JPH01102974A - 超伝導デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は超伝導体と半導体を組合わせたデバイスに係り
、特に動作が安定で、デバイス特性の制御が容易な超伝
導デバイスに関する。

［従来の技術］ 従来、超伝導体と半導体を結合させた超伝導デバイスと
しては、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス
５２巻、７３２７ページ　１９８１年（Ｊ、　Ａｐｐｌ
、　Ｐｈｙｓ、、　ｖｏｌ　５２．　ｐ　７３２７゜１
９８１年）において論じられている。また超伝導デバイ
スに電界効果によって超伝導性を示す電極間の結合を変
化させる手段を加えたトランジスタ型の超伝導デバイス
については、ジャーナル・オブ・アプライド・フイジク
ス５１巻、２７３６ページ　１９８０年（Ｊ　、　Ａｐ
ｐｌ、　Ｐｈｙｓ。

ｖｏｌ　５１　、　ｐ　２７３６　、１９８０　）にお
いて論じられている。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記従来技術においては、超伝導体にはＮｂ。

Ｐｂ９合金などの金属を用い、半導体にはＩ　ｎＡｓＧ
ａＡｓ　　ＩｎＳｂなどの材料を用いていたので、動作
させるためには液体ヘリウム中に浸しＩＯＫ以下の温度
に冷却しなければならなかった。このため半導体中の実
効的なキャリア数が減少し、十分な利得をもつデバイス
を実現することは難しかった。また超伝導体と半導体が
異なる元素の材料で構成されているので、半導体の表面
状態によってデバイスの特性が変化しやすいという問題
があった。

超伝導体の材料として高い超伝導転位温度を示す酸化物
超伝導体を用いた場合、半導体との格子定数や熱膨張率
などが著しく異なるため、熱処理工程により応力が集中
し、クラックが発生するという問題があった。また製造
上、界面を清浄に保つことは雉しい。さらに酸化物超伝
導体の形成時に伴う熱処理工程により、半導体中の不純
物分布が変化するという問題があった。以上の問題があ
るので、デバイスの特性が不安定で劣化しやすかった。

本発明の目的は、これら従来技術のもつ問題点を解決し
て、特性が均一で動作が安定でありかつ回路利得が大き
い超伝導デバイスを提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的は、超伝導デバイスを構成する超伝導体と半導
体に少なくともＣｕを含んだ酸化物超伝導体材料を用い
て、半導体の不純物飽和領域に対応する温度範囲と、超
伝導体の超伝導転移温度以下の範囲を同時に満たす温度
において動作させることにより、達成される。

［作用］ 半導体又は常伝導体にＢａ、Ｌａ、Ｃｕ又はＳｒ。

Ｌａ、Ｃｕを含む酸化物材料を使用した場合、Ｂａ。

Ｓｒ、Ｃａのこの材料への拡散あるいは注入によって半
導体の性質を制御することができる。これはＢａ２ｚ　
Ｌａ２（１−Ｘ　）Ｃｕ０４（１−ｙ　）あるいはＳ　
ｒｚ　ｘ　Ｌａ＜　ｔ−ｘ　＞ＣｕＯ２＜　ｌ−ｙ　＞
なる組成を持つ酸化材料の電気的な性質がＸの値に依存
しているからである。超伝導体と半導体に同一元素から
なる材料を用いると熱膨張率の値が同じであるので熱処
理に伴う応力の集中やクラックの発生を防ぐことができ
る。また製造工程上、超伝導体と半導体と大気中にさら
すことなく形成できるため、これらの界面が清浄に保た
れることになり、結果としてデバイス特性が安定する。

一方、このような材料で構成されたデバイスの特性は使
用する温度により大きく異なる。上記半導体はある温度
以上では真性半導体になる。そしである温度以下では不
純物原子のイオン化が起こりにくくなり、多数キャリア
密度が不純物原子密度を下回るようになるキャリア凍結
状態になる。

温度に対する半導体の導電率の変化を第３図に示す。第
３図において温度Ｅ以上は真性領域に対応し、この温度
範囲において導電率禁制帯を越えて励起される電子密度
ｎｉの増加によって急激に増加する。ここでは半導体は
Ｂａ、Ｓｒ不純物などの導入によっても制御できない。

この図における傾きＡＢは活性化エネルギーＥｇに対応
している。

温度ＥとＦの間は不純物飽和領域であり、電子密度は導
入する不純物のドナ密度、又はアクセプタ密度で決まる
。したがってこの領域における半導体の性質は不純物を
入れる量で制御することができる。温度Ｆより低い領域
では、ドナあるいはアクセプタはイオン化しなくなり、
それぞれの準位に捕らえれてしまう。したがって導電率
は、電子又は凍結するために減少する。この範囲の傾き
ＣＤは不純物準位ＥＤ（ドナ準位）又はＥＡ（アクセプ
タ準位）の値に対応している。

