JPH01173664A - 超電導体層を有する半導体基板 - Google Patents

超電導体層を有する半導体基板

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JPH01173664A
JPH01173664A JP62331206A JP33120687A JPH01173664A JP H01173664 A JPH01173664 A JP H01173664A JP 62331206 A JP62331206 A JP 62331206A JP 33120687 A JP33120687 A JP 33120687A JP H01173664 A JPH01173664 A JP H01173664A
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composite oxide
semiconductor substrate
superconductor
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superconductor layer
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JP62331206A
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Inventor
Keizo Harada
敬三 原田
Naoharu Fujimori
直治 藤森
Shuji Yatsu
矢津 修示
Tetsuji Jodai
哲司 上代
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、半導体基板に関する。より詳細には、少なく
とも1層の超電導体層を有する半導体単結晶基板に関す
るものである。
本発明の半導体基板は上記超電導体層を半導体集積回路
の線材料として用いるだけで無く、上記超電導体にジョ
セフソン結合を形成したジョセフソン素子あるいは超電
導体と半導体とを組み合わせた超電導トランジスタやホ
ットエレクトロントランジスタ等の素子の材料として用
いることができる。
従来の技術 従来の半導体集積回路はシヂコン等の半導体単結晶基板
上に絶縁膜を形成してパターニングを施し、熱拡散、イ
オン注入等で不純物をドープすることにより必要な素子
を作製し、金属を蒸着させて配線している。
上記金属配線パターンは、蒸着で形成されるため断面積
が非常に微小となり、信号電流のロスがあった。
また、超電導体と半導体とを組み合わせた超電導トラン
ジスタやホットエレクトロントランジスタ等の集積回路
素子は概念的には提案されているが複合酸化物超電導材
料を具体的に用いたものは作製されていない。
発明が解決しようとする問題点 半導体集積回路の金属配線パターンは、蒸着等で形成さ
れるため断面積が微小で信号電流のロスが避けられなか
った。また、半導体集積回路の動作速度を向上させるに
は、素子そのものの動作速度を向上させることも重要で
あるが、配線における信号伝播速度を向上させることも
必要である。
ところが、従来の半導体集積回路では配線部分における
ロスのため信号伝播速度を向上させるのに限界があった
。また、配線部分におけるロスのため素子の集積度があ
がり高密度化が進むと、消費電力が上昇し、それに伴う
発熱のため集積度の限界も自ずから決まってしまってい
た。
さらに、超電導体と半導体とを組み合わせた超電導トラ
ンジスタやホットエレクトロントランジスタ、FET等
の素子を形成する場合には半導体単結晶基板上に超電導
材料の層を均一に形成した基板が必須であるが、従来の
Nb系の超電導材料では半導体基板上に超電導材料の層
を均一に形成したものはなかった。また、金属系超電導
体は、臨界温度が低く実用的でなかった。
本発明の目的は、上記の問題を解決して半導体単結晶基
板上に、臨界温度を始めとする超電導特性が優れた複合
酸化物超電導体薄膜層を有する半導体基板を提供するこ
とにある。
問題点を解決するための手段 本発明に従うと、GaAs単結晶基板上に周期律表Il
a族元素から選択された少なくとも1種の元素α、周期
律表ma族元素から選択された少なくとも1種の元素β
、周期律表1b、■b、■b、■a1■a族元素から選
択された少なくとも1種の元素γを含有する複合酸化物
超電導体よりなる薄膜層が形成されていることを特徴と
する超電導体層を有する半導体基板が提供される。
本発明に従うと、上記超電導体は複合酸化物超電導材料
によって形成されているのが好ましい。
この複合酸化物超電導材料としては公知の任意の材料を
用いることができる。特に、下記一般式:%式%) (但し、αは周期律表11a族に含まれる元素であり、
βは周期律表IIIa族に含まれる元素であり、γは周
期律表Ib、Ilb、I[[b、rVaおよび■a族か
ら選択される少なくとも一つの元素であり、xlySz
はそれぞれ0.1 ≦X≦0.9.0.4≦y≦3.0
.1≦2≦5を満たす数である) で示される複合酸化物が好ましい。これらの複合酸化物
