JP2669576B2 - 超伝導チャネル電界効果デバイス - Google Patents
超伝導チャネル電界効果デバイスInfo
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/20—Permanent superconducting devices
- H10N60/205—Permanent superconducting devices having three or more electrodes, e.g. transistor-like structures
- H10N60/207—Field effect devices
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超伝導物質から成る電
流チャネルを有し、そのデバイスの作動が超伝導体物質
の臨界電流の変動によって制御される電界効果デバイス
に関する。
流チャネルを有し、そのデバイスの作動が超伝導体物質
の臨界電流の変動によって制御される電界効果デバイス
に関する。
【０００２】
【従来の技術】電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等の半
導体電流チャネル（ドレイン及びソース電極の間にあ
る）を備えた電界効果デバイスは、よく知られ、多くの
アプリケーションに広く用いられている。高ＴC 超伝導
体物質の発見直後に、欧州特許出願公報第EP-A-0 324 0
44号にてベドノーツ(Bednorz) 他は、高ＴC 超伝導体物
質が低ＴC 超伝導体物質の電界効果よりはるかに大きい
電界効果を有することがあると理論的な立場で予測し
た。静電界が伝導物質にてふるい分けられる（スクリー
ンされる）長さスケールは、デバイ長ＬD ＝（εo εr
ｋＴ／ｑ2 ｎ）1/2 と、結果となるデプレッションゾー
ン幅ＬDZ＝Ｎ／ｎの合計ＬD ＋ＬDZによって与えられ
る。ここで、εo 及びεr はそれぞれ真空及び伝導物質
の誘電率、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは元
素電荷、ｎは可動キャリヤの密度、Ｎは誘導面積キャリ
ヤ密度である。キャリヤ密度が高いために、低ＴC 超伝
導体は通常、電界が物質の性質に殆ど影響がないよう上
手に電界をふるい分ける。ふるい分けを減衰するため、
低ＴC 超伝導体の電界効果の最近の実験は、例えば、ド
ープされたSrTiO3等の、ニオブをドープ剤とした非常に
キャリヤ密度の低い化合物に集中した（欧州特許出願公
報第EP-A-91 810 006.6 号参照) 。
導体電流チャネル（ドレイン及びソース電極の間にあ
る）を備えた電界効果デバイスは、よく知られ、多くの
アプリケーションに広く用いられている。高ＴC 超伝導
体物質の発見直後に、欧州特許出願公報第EP-A-0 324 0
44号にてベドノーツ(Bednorz) 他は、高ＴC 超伝導体物
質が低ＴC 超伝導体物質の電界効果よりはるかに大きい
電界効果を有することがあると理論的な立場で予測し
た。静電界が伝導物質にてふるい分けられる（スクリー
ンされる）長さスケールは、デバイ長ＬD ＝（εo εr
ｋＴ／ｑ2 ｎ）1/2 と、結果となるデプレッションゾー
ン幅ＬDZ＝Ｎ／ｎの合計ＬD ＋ＬDZによって与えられ
る。ここで、εo 及びεr はそれぞれ真空及び伝導物質
の誘電率、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは元
素電荷、ｎは可動キャリヤの密度、Ｎは誘導面積キャリ
ヤ密度である。キャリヤ密度が高いために、低ＴC 超伝
導体は通常、電界が物質の性質に殆ど影響がないよう上
手に電界をふるい分ける。ふるい分けを減衰するため、
低ＴC 超伝導体の電界効果の最近の実験は、例えば、ド
ープされたSrTiO3等の、ニオブをドープ剤とした非常に
キャリヤ密度の低い化合物に集中した（欧州特許出願公
報第EP-A-91 810 006.6 号参照) 。
【０００３】欧州特許出願公報第EP-A-0 324 044号に記
述されるように、超伝導ドレイン−ソースチャネルを備
えた電界効果デバイスは半導体の電界効果デバイスより
有利である。高ＴC 超伝導体化合物において、本質的に
キャリヤ密度が低いのと、コヒーレンス長が短いため
に、より大きな電界効果の発生が可能である。約3〜5x1
021/cm3の低いキャリヤ濃度によってナノメートルの10
分の１の範囲で長さをふり分け、短いコヒーレンス長に
よってかなりの臨界温度を備えた極薄層の製造を可能に
する。1〜2nm と薄い超伝導膜が既に成長されており、
電界はかなりの程度までそのような膜に浸透する。超伝
導チャネルを備えた種々の型のＦＥＴが既に示唆されて
いる。例えば、欧州特許出願公報第EP-A-0 324 044号、
欧州特許出願公報第EP-A- (91 810 006.6)号、モーア
(D.F. Moore)著、「デバイスアプリケーションのための
超伝導薄膜(Superconducting Thin Films for Device A
pplications)」（高温超伝導電子デバイスの第２回ワー
クショップ、1989年６月7-9 日、281-284 頁) 、マンハ
ート(J. Mannhart) 他著、「超伝導ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ
膜の電界効果（Electric field effect on superconduc
ting ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ films)」（H. Phys. B - Con
densed Matter 83, 1991年、307-311 頁) がある。
述されるように、超伝導ドレイン−ソースチャネルを備
えた電界効果デバイスは半導体の電界効果デバイスより
有利である。高ＴC 超伝導体化合物において、本質的に
キャリヤ密度が低いのと、コヒーレンス長が短いため
に、より大きな電界効果の発生が可能である。約3〜5x1
021/cm3の低いキャリヤ濃度によってナノメートルの10
分の１の範囲で長さをふり分け、短いコヒーレンス長に
よってかなりの臨界温度を備えた極薄層の製造を可能に
する。1〜2nm と薄い超伝導膜が既に成長されており、
電界はかなりの程度までそのような膜に浸透する。超伝
導チャネルを備えた種々の型のＦＥＴが既に示唆されて
