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JP2691065B2 - Superconducting element and fabrication method - Google Patents

Superconducting element and fabrication method

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JP2691065B2
JP2691065B2 JP2259160A JP25916090A JP2691065B2 JP 2691065 B2 JP2691065 B2 JP 2691065B2 JP 2259160 A JP2259160 A JP 2259160A JP 25916090 A JP25916090 A JP 25916090A JP 2691065 B2 JP2691065 B2 JP 2691065B2
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JP
Japan
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superconducting
oxide
thin film
channel
gate electrode
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JP2259160A
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Japanese (ja)
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孝夫 中村
博史 稲田
道朝 飯山
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Priority to EP91402595A priority patent/EP0478465B1/en
Priority to CA002052508A priority patent/CA2052508C/en
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  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、超電導素子および作製方法に関する。より
詳細には、新規な構成の超電導素子およびその作製方法
に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a superconducting element and a manufacturing method. More specifically, the present invention relates to a superconducting element having a novel configuration and a method for manufacturing the same.

従来の技術 超電導を使用した代表的な素子に、ショセフソン素子
がある。ジョセフソン素子は、一対の超電導体をトンネ
ル障壁を介して結合した構成であり、高速スイッチング
動作が可能である。しかしながら、ジョセフソン素子は
2端子の素子であり、論理回路を実現するためには複雑
な回路構成になってしまう。
2. Description of the Related Art A typical element using superconductivity is a Chosefson element. The Josephson element has a configuration in which a pair of superconductors are coupled via a tunnel barrier, and can perform high-speed switching operation. However, the Josephson element is a two-terminal element, and requires a complicated circuit configuration to realize a logic circuit.

一方、超電導を利用した3端子素子としては、超電導
ベーストランジスタ、超電導FET等がある。第3図に、
超電導ベーストランジスタの概念図を示す。第3図の超
電導ベーストランジスタは、超電導体または常電導体で
構成されたエミッタ21、絶縁体で構成されたトンネル障
壁22、超電導体で構成されたベース23、半導体アイソレ
ータ24および常電導体で構成されたコレクタ25を積層し
た構成になっている。この超電導ベーストランジスタ
は、トンネル障壁22を通過した高速電子を利用した低電
力消費で高速動作を行う素子である。
On the other hand, examples of a three-terminal element utilizing superconductivity include a superconducting base transistor and a superconducting FET. In FIG.
1 shows a conceptual diagram of a superconducting base transistor. The superconducting base transistor shown in FIG. 3 comprises an emitter 21 composed of a superconductor or a normal conductor, a tunnel barrier 22 composed of an insulator, a base 23 composed of a superconductor, a semiconductor isolator 24, and a normal conductor. The collector 25 is stacked. The superconducting base transistor is an element that performs high-speed operation with low power consumption using high-speed electrons that have passed through the tunnel barrier 22.

第4図に、超電導FETの概念図を示す。第4図の超電
導FETは、超電導体で構成されている超電導ソース電極4
1および超電導ドレイン電極42が、半導体層43上に互い
に近接して配置されている。超電導ソース電極41および
超電導ドレイン電極42の間の部分の半導体層43は、下側
が大きく削られ厚さが薄くなっている。また、半導体層
43の下側表面にはゲート絶縁膜46が形成され、ゲート絶
縁膜46上にゲート電極44が設けられている。
FIG. 4 shows a conceptual diagram of a superconducting FET. The superconducting FET shown in FIG. 4 has a superconducting source electrode 4 composed of a superconductor.
1 and the superconducting drain electrode 42 are arranged on the semiconductor layer 43 close to each other. The lower portion of the semiconductor layer 43 between the superconducting source electrode 41 and the superconducting drain electrode 42 is largely shaved and thin. Also, the semiconductor layer
A gate insulating film 46 is formed on the lower surface of 43, and a gate electrode 44 is provided on the gate insulating film 46.

