JPH05251776A - 超電導素子およびその作製方法 - Google Patents

超電導素子およびその作製方法

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JPH05251776A
JPH05251776A JP4352659A JP35265992A JPH05251776A JP H05251776 A JPH05251776 A JP H05251776A JP 4352659 A JP4352659 A JP 4352659A JP 35265992 A JP35265992 A JP 35265992A JP H05251776 A JPH05251776 A JP H05251776A
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superconducting
oxide
region
substrate
thin film
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JP4352659A
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Takao Nakamura
孝夫 中村
Hiroshi Inada
博史 稲田
Michitomo Iiyama
道朝 飯山
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 MgＯ基板５上のPr1Ba2Cu3Ｏ7-y薄膜20上に、
上面が40°以下の傾斜角の斜面をなして凹み、非超電導
領域50で２個の超電導領域に分割されたｃ軸配向のＹ1B
a2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜で構成された超電導ソース
領域２および超電導ドレイン領域３が、配置されてい
る。超電導ソース領域２から超電導ドレイン領域３にか
けて形成された極めて薄いｃ軸配向のＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸
化物超電導薄膜11で超電導チャネル10が構成され、超電
導チャネル10上にゲート絶縁層７を介してゲート電極４
が配置されている。 【効果】 超電導チャネル10と、超電導ソース領域２お
よび超電導ドレイン領域３との間に抵抗成分や不要なジ
ョセフソン接合が存在しない。また、超電導ソース領域
２および超電導ドレイン領域３から超電導チャネル10
へ、超電導電流が効率良く流出入するので、素子の特性
が優れている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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、良好な特性を有する
ジョセフソン素子、超電導電界効果型素子およびそれら
の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】超電導現象を利用した素子は、従来の半
導体素子に比較して高速であり、消費電力も小さく、飛
躍的に高性能化することができると考えられている。特
に近年研究が進んでいる酸化物超電導体を使用すること
により、比較的高い温度で動作する超電導素子を作製す
ることが可能である。超電導素子としては、ジョセフソ
ン素子がよく知られているが、ジョセフソン素子は２端
子の素子であるので論理回路を構成しようとすると、回
路が複雑になる。そのため、３端子の超電導素子が実用
上有利である。
【０００３】３端子の超電導素子には、近接させて配置
した超電導電極間の半導体に超電導電流を流す超電導近
接効果を利用したものと、超電導チャネルに流れる超電
導電流をゲート電極で制御するものとが代表的である。
どちらの素子も入出力の分離が可能であり、電圧制御型
の素子であって、信号の増幅作用があるという点では共
通している。しかしながら、超電導近接効果を得るため
には、超電導体電極をその超電導体のコヒーレンス長の
数倍（酸化物超電導体の場合数nm）以内の距離に配置し
なければならない。従って、非常に精密な加工が要求さ
れる。それに対し、チャネルが超電導チャネルになって
いる超電導素子は、電流密度が大きく、製造上も超電導
電極を近接させて配置するという微細加工を必要としな
い。
【０００４】図５に、超電導チャネルを有する超電導電
界効果型素子の一例の概略図を示す。図５の超電導電界
効果型素子は、基板５上に配置された酸化物超電導体に
よる超電導チャネル10と、超電導チャネル10の両端付近
にそれぞれ配置された超電導ソース領域２および超電導
ドレイン領域３と、超電導チャネル10上にゲート絶縁層
７を介して配置されたゲート電極４とを具備する。ま
た、超電導ソース領域２および超電導ドレイン領域３上
にはそれぞれソース電極12およびドレイン電極13が形成
されている。この超電導電界効果型素子は、ソース電極
12およびドレイン電極13から供給され、超電導ソース領
域２および超電導ドレイン電極３間の超電導チャネル10
を流れる超電導電流をゲート電極４に印加する電圧で制
御する。
【０００５】図６に、超電導チャネルを有する超電導電
界効果型素子の他の例の概略図を示す。図６の超電導電
界効果型素子は、基板５上にそれぞれ配置された比較的
厚い酸化物超電導薄膜で構成された超電導ソース領域２
および超電導ドレイン領域３と、超電導ソース領域２お
よび超電導ドレイン領域３を側壁として構成された溝の
底のバッファ層20上に配置された酸化物超電導体による
超電導チャネル10と、超電導チャネル10上にゲート絶縁
層７を介して配置されたゲート電極４とを具備する。ま
た、超電導ソース領域２および超電導ドレイン領域３上
にはそれぞれソース電極12およびドレイン電極13が形成
されている。この超電導電界効果型素子は、ソース電極
12およびドレイン電極13から供給され、超電導ソース領
域２および超電導ドレイン電極３間の超電導チャネル10
を流れる超電導電流をゲート電極４に印加する電圧で制
御する。
【０００６】上記の超電導電界効果型素子では、いずれ
も、超電導チャネル10を流れる電流をゲート電極４に印
加する電圧で制御する。そのため、超電導チャネル10の
ゲート部分の厚さは５nm程度にしなければならず、ま
た、ゲート絶縁層７の厚さも10〜15nmにしなければなら
ない。一方、この極薄の超電導チャネルは、結晶性がよ
く、特性が優れた酸化物超電導薄膜で構成されていなけ
ればならない。さらに、超電導ソース領域２および超電
導ドレイン領域３は、電流の流入出を容易にするため、
超電導チャネル１よりもかなり厚くしなければならな
い。
【０００７】また、上記２種の超電導電界効果型素子で
は、超電導チャネルの超電導電流は水平方向に流れ、超
電導ソース領域および超電導ドレイン領域の超電導電流
は垂直方向に流れる。従って、超電導チャネルは、水平
方向に大きな電流を流すことができるｃ軸配向の酸化物
超電導薄膜で構成されていることが好ましく、超電導ソ
ース領域および超電導ドレイン領域は、垂直方向に大き
な電流を流すことができるａ軸配向の酸化物超電導薄膜
で構成されていることが好ましい。
【０００８】従って、上記従来の超電導電界効果型素子
では、ａ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成されている部
分と、ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成されている部
分とが、連続していなければならなかった。そのため、
従来は、ａ軸配向、ｃ軸配向どちらか一方の酸化物超電
導薄膜を最初に成膜した後、不要な部分をエッチング
し、他方の酸化物超電導薄膜を再び成膜していた。
【０００９】しかしながら、上記従来の方法で作製され
た従来の超電導電界効果型素子は、エッチングの影響に
より酸化物超電導薄膜の超電導特性が悪化したり、ａ軸
配向の酸化物超電導薄膜と、ｃ軸配向の酸化物超電導薄
