JPH0621521A

JPH0621521A - 電流変調装置

Info

Publication number: JPH0621521A
Application number: JP4175360A
Authority: JP
Inventors: Eiji Natori; 栄治名取; Taketomi Kamikawa; 武富上川; Setsuya Iwashita; 節也岩下; Tatsuya Shimoda; 達也下田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1992-07-02
Filing date: 1992-07-02
Publication date: 1994-01-28

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】ミクロンオーダーのパターンルールで製造が
可能であり、しかも制御性が良好で充分なスイッチング
特性を有する電流変調装置を提供する。【構成】第１の電極１、チャネル接合体５、第２の電
極２、および制御電極７を具備し、チャネル接合体を介
して第１の電極と第２の電極の間を流れる電流を制御電
極信号によって制御する電流変調装置において電流の流
れる方向に並行に超伝導体層３と非超伝導体層４を交互
に複数層形成しチャネル接合体５を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロエレクトロニク
ス分野やパワーエレクトロニクス（電力）分野に適した
高速で且つ大電流容量化の可能な電流変調装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】高速化、大電流容量化を目指した電流変
調装置の代表に超伝導体を用いた素子が挙げられる。

【０００３】この超伝導体を用いた電流変調装置は一般
に２端子素子と３端子素子の２つに分類できるが、ここ
では高集積化の容易な３端子素子について説明する。

【０００４】３端子素子は基本的には２つの電極（一般
的には超伝導体または金属）の間にチャネル接合体を設
け、該チャネル接合体に制御電極を取り付けた構造から
なる。チャネル接合体としては、絶縁体、半導体、常伝
導体、あるいは超伝導体が用いられる。さて、チャネル
接合体として超伝導体を用いた電流変調装置、換言する
と電極・チャネル超伝導体・電極の構造を有する電流変
調装置は他のチャネル接合体を用いた超伝導電流変調装
置と比較してチャネル接合体のサイズ制限がほとんどな
く、制御電極の取り付けが容易であり且つ大電流容量化
が可能と言う長所を持っている。これは、他のチャネル
接合体を用いる場合にはトンネル効果や近接効果という
数Å〜数１００Å以下のサイズでしか有効でない効果が
素子特性を支配しているのに対し、チャネル接合体とし
て超伝導体を用いる場合にはチャネル超伝導体の超伝導
キャリヤが制御電極信号によって変調される効果が素子
特性を支配しているからである。それゆえ、通常のフォ
トリソグラフィー技術が利用可能なミクロンオーダー以
上のパターンルールで製造できる３端子素子は電極・チ
ャネル超伝導体・電極の構造からなる電流変調装置だけ
である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の電極・
チャネル超伝導体・電極の構造を有する電流変調装置
は、上記のように製造が容易であるという長所がある反
面、制御電極信号による制御性が低く、スイッチング特
性が他のチャネル接合体を用いた電流変調装置、特に半
導体をチャネル接合体に用いた電流変調装置に比べて劣
るという欠点があった。スイッチング特性が悪いことは
電流変調装置の応用上大きな制約になり、製造が容易で
あるという長所を生かせる応用分野が限定されることを
意味する。それゆえこれは大きな問題である。

【０００６】本発明は以上述べた問題点を解決するもの
であり、ミクロンオーダーのパターンルールで製造が可
能でしかも制御電極信号による制御性が良好で充分なス
イッチング特性を有する電流変調装置を提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明よりなる電流変調
装置は第１の電極、チャネル接合体、第２の電極、およ
び制御電極を具備し、チャネル接合体を介して第１の電
極と第２の電極の間を流れる電流を制御電極信号によっ
て制御する電流変調装置において電流の流れる方向に並
行に超伝導体と非超伝導体を交互に複数層形成しチャネ
ル接合体を構成すること、前記超伝導体が２層以上であ
ること、前記非超伝導体の厚さが超伝導体のコヒーレン
ト長の２倍以下であること、前記超伝導体の厚さが１単
位格子以上３０Å以下であること、前記超伝導体と非超
伝導体が酸化物であること、基板上に基板と同じ組成の
中間層を形成した後第１の電極、チャネル接合体、第２
の電極、および制御電極等を形成することを特徴とす
る。

【０００８】尚第１の電極と第２の電極は超伝導体であ
ることがより好ましい。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を実施例に従い詳細に説明す
る。

【００１０】図１は本発明の実施例における電流変調装
置の断面構造を示す図である。電流変調装置は第１の電
極１、第２の電極２、超伝導体層３と非超伝導体層４を
交互に積層したチャネル接合体５、誘電体６、制御電極
７、基板８及び中間層９から構成される。

