JPH05183200A

JPH05183200A - 超電導トランジスタ

Info

Publication number: JPH05183200A
Application number: JP3346468A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Abe; 仁志阿部
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1991-12-27
Filing date: 1991-12-27
Publication date: 1993-07-23

Abstract

(57)【要約】【目的】従来、コレクタ領域およびエミッタ領域にシ
リコンなどを用いた場合、高温熱処理が必要であった。
このため酸素の相互拡散の問題が発生し、これを防止す
るため、複雑な界面処理を必要としたが、この問題を解
決する。【構成】コレクタ領域およびエミッタ領域に、従来の
シリコンなどに代わり、低温処理が可能なＩＴＯ（Ｉｎ
ｄｉｕｍｔｉｎｏｘｉｄｅ）を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超電導トランジス
タ、特にベース領域を酸化物超電導体材料で形成した構
造の超電導トランジスタに関する。

【従来の技術】トランジスタの各電極領域を半導体材料
を用いて構成した半導体トランジスタは、消費電力が大
であるという問題がある。このため、近年、超電導体材
料を用いて一部の電極領域を形成して、高速動作と低消
費電力とを期待できる超電導トランジスタの研究が進め
られている。酸化物超電導体は臨界温度Ｔ_Cが高くてエ
ネルギーギャップが大きいので、この材料を用いて超電
導トランジスタを構成すれば高い遮断周波数のトランジ
スタが得られるという期待がある。このため、この出願
の発明者は、文献Ｉ：「特開平１−３０３７６６号公
報」において、エミッタおよびコレクタ領域を半導体層
とし、これら両領域間のベース領域を超電導体層とし、
しかも、この超電導体層を金属薄膜でサンドイッチした
状態で、エミッタおよびコレクタ領域間に介在させた構
造の超電導ベーストランジスタを提案している。また、
この出願の発明者らは、文献ＩＩ：「特開平１−３０３
７７０号公報」において、コレクタおよびエミッタ領域
を半導体層とし、その間に金属薄膜を介在させずに、酸
化物超電導体層からなるベース領域を酸化物超電導体の
構成元素を、一原子層ずつ、堆積させて超電導ベース・
トランジスタを製造する方法を提案している。なお、他
にも、フランク等（Ｄ．Ｊ．Ｆｒａｎｋｅｔａ
ｌ．）によって提案された構造で、ベースおよびエミッ
タに超電導体材料を用い、コレクタに半導体材料を用
い、しかも、エミッタ領域とベース領域との間にトンネ
ル障壁層を設けた構造のバイポーラ型トランジスタがあ
るが（文献Ｉ：「ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．，
ＭＡＧ−２１（１９８５）ｐ７２１）、この超電導トラ
ンジスタは、以下説明するこの発明の超電導トランジス
タとは構造および動作が異なるので、その説明を省略す
る。ところで、半導体材料としてのシリコン（Ｓｉ）
は、高信頼性、高加工性および高再現性を有しており、
しかも、大面積の基板を安く入手することができるの
で、このＳｉを基板すなわちコレクタ領域或いはエミッ
タ領域として用いることができれば有利である。また、
同様な理由で石英ガラスも利用できれば有利である。

