JPH03191581A

JPH03191581A - 超伝導トランジスタ

Info

Publication number: JPH03191581A
Application number: JP1331502A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Ueno; 勝典上野
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1989-12-21
Filing date: 1989-12-21
Publication date: 1991-08-21

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］この発明は超伝導トランジスタにかかり、更に詳しくは
ソース・ドレイン間隔を太き（することが可能な超伝導
トランジスタに関する。

［従来の技術］超伝導現象は電気抵抗がゼロになることから、これを利
用した高速かつ消質電力の少ない超伝導トランジスタの
開発が期待され、い（つかの構造が提案され、その中の
いくつかは既に実現されている。その中で、電圧駆動型
の超伝導トランジスタは、入力インピーダンスが大きい
ために駆動しやすく、また、入力ロスも少ないので、そ
の開発が期待されている。

第６図は上記した電圧駆動型の超伝導トランジスタの一
例を示す断面図である。図示するように、この超伝導ト
ランジスタはＳｉ単結晶基板４上に設けられたヒ素イオ
ン打ち込み部５を介して、超伝導電極であるソースｌと
ドレイン２を設け、ソースｌとドレイン２の間にゲート
酸化膜８によって絶縁されたゲート３を設けた構造を有
し、ゲート３は側壁絶縁膜７とオーバハング６によって
被覆されている。ここで、例えば上記ソース１とドレイ
ン２はＮｂから形成され、ゲート３は多結晶Ｓｉから形
成され、オーバハング６と側壁絶縁膜７は５ｉＪＬから
形成され、ゲート酸化膜８はＳｉＯ□から形成される。

第６図に示す従来の超伝導トランジスタにおいては、ソ
ース１とドレイン２からコヒーレント長程度クーパベア
が染み出し、上記コヒーレント長をゲート３に印加する
電圧の大きさによって変調し、ソースｌとドレイン２の
間をクーパベアでつなごうとするものである。

コヒーレント長は、従来の超伝導体では、数１００人程
程度あるため、第５図に示す構造の超伝導トランジスタ
では、ゲート１とドレイン２の間隔ρを０，１μｍ程度
に近接させる必要があった。

第６図に示す超伝導トランジスタでは、第７図に示すよ
うな電流・電圧特性が得られている。

第７図において、横軸はドレイン電圧であり、縦軸はト
レイン電流であり、ゲート電圧を０．５ｖ、ｌ■、２ｖ
と変化させた場合の電流・電圧特性が示されている。

上記した電圧駆動型の超伝導トランジスタの他に、電流
注入型の超伝導トランジスタも提案されているが、電流
注入型の超伝導トランジスタは電流注入による発熱や電
流利得が小さいなどの問題があり、これまでに良好な特
性が得られたという報告は存在しない。

［発明が解決しようとする課題］上記したように、従来の電圧駆動型の超伝導トランジス
タにおいては、コヒーレント長の制限に起因して、ゲー
ト長（ソース・ドレイン間隔）を０．１μｍ程度以下に
する必要があった。

一方、電圧駆動型の超伝導トランジスタにおいては、コ
ヒーレント長λと超伝導ギャップＣ１の関係は、ＢＣ３
理論により、概路次の（１）式のように表される。

λ■ε１−１　・・・・・・（１）また、上記超伝導ギャップε、は転移温度Ｔｃに比例す
るので、結局コヒーレント長λは転移温度Ｔｃが高いほ
ど短いことになる。実際に、転移温度Ｔｃが４０に以上
の酸化物超伝導体では、コヒーレント長えは数１０人と
言われている。

従って、そのような短いゲート長を持つデバイスを製造
することは、極めて困難であり、更にソース・ドレイン
間が非常に近接してしまうため、素子がオフ状態でのソ
ース・ドレイン間耐圧が非常に小さ（なってしまうとい
う問題点もある。

