JP3203799B2 - 超伝導3端子素子 - Google Patents

超伝導3端子素子

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、応答性に優れ、低消費
電力であり、かつ高温動作可能な超伝導トランジスタに
関する。さらに詳述すれば、超伝導3端子素子におい
て、高温動作可能な銅酸化物高温超伝導体を用い、さら
には超伝導体部分の低次元化、すなわち、当該銅酸化物
超伝導体に2次元超薄膜である1単位格子膜を用いるこ
とにより応答特性を向上させ高集積化を容易にする構成
法、および、当該超伝導3端子素子において電界効果に
よって動作特性を制御する手段に関するものである。
【0002】
【従来の技術】例えば、フィジカル・レビユー・レター
ズ67巻15号(1991年)第2099頁から第21
01頁(Phys. Rev. Lett. Vol.67, No.15 (1991)PP209
9-2101)に紹介されるように、従来のMOSFETに代表され
る常伝導トランジスタは、半導体にソース電極、ドレイ
ン電極、さらにはゲート電極を付加した構造をとり、ソ
ース電極とドレイン電極間の電流および電圧をゲート電
極部への電圧印加により制御を行なうことにより、論理
素子や記憶素子へと応用してきた。
【0003】この3端子構造において、半導体内の電流
経路の全体もしくはその一部を超伝導体に置き換えれ
ば、超伝導電流には電力損失がないという利点を生か
し、消費電力が飛躍的に少ない電界効果型超伝導トラン
ジスタを作ることができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記超伝導3端子素子
を論理素子または記憶素子として使用する場合には、ゲ
ート電極部への電圧印加による電界効果が本質的であ
る。超伝導3端子素子を、安定かつ高速に動作させるた
めには、この電界効果を増すことが重要な技術的課題と
なる。
【0005】しかし、超伝導体が金属である場合には、
超伝導を担うキャリアー数が単位立方センチメートル当
たり10の23乗個程度と多いために、いずれも電界効
果がなく超伝導素子として利用できなかった。
【0006】また、高温動作を目的として銅酸化物超伝
導体を用いても、膜厚が約40オングストローム以上の
薄膜では、超伝導素子として十分に有効な電界効果が得
られていないのが現状である。
【0007】さらには、銅酸化物超伝導体に金属などの
電極を形成するプロセスにおいては、酸素欠損のため銅
酸化物の組成が最適値からずれ、超伝導特性が著しく劣
化すること、すなわち超伝導転移温度や臨界電流密度が
低下することが問題となっている。
【0008】本発明の第1の目的は、金属を用いた従来
型超伝導素子より高温での動作が可能であり、かつ大き
な電界効果をもつ超伝導3端子素子を与えること、第2
の目的は超伝導特性の劣化を防ぐことである。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の第1の目的は、超
伝導体部分において、結晶単位胞にしてわずか1単位格
子分の厚さしか有しない銅酸化物超伝導体一単位格子膜
を用いることによって最も容易に達成される。さらに、
第2の目的は、当該超薄膜を銅酸化物系と結晶格子整合
性の良い酸化物半導体膜で上下からサンドイッチした3
層の積層構造を与えることによって達成される。
【0010】当該1単位格子膜としては、例えば、Y-Ba
-Cu-Oなる組成をもつイットリウム系超伝導体、Bi-Sr-C
a-Cu-Oなる組成をもつビスマス系超伝導体、もしくは、
Tl-Ba-Ca-Cu-Oなる組成をもつタリウム系超伝導体を用
いることができる。また、酸化物半導体膜としては、例
えば、Pr-Ba-Cu-Oを用いることができる。
【0011】
【作用】本発明で開示する超伝導3端子素子の構成原理
を図1を用いて説明する。酸化物半導体薄膜1上に銅酸
化物超伝導体1単位格子膜2を積層し、さらにこの上面
に酸化物半導体薄膜3を積層した3層構造を形成する。
このとき、銅酸化物超伝導体部2は上下の酸化物半導体
で挟まれ外部に露出せず酸素欠損を避けることができ
る。これにより、上記第2の目的である超伝導特性の劣
化を防ぐことができる。
【0012】ただし、この3層結晶構造を安定させるた
めには、酸化物半導体1と3としては銅酸化物超伝導体
2と格子整合性が良くエピタキシャル成長する物質を選
ぶ必要がある。
【0013】さらには、この3層積層構造全体が絶縁体
薄膜である基板4の上面に配置されている。
【0014】ソース電極部5とドレイン電極部6は導電
体であり、酸化物半導体薄膜3上部に距離をおいて個別
に形成されている。ゲート電極部7は基盤4の下面(3
層積層構造が形成される面の反対側の面)に形成されて
いる。
【0015】次に、本超伝導3端子素子の動作原理を説
明する。上記3端子素子を銅酸化物超伝導体2の超伝導
転移温度以下に冷却することにより、ソース電極5とド
レイン電極6の間に銅酸化物超伝導体部2を介して超伝
導電流Isdを流すことができる。ここで、ゲート電極部
7に電圧Vgを印加すると、銅酸化物超伝導体部2には大
きな電界が加わる。この場合、銅酸化物において超伝導
を担うキャリヤー(電荷をもつ)の一部が、電界による
クーロン力を受け、酸化物半導体1もしくは3と銅酸化
物超伝導体2とが接する界面近傍に引き寄せられるため
超伝導キャリヤー濃度が変化することになる。この電界
効果を利用すれば、下記理論に示すように、ゲート電圧
Vgによってソース-ドレイン電極(5-6)間の電流(Isd)-
電圧(Vsd)特性を制御することが可能となる。さらには
超伝導状態と常伝導状態間におけるスイッチング動作も
可能となる。
【0016】ハルペリンとネルソンが論文誌「ジャーナ
ル・オブ・ロー・テンパラチャー・フィジックス36巻
5/6号(1979年)第599頁から第616頁(J.