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来構造の超電導トランジスタを、Ｓｉと酸化物超電
導体材料とを用いて形成しようとすると、以下説明する
ような諸問題がある。文献Ｉおよび文献ＩＩの超電導ト
ランジスタでの構造において、コレクタ領域およびエミ
ッタ領域の双方にシリコン（Ｓｉ）を用い、かつ、ベー
ス領域に酸化物超電導体材料を用いるとする。通常、エ
ミッタ領域としての半導体層を形成する際に、下側の層
の温度は８００℃程度の温度とされるため、コレクタ領
域を構成しているＳｉが酸化されたり、或いはまた、こ
のＳｉとベース領域を構成する酸化物超電導体層の構成
元素、特に酸素とが相互拡散してしまう。このため、下
地のＳｉ領域がダメージを受け、また、酸化物超電導体
層中の酸素が欠損して臨界温度Ｔ_Cが低下してしまう恐
れがあった。また、文献ＩＩに開示の構造では、Ｓｉと
酸素との相互拡散の発生を防ぐため、コレクタ領域およ
びエミッタ領域のそれぞれと超電導体層との間に金属薄
膜を設けるという複雑な手法を採っている。このよう
に、従来提案されている超電導トランジスタの構造で
は、Ｓｉを始め、その他の共有結合系の半導体材料をエ
ミッタ或いはコレクタ領域に用い、また、酸化物超電導
体材料をソース領域に用いる場合には、酸素とＳｉとの
相互拡散等に起因する界面制御の問題が生じるため、複
雑な表面処理や界面処理を行なわなければならなず、こ
のため、製造プロセスが複雑化したり、或いはまた、製
造歩留が悪いという問題があった。この発明の目的は、
製造プロセスが簡単で、製造歩留も向上し、しかも、消
費電力も少ない構造とした、超電導トランジスタを提供
することにある。

【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明の超電導トランジスタによれば、第１およ
び第２領域と、これら第１および第２領域間に、少なく
とも第１領域とは直接接触して、設けられている第３領
域とを少なくとも具え、前記第１領域および第２領域の
双方または一方をＩＴＯ（錫をドープした酸化インジウ
ム）層で形成しおよび前記第３領域を酸化物超電導体層
で形成したことを特徴とする。

【０００２】この発明の実施にあたり、酸化物超電導体
層を１つ以上の酸化物超電導体薄膜で構成するのがよ
い。

【０００３】また、この発明の好適実施例によれば、酸
化物超電導体薄膜をＹ（イットリウム）−Ｂａ（バリウ
ム）−Ｃｕ（銅）−Ｏ（酸素）薄膜で構成するのがよ
い。

【０００４】さらに、この発明の実施にあたり、好まし
くは、第１領域をコレクタ領域とし、前記第２領域をエ
ミッタ領域とし、前記第３領域をベース領域とするのが
よい。

【作用】上述したこの発明の超電導トランジスタによれ
ば、第１領域および第２領域をＩＴＯ（錫をドープした
酸化インジウム）層で形成し、第３領域を酸化物超電導
体層で形成していて、ＩＴＯ領域は酸化物超電導体層に
直接接触した構造となっている。ここで用いるＩＴＯ
は、Ｉｎ₂Ｏ₃（酸化インジウム）にＳｎ（錫）を数パ
ーセントドープした酸化物であって、その格子定数（Ｌ
ａｔｔｉｃｅｃｏｎｓｔａｎｔ：ここでは結晶単位格子
の稜の長さ）は１０．１２Ａ°（Ａ°はオングストロー
ムを表す記号）である。

【０００５】一方、酸化物超電導体薄膜として、Ｙ（イ
ットリウム）−Ｂａ（バリウム）−Ｃｕ（銅）−Ｏ（酸
素）薄膜、Ｂｉ（ビスマス）−Ｓｒ（ストロンチウム）
−Ｃａ（カルシウム）−Ｃｕ（銅）−Ｏ（酸素）薄膜等
が代表的であるが、これらのの格子定数の２^1/2（√
２）倍は５．４Ａ°で、ＩＴＯの格子定数１０．１２Ａ
°の１／２の値、すなわち５．１Ａ°とほぼ接近し、Ｉ
ＴＯ膜を４５°回転させて、これら酸化物超電導体層上
に成膜したとき、双方の結晶構造の整合性が優れている
といえる。また、このＩＴＯは、通常はある下地基板上
に成膜するが、そのとき、この基板温度を３００℃〜５
００℃程度の範囲内の適当な温度として、膜質の良いＩ
ＴＯ薄膜を成膜できる。また、基板上に第３領域として
の酸化物超電導体層を設けた後、この酸化物超電導体層
上にＩＴＯ膜を第１領域として形成する際に第１領域の
加熱温度を３００℃〜５００℃の範囲内の温度に設定す
れば良いので、この加熱時に、Ｓｉが酸化されたり、ま
た、酸化物超電導体を構成する酸素がＳｉと相互拡散を
起こす恐れが無い。さらに、酸化物超電導体層として、
格子定数がＩＴＯに近い材料を適当に選定することによ
って、酸化物超電導体層と優れた整合性を有する高品質
のＩＴＯ膜を形成することが出来る。その結果、この発
明の超電導トランジスタは、複雑な界面処理や表面処理
を必要とせずに簡単なプロセスで、電気特性の優れた超
電導トランジスタを得ることが出来る。

