JPH0624258B2 - 超伝導チヤネルを有する電界効果装置 - Google Patents
超伝導チヤネルを有する電界効果装置Info
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- JPH0624258B2 JPH0624258B2 JP63319672A JP31967288A JPH0624258B2 JP H0624258 B2 JPH0624258 B2 JP H0624258B2 JP 63319672 A JP63319672 A JP 63319672A JP 31967288 A JP31967288 A JP 31967288A JP H0624258 B2 JPH0624258 B2 JP H0624258B2
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Description
【発明の詳細な説明】 Ａ．産業上の利用分野 本発明は、電子回路中に適用可能で集積回路にも適した
電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のような電界効果装置
に関する。
電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のような電界効果装置
に関する。
Ｂ．背景技術 電界効果トランジスタは良く知られ、例えば、メモリや
ロジツク回路中のスイツチング素子として広く利用され
ている。シリコン（Si）あるいはガリウム・ヒ素（GaA
s）等から成る半導体チヤネルを有するＦＥＴはデータ
処理システム中において既に確立された素子になつてい
る。これらについては動作速度及び寸法において大きな
改良がなされてきており、寸法的にはサブミクロン構造
にまでなつてきており、高実装密度及び高動作速度の集
積回路が実現されるようになつた。しかしながら、より
速い動作速度が今だに求められている。
ロジツク回路中のスイツチング素子として広く利用され
ている。シリコン（Si）あるいはガリウム・ヒ素（GaA
s）等から成る半導体チヤネルを有するＦＥＴはデータ
処理システム中において既に確立された素子になつてい
る。これらについては動作速度及び寸法において大きな
改良がなされてきており、寸法的にはサブミクロン構造
にまでなつてきており、高実装密度及び高動作速度の集
積回路が実現されるようになつた。しかしながら、より
速い動作速度が今だに求められている。
液体窒素温度範囲である約７７Ｋにおいてシリコン半導
体装置及びガリウム・ヒ素半導体装置が適切に動作し得
ることが研究の結果から明らかになつている。このよう
な装置が低温度において適切に動作するということは、
金属線や金属接続装置類の抵抗が温度降下とともに減小
するという事実と考え合わせると、低温システムに対す
る興味を惹起する。
体装置及びガリウム・ヒ素半導体装置が適切に動作し得
ることが研究の結果から明らかになつている。このよう
な装置が低温度において適切に動作するということは、
金属線や金属接続装置類の抵抗が温度降下とともに減小
するという事実と考え合わせると、低温システムに対す
る興味を惹起する。
低温装置の開発に関しては、超伝導ソース電極及び超伝
導ドレイン電極を有する半導体ＦＥＴ構造が提案されて
おり、そこでは「近似効果（proximity effect）」によ
つて半導体電流チヤネルが前記超伝導チヤネルのおかげ
で超伝導性を示すようになる。このような近似効果装置
については、ダブリユ・ジエイ・ガラジヤ（Ｗ．Ｊ．Ｇ
allagher）の「３端子超伝導装置（Ｔhree-Ｔerminal
Ｓuperconducting Ｄevices）」（ＩＥＥＥ Ｔrans.
on Ｍagnetics、Ｖol.ＭＡＧ−２１、Ｎo.２、Ｍarc
h １９８５、pp ７０９−７１６）に掲載されてい
る。しかしながら、これらの装置は製造上及び動作上の
条件が厳格である。
導ドレイン電極を有する半導体ＦＥＴ構造が提案されて
おり、そこでは「近似効果（proximity effect）」によ
つて半導体電流チヤネルが前記超伝導チヤネルのおかげ
で超伝導性を示すようになる。このような近似効果装置
については、ダブリユ・ジエイ・ガラジヤ（Ｗ．Ｊ．Ｇ
allagher）の「３端子超伝導装置（Ｔhree-Ｔerminal
Ｓuperconducting Ｄevices）」（ＩＥＥＥ Ｔrans.
on Ｍagnetics、Ｖol.ＭＡＧ−２１、Ｎo.２、Ｍarc
h １９８５、pp ７０９−７１６）に掲載されてい
る。しかしながら、これらの装置は製造上及び動作上の
条件が厳格である。
更に、超伝導チヤネルを備えたＦＥＴ構造も既に提案さ
れている。これについては、エフ・エフ・フアン（Ｆ．
Ｆ．Ｆang）等の「超伝導電界効果トランジスタ（Ｓupe
rconducting Ｆield-Ｅffect Ｔransistor）」（ＩＢ
Ｍ Ｔechnical Ｄisclosure Ｂulletin、Ｖol.１
９、Ｎo.４、Ｓeptember １９７６、pp １４６１−１
４６２）、及びエー・エフ・ヘバルド（Ａ．Ｆ．Ｈebar
d）等の「薄膜超伝導電界効果トランジスタについて実
験的考察（Ｅxperimental Ｃonsiderations in the
Ｑuest for a Ｔhin-Ｆilm Ｓuperconducting
Ｆield-Ｅffect Ｔransistors）」（ＩＥＥＥ Ｔran
s. on Ｍagnetics、Ｖol.ＭＡＧ−２３、Ｎo.２、Ｍa
rch １９８７、pp １２７９−１２８２）に掲載され
ている。
れている。これについては、エフ・エフ・フアン（Ｆ．
Ｆ．Ｆang）等の「超伝導電界効果トランジスタ（Ｓupe
rconducting Ｆield-Ｅffect Ｔransistor）」（ＩＢ
Ｍ Ｔechnical Ｄisclosure Ｂulletin、Ｖol.１
