JPH0810770B2

JPH0810770B2 - セラミック超電導装置

Info

Publication number: JPH0810770B2
Application number: JP63081993A
Authority: JP
Inventors: 照榮片岡; 浩哉佐藤; 修平土本; 秀雄野島
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1988-02-10
Filing date: 1988-03-31
Publication date: 1996-01-31
Anticipated expiration: 2011-01-31
Also published as: JPH01302784A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、セラミック超電導材料を用いた電気回路の
基本論理素子を構成するセラミック超電導装置及びその
形成容易な構造に関するものである。

＜従来の技術＞超電導材料を用いた論理回路素子として、ジョセフソ
ン素子が知られており、このジョセフソン素子は、ニオ
ブや鉛の合金よりなる超電導材料の間に極めて薄い絶縁
膜を挟んだ構造である。

＜発明が解決しようとする問題点＞しかし上記したジョセフソン素子の絶縁膜は数10Å程
度の薄膜が必要であるが、この絶縁膜を作製するために
は高度の薄膜製造技術が要求され、生産が困難であっ
た。またジョセフソン素子は動作速度が極めて速いこと
が技術上の利点として挙げられるが、反面その出力レベ
ルの変化は大きくないため、実用的な使用が困難な素子
であった。

本発明は上記の点に鑑みて創案されたものであり、上
記したジョセフソン素子よりなる論理回路素子の有する
問題点を除去した新規な超電導装置、即ち製造が容易
で、かつ動作特性の優れた超電導装置を提供することを
目的としている。

＜問題点を解決するための手段＞上記の目的を達成するため、本発明のセラミックの超
電導装置は、少なくとも一対の電極を備えたセラミック
超電導体と、上記のセラミック超電導体の近傍に設けら
れた電流を流す少なくとも１つの導体とを備え、上記の
導体に流す電流により発生する磁界を上記のセラミック
超電導体と作用せしめるように構成している。

即ち、本発明はセラミック系よりなる超電導材料の結
晶粒界に存在する弱結合を利用するものであって、超電
導体に平行または交差して少なくとも１本の導体を配置
し、この導体に流す電流によって発生する磁界が上記の
超電導体に影響を及ぼすように構成したものである。

上記の超電導体は、好ましい実施例にあってはY₁Ba₂C
u₃O_7-Xよりなるセラミック超電導体膜であり、一方向に
長く形成し、この超電導体膜に平行もしくは交差して少
なくとも１本の電流導体を配置している。

また上記のセラミック超導電導体と電流を流す導体を
同一基板上に設けてなるように構成しており、更に上記
のセラミック超電導体と電流を流す導体を絶縁物を介し
て積層状態に設けるようになしても良く、また上記のセ
ラミック超電導体と電流を流す導体とは近接して平行に
配置しても良く、あるいはお互に交差させるように配置
しても良い。

また本発明の他の好ましい実施例にあっては一つのセ
ラミック超電導体の両側にそれぞれ一つづつの独立した
電流を流す導体を設けるように構成している。

また、本発明のセラミック超電導装置を使用するにあ
たっては、セラミックス超電導体の近傍に設けた少なく
とも２つの導体に同方向あるいは逆方向に電流を流すこ
とによりセラミック超電導体に設けた一対の電極より論
理出力を得るようにして論理回路素子を構成している。

また、本発明のセラミック超電導装置は、基板と、こ
の基板上に形成したセラミック超電導膜とを有し、この
セラミック超電導膜は複数の部分に電気的に分割されて
成り、この分割された少なくとも一つのセラミック超電
導膜に流す電流により発生する磁界を上記の他の分割さ
れたセラミック超電導膜と作用せしめるように構成して
いる。

この場合、上記の複数の部分に分割されたセラミック
超電導膜において、素子として機能する超電導体部分
と、この素子部分を制御するための超電導体部分との間
の超電導体膜を除去するようになしても良く、また素子
として機能する超電導体部分と、この素子を制御するた
めの超電導体部分との間を絶縁体化するようになしても
良い。