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例に
つき説明する。なお、図は、この発明が理解出来る程度
に、各構成成分の形状、寸法および配置関係を概略的に
示してあるにすぎない。図１、図２、図３は、すべてこ
の発明の超電導トランジスタの実施例を示す断面図であ
る。

【０００６】また、図４は、この発明の超電導トランジ
スタの製造に用いる成膜装置を示す図である。

【０００７】また、図５は酸化物超電導薄膜の積層状態
の説明に供する図である。

【０００８】＜実施例１＞まず、実施例１について、図
１を用いてその成膜過程の概要を説明し、そのあとにＭ
ＢＥ法による成膜の方法について詳しく述べる。第２領域の成膜基板としては、安価にもとめやすい石英ガラス１０を用
いる。この実施例では、その上に第２領域１６としてエ
ミッタ領域を形成する。そのためのＩＴＯを、ＭＢＥ
（分子線エピタキシー）法で、例えば１０，０００Ａ°
堆積する。ＩＴＯの原料としてはＩｎ₂Ｏ₃やＳｎＯ₂
をクヌードセンセルを用いて蒸発させてもよいが、金属
ＩｎやＳｎをクヌードセンセルを用いて蒸発させ、オゾ
ン等の酸化性ガスで酸化薄膜化してもよい。この実施例
では後者の方法により金属材料を用いて、基板温度３０
０〜５００℃、成長速度０．１〜１０Ａ°／ｓｅｃ．の
範囲で成長速度を調整しながら成膜する。成長した薄膜
の表面状態は反射高速電子線回折法（ＲＨＥＥＤ）で検
査する。

【０００９】石英ガラス基板１０上にＩＴＯ薄膜１６を
堆積する場合、成膜の初期にはＲＨＥＥＤのパターンは
スポットとリングパターンが現れる。しかしこれが２，
０００Ａ°以上堆積すると徐々にストリークパターンに
変わって行く。これは微結晶粒が互いに接続し、表面が
平坦になって行くのに対応している。第３領域（酸化物超電導薄膜）の成膜この実施例では、第３領域１８をベース領域とする。Ｉ
ＴＯ薄膜１６がＲＨＥＥＤでストリーク状のパターンに
なったことを確認した後、所定の必要個所だけを残し
て、他の部分をマスキングして第３領域のための酸化物
超電導体薄膜のＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜１８の成膜に移
る。

