JPH01140682A

JPH01140682A - 超電導スイッチング素子

Info

Publication number: JPH01140682A
Application number: JP62298415A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Eda; 江田　和生; Tetsuji Miwa; 哲司三輪; Yutaka Taguchi; 豊田口
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1987-11-26
Filing date: 1987-11-26
Publication date: 1989-06-01
Anticipated expiration: 2012-02-19
Also published as: JP2583924B2

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、磁場によりスイッチングする超電導スイッチ
ング素子に関するものである。

従来の技術従来、超電導体を利用するスイッチング素子として、ジ
ョセフソン素子が知られている。ジョセフソン素子は、
第４図に示すように、２つの超電立体を薄い絶縁膜で分
離した構造からなっている。

第４図において、２１はＮｂなどの超電導体、２２は酸
化ニオブなどの絶縁体、２３は基板である。極低温にお
いて、Ｎｂ、２１は超電導状態にある。この時のジョセ
フソン素子の電流（１）−電圧（Ｖ）特性は、絶縁体両
端の超７ｒＬ導体のトンネル効果により第５図のように
なる。したがって、２端子のスイッチング素子として利
用できる。スイッチングは電流を変えることによって、
！もしくは接合に磁場を加えることによって行う。磁場
を加える方法として、磁場を形成するための導線をその
近傍に配置し、そこに電流を流すことにより発生する磁
場で、零電圧状態を保つ最大電流値を制御し、スイッチ
ングを行わせるものもある。

発明が解決しようとする問題点しかし従来のジョセフソン素子では、リーク電流が多い
、磁場によるスイッチングを行う場合、しきい値の制御
が難しいなどの問題があった。

本発明はかかる点に鑑みなされたもので、リーク電流の
少ない、磁場しきい値の制御しやすい超電導スイッチン
グ素子を提供することを目的としている。

問題点を解決するための手段本発明は上記問題点を解決するため、頭載間絶縁された
第１および第２の超電導体をまたぐ形で、前記第１およ
び第２の超電導体とトンネル可能な膜厚の超電導体を介
して、前記第１および第２の超電導体より臨界温度の低
い第３の超電導体を設けた構造から成るものである。

作用本発明は、前記したように、薄い眉間絶縁膜を介して形
成された第３の超電導体の超電導−常電導遷移を磁場で
引き起こす現象を用いるため、リーク電流が少なく、ス
イッチングする磁場の制御が容易である。

実施例以下本発明の一実施例について、図面を用いて説明する
。

スパッタリング法を用い、チタン酸ストロンチウム基板
上に、約２μｍのＹ＋ＢａｚＣｕｚ酸化物薄膜を形成し
、熱処理によって超ＴＬ導化した後、ホトリソグラフィ
ー技術を用いて、前記Ｙ１８ａｚＣｕｚ酸化物薄１１２
の一部をエツチングにより除去して２つの領域に絶縁分
離し、その上から全体にスパッタリング法により、約８
０人の酸化ジルコニウム薄ＩＦＪを形成、その上にさら
に約２μｍのＬａｄ、　ａｓＢａｏ、　Ｉ、ｃＩＪＩ酸
化物薄膜を形成した。その後熱処理を行い薄膜を超電導
化した。その構造を第１図に示す。第１図において、■
はチタン酸ストロンチウム基板、２．５はその上に形成
した第１および第２の超電導体であるＹ、Ｂａ２　Ｃｕ
ａ酸化物薄膜、３は酸化ジルコニウム薄膜、５は第３の
超電導体であるＬ　ａ　１．ｓ５Ｂ　ａ　ａ、　＋ｓＣ
ｕ　＋酸化物薄膜である。すなわち第１および第２のの
超電導体をまたぐ形で、薄い層間絶縁膜を介して、それ
より臨界磁場の低い第３の超電導体で接続した構造とな
っている。

各超電導体には電極６．７．８が形成されており、それ
ぞれの超電導体に適当なバイアス電圧を加えることがで
きる。

Ｙ、Ｂａ２　Ｃｕ３酸化物は、約９０にで超電導体とな
り、その臨界磁場は８０テスラ（Ｔ）以上の第２種超電
導体である。第２種超電導体とは、超電導状態を保ちな
がら、磁場の超電導体内部への侵入が可能な超電導体の
ことである。

