JPH0379092A - 酸化物超電導三端子素子 - 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
電導スイッチング素子等、超電導エレクトロニクスの分
野に係り、とくにディジタル回路、アナログ回路の分野
に応用される酸化物超電導三端子素子に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

電界効果型の超電導三端子素子はジョセフソン素子と比
較して、三端子構造であり、入出力分離が十分であり、
電圧信号でスイッチングを行え、かつ直流電源によって
駆動できるという利点を有している。

電界効果を用いた超電導三端子素子しては、液体ヘリウ
ム温度動作の必要なＮｂ系の超電導材料を用いたもので
はあるが、超電導電子のしみだし効果とＧａＡｓあるい
はＳｉの電界効果を用いた三端子素子が得られている。

この例はフィジカルレピューレターズ第５４巻第２４４
９頁、１９８５年（Ｐｈｙｉｉｉｃａｌ　ｒｌｅｖｉｅ
ｔｉ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　Ｖｏｌ、５４゜ｐ、２４４９
．１９８５）に記載されている。この素子において、半
導体基板上にソースとドレイン電極となるべき２枚の超
電導膜を近接して配し、この間にゲート電極膜を挿入し
た構造となっている。すなわちＩ　ｎＡｓ半導体基板の
片側にソース、ゲートおよびドレイン電極が並んで配さ
れた構造となっている。超ｆｌｉｔ流はソースから半導
体を通ってドレインに流れる。半導体部は超電導電子の
しみだし効果によって、超電導電流が流れる超電導弱結
合部となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記従来の電界効果型三端子素子は、高臨界温度の酸化
物超電導材料を用いて実現しようとした場合、以下の理
由で非常に高度な技術を必要とする。

半導体基板上にソースとドレインとなるべき超電導薄膜
を近接して配する場合、ソースとドレイン間に超電導電
流が流れ得るようにするためには、以下の条件が必要で
ある。すなわち超電導電流が流れるべき半導体部の長さ
、すなわちチャンネル長は超電導コヒーレンス長さの程
度にする必要がある。チャンネル長がコヒーレンス長さ
より長い場合、ゲート電圧信号の印加によってソースと
ドレイン電極間の抵抗値は変化するが、ゲート電圧信号
がオンの状態においてもオフの状態においても、超電導
電流が流れない。電界効果型の超電導三端子素子の望ま
しいスイッチング動作形態は電圧零の超電導状態と、有
限電圧の常電導状態間のスイッチングである。

コヒーレンス長さは半導体部のキャリア濃度や移動度あ
るいは平均自由行程にも依存するが、ＧａＡｓ等の高移
動度半導体で０．１−０．５μｍ程度である。しかしな
がら酸化物系の超電導薄膜をＧａＡｓ等の化合物半導体
上に形成した場合、界面において相互拡散あるいは反応
が生じ、接触抵抗が高くなるとともに、酸化物の超電導
特性が劣化する。とくに界面においては超電導性を示さ
ない。

酸化物の超電導特性の劣化や、界面における高い接触抵
抗の問題を取り除くためには、酸化物の半導体相を用い
ることが望ましい。しかるに酸化物系の半導体相は移動
度が低く、０．０１ｒｒｒ／Ｖｓ程度である。したがっ
てこのような低い移動度の半導体でカップリングさせる
場合、チャンネル長、すなわちソースとドレイン間の距
離はさらに１桁短くする必要がある。液体ヘリウム温度
にかえて液体窒素温度で素子を動作させようとする場合
、コヒーレンス長さはさらに短くなる。

これに対応して、チャンネル長もさらに短くする必要が
ある。しかしながら現在の加工技術あるいはバタン形成
技術をもってしても、０．０５μｍ以下のパタンを得る
ことは困難である。さらに従来型の素子構造においては
、このような短いソースとドレイン間にゲート電極を挿
入する必要がある。このような構造は微細な素子の作製
をさらに困難にする。

本発明の目的は、超電導極膜に対して、０．１μｍ以下
の微細な加工を必要とせず、微小なチャンネル長を実現
し、かつゲートの電圧信号によってスイッチング動作を
行わせしめることのできる酸化物系の超電導三端子素子
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明においては、電圧信号
によってスイッチング動作を行わせしめる電界効果型の
超電導三端子素子を以下のごとく構成した。

まず電界効果型の超電導三端子素子を超電導薄膜からな
るソースおよびドレイン電極、半導体層、絶縁体薄膜、
および超電導薄膜からなるゲート電極によって構成する
。これら超電導薄膜、半導体層および絶縁体薄膜を酸化
物によって構成する。

