JPH01302785A - セラミック超電導装置 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、セラミック超電導体の特性を、近接して設け
た制御線に流した電流で発生する磁界で制御して論理演
算などを行なわせるセラミック超電導装置の制御線に関
するものである。

〈従来の技術〉 超電導の特性を用いた論理回路素子は、ジョセフソン素
子が知られている０使用されるジョセフソン素子は、ニ
オブや、鉛、又は、それらの合金からなる超電導体の間
に極めて薄い絶縁膜を挾んだ構造である〇 〈発明が解決しようとする問題点〉 要があるが、この極薄絶縁膜の作製は高度の製造技術を
要し、特性の揃った素子を製造するのは難しかった。

また、ジョセフノン素子は極めて早い動作をする一方、
出力レベルは小さいので雑音や、出力回路などから実用
化が難しい素子であった。

本発明は、上記の問題点を解決する製造が容易で、その
動作は超電導体の特有の高速な特性をもち、かつ、実用
的な出力レベルをもつ超電導体装置ユであり、特願昭６
３−２９５２６に示したＡＮＤ。

ＯＲ又はＸＯＲなどの論理演算をする素子と基本的には
同じであるが、小ない制御線の電流入力で動作するよう
改良したものである０ く問題点を解決するための手段） 本発明の目的を達成するため、両端に１対の電極を備え
たセラミック超電導素子に近接して設けられた導体に電
流を流すことにより発生する磁界を前記のセラミック超
電導体に作用させる制御線は、１本、又は、２本以上に
すること゛もできるが、の字の形状に形成して発生した
磁界を効率よく素子に印加するものである。上記の構成
の制御線にすれば少ない電流によっても、セラミック超
電導素子に必要な強さの発生磁界を印加することができ
る。また、セラミック系の厚さが薄い超電導体で、その
結晶粒界か弱接合の構成では、弱い磁界の印加磁界でも
素子の超電導状態が破れるので少ない電流で制御するこ
とができる０ 又、本発明によれば、上記の制御線を複数配置し、それ
ぞれ独立した電流を流す構成にすることもでき、これに
より各制御線に流す電流の太きさや、方向を変えること
で、種々の論理出力をセラミック超電導素子の電圧電極
に出力する論理回路素子を構成することができる。

く作　用〉 結晶粒界が弱結合の構成の、セラミック超電導体は、弱
い磁界によってその超電導状態が破れ常電導の電気抵抗
をもつことを見出し、この現象を用いた磁界計測の発明
、特願昭６２−２３３３６９号「超電導磁気抵抗システ
ム」を出願している。

本発明は、セラミック超電導体の上記の現象を利用する
もので、超電導体の上に、積層又は、Ｕの字形の形成し
た制御線を配置し、制御線に流した電流によって発生す
る磁界を効率よくセラミック超電導体に作用させるので
、少ない制御線の電流によってセラミック超電導素子、
又は超電導磁気抵抗素子が、電気抵抗をもつ状態にする
ことができる。

更に詳細に説明すると、セラミック系の結晶粒界を有す
る超電導素子は、磁界が印加されない場合には、第１０
図に示すように、素子の示す電気抵抗ＲＯは完全に零の
値を示すが、ある臨界磁界Ｈｃを加えると突然素子は電
気抵抗を示し、印加磁界の増大とともに、電気抵抗が急
激に増大する新しい現象を本出願人は先に見出して上記
した特許出願をしているが、この素子の初期抵抗ＲＯに
対する抵抗の変化ΔＲの比、ΔＲ／　Ｒｏは無限大とな
って、従来の磁気抵抗素子とは比較にならない高性能を
示す素子である。

即ち、最近多くの研究機関で進められているセラミック
超電導体の研究の方向は、臨界温度（Ｔｃ　）、臨界磁
界（Ｈｅ）、臨界電流（Ｊｃ　）の向上を図ることにあ
るが、本出願人も上記セラミック超電導体について種々
研究したところ、この超電導体のある種のもの（超電導
体の粒子間に弱結合状態を持つもの）が上記第１Ｏ図に
示すように極めて弱い磁界（数ガウス）で弱結合の超電
導状態が破れて電気抵抗を示し、印加磁界の強さととも
に急激に増加することを見出し、この低い臨界磁界現象
を用いて新規な論理回路素子として動作するセラミック
超電導装置を創案したものである。

上記第１０図に示したような磁界の印加に対する電気抵
抗の変化特性は、セラミックス系の超電導体が多くの超
電導結晶微粒子より構成される結合体で、その粒子境界
に極めて薄い絶縁物あるいは抵抗体が存在するか、また
は、粒子間の接触がポイント状態になり、粒子と粒子が
点状の接触をなしている等、いわゆる超電導の弱結合状
態にあり、磁界などがない超電導状態では、トンネル効
果等により、電子が自由に移動して電気抵抗は零を示す
。つまりセラミック系等の結晶粒子の弱結合状態にある
超電導体１−１ｉＩＩ図に示すように等測的には無数の
ジョセフソン結合＋２＋、＋２１゜・・・の集合体とみ
なすことが出来る。

