JPH02273975A - 超電導スイッチング素子 - 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】

本発明は高速、低消費電力でスイッチング動作を行う超
電導スイッチング素子等の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。

【従来の技術） ジョセフソン効果を利用したいわゆるジョセフソン接合
は、磁場信号に対して超電導電流が変調を受ける。した
がって磁場信号によってスイッチング動作を行わせるこ
とができる。しかるにジョセフソンスイッチング素子は
電圧状態にスイッチングしたとき、素子をリセットする
ために一担バイアス電流を零にする必要がある９すなわ
ち素子を駆動するために直流電流ではなく、交流電流を
供給する必要があった。このような電源供給方式は、ス
イッチング回路の高速動作にはきわめて不向きである。 そこで考案されたのが電界効果を用いた超電導トランジ
スタである。すなわち、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たものであるが、超電導電子
のしみ出し効果とＧａＡｓ、あるいはＳｉの電界効果を
用いた三端子素子が得られている。この例はフィジカル
　レビュー　レターズ、第５４巻、第２４４９頁、１９
８５年（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ、　Ｖｏｌ、　５４　。 ｐｐ、２４４９．１９８５）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枚の超電導薄膜を近接して配し、この間にゲー
ト電極膜を配し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。半導体部には
超電導電子のしみ出し効果によって、超電導電流が流れ
る超電導弱結合部となる。 【発明が解決しようとする課題】 前記従来の超電導三端子素子は実際に作製を行う上で、
次のような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薄膜
を近接して配する場合、ソースとドレイン間に超電導電
流が流れ得るためには以下の条件が必要である。すなわ
ち超電導電流が流れるべき半導体部の長さは超電導コヒ
ーレンス長さの程度にする必要がある。コヒーレンス長
さは半導体部のキャリア濃度や易動度あるいは平均自由
行程にも依存するが、０．１μｍ前後のきわめて短い長
さである。したがって、このような素子構造においては
超電導体薄膜の間隔を０．１μｍ前後となす必要がある
。とくに臨界温度の高い酸化物系超電導材料を用いる場
合、超電導体自体のコヒーレンス長さが約１ｎｍという
非常に短い値であり、超電導体と異種導電材料との界面
において超電導電子の散乱される割合が大きい。したが
って酸化物系超電導材料を電極として用いる場合、電極
間距離を０．１μｍ以下にする必要がある。さらに酸化
物系超電導材料の場合、加工工程によって加工部端面に
おける超電導特性が劣化するという問題がある。このた
めに加工によって除去した寸法が０．１μｍであっても
、超電導体としての実効的な間隔は０．１μｍ以上にな
る。酸化物超電導材料のなかでもとくにＹ−Ｂａ−Ｃｕ
酸化物は加工等の損傷により酸素が抜けやすく、酸素濃
度の減少によって超電導特性が低下する。したがって。 酸化物系の超電導材料を用いてソースとドレイン電極と
する超電導スイッチング素子を得るのはきわめて困難で
ある。 本発明の目的は、超電導電極膜に対して１μｍ以下の微
細な加工を必要とすることなく素子の作製を行うことが
でき、かつ電圧信号によってスイッチング動作を行わし
めることのできる超電導スイッチング素子の構造を提供
することにある。

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、電圧信号によってスイッチ
ング動作を行わしめる超電導スイッチング素子を以下の
ごとく構成した。 すなわち、超電導スイッチング素子は超電導薄膜、半導
体薄膜および制御線膜から成る。半導体薄膜は材料によ
ってはこれに代えて半導体薄膜と絶縁体薄膜の積層化し
たものを用いる。両側に電極を有する膜厚０．２μｍ以
下の超電導薄膜を形成する。超電導薄膜としては、Ｎｂ
やｐｂ金合金の金属系超電導材料であっても、ＹＢａ−
Ｃｕ酸化物、あるいはＢ１−３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ酸化物等
の高臨界温度超電導材料であっても良い。 つぎに超電導薄膜上に半導体薄膜を形成する。 半導体薄膜の膜厚は０．５μｍ以下が望ましく、かつＳ
ｉやＧｅ、ＧａＡｓ等、酸化物系超電導材料で酸素濃度
の不足、あるいは組成のずれ、あるいは不純物の添加等
により電気的に半導体特性化した薄膜を用いることがで
きる。この上に直接、あるいは絶縁膜を介して制御線膜
を重ねる。制御線膜はその長手方向が超電導線の長手方
向と交差するようにする６制御線膜は非電導材料であっ
ても超電導材料であってもかまわない。絶縁膜は制御線
膜から超電導膜に電流がリークするのを防ぐために必要
である。 このような超電導スイッチング素子の動作方式は制御線
に電圧信号を印加し、電圧信号によって半導体薄膜の超
電導薄膜上におけるキャリア濃度を調節する。半導体キ
ャリア濃度の大きさによって超電導薄膜における超電導
カップリング強度を調節し、超電導電流さらには電圧状
態における抵抗特性を変化させ、スイッチング動作を行
わせる。

