JPH0555648A - 超電導素子 - Google Patents
超電導素子Info
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- JPH0555648A JPH0555648A JP3238690A JP23869091A JPH0555648A JP H0555648 A JPH0555648 A JP H0555648A JP 3238690 A JP3238690 A JP 3238690A JP 23869091 A JP23869091 A JP 23869091A JP H0555648 A JPH0555648 A JP H0555648A
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【構成】 MgＯ基板10上に形成されたPr1Ba2Cu3Ｏ7-y層
６と、Pr1Ba2Cu3Ｏ7-y層６上に形成されたＹ1Ba2Cu3Ｏ
7-X酸化物超電導薄膜２の中央部付近に配置された超電
導チャネル20と、超電導チャネル20上にゲート絶縁層９
を介して配置されたゲート電極５と、超電導チャネル20
の両側にそれぞれ配置されたＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電
導体で構成された超電導ソース電極３および超電導ドレ
イン電極４とを具備する超電導電界効果型素子。 【効果】 Pr1Ba2Cu3Ｏ7-y層６によりＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸
化物超電導薄膜２の結晶状態が改善され、超電導チャネ
ルの実質的な電流容量が大きくなる。
６と、Pr1Ba2Cu3Ｏ7-y層６上に形成されたＹ1Ba2Cu3Ｏ
7-X酸化物超電導薄膜２の中央部付近に配置された超電
導チャネル20と、超電導チャネル20上にゲート絶縁層９
を介して配置されたゲート電極５と、超電導チャネル20
の両側にそれぞれ配置されたＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電
導体で構成された超電導ソース電極３および超電導ドレ
イン電極４とを具備する超電導電界効果型素子。 【効果】 Pr1Ba2Cu3Ｏ7-y層６によりＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸
化物超電導薄膜２の結晶状態が改善され、超電導チャネ
ルの実質的な電流容量が大きくなる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超電導素子に関する。
より詳細には、チャネルが酸化物超電導体で構成されて
いる超電導電界効果型三端子素子に関する。
より詳細には、チャネルが酸化物超電導体で構成されて
いる超電導電界効果型三端子素子に関する。
【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。
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超電導電界効果型素子と
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、電流容量が大き
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。
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超電導電界効果型素子と
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、電流容量が大き
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２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２の超電導電界
効果型素子１は、基板10上に配置された酸化物超電導薄
膜２の中央部付近に配置された超電導チャネル20と、超
電導チャネル20の両端付近にそれぞれ配置された酸化物
超電導体で構成された超電導ソース電極３および超電導
ドレイン電極４と、超電導チャネル20上にゲート絶縁層
９を介して配置されたゲート電極５とを具備する。この
超電導電界効果型素子は、超電導ソース電極３および超
電導ドレイン電極４間の超電導チャネル20を流れる超電
導電流をゲート電極５に印加する電圧で制御する。
界効果型素子の一例の概略図を示す。図２の超電導電界
効果型素子１は、基板10上に配置された酸化物超電導薄
膜２の中央部付近に配置された超電導チャネル20と、超
電導チャネル20の両端付近にそれぞれ配置された酸化物
超電導体で構成された超電導ソース電極３および超電導
ドレイン電極４と、超電導チャネル20上にゲート絶縁層
９を介して配置されたゲート電極５とを具備する。この
超電導電界効果型素子は、超電導ソース電極３および超
電導ドレイン電極４間の超電導チャネル20を流れる超電
導電流をゲート電極５に印加する電圧で制御する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記の超電導電界効果
型素子は、超電導チャネル20に流れる超電導電流をゲー
ト電極５に印加された電圧で制御するため、超電導チャ
ネル20およびゲート絶縁層９の厚さは極めて小さいもの
としなければならない。具体的には、超電導チャネル20
の厚さは５nm以下で、酸化物超電導体結晶の単位胞５個
分程度であることが好ましく、ゲート絶縁層９の厚さは
十分薄く、且つトンネル電流が流れない10nm程度である
ことが好ましい。しかしながら、実際に超電導チャネル
