JPH04167572A - 超電導素子および作製方法 - 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
ンジスタは、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、ドレイン電極闇に超電導体でチャ
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ければならない。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ＩＱｎｍ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。

一方、上記超電導素子の高速なオン／オフ動作を実現す
るためには、超電導チャネルのゲート長を短縮すること
が必要である。超電導チャネルのゲート長を短縮するた
めには、ゲート電極の形状を超電導チャネルの電流が流
れる方向に薄く　（約１００　ｎｍ以下に）しなければ
ならい。酸化物超電導体上に、微細加工で上記寸法のゲ
ート電極を再現性よく形成することはやはり困難である
。

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
で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、前記超電導チャネルを構成する酸化
物超電導体で構成された酸化物超電導薄膜による超電導
ソース電極および超電導ドレイン電極と、前記超電導チ
ャネル上にゲート絶縁層を介して配置され、該超電導チ
ャネルに流れる電流を制御し、且つ前記超電導チャネル
を構成する酸化物超電導体で構成された超電導ゲート電
極とを具備する超電導素子において、前記超電導チャネ
ル上に凝集により電気的接合が得られる絶縁体膜を具備
し、前記超電導ソース電極および超電導ドレイン電極が
、該凝集により電気的接合が得られる絶縁体膜上に配置
され、該凝集により前記超電導チャネルとの間で電気的
接合を実現されており、前記超電導チャネルの酸化物超
電導薄膜が、Ｃ軸配向の酸化物超電導体結晶で構成され
、前記超電導ソース電極、超電導ドレイン電極および超
電導ゲート電極の酸化物超電導薄膜が、Ｃ軸配向の酸化
物超電導体結晶で構成され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、上記の超電導素子を作製する方法と
して、前記基板上に薄いＣ軸配向の酸化物超電導薄膜を
成膜し、該Ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜の上に凝集によ
り電気的接合が得られる絶縁体膜を形成し、該絶縁体膜
上にＣ軸配向の酸化物超電導薄膜を前記Ｃ軸配向の酸化
物超電導薄膜との間で電気的接合が実現するよう形成す
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。

罫月 本発明の超電導素子は、Ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜に
よる超電導チャネルと、超電導チャネルの両端上方に配
置されたＣ軸配向の酸化物超電導薄膜による超電導ソー
ス電極および超電導ドレイン電極と、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、超電導チャネルと超電導ソース電極
および超電導ドレイン電極とで結晶方向が異なる酸化物
超電導体の薄膜を使用している。

また、超電導チャネルと超電導ソース電極および超電導
ドレイン電極との間には、ＭｇＯ等凝集により電気的接
合が実現する絶縁体膜が配置されている。超電導チャネ
ルと超電導ソース電極および超電導ドレイン電極との間
の電気的な接合は、上記の絶縁体の凝集により成立して
いる。

従来の超電導ＦＥＴが、超電導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５ｎｏ＋以下でなければならない。本発明の
超電導素子の超電導チャネルは厚さが５ｎｍ以下である
が、本発明の方法でハ二の極薄の超電導チャネルを微細
加工技術を使用しないで実現している。

本発明の超電導素子では、上記の超電導チャネル上に極
薄のゲート電極が絶縁層を介して配電されている。本発
明の超電導素子は、この極薄のゲート電極により、超電
導チャネルのゲート長が短く構成され、オン／オフ動作
が高速になっている。

酸化物超電導体は、一般に結晶方向により超電導特性が
異なり、特に臨界電流密度は結晶のＣ軸に垂直な方向が
大きい。この結果、従来のソース電極、ドレイン電極の
構造では、極薄の超電導チャネルに均一に電流を流すこ
とは離しい。本発明の超電導素子では、超電導ソース電
極および超電導ドレイン電極では主電流が基板に垂直な
方向に流れ、超電導チャネルで゛は基板に平行な方向に
流れる。即ち、本発明の超電導素子は、超電導ソース電
極、超電導ドレイン電極および超電導チャネルのいずれ
もが酸化物超電導体の臨界電流密度の大きい方向に主電
流が流れるように構成されている。

本発明の方法では、最初に基板上に約５ｎｍ以下の厚さ
のＣ軸配向の酸化物超電導薄膜を成膜する。

このような極薄の酸化物超電導薄膜を成膜するには、薄
膜の成長速度をおよび成膜時間を厳密に制御する方法が
一般的であり、スパッタリング法等を使用する場合はこ
の方法が好ましい。しかしながら、酸化物超電導体結晶
は、各構成元素がそれぞれ層状に重なった結晶構造であ
るので、ＭＢＥ（分子ビームエピタキシ）法で適当な数
の酸化物超電導体のユニットセルを積み上げる方法も好
ま、　　しい。また、Ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜は、
成膜時の基板温度を約７００℃とすることにより形成す
ることが可能である。

