JPH0758367A - Superconducting element - Google Patents
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- JPH0758367A JPH0758367A JP5206145A JP20614593A JPH0758367A JP H0758367 A JPH0758367 A JP H0758367A JP 5206145 A JP5206145 A JP 5206145A JP 20614593 A JP20614593 A JP 20614593A JP H0758367 A JPH0758367 A JP H0758367A
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Abstract
(57)【要約】
【構成】Si半導体2上に平面波の電子波を入射するた
めの入射電極3と常伝導電極18を対向して設け、その
間に超電導電極4と5を半導体2中の電子波の進行方向
と直交するように対向させ、超電導電極4と5に囲まれ
た半導体上にゲート絶縁膜を介してゲート電極6を設け
た構造を有する。電子導波路13の幅Wをゲート電極6
に印加する電圧によって変化させ、通過する電子波のモ
ード数を連続的に変調する。
【効果】本発明によれば、高速で消費電力が小さい超電
導素子を提供することができる。さらに一つの素子の寸
法が微細である上に少数の素子で演算ができるため、高
集積化を実現することができる。
(57) [Summary] [Formation] An incident electrode 3 for injecting a plane wave electron wave and a normal conducting electrode 18 are provided on the Si semiconductor 2 so as to face each other, and superconducting conductive electrodes 4 and 5 are provided between them. It has a structure in which a gate electrode 6 is provided on a semiconductor surrounded by superconducting conductive electrodes 4 and 5 via a gate insulating film so as to face each other so as to be orthogonal to the traveling direction of waves. The width W of the electron waveguide 13 is set to the gate electrode 6
The number of modes of the passing electron wave is continuously modulated by changing the voltage applied to. According to the present invention, it is possible to provide a superconducting element which operates at high speed and consumes less power. Further, since the size of one element is minute and the operation can be performed with a small number of elements, high integration can be realized.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、機能性を有して高集積
化が可能で、高速かつ低消費電力で動作する超電導素子
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a superconducting device which has functionality and can be highly integrated, and operates at high speed and with low power consumption.
【0002】[0002]
【従来の技術】電子波の干渉を用いた代表的な量子効果
素子には、ダッタ(S.Datta)らによってフィジカル レ
ビュー レター,(Phys.Rev.Let.)55巻2344ペー
ジ(1985年)に論じられているものがある。この素子は
GaAsからなる電子導波路の間に島状のAlGaAs
を設けることにより電子導波路を二つに分岐し、それぞ
れの電子導波路を伝搬する電子波の干渉を検出するもの
である。2. Description of the Related Art A typical quantum effect device using the interference of electron waves is described in Physical Review Letter, (Phys. Rev. Let.) 55, 2344 (1985) by S. Datta et al. Some are being discussed. This device consists of island-shaped AlGaAs between electron waveguides made of GaAs.
Is provided, the electron waveguide is branched into two, and the interference of electron waves propagating through the respective electron waveguides is detected.
【0003】また超電導体を用いた量子効果素子には、
特開平1−49830号公報に開示されているものがある。こ
の素子は、図11に示したような半導体2上に電子波の
入射電極3と超電導電極1を対向して設けた構成を基本
とする。入射電極3から半導体中に拡がる電子波は超電
導電極1と半導体2の境界でアンドレエフ反射を受け、
凹面境に反射される光のように跳ね返り、もと来た経路
を戻って入射電極に収束する。これに図11に示したよ
うに、入射電極3と超電導電極1の間の半導体上にゲー
ト電極4を設けると、ゲート電圧の変化によって、ゲー
ト電極付近の半導体中のキャリア濃度が変わる。これに
より、超電導近接効果により超電導電極1から半導体2
中に浸透する超電導ペアポテンシャルの領域の大きさが
変化するため、電子波がアンドレエフ反射する位置が移
動し経路差を変えることができる。従って、電子波の重
ね合わせの結果生じる干渉を制御することができる。In addition, the quantum effect device using a superconductor is
There is one disclosed in JP-A-1-49830. This device is basically based on a structure in which an electron wave incident electrode 3 and a superconducting conductive electrode 1 are provided on a semiconductor 2 as shown in FIG. The electron wave that spreads from the incident electrode 3 into the semiconductor undergoes Andreev reflection at the boundary between the superconducting conductive electrode 1 and the semiconductor 2,
It bounces back like the light reflected on the concave boundary and returns to the original path and converges on the incident electrode. As shown in FIG. 11, when the gate electrode 4 is provided on the semiconductor between the incident electrode 3 and the superconducting electrode 1, the carrier concentration in the semiconductor near the gate electrode changes due to the change in the gate voltage. As a result, the superconducting proximity effect causes the superconducting electrode 1 to the semiconductor 2
Since the size of the region of the superconducting pair potential penetrating therethrough changes, the position where the electron wave is reflected by Andreev moves to change the path difference. Therefore, the interference resulting from the superposition of electron waves can be controlled.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】上記従来の半導体を用
いた量子効果素子では、二分された電子導波路の幅、あ
るいは長さや不純物濃度を同一に構成することができ
ず、電子導波路中の電子波の位相にばらつきが生じる問
題があった。また電子導波路の壁に対応するGaAsとA
lGaAsの境界面の粗さによる弾性散乱の影響が大き
く、干渉性を高めることが困難であった。さらに二つの
電子導波路が合流する際に電子波間の散乱が起こるため
電子波の収束方法に工夫が必要であった。In the above-mentioned conventional quantum effect device using a semiconductor, it is not possible to configure the width or length and the impurity concentration of the bisected electron waveguide to be the same, and There is a problem that the phase of the electron wave varies. Also, GaAs and A corresponding to the wall of the electron waveguide
The influence of elastic scattering due to the roughness of the 1 GaAs boundary surface was large, and it was difficult to improve the coherence. Furthermore, when the two electron waveguides merge, scattering occurs between the electron waves, so it is necessary to devise a method for converging the electron waves.
【0005】また従来の超電導体を用いた量子効果素子
の電子波は、電子波の空間的な広がりを抑制して干渉性
を高める必要があった。Further, it has been necessary to suppress the spatial spread of the electron wave in the electron wave of the quantum effect element using the conventional superconductor to enhance the coherence.
【0006】本発明の第一の目的は、電子波をコリメー
トして電子波のモード数を限定し、さらにモード数を0
からnまで連続的に変化させることができる超電導素子
を提供することにある。A first object of the present invention is to collimate an electron wave to limit the number of modes of the electron wave, and further to set the number of modes to 0.
It is to provide a superconducting element that can be continuously changed from 1 to n.
【0007】本発明の第二の目的は、電子波の干渉性を
高め、一つの素子の簡単な構成で高速,低消費電力で動
作する超電導素子を提供することにある。A second object of the present invention is to provide a superconducting device which enhances the coherence of electron waves and operates at high speed and low power consumption with a simple structure of one device.
【0008】本発明の第三の目的は、電子波の伝搬方向
を電界あるいは電流で制御し、高速,低消費電力で動作
する超電導素子を提供することにある。A third object of the present invention is to provide a superconducting element which controls the propagation direction of electron waves by an electric field or a current and operates at high speed with low power consumption.
【0009】本発明の第四の目的は、並列演算処理が可
能な高速,低消費電力で動作する乗算器を提供すること
にある。A fourth object of the present invention is to provide a multiplier capable of performing parallel arithmetic processing and operating at high speed and low power consumption.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】第一の目的は、半導体を
電子波の導体とし、前記半導体中を走行する電子波の進
行方向に平行に二つの超電導体と該半導体の境界面を備
えた電子導波路で構成することにより達成される。さら
に、二つの超電導体と半導体の境界面で囲まれた導波路
の幅は、前記半導体上に絶縁膜を介して設けられたゲー
ト電極に印加する電圧により変化させることができ、そ
の結果として電子波のモード数を0からnまで連続的に
変化させることができる。A first object of the present invention is to use a semiconductor as a conductor of an electron wave, and to provide two superconductors and a boundary surface of the semiconductor in parallel to a traveling direction of the electron wave traveling in the semiconductor. This is achieved by constructing an electronic waveguide. Further, the width of the waveguide surrounded by the interface between the two superconductors and the semiconductor can be changed by the voltage applied to the gate electrode provided on the semiconductor via the insulating film, and as a result, the electron The number of wave modes can be continuously changed from 0 to n.
