JP2515930B2 - 超電導素子 - Google Patents
超電導素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、スイッチング動作を行
う超電導素子に係り、特に酸化物超電導体を用いた超電
導素子に関する。
う超電導素子に係り、特に酸化物超電導体を用いた超電
導素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】電界効果型の超電導三端子素子はジョセ
フソン接合素子と比較して、入出力分離が十分であり、
電圧信号でスイッチングが行え、かつ直流電源によって
駆動できるという特徴を有している。このような電界効
果型の超電導三端子素子の例としては、液体ヘリウム温
度で動作するＮｂ系超電導材料とＳｉやＩｎＡｓの電界
効果を用いたものがフィジカル レビュー レターズ
５４巻 ２４４９頁、１９８５年（Ｐｈｙｓｉｃａｌ
Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５４，ｐ．２
４４９，１９８５）に記載されている。この素子は、図
１に示すように、半導体基板１１上に超電導薄膜からな
るソース電極１２及びドレイン電極１３を配置し、この
間にゲート電極１４を設けた構造を有する。なお１５は
絶縁膜である。超電導電流はソース電極１２から超電導
近接効果によって半導体基板中にしみだし、半導体基板
１１中を通ってドレイン電極１３に流れる。この超電導
電流はゲート電極１４に印加する電圧によって制御され
る。
フソン接合素子と比較して、入出力分離が十分であり、
電圧信号でスイッチングが行え、かつ直流電源によって
駆動できるという特徴を有している。このような電界効
果型の超電導三端子素子の例としては、液体ヘリウム温
度で動作するＮｂ系超電導材料とＳｉやＩｎＡｓの電界
効果を用いたものがフィジカル レビュー レターズ
５４巻 ２４４９頁、１９８５年（Ｐｈｙｓｉｃａｌ
Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５４，ｐ．２
４４９，１９８５）に記載されている。この素子は、図
１に示すように、半導体基板１１上に超電導薄膜からな
るソース電極１２及びドレイン電極１３を配置し、この
間にゲート電極１４を設けた構造を有する。なお１５は
絶縁膜である。超電導電流はソース電極１２から超電導
近接効果によって半導体基板中にしみだし、半導体基板
１１中を通ってドレイン電極１３に流れる。この超電導
電流はゲート電極１４に印加する電圧によって制御され
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の電界効果型
超電導三端子素子を超電導転移温度が高い酸化物超電導
体で作製すると動作温度が高くできる他、超電導転移温
度が高いことに基づく高速動作が期待できる。しかし、
このような素子を実現しようとした場合、次に述べるよ
うな問題があった。
超電導三端子素子を超電導転移温度が高い酸化物超電導
体で作製すると動作温度が高くできる他、超電導転移温
度が高いことに基づく高速動作が期待できる。しかし、
このような素子を実現しようとした場合、次に述べるよ
うな問題があった。
【０００４】酸化物超電導体の薄膜を形成した際、超電
導特性の劣化を防止し、半導体層とのコンタクト抵抗を
下げるには、ＳｉやＩｎＡｓ等の材料よりも酸化物の方
が半導体材料として望ましい。これはＳｉの表面にＳｉ
Ｏx等の酸化物絶縁層が形成されたり、Ｓｉや化合物半
導体との間の反応により酸化物超電導体の特性が劣化す
るためである。酸化物半導体層、特に超電導体と同様に
銅を含む酸化物を酸化物超電導体層として用いると、こ
のような反応を抑制する効果が大きい。
導特性の劣化を防止し、半導体層とのコンタクト抵抗を
下げるには、ＳｉやＩｎＡｓ等の材料よりも酸化物の方
が半導体材料として望ましい。これはＳｉの表面にＳｉ
Ｏx等の酸化物絶縁層が形成されたり、Ｓｉや化合物半
導体との間の反応により酸化物超電導体の特性が劣化す
るためである。酸化物半導体層、特に超電導体と同様に
銅を含む酸化物を酸化物超電導体層として用いると、こ
のような反応を抑制する効果が大きい。
【０００５】しかしながら、酸化物半導体は、電子もし
くは正孔移動度は低く、０．０１ｍ2／Ｖ・ｓのオーダ
ーである。このように移動度の低い酸化物半導体を用い
た場合、コヒーレンス長は短くなり、液体窒素温度にお
いて動作を行った場合は、さらに短くなる。そのため、
チャネル長は従来の金属系超電導体を用いた素子に比べ
てさらに短くする必要がある。しかし、最新のパターン
形成技術をもってしても０．１μｍ以下のパターンの形
成、さらにはその中へのゲートの形成は極めて困難であ
る。
くは正孔移動度は低く、０．０１ｍ2／Ｖ・ｓのオーダ