このような超電導体の素子に磁界を印加すると、磁界の
影響により、ジョセフソン結合１２１゜１２１、・・・
の超電導性が破れ、即ち、弱磁界の印加によって弱結合
部から超電導状態が破れて、素子は電気抵抗を示すよう
になり、磁界の強さの増大と共に電気抵抗は急速に増大
する。

この性質は、上記原理からも明らかなように、結晶粒界
はランダムに配置されているため、印加する磁界の方向
には依存せずに、磁界の強さの絶体値によって定まるも
のである。

〈実施例〉 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実施例を示す平面図である。

第１図において、ｌはセラミック超電導体３０両端に設
けられた一対の電流電極２１．２１及びこの電極２１．
２１の近くに設けられた電圧電極２２．２２よりなる超
電導磁気抵抗素子であり、５はこの超電導磁気抵抗素子
ｌの上に絶縁膜１０を介してＵの字形に形成された制御
線５が形成されている。

次に、上記第１図に示した装置の作製方法について詳細
に説明する。

まず、本装置に用いられるセラミック超電導体膜の磁気
抵抗素子を作製するために、第９図に概要を示す成膜装
膜において、基板７を安定化ジルコニア（ＹＳＺ）とし
、ヒーター９で基板温度を４００℃に保ちながら、Ｙ（
ＮＯ３）３　　・６Ｈ２０゜Ｂａ　（ＮＯ３）２　、　
Ｃｕ　（ＮＯ３）２　・３Ｈ２０をＹＩＢＦＬｚＣｕ３
０ｔ　　Ｘとなる様所定量秤量し、水で溶解した硝酸塩
水溶液を噴射装着１１から断続的に、基板７に向けて、
膜厚５μｍの−様な膜となる様にスプレィし、熱分解と
酸化でセラミックを成膜し、その後９５０℃で６０分間
と、５００℃で１０時間の空気中アニールを行った。こ
の様にして作製したセラミック超電導体膜の抵抗は１０
０ｋから下がりはじめ、８３にで完全に抵抗零を示して
いる。

次に、このセラミック高温超電導体膜を＠５０μｍ、長
さ３０　ｍｍ　に加工して超電導体３とするために、レ
ジストを塗布し、通常のフォトリングラフィ工程にて細
いストライプ状に加工し超電導磁気抵抗素子１の超電導
体部分３を作製した。このセラミック高温超電導体はリ
ン酸系エツチング液で容易に加工することが出来た。

この超電導体３の上にポリイミド樹脂からなる絶縁膜Ｉ
Ｏを形成した後、電極２１．２２及び磁界を発生させる
ための制御線５を作製するため、再びフォトリングラフ
ィ工程とＴｉ　蒸着膜のリフトオフ法により、Ｔｉ　蒸
着膜による配線パターンを形成し、第１図に示す本発明
のセラミック超電導装置を作製した。

本実施例に用いたセラミック超電導磁気抵抗素子１は、
粒界に介在する絶縁層やポイントコンタクトが弱結合に
なり、ジョセフソン結合の集合体と考えられ、印加磁界
と素子抵抗の関係はｆＪｒＪ２図に示す様に、抵抗零の
状態からある磁界において突然抵抗が現われ、しかもそ
の抵抗の変化率は極めて大きい。また、突然抵抗が現わ
れる磁界の大きさ（閾値）と抵抗増加率は、このセラミ
ック超電導磁気センサｌに流す定電流の大きさによって
制御することが出来る〇 直線のＴｉ　　導体線に１０　ｍ　Ａの電流を流すと、
その導体線から約５０μｍ離れた所の磁界の強さは０．
４ガウス程度になる。この磁界の強さを、第２図の超電
導磁気抵抗素子の特性グラフから見ると、セラミック超
電導磁気抵抗素子に２ｍＡの定電流を流したとき２０μ
Ｖの出力が得られることが分った。

以上の実験から、第１の実施例では、第１図の形状のよ
うにして、制御線５の幅を３０μｍ、厚さを１μｍとし
、その超電導磁気センサｌとの平行部の両者の中心間距
離を５０μｍにした。絶縁膜１０の厚さは約１μｍであ
った〇 上記のような構成において、少なくとも超電導磁気セン
サｌを８３に以下の温度に冷却した状態におい又、導体
５に電流を流さず、超電導磁気抵抗素子１に磁界が加わ
らないときは、端子ａ＋ｂ定電流■を流すことにより、
その電流の作る磁界が超電導体３の超電導状態を破って
抵抗性を示すので、第３図に示すように電流工に対応し
て端子ｃ、ｄ間に出力電圧と１−で０．５ピコ秒程度の
遅れで２０μＶの出力が得られた。なお、このとき超電
導磁気抵抗素子！に流す端子ａ、ｂ間の定電流は２ｍＡ
としていた。