９、Ｎo.４、Ｓeptember １９７６、pp １４６１−１
４６２）、及びエー・エフ・ヘバルド（Ａ．Ｆ．Ｈebar
d）等の「薄膜超伝導電界効果トランジスタについて実
験的考察（Ｅxperimental Ｃonsiderations in the
Ｑuest for a Ｔhin-Ｆilm Ｓuperconducting
Ｆield-Ｅffect Ｔransistors）」（ＩＥＥＥ Ｔran
s. on Ｍagnetics、Ｖol.ＭＡＧ−２３、Ｎo.２、Ｍa
rch １９８７、pp １２７９−１２８２）に掲載され
ている。
これらの文献には約１０ｎｍの厚さの超伝導チヤネルを
有する構造についての研究が述べられている。電界の印
加がゲートと超伝導層とのインターフエースにおける薄
い表面層中のキヤリヤ密度のわずかな変化を生じさせ
る。このキヤリヤ密度変化は前記薄い表面層の臨界温度
Ｔｃの変化を招く。ゲートに信号を印加することによつ
て、前記薄い表面層は超伝導状態と常伝導状態との間を
切換られ得ることになる。この結果、チヤネル抵抗が変
化することになる。
有する構造についての研究が述べられている。電界の印
加がゲートと超伝導層とのインターフエースにおける薄
い表面層中のキヤリヤ密度のわずかな変化を生じさせ
る。このキヤリヤ密度変化は前記薄い表面層の臨界温度
Ｔｃの変化を招く。ゲートに信号を印加することによつ
て、前記薄い表面層は超伝導状態と常伝導状態との間を
切換られ得ることになる。この結果、チヤネル抵抗が変
化することになる。
電界誘導効果はチヤネル物質中に深く拡がらないため、
電界誘導効果の強さを増すための種々の試みがなされて
いる。この種の文献としては、エー・テイ・フイアリ
（Ａ．Ｔ．Ｆiary）及びエー・エフ・ヘバルド（Ａ.Ｔ.
Ｈabard）の「Ｉｎ／ＩｎＯｘ複合薄フィルムにおける
超伝導転移の電界効果及び電子密度変化（Ｆield-Ｅffe
ct and Ｅlectron Ｄensity Ｍodulation of the
Ｓuperconducting Ｔransition in Ｃomposite
Ｉn／ＩnＯx Ｔhin Ｆilms）」（Ｐhysica １３５
Ｂ、１９８５、pp １２４−１２７、Ｎorth-Ｈollan
d、Ａmsterdam）及び「低電子密度薄フイルム超伝導体
の電界変化（Ｅlectric Ｆield Ｍodulation of Ｌ
ow Ｅlectron Ｄensity Ｔhin-Ｆilm Ｓuperconduc
tors）」（Ｐroc.Ｉnternat.Ｗorkshop on Ｎovel
Ｍechanism of Ｓuperconductivity、Ｂerkeley、Ｊu
ne１９８７）の２つがあり、他にはエム・ガルビツチ
（Ｍ．Ｇurvitch）等の「ＳrTiO3 の超伝導表面層にお
ける電界（Ｆield Ｅffect on Ｓuperconducting
Ｓsurface Ｌayers of ＳrTiO3 ）」（Ｍaterials
Ｒesearch Ｓocity １９８６、pp ４７−４９）があ
る。
電界誘導効果の強さを増すための種々の試みがなされて
いる。この種の文献としては、エー・テイ・フイアリ
（Ａ．Ｔ．Ｆiary）及びエー・エフ・ヘバルド（Ａ.Ｔ.
Ｈabard）の「Ｉｎ／ＩｎＯｘ複合薄フィルムにおける
超伝導転移の電界効果及び電子密度変化（Ｆield-Ｅffe
ct and Ｅlectron Ｄensity Ｍodulation of the
Ｓuperconducting Ｔransition in Ｃomposite
Ｉn／ＩnＯx Ｔhin Ｆilms）」（Ｐhysica １３５
Ｂ、１９８５、pp １２４−１２７、Ｎorth-Ｈollan
d、Ａmsterdam）及び「低電子密度薄フイルム超伝導体
の電界変化（Ｅlectric Ｆield Ｍodulation of Ｌ
ow Ｅlectron Ｄensity Ｔhin-Ｆilm Ｓuperconduc
tors）」（Ｐroc.Ｉnternat.Ｗorkshop on Ｎovel
Ｍechanism of Ｓuperconductivity、Ｂerkeley、Ｊu
ne１９８７）の２つがあり、他にはエム・ガルビツチ
（Ｍ．Ｇurvitch）等の「ＳrTiO3 の超伝導表面層にお
ける電界（Ｆield Ｅffect on Ｓuperconducting
Ｓsurface Ｌayers of ＳrTiO3 ）」（Ｍaterials
Ｒesearch Ｓocity １９８６、pp ４７−４９）があ
る。
これらの表面効果装置の欠点は、チヤネル抵抗の変化が
まだ極めて小さいということである。切換え可能な薄い
表面層においてさえも、その切換えられる変化とは金属
伝導から超伝導への変化に過ぎず、加えて、印加電界に
よって影響されないようなチヤネル中の大きな部分は金
属伝導にスイツチされたものとしてしか動作しない。従
つて、取出し可能な出力信号は微弱すぎて後段に接続さ
れたＦＥＴ装置を駆動することができない。
まだ極めて小さいということである。切換え可能な薄い
表面層においてさえも、その切換えられる変化とは金属
伝導から超伝導への変化に過ぎず、加えて、印加電界に
よって影響されないようなチヤネル中の大きな部分は金
属伝導にスイツチされたものとしてしか動作しない。従
つて、取出し可能な出力信号は微弱すぎて後段に接続さ
れたＦＥＴ装置を駆動することができない。
もう１つの欠点は臨界温度（Tc）の変化が小さいことで
ある。即ち、動作温度（Top）に関する要求が厳しくな
り、正しく動作させるためには薄い層のＴｃはＴｏｐの
上方からＴｏｐの下方へと変化しなければならない。
ある。即ち、動作温度（Top）に関する要求が厳しくな
り、正しく動作させるためには薄い層のＴｃはＴｏｐの
上方からＴｏｐの下方へと変化しなければならない。
今日、集積回路の動作速度を決定するのは素子それ自体
