JP2599500B2 - Superconducting element and fabrication method - Google Patents

Superconducting element and fabrication method

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JP2599500B2 JP2295660A JP29566090A JP2599500B2 JP 2599500 B2 JP2599500 B2 JP 2599500B2 JP 2295660 A JP2295660 A JP 2295660A JP 29566090 A JP29566090 A JP 29566090A JP 2599500 B2 JP2599500 B2 JP 2599500B2
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【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、超電導素子およびその作製方法に関する。
より詳細には、新規な構成の超電導素子およびその作製
方法に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a superconducting element and a method for manufacturing the same.
More specifically, the present invention relates to a superconducting element having a novel configuration and a method for manufacturing the same.

従来の技術 超電導を使用した代表的な素子に、ジョセフソン素子
がある。ジョソフソン素子は、一対の超電導体をトンネ
ル障壁を介して結合した構成であり、高速スイッチング
動作が可能である。しかしながら、ジョセフソン素子は
2端子の素子であり、論理回路を実現するためには複雑
な回路構成になってしまう。
2. Description of the Related Art A typical element using superconductivity is a Josephson element. The Josephson element has a configuration in which a pair of superconductors are coupled via a tunnel barrier, and can perform high-speed switching operation. However, the Josephson element is a two-terminal element, and requires a complicated circuit configuration to realize a logic circuit.

一方、超電導を利用した3端子素子としては、超電導
ベーストランジスタ、超電導FET等がある。第3図に、
超電導ベーストランジスタの概念図を示す。第3図の超
電導ベーストランジスタは、超電導体または常電導体で
構成されたエミッタ21、絶縁体で構成されたトンネル障
壁22、超電導体で構成されたベース23、半導体アイソレ
ータ24および常電導体で構成されたコレクタ25を積層し
た構成になっている。この超電導ベーストランジスタ
は、トンネル障壁22を通過した高速電子を利用した低電
力消費で高速動作を行う素子である。
On the other hand, examples of a three-terminal element utilizing superconductivity include a superconducting base transistor and a superconducting FET. In FIG.
1 shows a conceptual diagram of a superconducting base transistor. The superconducting base transistor shown in FIG. 3 comprises an emitter 21 composed of a superconductor or a normal conductor, a tunnel barrier 22 composed of an insulator, a base 23 composed of a superconductor, a semiconductor isolator 24, and a normal conductor. The collector 25 is stacked. The superconducting base transistor is an element that performs high-speed operation with low power consumption using high-speed electrons that have passed through the tunnel barrier 22.

第4図に、超電導FETの概念図を示す。第4図の超電
導FETは、超電導体で構成されている超電導ソース電極4
1および超電導ドレイン電極42が、半導体層43上に互い
に近接して配置されている。超電導ソース電極41および
超電導ドレイン電極42の間の部分の半導体層43は、下側
が大きく削られ厚さが薄くなっている。また、半導体層
43の下側表面にはゲート絶縁膜46が形成され、ゲート絶
縁膜46上にゲート電極44が設けられている。
FIG. 4 shows a conceptual diagram of a superconducting FET. The superconducting FET shown in FIG. 4 has a superconducting source electrode 4 composed of a superconductor.
1 and the superconducting drain electrode 42 are arranged on the semiconductor layer 43 close to each other. The lower portion of the semiconductor layer 43 between the superconducting source electrode 41 and the superconducting drain electrode 42 is largely shaved and thin. Also, the semiconductor layer
A gate insulating film 46 is formed on the lower surface of 43, and a gate electrode 44 is provided on the gate insulating film 46.

超電導FETは、近接効果で超電導ソース電極41および
超電導ドレイン電極42間の半導体層43を流れる超電導電
流を、ゲート電圧で制御する低電力消費で高速動作を行
う素子である。
The superconducting FET is an element that performs high-speed operation with low power consumption by controlling the superconducting current flowing through the semiconductor layer 43 between the superconducting source electrode 41 and the superconducting drain electrode 42 by the gate voltage by the proximity effect.

さらに、ソース電極、ドレイン電極間に超電導体でチ
ャネルを形成し、この超電導チャネルを流れる電流をゲ
ート電極に印加する電圧で制御する3端子の超電導素子
も発表されている。
Further, a three-terminal superconducting element in which a channel is formed by a superconductor between a source electrode and a drain electrode and a current flowing through the superconducting channel is controlled by a voltage applied to a gate electrode has been disclosed.

