JPH05167114A

JPH05167114A - 超電導電界効果トランジスタ

Info

Publication number: JPH05167114A
Application number: JP3327480A
Authority: JP
Inventors: Hideo Nojima; 秀雄野島
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1991-12-11
Filing date: 1991-12-11
Publication date: 1993-07-02

Abstract

(57)【要約】【目的】超低消費電力で１以上の電圧増幅率を得る。【構成】ＳrＴiＯ₃(１００)基板１１上に、Ｙ₁Ｂa₂Ｃ
u₃Ｏ_7-x下部超電導薄膜１２,Ｎb添加ＳrＴiＯ₃半導体薄
膜(膜厚５nm)１３,Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x上部超電導薄膜１
４を積層して積層膜を形成する。ゲート電極１９は、積
層膜の一側をＹ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x下部超電導薄膜１２まで
エッチングして露出した側面に形成された酸化シリコン
絶縁体薄膜１８上に形成する。そして、ゲート電極１９
に印加する１〜２mＶの入力電圧で近接効果によって積
層膜の膜厚方向に流れる電流を制御する。こうして、チ
ャネル長をＮb添加ＳrＴiＯ₃半導体薄膜１３の膜厚にし
て０.１μm以下のチャネル長を可能にすることで、超低
消費電力で１以上の電圧増幅率を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超電導電極間の近接
効果による超電導電流を利用した超高速で超低消費電力
を呈する超電導電界効果トランジスタに関し、特に酸化
物高温超電導体を用いて縦型に形成することで大きな電
圧増幅率が得られる超電導電界効果トランジスタに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】超高速電子計算機に使用する素子とし
て、超電導体を用いたジョセフソン接合素子の研究が現
在活発に行われている。スイッチング素子という観点か
ら見れば、ジョセフソン接合素子は動作速度が非常に早
く、１０^-12秒程度のスイッチング時間が実現できる。
さらに、消費電力が極めて少なく１ゲート当たり１０^-6
ワット程度となることから高密度の実装ができる。した
がって、ジョセフソン接合素子を使用することによって
超高速電子計算機を極めて小型にできる可能性がある。

【０００３】ところが、上記ジョセフソン接合素子は基
本的に２端子の素子であり、半導体トランジスタのよう
な増幅機能を有していない。そのために、回路演算素子
として使用するには問題がある。また、これまでに構築
された半導体集積回路設計技術がそのまま使えないとい
う問題もある。

【０００４】そこで、上記ジョセフソン接合素子の超高
速動作と超低消費電力の特性を保持したまま信号増幅の
機能を持たせた超電導トランジスタ(３端子素子)の研究
が近年活発に進められ、これまでに幾つかの素子概念が
発表されている。なかでも、第３の電極で超電導電流の
制御を行った超電導トランジスタの試作例が数多く報告
されている(例えば、Ｗ.Ｊ.ギャラガー：米国電気電子
学会磁気学会誌 VOL.MAG-21，Ｎo.2，1985年3月，P.
709)。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の数多くの報告の
中で、増幅機能が確認された超電導トランジスタとして
は準粒子注入型の素子がある。しかしながら、この素子
は、準粒子を注入した非平衡超電導状態を使用するため
に準粒子の緩和時間で応答速度が制限されて、１０^-10
秒程度のスイッチング速度しか得られていないという問
題がある。

【０００６】一方、スイッチング速度が早くて超低消費
電力の超電導トランジスタとして、近接効果を用いた超
電導電界効果トランジスタが注目されている。ところ
が、これまでに報告されている超電導電界効果トランジ
スタは、電圧増幅率が１以下であり、素子の駆動に数１
００mＶの電圧を必要とするという問題がある。したが
って、超高速で超低消費電力で増幅機能を有する超電導
トランジスタは未だ実現されてはいないのである。

【０００７】ここで、従来の超電導電界効果トランジス
タの増幅率が１以下であり１００mＶ以上の駆動電圧が
必要である理由について、従来の超電導電界効果トラン
ジスタの動作の説明と共に述べる。

【０００８】上記超電導電界効果トランジスタは、半導
体を介した超電導体間の近接効果による超電導電流を上
記半導体に印加する電圧で制御する素子である。超電導
体と半導体との境界においては、超電導体の電子状態が
半導体内にしみ出している。そして、半導体の両側の超
電導体からしみ出した超電導の電子状態が半導体の内部
で重なって結合したときに、半導体を通して超電導電流
が流れるのである。その際における超電導体から半導体
への超電導電子状態のしみ出し長ξは、次の式に従って
半導体のキャリア濃度に依存する。 ξ＝(ｈ³・μ/６・π・ｍ・ｅ・ｋ・Ｔ)^1/2・(３π²・ｎ)^1/3 …(１) 但し、ｈ：プランク定数 μ：半導体キャリア移
動度ｍ：半導体のキャリアの有効質量ｅ：電荷素量ｋ：ボルツマン定数Ｔ：温度ｎ：半導体のキャリア濃度である。

