DE69119344T2

DE69119344T2 - Supraleitendes Bauelement mit extrem dünnem supraleitenden Kanal aus supraleitendem Oxidmaterial

Info

Publication number: DE69119344T2
Application number: DE69119344T
Authority: DE
Inventors: Michitomo Iiyama; Hiroshi Inada; Takao Nakamura
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-09-27
Filing date: 1991-09-27
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2011-09-28
Also published as: CA2052379A1; EP0478463B1; DE69119344D1; CA2052379C; EP0478463A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein supraleitendes Bauelement und insbesondere ein supraleitendes Bauelement mit einem äußerst dünnen supraleitenden Kanal, der aus einem oxidischen supraleitenden Material besteht.

Beschreibung des verwandten Gebietes

Typische Bauelemente mit drei Anschlüssen, die einen Supraleiter verwenden, sind sogenannte Transistoren auf supraleitender Basis und ein sogenannter Superfet (Feldeffekttransistor). Der Transistor auf supraleitender Basis weist einen Emitter aus einem Supraleiter oder einem Normalleiter auf, eine Tunnelbarriere aus einem Isolator, eine Basis aus einem Supraleiter, einen Halbleiter-Isolator und einen kollektor aus einem Normalleiter, die in dieser Reihenfolge übereinander angeordnet sind. Dieser Transistor auf supra leitender Basis arbeitet mit hoher Geschwindigkeit und geringem Energieverbrauch durch Verwendung von Hochgeschwindigkeitselektronen, welche die Tunnelbarriere durch dringen.
Der Super-FET enthält eine Ralbleiterschicht, eine supraleitende Source-Elektrode und eine supraleitende Drain- Elektrode, die in unmittelbarer Nähe zueinander auf der Halbleiterschicht angeordnet sind. Ein Abschnitt der Halbleiterschicht zwischen der supraleitenden Source-Elektrode und der supraleitenden Drain-Elektrode weist eine stark ausgesparte oder eingeschnittene rückwärtige Fläche auf mit einer verringerten Dicke. Zusäztlich ist eine Gate- Elektrode oberhalb einer Gate-Isolatorschicht auf der ausgesparten oder eingeschnittenen rückwärtigen Fläche des Abschnitts der Halbleiterschicht zwischen der supraleitenden Source-Elektrode und der supraleitenden Drain- Elektrode ausgebildet.
Ein Supraleitungsstrom fließt durch den Halbleiterabschnitt zwischen der supraleitenden Source-Elektrode und der supraleitenden Drain-Elektrode aufgrund des Supraleitungs- Näherungseffektes und wird durch die angelegte Gate- Spannung gesteuert. Dieser Super-FET arbeitet ebenfalls mit hoher Geschwindigkeit und geringem Energieverbrauch.
Im Stand der Technik wurde auch ein supraleitendes Bauelement mit drei Anschlüssen vorgeschlagen, welches einen Kanal aus einem Supraleiter aufweist, der zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode ausgebildet ist, so daß ein Strom durch den supraleitenden Kanal fließt, der durch eine Spannung gesteuert wird, welche an ein Gate gelegt wird, welche oberhalb des supraleitenden Kanals ausgebildet ist.
Die Patentanmeldungen EP-A-0 354 804 und EP-A-0 477 063 beschreiben supraleitende Anordnungen mit einem Substrat, einer Dünnschicht aus einem oxidischen Supraleiter, welche den supraleitenden Kanal darstellt, mit Source-, Drain- und Gate-Elektroden, wobei eine Isolierschicht zwischen der Gate-Elektrode und dem supraleitenden Kanal angeordnet ist und wobei der supraleitende Kanal eine Dicke von nicht mehr als 5 nm aufweist. Die Patentanmeldung EP-A-0 354 804 beschreibt ferner das epitaktische Aufwachsen der supraleitenden Dünnschicht auf dem Substrat, läßt jedoch nicht deutlich erkennen, wie die Ausrichtung der epitaktisch aufgewachsenen supraleitenden Dünnschicht aussieht. Die Patentanmeldung EP-A-0 477 063 offenbart außerdem, daß die auf dem Substrat abgeschiedene supraleitende Dünnschicht eine c-Achsausrichtung aufweist, da eine Dünnschicht mit c- Achsausrichtung eine große kritische Stromdichte in einer Richtung parallel zum Substrat ermöglicht.
Die Patentanmeldung EP-A-0 280 308 beschreibt ein supraleitendes Bauelement mit einem photoleitenden Substrat und mit einer Dünnschicht aus einem Supraleiter, welche einen schwachen Übergang darstellt, mit Source-, Drain- und Gate- Elektroden, wobei das supraleitende Bauelement als photoempfindliches Element eingesetzt wird.
Sowohl der oben erwähnte Transistor auf supraleitender Basis als auch der Super-FET weisen einen Abschnitt auf, in dem eine Halbleiterschicht und eine supraleitende Schicht übereinander angeordnet sind. Es ist jedoch schwierig, einen derartigen übereinanderliegenden Aufbau aus Halbleiterschicht und supraleitender Schicht herzustellen, wenn letztere aus einem oxidischen Supraleiter besteht, der in letzter Zeit verstärkt untersucht wurde. Selbst wenn es möglich ist, einen derartigen Aufbau aus Halbleiterschicht und oxidischer supraleitender Schicht herzustellen, so ist es immer noch schwierig, die Grenzschicht zwischen der Halbleiterschicht und der oxidischen supraleitenden Schicht zu steuern. Ein zufriedenstellender Betrieb konnte daher mit einem derartigen supraleitenden Bauelement nicht erzielt werden.
Da außerdem der Super-FET den Supraleitungs-Näherungseffekt verwendet, müssen die supraleitende Source-Elektrode und die supraleitende Drain-Elektrode nahe beieinander in einem Abstand angeordnet werden, der einige Mal der Koheränzlänge des supraleitenden Materials der supraleitenden Source- Elektrode und der supraleitenden Drain-Elektrode entspricht. Da ein oxidischer Supraleiter eine sehr kurze Kohärenzlänge aufweist, darf der Abstand zwischen der supraleitenden Source-Elektrode und der supraleitenden Drain-Elektrode, sofern diese supraleitende Source- Elektrode und die supraleitende Drain-Elektrode aus oxidischem Supraleiter bestehen, nicht größer als einige 10 nm sein. Es ist jedoch sehr schwierig, ein Feinverarbeitungsverfahren auszuführen, das ein derartiges durch Ätzen erzielbares feines Muster erzeugt, um sicherzustellen, daß der sehr kurze Abstand eingehalten wird. Aus diesem Grund war es im Stand der Technik unmöglich, einen aus oxidischem Supraleiter bestehenden Super-FET herzustellen.
Es wurde auch bestätigt, daß herkömmliche supraleitende Bauelemente mit drei Anschlüssen, welche einen supraleitenden Kanal aufweisen, eine modulierende Betriebsweise besitzen. Herkömmliche supraleitende Bauelemente mit drei Anschlüssen und mit einem supraleitenden Kanal konnten nicht in einem vollständigen EIN/AUS-Betrieb betrieben werden, da die Trägerdichte zu groß ist. Da ein oxidisches supraleitendes Material eine geringe Trägerdichte aufweist, wird erwartet, daß ein supraleitendes Bauelement mit drei Anschlüssen und mit einem supraleitenden Kanal eine vollständige EIN/AUS-Betriebsweise ermöglicht, wenn der supraleitende Kanal aus einem oxidischen Supraleiter besteht. In diesem Fall muß jedoch die Dicke des supraleitenden Kanals in der Größenordnung von 5 nm liegen.