発明が解決しようとする課題 上記の超電導ベーストランジスタおよび超電導FET
は、いずれも半導体層と超電導体層とが積層された部分
を有する。ところが、近年研究が進んでいる酸化物超電
導体を使用して、半導体層と超電導体層との積層構造を
作製することは困難である。また、この構造が作製でき
ても半導体層と超電導体層の間の界面の制御が難しく、
素子として満足な動作をしなかった。
PROBLEM TO BE SOLVED BY THE INVENTION Superconducting base transistor and superconducting FET described above
Have a portion where a semiconductor layer and a superconductor layer are laminated. However, it is difficult to produce a stacked structure of a semiconductor layer and a superconductor layer using an oxide superconductor that has been studied in recent years. In addition, even if this structure can be manufactured, it is difficult to control the interface between the semiconductor layer and the superconductor layer,
The device did not operate satisfactorily.

また、超電導FETは、近接効果を利用するため、超電
導ソース電極41および超電導ドレイン電極42を、それぞ
れを構成する超電導体のコヒーレンス長の数倍程度以内
に近接させて作製しなければならない。特に酸化物超電
導体は、コヒーレンス長が短いので、酸化物超電導体を
使用した場合には、超電導ソース電極41および超電導ド
レイン電極42間の距離は、数10nm以下にしなければなら
ない。このような微細加工は非常に困難であり、従来は
酸化物超電導体を使用した超電導FETを再現性よく作製
できなかった。
Further, in order to utilize the proximity effect, the superconducting FET has to be manufactured by bringing the superconducting source electrode 41 and the superconducting drain electrode 42 close to each other within several times the coherence length of the superconducting members. In particular, since the oxide superconductor has a short coherence length, when an oxide superconductor is used, the distance between the superconducting source electrode 41 and the superconducting drain electrode 42 must be several tens nm or less. Such microfabrication is very difficult, and conventionally, a superconducting FET using an oxide superconductor could not be produced with good reproducibility.

さらに、従来の超電導チャネルを有する超電導素子
は、変調動作は確認されたが、キャリア密度が高いた
め、完全なオン/オフ動作ができなかった。酸化物超電
導体は、キャリア密度が低いので、超電導チャネルに使
用することにより、完全なオン/オフ動作を行う上記の
素子の実現の可能性が期待されている。しかしながら、
超電導チャネルを5nm以下の厚さにしなければならず、
そのような構成を実現することは困難であった。
Further, in the conventional superconducting element having a superconducting channel, a modulation operation was confirmed, but complete on / off operation could not be performed due to a high carrier density. Since the oxide superconductor has a low carrier density, the possibility of realizing the above-mentioned element which performs a complete on / off operation by using it for a superconducting channel is expected. However,
The superconducting channel must be less than 5nm thick,
It has been difficult to realize such a configuration.

そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決
した、新規な構成の超電導素子およびその作製方法を提
供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a superconducting element having a novel configuration and a method of manufacturing the superconducting element, which has solved the above-mentioned problems of the related art.

課題を解決するための手段 本発明に従うと、基板上に成膜された酸化物超電導薄
膜で形成された超電導チャネルと、該超電導チャネルの
両端上に配置された超電導ソース電極および超電導ドレ
イン電極と、前記超電導チャネル上にゲート絶縁層を介
して配置されて該超電導チャネルに流れる電流を制御す
る超電導ゲート電極を具備する超電導素子において、前
記超電導チャネルおよび前記ゲート絶縁層が一体に形成
され、前記超電導チャネルがc軸配向の酸化物超電導薄
膜で構成され、前記ゲート絶縁層が前記c軸配向の酸化
物超電導薄膜を構成する酸化物超電導体と等しい構成元
素および結晶構造を有し、前記酸化物超電導体よりも酸
素含有量が少ない酸化物で構成され、前記超電導ソース
電極、超電導ドレイン電極および超電導ゲート電極がa
軸配向の酸化物超電導薄膜で構成されていることを特徴
とする超電導素子が提供される。
According to the present invention, a superconducting channel formed of an oxide superconducting thin film formed on a substrate, and a superconducting source electrode and a superconducting drain electrode disposed on both ends of the superconducting channel, A superconducting element comprising a superconducting gate electrode disposed on the superconducting channel via a gate insulating layer to control a current flowing through the superconducting channel, wherein the superconducting channel and the gate insulating layer are integrally formed; Is composed of a c-axis oriented oxide superconducting thin film, wherein the gate insulating layer has the same constituent elements and crystal structure as the oxide superconductor constituting the c-axis oriented oxide superconducting thin film, A superconducting source electrode, a superconducting drain electrode, and a superconducting gate electrode. Pole is a
There is provided a superconducting element comprising an oxide superconducting thin film having an axial orientation.

