JPH04196185A

JPH04196185A - 超伝導素子

Info

Publication number: JPH04196185A
Application number: JP2321654A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Hiratani; 正彦平谷; Yoshinobu Taruya; 良信樽谷; Kazumasa Takagi; 高木　一正; Tokumi Fukazawa; 深沢　徳海; Akira Tsukamoto; 晃塚本; Takanori Kabasawa; 樺沢　宇紀
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-11-26
Filing date: 1990-11-26
Publication date: 1992-07-15
Anticipated expiration: 2013-01-28
Also published as: JP2705306B2

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】

本発明は酸化物超伝導電界効果型トランジスタに関し、
特に最大チャネル長の限界を１００　ｎ　ｍ以上まで増
大させ得る非超伝導性銅酸化物に関する。

【従来の技術】

酸化物超伝導電解効果型トランジスタにおいて、超伝導
体として銅酸化物超伝導体を、半導体として非超伝導性
銅酸化物を用いた動作例はない。特に、非超伝導性銅酸
化物に関しては、伝導キャリア濃度と移動度を用いるバ
ンドウザの理論式から、超伝導体から非超伝導性銅酸化
物への超伝導電流の染み出し距離は高々数１１ｍである
ことが予測されている。しかし、銅酸化物形成のプロセ
スに要求される摂氏５００度以上の温度では数ＩＩ　Ｉ
ｌｌ稈度の相互拡散は避けられない二と、また、現在の
最新の微細加工技術をもって１−でも最小１０ｎｍの加
工が限界であること等を考慮すると、銅酸化物超伝導体
−非超伝導性銅酸化物一銅酸化物超伝導体の接合の実現
が実際上困難であることが容易に推測される。

【発明が解決しようとする課題】

しかし、計算」二予測される短い染み出し距離が全く正
しいとは断定できない。例えば、銅酸化物超伝導体の高
い超伝導臨界温度はＢＣ３理論から予測されていた上限
を遥かに上回るばかりか、その現象の発見後３年を経た
現在でも未だに説明されていない。この様に、従来の概
念に基づく計算予測はしばしば無力だからである。もし
、従来の理論では予ｆｌｌｌ＋することのできない現象
で銅酸化物超伝導体から非超伝導性銅酸化物中への超伝
導電流の染み出しが支配されるとするならば、その染み
出し距離が例えば１１００ｎ程度の長さを持つならば、
銅酸化物超伝導体−非超伝導性銅酸化物一銅酸化物超伝
導体の接合は十分に現実味を帯びてくる。染み出し距離
が数ｎｍの制限を持つときに深刻であった、高温プロセ
スによる接合界面での相互拡散やりソグラフィの限界に
近いチャネル加工といった問題点を、−挙に克服し得る
からである。本発明の目的は、銅酸化物超伝導体から非超伝導性銅酸
化物中への超伝導電流の染み出し距離が１１００ｎ以」
二であるような、非超伝導性銅酸化物を提供することで
ある。

【課題を解決するだめの手段】

」−記目的を達成するための本発明における手段は、以
下に述べる新現象の発見に基づいている。第１図に示すように、厚さ８００ｎｍの１、ａｌ、５Ｂ
ａ１．５Ｃｕ３０ｙ非超伝導体］２がＹＩ３ａ２Ｃｕ３
０１’超伝導体１１と１３にサンドインチ状に挟まれた
構造を持つ積層膜を作製し、その電気的特性を液体ヘリ
ウム温度で評価した。先に述べたように、従来の理論式
ではチャネル長が８００　ｎ　ｍと長い場合には、１−
下の超伝導体１１と１３の間に超伝導電流が流れること
を期待することはできない。にもかかわらず、超伝導電
流が検出されるという新規な現象が見いだされた。また
、厚さ１１００ｎのＰ＋Ｂａ２Ｃｕ３０Ｙ非超伝導体を
チャネル層として用いた場合にも、超伝導電流が検出さ
れた。１１００ｎ以十のチ、Ｖネル層を介する超伝導電
流は、チャネル層が酸化物超伝導体の非超伝導性の誘導
体−つまり酸化物超伝導体の陽イオン置換体、陽イオン
不定比相成体、酸素欠損もしくは過剰体−である時のみ
検出された。例えば、Ｓ　ｉ０２．　Ｃａ　Ｆ２．　Ｙ
２Ｏ３゜Ａｌ２Ｏ３，７ｎＯなとをチャネル層として用
いたときには、同様の新規な現象は見いだされなかった
。

