JPH0586077B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の利用分野］ 本発明は酸化物超電導材料を用いた固体電子装
置に関する。

本発明は入力端子と出力端子とを有する３端子
素子に関する。本発明はかかる素子に増幅機能、
スイツチ機能を有せしめるとともに、入力信号を
制御用入力に印加することにより出力信号を出力
より検出せしめんとするものである。

［従来の技術］ 従来、超電導材料、例えばNb−Ge系（例とし
てはNb₃Ge）等の金属材料を用いて固体電子デ
イバイスを作る試みがなされてきた。

その代表的なものはジヨセフソン素子である。
このジヨセフソン素子は超電導現象とトンネル電
流現象とを組み合わせてスイツチングを行わんと
するもので、２端子回路よりなつている。

［従来の問題点］ しかし、かかるジヨセフソン素子は２端子回路
素子であるため、入力信号と出力信号とを独立信
号として用いることができず、増幅機能を有さな
い。このため工業用応用を考える時、超高周波で
動作させることができるという特長を有しながら
も回路設計がきわめて困難である。また、これま
での半導体集積回路で培われている設計技術を用
いることができないという欠点を有する。

また超電導材料が酸化物であり、また半導体集
積回路に用いられる材料、例えば珪素半導体を直
接密接せしめると、長時間の使用にその界面に半
導体それ自体が反応し酸化珪素絶縁物が成長し、
電流を流せないようにしてしまう。このため、こ
の半導体と酸化物超電導材料とのコンタクト方法
にはこれまでよい手段が見出されていなかつた。

本発明はかかる欠点を除去し、超高周波動作を
させるとともに、素子を３端子（４端子）回路素
子、即ち入力信号を加える制御用電極および出力
信号を導出する電極とを有せしめんとするもので
ある。

［問題を解決すべき手段］ 本発明はかかる問題を解決するため、酸化物超
電導材料と半導体材料とを複合化した固体電子素
子（デイバイス）構造を有せしめんとするもので
ある。

本発明は、非超電導性の絶縁性表面を有する基
板上の半導体または半導体基板を構成する半導体
に対し、その両端部を動作温度領域では電気抵抗
が零または零に近い特性を有する超電導材料
（Tco即ち電気抵抗が原理的に零になる温度を有
する材料）（かかる材料を酸化物超電導材料とい
う）により連結した固体素子に関する。そしてこ
の超電導材料をトンネル電流が流れる範囲の厚さ
の絶縁または半絶縁膜を介して半導体に接せしめ
た電極部を設けたものである。

本発明はの超電導素子においては、一対の酸化
物超電導材料にトンネル電流を流し得る厚さの絶
縁または半絶縁膜（以下トンネル電流用膜とい
う）を介して半導体を設けた。またこのトンネル
電流用膜は窒化珪素または炭化珪素を主成分と
し、酸化物超電導材料と超電導膜とが互いに反応
してしまうことに対するブロツキング作用を有す
るとともに、トンネル電流を流しやすいエネルギ
バンド巾の小さい材料を用いた。また半導体とそ
れとは離間した制御用電極との間には、十分大き
い電気抵抗、好ましくは半導体に比べて10²倍以
上の電気抵抗を有する被膜、好ましくは絶縁膜を
設け、入力端子である制御用電極から電圧を印加
させ、その下側の酸化物半導体に電圧を印加す
る。この半導体は、その印加電圧により空乏層を
有するため、その空乏層の大きさにより一方より
他方へ超電導材料の電極間に電流が流れる。

第１図Ａ，Ｂ，Ｃは本発明の固体素子の縦断面
図を示す。

第１図において、非超電導性を有する絶縁基板
板１上に一対の酸化物超電導材料３，５を有す
る。そしてこの間に半導体４を有する。半導体４
とそれぞれの酸化物超電導材料とのコンタクト部
（電極部）にはトンネル電流用膜８，９を有する。

