JPH0634414B2 - Superconducting device - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 ベース領域の超伝導体のキャップエネルギをエミッタ側
で大きく、コレクタ側で小さくすることにより、エミッ
タより注入された準粒子のベース走行時間を短縮し、高
周波特性を改善した超伝導トランジスタを提起する。Detailed Description [Overview] By making the cap energy of the superconductor in the base region large on the emitter side and small on the collector side, the base transit time of quasi-particles injected from the emitter is shortened, and high frequency characteristics are improved. We propose an improved superconducting transistor.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

本発明は、準粒子をキャリアとして用い、従来のトラン
ジスタと同様の信号増幅作用をもつ超伝導デバイスに関
する。The present invention relates to a superconducting device which uses a quasi-particle as a carrier and has a signal amplification effect similar to that of a conventional transistor.

超伝導デバイスはクライオトロンや、ジョセフソン・ト
ンネル効果デバイス等が提起されているが、これらのデ
バイスに高速トランジスタ作用を行わせるには動作速
度、回路構成、増幅率等種々の問題点があった。Cryotron and Josephson tunnel effect devices have been proposed as superconducting devices, but there were various problems such as operating speed, circuit configuration, and amplification factor in order to make these devices perform high-speed transistor action. .

これらの点を改良するため、２、３の試みが発表されて
いるが、動作速度、増幅率が充分でないので、本発明人
は特願昭58-224311 号明細書において、超伝導体にエミ
ッタより準粒子を注入し、超伝導体−半導体接触よりな
るコレクタで準粒子を取り出す構成の超伝導デバイスを
提案した。In order to improve these points, a few attempts have been announced, but since the operating speed and the amplification factor are not sufficient, the inventor of the present invention discloses in Japanese Patent Application No. 58-224311 that a superconductor is an emitter. We proposed a superconducting device in which quasi-particles are injected and quasi-particles are taken out by a collector made of a superconductor-semiconductor contact.

現在さらに、超伝導デバイスの超高速性の追求が行われ
ている。Currently, the pursuit of ultra-high speed of superconducting devices is being pursued.

〔従来の技術〕 第２図は従来例によるトラジスタ作用をもつ超伝導デバ
イスの断面図である。[Prior Art] FIG. 2 is a cross-sectional view of a conventional superconducting device having a transistor effect.

図において、21は半導体基板で、例えばGaAs，InP,InA
s,InSb 等の基板で、この上にベース領域となる超伝導
体層22として、例えばPb合金、Nb，NbN 層等を形成す
る。In the figure, 21 is a semiconductor substrate, for example, GaAs, InP, InA
On a substrate of s, InSb or the like, for example, a Pb alloy, Nb, NbN 2 layer or the like is formed as a superconductor layer 22 serving as a base region on the substrate.

このとき、超伝導体−半導体接触部の障壁高さは充分低
いものとする。At this time, the barrier height of the superconductor-semiconductor contact portion is sufficiently low.

つぎに、超伝導体層22を覆って、絶縁層26として蒸着に
よりSiO 層、または気相成長(CVD) 法、スパッタ法等に
より、SiO₂層を成長し、超伝導体層22上にエミッタ、ベ
ース電極窓を開口する。Next, the superconductor layer 22 is covered and an SiO ₂ layer is grown as an insulating layer 26 by vapor deposition, or a SiO ₂ layer is grown by a vapor phase growth (CVD) method, a sputtering method, etc., and the emitter is formed on the superconductor layer 22. , Open the base electrode window.

つぎに、前記開口部にトンネル酸化膜25を形成する。Next, a tunnel oxide film 25 is formed in the opening.

つぎに、トンネル酸化膜25上に、動作温度で常伝導の金
属、例えばAl,Mo よりなるエミッタ電極23、超伝導体、
例えばPb合金、Nb等よりなるベース電極24を形成する。Next, on the tunnel oxide film 25, a metal that is normally conductive at the operating temperature, for example, Al, an emitter electrode 23 made of Mo, a superconductor,
For example, the base electrode 24 made of Pb alloy or Nb is formed.

超伝導体よりなるベース電極24とベース領域となる超伝
導体層22との間にはジョセフソン接合が形成され、通常
のベース電流に対しては電位差が生じないものとする。It is assumed that a Josephson junction is formed between the base electrode 24 made of a superconductor and the superconductor layer 22 made of a base region so that no potential difference is generated with respect to a normal base current.

つぎに、半導体基板21上の絶縁層26にコレクタ電極窓を
開口し、オーミック性のコレクタ電極27を形成する。Next, a collector electrode window is opened in the insulating layer 26 on the semiconductor substrate 21 to form an ohmic collector electrode 27.

以上の構造においては、ベース領域となる超伝導体層22
の厚さを薄く形成することは容易であるため、高速、高
増幅率が実現できる。In the above structure, the superconductor layer 22 serving as the base region is formed.
Since it is easy to form a thin film, a high speed and a high amplification factor can be realized.

