JPH05299714A - 超電導電界効果型素子およびその作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 MgＯ基板５上のPr₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y酸化物で形成
された突出部50上に形成されたｃ軸配向のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ
_7-X酸化物超電導薄膜で構成された超電導チャネル10
と、突出部50の両側にそれぞれ超電導チャネル10と等し
い高さに形成されたａ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成
された超電導ソース領域２および超電導ドレイン領域３
とを具備する超電導電界効果型素子。 【効果】 超電導チャネル10を構成するｃ軸配向の酸化
物超電導薄膜も、超電導ソース領域２および超電導ドレ
イン領域３を構成するａ軸配向の酸化物超電導薄膜も、
いずれもエッチング等の加工をせずに超電導電界効果型
素子を作製できる。従って、超電導チャネル10と、超電
導ソース領域２および超電導ドレイン領域３との間に抵
抗成分や不要なジョセフソン接合が存在しないので、素
子の特性が優れている。

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
およびその作製方法に関する。より詳細には、超電導チ
ャネル、超電導ソース領域および超電導ドレイン領域が
一体の酸化物超電導薄膜で構成され、良好な特性を有す
る超電導電界効果型素子およびその作製方法に関する。

【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ものとが代表的である。
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
いる超電導素子は、電流密度が大きく、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
効果型素子は、基板５上に配置された酸化物超電導体に
よる超電導チャネル10と、超電導チャネル10の両端付近
にそれぞれ配置された超電導ソース領域２および超電導
ドレイン領域３と、超電導チャネル10上にゲート絶縁層
７を介して配置されたゲート電極４とを具備する。ま
た、超電導ソース領域２および超電導ドレイン領域３上
にはそれぞれソース電極12およびドレイン電極13が形成
されている。この超電導電界効果型素子は、ソース電極
12およびドレイン電極13から供給され、超電導ソース領
域２および超電導ドレイン電極３間の超電導チャネル10
を流れる超電導電流をゲート電極４に印加する電圧で制
御する。

【０００５】上記の超電導電界効果型素子では、超電導
チャネル10を流れる電流をゲート電極４に印加する電圧
で制御する。そのため、超電導チャネル10のゲート部分
の厚さは５nm程度にしなければならず、また、ゲート絶
縁層７の厚さも10〜15nmにしなければならない。一方、
この極薄の超電導チャネルは、結晶性がよく、特性が優
れた酸化物超電導薄膜で構成されていなければならな
い。

【０００６】また、上記の超電導電界効果型素子では、
超電導チャネルの超電導電流は水平方向に流れ、超電導
ソース領域および超電導ドレイン領域の超電導電流は垂
直方向に流れる。一方、酸化物超電導体の超電導特性に
は結晶異方性があり、臨界電流密度は、結晶のｃ軸に垂
直な方向が最大である。従って、超電導チャネルは、水
平方向に大きな電流を流すことができるｃ軸配向の酸化
物超電導薄膜で構成されていることが好ましく、超電導
ソース領域および超電導ドレイン領域は、垂直方向に大
きな電流を流すことができるａ軸配向の酸化物超電導薄
膜で構成されていることが好ましい。

【０００７】そのため、従来は、ａ軸配向、ｃ軸配向ど
ちらか一方の酸化物超電導薄膜を最初に成膜した後、不
要な部分をエッチングし、他方の酸化物超電導薄膜を再
び成膜していた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
方法では、酸化物超電導薄膜のエッチングされた面が荒
れたり、残渣や寸法の変化により超電導特性が変化する
ことがある。また、このような酸化物超電導薄膜に接し
て、配向性の異なる酸化物超電導薄膜を成膜すると、界
面で抵抗成分や不要なジョセフソン接合が生じることが
ある。

