JPH0834320B2 - 超電導素子 - Google Patents
超電導素子Info
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- JPH0834320B2 JPH0834320B2 JP2021983A JP2198390A JPH0834320B2 JP H0834320 B2 JPH0834320 B2 JP H0834320B2 JP 2021983 A JP2021983 A JP 2021983A JP 2198390 A JP2198390 A JP 2198390A JP H0834320 B2 JPH0834320 B2 JP H0834320B2
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- H10N60/124—Josephson-effect devices comprising high-Tc ceramic materials
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Description
本発明は超電導エレクトロニクスの分野に係り、とく
にディジタル回路、アナログ回路の分野に応用される超
電導スイッチング素子に関するものである。
にディジタル回路、アナログ回路の分野に応用される超
電導スイッチング素子に関するものである。
超電導状態と常電導状態の間でスイッチング動作を行
なう超電導素子であって、高臨界温度超電導材料、すな
わち酸化物系の材料で構成されるものとしては、酸化物
超電導材料の結晶粒界を弱結合部として用いる超電導素
子、あるいは酸化物の超電導薄膜を貴金属で接続した超
電導素子が得られている。 さらに、弱結合部として、Ｙ−Ba−Cu酸化物と結晶的
に同系統のPr−Ba−Cu酸化物を用いた例が、アプライド
フィジックスレターズ55巻2032頁、1989年（Applied Ph
ysics Letters,Vol.55,p.2032,1989）に示されている。
この超電導弱結合素子の例においては、膜厚約50nmのPr
−Ba−Cu酸化物薄膜をＹ−Ba−Cu酸化物薄膜によっては
さんだ構造となっている。すなわちＹ−Ba−Cu酸化物/P
r−Ba−Cu酸化物/Y−Ba−Cu酸化物が積層構造で形成さ
れ、ジョセフソン接合特性を有することが示されてい
る。
なう超電導素子であって、高臨界温度超電導材料、すな
わち酸化物系の材料で構成されるものとしては、酸化物
超電導材料の結晶粒界を弱結合部として用いる超電導素
子、あるいは酸化物の超電導薄膜を貴金属で接続した超
電導素子が得られている。 さらに、弱結合部として、Ｙ−Ba−Cu酸化物と結晶的
に同系統のPr−Ba−Cu酸化物を用いた例が、アプライド
フィジックスレターズ55巻2032頁、1989年（Applied Ph
ysics Letters,Vol.55,p.2032,1989）に示されている。
この超電導弱結合素子の例においては、膜厚約50nmのPr
−Ba−Cu酸化物薄膜をＹ−Ba−Cu酸化物薄膜によっては
さんだ構造となっている。すなわちＹ−Ba−Cu酸化物/P
r−Ba−Cu酸化物/Y−Ba−Cu酸化物が積層構造で形成さ
れ、ジョセフソン接合特性を有することが示されてい
る。
前記従来の超電導弱結合素子は以下の理由により超電
導弱結合素子として材料的な問題点を含み、とくに超電
導三端子素子への適用を困難にしている。 Pr−Ba−Cu酸化物は代表的な超電導材料YBa2Cu3O7-x
（ただし、ｘ＝０〜0.5）によって表わされるＹ−Ba−C
u酸化物と同一の結晶構造を有するが、超電導性を示さ
ない数少ない材料の一つである。ＹやPr原子の入るべき
サイトにおける元素ＲがEuやGdのような強磁性元素の場
合であっても、Ｒ−Ba−Cu酸化物は臨界温度90Kの超電
導性を示す。しかるにPr−Ba−Cu酸化物において超電導
性を示さないのはPr原子の磁気的相互作用のおよぶ距離
が長く、電気伝導面であるCu−Ｏ原子面にまで達するか
らである。 したがって、Pr−Ba−Cu酸化物を超電導弱結合素子の
カップリング材、あるいは常電導層として用いる場合、
磁気的相互作用のためにPr−Ba−Cu酸化物内部において
は、キャリア濃度などの値から推定される以上に超電導
電子密度が低下する。このような超電導電子密度の低下
は超電導弱結合素子において必要な超電導電極間の距離
を短くする。 超電導三端子素子の場合、超伝導電極間の距離、すな
わち半導体チャネル長の縮少は素子設計上困難をもたら
す。たとえば電界効率によって超電導電流を制御する三
端子素子の場合、電界を印加するためのゲート電極を必
要とする。半導体電界効果型トランジスタのようにソー
スとドレイン電極間にゲートを配する構造を超電導三端
子素子に適用するのはきわめて困難となる。 本発明の目的は、超電導弱結合素子および超電導三端
子素子に用いる酸化物系半導体材料において、磁気的相
互作用によって超電導特性を抑制しない材料を供し、こ
