JPH01161786A - 超電導素子 - Google Patents
超電導素子Info
- Publication number
- JPH01161786A JPH01161786A JP62318772A JP31877287A JPH01161786A JP H01161786 A JPH01161786 A JP H01161786A JP 62318772 A JP62318772 A JP 62318772A JP 31877287 A JP31877287 A JP 31877287A JP H01161786 A JPH01161786 A JP H01161786A
- Authority
- JP
- Japan
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- film
- oxide superconductor
- superconducting element
- metal film
- josephson junction
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- Pending
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
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。
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、酸化物超電導体膜を用いて構成されたジョセ
フソン接合をもち、位相モードで動作する超電導素子に
関する。
フソン接合をもち、位相モードで動作する超電導素子に
関する。
(従来の技術)
超高密度電子素子や超高速電子素子の開発は、これまで
、シリコンおよび化合物半導体を中心として進められて
来た。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成技術および
シミュレーションを利用した素子設計技術によりなし遂
げられてきた。
、シリコンおよび化合物半導体を中心として進められて
来た。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成技術および
シミュレーションを利用した素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
る。
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
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電導素子で
ある。しかし、超電導素子はこれまでのところ、本格的
な実用化の目途が立っていない、その理由は、液体ヘリ
ウム温度という超低温でないと動作しないこと、超電導
材料として金属或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は、その絶縁
膜として用いる金属酸化物の時間的、空間的−様性が得
られないこと、等にある。
のは、ジョセフソン接合素子に代表される超電導素子で
ある。しかし、超電導素子はこれまでのところ、本格的
な実用化の目途が立っていない、その理由は、液体ヘリ
ウム温度という超低温でないと動作しないこと、超電導
材料として金属或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は、その絶縁
膜として用いる金属酸化物の時間的、空間的−様性が得
られないこと、等にある。
最近発見された、希土類元素を含有するペロブスカイト
構造の酸化物超電導体は、高い臨界温度をもち、これら
のジョセフソン接合素子の欠点を解消するものとして期
待されている。しかしながら、酸化物超電導体は800
℃以上の高温での熱処理が必要であるため、酸化物超電
導体/絶縁体/酸化物超電導体のトンネル接合を制御性
よく形成することが困難である。そこで、酸化物超電導
体膜のパターンによって、二つの超電導体バンク部とこ
れらを量子力学的に弱結合する弱結合部を構成する、弱
結合ジョセフソン素子が考えられる。
構造の酸化物超電導体は、高い臨界温度をもち、これら
のジョセフソン接合素子の欠点を解消するものとして期
待されている。しかしながら、酸化物超電導体は800
℃以上の高温での熱処理が必要であるため、酸化物超電
導体/絶縁体/酸化物超電導体のトンネル接合を制御性
よく形成することが困難である。そこで、酸化物超電導
体膜のパターンによって、二つの超電導体バンク部とこ
れらを量子力学的に弱結合する弱結合部を構成する、弱
結合ジョセフソン素子が考えられる。
しかしながら酸化物超電導体は、コヒーレンス長がC軸