【作用】

見いだされた新規な現象を詳細に説明する理論の構築は
未だに成されていない。しかしながら、現象論的あるい
は定性的な観点からの説明は以下の通りである。銅酸化
物超伝導体においては、伝導キャリア濃度と超伝導性と
の相関が広く知られている。伝導キャリアの増大ととも
に、電気的特性は絶縁体−超伝導体−’１′−導体もし
くは金属の順に変化する。超伝導体から絶縁体あるいは
超伝導体から半導体（もしくは金属）への変化は連続的
であるが、超伝導性−非超伝導性の画境界において伝導
キャリア濃度のしきい匝が存在する。この伝導キャリア
濃度と超伝導性との相関については理論的には未だ解明
されていない。ここで現象として問題となるのは伝導キャリア濃度を変
化させる方法である。例えば１ｄ−ｘ３＋ｘＣｕ０４超伝導体（０＜Ｘ＜０．４）で
は、Ｓｒ含イｊ量Ｘを変化させることによって伝導キャ
リア濃度を変化させることが可能である（例１）。伝導
キャリア濃度はＳｒ含有量Ｘが増大するとともに増大し
、同時に、電気的特性は絶縁体、超電導体、金属の順に
変化する。Ｔ１２Ｂａ２Ｃｕ０６−Ｙ超伝導体（ｏ＜ｙ
＜０．３）では、酸素量（６−ｙ）を変化させることに
よって伝導キャリア濃度を変化させることが可能である
（例２）。伝導キャリア濃度は酸素量（６−ｙ）が減少
するとともに減少し、同時に、電気的特性は金属から超
伝導体へと変化する。ＹＢａ２Ｃｕ３０６＋ｙ超伝導体（ｏ＜ｙ＜ｌ）でも、
酸素量（６＋　ｙ）を変化させることによって伝導キャ
リア濃度を変化させることが可能である（例３）。伝導キャリア濃度は酸素！（６＋ｙ）が増大するととも
に増大し、同時に、電気的特性は絶縁体から超伝導体へ
と変化する。Ｌａｌ＋ｘＢａ２−ｘｃｕ３０６＋ｙ超伝
導体（０＜Ｘ＜０．５）では、酸素量（６＋ｙ）以外に
もＬ　ａとＢａの含有比率Ｘを変化させることによって
も伝導キ＼・リア濃度を変化させることが可能である（
例４）。伝導キャリア濃度はＬａの含有比率Ｘが増大す
るとともに減少し、同時に、電気的特性は超伝導体から
半導体へと変化する。Ｙｌ−ｘＰｒｘ１１ａ２Ｃｕ３０６＋ｙＰｒ溝体（０＜
Ｘ＜１）では、酸素量（６＋ｙ）以外にもＹに対するＰ
ｒ置換量Ｘを変化さぜることによっても伝導キャリア濃
度を変化させることが可能である（例５）。伝導キャリ
ア濃度はＩ’ｒ置換量Ｘが増大するとともに減少し、同
時に電気的特性は超伝導体から半導体へと変化する。Ｙ
１１ａ２（Ｃｕｌ−ｘＧａｘ）３０６＋）’超伝導体（
０＜Ｘ＜０．１）では、酸素量（６＋ｙ）以外にもＣｕ
に対するＧａ置換ＪＪｋｘを変化させることによっても
伝導キャリア濃度を変化させることが可能である（例６
）。伝導ギーＶリア濃度はＧａ置換量Ｘが増大するとともに
減少し、同時に、電気的特性は超伝導体から半導体へと
変化する。以上列挙したように伝導キャリア濃度は、酸素含有量（
例２，３，４，５．６）　、アルカリ土類イオンと希土
類イオンの含有比率（例１．，４）、希土類イオン間の
部分置換（例５）、池のイオンによる銅イオンの置換（
例６）によって変化する。伝導キャリア濃度はまた、ア
ルカリイオン（Ｌｉ。Ｎ　ａ　、　Ｋ　）と希土類イオンの含有比率を変化さ
せることによっても変化する。そして、伝導キャリア濃
度の変化とともに電気的特性は絶縁体、超伝導体、半導
体、金属のいずれかの性質を示す。ここで重要な点は、
伝導キャリア濃度の変化つまり電気的特性の変化は超伝
導性銅酸化物に対する置換体や誘導体の範囲内で引き起
こされる、ということである。言い替えれば、電気的特
性の変化は、結晶構造が超伝導性銅酸化物と結晶学的に
同じであるペロプスカイト構造の化合物において、引き
起こされる。そして、酸化物超伝導体の伝導キャリア濃
度を変化させて得られる非超伝導体でチャネル層が形成
されているときに限って、超低ｉＪ電流の染み出し距離
は］、　ＯＯｎ　ｍ以上にも達するのである。例にあげた以外にも超伝導性銅酸化物としては、いわゆ
るＢｉ、Ｐｂ系化合物などが知られているが、それらに
おいても上で説明したように種々の置換や酸素量の調整
によって非超伝導性銅酸化物が得られることが知られて
いる。