はペロブスカイト型または擬似ペロブスカイト型酸化物
を主体としたものと考えられる。
上記周期律表IIa族元素αとしては、Ba、 Sr。
Ca、 Mg、 Be等が好ましく、例えば、Ba、 
Srを挙げることができ、この元素αの10〜80%を
Mg、 Ca。
Srから選択された1種または2種の元素で置換するこ
ともできる。また上記周期律表I[Ia族元素βはとし
ては、Yの他La5ScXCe、 GclSHo、 E
r、 Tm。
Yb、 Lu等ランタノイド元素が好ましく、例えばY
、La、 Hoとすることができ、この元素βのうち、
10〜80%をScまたはランタノイド元素から選択さ
れた1種または2種の元素で置換することもできる。
前記元素γは一般にCuであるが、その一部を周期律表
1b、IIb、llIb、IVaおよび■a族から選択
される他の元素、例えば、T1、V等で置換することも
できる。
作用 本発明の超電導体層を有する半導体基板は、半導体単結
晶基板上に、複合酸化物超電導体層が形成されていると
ころにその主要な特徴がある。すなわち、本発明の超電
導体層を有する半導体基板は、従来の半導体と複合酸化
物超電導体を組み合わせた新規な半導体デバイスの基本
材料となるものである。
本発明の超電導体層を有する半導体基板は、配線部を従
来の金属から複合酸化物超電導体に置き換えた半導体集
積回路基板としてのみ使用できるだけでなく、複合酸化
物超電導体の部分にジョセフソン接合を形成した半導体
デバイスあるいは半導体基板と超電導体とを組み合わせ
た超電導トランジスタや熱電子トランジスタのような新
規な半導体素子を形成するためのデバイス用材料として
も用いることができる。
第1図に本発明の超電導体層を有する半導体基板を材料
とした超電導トランジスタを示す。超電導トランジスタ
は、超電導近接効果を利用し、半導体中に超電導電流を
流すものである。第1図に示す超電導トランジスタは、
本発明の超電導体層を有する半導体基板を用い、超電導
体層を分割加工して超電導電極としたものである。すな
わち、第1図に示す超電導トランジスタは、以下の工程
で作製するものである。
半導体単結晶基板上の一部に、予め熱酸化等で絶縁体層
を形成してから、超電導体層を形成する半導体単結晶基
板の反対側の面をエツチングし、単結晶薄膜を形成し、
その表面にさらに絶縁層を形成し、該絶縁層上に金属を
蒸着して電極を形成したものである。その後、超電導体
層をイオンエツチングを用い、2個の電極に分割加工す
る。
本発明の超電導体層を有する半導体基板に使用する複合
酸化物超電導体としては、YBCOと称されるY1Ba
2cu+ot Xで代表されるような多層ペロブスカイ
ト結晶構造を有する複合酸化物が好ましい。しかしなが
らこれに限定されるものではなく、公知の超電導体の任
意のものを使用することが可能である。
また、本発明の超電導体層を有する半導体基板を作製す
るには、半導体単結晶基板上にスパッタリング、イオン
ブレーティング、分子線エピタキシー、CVD (化学
的気相反応法)等の蒸着法あるいは蒸着法に類似の方法
で複合酸化物超電導体層を形成するのが好ましい。その
際、半導体単結晶の物性を損なわないよう基板温度を7
00℃以下で複合酸化物超電導体層を形成させることが
好ましい。
さらに、複合酸化物超電導体層はGaAs単結晶基板の
(100)面に形成することが好ましい。これは、複合
酸化物超電導体の結晶性を向上させるためで、GaAs
単結晶基板の上記の面に形成された複合酸化物超電導体
薄膜は、結晶のC軸が基板成膜面に平行に近い角度で揃
う配向性を有するため特定の面方向および深さ方向の臨
界電流密度Jcが向上する。
また、半導体単結晶基板と複合酸化物超電導体層の界面
の状態を改善するため、半導体基板上にバッファ層を予
め形成し、該バッファ層上に複合酸化物超電導体層を形
成することも好ましい。このバッファ層としては、Mg
O等が好ましい。
実施例 以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、以下
に記載するものは本発明の単なる実施例に過ぎず、以下
の開示により、本発明の範囲が同等制限されないことは
勿論である。
GaAs単結晶基板上に複合酸化物超電導体層を形成し
、本発明の超電導体層を有する半導体基板を作製した。
YBa2Cu4. s Ox焼結体粉末およびHoBa
2.2Cu、、t Ox焼結体粉末をターゲットとして
、公知のマグネトロンスパッタリング法により、GaA
s半導体単結晶基板の(100)面上に複合酸化物超電
導体層を形成する。基板とターゲットの位置関係および
高周波電力の大きさに特に注意し、基板温度700℃で
スパッタリングを行い、複合酸化物超電導体層を100
0人まで成長させ、試料とする。
上記の本発明の超電導体層を有する半導体装置は、いず
れのものも半導体と超電導体との界面の状態がよく、半
導体デバイス材料として優れた特性を有している。また
、それぞれの試料の超電導体層の超電導臨界温度および
77Kにおける臨界電流を以下に示す。
