JPH03150879A - 超電導スイッチ素子 - Google Patents
超電導スイッチ素子Info
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- JPH03150879A JPH03150879A JP1288869A JP28886989A JPH03150879A JP H03150879 A JPH03150879 A JP H03150879A JP 1288869 A JP1288869 A JP 1288869A JP 28886989 A JP28886989 A JP 28886989A JP H03150879 A JPH03150879 A JP H03150879A
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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。
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Description
本発明は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
物超電導スイッチ素子に関するものである。
ディジタル回路、アナログ回路の分野に応用される酸化
物超電導スイッチ素子に関するものである。
電界効果型の超電導スイッチ素子をジョセフソン接合素
子と比較したときの利点としては、三端子素子であり、
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点をあげる
ことができる。 電界効果を用いた超電導スイッチ素子としては、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、超
電導電子のしみだし効果とＧａＡｓあるいはＳｉの電界
効果を用いたスイッチ素子が知られている。この例はフ
イジカルレピューレターズ、５４巻２４４９頁、１９８
５年（Ｐ ｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ、 Ｖｏｌ、５４． ｐ、２４４９゜１９８５）に記
載されている。この素子においては、半導体基板上にソ
ース、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成っ
ている。超電導電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。
子と比較したときの利点としては、三端子素子であり、
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点をあげる
ことができる。 電界効果を用いた超電導スイッチ素子としては、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、超
電導電子のしみだし効果とＧａＡｓあるいはＳｉの電界
効果を用いたスイッチ素子が知られている。この例はフ
イジカルレピューレターズ、５４巻２４４９頁、１９８
５年（Ｐ ｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ、 Ｖｏｌ、５４． ｐ、２４４９゜１９８５）に記
載されている。この素子においては、半導体基板上にソ
ース、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成っ
ている。超電導電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１
前記従来の電界効果型超電導スイッチ素子を高臨界温度
の酸化物超電導材料に適用しようとする場合、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、超電導電流が流れる
べき半導体部の長さ、すなわちチャネル長を超電導コヒ
ーレンス長程度にする必要がある。チャネル長がコヒー
レンス長より長い場合、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
、超電導電流は流れない。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、有限電圧の常電導電圧状態間のスイッチングで
ある。 コヒーレンス長は半導体部のキャリア濃度や移動度、あ
るいは平均自由工程にも依存するが。 ＧａＡｓやＩｎＡｓ等の高移動度半導体で０．１ないし
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、半導体部の材料として、
酸化物の半導体相を用いることが望ましい、しかるに酸