膜との界面で抵抗成分や不要なジョセフソン接合が生じ
ることがある。
【００１０】さらに、上記の超電導電界効果型素子で
は、超電導ソース領域および超電導ドレイン領域上にそ
れぞれソース電極およびドレイン電極が配置され、超電
導チャネル上にはゲート絶縁層を介してゲート電極が配
置されている。従って、超電導電界効果型素子は、各種
の材料、形状の層が積層されて構成されているので、上
面が平坦になりにくかった。
【００１１】しかしながら、上記の超電導電界効果型素
子を集積回路に組み込む場合には、集積度を向上させる
多層配線を実現するために、素子上面を平坦にする必要
がある。上記の問題を解決するために以下に説明する形
状の超電導電界効果型素子が提案されている。
【００１２】図７を参照して、改良された超電導電界効
果型素子およびその作製工程を説明する。この超電導電
界効果型素子は、図７(e)に示すよう、基板５上にほぼ
台形断面で突出する絶縁領域50と、絶縁領域50の両側に
それぞれ配置された酸化物超電導体による超電導ソース
領域２および超電導ドレイン領域３と、絶縁領域50上に
配置され、超電導ソース領域２および超電導ドレイン領
域３を結合する酸化物超電導体による超電導チャネル１
と、超電導チャネル１上にゲート絶縁層７を介して配置
されたゲート電極４とを具備する。また、超電導ソース
領域２および超電導ドレイン領域３上には、ソース電極
12およびドレイン電極13が配置されている。この超電導
電界効果型素子は、超電導ソース領域２および超電導ド
レイン領域３間の超電導チャネル１を流れる超電導電流
をゲート電極４に印加する電圧で制御する。
【００１３】上記の超電導電界効果型素子では、台形断
面の絶縁領域50の両側に超電導ソース領域２および超電
導ドレイン領域３を配置し、絶縁領域50上に超電導チャ
ネル１を配置している。また、超電導チャネル１、超電
導ソース領域２および超電導ドレイン領域３は、いずれ
もｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成されている。
【００１４】上記の構成の超電導電界効果型素子は、以
下のように作製する。最初に図７(a)に示すMgＯ（１０
０）基板５を、図７(b)に示すようエッチング加工して
絶縁領域50を形成する。この基板５上に、図７(c)に示
すようｃ軸配向の酸化物超電導薄膜１を成長させる。こ
の酸化物超電導薄膜１の上面を平坦にして、図７(d)に
示すよう超電導ソース領域２、超電導ドレイン領域３お
よび超電導チャネル１を形成する。最後に、図７(e)に
示すよう超電導チャネル10上にゲート絶縁層７およびゲ
ート電極４を、超電導ソース領域２および超電導ドレイ
ン領域３上にそれぞれソース電極12およびドレイン電極
13を形成して超電導電界効果型素子が完成する。
【００１５】しかしながら、上記従来の方法では、酸化
物超電導薄膜１の絶縁領域50上の部分をエッチングして
超電導チャネル10を形成するので、超電導チャネル10の
厚さを正確に所定の値にすることが困難であった。ま
た、エッチングの際に、超電導チャネル10を構成する酸
化物超電導体が劣化することがあり、超電導電界効果型
素子の特性を損なうことがあった。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】従って、従来の超電導
電界効果型素子は、不要なジョセフソン接合や抵抗成分
が超電導チャネルと超電導ソース領域および超電導ドレ
イン領域との間に存在したり、超電導チャネルの特性が
悪いために十分な性能を発揮しなかった。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超電導電界
効果型素子の作製方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明に従うと、基板
と、該基板上に形成された酸化物超電導体で構成された
第１および第２の超電導領域と、前記基板上で前記第１
および第２の超電導領域間に配置され、前記第１および
第２の超電導領域を結ぶ酸化物超電導体で構成された第
３の超電導領域とを備える超電導素子において、前記基
板上にｃ軸配向の酸化物超電導体に類似した結晶構造を
有する酸化物層を具備し、その上に配置された上面の中
央部がなだらかに凹んでいて、その下の不純物濃度が高
く超電導性を示さない非超電導領域で２個の超電導領域
に分割されているｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で、前記
第１および前記第２の超電導領域が主に構成され、該ｃ
軸配向の酸化物超電導薄膜の前記上面に配置された極薄
の酸化物超電導薄膜で前記第３の超電導領域が構成され
ていることを特徴とする超電導素子が提供される。
【００１８】また、本発明では、基板と、該基板上に形
成された酸化物超電導体で構成された超電導ソース領域
および超電導ドレイン領域と、前記基板上で該超電導ソ
ース領域および超電導ドレイン領域間に配置され、該超
電導ソース領域および超電導ドレイン領域を電気的に結
合する酸化物超電導体で構成された超電導チャネルと、
該超電導チャネル上にゲート絶縁層を介して配置され、
該超電導チャネルを流れる電流を制御するためのゲート
電圧が印加される常電導体で構成されたゲート電極とを
備える超電導電界効果型素子において、前記基板上にｃ
軸配向の酸化物超電導体に類似した結晶構造を有する酸
化物層を具備し、その上に配置された上面の中央部がな
だらかに凹んでいて、その下の不純物濃度が高く超電導
性を示さない非超電導領域で２個の超電導領域に分割さ
れているｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で、前記超電導ソ
ース領域および前記超電導ドレイン領域が主に構成さ
れ、該ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜の前記上面に配置さ
れた極薄の酸化物超電導薄膜で超電導チャネルが構成さ
れていることを特徴とする超電導電界効果型素子が提供
される。
【００１９】さらに、本発明においては、基板と、該基
板上に形成された酸化物超電導体で構成された第１およ
び第２の超電導電極と、前記基板上で前記第１および第
２の超電導電極間に配置され、前記第１および第２の超
電導電極間にジョセフソン接合が生ずるよう弱く結合す
る酸化物超電導体で構成された第３の超電導領域とを備
えるジョセフソン素子において、前記基板上にｃ軸配向
の酸化物超電導体に類似した結晶構造を有する酸化物層
を具備し、その上に配置された上面の中央部がなだらか
に凹んでいて、その下の不純物濃度が高く超電導性を示
さない非超電導領域で２個の超電導領域に分割されてい
るｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で、前記第１および前記
第２の超電導電極が主に構成され、該ｃ軸配向の酸化物
超電導薄膜の前記上面に配置された極薄の酸化物超電導
薄膜で前記第３の超電導領域が構成されていることを特
徴とするジョセフソン素子が提供される。
【００２０】また、本発明においては、酸化物超電導体
で構成された第１および第２の超電導領域と、前記第１
および第２の超電導領域とを結ぶ極めて薄い酸化物超電
導体で構成された第３の超電導領域とを具備する超電導
素子を作製する方法において、基板上にｃ軸配向の酸化
物超電導体に類似した結晶構造を有する酸化物層を形成
し、該酸化物層上に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面の中央部をな
だらかに凹んだ形状に加工した後、該ｃ軸配向の酸化物
超電導薄膜の中央部に不純物イオンを注入して非超電導
領域を形成し、この非超電導領域により前記ｃ軸配向の
酸化物超電導薄膜を２個の超電導領域に分割し、前記２
個の超電導領域上および前記非超電導領域上に極薄のｃ
軸配向の酸化物超電導薄膜を成膜する工程を含むことを
