JPH05183203A

JPH05183203A - 超伝導素子

Info

Publication number: JPH05183203A
Application number: JP92153A
Authority: JP
Inventors: Taketomi Kamikawa; 武富上川; Eiji Natori; 栄治名取; Setsuya Iwashita; 節也岩下; Tatsuya Shimoda; 達也下田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1992-01-06
Filing date: 1992-01-06
Publication date: 1993-07-23

Abstract

(57)【要約】【目的】二つの超伝導電極の間に接合体を挟んだ超伝
導素子において、コヒーレンス長さξ_nに寸法、形状を
制約を受けない製造容易な超伝導素子であって、ゲート
電圧による制御性を向上させたものを提供することにあ
る。【構成】二つの超伝導電極の臨界温度より低い臨界温
度を有する超伝導材料を接合体として使用すると共に接
合体に二つ以上のゲート電極を設け、且つ、動作温度は
前記接合体として使用される超伝導体の臨界温度以下と
するにある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超伝導現象を利用した
３端子の超伝導素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】超伝導素子は、スイッチング速度が短
く、消費電力が少ないという利点があるため、従来、さ
まざまな２端子素子、３端子素子が提案されている。図
５は、ジョセフソン効果を利用した積層型と呼ばれる２
端子素子であり、二つの超伝導電極０１１，０１２の間
に数ナノメータの厚さの絶縁体０１３を挟んだ構造を有
する。この素子では、二つの超伝導電極０１１，０１２
が超伝導状態となると、絶縁体０１３を通じて二つの超
伝導電極０１１，０１２の間に無抵抗で電流が流れる現
象を生じる。

【０００３】即ち、図７に示すように極低温において二
つの超伝導電極０１１，０１２が超伝導状態となると、
ジョセフソン効果のため、電圧ゼロで二つの超伝導電極
０１１，０１２の間に超伝導電流Ｉが流れる。しかし、
臨界電流Ｉ₀を越えると、もはや超伝導状態を保てなく
なり、２Δ／ｅの電圧Ｖを発生する。つまり、常伝導状
態となるのである。但し、ｅは、電子の電荷、Δは超伝
導電極０１１，０１２のエネルギーキャップである。

【０００４】一方、３端子素子としては、図６に示す電
界効果型と呼ばれるものが知られている。この素子は、
二つの超伝導電極０２１，０２２を半導体０２３の表面
に一定間隔を隔てて形成すると共に半導体０２３の裏面
に絶縁体０２４を介してゲート電極０２５を設けたもの
である。この素子では、超伝導電極０２１，０２２から
半導体０２３へ超伝導波動関数が近接効果により滲み出
す現象が起こり、そのコヒーレンス長さξ_nは、半導体
０２３内のキャリア濃度により影響を受ける。即ち、図
８に示すようにゲート電圧Ｖ_gにより半導体０２３中の
キャリア濃度を変化させることにより、両側の超伝導電
極０２１，０２２から中央の半導体０２３中に滲み出し
ている超伝導電子の巨視的な波動関数が重なり合うコヒ
ーレンス長さξ_nが変化する。従って、超伝導電極０２
１，０２２の間隔がコヒーレンス長さξ_nと同程度の長
さであれば、このコヒーレンス長さξ_nの重なり合いを
大きくし、又は、小さくして、超伝導電流を増幅するこ
とが可能である。

【０００５】その他の超伝導素子としては、図９に示す
マイクロブリッジ型と呼ばれる２端子素子がある。この
素子は、超伝導体０３１の中央部にコヒーレンス長さξ
_n以下のくびれ部０３１ａを形成し、その超伝導体０３
１の両側をソース電極、ドレイン電極としたものであ
る。図１０はキャリア密度変調型と呼ばれる３端子素子
である。この素子は、超伝導体０４１の中央部に誘電体
０４２を介してゲート電極０４３を形成し、超伝導体０
４１の両側部をソース電極、ドレイン電極としたもので
ある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の積層型
２端子素子又は電界効果型３端子素子では、二つの超伝
導電極０１１，０１２又は０２１，０２２の間隔、言い
換えると、接合体である絶縁体０１３の厚さ又は半導体
０２３幅をコヒーレンス長さξ_nと同程度に設定する必
要がある。しかし、現在のフォトエッチングによる製造
技術では0.5μｍ程度の制御は可能であるが、そのよう
に微細な加工を安定性良く制御することは困難である。
特に、３端子素子では、ゲート電極０２５を接合体であ
る半導体０２３に設ける必要があり、一層困難となる。