れにより超電導素子を構成することにある。
導弱結合素子として材料的な問題点を含み、とくに超電
導三端子素子への適用を困難にしている。 Pr−Ba−Cu酸化物は代表的な超電導材料YBa2Cu3O7-x
（ただし、ｘ＝０〜0.5）によって表わされるＹ−Ba−C
u酸化物と同一の結晶構造を有するが、超電導性を示さ
ない数少ない材料の一つである。ＹやPr原子の入るべき
サイトにおける元素ＲがEuやGdのような強磁性元素の場
合であっても、Ｒ−Ba−Cu酸化物は臨界温度90Kの超電
導性を示す。しかるにPr−Ba−Cu酸化物において超電導
性を示さないのはPr原子の磁気的相互作用のおよぶ距離
が長く、電気伝導面であるCu−Ｏ原子面にまで達するか
らである。 したがって、Pr−Ba−Cu酸化物を超電導弱結合素子の
カップリング材、あるいは常電導層として用いる場合、
磁気的相互作用のためにPr−Ba−Cu酸化物内部において
は、キャリア濃度などの値から推定される以上に超電導
電子密度が低下する。このような超電導電子密度の低下
は超電導弱結合素子において必要な超電導電極間の距離
を短くする。 超電導三端子素子の場合、超伝導電極間の距離、すな
わち半導体チャネル長の縮少は素子設計上困難をもたら
す。たとえば電界効率によって超電導電流を制御する三
端子素子の場合、電界を印加するためのゲート電極を必
要とする。半導体電界効果型トランジスタのようにソー
スとドレイン電極間にゲートを配する構造を超電導三端
子素子に適用するのはきわめて困難となる。 本発明の目的は、超電導弱結合素子および超電導三端
子素子に用いる酸化物系半導体材料において、磁気的相
互作用によって超電導特性を抑制しない材料を供し、こ
れにより超電導素子を構成することにある。
上記目的を達成するために本発明の超電導素子は以下
のごとき構成を有する。 すなわち、酸化物系の超電導材料および酸化物系の半
導体特性を有する材料（すなわち酸化物系の半導体材
料）によって構成される超電導素子であって、上記超電
導材料からなる二個の超電導電極が上記酸化物系の半導
体材料からなる薄膜を介して接続された構造からなり、
上記酸化物系の半導体材料がLa,BaおよびCuを含み、か
つ結晶構造の基本型を上記超電導電極をなす酸化物材料
YBa2Cu3O7-x（ただし、ｘ＝０〜0.5）と同一の酸化物薄
膜とする。なお、結晶構造の基本型がＲ−Ba−Cu酸化物
と同一であるために、LaとBaの比をほぼ1.2以下とす
る。 本発明の超電導素子のより具体的な構造としては以下
のごとくなす。酸化物超電導薄膜および酸化物系半導体
薄膜が積層化された構造、あるいは0.2μｍあるいはこ
れ以下のギャップをもって互いに近接して配された酸化
物超電導薄膜が、酸化物系半導体薄膜を介して接続され
た構造とする。これら酸化物系半導体薄膜としてはLa,B
aおよびCuを含む酸化物とする。さらに超電導薄膜とし
てはＹをはじめとする希土類元素、BaおよびCuを含む酸
化物とする。La,BaおよびCuを含む酸化物薄膜に対して
電界を印加するためのゲート電極幕を絶縁膜を介して配
する構造とすることにより三端子型の超電導素子とな
す。 さらに上記超電導素子を要素部品として用いることに
より、構成された超電導性論理スイッチング機能あるい
は記憶機能を有する回路素子を得ることができる。
のごとき構成を有する。 すなわち、酸化物系の超電導材料および酸化物系の半
導体特性を有する材料（すなわち酸化物系の半導体材
料）によって構成される超電導素子であって、上記超電
導材料からなる二個の超電導電極が上記酸化物系の半導
体材料からなる薄膜を介して接続された構造からなり、
上記酸化物系の半導体材料がLa,BaおよびCuを含み、か
つ結晶構造の基本型を上記超電導電極をなす酸化物材料
YBa2Cu3O7-x（ただし、ｘ＝０〜0.5）と同一の酸化物薄
膜とする。なお、結晶構造の基本型がＲ−Ba−Cu酸化物
と同一であるために、LaとBaの比をほぼ1.2以下とす
る。 本発明の超電導素子のより具体的な構造としては以下
のごとくなす。酸化物超電導薄膜および酸化物系半導体
薄膜が積層化された構造、あるいは0.2μｍあるいはこ
れ以下のギャップをもって互いに近接して配された酸化
物超電導薄膜が、酸化物系半導体薄膜を介して接続され
た構造とする。これら酸化物系半導体薄膜としてはLa,B
aおよびCuを含む酸化物とする。さらに超電導薄膜とし
てはＹをはじめとする希土類元素、BaおよびCuを含む酸
化物とする。La,BaおよびCuを含む酸化物薄膜に対して
電界を印加するためのゲート電極幕を絶縁膜を介して配
する構造とすることにより三端子型の超電導素子とな
す。 さらに上記超電導素子を要素部品として用いることに
より、構成された超電導性論理スイッチング機能あるい
は記憶機能を有する回路素子を得ることができる。
以上の酸化物系超電導素子に用いる酸化物超電導材料
および酸化物系半導体材料、さらには素子構造は以下に
述べる理由により素子の作製を容易にし、かつ素子の動