化物の半導体相は移動度が低く、０．０１ｍ”／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、チャネル長、すなわちソース
とドレイン間の距離はさらに一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り
、これに対応して、チャネル長もさらに短くする必要が
ある。加工技術あるいはバタン形成技術をもってして、
０．１μｍ以下のバタンを得ることは困難であり、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ため、
このような構造は微細な素子の作製はさらに困難である
。 本発明の目的は、超電導電極膜に対して、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電界効果型超電導
スイッチ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、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スイッチ素
子を以下のごとく構成した。 すなわち電界効果型の超電導スイッチ素子を、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、および超電導薄膜あるいは半導体薄膜からなる
ゲート電極によって構成する。これら超電導、および半
導体薄膜は酸化物によって構成する。さらにこの超電導
スイッチ素子において、ソースとドレイン間に存在する
チャネル部を超電導層と半導体層の層状構造とする。層
状構造はソースとドレインを結ぶ方向（チャネル方向）
に層が重なった配置とする。上記チャネル部のより具体
的な構成としては、以下とする超電導体層と半導体層と
の超格子構造とするか、あるいは半導体層中に超電導層
が島状に存在する構造とする。これらの場合において、
超電導層にはさまれる半導体層のチャネル方向の長さが
、１１００ｎ以下、さらに好ましくは２０ｎｍ以下とす
るのが好ましい。 一方ゲートの構成については、ゲート絶縁膜を介して配
置されたチャネル上のゲートが、上記超格子構造あるい
は島状構造をなす超電導と半導体の複数個の配列上にま
たがるようにする。すなわちゲート電極の下部のチャネ
ル部には複数個のチャネルが直列に配されている構造と
する。 超電導および半導体をなす酸化物としては、Ｙ−Ｂａ−
Ｃｕ酸化物、 Ｂ１−８ｒ−Ｃａ−Ｃｕ酸化物、Ｌａ−
５ｒ−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のが好ましい。 超電導スイッチ素子の構造に関して、素子の下側から順
に絶縁性基板、チャネルを含む半導体層、ソースおよび
ドレイン電極膜およびゲート絶縁膜、さらにゲート電極
膜とする。あるいは素子の下側から順に絶縁性基板、ゲ
ート電極膜、ソースおよびドレイン電極膜およびゲート
絶縁膜、さらにチャネルを含む半導体層のように上下を
逆転させた素子構造も可能である。あるいはソース電極
、チャネルおよびドレイン電極が維扉性基板上に縦型に
配された構造も可能である。 上に述べたごとき電界効果型の超電導スイッチ素子の製
造方法を以下に述べる。ここではＹＢａＣｕ酸化物を例
にとって示す、斜方晶系結晶構造のＣ軸が基板面に対し
て平行で、かつソースとドレインを結ぶ方向に向いてい
るＹＢａＣｕ酸化物薄膜を形成する。ソースとドレイン
領域を除き、チャネル領域に対応するＹＢａＣｕ酸化物
膜部位に還元処理を施すことにより、酸素濃度を低減さ
せ、半導体特性と成す、酸素の収束イオンビームを用い
１幅０．１μｍ以下の線状に酸素原子を照射して超電導
層とする。線間隔は０．１μｍ以下とする。照射しない
領域は半導体層としての特性を保つ、あるいは超電導組
成のＹＢａＣｕ酸化物薄膜に対して、Ａｕ等の酸化し難
く、かつ島状構造の薄膜をマスク材として用い、還元処
理を施すことにより、１１００ｎ以下の微細な領域の半
導体層を得る。 超電導および半導体をなす酸化物としてＹ−Ｂａ−Ｃｕ
酸化物を用いる場合、ソースおよびドレイン領域は超電
導状態を保つ酸素濃度組成、すなわちＹＢａＣｕ酸化物
の酸素濃度６．５以上程度とするのに対し、チャネル領
域においてはＹＢａＣｕ酸化物薄膜の酸素濃度を６．０
〜６．５程度に低減させ、半導体層と超電導層が交互に
かつ層状に混在した領域を形成する。このチャネル領域
上に絶縁膜を形成し、さらに超電導あるいは常電導のゲ
ート電極膜を形成する。 ＹＢａＣｕ系酸化物以外にＢ１５ｒＣａＣｕ酸化物にお
いても、ペロブスカイト系の正方結晶のＣ軸が基板面に
対して垂直に向いている領域をおよびドレイン領域とし
、Ｃ軸がソースとドレインを結ぶ方向に向いた領域をチ
ャネル領域とし、ソース。 ドレインおよびチャネル領域の酸素濃度制御を行えば、
