JP2798361B2 - 結晶粒界チャンネルをもつ超伝導電界効果素子とその製造方法 - Google Patents
結晶粒界チャンネルをもつ超伝導電界効果素子とその製造方法Info
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は結晶粒界チャンネル（gr
ain boundary channel）をもつ超伝導電界効果素子（su
perconducting field effect device）およびその製造
方法に関するもので、より具体的には高温超伝導薄膜か
ら形成された結晶粒界チャンネルとして使用される超伝
導電界効果素子およびその製造方法に関するものであ
る。
ain boundary channel）をもつ超伝導電界効果素子（su
perconducting field effect device）およびその製造
方法に関するもので、より具体的には高温超伝導薄膜か
ら形成された結晶粒界チャンネルとして使用される超伝
導電界効果素子およびその製造方法に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】一般的に、超伝導トランジスターは高速
演算、高速データ処理および低消費電力の特性をもつ能
動素子として広く使用されてきており、そしてビデオ信
号処理システム、高性能のワークステーションシステ
ム，衛星信号処理システム、スーパーコンピューター等
の信号処理システムに主に適用されることができる。
演算、高速データ処理および低消費電力の特性をもつ能
動素子として広く使用されてきており、そしてビデオ信
号処理システム、高性能のワークステーションシステ
ム，衛星信号処理システム、スーパーコンピューター等
の信号処理システムに主に適用されることができる。
【０００３】図９は極めて小さい超伝導チャンネルをも
つ従来の超伝導電界効果トランジスター（以下、“超伝
導ＦＥＴ”と称する）の構成を図示している。
つ従来の超伝導電界効果トランジスター（以下、“超伝
導ＦＥＴ”と称する）の構成を図示している。
【０００４】図９で、前記超伝導ＦＥＴはYBa2Cu3O7-x
からなった基板（１１）と、前記基板（１１）の主面上
に酸化物超伝導体薄膜からなった極めて薄い超伝導チャ
ンネル（１２）と、前記超伝導チャンネル（１２）上に
形成された絶縁層（１３）を具備している。
からなった基板（１１）と、前記基板（１１）の主面上
に酸化物超伝導体薄膜からなった極めて薄い超伝導チャ
ンネル（１２）と、前記超伝導チャンネル（１２）上に
形成された絶縁層（１３）を具備している。
【０００５】また、前記ＦＥＴは前記構成の以外に前記
超伝導チャンネル層（１２）の両端に、そして金属によ
って形成されているソース／ドレイン電極（１５，１
６）と、前記絶縁層（１３）上に形成されており、そし
て金属からなっているゲート電極（１４）を附加してい
る。
超伝導チャンネル層（１２）の両端に、そして金属によ
って形成されているソース／ドレイン電極（１５，１
６）と、前記絶縁層（１３）上に形成されており、そし
て金属からなっているゲート電極（１４）を附加してい
る。
【０００６】このようなＦＥＴ構成において、前記絶縁
層（１３）はSrTiO3から形成されており、そして前記超
伝導チャンネル層（１２）は高温超伝導体から形成され
ている。
層（１３）はSrTiO3から形成されており、そして前記超
伝導チャンネル層（１２）は高温超伝導体から形成され
ている。
【０００７】このような超伝導ＦＥＴは前記基板（１
１）上に順に形成されている金属−絶縁層−高温超伝導
層からなった３層構造（three-layer structure）から
構成されており、そしてヨーロッパ特許公告（European
Patent）No.0533519A2に開示されている。
１）上に順に形成されている金属−絶縁層−高温超伝導
層からなった３層構造（three-layer structure）から
構成されており、そしてヨーロッパ特許公告（European
Patent）No.0533519A2に開示されている。
【０００８】図１０は逆転された３層構造を具備した従
来の超伝導ＦＥＴの構成を図示している。
来の超伝導ＦＥＴの構成を図示している。
【０００９】図１０の超伝導ＦＥＴはNbを用いてドープ
されたSrTiO3基板（２１）と、この基板（２１）の主面
上に形成された白金層（２２）と、絶縁層（２３）を挟
んで前記白金層（２２）上に形成された超伝導チャンネ
ル層（２４）を具備している。
されたSrTiO3基板（２１）と、この基板（２１）の主面
上に形成された白金層（２２）と、絶縁層（２３）を挟
んで前記白金層（２２）上に形成された超伝導チャンネ
ル層（２４）を具備している。
【００１０】また、図１０の超伝導ＦＥＴは相互に電気
的に絶縁されており、前記超伝導チャンネル層（２４）
上に形成された金属のソース／ドレイン電極（２５，２
６）と、そして前記基板（２１）の裏面上に形成された
ゲート電極（２７）を附加している。
的に絶縁されており、前記超伝導チャンネル層（２４）
上に形成された金属のソース／ドレイン電極（２５，２
６）と、そして前記基板（２１）の裏面上に形成された
ゲート電極（２７）を附加している。
【００１１】前記超伝導ＦＥＴは図９の超伝導ＦＥＴと
比較して逆転図の３層構造を具備しており、そして米国
特許No.5,278,138に開示されている。
比較して逆転図の３層構造を具備しており、そして米国
特許No.5,278,138に開示されている。
