JP2651143B2 - 超伝導トランジスタ - Google Patents

超伝導トランジスタ

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JP2651143B2
JP2651143B2 JP62008182A JP818287A JP2651143B2 JP 2651143 B2 JP2651143 B2 JP 2651143B2 JP 62008182 A JP62008182 A JP 62008182A JP 818287 A JP818287 A JP 818287A JP 2651143 B2 JP2651143 B2 JP 2651143B2
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睦子 波多野
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は極低温で動作する超伝導トランジスタに係
り、特に電磁波を照射してトランジスタ特性を調整する
のに好適な超伝導トランジスタに関する。
〔従来の技術〕
従来の半導体分野で開発されている高電子移動度トラ
ンジスタは、特開昭56−94779号及び特開昭57−7165号
公報に記載されており、第5図に示すような構造をもっ
ている。このトランジスタは、半絶縁性半導体基板1上
に成長させた電子親和力の大きな半導体層(チャネル
層)2と、その上に成長させた電子親和力の小さな半導
体層(電子供給層)3とにより形成される一つのヘテロ
接合の近傍の半導体層3側に生じる電子蓄積層(二次元
電子ガス)4の電子濃度を制御電極7に印加する電圧で
制御して、制御電極7を挟んで設けたソース電極5とド
レイン電極6の間に電子蓄積層4によって形成される導
電路のインピーダンスを制御するものである。ソース、
ドレイン電極5,6は通常、金・ゲルマニウム/金などの
材料からなり、蒸着などによって形成するが、形成後に
450℃程度の熱処理を施して電子供給層3を貫通してチ
ャネル層2の上部まで合金化して合金化層10を形成し、
これを介してソース、ドレイン電極5,6とチャネル層2
を接続している。
一方、超伝導体と半導体を組み合せた超伝導トランジ
スタについては、ティー・ディー・クランク(T.D.Clan
k)によってジャーナル・オブ・アプライド・フィジッ
クス,51巻,2736頁(1980年)(Joural of Applied Phys
ics)において論じられている。このトランジスタは、
半導体層に接して設けられた2つの超伝導電極間に流れ
る超伝導電流の値を該両電極間に設けた制御電極に印加
した電圧によって超伝導近接効果を変化させて制御する
ものである。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来技術における高電子移動度トランジスタにおいて
は、蓄積電子群(二次元電子ガス)の電子濃度は制御電
極7に電圧を印加すると増大するという効果は有する
が、ヘテロ接合近傍に存在するイオン化された不純物に
もとづく不純物散乱に影響される。電子親和力の小さな
半導体層、すなわち電子供給層3に含有される不純物に
よる散乱の影響を低減して電子移動度を大きくするに
は、電子蓄積層4の電子面積濃度を増加する。つまり、
電子供給層3の不純物濃度を大きくすればよい。しか
し、電子供給層3の不純物濃度を大きくすると、合金化
層10形成時の高温熱処理工程などによってチャネル層2
中に拡散する不純物濃度も増大するので、結果としてチ
ャネル層2中の不純物散乱の影響が大きくなり、電子移
動度は低下する。そのため電子供給層3中の不純物濃度
を無制限に大きくすることができず、時定数(1/CR)が
小さくなり、遮断周波数が低下し、雑音の影響を受けや
すいという欠点があった。したがって、デバイスのスイ
ッチング速度の高速化、利得の高利得化は困難であると
いう問題があった。
一方、超伝導近接効果を用いた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lだけ離し
て対向させた一対の超伝導電極を設け、この対向部間に
制御電極を設けている。このような素子構造では、上記
距離lは半導体中のコヒーレンス長さξの5〜10倍の約
0.3μm以下に選ぶ必要があり、したがって、このよう
な素子は作製上の問題点があた。また、制御電極の容量
が大きくなり、高速化、高利得化が困難であった。
本発明の目的は、上記問題点を解決し、高スイッチン
グ速度、高利得特性を有する超伝導トランジスタを提供
