JPH06140680A

JPH06140680A - 電界効果型超電導素子

Info

Publication number: JPH06140680A
Application number: JP4290515A
Authority: JP
Inventors: Yoko Sugaya; 庸子菅家; Masahiro Kasai; 昌弘葛西; Toshiyuki Ono; 俊之大野; Kenichi Chiyabara; 健一茶原; Yuzo Kozono; 裕三小園
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-10-28
Filing date: 1992-10-28
Publication date: 1994-05-20

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、電界効果が大きく信頼性の高い電界
効果型超伝導素子を提供することを目的とする。【構成】基板１と、前記基板１上に順に、ゲート電極層
２と、ゲート絶縁層３と、常伝導層４と、一対のソース
およびドレイン電極層５ａ、５ｂとを有し、前記ソース
およびドレイン電極層５ａ、５ｂは、超伝導材料により
構成されていることを特徴とする電界効果型超伝導素
子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超伝導材料で形成され
た電極を備えた超伝導素子に係り、特に、電界により超
伝導電極から流れる電流を制御する電界効果型超伝導素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超伝導素子としては、例えば、特
開昭６３−２２１６８７号公報記載の超伝導トランジス
タが知られている。この超伝導トランジスタは、半導体
基板上に０．１μｍ以下の間隔を開けて一対の超伝導電
極を形成し、超伝導電極間の半導体基板露出面上に、絶
縁層を介してゲート電極を備えた構成である。この一対
の超伝導電極間に流れる超伝導電流を、ゲ−ト電極に印
加したゲ−ト電圧の電界効果により制御するものであ
る。

【０００３】また、特開平１−２３５２８３号公報によ
れば、基板上にゲート電極、半導体薄膜、超伝導体電極
の順に形成したＭＥＳ型ジョセフソン電界効果トランジ
スタが提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開昭６３−２２１６８７号公報記載の超伝導トランジス
タは、高性能に動作を可能にするための条件としては、
結晶性の良好な絶縁層を形成する必要がある。しかしな
がら、０．１μｍ以下という微小な間隔を開けて形成さ
れた一対の超伝導電極の間に、結晶性の良好な絶縁層を
形成することは技術的に非常に難しく、高性能な超伝導
トランジスタを形成することは困難である。また、現在
開発が進んでいる酸化物高温超伝導体を超伝導電極の材
料として用いるために、ＳｉあるいはＧａＡｓ半導体基
板上に堆体積する試みが広く行われているが、現在のと
ころ成功しておらず、高温超伝導体を超伝導電極として
用いることができない。

【０００５】一方、特開平１−２３５２８３号公報記載
のＭＥＳ形ジョセフソン電界効果トランジスタは、ゲー
ト電極と半導体薄膜との間にゲ−ト絶縁層を備えていな
いため、実際には電界効果型として動作することができ
ない。また、ゲ−ト電極と半導体薄膜が基板と接するた
め、ゲート電極と半導体薄膜を構成する材料と、基板を
構成する材料とが反応しない材料を選択する必要があ
り、材料が限定される。従って、従来技術によるなら
ば、酸化物超伝導体を電極に用いた電界効果型超伝導素
子において、高性能な特性を得ることは困難であった。

【０００６】本発明は、ゲート電圧に対する超伝導電流
の変化が大きく、信頼性の高い電界効果型超伝導素子を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】発明者等は、電界効果型
超伝導素子の研究を進めていくうちに、電界効果や動作
の信頼性や耐久性など素子の性能を左右する要因が、素
子を構成するそれぞれの薄膜層の結晶配向性であること
を見出した。そして、良好な結晶配向性の薄膜層からな
る素子を得るために本発明によれば、常伝導体層と、前
記常伝導体層に超伝導電流を流すために超伝導体で形成
されたソースおよびドレイン電極層と、前記常伝導体層
に電界を印加して前記超伝導電流を制御するためゲート
電極層と、前記常伝導体層と前記ゲート電極層とを絶縁
するためのゲート絶縁層と、上記各層を支持する基板と
を有し、前記各層は、前記基板上に、ゲート電極層、ゲ
ート絶縁層、常伝導体層、一対のソースおよびドレイン
電極層の順に積層されていることを特徴とする電界効果
型超伝導素子が提供される。

【０００８】前記電界効果型超伝導素子におけるゲ−ト
電極層、ゲ−ト絶縁層、常伝導体層、超伝導体からなる
ソ−スおよびドレイン電極層を、立方晶もしくはペロブ
スカイト構造の結晶系で構成し、さらに、素子が全体と
してエピタキシャルな方位関係となる層を用いることが
できる。

【０００９】また、上記エピタキシャルな方位関係で成
長しているゲ−ト電極層、ゲ−ト絶縁層、常伝導体層、
ソ−スおよびドレイン電極層は、結晶配向が（ｈ０
０），（０ｋ０），（ｈｈ０）もしくは（００ｌ）面配
向膜であり、各層界面の結晶の格子定数の不整合率はす
べて１０％以内の膜を用いることが可能である。

【００１０】また、上記ゲ−ト電極層を形成する材料
は、化１に示す貴金属もしくは高融点金属より選択する
ことができ、上記ゲ−ト絶縁層を形成する材料は、化２
に示すペロブスカイト構造を有する誘電体もしくは強誘
電体より選択することができ、上記常伝導体層を形成す
る材料は、化３に示すペロブスカイト構造を有する磁性
体もしくは、化４に示す半導体より選択することがで
き、上記ソ−スおよびドレイン電極を形成する材料は、
化５に示す酸化物超伝導体から選択することができる。