作特性を向上せしめるものである。 酸化物系の代表的な高臨界温度超電導材料であるYBa2
Cu3O7-x（ただし、O7-xはY,Baの組成により決まり、ｘ
の値は０から0.5の範囲である）をはじめとするＲ−Ba
−Cu酸化物はBaを構成元素として含むために、他の材料
と接して配された場合にBa原子の拡散を生じやすく、そ
の界面において容易に組成変化を生じる。ただしＲはＹ
等希土類元素の入るべきサイトにおける元素である。組
成変化を生じることにより、界面における超電導特性が
劣化し、接続された半導体膜に対して超電導電子がしみ
ださなくなる。 したがってＲ−Ba−Cu酸化物を超電導層とした超電導
素子において、本発明に掲げたLa−Ba−Cu酸化物はBaを
共通の元素として含むために超電導−半導体界面におい
てBa原子の拡散にともなう組成変化を生じない。さらに
Ｒ−Ba−Cu酸化物とLa−Ba−Cu酸化物は結晶構造が同一
であり、界面における超電導電子の反射を抑え、Ｒ−Ba
−Cu酸化物からLa−Ba−Cu酸化物への超電導電子のしみ
だし振幅を大きくする。さらにLa−Ba−Cu酸化物は超電
導電子にたいして磁気的な相互作用を生じないので、超
電導電極からしみこんだ超電導電子の振幅を抑制するこ
とはない。 このような材料的な特徴は、素子構造における寸法的
な許容度を広げる。すなわち、Pr−Ba−Cu酸化物を半導
体層として用いた場合、超電導電極間の距離として50nm
以下程度に制限されていたものが、La−Ba−Cu酸化物を
用いることにより、100nm程度まで許容される。 このことは超電導弱結合素子、さらには超電導三端子
素子の構成、および作製を容易にするものである。とく
に電界効果によって半導体チャネル部の制御を行う超電
導三端子素子の場合、超電導電極間の半導体チャネル部
に絶縁膜を介してゲート電極を形成することを可能なら
しめる。
および酸化物系半導体材料、さらには素子構造は以下に
述べる理由により素子の作製を容易にし、かつ素子の動
作特性を向上せしめるものである。 酸化物系の代表的な高臨界温度超電導材料であるYBa2
Cu3O7-x（ただし、O7-xはY,Baの組成により決まり、ｘ
の値は０から0.5の範囲である）をはじめとするＲ−Ba
−Cu酸化物はBaを構成元素として含むために、他の材料
と接して配された場合にBa原子の拡散を生じやすく、そ
の界面において容易に組成変化を生じる。ただしＲはＹ
等希土類元素の入るべきサイトにおける元素である。組
成変化を生じることにより、界面における超電導特性が
劣化し、接続された半導体膜に対して超電導電子がしみ
ださなくなる。 したがってＲ−Ba−Cu酸化物を超電導層とした超電導
素子において、本発明に掲げたLa−Ba−Cu酸化物はBaを
共通の元素として含むために超電導−半導体界面におい
てBa原子の拡散にともなう組成変化を生じない。さらに
Ｒ−Ba−Cu酸化物とLa−Ba−Cu酸化物は結晶構造が同一
であり、界面における超電導電子の反射を抑え、Ｒ−Ba
−Cu酸化物からLa−Ba−Cu酸化物への超電導電子のしみ
だし振幅を大きくする。さらにLa−Ba−Cu酸化物は超電
導電子にたいして磁気的な相互作用を生じないので、超
電導電極からしみこんだ超電導電子の振幅を抑制するこ
とはない。 このような材料的な特徴は、素子構造における寸法的
な許容度を広げる。すなわち、Pr−Ba−Cu酸化物を半導
体層として用いた場合、超電導電極間の距離として50nm
以下程度に制限されていたものが、La−Ba−Cu酸化物を
用いることにより、100nm程度まで許容される。 このことは超電導弱結合素子、さらには超電導三端子
素子の構成、および作製を容易にするものである。とく
に電界効果によって半導体チャネル部の制御を行う超電
導三端子素子の場合、超電導電極間の半導体チャネル部
に絶縁膜を介してゲート電極を形成することを可能なら
しめる。
【実施例１】 以下本発明の実施例を述べる。 超電導層をＹ−Ba−Cu酸化物薄膜、半導体層をLa−Ba
−Cu酸化物薄膜とする電界効果型の超電導素子の素子構
造を第１図に示す。 SrTiO3の（110）面方位単結晶基板１上に形成したLa
−Ba−Cu酸化物薄膜２上にＹ−Ba−Cu酸化物薄膜3,4を
形成し、Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜3,4間に、寸法0.1μｍ以
下のギャップを形成する。その後、SrTiO3薄膜５を設
け、Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜からなるゲート電極膜６を形
成する。 Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜、La−Ba−Cu酸化物薄膜および
SrTiO3薄膜は、高周波マグネトロンスパッタリング装置
によって成膜を行う。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50mTorrとする。ターゲット
