採用陶瓷超導元件的邏輯器件和存儲器件的製作方法
2023-05-28 23:26:06 1
專利名稱：採用陶瓷超導元件的邏輯器件和存儲器件的製作方法
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製造邏輯電路，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(在這裡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製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製造技術，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於邏輯電路。
鑑於上述情況，有人發現了陶瓷超導元件的一種新現象，並詳細公開在現行日本專利申請62-233369以及下列等等對應於1988年7月29日申請的美國專利申請226，067，並對應於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就穩定，且可以高生產率製造，如日本專利申請63-117472(對應於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〔對應於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能執行「隱含」門或「等效」門電路操作的邏輯電路中使用陶瓷超導元件。下面的表A和表B示出了以真值表示的「隱含」邏輯和「等效」邏輯。
表A表B「隱含」真值表「等效」真值表輸入端輸出端輸入端輸出端001001100100011010111111此外這些專利申請也沒有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。
但象那些用於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製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製成大約10埃那麼薄。而要生產如此之薄的絕緣膜是需要有先進的薄膜製造技術的，而且生產起來很困難。這類器件，輸出電平低，而且只能用於非常低的溫度，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製出來的，其主要目的是改進採用能執行「隱含」和「等效」門操作的陶瓷超導元件的邏輯器件。
本發明還有一個目的，即改進採用陶瓷超導元件的存儲器件。
為達到上述和其它目的，本發明的「隱含」邏輯器件包括一襯底;一陶瓷超導元件，澱積在襯底上，具有磁阻特性;第一電極，毗鄰陶瓷超導元件配置，用以通過陶瓷超導元件加第一電流時給陶瓷超導元件提供第一磁場;第二電極，毗鄰陶瓷超導元件配置，用以通過陶瓷超導元件加第二電流時給陶瓷超導元件提供第二磁場;第三電極，毗鄰陶瓷超導元件配置，用以通過陶瓷超導元件加第三電流時為陶瓷超導元件提供第三磁場;因此當存在第一磁場時，就使陶瓷超導元件處於磁阻狀態，當存在第一和第二磁場時，就使陶瓷超導元件就處於超導狀態，當存在第一和第三磁場時，就使陶瓷超導元件處於磁阻狀態，當存在第一、第二和第三磁場時，就使陶瓷超導元件處於磁阻狀態。
此外本發明的「等效」邏輯器件包括一襯底;一陶瓷超導元件，澱積在襯底上，具有磁阻特性;第一電極，毗鄰陶瓷超導元件配置，用以通過陶瓷超導元件加第一電流時給陶瓷超導元件提供第一磁場;第二電極，毗鄰陶瓷超導元件配置，用以通過陶瓷超導元件加第二電流時給陶瓷超導元件提供第二磁場;第三電極，毗鄰陶瓷超導元件配置，用以通過陶瓷超導元件加第三電流時給陶瓷超導元件提供第三磁場;因此當存在第一磁場時，使陶瓷超導元件處於磁阻狀態，當存在第一和第二磁場時，或當存在第一和第三磁場時，使陶瓷超導元件處於超導狀態，當存在第一、第二和第三磁場時，則使陶瓷超導元件處於磁阻狀態。
此外本發明的存儲器件包括一襯底;一陶瓷超導元件，澱積在襯底上，具有磁阻特性;第一電極，毗鄰陶瓷超導元件配置，用以通過陶瓷超導元件加電流時給陶瓷超導元件提供大於臨界磁場的磁場，並使陶瓷超導元件處於磁阻狀態;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;然後，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;這之後，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，陶瓷超導元件在低於象77°K那樣的某些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於閾值H0時，陶瓷超導元件仍然表現出超導性，如
圖1所示。然後，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於磁場增加的速度增加。這之後，當磁場減少到閾值H0時磁阻值也減到零，於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。