即ち、上記した本発明はセラミック系よりなる超電導
材料の結晶粒界に存在する弱結合を利用するものであっ
て、超電導体膜を少なくとも２つに電気的に分割するよ
うに加工し、一方の超電導体に流れる電流によって発生
する磁界が他の超電導体に影響を及ぼすように構成する
ものである。

上記の超電導体膜は、好ましい実施例にあってはY₁Ba
₂Cu₃O_7-Xよりなるセラミック超電導体膜であり、膜作製
後、加工することによって電気的に分割することによ
り、超電導体膜に、少なくとも１本の超電導体によって
形成された電流導体が配置される。上記、電流導体は２
本以上配置され、電流を同方向又は逆方向に流し、出力
を超電導体から得るようにして論理回路素子が構成され
る。

＜作用＞セラミック超電導体の結晶粒界は、微弱な磁界で破ら
れ、超電導体は超電導状態から抵抗体に変化することを
本出願人は見出し、特願昭62−233369号「超電導磁気抵
抗システム」として提案しているが、本発明は、この現
象を利用したもので、超電導体に平行いあるは交差して
配置した導体に流れる電流によって発生する磁界を超電
導体に作用させ、超電導体が超電導状態と通常の抵抗体
に変化する状態を検出するようにしたものである。

更に詳細に説明すると、セラミック系の粒子よりなる
結晶粒界を有する超電導材料よりなる素子は、磁界が印
加されない場合には、第11図に示すように、素子の示す
電気抵抗R₀は完全に零の値を示すが、ある臨界磁界H_Cを
加えると突然素子は電気抵抗を示し、印加磁界の増大と
ともに、電気抵抗が急激に増大する新しい現象を本出願
人は先に見出して上記した特許出願をしているが、この
素子の初期抵抗R₀に対する抵抗の変化ΔＲの比、ΔR/R₀
は無限大となって、従来の磁気抵抗素子とは比較になら
ない高性能を示す素子である。

即ち、最近多くの研究機関で進められているセラミッ
ク超電導体の研究の方向は、臨界温度（T_C）、臨界磁界
（H_C）、臨界電流（I_C）の向上を図ることにあるが、本
出願人も上記セラミック超電導体について種々研究した
ところ、この超電導材料のある種のもの（超電導材料の
粒子間に弱結合状態を持つもの）が上記第11図に示すよ
うに極めて弱い磁界（数ガウス）で弱結合の超電導状態
が破れて電気抵抗を示し、印加磁界の強さとともに急激
に増加することを見出し、この低い臨界磁界現象を用い
て新規な論理回路素子として動作するセラミック超電導
装置を創案したものである。

上記第11図に示したような磁界の印加に対する電気抵
抗の変化特性は、セラミックス系の超電導材料が多くの
超電導体微粒子より構成される結晶体で、その粒子境界
に極めて薄い絶縁物あるいは抵抗体が存在し、または、
粒子間の接触部分がポイント状態になる、即ち、粒界と
粒界が点状の接触をなしている等、いわゆる超電導の弱
結合状態にあり、超電導状態では、トンネル効果等によ
り、電子が自由に移動して電気抵抗零を示す。つまりセ
ラミック系等の多結晶の弱結合状態にある超電導材料は
第12図に示すように等価的には無数のジョセフソン結合
121,121,…の集合体とみなすことが出来る。

このような材料に磁界を印加すると、磁界の影響によ
り、ジョセフソン結合121,121,…の超電導性が破れ、即
ち、弱磁界の印加によって超電導の弱結合状態が破れ
て、素子は電気抵抗を示すようになり、磁界の強さの増
大と共に電気抵抗は増大する。

この性質は上記原理からも明らかなように、結晶粒界
はランダムに配置されているため、印加する磁界の方向
には依存せずに、磁界の強さの絶体値によって定まるも
のである。

また、本発明は超電導体の近傍に電流導体を配置して
論理回路素子を構成するように成したものであるが、こ
の場合、超電導膜を加工することによって電気的に分割
して、超電導体と（超電導体によって形成される）電流
導体を構成することにより、製造の容易さをより向上さ
せることになる。

