JPH01183175A

JPH01183175A - 超電導３端子素子

Info

Publication number: JPH01183175A
Application number: JP63007136A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Fukuda; 啓一福田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1988-01-16
Filing date: 1988-01-16
Publication date: 1989-07-20

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、超電導３端子素子に関する。より詳細には、
超電導現象を利用した高速な３端子素子に関する。

従来の技術従来の半導体素子は、主にシリコン等の半導体単結晶と
金属電極とで構成されている。ＬＳＩ等の集積回路も、
これらの素子を高密度に集積しただけで、基本的な構成
は変わらない。

・　４超電導素子としては、ジョセフソン素子が知られている
が、実際に回路を形成するにあたり、２端子のジョセフ
ソン素子は、回路設計が難しくなるという問題があった
。従って、高速で動作する３端子の素子が望まれていた
。

超電導３端子素子は、超電導近接効果を利用し、半導体
中に超電導電流を流す高速３端子素子である。従来、た
とえば８１基板上に形成したＰｂ／Ｓｉ／Ｐｂ接合を利
用した超電導３端子素子が、実験的に作製されているだ
けであった。

第２図に従来の超電導３端子素子を示す。第２図に示す
従来の超電導３端子素子は、裏面がエツチングされ、エ
ツチング部分に酸化絶縁膜１４が形成されたＳｉ基板１
２と、酸化絶縁膜１４上に形成されたＡＩ電極１３と、
Ｓｉ基板１２の表面上に形成された一対のｐｂ系超超電
導体電極１１と、で構成されている。

発明が解決しようとする課題従来の超電導３端子素子は、第２図に示したような構造
を採っており、超電導電極１１は、ｐｂ等の超電導金属
材料を用い、エツチング等で１１００ｎ程度の厚さとし
た半導体基板１２上に１００〜２００　ｎｍの間隔で対
向して形成され、半導体基板１２裏面に酸化絶縁膜１４
上に、制御用電極としてＡ１等の金属膜１３を形成し、
近接効果制御を行なう。

このため、制御用電極は基板裏面に配位し、集積化が困
難であったのみならず、半導体基板の薄膜化を含む複雑
な製造工程が必要な為、その実現は極めて困難であった
。

さらに金属系超電導体では超電導臨界温度が低いため実
用的ではなく、ランニングコストの高いことも利用を阻
んでいた。

従って、本発明の目的は、上記の課題を解決した高温で
動作し、製造が簡単で集積化も容易な超電導３端子素子
を提供することにある。

課題を解決するための手段本発明に従うと、超電導体を使用した３端子素子におい
て、基板上に形成された超電導体層と、前記基板上に前記超電導体層と一体に形成され、該超電
導体層を分割し、一対の超電導電極とする分離帯と、前記一対の超電導電極のそれぞれの前記分離帯近傍領域
を除く前記一対の超電導電極のそれぞれの上に設けられ
た絶縁層と、前記分離帯および前記一対の超電導電極のそれぞれの前
記分離帯近傍領域上に少なくても設けられ、前記一対の
超電導電極のそれぞれに分離帯近傍領域でのみ接する半
導体層と、前記半導体層上に、絶縁膜を介して形成された金属膜電
極と、を具備することを特徴とする超電導３端子素子が提供さ
れる。

本発明の超電導３端子素子に使用する超電導体としては
、複合酸化物超電導体が好ましく特に、下記一般式：％式％）（但し、αは周期律表ＩＩａ族に含まれる元素であり、
βは周期律表■ａ族に含まれる元素であり、ｒは周期律
表Ｉｂ、■ｂ、ｍｂ、ＩＶａおよび■族から選択される
少なくとも一つの元素であり、Ｘ１ｙ１ｚはそれぞれ０
．１≦ｘ≦０．９．０．４≦ｙ≦３．０．１≦ｚ≦５を
満たす数である）で示される複合酸化物が好ましい。これらの複合酸化物
はペロブスカイト型または酸素欠陥ペロブスカイト型酸
化物を主体としたものと考えられる。

上記周期律表１ａ族元素αとしては、Ｂａ、　Ｓｒ。

Ｃａ、　Ｍｇ５Ｂｅ等が好ましく、例えば、Ｂａ、　Ｓ
ｒを挙げることができ、この元素（１２）１０〜８０％
をＭＬ　Ｃａ。

Ｓｒから選択された１種または２種の元素で置換するこ
ともできる。また上記周期律表ｍａ族元素βはとしては
、Ｙの他Ｌａ、　Ｓｃ、　Ｃｅ、　Ｇｄ、　Ｈｏ、［ｉ
ｒ、’Ｔｍ。

