JPH03276494A - 超伝導メモリー素子とその情報書込み方法と情報読出し方法 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は超伝導体を利用したメモリー素子に関する。

〔従来の技術・問題点〕

従来、超伝導体を利用したメモリー素子としては、ジョ
セフソン接合を利用した素子が提案されていた。ジョセ
フソン接合は、金属のようにジョセフソン結合を作製し
やすい材料に関しては研究が進んでいるが、そうではな
い材料、例えば酸化物高温超伝導体等に間しては、多結
晶中の粒界弱結合を利用した素子が試作されているに過
ぎず、さらにまた粒界を利用する素子は粒界によって特
性が大きく左右されてしまうという欠点を持っているた
め実用的でない。

しかしながら、酸化物高温超伝導体は液体窒素温度以上
の温度においても動作するため、これを用いてメモリー
素子を作製できれば、超高速の書き込みが可能なメモリ
ーとなることが予想され、開発が急がれていた。

〔目的〕

本発明では信鯨性が十分あり、しかも、量産性に優れた
、超伝導メモリーを作製することを目的とする。そのた
め、通常考えられているような半ば偶然の現象を利用す
るような粒界を用いたジョセフソン接合は、−切使用し
ないことが必要である。しかしながら、人工的にジョセ
フソン接合を作製することは非常に困難である。その理
由として、酸化物超伝導体は一般にコヒーレント長が非
常に短いため、酸化物超伝導体に絶縁物を挟んだＳＩＳ
接合タイプでは数ｎｍ以下の非常に薄い絶縁体を形成し
なければならず、また超伝導体に常伝導体を挟んだＳＮ
Ｓ接合においても厚さ数十〇ｍの常伝導膜を形成しなけ
ればならない。これらは、微細加工の限界を越えている
ために作製が非常に困難なものになってしまっているの
である。

そこで本発明ではジョセフソン接合を一切用いずに、従
来にない全く新しいタイプの超伝導メモリー素子を目的
とする。

〔発明の構成〕

前記問題点を解決するため本発明は、基板上に、超伝導
体層と金属層と光電変換層を含む薄膜積層体を有し、該
薄膜積層体がリング状閉回路を構成している超伝導メモ
リー素子であることを特徴とする（第１の構成）。

または、基板上に超伝導体層と金属層と強誘電体層と上
部電極とを含む薄膜積層体を有する超伝導メモリー素子
であることを特徴とする（第２の構成）。

本発明の第１の構成、第２の構成にて用いられる超伝導
体は低キャリヤー濃度超伝導体であるインドリウム（も
しくは他のランタノイド族元素）−バリウム−銅−酸素
からなる超伝導体、もしくは主としてビスマス−ストロ
ンチウム−カルシウム−銅−酸素からなる超伝導体、も
しくは主としてタリウム−バリウム−カルシウム−銅−
酸素からなる超伝導体、もしくはランタン−アルカリ土
類金属−銅一酸素からなる超伝導体、もしくはバリウム
−カリウム−ビスマス−酸素からなる超伝導体、もしく
はバリウム−ビスマス−鉛−酸素からなる超伝導体等を
用いるのが好ましい。

これら低キャリヤー濃度超伝導体の超伝導臨界温度（Ｔ
ｃ）はキャリヤー濃度に強く依存し、キャリヤーが少な
い場合には半導体となって、超伝導を示さないが、キャ
リヤーが多すぎても、金属的な電気伝導性を示すものの
、超伝導性は失われてしまう。ただし、キャリヤーが多
い場合は容易に超伝導性を失うが、少し少ない程度では
簡単には超伝導性を失わないことが分かっている０本発
明の超伝導メモリー素子は、このことを利用して動作さ
せるものである。

以下第１の構成を用いた場合の動作原理について第１図
を用いて説明する。

第１の構成においてはすなわち、基板、超伝導体層、金
属層、光電変換層の薄膜積層構造を有するリング状閉回
路が用いられる。そして超伝導体層をその臨界温度以下
に冷却した状態において、超伝導体に下部臨界磁場以下
の磁場を印加する。

