JPH0577350B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は超伝導素子に係り、特に半導体障壁を
用いた超伝導三端子素子に関する。

（従来の技術） 超伝導電極と２つのトンネル接合からなる超伝
導三端子素子は例えばアツプライド・フイズイク
ス・レターズ（Applied Physics Letters）誌32
巻６号392頁〜395頁に述べられている。第４図は
従来例の超伝導三端子素子を説明するための図
で、同じ超伝導ギヤツプエネルギーΔを持つ３つ
の超伝導体１，２，３、及びそれらにはさまれた
トンネル障壁４，５からなる。超伝導体１，２，
３はそれぞれエミツタ、ベース、コレクタ電極を
形成する。第５図は該超伝導三端子素子の動作を
説明するためのエネルギー・ダイアグラムであ
る。ａは該素子がオフ状態にあるときの動作を示
しており、ベース・コレクタ間に2Δ／ｅ（ｅは電
子の電荷）よりも小さな電圧V_BCが、またエミツ
タ・ベース間には零電圧が印加されている。図中
点線はフエルミ・エネルギーE_Fを示し、斜線部
で示されるエネルギー状態は各々電子により占有
されている。この状態では超伝導体２にいる電子
は超電導体３中に、電子に占有されていないエネ
ルギー状態を見出せないためトンネルすることが
できず、超電導体２と３の間にはトンネル電流は
流れない。

第５図ｂは該素子がオン状態にあるときの動作
を示しておりベース・コレクタ間に2Δ／ｅより
も小さなベースコレクタ電圧V_BCが、またエミツ
タ・ベース間には2Δ／ｅよりも大きな電圧V_BEが
印加されている。この状態では超電導体１にいる
電子は超電導体２中に電子に占有されていないエ
ネルギー状態を見いだすことができ、図中矢印で
示される如く、超伝導体１から超伝導体２へトン
ネルする。トンネルした電子は超伝導体２中で準
粒子となり、拡散してトンネル障壁５に達する。
前記準粒子は超伝導体３中にエネルギーを保存
し、電子に占有されていないエネルギー状態を見
い出すことができ、図中矢印で示される如く超伝
導体２から超伝導体３にトンネルする。このトン
ネル電流はコレクタ電流I_Cとなり、コレクタ電極
を流れ、該素子の出力電流となる。

以上の説明からわかる様に該素子はスイツチン
グ素子として働く。エミツタ電極１から注入され
た電子はベース２中で準粒子として存在し、平均
的に有限の生存時間τをもつて、クーパー対（超
伝導電子）へと再結合する。再結合の結果、生じ
たクーパー対はコレクタ電極３に達することがで
きず、ベース電極２からベース端子へと流れ、損
失電流I_Bとなる。従つてエミツタ電極１からエミ
ツタ電流I_Eとしてベース電極２に注入された電子
の大部分がコレクタ電極３に達するには準粒子が
再結合によりクーパー対になる割合Γ_R（＝τ^-1）が
トンネル接合５をトンネルする割合Γ_Tに比べて
十分小さいことが必要である。これは動作温度を
選ぶこと、あるいはトンネル接合５の膜厚を十分
薄くし、トンネルする割合を大きくすること等に
よつて可能である。

同時にこの素子の動作においては、エミツタ・
ベース間電圧を2Δ／ｅ以上に設定しなければベ
ース電極に準粒子を注入することができず、また
ベース・コレクタ間電圧は2Δ／ｅ以内にしない
と、オフ状態でベース・コレクタ間にリーク電流
が発生する。このため、この素子を能動素子とし
て動作させる場合には入力電圧とななるV_BEと、
出力電圧となるV_BCの比V_BE／V_BCは１以上とな
り、この素子は電圧利得をもたない。即ち電力利
得をもたない。

