专利名称：采用陶瓷超导元件的存储器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用陶瓷超导元件的器件而且特别涉及对一种逻辑器件和存储器件的改进，这种逻辑器件和存储器件是根据磁场变化对超导元件的效应的超导器件的磁阻特性去控制的。
大家知道，利用约瑟夫逊效应在理论上可以制造逻辑电路，例如“与”门电路。约瑟夫逊器件是周知的利用超导体性能的逻辑器件之一。现有技术应用约瑟夫逊效应的逻辑器件(在这里我们称之为约瑟夫逊器件)具有这样的结构，即在诸如铌、铅或它们的合金的超导材料制成的薄层之间夹有极薄的绝缘膜。
上述那种约瑟夫逊器件中的绝缘膜需要有大约10埃的厚度。而生产这种薄的绝缘膜需要先进的薄膜制造技术，而且实际生产起来很困难。此外，虽然约瑟夫逊器件在技术上具有动作极其快速的优点，但其输出电平的变化很小。因此从实用的观点看，约瑟夫逊器件不适用于逻辑电路。
鉴于上述情况，有人发现了陶瓷超导元件的一种新现象，并详细公开在现行日本专利申请62-233369以及下列等等对应于1988年7月29日申请的美国专利申请226，067，并对应于1988年7月29日申请的欧洲专利申请88307044.3中，该日本专利申系转让给本申请的共同受让人之一的夏普股份有限公司。将应用上述新现象的陶瓷超导元件应用到诸如“与”门、“或”门、“异”门或“非”门之类的逻辑电路中时，这类逻辑电路的工作稳定，且可以高生产率制造，如日本专利申请63-117472(对应于1988年12月23日申请的美国专利申请289，312和1988年12月23日申请的欧洲专利申请88312296.2，以及1988年12月24日申请的中国专利申请88109265.7)和日本专利申请63-29526〔对应于1989年2月10日申请的美国专利申请309，228和1989年2月10日申请的欧洲专利申请89301279.9以及(申请号未收到的)中国专利申请〕中所示的那样，该两个日本专利申请也转让给本申请的共同受让人之一夏普股份有限公司。
虽然这些专利申请教导了在诸如“与”门、“或”门、“异”门或“非”门之类的逻辑电路中使用陶瓷超导元件，但这些专利申请没有一个教导或提出在存储器件中使用陶瓷超导元件。
另外，约瑟夫逊器件通常历来是通过利用超导性的特性来存储数据的。在这类器件中，存不存在穿过连接到约瑟夫逊器件的环路的全磁通量子，与存储态“1”和“0”有关。
但象那些用于一般超导存储器件中的约瑟夫逊器件，其结构一般是层状结构，具体地说，是那种有一薄膜绝缘层夹在铌、铅、它们的合金或其它材料制成的各超导薄层之间的结构。
在上述约瑟夫逊器件中，为获得能激发超导性的隧道效应，所夹入的绝缘膜必须制成大约10埃那么薄。而要生产如此之薄的绝缘膜是需要有先进的薄膜制造技术的，而且生产起来很困难。这类器件，输出电平低，而且只能用于非常低的温度，因而妨碍了其在实际中的应用。
本发明是在考虑到了上述问题的基础上研制出来的，其主要目的是改进采用陶瓷超导元件的存储器件。本发明的存储器件包括一衬底;一陶瓷超导元件，淀积在衬底上，具有磁阻特性;第一电极，毗邻陶瓷超导元件配置，当通过第一电极加第一电流时给陶瓷超导元件提供大于临界磁场的磁场，并使陶瓷超导元件处于磁阻状态;第二电极，其相应的两端分别连接到陶瓷超导元件相应的两端，形成由陶瓷超导元件与第二电极组成的闭合环路;因此当往第二电极毗邻陶瓷超导元件其中一端的第一部分与第二电极毗邻陶瓷超导元件另一端的第二部分之间加第一电流时，第一电流部分流经陶瓷超导元件，部分流经第二电极;然后，通过第一电极加第二电流时，陶瓷超导元件呈磁阻状态，使第一电流大部分流经第二电极;这之后，同时切断第一和第二电流时，第一电流就为闭合环路所捕获，以便将数据存储起来。