材はＹ−Ba−Cu酸化物、La−Ba−Cu酸化物およびSr−Ti
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100Wの高周波を用いる。膜形成時の基板温度
は600℃とする。このような条件で形成したLa−Ba−Cu
酸化物薄膜２は、斜方晶結晶のｃ軸が基板面と平行な結
晶配向性を有する。ａ軸およびｂ軸は基板面に対して45
度の角度をなす。Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜3,4はLa−Ba−C
u酸化物薄膜２と同一の結晶構造を有し、結晶の配向性
も同一であり、SrTiO3薄膜５は（110）面が基板面に並
行に成長する。なお、Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜2,3の超電
導臨界温度は約70Kである。 超電導素子の作製工程は以下のとおりとする。すなわ
ち、La−Ba−Cu酸化物薄膜２をSrTiO3の（110）面方位
単結晶基板１上に形成する。膜厚は200nmとする。この
上にＹ−Ba−Cu酸化物薄膜3,4を300nm厚、形成する。こ
の後、ソース３、ドレイン４およびチャネル７、さらに
は配線を含んだパタン加工をSF6ガスを用いた反応性イ
オンビームエッチング法により形成する。チャネル部７
のＹ−Ba−Cu酸化物薄膜の間隙は100nmとする。この上
にSrTiO3薄膜５およびゲート電極膜であるＹ−Ba−Cu酸
化物薄膜６を形成する。それぞれの膜厚は150nmおよび1
00nmとする。成膜後,Y−Ba−Cu酸化物薄膜６に、反応性
イオンビームエッチング法によってゲート電極膜として
のパタンを加工，成型する。以上の工程により超電導素
子を得る。 この超電導素子の電流−電圧特性においては、約1mA
の超電動電流が流れ、これ以上のバイアス電流に対して
電圧状態になる。さらにゲートに対して3Vの電圧を印加
した場合、超電導電流は0.5mAに減少し、これ以上のバ
イアス電流で電圧が発生する。以上のごとく、本超電導
素子は三端子素子としての基本特性を有する。
−Cu酸化物薄膜とする電界効果型の超電導素子の素子構
造を第１図に示す。 SrTiO3の（110）面方位単結晶基板１上に形成したLa
−Ba−Cu酸化物薄膜２上にＹ−Ba−Cu酸化物薄膜3,4を
形成し、Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜3,4間に、寸法0.1μｍ以
下のギャップを形成する。その後、SrTiO3薄膜５を設
け、Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜からなるゲート電極膜６を形
成する。 Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜、La−Ba−Cu酸化物薄膜および
SrTiO3薄膜は、高周波マグネトロンスパッタリング装置
によって成膜を行う。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50mTorrとする。ターゲット
材はＹ−Ba−Cu酸化物、La−Ba−Cu酸化物およびSr−Ti
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100Wの高周波を用いる。膜形成時の基板温度
は600℃とする。このような条件で形成したLa−Ba−Cu
酸化物薄膜２は、斜方晶結晶のｃ軸が基板面と平行な結
晶配向性を有する。ａ軸およびｂ軸は基板面に対して45
度の角度をなす。Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜3,4はLa−Ba−C
u酸化物薄膜２と同一の結晶構造を有し、結晶の配向性
も同一であり、SrTiO3薄膜５は（110）面が基板面に並
行に成長する。なお、Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜2,3の超電
導臨界温度は約70Kである。 超電導素子の作製工程は以下のとおりとする。すなわ
ち、La−Ba−Cu酸化物薄膜２をSrTiO3の（110）面方位
単結晶基板１上に形成する。膜厚は200nmとする。この
上にＹ−Ba−Cu酸化物薄膜3,4を300nm厚、形成する。こ
の後、ソース３、ドレイン４およびチャネル７、さらに
は配線を含んだパタン加工をSF6ガスを用いた反応性イ
オンビームエッチング法により形成する。チャネル部７
のＹ−Ba−Cu酸化物薄膜の間隙は100nmとする。この上
にSrTiO3薄膜５およびゲート電極膜であるＹ−Ba−Cu酸
化物薄膜６を形成する。それぞれの膜厚は150nmおよび1
00nmとする。成膜後,Y−Ba−Cu酸化物薄膜６に、反応性
イオンビームエッチング法によってゲート電極膜として
のパタンを加工，成型する。以上の工程により超電導素
子を得る。 この超電導素子の電流−電圧特性においては、約1mA
