JP2730502B2 - Superconducting transistor - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は高速デジタル回路、アナ
ログデ−タ処理回路、センサ回路装置、微小磁場信号検
出装置等、超電導性を用いることにより特有の性能を発
揮する超電導エレクトロニクスの分野にかかわり、とく
に高速で低消費電力性能を有する超電導トランジスタに
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the field of superconducting electronics, such as a high-speed digital circuit, an analog data processing circuit, a sensor circuit device, and a small magnetic field signal detecting device, which exhibit a specific performance by using superconductivity. Particularly, the present invention relates to a superconducting transistor having high speed and low power consumption performance.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来の超電導トランジスタは超電導性の
ソースおよびドレイン電極、常伝導体や絶縁体からなる
非超電導性のチャネル層、ゲート絶縁膜およびゲート電
極からなる。超電導近接効果によって、非超電導性のチ
ャネル層を介してソース電極とドレイン電極間に超電導
電流が流れる。この超電導電流は通常ジョセフソン電流
としての特性を有し、マイクロ波や磁場に対して応答す
る。2. Description of the Related Art A conventional superconducting transistor comprises superconducting source and drain electrodes, a non-superconducting channel layer made of a normal conductor or an insulator, a gate insulating film and a gate electrode. Due to the superconducting proximity effect, a superconducting current flows between the source electrode and the drain electrode via the non-superconducting channel layer. This superconducting current usually has the properties of a Josephson current and responds to microwaves and magnetic fields.
【０００３】超電導近接効果によって流れる超電導電流
の振幅は電極間隔に依存する。すなわち、チャネル層の
伝導特性によって決まる超電導減衰長を基本単位とし
て、超電導電流は指数関数的に減少する。超電導電流の
振幅は電極間隔と超電導減衰長の比によって決まること
になる。[0003] The amplitude of the superconducting current flowing due to the superconducting proximity effect depends on the electrode spacing. That is, the superconducting current decreases exponentially with the superconducting decay length determined by the conduction characteristics of the channel layer as a basic unit. The amplitude of the superconducting current is determined by the ratio between the electrode spacing and the superconducting decay length.
【０００４】超電導減衰長はチャネル層のキャリア濃度
に依存する。キャリア濃度を高くするほど超電導減衰長
が長くなる。ゲートに電圧を印加して蓄積層を形成すれ
ばキャリア濃度が増加して超電導減衰長が増大し、超電
導電流が増加する。キャリアがホ−ルの場合、負電圧を
印加すれば蓄積層が形成される。一方、ゲートに電圧を
印加して空乏層を形成すればキャリア濃度が低下して超
電導減衰長が縮小し、超電導電流が減少する。キャリア
がホ−ルの場合、正電圧を印加すれば空乏層が形成され
る。[0004] The superconducting decay length depends on the carrier concentration of the channel layer. The higher the carrier concentration, the longer the superconducting decay length. If a storage layer is formed by applying a voltage to the gate, the carrier concentration increases, the superconducting decay length increases, and the superconducting current increases. When the carrier is a hole, a storage layer is formed by applying a negative voltage. On the other hand, when a voltage is applied to the gate to form a depletion layer, the carrier concentration decreases, the superconducting decay length decreases, and the superconducting current decreases. When the carrier is a hole, a depletion layer is formed when a positive voltage is applied.
【０００５】このような超電導トランジスタの超電導電
極材料として、Ｎｂ等の金属やYBa2Cu3O7-x等の酸化物
が、チャネル層材料として、Ｓｉ等の半導体や非超電導
酸化物等が用いられている。A metal such as Nb or an oxide such as YBa 2 Cu 3 O 7-x is used as a superconducting electrode material of such a superconducting transistor, and a semiconductor such as Si or a non-superconducting oxide is used as a channel layer material. Have been.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】従来構造の超電導素子
には、超電導素子の性能を発揮させ、制御機能を有する
素子を得る上で、以下の問題点および障害を有してい
た。The superconducting element having the conventional structure has the following problems and obstacles in exhibiting the performance of the superconducting element and obtaining an element having a control function.
【０００７】超電導トランジスタは零電圧状態と電圧状
態間のスイッチング動作を行わせるものである。電圧状
態の電圧値はバイアス電流と接続抵抗によって決まり、
場合によっては任意の電圧値に設定することができる。
ただし超電導特性、すなわちジョセフソン電流成分が寄
与するのは超電導電極のギャップ電圧の高々数倍であ
る。これ以上の印加電圧ではもっぱら常伝導電流成分の
みであり、超電導電流成分は存在しない。したがって、
ゲート電圧によって変化するのも常伝導電流成分であ
る。The superconducting transistor performs a switching operation between a zero voltage state and a voltage state. The voltage value in the voltage state is determined by the bias current and the connection resistance,
In some cases, it can be set to an arbitrary voltage value.