同様の超電導スイッチ素子を構成できる。 （作用］ 電界効果型の超電導スイッチ素子に対して要求される特
性は、ゲート電圧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、ゲート電圧を
印加しない場合は常電導状態になって電圧が発生するこ
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がチャネル長にほぼ等しい距離とな
るようにする。 半導体屑におけるコヒーレンス長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がって、コ
ヒーレンス長が長くなる。逆に動作温度を高くするに従
って、コヒーレンス長が短くなる。 ゲートに電圧を印加した場合、半導体層のチャネル部に
は蓄積層が形成さ九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５
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。ただしゲート電圧信号が、数十ｍ
Ｖ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ができな
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
ネル長は０．１−０．５μｍである。酸化物系半導体の
移動度は０．０１ｍ”／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。 超電導スイッチ素子の信号電圧を例えば１００ｍＶとし
、利得を１以上にするという実用的な制約を設けると、
ゲート電圧もｌｏｏｍＶ以下にする必要がある。この制
約のもとで、チャネル幅を例えば１０μｍとし、ゲート
電圧の印加によって蓄積層を形成し１表面層キャリア濃
度の増加によるコヒーレンス長さ増大の結果として液体
窒素温度動作で必要な超電導電流値である３０μ八以上
の超電導電流を得ようとする典型的な条件を考慮すると
、酸化物系超電導スイッチ素子のチャネル長として１１
００ｎ以下、より好ましくは２０ｍｍの値にする必要が
ある。とくに超電導スイッチ素子を従来の液体ヘリウム
にかえて液体窒素温度に近い温度で動作させる場合、こ
のような短いチャネル長は必須である。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異方的
性質と超格子構造あるいは周期構造をチャネル部に用い
る。 すなわちペロブスカイト系の斜方結晶、あるいは正方結
晶で、かつ長いＣ軸長を有する酸化物超電導体において
はきわめて大きな電気的異方性を有する。すなわちＣ軸
に垂直な方向に対しては電気抵抗の温度係数は正である
が、Ｃ軸方向に対しては零あるいは負である。さらにＣ
軸方向に対して、たとえばＹＢａＣｕ酸化物はコヒーレ
ンス長がＱ、２ ｎｍと短く、かつＣｕ−０平面とＣｕ
−０鎖状面が互に層を成している。Ｃｕ−０面は酸素欠
損の存在しない格子面であり、Ｃｕ−０鎖状面は酸素欠
損の存在する格子面である。このような酸化物固有の性
質と１課麗を解決するための手段の項において述べたチ
ャネル構造を形成することにより、実効的なチャネル長
が１１００ｎ以下のチャネルを形成できる。 このような構造の酸化物層をチャネルとし、絶縁層を介
して電圧を印加した場合、電界によってバンドが曲げら
れ、酸化物層内の半導体層にキャリアが注入される。超
電導層と半導体層の間隔がｎｍの程度であるから、半導
体層を介して超電導層がつながり、酸化物層全体が超電
導状態になる。 したがって、本発明になる超電導スイッチ素子は超電導
状態と電圧状態間のスイッチ動作を可能にするものであ
る。
の酸化物超電導材料に適用しようとする場合、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、超電導電流が流れる
べき半導体部の長さ、すなわちチャネル長を超電導コヒ
ーレンス長程度にする必要がある。チャネル長がコヒー
レンス長より長い場合、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
、超電導電流は流れない。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、有限電圧の常電導電圧状態間のスイッチングで
ある。 コヒーレンス長は半導体部のキャリア濃度や移動度、あ
るいは平均自由工程にも依存するが。 ＧａＡｓやＩｎＡｓ等の高移動度半導体で０．１ないし
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、半導体部の材料として、
酸化物の半導体相を用いることが望ましい、しかるに酸