また、本発明では、上記の超電導素子を作製する方法
として、絶縁体基板上または絶縁膜を表面に有する半導
体基板上に前記超電導チャネルおよび前記ゲート絶縁層
それぞれの厚さの和に相当する厚さのc軸配向の酸化物
超電導薄膜を成膜し、該c軸配向の酸化物超電導薄膜上
に超電導ゲート電極の厚さに相当する厚さのa軸配向の
酸化物超電導薄膜を成膜し、該a軸配向の酸化物超電導
薄膜を加工して超電導ゲート電極を形成し、前記c軸配
向の酸化物超電導薄膜をゲート絶縁層および超電導チャ
ネルの形状に加工し、ゲート絶縁層となる部分から該部
分の酸化物超電導薄膜を構成する酸化物超電導体結晶中
の酸素を除去して非超電導体とする工程を含むことを特
徴とする超電導素子の作製方法が提供される。
Further, in the present invention, as a method for manufacturing the above-described superconducting element, a thickness corresponding to the sum of the respective thicknesses of the superconducting channel and the gate insulating layer is formed on an insulator substrate or a semiconductor substrate having an insulating film on the surface. A c-axis oriented oxide superconducting thin film is formed, and an a-axis oriented oxide superconducting thin film having a thickness corresponding to the thickness of the superconducting gate electrode is formed on the c-axis oriented oxide superconducting thin film, The a-axis oriented oxide superconducting thin film is processed to form a superconducting gate electrode, and the c-axis oriented oxide superconducting thin film is processed into the shape of a gate insulating layer and a superconducting channel. A method for manufacturing a superconducting element is provided, which comprises a step of removing oxygen in an oxide superconductor crystal constituting a part of the oxide superconducting thin film to form a non-superconductor.

作用 本発明の超電導素子は、ゲート絶縁層と、超電導チャ
ネルとが一体に形成されている。超電導チャネルは、c
軸配向の結晶からなる酸化物超電導体で構成され、ゲー
ト絶縁層は、この酸化物超電導体と等しい構成元素およ
び結晶構造を有し、この酸化物超電導体よりも酸素含有
量が少ない非超電導性の酸化物で構成されている。換言
すれば、ゲート絶縁層および超電導チャネルは単一のc
軸配向の酸化物超電導薄膜からそれぞれの形状に加工さ
れ、ゲート絶縁層部分はこの酸化物超電導薄膜から酸素
を抜いて形成された非超電導体により構成されている。
Function In the superconducting element of the present invention, the gate insulating layer and the superconducting channel are formed integrally. The superconducting channel is c
The gate insulating layer is composed of an oxide superconductor composed of an axially oriented crystal, and the gate insulating layer has the same constituent elements and crystal structure as the oxide superconductor, and has a lower oxygen content than the oxide superconductor. Of oxides. In other words, the gate insulating layer and the superconducting channel have a single c
The axially oriented oxide superconducting thin film is processed into each shape, and the gate insulating layer portion is constituted by a non-superconductor formed by removing oxygen from the oxide superconducting thin film.

上記のように、本発明では、加工した酸化物超電導薄
膜の一部を非超電導体化してゲート絶縁層を形成する
が、酸化物超電導薄膜の一部を非超電導体に変えるため
に、高真空中で熱処理を行う。酸化物超電導体は、結晶
中の酸素量によりその特性が変化しやすく、特に酸素含
有量が少ない場合には、臨界温度が大幅に低下したり、
超電導性を失う。また、酸素分圧の低い雰囲気中で加熱
することにより、結晶中の酸素が抜け、酸素量が減少す
る。
As described above, in the present invention, a part of the processed oxide superconducting thin film is made non-superconductor to form the gate insulating layer. Heat treatment is performed inside. Oxide superconductors, the properties of which are easily changed by the amount of oxygen in the crystal, especially when the oxygen content is small, the critical temperature is greatly reduced,
Loses superconductivity. By heating in an atmosphere having a low oxygen partial pressure, oxygen in the crystal is released, and the amount of oxygen decreases.

