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発明の名称 電界効果型超電導素子
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−140680
公開日 平成6年(1994)5月20日
出願番号 特願平4−290515
出願日 平成4年(1992)10月28日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】富田 和子
発明者 菅家 庸子 / 葛西 昌弘 / 大野 俊之 / 茶原 健一 / 小園 裕三
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。
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),(0k0),(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。
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(h00),(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,LaGaO3,LaAlO3,NdGaO3,CeO,MgO【0013】
【化3】(La1-xx)DOy,ただし、AはBa,Ca,Sr,Pb、DはMn,Co,Cr、0≦x≦1,2.7≦y≦3.3、(Fe1-xx)GOただし、EはBa,Ca,Sr、GはMn,Mo、0≦x≦1,2.7≦y≦3.3(Pr1−xNdx)(Ba1-xSrx)MnOy,(Bi1-xCax)MnOy,(La1-xx)MnOyただし、JはCo,Ni,Cr,Cu、0≦x≦1,2.7≦y≦3.3、(Ga1-xCox)MnOy,LMOyただし、LはBi,Ba,Sr,Ca、MはMn,Fe,Co,Cr,Ru、0≦x≦1,2.7≦y≦3.3【0014】
【化4】(Q1+x2-x)Cu3yただし、QはLa,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb、RはBa,Ca,Sr、0.5≦x≦2、(T1+x2-x)Cu3y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)3CaCu25,YBa2Cu37,YBa2Cu48,Y2Ba4Cu715,(Y,Ca)Ba2Cu48,Bi2Sr2CuO5,Bi2(Sr,La)2CuO5,Bi2Sr2CaCu28,(Bi,Pb)2Sr2CaCu28,(Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu210,Bi2Sr2Ca3Cu412,Bi2(Ca,Pr)3Cu28,Tl2Ba2CuO5,Tl2Ba2CaCu28,Tl2Ba2Ca2Cu310,Tl2Ba2Ca3Cu412,Tl(Ba,La)2CuO5,TlBa2CaCu27,TlSr2CaCu27,(Tl,Bi)Sr2CaCu27,(Tl,Pb)Sr2(Ca,Y)Cu27,TlBa2CaCu39,(Tl,Pb)Sr2Ca2Cu39,(Tl,Bi)Sr2Ca2Cu39,(Tl,Bi,Pb)Sr2Ca2Cu39,TlBa2Ca3Cu411,TlBa2Ca4Cu513,Pb2(Sr,La)2Cu26,Pb2Sr2(Y,Ca)Cu38,(Pb,Cu)2(Sr,Ba)2(Y,Ca)Cu38,(Pb,Cu)(Sr,La)2CuO5,(Pb,Cu)(Sr,Ca)2(Y,Ca)Cu27,(Pb,Cu)(Sr,Ba)2(Y,Ca)Cu27,(Nd,Ce,Sr)2CuO4,(Nd,Ce)2CuO4,Nd2CuO4-xx〔ただし、0.1≦x≦3.9〕,(Eu,Ba)2(Eu,Ce)2Cu310,(Pb,Cu)(Sr,Eu)2(Eu,Ce)2Cu29,Bi2Sr2(Eu,Ce)2Cu210【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5b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MgO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,5b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La0.7Ca0.3MnOyを用い、電極層5a,5bを構成する超伝導体としてYBa2Cu3y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、YBa2Cu3y/La0.7Ca0.3MnOy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、5b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、(h00)、(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<t2,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High状態、電圧(抵抗)ゼロ状態をLow状態とすればNOR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,OFF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、5b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。




 

 


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