JPH02277276A - 酸化物超電導トランジスタ装置の作製方法 - 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〕 本発明は高速、低消費電力でスイッチング動作を行う超
電導スイッチング装置等の超電導エレクトロニクスの分
野に係り、とくに液体窒素温度で動作可能な酸化物超電
導トランジスタ装置に関するものである。

（従来の技術〕 Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物あるいはＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ
酸化物等の酸化物系超電導材料は臨界温度が９０に以上
であり、液体窒素温度において完全な超電導性を示すも
のである。これらＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物等の超電導材料
をエレクトロニクスとくにスイッチングデバイスの分野
に応用するためには基本的な超電導能動素子である超電
導トランジスタを得る必要がある。

Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物あるいはＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ
酸化物を用いた超電導トランジスタ、あるいは超電導三
端子素子としてはＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜から成る超
電導弱結合に対してＡＱ薄膜から成る電流注入電極を備
えた。いわゆる電流注入スイッチング素子が作製されて
いる。

この例は第４９回応用物理学会学術講演予稿集第（発明
が解決しようとする課題〕 上記従来技術は電流注入型のスイッチング素子に関して
第三電極を付加することにより超電導電流を制御するも
のである。スイッチング信号は電流である。スイッチン
グ信号積を電流とする場合、入力信号電流と出力信号電
流を分離することが必要である。入出力信号を分離しな
い場合、素子がスイッチングしない場合でも、入力信号
電流が出力線にそのまま流れるという問題が生じる。こ
れはスイッチング回路における誤動作の原因となる。

スイッチング素子の機能としは、スイッチング信号電流
を注入することによってスイッチング動作を行わせると
ともに、素子の入出力電流分離作用が働くことが必要で
ある。このような機能をスイッチング素子に賦与するこ
とは非常に困難であり、またこのような機能を有せしめ
たとしても素子の構造がきわめて複雑となる。

したがってスイッチング素子において入出力信号の分離
を容易に達成するためには、入力信号を電流以外のもの
に求める必要がある。最も素子としての取扱いが簡単な
方法は半導体トランジスタのごとく、電圧信号を用いる
方法である。

そこで本発明の目的は超電導スイッチング素子、とくに
高臨界温度の酸化物超電導材料を用いた超電導三端子素
子において、電圧信号によってスイッチング動作を生せ
しめる三端子素子の構造を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明においては、Ｙ−Ｂａ
−Ｃｕ酸化物あるいはＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ酸化物あ
るいはＴｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ酸化物をはじめとする酸
化物系超電導材料をソースおよびドレイン電極とする電
界効果型超電導トランジスタを構成する。この電界効果
型超電導トランジスタにおいて、ゲート電極材を構成す
る元素の一部が酸化物系超電導材料に含まれることによ
り、酸化物系超電導材料の一部が電気的に絶縁体特性化
および半導体特性化されてなり、この絶縁体特性化され
た部分および半導体特性化された部分を各々超電導トラ
ンジスタの絶縁膜および半導体層として用いるものであ
る。より具体的には、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体、あるいは
Ｃｕ　＊　Ａ　ｇ　ｒＰｄ等の金属細線を上記酸化物超
電導薄膜上に形成し、ゲート電極としての役割を担わせ
る。ゲート電極形成拡散熱処理を施すことにより、ゲー
ト電極の成分を酸化物超電導薄膜中に侵入させる。

拡散反応は酸化物超電導薄膜の裏面まで進行させる。

ゲート電極膜と酸化物超電導電極の界面を絶縁状態とし
、ゲート絶縁膜とする。さらにゲート電極膜の下部にお
ける酸化物超電導薄膜の絶縁状態部から４部までを拡散
反応によって半導体的な性質を保持させる。この工程に
おいて酸化物超電導薄膜の超電導的性質を有する領域を
半導体的性質を有する細線状部位を介して２つの領域に
分つ。

これら２つの領域に分かれた酸化物超電導薄膜部位をそ
れぞれソース電極およびドレイン電極とする。

〔作用〕

以上述べた手段は以下の理由により上記目的、すなりち
酸化物超電導材料を用いた電界効果による超電導トラン
ジスタの動作を可能にするものである。

酸化物超電導材料を用いて電界効果トランジスタを製作
する場合、酸化物超電導材料のコヒーレンス長さが短か
いこと、および界面における超電導電子の反射係数が大
きいことなどの理由により異種材料を用いた寸法の長い
、つまり超電導電極間距離の長い超電導弱結合素子を得
るのは困難である。しかるに従来のＳｉ等半導体材料に
よって構成される電界効果型ＭＯＳトランジスタの構造
はソースおよびドレイン電極、それぞれの半導体におけ
るオーミック伝導層、ゲート部、ゲート絶縁膜およびゲ
ート電極から成る複雑な構造を有している。酸化物超電
導材料を用いた電界効果トランジスタにおいてこのよう
なＭＯＳトランジスタ型の構造を用いた場合、超電導ソ
ース電極とドレイン電極間の距離は制約され、０．１μ
ｍ以下の長さにすることはパタン形成技術および加工技
術はその構造および製法が非常に簡単であり、ゲート電
極膜の幅を狭くすることに対応して、超電導ソースとド
レイン電極間の距離を短くすることができる。すなわち
バタン形成技術の限界が０．１μｍであれば、０．１μ
ｍの電極間隔を得ることができる。