【０００９】したがって、半導体の電界効果によって半
導体のキャリア濃度を制御すれば、超電導電子状態の半
導体へのしみ出し長ξを変えることができ、超電導電流
を制御できるのである。

【００１０】図６は従来の超電導電界効果トランジスタ
の基本構造を示し、１,３は超電導体、２は半導体、４
は絶縁体、５はゲート電極、６は基板である。図６にお
いて、上記ゲート電極５下の半導体２層に形成されるチ
ャネルのチャネル長は、現在の半導体プロセスにおける
微細加工技術を用いて最も短く形成しても、０.１μm程
度が限界であると考えられる。したがって、近接効果に
よって両超電導体１,３間に超電導電流を流すために
は、超電導電子状態のしみ出し長ξが０.１μm程度であ
る必要がある。

【００１１】そこで、上記超電導電界効果トランジスタ
の半導体をこれまで多く用いられているＳiやＩnＡsで
あると仮定し、超電導電子状態のしみ出し長ξ＝０.１
μmとした場合の駆動電圧および電圧増幅率を求めてみ
る。上記超電導電子状態のしみ出し長ξ＝０.１μmであ
るから、式(１)より半導体のキャリア濃度ｎはｎ≒１０
¹⁹/cm³となる。ここで、面キャリア濃度をＮsとする
と、Ｎs＝ｎ^2/3 …(２) から、ｎ≒１０¹⁹/cm³のときにおける面キャリア濃度Ｎ
sはＮs≒５×１０¹²/cm²となる。

【００１２】この面キャリア濃度Ｎsを誘起するのに必
要なゲート電圧は、次の式から求められる。Ｎs＝−Ｑs/ｅ＝Ｃi(Ｖ_G−Ｖ_T)/ｅ …(３) 但し、Ｑs：表面電荷密度Ｃi：ゲート絶縁膜の容量Ｖ_G：ゲート電圧Ｖ_T：閾値電圧すなわち、上記面キャリア濃度ＮsをＮs＝５×１０¹²/c
m²とし、ゲート絶縁膜容量Ｃiを通常状態であるＣi＜１
μＦ/cm²として、式(３)から（Ｖ_G−Ｖ_T）を求めると、
(Ｖ_G−Ｖ_T)＞１００mＶとなる。つまり、１００mＶ以上
の入力電圧(駆動電圧)が必要であるという結果になるの
である。

【００１３】ここで、超電導電界効果トランジスタの出
力電圧Ｖ_OUTは、超電導体のＩ_C・Ｒ_N(臨界電流と常伝導
抵抗の積)になる。この値は、半導体２の両側の超電導
体１,３のギャップ電圧を夫々Δ₁,Δ₂とすると、Ｖ_OUT＝Ｉ_C・Ｒ_N＝π/２・(Δ₁・Δ₂)^1/2 …(４) となる。したがって、超電導電界効果トランジスタの電
圧増幅率Ｇは、(Ｖ_G−Ｖ_T）≒１００mＶとすると、Ｇ＝π/２・(Δ₁・Δ₂)^1/2/(Ｖ_G−Ｖ_T) ≒π/２・(Δ₁・Δ₂)^1/2/１００ …(５) となる。

【００１４】超電導体のギャップ電圧Δは材料によって
決定され、例えば金属系超電導体のＮbではΔ＝１.４m
Ｖと予測され、高温超電導体の場合にはその高い臨界温
度から約１０倍の大きいギャップ電圧Δが予測される。
ところが、上記式(５)に従って求めた電圧増幅率Ｇは、
いずれの超電導体を用いても１以下となる。つまり、現
在の微細加工技術をもって図６の構造を有する超電導電
界効果トランジスタを形成した場合には、１以上の電圧
増幅率(利得)を得ることは困難なのである。

【００１５】ここで、仮にチャネル長として５nmの加工
が可能として、上述と同様にして電圧増幅率Ｇを算出す
ると、近接接合に要求される面キャリア濃度ＮsはＮs＝
５×１０¹⁰/cm²程度となるから、式(３)から入力電圧
(Ｖ_G−Ｖ_T)≒１mＶとなる。したがって、このときの電
圧増幅率Ｇは、Ｇ＝π/２・(Δ₁・Δ₂)^1/2/１ …(６) となる。