の超電動電流が流れ、これ以上のバイアス電流に対して
電圧状態になる。さらにゲートに対して3Vの電圧を印加
した場合、超電導電流は0.5mAに減少し、これ以上のバ
イアス電流で電圧が発生する。以上のごとく、本超電導
素子は三端子素子としての基本特性を有する。
【実施例２】 第２図に示すごとく、SrTiO3の（110）面方位単結晶
を基板１としてＹ−Ba−Cu酸化物薄膜８を形成する。Ｙ
−Ba−Cu酸化物薄膜８の膜厚は200nmとする。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。成
膜方法および成膜条件は実施例１で述べたとおりであ
る。 このＹ−Ba−Cu酸化物薄膜８上に同じく高周波マグネ
トロンスパッタリング法により、La−Ba−Cu酸化物薄膜
９の形成を行う。膜厚は80nmとする。Ｙ−Ba−Cu酸化物
薄膜８とLa−Ba−Cu酸化物薄膜９の形成は膜表面を大気
に晒すことなく、同一スパッタリング装置中で行う。形
成したLa−Ba−Cu酸化薄膜９はＹ−Ba−Cu酸化物薄膜８
と同一の結晶構造を有し、結晶の配向性も同一である。 さらにこの上に上部電極となるべきＹ−Ba−Cu酸化物
薄膜10を同じスパッタリング成膜条件によって形成す
る。ただし上部電極Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜10の膜厚は40
0nmとする。上部電極Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜10もLa−Ba
−Cu酸化物薄膜９と同じく、下地膜表面を大気に晒すこ
となく同一スパッタリング装置を用いることにより成膜
を行う。これにより、界面に不純物が介在することによ
る超電導カップリング特性の劣化を防止する。 以上のごとき成膜工程を経ることにより、（Ｙ−Ba−
Cu酸化物）−（La−Ba−Cu酸化物）−（Ｙ−Ba−Cu酸化
物）三層膜を得る。この三層膜のパタン形成工程は以下
のごとき方法によって行う。すなわち水平方向に移動す
ることができるシャッタ板を基板にたいして0.5mm以内
の間隔に保って保持する。シャッター板を基板に対して
部分的に覆うことにより、下部電極および上部電極Ｙ−
Ba−Cu酸化物薄膜10が部分的に重なった形状11に仕上げ
ることができる。第３図に示すような、シャッタ移動方
向に対して膜面内で垂直な方向のパタンは、三層膜の形
成後に反応性イオンビームエッチングを施すことにより
得ることができる。ガス種としてはSF6を用い、加速電
圧500V,ガス圧力0.2mTorrの条件でエッチングを行う。
以上の製造工程により、弱結合型の超電導素子を得る。 以上の方法により作製した超電導素子の特性は第４図
に示すごとくになる。すなわち約0.5mAの超電導電流が
流れ、これ以上のバイアス電流に対しては電圧が発生す
る。この超電導電流が電極間のショートによるものか、
あるいは位相のずれによるジョセフソン電流によるもの
かを判別するために、素子に対してマイクロ波を照射す
る。周波数9.3GHzのマイクロ波を照射しながら電圧−電
流特性を測定した場合、電圧値20μＶ毎に電流のステッ
プが観測される。このことは超電導電流が位相変化を伴
うジョセフソン電流であることを意味している。
を基板１としてＹ−Ba−Cu酸化物薄膜８を形成する。Ｙ
−Ba−Cu酸化物薄膜８の膜厚は200nmとする。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。成
膜方法および成膜条件は実施例１で述べたとおりであ
る。 このＹ−Ba−Cu酸化物薄膜８上に同じく高周波マグネ
トロンスパッタリング法により、La−Ba−Cu酸化物薄膜
９の形成を行う。膜厚は80nmとする。Ｙ−Ba−Cu酸化物
薄膜８とLa−Ba−Cu酸化物薄膜９の形成は膜表面を大気
に晒すことなく、同一スパッタリング装置中で行う。形
成したLa−Ba−Cu酸化薄膜９はＹ−Ba−Cu酸化物薄膜８
と同一の結晶構造を有し、結晶の配向性も同一である。 さらにこの上に上部電極となるべきＹ−Ba−Cu酸化物
薄膜10を同じスパッタリング成膜条件によって形成す
る。ただし上部電極Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜10の膜厚は40
0nmとする。上部電極Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜10もLa−Ba
−Cu酸化物薄膜９と同じく、下地膜表面を大気に晒すこ
となく同一スパッタリング装置を用いることにより成膜
を行う。これにより、界面に不純物が介在することによ
る超電導カップリング特性の劣化を防止する。 以上のごとき成膜工程を経ることにより、（Ｙ−Ba−
Cu酸化物）−（La−Ba−Cu酸化物）−（Ｙ−Ba−Cu酸化
物）三層膜を得る。この三層膜のパタン形成工程は以下
のごとき方法によって行う。すなわち水平方向に移動す
ることができるシャッタ板を基板にたいして0.5mm以内