However, the superconducting characteristic, that is, the Josephson current component contributes at most several times the gap voltage of the superconducting electrode. At an applied voltage higher than this, there is only a normal conduction current component and no superconducting current component. Therefore,
The normal current component also changes with the gate voltage.
【０００８】超電導特性を十分に変調させるのに必要な
ゲート電圧はチャネル層の特性によって決定付けられ
る。超電導トランジスタとしての利得、すなわち入力信
号であるゲート電圧に対する出力信号であるソースドレ
イン間の電圧を１以上にするには、バイアス電流を超電
導電流の維持される範囲内で大きくし、負荷抵抗を大き
くすることである。しかしこのような工夫を講じても、
先に述べたように、ソースドレイン電圧がギャップ電圧
より十分に大きくなった場合、超電導モ−ドが効かなく
なる。さらに負荷抵抗を大きくすることはトランジシタ
から負荷抵抗への電流の転送量を減少させることにつな
がる。The gate voltage required to sufficiently modulate the superconducting characteristics is determined by the characteristics of the channel layer. In order to make the gain as a superconducting transistor, that is, the voltage between the source and the drain as an output signal with respect to the gate voltage as an input signal, at least 1, the bias current is increased within a range where the superconducting current is maintained, and the load resistance is increased. It is to be. However, even with these ideas,
As described above, when the source / drain voltage becomes sufficiently higher than the gap voltage, the superconducting mode becomes ineffective. Increasing the load resistance further reduces the amount of current transferred from the transistor to the load resistance.
【０００９】超電導モ−ドでスイッチング動作をさせる
場合、先に述べたように超電導電流は超電導減衰長に対
して、指数関数的な依存性を示す。超電導減衰長はゲー
ト電圧に対して、キャリア濃度を通じて依存関係にあ
る。すなわち、超電導モ−ドでは、超電導電流はキャリ
ア濃度に対して指数関数的な依存性を示す。これに対応
して、超電導電流はキャリア濃度の変化速度に対して、
指数関数的な割合で変化する。一方、通常の半導体を用
いた電界効果素子の場合、ソースドレイン間の伝導度は
キャリア濃度に比例して変化する。When the switching operation is performed in the superconducting mode, as described above, the superconducting current has an exponential dependence on the superconducting decay length. The superconducting decay length is dependent on the gate voltage through the carrier concentration. That is, in the superconducting mode, the superconducting current has an exponential dependence on the carrier concentration. Correspondingly, the superconducting current has a
It changes at an exponential rate. On the other hand, in the case of a field effect element using a normal semiconductor, the conductivity between the source and the drain changes in proportion to the carrier concentration.
【００１０】このような観点から、超電導トランジスタ
を超電導モ−ドで用いることの優位性は明らかである。
しかるに電圧状態での電圧値が超電導電極のギャップ電
圧より十分に高い場合、このような優位性を活かすこと
ができない。[0010] From such a viewpoint, the advantage of using the superconducting transistor in the superconducting mode is obvious.
However, if the voltage value in the voltage state is sufficiently higher than the gap voltage of the superconducting electrode, such advantage cannot be utilized.
【００１１】そこで本発明の課題は超電導材料をソース
およびドレイン電極とする超電導トランジスタにおい
て、回路素子として用いるに十分な利得を有し、すなわ
ち入力ゲート電圧に対して出力電圧の比が１あるいはこ
れ以上の特性を有するとともに、このような電圧状態に
あっても電気的特性が超電導モ−ドを有する素子構造、
あるいはその製造方法を与えることにある。Therefore, an object of the present invention is to provide a superconducting transistor using a superconducting material as a source and drain electrode, which has a gain sufficient for use as a circuit element, that is, a ratio of an output voltage to an input gate voltage is 1 or more. An element structure having a superconducting mode having electrical characteristics even in such a voltage state,
Another object is to provide a manufacturing method thereof.
【００１２】[0012]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する電界
効果型の超電導トランジスタを得るために、以下の素子
構造、および製造方法を与える。In order to obtain a field effect type superconducting transistor which solves the above problems, the following element structure and manufacturing method are provided.