【実施例】

以下に、実施例を用いて本発明の詳細な説明する。実施例　】第２図に本発明で非超伝導性のＬａ２ＣｕＯ４化合物を
チャネル層として用いた場合の積層構造図を示す。本実
施例では、薄膜はすべてＲＦマグネトロンスパッタリン
グ法を用いて作製し、基板温度は５５０℃、投入電力は
１００Ｗ、作製雰囲気はアルゴン（５０％）−酸素（５
０％）混合ガスを用いて全圧を６．６５Ｐａとした。ま
ず面方位（１１０）の５ｒＴｉ０３単結晶基板２０上に
ステンレス製の金属マスクを用いて、１０ｍｍ角のＬａ
２−ｘｓ＋ｘｃｕ０４（ｘ＝ｏ、Ｉ５）薄膜２１を形成
した。この」二にＳｒを含まないＬａ２−ｘｓ＋ｘｃｕ
０４（ｘ＝ｏ）薄膜２２を５ｍｍ角の金属マスクを用い
て積層するが、第２図に示すようにその内の３ｍｍ角がＬａ２−ｘｓ＋ｘｃｕ０４（ｘ＝０．１５）薄膜２１と
重なるように配置した。さらにこの」二に下部層２１と
同し組成をもつ］、０ｍｍ角の１、ａ２−ｘＳ＋ｘＣｕ
０４（ｘ＝０．１５）薄膜２３を積層した。この場合も
チャネル層２１の内３ｍｍ角が上部超伝導層２３と重な
るようにするが、結果的には下部超伝導層２１と」二部
超伝導層２３とは１ｍｍ角の重なり面積を持つ。各層の
膜厚は下部層２１、チーＶネル層２２、上部層２３それ
ぞれで、７００ｎｍ、８００ｎｍ、４００ｎｍとした。最後にこの積層膜をＡ　ｒ　ｉ”　４００℃で１２時間
熱処理した。Ａｒ中で熱処理後のＬａ２−ｘＳ＋ｘＣｕ０４（ｘ＝Ｏ
，ｌ５）ｌｔ’−層膜は、３２にの超伝導臨界温度を示
した。一方、Ｌａ２−ｘＳ＋ｘＣｕ０４（ｘ＝０）単層
膜は４２Ｉ（における、５ＱＵＩＤ磁束計を用いた反磁
性シールディング効果の測定においても、電流−電圧特
性においても超伝導性は検出されず、完全な非超電導体
であることが確認された。第３図に積層膜について４端子法で測定した４、２Ｋに
おける電流−電圧特性を示す。積層膜の電流−電圧特性
は、電流を端子２４と２５の間に通電しその時の端子２
６と２７間に発生する電圧を測定することによって評価
した。電極には直径５０ミクロンの金線を用い、金線は
インジウム金属を用いて試料と電気的に接触させた。零
電圧近傍での電流の非直線性は、８００ｎｍの非超伝導
層２２を介して２つの超伝導層２１と２３との間に超伝
導電流が流れたことを示す。実施例　２実施例１と同じ積層構造を持つが、チャネル層としてＳ
ｒを含まないＬａ２−ｘｓ＋ｘｃｕ０４（ｘ＝０）の代
わりに、超伝導層１．ａ２−ｘｓ＋ｘｃｕ０４（ｘ＝０
．１５）よりも過剰のＳｒを含むＬａ２−ｘｓ＋ｘｃｕ
０４（ｘ＝０．４）を用いた積層膜を作製した。作製プ
ロセスは実施例］と同じである。チャネル層の膜厚は同
じ８００ｎｍとした。Ｓｒを過剰に含む１．ａ２−ｘｓ＋ｘｃｕ０４（ｘ＝０
．４）は、４．２にでは電気的にも磁気的にも非超電導
体であることが確認された。積層膜の４端子法による電
流−電圧測定から、零電圧近傍において同様の電流の非
直線性が観察された。実施例　３第４図に本発明で非超伝導性のＰ＋Ｂａ２Ｃｕ３０ｙ化
合物をチャネル層として用いた場合の積層構造図を示す
。本実施例では、薄膜はすべてＲＦマグネトロンスパッ
タリング法を用いて作製し、作製条件は実施例１と概ね
同じである。まず１０　ｍ　ｍ角の面方位（１１０）の
５ｒＴｉ０３単結晶基板４０」二に、ＹＢａ２Ｃｕ３０
１’薄膜４１を形成した。この」二にＰｒ口ａ２Ｃｕ３
０ｙ薄膜４２を６ｍｍ角の金属マスクを用いて第４図に
示すように基板の中央に形成した。さらにこの」二に下部層４１と同じＹＢａ２Ｃｕ３０１
’薄膜４３を２ｍｍ角の金属マスクを用いて中央に形成