【００１６】その結果、入力電圧(Ｖ_G−Ｖ_T)を１mＶと
して駆動した場合における超電導電界効果トランジスタ
の電圧増幅率Ｇは式(６)より１以上になる。特に、酸化
物高温超電導体を用いた場合には、その大きいギャップ
電圧Δから数１０の電圧増幅率Ｇを得ることができる。
ところが、現在の微細加工技術では、超電導電界効果ト
ランジスタの構造を図６に示す構造に形成する限りにお
いては０.１μm以下のチャネル長を実現することは不可
能なのである。

【００１７】そこで、この発明の目的は、０.１μm以下
のチャネル長を可能にして、超高速で超低消費電力で電
圧増幅率が１以上の超電導電界効果トランジスタを提供
することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、第１の発明の超電導電界効果トランジスタは、超電
導薄膜,半導体薄膜および超電導薄膜の順に積層して成
る積層膜の側面に絶縁体薄膜を介して電極を設け、上記
積層膜の膜厚方向に近接効果によって流れる電流を上記
電極に印加する電圧によって制御することを特徴として
いる。

【００１９】また、第２の発明の超電導電界効果トラン
ジスタは、上記第１の発明の超電導電界効果トランジス
タにおいて、上記超電導薄膜の少なくとも１つを酸化物
高温超電導体で形成したことを特徴としている。

【００２０】また、第３の発明の超電導電界効果トラン
ジスタは、上記第１の発明の超電導電界効果トランジス
タにおいて、上記超電導薄膜の少なくとも１つを酸化物
高温超電導体で形成し、上記半導体薄膜を酸化物半導体
で形成したことを特徴としている。

【００２１】また、第４の発明の超電導電界効果トラン
ジスタは、第１の発明乃至第３の発明のいずれか一つの
発明の超電導電界効果トランジスタにおいて、側面に上
記絶縁体薄膜が形成される上記積層膜は、その側面が酸
素のプラズマで処理されていることを特徴としている。

【００２２】

【作用】第１の発明では、例えば液体窒素温度７７Ｋの
超低温状態において、超電導薄膜,半導体薄膜および超
電導薄膜の順に積層して成る積層膜の側面に絶縁体薄膜
を介して設けられた電極に、１mＶ〜２mＶの電圧が印加
される。そうすると、上記積層膜の膜厚方向に近接効果
によって流れる電流が制御される。その際に、上記積層
膜を流れる電流は膜厚方向に流れるので、チャネル長は
通常の成膜技術によって０.１μm以下に制御可能な半導
体薄膜の膜厚となる。したがって、チャネル長が０.１
μm以下に形成されることによって、上記電極に印加さ
れる電圧が１mＶ〜２mＶであっても容易に上記電流の制
御が行われて、超低消費電力で１以上の電圧増幅率を呈
するのである。

【００２３】また、第２の発明では、上記第１の発明に
おける積層膜を構成する上記超電導薄膜の少なくとも１
つはギャップ電圧の高い酸化物高温超電導体で形成され
ている。したがって、上記積層膜を構成する半導体薄膜
の膜厚が０.１μm以下に形成されてチャネル長が０.１
μm以下に形成されることによって、超低温状態で上記
積層膜の側面に形成された電極に印加される入力電圧で
上記電流が制御されるに際して、より高い電圧増幅率を
呈する。

【００２４】また、第３の発明では、上記第１の発明に
おける積層膜を構成する上記超電導薄膜の少なくとも１
つはギャップ電圧の高い酸化物高温超電導体で形成され
ている。また、上記積層膜を構成する半導体薄膜は上記
酸化物高温超電導体と適合性の良い酸化物半導体で形成
されている。したがって、上記半導体薄膜が０.１μm以
下に形成されてチャネル長が０.１μm以下に形成される
ことによって、超低温状態で上記電極に印加される入力
電圧で上記電流が制御されるに際して、さらに高い電圧
増幅率を呈する。

【００２５】また、第４の発明では、超電導薄膜,半導
体薄膜および超電導薄膜の順に積層して成る積層膜にお
ける酸素のプラズマで処理された側面に絶縁体薄膜が形
成されている。したがって、上記積層膜の側面の特性劣
化が回復されており、高い電圧増幅率と歩留り率を呈す
る。

