JPH05211353A - 超電導電界効果型素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 MgＯ基板10上に形成されたＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸
化物超電導薄膜２の中央部付近に配置された超電導チャ
ネル20と、超電導チャネル20上に形成された酸化物層６
と、酸化物層６上にゲート絶縁層９を介して配置された
ゲート電極５と、超電導チャネル20の両側にそれぞれ配
置されたＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導体で構成された超
電導ソース電極３および超電導ドレイン電極４とを具備
する超電導電界効果型素子。酸化物層６には、Pr₁Ba₂Cu
₃Ｏ_7-y、SrＯ_y、BaＯ_y、ＫＯ_yまたはPbＯ_yが使用され、
１〜５単位胞で且つ６nm以下の厚さである。 【効果】 酸化物層６によりＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電
導薄膜２の結晶状態が改善され、超電導チャネルの実質
的な電流容量が大きくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導電界効果型素子
に関する。より詳細には、チャネルが酸化物超電導体で
構成されている超電導電界効果型三端子素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導現象を利用した素子は、従来の半
導体素子に比較して高速であり、消費電力も小さく、飛
躍的に高性能化することができると考えられている。特
に近年研究が進んでいる酸化物超電導体を使用すること
により、比較的高い温度で動作する超電導素子を作製す
ることが可能である。超電導素子としては、ジョセフソ
ン素子がよく知られているが、ジョセフソン素子は２端
子の素子であるので論理回路を構成しようとすると、回
路が複雑になる。そのため、３端子の超電導素子が実用
上有利である。

【０００３】３端子の超電導素子には、近接させて配置
した超電導電極間の半導体に超電導電流を流す超電導近
接効果を利用したものと、超電導チャネルに流れる超電
導電流をゲート電極で制御する超電導電界効果型素子と
が代表的である。どちらの素子も入出力の分離が可能で
あり、電圧制御型の素子であって、信号の増幅作用があ
るという点では共通している。しかしながら、超電導近
接効果を得るためには、超電導体電極をその超電導体の
コヒーレンス長の数倍（酸化物超電導体の場合数nm）以
内の距離に配置しなければならない。従って、非常に精
密な加工が要求される。それに対し、チャネルが超電導
チャネルになっている超電導電界効果型素子は、電流容
量が大きく、製造上も超電導電極を近接させて配置する
という微細加工を必要としない。

【０００４】図２に、超電導チャネルを有する超電導電
界効果型素子の一例の概略図を示す。図２の超電導電界
効果型素子１は、基板10上に配置された酸化物超電導薄
膜２の中央部付近に配置された超電導チャネル20と、超
電導チャネル20の両端付近にそれぞれ配置された酸化物
超電導体で構成された超電導ソース電極３および超電導
ドレイン電極４と、超電導チャネル20上にゲート絶縁層
９を介して配置されたゲート電極５とを具備する。この
超電導電界効果型素子は、超電導ソース電極３および超
電導ドレイン電極４間の超電導チャネル20を流れる超電
導電流をゲート電極５に印加する電圧で制御する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の超電導電界効果
型素子は、超電導チャネル20に流れる超電導電流をゲー
ト電極５に印加された電圧で制御するため、超電導チャ
ネル20およびゲート絶縁層９の厚さは極めて小さいもの
としなければならない。具体的には、超電導チャネル20
の厚さは５nm以下で、酸化物超電導体結晶の単位胞５個
分程度であることが好ましく、ゲート絶縁層９の厚さは
十分薄く、且つトンネル電流を流れない10nm程度である
ことが好ましい。しかしながら、実際に超電導チャネル
20を酸化物超電導体結晶の単位胞５個分の厚さの酸化物
超電導薄膜で形成すると、上部および下部の１〜２単位
胞分の厚さの部分は超電導性を示さない場合があり、超
電導チャネル20に流すことができる電流値は制限されて
いた。

【０００６】超電導チャネル20の上部の１〜２単位胞分
の厚さの部分が超電導性を示さないのは、薄膜表面の不
安定性と、成膜時の約１単位胞分の不整合部分が薄膜の
表面に位置したまま絶縁膜が成長するからである。ま
た、酸化物超電導体のCu−Ｏ面の非結合手の影響もあ
る。

