JPH0810769B2 - 超電導素子 - Google Patents
超電導素子Info
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- JPH0810769B2 JPH0810769B2 JP2321655A JP32165590A JPH0810769B2 JP H0810769 B2 JPH0810769 B2 JP H0810769B2 JP 2321655 A JP2321655 A JP 2321655A JP 32165590 A JP32165590 A JP 32165590A JP H0810769 B2 JPH0810769 B2 JP H0810769B2
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Description
本発明は超電導スイッチング素子等超電導エレクトロ
ニクスの分野を始めとして、超電導薄膜を用いた低温エ
レクトロニクス素子の分野にかかわり、とくに高速ディ
ジタル回路、高周波アナログ回路の分野に応用される酸
化物超電導素子に関するものである。
ニクスの分野を始めとして、超電導薄膜を用いた低温エ
レクトロニクス素子の分野にかかわり、とくに高速ディ
ジタル回路、高周波アナログ回路の分野に応用される酸
化物超電導素子に関するものである。
ジョセフソン接合や超電導三端子素子等の超電導エレ
クトロニクス素子を高臨界温度の酸化物超電導材料によ
って構成する場合、酸化物超電導材料のコヒーレンス長
さに対応した素子寸法が要求される。代表的な酸化物超
電導材料であるＹ−Ba−Cu酸化物のコヒーレンス長さは
0.3〜1.4nmである。このような短い距離に対応した素子
寸法を実現するために、例えばジョセフソン接合に対し
てはＹ−Ba−Cu酸化物等の結晶粒界を接合部に用いた例
がアプライド・フィジックス・レターズ51巻200頁（198
7年）（Applied Physics Letters,Vol.51,p.200,1987）
に記載されている。この例ではＹ−Ba−Cu酸化物薄膜の
幅がくびれた部分の結晶粒界をジョセフソン接合部と
し、ループ状薄膜の２ヵ所にこのような接合部を設けて
直流スクイドを構成している。
クトロニクス素子を高臨界温度の酸化物超電導材料によ
って構成する場合、酸化物超電導材料のコヒーレンス長
さに対応した素子寸法が要求される。代表的な酸化物超
電導材料であるＹ−Ba−Cu酸化物のコヒーレンス長さは
0.3〜1.4nmである。このような短い距離に対応した素子
寸法を実現するために、例えばジョセフソン接合に対し
てはＹ−Ba−Cu酸化物等の結晶粒界を接合部に用いた例
がアプライド・フィジックス・レターズ51巻200頁（198
7年）（Applied Physics Letters,Vol.51,p.200,1987）
に記載されている。この例ではＹ−Ba−Cu酸化物薄膜の
幅がくびれた部分の結晶粒界をジョセフソン接合部と
し、ループ状薄膜の２ヵ所にこのような接合部を設けて
直流スクイドを構成している。
前記従来技術を用いて酸化物系の超電導材料を用いて
超電導三端子素子あるいはジョセフソン接合等の超電導
素子を得ようとする場合、つぎのような問題点が発生
し、素子の作製を困難にするとともに、酸化物系エレク
トロニクス素子に対する将来の発展性を阻害することに
なる。すなわち従来技術及び知識によればジョセフソン
接合の接合部等の素子寸法を酸化物超電導材料のコヒー
レンス長さである1nm程度の極めて短い寸法にする必要
があった。このような短い寸法は超電導酸化物の結晶粒
界で実現された。 結晶粒界では多結晶体の結晶が境界を接する部分であ
り、１原子層あるいは２原子層のレベルでの原子配列の
乱れが存在する。結晶粒界のこれより内側では超電導酸
化物本来の結晶格子、原子配列、および組成を有する。
したがって、結晶粒界は酸化物薄膜の作製時にすでに形
成されたものであるが、ナノメートルレベルの常伝導領
域の実現を可能にした。 しかしながら上記従来技術は以下の問題点を有する。
すなわち、ナノメートルレベルのパタンを酸化物超電導
材料に対して人工的に形成することは、現在の微細加工
技術をもってしても不可能である。上記従来技術にかか
る1nmの寸法は自然現象の助力をもってして始めて実現
されたものである。したがって、あらかじめ設計された
通りにこのような微細寸法を形成し、素子作製を行うこ
とは不可能である。 このことは、素子特性の設定されたとおりに制御され
た素子を得ることができないだけでなく、特性の揃った
多数の素子を同一基板上に集積化することが不可能であ
ることを意味する。さらに従来例のような２端子素子で
