JPH03102883A - 超伝導トランジスタ - 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］ 本発明は超伝導体・半導体結合を用いた電界効果型の超
伝導トランジスタにかかわり，超伝導体をソース電極と
ドレイン電極とし，半導体をチャネルとして構成され，
ソースードレイン間を超伝導近接効果によって流れる超
伝導電流を制御電極に印加する電圧によって制御する超
伝導トランジスタに間するものである． ［従来の技術］ 近来，超伝導体を用いたデバイスの開発が活発に行なわ
れており，その代表的なものはジョセフソン素子である
．ジョセフソン素子は２端子素子であり，信号増幅作用
をもたないため，メモリ回路や論理回路を構成するには
複雑な回路が必要となり，大規模集積が困難であるとい
う問題点があった。

一方，超伝導デバイスとして超伝導トランジスタの可能
性が理論的に提案され［シ゛ヤーナルオフ゛？フ゜ライ
ト゛　フィシ゛クズ（Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　　Ａｐ
ｐｌｉｅｄ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ）互」２，２７３６（＋
９８０）］，　　超伝導体と半導体を鞘み合わせたデバ
イスの検討が行なわれている。，　Ｐｂ（４νｔＸ）−
Ａｕ（１２％／ｔＸ）−１ｒ＋合金の超伝導体からなる
ドレイン電極とソース電極を５１の半導体上に形成し，
該半導体に電圧を印加するためのゲート電極が設けられ
た構造において，［伝導トランジヌタとしての動作確認
がなされている［？イイーイーイーエムクトａンテーハ
゛イス　レター（ＩＥＥＥ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｄ
ｅｖｉｃｅｓ　　Ｌｅｔｔ）６，２９７（１９８５）］
． 超伝導トランジスタは，超伝導をになうキャリアーが超
伝導体から半導体中へ拡散する超伝導近接効果を利用し
，ゲート電極に電圧を印加することにより半導体中を流
れる超伝導電流の大きさ（Ｉｃ）を制御するものである
．半導体中の超伝導電流の流れやすさは，半導体の移動
度（μ，ｃｍ２／Ｖｓ）とキャリア密度（　ｎ，ｃｍ−
３）　，　　オヨＵ　Ｍ　伝導体からなるドレイン電極
とソース電極間の距離（Ｌ）によって決まる。また，．
ｔｆｆ伝導をになうキャリア一〇半導体中での拡散長（
１１：−レンズ長，ξｎ）は，該半導体の移動度とキャ
リア密度で決まり，ξ。ｃｃｌｌＩ’３μ１′２の関係
がある．ξ。は一般的に非常に小さく，半導体の種類に
よって異なるものであるが，大きくとも１μ隋のオーダ
ーである．したがって，超伝導トランジスタを動作させ
るためには電極間距離（Ｌ）をξ。より小さくすること
が必要であり．　１μ調以下，できれば０．　　５μ層
以下にする必要がある．とくに，酸化物系超伝導体の電
極間距離を１μｍ以下にする・ためには特殊なリソグラ
フィー技術やエッチング手法が要求されるが，まだこの
技術は確立されたものとはいえず，再現性に乏しいのが
現状である。電極間距離が大きい場合にはドレイン電極
とソース電極間を超伝導近接効果を用いて接合するため
に非常に高いゲート電圧が必要となり，それに必要な電
圧を印加するような電極や絶縁層を形成することはきわ
めて困難であるというような問題がある．［発明が解決
しようとしている問題点］本発明は，以上の点を考慮し
てなされたものであって，超伝導体間距離を１μ屠以下
にすることが容易にできる構造であるため，高特性の超
伝導トランジスタを得ることができるものである。

［問題を解決するための手段］ 本発明者らは，前記問題点を解決すべく鋭意検討を重ね
た結果，半導体層中に超伝導体を均一に分散した構造で
あり，かつ超伝導体間距離を１μ胃以下にすることがで
きることにより，特性の優れた超伝導トランジスタを再
現性良く作製できることを見いだし本発明を完成するに
至った．すなわち，本発明の超伝導トランジスタ半導体
は，少なくとも一対の超伝導電極と，該超伝導電極の間
に設けられる半導体の連続贋とその中に埋め込まれた超
伝導体の不連続層からなる構造を有する半導体一超伝導
体複合層と，該半導体超伝導体複合層上に直接あるいは
絶縁体層を介して接続する制ｉａｌｌ電極から構成され
，該制御電極に印加した電圧による電界効果によって該
超伝導電極間の超伝導的な結合の大きさを制御すること
を特徴とする超伝導トランジスタである。

