JPH04168783A

JPH04168783A - 超電導素子および作製方法

Info

Publication number: JPH04168783A
Application number: JP2295660A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Inada; 博史稲田; Takao Nakamura; 孝夫中村; 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: 2012-04-09
Also published as: JP2599500B2

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、超電導素子ふ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、ジョセフソン素子か
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、高速スイッヂング
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
用した低電力消費で高速動作を行う素子である。

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および超電導トレイン電極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、近接効果で超電導ソース電極４１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で高速動
作を行う素子である。

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＝３− 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、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ＩＱｎｍ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ＦＥＴ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
チャネルを５ｎｍ以下の厚さにしなければならず、その
ような構成を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
で形成された超電導チャネルと、該超電導チャネルの両
端上に配置された超電導ソース電極および超電導ドレイ
ン電極と、前記超電導チャネル上にゲ７）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
超電導ゲート電極を具備する超電導素子において、前記
超電導チャネルおよび前記ゲート絶縁層が一体に形成さ
れ、前記超電導チャネルがＣ軸配向の酸化物超電導薄膜
で構成され、前記ゲート絶縁層が前記Ｃ軸配向の酸化物
超電導薄膜を構成する酸化物超電導体と等しい構成元素
および結晶構造を有し、前記酸化物超電導体よりも酸素
含有量が少ない酸化物で構成され、前記超電導ソース電
極、超電導ドレイン電極および超電導ゲート電極がＣ軸
配向の酸化物超電導薄膜で構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、上記の超電導素子を作製する方法と
して、絶縁体基板上または絶縁膜を表面に有する半導体
基板上に前記超電導チャネルおよび前記ゲート絶縁層そ
れぞれの厚さの和に相当する厚さのＣ軸配向の酸化物超
電導薄膜を成膜し、該Ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜上に
超電導ゲート電極の厚さに相当する厚さのＣ軸配向の酸
化物超電導薄膜を成膜し、該Ｃ軸配向の酸化物超電導薄
膜を加工して超電導ゲート電極を形成し、前記Ｃ軸配向
の酸化物超電導薄膜をゲート絶縁層および超電導チャネ
ルの形状に加工し、ゲート絶縁層となる部分から該部分
の酸化物超電導薄膜を構成する酸化物超電導体結晶中の
酸素を除去して非超電導体と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、ゲート絶縁層と、超電導チャネ
ルとが一体に形成されている。超電導チャネルは、Ｃ軸
配向の結晶からなる酸化物超電導体で構成され、ゲート
絶縁層は、この酸化物超電導体と等しい構成元素および
結晶構造を有し、この酸化物超電導体よりも酸素含有量
が少ない非超電導性の酸化物で構成されている。換言す
れば、ゲート絶縁層および超電導チャネルは単一のＣ軸
配向の酸化物超電導薄膜からそれぞれの形状に加エされ
、ゲート絶縁層部分はこの酸化物超電導薄膜から酸素を
抜いて形成された非超電導体により構成されている。

上記のように、本発明では、加工した酸化物超電導薄膜
の一部を非超電導体化してゲート絶縁層を形成するが、
酸化物超電導薄膜の一部を非超電導体に変えるために、
高真空中で熱処理を行う。

酸化物超電導体は、結晶中の酸素量によりその特性が変
化しやすく、特に酸素含有量が少ない場合には、臨界温
度が大幅に低下したり、超電導性を失う。また、酸素分
圧の低い雰囲気中で加熱することにより、結晶中の酸素
が抜け、酸素量が減少する。

従って、本発明の方法では、酸化物超電導薄膜を高真空
中で加熱処理して酸素を抜き、一部を絶縁体に変え、ゲ
ート絶縁層を形成する。処理時間を加減することにより
、任意の厚さの部分の結晶中の酸素を抜くことができる
。酸化物超電導体は結晶のＣ軸と垂直な方向の酸素の拡
散係数が大きい（Ｃ軸と垂直な方向に酸素が動きやすい
）ので、上記の酸化物超電導薄膜はＣ軸配向の酸化物超
電導体結晶で構成し、ゲート絶縁層となる部分の側面か
ら酸素が抜ける形状にする。

本発明の超電導素子において、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で、厚さが５ｎｍ以下で
なければならない。また、ゲート絶縁層の厚さは、約１
０ｎｍ以上のトンネル電流が無視できる厚さとしなけれ
ばならない。従って、本発明の方法では、基板上に厚さ
約２０ｎｍの上記Ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜を形成す
る。