前回の出願特願昭６３−２９５２６の制御線を備えた超
電導磁気センサに於ては、制御線を直線にし、前記素子
との中心距離を５０μｍにした。

超電導磁気抵抗素子ｌに２ｍＡの定電流を流して、その
出力電圧を２０μＶにするとき、直線の並行制御線には
ＩＯｍＡの電流を流す必要があったが、本発明のＵの字
形の積層制御線にしたときは、電流で発生する磁界が超
電導磁気抵抗素子ｌに収束するので、制御線５に５ｍＡ
の電流を流して、その素子ｌから２０μＶの出力電圧を
得ることができ、入力電流を半分に低減できたことにな
る。

第４図に示した第２の実施例は、それぞれ１対の電流電
極２１と、電圧電極２２を設けた超電導体３の磁気抵抗
素子ｌに絶縁膜ｌＯを介して一部積層Ｉ−たＵの字形の
制御線５と、その超電導体３に平行に配置した制御線６
によって構成した論理素子であり、基板７の上に成膜技
術を用いて作製しである。

上記の第４図の制御線５と６及び超電導体が平行になる
ところは、各々の中心間距離を５０μｍとし、またその
各々の線幅は３０μｍ、３０μｍ及び５０μｍにしであ
る。このとき、前のように２ｍＡの定電流を流した超電
導磁気抵抗素子から２０μＶの出力を得るのに、制御線
６に２０ｍＡの電流を流さなければならなかった。

また、制御線５及び６に流す電流■１及びＩ２を同方向
とし、制御線５に流した電流工！により超電導体３に作
用する磁界をＨ１、制御線６に流した電流Ｉ２により超
電導体３に作用する磁界をＨ１、超電導磁気センサｌの
所定の定電流を流している状態での臨界磁界をＨｏ　と
してＨｌ　＜Ｈｏ、Ｈｚ＜Ｈｏ、Ｈｌ　＋Ｈ２＞Ｈｏ　
　−（１１の条件のとき、制御線５と６に同時に電流が
流れたときだけ、＠５図に示すように端子ｃｏｄ間に出
力電圧が発生し、ＡＮＤの論理出力となる。例えば■！
　とじて３ｍＡ、Ｉｚ　として１５ｍＡの電流を導体５
．６にそれぞれ流した場合、電流工ｌとＩ２が同時に流
れている期間のみ端子ｅｎｄ間に２０μＶ以上の出力電
圧が得られた。

また、Ｈｌ＞Ｈａ　、　Ｈｌ＞ＨＯ、ｌ　Ｈｌ　　Ｈｚ
　ｌ　＜Ｈｏ　−（２）の条件で、第６図に示すように
制御線５と制御線６に流す電流Ｉ＋　、Ｉ２の方向を反
対にすると、第７因に示すように端子ｃ、ｄ間に電流Ｉ
１．　Ｉ２のいずれか一方のみが存在する期間のみ端子
Ｃ９ｄ間に出力電圧が得られ、イクスクルーシプオアの
論理出力が得られた。またこの電流条件のとき、電流Ｉ
ｔ　、Ｉｚを同方向に流すことにより、ＯＲ論理出力が
得られることになる。

なお、上記の実施例にあっては電流値ＩＩ及びＩ２の値
を適宜選定するようになしているが、本発明はこれに限
定されるものではなく、例えば制御線５及び６に流す電
流値Ｉｔ及び工２を一定の値とし、超電導体３と制御線
５または制御線６の間隔を適宜選定して、上記（１）式
または（２）式を満足する位置に制御線５及び６を設け
るようになしても良い。

また、本発明の装置を作製する場合、上記した方法に限
定されるものではなく、制御線５．６または超電導磁気
センサ１をスパッタやＭＯＣＶＤあるいは電子ビーム蒸
着法等による薄膜で作成しても同様に結果を得ることが
出来、また加工形状の微細化をも期待することが出来る
。

また、本発明の実施例に用いたセラミック高温超電導体
膜はＹＩＢａｚＣｕｚＯｔ−ｘとしたが、粒界を有する
ものであれば、他のＢ１−８ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系、又
は、Ｔ　Ｉ−Ｃａ　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ−０系などの成分
の高温超電体を用いても同様の結果が得られることは言
うまでもない。