【００１２】しかし、このような超伝導ＦＥＴにおいて
は、高温超伝導膜をゲートとして利用しているので、電
界効果が数％以内に低下される深刻な問題が発生する。
は、高温超伝導膜をゲートとして利用しているので、電
界効果が数％以内に低下される深刻な問題が発生する。
【００１３】また、前記従来の超伝導ＦＥＴからは高い
電界効果を得ることができない。その理由の一つが、そ
の中の一つが100オングストローム以下の厚さをもつ超
薄膜がそのＦＥＴの高温超伝導チャンネル層として利用
されるという点である。
電界効果を得ることができない。その理由の一つが、そ
の中の一つが100オングストローム以下の厚さをもつ超
薄膜がそのＦＥＴの高温超伝導チャンネル層として利用
されるという点である。
【００１４】そのような高温超伝導チャンネル層を製造
することにおいて、いろんな問題点が発生される。
することにおいて、いろんな問題点が発生される。
【００１５】第一に、極めて薄い膜をもつYBa2Cu3O7-x
超伝導層を製造する場合に、その超伝導層が空気中の水
分と化学的に反応して異なる物質に大変迅速な速度で分
解されるので、結局超伝導特性を喪失する。
超伝導層を製造する場合に、その超伝導層が空気中の水
分と化学的に反応して異なる物質に大変迅速な速度で分
解されるので、結局超伝導特性を喪失する。
【００１６】第二に、前記超伝導トランジスターの製造
時に、いろんな段階の蝕刻工程が遂行されなければなら
ないので、極めて薄い超伝導層の化学的な安定性が大幅
に低下されてしまう。
時に、いろんな段階の蝕刻工程が遂行されなければなら
ないので、極めて薄い超伝導層の化学的な安定性が大幅
に低下されてしまう。
【００１７】最終的に、極めて薄い超伝導層の厚さがも
っと薄くなると、そのような超伝導層の再現性は膜形成
条件の最適の範囲の制限のため大幅に低下される。
っと薄くなると、そのような超伝導層の再現性は膜形成
条件の最適の範囲の制限のため大幅に低下される。
【００１８】また、他の従来の技術としては、高温超伝
導薄膜に人為的に弱結合部位（weaklink）を生成させ
て、これをゲートとして使用する超伝導ＦＥＴが開示さ
れている。
導薄膜に人為的に弱結合部位（weaklink）を生成させ
て、これをゲートとして使用する超伝導ＦＥＴが開示さ
れている。
【００１９】このような超伝導ＦＥＴからは、弱結合部
位として役割する結晶粒界が高温超伝導薄膜から生成さ
れてチャンネルとして使用される。
位として役割する結晶粒界が高温超伝導薄膜から生成さ
れてチャンネルとして使用される。
【００２０】チャンネルとして結晶粒界を使用する従来
技術の超伝導ＦＥＴは、基板の主表面を研磨して複数の
グルーブ（groove）を形成し、そして基板の主表面上に
高温超伝導薄膜を成長させてグルーブの周囲に結晶粒界
群を形成する工程によって製造される。
技術の超伝導ＦＥＴは、基板の主表面を研磨して複数の
グルーブ（groove）を形成し、そして基板の主表面上に
高温超伝導薄膜を成長させてグルーブの周囲に結晶粒界
群を形成する工程によって製造される。
【００２１】このような製造方法は、“J.Mannhart外に
多数、Physics Letters 62(6),pp630-32,1993”に開示
されている。
多数、Physics Letters 62(6),pp630-32,1993”に開示
されている。
【００２２】このような超伝導ＦＥＴの他の製造方法
は、相異なる結晶配向方位（crystalorientation）をも
つ二つの単結晶を接合して双結晶基板（bi-crystal sub
strate ）を形成する工程と、双結晶基板上に高温超伝
導薄膜を成長させて双結晶基板の接合部に結晶粒界を形
成する工程からなる。
は、相異なる結晶配向方位（crystalorientation）をも
つ二つの単結晶を接合して双結晶基板（bi-crystal sub
strate ）を形成する工程と、双結晶基板上に高温超伝
導薄膜を成長させて双結晶基板の接合部に結晶粒界を形
成する工程からなる。
【００２３】この製造方法は、“K.Nakajima外に多数、
Applied Physics Letters 63(5),pp684-688,1993”また
は“Z.G.Invanov外に多数、IEEE Transactions on Appl
iedSuperconductivity, Vol.3,No.1,pp2925-2928,199
3”に開示されている。
Applied Physics Letters 63(5),pp684-688,1993”また
は“Z.G.Invanov外に多数、IEEE Transactions on Appl
iedSuperconductivity, Vol.3,No.1,pp2925-2928,199
3”に開示されている。
【００２４】しかし、上述の従来の方法のすべてから
は、高温超伝導薄膜が蒸着された基板を機械的に変調す
ることによって、その基板の表面に蒸着された高温超伝
導薄膜に複数のグルーブが形成されるようにしてから、
その高温超伝導薄膜に結晶粒界を形成させるので、次の
ような問題点が発生する。
は、高温超伝導薄膜が蒸着された基板を機械的に変調す
ることによって、その基板の表面に蒸着された高温超伝
導薄膜に複数のグルーブが形成されるようにしてから、
その高温超伝導薄膜に結晶粒界を形成させるので、次の
ような問題点が発生する。
【００２５】第一に、基板上にグルーブを形成するため
には基板の研磨，洗滌，熱処理等のような多数の複雑な
工程が要求される。
には基板の研磨，洗滌，熱処理等のような多数の複雑な