かつソースおよびドレインを構成する超電導薄膜として
結晶粒界の存在する薄膜を用いる。薄膜を構成する結晶
粒は結晶粒界において、電気的に十分に絶縁されている
ようにする。このような電気的分離は結晶粒間に間隙を
設けること、あるいは絶縁性の物質を介在させることに
よって実現される。

電気的に分離された超電導膜の領域をソースおよびドレ
イン電極となし、結晶粒界間を半導体を介して電流が流
れる構造とする。半導体層の片側にソースおよびドレイ
ン電極を配し、別の片側にゲート電極を配する。

超電導薄膜、半導体層および絶縁体薄膜を成す酸化物と
しては、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物、Ｂ１−８ｒ−Ｃａ−Ｃ
ｕ酸化物、Ｌａ−８ｒ−Ｃｕ酸化物、ＴＱ−Ｂａ−Ｃａ
−Ｃｕ酸化物、Ｎｄ−Ｃｅ−Ｃｕ酸化物等のＣｕを含む
ペロブスカイト系結晶構造を基本とする酸化物を用いる
ことができる。

超電導三端子の構造に関して、素子の下側から順に絶縁
基板、ゲート電極膜、ゲート絶縁膜、半導体層、ソース
およびドレイン電極膜が積層化された構造とするのが好
ましい。あるいは素子の下側から順に絶縁性基板、ソー
スおよびドレイン電極膜、半導体層、ゲート絶縁膜、さ
らにゲート電極膜のように上下を逆転させた素子構造も
可能である。

上に述べた如き電界効果型の超電導三端子の製造方法を
以下に述べる。まず、５ｒＴｉＯ，のごときペロブスカ
イト系結晶構造の単結晶材を基板として用い、５００℃
以上の高温で膜形成を行うことにより、ＹＢａ−Ｃｕ酸
化物等のペロブスカイト系結晶構成を有するエピタキシ
ー酸化物薄膜を得る。このようにして形成したＹ−Ｂａ
−Ｃｕ酸化物薄膜に対して真空中で熱処理を施すことに
より、半導体的な、あるいは絶縁体的な電気特性を得る
ことができる。逆にＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜に対して
酸素１気圧の雰囲気中で。

５００”Ｃ以上の熱処理を施すことにより、７０に以上
の超電導特性を得ることができる。超電導膜の結晶粒界
の形成は次のような方法によって行う。

ひとつはペロブスカイト系結晶と基板の熱膨張係数の違
いを利用し、膜形成時の５００℃以上の基板温度から室
温基板温度に持ち来たらせたときに発生するクラックを
利用する方法である。これはサファイアやアルミナ等の
基板を用いてＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物膜を形成した場合に
該当する。別の方法は酸化物系超電導薄膜形成後、フッ
素等の不純物を結晶粒界にしみこませて、絶縁状態を得
る方法である。

〔作用〕

以上の酸化物系超電導三端子素子の構造および製造方法
は以下の理由により、電界効果による超電導−常電導間
のスイッチングを可能にするとともに、製造容易な素子
構造を与えるものである。

電界効果型の超電導三端子素子に対して要求される特性
は、ゲート電極を印加したときにソースとドレイン間が
超電導状態になって零電圧電流が流れ、ゲート電極を印
加しない場合は常電導状態になって電圧状態になること
である。ソースとドレイン間が超電導状態になるために
は、ゲート電圧を印加した場合の半導体層における超電
導コヒーレンス長さがチャンネル長にほぼ等しい距離で
あることが必要である。

半導体層におけるコヒーレンス長さは半導体層のキャリ
ア濃度、移動度および動作温度に依存する。キャリア濃
度および移動度が高くなるにした−で、コヒーレンス長
さが長くなる。逆に動作温度を高くするにしたがって、
コヒーレンス長さが短くなる。ゲートに電圧を印加した
場合、半導体層のチャネル部には蓄積層が形成されキャ
リア濃度が増加する。したがって十分な、すなわち数Ｖ
あるいは数十Ｖのゲート電圧を印加した場合、ソースと
ドレイン間を超電導状態にすることは可能である。ただ
しゲート信号電圧が、数十ｍＶであると考えられている
超電導ギャップ電圧より十倍以上大きい場合、素子とし
ての利得を得ることできない。移動度の大きい化合物半
導体を用いた場合、必要なチャンネル長は０．１−０．
５μｍである。酸化物系半導体の移動度は０．０１ｒｒ
ｒ／Ｖｓ以下である。半導体層の移動度は材料固有の値
であるから、大幅に大きくすることはできない。

