JPH0587995B2 - - Google Patents
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Description
本発明は超電導エレクトロニクスの分野に係
り、とくにデイジタル回路、アナログ回路の分野
に応用される酸化物超電導スイツチ素子に関する
ものである。
The present invention relates to the field of superconducting electronics, and particularly to an oxide superconducting switch element applied to the fields of digital circuits and analog circuits.
電界効果型の超電導スイツチ素子をジヨセフソ
ン接合素子と比較したときの利点としては、三端
子素子であり、入出力分離が十分であり、電圧信
号でスイツチングを行え、かつ直流電源によつて
駆動できるという点をあげることができる。
電界効果を用いた超電導スイツチ素子として
は、液体ヘリウム温度動作の必要なNb系の超電
導材料を用い、超電導電子のしみだし効果と
GaAsあるいはSiの電界効果を用いたスイツチ素
子が知られている。この例はフイジカルレビユー
レターズ、54巻2449頁、1985年（Physical
Review Letters，Vol.54，p.2449，1985）に記
載されている。この素子においては、半導体基板
上にソース、ドレイン電極となるべき２枚の超電
導膜を近接して配し、この間にゲート電極膜を挿
入した構造となつている。すなわちInAs半導体
基板の片側に、ソース、ゲートおよびドレイン電
極が並んで配された構造と成つている。超電導電
流はソースから半導体を通つてドレインに流れ
る。半導体部は超電導電子のしみだし効果によつ
て、超電導電流が流れる超電導弱結合部となる。
The advantages of field-effect superconducting switch devices compared to Josephson junction devices are that they are three-terminal devices, have sufficient input/output separation, can perform switching using voltage signals, and can be driven by a DC power source. I can give you points. As a superconducting switch element using electric field effect, Nb-based superconducting material that requires operation at liquid helium temperature is used, and superconducting electron seepage effect and
Switch elements using GaAs or Si field effects are known. This example is from Physical Review Letters, Vol. 54, p. 2449, 1985.
Review Letters, Vol. 54, p. 2449, 1985). This device has a structure in which two superconducting films serving as source and drain electrodes are disposed close to each other on a semiconductor substrate, and a gate electrode film is inserted between them. That is, it has a structure in which the source, gate, and drain electrodes are arranged side by side on one side of the InAs semiconductor substrate. Superconducting current flows from the source through the semiconductor to the drain. The semiconductor part becomes a superconducting weak coupling part through which superconducting current flows due to the seepage effect of superconducting electrons.
前記従来の電界効果型超電導スイツチ素子を高
臨界温度の酸化物超電導材料に適用しようとする
場合、以下の理由で非常に高度な技術を必要とす
る。
半導体基板上にソースとドレインとなるべき超
電導薄膜を近接して配する場合、ソースとドレイ
ン間に超電導電流が流れ得るようにするために
は、超電導電流が流れるべき半導体部の長さ、す
なわちチヤネル長を超電導コヒーレンス長程度に
する必要がある。チヤネル長がコヒーレンス長よ
り長い場合、ゲート電圧信号の印加によつてソー
スとドレイン電極間の抵抗値は変化するが、ゲー
ト電圧信号がオンの状態においてもオフの状態に
おいても、超電導電流は流れない。電界効果型の
超電導三端子素子の望ましいスイツチング動作形
態は、電圧零の超電導状態と、有限電圧の常電導
電圧状態間のスイツチングである。
コヒーレンス長は半導体部のキヤリア濃度や移
動度、あるいは平均自由工程にも依存するが、
GaAsやInAs等の高移動度半導体で0.1ないし
0.5μm程度である。しかしながら酸化物系の超電
導薄膜をGaAs等の化合物半導体上に形成した場
合、界面において相互拡散あるいは反応が生じ、
接触抵抗が高くなるとともに、酸化物の超電導特
性が劣化する。とくに界面においては超電導性を
示さない。
酸化物の超電導特性の劣化や、界面における高
い接触抵抗の問題を取り除くためには、半導体部
の材料として、酸化物の半導体相を用いることが
望ましい。しかるに酸化物の半導体相は移動度が
低く、0.01m2／Vs程度である。したがつてこの
ような低い移動度の半導体でカツプリングさせる
場合、チヤネル長、すなわちソースとドレイン間
の距離はさらに一桁短くする必要がある。液体ヘ
リウム温度にかえて液体窒素温度で素子を動作さ
せようとする場合、コヒーレンス長さはさらに短
くなり、これに対応して、チヤネル長もさらに短
くする必要がある。加工技術あるいはパタン形成
技術をもつてして、0.1μm以下のパタンを得るこ
とは困難であり、さらに従来型の素子構造におい
ては、このような短いソースとドレイン間にゲー
ト電極を挿入する必要があるため、このような構
造は微細な素子の作製はさらに困難である。
本発明の目的は、超電導電極膜に対して、
0.1μm以下の微細な加工を必要とせず、微小なチ
ヤネル長を実現し、かつゲートの電圧信号によつ
てスイツチング動作を行わせしめることのできる
酸化物系の電界効果型超電導スイツチ素子を提供
することにある。
When applying the conventional field-effect superconducting switch element to oxide superconducting materials with high critical temperatures, very advanced technology is required for the following reasons. When superconducting thin films that are to become a source and a drain are disposed close to each other on a semiconductor substrate, in order for superconducting current to flow between the source and drain, the length of the semiconductor portion through which the superconducting current should flow, that is, the channel. The length needs to be about the same as the superconducting coherence length. When the channel length is longer than the coherence length, the resistance value between the source and drain electrodes changes with the application of the gate voltage signal, but no superconducting current flows whether the gate voltage signal is on or off. . A desirable switching mode of operation of a field-effect superconducting three-terminal device is switching between a superconducting state of zero voltage and a normal conducting voltage state of finite voltage. The coherence length depends on the carrier concentration and mobility of the semiconductor part, as well as the mean free path.