特徴とする方法が提供される。
【００２１】さらに、本発明では、基板と、該基板上に
形成された酸化物超電導体で構成された超電導ソース領
域および超電導ドレイン領域と、前記基板上で該超電導
ソース領域および超電導ドレイン領域間に配置され、酸
化物超電導体で構成された超電導チャネルと、該超電導
チャネル上にゲート絶縁層を介して配置され、該超電導
チャネルを流れる電流を制御するためのゲート電圧が印
加される常電導体で構成されたゲート電極とを備える超
電導電界効果型素子において、前記基板上にｃ軸配向の
酸化物超電導体に類似した結晶構造を有する酸化物層を
具備し、前記超電導チャネル、前記超電導ソース領域お
よび前記超電導ドレイン領域が、前記酸化物層上に配置
されたｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成され、前記超
電導ソース領域および前記超電導ドレイン領域が、とも
に前記超電導チャネルに向かってなだらかに傾斜してい
ることを特徴とする超電導電界効果型素子が提供され
る。
【００２２】さらにまた、本発明では、基板と、該基板
上に形成された酸化物超電導体で構成された超電導ソー
ス領域および超電導ドレイン領域と、前記基板上で該超
電導ソース領域および超電導ドレイン領域間に配置さ
れ、酸化物超電導体で構成された超電導チャネルと、該
超電導チャネル上にゲート絶縁層を介して配置され、該
超電導チャネルを流れる電流を制御するためのゲート電
圧が印加される常電導体で構成されたゲート電極とを備
え、前記超電導チャネル、前記超電導ソース領域および
前記超電導ドレイン領域が、前記酸化物層上に配置され
たｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成され、前記超電導
ソース領域および前記超電導ドレイン領域が、ともに前
記超電導チャネルに向かってなだらかに傾斜している超
電導電界効果型素子を作製する方法において、基板上に
ｃ軸配向の酸化物超電導体に類似した結晶構造を有する
酸化物層を形成し、該酸化物層上にｃ軸配向の酸化物超
電導薄膜を成膜し、該酸化物超電導薄膜を互いになだら
かな斜面で対向する２個の超電導領域に分割し、両領域
間に前記酸化物層を露出させ、前記２個の超電導領域上
および前記酸化物層上に極薄のｃ軸配向の酸化物超電導
薄膜を成膜する工程を含むことを特徴とする方法が提供
される。
【００２３】一方、本発明では、基板と、該基板上に形
成された酸化物超電導体で構成された超電導ソース領域
および超電導ドレイン領域と、前記基板上で該超電導ソ
ース領域および超電導ドレイン領域間に配置され、酸化
物超電導体で構成された超電導チャネルと、該超電導チ
ャネル上にゲート絶縁層を介して配置され、該超電導チ
ャネルを流れる電流を制御するためのゲート電圧が印加
される常電導体で構成されたゲート電極と、前記超電導
ソース領域および超電導ドレイン領域上にそれぞれ配置
された常電導体で構成されたソース電極およびドレイン
電極を備える超電導電界効果型素子において、前記基板
と前記超電導チャネルとの間に前記超電導チャネルを構
成する酸化物超電導体と類似の結晶構造を有する非超電
導酸化物層を具備し、前記超電導ソース領域および超電
導ドレイン領域の上面が、前記超電導チャネルの上面と
前記ゲート電極の上面との間にあり、前記ゲート絶縁層
が、前記超電導ソース領域および超電導ドレイン領域の
側面上にまで延長され、前記ゲート電極と、前記超電導
ソース領域および超電導ドレイン領域とを電気的に絶縁
し、素子上面がほぼ平坦であることを特徴とする超電導
電界効果型素子が提供される。
【００２４】また、本発明に従うと、基板と、該基板上
に形成された酸化物超電導体で構成された超電導ソース
領域および超電導ドレイン領域と、前記基板上で該超電
導ソース領域および超電導ドレイン領域間に配置され、
酸化物超電導体で構成された超電導チャネルと、該超電
導チャネル上にゲート絶縁層を介して配置された該超電
導チャネルを流れる電流を制御するためのゲート電圧が
印加されるゲート電極と、前記超電導ソース領域および
超電導ドレイン領域上にそれぞれ配置されたソース電極
およびドレイン電極とを備える超電導電界効果型素子を
作製する方法において、前記基板上に前記超電導電界効
果型素子の全長にわたる酸化物超電導薄膜を成膜し、該
酸化物超電導薄膜上に常電導体層を形成し、該常電導体
層上にSiＯ2膜でマスクを形成し、前記常電導体層およ
び前記酸化物超電導薄膜の中央部を除去して基板を露出
させるとともに、前記常電導体層をソース電極およびド
レイン電極に分割し、また、酸化物超電導薄膜を前記超
電導ソース領域および超電導ドレイン領域に分割し、前
記基板の露出した部分に前記酸化物超電導体と類似の結
晶構造を有する非超電導酸化物層を形成し、該非超電導
酸化物層上に酸化物超電導薄膜の超電導チャネル、ゲー
ト絶縁層およびゲート電極を順に積層して形成する工程
を含むことを特徴とする方法が提供される。
【００２５】さらに本発明に従うと、基板と、該基板上
にほぼ台形断面で突出するよう形成された絶縁領域と、
前記基板上の前記絶縁領域の両側にそれぞれ配置され、
酸化物超電導体で構成された超電導ソース領域および超
電導ドレイン領域と、前記絶縁領域上に配置され、前記
超電導ソース領域および超電導ドレイン領域を結合する
酸化物超電導体で構成された超電導チャネルと、該超電
導チャネル上にゲート絶縁層を介して配置され、該超電
導チャネルを流れる電流を制御するためのゲート電圧が
印加される常電導体で構成されたゲート電極とを備える
超電導電界効果型素子を作製する方法において、平坦な
基板面の前記絶縁領域となる部分にマスクを配置して該
基板面をエッチング加工して前記絶縁領域を形成し、該
絶縁領域を形成した基板面上に前記超電導ソース領域お
よび超電導ドレイン領域となる酸化物超電導薄膜を形成
し、前記マスクを除去して前記絶縁領域を露出させた後
で前記超電導チャネルとなる極薄の酸化物超電導薄膜を
形成することを特徴とする超電導電界効果型素子の作製
方法が提供される。
【００２６】
【作用】本発明の超電導素子は、上面中央部がなだらか
に凹んでいて、不純物濃度が高く超電導性を示さない非
超電導領域で２個の超電導領域に分割されているｃ軸配
向の酸化物超電導薄膜と、この酸化物超電導薄膜上で前
記２個の超電導領域にかかって形成され、両者を結ぶ極
薄のｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成されている。本
発明の超電導素子において、上記非超電導領域は、不純
物濃度が高く超電導性を失った酸化物超電導体で構成さ
れている。また、なだらかにというのは、傾斜角がほぼ
40°以下ということを意味する。
【００２７】また、上記本発明の超電導素子のより具体
的な構成である本発明の超電導電界効果型素子は、超電
導ソース領域および超電導ドレイン領域が、上面中央部
がなだらかに凹んでいて、不純物濃度が高く超電導性を
示さない非超電導領域で２個の超電導領域に分割されて
いるｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で主に構成されてい
る。また、超電導チャネルは、超電導ソース領域および
超電導ドレイン領域にかかって形成された極薄のｃ軸配
向の酸化物超電導薄膜で構成されている。
【００２８】本発明の超電導電界効果型素子は、ほぼ水
平方向に超電導電流が流れるので、超電導チャネル、超
電導ソース領域および超電導ドレイン領域をｃ軸配向の
酸化物超電導薄膜で構成しても十分電流容量が大きい。
従って、本発明の超電導電界効果型素子では、従来の酸
化物超電導体を使用した超電導電界効果型素子で問題に
なったような、ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜と、ａ軸配
向の酸化物超電導薄膜との間で抵抗成分や不要なジョセ
フソン接合が発生する恐れがない。また、超電導電流が
効率よく超電導チャネルに流れ込む。