また超電導体３と制御線５．６の配置関係は上記の実施
例に限定されるものではなく、第８図に示すように超電
導体３を挾むＵの字にして両側に制御線５を配置し、他
の制御線６は図のように超電導体３に平行に配置しても
よく、また、制御線５の上に積層しても良い。

以上の実施例により説明したように、制御線を積層又は
、形状をＵの字にすれば、素子に近接した電流による磁
界は、Ｕの字形の内部に収束され、直線形の制御線より
少ない電流で同じ強さの磁界をセラミック超電導体に印
加でき、効率のよい制御線にすることができる。

粒界をもつセラミック超電導体膜を更に薄くすることで
制御磁界を小さくし、かつより大きい出力電圧にするこ
とができる。

更に、制御線を薄い絶縁膜を介して超電導体に近接させ
る構ｊ況にすれば制御線の電流による磁界を効果的に超
電導体に作用させることができる。

上記の改良を組合せることにより、少ない制御線の電流
による磁界を効果的に超電導体に作用させ種々の論理動
作を高速で行い、かつ実用的な出力レベルをもつセラミ
ック超電導装置にすることができる。

また、薄膜化、微細化と、制御線の電流の減少化により
周囲への磁気雑音が少なくなり、高密度の集積化が可能
になる。

〈発明の効果〉 以上のように本発明によれば、従来のように極めて薄い
絶縁層を人工的に作製するジー３セフソン接合を用いず
、セラミック超電導体の粒界に自然に介在する弱結合を
利用した超電導磁気抵抗効果を用いた論理演算などを行
なうものであり、実用的な出力電圧で、かつ、超電導特
有の極めて高速の動作速度をもつ装置を効率よく作動さ
せることができる。

又、本発明の詳細な説明したように制御線を、その１部
が超電導体に絶縁膜を介して積層、又はＵの字形にする
ので、その制御線の電流による磁界を超電導体に収束さ
せることができ、少ない入力電流での動作をさせること
ができろ。

更に、実施例で説明したように制御線を平面的に配置す
ることも、ポリイミド等の樹脂又はＳｉＯ２等の酸化物
の絶縁膜によって制御線を容易に多層にすることもでき
、効率よく高速で種々の論理演算などを行なう装置にす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセラミック超電導装置の一実施例の構
成を示す平面図、第２図はセラミック超電導磁気抵抗素
子の特性の一例を示す図、第３図は制御線に流す電流に
よる超電導磁２抵抗素子の出力応答を示す図、第４図は
本発明のセラミック超電導装置の他の実施例における磁
界を発生する制御線を複数本と［〜で各々の電流方向を
同じ方向とした場合の構成を示す平面図、第５図は第４
図の構成による制御線の電流方向が同じ方向の場合の出
力応答と制御線電流との関係を示す図、第６図は本発明
の他の実施例における磁界を発生する２本の制御線の電
流方向が互いに逆の場合の構成を示す図、第７図は第６
図の構成による本発明実施例装置の出力応答と制御線に
流す電流波形の関係を示す図、第８図は本発明のセラミ
ック超電導装置の更に他の実施例の構成を示す平面図、
第９図は本発明の実施例装置の作製に用いたセラミック
超電導膜の作製装置の概略構成を示す図、第１０図は超
電導磁気抵抗素子の特性の一例を示す図、第１１図は超
電導磁気抵抗素子の等価回路を示す図であるＯ Ｉ・・・超電導磁気抵抗素子、２１．２１・・・電流電
極、２２．２２・・電圧電極、３・・・超電導体、５゜
６・・・制御線、７・・・基板、１０・・・絶縁膜。 代理人　弁理士　杉　山　毅　至（他１名）第９図 ｃう；−ｙｙｕ（８ｐｇｓｔｔ＋ａｑａ第１Ｏ図 第１１ス

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも一対の電極を備えた磁気抵抗特性をもつ
   セラミック超電導素子と、前記セラミック超電導素子に
   近接して設けた導体からなり流した電流で発生する磁界
   の作用で、前記セラミック超電導素子の導電性を制御す
   る制御線の、少なくとも一部を、薄い絶縁膜を介した積
   層構成にしたことを特徴とするセラミック超電導装置。 ２、前記制御線がＵ字型の折り返し形状であり、電流に
   より各辺の導線で発生した磁界が前記セラミック超電導
   素子に作用することを特徴とする請求項１記載のセラミ
   ック超電導装置。 ３、前記セラミック超電導素子に、個別の電流制御が可
   能な２本以上の制御線が設けられたことを特徴とする請
   求項１又は２記載のセラミック超電導装置。 ４、前記セラミック超電導素子は、非磁性基板上に形成
   された膜状のセラミック超電導体から作製されたことを
   特徴とする請求項１、又は、２、又は３記載のセラミッ
   ク超電導装置。