この状態ではまだ超伝導体層は超伝導状態を示している
ためリング状閉回路内には磁束は存在しない（第１図（
ａ））。なぜなら、閉じた抵抗のない回路を通り抜ける
全磁束は変化することができないからである。

この状態で、光電変換層に光が照射されることによって
光電変換層に起電力が誘起される。すると、超伝導体層
のキャリヤー濃度が増加し、超伝導体層は常伝導状態を
示すようになるため、リング状閉回路内には磁束が入り
込むようになる（第１図（ｂ））。光の照射が終了すれ
ば超伝導体層は再び超伝導状態を示す。この時磁束はリ
ング状閉回路内に残ったままである（第１図（Ｃ））。

この後、外部の磁場を取り除いても超伝導体層には永久
電流が流れ、この磁束が残留する（第１図（ｄ））。

これに対し、光の照射がなかった場合にはリング状閉回
路内には磁束の進入が起こりえないため、光の照射によ
って書込みが行われたことがわかる。

また書き込みは理論的には１０ｐｓ以下で行うことが可
能である。

また、第１の構成による超伝導メモリー素子を用いた場
合の情報の読み取り方法について以下に説明する。

まず、リング状閉回路に光を照射する。すると書込みの
時と同様に光電変換層に電界が発生することにより超伝
導体層内のキャリヤー濃度が増加して、超伝導体は常伝
導状態を示すようになる。

そのためリング状閉回路内の磁束が消失する。磁束の変
化は超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）で測定できるの
で、磁束の有無の２つの情報の読み取りができる。そし
て、情報を読み取った後は再び下部臨界磁場以下の磁場
を印加した状態で、５ＱＵＩＤが磁束の変化をカウント
した素子にのみ光を照射すれば読み取り前の状態に戻る
ため、何回でも情報の読み取りが可能となる。

この第１の構成を用いた超伝導メモリー素子は高速動作
が可能であるとともに、ジョセフソン接合を必要としな
いので作製が極めて容易であり、粒界等の不確定的な要
因を用いないので極めて信転性・再現性に優れている。

以下本発明の第２の構成を用いた場合の動作原理につい
て説明する。

第２の構成においてはすなわち、基板、超伝導体層、金
属層、強誘電体層、上部電極の薄膜積層構造が用いられ
る。そして超伝導体層をその臨界温度以下に冷却した状
態において、強誘電体層に電圧を印加する。すると超伝
導体のキャリヤー濃度が増加して常伝導状態を示すよう
になるが、ここでは同時に強誘電体の分極が電界に合わ
せて一方向に配向する。

その後、強誘電体層に印加した電圧を取り除いても強誘
電体の自発分極により生じる電界のために、超伝導体は
常伝導状態を保持し続ける。

また強誘電体層に印加する電圧の方向を逆向きにすると
、今度は超伝導体のキャリヤー濃度が減少し、同時に強
誘電体の自発分極の方向も逆向きになる。超伝導体のキ
ャリヤー濃度が減少する場合については、前にも述べた
通り簡単には超伝導性を失わないため、この時には超伝
導体は超伝導状態を保つ。

従って、本発明の第２の構成を用いた場合には、超伝導
体が超伝導状態を示すか否かによって情報を記憶させる
ことができる。

また情報を読み取る場合には、超伝導体に電流を流し、
抵抗の有無を測定すれば良い。すなわち、超伝導体が常
伝導体に遷移していれば抵抗を生じ、そうでなければ抵
抗は生じない。また、強誘電体に逆方向の電圧をかけた
場合には、キャリヤーが超伝導体から金属層に移動し、
超伝導体は超伝導状態に戻る。

また書き込みに要する時間は１０ｐｓ以下で行うことが
可能である。

本発明の第２の構成においても、作製の困難なジョセフ
ソン接合を有しない全く新しいタイプの超伝導メモリー
素子であり、かつ超高速で動作する。

本発明の超伝導メモリー素子の第１の構成、第２の構成
ともに”金属層”を有しているがこの金属層は超伝導体
内に入るキャリヤーの供給源、或いは超伝導体内から出
てくるキャリヤーを蓄える役割を果たしている。