0.1 or more for high mobility semiconductors such as GaAs and InAs
It is about 0.5 μm. However, when an oxide-based superconducting thin film is formed on a compound semiconductor such as GaAs, mutual diffusion or reaction occurs at the interface.
As the contact resistance increases, the superconducting properties of the oxide deteriorate. In particular, it does not exhibit superconductivity at the interface. In order to eliminate the problems of deterioration of superconducting properties of oxides and high contact resistance at interfaces, it is desirable to use a semiconductor phase of oxides as the material of the semiconductor portion. However, the mobility of the oxide semiconductor phase is low, about 0.01 m 2 /Vs. Therefore, when coupling with such a low-mobility semiconductor, the channel length, that is, the distance between the source and drain, must be further shortened by one order of magnitude. If the device were to be operated at liquid nitrogen temperatures instead of liquid helium temperatures, the coherence length would become even shorter, and the channel length would need to be correspondingly shorter. It is difficult to obtain a pattern of 0.1 μm or less using processing technology or pattern formation technology, and furthermore, in conventional device structures, it is necessary to insert a gate electrode between such a short source and drain. Therefore, it is even more difficult to fabricate fine elements with such a structure. The purpose of the present invention is to provide superconducting electrode films with
To provide an oxide-based field-effect superconducting switch element that does not require fine processing of 0.1 μm or less, realizes a minute channel length, and can perform a switching operation based on a gate voltage signal. It is in.
上記目的を達成するために、電圧信号によつて
スイツチング動作を行わせしめる電界効果型の超
電導スイツチ素子を以下のごとく構成した。
すなわち電界効果型の超電導スイツチ素子を、
超電導薄膜からなるソースおよびドレイン電極、
半導体層、絶縁体薄膜、および超電導薄膜あるい
は半導体薄膜からなるゲート電極によつて構成す
る。これら超電導、および半導体薄膜は酸化物に
よつて構成する。さらにこの超電導スイツチ素子
において、ソースとドレイン間に存在するチヤネ
ル部を超電導層と半導体層の層状構造とする。層
状構造はソースとドレインを結ぶ方向（チヤネル
方向）に層が重なつた配置とする。上記チヤネル
部のより具体的な構成としては、以下とする超電
導体層と半導体層との超格子構造とするか、ある
いは半導体層中に超電導層が島状に存在する構造
とする。これらの場合において、超電導層にはさ
まれる半導体層のチヤネル方向の長さが、100nm
以下、さらに好ましくは20nm以下とするのが好
ましい。
一方ゲートの構成については、ゲート絶縁膜を
介して配置されたチヤネル上のゲートが、上記超
格子構造あるいは島状構造をなす超電導と半導体
の複数個の配列上にまたがるようにする。すなわ
ちゲート電極の下部のチヤネル部には複数個のチ
ヤネルが直列に配されている構造とする。
超電導および半導体をなす酸化物としては、Ｙ
−Ba−Cu酸化物、Bi−Sr−Ca−Cu酸化物、La
−Sr−Cu酸化物Ｔ−Ba−Ca−Cu酸化物、Nd
−Ce−Cu酸化物等のCuを含むペロブスカイト系
結晶構造を基本とする酸化物を用いるのが好まし
い。
超電導スイツチ素子の構造に関して、素子の下
側から順に絶縁性基板、チヤネルを含む半導体
層、ソースおよびドレイン電極膜およびゲート絶
縁膜、さらにゲート電極膜とする。あるいは素子
の下側から順に絶縁性基板、ゲート電極膜、ソー