【００１３】すなわち、超電導トランジスタを超電導性
のソース電極、ドレイン電極、超電導電極間に挾まれた
チャネル層、ゲート絶縁膜およびゲート電極により構成
し、チャネル層には正方晶あるいは斜方晶のＣｕを含む
酸化物であり、かつ結晶のａｂ面の中で電気的に伝導度
の低い原子面と超電導性を有する原子面がｃ軸方向に積
層された構造を有する酸化物を用いる。That is, a superconducting transistor is constituted by a superconductive source electrode, a drain electrode, a channel layer sandwiched between superconducting electrodes, a gate insulating film and a gate electrode, and the channel layer is made of tetragonal or orthorhombic Cu. An oxide containing an oxide and having a structure in which an atomic plane having low electrical conductivity and an atomic plane having superconductivity are stacked in the c-axis direction in the ab plane of the crystal is used.
【００１４】また、チャネル層部分で、このような酸化
物結晶のｃ軸が基板面に対して垂直でない方位配列構造
とする。In the channel layer portion, such an oxide crystal has an azimuthal arrangement in which the c-axis is not perpendicular to the substrate surface.
【００１５】チャネル層部分では、電気伝導度の低い原
子面を介して超電導性を有する原子面間で超電導結合を
成し、このような結晶の単位胞を単位とする超電導結合
が複数個直列に配列された構造とし、ソースおよびドレ
イン電極部分では超電導性を有する原子面が電流の流れ
る方向に一致する構造とする。In the channel layer portion, a superconducting bond is formed between atomic planes having superconductivity via atomic planes having low electric conductivity, and a plurality of superconducting couplings having a unit cell of such a crystal as a unit are formed in series. In the source and drain electrode portions, an atomic surface having superconductivity matches the direction in which current flows.
【００１６】チャネル層に用いる酸化物として、Ｂｉ、
Ｓｒ、Ｃａ、およびＣｕからなる酸化物、あるいはＴ
ｌ，Ｂａ，ＣａおよびＣｕからなる酸化物でＣａの一部
を３価の元素によって置換した酸化物とする。As oxides used for the channel layer, Bi,
Oxides composed of Sr, Ca and Cu, or T
An oxide of l, Ba, Ca and Cu is an oxide in which part of Ca is replaced by a trivalent element.
【００１７】あるいはチャネル層に用いる酸化物とし
て、Ｙ，Ｂａ，およびＣｕからなる酸化物の、Ｃｕと酸
素からなる鎖状原子列中のＣｕをＣｒ、あるいはＦｅ等
と置換した酸化物とする。Alternatively, the oxide used for the channel layer is an oxide composed of Y, Ba, and Cu, in which Cu in a chain atom array composed of Cu and oxygen is replaced with Cr, Fe, or the like.
【００１８】さらにはこのような超電導トランジスタに
おいて、超電導トランジスタを積載する基板として、ソ
ース電極とドレイン電極部の間で段差をなし、チャネル
部で傾斜させ、かつチャネル層が傾斜した基板上に形成
されるように配置する。Further, in such a superconducting transistor, as a substrate on which the superconducting transistor is mounted, a step is formed between the source electrode and the drain electrode, the channel is inclined on the substrate, and the channel layer is formed on the inclined substrate. So that
【００１９】[0019]
【作用】以上の超電導トランジスタの構造および製造方
法は以下の理由により、回路素子として用いるに十分な
利得を有し、かつ超電導モ−ドでのスイッチング動作を
可能にする。The structure and manufacturing method of the superconducting transistor described above have a gain sufficient for use as a circuit element and enable the switching operation in the superconducting mode for the following reasons.
【００２０】ソースドレイン間のコンダクタンスを変調
するのに十分なゲート電圧に比較して、電圧状態にスイ
ッチングしたときの電圧値がこれと同等か、あるいはこ
れ以上の値にし、かつ超電導状態でも超電導モ−ドを保
持するには、図２に示すように、ソース電極１２−チャ
ネル層１３−ドレイン電極１２を単位として、これを直
列接続すれば、このような要求は満足される。しかし、
このような超電導トランジスタの直列接続は多数個の素
子を配列しているにもかかわらず、一個の素子としての
機能しか与えない。したがって、一素子の占有面積を増
大させることとなり、集積化に不利である。本発明の超
電導トランジスタはつぎのような理由により、一個の素
子で、電圧状態で超電導モ−ドを有すると共に、ゲート
電圧に対応する電圧値を得ることを可能にする。In comparison with the gate voltage sufficient to modulate the conductance between the source and the drain, the voltage value at the time of switching to the voltage state is equal to or higher than this value. In order to maintain the negative electrode, as shown in FIG. 2, if the source electrode 12, the channel layer 13, and the drain electrode 12 are connected in series, these requirements are satisfied. But,
Such a series connection of superconducting transistors gives only the function of one element despite the fact that many elements are arranged. Therefore, the area occupied by one element increases, which is disadvantageous for integration. The superconducting transistor of the present invention has a superconducting mode in a voltage state and can obtain a voltage value corresponding to a gate voltage with one element for the following reasons.