超電導FETは、近接効果で超電導ソース電極41および
超電導ドレイン電極42間の半導体層43を流れる超電導電
流を、ゲート電圧で制御する低電力消費で高速動作を行
う素子である。
The superconducting FET is an element that performs high-speed operation with low power consumption by controlling the superconducting current flowing through the semiconductor layer 43 between the superconducting source electrode 41 and the superconducting drain electrode 42 by the gate voltage by the proximity effect.

さらに、ソース電極、ドレイン電極間に超電導体でチ
ャネルを形成し、この超電導チャネルを流れる電流をゲ
ート電極に印加する電圧で制御する3端子の超電導素子
も発表されている。
Further, a three-terminal superconducting element in which a channel is formed by a superconductor between a source electrode and a drain electrode and a current flowing through the superconducting channel is controlled by a voltage applied to a gate electrode has been disclosed.

発明が解決しようとする課題 上記の超電導ベーストランジスタおよび超電導FET
は、いずれも半導体層と超電導体層とが積層された部分
を有する。ところが、近年研究が進んでいる酸化物超電
導体を使用して、半導体層と超電導体層との積層構造を
作製することは困難である。また、この構造が作製でき
ても半導体層と超電導体層の間の界面の制御が難しく、
素子として満足な動作をしなかった。
PROBLEM TO BE SOLVED BY THE INVENTION Superconducting base transistor and superconducting FET described above
Have a portion where a semiconductor layer and a superconductor layer are laminated. However, it is difficult to produce a stacked structure of a semiconductor layer and a superconductor layer using an oxide superconductor that has been studied in recent years. In addition, even if this structure can be manufactured, it is difficult to control the interface between the semiconductor layer and the superconductor layer,
The device did not operate satisfactorily.

また、超電導FETは、近接効果を利用するため、超電
導ソース電極41および超電導ドレイン電極42を、それぞ
れ構成する超電導体のコヒーレンス長の数倍程度以内に
近接させて作製しなければならない。特に酸化物超電導
体は、コヒーレンス長が短いので、酸化物超電導体を使
用した場合には、超電導ソース電極41および超電導ドレ
イン電極42間の距離は、数10nm以下にしなければならな
い。このような微細加工は非常に困難であり、従来は酸
化物超電導体を使用した超電導FETを再現性よく作製で
きなかった。
Further, since the superconducting FET utilizes the proximity effect, the superconducting source electrode 41 and the superconducting drain electrode 42 must be made close to each other within about several times the coherence length of the superconductors constituting them. In particular, since the oxide superconductor has a short coherence length, when an oxide superconductor is used, the distance between the superconducting source electrode 41 and the superconducting drain electrode 42 must be several tens nm or less. Such microfabrication is very difficult, and conventionally, a superconducting FET using an oxide superconductor could not be produced with good reproducibility.

さらに、従来の超電導チャネルを有する超電導素子
は、変調動作は確認されたが、キャリア密度が高いた
め、完全なオン/オフ動作ができなかった。酸化物超電
導体は、キャリア密度が低いので、超電導チャネルに使
用することにより、完全なオン/オフ動作を行う上記の
素子の実現の可能性が期待されている。しかしながら、
超電導チャネルを5nm程度の厚さにしなければならず、
そのような構成を実現することは困難であった。
Further, in the conventional superconducting element having a superconducting channel, a modulation operation was confirmed, but complete on / off operation could not be performed due to a high carrier density. Since the oxide superconductor has a low carrier density, the possibility of realizing the above-mentioned element which performs a complete on / off operation by using it for a superconducting channel is expected. However,
The superconducting channel must be about 5 nm thick,
It has been difficult to realize such a configuration.

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、新規な構成の超電導素子およびその作製方法を提
供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a superconducting element having a novel configuration and a method of manufacturing the superconducting element, which has solved the above-mentioned problems of the related art.

