JPH02391A - 超電導電界効果トランジスタ - 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、超電導電界効果トランジスタに関する。より
詳細には、電極に超電導体を使用した新規な３端子素子
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。即ち、超電導下では、超電導体に電流
を流しても電力損失が全く無く、密度の高い電流が永久
に流れ続ける。従って、例えば送電技術に超電導を応用
すれば、現在送電に伴って生じているといわれる約７％
の不可避な送電損失を大幅に減少できる。また、高磁場
発生用電磁石としての応用は、発電技術の分野ではＭＨ
Ｄ発電、電動機等と共に、起動に発電量以上の電力を消
費するともいわれる核融合反応の実現を有利に促進する
技術として期待されている。

また磁気浮上列車、電磁気推進船舶等の動力として、更
に、計測・医療の分野でもＮＭＲ，π中間子治療、高エ
ネルギー物理実験装置などへの利用が期待されている。

更に、上述のような大型の装置における利用とは別に、
超電導材料は各種の電子素子への応用も提案されている
。代表的なものとしては、超電導材料どうしを弱く接合
した場合に印加電流によって量子効果が巨視的に現れる
ジョセフソン効果を利用した素子が挙げられる。トンネ
ル接合型ジョセフソン素子は、超電導材料のエネルギー
ギャップが小さいことから、極めて高速な低電力消費の
スイッチング素子として期待されている。また、電磁波
や磁場に対するジョセフソン効果が正確な量子現象とし
て現れることから、ジョセフソン素子を磁場、マイクロ
波、放射線等の超高感度センサとして利用することも期
待されている。更に、電子回路の集積度が高くなるにつ
れて単位面積当たりの消費電力が冷却能力の眼界に達す
るものと見られている。そこで超高速計算機には超電導
素子の開発が要望されている。

従来、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。これに対して、１９８６年に
、ベドノーツおよびミューラー等によって、複合酸化物
系超電導材料が高いＴ。を有することが発見されるに至
って、高温超電導の可能性が大きく開けてきた（Ｂｅｄ
ｎｏｒｚ、Ｍｔｉｌｌｅｒ、”Ｚ、Ｐｈｙｓ。

Ｂ６４．　１９８６．　１８９″″）。

これまでにも複合酸化物系のセラミック材料が超電導特
性を示すということ自体は知られていた。

例えば、米国特許第３．９３２．３１５号には、Ｂａ−
Ｐｂ−Ｂ１系の複合酸化物が超電導特性を示すというこ
とが記載されており、また、特開昭６０−１７３．８８
５号公報にはＢａ−Ｂ１系の複合酸化物が超電導特性を
示すということが記載されている。しかし、これまで、
に知られていた複合酸化物超電導材料のＴｃは、１０に
以下と全般的に極めて低く、超電導現象を得るには高価
且つ稀少な液体ヘリウム（沸点４．２　Ｋ　）の使用が
不可避であった。

ベドノーツおよびミューラー等によって発見された酸化
物超電導体は、（Ｌａ、　Ｂａ）　２Ｃｕ　Ｏ４なる組
成を有し、Ｋ２ＮｉＦ４型の結晶構造を有するものと見
られている。この複合酸化物系超電導材料は、従来から
知られていたペロブスカイト型酸化物系超電導材料と結
晶構造が類似しているが、Ｔｏは従来の超電導材料に比
べて飛躍的に高い約３０にという値であった。

また、″１９８７年２月に、チニー等によって９０に級
の臨界温度を示すＢａ−ｙ−Ｃ１４系の複合酸化物が発
見された。このＹＢＣＯと通称される複合酸化物はＹ　
ｌＢａ２Ｃｕ３０７−ｘで表される組成を有すると考え
られている。