ーである。このように移動度の低い酸化物半導体を用い
た場合、コヒーレンス長は短くなり、液体窒素温度にお
いて動作を行った場合は、さらに短くなる。そのため、
チャネル長は従来の金属系超電導体を用いた素子に比べ
てさらに短くする必要がある。しかし、最新のパターン
形成技術をもってしても０．１μｍ以下のパターンの形
成、さらにはその中へのゲートの形成は極めて困難であ
る。
【０００６】本発明の目的は、極微細パターンを形成す
ることなく製造することができ、容易に所望の超電導電
流を制御することのできる超電導素子を提供することに
ある。
ることなく製造することができ、容易に所望の超電導電
流を制御することのできる超電導素子を提供することに
ある。
【０００７】
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的は、酸化物超電
導体からなるソース電極及びドレイン電極と、上記ソー
ス電極とドレイン電極との間に介在しかつそれらに接し
て設けられた酸化物半導体膜と、上記酸化物半導体膜の
表面上に絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有す
る超電導素子において、上記酸化物半導体膜は、Ｌｎ n
Ｂａ m Ｃｕ 3 Ｏ y （Ｌｎ：Ｌａ，Ｎｄ，Ｃｅ，Ｓｍ，Ｅｕ
より選ばれた少なくとも一種の元素）または（ＬｎＰ
ｒ) n Ｂａ m Ｃｕ 3 Ｏ y （Ｌｎ：Ｌａ，Ｎｄ，Ｃｅ，Ｓｍ，
Ｅｕ，Ｙより選ばれた少なくとも一種の元素）よりな
り、上記各酸化物半導体膜の組成比ｎは、１.３から１.
５、ｍは、１.５から１.７、ｙは、６.８から７.２、上
記ｎとｍとの合計の値は３であることにより、上記酸化
物半導体膜には場所的に超電導体が混ざった構成とする
ことにより達成される。
導体からなるソース電極及びドレイン電極と、上記ソー
ス電極とドレイン電極との間に介在しかつそれらに接し
て設けられた酸化物半導体膜と、上記酸化物半導体膜の
表面上に絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有す
る超電導素子において、上記酸化物半導体膜は、Ｌｎ n
Ｂａ m Ｃｕ 3 Ｏ y （Ｌｎ：Ｌａ，Ｎｄ，Ｃｅ，Ｓｍ，Ｅｕ
より選ばれた少なくとも一種の元素）または（ＬｎＰ
ｒ) n Ｂａ m Ｃｕ 3 Ｏ y （Ｌｎ：Ｌａ，Ｎｄ，Ｃｅ，Ｓｍ，
Ｅｕ，Ｙより選ばれた少なくとも一種の元素）よりな
り、上記各酸化物半導体膜の組成比ｎは、１.３から１.
５、ｍは、１.５から１.７、ｙは、６.８から７.２、上
記ｎとｍとの合計の値は３であることにより、上記酸化
物半導体膜には場所的に超電導体が混ざった構成とする
ことにより達成される。
【０００９】
【００１０】上記本発明は、次に述べる新たな発見に基
づいてなされたものである。図２に示すように、基板２
１上に超電導薄膜下部電極２２、酸化物半導体層２３を
形成し、その上に連続して超電導薄膜上部電極２４を設
けた構造の電気特性を調べた。超電導薄膜上部、下部電
極にＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δを用い、酸化物半導体層に、Ｙ
Ｂａ2ＣｕＯ7-δと類似の結晶構造を有し、希土類及び
アルカリ土類の原子位置に相当する金属元素の濃度が異
なる酸化物を選択した。
づいてなされたものである。図２に示すように、基板２
１上に超電導薄膜下部電極２２、酸化物半導体層２３を
形成し、その上に連続して超電導薄膜上部電極２４を設
けた構造の電気特性を調べた。超電導薄膜上部、下部電
極にＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δを用い、酸化物半導体層に、Ｙ
Ｂａ2ＣｕＯ7-δと類似の結晶構造を有し、希土類及び
アルカリ土類の原子位置に相当する金属元素の濃度が異
なる酸化物を選択した。
【００１１】ＬｍＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ（ＬｍはＰｒ以外の
希土類元素を表す）は、ＬｍとＢａの比が１．３対１．
７以上にＹが増えると、電気特性は半導体的になる。例
えばＮｄ1.5Ｂａ1.5Ｃｕ3Ｏy（６．８≦ｙ≦７．２）の
キャリア濃度は５０Ｋで２×１０27／ｍ3、移動度は
０．６×１０-4ｍ2／Ｖ・ｓであった。この値からバン
ドゥーザーの理論式で求められるコヒーレンス長は〜２
ｎｍになる。半導体もしくは常伝導体の中間層を挾ん
で、上下超電導電極間に近接効果を利用して電流を流す
には、中間層の膜厚をコヒーレンス長の１０倍程度に留
めるのが一般的である。しかしながら、Ｎｄ1.5Ｂａ1.5
Ｃｕ3Ｏyを酸化物半導体層２３に用いた場合、膜厚が１
