JPH0479382A

JPH0479382A - 超電導素子および作製方法

Info

Publication number: JPH0479382A
Application number: JP2194457A
Authority: JP
Inventors: Michitomo Iiyama; 飯山　道朝
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-07-23
Filing date: 1990-07-23
Publication date: 1992-03-12

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、酸化物超電導体による超電導体層とこの超
電導体層に隣接する半導体層を具備し、新規な構成の超
電導素子およびその作製方法に関する。

従来の技術酸化物超電導体を超電導素子に使用する場合、酸化物超
電導体層を絶縁体、半導体等の層と積層した構造とする
ことが必要となる。例えば、超電導ベーストランジスタ
と称される超電導素子は、第１図に示すよう、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２５を積層した構成になっている。

上記の超電導ベーストランジスタでは、超電導トンネル
接合と、超電導ベースにより高速動作を実現している。

超電導トンネル接合のトンネル障壁の厚さは、超電導体
のコヒーレンス長の数倍程度にしなければならない。酸
化物超電導体は、コヒーレンス長が非常に短いたと、酸
化物超電導体を使用した超電導トンネル接合では、トン
ネル障壁の厚さを数ｎｍ程度にしなければならない。

また、上記の超電導ベーストランジスタでは、超電導体
ベース２３と半導体アイソレータ２４との界面で超電導
体ベース２３を走行してきた電子が反射されることがあ
る。従って、超電導体−半導体の界面制御も重要である
。

一方、素子としての特性を考慮すると、上記の各層の結
晶性がよくなければならない。即ち、全ての層が単結晶
で形成されていることが好ましく、多結晶またはアモル
ファスの層がある場合には、素子の性能は安定しない。

発明が解決しようとする課題従来の酸化物超電導体を用いた超電導ベーストランジス
タは、適当な基板上に上記の各層を順に積層することで
実現されていた。従って、優れた特性の素子を作製する
には、数ｎｍの厚さの単結晶の絶縁体薄膜、酸化物超電
導薄膜および半導体薄膜を積層することが必要であった
。

しかしながら、酸化物超電導薄膜上に結晶性のよい他の
材料の薄膜を作製することは困難であり、また、結晶性
のよい酸化物超電導薄膜が成膜できる下地基板も限られ
ている。

また、上記従来の方法で作製した従来の構成の超電導ベ
ーストランジスタでは、酸化物超電導薄膜と半導体薄膜
との界面の状態が良好でなく所望の特性が得られなかっ
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れを作製する方
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、超電導体層と該超電導体層に隣接する
半導体層とを有する超電導素子において、前記超電導体
層および前記半導体層が同一の基板上に配置され、前記
超電導体層が酸化物超電導体で構成され、前記半導体層
が不純物を含む前記酸化物超電導体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、本発明においては、上記の超電導素子を作製する
方法として、基板上に一定の配向性を有する酸化物超電
導体結晶で構成された酸化物超電導薄膜を成膜し、該酸
化物超電導薄膜上の一部に不純物を拡散させることによ
って半導体層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体
層および半導体層が同一の基板上に隣接して配置されて
いる。また、半導体層は、超電導体層を構成している酸
化物超電導体で、不純物を含むことにより半導体的特性
を示す酸化物で構成されている。特に作製方法の面から
換言すれば、本発明の超電導素子は、基板上に形成され
た酸化物超電導薄膜の一部に「不純物を加えて」形成し
た半導体層を具備する。

上記のような構成を有する本発明の超電導素子は、もと
もと一体に形成した酸化物超電導薄膜で構成されており
、また、構成元素、結晶構造は、どの部分も等しい。従
って、従来の超電導素子と異なり、全ての層の結晶性が
よい。

上記の本発明の超電導素子は、基板上に酸化物超電導薄
膜を形成し、この薄膜に、全幅および全厚に亘って不純
物を拡散させた部分を形成することにより作製できる。

酸化物超電導薄膜中に不純物を拡散させる方法には、拡
散させる不純物を含んだ薄膜を酸化物超電導薄膜上に積
層して熱処理を行う方法、イオン注入を行う方法がある
。特に、酸化物超電導体は、結晶のＣ軸と垂直な方向に
不純物が拡散し易い。従って、結晶のＣ軸が基板表面に
平行な、即ちａ軸またはｂ軸配向の薄膜を形成し、この
薄膜上の一部に不純物を含んだ層を形成し、熱処理を行
うことにより、本発明の超電導素子を作製可能である。

酸化物超電導薄膜中に拡散させる不純物としては、Ｓｉ
等が好ましい。これは、Ｓｉを酸化物超電導体に拡散さ
せると、半導体的特性を示すようになるからである。従
って、Ｓｉを不純物として含む上記半導体−酸化物超電
導体界面の状態は極めて良好となる。

本発明の超電導素子には、任意の酸化物超電導体が使用
できるが、Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７，−Ｘ系酸化物超電導
体は安定的に高品質の結晶性のよい薄膜が得られるので
好ましい。また、Ｂｉ２Ｓｒ、Ｃａ２Ｃｕ３０．系酸化
物超電導体は、特にその超電導臨界温度Ｔｃが高いので
好ましい。

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。

実施例本発明の方法により本発明の超電導素子の一例として超
電導ベーストランジスタを作製した。基板にはＭｇＯ単
結晶基板を用い、酸化物超電導体にはＹ　＋Ｂａ２Ｃｕ
３０ｉ−ｘを使用した。第２図（ａ）〜（１）を参照し
て、作製手順を説明する。

まず、ＭｇＯ（１００）基板４上に、スパッタリンク′
法により、第２図（ａ）に示すよう基板表面にａ軸が垂
直な（ａ軸配向の）　Ｙ＋Ｂａ２Ｃｕ：＋０ｔ−ｘ超電
導薄膜１を形成した。主な成膜条件を以下に示す。

