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JP3000166B2 - Superconducting switching element - Google Patents
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Superconducting switching element

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JP3000166B2
JP3000166B2 JP2077786A JP7778690A JP3000166B2 JP 3000166 B2 JP3000166 B2 JP 3000166B2 JP 2077786 A JP2077786 A JP 2077786A JP 7778690 A JP7778690 A JP 7778690A JP 3000166 B2 JP3000166 B2 JP 3000166B2
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  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 『発明の利用分野』 本発明は超伝導体を利用したスイッチング素子に関す
る。
The present invention relates to a switching element using a superconductor.

『従来の技術』 従来超伝導体を利用したスイッチング素子としては、
非平衡超伝導効果を利用した電流注入型3端子素子(QU
ITERON)が提案されている。これは構造上ジョセフソン
接合を有している。
"Conventional technology" Conventional switching elements using superconductors include:
Current-injection type three-terminal device utilizing the unbalanced superconductivity effect (QU
ITERON) has been proposed. It has a Josephson junction structurally.

ジョセフソン接合の形成できる材料に関しては研究が
行われており、例えば酸化物高温超伝導体等に関して
は、多結晶中の粒界弱結合を利用した素子が試作されて
いる。
Research has been conducted on materials capable of forming a Josephson junction. For example, for an oxide high-temperature superconductor or the like, an element utilizing a weak grain boundary bond in polycrystal has been experimentally manufactured.

しかしながら、粒界は資料依存性が強く、できた粒界
によって素子の特性が大きく左右されてしまうため、ス
イッチング素子に粒界によるジョセフソン接合を用いる
と、素子の信頼性及び量産性という点で問題がある。
However, the grain boundaries are highly dependent on the data, and the characteristics of the device are greatly affected by the formed grain boundaries.If a Josephson junction based on the grain boundaries is used for the switching device, the reliability and mass productivity of the device will increase. There's a problem.

本発明は、作成の困難なジョセフソン接合を用いない
充分信頼性のある全く新しいタイプのスイッチング素子
を目的としたものである。
An object of the present invention is to provide a completely new type of switching element which is sufficiently reliable without using a Josephson junction which is difficult to manufacture.

そのため、通常使用されるような粒界を用いたジョセ
フソン接合を一切使用しないことが重要である。しかし
ながら、人工的なジョセフソン接合の作成は非常に困難
であるので、本発明ではジョセフソン接合を一切使用せ
ずに、従来にない全く新しいタイプの超伝導スイッチン
グ素子を提案するものである。
Therefore, it is important not to use a Josephson junction using a grain boundary as is usually used. However, since it is very difficult to create an artificial Josephson junction, the present invention proposes a completely new type of superconducting switching element that has never been used before, without using a Josephson junction at all.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

下部電極、下部絶縁層、超伝導体層、金属層、上部絶
縁層、上部電極という積層構造を有する素子で、超伝導
臨界温度以下の温度において、上部下部電極間に電圧を
加えることによって、金属層中のキャリアが超伝導体中
に過剰に注入され、ゆえに超伝導状態が破壊され、抵抗
状態となることを利用した超伝導スイッチング素子。
An element having a laminated structure of a lower electrode, a lower insulating layer, a superconductor layer, a metal layer, an upper insulating layer, and an upper electrode. A superconducting switching element utilizing the fact that carriers in a layer are excessively injected into a superconductor, and thus the superconducting state is destroyed and becomes a resistance state.

本発明におけるスイッチング素子の概略断面図を第1
図に示す。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a switching element according to the present invention.
Shown in the figure.

すなわち、下部電極(6)、下部絶縁層(5)、超伝
導体層(4)、金属層(3)、上部絶縁層(2)、上部
電極(1)という積層構造と有し、超伝導体層にはバイ
アス電流Iが流されている。この素子において上下部電
極間に一定以上のゲート電圧Vinをかけると超伝導状態
が破壊され、超伝導体層(4)が抵抗状態となって出力
電圧Voutが生じる。超伝導としては低キャリア濃度超伝
導体であるイットリウム(もしくはランタノイド属元
素)−バリウム−銅−酸素からなる超伝導体、もしくは
主としてビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−
酸素からなる超伝導体、もしくは主としてタリウム−バ
リウム−カルシウム−銅−酸素からなる超伝導体もしく
はランタン−アルカリ土類金属−銅−酸素からなる超伝
導体、もしくはバリウム−カリウム−ビスマス−鉛−酸
素からなる超伝導体もしくはバリウム−ビスマス−鉛−
酸素からなる超伝導体等が用いられる。その動作原理に
ついて説明を行なう。
That is, it has a laminated structure of a lower electrode (6), a lower insulating layer (5), a superconductor layer (4), a metal layer (3), an upper insulating layer (2), and an upper electrode (1). A bias current I is passed through the body layer. Superconducting state and applying a gate voltage V in the above constant between upper and lower electrodes in the device is destroyed, the superconductor layer (4) is the output voltage Vout becomes resistance state occurs. As the superconductivity, a superconductor composed of yttrium (or a lanthanoid element) -barium-copper-oxygen, which is a low-carrier-concentration superconductor, or mainly bismuth-strontium-calcium-copper-
A superconductor composed of oxygen, or a superconductor composed mainly of thallium-barium-calcium-copper-oxygen or a superconductor composed of lanthanum-alkaline earth metal-copper-oxygen, or barium-potassium-bismuth-lead-oxygen Or a barium-bismuth-lead-
A superconductor made of oxygen or the like is used. The operation principle will be described.

