JP2705306B2 - 超伝導素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は酸化物超伝導電界効果型トランジスタに関
し、特に最大チャネル長の限界を100nm以上まで増大さ
せ得る非超伝導性銅酸化物に関する。

【従来の技術】

酸化物超伝導電解効果型トランジスタにおいて、超伝
導体として銅酸化物超伝導体を、半導体として非超伝導
性銅酸化物を用いた動作例はない。特に、非超伝導性銅
酸化物に関しては、伝導キャリア濃度と移動度を用いる
バンドウザの理論式から、超伝導体から非超伝導性銅酸
化物への超伝導電流の染み出し距離は高々数nmであるこ
とが予測されている。しかし、銅酸化物形成のプロセス
に要求される摂氏500度以上の温度では数nm程度の相互
拡散は避けられないこと、また、現在の最新の微細加工
技術をもってしても最小10nmの加工が限界であること等
を考慮すると、銅酸化物超伝導体−非超伝導性銅酸化物
−銅酸化物超伝導体の接合の実現が実際上困難であるこ
とが容易に推測される。

【発明が解決しようとする課題】

しかし、計算上予測される短い染み出し距離が全く正
しいとは断定できない。例えば、銅酸化物超伝導体の高
い超伝導臨界温度はBCS理論から予測されていた上限を
遥かに上回るばかりか、その現象の発見後３年を経た現
在でも未だに説明されていない。この様に、従来の概念
に基づく計算予測はしばしば無力だからである。もし、
従来の理論では予測することのできない現象で銅酸化物
超伝導体から非超伝導性銅酸化物中への超伝導電流の染
み出しが支配されるとするならば、その染み出し距離が
例えば100nm程度の長さを持つならば、銅酸化物超伝導
体−非超伝導性銅酸化物−銅酸化物超伝導体の接合は十
分に現実味を帯びてくる。染み出し距離が数nmの制限を
持つときに深刻であった、高温プロセスによる接合界面
での相互拡散やリソグラフィの限界に近いチャネル加工
といった問題点を、一挙に克服し得るからである。 本発明の目的は、相互拡散によってチャネル層が破壊
されることがなく、またリソグラフィ技術によってチャ
ネル層を形成することができる超伝導素子を提供するこ
とである。

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するための本発明における手段は、以
下に述べる新現象の発見に基づいている。 第１図に示すように、厚さ800nmのLa1.5Ba1.5Cu3Oy非
超伝導体12がYBa2Cu3Oy超伝導体11と13にサンドイッチ
状に挟まれた構造を持つ積層膜を作製し、その電気的特
性を液体ヘリウム温度で評価した。先に述べたように、
従来の理論式ではチャネル長が800nmと長い場合には、
上下の超伝導体11と13の間に超伝導電流が流れることを
期待することはできない。にもかかわらず、超伝導電流
が検出されるという新規な現象が見いだされた。また、
厚さ100nmのPrBa2Cu3Oy非超伝導体をチャネル層として
用いた場合にも、超伝導電流が検出された。100nm以上
のチャネル層を介する超伝導電流は、チャネル層が酸化
物超伝導体の非超伝導性の誘導体−つまり酸化物超伝導
体の陽イオン置換体、陽イオン不定比組成体、酸素欠損
もしくは過剰体−である時のみ検出された。例えば、Si
O2,CaF2,Y2O3,Al2O3,ZnOなどをチャネル層として用いた
ときには、同様の新規な現象は見いだされなかった。

