JPH03228384A - 超電導素子 - 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超電
導スイッチング素子に関するものである。

【従来の技術ｌ 超電導状態と常電導状態の間でスイッチング動作を行う
超電導素子であって、高臨界温度超電導材料、すなわち
酸化物系の材料で構成されるものとしては、酸化物超電
導材料の結晶粒界を弱結合部として用いる超電導素子、
あるいは酸化物の超電導薄膜を貴金属で接続した超電導
素子が得られている。 さらに、弱結合部として、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物と結晶
的に同系統のＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物を用いた例が、ア
ブライドフィジックスレターズ５５巻２０３２頁、１９
８９年（Ａ　ｐｐｌｉｅａＰｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ、　Ｖｏｌ、５５　、　ｐ、２０３２　ｙ１９８９
）に示されている。この超電導弱結合素子の例において
は、膜厚約５０ｎｍのＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜をＹ
　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸化物薄膜によってはさんだ構造と
なっている。すなわちＹ−Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸化物／　Ｐ
　ｒ　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸化物／Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物
が積層構造で形成され、ジョセフソン接合特性を有する
ことが示されている。 ［発明が解決しようとする課題］ 前記従来の超電導弱結合素子は以下の理由により超電導
弱結合素子として材料的な問題点を含み、とくに超電導
三端子素子への適用を困難にしている。 Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物はＹ−Ｂａ−Ｃｕｉｌ化物と同
一の結晶構造を有するが、超電導性を示さない数少ない
材料の一つである。ＹやＰｒ原子の入るへきサイトにお
ける元素ＲがＥｕやＧｄのような強磁性元素の場合であ
っても、Ｒ−ＢａＣｕ酸化物は臨界温度９０にの超電導
性を示す。 しかるにＰｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物において超電導性を示
さないのはＰｒ原子の磁気的相互作用のおよぶ距離が長
く、電気伝導面であるＣｕ−０原子面にまで達するから
である。 したがって、Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物を超電導弱結合素
子のカップリング材、あるいは常電導層として用いる場
合、磁気的相互作用のためにＰｒ−Ｂ　ａ　−Ｃｕａ化
物内部においては、キャリア濃度などの値から推定され
る以上に超電導電子密度が低下する。このような超電導
電子密度の低下は超電導弱結合素子において必要な超電
導電極間の距離を短くする。 超電導三端子素子の場合、超電導電極間の距離、すなわ
ち半導体チャネル長の縮少は素子設計上困難をもたらす
。たとえば電界効果によって超電導電流を制御する三端
子素子の場合、電界を印加するためのゲート電極を必要
とする。半導体の電界効果型トランジスタのようにソー
スとドレイン電極間にゲートを配する構造を超電導三端
子素子に適用するのはきわめて困難となる。 本発明の目的は、超電導弱結合素子および超電導三端子
素子に用いる酸化物系半導体材料において、磁気的相互
差用によって超電導特性を抑制しない材料を供し、これ
により超電導素子を構成することにある。 【課題を解決するための手段】 」１記目的を達成するために本発明の超電導素子は以下
のごとき構成を有する。 すなわち、酸化物系の超電導材料および酸化物系の半導
体特性を有する材料（すなわち酸化物系の半導体材料）
によって構成される超電導素子であって、上記超電導材
料からなる二個の超電導電極が上記酸化物系の半導体材
料からなる薄膜を介して接続された構造からなり、上記
酸化物系の半導体材料がＬａ、ＢａおよびＣｕを含み、
かつ結晶構造の基本型を上記超電導電極をなす酸化物材
料と同一の酸化物薄膜とする。なお、結晶構造の基本型
がＲ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物と同一であるために、ＬａとＢ
ａの比をほぼ１．２以下とする。 本発明の超電導素子のより具体的な構造としては以下の
ごとくなす。酸化物超電導薄膜および酸化物系半導体薄
膜が積層化された構造、あるいは０．２μｍあるいはこ
れ以下のギャップをもって互いに近接して配された酸化
物超電導薄膜が、酸化物系半導体薄膜を介して接続され
た構造とする。 これら酸化物系半導体薄膜としてはＬａ、ＢａおよびＣ
ｕを含む酸化物とする。さらに超電導薄膜としてはＹを
はじめとする希土類元素、ＢａおよびＣｕを含む酸化物
とする。Ｌａ、ＢａおよびＣｕを含む酸化物薄膜に対し
て電界を印加するためのゲート電極膜を絶縁膜を介して
配する構造とすることにより三端子型の超電導素子とな
す。 さらに上記超電導素子を要素部品として用いることによ
り、構成された超電導性論理スイッチング機能あるいは
記憶機能を有する回路素子を得ることができる。