化物の半導体相は移動度が低く、０．０１ｍ”／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、チャネル長、すなわちソース
とドレイン間の距離はさらに一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り
、これに対応して、チャネル長もさらに短くする必要が
ある。加工技術あるいはバタン形成技術をもってして、
０．１μｍ以下のバタンを得ることは困難であり、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ため、
このような構造は微細な素子の作製はさらに困難である
。 本発明の目的は、超電導電極膜に対して、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電界効果型超電導
スイッチ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、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スイッチ素
子を以下のごとく構成した。 すなわち電界効果型の超電導スイッチ素子を、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、および超電導薄膜あるいは半導体薄膜からなる
ゲート電極によって構成する。これら超電導、および半
導体薄膜は酸化物によって構成する。さらにこの超電導
スイッチ素子において、ソースとドレイン間に存在する
チャネル部を超電導層と半導体層の層状構造とする。層
状構造はソースとドレインを結ぶ方向（チャネル方向）
に層が重なった配置とする。上記チャネル部のより具体
的な構成としては、以下とする超電導体層と半導体層と
の超格子構造とするか、あるいは半導体層中に超電導層
が島状に存在する構造とする。これらの場合において、
超電導層にはさまれる半導体層のチャネル方向の長さが
、１１００ｎ以下、さらに好ましくは２０ｎｍ以下とす
るのが好ましい。 一方ゲートの構成については、ゲート絶縁膜を介して配
置されたチャネル上のゲートが、上記超格子構造あるい
は島状構造をなす超電導と半導体の複数個の配列上にま
たがるようにする。すなわちゲート電極の下部のチャネ
ル部には複数個のチャネルが直列に配されている構造と
する。 超電導および半導体をなす酸化物としては、Ｙ−Ｂａ−
Ｃｕ酸化物、 Ｂ１−８ｒ−Ｃａ−Ｃｕ酸化物、Ｌａ−
５ｒ−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のが好ましい。 超電導スイッチ素子の構造に関して、素子の下側から順
に絶縁性基板、チャネルを含む半導体層、ソースおよび
ドレイン電極膜およびゲート絶縁膜、さらにゲート電極
膜とする。あるいは素子の下側から順に絶縁性基板、ゲ
ート電極膜、ソースおよびドレイン電極膜およびゲート
絶縁膜、さらにチャネルを含む半導体層のように上下を
逆転させた素子構造も可能である。あるいはソース電極
、チャネルおよびドレイン電極が維扉性基板上に縦型に
配された構造も可能である。 上に述べたごとき電界効果型の超電導スイッチ素子の製
造方法を以下に述べる。ここではＹＢａＣｕ酸化物を例
にとって示す、斜方晶系結晶構造のＣ軸が基板面に対し
て平行で、かつソースとドレインを結ぶ方向に向いてい
るＹＢａＣｕ酸化物薄膜を形成する。ソースとドレイン
領域を除き、チャネル領域に対応するＹＢａＣｕ酸化物
膜部位に還元処理を施すことにより、酸素濃度を低減さ
せ、半導体特性と成す、酸素の収束イオンビームを用い
１幅０．１μｍ以下の線状に酸素原子を照射して超電導
層とする。線間隔は０．１μｍ以下とする。照射しない
領域は半導体層としての特性を保つ、あるいは超電導組
成のＹＢａＣｕ酸化物薄膜に対して、Ａｕ等の酸化し難
く、かつ島状構造の薄膜をマスク材として用い、還元処
理を施すことにより、１１００ｎ以下の微細な領域の半
導体層を得る。 超電導および半導体をなす酸化物としてＹ−Ｂａ−Ｃｕ
酸化物を用いる場合、ソースおよびドレイン領域は超電
導状態を保つ酸素濃度組成、すなわちＹＢａＣｕ酸化物
の酸素濃度６．５以上程度とするのに対し、チャネル領
域においてはＹＢａＣｕ酸化物薄膜の酸素濃度を６．０
〜６．５程度に低減させ、半導体層と超電導層が交互に
かつ層状に混在した領域を形成する。このチャネル領域
上に絶縁膜を形成し、さらに超電導あるいは常電導のゲ
ート電極膜を形成する。 ＹＢａＣｕ系酸化物以外にＢ１５ｒＣａＣｕ酸化物にお
いても、ペロブスカイト系の正方結晶のＣ軸が基板面に
対して垂直に向いている領域をおよびドレイン領域とし
、Ｃ軸がソースとドレインを結ぶ方向に向いた領域をチ
ャネル領域とし、ソース。 ドレインおよびチャネル領域の酸素濃度制御を行えば、
同様の超電導スイッチ素子を構成できる。 （作用］ 電界効果型の超電導スイッチ素子に対して要求される特