更に、続いて発見されたＢｉ　−３ｒ　−Ｃａ−Ｃｕ系
およびＴＩ　−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ系複合酸化物は、Ｔｃ
が°１００Ｋ以上であるばかりでなく化学的にも安定し
ており、ＹＢＣＯ等のような超電導特性の経時的劣化が
少ないことから実用に向いているのではないかと期待さ
れている。

これらの新しい複合酸化物系超電導材料の発見によって
高温超電導体実現の機運が昨今俄かに高まっている。

発明が解決しようとする課題 ところで、現在多くの電子回路は主にシリコン等の半導
体と金属電極とにより構成されており、ＬＳＩ等の集積
回路もこれらの部材を高密度に集積しただけで基本的な
構成は変わらない。

これに対して、超電導素子としてジョセフソン素子が知
られているが、ジョセフソン素子は所謂２端子素子であ
り、制御端子となる第３端子をもたないために回路設計
が難しくなるという問題がある。

しかしながら、Ｓｌに代表される半導体による電子回路
では、電流損失や動作速度の点で限界に近づいており、
前述のような高温で超電導体となる新規な超電導材料に
よる素子の開発が切望されている。

そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し
、超電導体による高速な動作を電子回路に利用すること
ができる新規な構成の超電導電界効果トランジスタを提
供することにある。

問題点を解決するための手段 即ち、本発明に従い、所定の幅のチャネル領域を隔てて
酸化物基板上に複合酸化物系超電導材料によって形成さ
れた第１並びに第２の電極と、少なくとも該チャネル領
域を充填するように形成された半導体層と、該半導体層
に電界を印加することができるように形成された第３の
電極とを具備することを特徴とする超電導電界効果トラ
ンジスタが提供される。

作用 超電導電界効果トランジスタは、超電導近接効果を利用
し、半導体中に超電導電流を流す高速３端子素子である
。従来、この超電導電界効果トランジスタは、ｐｂ金合
金の金属系超電導材料を用いたものがあり、高速で動作
する３端子素子として有効で種々の提案があったが、未
だ実用に至っていない。また、金属系超電導体は超電導
臨界温度が低いので、ランニングコストの高さ等を含め
て実用的ではなかった。

本発明に係る超電導電界効果トランジスタは、酸化物基
板、特にＭｇＯ単結晶基板、５ｒＴｉＯ＋単結晶基板上
に複合酸化物超電導体電極を形成し、さらに、電極間に
形成されたチャネルを複合酸化物系超電導材料によって
形成したことをその主要な特徴としている。

この本発明に係る超電導電界効果トランジスタは、まず
、基板としてＭｇＯ単結晶基板またはＳｒＴｉＯ３単結
晶基板の（１００）面を成膜面として用いることが好ま
しい。即ち、本発明に係る超電導電界効果トランジスタ
においてチャネルを形成する複合酸化物超電導体は、そ
の電気抵抗に結晶異方性を有することが知られている。

即ち、結晶のａ軸およびｂ軸で決定される面に平行な方
向に電流が流れ易い。そこで、ＭｇＯ単結晶基板あるい
はＳｒＴｉＯ３単結晶基板の（１００）面上に複合酸化
物系超電導材料を薄膜として形成することによって、複
合酸化物系超電導材料の結晶のＣ軸を基板成膜面に対し
垂直または垂直に近い角度に配向することができ、その
結果、特に臨界電流密度Ｊｃが大きくなる。

また、ＭｇＯやＳｒＴｉＯ３は、熱膨張率が上記の複合
酸化物超電導体に近いため、製造工程での熱履歴により
生じるミスマツチが最小限に止められることも有利であ
る。

本発明においては、高い超電導臨界温度を示す複合酸化
物超電導体を電極に用いて、実用的な超電導電界効果ト
ランジスタとした。本発明の超電導電界効果トランジス
タに用いる複合酸化物超電導体としては、ＹＢＣＯと称
されるＹ　１　Ｂａ２Ｃｕｓ　ＯＬＬｘで代表されるよ
うな酸素欠陥型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。

