JPH08227743A - 酸化物超電導体用金属電極 - Google Patents

酸化物超電導体用金属電極

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JPH08227743A
JPH08227743A JP7055102A JP5510295A JPH08227743A JP H08227743 A JPH08227743 A JP H08227743A JP 7055102 A JP7055102 A JP 7055102A JP 5510295 A JP5510295 A JP 5510295A JP H08227743 A JPH08227743 A JP H08227743A
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electrode
superconducting
metal
oxide
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Takao Nakamura
孝夫 中村
Michitomo Iiyama
道朝 飯山
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N60/20Permanent superconducting devices
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 少なくとも一部が、酸化物超電導体1の表面
に対して垂直な面に接している貴金属膜12で構成された
電極。 【効果】 接触抵抗が小さく、良好なオーミック接触が
形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、酸化物超電導体用金属
電極に関する。より詳細には、酸化物超電導体で構成さ
れた超電導配線あるいは超電導チャネル等に常電導線か
ら給電するための金属電極の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】超電導現象を利用した素子は、従来の半
導体素子に比較して高速であり、消費電力も小さく、飛
躍的に高性能化することができると考えられている。特
に近年研究が進んでいる酸化物超電導体を使用すること
により、比較的高い温度で動作する超電導素子を作製す
ることが可能である。しかしながら、現在のところ、特
定の電子装置全体を超電導素子だけで構成することは不
可能である。従って、超電導素子は、必ず通常の素子、
回路等と接続される。
【0003】導電特性が異なる2つの材料を電気的に接
続する場合、接続界面における電流−電圧特性が非直線
特性となることがある。これは、半導体上に形成された
金属電極でしばしば経験されることであり、半導体素
子、半導体デバイスの性能に悪影響を及ぼす。酸化物超
電導体と金属とは、半導体と金属以上に導電性が異なる
ので、酸化物超電導体上に形成された金属電極と酸化物
超電導体との界面における電流−電圧特性にはより問題
が生じやすい。
【0004】さらに、酸化物超電導体は、各種特性が結
晶方向により大きく異なる。従って、酸化物超電導体を
各種の超電導部品、超電導素子等に適用する場合には、
特に電流が流れる方向を酸化物超電導体が最大の臨界電
流密度を有する結晶方向(結晶のc軸に垂直な方向)と
一致させるよう構成する。そのために、金属電極の酸化
物超電導体上への配置には、さらに制限が加わる。すな
わち、金属電極が配置可能な位置あるいは配置可能な金
属電極の形状が、必ずしも金属電極から酸化物超電導体
へ電流を良好に流せる位置または形状になるとは限らな
い。
【0005】酸化物超電導体の電流の流れにくい結晶方
向へ電流を流すように形成された金属電極は、酸化物超
電導体との間の実質的な接触抵抗が大きく、さらに、超
電導素子等に使用される酸化物超電導薄膜は表面の状態
が不安定で表面に極薄の高抵抗の物質の層ができやす
く、この高抵抗層も接触抵抗の増大に寄与していた。大
きい接触抵抗を補うためには、金属電極の面積を大きく
しなければならなかった。これは、超電導素子の電子装
置への応用を考えた場合に発生する素子を小型化すると
いう要求と矛盾する。
【0006】上記の高抵抗層の影響を排除すべく、金属
電極を酸化物超電導薄膜上に両者が互いに直接接触する
よう形成するには、特別な技術を用いなければならな
い。例えば、酸化物超電導薄膜の成膜直後に連続して金
属電極となる金属薄膜を成膜するin-situ 成膜法や、金
属薄膜を成膜後に加熱処理(アニール)を行う方法を用