Zusammenfassung der Erfindung

Demzufolge ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein supraleitendes Bauelement zu schaffen, welches aus einem oxidischen supraleitenden Material besteht und mit dem die oben genannten Nachteile der herkömmlichen Baulemente überwunden sind.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines supraleitenden Bauelementes vom FET-Typ, einschließlich eines supraleitenden Kanals, der aus einer äußerst dünnen oxidischen supraleitenden Dünnschicht besteht und welcher durch die bekannten eingeführten Verfahrenstechniken mit guter Reproduzierbarkeit herstellbar ist.
Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden erreicht durch ein supraleitendes Baulement mit einem Substrat, mit einem supraleitenden Kanal, bestehend aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht, die auf dem Substrat ausgebildet ist, mit einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode, die an gegenüberliegenden Enden des supraleitenden Kanals derart ausgebildet sind, daß ein Supraleitungsstrom durch den supraleitenden Kanal zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode fließen kann, und einer Gate-Elektrode, die auf dem supraleitenden Kanal derart angeordnet ist, daß sie den durch den supraleitenden Kanal fließenden Supraleitungsstrom steuert, wobei die Gate-Elektrode auf einer Isolierschicht angeordnet ist, welche auf dem supraleitenden Kanal ausgebildet ist; es ist dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Kanal, die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht bestehen, deren a- Achse senkrecht zum Substrat ausgerichtet ist, daß die oxidische supraleitende Dünnschicht einen dünnen Abschnitt aufweist, dessen Dicke nicht größer als 5 nm in Richtung eines elektrischen Feldes ist, welches von der Gate- Elektrode erzeugt wird, und der den supraleitenden Kanal darstellt, und daß ein Paar dicker oxidischer supraleitender Dünnschichtabschnitte an gegenüberliegenden Enden des dünnen Abschnitts ausgebildet sind, wobei auf ihnen die Source-Elektrode bzw. die Drain-Elektrode angeordnet sind.
Aus der obigen Beschreibung wird klar, daß erfindungsgemäße supraleitende Bauteil dadurch gekennzeichnet ist, daß es einen supraleitenden Kanal aufweist, der aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht besteht, sowie eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode aufweist, damit der Supraleitungsstrom durch den supraleitenden Kanal fließt und eine Gate-Elektrode aufweist, um den durch den supraleitenden Kanal fließenden Supraleitungsstrom zu steuern, wobei die Gate-Elektrode auf einer Isolierschicht ausgebildet ist, die auf dem supraleitenden Kanal angeordnet ist, wobei der supraleitende Kanal eine Dicke von nicht mehr als 5 nm aufweist, in Richtung eines durch die Gate- Elektrode erzeugten elektrischen Feldes.
Bei dem erfindungsgemäßen supraleitenden Bauteil ist die äußerste Feinverarbeitungstechnik diejenige, mit der der supraleitende Kanal mit einer Dicke von nicht mehr als ungefähr 5 nm hergestellt wird. Beim Aufbau des erfindungsgemäßen supraleitenden Bauelementes ist es möglich, diesen äußerst dünnen supraleitenden Kanal auszubilden, ohne die Feinätztechnik oder die Fein-Muster-Technik für die supraleitende Dünnschicht verwenden zu müssen. Damit können die Grenzen, die durch die Feinverarbeitungstechnik, wie z.B. das Feinätzverfahren oder die Fein-Muster-Ausbildung, im Fall der herkömmlichen Herstellung eines Super-FET sowie des herkömmlichen Transistors auf supraleitender Basis bestehen, unter Verwendung eines oxidischen Supraleiter- Materials hinausgeschoben werden. Auch der übereinander angeordnete Aufbau aus oxidischer supraleitender Schicht und Haibleiterschicht ist nicht länger erforderlich.
Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel besteht der supraleitende Kanal aus einem Abschnitt einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht, die auf einem Vorsprung auf einem Abschnitt der Substratoberfläche ausgebildet oder abgeschieden ist. Bei Wahl dieser Ausgestaltung des supraleitenden Bauelementes kann der supraleitende Kanal leicht durch Abscheiden einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit geeigneter Dicke auf einem Substrat hergestellt werden, welches einen Vorsprung aufweist auf einem Abschnitt der Substratoberfläche
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel besteht der supraleitende Kanal aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit einer Dicke von nicht mehr als 5 nm und ist auf einer ebenen Substratoberfläche abgeschieden. In diesem Fall reicht es aus, wenn die oxidische supraleitende Dünnschicht eine Dicke von nicht mehr als 5 nm auf dem Substrat aufweist.
Erfindungsgemäß wird also ein supraleitendes Bauelement vorgeschlagen mit einem Substrat, mit einem supraleitenden Kanal, der aus einer oxidischen supraleitenden, auf dem Substrat abgeschiedenen Dünnschicht besteht, mit einer Source-Elektrode und mit einer Drain-Elektrode, die an gegenüberliegenden Enden des supraleitenden Kanals derart ausgebildet sind, daß ein Supraleitungsstrom durch den supraleitenden Kanal zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode fließt, wobei eine Gate-Elektrode auf dem supraleitenden Kanal derart angeordnet ist, daß sie den Supraleitungsstrom steuert, welcher durch den supraleitenden Kanal fließt, wobei die Gate-Elektrode auf einer Isolierschicht angeordnet ist, die auf dem supraleitenden Kanal ausgebildet ist, und wobei der supraleitende Kanal, die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit a-Achsausrichtung bestehen.
Es sei betont, daß der Ausdruck Source-Elektrode nicht nur eine Elektrode umfaßt entsprechend dem Ausdruck Elektrode, welcher auf dem Halbleitergebiet eines MOSFET eine Source- Elektrode bezeichnet, sondern auch einen Source-Bereich, welcher in der Nähe und in Berührung mit dem supraleitenden Kanal steht, auf dem die Source-Elektrode ausgebildet ist, und daß der Ausdruck Drain-Elektrode nicht nur eine Elektrode umfaßt, die als Source-Elektrode auf dem Halbleitergebiet des MOSFET bekannt ist, sondern auch einen Drain- Bereich, der in der Nähe und in Berührung mit dem supraleitenden Kanal ausgebildet ist, auf dem die Drain-Elektrode angeordnet ist.
Mit dem oben beschriebenen Aufbau erhält man leicht einen Elektronenfluß durch die Source-Elektrode, den supraleitenden Kanal und die Drain-Elektrode, da der supraleitende Kanal, die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit a-Achsausrichtung bestehen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die oxidische supraleitende Dünnschicht aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem supraleitenden Y-Ba-Cu-O-Verbundoxid, einem supraleitenden Bi- Sr-Ca-Cu-O-Verbundoxid und einem supraleitenden Tl-Ba-Ca- Cu-O- Verbundoxid.
Das Substrat, auf dem die oxidische supraleitende Dünnschicht abgeschieden wird, kann aus einem isolierenden Substrat bestehen, vorzugsweise einem oxidischen Einkristall- Substrat, wie z.B. aus MgO, SrTiO&sub3;, CdNdAlO&sub4; etc. Diese Substratmaterialien sind sehr wirksam hinsichtlich des Aufwachsens einer kristallinen Schicht mit einer guten Ausrichtung. Das supraleitende Bauelement kann auch auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet werden, wenn eine geeignete Pufferschicht angeordnet wird. Die Pufferschicht auf dem Halbleitersubstrat kann z.B aus einer Doppelschicht bestehen, die gebildet ist aus einer MgAlO&sub4;-Schicht und aus einer BaTiO&sub3;-Schicht, wenn ein Siliziumsubstrat verwendet wird.
Diese und andere Ziele, Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung hervor. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel; und
Fig. 4 einen schematischen Schnitt durch ein viertes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines supraleitenden Bauelementes.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele

Ausführungsbeispiel 1

Figur 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen supraleitenden Bauelements in Form eines Super-FET.
Der Super-FET weist eine oxidische supraleitende Schicht 1 auf, die auf der Hauptoberfläche eines Substrates 5 mit einem Vorsprung 50 ausgebildet ist. Die oxidische supraleitende Schicht 1 weist eine ebene Oberfläche auf, so daß der Abschnitt der oxidischen supraleitenden Schicht 1 oberhalb des Vorsprungs dünner ist als die anderen Abschnitte der oxidischen supraleitenden Schicht 1. Dieser dünne Abschnitt der oxidischen supraleitenden Schicht 1 oberhalb des Vorsprungs weist eine Dicke von 5 nm auf und bildet einen supraleitenden Kanal 10. Auf dem supraleitenden Kanal 10 wird eine Gate-Elektrode 4 oberhalb eines Gate-Isolators 6 ausgebildet. Zusätzlich werden eine Source-Elektrode 2 und eine Drain-Elektrode 3 auf der oxidischen supraleitenden Schicht zu beiden Seiten des supraleitenden Kanals 10 ausgebildet.
Der Vorsprung 50 kann aus einem Vorsprung bestehen, der vorab auf der Hauptoberfläche des Substrates 5 ausgebildet wurde oder aber aus einem nicht-supraleitenden Bereich der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1, der durch Diffusion eines Bestandteus des Substrats in die oxidische supraleitende Dünnschicht 1 hergestellt wurde. Im ersteren Fall wird die oxidische supraleitende Dünnschicht auf den Vorsprung abgeschieden, der vorab auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet wurde, so daß in einigen Fällen die abgeschiedene oxidische supraleitende Dünnschicht ebenfalls einen Vorsprung aufweist entsprechend dem Vorsprung auf dem Substrat. In diesem Fall kann die abgeschiedene oxidische supraleitende Dünnschicht weggeätzt werden und damit eingeebnet werden, so daß der Bereich der abgeschiedenen oxidischen supraleitenden Dünnschicht oberhalb des Vorsprungs auf dem Substrat eine Dicke von nicht mehr als 5 nm aufweist.
Andererseits kann der Vorsprung 50 aus einem nicht-supraleitenden Bereich der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1 bestehen durch Diffusion eines Bestandteils des Substrats in die oxidische supraleitende Dünnschicht 1, wozu ein Bereich des mit der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1 bedeckten Substrates stellenweise aufgeheizt wird, z. B. durch einen Laserstrahl, so daß der Bestandteil des Substrats in den aufgeheizten Bereich der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1 eindiffundiert. In diesem Fall ist es möglich, daß leicht diffundierende Elemente vorab in diesen Bereich des Substrates dotiert werden, an der der Vorsprung ausgebildet werden soll, so daß, wenn die oxidische supraleitende Dünnschicht abgeschieden wird, die vorher eindotierten Elemente im Substrat in die oxidische supraleitende Dünnschicht eindiffundieren.

Ausführungsbeispiel 2

Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines supraleitenden Bauelementes. Hierbei weisen gleiche Teile wie in Fig. 1 die gleichen Bezugszeichen auf. Das zweite Ausführungsbeispiel enthält ein Substrat 5 mit einer Hauptoberfläche und mit einem supraleitenden Kanal 10, der aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit einer Dicke von 5 nm besteht und der auf der Hauptoberfläche des Substrats 5 ausgebildet ist, und eine Gate-Elektrode 4, die oberhalb eines Gate-Isolators 6 auf dem supraleitenden Kanal ausgebildet wird. Eine Source-Elektrode 2 und eine Drain- Elektrode 3 sind auf einem Paar dicker oxidischer supraleitender Dünnschichtabschnitte 1A und 1B ausgebildet auf gegenüberliegenden Enden des supraleitenden Kanals 10. Das Paar dicker oxidischer supraleitender Dünnschichtabschnitte 1A und 1B kann auch durch weiteres Abscheiden einer dicken oxidischen supraleitenden Dünnschicht erzielt werden, wobei die Gate-Elektrode 4 als Maske verwendet wird, so daß ein Luftspalt 51 zwischen der Gate-Elektrode 4 und den zusätzlich abge-schiedenen oxidischen supraleitenden Dünnschichtabschnitten 1A und 1B augebildet wird.