あれば作製可能であるが、構造が複雑化した三端子素子
のような超電導素子を従来技術によって作製することは
きわめて困難である。 そこで本発明の目的は高臨界温度を有する酸化物超電
導材料を電極とする超電導素子において、素子作製を可
能にする寸法領域で設計し、作製することを可能になら
しめる常伝導層用の材料およびその仕様を提供すること
にある。
超電導三端子素子あるいはジョセフソン接合等の超電導
素子を得ようとする場合、つぎのような問題点が発生
し、素子の作製を困難にするとともに、酸化物系エレク
トロニクス素子に対する将来の発展性を阻害することに
なる。すなわち従来技術及び知識によればジョセフソン
接合の接合部等の素子寸法を酸化物超電導材料のコヒー
レンス長さである1nm程度の極めて短い寸法にする必要
があった。このような短い寸法は超電導酸化物の結晶粒
界で実現された。 結晶粒界では多結晶体の結晶が境界を接する部分であ
り、１原子層あるいは２原子層のレベルでの原子配列の
乱れが存在する。結晶粒界のこれより内側では超電導酸
化物本来の結晶格子、原子配列、および組成を有する。
したがって、結晶粒界は酸化物薄膜の作製時にすでに形
成されたものであるが、ナノメートルレベルの常伝導領
域の実現を可能にした。 しかしながら上記従来技術は以下の問題点を有する。
すなわち、ナノメートルレベルのパタンを酸化物超電導
材料に対して人工的に形成することは、現在の微細加工
技術をもってしても不可能である。上記従来技術にかか
る1nmの寸法は自然現象の助力をもってして始めて実現
されたものである。したがって、あらかじめ設計された
通りにこのような微細寸法を形成し、素子作製を行うこ
とは不可能である。 このことは、素子特性の設定されたとおりに制御され
た素子を得ることができないだけでなく、特性の揃った
多数の素子を同一基板上に集積化することが不可能であ
ることを意味する。さらに従来例のような２端子素子で
あれば作製可能であるが、構造が複雑化した三端子素子
のような超電導素子を従来技術によって作製することは
きわめて困難である。 そこで本発明の目的は高臨界温度を有する酸化物超電
導材料を電極とする超電導素子において、素子作製を可
能にする寸法領域で設計し、作製することを可能になら
しめる常伝導層用の材料およびその仕様を提供すること
にある。
上記課題を解決するために、本発明においては酸化物
系の超電導材料を電極と、例えば２個のこれらの超電導
電極をCuを成分として含む酸化物等の常伝導材料等を介
して接続するための能動領域とを有し、超電導電極によ
って該酸化物常伝導部が挟まれた領域の超電導電極間距
離をクリーンリミットによって決まる超電導素子対の存
在確率振幅の減衰長より長く、減衰長の10倍より短くす
る。クリーンリミットによって決まる長さとは、すなわ
ちクリーンリミットにおいて与えられる常伝導層中にお
ける超電導電子対の存在確率振幅に対する減衰長dnに相
当する。超電導電極間の距離をこの減衰長dnと同等、あ
るいはこれより大きくする。なおクリーンリミットにお
ける超電導減衰長dnはｈ・v/4π2kTで与えられる。ここ
でｈはプランク定数、ｋはボルツマン定数、ｖはキャリ
アのフェルミ速度であり、キャリア質量をｍ、ｋ＝h/2
π、ｎをフリーキャリア密度として、 で与えられる。また、Ｔは動作温度である。この値をた
とえば酸化物常伝導材料であるLa−Ba−Cu酸化物に適用
すれば10Kにおいて、50nmとなる。したがってこの値は
素子を動作させようとする温度によって決定される。 酸化物常伝導部としては酸化物超電導材料と結晶構造
の基本形を同じくし、かつ反強磁性的な磁気特性を有す
る酸化物材料をもちいると良い。あるいは酸化物超電導
材料と結晶構造の基本形を同じくし、かつ半導体的な電
気特性を有する酸化物材料を酸化物常伝導部として用い
ると良い。 このような材料としては酸素濃度を欠乏させたＹ−Ba
−Cu酸化物、Pr−Ba−Cu酸化物、La−Ba−Cu酸化物、Ｙ
−Ba−Cu酸化物にFe,Co,Al,Ga等の磁性元素や、金属元
素が不純物として含まれた常伝導酸化物等が含まれる。
ただし、これら酸化物材料によりなる常伝導層の厚み、
すなわち超電導電極間距離は上記等式で与えられる減衰
長、すなわちフェルミ速度によって個別に決定づけられ
る寸法より大きく取るものとする。 以上述べた超電導−常伝導−超電導接合は超電導三端
子素子の基本部分である。この常伝導層に流れる超電導
電流を制御する電極を設けることにより、三端子素子が
得られる。制御電極の一例としては常伝導層に積層化し
て、層間絶縁膜を介してゲート電極を設ける方法が有
る。この制御電極に電圧を印加することにより、超電導
電流の大きさを制御する。
