JPH02194667A - 超伝導トランジスタおよびその製造方法 - 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】 ［ＩＩ要］ 超伝導トランジスタに関し、 比較的容易に製造することができると共に、高速かつ低
消′ｆｔ電力で動作する超伝導トランジスタを提供する
ことを目的とし、 基板上に形成された超伝導層と、前記超伝導層上に形成
された第１および第２の！＠と、前記第１および第２の
電極に挟まれたチャネルとしての前記超伝導層に磁場を
印加する手段とを有し、前記磁場印加手段によってチャ
ネルとしての前記超伝導層の弱結合部分を常伝導状態に
変えることにより、前記第１および第２の電極間に流れ
る超伝導電流を制御するように構成する。

［産業上の利用分野］ 本発明は超伝導トランジスタに関する。

近年の酸化物超伝導材料の開発は急速であり、そのエレ
クトロニクス分野での応用に関しても、超伝導体の特性
を生かした高速かつ低消費電力の超伝導デバイスの実現
が要望されている。

［従来の技術］ 従来からの超伝導体デバイスとては、ジョセフソン接合
を用いたジョセフソン素子があり、また酸化物超伝導材
料を用いるものとしては、超伝導電流の半導体中へのし
み出し効果（Ｐｒ０ＸｉｌｌｉｔｙＥｆｆｅｃｔ）を用
いた超伝導トランジスタ等が提案されている。しかしこ
の超伝導トランジスタにおいては、良質の超伝導単結晶
薄膜が必要とされるばかりでなく、またその超伝導単結
晶薄膜と半導体との接合を形成する技術や、しみ出しの
長さに対応する例えば０．２μｍ以下のゲート長を形成
するｗ！ＩＡＩ化技術が要求され、その実現には多くの
技術的困難がある。

［発明が解決しようとする課題］ このように、実際にトランジスタ動作を行なうことがで
きる酸化物超伝導材料を用いた超伝導トランジスタは、
未だ実現されてはいない。

そこで本発明は、比教的容易に製造することができると
共に、高速かつ低消費電力で動作する超伝導トランジス
タおよびその製造方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記課題は、基板上に形成された超伝導層と、前記超伝
導層上に形成された第１および第２の電極と、前記第１
および第２の電極に挟まれたチャネルとしての前記超伝
導層に磁場を印加する手段とを有し、前記磁場印加手段
によってチャネルとしての前記超伝導層の弱結合部分を
常伝導状態に変えることにより、前記第１および第２の
電極間に流れる超伝導電流を制御することを特徴とする
超伝導トランジスタによって達成される。

また、上記超伝導トランジスタにおいて、前記超伝導層
が多結晶薄膜から形成されていることを特徴とする超伝
導トランジスタによって達成される。

さらにまた上記課題は、基板上に超伝導多結晶薄膜を形
成する第１の工程と、前記超伝導多結晶薄膜をバターニ
ングして所定の幅のチャネルを形成する第２の工程と、
前記チャネル上に絶縁膜を介して磁場印加用配線層を形
成する第３の工程と、前記チャネルを挟む前記超伝導層
上に第１および第２の電極を形成する第４の工程とを有
することを特徴とする超伝導トランジスタの製造方法に
よって達成される。

［作　用］ すなわち本発明による超伝導トランジスタは、超伝導体
の多結晶薄膜をチャネルとして用い、その弱結合（ウィ
ークリンク）部分に磁場を印加することにより、その超
伝導状態を常伝導状態に転移させて抵抗を発生させ、こ
のチャネルを通って第１および第２の電極間に流れる超
伝導電流を制御することができる。

また、本発明による超伝導トランジスタの製造方法は、
比較的容易に形成することができる超伝導体の多結晶薄
膜を用いて第１および第２の電極に挟まれたチャネルを
形成する。

［実施例］ 以下、本発明を図示する実施例に基づいて具体的に説明
する。

第１図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第１の実施
例による超伝導トランジスタを示す平面図および断面図
である。

例えばＭｇＯ基板２上に、例えばＹ　＋　Ｂ　’ａ　２
Ｃｕｌ　Ｏえ等の酸化物超伝導材からなる厚さ２０００
人程度０超伝導多結晶薄膜４が形成されている。そして
この超伝導多結晶薄膜４上には、例えばＡｕ（金）また
はＡｇ（銀）等からなる金属電極６．８が形成されてい
る９ また、これらの電極６．８に挟まれた超伝導多結品薄ｖ
４は、幅１０μｍ程度のチャネル１０が形成されている
。そしてこのチャネル１０上には、例えばＢａＦ２等か
らなる絶縁膜１２を介して、例えばＡｕまたはＡｇ等か
らなる磁場印加用配線層１４が、チャネル１０の方向と
直角に交差して延びている。

