JPH0636440B2 - Superconducting switching element - Google Patents
Superconducting switching elementInfo
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- JPH0636440B2 JPH0636440B2 JP2021981A JP2198190A JPH0636440B2 JP H0636440 B2 JPH0636440 B2 JP H0636440B2 JP 2021981 A JP2021981 A JP 2021981A JP 2198190 A JP2198190 A JP 2198190A JP H0636440 B2 JPH0636440 B2 JP H0636440B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超電導エレクトロニクスの分野に係り、特に
ディジタル回路、アナログ回路の分野に応用される電界
効果型の超電導スイッチング素子に関するものである。The present invention relates to the field of superconducting electronics, and more particularly to a field effect type superconducting switching element applied to the fields of digital circuits and analog circuits.
電界効果型の超電導スイッチング素子をジョセフソン接
合素子と比較したときの利点としては、三端子構造であ
り、入出力分離が充分であり、電圧信号でスイッチング
を行え、かつ直流電源によって駆動できるという点をあ
げることができる。The advantages of a field effect superconducting switching element compared to a Josephson junction element are that it has a three-terminal structure, has sufficient input / output separation, can be switched by a voltage signal, and can be driven by a DC power supply. Can be raised.
電界効果を用いた超電導スイッチング素子としては、液
体ヘリウム温度動作の必要なNb系の超電導材料を用
い、超電導電子のしみだし効果とCaAsあるいはSi
の電界効果を用いたスイッチング装置が知られている。
この例はフィジカルレビューレターズ、54巻2449
頁、1985年(Physical Review Letters,Vol.54,p.24
49,1985)に記載されている。この素子においては、半導
体基板上にソースと、ドレイン電極となるべき2枚の超
電導膜を近接して配し、この間にゲート電極膜を挿入し
た構造となっている。すなわちInAs半導体基板の片
側に、ソース,ゲートおよびドレイン電極が並んで配さ
れた構造となっている。超電導電流はソースから半導体
を通ってドレインに流れる。半導体部は超電導電子のし
みだし効果によって、超電導電流が流れる超電導弱結合
部となる。As the superconducting switching element using the electric field effect, an Nb-based superconducting material that requires liquid helium temperature operation is used, and the exuding effect of the superconducting conductor and CaAs or Si
A switching device using the electric field effect is known.
This example is Physical Review Letters, Vol. 54, 2449.
Page, 1985 (Physical Review Letters, Vol. 54, p. 24
49, 1985). This device has a structure in which a source and two superconducting films to be drain electrodes are arranged in close proximity on a semiconductor substrate, and a gate electrode film is inserted between them. That is, the structure is such that the source, gate and drain electrodes are arranged side by side on one side of the InAs semiconductor substrate. The superconducting current flows from the source through the semiconductor to the drain. The semiconductor part becomes a superconducting weak coupling part through which the superconducting current flows due to the exuding effect of the superconducting material.
前記従来の電界効果型超電導スイッチング素子は、高臨
界温度の酸化物超電導材料を用いて実現しようとする場
合、以下の理由で非常に高度な技術を必要とする。The conventional field effect type superconducting switching element requires a very advanced technology for the following reasons when it is to be realized by using an oxide superconducting material having a high critical temperature.
半導体基板上にソースとドレインとなるべき超電導膜を
近接して配する場合、ソースとドレイン間に超電導電流
が流れ得るようにするためには、超電導電流が流れるべ
き半導体部の長さ、すなわちチャネル長を超電導コヒー
レンス長さ程度にする必要がある。チャネル長がコヒー
レンス長さより長い場合、ゲート電圧信号の印加によっ
てソースとドレインの電極間の抵抗値は変化するが、ゲ
ート電圧信号がオンの状態においてもオフの状態におい
ても、超電導電流は流れない。電界効果型の超電導三端
子素子の望ましいスイッチング動作形態は、電圧零の超
電導状態と、有限電圧の常電導状態間のスイッチングで
ある。When a superconducting film to serve as a source and a drain is placed close to each other on a semiconductor substrate, in order to allow the superconducting current to flow between the source and the drain, the length of the semiconductor portion where the superconducting current should flow, that is, the channel. It is necessary to make the length about the length of the superconducting coherence. When the channel length is longer than the coherence length, the resistance value between the source and drain electrodes is changed by the application of the gate voltage signal, but the superconducting current does not flow whether the gate voltage signal is on or off. A desirable switching operation mode of a field effect type superconducting three-terminal element is switching between a superconducting state of zero voltage and a normal conducting state of a finite voltage.
