JPH04134886A

JPH04134886A - 超電導素子および作製方法

Info

Publication number: JPH04134886A
Application number: JP2257856A
Authority: JP
Inventors: Takao Nakamura; 孝夫中村; Hiroshi Inada; 博史稲田; Michitomo Iiyama; 飯山　道朝
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-09-27
Filing date: 1990-09-27
Publication date: 1992-05-08
Anticipated expiration: 2012-09-24
Also published as: JP2656853B2

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、超電導素子およびその作製方法に関する。よ
り詳細には、新規な構成の超電導素子およびその作製方
法に関する。

従来の技術超電導を使用した代表的な素子に、ジョセフソン素子が
ある。ジョセフソン素子は、一対の超電導体をトンネル
障壁を介して結合した構成であり、高速スイッチング動
作が可能である。しかしながら、ジョセフソン素子は２
端子の素子であり、論理回路を実現するためには複雑な
回路構成になってしまう。

一方、超電導を利用した３端子素子としては、超電導ベ
ーストランジスタ、超電導ＦＥＴ等がある。第３図に、
超電導ベーストランジスタの概念図を示す。第３図の超
電導ベーストランジスタは、超電導体または常電導体で
構成されたエミッタ２１、絶縁体で構成されたトンネル
障壁２２、超電導体で構成されたベース２３、半導体ア
イソレータ２４および常電導体で構成されたコレクタ２
５を積層した構成になっている。この超電導ベーストラ
ンジスタよ、トンネル障壁２２を通過した高速電子を利
用した低電力消費で高速動作する素子である。

第４図に、超電導ＦＥＴの概念図を示す。第４図の超電
導ＦＥＴは、超電導体で構成されている超電導ソース電
極４１および超電導ドレイン電極４２が、半導体層４３
上に互いに近接して配置されている。超電導ソース電極
４１および超電導ドレイン電極４２の間の部分の半導体
層４３は、下側が大きく削られ厚さが薄くなっている。

また、半導体層４３の下側表面にはゲート絶縁膜４６が
形成され、ゲート絶縁膜４６上にゲート電極４４が設け
られている。

超電導ＦＥＴは、近接効果で超電導ソース電極４１およ
び超電導ドレイン電極４２間の半導体層４３を流れる超
電導電流を、ゲート電圧で制御する低電力消費で高速動
作する素子である。

さらに、ソース電極、ドレイン電極間に超電導体でチャ
ネルを形成し、この超電導チャネルを流れる電流をゲー
ト電極に印加する電圧で制御する３端子の超電導素子も
発表されている。

発明が解決しようとする課題上記の超電導ベーストランジスタおよび超電導ＦＥＴは
、いずれも半導体層と超電導体層とが積層された部分を
有する。ところが、近年研究が進んでいる酸化物超電導
体を使用して、半導体層と超電導体層との積層構造を作
製することは困難である。また、この構造が作製できて
も半導体層と超電導体層の間の界面の制御が難しく、素
子として満足な動作をしなかった。

また、超電導ＦＥＴは、近接効果を利用するため、超電
導ソース電極４１および超電導ドレイン電極４２を、そ
れぞれを構成する超電導体のコヒーレンス長の数倍程度
以内に近接させて作製しなげればならない。特に酸化物
超電導体は、コヒーレンス長が短いので、酸化物超電導
体を使用した場合には、超電導ソース電極４１および超
電導ドレイン電極４２間の距離は、数ｌＱｎｍ以下にし
なければならない。このような微細加工は非常に困難で
あり、従来は酸化物超電導体を使用した超電導ＦＥＴを
再現性よく作製できなかった。

さらに、従来の超電導チャネルを有する超電導素子は、
変調動作は確認されたが、キャリア密度が高いため、完
全なオン／オフ動作ができなかった。酸化物超電導体は
、キャリア密度が低いので、超電導チャネルに使用する
ことにより、完全なオン／オフ動作を行う上記の素子の
実現の可能性が期待されている。しかしながら、超電導
チャネルを５ｎｍ以下の厚さにしなければならず、その
ような構成を実現することは困難であった。

そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し
た、新規な構成の超電導素子およびその作製方法を提供
することにある。

課題を解決するための手段本発明に従うと、基板上に成膜された酸化物超電導薄膜
に形成された超電導チャネルと、該超電導チャネルの両
端近傍に配置されて該超電導チャネルに電流を流すソー
ス電極およびドレイン電極と、前記超電導チャネル上に
配置されて該超電導チャネルに流れる電流を制御するゲ
ート電極を具備する超電導素子において、前記超電導チ
ャネルが、前記酸化物超電導薄膜中に前記基板の成分元
素と反応して超電導性を失った非超電導領域によって形
成さていることを特徴とする超電導素子が提供される。