【００２６】

【実施例】以下、この発明を図示の実施例により詳細に
説明する。＜第１実施例＞図１は本実施例における超電導電界効果
トランジスタの断面構造である。この超電導電界効果ト
ランジスタは、超電導薄膜１２,１４として酸化物高温
超電導体Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-xを用い、半導体薄膜１３とし
てＮbを添加した酸化物半導体ＳrＴiＯ₃を用いて形成し
ている。以下、本実施例における超電導電界効果トラン
ジスタの製造方法について述べる。先ず、上記Ｙ₁Ｂa₂
Ｃu₃Ｏ_7-x超電導薄膜１２は、以下に述べるようにして
反応性蒸着法によって形成する。

【００２７】すなわち、基板１１としてＳrＴiＯ₃(１０
０)を用い、ＹとＢaを電子ビームで蒸発させＣuを抵抗
加熱で蒸発させる。その際に、Ｙ,Ｂa,Ｃu夫々の蒸発源
上に膜厚モニターを設置して、Ｙ,Ｂa,Ｃu夫々の蒸発速
度を独立に制御することによって、ＳiＴiＯ₃(１００)
基板１１上に堆積したＹ,Ｂa,Ｃuの各薄膜の組成がＹ：
Ｂa：Ｃu＝１：２：３となるようにする。

【００２８】酸化物超電導体の場合には酸素が重要な構
成元素となる。したがって、酸化物高温超電導薄膜１２
に酸素を有効に取り込ませるために、ＳiＴiＯ₃(１０
０)基板１１近傍にオゾン１０％を混合した酸素を導入
して成膜室内に設けたコイルに１００Ｗ,１３.５６ＭＨ
zの高周波を印加してプラズマ状態とする。成膜時の基
板温度は６９０℃とし、成膜室内の真空度は２×１０^-4
Ｔorrとする。

【００２９】上述のような条件で作成した酸化物高温超
電導薄膜１２は、Ｘ線回折の結果ａ軸がＳiＴiＯ₃(１０
０)基板１１に垂直に配向したＹ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-xの結晶
構造を有し、その臨界温度Ｔcは８０Ｋであった。ま
た、作成した酸化物高温超電導薄膜１２は、電子プロー
ブ微小分析(ＥＰＭＡ),誘導結合プラズマ分光(ＩＣＰ)
等で組成を分析した結果、Ｙ：Ｂa：Ｃu＝１：２：３の
ストイキオメトリ組成であった。

【００３０】上述のようにしてＹ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x超電導
薄膜１２を２００nm厚さで形成した後、Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ
_7-x超電導薄膜１２を成膜室から取り出すことなく、成
膜室の内部の蒸発源をＳr,Ｔi,Ｎbに切り換えて、Ｓr,
Ｔi,Ｎb夫々を電子ビームで蒸発させる。その際の基板
温度は６９０℃とし、Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x超電導薄膜１２
形成時と同様に、オゾン１０％混合酸素のプラズマ状態
でＮb添加ＳrＴiＯ₃半導体薄膜１３を堆積する。その際
に、Ｓr,Ｔi,Ｎb夫々の蒸発速度をモニターし、作成し
たＮb添加ＳrＴiＯ₃半導体薄膜１３の組成がＳr：Ｔi：
Ｎb＝１：１：０.０１となるようにする。こうして作成
したＮb添加ＳrＴiＯ₃半導体薄膜１３の結晶構造をＸ線
回折で調べた結果、ＳrＴi_1-xＮb_xＯ₃(ｘ≒０.０１)で
あった。

【００３１】上述のようにして、Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x超電
導薄膜１２上にＮb添加ＳrＴiＯ₃半導体薄膜１３を厚さ
５nmで形成した後、さらにその上にＹ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x超
電導薄膜１４を、Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x超電導薄膜１２と同
一条件で厚さ３００nm形成する。以下、下側の超電導薄
膜１２を下部超電導薄膜と言い、上側の超電導薄膜１４
を上部超電導薄膜と言う。こうして、Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x
/Ｎb添加ＳrＴiＯ₃/Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-xの積層膜を形成す
る。その際におけるＮb添加ＳrＴiＯ₃の薄膜は、従来の
成膜技術によって０.１μm以下に制御可能であり、容易
に５nmに設定できるのである。

【００３２】その後、上記成膜室を真空引きし、Ｙ₁Ｂa
₂Ｃu₃Ｏ_7-x上部超電導薄膜１４上にＡu膜を蒸着して、
Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x/Ｎb添加ＳrＴiＯ₃/Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x
/Ａu積層膜を形成する。こうして作成された積層膜に対
して、図２および図３に示す超電導縦型電界効果トラン
ジスタ作成プロセスを実施するのである。

