JP2667289B2 - 超電導素子および作製方法 - Google Patents

Description

【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。

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。ジョセフソン素子は、一対の超導電体をトンネ
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。

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
極消費で高速動作を行う素子である。

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ソース電極超電導
ソース電極41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領域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。

超電導FETは、近接効果で超電導ソース電極41およぼ
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。

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。

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導
電体を使用して、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。

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。特に酸化物超導電
体は、コヒーレンス長が短いので、酸化物超導電体を使
用した場合には、超電導ソース電極41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
化物超導電体を使用した超電導FETを再現性よく作製で
きなかった。

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程度の厚さにしなけらばならず、
そのような構成を実現することは困難であった。

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。

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
膜に形成された超電導チャネルと、該超電導チャネルの
両側に配置された超電導ソース領域および超電導ドレイ
ン領域と、前記超電導ソース領域および超電導ドレイン
領域上にそれぞれ配置され、前記超電導チャネルに流れ
る電流を供給するソース電極およびドレイン電極と、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ゲート電極と
を具備する超電導素子において、前記酸化物超電導薄膜
が平坦な基板上に形成され、互いに離れた２ヶ所の厚い
部分を有するｃ軸配向の薄膜であり、この２ヶ所の厚い
部分がそれぞれ前記超電導ソース領域および超電導ドレ
イン領域を構成し、前記ゲート絶縁層が前記酸化物超導
電体よりも酸素含有量が少ない酸化物で構成された、前
記酸化物超電導薄膜を構成する酸化物超導電体と等しい
構成元素および結晶構造を有するｃ軸配向の薄膜であ
り、前記酸化物超電導薄膜の前記超電導ソース領域およ
び超電導ドレイン領域の間の部分上に、前記ゲート絶縁
層の下側にある前記超電導チャネルの上面が平坦になる
よう形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。

また、本発明においえは、上記の超電導素子の作製方
法として、基板上に超電導チャネルおよびゲート絶縁層
を合わせた厚さのｃ軸配向の酸化物超電導薄膜を形成す
る工程と、この酸化物超電導薄膜上にゲート電極、ソー
ス電極およびドレイン電極を形成する工程と、これらの
電極をマスクとして前記酸化物超電導薄膜をエッチング
して前記電極にマスクされていない部分の厚さを超電導
チャネルに適した厚さにし、ゲート電極直下の部分の酸
化物超電導薄膜の側面を露出させる工程と、真空中でこ
の酸化物超電導薄膜を加熱し、ゲート電極直下の部分の
酸化物超導電体の酸素を放出させることにより超電導性
を失わせてゲート絶縁層を形成する工程とを含むことを
特徴とする方法が提供される。

作用 本発明の超電導素子は、一体に形成された超電導チャ
ネル、超電導ソース領域、超電導ドレイン領域およびゲ
ート絶縁層を具備する。超電導チャネル、超電導ソース
領域および超電導ドレイン領域は、酸化物超導電体で形
成され、ゲート絶縁層は、この酸化物超導電体と等しい
構成元素および結晶構造を有し、前記酸化物超導電体よ
りも酸素含有量が少ない酸化物で構成されている。

換言すれば、本発明の超電導素子の超電導チャネル、
超電導ソース領域、超電導ドレイン領域およびゲート絶
縁層は、単一の酸化物超電導薄膜からそれぞれの形状に
成形され、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で構成されてい
る。上記の酸化物超電導薄膜は、ｃ軸配向の酸化物超導
電体結晶で構成されていることが好ましい。これは、酸
化物超導電体の超電導特性および酸素の拡散計数が結晶
異方性を有するためである。酸化物超導電体は、結晶の
ｃ軸に垂直な方向の臨界電流密度、コヒーレンス長がと
もに大きく、上記の酸化物超電導薄膜をｃ軸配向の薄膜
にすると、超電導チャネルの主電流が流れる方向がｃ軸
と垂直となるので好ましい。また、後述するようゲート
絶縁層を形成する際、拡散係数の大きい方向に酸素を移
動させ得るので好ましい。

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程度でなければならない。本発明で
は、このような極薄の超電導チャネルが容易に実現され
る。

