JPH04355984A - 超伝導スイッチ素子 - Google Patents
超伝導スイッチ素子Info
- Publication number
- JPH04355984A JPH04355984A JP3145627A JP14562791A JPH04355984A JP H04355984 A JPH04355984 A JP H04355984A JP 3145627 A JP3145627 A JP 3145627A JP 14562791 A JP14562791 A JP 14562791A JP H04355984 A JPH04355984 A JP H04355984A
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- JP
- Japan
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- semiconductor
- superconductor
- film
- superconducting
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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
【0001】
【技術分野】本発明は、超伝導体と半導体を接合させ、
前記超伝導体には金属系から最近のY系酸化物系にいた
る広範囲の超伝導体を用いたスイッチ素子に関するもの
である。
前記超伝導体には金属系から最近のY系酸化物系にいた
る広範囲の超伝導体を用いたスイッチ素子に関するもの
である。
【0002】
【従来技術】超伝導体と半導体を結合させた場合、超伝
導電流は半導体中に流れだす近接効果がおこる。半導体
を超伝導体で挟んだ場合、半導体を介して超伝導電流が
一方から他方へ流れるようになる。最近、この効果を利
用したスイッチ素子、トランジスタ(三端子素子)が考
案され、実際にそれら素子の試作に成功している(例え
ば、T.NISHINO,E.YAMADA,U.KA
WABE:Phs.Rev.B34.1986.485
7とH.TAKAYANAGI,T.KAWAKAMI
:Phs.Rev.Lett.54.1985.244
9参照。)。しかし、これらはまだ、従来からある極低
温で超伝導を示すPb金属、Nb金属を用いた場合にし
か成功していない。この場合の半導体としては、Si,
InAsである。さらに、Y−Ba−Cu−Oに代表さ
れる酸化物超伝導体に展開して行く動きはあるが、その
成功例は皆無である。酸化物超伝導体に応用する場合、
固有のコヒーレンス長は数nmと非常に短かいが、これ
を半導体と接合させると半導体中に流れる超伝導電流の
コヒーレンス長は長くなる。しかし、この長さは温度が
高くなると逆に短くなり液体ヘリウム温度で動作させて
いたものを、液体窒素温度で行なうとコヒーレンス長は
当然短かくなる。従って、素子構成に工夫が必要である
。また、超伝導体と半導体の界面に超伝導相と半導体の
混合相が存在しないこと及び元素の相互拡散がないこと
が要求される。
導電流は半導体中に流れだす近接効果がおこる。半導体
を超伝導体で挟んだ場合、半導体を介して超伝導電流が
一方から他方へ流れるようになる。最近、この効果を利
用したスイッチ素子、トランジスタ(三端子素子)が考
案され、実際にそれら素子の試作に成功している(例え
ば、T.NISHINO,E.YAMADA,U.KA
WABE:Phs.Rev.B34.1986.485
7とH.TAKAYANAGI,T.KAWAKAMI
:Phs.Rev.Lett.54.1985.244
9参照。)。しかし、これらはまだ、従来からある極低
温で超伝導を示すPb金属、Nb金属を用いた場合にし
か成功していない。この場合の半導体としては、Si,
InAsである。さらに、Y−Ba−Cu−Oに代表さ
れる酸化物超伝導体に展開して行く動きはあるが、その
成功例は皆無である。酸化物超伝導体に応用する場合、
固有のコヒーレンス長は数nmと非常に短かいが、これ
を半導体と接合させると半導体中に流れる超伝導電流の
コヒーレンス長は長くなる。しかし、この長さは温度が
高くなると逆に短くなり液体ヘリウム温度で動作させて
いたものを、液体窒素温度で行なうとコヒーレンス長は
当然短かくなる。従って、素子構成に工夫が必要である
。また、超伝導体と半導体の界面に超伝導相と半導体の