コヒーレンス長さは半導体部のキャリア濃度や移動度、
あるいは平均自由行程にも依存するが、GaAs等の高
移動半導体で0.1−0.5μm程度である。しかしな
がら酸化物系の超電導膜をCaAs等の化合物半導体上
に形成した場合、界面において相互拡散あるいは反応が
生じ、接触抵抗が高くなるとともに、酸化物の超電導特
性が劣化する。とくに界面においては超電導性を示さな
い。The coherence length is the carrier concentration and mobility of the semiconductor part,
Alternatively, although it depends on the mean free path, it is about 0.1 to 0.5 μm for a highly mobile semiconductor such as GaAs. However, when an oxide-based superconducting film is formed on a compound semiconductor such as CaAs, mutual diffusion or reaction occurs at the interface, contact resistance increases, and superconducting properties of the oxide deteriorate. In particular, it does not show superconductivity at the interface.
酸化物の超電導特性の劣化や、界面における高い接触抵
抗の問題を取り除くためには、半導体部の材料として、
酸化物そのものをチャンネルに用いることが望ましい。
しかるに酸化物系の半導体層は移動度が低く、0.01
m2/Vs程度である。したがってこのような低い移動
度の半導体でカップリングさせる場合、チャネル長、す
なわちソースとドレイン間の距離はさらに1桁短くする
必要がある。液体ヘリウムにかえて液体窒素温度で素子
を動作させようとする場合、コヒーレンス長さはさらに
短くなり、これに対応して、チャンネル長もさらに短く
する必要がある。現在の加工技術あるいはパタン形成技
術をもってしても、 0.05μm以下のパタンを得ることは困難であり、さ
らに従来型の素子構造においては、このような短いソー
スとドレイン間にゲート電極を挿入する必要があるた
め、この様な構造の微細な素子の作製はさらに困難であ
る。In order to eliminate the problem of high contact resistance at the interface and deterioration of superconducting properties of oxides, as a material of the semiconductor part,
It is desirable to use the oxide itself for the channel.
However, the mobility of the oxide-based semiconductor layer is low,
It is about m 2 / Vs. Therefore, in the case of coupling with a semiconductor having such a low mobility, it is necessary to further shorten the channel length, that is, the distance between the source and the drain by one digit. When it is desired to operate the device at liquid nitrogen temperature instead of liquid helium, the coherence length is further shortened, and accordingly, the channel length needs to be further shortened. Even with the current processing technology or pattern formation technology, it is difficult to obtain a pattern of 0.05 μm or less. Further, in the conventional device structure, a gate electrode is inserted between such a short source and drain. Since it is necessary, it is more difficult to manufacture a fine element having such a structure.
本発明の目的は、超電導電極膜に対して微細な加工を必
要とせず、微細なチャンネル長を実現し、かつゲートの
電圧信号によってスイッチング動作を行わせしめること
のできる酸化物系の(電界効果型)超電導スイッチング
素子を提供することにある。An object of the present invention is to use an oxide-based (field effect type) that does not require fine processing of a superconducting electrode film, realizes a fine channel length, and can perform a switching operation by a voltage signal of a gate. ) To provide a superconducting switching element.
上記目的を達成するために、電圧信号によってスイッチ
ング動作を行わせしめる電界効果型の超電導スイッチン
グ素子を以下のごとくにした。In order to achieve the above object, a field-effect type superconducting switching element that causes a switching operation by a voltage signal is as follows.
まず酸化物薄膜の膜厚を10nm以下とし、この酸化物
薄膜の両側にバイアス電流、あるいは電圧を印加するた
めの電極膜を形成すると共に、酸化物薄膜に対して絶縁
膜を介してゲートでん電極膜を積層化する。ゲート電極
膜は超電導体であることが望ましいが、常電導体であっ
てもよい。First, the thickness of the oxide thin film is set to 10 nm or less, electrode films for applying a bias current or voltage are formed on both sides of the oxide thin film, and a gate electrode is formed on the oxide thin film via an insulating film. The electrode films are laminated. The gate electrode film is preferably a superconductor, but may be a normal conductor.