方向で10人程度、C面内でも100人程変色極めて短
い。従って上述のような弱結合のジョセフソン接合を形
成するためには、[100Å以下の微細加工技術が必要
であり、現在のりソグラフィ技術では不可能である。
方向で10人程度、C面内でも100人程変色極めて短
い。従って上述のような弱結合のジョセフソン接合を形
成するためには、[100Å以下の微細加工技術が必要
であり、現在のりソグラフィ技術では不可能である。
一方、酸化物超電導体膜/金属膜/酸化物超電導体膜、
或いは酸化物超電導体膜/半導体膜/酸化物超電導体膜
の積層構造により弱結合ジョセフソン接合を形成するこ
ともできる。この場合は、弱結合部を構成する金属膜ま
たは半導体膜の厚みを数100人〜数1000人とする
ことで、比較的制御性よく形成することができる。しか
しこの構造では、オフ時の抵抗が低いため、通常の電圧
モー″ド・ジョセフソン素子には使用できない。
或いは酸化物超電導体膜/半導体膜/酸化物超電導体膜
の積層構造により弱結合ジョセフソン接合を形成するこ
ともできる。この場合は、弱結合部を構成する金属膜ま
たは半導体膜の厚みを数100人〜数1000人とする
ことで、比較的制御性よく形成することができる。しか
しこの構造では、オフ時の抵抗が低いため、通常の電圧
モー″ド・ジョセフソン素子には使用できない。
(発明が解決しようとする問題点)
以上のjうに超電導素子は、発熱が少ない点で従来の半
導体素子の高密度化や高速化の限界を越えるものとして
注目されるが、主として材料特性による制約から実用化
に至っていない。
導体素子の高密度化や高速化の限界を越えるものとして
注目されるが、主として材料特性による制約から実用化
に至っていない。
本発明は上記の点に鑑み、液体窒素温度以上の高温で動
作可能で、安定な動作をする超電導素子を提供すること
を目的とする。
作可能で、安定な動作をする超電導素子を提供すること
を目的とする。
[発明の構成コ
(問題点を解決するための手段)
本発明にかかる超電導素子は、位相モードで動作するジ
ョセフソン接合素子であって、ジョセフソン接合を、基
板上に形成された酸化物超電導体膜/金属膜または半導
体膜/酸化物超電導体膜の積層構造により構成したこと
を特徴とする。
ョセフソン接合素子であって、ジョセフソン接合を、基
板上に形成された酸化物超電導体膜/金属膜または半導
体膜/酸化物超電導体膜の積層構造により構成したこと
を特徴とする。
本発明における酸化物超電導体膜としては、希土類元素
を含むペロブスカイト構造の各種酸化物を用い得る。金
属膜としては、金、銀、白金等の貴金属、ニオブ、タン
タル、タングステン、イリジウムなどの高融点金属が好
ましい。
を含むペロブスカイト構造の各種酸化物を用い得る。金
属膜としては、金、銀、白金等の貴金属、ニオブ、タン
タル、タングステン、イリジウムなどの高融点金属が好
ましい。
(作用)
酸化物超電導体膜/金属膜または半導体膜/酸化物超電
導体膜の積層構造からなるジョセフソン接合は、金属膜
または半導体膜のコヒーレンス長が大きいために1μm
程度以下で弱結合部を構成することができる。従って微
細加工を要せず、高温で動作し、且つ安定したジョセフ
ソン接合特性を示す。ただこの積層構造は、絶縁膜を用
いたものと異なり、オフ時の抵抗が数10μΩ以下と極
めて小さい。そのため、電圧モードで用いることはでき
ない。本発明ではこの様な積層構造のジョセフソン接合
を用い、磁束量子を信号媒体とする動作モード即ち、フ
ラクソイドの運動時のみ電圧が発生する位相モードで動
作させることにより、安定した特性を示す低消費電力の
超電導素子が得られる。
導体膜の積層構造からなるジョセフソン接合は、金属膜
または半導体膜のコヒーレンス長が大きいために1μm
程度以下で弱結合部を構成することができる。従って微
細加工を要せず、高温で動作し、且つ安定したジョセフ
ソン接合特性を示す。ただこの積層構造は、絶縁膜を用
いたものと異なり、オフ時の抵抗が数10μΩ以下と極
めて小さい。そのため、電圧モードで用いることはでき
ない。本発明ではこの様な積層構造のジョセフソン接合
を用い、磁束量子を信号媒体とする動作モード即ち、フ
ラクソイドの運動時のみ電圧が発生する位相モードで動
作させることにより、安定した特性を示す低消費電力の
超電導素子が得られる。
(実施例)
以下、本発明の詳細を図面を参照して説明する。
具体的な実施例の説明に先だって、本発明で用いる位相
モード超電導素子即ちフラクソイド論理回路の原理を、
第5図および第6図により説明する。前述のように本発
明でのジョセフソン接合はオフ時の抵抗が低いため、電
圧モードでは動作できない。第5図に示すように、弱結
合ジョセフソン接合Sに対してインダクタンスLを負荷
として接続した論理回路を構成すると、フラクソイド(