工程が要求される。
【００２６】第二に、グルーブの個数と深さを調整する
ことが大変困難である。
ことが大変困難である。
【００２７】第三に、単結晶基板に比べ双結晶基板は大
変高価であるので、双結晶基板を使用したら高温超伝導
ＦＥＴを経済的に製造することができないようになる。
変高価であるので、双結晶基板を使用したら高温超伝導
ＦＥＴを経済的に製造することができないようになる。
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は相異な
る結晶の配向方位をもつ超伝導層（superconducting la
yers）との間に形成された結晶粒界がチャンネルとして
使用される超伝導ＦＥＴを提供するものである。
る結晶の配向方位をもつ超伝導層（superconducting la
yers）との間に形成された結晶粒界がチャンネルとして
使用される超伝導ＦＥＴを提供するものである。
【００２９】本発明の他の目的は高温超伝導薄膜を成長
させる間に結晶の配向方位により結晶粒界を形成する超
伝導ＦＥＴの製造方法を提供するものである。
させる間に結晶の配向方位により結晶粒界を形成する超
伝導ＦＥＴの製造方法を提供するものである。
【００３０】本発明のまた他の目的は高温超伝導薄膜の
成長温度の変化により結晶粒界を生成する超伝導ＦＥＴ
の製造方法を提供するものである。
成長温度の変化により結晶粒界を生成する超伝導ＦＥＴ
の製造方法を提供するものである。
【００３１】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴によると、
結晶粒界をもつ本発明の超伝導電界効果素子は、酸化物
単結晶基板（oxide crystal substrate）と、前記基板
上に形成された、相互間に電気的に隔離され、それぞれ
がソース／ドレインとしての役割をする第１高温超伝導
薄膜と、前記第１高温超伝導薄膜のソース又はドレイン
としての役割をするどちらか一方の露出部と前記ソース
・ドレイン間の露出された前記基板の一部表面上に形成
された底面層（template layer）と、前記底面層が存在
しない前記基板及び前記第１高温超伝導薄膜上にｃ−軸
が基板に垂直に配向された第１部分と前記底面層上にｃ
−軸が基板に平行に配向された第２部分からなり、前記
第１部分と前記第２部分との間に結晶粒界が形成された
第２高温超伝導薄膜と、前記第２高温超伝導薄膜上に形
成されたゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層上に形成さ
れたゲート電極と、前記第１高温超伝導薄膜のソース／
ドレイン上の前記第２高温超伝導薄膜の露出された表面
上に形成されたソース電極およびドレイン電極とから構
成される。
結晶粒界をもつ本発明の超伝導電界効果素子は、酸化物
単結晶基板（oxide crystal substrate）と、前記基板
上に形成された、相互間に電気的に隔離され、それぞれ
がソース／ドレインとしての役割をする第１高温超伝導
薄膜と、前記第１高温超伝導薄膜のソース又はドレイン
としての役割をするどちらか一方の露出部と前記ソース
・ドレイン間の露出された前記基板の一部表面上に形成
された底面層（template layer）と、前記底面層が存在
しない前記基板及び前記第１高温超伝導薄膜上にｃ−軸
が基板に垂直に配向された第１部分と前記底面層上にｃ
−軸が基板に平行に配向された第２部分からなり、前記
第１部分と前記第２部分との間に結晶粒界が形成された
第２高温超伝導薄膜と、前記第２高温超伝導薄膜上に形
成されたゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層上に形成さ
れたゲート電極と、前記第１高温超伝導薄膜のソース／
ドレイン上の前記第２高温超伝導薄膜の露出された表面
上に形成されたソース電極およびドレイン電極とから構
成される。
【００３２】本発明の他の特徴によると、結晶粒界チャ
ンネルをもつ超伝導電界効果素子を製造する本発明の方
法は、酸化物単結晶基板を準備する工程と、前記酸化物
単結晶基板の主表面上に第１高温超伝導薄膜を蒸着する
工程と、前記第１高温超伝導薄膜をパターニングして開
口をもつパターン化された超伝導薄膜を形成する工程
と、その上に第１所定の温度で底面層を蒸着する工程
と、前記底面層を選択的にエッチバックして前記底面層
が除去された露出部と前記底面層が蒸着された成長部と
を形成する工程と、第２所定の温度で第２高温超伝導薄
膜を成長させて前記露出部上の第２超伝導薄膜と前記底
面層の成長部上の第２超伝導薄膜との間にそれらの配向
の違いにより、結晶粒界を形成する工程と、前記第２高
温超伝導薄膜上に絶縁層を蒸着して前記第２高温超伝導
薄膜が大気の中からの特性に因って劣化されることを防
止する工程と、前記絶縁層を選択的にエッチバックして
前記開口上に形成された蒸着部と前記パターン化された
超伝導薄膜上に形成されたエッチ部とを形成する工程
と、前記パターン化された絶縁層上にゲート絶縁層を形
成する工程と、金属電極として、前記エッチ部上にはそ
れぞれソース／ドレイン電極を、そして前記結晶粒界の
すぐ上の前記ゲート絶縁層上にはゲート電極を形成する
工程から構成される。
ンネルをもつ超伝導電界効果素子を製造する本発明の方
法は、酸化物単結晶基板を準備する工程と、前記酸化物
単結晶基板の主表面上に第１高温超伝導薄膜を蒸着する
工程と、前記第１高温超伝導薄膜をパターニングして開