さらに上記酸化物薄膜として、高臨界温度特性を有する
Y−Ba−Cu酸化物、Bi−sr−Ca−Cu酸化
物、La−Sr−Cu酸化物、Nd−Ce−Cu酸化物
あるいはTl−Ba−Ca−Cu酸化物をはじめとす
る、Cuを含んだペロブスカイト系結晶構造を基本とす
る酸化物系の超電導薄膜とする。Further, as the oxide thin film, Y-Ba-Cu oxide, Bi-sr-Ca-Cu oxide, La-Sr-Cu oxide, Nd-Ce-Cu oxide, or Tl-Ba having high critical temperature characteristics is used. An oxide-based superconducting thin film based on a perovskite-based crystal structure containing Cu, including a —Ca—Cu oxide.
本発明の超電導スイッチング素子の製造方法について
は、SrTiO3のごときペロブスカイト系結晶構造の
単結晶材を基板として用い、500℃以上の温度で膜形
成を行うことにより、Y−Ba−Cu酸化物等のペロブ
スカイト系結晶構造を有する膜厚10nm以下の連続膜
を得る。さらに、酸化物超電導膜の上に層間絶縁膜、ゲ
ート電界膜、および極薄超電導膜につながる電極膜を形
成して素子とする。層間絶縁膜としてはCaF2やMg
F2等のフッ化物、MgO,Al2O3等の酸化物等が
適している。これらの層間絶縁膜はスパッタリング法あ
るいは反応性蒸着法によって形成することできる。Regarding the method for manufacturing a superconducting switching element of the present invention, a single crystal material having a perovskite crystal structure such as SrTiO 3 is used as a substrate, and a film is formed at a temperature of 500 ° C. or higher to obtain a Y-Ba-Cu oxide or the like. To obtain a continuous film having a perovskite crystal structure of 10 nm or less in film thickness. Further, an interlayer insulating film, a gate electric field film, and an electrode film connected to the ultrathin superconducting film are formed on the oxide superconducting film to obtain a device. As the interlayer insulating film, CaF 2 or Mg
Fluorides such as F 2 and oxides such as MgO and Al 2 O 3 are suitable. These interlayer insulating films can be formed by a sputtering method or a reactive vapor deposition method.
一般に超電導体を臨界温度の5%内の温度に保持した場
合、あるいは形状効果または材料本来の性質により超電
導電子の数が小さく超電導体においては、超電導状態で
あっても見かけ上常電導状態が混在する。このような超
電導体に電流を通じた場合、超電導体にもかかわらず電
圧が発生する。このような現象は揺らぎ効果と言われて
いるが、本発明はこのゆらぎ効果の存在する酸化物系の
超電導薄膜を用いたものである。Generally, when the superconductor is maintained at a temperature within 5% of the critical temperature, or because the number of superconducting conductors is small due to the shape effect or the original properties of the material, the superconducting state is apparently mixed even in the superconducting state. To do. When a current is passed through such a superconductor, a voltage is generated despite the superconductor. Such a phenomenon is said to be a fluctuation effect, but the present invention uses an oxide-based superconducting thin film having the fluctuation effect.
一般に超電導を発生するためには超電導コヒーレンス長
さの寸法領域内に超電導電子対が存在しなければならな
い。たとえば超電導電子密度が低く、超電導体が薄膜形
状で、膜厚が非常に薄い部分、このような状態が生じ得
る。ある瞬間をとれば、常電導領域である部分と、超電
導電子が存在して超電導領域である部分とが混在する。
したがってバルク的には超電導状態と見なし得る材料で
あっても、極薄膜形状にあっては超電導領域がつながら
ず、試料の両端に電流を通じた場合、電圧が発生する。Generally, in order to generate superconductivity, the superconducting pair must exist within the dimension region of the superconducting coherence length. For example, such a state may occur where the superconductor density is low, the superconductor has a thin film shape, and the film thickness is very thin. At a certain moment, a portion which is a normal conducting region and a portion which is a superconducting region where superconducting conductors exist are mixed.