【００１０】イットリウム（Ｙ）、バリウム（Ｂａ）、
銅（Ｃｕ）を蒸発材料としてクヌードセンセルを用いて
を基板温度５５０℃、成長速度０．１〜０．５Ａ°／ｓ
ｅｃ．の範囲で、例えば１００Ａ°成長させる。第１領域の成膜この実施例では第１領域２０をコレクタ領域とする。成
膜した酸化物超電導体薄膜１８上の必要個所にコレクタ
領域２０となるためのＩＴＯ薄膜１４を、例えば１，０
００Ａ°積層した。電極の形成積層後は、イオンスパッタ法により微細加工をして、コ
レクタ、エミッタ、ベースの各領域上に、接触抵抗が１
０^-6Ωｃｍ^-2以下となるようにアルミニウム（Ａｌ）を
配線用金属に用いて電極２０、２２、２４を形成する。（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜）／（ＩＴＯ薄膜）の界
面の状態このようにして積層した酸化物超伝導薄膜のＹ−Ｂａ−
Ｃｕ−Ｏ薄膜１８は、第１領域および第２領域のＩＴＯ
薄膜１４および１６とによってサンドイッチ状となり、
その界面は、ＩＴＯ薄膜の上にＢａ酸化物、その次にＣ
ｕ酸化物、さらにＹ酸化物というように、超電導酸化物
と同じようなイオン価数の元素が積層して行くために、
ヘテロ界面の最初から層ごとに電荷中和の条件が満たさ
れている。そのためヘテロ界面といえども連続的に成膜
することができ、結果として１原子の桁で急峻なヘテロ
界面をもつ接合を形成でき、素子特性を大幅に改善でき
る。＜ＭＢＥ法によるＹ−Ｂａ−Ｃｕ−ＯおよびＩＴＯの成
膜方法＞図４に示すように、所要のクヌードセンセル
（代表させて３０で示す。）のそれぞれにＢａ、Ｙおよ
びＣｕの金属を個別に収納しておく。成膜室３２内に設
けた基板加熱ホルダ３４に上述した基板１０を載置し
て、排気ポンプ３６で成膜室３２内を適当な真空度にま
で真空排気する。クヌードセンセル３０を加熱して内部
の金属を溶融させておき、１つのクヌードセンセル３０
のシャッタを開いて、順次に金属元素を蒸発させる。例
えば、先ずＹの元素を蒸発させてＹの１原子層を基板面
に堆積させる。次に、このＹのセルのシャッタを閉じ、
金属元素Ｂａのクヌードセンセル３０のシャッタを開い
てＢａを蒸発させ、Ｙ原子層上にＢａ原子層を１原子層
分だけ堆積させる。次に、このＢａのセルのシャッタを
閉じ、金属元素Ｃｕのクヌードセンセル３０を開いてＣ
ｕを蒸発させ、これと同時に酸化ガス供給源３８からオ
ゾン（Ｏ₃）を供給して、このＢａ原子層上にＣｕＯ層
を堆積させる。

【００１１】この操作により、図５に示すように１つの
Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜１８ａが成膜される。上述した
操作を繰り返し行ない、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜を例え
ば１８ｂ，１８ｃ，・・・１８ｎまで複数個積層させて
全体として所望の厚み、例えば、１００Ａ°程度の厚み
の酸化物超電導体１８を形成することが出来る。なお、
この１原子層の堆積の制御は、周知の通り、各元素の蒸
発供給量を制御して行なう。この制御は、コンピュータ
でシャッタの開閉時間を制御して行なえば良い。また、
堆積の状況は通常用いられている、反射高速電子線回折
（ＲＨＥＥＤ）法によって、成膜中に調べれば良い。電
子銃４０およびスクリーン４２はＲＨＥＥＤ装置を構成
する部分である。

【００１２】また、第１および第２領域のＩＴＯ層１４
および１６を成膜する場合も、同様にして、上述した成
膜装置のクヌードセンセル３０にＩｎ₂Ｏ₃およびＳｎ
Ｏ₂を個別に入れておき、それぞれを個別に蒸発させて
酸化薄膜を成膜してもよいし、或いは、金属ＩｎやＳｎ
を入れておいてこれらを個別に蒸発させるとともに、オ
ゾン等といった酸化性ガスで酸化させながら堆積させて
酸化薄膜を成膜してもよい。

【００１３】＜実施例２＞図２は、基板として、大面積
で、かつ価格的に有利なシリコンを用いた実施例２の断
面図である。ＩＴＯおよび酸化物超電導薄膜の堆積方法
は、実施例１と全く同じである。