Ｙｂ５Ｌｕ等ランタノイド元素が好ましく、例えばＹｌ
ｌａ、　ｌｏとすることができ、さらにこの元素βのう
ち、１０〜８０％をＳｃまたはランタノイド元素から選
択された１種または２種の元素で置換することもできる
。前記元素Ｔは一般にＣｕであるが、その−部を周期律
表１　ｂ、ＩＩｂ、Ｉ［ｂ、ＩＶａおよび■族から選択
される他の元素、例えば、Ｔｉ、　Ｖ等で置換すること
もできる。

また、本発明に用いる半導体は、Ｓｉ等の単体の単結晶
、ＧａＡｓ５ＩｎＰ等■−■族化合物単結晶およびＺｎ
Ｓｅ等のＩｆ−ＶＩ族化合物単結晶の他、ＣｄＺｎＴｅ
。

ＨｇＣｄＴｅ５ＧａＡＩＡｓ、　ＧａＩｎＡｓ、　Ｉｎ
ＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓ　Ｐ等の多元系化合物半導
体単結晶のいずれでもよい。

本発明の超電導３端子素子に使用する基板としては、Ｍ
ｇＯ単結晶基板、５ｒＴｔＯ＋単結晶基板、Ａｌ２Ｏ３
単結晶基板、Ｌ＋ＮｂＯ５単結晶基板、Ｌ＋ＴａＯ３単
結晶基板またはＺｒＯ２単結晶基板のいずれかの単結晶
基板であることが好ましく、Ｍｇ’Ｏ単結晶基板または
５ｒＴｉ０３単結晶基板の（００１）面または（１１０
）面に複合酸化物超電導体層を形成することが好ましい
。

作用超電導３端子素子は、超電導近接効果を利用し、半導体
中に超電導電流を流す高速３端子素子である。超電導近
接効果を得るため、超電導電極間の距離は、超電導電極
を構成する超電導体のコヒーレンス長により決まり、一
般に数１０〜数１１００ｎである。また、半導体の厚さ
も制御電極との距離で決められ、やはり１１００ｎ程度
となる。

従来の超電導３端子素子は、半導体基板上に金属系超電
導体層を形成し、上記の寸法を満たすよう加工して作製
されていた。

本発明の超電導３端子素子は、基板上に形成された超電
導体層を、基板上に超電導体層と一体に１　　形成され
た、超電導電極を構成する超電導体よりも臨界温度Ｔｃ
が低く使用温度では超電導性を示さない超電導体、また
は超電導性を持たない物質、で構成される分離帯で分割
して超電導電極とし、分離帯と超電導電極上に超電導電
極と分離帯近傍のみで接する半導体層が積層され、半導
体表面上にさらに絶縁膜が形成され、金属膜による制御
電極が該絶縁膜上に形成された構造になっている。

従って、従来の超電導３端子素子と異なり、全ての電極
が基板の表面上にあるため、作製および集積化が容易に
なる。

本発明に用いる超電導体としては、複合酸化物超電導体
が好ましい。複合酸化物超電導体は、臨界温度Ｔｃが高
いだけでなく、分割することが容易である。すなわち、
イオン注入等の方法で組成、結晶構造を変えるだけで複
合酸化物超電導体は、臨界温度Ｔｃが低下し、または、
超電導性を失う。

従って、金属系超電導体を分割する場合のように物理的
に切り離す必要はなく、複合酸化物超電導体層の分割は
、イオン注入等で分割したい部分の組成、結晶構造を変
えるだけで行うことができる。

上記の複合酸化物超電導体としては、例えばＹ１Ｂａ２
ＣＵ３０ｔ−ｘ　、Ｌａ１Ｂａ２ＣＵ３０７−Ｘ　％Ｈ
ｏ、Ｂａ２Ｃｕ３Ｃｈ−ｘ　　（ただしＸはＱ＜ｘ＜１
を満たす数である）等が挙げられるが、これらに限られ
るものではない。

また、本発明の超電導３端子素子に使用する半導体は、
８１等単体の半導体、■−■族化合物半導体、ＩＩ−Ｖ
Ｉ族化合物半導体、ＩＶ−ＩＶ族化合物半導体、多元系
化合物半導体等いずれの半導体でもよく、それぞれ用途
により任意に選択できる。

本発明の超電導３端子素子に使用する複合酸化物超電導
体は、薄膜として形成されるが、その電流を流し易い方
向に結晶異方性を有する。すなわち、結晶のＣ軸および
ｂ軸で決定される面に平行な方向に電流が流れ易い。Ｍ
ｇＯ単結晶基板、ＳｒＴｉＯ３単結晶基板の（１００）
面上に形成された複合酸化物超電導薄膜は、その結晶の
Ｃ軸が基板成膜面に対し垂直または垂直に近い角度とな
る配向性を有するため、特に臨界電流密度Ｊｃが大きく
なる。従って、ＭｇＯ単結晶基板または５ｒＴｉＯａ単
結晶基板の（１００）面を成膜面として用いることが好
ましい。