μｍの場合にもその上下に形成したＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ
超電導電極間に超伝導電流が流れることを見出した。こ
のような現象は、Ｌｍで表される希土類元素の原子位置
を一部（６０％以上）Ｐｒで置換した場合にも生じるこ
とが確認された。
希土類元素を表す）は、ＬｍとＢａの比が１．３対１．
７以上にＹが増えると、電気特性は半導体的になる。例
えばＮｄ1.5Ｂａ1.5Ｃｕ3Ｏy（６．８≦ｙ≦７．２）の
キャリア濃度は５０Ｋで２×１０27／ｍ3、移動度は
０．６×１０-4ｍ2／Ｖ・ｓであった。この値からバン
ドゥーザーの理論式で求められるコヒーレンス長は〜２
ｎｍになる。半導体もしくは常伝導体の中間層を挾ん
で、上下超電導電極間に近接効果を利用して電流を流す
には、中間層の膜厚をコヒーレンス長の１０倍程度に留
めるのが一般的である。しかしながら、Ｎｄ1.5Ｂａ1.5
Ｃｕ3Ｏyを酸化物半導体層２３に用いた場合、膜厚が１
μｍの場合にもその上下に形成したＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ
超電導電極間に超伝導電流が流れることを見出した。こ
のような現象は、Ｌｍで表される希土類元素の原子位置
を一部（６０％以上）Ｐｒで置換した場合にも生じるこ
とが確認された。
【００１２】
【作用】本発明者が新しく見出した現象について以下説
明する。プラセオジム（Ｐｒ）以外の希土類元素（例え
ばＮｄ）及びアルカリ土類元素（Ｂａ）を含む半導体は
通常上記の元素比が１対２の構造をとる。この比を１対
２からずらした場合にも、Ｘ線解析からは単一相である
と示されるが、原子オーダーでは希土類元素及びアルカ
リ土類元素の分布に不均一が生じる。特に薄膜形成時及
びその後のプロセス温度が高くなった場合には、組成の
揺らぎが生じ、自然超格子のような構造となる。これは
組成比率が１対２及び２対１の相の方がエネルギー的に
安定なためである。組成の揺らぎが生じた場合、図３に
示すように、微視的には超電導転移温度が場所的に揺ら
いだ超電導体３１と半導体３２が混ざった状態となる。
このような材料の両端に超電導電極を設けた場合、超電
導近接効果による超電導性のしみだす距離が伸び、平均
的キャリア濃度、移動度から求まる値よりも長い距離を
超電導が流れる。
明する。プラセオジム（Ｐｒ）以外の希土類元素（例え
ばＮｄ）及びアルカリ土類元素（Ｂａ）を含む半導体は
通常上記の元素比が１対２の構造をとる。この比を１対
２からずらした場合にも、Ｘ線解析からは単一相である
と示されるが、原子オーダーでは希土類元素及びアルカ
リ土類元素の分布に不均一が生じる。特に薄膜形成時及
びその後のプロセス温度が高くなった場合には、組成の
揺らぎが生じ、自然超格子のような構造となる。これは
組成比率が１対２及び２対１の相の方がエネルギー的に
安定なためである。組成の揺らぎが生じた場合、図３に
示すように、微視的には超電導転移温度が場所的に揺ら
いだ超電導体３１と半導体３２が混ざった状態となる。
このような材料の両端に超電導電極を設けた場合、超電
導近接効果による超電導性のしみだす距離が伸び、平均
的キャリア濃度、移動度から求まる値よりも長い距離を
超電導が流れる。
【００１３】希土類元素の原子位置を一部（６０％以
上）Ｐｒで置換した場合、Ｐｒの多い半導体部分と希土
類元素の多い超電導体の部分からなり、上記と同様の効
果が生じる。
上）Ｐｒで置換した場合、Ｐｒの多い半導体部分と希土
類元素の多い超電導体の部分からなり、上記と同様の効
果が生じる。
【００１４】
【実施例】以下、実施例を用いて本発明を説明する。
【００１５】実施例１ 図４に本発明の超電導素子の一実施例の作製工程を示
す。無歪、鏡面に研磨した面方位（１１０）のチタン酸
ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）単結晶基板４０の上
に、Ｎｄ1.5Ｂａ1.5Ｃｕ3Ｏy（６．８≦ｙ≦７．２）か
らなる膜厚０．７μｍの半導体薄膜４１をマグネトロン
スパッタリング法でエピタキシャル成長させた。基板温
度は成膜時７００℃に保った。（図４（ａ））。
す。無歪、鏡面に研磨した面方位（１１０）のチタン酸
ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）単結晶基板４０の上
に、Ｎｄ1.5Ｂａ1.5Ｃｕ3Ｏy（６．８≦ｙ≦７．２）か
らなる膜厚０．７μｍの半導体薄膜４１をマグネトロン
スパッタリング法でエピタキシャル成長させた。基板温
度は成膜時７００℃に保った。（図４（ａ））。
【００１６】同じ成膜条件でマスク蒸着法により、バー
状のＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ（０＜δ≦０．４）からなる膜
厚０．２μｍの超電導体薄膜４２を形成した。この超電
