(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の超伝導金属層と、
第１の常伝導金属層と、
第２の超伝導金属層と、
第２の常伝導金属層と、
第３の超伝導金属層とがこの順に積層されて構成され、
前記第１から第３の超伝導金属層及び第１と第２の常伝導金属層とは、超格子周期を有し、前記第１の超伝導金属層と第２の超伝導金属層と第３の超伝導金属層とは、スピン交換相関を有する、
ことを特徴とするスイッチ装置。
【請求項２】
前記第１の超伝導金属層と第２の超伝導金属層と第３の超伝導金属層とは、Ｎｂから構成され、
前記第１の常伝導金属層と第２の常伝導金属層とはＣｕから構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチ装置。
【請求項３】
前記第１から第３の超伝導金属層の層厚は１６．８ｎｍ、第１と第２の常伝導金属層の層厚は、１４．７ｎｍ、である、
ことを特徴とする請求項２に記載のスイッチ装置。
【請求項４】
前記第１の超伝導金属層は、ソース層として機能し、
前記第２の超伝導金属層は、ゲート層として機能し、
前記第３の超伝導金属層は、ドレイン層として機能し、
ソース層とドレイン層の間の次元クロスオーバー効果を、ゲート層を流れる電流もしくはゲート層に印加される電圧によって変調する、
ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載のスイッチ装置。
【請求項５】
前記第３の超伝導金属層上に第３の常伝導金属層が配置され、
前記第３の常伝導金属層上に第２のゲート層を構成する第４の超伝導金属層が配置され、
前記第４の超伝導金属層上に第４の常伝導金属層が配置され、
前記第４の常伝導金属層上に第２のソース層を構成する第５の超伝導金属層が配置され、
前記第５の超伝導金属層上に第５の常伝導金属層が配置され、
前記第５の常伝導金属層上に第３のゲート層を構成する第６の超伝導金属層が配置され、
前記第６の超伝導金属層上に第６の常伝導金属層が配置され、
前記第６の常伝導金属層上に第２のドレイン層を構成する第７の超伝導金属層が配置されている、
という構成を含む、ことを特徴とする請求項４に記載のスイッチ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
電子通信情報分野においては、中央演算装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ；ＣＰＵ）、および、記憶装置、伝送装置に使用する高速スイッチング素子として用いられる。高周波での動作が可能であり、電気的な信号を高エネルギーのフォトンに変換する素子、および、フォトンを電気的な信号に変換する素子として用いられることが予想される。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータ分野における情報処理量の増加のため、コンピュータの心臓部にあたる中央演算装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ；ＣＰＵ）のオーダーレベルでの高速化の要請がある。ＣＰＵの高速化は、これまで、「縮小則」と呼ばれる行動原理にゆだねられ、素子の集積化によって行われてきた。しかし、この「縮小則」による高速化に限界が見え始めている。この問題を乗り越えるために超伝導を応用した素子が考案されてきたが、実用化に至っていない。これは、電流を仕切るために素子に用いられている誘電体材料の存在によるものと考えられる。もし、誘電体材料を用いないで電流を仕切ることができれば、超伝導材料を用いた超高速のスイッチング動作の問題が解決されると思われる。この申請書において、申請者は、誘電体障壁を用いない４端子スイッチング素子を提案する。Ｗ．Ｂ．Ｓｃｈｏｃｋｌｅｙ、Ｊ．Ｂａｒｄｅｅｎ、Ｗ．Ｈ．Ｂｒａｔｔａｉｎらが１９４８年にトランジスタ効果を発見して以来、コンピュータに用いられている半導体素子は、世界を変貌させる概念を数々と創り出してきた。データを処理する速度は、概念の変化の流れに合わせ、最高速であることを要求されてきた。電子デバイス分野においても、この「流れ」に追従するために、構成素子は、「縮小則」に基づき集積化されてきた。「縮小則」とは、集積回路の基本要素である電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＦＥＴ）を含む回路全体の、抵抗値と静電容量の積を小さくすることによって、高速でのスイッチングを可能にするという概念である。