱結合
部となる。
体ヘリウム温度動作の必要なＮｂ系の超電導材料を用
い、超電導電子のしみだし効果とＣａＡｓあるいはＳｉ
の電界効果を用いたスイッチング装置が知られている。
この例はフィジカルレビューレターズ、５４巻２４４９
頁、１９８５年(Physical Review Letters,Vol.54,p.24
49,1985)に記載されている。この素子においては、半導
体基板上にソースと、ドレイン電極となるべき２枚の超
電導膜を近接して配し、この間にゲート電極膜を挿入し
た構造となっている。すなわちＩｎＡｓ半導体基板の片
側に、ソース，ゲートおよびドレイン電極が並んで配さ
れた構造となっている。超電導電流はソースから半導体
を通ってドレインに流れる。半導体部は超電導電子のし
みだし効果によって、超電導電流が流れる超電導弱結合
部となる。
前記従来の電界効果型超電導スイッチング素子は、高臨
界温度の酸化物超電導材料を用いて実現しようとする場
合、以下の理由で非常に高度な技術を必要とする。
界温度の酸化物超電導材料を用いて実現しようとする場
合、以下の理由で非常に高度な技術を必要とする。
半導体基板上にソースとドレインとなるべき超電導膜を
近接して配する場合、ソースとドレイン間に超電導電流
が流れ得るようにするためには、超電導電流が流れるべ
き半導体部の長さ、すなわちチャネル長を超電導コヒー
レンス長さ程度にする必要がある。チャネル長がコヒー
レンス長さより長い場合、ゲート電圧信号の印加によっ
てソースとドレインの電極間の抵抗値は変化するが、ゲ
ート電圧信号がオンの状態においてもオフの状態におい
ても、超電導電流は流れない。電界効果型の超電導三端
子素子の望ましいスイッチング動作形態は、電圧零の超
電導状態と、有限電圧の常電導状態間のスイッチングで
ある。
近接して配する場合、ソースとドレイン間に超電導電流
が流れ得るようにするためには、超電導電流が流れるべ
き半導体部の長さ、すなわちチャネル長を超電導コヒー
レンス長さ程度にする必要がある。チャネル長がコヒー
レンス長さより長い場合、ゲート電圧信号の印加によっ
てソースとドレインの電極間の抵抗値は変化するが、ゲ
ート電圧信号がオンの状態においてもオフの状態におい
ても、超電導電流は流れない。電界効果型の超電導三端
子素子の望ましいスイッチング動作形態は、電圧零の超
電導状態と、有限電圧の常電導状態間のスイッチングで
ある。
コヒーレンス長さは半導体部のキャリア濃度や移動度、
あるいは平均自由行程にも依存するが、ＧａＡｓ等の高
移動半導体で０．１−０．５μｍ程度である。しかしな
がら酸化物系の超電導膜をＣａＡｓ等の化合物半導体上
に形成した場合、界面において相互拡散あるいは反応が
生じ、接触抵抗が高くなるとともに、酸化物の超電導特
性が劣化する。とくに界面においては超電導性を示さな
い。
あるいは平均自由行程にも依存するが、ＧａＡｓ等の高
移動半導体で０．１−０．５μｍ程度である。しかしな
がら酸化物系の超電導膜をＣａＡｓ等の化合物半導体上
に形成した場合、界面において相互拡散あるいは反応が
生じ、接触抵抗が高くなるとともに、酸化物の超電導特
性が劣化する。とくに界面においては超電導性を示さな
い。
酸化物の超電導特性の劣化や、界面における高い接触抵
抗の問題を取り除くためには、半導体部の材料として、
酸化物そのものをチャンネルに用いることが望ましい。
しかるに酸化物系の半導体層は移動度が低く、０．０１
ｍ２／Ｖｓ程度である。したがってこのような低い移動
度の半導体でカップリングさせる場合、チャネル長、す
なわちソースとドレイン間の距離はさらに１桁短くする
必要がある。液体ヘリウムにかえて液体窒素温度で素子
を動作させようとする場合、コヒーレンス長さはさらに
短くなり、これに対応して、チャンネル長もさらに短く
する必要がある。現在の加工技術あるいはパタン形成技
術をもってしても、 ０．０５μｍ以下のパタンを得ることは困難であり、さ
らに従来型の素子構造においては、このような短いソー
スとドレイン間にゲート電極を挿入する必要があるた
め、この様な構造の微細な素子の作製はさらに困難であ
る。
抗の問題を取り除くためには、半導体部の材料として、
酸化物そのものをチャンネルに用いることが望ましい。
