JP2596337B2 - Superconducting element - Google Patents

Superconducting element

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JP2596337B2 JP5244255A JP24425593A JP2596337B2 JP 2596337 B2 JP2596337 B2 JP 2596337B2 JP 5244255 A JP5244255 A JP 5244255A JP 24425593 A JP24425593 A JP 24425593A JP 2596337 B2 JP2596337 B2 JP 2596337B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は高速デジタル回路、アナ
ログデ−タ処理回路、センサ回路装置、微小磁場信号検
出装置等、超電導性を用いることにより特有の性能を発
揮する超電導エレクトロニクスの分野にかかわり、とく
に高速で低消費電力性能を有する超電導素子の動作方式
および素子構造に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the field of superconducting electronics, such as a high-speed digital circuit, an analog data processing circuit, a sensor circuit device, and a small magnetic field signal detecting device, which exhibit a specific performance by using superconductivity. In particular, the present invention relates to an operation method and an element structure of a superconducting element having high speed and low power consumption.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の超電導素子には、半導体の電界効
果トランジスタおよびバイポ−ラトランジスタに対応し
た動作方式の素子が得られている。超電導の電界効果ト
ランジスタはソ−スとドレイン電極間の超電導電流の振
幅をゲ−ト電圧によって制御するものであり、超電導の
パイポ−ラトランジスタは準粒子電流、すなわち常伝導
電流の値を超電導ベ−スに対する電圧バイアスによって
制御するものである。これらの中で超電導の電界効果ト
ランジスタは超電導の近接効果と常伝導層のキャリア分
布に対する近接効果を利用するものである。近接効果と
は超電導体と常伝導体を接すると、超電導キャリアが超
電導体から常伝導体内にしみだす現象のことである。従
って常伝導層を介して2個の超電導電極を接続すると、
超電導電極間で超電導電流が流れる。この超電導電流は
電界効果によって、ゲ−ト電圧を印加することにより制
御される。このような動作方式を有する超電導の電界効
果トランジスタは、H.タカヤナギ フィジカルレビュ
ーレター 54巻p2449〜p2452 1985年
に記載されている。上記トランジスタは、常伝導層に
InAs,超電導層にNbを用いて作製され、動作が実
現されている。
2. Description of the Related Art As a conventional superconducting element, an element of an operation system corresponding to a semiconductor field-effect transistor and a bipolar transistor has been obtained. A superconducting field effect transistor controls the amplitude of superconducting current between a source and a drain electrode by a gate voltage, and a superconducting bipolar transistor uses a quasiparticle current, that is, a normal conducting current, as a superconducting base. The voltage is controlled by a voltage bias to the negative electrode. Among these, the superconducting field effect transistor utilizes the proximity effect of superconductivity and the proximity effect on the carrier distribution of the normal conductive layer. The proximity effect is a phenomenon in which when a superconductor and a normal conductor come into contact with each other, a superconducting carrier seeps out of the superconductor into the normal conductor. Therefore, when two superconducting electrodes are connected via the normal conductive layer,
A superconducting current flows between the superconducting poles. The superconducting current is controlled by applying a gate voltage by the electric field effect. A superconducting field-effect transistor having such an operation method is described in H.-J. Takayanagi Physical Review Letter 54, p2449-p2452, 1985. The above-described transistor is manufactured using InAs for the normal conductive layer and Nb for the superconducting layer, and the operation is realized.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の項にお
いて述べた超電導の電界効果トランジスタは以下に述べ
る問題点を有している。すなわち、近接効果によって超
電導キャリアが常伝導層にしみだす距離、すなわち超電
導減衰長は0.1マイクロメ−トル程度である。したが
って電極間で超電導電流を得るためには、電極間の距離
をサブミクロンの寸法に保つ必要がある。たとえば上記
従来例の常伝導層にInAsを用いた超電導の電界効果
トランジスタにおいては、ソ−スとドレインの電極間距
離が0.4マイクロメ−トルに設定されている。電極間
距離が超電導減衰長より十分に長い場合、超電導電流の
振幅が低下する。たとえ高いゲ−ト電圧によってキャリ
ア濃度を増加させても、超電導電流として期待される
値、すなわち超電導電極のギャップ電圧を素子抵抗で割
った値には達しない。この理由は近接効果によってしみ
だした超電導キャリアの密度は超電導体と常伝導体の界
面で、超電導減衰長を単位として指数関数的に減少する
からである。逆にスイッチング回路用に利得を有する素
子として、電界効果トランジスタを得るためには、必然
的にゲ−ト電極の長さ等をサブミクロンの寸法にする必
要がある。
The superconducting field-effect transistor described in the section of the prior art has the following problems. That is, the distance over which the superconducting carrier permeates the normal conductive layer due to the proximity effect, that is, the superconducting decay length is about 0.1 micrometer. Therefore, in order to obtain a superconducting current between the electrodes, it is necessary to keep the distance between the electrodes at a submicron size. For example, in the conventional superconducting field effect transistor using InAs for the normal conductive layer, the distance between the source and drain electrodes is set to 0.4 micrometer. When the distance between the electrodes is sufficiently longer than the superconducting attenuation length, the amplitude of the superconducting current decreases. Even if the carrier concentration is increased by a high gate voltage, it does not reach the value expected as the superconducting current, that is, the value obtained by dividing the gap voltage of the superconducting electrode by the element resistance. The reason for this is that the density of the superconducting carriers exuded by the proximity effect decreases exponentially at the interface between the superconductor and the normal conductor, in units of the superconducting decay length. Conversely, in order to obtain a field-effect transistor as an element having a gain for a switching circuit, the length of the gate electrode and the like must necessarily be set to submicron dimensions.

