JPH02181482A - 超電導体層を有する半導体基板 - Google Patents

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、本発明
は、シリコン基板と、このシリコン基板上に形成された
半導体層と、この半導体層上に積層された複合酸化物超
電導体薄膜とによって構成される新規な半導体基板の構
成に関する。

従来の技術 電子の相転移であるといわれる超電導現象は、特定の条
件下で導体の電気抵抗が零の状態となり完全な反磁性を
示す現象である。

超電導現象をエレクトロニクスの分野に応用したものと
して各種の超電導素子が知られている。

代表的なものとして、超電導体の弱結合において量子効
果が巨視的に発現するジョセフソン効果を利用した所謂
ジョセフソン効果素子が挙げられる。

特に、超電導体のエネルギーギャップが小さいことから
、トンネル接合型ジョセフソン素子は極めて高速で電力
消費の少ない理想的なスイッチング素子として期待され
ている。更に、ジョセフソン素子等の単なるスイッチン
グ素子とは異なる、超電導体と半導体とを組み合わせた
トランジスターやホットエレクトロントランジスター等
の素子構造も提案されている（ＩＪ、Ｈｅｉｂｌｕｍ、
　　ｒｓｏｌｉｄＳｔａｔｅ　ＥＩｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
」第２４巻、第３４３−３４６頁、１９８１）。

また、一般に電子回路の高集積化に伴って単位面積当た
りの発熱量が冷却能力の限界に迫っておリ、半導体回路
の高速化は限界が近いといわれている。これに対して、
超電導体を配線材料に使用することができれば、伝送損
失に伴う種々の問題は抜本的に改善される。

更に、半導体集積回路の動作速度の向上についても、素
子そのものの動作速度を向上させることの他に、配線上
の信号伝播速度を向上させることが要求されてきている
。ところが、金属配線を使用した半導体集積回路では配
線部分における伝播損失のために信号伝播速度の向上に
も限界があり、この点からも超電導体を使用した回路に
期するところは大きい。

一方、様々な努力にもかかわらず、超電導材料の超電導
臨界温度Ｔｃは長期間に亘ってＮｂ、Ｇｅの２３Ｋを越
えることができなかった。しかしながら、１９８６年に
［：Ｌａ、　Ｂａｌ　ｚｃｕ（Ｌまたは〔Ｌａ、　Ｓｒ
：］　２Ｃｕ０４等の複合酸化物焼結体が高いＴｃを有
する超電導材料であることが見出され、非低温超電導実
現の可能性が論じられるようになった。これらの複合酸
化物系超電導材料では、３０乃至５０にという従来に比
べて飛躍的に高いＴ。が観測された。更に、ＹＩＢａ２
Ｃｕ３０ｑ−ｘで表される組成を有する複合酸化物は、
９０に以上の温度範囲で超電導特性を示すことが確認さ
れた。

発明が解決しようとする課題 ところで、前述のような配線材料としての超電導体やジ
ョセフソン素子、ホットエレクトロントランジスター等
の素子については、種々の構成が提案されているにも関
わらず、具体的にこれを使用して構成された集積回路は
実現されていない。

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超電導素
子を形成する場合には、半導体層と超電導材料の層が均
一に積層された複合体が必要である。しかしながら、現
状では、各種の超電導素子の作製に適した基材は供給さ
れていない。

そこで、本発明の目的は、上記の問題を解決して半導体
層と複合酸化物系超電導体層とをいずれも具備して、素
子や集積回路等を作製する際の基材となり得る新規な半
導体基板を提供することにある。

課題を解決するための手段 即ち、本発明に従うと、シリコン基板と、該シリコン基
板上に形成された化合物半導体層と、該化合物半導体層
上に形成された、ＢｉまたはＴ１、周期律表ＩＩａ族か
ら選択された少なくとも１種の元素および［”ｕを含む
複合酸化物系超電導材料により形成された超電導体層と
を備えることを特徴とする半導体基板が提供される。

作用 本発明により提供される半導体基板は、シリコン基板と
、この基板上に形成さた化合物半導体層と、更にこの半
導体層上に形成された超電導体層とを具備することを特
徴としている。

ここで、半導体層を形成する材料としては、ＧａＡｓ、
　ＩｎＰＳＩｎＳｂ、　Ｚｎ５ｅ、　ＣｄＴｅＳＣｄＴ
ｅＳＳｉＣ５ＧａｐＳＨ，ＧａＡｌＡｓ、　Ｇａ１ｎＡ
ｓ、　ＩｎＡｌＡｓおよびＩｎＧａＡＳ　Ｐの中から選
択される化合物半導体材料を例示することができる。