混合相が存在しないこと及び元素の相互拡散がないこと
が要求される。
【0003】
【目 的】本発明の目的は、上記従来技術で述べ
たように半導体と超伝導体の積層構造を基本とし新しい
機能を持った、酸化物超伝導体にも応用できるスイッチ
素子を提供することにある。
たように半導体と超伝導体の積層構造を基本とし新しい
機能を持った、酸化物超伝導体にも応用できるスイッチ
素子を提供することにある。
【0004】
【構 成】本発明は、絶縁基板上に、超伝導体薄
膜を設け、さらにその上に半導体薄膜、超伝導体薄膜の
順で重ねた基本構成単位を1層以上積層してなることを
特徴とする超伝導スイッチ素子に関する。
膜を設け、さらにその上に半導体薄膜、超伝導体薄膜の
順で重ねた基本構成単位を1層以上積層してなることを
特徴とする超伝導スイッチ素子に関する。
【0005】本発明は、(a)超伝導体と半導体の薄膜
がともに100Åオーダーの非常に薄い膜(超薄膜)が
積層された構造であり、(b)半導体膜は、n型半導体
を用いる。従来技術では(a),(b)の組み合わせを
持つ構成はない。そしてこの構成にすることで、超伝導
電流の共鳴トンネル効果が起き、従来の超伝導体−半導
体−超伝導体接合に比べて大きな電流が取り出せる。
がともに100Åオーダーの非常に薄い膜(超薄膜)が
積層された構造であり、(b)半導体膜は、n型半導体
を用いる。従来技術では(a),(b)の組み合わせを
持つ構成はない。そしてこの構成にすることで、超伝導
電流の共鳴トンネル効果が起き、従来の超伝導体−半導
体−超伝導体接合に比べて大きな電流が取り出せる。
【0006】本発明のスイッチ素子は使用に当り、絶縁
基板のすぐ上にある超伝導体薄膜と一番最上層にある超
伝導体薄膜とに電極を接続して使用する。電極の構成材
料としては超伝導体を使用することが好ましい。
基板のすぐ上にある超伝導体薄膜と一番最上層にある超
伝導体薄膜とに電極を接続して使用する。電極の構成材
料としては超伝導体を使用することが好ましい。
【0007】スイッチ機能としては、超伝導体と半導体
を接合させたとき、界面にできるショットキー障壁を利
用し、超伝導体側からこの障壁をトンネルして半導体中
へ流れる超伝導電流(電子対)がもう一方の超伝導体へ
流れる。この際、超伝導体−半導体−超伝導体という接
合にした場合、超伝導体間にバイアス電圧を印加し、半
導体が超薄膜であったときは超伝導電流(電子対)が流
れやすくなり、しかも半導体中の電子対のエネルギーと
超伝導体中の電子対のエネルギーが同じになると障壁に
囲まれた半導体中の電子対の反射波と入射波が干渉し、
共鳴し合うようになり高い確率で一方の超伝導体へ超伝
導電流が流れる。バイアス電圧を変えることでこの電流
値が変化し、これをスイッチ動作に用いる。
を接合させたとき、界面にできるショットキー障壁を利
用し、超伝導体側からこの障壁をトンネルして半導体中
へ流れる超伝導電流(電子対)がもう一方の超伝導体へ
流れる。この際、超伝導体−半導体−超伝導体という接
合にした場合、超伝導体間にバイアス電圧を印加し、半
導体が超薄膜であったときは超伝導電流(電子対)が流
れやすくなり、しかも半導体中の電子対のエネルギーと
超伝導体中の電子対のエネルギーが同じになると障壁に
囲まれた半導体中の電子対の反射波と入射波が干渉し、
共鳴し合うようになり高い確率で一方の超伝導体へ超伝
導電流が流れる。バイアス電圧を変えることでこの電流
値が変化し、これをスイッチ動作に用いる。
【0008】以下に、実施例を示しながら詳細に説明す
る。図1は素子構成図(断面図)である。セラミックス
基板1としてはSrTiO3単結晶基板、MgO単結晶
基板のほか、LaAlO3単結晶基板などがある。これ
らは主に酸化物超伝導体用であるが、金属、合金系超伝
導体に対してはSi基板を用いても良い。SrTiO3
基板の場合には(100)(110)、MgO基板の場
合は(100)が良い。超伝導膜2は酸化物超伝導体と
してのY1Ba2Cu3On〔n=7−x(0<x<1
)〕、Bi2Sr2Ca1Cu2O8、Bi2Sr2C
a2Cu3O10等が、金属・合金系超伝導体としては
Pb、Nb、Nb3Sn等がある。半導体膜3は不純物
をドープしたn型Si、n型ZnTeなどのII−VI
族半導体、n型のInP、GaAs、InAsなどのI
II−V族半導体を用いる。これらのうちn型InAs
半導体がより好ましい。超伝導膜と半導体膜は、超薄膜
を作製するために反応ガス導入しながら多元素を同時に