端子電圧の時間積分)に対して電流は第6図のように変
化する。従って、A点とB点を安定点として、電力を消
費することなく論理動作ができる。
モード超電導素子即ちフラクソイド論理回路の原理を、
第5図および第6図により説明する。前述のように本発
明でのジョセフソン接合はオフ時の抵抗が低いため、電
圧モードでは動作できない。第5図に示すように、弱結
合ジョセフソン接合Sに対してインダクタンスLを負荷
として接続した論理回路を構成すると、フラクソイド(
端子電圧の時間積分)に対して電流は第6図のように変
化する。従って、A点とB点を安定点として、電力を消
費することなく論理動作ができる。
これが位相モード論理回路の原理である。
第1図は、一実施例の論理回路であ、す、2個の直流ス
クイド(dcsQU I D)Ql、Q2を構成し、こ
れらを抵抗結合したものである。第1図は概略平面図で
あり、第2図はそのA−A−断面図である。基板1はこ
の実施例ではSr Ti 03結晶基板であり、この上
に酸化物超電導体膜としてY B a2 Cui O7
−J膜を用いて回路が構成されている。即ち、二つのd
cs QU I D−Ql 、 Q2を構成する超電
導ループは、第1のY B a2 CL13O7−4膜
2と第2のY B a2 Cus O7−4膜4により
形成されている。これらの膜形成は、酸素含有率25%
のArガス雰囲気中(10m torr)で、基板を6
50℃に加熱した状態でスパッタリングにより行い、こ
れをEBレジストを用いて塩素ガスを含むドライエツチ
ングによりパターン形成する。各超電導ループの線幅は
20μmである。一方のdcsQUID−Qlを構成す
るループ内には二つのジョセフソン接合Jl、J2が形
成され、他方のd+esQUID−Q2を構成するルー
プ内にも同様にジョセフソン接合J3.J4が形成され
ている。各ジョセフソン接合部は、第2図に示したよう
に第1のY B azc u3O7−J膜2のパターン
形成された端部に上に金属膜としてAuusを積層し、
更にこの上に第2のY B a2c u、、0□−6膜
4のパターン形成された端部が積層された構造としてい
る。Auusは、一方のdcsQUID−Ql側で80
0人とし、他方のdesQUID−Q2側では1700
人としている。二つのdeSQUID−Ql、Q2は、
結合抵抗Rにより結合されている。
クイド(dcsQU I D)Ql、Q2を構成し、こ
れらを抵抗結合したものである。第1図は概略平面図で
あり、第2図はそのA−A−断面図である。基板1はこ
の実施例ではSr Ti 03結晶基板であり、この上
に酸化物超電導体膜としてY B a2 Cui O7
−J膜を用いて回路が構成されている。即ち、二つのd
cs QU I D−Ql 、 Q2を構成する超電
導ループは、第1のY B a2 CL13O7−4膜
2と第2のY B a2 Cus O7−4膜4により
形成されている。これらの膜形成は、酸素含有率25%
のArガス雰囲気中(10m torr)で、基板を6
50℃に加熱した状態でスパッタリングにより行い、こ
れをEBレジストを用いて塩素ガスを含むドライエツチ
ングによりパターン形成する。各超電導ループの線幅は
20μmである。一方のdcsQUID−Qlを構成す
るループ内には二つのジョセフソン接合Jl、J2が形
成され、他方のd+esQUID−Q2を構成するルー
プ内にも同様にジョセフソン接合J3.J4が形成され
ている。各ジョセフソン接合部は、第2図に示したよう
に第1のY B azc u3O7−J膜2のパターン
形成された端部に上に金属膜としてAuusを積層し、
更にこの上に第2のY B a2c u、、0□−6膜
4のパターン形成された端部が積層された構造としてい
る。Auusは、一方のdcsQUID−Ql側で80
0人とし、他方のdesQUID−Q2側では1700
人としている。二つのdeSQUID−Ql、Q2は、
結合抵抗Rにより結合されている。
結合抵抗Rはこの実施例では、Auln合金膜5により
形成している。各deSQUID−Ql。
形成している。各deSQUID−Ql。
Q2の電流端子部は、Y B a2 C03O7−J膜
2,4をパッド状にパターン形成し、ここに図では省略
したが端子電極を形成している。各dcs、QUIDQ
lおよびQ2の臨界磁界LIcはそれぞれ、磁束量子を
Φ。とじて、1.8Φ0および0.3Φ0であった。
2,4をパッド状にパターン形成し、ここに図では省略
したが端子電極を形成している。各dcs、QUIDQ
lおよびQ2の臨界磁界LIcはそれぞれ、磁束量子を
Φ。とじて、1.8Φ0および0.3Φ0であった。
第3図は、この様に構成された位相モード超電導論理回
路の等価回路である。この論理回路では、各dcsQ
IUD−Q+ 、Q2ゲート電流を制御することによっ