スおよびドレイン電極膜およびゲート絶縁膜、さ
らにチヤネルを含む半導体層のように上下を逆転
させた素子構造も可能である。あるいはソース電
極、チヤネルおよびドレイン電極が絶縁性基板上
に縦型に配された構造も可能である。
上に述べたごとき電界効果型の超電導スイツチ
素子の製造方法を以下に述べる。ここでは
YBaCu酸化物を例にとつて示す。斜方晶系結晶
構造のｃ軸が基板面に対して平行で、かつソース
とドレインを結ぶ方向に向いているYBaCu酸化
物薄膜を形成する。ソースとドレイン領域を除
き、チヤネル領域に対応するYBaCu酸化物膜部
位に還元処理を施すことにより、酸素濃度を低減
させ、半導体特性と成す。酸素の収束イオンビー
ムを用い、幅0.1μm以下の線状に酸素原子を照射
して超電導層とする。線間隔は0.1μm以下とす
る。照射しない領域は半導体層としての特性を保
つ。あるいは超電導組成のYBaCu酸化物薄膜に
対して、Au等の酸化し難く、かつ島状構造の薄
膜をマスク材として用い、還元処理を施すことに
より、100nm以下の微細な領域の半導体層を得
る。
超電導および半導体をなす酸化物としてＹ−
Ba−Cu酸化物を用いる場合、ソースおよびドレ
イン領域は超電導状態を保つ酸素濃度組成、すな
わちYBaCu酸化物の酸素濃度6.5以上程度とする
のに対し、チヤネル領域においてはYBaCu酸化
物薄膜の酸素濃度を6.0〜6.5程度に低減させ、半
導体層と超電導層が交互にかつ層状に混在した領
域を形成する。このチヤネル領域上に絶縁膜を形
成し、さらに超電導あるいは常電導のゲート電極
膜を形成する。
YBaCu系酸化物以外にBiSrCaCu酸化物におい
ても、ペロブスカイト系の正方結晶のｃ軸が基板
面に対して垂直に向いている領域をおよびドレイ
ン領域とし、ｃ軸がソースとドレインを結ぶ方向
に向いた領域をチヤネル領域とし、ソース、ドレ
インおよびチヤネル領域の酸素濃度制御を行え
ば、同様の超電導スイツチ素子を構成できる。
In order to achieve the above object, a field effect type superconducting switch element that performs a switching operation in response to a voltage signal was constructed as follows. In other words, a field effect type superconducting switch element,
Source and drain electrodes made of superconducting thin films,
It is composed of a semiconductor layer, an insulating thin film, and a gate electrode made of a superconducting thin film or a semiconductor thin film. These superconducting and semiconductor thin films are composed of oxides. Furthermore, in this superconducting switch element, the channel portion existing between the source and drain has a layered structure of a superconducting layer and a semiconductor layer. The layered structure has layers overlapping in the direction connecting the source and drain (channel direction). A more specific structure of the channel portion is a superlattice structure of a superconductor layer and a semiconductor layer as described below, or a structure in which a superconductor layer exists in the form of islands in a semiconductor layer. In these cases, the length of the semiconductor layer sandwiched between the superconducting layers in the channel direction is 100 nm.
Hereinafter, it is more preferably 20 nm or less. On the other hand, regarding the structure of the gate, the gate on the channel arranged through the gate insulating film is arranged to straddle the plurality of arrays of superconductors and semiconductors forming the above-mentioned superlattice structure or island structure. That is, a plurality of channels are arranged in series in the channel portion below the gate electrode. Y is an oxide that forms superconductors and semiconductors.