系の超電導材料を電極と、例えば２個のこれらの超電導
電極をCuを成分として含む酸化物等の常伝導材料等を介
して接続するための能動領域とを有し、超電導電極によ
って該酸化物常伝導部が挟まれた領域の超電導電極間距
離をクリーンリミットによって決まる超電導素子対の存
在確率振幅の減衰長より長く、減衰長の10倍より短くす
る。クリーンリミットによって決まる長さとは、すなわ
ちクリーンリミットにおいて与えられる常伝導層中にお
ける超電導電子対の存在確率振幅に対する減衰長dnに相
当する。超電導電極間の距離をこの減衰長dnと同等、あ
るいはこれより大きくする。なおクリーンリミットにお
ける超電導減衰長dnはｈ・v/4π2kTで与えられる。ここ
でｈはプランク定数、ｋはボルツマン定数、ｖはキャリ
アのフェルミ速度であり、キャリア質量をｍ、ｋ＝h/2
π、ｎをフリーキャリア密度として、 で与えられる。また、Ｔは動作温度である。この値をた
とえば酸化物常伝導材料であるLa−Ba−Cu酸化物に適用
すれば10Kにおいて、50nmとなる。したがってこの値は
素子を動作させようとする温度によって決定される。 酸化物常伝導部としては酸化物超電導材料と結晶構造
の基本形を同じくし、かつ反強磁性的な磁気特性を有す
る酸化物材料をもちいると良い。あるいは酸化物超電導
材料と結晶構造の基本形を同じくし、かつ半導体的な電
気特性を有する酸化物材料を酸化物常伝導部として用い
ると良い。 このような材料としては酸素濃度を欠乏させたＹ−Ba
−Cu酸化物、Pr−Ba−Cu酸化物、La−Ba−Cu酸化物、Ｙ
−Ba−Cu酸化物にFe,Co,Al,Ga等の磁性元素や、金属元
素が不純物として含まれた常伝導酸化物等が含まれる。
ただし、これら酸化物材料によりなる常伝導層の厚み、
すなわち超電導電極間距離は上記等式で与えられる減衰
長、すなわちフェルミ速度によって個別に決定づけられ
る寸法より大きく取るものとする。 以上述べた超電導−常伝導−超電導接合は超電導三端
子素子の基本部分である。この常伝導層に流れる超電導
電流を制御する電極を設けることにより、三端子素子が
得られる。制御電極の一例としては常伝導層に積層化し
て、層間絶縁膜を介してゲート電極を設ける方法が有
る。この制御電極に電圧を印加することにより、超電導
電流の大きさを制御する。
以上の本発明に係る課題を解決するための手段が酸化
物系の超電導三端子の作製に有効であることの根拠は本
発明を裏づける新しい実験事実、および以下に述べる理
由によるものである。 新しい実験事実を第１図を用いて説明する。本発明者
等はＹ−Ba−Cu酸化物薄膜３を電極とし、La−Ba−Cu酸
化物薄膜２を常伝導層とするプレーナ型の素子を作製し
た。Ｙ−Ba−Cu酸化物電極間の距離は0.1μｍから0.8μ
ｍまでの範囲で異なった寸法のものを作製した。Ｙ−Ba
−Cu酸化物電極間の距離が0.2μｍの素子の場合につい
て、電圧−電流特性の一例を第２図に示した。図に示さ
れるごとく、超電導電流が得られた。超電導電流はやく
70Kまで検出された。他の素子でも同様に超電導電流が
得られた。ここで作製した素子の電極間距離は酸化物系
のコヒーレンス長さとして考えられている値、すなわち
約1nmの100〜1000倍である。 実験事実から、酸化物常伝導材料として酸化物超電導
材料と結晶構造の基本形を同じくし、場合により更に反
強磁性的な磁気特性を有する酸化物材料か、あるいは酸
化物超電導材料と結晶構造の基本形を同じくし、更に半
導体的な電気特性を有する酸化物材料を用いると良いこ
とが分かった。超電導体と常伝導体の界面において、原
子配列および構成元素の不連続な変化に起因して、超電
導電子は連続的な密度分布をするのではない。一般に、
界面において超電導電子密度は常伝導層に向かって不連
続に減衰する。 この減衰割合は超電導材料と常伝導材料の種類が異な
るほど大きい。たとえば酸化物超電導材料と金属常伝導
材料を接続する場合等がこれに当る。界面において超電
導電子密度を不連続に減衰させないためには、構造的に
同種の超電導材料と常伝導材料を組み合わせるのが好ま
しい。とくにCu系酸化物超電導材料に対してはCu系酸化
物常伝導材料を組み合わせた場合に超電導素子密度の減
衰を充分に抑えることができる。 Cu系酸化物常伝導材料はCu系酸化物超電導材料のキャ
リアを低減させることにより、反強磁性的性質をもたせ
たもの、あるいは半導体的な電気特性を持たせたものが
適している。一般に金属系超電導材料においては磁性と
超電導性は共存せず、磁性不純物の存在によって超電導
特性が失われる。 一方、酸化物系超電導材料においては超電導性を担う
部分はCuO2原子面である。CuOは本来反強磁性材料であ