［作用］ 従来用いていたＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、Ｓｉな
どの半導体と比較すると、これらの酸化物材料を半導体
は活性化エネルギーＥ、ガス桁はど小さい。これはキャ
リア凍結に入る温度が従来の半導体と比較して低い範囲
にあることを示している。

例えば３０にでデバイスを動作する場合に、従来の半導
体では縮退状態になるように不純物密度を高くしなけれ
ばならず、このため空乏層を形成する型のデバイスを得
ることや、ＰＮ接合層を形成することは離しい。一方、
酸化物材料の半導体は、３０Ｋにおいてもキャリアが凍
結しないので、不純物密度を高くする必要がない。この
ために、電界を印加することにより半導体中に空乏層を
形成することができるので、利得が大きくなる。またＰ
Ｎ接合を容易に形成することができ、これを素子間の分
離に応用可能である。しかし、液体ヘリウム中で用いた
場合にはキャリアのほとんどは凍結してしまうためにデ
バイスの特性と制御することが困難になる。そこで超伝
導デバイスを動作する温度の範囲を、半導体の不純物飽
和領域に対応する温度と超伝導体が超伝導状態を示す温
室の両範囲を満たすように限定することにより、動作が
安定になり、デバイス特性の制御が容易になる。

［実施例］ 以下、本発明を実施例を参照して詳細に説明する。第１
図は本発明の第１の実施例による超伝導デバイスの一部
分を示す断面図である。

ＭｇＯより成る基板１に゛スパッタリング法によって厚
さ約２００ｎｍのＢａ２ｘＬａ２（１−ｘ）ＣｕＯ４，
、−、）（ｘ＝０．０２）の組成を有する半導体層２を
形成する。続いて真空状態を保ったままスパッタリング
法でＢａ２ｘＬａ２（１−ｘ　）ｃｕｏ４（１−ｙ　）
　（ｘ　＝０．５）の組成を有する超伝導体層３を形成
した後９５０℃で１時間加熱する。この表面にホトレジ
ストによるパターンを形成して、これをマスクとしてＡ
ｒイオンによるスパッタエツチングを行い超伝導体Ｍ３
を加工して、対向する２つの超伝導電極を構成する。以
上によって超伝導デバイスを実現することができる。こ
のデバイスを液体ヘリウム中で動作させたところ、超伝
導電流と検出することができなかった。これは、４．２
にの温度では半導体層２のキャリアは凍結状態にあるか
らである。液体窒素中で（温度７７Ｋ）動作させるとこ
ろ、対向する超伝導電極間に半導体と介して流れる超伝
導電流を検出することができた。

第２図は本発明の第２の実施例による超伝導デバイスの
一部分を示す断面図である。第１図を用いて説明した超
伝導デバイスの表面を純酸素中で加熱して酸化し、厚さ
２０〜３０ｎｍの絶縁膜４を形成する。続いて厚さ約５
００１のＡＱ蒸着膜よりなる制御電極５を形成し、本実
施例における超伝導デバイスを実現することができる。

本実施例に示したデバイスは制御電極を有する電界効果
型の超伝導デバイスである。液体ヘリウム中で動作させ
たところ、キャリアのほとんどは凍結してしまい、超伝
導電流を検出することができなかった。

液体窒素中で動作させたところ、制御電極に印加する微
小な電圧の変化により超伝導電流を大きく変化させるこ
とができ、利得の大きなデバイスを得た。半導体と超伝
導体は同一元素から構成されるため、界面の整合性は良
好であり、動作の安定したデバイスを実現することがで
きた。

以上の実施において基板にはＭｇＯを用いたが、これに
替えてサファイア＊　ＺｎＯ３，５ｒＴｘ０３゜ＧＧＧ
などのガーネット材料またイツトリウム・スタビライズ
ド・ジルコニアを用いての本発明の目的を達成すること
ができる。また超伝導材料としてはＢａＬａＣｕＯ，を
用いたがＬａに替えてＹ。

Ｓｃ、　Ｓｍ、　Ｅｕ、　Ｇｄ、　Ｈｏ、　Ｙｂ、　Ｎ
ｄ、　Ｐｒ、　Ｌｕ。

Ｔｂを用いてもよ＜Ｂａに替えてＳｒ、　Ｃａ、　Ｍｇ
。

Ｒａを用いても本発明の目的を達成することができる。

以下、動作させるに好適な温度を材料に従って述べる。

Ｌａ２ＣｕＯ４の場合、活性化エネルギーは約２０ｍｅ
Ｖであり、不純物飽和領域に対応する温度は２０に以上
、１３０以下である。この材料を半導体として用い、Ｂ
ａ２ｘ　Ｌａ２＜１−ｘ　）ＣｕＯ４（ｔ−ｙ　）でｘ
＝０．５の組成を有する材料を超伝導体として使用した
超伝導デバイスの場合、超伝導転移温度Ｔｃが約４０に
である。したがってこのデバイスの動作範囲は２０に以
上、４０に以下の温度に限定される。