＜実施例＞以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。

第１図は本発明の一実施例を示す平面図である。

第１図において、１はセラミック超電導体3,この超電
導体３の両端近傍に設けられた一対の電流電極21,21及
びこの電極21,21の中間位置に設けられた電圧電極22,22
よりなる超電導磁気センサであり、５はこの超電導磁気
センサ１の近傍に平行状態に設けられた導体であり、上
記の超電導磁気センサ１及び導体５は共通の基板７上に
形成されている。

次に、上記第１図に示した装置の作製方法について詳
細に説明する。

まず、本装置に用いられるセラミック超電導体膜の磁
気センサを作製するために、第10図に示す成膜装置にお
いて、基板７を安定化ジルコニアとし、ヒーター９で基
板温度を400℃に保ちながら、Ｙ（NO₃）_３・6H₂O,Ba（N
O₃）₂,Cu（NO₃）_２・3H₂OをY₁Ba₂Cu₃O_7-Xとなる様所定
量秤量し、硝酸塩水溶液を噴射装置11から断続的に、基
板７に向けて、膜厚５μｍの一様な膜となる様に成膜
し、その後950℃で60分間と、500℃で10時間の空気中ア
ニールを行った。この様にして作製したセラミック超電
導体膜の臨界温度は、抵抗が100Kから下がりはじめ、83
Kで完全に抵抗零を示している。

次に、このセラミック高温超電導体を50μｍ幅，長さ
30mmに加工して超電導体３とするために、レジストを塗
布し、通常のフォトリソグラフィ工程にて細いストライ
プ状に加工し超電導磁気センサ１の超電導体部分を作製
した。このセラミック高温超電導体はリン酸系エッチン
グ液で容易に加工することが出来た。次に第１図に示す
電極21,22及び磁界を発生させるための導体５を作製す
るため、再びフォトリソグラフィ工程とリフトオフ法に
より、Ti蒸着膜による配線パターンを形成し、第１図に
示す本発明のセラミック超電導装置を作製した。

本発明に用いたセラミック超電導磁気センサ１は、粒
界に介在する絶縁層やポイントコンタクトが弱結合にな
り、ジョセフソン接合の集合体と考えられ、印加磁界と
電気抵抗の関係は第２図に示す様に、抵抗零の状態から
ある磁界において突然抵抗が現われ、しかもその抵抗の
変化は極めて大きい。また突然抵抗が現われる磁界の大
きさ（閾値）は、このセラミック超電導磁気センサ１に
流す定電流の大きさによって制御することが出来る。

一方、第１図に示すTi膜から構成してなる導体５に端
子e,fを介して10mAの電流を流すと、距離50μｍの所で
は、0.4ガウスの磁界を得ることが出来る。したがっ
て、第２図に示す超電導磁気センサの特性から分るよう
に、本センサ１に端子ａ−ｂを介して2mAの定電流を流
し、0.4ガウスの磁界を作用させた場合、20μＶの出力
を得ることが出来る。

以上の実験結果から、第１図に示す構造において、パ
ターンの形状を導体５の幅30μm,厚さ１μm,超電導磁気
センサ１との中心間距離50μｍとした。

上記のような構成において、少なくとも超電導磁気セ
ンサ１を83K以下の温度に冷却した状態において、導体
５に電流を流さず、超電導磁気センサ１に磁界が加わら
ないときは、端子a,bを介してセンサ１に電流を流して
も超電導状態のため、端子c,d間に出力電圧は現われな
いが、端子e,fを介して導体12mAの定電流Ｉを流すこと
により、その電流の作る磁界が超電導体３の超電導状態
を破って抵抗性を示すので、第３図に示すように電流Ｉ
に対応して端子c,d間に出力電圧として0.5ピコ秒の速さ
で20μＶの出力が得られた。なお、このとき超電導磁気
センサ１の端子a,b間の定電流は2mAとしていた。

次に第４図に示すように超電導体３の近傍に２本の導
体５及び６を平行に設けて論理素子を構成した場合につ
いて説明する。

第４図は、導体６と導体５及び超電導磁気センサ１の
各々の中心間距離を50μｍとし、また各々の幅を30μm,
30μｍ及び50μｍにパターン形成した場合を示してお
り、この第４図に示す構成において、導体６に流す電流
が20mA程度で2mAの定電流を流した超電導磁気センサ１
の出力として20μＶの値が得られた。