る。しかるにCu系酸化物超電導材料の場合、Cuの価数が
２より大きくなることによってキャリア、すなわちホー
ルが発生し、電子系の波動関数の局在性が弱められる。
これとともに反強磁性的な性質は薄めらてくる。このこ
とは酸化物系超電導材料において磁気的性質が超電導の
発現を抑えているのではなく、キャリアが存在するかど
うかで超電導になるか否かが決まることを意味してい
る。 酸化物超電導材料におけるミクロなメカニズムは明ら
かではないが、現象論的にはCuO2面に超電導の起源とな
るキャリア間の引力相互作用となる機構を内在してい
る。このために酸化物超電導材料において、超電導的性
質と反強磁性的性質が共存するのである。これらのこと
を考慮することにより、超電導電極から常伝導層に染み
だす超電導電子対の距離が臨界磁場等の測定により決定
されるコヒーレンス長さではなく、より大きな寸法であ
ることが分かる。 ホール係数と抵抗率から、ダーティリミットで計算さ
れるLa−Ba−Cu酸化物等の酸化物常伝導材料の減衰長は
約1nmである。この減衰長は見かけ上、酸化物材料の短
い平均自由行程を反映したものである。酸化物材料の抵
抗発生原因は格子振動による散乱ではなく、隣同志の原
子間で波動関数が充分に重なっていないことによるもの
である。 すでに述べたように、Cu系酸化物では常伝導材料であ
ろうと、超電導的な性質を内在している。常伝導層に染
みだした超電導電子対は見かけ上の散乱を受けるとして
も、超電導的な性質は失わないのである。このような点
において、超電導電子対の染みだし距離はダーティリミ
ットによって決まる減衰長ではなく、むしろクリーンリ
ミットによって規定される。超電導電極間の距離はクリ
ーンリミットによって決まる定数、すなわち先に掲げた
減衰長dnで指数関数的に減衰していく。従ってジョセフ
ソンカップリングを生じさせるのに好適な電極間距離は
dnの値からその十倍までの範囲である。この範囲に電極
間距離を限定するのはdnの値より小さくすれば電極間で
超電導波動関数の位相がずれなくなり、dnの値より10倍
以上大きければ素子の超電導電流密度が実用上必要な値
105A/m2より小さくなるからである。
物系の超電導三端子の作製に有効であることの根拠は本
発明を裏づける新しい実験事実、および以下に述べる理
由によるものである。 新しい実験事実を第１図を用いて説明する。本発明者
等はＹ−Ba−Cu酸化物薄膜３を電極とし、La−Ba−Cu酸
化物薄膜２を常伝導層とするプレーナ型の素子を作製し
た。Ｙ−Ba−Cu酸化物電極間の距離は0.1μｍから0.8μ
ｍまでの範囲で異なった寸法のものを作製した。Ｙ−Ba
−Cu酸化物電極間の距離が0.2μｍの素子の場合につい
て、電圧−電流特性の一例を第２図に示した。図に示さ
れるごとく、超電導電流が得られた。超電導電流はやく
70Kまで検出された。他の素子でも同様に超電導電流が
得られた。ここで作製した素子の電極間距離は酸化物系
のコヒーレンス長さとして考えられている値、すなわち
約1nmの100〜1000倍である。 実験事実から、酸化物常伝導材料として酸化物超電導
材料と結晶構造の基本形を同じくし、場合により更に反
強磁性的な磁気特性を有する酸化物材料か、あるいは酸
化物超電導材料と結晶構造の基本形を同じくし、更に半
導体的な電気特性を有する酸化物材料を用いると良いこ
とが分かった。超電導体と常伝導体の界面において、原
子配列および構成元素の不連続な変化に起因して、超電
導電子は連続的な密度分布をするのではない。一般に、
界面において超電導電子密度は常伝導層に向かって不連
続に減衰する。 この減衰割合は超電導材料と常伝導材料の種類が異な
るほど大きい。たとえば酸化物超電導材料と金属常伝導
材料を接続する場合等がこれに当る。界面において超電
導電子密度を不連続に減衰させないためには、構造的に
同種の超電導材料と常伝導材料を組み合わせるのが好ま
しい。とくにCu系酸化物超電導材料に対してはCu系酸化
物常伝導材料を組み合わせた場合に超電導素子密度の減
衰を充分に抑えることができる。 Cu系酸化物常伝導材料はCu系酸化物超電導材料のキャ
リアを低減させることにより、反強磁性的性質をもたせ
たもの、あるいは半導体的な電気特性を持たせたものが
適している。一般に金属系超電導材料においては磁性と
超電導性は共存せず、磁性不純物の存在によって超電導
特性が失われる。 一方、酸化物系超電導材料においては超電導性を担う
部分はCuO2原子面である。CuOは本来反強磁性材料であ
る。しかるにCu系酸化物超電導材料の場合、Cuの価数が
２より大きくなることによってキャリア、すなわちホー
ルが発生し、電子系の波動関数の局在性が弱められる。
これとともに反強磁性的な性質は薄めらてくる。このこ