よりもむしろ相対的に高い抵抗値を有する接続線や接続
装置である。従つて、接続線等が超伝導材料から形成さ
れるならば、更に動作速度が大きくなることも可能であ
ろう。超伝導材料のＴｃより下方の動作温度においては
線抵抗は零となり抵抗無しの接続線でつながれた装置を
有するシステムの動作速度は上昇する。
よりもむしろ相対的に高い抵抗値を有する接続線や接続
装置である。従つて、接続線等が超伝導材料から形成さ
れるならば、更に動作速度が大きくなることも可能であ
ろう。超伝導材料のＴｃより下方の動作温度においては
線抵抗は零となり抵抗無しの接続線でつながれた装置を
有するシステムの動作速度は上昇する。
こうしたことが高Ｔｃ金属酸化物超伝導体（セラミツク
超伝導体といわれることもある。）の新しい物質の発見
により可能となつている。これらの超伝導体については
ジー・ベドノルズ（Ｇ．Ｂednors及びケイ・エイ・ミユ
ーラー（Ｋ．Ａ．Ｍueller）の「Ｂａ−Ｌａ−Ｃｕ−Ｏ
系物質における高Ｔc超伝導性（Ｐossible Ｈigh-Ｔc
Ｓuperconductivity in the Ｂa−Ｌa−Ｃu−Ｏ
Ｓystem）」（Ｚ．Ｐhysics、Ｃondensed Ｍatter、Ｖ
ol.６４、１９８６、pp １８９−１９３）において最
初に報告されている。更に、ＹＢａＣｕＯのような液体
窒素温度よりも十分に高いＴｃを有する金属酸化物超伝
導材料も開発されている。このような材料については、
シー・ダブリユ・チユー（Ｃ．Ｗ．Ｃhu）等の「新しい
混相Ｙ−Ba−Cu−Ｏ化合物系の大気圧下で９６Ｋにおけ
る超伝導性（Ｓuperconductivity at ９３Ｋ in ａ
Ｎew Ｍixed-Ｐhase Ｙ−Ba−Cu−Ｏ Ｃompound
Ｓystem at Ａmbient Ｐressure）」（Ｐhy.Ｒev.Ｌ
ett.５８、Ｎo.９、Ｍarch１９８７、pp ９０８−９１
０）。こうした開発では、液体窒素で冷却された機能素
子も接続手段も超伝導材料から成る集積回路が実相性の
ある高性能装置となることが期待されており、例えば、
実用性のある高性能スイツチング素子が形成されること
が期待されている。半導体と超伝導体との混成技術を利
用するとき当面する障害は取除かれなければならない。
超伝導体といわれることもある。）の新しい物質の発見
により可能となつている。これらの超伝導体については
ジー・ベドノルズ（Ｇ．Ｂednors及びケイ・エイ・ミユ
ーラー（Ｋ．Ａ．Ｍueller）の「Ｂａ−Ｌａ−Ｃｕ−Ｏ
系物質における高Ｔc超伝導性（Ｐossible Ｈigh-Ｔc
Ｓuperconductivity in the Ｂa−Ｌa−Ｃu−Ｏ
Ｓystem）」（Ｚ．Ｐhysics、Ｃondensed Ｍatter、Ｖ
ol.６４、１９８６、pp １８９−１９３）において最
初に報告されている。更に、ＹＢａＣｕＯのような液体
窒素温度よりも十分に高いＴｃを有する金属酸化物超伝
導材料も開発されている。このような材料については、
シー・ダブリユ・チユー（Ｃ．Ｗ．Ｃhu）等の「新しい
混相Ｙ−Ba−Cu−Ｏ化合物系の大気圧下で９６Ｋにおけ
る超伝導性（Ｓuperconductivity at ９３Ｋ in ａ
Ｎew Ｍixed-Ｐhase Ｙ−Ba−Cu−Ｏ Ｃompound
Ｓystem at Ａmbient Ｐressure）」（Ｐhy.Ｒev.Ｌ
ett.５８、Ｎo.９、Ｍarch１９８７、pp ９０８−９１
０）。こうした開発では、液体窒素で冷却された機能素
子も接続手段も超伝導材料から成る集積回路が実相性の
ある高性能装置となることが期待されており、例えば、
実用性のある高性能スイツチング素子が形成されること
が期待されている。半導体と超伝導体との混成技術を利
用するとき当面する障害は取除かれなければならない。
Ｃ．発明の目的 本発明の主な目的は、半導体集積回路に適合しうる大き
さの動作電圧の下に後段のＦＥＴ装置を駆動するのに十
分な大きさの信号を出力できる電流搬送能力の大きな超
伝導チヤネルを有する電界効果装置を提供することであ
る。
さの動作電圧の下に後段のＦＥＴ装置を駆動するのに十
分な大きさの信号を出力できる電流搬送能力の大きな超
伝導チヤネルを有する電界効果装置を提供することであ
る。
本発明の他の目的は、動作温度に関する要求が厳密では
なくて許容範囲が広い高電流搬送能力の超伝導チヤネル
を有する電界効果装置を提供することである。
なくて許容範囲が広い高電流搬送能力の超伝導チヤネル
を有する電界効果装置を提供することである。
本発明の他の目的は、超伝導材料薄膜の厚さ全体が伝導
チヤネル状態及び空乏状態の間に遷移に作用する高電流
搬送能力の伝導チヤネルを有する電界効果装置を提供す
ることである。
チヤネル状態及び空乏状態の間に遷移に作用する高電流
搬送能力の伝導チヤネルを有する電界効果装置を提供す
ることである。
Ｄ．発明の構成 本発明の構成は次の通りである。
半絶縁性基板表面上に付着され、超伝導チヤネルを形成
するための高臨界温度の金属酸化物超伝導材料の薄膜
と、 該超伝導材料薄膜の両端部に形成されたソース及びドレ
インの端子と、 上記超伝導材料薄膜上に付着された高誘電定数のゲート
絶縁薄膜と、 上記伝導チヤネル中を流れる電荷キヤリアの密度に影響
を与える電界を印加するための制御ゲートと、 より成る超伝導チヤネルを有する電界効果装置におい
て、 上記超伝導材料は、相関長さが０．１ナノメートルの桁
を有する材料から構成されており、 上記超伝導材料薄膜は、１ナノメートルの桁数又はそれ
以下の厚さを有していて実質的に厚さ全体に亘つて伝導
チヤネルが形成される一方、小振幅信号の制御ゲートへ
の印加により、制御ゲート下の伝導チヤネルの全断面が
実質的に完全に空乏状態に切換わるよう構成されてお
り、 超伝導材料薄膜の厚さ全体が半導体集積回路に適合した
低い動作電圧の下に伝導チヤネル状態から空乏状態へ切
換わる事を特徴とする上記電界効果装置。