導体薄膜の大きさは縦０．１ｍｍ、横５ｍｍとした（図
４（ｂ））。
状のＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ（０＜δ≦０．４）からなる膜
厚０．２μｍの超電導体薄膜４２を形成した。この超電
導体薄膜の大きさは縦０．１ｍｍ、横５ｍｍとした（図
４（ｂ））。
【００１７】電子線用レジストを全面に塗布した後、電
子線描画装置で超電導体薄膜４２の中央上に、縦の辺に
平行に線幅０．１μｍの線状のパターンを描き、この部
分を除去した。反応性イオンビームエッチング法で、レ
ジストパターンをマスクとして、超電導体薄膜の露出し
た部分をエッチングし、溝状のパターン４３を形成して
超電導体薄膜でソース電極、ドレイン電極を構成した
（図４（ｃ））。
子線描画装置で超電導体薄膜４２の中央上に、縦の辺に
平行に線幅０．１μｍの線状のパターンを描き、この部
分を除去した。反応性イオンビームエッチング法で、レ
ジストパターンをマスクとして、超電導体薄膜の露出し
た部分をエッチングし、溝状のパターン４３を形成して
超電導体薄膜でソース電極、ドレイン電極を構成した
（図４（ｃ））。
【００１８】この溝状のパターン４３上に，０．３μｍ
厚のＳｒＴｉＯ3薄膜４４をスパッタリング法で形成
し、ゲート絶縁膜とした。ついで、金を全面に蒸着し、
不要部分を除去してゲート電極４５、引き出し電極４
６、４７を形成して超電導三端子素子を作製した（図４
（ｄ））。
厚のＳｒＴｉＯ3薄膜４４をスパッタリング法で形成
し、ゲート絶縁膜とした。ついで、金を全面に蒸着し、
不要部分を除去してゲート電極４５、引き出し電極４
６、４７を形成して超電導三端子素子を作製した（図４
（ｄ））。
【００１９】ソース、ドレイン電極間の電流−電圧特性
のゲート電圧依存性を液体ヘリウム温度及び液体窒素温
度で測定した。得られた結果を図５に示した。ゲート電
極への電圧印加によってソース、ドレイン電極間には超
電導電流が流れ、その大きさがゲート電圧で制御できる
ことが認められた。
のゲート電圧依存性を液体ヘリウム温度及び液体窒素温
度で測定した。得られた結果を図５に示した。ゲート電
極への電圧印加によってソース、ドレイン電極間には超
電導電流が流れ、その大きさがゲート電圧で制御できる
ことが認められた。
【００２０】実施例２ 実施例１と同様の超電導三端子素子を、溝状のパターン
４３の幅を０．３μｍ又は０．５μｍとして作成した。
その結果、測定したソース、ドレイン電極間の電流−電
圧特性のゲート電圧依存性は液体窒素温度で、超電導電
流の大きな減少が見られたが、液体ヘリウム温度ではゲ
ート電極への電圧印加で超電導電流が流れることが認め
られた。
４３の幅を０．３μｍ又は０．５μｍとして作成した。
その結果、測定したソース、ドレイン電極間の電流−電
圧特性のゲート電圧依存性は液体窒素温度で、超電導電
流の大きな減少が見られたが、液体ヘリウム温度ではゲ
ート電極への電圧印加で超電導電流が流れることが認め
られた。
【００２１】また、溝状のパターン４３の幅を１μｍと
して素子作成した結果、液体窒素温度では、２００ｍＶ
の電圧をゲート電極へ印加しても超電導電流は流れなか
ったが、液体ヘリウム温度ではゲート電極への電圧印加
で超電導電流が流れることが認められた。チャネル長、
温度及びゲート電圧による制御性の関係を、実施例１の
結果と共に表１にまとめた。表１において、○は超電導
電流が十分大きく、素子として作動可能なもの、△は超
電導電流が小さく、素子として作動困難なもの、×は超
電導電流が検出できないものをそれぞれ示す。
して素子作成した結果、液体窒素温度では、２００ｍＶ
の電圧をゲート電極へ印加しても超電導電流は流れなか
ったが、液体ヘリウム温度ではゲート電極への電圧印加
で超電導電流が流れることが認められた。チャネル長、
温度及びゲート電圧による制御性の関係を、実施例１の
結果と共に表１にまとめた。表１において、○は超電導
電流が十分大きく、素子として作動可能なもの、△は超
電導電流が小さく、素子として作動困難なもの、×は超
電導電流が検出できないものをそれぞれ示す。
【００２２】
【表１】
【００２３】実施例３ 実施例１と同様の超電導三端子素子を、半導体薄膜の材
料をＮｄ1.3Ｂａ1.7 Ｃｕ3Ｏy（６．８≦ｙ≦７．２）
に変更して形成した。この場合、ソース、ドレイン電極
間の電流−電圧特性のゲート電圧依存性が液体ヘリウム
温度で少なくなるものの、超電導電流が流れ、溝状のパ
ターン４３の幅を０．３μｍとしても、ゲート電極への
電圧印加で超電導電流が流れることが認められた。
料をＮｄ1.3Ｂａ1.7 Ｃｕ3Ｏy（６．８≦ｙ≦７．２）
に変更して形成した。この場合、ソース、ドレイン電極
間の電流−電圧特性のゲート電圧依存性が液体ヘリウム