一方、本発明の超電導素子では、上記のＣ軸配向の酸化
物超電導薄膜上に、凝集により電気的接合が実現する絶
縁体の膜を形成する。超電導ソース電極および超電導ド
レイン電極は、上記の絶縁体膜上に形成され、絶縁体の
凝集により超電導チャネルとの電気的接合を成立させて
いる。

また、本発明の超電導素子では、超電導ソース電極およ
び超電導ドレイン電極はＣ軸配向の酸化物超電導薄膜で
構成しなければならない。Ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜
は、成膜時の基板温度を約６５０℃以下とすることによ
り形成可能である。

本発明の方法に従って本発明の超電導素子を作製する場
合、酸化物超電導薄膜を微細に加工する工程が一切存在
しない。従って、従工技術の制限が緩和される。

本発明の超電導素子において、基板には、ＭｇＯ１Ｓｒ
ＴｉＯ８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−Ｃｕ　−
０系酸化物超電導体、Ｂｉ　−３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ　−０
系酸化物超電導体、ＴＩ　−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上に成膜された酸化物超
電導薄膜による超電導チャネル１を具備する。超電導チ
ャネル１上には、絶縁膜６が形成され、絶縁膜６の両端
上に超電導ソース電極２および超電導ドレイン電極３を
具備する。絶縁膜６の中央上には、絶縁層７に囲まれた
超電導ゲート電極４が配置されている。

基板５は、Ｍｇ０（１００）基板、５ｒＴｉＯｚ　　（
１００）基板またはＣｄＮｄ＾１０．（００１）等の絶
縁体基板である。超電導チャネル１は厚さ約５ｒ＋＋ｎ
の極薄のＣ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成され、超電
導ソース電極２および超電導ドレイン電極３は、厚さ約
２００　ｎ＋ｎのａ゛軸配向の酸化物超電導薄膜で構成
されている。超電導ゲート電極４は、超電導チャネル１
と平行な方向の厚さが約１０ｏｎω以下のやはりＣ軸配
向の酸化物超電導薄膜で構成されている。

超電導ゲート電極４の周囲の絶縁層７は、トンネル効果
が無視し得る厚さ約ＩＱｎｍ以上のＭｇＯ１ＳＩＮ等の
層で構成されている。

絶縁膜６は、厚さ約ＩＱｎｍ以下のＭｇＯ膜であり、超
電導ソース電極２および超電導ドレイン電極３の下の部
分はＭｇＯが凝集して、それぞれ超電導ソース電極２お
よび超電導ドレイン電極３と超電導チャネルｌとの間の
電気的接合が成立している。

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の表面に第２図ら）に示すよう約５ｎｍ以
下の極薄のＣ軸配向の酸化物超電導薄膜をオファクシス
スバッタリング法、反応性蒸着法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法
等の方法で形成し、超電導チャネル１を作製する。オフ
ァクシススバッタリング法で酸化物薄膜１１を形成する
場合の成膜条件を以下に示す。

スパッタリングガス　　　Ａｒ　　：９０％０２：１０
％ 圧　　　　力　　　　　　　　　１０　　Ｐａ基板温度
　　７００℃ 基板５としては、上述のようにＭｇ０（１００）基板、
ＳｒＴ＋Ｏｈ　（１００）基板、ＣｄＮｄＡｌＯ４（０
０１）等の絶縁体基板、または表面に絶縁膜を有するＳ
ｉ等の半導体基板が好ましい。このＳｉ基板の表面には
ＣＶＤ法でＭｇＡｌ２Ｏ５層が形成され、その上にスパ
ッタリング法でＢａＴ＋Ｏｚが積層されていることが好
ましい。

酸化物超電導体としては、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系酸化物
超電導体、Ｂｉ　−３ｒ−Ｃａ　−Ｃｕ　−０系酸化物
超電導体、ＴＩ　−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−○系酸化物超電
導体が好ましい。

次に、第２図（Ｃ）に示すよう超電導チャネルｌ上に絶
縁膜６を積層する。絶縁膜６の厚さは約ＩＱｎｍ以下に
する。絶縁膜６にはＭｇＯ等凝集により電気的接合が成
立する絶縁体を用いることが好ましい。

次いでこの絶縁膜６の右半分上に第２図（６）に示すよ
う、例えばＭｏ等の昇華型のレジスト膜８を真空蒸着法
等で形成する。

第２図（ｅ）に示すよう絶縁膜６のレジスト膜８に覆わ
れていない部分に、ａ軸配向の約２００　ｎｍの厚さの
酸化物超電導薄膜を成膜して、超電導ソース電極２を形
成する。超電導ソース電極２は、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
で基板温度を約６５０℃以下として形成する。オファク
シススバッタリング法で超電導ソース電極２を形成する
場合の成膜条件を以下に示す。

スパッタリンクカス　　　Ａｒ　　：９０％０２：１０
％ 圧　　　　力　　　　　　　　　　１０　　Ｐａ基板温
度　　６４０℃ 絶縁膜６の超電導ソース電極２の下側の部分には、Ｍｇ
Ｏが凝集し、超電導ソース電極２と超電導チャネル１と
が電気的に接合されるようにする。