【0011】第二の目的は、半導体からなる導体中に島
状の超電導体を設けることにより半導体中を走行する電
子波の電子導波路を二つに分岐する構造を備え、それぞ
れの該電子導波路は超電導電極と半導体の二つの境界で
構成されおり、それぞれの電子導波路を伝搬する電子波
の間に位相差を与えるための手段と二つの該電子導波路
を合流する機能を持つ超電導素子により達成される。A second object is to provide an island-shaped superconductor in a conductor made of a semiconductor so as to divide an electron waveguide of an electron wave traveling in the semiconductor into two, and to provide each of the electron conductors. The waveguide is composed of two boundaries of a superconducting conductive electrode and a semiconductor, and a superconducting element having a function for giving a phase difference between electron waves propagating in respective electron waveguides and a function of joining the two electron waveguides. Achieved by
【0012】第三の目的は、半導体上に前記半導体中へ
電子波を供給する超電導体または常伝導体からなる複数
の入射電極と複数の超電導電極を対向して設け、前記入
射電極と超電導電極の間に電子波の進行方向に直角に複
数の超電導体と半導体を交互に周期的に配置した超格子
からなる周期的にポテンシャルが変化する回折格子を備
え、前記回折格子に印加する電圧で電子波の進行方向を
変調することにより容易に達成される。A third object is to provide a plurality of superconducting electrodes or superconducting electrodes for supplying electron waves into the semiconductor with a plurality of incident electrodes facing each other and a plurality of superconducting electrodes so as to face each other. A diffraction grating having a periodically changing potential, which is composed of a superlattice in which a plurality of superconductors and semiconductors are alternately and periodically arranged at right angles to the traveling direction of the electron wave, and the electrons are applied by a voltage applied to the diffraction grating. It is easily achieved by modulating the direction of wave travel.
【0013】第四の目的は、半導体上に前記該半導体中
へ電子波を供給する複数の入射電極と超電導電極を対向
して設け、入射電極と超電導電極間の半導体上に前記半
導体中の電子波の位相を制御する手段を一つの入射電極
に対して複数個含んでおり、入射電極から入射した電子
波の電子導波路を超電導電極で囲むことにより容易に達
成される。A fourth object is to provide a plurality of incident electrodes for supplying electron waves into the semiconductor and a superconducting conductive electrode so as to face each other on the semiconductor, and to arrange the electrons in the semiconductor on the semiconductor between the incident electrode and the superconducting electrode. This is easily achieved by including a plurality of means for controlling the phase of the wave for one incident electrode, and surrounding the electron waveguide of the electron wave incident from the incident electrode with a superconducting conductive electrode.
【0014】[0014]
【作用】超電導体と半導体の境界面では、超電導近接効
果とアンドレエフ反射と呼ばれる特殊な量子現象が生じ
るため、半導体中の電子波は境界面の粗さに起因する弾
性散乱を受けにくい。これは半導体と超電導体の実効的
な境界面が超電導近接効果によって決定されるからであ
る。The superconducting proximity effect and a special quantum phenomenon called Andreev reflection occur at the interface between the superconductor and the semiconductor, so that the electron waves in the semiconductor are less susceptible to elastic scattering due to the roughness of the interface. This is because the effective boundary surface between the semiconductor and the superconductor is determined by the superconducting proximity effect.
【0015】図12に示した超電導体と半導体の境界近
傍のエネルギダイアグラムを用いて、超電導近接効果と
アンドレエフ反射を説明する。超電導体と半導体を接触
させた場合、超電導体側から半導体側へ超電導電子対が
浸透し、逆に半導体から超電導体側へ準粒子が浸透す
る。この結果、超電導体内では電子対密度が低下し、半
導体側では電子対が存在するようになる。これが超電導
近接効果である。図中では、超電導性の空間変化をペア
ポテンシャル△で表わしている。ペアポテンシャルは超
電導電子対の確率振幅と電子間の相互作用ポテンシャル
の積であり、いわば超電導性の指標である。ペアポテン
シャルの半導体中へのしみ出しの範囲は、半導体中のコ
ヒーレンス長に対応し、この長さは半導体中のキャリア
濃度の3分の1乗に比例して変化する。The superconducting proximity effect and Andreev reflection will be described with reference to the energy diagram near the boundary between the superconductor and the semiconductor shown in FIG. When the superconductor and the semiconductor are brought into contact with each other, the superconductor pair penetrates from the superconductor side to the semiconductor side, and quasi-particles permeate from the semiconductor to the superconductor side. As a result, the electron pair density is reduced in the superconductor, and the electron pairs are present on the semiconductor side. This is the superconducting proximity effect. In the figure, the spatial change in superconductivity is represented by the pair potential Δ. The pair potential is the product of the probability amplitude of the superconducting pair of electrons and the interaction potential between the electrons, and is, so to speak, an index of superconductivity. The range of exudation of the pair potential into the semiconductor corresponds to the coherence length in the semiconductor, and this length changes in proportion to the third power of the carrier concentration in the semiconductor.
【0016】また境界では、半導体中の電子が超電導電
子対へ変換する過程に生じるアンドレエフ反射が起る。
この反射については、1964年にソビエト フィジッ
クスジェーイーテイーピー(Sov.Phys.JETP)19巻,1
228ページに記載されている。アンドレエフ反射は量
子力学的には位相共役反射である。フェルミ準位に対応
するエネルギを基準とした半導体側から超電導体へ入射
する電子の励起エネルギが超電導体のペアポテンシャル
よりも小さい場合には、超電導体中に励起エネルギに対
応する状態が無いため、一つの電子では境界から超電導
体中に入ることができない。しかし入射電子が、逆向き
の運動量とスピンを有する別の電子とボーズ凝縮すれ
ば、超電導電子対として超電導体中に入っていくことが
できる。これに伴って、入射電子とは逆向きの運動量を
持った正孔が、入射電子と同じ経路を通って半導体中を
戻ってくる。At the boundary, Andreyev reflection occurs in the process of conversion of electrons in the semiconductor into superconducting electron pairs.
Regarding this reflection, Soviet Physics J.T.P. (Vol. 19), 1964
It is described on page 228. The Andreev reflection is a phase conjugate reflection in quantum mechanics. If the excitation energy of the electrons entering the superconductor from the semiconductor side based on the energy corresponding to the Fermi level is smaller than the pair potential of the superconductor, there is no state corresponding to the excitation energy in the superconductor, No single electron can enter the superconductor from the boundary. However, if an incident electron condenses with another electron having opposite momentum and spin by Bose condensation, it can enter the superconductor as a superconductor pair. Along with this, holes having a momentum in the opposite direction to the incident electrons return in the semiconductor along the same path as the incident electrons.
【0017】図13に本発明の作用を表す電子導波路の
構成を示す。図13において、1と5は超電導電極、2
は半導体、3は入射電極である。電子導波路13の導体
は半導体2からなり、導波路の壁は超電導電極1、5と
半導体2の境界面で構成されている。超電導電極のギャ
ップエネルギより低いエネルギを有する電子波が入射電
極3から半導体2中にある入射角で入射されると、超電
導電極1と半導体2の境界面、超電導電極5と半導体2
の境界面でアンドレエフ反射を受けて入射電極3に戻
る。すなわち、超電導電極1あるいは5に衝突しない電
子のみが、電子導波路中を通過することができる。従っ
て電子波のモード数が限定され、空間的な拡がりが少な
いコリメートした電子波をとりだすことができる。FIG. 13 shows the structure of an electron waveguide showing the operation of the present invention. In FIG. 13, 1 and 5 are superconducting electrodes, 2
Is a semiconductor and 3 is an incident electrode. The conductor of the electron waveguide 13 is composed of the semiconductor 2, and the wall of the waveguide is constituted by the boundary surface between the superconducting conductive electrodes 1 and 5 and the semiconductor 2. When an electron wave having energy lower than the gap energy of the superconducting electrode is incident from the incident electrode 3 at an incident angle in the semiconductor 2, the boundary surface between the superconducting electrode 1 and the semiconductor 2, the superconducting electrode 5 and the semiconductor 2 will be described.
Then, it receives Andreev reflection at the boundary surface of and returns to the incident electrode 3. That is, only the electrons that do not collide with the superconducting electrode 1 or 5 can pass through the electron waveguide. Therefore, the number of modes of the electron wave is limited, and a collimated electron wave having a small spatial spread can be taken out.