温度で少なくなるものの、超電導電流が流れ、溝状のパ
ターン４３の幅を０．３μｍとしても、ゲート電極への
電圧印加で超電導電流が流れることが認められた。
【００２４】実施例４ 実施例１と同様の超電導三端子素子を、半導体薄膜の材
料をＬａ1.5Ｂａ1.5 Ｃｕ3Ｏy（６．８≦ｙ≦７．２）
に変更して形成した。この場合のチャネル長、温度及び
ゲート電圧の関係はＮｄ1.5Ｂａ1.5Ｃｕ3Ｏyを用いた場
合（表１）と同じであった。
料をＬａ1.5Ｂａ1.5 Ｃｕ3Ｏy（６．８≦ｙ≦７．２）
に変更して形成した。この場合のチャネル長、温度及び
ゲート電圧の関係はＮｄ1.5Ｂａ1.5Ｃｕ3Ｏyを用いた場
合（表１）と同じであった。
【００２５】また、同様に半導体薄膜の材料をＬｎ″
1.5Ｂａ1.5Ｃｕ3Ｏy（Ｌｎ″はＣｅ、Ｓｍ又はＥｕなる
元素を表す、６．８≦ｙ≦７．２）に変更して、チャネ
ル長を０．１μｍ、０．５μｍとして形成した超電導三
端子素子の温度及びゲート電圧による制御性の関係を表
２、表３にまとめた。
1.5Ｂａ1.5Ｃｕ3Ｏy（Ｌｎ″はＣｅ、Ｓｍ又はＥｕなる
元素を表す、６．８≦ｙ≦７．２）に変更して、チャネ
ル長を０．１μｍ、０．５μｍとして形成した超電導三
端子素子の温度及びゲート電圧による制御性の関係を表
２、表３にまとめた。
【００２６】
【表２】
【００２７】
【表３】
【００２８】実施例５ 実施例１に示した超電導三端子素子を、基板温度を６０
０℃に下げて各膜を形成して作成した。この場合におい
ても薄膜形成直後に超電導薄膜は超電導特性を示した。
また、作製された素子におけるソース、ドレイン電極間
の電流−電圧特性は、超電導電流が減少する傾向を示し
た。これは膜形成時における基板温度が低下したため、
酸化物半導体層の組成揺らぎが少なく、超電導になる部
分が少なくなるためと考えられる。
０℃に下げて各膜を形成して作成した。この場合におい
ても薄膜形成直後に超電導薄膜は超電導特性を示した。
また、作製された素子におけるソース、ドレイン電極間
の電流−電圧特性は、超電導電流が減少する傾向を示し
た。これは膜形成時における基板温度が低下したため、
酸化物半導体層の組成揺らぎが少なく、超電導になる部
分が少なくなるためと考えられる。
【００２９】また、膜形成時における基板温度を５００
℃に下げたの場合には、薄膜形成直後に超電導薄膜は超
電導特性を示したが、ソース、ドレイン電極間の電流−
電圧特性は、超電導電流がさらに減少した。液体窒素温
度で、チャネル長が０．５μｍ以上の素子ではゲート電
圧３００ｍＶの時に液体窒素温度で超電導電流は流れな
かった。
℃に下げたの場合には、薄膜形成直後に超電導薄膜は超
電導特性を示したが、ソース、ドレイン電極間の電流−
電圧特性は、超電導電流がさらに減少した。液体窒素温
度で、チャネル長が０．５μｍ以上の素子ではゲート電
圧３００ｍＶの時に液体窒素温度で超電導電流は流れな
かった。
【００３０】一方、膜形成時における基板温度を７５０
℃に上げた場合には、半導体層と超電導体薄膜の界面で
の反応及び膜の平坦性の劣化が生じ、微細加工ができな
くなった他、超電導体薄膜の転移温度が低下した。
℃に上げた場合には、半導体層と超電導体薄膜の界面で
の反応及び膜の平坦性の劣化が生じ、微細加工ができな
くなった他、超電導体薄膜の転移温度が低下した。
【００３１】実施例６ 実施例５における６００℃の基板温度条件で形成した薄
膜を６００℃、１時間、酸素中で熱処理し、素子を作製
した。この素子のソース、ドレイン電極間の電流−電圧
特性は表１に示したものと同じであった。
膜を６００℃、１時間、酸素中で熱処理し、素子を作製
した。この素子のソース、ドレイン電極間の電流−電圧
特性は表１に示したものと同じであった。
【００３２】なお、同様の傾向は、実施例４及び下記に
示す実施例７、８、９に記載の他の材料についても認め
られた。
示す実施例７、８、９に記載の他の材料についても認め
られた。
【００３３】実施例７ 実施例１と同様の超電導三端子素子を、半導体薄膜の材
料をＹ0.4Ｐｒ0.6Ｂａ2Ｃｕ3Ｏy（６．８≦ｙ≦７．
２）に変更して形成した。この場合にもソース、ドレイ
ン電極間にはゲート電圧の印加により超電導電流は流れ
ることが認められた。チャネル長、温度及びゲート電圧
による制御性の関係を表４に示した。
料をＹ0.4Ｐｒ0.6Ｂａ2Ｃｕ3Ｏy（６．８≦ｙ≦７．
２）に変更して形成した。この場合にもソース、ドレイ
ン電極間にはゲート電圧の印加により超電導電流は流れ
ることが認められた。チャネル長、温度及びゲート電圧
による制御性の関係を表４に示した。
【００３４】
【表４】
【００３５】なお、基板温度の影響はＮｄ1.5Ｂａ1.5Ｃ
ｕ3Ｏy半導体薄膜の場合と同様であった。
ｕ3Ｏy半導体薄膜の場合と同様であった。
【００３６】実施例８ 半導体薄膜の材料をＹ0.3Ｐｒ0.7Ｂａ2Ｃｕ3Ｏy（６．
