JPH0624256B2

JPH0624256B2 - 超電導素子

Info

Publication number: JPH0624256B2
Application number: JP62058141A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1987-03-13
Filing date: 1987-03-13
Publication date: 1994-03-30
Anticipated expiration: 2009-03-30
Also published as: JPS63224374A

Description

【発明の詳細な説明】「発明の利用分野」本発明はセラミック系超電導材料を用いた固体電子ディ
バイスに関する。本発明は入力端子と出力端子とを有
し、増幅機能、スイッチ機能を有するとともに、入力信
号を制御用電極に印加することにより出力信号を出力用
電極より検出せしめんとするものである。

「従来の技術」従来、超電導材料、例えばNb-Ge 系（例としてはNb₃G
e）等の金属材料を用いて固体電子ディバイスを作る試
みがなされてきた。

その代表的なものはジョセフソン素子である。

このジョセフソン素子は超電導現象とトンネル電流現象
とを組み合わせ、スイッチングを行わんとするもので、
２端子回路よりなっている。

「従来の問題点」しかし、かかるジョセフソン素子は２端子回路であるた
め、入力信号と出力信号を独立電極として用いることが
できない。このため工業用応用を考える時、超高周波で
動作させることができるという特徴を有しつつも、回路
設計がきわめて困難である。また、これまでの半導体集
積回路で培われている設計技術を用いることができない
という欠点を有する。

特に２端子素子であるため、信号の増幅機能を有さず、
信号の系全体における入力端より出力端に至るまでに信
号が若干減衰して、いわゆるゲインを１以上とすること
ができないという大きな欠点を有する。

本発明はかかる欠点を除去し、超高周波動作をさせると
ともに、素子を４端子回路素子即ち入力信号を加える制
御用電極および出力信号を導出する電極とを有せしめん
とするものである。

「問題を解決すべき手段」本発明はかかる問題を解決するため、超電導セラミック
材料を用いた４端子固体素子（ディバイス）構造を有せ
しめるものである。

本発明は絶縁性基板上に薄膜の超電導材料を設け、その
一方より他方に電流が流れるべく一対の出力端子を有す
る。そしてこの間に制御用電極を薄膜の上面、下面又は
両面に設けたものである。特にこの制御用電極と超電導
薄膜との間には絶縁膜を設け、入力端子である制御用電
極からは電圧のみが印加されるべくせしめ、入力と出力
との相互作用を取り除いた。もちろんこの絶縁性はこの
電極下の制御領域のポテンシャルの変更を行うことがで
きればよい。

さらにこの制御用電極下には一対の電極間の薄膜を横切
って少なくとも２つの障壁（バリア）を有する。このバ
リアは一対の電極の一方より他方に電流を流し得る信号
にその影響が少なく、かつ制御用電極に電圧を印加した
場合、その電圧が一対の電極間に波及してしまうことが
防ぎ、制御用電極下の超電導層のポテンシャルを進行し
得るに十分な障壁であることが必要である。

特にこの障壁は一般に少なくとも２つを有し、この障壁
間の超電導層のポテンシャルを制御用電極により可変す
ることにより、一対の電極の一方より他方に流れる電流
を制御せんとするものである。

このためこの超電導薄膜は制御用電極が第１図(A) また
は(B) に示す如く、１つのみであった場合、その反対面
にまでポテンシャルの変更をせしめ得べく薄膜0.01〜10
μｍと比較的薄くすることが重要である。また制御用電
極を薄膜の上下に第１図(C) に示す如く設ける場合はこ
の厚さは0.1 〜50μｍと平均して約５倍であってもよ
い。しかしこれらの厚さはTc（超電導を起こす臨界温
度）を実用化しにくい温度にまで下げない範囲で薄けれ
ば薄いほど入力電圧に対してより敏感に出力電流を制御
し得る。

第１図(A),(B),(C) は本発明の固体素子の縦断面図を示
す。

第１図(A) において、絶縁基板(1) 上の超電導薄膜(3),
(4),(5) よりなる超電導薄膜(2),この薄膜を横切るバリ
ア（障壁）(6),(7),出力用の一対の電極(8),(9),制御用
電極(10),その下の絶縁膜(11)よりなる。

第１図(A) は制御用電極が超電導薄膜の上側に設けら
れ、第１図(B) は下側に設けられている。第１図(C) は
薄膜の両面にそれぞれ(10),(10′)として制御用電極が
設けられている。

「作用」かかる構造とすることにより、入力と出力とを独立関数
として制御でき、かつこの素子をスイッチング用素子、
増幅機能を有する素子として用いることができる。

本発明は、同一基板上に複数個の固体素子を作ることが
でき、かかる素子を設計論理に基づき連結することによ
り超電導集積回路をも作ることができる。

以下に図面に従って実施例を説明する。

「実施例１」この実施例は第１図(A) の構造を示す。

基板としてYSL(イットリア・スタビライズド・ジルコ
ン)を用いた。これはその上にスクリーン印刷法、スパ
ッタ法を用いて形成される超電導材料、例えば(Y_1-x Ba
x)Cu0_2.5〜₃ ｘ＝0.01〜0.3好ましくはｘ＝0.05〜0.1
を用いた。またY(イットリューム)ではなく周期律表に
おけるランタニド元素またはアクチニド元素例えばYb
（イッテルビューム）を用いてもよい。

