JPH0315355B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は超伝導デバイスに係り、半導体トラン
ジスタと類似の信号増幅作用及びスイツチング動
作を行なう超伝導デバイスに関するものである。

従来技術と問題点 超伝導を利用した電子デバイスはクライオトロ
ン及びジヨセフソン・トンネリングデバイス等の
デバイスによつて代表される。クライオトロンは
薄膜の超伝導ギヤツプΔが消滅せしめられるが、
これは薄膜の臨界電流よりも大きな電流を薄膜に
通すこと、外部磁場を印加すること、及び薄膜を
加熱することを含む種々の機構によつて引起され
る。このクライオトロンはスイツチング速度が
（数μsec）程度と極めて遅いために利用されてい
ない。ジヨセフソン・トンネリングデバイスは非
常に薄いトンネル障壁によつて隔てられた２つの
超伝導体の間にゼロ電圧の電流が流れるようなも
のである。このようなジヨセフソン・トンネリン
グデバイスは高速動作が可能であるためにスイツ
チング素子としての応用が検討されている。しか
しながら、ジヨセフソン・トンネリングデバイス
（以下ジヨセフソン素子と記す）では半導体トラ
ンジスタ回路の特徴である信号増幅率が高く且つ
入出力の分離された回路を構成することは回路が
複雑になつて非常に困難である。このためジヨセ
フソン素子により規模の大きな複雑な回路を実現
することは半導体トランジスタを使用した場合に
比較すると困難である。

またトランジスタと類似の信号増幅作用、スイ
ツチング動作を実現するために、Grayの超伝導
トランジスタ（cf：例えばGray.Appl.phys.Iett.
vol32No.6PP392〜395）及びFarisのQuiteron
（cf：特開昭57−12575号公報）等の超伝導デバイ
スが知られている。これらGray及びFarisらによ
る超伝導デバイスは基本的には同一の構造であ
り、超伝導薄膜の裏と表にトンネル接合を有する
構造となつている。該裏と表のトンネル接合のう
ち一方は中央の超伝導薄膜に準粒子を注入するた
めに用い、他方は出力を取り出すために用いる。
これらのデバイスはいずれも増幅率は小さく
Grayのトランジスタでは電流利得は約４、電力
利得は約１、Quiteronでは電流利得が約８、電
力利得は約２という実験結果が発表されている。
これらの実験結果ではいずれも信号電圧は減衰し
ている。このようにGrayのトランジスタ及び
Quiteronはトランジスタに比較して極めて小さ
な信号増幅率しか与えないという欠点を有する。
また上記Grayのトランジスタ及びQuiteronの超
伝導デバイスは注入によつて生じた準粒子過剰の
状態が熱平衝状態に緩和する時間によりスイツチ
ング時間が依存し、例えばQuiteronの場合では
300ピコ秒というかなり長いスイツチング時間と
なつてしまうという欠点がある。

発明の目的 上記欠点を鑑み、本発明は半導体トランジスタ
と類似の十分大きな信号増幅率を有し、且つ高速
で低消費電力で動作する超伝導デバイスを提供す
ることにある。

発明の構成 本発明の目的は、超伝導体に準粒子を注入する
手段と、該超伝導体に注入された準粒子を捕獲す
る手段を有し、該準粒子を捕獲する手段の前記超
伝導体に対するバリア高さが該超伝導体のエネル
ギーギヤツプと同程度であることを特徴とする超
伝導デバイスによつて達成される。

本発明によれば該準粒子を注入する手段が、該
超伝導体の一方の電極とするトンネル接合である
か又は該超伝導体を一方の電極とする半導体−超
伝導体接触であることが好ましい。更に又該準粒
子を注入する手段が、該超伝導体を一つの電極と
し、該超伝導体にバリア層を介して常伝導体電極
を取り付けたものであり、該バリア層のバリア高
さが該超伝導体のエネルギーギヤツプと同程度で
あることが好ましい。

更に又、本発明によれば準粒子捕獲手段が、該
超伝導体を一方の電極とした半導体−超伝導体接
触であること、あるいは、該超伝導体を一つの電
極とし、該超伝導体にバリア層を介して常伝導体
電極を取り付けたものであり、該バリア層のバリ
ア高さが、該超伝導体のエネルギーギヤツプと同
程度であることが好ましい。

