JPH0537034A

JPH0537034A - 超電導素子

Info

Publication number: JPH0537034A
Application number: JP3216040A
Authority: JP
Inventors: Takao Nakamura; 孝夫中村; Michitomo Iiyama; 道朝飯山
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1991-08-01
Filing date: 1991-08-01
Publication date: 1993-02-12

Abstract

(57)【要約】【構成】Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜２の超電導
ソース領域13および超電導ドレイン領域14間に上側に超
電導チャネル20を画成するよう下方から突出する形状の
抵抗チャネル６と、超電導ソース領域13および超電導ド
レイン領域14上にそれぞれ配置され、Auで形成されたソ
ース電極３およびドレイン電極４と、超電導チャネル20
上に絶縁層９を介して配置されたゲート電極５とを備え
る超電導素子。【効果】ヒステリシス特性が改善された超電導電界効
果型素子が提供される。

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
いる電界効果型三端子素子と抵抗素子とを集積化した超
電導素子に関する。

【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３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３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体
による超電導チャネル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ソース電極３およびドレイン電
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、ソース電極３およびドレイン電極４間を
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
型素子の特性を図４に示す。図４(a)は、図３に示した
超電導電界効果型素子において、特定のゲート電圧値に
対するソース−ドレイン間の電圧−電流特性を示したグ
ラフである。図４(a)のグラフに示した特性は、いわゆ
る所要特性と呼ばれる理想的な状態における特性であ
る。しかしながら、実際に図４(a)に示す所要特性の素
子を動作させた場合には、図４(a)のような特性を示さ
ず、ヒステリシス特性を示す。図４(b)に、図４(a)に示
した特性を有する超電導電界効果型素子のゲート電圧を
一定にして、ソース−ドレイン間の電圧を変化させたと
きの電流の変化を示す。

【０００６】図４(b)に示すようこの超電導電界効果型
素子は、電圧が上昇するときと、電圧が下降するときと
で、電流値が異なる変化を起こす。このような超電導電
界効果型素子は、ゲート電圧の値およびソース−ドレイ
ン間電圧の値に対するソース−ドレイン間電流の値が、
特定できないため実用性が低い。

【０００７】そこで、本発明の目的は、上記の超電導電
界効果型素子の特性を改善した超電導素子を提供するこ
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ソース領域およびドレイン領域
と、該ソース領域および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
加される常電導体によるゲート電極とを備える超電導電
界効果型素子と、該超電導電界効果型素子の前記ソース
領域およびドレイン領域間に接続された抵抗チャネルと
を具備し、前記ソース領域、ドレイン領域および超電導
チャネルが一体の酸化物超電導薄膜で構成され、前記抵
抗チャネルが、前記酸化物超電導薄膜の中央部付近で下
方から前記酸化物超電導薄膜中へ突出し、前記酸化物超
電導薄膜の前記抵抗チャネルが突出している部分上が超
電導チャネルとなっていることを特徴とする超電導素子
が提供される。

【０００９】

【作用】本発明の超電導素子は、超電導電界効果型素子
と、抵抗素子とが集積化された素子である。本発明の超
電導素子の超電導電界効果型素子は、ソース領域および
ドレイン領域間に配置された超電導チャネルと、この超
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
が印加される常電導体によるゲート電極とを有する。ま
た、抵抗素子は、この超電導電界効果型素子のソース領
域およびドレイン領域間に超電導チャネルと並列に接続
された抵抗チャネルを具備する。本発明の超電導素子で
は、上記の抵抗チャネルが超電導チャネルを形成する酸
化物超電導薄膜中に下方から突出している。この酸化物
超電導薄膜の抵抗チャネルの上の薄い部分が超電導チャ
ネルとなっている。

【００１０】本発明の超電導素子において、上記の抵抗
チャネルは、上記の酸化物超電導薄膜中に不純物が拡散
して形成された非超電導性の酸化物、または上記の酸化
物超電導薄膜を形成する酸化物超電導体と等しい構成元
素を有し、結晶中の酸素がより少ない非超電導性の酸化
物で構成されていることが好ましい。

【００１１】酸化物超電導薄膜中に不純物を拡散させて
抵抗チャネルを形成する方法としては、例えば、基板上
に酸化物超電導薄膜を成膜し、酸化物超電導薄膜を局所
的に加熱して基板成分を酸化物超電導薄膜の加熱部分に
拡散させる方法がある。抵抗チャネルの抵抗値は、基板
材料、加熱温度、加熱時間等により制御することができ
る。

【００１２】また、酸化物超電導薄膜を形成する酸化物
超電導体と等しい構成元素を有し、結晶中の酸素がより
少ない非超電導性の酸化物で抵抗チャネルを形成するに
は、例えば以下の方法が好ましい。まず、基板上にこの
非超電導性の酸化物の薄膜を形成する。次いで、この酸
化物薄膜の一部に、酸素イオンを注入して酸化物超電導
体化し、超電導ソース領域および超電導ドレイン領域を
酸化物薄膜内に互いに離して形成する。その後、この薄
膜を加熱して酸素を拡散させ、超電導ソース領域および
超電導ドレイン領域を繋ぐ超電導チャネルを形成する。
超電導チャネルの下側の部分に抵抗チャネルができる。
抵抗チャネルの抵抗値は、最初に形成する酸化物薄膜の
結晶中の酸素の量により制御することができる。