従って、本発明の方法では、酸化物超電導薄膜を高真
空中で加熱処理して酸素を抜き、一部を絶縁体に変え、
ゲート絶縁層を形成する。処理時間を加減することによ
り、任意の厚さの部分の結晶中の酸素を抜くことができ
る。酸化物超電導体は結晶のc軸と垂直な方向の酸素の
拡散係数が大きい(c軸と垂直な方向に酸素が動きやす
い)ので、上記の酸化物超電導薄膜はc軸配向の酸化物
超電導体結晶で構成し、ゲート絶縁層となる部分の側面
から酸素が抜ける形状にする。
Therefore, in the method of the present invention, the oxide superconducting thin film is subjected to heat treatment in a high vacuum to remove oxygen, and a part of the thin film is converted into an insulator.
A gate insulating layer is formed. By adjusting the processing time, it is possible to remove oxygen in the crystal of an arbitrary thickness. Since the oxide superconductor has a large oxygen diffusion coefficient in the direction perpendicular to the c-axis of the crystal (oxygen easily moves in the direction perpendicular to the c-axis), the above-described oxide superconducting thin film is an oxide superconductor having a c-axis orientation. The gate insulating layer is formed of a crystal so that oxygen can escape from a side surface of a portion to be a gate insulating layer.

本発明の超電導素子において、超電導チャネルは、ゲ
ート電極に印加された電圧で開閉させるために、ゲート
電極により発生される電界の方向で、厚さが5nm以下で
なければならない。また、ゲート絶縁層の厚さは、約10
nm以上のトンネル電流が無視できる厚さとしなければな
らない。従って、本発明の方法では、基板上に厚さ約20
nmの上記c軸配向の酸化物超電導薄膜を形成する。
In the superconducting device of the present invention, the superconducting channel must have a thickness of 5 nm or less in the direction of the electric field generated by the gate electrode in order to open and close by the voltage applied to the gate electrode. The thickness of the gate insulating layer is about 10
The thickness must be such that the tunnel current of nm or more can be ignored. Therefore, in the method of the present invention, a thickness of about 20
An oxide superconducting thin film having a c-axis orientation of nm is formed.

本発明の方法では、上記の酸化物超電導薄膜を加工し
て超電導チャネルを形成する際に、酸化物超電導薄膜の
状態をモニタし、基板との界面の近傍の基板の影響を受
けて劣化している部分を使用しないことが可能である。
成膜方法は、スパッタリング法、MBE法、CVD法、真空蒸
着法等が好ましく、成膜時の基板温度を約700℃とする
ことにより、c軸配向の酸化物超電導薄膜を形成するこ
とが可能である。
In the method of the present invention, when processing the above oxide superconducting thin film to form a superconducting channel, the state of the oxide superconducting thin film is monitored and deteriorated under the influence of the substrate near the interface with the substrate. It is possible not to use the part that is.
The film forming method is preferably a sputtering method, MBE method, CVD method, vacuum evaporation method, etc. By setting the substrate temperature at the time of film formation to about 700 ° C., it is possible to form a c-axis oriented oxide superconducting thin film It is.

一方、超電導ソース電極、超電導ドレイン電極および
超電導ゲート電極は、a軸配向の酸化物超電導薄膜で構
成することが好ましい。超電導ソース電極および超電導
ドレイン電極では、電極の厚さ方向に主電流が流れるた
め、a軸配向の酸化物超電導薄膜が好ましい。また、超
電導ゲート電極をa軸配向の酸化物超電導薄膜で構成す
ると、直下に配置されたゲート絶縁層部分と結晶方向が
異なるので、ゲート絶縁層部分から酸素を抜く時の影響
は界面で止まり、超電導ゲート電極の酸化物超電導体は
変化しない。
On the other hand, the superconducting source electrode, the superconducting drain electrode, and the superconducting gate electrode are preferably composed of an oxide superconducting thin film having an a-axis orientation. In the superconducting source electrode and the superconducting drain electrode, a main current flows in the thickness direction of the electrodes, and therefore, an a-axis oriented oxide superconducting thin film is preferable. In addition, when the superconducting gate electrode is composed of an oxide superconducting thin film having an a-axis orientation, since the crystal direction is different from that of the gate insulating layer portion disposed immediately below, the effect of removing oxygen from the gate insulating layer portion stops at the interface, The oxide superconductor of the superconducting gate electrode does not change.

本発明の超電導素子において、基板には、MgO、SrTiO
3、CdNdAlO4等の酸化物単結晶基板が使用可能である。
これらの基板上には、配向性の高い結晶からなる酸化物
超電導薄膜を成長させることが可能であるので好まし
い。また、表面にMgAl2O4、BaTiO3等が被覆されているS
i基板を使用することも好ましい。
In the superconducting element of the present invention, MgO, SrTiO
3. An oxide single crystal substrate such as CdNdAlO 4 can be used.
On these substrates, an oxide superconducting thin film composed of highly oriented crystals can be grown, which is preferable. In addition, S whose surface is coated with MgAl 2 O 4 , BaTiO 3, etc.
It is also preferable to use an i-substrate.