また、導体５及び６に流す電流I₁及びI₂を同方向と
し、導体５に流した電流I₁により超電導体３に作用する
磁界をH₁,導体６に流した電流I₂により超電導体３に作
用する磁界をH₂,超電導磁気センサ１の所定の定電流を
流している状態での臨界磁界をH₀として H₁＜H₀,H₂＜H₀,H₁＋H₂＞H₀ …（１）の条件のとき、導体５と６に同時に電流が流れたときだ
け、第５図に示すように端子c,d間に出力電圧が発生
し、ANDの論理出力となる。例えばI₁として8mA,I₂とし
て15mAの電流を導体5,6にそれぞれ流した場合、電流I₁
とI₂が同時に流れている期間のみ端子c,d間に20μＶ以
上の出力電圧が得られた。

また、H₁＞H₀,H₂＞H₀,|H₁−H₂|＜H₀ …（２）の条件で、第６図に示すように導体５と導体６に流す電
流I₁,I₂の方向を反対にすると、第７図に示すように端
子c,d間に電流I₁,I₂のいずれか一方のみが存在する期間
のみ端子c,d間に出力電圧が得られ、イクスクルーシブ
オアの論理出力が得られた。またこの電流条件のとき、
電流I₁,I₂を同方向に流した場合、OR論理出力が得られ
ることになる。

なお、上記の実施例にあっては電流値I₁及びI₂の値を
適宜選定するようになしているが、本発明はこれに限定
されるものではなく、例えば導体５及び６に流す電流値
I₁及びI₂を等しくかつ一定の値とし、超電導体３と導体
５または導体６の間隔を適宜選定して、上記（１）式ま
たは（２）式を満足する位置に導体５及び６を設けるよ
うになしても良い。

また超電導体３と導体5,6の配置関係は上記の実施例
に限定されるものではなく、第８図に示すように超電導
体３の両側に導体５及び６を配置しても良い。更に超電
導磁気センサの上にポリイミド樹脂やSiO₂等の保護膜を
形成した上に導体５及び６を形成しても同様の作用効果
が得られる。更にこの場合、第９図（ａ）及び（ｂ）に
示すように、ポリイミド膜やSiO等の保護膜10を介し
て、超電導体３と導体５及び６を交差（例えば直交）す
るように積層配置しても良いことは言うまでもない。

また、本発明の装置を作製する場合、上記した方法に
限定されるものではなく、導体5,6または超電導磁気セ
ンサ１をスパッタやMOCVDあるいは電子ビーム法等によ
る超電導薄膜で作成しても同様に結果を得ることが出
来、また加工形状の微細化をも期待することが出来る。
特に導体５及び６を超電導薄膜で形成した場合、超電導
磁気センサ１の超電導体３と同時に形成することが出
来、装置の作製工程が簡単化されることになる。

以下に、その実施例を第13図（ａ）乃至（ｃ）にした
がって説明する。

本実施例に用いられるセラミック超電導体膜を作製す
るために、上述したように第10図に示す成膜装置におい
て、基板７を安定化ジルコニアとし、ヒーター９で基板
温度を400℃に保ちながら、Ｙ（NO₃）_３・6H₂O,Ba（N
O₃）₂,Cu（NO₃）_２・3H₂OをY₁Ba₂Cu₃O_7-Xとなる様所定
量秤量し、硝酸塩水溶液を噴射装置11から断続的に基板
７に向けて５μｍ程度の厚さの一様な膜となる様に成膜
し、その後950℃で60分間,500℃で10時間の空気中アニ
ールを行なって、第13図（ａ）に示すように基板131の
全面に超電導膜132を成膜した。この様にして作製した
セラミック超電導膜の電気抵抗は、100Kから下がりはじ
め、83Kで完全に０になった。

次に、このセラミック超電導体膜132を第13図（ｂ）
及び（ｃ）に示すように、電気的に分割するために、エ
ッチングを行なった。エッチングは、レジストを塗布
し、通常のフォトリソ工程を用い、リン酸系のエッチン
グ液を使用して行なって、電気的に分離された超電導膜
132a及び132bを得た。