【0004】そこで本発明の目的は超電導素子におい
て、任意のゲ−ト長に対して超電導電流が得られ、素子
寸法が近接効果による超電導減衰長の制約にとらわれな
い超電導トランジスタの動作方式と構造を与えることに
ある。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a superconducting element in which a superconducting current can be obtained for an arbitrary gate length, and the operating method and structure of a superconducting transistor in which the element size is not restricted by the superconducting attenuation length due to the proximity effect. To give.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記目的は、第1図ある
いは第3図に示すごとく、超電導性のソ−ス電極1およ
びドレイン電極4、ソ−ス電極とドレイン電極の間にあ
って1次元列あるいは2次元面に配列された複数個の超
電導体2の集団によりなるチャネル、チャネルに接して
配されたゲ−ト絶縁膜10、およびゲ−ト絶縁膜に接し
て配されたゲ−ト電極11、およびチャネルを構成する
複数個の超電導体を堆積させ、かつ有限の電気伝導度を
有する基板3からなり、ゲ−ト絶縁膜を介して、チャネ
ルを構成する超電導体の全部あるいは一部がゲ−ト電極
と重なり、チャネルを構成する超電導体の全部あるいは
少なくとも一部が素子動作時に超電導性を示す構造を有
することにより達成される。
The object of the present invention is to provide a superconductive source electrode 1 and a drain electrode 4 as shown in FIG. 1 or 3, and a one-dimensional array between a source electrode and a drain electrode. Alternatively, a channel composed of a group of a plurality of superconductors 2 arranged in a two-dimensional plane, a gate insulating film 10 disposed in contact with the channel, and a gate electrode disposed in contact with the gate insulating film 11 and a substrate 3 on which a plurality of superconductors constituting a channel are deposited and which has a finite electric conductivity, and all or a part of the superconductor constituting the channel is provided via a gate insulating film. This is attained by a structure in which all or at least a part of the superconductor overlapping the gate electrode and constituting the channel has a structure exhibiting superconductivity during operation of the device.

【0006】また、以下の構造を有することによっても
上記目的を達成することが出来る。チャネルを構成する
複数個の超電導体のあいだは抵抗の温度係数が負、すな
わち温度の低下とともに抵抗値が増大する特性を有する
半導体性の基板によって電気的に結合させる。
The above object can also be achieved by having the following structure. A plurality of superconductors constituting a channel are electrically coupled by a semiconductor substrate having a characteristic that the temperature coefficient of the resistance is negative, that is, the resistance value increases as the temperature decreases.

【0007】さらにソース及びドレイン電極、さらには
チャネルを構成する複数個の超電導体がCu系酸化物超
電導体で構成される場合、超電導素子のチャネルを構成
する複数個の超電導体のあいだがCuを含む酸化物の常
伝導体によって電気的に結合される構造とする。
Further, when a plurality of superconductors constituting the source and drain electrodes and the channel are composed of a Cu-based oxide superconductor, Cu is used between the plurality of superconductors constituting the channel of the superconducting element. The structure is such that the oxides are electrically coupled by a normal conductor.

【0008】ソース及びドレイン電極さらにはチャネル
を構成する複数個の超電導体がCu系酸化物超電導体で
構成される場合、チャネルを構成する複数個の超電導体
が半導体あるいはCuを含む酸化物の常伝導体の基板上
に配列され、超電導体とこれら基板が電気的につながっ
ている構造とする。
In the case where the plurality of superconductors constituting the source and drain electrodes and the channel are made of a Cu-based oxide superconductor, the plurality of superconductors constituting the channel are usually made of a semiconductor or an oxide containing Cu. The superconductor is arranged on a conductor substrate, and the substrate is electrically connected to the superconductor.