Therefore, even if the material is considered to be in a superconducting state in bulk, the superconducting region is not connected in the ultrathin film shape, and a voltage is generated when a current is applied to both ends of the sample.
このような状況が発生する超電導試料を得る条件は、超
電導電子密度と膜厚が互に関連し合っている。我々の検
討によれば、Cuを含んだペロブスカイト系結晶構造を
基本とする酸化物系の超電導薄膜においてこのような揺
らぎ効果が生ずるためには、酸化物薄膜の膜厚を10n
m以下、より好ましくは8nm以下とすれば良いことが
明らかになった。The conditions for obtaining a superconducting sample in which such a situation occurs are that the superconducting electron density and the film thickness are mutually related. According to our study, in order to produce such a fluctuation effect in an oxide-based superconducting thin film based on a perovskite-based crystal structure containing Cu, the oxide thin film has a thickness of 10 n
It has been clarified that the thickness is preferably m or less, more preferably 8 nm or less.
Y−Ba−Ca系酸化物をはじめとするCuを含んだ酸
化物系の超電導体のキャリア濃度は、1021cm-3程度
である。この酸化物のキャリア濃度は、超電導材料とし
ては低い値であり、 1nm3の容積にキャリアが1個存在する割合であると
考えればよい。キャリア濃度がこのように低い値である
としても、超電導体の容積が大きければ、キャリアの数
もマクロの値となって、通常の超電導体としての振舞を
示し、特異な現象は生じない。The carrier concentration of an oxide-based superconductor containing Cu such as a Y-Ba-Ca-based oxide is about 10 21 cm -3 . The carrier concentration of this oxide is a low value for a superconducting material, and it can be considered to be the ratio of one carrier existing in a volume of 1 nm 3 . Even if the carrier concentration is such a low value, if the volume of the superconductor is large, the number of carriers also becomes a macro value, and the behavior as a normal superconductor is exhibited, and no peculiar phenomenon occurs.
しかるにこの酸化物薄膜の膜厚を薄くしていった場合、
たとえば膜厚を10nm以下にした場合、膜厚方向から
見て場所的にキャリアの全く存在しない部分が生じる。
酸化物系超電導体の超電導コヒーレンス長さは1nm程
度と短いので、キャリアの存在しない部分では常電導状
態となる。すなわち極薄超電導薄膜全体は超電導状態の
領域と常電導状態の領域から構成されることになる。However, if the oxide thin film is made thinner,
For example, when the film thickness is set to 10 nm or less, a portion where no carriers are present locally occurs when viewed from the film thickness direction.
Since the superconducting coherence length of the oxide superconductor is as short as about 1 nm, it is in the normal conducting state in the portion where no carrier exists. That is, the entire ultrathin superconducting thin film is composed of a superconducting state region and a normal conducting state region.
常電導状態の領域に電界が印加された場合、超電導体の
ように電場が内部に全く入らないのではなく、内部に侵
入する。すなわち極薄酸化物超電導膜に電界を印加した
場合、場所的に超電導状態で電界の生じない部分と、常
電導状態で電界の生じる部分が形成される。When an electric field is applied to the region in the normal conducting state, the electric field penetrates into the inside instead of completely entering the inside unlike the superconductor. That is, when an electric field is applied to the ultrathin oxide superconducting film, a portion where no electric field is generated in a superconducting state and a portion where an electric field is generated in a normal conducting state are locally formed.
常電導状態で電界の生じた部分ではエネルギーバンドの
曲がりが生じる。エネルギーバンドの曲がりに対応し
て、バンドのエネルギー端をフェルミ面に持ち上げるこ
とができる。これによりこの部分にキャリアを生じせし
めることができる。キャリアの発生によりこの部分は超
電導状態となり、電圧差を生じなくなる。このような現
象により、電界を印加することによりキャリア濃度を増
大させ、薄膜の超電導性を高め、薄膜全体の電気抵抗を
低減させることがきる。このとき、超電導薄膜は、超電
導と常電導の混在した状態にあることに変りはないが、
第5図に示すごとく、超電導領域の割合が大きくなるた
めに、全体が超電導領域でつながり、かつ電圧差を生じ
なくなるのである。このようにして電界を印加すること
によりスイッチング動作を生じせしめることができる。
以上が本発明に係る超電導スイッチング装置の動作原理
および動作方式である。The bending of the energy band occurs in the part where the electric field is generated in the normal conducting state. The energy edge of the band can be raised to the Fermi surface in response to the bending of the energy band. As a result, carriers can be generated in this portion. Due to the generation of carriers, this portion becomes superconducting and no voltage difference occurs. By such a phenomenon, it is possible to increase the carrier concentration by applying an electric field, enhance the superconductivity of the thin film, and reduce the electric resistance of the entire thin film. At this time, the superconducting thin film remains in the state where superconducting and normal conducting are mixed,
As shown in FIG. 5, since the proportion of the superconducting region is large, the whole is connected in the superconducting region and no voltage difference occurs. By applying an electric field in this way, a switching operation can be caused.