いる。例えば、欧州特許出願公報第EP-A-0 324 044号、
欧州特許出願公報第EP-A- (91 810 006.6)号、モーア
(D.F. Moore)著、「デバイスアプリケーションのための
超伝導薄膜(Superconducting Thin Films for Device A
pplications)」（高温超伝導電子デバイスの第２回ワー
クショップ、1989年６月7-9 日、281-284 頁) 、マンハ
ート(J. Mannhart) 他著、「超伝導ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ
膜の電界効果（Electric field effect on superconduc
ting ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ films)」（H. Phys. B - Con
densed Matter 83, 1991年、307-311 頁) がある。
【０００４】しかしながら、従来技術のデバイスの全て
が、臨界温度ＴC に近い作動温度か非常に薄いチャネル
層のいずれかに依存する。
が、臨界温度ＴC に近い作動温度か非常に薄いチャネル
層のいずれかに依存する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、作動
が臨界電流及び電界によるフラックスフローの制御によ
って影響される超伝導電界効果デバイスを提案すること
である。
が臨界電流及び電界によるフラックスフローの制御によ
って影響される超伝導電界効果デバイスを提案すること
である。
【０００６】本発明の追加の目的は、Ｔ＝０からＴ≒Ｔ
C の任意の温度における超伝導電界効果デバイスの作動
を教示することである。（電界がＴC を増加するよう作
動するならば、その効果はＴC より僅かに上の温度でさ
えも存在することが観察された（Ｅ＝０））。
C の任意の温度における超伝導電界効果デバイスの作動
を教示することである。（電界がＴC を増加するよう作
動するならば、その効果はＴC より僅かに上の温度でさ
えも存在することが観察された（Ｅ＝０））。
【０００７】本発明の更に追加の目的は、伝導チャネル
（例えば、ＦＥＴの場合はドレイン及びソースの間にあ
る）が従来技術のデバイスに許容されるよりも厚く成長
される超伝導電界効果デバイスを提案することである。
（例えば、ＦＥＴの場合はドレイン及びソースの間にあ
る）が従来技術のデバイスに許容されるよりも厚く成長
される超伝導電界効果デバイスを提案することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の１つの態様に従
えば、本発明の超伝導チャネル電界効果デバイスは、導
電性基板（１１）と、前記基板上に形成された絶縁層
（１３）と、前記絶縁層上に形成され、第１のピニング
力を有する第１の超伝導体層（１４）と、前記第１の超
伝導体層（１４）上に形成され、前記第１のピニング力
よりも弱い第２のピニング力を有する第２の超伝導体層
（１６）と、前記第２の超伝導体層（１６）と電気的に
接触して且つ間隔をあけて形成されたソース電極及びド
レイン電極（１７、１８）と、前記基板と電気的に接触
して形成されたゲート電極（１２）とを有する。
えば、本発明の超伝導チャネル電界効果デバイスは、導
電性基板（１１）と、前記基板上に形成された絶縁層
（１３）と、前記絶縁層上に形成され、第１のピニング
力を有する第１の超伝導体層（１４）と、前記第１の超
伝導体層（１４）上に形成され、前記第１のピニング力
よりも弱い第２のピニング力を有する第２の超伝導体層
（１６）と、前記第２の超伝導体層（１６）と電気的に
接触して且つ間隔をあけて形成されたソース電極及びド
レイン電極（１７、１８）と、前記基板と電気的に接触
して形成されたゲート電極（１２）とを有する。
【０００９】もう１つの態様によれば、超伝導チャネル
電界効果デバイスは、導電性基板（１９）と、前記基板
上に形成され、プラチナ、ロジウム、パラジウム、銀、
金及びそれらの合金からなる群から選択された金属より
なるパッシベーション層（２１）と、前記パッシベーシ
ョン層（２１）上に形成された絶縁層（２２）と、前記
絶縁層上に形成された超伝導体層（２３）と、前記超伝
導体層（２３）と電気的に接触して且つ間隔をあけて形
成されたソース電極及びドレイン電極（２４、２５）
と、前記基板と電気的に接触して形成されたゲート電極
（２０）とを有する。
電界効果デバイスは、導電性基板（１９）と、前記基板
上に形成され、プラチナ、ロジウム、パラジウム、銀、
金及びそれらの合金からなる群から選択された金属より
なるパッシベーション層（２１）と、前記パッシベーシ
ョン層（２１）上に形成された絶縁層（２２）と、前記
絶縁層上に形成された超伝導体層（２３）と、前記超伝
導体層（２３）と電気的に接触して且つ間隔をあけて形
成されたソース電極及びドレイン電極（２４、２５）
と、前記基板と電気的に接触して形成されたゲート電極
（２０）とを有する。
【００１０】本発明のさらにもう１つの態様によれば、
超伝導チャネル電界効果デバイスは、非導電性基板（２
６）と、前記基板（２６）上に形成され、第１のピニン
グ力を有する第１の超伝導体層（２７）と、前記第１の
超伝導体層（２７）上に絶縁層（２８）を介して形成さ
れたゲート電極（２９）と、前記第１の超伝導体層（２
７）と電気的に接触して且つ間隔をあけて形成されたソ
ース電極およびドレイン電極（３０、３１）とよりな
り、前記第１の超伝導体層（２７）と前記基板（２６）
との間に、前記第１のピニング力よりも弱い第２のピニ
ング力を有する第２の超伝導体層（３２）を含むことを
特徴とする。
超伝導チャネル電界効果デバイスは、非導電性基板（２
６）と、前記基板（２６）上に形成され、第１のピニン
グ力を有する第１の超伝導体層（２７）と、前記第１の
超伝導体層（２７）上に絶縁層（２８）を介して形成さ
れたゲート電極（２９）と、前記第１の超伝導体層（２
７）と電気的に接触して且つ間隔をあけて形成されたソ
ース電極およびドレイン電極（３０、３１）とよりな
り、前記第１の超伝導体層（２７）と前記基板（２６）
との間に、前記第１のピニング力よりも弱い第２のピニ
ング力を有する第２の超伝導体層（３２）を含むことを
特徴とする。
【００１１】本発明の超伝導チャネル電界効果デバイス
は、ソース電極及びドレイン電極が接続される超伝導電
流チャネルを有する。超伝導電流チャネルは絶縁層によ