【００１１】

【化１】Ｒｈ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ

【００１２】

【化２】ＳｒＴｉＯ₃，ＢａＴｉＯ₃，ＰｂＴｉＯ₃，Ｌ
ａＧａＯ₃，ＬａＡｌＯ₃，ＮｄＧａＯ₃，ＣｅＯ，Ｍｇ
Ｏ

【００１３】

【化３】（Ｌａ_1-xＡ_x）ＤＯ_y，ただし、ＡはＢａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｐｂ、ＤはＭｎ，Ｃ
ｏ，Ｃｒ、０≦ｘ≦１，２．７≦ｙ≦３．３、（Ｆｅ_1-xＥ_x）ＧＯ_ｙただし、ＥはＢａ，Ｃａ，Ｓｒ、ＧはＭｎ，Ｍｏ、０≦
ｘ≦１，２．７≦ｙ≦３．３（Ｐｒ_１−ｘＮｄ_x）（Ｂａ_1-xＳｒ_x）ＭｎＯ_y，（Ｂｉ
_1-xＣａ_x）ＭｎＯ_y，（Ｌａ_1-xＪ_x）ＭｎＯ_y ただし、ＪはＣｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕ、０≦ｘ≦１，
２．７≦ｙ≦３．３、（Ｇａ_1-xＣｏ_x）ＭｎＯ_y，ＬＭＯ_y ただし、ＬはＢｉ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ、ＭはＭｎ，Ｆ
ｅ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｒｕ、０≦ｘ≦１，２．７≦ｙ≦３．
３

【００１４】

【化４】（Ｑ_1+xＲ_2-x）Ｃｕ₃Ｏ_y ただし、ＱはＬａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄ
ｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂ、ＲはＢａ，Ｃａ，Ｓｒ、０．５
≦ｘ≦２、（Ｔ_1+xＲ_2-x）Ｃｕ₃Ｏ_y ただし、ＴはＣｅ，Ｐｒ、ＲはＢａ，Ｃａ，Ｓｒ、０≦
ｘ≦２、Ｌａ₂ＣｕＯ₄

【００１５】

【化５】ＢａＡＢｉＯ₃〔ただし、ＡはＰｂ，Ｋ〕，
（Ｌａ，Ｄ）₂ＣｕＯ₄〔ただし、ＤはＢａ，Ｓｒ〕，
（Ｌａ，Ｓｒ）₃ＣａＣｕ₂Ｏ₅，ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇，ＹＢ
ａ₂Ｃｕ₄Ｏ₈，Ｙ₂Ｂａ₄Ｃｕ₇Ｏ₁₅，（Ｙ，Ｃａ）Ｂａ₂
Ｃｕ₄Ｏ₈，Ｂｉ₂Ｓｒ₂ＣｕＯ₅，Ｂｉ₂（Ｓｒ，Ｌａ）₂
ＣｕＯ₅，Ｂｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₈，（Ｂｉ，Ｐｂ）₂Ｓ
ｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₈，（Ｂｉ，Ｐｂ）₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₂Ｏ
₁₀，Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₃Ｃｕ₄Ｏ₁₂，Ｂｉ₂（Ｃａ，Ｐｒ）₃
Ｃｕ₂Ｏ₈，Ｔｌ₂Ｂａ₂ＣｕＯ₅，Ｔｌ₂Ｂａ₂ＣａＣｕ₂Ｏ
₈，Ｔｌ₂Ｂａ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ₁₀，Ｔｌ₂Ｂａ₂Ｃａ₃Ｃｕ₄
Ｏ₁₂，Ｔｌ（Ｂａ，Ｌａ）₂ＣｕＯ₅，ＴｌＢａ₂ＣａＣ
ｕ₂Ｏ₇，ＴｌＳｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₇，（Ｔｌ，Ｂｉ）Ｓｒ₂
ＣａＣｕ₂Ｏ₇，（Ｔｌ，Ｐｂ）Ｓｒ₂（Ｃａ，Ｙ）Ｃｕ₂
Ｏ₇，ＴｌＢａ₂ＣａＣｕ₃Ｏ₉，（Ｔｌ，Ｐｂ）Ｓｒ₂Ｃ
ａ₂Ｃｕ₃Ｏ₉，（Ｔｌ，Ｂｉ）Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ₉，
（Ｔｌ，Ｂｉ，Ｐｂ）Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ₉，ＴｌＢａ₂
Ｃａ₃Ｃｕ₄Ｏ₁₁，ＴｌＢａ₂Ｃａ₄Ｃｕ₅Ｏ₁₃，Ｐｂ₂（Ｓ
ｒ，Ｌａ）₂Ｃｕ₂Ｏ₆，Ｐｂ₂Ｓｒ₂（Ｙ，Ｃａ）Ｃｕ₃Ｏ
₈，（Ｐｂ，Ｃｕ）₂（Ｓｒ，Ｂａ）₂（Ｙ，Ｃａ）Ｃｕ₃
Ｏ₈，（Ｐｂ，Ｃｕ）（Ｓｒ，Ｌａ）₂ＣｕＯ₅，（Ｐ
ｂ，Ｃｕ）（Ｓｒ，Ｃａ）₂（Ｙ，Ｃａ）Ｃｕ₂Ｏ₇，
（Ｐｂ，Ｃｕ）（Ｓｒ，Ｂａ）₂（Ｙ，Ｃａ）Ｃｕ
₂Ｏ₇，（Ｎｄ，Ｃｅ，Ｓｒ）₂ＣｕＯ₄，（Ｎｄ，Ｃｅ）
₂ＣｕＯ₄，Ｎｄ₂ＣｕＯ_4-xＦ_x〔ただし、０．１≦ｘ≦
３．９〕，（Ｅｕ，Ｂａ）₂（Ｅｕ，Ｃｅ）₂Ｃｕ
₃Ｏ₁₀，（Ｐｂ，Ｃｕ）（Ｓｒ，Ｅｕ）₂（Ｅｕ，Ｃｅ）
₂Ｃｕ₂Ｏ₉，Ｂｉ₂Ｓｒ₂（Ｅｕ，Ｃｅ）₂Ｃｕ₂Ｏ₁₀