蒸着する蒸着法、MBE法による作製法が望ましい。超
伝導超薄膜は例えばY系の場合、Y,Ba,Cu各金属
を三台の電子銃を用いて同時に蒸発させる。導入ガスは
酸素ガスあるいはオゾンと酸素の混合ガスを用い、ガス
圧1×10−4torrにしてガスを基板に吹き付ける
ように行なった。基板温度は450〜550℃にして成
膜後は数10〜数100torrの圧力にし基板温度が
室温近くなるまで徐冷する。この時基板にはSrTiO
3(110)を用いる。一方、半導体超薄膜の作製法と
しては、超伝導体と同様MBE法、蒸着法で行なう。例
えばGaAs超薄膜はGa、As金属をK−cellを
用いて作製する。また、InAs超薄膜の場合はIn、
As金属をK−cellを用いて作製する。これら超薄
膜形成の真空度は1×10−6torr以下で基板加熱
温度は500〜580℃にして行なう。これらの方法に
より、蒸発速度0.1〜2Å/sで超伝導膜の場合は膜
厚が基板直上では2000Å以下、半導体膜上では10
0Å以下にし半導体膜は50〜100Åにする。GaA
sまたはInAsに不純物としてSnを約1×1018
/cm2ドープしn型GaAs膜またはInAs膜が形
成される。超伝導膜と半導体膜はそれぞれC軸配向して
おり超伝導膜−半導体膜の順に個々の膜の層数は半導体
がGaAS膜の場合は高々5層であり、InAs膜の場
合は10層以下である。さらにバイアス電圧用、電流印
加用電極4、5を作製する。電極としてはAu、Ptあ
るいは超伝導体を用いる。この例の場合、電極はY系超
伝導体電極を先と同様の方法で作製する。電極の厚さは
約0.1〜0.5μm程度とする。図2は基本構成(三
層構成)にしたときの超伝導体と半導体の界面のバンド
図である。
る。図1は素子構成図(断面図)である。セラミックス
基板1としてはSrTiO3単結晶基板、MgO単結晶
基板のほか、LaAlO3単結晶基板などがある。これ
らは主に酸化物超伝導体用であるが、金属、合金系超伝
導体に対してはSi基板を用いても良い。SrTiO3
基板の場合には(100)(110)、MgO基板の場
合は(100)が良い。超伝導膜2は酸化物超伝導体と
してのY1Ba2Cu3On〔n=7−x(0<x<1
)〕、Bi2Sr2Ca1Cu2O8、Bi2Sr2C
a2Cu3O10等が、金属・合金系超伝導体としては
Pb、Nb、Nb3Sn等がある。半導体膜3は不純物
をドープしたn型Si、n型ZnTeなどのII−VI
族半導体、n型のInP、GaAs、InAsなどのI
II−V族半導体を用いる。これらのうちn型InAs
半導体がより好ましい。超伝導膜と半導体膜は、超薄膜
を作製するために反応ガス導入しながら多元素を同時に
蒸着する蒸着法、MBE法による作製法が望ましい。超
伝導超薄膜は例えばY系の場合、Y,Ba,Cu各金属
を三台の電子銃を用いて同時に蒸発させる。導入ガスは
酸素ガスあるいはオゾンと酸素の混合ガスを用い、ガス
圧1×10−4torrにしてガスを基板に吹き付ける
ように行なった。基板温度は450〜550℃にして成
膜後は数10〜数100torrの圧力にし基板温度が
室温近くなるまで徐冷する。この時基板にはSrTiO
3(110)を用いる。一方、半導体超薄膜の作製法と
しては、超伝導体と同様MBE法、蒸着法で行なう。例
えばGaAs超薄膜はGa、As金属をK−cellを
用いて作製する。また、InAs超薄膜の場合はIn、
As金属をK−cellを用いて作製する。これら超薄
膜形成の真空度は1×10−6torr以下で基板加熱
温度は500〜580℃にして行なう。これらの方法に
より、蒸発速度0.1〜2Å/sで超伝導膜の場合は膜
厚が基板直上では2000Å以下、半導体膜上では10
0Å以下にし半導体膜は50〜100Åにする。GaA
sまたはInAsに不純物としてSnを約1×1018
/cm2ドープしn型GaAs膜またはInAs膜が形
成される。超伝導膜と半導体膜はそれぞれC軸配向して
おり超伝導膜−半導体膜の順に個々の膜の層数は半導体
がGaAS膜の場合は高々5層であり、InAs膜の場
合は10層以下である。さらにバイアス電圧用、電流印
加用電極4、5を作製する。電極としてはAu、Ptあ
るいは超伝導体を用いる。この例の場合、電極はY系超
伝導体電極を先と同様の方法で作製する。電極の厚さは
約0.1〜0.5μm程度とする。図2は基本構成(三
層構成)にしたときの超伝導体と半導体の界面のバンド
図である。
