JPH04134882A - 超電導素子および作製方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、超電導素子およびその作製方法に関する。よ
り詳細には、新規な構成の超電導素子およびその作製方
法に関する。

従来の技術 超電導を使用した代表的な素子に、ジョセフソン素子が
ある。ジョセフソン素子は、一対の超電導体をトンネル
障壁を介して結合した構成であり、高速スイッチング動
作が可能である。しかしながら、ジョセフソン素子は２
端子の素子であり、論理回路を実現するためには複雑な
回路構成になってしまう。

一方、超電導を利用した３端子素子としては、超電導ベ
ーストランジスタ、超電導ＦＥＴ等がある。第３図に、
超電導ベーストランジスタの概念図を示す。第３図の超
電導ベーストランジスタは、超電導体または常電導体で
構成されたエミッタ２１、絶縁体で構成されたトンネル
障壁２２、超電導体で構成されたベース２３、半導体ア
イソレータ２４および常電導体で構成されたコレクタ２
５を積層した構成になっている。この超電導ベーストラ
ンジスタは、トンネル障壁２２を通過した高速電子を利
用した低電力消費、高速動作の素子である。

第４図に、超電導ＦＥＴの概念図を示す。第４図の超電
導ＦＥＴは、超電導体で構成されている超電導ソース電
極４１および超電導ドレイン電極４２が、半導体層４３
上に互いに近接して配置されている。超電導ソース電極
４１および超電導ドレイン電極４２の間の部分の半導体
層４３は、下側が大きく削られ厚さが薄くなっている。

また、半導体層４３の下側表面にはゲート絶縁膜４６が
形成され、ゲート絶縁膜４６上にゲート電極４４が設け
られている。

超電導ＦＥＴは、超電導近接効果で超電導ソース電極４
１および超電導ドレイン電極４２間の半導体層４３を流
れる超電導電流を、ゲート電圧で制御する低電力消費、
高速動作の素子である。

さらに、ソース電極、ドレイン電極間に超電導体でチャ
ネルを形成し、この超電導チャネルを流れる電流をゲー
ト電極に印加する電圧で制御する３端子の超電導素子も
発表されている。

発明が解決しようとする課題 上記の超電導ベーストランジスタおよび超電導ＦＥＴは
、いずれも半導体層と超電導体層とが積層された部分を
有する。ところが、近年研究が進んでいる酸化物超電導
体を使用して、半導体層と超電導体層との積層構造を作
製することは困難である。また、この構造が作製できて
も半導体層と超電導体層の間の界面の制御が難しく、素
子として満足な動作をしなかった。

また、超電導ＦＥＴは、超電導近接効果を利用するため
、超電導ソース電極４１および超電導ドレイン電極４２
を、それぞれを構成する超電導体のコヒーレンス長の数
倍程度以内に近接させて作製しなければならない。特に
酸化物超電導体は、コヒーレンス長が短いので、酸化物
超電導体を使用した場合には、超電導ソース電極４１お
よび超電導ドレイン電極４２間の距離は、数ｌＱｎｍ以
下にしなければならない。このような微細加工は非常に
困難であり、従来は酸化物超電導体を使用した超電導Ｆ
ＥＴを再現性よく作製できなかった。

さらに、従来の超電導チャネルを有する超電導素子は、
変調動作は確認されたが、キャリア密度が高いため、完
全なオン／オフ動作ができなかった。酸化物超電導体は
、キャリア密度が低いので、超電導チャネルに使用する
ことにより、完全なオン／オフ動作を行う上記の素子の
実現の可能性が期待されている。しかしながら、超電導
チャネルは５ｎｍ程度の厚さにしなければならず、その
ような構成の実現することは困難であった。

そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し
た、新規な構成の超電導素子およびその作製方法を提供
することにある。

課題を解決するための手段 本発明に従うと、基板上に成膜された酸化物超電導薄膜
に形成された超電導チャネルと、該超電導チャネルの両
端近傍に配置されて該超電導チャネルに電流を流すソー
ス電極およびドレイン電極と、前記超電導チャネル上に
配置されて該超電導チャネルに流れる電流を制御するゲ
ート電極を具備する超電導素子において、前記基板が酸
化物超電導体中に容易に拡散して該酸化物超電導体の超
電導性を失わせる物質が添加された添加領域を有し、前
記酸化物超電導薄膜中に前記基板に添加された物質が拡
散して超電導性を失った非超電導領域が形成され、前記
酸化物超電導薄膜の前記非超電導領域上に薄い前記超電
導チャネルを具備することを特徴とする超電導素子が提
供される。

また、本発明では、上記の超電導素子を作製する方法と
して、前記基板の一部に局所的に酸化物超電導体中に容
易に拡散して、該酸化物超電導体の超電導性を失わせる
物質を添加し、該基板上に酸化物超電導薄膜を形成し、
該酸化物超電導薄膜に前記基板に添加した物質を拡散さ
せ、前記非超電導領域を形成する工程を含むことを特徴
とする超電導素子の作製方法が提供される。