【0018】さらに、電子波がその波長と同程度の幅の
電子導波路13を通過する場合に、その導波路のコンダ
クタンスは量子化され、e2/πhの整数倍をとる。これ
は量子コンダクタンスに対応する。すなわち、電子導波
路13の幅の増大とともに、通過できる電子のモード数
が増加する。図13の電子導波路では、超電導近接効果
により超電導電極1と5それぞれから半導体2側にペア
ポテンシャルがしみだす。電界を印加することにより半
導体中のキャリア濃度を変化させると、半導体中のコヒ
ーレンス長は半導体中のキャリア濃度の3分の1乗に比
例して変化するので、実効的な電子導波路の幅が変化す
る。このため電界印加により量子細線を実現することが
でき、さらには電子のモード数を制御することができ
る。この時の電子導波路13のコンダクタンスは階段状
に変化し、そのステップの大きさは量子コンダクタンス
の最小単位である。Further, when the electron wave passes through the electron waveguide 13 having a width approximately equal to its wavelength, the conductance of the waveguide is quantized and takes an integral multiple of e 2 / π h . This corresponds to the quantum conductance. That is, as the width of the electron waveguide 13 increases, the number of modes of electrons that can pass increases. In the electron waveguide of FIG. 13, due to the superconducting proximity effect, the pair potential leaks from the superconducting conductive electrodes 1 and 5 to the semiconductor 2 side. When the carrier concentration in the semiconductor is changed by applying an electric field, the coherence length in the semiconductor changes in proportion to the third power of the carrier concentration in the semiconductor, so that the effective width of the electron waveguide is Change. Therefore, a quantum wire can be realized by applying an electric field, and the number of electron modes can be controlled. At this time, the conductance of the electron waveguide 13 changes stepwise, and the size of the step is the minimum unit of quantum conductance.
【0019】電子導波路を二つ用いることにより、電子
波の干渉を生じさせることができる。この場合電子波が
コリメートされており、超電導体半導体の境界面におけ
る粗さによる弾性散乱も抑制されるため、電子波の干渉
性を高めることができる。By using two electron waveguides, it is possible to cause interference of electron waves. In this case, the electron waves are collimated, and elastic scattering due to roughness at the boundary surface of the superconductor semiconductor is also suppressed, so that the coherence of the electron waves can be enhanced.
【0020】一方、図14に示したように超電導体と半
導体を交互に配置して超格子を構成すると、超格子に対
して平行方向に進行する電子波が回折する。これは電子
波の進行方向に直交した方向のペアポテンシャルが周期
的に変化するからである。ペアポテンシャルの変調度P
は、各超電導体と半導体中のペアポテンシャルの高さの
変化と格子のピッチ(図14中のCとDで示した幅)で
決定される。この変調度Pにより電子波の回折率が変化
する。ポテンシャルの変調度Pと最大回折率の関係を図
15に示す。この回折現象を電界により制御することに
より、超電導素子を実現することができる。ポテンシャ
ルの変調度Pは上記した超電導近接効果により変化させ
ることができる。すなわち、超電導体で挾まれた半導体
中のペアポテンシャルの大きさを半導体中のキャリア濃
度を変化させることにより変えることができる。従っ
て、電界によって回折率を変調する素子を実現すること
ができる。On the other hand, when superconductors and semiconductors are alternately arranged as shown in FIG. 14 to form a superlattice, electron waves traveling in a direction parallel to the superlattice are diffracted. This is because the pair potential in the direction orthogonal to the traveling direction of the electron wave changes periodically. Degree of modulation of pair potential P
Is determined by the change in height of the pair potential in each superconductor and the semiconductor and the pitch of the lattice (width shown by C and D in FIG. 14). The modulation factor P changes the diffraction rate of the electron wave. FIG. 15 shows the relationship between the potential modulation degree P and the maximum diffraction index. A superconducting element can be realized by controlling this diffraction phenomenon with an electric field. The modulation degree P of the potential can be changed by the above-mentioned superconducting proximity effect. That is, the magnitude of the pair potential in the semiconductor sandwiched by the superconductor can be changed by changing the carrier concentration in the semiconductor. Therefore, it is possible to realize an element that modulates the diffraction index by the electric field.
【0021】並列処理が行える乗算器は、複数の入力信
号を入力するための複数の入射電極と、それぞれの入力
信号に対応して2回の重み付けWaiとWbiを行うゲート
電極から構成されている。それぞれの入力信号に乗算
は、超電導電極と半導体の境界面で囲まれた電子導波路
内で行われるため、並列処理が可能となる。さらに超電
導トランジスタを結合させることにより、これをしきい
部として用い、予め定められたしきい値と比較して、比
較結果をもとに出力信号を電圧として出力することがで
きる。またしきい値特性は微分可能であるため、ニュー
ロン素子の学習法として使われるバックプロパゲーショ
ン法が使用でき、この結果として重みを制御することが
可能となる。さらにしきい値を外部からの電圧で簡単に
変化させることができる。The multiplier capable of parallel processing is composed of a plurality of incident electrodes for inputting a plurality of input signals, and a gate electrode for performing weighting W ai and W bi twice corresponding to each input signal. ing. Since the multiplication of each input signal is performed in the electron waveguide surrounded by the boundary surface between the superconducting conductive electrode and the semiconductor, parallel processing is possible. Further, by connecting a superconducting transistor, this can be used as a threshold portion, compared with a predetermined threshold value, and an output signal can be output as a voltage based on the comparison result. Further, since the threshold characteristic is differentiable, the backpropagation method used as a learning method of the neuron element can be used, and as a result, the weight can be controlled. Further, the threshold value can be easily changed by an external voltage.
【0022】以上に示した超電導素子は超電導電極のギ
ャップエネルギに対応した数ミリボルトの電圧で動作す
るため、低消費電力化を図ることができる。また、電子
波の干渉の制御を用いた素子であるため、高速動作が可
能となる。さらに従来の素子ではできなかった回路やシ
ステムの機能を、1素子の簡単な構成で実現することが
できる。Since the superconducting element shown above operates at a voltage of several millivolts corresponding to the gap energy of the superconducting electrode, the power consumption can be reduced. Further, since the device uses the control of interference of electron waves, high speed operation is possible. Furthermore, it is possible to realize the functions of the circuit and the system, which cannot be performed by the conventional element, with a simple configuration of one element.
【0023】以上示した反射現象を効率良く制御するた
めには、入射電極に工夫を要する。電子波入射時のキャ
リアの散乱を抑えるために、半導体上に半径が半導体中
のキャリアの平均自由行程の10倍以下の微小な接合を
介して入射電極3を設ける必要がある。また半導体中を
電子波が走行する距離は、半導体中のキャリアの平均自
由行程の10倍以下に選択されるのが望ましい。従っ
て、超電導素子は微細な寸法で構成されるため、高集積
化を図ることができる。In order to efficiently control the above-mentioned reflection phenomenon, the incident electrode must be devised. In order to suppress carrier scattering when an electron wave is incident, it is necessary to provide the incident electrode 3 on the semiconductor via a minute junction having a radius of 10 times or less than the mean free path of carriers in the semiconductor. The distance traveled by the electron wave in the semiconductor is preferably selected to be 10 times or less the average free path of carriers in the semiconductor. Therefore, since the superconducting element has a fine size, it can be highly integrated.
【0024】超電導材料は高温でも動作させるために、
高い超電導転移温度を有する酸化物超電導材料であるこ
とが望ましい。n型の導電性を有する超電導材料、(N
d,Ce)2CuO4なる組成の超電導体を用いるとよい
が、これに加え、上記組成のNdの部分をPr,Pm,
Sm,Eu,Gd,Erの群より選ばれた少なくとも一
つの元素によって置き換えたもの、あるいはCeの部分
をTh,Tl,Pb,Biの群より選ばれた少なくとも
一つの元素によって置き換えたものであってもよい。p
型の導電性を有する超電導材料であるY系の酸化物超電
導体を用いるとよいが、これに換えてLa系の酸化物超
電導体,Bi系の酸化物超電導体,Tl系の酸化物超電
導体を用いても本発明の目的を達成することができる。In order to operate the superconducting material even at high temperature,
It is desirable that the oxide superconducting material has a high superconducting transition temperature. Superconducting material having n-type conductivity, (N
It is preferable to use a superconductor having a composition of d, Ce) 2 CuO 4, but in addition to this, the Nd portion of the above composition is replaced with Pr, Pm,
It is replaced by at least one element selected from the group of Sm, Eu, Gd and Er, or the part of Ce is replaced by at least one element selected from the group of Th, Tl, Pb and Bi. May be. p
It is preferable to use a Y-based oxide superconductor which is a superconducting material having type conductivity, but in place of this, a La-based oxide superconductor, a Bi-based oxide superconductor, and a Tl-based oxide superconductor are used. Can be used to achieve the object of the present invention.