【０００９】そこで本発明の目的は、上記従来技術の問
題点を解決した超電導電界効果型素子およびその作製方
法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に従うと、基板
と、該基板上に形成された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、前記基
板上で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、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が、前記基
板上にｃ軸配向の酸化物超電導体と類似した結晶構造を
有する酸化物で形成された突出部上に形成されたｃ軸配
向の酸化物超電導薄膜で構成され、前記超電導ソース領
域および前記超電導ドレイン領域が、前記突出部のそれ
ぞれ両側で前記超電導チャネルと等しい高さに形成され
たａ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成されていることを
特徴とする超電導電界効果型素子が提供される。

【００１１】また、本発明においては、上記本発明の超
電導電界効果型素子を作製する方法として、前記基板上
の超電導チャネルが形成される部分にｃ軸配向の酸化物
超電導体に類似した結晶構造の酸化物で突出部を形成
し、該突出部上にｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で前記超
電導チャネルを形成し、前記突出部の両側にａ軸配向の
超電導薄膜を前記超電導チャネルと等しい高さまで成膜
し、超電導ソース領域および超電導ドレイン領域を形成
する工程を含むことを特徴とする方法が提供される。

【００１２】上記本発明の方法では、基板成膜面の突出
部が配置される部分を除いて基板成膜面を傷めずに剥離
可能な材料で被覆層を形成し、該基板成膜面全体に前記
酸化物層を形成した後、前記被覆層を剥離し、前記基板
を高真空中で加熱して前記被覆層に被覆されていた部分
を清浄にし、基板成膜面全体に薄い酸化物層を形成する
ことが好ましい。

【００１３】

【作用】本発明の超電導電界効果型素子は、基板上にｃ
軸配向の酸化物超電導体と類似した結晶構造を有する酸
化物で形成された突出部上に形成された超電導チャネル
と、この突出部の両側に超電導チャネルと上面を揃えて
形成されたａ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成された超
電導ソース領域および超電導ドレイン領域を備える。従
って、本発明の超電導電界効果型素子は、超電導チャネ
ルと超電導ソース領域および超電導ドレインとの間に抵
抗成分や不要なジョセフソン接合が存在しない。

【００１４】本発明の方法では、ｃ軸配向の酸化物超電
導薄膜と類似の結晶構造を有する非超電導酸化物による
突出部を基板上の超電導チャネルを形成する部分に形成
し、この突出部上に極薄のｃ軸配向の酸化物超電導薄膜
を成膜する。このｃ軸配向の酸化物超電導薄膜が超電導
チャネルになる。また、本発明の方法では、この突出部
の両側にａ軸配向の酸化物超電導薄膜を超電導チャネル
と同じ高さまで成膜し、超電導ソース領域および超電導
ドレイン領域にする。従って、本発明の方法では、ａ軸
配向、ｃ軸配向いずれの酸化物超電導薄膜もエッチング
等の加工を行わないので、超電導チャネルと、超電導ソ
ース領域および超電導ドレイン領域との間に抵抗成分や
不要なジョセフソン接合が存在しない超電導素子が作製
可能である。

【００１５】また、本発明の方法では、例えば、フォト
レジストによるマスクを使用して基板成膜面の酸化物層
の突出部が配置される部分を除いて、基板成膜面を傷め
ずに剥離可能な材料で被覆層を形成する。この被覆層を
形成した基板成膜面上に突出部の厚さの酸化物層を形成
する。この後、上記の被覆層を剥離すると、成膜面上に
は酸化物層の突出部のみが形成されている。この基板を
高真空中で加熱して前記被覆層に被覆されていた部分を
清浄にし、基板成膜面全体に段差の低い部分となる薄い
酸化物層を形成する。このとき、酸化物層の突出部上に
さらに薄い酸化物層が積層されても構わない。

【００１６】上記本発明の方法では、基板成膜面、酸化
物層をエッチング等で加工することなく、被覆層をリフ
トオフすることのみで酸化物層の段差を設けるパターニ
ングを行う。この被覆層は、基板成膜面を傷めずに剥離
できる材料を使用しているので、リフトオフの際に基板
成膜面が劣化することがない。従って、最初に形成する
突出部の酸化物層と、後に形成する段差の低い部分の薄
い酸化物層とは連続した一体の酸化物層となる。本発明
の方法では、上記の剥離層に、例えば、CaＯとZrとを積
層したものを使用することができる。