本発明において電極として使用される超伝導体とはＮ　
ｂ，　　Ｐ　ｂ，　　Ｎ　ｂ　−　Ｇ　ｅ系合金，Ｎｂ
−Ｓｎ系合金やＮｂ−Ｔｉ系合金等の金属系超伝導体や
一般式ＡＸＢ，Ｃ　ｕ　Ｏｚ　（ただし，ＡはＬａ，Ｙ
，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，
Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｂｉ　，およびＴ１から選ばれた少
なくとも一種類の金属，ＢはＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，
およびｐｂから選ばれた少なくとも一種類の金属〉にお
いて，×，Ｙおよび２の値が ０．１　　≦Ｘ≦３．０，　　　　　０．１５　≦ｙ≦
３．０２　．０　≦　２　≦　４．０ の範囲にあるセラミックス系超伝導体がある．なかでも
セラミックス系超伝導体は超伝導臨界温度が液体窒素の
沸点より高く，冷却剤としてヘリウムを使用する必要が
なくコスト的に有利なため実用上好ましいものである． 本発明において，超伝導体か・らなる電極を基板上ある
いは半導体上に作製する方法としては蒸着法，スパッタ
リング法，ＣＶＤ法，ＭＢＥ法ＩＭＯＭＢＥ法等の公知
の方法を用いることが出来る。

半導体としてはＳｔ，Ｇｅのような単元素，ＩｎＰ，Ｉ
ｎＡｓ，ＩｎＳｂ．ＧａＡｓ＋　　あるいはＧａＳｂの
ような■−■族化合物半導体を用いることができる．な
かでも，ＧａＡｓ，　　ＩｎＡｓやＩｎＳｂは移動度が
大きいためξ、も大きくなる．そのため，超伝導体電極
間の超伝導的な結合を大きくすることができるので，特
性の優れた超伝導トランジスタを再現性良く得るうえで
好ましいものとなる．移動度としては５０００ｃｍ２／
Ｖ◆ｓｅｃ以上，好ましくはｌ００００ｃｌＩ２／ｖ−
ｓｅｃ以上である．また，上記のような半導体に適当な
ドーバントを注入するこどもキャリアー密度をあげると
いう点で好ましいものである．キャリアー密度は，　　
ＩＸＩＯ”個／ｃＩ１３以上であることが必要であり，
さらにはＩＸＩＯ１７個／ｃｌｌ３以上であることが好
ましいものとなる． つぎに，本発明の超伝導トランジスタを製造する方法の
例について説明する．しかし，本発明の構造の超伝導ト
ランジスタの製造方法は特にこれに限定されるものでは
ない． まず，　　ＹＢａ２ＣＬＩｉＯｖ−。焼結体をターゲッ
トとして，酸素一アルゴン混合ガスを用いて反応性スパ
ッタリング法により，　　Ｍ　ｇ　Ｏ　（１００）単結
晶基板上にＣ軸配向したＹＢａａＣＬＩ３０７−ｘ薄膜
を作製する．ついで，ＹＢａ２Ｃｕ３０ｖ−＋＋′；ｉ
Ｉ膜上にポジ型レジストをコーティングする．該レジス
ト上に，酸化シリコンの微粉末をイソブチルアルコール
中に分散せしめた懸濁液を均一に塗布した後，溶液を気
化して酸化シリジンの皮膜を形成する．両端に電極部分
を残して露光後に，現像して酸化シリコンで覆われてい
ない部分のレジストを除去する．続いて希硝酸を用いて
ＹＢａ２Ｃｕ３０ｖ−う薄膜をエッチングする．レジス
トを除去することにより，電極間に超伝導体が島状に均
一分散した構造を形成せしめる．つぎに，ＩｎＳｂの半
導体層を電極間に形成し，その上に酸化シリコンの絶縁
層，さらにその上にＡｕなどのゲート電極を設けること
により，超伝導トランジスタを作製することができる． また，リソグラフィー用のレジストとしてネガ型レジス
トを用いる場合は，例えばつぎのような方法によって超
伝導トランジスタを作製することが出来る．まず，　Ｃ
軸配向したＹＢａ２ＣｕｔＯ７−ア薄膜上にネガ型レジ
ストをコーティングする．該レジスト上に，ボリスチレ
ンの微粒子を水溶液中に分散せしめた懸ｉＩＩ液を均一
に塗布した後，乾燥してボリスチレン微粒子の均一分散
層を形成する．両端に電極部分を残すようにして，Ｓｉ
Ｏ薄膜を蒸着する．ボリスチレンの微粒子を適当な有機
溶媒を用いて除去し，露光を行なう．続いて＋　　Ｓｉ
Ｏ１膜を酸を用いて除去し，現像を行なう．つぎに．酸
を用いてＹＢａ２ＣｕｓＯｔ−ｘ薄膜をエッチングする
．レジストを除去することにより，電極間に超伝導体が
島状に均一分散した構造を形成せしめる．つぎに，　　
ＩｎＡｓの半導体層を電極間に形成し，その上に酸化シ
リコンの絶縁層，さらにその上にＡｕのゲート電極を設
けることにより，超伝導トランジスタを作製することが
できる。