【００１６】

【作用】本発明の電界効果型超伝導素子は、基板上に先
ずゲ-ト電極層を形成し、次にこれを被覆するゲート絶
縁層、さらにゲート絶縁層上に積層して常伝導体層を形
成し、その常伝導体層上に一対のソースおよびドレイン
電極層を配置する構造をとっている。従って、ゲート絶
縁層は、ゲート電極層の上の平らな面に形成されるの
で、ゲート絶縁層を結晶性の良い単結晶にすることがで
きる。ゲート絶縁層の結晶性が良好である素子は、ゲー
ト電極層からの電界が常伝導体層に効果的に印加される
ため電界効果が大きく、小さな電圧で超伝導電流を効率
良く制御することができる。

【００１７】また、この構成は、最上部となる超伝導電
極形成工程まで、各層連続して成膜するプロセスをもち
いることができるため、ゲート絶縁層の結晶性が良いだ
けでなく、ゲート絶縁層上に順に積層される各層各層間
の界面の結晶性を乱すことなく結晶製の良好な膜が積層
可能となる。これにより、各層は再現性の良い物性値を
示し、特性を損なうことがない。すなわち素子の動作の
信頼性の向上させることができる。

【００１８】本発明の電界効果型超伝導素子の動作を簡
単に説明する。本発明の素子は、ソースおよびドレイン
電極から常伝導体層中にしみだした超伝導電子対（波動
関数）が常伝導体中で重なりあうことで、両電極間に超
伝導電流が流れる超伝導近接効果現象を利用したもので
ある。ゲ-ト電極からゲ-ト絶縁層を介してゲート電圧を
印加すると、常伝導体中のキャリア濃度が増加、もしく
は減少する。そのキャリア濃度の変化にともない、超伝
導電子対のしみだす距離に変化が生ずるため、ゲート電
圧で超伝導電流を制御することができる。

【００１９】

【実施例】本発明による第１の実施例の電界効果型超伝
導素子の構造を図１を用いて説明する。

【００２０】本発明の第１の実施例の電界効果型超伝導
素子は、基板１と、基板１上に形成されたゲ−ト電極２
と、それを被覆するゲ−ト絶縁層３とを備えて構成され
ている。ゲート絶縁層３上には、常伝導体層４がさらに
形成され、常伝導体層４の上には、一対のソース電極層
５ａおよびドレイン電極層５ｂが形成されている。ソー
ス電極層５ａおよびドレイン電極層５ｂは、超伝導体か
ら構成されている。ソ−ス電極層５ａとドレイン電極５
ｂとは、いわゆる超伝導近接効果接合となっており、両
電極５ａ，５ｂの間隔Ｌは１０ｎｍ〜５μｍである。

【００２１】本実施例では、基板１を（１００）面のＭ
ｇＯ単結晶で形成した。また、基板１上の各層は、表１
に示した各材料によって、表１に示した面方位及び格子
定数でにエピタキシャルに形成されている。

【００２２】

【表１】

【００２３】つぎに第１の実施例の電界効果型超伝導素
子の動作について説明する。ソース電極層５ａ，ドレイ
ン電極層５ｂ間に電圧を印加すると、超伝導近接効果に
より両電極５ａ、５ｂからしみだした超伝導電子対が、
常伝導層４中で重なりあい、両電極５ａ，５ｂ間に超伝
導電流が流れる。そこへゲ−ト電極２より電圧を印加す
ると、その電界効果によって超伝導電流は制御される。
これが、本実施例の電界効果型超伝導素子の基本動作と
なる。

【００２４】この近接効果について、さらに詳細に説明
する。現在の近接効果の理論として広く知られているの
が、常伝導層４の電子の平均自由行程長が電極５ａ，５
ｂの超伝導体のコヒーレント長ξ₀よりも長いいわゆる
ダーテイリミットでの超伝導電子対波動関数（ｐａｉｒ
ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）である。超伝導電子対波動関数
は、電極層５ａ，５ｂの超伝導体の中で発生して、それ
に接する常伝導体層４の中へ、拡散浸透していく。

【００２５】超伝導電子対波動関数ξの空間的広がりは
下式のように記述される。

【００２６】

【数１】

【００２７】例えば、常伝導体４としてＬａ_0.7Ｃａ_0.3
ＭｎＯ_yを用い、電極層５ａ，５ｂを構成する超伝導体
としてＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_yを用いた場合には、ξは数ｎｍ
と見積られる。しかしながら、我々は、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ
_y／Ｌａ_0.7Ｃａ_0.3ＭｎＯ_yの系を用いた近接効果の実験
において、ξの長さが数十ｎｍ〜数百ｎｍにも伸びてい
ると見受けられる結果を得た。これは長距離近接効果と
呼ばれ、常伝導体層４がＬａ−Ｂａ−Ｃｕ−ＯやＰｒ−
Ｂａ−Ｃｕ−Ｏなどの半導体でも同様の現象が既に世に
知られている。この詳しいメカニズムについては、今も
論議がとり行なわれている最中であり決定的なものはな
い。少なくとも従来の理論のみでは、説明できないこと
から単に常伝導体中のキャリアの状態のみではなく、常
伝導体の持つ磁性スピンの構造やその状態が関係してい
る現象であると我々は考えている。従って、本実施例の
電界効果型超伝導素子では、電極層５ａ、５ｂの間隔
を、数ｎｍから数μｍに設定することができる。