性は、ゲート電圧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、ゲート電圧を
印加しない場合は常電導状態になって電圧が発生するこ
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がチャネル長にほぼ等しい距離とな
るようにする。 半導体屑におけるコヒーレンス長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がって、コ
ヒーレンス長が長くなる。逆に動作温度を高くするに従
って、コヒーレンス長が短くなる。 ゲートに電圧を印加した場合、半導体層のチャネル部に
は蓄積層が形成さ九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５
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。ただしゲート電圧信号が、数十ｍ
Ｖ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ができな
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
ネル長は０．１−０．５μｍである。酸化物系半導体の
移動度は０．０１ｍ”／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。 超電導スイッチ素子の信号電圧を例えば１００ｍＶとし
、利得を１以上にするという実用的な制約を設けると、
ゲート電圧もｌｏｏｍＶ以下にする必要がある。この制
約のもとで、チャネル幅を例えば１０μｍとし、ゲート
電圧の印加によって蓄積層を形成し１表面層キャリア濃
度の増加によるコヒーレンス長さ増大の結果として液体
窒素温度動作で必要な超電導電流値である３０μ八以上
の超電導電流を得ようとする典型的な条件を考慮すると
、酸化物系超電導スイッチ素子のチャネル長として１１
００ｎ以下、より好ましくは２０ｍｍの値にする必要が
ある。とくに超電導スイッチ素子を従来の液体ヘリウム
にかえて液体窒素温度に近い温度で動作させる場合、こ
のような短いチャネル長は必須である。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異方的
性質と超格子構造あるいは周期構造をチャネル部に用い
る。 すなわちペロブスカイト系の斜方結晶、あるいは正方結
晶で、かつ長いＣ軸長を有する酸化物超電導体において
はきわめて大きな電気的異方性を有する。すなわちＣ軸
に垂直な方向に対しては電気抵抗の温度係数は正である
が、Ｃ軸方向に対しては零あるいは負である。さらにＣ
軸方向に対して、たとえばＹＢａＣｕ酸化物はコヒーレ
ンス長がＱ、２ ｎｍと短く、かつＣｕ−０平面とＣｕ
−０鎖状面が互に層を成している。Ｃｕ−０面は酸素欠
損の存在しない格子面であり、Ｃｕ−０鎖状面は酸素欠
損の存在する格子面である。このような酸化物固有の性
質と１課麗を解決するための手段の項において述べたチ
ャネル構造を形成することにより、実効的なチャネル長
が１１００ｎ以下のチャネルを形成できる。 このような構造の酸化物層をチャネルとし、絶縁層を介
して電圧を印加した場合、電界によってバンドが曲げら
れ、酸化物層内の半導体層にキャリアが注入される。超
電導層と半導体層の間隔がｎｍの程度であるから、半導
体層を介して超電導層がつながり、酸化物層全体が超電
導状態になる。 したがって、本発明になる超電導スイッチ素子は超電導
状態と電圧状態間のスイッチ動作を可能にするものであ
る。
以下本発明の一実施例を述べる。
第一図に示すごと＜、５ｒＴｉＯ，の（１１０）面方位
単結晶を基板１としてＹＢａＣｕ酸化物薄膜を３０ｍｍ
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０．４ Ｐ ａとする。ターゲツト材はＹＢａ
Ｃｕ酸化物の円板状焼結体とする。電源として周波数１
３．５６ＭＨｚの高周波を用い、投入電力は５０Ｗ〜１
００Ｗとする。膜形成時の基板温度は５５０℃〜７００
℃の範囲とする。このような条件によって形成したＹＢ
ａＣｕ酸化物薄膜においては、・斜方結晶構造のＣ軸が
基板に対して平行な配向性を有する。超電導臨界温度は
８０に以上である。 このＹＢａＣｕ酸化物薄膜にＣＱ、を用いたイオンビー
ムエッチング法による加工を施すことにより、ソース５
、チャネル２、およびドレイン６を含むＹＢａＣｕ酸化
物薄膜のパタンを形成する。なお結晶のＣ軸が素子のソ
ース５とドレイン６を結ぶ方向になるように、５ｒＴｉ
Ｏ，基板とパタンの相対方位を調節する。 つぎにソース５およびドレイン６部をＡｕ等の酸素に対
して不活性な薄膜で覆う、この状態でＡｒ雰囲気中で６