しかるに酸化物系の半導体層は移動度が低く、０．０１
ｍ２／Ｖｓ程度である。したがってこのような低い移動
度の半導体でカップリングさせる場合、チャネル長、す
なわちソースとドレイン間の距離はさらに１桁短くする
必要がある。液体ヘリウムにかえて液体窒素温度で素子
を動作させようとする場合、コヒーレンス長さはさらに
短くなり、これに対応して、チャンネル長もさらに短く
する必要がある。現在の加工技術あるいはパタン形成技
術をもってしても、 ０．０５μｍ以下のパタンを得ることは困難であり、さ
らに従来型の素子構造においては、このような短いソー
スとドレイン間にゲート電極を挿入する必要があるた
め、この様な構造の微細な素子の作製はさらに困難であ
る。
本発明の目的は、超電導電極膜に対して微細な加工を必
要とせず、微細なチャンネル長を実現し、かつゲートの
電圧信号によってスイッチング動作を行わせしめること
のできる酸化物系の（電界効果型）超電導スイッチング
素子を提供することにある。
要とせず、微細なチャンネル長を実現し、かつゲートの
電圧信号によってスイッチング動作を行わせしめること
のできる酸化物系の（電界効果型）超電導スイッチング
素子を提供することにある。
上記目的を達成するために、電圧信号によってスイッチ
ング動作を行わせしめる電界効果型の超電導スイッチン
グ素子を以下のごとくにした。
ング動作を行わせしめる電界効果型の超電導スイッチン
グ素子を以下のごとくにした。
まず酸化物薄膜の膜厚を１０ｎｍ以下とし、この酸化物
薄膜の両側にバイアス電流、あるいは電圧を印加するた
めの電極膜を形成すると共に、酸化物薄膜に対して絶縁
膜を介してゲートでん電極膜を積層化する。ゲート電極
膜は超電導体であることが望ましいが、常電導体であっ
てもよい。
薄膜の両側にバイアス電流、あるいは電圧を印加するた
めの電極膜を形成すると共に、酸化物薄膜に対して絶縁
膜を介してゲートでん電極膜を積層化する。ゲート電極
膜は超電導体であることが望ましいが、常電導体であっ
てもよい。
さらに上記酸化物薄膜として、高臨界温度特性を有する
Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物、Ｂｉ−ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ酸化
物、Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｕ酸化物、Ｎｄ−Ｃｅ−Ｃｕ酸化物
あるいはＴｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ酸化物をはじめとす
る、Ｃｕを含んだペロブスカイト系結晶構造を基本とす
る酸化物系の超電導薄膜とする。
Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物、Ｂｉ−ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ酸化
物、Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｕ酸化物、Ｎｄ−Ｃｅ−Ｃｕ酸化物
あるいはＴｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ酸化物をはじめとす
る、Ｃｕを含んだペロブスカイト系結晶構造を基本とす
る酸化物系の超電導薄膜とする。
本発明の超電導スイッチング素子の製造方法について
は、ＳｒＴｉＯ３のごときペロブスカイト系結晶構造の
単結晶材を基板として用い、５００℃以上の温度で膜形
成を行うことにより、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物等のペロブ
スカイト系結晶構造を有する膜厚１０ｎｍ以下の連続膜
を得る。さらに、酸化物超電導膜の上に層間絶縁膜、ゲ
ート電界膜、および極薄超電導膜につながる電極膜を形
成して素子とする。層間絶縁膜としてはＣａＦ２やＭｇ
Ｆ２等のフッ化物、ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３等の酸化物等が
適している。これらの層間絶縁膜はスパッタリング法あ