Low. Temp.Phys., Vol.36, Nos.5/6 (1979) PP599-61
6) )」で展開した理論に基づくと、膜厚がdであり超伝
導キャリヤー密度ns(単位体積当たりの超伝導キャリヤ
ー数)をもつ超伝導膜に対し、電気抵抗がゼロとなる温
度Tc又は超伝導特性は、超伝導キャリヤーの面密度ns'=
ns×dとキャリヤーの有効質量m*の比ns'/m*によって決
まる。同理論によると、ns'/m*が小さい程、例えば、n
s'の変化量Δns'に対するTcの変化の割合ΔTc/Δns'が
大きくなることがわかる。
【0017】この理論から、3次元超伝導体から超薄膜
である2次元超伝導体への低次元化を図ることにより、
電界効果を増すことが一般的に可能であることがいえ
る。超伝導体の膜厚dを超伝導性を失わない程度に極限
まで小さくすれば、キャリヤー変化を介した電界効果を
最大にすることが可能となる。
【0018】しかし、従来の金属超伝導体では、キャリ
ヤー濃度が大きいために、ns'/m*が大きく、上記低次元
化の利点はない。金属超伝導体においては10オングス
トローム程度の超薄膜でさえも有効な電界効果は得られ
ない。
【0019】一方、銅酸化物超伝導体では、キャリヤー
濃度が金属に比べ1-2桁程度低く、また電子相関が強
い物質であるためにキャリヤーの有効質量m*が自由電子
質量の5-10倍程度と大きくなっている。これら銅酸
化物特有の性質より、銅酸化物超伝導体ではns/m*が非
常に小さくなり、低次元化により電界効果が飛躍的に大
きくなることがわかる。さらには、銅酸化物超伝導体の
転移温度は金属超伝導体に比べ高温であることより、超
伝導3端子素子の高温動作に有利である。
【0020】以上の点を考慮して、本超伝導3端子素子
に用いる超伝導体としては、銅酸化物超伝導体バルクの
結晶単位胞にしてわずか一単位格子分の厚さしか有しな
い銅酸化物一単位格子膜が最適であり、上記第1目的が
達成される。
【0021】次に、本超伝導3端子素子の動作特性を図
2において説明する。
【0022】本素子を超伝導転移温度以下の低温に冷却
した場合を考える。上記の理論に基づくと、ゲート電圧
ゼロ(Vg=0)のもとで、ソース-ドレイン電極間の超伝導
電流Isdはソース-ドレイン電極間電圧Vsdの関数としてV
sdのβ乗に比例する。ここで正もしくは負のゲート電圧
を印加すると、電界効果、すなわちゲート電圧の変化に
応じた超伝導キャリヤ濃度の変化のために、ベキ法則電
流-電圧(Isd-Vsd)特性を図2のように変化させることが
できる。
【0023】ここで、図3(a)に示したように、ベキ
指数βはゲート電圧の単調増加関数となる。ただし、正
のゲ−ト電圧側には、β(Vgc)=1/3を満たす臨界値V
gcが存在し、ゲート電圧がVgcを越えると、超伝導状態
が壊れ常伝導状態へと相転移し、電流-電圧特性は通常
のオーミック特性(β=1)を示すようになる。ここ
で、ベキ指数が1/3から1へ鋭くジャンプすることが
相転移の特徴のひとつである。
【0024】従って、この相転移の性質がゲート電圧に
よる超伝導-常伝導間のスイッチング動作を可能として
いる。また、上記のベキ指数の値はゲート電圧のみなら
ず温度によっても変化する。図3(b)に示したよう
に、温度Tに関してはβ=1/3までは単調増加関数で
あり、ある決まった温度で値1へと鋭くジャンプする。
それ以上の温度ではβ=1のオーミック特性を示す。
【0025】
【実施例】まず、図1に対応する超伝導3端子素子を実
現した例を記載する。ゲート電極にはNbをドープしたSr
-Ti-O(導電体)を用いた。このゲート電極上に、膜厚
1000オングストロームの絶縁体基板Sr-Ti-Oを結晶
方位(100)方向にエピタキシャル成長させた。さら
に、この基板上に酸化物半導体Pr-Ba-Cu-Oの3単位格子
膜(膜厚36オングストローム)、銅酸化物超伝導体Y-
Ba-Cu-Oの1単位格子膜(膜厚12オングストロー
ム)、そしてPr-Ba-Cu-Oの3単位格子膜を、順次エピタ
キシャル成長させることによって作製した。Pr-Ba-Cu-O
