JPH04168781A

JPH04168781A - 超電導素子および作製方法

Info

Publication number: JPH04168781A
Application number: JP2295658A
Authority: JP
Inventors: Takao Nakamura; 孝夫中村; Hiroshi Inada; 博史稲田; Michitomo Iiyama; 飯山　道朝
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-11-01
Filing date: 1990-11-01
Publication date: 1992-06-16
Anticipated expiration: 2012-08-20
Also published as: JP2641978B2

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１０ｎｍ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
一難であり、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
ゲート絶縁層を介して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、前記酸化物超電導薄膜中に前記基板および／ま
たは前記ゲート絶縁層に含まれている元素が拡散して超
電導性を失った非超電導領域が形成され、前記超電導チ
ャネルが前記非超電導領域により画成されていることを
特徴とする超電導素子が提供される。

また、本発明では、上記本発明の超電導素子を作製する
方法として、基板上に酸化物超電導薄膜を成膜し、該酸
化物超電導薄膜上に絶縁体膜および常電導体膜を積層し
、それぞれゲート絶縁層およびゲート電極に加工した後
、該ゲート電極に通電して前記酸化物超電導薄膜を局所
的に加熱し、前記基板および／または前記ゲート絶縁層
に含まれる元素を前記酸化物超電導薄膜の前記加熱部分
に拡散させて、非超電導領域を形成し、該非超電導領域
により超電導チャネルを画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。ゲート電極は超電導チャ
ネル上にゲート絶縁層を介して配置されている。超電導
チャネルは、基板および／またはゲート絶縁層カベ拡散
した元素で酸化物超電導薄膜中に形成された非超電導領
域により画成されている。

即ち、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
明の超電導素子では、基板から拡散した元素により酸化
物超電導薄膜中に形成された非超電導領域の上側部分お
よび／またはゲート絶縁層から拡散した元素により酸化
物超電導薄膜中に形成された非超電導領域の下側部分に
位置する薄い超電導部分を超電導チャネルとする。

本発明の方法では、ゲート電極に通電して発熱させ、ゲ
ート絶縁層、酸化物超電導体および基板を局所的に加熱
して、上記の拡散−非超電導領域形成を実現する。即ち
、本発明の方法では、最初基板上に超電導チャネルが形
成される酸化物超電導薄膜を成膜し、この酸化物超電導
薄膜上にゲート絶縁層およびゲート電極を形成する。こ
のゲート電極に通電して発熱させて、上述のように非超
電導領域を形成し、超電導チャネルを画成する。

本発明の方法では、基板の表面に酸化物超電導体中に容
易に拡散するＹ、Ｂａ等を添加しておくことも好ましい
。また、超電導素子の形状、特性等の要求により、ゲー
ト絶縁層からの拡散による非超電導領域の形成が好まし
くない場合には、ゲート絶＠層に例えば５ｒＴｉＯ＋　
、ＢａＴｉＯ３等酸化物超電導体中に拡散し難い絶縁体
を使用する。

本発明の超電導素子において、基板には、ＭｇＯ１Ｓｒ
ＴｉＯ，、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、Ｂ１−８ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０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、基板５上に成膜され、上面の両
端にそれぞれソース電極２およびドレイン電極３配置さ
れ、上面のほぼ中央部にゲート絶縁層６を介してゲート
電極４が配置された酸化物超電導薄膜１を具備する。酸
化物超電導薄膜１のゲート絶縁層６の下側部分には、ゲ
ート絶縁体層６中の元素が拡散して超電導性を失った非
超電導領域５２および基板５中の元素が拡散して超電導
性を失った非超電導領域５１が形成されている。酸化物
超電導薄膜１の非超電導領域５１および５２の間の部分
には、上記の非超電導領域５１および５２により、厚さ
約５ｎｍの極薄の超電導チャネル１０が画成されている
。

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上に第２図（ｂ）に示すよう酸化物超電導
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の厚さは約２０ｎｍが好ましく、酸化物超電
導体としては、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系酸化物超電導体、
Ｂｉ　−３ｒ　−Ｃａ−Ｃｕ　−Ｏ系酸化物超電導体、
ＴＩ　−Ｂａ−Ｃａ−ＬＣｕ−○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。オファクシススバッ
タリング法で酸化物超電導薄膜１を形成する場合め成膜
条件を以下に示す。