【0025】また金属系の超電導材料、具体的にはN
b,Pb、あるいはPb合金,Nb金属化合物を用いて
も良い。Further, a metallic superconducting material, specifically N
b, Pb, Pb alloy, or Nb metal compound may be used.
【0026】半導体の材料としてはSiを用いるとよい
が、これに換えてGe,GaAs,InSb,InA
s,InPを用いても本発明の目的を達成することがで
きる。また、酸化物超電導体と組成比が異なるが類似の
結晶構造から成り半導体的な性質を有する材料を用いて
も同様の効果を得ることができる。Si is preferably used as the material of the semiconductor, but instead of this, Ge, GaAs, InSb, InA
The object of the present invention can also be achieved by using s, InP. Further, the same effect can be obtained by using a material having a semiconducting property, which is different in composition ratio from the oxide superconductor but has a similar crystal structure.
【0027】[0027]
【実施例】図1は、本発明の第一の実施例である超電導
素子の平面構造を表す。この素子は、Si半導体2上に
平面波の電子波を入射するためのNbからなる入射電極
3と常伝導電極18を対向して設け、その間に超電導電
極4と5を半導体2中の電子波の進行方向と直交するよ
うに対向させて設け、超電導電極4と5に囲まれた半導
体上にゲート絶縁膜を介して多結晶Siからなるゲート
電極6を設けた構造を有する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows a planar structure of a superconducting element which is a first embodiment of the present invention. In this element, an incident electrode 3 made of Nb for injecting a plane wave electron wave and a normal conduction electrode 18 are provided on the Si semiconductor 2 so as to face each other, and superconducting conductive electrodes 4 and 5 are provided between them. It has a structure in which a gate electrode 6 made of polycrystalline Si is provided on the semiconductor surrounded by the superconducting conductive electrodes 4 and 5 via a gate insulating film so as to face each other so as to be orthogonal to the traveling direction.
【0028】入射電極3と常伝導電極18の間の距離は
半導体2の平均自由行程より短い。このため電子導波路
はバリステック伝導状態になっている。超電導電極4と
半導体2の境界面と超電導電極5と半導体2の境界面で
囲まれた半導体2の領域は幅Wの電子導波路13を構成
している。超電導電極のギャップエネルギ以下のエネル
ギで入射電極3から半導体2中に一定の入射角で入射さ
れた電子波は、超電導電極4あるいは5と半導体2の境
界面でアンドレエフ反射を受けて入射電極3に戻る。す
なわち、超電導電極4あるいは5に衝突しない電子のみ
が、電子導波路中を通過することができる。従って電子
波の空間的な拡がりが少ないコリメートした電子波が常
伝導電極18に向かって進行する。このため電子波の位
相の空間的な分布を抑制することができる。また超電導
電極4あるいは5と半導体2の境界面では超電導近接効
果により実効的な境界面が平坦化される。これにより、
半導体中の電子波は界面の粗さなどの弾性散乱を受けに
くい。The distance between the incident electrode 3 and the normal conducting electrode 18 is shorter than the mean free path of the semiconductor 2. Therefore, the electron waveguide is in the ballistic conduction state. The region of the semiconductor 2 surrounded by the boundary surface between the superconducting conductive electrode 4 and the semiconductor 2 and the boundary surface between the superconducting conductive electrode 5 and the semiconductor 2 constitutes an electron waveguide 13 having a width W. An electron wave that is incident on the semiconductor 2 at a constant incident angle from the incident electrode 3 with energy equal to or lower than the gap energy of the superconducting electrode is subjected to Andreev reflection at the boundary surface between the superconducting electrode 4 or 5 and the semiconductor 2, and the incident electrode 3 Return to. That is, only the electrons that do not collide with the superconducting conductive electrode 4 or 5 can pass through the electron waveguide. Therefore, the collimated electron wave having a small spatial spread of the electron wave advances toward the normal conduction electrode 18. Therefore, the spatial distribution of the phase of the electron wave can be suppressed. Further, at the boundary surface between the superconducting conductive electrode 4 or 5 and the semiconductor 2, the effective boundary surface is flattened by the superconducting proximity effect. This allows
Electron waves in semiconductors are less susceptible to elastic scattering such as interface roughness.
【0029】さらに、電子導波路13の幅Wをゲート電
極6に印加する電圧によって変化させることができる。
超電導近接効果により超電導電極4と5それぞれから半
導体2側の電子導波路13中にペアポテンシャルがしみ
だす。ゲート電極6に印加する電圧を増大させ電子導波
路13中キャリア濃度が増加すると、半導体中のコヒー
レンス長Lが増大する。これにより実効的な電子導波路
の幅Wが(W−2L)に変化する。一方、電子導波路の
幅Wが半導体2中の電子波の波長と同程度になると、そ
の導波路のコンダクタンスは量子化される。Si半導体
の場合Wは約0.1μm 以下になると量子化され、電子
導波路の幅の減少とともに通過できる電子のモード数が
減少する。Further, the width W of the electron waveguide 13 can be changed by the voltage applied to the gate electrode 6.
Due to the superconducting proximity effect, a pair potential leaks out from the superconducting electrodes 4 and 5 into the electron waveguide 13 on the semiconductor 2 side. When the voltage applied to the gate electrode 6 is increased and the carrier concentration in the electron waveguide 13 is increased, the coherence length L in the semiconductor is increased. As a result, the effective width W of the electron waveguide changes to (W-2L). On the other hand, when the width W of the electron waveguide becomes about the same as the wavelength of the electron wave in the semiconductor 2, the conductance of the waveguide is quantized. In the case of a Si semiconductor, W is quantized when it becomes about 0.1 μm or less, and the number of modes of electrons that can pass decreases as the width of the electron waveguide decreases.
【0030】図2にゲート電圧に対する電子導波路13
のコンダクタンスの変化を示す。半導体中のコヒーレン
ス長Lはゲート電圧によって変化するため、電子波のモ
ード数を0からnまで連続的に変化させることができ
る。すなわちコンダクタンスは階段状に変化し、そのス
テップの大きさは量子コンダクタンスの最小単位とな
る。FIG. 2 shows the electron waveguide 13 with respect to the gate voltage.
Shows the change in conductance of. Since the coherence length L in the semiconductor changes depending on the gate voltage, the mode number of the electron wave can be continuously changed from 0 to n. That is, the conductance changes stepwise, and the size of the step is the minimum unit of quantum conductance.
【0031】図3に入射電極3と常伝導電極18の間の
電流電圧特性を示す。入射電極3から半導体2中へ入射
した電子波は電子導波路13を通過し、超電導電極4ま
たは5に衝突しない電子波のみが常伝導電極18に到達
する。入射電極2と常伝導電極18の間には電流が流れ
るが、ゲート電圧が増大すると電子導波路13を通過す
る電子波のモード数が変化するので、電極間に流れる電
流もゲート電圧により段階的に変化する。なおこの現象
を用いると、アナログ信号をデジタル信号に変換するア
ナログ/デジタル変換器を実現することもできる。FIG. 3 shows current-voltage characteristics between the incident electrode 3 and the normal conducting electrode 18. The electron wave that has entered the semiconductor 2 from the incident electrode 3 passes through the electron waveguide 13, and only the electron wave that does not collide with the superconducting conductive electrode 4 or 5 reaches the normal conducting electrode 18. A current flows between the incident electrode 2 and the normal conduction electrode 18, but when the gate voltage increases, the number of modes of the electron wave passing through the electron waveguide 13 changes, so that the current flowing between the electrodes also varies stepwise depending on the gate voltage. Changes to. By using this phenomenon, it is possible to realize an analog / digital converter that converts an analog signal into a digital signal.
【0032】本実施例によれば、小さいゲート電圧の変
化で素子電流を大きく変化させることができ、量子化さ
れた最小単位のコンダクタンスの変化を用いるため、低
消費電力の超電導素子を実現することができる。さらに
一つの素子の寸法が微細であるため、高集積化を図るこ
とができる。According to the present embodiment, the device current can be greatly changed by a small change of the gate voltage, and the quantized change of the conductance in the minimum unit is used. Therefore, a superconducting device with low power consumption can be realized. You can Further, since the size of one element is minute, high integration can be achieved.
