JPS63250879A - 超伝導素子 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、低温または室温で動作する超伝導素子に係り
、特に利得が大きくスイッチング速度が速く高利得化に
好適な超伝導素子に関する。

〔従来の技術〕

半導体に接して設けられた２つの超伝導電極の間に流れ
る超伝導電流の値を、制御電極に印加して電圧により超
伝導近接効果を変化させることによって制御することを
動作原理とする超伝導トランジスタについては、ティー
・ディー・クラーク（Ｔ、Ｄ、Ｃ１ａｒｋ）　　によっ
てジャーナルΦオブ・アプライド・フイジクス、５１巻
２７３６ページ（１９８０年）　　（Ｊｏｕｒｎａｌ　
ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ。

Ｖｏｌ、５１　　（１９８０）ｐ２７８６）に論じられ
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記技術は、電界効果型の超伝導素子を実現することを
目的としている。この型の超伝導トランジスタを作製す
る際には、半導体基板上に一定の距離Ωだけ離して対向
させた一対の超伝導電極を設ける。この電極が電界効果
トランジスタの、ソース・ドレイン電極に対応する。こ
の対向部に制御電極を設けて電界をかけることにより、
キャリア濃度を変化させ、ソース・ドレイン電極間を半
導体を介して流れる超伝導電流を変調している。

従来のゲート酸化膜を介してゲート電極を設けたＭＯ８
型電界効果トランジスタ構造では、ゲート容量が大きく
なり、必要以上に大きな電圧を加えなければＯＮ状態に
ならず、結果として利得の向上を図ることができなかっ
た。またゲート容量と密接な関係にある動作速度の向上
も望めないという問題もあった。

本発明の目的は、ゲート容量を無視できる程小さな値に
して、スイッチング速度の高速化と利得の向上を可能と
する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〕

上記目的は、金属あるいは半導体を介して超伝導弱結合
を構成し、上記金属あるいは半導体に超伝導あるいは常
伝導電流を注入する手段と、上記電流の注入量を制御す
るための手段を設けて、上記注入電流によって上記超伝
導体間を流れる超伝導臨界電流の大きさを制御して素子
を動作させることによって達成することができる。

〔作用〕

本発明は、従来用いられている電界効果トランジスタや
バイポーラトランジスタと異なり、新規な原理に基づい
ている。

従来技術においては、２つの超伝導電極間の結合を、電
界効果によって制御して素子特性を変化させて動作を行
っていた。本発明の超伝導素子は電界効果ではなく、超
伝導電流あるいは常伝導電流の注入によってこれを制御
している超伝導電流あるいは常伝導電流の注入を用いる
ことによって。

従来技術において問題となっていた制御電極の静電容量
を低減して素子動作の高速化を図ることができる。

また従来、超伝導トンネル接合に電流を注入する手段を
有し、トンネル効果を制御するデバイスは公知であるが
、これら公知技術においては電流の注入は超伝導電極部
分に対して行われており、トンネル電流を制御すること
によってデバイス動作を行っている。

これに対し本発明の超伝導素子においては、超伝導電極
そのものではなく、その間に設けた半導体あるいは金属
部分に超伝導電流あるいは常伝導電流を注入している。

これは従来技術と全く異なっている。さらに従来技術が
超伝導体のエネルギ・ギャップを電流の注入によって制
御し、これに基づいてアバイスを動作させていたが、本
発明の超伝導素子は超伝導体中のエネルギ・ギャップを
制御するのではなく１本来は超伝導体ではない上記半導
体あるいは金属中に、超伝導近接効果によって誘起され
た超伝導性を制御し、２つの超伝導電極の間に流れる超
伝導臨界電流を増減させることにより動作する。さらに
本発明では、電流の注入を行うために単に電極を上記半
導体もしくは金属にオーミックに接触させるのではなく
電流の注入量を制御する手段を利用しており、これを用
いることによって、注入された電流に対する上記超伝導
臨界電流の変化の割合を大きくシ、あるいは注入電流に
一定のしきい値を設けることによって、デバイスとして
の特性の非線形性を強くシ１回路あるいはシステムの構
成が容易となる点に特徴がある。