るいは反応性蒸着法によって形成することできる。
は、ＳｒＴｉＯ３のごときペロブスカイト系結晶構造の
単結晶材を基板として用い、５００℃以上の温度で膜形
成を行うことにより、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物等のペロブ
スカイト系結晶構造を有する膜厚１０ｎｍ以下の連続膜
を得る。さらに、酸化物超電導膜の上に層間絶縁膜、ゲ
ート電界膜、および極薄超電導膜につながる電極膜を形
成して素子とする。層間絶縁膜としてはＣａＦ２やＭｇ
Ｆ２等のフッ化物、ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３等の酸化物等が
適している。これらの層間絶縁膜はスパッタリング法あ
るいは反応性蒸着法によって形成することできる。
一般に超電導体を臨界温度の５％内の温度に保持した場
合、あるいは形状効果または材料本来の性質により超電
導電子の数が小さく超電導体においては、超電導状態で
あっても見かけ上常電導状態が混在する。このような超
電導体に電流を通じた場合、超電導体にもかかわらず電
圧が発生する。このような現象は揺らぎ効果と言われて
いるが、本発明はこのゆらぎ効果の存在する酸化物系の
超電導薄膜を用いたものである。
合、あるいは形状効果または材料本来の性質により超電
導電子の数が小さく超電導体においては、超電導状態で
あっても見かけ上常電導状態が混在する。このような超
電導体に電流を通じた場合、超電導体にもかかわらず電
圧が発生する。このような現象は揺らぎ効果と言われて
いるが、本発明はこのゆらぎ効果の存在する酸化物系の
超電導薄膜を用いたものである。
一般に超電導を発生するためには超電導コヒーレンス長
さの寸法領域内に超電導電子対が存在しなければならな
い。たとえば超電導電子密度が低く、超電導体が薄膜形
状で、膜厚が非常に薄い部分、このような状態が生じ得
る。ある瞬間をとれば、常電導領域である部分と、超電
導電子が存在して超電導領域である部分とが混在する。
したがってバルク的には超電導状態と見なし得る材料で
あっても、極薄膜形状にあっては超電導領域がつながら
ず、試料の両端に電流を通じた場合、電圧が発生する。
さの寸法領域内に超電導電子対が存在しなければならな
い。たとえば超電導電子密度が低く、超電導体が薄膜形
状で、膜厚が非常に薄い部分、このような状態が生じ得
る。ある瞬間をとれば、常電導領域である部分と、超電
導電子が存在して超電導領域である部分とが混在する。
したがってバルク的には超電導状態と見なし得る材料で
あっても、極薄膜形状にあっては超電導領域がつながら
ず、試料の両端に電流を通じた場合、電圧が発生する。
このような状況が発生する超電導試料を得る条件は、超
電導電子密度と膜厚が互に関連し合っている。我々の検
討によれば、Ｃｕを含んだペロブスカイト系結晶構造を
基本とする酸化物系の超電導薄膜においてこのような揺
らぎ効果が生ずるためには、酸化物薄膜の膜厚を１０ｎ
ｍ以下、より好ましくは８ｎｍ以下とすれば良いことが
明らかになった。
電導電子密度と膜厚が互に関連し合っている。我々の検
討によれば、Ｃｕを含んだペロブスカイト系結晶構造を
基本とする酸化物系の超電導薄膜においてこのような揺
らぎ効果が生ずるためには、酸化物薄膜の膜厚を１０ｎ
ｍ以下、より好ましくは８ｎｍ以下とすれば良いことが
明らかになった。
Ｙ−Ｂａ−Ｃａ系酸化物をはじめとするＣｕを含んだ酸
化物系の超電導体のキャリア濃度は、１０２１cm-3程度
である。この酸化物のキャリア濃度は、超電導材料とし
ては低い値であり、 １ｎｍ３の容積にキャリアが１個存在する割合であると
考えればよい。キャリア濃度がこのように低い値である
としても、超電導体の容積が大きければ、キャリアの数
もマクロの値となって、通常の超電導体としての振舞を
示し、特異な現象は生じない。
化物系の超電導体のキャリア濃度は、１０２１cm-3程度
である。この酸化物のキャリア濃度は、超電導材料とし
ては低い値であり、 １ｎｍ３の容積にキャリアが１個存在する割合であると
考えればよい。キャリア濃度がこのように低い値である
としても、超電導体の容積が大きければ、キャリアの数
もマクロの値となって、通常の超電導体としての振舞を