【0033】図4は、本発明の第二の実施例である超電
導素子の断面構造を表す。この素子は、Si半導体2上
に平面波の電子波を入射するための常伝導体あるいは超
電導体からなる入射電極3と出力電極15の間に、多結
晶Siからなる膜厚100nmのゲート電極17,熱酸
化Si膜からなる膜厚10nmのゲート絶縁膜16,N
bからなる膜厚100nmの超電導電極12,Si半導
体からなる膜厚70nmの電子導波路14,島状に形成
した膜厚50nmのNbからなる超電導電極11,Si
半導体からなる膜厚70nmの電子導波路13,Nbか
らなる膜厚100nmの超電導電極10を順に積層した
構造を有する。これは超電導体と半導体の境界面で囲ま
れた二つの電子導波路の干渉現象を利用した素子であ
る。FIG. 4 shows a sectional structure of a superconducting element which is a second embodiment of the present invention. In this device, a gate electrode 17 made of polycrystalline Si and having a film thickness of 100 nm is provided between an output electrode 15 and an incident electrode 3 made of a normal conductor or a superconductor for injecting a plane wave electron wave onto a Si semiconductor 2. Gate insulating film 16, N made of a thermally oxidized Si film and having a thickness of 10 nm
b, a superconducting electrode 12 having a thickness of 100 nm, an electron waveguide 14 made of a Si semiconductor and having a thickness of 70 nm, an island-shaped superconducting electrode 11 made of Nb having a thickness of 50 nm, and Si.
It has a structure in which an electron waveguide 13 made of a semiconductor and having a thickness of 70 nm and a superconducting conductive electrode 10 made of Nb and having a thickness of 100 nm are sequentially stacked. This is an element that utilizes the interference phenomenon of two electron waveguides surrounded by a boundary surface between a superconductor and a semiconductor.
【0034】超電導電極のギャップエネルギ以下のエネ
ルギで入射電極3から半導体中に一定の入射角で入射さ
れた電子波は、島状に形成された超電導電極11により
二つの電子導波路13と14に分岐される。それぞれの
電子導波路中を進行する電子波は超電導電極で囲まれて
いるため、超電導電極10,11,12の壁に衝突しな
い電子のみが、電子導波路中を通過することができる。
また、超電導電極と半導体の境界面では、界面の粗さな
どによる弾性散乱を受けにくい。従って電子波の空間的
な拡がりが少ないコリメートした電子波が出力電極15
に向かって進行する。このため電子波の位相の空間的な
分布を抑制することができる。分岐した電子波は再び合
流され出力電極15に収束される。ここでゲート電極1
7に電圧を印加することにより、電子導波路13と14
の電子波間の静電ポテンシャルが変化し、位相差が生じ
る。従ってゲート電圧により電子波の干渉が制御され
る。An electron wave incident on the semiconductor from the incident electrode 3 at a constant incident angle with an energy equal to or less than the gap energy of the superconducting electrode is directed to the two electron waveguides 13 and 14 by the island-shaped superconducting electrode 11. Branched. Since the electron waves propagating in the respective electron waveguides are surrounded by the superconducting conductive electrodes, only electrons that do not collide with the walls of the superconducting conductive electrodes 10, 11, 12 can pass through the electron waveguides.
Further, at the boundary surface between the superconducting electrode and the semiconductor, elastic scattering due to the roughness of the interface is less likely to occur. Therefore, a collimated electron wave with little spatial spread of the electron wave is output electrode 15
Proceed toward. Therefore, the spatial distribution of the phase of the electron wave can be suppressed. The branched electron waves are merged again and converged on the output electrode 15. Where the gate electrode 1
By applying a voltage to 7, the electron waveguides 13 and 14
The electrostatic potential between these electron waves changes, and a phase difference occurs. Therefore, the interference of electron waves is controlled by the gate voltage.
【0035】図5に入射電極3と出力電極15間の電流
電圧特性を示す。干渉のため電圧に対して電流は周期的
に変化する。さらにゲート電圧を変化させるとこの電流
のピーク位置が変化する。すなわち電流が異なった制御
条件で同一の値を示し、これを2値以上の多値の論理に
対応させ動作することができる。FIG. 5 shows current-voltage characteristics between the incident electrode 3 and the output electrode 15. Due to interference, the current changes periodically with respect to the voltage. When the gate voltage is further changed, the peak position of this current changes. That is, the currents show the same value under different control conditions, and this can be made to correspond to multivalued logic of two or more values to operate.
【0036】本実施例によれば、小さいゲート電圧の変
化で素子電流を大きく変化させることができるため、低
消費電力で高速の超電導素子を実現することができる。
また電子波がコリメートされているため、干渉効果を強
めることができる。さらに一つの素子の寸法が微細であ
るため、高集積化を図ることができる。According to this embodiment, the device current can be largely changed by a small change in the gate voltage, so that a superconducting device with low power consumption and high speed can be realized.
Moreover, since the electron waves are collimated, the interference effect can be enhanced. Further, since the size of one element is minute, high integration can be achieved.
【0037】図6は、本発明の第三の実施例である超電
導素子の平面構造を表す。この素子は、第二の実施例で
示した素子と同様の特性及び効果を有するが、半導体2
に対して平面的に二つの電子導波路13と14が構成さ
れている。Si半導体2上に平面波の電子波を入射する
ためのNbからなる入射電極3と超電導電極1を対向さ
せ、その電極間に3つのNbからなる超電導電極10,
11,12を0.1μmの距離をおいて設けることによ
り、超電導電極10と11で囲まれた半導体の電子導波
路13と、超電導電極11と12で囲まれた半導体の電
子導波路14を形成している。さらに一方の電子導波路
14上にゲート絶縁膜を介してゲート電極6を設けるこ
とにより、電子導波路14中のキャリア濃度を変化させ
ることができる。FIG. 6 shows a planar structure of a superconducting element which is a third embodiment of the present invention. This device has the same characteristics and effects as the device shown in the second embodiment, but the semiconductor 2
On the other hand, two electron waveguides 13 and 14 are formed in a plane. An incident electrode 3 made of Nb for injecting a plane wave electron wave on the Si semiconductor 2 and a superconducting conductive electrode 1 are opposed to each other, and a superconducting conductive electrode 10 made of three Nb is interposed between the electrodes.
By providing 11 and 12 with a distance of 0.1 μm, a semiconductor electron waveguide 13 surrounded by superconducting electrodes 10 and 11 and a semiconductor electron waveguide 14 surrounded by superconducting electrodes 11 and 12 are formed. is doing. Further, by providing the gate electrode 6 on one electron waveguide 14 via the gate insulating film, the carrier concentration in the electron waveguide 14 can be changed.
【0038】超電導電極ギャップエネルギ以下のエネル
ギで入射電極3から半導体中に一定の入射角で入射され
た電子波は、超電導電極11により二つの電子導波路1
3,14に分岐される。それぞれの電子導波路中を進行
する電子波は超電導電極で囲まれているため、超電導電
極10,11,12の壁に衝突しない電子のみが、電子
導波路中を通過することができる。また、超電導電極と
半導体の境界面では、半導体中の電子波は界面の粗さな
どの弾性散乱を受けにくい。従って電子波の空間的な拡
がりが少ないコリメートした電子波が超電導電極1に向
って進行する。超電導電極1と半導体2の境界面ではア
ンドレエフ反射が生じて、電子波入射電極3に収束され
る。ここでゲート電極6に電圧を印加すると、電子導波
路14中のキャリア濃度の変化により電子波の波長を変
調し、電子導波路13と14の電子波間に位相差が生じ
る。従ってゲート電圧により電子波の干渉が制御され
る。干渉現象の結果、電圧に対して電流は周期的に変化
する。さらにゲート電圧を変化させるとこの電流のピー
ク位置が変化する。すなわち電流が異なった制御条件で
同一の値を示し、これを2値以上の多値の論理に対応さ
せ動作することができる。An electron wave incident on the semiconductor from the incident electrode 3 at a constant incident angle with an energy equal to or less than the gap energy of the superconducting pole is supplied by the superconducting pole 11 to the two electron waveguides 1.
It is branched to 3,14. Since the electron waves propagating in the respective electron waveguides are surrounded by the superconducting conductive electrodes, only electrons that do not collide with the walls of the superconducting conductive electrodes 10, 11, 12 can pass through the electron waveguides. Further, at the boundary surface between the superconducting conductive electrode and the semiconductor, the electron wave in the semiconductor is less susceptible to elastic scattering such as the roughness of the interface. Therefore, a collimated electron wave with a small spatial spread of the electron wave travels toward the superconducting electrode 1. At the interface between the superconducting electrode 1 and the semiconductor 2, Andreev reflection occurs, and it is focused on the electron wave incident electrode 3. Here, when a voltage is applied to the gate electrode 6, the wavelength of the electron wave is modulated by the change of the carrier concentration in the electron waveguide 14, and a phase difference is generated between the electron waves of the electron waveguides 13 and 14. Therefore, the interference of electron waves is controlled by the gate voltage. As a result of the interference phenomenon, the current changes periodically with respect to the voltage. When the gate voltage is further changed, the peak position of this current changes. That is, the currents show the same value under different control conditions, and this can be made to correspond to multivalued logic of two or more values to operate.