【作用】

以上の酸化物系超電導素子に用いる酸化物超電導材料お
よび酸化物系半導体材料、さらには素子構造は以下に述
べる理由により素子の作製を容易にし、かつ素子の動作
特性を向上せしめるものである。 酸化物系の代表的な高臨界温度超電導材料であるＲ−Ｂ
ａ−Ｃｕ酸化物はＢａを構成元素として含むために、他
の材料と接して配された場合にＢ、ａ原子の拡散を生じ
やすく、その界面において容易に組成変化を生じる。た
だしＲはＹ等希土類元素の入るべきサイトにおける元素
である。組成変化を生じることにより、界面における超
電導特性が劣化し、接続された半導体膜に対して超電導
電子がしみださなくなる。 したがってＲ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物を超電導層とした超電
導素子において、本発明に掲げたＬａ−Ｂａ−Ｃｕ酸化
物はＢａを共通の元素として含むために超電導−半導体
界面においてＢａ原子の拡散にともなう組成変化を生じ
ない。さらにＲ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物とＬａ−Ｂａ−Ｃｕ
酸化物は結晶構造が同一であり、界面における超電導電
子の反射を抑え、Ｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物からＬａ−Ｂａ
−Ｃｕ酸化物への超電導電子のしみだし振幅を大きくす
る。さらにＬ　ａ　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸化物は超電導電
子にたいして磁気的な相互作用を生じないので、超電導
電極からしみこんだ超電導電子の振幅を抑制することは
ない。 このような材料的な特徴は、素子構造における寸法的な
許容度を広げる。すなわち、Ｐｒ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物を
半導体層として用いた場合、超電導電極間の距離として
５０ｎｍ以下程度に制限されていたものが、Ｌａ−Ｂａ
−Ｃｕ酸化物を用いることにより、１１００ｎ程度まで
許容される。 このことは超電導弱結合素子、さらには超電導三端子素
子の構成、および作製を容易にするものである。とくに
電界効果によって半導体チャネル部の制御を行う超電導
三端子素子の場合、超電導電極間の半導体チャネル部に
絶縁膜を介してゲート電極を形成することを可能ならし
める。