課題を解決するための手段 本発明に従うと、基板上に成膜された酸化物超電導薄
膜に形成された超電導チャネルと、該超電導チャネルの
両側に配置された超電導ソース領域および超電導ドレイ
ン領域と、前記超電導チャネル上に絶縁層を介して配置
されて該超電導チャネルに流れる電流を制御するゲート
電極を具備する超電導素子において、前記酸化物超電導
薄膜が平坦な基板上に形成された上面が平坦なc軸配向
の薄膜であり、前記超電導ソース領域および超電導ドレ
イン領域の少なくとも一部がa軸配向の酸化物超電導薄
膜で構成され、前記絶縁層が前記酸化物超電導薄膜を構
成する酸化物超電導体と等しい構成元素および結晶構造
を有し、前記酸化物超電導体よりも酸素含有量が少ない
酸化物で構成されていることを特徴とする超電導素子提
供される。
Means for Solving the Problems According to the present invention, a superconducting channel formed in an oxide superconducting thin film formed on a substrate, a superconducting source region and a superconducting drain region arranged on both sides of the superconducting channel, and In a superconducting device comprising a gate electrode for controlling a current flowing through the superconducting channel, the c-axis having a flat upper surface formed on a flat substrate, wherein the oxide superconducting thin film is formed on the substrate. An oriented thin film, at least a part of the superconducting source region and the superconducting drain region is formed of an a-axis oriented oxide superconducting thin film, and the insulating layer is the same as the oxide superconductor forming the oxide superconducting thin film. A superconductor characterized by being composed of an oxide having an element and a crystal structure and having a lower oxygen content than the oxide superconductor. Element provided.

また、本発明においては、上記の超電導素子の作製方
法として、基板上に超電導チャネルおよびゲート絶縁層
を合わせた厚さのc軸配向の酸化物超電導薄膜を形成す
る工程と、この酸化物超電導薄膜上にゲート電極を形成
する工程と、ゲート電極をマスクとしてこの酸化物超電
導薄膜をエッチングしてゲート電極にマスクされていな
い部分の厚さを超電導チャネルに適した厚さにし、ゲー
ト電極直下の部分の酸化物超電導薄膜の側面を露出させ
る工程と、真空中でこの酸化物超電導薄膜を加熱し、ゲ
ート電極直下の部分の酸化物超電導体の酸素を放出させ
ることにより超電導性を失わせてゲート絶縁層を形成す
る工程とを含むことを特徴とする方法が提供される。
Further, in the present invention, as a method for producing the above-mentioned superconducting element, a step of forming a c-axis oriented oxide superconducting thin film having a total thickness of a superconducting channel and a gate insulating layer on a substrate, and the oxide superconducting thin film The step of forming a gate electrode on top, and etching this oxide superconducting thin film using the gate electrode as a mask to make the thickness of the part not masked by the gate electrode suitable for the superconducting channel, and the part directly under the gate electrode. The step of exposing the side surface of the oxide superconducting thin film of 1. and heating the oxide superconducting thin film in a vacuum to release oxygen of the oxide superconductor directly under the gate electrode, thereby losing the superconducting property and gate insulating. Forming a layer.

作用 本発明の超電導素子は、酸化物超電導体による超電導
チャネルと、超電導チャネルに電流を流すソース電極お
よびドレイン電極と、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具備する。本発明の超電導素子で
は、各電極は必ずしも超電導電極である必要がない。
The superconducting element of the present invention includes a superconducting channel made of an oxide superconductor, a source electrode and a drain electrode for flowing a current through the superconducting channel, and a gate electrode for controlling a current flowing through the superconducting channel. In the superconducting element of the present invention, each electrode does not necessarily need to be a superconducting electrode.

また、従来の超電導FETが、超電導近接効果を利用し
て半導体中に超電導電流を流すのに対し、本発明の超電
導素子では、主電流は超電導体中を流れる。従って、従
来の超電導FETを作製するときに必要な微細加工技術の
正弦が緩和される。
Further, while a conventional superconducting FET uses a superconducting proximity effect to flow a superconducting current through a semiconductor, in the superconducting element of the present invention, a main current flows through the superconductor. Therefore, the sine of the microfabrication technology required when manufacturing the conventional superconducting FET is relaxed.

超電導チャネルは、ゲート電極に印加された電圧で開
閉させるために、ゲート電極により発生される電界の方
向で、厚さが5nm程度でなければならない。本発明の主
眼は、このような極薄の超電導チャネルを実現すること
にある。
The superconducting channel must be about 5 nm thick in the direction of the electric field generated by the gate electrode in order to open and close with the voltage applied to the gate electrode. The main point of the present invention is to realize such an ultra-thin superconducting channel.