Ausführungsbeispiel 3

Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines supraleitenden Bauelementes. In Fig. 3 sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Das dritte Ausführungsbeispiel weist ein Substrat 5 auf mit einer Hauptoberfläche, auf der eine oxidische supraleitende Dünnschicht 1 ausgebildet ist mit einer darin eingebetteten Gate-Elektrode 4. Ein Abschnitt der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1 unterhalb der Gate-Elektrode 4 weist eine Dicke von 5 nm auf und bildet einen supraleitenden Kanal 10. Die Gate-Elektrode 4 besteht aus einer normalleitenden Schicht, die auf einem Gate-Isolator 6 angeordnet ist, welcher direkt auf dem supraleitenden Kanal 10 aufgebracht ist. Die normalleitende Schicht 10 besteht z. B. aus einem Polysilizium oder aus einer Silizium enthaltenden Verbindung, z. B. einem Silizid. Ein Abschnitt der oxidischen supraleitenden Schicht 1, welcher die Gate-Elektrode 4 umgibt, ist in einen nicht-supraleitenden Bereich 52 umgewandelt, welcher Silizium enthält, das aus der normalleitenden Gate-Elektrode 4 eindiffundiert ist.
Dieser Aufbau kann hergestellt werden durch Abscheidung einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit einer Dicke von 5 nm auf der Hauptoberfläche des Substrats 5, wobei ein Abschnitt aus einer ersten oxidischen supraleitenden Dünnschicht eines übereinander angeordneten Aufbaus entsteht, einschließlich eines Gate-Isolators 6 (der auch die Funktion einer Diffundierbarriere aufweist), und der direkt auf der ersten oxidischen supraleitenden Dünnschicht ausgebildet ist, sowie einer Gate-Elektrode 4, z.B. aus einem Polysilizium, die auf dem Gate-Isolator 6 ausgebildet wird, und dem Aufwachsen einer zweiten oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf einer freigelegten Fläche der ersten oxydischen supraleitenden Dünnschicht, bis der übereinander angeordnete Aufbau in der zweiten oxidischen supraleitenden Dünnschicht eingebettet ist, so daß Silizium aus der Gate- Elektrode 4 in einen Bereich 52 der zweiten oxidischen supraleitenden die Gate-Elektrode 4 umgebenden Dünnschicht eindiffundieren kann, so daß der mit Silizium angereicherte Bereich 52 keine Supraleitfähigkeit aufweist, während der nicht mit Silizium angereicherte Bereich der zweiten oxydischen supraleitenden Dünnschicht weiterhin supraleitend ist.
Der durch eindiffundiertes Silizium veränderte Bereich 52 ist also ein mit Silizium dotiertes oxidisches supraleitendes Material. Dieser mit eindiffundiertem Silizium versetzte Bereich 52 weist eine kritische Temperatur auf, die niedriger liegt als diejenige des anderen Abschnitts der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1, weist jedoch nicht länger die supraleitende Eigenschaft auf aufgrund der eindiffundierten Verunreinigung. Wird nun ein Super-FET bei seiner Betriebstemperatur eingesetzt, so weist der verbleibende Abschnitt der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1 Supraleitung auf, wohingegen der Bereich 52 mit dem eindiffundierten Silizium als Isolator wirkt, so daß die Gate- Elektrode 4 elektrisch von der oxidischen supraleitenden Dünnschicht durch den Gate-Isolator 6 und den Bereich 52 mit dem eindiffundierten Silizium isoliert ist.

Ausführungsbeispiel 4

Ein viertes Ausführungsbeispiel eines supraleitenden Bauelementes weist denselben Aufbau auf wie das in Fig. 1 gezeigte erste Ausführungsbeispiel Auch das vierte Ausführungsbeispiel besitzt eine oxidische supraleitende Dünnschicht 1 aus einem oxidischen supraleitenden Kristall mit a-Achsausrichtung, so daß der supraleitende Kanal 10 aus dem oxidischen supraleitenden Kristall mit a-Achsausrichtung besteht und ein Paar dicker oxidischer supraleitender Dünnschichtabschnitte 1A und 1B sich kontinuierlich an die gegenüberliegenden Enden des supraleitenden Kanals 10 anschließen, welche ebenfalls aus einem oxidischen supraleitenden Kristall mit a-Achsausrichtung bestehen, wobei in einigen Fällen die Source-Elektrode 2 und die Drain- Elektrode 3 als supraleitende Elektroden aus einem oxidischen supraleitenden Kristall mit a-Achsausrichtung bestehen. Dieser oxidische supraleitende Kristall mit a-Achsausrichtung kann erhalten werden durch Abscheidung einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht bei einer Temperatur, die niedriger liegt als diejenige zur Ausbildung eines oxidischen supraleitenden Kristalls mit c-Achsausrichtung, beispielsweise bei einer Temperatur von nicht mehr als 650ºC im Falle eines Supraleiters aus Y-Ba-Cu-O.

