JPH04134885A - 超電導素子および作製方法 - 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、超電導素子およびその作製方法に関する。よ
り詳細には、新規な構成の超電導素子およびその作製方
法に関する。

従来の技術 超電導を使用した代表的な素子に、ジョセフソン素子が
ある。ジョセフソン素子は、一対の超電導体をトンネル
障壁を介して結合した構成であり、高速スイッチング動
作が可能である。しかしながら、ジョセフソン素子は２
端子の素子であり、論理回路を実現するためには複雑な
回路構成になってしまう。

一方、超電導を利用した３端子素子としては、超電導ベ
ーストランジスタ、超電導ＦＥＴ等がある。第３図に、
超電導ベーストランジスタの概念図を示す。第３図の超
電導ベーストランジスタは、超電導体または常電導体で
構成されたエミッタ２１、絶縁体で構成されたトンネル
障壁２２、超電導体で構成されたベース２３、半導体ア
イソレータ２４および常電導体で構成されたコレクタ２
５を積層した構成になっている。この超電導ベーストラ
ンジスタは、トンネル障壁２２を通過した高速電子を利
用した低電力消費、高速動作の素子である。

第４図に、超電導ＦＥＴの概念図を示す。第４図の超電
導ＦＥＴは、超電導体で構成されている超電導ソース電
極４１および超電導ドレイン電極４２が、半導体層４３
上に互いに近接して配置されている。超電導ソース電極
４１および超電導ドレイン電極４２の間の部分の半導体
層４３は、下側が大きく削られ厚さが薄くなっている。

また、半導体層４３の下側表面にはゲート絶縁膜４６が
形成され、ゲート絶縁膜４６上にゲート電極４４が設け
られている。

超電導ＦＥＴは、超電導近接効果で超電導ソース電極４
１および超電導ドレイン電極４２間の半導体層４３を流
れる超電導電流を、ゲート電圧で制御する低電力消費、
高速動作の素子である。

さらに、ソース電極、ドレイン電極間に超電導体でチャ
ネルを形成し、この超電導チャネルを流れる電流をゲー
ト電極に印加する電圧で制御する３端子の超電導素子も
発表されている。

発明が解決しようとする課題 上記の超電導ベーストランジスタおよび超電導ＦＥＴは
、いずれも半導体層と超電導体層とが積層された部分を
有する。ところが、近年研究が進んでいる酸化物超電導
体を使用して、半導体層と超電導体層との積層構造を作
製することは困難である。また、この構造が作製できて
も半導体層と超電導体層の間の界面の制御が難しく、素
子として満足な動作をしなかった。

また、超電導ＦＥＴは、超電導近接効果を利用するため
、超電導ソース電極４１および超電導ドレイン電極４２
を、それぞれを構成する超電導体のコヒーレンス長の数
倍程度以内に近接させて作製しなければならない。特に
酸化物超電導体は、コヒーレンス長が短いので、酸化物
超電導体を使用した場合には、超電導ソース電極４１お
よび超電導ドレイン電極４２間の距離は、数ＩＱｎｍ以
下にしなければならない。このような微細加工は非常に
困難であり、従来は酸化物超電導体を使用した超電導Ｆ
ＥＴを再現性よく作製できなかった。

さらに、従来の超電導チャネルを有する超電導素子は、
変調動作は確認されたが、キャリア密度が高いため、完
全なオン／オフ動作ができなかった。酸化物超電導体は
、キャリア密度が低いので、超電導チャネルに使用する
ことにより、完全なオン／オフ動作を行う上記の素子の
実現の可能性が期待されている。しかしながら、超電導
チャネルは５ｎｍ程度の厚さにしなければならず、その
ような構成の実現することは困難であった。

そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し
た、新規な構成の超電導素子およびその作製方法を提供
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、基板上に成膜された酸化物超電導薄膜
で形成された超電導チャネルと、該超電導チャネルの両
側に配置された超電導ソース領域および超電導ドレイン
領域と、前記超電導ソース領域および前記超電導ドレイ
ン領域上に配置され、超電導チャネルに電流を流すソー
ス電極およびドレイン電極と、前記超電導チャネル上に
絶縁層を介して配置されて該超電導チャネルに流れる電
流を制御するゲート電極を具備し、前記超電導ソース領
域および超電導ドレイン領域が前記基板中に形成されて
いることを特徴とする超電導素子が提供される。

また、本発明では、上記の超電導素子を作製する方法と
して、酸素イオン注入により酸化物超電導体となる化合
物の層を表面に存する絶縁体基板上または酸素イオン注
入により酸化物超電導体となる化合物の層を表面に有し
、その下の層に絶縁膜を有する半導体基板上に薄い酸化
物超電導薄膜を成膜し、該酸化物超電導薄膜の超電導チ
ャネルとなる部分上にゲート電極を形成した後、該ゲー
ト電極をマスクとしてイオンを注入し、前記酸化物層中
に前記超電導ソース領域および超電導ドレイン領域を形
成する工程を含むことを特徴とする超電導素子の作製方
法が提供される。

作用 本発明の超電導素子は、酸化物超電導体による超電導チ
ャネルと、超電導チャネルに電流を流すソース電極およ
びドレイン電極と、超電導チャネルを流れる電流を制御
するゲート電極とを具備する。本発明の超電導素子では
、各電極は必ずしも超電導電極である必要がない。

また、従来の超電導ＦＥＴが、超電導近接効果を利用し
て半導体中に超電導電流を流すのに対し、本発明の超電
導素子では、主電流はｍ電導体中を流れる。従って、従
来の超電導ＦＥＴを作製するときに必要な微細加工技術
の制限が緩和される。

超電導チャネルは、ゲート電極に印加された電圧で開閉
させるた約に、ゲート電極により発生される電界の方向
で、厚さが５ｎｍ程度でなければならない。本発明の主
眼は、このような極薄の超電導チャネルを実現すること
にある。

本発明の方法では、表面に酸素イオン注入により酸化物
超電導体となる化合物の層を備える基板を使用する。そ
して、上記の基板上に最初に約５ｎｍ程度の厚さの酸化
物超電導薄膜を成膜する。このような極薄の酸化物超電
導薄膜を成膜するには、薄膜の成長速度をおよび成膜時
間を厳密に制御する方法が一般的であり、スパッタリン
グ法等を使用する場合はこの方法が好ましい。しかしな
がら、酸化物超電導体結晶は、各構成元素がそれぞれ層
状に重なった結晶構造であるので、ＭＢＥ　（分子ビー
ムエピタキシ）法で酸化物超電導体の適当な数のユニッ
トセルを積み上げる方法も好ましい。

上記の極薄の酸化物超電導薄膜は、超電導チャネルとし
ては好ましい厚さであるが、ソース領域およびドレイン
領域のためには、厚さが不十分である。従って、ソース
領域およびドレイン領域の超電導層はさらに厚くしなけ
ればならない。超電導チャネル部分を、そのままの厚さ
に保ってソース領域およびドレイン領域の超電導層を厚
くするために、本発明の方法では、超電導チャネル上に
形成されたゲート電極をマスクとして、イオンを注入し
、基板中に酸化物超電導体層を形成し、超電導ソース領
域および超電導ドレイン領域とする。

本発明の超電導素子において、基板には、表面に酸素イ
オン注入により酸化物超電導体となる化合物の層を備え
るＭｇＯ１ＳｒＴＩＯ３等の酸化物単結晶基板が使用可
能である。これらの基板上には、配向性の高い結晶から
なる酸化物超電導薄膜を成長させることが可能であるの
で好ましい。また、上記の化合物の下層にＭｇＡｌ２Ｏ
＜およびＢａＴｉＯ３の層を備えるＳｉ基板を使用する
ことも好ましい。