チャネル１０における超伝導多結晶薄膜４は、例えば平
均して直径１μｍ程度のダレイン状の結晶粒１６から構
成されている。そしてこれらの結晶粒間の界面には、例
えばＹ、ＢａＣｕＯのように結晶横道がずれた層、Ｃｕ
　Ｏ２のような不純物層、Ｂａ（ＯＨ）２やＢ　ａ　Ｃ
Ｏｘのように水分やＣＯ□で表面劣化された層等、総じ
て絶縁層をなす薄膜が存在する。このために、超伝導体
の結晶粒およびこれらの間に挟まれた絶縁薄膜はジョセ
フソン接合と同様の構造を形成しており、その絶縁薄膜
は超伝導トンネル電流を流すジョセフソン弱結合となっ
ている。

次に、第２図を用いて動作を説明する。

いよ、第１図に示す超伝導１〜ランジスタは液体窒素温
度に冷却されている。そして磁場印加用配線層１４には
制御電流が流れていないとする。

この状態においては、磁場印加用配線層１４周囲に磁場
が発生して超伝導多結品薄ＷＡ４のチャネル１０に印加
されることもなく、第２図のＡに示されるように、一定
電流までは２つの電極６．８間に超伝導多結晶薄膜４を
通って超伝導電流が流れている。なおこの超伝導多結晶
薄膜４の臨界電流Ｉｃは、超伝導材料によって決まる超
伝導単結晶薄膜のそれよりも小さく、ダレイン状の結晶
粒１６やその界面の状態によって決定される。例えばこ
の第１の実施例においては、臨界電流密度は数Ａ（アン
ペア）７０ｍ２である。

次いで、磁場印加用配線層１４に制御電流を流す、する
と、この制御７Ｘ　ａによって磁場印加用配線層１４周
囲に磁場が発生し、この磁場が超伝導多結晶薄膜４のチ
ャネル１０に印加される。この磁場印加によって、チャ
ネル１０における結晶粒１６間の弱結合部分が超伝導状
態から常伝導状態に転移し始め、それによって抵抗が発
生し、第２図のＢに示されるようなＩ（電流）−Ｖ（電
圧）特性を示す。

なお、超伝導多結晶薄膜４の代わりに超伝導単結晶薄膜
である場合を考えると、キャリア密度が例えば１０２０
〜１０”／ｃｍ’程度と大きいため、この程度の磁場で
は超伝導￥：ｈ流に際立った変化は生じない。

次いで、さらに磁場印加用配線層１４に流す制御電流を
大きくすると、超伝導多結品薄ＪＩ１４のチャネル１０
に印加される磁場が強くなり、チャネル１０における全
ての弱結合部分が超伝導状態から常伝導状態に転移して
しまい、第２図のＣに示されるようなＩ−Ｖ特性を示す
ことになる。

このようにして、磁場印加用配線層１４に流す制御電流
を制御することにより、超伝導多結品薄Ｍ４のチャネル
１０の弱結合部分に印加される磁場を変化させ、超伝導
状態から常伝導状態への転移を図り、超伝導多結晶薄膜
４を通って流れる超伝導電流を制御することができる。

なお、上記第１の実施例においては、超伝導多結晶薄膜
４のチャネル１０の複数の弱結合部分において超伝導状
態から常伝導状態への転移が起こる場合について説明し
たが、チャネル１０のダレイン状の結晶粒１６が十分に
大きく、例えば１０μｍ程度の直径を有し、それに対し
てチャネル１０と直角に交差する磁場印加用配線層１４
の幅が十分に狭い場合、１カ所の弱結合部分においての
み、超伝導状態から常伝導状態への転移が起こるように
することもできる。

次に、第３図を用いて本発明の第２の実施例による超伝
導トランジスタを説明する。

第３図は、第２の実施例による超伝導トランジスタを示
す平面図である。

この第２の実施例においては、上記第１の実施例とほぼ
同様な構造であるが、異なる点は、超伝導多結晶薄膜４
のチャネル１０上に形成された磁場印加用配線層１８が
チャネル１０の方向と同一方向に重なって延びているこ
とである。

このため、磁場印加用配線層１８に流される制御ｇＩ雷
電流よって発生する磁場の向きが異なるが、その磁場が
チャネル１０の弱結合部分に与える影響は同じであり、
従って上記第１の実施例と同様の動作を行なうことがで
きる。

次に、第４図を用いて、第１図に示した超伝導トランジ
スタの製造方法を説明する。

第４図は第１図の超伝導トランジスタの製造方法を示す
工程図である。

例えばＡｒ（アルゴン）と０２（酸素）とが１対１に混
合されている雰囲気中において、圧力Ｐが１０−３Ｔｏ
ｒｒの条件でスパッタリングを行ない、例えばＭｇＯ基
板２上に酸化物超伝導材、例えばＹ＋　Ｂａｚ　Ｃｕ３
０えのアモルファス状の薄膜を２０００Ａ程度の厚さに
堆積させる。

続いて、０２雰囲気中において９００°Ｃの比較的低温
で３時間のアニールを行なうと、セラミック特有の性質
によって結晶成長が起こる。この結晶成長によって、平
均の直径が１μｍ程度のダレイン状の結晶粒１６が形成
されて、Ｙ＋Ｂａ２Ｃｕ　３０工のアモルファス薄膜が
、超伝導多結晶薄膜４に変化する（第４図＜ａ）参照）
。