下面就上述新现象进行说明。通常，当没有磁场加到陶瓷超导元件上时，陶瓷超导元件在低于象77°K那样的一定温度下表现出超导性能。当往陶瓷超导元件加磁场但其大小不大于阈值HO时，陶瓷超导元件仍然表现出超导性，如
图1所示。然后，当加到超导元件的磁场变得与阈值HO相等时，超导元件就丧失其超导性，同时突然表现出磁阻性其阻值以高于磁场增加的速度增加。这之后，当磁场减少到阈值HO时磁阻值也减到零，于是超导元件再次表现出其超导性能。如图1所示以相反极性增加磁场时，可以观察到同样的现象。
鉴于陶瓷超导元件的电阻是通过施加磁场获得的，因而所获得的电阻就叫做磁阻，而这种在陶瓷超导元件中观察到的现象就叫做超导磁阻系统。
对超导磁阻系统系统可以如下加以理解。当陶瓷超导元件接收到大于阈值HO的磁场时，陶瓷超导体晶粒间界的超导状态为所加的磁场所破坏，从而使超导体从超导状态改变成电阻状态。
更具体地说，当晶体间界由陶瓷料粒形成的陶瓷超导元件没有接收到任何磁场时，陶瓷元件没有表现出任何电阻性，如图5所示。但当加上大于阈值HO的磁场时，陶瓷元件突然表现出电阻性，而且所加磁场增加时阻值急剧增加。由于在阈值磁场HO下电阻的变化率△R/△H等于无穷大，因而由利用超导磁阻系统的陶瓷超导元件制成逻辑器件比普通磁阻元件表现出更稳定和更高级的性能。
目前由许多研究单位所推进的对陶瓷超导器件所进行的研究，其动向是试图改进临界温度(Tc)、阈值磁场(HO)和阈值电流(Ic)特性。在本发明人对陶瓷超导器件所进行的研究中，在某些特殊类型的超导体(超导体各晶粒之间的弱耦合状态的那种超导体)中发现了上述现象。该现象是这样的，即弱磁场(几个高斯)破坏了这些弱耦合的超导状态，如图5所示，从而表现出电阻，而且该电阻值随所加磁场强度的增加而急剧增加。本发明提出了作为利用这种弱临界磁场现象的新型逻辑电路而工作的陶瓷超导器件。
如图2所示，陶瓷超导元件包含许多细的超导晶粒的晶体，在各晶粒之间穿插有极细的绝缘体或电阻体，但这些晶粒间界由于在超导状态下的隧道效应表现出零电阻的状态，其中各电子能自由移动。或者，各晶粒处于点接触状态。当毗连的各晶体间界处于所谓弱耦合状态的点接触时就获得超导状态，而加上弱电场时，点接触状态遭破坏，于是就表现出磁阻。
换句话说，处于弱耦合状态的多晶陶瓷超导体同样也可以形成多个约瑟夫逊结121组成的键合体，如图2中所示。
往这类超导器件上加磁场时，磁场的作用破坏了各约瑟夫逊结121的超导状态，具体地说，由于施加弱磁场，因而破坏了超导的弱耦合状态，从而使器件表现出电阻，而且该电阻值随磁场强度的增加而增加。
从上述原理就可以知道，这种性能不取决于所加磁场的方向，因为各晶粒间界的配置是无规则的，但系取决于磁场强度的绝对值。
本发明利用了陶瓷超导元件各晶粒间界处存在的弱耦合。本发明的器件具有三个平行或垂直于超导器件的导电狭条以便藉流过这些导电狭条的电流给陶瓷超导元件提供不同大小的磁场，从而使陶瓷超导元件在超导态与磁阻态之间变化。
在本发明的一个最佳实施例中，陶瓷超导元件由Y，Ba2Cu3O7-x、Bi1Sr1Ca1Cu2Ox或任何其它超导薄膜制成，且形成细长的图形。各导流狭条系制成平行或垂直于陶瓷超导薄膜。
在上述陶瓷超导器件的另一个实施例中，设在单个衬底上的三个导电狭条可以由绝缘材料加以隔离的分层式结构形成，也可以平行或垂直的配置方式并置着。
