專利名稱：采用陶瓷超導元件的存儲器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用陶瓷超導元件的器件而且特別涉及對一種邏輯器件和存儲器件的改進，這種邏輯器件和存儲器件是根據磁場變化對超導元件的效應的超導器件的磁阻特性去控制的。
大家知道，利用約瑟夫遜效應在理論上可以制造邏輯電路，例如“與”門電路。約瑟夫遜器件是周知的利用超導體性能的邏輯器件之一。現有技術應用約瑟夫遜效應的邏輯器件(在這里我們稱之為約瑟夫遜器件)具有這樣的結構，即在諸如鈮、鉛或它們的合金的超導材料制成的薄層之間夾有極薄的絕緣膜。
上述那種約瑟夫遜器件中的絕緣膜需要有大約10埃的厚度。而生產這種薄的絕緣膜需要先進的薄膜制造技術，而且實際生產起來很困難。此外，雖然約瑟夫遜器件在技術上具有動作極其快速的優點，但其輸出電平的變化很小。因此從實用的觀點看，約瑟夫遜器件不適用于邏輯電路。
鑒于上述情況，有人發現了陶瓷超導元件的一種新現象，并詳細公開在現行日本專利申請62-233369以及下列等等對應于1988年7月29日申請的美國專利申請226，067，并對應于1988年7月29日申請的歐洲專利申請88307044.3中，該日本專利申系轉讓給本申請的共同受讓人之一的夏普股份有限公司。將應用上述新現象的陶瓷超導元件應用到諸如“與”門、“或”門、“異”門或“非”門之類的邏輯電路中時，這類邏輯電路的工作穩定，且可以高生產率制造，如日本專利申請63-117472(對應于1988年12月23日申請的美國專利申請289，312和1988年12月23日申請的歐洲專利申請88312296.2，以及1988年12月24日申請的中國專利申請88109265.7)和日本專利申請63-29526〔對應于1989年2月10日申請的美國專利申請309，228和1989年2月10日申請的歐洲專利申請89301279.9以及(申請號未收到的)中國專利申請〕中所示的那樣，該兩個日本專利申請也轉讓給本申請的共同受讓人之一夏普股份有限公司。
雖然這些專利申請教導了在諸如“與”門、“或”門、“異”門或“非”門之類的邏輯電路中使用陶瓷超導元件，但這些專利申請沒有一個教導或提出在存儲器件中使用陶瓷超導元件。
另外，約瑟夫遜器件通常歷來是通過利用超導性的特性來存儲數據的。在這類器件中，存不存在穿過連接到約瑟夫遜器件的環路的全磁通量子，與存儲態“1”和“0”有關。
但象那些用于一般超導存儲器件中的約瑟夫遜器件，其結構一般是層狀結構，具體地說，是那種有一薄膜絕緣層夾在鈮、鉛、它們的合金或其它材料制成的各超導薄層之間的結構。
在上述約瑟夫遜器件中，為獲得能激發超導性的隧道效應，所夾入的絕緣膜必須制成大約10埃那么薄。而要生產如此之薄的絕緣膜是需要有先進的薄膜制造技術的，而且生產起來很困難。這類器件，輸出電平低，而且只能用于非常低的溫度，因而妨礙了其在實際中的應用。
本發明是在考慮到了上述問題的基礎上研制出來的，其主要目的是改進采用陶瓷超導元件的存儲器件。本發明的存儲器件包括一襯底;一陶瓷超導元件，淀積在襯底上，具有磁阻特性;第一電極，毗鄰陶瓷超導元件配置，當通過第一電極加第一電流時給陶瓷超導元件提供大于臨界磁場的磁場，并使陶瓷超導元件處于磁阻狀態;第二電極，其相應的兩端分別連接到陶瓷超導元件相應的兩端，形成由陶瓷超導元件與第二電極組成的閉合環路;因此當往第二電極毗鄰陶瓷超導元件其中一端的第一部分與第二電極毗鄰陶瓷超導元件另一端的第二部分之間加第一電流時，第一電流部分流經陶瓷超導元件，部分流經第二電極;然后，通過第一電極加第二電流時，陶瓷超導元件呈磁阻狀態，使第一電流大部分流經第二電極;這之后，同時切斷第一和第二電流時，第一電流就為閉合環路所捕獲，以便將數據存儲起來。