さらに本発明において特徴的な作用としては、ソースお
よびドレイン電極をなす超電導薄膜と半導体薄膜は同種
材料で形成されるので、超電導電極と半導体の界面でシ
ョットキー障壁が形成され、超電導電子の透過率が大幅
に低下するという問題を低減できる。

以上のごとき本発明にかかるトランジスタ装置の構造は
酸化物超電導材料に特有の問題点を克服して、ゲート電
極によって信号電圧を印加し、スイッチング動作を行わ
せるという電界効果型超電導トランジスタの機能を可能
ならしめるものである。

〔実施例〕

以下本発明を以下に述べる実施例にもとづいて説明する
。

〔実施例１〕 ５ｒＴｉＯ，の（１１０）面方位単結晶を基板１として
Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜２の形成を高周波マグネトロ
ンスパッタリング法によって行った。Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸
化物の円板状焼結体で、かつ、組成比が１：２：４のタ
ーゲットを用い５１００Ｗの高周波電力を印加すること
によりスパッタリングを行った。放電ガスとしては０□
濃度５０％のＡｒ＋Ｏ□混合ガスを用い、ガス圧力は５
ｍＴｏｒｒとした。膜形成時の基板温度は７００℃とし
た。以上のごとき方法により化学量論組成のＹ−Ｂａ−
Ｃｕ酸化物薄膜２を得た。Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜２
はペロブスカイト型結晶のＣ軸が基板面と平行な配向性
を示した。膜厚は０．１μｍとした。さらに超電導臨界
温度は８０Ｋから８５にである。

つぎにＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜２に対してゲートを含
み、ソースとドレイン電極に対応するパタンを化学的な
エツチング法により形成する。さらにゲートに対応する
＠０．１μｍの溝を有する有機レジストパタンを電子ビ
ーム描画法により形成する。この上からｐｔ層を形成し
、しかる後に有機レジスト膜を除去することにより幅０
．１μｍのｐｔ細線３を得る。

さらにこの状態において酸素１気圧の雰囲気において、
７００〜９００℃の温度範囲で熱処理を１０ｍ１ｎから
２ｈｒの時間範囲で行い、ｐｔ層の熱拡散を進行させる
。これによりｐｔ細線を形成した部位において金属伝導
層、障壁層４および半導体層５を得る。金属伝導層はゲ
ート電極、障壁層はゲートＩ！１ｍ膜としての役割を有
する。

なおＹ−Ｂａ−Ｃｕｌｌｉ化物に対してｐｔの拡散を行
った場合、Ｐｔ濃度と特性の関係は以下のとおりである
。すなわちＣｕに対するｐｔの置換割合が１０％に対し
て、臨界温度の低下割合は約５０％である。置換割合２
０〜３０％の場合、超電導体ではなくなる。したがって
早道体部におけるＣｕに対するｐｔの置換割合は３０〜
５０％とする。さらにこのようなｐｔの拡散反応を行っ
た場合、ｐｔ膜と半導体層の界面においてｐｔとＢａを
含む酸化物が形成され、絶縁層となる。

ｐｔの置換割合３０％以上の条件はｐｔ膜形成後の熱処
理温度８５０℃以上、熱処理時間１時間以上の条件によ
って得られる。

以上のごとき工程により酸化物超電導トランジスタ装置
を得る。この酸化物超電導トランジスタ装置は電圧信号
によってスイッチング動作を行ういわゆる電界効果型ト
ランジスタとして用いることができる。すなわち本酸化
物超電導トランジスタ装置は第２図に示されるごとく、
ゲートに電圧信号を印加しない状態６においては零電圧
状態において超電導電流が流れないが、ゲートに負電圧
を印加した場合７においては、超電導電流が流れ、スイ
ッチング動作が行われる。その理由は次のとおりである
。ゲートの負電圧を印加することにより、ゲート近傍の
半導体層のバンドが上方に曲げられ、ホール濃度が高く
なる。ソースおよびドレイン電極から半導体層にしみ出
す超電導電子の広がる距離はホール濃度すなわち超電導
電子の濃度に依存して長くなり、各電極からしみ出した
超電導電子波が互いに重なる合うからである。

〔実施例２〕 同一の材料構成により作製せる第３図に示すごとき酸化
物超電導トランジスタに関しては以下の通りである。Ｓ
　ｒ　Ｔ　ｉ　Ｏ，の（１１０）面方位単結晶を基板１
として、ゲートに対応する幅０．１μｍの溝を有する有
機レジストバタンを電子ビーム描画法により形成する。