本発明の方法では、最初に基板上に約20nm程度の厚さ
の酸化物超電導薄膜を成膜する。このような薄い酸化物
超電導薄膜を成膜するには、薄膜の成長速度をおよび成
膜時間を厳密に制御する方法が一般的であり、スパッタ
リング法等を使用する場合はこの方法が好ましい。しか
しながら、酸化物超電導体結晶は、各構成元素がそれぞ
れ層状に重なった結晶構造であるので、MBE(分子ビー
ムエピタキシ)法で酸化物超電導体の適当な数のユニッ
トセルを積み上げる方法も好ましい。
In the method of the present invention, first, an oxide superconducting thin film having a thickness of about 20 nm is formed on a substrate. In order to form such a thin oxide superconducting thin film, a method of strictly controlling the growth rate of the thin film and the film forming time is generally used, and this method is preferable when a sputtering method or the like is used. However, since the oxide superconductor crystal has a crystal structure in which the respective constituent elements are stacked in layers, a method of stacking an appropriate number of unit cells of the oxide superconductor by MBE (molecular beam epitaxy) is also preferable.

この酸化物超電導薄膜の上から厚さ約10nm以上の部分
を絶縁体に変え、その下の厚さ約5nmの部分を超電導チ
ャネルとする。酸化物超電導薄膜の一部を絶縁体に変え
るには、高真空中で熱処理を行うことによる。酸化物超
電導体は、結晶中の酸素量によりその特性が変化しやす
く、特に酸素含有量が少ない場合には、臨界温度が大幅
に低下したり、超電導性を失う。また、酸素分圧の低い
雰囲気中で加熱することにより、結晶中の酸素が抜け、
酸素量が減少する。
A portion having a thickness of about 10 nm or more from above the oxide superconducting thin film is changed to an insulator, and a portion having a thickness of about 5 nm below is used as a superconducting channel. In order to convert a part of the oxide superconducting thin film into an insulator, heat treatment is performed in a high vacuum. The properties of oxide superconductors are apt to change depending on the amount of oxygen in the crystal, and particularly when the oxygen content is small, the critical temperature is greatly reduced or the superconductivity is lost. Also, by heating in an atmosphere with a low oxygen partial pressure, oxygen in the crystal escapes,
The amount of oxygen decreases.

従って、本発明の方法では、酸化物超電導薄膜を高真
空中で加熱処理して酸素を抜き、一部を絶縁体に変え
る。処理時間を加減することにより、任意の厚さの部分
の結晶中の酸素を抜くことができる。また、酸化物超電
導体は結晶のc軸と垂直な方向に酸素が動きやすいの
で、酸化物超電導薄膜の酸素を抜く部分に結晶のc軸の
平行な溝を形成し、熱処理することも好ましい。
Therefore, in the method of the present invention, the oxide superconducting thin film is heat-treated in a high vacuum to remove oxygen, and a part of the thin film is converted into an insulator. By adjusting the processing time, it is possible to remove oxygen in the crystal of an arbitrary thickness. Further, since oxygen easily moves in the oxide superconductor in a direction perpendicular to the c-axis of the crystal, it is also preferable to form a groove parallel to the c-axis of the crystal in a portion of the oxide superconducting thin film from which oxygen is to be removed, and to perform heat treatment.

また、本発明の超電導素子において、ゲート電極の絶
縁層の厚さは、約10nm以上のトンネル電流が無視できる
厚さとしなければならない。従って、本発明の方法では
厚さ約20nmの酸化物超電導薄膜から厚さ約15nmの絶縁層
を形成する。
Further, in the superconducting device of the present invention, the thickness of the insulating layer of the gate electrode should be such that a tunnel current of about 10 nm or more can be ignored. Therefore, in the method of the present invention, an insulating layer having a thickness of about 15 nm is formed from an oxide superconducting thin film having a thickness of about 20 nm.