【0009】チャネルを構成する複数個の超電導体が酸
化物半導体あるいはCuを含む酸化物の常伝導体の基板
上に配列された場合、これら酸化物系の超電導体と酸化
物基板が同一の結晶構造を有し、超電導体とこれら基板
が電気的につながっている構造とする。
When a plurality of superconductors constituting a channel are arranged on a substrate of an oxide semiconductor or a normal conductor of an oxide containing Cu, the oxide-based superconductor and the oxide substrate are made of the same crystal. It has a structure in which the superconductor and these substrates are electrically connected.

【0010】さらに、ゲート絶縁膜を介して、チャネル
を構成する複数個の超電導体の一部がゲート電極と重な
り、チャネルを構成する複数個の超電導体が配され、か
つ有限の電気伝導度を有する基板において、ソース及び
ドレイン電極の間にあって、ソース及びドレイン電極さ
らにはゲート電極のいずれにも重ならない領域が存在す
る構造とする。
Further, a plurality of superconductors constituting a channel overlap with a gate electrode via a gate insulating film, a plurality of superconductors constituting a channel are provided, and a finite electric conductivity is provided. The substrate has a structure in which a region is present between the source and drain electrodes and does not overlap with any of the source and drain electrodes and the gate electrode.

【0011】以上の構造を有する超電導素子におけるス
イッチング動作は、ゲート電圧信号によって、チャネル
の両端間で超電導波動関数の位相の相対的により確定し
た状態と、より不確定な状態が実現されることにより、
ソースとドレイン電極間で流しえる超電導電流を制御す
ることを基本とする。ゲート電圧信号はチャネルを構成
する複数個の超電導電極に作用するのではなく、超電導
体が電気的につながる基板に印加される構造とする。
The switching operation of the superconducting element having the above structure is realized by a gate voltage signal that realizes a state where the phase of the superconducting waveguide function is relatively determined between both ends of the channel and a state where the phase is more uncertain. ,
Basically, the superconducting current that can flow between the source and drain electrodes is controlled. The gate voltage signal does not act on a plurality of superconducting electrodes constituting a channel, but is applied to a substrate to which the superconductor is electrically connected.

【0012】[0012]

【作用】本発明は、第2図に示されるごとく、多数の超
電導体が抵抗によって並列および直列に接続されている
場合、超電導電流の有無は抵抗値だけでなく直列につな
がる超電導体、あるいは並列につながる超電導体の個数
にも依存する。マトリックスの両端で得られる超電導電
流の大きさは超電導電流をになう超電導波動関数の位相
の揺らぎに依存する。すなわち、超電導体が直列に接続
された場合、超電導体列の両端では位相揺らぎが拡大さ
れて、超電導電流が得られなくなる。一方、直列接続の
個数を少なくし、並列接続成分を十分に多くした場合、
超電導列の両端における位相揺らぎは抑制されて、超電
導電流が得られる。
In the present invention, as shown in FIG. 2, when a large number of superconductors are connected in parallel and in series by a resistor, the presence or absence of superconducting current depends not only on the resistance value but also on the superconductors connected in series or in parallel. Also depends on the number of superconductors connected to the superconductor. The magnitude of the superconducting current obtained at both ends of the matrix depends on the fluctuation of the phase of the superconducting waveguide function that forms the superconducting current. That is, when the superconductors are connected in series, the phase fluctuation is enlarged at both ends of the superconductor row, and the superconducting current cannot be obtained. On the other hand, if the number of series connection is reduced and the parallel connection component is sufficiently increased,
Phase fluctuations at both ends of the superconducting train are suppressed, and a superconducting current is obtained.

【0013】以上のようなマトリックス構造による超電
導電流の有無に関しては、マトリックスの形状および構
成を固定しても、外部からの制御信号により調節でき、
スイッチング動作が与えられる。
The presence or absence of the superconducting current due to the above matrix structure can be adjusted by an external control signal even if the shape and configuration of the matrix are fixed.
A switching operation is provided.

【0014】[0014]

【実施例】(実施例1)本発明の実施例1を第3図、第
4図、第5図を用いて説明する。
(Embodiment 1) Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. 3, 4, and 5. FIG.