【００２８】次にゲート電極層２の電圧によって、ソー
ス、ドレイン電極層５ａ、５ｂ間の超伝導電流が制御さ
れる動作について図６を用いて、さらに説明する。図６
（ｃ）のように、電極５ａ、５ｂの超伝導体と、常伝導
体層４との界面では、超伝導電子対波動関数のしみ出し
が起る。常伝導体層４のポテンシャルは、界面からの距
離とともにエクスポネンシャル的に減衰していく。ま
た、超伝導体からなる電極５ａ、５ｂが常伝導体層４を
介して間隔Ｌをへだててあるときの、超伝導電子対の持
つエネルギ−のモデルを図６（ａ）に示す。常伝導体層
４のポテンシャルの存在確立は、Deutcherとde Gennes
によれば、常伝導体層４中のキャリアの移動度の平方根
とキャリアの濃度の立方根に比例する。図６（ａ）のよ
うに、Ｌがξと等しいか、わずかに大きい場合、図６
（ｄ）のように極小さな超伝導電流Ｉｃが観察される。
また、ゲート電極層２に電圧を印加すると、電界効果に
よって半導体中のキャリア濃度を増やせば、数１のよう
にξの減衰の度合が少なくなり、超伝導電子対のしみだ
し距離が長くなる。この結果、両電極５ａ，５ｂからし
みだした超伝導電子対が、図６（ｂ）のように重なりあ
い、超伝導電流Ｉｃｇが流れる。このように、ゲート電
極層２に印加する電圧によって、超伝導電流を制御する
ことができる。

【００２９】次に、第１の実施例の電界効果型超伝導素
子の各層の形状を変えた別の電界効果型超伝導素子を図
２、図３に示す。

【００３０】図２（ａ）は、本発明による電界効果型超
伝導素子の第２の実施例の断面図である。図２（ｂ）
は、本発明による電界効果型超伝導素子の第３の実施例
の断面図である。第２、第３の実施例とも、ゲ−ト電極
層２は基板１上に形成された薄膜層の１部分を取り除く
ことで形成されている。ゲ−ト電極層２以外の残りの薄
膜層は、配線薄膜層２aであり、ゲ−ト電極層２と同一
の材料、同一の結晶系及び面方位で成長している。この
場合、配線薄膜層２aは他の素子と接合し、配線とな
る。絶縁層３、常伝導体層４、ソース及びドレイン電極
層５ａ，５ｂが、第１の実施例と同様に設けられてい
る。第２、第３の電界効果型超伝導素子の、基本動作は
図１の第１の実施例の素子と同じである。また、各層の
材料、面方位、格子定数は第１の実施例と同様である。
第３の実施例において配線薄膜層２ａは、常伝導体層４
と基板１とを隔離し、拡散を防止する。

【００３１】さらに、図３は、第３の実施例の素子を超
伝導材料の配線５aで接続する電界効果型超伝導素子の
断面図である。配線は、超伝導電極５を薄膜層２a上ま
で延長し加工する。この場合、配線薄膜層２aおよび配
線絶縁層３ａが基板１と配線材である超伝導膜との間で
拡散防止層として作用するため、あらゆる材料の基板上
に超伝導配線を形成できる。また配線薄膜層２aおよび
配線絶縁層３ａが、配線材の超伝導体をへテロエピタキ
シャルに結晶成長させる面配向で形成されていることか
ら、配線材の超伝導体も良好な特性を持つことが期待で
きる。各層の材料と面方位、格子定数は、第１の実施例
と同様である。

【００３２】次に、上述に第１、第２、第３、第４の電
界効果型超伝導素子の作製プロセスの一例を説明する。
図４に、第３の実施例の素子の製造プロセスを示す。第
１、第２、第４の実施例の素子は、図示しないが製造プ
ロセスは同様である。

【００３３】まず表面処理を施した基板１上に、ゲ-ト
電極２となる材料を、ＲＦマグネトロンスパッタ法でメ
タルマスク法により一部を取り除いた形状に形成し、ゲ
ート電極２と薄膜層２ａとを形成する（図４（ａ）、
（ｂ））。

【００３４】次に、少なくともゲ−ト電極２を完全に覆
うように、ゲ−ト絶縁層３を形成し（図４（ｃ）、
（ｄ））、さらにゲ−ト絶縁層３上にチャネルとなる常
伝導体層４を形成する。これらもメタルマスクを用いて
形成する（図４（ｅ）、（ｆ））。

【００３５】最後に、ソ−ス、ドレイン電極５ａ，５ｂ
となる超伝導体層を形成する。電極５ａ，５ｂ間は、フ
ォトリソグラフィ、電子線リソグラフィ、またはイオン
ミリングを用いた写真製版技術とエッチングにより形成
する。

【００３６】各層のスパッタ成膜条件を表２に示す。

【００３７】

【表２】

【００３８】また、ソースおよびドレイン電極５ａ、５
ｂを加工する際の電子線描画条件を表３に、イオンミリ
ングによる加工条件を表４に示す。

【００３９】

【表３】

【００４０】

【表４】

【００４１】このように、上述の第１から第４の実施例
の電界効果型超伝導素子は、基板１上に、順に、ゲート
電極層２、ゲート絶縁層３、常伝導体層４、ソース及び
ドレイン電極層５ａ、５ｂを備える構造である。したが
って、ゲート絶縁層３はゲート電極層２上の平らな面に
形成される。従来の電界効果型トランジスタでは、ソー
スドレイン電極の間のわずか数ｎｍの空間にゲート絶縁
層を形成する構造であったためにゲート絶縁層を結晶性
良く形成することが非常に困難であり、このことが素子
性能を劣化させる大きな原因になっていた。本実施例の
素子は、ゲート絶縁層３がゲート電極層２上の平らな面
に形成されるので、結晶性の良い単結晶に容易に形成す
ることができ、本実施例の素子性能を高めている。