20を酸化物超電導体結晶の単位胞５個分の厚さの酸化物
超電導薄膜で形成すると、上部および下部の１〜２単位
胞分の厚さの部分は超電導性を示さない場合があり、超
電導チャネル20に流すことができる電流値は制限されて
いた。
型素子は、超電導チャネル20に流れる超電導電流をゲー
ト電極５に印加された電圧で制御するため、超電導チャ
ネル20およびゲート絶縁層９の厚さは極めて小さいもの
としなければならない。具体的には、超電導チャネル20
の厚さは５nm以下で、酸化物超電導体結晶の単位胞５個
分程度であることが好ましく、ゲート絶縁層９の厚さは
十分薄く、且つトンネル電流が流れない10nm程度である
ことが好ましい。しかしながら、実際に超電導チャネル
20を酸化物超電導体結晶の単位胞５個分の厚さの酸化物
超電導薄膜で形成すると、上部および下部の１〜２単位
胞分の厚さの部分は超電導性を示さない場合があり、超
電導チャネル20に流すことができる電流値は制限されて
いた。
【０００６】超電導チャネル20の下部の１〜２単位胞分
の厚さの部分が超電導性を示さないのは、基板材料と酸
化物超電導薄膜を構成する酸化物超電導体とで熱膨張率
が異なるので、成膜後室温に至ると応力を受けて薄膜下
部の結晶が歪むからである。また、基板を構成する原子
が酸化物超電導体結晶中に拡散することが原因となって
いることもある。
の厚さの部分が超電導性を示さないのは、基板材料と酸
化物超電導薄膜を構成する酸化物超電導体とで熱膨張率
が異なるので、成膜後室温に至ると応力を受けて薄膜下
部の結晶が歪むからである。また、基板を構成する原子
が酸化物超電導体結晶中に拡散することが原因となって
いることもある。
【０００７】そこで、本発明の目的は、上記の超電導チ
ャネルを構成する酸化物超電導薄膜の非超電導部分を減
らした超電導電界効果型素子を提供することにある。
ャネルを構成する酸化物超電導薄膜の非超電導部分を減
らした超電導電界効果型素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明に従うと、基板上
に配置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、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た酸化物超電導
体で構成された超電導チャネルと、該超電導チャネル上
にゲート絶縁体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、前記超電導チャネルと前記基板と
の間に、前記超電導チャネルとほぼ等しい厚さのPr1Ba2
Cu3Ｏ7-y層を具備することを特徴とする超電導素子が提
供される。
に配置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、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た酸化物超電導
体で構成された超電導チャネルと、該超電導チャネル上
にゲート絶縁体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、前記超電導チャネルと前記基板と
の間に、前記超電導チャネルとほぼ等しい厚さのPr1Ba2
Cu3Ｏ7-y層を具備することを特徴とする超電導素子が提
供される。
【０００９】
【作用】本発明の超電導素子は、基板と超電導チャネル
との間に超電導チャネルとほぼ等しい厚さのPr1Ba2Cu3
Ｏ7-yで構成されたバッファ層を具備するところにその
主要な特徴がある。Pr1Ba2Cu3Ｏ7-y層上に形成された超
電導チャネルは、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、Pr1Ba2Cu
3Ｏ7-y結晶が酸化物超電導体結晶と同様な層状の構造を
有し、且つ酸化物超電導体結晶との格子整合性が良好な
のでPr1Ba2Cu3Ｏ7-y層上に酸化物超電導薄膜を形成する
と、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。また、基板との
熱膨張率の差による歪みもPr1Ba2Cu3Ｏ7-y層で吸収さ
れ、基板からの原子の拡散もPr1Ba2Cu3Ｏ7-y層内だけで
止まる。このため、本発明の超電導素子では、Pr1Ba2Cu
3Ｏ7-y層は、超電導チャネルとほぼ等しい厚さが必要で
あり、それよりも薄い場合には効果が十分ではない。ま
た、超電導チャネルよりも厚くしてもその効果に変わり
がない。
との間に超電導チャネルとほぼ等しい厚さのPr1Ba2Cu3
Ｏ7-yで構成されたバッファ層を具備するところにその
主要な特徴がある。Pr1Ba2Cu3Ｏ7-y層上に形成された超
電導チャネルは、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、Pr1Ba2Cu
3Ｏ7-y結晶が酸化物超電導体結晶と同様な層状の構造を
有し、且つ酸化物超電導体結晶との格子整合性が良好な
のでPr1Ba2Cu3Ｏ7-y層上に酸化物超電導薄膜を形成する
と、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。また、基板との
熱膨張率の差による歪みもPr1Ba2Cu3Ｏ7-y層で吸収さ
れ、基板からの原子の拡散もPr1Ba2Cu3Ｏ7-y層内だけで
止まる。このため、本発明の超電導素子では、Pr1Ba2Cu
3Ｏ7-y層は、超電導チャネルとほぼ等しい厚さが必要で
あり、それよりも薄い場合には効果が十分ではない。ま
た、超電導チャネルよりも厚くしてもその効果に変わり
がない。
【００１０】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層を形成するに