した。各層の膜厚は下部層４１、チャネル層４２、」―
部層４３それぞれで、７００ｎｍ、１１００ｎ、４００
ｎｍとした。最後にこの積層膜をＥ　ＣＲ酸素プラズマ
中４５０℃で３０分間熱処理した。Ｅ　ＣＲ酸素プラズマ中で熱処理後のＹＢａ　２Ｃｕ３
０）’単層膜は、６２にの超伝導臨界温度を示した。−
方、Ｐ＋Ｂａ２Ｃｕ３０）’単層膜は４．２Ｋにおける
、５ＱＵＩＤ磁束計を用いた反磁性シールディング効果
の測定においても、電流−電圧特性においても超伝導性
は検出されず、完全な非超電導体であることが確認され
た。積層膜の電流−電圧特性は、電流を端子４４と４５の間
に通電しその時の端子４６と４７間に発生ずる電圧を測
定することによって評価した。電極には直径５０ミクロ
ンの金線を用い、金線はインジウム金属を用いて試料と
電気的に接触させた。第５図に積層膜について４端子法で測定した４、２Ｋに
おける電流−電圧特性を示す。零電圧近傍での電流の非
直線性は、］、　ＯＯｎ　ｍの非超伝導層４２を介して
２つの超伝導層４１と４３との間に超伝導電流が流れた
ことを示す。実施例　４第６図に本発明で非超伝導性の１、ａｌ、５０ａ１．５ｃｕ３０ｙ化合物をチャネル層
として用いた場合の積層構造図を示す。まず面方位（１
１，０）＝　１２− のＳ＋ＴｉＯ３単結晶基板６０」二に、Ｌａ１．５１１
ａ＋、５Ｃｕ３０１’薄膜６１をＲＦマグネトロンスパ
ッタリング法により形成した。膜形成条件は実施例１と
概ね同じであり、膜厚は３００ｎｍとした。この」二に
１１ｏＢａ２Ｃｕ３０ｙ薄膜６２をＥ　ＣＲ酸素プラズ
マを用いる反応性蒸着法により、金属マスクを用いて１
ｘ５ｍｍ角の大きさで第６図に示すように基板の中央に
形成した。マイクロ波源には２．４５ＧＨｚ、１２０Ｗ
のマグネトロンを用い、磁場の強さは８７５Ｇとした。作製雰囲気は１０の一４乗ゴｏｒｒの酸素ガス雰囲気で
、蒸着速度は０．６ｎｍ／秒、基板温度は５６０℃、膜
厚は８０　ｎ　ｍとした。この上に電子線用レジストを
塗布した後、電子線描画装置で１．ｍｍ幅のＨｏＢａ２
Ｃｕ３０Ｙ薄膜６２を横切るように２００ｎｍ幅の線状
パターンを形成した。反応性イオンビームエツチング法
を用いてレジストパターンを基に１１ｏＢａ２Ｃｕ３０
ｙ薄膜６２に溝状のチャネル６３を形成した。溝の深さ
はＬａ１．５Ｂａ１．５Ｃｕ３０ｙ薄膜６１に刻して２
５　ｎ　ｍとした。最後にこの積層膜をＥ　ＣＲ酸素プ
ラズマ中４５０℃で３０分間熱処理した。ＥＣＲ酸素酸素プラズマ熱処理後のＨｏＢａ２Ｃｕ３０
ｙ単層膜は、７８にの超伝導臨界温度を示した。−方、
１．ａｌ、５Ｂａ１．５Ｃｕ３０ｙ単層膜は４．２Ｋに
おける、５ＱＵＩＤ磁束計を用いた反磁性シールディン
グ効果の測定においても、電流−電圧特性においても超
伝導性は検出されず、完全な非超電導体であることが確
認された。積層膜の電流−電圧特性は、電流を端子６４と６５の間
に通電しその時の端子６６と６７間に発生する電圧を測
定することによって評価した。電極には直径５０ミクロ
ンの金線を用い、金線はインジウム金属を用いて試料と
電気的に接触させた。第７図に示した４、２Ｋにおける電流−電圧特性から明
らかなように、零電圧近傍で電流の非直線性が観察され
た。第８図に超伝導電流の温度依存性を示す。超伝導電
流は、１ＩｏＢａ２ｃｕ３０ｙ超伝導層６２の臨界温度
に近い７６Ｋまで検出された。第９図に４．２Ｋ、２　
Ｇ　Ｈｚの条件下で観察されたシャピロステノブを示す
。以上の電気的特性は、２００ｎｍ幅の溝状のチャネル
６３を介して超伝導体６２間に超伝導電流が流れたこと
を示す。