Ausführungsbeispiel 5

Ein fünftes Ausführungsbeispiel eines supraleitenden Bauelements weist den gleichen Aufbau auf wie das zweite in Figur 2 gezeigte Ausführungsbeispiel Auch das fünfte Ausführungsbeispiel weist eine oxidische supraleitende Dünnshicht 1 auf aus einem oxidischen supraleitenden Kristall mit a-Achsausrichtung, so daß ein supraleitender Kanal 10 aus einem oxidischen supraleitenden Kristall mit a-Achsausrichtung besteht und ein Paar dicker oxidischer supraleitender Dünnschichtabschnitte 1A und 1B sich kontinuierlich an gegenüberliegenden Enden des supraleitenden Kanals 10 abschließen, wobei sie ebenfalls aus einem oxidischen supraleitenden Kristall mit a-Achsausrichtung bestehen; in einigen Fällen sind die Source-Elektrode 2 und die Drain- Elektrode 3 supraleitende Elektroden, die aus einem oxidischen supraleitenden Kristall mit a-Achsausrichtung bestehen. Der oxidische supraleitende Kristall mit a-Achsausrichtung kann ähnlich dem vierten Ausführungsbeispiel hergestellt werden.

Ausführungsbeispiel 6

Figur 4 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel eines supraleitenden Bauelementes. In Fig. 4 sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Das sechste Ausführungsbeispiel weist ein Substrat 5 auf mit einer Hauptoberfläche, auf der eine oxidische supraleitende Dünnschicht 1 abgeschieden ist, in der eine Gate-Elektrode 4 eingebettet ist. Ein Abschnitt der supraleitenden Dünnschicht 1 unterhalb der Gate-Elektrode 4 weist eine Dicke von 5 nm auf und bildet einen supraleitenden Kanal. Die Gate-Elektrode 4 besteht aus einem Metall und ist auf einem Gate-Isolator 6 angeordnet, der direkt auf dem supraleitenden Kanal 10 ausgebildet ist. Der übereinander angeordnete Aufbau aus Gate-Elektrode 4 und Gate-Isolator 6 weist eine mit einer Isolierschicht 53 bedeckte Seitenfläche auf. Das heißt, daß die Gate-Elektrode 4 von der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1 durch den Gate-Isolator 6 und die Isolierschicht 53 isoliert ist.
Dieser Aufbau kann hergestellt werden durch (1) Abscheidung einer ersten oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit einer Dicke von 5 nm auf der Hauptoberfläche des Substrates 5 durch eine achsversetzte Zerstäubung mit der Bedingung, daß das Zerstäubungsgas aus Ar und O&sub2; besteht im Verhältnis Ar : O&sub2; 9 : 1 mit einem zersteubungsgasdruck von Pa und einer Temperatur von 640ºC, (2) Ausbildung auf einem Abschnitt einer ersten oxidischen supraleitenden Dünnschicht als übereinander angeordnetem Aufbau, einschließlich eines Gate-Isolators 6, der direkt auf der ersten oxidischen supraleitenden Dünnschicht und einer metallischen Gate-Elektrode 4 ausgebildet wird, die auf einem Gate-Isolator entsteht, (3) Bedeckung einer Seitenwand des übereinander angeordneten Aufbaus mit einem isolierenden Teil, (4) Aufwachsen einer zweiten oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf einer freigelegten Fläche der ersten oxidischen supraleitenden Dünnschicht durch eine achsversetzte Zerstäubung mit der gleichen Bedingung wie bei der ersten oxidischen supraleitenden Dünnschicht, bis der übereinandergeordnete Aufbau in der zweiten oxidischen supraleitenden Dünnschicht eingebettet ist, (5) Abscheidung einer dritten oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf der zweiten oxidischen supraleitenden Dünnschicht, getrennt von der Gate-Elektrode durch eine achsversetzte Zerstäubung mit der gleichen Bedingung wie bei der ersten oxidischen supraleitenden Dünnschicht, und (6) Musterausbildung der dritten oxidischen supraleitenden Dünnschicht, um so die Source- Elektrode und die Drain-Elektrode zu bilden.
Aus obigem geht hervor, daß auch das sechste Ausführungsbeispiel eine oxidische supraleitende Dünnschicht 1 aufweist, die aus einem oxidischen supraleitenden Kristall mit a-Achsausrichtung besteht, so daß der supraleitende Kanal 10 aus einem oxidischen supraleitenden Kristall mit a-Achsausrichtung besteht, und das Paar dicker oxidischer supraleitender Dünnfilmabschnitte 1A und 1B sich kontinuierlich an entgegengesetzten Enden des supraleitenden Kanals 10 anschließt, wobei sie ebenfalls aus einem oxidischen supraleitenden Kristall mit a-Achsausrichtung bestehen; in einigen Fällen bestehen die Source-Elektrode 2 und die Drain-Elektrode 3 als supraleitende Elektroden aus einem oxidischen supraleitenden Kristall mit a-Achsausrichtung.
In dem auf dem Substrat ausgebildeten oxidischen supraleitenden Kristall mit a-Achsausrichtung ist die Stromdichte in einer Richtung senkrecht zum Substrat größer als in einer Richtung parallel zum Substrat. Ein Elektronenstrom kann daher leicht durch die Source-Elektrode (einschließlich der Source-Elektrode 2 und des Source-Bereiches 1A) fließen, wie es durch den Pfeil 2A in Fig. 4 angedeutet ist, sowie durch die Drain-Elektrode (einchließlich der Drain-Elektrode 3 und des Source-Bereichs 1B), wie es durch den Pfeil 3A in Fig. 4 angedeutet ist, so daß der Elektronenstrom auch leicht den supraleitenden Kanal 10 durchfließt.
Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel 6 können die Source-Elektrode 2 und die Drain-Elektrode 3 aus einem Normalleiter, z.B. einem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit, bestehen, da sowohl die Source-Elektrode 2 als auch die Drain-Elektrode 3 für den tatsächlichen Einsatz mit einem Normalleiter zu verbinden sind.