また、５ｒＴｉＯ，基板の（１１０）面を用いて、Ｃ軸
を基板と平行にすることにより、膜の深さ方向にも高電
流密度を得ることが可能である。さらに、ＭｇＯ，５ｒ
ＴｉＣｈは、熱膨張率が上記の複合酸化物超電導体と近
いため、加熱、冷却の過程で薄膜に不必要な応力を加え
ることがなく、薄膜を破損する恐れもない。基板として
は、他にへ１２０３単結晶基板、ＬｉＮｔ１０３単結晶
基板、ＬｔＴａＯ３単結晶基板、ＺｒＯ２単結晶基板等
が使用できる。

本発明の超電導３端子素子を作製する方法を説明する。

まず、上記の基板の所定の面に複合酸化物超電導体層を
形成する。その方法はスパッタリング、イオンブレーテ
ィング、分子線エピタキシー、ＣＶＤ　（化学的気相反
応法）等の蒸着法あるいは蒸着法に類似の方法であるこ
とが好ましい。

これらの方法の内では特に、マグネトロンスパッタリン
グ法が好ましく、その場合基板温度７００℃で成膜する
ことが好ましい。

上記のいずれかの方法で、基板上に複合酸化物超電導体
層を形成した後、イオン注入により複合酸化物超電導体
層の一部を、臨界温度Ｔｃが低く・使用温度で超電導性
を示さない超電導体または超電導性を持たない物質に変
化させて分離帯とし、複合酸化物超電導体層を分割して
超電導電極を作製する。分離−の幅は、１００　ｎｍ程
度が好ましい。

複合酸化物超電導体層に上記の加工を行った後、複合酸
化物超電導体層上の分離帯近傍を除いた部分にＳｉＯ□
等の絶縁膜をＣＶＤ法等で形成する。

次に絶縁膜よと複合酸化物超電導体層の分離帯近借上に
半導体層を積層する。半導体層を形成する方法としては
、ＣＶＤ法が好ましい。

半導体層形成後、半導体層上に８１０２等の絶縁膜を熱
酸化等により形成し、その上にＡ１等により制御電極を
形成する。

以上の工程を経た後、ワイヤボンディングを行い、本発
明の超電導３端子素子が得られる。

゛実施例以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、以下
に記載するものは本発明の単なる実施例に過ぎず、以下
の開示により、本発明あ範囲が回答制限されないことは
勿論である。

第１図に示す本発明の超電導３端子素子を作製した。第
１図に示す本発明の超電導３端子素子は、基板１上に形
成された複合酸化物超電導体層を、イオン注入により複
合酸化物超電導体層の一部を変性させることで得た使用
温度で超電導性を示さない物質からなる分離帯３で分割
して一対の超電導電極２とし、それぞれの超電導電極２
上に形成され、超電導電極２および分離帯３上にあり、
絶縁膜４で超電導電極２の分離帯近傍以外の部分とは絶
縁されている半導体層５と、半導体層５上に絶縁膜７を
介して形成された金属膜電極６とで構成されている。

本実施例では、基板１として、ＭｇＯ単結晶を用い、（
１００）面にＨｏＢａ２．３ＣＵ４．７０ｘ焼結体粉末
ヲターゲットとして、公知のマグネトロンスパッタリン
グ法により、複合酸化物超電導体層を形成した。

基板とターゲットの位置関係および高周波電力の大きさ
に特に注意し、基板温度７００℃でスパッタリングを行
い、複合酸化物超電導体層を１１００ｎの厚さとなるま
で成長させた。

次に、上記の複合酸化物超電導体層にＡｒイオン注入を
行い、幅１１００ｎの分離帯を作製し、一対の超電導電
極２とした。各超電導電極２上に、分離帯近傍を除いて
５１０２絶縁膜４を形成した後、８１半導体層５をＣＶ
Ｄ法により形成した。８１半導体層５０表面に熱酸化に
より、５ＩＯ２絶縁膜７を設け、ＡＩ膜電極６を蒸着に
より形成した。最後に蒸着によりワイヤボンディング用
のＡｇ電極を超電導電極２およびＡＩ膜電極６上に形成
した。

発明の効果以上詳述のように、本発明の超電導３端子素子は、基板
上に超電導電極を、超電導体層と一体に形成した分離帯
で、超電導体層を分割することにより、作製し、超電導
体層上に半導体層、制御電極を積層する構造となってい
る。従って、従来のものと異なり、複雑な加工が不要で
あるばかりでなく、全ての端子が基板の同一面上にあり
、集積化が容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の超電導３端子素子の一例の断面図で
あり、第２図は、従来の超電導３端子素子の断面図である。〔主な参照番号〕１・・・基板、　２．１１・・・超電導電極、３・・・
分離帯、４．７・・・絶縁膜、５・・・半導体、　６・
・・金属膜電極、１２・・・半導体基板、　１３・・・
Ａ１電極、１４・・・酸化絶縁膜特許出願人　　住友電気工業株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