【００１１】本実施例の電流変調装置の作製プロセスと
材料のポイントは次のとおりである。まず、ＳｒＴｉＯ
₃単結晶よりなる基板８上にＳｒＴｉＯ₃膜を１００Å〜
３００Åホモエピタキシャル成長させ中間層９を形成す
る。次にこの中間層９上に約１０Å〜３０ÅのＨｏＢａ
₂Ｃｕ₃Ｏ_7ーX系酸化物よりなる超伝導体層３とＬａ_1.5Ｂ
ａ_1.5Ｃｕ₃Ｏ_x酸化物よりなる非超伝導体層４を交互に
積層する。Ｌａ_1.5Ｂａ _1.5Ｃｕ₃Ｏ_x酸化物は半導体特性
を示し、超伝導体層３と格子定数の整合性がよい材料で
ある。酸化物超伝導体は異方性を持つためエピタキシャ
ル成長は必要不可欠であり格子定数の整合性をよくする
ことは重要なポイントである。成膜はＥＣＲ活性酸素ビ
ームガンを備えたＭＢＥ装置を用い超伝導体層３と非超
伝導体層４の積層を同一チャンバー内で行う。膜厚制御
はＲＨＥＥＤの振動強度をモニターしその情報を基に蒸
発源のシャッターをコントロールして行う。尚膜厚測定
はＲＨＥＥＤの他にＸ線回折のラウエ関数解析（単位格
子数の決定）とＳＴＭ（走査トンネル顕微鏡）により行
い値を決定する。次に複数層形成した超伝導層３と非超
伝導層４をフォトリソグラフィーを用いてパターニング
をおこないチャネル接合体５を形成する。次に、膜厚が
７００Å〜２０００ÅでＨｏＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7ーX系酸化物
系超伝導体よりなる第１の電極１と第２の電極２を形成
・パターニングする。この第１の電極と第２の電極２間
の距離は従来の技術で述べたように自由に設定出来る。
次にＳｒＴｉＯ₃よりなる誘電体６と制御電極７を形成
・パターニングする。ここで誘電体にＳｒＴｉＯ₃を用
いた理由には酸化物超伝導体に近い結晶構造を持ちエピ
タキシャル成長し易いこと、誘電率に異方性が少ないこ
と、誘電率の膜厚依存性の少ないことの３点が上げられ
る。以上のプロセスにより電流変調装置を得る。

【００１２】この様にして得られる電流変調装置の特徴
を以下に説明する。

【００１３】本実施例は誘電体６に電界を加えチャネル
超伝導体層３内のキャリヤ密度を変調（例えば空乏層を
形成）し制御するいわゆる電界効果型である。その電界
効果型の制御電圧Ｖｇ（ゲート電圧）と空乏層の深さｄ
ｓとの関係は周知の様に次の式（数１）により表され
る。

【００１４】

【数１】

【００１５】ここでｎ＝キャリヤ密度（酸化物超伝導体は１０²¹
／ｃｍ³）ｄｉ＝誘電体の厚さｅ＝電荷 ε_i＝誘電体の誘電定数 ε_s＝超伝導体の誘電定数である。

【００１６】式から判るようにゲート電圧を一般的に半
導体デバイスで使われている電圧（数ボルト）にすると
空乏層の深さｄｓは１０〜３０Åと極めて浅くなる。故
に必要なスイッチング比を得るには超伝導体層３の膜厚
を同じ様に極めて薄くする必要がある。しかし超伝導体
層３の膜厚と臨界温度との関係を示した図２から判る様
に超伝導体層３の膜厚が薄くなると揺らぎが増加するた
め臨界温度は急激に低下する。（臨界温度測定は図１の
非超伝導体層４を除いた構造の試料で測定）実際電流変
調装置として用いるには超伝導が不安定な状態では使え
ないため今までは超伝導体層３を厚くする必要がありス
イッチング比の低下を招いていた。

【００１７】本発明は揺らぎを持つ複数の薄い超伝導体
層３を超伝導体のペアポテンシャルが互いに影響を与え
うる厚さの非超伝導体層４で連結することにより揺らぎ
を抑え臨界温度の低下を少なくしている。図３と図４は
その特性を示すものである。先ず図３は超伝導体層３が
互いに結合により揺らぎを抑制することが可能な非超伝
導体層４の膜厚を示すものである。尚超伝導体層３は連
結方向にａ軸配向している。図から判るように臨界温度
の低下を抑制するには非超伝導体層４の厚さは４０Å以
下の必要がある。ａ軸方向のコヒーレント長ξ₀は約２
０Åであるためコヒーレント長ξ₀の２倍の値である。
この厚さの上限値を超伝導体の結晶配向方向（配向方向
によりコヒーレント長ξ₀が異なる）や超伝導体の種類
を変え調べたところ実施例と同様にコヒーレント長ξ₀
の約２倍となっていた。コヒーレント長ξは次の式（数
２）で表わされるように使用温度により異なり、使用温
度が高くなるに従い増加するが本発明に於いては一般的
にコヒーレント長の意味で使われているコヒーレント長
ξ₀の値とほぼ一致していた。