以上説明したように、本発明の超電導体層を有する半導
体基板は、半導体デバイス用基板としてたいへん有効で
ある。
発明の効果 本発明により、新規な半導体デバイス材料としてたいへ
ん有効な超電導体層を有する半導体基板が提供される。
本発明により、半導体デバイスの高速化、高密度化がさ
らに推進される。さらに、本発明はジョセフソン素子と
異なり、3端子以上の端子を有する超電導体を利用した
半導体デバイス等に応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の超電導体層を有する半導体基板を用
いて作製した超電導トランジスタの断面模式図である。 〔主な参照番号〕 1・・・超電導電極、 2・ ・ ・絶縁層−1 3・・・半導体単結晶、 4・・・ゲート絶縁層、 5・・・ゲート電極、 特許出願人  住友電気工業株式会社

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)GaAs単結晶基板上に周期律表IIa族元素から
    選択された少なくとも1種の元素α、周期律表IIIa族
    元素から選択された少なくとも1種の元素β、周期律表
    Ib、IIb、IIIb、IVa、VIIIa族元素から選択され
    た少なくとも1種の元素γを含有する複合酸化物超電導
    体よりなる薄膜層が形成されていることを特徴とする超
    電導体層を有する半導体基板。
  2. (2)上記複合酸化物超電導体が、 一般式:(α_1_−_xβ_x)γ_yO_z(但し
    、α、β、γは、上記定義の元素であり、xはα+βに
    対するβの原子比で、0.1≦x≦0.9であり、yお
    よびzは(α_1_−_xβ_x)を1とした場合に0
    .4≦y≦3.0、1≦z≦5となる原子比である) で表される組成の酸化物であることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項に記載の超電導体層を有する半導体基板
  3. (3)上記複合酸化物超電導体が、ペロブスカイト型結
    晶または多層ペロブスカイト型結晶を有する酸化物であ
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項または第2項
    に記載の超電導体層を有する半導体基板。
  4. (4)上記複合酸化物超電導体が、BaおよびYを含み
    、さらにAl、Fe、Co、Ni、Zn、Cu、Ag、
    Tiによって構成される群から選択される少なくとも1
    種の元素を含む複合酸化物超電導体であることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項乃至第3項のいずれか1項に
    記載の超電導体層を有する半導体基板。
  5. (5)上記複合酸化物超電導体が、 Y_1Ba_2Cu_3O_7_−_x(ただしxは0
    <x<1を満たす数である) で表される複合酸化物であることを特徴とする特許請求
    の範囲第4項に記載の超電導体層を有する半導体基板。
  6. (6)上記複合酸化物超電導体が、BaおよびLaを含
    み、さらにAl、Fe、Co、Ni、Zn、Cu、Ag
    、Tiによって構成される群から選択される少なくとも
    1種の元素を含むことを特徴とする特許請求の範囲第1
    項乃至第3項のいずれか1項に記載の超電導体層を有す
    る半導体基板。
  7. (7)上記複合酸化物超電導体が、 La_1Ba_2Cu_3O_7_−_x(ただしxは
    0<x<1を満たす数である) で表される複合酸化物であることを特徴とする特許請求
    の範囲第6項に記載の超電導体層を有する半導体基板。
  8. (8)上記複合酸化物超電導体が、SrおよびLaを含
    み、さらにAl、Fe、Co、Ni、Zn、Cu、Ag
    、Tiによって構成される群から選択される少なくとも
    1種の元素を含むことを特徴とする特許請求の範囲第1
    項乃至第3項のいずれか1項に記載の超電導体層を有す
    る半導体基板。
  9. (9)上記複合酸化物超電導体が、 La_1Sr_2Cu_3O_7_−_x(ただしxは
    0<x<1を満たす数である) で表される複合酸化物であることを特徴とする特許請求
    の範囲第8項に記載の超電導体層を有する半導体基板。
  10. (10)上記複合酸化物超電導体が、BaおよびHoを
    含み、さらにAl、Fe、Co、Ni、Zn、Cu、A
    g、Tiによって構成される群から選択される少なくと
    も1種の元素を含むことを特徴とする特許請求の範囲第
    1項乃至第3項のいずれか1項に記載の超電導体層を有
    する半導体基板。
  11. (11)上記複合酸化物超電導体が、 Ho_1Ba_2Cu_3O_7_−_x(ただしxは
    0<x<1を満たす数である) で表される複合酸化物であることを特徴とする特許請求
    の範囲第10項に記載の超電導体層を有する半導体基板