（１）超電導体を使用した３端子素子において、基板上
に形成された超電導体層と、前記基板上に前記超電導体層と一体に形成され、該超電
導体層を分割し、一対の超電導電極とする分離帯と、前記一対の超電導電極のそれぞれの前記分離帯近傍領域
を除く前記一対の超電導電極のそれぞれの上に設けられ
た絶縁層と、前記分離帯および前記一対の超電導電極のそれぞれの前
記分離帯近傍領域上に少なくとも設けられ、前記一対の
超電導電極のそれぞれに分離帯近傍領域でのみ接する半
導体層と、前記半導体層上に、絶縁膜を介して形成された金属膜電
極と、を具備することを特徴とする超電導３端子素子。
（２）上記分離帯が、上記超電導電極を形成する超電導
体よりも超電導臨界温度が低い超電導体で形成されてい
ることを特徴とする請求項（１）に記載の超電導３端子
素子。
（３）上記超電導体層が、複合酸化物超電導体で構成さ
れていることを特徴とする請求項（１）または（２）に
記載の超電導３端子素子。
（４）上記複合酸化物超電導体が、一般式：（α＿１＿−＿ｘβ＿ｘ）γ＿ｙＯ＿ｚ（但し
、αは周期律表IIａ族に含まれる元素であり、βは周期
律表IIIａ族に含まれる元素であり、γは周期律表 I ｂ
、IIｂ、IIIｂ、IVａおよびVIII族から選択される少な
くとも一つの元素であり、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ０．１
≦ｘ≦０．９、０．４≦ｙ≦３．０、１≦ｚ≦５を満た
す数である）で表される組成の酸化物であることを特徴とする請求項
（３）に記載の超電導３端子素子。
（５）上記複合酸化物超電導体が、ペロブスカイト型結
晶または酸素欠陥ペロブスカイト型結晶を有する酸化物
であることを特徴とする請求項（４）に記載の超電導３
端子素子。
（６）上記αはＢａであり、上記βは、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ
、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂに
よって構成される群から選択される少なくとも１種の元
素であり、上記γは、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、
Ｃｕ、Ａｇ、Ｔｉによって構成される群から選択される
少なくとも１種の元素を含むことを特徴とする請求項（
５）に記載の超電導３端子素子。
（７）上記γは、Ｃｕを主として含むことを特徴とする
請求項（６）に記載の超電導３端子素子。
（８）上記複合酸化物超電導体が、 β＿１Ｂａ＿２Ｃｕ＿３Ｏ＿７＿−＿ｘ（ただしｘは０
＜ｘ＜１を満たす数である）で表される複合酸化物であることを特徴とする請求項（
７）に記載の超電導３端子素子。
（９）上記半導体層が、単体半導体単結晶、III−Ｖ族
化合物半導体単結晶、II−VI族化合物半導体単結晶、I
V−IV族化合物半導体単結晶または多元系化合物半導体
単結晶のいずれかの半導体単結晶で構成されている特徴
とする請求項（１）乃至（８）のいずれか１項に記載の
超電導３端子素子。
（１０）上記半導体単結晶が、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結
晶、ＧａＡｓ単結晶ＧａＰ単結晶、ＩｎＰ単結晶、Ｉｎ
Ｓｂ単結晶、ＺｎＳｅ単結晶、ＣｄＴｅ単結晶、ＨｇＣ
ｄＴｅ単結晶、ＧａＡｌＡｓ単結晶、ＧａＩｎＡｓ単結
晶、ＩｎＡｌＡｓ単結晶またはＩｎＧａＡｓＰ単結晶の
いずれかの半導体単結晶であることを特徴とする請求項
（９）に記載の超電導３端子素子。
（１１）上記基板が、ＭｇＯ単結晶基板、ＳｒＴｉＯ＿
３単結晶基板、Ａｌ＿２Ｏ＿３単結晶基板、ＬｉＮｂＯ
＿３単結晶板、ＬｉＴａＯ＿３単結晶基板またはＺｒＯ
＿２単結晶基板のいずれかの単結晶基板であることを特
徴とする請求項（１）乃至（１０）のいずれか１項に記
載の超電導３端子素子。
（１２）上記ＭｇＯ単結晶基板またはＳｒＴｉＯ＿３単
結晶基板の（００１）面または（１１０）面に複合酸化
物超電導体層を形成することを特徴とする請求項（１１
）に記載の超電導３端子素子。