【００３３】先ず、図２(a)に示すように、ソース電極
となるＡu膜１５をホトレジスト(ＡＺ−１５１８)１６
で保護し、保護されていない部分のＡu膜１５をＡrイオ
ンビームで除去する。そして、図２(b)に示すように、
Ａu電極１５を残してホトレジスト１６を辞去した後、
図２(c)に示すように、再度ホトレジスト１７を形成し
て、Ａrイオンで積層膜をＹ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x下部超電導
薄膜１２までエッチングする。その後、エッチングによ
って露出した積層膜側面の特性劣化を回復させるため
に、図２(d)に示すように、酸素プラズマ処理を５分間
実施して、積層膜側面に酸素を取り込ませる。

【００３４】次に、Ｓiを真空中で電子ビーム蒸着し、
さらに酸素プラズマ処理を施して、図３(e)に示すよう
に、主に積層膜側面に絶縁体薄膜としての酸化シリコン
層１８を形成する。さらに、酸化シリコン絶縁体薄膜１
８上にゲート電極用のＡu膜１９を蒸着し、リフトオフ
を行って図３(f)に示す構造を形成する。次に、パッド
を形成する部分にＡu/Ｃr電極を形成し、図３(g)に示す
ように夫々の電極にワイアをボンディングして、図１に
示す縦型構造を有する超電導縦型電界効果トランジスタ
を得るのである。

【００３５】このように、上記Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x下部超
電導薄膜１２/Ｎb添加ＳrＴiＯ₃半導体薄膜１３/Ｙ₁Ｂa
₂Ｃu₃Ｏ_7-x上部超電導薄膜１４の積層膜の側面に酸化シ
リコン絶縁体薄膜１８を介してゲート電極１９を形成す
ることによって、Ｎb添加ＳrＴiＯ₃半導体薄１３の膜厚
方向にチャネルが形成される超電導縦型電界効果トラン
ジスタが得られる。したがって、上記チャネル長はＮb
添加ＳrＴiＯ₃薄膜１３の膜厚となり、従来の成膜技術
による容易に０.１μm以下に制御できることになる。そ
の結果、上述の説明により、ゲート電極１９へ印加され
る１mＶの入力電圧で１以上の電圧増幅率が得られるの
である。

【００３６】図４は、上述のようにして得られた超電導
縦型電界効果トランジスタの液体窒素温度７７Ｋにおけ
るゲート電極１９に印加する入力電圧をパラメータとし
た出力電流−出力電圧特性を示す。図４から明らかなよ
うに、ゲート電極１９に入力電圧を印加しない場合には
オームの法則に従う直線的な出力電流−出力電圧特性を
示す。ところが、ゲート電極１９に１mＶの入力電圧を
印加した場合には、近接効果によって超電導電流が流れ
て、出力電圧は０mＶから３０mＶ程度まで変化するので
ある。したがって、上述のように形成された超電導縦型
電界効果トランジスタは約３０の電圧増幅率Ｇを有する
と言える。

【００３７】＜第２実施例＞上記第１実施例と同様にし
て、反応性蒸着法によって酸化物高温超電導体Ｙ₁Ｂa₂
Ｃu₃Ｏ_7-xから成る下部超電導薄膜及び上部超電導薄膜
を形成する。一方、半導体薄膜は、反応性蒸着法によっ
て酸化物半導体Ｐr₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-xで厚さ１０nmに形成
する。こうして得られたＹ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x/Ｐr₁Ｂa₂Ｃu
₃Ｏ_7-x/Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x積層膜を用いて、第１実施例
と同じプロセスによって図１と同じ形状を有する超電導
縦型電界効果トランジスタを形成する。

【００３８】図５は、上述のようにして作成した超電導
縦型電界効果トランジスタのゲート電極に印加した入力
電圧をパラメータとした液体窒素温度(７７Ｋ)における
出力電流−出力電圧特性を示す。上記第１実施例の場合
と同様に、入力電圧を印加しない場合の直線的な特性か
ら入力電圧を印加することによって超電導電流を示す特
性に変化する。その場合に、ゲート電極に入力電圧２m
Ｖを印加したときに約３０mＶの出力電圧が得られるこ
とから、本実施例における超電導縦型電界効果トランジ
スタの電圧増幅率Ｇは半導体薄膜の厚さが第１実施例の
場合より厚くなったために低下しているとは言え約１５
を呈する。