示し、特異な現象は生じない。
しかるにこの酸化物薄膜の膜厚を薄くしていった場合、
たとえば膜厚を１０ｎｍ以下にした場合、膜厚方向から
見て場所的にキャリアの全く存在しない部分が生じる。
酸化物系超電導体の超電導コヒーレンス長さは１ｎｍ程
度と短いので、キャリアの存在しない部分では常電導状
態となる。すなわち極薄超電導薄膜全体は超電導状態の
領域と常電導状態の領域から構成されることになる。
たとえば膜厚を１０ｎｍ以下にした場合、膜厚方向から
見て場所的にキャリアの全く存在しない部分が生じる。
酸化物系超電導体の超電導コヒーレンス長さは１ｎｍ程
度と短いので、キャリアの存在しない部分では常電導状
態となる。すなわち極薄超電導薄膜全体は超電導状態の
領域と常電導状態の領域から構成されることになる。
常電導状態の領域に電界が印加された場合、超電導体の
ように電場が内部に全く入らないのではなく、内部に侵
入する。すなわち極薄酸化物超電導膜に電界を印加した
場合、場所的に超電導状態で電界の生じない部分と、常
電導状態で電界の生じる部分が形成される。
ように電場が内部に全く入らないのではなく、内部に侵
入する。すなわち極薄酸化物超電導膜に電界を印加した
場合、場所的に超電導状態で電界の生じない部分と、常
電導状態で電界の生じる部分が形成される。
常電導状態で電界の生じた部分ではエネルギーバンドの
曲がりが生じる。エネルギーバンドの曲がりに対応し
て、バンドのエネルギー端をフェルミ面に持ち上げるこ
とができる。これによりこの部分にキャリアを生じせし
めることができる。キャリアの発生によりこの部分は超
電導状態となり、電圧差を生じなくなる。このような現
象により、電界を印加することによりキャリア濃度を増
大させ、薄膜の超電導性を高め、薄膜全体の電気抵抗を
低減させることがきる。このとき、超電導薄膜は、超電
導と常電導の混在した状態にあることに変りはないが、
第５図に示すごとく、超電導領域の割合が大きくなるた
めに、全体が超電導領域でつながり、かつ電圧差を生じ
なくなるのである。このようにして電界を印加すること
によりスイッチング動作を生じせしめることができる。
以上が本発明に係る超電導スイッチング装置の動作原理
および動作方式である。
曲がりが生じる。エネルギーバンドの曲がりに対応し
て、バンドのエネルギー端をフェルミ面に持ち上げるこ
とができる。これによりこの部分にキャリアを生じせし
めることができる。キャリアの発生によりこの部分は超
電導状態となり、電圧差を生じなくなる。このような現
象により、電界を印加することによりキャリア濃度を増
大させ、薄膜の超電導性を高め、薄膜全体の電気抵抗を
低減させることがきる。このとき、超電導薄膜は、超電
導と常電導の混在した状態にあることに変りはないが、
第５図に示すごとく、超電導領域の割合が大きくなるた
めに、全体が超電導領域でつながり、かつ電圧差を生じ
なくなるのである。このようにして電界を印加すること
によりスイッチング動作を生じせしめることができる。
以上が本発明に係る超電導スイッチング装置の動作原理
および動作方式である。
尚、本発明で用いる極薄酸化物膜においては、ピンホー
ルの存在しない均一な連続膜を得ることが重要である。
このためには下地となる基板材料を選択することによっ
て、酸化物薄膜を成長させるようにすることが望まし
い。酸化物薄膜をエピタキシー成長させるために好まし
い基板材料としては、例えば単結晶のＳｒＴｉＯ３をあ
げることができる。
ルの存在しない均一な連続膜を得ることが重要である。
このためには下地となる基板材料を選択することによっ
て、酸化物薄膜を成長させるようにすることが望まし
い。酸化物薄膜をエピタキシー成長させるために好まし
い基板材料としては、例えば単結晶のＳｒＴｉＯ３をあ
げることができる。
以下本発明の一実施例を述べる。
第１図および第２図に示すごとく、ＳｒＴｉＯ３の（１
１０）面方位単結晶を基板１として、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸
化物薄膜２を８ｎｍの厚さに形成する。膜形成は高周波
マグネトロンスパッタリング法によって行う。雰囲気ガ
スはＡｒと酸素の５０％ずつの混合ガスとし、全圧力は