【0039】本実施例によれば、小さいゲート電圧の変
化で素子電流を大きく変化させることができるため、低
消費電力で高速の超電導素子を実現することができる。
また電子波がコリメートされているため、干渉効果を強
めることができる。さらに一つの素子の寸法が微細であ
るため、高集積化を図ることができる。According to this embodiment, the device current can be largely changed by a small change in the gate voltage, so that a superconducting device with low power consumption and high speed can be realized.
Moreover, since the electron waves are collimated, the interference effect can be enhanced. Further, since the size of one element is minute, high integration can be achieved.
【0040】図7は、本発明の第四の実施例である超電
導素子の平面構造を表す。この素子は、Si半導体2上
に平面波の電子波を入射するための入射電極3,電子波
の伝搬方向を制御するNb/Si/Nb/Si/Nb…
…の組合せからなる回折格子の横超格子29,2群のN
bからなる超電導電極21と23,超電導電極22から
構成されている。超格子29の下にはゲート絶縁膜を介
してゲート電極17が設けられている。入射電極から超
格子29までの距離は電子波の位相コヒーレンス長以下
であり、電子波の進行方向と直交する方向に超格子29
の周期的なポテンシャルが変化する。この超格子29は
人為的に配置した散乱源であり、ポテンシャルはNbの
ペアポテンシャル△Nbと超電導近接効果によりNbか
らSi中にしみだしたペアポテンシャル△Siからなる
周期的なポテンシャル構造を空間的に形成しており、入
射電子波に対して回折格子の役割をする。FIG. 7 shows a planar structure of a superconducting element which is the fourth embodiment of the present invention. This device includes an incident electrode 3 for injecting a plane wave electron wave onto a Si semiconductor 2, an Nb / Si / Nb / Si / Nb ...
The lateral superlattice 29, 2 of the diffraction grating consisting of the combination of ...
It is composed of superconducting electrodes 21 and 23 and a superconducting electrode 22. Below the superlattice 29, the gate electrode 17 is provided via a gate insulating film. The distance from the incident electrode to the superlattice 29 is equal to or less than the phase coherence length of the electron wave, and the superlattice 29 is in the direction orthogonal to the traveling direction of the electron wave.
The periodic potential of changes. The superlattice 29 is an artificially arranged scattering source, and the potential is spatially a periodic potential structure consisting of a pair potential ΔNb of Nb and a pair potential ΔSi exuded from Nb into Si by the superconducting proximity effect. It is formed and acts as a diffraction grating for incident electron waves.
【0041】半導体2中の電子波が超格子29を通過す
ると回折により伝搬方向は45度偏向される。偏向効率
は最大回折効率に対応し、図15にその変化を示してい
る。偏向効率は超格子29のポテンシャルの変調度Pに
より変化する。ポテンシャルの変調度Pは各超電導体と
半導体中のペアポテンシャルの高さ変化と格子のピッチ
で決定される。このポテンシャルの変調度Pは、ゲート
電極17に印加する電圧により変化させることができ
る。これは超電導体で挾まれた半導体中に超電導近接効
果で誘起されたペアポテンシャルの大きさは、ゲート電
圧で半導体中のキャリア濃度を変化させることにより変
えることができるからである。従って、ポテンシャルの
変調度Pがゲート電圧によって変化し、偏向率を変調す
ることができる。When the electron wave in the semiconductor 2 passes through the superlattice 29, the propagation direction is deflected by 45 degrees due to diffraction. The deflection efficiency corresponds to the maximum diffraction efficiency, and its change is shown in FIG. The deflection efficiency changes depending on the modulation degree P of the potential of the superlattice 29. The modulation degree P of the potential is determined by the height change of the pair potential in each superconductor and the semiconductor and the pitch of the lattice. The modulation degree P of this potential can be changed by the voltage applied to the gate electrode 17. This is because the magnitude of the pair potential induced by the superconducting proximity effect in the semiconductor sandwiched by the superconductors can be changed by changing the carrier concentration in the semiconductor with the gate voltage. Therefore, the modulation degree P of the potential changes with the gate voltage, and the deflection rate can be modulated.
【0042】例えばゲート電圧が0.05V の変化で回
折効率は10%から80%まで変化する。そこで回折電
子と非回折電子とを弁別して集めるように2群の超電導
電極21と23,超電導電極22を空間的に配置する。
これにより、超電導電極21と23、あるいは超電導電
極22と入射電極3間に流れる電流は、ゲート電圧によ
って制御される。For example, when the gate voltage changes by 0.05V, the diffraction efficiency changes from 10% to 80%. Therefore, the two groups of superconducting electrodes 21 and 23 and the superconducting electrode 22 are spatially arranged so that diffracted electrons and non-diffracted electrons are discriminated and collected.
Thereby, the current flowing between the superconducting electrodes 21 and 23 or between the superconducting electrode 22 and the incident electrode 3 is controlled by the gate voltage.
【0043】この素子の特性を図8に示す。図8の横軸
はゲート電圧を表し、縦軸は超電導電極22と入射電極
3間に流れる電流、及び超電導電極21と入射電極3間
に流れる電流を表す。ゲート電圧が0から0.05V に
変化すると、超電導電極22と入射電極3間に流れる電
流は20mAから3mAまで変化し、超電導電極21と
入射電極3間に流れる電流は3mAから20mAまで変
化する。The characteristics of this element are shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 8 represents the gate voltage, and the vertical axis represents the current flowing between the superconducting conductive electrode 22 and the incident electrode 3 and the current flowing between the superconducting conductive electrode 21 and the incident electrode 3. When the gate voltage changes from 0 to 0.05 V, the current flowing between superconducting electrode 22 and incident electrode 3 changes from 20 mA to 3 mA, and the current flowing between superconducting electrode 21 and incident electrode 3 changes from 3 mA to 20 mA.
【0044】本実施例によれば、小さい制御電位の変化
で素子電流を大きく変化させることができるため、低消
費電力の超電導素子を実現することができる。また平面
波の回折現象を用いて伝搬制御する超電導素子であるた
め、電子波の高速性を損なわずに電子波の伝搬方向を切
り替えることができ、高速の素子を実現することができ
る。According to the present embodiment, the device current can be largely changed with a small change in the control potential, so that a superconducting device with low power consumption can be realized. Further, since it is a superconducting element whose propagation is controlled by using the diffraction phenomenon of a plane wave, the propagation direction of the electron wave can be switched without impairing the high speed of the electron wave, and a high-speed element can be realized.
【0045】図9は、本発明の第五の実施例である超電
導素子の平面構造を表す。この素子は、Si半導体2上
に平面波の電子波を入射するための入射電極3,電子波
の伝搬方向を制御するNb/Si/Nb/Si/Nb…
…の組合せからなる回折格子の横超格子29,2群の超
電導トランジスタ24と25、及び26から構成されて
いる。FIG. 9 shows a planar structure of a superconducting device which is a fifth embodiment of the present invention. This device includes an incident electrode 3 for injecting a plane wave electron wave onto a Si semiconductor 2, an Nb / Si / Nb / Si / Nb ...
The horizontal superlattice 29 of the diffraction grating is composed of a combination of ... And superconducting transistors 24, 25, and 26 of two groups.
【0046】本実施例は、第四の実施例で示した素子と
は、出力信号の検出に超電導トランジスタを用いた点が
異なり、素子の動作原理と効果は同様である。超電導ト
ランジスタを結合させることにより、これをしきい部と
して用い予め定められたしきい値と比較して、比較結果
をもとに出力信号を超電導トランジスタの電圧として出
力することができる。またしきい値特性は微分可能であ
るため、ニューロン素子の学習法として使われるバック
プロパゲーション法が使用でき、しきい値を外部からの
電圧で簡単に変化させることができる。This embodiment is different from the element shown in the fourth embodiment in that a superconducting transistor is used for detecting an output signal, and the operation principle and effect of the element are the same. By coupling the superconducting transistor, it can be used as a threshold and compared with a predetermined threshold value, and an output signal can be output as the voltage of the superconducting transistor based on the comparison result. Further, since the threshold characteristic is differentiable, the backpropagation method used as a learning method for the neuron element can be used, and the threshold value can be easily changed by an external voltage.