【００４２】さらに、本実施例の素子の構成では、上述
のように基板１上の各層を真空を破ることなく連続して
形成することが出来る。よって、各層を各層よりも基板
１側にある層上にエピタキシャルに成長させ、各層を結
晶性のよい層に作成することが出来る。このような、素
子のゲート電極層、ゲート絶縁層、常伝導層および超伝
導体からなるソースおよびドレイン電極層の結晶性が良
好である素子は、各薄膜層が再現性の良い物性値を示
し、特性を損なうことがない。

【００４３】本実施例の第１、第２、第３、第４の実施
例の電界効果型超伝導素子の電界効果度を測定したとこ
ろ、膜の形状に係わらず、表１のような結果がえられ
た。すなわち、本実施例の素子は、電界効果度が大き
く、信頼性の高い素子が得られる。ゲート絶縁層３の誘
電率は、理想的な単結晶においてＮｄＧａＯ₃：１０，
ＳｒＴｉＯ₃：〜３００、ＭｇＯ：１０であるが、一般
的にゲート絶縁層３の誘電率が高いほど、電界がかかり
やすいため、電界効果素子の性能が高くなると考えられ
る。しかし、本実施例では、同材料で構成された素子に
おいて、電界効果にばらつきがおおきい。これは、ゲー
ト電極２や常伝導層４とゲート絶縁層３との間の界面の
ミクロな状態や、ゲート絶縁層３における酸素の出入り
の状態が微妙に異なるためではないかと考えている。

【００４４】さらに、本発明者らの実験によれば、さら
に、各層の格子定数の差が１０％以内である場合、各層
を容易にエピタキシャルに成長させることができ、高い
電界効果度を有する超伝導素子が容易にえられることが
わかった。また、このような格子定数の差１０％以内を
実現するために、各層を形成する材料の結晶系として、
立方晶系もしくはペロブスカイト構造の結晶系を選択し
て用いることにより、容易に実現できる。さらにこれら
の結晶系の結晶を用いて、各層の面方位を、（ｈ０
０）、（ｈｈ０）もしくは（００ｌ）面配向とすること
によりより容易にエピタキシャル成長させることができ
ることがわかった。

【００４５】また、各層を構成する材料は、表１に示し
た材料に限定されず、ゲ−ト電極層２を形成する材料
は、上述の化１に示す貴金属もしくは高融点金属より選
択することができ、ゲ−ト絶縁層３を形成する材料は、
化２に示すペロブスカイト構造を有する誘電体もしくは
強誘電体より選択することができ、上記常伝導体層４を
形成する材料は、化３に示すペロブスカイト構造を有す
る磁性体もしくは、化４に示す半導体より選択すること
ができ、上記ソ−スおよびドレイン電極５ａ，５ｂを形
成する材料は、化５に示す酸化物超伝導体から選択する
ことができる。

【００４６】薄膜形成手段は、スパッタ法以外に、蒸
着、スパッタリング、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法、ディップコ
−ト法およびドクタ−ブレ−ド法等、既存の薄膜形成法
で良いが、結晶の面方位を制御しながら膜形成が可能な
手段が望ましい。

【００４７】また、図２（ｂ）、図３に示した本実施例
の第３、第４の超伝導素子は、基板１に、絶縁層３や常
伝導体層４と反応しやすい材料を用いた場合でも、素子
が機能的に劣化することが無い。これをについて説明す
る。図５に、図３に示した素子の１部分を拡大した断
面図を示す。

【００４８】ここで、ゲ-ト電極２と薄膜層２aの膜厚を
ｔ₂、ゲート絶縁層３の膜厚をｔ₃、常伝導体層４の膜厚
をｔ₄とし、ゲ-ト電極２と薄膜層２ａを分離する分離距
離をｄ、ゲ−ト電極２の幅をＷとする。このときｄ＜ｔ
₂，ｔ₃であれば、図５に示すように基板１と絶縁層３の
反応部分は、少なくとも常伝導体層４まで到達せず、素
子の動作に影響を与えることは無い。また、ゲ-ト電極
２と薄膜層２aの間の分離領域上での絶縁層３の格子歪
については、ｔ₃＜ｔ₄とすることで、超伝導電極５の結
晶性のみだれが無視できる程度まで小さくすることがで
きる。本素子における超伝導電極間距離Ｌがゲ−ト電極
幅Ｗに対しＬ＜＜Ｗであれば、超伝導電極５からしみだ
した超伝導電流は乱れた結晶部の常伝導体層中を通るこ
と無く近接効果として流れることができる。従って、本
構造素子はあらゆる材料を基板材として用いることがで
きる。

【００４９】上記第１、第２、第３、第４の実施例の超
伝導素子の基本的な動作特性を図７に示す。図８は、動
作特性の測定時に用いた回路構成の一例である。ソ−ス
電極５ａに電源を接続しただけではドレイン電極５ｂ側
に電流は流れないが、ゲ−ト電極２より電圧Vgを印加す
ることによって上記実施例で説明したようにドレイン電
流Idが流れるようになる。図７のように、ゲ−ト電極２
の電圧に、ドレイン電流は依存し、ゲ−ト電圧の増加に
ともないドレインを流れる超伝導電流の臨界値が増加す
ることがわかる。これより、本素子を主にスイッチング
を目的とした増幅器として用いることができる。