即ち、特に好ましい複合酸化物系超電導材料として、一
般式：　　（α、−、βｘ）？”ｙＯｇ（但し、αは周
期律表ＩＩａ族に含まれる元素であり、βは周期律表ｆ
ｆ１ａ族に含まれる元素であり、Ｔは周期律表Ｉｌ）、
　［［ｂ、　１ｌＪｂ、　ｒｖａおよび■族から選択さ
れる少なくとも一つの元素であり、ｘＳｙ、ｚ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） で示される組成を有し、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が挙げられる。

ここで、上記周期律表ＩＩａ族元素αとしては、Ｂａ、
　Ｓｒ、　Ｃａ、　Ｍｇ、　Ｂｅ等を具体的に例示する
ことができ、更に、特に好ましい元素としてＢａ、　Ｓ
ｒを挙げることができ、更に、元素αの１０〜８０％を
Ｍｇ、（’ａ、　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。

上記元素βとしては、Ｙの他Ｌａ、　５ｃＳＣｅＳＧｄ
。

■０、Ｅｒ、　Ｔｍ、　Ｙｂ、　Ｌｕ等が具体的に例示
でき、特に好ましいものとしてＹ、　Ｌａ、　Ｈｏ等を
挙げることができ、更に、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。

元素Ｔは一般にＣｕであるが、他にＡ１、Ｆｅ、　Ｃｏ
。

Ｎｉ、　ＺｎＳＡｇ、　Ｔｉ等を使用することもでき、
更に、その一部を周期律表Ｉｂ、ＩＩｂ、ｍｂ、ＩＶａ
および■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。

また、本発明に係る半導体基板の超電導材料層に適用で
きる他の有利な材料として、 式：α４（βｌ−ｘ＋ｃａｘ）ｍｃｕｎｏｐ＋ｙ（ここ
で、αはＢ１またはＴＩであり、βはαがＢｉのときは
Ｓｒであり、αがＴ１のときはＢａであり、 ｍは６≦ｍ≦１０を満たし、 ｎは４≦ｎ≦８を満たし、 ｐ＝６＋ｍ＋ｎであり、 Ｘは０．２＜ｘ＜０．８を満たし、 ｙは一２≦ｙ≦２を満たす数を表す） で表される組成の複合酸化物超電導体を挙げることがで
きる。

また、本発明の超電導電界効果トランジスタに使用する
半導体は、Ｓｉ、　ＩＩＩ−Ｖ族化合物、ＩＩ−ＶＩ族
化合物、多元系化合物のいずれの半導体でもよく、それ
ぞれ用途により任意に選択できる。

本発明の超電導電界効果トランジスタを作製する方法を
以下に説明する。

まず、上記の酸化物基板の（１００）面に電極となる複
合酸化物超電導体薄膜を形成する。その方法はスパッタ
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
法に類似の方法であることが好ましい。これらの方法の
内では特に、マグネトロンスパッタリング法が好ましく
、その場合基板温度７００℃で成膜することが好ましい
。

上記のいずれかの方法で、酸化物基板上に複合酸化物超
電導体薄膜を形成した後、この薄膜を加工して電極を形
成する。即ち、具体的に後述するように、ソース電極お
よびドレイン電極に対応スる１対の電極を形成するよう
にパターニングする。

尚、パターニングは、電子線リングラフィとハロゲンに
よる反応性イオンエツチングやＡｒによるスパッタ・イ
オンエツチングで行うことが好ましい。

上記の加工を行った後、超電導電極および酸化物基板上
に半導体層を形成する。半導体層は、ＣＶＤ法等の公知
任意の方法で形成する。半導体層形成後、半導体層上に
５ｉｎ２等の絶縁体を熱酸化等により形成し、その上に
Ａ１等によりゲート電極を形成する。

以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に詳述するが
、以下の開示は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の技
術的範囲を何ら限定するものではない。