【0047】本実施例によれば、小さい制御電位の変化
で素子電流を大きく変化させることができるため、低消
費電力の超電導素子を実現することができる。また平面
波の回折現象を用いて伝搬制御する超電導素子であるた
め、電子波の高速性を損なわずに電子波の伝搬方向を切
り替えることができ、高速の素子を実現することができ
る。According to the present embodiment, the device current can be largely changed with a small change in the control potential, so that a superconducting device with low power consumption can be realized. Further, since it is a superconducting element whose propagation is controlled by using the diffraction phenomenon of a plane wave, the propagation direction of the electron wave can be switched without impairing the high speed of the electron wave, and a high-speed element can be realized.
【0048】第四と第五の実施例では、超格子29とし
て超電導体と半導体の組合せを用いたが、これに換えて
異なる超電導転移温度を有する複数の超電導体で構成さ
れる超格子を用いても本発明の目的を達成することがで
きる。In the fourth and fifth embodiments, a combination of a superconductor and a semiconductor is used as the superlattice 29. Instead of this, a superlattice composed of a plurality of superconductors having different superconducting transition temperatures is used. However, the object of the present invention can be achieved.
【0049】また第四と第五の実施例では、偏向率の変
調をゲート電圧で行ったが、超格子に直接電流を注入す
る方法を用いても本発明の目的を達成することができ
る。In the fourth and fifth embodiments, the deflection rate is modulated by the gate voltage, but the object of the present invention can be achieved by using a method of directly injecting a current into the superlattice.
【0050】図10は、本発明の第六の実施例である超
電導素子の平面構造を表す。この素子は、Si半導体上
2にNbからなる超電導電極1に対向した複数の電子波
入射電極3で構成され、入力信号Xi が入力されるNb
からなる入力電極20、それぞれの入力信号に対応して
重み付けWia,Wibを行う絶縁膜を介した多結晶Siか
らなる重み部31,32から構成されており、それぞれ
の入力信号の処理は超電導電極で囲まれた電子導波路内
で行われる。FIG. 10 shows a planar structure of a superconducting element which is a sixth embodiment of the present invention. This element is composed of a plurality of electron wave incident electrodes 3 facing a superconducting electrode 1 made of Nb on a Si semiconductor 2, and Nb to which an input signal X i is inputted.
And an input electrode 20 made of polycrystalline Si, and weighting parts 31 and 32 made of polycrystalline Si via an insulating film for weighting W ia and W ib corresponding to the respective input signals. It is performed in an electron waveguide surrounded by a superconducting electrode.
【0051】例えば、左端の入射電極3から入射した電
子波は超電導電極33と34で囲まれた電子導波路35
で演算される。すなわち、入力信号X1 は重み部31,
32でW1aとW1bの2回の重み付けされた後、超電導電
極1に到達する。重み付けは、重み部31,32に印加
する電圧により半導体中のキャリア濃度を変化させ、電
子波に位相差を与えることにより実現される。すなわち
出力結果はX1xW1axW1bという乗算結果となる。For example, the electron wave incident from the leftmost incident electrode 3 is surrounded by the superconducting electrodes 33 and 34, and the electron waveguide 35.
Is calculated by. That is, the input signal X 1 has the weighting unit 31,
After being weighted twice at W 1a and W 1b at 32, the superconducting pole 1 is reached. The weighting is realized by changing the carrier concentration in the semiconductor by the voltage applied to the weighting units 31 and 32 and giving a phase difference to the electron waves. That is, the output result is the multiplication result of X 1x W 1ax W 1b .
【0052】ここで各電子導波路は超電導電極で囲まれ
ているため、お互いに干渉することはない。従って、演
算が各入力信号Xi に対して各々の電子導波路内で同時
に行われるため、超並列処理が可能となる。さらに超電
導電極1の他端に対向して第二の超電導電極30を形成
し、両超電導電極間に絶縁膜を介してゲート電極6を設
けることにより超電導トランジスタ25を結合させるこ
とにより、これをしきい部として用い予め定められたし
きい値と比較して、比較結果をもとに出力信号を超電導
電極1と超電導電極30の間の電圧として出力すること
ができる。またしきい値特性は微分可能であるため、ニ
ューロン素子の学習法として使われるバックプロパゲー
ション法が使用でき、しきい値を超電導トランジスタ2
5のゲート電圧で簡単に変化させることができる。Since each electron waveguide is surrounded by superconducting electrodes, they do not interfere with each other. Therefore, since the calculation is simultaneously performed for each input signal X i in each electron waveguide, massively parallel processing is possible. Further, by forming the second superconducting electrode 30 facing the other end of the superconducting electrode 1 and providing the gate electrode 6 between the superconducting electrodes with the insulating film interposed therebetween, the superconducting transistor 25 is coupled to do this. It can be used as a threshold and compared with a predetermined threshold value, and an output signal can be output as a voltage between the superconducting electrode 1 and the superconducting electrode 30 based on the comparison result. In addition, since the threshold characteristic is differentiable, the back propagation method used as a learning method for the neuron element can be used, and the threshold is set to the superconducting transistor 2
It can be easily changed with a gate voltage of 5.
【0053】本実施例によれば、それぞれの乗算は超電
導体のギャップエネルギ以下の電圧で実行されるため、
低消費電力で動作する乗算器を実現することができる効
果がある。さらに一つの素子の寸法が微細であり、1素
子の簡単な構成で乗算の並列処理が行えるため、高集積
化と高速化を図ることができる。According to this embodiment, each multiplication is performed at a voltage below the gap energy of the superconductor.
This has the effect of realizing a multiplier that operates with low power consumption. Further, since the size of one element is minute and parallel processing of multiplication can be performed with a simple configuration of one element, high integration and high speed can be achieved.
【0054】なお、本実施例では、電子を注入するため
の電極に超電導体を用いたが、常伝導体を用いても同様
の効果が得られる。さらにキャリアの注入の手段を、ト
ンネル障壁層を介した超電導電極を用いて構成しても同
様の効果が得られる。In this embodiment, a superconductor is used as the electrode for injecting electrons, but the same effect can be obtained by using a normal conductor. Further, even if the means for injecting carriers is configured by using a superconducting electrode via a tunnel barrier layer, the same effect can be obtained.
【0055】[0055]
【発明の効果】本発明によれば、高速で動作をし、消費
電力が小さい超電導素子を提供することができる。さら
に、一つの素子の寸法が微細である上に、少数の素子で
演算ができるため、高集積化を実現することができる。According to the present invention, it is possible to provide a superconducting element which operates at high speed and consumes less power. Further, since the size of one element is minute and the operation can be performed with a small number of elements, high integration can be realized.
【図1】本発明の第一の実施例の超電導素子の平面図。FIG. 1 is a plan view of a superconducting element according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第一の実施例の超電導素子の特性図。FIG. 2 is a characteristic diagram of the superconducting element according to the first embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第一の実施例の超電導素子の特性図。FIG. 3 is a characteristic diagram of the superconducting element of the first embodiment of the present invention.
【図4】本発明の第二の実施例の超電導素子の断面図。FIG. 4 is a sectional view of a superconducting element of a second embodiment of the present invention.
【図5】本発明の第二の実施例の超電導素子の特性図。FIG. 5 is a characteristic diagram of the superconducting element of the second embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第三の実施例の超電導素子の平面図。FIG. 6 is a plan view of a superconducting element according to a third embodiment of the present invention.
【図7】本発明の第四の実施例の超電導素子の平面図。FIG. 7 is a plan view of a superconducting element according to a fourth embodiment of the present invention.
【図8】本発明の第四の実施例の超電導素子の特性図。FIG. 8 is a characteristic diagram of a superconducting element according to a fourth embodiment of the present invention.
【図9】本発明の第五の実施例の超電導素子の平面図。FIG. 9 is a plan view of a superconducting device according to a fifth embodiment of the present invention.
【図10】本発明の第六の実施例の超電導素子の平面
図。FIG. 10 is a plan view of a superconducting device according to a sixth embodiment of the present invention.
【図11】従来の技術による超電導素子の説明図。FIG. 11 is an explanatory view of a superconducting element according to a conventional technique.
【図12】本発明の作用を表すエネルギダイアグラム。FIG. 12 is an energy diagram showing the operation of the present invention.
【図13】本発明の作用を表す超電導素子の説明図。FIG. 13 is an explanatory view of a superconducting element showing the operation of the present invention.
【図14】本発明の作用を表す超電導素子の説明図。FIG. 14 is an explanatory view of a superconducting element showing the operation of the present invention.
