JPH0294677A - 超電導ショットキー接合構造および超電導素子 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、酸化物超電導体を利用したショットキー接合
構造およびこれを用いた超電導素子に関する。

（従来の技術） 従来から、超電導素子として、ｐｂあるいはＮｂ等の一
対の金属超電導体を用いたジョセフソン素子に代表され
るような２端子素子が提案、開発されている。しかしな
がら、このような従来の超電導素子では、２端子構成を
基本としているために、回路構成が複雑になるうえに、
液体ヘリウム温度に近い極低温動作が必要とされるため
、現在の半導体素子に置きかわって、広く実用に供され
るまでには至っていないのが実情である。

このため、回路構成が容品な超電導３端子素子の開発が
強く望まれていた。このような超電導３端子素子として
は、たとえば第５図に示すように、半導体材料１上に、
Ｐｂ、　Ｎｂのような金属超電導材料２、トンネル絶縁
膜３、金属層４を順に形成し、コレクタ端子５、ベース
端子６、エミッタ端子７を半導体材料１、超電導材料２
、金属層４にそれぞれ設けた構造のものが提案されてい
る。

しかしながら、このような超電導３端子素子を実現でき
たとしても、金属超電導材料を用いたのでは、やはり液
体ヘリウム温度に近い極低温動作が必要となり、実用上
大きな問題が残る結果となる。

一方、最近、高温超電導体として、酸化物超電導材料が
大きな注目を集めている。この酸化物超電導体は、組成
を適当に選ぶことにより、すでに液体窒素温度以上の高
温で超電導を示すことが確認されており、さらに材料作
製技術の進歩によってはこれよりもさらに高い温度での
超電導現象を実現できる可能性も有している。この酸化
物超電導体材料を半導体材料等と組み合せ、高温で動作
する超電導３端子素子を実現することができれば、上記
の問題を解決することができる。

しかしながら、酸化物超電導体は、従来の金属超電導体
と異なり、キャリア濃度が低い、仕事関数が大きいなど
の特徴を有しており、このため酸化物超電導材料を一般
の半導体材料と直接接合させると、界面のフェルミエネ
ルギーが一致する必要上、半導体、超電導体の両方にお
いて、バンド端の大きな変形を生じ、接合の電気特性を
人為的に制御することが困難であるという問題を生じる
。

したがって、高温超電導材料を半導体材料と組み合せ、
具体的な素子を実現するためには、制御可能な良好な接
合電気特性を示す超電導体−半導体の接合をいかにして
作るかが問題となっていた。

（発明が解決しようとする課題） 上述したように、臨界温度の高い酸化物超電導体による
超電導ショットキー接合構造が注目され、これを用いた
超電導素子の開発が期待されているが、これを実用に供
するためには、酸化物超電導材料と半導体材料との接合
特性の改善が必須である。

本発明は、このような点に対処してなされたもので、人
為的に制御された特性を有する高温超電導体−半導体シ
ョットキー接合構造およびこれを用いた超電導素子を提
供することをその目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の超電導ショットキー接合構造は、酸化物超電導
材料と半導体材料の間に、単層または多層の金属層が挿
入され、前記金属層が前記酸化物超電導材料とオーミッ
ク接触し、かつ前記半導体材料とショットキー接合を形
成していることを特徴としており、また本発明の超電導
素子は、上記超電導ショットキー接合構造を構成要素と
して含み、少なくとも１対の端子が前記ショットキー接
合を挟んで設けられていることを特徴としている。

本発明に使用される超電導材料としては、Ｌｎ−Ｂａ−
Ｃｕ−０系（Ｌｎは希土類元素）　、Ｂ１−８ｒ−Ｃａ
−Ｃｕ−０系等の公知の酸化物超電導体を使用すること
ができる。

本発明の金属、半導体の組み合せは、所望のショットキ
ーバリア高さを満たすものを適宜選択すればよい。一般
に高い障壁を必要とする場合には半導体材料としてＳｌ
やｎ型のＧａＡｓ、金属としてはＴＩ、　ＡＩ、ｐｔ等
の組み合せが適している。また、低い障壁を必要とする
場合には、Ｉ　ｎＡｓやＧａｒｂ等の狭いバンドギャッ
プ半導体材料あるいはｐ型ＧａＡｓ等を用いることもで
きる。さらに、半導体層のドーピングレベルを適宜選択
することにより、いわゆる鏡像力による実効障壁高さの
制御を行なうこともできる。

本発明における金属層は、酸化物超電導体に対して良好
なオーミック接触をすることが必要である。これは、金
属層に近接効果による超電導特性を発現させるために特
に重要である。一般に、酸化物超電導体と良好なオーミ
ック接触をする材料は、酸化されにくいＡｕ、＾ｇ、　
Ｐｔ等の貴金属である。