【発明の効果】

本発明によれば、超伝導電流の染み出し距離は従来の理
論的な染み出し距離限界を２桁以上も上回り１１００ｎ
以」二にも達する。したがって、銅酸化物の形成プロセ
スで要求される摂氏５００度以上の温度でも、相互拡散
によってチャネル層が破壊する心配はない。また、最新
の微細加工技術で可能な１０ｎｍよりも一桁大きいチャ
ネル長を利用できるので、現行のりソグラフィ技術で十
分にチャネル層を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を生み出す基礎となった新現象が発見さ
れた時の薄膜断面模式図、第２図は実施例１における超
伝導体−非超伝導体一超伝導体の積層構造、第３図は実
施例１で得られた非線形な電流−電圧特性、第４図は実
施例３における超伝導体−非超伝導体一超伝導体の断面
構造、第Ｓ図は実施例３で得られた非線形な電流−電圧
特性、第一　１５＝６図は実施例４における超伝導体−非超伝導体一超伝導
体のプレーナ型構造、第７図は、実施例４で得られた非
線形な電流−電圧特性、第８図は、実施例４で得られた
超伝導電流の温度依存性、第９図は、実施例４で得られ
たシャピロステップ。

【符号の説明】

１１　＝４Ｂａ２Ｃｕ３０Ｙ超伝導体、１２−１、ａｌ
、５Ｂａ１．５ｃｕ３０ｙ非超伝導体、１３　＝ＹＢａ
２Ｃｕ３０Ｙ超伝導体、２０　・−３ｒＴｉ０３単結晶
基板、２１−Ｌａ２−ｘｓ＋ｘｃｕ０４（ｘ＝０．１５）超伝
導体、２２−Ｌａ２−ｘｓ＋ｘｃｕ０４（ｘ＝ｏ）非超
伝導体、２３　＝１．ａ２−ｘｓｒｘｃｕ０４（ｘ＝ｏ
、＋５）超伝導体、２４・・電流端子、２５・・・電流端子、２６・電圧端子、２７　電圧端子、４０−３ｒＴｉ０３単結晶基板、４１　＝ＹＢａ２Ｃｕ３０ｙ超伝導体、４２　＝４＋Ｂ
ａ２Ｃｕ３０ｙ非超伝導体、４３−４Ｂａ２Ｃｕ３０ｙ
超伝導体、４４・・電流端子、４５・・・電流端子、４６・・・電圧端子、４７・・・電圧端子、６０　・・４ｒＴｉ０３単結晶基板、６１−Ｌａ１．５Ｂａ１．５Ｃｕ３０ｙ非超伝導体、６
２　＝４（ｏＢ＋＋２ｃｕ３０Ｙ超伝導体、６３・・溝
状のチャネル、６４・・電流端子、６５・・・電流端子、６６・・・電圧端子、６７・・電圧端子。

Claims

【特許請求の範囲】１、非超伝導性銅酸化物と、第１及び第２の超伝導性銅
酸化物とを有し、上記非超伝導性銅酸化物の両端のうち
一端は、上記第１の超伝導性銅酸化物に接し、上記非超
伝導性銅酸化物の他端は、上記第２の超伝導性銅酸化物
に接し、上記第１及び第２の超伝導性銅酸化物間の距離
は１００ｎｍ以上であることを特徴とする超伝導素子。２、請求項１において、上記非超伝導性銅酸化物の結晶
構造は、上記超伝導性銅酸化物と同じペロブスカイト構
造とし、化学式が超伝導性銅酸化物の誘導体として表現
されることを特徴とする超電導素子。３、請求項２において、超伝導性銅酸化物と比較して、
超伝導性銅酸化物が超伝導性を示す条件よりも過剰のも
しくは、少ない伝導キャリア濃度を含むことを特徴とす
る超電導素子。