此外在本发明的一个最佳实施例中，各导电狭条与一个独立的电流源连接。
根据另一个实施例，本发明实现上述目的的超导存储器件包含一至少部分由具有易为磁场所影响的晶粒间界的陶瓷超导体制成的超导性环路，并用加到为进行控制而设在所述陶瓷超导体附近的导电狭条的电流所产生的磁场来控制具有这种晶粒间界的陶瓷超导体的超导状态。
在上述超导存储器器件中，电源和信号检测用的引线元件装设的位置要使具有如上所述的晶粒间界的超导元件夹持在其间。在这种超导存储器中，电流系加到设在陶瓷超导元件附近的导电狭条，以操纵磁场并进行写入操作和读出及擦除操作，写入操作是将磁通存储在超导环路中，读出和擦除操作则是从环路中释放磁通。
以前在《电子技术》(第30卷，第2期，1988年出版于日本)中报道过，取决于各晶粒间界的状态，施加极弱的磁场可以破坏陶瓷超导体的超导状态，从而当超导状态遭破坏时电阻突然出现，而且当磁场快速增加时，该阻值迅速增加。本发明将此性能应用到作为存储器件而工作的一超导环路的开关元件上。
从下面参照附图连同一些最佳实施例所作的说明中可以理解本发明的上述和其它目的和特点，附图中，相同的各部件用相同的编号表示，其中图1是陶瓷超导元件中的磁阻相对于所加的磁场而变化的曲线;
图2是陶瓷超导材料中所形成的电传导路径的示意图;
图3是应用本发明一最佳实施例的陶瓷超导元件的存储器件的示意图;
图4a、4b和4c是流经图3的存储器件的电流的示意图;
图5a、5b、5c和5d则是与图3类似的一些视图，但示出了其一些修改方案。
参看图3，陶瓷超导存储器件40有一衬底42，衬底42上淀积着一电极44。陶瓷超导元件46系淀积得平行并毗连电极44。陶瓷超导元件46的各相应端与U形电极48电气连接，从而使元件46和电极48在一起形成矩形的闭合环路。陶瓷超导元件46的各相应端附近设有突出的电极48a和48b。根据本最佳实施例，电极48也是由超导元件制成，但即使加有磁场时也保持超导状态。
电极44通过开关56连接到供应电流Is的电流源52上，突出电极48a则通过开关54连接到供应电流Ib的电流源50上。电流源50和52彼此互连起来，且由单个开关58加以转换。
工作时，首先，将陶瓷超导存储器件40保持在这样一种状态，即，使陶瓷超导元件46处于超导状态。然后在断开开关54和56的情况下接通开关58，而后接通开关54，以便在突出电极48a与48b之间供应电流。这样，如图4a所示，1/2 Ib流经陶瓷超导元件46，同时大致相等的电流1/2 Ib流经电极48。
这之后，当接通开关56时，电流Is流经电极44，以便在陶瓷超导元件46提供大于阈值磁场HO的磁场。于是在陶瓷超导元件46中产生磁阻，以防电流流经陶瓷超导元件46。因此如图4b中所示，电流Ib大部分流经电极48。
这之后，将开关58断开时，电流源50和52同时处于不供流的状态。于是电极44中没有电流通过，因而也就不产生磁场，从而使陶瓷超导元件46恢复超导状态。此外也没有电流加到电极48上。于是曾流经电极48的电流Ib为电极48和陶瓷超导元件46所形成的闭合环路所捕获并在该环路中循环，如图4c所示。
当电流如图4c所示那样为该闭合环路所捕获时，显然象“1”之类的数据就存储在该闭合环路中，且无需电能就能维持在该闭合环路中。接通开关58可以将存储器清零，而给电极44供应至少为Is的电流，从而使陶瓷超导元件46处于磁阻状态，以中断环路中的循环电流。