下面就上述新現象進行說明。通常，當沒有磁場加到陶瓷超導元件上時，陶瓷超導元件在低于象77°K那樣的一定溫度下表現出超導性能。當往陶瓷超導元件加磁場但其大小不大于閾值HO時，陶瓷超導元件仍然表現出超導性，如

圖1所示。然后，當加到超導元件的磁場變得與閾值HO相等時，超導元件就喪失其超導性，同時突然表現出磁阻性其阻值以高于磁場增加的速度增加。這之后，當磁場減少到閾值HO時磁阻值也減到零，于是超導元件再次表現出其超導性能。如圖1所示以相反極性增加磁場時，可以觀察到同樣的現象。
鑒于陶瓷超導元件的電阻是通過施加磁場獲得的，因而所獲得的電阻就叫做磁阻，而這種在陶瓷超導元件中觀察到的現象就叫做超導磁阻系統。
對超導磁阻系統系統可以如下加以理解。當陶瓷超導元件接收到大于閾值HO的磁場時，陶瓷超導體晶粒間界的超導狀態為所加的磁場所破壞，從而使超導體從超導狀態改變成電阻狀態。
更具體地說，當晶體間界由陶瓷料粒形成的陶瓷超導元件沒有接收到任何磁場時，陶瓷元件沒有表現出任何電阻性，如圖5所示。但當加上大于閾值HO的磁場時，陶瓷元件突然表現出電阻性，而且所加磁場增加時阻值急劇增加。由于在閾值磁場HO下電阻的變化率△R/△H等于無窮大，因而由利用超導磁阻系統的陶瓷超導元件制成邏輯器件比普通磁阻元件表現出更穩定和更高級的性能。
目前由許多研究單位所推進的對陶瓷超導器件所進行的研究，其動向是試圖改進臨界溫度(Tc)、閾值磁場(HO)和閾值電流(Ic)特性。在本發明人對陶瓷超導器件所進行的研究中，在某些特殊類型的超導體(超導體各晶粒之間的弱耦合狀態的那種超導體)中發現了上述現象。該現象是這樣的，即弱磁場(幾個高斯)破壞了這些弱耦合的超導狀態，如圖5所示，從而表現出電阻，而且該電阻值隨所加磁場強度的增加而急劇增加。本發明提出了作為利用這種弱臨界磁場現象的新型邏輯電路而工作的陶瓷超導器件。
如圖2所示，陶瓷超導元件包含許多細的超導晶粒的晶體，在各晶粒之間穿插有極細的絕緣體或電阻體，但這些晶粒間界由于在超導狀態下的隧道效應表現出零電阻的狀態，其中各電子能自由移動。或者，各晶粒處于點接觸狀態。當毗連的各晶體間界處于所謂弱耦合狀態的點接觸時就獲得超導狀態，而加上弱電場時，點接觸狀態遭破壞，于是就表現出磁阻。
換句話說，處于弱耦合狀態的多晶陶瓷超導體同樣也可以形成多個約瑟夫遜結121組成的鍵合體，如圖2中所示。
往這類超導器件上加磁場時，磁場的作用破壞了各約瑟夫遜結121的超導狀態，具體地說，由于施加弱磁場，因而破壞了超導的弱耦合狀態，從而使器件表現出電阻，而且該電阻值隨磁場強度的增加而增加。
從上述原理就可以知道，這種性能不取決于所加磁場的方向，因為各晶粒間界的配置是無規則的，但系取決于磁場強度的絕對值。
本發明利用了陶瓷超導元件各晶粒間界處存在的弱耦合。本發明的器件具有三個平行或垂直于超導器件的導電狹條以便藉流過這些導電狹條的電流給陶瓷超導元件提供不同大小的磁場，從而使陶瓷超導元件在超導態與磁阻態之間變化。
在本發明的一個最佳實施例中，陶瓷超導元件由Y，Ba2Cu3O7-x、Bi1Sr1Ca1Cu2Ox或任何其它超導薄膜制成，且形成細長的圖形。各導流狹條系制成平行或垂直于陶瓷超導薄膜。
在上述陶瓷超導器件的另一個實施例中，設在單個襯底上的三個導電狹條可以由絕緣材料加以隔離的分層式結構形成，也可以平行或垂直的配置方式并置著。