上記の事情はエミツタ電極１として超伝導体で
なく、有限の電気抵抗を持つ正常導体を用いれば
若干の改良が可能である。第６図は正常導体のエ
ミツタ電極を有する超伝導三端子素子の動作状諦
態を示すエネルギー・ダイアグラムである。エミ
ツタ電極１よりベース電極２へ準粒子を注入する
に必要なエミツタ・ベース間電圧V_BEはΔ／ｅ以
上あればよく、従つてこの場合の入力電圧と出力
電圧の比V_BE／V_BCは１／２近くまで下がり、該
素子は２に近い電圧利得を持つことが可能であ
る。

しかしながら、この様な小さな電圧利得、電力
利得しか持てない様な三端子素子は、実際の応
用、例えばマイクロ波ミリ波といつた高周波帯に
おける能動素子として動作させることが困難であ
る。

（発明が解決しようとする問題点） 従来の超伝導三端子素子においてはベース電極
となる超伝導体２とコレクタ電極となる超伝導体
３とに同等の超伝導ギヤツプを持つ様な材料を用
いていたため電圧利得が取れなかつた。

本発明の目的は上述の従来の超伝導三端子素子
の持つ欠点を除去し、電圧利得の大きな超伝導三
端子素子を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明によれば、第１の導体、トンネル障壁、
超伝導体、半導体、第２の導体の積層構造を備え
た超伝導三端子素子において、前記半導体と前記
第２の導体とはオーミツク接触を形成し、前記超
伝導体と前記半導体はシヨツトキ障壁を形成し、
該シヨツトキ障壁の高さは前記超伝導体の超伝導
ギヤツプ・エネルギーよりも大きく、前記シヨツ
トキ障壁の幅は前記超伝導体中の準粒子がトンネ
ルできるものであることを特徴とする超伝導三端
子素子が得られる。

（作 用） イツトリウム・バリウム・銅・酸素の混合物
（以下YBCOと略記する）等からなる酸化物超伝
導体は超伝導転移温度が90〓と高く超伝導ギヤツ
プエネルギーが数十meVに達することが予想さ
れる。

一方、半導体と超伝導体、あるいは正常導体と
の界面には一般にシヨツトキ障壁が形成される。
半導体として例えばギヤツプエネルギーが
200meV（77〓）のインジウム‐アンチモンを、
超伝導体として例えばギヤツプエネルギー
25mmeVの前記YBCOを選び、半導体の導体の
界面でフエルミ面が半導体ギヤツプの中央にくる
と想定すると、シヨツトキ障壁の高さは100meV
となる。このときYBCOの超伝導体中でクーパ
対を形成している電子（超伝導電子）にとつては
半導体シヨツトキ障壁の高さは125meV、同じく
超伝導体中で準粒子となつている電子にとつては
半導体シヨツトキ障壁の高さは75meVとなる。
前記文献フイズイクス・オブ・セミコンダクタ・
デイバイスイズ（Physics of Semiconductor
Devices）520頁から527頁を参照すればわかるよ
うに、ポテンシヤル障壁を電子がトンネルする確
率Γ_Tは、ポテンシヤル障壁のエネルギーをＶと
すると、 Γ_TαEXP−（４√2m^*V^3/2／3eｈ／／Ｅ） となる。ここでm^*は半導体中の電子の有効質量、
ｅは電子の電荷、ｈ／はプランク定数を2πで除し
たもの、Ｅは半導体中の電界の強さである。上記
により、準粒子と超伝導電子の見るシヨツトキ障
壁の高さの違い、125meVと75meVの差によつ
て、両者の間で、シヨツトキ障壁をトンネルする
確率の比を十分大きくとることが可能である。