いる必要がある。
【0007】しかしながら、Y1Ba2Cu37-X酸化物超電
導薄膜上にin-situ で成膜したAg薄膜の電極と酸化物超
電導体との接触抵抗は10-8Ωcm2程度までしか小さくな
らない。また、Y1Ba2Cu37-X酸化物超電導薄膜上にAu
薄膜またはAg薄膜を成膜し、成膜後にアニールを行って
形成した電極と酸化物超電導体との接触抵抗は10-6Ωcm
2程度である。さらに、アニールを行った場合には、酸
化物超電導体を利用した素子、配線部分で酸化物超電導
体とこれと隣接する異なる材料の薄膜等との間で相互拡
散が起こったり、酸化物超電導体中の酸素が失われて酸
化物超電導体の超電導特性が劣化することがある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
酸化物超電導体を使用した超電導素子、超電導配線に適
用されている従来の金属電極は、酸化物超電導体の電流
が流れやすい結晶方向に必ずしも電流を流すことができ
ない。また、酸化物超電導薄膜表面の不安定性のために
高抵抗層が金属電極と酸化物超電導体との間に形成され
ることがある。さらに、この高抵抗層を影響を排除する
ためのアニール処理や、高抵抗層を除去するエッチング
処理は酸化物超電導薄膜を劣化させることがある。これ
らの原因により、金属電極と酸化物超電導体との間の接
触抵抗が大きく、それを補うために金属電極の寸法を大
きくしなければならなかった。
【0009】そのために、特に薄い酸化物超電導薄膜上
に金属電極を設けることが難しく、超電導素子を構成す
る各層をより薄膜化して、高速または低電力消費の素子
とすることがほとんどできない。さらに、金属電極を大
型にしなければならないので、素子の寸法を小さくでき
ない。また、電極と素子の活性領域との間の距離を大き
くしなければならない場合もあり、その際には不要な寄
生容量が発生し、素子の性能を低下させる。
【0010】そこで本発明の目的は、上記従来技術の問
題点を解決した新規な構成で、酸化物超電導体を使用し
た超電導素子、超電導配線に適した金属電極を提供する
ことにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明に従うと、酸化物
超電導体表面上に配置され、酸化物超電導体と電気的に
接合された金属の電極であり、少なくとも一部が前記酸
化物超電導体の、前記表面に対して垂直な面に接してい
ることを特徴とする電極が提供される。本発明の電極
は、酸化物超電導体がc軸配向の酸化物超電導薄膜であ
る場合に、酸化物超電導体結晶のc軸に垂直な方向に電
流を流すことができるので、特に効果的である。本発明
の電極には、酸化物超電導体に悪影響を及ぼさない任意
の金属が使用できるが、Au、Ag、Ptおよび少なくともこ
れらの1種を含む合金が特に好ましい。
【0012】また、本発明においては、基板と、基板上
に配置され、酸化物超電導体で構成された超電導チャネ
ルと、超電導チャネルの両端に超電導チャネルに電気的
に接続されて配置されたソース電極およびドレイン電極
と、超電導チャネル上にゲート絶縁層を介して配置され
て印加された信号電圧により超電導チャネルを流れる電
流を制御するゲート電極とを備える超電導電界効果型素
子において、ソース電極およびドレイン電極が、上記の
構成の電極であることを特徴とする超電導電界効果型素
子が提供される。
【0013】さらに本発明に従うと、酸化物超電導体上
に酸化物超電導体と電気的に接合された金属の電極を形
成する方法において、酸化物超電導体の電極を形成する
位置をエッチングして表面に対して垂直な面を露出させ
る工程と、酸化物超電導体の新たに露出した表面に対し
て垂直な面に少なくとも一部が接するよう金属の膜を形
成する工程と、金属膜を局所的に加熱する熱処理を行う
工程とを含むことを特徴とする方法が提供される。
【0014】上記本発明の方法では、酸化物超電導体の
エッチングを集束イオンビームエッチング法で行うこと
が好ましく、金属膜を酸化物超電導体のエッチングに連
続してその場(in-situ)で成膜することが好ましく、金
属膜を局所的に加熱する工程が、レーザアニール法で行
われることが好ましい。
【0015】
【作用】本発明の電極は、酸化物超電導体の表面に垂直
な面に少なくとも一部が接している金属で主に構成され
ている。本発明の電極は、特に酸化物超電導体がc軸配
向{(001)配向}の酸化物超電導薄膜の場合にその
効果が大きい。すなわち、c軸配向の酸化物超電導薄膜
はその膜面に平行な方向(c軸に垂直な方向)に大きな
電流を流すことができるが、膜面に対して垂直な方向に