とは酸化物系超電導材料において磁気的性質が超電導の
発現を抑えているのではなく、キャリアが存在するかど
うかで超電導になるか否かが決まることを意味してい
る。 酸化物超電導材料におけるミクロなメカニズムは明ら
かではないが、現象論的にはCuO2面に超電導の起源とな
るキャリア間の引力相互作用となる機構を内在してい
る。このために酸化物超電導材料において、超電導的性
質と反強磁性的性質が共存するのである。これらのこと
を考慮することにより、超電導電極から常伝導層に染み
だす超電導電子対の距離が臨界磁場等の測定により決定
されるコヒーレンス長さではなく、より大きな寸法であ
ることが分かる。 ホール係数と抵抗率から、ダーティリミットで計算さ
れるLa−Ba−Cu酸化物等の酸化物常伝導材料の減衰長は
約1nmである。この減衰長は見かけ上、酸化物材料の短
い平均自由行程を反映したものである。酸化物材料の抵
抗発生原因は格子振動による散乱ではなく、隣同志の原
子間で波動関数が充分に重なっていないことによるもの
である。 すでに述べたように、Cu系酸化物では常伝導材料であ
ろうと、超電導的な性質を内在している。常伝導層に染
みだした超電導電子対は見かけ上の散乱を受けるとして
も、超電導的な性質は失わないのである。このような点
において、超電導電子対の染みだし距離はダーティリミ
ットによって決まる減衰長ではなく、むしろクリーンリ
ミットによって規定される。超電導電極間の距離はクリ
ーンリミットによって決まる定数、すなわち先に掲げた
減衰長dnで指数関数的に減衰していく。従ってジョセフ
ソンカップリングを生じさせるのに好適な電極間距離は
dnの値からその十倍までの範囲である。この範囲に電極
間距離を限定するのはdnの値より小さくすれば電極間で
超電導波動関数の位相がずれなくなり、dnの値より10倍
以上大きければ素子の超電導電流密度が実用上必要な値
105A/m2より小さくなるからである。
以下本発明の実施例を以下に述べる。 第３図に示すごとく、SrTiO3の（110）面方位単結晶
を超電導三端子素子用の基板１として用いる。基板上に
常伝導層２としてLa−Ba−Cu酸化物薄膜を形成する。成
膜は高周波マグネトロンスパッタリング法によって行
う。雰囲気ガスはArと濃度50％の酸素ガスとし、全圧力
は0.4Paとする。ターゲット材はLa−Ba−Cu酸化物の円
板状焼結体とする。電源として13.56MHzの高周波を用
い、投入電力は100Wとする。膜形成時の基板温度は550
℃−700℃の範囲とする。このような成膜条件によって
半導体的な電気抵抗特性を有するLa−Ba−Cu酸化物薄膜
を得る。 つぎにY,Ba,およびCu金属を蒸発源とする酸素雰囲気
中での反応性蒸着法によりＹ−Ba−Cu酸化物薄膜をLa−
Ba−Cu酸化物薄膜２上に形成し、超電導電極膜３とす
る。Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜の膜厚は80nmとする。Ｙ−Ba
−Cu酸化物薄膜は80Kの超電導臨界温度を有する。 そして、酸化物常伝導層２は超電導電極膜３と同一の
結晶構造の基本形を有する。 つぎに電子線描画法により有機性レジスト膜に幅0.2
μｍの溝パタンを形成する。この上からArあるいはArと
酸素の混合ガスを用いた反応性イオンビームエッチング
法によりＹ−Ba−Cu酸化物薄膜を加工することにより溝
を形成する。加工工程によりＹ−Ba−Cu酸化物薄膜が２
個の電極部に分かたれ、かつ電極間距離が0.2μｍに保
たれる。これにより２個の超電導電極膜３が得られる。 つぎに高周波マグネトロンスパッタリング法によって
SrTiO3薄膜の形成を行い、ゲート絶縁膜４とする。雰囲
気ガスはArと濃度50％の酸素の混合ガスとする。さらに
Ｙ−Ba−Cu酸化物電極溝部直上にAu薄膜を形成し、ゲー
ト電極膜５とする。 以上の方法により作製された酸化物系超電導三端子素
子は第４図に示されるごとく、Ｙ−Ba−Cu酸化物電極間
で超電導電流が流れ、Auゲート電極に電圧を印加するこ
とにより、超電導電流の値を制御することができる。す
なわち、ゲートに正の電圧を印加することにより、常伝
導層のキャリア濃度が減少する。この結果、実効的な減
衰長が短くなることにより、超電導電流を低下させるこ
とができる。これにより、本素子が超電導三端子素子と
して動作することが示される。 そして、酸化物常伝導層２が超電導電極膜３と同一の
結晶構造の基本形を有するから、界面におけるキャリア
の散乱が少ないので、超電導電流値が大きくなる。 Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜の電極間距離として0.2μｍ以