また、本発明では、基板上に酸化物超電導薄膜を形成し
、該酸化物超電導薄膜の一部に局所的に光を照射して前
記酸化物超電導薄膜を構成する酸化物超電導体と前記基
板の成分元素を反応させ、前記非超電導領域を形成する
工程を含むことを特徴とする超電導素子の作製方法が提
供される。

作用本発明の超電導素子は、酸化物超電導体による超電導チ
ャネルと、超電導チャネルに電流を流すソース電極およ
びドレイン電極と、超電導チャネルを流れる電流を制御
するゲート電極とを具備する。本発明の超電導素子では
、各電極は必ずしもｆｆｌ電導電極である必要がない。

また、従来の超電導ＦＥＴが、近接効果を利用して半導
体中に超電導電流を流すのに対し、本発明の超電導素子
では、主電流は超電導体中を流れる。従って、従来の超
電導ＦＥＴを作製するときに必要な微細加工技術の制限
が緩和される。

超電導チャネルは、ゲート電極に印加された電圧で開閉
させるために、ゲート電極により発生される電界の方向
で、厚さが５ｎｍ以下でなければならない。本発明の主
眼は、このような極薄の超電導チャネルを実現すること
にある。本発明の超電導素子では、酸化物超電導薄膜を
構成する酸化物超電導体と反応した基板の成分元素によ
り酸化物超電導薄膜中に非超電導領域が形成され、この
非超電導領域により薄くなった超電導部分を超電導チャ
ネルとする。

本発明の超電導素子では、上記の非超電導領域により、
極薄の超電導チャネルを形成する。従って、この非超電
導領域は、超電導素子の超電導チャネル部分の下側とな
る酸化物超電導薄膜の一部に形成されなければならない
。従って、本発明の方法では、例えば、レーザ装置、ハ
ロゲンランプ等を使用して酸化物超電導薄膜の超電導チ
ャネルとなる部分に局所的に光を照射し、下方の基板の
成分元素と反応させる。

本発明の超電導素子において、基板には、ＭｇＯ。

ＳｒＴ　ｉ　Ｏ３等の酸化物単結晶基板が使用可能であ
る。

これらの基板上には、配向性の高い結晶からなる酸化物
超電導薄膜を成長させることが可能であるので好ましい
。また、表面に絶縁層を有する半導体基板を使用するこ
ともできる。

また、本発明の超電導素子には、Ｙ　−Ｂａ−Ｃｕｏ系
酸化物超電導体、Ｂｉ　−３ｒ　−Ｃａ　−Ｃｕ　−０
系酸化物超電導体、Ｔｌ　−Ｂａ−Ｃａ　−Ｃｕ　−０
系酸化物超電導体等任意の酸化物超電導体を使用するこ
とができる。

以下、本発明を実施例により、さらに詳しく説明するが
、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎず、本発明
の技術的範囲をなんら制限するものではない。

実施例第１図に、本発明の超電導素子の断面図を示す。

第１図の超電導素子は、基板５上に成膜され、基板成分
と反応して超電導性を失った非超電導領域５０が形成さ
れた酸化物超電導薄膜１を有する。酸化物超電導薄膜１
の非超電導領域５０の上の部分は、厚さ約５ｎｍの極薄
の超電導チャネル１０になっている。超電導チャネル１
０の上には絶縁層６を介して、ゲート電極４が配置され
、酸化物超電導薄膜１上の超電導チャネル１０の両側に
は、ソース電極２およびドレイン電極３が配置されてい
る。

第２図を参照して、本発明の超電導素子を本発明の方法
で作製する手順を説明する。まず、第２図（ａ）に示す
ような基板５上に第２図ら）に示すよう酸化物超電導薄
膜１を、オファクシススバッタリング法、反応性蒸着法
、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法等の方法で形成する。酸化物超電
導薄膜１の厚さは２００〜３００　ｎｍが好ましく、酸
化物超電導体としては、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系酸化物超
電導体、Ｂｉ　−５ｒ　−ＣａＣｕ−〇系酸化物超電導
体、ＴＩ　−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ　−０系酸化物超電導体
が好ましく、Ｃ軸配向の薄膜とすることが好ましい。こ
れは、Ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜は、基板と平行な方
向の臨界電流密度が大きいからである。基板５としては
、Ｍｇ０（１００）基板、５ｒＴｉ○３　（１００）基
板等の絶縁体基板、または表面に、例えばＭｇＡｌｚＯ
＜およびＢａＴ１０３を積層した絶縁膜を有するＳｉ等
の半導体基板が好ましい。