は、ＭＢＥ法を使用することが好ましい。特に、ＲＨＥ
ＥＤ（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ＭＢ
Ｅ法で成膜する場合には、Pr1Ba2Cu3Ｏ7-y層を成膜後連
続して酸化物超電導薄膜を成膜することが可能である。
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層を形成するに
は、ＭＢＥ法を使用することが好ましい。特に、ＲＨＥ
ＥＤ（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ＭＢ
Ｅ法で成膜する場合には、Pr1Ba2Cu3Ｏ7-y層を成膜後連
続して酸化物超電導薄膜を成膜することが可能である。
【００１１】本発明は、任意の酸化物超電導体に適用で
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。
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。
【００１２】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。
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。
【００１３】
【実施例】図１に本発明の超電導素子の一例の概略断面
図を示す。図１に示した本発明の超電導素子は、MgＯ基
板10上に形成されたPr1Ba2Cu3Ｏ7-y層６と、Pr1Ba2Cu3
Ｏ7-y層６上に形成されたＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導
薄膜２の中央部付近に配置された超電導チャネル20と、
超電導チャネル20上にゲート絶縁層９を介して配置され
たゲート電極５と、超電導チャネル20の両側にそれぞれ
配置されたＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導体で構成された
超電導ソース電極３および超電導ドレイン電極４とを具
備する。
図を示す。図１に示した本発明の超電導素子は、MgＯ基
板10上に形成されたPr1Ba2Cu3Ｏ7-y層６と、Pr1Ba2Cu3
Ｏ7-y層６上に形成されたＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導
薄膜２の中央部付近に配置された超電導チャネル20と、
超電導チャネル20上にゲート絶縁層９を介して配置され
たゲート電極５と、超電導チャネル20の両側にそれぞれ
配置されたＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導体で構成された
超電導ソース電極３および超電導ドレイン電極４とを具
備する。
【００１４】上記本発明の超電導素子では、Pr1Ba2Cu3
Ｏ7-y層６は、ｃ軸配向のPr1Ba2Cu3Ｏ7-y結晶５単位胞
の薄膜で構成され、その厚さは約５nmである。超電導チ
ャネル20はｃ軸配向のＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導体結
晶が５単位胞積層された酸化物超電導薄膜２により構成
され、その厚さは約５nmであった。一方、ゲート絶縁層
９はMgＯで構成され、その厚さは約10nmである。
Ｏ7-y層６は、ｃ軸配向のPr1Ba2Cu3Ｏ7-y結晶５単位胞
の薄膜で構成され、その厚さは約５nmである。超電導チ
ャネル20はｃ軸配向のＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導体結
晶が５単位胞積層された酸化物超電導薄膜２により構成
され、その厚さは約５nmであった。一方、ゲート絶縁層
９はMgＯで構成され、その厚さは約10nmである。
【００１５】上記本発明の超電導素子を作製する方法を
以下に説明する。まず、MgＯ基板10上に５単位胞のｃ軸
配向のPr1Ba2Cu3Ｏ7-y結晶をＲＨＥＥＤでモニターしな
がらＭＢＥ法で積層してPr1Ba2Cu3Ｏ7-y層６を成膜す
る。連続して、５単位胞のｃ軸配向のＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸
化物超電導体結晶をPr1Ba2Cu3Ｏ7-y層６上に積層し、Ｙ
1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜２を形成する。Ｙ1Ba2Cu
3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜２の中央部にMgＯでゲート絶縁
膜９を形成し、ゲート絶縁膜９上にAuでゲート電極５を
形成する。その後、Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜２
の両端にａ軸配向のＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜を
積層して、超電導ソース電極３および超電導ドレイン電
極４を形成して本発明の超電導素子が完成する。
以下に説明する。まず、MgＯ基板10上に５単位胞のｃ軸
配向のPr1Ba2Cu3Ｏ7-y結晶をＲＨＥＥＤでモニターしな
がらＭＢＥ法で積層してPr1Ba2Cu3Ｏ7-y層６を成膜す
る。連続して、５単位胞のｃ軸配向のＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸
化物超電導体結晶をPr1Ba2Cu3Ｏ7-y層６上に積層し、Ｙ
1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜２を形成する。Ｙ1Ba2Cu