８≦ｙ≦７．２）に変更した他は、実施例６と同様にし
て超電導三端子素子を形成した。この場合にもソース、
ドレイン電極間にはゲート電圧の印加により超電導電流
は流れることが認められたが、実施例７におけるＹ0.4
Ｐｒ0.6Ｂａ2Ｃｕ3Ｏyを用いた場合よりも超電導電流が
減少する傾向を示した。
８≦ｙ≦７．２）に変更した他は、実施例６と同様にし
て超電導三端子素子を形成した。この場合にもソース、
ドレイン電極間にはゲート電圧の印加により超電導電流
は流れることが認められたが、実施例７におけるＹ0.4
Ｐｒ0.6Ｂａ2Ｃｕ3Ｏyを用いた場合よりも超電導電流が
減少する傾向を示した。
【００３７】実施例９ 半導体薄膜の材料をＮｄ0.3Ｐｒ0.7Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ
y（６．８≦ｙ≦７．２）に変更した他は、実施例６と
同様にして超電導三端子素子を形成した。この場合に
も、ソース、ドレイン電極間にはゲート電圧の印加によ
り超電導電流が流れることが認められた。
y（６．８≦ｙ≦７．２）に変更した他は、実施例６と
同様にして超電導三端子素子を形成した。この場合に
も、ソース、ドレイン電極間にはゲート電圧の印加によ
り超電導電流が流れることが認められた。
【００３８】なお、半導体薄膜の材料中のＮｄをＬａ、
Ｃｅ、Ｓｍ又はＥｕに変更して同様に超電導三端子素子
を形成した場合もほぼ同様の結果が得られた。
Ｃｅ、Ｓｍ又はＥｕに変更して同様に超電導三端子素子
を形成した場合もほぼ同様の結果が得られた。
【００３９】実施例１０ 実施例１と同様にして、基板に無歪、鏡面に研磨した面
方位（１００）の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結晶基
板を用い、Ｙ0.4Ｐｒ0.6Ｂａ2Ｃｕ3Ｏy（６．８≦ｙ≦
７．２）を薄膜をマグネトロンスパッタリング法でエピ
タキシャル成長させ超電導三端子素子を形成した。基板
温度は成膜時６００℃に保ち、膜厚は０．７μｍとし
た。この上に実施例１と同じ成膜条件でマスク蒸着法に
よりバー状のＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ薄膜を形成した。ＹＢ
ａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ薄膜の膜厚は０．２μｍ、大きさは０．
１ｍｍ×５ｍｍであった。以下、実施例１と同様の工程
で素子を作製した。
方位（１００）の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結晶基
板を用い、Ｙ0.4Ｐｒ0.6Ｂａ2Ｃｕ3Ｏy（６．８≦ｙ≦
７．２）を薄膜をマグネトロンスパッタリング法でエピ
タキシャル成長させ超電導三端子素子を形成した。基板
温度は成膜時６００℃に保ち、膜厚は０．７μｍとし
た。この上に実施例１と同じ成膜条件でマスク蒸着法に
よりバー状のＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ薄膜を形成した。ＹＢ
ａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ薄膜の膜厚は０．２μｍ、大きさは０．
１ｍｍ×５ｍｍであった。以下、実施例１と同様の工程
で素子を作製した。
【００４０】得られた素子のソース、ドレイン電極間の
電流−電圧特性のゲート電圧依存性を液体ヘリウム温度
及び液体窒素温度でそれぞれ測定した。ソース、ドレイ
ン電極間にはゲートへの電圧印加で超電導電流が流れ、
その大きさがゲート電圧で制御できることが認められ
た。しかし、超電導電流の大きさは、面方位（１１０）
のチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）単結晶基板
を用いた場合の３分の１であった。これは（１１０）の
チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）単結晶基板の
場合は、超電導薄膜のｃ軸が膜面内にあるのに対して、
面方位（１００）酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結晶基
板ではｃ軸が膜面に垂直になっており、結晶方位の影響
が表れたものと推定される。
電流−電圧特性のゲート電圧依存性を液体ヘリウム温度
及び液体窒素温度でそれぞれ測定した。ソース、ドレイ
ン電極間にはゲートへの電圧印加で超電導電流が流れ、
その大きさがゲート電圧で制御できることが認められ
た。しかし、超電導電流の大きさは、面方位（１１０）
のチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）単結晶基板