５ｍＴｏｒｒとする。ターゲット材はＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸
化物の円盤状焼結体とする。電源としては周波数１3.５
６ＭHzで電力１１０Ｗの高周波を用いる。膜形成時の基
板温度は６００℃とする。このＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄
膜２は斜方晶結晶のｃ軸が基板面内に存在する結晶配向
性を有する。Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜２の超電導臨界
温度は４０Ｋである。
１０）面方位単結晶を基板１として、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸
化物薄膜２を８ｎｍの厚さに形成する。膜形成は高周波
マグネトロンスパッタリング法によって行う。雰囲気ガ
スはＡｒと酸素の５０％ずつの混合ガスとし、全圧力は
５ｍＴｏｒｒとする。ターゲット材はＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸
化物の円盤状焼結体とする。電源としては周波数１3.５
６ＭHzで電力１１０Ｗの高周波を用いる。膜形成時の基
板温度は６００℃とする。このＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄
膜２は斜方晶結晶のｃ軸が基板面内に存在する結晶配向
性を有する。Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜２の超電導臨界
温度は４０Ｋである。
このＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物膜２上に酸素ガス雰囲気中で
の反応性蒸着方により、ＭｇＯ薄膜３を形成する。Ｙ−
Ｂａ−Ｃｕ酸化物膜２からＭｇＯ薄膜３の形成までは、
基板表面を大気に曝することなく、同一の装置中で行
う。ＭｇＯ薄膜３の膜厚は１０ｎｍとする。このＭｇＯ
薄膜３はＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物膜２をパタン形成プロセ
スから保護するための層である。
の反応性蒸着方により、ＭｇＯ薄膜３を形成する。Ｙ−
Ｂａ−Ｃｕ酸化物膜２からＭｇＯ薄膜３の形成までは、
基板表面を大気に曝することなく、同一の装置中で行
う。ＭｇＯ薄膜３の膜厚は１０ｎｍとする。このＭｇＯ
薄膜３はＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物膜２をパタン形成プロセ
スから保護するための層である。
Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物−ＭｇＯ二層膜の状態で有機レジ
ストマスクパタンを形成し、極薄酸化物超電導膜として
のパタンを形成する。電界を印加されるべき極薄酸化物
超電導膜の寸法は長さ、幅ともに１０μｍとする。この
長さ、幅はそれぞれチャネル長とチャネル幅に対応す
る。二層膜のパタンはＡｒビームを用いたイオンビーム
エッチング方によって形成する。つぎにＭｇＯ層間絶縁
膜用のレジストパタンを形成する。このパタンはＭｇＯ
膜４を形成する前に、あらかじめリフトオフ用の反転パ
タンとして形成しておく。この上に膜厚１００ｎｍのＭ
ｇＯ薄膜４を形成し、かつレジスト膜を除去することに
より、層間絶縁膜としてのパタンを得る。レジスト膜の
除去はアセトン等の有機溶媒に溶かすことにより行う。
ストマスクパタンを形成し、極薄酸化物超電導膜として
のパタンを形成する。電界を印加されるべき極薄酸化物
超電導膜の寸法は長さ、幅ともに１０μｍとする。この
長さ、幅はそれぞれチャネル長とチャネル幅に対応す
る。二層膜のパタンはＡｒビームを用いたイオンビーム
エッチング方によって形成する。つぎにＭｇＯ層間絶縁
膜用のレジストパタンを形成する。このパタンはＭｇＯ
膜４を形成する前に、あらかじめリフトオフ用の反転パ
タンとして形成しておく。この上に膜厚１００ｎｍのＭ
ｇＯ薄膜４を形成し、かつレジスト膜を除去することに