ってゲート電極から分離され、その臨界温度ＴC に近い
かそれ以下の温度まで冷却される。本発明では、電流チ
ャネルの抵抗は超伝導電流チャネルを横切って電界を印
加して超伝導チャネルの臨界電流を変えることによって
制御され、それによって超伝導物質における可動性電荷
キャリヤの密度が変えられることを特徴としている。
は、ソース電極及びドレイン電極が接続される超伝導電
流チャネルを有する。超伝導電流チャネルは絶縁層によ
ってゲート電極から分離され、その臨界温度ＴC に近い
かそれ以下の温度まで冷却される。本発明では、電流チ
ャネルの抵抗は超伝導電流チャネルを横切って電界を印
加して超伝導チャネルの臨界電流を変えることによって
制御され、それによって超伝導物質における可動性電荷
キャリヤの密度が変えられることを特徴としている。
【００１２】
【実施例】図１はＴC より下の温度まで冷却された標準
超伝導体の電圧対電流特性を示す。臨界電流ＩC まで
は、電流は超伝導体を無視しうる抵抗で流れる。ＩC を
越えると、バイアス電流Ｉのローレンツ力ＦL によって
駆動される磁束渦（フラックス渦）が超伝導体を介して
動き、電圧Ｖを生成するので超伝導体は抵抗を帯びる。
臨界電流ＩC より下では、いわゆるピニングサイト（ピ
ン止め点）によって決まった位置に保持されるためこれ
らフラックス渦が動かない（ブッケル(W. Buchkel)著、
「超電気伝導(Supraleitung)」(Verlag Chemie, Weinhe
im) 参照）。これらピニングサイトは、ピニング力（ピ
ン止め力）ＦP でフラックスラインを保持する。臨界電
流ＩC は、ピニング力とローレンツ力とのバランス、即
ち、ＦP＝ＦL 、によって与えられる。ＩC を越える
と、動くフラックスラインによって生成された電圧Ｖ
は、動くフラックスラインの数とそれらの速度ｖの両方
に比例する。速度はｖ≒ηＦP によって与えられる。η
はフラックスフローの粘性係数である。
超伝導体の電圧対電流特性を示す。臨界電流ＩC まで
は、電流は超伝導体を無視しうる抵抗で流れる。ＩC を
越えると、バイアス電流Ｉのローレンツ力ＦL によって
駆動される磁束渦（フラックス渦）が超伝導体を介して
動き、電圧Ｖを生成するので超伝導体は抵抗を帯びる。
臨界電流ＩC より下では、いわゆるピニングサイト（ピ
ン止め点）によって決まった位置に保持されるためこれ
らフラックス渦が動かない（ブッケル(W. Buchkel)著、
「超電気伝導(Supraleitung)」(Verlag Chemie, Weinhe
im) 参照）。これらピニングサイトは、ピニング力（ピ
ン止め力）ＦP でフラックスラインを保持する。臨界電
流ＩC は、ピニング力とローレンツ力とのバランス、即
ち、ＦP＝ＦL 、によって与えられる。ＩC を越える
と、動くフラックスラインによって生成された電圧Ｖ
は、動くフラックスラインの数とそれらの速度ｖの両方
に比例する。速度はｖ≒ηＦP によって与えられる。η
はフラックスフローの粘性係数である。
【００１３】重要な点は、ＦP 及びηが超伝導体の可動
性電荷キャリヤの密度ｎに依存することである。一般に
より大きいｎは、より大きいＦP とηに対応する。従っ
て、超伝導体のＩ（Ｖ）特性はｎに依存し、ｎが電界Ｅ
によって変えられるならば、図２に図解されるように、
Ｉ（Ｖ）特性は電界Ｅによって制御される。明らかだ
が、超伝導デバイスが電流Ｉでバイアスされ、ＩC2＜Ｉ
＜ＩC1であるとき、超伝導体の抵抗はオンとオフに切り
替えられる。図２において、ＩC1及びＩC2はそれぞれ可
動性電荷キャリヤの大と小の数ｎに関連する臨界電流で
ある。電界効果デバイスにおいて、デバイスの超伝導チ
ャネルにおける電荷キャリヤの数ｎを増加する（ｎの
「エンハンスメント」）又は減少する（ｎの「デプレッ
ション」）ためにゲート電圧を変えることによってｎは
調節される。
性電荷キャリヤの密度ｎに依存することである。一般に
より大きいｎは、より大きいＦP とηに対応する。従っ
て、超伝導体のＩ（Ｖ）特性はｎに依存し、ｎが電界Ｅ
によって変えられるならば、図２に図解されるように、
Ｉ（Ｖ）特性は電界Ｅによって制御される。明らかだ
が、超伝導デバイスが電流Ｉでバイアスされ、ＩC2＜Ｉ
＜ＩC1であるとき、超伝導体の抵抗はオンとオフに切り
替えられる。図２において、ＩC1及びＩC2はそれぞれ可
動性電荷キャリヤの大と小の数ｎに関連する臨界電流で
ある。電界効果デバイスにおいて、デバイスの超伝導チ
ャネルにおける電荷キャリヤの数ｎを増加する（ｎの
「エンハンスメント」）又は減少する（ｎの「デプレッ
ション」）ためにゲート電圧を変えることによってｎは
調節される。
【００１４】ｎはピニングサイトの近くのみで変えられ
なければならないのであって、超伝導体の全体で変えら
れるのではないことが指摘されるべきである。これは、
ピニングサイト２がゲート電極４が配列されるゲート絶
縁体３の近くに位置決めされるならば、比較的小さい電
界で図３の金属−絶縁体−超伝導体電界効果トランジス
タ（ＭＩＳＦＥＴ）デバイスの従来の構造において超伝
導体膜１等の、厚い超伝導膜の臨界電流ＩC を変えるの
に潜在的な利点を提供する。電界は、ゲート接点５とソ
ース電極７の間に電圧を印加することによって適用され
る。この構造体は基板６に配列されてもよい。
なければならないのであって、超伝導体の全体で変えら
れるのではないことが指摘されるべきである。これは、
ピニングサイト２がゲート電極４が配列されるゲート絶
縁体３の近くに位置決めされるならば、比較的小さい電
界で図３の金属−絶縁体−超伝導体電界効果トランジス
タ（ＭＩＳＦＥＴ）デバイスの従来の構造において超伝
導体膜１等の、厚い超伝導膜の臨界電流ＩC を変えるの
に潜在的な利点を提供する。電界は、ゲート接点５とソ
ース電極７の間に電圧を印加することによって適用され
る。この構造体は基板６に配列されてもよい。
【００１５】上記の欧州特許出願公報第EP-A-0 324 044
号に記述されるように、電界は比較的短い距離で超伝導
体にてふるい分けられる。しかしながら、ピニングサイ
トが電界によって浸透される体内に配置される限り、残
りの超伝導体が良好にシールドされてもＩC は変えられ
る。このため、比較的厚い超伝導膜がドレイン−ソース
チャネルとして用いられる。ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ（０＜
δ＜１) の場合、膜は厚さ約10nmである。このオーダの
厚さの膜は、製造の容易さ、高い臨界温度ＴC、及び／