【作用】

見いだされた新規な現象を詳細に説明する理論の構築
は未だに成されていない。しかしながら、現象論的ある
いは定性的な観点からの説明は以下の通りである。銅酸
化物超伝導体においては、伝導キャリア濃度と超伝導性
との相関が広く知られている。伝導キャリアの増大とと
もに、電気的特性は絶縁体−超伝導体−半導体もしくは
金属の順に変化する。超伝導体から絶縁体あるいは超伝
導体から半導体（もしくは金属）への変化は連続的であ
るが、超伝導性−非超伝導性の両境界において伝導キャ
リア濃度のしきい値が存在する。この伝導キャリア濃度
と超伝導性との相関については理論的には未だ解明され
ていない。 ここで現象として問題となるのは伝導キャリア濃度を
変化させる方法である。例えばLa2−xSrxCuO4超伝導体
（０＜ｘ＜0.4）では、Sr含有量ｘを変化させることに
よって伝導キャリア濃度を変化させることが可能である
（例１）。伝導キャリア濃度はSr含有量ｘが増大すると
ともに増大し、同時に、電気的特性は絶縁体、超伝導
体、金属の順に変化する。Tl2Ba2CuO6−ｙ超伝導体（０
＜ｙ＜0.3）では、酸素量（６−ｙ）を変化させること
によって伝導キャリア濃度を変化させることが可能であ
る（例２）。伝導キャリア濃度は酸素量（６−ｙ）が減
少するとともに減少し、同時に、電気的特性は金属から
超伝導体へと変化する。YBa2Cu3C6＋ｙ超伝導体（０＜
ｙ＜１）でも、酸素量（６＋ｙ）を変化させることによ
って伝導キャリア濃度を変化させることが可能である
（例３）。伝導キャリア濃度は酸素量（６＋ｙ）が増大
するとともに増大し、同時に、電気的特性は絶縁体から
超伝導体へと変化する。La1＋xBa2−xCu3O6＋ｙ超伝導
体（０＜ｘ＜0.5）では、酸素量（６＋ｙ）以外にもLa
とBaの含有比率ｘを変化させることによっても伝導キャ
リア濃度を変化させることが可能である（例４）。伝導
キャリア濃度はLaの含有比率ｘが増大するとともに減少
し、同時に、電気的特性は超伝導体から半導体へと変化
する。Y1−xPrxBa2Cu3O6＋ｙ超伝導体（０＜ｘ＜１）で
は、酸素量（６＋ｙ）以外にもＹに対するPr置換量ｘを
変化させることによっても伝導キャリア濃度を変化させ
ることが可能である（例５）。伝導キャリア濃度はPr置
換量ｘが増大するとともに減少し、同時に電気的特性は
超伝導体から半導体へと変化する。YBa2（Cu1−xGax）3
O6＋ｙ超伝導体（０＜ｘ＜0.1）では、酸素量（６＋
ｙ）以外にもCuに対するGa置換量ｘを変化させることに
よっても伝導キャリア濃度を変化させることが可能であ
る（例６）。伝導キャリア濃度はGa置換量ｘが増大する
とともに減少し、同時に、電気的特性は超伝導体から半
導体へと変化する。 以上列挙したように伝導キャリア濃度は、酸素含有量
（例2,3,4,5,6）、アルカリ土類イオンと希土類イオン
の含有比率（例1,4）、希土類イオン間の部分置換（例
５）、他のイオンによる銅イオンの置換（例６）によっ
て変化する。伝導キャリア濃度はまた、アルカリイオン
（Li,Na,K）と希土類イオンの含有比率を変化させるこ
とによっても変化する。そして、伝導キャリア濃度の変
化とともに電気的特性は絶縁体、超伝導体、半導体、金
属のいずれかの性質を示す。ここで重要な点は、伝導キ
ャリア濃度の変化つまり電気的特性の変化は超伝導性銅
酸化物に対する置換体や誘導体の範囲内で引き起こされ
る、ということである。言い替えれば、電気的特性の変
化は、結晶構造が超伝導性銅酸化物と結晶学的に同じで
あるペロブスカイト構造の化合物において、引き起こさ
れる。そして、酸化物超伝導体の伝導キャリア濃度を変
化させて得られる非超伝導体でチャネル層が形成されて
いるときに限って、超伝導電流の染み出し距離は100nm
以上にも達するのである。 例にあげた以外にも超伝導性銅酸化物としては、いわ
ゆるBi,Pb系化合物などが知られているが、それらにお
いても上で説明したように種々の置換や酸素量の調整に
よって非超伝導性銅酸化物が得られることが知られてい
る。