【００２１】酸化物系の正方晶あるいは斜方晶の超電導
材料は極めて強い異方性を有し、ａｂ面内での超電導性
と比較してｃ軸方向の超電導性は弱い。これを結晶のユ
ニットセル単位で詳細に見ると、超電導性の強いａｂ面
の原子層と、超電導性が弱いか、あるいは非超電導性の
ａｂ面原子面が交互にｃ軸方向に積層されている。The oxide-based tetragonal or orthorhombic superconducting material has a very strong anisotropy, and the superconductivity in the c-axis direction is weaker than the superconductivity in the ab plane. When this is viewed in detail in the unit cell unit of the crystal, the atomic layer of the ab plane having strong superconductivity and the atomic plane of the ab plane having weak superconductivity or non-superconductivity are alternately stacked in the c-axis direction. .
【００２２】したがって図３に示すように、ｃ軸方向の
１ユニットセルで、ソースあるいはドレイン電極として
の役割を担う超電導性の強い原子層２３、チャネルの役
割を担う非超電導層２２が存在しえるとすれば、ｃ軸方
向につながるユニットセルの数に比例して、超電導性を
有する出力電圧を増大させることができる。素子全体の
ソース電極２およびドレイン電極３には、超電導性の強
い原子面に沿って超電導電流が流れる方位に酸化物結晶
を配置すればよい。Therefore, as shown in FIG. 3, in one unit cell in the c-axis direction, there may be an atomic layer 23 having strong superconductivity serving as a source or drain electrode, and a non-superconducting layer 22 serving as a channel. Then, the output voltage having superconductivity can be increased in proportion to the number of unit cells connected in the c-axis direction. An oxide crystal may be arranged on the source electrode 2 and the drain electrode 3 of the entire device in a direction in which a superconducting current flows along an atomic plane having strong superconductivity.
【００２３】Ｙ、Ｂａ、およびＣｕからなる酸化物やＢ
ｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＣｕからなる酸化物のｃ軸方向
には、このような超電導を担う層と超電導性の弱い層が
原子層単位で積層された構造を有している。しかし、こ
れらＹＢａＣｕ酸化物等の超電導薄膜のｃ軸方向に電流
を流しても、バルク的な一体の超電導特性しか検出され
ない。An oxide composed of Y, Ba, and Cu or B
In the c-axis direction of the oxide composed of i, Sr, Ca, and Cu, a layer having such superconductivity and a layer having weak superconductivity are laminated in atomic layer units. However, even when a current flows in the c-axis direction of the superconducting thin film such as the YBaCu oxide, only a bulk-like superconducting characteristic is detected.
【００２４】一方、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＣｕから
なる酸化物、あるいはＴｌ，Ｂａ，ＣａおよびＣｕから
なる酸化物でＣａの一部を３価の元素によって置換した
酸化物、またはＹ，Ｂａ，およびＣｕからなる酸化物
の、Ｃｕと酸素からなる鎖状原子列中のＣｕをＣｒ、あ
るいはＦｅ等と置換した酸化物等はｃ軸方向の特定の原
子層の超電導特性がとくに弱くなる。たとえばＹ，Ｂ
ａ，およびＣｕからなる酸化物の、Ｃｕと酸素からなる
鎖状原子列中のＣｕをＣｒ、あるいはＦｅ等と置換した
酸化物は鎖状原子列中の酸素原子を取り除いたのと同じ
電気的特性、および超電導特性を示す。すなわちＣｕを
Ｃｒ、あるいはＦｅ等と置換することにより、超電導の
ペア形成相互作用は変化せず、超電導キャリアの濃度の
みが減少する。この結果、超電導キャリアはより強く超
電導性を担うＣｕと酸素によって構成される原子面に局
在し、鎖状原子列への超電導キャリアの分布密度が低く
なる。ＹＢａＣｕ酸化物のｃ軸長は１．２ｎｍであるか
ら、超電導層と非超電導層がユニットセル単位で交互に
積層された構造が得られる。On the other hand, an oxide composed of Bi, Sr, Ca, and Cu, an oxide composed of Tl, Ba, Ca, and Cu in which a part of Ca is replaced by a trivalent element, or Y, Ba , And oxides obtained by substituting Cu or Cr or the like in a chain atom array composed of Cu and oxygen with Cr, Fe, etc., the superconductivity of a specific atomic layer in the c-axis direction is particularly weak. For example, Y, B
Of the oxides consisting of a and Cu, the oxides obtained by replacing Cu in a chain of atoms consisting of Cu and oxygen with Cr, Fe, etc. have the same electrical properties as removing oxygen atoms in the chain of atoms. The characteristics and superconductivity are shown. That is, by replacing Cu with Cr, Fe, or the like, the superconducting pair formation interaction does not change, and only the concentration of the superconducting carrier decreases. As a result, the superconducting carriers are localized on the atomic plane composed of Cu and oxygen, which are more strongly responsible for superconductivity, and the distribution density of the superconducting carriers in the chain of atomic chains is reduced. Since the c-axis length of YBaCu oxide is 1.2 nm, a structure in which superconducting layers and non-superconducting layers are alternately stacked in unit cell units is obtained.