【００２９】さらに、上記本発明の超電導素子の別な具
体例である本発明のジョセフソン素子は、一対の超電導
電極が、上面中央部がなだらかに凹んでいて、不純物濃
度が高く超電導性を示さない非超電導領域で２個の超電
導領域に分割されているｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で
主に構成されている。また、この超電導電極にかかって
形成された極薄のｃ軸配向の酸化物超電導薄膜中にジョ
セフソン接合の弱結合が配置されている。本発明のジョ
セフソン素子においてもほぼ水平方向に超電導電流が流
れる。
【００３０】本発明の方法では、上記本発明の超電導電
界効果型素子を作製するのに、ｃ軸配向の酸化物超電導
体に類似した結晶構造を有する酸化物層を設けた基板上
にｃ軸配向の酸化物超電導薄膜を形成し、この酸化物超
電導薄膜の上面をエッチングして、中央部を傾斜角40°
以下の斜面でなだらかに凹ませる。また、この凹んだ上
面中央部から不純物イオンを注入して非超電導領域を形
成し、この非超電導領域によりｃ軸配向の酸化物超電導
薄膜を２個の超電導領域に分割する。このように形成し
た超電導領域および非超電導領域上に極薄のｃ軸配向の
酸化物超電導薄膜を形成する。
【００３１】本発明の超電導電界効果型素子において
は、超電導ソース領域および超電導ドレイン領域を非超
電導領域で分離するかわりに、なだらかな斜面で互いに
対向しているｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成するこ
ともできる。この場合、超電導チャネルは、超電導ソー
ス領域および超電導ドレイン領域間の非超電導酸化物層
上に形成された極薄のｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で構
成されている。また、なだらかにというのは、傾斜角が
ほぼ40°以下ということを意味する。
【００３２】この構成の超電導電界効果型素子において
も、超電導電流がほぼ水平方向に流れるので、超電導チ
ャネル、超電導ソース領域および超電導ドレイン領域を
ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成しても、電流容量が
十分大きい。従って、本発明のこの構成の超電導電界効
果型素子でも、従来の酸化物超電導体を使用した超電導
電界効果型素子で問題になったような、ｃ軸配向の酸化
物超電導薄膜と、ａ軸配向の酸化物超電導薄膜との間で
抵抗成分や不要なジョセフソン接合が発生する恐れがな
い。
【００３３】本発明の方法では、上記本発明の超電導電
界効果型素子を作製するのに、ｃ軸配向の酸化物超電導
体に類似した結晶構造を有する酸化物層を設けた基板上
にｃ軸配向の酸化物超電導薄膜を形成し、この酸化物超
電導薄膜をエッチングして、傾斜角40°以下の斜面で互
いに対向する２個の超電導領域に分割する。この２個の
超電導領域間には、上記の酸化物層が露出するようエッ
チングを行う。このように形成した超電導領域および酸
化物層上に極薄のｃ軸配向の酸化物超電導薄膜を形成す
る。
【００３４】本発明の別な構成の超電導電界効果型素子
は、超電導ソース領域および超電導ドレイン領域の上面
が、超電導チャネルの上面とゲート電極の上面との間の
高さにあり、超電導ソース領域および超電導ドレイン領
域とゲート電極との間までゲート絶縁層が延長され、基
板と超電導チャネルとの間に形成された超電導チャネル
を構成する酸化物超電導体と類似の結晶構造を有する非
超電導酸化物層と、を具備し、素子上面がほぼ平坦なと
ころにその主要な特徴がある。
【００３５】上記本発明の超電導電界効果型素子では、
超電導ソース領域および超電導ドレイン領域を側壁とし
て形成された、いわば溝の底の部分に超電導チャネルが
形成されている。従って、超電導チャネル上にゲート絶
縁層およびゲート電極を配置しても、それらが突出する
ことなく素子上面がほぼ平坦になる。また、本発明の超
電導電界効果型素子は、ソース電極、ドレイン電極から
超電導チャネルまでの距離が短縮されるとともに、超電
導ソース領域および超電導ドレイン領域全体に拡がった
超電導電流を効率よく超電導チャネルに集められる。さ
らに、超電導チャネルの下層に形成された上記の非超電
導酸化物層により、超電導チャネルを構成する酸化物超
電導薄膜の結晶状態が改善され、酸化物超電導薄膜の最
下部の結晶単位胞も超電導状態になる。これは、上記の
非超電導酸化物結晶が、酸化物超電導体結晶との格子整
合性が良好で、また、酸化物超電導薄膜下部の酸化物超
電導体結晶の不完全な部分を補うからと考えられてい
る。さらに、基板との熱膨張率の差による歪みも上記の
非超電導酸化物層で吸収され、基板からの原子の拡散も
上記の非超電導酸化物層内だけで止まる。本発明の超電
導素子では、上記の非超電導酸化物層は、超電導チャネ
ルと等しい厚さかそれ以上の厚さであることが好まし
い。特に、上記の非超電導酸化物層が、超電導チャネル
よりも薄い場合には効果が十分でない。
【００３６】本発明の方法では、本発明の超電導電界効
果型素子を作製する場合に、最初に基板上に素子の全長
にわたる酸化物超電導薄膜を形成する。この酸化物超電
導薄膜は、超電導ソース領域および超電導ドレイン領域
となるもので、厚さは200 〜300 nmが好ましい。この酸
化物超電導薄膜上に例えばAuで厚さ30〜100nmの拡散防
止層を形成する。この拡散防止層は、後述する酸化物超
電導薄膜の加工の際に使用するSiＯ2のマスクからSi
が、酸化物超電導薄膜中に拡散することを防止し、最終
的にはソース電極およびドレイン電極に加工される。
【００３７】次に、上記の酸化物超電導薄膜を拡散防止
層とともに、酸化物超電導薄膜の中央部付近をエッチン
グにより除去して基板を露出させる。この加工には、拡
散防止層上にSiＯ2で形成したマスクを使用する。SiＯ2
のマスクは、酸化物超電導薄膜を傷めずに剥離できるの
で好ましい。酸化物超電導薄膜の残りの部分は、超電導
ソース領域および超電導ドレイン領域となり、拡散防止
層の残りの部分はソース電極およびドレイン電極にな
る。このように形成された超電導ソース領域および超電
導ドレイン領域は、元来は単一の酸化物超電導薄膜であ
ったので、特性が揃ったものとなる。また、上記のSiＯ
2のマスクは、最後に除去することが好ましい。これ
は、その後のプロセスでSiＯ2マスク上に堆積した全て
の不要な層が一度で除去でき、ソース電極およびドレイ
ン電極が露出するからである。
【００３８】本発明の一態様では、異方性エッチングに
より上記の加工を行う。この場合には、塩素系のエッチ
ングガスによる反応性イオンエッチング、Arイオンミリ
ング、集束イオンビームエッチング等のドライエッチン
グプロセスにより、上記の加工を行うことが好ましい。
【００３９】本発明の方法では、超電導ソース領域およ
び超電導ドレイン領域の間の基板の露出している部分上
に、非超電導酸化物層、酸化物超電導薄膜の超電導チャ
ネル、ゲート絶縁層およびゲート電極を連続して形成す
る。本発明の方法では、超電導ソース領域および超電導
ドレイン領域の間の部分に超電導チャネル、ゲート絶縁
層およびゲート電極がセルフアラインされる。
【００４０】本発明の超電導電界効果型素子の一態様で
は、ゲート絶縁層が超電導チャネル上だけでなく、超電
導ソース領域および超電導ドレイン領域の側面まで延長
されていて、ゲート電極と、超電導ソース領域および超
電導ドレイン領域とを絶縁する機能を有することが好ま
しい。
【００４１】本発明では、上記の非超電導酸化物層に例
えばPr1Ba2Cu3Ｏ7-yを使用することが好ましい。これ
は、Pr1Ba2Cu3Ｏ7-yが、酸化物超電導体とほぼ等しい結
晶構造を有する非超電導酸化物であり、酸化物超電導体
結晶と格子整合性に特に優れ、酸化物超電導体との間に
おける相互拡散がほとんど問題にならない程度に少ない
からである。
【００４２】本発明の超電導素子においては、Pr1Ba2Cu