００℃以上での熱処理を施すことにより、半導体相の薄
膜を得る。さらに膜厚３ｎｍのＺｒＯ膜９を真空蒸着法
により形成する。 ＺｒＯ膜９はこの膜厚条件においては不連続であり、ピ
ンホールを有する。つぎにこの状態でＹＢａＣｕ酸化物
薄膜の酸素濃度向上のための熱処理を施す。処理条件は
酸素濃度１気圧、温度６００℃とする。このような処理
により、ＺｒＯ膜９で液口されていないＹＢａＣｕ酸化
物薄膜部分が酸化され、半導体層中に互いに数＋ｎｍの
間隔で超電導相３の存在するチャネル部が得られる。 つぎにゲート絶縁膜７となるＭｇＯ膜を真空蒸着法によ
り形成する。ＭｇＯ膜の蒸発は電子ビーム蒸発法によっ
て行う、ＭｇＯ膜の膜厚は１１００ｎとする。つぎにチ
ャネル上に膜厚３００ｎｍのＡｕ膜を蒸着して、ゲート
電極膜８としてのパタンを形成することにより、超電導
スイッチ素子を得る。 以上の方法により作製した超電導スイッチ素子のソース
とドレイン間の電圧−電流特性は第２図に示すごとくに
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１１）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以上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）、１００ｍＶ以上の電圧に
おいても、超電導電流成分が存在する。このことは素子
の利得を１以上に成しえることを意味する。このような
素子特性は液体窒素温度近傍まで観測される。すなわち
ゲート電圧によってソースとドレイン間の超電導−常電
導スイッチングを行すせることができる。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。 本発明に係る超電導スイッチ素子は以上述べた素子構造
゛だけでなく、第３図に示すごとく、ソース５からドレ
イン６方向に向かって、チャネル部２が膜面内で超電導
層３と半導体層４の層状構造となすことによっても作製
される。チャネル部２はあらかじめ酸素濃度を低減させ
、さらには素を用いたＦＩＢ、すなわち集束イオンビー
ムによってスキャンさせることにより、超電導層３と半
導体層４の層状構造を得る。超電導スイッチ素子の他の
構成部分、すなわちソース電極膜５、ドレイン電極膜６
．ゲート絶縁膜７およびゲート電極８の形成方法は上に
述べた方法と同様である。 本発明にかかる超電導スイッチ素子は以上述べた素子構
造だけでなく、基板側から順にゲート電極膜８、ゲート
絶縁膜７．チャネル２が積層化された構造も可能である
。 さらに酸化物薄膜としてＹＢａＣｕ酸化物だけでなく、
Ｂ１５ｒＣａＣｕ酸化物、ＴＱＢａＣａＣｕ酸化物、Ｌ
ａ５ｒＣｕ酸化物、ＮｄＣｅＣｕ酸化物等を用いた場合
においても同様に超電導スイッチ素子を構成でき、同様
の素子特性および素子機能を有する。 このような酸化物薄膜を用いる場合、酸素濃度の制御に
よる半導体層と超電導層の形成だけでなく。 不純物元素の注入による半導体相から超電導体への変換
、あるいは超電導体相から半導体への変換現象を利用す
ることによる超電導層と半導体層の層状構造あるいは島
状構造を得ることができる。 ［発明の効果］ 本発明にかかる超電導スイッチ素子は以下の効果を有す
る。 （１）チャネル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、１μｍ以下のチャネル長を可能に
する素子構造である６ （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状態と電圧状態間のスイッ
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以上の性能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。
単結晶を基板１としてＹＢａＣｕ酸化物薄膜を３０ｍｍ
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０．４ Ｐ ａとする。ターゲツト材はＹＢａ
Ｃｕ酸化物の円板状焼結体とする。電源として周波数１
３．５６ＭＨｚの高周波を用い、投入電力は５０Ｗ〜１
００Ｗとする。膜形成時の基板温度は５５０℃〜７００
℃の範囲とする。このような条件によって形成したＹＢ
ａＣｕ酸化物薄膜においては、・斜方結晶構造のＣ軸が
基板に対して平行な配向性を有する。超電導臨界温度は
８０に以上である。 このＹＢａＣｕ酸化物薄膜にＣＱ、を用いたイオンビー
ムエッチング法による加工を施すことにより、ソース５
、チャネル２、およびドレイン６を含むＹＢａＣｕ酸化
物薄膜のパタンを形成する。なお結晶のＣ軸が素子のソ
ース５とドレイン６を結ぶ方向になるように、５ｒＴｉ