また、複合酸化物系超電導体層の材料としては、周期律
表Ｕａ族から選択された１種以上の元素と、ＴＩまたは
Ｂ１とＣｕとを含む複合酸化物が、優れた超電導特性を
長期間に亘って安定して示すものとして特に有利である
。ここで、好ましいＩＩａ族元素としてはＢａ５ＳｒＳ
Ｃａ等が挙げられ、Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ系あるいは
Ｂｉ　−３ｒ　−Ｃａ−Ｃｕ系の複合酸化物に優れた超
電導特性を示すものが知られている。特に有利なものと
しては 一般式：　Ｄ＜　（Ｅ＋　ｑ、ＣａｑＬＣｕｒ＋○、。

。 〔但し、元素りはＢｉまたはＴＩであり、元素Ｅは元素
りがＢｉのときはＳｒであり元素りがＴＩのときはＢａ
であり、 ｍ−、ｎｓ　ｐｓ　ＱＳｒは、それぞれｍは、６≦ｍ≦
１０を、 ｎは、４≦ｎ≦８を、 ｐは、ｐ　＝　（６＋２ｍ＋２ｎ）　／　２を、ｑは、
０＜ｑ＜１を、 ｒは、−２≦ｒ≦２を満たす数を示す〕で表される組成
を主として含む一連の複合酸化物系超電導材料が挙げら
れる。即ち、具体的には、Ｔ１２　Ｂａ２Ｃａｔ　Ｃｕ
ａ　Ｏｓ、　Ｔ１２　Ｂａａ　Ｃａｗ　Ｃｕｓ　Ｏ＋ｏ
ｓＢｉｚ　Ｓｒ、　Ｃａ、　Ｃｕ２０ｓ、　Ｂｉ２５ｒ
２Ｃａ、　Ｃｕ３０ｔｏ、が例示でき、これらは、それ
ぞれ１００Ｋ、　　１２５Ｋ。

８０に、ｌｌｏＫ級の高い臨界温度で有効な超電導特性
を発現する。

上述のような本発明に係る超電導体層を有する半導体基
板を作製する方法としては、物理蒸着法、ＣＶＤ法等の
各種成膜法が適用できるが、具体的には以下のようなも
のを挙げることができる。

即ち、まず、シリコン基板上に半導体層を形成する方法
としては、スパッタリング法、真空蒸着法、分子線エピ
タキシ法、イオンビーム蒸着法等の各種物理蒸着法また
は熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、Ｍ　Ｏ
ＣＶ　Ｄ法、イオンミリング法等の各種ＣＶＤ法が例示
できる。

また、半導体層の上に複合酸化物系超電導体層を形成す
る方法としても、やはり上述の各種物理蒸着法およびＣ
ＶＤ法がいずれも適用できる。

更に、本発明の好ましい態様によれば、この複合酸化物
系超電導体層の形成には、特にマグネトロンスパッタリ
ング法が好ましい結果が得られたが、これに限定される
ものではないことは勿論である。

更に、本発明の好ましい態様によれば、複合酸化物系超
電導薄膜は、上記方法による成膜の後に、酸素雰囲気中
での熱処理あるいは酸素プラズマに対する暴露等の所謂
アニール処理を行うことが好ましい。これらの処理によ
って、複合酸化物系超電導材料薄膜の酸素含有量を適正
に制御すると共に、その結晶構造の安定化を図ることが
できる。

但し、複合酸化物系超電導体層の形成の際の熱によって
、直下の半導体層の特性が劣化することは好ましくない
ので、超電導体層の形成に当たっては基板温度を７００
℃以下とすることが有利である。

また、Ｔ１のように高い蒸気圧を有する元素を使用する
場合は、特に熱処理において、周囲雰囲気のＴ１分圧を
高く保つことが有利である。

更に、本発明の一態様によれば、化合物半導体層上に、
超電導体層の形成に先立ってバッファ層を形成すること
も好ましい。このバッファ層は、半導体層と超電導体層
との各々の層を形成する原子、分子が互いに他の層に拡
散するのを防止すると共に、適切な材料を選択すること
によって超電導体層形成時に超電導体結晶の形成を容易
ならしめる効果がある。尚、この目的で使用するバッフ
ァ層は、格子定数が複合酸化物系超電導体結晶のそれに
近似していることが有利である。バッファ層の好ましい
材料としては、化学的に安定なｐｔ等が例示できる。