例えば、上記の電流の注入量を制御する手段として量子
井戸ポテンシャルを用いた場合には次のごとくデバイス
特性を改善することが可能である。

ブロッホ波長に近い寸法の半導体を積層した場合量子効
果が顕著になる。そこで量子井戸を用いて物質内の電子
を所望の層内に閉じ込めることが可能となる。材料と寸
法により、量子井戸ポテンシャルの幅と高さを変化させ
ることができ、井戸の中の電子のとりうる許容エネルギ
ーも変化する。

つまり井戸中の電子のエネルギー状態が量子化される。

一方半導体は伝導帯の中の電子のエネルギー準位は連続
している。この点が従来の半導体素子との異なる点であ
る。

量子井戸型ポテンシャルの様子を第２図に示す。

第２図は、１つの井戸の中の電子の確率密度が隣の井戸
の中に及ぶほど互いに近接して配置されている。すなわ
ち電子はお互いの間を容易にトンネルすることができる
。

井戸から井戸へ電子がエネルギーの変化なしにトンネル
する現象として共鳴トンネル現象が知られている。井戸
と井戸の距離が小さくなるとともに共鳴トンネル現象の
確率が高まる。この現象の制約は熱エネルギーによって
誘起されるエネルギー準位のポピユレーションの再分布
によりもたらされる。従って３００にで動作させるには
、井戸の幅と間隔は１００人程度にしなければならない
が液体ヘリウム温度（４，２Ｋ）　　で動作させる場合
、井戸の幅と間隔は１０００人〜２０００人でよい、こ
の点で低温で動作する超伝導素子に適用すると有利であ
る。遷移時間が１ピュ秒で短いためデバイスとして見た
場合、高速化できる。

第３図（ａ）に示しているように隣接している井戸のエ
ネルギー準位はバイアス電圧をかけることによってそろ
えることができる。これらの２つの井戸の間におけるト
ンネル現象の電流電圧特性は第３図（ｂ）のようになる
。２つの井戸のエネルギー準位がそろったときに電流の
ピークが現れ、それ以後には負性抵抗が見られる。なお
、井戸を２つ以上の並列に働かせることによって、全電
流を増すことも可能である。

以上述べた様に、本発明によって構成された超伝導素子
はトンネル現象を利用した電子の注入を半導体のチャネ
ル部に行うことができるので、超伝導体からなるソース
・ドレインの２つの超伝導電極間に半導体もしくは常伝
導金属を介して流れる超伝導電流を増加させることがで
きるので、高速、高利得となる。

量子井戸型ポテンシャルのほかに、ショットキ障壁、絶
縁物よる成るトンネル障壁層ｗＰ　　ｎ接合を用いても
、トンネル現象に基づく電子の注入を行うことが可能で
ある。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例にもとづき詳細に説明する。第１
図は本発明の第１の実施例である素子の断面構造を示す
、この実施例では注入電流を制御する手段として量子井
戸型ポテンシャルを用いた例である。ＧａＡｓからなる
基板３上にＧ　ａ　Ａ　ｓとＡＱＧａＡｓを交互に成長
させて形成長した量子井戸５が設けられている。この量
子井戸５の両側の基板３上に接して超伝導体からなるソ
ース電極１とドレイン電極２が設けられている。量子井
戸５に接触して設けた制御電極４に電圧を印加すると共
鳴トンネル現象で井戸から井戸に電子が無損失でトンネ
ルして、半導体基板３の表面で量子井戸５に接している
部分に電子が注入される。よってこの部分の実効的なキ
ャリア濃度は増加したことになるためソース・トレイン
両電極から基板３に超伝導電子がしみ出す確率が増し、
その距離も広がる。したがって電圧が零の状態でソース
電極１とドレイン電極２の間に超伝導電流が流れるよう
になる。つまりこのような素子を構成すれば、制御電極
４に印加する電圧で、超伝導電流の大きさを制御するト
ランジスタが実現できる。