3Ｏ7-y層の結晶状態は良好でなければならない。結晶状
態が良好で且つ極薄のPr1Ba2Cu3Ｏ7-y層を形成するため
に、本発明の一態様ではＭＢＥ法を使用することが好ま
しい。特に、ＲＨＥＥＤ（反射高速電子線回折）によ
り、モニターしながらＭＢＥ法によりPr1Ba2Cu3Ｏ7-y層
を成長させると、正確に単分子層単位で膜厚が制御でき
るので好ましい。また、超電導チャネルを構成する酸化
物超電導薄膜もＭＢＥ法で成膜する場合には、Pr1Ba2Cu
3Ｏ7-y層を成膜後、蒸発源を切り替えることにより連続
して酸化物超電導薄膜を成膜することが可能である。
【００４３】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、Bi2Sr2Ca2Cu3Ｏx 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。
【００４４】また、本発明では、上記各超電導電界効果
型素子の作製方法とは異なる構成の作製方法が提供され
る。この本発明の方法は、基板に突出している台形断面
の絶縁領域を形成する際に使用したマスクを、超電導ソ
ース領域および超電導ドレイン領域になる酸化物超電導
薄膜を形成後に除去し、露出した絶縁領域上に極薄の酸
化物超電導薄膜を形成して超電導チャネルとする。この
本発明の方法では、超電導チャネルを形成するのに、酸
化物超電導薄膜をエッチング等で加工する必要がないの
で、超電導チャネルを構成する酸化物超電導薄膜が劣化
することがない。また、超電導チャネルを酸化物超電導
薄膜の成膜のみで形成するので、成膜速度および成膜時
間を制御することにより、超電導チャネルの厚さを所定
の値にすることが容易である。一方、本発明の方法で
は、露出した絶縁領域上に超電導チャネルを構成する酸
化物超電導薄膜を成膜するので、絶縁領域と、超電導チ
ャネルとがセルフアラインされる。
【００４５】本発明の方法において、上記のマスクは、
CaＯ膜上にとZr膜が積層された構成であることが好まし
い。この構成のマスクは、水を使用することにより簡単
にリフトオフができるので、リフトオフに伴い、既に成
膜されている酸化物超電導薄膜を傷めることがない。
【００４６】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。
【００４７】
【実施例】実施例１ 本発明の方法により、本発明の超電導電界効果型素子を
作製した。図１を参照して、その工程を説明する。ま
ず、図１(a)に示すようなMgＯ基板５上に図１(b)に示す
ようｃ軸配向のPr1Ba2Cu3Ｏ7-y酸化物薄膜20およびＹ1B
a2Cu3Ｏ7-X酸化物薄膜１を連続して成膜する。成膜方法
としては、各種のスパッタリング法、ＭＢＥ法、真空蒸
着法、ＣＶＤ法等任意の方法が使用可能である。オフア
クシススパッタリング法で成膜を行う際の主な成膜条件
を以下に示す。 Pr1Ba2Cu3Ｏ7-y Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X 基板温度 750℃ 700℃ スパッタリングガス Ar 90％ ← Ｏ2 10％ ← 圧力 10Pa ← 膜厚 100nm 300nm
【００４８】次に、このＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄
膜１の上面中央部付近を、超高真空中でHeイオンを３〜
50ｋeVで加速するイオンビームで加工し、図１(c)に示
すよう、なだらかに凹んだ部分14を形成する。なだらか
に凹んだ部分14は、40°以下の傾斜角の曲面で約100nm
凹んでいるようにする。
【００４９】この後、超高真空中でＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化
物超電導薄膜１の上記のなだらかに凹んだ部分14に50〜
150ｋeVの加速電圧でGaイオンを注入し、図１(d)に示す
よう、非超電導領域50を形成する。非超電導領域50によ
りＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１は、超電導ソース
領域２および超電導ドレイン領域３に分割される。
【００５０】必要に応じて圧力１×10-9Torr以下の高真
空中で、基板を350〜400℃に加熱する熱処理を行い、非
超電導領域50、超電導ソース領域２および超電導ドレイ
ン領域３の表面を清浄にし、図１(e)に示すよう、超電
導ソース領域２から超電導ドレイン領域３にかけて反応
性ＭＢＥ法で約５nmのｃ軸配向のＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物
超電導薄膜11を成膜する。このＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超
電導薄膜11は、なだらかな曲面上に成膜されるので一様
なｃ軸配向の酸化物超電導薄膜になる。Ｙ1Ba2Cu3Ｏ
7-X 酸化物超電導薄膜11の非超電導領域50上の部分は超
電導チャネル10になる。主な成膜条件を以下に示す。 基板温度 700℃ Ｏ2 またはＯ3 雰囲気 圧力 １×10-5Torr 膜厚 5nm
【００５１】最後に、図１(f) に示すよう超電導チャネ
ル10上に、Si3Ｎ4、MgＯまたはSrTiＯ3でゲート絶縁層
７を形成し、連続してAuでゲート電極４を形成して本発
明の超電導電界効果型素子が完成する。また、必要に応
じて、超電導ソース領域２および超電導ドレイン領域３
上に、それぞれソース電極およびドレイン電極を設け
る。
【００５２】以上のように、本発明の方法で作製された
本発明の超電導電界効果型素子は、超電導チャネル10、
超電導ソース領域２および超電導ドレイン領域３が、す
べてｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成されている。従
って、超電導チャネル10と、超電導ソース領域２および
超電導ドレイン領域３との間に抵抗成分や不要なジョセ
フソン接合が存在しない。また、超電導ソース領域２お
よび超電導ドレイン領域３が超電導チャネル10に向かっ
て傾斜しているので、超電導ソース領域２および超電導
ドレイン領域３から、超電導電流が効率良く超電導チャ
ネル10に流出入する。
【００５３】さらに、上記本発明の方法では、Ｙ1Ba2Cu
3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜11をさらに薄く形成することに
より、Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜11内にジョセフ
ソン接合の弱結合を形成し、弱結合型のジョセフソン素
子を作製することができる。
【００５４】実施例２ 本発明の方法により、本発明の超電導電界効果型素子を
作製した。図２を参照して、その工程を説明する。ま
ず、図２(a)に示すようなMgＯ基板５上に図２(b)に示す
ようｃ軸配向のPr1Ba2Cu3Ｏ7-y酸化物薄膜20およびＹ1B
a2Cu3Ｏ7-X酸化物薄膜１を連続して成膜する。成膜方法
としては、各種のスパッタリング法、ＭＢＥ法、真空蒸
着法、ＣＶＤ法等任意の方法が使用可能である。オフア
クシススパッタリング法で成膜を行う際の主な成膜条件
を以下に示す。 Pr1Ba2Cu3Ｏ7-y Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X 基板温度 750℃ 700℃ スパッタリングガス Ar 90％ ← Ｏ2 10％ ← 圧力 10Pa ← 膜厚 100nm 200nm
【００５５】次に、このＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物薄膜１の
中央部付近を、Heイオンを３〜50ｋeVで加速するイオン
ビームで加工し、図２(c)に示すよう、超電導ソース領
域２と超電導ドレイン領域３とに分割する。超電導ソー
ス領域２および超電導ドレイン領域３の表面21、31は40