【００５０】上記第１、第２、第３、第４の実施例の電
界効果型超伝導素子は、ゲ−ト電圧と光の照射エネルギ
−の２入力により制御する素子として利用することがで
きる。その場合の動作特性と、回路例を図９に示す。光
あるいは電磁波は、ソ−ス、ドレイン両電極間に直接照
射する。照射した光の持つエネルギ−があまり大きくな
い場合（波長にしておよそ赤外−可視領域）では、超伝
導電流の臨界値に変化は無く、常伝導抵抗値が小さくな
る。エネルギ−が大きな光（波長にしておよそ紫外程
度）を照射すると、超伝導電流が多く流れるようにな
る。図９のように、この光に対する動作と上述のゲート
電極２への電圧に対する動作と動作を組み合わせること
で、２入力制御素子を実現することが可能である。

【００５１】さらに、この二入力素子の用途をさらに拡
張すると、論理素子として用いることができる。図１０
は、本二入力素子をＯＲ（またはＮＯＲ）素子として動
作するように作製した論理素子の、Ｉｄ−Ｖｓ特性であ
る。ソ−ス、ドレイン電極５ａ、５ｂからの超伝導電子
対のしみだし距離が、波動関数が重なりあう距離よりわ
ずかに短い場合、二入力素子のＩｄ−Ｖｓ特性はこのよ
うになる。また同様に、図１１に、ＡＮＤ（ＮＡＮＤ）
素子のＩｄ−Ｖｓ特性を示す。この素子のソ−ス、ドレ
イン電極５ａ、５ｂ間距離は前記ＯＲ素子のものよりも
長めになっており、光とゲ−ト電圧を同時に入力したと
きのみ、超伝導電流が流れることができる。それぞれ、
超伝導電流が流れた場合をＨｉｇｈ状態、流れない場合
をＬｏｗ状態とすれば、ＯＲおよびＡＮＤ論理素子とし
て動作し、電圧が発生（抵抗が出現）した場合をＨｉｇ
ｈ状態、電圧（抵抗）ゼロ状態をＬｏｗ状態とすればＮ
ＯＲおよびＮＡＮＤ論理素子とみなすことができる。本
論理演算素子を用いて、電子計算機などを構成すること
が可能である。

【００５２】一方、本二入力素子を、多値出力素子とし
て用いる場合のＩｄ−Ｖｓ特性を図１２に示す。本二入
力素子は、ゲ−ト電圧のＯＮ，ＯＦＦと光のＯＮ，ＯＦ
Ｆを入力として組み合わせることにより、本図のように
４値の出力を得ることができる。この４値の出力は、素
子の持つ物性値の固有的な値を反映するため、極めて再
現良くディジタリックに得ることができる。さらに本超
伝導電流は、既に述べたとおり照射する光のエネルギ−
によっても大きさが変化する。それにより４値以上の出
力を得ることが可能であり、１０進演算素子を実現する
ことが可能である。

【００５３】次に上述の第１、第２、第３、第４の電界
効果型超伝導素子の基板１としてＳｉウエハ−を用い
て、同一基板１上で半導体集積回路とのハイブリッド回
路を構成し、量産化を可能としたものの一例を、図１３
に示す。また図１４は図１３ウエハ−上に形成された集
積回路のチップの中の一つを拡大した図である。１aは
従来技術として知られている、半導体素子からなる集積
回路であり、図１４ではこの回路に４個の電界効果型超
電導素子が超伝導配線で接続されている。すなわち、半
導体素子からなる集積回路で処理が済む部分はそちらを
用い、一方高速動作や前記２入力制御素子としての処理
が要求され、消費電力及び発熱が問題となるシステムを
構成する回路の部分のみを電界効果型超伝導素子を用い
ることにより、信号処理を高速に、かつ低消費電力、低
発熱に処理することが可能になる。

【００５４】また、半導体の物性値と印加するゲ-ト電
界の極性の組合せにより、上記とは逆にもともと流れて
いた超伝導電流を電界効果によって阻止することもでき
る。

【００５５】上述のように本実施例による電界効果型超
伝導素子の構造は、まず基板上にゲ−ト電極を形成し、
その上部にれを被覆するゲ−ト絶縁層が形成され、次に
その上部に常伝導体層と超伝導体からなるソ−スおよび
ドレイン電極が形成されている。そのため、ゲート絶縁
層３をゲート電極層２上の平らな面上に形成するため、
ゲート絶縁層を結晶系の良い単結晶に成長させることが
できる。これにより、電界効果の高い高性能な電界効果
型超伝導素子を提供することができる。さらに、本電界
効果型超伝導素子の作製プロセスにおいては、超伝導体
からなるソ−スおよびドレイン電極を形成するための両
電極間のギャップ形成プロセスまではすべて単純に薄膜
を積層するプロセスのみにすることができる。よって、
各層を結晶性の良好な、特性の再現性の良い素子の作製
を容易に行なうことができる。

【００５６】また、本実施例の第３、第４の実施例の素
子は、配線薄膜層２ａ、２ｂまたは、配線絶縁層３ａを
基板１表面のほとんど全域に渡って備えている。超伝導
体からなるソース、ドレイン電極５ａ、５ｂや常伝導層
４が基板１に接していると、高温プロセスにおいて、基
板１との間で反応し、結晶性の劣化や特性低下する恐れ
がある。そのため、従来、バッファ層を形成していた
が、本実施例の素子においては、配線薄膜層２ａ、２ｂ
または配線絶縁層３ａが、反応を防止している。従来問
題となっていた基板１の材料の選択が、大きく広がるこ
とになり、あらゆる基板１を用いることができる。これ
により、基板１をＳｉ単結晶、あるいはＧａＡｓまたは
ＩｎＰなどの化合物半導体単結晶のウエハ−とすること
が可能になるので、他の半導体素子を同一基板上に形成
することができ、ハイブリッド集積化素子を提供するこ
とができる。また、バッファ層をわざわざ形成する必要
がないので、最小限の工程数で素子を作製することがで
きる。また上記の薄膜配線層２ａ、２ｂは導電性の金属
あるいは酸化物を用いることで、素子の配線としても利
用できる。