より、層間絶縁膜としてのパタンを得る。レジスト膜の
除去はアセトン等の有機溶媒に溶かすことにより行う。
さらにＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜２につながるＡｕ電極
膜５の形成を行う。このために、あらかじめＹ−Ｂａ−
Ｃｕ酸化物薄膜２の上に形成した保護用ＭｇＯ膜３をイ
オンビームエッチング法により除去しておく。Ａｕ電極
膜５のパタンもやはりリフトオフ法により、あらかじめ
形成されたレジストパタン上に膜形成を行うことにより
得る。Ａｕ電極膜５の形成は真空蒸着法により行う。
膜５の形成を行う。このために、あらかじめＹ−Ｂａ−
Ｃｕ酸化物薄膜２の上に形成した保護用ＭｇＯ膜３をイ
オンビームエッチング法により除去しておく。Ａｕ電極
膜５のパタンもやはりリフトオフ法により、あらかじめ
形成されたレジストパタン上に膜形成を行うことにより
得る。Ａｕ電極膜５の形成は真空蒸着法により行う。
さらに電界を印加するためのＡｕゲート電極膜６のパタ
ンおよび膜形成を行う。Ａｕゲート電極膜６の形成は真
空蒸着法を用い、パタン形成は同じくリフトオフ法を用
いる。以上の製造工程により、超電導スイッチング装置
を得る。
ンおよび膜形成を行う。Ａｕゲート電極膜６の形成は真
空蒸着法を用い、パタン形成は同じくリフトオフ法を用
いる。以上の製造工程により、超電導スイッチング装置
を得る。
以上の方法により作製した超電導スイッチング装置の特
性は第３図に示すごとくになる。すなわちゲート電圧を
印加しない場合、高抵抗状態となる。このときのチャネ
ル部の酸化物薄膜においては、第４図に示す如く、チャ
ネル方向（例えば第４図（ａ）のＡ−Ａ′方向）に超電
導領域１が常電導領域中に離散的に存在する。したがっ
て第４図（ｂ）に示すようなチャネル方向に沿って断面
を見ると、超電導領域１は常電導領域２で隔てられるの
で、超電導領域１のみによってチャネルが接続されるこ
とはなく、高抵抗状態となるのである。これに対して、
１００ｍＶ以上のゲート電圧を印加した場合、約３０μ
Ａの超電導電流が流れる。このときのチャネル部の酸化
物薄膜においては、第５図に示す如く超電導領域１が第
４図の場合に比べて拡大する。したがって例えば第５図
（ａ）のＢ−Ｂ′断面を見れば、超電導領域１が常電導
領域２で隔てられているが、例えばＣ−Ｃ′断面では超
電導領域１のみによってチャネルが接続される。したが
ってチャネルに超電導電流が流れる。このような素子特
性はＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜の臨界温度である４０Ｋ
近傍まで観測される。このようなスイッチング動作は二
次元的な薄膜中で行われる現象であるから、ピコ秒オー
ダの非常に短い時間で行われる。しかも高抵抗状態（高
発熱状態）から超電導状態（低発熱状態）に遷移したと
きに、熱の放散によるスイッチングの遅延は、素子形状
から明らかなように無視できる。
性は第３図に示すごとくになる。すなわちゲート電圧を
印加しない場合、高抵抗状態となる。このときのチャネ
ル部の酸化物薄膜においては、第４図に示す如く、チャ
ネル方向（例えば第４図（ａ）のＡ−Ａ′方向）に超電
導領域１が常電導領域中に離散的に存在する。したがっ
て第４図（ｂ）に示すようなチャネル方向に沿って断面
を見ると、超電導領域１は常電導領域２で隔てられるの
で、超電導領域１のみによってチャネルが接続されるこ
とはなく、高抵抗状態となるのである。これに対して、
１００ｍＶ以上のゲート電圧を印加した場合、約３０μ
Ａの超電導電流が流れる。このときのチャネル部の酸化
物薄膜においては、第５図に示す如く超電導領域１が第
４図の場合に比べて拡大する。したがって例えば第５図
（ａ）のＢ−Ｂ′断面を見れば、超電導領域１が常電導
領域２で隔てられているが、例えばＣ−Ｃ′断面では超
電導領域１のみによってチャネルが接続される。したが
ってチャネルに超電導電流が流れる。このような素子特
性はＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜の臨界温度である４０Ｋ
近傍まで観測される。このようなスイッチング動作は二
次元的な薄膜中で行われる現象であるから、ピコ秒オー