°以下の傾斜角なだらかな曲面にし、超電導ソース領域
２および超電導ドレイン領域３の間の部分には、Pr1Ba2
Cu3Ｏ7-y薄膜20が露出している。
【００５６】この後、必要に応じて１×10-10Torr以下
の超高真空中で350〜400℃に加熱する熱処理を行い、図
２(d)に示すよう、超電導ソース領域２から超電導ドレ
イン領域３にかけて反応性ＭＢＥ法で約５nmのｃ軸配向
のＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜11を成膜する。この
Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜11は、なだらかな曲面
上に成膜されるので一様なｃ軸配向の酸化物超電導薄膜
になる。Ｙ1Ba2Cu3 Ｏ7-X 酸化物超電導薄膜11のPr1Ba2
Cu3Ｏ7-y薄膜20上の部分は超電導チャネル10になる。 基板温度 700℃ Ｏ2 またはＯ3 雰囲気 圧力 １×10-5Torr 膜厚 5nm
【００５７】最後に、図２(e) に示すよう超電導チャネ
ル10上に、Si3Ｎ4、MgＯまたはSrTiＯ3でゲート絶縁層
７を形成し、連続してAuでゲート電極４を形成して本発
明の超電導電界効果型素子が完成する。また、必要に応
じて、超電導ソース領域２および超電導ドレイン領域３
上に、それぞれソース電極およびドレイン電極を設け
る。
【００５８】以上のように、本発明の方法で作製された
本発明の超電導電界効果型素子は、超電導チャネル10、
超電導ソース領域２および超電導ドレイン領域３が、す
べてｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成されている。従
って、超電導チャネル10と、超電導ソース領域２および
超電導ドレイン領域３との間に抵抗成分や不要なジョセ
フソン接合が存在しない。また、超電導ソース領域２お
よび超電導ドレイン領域３が超電導チャネル10に向かっ
て傾斜しているので、超電導ソース領域２および超電導
ドレイン領域３から、超電導電流が効率良く超電導チャ
ネル10に流出入する。
【００５９】実施例３ 本発明の方法により、本発明の超電導電界効果型素子を
作製した。図３を参照して、その工程を説明する。ま
ず、図３(a)に示すようなMgＯ基板５上に図３(b)に示す
ようｃ軸配向のＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１を成
膜する。成膜方法としては、各種のスパッタリング法、
ＭＢＥ法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等任意の方法が使用可
能である。スパッタリング法で成膜を行う際の主な成膜
条件を以下に示す。 基板温度 700℃ スパッタリングガス Ar 90 ％ Ｏ2 10 ％ 圧力 ５×10-2Torr 膜厚 250nm
【００６０】次に、図３(c)に示すようこのＹ1Ba2Cu3Ｏ
7-X酸化物超電導薄膜１上に連続してAuで厚さ30〜100nm
の拡散防止層14を成膜する。この拡散防止層14上にさら
に図３(d)に示すよう、厚さ250nmのSiＯ2層15をＣＶＤ
法で形成する。SiＯ2層15をフォトレジスト（不図示）
を使用してマスクに加工し、このマスクを使用して、拡
散防止層14とＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１の中央
部付近を塩素系のエッチングガスを使用した反応性イオ
ンエッチング、Arイオンミリング、集束イオンビームエ
ッチング等で除去し、図３(e)に示すよう、ソース電極1
2およびドレイン電極13と、超電導ソース領域２および
超電導ドレイン領域３を形成する。Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化
物超電導薄膜の除去された部分16には、基板５が露出し
ている。
【００６１】１×10-9Torr以下の超高真空中で基板５を
350〜400℃に加熱し、基板５の露出部分を清浄にした
後、図３(f)に示すよう、基板５が露出している部分16
にＲＨＥＥＤでモニターしながらＭＢＥ法によりPr1Ba2
Cu3Ｏ7-y層20を溝の半分程度の厚さに形成する。このと
き、基板温度は750℃にする。Pr蒸発源をＹ蒸発源に切
り替え、基板温度は700℃に変化させて図３(g)に示すよ
うPr1Ba2Cu3Ｏ7-y層20上に連続してＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化
物超電導薄膜による超電導チャネル10を形成する。超電
導チャネル10の厚さは、約５nmにすることが好ましい。
【００６２】超電導チャネル10を形成したら連続して、
MgＯ等の絶縁体で、図３(h)に示すようゲート絶縁層７
を、基板温度350℃でスパッタリング法により超電導ソ
ース領域２、超電導チャネル10および超電導ドレイン領
域３にわたって連続するよう形成する。このゲート絶縁
層７の厚さは、10〜20nmであり、超電導ソース領域２お
よび超電導ドレイン領域３の側面を覆って絶縁する機能
も有する。さらに連続して、図３(i)に示すようゲート
絶縁層７上に蒸着法により、Auのゲート電極４を形成す
る。最後に、ＨＦの10％溶液を使用してSiＯ2膜15をリ
フトオフして、図３(j)に示すよう本発明の超電導電界
効果型素子が完成する。
【００６３】以上のように、本発明の方法で作製された
本発明の超電導電界効果型素子は、酸化物超電導体で構
成された超電導チャネルが、酸化物超電導体と類似の結
晶構造を有する非超電導酸化物層上に形成されているの
で、超電導チャネルの下部が基板の影響を受けていな
い。従って、超電導チャネルの下部も良好な超電導特性
を示し、超電導チャネルの実質的な断面積が大きくなる
ので、素子の電流容量が大きくなる。また、超電導ソー
ス領域および超電導ドレイン領域から超電導チャネルへ
流出入する超電導電流の効果的な絞り込みが行われるの
で、素子特性が向上する。
【００６４】一方、本発明の方法では、酸化物超電導薄
膜がエッチング加工の際にフォトレジストに触れること
なく、保護されているので酸化物超電導薄膜の特性が劣
化しない。さらに、素子上面をほぼ平坦にすることが可
能である。完全に平坦にしたい場合には、ソース電極12
およびドレイン13電極上にさらに金属層を積層すること
もできる。
【００６５】実施例４ 図４を参照して、本発明の方法で超電導電界効果型素子
を作製する方法を説明する。本発明の方法では、最初に
図４(a)に示すようなMgＯ（１００）基板５の成膜面上
に、図４(b)に示すよう、厚さ１μｍのCaＯ膜と厚さ50n
mのZr膜とを積層した積層膜16を作製する。この積層膜1
6は、基板５を加工する際のマスクになる。この積層膜1
6を、図４(c)に示すよう、基板５の絶縁領域となる部分
を除いて除去し、マスク６を形成する。積層膜16の加工
には、フォトレジストを使用したパターニングでも、ま
たはリフトオフでも可能である。このマスク６を使用し
て、基板５を反応性イオンエッチング、Arイオンミリン
グ等の方法でエッチングし、図４(d)に示すよう、基板
５上に突出するほぼ等脚台形の断面の絶縁領域50を形成
する。
【００６６】次に、上記の絶縁領域50を形成した基板５
を圧力１×10-9Torr以下の超高真空中で、350〜400℃に
加熱する熱処理を行って成膜面を清浄にし、図４(e) に
示すよう、厚さ200〜300nmのＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電
導薄膜１を成膜する。Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X 酸化物超電導薄
膜１の成膜方法としては、ＭＢＥ法が好ましい。成膜条
件を以下に示す。 基板温度 680℃ Ｏ2 またはＯ3 雰囲気 圧力 １×10-5Torr
【００６７】次いで、マスク６をリフトオフし、図４
