JPH08153908A - 結晶粒界チャンネルをもつ超伝導電界効果素子とその製造方法 - Google Patents
結晶粒界チャンネルをもつ超伝導電界効果素子とその製造方法Info
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Abstract
perconducting layers)との間に形成された結晶粒界が
チャンネルとして使用される超伝導FETを提供する。 【構成】 結晶粒界40cの直上にゲート電極70cが
形成されるので、ゲート絶縁層60を通じて印加される
電圧によってソースおよびドレイン間の電流の流れを制
御することができる。また、高価の双結晶基板を使用せ
ずに、より低価の酸化物単結晶基板にチャンネルとして
作用する結晶粒界を形成することができるので、高温超
伝導FETを経済的に製造することができる。
Description
ain boundary channel)をもつ超伝導電界効果素子(su
perconducting field effect device)およびその製造
方法に関するもので、より具体的には高温超伝導薄膜か
ら形成された結晶粒界チャンネルとして使用される超伝
導電界効果素子およびその製造方法に関するものであ
る。
演算、高速データ処理および低消費電力の特性をもつ能
動素子として広く使用されてきており、そしてビデオ信
号処理システム、高性能のワークステーションシステ
ム,衛星信号処理システム、スーパーコンピューター等
の信号処理システムに主に適用されることができる。
つ従来の超伝導電界効果トランジスター(以下、“超伝
導FET”と称する)の構成を図示している。
からなった基板(11)と、前記基板(11)の主面上
に酸化物超伝導体薄膜からなった極めて薄い超伝導チャ
ンネル(12)と、前記超伝導チャンネル(12)上に
形成された絶縁層(13)を具備している。
超伝導チャンネル層(12)の両端に、そして金属によ
って形成されているソース/ドレイン電極(15,1
6)と、前記絶縁層(13)上に形成されており、そし
て金属からなっているゲート電極(14)を附加してい
る。
層(13)はSrTiO3から形成されており、そして前記超
伝導チャンネル層(12)は高温超伝導体から形成され
ている。
1)上に順に形成されている金属−絶縁層−高温超伝導
層からなった3層構造(three-layer structure)から
構成されており、そしてヨーロッパ特許公告(European
Patent)No.0533519A2に開示されている。
来の超伝導FETの構成を図示している。
されたSrTiO3基板(21)と、この基板(21)の主面
上に形成された白金層(22)と、絶縁層(23)を挟
んで前記白金層(22)上に形成された超伝導チャンネ
ル層(24)を具備している。
的に絶縁されており、前記超伝導チャンネル層(24)
上に形成された金属のソース/ドレイン電極(25,2
6)と、そして前記基板(21)の裏面上に形成された
ゲート電極(27)を附加している。
比較して逆転図の3層構造を具備しており、そして米国
特許No.5,278,138に開示されている。
は、高温超伝導膜をゲートとして利用しているので、電
界効果が数%以内に低下される深刻な問題が発生する。
電界効果を得ることができない。その理由の一つが、そ
の中の一つが100オングストローム以下の厚さをもつ超
薄膜がそのFETの高温超伝導チャンネル層として利用
されるという点である。
することにおいて、いろんな問題点が発生される。
超伝導層を製造する場合に、その超伝導層が空気中の水
分と化学的に反応して異なる物質に大変迅速な速度で分
解されるので、結局超伝導特性を喪失する。
時に、いろんな段階の蝕刻工程が遂行されなければなら
ないので、極めて薄い超伝導層の化学的な安定性が大幅
に低下されてしまう。
っと薄くなると、そのような超伝導層の再現性は膜形成
条件の最適の範囲の制限のため大幅に低下される。
導薄膜に人為的に弱結合部位(weaklink)を生成させ
て、これをゲートとして使用する超伝導FETが開示さ
れている。
位として役割する結晶粒界が高温超伝導薄膜から生成さ
れてチャンネルとして使用される。
技術の超伝導FETは、基板の主表面を研磨して複数の
グルーブ(groove)を形成し、そして基板の主表面上に
高温超伝導薄膜を成長させてグルーブの周囲に結晶粒界