低キャリア濃度超伝導体の超伝導臨界温度(Tc)はキ
ャリア濃度に強く依存し、キャリアが少ない場合には半
導体となって、超伝導を示さないが、キャリアが多過ぎ
ても、金属的な電気伝導性を示すものの、超伝導性は失
われてしまう。現在までのところ、その原因は明らかで
はないが、この現象が平衡状態でも起こることから、非
平衡超伝導効果ではないことが明らかである。
The superconducting critical temperature (Tc) of a low-carrier-concentration superconductor strongly depends on the carrier concentration. When the number of carriers is small, it becomes a semiconductor and does not show superconductivity. It shows electrical conductivity, but loses superconductivity. To date, the cause is not clear, but it is clear that this phenomenon is not a non-equilibrium superconductivity effect because it occurs even in an equilibrium state.

ともかく、過剰のキャリアが存在する場合には超伝導
性は失われる。
In any case, superconductivity is lost in the presence of excess carriers.

第1図は超伝導スイッチング素子の動作原理を示す電
子状態図を第3図に示す。第3図(a)はキャリアの分
布を定性的に示したもので、ゲート電圧がかかっていな
い状態を示し、第3図(b)は、ゲート電圧がかかった
ときを示すものである。図中Efはフェルミ面を示し、斜
線の部分はキャリアー存在を示す。
FIG. 1 is an electronic phase diagram showing the principle of operation of the superconducting switching element in FIG. FIG. 3 (a) qualitatively shows the distribution of carriers, showing a state where no gate voltage is applied, and FIG. 3 (b) showing a state where a gate voltage is applied. In the figure, E f indicates the Fermi surface, and the hatched portion indicates the presence of carriers.

超伝導体層の部分はは低キャリア濃度であるため、ポ
テンシャルが浅くなっている。上下電極間に電圧をかけ
た場合には、電場勾配が生じ、ポテンシャルの形が変形
して、第3図(b)のようになる。この時、超伝導体層
の部分のキャリア濃度は増加するが、先に述べた過剰の
キャリアの効果によって超伝導性は失われ、超伝導体層
は常伝導状態になる。この超伝導−常伝導転移は極めて
速く(<約10ps)、これをスイッチング動作に利用すれ
ば高速スイッチングが可能である。ゲート電圧は超伝導
体層の厚さに依存するが、0.1V以上で十分であり、半導
体の素子より1桁小さい。
Since the superconductor layer has a low carrier concentration, the potential is shallow. When a voltage is applied between the upper and lower electrodes, an electric field gradient is generated, and the shape of the potential is changed, as shown in FIG. 3 (b). At this time, the carrier concentration in the portion of the superconductor layer increases, but the superconductivity is lost due to the effect of the excess carriers described above, and the superconductor layer enters a normal conduction state. This superconducting-normal conducting transition is extremely fast (<about 10 ps), and if this is used for the switching operation, high-speed switching is possible. Although the gate voltage depends on the thickness of the superconductor layer, 0.1 V or more is sufficient, and is one order of magnitude lower than that of a semiconductor device.

本発明による超伝導スイッチング素子は高速動作が可
能であるとともに、ジョセフソン接合を必要としないの
でその制作が極めて簡単であり、粒界等の不確定な要因
を使用しないので、信頼性の高い素子であり且つ作成に
おける再現性も高い。
The superconducting switching element according to the present invention is capable of high-speed operation, does not require a Josephson junction, is extremely simple to manufacture, and does not use uncertain factors such as grain boundaries, so that a highly reliable element can be obtained. And the reproducibility in the preparation is high.

以下に実施例を示し、本発明の内容を説明する。 Examples are shown below to explain the contents of the present invention.

『実施例1』 本実施例において作製する超伝導スイッチング素子の
作製工程を第4図に示す。
Example 1 FIG. 4 shows a manufacturing process of a superconducting switching element manufactured in this example.