【００１４】なお、共通する個所の符号は、図１と同じ
にしてある。

【００１５】＜実施例３＞図３は、基板１０にニオブ
（Ｎｂ）をドープしたチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴ
ｉＯ₃）を用いた場合である。ＮｂをドープしたＳｒＴ
ｉＯ₃基板１０はｎ型半導体で、しかも格子定数の２
^1/2倍は５．４Ａ°であり、ＩＴＯと同様な働きをする
ため、酸化物超電導薄膜のＹ−Ｂａ−Ｃｕ−ＯやＢｉ−
Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ，Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏを
その上に直接積層するには好適である。ここでは、酸化
物超電導薄膜体としてはＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏを採用し
た。

【００１６】ＳｒＴｉＯ₃基板上に酸化物超電導薄膜を
形成する方法、およびこの上にＩＴＯ薄膜を形成する方
法は実施例１と同様である。

【００１７】電極の形成方法もコレクタ領域、およびベ
ース領域については同じであるが、エミッタ電極はＳｒ
ＴｉＯ₃基板の下面に直接取り付ける。

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の超電導トランジスタの構造によれば、ＩＴＯに
よって形成された第１領域と、第２領域との間に酸化物
超電導体の第３領域を設けた構造となっている。また、
このＩＴＯは、５００℃よりも低温で成膜出来、しか
も、酸化物超電導体材料と整合性のすぐれた膜が得られ
る。

【００１８】従って、この発明の超電導トランジスタ
は、その製造に当たり、従来のような複雑な表面処理や
界面処理を必要としないので、製造プロセスが簡単とな
り、しかも、製造歩留も向上する。また、製造工程中、
酸化物超電導体層の成膜後に加熱処理が行なわれても、
基板のＳｉ領域の表面酸化およびＳｉと酸素の相互拡散
が生ずる恐れがないため、これら領域を用いて形成した
超電導トランジスタの電気特性は従来よりも優れてい
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による実施例１の説明に供するための
断面図である。

【図２】この発明による実施例２の説明に供するための
断面図である。

【図３】この発明による実施例３の説明に供するための
断面図である。

【図４】この発明の成膜装置の説明に供する図である。

【図５】この発明における酸化物超電導薄膜の積層状態
の説明に供する図である。

【符号の説明】

１０：基板（例えば、石英ガラス、シリコン、ＳｒＴｉ
Ｏ₃など）１４：第１領域（コレクタ領域、ＩＴＯ層）１６：第２領域（エミッタ領域、ＩＴＯ層）１８：第３領域（ベース領域、酸化物超電導体層（例え
ば、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ層））１８ａ，１８ｂ，・・・１８ｎ：酸化物超電導体薄膜
（例えば、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜）２０：コレクタ電極２２：エミッタ電極２４：ベース電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１および第２領域と、これら第１およ
び第２領域間に、少なくとも第１領域とは直接接触して
設けられている第３領域とを少なくとも具え、前記第１
領域および第２領域の双方または一方をＩＴＯ（錫をド
ープした酸化インジウム）層で形成し，前記第３領域を
酸化物超電導体層で形成したことを特徴とする超電導ト
ランジスタ。
【請求項２】請求項１に記載の超電導トランジスタに
おいて、前記酸化物超電導体層を１つ以上の酸化物超電
導体薄膜で構成したことを特徴とする超電導トランジス
タ。
【請求項３】請求項１に記載の超電導トランジスタに
おいて、前記酸化物超電導体薄膜をＹ（イットリウム）
−Ｂａ（バリウム）−Ｃｕ（銅）−Ｏ（酸素）薄膜で構
成したことを特徴とする超電導トランジスタ。
【請求項４】請求項１に記載の超電導トランジスタに
おいて、前記第１領域をコレクタ領域とし、前記第２領
域をエミッタ領域とし，前記第３領域をベース領域とし
たことを特徴とする超電導トランジスタ。