上記の酸化物超電導薄膜は、絶縁層および超電導チャ
ネルを構成するには十分な厚さであるが、ソース領域お
よびドレイン領域のためには、厚さが不十分である。従
って、本発明の方法では、ソース領域およびドレイン領
域にさらに酸化物超電導薄膜を成長させて、超電導ソー
ス領域および超電導ドレイン領域とする。
The above-mentioned oxide superconducting thin film is thick enough to form an insulating layer and a superconducting channel, but insufficient for a source region and a drain region. Therefore, in the method of the present invention, an oxide superconducting thin film is further grown on the source region and the drain region to form a superconducting source region and a superconducting drain region.

本発明の超電導素子において、基板には、MgO、SrTiO
3、CdNdAlO4等の酸化物単結晶基板が使用可能である。
これらの基板上には、配向性の高い結晶からなる酸化物
超電導薄膜を成長させることが可能であるので好まし
い。また、表面にMgAl2O4、BaTiO3等が被覆されているS
i基板等の半導体基板を使用することも好ましい。
In the superconducting element of the present invention, MgO, SrTiO
3. An oxide single crystal substrate such as CdNdAlO 4 can be used.
On these substrates, an oxide superconducting thin film composed of highly oriented crystals can be grown, which is preferable. In addition, S whose surface is coated with MgAl 2 O 4 , BaTiO 3, etc.
It is also preferable to use a semiconductor substrate such as an i substrate.

本発明の超電導素子には、Y−Ba−Cu−O系酸化物超
電導体、Bi−Sr−Ca−Cu−O系酸化物超電導体、Tl−Ba
−Ca−Cu−O系酸化物超電導体等任意の酸化物超電導体
を使用することができる。
The superconducting element of the present invention includes a Y-Ba-Cu-O-based oxide superconductor, a Bi-Sr-Ca-Cu-O-based oxide superconductor, a Tl-Ba
Any oxide superconductor such as -Ca-Cu-O-based oxide superconductor can be used.

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。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the following disclosure is merely an example of the present invention, and does not limit the technical scope of the present invention.

実施例 第1図に、本発明の超電導素子の断面図を示す。第1
図の超電導素子は、基板5上に成膜された酸化物超電導
薄膜1を有する。酸化物超電導薄膜1のほぼ中央部は、
超電導チャネル10となっており、超電導チャネル10の上
には、酸素数が少ない酸化物超電導体結晶からなる絶縁
層6を介してゲート電極4が形成されている。酸化物超
電導薄膜1の超電導チャネル10の両側の部分には、厚さ
約200nmの超電導ソース領域12および超電導ドレイン領
域13が形成されている。
Embodiment FIG. 1 shows a sectional view of a superconducting element of the present invention. First
The illustrated superconducting element has an oxide superconducting thin film 1 formed on a substrate 5. Nearly the center of the oxide superconducting thin film 1 is
It is a superconducting channel 10, and a gate electrode 4 is formed on the superconducting channel 10 with an insulating layer 6 made of an oxide superconductor crystal having a small number of oxygen. A superconducting source region 12 and a superconducting drain region 13 having a thickness of about 200 nm are formed on both sides of the superconducting channel 10 of the oxide superconducting thin film 1.

第2図を参照して、本発明の超電導素子を本発明の方
法で作製する手順を説明する。まず、第2図(a)に示
すような基板5の表面に第2図(b)に示すように約20
nm程度の薄いのY1Ba2Cu3O7-x酸化物超電導薄膜11をオフ
アクシススパッタリング法、反応性蒸着法、MBE法、CVD
法等の方法で形成する。オフアクシススパッタリング法
で酸化物超電導薄膜11を形成する場合の成膜条件を以下
に示す。
With reference to FIG. 2, a procedure for manufacturing the superconducting element of the present invention by the method of the present invention will be described. First, the surface of the substrate 5 as shown in FIG. 2 (a) has a thickness of about 20 as shown in FIG. 2 (b).
Off-axis sputtering method, reactive evaporation method, MBE method, CVD of Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x oxide superconducting thin film 11 as thin as nm
It is formed by a method such as a method. The film forming conditions when forming the oxide superconducting thin film 11 by off-axis sputtering are shown below.