本発明の方法では、最初に基板上に約20nm程度の厚さ
の酸化物超電導薄膜を成膜する。このような薄い酸化物
超電導薄膜を成膜するには、薄膜の成長速度をおよび成
膜時間を厳密に制御する方法が一般的であり、スパッタ
リング法等を使用する場合はこの方法が好ましい。しか
しながら、酸化物超導電体結晶は、各構成元素がそれぞ
れ層状に重なった結晶構造であるので、MBE（分子ビー
ムエピタキシ）法で酸化物超導電体の適当な数のユニッ
トセルを積み上げる方法も好ましい。

この酸化物超電導薄膜は、超電導チャネル、超電導ソ
ース領域、超電導ドレイン領域およびゲート絶縁層に成
形する。超電導チャネルおよびゲート絶縁層は、互いに
積層されて配置されるので、上記のように成形した酸化
物超電導薄膜の超電導チャネルおよびゲート絶縁層部分
の表面から厚さ約10nm以上の部分を絶縁体に変え、その
下の厚さ約5nmの部分を超電導チャネルとする。酸化物
超電導薄膜の一部を絶縁体に変えるには、高真空中で熱
処理を行うことによる。酸化物超導電体は、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。特
に本発明の方法では、ゲート電極を発熱させることによ
り行う。即ち、上記の酸化物超電導薄膜上の適当な位置
にゲート電極を作製し、このゲート電極に通電して発熱
させることにより、酸化物超電導薄膜のゲート電極直下
の部分を局所的に加熱する。本発明の方法によれば、酸
化物超電導薄膜の、ゲート電極直下の部分のみが局所的
に加熱され、そお部分のみの酸素がぬけて、非超電導体
となる。従って、ゲート絶縁層の位置は、自動的にゲー
ト電極直下に決定する。

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
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。また、酸化物超導
電体は結晶のｃ軸と垂直な方向の酸素の拡散係数が大き
いので、酸化物超電導薄膜のゲート絶縁層部分では、結
晶のｃ軸に平行な側面が露出するよう成形し、熱処理す
ることも好ましい。

また、本発明の超電導素子において、ゲート電極の絶
縁層の厚さは、約10nm以上のトンネル電流が無視できる
厚さとしなけらばならない。従って、本発明の方法では
厚さ約20nmの酸化物超電導薄膜から厚さ約15nmの絶縁層
を形成する。

上記の酸化物超電導薄膜は、絶縁層および超電導チャ
ネルを構成するには十分な厚さであるが、ソース領域お
よびドレイン領域のためには、厚さが不十分である。従
って、本発明の方法では、ソース領域およびドレイン領
域にさらに酸化物超電導薄膜を成長させて、超電導ソー
ス領域および超電導ドレイン領域とする。

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。

本発明の超電導素子には、Ｙ−Ba-Cu-Ｏ系酸化物超導
電体、Bi-Sr-Ca-Cu−Ｏ系酸化物超導電体、Tl-Ba-Ca-Cu
−Ｏ系酸化物超導電体等任意の酸化物超導電体を使用す
ることができる。

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。

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上に成膜された酸化物超電導
薄膜１から形成された超電導チャネル10、超電導ソース
領域12、超電導ドレイン領域13およびゲート絶縁層６を
具備する。ゲート絶縁層６は、酸素数が少ない酸化物超
導電体結晶、すなわち、酸化物超導電体と等しい構成元
素および結晶構造を有し、前記酸化物超導電体よりも酸
素含有量が少ない非超電導性の酸化物からなる。ゲート
絶縁層６上にはゲート電極４が形成されている。酸化物
超電導薄膜１の超電導チャネル10の両側の部分には、超
電導ソース領域12および超電導ドレイン領域13が形成さ
れ、超電導ソース領域12および超電導ドレイン領域13そ
れぞれの上にはソース電極２およびドレイン電極３が形
成されている。

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
程度の薄いのY₁Ba₂Cu₃O_7-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、MBE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。

スパッタリングガス Ar :90％ Ｏ_２ :10％ 圧 力 10 Pa 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。

酸化物超電導体としては、Ｙ-Ba-Cu−Ｏ系酸化物超導
電体の他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く、ｃ軸配向の薄膜と
することが好ましい。これは、ｃ軸配向の酸化物超電導
薄膜は、基板と平行な方向の臨界電流密度が大きいから
である。