【００１７】さらに、本発明の方法では、超電導チャネ
ル上にゲート絶縁層を形成し、その上に超電導ソース領
域および超電導ドレイン領域と同時にａ軸配向の酸化物
超電導薄膜を成長させて超電導ゲート電極とすることも
可能である。

【００１８】本発明の超電導電界効果型素子では、上記
の非超電導酸化物層に例えばPr₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-yを使用する
ことが好ましい。これは、Pr₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-yが、酸化物超
電導体とほぼ等しい結晶構造を有する非超電導酸化物で
あり、酸化物超電導体結晶と格子整合性に特に優れ、酸
化物超電導体との間における相互拡散がほとんど問題に
ならない程度に少ないからである。

【００１９】本発明の超電導電界効果型素子には、任意
の酸化物超電導体が使用できるが、Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_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。

【００２０】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。

【００２１】

【実施例】本発明の方法により、本発明の超電導電界効
果型素子を作製した。図１を参照して、その工程を説明
する。まず、図１(a)に示すようなMgＯ基板５の成膜面5
2上に、図１(b)に示すよう、パターニングしたフォトレ
ジスト膜24をバッファ層の突出部が配置される部分に形
成する。基板５には、MgＯ以外にもSrTiＯ₃基板や、適
当なバッファ層が成膜面上に形成されているSi基板等が
使用できる。次に、図１(c)に示すよう、CaＯ層の表面
にZr層を積層した厚さ約500nmの被覆層26を形成する。
被覆層26は、蒸着法で形成することが好ましく、その
際、基板温度は室温にすることが好ましい。

【００２２】続いて、図１(d)に示すよう、フォトレジ
スト膜24をリフトオフして被覆層26をパターニングし、
被覆層26が、バッファ層の段差の低い部分が配置される
部分のみを被覆するようにする。フォトレジスト膜24が
除去された部分は、成膜面52が露出している。次いで、
真空容器内に基板５を導入し、１×10^-9Torr以下の超高
真空中で350〜400℃に加熱する熱処理行う。この熱処理
により、成膜面52のフォトレジスト膜24に被覆されてい
た部分が清浄化される。次に、図１(e)に示すよう、被
覆層26を形成した基板５上に、バッファ層の突出部とな
るPr₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y薄膜50を約300nmの厚さに形成する。P
r₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y薄膜50の成膜方法としては、ＭＢＥ法が
好ましく、基板温度700℃で成膜を行うことが好まし
い。

【００２３】次に、図１(f)に示すよう、被覆層26をリ
フトオフし、Pr₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y薄膜50をバッファ層の突出
部となる部分だけ残して除去する。被覆層26のリフトオ
フは水を使用し、CaＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ca（ＯＨ）₂の反応によ
り行う。このリフトオフには、水のほかに反応性の高い
薬品を使用することがないので、Pr₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y薄膜50
が劣化することがない。

【００２４】被覆層26が除去された部分は成膜面52が露
出している。再度、真空容器内に上記の基板５を導入
し、１×10^-9Torr以下の超高真空中で350〜400℃に加熱
する熱処理を行って、露出している成膜面52を清浄化す
る。

【００２５】続いて、図１(g)に示すよう、上記の基板
５上に再度Pr₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y薄膜53を成膜する。Pr₁Ba₂Cu
₃Ｏ_7-y薄膜53を成膜する方法は、やはりＭＢＥ法が好ま
しく、基板温度700 ℃で成膜を行う。Pr₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y薄
膜53の厚さは 50nmにすることが好ましい。

