JPH0587192B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高速、低消費電力でスイツチング動作
を行う超電導スイツチング素子等、超電導エレク
トロニクスの分野に係り、とくにデイジタル回
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ヨセフソン
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、電圧信号でスイツチングを行え、
かつ直流電源によつ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。この例はフイジカルレビ
ユーレターズ第54巻第2449頁、1985年（Physical
Review 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
した構造となつている。すなわちInAs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つている。超電導電流は
ソースから半導体を通つ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つて、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、すなわちチヤン
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。チヤ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つてソース
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ツチング動作形態
は電圧零の超電導状態と、有限電圧の常電導状態
間のスイツチングである。

コヒーレンス長さは半導体部のキヤリア濃度や
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、0.01m²／Vs程
度である。したがつてこのような低い移動度の半
導体でカツプリングさせる場合、チヤンネル長、
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、チヤ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
いはパタン形成技術をもつてしても、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、微小なチヤンネ
ル長を実現し、かつゲートの電圧信号によつてス
イツ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、
電圧信号によつてスイツ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
ト電極によつて構成する。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つて構成す
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つて実現
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、Bi−Sr−
Ca−Cu酸化物、La−Sr−Cu酸化物、Tl−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素子の
製造方法を以下に述べる。まず、SrTiO₃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、Ｙ−Ba−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℃以上の熱処
理を施すことにより、70K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
のような方法によつて行う。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ツクを利
用する方法である。これはサフアイアやアルミナ
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、フツ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−常電導間のスイツ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つて零電圧電流が
流れ、ゲート電極を印加しない場合は常電導状態
になつ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
ーレンス長さがチヤ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
のキヤリア濃度、移動度および動作温度に依存す
る。キヤリア濃度および移動度が高くなるにした
がつて、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つて、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
体層のチヤネル部には蓄積層が形成されキヤリア
濃度が増加する。したがつて十分な、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ヤツプ電圧より十
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、必要なチヤンネル長は0.1−0.5μmである。
酸化物系半導体の移動度は0.01m²／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
素子のチヤンネル長として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、このような短いチヤンネル
長は必須である。一枚の超電導薄膜を加工するこ
とによつて、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ヤ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つた状態で膜
形成を行つた場合、結晶粒どうしが電気的に繁が
らない。したがつ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。クラツク部での
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つ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
部にフツ素等の不純物を侵入させることによつて
も得ることができる。このような膜構造はたとえ
ば、酸化物薄膜をフツ素プラズマに曝すことによ
つ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以下のチヤンネル長を
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図に示すごとく、SrTiO₃の
（100）面方位単結晶を基板１として、La−Sr−
Cu酸化物薄膜２を100nmの厚さに形成する。膜
形成は高周波マグネトロンスパツタリング法によ
つて形成する。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−Sr−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−Sr
−Cu酸化物薄膜２を得る。La−Sr−Cu酸化物薄
膜２においては、K₂NiF₄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35Kである。このLa−Sr
−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SrTiO₃薄膜３を同じく高周波マグネト
ロンスパツタリング法によつて形成する。ただし
膜形成時の基板温度は400℃以下とする。SrTiO₃
薄膜の膜厚は20nmとする。SrTiO₃薄膜３はこの
膜厚で絶縁体としての電気特性を示す。SrTiO₃
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ツタリング法
によつて形成する。膜形成温度は600℃とする。
膜厚は200nmとする。La−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−Sr−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Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜を同じく、高周
波マグネトロンスパツタリング法によつて形成す
る。膜形成条件はLa−Sr−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100nm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によつて覆う。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
においてフツ素化された状態を形成する。CF₄ガ
スのプラズマは100mTorr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としてパタンを形成する。な
おソース５とドレイン６として個別のパタンでは
なく、一体のパ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
50μA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−Sr−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
性はデイジタル回路やアナログ回路のスイツチン
グ素子としての特性を有していて、論理回路、記
憶回路、デイジタル・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Bi−
Sr−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つてクラツクを形
成する方法によつて得るこができる。

〔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い
た場合に必要とされる0.05μm以下のチヤンネ
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Ｋ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ツチ
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イジタル回路やアナログ
回路のスイツチング素子としての特性を有して
いる。したがつて論理回路、記憶回路、デイジ
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……粒晶
粒界、８……Au膜、９……ゲート電圧零時の特
性、１０……ゲート電圧有限時の特性。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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、絶縁体層および超電導薄膜からな
   るゲート電極によつて構成される電界効果型の超
   電導三端子素子であつて、上記ゲートは基板に接
   して設けられ、上記ゲートおよび上記基板上に上
   記絶縁体層、上記半導体層が積層しており、上記
   半導体層上に上記超電導薄膜が結晶粒界によつて
   電気的に分離され、上記分離された超電導薄膜の
   領域をソース及びドレイン電極とし、上記ソー
   ス、ドレイン間の距離は0.05μm以下であること
   を特徴とする酸化物超電導三端子素子。