【０００７】そこで、本発明の目的は、上記の超電導チ
ャネルを構成する酸化物超電導薄膜の非超電導部分を減
らした超電導電界効果型素子を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に従うと、酸化物
超電導体で構成された超電導ソース領域および超電導ド
レイン領域と、該超電導ソース領域および超電導ドレイ
ン領域間に配置された酸化物超電導体で構成された超電
導チャネルと、該超電導チャネル上にゲート絶縁体層を
介して配置され、該超電導チャネルを流れる電流を制御
するためのゲート電圧が印加されるゲート電極とを備え
る超電導電界効果型素子において、前記超電導チャネル
と前記ゲート絶縁層との間に、酸化物超電導薄膜表面の
状態を改善する、１〜５単位胞で且つ６nm以下の厚さの
酸化物層を具備することを特徴とする超電導電界効果型
素子が提供される。

【０００９】

【作用】本発明の超電導電界効果型素子は、ゲート絶縁
層と超電導チャネルとの間に酸化物超電導薄膜の表面を
改善する酸化物の１〜５単位胞で且つ６nm以下の厚さの
バッファ層を具備するところにその主要な特徴がある。
本発明の超電導電界効果型素子では、上記の酸化物とし
て、Pr₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y、SrＯ_y、BaＯ_y、ＫＯ_yまたはPbＯ_y
を使用することが好ましい。上記の酸化物層で表面を被
覆された超電導チャネルは、超電導チャネルを構成する
酸化物超電導薄膜の表面の結晶状態が改善され、酸化物
超電導薄膜の最上部の結晶単位胞も超電導状態になる。
これは、上記の各酸化物結晶と、酸化物超電導体結晶と
の格子整合性が良好なので、酸化物超電導薄膜表面上に
上記の各酸化物層を形成すると、酸化物超電導薄膜表面
の酸化物超電導体結晶の不完全な部分を補うからと考え
られている。特に、Pr₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y結晶は酸化物超電導
体結晶と同様な層状の構造を有するので、上記の効果が
優れている。

【００１０】本発明の超電導電界効果型素子で上記の酸
化物層が１〜５単位胞で且つ６nm以下の厚さでなければ
ならない。本発明の超電導電界効果型素子では、上記の
ように酸化物層の酸化物結晶が、酸化物超電導薄膜の表
面の酸化物超電導体結晶を補っている。そのため、酸化
物層は、１単位胞以上の完全な酸化物結晶で構成されて
いなければならない。酸化物層の厚さが１単位胞未満で
は当然のことながら、上記の酸化物超電導薄膜表面の結
晶状態を改善する効果がない。また、酸化物層の厚さが
５単位胞を超えてもその効果は変わらない。特に酸化物
層の厚さが６nmを超える場合には、ゲート絶縁層をその
分薄くしないと超電導チャネルとゲート電極とが離れ過
ぎて、ゲートの制御が困難になる。しかしながら、ゲー
ト絶縁層はMgＯ、SrTiＯ₃等で形成するので、膜厚の制
御が、酸化物層の膜厚の制御よりも難しい。よって、酸
化物層の厚さを６nm胞以下にしなければならない。この
場合、Pr₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y結晶は、１単位胞が約1.2nmの厚
さを有するので、特に注意しなければならない。この
点、SrＯ_y、BaＯ_y、ＫＯ_yおよびPbＯ_yは、１単位胞が0.
3〜0.7nm程度の厚さであり、ゲート電極、超電導チャネ
ル間の距離を適性に保つには有利である。

【００１１】本発明の超電導電界効果型素子において
は、上述の酸化物超電導薄膜の表面の酸化物超電導体結
晶を補う機能のために、酸化物層の結晶状態が良好でな
ければならない。結晶状態が良好で且つ１単位胞〜５単
位胞の厚さしかない酸化物層を形成するには、ＭＢＥ法
を使用することが好ましい。特に、ＲＨＥＥＤ（反射高
速電子線回折）により、モニターしながらＭＢＥ法によ
り酸化物層を成長させると、正確に単分子層単位で膜厚
が制御できるので好ましい。また、超電導チャネルを構
成する酸化物超電導薄膜もＭＢＥ法で成膜する場合に
は、そのまま連続して酸化物層を成膜することが可能で
ある。

【００１２】本発明の超電導電界効果型素子において
は、任意の酸化物超電導体が使用できるが、Ｙ₁Ba₂Cu₃
Ｏ_7-X系酸化物超電導体は安定的に高品質の結晶性のよ
い薄膜が得られるので好ましい。また、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃Ｏ
_x 系酸化物超電導体は、特にその超電導臨界温度Ｔc が
高いので好ましい。