以下に実施例を示し、より詳細に本発明を説明する。

〔実施例１〕 本実施例においては、前に述べた第１の構成の超伝導メ
モリー素子を作製した場合について第２図を用いて説明
する。ただし、第２図においては基板を省略した。

酸化物超伝導体ＢｉｚＳｒ＊ＣａＣｕｚ０１１薄膜（１
）を通常のスパッタリング法によって酸化マグネシウム
単結晶（１００）囲碁板上に作製した。このときの最高
基板温度は約６００℃だった。膜厚は約０．１μｍでき
わめて平坦な膜であり、粒界らしきものは認められなか
った。Ｘ線解析法によってこの膜はＣ軸が基板に対して
垂直であることがわかった。また、磁化率測定から、９
０に以下で超伝導を示すことがわかった。

さらにその上に、基板加熱なしで真空蒸着法によって銀
の薄膜（２）（厚さ０．２μｍ）を積層し、さらに化学
的気相成長法（ＣＶＤ法）によってＰ型アモルファスシ
リコン（３）、ｒ型アモルファスシリコン（４）、Ｎ型
アモルファスシリコン（５）の薄膜ヲ基板温度２００℃
で成膜した。これをフォトリソグラフィー法によってエ
ツチングし、幅１μｍ、−辺の長さ１０ａｍの正方形の
閉回路を作製した。

このようにして作製されたメモリー素子を液体窒素で冷
却し、電磁石を用いて５０００Ｇａｕｓｓの外部磁場を
メモリー素子に印加した。そして、６＋＋＋Ｗ／ｃｍ”
以上のパワー密度のアルゴンイオンレーザ−光（波長：
５１４ｒｖ）を照射した後、外部磁場を除いた。

そして再度アルゴンイオンレーザ−光を照射して磁束の
変化の有無を５ＱＵＩＤで確認したところ、磁束の変化
を確認することができた。よって磁束がメモリー素子を
構成するリング状閉回路内に進入していたことが判明し
た。以上のことより、本実施例のメモリー素子で情報の
書き込み、読み取りができることが判明した。

第２図の素子のキャリヤーの分布を定性的に示したのが
第３図（ａ）である。超伝導体の部分は低キャリヤー濃
度であるため、ポテンシャルが浅い。

アモルファスシリコンに光を照射することにより電場が
生じた場合、電場勾配が生じポテンシャルの形が変化し
て第３図（ｂ）のようになる。この時超伝導体のキャリ
ヤー濃度が増加している。このため先に述べたように超
伝導体が超伝導性を失い常伝導状態になるのである。

また、パルス幅ＩｏｎｓのＮｄ：ＹＡＧレーザーの第２
高調波（波長：５３２ｎｍ、パワー密度Ｎｏｄ／ｃｍ”
）を照射したときにも、磁束が補足されたことがら、こ
のメモリー素子の動作時間はＩｏｎｓ以下であることが
実験的に確かめられた。

本実施例においては、超伝導体としてＢｉ、Ｓｒ、Ｃａ
ＣｕｚＯ＠を用いた。　ＢｉｔＳｒｇＣａＣ１ｊｚＯ＋
＋のキャリヤーはホールであるので、ＰＩＮ接合を第２
図のように作製したが、仮に電子がキャリヤーである超
伝導体を用いた場合にはＰＩＮの接合の方向を逆向きに
作製することにより本実施例と同様な効果が得られる。

〔実施例２〕 本実施例においては、前に述べた第２の構成について第
４図を用いて説明する。

酸化物超伝導体ＢｉｚＳｒｚＣａＣｕ、０．３膜０２）
を通常のスパッタリング法によって酸化マグネシウム単
結晶（１００）囲碁板（１１）上に作製した。このとき
の最高基板温度は約６００°Ｃだった。膜厚は約０．１
μｍできわめて平坦な膜であり、粒界らしきものは認め
られなかった。Ｘ線解析法によってこの膜はＣ軸が基板
に対して垂直であることがわかった。また、磁化率測定
から、９０に以下で超伝導を示すことがわかった。