Ｌａ２ＣｕＯ４にＢａを拡散又は注入し１３ａ２Ｘ　Ｌ
ａ２（１−Ｘ　）ｃｕｏ４（１−Ｆ　）でｘ＝０．０２
の組成を有する材料を半導体として使用すると不純物飽
和領域の温度は３０に以上、２２０に以下となるため、
デバイスとしての動作可能の温度範囲は３０に以上、４
０に以下となる。つまり、導入するＢａの量によって、
動作温度の範囲は変化する。Ｓｒを導入した場合も同様
の結果となる。

ＹＢａ２Ｃｕ３０ｙ−２の化学式で表わされ、結晶構造
の酸素欠損型の多層ペロブスカイト横進の斜方格子を示
す材料は、転移温度、が１００Ｋの超伝導体である。同
じ元素からなり、結晶構造が正方格子の材料では、活性
化エネルギーＥｇが１５ｍｅＶで、不純物飽和領域に対
応する温度が３０に以上、３００に以下の半導体となる
。したがってこの超伝導体と半導体を組合せたデバイス
の動作範囲は３０に以上、１００に以下となる。

一方、結晶構造に限らず、Ｙｌ−２ＢａｘＣｕＯでｘ＝
０．２の組成比を有する材料では、活性化エネルギーＥ
ｇが２２ｍｅＶで、不純物飽和領域に対応する温度が５
０に以上、２００に以下の半導体となり、ｘ＝０．５の
組成比を有する材料では、転移温度１００にの超伝導体
となる。この２つの材料を組合わせて超伝導デバイスを
構成した場合の動作温度領域は５０に以上１００に以下
となる。

Ｅｒ２Ｃｕ０４の場合、活性化エネルギーは約３５ｍｅ
Ｖであり、不純物飽和領域に対応する温度は２０に以上
、４００に以下である。この材料は半導体として用い、
Ｂ　ａ２Ｘ　Ｌａ２＜　ｘ−ｘ　）Ｃｕ０４（１−／　
）でｘ＞０．７５の組成を有する材料を超伝導体として
使用したデバイスの場合、転移温度は９５にである。し
たがってこのデバイスの動作範囲は２０に以上９５に以
下の温度に限定される。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば超伝導体と半導体は
同じ元素からなる材料で構成されている。

このため熱膨張率が等しく応力集中、クラック発生を防
ぐことができ均一な特性をもつ超伝導デバイスを得るこ
とができる。

さらにこのデバイスを動作させる温度範囲を限定するこ
とにより、超伝導電流が大きい特性の安定した超伝導デ
バイスが得られた。また印加する電界で超伝導電流の値
を効率よく制御することが可能な超伝導デバイスのトラ
ンジスタを実現することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の実施例に超伝導デバイスの一部分を示す
断面図、第２図は、本発明の第２の実施例による超伝導
デバイスの一部分を示す断面図、第３図は温度に対する
半導体の導電率の変化を示す図である。 １・・・基板、２・・・半導体層、３・・・超伝導体層
、４・・・絶縁膜、５・・・制御電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも２つの超伝導電極とこれに接して設けた
   半導体又は常伝導体とを含んで構成され、上記超伝導電
   極の材料として少なくともＣｕを含んだ酸化物超伝導体
   を用い、上記半導体の材料としてＢａ、Ｌａ、Ｃｕ又は
   Ｓｒ、Ｌａ、Ｃｕを含んだ酸化物を用いた超伝導デバイ
   スにおいて、上記半導体の不純物飽和領域に対応する温
   度と、上記超伝導電極が超伝導状態を示す温度の両方の
   範囲を満たす温度範囲で動作することを特徴とする超伝
   導デバイス。 ２、特許請求範囲第１項において、さらに前記半導体に
   接して絶縁膜と、電界効果を制御するための電極とを含
   んで構成されたることを特徴とする超伝導デバイス。 ３、特許請求の範囲第１項又は第２項において、前記超
   伝導電極及び前記半導体の材料として、ＬａとＢａとＣ
   ｕを含んだ酸化物を用い、前記温度範囲を２０Ｋ以上４
   ０Ｋ以下にしたことを特徴とする超伝導デバイス。 ４、特許請求の範囲第１項又は第２項において、前記超
   伝導電極及び前記半導体の材料として、ＹとＢａとＣｕ
   を含んだ酸化物を用い、前記温度範囲を３０Ｋ以上、１
   ００Ｋ以下としたことを特徴とする超伝導デバイス。