【０００７】また、従来の３端子素子では、ゲート電極
は一つであった為、ゲート電圧により制御される領域が
狭いという問題がある。即ち、ゲート電極０２５にゲー
ト電圧Ｖ_gを印加することにより、半導体０２３中へ注
入し、又は半導体０２３中からキャリアを吸い取ること
ができるが、そのようなキャリアの増減する範囲は、ゲ
ート電極０２５に近接した領域に限られている。従っ
て、ゲート電極０２５にゲート電圧Ｖ_gを印加しても、
半導体０２３の一部についてキャリアが増減するのみで
あり、ゲート電圧Ｖ_gによって変調できる変調幅はあま
り大きくなかったのである。また、ゲート電圧Ｖ_gによ
って、安定した微小制御も困難であった。

【０００８】本発明は、上記従来技術に鑑みてなされた
ものであり、コヒーレンス長さξ_nに寸法、形状を制約
を受けない製造容易な超伝導素子であって、ゲート電圧
による制御性を向上させたものを提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】斯かる目的を達成する本
発明の構成は二つの超伝導電極の間に接合体を挟んだ超
伝導素子において、前記接合体として前記二つの超伝導
電極の臨界温度より低い臨界温度を有する超伝導材料を
使用すると共に前記接合体に二つ以上のゲート電極を設
け、且つ、動作温度は前記接合体として使用される超伝
導体の臨界温度以下とすることを特徴とし、例えば、前
記二つの超伝導電極、前記接合体は基板上において平面
的に結合され、前記ゲート電極は前記接合体の表裏両面
にそれぞれ設けることが可能である。

【００１０】

【実施例】以下、本発明について、図面に示す実施例を
参照して詳細に説明する。図１に本発明の第一の実施例
を示す。図１に示すように二つの超伝導電極１，２、接
合体３は誘電体基板４上に平面的に形成されると共に接
合体３は二つの超伝導電極１，２の間に挟まれる構造と
なっている。接合体３の表面には、誘電体５を介して第
一ゲート電極６が設けられている。また、接合体３の垂
直下方における誘電体基板４の裏面には、第二ゲート電
極７が設けられている。超伝導電極１はソース電極とし
て、超伝導電極２はドレイン電極として使用する。

【００１１】ここで、この接合体３は、前述した従来技
術と異なり、絶縁体や半導体等の常伝導材料ではなく、
超伝導電極１，２の臨界温度Ｔ_cより低い臨界温度Ｔ_c’
を有する超伝導材料より形成されている。具体例として
は、超伝導電極１，２としてＹＢＣＯ系９０Ｋ相を使用
する場合には、前記接合体３としてＹＢＣＯ系７０Ｋ相
を用い、また、超伝導電極１，２としてＢiＳrＣaＣuＯ
系１１０相を使用する場合には、前記接合体３としてＢ
iＳrＣaＣuＯ系８０相を用いることができる。