本発明の方法では、上記の酸化物超電導薄膜を加工して
超電導チャネルを形成する際に、酸化物超電導薄膜の状
態をモニタし、基板との界面の近傍の基板の影響を受け
て劣化している部分を使用しないことが可能である。成
膜方法は、スパッタリング法、ＭＢ’Ｅ法、ＣＶＤ法、
真空蒸着法等が好ましく、成膜時の基板温度を約７００
℃とすることにより、Ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜を形
成することが可能である。

一方、超電導ソース電極、超電導ドレイン電極および超
電導ゲート電極は、Ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成
することが好ましい。超電導ソース電極および超電導ド
レイン電極では、電極の厚さ方向に主電流が流れるため
、Ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜が好ましい。また、超電
導ゲート電極をＣ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成する
と、直下に配置されたゲート絶縁層部分と結晶方向が異
なるので、ゲート絶縁層部分から酸素を抜く時の影響は
界面で止まり、超電導ゲート電極の酸化物超電導体は変
化しない。

本発明の超電導素子において、基板には、ＭｇＯ，５ｒ
ＴＩＯ３、ＣｄＮｄＡｌＯ４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ＭｇＡｌ２Ｏ３、ＢａＴ
ｌ０３等が被覆されているＳｉ基板を使用することも好
ましい。

本発明の超電導素子には、Ｙ　−Ｂａ−Ｃｕ−〇系酸化
物超電導体、Ｂｉ　−３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−○系酸化物超
電導体、ＴＩ　−Ｂａ　−Ｃａ−Ｃｕ−○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上に成膜された単一のＣ
軸配向の酸化物超電導薄膜から加工された、ゲート絶縁
層６および超電導チャネル１０を具備する。ゲート絶縁
層６上には、Ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成された
超電導ゲート電極４が配置されている。ゲート絶縁層６
は、酸化物超電導体より酸素量が少ない非超電導性の酸
化物で構成されており、超電導チャネル１０は、Ｃ軸配
向の酸化物超電導体結晶で構成されている。また、超電
導チャネル１０の厚さは約５ｎｍ以下であり、ゲート絶
縁層６の厚さは約ｌＱｎｍ以上である。

−Ｎ− 超電導ゲート電極４の周囲には、絶縁層７が配置され、
超電導ゲート電極４上には表面保護膜８が配置されてい
る。超電導ソース電極２および超電導ドレイン電極３は
、それぞれ絶縁層７に接して超電導ゲート電極４の両側
の超電導チャネル１０上に素子上面が平坦になるよう配
置されている。

超電導ソース電極２および超電導ドレイン電極３は、Ｃ
軸配向の酸化物超電導体結晶で構成されている。

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の表面に第２図（ｂ）に示すよう約２０ｎ
ｍ程度の厚さのＣ軸配向のＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ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。

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
形成する場合の成膜条件を以下に示す。

スバ・ツタリンクカス　　　八ｒ：９０％０２　：１０
％圧　　　　力　　　　　　　　　　ｌＱ　　Ｐａ基板温
度　　７００℃ 基板５としては、Ｍｇ０（１００）基板、５ｒＴｉＯ＋
（１０Ｑ）基板、ＣｄＮｄＡｌ○、　　（００１）等の
絶縁体基板、または表面に絶縁膜を有するＳｉ等の半導
体基板が好ましい。この８１基板の表面にはＣＶＤ法で
成膜されたＭｇＡ］□０４膜およびスパッタリング法で
成膜されたＢａＴｉＯ２膜が積層されていることが好ま
しい。

酸化物超電導体としては、Ｙ−Ｂａ−ＣＩ−〇系酸化物
超電導体の他、Ｂｉ　−３ｒ　−Ｃａ−Ｃｕ　−０系酸
化物超電導体、ＴＩ　−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−〇系酸化物
超電導体が好ましい。

次に、第２図（Ｃ）に示すよう酸化物超電導薄膜ｌ上に
厚さ約２００　ｎｍのＣ軸配向の酸化物超電導薄膜１１
を積層する。Ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜は、基板温度
約６５０℃以下でオファクシススバッタリング法を使用
して成膜することが可能である。スパッタリング条件以
下に示す。