【００１３】本発明の超電導素子は、ゲート電極で開閉
される超電導チャネルと抵抗チャネルとが、ソース電極
およびドレイン電極間に並列に配置されているので、超
電導チャネルが抵抗状態であるときには、抵抗チャネル
にソース−ドレイン間電流が流れる。従って、超電導電
界効果型素子特有のヒステリシス特性が解消される。そ
のため、本発明の超電導素子において、抵抗チャネルの
抵抗値は、上記超電導電界効果型素子の超電導チャネル
が抵抗状態であるときの超電導チャネルのソース−ドレ
イン間の抵抗値よりもかなり小さい値としなければなら
ない。

【００１４】本発明は、任意の酸化物超電導体に適用で
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。

【００１５】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。

【００１６】

【実施例】図１(a)および(b)にそれぞれ本発明の超電導
素子の概略断面図を示す。図１(a)に示した本発明の超
電導素子は、MgＯ基板10上に形成されたｃ軸配向のＹ₁B
a₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜２中に下方から突出する形
状に基板10の成分が拡散して形成された抵抗チャネル６
とを具備する。Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜２の抵
抗チャネル６の上側の薄い超電導体部分は、超電導チャ
ネル20になっている。また、Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電
導薄膜２の抵抗チャネル６の両側の部分は超電導ソース
領域13および超電導ドレイン領域14になっている。Ｙ₁B
a₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜２の超電導ソース領域13上
にはソース電極３が配置され、超電導ドレイン領域14上
にはドレイン電極４が配置され、超電導チャネル20上に
は絶縁層９を介してゲート電極５が配置されている。

【００１７】上記本発明の超電導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Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X
酸化物超電導薄膜を成膜する。Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超
電導薄膜は、ｃ軸配向であることが好ましい。これは、
酸化物超電導体が、ｃ軸に垂直な方向の臨界電流密度が
大きいという特性を有するからである。成膜方法として
は、各種のスパッタリング法、ＭＢＥ法、真空蒸着法、
ＣＶＤ法等任意の方法が使用可能である。オフアクシス
スパッタリング法で成膜を行う際の主な成膜条件を以下
に示す。

【００１８】上記のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜の
中央部付近に局所的にレーザビームまたは集束イオンビ
ームを照射して基板10の成分をＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超
電導薄膜中に拡散させ、抵抗チャネル６を形成する。Ｙ
₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜の抵抗チャネル６の上の
部分は超電導チャネル20になる。また、Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X
酸化物超電導薄膜の抵抗チャネル６の両側は、それぞれ
超電導ソース領域13および超電導ドレイン領域14にな
る。抵抗チャネル６をレーザビームを照射して形成する
場合、レーザとしては、エキシマレーザ、炭酸ガスレー
ザ、ＹＡＧレーザ等の高出力レーザが好ましい。例え
ば、波長514 nmのArレーザを使用する場合、照射出力は
2.0 Ｗとし、100 μｍ／秒で走査するすることが好まし
い。一方、集束イオンビームを照射して非超電導領域50
を形成する場合、照射イオンはArイオンが好ましく、ビ
ーム径を0.2 μｍ以下とし、加速電圧が50ｋＶ以下であ
ることが好ましい。

【００１９】上記のように、抵抗チャネル６を形成した
Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜２の超電導ソース領域
13および超電導ドレイン領域14上に、それぞれソース電
極３およびドレイン電極４を真空蒸着法によりAuで形成
する。さらに、超電導チャネル20上にMgＯで絶縁層９を
形成し、その上にゲート電極５をやはり真空蒸着法によ
りAuで形成して、本発明の超電導素子が完成する。

【００２０】一方、図１(b)に本発明の超電導素子の他
の実施例を示す。図１(b)の超電導素子では、MgＯ基板1
0上に配置された中央部が突出した形状のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ
_7-y酸化物層60上に、Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜
２が配置されている。Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y酸化物は、Ｙ₁Ba₂
Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導体と比較すると、ｙ＞ｘで低温で
電気抵抗を示す。Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y酸化物層60の突出した
部分が、抵抗チャネル６になっている。図１(a)に示し
た本発明の超電導素子と同様に、Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物
超電導薄膜２の抵抗チャネル６の上側の薄い超電導体部
分は、超電導チャネル20になっている。また、Ｙ₁Ba₂Cu
₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜２の抵抗チャネル６の両側の部
分は超電導ソース領域13および超電導ドレイン領域14に
なっている。Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜２の超電
導ソース領域13上にはソース電極３が配置され、超電導
ドレイン領域14上にはドレイン電極４が配置され、超電
導チャネル20上には絶縁層９を介してゲート電極５が配
置されている。