-Ba-Cu oxide, Bi-Sr-Ca-Cu oxide, La
-Sr-Cu oxide T-Ba-Ca-Cu oxide, Nd
It is preferable to use an oxide based on a perovskite crystal structure containing Cu, such as -Ce-Cu oxide. Regarding the structure of the superconducting switch element, from the bottom of the element, in order, an insulating substrate, a semiconductor layer including a channel, a source and drain electrode film, a gate insulating film, and a gate electrode film are used. Alternatively, it is also possible to have an element structure in which the insulating substrate, the gate electrode film, the source and drain electrode films, the gate insulating film, and the semiconductor layer including the channel are turned upside down in order from the bottom of the element. Alternatively, a structure in which the source electrode, channel, and drain electrode are arranged vertically on an insulating substrate is also possible. A method of manufacturing the field effect type superconducting switch element as described above will be described below. here
Let us take YBaCu oxide as an example. A YBaCu oxide thin film is formed in which the c-axis of the orthorhombic crystal structure is parallel to the substrate surface and oriented in the direction connecting the source and drain. Excluding the source and drain regions, the YBaCu oxide film corresponding to the channel region is subjected to reduction treatment to reduce the oxygen concentration and achieve semiconductor properties. Using a focused oxygen ion beam, a superconducting layer is created by irradiating oxygen atoms in a line with a width of 0.1 μm or less. Line spacing shall be 0.1 μm or less. The region that is not irradiated maintains its characteristics as a semiconductor layer. Alternatively, a semiconductor layer in a fine region of 100 nm or less is obtained by subjecting a YBaCu oxide thin film with a superconducting composition to reduction treatment using a thin film such as Au that is difficult to oxidize and has an island-like structure as a mask material. Y- as an oxide that forms superconductors and semiconductors
When using Ba-Cu oxide, the source and drain regions have an oxygen concentration composition that maintains the superconducting state, that is, the oxygen concentration of YBaCu oxide is approximately 6.5 or higher, whereas in the channel region, the oxygen concentration of the YBaCu oxide thin film is set to about 6.5 or higher. 6.0 to about 6.5 to form a region in which semiconductor layers and superconducting layers are mixed alternately and in a layered manner. An insulating film is formed on this channel region, and a superconducting or normal-conducting gate electrode film is further formed. In addition to YBaCu-based oxides, BiSrCaCu oxides also have regions where the c-axis of the perovskite-based tetragonal crystal is oriented perpendicular to the substrate surface and are defined as the drain region, and the c-axis is oriented in the direction connecting the source and drain. A similar superconducting switch element can be constructed by making the region a channel region and controlling the oxygen concentrations in the source, drain, and channel regions.
電界効果型の超電導スイツチ素子に対して要求
される特性は、ゲート電圧を印加したときにソー
スとドレイン間が超電導状態になつて零電圧電流
が流れ、ゲート電圧を印加しない場合は常電導状
態になつて電圧が発生することである。ソースと
ドレイン間が超電導状態になるためには、ゲート
電圧を印加した場合の半導体層における超電導コ
ヒーレンス長がチヤネル長にほぼ等しい距離とな
るようにする。
半導体層におけるコヒーレンス長は半導体層の
キヤリア濃度、移動度および動作温度に依存す
る。キヤリア濃度および移動度が高くなるにした
がつて、コヒーレンス長が長くなる。逆に動作温
度を高くするに従つて、コヒーレンス長が短くな
る。ゲートに電圧を印加した場合、半導体層のチ
ヤネル部には蓄積層が形成されキヤリア濃度が増
加する。したがつて十分な、すなわち数Ｖあるい
は数十Ｖのゲート電圧を印加した場合、ソースと
ドレイン間を超電導状態にすることは可能であ
る。ただしゲート電圧信号が、数十mVであると
考えられている超電導ギヤツプ電圧より十倍以上
大きい場合、素子としての利得を得ることができ
ない。移動度の大きい化合物半導体を用いた場
合、必要なチヤネル長は0.1−0.5μmである。酸化
物系半導体の移動度は0.01m2／Vs以下である。
半導体層の移動度は材料固有の値であるから、大
幅に大きくすることはできない。
超電導スイツチ素子の信号電圧を例えば
100mVとし、利得を１以上にするという実用的
な制約を設けると、ゲート電圧も100mV以下に
する必要がある。この制約のもとで、チヤネル幅
を例えば10μmとし、ゲート電圧の印加によつて
蓄積層を形成し、表面層キヤリア濃度の増加によ
るコヒーレンス長さ増大の結果として液体窒素温
度動作で必要な超電導電流値である30μA以上の
超電導電流を得ようとする典型的な条件を考慮す
ると、酸化物系超電導スイツチ素子のチヤネル長
として100nm以下、より好ましくは20nmの値に
する必要がある。とくに超電導スイツチ素子を従
来の液体ヘリウムにかえて液体窒素温度に近い温
度で動作させる場合、このような短いチヤネル長
は必須である。しかるに本発明における素子構造
では、酸化物超電導薄膜特有の異方的性質と超格
子構造あるいは周期構造をチヤネル部に用いる。
すなわちペロブスカイト系の斜方結晶、あるい
は正方結晶で、かつ長いｃ軸長を有する酸化物超
電導体においてはきわめて大きな電気的異方性を
有する。すなわちｃ軸に垂直な方向に対しては電
気抵抗の温度係数は正であるが、ｃ軸方向に対し
ては零あるいは負である。さらにｃ軸方向に対し
て、たとえばYBaCu酸化物はコヒーレンス長が
0.2nmと短く、かつCu−Ｏ平面とCu−Ｏ鎖状面
が互に層を成している。Cu−Ｏ面は酸素欠損の
存在しない格子面であり、Cu−Ｏ鎖状面は酸素
欠損の存在する格子面である。このような酸化物
固有の性質と、課題を解決するための手段の項に
おいて述べたチヤネル構造を形成することによ