又は良好な化学的安定度等の重要な利点がある。
号に記述されるように、電界は比較的短い距離で超伝導
体にてふるい分けられる。しかしながら、ピニングサイ
トが電界によって浸透される体内に配置される限り、残
りの超伝導体が良好にシールドされてもＩC は変えられ
る。このため、比較的厚い超伝導膜がドレイン−ソース
チャネルとして用いられる。ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ（０＜
δ＜１) の場合、膜は厚さ約10nmである。このオーダの
厚さの膜は、製造の容易さ、高い臨界温度ＴC、及び／
又は良好な化学的安定度等の重要な利点がある。
【００１６】本発明の原理は全ての超伝導体に適用さ
れ、多くの構成に実現される。以下において、周知の高
ＴC 超伝導体ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δを用いる異型構造体の
好ましい実施例が記述される。上記の欧州特許出願公報
第EP-A-91 810 006.6 号と同時に出願された、欧州特許
出願公報第EP-A-91 112 106.9 号（同一の出願人による
「反転型ＭＩＳＦＥＴ構造体を備える向上された超伝導
電界効果トランジスタ及び同一のトランジスタを作成す
るための方法(Enhanced Superconducting Field-Effect
Transistor with Inverted MISFET Structureand Meth
od for Making the Same) が参照される。
れ、多くの構成に実現される。以下において、周知の高
ＴC 超伝導体ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δを用いる異型構造体の
好ましい実施例が記述される。上記の欧州特許出願公報
第EP-A-91 810 006.6 号と同時に出願された、欧州特許
出願公報第EP-A-91 112 106.9 号（同一の出願人による
「反転型ＭＩＳＦＥＴ構造体を備える向上された超伝導
電界効果トランジスタ及び同一のトランジスタを作成す
るための方法(Enhanced Superconducting Field-Effect
Transistor with Inverted MISFET Structureand Meth
od for Making the Same) が参照される。
【００１７】このタイプの構造体は、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-δｎｏ膜がエピタキシャルに成長されるチタン酸スト
ロンチウムSrTiO3の層（又は基板）から製造される。
7-δｎｏ膜がエピタキシャルに成長されるチタン酸スト
ロンチウムSrTiO3の層（又は基板）から製造される。
【００１８】例えば、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ膜のためのピ
ニングサイトとして転移又は点欠陥を用いる。これらピ
ニングサイトの密度は、（ドープされないSrTiO3の場合
の）基板表面の形態、成長率、成長温度（欧州特許出願
公報第EP-A-91 810 470.4 号参照) 、又は化学量等の、
ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ膜の成長条件の関数である。これら
パラメータの適切な調整によって、ピニングサイトの好
ましい分配が達成される。
ニングサイトとして転移又は点欠陥を用いる。これらピ
ニングサイトの密度は、（ドープされないSrTiO3の場合
の）基板表面の形態、成長率、成長温度（欧州特許出願
公報第EP-A-91 810 470.4 号参照) 、又は化学量等の、
ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ膜の成長条件の関数である。これら
パラメータの適切な調整によって、ピニングサイトの好
ましい分配が達成される。
【００１９】また、例えば図４に示されるような、異な
る超伝導物質及び／又は異なるピニング力の膜が用いら
れる多層異型構造体の利点が得られる。ニオブドープさ
れた（従って導電性の）SrTiO3基板１１が下面にゲート
電極１２を備えると共に、ドープされないSrTiO3から成
る絶縁層１３が上面に付着される。絶縁体層１３の上
に、強いピニング能力を有するＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δから
な薄膜１４が配置される。例えば、ＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-δからなる任意選択のバッファ層１５が、超伝導体膜
１４の上に提供されることができる。図４の異型構造体
の最上位層１６は超伝導Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10±δ
の層であり、その物質は、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ超伝導体
層１４のピニング能力と比べて、弱いピニング能力を有
する。超伝導体層１４と電気的に接触するため、最上位
層１６の上にそれぞれドレイン及びソース電極１７、１
８が提供される。
る超伝導物質及び／又は異なるピニング力の膜が用いら
れる多層異型構造体の利点が得られる。ニオブドープさ
れた（従って導電性の）SrTiO3基板１１が下面にゲート
電極１２を備えると共に、ドープされないSrTiO3から成
る絶縁層１３が上面に付着される。絶縁体層１３の上
に、強いピニング能力を有するＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δから
な薄膜１４が配置される。例えば、ＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-δからなる任意選択のバッファ層１５が、超伝導体膜
１４の上に提供されることができる。図４の異型構造体
の最上位層１６は超伝導Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10±δ
の層であり、その物質は、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ超伝導体
層１４のピニング能力と比べて、弱いピニング能力を有