また半導体４上には絶縁膜１１を介して制御用
電極１０が設けられている。

第１図Ｂにおいて、半導体基板１上に選択的に
フイールド絶縁物２を設け、その内部に本発明の
電子装置を設けている。この単結晶半導体基板１
上にトンネル電流用膜８，９を有し、それに密接
して酸化物超電導材料の電極、リード３，５を有
する。またこれらを覆うとともに、この半導体１
の活性領域４上には絶縁膜１１を有する。さらに
活性半導体領域４の上方の絶縁膜１１上に制御用
電極１０を有する。

第１図Ｃにおいて、単結晶半導体基板１の上部
には第１図Ｂと同様のフイールド絶縁膜２を有す
る。またフイールド絶縁膜２で囲まれた内部の半
導体領域における中央部（図面中央部に位置し、
図面に垂直方向にはフイールド絶縁膜までその両
端が及んでいる）に絶縁膜１１、その上の制御用
電極１０を有する。またこの制御用電極１０の外
周辺は絶縁膜１２で覆われて、この電極１０と酸
化物超電導材料３，５とが互いにシヨートしない
ようにしている。これと制御用電極およびその下
の絶縁膜のない半導体上にはトンネル電流用膜
８，９を有する。そしてこの膜上には酸化物超電
導材料３，５の電極、リードとが設けられてい
る。この第１図Ｃにおいては、制御用電極により
その両端を一致させた不純物領域の大部分と酸化
物超電導材料とが接している自己接合型とせしめ
た。

「作用」 かかる構造とすることにより、周波数特性に優
れ、かつ実質的に半導体材料と酸化物超電導材料
とを互いに密接させることができた。そしてそれ
ぞれの材料が互いに反応し、界面に絶縁性のトン
ネル電流を流さないような厚さの進行性の信頼性
低下を促す絶縁膜が形成されることがなくなつ
た。

本発明において、トンネル電流用膜として窒化
珪素および炭化珪素を主成分とする非酸化性膜を
用いた。これらは非酸化物であり、酸素に対する
ブロツキング効果を有するとともに、酸化珪素に
比べてエネルギバンド巾が小さい（酸化珪素
8eV、窒化珪素5eV、炭化珪素3eV）ため、トン
ネル電流を流しやすいという特長も有する。

本発明は、同一基板上に複数個の固体素子を作
ることができ、かかる素子を設計論理に基づき連
結することにより超電導集積回路を作らんとした
時、その相互配線を抵抗零で作ることができる。

以下に図面に従つて実施例を説明する。

「実施例 １」 この実施例は第１図Ａの構造を示す。

基板としてYSZ（イツトリア・スタビライズ
ド・ジルコン）またはチタン酸ストロンチウムを
用いた。これはその上にスクリーン印刷法、スパ
ツタ法、MBE（モレキユラ・ビーム・エピタキシ
ヤル）法、CVD（気相反応）法等を用いて形成さ
れる超電導材料、例えば、（A_1-x BX）
yCuzOw ｘ＝0.1〜１，ｙ＝2.0〜4.0好ましくは
2.5〜3.5，ｚ＝1.0〜4.0好ましくは1.5〜3.5，ｗ＝
4.0〜10.0好ましくは６〜８を有し、ＡはＹ（イツ
トリウム）、Gu（ガドリニウム）、Yb（イツテルビ
ウム）、Eu（ユーロピウム）、Tb（テルビウム）、
Dy（ジスプロシウム）、Ho（ホルミウム）、Er（エ
ルビウム）、Tm（ツリウム）、Lu（ルテチウム）、
Sc（スカンジウム）またはその他の元素周期表
ａ族の１つまたは複数種類より選ばれ、ＢはRa
（ラジウム）、Ba（バリウム）、Sr（ストロンチウ
ム）、Ca（カルシウム）、Mg（マグネシウム）、Be
（ベリリウム）の元素周期表ａ族の１つまたは
複数種より選ばれた超電導材料、特に例えば
YBa₂Cu₃O₆〜₈，YBaSrCu₃O₆〜₈，YBaCaCu₃
O₆〜₈等である。またＡとして元素周期表におけ
るランタニド元素またはアクチニド元素を用い得
る。またこれらに珪素、ゲルマニウム、スズ、
鉛、インジウム、アンチモン、弗素等を添加して
結晶粒界のバリアを下げ得る。