この上からＰｔ−ｔ＋膜３を形成し、しかる後に有機レ
ジスト膜を除去することにより幅０．１μｍのｐｔ細線
３を得る。

ｐｔ膜の膜厚は０．０５μｍとする。この上にＹ−Ｂａ
−Ｃｕ酸化物薄膜２を実施例１と同様の方法および条件
により形成し、ソースおよびドレイン電極バタン形成の
ための加工を行う。Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜２のバタ
ン形成は希硝酸を用いた化学エツチングによって行う。

つぎに酸素１気圧の雰囲気中において、７００〜９００
℃の温度れによりｐｔ細線３を形成した部位において障
壁層４および半導体層５を得る。金属伝導層３はゲート
電極、障壁層４はゲート絶縁膜としての役割を有する。

半導体領域における材料的な構成は実施例１において述
べた通りである。

以上のごとき工程により酸化物超電導トランジスタ装置
を得る。この酸化物超電導トランジスタ装置は実施例１
の場合と同じく、ゲート電圧に対する印加信号の有無に
よって超電導状態と電圧状態との間をスイッチングする
機能を有する。

なお超電導電極材としてＢｉ−３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ酸化物
等他の酸化物超電導材料を用いた場合に関しても同様の
構造および製造方法を採用し、超電導スイッチング特性
を得ることができる。さらに酸化物超電導トランジスタ
のゲート電極材としてｐｔ以外にＳｉ、Ｇｅ、Ｉｒ、Ｒ
ｈ、Ｐｄ。

Ａｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等他の金属材料あるいは半導体
材料を用いた場合にも同様の特性を有する酸化物超電導
トランジスタ装置を得ることができる。とくにＩｒ、Ｒ
ｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｚｒ＋Ｈｆ等はＰｒの場合とほ
ぼ同一濃度の置換によって半導体層を得ることができる
。拡散熱処理条件もほぼ同様である。これに対してＳｉ
、Ｇｅ等はより低い熱処理温度、すなわち８００°Ｃ，
１ｈｒ以上の酸素中熱処理によって超電導的性質を除去
することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたごとく１本発明にかかる酸化物超電導トラン
ジスタ装置は以下の効果を有する。

（１）ゲート電極に加えるスイッチング信号が電圧信号
であるから、入出力信号の分離を十分に取ることができ
る。したがって演算回路等への適用が容易である。

（２）素子の構造が簡単であるため、サブミクロンの分
解能を持ったパターン間位置合せを必要としない、ゲー
ト電極部を形成するためのパターン形成は１回で完了さ
せることができる。

（３）ゲート電極部の構造が簡単であるため、ゲート長
をパターン形成寸法の保有する限界まで小さくすること
ができる。このことはゲート長を１１００ｎ以下の長さ
にし、超電導電子のコヒーレンス長さと同等ならしめる
ことによって、酸化物超電導トランジスタを液体窒素温
度に動作させることを可能とする。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の実施例１における酸化物超電導トラン
ジスタ装置の断面図、第２図は本発明の酸化物超電導ト
ランジスタの電圧−電流特性図、第３図は本発明の実施
例２における酸化物超電導トランジスタ装置の断面図で
ある。 符号の説明 １−ＳｒＴｉＯ，基板、２−　Ｙ　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸
化物超電導薄膜、３・・・ｐｔ薄膜、４・・・障壁層、
５・・・半導体層、６・・・ゲート信号電圧零時の電圧
−電流特性、７・・・ゲート信号電圧印加時の電圧−電
流特性。 寥１謬 竿２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酸化物系超電導材料を電極とする電界効果型超電導
   トランジスタにおいて、ゲート電極材を構成する元素の
   一部が酸化物系超電導材料に含まれることにより、酸化
   物系超電導材料の一部が電気的に絶縁体特性化および半
   導体特性化されてなり、上記絶縁体特性化された部分お
   よび半導体特性化された部分を上記超電導トランジスタ
   の絶縁膜および半導体層として用いたことを特徴とする
   酸化物超電導トランジスタ装置。 ２、上記酸化物系超電導材料が、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物
   、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ酸化物あるいはＴｌ−Ｂａ−
   Ｃａ−Ｃｕ酸化物であることを特徴とする請求項１記載
   の酸化物超電導トランジスタ装置。 ３、上記ゲート電極材を形成する元素として、Ｐｔ、Ｉ
   ｒ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆのうちの
   少なくとも一者を用いたことを特徴とする請求項１また
   は２記載の酸化物超電導トランジスタ装置。 ４、上記ゲート電極材を形成する元素として、Ｓｉおよ
   びＧｅのうちの少なくとも一者を用いたことを特徴とす
   る請求項１または２記載の酸化物超電導トランジスタ装
   置。 ５、ソース電極およびドレイン電極となるべき上記酸化
   物系超電導材料の膜、および、これらの間を接続する半
   導体膜が同一平面上に配列されてなることを特徴とする
   請求項１ないし４の一に記載の酸化物超電導トランジス
   タ装置。 ６、上記ソース電極およびドレイン電極間を接続する半
   導体膜の下部にゲート電極が配されて成ることを特徴と
   する請求項１ないし４の一に記載の酸化物超電導トラン
   ジスタ装置。