The above is the operation principle and operation method of the superconducting switching device according to the present invention.
尚、本発明で用いる極薄酸化物膜においては、ピンホー
ルの存在しない均一な連続膜を得ることが重要である。
このためには下地となる基板材料を選択することによっ
て、酸化物薄膜を成長させるようにすることが望まし
い。酸化物薄膜をエピタキシー成長させるために好まし
い基板材料としては、例えば単結晶のSrTiO3をあ
げることができる。In the ultrathin oxide film used in the present invention, it is important to obtain a uniform continuous film without pinholes.
For this purpose, it is desirable to grow the oxide thin film by selecting the substrate material as the base. A preferable substrate material for epitaxially growing the oxide thin film is, for example, single crystal SrTiO 3 .
以下本発明の一実施例を述べる。 An embodiment of the present invention will be described below.
第1図および第2図に示すごとく、SrTiO3の(1
10)面方位単結晶を基板1として、Y−Ba−Cu酸
化物薄膜2を8nmの厚さに形成する。膜形成は高周波
マグネトロンスパッタリング法によって行う。雰囲気ガ
スはArと酸素の50%ずつの混合ガスとし、全圧力は
5mTorrとする。ターゲット材はY−Ba−Cu酸
化物の円盤状焼結体とする。電源としては周波数13.5
6MHzで電力110Wの高周波を用いる。膜形成時の基
板温度は600℃とする。このY−Ba−Cu酸化物薄
膜2は斜方晶結晶のc軸が基板面内に存在する結晶配向
性を有する。Y−Ba−Cu酸化物薄膜2の超電導臨界
温度は40Kである。As shown in FIG. 1 and FIG. 2, SrTiO 3 (1
10) Using the plane-oriented single crystal as the substrate 1, the Y-Ba-Cu oxide thin film 2 is formed to a thickness of 8 nm. The film is formed by a high frequency magnetron sputtering method. The atmosphere gas is a mixed gas of Ar and 50% of oxygen, and the total pressure is 5 mTorr. The target material is a Y-Ba-Cu oxide disc-shaped sintered body. Frequency of 13.5 as power source
A high frequency power of 110 W at 6 MHz is used. The substrate temperature during film formation is 600 ° C. This Y-Ba-Cu oxide thin film 2 has a crystal orientation in which the c-axis of the orthorhombic crystal exists in the plane of the substrate. The superconducting critical temperature of the Y-Ba-Cu oxide thin film 2 is 40K.
このY−Ba−Cu酸化物膜2上に酸素ガス雰囲気中で
の反応性蒸着方により、MgO薄膜3を形成する。Y−
Ba−Cu酸化物膜2からMgO薄膜3の形成までは、
基板表面を大気に曝することなく、同一の装置中で行
う。MgO薄膜3の膜厚は10nmとする。このMgO
薄膜3はY−Ba−Cu酸化物膜2をパタン形成プロセ
スから保護するための層である。A MgO thin film 3 is formed on the Y-Ba-Cu oxide film 2 by a reactive vapor deposition method in an oxygen gas atmosphere. Y-
From the Ba—Cu oxide film 2 to the formation of the MgO thin film 3,
It is performed in the same apparatus without exposing the substrate surface to the atmosphere. The thickness of the MgO thin film 3 is 10 nm. This MgO
The thin film 3 is a layer for protecting the Y-Ba-Cu oxide film 2 from the pattern forming process.