また、ベース電極24とベース領域となる超伝導体層22と
の間にはジョセフソン接合が形成されているためにベー
ス電極よりベース領域への準粒子流を小さくすることが
できる。Further, since the Josephson junction is formed between the base electrode 24 and the superconductor layer 22 which becomes the base region, the quasi-particle flow from the base electrode to the base region can be made smaller.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

従来例のトランジスタ作用をもつ超伝導デバイスにおい
ては、エミッタのトンネル接合より準粒子を注入した場
合に、低バイアスでは注入される準粒子は、励起エネル
ギがちょうどギャップエネルギのものが最も多い。この
ような場合、キャップ端の準粒子の走行速度は０である
ため、ベース走行時間が長くなり、高周波特性が悪くな
る。また準粒子のベース走行時間が長くなると電流伝達
率が低下するという問題がある。In the conventional superconducting device having a transistor function, when quasi-particles are injected from the tunnel junction of the emitter, the quasi-particles injected with a low bias have the most excitation energy of just the gap energy. In such a case, since the traveling speed of the quasi-particles at the cap end is 0, the base traveling time becomes long and the high frequency characteristics deteriorate. In addition, there is a problem that the current transfer rate decreases as the base transit time of the quasi-particles increases.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記問題点の解決は、超伝導体からなるベース領域と、
その両側に形成された該ベース領域に準粒子を注入する
エミッタ接合と、該ベース領域から準粒子を取り出すコ
レクタ接合とよりなり、該ベース領域の超伝導ギャップ
エネルギがエミッタ接合側でコレクタ接合側より大きく
なっている超伝導デバイスにより達成される。To solve the above problems, a base region made of a superconductor,
It is composed of an emitter junction formed on both sides of the base region for injecting quasi-particles into the base region and a collector junction for extracting the quasi-particles from the base region, and the superconducting gap energy of the base region is on the emitter junction side from the collector junction side. Achieved by growing superconducting devices.

〔作用〕[Action]

第３図は本発明の原理を説明するベース領域のエネルギ
準位図である。FIG. 3 is an energy level diagram of the base region for explaining the principle of the present invention.

超伝導体のエネルギギャップをΔ、準粒子の励起エネル
ギを E、波数ベクトルを kとすると、準粒子の速度 vは v ＝〔(E^２−Δ²)^1/2/E〕・(hk/m). で表される。ここで、h はブランクの定数、m は電子質
量である。If the energy gap of the superconductor is Δ, the excitation energy of the quasiparticle is E, and the wave vector is k, the velocity v of the quasiparticle is v = [(E ² −Δ ² ) ^1/2 / E] ・ (hk / m). Where h is a blank constant and m is the electronic mass.

従って、エネルギE がちょうどΔである準粒子の速度は
０である。エネルギE がΔより大きくなるに従って速度
v が増加する。Therefore, the velocity of a quasiparticle whose energy E is just Δ is 0. Velocity as energy E becomes larger than Δ
v increases.

このことは、第３図において、エネルギE を一定にして
Δを変化させても全く同様である。This is exactly the same even if Δ is changed while the energy E is kept constant in FIG.

この点に関し、さらに説明するとつぎるようになる。This point will be described further below.

速度v はエネルギE がΔに極めて近い値を有するとき、 Ｅ−Δ＝δＥ， とおくと、上式はつぎのように近似される。When the energy E has a value very close to Δ, the velocity v is given by E-Δ = δE, and the above equation is approximated as follows.

ｖ≒〔２δE /(Δm/2E_F)〕^1/2. ここに、 E_Ｆはフェルミエネルギである。v≈ [2δE / (Δm / 2E _F )] ^1/2 . Here, E _F is the Fermi energy.

一方、有効質量 m^＊の電子がエネルギδE を有するとき
の速度 vは v ＝（２δE / m^＊)^1/2. であたえられる。両式を比較すると、準粒子の運動は有
効質量がΔm/2E_Ｆの電子の運動で近似できる事がわか
る。On the other hand, the velocity v when the electron of effective mass m ^* has energy δE is given by v = (2δE / m ^* ) ^1/2 . Comparing both equations, the movement of quasiparticles is seen that the effective mass can be approximated by electron motion of Δm / 2E _F.

Δは数meV 、E_ＦはeVの桁であるため、有効質量は非常
に小さい。このことは、容易に加速されることを意味す
る。Δ few meV, because E _F is the order of eV, effective mass is very small. This means that it is easily accelerated.

また、このように近似したとき、電子の運動エネルギは
励起エネルギ EとΔの差δE で与えられるので、第３図
のようにΔが空間的に変化して Δ＝Δ(x), x：位置座標． であたえられるとき、準粒子の運動はポテンシャルΔ
(x) 中の有効質量Δm/2E_Ｆの電子の運動で近似できる
（この近似はδE ＜＜Δのとき成立）。Further, when approximated in this way, the kinetic energy of the electron is given by the difference δ E between the excitation energy E and Δ, so that Δ changes spatially as shown in Fig. 3, and Δ = Δ (x), x: Position coordinates. Quasi-particle motion is the potential Δ
It can be approximated by the motion of the electron of effective mass Δm / 2E _{F in} (x) (this approximation holds when δE << Δ).