【００２５】ユニットセル単位で超電導層と非超電導層
が交互に積層された構造が得られたとしても、このよう
な変調構造のみでは超電導トランジスタは得られない。
超電導トランジスタのソースおよびドレイン電極自体は
通電方向に変調構造を持たないことが望ましい。そこで
図１に示されるように、超電導トランジスタを積載する
基板として、ソース電極２とドレイン電極部３の間で段
差をなし、チャネル部４で傾斜させ、かつチャネル層が
傾斜した基板上に形成されるように配置した場合、酸化
物結晶のｃ軸はソース電極とドレイン電極部で基板に対
して垂直になり、電流はａ−ｂ面内で流れることにな
る。一方、チャネル層４ではａ−ｂ面は基板面に対して
平行ではなく、角度をなしているため、電流経路はａ−
ｂ面を過る方向にある。したがって、チャネル層では実
効的にｃ軸方向に電流が流れる。Even if a structure in which superconducting layers and non-superconducting layers are alternately stacked in unit cell units is obtained, a superconducting transistor cannot be obtained only with such a modulation structure.
It is desirable that the source and drain electrodes of the superconducting transistor have no modulation structure in the direction of conduction. Therefore, as shown in FIG. 1, as a substrate on which the superconducting transistor is mounted, a step is formed between the source electrode 2 and the drain electrode portion 3, the channel portion 4 is inclined, and the channel layer is formed on the inclined substrate. In such a case, the c-axis of the oxide crystal is perpendicular to the substrate at the source electrode and the drain electrode, and the current flows in the ab plane. On the other hand, in the channel layer 4, since the a-b plane is not parallel to the substrate plane but forms an angle, the current path is a-b.
It is in the direction passing the plane b. Therefore, a current effectively flows in the c-axis direction in the channel layer.
【００２６】[0026]
（実施例１）図１に示すように、超電導トランジスタを
以下の手順で作製する。（１００）面方位のチタン酸ス
トロンチウム基板１に段差を形成する。段差の形成は有
機レジスト膜にパタ−ンを形成し、Ａｒイオンビ−ムを
用いたエッチング法により行う。段差角度は４５度前後
とし、段差の高さは１００ｎｍとする。つぎにＣｏを含
むＹＢａＣｕ酸化物薄膜をレ−ザ蒸着法により形成す
る。レ−ザ蒸着はＣｏを含むＹＢａＣｕ酸化物の焼結体
をタ−ゲットとし、波長２４８ｎｍのエキシマレ−ザを
光源として、０．２Ｔｏｒｒ程度の酸素雰囲気中で行
い、７００℃に加熱した基板上にＣｏを含むＹＢａＣｕ
酸化物を堆積する。Ｃｏを含むＹＢａＣｕ酸化物薄膜の
膜厚は２０ｎｍ、あるいはこれ以下とする。(Example 1) As shown in FIG. 1, a superconducting transistor is manufactured by the following procedure. A step is formed on the strontium titanate substrate 1 having a (100) plane orientation. The step is formed by forming a pattern on the organic resist film and performing an etching method using an Ar ion beam. The step angle is about 45 degrees, and the height of the step is 100 nm. Next, a YBaCu oxide thin film containing Co is formed by a laser deposition method. Laser deposition is performed using a sintered body of YBaCu oxide containing Co as a target, an excimer laser having a wavelength of 248 nm as a light source, in an oxygen atmosphere of about 0.2 Torr, and on a substrate heated to 700 ° C. YBaCu containing Co
Deposit oxide. The thickness of the YBaCu oxide thin film containing Co is set to 20 nm or less.