特に、超伝導を使った素子は、高耐圧化が非常に難しく
、従来の半導体素子とのつなぎが問題となっている。

［課題を解決するための手段］この発明の超伝導トランジスタは、基板上にソース領域
とドレイン領域を設け、上記ソース領域とドレイン領域
の間に絶縁膜を介してゲート電極を設けた構造の超伝導
トランジスタに適用されるものであり、特にソース領域
とドレイン領域を超伝導転移温度がピーク値を有してい
る酸化物超伝導体を用いて形成し、上記ソース領域とド
レインたは超伝導転移温度がピーク値を取らない程度に
不純物を導入した上記母体物質領域を設け、上記ソース
領域とドレイン領域の間の母体物質領域上に、上記ゲー
ト電極用の絶縁膜を設けたことを特徴としている。

［作用］まず、この発明の原理について説明する。酸化物の高温
超伝導体、例えばＬａ５ｒＣｕＯやＹＢＣＯと呼ばれる
物質は、転移温度Ｔｃが高いだけでなく、多くの共通の
特徴を備えている。そこで、Ｌａ５ｒＣｕＯに例を取り
ながら以下の説明を行うが、もちろん他の酸化物超伝導
体についても同様の議論が成立する。

Ｌａｇ−ｘｓｒｘｃｕＯ＜は、ｘ＝Ｏ１すなわちＬａ２
ＣｕＯ４では、反強磁性の絶縁体である。しかしながら
、２価のＳｒを少しずつ混ぜていくと、ホールがドーピ
ングされてい（。

そして、やがて金属的な伝導を持つようになるが、低温
ではドーピングされたホールが超伝導を５図において、
横軸はホール濃度（ホールのドーピング量）であり、縦
軸が転移温度Ｔｃである。

現在のところ、この超伝導のメカニズムについては、は
っきりした理論はない。

ここで、重要なことは、ホール濃度を変えると、この物
質は絶縁体から超伝導体へ変化するということである。

この点において、シリコン等の半導体と類似である。す
なわち、シリコンはドーピングがなければ、バンドギャ
ップ１．２ｅＶの絶縁体であるが、ドーピングを行うと
金属的性質を有するようになる。そこで、酸化物超伝導
体中へホールをドーピングする構造として、シリコンの
ＭＯＳＦＥＴからの類推により、界面へ電圧を印加して
バンドを曲げ、表面にホールをためる。このホールは、
ソース・ドレインから注入されなければならない。しか
し、ソース・ドレインを金属で作ると、ソース・ドレイ
ンと酸化物超伝導体との間にペテロ接合ができ、その結
果障壁が形成されて、キャリアーの注入は行われない。

そこで、ソース・ドレイン領域を同じ酸化物超伝導体で
形成する。このようにすれば、バンド構造としては、ソ
ース・酸化物・超伝導体・ドレイン間でスムーズにつな
がり、キャリアの注入が可能となる。

この発明は上記した原理に基づくものであり、ソース領
域とドレイン領域の間に設けられた母体物質領域（酸化
物超伝導体）表面に上記ソース領域とドレイン領域から
ホールを注入し、注入されたホールは超伝導キャリアと
なり、この超伝導キャリアがソース領域とドレイン領域
を超伝導によってつなぐ働きをする。これによって、電
圧駆動型の超伝導トランジスタが形成される。

さらに、超伝導トランジスタがオフ状態の時には、上記
ソース領域とドレイン領域の間に設けられた母体物質領
域（酸化物超伝導体）は絶縁体になるため、完全な絶縁
が可能になる。また、ソース領域とトレイン領域の間の
距離は、コヒーレント長などの物質固有の物性特性によ
って制限されないため、耐圧を大きくすることが可能に
なる。

［実施例］第１図はこの発明の超伝導トランジスタの一実施例を示
す断面図である。第１図において、ｌＯはソースまたは
ドレインとなる高温酸化物超伝導体層で、不純物がドー
プされたものである。従って、この高温超伝導体層ｌＯ
の転移温度Ｔｃは、なるべく高い方が好ましい０例えば
、第５図によれば、ホール濃度０．２％程度で、かつ転
移温度Ｔｃが３０〜４０にのものを用いる。