尚、本明細書における元素周期表は理化学辞典
（岩波書店 1963年４月１日発行）によるもので
ある。

この形成と同時またはその後に、500〜1200℃
の温度で熱アニールで５〜10時間処理し、その後
徐冷して作製した。

さらにこれらの上面に水素またはハロゲン元素
が添加された非単結晶半導体４を光CVD法また
はプラズマCVD法で形成した。酸化物超電導材
料３，５の間のみ残存させて活性半導体４領域を
作り、これら全体に絶縁膜１１を作つて、その上
に制御用電極１０を作製した。

次に制御用電極１０を第２の表面を構成する酸
化物超電導材料または金属、例えば銅または銅と
ニツケルとの化合物を真空蒸着法を用いて作製し
た。出力用の端部１８，１９は酸化物超電導薄膜
に密接し、抵抗零の接触がなされるべくした。

第２図はこの実施例での動作を示す。

この図面で、横軸は第１図に対応した距離を示
し、縦軸はエネルギレベル（ポテンシヤル）を示
す。

第２図Ａにおいて、超電導材料、即ち出力の他
端５に電圧を印加する。するとポテンシヤル３０
を得る。その結果、電子は２０，２０′の双方に
量子論的な波動性において存在するが、２０の方
が十分大きいため、電流としては２２として観察
される。

第２図Ａにおいては制御用電極に何らかの電圧
も印加されていない。

第２図Ｂにおいて、制御用電極に負の電圧を印
加する。すると、活性半導体領域４のポテンシヤ
ル２１は第２図Ａの２４より第２図Ｂの２４′へ
と移る。その結果形成された障壁に関連して２
０′は更に小さくなり、また２０は障壁のため極
端に小さくなる。かくして酸化物超電導材料の領
域３より他の酸化物超電導材料の領域５へと一対
の出力用電極間に電圧３０を印加して電流２２′
を流さんとすると、実質的に電流は流れにくくな
り、その値は押さえられる。

結果として制御用電極に負の電圧が印加される
と電流２２′は小さくなる。

また第２図Ｃは制御用電極に正の電圧２１′を
印加した場合を示す。電子の遷移確率２０′は大
きくなり、逆に２０は小さくなる。しかしこの領
域４の井戸は電子で埋められ、２４″のバリアは
２５に見掛け上のポテンシヤルに移つた後、実質
的に消失する。結果として第２図Ａと同じまたは
それに近い電流２２″が流れる。

かくして入力信号のポテンシヤルにより出力電
流を検出できる。この時制御電極下の被膜の抵抗
が十分であり、入力信号を供給するためのエネル
ギ構造よりも出力信号を大きく取り出し得るなら
ば増幅をしたこととなり、４端子素子でありかつ
増幅装置とし得る。この出力を電圧で検出せんと
するならば、この出力は直列に抵抗を第２図Ａに
示す如くにして加えれば、その電流より電圧とし
て検出できる。即ちインバータを作り得る。

「実施例 ２」 第１図Ｂは本発明の他の実施例を示す。

図面において、珪素半導体基板１に対し選択的
にフイールド絶縁膜２を設ける。このフイールド
絶縁膜により囲まれた半導体領域内に半導体の活
性領域４、その両端にトンネル電流用膜８，９を
介して酸化物超電導材料の電極リード３，５が設
けられている。

これら全体を覆つて絶縁膜１１例えば酸化珪素
膜を有する。この絶縁膜上のかつ活性半導体領域
上に制御用電極１０を有する。

かくして一方の超電導材料５より他方の超電導
材料３に活性半導体領域を通して流れる電流の量
を制御用電極１０に印加された電圧により制御せ
しめた。

この図面において、トンネル電流用膜８，９は
シリコン半導体基板１を700〜950℃の高純度アン
モニア中で15〜40分加熱した。するとこのシリコ
ン半導体の表面を10〜25Åの厚さで窒化珪素膜に
変形させることができた。この窒化珪素膜は高温
で作りかつその温度も酸化物超電導材料を作る温
度にほぼ等しいため、その上面に酸化物超電導材
料を作つている際、同時にこの下地と反応してし
まう等の欠点を有さない。この実施例でも酸化物
超電導材料は実施例１と同じとした。