  12. (12)上記複合酸化物超電導体が、BaおよびNdを
    含み、さらにAl、Fe、Co、Ni、Zn、Cu、A
    g、Tiによって構成される群から選択される少なくと
    も1種の元素を含むことを特徴とする特許請求の範囲第
    1項乃至第3項のいずれか1項に記載の超電導体層を有
    する半導体基板。
  13. (13)上記複合酸化物超電導体が、 Nd_1Ba_2Cu_3O_7_−_x(ただしxは
    0<x<1を満たす数である) で表される複合酸化物であることを特徴とする特許請求
    の範囲第12項に記載の超電導体層を有する半導体基板
  14. (14)上記複合酸化物超電導体が、BaおよびSmを
    含み、さらにAl、Fe、Co、Ni、Zn、Cu、A
    g、Tiによって構成される群から選択される少なくと
    も1種の元素を含むことを特徴とする特許請求の範囲第
    1項乃至第3項のいずれか1項に記載の超電導体層を有
    する半導体基板。
  15. (15)上記複合酸化物超電導体が、 Sm_1Ba_2Cu_3O_7_−_x(ただしxは
    0<x<1を満たす数である) で表される複合酸化物であることを特徴とする特許請求
    の範囲第14項に記載の超電導体層を有する半導体基板
  16. (16)上記複合酸化物超電導体が、BaおよびEuを
    含み、さらにAl、Fe、Co、Ni、Zn、Cu、A
    g、Tiによって構成される群から選択される少なくと
    も1種の元素を含むことを特徴とする特許請求の範囲第
    1項乃至第3項のいずれか1項に記載の超電導体層を有
    する半導体基板。
  17. (17)上記複合酸化物超電導体が、 Eu_1Ba_2Cu_3O_7_−_x(ただしxは
    0<x<1を満たす数である) で表される複合酸化物であることを特徴とする特許請求
    の範囲第16項に記載の超電導体層を有する半導体基板
  18. (18)上記複合酸化物超電導体が、BaおよびGdを
    含み、さらにAl、Fe、Co、Ni、Zn、Cu、A
    g、Tiによって構成される群から選択される少なくと
    も1種の元素を含むことを特徴とする特許請求の範囲第
    1項乃至第3項のいずれか1項に記載の超電導体層を有
    する半導体基板。
  19. (19)上記複合酸化物超電導体が、 Gd_1Ba_2Cu_3O_7_−_x(ただしxは
    0<x<1を満たす数である) で表される複合酸化物であることを特徴とする特許請求
    の範囲第18項に記載の超電導体層を有する半導体基板
  20. (20)上記複合酸化物超電導体が、BaおよびDyを
    含み、さらにAl、Fe、Co、Ni、Zn、Cu、A
    g、Tiによって構成される群から選択される少なくと
    も1種の元素を含むことを特徴とする特許請求の範囲第
    1項乃至第3項のいずれか1項に記載の超電導体層を有
    する半導体基板。
  21. (21)上記複合酸化物超電導体が、 Dy_1Ba_2Cu_3O_7_−_x(ただしxは
    0<x<1を満たす数である) で表される複合酸化物であることを特徴とする特許請求
    の範囲第20項に記載の超電導体層を有する半導体基板
  22. (22)上記複合酸化物超電導体が、BaおよびErを
    含み、さらにAl、Fe、Co、Ni、Zn、Cu、A
    g、Tiによって構成される群から選択される少なくと
    も1種の元素を含むことを特徴とする特許請求の範囲第
    1項乃至第3項のいずれか1項に記載の超電導体層を有
    する半導体基板。
  23. (23)上記複合酸化物超電導体が、 Er_1Ba_2Cu_3O_7_−_x(ただしxは
    0<x<1を満たす数である) で表される複合酸化物であることを特徴とする特許請求
    の範囲第22項に記載の超電導体層を有する半導体基板
  24. (24)上記複合酸化物超電導体が、BaおよびYbを
    含み、さらにAl、Fe、Co、Ni、Zn、Cu、A
    g、Tiによって構成される群から選択される少なくと
    も1種の元素を含むことを特徴とする特許請求の範囲第
    1項乃至第3項のいずれか1項に記載の超電導体層を有
    する半導体基板。
  25. (25)上記複合酸化物超電導体が、 Yb_1Ba_2Cu_3O_7_−_x(ただしxは
    0<x<1を満たす数である) で表される複合酸化物であることを特徴とする特許請求
    の範囲第24項に記載の超電導体層を有する半導体基板
  26. (26)上記複合酸化物超電導体薄膜層が、上記GaA
    s単結晶基板の(100)面上に形成されていることを
    特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第25項のいずれ
    か1項に記載の超電導体層を有する半導体基板。
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