スパッタリングガス Ar:90% O2:10% 圧 力 10 Pa 基 板 温 度 700℃ 基板5としては、MgO(100)基板、SrTiO3(100)基
板、CdNdAlO4(001)等の絶縁体基板、または表面に絶
縁膜を有するSi等の半導体基板が好ましい。このSi基板
の表面にはCVD法で成膜されたMgAl2O4膜およびスパッタ
リング法で成膜されたBaTiO3膜が積層されていることが
好ましい。
Sputtering gas Ar: 90% O 2 : 10% Pressure 10 Pa Substrate temperature 700 ° C. Substrate 5 includes MgO (100) substrate, SrTiO 3 (100) substrate, CdNdAlO 4 (001) insulator substrate, Alternatively, a semiconductor substrate such as Si having an insulating film on the surface is preferable. It is preferable that a MgAl 2 O 4 film formed by a CVD method and a BaTiO 3 film formed by a sputtering method are laminated on the surface of the Si substrate.

酸化物超電導体としては、Y−Ba−Cu−O系酸化物超
電導体の他Bi−Sr−Ca−Cu−O系酸化物超電導体、Tl−
Ba−Ca−Cu−O系酸化物超電導体が好ましく、c軸配向
の薄膜とすることが好ましい。これは、c軸配向の酸化
物超電導薄膜は、基板と平行な方向の臨界電流密度が大
きいからである。
Examples of the oxide superconductor include a Y-Ba-Cu-O-based oxide superconductor, a Bi-Sr-Ca-Cu-O-based oxide superconductor, and a Tl-
A Ba-Ca-Cu-O-based oxide superconductor is preferable, and a c-axis oriented thin film is preferable. This is because the c-axis oriented oxide superconducting thin film has a large critical current density in a direction parallel to the substrate.

次に、第2図(c)に示すように酸化物超電導薄膜11
上にCVD法、スパッタリング法等で常電導体膜17を形成
する。常電導体膜17にはAuまたはTi、W等の高融点金
属、これらのシリサイドを用いることが好ましい。常電
導体膜17を反応性イオンエッチング、Arイオンエッチン
グ等でエッチングし、第2図(d)に示すよう、ゲート
電極4を形成すると共に、酸化物超電導薄膜11を約10nm
以上エッチングする。次いで、10-5Pa程度の真空中で基
板温度を400℃以上に加熱する。すると、酸化物超電導
薄膜11のエッチングにより露出した側面18、19から酸化
物超電導体結晶中の酸素が抜けて第2図(e)に示すよ
う、ゲート電極4の下側にそれぞれ絶縁層6が形成され
る。酸化物超電導薄膜11の絶縁層6の下側の部分は超電
導チャネル10となる。このように、側面18、19から酸化
物超電導体結晶中の酸素が抜けるのは、酸化物超電導体
が、結晶のa軸およびb軸に平行な方向の酸素の拡散係
数が大きいからである。
Next, as shown in FIG.
A normal conductor film 17 is formed on the upper surface by a CVD method, a sputtering method, or the like. For the normal conductor film 17, it is preferable to use Au, Ti, a high melting point metal such as W, or a silicide thereof. The normal conductor film 17 is etched by reactive ion etching, Ar ion etching or the like to form the gate electrode 4 and the oxide superconducting thin film 11 of about 10 nm as shown in FIG. 2 (d).
The above is etched. Next, the substrate temperature is heated to 400 ° C. or higher in a vacuum of about 10 −5 Pa. Then, oxygen in the oxide superconductor crystal escapes from the side surfaces 18 and 19 exposed by the etching of the oxide superconducting thin film 11, and the insulating layer 6 is formed below the gate electrode 4 as shown in FIG. 2 (e). It is formed. The portion below the insulating layer 6 of the oxide superconducting thin film 11 becomes the superconducting channel 10. Thus, the oxygen in the oxide superconductor crystal escapes from the side surfaces 18 and 19 because the oxide superconductor has a large oxygen diffusion coefficient in the direction parallel to the a-axis and the b-axis of the crystal.