此外在本發明的一個最佳實施例中，各導電狹條與一個獨立的電流源連接。
根據另一個實施例，本發明實現上述目的的超導存儲器件包含一至少部分由具有易為磁場所影響的晶粒間界的陶瓷超導體制成的超導性環路，并用加到為進行控制而設在所述陶瓷超導體附近的導電狹條的電流所產生的磁場來控制具有這種晶粒間界的陶瓷超導體的超導狀態。
在上述超導存儲器器件中，電源和信號檢測用的引線元件裝設的位置要使具有如上所述的晶粒間界的超導元件夾持在其間。在這種超導存儲器中，電流系加到設在陶瓷超導元件附近的導電狹條，以操縱磁場并進行寫入操作和讀出及擦除操作，寫入操作是將磁通存儲在超導環路中，讀出和擦除操作則是從環路中釋放磁通。
以前在《電子技術》(第30卷，第2期，1988年出版于日本)中報道過，取決于各晶粒間界的狀態，施加極弱的磁場可以破壞陶瓷超導體的超導狀態，從而當超導狀態遭破壞時電阻突然出現，而且當磁場快速增加時，該阻值迅速增加。本發明將此性能應用到作為存儲器件而工作的一超導環路的開關元件上。
從下面參照附圖連同一些最佳實施例所作的說明中可以理解本發明的上述和其它目的和特點，附圖中，相同的各部件用相同的編號表示，其中圖1是陶瓷超導元件中的磁阻相對于所加的磁場而變化的曲線;
圖2是陶瓷超導材料中所形成的電傳導路徑的示意圖;
圖3是應用本發明一最佳實施例的陶瓷超導元件的存儲器件的示意圖;
圖4a、4b和4c是流經圖3的存儲器件的電流的示意圖;
圖5a、5b、5c和5d則是與圖3類似的一些視圖，但示出了其一些修改方案。
參看圖3，陶瓷超導存儲器件40有一襯底42，襯底42上淀積著一電極44。陶瓷超導元件46系淀積得平行并毗連電極44。陶瓷超導元件46的各相應端與U形電極48電氣連接，從而使元件46和電極48在一起形成矩形的閉合環路。陶瓷超導元件46的各相應端附近設有突出的電極48a和48b。根據本最佳實施例，電極48也是由超導元件制成，但即使加有磁場時也保持超導狀態。
電極44通過開關56連接到供應電流Is的電流源52上，突出電極48a則通過開關54連接到供應電流Ib的電流源50上。電流源50和52彼此互連起來，且由單個開關58加以轉換。
工作時，首先，將陶瓷超導存儲器件40保持在這樣一種狀態，即，使陶瓷超導元件46處于超導狀態。然后在斷開開關54和56的情況下接通開關58，而后接通開關54，以便在突出電極48a與48b之間供應電流。這樣，如圖4a所示，1/2 Ib流經陶瓷超導元件46，同時大致相等的電流1/2 Ib流經電極48。
這之后，當接通開關56時，電流Is流經電極44，以便在陶瓷超導元件46提供大于閾值磁場HO的磁場。于是在陶瓷超導元件46中產生磁阻，以防電流流經陶瓷超導元件46。因此如圖4b中所示，電流Ib大部分流經電極48。
這之后，將開關58斷開時，電流源50和52同時處于不供流的狀態。于是電極44中沒有電流通過，因而也就不產生磁場，從而使陶瓷超導元件46恢復超導狀態。此外也沒有電流加到電極48上。于是曾流經電極48的電流Ib為電極48和陶瓷超導元件46所形成的閉合環路所捕獲并在該環路中循環，如圖4c所示。
當電流如圖4c所示那樣為該閉合環路所捕獲時，顯然象“1”之類的數據就存儲在該閉合環路中，且無需電能就能維持在該閉合環路中。接通開關58可以將存儲器清零，而給電極44供應至少為Is的電流，從而使陶瓷超導元件46處于磁阻狀態，以中斷環路中的循環電流。