先ず第4図(a)に示すように酸化物超伝導体(8)
としてBi2Sr2CaCu2O8薄膜を公知のスパッタリング法に
よって、酸化マグネシウム単結晶基板(7)の(100)
面上に作成した。その膜厚は約0.1μmであり、極めて
平坦な薄膜であり、粒界の存在は認められなかった。
First, as shown in FIG. 4 (a), oxide superconductor (8)
A Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 thin film was formed by a known sputtering method on a magnesium oxide single crystal substrate (7) (100).
Created on the surface. The film thickness was about 0.1 μm, an extremely flat thin film, and the existence of grain boundaries was not recognized.

X線解析法によって、この膜はC軸が基板に対して垂
直であることがわかった。
X-ray analysis showed that the film had its C-axis perpendicular to the substrate.

また、磁化率の測定から、90K以下の温度で超伝導性
を示すことが判明した。
In addition, the measurement of the magnetic susceptibility revealed that the material exhibited superconductivity at a temperature of 90 K or less.

この酸化物超伝導体薄膜を公知のフォトリソグラフィ
ー技術によりエッチング加工し、第2図(a)に示すよ
うに、幅1μm、一辺の長さ5μmのループ回路を作成
した。
The oxide superconductor thin film was etched by a known photolithography technique to form a loop circuit having a width of 1 μm and a side length of 5 μm as shown in FIG. 2 (a).

まず、酸化物超伝導体薄膜(8)上に金属層(9)と
して厚さ0.2μmの銀の薄膜を金属マスクを使用して、
選択的に真空蒸着法により形成する。
First, a silver thin film having a thickness of 0.2 μm was formed as a metal layer (9) on an oxide superconductor thin film (8) using a metal mask.
It is selectively formed by a vacuum deposition method.

(第4図(b)) 更に、絶縁層(10)として非晶質酸化アルミニウム膜
を厚さ0.5μmにスパッタリング法により形成した。
(第4図(c)) 最後に、基板(7)の下部前面および銀の薄膜上に金
の薄膜(11)を約0.5μmの厚さに真空蒸着法により形
成した。(第4図(d)) この場合には基板(7)(酸化マグネシウム単結晶)
が、下部絶縁層となっている。
(FIG. 4 (b)) Further, an amorphous aluminum oxide film having a thickness of 0.5 μm was formed as the insulating layer (10) by a sputtering method.
(FIG. 4 (c)) Finally, a gold thin film (11) was formed to a thickness of about 0.5 μm on the lower front surface of the substrate (7) and the silver thin film by a vacuum evaporation method. (FIG. 4 (d)) In this case, the substrate (7) (magnesium oxide single crystal)
Is the lower insulating layer.

このようにして第2図(a)で示されるBE間に超伝導
スイッチング素子を作成した。
Thus, a superconducting switching element was formed between BEs shown in FIG. 2 (a).

さて、この回路はメモリ素子として機能するのである
が、その動作原理を以下に示す。
Now, this circuit functions as a memory element, and its operation principle will be described below.

素子は液体窒素で冷却されている。 The device is cooled with liquid nitrogen.

最初、第2図(a)のようにBE間はスイッチング素子
にゲート電圧がかけられ、抵抗状態になっている。そこ
へ第2図(b)のように電流を流す。BE間以外は超伝導
状態であるため電流はA→B→C→D→E→Fという順
序に流れる。次にスイッチング素子のゲート電圧をゼロ
にすると、見かけ上はBE間は電流の流れていないように
見えるが、実は、第2図(c)のようにB→EとE→B
と言う等しい大きさの逆向きの電流が流れているのであ
る。
First, as shown in FIG. 2A, a gate voltage is applied to the switching element between BEs, and the switching element is in a resistance state. An electric current flows therethrough as shown in FIG. 2 (b). The current flows in the order of A->B->C->D->E-> F because it is in a superconducting state except between BE. Next, when the gate voltage of the switching element is reduced to zero, it appears that no current flows between BE, but in fact, as shown in FIG. 2 (c), B → E and E → B
That is, the opposite currents of the same magnitude are flowing.

最後に第2図(d)のように外部電流を切ってやる
と、BE間にはB→Eの電流はなくなり、E→Bの電流の
みとなる。
Finally, when the external current is cut off as shown in FIG. 2 (d), there is no B → E current between BE, and only the E → B current.

結局B→C→D→E→Bという閉じた永久電流のルー
プが残ることになり、これがメモリー状態である。
Eventually, a closed permanent current loop of B → C → D → E → B remains, which is a memory state.

以上がこのスイッチング素子を利用したメモリー素子
の動作原理である。
The above is the operating principle of the memory element using this switching element.