するための高臨界温度の金属酸化物超伝導材料の薄膜
と、 該超伝導材料薄膜の両端部に形成されたソース及びドレ
インの端子と、 上記超伝導材料薄膜上に付着された高誘電定数のゲート
絶縁薄膜と、 上記伝導チヤネル中を流れる電荷キヤリアの密度に影響
を与える電界を印加するための制御ゲートと、 より成る超伝導チヤネルを有する電界効果装置におい
て、 上記超伝導材料は、相関長さが０．１ナノメートルの桁
を有する材料から構成されており、 上記超伝導材料薄膜は、１ナノメートルの桁数又はそれ
以下の厚さを有していて実質的に厚さ全体に亘つて伝導
チヤネルが形成される一方、小振幅信号の制御ゲートへ
の印加により、制御ゲート下の伝導チヤネルの全断面が
実質的に完全に空乏状態に切換わるよう構成されてお
り、 超伝導材料薄膜の厚さ全体が半導体集積回路に適合した
低い動作電圧の下に伝導チヤネル状態から空乏状態へ切
換わる事を特徴とする上記電界効果装置。
本発明の装置では超伝導チヤネルが十分に薄いので、適
当な強さ（数ボルトで十分）の制御信号をゲートに印加
すると、チヤネルは電化キヤリヤの完全な空乏状態とな
り、高オン／オフ電流比のスイツチを形成することがで
きる。
当な強さ（数ボルトで十分）の制御信号をゲートに印加
すると、チヤネルは電化キヤリヤの完全な空乏状態とな
り、高オン／オフ電流比のスイツチを形成することがで
きる。
このような本発明によれば、零抵抗状態（超伝導時）か
ら絶縁状態（空乏時）へと切換えることのできる高性能
スイツチ素子を提供できる。
ら絶縁状態（空乏時）へと切換えることのできる高性能
スイツチ素子を提供できる。
また、接続された後段ＦＥＴを駆動するのに十分な大き
さの出力を得ることができる。
さの出力を得ることができる。
更に、本発明の装置の動作はＴｃシフト効果に依存する
ものではないので動作温度についての厳格さが要求され
ない。
ものではないので動作温度についての厳格さが要求され
ない。
本発明の装置は集積回路配線及び装置接続手段の製造に
用いられるのと同じ高Ｔｃ超伝導体に関する技術を用い
て製造することができる。
用いられるのと同じ高Ｔｃ超伝導体に関する技術を用い
て製造することができる。
Ｅ．実施例 本発明の電界効果装置は原理的には既述の文献の表面効
果超伝導ＦＥＴ構造と同様の基本要素を有している。
果超伝導ＦＥＴ構造と同様の基本要素を有している。
そのような従来構造が第３Ａ図及び第３Ｂ図に示されて
いる。これらの図において、絶縁性あるいは半絶縁性基
板１０の上には約１０ｎｍの厚さの超伝導チヤネル１１
が付着され、超伝導チヤネル１１にはソース端子１２、
ドレイン端子１３が設けられている。ゲート１５は絶縁
層１４によつてチヤネル１１から分離されている。
いる。これらの図において、絶縁性あるいは半絶縁性基
板１０の上には約１０ｎｍの厚さの超伝導チヤネル１１
が付着され、超伝導チヤネル１１にはソース端子１２、
ドレイン端子１３が設けられている。ゲート１５は絶縁
層１４によつてチヤネル１１から分離されている。
適切に選ばれた材料を用いると、チヤネル材料の臨界温
度Ｔｃよりもわずかに上の動作温度Ｔｏｐにおいて、ゲ
ート電圧が印加されていないとき（Ｖｇ＝０）、チヤネ
ルは常伝導性を示し、装置のオフ状態では（第３Ａ
図）、一定の電荷の流れる経路が形成される。用いられ
ている超伝導材料が金属であるのでオフ状態即ち常伝導
状態であつても伝導性は高いということに注意された
い。第３Ａ図において、電流が矢印１６で示されてい
る。電流はゲートの下のチヤネルの全断面に亘つて均等
に分布されている。
度Ｔｃよりもわずかに上の動作温度Ｔｏｐにおいて、ゲ
ート電圧が印加されていないとき（Ｖｇ＝０）、チヤネ
ルは常伝導性を示し、装置のオフ状態では（第３Ａ
図）、一定の電荷の流れる経路が形成される。用いられ
ている超伝導材料が金属であるのでオフ状態即ち常伝導
状態であつても伝導性は高いということに注意された
い。第３Ａ図において、電流が矢印１６で示されてい
る。電流はゲートの下のチヤネルの全断面に亘つて均等
に分布されている。
第３Ｂ図に示されるように、非零電圧を印加すると（Ｖ
ｇ≠０）、超伝導層１１と絶縁層１４とのインターフエ
ースの近くの０．１ｎｍの数倍の厚さの薄い表面層１１
ａ内部のキヤリヤ密度にわずかな変化が生じる。このキ
ヤリヤ密度の変化は薄い層のＴｃを上昇させて動作温度
Ｔｏｐよりも上の値に至らせ、こうして薄い層が超伝導
状態となる。このオン状態では、キヤリアの流れの経路
は非常に高い伝導性を示す。矢印１７は超伝導層１１ａ
中の超伝導電流を示している。超伝導領域１１ａが零抵
抗になつているので、チヤネル１１中の領域１１ｂ内に
は電荷の流れは存在しなくなつている。オン／オフ電流
非は制限されることになる。というのは、オフ状態では
常伝導性のチヤネルがかなり多量の電流を流しているか
らである。また、非常に薄いチヤネル１１ａの電流搬送
能力は、それより大きければ薄いチヤネルの材料が常伝
導になるような最大電流密度によつて厳しく制約され
る。このようなＦＥＴでは後段のＦＥＴを駆動するに十
分な出力を供給できない。更に、動作温度をわずかに変
化させるような動作状態は極めて厳格なものである。
ｇ≠０）、超伝導層１１と絶縁層１４とのインターフエ
ースの近くの０．１ｎｍの数倍の厚さの薄い表面層１１
ａ内部のキヤリヤ密度にわずかな変化が生じる。このキ
ヤリヤ密度の変化は薄い層のＴｃを上昇させて動作温度
Ｔｏｐよりも上の値に至らせ、こうして薄い層が超伝導
状態となる。このオン状態では、キヤリアの流れの経路
は非常に高い伝導性を示す。矢印１７は超伝導層１１ａ
中の超伝導電流を示している。超伝導領域１１ａが零抵
抗になつているので、チヤネル１１中の領域１１ｂ内に
は電荷の流れは存在しなくなつている。オン／オフ電流
非は制限されることになる。というのは、オフ状態では
常伝導性のチヤネルがかなり多量の電流を流しているか
らである。また、非常に薄いチヤネル１１ａの電流搬送