以下準粒子透過率の高い（準粒子捕獲率の高
い）準粒子コレクタを用いる本発明の理由を説明
する。前述のGrayのトランジスタ及びQuiteron
においては、本発明の準粒子コレクタに相当する
部分には絶縁体を障壁層としたトンネル接合を用
いている。このようなトンネル接合に準粒子が入
射したとき、トンネル効果により準粒子が障壁を
透過する確率は一般に非常に小さい10^-5〜10^-7程
度である。そのため、この出力用トンネル接合を
流れる準粒子電流が、注入用電極より注入される
準粒子電流と同程度になるためには、単位時間あ
たりにトンネル接合に入射する準粒子数が単位時
間あたりの注入準粒子数の10⁵〜10⁷倍となる必要
がある。トンネルバリアに単位時間あたりに入射
する準粒子数を増加させるには、超伝導体中の準
粒子密度を増加させればよい。そこでGrayの超
伝導トランジスタ及びQuiteronのいずれも、注
入電流によりできるだけ効果的に準粒子密度を高
めるように工夫している。

Grayの超伝導トランジスタにおいては準粒子
の緩和時間の長いアルミニウムを用い、さらに、
高いエネルギの準粒子を注入すると１個の準粒子
が複数個の準粒子を励起するという準粒子増倍効
果を利用して準粒子密度を高めている。ここで入
力電流に対する出力電流の増幅率は準粒子の増倍
率をこえることはない。Grayの超伝導トランジ
スタではエネルギーギヤツプが変化する効果は小
さいため、準粒子の増倍率は、入力電圧のエネル
ギーギヤツプ電圧に対する比率以下である。つま
り高々２〜３倍の電流増幅率を得るために、入力
端子はギヤツプ電圧の２〜３倍以上もの電圧をバ
イアスする必要がある。一方負荷に取り出せる電
圧はギヤツプ電圧以下である、このためGrayの
トランジスタの出力は他の同様なデバイスを駆動
できない。

Quiteronにおいてはエネルギーギヤツプが準
粒子注入により減少する効果を積極的に用いる。
ギヤツプの変化を用いることで実効的に大きな準
粒子増倍率を得ることができる。そのため
QuiteronはGrayのトランジスタよりは大きな電
流増幅率を与える。ただし特開昭57−12575号公
報に記載されているように、エネルギーギヤツプ
を有効に変化させるためには準粒子エネルギーが
高いことが必要である。これはGrayのトランジ
スタ同様に高い入力バイアス電圧を意味する。一
方で出力電圧はギヤツプ電圧の程度である。この
ためQuiteronにおいても、他のデバイスを駆動
することが困難となる。

また出力用接合にトンネル接合を用いたこれら
のデバイスでは、動作速度が準粒子の再結合時間
できまるという問題が生ずる。これはトンネル接
合の準粒子透過率がきわめて低いため、超伝導体
中の準粒子密度の緩和する速度が準粒子の再結合
速度と同程度になつてしまうからである。準粒子
の実効的再結合時間は通常数100ピコ秒以上の値
となるため、これらのデバイスのスイツチング時
間もその程度となる。

本発明のデバイスにおいては準粒子の捕獲率又
は透過率がトンネル接合に比較して十分大きな準
粒子コレクタ接合を用いる。少なくとも該捕獲率
は10^-3以上が実質的に必要である。理想的にはこ
の準粒子コレクタ接合の透過率は１でありトンネ
ル接合の場合の10⁵〜10⁷倍の透過率を示す。本発
明の準粒子コレクタ接合は単に準粒子透過率が高
いだけではない。高い透過率だけが要求されるの
であれば、トンネル接合で障壁厚さが十分薄いも
のを使用すればよい。ところが、このようなトン
ネル接合にバイアスを与えると、すでに超伝導体
中にある準粒子が接合を通つて外部に出ていくだ
けでなく、このトンネル接合から超伝導体内部へ
大量の準粒子電流が流れる。後者の電流は注入用
電極からの準粒子注入のあるなしにかかわらず存
在する。しかも透過率の高い接合であれば、わず
かの電圧に対してもこの電流はきわめて大きい。
そのため薄いトンネル障壁を出力用接合にもつデ
バイスは、入力信号で出力信号を制御することが
できない。

本発明のデバイスの準粒子コレクタ接合の他の
特徴は、通常のデバイス条件においてコレクタ接
合から超伝導体への準粒子注入がほとんど生じな
いということである。この特徴のため本発明の準
粒子コレクタ接合は半導体バイポーラトランジス
タのコレクタ接合と同様の機能をはたす。準粒子
注入用の接触部（以下準粒子エミツタと記す）か
ら注入された準粒子は超伝導体（以下ベースと記
す）を通過し準粒子コレクタに達し外部電極に流
れ出す。これは半導体バイポーラトランジスタと
類似の動作である。本発明のデバイスでは、準粒
子コレクタの透過率が高いためデバイスの動作時
間は準粒子の再結合時間で制限されない。なぜな
ら注入された準粒子のほとんどは非常に短い時間
の後に準粒子コレクタ接合に達し外部電極に流れ
出すからである。準粒子はほぼフエルミ速度（約
10⁶ｍ／sec）で走るため通常の100〜200nmのベ
ース層を走るには0.1ピコ秒程度しか要しないの
である。