は電流が流れにくい。本発明の電極は、酸化物超電導体
の表面および表面に対して垂直な面の両方に接してい
る。従って、表面からは僅かな電流しか流れないc軸配
向の酸化物超電導薄膜であっても、表面に対して垂直な
面から十分大きい電流が流れる。
【0016】本発明の電極は、酸化物超電導体と反応し
て酸化物超電導体を劣化させる等、酸化物超電導体に悪
影響を及ぼさないものを使用しなければならない。この
点で特に好ましいのは、Au、Ag、Ptおよびこれらの少な
くとも1種を含む合金である。本発明の電極は、任意の
酸化物超電導体に適用できるが、特にY−Ba−Cu−O
系、Bi−Sr−Ca−Cu−O系およびTl−Ba−Ca−Cu−O系
に適用することが好ましい。これらの酸化物超電導体は
現在のところ安定して、優れた特性を有するものが得ら
れるからである。
【0017】本発明の電極は、超電導電界効果型素子の
ソース電極およびドレイン電極に使用することが好まし
い。超電導電界効果型素子の超電導チャネルは、極めて
薄い5nm程度の厚さの酸化物超電導薄膜で構成されてお
り、一般的にはc軸配向の酸化物超電導薄膜が使用され
る。この超電導チャネルの両端に配置されるソース電極
およびドレイン電極は、超電導チャネルとの接続が極め
て難しい。ソース電極およびドレイン電極を本発明の電
極とすることにより、超電導電界効果型素子の特性を損
なうことなく、両者を超電導チャネルに良好に接続する
ことができる。
【0018】一方、本発明では、上記本発明の電極を作
製する方法も提供される。本発明の方法は、酸化物超電
導体の電極を形成する位置をエッチングして表面に対し
て垂直な面を露出させ、この酸化物超電導体の新たに露
出した面に少なくとも一部が接するよう金属の膜を形成
し、金属膜を局所的に加熱する熱処理を行う。この金属
膜を局所的に加熱する局所アニールにより、酸化物超電
導体を劣化させることなく金属膜と酸化物超電導体との
間にオーミック性の合金層を形成することができる。
【0019】本発明の方法では、酸化物超電導体のエッ
チングを集束イオンビームエッチング法で行うことが好
ましく、金属膜の成膜は酸化物超電導体のエッチングに
連続してその場(in-situ)で行うことが好ましい。酸化
物超電導体の表面、特にエッチングにより新たに露出し
た表面は非常に不安定で、汚染され易く、劣化し易いの
で、エッチング後、真空を破ることなくその場で直ちに
金属膜を成膜することが好ましい。
【0020】さらに本発明の方法では、上記金属膜の局
所アニールをレーザを使用して行うことが好ましい。レ
ーザを使用することにより、アニールする位置および範
囲を正確に決定することができる。従って、接続箇所以
外の酸化物超電導体を不要に加熱して、周囲の異なる材
料の構成物質との間で相互拡散を起こしたり、酸化物超
電導体中の酸素が抜けて超電導特性が劣化したりすると
いうことを防止できる。
【0021】以下、本発明を実施例によりさらに詳しく
説明するが、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲をなんら制限するものではな
い。
【0022】
【実施例】本発明の電極を作製した。図1を参照して、
その工程を説明する。まず、図1(a) に示すようなSrTi
3(100)基板5をO2中で950 ℃に1時間加熱する
アニール処理行い、基板表面の汚れを除去するとともに
結晶欠陥を除去した。次に、アニール処理を行った基板
5上に図1(b)に示すようc軸配向のY1Ba2Cu37-X
化物超電導薄膜1を成膜した。酸化物超電導薄膜1は、
レーザ蒸着法で厚さ100 nmに成膜した。主な成膜条件を
以下に示す。 基板温度 700 ℃ 圧力 300 mTorr(O2) ターゲット Y1Ba2Cu37-X焼結体 エネルギ密度 1J/cm2 ビーム径 1mmφ 成膜速度 10 nm/分 膜厚 100 nm 得られたY1Ba2Cu37-X酸化物超電導薄膜1の臨界温度
c は、約88〜90Kであった。
【0023】次に、集束イオンビームエッチングによ
り、Y1Ba2Cu37-X酸化物超電導薄膜1の電極を形成す
る部分をエッチングし、図1(c)に示すよう凹部11を形
成した。イオン源としては、Gaの液体金属を使用し、そ
のイオンビームの加速電圧は50keVで、注入イオン量は
1018dose/cm3とした。また、凹部11の深さは約80nmと
した。
【0024】この酸化物超電導薄膜1のエッチングに連
続して、その場(in-situ)で真空を破ることなく酸化物
超電導薄膜1の凹部11上にPt薄膜12を電子ビーム蒸着法