鑑於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於閾值H0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。但當加上大於閾值H0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。由於在閾值磁場H0下電阻的變化率△R/△H等於無窮大，因而由利用超導磁阻系統的陶瓷超導元件製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，其動向是試圖提高臨界溫度(Tc)、閾值磁場(H0)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超導細粒的晶體，在各晶粒之間穿插有極細的絕緣體或電阻體，但這些晶粒間界由於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，各晶粒處於點接觸狀態。當毗連的各晶體間界處於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，於是就表現出磁阻。
換句話說，處於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，由於施加弱磁場，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，這種性能不取決於所加磁場的方向，因為各晶粒間界的配置是無規則的，但系取決於磁場強度的絕對值。
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於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Y1Ba2Cu3O7-x、Bi1Sr1Ca1Cu2Ox或任何其它超導薄膜製成，且形成細長的圖形。各導流狹條系製成平行或垂直於陶瓷超導薄膜。
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並置著。
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製成的超導性環路，並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，以操縱磁場並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年出版於日本)中報導過，取決於各晶粒間界的狀態，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於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是應用本發明一個最佳實施例的陶瓷超導元件的一個邏輯器件的示意圖;
圖4和5是為分別執行「隱含」邏輯和「等效」邏輯而施加磁場時陶瓷超導元件的情況變化的曲線;
圖6是在襯底上製造陶瓷超導元件的方法的示意圖;
圖7是往陶瓷超導元件加不同的電流時;陶瓷超導元件中磁阻值相對於所施加磁場而變化的曲線;
圖8與圖3類似，但示出了其修改方案;
圖9a和9b與圖3類似，但示出了其另一些修改方案;
圖10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11a、11b和11c是流經圖10的存儲器件的電流的示意圖;
圖12a、12b、12c和12d則是與圖10類似的一些視圖，但示出了其一些修改方案。
參看圖3，圖中示出了應用本發明一個最佳實施例的陶瓷超導元件的邏輯器件。
圖3中，編號2是個邏輯器件，該邏輯器件包括一個澱積在襯底3上的陶瓷超導元件4並呈一延伸在電流電極6a和6b之間的細長形狀。電流電極6a和6b分別與供流電極8a和8b相連接，供流電極8a和8b則反向延伸，以供應流經陶瓷超導元件4的電流。
沿陶瓷超導元件4在中間連接有電壓電極10a和10b，供在陶瓷超導元件4的各連接點之間獲取電壓降之用。
三個電極狹條12、14和16緊挨著且平行於陶瓷超導元件4延伸，用以通過控制流經三個中的一個、兩個或三個電極狹條電流在陶瓷超導元件4中提供預定的不同大小的磁場。
為了使用圖3的邏輯器件執行「隱含」邏輯，直流電流源18、20、22和24系分別連接到電極8a、12、14和16。直流電流源18、20和24是為在例如圖3中從左向右的方向供應直流電流而設的，電流源22則是為在例如從右向左的方向供應直流電流而設的。開關26插設在電流源22與電極14之間，開關28則插設在電流源24與電極16之間。
若將圖3中所示從左向右流動的電流視為正方向，則直流電流I1、-I2和I3可從電流源20、22和24供到電極12、14和16上。磁場強度分別為H1、-H2和H3藉助於電流I1、-I2和I3在陶瓷超導元件4上產生。
取決於各種因素，例如陶瓷超導元件4和電極12之間的距離以及流經電極12的電流量，選取磁場強度，使其滿足以下不等式。