【0009】縦軸が電子のエネルギー、横軸が位置であ
り、図中のVは価電子帯、Cは伝導帯である。図2の1
1は、超伝導体側、12は接合部、13は半導体側であ
る。斜線部は電子が詰まっており、その上のCは、電子
が存在可能な領域で、エネルギーを受けとらないとここ
には移動できない。フェルミ準位とは、ここまで電子が
満たされる最高のエネルギーレベルを意味する。縦の点
線2本は半導体と接合部の境界を意味する。また、12
の領域はショットキー障壁の幅を示す。障壁の超伝導体
側ではp型に反転している。一点鎖線はフェルミ準位、
斜線部は価電子帯(v)、それより上は伝導帯である。
り、図中のVは価電子帯、Cは伝導帯である。図2の1
1は、超伝導体側、12は接合部、13は半導体側であ
る。斜線部は電子が詰まっており、その上のCは、電子
が存在可能な領域で、エネルギーを受けとらないとここ
には移動できない。フェルミ準位とは、ここまで電子が
満たされる最高のエネルギーレベルを意味する。縦の点
線2本は半導体と接合部の境界を意味する。また、12
の領域はショットキー障壁の幅を示す。障壁の超伝導体
側ではp型に反転している。一点鎖線はフェルミ準位、
斜線部は価電子帯(v)、それより上は伝導帯である。
【0010】今、電極からバイアス電圧を2V印加する
と図3の様になり伝導帯と価電子帯の高さが変化する。 電流を1mA流すとトンネル効果により図の左から右へ
超伝導電流が流れるが、右側の障壁でさらにトンネルし
流れるものと、反射する電子対がある。この時、超伝導
電流のエネルギーと半導体中の超伝導電流のエネルギー
準位がほぼ一致すると、半導体領域内で入射電子対と反
射電子対が干渉することで電子対が共鳴しあうようにな
り、共鳴トンネル効果を生ずる。この現象が起きる条件
はエネルギーとバイアス電圧の大きさと超薄膜でなけれ
ばならないことであるが、超薄膜になると量子効果が顕
著になり、共鳴現象となる。さらに重要なことは、半導
体中における超伝導電流のコヒーレンス長である。酸化
物超伝導体の場合、この長さは20〜30Åであるが、
半導体中においては半導体中のコヒーレンス長に従う。 コヒーレンス長ξは
と図3の様になり伝導帯と価電子帯の高さが変化する。 電流を1mA流すとトンネル効果により図の左から右へ
超伝導電流が流れるが、右側の障壁でさらにトンネルし
流れるものと、反射する電子対がある。この時、超伝導
電流のエネルギーと半導体中の超伝導電流のエネルギー
準位がほぼ一致すると、半導体領域内で入射電子対と反
射電子対が干渉することで電子対が共鳴しあうようにな
り、共鳴トンネル効果を生ずる。この現象が起きる条件
はエネルギーとバイアス電圧の大きさと超薄膜でなけれ
ばならないことであるが、超薄膜になると量子効果が顕
著になり、共鳴現象となる。さらに重要なことは、半導
体中における超伝導電流のコヒーレンス長である。酸化
物超伝導体の場合、この長さは20〜30Åであるが、
半導体中においては半導体中のコヒーレンス長に従う。 コヒーレンス長ξは
【化1】
となる。ここでμは易動度、mとeは有効質量と素電荷
、Nはキャリア濃度である。高温超伝導体の場合は臨界
温度に比例して高い温度で動作させるためにξは短くな
るが、超伝導体と比べると長いが、先に述べた共鳴現象
が起きるためには、領域3の幅LはL〜2ξである必要
がある。ショットキー障壁が20Åとし、Lが50Åと
すると半導体の膜厚は100Å程度になる。InAsは
μが他の化合物半導体に比べて大きいため、コヒーレン
ス長が数倍大きくなる。たとえば、InAsをInPと
比べた場合、InAsは電子易動度μが300Kの温度
で3.0m2/v.s、InPはμ=0.45であり、
ξが√μに比例するので、InAsのξはInPと較べ
て約2.6倍となる。
、Nはキャリア濃度である。高温超伝導体の場合は臨界
温度に比例して高い温度で動作させるためにξは短くな
るが、超伝導体と比べると長いが、先に述べた共鳴現象
が起きるためには、領域3の幅LはL〜2ξである必要
がある。ショットキー障壁が20Åとし、Lが50Åと
すると半導体の膜厚は100Å程度になる。InAsは
μが他の化合物半導体に比べて大きいため、コヒーレン
ス長が数倍大きくなる。たとえば、InAsをInPと
比べた場合、InAsは電子易動度μが300Kの温度
で3.0m2/v.s、InPはμ=0.45であり、
ξが√μに比例するので、InAsのξはInPと較べ
て約2.6倍となる。
【0011】図4は半導体がGaAs膜の場合、図5は