【0015】基板材9としてSrTi酸化物の単結晶を
用い、SrTi酸化物基板上に金属元素の組成比が1:
2:3のPrBaCu酸化物薄膜を高周波マグネトロン
スパッタリング法により形成し、チャネル下地層3とす
る。成膜時の雰囲気ガスはアルゴンと酸素の混合ガスと
し、膜厚は300nmとする。PrBaCu酸化物薄膜
は有機レジスト膜を用いた電子線描画装置による転写用
パタ−ンの形成、およびArガスを用いたイオンビ−ム
エッチング法により超電導素子のチャネル下地層パタ−
ンの形成が施される。
A single crystal of SrTi oxide is used as the substrate material 9 and the composition ratio of the metal element on the SrTi oxide substrate is 1:
A 2: 3 PrBaCu oxide thin film is formed by a high-frequency magnetron sputtering method to form a channel underlayer 3. The atmosphere gas at the time of film formation is a mixed gas of argon and oxygen, and the film thickness is 300 nm. For the PrBaCu oxide thin film, a transfer pattern is formed by an electron beam lithography apparatus using an organic resist film, and a channel underlayer pattern of a superconducting element is formed by an ion beam etching method using Ar gas.
Is formed.

【0016】つぎにPrBaCu酸化物薄膜上に金属元
素の組成比が1:2:3のHoBaCu酸化物超電導薄
膜を高周波マグネトロンスパッタリング法により形成す
る。この酸化物超電導薄膜はソ−ス電極1、ドレイン電
極4、およびチャネル超電導層2として共通に用いる。
成膜時の雰囲気ガスはアルゴンと酸素の混合ガスとし、
膜厚は100nmとする。HoBaCu酸化物薄膜は有
機レジスト膜を用いた電子線描画装置による転写用パタ
−ンの形成、およびArガスを用いたイオンビ−ムエッ
チング法により超電導素子のソ−ス電極、ドレイン電
極、およびチャネル超電導層パタ−ンの形成が施され
る。チャネル超電導層はとくにパタ−ンを微細化し、超
電導ドットの寸法と間隔を0.05ミクロンから0.5
ミクロンまでのサブミクロンとする。つぎにSrTi酸
化物薄膜をレ−ザ蒸着法により形成し、ゲ−ト絶縁膜1
0とする。レ−ザ蒸着は酸素ガス雰囲気中で行い、Sr
Ti酸化物の膜厚は300nmとする。SrTi酸化物
薄膜は有機レジスト膜を用いた光学露光装置による転写
用パタ−ンの形成、およびArガスを用いたイオンビ−
ムエッチング法により超電導素子のゲ−ト絶縁膜パタ−
ンの形成が行われる。さらにあらかじめゲ−ト電極11
としての反転パタ−ンを有機レジストにより形成し、こ
の上からAu薄膜を真空蒸着法により形成し、リフトオ
フ工程を施すことにより、ゲ−ト電極を得る。ゲ−ト電
極はソ−スとドレイン間のチャネル層全体または一部を
覆う構造となるようにする。
Next, a HoBaCu oxide superconducting thin film having a metal element composition ratio of 1: 2: 3 is formed on the PrBaCu oxide thin film by a high-frequency magnetron sputtering method. This oxide superconducting thin film is commonly used as a source electrode 1, a drain electrode 4, and a channel superconducting layer 2.
The atmosphere gas at the time of film formation is a mixed gas of argon and oxygen,
The thickness is 100 nm. The HoBaCu oxide thin film is formed with a transfer pattern by an electron beam lithography apparatus using an organic resist film, and the source electrode, the drain electrode, and the channel superconductivity of the superconducting element by an ion beam etching method using Ar gas. A layer pattern is formed. The channel superconducting layer has a particularly fine pattern, and the size and spacing of the superconducting dots are reduced from 0.05 μm to 0.5 μm.
Submicron down to microns. Next, an SrTi oxide thin film is formed by a laser deposition method, and a gate insulating film 1 is formed.
Set to 0. Laser deposition is performed in an oxygen gas atmosphere and Sr
The thickness of the Ti oxide is 300 nm. For the SrTi oxide thin film, a transfer pattern is formed by an optical exposure apparatus using an organic resist film, and an ion beam using Ar gas is used.
Gate insulating film pattern of superconducting element by
Is formed. Further, the gate electrode 11 is
Is formed by an organic resist, an Au thin film is formed thereon by a vacuum evaporation method, and a lift-off process is performed to obtain a gate electrode. The gate electrode has a structure that covers the whole or a part of the channel layer between the source and the drain.