ダの非常に短い時間で行われる。しかも高抵抗状態（高
発熱状態）から超電導状態（低発熱状態）に遷移したと
きに、熱の放散によるスイッチングの遅延は、素子形状
から明らかなように無視できる。
このような超電導スイッチング装置はディジタル回路や
アナログ回路のスイッチング素子としての特性を有して
いて、論理回路，記憶回路，ディジタル・アナログ変換
回路等に適用可能である。さらに計算機ユニットや信号
処理装置等これら各種の回路を利用した高速処理システ
ムを構成することができる。
アナログ回路のスイッチング素子としての特性を有して
いて、論理回路，記憶回路，ディジタル・アナログ変換
回路等に適用可能である。さらに計算機ユニットや信号
処理装置等これら各種の回路を利用した高速処理システ
ムを構成することができる。
本発明にかかる超電導スイッチング装置は、以上述べた
素子構造だけなく、極薄超電導酸化物薄膜とゲート電極
膜の上下関係を逆転させた構造においても実施可能であ
る。さらに酸化物薄膜として上記Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物
だけでなく、Ｂ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ酸化物、Ｔｌ−Ｂａ
−Ｃａ−Ｃｕ酸化物、Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｕ酸化物、Ｎｄ−
Ｃｅ−Ｃｕ酸化物等を用いても同様に素子を構成でき、
かつ同様の素子特性および素子性能を発揮させることが
できる。これらの異なった素子構造あるいは超電導材料
を用いるにもかかわらず、スイッチングの動作原理が作
用の項において述べたごとく、超電導キャリアのゆらぎ
にもとずくものであることは変わりがない。
素子構造だけなく、極薄超電導酸化物薄膜とゲート電極
膜の上下関係を逆転させた構造においても実施可能であ
る。さらに酸化物薄膜として上記Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物
だけでなく、Ｂ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ酸化物、Ｔｌ−Ｂａ
−Ｃａ−Ｃｕ酸化物、Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｕ酸化物、Ｎｄ−
Ｃｅ−Ｃｕ酸化物等を用いても同様に素子を構成でき、
かつ同様の素子特性および素子性能を発揮させることが
できる。これらの異なった素子構造あるいは超電導材料
を用いるにもかかわらず、スイッチングの動作原理が作
用の項において述べたごとく、超電導キャリアのゆらぎ
にもとずくものであることは変わりがない。
本発明にかかる超電導スイッチング装置は以下の効果を
有する。
有する。
（１）従来の電界効果型の超電導トランジスタのように
サブミクロンのチャネル長を形成せずとも動作させるこ
が可能である。
サブミクロンのチャネル長を形成せずとも動作させるこ
が可能である。
（２）液体ヘリウム温度だけでなく、数十Ｋの高温にお
いても超電導と常電導間、あるいは零電圧状態と高抵抗
状態間のスイッチングが可能である。
いても超電導と常電導間、あるいは零電圧状態と高抵抗
状態間のスイッチングが可能である。
（３）以上の素子特性はディジタル回路やアナログ回路
のスイッチング素子としての特性を有している。したが
って論理回路，記憶回路，ディジタル・アナログ変換回
路等の能動素子として用いていることができる。
のスイッチング素子としての特性を有している。したが
って論理回路，記憶回路，ディジタル・アナログ変換回
路等の能動素子として用いていることができる。
第１図は本発明にかかる超電導スイッチング素子の一実
施例における断面図、第２図は本発明にかかる超電導ス
イッチング素子の一実施例における平面図、第３図は本
発明にかかる超電導スイッチング素子の一実施例におけ
る電圧−電流特性を示す図、第４図および第５図は本発
明の一実施例の素子の動作を説明する図である。 符号の説明 １……ＳｒＴｉＯ３基板、２……Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物