【００３９】＜第３実施例＞上記第１実施例と同様にし
て、反応性蒸着法によって酸化物高温超電導体Ｙ₁Ｂa₂
Ｃu₃Ｏ_7-xから成る下部超電導薄膜と酸化物半導体のＮb
添加ＳrＴiＯ₃(厚さ５nm)から成る半導体薄膜を形成す
る。その後、上部超電導薄膜として非酸化物超電導体で
あるＰbを蒸着する。こうして得られたＹ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ
_7-x/Ｎb添加ＳrＴiＯ₃/Ｐb積層膜を用いて、第１実施例
と同じプロセスによって図１と同じ形状の超電導縦型電
界効果トランジスタを形成する。

【００４０】得られた超電導縦型電界効果トランジスタ
の液体ヘリウム温度(４.２Ｋ)下での特性は、ゲート電
極へ印加される入力電圧によって出力電流−出力電圧特
性は制御できるものの、その電圧増幅率Ｇは酸化物高温
超電導体/酸化物半導体/酸化物高温超電導体の積層膜を
用いた場合より低く約５程度である。

【００４１】＜第４実施例＞上記第１実施例と同様にし
て、反応性蒸着法によって酸化物高温超電導体Ｙ₁Ｂa₂
Ｃu₃Ｏ_7-xから成る下部超電導薄膜を形成する。その
後、半導体薄膜として非酸化物半導体であるＩnＡsを５
nm厚さにフラッシュ蒸着し、さらに上部超電導薄膜とし
て非酸化物超電導体であるＰbを蒸着する。こうして得
られたＹ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x/ＩnＡs/Ｐb積層膜を用いて、
第１実施例と同じプロセスによって図１と同じ形状の超
電導縦型電界効果トランジスタを形成する。

【００４２】得られた超電導縦型電界効果トランジスタ
の液体ヘリウム温度(４.２Ｋ)下での特性は、ゲート電
極へ印加される入力電圧によって出力電流−出力電圧特
性は制御できるものの、その電圧増幅率Ｇは酸化物高温
超電導体/酸化物半導体/酸化物高温超電導体の積層膜を
用いた場合より低く約５程度である。

【００４３】＜第５実施例＞上記第１実施例と同様にし
て、反応性蒸着法によって酸化物高温超電導体Ｙ₁Ｂa₂
Ｃu₃Ｏ_7-xから成る下部超電導薄膜を形成する。その
後、半導体薄膜として非酸化物半導体であるＳiを真空
蒸着法によって５nm厚さに形成し、さらに上部超電導薄
膜として非酸化物超電導体であるＰbを蒸着する。こう
して得られたＹ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x/Ｓi/Ｐb積層膜を用い
て、第１実施例と同じプロセスによって図１と同じ形状
の超電導縦型電界効果トランジスタを形成する。

【００４４】得られた超電導縦型電界効果トランジスタ
の液体ヘリウム温度(４.２Ｋ)下での特性は、ゲート電
極へ印加される入力電圧によって出力電流−出力電圧特
性は制御でき、その電圧増幅率Ｇは約３である。

【００４５】＜第６実施例＞上記下部超電導薄膜を金属
系超電導体Ｎbで形成し、さらに半導体薄膜を非酸化物
半導体であるＩnＡs(厚さ５nm)で形成し、さらに上部超
電導薄膜を非酸化物超電導体であるＰbで形成する。こ
うして得られたＮb/ＩnＡs/Ｐb積層膜を用いて、第１実
施例と同じプロセスによって図１と同じ形状の超電導縦
型電界効果トランジスタを形成する。得られた超電導縦
型電界効果トランジスタは、液体ヘリウム温度(４.２
Ｋ)下でゲート電極へ印加される入力電圧によって出力
電流−出力電圧特性は制御できる。その際の、電圧増幅
率Ｇは約１.５である。

【００４６】＜第１比較例＞上記下部超電導薄膜を酸化
物高温超電導体Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-xで形成し、さらに半導
体薄膜を非酸化物半導体であるＩnＡs(厚さ５nm)で形成
し、さらに上部超電導薄膜を酸化物高温超電導体Ｙ₁Ｂa
₂Ｃu₃Ｏ_7-xで形成する。以後、得られた積層膜を用い
て、第１実施例と同じプロセスによって、図１に示す形
状の超電導縦型電界効果トランジスタを形成する。形成
された超電導縦型電界効果トランジスタは、液体ヘリウ
ム温度(４.２Ｋ)あるいは液体窒素温度(７７Ｋ)下で、
ゲート電極へ印加される入力電圧によって出力電流−出
力電圧特性を制御することができない。

