JPH0582847A - 超電導電界効果型素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ａ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成されてい
る超電導ソース領域３および超電導ドレイン領域４と、
ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成されている超電導チ
ャネル20との間にLa_1.5Ba_1.5Cu₃Ｏ_7-y酸化物半導体層８
を有する。 【効果】 La_1.5Ba_1.5Cu₃Ｏ_7-y酸化物半導体に接する酸
化物超電導体は、長距離近接効果を示す。ａ軸配向の酸
化物超電導薄膜で構成されている超電導ソース領域３お
よび超電導ドレイン領域４と、ｃ軸配向の酸化物超電導
薄膜で構成されている超電導チャネル20との間の界面
が、酸化物超電導体の結晶粒界ではないので、超電導接
合、ジュール熱発生がない。また、長距離近接効果によ
り、超電導ソース領域３および超電導ドレイン領域４
と、超電導チャネル20との間には超電導電流が流れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導電界効果型素子
に関する。より詳細には、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
域と、ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成された超電導
チャネルを具備する超電導電界効果型素子に関する。

【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超電導ソース領域３および超電
導ドレイン領域４と、超電導チャネル20上にゲート絶縁
層７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
型素子において、超電導ソース領域３および超電導ドレ
イン領域４では超電導電流は厚さ方向、即ち図面の上下
方向に主に流れ、超電導チャネル20では超電導流は面方
向、即ち図面の左右（または紙面に垂直）方向に主に流
れる。酸化物超電導体は超電導特性に結晶異方性を有す
るので、超電導ソース領域３および超電導ドレイン領域
４と、超電導チャネル20とでは使用する酸化物超電導体
の結晶方向を変えることが好ましい。通常、超電導ソー
ス領域３および超電導ドレイン領域４には、厚さ方向に
より大きな電流を流すことができるａ軸配向（またはｂ
軸配向、以下本明細書ではより一般的なａ軸配向に代表
させて記述する）の酸化物超電導薄膜が使用され、超電
導チャネル20には面方向により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が使用される。

【０００６】上記のように超電導ソース領域３および超
電導ドレイン領域４と、超電導チャネル20とで配向性の
異なる酸化物超電導薄膜を使用すると、それぞれの界面
21、22が結晶粒界となって不具合が生じる。例えば、界
面の結晶粒界が超電導接合となっている場合には、界面
にはトンネル電流しか流れないので電流容量が制限され
る。また、界面の超電導接合により入出力特性に歪みが
発生する。界面が超電導接合ではない場合でも、界面の
電気抵抗によりジュール熱が発生し、超電導チャネルの
超電導性が失われたり、超電導ソース領域、超電導ドレ
イン領域の結晶の影響を受け、超電導チャネルの組成が
劣化することがある。

【０００７】超電導ソース領域および超電導ドレイン領
域と、超電導チャネルとの界面で上記のような不具合を
発生させないために、界面にAu、Ag等の貴金属層を形成
し、界面が酸化物超電導体の結晶粒界にならないように
することが提案されている。しかしながら、Au、Ag等の
貴金属層は電気抵抗を有するので、やはりジュール熱が
発生し、超電導チャネルの超電導性が失われることがあ
る。

【０００８】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を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に従うと、ａ軸配
向の酸化物超電導体結晶からなる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
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ｃ軸配向の酸化物超電導体結晶からなる酸化
物超電導薄膜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た該超電導
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超電導ソース領域との間
および前記超電導チャネルと超電導ドレイン領域との間
に、酸化物超電導体が長距離近接効果を示す酸化物半導
体で構成されたバッファ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。

【００１０】

【作用】本発明の超電導電界効果型素子は、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と、ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で
構成された超電導チャネルとの間に、酸化物超電導体が
長距離近接効果を示す酸化物半導体で構成されたバッフ
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は、このバッファ層により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と、ｃ軸配向の酸化物超電導
薄膜で構成された超電導チャネルとの間の界面が、酸化
物超電導体の結晶粒界ではないので、従来の超電導電界
効果型素子の上記界面における各種の不具合が抑えられ
る。

【００１１】酸化物超電導体の長距離近接効果というの
は、一対の酸化物超電導体の間に特定の絶縁体または半
導体を挟んだ場合には、通常よりもかなり広い間隔の酸
化物超電導体間を超電導電流が流れる現象である。本発
明の超電導電界効果型素子のバッファ層として使用する
のは、上記の長距離近接効果を示す酸化物半導体であ
り、例えば、La_1.5Ba_1.5Cu₃Ｏ_7-y、La_1.5Ca_1.5Mn₃Ｏ_7-z
等が好ましい。これらの酸化物半導体は、いずれも組成
が酸化物超電導体に近いので、酸化物超電導薄膜中に拡
散しても酸化物超電導薄膜の特性を劣化させることがな
い。また、超電導ソース領域および超電導ドレイン領域
と、超電導チャネルとの間に上記の半導体によるバッフ
ァ層を形成すると、超電導ソース領域および超電導ドレ
イン領域と、超電導チャネルとの異方性は補償される。
また、本発明の超電導電界効果型素子において、上記の
半導体によるバッファ層には長距離近接効果により超電
導電流が流れる。従って、上記の半導体によるバッファ
層を形成しても、超電導電界効果型素子の本来の特性は
なんら低下しない。