本発明の超電導素子には、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系酸化物
超電導体、Ｂｉ　−５ｒ　−Ｃａ−Ｃｕ−○系酸化物超
電導体、ＴＩ　−Ｂａ　−Ｃａ−Ｃｕ　−０系酸化物超
電導体等任意の酸化物超電導体を使用することができる
。

以下、本発明を実施例により、さらに詳しく説明するが
、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎず、本発明
の技術的範囲をなんら制限するものではない。

実施例 第１図に、本発明の超電導素子の断面図を示す。

第１図の超電導素子は、基板５上に成膜された厚さ約５
ｎｍの極薄の酸化物超電導薄膜１を有する。

酸化物超電導薄膜１のほぼ中央部は、超電導チャネルｌ
Ｏとなっており、超電導チャネル１０の上には、絶縁体
６を介してゲート電極４が形成されている。

基板５中の超電導チャネル１０の両側の部分には、酸化
物超電導薄膜１に連続して約２００　ｎｍの厚さの超電
導ソース領域１２および超電導ドレイン領域１３が形成
されている。超電導ソース領域１２および超電導ドレイ
ン領域１３の上には、それぞれソース電極２およびドレ
イン電極３が設けられている。

第２図を参照して、本発明の超電導素子を本発明の方法
で作製する手順を説明する。まず、スパッタリング法等
で形成されたＹ＋Ｂａ２Ｃｕ３０７−ｙ層５０を表面に
有する第２図（ａ）に示すような基板５の表面に第２図
面に示すよう約５ｎｍ程度の極薄のＹ＋ＢａａＣｕ３０
ｔ〜８酸化物超電導薄膜１をオファクシススバッタリン
グ法、反応性蒸着法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法等の方法で形
成する。ＹＪａ２Ｃｕ＋０７−ＹはＹ　１Ｂａ２Ｃｕ３
０　ｑ−ウ酸化物超電導体と比較した場合に、構成元素
が同じで、ｙ＞ｘで結晶中の酸素数が少ない絶縁性を示
す酸化物であり、酸素イオン注入により容易にＹＩＢａ
２Ｃｕ＋　Ｃｈ−ｘ酸化物超電導体になる。基板５とし
ては、表面に上記の酸化物層５０を有するＭｇ０（１０
０）基板、５ｒＴｔＣ１＋　　（１００）基板等の絶縁
体基板、または表面の酸化物層５０の下層に絶縁膜を有
する３１等の半導体基板が好ましい。この８１基板は、
ＣＶＤ法で成膜されたＭｇＡ１２０ｎおよびスパッタリ
ング法で成膜されたＢａＴｉＯ３の層を酸化物層５０の
下層に有することが好ましい。

酸化物超電導体としては、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−〇系酸化物
超電導体の他Ｂｉ　−５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ　−０系酸化物
超電導体、ＴＩ　−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ　−０系酸化物超
電導体が好ましく、Ｃ軸配向の薄膜とすることが好まし
い。

これは、Ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜は、基板と平行な
方向の臨界電流密度が大きいからである。

次に、第２図（Ｃ）に示すよう酸化物超電導薄膜１上に
絶縁膜１６を積層する。絶縁膜１６の厚さはｌＱｎｍ以
上にする。絶縁膜１６にはＭｇＯ等酸化物超電導薄膜と
の界面で大きな準位を作らない絶縁体を用いることが好
ましい。絶縁膜１６上に第２図（社）に示すようゲート
電極用の金属層１４を積層する。金属層１４には＾Ｕま
たはＴ１、Ｗ等の高融点金属、これらのシリサイドを用
いることが好ましい。

この金属膜１４の不要な部分をエツチング等により除去
し、第２図（ｅ）に示すよう、ゲート電極４に加工する
。絶縁膜１６はそのままにして、上記のように形成され
たゲート電極４をマスクとして、酸素イオンを注入し、
酸化物層５０の一部を超電導体化する。