【作用１ 以上の超電導スイッチング素子の構造および動作方式は
以下の原理によりスイッチング動作を可能にするととも
に、製造容易な構造を可能にするものである。 一般に超電導体と常電導体を接して配した場合、電子の
しみ出し効果によって超電導体から常電導体に超電導電
子が、常電導体から超電導体中へ常電導電子がしみ出す
。このしみ出し効果の生じる範囲は境界面からｌｎｍ−
１１００ｎの範囲である。超電導薄膜の厚みがこの範囲
にあれば超電導体の全領域にわたって常電導電子が分布
することになる。この結果として超電導薄膜の超電導性
を弱めることができる。 一方半導体に電圧を印加した場合、表面におけるバンド
が曲げられ、キャリア濃度が変化する。 たとえばＰ型半導体に負電圧を印加した場合、表面にお
けるホール濃度が高くなる。半導体の厚みが０．５μｍ
以下程度で超電導体に接している場合、電圧印加による
キャリア濃度の変化は超電導体界面にまでおよぶ。結果
的に制御線に電圧信号を印加することによって超電導薄
膜の超電導性を制御することができるわけである。さら
に超電導薄膜の全面に信号を印加して超電導性を弱めた
場合、スイッチングは超電導状態から常電導状態への転
移となり、望ましくない。制御線膜の長手方向と超電導
薄膜の長手方向が交差するような配置関係とすることに
より、超電導薄膜中の超電導性を制御する領域を制約し
５この両側でジョセフソンカップリングを生ゼしめるこ
とができる。したがって、ジョセフンン素子としての高
速スイッチングが可能となる。しかも、このような動作
を超電導薄膜に対して微細な加工を施すことなしに実現
できる。 【実施例１ 以下本発明の一実施例を以下に述べる。 第１図および第２図に示すごとく、５ｒＴｉＯ。 の（１１０）面方位単結晶を基板１として、Ｙ−Ｂａ−
Ｃｕ酸化物薄膜２の形成を高周波マグネトロンスパッタ
リング法によって行う。Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物の円板状
焼結体でかつ組成比が１＝２＝４のターゲットを用い、
１００Ｗの高周波電力を印加することによりスパッタリ
ングを行う。放電ガスとしては０２濃度５０％のＡｒ＋
Ｏ，混合ガスを用い、ガス圧力としては５　ｍ　Ｔｏｒ
ｒとする。 膜形成時の基板温度は７００℃とする。以上のごとき方
法により化学量論組成のＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜２を
得るａ　Ｙ　　Ｂ　ａ−Ｃｕ酸化物薄＠２は斜方晶のペ
ロブスカイト型結晶のＣ軸が基板面と平行な配向性を示
す。膜厚は０．１μｍとする。 さらに超電導臨界温度は８０Ｋから８５にの範囲にある
。このＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜２にレジスト膜塗付後
、化学的なエツチング法によって第１図に示すごときパ
タンを形成する。 つぎにＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物のＣｕの一部を八Ωによっ
て置換したＹ−Ｂ　ａ　−Ｃｕ　（Ａρ）酸化物薄膜３
を膜厚１１００ｎに形成する。このＹ−Ｂａ−Ｃｕ　（
Ａｎ）酸化物薄膜３は半導体的な性質を示す。Ｙ−Ｂａ
−Ｃｕ酸化物薄膜２上にエピタキシ成長させるために、
Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ（ＡＱ）酸化物薄膜３の形成温度を７０
０’Ｃとし、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ　（ＡＱ）酸化物焼結体タ
ーゲットを用いて高周波マグネトロンスパッタリング法
によって堆積を行う。以上の方法により半導体層の形成
を行う。半導体的な特性を持たせるためにＣｕに対する
ＡＱの置換量は１０％以上とする。 このＹ−Ｂａ−Ｃｕ　（Ａｌ１）　ｒ！ａ化物薄膜３に
レジスト膜塗付後、Ａｒビームを用いたエツチング法に
より、半導体層のパタンを形成する。 つぎに膜厚２０ｎｍのＭｇＯ膜４を半導体薄膜上に形成
する。さらに幅１μｍの制御線となるＡＱ膜５をＭｇＯ
膜上に形成する。ＡＱ膜５とＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜
２は基板上で互に直交する配置関係とする。ＡＱ膜５の
パタンばあらかじめＭ・ｇｏ護膜上ＡＱ膜を形成しない
部分にレジストパタンを形成し、この上にＡＱ膜５を蒸
着することにより得る。すなわちリフトオフ法によリパ
タンを形成する。 以上のごとき工程により超電導薄膜２．半導体薄膜３お
よび制御線膜５より成る超電導スイッチング素子を得る
。この超電導スイッチング素子は電圧信号によってスイ
ッチング動作を行う。いわゆる電界効果型トランジスタ