根据本最佳实施例，电极44与陶瓷超导元件46之间的中心距为50微米，电极44和元件46的宽度则分别取30微米和50微米。环路大致取方形，沿环路一个循环的距离约为300微米。使流经电极44的电流Is等于约10毫安时，陶瓷超导元件46上就加有0.4高斯的磁场。在此情况下，若往陶瓷超导元件46上加2毫安(＝1/2Ib)的电流，则元件46中会产生10毫欧的阻值。
在一具体实例中，令Ib等于4毫安，并在液氮中将超导存储器件冷却到77°K。陶瓷超导元件46处于超导状态时，大约二分之一即2毫安的电流流经元件46和电极48。令Is等于10毫安时，就有大约0.4高斯的磁场加到大约偏离50微米的陶瓷超导元件46上，从而在元件46中产生磁阻。断开开关58而使电流为闭合环路所捕获时，闭合环路中就流经有大约4毫安的恒定电流，从而使该环路产生磁通以使存储器件处于“写”的状态。环路中之所以流有恒定电流可以用两个理由加以解释，一是超导元件46恢复到超导状态的时间短于电子流经超导环路所需要的时间，二是确定着电子流动的阻抗在环路中是小于在电源方向的。只要恒定电流流经闭合环路，所写入的各数据就保持下来。
从已写入的存储元件读出是这样进行的以与写入到超导环路相反的方向往电极48供应电流，使部分超导元件46中的电流大于阈值电流Ic，或者用破坏性读出的方法进行，即往电极44上供应电流，使得陶瓷超导元件46上加有大于阈值磁场HO的磁场，因而使加电流所形成的电阻破坏恒定电流，从而在该过渡过程的瞬间产生脉冲电压。用这个脉冲电压进行读出。
要将写入状态转换成擦除状态，只需要在上述方法的超导元件46中产生电阻即可。
在上述实施例中，超导元件46和48可由溅射法、金属有机物化学汽相淀积法或电子束蒸发法制成的陶瓷超导薄膜形成，且可以通过使电极各杆部的图形更细的方法降低阈值电流Ic和阈值磁场HO。此外超导元件46和48还可以分开加工制成。另外调节线宽，则不仅使超导元件46和48而且使电极44也可用同样的超导薄膜形成。
参看图5a，该图示出了超导存储器件的第一个修改方案，其中超导元件50中可增设一个直径收缩的部件，其目的是提高该元件的电流密度，从而提高磁场的灵敏度。
参看图5b，图5b示出了第二个修改方案，其中供应电流Is用的电极52与其间带有适当绝缘层(例如SiO2)或有机绝缘层(例如聚酰亚胺树脂)的电极48相交。用这种结构可以缩小制造器件用的面积。
参看图5c和5d，图中示出了任何提高施加磁场的效率的其它可能修改方案。
此外，形成超导环路的陶瓷超导元件46必须由晶粒间界磁灵敏度高的陶瓷超导元件构成;其它各部分可包含任何其它超导材料，例如HO高且不具有弱耦合晶粒间界的超导层，或这些薄层的叠层结构。再者，若该环路实质上由这些通常处于超导状态的部分构成，则通过缩短磁场所控制的超导部分或通过将电源的各突出电极48a和48b靠近超导电极48的垂直延伸部分安置，可以使写入过程更有把握，因为写入数据时，超导部分产生存储在环路中的磁通。
读出方法并不局限于上述破坏性读出法，其它方法也可以采用，例如采用磁光效应薄膜的光读出法，或者也可以采用精致的磁传感器矩阵。
本发明利用了超导性的性能，但不采用一般方法极难以制造的极薄绝缘薄膜的约瑟夫逊器件。因此本发明的陶瓷超导元件由于应用了易于在陶瓷超导元件晶粒间界形成的超导元件的弱耦合磁阻效应，因而容易制造。所以本发明的器件的抗噪性能好，输入和输出用的电源极其实用，而且使用起来不困难。
虽然本发明已结合其一些最佳实施例参照各附图全面加以说明了，但应该指出的是，对熟悉本技术领域的人士来说，对上述实施例是可进行各种更改和修改的。在不脱离本发明在本说明书所附的权利要求书中所述的范围的前提下，这些更改和修改应理解为包括在本发明的该范围中。