【００１２】後者の場合には、動作温度Ｔまで液体窒素
を用いて冷却すれば良いが、前者の場合には、ジュール
・トンプソン効果を利用したコンプレッサ等による冷却
装置により冷却すると良い。尚、超伝導電極１，２、接
合体３の材料として、冷却を必要としない常温超伝導材
料を使用することも将来的には可能である。ここで、超
伝導電極１，２の臨界温度Ｔ_c、接合体３の臨界温度
Ｔ_c’及び動作温度Ｔとエネルギーギャップとの関係に
ついて図４に示す。同図に示すように、動作温度Ｔを接
合体３の臨界温度Ｔ_c’（＜Ｔ_c）より低くすると、超伝
導電極１，２及び接合体３も超伝導状態となるため、図
３に示すようにエネルギーギャップが超伝導電極１，２
の間で接合体３を通じて連続することとなり、無抵抗で
超伝導電流が流れる。但し、両側の超伝導電極１，２に
比べて中央の接合体３は弱い超伝導状態にある。また、
臨界温度Ｔ_c’と臨界温度Ｔ_cとの中間の温度では、接合
体３が超伝導状態にならないので、そのような温度範囲
を動作温度とすることは出来ない。

【００１３】つまり、動作温度Ｔと超伝導電極１，２の
臨界温度Ｔ_c及び接合体３の臨界温度Ｔ_c’との間には、
次のような関係を満たす必要がある。Ｔ＜Ｔ_c’＜Ｔ_c …（１）本発明では、動作温度Ｔが上記式（１）の温度条件を満
足すれば、接合体３はコヒーレンス長さξ_nと無関係に
超伝導状態となるため、超伝導電流Ｉは接合体３の形
状、寸法に依存しないこととなる。また、接合体３の表
面側に設けた第一ゲート電極６にゲート電圧Ｖ_gを印加
すると、図２(a)に示すように接合体３の表面から一定
の深さの被変調領域３ａにおけるキャリア濃度が変化す
るが、接合体３の一部のキャリア濃度が変化するに過ぎ
ない。

【００１４】更に、接合体３の裏面側に設けた第二ゲー
ト電極７にゲート電圧Ｖ_gを同時に印加すると、図２(b)
に示すように接合体３の表面から一定の深さの被変調領
域３ａにおいてキャリア濃度が変化するのみならず、接
合体３の裏面から一定の深さの被変調領域３ｂにおいて
もキャリア濃度が変化する。従って、その二つの被変調
領域３ａ，３ｂが重なり合うときには、接合体３の全範
囲においてキャリア密度が変化することになる。このよ
うに、接合体３の表裏両面に設けた第一、第二ゲート電
極６，７により、接合体３のキャリア密度を制御するこ
とができるので、制御性が向上することになる。例え
ば、第一、第二ゲート電極６，７に同一の信号を加える
ことにより、超伝導電流の変調幅を拡大することがで
き、また、一方のゲート電極により大まかな制御を行う
と共に他方のゲート電極により細かな制御を行うことに
より精密な微小変調が可能となる。

【００１５】ここで、図４に示すように接合体３におけ
るエネルギーギャップの大きさの変化の割合は、動作温
度Ｔと臨界温度Ｔ_c’との温度差が狭いほど大きい。従
って、変調の容易さという観点からは、次の数式に示す
ように、臨界温度Ｔ _c’が動作温度Ｔに近く、臨界温度
Ｔ_cが動作温度Ｔより大きいほど好ましい。Ｔ_c’−Ｔ＜Ｔ_c−Ｔ_c’ …（２）但し、動作温度Ｔと臨界温度Ｔ_c’との温度差があまり
狭すぎると、動作温度Ｔが僅かに変動しただけで、超伝
導状態が破れることにもなるので、外乱に対する安定性
を考慮するという観点からは、その温度差については一
定の下限を設ける必要がある。

【００１６】また、接合体３と第一、第二ゲート電極
６，７との間に誘電率の高い誘電体基板４、誘電体５を
介装すると、接合体３に発生する電荷は誘電率に比例し
て多くなるので、変調が容易となる利点があるが、逆
に、スイッチング速度が遅くなる傾向がある。この為、
誘電体基板４、誘電体５の誘電率は適度な大きさとする
のが望ましい。尚、本発明では、接合体３におけるキャ
リア密度により、超伝導状態を変化させることにより変
調を行うものであり、従来の３端子素子と異なり、コヒ
ーレンス長さξ_nを変化させるものではない。