次に、第２図（ｃ）に示すよう酸化物超電導薄膜１上
にCVD法、スパッタリング法等で常電導体膜17を形成す
る。常電導体膜17にはAuまたはTi、Ｗ等の高融点金属、
これらのシリサイドを用いることが好ましい。常電導体
膜17を反応性イオンエッチング、Arイオンミリング等で
エッチングし、第２図（ｄ）に示すよう、ソース電極
２、ドレイン電極３よびゲート電極４を形成する。対
で、第２図（ｅ）に示すよう、酸化物超電導薄膜１の露
出部分14をやはり反応性イオンエッチング、Arイオンミ
リング等で５〜10nmエッチングし、超電導ソース領域12
および超電導ドレイン領域13を形成する。

このように成形した後、10^-5Pa程度の真空中でゲート
電極４に通電して400℃以上に加熱する。酸化物超電導
薄膜１のゲート電極直下のエッチングにより露出した側
面16から酸化物超導電体結晶中の酸素が抜けて第２図
（ｆ）に示すよう、ゲート電極４の下側にゲート絶縁層
６が形成される。酸化物超電導薄膜１のゲート絶縁層６
の下側の部分は超電導チャネル10となる。このように、
側面16から酸化物超導電体結晶中の酸素が抜けるのは、
酸化物超導電体が、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。

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ゲート絶縁層の構成元
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、熱履歴に強
く、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。

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。すなわち、本発明の超電導素子では、超
電導近接効果が生じる距離（酸化物超電導体の場合は数
10nm以下）に近接させて配置した一対の超電導体電極を
作製する微細加工技術が不要である。また、ジョセフソ
ン素子を作製するときに必要な、極薄のトンネル障壁層
を超電導体層間に配置する工程も不要である。さらに、
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。

本発明の超電導素子で、最も制度が要求される加工
は、超電導チャネル、ゲート絶縁層の作製、配置である
が、本発明の方法によれば、ゲート電極の下にゲート絶
縁層および超電導チャネルが自動的に配置されるセルフ
アライン効果が利用できるので、微細加工は必要ない。
また、ゲート絶縁層は、酸素拡散で酸素を抜いて形成す
るため、制御性よく作製することが可能である。

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。

【図面の簡単な説明】

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……ソース電極、３……ド
レイン電極、４……ゲート電極、５……基板

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−170080（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−120866（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−161789（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に成膜された酸化物超電導薄膜に形
   成された超電導チャネルと、該超電導チャネルの両側に
   配置された超電導ソース領域および超電導ドレイン領域
   と、前記超電導ソース領域および超電導ドレイン領域上
   にそれぞれ配置され、前記超電導チャネルに流れる電流
   を供給するソース電極およびドレイン電極と、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ゲート電極とを具備
   する超電導素子において、前記酸化物超電導薄膜が平坦
   な基板上に形成され、互いに離れた２ヶ所の厚い部分を
   有するｃ軸配向の薄膜であり、この２ヶ所の厚い部分が
   それぞれ前記超電導ソース領域および超電導ドレイン領
   域を構成し、前記ゲート絶縁層が前記酸化物超導電体よ
   りも酸素含有量が少ない酸化物で構成された、前記酸化
   物超電導薄膜を構成する酸化物超導電体と等しい構成元
   素および結晶構造を有するｃ軸配向の薄膜であり、前記
   酸化物超電導薄膜の前記超電導ソース領域および超電導
   ドレイン領域の間の部分上に、前記ゲート絶縁層の下側
   にある前記超電導チャネルの上面が平坦になるよう形成
   されていることを特徴とする超電導素子。
2. 【請求項２】前記ゲート絶縁層の、前記酸化物の結晶の
   ｃ軸に平行な側面が露出していることを特徴とする請求
   項１に記載の超電導素子。
3. 【請求項３】基板上に超電導チャネルおよびゲート絶縁
   層を合わせた厚さのｃ軸配向の酸化物超電導薄膜を形成
   する工程と、この酸化物超電導薄膜上にゲート電極、ソ
   ース電極およびドレイン電極を形成する工程と、これら
   の電極をマスクとして前記酸化物超電導薄膜をエッチン
   グして前記電極にマスクされていない部分の厚さを超電
   導チャネルに適した厚さにし、ゲート電極直下の部分の
   酸化物超電導薄膜の側面を露出させる工程と、真空中で
   この酸化物超電導薄膜を加熱し、ゲート電極直下の部分
   の酸化物超電導体の酸素を放出させることにより超電導
   性を失わせてゲート絶縁層を形成する工程とを含むこと
   を特徴とする請求項１または２に記載の超電導素子の作
   製方法。