JPH0291984A - 超伝導トランジスタ - Google Patents

超伝導トランジスタ

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JPH0291984A
JPH0291984A JP63245716A JP24571688A JPH0291984A JP H0291984 A JPH0291984 A JP H0291984A JP 63245716 A JP63245716 A JP 63245716A JP 24571688 A JP24571688 A JP 24571688A JP H0291984 A JPH0291984 A JP H0291984A
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JP
Japan
Prior art keywords
layer
transistor
collector
base
base layer
Prior art date
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Pending
Application number
JP63245716A
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English (en)
Inventor
Yasutaka Tamura
泰孝 田村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 べ一久領域が超伝導特性を備えたトランジスタに関し、 十分な利得を付与することを目的とし、トランジスタを
構成するエミッタ層、ベース層及びコレクタ層を半導体
により形成するとともに、上記エミッタ層の周りに非接
触状態で位置する超伝導体膜を上記ベース層に積層した
ことを含み構成する。
〔産業上の利用分野] 本発明は、超伝導トランジスタに関し、より詳しくは、
ベース領域を超伝導特性としたトランジスタに関するも
のである。
(従来の技術〕 ジョセフソン接合を利用した素子は高速かつ低消費電力
であり、超伝導により構成したトランジスタが種々提案
されている。
このトランジスタの代表的な例を示すと、第5図に見ら
れるように、半導体によってコレクタ層51、バリア層
52を半絶縁性基板53上に順に積層するとともに、こ
の上にn°半導体FW膜層54を形成し、さらに、この
上に超伝導体よりなるベースJ155と、酸化アルミニ
ウムよりなるバリア7156、超伝導体よりなるエミッ
タ層57を順に積層したものがある。
ここで、各層に適用する材料について具体例を示すと、
基板53にはInPを、コレクタ151にはnoのIn
GaAsを、コレクタ!151側のバリア層52にはI
nAlGaAs1aの両面をノンドープInGaAs膜
により覆ったものを、n゛半導体薄膜層54にはn′″
のInGaAsを、ベース層55及びエミッタ層57に
はニオブを、エミッタ層57側のバリア層56には酸化
アルミニウムを使用している(ただし、Inはインジウ
ム、Pはリン、Gaはガリウム、Asは砒素、AIはア
ルミニウムの元素記号である)。
このトランジスタの原理を、第6図に示すポテンシャル
ダイアグラムに基づいて説明すると、ある一定の励起エ
ネルギを有する状態、即ち準粒子と呼ばれる状態にされ
たキャリアは、エミッタ側のバリアN56を貫通した後
に、ベース層55及びn゛半導体薄膜層54を通過し、
さらに、コレクタ側のバリア層52を越えてコレクタ層
51に到達するように構成されている。
そして、この種の構造を有するトランジスタが作動する
ためには、ベース層55中に注入された準粒子が再結合
してクーパーペアとなる前にコレクタ層51に流出する
必要があり、また、トランジスタに十分な電流利得を与
えようとする場合には、準粒子がコレクタ側のバリア層
52を通過する確率が高いことが条件になる。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、ニオブ等のような金属をベースに用いたこの種
のトランジスタにおいては、ベース層55とコレクタ層
51のポテンシャルの差が第6図に示すように数eVと
極めて大きい。そのため古典力学的にはこのバリアを通
過できるエネルギをもったキャリアでも、量子力学的反
射のために、バリア高さよりもかなり大きなエネルギを
もたなければバリアで反射されてベース層55に戻って
しまいキャリアの透過率が低下するといった現象が起き
る。
また、ポテンシャル差よりも大きいエネルギを有するキ
ャリアであっても、バリア層52に対して斜めに進行す
る場合には、バリア層52により反射されてベース11
155に戻されたり、コレクタNc側に抜けるまで何度
も往復するといった傾向が大きくなって高速性が損なわ
れる。
さらに、このトランジスタはベース層55とコレクタ層
51の間にn゛半導体薄膜層54を有しているために、
ベース層55を形成する超伝導金属とn°半導体体膜層
54の接合部分に第6図に示すような薄いバリアAが表
れ、キャリアのエネルギを減少させることになる。
したがって、上記したような超伝導トランジスタによっ
ては十分な利得が得られないことになる。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであっ
て、十分な利得を得ることができる超伝導トランジスタ
を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
上記した課題は、トランジスタを構成するエミッタ層、
ベース層及びコレクタ層を半導体により形成するととも