群を形成する工程によって製造される。
多数、Physics Letters 62(6),pp630-32,1993”に開示
されている。
は、相異なる結晶配向方位(crystalorientation)をも
つ二つの単結晶を接合して双結晶基板(bi-crystal sub
strate )を形成する工程と、双結晶基板上に高温超伝
導薄膜を成長させて双結晶基板の接合部に結晶粒界を形
成する工程からなる。
Applied Physics Letters 63(5),pp684-688,1993”また
は“Z.G.Invanov外に多数、IEEE Transactions on Appl
iedSuperconductivity, Vol.3,No.1,pp2925-2928,199
3”に開示されている。
は、高温超伝導薄膜が蒸着された基板を機械的に変調す
ることによって、その基板の表面に蒸着された高温超伝
導薄膜に複数のグルーブが形成されるようにしてから、
その高温超伝導薄膜に結晶粒界を形成させるので、次の
ような問題点が発生する。
には基板の研磨,洗滌,熱処理等のような多数の複雑な
工程が要求される。
ことが大変困難である。
変高価であるので、双結晶基板を使用したら高温超伝導
FETを経済的に製造することができないようになる。
る結晶の配向方位をもつ超伝導層(superconducting la
yers)との間に形成された結晶粒界がチャンネルとして
使用される超伝導FETを提供するものである。
させる間に結晶の配向方位により結晶粒界を形成する超
伝導FETの製造方法を提供するものである。
成長温度の変化により結晶粒界を生成する超伝導FET
の製造方法を提供するものである。
結晶粒界をもつ本発明の超伝導電界効果素子は、酸化物
単結晶基板(oxide crystal substrate)と、相互間に
電気的に隔離され、それぞれがソース/ドレインとして
役割する第1高温超伝導薄膜と、前記第1高温超伝導薄
膜の中の一つの上と前記基板の露出された表面上に形成
される底面層(template layer)と、上にこの底面層が
存在しない、そしてc−軸に垂直に配向される第1部分
と、上に前記底面層が存在する、そしてc−軸に平行に
配向される第2部分をもっており、そして前記第1部分
と前記第2部分との間に結晶粒界が形成される第2高温
超伝導薄膜と、前記第2高温超伝導薄膜上に形成される
ゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層上に形成されるゲー
ト電極および、前記第1高温超伝導薄膜のすべての上の
前記第2高温超伝導薄膜の露出された表面上に形成され
るソース電極およびドレイン電極を包含する。
ンネルをもつ超伝導電界効果素子を製造する本発明の方
法は、酸化物単結晶基板を準備する工程と、前記酸化物
単結晶基板の主表面上に第1高温超伝導薄膜を蒸着する
工程と、前記第1高温超伝導薄膜をパターニングして開
口をもつパターンされた超伝導薄膜を形成する工程と、
その上に第1所定の温度から底面層を蒸着する工程と、
前記底面層を選択的にエッチバックして前記底面層が除
去された露出部と前記底面層が蒸着された成長部をもつ
パターンされた底面層を形成する工程と、第2所定の温
度から第2高温超伝導薄膜を成長させて前記露出部と前
記底面層との間にそれらの配向方位により結晶粒界を形
成する工程と、前記第2高温超伝導薄膜上に絶縁層を形
成して前記第2高温超伝導薄膜が大気の中からの特性に
因って劣化されることを防止する工程と、前記絶縁層を
選択的にエッチバックして前記開口上に形成された蒸着
部と前記パターンされた超伝導薄膜上に形成されたエッ
チ部をもつパターンされた絶縁層を形成する工程と、前
記パターンされた絶縁層上にゲート絶縁層を形成する工
程および、その上には金属電極を、前記エッチ部上には
それぞれソース/ドレイン電極を、そして前記結晶粒界
のすぐ上の前記ゲート絶縁層の前記蒸着部上にはゲート
電極をコーティングする工程から構成される。
は超伝導体の酸化物類の材質の中の一つから構成され
る。
類はSrTiO3の(100)−配向絶縁基板、またはLaSrGaO4
の(100)−配向絶縁基板を包含する。
膜を形成する前記工程は750から800℃の基板温度からと
約100mTorrの酸素圧力の下で遂行されて約100nmの厚さ
をもつ底面層を形成する。
から構成される。