能力は、それより大きければ薄いチヤネルの材料が常伝
導になるような最大電流密度によつて厳しく制約され
る。このようなＦＥＴでは後段のＦＥＴを駆動するに十
分な出力を供給できない。更に、動作温度をわずかに変
化させるような動作状態は極めて厳格なものである。
第１図には本発明の電界効果装置の構成が示され、この
装置は基板２０上に付着されたチヤネル２１を有し、チ
ヤネル２１にはソース端子２２、ドレイン端子２３、及
びゲート２５が設けられ、ゲート２５は絶縁層２４を介
してチヤネル２１から分離されている。
装置は基板２０上に付着されたチヤネル２１を有し、チ
ヤネル２１にはソース端子２２、ドレイン端子２３、及
びゲート２５が設けられ、ゲート２５は絶縁層２４を介
してチヤネル２１から分離されている。
一実施例においては、基板２０はストロンチウム・チタ
ン酸化物（ＳｒＴｉｏ３）であり、チヤネル２１は例え
ばＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７のような高Ｔｃ超伝導体材料であ
る。チヤネル２１は非常に薄く、例えば、１ｎｍ程度で
あり、基板表面と平行な平面内において超伝導性が最も
強力になるように配向されている。
ン酸化物（ＳｒＴｉｏ３）であり、チヤネル２１は例え
ばＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７のような高Ｔｃ超伝導体材料であ
る。チヤネル２１は非常に薄く、例えば、１ｎｍ程度で
あり、基板表面と平行な平面内において超伝導性が最も
強力になるように配向されている。
薄いチヤネル２１を成長させるためにエピタキシヤル工
程が用いられ、その後には酸素アニールのような後処理
工程が続く。この種の工程は近時大いに開発されてい
る。分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、金属有機物気相エ
ピタキシー（ＭＯＶＰＥ）、あるいは科学的ビーム・エ
ピタキシー（ＣＢＥ）のような種々の成長工程を用いて
急峻なインターフエースを形成することができる。更
に、成長速度を抑えて成長パラメータを厳密に制御する
ことによつて非常に薄い層を成長させることが可能であ
る。特に工夫された装置では成長工程を原子レベルで制
御することができる。そのような技法については、例え
ば、米国特許第４０５８４３０号をはじめとする幾つか
の文献にも掲載されている。
程が用いられ、その後には酸素アニールのような後処理
工程が続く。この種の工程は近時大いに開発されてい
る。分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、金属有機物気相エ
ピタキシー（ＭＯＶＰＥ）、あるいは科学的ビーム・エ
ピタキシー（ＣＢＥ）のような種々の成長工程を用いて
急峻なインターフエースを形成することができる。更
に、成長速度を抑えて成長パラメータを厳密に制御する
ことによつて非常に薄い層を成長させることが可能であ
る。特に工夫された装置では成長工程を原子レベルで制
御することができる。そのような技法については、例え
ば、米国特許第４０５８４３０号をはじめとする幾つか
の文献にも掲載されている。
第１図において、チヤネル２１の上の絶縁層２４はトン
ネル効果の影響をなくすに足る十分な厚さを有してい
る。絶縁層２４としては例えば厚さ５ｎｍのＳｒＴｉＯ
３が選択され、この材料は十分に大きな誘電定数を有し
ている。この層２４は化学的気相成長のような蒸着工程
によつて形成できる。
ネル効果の影響をなくすに足る十分な厚さを有してい
る。絶縁層２４としては例えば厚さ５ｎｍのＳｒＴｉＯ
３が選択され、この材料は十分に大きな誘電定数を有し
ている。この層２４は化学的気相成長のような蒸着工程
によつて形成できる。
ゲート２５が次に絶縁層２４上に付着される。
本実施例では例えばＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７のような高Ｔｃ
超伝導体から形成するが、金のような通常の金属を同様
に用いてもよい。ＳｒＴｉＯ３のようなペロブスカイト
を絶縁層として用いるときには、減圧を利用しあるいは
Ｎｂをドープしてゲート層用の分離した蒸着工程を不要
にして、絶縁層上部を金属で形成することができる。
超伝導体から形成するが、金のような通常の金属を同様
に用いてもよい。ＳｒＴｉＯ３のようなペロブスカイト
を絶縁層として用いるときには、減圧を利用しあるいは
Ｎｂをドープしてゲート層用の分離した蒸着工程を不要
にして、絶縁層上部を金属で形成することができる。
ソース・リード２３及びドレイン・リード２４は超伝導
チヤネル２１と同じ材料でもよいし他の高Ｔｃ超伝導材
料でもよい。通常の金属を選択することもできる。
チヤネル２１と同じ材料でもよいし他の高Ｔｃ超伝導材
料でもよい。通常の金属を選択することもできる。
装置のパターニングは通常のリソグラフイ及びエツチン
グ方法を利用して行うことができる。
グ方法を利用して行うことができる。
ＹＢａＣｕＯのようなセラミツク超伝導材料が用いられ
るときには最大電流密度（これ以上では材料は常伝導に
なる）は１０７Ａ／cm2 にもなる。許容される最大チヤ
ネル電流Ｉｍａｘは次式で与えられる。
るときには最大電流密度（これ以上では材料は常伝導に
なる）は１０７Ａ／cm2 にもなる。許容される最大チヤ
ネル電流Ｉｍａｘは次式で与えられる。
Ｉｍａｘ＝ｉ（ｍａｘ）×（Ｗ×ｄ） (1) ここで、ｉ（ｍａｘ）＝最大電流密度 Ｗ＝チヤネル幅 ｄ＝チヤネル厚 である。
Ｗ＝１０μでｄ＝１ｎｍであれば、算出される最大電流
は１ｍＡであり、これはほとんどの応用機器に適用し得
るような動作電流のレベルである。
は１ｍＡであり、これはほとんどの応用機器に適用し得
るような動作電流のレベルである。
１ｎｍ程度であるような非常に薄い超伝導チヤネルを用
いることが実用上有益である。というのは、ＹＢａＣｕ