Ｌａ１．ｅｓＢａａ、＋ｓＣｕ＋酸化物は、約３０にで
超電導体となり、その臨界磁場は５０テスラ（Ｔ）程度
の第２種超電導体である。したがって、このような構造
の素子を３０に以下に冷却すれば、３つの超電導体が薄
い層間絶縁膜で分離された状態となっている。層間絶縁
膜をトンネル可能な厚み以下としておけば、トンネル電
流が流れる。したがって第１および第２の超電導体と第
３の超電導体との間で、通常のジョセフソン素子と同じ
Ｉ−■特性が得られる。この様子を第２国人に示す。

この接合に零電圧を保つ最大電流以上を流すと、もはや
零電圧は保たれず、接合両端に電圧が発生する。この状
態を第２図Ｂとする。この接合に磁場をかけていく。第
１の超電導体の臨界磁場以上を加えると、常Ｔｉ導状態
に急速に遷移する。

Ｌａ　１．ｗ５Ｂ　ａｏ、Ｉｓｃ　ｕ、酸化物は、常電
導状態では、エネルギーギヤノブが超電導状態の時より
もはるかに大きくなる。そのためＹ、Ｂａ２Ｃｕ３酸化
物からＬ　ａ　＋、ａｓＢ　ａ　ｏ、　＋ｓＣｕ　ｌ酸
化物への電子のトンネルができなくなり、電流０流れな
くなる。これにより電子のトンネル状態が変るとともに
、常電導状態の抵抗値は非常に高いので、電流はこの抵
抗によっても制限される。その時の１＝■特性を第２図
Ｃに示す。したがって定電圧を接合に加えていた場合、
回路に流れる電流は一′Ｄに対応した値に減少し、負荷
に抵抗を用いていれば、その両端の電圧は急速に低下す
る。定電流を流していた場合は、直線Ｃにおいて、Ｂに
対応する電圧が接合両端に発生する。いずれにしてもス
イッチングを行うことができる。

Ｌ　ｎ　１Ｂ　ａ　２　Ｃｕ３酸化物（ただしｌ−ｎは
、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｃｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ。

Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの少なくとも一つ）超電導体は
すべて臨界温度ｑｏＫ、ｌ）＝界磁基８０テスラ以上の
第２種超電導体となる。またＬ　ａ　＋、　５ｓ−Ａｅ
ｏ、＋５−Ｃｕ１酸化物（ただしＡｓは、Ｂａ。

Ｓｒ、Ｃａのうちの少なくとも一つ以上）は、すべて臨
界温度３０に程度、口ｎ界磁基がＬｎ　＋　Ｂａ□Ｃｕ
２酸化物超電導体よりも低い超電導体である。したがっ
て実施例の構成において、第１および第２の超電導体に
Ｌ　ｎ　１Ｂ　ａ　２　Ｃｕ３酸化物超電導体を、第３
の超電導体にＬ　ａ　１．＋１８　　Ａ　ｅｏ、＋ｓ　
　Ｃｕ＋酸化物超電導体を用いることにより、実施例と
同様のスイ・７チング動作の得られることは明らかであ
る。

Ｌｎ、Ｂａ２　Ｃｕａ酸化物において、ＢａをＳｒに置
換していっても、はぼ類似の特性を有する超電３３体が
得られる。したがって第１および第２の超ＴＬ４ｔ（体
として、ＢａをＳｒに置換したものを用いても同様の効
果の得られることは明らかである。

磁場の加え方として、本実施例の構造の素子の近傍に導
線を設け、これに電流を流すことによって発生される磁
場を用いることができる。この導線に電流を流したり、
切ったりすることにより、スイッチングを制御すること
ができる。

各超電導体には電極が形成してあり、それぞれの超電導
体にバイアス電圧を加えることができる。

これによりスイッチングの電流値もしくは電圧値の制御
が極めて容易となる。

第３図は本実施例の素子において、超ＴＬ導体５を最も
高い電位に、超電導体２を最も低い電位に、超電導体４
をその中間の電位になるように、各超電導体電極にバイ
アス電圧を加えた場合のエネルギーバンド図である。超
電導体は超電導状態においてエネルギーギャップが存在
し、通常の半導体と同様に、価電子帯、禁制帯、導電帯
で表すことができる。３は眉間絶縁膜である。いま超電
導体２の価電子帯が、超電導体４の導電帯の底よりも上
になるように、また超電導体４の価電子帯が、超電導体
５の導電帯の底よりも上になるようにノマイアスしたと
する。すると超電導体２の価電子帯から超電導体４の導
電帯へのトンネルが可能となり、多量の電子が超電導体
２から超電導体４へ注入される。超電導体４に注入され
た電子は、エネルギーを超電導体４の中で失わなければ
、そのまま超電導体５の導電帯へトンネル注入される。