前記工程は600から650℃の基板温度からと約100mTorrの
酸素圧力の下で遂行されて約200nmの厚さをもつ底面層
を形成する。
成長させる前記工程は750から800℃の基板温度と約100m
Torrの酸素圧力の下で遂行されて約100nmの厚さをもつ
前記第2超伝導薄膜を形成する。
前記底面層の前記露出部上に高温超伝導物質がc−軸に
垂直に配向される第1部分と、前記底面層の前記成長部
上に高温超伝導物質がc−軸に水平に配向される第2部
分および、前記第1および第2部分との間に形成される
結晶粒界をもっている。
成長させる工程は前記底面層の前記露出部上にc−軸に
垂直する配向方位をもつ高温超伝導物質を蒸着する段階
および、前記底面層の前記成長部上にc−軸に垂直する
配向方位をもつ高温超伝導物質を蒸着する段階を包含す
ることによって、前記結晶粒界が垂直−水平配向方位を
もつ物質との間に形成されるようにする。
x≦7)から構成される。
前記工程は650から700℃の基板温度からと約100mTorrの
酸素圧力の下で遂行されて約10nmの厚さをもつ絶縁層を
形成する。
成する前記工程は650から700℃の基板温度からと約100m
Torrの酸素圧力の下で遂行されて約100nmの厚さをもつ
ゲート絶縁層を形成する。
る。
れは約100nmの厚さをもっており、AgまたはAuから
構成される。
Tにおいては、結晶粒界上に直接的にゲート電極が形成
されるので、ゲート絶縁層を通じて印加される電圧によ
ってソースおよびドレイン間の電流の流れを制御するこ
とができる。
り低価の酸化物単結晶基板にチャンネルとして作用する
結晶粒界を形成することができるので、高温超伝導FE
Tを経済的に製造することができる。
deposition)を利用することによって酸化物単結晶基板
(10)上にパターンされた超伝導薄膜(20)が形成
されたことを示す。
形成工程は750℃から800℃までの基板温度から、そして
100mTorrの酸素圧力の下で遂行されて100nmの厚さをも
つ底面層を形成する。
7-x(0≦x≦7)物質の高温超伝導層を蒸着した後に
パターニング工程を遂行する。
(10)上にはパターンされた超伝導薄膜(20)が形
成される。超伝導層を蒸着することにおいて、YBa2Cu3O
7-x(0≦x≦7)物質は基板上に垂直に配向される。
超伝導層をパターニングすることにおいては、Arイオ
ンミリングのような乾式蝕刻方法を遂行して超伝導層を
選択的に除去しており、これをもって基板(10)上に
は開口をもつパターンされた超伝導薄膜(20)が形成
される。残存する超伝導層(20)はFETのソース/
ドレイン領域として役割する。
縁基板やLaSrGaO4(100)配向絶縁基板のような超伝導
体の酸化物類の物質の中の一つからなる。
成されたことを図示している。
導薄膜(20)上にはPrBa2Cu3O7-x(0≦x≦7)から
構成される底面層(30)を蒸着する。底面層(30)
の形成工程は600℃から650℃までの温度から、そして約
100mTorrの酸素圧力の下で遂行されて 200nm程度の厚さ
をもつ底面層を形成する。
ーンされた底面層(30a)を形成する。このとき、図
3に図示のように、底面層(30)の一つの部分のみを
選択的に除去する。
れた部分を第1の部分とし、底面層(30)の残存して
いる部分を第2の部分と称する。
をもつ高温超伝導薄膜(40)が形成されたことを図示
している。
層(30a)上に高温超伝導薄膜(40)を成長させ
る。
までの基板温度から、そして100mTorrの酸素圧力の下で
遂行されて100nmの厚さをもつ第2の超伝導薄膜を形成
する。
薄膜(40)に結晶粒界(40c)が形成される。
る間、パターンされた底面層(30a)の第1部分上の
高温超伝導物質はc−軸に垂直に配向されると同時に、
パターンされた底面層(30a)の第2部分上の高温超
伝導物質はc−軸に水平に配向される。
出された部分上とそして底面層が存在しないパターンさ
れた超伝導薄膜(20)の部分上に直接的に成長される
ためである。
に図示のように、底面層PrBa2Cu3O7-xが存在しない第1
部分上からは高温超伝導薄膜(40a)がc−軸に垂直
の配向方位に成長されるが、底面層PrBa2Cu3O7-xが存在
する第2部分上からは高温超伝導薄膜(40b)がc−
軸に水平の配向方位に成長される。
る間、c−軸に垂直に配向された超伝導薄膜(40a)