Ｏのような新しい種類の金属酸化物を用いた場合に達成
されるような結晶構造上のＣ−軸に沿つた相関長さが約
０．２ｎｍ程度と小さいからである。超伝導性は少なく
とも超伝導材料の相関長さの厚さを有する層においての
み可能であるので、金属酸化物超伝導体の相関長さより
も大きな値の相関長さを有する鉛やニオブのような金属
超伝導体にあつてはずつと厚くしなければならない。こ
の場合、妥当な強さのゲート電圧で完全なチヤネル空乏
を達成できなくなる。即ち、本発明のＦＥＴと同様の性
能のスイツチとして動作することはできない。
いることが実用上有益である。というのは、ＹＢａＣｕ
Ｏのような新しい種類の金属酸化物を用いた場合に達成
されるような結晶構造上のＣ−軸に沿つた相関長さが約
０．２ｎｍ程度と小さいからである。超伝導性は少なく
とも超伝導材料の相関長さの厚さを有する層においての
み可能であるので、金属酸化物超伝導体の相関長さより
も大きな値の相関長さを有する鉛やニオブのような金属
超伝導体にあつてはずつと厚くしなければならない。こ
の場合、妥当な強さのゲート電圧で完全なチヤネル空乏
を達成できなくなる。即ち、本発明のＦＥＴと同様の性
能のスイツチとして動作することはできない。
超伝導ＦＥＴの動作を第２Ａ図及び第２Ｂ図を参照しな
がら説明する。ゲート電圧が印加されていないときは
（第２Ｂ図）、チヤネル２１は超伝導状態であり、ソー
ス２２とドレイン２３との間の電気抵抗は零である。電
圧がゲート２５に印加されると（第２Ａ図）、チヤネル
内キヤリヤ密度が電界効果によつて変化させられる。十
分な大きさのゲート電圧及び適正な極性（電子に対して
は負電圧、また、ホールに対しては正電圧）によつて、
極めて薄いチヤネルは、ゲート下領域において、完全に
キヤリヤの欠乏した状態になることができる。チヤネル
は絶縁性になる。即ち、チヤネル抵抗は非常に大きくな
る。
がら説明する。ゲート電圧が印加されていないときは
（第２Ｂ図）、チヤネル２１は超伝導状態であり、ソー
ス２２とドレイン２３との間の電気抵抗は零である。電
圧がゲート２５に印加されると（第２Ａ図）、チヤネル
内キヤリヤ密度が電界効果によつて変化させられる。十
分な大きさのゲート電圧及び適正な極性（電子に対して
は負電圧、また、ホールに対しては正電圧）によつて、
極めて薄いチヤネルは、ゲート下領域において、完全に
キヤリヤの欠乏した状態になることができる。チヤネル
は絶縁性になる。即ち、チヤネル抵抗は非常に大きくな
る。
ゲート電圧Ｖｇと空乏層の深さｄとの関係は次のようで
ある。
ある。
ここで、ｑ＝基本電荷 ｎ＝キヤリヤ密度（１０２１／cm3 ） ｔ＝絶縁層２４の厚さ εi、εs、ε０＝絶縁材料、超伝導材料、及び
空気の夫々の誘電定数 である。
空気の夫々の誘電定数 である。
必要なゲート電圧は極めて低いものであり得る。
ｔ＝５ｎｍ、ｄ＝１ｎｍのときは、ゲート下のチヤネル
断面中の完全キヤリヤ空乏の実現に必要なゲート電圧Ｖ
ｇは約５ボルトである。標準的な回路では、数ボルトの
信号レベルで動作するので、ＦＥＴは２状態スイツチと
して動作することになる。零抵抗チヤネルを（Ｖｇ＝０
で）超伝導電流が流れているときがオン状態となり、チ
ヤネルが（Ｖｇ≠０で）空乏になつているとき即ちチヤ
ネルが絶縁状態で電流の流れがないときがオフ状態であ
る。
断面中の完全キヤリヤ空乏の実現に必要なゲート電圧Ｖ
ｇは約５ボルトである。標準的な回路では、数ボルトの
信号レベルで動作するので、ＦＥＴは２状態スイツチと
して動作することになる。零抵抗チヤネルを（Ｖｇ＝０
で）超伝導電流が流れているときがオン状態となり、チ
ヤネルが（Ｖｇ≠０で）空乏になつているとき即ちチヤ
ネルが絶縁状態で電流の流れがないときがオフ状態であ
る。
これまで述べてきたＦＥＴはチヤネルが十分に薄く形成
されているのでゲート下のチヤネル断面が完全に空乏状
態となりバイパス部分が全く残されないという点におい
て従来装置と異つている。この結果、本ＦＥＴでは、非
常に高いオン／オフ電流比が実現し、通常の電流及び電
圧レベルえ動作されるときに、後段に接続されたＦＥＴ
装置等を駆動するのに十分な大きさの出力を得ることが
できる。
されているのでゲート下のチヤネル断面が完全に空乏状
態となりバイパス部分が全く残されないという点におい
て従来装置と異つている。この結果、本ＦＥＴでは、非
常に高いオン／オフ電流比が実現し、通常の電流及び電
圧レベルえ動作されるときに、後段に接続されたＦＥＴ
装置等を駆動するのに十分な大きさの出力を得ることが
できる。
極めて薄い（１ｎｍ程度）チヤネルは次のような理由か
ら実現可能である。即ち、金属酸化物類の高Ｔｃ超伝導
体の相関流さが十分に短い（０．１ナノメートルの数倍
程度）。また、このような高Ｔｃ超伝導体は高い電流密
度（１０７Ａ／cm2 程度）を示すので集積回路に適して
いる。また、近時のエピタキシャル成長技術は約１ｎｍ
あるいはそれより薄い層の成長を可能にしている。
ら実現可能である。即ち、金属酸化物類の高Ｔｃ超伝導
体の相関流さが十分に短い（０．１ナノメートルの数倍
程度）。また、このような高Ｔｃ超伝導体は高い電流密
度（１０７Ａ／cm2 程度）を示すので集積回路に適して
いる。また、近時のエピタキシャル成長技術は約１ｎｍ
あるいはそれより薄い層の成長を可能にしている。
スイツチとして動作するときに、本発明はＴｃシフト効
果を利用していない。というのは、本発明ではチヤネル
材料が超伝導と常伝導との間を切換わるものではないか
らである。したがつて、動作温度についての要求は厳密
ではなく、広い許容範囲が認められる。
果を利用していない。というのは、本発明ではチヤネル
材料が超伝導と常伝導との間を切換わるものではないか
らである。したがつて、動作温度についての要求は厳密
ではなく、広い許容範囲が認められる。
第１図は本発明のＦＥＴ装置の一実施例の構造を示す断
面図、第２Ａ図及び第２Ｂ図は前記実施例のオフ状態及