本発明の超電導素子には、Y−Ba−Cu−O系酸化物超
電導体、Bi−Sr−Ca−Cu−O系酸化物超電導体、Tl−Ba
−Ca−Cu−O系酸化物超電導体等任意の酸化物超電導体
を使用することができる。
The superconducting element of the present invention includes a Y-Ba-Cu-O-based oxide superconductor, a Bi-Sr-Ca-Cu-O-based oxide superconductor, a Tl-Ba
Any oxide superconductor such as -Ca-Cu-O-based oxide superconductor can be used.

以下、本発明を実施例により、さらに詳しく説明する
が、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎず、本発
明の技術的範囲をなんら制限するものではない。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the following disclosure is merely an example of the present invention, and does not limit the technical scope of the present invention.

実施例 第1図に、本発明の超電導素子の断面図を示す。第1
図の超電導素子は、基板5上に成膜された単一のc軸配
向の酸化物超電導薄膜から加工された、ゲート絶縁層6
および超電導チャネル10を具備する。ゲート絶縁層6上
には、a軸配向の酸化物超電導薄膜で構成された超電導
ゲート電極4が配置されている。ゲート絶縁層6は、酸
化物超電導体より酸素量が少ない非超電導性の酸化物で
構成されており、超電導チャネル10は、c軸配向の酸化
物超電導体結晶で構成されている。また、超電導チャネ
ル10の厚さは約5nm以下であり、ゲート絶縁層6の厚さ
は約10nm以上である。
Embodiment FIG. 1 shows a sectional view of a superconducting element of the present invention. First
The superconducting element shown in the figure has a gate insulating layer 6 formed from a single c-axis oriented oxide superconducting thin film formed on a substrate 5.
And a superconducting channel 10. A superconducting gate electrode 4 composed of an a-axis oriented oxide superconducting thin film is arranged on gate insulating layer 6. The gate insulating layer 6 is made of a non-superconducting oxide having a smaller oxygen content than the oxide superconductor, and the superconducting channel 10 is made of c-axis oriented oxide superconductor crystal. The thickness of superconducting channel 10 is about 5 nm or less, and the thickness of gate insulating layer 6 is about 10 nm or more.

超電導ゲート電極4の周囲には、絶縁層7が配置さ
れ、超電導ゲート電極4上には表面保護膜8が配置され
ている。超電導ソース電極2および超電導ドレイン電極
3は、それぞれ絶縁層7に接して超電導ゲート電極4の
両側の超電導チャネル10上に素子上面が平坦になるよう
配置されている。超電導ソース電極2および超電導ドレ
イン電極3は、a軸配向の酸化物超電導体結晶で構成さ
れている。
An insulating layer 7 is arranged around the superconducting gate electrode 4, and a surface protective film 8 is arranged on the superconducting gate electrode 4. The superconducting source electrode 2 and the superconducting drain electrode 3 are arranged on the superconducting channel 10 on both sides of the superconducting gate electrode 4 in contact with the insulating layer 7 so that the upper surface of the element becomes flat. The superconducting source electrode 2 and the superconducting drain electrode 3 are made of an oxide superconductor crystal having an a-axis orientation.

第2図を参照して、本発明の超電導素子を本発明の方
法で作製する手順を説明する。まず、第2図(a)に示
すような基板5の表面に第2図(b)に示すよう約20nm
程度の厚さのc軸配向のY1Ba2Cu3O7-X酸化物超電導薄膜
1をオフアクシススパッタリング法、反応性蒸着法、MB
E法、CVD法等の方法で形成する。オフアクシススパッタ
リング法で酸化物超電導薄膜1を形成する場合の成膜条
件を以下に示す。
With reference to FIG. 2, a procedure for manufacturing the superconducting element of the present invention by the method of the present invention will be described. First, as shown in FIG. 2B, a surface of the substrate 5 as shown in FIG.
A c-axis oriented Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X oxide superconducting thin film 1 of a moderate thickness is formed by off-axis sputtering, reactive evaporation, MB
It is formed by a method such as the E method and the CVD method. The film forming conditions for forming the oxide superconducting thin film 1 by off-axis sputtering are shown below.