次いで、塩酸または燐酸を用いて、超伝導多結晶薄膜４
のウェットエツチングを行ない、幅１０μｍ程度のチャ
ネル１０およびこのチャネル１０を挟む電流導入端子部
を形成する。そしてこのチャネルＩＯ上に、例えばＢａ
Ｆ２等からなる絶縁膜１２を蒸着法を用いて形成する（
第４図（ｂ）参照）。

次いで、この絶縁膜１２上およびチャネル１０を挟む電
流導入端子部としての超伝導多結晶；Ｗ膜４上に、例え
ばＡｕまたはＡｇ等からなる磁場印加用配線層１４およ
び金属電極６．８がそれぞれ形成される。なお、このと
き、チャネル１０の方向と直角に交差して延びている磁
場印加用配線層１４の福は十分に広くてよく、しみ出し
効果を用いる超伝導トランジスタ等におけるしみ出しの
長さに対応する例えば０．２μｍ以下のゲート長のよう
に、Ｉｆｉ　ＡＩ化技術を要求とすることはない（第１
図（ｃ）参照）。

このようにして、第１図に示される超伝導トランジスタ
が製造される。

そしてこの超伝導トランジスタの製造方法は、酸化物超
伝導材料として多結晶薄膜のみを用いているため、例え
ば良質の単結晶膜成長技術や超伝導単結晶薄膜と半導体
との接合形成技術や１放細化技術等が要求される超伝導
トランジスタの製造方法と比べると、プロセス上の困難
症が低く、容易に製造することができる利点がある。

なお、上１己実施例においては、超伝導多結品薄Ｗｌ！
４を形成する酸化物超伝導材としてＹＩＢａ＊Ｃｕ　ｓ
　Ｏ工を用いたが、これに限定されず、イツトリウム（
Ｙ）を希土類元素で置換したものでもよいし、それ以外
にビスマス（Ｂｉ）系、ランタン（Ｌａ）系、タリウム
（Ｔｊ　）系等の高温超導電材料であってもよい。

また、基板２としてＭｇＯを用いたが、これに限ること
なく、５ｒＴｉＯｓ　、サファイア、イントリアスクビ
ライスドジルコニア（ＹＳＺ）、シリコン（Ｓｔ）等で
あってもよい。

また、磁場印加用配線層１４．１８は超伝導多結晶薄膜
４のチャネル１０の方向と直角に交差している場合と同
一方向に重なっている場合とについて述べているが、こ
の磁場印加用配線層はチャイ、ル１０と磁気的に結合さ
れ、磁場印加用配線層に流す制御）ｌＩ雷電流よってチ
ャネル１０に磁場印加がなされればよく、磁場印加用配
線層の方向はいずれでもよい。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、容易に製造することがで
きる超伝導多結晶薄膜のチャネルに磁場を印加すること
により、チャネルの弱結合部分を超伝導状態から常伝導
状態に転移させ、超伝導多結晶薄膜を流れる超伝導電流
を制御することができる。

これにより、比較的容易に製造することができると共に
、高速かつ低消費電力で動作することができる超伝導ト
ランジスタを実現することかできる。

Ｏ・・・・・・チャネル、 ２・・・・・・絶縁膜、 ４．１８・・・・・・磁場印加用配、ｆ！層、６・・・
・・・結晶粒。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実方龜例による超伝導トランジ
スタを示す図、 第２図は第１図の超伝導トランジスタの特性を示すグラ
フ、 第３図は本発明の第２の実施例による超伝導トランジス
タを示す図、 第４図は第１図の超伝導トランジスタの製造方法を示す
工程図である。 図において、 ２・・・・・・Ｍ　ｇ　Ｏ基板、 ４・・・・・・超伝導多結晶薄膜、 ６．８・・・・・・電極、 電流Ｉ 第１図の超伝導トランジスタの特ｌｌｉを示オグラフ第
２図 杢光明の第１の実施例によろ超伝導トランジスタを示す
口出１図 ４！−発明の茅２の実施例［；よろ超伝導トランジスタ
を示す図第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に形成された超伝導層と、 前記超伝導層上に形成された第１および第２の電極と、 前記第１および第２の電極に挟まれたチャネルとしての
   前記超伝導層に磁場を印加する手段とを有し、 前記磁場印加手段によってチャネルとしての前記超伝導
   層の弱結合部分を常伝導状態に変えることにより、前記
   第１および第２の電極間に流れる超伝導電流を制御する ことを特徴とする超伝導トランジスタ。 ２、請求項１記載の超伝導トランジスタにおいて、前記
   超伝導層が多結晶薄膜から形成されていることを特徴と
   する超伝導トランジスタ。 ３、基板上に超伝導多結晶薄膜を形成する第１の工程と
   、 前記超伝導多結晶薄膜をパターニングして所定の幅のチ
   ャネルを形成する第２の工程と、 前記チャネル上に絶縁膜を介して磁場印加用配線層を形
   成する第３の工程と、 前記チャネルを挟む前記超伝導層上に第１および第２の
   電極を形成する第４の工程と を有することを特徴とする超伝導トランジスタの製造方
   法。