(f) に示すようＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１を超
電導ソース領域２および超電導ドレイン領域３に分離す
るとともに、絶縁領域50を露出させる。マスク６は、水
を用いてCaＯ＋Ｈ2Ｏ→Ca（ＯＨ）2の反応により容易に
リフトオフすることができる。露出した絶縁領域50を清
浄にするため、再度圧力１×10-9Torr以下の超高真空中
で、350〜400℃に加熱する熱処理を行い、図４(g) に示
すよう、厚さ約５nmの極薄のＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電
導薄膜11を成膜する。Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜
11は、Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X 酸化物超電導薄膜１と同様、Ｍ
ＢＥ法で成膜することが好ましい。Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X 酸
化物超電導薄膜11の絶縁領域50上の部分は、超電導チャ
ネル10となる。
【００６８】次に、図４(h) に示すよう、Ｙ1Ba2Cu3Ｏ
7-X酸化物超電導薄膜11上に、SrTiＯ 3Si3Ｎ4 またはMg
Ｏで厚さ10〜20nmの絶縁膜17を成膜し、さらにその上
に、図４(i)に示すよう、厚さ約300nm のAu膜14を成膜
する。最後に、図４(j)に示すよう、絶縁膜17およびAu
膜14をそれぞれゲート絶縁層７およびゲート電極４に加
工するとともに、超電導ソース領域２および超電導ドレ
イン領域３上にそれぞれソース電極12およびドレイン電
極13を形成して超電導電界効果型素子が完成する。
【００６９】以上のように、本発明の方法で超電導電界
効果型素子を作製すると、超電導チャネル10は、単に酸
化物超電導薄膜の成膜のみで形成され、エッチング等の
加工を行う必要がない。従って、極薄の酸化物超電導薄
膜で構成されている超電導チャネルが、エッチング等の
影響で劣化することなく、特性が優れた超電導電界効果
型素子を作製可能である。
【００７０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に従えば、
新規な構成の超電導電界効果型素子およびその作製方法
が提供される。本発明の方法で作製された本発明の超電
導電界効果型素子は、超電導チャネルと、超電導ソース
領域および超電導ドレイン領域との間に抵抗成分や不要
なジョセフソン接合が存在しないので、従来の超電導電
界効果型素子よりも優れた特性を示す。
【００７１】本発明の方法で作製された本発明の他の構
成の超電導電界効果型素子は、酸化物超電導薄膜で構成
された超電導チャネルが基板の影響を受けて劣化するこ
とがないので、従来と超電導チャネルの厚さを変えずに
電流容量を大きくすることが可能である。また、素子上
面がほぼ平坦であるので、多層構造の集積回路等に適し
ており、集積度を向上させることができる。
【００７２】さらに、本発明の他の構成の方法では、超
電導チャネルを構成する極薄の酸化物超電導薄膜を成膜
のみで形成するので、超電導電界効果型素子の特性が優
れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法で本発明の超電導電界効果型素子
を作製する工程の一例を説明する図である。
【図２】本発明の方法で本発明の超電導電界効果型素子
を作製する工程の別の一例を説明する図である。
【図３】本発明の方法で本発明の超電導電界効果型素子
を作製する工程のさらに異なる例を説明する図である。
【図４】本発明の方法で超電導電界効果型素子を作製す
る工程のさらに別の一例を説明する図である。
【図５】従来の超電導電界効果型素子の構成例を説明す
る図である。
【図６】従来の超電導電界効果型素子の別な構成例を説
明する図である。
【図７】従来の方法で超電導電界効果型素子を作製する
工程を説明する図である。
【符号の説明】
１、11 酸化物超電導薄膜 ２ 超電導ソース領域 ３ 超電導ドレイン領域 ４ ゲート電極 ５ 基板 ７ ゲート絶縁層 10 超電導チャネル
フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平3−355187 (32)優先日 平３(1991)12月20日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ）

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板と、該基板上に形成された酸化物超
    電導体で構成された第１および第２の超電導領域と、前
    記基板上で前記第１および第２の超電導領域間に配置さ
    れ、前記第１および第２の超電導領域を結ぶ酸化物超電
    導体で構成された第３の超電導領域とを備える超電導素
    子において、前記基板上にｃ軸配向の酸化物超電導体に
    類似した結晶構造を有する酸化物層を具備し、その上に
    配置された上面の中央部がなだらかに凹んでいて、その
    下の不純物濃度が高く超電導性を示さない非超電導領域
    で２個の超電導領域に分割されているｃ軸配向の酸化物
    超電導薄膜で、前記第１および前記第２の超電導領域が
    主に構成され、該ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜の前記上
    面に配置された極薄の酸化物超電導薄膜で前記第３の超
    電導領域が構成されていることを特徴とする超電導素
    子。
  2. 【請求項２】 基板と、該基板上に形成された酸化物超
    電導体で構成された超電導ソース領域および超電導ドレ
    イン領域と、前記基板上で該超電導ソース領域および超
    電導ドレイン領域間に配置され、該超電導ソース領域お
    よび超電導ドレイン領域を電気的に結合する酸化物超電
    導体で構成された超電導チャネルと、該超電導チャネル
    上にゲート絶縁層を介して配置され、該超電導チャネル
    を流れる電流を制御するためのゲート電圧が印加される
    常電導体で構成されたゲート電極とを備える超電導電界
    効果型素子において、前記基板上にｃ軸配向の酸化物超
    電導体に類似した結晶構造を有する酸化物層を具備し、
    その上に配置された上面の中央部がなだらかに凹んでい
    て、その下の不純物濃度が高く超電導性を示さない非超
    電導領域で２個の超電導領域に分割されているｃ軸配向
    の酸化物超電導薄膜で、前記超電導ソース領域および前
    記超電導ドレイン領域が主に構成され、該ｃ軸配向の酸
    化物超電導薄膜の前記上面に配置された極薄の酸化物超
    電導薄膜で超電導チャネルが構成されていることを特徴
    とする超電導電界効果型素子。
  3. 【請求項３】 基板と、該基板上に形成された酸化物超
    電導体で構成された第１および第２の超電導電極と、前
    記基板上で前記第１および第２の超電導電極間に配置さ
    れ、前記第１および第２の超電導電極間にジョセフソン
    接合が生ずるよう弱く結合する酸化物超電導体で構成さ
    れた第３の超電導領域とを備えるジョセフソン素子にお
    いて、前記基板上にｃ軸配向の酸化物超電導体に類似し
    た結晶構造を有する酸化物層を具備し、その上に配置さ
    れた上面の中央部がなだらかに凹んでいて、その下の不
    純物濃度が高く超電導性を示さない非超電導領域で２個
    の超電導領域に分割されているｃ軸配向の酸化物超電導
    薄膜で、前記第１および前記第２の超電導電極が主に構
    成され、該ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜の前記上面に配