スパッタリングガス Ar:90% O2:10% 圧力 10Pa 基板温度 700℃ 基板5としては、MgO(100)基板、SrTiO3(100)基
板、CdNdAlO4(001)等の絶縁体基板、または表面に絶
縁膜を有するSi等の半導体基板が好ましい。このSi基板
の表面にはCVD法で成膜されたMgAl2O4膜およびスパッタ
リング法で成膜されたBaTiO3膜が積層されていることが
好ましい。
Sputtering Gas Ar: 90% O 2: as a 10% pressure 10Pa substrate temperature 700 ° C. substrate 5, MgO (100) substrate, SrTiO 3 (100) substrate, CdNdAlO 4 (001) an insulator, such as a substrate or an insulating the surface, A semiconductor substrate such as Si having a film is preferable. It is preferable that a MgAl 2 O 4 film formed by a CVD method and a BaTiO 3 film formed by a sputtering method are laminated on the surface of the Si substrate.

酸化物超電導体としては、Y−Ba−Cu−O系酸化物超
電導体の他、Bi−Sr−Ca−Cu−O系酸化物超電導体、Tl
−Ba−Ca−Cu−O系酸化物超電導体が好ましい。
As oxide superconductors, in addition to Y-Ba-Cu-O-based oxide superconductors, Bi-Sr-Ca-Cu-O-based oxide superconductors, Tl
—Ba—Ca—Cu—O-based oxide superconductor is preferred.

次に、第2図(c)に示すよう酸化物超電導薄膜1上
に厚さ約200nmのa軸配向の酸化物超電導薄膜11を積層
する。a軸配向の酸化物超電薄膜11は、基板温度約650
℃以下でオフアクシススパッタリング法を使用して成膜
することが可能である。スパッタリング条件以下に示
す。
Next, an a-axis oriented oxide superconducting thin film 11 having a thickness of about 200 nm is laminated on the oxide superconducting thin film 1 as shown in FIG. The a-axis oriented oxide superconducting thin film 11 has a substrate temperature of about 650
The film can be formed using an off-axis sputtering method at a temperature of not more than ° C. The sputtering conditions are shown below.

スパッタリングガス Ar:90% O2:10% 圧力 10Pa 基板温度 640℃ 酸化物超電導薄膜11の超電導ゲート電極4となる位置
に表面保護膜8を第2図(d)に示すよう形成する。表
面保護膜8は、Au等の金属膜、絶縁膜等で形成すること
が好ましく、必要に応じてレジスト膜と積層した構成に
することが好ましい。酸化物超電導薄膜11および酸化物
超電導薄膜1を反応性イオンエッチング、Arイオンエッ
チング等で異方性エッチングし、第2図(e)に示すよ
う、超電導ゲート電極4、ゲート絶縁層部16および超電
導チャネル10を形成する。ゲート絶縁層部16は約10nm以
上の厚さにし、必要に応じサイドエッチを促進して長さ
を短くする。一方、超電導チャネル10は5nm以下の厚さ
にし、必要に応じ、超電導チャネル10を形成する際に酸
化物超電導薄膜の状態をモニタしながらエッチングし、
基板の影響で劣化している部分を使用しないようにす
る。
Sputtering gas Ar: 90% O 2 : 10% Pressure 10 Pa Substrate temperature 640 ° C. A surface protective film 8 is formed on the oxide superconducting thin film 11 at a position to be the superconducting gate electrode 4 as shown in FIG. The surface protective film 8 is preferably formed of a metal film such as Au, an insulating film, or the like, and preferably has a configuration in which the surface protective film 8 is laminated with a resist film as necessary. The oxide superconducting thin film 11 and the oxide superconducting thin film 1 are anisotropically etched by reactive ion etching, Ar ion etching or the like, and as shown in FIG. 2 (e), the superconducting gate electrode 4, gate insulating layer 16 and superconducting layer. A channel 10 is formed. The thickness of the gate insulating layer 16 is about 10 nm or more, and the length is shortened by promoting side etching as necessary. On the other hand, the superconducting channel 10 has a thickness of 5 nm or less, and, if necessary, is etched while monitoring the state of the oxide superconducting thin film when forming the superconducting channel 10,
Avoid using parts that have deteriorated due to the influence of the substrate.