H1＞H0(1a)其中H0是陶瓷超導元件4的閾值場強。如圖4中所示的那樣，若陶瓷超導元件4中的場強在-H0與+H0之間，則陶瓷超導元件4保持超導狀態;若陶瓷超導元件4中的場強增加到大於+H0或減少到小於-H0，則陶瓷超導元件4表現出磁阻狀態。因此當將開關26和28斷開只供應電流I1時，陶瓷超導元件4接收磁場H1，促使元件4處於磁阻狀態。
以類似的方式，磁場強度H2系選取得使其滿足下列不等式｜H1-H2｜＜HO(1b)因此將開關26接通，將開關28斷開以便除供應電流I1外還供應電流-I2時，陶瓷超導元件4接收如圖4所示下降到-H0與+H0之間的磁場H1-H2，促使元件4處於超導狀態。
此外選取磁場強度H3，使其滿足以下不等式H1-H2+H3＞0(1c)因此將開關26和28都接通以便除供應電流I1外還供應電流-I2和I3時，陶瓷超導元件4接收如圖4所示大於閾值場強H0的磁場H1-H2+H3，促使元件4處於磁阻狀態。
此外將開關26切斷、開關28接通以便除供應電流I1外還供應電流I3時，陶瓷超導元件4接收如圖4所示大於H0的磁場H1+H3，從而也促使元件4處於磁阻狀態。
從直流電流源18往陶瓷超導元件4加電流時，當陶瓷超導元件4處於磁阻狀態時，電極10a與10b之間的元件4兩端會出現電壓降，而當陶瓷超導元件4處於超導狀態時，則不會有電壓降。
因此若將電流的存在與否分別用「1」和「0」表示，將電壓的存在與否也分別用「1」和「0」表示，則獲得下列表C表C輸入電流輸出電壓I1I2I310a-10b1001110010111111從表C可以知道，輸入電流I2和I3以及電極10a與10b之間的輸出電壓對應於「隱含」邏輯。
應該指出的是，為滿足上面所示的不等式(1a)、(1b)、(1c)的條件，電流源20、22和24可以產生例如分別為10毫安、25毫安和40毫安的電流I1、-I2和I3。
為執行「等效」邏輯，以直流電流源25代替直流電流源24，如圖3中的虛線所示，直流電流源24是為供應從圖3中看起時系從右向左的直流電流而設的。
因此若將圖3中從左向右流動的電流視為正向電流，則直流電流I1、-I2和-I4可從電流源20、22和25分別加到電極12、14和16上。藉助於電流I1、-I2和-I4在陶瓷超導元件4上產生場強為H1、-H2和-H4的磁場。
和上面類似，磁場強度H1系選取得使其滿足下列不等式H1＞H0(2a)因此，將開關26和28斷開以便只供應電流I1時，陶瓷超導元件4接收磁場H1，促使元件4處在磁阻狀態，這從圖5可以了解到這一點。
磁場強度H2系選取得使其滿足以下不等式｜H1-H2｜＜0(2b)因此，將開關26接通而開關28斷開以便除供應電流I1之外還供應電流-I2時，陶瓷超導元件4接收如圖5所示下降到-H0與+H0之間的磁場H1-H2，促使元件4處於超導狀態。
此外磁場強度H4系選取得使其滿足以下的不等式｜H1-H2-H4｜＞H0(2c)因此將開關26和28都接通，以便除供應電流I1外還供應電流-I2和-I4時，陶瓷超導元件4接收如圖5所示大於閾值場強H0的磁場｜H1-H2-H4｜，促使元件4處於磁阻狀態。
此外將開關26斷開，但將開關28接通，以便除供應電流I1之外還供應電流I4時，陶瓷超導元件4接收如圖5所示下降到-H0與+H0之間的磁場H1-H4，促使元件4處於超導狀態。
於是若分別以「1」和「0」表示電流的有和無，分別以「1」和「0」表示電壓的有和無，則可以獲得下表D。
表D輸入電流輸出電壓I1I2I310a-10b1001110010101111從表D可以知道，輸入電流I2和I3以及電極10a和10b之間的輸出電壓對應於「等效」邏輯。
應該指出的是，為滿足上面所示的不等式(2a)、(2b)和(2c)的條件，電流源20、22和25可以產生例如分別為10毫安、25毫安和40毫安的電流I1、-I2和-I4。
為製造本發明中所用的那種陶瓷超導器件2，用如圖6所示設在薄膜製造設備Fa中的加熱器加熱由穩定化過的氧化鋯製成的襯底3，使其保持在400℃的溫度。陶瓷材料是經稱重以形成Y1Ba2Cu3O1-x的Y(NO3)3·6H2O、Ba(NO3)2、與Cu(NO3)2·3H2O的混合物的，將該混合物混合在硝酸鹽的溶液中，再用空氣噴霧器Sp噴到襯底3上，以便形成厚5微米的薄膜。因此可採用噴霧熱解法。然後將襯底和薄膜在950℃下烘焙60分鐘，這之後再在空氣中在500℃下退火10小時。至於由此形成的陶瓷超導薄膜的臨界溫度，電阻值從100°K開始下降，而在83°K下喪失其所有阻值。
其次，為將高溫陶瓷超導薄膜加工成寬50微米、長30毫米的超導元件4，將襯底3塗以光致抗蝕劑，並用普通的光刻法加工成細的狹條狀，從而在襯底3上形成超導元件4。這種陶瓷高溫超導元件不難在磷酸蝕刻劑中進行加工。
下一步，為製造電極6a、6b、8a、8b、10a、10b、12、14和16，用光刻蝕法和剝離法由Ti澱積薄膜形成圖形，並製備圖3所示的陶瓷超導器件。
本發明中所使用的陶瓷超導器件2由於各點接觸和插設在各晶粒間界之間的絕緣層而形成弱耦合，因而可以認為是約瑟夫遜效應結的集合。至於如圖7所示的所加磁場和電阻之間的關係，當加到處於超導狀態的陶瓷超導元件的磁場其強度超過閾值時會突然出現磁阻狀態，而且迅速增加。這個閾值的變化與流經陶瓷超導元件的電流有關。