の間隔に保って保持する。シャッター板を基板に対して
部分的に覆うことにより、下部電極および上部電極Ｙ−
Ba−Cu酸化物薄膜10が部分的に重なった形状11に仕上げ
ることができる。第３図に示すような、シャッタ移動方
向に対して膜面内で垂直な方向のパタンは、三層膜の形
成後に反応性イオンビームエッチングを施すことにより
得ることができる。ガス種としてはSF6を用い、加速電
圧500V,ガス圧力0.2mTorrの条件でエッチングを行う。
以上の製造工程により、弱結合型の超電導素子を得る。 以上の方法により作製した超電導素子の特性は第４図
に示すごとくになる。すなわち約0.5mAの超電導電流が
流れ、これ以上のバイアス電流に対しては電圧が発生す
る。この超電導電流が電極間のショートによるものか、
あるいは位相のずれによるジョセフソン電流によるもの
かを判別するために、素子に対してマイクロ波を照射す
る。周波数9.3GHzのマイクロ波を照射しながら電圧−電
流特性を測定した場合、電圧値20μＶ毎に電流のステッ
プが観測される。このことは超電導電流が位相変化を伴
うジョセフソン電流であることを意味している。
【実施例３】 本実施例は、上述の本発明の超電導素子の組合せによ
り構成した基本スイッチングゲートに関するものであ
り、ゲートは実施例２において述べた弱結合型の超電導
素子により構成する。ゲートの構成は第５図に示すとお
りである。すなわち超電導素子２個12と抵抗13を接続す
ることにより、ORスイッチングゲートを形成する。スイ
ッチングゲートに対して並列に負荷抵抗14を配置する。
負荷抵抗はPt薄膜で形成し、電子ビーム蒸着法により成
膜する。超電導素子、およびＹ−Ba−Cu酸化物超電導配
線の形成方法は実施例１および２において述べた通りで
ある。 このORスイッチングゲートの動作特性は以下の通りで
ある。すなわち0.3mAのバイアス電流に対して0.2mAの信
号電流まで、ゲートは零電圧状態に保たれ、負荷抵抗の
両端には電圧が発生しない。さらに信号電流を増加した
場合、ゲートは電圧状態になり、負荷抵抗の両端で電圧
が検出される。以上のごとく本ゲートはORスイッチング
ゲートとしての動作をする。 以上述べたスイッチングゲートは実施例２に述べた超
電導素子だけでなく、実施例１において述べた電界効果
型の超電導素子を用いることによっても構成できる。こ
の場合、必要な素子は１個でよい。 さらに本発明にかかる超電導素子を用いて、ANDゲー
トも構成できることはいうまでもなく、これらOR,ANDス
イッチングゲートを組合せることにより論理回路を構成
できることも容易に理解される。さらに超電導素子と超
電導ループを組合せることにより、記憶素子をも構成で
きる。
り構成した基本スイッチングゲートに関するものであ
り、ゲートは実施例２において述べた弱結合型の超電導
素子により構成する。ゲートの構成は第５図に示すとお
りである。すなわち超電導素子２個12と抵抗13を接続す
ることにより、ORスイッチングゲートを形成する。スイ
ッチングゲートに対して並列に負荷抵抗14を配置する。
負荷抵抗はPt薄膜で形成し、電子ビーム蒸着法により成
膜する。超電導素子、およびＹ−Ba−Cu酸化物超電導配
線の形成方法は実施例１および２において述べた通りで
ある。 このORスイッチングゲートの動作特性は以下の通りで
ある。すなわち0.3mAのバイアス電流に対して0.2mAの信
号電流まで、ゲートは零電圧状態に保たれ、負荷抵抗の
両端には電圧が発生しない。さらに信号電流を増加した
場合、ゲートは電圧状態になり、負荷抵抗の両端で電圧
が検出される。以上のごとく本ゲートはORスイッチング
ゲートとしての動作をする。 以上述べたスイッチングゲートは実施例２に述べた超
電導素子だけでなく、実施例１において述べた電界効果
型の超電導素子を用いることによっても構成できる。こ
の場合、必要な素子は１個でよい。 さらに本発明にかかる超電導素子を用いて、ANDゲー
トも構成できることはいうまでもなく、これらOR,ANDス
イッチングゲートを組合せることにより論理回路を構成
できることも容易に理解される。さらに超電導素子と超
電導ループを組合せることにより、記憶素子をも構成で
きる。
【発明の効果】 本発明にかかる超電導素子は以下の効果を有する。 （１）超電導−半導体−超電導接合を基本とする酸化物
系超電導素子において半導体部の長さに対する余裕度が
広がる。 （２）したがって、超電導弱結合素子だけでなく、電界
効果型の超電導素子、さらにはこれらの素子を用いた超
電導論理回路、記憶回路も構成することができる。
系超電導素子において半導体部の長さに対する余裕度が
広がる。 （２）したがって、超電導弱結合素子だけでなく、電界
効果型の超電導素子、さらにはこれらの素子を用いた超
電導論理回路、記憶回路も構成することができる。
第１図は本発明の実施例の電界効果型の超電導素子の断
面図、第２図は本発明の他の実施例の弱結合型の超電導
素子の断面図、第３図は第２図の超電導素子の上面図、
第４図は第２図の超電導素子の電圧−電流特性図、第５