本発明の特徴は、高い効率で準粒子を捕促する
準粒子コレクタ接合として、障壁の高さが低い半
導体−超伝導体接触または障壁高さの低いバリア
層−超伝導体を使うことである。第１図は本発明
の準粒子コレクタの原理を説明するためのエネル
ギー模式図である。超伝導体と半導体とが接触
し、接触部にフエルミレベルより測つて高さψの
障壁が形成されているとする。ここで簡単化のた
めψは超伝導体のエネルギーギヤツプΔに等しい
とする。半導体に超伝導体に対して正の電位Ｖを
与える。超伝導体中の準粒子状態にある電子が半
導体側に入射するプロセスを考える。この電子は
超伝導体のフエルミエネルギよりＥだけ高いエネ
ルギーレベルにある。ここでＥは準粒子の励起エ
ネルギでありＥ＞Δであるから、電子は障壁を越
えて自由に半導体側に移動できる。一方半導体中
にはこの電子を接合部から引き出す方向の電界が
存在する。したがつてコレクタ接合に入射した準
粒子状態の電子はコレクタ接合に捕促され半導体
側に流れ出す。

一方超伝導体中のクーパーペアをこわして、生
じた準粒子状態の電子を半導体中に移すプロセス
を考える。半導体中に移つた電子は超伝導体のフ
エルミレベルよりＥだけ低いエネルギレベルにあ
る。このレベルが半導体の禁制帯中にあるか、ま
たは、このレベルで見た障壁の厚さが十分に厚け
れば、このような電子移動のプロセスは生じな
い。したがつて超伝導体中にいわば多数キヤリア
として存在するクーパーペアは準粒子コレクタの
電流には寄与しないことになる。準粒子コレクタ
接合の電流に寄与するのは、準粒子エミツタ接合
より注入された準粒子及びベース領域内でのフオ
ノンにより励起されて生ずる準粒子である。

第２Ａ図に示すように超伝導体の薄い層（ベー
ス層）をはさんで一方に準粒子コレクタ接合、他
方に準粒子エミツタ接合を形成した場合を考え
る。第２Ｂ図は準粒子エミツタ接合として準粒子
コレクタ接合と同様な半導体−超伝導体接触を用
いた場合のエネルギー摸式図である。この場合準
粒子エミツタは半導体側が負電圧にバイアスされ
ている。準粒子エミツタより注入された準粒子状
態の電子は、その大部分が準粒子コレクタ接合に
流れ、一部が再接合してクーパーペアとなりベー
ス電極より流れ出す。したがつて準粒子コレクタ
電流Icは準粒子エミツタ電流をIeとすれば Ic＝αIe＋Iset (1) で示される。ここでαは電流伝達率である。注入
された準粒子が準粒子コレクタ接合にとらえられ
るまでにベース内に滞在する時間は、大体、領域
内を準粒子が走る時間によつて決定される。この
時間は前述したように0.1ピコ秒程度と推定され
る。実際には、準粒子のベース領域内での散乱
や、準粒子コレクタ接合の透過率が１より小さい
ことの影響のため、このベース滞在時間は若干増
加する。一方準粒子の再結合時間は少なくとも数
100ピコ秒から数ナノ秒（ns）程度であり、ベー
ス滞在時間より２〜３桁以上も大きい。そのため
大部分の準粒子は再結合することなく準粒子コレ
クタに流れると考えられる。したがつてαは１に
非常に近い値となる。

上記(1)式は本発明のデバイスが半導体バイポー
ラトランジスタと同様の動作をすることを示して
いる。αが１に近い値のため、エミツタ接地の回
路方式により大きな電流増幅率が得られることに
なる。このように本発明のデバイスの動作には、
Quiteronのようなエネルギーギヤツプの変化は
本質的に必要がない。また準粒子のベース滞在時
間が非常に短いため高速動作となる。動作電圧は
数ミリボルト程度であるので消費電力は非常に小
さい。