スパッタリングガス　　　Ａｒ　　：９Ｑ％０２：１０
％圧　　　　力　　　　　　　　　　１０　　Ｐａ基板温
度　　７００℃ 基板５としては、Ｍｇ０（１００）基板、５ｒＴｉ○３
（１００）基板等の絶縁体基板、または表面に、例えば
ＭｇＡ　］　２０．およびＢａＴ　ｉ　０３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。

次に、第１図（Ｃ）に示すよう酸化物超電導薄膜１上に
絶縁膜１６を約ＩＱｎｍ以上の厚さに形成する。絶縁膜
１６にはＭｇＯｌＳｉＮ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。絶縁膜１６上に金属膜
１７を第２図（ｄ）に示すよう形成する。金属膜１７に
はＴ１またはＭＯ等の高融点金属を用いることが好まし
い。この積層された膜を第２図（ｅ）に示すよう反応性
イオンエツチング、后イオンエツチング等で異方性エツ
チングし、ゲート電極４およびゲート絶縁層６を形成す
る。この際、必要に応じ、サイドエッチを促進して、ゲ
ート絶縁層６の長さを短くする。

このように、ゲート電極４およびゲート絶縁層６を形成
したら、ゲート電極４に通電して発熱させ、ゲート絶縁
層６、酸化物超電導薄膜１および基板５を局所的に加熱
する。このときの加熱温度は、ゲート絶縁層６、酸化物
超電導薄膜１および十１１一基板５の最も温度の高いところで６００℃以上７００℃
以下とする。必要に応じ、基板５を加熱してもよい。

この加熱処理により、第２図（ｆ）に示すよう、基板５
およびゲート絶縁層６に含まれる元素が基板５中に拡散
し、それぞれ非超電導領域５１および５２が形成される
。非超電導領域５１および５２により、酸化物超電導薄
膜１内に超電導チャネル１０が画成される。従って、本
発明の方法で本発明の超電導素子を作製する場合、ゲー
ト電極４の下方に自動的に超電導チャネル１０が画成さ
れる。

基板５からの拡散を促進するため、基板５の表面にＹＳ
Ｂａ等酸化物超電導体中に容易に拡散する元素を添加し
てもよい。また、非超電導領域５２が形成されることが
好ましくない場合には、ゲート絶縁層６に５ｒＴｉ○３
　、ＢａＴｉ○３等酸化物超等連化物超電導体中い材料
を使用する。

最後に、第２図（（イ）に示すようゲート電極４の両側
にソース電極２およびドレイン電極３をＡｕまたはＴ１
、Ｗ等の高融点金属、これらのシリサイドで形成して、
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、基板、ゲート絶縁層と酸化物超
電導薄膜との相互作用により超電導性が悪化した部分を
避けて超電導チャネルを画成することができる。さらに
、加熱時間の制御により容易に超電導チャネルの厚さを
制御することが可能である。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緩
和される。また、超電導体と半導体を積層する必要もな
いので、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、超電導波Ｍ・テ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・・・基板特許出願人　　住友電気工業株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

（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ゲート絶縁
層を介して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
記酸化物超電導薄膜中に前記基板および／または前記ゲ
ート絶縁層に含まれている元素が拡散して超電導性を失
った非超電導領域が形成され、前記超電導チャネルが前
記非超電導領域により画成されていることを特徴とする
超電導素子。
（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、基板上に酸化物超電導薄膜を成膜し、該酸化物超
電導薄膜上に絶縁体膜および常電導体膜を積層し、それ
ぞれゲート絶縁層およびゲート電極に加工した後、該ゲ
ート電極に通電して前記酸化物超電導薄膜を局所的に加
熱し、前記基板および／または前記ゲート絶縁層に含ま
れる元素を前記酸化物超電導薄膜の前記加熱部分に拡散
させて、非超電導領域を形成し、該非超電導領域により
超電導チャネルを画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。