エネルギーを失って超電導体４の価電子帯に落ちたとし
ても、超電導体４の価電子帯から超電導体５の導電帯へ
のトンネルが可能であり、いずれにしても多量の電子が
超電導体５に注入される。したがってこのようなバイア
ス状態で磁場を加え、超電導体４を超電導状態から常電
導状態に遷移させることにより、電流にスイッチングを
行うことができる。もし超電導体４の電位をもう少し高
くし、超電導体４の導電帯の底が、超電導体２の価電子
帯よりも上にくるようにしておくと、磁場がない時にも
電流は流れない。この例かられかるように各超Ｔ１．導
体のバイアス電位を調整することにより、電流および磁
場による制御性の自由度がより増す。

超電導体４の電位を変えることによってスイッチング制
御のできる状態にバイアスしておけば一種の増幅も可能
である。

発明の効果以上述べたごとく、本発明の方法によれば、臨界磁場の
異なる超電導体同志のトンネル接合を利用するので、磁
場の制御が容易である。またオフ時には、２つの超電導
体の間を、２つの絶縁膜で挾まれた常電導体で分離する
ため、従来のジョセフソン素子のように一つの層間絶縁
膜で分離されたものよりも、はるかにリーク電流が少な
い。

本発明の効果は、゛領域間絶縁された第１および第２の
超電導体をまたぐ形で、前記第１および第２の超電ぷ体
とトンネル可能なＩＩ＊厚の超電導体を介して、前記第
１および第２の超電導体より臨界温度の低い第３の超電
導体を設けた構造から得られるものであり、本実施例以
外にも、この構造を形成できる組合せは、多数考えられ
るが、いずれについても適用できるものである。

また本実施例では、ＦＷ膜の厚みとして特定の値を用い
たが、眉間絶縁膜の厚みは、トンネル効果の起る範囲内
で任意であり、また各超電導体薄膜の厚みもその形成可
能な範囲で任意である。

本実施例では、基板としてチタン酸ストロンチウム単結
晶を用いたが、超電導薄膜の形成できる基板であれば良
く、これに限られないことは、明らかである。

本実施例では、眉間絶縁膜として酸化膜ジルコニウムを
用いたが、膜形成中ないしは形成後の熱処理などによっ
て、超電導膜と反応するようなものでなければ良く、こ
れに限られないことは明らかである。

以上述べたごとく、本発明は、領域間絶縁された第１お
よび第２の超電導体をまたぐ形で、前記第１および第２
の超電導体とトンネル可能な膜厚の超電導体を介して、
前記第１および第２の超電導体より臨界温度の低い第３
の超電導体を設けた構造からなり、リーク電流が少なく
、磁場制御の容易なスイッチング素子を提供するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構造の一実施例を示す断面図、第２図
は本発明の素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフ、第３図は本
実施例の素子のエネルギーバンド図の一例を示す説明図
、第４図は従来のジョセフソン素子の構造例を示す断面
図、第５図は従来のジョセフソン素子のＩ−Ｖ特性を示
すグラフであるウド・・・・・チタン酸ストロンチウム
基板、２，５・・・・・・ＹＩＢ　ａ　２　Ｃｕ３酸化
物薄膜超７Ｓ導体、３・・・・・・層間絶縁膜、４−−
　Ｌ　ａ　１．ｓｓＢ　ａ　ｏ、　＋ｓＣｕ　＋酸化物
薄膜超電溝体、６．７．８・・・・・・電極。代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名派　　　　
　　　　　　　派派

Claims

【特許請求の範囲】

（１）領域間絶縁された第１および第２の超電導体をま
たぐ形で、前記第１および第２の超電導体とトンネル可
能な膜厚の超電導体を介して、前記第１および第２の超
電導体より臨界温度の低い第３の超電導体を設けた構造
から成る超電導スイッチング素子。
（２）第３の超電導体として、Ｌａ−Ａｅ（ただしＡｅ
は、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａの少なくとも一つ）−Ｃｕ酸化物
を、第１および第２の超電導体として、Ｌｎ（ただしＬ
ｎは、Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ
、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの少なくとも一つ）−Ａｅ（
ただしＡｅは、Ｂａ、Ｓｒの少なくとも一つ）−Ｃｕ酸
化物を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第（１）
項記載の超電導スイッチング素子。
（３）それぞれの超電導体にバイアス電圧印加用端子を
設けたことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載
の超電導スイッチング素子。