第ｌ図に上記の方法によって作製された本発明の超伝導
トランジスタの構造の一例を示す．絶縁性基板（１）上
に一対の超伝導体からなる電極（２〉を有する．電極間
に島状の超伝導体（３）を設け，該超伝導体間と超伝導
体の一部表面に半導体層（４）を配する。さらに該半導
体層の上に絶縁体Ｆ’（５）．さらにその上にゲート電
！５（６）を設ける．本発明においては半導体の連続層
中に超伝導体の不連続層が形成されることが重要であり
，その方法としては上記のようにセラミックス，ボリマ
ー，あるいは金属の微粒子を用いてその微粒子で被覆し
た部分の超伝導体を残して，その後に該超伝導体の周囲
に半導体層を形成して半導体一超伝導体複合体とするも
のである．該微粒子の大きさとしては，平均直径が１μ
指以下であることが好ましく，さらには０．５μ閉であ
′ることがより好ましいものとなる。これらの微粒子が
レジスト上に均一に分散されると，該微粒子間に小さな
隙間が生じるので，その隙間に半導体層を形成せしめる
。

半導体層の上に酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁膜
およびＡｕ，ＡＩ，　　Ｉｎ＋　　ＡＬ　　Ｃｕ等の単
元素やそれらの２種以上の合金のゲート電極を設け，半
導体層に印加する電場の大きさを変えることにより，該
半導体Ｎを流れる超伝導電流の大きさを制御することが
できる。

本発明の超伝導トランジスタにおいては，従来のリソグ
ラフィー技術では困難であったサブミクロン以下のチャ
ネル幅を容易に形成することができるのが特徴である．
また，本発明の超伝導トランジスタにおいては，チャネ
ルが直列および並列の状態で接続されているため，ゲー
トによる電場の効果が大きくなり，ゲートに入力する信
号に対する出力信号を大きくすることができるのが特徴
である． ［実施例］ 以下，実施例によりさらに詳細に説明する．実施例　Ｉ ＹＢａ２ＣｕａＯｓ−う焼結体をターゲットとして，酸
素一アルゴン混合ガス（　５０／５０ｖｏｌ！）　，　
　全圧０．０１Ｔｏｒｒて基板温度を６５０℃として反
応性スパッタリング法により，　　Ｍ　ｇ　Ｏ　（＋０
０）単結晶基板上にＣ軸配向した４０００人の厚さのＹ
Ｂａ２ＣｌｌＯｔ−ｘ薄膜を作製する．ついで．９００
℃酸素流中で２時間熱処理し，１℃／ｈｒｔ’降温する
．該ＹＢａ２Ｃｕ３０ｖ−ｙ薄膜はＴｃ９２Ｋ，　　Ｊ
ｃ５ｘｌ０５Ａ／　ａｗａ　２であった。

Ｙ８ａ２ＣＩＪ３０ｖ−ｘｉ１膜上にボジ型レジストと
してボノメチルメタクリレート系樹脂を用いて，２００
０人の厚さにコーティングする．該レジスト上に，平均
粒径５０００人の酸化シリコンの微粉末をイソプチルア
ルコール溶液中に分散せしめた懸濁液を均一に塗布した
後，溶液を気化して酸化シリコンの皮膜を形成する．電
極間隔部分を電子線を用いて露光後に，メチルイソブチ
ルヶトン／イソブチルアルコール混合溶媒により現像し
て電極間隔部分のうち酸化シリコンで覆われていない部
分のレジストを除去する。続いてＯ．Ｏａ％硝酸を用い
てＶＢａ２Ｃｕ３０ｔ−ｘ薄膜をエッチングする．つぎ
に，メチルエチルケトンによって残存しているレジスト
を除去することにより，電極間に超伝導体が鳥状に均一
分散した構造を形成せしめる。

つぎに，ＭＢＥ法によりＳｅをドーピングしたＩｎＳｂ
の半導体層を超伝導体電極間に形成し，その上にシラン
ガスと亜酸化ｉ［をｍいたプラズマＣＶＤ法により１　
５００人の厚さの酸化シリコンの絶縁層，さらにその上
に蒸着法にょり３０００Ａの厚さのＡｕのゲート電極を
設けることにより，第１図に示すような超伝導トランジ
スタを作製する． この超伝導トランジスタの動作特性を７７Ｋの温度にお
いて測定した結果を第２図に示す。ゲートに印加する電
圧を変化させてドレイン電極とソース電極の間の抵抗を
測定すると（１！流値は一定）あるゲート電圧以下では
半導体中の超伝導電流のじみだしの重なりが生じる．す
なわち超伝導近接効果が現われるために抵抗値がゼロに
なる。したがって，ゲート電圧を変えることにより超伝
導近接効果を制御できることになり，通常のＭＯＳ｝ラ
ンジスタと同様のスイッチング動作を行なうことが可能
となる。