しかし、私たちは、現代社会の要請をこの「縮小則」によって乗り越えることができないことに気づき始めている。なぜなら、ＦＥＴのスイッチング動作は、ＦＥＴのゲート近傍のキャリアをバイアス電圧によって制御することによって行っているため、キャリアの移動度に依存してしまうのである。最近、Ｙ．Ｎｉｓｈｉは、２０１０年までの長期的なＣＰＵの動作周波数上昇の見通しをたてた。それによると、２０１０年においても、動作周波数は、１．１ｘ１０９Ｈｚまでであることが予言されている１。つまり、ＣＰＵの情報処理能力は、高々数倍になるだけである。このことは、巨大なソフトウェアによって処理される莫大な量の情報処理量が、キャリアの移動度に依存していることを意味する。一方、Ｂ．Ｄ．Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎによって提唱された超伝導素子は、高速で動作し、低消費電力であることが知られている２。しかし、Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ素子は、７ｘ１０８Ｈｚ以上のスイッチング周波数において、カオス的な信号のゆらぎによる雑音が支配的となるため、実用には供されてはいない。その上、トンネル障壁が存在することによる透過率の減少、信号の遅延、および、熱ひずみに対する機械的な脆さ、という性質を有している。Ｋ．Ａ．Ｍｕｌｌｅｒ、Ｊ．Ｇ．Ｂｅｄｎｏｒｚらによって発見された酸化物超伝導体３は、高温で動作する素子への応用が期待されていたが、未だにスイッチング素子として実用化されていない。数多くの試行にもかかわらず実用化されなかったのは、酸化物超伝導体自らが有する特性のためであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
酸化物超伝導体がＪｏｓｅｐｈｓｏｎ素子として実用化されなかった理由は２つある。第一に、結晶粒界などの整合性の低い界面が存在することによって、波動関数の位相が揺らいでしまうことがあげられる。第二に、このような整合性の低い界面では、波動関数の透過率が非常に小さいため、集積化の際に信号が極度に減衰しまうのである。酸化物超伝導体の可干渉距離は、超伝導相転移温度（Ｔｃ）を上昇させるために極度に短く（〜０．１ｎｍ）設計されている４。しかし、そのためには、可干渉領域を誘電率の高いイオン性結晶で仕切らなくてはならない。その結果、結晶自身の誘電率が上昇し、伝導層の層間では、波動関数の遅れが生じる（図１ａ）。整合性の低い界面では、この遅れにゆらぎが生じてしまうのである（図１ｂ）。また、このようなゆらぎから素子の動的なインピーダンスが上昇してしまい５，６、透過率が下がってしまう。すなわち、酸化物超伝導体の問題点も、誘電率の存在に帰結できる。
【表１】
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従って、本発明は、誘電体材料を用いずに可干渉領域を仕切ったスイッチング素子を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るスイッチング素子は、
第１の超伝導金属層と、
第１の常伝導金属層と、
第２の超伝導金属層と、
第２の常伝導金属層と、
第３の超伝導金属層とがこの順に積層されて構成され、
前記第１から第３の超伝導金属層及び第１と第２の常伝導金属層とは、超格子周期を有し、前記第１の超伝導金属層と第２の超伝導金属層と第３の超伝導金属層とは、スピン交換相関を有する、
ことを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係るスイッチング素子を説明する。
このスイッチング素子は、誘電体材料を用いずに可干渉領域を仕切った構成を有する。
ここで、まず、誘電体材料を用いずに可干渉領域を仕切る方法について説明する。