本実施例におけるセラミック超電導体膜は、粒界に介
在する絶縁層やポイントコンタクトが弱結合になり、ジ
ョセフソン接合の集合体と考えられ、印加磁界と電気抵
抗の関係は前述の第２図に示す様に抵抗０の状態からあ
る磁界において突然抵抗があらわれ、しかもその抵抗の
変化は極めて大きい。又、突然抵抗があらわれる磁界の
大きさは、超電導体に流す定電流の大きさによって制御
することができる。

今、第13図（ｂ）に示す電極ef間に10mAの電流を流す
と、距離50μｍのところでは、0.4ガウスの磁界を得る
ことが出来る。したがって、第２図に示す超電導体の特
性から分る様に、電極ad間に2mAの定電流を流しておく
と、電極cd間に20μＶの出力を得ることが出来る。

以上の実験結果からパターンの形状を、第13図（ｂ）
の電流導体として作用する超電導膜132bの幅を約30μm,
超電導体132bと超電導体132aの中心間距離を50μｍとし
た。

その結果、素子を38K以下に冷却した状態において、e
f間に電流を流さないときは磁界の発生がないため、ad
間を通して超電導体132aに電流を流しても超電導状態の
ため、cd間に出力電圧は現われなかった。次に10mAの電
流をef間に流すことにより、その電流の作る磁界が超電
導体132aの超電導状態を破り、第３図に示す様に、cd間
に0.5ピコ秒の速さで20μＶの出力を得ることが出来
た。但しこのときのab間の定電流は2mAである。

次に、第13図（ｃ）に示すパターンをフォトリソグラ
フ技術によって作成し、電流導体として機能する超電導
体132b,132cと磁気センサとして機能する超電導体132a
の中心間距離を50μｍ、巾をそれぞれ30μm,30μm,50μ
ｍとした。

この構成において、ab間に流す電流値を2mAとし、ef
間に10mAの電流を流すとcd間に出力20μＶが得られた。

また、この第13図（ｃ）において、電流導体として作
用する超電導体132b及び132cの電流を逆方向とし、超電
導体132bの電流値をI₁,I超電導体132cの電流値をI₂,超
電導体132aに出力電圧を生じさせるしきい値磁界（第11
図のBth）を与える電流値をI₀とすると、 I₁＜I₀,I₂＜I₀,I₁＋I₂＞I₀ ………（３）の条件のとき、超電導体132b及び132cに同時に電流が流
れたときだけ、cd間に出力電圧が発生する。従ってAND
の論理が行なわれる。

また、 I₁＞I₀,I₂＞I₀,|I₁−I₂|＜I₀ …………（４）の条件で、超電導体132b及び132cの電流方向を同方向に
すると、電流I₁,I₂のいずれか一方のみが存在する期間
のみcd間に電圧が発生する。従ってイクスクルーシブOR
の論理が得られる。この電流条件のとき、電流を逆方向
にすればORの論理が得られる。

上記の実施例では、磁気センサとして機能する超電導
体と、電流導体として機能する超電導体を電気的に分割
するために間の部分をエッチングによって除去したが、
間の部分の材質を絶縁体に改質しても同様の効果が得ら
れる。

この絶縁体化する一例として第13図（ａ）の超電導膜
132に、第13図（ｂ）及び（ｂ）のパターン状のメタル
マスクをしえAsのイオン照射を行なった。その結果、照
射をうけた部分のみ絶縁体となって、エッチングによっ
て除去した場合と同様の素子特性を示した。イオン照射
によって超電導体が絶縁体化するのは、照射によるダメ
ージによって結晶構造が乱れ非晶質化したことによると
考えられる。

上記実施例は、基本動作の確認であるが、セラミック
超電導膜を電気的に分割する方法としては、機械的除去
（サンドブラスト等）、光エッチング，異種元素拡散に
よる膜質の改変等多くの方法が適用可能である。これら
の方法によって超電導膜が電気的に分割されていれば、
同様の効果が得られることは明らかである。