とc−軸に水平に配向された超伝導薄膜(40b)との
間には、それらの間の配向方位の差異に因って、結晶粒
界(40c)が形成される。
はYBa2Cu3O7-x(0≦x≦7)からなる。
(50)が形成されたことを図示している。
℃から700℃までの基板温度から、そして100mTorrの酸
素圧力の下で遂行されて10nmの厚さをもつ絶縁層を形成
する。
出されることに因ってその特性が劣化されることを防止
するためのもので、前記絶縁層はSrTiO3から構成され
る。
たことを図示している。
導薄膜(40)の露出された表面上にソース/ドレイン
電極をコーティングするために、パターンされた絶縁層
(50a)を形成する。
a)上にSrTiO3からなるゲート絶縁層(60)が形成さ
れたことを図示している。ゲート絶縁層(60)の形成
工程は650℃から700℃までの基板温度から、そして100m
Torrの酸素圧力の下で遂行されて100nmの厚さをもつゲ
ート絶縁層を形成する。
ネリング電流がそれを通過して流れないようにすること
に充分である。
れた表面上にはソース/ドレイン電極(70a,70
b)を形成すると同時にゲート絶縁層(60)上にゲー
ト電極(70c)を形成する。
るが、AgやAuから構成される。
超伝導電界効果トランジスターにおいては、図8に図示
のように、結晶粒界のすぐ上方にゲート電極が形成され
るので、ソースとドレイン電極との間に流れる電流をゲ
ート絶縁層に印加される電圧によって調節することがで
きる。
も薄膜の成長温度変化によって低価の酸化物単結晶基板
にチャンネルとして作用する結晶粒界を形成することが
できるので、高温超伝導電界効果素子を経済的に製造す
ることができる。
様な他の変形が可能であることと、この分野の通常の専
門家程度なら充分にそのようにすることができるという
ことが自明である。
範囲はここで記述された事項のみに限定されるものでは
なく、本発明に内在された新規性のすべての特徴を包含
するものとして解析されなければならないであろう。
果素子を製造する工程を示した断面図である。
果素子を製造する工程を示した断面図である。
果素子を製造する工程を示した断面図である。
果素子を製造する工程を示した断面図である。
果素子を製造する工程を示した断面図である。
果素子を製造する工程を示した断面図である。
果素子を製造する工程を示した断面図である。
果素子を製造する工程を示した断面図である。
超伝導電界効果素子の構成を示した断面図である。
電界効果素子の構成を示した断面図である。
Claims (16)
- 【請求項1】 酸化物単結晶基板と、 相互間に電気的に隔離され、それぞれがソース/ドレイ
ンとして役割する第1高温超伝導薄膜と、 前記第1高温超伝導薄膜の中で一つの上と前記基板の露
出された表面上に形成される底面層と、 上に前記底面層が存在しない、そしてc−軸に垂直に配
向される第1部分と、上に前記底面層が存在する、そし
てc−軸に平行に配向される第2部分をもっており、そ
して前記第1部分と前記第2部分との間に結晶粒界が形
成される第2高温超伝導薄膜と、 前記第2高温超伝導薄膜上に形成されるゲート絶縁層
と、 前記ゲート絶縁層上に形成されるゲート電極および、 前記第1高温超伝導薄膜のすべて上の前記第2高温超伝
導薄膜の露出された表面上に形成されるソース電極およ
びドレイン電極を包含する結晶粒界チャンネルをもつ超
伝導電界効果素子。 - 【請求項2】 酸化物単結晶基板を準備する工程と、 前記酸化物単結晶基板の主表面上に第1高温超伝導薄膜
を蒸着する工程と、 前記第1高温超伝導薄膜をパターニングして開口をもつ
パターンされた超伝導薄膜を形成する工程と、 その上に第1所定の温度から底面層を蒸着する工程と、 前記底面層を選択的にエッチバックして前記底面層が除
去された露出部と前記底面層が蒸着された成長部をもつ
パターンされた底面層を形成する工程と、 第2所定の温度から第2高温超伝導薄膜を成長させて前
記露出部と前記パターンされた底面層との間にそれらの
配向方位により結晶粒界を形成する工程と、 前記第2高温超伝導薄膜上に絶縁層を形成して前記第2
高温超伝導薄膜が大気の中での特性に因って劣化される
ことを防止する工程と、 前記絶縁層を選択的にエッチバックして前記開口上に形
成された蒸着部と前記パターンされた超伝導薄膜上に形
成されたエッチ部をもつパターンされた絶縁層を形成す