「実施例 ３」 第１図Ｃは本発明の他の実施例を示す。

図面において、第１図Ｂと同様にシリコン半導
体上にフイールド絶縁膜２を作つた。その後、こ
れらの上に絶縁膜１１を熱酸化膜で作つた。さら
に制御用電極１０を酸化物超電導材料、シリコン
半導体または金属酸化物で形成した。さらにこれ
らをパターニングし、制御用電極、その下の絶縁
膜を構成せしめ、他部を除去した。

次にこの制御用電極またはその上のフオトレジ
ストをマスクとして半導体中にＰまたはＮ型の添
加物を多量にイオン注入法等により添加して不純
物領域１３，１４を作つた。

絶縁ゲイト型電界効果半導体装置におけるソー
ス、ドレインと同質の効果を有する。制御用電極
の外側に絶縁物を形成し、さらにトンネル電流用
被膜８，９を炭化珪素により作製した。この作製
法は、高純度メタンガスを含む不純物気体中で
800〜1050℃に加熱して、シリコン半導体表面を
炭化した。かくしてトンネル電流用膜として10〜
30Åの厚さの半絶縁膜の炭化珪素膜を形成した。
同時に添加された不純物をアニールし、この領域
１３，１４を半導体化せしめた。

さらにこれらに対し、実施例と同様の酸化物超
電導材料をスパツタ法または電子ビーム蒸着法に
より形成し、所望のパターニングをし、酸化物超
電導材料の一対の電極リード３，５を作製した。

この外側に外部接触用のリード１８，１９を設
けてもよい。またさらに酸化物超電導材料として
第１層用の超電導材料を作製した後、これらの全
面を絶縁膜で覆い、所定の位置に穴あけをし、第
２層めの酸化物としての酸化物超電導材料として
もよい。

かくして制御用電極下の一対の超電導材料間の
距離（活性半導体領域の長さ）を1μm以下とする
ことにより、1n秒以下の周波数特性を期待し得
る。

第１図Ｃにおいて、半導体に設けられた不純物
領域のほとんどすべてに対し、トンネル電流用膜
を介して酸化物超電導材料の電極リードを形成し
た。かくして不純物領域を工業的に可能な方法に
より小さくすることにより、より高密度な集積回
路とし得る。

「効果」 本発明は、これまで２端子素子であつた超電導
素子を４端子素子としたことにある。そしてこの
制御用電極下に半導体を設けることにより、半導
体集積回路と超電導材料とを複合化して超高速の
固体素子装置を作ることができた。

さらに、この超電導固体素子を同一基板に多数
個設け、集積化させることが可能となつた。

本発明において、半導体と超電導材料との界面
にトンネル電流用被膜を用いることにより、周波
数特性を下げることなく十分な信頼性を有するア
クテイブ素子を作ることができた。またこのトン
ネル電流用被膜の下にイオン注入法等によりP⁺
またはN⁺の導電型の半導体装置を設けてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超電導固体素子の縦断面図を
示す。第２図は本発明の超電導固体素子の動作原
理を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 絶縁性表面を有する基板上に設けられた半導
   体と、該半導体にブロツキング層を介して設けら
   れた一対の酸化物超電導材料と、該一対の酸化物
   超電導材料間において前記半導体に電圧を印加す
   る電極とを有することを特徴とする酸化物超電導
   材料を用いた電子装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、ブロツキン
   グ層として窒化珪素または炭化珪素を用いること
   を特徴とする酸化物超電導材料を用いた電子装
   置。 ３ 特許請求の範囲第１項においていて、ブロツ
   キング層として非酸化物を用いることを特徴とす
   る酸化物超電導材料を用いた電子装置。