【００４７】これは、上記酸化物高温超電導体Ｙ₁Ｂa₂
Ｃu₃Ｏ_7-xによって積層膜の上部超電導薄膜を形成する
に際して、基板温度が６９０℃の高温に設定されるため
にその下側にある非酸化物半導体ＩnＡsがＹ₁Ｂa₂Ｃu₃
Ｏ_7-xと反応してしまい、各薄膜間の最適接合が得られ
ないためである。これに対して、第４実施例の場合に
は、上部超電導薄膜を金属超電導体で構成しているので
上部超電導薄膜の形成に際して基板温度は室温程度でよ
く、非酸化物半導体ＩnＡsが保護されるのである。

【００４８】＜第２比較例＞上記下部超電導薄膜を酸化
物高温超電導体Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-xで形成し、更に半導体
薄膜を非酸化物半導体であるＳi(厚さ５nm)で形成し、
更に上部超電導薄膜を酸化物高温超電導体Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃
Ｏ_7-xで形成する。以後、このようにして得られた積層
膜を用いて、第１実施例と同じプロセスによって、図１
に示す形状の超電導縦型電界効果トランジスタを形成す
る。形成された超電導縦型電界効果トランジスタは、液
体ヘリウム温度(４.２Ｋ)あるいは液体窒素温度(７７
Ｋ)下で、ゲート電極へ印加される入力電圧によって出
力電流−出力電圧特性を制御することができない。

【００４９】＜第３比較例＞第１実施例と同様にして、
Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x/Ｎb添加ＳrＴiＯ₃/Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x
積層膜を形成する。こうして形成された積層膜の一側を
第１実施例と同様にしてＹ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x下部超電導薄
膜までエッチングする。そうした後、エッチングによっ
て露出した積層膜側面に対する酸素プラズマ処理を行わ
ず、以後、第１実施例と同じプロセスによって、図１に
示す形状の超電導縦型電界効果トランジスタを形成す
る。形成された超電導縦型電界効果トランジスタの入力
電圧による出力電流−出力電圧特性を測定した結果、電
圧増幅率Ｇは第１実施例の約３０から５程度に低下し
た。また、製造時の歩留りが５０％程度に低下した。

【００５０】上述のように、上記各実施例においては、
上記下側超電導薄膜１２/厚さ５nm〜１０nmの半導体薄
膜１３/上側超電導薄膜１４から成る積層膜を形成す
る。そして、この積層膜の側面に絶縁体薄膜１８を介し
てゲート電極１９を設けて超電導縦型電界効果トランジ
スタを形成する。こうして得られた超電導縦型電界効果
トランジスタは、その積層膜の膜厚方向に近接効果によ
って流れる超電導電流をゲート電極１９に印加する入力
電圧によって制御できる。その場合、チャネルは上記積
層膜の厚さ方向に形成されることになるから、チャネル
長は半導体薄膜１３の膜厚５nm〜１０nmとなる。

【００５１】このように、上記各実施例においては、反
応性蒸着法,フラッシュ蒸着法および真空蒸着法等の従
来の成膜技術によって容易に０.１μm以下に制御できる
半導体薄膜１３の膜厚がチャネル長となるので、０.１
μm以下のチャネル長を容易に設定可能になる。したが
って、１以上の電圧増幅率を容易に得ることができる。
すなわち、上記各実施例によれば、近接効果を利用した
超高速で超低消費電力で電圧増幅率が１以上の超電導電
界効果トランジスタを提供できるのである。

【００５２】また、上記半導体薄膜１３の両側の超電導
薄膜１２,１４としてギャップ電圧Δの大きい酸化物高
温超電導体(第１実施例および第２実施例においてはＹ₁
Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x)を用いて、図１の形状を有する超電導縦
型電界効果トランジスタを形成すれば、上記式(６)から
高い電圧増幅率Ｇ(第１実施例においては約３０、第２
実施例においては約１５)を得ることができる。その際
に、上記酸化物高温超電導体と適合性の良い酸化物半導
体(第１実施例においてはＮb添加ＳrＴiＯ₃、第２実施
例においてはＰr₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x)を用いることが、高い
電圧増幅率Ｇを得るために有効である。

【００５３】また、上記酸化物高温超電導体を用いて図
１の形状を有する超電導縦型電界効果トランジスタを形
成する際に、上記下側超電導薄膜/厚さ５nm〜１０nmの
半導体薄膜/上側超電導薄膜から成る積層膜をエッチン
グして露出した側面を、酸素プラズマ処理を行うこと
が、高い電圧増幅率Ｇと歩留り率を得るために有効であ
る。