【実施例１】 以下本発明の実施例を述べる。 超電導層をＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜、半導体層をＬａ
−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜とする電界効果型の超電導素子
の素子構造を第１図に示す。 ＳｒＴｉＯ３の（１１０）面方位単結晶基板１上に形成
したＬａ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜２上にＹ−Ｂａ　−Ｃ
ｕ酸化物薄膜３，４を形成し、Ｙ−Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸化
物薄膜３，４間に、寸法Ｑ、１μｍ以下のギャップを形
成する。その後、５ｒＴｉ○３薄膜５を設け、Ｙ−Ｂａ
−Ｃｕ酸化物薄膜からなるゲート電極膜６を形成する。 Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜、Ｌａ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄
膜および５ｒＴｉＯ，薄膜は、高周波マグネトロンスパ
ッタリング装置によって成膜を行う。 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５０ｍＴｏｒｒとする。ターゲツト材はＹ−Ｂ
ａ−Ｃｕ酸化物、Ｌ　ａ　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ酸化物およ
びＳ　ｒ　−Ｔ　ｉ酸化物の円盤状焼結体とする。電源
としては周波数１３．５６ＭＨｚで電力１ＯＯＷの高周
波を用いる。膜形成時の基板温度は６００℃とする。こ
のような条件で形成したＬａ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜２
は、斜方晶結晶のＣ軸が基板面と平行な結晶配向性を有
する。ａ軸およびｂ軸は基板面に対して４５度の角度を
なす。 Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜３，４はＬａ−Ｂａ−Ｃｕ酸
化物薄膜２と同一の結晶構造を有し、結晶の配向性も同
一であり、Ｓ　ｒ　Ｔ　ｘ　Ｏ３薄膜５は（１１０）面
が基板面に並行に成長する。なお、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化
物薄膜２，３の超電導臨界温度は約７０にである。 超電導素子の作製工程は以下のとおりとする。 すなわち、Ｌａ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜２をＳ　ｒ　Ｔ
　ｉＯｖの（１１０）面方位単結晶基板１上に形成する
。膜厚は２００ｎｍとする。この上にＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸
化物薄膜３，４を３００ｎｍ厚、形成する。この後、ソ
ース３、ドレイン４およびチャネル７、さらには配線を
含んだバタン加工をＳＦ、ガスを用いた反応性イオンビ
ームエツチング法により形成する。チャネル部７のＹ−
Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜の間隙は１１００ｎとする。この
上にＳ　ｒ　Ｔ　ｉ　Ｏ３薄膜５およびゲート電極膜で
あるＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜６を形成する。それぞれ
の膜厚は１５０ｎｍおよび１１００ｎとする。 成膜後、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜６に、反応性イオン
ビームエツチング法によってゲート電極膜としてのパタ
ンを加工、成型する。以上の工程により超電導素子を得
る。 この超電導素子の電流−電圧特性においては、約１　ｍ
　Ａの超電導電流が流れ、これ以上のバイアス電流に対
して電圧状態になる。さらにゲートに対して３ｖの電圧
を印加した場合、超電導電流は０．５ｍＡに減少し、こ
れ以上のバイアス電流で電圧が発生する。以上のごとく
、本超電導素子は三端子素子としての基本特性を有する
。 ［実施例２］ 第２図に示すごと＜、５ｒＴｉＯ，の（１１０）面方位
単結晶を基板１としてＹ−Ｂ−Ｃｕ酸化物薄膜８を形成
する。Ｙ−Ｂ−Ｃｕ酸化物薄膜８の膜厚は２００ｎｍと
する。膜形成は高周波マグネトロンスパッタリング法に
よって行う。成膜方法および成膜条件は実施例１で述べ
たとおりである。 このＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜８上に同じく高周波マグ
ネトロンスパンタリング法により、Ｌａ−Ｂａ−Ｃｕ酸
化物薄膜９の形成を行う。膜厚は８０ｎｍとする。Ｙ−
Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜８とＬａ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜
９の形成は膜表面を大気に晒すことなく、同一スパッタ
リング装置中で行う。形成したＬ　ａ　−Ｂ　ａ　−Ｃ
ｕ酸化薄膜９はＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜８と同一の結
晶構造を有し、結晶の配向性も同一である。 さらにこの上に上部電極となるべきＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化
物薄膜１０を同じスパッタリング成膜条件によって形成
する。ただし上部電極Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜１０の
膜厚は４００ｎｍとする。 上部電極Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜１０もＬａ−Ｂ　ａ
　−Ｃｕ酸化物薄膜９と同じく、下地膜表面を大気に晒
すことなく同一スパッタリング装置を用いることにより
成膜を行う。これにより、界面に不純物が介在すること
による超電導カップリング特性の劣化を防止する。 以上のごとき成膜工程を経ることにより、（Ｙ−Ｂ　ａ
　−Ｃｕ酸化物）−（Ｌａ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物）−（Ｙ
−Ｂａ−Ｃｕ酸化物）三層膜を得る。この三層膜のバタ
ン形成工程は以下のごとき方法によって行う。すなわち
水平方向に移動することができるシャツタ板を基板にた
いして’０　、５　ｍｍ以内の間隔に保って保持する。 シャッター板を基板に対して部分的に覆うこと・により
、下部電極および上部電極Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜１
０が部分的に重なった形状１１に仕上げることができる
。第３図に示すような、シャッタ移動方向に対して膜面
内で垂直な方向のパタンは、三層膜の形成後に反応性イ
オンビームエツチングを施すことにより得ることができ
る。ガス種としてはＳＦ、を用い、加速電圧５００Ｖ、
ガス圧力０．２ｍＴｏｒｒの条件でエツチングを行う。 以上の製造工程により、弱結合型の超電導素子を得る。 以上の方法により作製した超電導素子の特性は第４図に
示すごとくになる。すなわち約０．５ｍＡの超電導電流
が流れ、これ以上のバイアス電流に対しては電圧が発生
する。この超電導電流が電極間のショートによるものか
、あるいは位相のずれによるジョセフソン電流によるも
のかを判別するために、素子に対してマイクロ波を照射
する。周波数９　、３　Ｇ　Ｈｚのマイクロ波を照射し
ながら電圧−電流特性を測定した場合、電圧値２０μＶ
毎に電流のステップが観測される。このことは超電導電
流が位相変化を伴うジョセフソン電流であることを意味
している。