従つてベース電極を形成する例えばYBCO超
伝導体とインジウム・アンチモンからなる半導体
を隔てて設けられる第２の導体（コレクタ電極）
の間に前記超伝導体の超伝導ギヤツプ電圧Δ／ｅ
以上の大きな電圧V_BCを印加しても超伝導電子が
トンネルしない状況が実現できる。同時にエミツ
タ電極を形成する第１の導体からベース電極へ準
粒子を注入し、この準粒子は続けて前記シヨツト
キ障壁をトンネルし、コレクタ電極へ到達させる
ことが可能である。これにより電圧利得、電力利
得を有する超伝導三端子素子が実現できる。

（実施例） 第１図は本発明の実施例を説明するための構成
図である。この実施例はアルミニウムからなる第
１の導体１０、アルミニウム酸化膜からなる第１
のトンネル障壁１１、YBCOからなる酸化物超
伝導体１２、ｎ型にドープされたインジウム・ア
ンチモンからなる半導体１３、金・ゲルマニウ
ム・ニツケルからなる第２の導体１４から形成さ
れる。前記導体１０、超伝導体１２、導体１４は
それぞれエミツタ電極、ベース電極、コレクタ電
極を形成する。

第２図は該超伝導三端子素子の動作を説明する
ためのエネルギー・ダイアグラムでａがオフ状
態、ｂはオン状態を示す。動作温度としては液体
窒素温度（77〓）を想定する。前記YBCO超伝
導体１２の超伝導ギヤツプ電圧Δ／ｅは25meV、
ｎ型インジウム・アンチモン１３とYBCO超伝
導体１２とのシヨツトキ障壁の高さは100meVと
する。インジウム・アンチモンと金・ゲルマニウ
ム・ニツケルの合金とは350℃程度の高温下でア
ロイさせることによりオーミツク・コンタクトが
形成できる。

ａの動作状態ではベース・コレクタ間に前記超
伝導ギヤツプ電圧25meVよりも十分大きな電圧
V_BCが印加されている。一方、エミツタ・ベース
間には零電圧が印加されている。この状態では前
記ベース電極１２中の超伝導電子は125meVの高
さのシヨツトキ障壁のため、ほとんどコレクタ側
にトンネルすることができない。従つてこの状態
ではコレクタ電流I_Cは流れない。

ｂの状態ではΔ／ｅ以上の電圧V_BEがエミツ
タ・ベース間に印加され、エミツタ電極１０から
電子がベース電極１２中に注入される。注入され
た電子は準粒子となりベース電極１２中を拡散
し、半導体１３と超伝導体１２との界面にできる
シヨツトキ・障壁をトンネルし、コレクタ電極１
４中に現われる。超伝導体１２中で準粒子がクー
パ対へと再結合する割合が、シヨツトキ・障壁を
トンネルする割合に比べ十分小さいとすると、エ
ミツタ電流I_Eはコレクタ電流I_Cにほぼ等しい。前
述した如くベース・コレクタ間にはエミツタ・ベ
ース間電圧V_EB（Δ／ｅ）に比べ十分大きな電
圧を印加できるので、該超伝導三端子素子におい
ては、大きな電圧利得、電力利得が得られること
がわかる。

第３図は前記実施例において、インジウム・ア
ンチモンからなる半導体１３の超伝導体１２側に
近い方を高濃度のｎ型に凸ドープし、残りを低濃
度のｎ型にドープした超伝導三端子素子のエネル
ギー・ダイアグラムである。同図に示される如
く、高濃度ｎ型のインジウム・アンチモン領域２
０では電気ポテンシヤルは急激に低下するため、
超伝導体１２中の準粒子にとつてはトンネルすべ
きシヨツトキ障壁は高さは同じだが幅が短くな
り、一様にドープされた第２図の場合に比べ、ト
ンネル確率が大幅に上昇する。一方超伝導電子
は、低濃度にドープされたインジウム・アンチモ
ン領域２１をやはりトンネルしなければならず、
トンネル確率はさほど上昇しない。この結果、超
伝導電子と準粒子のトンネルする確率の比を大き
く取れるだけでなく、準粒子のトンネルする割合
を、クーパー対に再結合する割合に比べ大きく取
ることができ、注入された準粒子の大部分がコレ
クタ電極１４側に抜け、損失電流となるベース電
流を小さくすることが可能である。