【００１２】本発明の超電導電界効果型素子では、上記
のバッファ層の厚さは50〜500 nm程度が好ましい。バッ
ファ層の厚さが50nm未満の場合はバッファ層の効果が十
分ではなく、バッファ層の厚さが500 nmを超えるとバッ
ファ層中に超電導電流が流れ難くなるからである。この
場合、上記のバッファ層の厚さは、超電導ソース領域お
よび超電導ドレイン領域と、超電導チャネルとの間のバ
ッファ層の厚さを意味している。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】

【実施例】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SrTiＯ₃（１１０）基板10上に図１(b)に示
すようｃ軸配向のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜２を
成膜する。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。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。 基板温度 700℃ スパッタリングガス Ar 90 ％ Ｏ₂ 10 ％ 圧力 ５×10^-2Torr 膜厚 ５nm

【００１６】次に、図１(c)に示すようＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X
酸化物超電導薄膜２上に厚さ約10nmのMgＯ層17を積層
し、さらにMgＯ層17上にAu層15を積層する。Ｙ₁Ba₂Cu₃
Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜２、MgＯ層17およびAu層15をAr
イオンエッチング法で加工し、図１(d)に示すよう、超
電導チャネル20、ゲート絶縁層７およびゲート電極５を
形成する。ゲート絶縁層７は、サイドエッチングを促進
して超電導チャネル20およびゲート電極５よりも幅を狭
くする。尚、ゲート絶縁層７には、SrTiＯ₃ を使用して
もよく、また、ゲート電極５には、Agを使用することも
できる。このように、超電導チャネル20、ゲート絶縁層
７およびゲート電極５を形成した後、図１(e)に示すよ
うLa_1.5Ba_1.5Cu₃Ｏ_7-y酸化物半導体層８をＭＢＥ法によ
り超電導チャネル20とほぼ等しい厚さに積層する。La
_1.5Ba_1.5Cu₃Ｏ_7-yに替えて、La_1.5Ca_1.5Mn₃Ｏ_7-zを使用
してもよい。最後に図１(f)に示すようａ軸配向Ｙ₁Ba₂C
u₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜により、超電導ソース領域３
および超電導ドレイン領域４を形成して、超電導電界効
果型素子が完成する。ａ軸配向Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超
電導薄膜をＭＢＥ法で成膜する際の主な成膜条件を以下
に示す。 基板温度 630℃ 圧力 ５×10^-5Torr 膜厚 ５nm

【００１７】上記本発明の超電導電界効果型素子では、
超電導ソース領域３および超電導ドレイン領域４と、超
電導チャネル20との間にLa_1.5Ba_1.5Cu₃Ｏ_7-y層８が形成
されている。La_1.5Ba_1.5Cu₃Ｏ_7-yに接する酸化物超電導
体は長距離近接効果を示すので超電導ソース領域３およ
び超電導ドレイン領域４と、超電導チャネル20との間に
超電導電流が流れる。また、超電導ソース領域３および
超電導ドレイン領域４とLa_1.5Ba_1.5Cu₃Ｏ_7-y層８との界
面および超電導チャネル20とLa_1.5Ba_1.5Cu₃Ｏ_7-y層８と
の界面はいずれも良好に形成されており、超電導接合、
抵抗成分等は一切存在しない。従って、本発明の超電導
電界効果型素子は、良好な特性を有する。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に従えば、
新規な超電導電界効果型素子が提供される。本発明の超
電導電界効果型素子は、超電導ソース領域および超電導
ドレイン領域と、超電導チャネルとが直接接触せず、長
距離近接効果を示す半導体によるバッファ層を介してい
る。従って、超電導ソース領域および超電導ドレイン領
域と、超電導チャネルとの界面で、超電導接合が生じた
り、抵抗成分が発生する等の不具合がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】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】

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

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ａ軸配向の酸化物超電導体結晶からなる
   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ｃ軸配向の酸化物超電導
   体結晶からなる酸化物超電導薄膜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
   配置された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超電
   導ソース領域との間および前記超電導チャネルと超電導
   ドレイン領域との間に、酸化物超電導体が長距離近接効
   果を示す酸化物半導体で構成されたバッファ層を具備す
   ることを特徴とする超電導電界効果型素子。