【００２１】上記本発明の超電導素子は、以下の方法で
作製する。最初にMgＯ基板10上に厚さ約200 nmのＹ₁Ba₂
Cu₃Ｏ_7-y酸化物薄膜を形成する。オフアクシススパッタ
リング法でＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y酸化物薄膜を形成する場合の
成膜条件を以下に示す。

【００２２】次に、このＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y酸化物薄膜の中
央部付近を除いてその両側に酸素イオンを注入し、Ｙ₁B
a₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導体にして超電導ソース領域13お
よび超電導ドレイン領域14を形成する。このとき、Ｙ₁B
a₂Cu₃Ｏ_7-y酸化物薄膜のイオンを打ち込む部分の表面を
５〜10nm程度エッチングしておくことも好ましい。イオ
ンの注入条件を以下に示す。加速電圧 40kV 注入量（ドーズ量）１×10¹⁵〜１×10¹⁶

【００２３】イオンを注入したＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y酸化物薄
膜をさらに酸素中で加熱して、酸素を表面から拡散させ
て、超電導チャネル20を形成する。超電導ソース領域13
および超電導ドレイン領域14上にそれぞれソース電極３
およびドレイン電極４を真空蒸着法によりAuで形成す
る。さらに、超電導チャネル20上にMgＯで絶縁層９を形
成し、その上にゲート電極５をやはり真空蒸着法により
Auで形成して、本発明の超電導素子が完成する。

【００２４】図２(a)〜(c)を参照して本発明の超電導素
子の動作を説明する。図２(a)および(b)は、本発明の超
電導素子の動作を等価回路で図示したものである。即
ち、本発明の超電導素子は、超電導電界効果型素子１
と、超電導電界効果型素子１の超電導チャネル20に並列
にソース電極３およびドレイン電極４間に接続されてい
る抵抗素子16で構成される回路と等価である。図２(a)
は、本発明の超電導素子において、超電導電界効果型素
子１のゲート電極５に電圧が印加されてなく、超電導チ
ャネル20のゲートが開いている状態を示す。このとき、
超電導チャネル20は、超電導状態であり、電気抵抗が事
実上０であるので、ソース−ドレイン間電流は全て超電
導チャネル20を流れる。

【００２５】図２(b)は本発明の超電導素子において、
超電導電界効果型素子１の超電導チャネル20が抵抗状態
である場合を示す。この場合、超電導チャネル20の超電
導状態は失われている。このとき、超電導チャネル20の
抵抗値Ｒ_sは、ソース−ドレイン間の電圧が上昇して超
電導チャネル20に電流が流れ始めるときの抵抗値Ｒ_upお
よびソース−ドレイン間の電圧が下降して超電導チャネ
ル20に流れていた電流が断たれる瞬間の抵抗値Ｒ
_downと、次のような関係になっている。Ｒ_up＜Ｒ_s＜Ｒ_down 抵抗素子16の抵抗値Ｒは、Ｒ≪Ｒ_upに設定されているの
で、このときのソース−ドレイン間電流はほとんど抵抗
素子16をながれる。従って、この場合のソース−ドレイ
ン間抵抗は、ほぼＲに等しい。

【００２６】図２(c)は、上記本発明の超電導素子の特
性図である。図２(c)に示すよう、本発明の超電導素子
では、超電導電界効果型素子１のヒステリシス特性が解
消されており、ゲート電圧によりソース−ドレイン間の
電圧電流特性のループを特定することができる。従っ
て、本発明の超電導素子は、特に電子機器等に使用する
場合に実用性が高い。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に従えば、
実用性の高い超電導３端子素子が提供される。また、本
発明の超電導素子の構成は、弱結合型およびその他の型
のジョセフソン素子の特性を改善する場合にも適用可能
である。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、従来得られなかった高性能な電子装置が
作製可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a)および(b)は、それぞれ本発明の超電導素子
の一例の概略平面図である。

【図２】(a)および(b)は、本発明の超電導素子の動作を
示す概念図であり、(c)は本発明の超電導素子の特性図
である。

【図３】超電導電界効果型素子の概略図である。

【図４】超電導電界効果型素子の特性図である。

【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ソース電極４ドレイン電極５ゲート電極６抵抗チャネル

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】酸化物超電導体で構成されたソース領域
およびドレイン領域と、該ソース領域およびドレイン領
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常電導体によるゲート電極
とを備える超電導電界効果型素子と、該超電導電界効果型素子の前記ソース領域およびドレイ
ン領域間に接続された抵抗チャネルとを具備し、前記ソース領域、ドレイン領域および超電導チャネルが
一体の酸化物超電導薄膜で構成され、前記抵抗チャネル
が、前記酸化物超電導薄膜の中央部付近で下方から前記
酸化物超電導薄膜中へ突出し、前記酸化物超電導薄膜の
前記抵抗チャネルが突出している部分上が超電導チャネ
ルとなっていることを特徴とする超電導素子。