【００１７】このように本発明では、接合体３の寸法、
形状は、コヒーレンス長さξ_nに制約を受けるものでは
なく、理論的には無限大とすることも可能である。従っ
て、酸化物超伝導体を用いて超伝導素子を製造すること
が容易となる。また、接合体３の寸法、形状が制約を受
けないことから、従来のように絶縁体、半導体等の常伝
導体を使用する場合に比較し、電流容量が大きく、大電
流を流すことができる。従って、本発明の超伝導素子
は、パワーエレクトロニクスの分野に応用が可能であ
る。更に、接合体３は、上下二つのゲート電極６，７に
よりキャリア濃度を全体的に制御することができるの
で、制御性が向上する。即ち、ゲート電極が一つだけで
は、図６に示す従来例より制御性が劣るが、ゲート電極
を二つ設けることにより、図６に示す従来例或いはそれ
にゲート電極を二つ設けた素子に近い或いは同等の制御
性が得られる。また、図１０に示す従来例の構造に二つ
以上のゲート電極を設けると、かえって安定性が悪くな
るが、本発明ではゲート電極両側の超伝導状態が良いた
め安定動作が可能となる。

【００１８】

【発明の効果】以上、実施例に基づいて具体的に説明し
たように、本発明の超伝導素子は、接合体として超伝導
材料を使用する為、コヒーレンス長さに接合体の寸法、
形状が制約を受けない。この為、酸化物超伝導材料を使
用する場合でも、容易に製造することができる利点があ
る。また、二つ以上のゲート電極を設けたので、制御性
が向上し、大変調且つ精密微小変調が可能となる。更
に、パワーエレクトロニクスの分野に応用が可能である
という特徴もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超伝導素子の一実施例を示す斜視図で
ある。

【図２】同図(a)は、図１に示す超伝導素子において、
第一ゲート電極のみに電圧を印加した状態を、同図(b)
は第一、第二ゲート電極に電圧を印加した状態をそれぞ
れ示す説明図である。

【図３】本発明の超伝導素子におけるエネルギーギャッ
プを示す説明図である。

【図４】エネルギーギャップと動作温度及び臨界温度と
の関係を示すグラフである。

【図５】従来の積層型２端子素子を示す斜視図である。

【図６】従来の電界効果型３端子素子を示す斜視図であ
る。

【図７】従来の積層型２端子素子におけるＩ−Ｖ特性を
示すグラフである。

【図８】従来の電界効果型３端子素子におけるコヒーレ
ンス長さの変化を示す説明図であり、同図（ａ）は重な
りが小さい場合、同図（ｂ）は重なりが大きい場合を示
すものである。

【図９】従来のマイクロブリッジ型２端子素子を示す斜
視図である。

【図１０】従来のキャリア密度変調型と呼ばれる３端子
素子を示す斜視図である。

【符号の説明】

１，２超伝導電極３接合体（超伝導材料）４基板５誘電体６第一ゲート電極７第二ゲート電極０１１，０１２超伝導電極０１３絶縁体０２１，０２２超伝導電極０２３半導体０２４絶縁体０２５ゲート電極０３１超伝導体０３１ａくびれ部０４１超伝導体０４２誘電体０４３ゲート電極Ｔ動作温度Ｔ_c’ 接合体の臨界温度Ｔ_c 超伝導電極の臨界温度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者下田達也長野県諏訪市大和３丁目３番５号セイコーエプソン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二つの超伝導電極の間に接合体を挟んだ
超伝導素子において、前記接合体として前記二つの超伝
導電極の臨界温度より低い臨界温度を有する超伝導材料
を使用すると共に前記接合体に二つ以上のゲート電極を
設け、且つ、動作温度は前記接合体として使用される超
伝導体の臨界温度以下とすることを特徴とする超伝導素
子。
【請求項２】前記二つの超伝導電極、前記接合体は基
板上において平面的に結合され、前記ゲート電極は前記
接合体の表裏両面にそれぞれ設けられることを特徴とす
る請求項１記載の超伝導素子。