【００５４】上記各実施例における超電導縦型電界効果
トランジスタの製造方法は上記各実施例に限定されるも
のではなく、超電導薄膜,半導体薄膜および絶縁体薄膜
の製造方法を適宜最適化することによって同じ効果を奏
することができる。また、上記各実施例においては基板
としてＳrＴiＯ₃を用いているが、この発明はこれに限
定されるものではない。例えば、ＭgＯを用いてもよ
い。また、この発明の超電導電界効果トランジスタの形
状は、図１に示す形状に限定されるものではない。要
は、超電導薄膜/半導体薄膜/超電導薄膜の積層膜の側面
に絶縁体薄膜を介して電極が設けられた形状を有してい
ればよいのである。

【００５５】

【発明の効果】以上より明らかなように、第１の発明の
超電導電界効果トランジスタは、超電導薄膜,半導体薄
膜および超電導薄膜の順に積層してなる積層膜の側面に
絶縁体薄膜を介して電極を設け、この電極に印加した電
圧によって、近接効果によって上記積層膜の膜厚方向に
流れる電流を制御するようにしたので、チャネル長は上
記積層膜を構成する半導体薄膜の膜厚となり、従来の成
膜技術によって０.１μm以下に制御可能になる。したが
って、０.１μm以下のチャネル長を可能にして、上記近
接効果によって流れる電流を制御する際に、１mＶ〜２m
Ｖ程度の入力電圧で１以上の電圧増幅率Ｇを得ることが
できる。すなわち、この発明によれば、超高速で超低消
費電力で電圧増幅率が１以上の超電導電界効果トランジ
スタを提供できるのである。

【００５６】また、第２の発明の超電導電界効果トラン
ジスタは、上記積層膜を構成する超電導薄膜の少なくと
も１つを酸化物高温超電導体で形成したので、上記超電
導薄膜のギャップ電圧Δを高くして、より高い電圧増幅
率を得ることができる。

【００５７】また、第３の発明の超電導電界効果トラン
ジスタは、上記積層膜を構成する超電導薄膜の少なくと
も１つを酸化物高温超電導体で形成し、上記半導体薄膜
を上記酸化物高温超電導体と適合性の良い酸化物半導体
で形成したので、第２の発明の効果を更に顕著に奏する
ことができる。

【００５８】また、第４の発明の超電導電界効果トラン
ジスタは、上記積層膜の側面を酸素のプラズマで処理し
ているので、製造過程における上記側面の特性劣化が回
復される。したがって、歩留りの向上を図ることができ
る。また、得られた超電導電界効果トランジスタはより
高い電圧増幅率を呈する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の超電導電界効果トランジスタの一例
における断面図である。

【図２】図１に示す超電導電界効果トランジスタの作成
プロセスの説明図である。

【図３】図２に続く超電導電界効果トランジスタの作成
プロセスの説明図である。

【図４】図１に示す超電導電界効果トランジスタにおけ
る出力電流−出力電圧特性図である。

【図５】図４とは異なる実施例における出力電流−出力
電圧特性図である。

【図６】従来の超電導電界効果トランジスタの断面図で
ある。

【符号の説明】

１１…ＳrＴiＯ₃(１００)基板、１２…Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x下部超電導薄膜、１３…Ｎb添加ＳrＴiＯ₃半導体薄膜、１４…Ｙ₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x上部超電導薄膜、１５…Ａu電極、１８…酸化シリ
コン絶縁体薄膜、１９…ゲート電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導薄膜,半導体薄膜および超電導薄
膜の順に積層して成る積層膜の側面に絶縁体薄膜を介し
て電極を設け、上記積層膜の膜厚方向に近接効果によって流れる電流
を、上記電極に印加する電圧によって制御することを特
徴とする超電導電界効果トランジスタ。
【請求項２】請求項１に記載の超電導電界効果トラン
ジスタにおいて、上記超電導薄膜の少なくとも１つを酸化物高温超電導体
で形成したことを特徴とする超電導電界効果トランジス
タ。
【請求項３】請求項１に記載の超電導電界効果トラン
ジスタにおいて、上記超電導薄膜の少なくとも１つを酸化物高温超電導体
で形成し、上記半導体薄膜を酸化物半導体で形成したことを特徴と
する超電導電界効果トランジスタ。
【請求項４】請求項１乃至請求項３のいずれか一つに
記載の超電導電界効果トランジスタにおいて、側面に上記絶縁体薄膜が形成される上記積層膜は、その
側面が酸素のプラズマで処理されていることを特徴とす
る超電導電界効果トランジスタ。