図は本発明のさらに他の実施例のOR−スイッチングゲー
トの構成図である。 符号の説明 １……SrTiO3基板、２……La−Ba−Cu酸化物半導体層、
３……Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜ソース、４……Ｙ−Ba−Cu
酸化物薄膜ドレイン、５……SrTiO3絶縁膜,6……Ｙ−Ba
−Cu酸化物薄膜ゲート、７……La−Ba−Cu酸化物薄膜チ
ャネル、８……Ｙ−Ba−Cu酸化物下部電極、９……La−
Ba−Cu酸化物半導体層、10……Ｙ−Ba−Cu酸化物上部電
極、11……接合部、12……超電動素子、13……抵抗、14
……負荷抵抗。
面図、第２図は本発明の他の実施例の弱結合型の超電導
素子の断面図、第３図は第２図の超電導素子の上面図、
第４図は第２図の超電導素子の電圧−電流特性図、第５
図は本発明のさらに他の実施例のOR−スイッチングゲー
トの構成図である。 符号の説明 １……SrTiO3基板、２……La−Ba−Cu酸化物半導体層、
３……Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜ソース、４……Ｙ−Ba−Cu
酸化物薄膜ドレイン、５……SrTiO3絶縁膜,6……Ｙ−Ba
−Cu酸化物薄膜ゲート、７……La−Ba−Cu酸化物薄膜チ
ャネル、８……Ｙ−Ba−Cu酸化物下部電極、９……La−
Ba−Cu酸化物半導体層、10……Ｙ−Ba−Cu酸化物上部電
極、11……接合部、12……超電動素子、13……抵抗、14
……負荷抵抗。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平谷 正彦 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 西野 壽一 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 長谷川 晴弘 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 川辺 潮 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平１−102974（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−144688（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】酸化物系の半導体材料からなる薄膜と、該
薄膜を介して接続された酸化物系の超電導材料からなる
２個の超電導電極と、絶縁膜を介して上記薄膜に設けら
れたゲート電極膜からなり、上記酸化物系の半導体材料
は、上記酸化物系の超電導材料YBa2Cu3O7-x（ただし、
ｘ＝０〜0.5）と同一の結晶構造系をなし、かつLa濃度
がBa濃度に対して1.2以下であるLa,BaおよびCuを含む酸
化物であり、上記半導体材料からなる薄膜は、上記２個
の超電導電極が50nmをこえてほぼ200nmの間の距離を隔
てるように形成されていることを特徴とする三端子型の
超電導素子。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021983A JPH0834320B2 (ja) | 1990-02-02 | 1990-02-02 | 超電導素子 |
| US07/647,234 US5250506A (en) | 1990-02-02 | 1991-01-29 | Superconductive switching element with semiconductor channel |
| US08/113,006 US5380704A (en) | 1990-02-02 | 1993-08-30 | Superconducting field effect transistor with increased channel length |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021983A JPH0834320B2 (ja) | 1990-02-02 | 1990-02-02 | 超電導素子 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03228384A JPH03228384A (ja) | 1991-10-09 |
| JPH0834320B2 true JPH0834320B2 (ja) | 1996-03-29 |
Family
ID=12070263
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021983A Expired - Fee Related JPH0834320B2 (ja) | 1990-02-02 | 1990-02-02 | 超電導素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