する。超伝導体層１４と電気的に接触するため、最上位
層１６の上にそれぞれドレイン及びソース電極１７、１
８が提供される。
【００２０】前記Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10±δ層１６
が任意選択のＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ層１５と同様に伝導
性を有するという事実のため、電流チャネルが呈する抵
抗と比較すると、前記ドレイン及びソース電極１７、１
８と超伝導体層１４との間の抵抗は低い。
が任意選択のＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ層１５と同様に伝導
性を有するという事実のため、電流チャネルが呈する抵
抗と比較すると、前記ドレイン及びソース電極１７、１
８と超伝導体層１４との間の抵抗は低い。
【００２１】勿論、図４の構造体は一例にすぎない。構
造体は使用される物質や、その物質に生成されるピニン
グサイトの数、更に個々の層の厚さによっても変えられ
る。同様の多層異型構造体は、層１の下に弱いピニング
超伝導層又は他の伝導層を付加することによって、図３
に示されるような「通常の」形状のＭＩＳＦＥＴに製造
される。そのような構造体は図１０に示される。
造体は使用される物質や、その物質に生成されるピニン
グサイトの数、更に個々の層の厚さによっても変えられ
る。同様の多層異型構造体は、層１の下に弱いピニング
超伝導層又は他の伝導層を付加することによって、図３
に示されるような「通常の」形状のＭＩＳＦＥＴに製造
される。そのような構造体は図１０に示される。
【００２２】「通常の」形状のＭＩＳＦＥＴデバイス
は、非導電性基板２６、第１ピニング力を有する超伝導
物質から成り前記基板２６の上にある第１層２７、前記
第１超伝導体層２７の上に配置された絶縁層２８から成
る。絶縁層２８はまたゲート電極２９を載せ、ソース及
びドレイン電極３０、３１が前記第１超伝導体層２７に
電気的に接続される。前記第１超伝導体層２７と前記基
板２６の間に、第１超伝導体層２７のピニング力より弱
い第２ピニング力を有する第２超伝導体層３２が配され
る。任意として、第１及び第２超伝導体層２７、３２の
間に、伝導性バッファ層３３が提供されることができ
る。
は、非導電性基板２６、第１ピニング力を有する超伝導
物質から成り前記基板２６の上にある第１層２７、前記
第１超伝導体層２７の上に配置された絶縁層２８から成
る。絶縁層２８はまたゲート電極２９を載せ、ソース及
びドレイン電極３０、３１が前記第１超伝導体層２７に
電気的に接続される。前記第１超伝導体層２７と前記基
板２６の間に、第１超伝導体層２７のピニング力より弱
い第２ピニング力を有する第２超伝導体層３２が配され
る。任意として、第１及び第２超伝導体層２７、３２の
間に、伝導性バッファ層３３が提供されることができ
る。
【００２３】本発明の好ましい実施例において、前記第
２の比較的弱いピニング力の超伝導体層３２は、Ｂｉ2
Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10±δからなり、伝導バッファ３３
はＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ（０＜δ＜１）からなる。
２の比較的弱いピニング力の超伝導体層３２は、Ｂｉ2
Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10±δからなり、伝導バッファ３３
はＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ（０＜δ＜１）からなる。
【００２４】ピニングに対する電界の効果、従って、超
伝導チャネルの臨界電流の制御を示すための実験におい
て、上記の欧州特許出願公報第EP-A-91 112 106.9 号
（同一の出願人により、同時に出願された「反転型ＭＩ
ＳＦＥＴ構造体を備える向上された超伝導電界効果トラ
ンジスタ及び同一のトランジスタを作成するための方法
(Enhanced Superconducting Field-Effect Transistor
with Inverted MISFET Structure and Method for Mak
ing the Same) 」の教示に従って、異型構造体（金属−
絶縁体−超伝導体電界効果トランジスタ(i-MISFET)) が
成長された。図５はこの反転型ＭＩＳＦＥＴの構造体を
示す。
伝導チャネルの臨界電流の制御を示すための実験におい
て、上記の欧州特許出願公報第EP-A-91 112 106.9 号
（同一の出願人により、同時に出願された「反転型ＭＩ
ＳＦＥＴ構造体を備える向上された超伝導電界効果トラ
ンジスタ及び同一のトランジスタを作成するための方法
(Enhanced Superconducting Field-Effect Transistor
with Inverted MISFET Structure and Method for Mak
ing the Same) 」の教示に従って、異型構造体（金属−
絶縁体−超伝導体電界効果トランジスタ(i-MISFET)) が
成長された。図５はこの反転型ＭＩＳＦＥＴの構造体を
示す。
【００２５】反転型ＭＩＳＦＥＴのゲート１９はフロー
ティングゾーン技術によって成長される導電ｎ型（0.05
％Nbドープされた)SrTiO3(100)の配向の単結晶基板から
成り、Ag接点２０がAgをNb:SrTiO3 基板に拡散してゲー
トに固定された。基板１９は≒600 ℃まで加熱され、プ
ラチナの薄い（即ち、2-5nm)エピタキシャル処理（パッ
シベーション）層２１が電子ビーム蒸着によって上面に
付着された。≒680 ℃の基板温度ＴSUB において、ドー
プされない SrTiO3 で、厚さ≒500nm の(100)の配向層
２２が、6.7Pa アルゴン酸素雰囲気(Ar:O2=2:1) 中で無
線周波(RF)マグネトロンスパッタリングによって付着さ
れた。
ティングゾーン技術によって成長される導電ｎ型（0.05
％Nbドープされた)SrTiO3(100)の配向の単結晶基板から
成り、Ag接点２０がAgをNb:SrTiO3 基板に拡散してゲー
トに固定された。基板１９は≒600 ℃まで加熱され、プ
ラチナの薄い（即ち、2-5nm)エピタキシャル処理（パッ
シベーション）層２１が電子ビーム蒸着によって上面に
付着された。≒680 ℃の基板温度ＴSUB において、ドー