口をもつパターン化された超伝導薄膜を形成する工程
と、その上に第１所定の温度で底面層を蒸着する工程
と、前記底面層を選択的にエッチバックして前記底面層
が除去された露出部と前記底面層が蒸着された成長部と
を形成する工程と、第２所定の温度で第２高温超伝導薄
膜を成長させて前記露出部上の第２超伝導薄膜と前記底
面層の成長部上の第２超伝導薄膜との間にそれらの配向
の違いにより、結晶粒界を形成する工程と、前記第２高
温超伝導薄膜上に絶縁層を蒸着して前記第２高温超伝導
薄膜が大気の中からの特性に因って劣化されることを防
止する工程と、前記絶縁層を選択的にエッチバックして
前記開口上に形成された蒸着部と前記パターン化された
超伝導薄膜上に形成されたエッチ部とを形成する工程
と、前記パターン化された絶縁層上にゲート絶縁層を形
成する工程と、金属電極として、前記エッチ部上にはそ
れぞれソース／ドレイン電極を、そして前記結晶粒界の
すぐ上の前記ゲート絶縁層上にはゲート電極を形成する
工程から構成される。
【００３３】
【００３４】この方法において、超伝導体の前記酸化物
類はSrTiO3の（100）−配向絶縁基板、またはLaSrGaO4
の（100）−配向絶縁基板を包含する。
類はSrTiO3の（100）−配向絶縁基板、またはLaSrGaO4
の（100）−配向絶縁基板を包含する。
【００３５】この方法において、前記第１高温超伝導薄
膜を形成する前記工程は750から800℃の基板温度で約10
0mTorrの酸素圧力の下で遂行されて約1000nmの厚さをも
つ前記第１高温超伝導薄膜を形成する。
膜を形成する前記工程は750から800℃の基板温度で約10
0mTorrの酸素圧力の下で遂行されて約1000nmの厚さをも
つ前記第１高温超伝導薄膜を形成する。
【００３６】前記底面層はPrBa2Cu3O7-x（０≦ｘ≦７）
から構成される。
から構成される。
【００３７】この方法において、前記底面層を蒸着する
前記工程は600から650℃の基板温度で約100mTorrの酸素
圧力の下で遂行されて約200nmの厚さをもつ底面層を形
成する。
前記工程は600から650℃の基板温度で約100mTorrの酸素
圧力の下で遂行されて約200nmの厚さをもつ底面層を形
成する。
【００３８】この方法において、前記第２超伝導薄膜を
成長させる前記工程は750から800℃の基板温度で約100m
Torrの酸素圧力の下で遂行されて約100nmの厚さをもつ
前記第２超伝導薄膜を形成する。
成長させる前記工程は750から800℃の基板温度で約100m
Torrの酸素圧力の下で遂行されて約100nmの厚さをもつ
前記第２超伝導薄膜を形成する。
【００３９】この方法において、前記第２超伝導薄膜は
前記底面層の除去された露出部上に高温超伝導物質のｃ
−軸が基板に垂直に配向される第１部分と、前記底面層
が蒸着された成長部上に高温超伝導物質のｃ−軸が基板
に水平に配向される第２部分および、前記第１および第
２部分との間に形成される結晶粒界をもっている。
前記底面層の除去された露出部上に高温超伝導物質のｃ
−軸が基板に垂直に配向される第１部分と、前記底面層
が蒸着された成長部上に高温超伝導物質のｃ−軸が基板
に水平に配向される第２部分および、前記第１および第
２部分との間に形成される結晶粒界をもっている。
【００４０】この方法において、前記第２超伝導薄膜を
成長させる工程は前記底面層の除去された露出部上にｃ
−軸が基板に垂直に配向する高温超伝導物質を蒸着する
段階および、前記底面層の前記成長部上にｃ−軸が基板
に水平に配向された高温超伝導物質を蒸着する段階を包
含することによって、前記結晶粒界が垂直−水平配向方
位をもつ物質との間に形成されるようにする。
成長させる工程は前記底面層の除去された露出部上にｃ
−軸が基板に垂直に配向する高温超伝導物質を蒸着する
段階および、前記底面層の前記成長部上にｃ−軸が基板
に水平に配向された高温超伝導物質を蒸着する段階を包
含することによって、前記結晶粒界が垂直−水平配向方
位をもつ物質との間に形成されるようにする。
【００４１】前記第２超伝導薄膜はYBa2Cu3O7-x（０≦
ｘ≦７）から構成される。
ｘ≦７）から構成される。
【００４２】この方法において、前記絶縁層を形成する
前記工程は650から700℃の基板温度で約100mTorrの酸素
圧力の下で遂行されて約10nmの厚さをもつ絶縁層を形成
する。
前記工程は650から700℃の基板温度で約100mTorrの酸素
圧力の下で遂行されて約10nmの厚さをもつ絶縁層を形成
する。
【００４３】前記絶縁層はSrTiO3から構成される。
【００４４】この方法において、前記ゲート絶縁層を形
成する前記工程は650から700℃の基板温度で約100mTorr
の酸素圧力の下で遂行されて約100nmの厚さをもつゲー
ト絶縁層を形成する。
成する前記工程は650から700℃の基板温度で約100mTorr
の酸素圧力の下で遂行されて約100nmの厚さをもつゲー
ト絶縁層を形成する。
【００４５】前記ゲート絶縁層はSrTiO3から構成され
る。
る。
【００４６】この方法において、前記金属電極のそれぞ
れは約100nmの厚さをもっており、ＡｇまたはＡｕから
構成される。
れは約100nmの厚さをもっており、ＡｇまたはＡｕから
構成される。
【００４７】このように製造される本発明の超伝導ＦＥ
Ｔにおいては、結晶粒界上に直接的にゲート電極が形成
されるので、ゲート絶縁層を通じて印加される電圧によ
ってソースおよびドレイン間の電流の流れを制御するこ
とができる。
Ｔにおいては、結晶粒界上に直接的にゲート電極が形成