基板温度　　　６３０℃ スパッタリングガス　Ａｒ　　９０％０２１０％圧　　　力　　　　　５　Ｘｌ０−２Ｔｏｒｒ膜　　　
厚　　　　４００ｎｍ次に、この酸化物超電導薄膜１上に第２図ら）に示すよ
う、厚さ３００　ｎｍのＡｕ薄膜５を真空蒸着法により
形成した。このＡｕ薄膜５上の左側を第２図（Ｃ）に示
すようフォトレジスト６で被覆し、第２図（ｄ）に示す
ようＡｒイオンミリングにより酸化物超電導薄膜１の右
側が露出するまでエツチングを行った。

この酸化物超電導薄膜１の露出した部分は、半導体とな
る部分である。

フォトレジスト６および酸化物超電導薄膜１の露出した
部分上に、スパッタリング法により、第２図（ｅ）に示
すよう多結晶Ｓ１薄膜７１および７２をＡｕ薄膜５と同
じ＜３００ｎｍの厚さに形成する。リフトオフ法により
フォトレジスト６および多結晶Ｓ１薄膜７１を除去し、
第２図（ｆ）に示すようＡｕ薄膜５および多結晶Ｓｉ薄
膜７２上にフォトレジスト６１および６２を形成する。

この場合、フォトレジスト６１および６２はできるだけ
接近させ、また、両者の間の隙間は、Ａｕ薄膜５上にな
るように形成する。

再びＡｒイオンミリングによるエツチングを行い、Ａｕ
薄膜５を第２図（ｇ）に示すよう５１および５２に分割
する。次に、斜め蒸着により、第２図卸に示すようＡｕ
薄膜５１および５２間が３ｎｍに狭まるようＡｕ薄膜８
１および８２を堆債させる。リフトオフ法により、第２
図（ｉ）に示すようフォトレジスト６１および６２、Ａ
ｕ薄膜８１およびＡｕ薄膜８２の余分な部分を除去する
。

このように、加工した薄膜を高真空中で熱処理する。熱
処理条件を、以下に示す。

圧力（真空度）　　Ｉ　Ｘｌ０−”Ｔｏｒｒ基板温度　
　　７００℃ 処理時間　　　　３分間熱処理後、多結晶Ｓ１薄膜７２をＡｒイオンミリングに
より除去し、第２図（Ｊ）に示すようＡｕ薄膜５３をＡ
ｕ薄膜５２から離して形成する。上記の熱処理によりＡ
ｕ薄膜５１および８２の隙間の部分の酸化物超電導薄膜
１の部分は、結晶中の酸素が抜けて絶縁体３となり、Ａ
ｕ薄膜５１の下側の部分は第１の超電導体層１１に、Ａ
ｕ薄膜５２の下側の部分は第２の超電導体層１２になる
。また、多結晶Ｓｉ薄膜７２の下の酸化物超電導薄膜１
の部分には、Ｓｉが拡散し、半導体層２となる。

最後に第２図（財）に示すよう絶縁体膜９１．９２．９
３および９４と、配線用金属膜１０１．１０２および１
０３とを形成し、本発明の超電導素子が完成する。

完成後、第１１第２の超電導体層１１．１２および半導
体層２の結晶性を調べたところ、いずれもほぼ単結晶の
良好な結晶であった。また、第１および第２の超電導体
層１１および１２の超電導臨界温度は、ともに８８にで
あった。

本実施例では、酸化物超電導薄膜１上に多結晶Ｓ１薄膜
７２を積層して、熱処理することにより、半導体層２を
形成したが、第２図（ｄ）の状態で酸化物超電導薄膜１
の露出している部分にＳｉイオンを注入して半導体層を
形成することもできる。

また、上記本実施例の方法では、半導体層２および絶縁
体層３が同時に形成されるため、非常に効率よく超電導
ベーストランジスタが作製可能である。

発明の詳細な説明したように、本発明の超電導素子は、酸化物超電
導薄膜の一部を絶縁体層に変えた構成となっている。従
って、従来のように酸化物超電導薄膜上に絶縁体薄膜等
を積層することなく作製可能である。本発明の方法に従
って、本発明の超電導素子を作製すると、全体を一体に
形成するので、作製が容易であるだけでなく、各部の結
晶性もよく、特性も安定している。さらに、　縁体層は
、酸化物超電導体と等しし）構成元素からなる等しい結
晶構造の酸化物で構成されているので、絶縁体層を構成
する絶縁体が、酸化物超電導薄膜の各種特性に悪影響を
与えることもなし）。

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、超電導ベーストランジスタの概念図であり、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る。〔主な参照番号〕１・・・超電導体薄膜、２・・・単導体層、・絶縁体層、・基板、・へＵ薄膜、・フォトレジストＥＲＢＣ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）超電導体層と該超電導体層に隣接する半導体層と
を有する超電導素子において、前記超電導体層および前
記半導体層が同一の基板上に配置され、前記超電導体層
が酸化物超電導体で構成され、前記半導体層が不純物を
含む前記酸化物超電導体で構成されていることを特徴と
する超電導素子。
（２）基板上にあって酸化物超電導体で構成された超電
導体層と、前記基板上で前記超電導体層に隣接し、不純
物を含む前記酸化物超電導体で構成された半導体層とを
有する超電導素子を作製する方法において、基板上に一
定の配向性を有する酸化物超電導体結晶で構成された酸
化物超電導薄膜を成膜し、該酸化物超電導薄膜上の一部
に不純物を拡散させることによって半導体層を形成する
工程を含むことを特徴とする超電導素子の作製方法。