とY-Ba-Cu-Oの結晶のc軸は、いずれも基板面に垂直であ
る。表面にあるPr-Ba-Cu-O層の上部には、ソース電極と
ドレイン電極として、2個のAuパッドを蒸着した。各パ
ッドは1mm角であり、パッド間の間隔は2mmである。
【0026】本実施例の結晶成長プロセスには反応性蒸
着法を用い、結晶成長中は反射電子線回折(RHEED)に
よるその場観察から1単位格子ごとの成長制御をおこな
った。また反応性蒸着法だけでなく、スパッタ法、ある
いはレーザーMBE(MolecularBeam Epitaxy)法によっても
同様な積層型の素子構造を作製することができる。本実
施例において作製された超伝導3端子素子において、ゲ
ート電圧がゼロの条件で、ソース-ドレイン間の電気抵
抗の温度特性を測定すると、電気抵抗がゼロとなる超伝
導転移温度Tcは30ケルビンである。さらに、ゲート電
圧を+1ボルトから-1ボルトまで連続的に変化させる
とTcも連続的に変化した。
【0027】図4は、このときのTcの変化率をゲート電
圧の変化率の関数としてあらわしたものである。
【0028】また、Tc近傍での電流電圧特性を測定する
ことにより、前述した動作原理すなわちべき法則および
べき指数のジャンプを確認し、超伝導と常伝導間のスイ
ッチング動作が可能であることがわかった。
【0029】以上の実施例はY-Ba-Cu-O1単位格子膜を
用いた結果であるが、膜厚が2倍であるY-Ba-Cu-O2単
位格子膜(膜厚24オングストローム)を用いると、Tc
の変化率/ゲート電圧の変化率なる比は約1/2まで落
ちた。
【0030】
【発明の効果】以本述べたように、本発明によると、常
伝導、超伝導状態間のスイッチングをゲート電圧の変化
から有効に制御できる電界効果型超伝導素子を得ること
ができる。さらには、超伝導部分に銅酸化物1単位格子
膜を用いると、(Tcの変化率/ゲート電圧の変化率)に
より定義されるスイッチング効率が最大となり、微小な
ゲート電圧による制御も可能となるため、その効果は非
常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で開示する超伝導3端子素子の構成原理
を示す図。
【図2】本発明で開示する超伝導3端子素子の動作特性
を示す図。
【図3】(a)は本発明で開示する超伝導3端子素子の
ベキ指数βをゲート電圧について示す図、(b)は本発
明で開示する超伝導3端子素子のベキ指数βをゲートの
温度について示す図。
【図4】本実施例において作製された超伝導3端子素子
において、ゲート電圧がゼロの条件で、ソース-ドレイ
ン間の電気抵抗がゼロとなる超伝導転移温度Tcの変化率
をゲート電圧の変化率の関数として示す図。
フロントページの続き (72)発明者 村山 良昌 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式 会社日立製作所基礎研究所内 (56)参考文献 特開 平6−21521(JP,A) 特開 平4−199888(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 39/22 - 39/24 H01L 39/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 超伝導体にソース電極とドレイン電極、さ
    らにはゲート電極を形成した超伝導3端子素子におい
    て、超伝導体部が酸化物半導体/銅酸化物超伝導体/酸
    化物半導体の3層構造積層膜であることを特徴とする超
    伝導3端子素子。
  2. 【請求項2】 銅酸化物超伝導体が結晶単位胞にして1単
    位格子分の厚さを有する1単位格子膜であることを特徴
    とする請求項1記載の超伝導3端子素子。
  3. 【請求項3】 ゲート電極部に電圧を印加することによ
    り、前記ソース電極と前記ドレイン電極間を流れる電流
    を制御する手段を具備したことを特徴とする請求項1載
    の超伝導3端子素子。
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