プされない SrTiO3 で、厚さ≒500nm の(100)の配向層
２２が、6.7Pa アルゴン酸素雰囲気(Ar:O2=2:1) 中で無
線周波(RF)マグネトロンスパッタリングによって付着さ
れた。
【００２６】次に、真空環境を残さずに、厚さ４から10
nmの間のＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δからなる層が、ＴSUB ≒75
0 ℃、約90Paの圧力(Ar:O2=2:1) でDCマグネトロンスパ
ッタリングによって付着される。次に、構造体が≒50kP
a O2に冷却される。従来のフォトリソグラフィーと湿式
エッチング（希H3PO4 における) を用いて、構造体がパ
ターン化されて、金接点パッド２４、２５がそれぞれソ
ース及びドレイン電極を形成するために造られる。上述
の本方法に従って準備された構造体は、減少するゲート
電圧と共に迅速に増加しながら、両方の極性において10
V で1012〜1013Ωcmのゲート抵抗を有した。
nmの間のＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δからなる層が、ＴSUB ≒75
0 ℃、約90Paの圧力(Ar:O2=2:1) でDCマグネトロンスパ
ッタリングによって付着される。次に、構造体が≒50kP
a O2に冷却される。従来のフォトリソグラフィーと湿式
エッチング（希H3PO4 における) を用いて、構造体がパ
ターン化されて、金接点パッド２４、２５がそれぞれソ
ース及びドレイン電極を形成するために造られる。上述
の本方法に従って準備された構造体は、減少するゲート
電圧と共に迅速に増加しながら、両方の極性において10
V で1012〜1013Ωcmのゲート抵抗を有した。
【００２７】プラチナ層２１がなければ、正常に伝導す
るNb:SrTiO3 基板１９の表面領域が劣化されて絶縁し、
ＭＩＳＦＥＴ構造体のゲート２０及びソース２４の間の
キャパシタンスＣGSの激しい低下をもたらすことがわか
った。これはデバイスの性能を劣化して、数パーセント
の抵抗率変調だけしか見られなかった。しかしながら、
プラチナ層２１によって、ＣGSは大幅に改良され（ほぼ
３倍）、抵抗率変調において１オーダ以上の大きさの改
良が見られた。
るNb:SrTiO3 基板１９の表面領域が劣化されて絶縁し、
ＭＩＳＦＥＴ構造体のゲート２０及びソース２４の間の
キャパシタンスＣGSの激しい低下をもたらすことがわか
った。これはデバイスの性能を劣化して、数パーセント
の抵抗率変調だけしか見られなかった。しかしながら、
プラチナ層２１によって、ＣGSは大幅に改良され（ほぼ
３倍）、抵抗率変調において１オーダ以上の大きさの改
良が見られた。
【００２８】Nbドープされたゲート基板１９の死（デッ
ド）表層に拡散するPt層２１の有益な効果に加えて、ド
ープされないSrTiO3層２２を介するＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ
超伝導チャネル層２３へのPt拡散が、使用される処理状
態において発生したということは注目に値する。これは
超伝導遷移の拡大をもたらした。このため、最良の結果
は比較的薄いPt層２１と比較的厚いSrTiO3層２２によっ
て達成された。Pt層２１の付着後の処理温度を下げるこ
とによって、デバイス性能の一層の改良が期待される。
ド）表層に拡散するPt層２１の有益な効果に加えて、ド
ープされないSrTiO3層２２を介するＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ
超伝導チャネル層２３へのPt拡散が、使用される処理状
態において発生したということは注目に値する。これは
超伝導遷移の拡大をもたらした。このため、最良の結果
は比較的薄いPt層２１と比較的厚いSrTiO3層２２によっ
て達成された。Pt層２１の付着後の処理温度を下げるこ
とによって、デバイス性能の一層の改良が期待される。
【００２９】プラチナは、Nb:SrTiO3 基板の表面の死層
の性質を改良するのに有益だとわかったのはいくつかの
理由による。即ち、伝導性が高く、酸化に抵抗力があり
（即ち、ドープされないSrTiO3及びＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ
膜の付着の間の酸化状態）、その格子定数と熱膨張係数
がSrTiO3及びＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δの格子定数と熱膨張係
数に近いことである。構造の適合性のこれらの問題を満
足させる他に、プラチナはかなり化学的に適合性があ
る。即ち、絶縁層及び超伝導層それぞれの性質に大きく
反応したり性質を損なったりしない。
の性質を改良するのに有益だとわかったのはいくつかの
理由による。即ち、伝導性が高く、酸化に抵抗力があり
（即ち、ドープされないSrTiO3及びＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ
膜の付着の間の酸化状態）、その格子定数と熱膨張係数
がSrTiO3及びＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δの格子定数と熱膨張係
数に近いことである。構造の適合性のこれらの問題を満
足させる他に、プラチナはかなり化学的に適合性があ
る。即ち、絶縁層及び超伝導層それぞれの性質に大きく
反応したり性質を損なったりしない。
【００３０】プラチナの他にも、これら制約の多くを満
足し、この適用に有用な他の物質がある。例として、ロ
ジウム、パラジウム、銀、金、及びそれらの合金があ
る。特に、付着の間合金の組成を制御することによっ
て、Pt-Rh 合金の格子定数は0.3804nm（純Rh) と0.3924
（純Pt) の間で変えられる。この能力は、得られるべき
周囲の層に更によく整合することを可能にする。ほぼ所
望の格子定数を生じる適切な合金組成は、以下のベガー
ドの法則によって計算される。
足し、この適用に有用な他の物質がある。例として、ロ
ジウム、パラジウム、銀、金、及びそれらの合金があ
る。特に、付着の間合金の組成を制御することによっ
て、Pt-Rh 合金の格子定数は0.3804nm（純Rh) と0.3924
（純Pt) の間で変えられる。この能力は、得られるべき
周囲の層に更によく整合することを可能にする。ほぼ所
望の格子定数を生じる適切な合金組成は、以下のベガー