权利要求
1.一种存储器件，其特征在于，它包括一超导环路(46，48)，其至少一部分由具有晶粒间界的陶瓷超导元件(46)形成；和一电极(44)，设在所述陶瓷超导元件(46)附近；因此流经所述陶瓷超导元件(46)以外的所述超导环路的一部分(48)的电流可以通过控制流经所述电极(44)的电流所产生的磁场使其被捕获在所述超导环路中。
2.一种存储器件，其特征在于，它包括一衬底42;一陶瓷超导元件(46)，淀积在所述衬底上，具有磁阻特征;第一电极(44)，毗邻所述陶瓷超导元件(46)配置，用以给所述陶瓷超导元件(46)提供大于阈值磁场(H0)的磁场(H1)，使得通过所述陶瓷超导元件(46)加电流时，使所述陶瓷超导元件(46)处于磁阻状态;第二电极(48)，其各相应端分别与所述陶瓷超导元件(46)的各相应端相连接，使所述陶瓷超导元件(46)与所述第二电极(48)形成一个闭合环路;因此往所述第二电极(48)毗邻所述陶瓷超导元件(46)其中一端的第一部分(48a)与所述第二电极(48)毗邻所述陶瓷超导元件(46)的另一端的第二部分(48b)之间加第一电流(Ib)时，所述第一电流部分流经所述陶瓷超导元件(46)，部分流经所述第二电极(48)，然后通过所述第一电极(44)加第二电流(Is)时，所述陶瓷超导元件(46)呈磁阻状态，使所述第一电流(Ib)大部分流经所述第二电极(48)，这之后，同时切断所述第一和第二电流(Ib)、(Is)时，所述第一电流(Ib)就被捕获在存储数据的所述闭合环路中。
3.如权利要求2所述的存储器件，其特征在于，它还包括第一电流源(50)，通过第一开关装置(54)连接到所述第二电极(48)，用以提供所述第一电流(Ib);第二电流源(52)，通过第二开关装置(56)连接到所述第一电极(44)上，用以提供所述第二电流(Is);和一截止装置(58)，用以同时截止所述第一和第二电流源(50)、(52)。
4.一种制造存储器件的方法，其特征在于，该方法包括下列工序在一预定温度下冷却具磁阻特性的陶瓷超导元件(46)，使其处于超导状态;用一个电极(48)将所述陶瓷超导元件(46)的各相应端连接起来以形成一闭合环路;往所述第二电极(48)毗邻所述陶瓷超导元件(46)的其中一端的第一部分(48a)与所述第二电极(48)毗邻所述陶瓷超导元件(46)的另一端的第二部分(48b)之间加第一电流(Ib)，从而使所述第一电流部分流经所述所述陶瓷超导元件(46)，部分流经所述第二电极(48);往所述陶瓷超导元件(46)加大于一阈值磁场(H0)的磁场(H1)，使所述陶瓷超导元件(46)处于磁阻状态，从而使所述第一电流(Ib)大部分流经所述第二电极(48);同时除去所述第一电流(Ib)和所述第一磁场(H1)，以便将所述第一电流(Ib)捕获在所述存储数据的闭合环路中。
全文摘要
一存储器件包括一超导环路(46，48)和一电极(44)，超导环路的至少一部分由具有晶粒间界的陶瓷超导元件(46)构成。电极(44)设在元件(46)附近，使流经元件(46)外的所述环路的一部分(48)电流可由控制流经电极(44)的电流产生的磁场使其被捕获在所述环路中。
文档编号G11C11/44GK1064365SQ9210216
公开日1992年9月9日 申请日期1989年6月16日 优先权日1988年6月16日
发明者野岛秀雄, 片冈照荣, 桥爪信朗, 土本修平, 森末道忠 申请人:夏普公司, 森末道忠