3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜２の中央部にMgＯでゲート絶縁
膜９を形成し、ゲート絶縁膜９上にAuでゲート電極５を
形成する。その後、Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜２
の両端にａ軸配向のＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜を
積層して、超電導ソース電極３および超電導ドレイン電
極４を形成して本発明の超電導素子が完成する。
【００１６】上記のように作製した本発明の超電導素子
は、Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜２の下面から少な
くとも３単位胞分の結晶層は超電導電導性を示した。従
って、従来の超電導素子に較べて実質的に超電導チャネ
ルの断面積が大きく、電流容量も大きい。
は、Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜２の下面から少な
くとも３単位胞分の結晶層は超電導電導性を示した。従
って、従来の超電導素子に較べて実質的に超電導チャネ
ルの断面積が大きく、電流容量も大きい。
【００１７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に従えば、
従来よりも高性能な超電導３端子素子が提供される。本
発明を超電導回路、電子機器の作製に応用することによ
り、電子装置の大幅な性能向上が可能である。
従来よりも高性能な超電導３端子素子が提供される。本
発明を超電導回路、電子機器の作製に応用することによ
り、電子装置の大幅な性能向上が可能である。
【図１】本発明の超電導電界効果型素子の概略断面図で
ある。
ある。
【図２】従来の超電導電界効果型素子の概略断面図であ
る。
る。
１ 超電導電界効果型素子 ２ 酸化物超電導薄膜 ３ 超電導ソース電極 ４ 超電導ドレイン電極 ５ ゲート電極
Claims (1)
- 【請求項１】 基板上に配置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、該超電導ソース領域および超電導ドレイン領域間に
配置された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体層を介して配置
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、前記超電
導チャネルと前記基板との間に、前記超電導チャネルと
ほぼ等しい厚さのPr1Ba2Cu3Ｏ7-y層を具備することを特
徴とする超電導素子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3238690A JPH0555648A (ja) | 1991-08-26 | 1991-08-26 | 超電導素子 |
| CA 2076913 CA2076913A1 (en) | 1991-08-26 | 1992-08-26 | Superconducting device having an extremely thin superconducting channel formed of oxide superconductor material and method for manufacturing the same |
| DE69210150T DE69210150T2 (de) | 1991-08-26 | 1992-08-26 | Supraleitende Einrichtung mit extrem dünnen supraleitenden Kanal aus oxydisch supraleitendem Material und Verfahren zu deren Herstellung |
| EP92402344A EP0533519B1 (en) | 1991-08-26 | 1992-08-26 | Superconducting device having an extremely thin superconducting channel formed of oxide superconductor material and method for manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3238690A JPH0555648A (ja) | 1991-08-26 | 1991-08-26 | 超電導素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0555648A true JPH0555648A (ja) | 1993-03-05 |
Family
ID=17033853
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3238690A Pending JPH0555648A (ja) | 1991-08-26 | 1991-08-26 | 超電導素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0555648A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07240541A (ja) * | 1994-03-02 | 1995-09-12 | Hitachi Ltd | 超電導三端子素子 |
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