ドの法則によって計算される。
【００３１】同一の結晶構造を有し、置換形固溶体が存
在する合金の２つの成分ＡとＢにおいて、ｘ原子％のＡ
と（１−ｘ）原子％のＢを含む混合物の格子定数ａmix
はほぼ以下によって与えられる。 ａmix ≒ｘａA ＋（１−ｘ）ａB ここで、ａA 及びａB はそれぞれ純Ａと純Ｂの格子定数
である。
在する合金の２つの成分ＡとＢにおいて、ｘ原子％のＡ
と（１−ｘ）原子％のＢを含む混合物の格子定数ａmix
はほぼ以下によって与えられる。 ａmix ≒ｘａA ＋（１−ｘ）ａB ここで、ａA 及びａB はそれぞれ純Ａと純Ｂの格子定数
である。
【００３２】上述のように製造された構造体において、
図６に示されるように、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ膜１５は約
14K で超伝導になる。図７、図８及び図９は、ゲート電
圧をパラメータとして、4.1K、8.2K、及び14.6K にて測
定された３つのドレイン−ソース電圧対電流特性を示
す。ゲート接点とソース接点の間に正のバイアス電圧
（ＶGS＞０）を印加することによってｐ型超伝導体のチ
ャネルにおけるキャリヤ濃度を減少し（デプレッショ
ン）、負のバイアス電圧（ＶGS＜０）を印加することに
よってチャネルにおけるキャリヤ濃度を増加する（エン
ハンスメント）。図７、図８及び図９は、±10V のゲー
ト電圧の変化が約±200 μA のＶDS（ＩDS）特性の変化
を導く臨界電流に変動をもたらすことを示している。
図６に示されるように、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ膜１５は約
14K で超伝導になる。図７、図８及び図９は、ゲート電
圧をパラメータとして、4.1K、8.2K、及び14.6K にて測
定された３つのドレイン−ソース電圧対電流特性を示
す。ゲート接点とソース接点の間に正のバイアス電圧
（ＶGS＞０）を印加することによってｐ型超伝導体のチ
ャネルにおけるキャリヤ濃度を減少し（デプレッショ
ン）、負のバイアス電圧（ＶGS＜０）を印加することに
よってチャネルにおけるキャリヤ濃度を増加する（エン
ハンスメント）。図７、図８及び図９は、±10V のゲー
ト電圧の変化が約±200 μA のＶDS（ＩDS）特性の変化
を導く臨界電流に変動をもたらすことを示している。
【００３３】ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ膜において、ＴC より
下のＩ（Ｖ）曲線は通常滑らかであり、臨界電流密度を
決定するのに適したいかなるよく定義された特徴をも示
さないと指摘されている。（サッチェル(J.S. Sachell)
他著、「YBa2Cu3O7 薄膜の電気的性質(Electrical Prop
erties of YBa2Cu3O7 Thin Films) 」(Physica C, 162-
164, 1989 年、625 頁) の図１及び図３参照。）この問
題は臨界電流の電界誘導変化に正確な数を提供するのを
困難にするが、±100 から±200 μＡの範囲内にあると
信じられている。図７、図８及び図９を導く測定が±10
Ｖのゲート電圧で行われる一方、当業者によって教示さ
れた構造体の作動が概して１から100Vの範囲内のゲート
電圧で可能になることは明白である。
下のＩ（Ｖ）曲線は通常滑らかであり、臨界電流密度を
決定するのに適したいかなるよく定義された特徴をも示
さないと指摘されている。（サッチェル(J.S. Sachell)
他著、「YBa2Cu3O7 薄膜の電気的性質(Electrical Prop
erties of YBa2Cu3O7 Thin Films) 」(Physica C, 162-
164, 1989 年、625 頁) の図１及び図３参照。）この問
題は臨界電流の電界誘導変化に正確な数を提供するのを
困難にするが、±100 から±200 μＡの範囲内にあると
信じられている。図７、図８及び図９を導く測定が±10
Ｖのゲート電圧で行われる一方、当業者によって教示さ
れた構造体の作動が概して１から100Vの範囲内のゲート
電圧で可能になることは明白である。
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、臨界温度Ｔc に近い作
動温度や非常に薄いチャネル層に依存しない超伝導電界
効果デバイスを得ることができる。
動温度や非常に薄いチャネル層に依存しない超伝導電界
効果デバイスを得ることができる。
【図１】標準超伝導体の電圧対電流特性を示す。
【図２】超伝導体のＩ−Ｖ特性における電界の効果を図
解する。
解する。
【図３】「正常な」ＭＩＳＦＥＴデバイスにおける絶縁
体／超伝導体界面に近いピニングサイトの配置を示す。
体／超伝導体界面に近いピニングサイトの配置を示す。
【図４】強弱のピニング力の超伝導層及びバッファ層を
有する「反転型」ＭＩＳＦＥＴデバイスの断面図であ
る。
有する「反転型」ＭＩＳＦＥＴデバイスの断面図であ
る。
【図５】パッシベーション層を有する反転型ＭＩＳＦＥ
Ｔデバイスの断面図である。
Ｔデバイスの断面図である。
【図６】ゲート電圧の変動が電界効果デバイスの抵抗に
与える影響を示すＲ（Ｔ）図である。
与える影響を示すＲ（Ｔ）図である。
【図７】温度4.1Kにおいて超伝導チャネルの臨界電流に
おけるゲート電圧の変動の影響を示す、教示されたｉ−
ＭＩＳＦＥＴデバイスのＩ−Ｖ特性の測定である。
おけるゲート電圧の変動の影響を示す、教示されたｉ−
ＭＩＳＦＥＴデバイスのＩ−Ｖ特性の測定である。
【図８】温度8.2Kにおける図７のＩ−Ｖ特性の測定であ
る。
る。
【図９】温度14.6K における図７のＩ−Ｖ特性の測定で
ある。
ある。
【図１０】強弱のピニング力の超伝導層及びバッファ層
を備えた「通常の」形状のＭＩＳＦＥＴの断面図であ
る。
を備えた「通常の」形状のＭＩＳＦＥＴの断面図であ
る。
１１、１９、２６ 基板 １２、２０、２９ ゲート電極 １３、２２ 絶縁層 １４、２７ 強いピニング力の超伝導体層 １５、３３ バッファ層 １６、３２ 弱いピニング力の超伝導体層 ２１ プラチナ層 １７、１８、２４、２５、３０、３１ ソース／ドレイ
ン電極