根據本最佳實施例，電極44與陶瓷超導元件46之間的中心距為50微米，電極44和元件46的寬度則分別取30微米和50微米。環路大致取方形，沿環路一個循環的距離約為300微米。使流經電極44的電流Is等于約10毫安時，陶瓷超導元件46上就加有0.4高斯的磁場。在此情況下，若往陶瓷超導元件46上加2毫安(＝1/2Ib)的電流，則元件46中會產生10毫歐的阻值。
在一具體實例中，令Ib等于4毫安，并在液氮中將超導存儲器件冷卻到77°K。陶瓷超導元件46處于超導狀態時，大約二分之一即2毫安的電流流經元件46和電極48。令Is等于10毫安時，就有大約0.4高斯的磁場加到大約偏離50微米的陶瓷超導元件46上，從而在元件46中產生磁阻。斷開開關58而使電流為閉合環路所捕獲時，閉合環路中就流經有大約4毫安的恒定電流，從而使該環路產生磁通以使存儲器件處于“寫”的狀態。環路中之所以流有恒定電流可以用兩個理由加以解釋，一是超導元件46恢復到超導狀態的時間短于電子流經超導環路所需要的時間，二是確定著電子流動的阻抗在環路中是小于在電源方向的。只要恒定電流流經閉合環路，所寫入的各數據就保持下來。
從已寫入的存儲元件讀出是這樣進行的以與寫入到超導環路相反的方向往電極48供應電流，使部分超導元件46中的電流大于閾值電流Ic，或者用破壞性讀出的方法進行，即往電極44上供應電流，使得陶瓷超導元件46上加有大于閾值磁場HO的磁場，因而使加電流所形成的電阻破壞恒定電流，從而在該過渡過程的瞬間產生脈沖電壓。用這個脈沖電壓進行讀出。
要將寫入狀態轉換成擦除狀態，只需要在上述方法的超導元件46中產生電阻即可。
在上述實施例中，超導元件46和48可由濺射法、金屬有機物化學汽相淀積法或電子束蒸發法制成的陶瓷超導薄膜形成，且可以通過使電極各桿部的圖形更細的方法降低閾值電流Ic和閾值磁場HO。此外超導元件46和48還可以分開加工制成。另外調節線寬，則不僅使超導元件46和48而且使電極44也可用同樣的超導薄膜形成。
參看圖5a，該圖示出了超導存儲器件的第一個修改方案，其中超導元件50中可增設一個直徑收縮的部件，其目的是提高該元件的電流密度，從而提高磁場的靈敏度。
參看圖5b，圖5b示出了第二個修改方案，其中供應電流Is用的電極52與其間帶有適當絕緣層(例如SiO2)或有機絕緣層(例如聚酰亞胺樹脂)的電極48相交。用這種結構可以縮小制造器件用的面積。
參看圖5c和5d，圖中示出了任何提高施加磁場的效率的其它可能修改方案。
此外，形成超導環路的陶瓷超導元件46必須由晶粒間界磁靈敏度高的陶瓷超導元件構成;其它各部分可包含任何其它超導材料，例如HO高且不具有弱耦合晶粒間界的超導層，或這些薄層的疊層結構。再者，若該環路實質上由這些通常處于超導狀態的部分構成，則通過縮短磁場所控制的超導部分或通過將電源的各突出電極48a和48b靠近超導電極48的垂直延伸部分安置，可以使寫入過程更有把握，因為寫入數據時，超導部分產生存儲在環路中的磁通。
讀出方法并不局限于上述破壞性讀出法，其它方法也可以采用，例如采用磁光效應薄膜的光讀出法，或者也可以采用精致的磁傳感器矩陣。
本發明利用了超導性的性能，但不采用一般方法極難以制造的極薄絕緣薄膜的約瑟夫遜器件。因此本發明的陶瓷超導元件由于應用了易于在陶瓷超導元件晶粒間界形成的超導元件的弱耦合磁阻效應，因而容易制造。所以本發明的器件的抗噪性能好，輸入和輸出用的電源極其實用，而且使用起來不困難。
雖然本發明已結合其一些最佳實施例參照各附圖全面加以說明了，但應該指出的是，對熟悉本技術領域的人士來說，對上述實施例是可進行各種更改和修改的。在不脫離本發明在本說明書所附的權利要求書中所述的范圍的前提下，這些更改和修改應理解為包括在本發明的該范圍中。
