JPH04118977A - 酸化物超電導三端子素子 - 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、電界効果型の酸化物超電導三端子素子に係り
、特に、低消費電力でスイッチング動作を行う超電導ス
イッチング素子等として、超電導エレクトロニクス分野
でディジタル回路、アナログ回路のいずれにも応用され
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、ジョセフソン素子と
比較して、三端子構造であり、人出方分離が十分であり
、電圧信号でスイッチングを行うことができ、かつ、直
流電源によって駆動できるという利点がある。

従来、電界効果を用いた超電導三端子素子として、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、超電動電子のしみ出し効果とＧ　ａ　Ａ　ｓあ
るいはＳｉの電界効果を用いたものの例がフィジカル　
レビュー　レダーズ、５４巻、２４４９頁、　１９８５
　（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ、
　Ｖｏｌ、５４．　ｐ、２４４９．１９８５）に記載さ
れている。この例においては、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っている。

すなわち、ＩｎＡｓ半導体基板の片面上にソース、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出し効果によって
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〕

前記従来の電界効果型三端子素子は、高臨界温度の酸化
物超電導材料に適用しようとした場合、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、チャン
ネル長は超電導コヒーレンスの長さ程度にする必要があ
ることから、素子の作製に非常に高度な技術を必要とす
る。チャ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
状態間のスイッチングである。

コヒーレンス長さは、半導体部のキャリア濃度や移動度
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　、５　ｕｍ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
物の超電導性が劣化する。特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、酸化物の半導体層を用い
ることが望ましい。しかるに酸化物系の半導体層は移動
度が低く、０．０１ｒｒｒ／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、チャンネル長もさらに短くする必要が
ある。現在の加工技術あるいはバタン形成技術をもって
しても、０．０５μｓ以下のバ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。このような構造は素子の作製をさらに困難にする
。

本発明の目的は、超電導電極膜に対して０．１μｓ以下
の微細な加工を必要とせず、微小なチャンネル長を実現
し、かつゲート電極への電圧信号によってスイッチング
動作を行わせ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、超電導
三端子素子を構成する半導体層、ゲート絶縁薄膜、およ
び超電導薄膜からなるソース電極、ドレイン電極、ゲー
ト電極を酸化物によって構成し、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、高温で熱処理を行う
ことによって基板との熱膨張係数の差で発生する結晶の
割れが存在する薄膜を用いる。これらの割れの部分は、
電気的に十分に分離されているようにする。この電気的
分離は、割れ部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って実現される。電気的に分
離された超電導薄膜の周辺部領域をソースおよびドレイ
ン電極となし、その中間部領域の結晶粒界間を半導体層
を介して電流が流れる構造とする。すなわち、半導体層
を挾んでソースおよびドレイン電極が配される構造とし
、そして半導体層の面上にゲート絶縁薄膜を介してゲー
ト電極を配する。

超電導薄膜、半導体層およびゲート絶縁薄膜を形成する
酸化物は、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物、Ｂ１−５ｒ−Ｃａ−
Ｃｕ酸化物、Ｌａ−８ｒ−Ｃｕ酸化物、　Ｔ　Ｑ−Ｂ　
ａ−Ｃａ　−Ｃｕ酸化物、Ｎｄ−Ｃｅ−Ｃｕ酸化物等の
Ｃｕを含むペロブカイト系結晶構造を基本とする酸化物
とする。

超電導三端子の構造に関して、素子の下側から順ニ、絶
縁性基板、ソースおよびドレイン電極膜と半導体層、ゲ
ート絶縁膜、さらにゲート電極膜が積層化された構造と
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、ゲート純縁膜、半導体層とソースおよびドレ
イン電極膜のように積層順序を逆転させた素子構造も可
能である。

上に述べたような電界効果型の超電導三端子素子の製造
方法の概要は次のとおりである。

ＳｒＴｉＯ３のような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℃以上の温度で膜形成を
行うことにより、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物等のペロブスカ
イト系結晶構造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
Ｙａ−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、７０
に以上の超電導特性を得ることができる。超電導膜の結
晶粒界の形成のひとつの方法は、ペロブスカイト系結晶
と基板との熱膨張係数の違いを利用し、膜形成時の５０
０℃以上の基板温度から室温基板温度に持ち来たらせた
ときに発生する割れ（クラック）を利用する方法である
。