これらの金属は、必ずしも半導体側とショットキー接合
を形成するとは限らないので、半導体側と良好なショッ
トキー接合を形成しない場合には、半導体側とショット
キー接合を形成する他の金属との積層構造とする。この
ような金属どうしの接合には、一般に実効的な障壁は形
成されない。また、このような積層構造を形成する際に
金属原子相互の拡散を生じる可能性のある場合には、金
属層間にいわゆるバリアメタルを介在させるようにして
もよい。

そして本発明においては、上記金属層を、酸化物超電導
材料からの近接効果により所定動作温度において超電導
特性を示す厚さの範囲内に構成すれば、実効的に酸化物
超電導材料と半導体材料とのショットキー接合を実現す
ることができる。

本発明は、上述した超電導ショットキー接合を構成要素
として含む超電導３端子素子にも適用される。このよう
な３端子素子には、後述する実施例で説明するバイポー
ラトランジスタ、あるいはホットエレクトロン類似の素
子、および超電導ショットキー接合をゲート構成要素と
する電界効果型素子（ＰＥＴ）等が含まれる。

（作用） 酸化物超電導体は、その固有の結晶構造に起因し、一般
に、そのフェルミエネルギーが真空準位から計って極め
て深いという特徴を持っている。

したがって、酸化物超電導体と通常の半導体とを接触さ
せると、半導体側のバンドは大きい空間変化を生じ、界
面を通過しようとする電子、あるいは正孔に対し、著し
く大きい電位障壁を生じてしまう。また、酸化物超電導
体のキャリア濃度は通常金属に比して１桁以上小さいた
め、キャリア濃度の高い縮退半導体との接合においては
、酸化物超電導体側のバンド構造も空間変化を生じる可
能性がある。この結果、界面付近のポテンシャルは複雑
な変化をし、界面電気特性を人為的に制御することは極
めて難しい。

本発明においては、酸化物超電導材料と半導体材料との
間に、酸化物超電導材料とオーミック接触し、かつ半導
体材料とショットキー接合を形成する単層または複数層
の金属層が介在されているので、酸化物超電導体と半導
体間の接合特性が改善され、人為的に障壁高の制御され
たショットキー接合の作製が可能となる。これは次の理
由による。一般に、半導体材料と、適当に選択された金
属の接合により、所望の障壁高を有するショットキー接
合が作製できることは良く知られている。

これは、両者の仕事関数差が比較的小さいことに起因す
る。一方、酸化物超電導体は一部金属、たとえばＡυ、
＾ｇ等とは良好なオーミック接触を形成し得ることが実
験により明らかになっている。酸化物超電導体とこれら
金属との仕事関数は一般にかなり大きいと考えられるが
、これにもかかわらず、良好な接触が得られるのは、金
属的電子濃度が著しく大きいために、界面における電位
障壁が電子がトンネルし得る極めて薄い領域に限られて
しまうこと、並びに、一部金属との合金化反応により、
連続的バンド構造の変化を生じていることによると考え
られる。これら、金属−半導体、および金属−酸化物超
電導体間に生じる現象を組み合せることで、実効的に酸
化物超電導体−半導体間のショットキー接合を制御され
た形で提供することが可能となる。

本発明による超電導ショットキー接合は、一方の電極の
直列抵抗を有しないことから、６以下の実施例において
記述するバイポーラ型、電界効果型等の広範な素子に利
用でき、その特性を著しく向上させるものである。

（実施例） 以下本発明の実施例について説明する。

第１図は、本発明の超電導ショットキー接合構造の一実
施例を示したものである。このショットキー接合は、ｎ
型ＧａＡｓ基板１１上に、厚さｉｏｏ。

人のｐｔ膜１２を電子ビーム蒸着法で形成した後、さら
にその上に１０００人のＡｇ膜１３を積層し、この後、
多元反応性スパッタ法を用いて、基板加熱温度５３０℃
の条件の下、ＹＢａ　　Ｃｕ　　Ｏからなる２　３７−
δ 酸化物超電導体１４を積層することにより形成した。Ｇ
ａＡｓ基板１１、酸化物超電導体］４に端子１５．１６
を形成してこのショットキー接合のＩＯＫにおける電流
−電圧特性をΔ−１定した。測定結果を第２図に示す。

同図から明らかなように、このショットキー接合構造は
良好な特性を有しでいる。

なお、この実施例では、ＧａＡｓ基板の直列抵抗が重畳
されているため、上部電極の酸化物超電導体１４が所定
の超電導特性を示していることを判別することは難しい
が、上部電極特性のみを測定した結果によれば、約７０
にで零抵抗が実現されていた。また、近接効果によりｐ
ｔ膜１２、Ａｇ膜１３もｉｏＫにおいては、零抵抗状態
となっており、この構造により実質的に酸化物超電導体
１４とＧａＡｓ基板１１間のショットキー接合が実現で
きていることが確認された。