【００２６】次に、図１(h)に示すよう、ＭＢＥ法で５
〜10nmのｃ軸配向のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜を
成膜する。ｃ軸配向のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜
の突出部50上の部分は超電導チャネル10となる。このと
き、必要に応じて、突出部50上にｃ軸配向のＹ₁Ba₂Cu₃
Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜が成長しやすい材料のバッファ
層を形成してから、酸化物超電導薄膜を成長させること
も好ましい。主な成膜条件を以下に示す。 基板温度 700℃ 圧力 １×10^-5Torr 膜厚 5nm

【００２７】図１(i)に示すよう超電導チャネル10上
に、ＭＢＥ法でMgＯ、SrTiＯ₃等の材料のゲート絶縁層
７を成膜する。ゲート絶縁層７はＭＢＥ法を使用して成
膜し、10〜15nmの厚さにする。このとき、突出部50の両
側にも絶縁膜17が堆積する。最後に図１(f)に示すよ
う、ＭＢＥ法で突出部50の両側に超電導チャネル10と等
しい高さまでａ軸配向のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄
膜を成膜し、超電導ソース領域２および超電導ドレイン
領域３を形成する。同時に、ゲート絶縁層７上にａ軸配
向のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜でゲート電極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。主
な成膜条件を以下に示す。 基板温度 640℃ 圧力 １×10^-5Torr 膜厚 370nm 必要に応じ、超電導ソース領域２および超電導ドレイン
領域３上に、それぞれソース電極およびドレイン電極を
形成してもよい。

【００２８】以上のように、本発明の方法で作製された
本発明の超電導電界効果型素子は、超電導チャネル10
と、超電導ソース領域２および超電導ドレイン領域３と
の間に抵抗成分や不要なジョセフソン接合が存在しな
い。上記本発明の方法では、基板上にPr₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y層
の突出部を一切エッチングを行わずに作製するのでPr₁B
a₂Cu₃Ｏ_7-y層の結晶状態が良好で、その上に形成される
超電導チャネルの特性が特に優れている。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に従えば、
新規な構成の超電導電界効果型素子およびその作製方法
が提供される。本発明の方法で作製された本発明の超電
導電界効果型素子は、超電導チャネルと、超電導ソース
領域および超電導ドレイン領域との間に抵抗成分や不要
なジョセフソン接合が存在しないので、従来の超電導電
界効果型素子よりも優れた特性を示す。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法で本発明の超電導電界効果型素子
を作製する工程を説明する図である。

【図２】超電導電界効果型素子の構成を説明する図であ
る。

【符号の説明】 ２ 超電導ソース領域 ３ 超電導ドレイン領域 ４ ゲート電極 ５ 基板 ７ ゲート絶縁層 10 超電導チャネル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、該基板上に形成された酸化物超
   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、前記基板上で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、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
   チャネルが、前記基板上にｃ軸配向の酸化物超電導体と
   類似した結晶構造を有する酸化物で形成された突出部上
   に形成されたｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成され、
   前記超電導ソース領域および前記超電導ドレイン領域
   が、前記突出部のそれぞれ両側で前記超電導チャネルと
   等しい高さに形成された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電界効果型素
   子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の超電導電界効果型素子
   を作製する方法において、前記基板上の超電導チャネル
   が形成される部分にｃ軸配向の酸化物超電導体に類似し
   た結晶構造の酸化物で突出部を形成し、該突出部上にｃ
   軸配向の酸化物超電導薄膜で前記超電導チャネルを形成
   し、前記突出部の両側にａ軸配向の超電導薄膜を前記超
   電導チャネルと等しい高さまで成膜し、超電導ソース領
   域および超電導ドレイン領域を形成する工程を含むこと
   を特徴とする方法。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の方法において、前記基
   板成膜面の突出部が配置される部分を除いて基板成膜面
   を傷めずに剥離可能な材料で被覆層を形成し、該基板成
   膜面全体に前記酸化物層を形成した後、前記被覆層を剥
   離し、前記基板を高真空中で加熱して前記被覆層に被覆
   されていた部分を清浄にし、基板成膜面全体に薄い酸化
   物層を形成する工程を含むことを特徴とする方法。