【００５７】また、本実施例の各素子では、表１のよう
に、ゲ-ト電極層２、ゲ-ト絶縁層３、常伝導体層４およ
び超伝導体からなるソース、ドレイン電極層５ａ、５ｂ
まで、各層界面の結晶の格子定数のミスマッチがすべて
１０％以内である、ヘテロエピタキシャルに構成された
ものである。その際、ゲ-ト電極層２に、正方晶もしく
は立方晶系の結晶構造を取りうる金属もしくは酸化物を
(h00)，(hh0)もしくは(00l)面配向させたものを用いる
ことにより、格子定数のミスマッチが１０％以内のヘテ
ロエピタキシャルな構成を実現することができる。これ
により、素子の結晶性の向上に伴い、寄生容量やリ−ク
電流等の欠陥が減少し、素子の信頼性が向上する。

【００５８】また、本実施例の電界効果型超伝導素子に
おけるゲ-ト電極層２の表面を覆う絶縁層３を、ペロブ
スカイト構造の酸化物絶縁体とし、さらにゲ-ト絶縁層
３上に形成された半導体層は、ペロブスカイト構造の酸
化物半導体とする。これにより各層界面の結晶性が良好
な素子を作製することができる。酸化物の半導体は化学
的に安定であり、かつ格子定数も近いため、超伝導電極
にペロブスカイト構造を有する酸化物超電導体を用いる
場合であっても、特性を損なわずに形成することができ
る。

【００５９】また本実施例の素子において、ゲ-ト絶縁
層上に形成された半導体層に、ペロブスカイト構造の酸
化物磁性体、特に、化１に示した化学式より選ばれるも
のを用いると、上述の長距離近接効果により、一対の超
伝導電極間の距離が１０ｎｍ〜５μｍであっても素子と
しての動作が実現する。電極間距離が広くなればそのぶ
んプロセスが容易となり、安価な素子を提供することが
できる。この値は現代の半導体プロセスでも作製可能な
領域であり、基板にＳｉウエハ−のような規格品を用い
るならば、そのまま同一作製ラインで素子を生産するこ
とができる。

【００６０】本実施例の電界効果型超伝導素子は、超伝
導転移温度以下において、ソースドレイン電極５ａ、５
ｂ間を流れる超伝導電流を、ゲ−ト電極に電圧を印加し
て制御することが可能であるので、高速のスイッチング
動作を行うことができる。

【００６１】また、さらに、本実施例の電界効果型超伝
導素子は、常伝導体層４に光または電磁波のエネルギ−
を照射することにより超伝導電流を制御することができ
る。このためゲ−ト電界と光（または電磁波）の２入力
制御素子としての動作が可能である。検波器やセンサ
−、あるいは将来のコンピュ−タ−として現在注目され
ている、ニュ−ロコンピュ−タ−等への応用が期待でき
る。

【００６２】また上述の実施例の各素子においては、常
伝導体層４を単層で形成したが、これに限らず、結晶構
造が等しく組成および電気的特性が異なる２種類以上の
材料による積層構造とすることもできる。多層構造とす
ることにより、常伝導体層４中を流れる超伝導電流の経
路を制御または、限定することができる。ゲート電圧に
よる電界効果の著しくなる部分に、超伝導電流の経路を
位置させることにより、超伝導電流の電界効果によって
効果的に超伝導電流を制御することができる。

【００６３】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、ゲート
絶縁層の結晶性が良く、電界効果の大きな電界効果型超
伝導素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の電界効果型超伝導素子
の断面図。