スパッタリングガス　　　八ｒ　　：９０％０２：１０
％圧　　　　力　　　　　　　　　　１０　　Ｐａ基板温
度　　６４０℃ 酸化物超電導薄膜１１の超電導ゲート電極となる位置に
表面保護膜８を第２図（ｄ）に示すよう形成する。表面
保護膜８は、へｕ等の金属膜、絶縁膜等で形成すること
が好ましく、必要に応じてレジスト膜と積層した構成に
することが好ましい。酸化物超電導薄膜１１および酸化
物超電導薄膜１を反応性イオンエツチング、Ａｒイオン
エツチング等で異方性エツチングし、第２図（ｅ）に示
すよう、超電導ゲート電極４、ゲート絶縁層部１６およ
び超電導チャネル１０を形成する。ゲート絶縁層部１６
は約ｌＯｎｍ以上の厚さにし、必要に応じサイドエッチ
を促進して長さを短くする。一方、超電導チャネル１０
は５ｎｍ以下の厚さにし、必要に応じ、超電導チャネル
１０を形成する際に酸化物超電導薄膜の状態をモニタし
ながらエツチングし、基板の影響で劣化している部分を
使用しないようにする。

次いで、１Ｏ−５Ｐａ程度の真空中で基板温度を４００
℃以上に加熱する。すると、ゲート絶縁部１６の側面か
ら酸化物超電導体結晶中の酸素が抜けて第２図（ｆ）に
示すよう、超電導ゲート電極４の下側にゲート絶縁層６
が形成される。このように、ゲート絶縁部１６の側面か
らのみ酸化物超電導体結晶中の酸素が抜けるのは、酸化
物超電導体が、結晶のａ軸およびｂ軸に平行な方向の酸
素の′拡散係数が大きいからである。

上記の処理の後、第２図（ｇ）に示すよう、超電導ゲー
ト電極４の周囲に絶縁膜７を表面保護膜８と等しい高さ
に形成する。絶縁膜７には、例えばＳｉＮ等酸素の再導
入を防止する材料を使用することが好ましい。

最後に、第２図（５）に示すよう、超電導チャネル１０
上の超電導ゲート電極４の両側部分にそれぞれａ軸配向
の酸化物超電導薄膜による超電導ソース電極２および超
電導ドレイン電極３を絶縁膜７に隣接して絶縁膜７、保
護膜８と等しい高さに形成して、本発明の超電導素子が
完成する。ａ軸配向の酸化物超電導薄膜は、基板温度約
６５０℃以下でオファクシススパンタリング法を使用し
て成膜することが可能である。スパッタリング条件以下
に示す。

スバ・ツタリンクカス　　　八ｒ　　：９０％０２：１
０％圧　　　　力　　　　　　　　　　１０　　Ｐａ基板温
度　　６４０℃ 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。また、ゲ
ート電極と超電導チャネルの間の絶縁層の構成元素が、
超電導チャネルを構成する酸化物超電導体の構成元素と
等しいので、機械的に安定しており、界面もきれいであ
る。本発明の超電導素子は、作製が容易であり、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・・・超電導ソース電極、３・・・超電導ドレイン電極、４・・・超電導ゲート電極、　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で形成され
た超電導チャネルと、該超電導チャネルの両端上に配置
された超電導ソース電極および超電導ドレイン電極と、
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超電導ゲー
ト電極を具備する超電導素子において、前記超電導チャ
ネルおよび前記ゲート絶縁層が一体に形成され、前記超
電導チャネルがｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成され
、前記ゲート絶縁層が前記ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜
を構成する酸化物超電導体と等しい構成元素および結晶
構造を有し、前記酸化物超電導体よりも酸素含有量が少
ない酸化物で構成され、前記超電導ソース電極、超電導
ドレイン電極および超電導ゲート電極がａ軸配向の酸化
物超電導薄膜で構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、絶縁体基板上または絶縁膜を表面に有する半導体
基板上に前記超電導チャネルおよび前記ゲート絶縁層そ
れぞれの厚さの和に相当する厚さのｃ軸配向の酸化物超
電導薄膜を成膜し、該ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜上に
超電導ゲート電極の厚さに相当する厚さのａ軸配向の酸
化物超電導薄膜を成膜し、該ａ軸配向の酸化物超電導薄
膜を加工して超電導ゲート電極を形成し、前記ｃ軸配向
の酸化物超電導薄膜をゲート絶縁層および超電導チャネ
ルの形状に加工し、ゲート絶縁層となる部分から該部分
の酸化物超電導薄膜を構成する酸化物超電導体結晶中の
酸素を除去して非超電導体と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。