り、実効的なチヤネル長が100nm以下のチヤネル
を形成できる。
このような構造の酸化物層をチヤネルとし、絶
縁層を介して電圧を印加した場合、電界によつて
バンドが曲げられ、酸化物層内の半導体層にキヤ
リアが注入される。超電導層と半導体層の間隔が
nmの程度であるから、半導体層を介して超電導
層がつながり、酸化物層全体が超電導状態にな
る。したがつて、本発明になる超電導スイツチ素
子は超電導状態と電圧状態間のスイツチ動作を可
能にするものである。
The characteristics required for a field-effect superconducting switch element are that when a gate voltage is applied, the source and drain become superconducting and a zero voltage current flows, and when no gate voltage is applied, they become a normal conductor. As a result, voltage is generated. In order for the source and drain to be in a superconducting state, the superconducting coherence length in the semiconductor layer when a gate voltage is applied is made to be approximately equal to the channel length. The coherence length in a semiconductor layer depends on the carrier concentration, mobility and operating temperature of the semiconductor layer. The higher the carrier concentration and mobility, the longer the coherence length. Conversely, as the operating temperature increases, the coherence length becomes shorter. When a voltage is applied to the gate, an accumulation layer is formed in the channel portion of the semiconductor layer and the carrier concentration increases. Therefore, if a sufficient gate voltage of several volts or tens of volts is applied, it is possible to bring the source and drain into a superconducting state. However, if the gate voltage signal is ten times or more greater than the superconducting gap voltage, which is thought to be several tens of mV, no gain can be obtained as a device. When using a compound semiconductor with high mobility, the required channel length is 0.1-0.5 μm. The mobility of oxide semiconductors is 0.01 m 2 /Vs or less.
Since the mobility of the semiconductor layer is a value specific to the material, it cannot be significantly increased. For example, the signal voltage of a superconducting switch element is
If we set a practical constraint of 100 mV and a gain of 1 or more, the gate voltage must also be 100 mV or less. Under this constraint, the channel width is set to 10 μm, for example, and an accumulation layer is formed by applying a gate voltage, and as a result of the increase in coherence length due to the increase in surface layer carrier concentration, the superconducting current required for liquid nitrogen temperature operation is Considering typical conditions for obtaining a superconducting current of 30 μA or more, the channel length of the oxide-based superconducting switch element needs to be 100 nm or less, more preferably 20 nm. In particular, such a short channel length is essential when superconducting switch elements are operated at temperatures close to liquid nitrogen temperatures instead of conventional liquid helium. However, in the device structure of the present invention, the anisotropic properties specific to oxide superconducting thin films and the superlattice structure or periodic structure are used in the channel portion. That is, an oxide superconductor that is a perovskite-based orthorhombic crystal or a tetragonal crystal and has a long c-axis length has extremely large electrical anisotropy. That is, the temperature coefficient of electrical resistance is positive in the direction perpendicular to the c-axis, but zero or negative in the c-axis direction. Furthermore, in the c-axis direction, for example, YBaCu oxide has a coherence length
It is as short as 0.2 nm, and the Cu-O plane and the Cu-O chain plane form layers. The Cu-O plane is a lattice plane without oxygen vacancies, and the Cu-O chain plane is a lattice plane with oxygen vacancies. By using such inherent properties of oxides and forming the channel structure described in the section of means for solving the problems, it is possible to form a channel with an effective channel length of 100 nm or less. When an oxide layer with such a structure is used as a channel and a voltage is applied through the insulating layer, the band is bent by the electric field and carriers are injected into the semiconductor layer within the oxide layer. The distance between the superconducting layer and the semiconductor layer is
Since it is on the order of nanometers, the superconducting layers are connected through the semiconductor layer, and the entire oxide layer becomes superconducting. Therefore, the superconducting switch element of the present invention enables switching between a superconducting state and a voltage state.