【0017】本方法により作製した超電導素子は、第6
図に示すごとく、ゲ−ト電極に負の電圧を印加し、チャ
ネル層に負の電界が加えられた場合21にソ−スとドレ
イン間に流れる超電導電流が増大し、ゲ−ト電極に正の
電圧を印加し、チャネル層に正の電界が加えられた場合
22にソ−スとドレイン間に流れる超電導電流が減少す
る。したがって、本超電導素子は超電導電流をゲ−ト電
圧によって制御できる。(実施例2)本発明の実施例2
を第7図を用いて説明する。
The superconducting element manufactured by this method is the sixth type.
As shown in the figure, when a negative voltage is applied to the gate electrode and a negative electric field is applied to the channel layer, the superconducting current flowing between the source and the drain increases and the positive electrode is applied to the gate electrode. When a positive electric field is applied to the channel layer, the superconducting current flowing between the source and the drain decreases. Therefore, the present superconducting element can control the superconducting current by the gate voltage. (Embodiment 2) Embodiment 2 of the present invention
Will be described with reference to FIG.

【0018】基板材としてSrTi酸化物9の単結晶を
用いる。金属元素の組成比が1:2:3のHoBaCu
酸化物超電導薄膜を高周波マグネトロンスパッタリング
法により形成する。有機レジストによりゲ−ト電極11
としてのパタ−ンを形成し、Arガスを用いたイオンビ
−ムエッチング法によりHoBaCu酸化物超電導薄膜
にパタ−ンを転写する。ゲ−ト電極はソ−スとドレイン
間にあり、チャネルの幅方向に並んだ微小超電導領域の
列の下部に配される。
A single crystal of SrTi oxide 9 is used as a substrate material. HoBaCu with a metal element composition ratio of 1: 2: 3
An oxide superconducting thin film is formed by a high-frequency magnetron sputtering method. Gate electrode 11 made of organic resist
Is formed, and the pattern is transferred to the HoBaCu oxide superconducting thin film by an ion beam etching method using Ar gas. The gate electrode is located between the source and the drain, and is arranged below a row of micro superconducting regions arranged in the width direction of the channel.

【0019】つぎにSrTi酸化物薄膜をレ−ザ蒸着法
により形成し、ゲ−ト絶縁膜10とする。レ−ザ蒸着は
酸素ガス雰囲気中で行い、SrTi酸化物の膜厚は30
0nmとする。SrTi酸化物薄膜は有機レジスト膜を
用いた電子線描画装置による転写用パタ−ンの形成、お
よびArガスを用いたイオンビ−ムエッチング法により
超電導素子のゲ−ト絶縁膜パタ−ンの形成が行われる。
Next, an SrTi oxide thin film is formed by a laser vapor deposition method to form a gate insulating film 10. Laser deposition was performed in an oxygen gas atmosphere, and the thickness of the SrTi oxide was 30
It is set to 0 nm. For the SrTi oxide thin film, a transfer pattern is formed by an electron beam lithography apparatus using an organic resist film, and a gate insulating film pattern of a superconducting element is formed by an ion beam etching method using Ar gas. Done.

【0020】さらに金属元素の組成比が1:2:3のH
oBaCu酸化物超電導薄膜を高周波マグネトロンスパ
ッタリング法により形成する。この酸化物超電導薄膜は
ソ−ス電極1、ドレイン電極4、およびチャネル超電導
層2として共通に用いる。成膜時の雰囲気ガスはアルゴ
ンと酸素の混合ガスとし、膜厚は100nmとする。H
oBaCu酸化物薄膜は有機レジスト膜を用いた電子線
描画装置による転写用パタ−ンの形成、およびArガス
を用いたイオンビ−ムエッチング法により超電導素子の
ソ−ス電極、ドレイン電極、およびチャネル超電導層パ
タ−ンの形成が施される。チャネル超電導層はとくにパ
タ−ンを微細化し、超電導ドットの寸法と間隔を0.0
5ミクロンから0.5ミクロンまでのサブミクロンとす
る。
Further, H having a metal element composition ratio of 1: 2: 3
An oBaCu oxide superconducting thin film is formed by a high-frequency magnetron sputtering method. This oxide superconducting thin film is commonly used as a source electrode 1, a drain electrode 4, and a channel superconducting layer 2. The atmosphere gas at the time of film formation is a mixed gas of argon and oxygen, and the film thickness is 100 nm. H
The oBaCu oxide thin film is formed with a transfer pattern by an electron beam lithography apparatus using an organic resist film, and a source electrode, a drain electrode, and a channel superconducting element of a superconducting element by an ion beam etching method using Ar gas. A layer pattern is formed. The channel superconducting layer has a particularly fine pattern, and the size and spacing of the superconducting dots are reduced by 0.0.
Submicron from 5 microns to 0.5 microns.