【００２７】つぎに、ソース電極２、ドレイン電極３、
チャネル層４、および配線を含むパタ−ンをＣｏを含む
ＹＢａＣｕ酸化物薄膜に形成する。パタ−ンの形成は有
機レジストを用いて、これらソース２、ドレイン電極３
等のパタ−ンを形成する。有機レジストパタ−ンを基に
して、Ａｒイオンビ−ムを用いたエッチング法により、
Ｃｏを含むＹＢａＣｕ酸化物薄膜の加工を行う。これに
より、ソース、ドレイン電極、チャネル層、および配線
を含むパタ−ンが有機レジストパタ−ンからＣｏを含む
ＹＢａＣｕ酸化物薄膜に転写される。Ｃｏを含むＹＢａ
Ｃｕ酸化物薄膜のパタ−ンのうち、段差部がチャネル層
４に、段差に接する平坦部がソース２およびドレイン電
極３に、これ以外の部分が配線層になる。Next, the source electrode 2, the drain electrode 3,
The pattern including the channel layer 4 and the wiring is formed on the YBaCu oxide thin film including Co. The pattern is formed by using an organic resist.
And so on. Based on the organic resist pattern, an etching method using Ar ion beam is used.
A YBaCu oxide thin film containing Co is processed. As a result, the pattern including the source and drain electrodes, the channel layer, and the wiring is transferred from the organic resist pattern to the YBaCu oxide thin film containing Co. YBa containing Co
In the pattern of the Cu oxide thin film, the step portion is the channel layer 4, the flat portion in contact with the step is the source 2 and the drain electrode 3, and the other portion is the wiring layer.
【００２８】さらに段差部を含む基板上にチタン酸スト
ロンチウム薄膜を形成してゲート絶縁膜５とする。チタ
ン酸ストロンチウム薄膜はレ−ザ蒸着法により形成す
る。レ−ザ蒸着はチタン酸ストロンチウムの単結晶をタ
−ゲットとし、波長２４８ｎｍのエキシマレ−ザを光源
として、０．２Ｔｏｒｒ程度の酸素雰囲気中で行い、６
５０℃に加熱した基板上にチタン酸ストロンチウム膜を
堆積する。チタン酸ストロンチウム膜の膜厚は３００ｎ
ｍとする。さらに段差部上にゲート電極６となるＡｕ膜
を形成して超電導トランジスタを得る。Further, a strontium titanate thin film is formed on the substrate including the step to form a gate insulating film 5. The strontium titanate thin film is formed by a laser vapor deposition method. Laser deposition was performed using a single crystal of strontium titanate as a target and an excimer laser having a wavelength of 248 nm as a light source in an oxygen atmosphere of about 0.2 Torr.
A strontium titanate film is deposited on a substrate heated to 50 ° C. The thickness of the strontium titanate film is 300 n
m. Further, an Au film serving as the gate electrode 6 is formed on the step to obtain a superconducting transistor.
【００２９】このような方法により形成した超電導トラ
ンジスタは図４に示されるように、マイクロ波の照射に
対して、約１Ｖまで直流電圧ステップが現われる。これ
は電圧状態では、１Ｖまで超電導特性を示すことと対応
する。この信号電圧は従来の超電導トランジスタの数十
〜数百倍の大きさである。本超電導トランジスタは図５
に示されるように、約１Ｖのゲート電圧の印加によっ
て、超電導電流３２はほとんど零になる。ゲート電圧を
零に戻すことにより、超電導電流３１はもとの値に回復
する。As shown in FIG. 4, the superconducting transistor formed by such a method shows a DC voltage step up to about 1 V upon microwave irradiation. This corresponds to exhibiting superconducting characteristics up to 1 V in a voltage state. This signal voltage is several tens to several hundred times larger than the conventional superconducting transistor. This superconducting transistor is shown in FIG.
As shown in FIG. 5, the superconducting current 32 becomes almost zero by applying a gate voltage of about 1V. By returning the gate voltage to zero, the superconducting current 31 is restored to its original value.