第３図は、本発明の他の実施例の、第１図の基本構造を
ベース・コレクタ接合として用いた超電導ベースを有す
るバイポーラトランジスタ型３端子素子である。この素
子においては、エミッタ電極である金属層２１よりトン
ネル絶縁膜２２を通じてトンネル注入された電子が超電
導ベース層２３、＾ｇ膜２４、ｐｔ膜２５を準粒子とし
て通過し、ＧａＡｓコレクタ層２６に到達する。超電導
ベース層２３とＧａＡｓコレクタ層２６はショットキー
接合を形成するため、所定動作バイアスにおいては、ベ
ース・コレクタ間の漏れ電流は極めて小さく、入出力電
流の分離がほぼ完全に行える。また、超電導ベース層２
３は超電導体であるためベース抵抗は実質的に零であり
、従来の半導体バイポーラトランジスタに比して著しい
高速動作が可能となる。

第４図は、本発明のショットキー接合を電界効果型トラ
ンジスタのゲート構造に応用したさらに他の実施例であ
る。この素子においては、半絶縁。

性ＧａＡｓ基板３１上にｎＧａＡｓ層３２が形成され、
その上にｐｔ膜３３、Ａｇ膜３４、超電導ゲート層３５
からなるゲート電極が形成され、このゲート電極を挟ん
でソース電極、ドレイン電極を構成する金属層３６．３
７が形成されている。　この素子の動作は通常の金属−
半導体電界効果トランジスタと同様であるが、ゲートが
超電導体を用いて構成されるため、ゲート抵抗が実質的
に零である。この素子はゲート領域が著しく微細化され
、ゲート抵抗値が動作速度に大きな影響を与えるように
なるマイクロ波増幅素子、あるいは高集積ディジタル回
路素子において、従来構造素子の特性を太きく越える性
能を発揮するものである。

なお、以上の実施例においては、半導体材料としてＧａ
Ａｓ、酸化物高温超電導材料としてＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０
系、また、この間に挿入する金属層として、ＰｔとＡｇ
の積層膜を用いた例について説明したが、これらの組合
せは使用目的に応じて適宜選択すればよいことはいうま
でもない。とりわけ、第３図に示したようなバイポーラ
トランジスタ型素子においては、半導体材料としてＩｎ
ＡｓやＧａｒｂ等の狭エネルギーギャップ材料を用いる
ことで、動作電圧レベルの減少、電流増幅率の向上が期
待できる。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、酸化物高温超電導
体と半導体の間に特性の制御されたショットキー接合構
造を形成することができ、この技術を応用することによ
り、バイポーラトランジス７型や電界効果型等の超電導
素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の超電導ショットキー接合構
造を示す図、第２図はその電流−電圧特性を示す図、第
３図は他の実施例のバイポーラトランジスタ型超電導３
端子素子を示す図、第４図はさらに他の実施例の電界効
果型超電導３端子素子を示す図、第５図は従来の金属超
電導体を用いた超電導３端子素子を示す図である。 １１・・・・・・・・・ｎ型ＧａＡｓ基板１２．２５．
３３・・・・・・ｐｔ膜 １３．２４．３４・・・・・・・・・Ａｇ膜１４・・・
・・・・・・酸化物超電導体２１．３６．３７・・・・
・・金属層 ２２・・・・・・・・・トンネル絶縁膜２３・・・・・
・・・・超電導ベース層２６・・・・・・・・・ＧａＡ
ｓコレクタ層３１・・・・・・・・・半絶縁性ＧａＡｓ
基板３２・・・・・・・・・ＧａＡｓ層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化物超電導材料と半導体材料の間に、単層また
   は多層の金属層が挿入され、前記金属層が前記酸化物超
   電導材料とオーミック接触し、かつ前記半導体材料とシ
   ョットキー接合を形成していることを特徴とする超電導
   ショットキー接合構造。
2. （２）前記金属層が、前記酸化物超電導材料からの近接
   効果によって、超電導特性を示し得る厚さ以下の厚さに
   形成されていることを特徴とする請求項１記載の超電導
   ショットキー接合構造。
3. （３）酸化物超電導材料と半導体材料の間に、単層また
   多層の金属層が挿入され、前記金属層が前記酸化物超電
   導材料とオーミック接触し、かつ前記半導体材料とショ
   ットキー接合を形成している超電導ショットキー接合構
   造を構成要素として含み、少なくとも１対の端子が前記
   ショットキー接合を挟んで設けられていることを特徴と
   する超電導素子。