メモリーの読出は閉じた永久電流によって生じる磁束
を別の超伝導素子、例えば、超伝導量子干渉素子(SQUI
D)によって読み出すことが可能である。
Reading memory uses a magnetic flux generated by a closed persistent current to transfer the magnetic flux to another superconducting device, such as a superconducting quantum interference device (SQUI
D).

『効果』 本発明によって、量産性・再現性に優れた酸化物超伝
導体を使用したスイッチング素子が作成できるようにな
った。この素子は液体窒素温度でも十分に動作する超伝
導素子であるため、従来の金属系超伝導体を用いた超伝
導素子よりも運転コストが安くできる。
[Effect] According to the present invention, a switching element using an oxide superconductor excellent in mass productivity and reproducibility can be produced. Since this element is a superconducting element that operates sufficiently even at the temperature of liquid nitrogen, the operating cost can be lower than that of a conventional superconducting element using a metal-based superconductor.

本発明のスイッチング素子は、極めて速いスイッチン
グ速度で動作させることが可能であり、これを用いてメ
モリー素子を作成することも極めて容易である。
The switching element of the present invention can be operated at an extremely high switching speed, and it is extremely easy to use this to create a memory element.

また、従来の粒界を使用した素子に比べ、信頼性の点
で格段に優れている。
Further, the reliability is remarkably superior to that of a device using a conventional grain boundary.

以上のことから明らかなように、本発明は工業上有益
な発明である。
As is clear from the above, the present invention is an industrially useful invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明のスイッチング素子概略断面図 第2図は第1図に示すスイッチング素子を超伝導体メモ
リーに応用した場合の動作原理を示す。 第3図は超伝導スイッチング素子の動作状態図を示す
図。 第4図超伝導スイッチング素子の作成方法の概略を示す
図。 1……上部電極 2……上部絶縁層 3……金属層 4……超伝導体層 5……下部絶縁層 6……下部電極 7……基板 8……酸化物超伝導体 9……銀薄膜 10……絶縁膜 11……金薄膜
FIG. 1 is a schematic sectional view of the switching element of the present invention. FIG. 2 shows the operation principle when the switching element shown in FIG. 1 is applied to a superconductor memory. FIG. 3 is a diagram showing an operation state diagram of the superconducting switching element. FIG. 4 is a diagram schematically showing a method for producing a superconducting switching element. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Upper electrode 2 ... Upper insulating layer 3 ... Metal layer 4 ... Superconductor layer 5 ... Lower insulating layer 6 ... Lower electrode 7 ... Substrate 8 ... Oxide superconductor 9 ... Silver Thin film 10… Insulating film 11… Gold thin film

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】下部電極と、前記下部電極の上に下部絶縁
層と、前記下部絶縁層の上に超伝導体層と、前記超伝導
体層の上に金属層と、前記金属層の上に上部絶縁層と、
前記上部絶縁層の上に上部電極とが積層されていること
を特徴とする超伝導スイッチング素子。
A lower electrode; a lower insulating layer on the lower electrode; a superconductor layer on the lower insulating layer; a metal layer on the superconductor layer; And an upper insulating layer,
A superconducting switching element, wherein an upper electrode is laminated on the upper insulating layer.
【請求項2】特許請求の範囲第1項において、超伝導体
層がランタノイド属元素−バリウム−銅−酸素からなる
超伝導体層、ビスマス−ストロンチウム−カルシウム−
銅−酸素からなる超伝導体層、タリウム−バリウム−カ
ルシウム−銅−酸素からなる超伝導体層、ランタン−ア
ルカリ土類金属−銅−酸素からなる超伝導体層、バリウ
ム−カリウム−ビスマス−鉛−酸素からなる超伝導体層
もしくはバリウム−ビスマス−鉛−酸素からなる超伝導
体層であることを特徴とする超伝導スイッチング素子。
2. The superconductor layer according to claim 1, wherein the superconductor layer is made of a lanthanoid element-barium-copper-oxygen, and bismuth-strontium-calcium-
Superconductor layer composed of copper-oxygen, superconductor layer composed of thallium-barium-calcium-copper-oxygen, superconductor layer composed of lanthanum-alkaline earth metal-copper-oxygen, barium-potassium-bismuth-lead -A superconducting switching element characterized by being a superconductor layer composed of oxygen or a superconductor layer composed of barium-bismuth-lead-oxygen.
【請求項3】特許請求の範囲第1項又は2項において、
超伝導体層の厚さは500nm以下であることを特徴とする
超伝導スイッチング素子。
3. The method according to claim 1, wherein
A superconducting switching element, wherein the thickness of the superconductor layer is 500 nm or less.
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