〔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
のスイッ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ャ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、半導体層のキャ
リア濃度、移動度および動作温度に依存し、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
長さが長くなり、逆に動作温度を高くするにしたがって
、コヒーレンス長さが短くなる。ゲート番こ電圧を印加
した場合−半導体層のチャンネル部には蓄積層が形成さ
れ、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、必要なチャンネル長は０
．１〜０．５μｓである。酸化物系半導体の移動度は０
．０１ｒ＆／　Ｖ　ｓ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
ャンネル長として０．０５ＬＬ１１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で動作させる場合、このよう
な短いチャンネル長は必須である。しかし、−枚の超電
導薄膜から出発してこれを加工することによって、ソー
スとドレイン間の距離を０．０５ＬＬ１１以下にするこ
とは不可能である。これに対して１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ャンネル
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
して応力が加わった状態で膜形成を行った場合、結晶粒
界にはクラックが生じる。このような割れの形成を可能
ならしめるために、酸化物超電導薄膜と基板材との熱膨
張係数の差を利用する０例えば、　Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０
膜の熱膨張係数が１．５Ｘ１０−’／ｄｅｇであり、Ｓ
ｒＴｉＯ３膜のそれは１．ｌＸ１０−ｓ／ｄｅｇである
から、１ｄｅｇ当り４ＸＩＯ’″Ｓの差がある。

この差と酸化物薄膜のＣ軸方向の結合が弱いことを利用
することにより割れを形成できる。数値例を挙げると、
ＳｒＴｉＯ３基板の（１１０）上に形成し、８５０℃で
熱処理を施したＹＢａ−Ｃｕ−〇膜には平均してｌｏＬ
ＬＩＩ間隔で３０ｎｍ幅の割れが生じる。間隔や幅及び
割れの位置は走査型電子顕微鏡により検知できる。この
クランク部での結晶粒間隔は例えば膜形成後の熱処理温
度条件、基板材料の選択等によって任意に３１１節する
ことができる。熱処理温度が高くなるに伴って１間隔は
狭くなり、幅は広くなる。このような膜構造では結晶粒
界どうしが電気的に繋がらない。したがって超電導膜に
接して形成される半導体層を介して電流が流れることに
なる。結晶粒間での電気的な絶縁分離は、例えば酸化物
薄膜をフッ素プラズマに曝すことによって結晶粒界部に
フッ素等の不純物を侵入させることで、さらに十分な分
離となる。

本発明においては、さらに半導体層に対してソースおよ
びドレイン電極を両側に配し、ゲート電極をゲート絶縁
薄膜を介して半導体層上に配することにより、ゲート電
極膜幅に対する制限を除くとともに、０．０５ｕｍ以下
のチャンネル長を可能とするものである６以上のように
して、本発明は、液体窒素温度近傍の高温において動作
させることが可能な極微細寸法で、電界効果型の超電導
三端子素子を実現する。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いながら説明する。

第１図は本実施例の上面図、第２図はそのＸ−Ｘ断面図
である。基板１として５ｒＴｉＯ。

の（１１０）面方位単結晶基板を用い、この面上にＹ−
Ｂａ−Ｃｕの酸化物超電導薄膜２を７０ｎｍ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
によって行った。雰囲気ガスはアルゴンと酸素の５０％
ずつの混合ガスとし、全圧は３０ｍＴｏｒｒとする。タ
ーゲツト材はＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物の外径９０ｍの円板
状焼結体である。電源としては周波数１３．５６ＭＨｚ
で電力１００Ｗの高周波を用いた。膜形成時の基板温度
は７００℃とし、形成後、８５０℃の酸素雰囲気中で熱
処理を行い、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物超電導薄膜２を得る
。この膜の超電導臨界温度は８２にである。薄膜２はＳ
ｒＴｉＯ３基板の（ｌ　ｌ　Ｏ）面にエピタキシャル成
長し、Ｃ軸は（１１０）に対して面内で直交する。８５
０℃の熱処理を行うことで５ｒＴｉＯ３（１１０）に対
し、面に平行に沿って１０ｕｍ間隔で３０ＬＬＩＩ幅の
割れが形成される。