を用いた場合の３分の１であった。これは（１１０）の
チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）単結晶基板の
場合は、超電導薄膜のｃ軸が膜面内にあるのに対して、
面方位（１００）酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結晶基
板ではｃ軸が膜面に垂直になっており、結晶方位の影響
が表れたものと推定される。
【００４１】なお、以上の実施例における酸化物超電導
体薄膜の形成は、スパッタリング法を用いたが、反応性
蒸着法、レーザーアブレーション、その他の成膜法を用
いてもよいことは言うまでもない。また、以上の実施例
で示した材料ばかりでなく、希土類元素の位置は他の希
土類元素及びイットリウム（Ｙ）で置換できる他、バリ
ウム（Ｂａ）は他のアルカリ土類元素で置換できること
も言うまでもない。
体薄膜の形成は、スパッタリング法を用いたが、反応性
蒸着法、レーザーアブレーション、その他の成膜法を用
いてもよいことは言うまでもない。また、以上の実施例
で示した材料ばかりでなく、希土類元素の位置は他の希
土類元素及びイットリウム（Ｙ）で置換できる他、バリ
ウム（Ｂａ）は他のアルカリ土類元素で置換できること
も言うまでもない。
【００４２】
【発明の効果】本発明によれば、チャネル層が半導体相
と超電導相の混合構造になるため現在の微細加工技術で
もって形成できる寸法の素子構造で、酸化物超電導体を
用いた超電導三端子素子を形成することができる。これ
により、従来、液体ヘリウム温度でしか使用できなかっ
た超電導三端子素子が、高温で使用することができるよ
うになった。また、酸化物半導体をチャネル層に使用し
たため、超電導電極と半導体チャネル層の間の反応がな
く、超電導電流の低下が少なく、利得の増加につながっ
た。
と超電導相の混合構造になるため現在の微細加工技術で
もって形成できる寸法の素子構造で、酸化物超電導体を
用いた超電導三端子素子を形成することができる。これ
により、従来、液体ヘリウム温度でしか使用できなかっ
た超電導三端子素子が、高温で使用することができるよ
うになった。また、酸化物半導体をチャネル層に使用し
たため、超電導電極と半導体チャネル層の間の反応がな
く、超電導電流の低下が少なく、利得の増加につながっ
た。
【００４３】チャネル層が半導体相と超電導相の混合構
造にする方法としては、人工的に半導体相と超電導相を
積層する方法があるが、その場合、電流が流れる方向に
垂直に微細な積層構造を形成しなければならず、このよ
うな構造を製造することは困難である。これに対して本
発明では薄膜形成時を含むプロセス中での温度でもって
組成の揺らぎを調整できるため、従来の成膜法が適用で
きることも大きな特長である。
造にする方法としては、人工的に半導体相と超電導相を
積層する方法があるが、その場合、電流が流れる方向に
垂直に微細な積層構造を形成しなければならず、このよ
うな構造を製造することは困難である。これに対して本
発明では薄膜形成時を含むプロセス中での温度でもって
組成の揺らぎを調整できるため、従来の成膜法が適用で
きることも大きな特長である。
【図１】従来の電界効果型超電導三端子素子の構造を示
す断面模式図である。
す断面模式図である。
【図２】本発明を説明するための薄膜構造を示す模式図
である。
である。
【図３】希土類元素及びアルカリ土類元素の分布の不均
一と超電導性を説明するための模式図である。
一と超電導性を説明するための模式図である。
【図４】本発明の超電導三端子素子の作製工程を示す工
程図である。
程図である。
【図５】ソース電極、ドレイン電極間の電流−電圧特性
のゲート電圧依存性を示す図である。
のゲート電圧依存性を示す図である。
１１ 半導体基板 １２ ソース電極 １３ ドレイン電極 １４ ゲート電極 １５ 絶縁膜 ２１ 基板 ２２ 超電導薄膜下部電極 ２３ 酸化物半導
体層 ２４ 超電導薄膜上部電極 ３１ 超電導体 ３２ 半導体 ４０ 単結晶基板 ４１ 半導体薄膜 ４２ 超電導体薄
膜 ４３ 溝状のパターン ４４ ＳｒＴｉＯ
3薄膜 ４５ ゲート電極 ４６、４７ 引き
出し電極
体層 ２４ 超電導薄膜上部電極 ３１ 超電導体 ３２ 半導体 ４０ 単結晶基板 ４１ 半導体薄膜 ４２ 超電導体薄
膜 ４３ 溝状のパターン ４４ ＳｒＴｉＯ
3薄膜 ４５ ゲート電極 ４６、４７ 引き