半導体がInAsの場合の電流電圧特性である。素子に
1mAの電流を流したとき、印加電圧0の時、超伝導電
流はわずかに流れるが電圧が増すにつれて超伝導電流が
増加し(aの部分)、図4の場合には2〜3Vの付近で
最大値に達し、図5の場合には1〜2Vの付近で最大値
に達する。いずれの場合もそれよりさらに電圧が増すと
電流値が下がり始める(bの部分)。このaとbの部分
を“1”、“0”としてスイッチ動作させるものである
。
半導体がInAsの場合の電流電圧特性である。素子に
1mAの電流を流したとき、印加電圧0の時、超伝導電
流はわずかに流れるが電圧が増すにつれて超伝導電流が
増加し(aの部分)、図4の場合には2〜3Vの付近で
最大値に達し、図5の場合には1〜2Vの付近で最大値
に達する。いずれの場合もそれよりさらに電圧が増すと
電流値が下がり始める(bの部分)。このaとbの部分
を“1”、“0”としてスイッチ動作させるものである
。
【0012】
【効 果】本発明により、より大きな電流を信号
として取り出せる素子構成となり、酸化物超伝導体にも
応用できる高速で動作するスイッチ素子が提供できる。
として取り出せる素子構成となり、酸化物超伝導体にも
応用できる高速で動作するスイッチ素子が提供できる。
【図1】本発明の超伝導スイッチ素子のモデル断面図で
あ
あ
【図2】電流・電圧を共にOとした場合の基板−超伝導
体薄膜−半導体薄膜−超伝導薄膜よりなるスイッチ素子
の超伝導体と半導体の界面バンド図であ
体薄膜−半導体薄膜−超伝導薄膜よりなるスイッチ素子
の超伝導体と半導体の界面バンド図であ
【図3】電圧を
印加した場合のバンド図
印加した場合のバンド図
【図4】半導体にGaAs膜を
用いた本素子の電流電圧特性を示す。
用いた本素子の電流電圧特性を示す。
【図5】半導体にInAs膜を用いた本素子の電流電圧
特性を示す。
特性を示す。
1…セラミックス基板
2…超伝導膜
3…半導体膜
4…電流印加用電極
5…電圧印加用電
11…超伝導体側
12…接合部
13…半導体側
C…伝導帯
V…価電子帯
Claims (2)
- 【請求項1】 絶縁基板上に、超伝導体薄膜を設け、
さらにその上に半導体薄膜、超伝導体薄膜の順で重ねた
基本構成単位を1層以上積層してなることを特徴とする
超伝導スイッチ素子。 - 【請求項2】 超伝導体としてはNb,Pb,Y1B
a2Cu3On〔n=7−x(0<x<1)〕,Bi2
Sr2Ca1Cu2O8またはBi2Sr2Ca2Cu
3O10を用い、半導体としてn型のSi半導体、II
−VI族半導体またはIII−V族半導体を用いる請求
項1記載の超伝導スイッチ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3145627A JPH04355984A (ja) | 1990-09-10 | 1991-05-21 | 超伝導スイッチ素子 |
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2-239693 | 1990-09-10 | ||
| JP23969390 | 1990-09-10 | ||
| JP8620391 | 1991-03-26 | ||
| JP3-86203 | 1991-03-26 | ||
| JP3145627A JPH04355984A (ja) | 1990-09-10 | 1991-05-21 | 超伝導スイッチ素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04355984A true JPH04355984A (ja) | 1992-12-09 |
Family
ID=27305121
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3145627A Pending JPH04355984A (ja) | 1990-09-10 | 1991-05-21 | 超伝導スイッチ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04355984A (ja) |
-
1991
- 1991-05-21 JP JP3145627A patent/JPH04355984A/ja active Pending
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