另一方面，往Ti薄膜製成的電極12上加10毫安電流時，可在50微米的距離處獲取0.4高斯的磁場。因此從圖7所示的超導材料的特性看，顯而易見，當接收0.4高斯磁場的同時通過端子6a和6b往超導元件4上供2毫安恆定電流時，超導元件會顯示10毫歐的電阻，因而可獲得20微伏(10毫歐×2毫安)的輸出。
根據一個最佳實施例，圖3所示的陶瓷超導器件2是這樣配置的，使電極16與14之間、電極14與12之間、電極12與陶瓷超導元件4之間它們的中心距分別為50微米，各電極12、14和16的寬度為30微米，陶瓷超導元件4的寬度為50微米。
將上述結構的陶瓷超導器件冷卻到低於83°K的溫度時，如果不往電極12、14和16上供電流以便使陶瓷超導元件4處沒有磁場，則即使通過電極8a和8b往陶瓷超導元件4上供電流也不會在電極10a與10b之間出現輸出電壓，因為在此情況下，元件4保持處於超導狀態。但如果從電流源20往電極12上供應10毫安的電流I1，則此電流所產生的磁場破壞了元件4的超導狀態，且產生磁阻。因此通過元件4供應2毫安的恆定電流時，在電極10a與10b之間獲得20微伏的輸出。
應該指出的是，根據如上所述的本發明，電流I1、I2和I3的值以及電極12、14、16和元件4的配置方式並不局限於上面所述，它們在數量和大小上可取任何其它值。舉例說，供到電極12、14和16上的電流I1、I2和I3可以使其恆定和彼此相等，而且各電極12、14和16的間距可以取得使它們滿足不等式(1a)、(1b)、和(1c)或不等式(2a)、(2b)和(2c)。
此外，上面所述的製造電極12、14和16的方法也不局限於上述的方法，其它方法例如濺射法、金屬有機物化學汽相澱積法或電子束蒸發技術等都可以採用，只要能獲得同樣的效果即可。特別是，電極12、14和16可用超導薄膜形成，在此情況下，它們可在製造超導元件4的同時形成，從而簡化了製造工藝。
另外，熟悉本技術領域的人士都知道，儘管本發明中所使用的陶瓷高溫超導薄膜是Y1Ba2Cu3O7-x，另要各晶粒間界形成弱耦合，則採用其它高溫超導體也可以取得同樣的效果。
此外超導元件4和電極12、14和16在位置上的關係也不應局限於上述就本實施例所述的那種形式。舉例說，其中一個電極，例如電極12可以在超導體4的對邊形成，如圖8中所示。此外若各電極12、14和16是一個在另一個的上方且其間插設有SiO2或聚醯亞胺樹脂的絕緣層，也可以取得同樣的效果。
另外，如圖9a中所示，為從不同的電流源20、22和24接收電流，可以只設一個電極30。在此情況下，設置了適當的二極體以防電流流回電流源中。不然也可以如圖9b所示的那樣，設電極32，用以接收一個方向的電流，設置另一個電極34以接收其它方向的電流。
參看圖10，陶瓷超導存儲器件40有一襯底42，襯底42上澱積著一電極44。陶瓷超導元件46系澱積得平行並毗連電極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也是由超導元件製成，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，陶瓷超導存儲器件40系使其保持在這樣一種狀態，即，使陶瓷超導元件46處於超導狀態。然後在斷開開關54和56的情況下接通開關58，而後接通開關54，以便在突出電極48a與48b之間供應電流。這樣，如圖11a所示，1/2Ib流經陶瓷超導元件46，同時大致相等的電流1/2Ib流經電極48。
這之後，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提供大於閾值磁場HO的磁場。於是陶瓷超導元件46中產生有磁阻，以防電流流經陶瓷超導元件46。因此如圖11b中所示，電流Ib大部分流經電極48。
這之後，將開關58斷開時，電流源50和52同時處於不作用的狀態。於是電極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。此外沒有電流加到電極48上。於是一直是流經電極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並在該環路中循環，如圖11c所示。
當電流如圖11c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，以便給電極44供應至少電流Is，從而使陶瓷超導元件46處於磁阻狀態，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等於約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等於4毫安，並在液氮中將超導存儲器件冷卻到77°K。陶瓷超導元件46處於超導狀態時，大約二分之一即2毫安的電流流經元件46和電極48。令Is等於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毫安的恆定電流，從而使該環路產生磁通以使存儲器件處於「寫」的狀態。環路中之所以流有恆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於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於在電源方向的。只要恆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中的電流大於閾值電流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上加有大於閾值磁場HO的磁場，因而使加電流所形成的電阻斷開恆定電流，從而在該過渡過程的瞬間產生脈衝電壓。用這個脈衝電壓進行讀出。