さらにその上に、基板加熱なしで真空蒸着法によって銀
の薄膜ａ３）（厚さ０．２μｍ）を積層し、さらにやは
り通常のスパッタリング法によって、基板温度５００℃
でチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯｚ）薄膜０Φ（厚さ０
．２　μｍ）を積層した。最後にチタン酸バリウム層の
上に金電極０ωを真空蒸着法によって形成した。これを
フォトリソグラフィー法によってエツチングし、幅１μ
ｍ、長さ１０μｍの直線上に加工し、超伝導体層に４つ
の電極を付けた。

このようにして作製されたメモリー素子を液体窒素で冷
却し、第４図に示すように接続した。上部電極と超伝導
層の間に＋０．１■以上の電圧ｖｉ、、を印加したのち
印加電圧を切って超伝導体の抵抗を調べた。第４図にお
いて電流Ｉを流したところ、■。□が得られ、超伝導体
は抵抗を有する常伝導状態となっていた。さらに今度は
逆に上部電極と超伝導層の間に一〇、ＩＶ以上の電圧を
印加したのち印加電圧を切って超伝導体の抵抗を調べた
ところ、超伝導体は超伝導状態に戻っていた。

第４図に示す素子のキャリヤーの分布を定性的に示した
のが第５図（ａ）である。超伝導体の部分は低キャリヤ
ー濃度であるため、ポテンシャルが浅い。素子に電場を
かけるとポテンシャルの形が変化して第５図（ｂ）のよ
うになる。この時金属層のキャリヤーが超伝導体層に流
入して超伝導体層のキャリヤー濃度が増加し、超伝導性
が損なわれ、超伝導性を失い、常伝導状態に転移するの
である。

以上述べたように本素子が書き込み消去可能なメモリー
素子として帰納することが実験的に確かめられた。

〔実施例３］ 本実施例においては、前に述べた第１の構成の超伝導メ
モリー素子を作製した場合について説明する。

酸化物超伝導体ＹＢａｚＣｕ３０ｙ薄膜をスパッタリン
グ法によって酸化マグネシウム単結晶（１００）囲碁板
（１）上に作製した。このときの最高基板温度は約６０
０°Ｃだった。膜厚は約０．１μｍできわめて平坦な膜
であり、粒昇らしきものは認められなかったＸ線解析法
によってこの膜はＣ軸が基板に対して垂直であることが
わかった。また、磁化率測定から、９１に以下で超伝導
を示すことがわかった。

さらにその上に、基板加熱なしで真空蒸着法によって銀
の薄膜（厚さ０．２μｍ）を積層し、さらに化学的気相
成長法（ＣＶＤ法）によってＰ型アモルファスシリコン
、Ｉ型アモルファスシリコン、Ｎ型アモルファスシリコ
ンの薄膜を基板温度２゜ＯｏＣで成膜した。これをフォ
トリソグラフィー法によってエツチングし、幅１μｍ、
−辺の長さ１０μｍの正方形の閉回路を平面上に１０　
Ｘ　１０個作製した。

このようにして作製された１００個のメモリー素子を液
体窒素で冷却し、電磁石を用いて６５００ＧａｕｓＳの
外部磁場を１００個のメモリー素子に印加した。

そして、６ｍＷ／ｃ＋ｗ”以上のパワー密度のアルゴン
イオ７Ｌ／−ザー光（波長：５１４ｎｓ）を１００個ツ
メモリ−素子中任意の３５個のメモリー素子に照射した
後、外部磁場を除いた。ここまでで書込み工程は終わる
。

そして再度アルゴンイオンレーザ−光を１００個のメモ
リー素子それぞれに照射してそれぞれの素子についての
磁束の変化の有無を５ＱＵＩＤで確認したところ、３５
個すべてのメモリー素子において磁束の変化を確認する
ことができた。よって磁束が３５個のメモリー素子を構
成するリング状閉回路内に進入していたことが判明した
。ここまでで情報読み取り工程が終わった。ただし、こ
のままの状態では１００個のメモリー素子すべてに磁束
が進入していない状態（書込みがされていない状態）で
あるので、ここで再びメモリー素子に対し６５００Ｇａ
ｕｓｓの外部磁場を印加して、先程５ＱＵＩＤで磁束の
変化を確認した３５個のメモリー素子にのみ再度アルゴ
ンイオンレーザ−光を照射し、閉回路内に磁場を進入さ
せ情報読み取り前の状態に戻しておく。こうして再度の
情報読み取りが可能になった。以上のことより、平面上
に形成した複数のメモリー素子に情報の書込み、読み取
りができることが判明し、さらに再度の読み取りもでき
ることが判明した。