外に0.1μｍから1.0μｍまでの範囲で異なった寸法を有
する超電導三端子素子の作製を行い、この素子特性を測
定することにより、やはりゲート電圧によって超電導電
流を制御できることが示される。電極間距離が長い場
合、零ゲート電圧下では超電導電流値が低いので、負の
ゲート電圧を印加することにより蓄積層を常伝導層に形
成し、キャリア濃度を増加させて、超電導電流を増大さ
せる。 さらに超電導電極をＹ−Ba−Cu酸化物、酸化物常伝導
層としてPr−Ba−Cu酸化物薄膜、ゲート絶縁層としてSr
TiO3薄膜，ゲート電極としてAu薄膜を用いた超電導三端
子素子も同様の方法により作製される。この超電導三端
子素子はやはりＹ−Ba−Cu酸化物電極間で超電導電流が
流れ、Auゲート電極に電圧を印加することにより超電導
電流のレベルを調節することができ、三端子としての動
作が有効に働いていることを示す。 酸化物常伝導層として上記La−Ba−Cu酸化物,Pr−Ba
−Cu酸化物以外に、ペロブスカイト型結晶構造を有し、
Cuを含む酸化物であるLa−Cu酸化物、Bi−Sr−Cu酸化
物、酸素濃度を欠乏させたＹ−Ba−Cu酸化物、Ｙ−Ba−
Cu酸化物にFe,Co,Al,Ga等の磁性元素や、金属元素が不
純物として含まれた常伝導酸化物等を用いても同様に超
電導三端子素子を構成できる。さらに超電導電極として
Ｙ−Ba−Cu酸化物以外に、Bi−Sr−Ca−Cu酸化物、Tl−
Ba−Ca−Cu酸化物等のCuを含む酸化物材料を用いても同
様に三端子素子を構成できる。 このような酸化物超電導三端子素子は高速ディジタル
論理回路や記憶回路、高速アナログ・ディジタル変換器
等のアナログ回路、高感度で磁場信号を検出するスクイ
ドやマイクロ波を検出するセンサ等の基本素子として用
いられる。
を超電導三端子素子用の基板１として用いる。基板上に
常伝導層２としてLa−Ba−Cu酸化物薄膜を形成する。成
膜は高周波マグネトロンスパッタリング法によって行
う。雰囲気ガスはArと濃度50％の酸素ガスとし、全圧力
は0.4Paとする。ターゲット材はLa−Ba−Cu酸化物の円
板状焼結体とする。電源として13.56MHzの高周波を用
い、投入電力は100Wとする。膜形成時の基板温度は550
℃−700℃の範囲とする。このような成膜条件によって
半導体的な電気抵抗特性を有するLa−Ba−Cu酸化物薄膜
を得る。 つぎにY,Ba,およびCu金属を蒸発源とする酸素雰囲気
中での反応性蒸着法によりＹ−Ba−Cu酸化物薄膜をLa−
Ba−Cu酸化物薄膜２上に形成し、超電導電極膜３とす
る。Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜の膜厚は80nmとする。Ｙ−Ba
−Cu酸化物薄膜は80Kの超電導臨界温度を有する。 そして、酸化物常伝導層２は超電導電極膜３と同一の
結晶構造の基本形を有する。 つぎに電子線描画法により有機性レジスト膜に幅0.2
μｍの溝パタンを形成する。この上からArあるいはArと
酸素の混合ガスを用いた反応性イオンビームエッチング
法によりＹ−Ba−Cu酸化物薄膜を加工することにより溝
を形成する。加工工程によりＹ−Ba−Cu酸化物薄膜が２
個の電極部に分かたれ、かつ電極間距離が0.2μｍに保
たれる。これにより２個の超電導電極膜３が得られる。 つぎに高周波マグネトロンスパッタリング法によって
SrTiO3薄膜の形成を行い、ゲート絶縁膜４とする。雰囲
気ガスはArと濃度50％の酸素の混合ガスとする。さらに
Ｙ−Ba−Cu酸化物電極溝部直上にAu薄膜を形成し、ゲー
ト電極膜５とする。 以上の方法により作製された酸化物系超電導三端子素
子は第４図に示されるごとく、Ｙ−Ba−Cu酸化物電極間
で超電導電流が流れ、Auゲート電極に電圧を印加するこ
とにより、超電導電流の値を制御することができる。す
なわち、ゲートに正の電圧を印加することにより、常伝
導層のキャリア濃度が減少する。この結果、実効的な減
衰長が短くなることにより、超電導電流を低下させるこ
とができる。これにより、本素子が超電導三端子素子と
して動作することが示される。 そして、酸化物常伝導層２が超電導電極膜３と同一の
結晶構造の基本形を有するから、界面におけるキャリア
の散乱が少ないので、超電導電流値が大きくなる。 Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜の電極間距離として0.2μｍ以
外に0.1μｍから1.0μｍまでの範囲で異なった寸法を有
する超電導三端子素子の作製を行い、この素子特性を測
定することにより、やはりゲート電圧によって超電導電
流を制御できることが示される。電極間距離が長い場