に、上記エミッタ層の周りに非接触状態で位置する超伝
導体膜を上記ベース層に積層したことを特徴とする超伝
導トランジスタによらて解決する。
〔作 用〕
上記した発明におけるポテンシャルダイヤグラムの一例
を示すと、第2図のようになる。
同図(a)は、常温雰囲気中におけるトラジスタのポテ
ンシャルダイアグラムを示すもので、そのベース層のポ
テンシャルには半導体の特性が現れるが、超伝導体膜の
臨界温度以下の雰囲気中にトランジスタを置くと、同図
[有])に示すような超伝導特性に変化する。
これは、ベース層それ自体は半導体により形成されてい
るが、近接効果がベース層に生じるため、ベース層にお
ける超伝導電子の密度が増加するからである。ここで、
近接効果は、超伝導体膜に接合した半導体膜が超伝導特
性を有することになる現象で、この超伝導電子密度は第
3回に示すようなオーダパラメータとなる。
また、このトランジスタにおいては、半導体により形成
されるエミッタ層からコレクタ層までの連続したそれぞ
れの層かへテロ接合となるように積層される。
さらに、ベース層が半導体によって形成されているため
に、ベース層とコレクタ層の眉間では金属と半導体との
接合によるバリアが出現せず、しかも、ベース層とコレ
クタ層とのポテンシャルの差が小さくなるため、キャリ
アの通過率は向上する。
したがって、臨界温度以下のトランジスタにおいては、
エミッタ層で励起エネルギ状態となったエレクトロンが
、超伝導特性を存するベース層4を高速で通過する一方
、ベース層からコレクタ側のバリアを越えてコレクタ層
に到達し易くなるため、トランジスタは十分な電流利得
を得ることができる。
〔実施例〕
(a)本発明の第1の実施例 第1図は、本発明の一実施例を示す装置の断面図であっ
て、図中符号1はトランジスタで、n型半導体よりなる
コレクタ層2の上には、半導体よりなるコレクタバリア
層3及びベース層4が順に積層され、また、ベース層3
の上部中央には半導体よりなるトンネルバリア層5とn
型半導体よりなるエミッタN6が順に接合され、さらに
、ベース層3の上にはトンネルバリア層5、エミッタ層
6を非接触状態で囲む超伝導体膜7が形成されている。
本発明の各層に用いる材料についての一例を示すと、エ
ミッタ層6にはInGaAs、トンネルバリア層5には
InAlGaAs、ベース層4にはn型1nGaAs。
コレクタバリア層3にはInAlGaAs、およびコレ
クタ層2にはn型1nGaAsの各材料を使用し、これ
らの層はエピタキシャル成長法、CVD法、MBE法等
により形成されてヘテロ接合となっている。
ただし、Inはインジウム、Gaはガリウム、^Sは砒
素、A1はアルミニウムの元素記号である。
なお、図中符号9は、トンネルバリア層5及びエミッタ
層6を囲むために超伝導体膜7に設けた孔または溝を示
している。
次に、上記した一実施例の作用について説明する。
上記した実施例におけるポテンシャルダイヤグラムを示
すと第2図のようになる。
同図(a)は、常温雰囲気中におけるトラジスタ1のポ
テンシャルダイアグラムを示すもので、そのベース層4
のポテンシャルには半導体の特性が現れるが、超伝導体
11ff7の臨界温度以下の雰囲気中にトランジスタを
置くと、同図(b)に示すような超伝導特性に変化する
これは、ベース層4それ自体は半導体により形成されて
いるが、近接効果がベース層4に生じるため、ベース層
4における超伝導電子の密度が増加するからである。こ
こで、近接効果とは、超伝導体膜に接合した半導体膜が
超伝導特性を有することになる現象であって、超伝導体
膜7に設けた孔や、超伝導体ll*7相互の間隙に位置
するベース領域に近接効果を発生させるためにはこれら
の孔や間隙をできるだけ小さくすることが好ましく、例
えば約0.5μm程度以下の場合に顕著に現れ、この超
伝導電子密度は第3図に示すようなオーダパラメータと
なる。
他方、このトランジスタ1においては、キャリアの通過
領域が半導体により形成され、エミッタ層6からコレク
タ層3までの連続したそれぞれの層かへテロ接合となる
ように積層される。
このために、ベース層4とコレクタ層2の層間ではコレ
クタバリア以外のバリアが出現せず、しかも、ベース層
4が半導体によって形成されているために、ベース層4
とコレクタ層2とのポテンシャルの差が小さくなり、キ
ャリア通過率は向上する。
したがって、臨界温度以下のトランジスタにおいては、
エミッタN6で励起エネルギ状態となったエレクトロン
が、超伝導特性を有するベース層4を高速で通過する一
方、ベース層4からコレクタバリア層3を越えてポテン
シャル差の小さなコレクタ層2に到達し易くなるため、
トランジスタは十分な電流利得を得ることができる。
なお、各バリア層3.5の高さは、エミッタ層6やコレ
クタ層3の不純物濃度を変えることにより容品に制御す
ることが可能である。
(b)本発明の第2の実施例 上記した実施例では、エミッタ層6を囲む孔(または溝
)9の大きさをできるだけ狭くしてベース層4のキャリ
ア通過領域に近接効果を生じさせているために、トンネ
ルバリア115とエミッタji6の面積が小さくなり、
ベースI?54に流れる電流を大きくすることができな
い場合がある。
これを解決するためには、例えば第4図に示すように、
ベース[44の上に一様に形成した超伝導体膜17にエ
ツチングによって多数の小孔18を設ける。そして、超
伝導体811と接触しないようにそれぞれの小孔18の
中に入るトンネルバリア層15、エミッタ層16をベー
ス層4上に形成したうえで、複数のエミッタ層16を電
気的に接続し、ベース層4に流れ込むキャリアの量を増
やして電流を増加させることができる。
なお、図中符号20は、インドリウムリン(1nP)等