また、本発明の実施例に用いたセラミック高温超電導
体膜はY₁Ba₂Cu₃O_7-Xとしたが、本発明はこれに限定され
るものではなく、粒界を有するものであれば、他の成分
の高温超電導体を用いても同様の結果が得られることは
言うまでもない。

また、作製された超電導体が粒界を有するセラミック
超電導体であれば、その作製方法は、スパッタ，電子ビ
ーム蒸着,CVD法等作製方法によらず、同様の効果が得ら
れることは言うまでもない。

また、導体の配置関係は上記各実施例に限定されるも
のではない。

＜発明の効果＞以上のように本発明によれば、従来のように極めて薄
い絶縁層を人工的に作製するジョセフソン接合を用い
ず、セラミック超電導体に自然に介在する弱結合を利用
した超電導磁気センサを用いた論理回路処理に係わるも
のであり、導体の配置関係は上記した実施例のように平
面的に行なうことが出来る特徴を有すると共に、本発明
において用いる超電導磁気センサは磁界方向に特性依存
がなく、ジョセフソン接合形成工程を省略することが出
来るため、ポリイミド等の樹脂やSiO₂等を保護膜とした
上に導体を容易に数多く作製することも可能となる。ま
た、本発明における電流導体及び磁気センサをセラミッ
ク超電導体膜を電気的に分割して構成した場合には、素
子の作製方法がさらに簡便になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセラミック超電導装置の一実施例の構
成を示す平面図、第２図はセラミック超電導センサの特
性の一例を示す図、第３図は導体に流す電流による超電
導センサの出力応答を示す図、第４図は本発明のセラミ
ック超電導装置の他の実施例における電界を発生する導
体を複数本として各々の電流方向を同じ方向とした場合
の構成を示す平面図、第５図は第４図の構成による導体
の電流方向が同じ方向の場合の出力応答と導体の電流と
の関係を示す図、第６図は本発明の他の実施例における
電界を発生する２本の導体の電流方向が互いに逆の場合
の構成を示す図、第７図は第６図の構成による本発明実
施例装置の出力応答と導体に流す電流波形の関係を示す
図、第８図は本発明のセラミック超電導装置の更に他の
実施例の構成を示す平面図、第９図（ａ）及び（ｂ）は
それぞれ本発明の更に他の実施例の構成を示す平面図及
び断面図、第10図は本発明の実施例装置の作製に用いた
セラミック超電導膜の作製装置の概略構成を示す図、第
11図は超電導磁気センサの特性の一例を示す図、第12図
は超電導磁気センサの等価回路を示す図、第13図（ａ）
乃至（ｃ）はそれぞれ本発明の他の実施例を説明するた
めの装置構成斜視図である。１……超電導磁気センサ、21,21……電流電極、22,22…
…電圧電極、３……超電導体、5,6……導体、131……基
板、132……超電導膜、132a……磁気センサとして機能
する超電導体、132b,132c……電流導体として機能する
超電導体、ａ〜ｈ……電極端子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者野島秀雄大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (56)参考文献特開昭62−115881（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−17175（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導材料の結晶粒界に存在する弱結合を
有し、少なくとも一対の電極を備えたセラミック超電導
体と、上記セラミック超電導体の近傍に設けられた電流を流す
少なくとも１つの導体とを備え、上記導体に流す電流により発生する磁界を上記セラミッ
ク超電導体と作用せしめるように構成してなることを特
徴とするセラミック超電導装置。
【請求項２】前記セラミック超電導体と導体とを交差せ
しめるように配置してなることを特徴とする請求項１記
載のセラミック超電導装置。
【請求項３】前記セラミック超電導体の近傍にそれぞれ
独立して電流を流す複数の導体を配置してなることを特
徴とする請求項１記載のセラミック超電導装置。
【請求項４】基板と、該基板上に超電導材料の結晶粒界
に存在する弱結合を有するセラミック超電導膜とから成
り、該セラミック超電導膜は複数の部分に電気的に分割
され、該分割された少なくとも一つのセラミック超電導
膜に流す電流により発生する磁界を上記他の分割された
セラミック超電導膜と作用せしめるように構成されたこ
とを特徴とするセラミック超電導装置。