以上のようにして作製された本発明に係る超電導体層を
有する半導体基板は、フォトリングラフィ等の公知の微
細加工技術を利用して微細加工することが可能である。

また、複合酸化物系超電導体層を形成する際に、所望の
形状に予め加工した上で半導体層を形成することできる
。

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、本発明の範囲が何等制限されないこと
は勿論である。

実施例 第１図は、本発明の超電導体層を有する半導体基板の概
念的断面図である。

本発明による半導体基板は、シリコン基ｖｉｉ３と、こ
のシリコン基板３上に積層された半導体薄膜層２と、こ
の半導体薄膜層２上に形成された複合酸化物の超電導体
の薄膜層１とによって構成されている。

シリコン基板３上に積層される上記半導体薄膜層２は単
結晶または多結晶とすることができる。

作製例 まず、シリコン単結晶基板上に化合物半導体層を形成し
た。ここで、半導体層の材料としては、ＧａＡｓ、　Ｉ
ｎ　Ｐ　ＳＧａ　Ｐ　、を選択した。

半導体層の形成はＭＯ″ＣＶＤ法により、各半導体層を
２００ＯＡまで形成した。尚、ここで、例えばＧａＡｓ
膜の形成を例に挙げると、成膜条件は以下の通りであっ
た。

原料ガス　：　　ＴＭＧＳＡｓＨ５ 基板温度　二６５０℃ 成膜速度　＝３００人／分 次に、この半導体材料の薄膜上に下記の組成を主として
含むと考えられる複合酸化物超電導薄膜層を形成した。

成膜はマグネトロンスパッタリング法により、使用した
ターゲットは、複合酸化物系超電導材料を形成する各元
素の酸化物粉末を下記の組成比となるように混合したも
のを使用した。

また、成膜に当たっては基板とターゲットの位置関係お
よび高周波電力の制御に注意してｉｏ、　ｏｏ。

人まで薄膜を成長させた。尚、成膜条件は以下の通りで
ある。

Ａｒ／Ｃｈ　　　　　：　　０．２ ガス圧力　　　：　　０，０５Ｔｏｒｒ　（（１）（７
）試料）０．０２Ｔｏｒｒ　（（２）の試料） ＲＦパワー　　　二０．６　’ｖＶｌｃｔｄ成膜速度　
　　：０．５人／秒 上述のようにして形成された複合酸化物系超電導体薄膜
を、成膜後に１気圧の酸素雲囲気中で７００℃に１時間
保持した後、４００℃まで３℃／分、４００℃から室温
までは１０℃／分の冷却速度で冷却した。

尚、Ｔｌ系薄膜（１）の酸素雰囲気熱処理は、試料と共
にＴｌ２Ｏ３焼結体をへｇ製パイプの中に収容し、ＴＩ
またはＴｌ２Ｏ蒸気と０２との混合雰囲気下で行った。

上記のように作製した本発明の超電導体層を有する半導
体基板は、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
していた。それぞれの試料の超電導臨界温度を以下の第
１表に示す。尚、第１表において、Ｔｃｏは試料の抵抗
の減少が始まる温度を、Ｔｃｉは試料の電気抵抗が測定
できなくなった温度をそれぞれ示している。

第１表 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、超電導臨界温度も液体窒素が十分使用できる
程度に高く、また、超電導体−半導体界面の状態もよい
ので半導体デバイス用基板として有用である。

発明の効果 本発明に係る超電導体層を有する半導体基板は、複合酸
化物超電導体を単なる配線用材料として使用するだけで
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ホットエレクト
ロントランジスタのような新規な超電導素子を形成する
ための集積回路基板あるいはデバイス用基材として用い
ることができる。

【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の概
念的断面図である。 〔主な参照番号〕 １・・・超電導体薄膜層 ２・・・半導体薄膜層、 ３・・・シリコン基板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　シリコン基板と、該シリコン基板上に形成された化合
   物半導体層と、該化合物半導体層上に形成された、Ｂｉ
   またはＴｌ、周期律表IIａ族から選択された少なくとも
   １種の元素およびＣｕを含む複合酸化物系超電導材料に
   より形成された超電導体層とを備えることを特徴とする
   半導体基板。