【実施例】

以下に、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。 実施例 １ 第２図に本発明で非超伝導性のLa2CuO4化合物をチャ
ネル層として用いた場合の積層構造図を示す。本実施例
では、薄膜はすべてRFマグネトロンスパッタリング法を
用いて作製し、基板温度は550℃、投入電力は100W、作
製雰囲気はアルゴン（50％）−酸素（50％）混合ガスを
用いて全圧を6.65Paとした。まず面方位（110）のSrTiO
3の単結晶基板20上にステンレス製の金属マスクを用い
て、10mm角のLa2−xSrxCuO4（ｘ＝0.15）薄膜21を形成
した。この上にSrを含まないLa2−xSrxCuO4（ｘ＝０）
薄膜22を5mm角の金属マスクを用いて積層するが、第２
図に示すようにその内の3mm角がLa2−xSrxCuO4（ｘ＝0.
15）薄膜21と重なるように配置した。さらにこの上に下
部層21と同じ組成をもつ10mm角のLa2−xSrxCuO4（ｘ＝
0.15）薄膜23を積層した。この場合もチャネル層21の内
3mm角が上部超伝導層23と重なるようにするが、結果的
には下部超伝導層21と上部超伝導層23とは1mm角の重な
り面積を持つ。各層の膜厚は下部層21、チャネル層22、
上部層23それぞれで、700nm、800nm、400nmとした。最
後にこの積層膜をAr中400℃で12時間熱処理した。 Ar中で熱処理後のLa2−xSrxCuO4（ｘ＝0.15）単層膜
は、32Kの超伝導臨界温度を示した。一方、La2−xSrxCu
O4（ｘ＝０）単層膜は4.2Kにおける、SQUID磁束計を用
いた反磁性シールデイング効果の測定においても、電流
−電圧特性においても超伝導性は検出されず、完全な非
超電導体であることが確認された。 第３図に積層膜について４端子法で測定した4.2Kにお
ける電流−電圧特性を示す。積層膜の電流−電圧特性
は、電流を端子24と25の間に通電しその時の端子26と27
間に発生する電圧を測定することによって評価した。電
極には直径50ミクロンの金線を用い、金線はインジウム
金属を用いて試料と電気的に接触させた。零電圧近傍で
の電流の非直線性は、800nmの非超伝導層22を介して２
つの超伝導層21と23との間に超伝導電流が流れたことを
示す。 実施例 ２ 実施例１と同じ積層構造を持つが、チャネル層として
Srを含まないLa2−xSrxCuO4（ｘ＝０）の代わりに、超
伝導層La2−xSrxCuO4（ｘ＝0.15）よりも過剰のSrを含
むLa2−xSrxCuO4（ｘ＝0.4）を用いた積層膜を作製し
た。作製プロセスは実施例１と同じである。チャネル層
の膜厚は同じ800nmとした。Srを過剰に含むLa2−xSrxCu
O4（ｘ＝0.4）は、4.2Kでは電気的にも磁気的にも非超
伝導体であることが確認された。積層膜の４端子法によ
る電流−電圧測定から、零電圧近傍において同様の電流
の非直線性が観察された。 実施例 ３ 第４図に本発明で非超伝導性のPrBa2Cu3Oy化合物をチ
ャネル層として用いた場合の積層構造図を示す。本実施
例では、薄膜はすべてRFマグネトロンスパッタリング法
を用いて作製し、作製条件は実施例１と概ね同じであ
る。まず10mm角の面方位（110）のSrTiO3単結晶基板40
上に、YBa2Cu3Oy薄膜41を形成した。この上にPrBa2Cu3O
y薄膜42を6mm角の金属マスクを用いて第４図に示すよう
に基板の中央に形成した。さらにこの上に下部層41と同