実施例 第１図は、本発明に係る超電導電界効果トランジスタの
構成例を示す断面図である。

この超電導電界効果トランジスタは、基板４上に形成さ
れた１対の電極、即ちドレイン電極１およびソース電極
３と、これらの電極Ｌ　３の間に形成されたチャネル領
域を充填すると共に実質的に電極層の上に一部を積層さ
れた半導体層５と、更にこの半導体層５の上に積層され
た絶縁体層６およびゲート電極２とを備えている。

本実施例では基板としてＭｇＯ単結晶および５ｒＴｉ○
３単結晶を用い、その（１００）面上にＹＢａ２Ｃｕ４
．’ｓ　Ｏｘ焼結体粉末またはＨＯＢａｚ、　、［：ｕ
、、７０つ焼結体粉末をターゲットとしたマグネトロン
スパッタリング法により複合酸化物薄膜を形成した。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
特に注意して基板温度が７００℃でスパッタリングを行
い、複合酸化物超電導体層を１０００人まで成長させた
。

次に、上記の結晶基板上に形成された複合酸化物超電導
体を電極に加工した。第２図は、ここで形成した電極の
パターンを示す図であり、基板４の上方からみたパター
ンを示している。パターニングは、フォトレジスト・マ
スクを用いＣＩ、イオンエツチングによりソース電極並
びにドレイン電極の２個の電極を形成した。尚、これら
の電極間の距離は、２０００人とした。

更に、各超電導電極の後端が露出するように半導体層を
形成し、半導体層の上部を熱酸化することによってＳｉ
Ｏ２の絶縁体層６を形成した。その後、スパッタ蒸着に
よりＡＩ電極をゲート電極２として形成した。

尚、本実施例では、半導体として、Ｓｉ、　ＧａＡｓ、
ＩｎＰを用いた。最後に蒸着によりワイヤボンディング
用のＡｇ電極を超電導電極およびゲート電極上に形成し
試料とした。

それぞれの試料の超電導電極の臨界温度を以下の第１表
に示す。尚、第１表において、Ｔｃｏは、試料の電気抵
抗が急激に低下し始めた温度を、ＴＣｌは電気抵抗が測
定できなくなった温度をそれぞれ示している。

第１表 更に、上述のようにして作製した超電導電界効果トラン
ジスタを液体窒素で冷却し、導通状態でドレイン電圧と
ドレイン電流との関係を調べた。

第３図はこのようにして得られたドレイン電圧とドレイ
ン電流との関係を示すグラフである。

第３図に示すように、この超電導電界効果トランジスタ
の特性は計算値とよく一致している。

このように本発明に係る超電導電界効果トランジスタは
特性的にも優れており、また、複合酸化物系超電導材料
の超電導臨界温度が高いことから新規な高速動作素子と
して広い応用が期待される。

発明の効果 以上詳述したように、本発明の超電導電界効果トランジ
スタは、超電導電極に複合酸化物超電導体を用いた全く
新規なものである。更に、本発明の超電導電界効果トラ
ンジスタは、超電導臨界温度が高いだけでなく他の緒特
性も優れており、高速３端子素子としてその応用が期待
できる。また、電子回路の高速動作化と高密度化を画期
的に推進することが期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る超電導電界効果トランジスタの
構成例を示す断面図であり、 第２図は、第１図に示した超電導電界効果トランジスタ
のソース電極およびドレイン電極のパターニング例を示
す図であり、 第３図は、実施例の超電導電界効果トランジスタのドレ
イン電圧とドレイン電流との関係を示すグラフである。 〔主な参照番号〕

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所定の幅のチャネル領域を隔てて酸化物基板上に複合酸
   化物系超電導材料によって形成された第１並びに第２の
   電極と、少なくとも該チャネル領域を充填するように形
   成された半導体層と、該半導体層に電界を印加すること
   ができるように形成された第３の電極とを具備すること
   を特徴とする超電導電界効果トランジスタ。