されるので、ゲート絶縁層を通じて印加される電圧によ
ってソースおよびドレイン間の電流の流れを制御するこ
とができる。
【００４８】また、高価の双結晶基板を使用せずに、よ
り低価の酸化物単結晶基板にチャンネルとして作用する
結晶粒界を形成することができるので、高温超伝導ＦＥ
Ｔを経済的に製造することができる。
り低価の酸化物単結晶基板にチャンネルとして作用する
結晶粒界を形成することができるので、高温超伝導ＦＥ
Ｔを経済的に製造することができる。
【００４９】
【実施例】図１はパルスレーザー蒸着法（pulse laser
deposition）を利用することによって酸化物単結晶基板
（１０）上にパターンされた超伝導薄膜（２０）が形成
されたことを示す。
deposition）を利用することによって酸化物単結晶基板
（１０）上にパターンされた超伝導薄膜（２０）が形成
されたことを示す。
【００５０】このパターンされた超伝導薄膜（２０）の
形成工程は750℃から800℃までの基板温度から、そして
100mTorrの酸素圧力の下で遂行されて1000nmの厚さをも
つ超伝導薄膜（２０）を形成する。
形成工程は750℃から800℃までの基板温度から、そして
100mTorrの酸素圧力の下で遂行されて1000nmの厚さをも
つ超伝導薄膜（２０）を形成する。
【００５１】具体的には、基板（１０）上にYBa2Cu3O
7-x（０≦ｘ≦７）物質の高温超伝導層を蒸着した後に
パターニング工程を遂行する。
7-x（０≦ｘ≦７）物質の高温超伝導層を蒸着した後に
パターニング工程を遂行する。
【００５２】このように、図１に図示のように、基板
（１０）上にはパターンされた超伝導薄膜（２０）が形
成される。超伝導層を蒸着することにおいて、YBa2Cu3O
7-x（０≦ｘ≦７）のｃ−軸は基板表面に対して垂直に
配向される。超伝導層をパターニングすることにおいて
は、Ａｒイオンミリングのような乾式蝕刻方法を遂行し
て超伝導層を選択的に除去しており、これをもって基板
（１０）上には開口をもつパターンされた超伝導薄膜
（２０）が形成される。残存する超伝導層（２０）はＦ
ＥＴのソース／ドレイン領域として役割する。
（１０）上にはパターンされた超伝導薄膜（２０）が形
成される。超伝導層を蒸着することにおいて、YBa2Cu3O
7-x（０≦ｘ≦７）のｃ−軸は基板表面に対して垂直に
配向される。超伝導層をパターニングすることにおいて
は、Ａｒイオンミリングのような乾式蝕刻方法を遂行し
て超伝導層を選択的に除去しており、これをもって基板
（１０）上には開口をもつパターンされた超伝導薄膜
（２０）が形成される。残存する超伝導層（２０）はＦ
ＥＴのソース／ドレイン領域として役割する。
【００５３】酸化物単結晶基板はSrTiO3（100）配向絶
縁基板やLaSrGaO4（100）配向絶縁基板のような超伝導
体の酸化物類の物質の中の一つからなる。
縁基板やLaSrGaO4（100）配向絶縁基板のような超伝導
体の酸化物類の物質の中の一つからなる。
【００５４】図２は図１の構造上に底面層（３０）が形
成されたことを図示している。
成されたことを図示している。
【００５５】図２に図示のように、パターンされた超伝
導薄膜（２０）上にはPrBa2Cu3O7-x（０≦ｘ≦７）から
構成される底面層（３０）を蒸着する。底面層（３０）
の形成工程は600℃から650℃までの温度から、そして約
100mTorrの酸素圧力の下で遂行されて 200nm程度の厚さ
をもつ底面層を形成する。
導薄膜（２０）上にはPrBa2Cu3O7-x（０≦ｘ≦７）から
構成される底面層（３０）を蒸着する。底面層（３０）
の形成工程は600℃から650℃までの温度から、そして約
100mTorrの酸素圧力の下で遂行されて 200nm程度の厚さ
をもつ底面層を形成する。
【００５６】続いて、パターニング工程を遂行してパタ
ーンされた底面層（３０ａ）を形成する。このとき、図
３に図示のように、底面層（３０）の一つの部分のみを
選択的に除去する。
ーンされた底面層（３０ａ）を形成する。このとき、図
３に図示のように、底面層（３０）の一つの部分のみを
選択的に除去する。
【００５７】この実施例では、底面層（３０）の除去さ
れた部分を第１の部分とし、底面層（３０）の残存して
いる部分を第２の部分と称する。
れた部分を第１の部分とし、底面層（３０）の残存して
いる部分を第２の部分と称する。
【００５８】図４は図３の構造上に結晶粒界（４０ｃ）
をもつ高温超伝導薄膜（４０）が形成されたことを図示
している。
をもつ高温超伝導薄膜（４０）が形成されたことを図示
している。
【００５９】図４に図示のように、パターンされた底面
層（３０ａ）上に高温超伝導薄膜（４０）を成長させ
る。
層（３０ａ）上に高温超伝導薄膜（４０）を成長させ
る。
【００６０】この超伝導薄膜成長工程は750℃から800℃
までの基板温度から、そして100mTorrの酸素圧力の下で
遂行されて100nmの厚さをもつ第２の超伝導薄膜を形成
する。
までの基板温度から、そして100mTorrの酸素圧力の下で
遂行されて100nmの厚さをもつ第２の超伝導薄膜を形成
する。
【００６１】このとき、配向方位の差異に因って超伝導
薄膜（４０）に結晶粒界（４０ｃ）が形成される。
薄膜（４０）に結晶粒界（４０ｃ）が形成される。
【００６２】具体的に、超伝導薄膜（４０）を成長させ
る間、パターンされた底面層（３０ａ）の第１部分上の
高温超伝導物質のｃ−軸は基板に垂直に配向されると同
時に、パターンされた底面層（３０ａ）の第２部分上の