薄膜、３……ＭｇＯ薄膜、４……ＭｇＯ層間絶縁膜、５
……Ａｕ電極膜、６……Ａｕゲート電極膜。
施例における断面図、第２図は本発明にかかる超電導ス
イッチング素子の一実施例における平面図、第３図は本
発明にかかる超電導スイッチング素子の一実施例におけ
る電圧−電流特性を示す図、第４図および第５図は本発
明の一実施例の素子の動作を説明する図である。 符号の説明 １……ＳｒＴｉＯ３基板、２……Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物
薄膜、３……ＭｇＯ薄膜、４……ＭｇＯ層間絶縁膜、５
……Ａｕ電極膜、６……Ａｕゲート電極膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−87884（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−194667（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−104177（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】Ｃｕを含んだ酸化物系の超電導薄膜と、上
記超電導薄膜に接して互いに隔てられて形成された１対
の電極膜と、上記酸化物系の超電導薄膜に対して絶縁膜
を介して配されたゲート電極膜からなる超電導スイッチ
ング装置であって、上記酸化物系の超電導薄膜の膜厚が
１０ｎｍ以下であり、かつ上記１対の電極膜間の抵抗
を、上記ゲート電極膜に印加された電圧によって制御す
ることを特徴とする超電導スイッチング素子。 - 【請求項２】請求項１において上記酸化物系の超電導薄
膜が、ＹＢａＣｕ酸化物、ＢｉＳｒＣａＣｕ酸化物およ
びＴＢａＣａＣｕ酸化物のうちのいずれかの酸化物に
より構成されることを特徴とする超電導スイッチング素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021981A JPH0636440B2 (ja) | 1990-02-02 | 1990-02-02 | 超電導スイッチング素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021981A JPH0636440B2 (ja) | 1990-02-02 | 1990-02-02 | 超電導スイッチング素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03228382A JPH03228382A (ja) | 1991-10-09 |
| JPH0636440B2 true JPH0636440B2 (ja) | 1994-05-11 |
Family
ID=12070203
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021981A Expired - Lifetime JPH0636440B2 (ja) | 1990-02-02 | 1990-02-02 | 超電導スイッチング素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0636440B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2515947B2 (ja) * | 1992-05-29 | 1996-07-10 | 株式会社日立製作所 | 超電導素子 |
-
1990
- 1990-02-02 JP JP2021981A patent/JPH0636440B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03228382A (ja) | 1991-10-09 |
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| JPH0587995B2 (ja) | ||
| JPH0587192B2 (ja) |
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