従って、準粒子はΔの小さい方に向かって加速される。Therefore, the quasiparticles are accelerated toward the smaller Δ.

〔実施例〕〔Example〕

第１図は本発明によるトランジスタ作用をもつ超伝導デ
バイスの断面図である。FIG. 1 is a sectional view of a superconducting device having a transistor function according to the present invention.

図において、１は半導体基板で、例えばGa_0.19In_0.81As
基板で、この上にDCマグネトロンスパッタ法により、ベ
ース領域となる第１の超伝導体層２として、例えば厚さ
800ÅのNb層を形成する。In the figure, 1 is a semiconductor substrate, for example, Ga _0.19 In _0.81 As
On the substrate, by DC magnetron sputtering, a first superconductor layer 2 to be a base region, for example, having a thickness of
Form 800 Å Nb layer.

さらに、この上に反応性スパッタ法により、ベース領域
となる第２の超伝導体層２′として、例えば厚さ 800Å
のNbN 層を形成する。Further, a second superconducting layer 2 ′ serving as a base region is formed thereon by reactive sputtering, for example, with a thickness of 800 Å
To form the NbN layer.

つぎに、プラズマ酸化により、トンネル障壁６を成長さ
せた後、エミッタ層３として厚さ2000ÅのNb層を形成す
る。Next, after the tunnel barrier 6 is grown by plasma oxidation, an Nb layer having a thickness of 2000Å is formed as the emitter layer 3.

つぎに、反応ガスとしてCF₄+10％O₂を用いたリアクティ
ブイオンエッチング(RIE) によりエミッタ層３、および
ベース領域となる超伝導体層２、２′のパターニングを
順次行う。Next, the emitter layer 3 and the superconductor layers 2 and 2 ′ serving as the base regions are patterned in order by reactive ion etching (RIE) using CF ₄ + 10% O ₂ as a reaction gas.

つぎに、絶縁層４として厚さ4000ÅのSiO 層を蒸着した
後、コレクタ孔をRIE により形成する。Next, after depositing a 4000 Å thick SiO 2 layer as the insulating layer 4, a collector hole is formed by RIE.

最後に、配線５として厚さ5000ÅのNb層をスパッタで成
膜し、RIE によりパターニングする。Finally, a 5000 Å thick Nb layer is formed as the wiring 5 by sputtering and patterned by RIE.

この実施例では、エミッタ側（３−２′接合）のギャッ
プエネルギがコレクタ側（２−１接合）のキャップエネ
ルギより大きくなっているため、ベース領域中を準粒子
がエミッタ側よりコレクタ側に高速で走行し、とくに低
バイアス条件での高周波特性と電流伝達率が改善され
る。In this embodiment, since the gap energy on the emitter side (3-2 'junction) is larger than the cap energy on the collector side (2-1 junction), the quasi-particles in the base region move faster from the emitter side to the collector side. The high frequency characteristics and current transfer rate are improved especially under low bias conditions.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上詳細に説明したように本発明によれば、ベース領域
中のキャリア（準粒子）の走行時間が短くなり、電流の
高周波特性を改善できる。As described in detail above, according to the present invention, the transit time of carriers (quasi-particles) in the base region is shortened, and the high frequency characteristics of current can be improved.

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

第１図は本発明によるトランジスタ作用をもつ超伝導デ
バイスの断面図、 第２図は従来例によるトランジスタ作用をもつ超伝導デ
バイスの断面図、 第３図は本発明の原理を説明するベース領域のエネルギ
準位図である。 図において、 １は半導体基板でGa_0.19In_0.81As基板、 ２はベース領域となる第１の超伝導体層でNb層、 ２′はベース領域となる第２の超伝導体層でNbN 層、 ３はエミッタ層でNb層、 ４は絶縁層でSiO 層、 ５は配線でNb層、 ６はトンネル障壁 である。1 is a sectional view of a superconducting device having a transistor function according to the present invention, FIG. 2 is a sectional view of a superconducting device having a transistor function according to a conventional example, and FIG. 3 is a base region for explaining the principle of the present invention. It is an energy level diagram. In the figure, 1 is a semiconductor substrate, a Ga _0.19 In _0.81 As substrate, 2 is a first superconductor layer serving as a base region, which is an Nb layer, 2'is a second superconductor layer serving as a base region, which is an NbN layer, 3 is an emitter layer, which is an Nb layer, 4 is an insulating layer, which is a SiO layer, 5 is a wiring, which is an Nb layer, and 6 is a tunnel barrier.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】超伝導体からなるベース領域と、その両側
に形成された該ベース領域に準粒子を注入するエミッタ
接合と、該ベース領域から準粒子を取り出すコレクタ接
合とよりなり、該ベース領域の超伝導ギャップエネルギ
が、エミッタ接合側でコレクタ接合側より大きくなって
いることを特徴とする超伝導デバイス。1. A base region comprising a superconductor, an emitter junction formed on both sides of the base region for injecting quasi-particles into the base region, and a collector junction for extracting the quasi-particles from the base region. The superconducting gap energy of is larger on the emitter junction side than on the collector junction side.