【0021】この上に金属元素の組成比が1:2:3の
PrBaCu酸化物薄膜を高周波マグネトロンスパッタ
リング法により形成し、チャネル下地層3とする。成膜
時の雰囲気ガスはアルゴンと酸素の混合ガスとし、膜厚
は300nmとする。PrBaCu酸化物薄膜は有機レ
ジスト膜を用いた電子線描画装置による転写用パタ−ン
の形成、およびArガスを用いたイオンビ−ムエッチン
グ法により超電導素子のチャネル下地層パタ−ンの形成
が施される。
On this, a PrBaCu oxide thin film having a metal element composition ratio of 1: 2: 3 is formed by a high-frequency magnetron sputtering method to form a channel underlayer 3. The atmosphere gas at the time of film formation is a mixed gas of argon and oxygen, and the film thickness is 300 nm. For the PrBaCu oxide thin film, a transfer pattern is formed by an electron beam lithography apparatus using an organic resist film, and a channel underlayer pattern of a superconducting element is formed by an ion beam etching method using Ar gas. You.

【0022】本方法により作製した超電導素子は、第6
図と同様にゲ−ト電極に負の電圧を印加し、チャネル層
に負の電界が加えられた場合にソ−スとドレイン間に流
れる超電導電流が増大し、ゲ−ト電極に正の電圧を印加
し、チャネル層に正の電界が加えられた場合にソ−スと
ドレイン間に流れる超電導電流が減少する。したがっ
て、本超電導素子は超電導電流をゲ−ト電圧によって制
御できる。
The superconducting element manufactured by this method is the sixth type.
As shown in the figure, when a negative voltage is applied to the gate electrode and a negative electric field is applied to the channel layer, the superconducting current flowing between the source and the drain increases, and a positive voltage is applied to the gate electrode. Is applied, and when a positive electric field is applied to the channel layer, the superconducting current flowing between the source and the drain decreases. Therefore, the present superconducting element can control the superconducting current by the gate voltage.

【0023】(実施例3)本発明の実施例3を第8図を
用いて説明する。
(Embodiment 3) A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

【0024】基板材としてSrTi酸化物の単結晶を用
い、SrTi酸化物基板上に金属元素の組成比が1.
5:1.5:3のLaBaCu酸化物薄膜を高周波マグ
ネトロンスパッタリング法により形成し、チャネル下地
層とする。成膜時の雰囲気ガスはアルゴンと酸素の混合
ガスとし、膜厚は300nmとする。LaBaCu酸化
物薄膜は有機レジスト膜を用いた電子線描画装置による
転写用パタ−ンの形成、およびArガスを用いたイオン
ビ−ムエッチング法により超電導素子のチャネル下地層
パタ−ンの形成が施される。
A single crystal of SrTi oxide is used as the substrate material, and the composition ratio of the metal element on the SrTi oxide substrate is 1.
A 5: 1.5: 3 LaBaCu oxide thin film is formed by a high-frequency magnetron sputtering method to form a channel underlayer. The atmosphere gas at the time of film formation is a mixed gas of argon and oxygen, and the film thickness is 300 nm. The transfer pattern of the LaBaCu oxide thin film is formed by an electron beam lithography apparatus using an organic resist film, and the channel underlayer pattern of the superconducting element is formed by an ion beam etching method using Ar gas. You.