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、半絶縁性の半導体基板上に形成され不純
物を実質的に含有しない第1の半導体層と、上記第1の
半導体層上に所定の幅で形成され上記第1の半導体層よ
り電子親和力の小さな第2の半導体層と、上記第2の半
導体層の両側に露出している上記第1の半導体層上に形
成された超伝導体膜からなるソース電極およびドレイン
電極と、上記ソース電極および上記ドレイン電極との間
の上記第2の半導体層上に形成された超伝導体膜からな
るゲート電極とを有する超伝導トランジスタにおいて、
77K以下の温度に保持した状態で上記ゲート電極は電磁
波に対して透過性を持たせる。また、上記ソース電極お
よび上記ドレイン電極を上記第2の半導体層と絶縁膜を
介して接触させる。また、上記ゲート電極はNb膜であっ
て、その厚さは100nm以下とすることにより達成され
る。
〔作用〕
電子親和力の異なる2種の半導体からなる層の間の界
面にはポテンシャルバリヤが発生するので、電子はその
界面近傍に滞留して電子蓄積層(2次元電子ガス)を発
生させる。この電子蓄積層の電子移動度は、不純物散乱
効果が小さくなる低温において大きい値を示す。室温か
ら液体ヘリウム温度(4.2K)に冷却すると、100倍以上
の改善がみられる。この様子を第4図に示す。同図か
ら、300K→77K→5K(液体ヘリウム温度)に冷却する
と、同じ電子濃度における電子移動度は増大する。一
方、電子供給層に波長637.8nmの光を照射すると、照射
エネルギによって電子供給層中で励磁現象が発生し、電
子蓄積層中の電子面濃度の増加を促がす。増加した電子
は電磁波の照射を停止した後も77K以下の低温である限
り保持される。この様子を第3図に示す。電子濃度が増
加すれば導電路の抵抗は減少し、結果として、回路の時
定数を減少し、遮断周波数を高くし、雑音を低減でき
る。
〔実施例〕
以下、本発明を実施例に基き詳細に説明する。
第1図は本発明の第1の実施例である超伝導トランジ
スタの断面図である。図において、1はクロム(Cr)等
を含有する半絶縁性の砒化ガリウム(GaAs)からなる基
板であり、2はこの上に結晶格子整合させて形成され、
極低温において機能する不純物を実質的に含有しない
(不純物濃度1×1017cm-3以下)砒化ガリウム(GaAs)
の単結晶層であり、チャネル層を構成し、3はチャネル
層2上に結晶格子整合させて形成されたn型のアルミニ
ウムガリウム砒素(AlGaAs)層からなる単結晶層であ
り、電子供給層を構成する。本実施例においては、電子
供給層3のn型不純物濃度は2×1018cm-3であり、チャ
ネル層2と電子供給層3の厚さはそれぞれ600nmと100nm
である。この結晶プロファイルにおいては、ヘテロ接合
界面近傍に電子面濃度が3×1011cm-2である電子蓄積層
(二次元電子ガス)4が発生する。5,6は所定幅の電子
供給層3を挟んでチャネル層2上に形成され、超伝導体
であるNb膜からなる入出力電極(ソース、ドレイン電
極)であり、これらと電子蓄積層4はオーミック的に接
続されている。7はソース、ドレイン電極5,6間の電子
供給層3上に設けられたNb膜からなる制御電極(ゲート
電極)であり、ショットキバリヤゲートとして機能す
る。制御電極7は光ファイバ11で送られてきた光信号8
を透過しうる程度の厚さを有する必要があり、本実施例
のNb膜の場合、100nm以下である。
以上の構造を有する素子を液体ヘリウム中の極低温
(4.2K)に保持し、制御電極7に光ファイバ11を用いて
波長632.8nmの光信号8を入射する。この光入射により
電子供給層3中において励磁現象が発生し、二次元電子
ガスの電子面濃度と電子移動度とが増大する。このた
め、超伝導体であるソース、ドレイン電極5,6から半導
体のチャネル層2中に超伝導電子対が染み出し、ソー
ス、ドレイン電極5,6間に超伝導電流が流れる。言い換
えれば、電子面濃度と電子移動度が増大したことによ
り、半導体層中の超伝導電子存在確率が大きくなる。一
方、ソース、ゲート間、ゲート、ドレイン間の抵抗は減
少し、このトランジスタの遮断周波数が上昇し、雑音レ
ベルが低下する。また、時定数で効く、スイッチング速
度も速くなる。この効果は約77K以下の低い温度に保持
されているかぎり、十分長時間維持される。
第2図は本発明の第2の実施例である超伝導トランジ
スタの断面図である。本実施例では第1図に示した素子
において、電子供給層3と超伝導電極5,6が接触する界
面に絶縁膜9を設けたものである。この絶縁膜9は電子
供給層3の自己酸化膜で、その厚さは20nmである。この
ような構造をもった超伝導素子は、半導体層を介してソ