びオン状態の夫々のチヤネルの様子を示す断面図、第３
Ａ図および第３Ｂ図は従来の超伝導チヤネルを有するＦ
ＥＴ装置のオフ状態及びオン状態の夫々の様子を示す断
面図である。 ２０……基板、２１……チヤネル、２２……ソース、２
３……ドレイン、２４……絶縁層、２５……ゲート。
面図、第２Ａ図及び第２Ｂ図は前記実施例のオフ状態及
びオン状態の夫々のチヤネルの様子を示す断面図、第３
Ａ図および第３Ｂ図は従来の超伝導チヤネルを有するＦ
ＥＴ装置のオフ状態及びオン状態の夫々の様子を示す断
面図である。 ２０……基板、２１……チヤネル、２２……ソース、２
３……ドレイン、２４……絶縁層、２５……ゲート。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハンス・ペテール・ヴオルフ スイス国シイー・エイチ8038チユーリヒ、 フローアルプシユトラーセ60番地 (56)参考文献 特開 昭63−289879（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−74773（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】半絶縁性基板表面上に付着され、超伝導チ
ヤネルを形成するための高臨界温度の金属酸化物超伝導
材料の薄膜と、 該超伝導材料薄膜の両端部に形成されたソース及びドレ
インの端子と、 上記超伝導材料薄膜上に付着された高誘電定数のゲート
絶縁薄膜と、 上記伝導チヤネル中を流れる電荷キヤリアの密度に影響
を与える電界を印加するための制御ゲートと、 より成る超伝導チヤネルを有する電界効果装置におい
て、 上記超伝導材料は、相関長さが０．１ナノメートルの桁
を有する材料から構成されており、 上記超伝導材料薄膜は、１ナノメートルの桁又はそれ以
下の厚さを有していて実質的に厚さ全体に亘つて伝導チ
ヤネルが形成される一方、小振幅信号の制御ゲートへの
印加により、制御ゲート下の伝導チヤネルの全断面が実
質的に完全に空乏状態に切換わるよう構成されており、 超伝導材料薄膜の厚さ全体が、半導体集積回路に適合し
うる低動作電圧の下に、伝導チヤネル状態から空乏状態
へ切換わる事を特徴とする上記電界効果装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP88100512A EP0324044B1 (en) | 1988-01-15 | 1988-01-15 | A field-effect device with a superconducting channel |
| EP88100512.8 | 1988-01-15 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01207982A JPH01207982A (ja) | 1989-08-21 |
| JPH0624258B2 true JPH0624258B2 (ja) | 1994-03-30 |
Family
ID=8198647
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63319672A Expired - Fee Related JPH0624258B2 (ja) | 1988-01-15 | 1988-12-20 | 超伝導チヤネルを有する電界効果装置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5401714A (ja) |
| EP (1) | EP0324044B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0624258B2 (ja) |
| BR (1) | BR8900147A (ja) |
| CA (1) | CA1315015C (ja) |
| DE (1) | DE3876228T2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2862137B2 (ja) * | 1988-08-11 | 1999-02-24 | 古河電気工業株式会社 | 超電導トランジスタ |
| JPH0262082A (ja) * | 1988-08-29 | 1990-03-01 | Fujitsu Ltd | 超伝導トランジスタ |
| US6774463B1 (en) | 1990-02-01 | 2004-08-10 | International Business Machines Corporation | Superconductor gate semiconductor channel field effect transistor |
| JP2616130B2 (ja) * | 1990-04-16 | 1997-06-04 | 日本電気株式会社 | 超伝導素子の製造方法 |
| EP0475838B1 (en) * | 1990-09-10 | 1996-03-06 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Superconducting device having a reduced thickness of oxide superconducting layer and method for manufacturing the same |
| CA2051778C (en) * | 1990-09-19 | 1997-05-06 | Takao Nakamura | Method for manufacturing superconducting device having a reduced thickness of oxide superconducting layer and superconducting device manufactured thereby |