【0025】つぎにLaBaCu酸化物薄膜上に金属元
素の組成比が1:2:3のHoBaCu酸化物超電導薄
膜を高周波マグネトロンスパッタリング法により形成す
る。この酸化物超電導薄膜はソ−ス電極、ドレイン電
極、およびチャネル超電導層として共通に用いる。成膜
時の雰囲気ガスはアルゴンと酸素の混合ガスとし、膜厚
は100nmとする。HoBaCu酸化物薄膜は有機レ
ジスト膜を用いた電子線描画装置による転写用パタ−ン
の形成、およびArガスを用いたイオンビ−ムエッチン
グ法により超電導素子のソ−ス電極、ドレイン電極、お
よびチャネル超電導層パタ−ンの形成が施される。チャ
ネル超電導層はとくにパタ−ンを微細化し、超電導ドッ
トの寸法と間隔を0.05ミクロンから0.5ミクロン
までのサブミクロンとする。つぎにSrTi酸化物薄膜
をレ−ザ蒸着法により形成し、ゲ−ト絶縁膜とする。レ
−ザ蒸着は酸素ガス雰囲気中で行い、SrTi酸化物の
膜厚は300nmとする。SrTi酸化物薄膜は有機レ
ジスト膜を用いた光学露光装置による転写用パタ−ンの
形成、およびArガスを用いたイオンビ−ムエッチング
法により超電導素子のゲ−ト絶縁膜パタ−ンの形成が行
われる。
Next, a HoBaCu oxide superconducting thin film having a metal element composition ratio of 1: 2: 3 is formed on the LaBaCu oxide thin film by a high-frequency magnetron sputtering method. This oxide superconducting thin film is commonly used as a source electrode, a drain electrode, and a channel superconducting layer. The atmosphere gas at the time of film formation is a mixed gas of argon and oxygen, and the film thickness is 100 nm. The HoBaCu oxide thin film is formed with a transfer pattern by an electron beam lithography apparatus using an organic resist film, and the source electrode, the drain electrode, and the channel superconductivity of the superconducting element by an ion beam etching method using Ar gas. A layer pattern is formed. The channel superconducting layer has a particularly fine pattern, and the size and spacing of the superconducting dots are in the submicron range of 0.05 to 0.5 microns. Next, an SrTi oxide thin film is formed by a laser deposition method to form a gate insulating film. Laser deposition is performed in an oxygen gas atmosphere, and the thickness of the SrTi oxide is 300 nm. For the SrTi oxide thin film, a transfer pattern is formed by an optical exposure apparatus using an organic resist film, and a gate insulating film pattern of a superconducting element is formed by an ion beam etching method using Ar gas. Will be

【0026】さらに金属元素の組成比が1:2:3のH
oBaCu酸化物超電導薄膜を高周波マグネトロンスパ
ッタリング法により形成する。有機レジストによりゲ−
ト電極としてのパタ−ンを形成し、Arガスを用いたイ
オンビ−ムエッチング法によりHoBaCu酸化物超電
導薄膜にパタ−ンを転写する。
Further, H having a metal element composition ratio of 1: 2: 3
An oBaCu oxide superconducting thin film is formed by a high-frequency magnetron sputtering method. Organic resist
Then, a pattern is formed on the HoBaCu oxide superconducting thin film by an ion beam etching method using Ar gas.

【0027】超電導素子間の配線はHoBaCu酸化物
超電導薄膜によってなされ、ゲ−ト電極およびソ−ス、
ドレイン電極と共通のHoBaCu酸化物超電導薄膜が
配線膜に用いられる。
The wiring between the superconducting elements is made of a HoBaCu oxide superconducting thin film, and the gate electrode and the source,
A HoBaCu oxide superconducting thin film common to the drain electrode is used for the wiring film.

【0028】本方法によって超電導素子2個と抵抗から
なるインバ−タ回路が構成される。抵抗素子はAu薄膜
よりなる。インバ−タ回路は入力信号に対して正しく反
転信号を出力する。
According to this method, an inverter circuit composed of two superconducting elements and a resistor is formed. The resistance element is made of an Au thin film. The inverter circuit correctly outputs an inverted signal with respect to the input signal.

【0029】[0029]

【発明の効果】本発明は以下に示す効果を有する。The present invention has the following effects.

【0030】(1)本超電導素子では、準粒子から超電
導ペアが生成されるキャリアの再結合時間、あるいは超
電導ペアが壊されて準粒子になる時間はスイッチング時
間から除外され、従来の超電導三端子素子と比較してス
イッチング速度が向上する。
(1) In the present superconducting element, the recombination time of carriers in which a superconducting pair is generated from quasiparticles or the time in which a superconducting pair is broken into quasiparticles is excluded from the switching time, and the conventional superconducting three-terminal is used. Switching speed is improved as compared with the element.

【0031】(2)ゲ−ト電極の寸法に制約されること
なく、超電導素子のスイッチングが実現される。
(2) Switching of the superconducting element is realized without being restricted by the size of the gate electrode.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明にかかる超電導素子の模式図である。FIG. 1 is a schematic view of a superconducting element according to the present invention.

【図2】本発明にかかる超電導素子の等価回路である。FIG. 2 is an equivalent circuit of a superconducting element according to the present invention.

【図3】本発明にかかる超電導素子の構造図1である。FIG. 3 is a structural diagram 1 of a superconducting element according to the present invention.

【図4】本発明にかかる超電導素子の構造図2である。FIG. 4 is a structural diagram 2 of a superconducting element according to the present invention.

【図5】本発明にかかる超電導素子の構造図3である。FIG. 5 is a structural diagram 3 of a superconducting element according to the present invention.