次にこの素子の作製方法について述べる。

Ｓｉの不純物濃度を１０１７ａ１１−８導入したＧ　ａ
　Ａ　ｓからなる基板１の表面に厚さ１５０人のＧａＡ
ｓとＡＱＧａＡｓを分子線成長法あるいは気相成長法を
用いて交互に積層する。これにホトレジストをマスクと
したＣＦ４ガスによるプラズマエツチングを施し、所望
の形状に加工する０次にＤＣマグネトロンスパッタ法に
よって厚さ２００ｎｍのＮｂを堆積し、これをホトレジ
ストをマスクとしてＣＦａガスによりプラズマエツチン
グを施してソース・ドレイン電極を形成した。

このようにして作製した素子を４．２にの液体ヘリウム
中で動作させたところ、わずかな電界によるトンネル電
子の注入で、ソース・ドレイン電極に流れる超伝導電流
を大きく変化させることができる。また、素子の動作速
度と関係するゲート容量がゼロに近いほど小さな値であ
るため、高速のスイッチング素子が得られる。さらに、
消費電力が小さく高集積化に適した回路をこの素子を用
いて構成することができる。

次に本発明の第２の実施例を第４図を用いて説明する。

本実施例では注入電流を制御する手段としてショットキ
障壁を用いた例である。不純物としてホウ素をＩ　Ｘ　
１０　”ａｎ−”の濃度に含んだＳｉ半導体基板３に、
リン・イオンをｌＸｌ０”ａｍ−８の濃度に注入して高
不純物濃度部分８とした。続いて、スパッタリング法に
よって超伝導体であるＮｂ薄膜を厚さ・約２００ｎｍに
形成し、これをＣＦ４ガスを用いたイオンエツチング法
により加工して、超伝導体よる成る２つの電極であるソ
ース電極１とドレイン電極２を形成した。最後に基板３
の表面にやはりＮｂより成り厚さ約２００ｎｍの制御電
極４を形成する。これによって基板３の表面の制御電極
４に接した部分にショットキ障壁９が自動的に形成され
る。以上によって本発明の超伝導デバイスを実現するこ
とができた。本実施例のデバイスにおいては、注入され
る電流はショットキ障壁９のために制御ｆｆＩＬ極４に
印加した電圧に対して著しい非線型性を有するため、デ
バイスの入力特性にはしきい値が生じるとともに、デバ
イスの利得を大きくすることが可能である。

次に本発明の第３の実施例を第５図を用いて説明する。

本実施例では、注入電流を制御する手段として絶縁物よ
り成るトンネル障壁層を用いた例である。基板３と高不
純物濃度部分８．ソース電ＦＡ１．ドレイン電極２の形
成方法は本発明の第２の実施例と同様で良い、基板３の
表面を純酸素中で７００℃の温度で酸化して厚さ約８０
ｎｍの５ｉＯｚより成るトンネル障壁層１０を形成した
。

最後に厚さ約２００ｎｍのＮｂ薄膜より成る制御電極４
を形成することによって本発明の超伝導素子を製造する
ことができる６本実施例では基板３の表面を酸化するこ
とによってトンネル障ｍＭ１０を形成したが、別の材料
を蒸着等の方法によって形成しても良く例えばＳｉＯ，
５ｉａＮ４等の材料を使用することができる６ 第６図を用いて本発明の第４の実施例を説明する。本実
施例では、注入電流を制御する手段として半導体のｐ　
−ｎ接合を利用した例である。基板３と高不純物濃度部
分８の形成方法は前記の第１及び第２の実施例と同様で
良い。その後、基板３の表面にイオン注入法によりイオ
ンをｌＸｌ０”■−８の濃度に導入して制御用イオン注
入部分１１とｐ　−ｎ接合１２とを形成した。これを９
５０℃の窒素中で約５分間加熱して、不純物を活性化さ
せる。次にスパッタリング法によって、Ｋ　ｚ　Ｎ　ｉ
　Ｆ　Ａ型Ｍ品構造あるいはペロブスカイト型結晶構造
を有する酸化物超電導材料の薄膜を厚さ約２００ｎｍに
形成し、これを加工してソース電極１とドレイン電極２
及び制御電極４とした。制御用・イオン注入部分１１と
制御電極４とはオーミックに接触している酸化物超電導
材料にはＬａ、Ｓｒ、Ｙより選ばれた１つ又はそれ以上
の元素と、Ｂａ。