以下本発明の一実施例を述べる。
第１図に示すごとく、SrTiO3の（110）面方位
単結晶を基板１としてYBaCu酸化物薄膜を30nm
の厚さに形成する。膜形成は高周波マグネトロン
スパツタリング法によつて形成する。雰囲気ガス
はArと酸素の50％ずつの混合ガスとし、全圧力
は0.4Paとする。ターゲツト材はYBaCu酸化物の
円板状焼結体とする。電源として周波数
13.56MHzの高周波を用い、投入電力は50W〜
100Wとする。膜形成時の基板温度は550℃〜700
℃の範囲とする。このような条件によつて形成し
たYBaCu酸化物薄膜においては、斜方結晶構造
のｃ軸が基板に対して平行な配向性を有する。超
電導臨界温度は80K以上である。
このYBaCu酸化物薄膜にＣ2を用いたイオン
ビームエツチング法による加工を施すことによ
り、ソース５、チヤネル２、およびドレイン６を
含むYBaCu酸化物薄膜のパタンを形成する。な
お結晶のｃ軸が素子ソース５とドレイン６を結ぶ
方向になるように、SrTiO3基板とパタンの相対
方位を調節する。
つぎにソース５およびドレイン６部をAu等の
酸素に対して不活性な薄膜で覆う。この状態で
Ar雰囲気中で600℃以上での熱処理を施すことに
より、半導体相の薄膜を得る。さらに膜厚3nmの
ZrO膜９を真空蒸着法により形成する。ZrO膜９
はこの膜厚条件においては不連続であり、ピンホ
ールを有する。つぎにこの状態でYBaCu酸化物
薄膜の酸素濃度向上のための熱処理を施す。処理
条件は酸素濃度１気圧、温度600℃とする。この
ような処理により、ZrO膜９で被覆されていない
YBaCu酸化物薄膜部分が酸化され、半導体層中
に互いに数十nmの間隔で超電導相３の存在する
チヤネル部が得られる。
つぎにゲート絶縁膜７となるMgO膜を真空蒸
着法により形成する。MgO膜の蒸発は電子ビー
ム蒸発法によつて行う。MgO膜の膜厚は100nm
とする。つぎにチヤネル上に膜厚300nmのAu膜
を蒸着して、ゲート電極膜８としてのパタンを形
成することにより、超電導スイツチ素子を得る。
以上の方法により作製した超電導スイツチ素子
のソースとドレイン間の電圧−電流特性は第２図
に示すごとくになる。すなわちゲート電圧を印加
しない場合、超電導電流が流れず、高抵抗状態
（図中１１）となる。これに対して、200mV以上
のゲート電圧を印加した場合、約50μA以上の超
電導電流が流れ、電圧状態における抵抗も小さく
なる（図中１０）。100mV以上の電圧において
も、超電導電流成分が存在する。このことは素子
の利得を１以上に成しえることを意味する。この
ような素子特性は液体窒素温度近傍まで観測され
る。すなわちゲート電圧によつてソースとドレイ
ン間の超電導−常電導スイツチングを行わせるこ
とができる。このような素子特性はデイジタル回
路やアナログ回路のスイツチング素子としての特
性を有していて、論理回路、記憶回路、デイジタ
ル・アナログ変換回路等に適用される。
本発明に係る超電導スイツチ素子は以上述べた
素子構造だけでなく、第３図に示すごとく、ソー
ス５からドレイン６方向に向かつて、チヤネル部
２が膜面内で超電導層３と半導体層４の層状構造
となすことによつても作製される。チヤネル部２
はあらかじめ酸素濃度を低減させ、さらに酸素を
用いたFIB、すなわち集束イオンビームによつて
スキヤンさせることにより、超電導層３と半導体
層４の層状構造を得る。超電導スイツチ素子の他
の構成部分、すなわちソース電極膜５、ドレイン
電極膜６、ゲート絶縁膜７およびゲート電極８の
形成方法は上に述べた方法と同様である。
本発明にかかる超電導スイツチ素子は以上述べ
た素子構造だけでなく、基板側から順にゲート電
極膜８、ゲート絶縁膜７、チヤネル２が積層化さ
れた構造も可能である。
さらに酸化物薄膜としてYBaCu酸化物だけで
なく、BiSrCaCu酸化物、ＴBaCaCu酸化物、
LaSrCu酸化物、NdCeCu酸化物等を用いた場合
においても同様に超電導スイツチ素子を構成で
き、同様の素子特性および素子機能を有する。こ
のような酸化物薄膜を用いる場合、酸素濃度の制
御による半導体層と超電導層の形成だけでなく、
不純物元素の注入による半導体相から超電導体へ
の変換、あるいは超電導体相から半導体への変換
現象を利用することによる超電導層と半導体層の
層状構造あるいは島状構造を得ることができる。
An embodiment of the present invention will be described below. As shown in Figure 1, a YBaCu oxide thin film of 30 nm was formed using a (110)-oriented single crystal of SrTiO 3 as the substrate 1.