上記の処理の後、第2図(f)に示すように、絶縁膜
16を全体の上に成膜する。絶縁膜16には、例えばMgOが
使用でき、スパッタリング法等で成膜することが好まし
い。この絶縁膜16に対して異方性エッチングを行い、第
2図(g)に示すようにゲート電極4の側面に絶縁部材
14、15を形成する。
After the above process, as shown in FIG.
16 is formed on the whole surface. For the insulating film 16, for example, MgO can be used, and it is preferable to form it by a sputtering method or the like. Anisotropic etching is performed on this insulating film 16, and an insulating member is formed on the side surface of the gate electrode 4 as shown in FIG.
14 and 15 are formed.

最後に、第2図(h)に示すようにゲート電極4の両
側にa軸配向の酸化物超電導薄膜による超電導ソース領
域2および超電導ドレイン領域3を形成して、本発明の
超電導素子が完成する。a軸配向の酸化物超電導薄膜
は、基板温度約650℃以下でオフアクシススパッタリン
グ法を使用して成膜することが可能である。スパッタリ
ング条件以下に示す。
Finally, as shown in FIG. 2 (h), a superconducting source region 2 and a superconducting drain region 3 made of an a-axis oriented oxide superconducting thin film are formed on both sides of the gate electrode 4 to complete the superconducting element of the present invention. . The a-axis oriented oxide superconducting thin film can be formed using an off-axis sputtering method at a substrate temperature of about 650 ° C. or lower. The sputtering conditions are shown below.

スパッタリングガス Ar:90% O2:10% 圧 力 10 Pa 基 板 温 度 640℃ 本発明の超電導素子を本発明の方法で作製すると、超
電導FETを作製する場合に要求される微細加工技術の制
限が緩和される。また、表面が平坦にできるので、後に
必要に応じ配線を形成することが容易になる。また、ゲ
ート電極と超電導チャネルの間の絶縁層の構成元素が、
超電導チャネルを構成する酸化物超電導体の構成元素と
等しいので、機械的に安定しており、界面もきれいであ
る。本発明の超電導素子は、作製が容易であり、性能も
安定しており、再現性もよい。
Sputtering gas Ar: 90% O 2 : 10% Pressure 10 Pa Substrate temperature 640 ° C. When the superconducting element of the present invention is produced by the method of the present invention, the fine processing technology required for producing a superconducting FET is limited. Is alleviated. Further, since the surface can be flattened, it becomes easy to form wiring later if necessary. Also, the constituent elements of the insulating layer between the gate electrode and the superconducting channel are:
Since it is equal to the constituent element of the oxide superconductor forming the superconducting channel, it is mechanically stable and the interface is clean. The superconducting element of the present invention is easy to manufacture, has stable performance, and has good reproducibility.

発明の効果 以上説明したように、本発明の超電導素子は、超電導
チャネル中を流れる超電導電流をゲート電圧で制御する
構成となっている。従って、従来の超電導FETのよう
に、超電導近接効果を利用していないので微細加工技術
が不要である。また、超電導体と半導体を積層する必要
もないので、酸化物超電導体を使用して高性能な素子が
作製できる。
Effect of the Invention As described above, the superconducting element of the present invention has a configuration in which the superconducting current flowing in the superconducting channel is controlled by the gate voltage. Accordingly, unlike the conventional superconducting FET, the superconducting proximity effect is not used, so that a fine processing technique is unnecessary. Further, since there is no need to stack a superconductor and a semiconductor, a high-performance element can be manufactured using an oxide superconductor.