る工程と、 前記パターンされた絶縁層上にゲート絶縁層を形成する
工程および、 その上には金属電極を、前記エッチ部上にはそれぞれソ
ース/ドレイン電極を、そして前記結晶粒界のすぐ上の
前記ゲート絶縁層の前記蒸着部上にはゲート電極をコー
ティングする工程を包含する結晶粒界チャンネルをもつ
超伝導電界効果素子の製造方法。 - 【請求項3】 前記酸化物単結晶基板は超伝導体の酸化
物類の材質の中の一つから構成されることを特徴とする
請求項1記載の結晶粒界チャンネルをもつ超伝導電界効
果素子の製造方法。 - 【請求項4】 前記超伝導体の酸化物類はSrTiO3の(10
0)−配向絶縁基板、またはLaSrGaO4の(100)−配向絶
縁基板を包含することを特徴とする請求項3記載の結晶
粒界チャンネルをもつ超伝導電界効果素子の製造方法。 - 【請求項5】 前記第1高温超伝導薄膜を形成する前記
工程は750℃から800℃までの基板温度からと約100mTorr
の酸素圧力の下で遂行されて約100nmの厚さをもつ底面
層を形成することを特徴とする請求項2記載の結晶粒界
チャンネルをもつ超伝導電界効果素子の製造方法。 - 【請求項6】 前記底面層はPrBa2Cu3O7-x(0≦x≦
7)から構成されることを特徴とする請求項2記載の結
晶粒界チャンネルをもつ超伝導電界効果素子の製造方
法。 - 【請求項7】 前記底面層を蒸着する前記工程は600℃
から650℃までの基板温度からと約100mTorrの酸素圧力
の下で遂行されて約200nmの厚さをもつ底面層を形成す
ることを特徴とする請求項2記載の結晶粒界チャンネル
をもつ超伝導電界効果素子の製造方法。 - 【請求項8】 前記第2超伝導薄膜を成長させる前記工
程は750℃から800℃までの基板温度と約100mTorrの酸素
圧力の下で遂行されて約100nmの厚さをもつ前記第2超
伝導薄膜を形成することを特徴とする請求項2記載の結
晶粒界チャンネルをもつ超伝導電界効果素子の製造方
法。 - 【請求項9】 前記第2の超伝導薄膜は前記底面層の前
記露出部上に高温超伝導物質がc−軸に垂直に配向され
る第1部分と、前記底面層の前記成長部上に高温超伝導
物質がc−軸に水平に配向される第2部分および、前記
第1および第2部分との間に形成される結晶粒界をもつ
ことを特徴とする請求項2記載の結晶粒界チャンネルを
もつ超伝導電界効果素子の製造方法。 - 【請求項10】 前記第2超伝導薄膜を成長させる前記
工程は前記底面層の前記露出部上にc−軸に垂直する配
向方位をもつ高温超伝導物質を蒸着する段階および、前
記底面層の前記成長部上にc−軸に垂直する配向方位を
もつ高温超伝導物質を蒸着する段階を包含しており、 これをもって、前記結晶粒界が垂直−水平の配向方位を
もつ物質との間に形成されるようにすることを特徴とす
る請求項2記載の結晶粒界チャンネルをもつ超伝導電界
効果素子の製造方法。 - 【請求項11】 前記第2超伝導薄膜はYBa2Cu3O
7-x(0≦x≦7)から構成されることを特徴とする請
求項2記載の結晶粒界チャンネルをもつ超伝導電界効果
素子の製造方法。 - 【請求項12】 前記絶縁層を形成する前記工程は650
℃から700℃までの基板温度からと約100mTorrの酸素圧
力の下で遂行されて約10nmの厚さをもつ絶縁層を形成す
ることを特徴とする請求項2記載の結晶粒界チャンネル
をもつ超伝導電界効果素子の製造方法。 - 【請求項13】 前記絶縁層はSrTiO3から構成されるこ
とを特徴とする請求項12記載の結晶粒界チャンネルを
もつ超伝導電界効果素子の製造方法。 - 【請求項14】 前記ゲート絶縁層を形成する前記工程
は650℃から700℃までの基板温度からと約100mTorrの酸
素圧力の下で遂行されて約100nmの厚さをもつゲート絶
縁層を形成することを特徴とする請求項2記載の結晶粒
界チャンネルをもつ超伝導電界効果素子の製造方法。 - 【請求項15】 前記ゲート絶縁層はSrTiO3から構成さ
れることを特徴とする請求項12記載の結晶粒界チャン
ネルをもつ超伝導電界効果素子の製造方法。 - 【請求項16】 前記金属電極のそれぞれは約100nmの
厚さをもっており、AgまたはAuから構成されること
を特徴とする請求項2記載の結晶粒界チャンネルをもつ
超伝導電界効果素子の製造方法。
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