【００３０】以上述べたように、本発明の超電導トラン
ジスタは特性を変調するのに必要なゲート電圧と同等レ
ベルの信号電圧でも超電導性を有する。このような超電
導トランジスタのソース、ドレイン電極およびチャネル
層はＣｏを含むＹＢａＣｕ酸化物に限られることはな
い。Ｃｕサイトに置換される元素として、Ｆｅを用いる
等、別のＹＢａＣｕ酸化物を用いても同様の超電導トラ
ンジスタが得られる。さらにＢｉ、Ｓｒ、Ｃａ、および
Ｃｕからなる酸化物、あるいはＴｌ，Ｂａ，Ｃａおよび
Ｃｕからなる酸化物でＣａの一部を３価の元素によって
置換した酸化物を用いて超電導トランジスタを作製して
も、同様の特性が得られる。As described above, the superconducting transistor of the present invention has superconductivity even at a signal voltage at the same level as the gate voltage required for modulating the characteristics. The source and drain electrodes and the channel layer of such a superconducting transistor are not limited to the YBaCu oxide containing Co. A similar superconducting transistor can be obtained by using another YBaCu oxide, such as using Fe as an element to be substituted for a Cu site. Further, a superconducting transistor is manufactured using an oxide composed of Bi, Sr, Ca, and Cu, or an oxide composed of Tl, Ba, Ca, and Cu, in which a part of Ca is replaced with a trivalent element. Can obtain similar characteristics.
【００３１】[0031]
【発明の効果】本発明によれば以下に述べる効果を有す
る。According to the present invention, the following effects can be obtained.
【００３２】（１）素子寸法を大きくすることなく、超
電導モ−ドでの信号電圧を任意の大きさに増大させるこ
とができる。(1) The signal voltage in the superconducting mode can be increased to an arbitrary value without increasing the element size.
【００３３】（２）素子を超電導状態に保った状態での
利得、すなわち信号電圧とゲート電圧の比を１以上にす
ることができる。(2) The gain when the element is kept in a superconducting state, that is, the ratio of the signal voltage to the gate voltage can be made 1 or more.
【００３４】（３）電圧状態でも超電導モ−ドが保たれ
るため、従来のトランジスタよりスイッチング速度が高
速になる。(3) Since the superconducting mode is maintained even in the voltage state, the switching speed is higher than that of the conventional transistor.
【図１】実施例１の超電導トランジスタの断面図。FIG. 1 is a sectional view of a superconducting transistor according to a first embodiment.
【図２】従来構造の超電導トランジスタの直列接続の断
面図。FIG. 2 is a sectional view of a series connection of superconducting transistors having a conventional structure.
【図３】本発明の超電導トランジスタの原理構造の断面
図。FIG. 3 is a sectional view of the principle structure of the superconducting transistor of the present invention.
【図４】実施例１の超電導トランジスタのマイクロ波照
射の特性図。FIG. 4 is a characteristic diagram of microwave irradiation of the superconducting transistor according to the first embodiment.
【図５】実施例１の超電導トランジスタのオン状態−オ
フ状態間のスイッチング特性図。FIG. 5 is a switching characteristic diagram between an on state and an off state of the superconducting transistor according to the first embodiment.
１…基板、２…ソース電極、３…ドレイン電極、４…チ
ャネル層、５…ゲート絶縁膜、６…ゲート電極。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... Source electrode, 3 ... Drain electrode, 4 ... Channel layer, 5 ... Gate insulating film, 6 ... Gate electrode.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 樺沢 宇紀 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 長谷川 晴弘 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 深沢 徳海 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平２−230778（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−161880（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−23684（ＪＰ，Ａ) ＪＰＮ．Ｊ．ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．Ｖ ＯＬ．31（1992）ＰＰ．Ｌ829−Ｌ831 ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ ＯＦ ＴＨ Ｅ ５ＴＨ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡ Ｌ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ ＯＮ ＳＵＰ ＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ（ＩＳＳ ’92）ＰＰ．85−88（1992) ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＡＰＰＬＩＥＤ ＳＵＰＥＲＣ ＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ，ＶＯＬ．３, ＮＯ．１，ＭＡＲＣＨ 1993，ＰＰ. 1312−1315 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Uki Kabazawa 1-280 Higashi Koigakubo, Kokubunji-shi, Tokyo Inside the Central Research Laboratory of Hitachi, Ltd. Central Research Laboratory (72) Inventor Tokukai Fukasawa 1-280 Higashi-Koikekubo, Kokubunji-shi, Tokyo Hitachi Central Research Laboratory Co., Ltd. (56) References JP-A-2-230778 (JP, A) JP-A-1-161880 ( JP, A) JP-A-3-23684 (JP, A) JPN. J. APPL. PHYS. VOL. 31 (1992) PP. L829-L831 PROCEEDINGS OF THE 5TH INTERNATIONAL L SYMPOSIUM ON SUP ERCONDUCTIVITY (ISS '92) PP. 85-88 (1992) IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERC ONDUCTIVITY, VOL. 3, NO. 1, MARCH 1993, PP. 1312-1315.