として用いることができる。すなわち第３図に示す如く
、本超電導スイッチング素子は制御線に電圧信号を０．
１ｖ以下しか印加しない状態においては超電導電流が大
きい状態６である。制御線にＯ，ｌＶ以上の負の電圧を
印加した場合７、超電導電流が小さくなり、第３図のよ
うな電圧−電流特性となる。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は、この素子に加える磁
場の強さが１０　ｅ以下で超電導電流が変調を受けるこ
とから明らかである。 したがって、上に述べた制御電圧による超電導電流の増
減はジョセフソン電流の大きさの変化に対応したもので
ある。しかもこの超電導電流の増減は超電導電子と常電
導電子のサブミクロン領域における移動にともなうもの
であり、熱の発生や吸収をともなわない。以上の点から
本超電導スイッチング素子はピコ秒オーダの高速性と数
マイクロワットの低消費電力性能を備えたスイッチング
特性を有するのである。 なお超電導電極材としてＢ１−３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ酸化物
あるいはＬａ−３ｒ−Ｃｕ酸化物等他の高臨界温度酸化
物超電導材料を用いた場合も同様の構造、製造方法およ
びスイッチング方式を採用して、同様のスイッチング特
性を得ることができる。さらに超電導スイッチング素子
の半導体薄膜として酸化物系の半導体以外にＧａＡｓや
Ｓｉ等の半導体、正方品で低酸素濃度のＹ−、Ｂａ−Ｃ
ｕ酸化物等の半導体特性を有する材料を用いても超電導
スイッチング素子としての特性を得る。さらに超電導電
極材としては高臨界温度の酸化物超電導材料に限らず、
Ｎｂやｐｂ金合金の金属系超電導材料を用いることも可
能である。ただし、この場合は液体ヘリウムによる冷却
が必要となる。 このような特性を有する超電導スイッチング素子は論理
回路や記憶回路等のディジタル回路に、さらにはアナロ
グ−ディジタル変換等のアナログ回路、高感度磁測計セ
ンサ、ミリ波、マイクロ波センサ等幅広い分野に利用す
ることができる。 【発明の効果】 以上述べたごとく、本発明における超電導スイッチング
素子は以下に述べる効果を有する。 （１）超電導電流、すなわちジョセフソン電流モードを
用いるので、ピコ秒の高速スイッチングが可能である。 （２）素子の電圧−電流特性にヒステリシスが存在しな
いので、従来の超電導回路のごとき交流電源ではなく、
直流電源によって素子、あるいはこれにより構成される
回路を駆動することができる。したがって従来の半導体
トランジスタあるいは半導体トランジスタ回路と同じ方
式による回路の駆動が可能である。 （３）素子の構造の点から、バタン形成工程や薄膜加工
工程においてとくに高度の技術を必要とせず、素子の作
製が容易である。 （４）素子に用いる超電導材料として、高臨界温度の酸
化物超電導材料、金属系の超電導材料ともに用いること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である超電導スイッチング素
子の上面図、第２図は第１図の素子の断面図、第３図は
本発明の超電導スイッチング素子の電圧−電流特性図で
ある。 １・・・５ｒＴｉＯ１基板、２＝Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物
超電導電極膜、３−４’−Ｂａ−Ｃｕ　（ＡＱ）酸化物
半導体層、４・・・ＭｇＯゲート絶縁膜、５・・・ＡＱ
ゲート電極膜、６・・・ゲート信号電圧０．１Ｖ以下の
場合の電圧−電流特性、７・・・ゲート信号電圧０．Ｉ
Ｖ以上の場合の電圧−電流特性。 第１図 ３．ｔＩ− 第３ｍ 電圧 （解り

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超電導薄膜、半導体薄膜および制御線薄膜により構
   成される超電導スイッチング素子において、上記超電導
   薄膜の膜厚を０．２μｍ以内の寸法とし、上記半導体薄
   膜を介して上記超電導薄膜上に上記制御線薄膜が配され
   、かつ上記制御線薄膜の長手方向と上記超電導薄膜の長
   手方向とが互に交差する構造であることを特徴とする超
   電導スイッチング素子。 ２、上記制御線薄膜に電圧信号を印加し、電圧信号によ
   って上記半導体薄膜の上記超電導薄膜上におけるキャリ
   ア濃度を調節し、かつ半導体キャリア濃度の大きさによ
   って上記超電導薄膜における超電導カップリング強度を
   調節することによりスイッチング動作を生ぜしめること
   を特徴とする請求項１記載の超電導スイッチング素子。 ３、上記半導体薄膜の膜厚が０．５μｍ以下であること
   を特徴とする請求項１または２記載の超電導スイッチン
   グ素子。