Y−Ba−Cu酸化物−MgO二層膜の状態で有機レジ
ストマスクパタンを形成し、極薄酸化物超電導膜として
のパタンを形成する。電界を印加されるべき極薄酸化物
超電導膜の寸法は長さ、幅ともに10μmとする。この
長さ、幅はそれぞれチャネル長とチャネル幅に対応す
る。二層膜のパタンはArビームを用いたイオンビーム
エッチング方によって形成する。つぎにMgO層間絶縁
膜用のレジストパタンを形成する。このパタンはMgO
膜4を形成する前に、あらかじめリフトオフ用の反転パ
タンとして形成しておく。この上に膜厚100nmのM
gO薄膜4を形成し、かつレジスト膜を除去することに
より、層間絶縁膜としてのパタンを得る。レジスト膜の
除去はアセトン等の有機溶媒に溶かすことにより行う。An organic resist mask pattern is formed in the state of the Y-Ba-Cu oxide-MgO bilayer film, and a pattern as an ultrathin oxide superconducting film is formed. The dimension of the ultrathin oxide superconducting film to which an electric field is applied is 10 μm in both length and width. The length and width correspond to the channel length and the channel width, respectively. The pattern of the bilayer film is formed by an ion beam etching method using an Ar beam. Next, a resist pattern for the MgO interlayer insulating film is formed. This pattern is MgO
Before forming the film 4, a reverse pattern for lift-off is formed in advance. M on top of this with a film thickness of 100 nm
By forming the gO thin film 4 and removing the resist film, a pattern as an interlayer insulating film is obtained. The resist film is removed by dissolving it in an organic solvent such as acetone.
さらにY−Ba−Cu酸化物薄膜2につながるAu電極
膜5の形成を行う。このために、あらかじめY−Ba−
Cu酸化物薄膜2の上に形成した保護用MgO膜3をイ
オンビームエッチング法により除去しておく。Au電極
膜5のパタンもやはりリフトオフ法により、あらかじめ
形成されたレジストパタン上に膜形成を行うことにより
得る。Au電極膜5の形成は真空蒸着法により行う。Further, the Au electrode film 5 connected to the Y-Ba-Cu oxide thin film 2 is formed. For this purpose, Y-Ba-
The protective MgO film 3 formed on the Cu oxide thin film 2 is removed by the ion beam etching method. The pattern of the Au electrode film 5 is also obtained by forming the film on the resist pattern formed in advance by the lift-off method. The Au electrode film 5 is formed by a vacuum vapor deposition method.
さらに電界を印加するためのAuゲート電極膜6のパタ
ンおよび膜形成を行う。Auゲート電極膜6の形成は真
空蒸着法を用い、パタン形成は同じくリフトオフ法を用
いる。以上の製造工程により、超電導スイッチング装置
を得る。Further, the pattern and film formation of the Au gate electrode film 6 for applying an electric field are performed. The Au gate electrode film 6 is formed by using a vacuum evaporation method, and the pattern is formed by using a lift-off method. A superconducting switching device is obtained by the above manufacturing process.
以上の方法により作製した超電導スイッチング装置の特
性は第3図に示すごとくになる。すなわちゲート電圧を
印加しない場合、高抵抗状態となる。このときのチャネ
ル部の酸化物薄膜においては、第4図に示す如く、チャ
ネル方向(例えば第4図(a)のA−A′方向)に超電
導領域1が常電導領域中に離散的に存在する。したがっ
て第4図(b)に示すようなチャネル方向に沿って断面
を見ると、超電導領域1は常電導領域2で隔てられるの
で、超電導領域1のみによってチャネルが接続されるこ
とはなく、高抵抗状態となるのである。これに対して、
100mV以上のゲート電圧を印加した場合、約30μ
Aの超電導電流が流れる。このときのチャネル部の酸化
物薄膜においては、第5図に示す如く超電導領域1が第
4図の場合に比べて拡大する。したがって例えば第5図
(a)のB−B′断面を見れば、超電導領域1が常電導
領域2で隔てられているが、例えばC−C′断面では超
電導領域1のみによってチャネルが接続される。したが
ってチャネルに超電導電流が流れる。このような素子特
性はY−Ba−Cu酸化物薄膜の臨界温度である40K
近傍まで観測される。このようなスイッチング動作は二
次元的な薄膜中で行われる現象であるから、ピコ秒オー
ダの非常に短い時間で行われる。しかも高抵抗状態(高
発熱状態)から超電導状態(低発熱状態)に遷移したと
きに、熱の放散によるスイッチングの遅延は、素子形状
から明らかなように無視できる。The characteristics of the superconducting switching device manufactured by the above method are as shown in FIG. That is, when the gate voltage is not applied, the high resistance state is set. In the oxide thin film of the channel portion at this time, as shown in FIG. 4, the superconducting regions 1 are discretely present in the normal conducting region in the channel direction (for example, the AA ′ direction in FIG. 4A). To do. Therefore, when looking at the cross section along the channel direction as shown in FIG. 4 (b), the superconducting region 1 is separated by the normal conducting region 2, so that the channel is not connected only by the superconducting region 1 and a high resistance is obtained. It becomes a state. On the contrary,