【実施例３】 本実施例は、上述の本発明の超電導素子の組合せにより
構成した基本スイッチングゲートに関するものであり、
ゲートは実施例２において述べた弱結合型の超電導素子
により構成する。ゲートの構成は第５図に示すとおりで
ある。すなわち超電導素子２個１２と抵抗１３を接続す
ることにより、ＯＲスイッチングゲートを形成する。ス
イッチングゲートに対して並列に負荷抵抗１４を配置す
る。 負荷抵抗はｐｔ薄膜で形成し、電子ビーム蒸着法により
成膜する。超電導素子、およびＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物超
電導配線の形成方法は実施例１および２において述べた
通りである。 このＯＲスイッチングゲートの動作特性は以下の通りで
ある。すなわち０．３ｍＡのバイアス電流に対して０．
２ｍＡの信号電流まで、ゲートは零電圧状態に保たれ、
負荷抵抗の両端には電圧が発生しない。さらに信号電流
を増加した場合、ゲートは電圧状態になり、負荷抵抗の
両端で電圧が検出される。以上のごとく本ゲートはＯＲ
スイッチングゲートとしての動作をする。 以上述べたスイッチングゲートは実施例２に述べた超電
導素子だけでなく、実施例１において述へた電界効果型
の超電導素子を用いることによっても構成できる。この
場合、必要な素子は１個でよい。 さらに本発明にかかる超電導素子を用いて、ＡＮＤゲー
トも構成できることはいうまでもなく、これらＯＲ，Ａ
ＮＤスイッチングゲートを組合せることにより論理回路
を構成できることも容易に理解される。さらに超電導素
子と超電導ループを組合せることにより、記憶素子をも
構成できる。

【発明の効果】

本発明にかかる超電導素子は以下の効果を有する。 （１）超電導−半導体−超電導接合を基本とする酸化物
系超電導素子において半導体部の長さに対する余裕度が
広がる。 （２）したがって、超電導弱結合素子だけでなく、電界
効果型の超電導素子、さらにはこれらの素子を用いた超
電導論理回路、記憶回路も構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の電界効果型の超電導素子の断
面図、第２図は本発明の他の実施例の弱結合型の超電導
素子の断面図、第３図は第２図の超電導素子の上面図、
第４図は第２図の超電導素子の電圧−電流特性図、第５
図は本発明のさらに他の実施例のＯＲ−スイッチングゲ
ートの構成図である。 符号の説明 １・・・ＳｒＴｉＯ３基板、２−Ｌ　ａ−Ｂ　ａ−Ｃｕ
酸化物半導体層、３・・・Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜ソ
ース、４・・・Ｙ’Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜ドレイン、５
−８ｒＴｉｏ３絶縁膜、６−Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜
ゲート、７・・・Ｌａ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜チャネル
、８・・・Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物下部電極、９・・・Ｌ
ａ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物半導体層、１０・・・Ｙ−Ｂａ−
Ｃｕ酸化物上部電極、１１・・・接合部、１２・・・超
電導素子、１３・・・抵抗、１４・・・負荷抵抗。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、酸化物系の超電導材料および酸化物系の半導体材料
   により構成される超電導素子であって、上記超電導材料
   からなる二個の超電導電極が、上記酸化物系の半導体材
   料からなる薄膜を介して接続された構造からなり、上記
   酸化物系の半導体材料が上記酸化物系の超電導材料と同
   一の結晶構造系をなすＬａ、ＢａおよびＣｕを含む酸化
   物であり、かつ上記半導体薄膜に対して絶縁膜を介して
   電界を印加するためのゲート電極膜を有することを特徴
   とする三端子型の超電導素子。