発明の実施例 本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第３図は本発明の一実施例を示す図である。第
３図において半導体たとえばGaAs，InP，InAs，
InSbの半導体基板１の上に超伝導体たとえばPb
合金、Nb，NbN等よりなる薄膜２が形成されて
いる。このとき超伝導体−半導体接触部の障壁高
さは十分に低いものとする。超伝導薄膜（超伝導
体）２の上には絶縁層６（例えばSiO蒸着膜、
CVD法、スパツタ法等、で付着したSiO₂膜）に
開けた窓を介してトンネル酸化膜５を成長させそ
の上に準粒子注入用電極３及びベースバイアス用
電極４を形成する。３は動作温度で常伝導の金属
たとえばアルミニウム、モリブデン等である。４
は超伝導体たとえばPb合金、Nb等である。超伝
導体４とベースとして動作する超伝導薄膜２との
間にはジヨ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を生じないものとする。
コレクタ電極は半導体基板にオーミツク性の電極
７を形成して取り出す。本発明の一実施例はベー
ス領域の厚さを薄くすることが容易である。この
ため高い電流伝導率及び小さなベース接地飽和電
流Lsatが実現できる。またベース・バイアス電
極とベース領域との間にトンネル接合があるた
め、バイアス電極からベース層への準粒子流を小
さくできる。これによりIsatを小さくするのに有
利である。この実施例における準粒子捕獲率は
10^-2程度である。７ 第４図は本発明の他の実施例を示す図である。
ベース領域の超伝導体１２は半導体基板１１に形
成された幅のせまい溝に埋めこまれている。半導
体基板は動作温度（約4.2K）では絶縁性を示す
層１１ａに上に、活性層１１ｂが成長した構造を
持つている。半導体基板１に形成された溝は活性
層１１ｂを左右に分離するようになつている。こ
こで不要な電流路は活性層をエツチングすること
で除去している。超伝導体１２の上部にはトンネ
ル酸化膜１５を介して超伝導体１４が接触し、ジ
ヨセフソン接合を形成する。超伝導体１４がこの
デバイスのベース電極となる。エミツタ電極及び
コレクタ電極として基板表面にオーミツク電極１
７，１８を取り付ける。この実施例の準粒子捕獲
率は10^-2程度である。

この実施例は準粒子エミツタとして超伝導体−
半導体接触を用いる。超伝導−半導体接触は大き
なエミツタコンダクタンスと小さな容量を持つた
め、エミツタの充放電時間が短く高速化に適して
いる。またエミツタコンダクタンスが大きいこと
は小さなベース−エミツタ電圧変化で大きなエミ
ツタ電流変化が得られるということで、インピー
ダンスゲインにより大きな電圧増幅率が得やすい
という利点がある。

発明の効果 以上説明した通り本発明によればトランジスタ
に類似した信号増幅、スイツチング動作が可能
で、高速・低消費電力の超伝導デバイスを得るこ
とが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るデバイスの準粒子コレク
タ接合の原理を説明するためのエネルギー模式
図、第２Ａ図は準粒子エミツタ接合及び準粒子コ
レクタ接合を有する本発明に係るデバイスの原理
を説明するための模式図であり、第２Ｂ図は本発
明に係るデバイスの動作原理を説明するためのエ
ネルギー模式図であり、第３図は本発明の一実施
例を示す概略断面図であり、第４図は本発明の他
の実施例を示す概略断面図である。 １，１１……半導体基板、２，１２……超伝導
体、３……常伝導金属、４，１４……超伝導体、
５，１５……トンネル酸化膜、６，１６……絶縁
層、７……半導体基板とオーミツク性接触を得る
ための金属、１１ａ……半絶縁層、１１ｂ……活
性層、１７，１８……オーミツク性電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超伝導体に準粒子を注入する手段と、該超伝
   導体に注入された準粒子を捕獲する手段を有し、
   該準粒子を捕獲する手段の前記超伝導体に対する
   バリア高さが該超伝導体のエネルギーギヤツプと
   同程度であることを特徴とする超伝導デバイス。 ２ 前記準粒子を注入する手段が、前記超伝導体
   を一方の電極とするトンネル接合であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の超伝導デバ
   イス。 ３ 前記準粒子を注入する手段が前記超伝導体を
   一方の電極とする半導体−超伝導体接触であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超伝
   導デバイス。 ４ 前記準粒子を注入する手段が、前記超伝導体
   を一つの電極とし、該超伝導体に、バリア層を介
   して常伝導体電極を取り付けたものであり、該バ
   リア層のバリア高さが前記超伝導体のエネルギー
   ギヤツプと同程度であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の超伝導デバイス。 ５ 前記準粒子を捕獲する手段が、前記超伝導体
   を一方の電極とした半導体超伝導体接触であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超伝
   導デバイス。 ６ 前記準粒子を捕獲する手段が、前記超伝導体
   を一つの電極とし、該超伝導体に、バリア層を介
   して常伝導体を取り付けたものであり、該バリア
   層のバリア高さが前記超伝導体のエネルギーギヤ
   ツプと同程度であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の超伝導デバイス。