次に、第２図（Ｃ）に示すよう酸化物超電導薄膜１上に
絶縁膜１６を成膜する。絶縁膜１６の厚さは約１０ｎｍ
以上のトンネル電流が無視できる厚さにする。

絶縁膜１６にはＭｇＯ等酸化物超電導薄膜との界面で大
きな準位を作らない絶縁体を用いることが好ましく、機
械的応力の減少の点から、酸化物超電導体と組成の近い
絶縁膜を酸化物超電導薄膜１に連続して形成することも
好ましい。

絶縁膜１６上に第２図（ｄ）に示すようフォトレジスト
膜８を形成し、さらにその上に第２図（ｅ）に示すよう
Ａ１等の反射膜９を形成する。反射膜９およびフォトレ
ジスト膜８を第２図（ｆ）に示すようエツチングして、
反射膜９１．９２、フォトレジスト膜８１．８２に分割
し、絶縁膜１６が露出するような開口部１１を設ける。

次いで、上側からレーザ光を照射するか、ランプアニー
ル法により、開口部１１の下方の酸化物超電導薄膜１と
基板５を反応させ、第２図（ｇ）に示すよう非超電導領
域５０を形成する。この際、酸化物超電導薄膜１の非超
電導領域５０の上側には、厚さ約５ｎｍの超電導領域が
残り、超電導チャネル１０となるよう、光の照射時間、
照射部の温度を制御する。

非超電導領域５０を形成したら、開口部１１に露出して
いる絶縁膜１６の表面を清浄にし、第２図口に示すよう
ゲート電極４を、ＡｕまたはＴ１、Ｗ等の高融点金属、
これらのシリサイドを材料とし、蒸着法等で形成する。

この際、反射膜９１．９２上にも同時にゲート電極４と
等しい材料の膜７１．７２が堆積するが、これらは、フ
ォトレジスト膜８１．８２とともに除去する。

最後に、第２図（１）に示すよう、絶縁膜１６をエツチ
ングし、ゲート電極の絶縁層６に加工し、ゲート電極の
両側にソース電極２およびドレイン電極３を形成して、
本発明の超電導素子が完成する。

絶縁膜１６をエツチングする場合には、必要に応じてサ
イドエッチを促進し、絶縁層６の長さを減少させる。

本発明の超電導素子を本発明の方法で作製すると、超電
導ＦＥＴを作製する場合に要求される微細加工技術の制
限が緩和される。また、表面が平坦にできるので、後に
必要に応じ配線を形成することが容易になる。従って、
作製が容易であり、素子の性能も安定しており、再現性
もよい。

発明の詳細な説明したように、本発明の超電導素子は、超電導チャ
ネル中を流れる超電導電流をゲート電圧で制御する構成
となっている。従って、従来の超電導ＦＥＴのように、
超電導近接効果を利用していないので微細加工技術が不
要である。また、超電導体と半導体を積層する必要もな
いので、酸化物超電導体を使用して高性能な素子が作製
できる。

本発明により、超電導技術の電子デバイスへの応用がさ
らに促進される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の超電導素子の概略図であり、第２図
は、本発明の方法により本発明の超電導素子を作製する
場合の工程を示す概略図であり、第３図は、超電導ベー
ストランジスタの概略図であり、第４図は、超電導ＦＥＴの概略図である。〔主な参照番号〕１・・・酸化物超電導薄膜、２・・・ソース電極、３・・・ドレイン電極、４・・・ゲート電極、　５・・・基板

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板上に成膜された酸化物超電導薄膜に形成され
た超電導チャネルと、該超電導チャネルの両端近傍に配
置されて該超電導チャネルに電流を流すソース電極およ
びドレイン電極と、前記超電導チャネル上に配置されて
該超電導チャネルに流れる電流を制御するゲート電極を
具備する超電導素子において、前記超電導チャネルが、
前記酸化物超電導薄膜中に前記基板の成分元素と反応し
て超電導性を失った非超電導領域によって形成されてい
ることを特徴とする超電導素子。
（２）請求項１に記載の超電導素子を作製する方法にお
いて、基板上に酸化物超電導薄膜を形成し、該酸化物超
電導薄膜の一部に局所的に光を照射して前記酸化物超電
導薄膜を構成する酸化物超電導体と前記基板の成分元素
を反応させ、前記非超電導領域を形成する工程を含むこ
とを特徴とする超電導素子の作製方法。