合、零ゲート電圧下では超電導電流値が低いので、負の
ゲート電圧を印加することにより蓄積層を常伝導層に形
成し、キャリア濃度を増加させて、超電導電流を増大さ
せる。 さらに超電導電極をＹ−Ba−Cu酸化物、酸化物常伝導
層としてPr−Ba−Cu酸化物薄膜、ゲート絶縁層としてSr
TiO3薄膜，ゲート電極としてAu薄膜を用いた超電導三端
子素子も同様の方法により作製される。この超電導三端
子素子はやはりＹ−Ba−Cu酸化物電極間で超電導電流が
流れ、Auゲート電極に電圧を印加することにより超電導
電流のレベルを調節することができ、三端子としての動
作が有効に働いていることを示す。 酸化物常伝導層として上記La−Ba−Cu酸化物,Pr−Ba
−Cu酸化物以外に、ペロブスカイト型結晶構造を有し、
Cuを含む酸化物であるLa−Cu酸化物、Bi−Sr−Cu酸化
物、酸素濃度を欠乏させたＹ−Ba−Cu酸化物、Ｙ−Ba−
Cu酸化物にFe,Co,Al,Ga等の磁性元素や、金属元素が不
純物として含まれた常伝導酸化物等を用いても同様に超
電導三端子素子を構成できる。さらに超電導電極として
Ｙ−Ba−Cu酸化物以外に、Bi−Sr−Ca−Cu酸化物、Tl−
Ba−Ca−Cu酸化物等のCuを含む酸化物材料を用いても同
様に三端子素子を構成できる。 このような酸化物超電導三端子素子は高速ディジタル
論理回路や記憶回路、高速アナログ・ディジタル変換器
等のアナログ回路、高感度で磁場信号を検出するスクイ
ドやマイクロ波を検出するセンサ等の基本素子として用
いられる。
本発明は以下の効果を有する。 （１）従来人工的に得ることがきわめて困難であった、
酸化物超電導材料の超電導コヒーレンス長さである1nm
の素子寸法を形成する必要がなく、0.1μｍ〜１μｍの
超電導電極間距離で超電導特性を有する素子を得ること
ができる。 （２）このような素子寸法は結晶粒界や積層構造を採用
する必要がなく、集積化および三端子化等が可能なプレ
ーナ構造を容易に実現できる寸法形状である。 （３）本発明により、素子特性を人工的に制御できるか
たちで三端子素子を含む酸化物系超電導素子を作製する
ことが可能である。これにより、スイッチング回路、マ
イクロ波検出素子、スクイド等酸化物超電導素子をいた
デバイスをあらかじめ設計された仕様にもとづいて作製
することが極めて容易となる。 （４）能動領域が電極と同一の結晶構造の基本形を有す
るから、界面におけるキャリアの散乱が少ないので、超
電導電流値が大きくなる。
酸化物超電導材料の超電導コヒーレンス長さである1nm
の素子寸法を形成する必要がなく、0.1μｍ〜１μｍの
超電導電極間距離で超電導特性を有する素子を得ること
ができる。 （２）このような素子寸法は結晶粒界や積層構造を採用
する必要がなく、集積化および三端子化等が可能なプレ
ーナ構造を容易に実現できる寸法形状である。 （３）本発明により、素子特性を人工的に制御できるか
たちで三端子素子を含む酸化物系超電導素子を作製する
ことが可能である。これにより、スイッチング回路、マ
イクロ波検出素子、スクイド等酸化物超電導素子をいた
デバイスをあらかじめ設計された仕様にもとづいて作製
することが極めて容易となる。 （４）能動領域が電極と同一の結晶構造の基本形を有す
るから、界面におけるキャリアの散乱が少ないので、超
電導電流値が大きくなる。
第１図は本発明の基本となる超電導素子の構造を説明す
るための図、第２図は第１図に掲げた超電導素子の電圧
−電流特性を説明するための図、第３図は本発明の一実
施例である酸化物超電導三端子素子を説明するための
図、第４図は第３図に掲げた酸化物超電導三端子素子の
電圧−電流特性を示す図である。 符号の説明 １……基板、２……酸化物常伝導層、３……酸化物超電
導電極、４……ゲート絶縁膜、５……ゲート電極膜。
るための図、第２図は第１図に掲げた超電導素子の電圧
−電流特性を説明するための図、第３図は本発明の一実
施例である酸化物超電導三端子素子を説明するための
図、第４図は第３図に掲げた酸化物超電導三端子素子の
電圧−電流特性を示す図である。 符号の説明 １……基板、２……酸化物常伝導層、３……酸化物超電