ース5、ドレイン6間を流れる電流は、チャネル層2の
みを通る。したがって、効率が上り、利得も向上する。
つぎに、本発明の超伝導トランジスタの製造方法につ
いて説明する。Cr等をドープした半絶縁性のGaAs単結晶
基板1上に不純物濃度1×1017cm-3以下の低キャリヤ濃
度を有するチャネル層2としてのGaAs層を約600nmの厚
さに形成する。その上にn型の不純物を有する厚さ100n
mのAlXGa1-XAs(x=0.3)層よりなる電子供給層3を形
成する。以上の工程は、モレキュラービーム・エピタキ
シャル(MBE)成長法によって形成することができる。
ついで、電子供給層3を所定の幅だけ残して、その両側
をチャネル層2に達するまでプラズマエッチング法を用
いて除去する。ここで、第2図に示した本発明の第2の
実施例に示した構造の素子の場合、残存している電子供
給層3の両側に熱酸化法によって厚さ約20nmの絶縁膜9
を形成する。続いて、先のエッチング工程で除去した電
子供給層部分に厚さ100nmのNb膜からなる電極5,6を蒸着
法により形成し、チャネル層2とオーミック的に接続
し、ソース、ドレイン電極5,6を形成する。最後に、電
子供給層3上にショットキ接合を介して厚さ100nmのNb
よりなる制御電極7を形成した。このようにして本発明
のトランジスタを製造した。
以上の実施例では光源として発光ダイオードを用いた
が、この代りに半導体レーザを用いてもよい。また、超
伝導材料としては、Nbを用いたが、NbN,Nb3Ge,Nb3Sn,Nb
3Al等のNb化合物、BaLaCuOなどの超伝導体あるいはPb−
Au,Pb−In−Au,Pb−Bi等のPb合金、有機物を含む有機超
伝導体、などを用いた場合でも同様の効果が得られる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、電子蓄積層の電子面濃度を十分に大
きくでき、不純物散乱の影響を増大することなく電子移
動度が増加するので、超伝導電流は効果的に流れ、わず
かな電磁波の照射によって、この電流を制御できる超伝
導トランジスタを提供でき、また導電路の抵抗を小さく
できるので、このトランジスタの遮断周波数は上昇し、
雑音が低減でき、高速、高利得化されるなどの効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図は本発明の超伝導トランジスタの実施例
の断面図、第3図は本発明の超伝導トランジスタの電子
供給層に光信号を照射した場合の電子濃度対光照射量の
関係を示すグラフ、第4図は本発明の超伝導トランジス
タにおいて、光照射した場合と照射しない場合における
温度をパラメータとした電子移動度対電子面濃度の関係
を示すグラフ、第5図は従来の高電子移動度トランジス
タの断面図である。 図において、 1……半絶縁性半導体基板、2……チャネル層 3……電子供給層、4……電子蓄積層 5……ソース電極、6……ドレイン電極 7……制御電極、8……光信号 9……絶縁膜、10……合金化層 11……光ファイバ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 // C01G 33/00 H01L 29/46 ZAAZ

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半絶縁性の半導体基板上に形成され不純物
    を実質的に含有しない第1の半導体層と、上記第1の半
    導体層上に所定の幅で形成され上記第1の半導体層より
    電子親和力の小さな第2の半導体層と、上記第2の半導
    体層の両側に露出している上記第1の半導体層上に形成
    された超伝導体膜からなるソース電極およびドレイン電
    極と、上記ソース電極および上記ドレイン電極との間の
    上記第2の半導体層上に形成された超伝導体膜からなる
    ゲート電極とを有する超伝導トランジスタにおいて、77
    K以下の温度に保持した状態で上記ゲート電極は電磁波
    に対して透過性を有することを特徴とする超伝導トラン
    ジスタ。
  2. 【請求項2】上記ソース電極および上記ドレイン電極が
    上記第2の半導体層と絶縁膜を介して接していることを
    特徴とする特許請求の範囲第1項記載の超伝導トランジ
    スタ。
  3. 【請求項3】上記ゲート電極はNb膜であって、その厚さ
    は100nm以下であることを特徴とする特許請求の範囲第
    1項記載の超伝導トランジスタ。
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