When a gate voltage of 100 mV or higher is applied, approximately 30μ
The superconducting current of A flows. In the oxide thin film of the channel portion at this time, the superconducting region 1 is enlarged as compared with the case of FIG. 4 as shown in FIG. Therefore, for example, when looking at the BB ′ cross section of FIG. 5A, the superconducting region 1 is separated by the normal conducting region 2, but for example, in the CC ′ cross section, the channel is connected only by the superconducting region 1. . Therefore, a superconducting current flows through the channel. Such a device characteristic is 40 K which is the critical temperature of the Y-Ba-Cu oxide thin film.
It is observed up to the neighborhood. Since such a switching operation is a phenomenon performed in a two-dimensional thin film, it is performed in a very short time on the order of picoseconds. In addition, the switching delay due to heat dissipation when the transition from the high resistance state (high heat generation state) to the superconducting state (low heat generation state) can be ignored, as is apparent from the element shape.
このような超電導スイッチング装置はディジタル回路や
アナログ回路のスイッチング素子としての特性を有して
いて、論理回路,記憶回路,ディジタル・アナログ変換
回路等に適用可能である。さらに計算機ユニットや信号
処理装置等これら各種の回路を利用した高速処理システ
ムを構成することができる。Such a superconducting switching device has characteristics as a switching element of a digital circuit or an analog circuit, and can be applied to a logic circuit, a storage circuit, a digital / analog conversion circuit, or the like. Further, it is possible to configure a high speed processing system using these various circuits such as a computer unit and a signal processing device.
本発明にかかる超電導スイッチング装置は、以上述べた
素子構造だけなく、極薄超電導酸化物薄膜とゲート電極
膜の上下関係を逆転させた構造においても実施可能であ
る。さらに酸化物薄膜として上記Y−Ba−Cu酸化物
だけでなく、B−Sr−Ca−Cu酸化物、Tl−Ba
−Ca−Cu酸化物、La−Sr−Cu酸化物、Nd−
Ce−Cu酸化物等を用いても同様に素子を構成でき、
かつ同様の素子特性および素子性能を発揮させることが
できる。これらの異なった素子構造あるいは超電導材料
を用いるにもかかわらず、スイッチングの動作原理が作
用の項において述べたごとく、超電導キャリアのゆらぎ
にもとずくものであることは変わりがない。The superconducting switching device according to the present invention can be implemented not only in the element structure described above, but also in a structure in which the vertical relationship between the ultrathin superconducting oxide thin film and the gate electrode film is reversed. Further, as an oxide thin film, not only the above Y-Ba-Cu oxide but also B-Sr-Ca-Cu oxide, Tl-Ba
-Ca-Cu oxide, La-Sr-Cu oxide, Nd-
A device can be similarly constructed by using Ce-Cu oxide or the like,
In addition, similar element characteristics and element performance can be exhibited. Despite the use of these different element structures or superconducting materials, the operating principle of switching is still based on the fluctuation of the superconducting carrier as described in the section of action.
本発明にかかる超電導スイッチング装置は以下の効果を
有する。The superconducting switching device according to the present invention has the following effects.
(1)従来の電界効果型の超電導トランジスタのように
サブミクロンのチャネル長を形成せずとも動作させるこ
が可能である。(1) It is possible to operate without forming a submicron channel length like a conventional field effect type superconducting transistor.