で、図1(d)に示すよう成膜した。Pt薄膜12の厚さは150
nm とした。最後に、凹部11およびその近傍のPt薄膜12
をレーザにより局部的に加熱してアニール処理し、酸化
物超電導薄膜1との間でオーミック性の合金層を形成さ
せて、図1(e)に示すよう本発明の電極が完成した。ア
ニールに使用したレーザのエネルギ密度は10mJ/cm2
とした。
【0025】以上のように本発明の方法で作製した本発
明の電極は、酸化物超電導薄膜1との間の接触抵抗が10
-9Ωcm2 以下で、電流−電圧特性は、電極から酸化物超
電導薄膜1へ電流を流しても、逆に酸化物超電導薄膜1
から電極に電流を流しても全く等しい直線関係を示し、
良好なオーミック接触が形成されていることがわかっ
た。
【0026】本発明の電極を、ソース電極およびドレイ
ン電極に使用した超電導電界効果型素子を作製した。図
2および図3を参照してその工程を説明する。最初に図
2(a)に示すSrTiO3(100)基板上に、図2(b)に示
すよう厚さ約15nmのPr1Ba2Cu37-yバッファ層50を反応
性共蒸着法で成膜した。主な成膜条件を以下に示す。 バッファ層50には、Pr1Ba2Cu37-y以外にも(BazS
r1-z)TiO3 が好ましく、厚さは15〜20nmが好ましい。
【0027】次に、バッファ層50に連続してその場(in
-situ)で、バッファ層50上にc軸配向{(001)配
向}のY1Ba2Cu37-X酸化物超電導薄膜1を、図2(c)
に示すよう成膜した。Y1Ba2Cu37-X酸化物超電導薄膜
1は、Pr蒸発源をY蒸発源に切り換えて共蒸着法で、超
電導チャネルに適当な5〜10nmの厚さに成膜した。成膜
条件を以下に示す。
【0028】続いて、図2(d)に示すよう、酸化物超電
導薄膜1の上に、SrTiO3薄膜7を酸化物超電導薄膜1
に連続してその場(in-situ)で形成した。SrTiO3薄膜
7も共蒸着法で、厚さ250 nmに形成した。主な成膜条件
を以下に示す。
【0029】さらにSrTiO3薄膜7上に、連続してその
場(in-situ)でPt薄膜4を、図2(e)に示すよう形成し
た。Pt薄膜4は、電子ビーム蒸着法で厚さ約100nmに成
膜した。次に、図2(f)に示すよう、Pt薄膜4の中央部
付近にフォトレジスト膜8を形成した。このフォトレジ
スト膜8をマスクに、図3(g)に示すよう、Arイオンミ
リングによりPt薄膜4およびSrTiO3薄膜7をエッチン
グした。Arイオンミリングは、加速電圧600 V、イオン
電流150mAで実施し、SrTiO3薄膜7が約20nm以下にな
るまでエッチングした。このとき、フォトレジスト膜8
にマスクされて残ったPt薄膜4は、ゲート電極の一部と
なる。また、その下のSrTiO3薄膜7は、ゲート絶縁層
となる。
【0030】次に、SrTiO3薄膜の薄く残留した部分17
を約0.1 μmだけゲート絶縁層の部分のSrTiO3薄膜7
の両側に残し、集束イオンビームエッチングによりバッ
ファ層50の中間部分までエッチングを行い、図3(h)に
示すよう酸化物超電導薄膜1の側面を露出させる。酸化
物超電導薄膜1の新たに露出した側面はc軸に平行な面
であり、酸化物超電導薄膜1のこの面に垂直な方向には
大きな電流を流すことができる。尚、イオン源としては
Gaの液体金属を使用し、そのイオンビームの加速電圧は
50keVで、注入イオン量は1018dose/cm3とした。
【0031】最後に、上記のエッチングに連続してその
場(in-situ)で、Pt薄膜を電子ビーム蒸着法により超電
導薄膜1の両側面にそれぞれ接触させて形成し、局所的
にレーザアニールを行って酸化物超電導薄膜1との間に
オーミック性合金層を形成させて、ソース電極2および
ドレイン電極3とし、図3(i)に示すよう超電導電界効
果型素子が完成した。ここでは、ソース・ドレイン電極
をゲート電極と分離するためにアニール時の熱により溶
融したPtの表面張力を利用したが、Pt薄膜の成膜後に、
適切な方法によりエッチング分離してもよい。また、Sr
TiO3薄膜7のエッチングの際に斜めにエッチングを行
い、T字型ゲート電極を形成してソース・ドレイン電極
をゲート電極から分離してもよい。
【0032】以上のように作製した本発明の超電導電界
効果型素子の特性を測定したところ、ソース−ドレイン
間の電流−電圧特性は、理想的なものとなっており、超
電導チャネルを構成する酸化物超電導薄膜1とソース電
極2およびドレイン電極3との間に良好なオーミック接
触が形成されていることがわかった。
【0033】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に従えば、