昇華型のレジスト膜は成膜中に昇華し、絶縁膜６の右側
が露出する。

次に第２図（ｆ）に示すよう、超電導ソース電極２およ
び絶縁膜６上に連続して、ＭｇＯ１ＳｉＮ等の絶縁膜７
０を形成する。絶縁膜７０はゲート絶縁層になるので、
厚さは約ＩＱｎｍ以上のトンネル電流が無視できる厚さ
とする。

このように絶縁膜７０を形成したら、第２図（ｇ）に示
すよう絶縁膜７０上に酸化物超電導薄膜１４を形成する
。酸化物超電導薄膜１４は、ａ軸配向で厚さ約１００　
ｎｍ以下とする。成膜方法は、超電導ソース電極２と等
しいオファクシススバッタリング法で、基板温度を約６
５０℃以下にする。

次に、反応性イオンエツチング、Ａｒイオンミリング等
の方法で、第２図（社）に示すよう酸化物超電導薄膜１
４および絶縁膜７０を異方性エツチングして、超電導ソ
ース電極２の側面に隣接する絶縁層７０および超電導ゲ
ート電極を形成する。絶縁膜６の右側部分は再び露出す
るようエツチングする。

このようにエツチングしたら、第２図（ｉ）に示すよう
絶縁膜７２を超電導ソース電極２上、絶縁膜７１上、超
電導ゲート電極４上および絶縁膜６の露出部分上に連続
して形・成する。絶縁膜７２は、絶縁膜７１と等しい絶
縁体を用いる。この絶縁膜７２をやはり、反応性イオン
エツチング、Ａｒイオンミリング等の方法で異方性エツ
チングし、第２図Ｃノ）に示すよう超電導ゲート電極４
の周囲のゲート絶縁層７を形成する。絶縁膜６の右側部
分は、また露出するようエツチングする。

次に、第２図（２）に示すよう超電導ソース電極２上、
絶縁膜７上、超電導ゲート電極４上および絶縁膜６の露
出部分上に連続して、酸化物超電導薄膜１３を成膜する
。酸化物超電導薄膜１３は、ａ軸配向で厚さ約２００　
ｎｍとする。成膜方法は、超電導ソース電極２、超電導
ゲート電極４と等しいオファクシススバッタリング法で
、基板温度を約６５０℃以下にする。酸化物超電導薄膜
１３と絶縁膜６との界面部分にはＭｇＯが凝集し、酸化
物超電導薄膜１３と超電導チャネル１とが電気的に接合
されるようにする。

酸化物超電導薄膜１３上にフォトレジストを表面が平ら
になるよう被覆し、第２図（１）に示すよう、超電導ゲ
ート電極４が表面に露出するまでＡｒイオンエツチング
等で平坦にして本発明の超電導素子が完成する。

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、超電導チャネルに均一に電流を
流すことができるので素子の性能を向上させることがで
きる。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。さらにゲート電極を薄く構成で
きるので高速動作が可能である。

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。

さらに、本発明の超電導素子は、極薄のゲート電極によ
り、超電導チャネルのゲート長が短く構成されているの
で、オン／オフ動作が高速である。

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・・・超電導チャネル、 ２・・・超電導ソース電極、 ３・・・超電導ドレイン電極、 ４・・・超電導ゲート電極、 ５・・・基板 特許出願人　　住友電気工業株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に成膜された酸化物超電導薄膜で形成され
   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、前記超電導チャネルを構成する酸化物超電導体
   で構成された酸化物超電導薄膜による超電導ソース電極
   および超電導ドレイン電極と、前記超電導チャネル上に
   ゲート絶縁層を介して配置され、該超電導チャネルに流
   れる電流を制御し、且つ前記超電導チャネルを構成する
   酸化物超電導体で構成された超電導ゲート電極とを具備
   する超電導素子において、前記超電導チャネル上に凝集
   により電気的接合が得られる絶縁体膜を具備し、前記超
   電導ソース電極および超電導ドレイン電極が、該凝集に
   より電気的接合が得られる絶縁体膜上に配置され、該凝
   集により前記超電導チャネルとの間で電気的接合を実現
   されており、前記超電導チャネルの酸化物超電導薄膜が
   、ｃ軸配向の酸化物超電導体結晶で構成され、前記超電
   導ソース電極、超電導ドレイン電極および超電導ゲート
   電極の酸化物超電導薄膜が、ａ軸配向の酸化物超電導体
   結晶で構成されていることを特徴とする超電導素子。
2. （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、前記基板上に薄いｃ軸配向の酸化物超電導薄膜を
   成膜し、該ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜の上に凝集によ
   り電気的接合が得られる絶縁体膜を形成し、該絶縁体膜
   上にａ軸配向の酸化物超電導薄膜を前記ｃ軸配向の酸化
   物超電導薄膜との間で電気的接合が実現するよう形成す
   る工程を含むことを特徴とする超電導素子の作製方法。