Ｏ，基板とパタンの相対方位を調節する。 つぎにソース５およびドレイン６部をＡｕ等の酸素に対
して不活性な薄膜で覆う、この状態でＡｒ雰囲気中で６
００℃以上での熱処理を施すことにより、半導体相の薄
膜を得る。さらに膜厚３ｎｍのＺｒＯ膜９を真空蒸着法
により形成する。 ＺｒＯ膜９はこの膜厚条件においては不連続であり、ピ
ンホールを有する。つぎにこの状態でＹＢａＣｕ酸化物
薄膜の酸素濃度向上のための熱処理を施す。処理条件は
酸素濃度１気圧、温度６００℃とする。このような処理
により、ＺｒＯ膜９で液口されていないＹＢａＣｕ酸化
物薄膜部分が酸化され、半導体層中に互いに数＋ｎｍの
間隔で超電導相３の存在するチャネル部が得られる。 つぎにゲート絶縁膜７となるＭｇＯ膜を真空蒸着法によ
り形成する。ＭｇＯ膜の蒸発は電子ビーム蒸発法によっ
て行う、ＭｇＯ膜の膜厚は１１００ｎとする。つぎにチ
ャネル上に膜厚３００ｎｍのＡｕ膜を蒸着して、ゲート
電極膜８としてのパタンを形成することにより、超電導
スイッチ素子を得る。 以上の方法により作製した超電導スイッチ素子のソース
とドレイン間の電圧−電流特性は第２図に示すごとくに
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１１）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以上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）、１００ｍＶ以上の電圧に
おいても、超電導電流成分が存在する。このことは素子
の利得を１以上に成しえることを意味する。このような
素子特性は液体窒素温度近傍まで観測される。すなわち
ゲート電圧によってソースとドレイン間の超電導−常電
導スイッチングを行すせることができる。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。 本発明に係る超電導スイッチ素子は以上述べた素子構造
゛だけでなく、第３図に示すごとく、ソース５からドレ
イン６方向に向かって、チャネル部２が膜面内で超電導
層３と半導体層４の層状構造となすことによっても作製
される。チャネル部２はあらかじめ酸素濃度を低減させ
、さらには素を用いたＦＩＢ、すなわち集束イオンビー
ムによってスキャンさせることにより、超電導層３と半
導体層４の層状構造を得る。超電導スイッチ素子の他の
構成部分、すなわちソース電極膜５、ドレイン電極膜６
．ゲート絶縁膜７およびゲート電極８の形成方法は上に
述べた方法と同様である。 本発明にかかる超電導スイッチ素子は以上述べた素子構
造だけでなく、基板側から順にゲート電極膜８、ゲート
絶縁膜７．チャネル２が積層化された構造も可能である
。 さらに酸化物薄膜としてＹＢａＣｕ酸化物だけでなく、
Ｂ１５ｒＣａＣｕ酸化物、ＴＱＢａＣａＣｕ酸化物、Ｌ
ａ５ｒＣｕ酸化物、ＮｄＣｅＣｕ酸化物等を用いた場合
においても同様に超電導スイッチ素子を構成でき、同様
の素子特性および素子機能を有する。 このような酸化物薄膜を用いる場合、酸素濃度の制御に
よる半導体層と超電導層の形成だけでなく。 不純物元素の注入による半導体相から超電導体への変換
、あるいは超電導体相から半導体への変換現象を利用す
ることによる超電導層と半導体層の層状構造あるいは島
状構造を得ることができる。 ［発明の効果］ 本発明にかかる超電導スイッチ素子は以下の効果を有す
る。 （１）チャネル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、１μｍ以下のチャネル長を可能に
する素子構造である６ （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状態と電圧状態間のスイッ
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以上の性能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。
第１図は本発明の実施例の島状チャネル構造超電導スイ
ッチ素子の断面図、第２図は超電導スイッチ素子の電圧
−電流特性図、第３図は本発明の他の実施例の層状チャ
ネル構造超電導スイッチ素子の断面図である。 符号の説明 １・・・基板、２・・・チャネル、３・・・超電導体層
、４・・・半纏体層、５・・・ソース電極膜、６・・・
ドレイン電極膜、７・・・ゲート絶縁膜、８・・・ゲー
ト電極膜。 ９・・・酸化マスクＮ。 第２図 ドレイシ電凪ぐ？ｒＬ丁ノ と ケーート膏り４金１何１
ッチ素子の断面図、第２図は超電導スイッチ素子の電圧
−電流特性図、第３図は本発明の他の実施例の層状チャ
ネル構造超電導スイッチ素子の断面図である。 符号の説明 １・・・基板、２・・・チャネル、３・・・超電導体層
、４・・・半纏体層、５・・・ソース電極膜、６・・・