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澱積法或電子束蒸發法製成的陶瓷超導薄膜形成，且可以通過使電極各杆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還可以分開加工製成。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12a，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12b，圖12b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(例如聚醯亞胺樹脂)的電極48相交。用這種結構可以縮小製造器件用的面積。
參看圖12c和12d，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於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。
讀出方法並不局限於上述破壞性讀出法，其它方法也可以採用，例如採用磁光效應薄膜的光讀出法，或者也可以採用精緻的磁傳感器矩陣。
本發明利用了超導性的性能，但不採用一般方法極難以製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於應用了易於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，因而容易製造。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範圍的前提下，這些更改和修改應理解為包括在本發明的該範圍中。
權利要求
1.一種邏輯器件，其特徵在於，它包括一陶瓷超導元件(4)，具有磁阻特性；和三個電極(12，14，16)，毗鄰所述陶瓷超導元件配置，且構成得使往所述三個電極電的一個電極加電流時在所述陶瓷超導元件(4)上通常總加有一大於閾值磁場(Ho)的磁場，其它電極(14、16)則用以增加或減小磁場。
2.一種「隱含」邏輯器件，其特徵在於，該器件包括一襯底(3);一陶瓷超導元件(4)，澱積在所述襯底上，具有磁阻特性;第一電極(12)，毗鄰所述陶瓷超導元件(4)配置，用於通過陶瓷超導元件(4)加第一電流時給陶瓷超導元件(4)提供第一磁場(H1);第二電極(14)，毗鄰所述陶瓷超導元件(4)配置，用以通過所述陶瓷超導元件(4)加第二電流時給陶瓷超導元件(4)提供第二磁場(-H2);第三電極(16)，毗鄰所述陶瓷超導元件(4)配置，用以通過陶瓷超導元件(4)加第三電流時給陶瓷超導元件(4)提供第三磁場(H3);因此當存在所述第一磁場(H1)時，就使所述陶瓷超導元件(4)處於磁阻狀態，當存在所述第一和第二磁場(H1-H2)時，就使所述陶瓷超導元件(4)處於超導狀態，當存在所述第一和第三磁場(H1+H3)時，就使所述陶瓷超導元件(4)處於所述磁阻狀態，當存在所述第一、第二和第三磁場(H1-H2+H3)時，就使所述陶瓷超導元件(4)處於所述磁阻狀態。
3.如權利要求2所述的「隱含」邏輯器件，其特徵在於，它還包括第一電流源(20)，用以將所述第一電流加到所述第一電極(12)上;第二電流源(22)，用以將所述第二電流通過第一開關裝置(26)加到所述第二電極(14)上;和第三電流源(24)，用以將所述第三電流通過第二開關裝置(28)加到所述第三電極(16)上。
4.如權利要求2所述的「隱含」邏輯器件，其特徵在於，它包括一第四電流源(18)，用以將一預定值的電流加到所述陶瓷超導元件(4)上，以便處於所述超導狀態時，在所述陶瓷超導元件(4)兩端產生電壓。
5.一種「等效」邏輯器件，其特徵在於，它包括一襯底(3);一陶瓷超導元件(4)，澱積在所述襯底上，具有磁阻特性;第一電極(12)，毗鄰所述陶瓷超導元件(4)配置，用以通過所述陶瓷超導元件(4)加第一電流時給所述陶瓷超導元件(4)提供第一磁場(H1);第二電極(14)，毗鄰所述陶瓷超導元件(4)配置，用以通過所述陶瓷超導元件(4)加第二電流時給所述陶瓷超導元件(4)提供第二磁場(-H2);第三電極(16)，毗鄰所述陶瓷超導元件(4)配置，用以通過所述陶瓷超導元件(4)加第三電流時給所述陶瓷超導元件(4)提供第三磁場(-H4);因此當存在在所述第一磁場(H1)時，就使所述陶瓷超導元件(4)處於磁阻狀態，當存在所述第一和第二磁場(H1-H2)時，或當存在所述第一和第三磁場(H1-H4)時，就使所述陶瓷超導元件(4)處於超導狀態，當存在所述第一、第二和第三磁場(H1-H2-H4)時，就使所述陶瓷超導元件(4)處於所述磁阻狀態。