【図２】（ａ）本発明の第２の実施例の電界効果型超伝
導素子の断面図。（ｂ）本発明の第３の実施例の電界効果型超伝導素子の
断面図。

【図３】本発明の第３の実施例の電界効果型超伝導素子
の断面図。

【図４】図２（ｂ）に示した素子の製造プロセスを示す
断面図および平面図。

【図５】図２（ｂ）に示した素子の結晶状態を示す説明
図。

【図６】電極層５ａ、５ｂおよび常伝導体層４における
ポテンシャルの状態と、超伝導電流の大きさを示す説明
図。

【図７】本実施例の電界効果による電界効果型超伝導素
子の動作特性を示すグラフ。

【図８】本実施例の素子の電界効果を利用する場合の回
路構成を示す回路図。

【図９】（ａ）本実施例の素子を２入力制御素子として
用いる場合の回路構成を示す回路図。（ｂ）２入力制御
素子として用いた場合の動作特性を示すグラフ。

【図１０】本実施例の素子をＯＲ（またはＮＯＲ）素子
として用いる場合のドレイン電流−ソ−ス電圧特性を示
すグラフ。

【図１１】本実施例の素子をＡＮＤ（またはＮＡＮＤ）
素子のドレイン電流−ソ−ス電圧特性を示すグラフ。

【図１２】本実施例の素子を多値出力素子として用いる
場合のドレイン電流−ソ−ス電圧特性を示すグラフ。

【図１３】本実施例の素子を用いた超伝導集積化回路を
Ｓｉウエハ−上に形成さした場合の上面図

【図１４】図１３の超伝導集積化回路の拡大説明図。

【符号の説明】

１…基板、２…ゲ−ト電極層、２a…配線薄膜層、３…
ゲ−ト絶縁層、３a…配線絶縁層、４…常伝導体層、５
…超伝導体からなるソ−スおよびドレイン電極層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者茶原健一茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者小園裕三茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】常伝導体層と、前記常伝導体層に超伝導電
流を流すために超伝導体で形成されたソースおよびドレ
イン電極層と、前記常伝導体層に電界を印加して前記超
伝導電流を制御するためゲート電極層と、前記常伝導体
層と前記ゲート電極層とを絶縁するためのゲート絶縁層
と、上記各層を支持する基板とを有し、前記各層は、前記基板上に、ゲート電極層、ゲート絶縁
層、常伝導体層、一対のソースおよびドレイン電極層の
順に積層されていることを特徴とする電界効果型超伝導
素子。
【請求項２】請求項１において、前記ゲート電極層は、
前記基板上にエピタキシャルに形成され、前記ゲート絶
縁層、常伝導層、および、ソースおよびドレイン電極層
は、それぞれ、それぞれの層よりも前記基板側にある層
上に、エピタキシャルに形成されていることを特徴とす
る電界効果型超伝導素子。
【請求項３】請求項２において、前記ゲ−ト電極層、ゲ
−ト絶縁層、常伝導体層、およびソ−スおよびドレイン
電極層は、それぞれ、結晶配向が（ｈ００），（０ｋ
０），（００ｌ）もしくは（ｈｈ０）面配向膜であり、
各層間における結晶の格子定数の不整合率が１０％以内
であることを特徴とする電界効果型超伝導素子。
【請求項４】請求項１において、前記ゲ−ト電極層を形
成する材料が貴金属もしくは高融点金属であり、前記ゲ
−ト絶縁層を形成する材料がペロブスカイト構造を有す
る誘電体であり、前記常伝導体層を形成する材料がペロ
ブスカイト構造を有する磁性体もしくは半導体であり、
前記ソ−スおよびドレイン電極層を形成する材料が酸化
物超伝導体であることを特徴とする電界効果型超伝導素
子。
【請求項５】請求項１において、前記基板上の前記ゲー
ト電極層が配置されていない部分の少なくとも一部に
は、前記ゲート絶縁層と前記基板とを非接触にするため
の中間層が配置されていることを特徴とする電界効果型
超伝導素子。
【請求項６】請求項２において、前記中間層は、前記ゲ
ート電極層を構成する材料と同じ材料で構成されている
ことを特徴とする電界効果型超伝導素子。
【請求項７】請求項１において、前記常伝導体層は、前
記ゲート絶縁層が配置されている部分のみに配置され、
前記基板と非接触であることを特徴とする電界効果型超
伝導素子。
【請求項８】請求項１において、前記ゲ−ト電極を複数
個有することを特徴とする電界効果型超伝導素子。
【請求項９】請求項１において、前記常伝導体層は、複
数の層を積層した構造を有し、前記複数の層は、結晶構造が等しく、前記複数の層をそ
れぞれ構成する材料は、組成が異なることを特徴とする
電界効果型超伝導素子。
【請求項１０】請求項１において、前記常伝導体層は、
電磁波によって物理的性質が変化する材料によって構成
されていることを特徴とする光電界効果型超伝導素子。
【請求項１１】電界効果型超伝導素子を有する論理演算
素子であって、前記電界効果型超伝導素子は、常伝導体層と、前記常伝
導体層に超伝導電流を流すために超伝導体で形成された
ソースおよびドレイン電極層と、前記常伝導体層に電界
を印加して前記超伝導電流を制御するためゲート電極層
と、前記常伝導体層と前記ゲート電極層とを絶縁するた
めのゲート絶縁層と、上記各層を支持する基板とを有
し、前記各層は、前記基板上に、ゲート電極層、ゲート絶縁
層、常伝導体層、一対のソースおよびドレイン電極層の
順に積層されていることを特徴とする論理演算素子。
【請求項１２】基板と、前記基板上に複数の電界効果型
超伝導素子を配置した集積回路であって、前記電界効果型超伝導素子は、それぞれ、常伝導体層
と、前記常伝導体層に超伝導電流を流すために超伝導体
で形成されたソースおよびドレイン電極層と、前記常伝
導体層に電界を印加して前記超伝導電流を制御するため
ゲート電極層と、前記常伝導体層と前記ゲート電極層と
を絶縁するためのゲート絶縁層と、上記各層を支持する
基板とを有し、前記各層は、前記基板上に、ゲート電極層、ゲート絶縁
層、常伝導体層、一対のソースおよびドレイン電極層の
順に積層され、前記基板上の前記複数の電界効果型超伝導素子のゲート
電極層が配置されていない部分の少なくとも一部には、
前記ゲート絶縁層と前記基板とを非接触にするための中
間層が配置されていることを特徴とするには集積回路。
【請求項１３】請求項１２において、前記基板は、Ｓｉ
単結晶あるいは化合物半導体単結晶であることを特徴と
する集積回路。
【請求項１４】請求項１３において、前記基板上に、さ
らに、半導体素子を有することを特徴とする集積回路。
【請求項１５】常伝導体層と、前記常伝導体層に超伝導
電流を流すために超伝導体で形成されたソースおよびド
レイン電極層と、前記常伝導体層に電界を印加して前記
超伝導電流を制御するためゲート電極層と、前記常伝導
体層と前記ゲート電極層とを絶縁するためのゲート絶縁
層と、上記各層を支持する基板とを有する電界効果型超
伝導素子の製造方法であって、前記基板上に、前記ゲート電極層を形成し、前記ゲート電極層の上に前記ゲート絶縁層を形成するこ
とを特徴とする電界効果型超伝導素子の製造方法。
【請求項１６】請求項１５において、前記ゲ−ト電極層
を、基板と同一の面方位で成長させることを特徴とする
電界効果型超伝導素子の製造方法。