本発明により、超電導技術の電子デバイスへの応用が
さらに促進される。
The present invention further promotes the application of superconducting technology to electronic devices.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は、本発明の超電導素子の概略図であり、 第2図は、本発明の方法により本発明の超電導素子を作
製する場合の工程を示す概略図であり、 第3図は、超電導ベーストランジスタの概略図であり、 第4図は、超電導FETの概略図である。 〔主な参照番号〕 1……酸化物超電導薄膜、 2……超電導ソース領域、 3……超電導ドレイン領域、 4……ゲート電極、5……基板
FIG. 1 is a schematic view of a superconducting element of the present invention, FIG. 2 is a schematic view showing a process for producing a superconducting element of the present invention by a method of the present invention, and FIG. FIG. 4 is a schematic diagram of a base transistor, and FIG. 4 is a schematic diagram of a superconducting FET. [Main reference numbers] 1 ... Oxide superconducting thin film, 2 ... Superconducting source region, 3 ... Superconducting drain region, 4 ... Gate electrode, 5 ... Substrate

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−170080(JP,A) 特開 平1−120866(JP,A) 特開 平1−161789(JP,A)Continuation of the front page (56) References JP-A-1-170080 (JP, A) JP-A-1-120866 (JP, A) JP-A-1-161789 (JP, A)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】基板上に成膜された酸化物超電導薄膜に形
成された超電導チャネルと、該超電導チャネルの両側に
配置された超電導ソース領域および超電導ドレイン領域
と、前記超電導チャネル上に絶縁層を介して配置されて
該超電導チャネルに流れる電流を制御するゲート電極を
具備する超電導素子において、前記酸化物超電導薄膜が
平坦な基板上に形成された上面が平坦なc軸配向の薄膜
であり、前記超電導ソース領域および超電導ドレイン領
域の少なくとも一方がa軸配向の酸化物超電導薄膜で構
成され、前記絶縁層が前記酸化物超電導薄膜を構成する
酸化物超電導体と等しい構成元素および結晶構造を有
し、前記酸化物超電導体よりも酸素含有量が少ない酸化
物で構成されていることを特徴とする超電導素子。
1. A superconducting channel formed in an oxide superconducting thin film formed on a substrate, a superconducting source region and a superconducting drain region arranged on both sides of the superconducting channel, and an insulating layer on the superconducting channel. A superconducting device having a gate electrode arranged to control the current flowing through the superconducting channel, wherein the oxide superconducting thin film is a flat c-axis oriented thin film formed on a flat substrate, At least one of the superconducting source region and the superconducting drain region is composed of an a-axis oriented oxide superconducting thin film, and the insulating layer has the same constituent elements and crystal structures as those of the oxide superconductor forming the oxide superconducting thin film, A superconducting element comprising an oxide having an oxygen content lower than that of the oxide superconductor.
【請求項2】前記超電導超電導ソース領域および超電導
ドレイン領域が、超電導チャネルよりも厚いことを特徴
とする請求項1に記載の超電導素子。
2. The superconducting element according to claim 1, wherein the superconducting superconducting source region and the superconducting drain region are thicker than the superconducting channel.
【請求項3】基板上に超電導チャネルおよびゲート絶縁
層を合わせた厚さのc軸配向の酸化物超電導薄膜を形成
する工程と、この酸化物超電導薄膜上にゲート電極を形
成する工程と、ゲート電極をマスクとしてこの酸化物超
電導薄膜をエッチングしてゲート電極にマスクされてい
ない部分の厚さを超電導チャネルに適した厚さにし、ゲ
ート電極直下の部分の酸化物超電導薄膜の側面を露出さ
せる工程と、真空中でこの酸化物超電導薄膜を加熱し、
ゲート電極直下の部分の酸化物超電導体の酸素を放出さ
せることにより超電導性を失わせてゲート絶縁層を形成
する工程とを含むことを特徴とする請求項1または2に
記載の超電導素子の作製方法。
3. A step of forming a c-axis oriented oxide superconducting thin film having a total thickness of a superconducting channel and a gate insulating layer on a substrate, a step of forming a gate electrode on the oxide superconducting thin film, and a gate. Etching this oxide superconducting thin film using the electrode as a mask to make the thickness of the part not masked by the gate electrode suitable for the superconducting channel, and exposing the side surface of the oxide superconducting thin film directly under the gate electrode And heating this oxide superconducting thin film in vacuum,
3. A step of forming a gate insulating layer by losing oxygen in the oxide superconductor immediately below the gate electrode to lose superconductivity, and manufacturing the superconducting element according to claim 1 or 2. Method.
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