Form to a thickness of . The film is formed by high frequency magnetron sputtering method. The atmospheric gas is a mixed gas of 50% Ar and 50% oxygen, and the total pressure is 0.4Pa. The target material is a disc-shaped sintered body of YBaCu oxide. Frequency as power supply
Using 13.56MHz high frequency, input power is 50W ~
It is assumed to be 100W. Substrate temperature during film formation is 550℃~700℃
The range is ℃. In the YBaCu oxide thin film formed under these conditions, the c-axis of the orthorhombic crystal structure is oriented parallel to the substrate. The superconducting critical temperature is over 80K. By processing this YBaCu oxide thin film by ion beam etching using C 2 , a pattern of the YBaCu oxide thin film including the source 5, channel 2, and drain 6 is formed. Note that the relative orientation of the SrTiO 3 substrate and the pattern is adjusted so that the c-axis of the crystal is in the direction connecting the source 5 and drain 6 of the device. Next, the source 5 and drain 6 portions are covered with a thin film such as Au that is inert to oxygen. in this state
A semiconductor phase thin film is obtained by heat treatment at 600°C or higher in an Ar atmosphere. Furthermore, the film thickness is 3 nm.
A ZrO film 9 is formed by vacuum evaporation. ZrO film 9
is discontinuous and has pinholes under this film thickness condition. Next, in this state, heat treatment is performed to increase the oxygen concentration of the YBaCu oxide thin film. The processing conditions are an oxygen concentration of 1 atm and a temperature of 600°C. Through such treatment, the ZrO film 9 is not coated.
The YBaCu oxide thin film portion is oxidized to obtain channel portions in which superconducting phases 3 are present at intervals of several tens of nm in the semiconductor layer. Next, an MgO film that will become the gate insulating film 7 is formed by vacuum evaporation. The MgO film is evaporated by electron beam evaporation. MgO film thickness is 100nm
shall be. Next, a 300 nm thick Au film is deposited on the channel to form a pattern as a gate electrode film 8, thereby obtaining a superconducting switch element. The voltage-current characteristics between the source and drain of the superconducting switch element manufactured by the above method are as shown in FIG. That is, when no gate voltage is applied, no superconducting current flows, resulting in a high resistance state (11 in the figure). On the other hand, when a gate voltage of 200 mV or more is applied, a superconducting current of about 50 μA or more flows, and the resistance in the voltage state becomes small (10 in the figure). A superconducting current component exists even at voltages above 100 mV. This means that the gain of the element can be increased to 1 or more. Such device characteristics are observed up to temperatures near the liquid nitrogen temperature. That is, superconductivity-normal conductivity switching between the source and drain can be performed by the gate voltage. Such element characteristics have characteristics as switching elements in digital circuits and analog circuits, and are applied to logic circuits, memory circuits, digital-to-analog conversion circuits, and the like. The superconducting switch element according to the present invention not only has the above-mentioned element structure, but also has a channel part 2 which is formed between a superconducting layer 3 and a semiconductor layer 4 in the film plane in the direction from the source 5 to the drain 6, as shown in FIG. It can also be fabricated by forming it into a layered structure. Channel part 2
The layered structure of the superconducting layer 3 and the semiconductor layer 4 is obtained by reducing the oxygen concentration in advance and scanning with an FIB using oxygen, that is, a focused ion beam. The method of forming the other components of the superconducting switch element, ie, the source electrode film 5, the drain electrode film 6, the gate insulating film 7, and the gate electrode 8, is the same as the method described above. The superconducting switch element according to the present invention can have not only the element structure described above, but also a structure in which the gate electrode film 8, the gate insulating film 7, and the channel 2 are laminated in order from the substrate side. Furthermore, as oxide thin films, not only YBaCu oxide, but also BiSrCaCu oxide, TBaCaCu oxide,
Even when using LaSrCu oxide, NdCeCu oxide, etc., a superconducting switch element can be constructed in the same way, and has similar element characteristics and functions. When using such an oxide thin film, it is possible to not only form a semiconductor layer and a superconducting layer by controlling the oxygen concentration, but also to
A layered structure or an island structure of a superconducting layer and a semiconductor layer can be obtained by utilizing the phenomenon of converting a semiconductor phase into a superconductor by implanting an impurity element, or converting a superconductor phase into a semiconductor.