6.如權利要求5所述的「等效」邏輯器件，其特徵在於，它還包括第一電流源(20)，用以將所述第一電流加到所述第一電極(12)上;第二電流源(27)，用以將所述第二電流通過第一開關裝置(26)加到所述第二電極(14)上;和第三電流源(25)，用以將所述第三電流通過第二開關裝置(28)加到所述第三電極(16)上。
7.如權利要求5所述的「等效」邏輯器件，其特徵在於，它還包括第四電流源(18)，用以將一預定值的電流加到所述陶瓷超導元件(4)上，以便處於所述磁阻狀態時，在所述陶瓷超導元件(4)兩端產生電壓。
8.一種製造「隱含」邏輯器件的方法，其特徵在於，該方法包括下列工序在預定溫度下冷卻具磁阻特性的陶瓷超導元件(4)，使其處於超導狀態;往所述陶瓷超導元件(4)加上預定值的電流;往所述陶瓷超導元件(4)上加大於閾值磁場(H0)的第一磁場(H1)，使所述陶瓷超導元件(4)處於磁阻狀態;除加上所述第一磁場(H1)外，還往所述陶瓷超導元件(4)加第二磁場(-H2)，以抗衡第一磁場(H1)，從而使所述陶瓷超導元件(4)處於超導狀態;除加上所述第一磁場(H1)外，還往所述陶瓷超導元件(4)加第三磁場(H3)，以使所加的磁場保持大於所述閾值磁場(H0)，從而使所述陶瓷超導元件(4)處於磁阻狀態;和除加上所述第一磁場(H1)外，還往所述陶瓷超導元件(4)上同時加所述第二和第三磁場(-H2)、(H3)，使所加的磁場大於所述閾值磁場(H0)，從而使所述陶瓷超導元件(4)處於所述磁阻狀態。
9.一種製造「等效」邏輯器件的方法，其特徵在於，該方法包括下列工序在預定溫度下冷卻具磁阻特性的陶瓷超導元件(4)，使其處於超導狀態;往所述陶瓷超導元件(4)上加上預定值的電流;往所述陶瓷超導元件(4)上加大於閾值磁場(H0)的第一磁場(H1)，使所述陶瓷超導元件(4)處於磁阻狀態;
除加上所述第一磁場(H1)外，還往所述陶瓷超導元件(4)上加第二磁場(-H2)，以抗衡第一磁場(H1)，從而使所述陶瓷超導元件(4)處於超導狀態;除加上所述第一磁場(H1)外，還往所述陶瓷超導元件(4)上同時加所述第二和第三磁場(-H4)，以抗衡第一磁場(H1)，從而使所述陶瓷超導元件(4)處於所述超導狀態;和除加上所述第一磁場(H1)外，還往所述陶瓷超導元件(4)上同時加上所述第二和第三磁場(-H2)、(-H4)、使所加磁場保持大於所述閾值磁場(H0)的絕對值，從而使所述陶瓷超導元件(4)處於所述磁阻狀態。
10.一種存儲器件，其特徵在於，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。
11.一種存儲器件，其特徵在於，它包括一襯底42;一陶瓷超導元件(46)，澱積在所述襯底上，具有磁阻特性;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)提供大於閾值磁場(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)處於磁阻狀態;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)，然後通過所述第一電極(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)，這之後，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。
12.如權利要求11所述的存儲器件，其特徵在於，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)。
13.一種製造存儲器件的方法，其特徵在於，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)，使其處於超導狀態;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)加大於一閾值磁場(H0)的磁場(H1)，使所述陶瓷超導元件(46)處於磁阻狀態，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
一邏輯器件包括一具磁阻特性的陶瓷超導元件(4)和三個毗鄰(4)配置的電極(12，14，16)，其中一個電極加電流時，元件(4)上通常總加有大於一閾值磁場(Ho)的磁場，電極(14，16)則用以增減磁場。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H01L39/18GK1039154SQ89104039
公開日1990年1月24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, 橋爪信郎, 土本修平, 森末道忠 申請人:夏普公司, 森末道忠