て、一方に侵入した磁束を結合抵抗Rを介して他方に転
送する、という動作ができる。
路の等価回路である。この論理回路では、各dcsQ
IUD−Q+ 、Q2ゲート電流を制御することによっ
て、一方に侵入した磁束を結合抵抗Rを介して他方に転
送する、という動作ができる。
スタティック方法によりこの論理動作を確認した実験結
果を説明する。先ず、左側のdcsQUID−Qtにゲ
ート電流1gbを与え、n−0の状態に設定する。次い
でゲート電流1 gcを印加することにより、このdc
sQUID−Qlは、n−1の状態にスイッチする。こ
れは、左側のジョセフソン接合J1から磁束が侵入した
ことを示す。次に、I gcを0に戻すと、ジョセフソ
ン接合J2から磁束が追出され、他方のdesQUID
−Q2に侵入する。各dcs QU I D−Ql、
Q2内の磁束の有無は、第4図に示すしきい値特性を観
測することにより、確認できた。
果を説明する。先ず、左側のdcsQUID−Qtにゲ
ート電流1gbを与え、n−0の状態に設定する。次い
でゲート電流1 gcを印加することにより、このdc
sQUID−Qlは、n−1の状態にスイッチする。こ
れは、左側のジョセフソン接合J1から磁束が侵入した
ことを示す。次に、I gcを0に戻すと、ジョセフソ
ン接合J2から磁束が追出され、他方のdesQUID
−Q2に侵入する。各dcs QU I D−Ql、
Q2内の磁束の有無は、第4図に示すしきい値特性を観
測することにより、確認できた。
こうしてこの実施例によれば、二つの
dcsQUIDを抵抗結合した、位相モードで動作する
フラクソイド論理回路が得られる。この実施例によれば
、ジョセフソン接合を構成する弱結合部が金属膜である
ため、オフ時の抵抗が低いが、位相モードにより電力を
消費することなく、論理動作を行うことができる。そし
て薄いトンネル絶縁膜によりジョセフソン接合を構成す
る場合に比べ、製造は容易である。
フラクソイド論理回路が得られる。この実施例によれば
、ジョセフソン接合を構成する弱結合部が金属膜である
ため、オフ時の抵抗が低いが、位相モードにより電力を
消費することなく、論理動作を行うことができる。そし
て薄いトンネル絶縁膜によりジョセフソン接合を構成す
る場合に比べ、製造は容易である。
本発明は上記実施例に限られるものではない。例えば酸
化物超電導体薄膜として、一般にA B a2c u3
O t−a (Aは、Y、Yb、Ho、Dy。
化物超電導体薄膜として、一般にA B a2c u3
O t−a (Aは、Y、Yb、Ho、Dy。
Eu、 Er、Tn+、Luから選ばれた一種)で表わ
される欠陥ペロブスカイト型酸化物を用いることができ
る。また、(Sr+−xLax) 2 Cu 04−y
(但し、SrをBa、Caで置換したものを含む)で表
わされる層状ペロブスカイト型酸化物を用いることもで
きる。弱結合部は金属膜に代って半導体膜を用いること
も可能である。
される欠陥ペロブスカイト型酸化物を用いることができ
る。また、(Sr+−xLax) 2 Cu 04−y
(但し、SrをBa、Caで置換したものを含む)で表
わされる層状ペロブスカイト型酸化物を用いることもで
きる。弱結合部は金属膜に代って半導体膜を用いること
も可能である。
その他事発明は、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。
して実施することができる。
[発明の効果コ
以上述べたように本発明によれば、酸化物超電導体薄膜
/金属膜または半導体膜/酸化物超電導体膜の積層構造
によるジョセフソン接合を用いて位相モード論理回路を
構成することにより、製造が容易で、高温で安定な特性
を示す低消費電力の超電導素子を得ることができる。
/金属膜または半導体膜/酸化物超電導体膜の積層構造
によるジョセフソン接合を用いて位相モード論理回路を
構成することにより、製造が容易で、高温で安定な特性
を示す低消費電力の超電導素子を得ることができる。
第1図は本発明の一実施例の超電導論理回路素子を示す
平面図、第2図は第1図のA−A−断面図、第3図はそ
の論理回路の等価回路図、第4図はその論理回路の動作
を説明するための図、第5図はフラクソイド論理回路の
原理を説明するための等価回路図、第6図はその特性を
示す図である。 1・−3rTi03結晶基板、2.4−・・Y B a
2 Cui Ot−a膜、3− A u膜、5・=Au
In合金膜、Q1* 02 ”’deS QU I D
lJ 1〜J4・・・ジョセフソン接合、R・・・結合
抵抗。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦
平面図、第2図は第1図のA−A−断面図、第3図はそ
の論理回路の等価回路図、第4図はその論理回路の動作
を説明するための図、第5図はフラクソイド論理回路の