ドレイン電極膜、７・・・ゲート絶縁膜、８・・・ゲー
ト電極膜。 ９・・・酸化マスクＮ。 第２図 ドレイシ電凪ぐ？ｒＬ丁ノ と ケーート膏り４金１何１
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、酸化物超電導薄膜からなるソースおよびドレイン電
極、チャネル層、絶縁体薄膜、および導電性薄膜からな
るゲート電極から構成される電界効果型の超電導スイッ
チ素子であって、上記ソース、ドレイン電極間のチャネ
ル層が、ソースとドレイン電極を結ぶ方向に対して超電
導体層と半導体層の層状構造であることを特徴とする超
電導スイッチ素子。 ２、上記チャネル層は、超電導体層と半導体層とが上記
ソース、ドレインを結ぶ方向に積層された超格子構造で
あることを特徴とする請求項１記載の超電導スイッチ素
子。 ３、上記積層された半導体層の、上記ソース、ドレイン
方向の厚さが２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求
項２記載の超電導スイッチ素子。 ４、上記チャネル層は、半導体層中に超電導体層が島状
に存在する構造であることを特徴とする請求項１記載の
超電導スイッチ素子。 ５、上記半導体層の、上記ソース、ドレイン方向の長さ
が２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４記載の
超電導スイッチ素子。 ６、上記超電導体層および半導体層が、Ｃｕを含んだ酸
化物により構成されることを特徴とする請求項１ないし
５のいずれかに記載の超電導スイッチ素子。 ７、上記Ｃｕを含んだ酸化物が、ＹＢａＣｕ酸化物であ
ることを特徴とする請求項６記載の超電導スイッチ素子
。 ８、上記半導体層中における上記ＹＢａＣｕ酸化物の酸
素濃度は、上記超電導体層中における酸素濃度よりも低
いことを特徴とする請求項７記載の超電導スイッチ素子
。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1288869A JPH03150879A (ja) | 1989-11-08 | 1989-11-08 | 超電導スイッチ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1288869A JPH03150879A (ja) | 1989-11-08 | 1989-11-08 | 超電導スイッチ素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03150879A true JPH03150879A (ja) | 1991-06-27 |
| JPH0587995B2 JPH0587995B2 (ja) | 1993-12-20 |
Family
ID=17735812
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1288869A Granted JPH03150879A (ja) | 1989-11-08 | 1989-11-08 | 超電導スイッチ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03150879A (ja) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63208283A (ja) * | 1987-02-25 | 1988-08-29 | Hitachi Ltd | 超伝導素子 |
| JPS6486574A (en) * | 1987-02-27 | 1989-03-31 | Hitachi Ltd | Superconducting device |
-
1989
- 1989-11-08 JP JP1288869A patent/JPH03150879A/ja active Granted
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63208283A (ja) * | 1987-02-25 | 1988-08-29 | Hitachi Ltd | 超伝導素子 |
| JPS6486574A (en) * | 1987-02-27 | 1989-03-31 | Hitachi Ltd | Superconducting device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0587995B2 (ja) | 1993-12-20 |
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Legal Events
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