〔効果〕

本発明によって、量産性・再現性に優れた酸化物超伝導
体を使用したメモリー素子が作製できるようになった。

この素子は、液体窒素温度でも十分動作する超伝導素子
であるため、液体ヘリウムの冷却が必要な従来の金属系
超伝導体を用いた超伝導素子よりも運転コストが安くで
きる。また、従来の酸化物超伝導体の粒界を用いた素子
に比べ、信鯨性の点で格段に優れている。

また本明細書中の実施例１．３において光電変換層とし
てＰＩＮ接合を有するアモルファスシリコンの場合につ
いてのみ示したが、本発明における”光電変換層”が光
を受けて起電力を発生するものであれば良いことは発明
の思想から明らかである。

以上のことから明らかなように、本発明は工業上有益な
発明である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）はメモリー素子の動作原理を示す
図である。 （ａ）・初期状態（閉回路内磁束ゼロ）Ｃｂ））・光照
射（書込み開始、閉回路内に磁束進入）（Ｃ）・光照射
終了（書込み終了、閉回路内磁束あり（ｄ）・外部磁場
除去（記憶状態、閉回路内磁束あり第２図、第４図はメ
モリー素子の概念図を示す。 第３図、第５図はキャリヤーの分布を定性的に示す。 １．１２・ ２．１３・ ３　・　・　・ ４　・　・　・ ５　・　・　・ １１・　・　・ １４・　・　・ １５・　・　・ ・Ｂｉ、５ｒｚＣａＣｕ、ｔＯ。 ・銀薄膜 ・Ｐ型アモルファスシリコン ・１型アモルファスシリコン ・Ｎ型アモルファスシリコン ・基板 ・ＢａＴｉＯｓ ・金電極

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に、超伝導体層と金属層と光電変換層を含む
   薄膜積層体を有し、該薄膜積層体はリング状閉回路を構
   成していることを特徴とする超伝導メモリー素子。 ２、基板上に、超伝導体層と金属層と強誘電体層と上部
   電極とを含む薄膜積層体を有することを特徴とする超伝
   導メモリー素子。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項において超伝導
   体として、イットリウム（もしくは他のランタノイド族
   元素）−バリウム−銅−酸素からなる超伝導体、もしく
   は主としてビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅
   −酸素からなる超伝導体、もしくは主としてタリウム−
   バリウム−カルシウム−銅−酸素からなる超伝導体、も
   しくはランタン−アルカリ土類金属−銅−酸素からなる
   超伝導体、もしくはバリウム−カリウム−ビスマス−酸
   素からなる超伝導体、もしくはバリウム−ビスマス−鉛
   −酸素からなる超伝導体を用いることを特徴とする超伝
   導メモリー素子。 ４、基板上に、超伝導体層と金属層と光電変換層を含む
   薄膜積層体がリング状閉回路を構成する超伝導メモリー
   素子において、前記リング状閉回路に磁場を印加した状
   態で光電変換層に光を照射することによって、超伝導体
   閉回路内に磁束を閉じ込めることを特徴とする情報書き
   込み方法。 ５、基板上に、超伝導体層と金属層と強誘電体層と上部
   電極とを含む薄膜積層体を有する超伝導メモリー素子に
   おいて、強誘電体層に電圧を印加することにより、超伝
   導体を常伝導体に転移させることを特徴とする情報書込
   み方法。 ６、基板上に、超伝導体層と金属層と光電変換層を含む
   薄膜積層体がリング状閉回路を構成する超伝導メモリー
   素子において、前記リング状閉回路に光を照射すること
   により、超伝導体を常伝導状態にして磁束を消失させ、
   これを超伝導量子干渉素子を用いて測定することを特徴
   とする超伝導メモリー素子の情報読出方法。