原理を説明するための等価回路図、第6図はその特性を
示す図である。 1・−3rTi03結晶基板、2.4−・・Y B a
2 Cui Ot−a膜、3− A u膜、5・=Au
In合金膜、Q1* 02 ”’deS QU I D
lJ 1〜J4・・・ジョセフソン接合、R・・・結合
抵抗。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦
Claims (7)
- (1)ジョセフソン接合を有し、位相モードで動作する
超電導素子において、前記ジョセフソン接合は、基板上
に酸化物超電導体膜/金属膜または半導体膜/酸化物超
電導体膜の積層構造により構成されていることを特徴と
する超電導素子。 - (2)前記基板は、チタン酸ストロンチウムであり、前
記酸化物超電導体膜は希土類元素を含むペロブスカイト
型酸化物である特許請求の範囲第1項記載の超電導素子
。 - (3)前記酸化物超電導体膜は、 ABa_2Cu_3O_7_−_δ(Aは、Y、Yb、
Ho、Dy、Eu、Er、Tm、Luから選ばれた一種
)で表わされる欠陥ペロブスカイト型酸化物である特許
請求の範囲第1項記載の超電導素子。 - (4)前記酸化物超電導体膜は、 (Sr_1_−_xLa_x)_2CuO_4_−_y
で表わされる層状ペロブスカイト型酸化物である特許請
求の範囲第1項記載の超電導素子。 - (5)前記金属膜または半導体膜は、膜厚が1000〜
5000Åである特許請求の範囲第1項記載の超電導素
子。 - (6)前記金属膜は、金、銀または白金である特許請求
の範囲第1項記載超電導素子。 - (7)前記金属膜は、ニオブ、タンタル、タングステン
またはイリジウムである特許請求の範囲第1項記載超電
導素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62318772A JPH01161786A (ja) | 1987-12-18 | 1987-12-18 | 超電導素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62318772A JPH01161786A (ja) | 1987-12-18 | 1987-12-18 | 超電導素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01161786A true JPH01161786A (ja) | 1989-06-26 |
Family
ID=18102775
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62318772A Pending JPH01161786A (ja) | 1987-12-18 | 1987-12-18 | 超電導素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01161786A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH098370A (ja) * | 1995-06-16 | 1997-01-10 | Hitachi Ltd | 酸化物超電導回路 |
| US5962866A (en) * | 1991-01-22 | 1999-10-05 | Biomagnetic Technologies, Inc. | Microbridge superconductor device utilizing stepped junctions |
| CN106575667A (zh) * | 2014-07-02 | 2017-04-19 | 哥本哈根大学 | 半导体约瑟夫森结及其相关的传输子量子位 |
-
1987
- 1987-12-18 JP JP62318772A patent/JPH01161786A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5962866A (en) * | 1991-01-22 | 1999-10-05 | Biomagnetic Technologies, Inc. | Microbridge superconductor device utilizing stepped junctions |
| JPH098370A (ja) * | 1995-06-16 | 1997-01-10 | Hitachi Ltd | 酸化物超電導回路 |
| CN106575667A (zh) * | 2014-07-02 | 2017-04-19 | 哥本哈根大学 | 半导体约瑟夫森结及其相关的传输子量子位 |
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