高温超伝導物質のｃ−軸は基板に水平に配向される。
る間、パターンされた底面層（３０ａ）の第１部分上の
高温超伝導物質のｃ−軸は基板に垂直に配向されると同
時に、パターンされた底面層（３０ａ）の第２部分上の
高温超伝導物質のｃ−軸は基板に水平に配向される。
【００６３】これは高温超伝導薄膜が基板（１０）の露
出された部分上とそして底面層が存在しないパターンさ
れた超伝導薄膜（２０）の部分上に直接的に成長される
ためである。
出された部分上とそして底面層が存在しないパターンさ
れた超伝導薄膜（２０）の部分上に直接的に成長される
ためである。
【００６４】例として、上述の成長条件と類似に、図４
に図示のように、底面層PrBa2Cu3O7-xが存在しない第１
部分上からは高温超伝導薄膜（４０ａ）のｃ−軸は基板
に垂直の配向方位に成長されるが、底面層PrBa2Cu3O7-x
が存在する第２部分上からは高温超伝導薄膜（４０ｂ）
のｃ−軸は基板に水平の配向方位に成長される。
に図示のように、底面層PrBa2Cu3O7-xが存在しない第１
部分上からは高温超伝導薄膜（４０ａ）のｃ−軸は基板
に垂直の配向方位に成長されるが、底面層PrBa2Cu3O7-x
が存在する第２部分上からは高温超伝導薄膜（４０ｂ）
のｃ−軸は基板に水平の配向方位に成長される。
【００６５】また、高温超伝導薄膜（４０）を成長させ
る間、ｃ−軸が基板に垂直に配向された超伝導薄膜（４
０ａ）とｃ−軸が基板水平に配向された超伝導薄膜（４
０ｂ）との間には、それらの間の配向方位の差異に因っ
て、結晶粒界（４０ｃ）が形成される。
る間、ｃ−軸が基板に垂直に配向された超伝導薄膜（４
０ａ）とｃ−軸が基板水平に配向された超伝導薄膜（４
０ｂ）との間には、それらの間の配向方位の差異に因っ
て、結晶粒界（４０ｃ）が形成される。
【００６６】この実施例では、高温超伝導薄膜（４０）
はYBa2Cu3O7-x（０≦ｘ≦７）からなる。
はYBa2Cu3O7-x（０≦ｘ≦７）からなる。
【００６７】図５は高温超伝導薄膜（４０）上に絶縁層
（５０）が形成されたことを図示している。
（５０）が形成されたことを図示している。
【００６８】この絶縁層（５０）を形成する工程は650
℃から700℃までの基板温度から、そして100mTorrの酸
素圧力の下で遂行されて10nmの厚さをもつ絶縁層を形成
する。
℃から700℃までの基板温度から、そして100mTorrの酸
素圧力の下で遂行されて10nmの厚さをもつ絶縁層を形成
する。
【００６９】前記絶縁層は高温超伝導薄膜（４０）が露
出されることに因ってその特性が劣化されることを防止
するためのもので、前記絶縁層はSrTiO3から構成され
る。
出されることに因ってその特性が劣化されることを防止
するためのもので、前記絶縁層はSrTiO3から構成され
る。
【００７０】図６は絶縁層（５０）が選択的に除去され
たことを図示している。
たことを図示している。
【００７１】図６に図示のように、パターンされた超伝
導薄膜（４０）の露出された表面上にソース／ドレイン
電極をコーティングするために、パターンされた絶縁層
（５０ａ）を形成する。
導薄膜（４０）の露出された表面上にソース／ドレイン
電極をコーティングするために、パターンされた絶縁層
（５０ａ）を形成する。
【００７２】図７は前記パターンされた絶縁層（５０
ａ）上にSrTiO3からなるゲート絶縁層（６０）が形成さ
れたことを図示している。ゲート絶縁層（６０）の形成
工程は650℃から700℃までの基板温度から、そして100m
Torrの酸素圧力の下で遂行されて100nmの厚さをもつゲ
ート絶縁層を形成する。
ａ）上にSrTiO3からなるゲート絶縁層（６０）が形成さ
れたことを図示している。ゲート絶縁層（６０）の形成
工程は650℃から700℃までの基板温度から、そして100m
Torrの酸素圧力の下で遂行されて100nmの厚さをもつゲ
ート絶縁層を形成する。
【００７３】100nm厚さのゲート絶縁層（６０）はトン
ネリング電流がそれを通過して流れないようにすること
に充分である。
ネリング電流がそれを通過して流れないようにすること
に充分である。
【００７４】終りに、高温超伝導薄膜（４０）の露出さ
れた表面上にはソース／ドレイン電極（７０ａ，７０
ｂ）を形成すると同時にゲート絶縁層（６０）上にゲー
ト電極（７０ｃ）を形成する。
れた表面上にはソース／ドレイン電極（７０ａ，７０
ｂ）を形成すると同時にゲート絶縁層（６０）上にゲー
ト電極（７０ｃ）を形成する。
【００７５】前記電極は約100nm程度の厚さをもってい
るが、ＡｇやＡｕから構成される。
るが、ＡｇやＡｕから構成される。
【００７６】
【発明の効果】上述のように、本発明により製造される
超伝導電界効果トランジスターにおいては、図８に図示
のように、結晶粒界のすぐ上方にゲート電極が形成され
るので、ソースとドレイン電極との間に流れる電流をゲ
ート絶縁層に印加される電圧によって調節することがで
きる。
超伝導電界効果トランジスターにおいては、図８に図示
のように、結晶粒界のすぐ上方にゲート電極が形成され
るので、ソースとドレイン電極との間に流れる電流をゲ
ート絶縁層に印加される電圧によって調節することがで
きる。
【００７７】その上に、高価の双結晶基板を使用せずと
も薄膜の成長温度変化によって低価の酸化物単結晶基板
にチャンネルとして作用する結晶粒界を形成することが
できるので、高温超伝導電界効果素子を経済的に製造す
ることができる。
も薄膜の成長温度変化によって低価の酸化物単結晶基板
にチャンネルとして作用する結晶粒界を形成することが