【００１３】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。

【００１４】

【実施例】図１に本発明の超電導電界効果型素子の一例
の概略断面図を示す。図１に示した本発明の超電導電界
効果型素子は、MgＯ基板10上に形成されたＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ
_7-X酸化物超電導薄膜２の中央部付近に配置された超電
導チャネル20と、超電導チャネル20上に形成された酸化
物層６と、酸化物層６上にゲート絶縁層９を介して配置
されたゲート電極５と、超電導チャネル20の両側にそれ
ぞれ配置されたＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導体で構成さ
れた超電導ソース電極３および超電導ドレイン電極４と
を具備する。

【００１５】上記本発明の超電導電界効果型素子では、
超電導チャネル20はｃ軸配向のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超
電導体結晶が５単位胞積層された酸化物超電導薄膜２に
より構成され、その厚さは約５nmであった。一方、酸化
物層６には、ｃ軸配向のPr₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y結晶１単位胞で
構成された厚さ約1.2nmの薄膜、１単位胞のSrＯ_y結晶で
構成された厚さ0.52nmの薄膜、１単位胞のBaＯ_yで構成
された厚さ0.55nmの薄膜、１単位胞のＫＯ_y結晶で構成
された厚さ0.65nmの薄膜および１単位胞のPbＯ_y結晶で
構成された厚さ0.59nmの薄膜を使用した。ゲート絶縁層
９はMgＯで構成され、その厚さは約10nmである。

【００１６】上記本発明の超電導電界効果型素子を作製
する方法を以下に説明する。まず、MgＯ基板10上にＹ₁B
a₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜２を、ＲＨＥＥＤでモニタ
ーしながらＭＢＥ法で５単位胞のｃ軸配向のＹ₁Ba₂Cu₃
Ｏ_7-X酸化物超電導体結晶を積層して成膜する。連続し
て、１単位胞の各酸化物結晶をＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超
電導薄膜２上に積層し、酸化物層６を形成する。酸化物
層６の中央部にMgＯでゲート絶縁膜９を形成し、ゲート
絶縁膜９上にAuでゲート電極５を形成する。その後、酸
化物層６の両端を反応性イオンエッチング、Arイオンミ
リング等で除去してＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜２
を露出させ、その部分にａ軸配向のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化
物超電導薄膜を積層して、超電導ソース電極３および超
電導ドレイン電極４を形成して本発明の超電導電界効果
型素子が完成する。

【００１７】上記のように作製した本発明の超電導電界
効果型素子は、Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜２の上
面から少なくとも３単位胞分の結晶層は超電導電導性を
示した。従って、従来の超電導電界効果型素子に較べて
実質的に超電導チャネルの断面積が大きく、電流容量も
大きい。また、酸化物層６にPr₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-yを使用した
上記本発明の超電導電界効果型素子は、チャネルを閉じ
るのに、ゲート電極５に20Ｖの電圧を印加する必要があ
った。それに対し、酸化物層６にSrＯ_y、BaＯ_y、ＫＯ_y
およびPbＯ_yをそれぞれ使用した上記本発明の超電導電
界効果型素子の場合、チャネルを閉じるのに必要なゲー
ト電圧は以下の表１に示す値であった。

【００１８】

【表１】

【００１９】本発明の超電導電界効果型素子では、超電
導チャネル上に配置された酸化物層により、超電導チャ
ネルを構成する酸化物超電導薄膜の結晶状態が改善さ
れ、電流容量が向上する。また、特に酸化物層にSr
Ｏ_y、BaＯ_y、ＫＯ_yまたはPbＯ_yを使用した場合には、酸
化物層を薄くすることが可能であり、低いゲート電圧で
動作する超電導電界効果型素子を作製することができ
る。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に従えば、
従来よりも高性能な超電導電界効果型素子が提供され
る。本発明を超電導回路、電子機器の作製に応用するこ
とにより、電子装置の大幅な性能向上が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超電導電界効果型素子の概略断面図で
ある。

【図２】従来の超電導電界効果型素子の概略断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 超電導電界効果型素子 ２ 酸化物超電導薄膜 ３ 超電導ソース電極 ４ 超電導ドレイン電極 ５ ゲート電極 ６ 酸化物層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸化物超電導体で構成された超電導ソー
   ス領域および超電導ドレイン領域と、該超電導ソース領
   域および超電導ドレイン領域間に配置された酸化物超電
   導体で構成された超電導チャネルと、該超電導チャネル
   上にゲート絶縁体層を介して配置され、該超電導チャネ
   ルを流れる電流を制御するためのゲート電圧が印加され
   るゲート電極とを備える超電導電界効果型素子におい
   て、前記超電導チャネルと前記ゲート絶縁層との間に、
   酸化物超電導薄膜表面の状態を改善する、１〜５単位胞
   で且つ６nm以下の厚さの酸化物層を具備することを特徴
   とする超電導電界効果型素子。