| EP0478464B1 (en) * | 1990-09-27 | 1997-08-27 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Method for manufacturing a superconducting device having an extremely thin superconducting channel formed of oxide superconductor material |
| EP0480814B1 (en) * | 1990-10-08 | 1996-04-24 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Superconducting device having an extremely thin superconducting channel formed of oxide superconductor material and method for manufacturing the same |
| CA2054477C (en) * | 1990-10-29 | 1996-12-24 | Takao Nakamura | Superconducting device having an extremely short superconducting channel formed of oxide superconductor material and method for manufacturing the same |
| CA2054470C (en) * | 1990-10-30 | 1997-07-01 | Takao Nakamura | Method for manufacturing superconducting device having a reduced thickness of oxide superconducting layer and superconducting device manufactured thereby |
| JP2738144B2 (ja) * | 1990-10-31 | 1998-04-08 | 住友電気工業株式会社 | 超電導素子および作製方法 |
| EP0484251B1 (en) * | 1990-10-31 | 1996-03-20 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Superconducting device having an extremely short superconducting channel formed of extremely thin oxide superconductor film and method for manufacturing the same |
| CA2054795C (en) * | 1990-11-01 | 1996-08-06 | Hiroshi Inada | Superconducting device having an extremely thin superconducting channel formed of oxide superconductor material and method for manufacturing the same |
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| JPH06112538A (ja) * | 1992-09-30 | 1994-04-22 | Fuji Electric Co Ltd | 超電導素子 |
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| KR20110090393A (ko) * | 2010-02-03 | 2011-08-10 | 삼성전자주식회사 | 저항 변화 물질을 이용한 반도체 소자 및 그 구동 방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JPS63308975A (ja) * | 1987-06-11 | 1988-12-16 | Toshiba Corp | 電流制御素子 |
| JPS6474773A (en) * | 1987-09-17 | 1989-03-20 | Fujitsu Ltd | Insulated-gate field-effect device |
-
1988
- 1988-01-15 EP EP88100512A patent/EP0324044B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1988-01-15 DE DE8888100512T patent/DE3876228T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1988-11-03 CA CA000582214A patent/CA1315015C/en not_active Expired - Fee Related
- 1988-12-20 JP JP63319672A patent/JPH0624258B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1989
- 1989-01-13 BR BR898900147A patent/BR8900147A/pt active Search and Examination
-
1994
- 1994-05-04 US US08/238,184 patent/US5401714A/en not_active Expired - Lifetime
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