できるので、高温超伝導電界効果素子を経済的に製造す
ることができる。
【００７８】本発明の範囲と技術思想を逸脱しないで多
様な他の変形が可能であることと、この分野の通常の専
門家程度なら充分にそのようにすることができるという
ことが自明である。
様な他の変形が可能であることと、この分野の通常の専
門家程度なら充分にそのようにすることができるという
ことが自明である。
【００７９】したがって、ここに添附された特許請求の
範囲はここで記述された事項のみに限定されるものでは
なく、本発明に内在された新規性のすべての特徴を包含
するものとして解析されなければならないであろう。
範囲はここで記述された事項のみに限定されるものでは
なく、本発明に内在された新規性のすべての特徴を包含
するものとして解析されなければならないであろう。
【図１】本発明の一つの実施例により高温超伝導電界効
果素子を製造する工程を示した断面図である。
果素子を製造する工程を示した断面図である。
【図２】本発明の一つの実施例により高温超伝導電界効
果素子を製造する工程を示した断面図である。
果素子を製造する工程を示した断面図である。
【図３】本発明の一つの実施例により高温超伝導電界効
果素子を製造する工程を示した断面図である。
果素子を製造する工程を示した断面図である。
【図４】本発明の一つの実施例により高温超伝導電界効
果素子を製造する工程を示した断面図である。
果素子を製造する工程を示した断面図である。
【図５】本発明の一つの実施例により高温超伝導電界効
果素子を製造する工程を示した断面図である。
果素子を製造する工程を示した断面図である。
【図６】本発明の一つの実施例により高温超伝導電界効
果素子を製造する工程を示した断面図である。
果素子を製造する工程を示した断面図である。
【図７】本発明の一つの実施例により高温超伝導電界効
果素子を製造する工程を示した断面図である。
果素子を製造する工程を示した断面図である。
【図８】本発明の一つの実施例により高温超伝導電界効
果素子を製造する工程を示した断面図である。
果素子を製造する工程を示した断面図である。
【図９】金属−絶縁体−超伝導体の３層からなる従来の
超伝導電界効果素子の構成を示した断面図である。
超伝導電界効果素子の構成を示した断面図である。
【図１０】逆転図の３層構造からなる従来の他の超伝導
電界効果素子の構成を示した断面図である。
電界効果素子の構成を示した断面図である。
１０ 基板 ２０ パターンされた高温超伝導薄膜 ３０ 底面層 ４０ 高温超伝導薄膜 ５０ 絶縁層 ６０ ゲート絶縁層 ７０ａ ソース電極 ７０ｂ ドレイン電極 ７０ｃ ゲート
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−53561（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−130969（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−251773（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−243631（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−160454（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 39/00 H01L 39/22 - 39/24
Claims (15)
- 【請求項１】 酸化物単結晶基板と、前記基板上に形成された、 相互間を電気的に隔離され、
それぞれがソース／ドレインとしての役割をする第１高
温超伝導薄膜と、 前記第１高温超伝導薄膜のソース又はドレインとしての
役割をするどちらか一方の露出部と前記ソース・ドレイ
ン間の露出された前記基板の一部表面上に形成された底
面層と、前記 底面層が存在しない前記基板及び前記第１高温超伝
導薄膜上にｃ−軸が基板に垂直に配向された第１部分と
前記底面層上にｃ−軸が基板に平行に配向された第２部
分からなり、前記第１部分と前記第２部分との間に結晶
粒界が形成された第２高温超伝導薄膜と、 前記第２高温超伝導薄膜上に形成されたゲート絶縁層
と、 前記ゲート絶縁層上に形成されたゲート電極と、 前記第１高温超伝導薄膜のソース／ドレイン上の前記第
２高温超伝導薄膜の露出された表面上に形成されたソー
ス電極およびドレイン電極とから構成される結晶粒界チ
ャンネルをもつ超伝導電界効果素子。 - 【請求項２】 酸化物単結晶基板を準備する工程と、 前記酸化物単結晶基板の主表面上に第１高温超伝導薄膜
を蒸着する工程と、 前記第１高温超伝導薄膜をパターニングして開口をもつ
パターン化された超伝導薄膜を形成する工程と、 その上に第１所定の温度で底面層を蒸着する工程と、 前記底面層を選択的にエッチバックして前記底面層が除
去された露出部と前記底面層が蒸着された成長部とを形
成する工程と、 第２所定の温度で第２高温超伝導薄膜を成長させて前記
露出部上の第２超伝導薄膜と前記底面層の成長部上の第
２超伝導薄膜との間にそれらの配向方位の違いにより、
結晶粒界を形成する工程と、 前記第２高温超伝導薄膜上に絶縁層を蒸着して前記第２
高温超伝導薄膜が大気の中での特性に因って劣化される
ことを防止する工程と、 前記絶縁層を選択的にエッチバックして前記開口上に形
成された蒸着部と前記パターン化された超伝導薄膜上に
形成されたエッチ部とを形成する工程と、 前記パターン化された絶縁層上にゲート絶縁層を形成す