【図15】本発明の作用を表す特性図。FIG. 15 is a characteristic diagram showing the operation of the present invention.
【符号の説明】 4,5…超電導電極、18…常伝導電極、2…半導体、
3…入射電極、6…ゲート電極。[Explanation of symbols] 4, 5 ... Superconducting electrode, 18 ... Normal conducting electrode, 2 ... Semiconductor,
3 ... Incident electrode, 6 ... Gate electrode.
Claims (15)
る超電導体または常伝導体からなる一つあるいは複数の
入射電極と、常伝導電極あるいは第一の超電導電極が対
向した超電導素子において、前記入射電極と前記常伝導
電極あるいは前記第一の超電導電極の間の半導体上に電
子波の進行方向と平行に、前記超電導体と前記半導体の
境界面を二つ備えた電子導波路が構成されるように、第
二の二つの超電導電極を対向して設けたことを特徴とす
る超電導素子。1. A superconducting device in which one or a plurality of incident electrodes made of a superconductor or a normal conductor for supplying an electron wave into the semiconductor and a normal conducting electrode or a first superconducting electrode face each other on a semiconductor, An electron waveguide including two boundary surfaces of the superconductor and the semiconductor is formed on the semiconductor between the incident electrode and the normal electrode or the first superconducting electrode in parallel with the traveling direction of the electron wave. As described above, the second superconducting electrode is provided so as to face each other.
二の超電導電極と半導体の境界で構成した電子導波路の
幅が、前記半導体中の伝導電子の平均自由行程と同程度
かそれより小さい超電導素子。2. The width of the electron waveguide formed at the boundary between the second superconducting conductive electrode and the semiconductor provided opposite to each other is equal to or less than the mean free path of conduction electrons in the semiconductor. Smaller superconducting element.
は、前記半導体上に設けたゲート電極に印加する電圧に
より制御される超電導素子。3. The superconducting element according to claim 2, wherein a width of the electron waveguide is controlled by a voltage applied to a gate electrode provided on the semiconductor.
を設けることにより前記半導体中を走行する電子波の電
子導波路を二つに分岐する構造を備え、前記それぞれの
電子導波路の境界は二つの超電導電極と半導体で構成さ
れおり、それぞれの電子導波路を伝搬する電子波の間に
位相差を与えるための手段と、分岐後の二つの電子導波
路を合流する機能を持つことを特徴とする超電導素子。4. A structure is provided in which an island-shaped superconductor is provided inside a conductor made of a semiconductor to divide an electron waveguide of an electron wave traveling in the semiconductor into two, and a boundary between the respective electron waveguides. Is composed of two superconducting conductive electrodes and a semiconductor, and has a means for giving a phase difference between the electron waves propagating in the respective electron waveguides, and a function of joining the two electron waveguides after branching. Characteristic superconducting element.
段として、少なくとも一方の電子導波路に電界を印加で
きる手段を備えた超電導素子。5. The superconducting element according to claim 4, comprising means for applying an electric field to at least one of the electron waveguides as means for providing the phase difference.
段として、磁場を印加する手段を備えた超電導素子。6. The superconducting element according to claim 4, comprising means for applying a magnetic field as means for applying the phase difference.
る超電導体または常伝導体からなる複数の入射電極と複
数の超電導電極を対向して設け、前記入射電極と前記超
電導電極の間に電子波の進行方向に直角に、周期的にペ
アポテンシャルが変化するように複数の超電導体と半導
体を交互に周期的に配置した回折格子を備え、前記回折
格子に印加する電圧で電子波の進行方向を変調すること
を特徴とする超電導素子。7. A plurality of incident electrodes made of a superconductor or normal conductor for supplying electron waves into the semiconductor and a plurality of superconducting electrodes are provided on a semiconductor so as to face each other, and between the incident electrodes and the superconducting electrodes. Providing a diffraction grating in which a plurality of superconductors and semiconductors are alternately and periodically arranged so that the pair potential changes periodically at a right angle to the traveling direction of the electron wave, and the electron wave travels by the voltage applied to the diffraction grating. A superconducting element characterized by modulating the direction.
導転移温度が異なる複数の超電導体を交互に配置した超
格子からなる超電導素子。8. The superconducting element according to claim 7, wherein the diffraction grating comprises a superlattice in which a plurality of superconductors having different superconducting transition temperatures are alternately arranged.
る超電導体または常伝導体からなる複数の入射電極と複
数の超電導電極を対向して設け、前記入射電極と前記超
電導電極の間に電子波の進行方向に直角に、周期的にペ
アポテンシャルが変化するように複数の超電導体と半導
体を交互に周期的に配置した回折格子を備え、前記回折
格子に注入する電流で電子波の進行方向を変調すること
を特徴とする超電導素子。9. A plurality of incident electrodes made of a superconductor or normal conductor for supplying electron waves into the semiconductor and a plurality of superconducting electrodes are provided on a semiconductor so as to face each other, and between the incident electrodes and the superconducting electrodes. Providing a diffraction grating in which a plurality of superconductors and semiconductors are alternately and periodically arranged so that the pair potential changes periodically at a right angle to the traveling direction of the electron wave, and the electron wave travels by the current injected into the diffraction grating. A superconducting element characterized by modulating the direction.
前記半導体上の前記超電導電極に対向して絶縁膜を介し
て第二の超電導電極が設けられている超電導素子。10. The superconducting element according to claim 7,
A superconducting element in which a second superconducting electrode is provided facing the superconducting electrode on the semiconductor via an insulating film.
半導体上の前記超電導電極に対向して第二の超電導電極
が設けられ、前記超電導電極間に絶縁膜を介して設けら
れたゲート電極から構成されている超電導素子。11. The superconducting element according to claim 7,
A superconducting device comprising a second superconducting electrode facing the superconducting electrode on a semiconductor, and comprising a gate electrode provided between the superconducting electrodes via an insulating film.
する複数の入射電極と超電導電極を対向して設け、前記
入射電極と前記超電導電極間の半導体上に前記半導体中
の電子波の位相を制御する手段を一つの入射電極に対し
て複数個含んでおり、前記入射電極から入射した電子波
の電子導波路が超電導電極で囲まれていることを特徴と
する超電導素子。12. A plurality of incident electrodes for supplying an electron wave into the semiconductor and a superconducting electrode are provided on a semiconductor so as to face each other, and the phase of the electron wave in the semiconductor is provided on the semiconductor between the incident electrode and the superconducting electrode. 2. A superconducting element, comprising a plurality of means for controlling a plurality of incident electrodes, wherein an electron waveguide of an electron wave incident from the incident electrode is surrounded by a superconducting conductive electrode.
子波の位相を制御する手段は、前記半導体に電界を印加
してキャリア濃度を変化させるゲート電極からなること
を特徴とする超電導素子。13. The superconducting element according to claim 12, wherein the means for controlling the phase of the electron wave in the semiconductor comprises a gate electrode for applying an electric field to the semiconductor to change the carrier concentration.
は、一つの入射電極に対してゲート電極を複数個備えて
おり、前記入射電極への電圧の変化を入力信号として用
い、前記ゲート電極それぞれに電圧を印加して複数の重
み付けを行う動作を各電子導波路内で同時に行うことに
より、入力信号の乗算を並列処理する超電導素子。14. The superconducting device according to claim 12, wherein a plurality of gate electrodes are provided for one incident electrode, and a change in voltage to the incident electrode is used as an input signal, and each of the gate electrodes is provided with the gate electrode. A superconducting device that processes the multiplication of input signals in parallel by simultaneously performing the operation of applying a plurality of weights in each electron waveguide by applying a voltage.
は、前記半導体上の前記超電導電極に対向して第二の超
電導電極が設けられ、前記超電導電極間に絶縁膜を介し
て設けられたゲート電極から構成されている超電導素
子。15. The gate electrode according to claim 12, wherein the superconducting element is provided with a second superconducting electrode facing the superconducting electrode on the semiconductor, and an insulating film is provided between the superconducting electrodes. A superconducting element composed of.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5206145A JPH0758367A (en) | 1993-08-20 | 1993-08-20 | Superconducting element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5206145A JPH0758367A (en) | 1993-08-20 | 1993-08-20 | Superconducting element |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0758367A true JPH0758367A (en) | 1995-03-03 |
Family
ID=16518541
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5206145A Pending JPH0758367A (en) | 1993-08-20 | 1993-08-20 | Superconducting element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0758367A (en) |
-
1993
- 1993-08-20 JP JP5206145A patent/JPH0758367A/en active Pending
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