JPS63224375A - 超伝導トランジスタ - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、ソース、ドレイン部に超伝導体を用いた超伝
導トランジスタに関する。

（従来の技術） 現在まで、超高密度電子素子や超高速電子素子の開発は
、シリコン及び化合物半導体を中心として進められてき
た。従来の半導体素子の高密度化、高速化は、高度の微
細加工技術、均質で完全性の高い結晶作製技術及びシミ
ュレーションを利用した素子設計技術によりなし遂げら
れてきた。

半導体素子の更なる高密度化、高速化を図る上で今後ま
すます重要になる問題は、発熱である。これは、結晶の
完全性や微細加工技術とは別に、半導体素子の高密度化
や高速化の限界を与える太きい要因になると考えられて
いる。

電子素子の発熱の点で、半導体素子に比べて優れている
のは、ジョセフソン接合素子に代表される超伝導素子で
ある。しかし、超伝導素子はこれまでのところ、本格的
な実用化の目途は立っていない。その理由は、超伝導現
象が液体ヘリウム温度という超低温でないと得られない
こと、超伝導材料として金属あるいは金属間化合物を用
いるため酸化され易いこと、ジョセフソン接合素子の場
合にはその絶縁膜として用いる金属酸化物の時間的安定
性、空間的一様性が得られず、また本質的に二端子素子
であるため使い難いこと、等である。

近年、ジョセフソン接合素子の二端子素子という欠点を
解消するものとして、超伝導体と半導体を結合した超伝
導トランジスタが試作されている。

これは、半導体層の一方の面に微少間隔をもって対向す
る一対の超伝導体電極（ソース、ドレイン電極）を設け
、他方の而に半導体層内のキャリア濃度分布を制御する
電極（ゲート電極）を設けた構造を有する。ゲート電極
により、ソース、ドレイン近傍のキャリア濃度が減少す
る方向のバイアスを与えるとソース、ドレイン電極間に
はジョセフソン接合が形成されず、ソース、ドレイン電
極間に超伝導電流は流れない。これがトランジスタのオ
フ状態である。一方、ゲート電極によりソース、ドレス
イン近傍のキャリア濃度を増大させるバイアスを与える
と、ある一定電圧以上でソース。

ドレイン電極間にジョセフソン接合（超伝導接合）が形
成され、トランジスタはオン状態になる。これは、従来
厚み方向に対向させていたジョセフソン素子の一対の超
伝導電極を平面上に展開した形とし、その超伝導電極間
のキャリア濃度の制御により超伝導接合を形成するか否
かを制御するようにしたものと言うことができる。超伝
導接合には電圧零で電流が流れるから、この超伝導トラ
ンジスタは理論的に発熱がない。

この超伝導トランジスタは、三端子素子である点で従来
のジョセフソン素子に比べて使い易いという利点を有す
るが、動作温度が液体ヘリウムあるいはその近傍という
超低温であり、また超伝導電極が材料的に空気中で不安
定である、という超伝導体素子の難点が解決されなけれ
ば、実用化は難しい。

（発明が解決しようとする問題点） 以上のように超伝導素子は、発熱がない点で従来の半導
体素子の高密度化や高速化の限界を超え得るものとして
注目されるが、主として材料特性による制約から実用化
には至っていない。

本発明はこの様な点に鑑み、液体窒素温反以上の温度で
動作可能で、空気中での安定性も優れた超伝導トランジ
スタを提供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、半導体層の一方の面に所定間隔をもって超伝
導体からなるソース、ドレイン電極を形成し、他方の面
に半導体層内のキャリア濃度分布を制御するためのゲー
ト電極を形成した構造の超伝導トランジスタにおいて、
ソース、ドレイン電極として、酸化物超伝導体を用いた
ことを特徴とする。

本発明において用いる酸化物超伝導体は例えば、Ｌ−Ｍ
−Ｃｕ−０で示される材料である。ここで、Ｌは、Ｌａ
、Ｓｃ、Ｙのうち少なくとも一種、Ｍは、Ｂａ、Ｓｒ、
Ｃａ、　のうち少なくとも一種からなる。この材料の化
学量論的組成からの僅かのずれは許容される。ゲート電
極部は例えばＭＯ３構造とし、電界効果によってソース
、ドレイン電極近傍の半導体層内のキャリア濃度制御を
行なうように構成すればよい。