Ｓｒ、Ｃａより選ばれた１つ又はそれ以上の元素とＣｕ
と０とを含んで構成されたるものを利用し、液体ヘリウ
ム温度（４：２Ｋ）　　以上の温度においても動作する
ことを可能にした。材料の超伝導性を散着するために１
０５０’Ｃの酸素中で６０分の加熱を行ったのち、これ
を冷却して本発明の超伝導素子を作製することができた
。

本実施例においてもｐ−ｎ接合１２の存在のために制御
電極４に印加した電圧と注入電流とは非線形なため、デ
バイスの利得を向上させることが可能になる。

以上示した実施例における超伝導体の材料にはＮｂある
いは酸化物超伝導材料を用いたが。

ＮｂＮ、Ｎｂ５Ｇｅ、Ｎｂ５Ｓｎ、Ｎｂ８Ａｆｌ　　等
のＮｂ化合物、あるいはＰｂ−Ａｕ、Ｐｂ−Ｉｎ−Ａｕ
、Ｐｂ−Ｂ１等のｐｂを用いた場合でも同様の効果を得
ることができる。また基板にはＧａＡｓを用いたが、Ｓ
ｉ単結晶、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳ　ｘ　ｖ　Ｇ　
ｅ　？　Ｉ　ｎ　Ａ　ｓ　＋　Ｉ　ｎ　Ｐ　ｒ　Ｉ　ｎ
　Ｓ　ｂ等を用いてもよい。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、半導体あるいは金属
中に電流をトンネル注入することにより超伝導電流の流
れを制御でき、しかも注入電流の制御手段を有している
ので素子の回路利得を大きくなり、動作を高速化できる
効果がある。また、この素子により、低消費電力で高集
積化に適した回路を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による超伝導素子の断面を示
す、第２図は本発明の原理を示す量子井戸の幅と障壁の
幅及び高さとエネルギー準位とを示す図、第３図は共鳴
トンネル現象を引き起すために電圧を印加したときの量
子井戸と電流電圧特性を示す図、第４図、第５図及び第
６図はそれぞれ本発明の第２．第３．第４の実施例によ
る超伝導デバイスの一部断面を示す図である。 １・・・ソース電極、２・・・ドレイン電極、３・・・
基板、４・・・制御電極、５・・・量子井戸、６・・・
井戸、７・・・障壁、８・・・高不純物濃度部分、９・
・・ショットキ障壁、１０・・・トンネル障壁層、１１
・・・制御用イオン打込部分、１２・・・ｐ−ｎ接合。 代理人　弁理士　小川筋力　゛。 第　２　図 ｙＪ　３　口（ＩＬ） ′ｙＪＩ３　　図（ｂ） 電圧？−＞ ５１１ｉ４−　図 ￥ｉ　５　図 第　６　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属あるいは半導体を介して少なくとも２つの超伝
   導体を電気的に結合させ超伝導弱結合を構成する手段と
   、該金属あるいは半導体に超伝導あるいは常伝導電流を
   注入する手段と、該電流の注入量を制御するための手段
   とを少なくとも含んで構成され、該注入電流によつて上
   記超伝導体間を流れる超伝導臨界電流の大きさを制御し
   て動作することを特徴とする超伝導素子。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記電流の注入量
   を制御する手段には量子井戸型ポテンシャルを用いたこ
   とを特徴とする超伝導素子。 ３、特許請求の範囲第１項に記載の超伝導素子において
   、前記電流の注入量を制御する手段にはショットキ障壁
   を用いたことを特徴とする超伝導素子。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記電流の注入量
   を制御する手段には絶縁物より成るトンネル障壁層を用
   いたことを特徴とする超伝導素子。 ５、特許請求の範囲第１項において、前記電流の注入量
   を制御する手段には半導体のｐ−ｎ接合を用いたことを
   特徴とする超伝導素子。