じYBa2Cu3Oy薄膜43を2mm角の金属マスクを用いて中央に
形成した。各層の膜厚は下部層41、チャネル層42、上部
層43それぞれで、700nm、100nm、400nmとした。最後に
この積層膜をECR酸素プラズマ中450℃で30分間熱処理し
た。 ECR酸素プラズマ中で熱処理後のYBa2Cu3Oy単層膜は、
62Kの超伝導臨界温度を示した。一方、PrBa2Cu3Oy単層
膜は4.2Kにおける、SQUID磁束計を用いた反磁性シール
デイング効果の測定においても、電流−電圧特性におい
ても超伝導性は検出されず、完全な非超電導体であるこ
とが確認された。 積層膜の電流−電圧特性は、電流を端子44と45の間に
通電しその時の端子46と47間に発生する電圧を測定する
ことによって評価した。電極には直径50ミクロンの金線
を用い、金線はインジウム金属を用いて試料と電気的に
接触させた。第５図に積層膜について４端子法で測定し
た4.2Kにおける電流−電圧特性を示す。零電圧近傍での
電流の非直線性は、100nmの非超伝導層42を介して２つ
の超伝導層41と43との間に超伝導電流が流れたことを示
す。 実施例 ４ 第６図に本発明で非超伝導性のLa1.5Ba1.5Cu3Oy化合
物をチャネル層として用いた場合の積層構造図を示す。
まず面方位（110）のSrTiO3単結晶基板60上に、La1.5Ba
1.5Cu3Oy薄膜61をRFマグネトロンスパッタリング法によ
り形成した。膜形成条件は実施例１と概ね同じであり、
膜厚は300nmとした。この上にHoBa2Cu3Oy薄膜62をECR酸
素プラズマを用いる反応性蒸着法により、金属マスクを
用いて1x5mm角の大きさで第６図に示すように基板の中
央に形成した。アイクロ波源には2.45GHz,120Wのマグネ
トロンを用い、磁場の強さは875Gとした。作製雰囲気は
10の−４乗Torrの酸素ガス雰囲気で、蒸着速度は0.6nm/
秒、基板温度は560℃、膜厚は80nmとした。この上に電
子線用レジストを塗布した後、電子線描画装置で1mm幅
のHoBa2Cu3Oy薄膜62を横切るように200nm幅の線状パタ
ーンを形成した。反応性イオンビームエッチング法を用
いてレジストパターンを基にHoBa2Cu3Oy薄膜62に溝状の
チャネル63を形成した。溝の深さはLa1.5Ba1.5Cu3Oy薄
膜61に対して25nmとした。最後にこの積層膜をECR酸素
プラズマ中450℃で30分間熱処理した。 ECR酸素プラズマ中で熱処理後のHoBa2Cu3Oy単層膜
は、78Kの超伝導臨界温度を示した。一方、La1.5Ba1.5C
u3Oy単層膜は4.2Kにおける、SQUID磁束計を用いた反磁
性シールデイング効果の測定においても、電流−電圧特
性においても超伝導性は検出されず、完全な非超伝導体
であることが確認された。 積層膜の電流−電圧特性は、電流を端子64と65の間に
通電しその時の端子66と67間に発生する電圧を測定する
ことによって評価した。電極には直径50ミクロンの金線
を用い、金線はインジウム金属を用いて試料と電気的に
接触させた。第７図に示した4.2Kにおける電流−電圧特
性から明らかなように、零電圧近傍で電流の非直線性が
観察された。第８図に超伝導電流の温度依存性を示す。
超伝導電流は、HoBa2Cu3Oy超伝導層62の臨界温度に近い
76Kまで検出された。第９図に4.2K、2GHzの条件下で観
察されたシャピロステップを示す。以下の電気特性は、
200nm幅の溝状のチャネル63を介して超伝導体62間に超
伝導電流が流れたことを示す。