よりなる基板で、この上には、コレクタ層12、ジレク
タバリア層13、ベース層14が順に積層され、このベ
ース層14には上記した超伝導体膜17等が形成されて
いる。
また、符号21は、二酸化シリコン等よりなる保護膜で
、この保護1f121は、超伝導体層17とトンネルバ
リア層15、エミッタ層16との間に形成される僅かな
間隙に詰め込まれるとともに、コレクタ層12やベース
層14等の露出部分を覆うように構成されており、さら
に、22は、コレクタN12、ベース層14及びエミッ
タ層16を外部に接続するために設けたニオブ等よりな
る電極を示している。
なお、この実施例における各層の材料は、第1の実施例
と同様なものとなる。
(c)本発明のその他の実施例 上記した実施例における各層の組成及び厚さをより具体
化して説明すると、エミッタ層6.16はn型のIno
、 5sGao、 aJsを300nm厚に形成し、ト
ンネルバリア層5.15は1nAIGaAsを5nm厚
に形成し、ベース層4.14はInc、 5sGao、
 aJsを1100nの厚さに、コレクタバリア層3.
13は1口AlGaAsを150n−の厚さに、コレク
タ層2.12はn型1no、 5sGao、 aJsを
500naの厚さに形成したものがある。このうちトン
ネルバリア[5,15は(Ino、 5sGao、 n
Js) o、 s (Ins、 5iAIo、 4sA
s) o、 sとなるように混晶し、コレククバリアN
3.13は(Ino、 S:lGa O,47AS) 
O,ea ([no、 5zAlo、 n5As) o
、 + <となるように混晶したものであり、n型1n
GaAsのキャリア濃度は、1×lOL′1個/cT1
となるように不純物をドープしたものである。
上記した実施例においては、超伝導材としてニオブ(N
b)を使用したが、酸化物高温超伝導体、例えばインド
リウム・バリウム銅酸素(YBaCuO)やランタン・
ストロンチウム銅酸素(LaSrCuO) 、ビスマス
・ストロンチウム・カルシウム銅酸素(BtsrCla
 Cu O)等によって構成することもできる。
また、上記した実施例では、npn型のトランジスタに
ついて説明したが、pnp型のトランジスタのベースに
近接効果を生じさせることも可能?ある。
屯英゛発明の効果) 以上述べたように本発明によれば、エミッタ、ベース、
コレクタを半導体で形成するともに、エミッタ層の周り
に非接触状態で位置する超伝導体膜をベース上に形成し
たので、ベース層とコレクタ層のポテンシャルの差を小
さくできる上に、臨界温度以下の雰囲気中においてベー
ス層に近接効果を生じさせることができ、コレクタ側の
バリアによるキャリアの反射を抑制して電流利得を大き
くすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例を示す断面図、第2図は、
本発明のポテンシャルダイアダラムの一例を示す模式図
、 第3図は、本発明によるオーダパラメータの一例を示す
模式図、 第4図は゛、本発明の第2の実施例を示す断面図、第5
図は、従来装置の一例を示す断面図、第6図は、従来装
置のポテンシャルダイアダラムの一例を示す模式図であ
る。 (符号の説明) 1・・・トランジスタ、 2.12・・・コレクタ層、 3.13・・・コレクタバリア層、 4.14・・・ベース層、 5.15・・・トンネルバリア層、 6.16・・・エミッタ層、 7.17・・・超伝導体膜。 特許出願人   富士通株式会社 代理人弁理士  岡 本 啓 三 本発明によるオーダパラメータの一例を示す模式図第3
図 本発明の第2の実施例を示す断面図 第4図 本発明の一実施例を示す断面図 第1図 本発明の?テンシャルダイアダラムの 一例を示す模式図 第2図 従来装置の一例を示す断面図 第5図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. トランジスタを構成するエミッタ層、ベース層及びコレ
    クタ層を半導体により形成するとともに、上記エミッタ
    層の周りに非接触状態で位置する超伝導体膜を上記ベー
    ス層に積層したことを特徴とする超伝導トランジスタ。
JP63245716A 1988-09-28 1988-09-28 超伝導トランジスタ Pending JPH0291984A (ja)

Priority Applications (1)

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JP63245716A JPH0291984A (ja) 1988-09-28 1988-09-28 超伝導トランジスタ

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JP63245716A JPH0291984A (ja) 1988-09-28 1988-09-28 超伝導トランジスタ

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JPH0291984A true JPH0291984A (ja) 1990-03-30

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ID=17137737

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JP63245716A Pending JPH0291984A (ja) 1988-09-28 1988-09-28 超伝導トランジスタ

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