以上の点を考慮すると、酸化物系超電導三端子素子のチ
ャンネル長として０．０５μｍ以下の値にする必要があ
る。とくに超電導三端子素子を従来の液体ヘリウム温度
にかえて液体窒素温度に近い温度で動作させる場合、こ
のような短いチャンネル長は必須である。−枚の超電導
薄膜を加工することによって、ソースとドレイン間の距
離を０．０５μｍ以下にすることは不可能である。しか
るに本発明における素子構造では酸化物超電導薄膜特有
の結晶粒界をチャンネル部に用いることができる。

すなわちペロブスカイト系の多結晶構造を有する酸化物
超電導薄膜において、結晶粒界では超電導性が弱くなり
、臨界電流の低下が引き起こされる。超電導薄膜に対し
て応力が加わった状態で膜形成を行った場合、結晶粒ど
うしが電気的に繋がらない。したがって超電導膜に接す
る半導体層を介して電流が流れることになる。クラック
部での結晶粒間隔はたとえば膜形成後の熱処理温度条件
。

基板材料の選択等によって任意に調節することができる
。結晶粒間での電気的絶縁は結晶粒界部にフッ素等の不
純物を侵入させることによっても得ることができる。こ
のような膜構造はたとえば、酸化物薄膜をフッ素プラズ
マに曝すことによって得ることができる。

さらに本発明においてはゲート電極を半導体層に対して
、ソースおよびドレイン電極と反対側に配することによ
り、ゲート電極膜幅に対する制限を解くとともに、０．
０５μｍ以下のチャンネル長を可能にするものである。

以上のごとくにして、本発明は液体窒素温度近傍の高温
度において動作させることが可能な極微細寸法で、電界
効果型の超電導三端子素子を与えるものである。

〔実施例〕

以下本発明の一実施例を述べる。

第１図および第２図に示すごと＜、５ｒＴｉＯ。

の（１００）面方位単結晶を基板１として、Ｌａ−８ｒ
−Ｃｕ酸化物薄膜２を１１００ｎの厚さに形成する。膜
形成は高周波マグネトロンスパッタリング法によって形
成する。雰囲気ガスはＡｒと酸素の５０％ずつの混合ガ
スとし、全圧力は５ｍＴｏｒｒとする。ターゲツト材は
Ｌａ−８ｒ−Ｃｕ酸化物の円板状焼結体とする。電源と
しては周波数１３．５６ＭＨｚで電力１００Ｗの高周波
を用いる。膜形成時の基板温度は７００℃とする。膜形
成後、９００℃の酸素雰囲気中熱処理を施すことにより
、化学量論組成のＬａ−８ｒ−Ｃｕ酸化物薄膜２を得る
。Ｌａ−８ｒ−Ｃｕ酸化物薄膜２においては、Ｋ、Ｎ１
Ｆ４型のペロブスカイト系結晶構造のＣ軸が基板に対し
て垂直な配向性を示す。超電導臨界温度は３５にである
。このＬａ−８ｒ−Ｃｕ酸化物薄膜に対してレジスト膜
塗布後、Ａｒビームを用いたイオンビームエツチング法
により、ゲート電極膜２としてパタンを加工形成する。

つぎに５ｒＴｉＯ，薄膜３を同じく高周波マグネトロン
スパッタリング法によって形成する。ただし膜形成時の
基板温度は４００℃以下とする。

５ｒＴｉＯ，薄膜の膜厚は２０ｎｍとする。

５ｒＴｉＯｘ薄膜３はこの膜厚で絶縁体としての電気特
性を示す。５ｒＴｉＯ，薄膜３をゲート絶縁膜３とする
。

さらに半導体層となるべきＬａ−Ｃｕ酸化物薄膜４をや
はり高周波マグネトロンスパッタリング法によって形成
する。膜形成温度は６００℃とする。膜厚は２００ｎｍ
とする。Ｌ（１−Ｃｕ酸化物薄膜４は液体窒素温度から
液体ヘリウム温度の間で半導体的な電気特性を示す。つ
ぎにＬａ−８ｒ−Ｃｕ酸化物薄膜４に対してレジスト膜
塗布後。

Ａｒビームを用いたイオンビームエツチング法により、
第１図に示すごとく半導体層としてパタンを加工形成す
る。

さらにＹＢａ−Ｃｕ酸化物薄膜を同じく、高周波マグネ
トロンスパッタリング法によって形成する。膜形成条件
はＬａ−５ｒ−Ｃｕ酸化物薄膜２の場合と同様である。

ただし膜形成時の基板温度は６００℃とし、９００℃に
おける熱処理を施さない。Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜の
膜厚は１１００ｎとする。

Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜形成後、レジスト膜を用いた
パタン形成法により、ゲート電極膜に相当する以外の部
分をＡｕ膜８によって覆う。つぎにＣＦ４ガスを用いた
プラズマ雰囲気中にＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜表面を曝
す。これにより結晶粒界においてフッ素化された状態を
形成する。

ＣＦ、ガスのプラズマは１００　ｍＴｏｒｒのＣＦ４ガ
ス雰囲気中の電極に対して１００Ｗの高周波を印加する
ことにより発生する。ＣＦ４ガスのプラズマに曝すとき
、基板温度は１００℃以上に加熱する。

以上の処理を施したＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜に対して
、Ａｒを用いたイオンビームエツチング法により、ソー
ス５およびドレイン電極６としてバタンを形成する。な
おソース５とドレイン６として個別のバタンではなく、
一体のバタンとして形成する。以上の製造行程により超
電導三端子素子を得る。

以上の方法により作製した超電導三端子素子の特性は第
３図に示すごとくなる。すなわちゲート電圧を印加しな
い場合、超電導電流が流れず、高抵抗状態（図中９）と
なる。これに対して。

２００ｍＶ以上のゲート電圧を印加した場合、約５０μ
Ａの超電導電流が流れ、電圧状態における抵抗も小さく
なる（図中１０）。このような素子特性はＬａ−８ｒ−
Ｃｕ酸化物薄膜２の臨界温度である３５Ｋまで観測され
る。さらに、このような素子特性はディジタル回路やア
ナログ回路のスイッチング素子としての特性を有してい
て、論理回路、記憶回路、ディジタル・アナログ変換回
路等に適用される。

本発明にかかる超電導三端子素子は以上述べた素子構造
だけでなく、基板側から順にソースおよびドレイン電極
、半導体層、ゲート絶縁膜、ゲート電極の順に形成した
構造として得ることもでき、このような素子構造でも同
様の特性を示す、さらに酸化物薄膜として、上記材料以
外にＢ　ｉ　−Ｓ　ｒ−Ｃａ−Ｃｕ酸化物やＮｄ−Ｃｅ
−Ｃｕ酸化物等を超電導電極、あるいは半導体層として
用いた場合も同様の特性を示す。さらにソースおよびド
レイン電極の電気的間隙の形成方法として、多結晶性酸
化物超電導薄膜の結晶粒界に沿ってクラックを形成する
方法によって得るこができる。

〔発明の効果〕

本発明にかかる超電導三端子素子は以下の効果を有する
。

（１）半導体層として移動度の小さい酸化物を用４場合
に必要とされる０、０５μｍ以下のチャンネル長を可能
とする素子構造である。

（２）これにより、液体ヘリウム温度だけでなく、数十
にの高温度においても超電導と常電導間、あるいは零電
圧状態と高抵抗状態間のスイッチングが可能となる。し
かも回路を構成するのに必要な条件である、利得１以上
の値を得ることができる。

（３）以上の素子特性はディジタル回路やアナログ回路
のスイッチング素子としての特性を有している。したが
って論理回路、記憶回路、ディジタル・アナログ変換回
路等の能動素子として用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる超電導三端子素子の上面図、第
２図は第１図の素子の側面断面図、第３図はゲート電圧
をパラメータとした第１図の素子の電圧−電流特性図で
ある。 符号の説明 １・・・・・・基板、２・・・・・・ゲート電極膜、３
・・・・・・ゲート絶縁膜、４・・・・・・半導体層、
５・・・・・・ソース電極、６・・・・・・ドレイン電
極、７・・・・・・包晶粒界、８・・・・・・Ａｕ膜、
９・・・・・・ゲート電圧零時の特性、１ｏ・・・・・
・ゲート電圧有限時の特性。 −４８０− 電ｒ、−（笥Ｖ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超電導薄膜からなるソースおよびドレイン電極、半
   導体層、絶縁体薄膜、および超電導薄膜からなるゲート
   電極によって構成される電界効果型の超電導三端子素子
   であって、上記超電導薄膜、半導体層および絶縁体薄膜
   が酸化物材料により構成され、上記超電導薄膜が結晶粒
   界によって電気的に分離されることにより分離された超
   電導薄膜の領域をソースおよびドレイン電極となすと共
   に、上記結晶粒界間を半導体層を介して電流が流れる構
   造とし、かつ上記半導体層の一方の側にソースおよびド
   レイン電極が、他方の側にゲート電極が存在することを
   特徴とする酸化物超電導三端子素子。 ２、上記超電導薄膜、半導体層および絶縁体薄膜を成す
   酸化物がＹＢａＣｕ酸化物をはじめとするＣｕを含んだ
   酸化物により成ることを特徴とする請求項１記載の酸化
   物超電導三端子素子。