次いで、10-5Pa程度の真空中で基板温度を400℃以上
に加熱する。すると、ゲート絶縁層部16の側面から酸化
物超電導体結晶中の酸素が抜けて第2図(f)に示すよ
う、超電導ゲート電極4の下側にゲート絶縁層6が形成
される。このように、ゲート絶縁層部16の側面からのみ
酸化物超電導体結晶中の酸素が抜けるのは、酸化物超電
導体が、結晶のa軸およびb軸に平行な方向の酸素の拡
散係数が大きいからである。
Next, the substrate temperature is heated to 400 ° C. or higher in a vacuum of about 10 −5 Pa. Then, oxygen in the oxide superconductor crystal is released from the side surface of the gate insulating layer portion 16, and the gate insulating layer 6 is formed below the superconducting gate electrode 4, as shown in FIG. 2 (f). As described above, the oxygen in the oxide superconductor crystal is released only from the side surface of the gate insulating layer portion 16 because the oxide superconductor has a large oxygen diffusion coefficient in a direction parallel to the a-axis and the b-axis of the crystal. Because.

上記の処理の後、第2図(g)に示すよう、超電導ゲ
ート電極4の周囲に絶縁膜7を表面保護膜8と等しい高
さに形成する。絶縁膜7には、例えばSiN等酸素の再導
入を防止する材料を使用することが好ましい。
After the above processing, as shown in FIG. 2 (g), an insulating film 7 is formed around the superconducting gate electrode 4 at the same height as the surface protective film 8. It is preferable to use a material such as SiN for preventing re-introduction of oxygen, for example, for the insulating film 7.

最後に、第2図(h)に示すよう、超電導チャネル10
上の超電導ゲート電極4の両側部分にそれぞれa軸配向
の酸化物超電導薄膜による超電導ソース電極2および超
電導ドレイン電極3を絶縁膜7に隣接して絶縁膜7、保
護膜8と等しい高さに形成して、本発明の超電導素子が
完成する。a軸配向の酸化物超電導薄膜は、基板温度約
650℃以下でオフアクシススパッタリング法を使用して
成膜することが可能である。スパッタリング条件以下に
示す。
Finally, as shown in FIG.
A superconducting source electrode 2 and a superconducting drain electrode 3 made of an oxide superconducting thin film having an a-axis orientation are formed on both sides of the upper superconducting gate electrode 4 adjacent to the insulating film 7 and at the same height as the insulating film 7 and the protective film 8. Thus, the superconducting element of the present invention is completed. The a-axis oriented oxide superconducting thin film has a substrate temperature of about
It is possible to form a film at 650 ° C. or lower using an off-axis sputtering method. The sputtering conditions are shown below.

スパッタリングガス Ar:90% O2:10% 圧力 10Pa 基板温度 640℃ 本発明の超電導素子を本発明の方法で作製すると、超
電導FETを作製する場合に要求される微細加工技術の制
限が緩和される。また、表面が平坦にできるので、後に
必要に応じ配線を形成することが容易になる。また、ゲ
ート電極と超電導チャネルの間の絶縁層の構成元素が、
超電導チャネルを構成する酸化物超電導体の構成元素と
等しいので、機械的に安定しており、界面もきれいであ
る。本発明の超電導素子は、作製が容易であり、性能も
安定しており、再現性もよい。
Sputtering gas Ar: 90% O 2 : 10% Pressure 10 Pa Substrate temperature 640 ° C. When the superconducting element of the present invention is manufactured by the method of the present invention, the restriction on the fine processing technology required when manufacturing a superconducting FET is relaxed. . Further, since the surface can be flattened, it becomes easy to form wiring later if necessary. Also, the constituent elements of the insulating layer between the gate electrode and the superconducting channel are:
Since it is equal to the constituent element of the oxide superconductor forming the superconducting channel, it is mechanically stable and the interface is clean. The superconducting element of the present invention is easy to manufacture, has stable performance, and has good reproducibility.

発明の効果 以上説明したように、本発明の超電導素子は、超電導
チャネル中を流れる超電導電流をゲート電圧で制御する
構成となっている。従って、従来の超電導FETのよう
に、超電導近接効果を利用していないので微細加工技術
が不要である。また、超電導体と半導体を積層する必要
もないので、酸化物超電導体を使用して高性能な素子が
作製できる。
Effect of the Invention As described above, the superconducting element of the present invention has a configuration in which the superconducting current flowing in the superconducting channel is controlled by the gate voltage. Accordingly, unlike the conventional superconducting FET, the superconducting proximity effect is not used, so that a fine processing technique is unnecessary. Further, since there is no need to stack a superconductor and a semiconductor, a high-performance element can be manufactured using an oxide superconductor.

本発明により、超電導技術の電子デバイスへの応用が
さらに促進される。
The present invention further promotes the application of superconducting technology to electronic devices.