注入エネルギ１５０ｋｅＶ以下で上記のイオン注入を行
った後、基板５を４５０℃まで加熱し、３０分間その温
度を保持する熱処理を行った。この熱処理により、基板
５の酸化物層５０のゲート電極４の下方以外の部分には
、第２図（ｆ）に示すよう、酸化物超電導薄膜１と連続
した超電導ソース領域１２および超電導ドレイン領域１
３が形成される。また、酸化物超電導薄膜１のゲート電
極４の下側の部分は超電導チャネル１０となる。

上記のイオン注入−熱処理の工程に代えて、集束イオン
ビーム照射して、超電導ソース領域１２および超電導ド
レイン領域１３を形成することも可能である。この場合
、集束イオンビームを照射する場合は、酸素イオンを照
射エネルギ１５０ｋｅＶ以下で照射することが好ましい
。

超電導ソース領域１２および超電導ドレイン領域１３が
形成されたら、第２図（ｇ’）に示すよう、絶縁体膜１
６の不要部分を除去し、絶縁層６を形成する。

このとき、必要に応じサイドエッチを促進し、絶縁層６
の長さを短くする。最後に、ゲート電極４と同様にＡｕ
または７ｉＳＷ、これらのシリサイドを用いて、超電導
ソース領域１２および超電導ドレイン領域１３それぞれ
の上にソース電極２およびドレイン電極３を形成する。

本発明の超電導素子を本発明の方法で作製すると、超電
導ＦＥＴを作製する場合に要求される微細加工技術の制
限が緩和される。また、表面が平坦にできるので、後に
必要に応じ配線を形成することが容易になる。従って、
作製が容易であり、素子の性能も安定しており、再現性
もよい。

発明の詳細 な説明したように、本発明の超電導素子は、超電導チャ
ネル中を流れる超電導電流をゲート電圧で制御する構成
となっている。従って、従来の超電導ＦＥＴのように、
超電導近接効果を利用していないので微細加工技術が不
要である。また、超電導体と半導体を積層する必要もな
いので、酸化物超電導体を使用して高性能な素子が作製
できる。

本発明により、超電導技術の電子デバイスへの応用がさ
らに促進される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の超電導素子の概略図であり、第２図
は、本発明の方法により本発明の超電導素子を作製する
場合の工程を示す概略図であり、第３図は、超電導ベー
ストランジスタの概略図であり、 第４図は、超電導ＦＥＴの概略図である。 〔主な参照番号〕 １・・・酸化物超電導薄膜、 ２・・・ソース電極、 ３・・・ドレイン電極、 ４・・・ゲート電極、　５・・・基板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に成膜された酸化物超電導薄膜で形成され
   た超電導チャネルと、該超電導チャネルの両側に配置さ
   れた超電導ソース領域および超電導ドレイン領域と、前
   記超電導ソース領域および前記超電導ドレイン領域上に
   配置され、超電導チャネルに電流を流すソース電極およ
   びドレイン電極と、前記超電導チャネル上に絶縁層を介
   して配置されて該超電導チャネルに流れる電流を制御す
   るゲート電極を具備し、前記超電導ソース領域および超
   電導ドレイン領域が前記基板中に形成されていることを
   特徴とする超電導素子。
2. （２）請求項１に記載の超電導素子を作製する方法にお
   いて、酸素イオン注入により酸化物超電導体となる化合
   物の層を表面に有する絶縁体基板上または酸素イオン注
   入により酸化物超電導体となる化合物の層を表面に有し
   、その下の層に絶縁膜を有する半導体基板上に薄い酸化
   物超電導薄膜を成膜し、該酸化物超電導薄膜の超電導チ
   ャネルとなる部分上にゲート電極を形成した後、該ゲー
   ト電極をマスクとしてイオンを注入し、前記酸化物層中
   に前記超電導ソース領域および超電導ドレイン領域を形
   成する工程を含むことを特徴とする超電導素子の作製方
   法。