本発明にかかる超電導スイツチ素子は以下の効
果を有する。
(1) チヤネルとして移動度の小さい酸化物を用い
た場合に必要とされる0.1μm以下のチヤネル長
を可能にする素子構造である。
(2) これにより、液体ヘリウム温度だけでなく、
数十Ｋの高温度においても超電導状態と電圧状
態間のスイツチングが可能となる。しかも回路
を構成するのに必要な条件である、利得１以上
の性能を得ることができる。
(3) 以上の素子特性はデイジタル回路やアナログ
回路のスイツチング素子としての特性を有して
いる。したがつて論理回路、記憶回路、デイジ
タル・アナログ変換回路等の能動素子として用
いることができる。
The superconducting switch element according to the present invention has the following effects. (1) The device structure enables a channel length of 0.1 μm or less, which is required when using an oxide with low mobility as a channel. (2) This allows not only the liquid helium temperature to be
Switching between the superconducting state and the voltage state is possible even at high temperatures of several tens of K. Moreover, it is possible to obtain performance with a gain of 1 or more, which is a necessary condition for configuring a circuit. (3) The above element characteristics are suitable for switching elements in digital circuits and analog circuits. Therefore, it can be used as an active element in logic circuits, memory circuits, digital-to-analog conversion circuits, and the like.
第１図は本発明の実施例の島状チヤネル構造超
電導スイツチ素子の断面図、第２図は超電導スイ
ツチ素子の電圧−電流特性図、第３図は本発明の
他の実施例の層状チヤネル構造超電導スイツチ素
子の断面図である。
符号の説明、１……基板、２……チヤネル、３
……超電導体層、４……半導体層、５……ソース
電極膜、６……ドレイン電極膜、７……ゲート絶
縁膜、８……ゲート電極膜、９……酸化マスク
層。
FIG. 1 is a sectional view of a superconducting switch element with an island-like channel structure according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a voltage-current characteristic diagram of the superconducting switch element, and FIG. 3 is a layered channel structure of another embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view of a superconducting switch element. Explanation of symbols, 1...Substrate, 2...Channel, 3
... superconductor layer, 4 ... semiconductor layer, 5 ... source electrode film, 6 ... drain electrode film, 7 ... gate insulating film, 8 ... gate electrode film, 9 ... oxide mask layer.
Claims (1)
縁体薄膜、およびゲート電極から構成される電界
効果型の超電導スイツチ素子において、上記チヤ
ネル層は基板上に形成され、上記ソース、ドレイ
ン電極間の上記チヤネル層は、ソースとドレイン
電極を結ぶ方向に対して超電導体層と半導体層の
層状構造であることを特徴とする超電導スイツチ
素子。 ２ 上記チヤネル層は、超電導体層と半導体層と
が上記ソース、ドレインを結ぶ方向に積層された
超格子構造であることを特徴とする請求項１記載
の超電導スイツチ素子。[Claims] 1. In a field-effect superconducting switch element composed of source and drain electrodes, a channel layer, an insulator thin film, and a gate electrode, the channel layer is formed on a substrate, and the source and drain electrodes are formed on a substrate. A superconducting switch element characterized in that the channel layer in between has a layered structure of a superconductor layer and a semiconductor layer in the direction connecting the source and drain electrodes. 2. The superconducting switch element according to claim 1, wherein the channel layer has a superlattice structure in which a superconductor layer and a semiconductor layer are stacked in a direction connecting the source and drain.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1288869A JPH03150879A (en) | 1989-11-08 | 1989-11-08 | Superconducting switching device |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP1288869A JPH03150879A (en) | 1989-11-08 | 1989-11-08 | Superconducting switching device |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03150879A JPH03150879A (en) | 1991-06-27 |
| JPH0587995B2 true JPH0587995B2 (en) | 1993-12-20 |
Family
ID=17735812
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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|---|---|
| JP (1) | JPH03150879A (en) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63208283A (en) * | 1987-02-25 | 1988-08-29 | Hitachi Ltd | Superconductive element |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR910002311B1 (en) * | 1987-02-27 | 1991-04-11 | 가부시기가이샤 히다찌세이사꾸쇼 | A superconductor device |
-
1989
- 1989-11-08 JP JP1288869A patent/JPH03150879A/en active Granted
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63208283A (en) * | 1987-02-25 | 1988-08-29 | Hitachi Ltd | Superconductive element |
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| JPH03150879A (en) | 1991-06-27 |
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