る工程と、 金 属電極として、前記エッチ部上にはそれぞれソース／
ドレイン電極を、そして前記結晶粒界のすぐ上の前記ゲ
ート絶縁層上にはゲート電極を形成する工程とを包含す
る結晶粒界チャンネルをもつ超伝導電界効果素子の製造
方法。 - 【請求項３】 前記酸化物単結晶基板はSrTiO 3 の（10
0）−配向絶縁基板、またはLaSrGaO 4 の（100）−配向絶
縁基板を包含することを特徴とする請求項２記載の結晶
粒界チャンネルをもつ超伝導電界効果素子の製造方法。 - 【請求項４】 前記第１高温超伝導薄膜を形成する前記
工程は750℃から800℃までの基板温度で約100mTorrの酸
素圧力の下で遂行されて約1000nmの厚さをもつ前記第１
高温超伝導薄膜を形成することを特徴とする請求項２記
載の結晶粒界チャンネルをもつ超伝導電界効果素子の製
造方法。 - 【請求項５】 前記底面層はPrBa 2 Cu 3 O 7-x （０≦ｘ≦
７）から構成されることを特徴とする請求項２記載の結
晶粒界チャンネルをもつ超伝導電界効果素子の製造方
法。 - 【請求項６】 前記底面層を蒸着する前記工程は600℃
から650℃までの基板温度で約100mTorrの酸素圧力の下
で遂行されて約200nmの厚さをもつ底面層を形成するこ
とを特徴とする請求項２記載の結晶粒界チャンネルをも
つ超伝導電界効果素子の製造方法。 - 【請求項７】 前記第２超伝導薄膜を成長させる前記工
程は750℃から800℃までの基板温度で約100mTorrの酸素
圧力の下で遂行されて約100nmの厚さをもつ前記第２超
伝導薄膜を形成することを特徴とする請求項２記載の結
晶粒界チャンネルをもつ超伝導電界効果素子の製造方
法。 - 【請求項８】 前記第２超伝導薄膜は前記底面層の除去
された露出部上に高温超伝導物質のｃ−軸が基板に垂直
に配向される第１部分と、前記底面層が蒸着された成長
部上に高温超伝導物質のｃ−軸が基板に水平に配向され
る第２部分および、前記第１および第２部分との間に形
成される結晶粒界をもつことを特徴とする請求項２記載
の結晶粒界チャンネルをもつ超伝導電界効果素子の製造
方法。 - 【請求項９】 前記第２超伝導薄膜を成長させる前記工
程は前記底面層の除去された露出部上にｃ−軸が基板に
垂直に配向する高温超伝導物質を蒸着する段階および、
前記底面層の蒸着された成長部上にｃ−軸が基板に水平
に配向された高温超伝導物質を蒸着する段階を包含して
おり、 これをもって、前記結晶粒界が垂直−水平の配向方位を
もつ物質との間に形成されるようにすることを特徴とす
る請求項２記載の結晶粒界チャンネルをもつ超伝導電界
効果素子の製造方法。 - 【請求項１０】 前記第２超伝導薄膜はYBa 2 Cu 3 O
7-x （０≦ｘ≦７）から構成されることを特徴とする請
求項２記載の結晶粒界チャンネルをもつ超伝導電界効果
素子の製造方法。 - 【請求項１１】 前記絶縁層を形成する前記工程は650
℃から700℃までの基板温度で約100mTorrの酸素圧力の
下で遂行されて約10nmの厚さをもつ絶縁層を形成するこ
とを特徴とする請求項２記載の結晶粒界チャンネルをも
つ超伝導電界効果素子の製造方法。 - 【請求項１２】 前記絶縁層はSrTiO 3 から構成されるこ
とを特徴とする請求項１１記載の結晶粒界チャンネルを
もつ超伝導電界効果素子の製造方法。 - 【請求項１３】 前記ゲート絶縁層を形成する前記工程
は650℃から700℃までの基板温度で約100mTorrの酸素圧
力の下で遂行されて約100nmの厚さをもつゲート絶縁層
を形成することを特徴とする請求項２記載の結晶粒界チ
ャンネルをもつ超伝導電界効果素子の製造方法。 - 【請求項１４】 前記ゲート絶縁層はSrTiO 3 から構成さ
れることを特徴とする請求項１１記載の結晶粒界チャン
ネルをもつ超伝導電界効果素子の製造方法。 - 【請求項１５】 前記金属電極のそれぞれは約100nmの
厚さをもっており、ＡｇまたはＡｕから構成されること
を特徴とする請求項２記載の結晶粒界チャンネルをもつ
超伝導電界効果素子の製造方法。
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|---|---|---|---|
| KR1019940031493A KR0148596B1 (ko) | 1994-11-28 | 1994-11-28 | 결정 입계 채널을 갖는 초전도 전계효과 소자와 그 제조방법 |
| KR94-31493 | 1994-11-28 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08153908A JPH08153908A (ja) | 1996-06-11 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6307902A Expired - Fee Related JP2798361B2 (ja) | 1994-11-28 | 1994-12-12 | 結晶粒界チャンネルをもつ超伝導電界効果素子とその製造方法 |
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|---|---|
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| JP (1) | JP2798361B2 (ja) |
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