出し電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 樽谷 良信 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 平谷 正彦 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 西野 壽一 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 須賀 三雄 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平２−132869（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−144688（ＪＰ，Ａ) ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．ＬＥＴＴ．56〜 ４！（22 ＪＡＮ．1990）ＰＰ．391− 393
Claims (2)
- 【請求項１】酸化物超電導体からなるソース電極及びド
レイン電極と、上記ソース電極とドレイン電極との間に
介在しかつそれらに接して設けられた酸化物半導体膜
と、上記酸化物半導体膜の表面上に絶縁膜を介して設け
られたゲート電極とを有する超電導素子において、上記
酸化物半導体膜は、Ｌｎ n Ｂａ m Ｃｕ 3 Ｏ y （Ｌｎ：Ｌａ，
Ｎｄ，Ｃｅ，Ｓｍ，Ｅｕより選ばれた少なくとも一種の
元素）または（ＬｎＰｒ) n Ｂａ m Ｃｕ 3 Ｏ y （Ｌｎ：Ｌ
ａ，Ｎｄ，Ｃｅ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｙより選ばれた少なくと
も一種の元素）よりなり、上記各酸化物半導体膜の組成
比ｎは、１.３から１.５、ｍは、１.５から１.７、ｙ
は、６.８から７.２、上記ｎとｍとの合計の値は３であ
ることにより、上記酸化物半導体膜には場所的に超電導
体が混ざった構成となることを特徴とする超電導素子。 - 【請求項２】請求項１において、上記酸化物超電導体と
上記酸化物半導体とは類似な結晶構造を有することを特
徴とする超電導素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3019746A JP2515930B2 (ja) | 1991-02-13 | 1991-02-13 | 超電導素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3019746A JP2515930B2 (ja) | 1991-02-13 | 1991-02-13 | 超電導素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04258171A JPH04258171A (ja) | 1992-09-14 |
| JP2515930B2 true JP2515930B2 (ja) | 1996-07-10 |
Family
ID=12007903
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3019746A Expired - Fee Related JP2515930B2 (ja) | 1991-02-13 | 1991-02-13 | 超電導素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2515930B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3207058B2 (ja) * | 1994-11-07 | 2001-09-10 | 財団法人国際超電導産業技術研究センター | 超電導体薄膜及びその製造方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01144688A (ja) * | 1987-12-01 | 1989-06-06 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 酸化物超伝導体薄膜 |
| JPH02132869A (ja) * | 1988-11-11 | 1990-05-22 | Fujitsu Ltd | 超伝導微粒子薄膜の製造方法、その超伝導微粒子薄膜を用いた超伝導トランジスタ、およびその超伝導トランジスタの製造方法 |
-
1991
- 1991-02-13 JP JP3019746A patent/JP2515930B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．ＬＥＴＴ．５６〜４！（２２ＪＡＮ．１９９０）ＰＰ．３９１−３９３ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04258171A (ja) | 1992-09-14 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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