    置された極薄の酸化物超電導薄膜で前記第３の超電導領
    域が構成されていることを特徴とするジョセフソン素
    子。
  4. 【請求項４】 酸化物超電導体で構成された第１および
    第２の超電導領域と、前記第１および第２の超電導領域
    とを結ぶ極めて薄い酸化物超電導体で構成された第３の
    超電導領域とを具備する超電導素子を作製する方法にお
    いて、基板上にｃ軸配向の酸化物超電導体に類似した結
    晶構造を有する酸化物層を形成し、該酸化物層上に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
    超電導薄膜の上面の中央部をなだらかに凹んだ形状に加
    工した後、該ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜の中央部に不
    純物イオンを注入して非超電導領域を形成し、この非超
    電導領域により前記ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜を２個
    の超電導領域に分割し、前記２個の超電導領域上および
    前記非超電導領域上に極薄のｃ軸配向の酸化物超電導薄
    膜を成膜する工程を含むことを特徴とする方法。
  5. 【請求項５】 基板と、該基板上に形成された酸化物超
    電導体で構成された超電導ソース領域および超電導ドレ
    イン領域と、前記基板上で該超電導ソース領域および超
    電導ドレイン領域間に配置され、酸化物超電導体で構成
    された超電導チャネルと、該超電導チャネル上にゲート
    絶縁層を介して配置され、該超電導チャネルを流れる電
    流を制御するためのゲート電圧が印加される常電導体で
    構成されたゲート電極とを備える超電導電界効果型素子
    において、前記基板上にｃ軸配向の酸化物超電導体に類
    似した結晶構造を有する酸化物層を具備し、前記超電導
    チャネル、前記超電導ソース領域および前記超電導ドレ
    イン領域が、前記酸化物層上に配置されたｃ軸配向の酸
    化物超電導薄膜で構成され、前記超電導ソース領域およ
    び前記超電導ドレイン領域が、ともに前記超電導チャネ
    ルに向かってなだらかに傾斜していることを特徴とする
    超電導電界効果型素子。
  6. 【請求項６】 基板と、該基板上に形成された酸化物超
    電導体で構成された超電導ソース領域および超電導ドレ
    イン領域と、前記基板上で該超電導ソース領域および超
    電導ドレイン領域間に配置され、酸化物超電導体で構成
    された超電導チャネルと、該超電導チャネル上にゲート
    絶縁層を介して配置され、該超電導チャネルを流れる電
    流を制御するためのゲート電圧が印加される常電導体で
    構成されたゲート電極とを備え、前記超電導チャネル、
    前記超電導ソース領域および前記超電導ドレイン領域
    が、前記酸化物層上に配置されたｃ軸配向の酸化物超電
    導薄膜で構成され、前記超電導ソース領域および前記超
    電導ドレイン領域が、ともに前記超電導チャネルに向か
    ってなだらかに傾斜している超電導電界効果型素子を作
    製する方法において、基板上にｃ軸配向の酸化物超電導
    体に類似した結晶構造を有する酸化物層を形成し、該酸
    化物層上にｃ軸配向の酸化物超電導薄膜を成膜し、該酸
    化物超電導薄膜を互いになだらかな斜面で対向する２個
    の超電導領域に分割し、両領域間に前記酸化物層を露出
    させ、前記２個の超電導領域上および前記酸化物層上に
    極薄のｃ軸配向の酸化物超電導薄膜を成膜する工程を含
    むことを特徴とする方法。
  7. 【請求項７】 基板と、該基板上に形成された酸化物超
    電導体で構成された超電導ソース領域および超電導ドレ
    イン領域と、前記基板上で該超電導ソース領域および超
    電導ドレイン領域間に配置され、酸化物超電導体で構成
    された超電導チャネルと、該超電導チャネル上にゲート
    絶縁層を介して配置され、該超電導チャネルを流れる電
    流を制御するためのゲート電圧が印加される常電導体で
    構成されたゲート電極と、前記超電導ソース領域および
    超電導ドレイン領域上にそれぞれ配置された常電導体で
    構成されたソース電極およびドレイン電極を備える超電
    導電界効果型素子において、前記基板と前記超電導チャ
    ネルとの間に前記超電導チャネルを構成する酸化物超電
    導体と類似の結晶構造を有する非超電導酸化物層を具備
    し、前記超電導ソース領域および超電導ドレイン領域の
    上面が、前記超電導チャネルの上面と前記ゲート電極の
    上面との間にあり、前記ゲート絶縁層が、前記超電導ソ
    ース領域および超電導ドレイン領域の側面上にまで延長
    され、前記ゲート電極と、前記超電導ソース領域および
    超電導ドレイン領域とを電気的に絶縁し、素子上面がほ
    ぼ平坦であることを特徴とする超電導電界効果型素子。
  8. 【請求項８】 基板と、該基板上に形成された酸化物超
    電導体で構成された超電導ソース領域および超電導ドレ
    イン領域と、前記基板上で該超電導ソース領域および超
    電導ドレイン領域間に配置され、酸化物超電導体で構成
    された超電導チャネルと、該超電導チャネル上にゲート
    絶縁層を介して配置された該超電導チャネルを流れる電
    流を制御するためのゲート電圧が印加されるゲート電極
    と、前記超電導ソース領域および超電導ドレイン領域上
    にそれぞれ配置されたソース電極およびドレイン電極と
    を備える超電導電界効果型素子を作製する方法におい
    て、前記基板上に前記超電導電界効果型素子の全長にわ
    たる酸化物超電導薄膜を成膜し、該酸化物超電導薄膜上
    に常電導体層を形成し、該常電導体層上にSiＯ2膜でマ
    スクを形成し、前記常電導体層および前記酸化物超電導
    薄膜の中央部を除去して基板を露出させるとともに、前
    記常電導体層をソース電極およびドレイン電極に分割
    し、また、酸化物超電導薄膜を前記超電導ソース領域お
    よび超電導ドレイン領域に分割し、前記基板の露出した
    部分に前記酸化物超電導体と類似の結晶構造を有する非
    超電導酸化物層を形成し、該非超電導酸化物層上に酸化
    物超電導薄膜の超電導チャネル、ゲート絶縁層およびゲ
    ート電極を順に積層して形成する工程を含むことを特徴
    とする方法。
  9. 【請求項９】 基板と、該基板上にほぼ台形断面で突出
    するよう形成された絶縁領域と、前記基板上の前記絶縁
    領域の両側にそれぞれ配置され、酸化物超電導体で構成
    された超電導ソース領域および超電導ドレイン領域と、
    前記絶縁領域上に配置され、前記超電導ソース領域およ
    び超電導ドレイン領域を結合する酸化物超電導体で構成
    された超電導チャネルと、該超電導チャネル上にゲート
    絶縁層を介して配置され、該超電導チャネルを流れる電
    流を制御するためのゲート電圧が印加される常電導体で
    構成されたゲート電極とを備える超電導電界効果型素子
    を作製する方法において、平坦な基板面の前記絶縁領域
    となる部分にマスクを配置して該基板面をエッチング加
    工して前記絶縁領域を形成し、該絶縁領域を形成した基
    板面上に前記超電導ソース領域および超電導ドレイン領
    域となる酸化物超電導薄膜を形成し、前記マスクを除去
    して前記絶縁領域を露出させた後で前記超電導チャネル
    となる極薄の酸化物超電導薄膜を形成することを特徴と
    する超電導電界効果型素子の作製方法。
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