第１図の実施例に示す超伝導三端子素子は第４
図ａ〜ｄに示す製造工程に従つて作製することが
できる。ｎ型にドープされたインジウム・アンチ
モン基板１３上に厚さ1000ÅのYBCO薄膜１２
をスパツタリング法で形成し、続いて厚さ50Åの
アルミニウム薄膜２２を蒸着する（第４図ａ）。

続いて酸素雰囲気で前記アルミニウム薄膜２２
を熱酸化し、アルミニウムの酸化膜１１を形成、
その後厚さ2000Åのアルミニウム薄膜１０を蒸着
する（第４図ｂ）。

フオトリソグラフイ技術により塗布されたレジ
スト膜をパターニングし、塩素系ガスによりアル
ミニウム薄膜１０を、アルゴンガスによりアルミ
ニウムの酸化膜１１をエツチングする。続いて前
記レジスト膜を除去後、身たに塗布されたレジス
ト膜をパターニングし、アルゴンガスにより
YBCO薄膜をエツチングする。続いてレジスト
膜除去後シリコン酸化膜SiO₂２２をスパツタリ
ング法で形成し、エツチングにより開口部を設
け、パターニングされたアルミニウム薄膜２３，
２４によりそれぞれエミツタ電極、ベース電極用
配線を形成する（第４図ｃ）。

その後、前記インジウム・アンチモン基板１３
の裏側に金／ゲルマニウム／ニツケル２５を積層
蒸着し、400℃でアロイさせることにより前記イ
ンジウム・アンチモン基板１３とオーミツク接触
をしたコレクタ電極２５が形成できる（第４図
ｄ）。以上により該超伝導三端子素子の製作が可
能である。

なお本実施例においては半導体としてインジウ
ム・アンチモンを用いたが、ゲルマニウム、シリ
コン、砒化ガリウム等、他の半導体であつてもよ
い。

（発明の効果） 以上に詳しく説明した様に本発明によれば電圧
利得電力利得の大きい超伝導三端子素子が提供で
き、マイクロ波、ミリ波等超高周波数帯における
能動素子として応用が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超伝導三端子素子等の一
実施例を説明するための構成図を、第２図、第３
図は前記実施例の超伝導三端子素子の動作を説明
するためのエネルギー・ダイアグラムで第２図ａ
はオフ状態、第２図ｂおよび第３図はオン状態を
示す。第４図は該超伝導三端子の製作工程図、第
５図は超伝導三端子素子の従来例を説明するため
の構成図、第６図は前記従来例の動作を説明する
ためのエネルギー・ダイアグラムでａはオフ状
態、ｂはオン状態である。第７図は前記従来例の
超伝導体からなるエミツタ電極を正常導体からな
るエミツタ電極に置き換えた超伝導三端子素子の
動作を説明するためのエネルギー・ダイアグラム
である。 １，１０…第１の導体、２，１２…超伝導体、
３，１４…第２の導体、４，５，１１…トンネル
障壁、１３…半導体、２０…高濃度にドープされ
た半導体、２１…低濃度にドープされた半導体、
２２…シリコン酸化膜、２３…エミツタ電極、２
４…ベース電極、２５…コレクタ電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第１の導体、トンネル障壁、超伝導体、半導
   体、第２の導体の積層構造を備えた超伝導三端子
   素子において、前記半導体と前記第２の導体とは
   オーミツク接触を形成し、前記超伝導体と前記半
   導体はシヨツトキ障壁を形成し、該シヨツトキ障
   壁の高さは前記超伝導体の超伝導ギヤツプ・エネ
   ルギーよりも大きく、前記シヨツトキ障壁の幅は
   前記超伝導体中の準粒子がトンネルできるもので
   あることを特徴とする超伝導三端子素子。