【００１８】

【数２】

【００１９】ここでＴｃ＝臨界温度、Ｔ＝使用温度、
ξ₀＝絶対零度に於けるコヒーレント長である。尚非超
伝導体層４の膜厚は非超伝導体層４のキャリヤ密度によ
っても異なり非超伝導体層４に絶縁体を用いる場合はコ
ヒーレント長ξ₀×２より薄くする必要がある。

【００２０】図４は膜厚が２３Å（Ｃ）と１２Å（Ｄ）
の超伝導体層３と２３Åの非超伝導体層４を積層したと
きの超伝導体層３の数と臨界温度の関係を示した図であ
る。超伝導体層３が２層以上になれば急激に臨界温度の
低下が抑制されることが判る。尚超伝導体層３の厚さは
１単位格子（酸化物超伝導体は１単位格子で超伝導が発
現されている）以上で、空乏層を形成し易い３０Å以下
の必要がある。但しゲート電圧Ｖｇが高いパワーデバイ
スや電界効果と準粒子注入効果等の併合効果デバイスは
超伝導体層３を厚くできるためこの限りではない。

【００２１】図２のＡは電極の材料に超伝導体を用い、
ＢはＡｇを用いた試料であるが超伝導体層３が同じ厚さ
であるにも関わらずＡｇ電極よりも超伝道体電極の方が
高い臨界温度を示している。これはＡｇ電極との接合で
は超伝導体層３のペアポテンシャルは低下するが、超伝
導電極との接合では揺らぎやペアの染みだしのため低く
なっている超伝道体層３のペアポテンシャルを高いペア
ポテンシャルを有する超伝導電極（ここではペアポテン
シャルの低下の少ない超伝導体電極）が引き上るためと
考えられる。故に第１の電極１と第２の電極２は金属よ
り超伝道体の方が好ましく更にペアポテンシャルは高い
程より好ましいと言える。

【００２２】得られた電流変調装置のスイッチング比を
調べた。測定温度は６５Ｋであり、スイッチング比は制
御電極７に信号を印加したときとしないときの第１の電
極１と第２の電極２間に流れる電流比（Ｊｃｏｆｆ／
Ｊｃｏｎ）により表した。

【００２３】結果を比較例と共に表１と表２に示した。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】尚表１の比較例はチャネル接合体５を超伝
導体層３のみにしたものであり、その膜厚は実施例の超
伝導体層３のトータル厚（非超伝導体層４を除いた厚
さ）に近い値となっている。表２の比較例はＳｒＴｉＯ
₃基板上にホモエピタキシャル成長膜の中間層９を形成
しない試料である。

【００２７】表１より、超伝導体層３と非超伝導体層４
を所定の膜厚で積層してなるチャネル接合体５を有する
電流変調装置は高い使用温度で動作可能で、顕著にスイ
ッチング比が向上していることが判る。

【００２８】表２より、ＳｒＴｉＯ₃基板上に同一材料
よりなるＳｒＴｉＯ₃膜をエピタキシャル成長させ中間
層９を形成した電流変調装置はＳｒＴｉＯ₃基板上に中
間層９を形成しない電流変調装置よりスイッチング比が
顕著に高いことが判る。これは以下の理由によるものと
考えている。一般的に研磨をした後の基板の表面は３０
Å〜６０Åの凹凸を持っている。チャネル接合体５の超
伝導体層３と非超伝導体層４の膜厚はこの表面の値より
薄いため表面粗さが超伝導体層３と非超伝導体層４の結
晶性、結晶配向、界面部の接合性、内部応力、歪、相互
拡散等に悪い影響を与える。故に本来の材料の持つ特性
を引き出すことが出来なくなると共にデバイス特性に揺
らぎを与え特性劣化が生じる。一方基板表面にホモエピ
タキシャル成長させた中間層９の表面は１５Å以下とな
り表面粗度が改良されるため超伝導体層３と非超伝導体
層への影響を少なくすることができる。故に本来の材料
の持つ特性を引き出すことができ、デバイス特性の揺ら
ぎを抑えられるため特性劣化が少ない。即ち実施例だけ
でなく超伝導デバイスの様に極薄い膜を形成する場合基
板表面の粗さを極力抑える必要があり、基板上にホモエ
ピタキシャル成長させた中間層９を形成する方法は容易
で且つ顕著の効果をもたらす有効なに手段と言える。