この形成と同時またはその後に障壁(6),(7) を作製し
た。これらをフォトリソグラフィ技術によりパターニン
グし、絶縁膜(11)を形成した。さらに制御用電極(10)、
一対の電極(8),(9) を作製した。かくして一対の障壁
(6),(7) に挟まれた領域(4) のポテンシャルを絶縁膜(1
1)を介して制御用電極(10)に電圧を印加することにより
制御せしめた。

第２図はこの実施例を示す。

この図面で横軸は第１図に対応した距離を示し縦軸はエ
ネルギレベル（ポテンシャル）を示す。

第２図(A) において基礎ポテンシャル(30)に対し、一対
の障壁(6),(7) を有する。図面では障壁(6) の障壁ポテ
ンシャルが障壁(7) に比べて高く設けた。第２図(A) に
おいては制御用電極に何らの電流も印加されていない。
すると領域(3) より領域(4) に移る電子(20)と逆に領域
(4) より領域(3) に移る電子(20′)の確率は同じであ
る。また領域(5) より領域(4) に移る電子(21)の確率と
領域(4) より領域(5) に移る確率(21′)もともに同じで
ある。そのため、もし出力用の一対の電極に領域(3) よ
り領域(4) に流れるべく電圧を印加すると、電流は領域
(4) に実質的に影響されることなく一定の電流(22)を流
すことができる。

第２図(B) において制御用電極に負の電圧を印加する。
すると領域(4) のポテンシャルは第２図(A) の(24)より
第２図(B) の(24′)へと移る。

すると障壁(6) に関連して(20′)は大きな遷移確率を
得、(20)は小さな遷移確率を得る。また障壁(7) に関し
て(21′)は大きくなり、(21)は小さくなる。かくして領
域(3) より領域(5) へと一対の出力用電極間に電圧を印
加して電流を流さんとすると、実質的に(20′)と(20)の
差により電流は流れにくくなり、その電流は押えられ
る。

結果として制御用電極に負の電圧が印加されると、電流
(22′)は小さくなる。

また第２図(C) は制御用電極に正の電圧(24″)を印加し
た場合を示す。電子の遷移確率(20)は大きくなり逆に(2
0′)は小さくなる。その結果、領域(3) より領域(5) へ
流れる電流は大きくなり、電流(22″)と増大する。

かくの如く、一対の障壁においてトンネル電流を生ぜし
める電子の遷移確率の違いを２つの障壁の高さをも考え
て生ぜしめることにより、制御用電極に印加された電圧
に従って一対の出力間に流れる電流を可変することが可
能である。

即ち、超電導材料を用いて増幅作用を実効的に有せしめ
ることが可能となった。

「実施例２」第３図は本発明の他の実施例を示す。

第３図(A),(B),(C) は第２図(A),(B),(C) に対応する。

第３図においては障壁(6),障壁(7) においてその厚さを
一方(6) を他方(7) に比べて厚くし、こちらの障壁を越
える確率により領域(3) より領域(5) を移る電流(22)を
制御し得る。

領域(4) のポテンシャル(24)が第３図(B) に示す如く負
に印加されると、電流(22′)は流れ出にくくなる。また
第３図(C) に示す如く、領域(4) のポテンシャル(24″)
が正に印加されると、電流(22″)は流れやすくなる。

「効果」本発明はこれまで２端子素子であった超電導素子を４端
子素子としたことにある。そしてこの制御用電極下にこ
の電極によりポテンシャルの移る領域を２つの障壁によ
り設けたものである。特にこの障壁のトンネル電流が流
れる確率を異ならしめることにより、制御用電極の電流
に従って出力電流を増幅し、かつ制御させることが可能
となった。

このため、この超電導固体素子を同一基板に設け、集積
化させることが可能となった。

本発明における第１図(A) において製造方法として、ま
ず超電導領域(3),(5) を設ける。この後、これらにトン
ネル電流を流し得る絶縁膜を設けるとともに、合わせて
障壁(6),(7) を設ける。さらに超電導領域(4) を組合わ
せて形成する方法を行ってもよい。かかる場合は、一般
に障壁(6),(7) は逆台形になる。本発明において、超電
導領域(3),(5) を領域(4) に比べてより高いTcとすると
領域(4) は比較的絶縁性を有するため電圧を印加させや
すくすることが有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超電導固体素子の縦断面図を示す。第２図および第３図は本発明の超電導固体素子の動作原
理およびその実施例を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に設けられた超電導薄膜と、該超電
導薄膜に設けられた一対の電極と、該一対の電極間において、前記超電導薄膜内に設けられ
たトンネル電流を流しうる一対の障壁と、前記一対の障壁間において、前記超電導薄膜に絶縁膜を
介して設けられた電極と、前記一対の障壁において、それぞれの障壁の高さ又は厚
さを異ならせたことを特徴とする超電導素子。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、超電導薄
膜は原子構造において基板表面にそって層構造に配設さ
れていることを特徴とする超電導素子。