超伝導現象の特性は、クーパーペアの波動関数の可干渉性で描写され、その可干渉性はスピン交換相関によって実現される。このことは、スピン交換相関が制御できれば電子の流れを操作することができることを意味している。そこで、スピン交換相関を物理的に制御している例として巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＧＭＲ）の発現機構を考察してみることとする。巨大磁気抵抗効果は、メゾスコピックな構造を有する金属系で発現することが報告されているが、外部磁気を印加することによって電気抵抗が５０％も減少するというものである７。巨大磁気抵抗効果は、スピンまで記述された波動関数が隣り合う層の間で異なるとき、近藤効果８によって電子の遷移が制限されるために起こる。巨大磁気抵抗効果を示す系に関しては、メゾスコピックな磁気秩序に関する報告９がある。それによると、超格子周期の２倍の磁気秩序が存在することが中性子回折によって確認されている。ここで強調しておきたいことは、メゾスコピックなスケールでの磁区構造が、超格子の周期を制御することによって発現することである。このことは、スピン交換相関という立場で、強く相関する超伝導層を積層させることによって、誘電体を配置することなく、電子の遷移を制御していることを意味している。この示唆によって、誘電体を用いずにＪｏｓｅｐｈｓｏｎ接合を形成できる。
次に、本実施形態に係る金属超伝導超格子を用いたスイッチング素子の原理について説明する。
超伝導金属−常伝導金属−超伝導金属（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｍｅｔａｌ−Ｎｏｒｍａｌ ｍｅｔａｌ−Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｍｅｔａｌ；Ｓ−Ｎ−Ｓ）超格子においては、次元クロスオーバー現象が観察されている。Ｉ．Ｋ．Ｓｃｈｕｌｌｅｒらのグループが、Ｎｂ／Ｃｕ系の超格子における次元クロスオーバー現象を調査している１０。その報告によると、Ｎｂ／Ｃｕ超格子の可干渉距離が、メゾスコピックな系でのみ異方性を有し、超格子周期を最適化することによって、超伝導層間での相関が極大化する。申請者らは、かねてより、この層間の相関を利用して、スピンまで記述した波動関数を仕切ることを提案してきた。（特願平９−１８５６８２）
【表２】
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最近、申請者らは、メゾスコピックな超格子周期を有するＮｂ／Ｃｕ超格子において、層ごとの反強磁性的秩序が存在することを報告した１１（図３）。Ｎｂ、Ｃｕ、各層の層厚を１６．８ｎｍ、１４．７ｎｍに固定したＮｂ／Ｃｕ系の超伝導超格子の電気抵抗を測定したところ、抵抗異常が再現性よく観察された。この抵抗異常が、層間の相関が極大になったときのみに出現することを考え、メゾスコピックなスケールで、電子バンドの反強磁性的秩序が実現されていること、また、抵抗異常が近藤効果によることを導いた。もし、超伝導の系において反強磁性的秩序が形成されているとすると、超伝導現象とＧＭＲのアナロジーが結論付けられる。前述したとおり、ＧＭＲを示す系においては、電子の流れを誘電体障壁を用いずに仕切ることができる。それゆえ、Ｓ−Ｎ−Ｓ接合においてもクーパーペアの流れを誘電体障壁を用いずに仕切ることができると考えられる。
【０００６】
次に、本実施形態に係る金属超伝導超格子を用いたスイッチング素子の構造について説明する。
（提案している４端子素子）
図３に本発明の実施の形態に係る４端子スイッチング素子の概要を図解したものを示す。
層間での電子の遷移は、スピンの記述まで含めた波動関数が一致したときのみ支配的となり、隣の層への遷移は、反強磁性的なスピン配列のために制限されることになる（図３ａ）。この哲学に基づき、ソース層、ゲート層、ドレイン層を有した４端子素子が、申請者のひとりによって提案されてきた（図３ｂ）。スイッチング動作の動作原理は、ソース層とドレイン層の間の次元クロスオーバー効果を、ゲート層を流れる電流、もしくは、ゲート層に印加されるバイアス電圧によって、変調するものである。動作が、超伝導体の次元クロスオーバー効果の変調によって行われるため、超伝導状態はスイッチング動作によって破壊されない。
さらに、素子の単位胞を、超格子のように、ソース層（Ｓ）／ゲート層（Ｇ）／ドレイン層（Ｄ）／Ｇ／Ｓ／Ｇ／Ｄ／Ｇ…、という順序で積層させるため、ソース層からドレイン層への相関は、等比級数的に１に近づく。
誘電体障壁を有するＪｏｓｅｐｈｓｏｎ接合では、カオス的な雑音、波動関数のゆらぎ、透過率の低さ、機械的な脆さなどに悩まされていたが、提案した素子は、金属しか用いておらず、超伝導素子の実用化に向けてのすべての問題を解決したことになる。また、超伝導体層に２次元的に凝縮した電子によって量子ホール効果が変調される可能性もある。