【００２９】尚実施例は超伝導体にＬｎ（３価の希土
類）Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x系超伝導体を用いているがＢｉ₂Ｓ
ｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_xを代表とするＢｉ系、Ｔｌ₂Ｂａ₂Ｃａ
₂Ｃｕ₃Ｏ_xを代表とするＴｌ系、Ｐｂ₂Ｓｒ₂Ｙ_0.5Ｃａ
_0.2Ｃｕ₃Ｏ_xを代表とするＰｂ系など他の超伝導体を用
いても良く、非超伝導体４にＬａ_1.5Ｂａ_1.5Ｃｕ₃Ｏ_xを
用いているがＰｒＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x、ＴｂＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ
_7-x等Ｌｎ系超伝導体のＬｎの部分を４価元素で置換し
たもの、使用温度より低い臨界温度を持つ酸化物超伝導
体、ＳｒＴｉＯ₃、ＳｒＶＯ₃、ＳｒＴｉＦｅＯ₃、Ｌａ
ＡｌＯ₃、ＬａＣｏＯ₃、ＬａＴｉＯ₃、ＬａＶＯ₃、Ｎｄ
ＭｎＯ₃、ＰｒＡｌＯ₃、ＰｒＣｏＯ₃、ＰｒＭｎＯ₃、Ｓ
ｍＣｏＯ₃、ＳｍＶＯ₃、Ｌａ_0.33ＮｂＯ₃、Ｌａ_0.33Ｔ
ａＯ₃、Ｓｍ_0.33ＴａＯ₃、ＧｄＭｎＯ₃、ＰｒＭｎＯ₃、
ＢａＦｅＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、ＥｕＴｉＯ₃等ペロブスカ
イト構造酸化物、Ｔｉ₃Ｚｎ、Ｐｔ₃Ｚｎ、Ｐｔ₃Ｔｉ、
Ｐｄ₃Ｓｎ、ＰｔＭｎ₃、ＩｒＭｎ₃等であっても良い。
但し超伝導体と非超伝導体は極力同じ結晶構造をとり格
子定数の整合性が良いことが必要である。

【００３０】更に制御は電界効果の他にホットエレクト
ロン注入型、準粒子注入型または複合型（例えば電界効
果＋準粒子注入型）等でもスイッチング比向上効果があ
る。

【００３１】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれば
高い使用温度（チャネル接合体の臨界温度の低下が少な
い）でミクロンオーダー以上のサイズだけから構成でき
てしかも制御電極信号による制御性が良好で充分なスイ
ッチイグ特性を有する電流変調装置を提供することがで
きる。

【００３２】本発明による超伝導電流変調装置は通常の
フォトリソグラフィー技術を用いて容易に製造できるか
らその効果は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における電流変調装置の
断面構造を示す図。

【図２】臨界温度の膜厚依存性を示す図。

【図３】臨界温度の超伝導体層間に形成する非超伝導体
層の膜厚依存性を示す図。

【図４】臨界温度の超伝導体層積層数依存性を示す図。

【符号の説明】

１・・・第１の電極２・・・第２の電極３・・・超伝導層４・・・非超伝導層５・・・チャネル接合体６・・・誘電体７・・・制御電極８・・・基板９・・・中間体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者下田達也長野県諏訪市大和３丁目３番５号セイコーエプソン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の電極、チャネル接合体、第２の電
極、および制御電極を具備し、チャネル接合体を介して
第１の電極と第２の電極の間を流れる電流を制御電極信
号によって制御する電流変調装置において電流の流れる
方向に並行に超伝導体層と非超伝導体層を交互に複数層
形成しチャネル接合体を構成することを特徴とする電流
変調装置。
【請求項２】前記超伝導体層が２層以上であることを
特徴とする請求項１記載の電流変調装置。
【請求項３】前記非超伝導体の厚さが超伝導体のコヒ
ーレント長の２倍以下であることを特徴とする請求項１
記載の電流変調装置。
【請求項４】前記超伝導体の厚さが１単位格子以上３
０Å以下であることを特徴とする請求項１記載の電流変
調装置。
【請求項５】前記超伝導体と非超伝導体が酸化物であ
ることを特徴とする請求項１記載の電流変調装置。
【請求項６】基板上に基板と同じ組成の中間層を形成
した後第１の電極、チャネル接合体、第２の電極、およ
び制御電極等を形成することを特徴とする電流変調装
置。