Ausführungsbeispiel 7

Ein siebtes Ausführungsbeispiel eines supraleitenden Bauelementes weist den gleichen Aufbau wie das dritte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 auf. Auch beim siebten Ausführungsbeispiel besteht die oxidische supraleitende Dünnschicht 1 aus einem oxidischen supraleitenden Kristall mit a-Achsausrichtung, so daß der supraleitende Kanal 10 aus einem oxidischen supraleitenden Kristall mit a-Achsausrichtung besteht und das Paar dicker supraleitender Dünnschichtabschnitte 1A und 1B sich kontinierlich an entgegengesetzten Enden des supraleitenden Kanals 10 an diesen anschließt und ebenfalls aus einem oxidischen supraleitenden Kristall mit a-Achsausrichtung besteht; in einigen Fällen bestehen die Source-Elektrode 2 und die Drain- Elektrode 3 aus supraleitenden Elektroden, die wiederum aus einem oxidischen supraleitenden Kristall mit a-Achsausrichtung bestehen. Dieser oxidische supraleitende Kristall mit a-Achsausrichtung kann ähnlich dem vierten Ausführungsbeispiel hergestellt werden.
Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß das erfindungsgemäße surapleitende Bauelement dadurch gekennzeichnet ist, daß der Supraleitungsstrom, der durch den supraleitenden Kanal fließt, durch die an die Gate-Elektrode angelegte Spannung gesteuert wird. Dadurch ist die Verwendung des Supraleitungs-Näherungseffektes nicht notwendig, welcher bei einem herkömmlichen Super-FET eingesetzt wird, so daß das supraleitende Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung ohne die strenge Begrenzung durch die Feinvarbeitungstechnik hergestellt werden kann, welche für die Herstellung der herkömmlichen supraleitenden Anordnungen galt. Da die obere Oberfläche der supraleitenden Dünnschicht eben ausgeführt wird, ist es leicht, eine Leiterverdrahtung in einem späteren Verfahrensschrit anzubringen. Es ist auch nicht erforderlich, das supraleitende Material in einem übereinander angeordneten Aufbau miteinander zu verbinden, so daß ein oxidisches supraleitendes Bauelement mit hoher Leistung erhalten wird. Dadurch wird es erheblich erleichtert, supraleitende Bauelemente mit hoher Reproduzierbarkeit herzustellen, wobei die derart hergestellten supraleitenden Bauelemente eine gleichbleibende Leistungsfähigkeit aufweisen.
Die Erfindung wurde im Zusammenhang mit speziellen Ausführungsbeispielen beschrieben, ohne jedoch auf diese beschränkt zu sein.