權利要求
1.一種存儲器件，其特征在于，它包括一超導環路(46，48)，其至少一部分由具有晶粒間界的陶瓷超導元件(46)形成；和一電極(44)，設在所述陶瓷超導元件(46)附近；因此流經所述陶瓷超導元件(46)以外的所述超導環路的一部分(48)的電流可以通過控制流經所述電極(44)的電流所產生的磁場使其被捕獲在所述超導環路中。
2.一種存儲器件，其特征在于，它包括一襯底42;一陶瓷超導元件(46)，淀積在所述襯底上，具有磁阻特征;第一電極(44)，毗鄰所述陶瓷超導元件(46)配置，用以給所述陶瓷超導元件(46)提供大于閾值磁場(H0)的磁場(H1)，使得通過所述陶瓷超導元件(46)加電流時，使所述陶瓷超導元件(46)處于磁阻狀態;第二電極(48)，其各相應端分別與所述陶瓷超導元件(46)的各相應端相連接，使所述陶瓷超導元件(46)與所述第二電極(48)形成一個閉合環路;因此往所述第二電極(48)毗鄰所述陶瓷超導元件(46)其中一端的第一部分(48a)與所述第二電極(48)毗鄰所述陶瓷超導元件(46)的另一端的第二部分(48b)之間加第一電流(Ib)時，所述第一電流部分流經所述陶瓷超導元件(46)，部分流經所述第二電極(48)，然后通過所述第一電極(44)加第二電流(Is)時，所述陶瓷超導元件(46)呈磁阻狀態，使所述第一電流(Ib)大部分流經所述第二電極(48)，這之后，同時切斷所述第一和第二電流(Ib)、(Is)時，所述第一電流(Ib)就被捕獲在存儲數據的所述閉合環路中。
3.如權利要求2所述的存儲器件，其特征在于，它還包括第一電流源(50)，通過第一開關裝置(54)連接到所述第二電極(48)，用以提供所述第一電流(Ib);第二電流源(52)，通過第二開關裝置(56)連接到所述第一電極(44)上，用以提供所述第二電流(Is);和一截止裝置(58)，用以同時截止所述第一和第二電流源(50)、(52)。
4.一種制造存儲器件的方法，其特征在于，該方法包括下列工序在一預定溫度下冷卻具磁阻特性的陶瓷超導元件(46)，使其處于超導狀態;用一個電極(48)將所述陶瓷超導元件(46)的各相應端連接起來以形成一閉合環路;往所述第二電極(48)毗鄰所述陶瓷超導元件(46)的其中一端的第一部分(48a)與所述第二電極(48)毗鄰所述陶瓷超導元件(46)的另一端的第二部分(48b)之間加第一電流(Ib)，從而使所述第一電流部分流經所述所述陶瓷超導元件(46)，部分流經所述第二電極(48);往所述陶瓷超導元件(46)加大于一閾值磁場(H0)的磁場(H1)，使所述陶瓷超導元件(46)處于磁阻狀態，從而使所述第一電流(Ib)大部分流經所述第二電極(48);同時除去所述第一電流(Ib)和所述第一磁場(H1)，以便將所述第一電流(Ib)捕獲在所述存儲數據的閉合環路中。
全文摘要
一存儲器件包括一超導環路(46，48)和一電極(44)，超導環路的至少一部分由具有晶粒間界的陶瓷超導元件(46)構成。電極(44)設在元件(46)附近，使流經元件(46)外的所述環路的一部分(48)電流可由控制流經電極(44)的電流產生的磁場使其被捕獲在所述環路中。
文檔編號G11C11/44GK1064365SQ9210216
公開日1992年9月9日 申請日期1989年6月16日 優先權日1988年6月16日
發明者野島秀雄, 片岡照榮, 橋爪信朗, 土本修平, 森末道忠 申請人:夏普公司, 森末道忠