導電極、４……ゲート絶縁膜、５……ゲート電極膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高木 一正 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 塚本 晃 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 平谷 正彦 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 西野 壽一 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平１−102974（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−194569（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−277276（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−194664（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】超電導性を示す複数の電極と、これら複数
の電極間を流れる電流のチャネルを形成するための能動
領域と、この能動領域を流れる電流を制御するための制
御手段とを有し、プランク定数をｈ、キャリアのフェル
ミ速度をｖ、ボルツマン定数をｋ、動作温度をＴとした
とき、上記複数の電極間の距離が hv/4π2kTで与えられる値よりも大きくかつhv/4π2kTで
与えられる値の10倍よりも小さく、上記能動領域がCuを
成分として含む酸化物材料からなり、上記能動領域が上
記電極と同一の結晶構造の基本形を有することを特徴と
する超電導素子。 - 【請求項２】請求項１に記載の超電導素子において、前
記能動領域が反強磁性的磁気特性を有する超電導素子。 - 【請求項３】請求項１に記載の超電導素子において、前
記能動領域が半導体的電気特性を有する超電導素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2321655A JPH0810769B2 (ja) | 1990-11-26 | 1990-11-26 | 超電導素子 |
| US08/113,006 US5380704A (en) | 1990-02-02 | 1993-08-30 | Superconducting field effect transistor with increased channel length |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2321655A JPH0810769B2 (ja) | 1990-11-26 | 1990-11-26 | 超電導素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04196183A JPH04196183A (ja) | 1992-07-15 |
| JPH0810769B2 true JPH0810769B2 (ja) | 1996-01-31 |
Family
ID=18134931
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2321655A Expired - Fee Related JPH0810769B2 (ja) | 1990-02-02 | 1990-11-26 | 超電導素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0810769B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2586370B2 (ja) * | 1992-10-30 | 1997-02-26 | 株式会社日立製作所 | 超電導トランジスタ装置 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01102974A (ja) * | 1987-10-16 | 1989-04-20 | Hitachi Ltd | 超伝導デバイス |
| JPH02194664A (ja) * | 1989-01-24 | 1990-08-01 | Fujitsu Ltd | 超伝導装置 |
| JPH02194569A (ja) * | 1989-01-24 | 1990-08-01 | Fujitsu Ltd | 酸化物超伝導薄膜の作製方法と超伝導素子 |
| JPH0634420B2 (ja) * | 1989-04-19 | 1994-05-02 | 株式会社日立製作所 | 酸化物超電導トランジスタ装置の作製方法 |
-
1990
- 1990-11-26 JP JP2321655A patent/JPH0810769B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04196183A (ja) | 1992-07-15 |
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