実施例　２ ＢｉＳｒＣａＣｕ２０ｓ５−ｘｔＪＶ結体をターゲット
として酸素−アルゴン混合ガス（　３０／７０ｖｏｌＸ
）　，　　全圧０．０２　　Ｔｏｒｒで基板温度を７０
０℃として反応性スパッタリング法により，　　Ｍ　ｇ
　Ｏ　（ｔｏｏ）単結晶基板上にＣ軸配向した３６００
人の厚さの Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａｐＣｕ３０＋　ｌ　．ｓ−＊薄膜を作
製する。ついで，８８５℃酸素流中で２時間熱処理し，
　１℃／ｈｒで降温する。該Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３
０＋　＋　５−ｘ薄膜はＴｃ１　０　３　Ｋ，　　Ｊ　
ｃ　３　ｘ　１　０５Ａ／ｃｍ２であった．Ｃ軸配向し
た該Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３０ｚ．ｓ−ｘｆｆ膜上に
ネガ型レジストとしてエボキシ化１，１−ポリブタジエ
ン系樹脂を２０００人の厚さにコーティングする．該レ
ジスト上に，平均粒径１５００人のボリスチレンの微粒
子を水溶液中に分散せしめた懸濁液を均一に塗布した後
，乾燥してボリスチレン微粒子の均一分散層を形成する
．続いて，電極部分をマスクして残すようにし．８００
人のクロム金属薄膜を蒸着する。ポリスチレンの微粒子
をトルエンーメチルエチルケトンの混合溶媒を用いて除
去する．電子線を用いて露光後に，　　１，１，Ｉｎリ
クロ口エチレンにより現像する。続いて０．１％硝酸を
用イ１”　Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａａＣｕ３０＋　＋　．ｓ−
ｗ７Ｉｉ膜をエッチングする．つぎに，０−ジクロルベ
ンゼンによって残存しているレジストを除去することに
より，電極間に超伝導体が鳥状に均一分散した構造を形
成せしめる．ＭＢＥ法によりＩｎＡｓの半導体層を超伝
導体Ｎｌ’ｆｉ間に形成し，その上にシランガスと亜酸
化窒素を用いたプラズマＣＶＤ法により１５００人の厚
さの酸化シリコンの絶縁層，さらにその上に蒸着法によ
り３０００人の厚さのＡＩのゲ一ト電極を設けることに
より，超伝導トランジスタを作製する。

この超伝導トランジスタにおいて，ゲートに印加する電
圧を変化させてトレイン！極とソース電極の間の抵抗を
測定すると，あるゲート電圧以上において半導体中の超
伝導電流のしみだしの重なりが生じる．すなわち超伝導
近接効果が現われるために抵抗値がゼロになる。したが
って，ゲート電圧を変えることにより超伝導近接効果を
制御できることになり，通常のＭＯＳ｝ランジスタと同
様の動作を行なうことが可能である。

［発明の効果］ 超伝導体から半導体への超伝導電流のしみだしの距離ξ
。を制御する超伝導トランジスタにおいては，超伝導体
間の距離（Ｌ）を制御することが必要である．本発明の
超伝導体トランジスタの構造では，距１１１１（Ｌ）を
再現性よく容易に制御することができ，液体窒素温度以
上の高温において動作可能な電界効果型超伝導体トラン
ジスタを得ることができるものである．本発明の超伝導
体トランジスタ実現の効果としては，発熱がないため比
較的大きな電流を流すことができること，人出力信号分
離に優れていること，低消費電力特性を有すること，ま
た高速動作が可能であることがあげられる．

【図面の簡単な説明】

第ｌＵ！！ｆｆは，本発明の超伝導トランジスタを示す
断面図である． １・・・絶縁性基板　　　　　２・・・超伝導体電極３
・・・超伝導体の不連続層　　４・・・半導体５・・・
絶縁体　　　　　　　　６・・・ゲート電極第２図は，
本発明の超伝導トランジスタの動作特性図である． 特＊社願人　　　旭化八工業材式会社 第２図 第１図 ６ 勺一゜＝ト電１圧．（）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少なくとも一対の超伝導電極と、該超伝導電極の間に設
   けられる半導体の連続層とその中に埋め込まれた超伝導
   体の不連続層からなる構造を有する半導体−超伝導体複
   合層と、該半導体−超伝導体複合層上に直接あるいは絶
   縁体層を介して接続する制御電極から構成され、該制御
   電極に印加した電圧による電界効果によって該超伝導電
   極間の超伝導的な結合の大きさを制御することを特徴と
   する超伝導トランジスタ。