その後、ＣＦ４ガスを用いたプラズマ雰囲気中に膜表面
を曝す、これにより割れた界面においてフッ素化された
状態を形成する。ＣＦ４ガスのプラズマは、１００ｍＴ
ｏｒｒのＣＦ、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
。

以上の処理をしたＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物超電導薄膜に対
して、０．を用いたイオンビームエツチング法により、
ソース電極６およびドレイン電極７としてのパターンを
形成する０次に、半導体層３となるべき、ＰｒＢａ、Ｃ
ｕ、Ｏ，−ｘ酸化物薄膜を高周波マグネトロンスパッタ
リング法で形成する。膜形成温度は６５０℃、膜厚は２
００ｎｍとする・このＰ　ｒ　Ｂ　ａ、Ｃｕ、Ｏ，−ｘ
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、第１図に示す
ように、半導体層３としてのパターンを加工形成する。

次に、ゲート絶縁膜４を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。膜形成温度は６００℃以下と
し、膜厚は２０ｎｍとする。さらに、ゲート電極５とし
てＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜を、高周波マグネトロンス
パッタリング法によって１１００ｎの厚さに形成する。

雰囲気ガスはＡｒと酸素の５０％ずつの混合ガスとし全
圧は５０ｍＴｏｒｒとする。膜形成時の基板温度は６５
０℃とする。膜形成後は、積層間の拡散を防ぐ目的で、
熱処理を行わない。化学量論組成の膜を得ることにより
、超電導臨界温度は７２にである。以上の製造工程によ
り酸化物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、
ゲート電圧を印加しない場合、超電導電流が流れず、高
抵抗状態となった。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った。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。

〔発明の効果〕

本発明にかかる超電導三端子素子は次に述べような効果
を有する。

（１）半導体層として移動度の小さい酸化物半導体を用
いる場合に必要とされる０、０５μｓ以下のチャンネル
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
にの高温度においても超電導と常電導間、あるいは零電
圧状態と高低状状態間のスイッチングが可能となり、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備えていることにな
り、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
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の上面図、第２図はそのＸ−
Ｘ断面図である。 符号の説明 １・・・基板、２・・・酸化物超電導薄膜、３・・・半
導体層。 ４・・・ゲート絶縁膜、５・・・ゲート電極、６・・・
ソース電極、７・・・ドレイン電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超電導薄膜からなるソース・ドレイン電極およびゲ
   ート電極と、半導体層と、ゲート絶縁薄膜とによって構
   成される電界効果型の超電導三端子素子において、これ
   ら超電導薄膜、半導体層、ゲート絶縁薄膜が酸化物によ
   り構成され、かつソース・ドレイン電極を構成する超電
   導薄膜として熱処理時に基板との熱膨張係数の差で発生
   する結晶の割れが存在しこの結晶割れの部分で電気的に
   分離されている薄膜を用い、この電気的に分離された超
   電導薄膜の周辺部領域をソース・ドレイン電極とし、そ
   の中間部領域を半導体層を介して電流が流れる構造とし
   、かつ半導体層の面上にゲート絶縁薄膜を介してゲート
   電極が形成されていることを特徴とする酸化物超電導三
   端子素子。 ２、請求項１記載のソース・ドレイン電極を構成する超
   電導薄膜は、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ＿３
   ）の（１１０）方位上に成膜し、Ｃ軸が［１１０］に対
   し面内で直角な膜を用いることを特徴とする酸化物超電
   導三端子素子。 ３、請求項１記載の超電導薄膜、半導体層およびゲート
   絶縁薄膜を構成する酸化物が、ペロブスカイト系結晶構
   造を有する酸化物であることを特徴とする酸化物超電導
   三端子素子。 ４、請求項１記載のソース・ドレイン電極を構成する超
   電導薄膜は、ＳｒＴｉＯ＿３単結晶材の（１１０）基板
   を用い、６００℃以上の温度で膜形成を行い、さらに８
   ００℃以上で熱処理を行うことを特徴とする酸化物超電
   導三端子素子。