Claims

1. Supraleitendes Bauelement mit einem Substrat 5, einem supraleitenden Kanal 10, bestehend aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1, die auf dem Substrat ausgebildet ist, einer Source-Elektrode 2 und einer Drain-Elektrode 3, die an gegenüberliegenden Enden des supraleitenden Kanals derart ausgebildet sind, daß ein Supraleitungsstrom durch den supraleitenden Kanal zwischen der Source-Elektrode 2 und der Drain-Elektrode 3 fließen kann, und einer Gate-Elektrode 4, die auf dem supraleitenden Kanal derart angeordnet ist, daß sie den durch den supraleitenden Kanal fließenden Supraleitungsstrom steuert, wobei die Gate-Elektrode 4 auf einer Isolierschicht 6 angeordnet ist, welche auf dem supraleitenden Kanal ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Kanal 10, die Source-Elektrode 2 und die Drain-Elektrode 3 aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht bestehen, deren a-Achse senkrecht zum Substrat ausgerichtet ist, daß die oxidische supraleitende Dünnschicht 1 einen dünnen Abschnitt 10 aufweist, dessen Dicke nicht größer als 5 nm in Richtung eines elektrischen Feldes ist, welches von der Gate-Elektrode erzeugt wird und der den supraleitenden Kanal darstellt und daß ein Paar dicker oxidischer supraleitender Dünnschichtabschnitte 1A und 1B an gegenüberliegenden Enden des dünnen Abschnitts ausgebildet sind, wobei auf ihnen die Source-Elektrode bzw. die Drain-Elektrode angeordnet sind.

2. Supraleitendes Bauteil nach Anspruch 1, bei dem die oxidische supraleitende Dünnschicht 1 aus einem oxidischen supraleitenden Material besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe supraleitender Materialien bestehend aus einem Y-Ba-Cu-O-Verbundoxid, einem Bi-Sr-Ca-Cu-O-Verbundoxid und einem Tl-Ba-Ca-Cu-O-Verbundoxid.

3. Supraleitendes Bauteil nach Anspruch 2, bei dem das Substrat 5 aus einem Material besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem MgO-(100)-Substrat, einem SrTiO&sub3;- (100)-Substrat, einem CdNdAlO&sub4;-(001)-Substrat und einem Halbleiter-Substrat 5

4. Supraleitendes Bauteil nach Anspruch 2, bei dem das Substrat 5 aus einem Siliziumsubstrat besteht, wobei eine Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats mit einer Schicht aus einem isolierenden Material bedeckt ist, welche aus einer MgAlO&sub4;-Schicht und einer BaTiO&sub3;-Schicht besteht.

5. Supraleitendes Bauteil nach Anspruch 1, bei dem das Substrat 5 einen Vorsprung 50 auf einer seiner Hauptoberflächen aufweist, wobei eine oxidische supraleitende Dünnschicht 1 derart ausgebildet ist, daß sie diesen Vorsprung 50 auf der Hauptoberfläche bedeckt und eine im wesentlichen ebene Oberfläche aufweist, wobei der supraleitende Kanal 10 aus einem in seiner Dicke verringerten Abschnitt in der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1 oberhalb des Vorsprungs 50 besteht.

6. Supraleitendes Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung 50 aus dem gleichen Material besteht wie das Substrat.

7. Supraleitendes Bauteil nach Anspruch 5, bei dem der Vorsprung 50 aus dem gleichen Material wie die oxidische supraleitende Dünnschicht 1 besteht, in das jedoch Bestandteile des Substrates oder Bestandteile, die dem Substrat 5 hinzugefügt worden sind, eindiffundiert sind.

8. Supraleitendes Bauteil nach Anspruch 1, bei dem das Substrat 5 eine ebene Hauptoberfläche aufweist und bei dem der supraleitende Kanal 5 aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1 besteht mit einer Dicke, die nicht größer als 5 nm ist und auf der Hauptoberfläche des Substrats 5 ausgebildet ist, und bei dem die Gate-Elektrode 4 auf der isolierenden Schicht 6 ausgebildet ist, welche auf der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1 mit der Dicke von 5 nm ausgebildet ist, wobei die Source-Elektrode und die Drain- Elektrode einen dicken oxidischen supraleitenden Abschnitt aufweisen, der auf der supraleitenden Dünnschicht mit einer Dicke von 5 nm ausgebildet ist und getrennt vom entsprechenden Ende der Gate-Elektrode 4 angeordnet ist.

9. Supraleitendes Bauteil nach Anspruch 1, bei dem das Substrat 5 eine ebene Hauptoberfläche aufweist, und eine oxidische supraleitende Dünnschicht 1 auf der Hauptoberfläche des Substrates derart angeordnet ist, daß sie eine darin eingebettete Gate-Elektrode 4 aufweist, wobei ein Abschnitt der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1 unterhalb der Gate- Elektrode 4 eine Dicke von nicht mehr als 5 nm aufweist und dabei den supraleitenden Kanal 10 darstellt, während die Gate- Elektrode 4 von der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1 durch die isolierende Schicht 6 isoliert ist, während ein Isolator 53 alle Seitenflächen der Gate-Elektrode 4 umgibt.