作用 本発明の超電導素子は、酸化物超電導体による超電導チ
ャネルと、超電導チャネルに電流を流すソース電極およ
びドレイン電極と、超電導チャネルを流れる電流を制御
するゲート電極とを具備する。本発明の超電導素子では
、各電極は必ずしも超電導電極である必要がない。

また、従来の超電導ＦＥＴが、超電導近接効果を利用し
て半導体中に超電導電流を流すのに対し、本発明の超電
導素子では、主電流は超電導体中を流れる。従って、従
来の超電導ＦＥＴを作製するときに必要な微細加工技術
の制限が緩和される。

超電導チャネルは、ゲート電極に印加された電圧で開閉
させるために、ゲート電極により発生される電界の方向
に、厚さが５ｎｍ程度でなければならない。本発明の主
眼は、このような極薄の超電導チャネルを実現すること
にある。本発明の超電導素子では、予め基板の一部に酸
化物超電導体中に拡散しやすく、酸化物超電導体の超電
導性を失わせる物質を添加した添加領域を形成しておく
。

この物質は、成膜中に酸化物超電導薄膜内に拡散してし
まう程度に拡散しやすいことが好ましい。

上記の物質としては、例えばＹ−Ｂａ−Ｃｕ−○系酸化
物超電導体を使用する場合にはＹ、　Ｂａ５Ｃｕ等酸化
物超電導体の構成元素が好ましい。

上記の添加領域を形成した基板上に酸化物超電導薄膜を
成膜すると、添加領域から酸化物超電導薄膜中に拡散し
た物質により酸化物超電導薄膜中に非超電導領域が形成
される。本発明の超電導素子は、この非超電導領域によ
り薄くなった超電導部分を超電導チャネルとする。

本発明の超電導素子では、上記の非超電導領域により、
極薄の超電導チャネルを形成する。従って、この非超電
導領域は、超電導素子の超電導チャネル部分の下側とな
る酸化物超電導薄膜の一部に基板の添加領域からの上方
拡散により、形成されなければならない。従って、本発
明の方法では、添加領域の大きさ、添加領域に添加する
物質の濃度が重要となる。

添加領域の大きさは、超電導チャネルの長手方向で数μ
ｍ以下であり、イオン注入により形成する場合、加速エ
ネルギは、４０ｋｅＶ以下、ドーズ量５Ｘ１０”個／　
ｃｎｆ以下が好ましい。

上記の添加領域を形成するためには、イオン注入法を使
用することが好ましく、例えばフォトレジストにより、
基板表面の添加領域以外の部分を被覆してイオン注入を
行う方法、集束イオンビームを使用して添加領域のみに
イオンを注入する方法が好ましい。また、基板表面の添
加領域以外の部分をフォトレジストで被覆して、蒸着法
により添加する物質を基板表面に堆積させ、リフトオフ
法により添加領域を形成してもよい。イオン注入を使用
する場合には、エツチング工程の制御が無くなり、０．
２　μｍの良好なパターンを形成できる。

本発明の超電導素子において、基板には、ＭｇＯ。

５ｒＴｉ０３等の酸化物単結晶基板が使用可能である。

これらの基板上には、配向性の高い結晶からなる酸化物
超電導薄膜を成長させることが可能であるので好ましい
。また、表面に絶縁層を有する半導体基板を使用するこ
ともできる。

また、本発明の超電導素子には、Ｙ　−Ｂａ−Ｃｕ○系
酸化物超電導体、Ｂｉ　−３ｒ　−Ｃａ−Ｃｕ−○系酸
化物超電導体、ＴＩ　−Ｂａ　−Ｃａ　−Ｃｕ−０系酸
化物超電導体等任意の酸化物超電導体を使用することが
できる。

以下、本発明を実施例により、さらに詳しく説明するが
、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎず、本発明
の技術的範囲をなんら制限するものではない。

実施例 第１図に、本発明の超電導素子の断面図を示す。

第１図の超電導素子は、添加領域５Ｉが形成された基板
５上に成膜され、添加領域５１から添加物質が拡散して
超電導性を失った非超電導領域５０が形成された酸化物
超電導薄膜１を有する。酸化物超電導薄膜ｌの非超電導
領域５０の上の部分は、厚さ約５ｎｍの極薄の超電導チ
ャネル１０になっている。超電導チャネル１０の上には
ゲート電極４が配置され、酸化物超電導薄膜１上の超電
導チャネル１０の両側には、ソース電極２およびドレイ
ン電極３が配置されている。

第２図を参照して、本発明の超電導素子を本発明の方法
で作製する手順を説明する。まず、第２図（ａ）に示す
ような基板５に矢印で示すような集束イオンビームを照
射し、添加領域５１を形成する。

基板５としては、Ｍｇ０（１００）基板、５ｒＴ１０ｓ
（１００）基板等の絶縁体基板、または表面に、例えば
ＭｇＡｌ２Ｏ＜およびＢａＴ　ｉ　Ｏ３を積層した絶縁
膜を有する８１等の半導体基板が好ましい。