ン電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マンハルト ヨッヘン ディー. スイス、シーエイチ−8804アウ、アルテ ランドストラーセ 131 (72)発明者 ムエレル カール アレクサンダー スイス、シーエイチ−8908ヘディンゲ ン、ハルデンストラーセ 54 (72)発明者 シュロン ダレル スイス、シーエイチ−8800タルヴィル、 マイセンストラーセ ８ (56)参考文献 特開 平１−207982（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−75575（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−160455（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−77179（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開371462（ＥＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】 導電性基板（１１）と、 前記基板上に形成された絶縁層（１３）と、 前記絶縁層上に形成され、第１のピニング力を有する第
１の超伝導体層（１４）と、 前記第１の超伝導体層（１４）上に形成され、前記第１
のピニング力よりも弱い第２のピニング力を有する第２
の超伝導体層（１６）と、 前記第２の超伝導体層（１６）と電気的に接触して且つ
間隔をあけて形成されたソース電極及びドレイン電極
（１７、１８）と、 前記基板と電気的に接触して形成されたゲート電極（１
２）とを有する超伝導チャネル電界効果デバイス。 - 【請求項２】 導電性基板（１９）と、 前記基板上に形成され、プラチナ、ロジウム、パラジウ
ム、銀、金及びそれらの合金からなる群から選択された
金属よりなるパッシベーション層（２１）と、 前記パッシベーション層（２１）上に形成された絶縁層
（２２）と、 前記絶縁層上に形成された超伝導体層（２３）と、 前記超伝導体層（２３）と電気的に接触して且つ間隔を
あけて形成されたソース電極及びドレイン電極（２４、
２５）と、 前記基板と電気的に接触して形成されたゲート電極（２
０）とを有する超伝導チャネル電界効果デバイス。 - 【請求項３】 非導電性基板（２６）と、前記基板（２
６）上に形成され、第１のピニング力を有する第１の超
伝導体層（２７）と、前記第１の超伝導体層（２７）上
に絶縁層（２８）を介して形成されたゲート電極（２
９）と、前記第１の超伝導体層（２７）と電気的に接触
して且つ間隔をあけて形成されたソース電極およびドレ
イン電極（３０、３１）とよりなり、 前記第１の超伝導体層（２７）と前記基板（２６）との
間に、前記第１のピニング力よりも弱い第２のピニング
力を有する第２の超伝導体層（３２）を含むことを特徴
とする超伝導チャネル電界効果デバイス。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH91112200:0 | 1991-07-19 | ||
| EP91112200A EP0523279A1 (en) | 1991-07-19 | 1991-07-19 | Electric field-effect devices having a superconducting channel |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05190923A JPH05190923A (ja) | 1993-07-30 |
| JP2669576B2 true JP2669576B2 (ja) | 1997-10-29 |
Family
ID=8206963
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4153503A Expired - Lifetime JP2669576B2 (ja) | 1991-07-19 | 1992-06-12 | 超伝導チャネル電界効果デバイス |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0523279A1 (ja) |
| JP (1) | JP2669576B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4320484A1 (de) * | 1993-06-21 | 1994-12-22 | Dornier Gmbh | Steuerbares Supraleiter-Bauelement |
| US11165429B2 (en) | 2020-03-26 | 2021-11-02 | International Business Machines Corporation | Operating a superconducting channel by electron injection |
| JP2023523680A (ja) * | 2020-03-31 | 2023-06-07 | マイクロソフト テクノロジー ライセンシング，エルエルシー | サイドゲート型半導体－超伝導体ハイブリッドデバイス |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH069262B2 (ja) * | 1984-09-21 | 1994-02-02 | 株式会社日立製作所 | 超電導デバイス |
| EP0324044B1 (en) * | 1988-01-15 | 1992-11-25 | International Business Machines Corporation | A field-effect device with a superconducting channel |
| JP2862137B2 (ja) * | 1988-08-11 | 1999-02-24 | 古河電気工業株式会社 | 超電導トランジスタ |
-
1991
- 1991-07-19 EP EP91112200A patent/EP0523279A1/en not_active Withdrawn
-
1992
- 1992-06-12 JP JP4153503A patent/JP2669576B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0523279A1 (en) | 1993-01-20 |
| JPH05190923A (ja) | 1993-07-30 |
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