【発明の効果】

本発明によれば、超伝導電流の染み出し距離は従来の
理論的な染み出し距離限度を２桁以上も上回り100nm以
上にも達する。したがって、銅酸化物の形成プロセスで
要求される摂氏500度以上の温度でも、相互拡散によっ
てチャネル層が破壊する心配はない。また、最新の微細
加工技術で可能な10nmよりも一桁大きいチャネル長を利
用できるので、現行のリソグラフィ技術で十分にチャネ
ル層を形成することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明を生み出す基礎となった新現象が発見さ
れた時の薄膜断面模式図、第２図は実施例１における超
伝導体−非超伝導体−超伝導体の積層構造、第３図は実
施例１で得られた非線形な電流−電圧特性、第４図は実
施例３における超伝導体−非超伝導体−超伝導体の断面
構造、第５図は実施例３で得られた非線形な電流−電圧
特性、第６図は実施例４における超伝導体−非超伝導体
−超伝導体のプレーナ型構造、第７図は、実施例４で得
られた非線形な電流−電圧特性、第８図は、実施例４で
得られた超伝導電流の温度依存性、第９図は、実施例４
で得られたシャピロステップ。

【符号の説明】

11……YBa2Cu3Oy超伝導体、 12……La1.5Ba1.5Cu3Oy非超伝導体、 13……YBa2Cu3Oy超伝導体、 20……SrTiO3単結晶基板、 21……La2−xSrxCuO4（ｘ＝0.15）超伝導体、 22……La2−xSrxCuO4（ｘ＝０）非超伝導体、 23……La2−xSrxCuO4（ｘ＝0.15）超伝導体、 24……電流端子、 25……電流端子、 26……電圧端子、 27……電圧端子、 40……SrTiO3単結晶基板、 41……YBa2Cu3Oy超伝導体、 42……PrBa2Cu3Oy非超伝導体、 43……YBa2Cu3Oy超伝導体、 44……電流端子、 45……電流端子、 46……電圧端子、 47……電圧端子、 60……SrTiO3単結晶基板、 61……La1.5Ba1.5Cu3Oy非超伝導体、 62……HoBa2Cu3Oy超伝導体、 63……溝状のチャネル、 64……電流端子、 65……電流端子、 66……電圧端子、 67……電圧端子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (72)発明者 深沢 徳海 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 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 樺沢 宇紀 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２−21676（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−37785（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−10511（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．56 ［15］ （９ Ａｐｒｉｌ 1990） Ｐ．1469−1471，Ｐｈｙｓｉｃａ Ｃ 194（1992） Ｐ．261−267 Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏ ｌ．70 Ｎｕｍ11 Ｐ．1700−1703 日本物理学会誌 52［３］ （平成９ 年３月５日発行） Ｐ．186−187

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１、第２の超伝導性銅酸化物と、上記第
   １、第２の超伝導性銅酸化物の非超伝導性の誘導体であ
   る非超伝導性銅酸化物からなるチャネル層とを有し、上
   記チャネル層の一端は、上記第１の超伝導性銅酸化物に
   接し、上記チャネル層の他端は、上記第２の超伝導性銅
   酸化物に接し、上記第１、第２の超伝導性銅酸化物間の
   距離は100nm以上であることを特徴とする超伝導素子。
2. 【請求項２】請求項１において、上記非超伝導性銅酸化
   物の結晶構造は、上記第１、第２の超伝導性銅酸化物と
   同じペロブスカイト構造であることを特徴とする超伝導
   素子。
3. 【請求項３】請求項２において、上記非超伝導性銅酸化
   物が、上記第１、第２の超伝導性銅酸化物と比較して、
   上記第１、第２の超伝導性銅酸化物が超伝導性を示す条
   件よりも過剰のもしくは、少ない伝導キャリア濃度を含
   むことを特徴とする超伝導素子。