（作用） 上述した酸化物超伝導体は、超伝導を示す臨界混成Ｔｃ
が３０に以上と非常に高く、液体窒素温度で超伝導を示
す。材料作製技術の進歩により、更に臨界温度が高いも
のが得られる可能性が大きい。またこれらの酸化物超伝
導体は、従来の金属あるいは金属間化合物超伝導体に比
べて大気中での安定性が優れている。またシリコンなど
の半導体との界面特性も優れている。

従って本発明によれば、簡便な冷凍機で得られる温度で
動作可能で、経時変化の少ない安定した素子特性が得ら
れる。そして三端子素子であるため使い易く、かつ発熱
がないことから、従来の半導体材料のみを用いた素子で
は得られない超高密度集積回路や超高速素子の実現・も
可能である。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は一実施例の超伝導トランジスタを示す。ホウ素
を１０１９／ｃ１１３　ドープしたｐ型Ｓｔ基板１を用
い、そのチャネル部を約０．５μｍの厚みに加工して、
裏面には１００人のシリコン酸化膜２を介してゲート電
極３を形成している。ゲート電極３はこの実施例ではＡ
ｕ電極である。基板１の表面には１００人のシリコン酸
化膜４がチャネル部に開口をもって形成され、この上に
酸化物超伝導体からなるソース、ドレイン電極５．６が
形成されている。具体的にこの実施例では、ソース、ド
レイン電極５．６の超伝導材料として、（Ｌａ　　　Ｓ
ｒ　　　）　２　Ｃｕ　Ｏを５００人の０．８５　　０
．１５　　　　　３．９厚さにスパッタにより波管し、
これをパターン形成している。ソース、ドレイン電極５
．６間の距離は０．３μｍである。このソース、ドレイ
ン電極５．６−ＬにはＡｕ膜による端子電極７，８が形
成されている。

この様な構成とし、ゲート電極３に零電圧またはソース
、ドレイン電極５，６近傍のキャリア密度（この実施例
の場合、正孔密度）が減少する正極性のバイアス電圧が
印加された場合、ソース。

ドレイン電極５，６間にはジョセフソン接合は形成され
ず、トランジスタはオフ状態に保たれる。

ゲート電極３を上記と逆に負にバイアスすると、ソース
、ドレイン電極５．６近傍の正孔密度が増大し、ある一
定ゲート電圧以上でソース、ドレイン電極５．６間にジ
ョセフソン接合が形成される。

これがトランジスタのオン状態である。

第２図は、この超伝導トランジスタのソース・ドレイン
間の超伝導臨界電流のゲート電圧依存性を示す。ゲート
電圧的−６００ｍＶで急激な超伝導臨界電流の上昇が観
測される。測定温度は２０にである。

この実施例の素子を１か月の間、常温の大気中に放置後
、同様の超伝導臨界電流の測定を行なったが、特性の変
動は認められなかった。

次に、ソース、ドレイン電極１ご用いる酸化物超伝導体
として、ＹＢａ　Ｃｕ　Ｏ系を使用した実施例を説明す
る。この酸化物超伝導体は、臨界温度が９０〜１００に
と高く、また空気中での安定性も優れている。素子構造
は基本的に第１図の実施例と同じである。具体的な製造
条件を説明すれば、ｐ型Ｓｔ基板１はチャネル部分の厚
みを１００ｎａとし、その裏面にはゲート電極３として
シリコン酸化膜を介してＡノ膜を蒸着した。表面の酸化
物超伝導体からなるソース、ドレイン電極５，６は、ス
パッタによるＹＢａ　Ｃｕ　Ｏ薄膜である。