新規な構成の酸化物超電導体を使用した超電導素子、超
電導配線に適した電極が提供される。本発明の電極は、
酸化物超電導体に対して電流が流れやすい方向から接触
しているので、実質的な接触抵抗が小さく、小さい接触
面積でも大きな電流を流すことができる。また、接触状
態が良好であり、対称的な電流−電圧特性を有する。さ
らに本発明の方法によれば、本発明の電極が容易に作製
可能である。本発明の電極を超電導電界効果型素子のソ
ース電極およびドレイン電極に適用すれば、薄い超電導
チャネルに直接ソース電極およびドレイン電極が接合で
き、ゲートとの間の距離を極めて小さくすることができ
る。これは、単に素子を小型化できるだけでなく、不要
な寄生容量を減らせるので、素子の性能を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電極を作製する工程を説明する図であ
る。
【図2】本発明の電極をソース電極およびドレイン電極
に適用した超電導電界効果型素子を作製する工程の前半
を説明する図である。
【図3】本発明の電極をソース電極およびドレイン電極
に適用した超電導電界効果型素子を作製する工程の後半
を説明する図である。
【符号の説明】
1 酸化物超電導薄膜 2 ソース電極 3 ドレイン電極 4 Pt膜 5 基板 7 SrTiO3
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 39/12 ZAA H01L 39/12 ZAAC

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸化物超電導体表面上に配置され、酸化
    物超電導体と電気的に接合された金属の電極であり、少
    なくとも一部が前記酸化物超電導体の、前記表面に対し
    て垂直な面に接していることを特徴とする電極。
  2. 【請求項2】 前記酸化物超電導体が、c軸配向の酸化
    物超電導薄膜であることを特徴とする請求項1に記載の
    電極。
  3. 【請求項3】 前記酸化物超電導体が、Y−Ba−Cu−O
    系、Bi−Sr−Ca−Cu−O系およびTl−Ba−Ca−Cu−O系
    のいずれかの酸化物超電導体であることを特徴とする請
    求項1または2に記載の電極。
  4. 【請求項4】 前記金属が、Au、Ag、Ptおよびこれらの
    金属の少なくとも1種のものを含む合金であることを特
    徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電極。
  5. 【請求項5】 基板と、基板上に配置され、酸化物超電
    導体で構成された超電導チャネルと、超電導チャネルの
    両端に超電導チャネルに電気的に接続されて配置された
    ソース電極およびドレイン電極と、超電導チャネル上に
    ゲート絶縁層を介して配置されて印加された信号電圧に
    より超電導チャネルを流れる電流を制御するゲート電極
    とを備える超電導電界効果型素子において、ソース電極
    およびドレイン電極が、請求項1〜4のいずれか1項に
    記載の電極であることを特徴とする超電導電界効果型素
    子。
  6. 【請求項6】 酸化物超電導体上に酸化物超電導体と電
    気的に接合された金属の電極を形成する方法において、
    酸化物超電導体の電極を形成する位置をエッチングして
    表面に対して垂直な面を露出させる工程と、酸化物超電
    導体の新たに露出した表面に対して垂直な面に少なくと
    も一部が接するよう金属の膜を形成する工程と、金属膜
    を局所的に加熱する熱処理を行う工程とを含むことを特
    徴とする方法。
  7. 【請求項7】 前記酸化物超電導体のエッチングを集束
    イオンビームエッチング法で行うことを特徴とする請求
    項6に記載の方法。
  8. 【請求項8】 前記金属膜を酸化物超電導体のエッチン
    グに連続してその場(in-situ)で成膜することを特徴と
    する請求項6または7に記載の方法。
  9. 【請求項9】 前記金属膜を局所的に加熱する工程が、
    レーザアニール法で行われることを特徴とする請求項6
    〜8のいずれか1項に記載の方法。
JP7055102A 1995-02-20 1995-02-20 酸化物超電導体用金属電極 Pending JPH08227743A (ja)

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