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

第1図は、本発明の超電導素子の概略図であり、 第2図は、本発明の方法により本発明の超電導素子を作
製する場合の工程を示す概略図であり、 第3図は、超電導ベーストランジスタの概略図であり、 第4図は、超電導FETの概略図である。 〔主な参照番号〕 1……酸化物超電導薄膜、 2……超電導ソース電極、 3……超電導ドレイン電極、 4……超電導ゲート電極、5……基板
FIG. 1 is a schematic view of a superconducting element of the present invention, FIG. 2 is a schematic view showing a process for producing a superconducting element of the present invention by a method of the present invention, and FIG. FIG. 4 is a schematic diagram of a base transistor, and FIG. 4 is a schematic diagram of a superconducting FET. [Main Reference Numbers] 1 ... Oxide superconducting thin film, 2 ... Superconducting source electrode, 3 ... Superconducting drain electrode, 4 ... Superconducting gate electrode, 5 ... Substrate

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】基板上に成膜された酸化物超電導薄膜で形
成された超電導チャネルと、該超電導チャネルの両端上
に配置された超電導ソース電極および超電導ドレイン電
極と、前記超電導チャネル上にゲート絶縁層を介して配
置されて該超電導チャネルに流れる電流を制御する超電
導ゲート電極を具備する超電導素子において、前記超電
導チャネルおよび前記ゲート絶縁層が一体に形成され、
前記超電導チャネルがc軸配向の酸化物超電導薄膜で構
成され、前記ゲート絶縁層が前記c軸配向の酸化物超電
導薄膜を構成する酸化物超電導体と等しい構成元素およ
び結晶構造を有し、前記酸化物超電導体よりも酸素含有
量が少ない酸化物で構成され、前記超電導ソース電極、
超電導ドレイン電極および超電導ゲート電極がa軸配向
の酸化物超電導薄膜で構成されていることを特徴とする
超電導素子。
1. A superconducting channel formed of an oxide superconducting thin film formed on a substrate, a superconducting source electrode and a superconducting drain electrode disposed on both ends of the superconducting channel, and a gate insulating layer on the superconducting channel. In a superconducting element including a superconducting gate electrode arranged through a layer and controlling a current flowing through the superconducting channel, the superconducting channel and the gate insulating layer are integrally formed,
The superconducting channel is composed of a c-axis oriented oxide superconducting thin film, and the gate insulating layer has the same constituent elements and crystal structure as an oxide superconductor constituting the c-axis oriented oxide superconducting thin film, Composed of an oxide having a lower oxygen content than the superconductor, and the superconducting source electrode,
A superconducting element, wherein the superconducting drain electrode and the superconducting gate electrode are composed of an a-axis oriented oxide superconducting thin film.
【請求項2】請求項1に記載の超電導素子を作製する方
法において、絶縁体基板上または絶縁膜を表面に有する
半導体基板上に前記超電導チャネルおよび前記ゲート絶
縁層それぞれの厚さの和に相当する厚さのc軸配向の酸
化物超電導薄膜を成膜し、該c軸配向の酸化物超電導薄
膜上に超電導ゲート電極の厚さに相当する厚さのa軸配
向の酸化物超電導薄膜を成膜し、該a軸配向の酸化物超
電導薄膜を加工して超電導ゲート電極を形成し、前記c
軸配向の酸化物超電導薄膜をゲート絶縁層および超電導
チャネルの形式に加工し、ゲート絶縁層となる部分から
該部分の酸化物超電導薄膜を構成する酸化物超電導体結
晶中の酸素を除去して非超電導体とする工程を含むこと
を特徴とする超電導素子の作製方法。
2. A method for manufacturing a superconducting element according to claim 1, wherein the superconducting channel and the gate insulating layer have a thickness corresponding to the sum of the thicknesses of the superconducting channel and the gate insulating layer on an insulator substrate or a semiconductor substrate having an insulating film on the surface. An oxide superconducting thin film having a thickness of c-axis is formed on the oxide superconducting thin film having a thickness corresponding to the thickness of the superconducting gate electrode. Forming a superconducting gate electrode by processing the oxide superconducting thin film having the a-axis orientation;
The axially oriented oxide superconducting thin film is processed into the form of a gate insulating layer and a superconducting channel, and oxygen in the oxide superconducting crystal constituting the oxide superconducting thin film is removed from the portion to be the gate insulating layer to form a non-conductive layer. A method for manufacturing a superconducting element, comprising a step of forming a superconductor.
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