Claims (2)
と、前記第一の表面部分に対して所定の角度で傾斜し前
記第一と第二の表面部分の間に挟まれた傾斜部分と、を
有する基板と、 前記第一の表面部分に形成されたソース電極と、 前記第二の表面部分に形成されたドレイン電極と、 前記傾斜部分に形成されたチャンネル層と、 前記チャンネル層の上にゲート絶縁膜を介して形成され
たゲート電極と、 を有し、 前記ソース電極、前記ドレイン電極および 前記チャンネ
ル層は、正方晶あるいは斜方晶のＣｕを含む酸化物から
なる一つの薄膜であり、結晶のａｂ面の中で電気的に伝
導度の低い原子面と超電導性を有する原子面から構成さ
れ、前記酸化物のｃ軸は前記第一の表面部分に垂直であり、 前記酸化物がＢｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＣｕからなる酸
化物、あるいはＴｌ、Ｂａ、ＣａおよびＣｕからなる酸
化物でＣａの一部を３価の元素によって置換した酸化物
であることを特徴とする超電導トランジスタ。1. A first and a second surface part whose surfaces are parallel to each other.
Before being inclined at a predetermined angle with respect to the first surface portion.
And an inclined portion sandwiched between the first and second surface portions.
A substrate, a source electrode formed on the first surface portion, a drain electrode formed on the second surface portion, a channel layer formed on the inclined portion, and a gate on the channel layer. Formed through an insulating film
Has been a gate electrode, the source electrode, the drain electrode and the channel layer is an oxide containing Cu tetragonal or orthorhombic
One thin film , composed of an atomic plane having low electrical conductivity and an atomic plane having superconductivity in the ab plane of the crystal, and the c-axis of the oxide is perpendicular to the first surface portion. That the oxide is an oxide composed of Bi, Sr, Ca, and Cu, or an oxide composed of Tl, Ba, Ca, and Cu, in which a part of Ca is substituted by a trivalent element. Characteristic superconducting transistor.
と、前記第一の表面部分に対して所定の角度で傾斜し前
記第一と第二の表面部分の間に挟まれた傾斜部分と、を
有する基板と、 前記第一の表面部分に形成されたソース電極と、 前記第二の表面部分に形成されたドレイン電極と、 前記傾斜部分に形成されたチャンネル層と、 前記チャンネル層の上にゲート絶縁膜を介して形成され
たゲート電極と、 を有し、 前記ソース電極、前記ドレイン電極および 前記チャンネ
ル層は、正方晶あるいは斜方晶のＣｕを含む酸化物から
なる一つの薄膜であり、結晶のａｂ面の中で電気的に伝
導度の低い原子面と超電導性を有する原子面から構成さ
れ、前記酸化物のｃ軸は前記第一の表面部分に垂直であり、 前記酸化物がＹ、Ｂａ、およびＣｕからなる酸化物の、
Ｃｕと酸素からなる鎖状原子列中のＣｕをＣｒ、あるい
はＦｅ等と置換した酸化物であることを特徴とする超電
導トランジスタ。2. A first and a second surface portion whose surfaces are parallel to each other.
Before being inclined at a predetermined angle with respect to the first surface portion.
And an inclined portion sandwiched between the first and second surface portions.
A substrate, a source electrode formed on the first surface portion, a drain electrode formed on the second surface portion, a channel layer formed on the inclined portion, and a gate on the channel layer. Formed through an insulating film
Has been a gate electrode, the source electrode, the drain electrode and the channel layer is an oxide containing Cu tetragonal or orthorhombic
One thin film , composed of an atomic plane having low electrical conductivity and an atomic plane having superconductivity in the ab plane of the crystal, and the c-axis of the oxide is perpendicular to the first surface portion. Wherein the oxide is an oxide of Y, Ba, and Cu;
A superconducting transistor characterized in that it is an oxide in which Cu in a chain atom array composed of Cu and oxygen is substituted with Cr, Fe or the like.
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| JP7030420A JP2730502B2 (en) | 1995-02-20 | 1995-02-20 | Superconducting transistor |
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-
1995
- 1995-02-20 JP JP7030420A patent/JP2730502B2/en not_active Expired - Fee Related
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| ＪＰＮ．Ｊ．ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．ＶＯＬ．３１（１９９２）ＰＰ．Ｌ８２９−Ｌ８３１ |
| ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ ＯＦ ＴＨＥ ５ＴＨ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ ＯＮ ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ（ＩＳＳ’９２）ＰＰ．８５−８８（１９９２） |
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