【図6】超電導素子の電圧−電流特性である。FIG. 6 shows voltage-current characteristics of a superconducting element.

【図7】本発明にかかる超電導素子の構造図4である。FIG. 7 is a structural diagram 4 of a superconducting element according to the present invention.

【図8】本発明にかかる超電導素子を用いたインバ−タ
回路である。
FIG. 8 is an inverter circuit using a superconducting element according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1……ソ−ス、2……微小超電導領域、3……常伝導
層、4……ドレイン、5……位相、6……超電導電極、
7……抵抗、8……ジョセフソン結合、9……基板、1
0……ゲ−ト絶縁膜、11……ゲ−ト電極、20……ゲ
−ト電圧零、21……ゲ−ト電圧負、22……ゲ−ト電
圧正、31……超電導素子。
1 ... source, 2 ... minute superconducting region, 3 ... normal conductive layer, 4 ... drain, 5 ... phase, 6 ... superconducting electrode,
7: resistance, 8: Josephson coupling, 9: substrate, 1
0 ... gate insulating film, 11 ... gate electrode, 20 ... gate voltage zero, 21 ... gate voltage negative, 22 ... gate voltage positive, 31 ... superconducting element.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塚本 晃 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 赤松 正一 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 岡本 政邦 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 高木 一正 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 昭61−206278(JP,A) 特開 平4−118977(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Akira Tsukamoto 1-280 Higashi Koigakubo, Kokubunji, Tokyo, Japan Inside the Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Shoichi Akamatsu 1-280 Higashi Koigakubo, Kokubunji, Tokyo Inside the Central Research Laboratory (72) Inventor Masakuni Okamoto 1-280 Higashi Koikekubo, Kokubunji-shi, Tokyo Inside the Central Research Laboratory Hitachi, Ltd. (72) Kazumasa Takagi 1-1280 Higashi Koikekubo, Kokubunji-shi, Tokyo Hitachi Central, Ltd. (56) References JP-A-61-206278 (JP, A) JP-A-4-118977 (JP, A)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 常伝導体からなるチャネル層と、該チャネ
ル層上に離間して形成された超電導体からなるソース電
極及びドレイン電極と、該チャネル層の該ソース電極及
びドレイン電極の形成領域間の上面に接合された超電導
体からなる複数のドット状領域と、該チャネル層に絶縁
膜並びに少なくとも一の該ドット状領域を介して電界を
印加するゲート電極とを含み、上記複数のドット状領域
は夫々0.05ミクロンから0.5ミクロンの寸法を有
し、且つ上記電極形成領域間の上面に0.05ミクロン
から0.5ミクロンの間隔をおいて2次元的に設けられ
ていることを特徴とする超電導素子。
1. A semiconductor device comprising: a channel layer made of a normal conductor; a source electrode and a drain electrode made of a superconductor formed separately on the channel layer; and a region formed between the source electrode and the drain electrode of the channel layer. A plurality of dot-shaped regions formed of a superconductor joined to the upper surface of the substrate, and an insulating film on the channel layer and a gate electrode for applying an electric field through at least one of the dot-shaped regions; Have dimensions of 0.05 to 0.5 microns, respectively, and are two-dimensionally provided on the upper surface between the electrode forming regions at an interval of 0.05 to 0.5 microns. Characteristic superconducting element.
【請求項2】 上記ドット状領域間は半導体により電気的
に結合されていることを特徴とする特許請求の範囲第1
項に記載の超電導素子。
2. The method according to claim 1, wherein said dot-shaped regions are electrically connected by a semiconductor.
A superconducting element according to the item.
【請求項3】 上記ドット状領域間はCuを含む酸化物の常
伝導体により電気的に結合されていることを特徴とする
特許請求の範囲第1項に記載の超電導素子。
3. The superconducting element according to claim 1, wherein said dot-shaped regions are electrically connected by a normal conductor of an oxide containing Cu.
【請求項4】 上記ドット状領域と上記チャネル層は同一
の結晶構造を有する酸化物により形成されていることを
特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の超電導素子。
4. The superconducting element according to claim 1, wherein said dot-like region and said channel layer are formed of an oxide having the same crystal structure.
【請求項5】 特許請求の範囲第1項に記載の超電導素子
において、超電導性の配線及び抵抗体とともに1枚の基
板上に複数個搭載されて成り、スイッチング機能を有す
る超電導集積回路を構成する超電導素子。
5. A superconducting element according to claim 1, wherein a plurality of superconducting wirings and resistors are mounted on one substrate together with a superconducting integrated circuit having a switching function. Superconducting element.
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