結論として、この素子は、超伝導状態を壊すことによって動作する素子のようなエネルギー損失もないまま、超高周波数での動作が可能である。動作周波数の上限は、金属のプラズモン損失（１０３ｅＶのオーダー）を考慮すると、１０１８Ｈｚに及ぶことが期待される。仮に、そのような高周波での動作が可能であるならば、電気的な信号を高エネルギーのフォトンに変換すること、また、その逆が可能になると考えられる。
【表３】
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【０００７】
現在までに、スピン交換相関作用を利用して、ゲートアレイを作製した例はない。しかし、前述したとおり、超伝導体などを利用して、寄生容量の存在しない高速動作可能なゲートアレイを作製することは可能であると考えられる。
本スイッチング素子の作製方法を以下に示す。
（１）メカニカルアロイング法による層状構造作製法。
（２）機械的な変形を原理とした加工法による層状構造作製法（鍛造法、圧延法などを含む）。
（３）凝固組織の制御による層状構造作製法（急冷凝固法を含む）。
（４）薄膜作製法（気相、液相、および、固相中における物理的作製法、化学的作製法を含む）による層状構造作製法。
（５）化学的手法を用いた層状構造作製法。
（６）電気化学的手法を用いた層状構造作製法。
（７）生物化学的手法を用いた層状構造作製法。
（８）自然界に存在する構造の周期性を利用した層状構造作製法。
（９）自然界に存在する駆動力を利用して、層状構造を作製する方法。
（１０）物理的手法（粒子加速器など）を用いて、層状構造を作製する方法。
なお、これらを複数にわたって組み合わせた方法を含む。
【０００８】
【発明の効果】
結論として、この素子は、超伝導状態を壊すことによって動作する素子のようなエネルギー損失もないまま、超高周波数での動作が可能である。動作周波数の上限は、金属のプラズモン損失（１０３ｅＶのオーダー）をると、１０１８Ｈｚに及ぶことが期待される。仮に、そのような高周波での動作が可能であるならば、電気的な信号を高エネルギーのフォトンに変換すること、また、その逆が可能になると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  酸化物超伝導体の内部における電子分極が伝導シート間の波動関数の伝播に及ぼす影響（ａ）。酸化物超伝導体を用いたＪｏｓｅｐｈｓｏｎ素子の場合、１０４Ｈｚ以上のスイッチング周波数において、熱雑音が支配的となる６。Ｋ．Ｋ．Ｌｉｋｈａｒｅｖの報告５によると、そのような熱雑音は、高周波領域での動的なインピーダンスが上昇するためであるとされている。つまり、ペロブスカイト構造の結晶には、大きな電子分極が存在することになる。波動関数は、それらの電子分極の存在によって、伝播の際に遅れを生じてしまう。Ｆｉｇｕｒｅ１ｂには、整合性の低い界面の近傍で、波動関数の遅れにゆらぎが生じることを説明した図を示す。波動関数の遅れによって、界面近傍の秩序パラメータは小さくなり、必然的に波動関数は弱結合となる。
【図２】  抵抗測定の実験の結論として得られた、メゾスコピックな構造を有する超伝導体における、層ごとの反強磁性的スピン秩序。各々の層における電子状態は、非経験的分子軌道法であるＤＶ−Ｘα法によって計算された。「Ｃｏｏｐｅｒペアの熱的安定機構」１１によるスピンのゆらぎは第一原理によって決定される電子構造とは独立して存在する。そのため、メゾスコピックなスピン秩序をノーマルな電子状態をもとに描写することが可能となる。となりの層のスピン方向は、交換相関パラメータの関数であるＴｏｔａｌ Ｅｎｅｒｇｙを下げるために反対になる。もし、このような反強磁性的秩序が超伝導体に存在すると、電子の流れは、誘電体を用いなくとも仕切ることができる。
【図３】  ４端子スイッチング素子の概略図と、その動作原理。スピンまで含めた波動関数が一致する層の間での遷移は優先的になる（ａ）。近藤効果の結果、となりの層への遷移は制限される。４端子素子の単位胞は、ソース層、ゲート層、ドレイン層からなる（ｂ）。スイッチング動作の原理は、ソース層とドレイン層の間における次元クロスオーバー状態が、ゲート層に流れる電流、もしくは、ゲート層に印加されるバイアス電圧に変調されることによる。超伝導現象とＧＭＲがアナロジーであることを考慮すると、電子の流れは誘電体を用いなくとも仕切ることができる。すなわち、スピン交換相関作用の強い層を積層すれば、この素子を作成することが可能であることがわかる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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