(2)液体ヘリウム温度だけでなく、数十Kの高温にお
いても超電導と常電導間、あるいは零電圧状態と高抵抗
状態間のスイッチングが可能である。(2) It is possible to switch between superconductivity and normal conduction, or between zero voltage state and high resistance state, not only at liquid helium temperature but also at high temperature of several tens of K.
(3)以上の素子特性はディジタル回路やアナログ回路
のスイッチング素子としての特性を有している。したが
って論理回路,記憶回路,ディジタル・アナログ変換回
路等の能動素子として用いていることができる。(3) The above element characteristics have characteristics as a switching element of a digital circuit or an analog circuit. Therefore, it can be used as an active element of a logic circuit, a memory circuit, a digital / analog conversion circuit, or the like.
第1図は本発明にかかる超電導スイッチング素子の一実
施例における断面図、第2図は本発明にかかる超電導ス
イッチング素子の一実施例における平面図、第3図は本
発明にかかる超電導スイッチング素子の一実施例におけ
る電圧−電流特性を示す図、第4図および第5図は本発
明の一実施例の素子の動作を説明する図である。 符号の説明 1……SrTiO3基板、2……Y−Ba−Cu酸化物
薄膜、3……MgO薄膜、4……MgO層間絶縁膜、5
……Au電極膜、6……Auゲート電極膜。FIG. 1 is a sectional view of an embodiment of a superconducting switching element according to the present invention, FIG. 2 is a plan view of an embodiment of a superconducting switching element according to the present invention, and FIG. 3 is a view of a superconducting switching element according to the present invention. FIG. 4 is a diagram showing the voltage-current characteristics in one embodiment, and FIGS. 4 and 5 are diagrams for explaining the operation of the element of one embodiment of the present invention. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... SrTiO 3 substrate, 2 ... Y-Ba-Cu oxide thin film, 3 ... MgO thin film, 4 ... MgO interlayer insulating film, 5
...... Au electrode film, 6 ... Au gate electrode film.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−87884(JP,A) 特開 平2−194667(JP,A) 特開 平3−104177(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP-A-58-87884 (JP, A) JP-A-2-194667 (JP, A) JP-A-3-104177 (JP, A)
Claims (2)
記超電導薄膜に接して互いに隔てられて形成された1対
の電極膜と、上記酸化物系の超電導薄膜に対して絶縁膜
を介して配されたゲート電極膜からなる超電導スイッチ
ング装置であって、上記酸化物系の超電導薄膜の膜厚が
10nm以下であり、かつ上記1対の電極膜間の抵抗
を、上記ゲート電極膜に印加された電圧によって制御す
ることを特徴とする超電導スイッチング素子。1. An oxide-based superconducting thin film containing Cu, a pair of electrode films formed in contact with and separated from the superconducting thin film, and an insulating film for the oxide-based superconducting thin film. A superconducting switching device comprising a gate electrode film disposed via a gate electrode film, wherein the oxide-based superconducting thin film has a thickness of 10 nm or less, and the resistance between the pair of electrode films is equal to that of the gate electrode film. A superconducting switching element characterized by being controlled by an applied voltage.
膜が、YBaCu酸化物、BiSrCaCu酸化物およ
びTBaCaCu酸化物のうちのいずれかの酸化物に
より構成されることを特徴とする超電導スイッチング素
子。2. The superconducting switching element according to claim 1, wherein the oxide-based superconducting thin film is made of any one of YBaCu oxide, BiSrCaCu oxide and TBaCaCu oxide.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021981A JPH0636440B2 (en) | 1990-02-02 | 1990-02-02 | Superconducting switching element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021981A JPH0636440B2 (en) | 1990-02-02 | 1990-02-02 | Superconducting switching element |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03228382A JPH03228382A (en) | 1991-10-09 |
| JPH0636440B2 true JPH0636440B2 (en) | 1994-05-11 |
Family
ID=12070203
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021981A Expired - Lifetime JPH0636440B2 (en) | 1990-02-02 | 1990-02-02 | Superconducting switching element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0636440B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2515947B2 (en) * | 1992-05-29 | 1996-07-10 | 株式会社日立製作所 | Superconducting element |
-
1990
- 1990-02-02 JP JP2021981A patent/JPH0636440B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03228382A (en) | 1991-10-09 |
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