また、照射するイオンはＢａ、　ｙＳＣｕイオンが好ま
しく、ビーム径は０．２μｍ１加速電圧は５０ｋＶが好
ましい。この集束イオンビーム照射により、基板５の表
面に幅１μｍ以下の添加領域５１を形成する。

次に第２図（′ｂ）に示すよう上記の添加領域５１を有
する基板５上に酸化物超電導薄膜１を、オファクシスス
バッタリング法、反応性蒸着法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法等
の方法で形成する。酸化物超電導薄膜１の厚さは２００
〜３００　ｎｍが好ましく、酸化物超電導薄膜１を形成
している間に、添加領域５１から添加元素が酸化物超電
導薄膜１中に拡散し、非超電導領域５０が形成される。

酸化物超電導薄膜１の非超電導領域５０の上の部分は超
電導チャネル１０となる。

酸化物超電導薄膜１を形成する酸化物超電導体としては
、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系酸化物超電導体、Ｂ１Ｓｒ　−
Ｃａ−Ｃｕ　−０系酸化物超電導体、ＴＩ　−Ｂａ−Ｃ
ａ−Ｃｕ−〇系酸化物超電導体が好ましく、Ｃ軸配向の
薄膜とすることが好ましい。これは、Ｃ軸配向の酸化物
超電導薄膜は、基板と平行な方向の臨界電流密度が大き
いからである。

続いて、第１図（Ｃ）に示すよう超電導チャネル１０上
にゲート電極を作製する。ゲート電極は、絶縁体層上に
金属層が積層された構造とすることが好ましい。従って
、酸化物超電導薄膜１上に絶縁膜６および金属膜７を積
層する。絶縁膜６にはＭｇＯ等酸化物超電導薄膜との界
面で大きな準位を作らない絶縁体を用いることが好まし
く、その厚さはｌＱｎｍ以上とする。また、金属膜７に
は＾ＵまたはＴ１、Ｗ等の高融点金属、これらのシリサ
イドを用いることが好ましい。この積層された膜を第２
図（ｄ）に示すよう超電導チャネル１０の上の部分だけ
残してエツチングにより除去し、ゲート電極４を形成す
る。

最後に、第２図（ｅ）に示すようゲート電極４の両側に
ゲート電極４に使用したものと同様の金属でソース電極
２およびドレイン電極３を形成して、本発明の超電導素
子が完成する。

本発明の超電導素子を本発明の方法で作製すると、超電
導ＦＥＴを作製する場合に要求される微細加工技術の制
限が緩和される。また、表面が平坦にできるので、後に
必要に応じ配線を形成することが容易になる。従って、
作製が容易であり、素子の性能も安定しており、再現性
もよい。

発明の詳細 な説明したように、本発明の超電導素子は、超電導チャ
ネル中を流れる超電導電流をゲート電圧で制御する構成
となっている。従って、従来の超電導ＦＥＴのように、
超電導近接効果を利用していないので微細加工技術が不
要である。また、超電導体と半導体を積層する必要もな
いめで、酸化物超電導体を使用して高性能な素子が作製
できる。

本発明により、超電導技術の電子デバイスへの応用がさ
らに促進される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の超電導素子の概略図であり、第２図
は、本発明の方法により本発明の超電導素子を作製する
場合の工程を示す概略図であり、第３図は、超電導ベー
ストランジスタの概略図であり、 第４図は、超電導ＦＥＴの概略図である。 〔主な参照番号〕 １・・・酸化物超電導薄膜、 ２・・・ソース電極、 ３・・・ドレイン電極、 ４・・・ゲート電極、　５・ ・基板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に成膜された酸化物超電導薄膜に形成され
   た超電導チャネルと、該超電導チャネルの両端近傍に配
   置されて該超電導チャネルに電流を流すソース電極およ
   びドレイン電極と、前記超電導チャネル上に配置されて
   該超電導チャネルに流れる電流を制御するゲート電極を
   具備する超電導素子において、前記基板が酸化物超電導
   体中に容易に拡散して該酸化物超電導体の超電導性を失
   わせる物質が添加された添加領域を有し、前記酸化物超
   電導薄膜中に前記基板に添加された物質が拡散して超電
   導性を失った非超電導領域が形成され、前記酸化物超電
   導薄膜の前記非超電導領域上に薄い前記超電導チャネル
   を具備することを特徴とする超電導素子。
2. （２）請求項１に記載の超電導素子を作製する方法にお
   いて、前記基板の一部に局所的に酸化物超電導体中に容
   易に拡散して、該酸化物超電導体の超電導性を失わせる
   物質を添加し、該基板上に酸化物超電導薄膜を形成し、
   該酸化物超電導薄膜に前記基板に添加した物質を拡散さ
   せ、前記非超電導領域を形成する工程を含むことを特徴
   とする超電導素子の作製方法。