スパッタ・ターゲットには、Ｙ２０３　、Ｂａ　Ｏ。

ＣｕＯの３種を第３図のように一つの円板状に組合わせ
た、厚さ５　ａｍ、直ｉ４８０ｍｔｘＯものを用いた。

Ｙ２Ｏ３とＢａＯとＣｕＯのターゲットでの面積比は１
：１：２である。この様なターゲットを基板と共に高周
波スパッタ装置のチ・ヤンバ内に取付け、１０−　’　
ｔｏｒｒまで排気した後、Ａｒ−５０％０２ガスを５Ｘ
　１０−２ｔｏｒｒの圧になるまで導入し、放電時の高
周波パワー２００Ｗでスパッタを行なった。これにより
厚さ１５０ｎｍのＹＢａ　Ｃｕ　Ｏ膜が形成される。こ
の薄膜は、ＰＭＭＡを用いた電子線描画とＡ「イオンエ
ツチングを用いて０．２μｍ間隔のソース、ドレイン電
極に分離した。

このようにして形成された素子はセラミック製パッケー
ジに固定し、各電極をＡノワイヤを用いてボンディング
接続した。そしてこれを液体窒素中に浸漬し、ゲート電
極に印加する電圧を変化させてソース、ドレイン電極間
の電流−電圧特性を測定した。

第３図はその電流−電圧特性である。ゲート電圧がＯの
時はソ・−ス・ドレイン間には殆ど電流は流れず、ゲー
ト電圧を一１５０ｍＶとすると約１００μＡの超伝導電
流が観測された。

第５図のＡは、この実施例の超伝導トランジスタのゲー
ト電圧と超伝導電流の関係を測定した結果である。ゲー
ト電圧が０〜−８０ｍＶまでは超伝導電流は観ｐ１され
ないが、それ以上の負電圧で超伝導電流が観＃ｊされて
いる。

この実施例の超伝導トランジスタは、空気中に室温で２
週間放置した後も特性に変化は認められず、安定性に優
れていることも確認された。

酸化物超伝導体として、Ｓｃ　Ｂａ　Ｃｕ　Ｏ系薄膜を
用いた他、上記実施例と同様の超伝導トランジスタを作
った。酸化物超伝導薄膜用のターゲットは、Ｓｃ　２０
３　、Ｂａ　Ｏ，Ｃｕ　Ｏを１枚の円板状に成型した複
合ターゲット（面積比は５ｃ２０３：ＢａＯ：ＣｕＯ−
１：１：２）を用いた。

この実施例の超伝導トランジスタの特性は第５図のＢの
ようになった。

以上では半導体層として単結晶Ｓｔを用いたが、酸化物
半導体を用いることも可能である。その様な実施例を第
６図に示す。この実施例では、ｐ型Ｓｉ基板１１を用い
、この上に酸化物半導体層としてＹ−Ｃｕ−０層１２を
スパッタ法により例えば１００ｎｉ形成し、このＹ−Ｃ
ｕ−０層１２に選択的にＢａをドープすることにより、
Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０からなる酸化物超伝導体ソース、ド
レイン電極１３．１４を形成している。Ｙ−Ｃｕ−０層
１２は、Ｙ２Ｏ３とＣｕＯをターゲットとし、Ａｒ−５
０％０２ガス中で、５Ｘ１０−２ｔｏｒｒのガス圧で高
周波スパッタして得られる。またソース。

ドレイン電極１３．１４は、８５０℃に加熱された溶融
Ｂａを含み、Ｂａ蒸気が充満した拡散炉中に試料を投入
して、厚さ３００　ｎｍ程度に形成される。但し、ソー
ス、ドレイン電極１３．１４が０．２μｍの間隔をもっ
て分離されるように拡散炉投入前に分離部に酸化膜マス
クを形成しておく。

最後に、ＡＩ！膜によりソース、ドレインの端子電極１
５．１６が形成され、基板１１裏面には予め形成されて
いたシリコン酸化膜１７を介してやはりＡ、ｆｆ膜によ
りゲート電極１８が形成される。

第７図はこの実施例による超伝導トランジスタのゲート
電圧と超伝導電流の関係を示す。この実施例によっても
先の各実施例と同様に超伝導電流をゲート電圧で制御す
ることができる。

本発明は上記実施例に限られるものではない。

例えば上記各実施例ではゲート電極として金属電極を用
いたが、ソース、ドレイン電極と同じように酸化物超伝
導体を用いることもできる。このようにすれば、本発明
の素子を具体回路に組込んだ時にゲート電極配線が長く
なってここで発熱が生じるのを防止することができ、実
用上有利である。