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| JP (1) | JPH0834320B2 (ja) |
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| JPH06204577A (ja) * | 1992-12-29 | 1994-07-22 | Fuji Electric Co Ltd | 超電導素子 |
| US6147032A (en) | 1999-05-19 | 2000-11-14 | Trw Inc. | Method for indirect Ion implantation of oxide superconductive films |
| CN101447549B (zh) * | 2008-11-19 | 2011-01-12 | 中国电力科学研究院 | 一种具有快速开断和快速恢复能力的超导开关 |
| US8571614B1 (en) | 2009-10-12 | 2013-10-29 | Hypres, Inc. | Low-power biasing networks for superconducting integrated circuits |
| KR101669476B1 (ko) * | 2009-10-30 | 2016-10-26 | 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 | 논리 회로 및 반도체 장치 |
| US10222416B1 (en) | 2015-04-14 | 2019-03-05 | Hypres, Inc. | System and method for array diagnostics in superconducting integrated circuit |
| US20210126180A1 (en) * | 2019-10-24 | 2021-04-29 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Semiconductor-superconductor hybrid device |
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|---|---|---|---|---|
| US3500137A (en) * | 1967-12-22 | 1970-03-10 | Texas Instruments Inc | Cryogenic semiconductor devices |
| EP0160456B1 (en) * | 1984-04-19 | 1996-07-17 | Hitachi, Ltd. | Superconducting device |
| US4983573A (en) * | 1987-06-09 | 1991-01-08 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Process for making 90° K. superconductors by impregnating cellulosic article with precursor solution |
| NL8701779A (nl) * | 1987-07-28 | 1989-02-16 | Philips Nv | Supergeleidende dunne laag. |
| JPH01102974A (ja) * | 1987-10-16 | 1989-04-20 | Hitachi Ltd | 超伝導デバイス |
| JPH01268075A (ja) * | 1988-04-19 | 1989-10-25 | Seiko Epson Corp | ジョセフソン電界効果トランジスタ |
| US5087605A (en) * | 1989-06-01 | 1992-02-11 | Bell Communications Research, Inc. | Layered lattice-matched superconducting device and method of making |
-
1990
- 1990-02-02 JP JP2021983A patent/JPH0834320B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1991
- 1991-01-29 US US07/647,234 patent/US5250506A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5250506A (en) | 1993-10-05 |
| JPH03228384A (ja) | 1991-10-09 |
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