また酸化物超伝導体薄膜をスパッタ法で得るためのター
ゲットは例えば、Ｙ単体、ＢａＯ及びＣｕＯの組合せ、
Ｙ２Ｏ３，ＢａＯ及びＣｕの組合せ、Ｙ２Ｏ３，Ｂａ単
体及びＣｕＯの組合わせ等の各種ターゲットを用いるこ
とができる。また第６図の構造のソース、ドレイン電極
を形成する方法として、拡散法の他、Ｂａのイオン注入
法を利用することができる。更にまた、Ｙ−Ｃｕ−０層
全面にＢａの拡散を行い、その後例えばイオンスパッタ
法等によりソース、ドレイン電極を分離する溝を形成す
ることにより、同様の超伝導トランジスタを得ることが
できる。その池水発明で用いられる酸化物超伝導体材料
は、一般に、Ｌ−Ｍ−Ｃｕ　−０（Ｌは、Ｌａ、Ｓｅ、
Ｙのうち少なくとも一種であり、Ｍは、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃ
ａのうち少なくとも一種）で示されるものであればよい
。

その池水発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形し
て実施することができる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、ソース、ドレイン電
極に酸化物超伝導体を用いることにより、液体温度以−
Ｌで動作させることができ、しかも安定な特性を示す超
伝導トランジスタを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の超伝導トランジスタを示す
図、第２図はそのゲート電圧と超伝導電流の関係を示す
図、第３図は他の実施例に用いた酸化物超伝導体薄膜を
得るためのターゲット構成を示す図、第４図は他の実施
例による超伝導トランジスタのドレイン・ソース間電圧
と電流の関係を示す図、第５図は同じくゲート電圧と超
伝導電流の関係を示す図、第６図は史に他の実施例の超
伝導トランジスタを示す図、第７図はそのゲート電圧と
超伝導電流の関係を示す図である。 １・・・ｐ型Ｓｉ基板、２・・・シリコン酸化膜、３・
・・ゲート電極、４・・・シリコン酸化膜、５・・・ソ
ース電極（酸化物超伝導体）、６・・・ドレイン電極（
酸化物超伝導体）、７．８・・・端子電極、１１・・・
ｐ型Ｓｉ基板、１２・・・Ｙ−Ｃｕ−０層（酸化物半導
体層）、１３．１４・・・ソース、ドレイン電極（Ｙ−
Ｂａ−Ｃｕ　−０酸化物超伝導体）　、１５．１６・・
・端子電極、１７・・・シリコン酸化膜、１８・・・ゲ
ート電極。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第３図 ？ 第４図 ｔ１４ｑ＄　ｒ！、ｔ−Ｉｃ　（ｐＡ　＞第６図 イード電、丘、ＶＧ（ｍＶ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体層と、この半導体層の一方の面に所定間隔
   をもって配置されたソース、ドレイン電極と、前記半導
   体層の他方の面に半導体層のキャリア濃度分布の制御を
   行なうゲート電極とを備え、前記ソース、ドレイン電極
   を酸化物超伝導体により構成したことを特徴とする超伝
   導トランジスタ。
2. （２）前記ソース、ドレイン電極を構成する酸化物超伝
   導体は、Ｌ−Ｍ−Ｃｕ−Ｏ系（Ｌは、Ｌａ、Ｓｃ、Ｙの
   うちの少なくとも一種、Ｍは、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａのうち
   少なくとも一種）である特許請求の範囲第１項記載の超
   伝導トランジスタ。
3. （３）前記半導体層は単結晶半導体であり、前記ソース
   、ドレイン電極を構成する酸化物超伝導体は、スパッタ
   法により形成された膜である特許請求の範囲第１項記載
   の超伝導トランジスタ。
4. （４）前記半導体層は酸化物半導体であり、前記ソース
   、ドレイン電極は前記酸化物半導体に所定の元素を導入
   して形成した酸化物超伝導体である特許請求の範囲第１
   項記載の超伝導トランジスタ。