１１はチャネルを形成する酸化物超伝導体層であり、ノ
ンドープまたは第５図から明らかなように絶縁体領域（
つまりホール濃度が０．０５％以下）のものを用いる０
図示するように、この上に、絶縁体１２を介してゲート
電極１４を形成し、またソース電極１３とドレイン電極
１５を形成する。第２図は、上記絶縁体１２とノンドー
プの酸化物超伝導体層１１のバンド構造を示す図である
。酸化物超伝導体層１１がホールをキャリアとする場合
、ゲート電極１４には電源１８により負の電圧を印加し
てチャネルを形成する。第１図において、１７は形成さ
れたホールのチャネルを示している。このホールは、転
移温度Ｔｃの高い高温酸化物超伝導体（ソース・ドレイ
ン）１０から供給される。

次に、第１図に示すデバイスの動作を第３図と第４図を
用いて説明する。第３図は第１図に示すデバイスの電流
・電圧特性のゲート電圧依存性を示したものである。第
３図において、横軸はソース・ドレイン電圧Ｖ　ｏｓ、
縦軸はドレイン電流工。。

である。

ゲート電圧Ｖ。を印加すると、超伝導電流が電圧降下な
（流れ、ある電流値から常伝導となって電圧降下が発生
する。ゲート電圧ｖ０が高くなって、キャリア濃度力１
増すと、転移温度Ｔｃが上昇するので、常伝導に移行す
る電流も大きくなる。

第４図は、横軸にケート電圧■。、縦軸に電圧降下が発
生して常伝導に移行する電流値Ｉ、を示す図である。図
示するように、この特性は、はぼ５つの領域に分けられ
、領域■〜Ｖで示した。領域工はホール濃度が不十分で
ある絶縁体領域、領域■はホール濃度とともに転移温度
Ｔｃが上昇する領域、領域■はホール濃度で転移温度Ｔ
ｃが変化しない領域、領域ＩＶはホール濃度とともに転
移温度Ｔｃが下がる領域、領域Ｖは金属領域である。領
域Ｉから領域■へ移るゲート電圧１９が第１図に示すＭ
ＯＳＦＥＴのしきい値となる。

なお、この実施例は、Ｌａ５ｒＣｕＯ系の超伝導体に限
定されるものではなく、例えばＹＢＣＯ等の酸化物超伝
導体についても同様に適用することが可能である。

［発明の効果］上記したように、ソース・ドレインを、ホールがドープ
された酸化物超伝導体を用いて形成し、ソース・ドレイ
ン間をノンドープの酸化物超伝導体で形成することによ
り、ゲートバイアスによって、ノンドープ酸化物超伝導
体の表面に超伝導電流を誘起して、トランジスタ動作が
可能となる。

また、ソース・ドレインの耐圧も従来の超伝導トランジ
スタより大きくすることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の超伝導トランジスタの一実施例を示
す断面図、第２図は第１図に示す実施例の縦方向のバン
ド構造を示す図、第３図は第１図に示す実施例の超伝導
トランジスタの電圧電流特性を示す図、第４図は第１図
に示す実施例の超伝導特性における常伝導転移電流のゲ
ート電圧依存性を示す図、第５図は酸化物超伝導体Ｌａ
ｗ　−ｘｓｒ＊ｃｕ０４のホール濃度と転移温度Ｔｃの
関係を示す図、第６図は従来の超伝導トランジスタの一
例を示す断面図、第７図は第６図に示す超伝導トランジ
スタの電流電圧特性を示す図である。１０・・・高温酸化物超伝導体層（ノンドープ）、１１
・・・酸化物超伝導体層（ドープ）、１２・・・絶縁膜
、１３・・・ソース、１４・・・ゲート、１５・・・ド
レイン、１６・・・基板、１７・・・チャネル、１８・
・・電源。第図ＯＳ第図第図第ホール濃度５図第図ドレイン電圧第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板上にソース領域とドレイン領域を設け、上記
ソース領域とドレイン領域の間に絶縁膜を介してゲート
電極を設けた構造の超伝導トランジスタにおいて、ソース領域とドレイン領域を超伝導転移温度がピーク値
を有している酸化物超伝導体を用いて形成し、上記ソース領域とドレイン領域の間に上記酸化物超伝導
体の母体物質領域または超伝導転移温度がピーク値を取
らない程度に不純物を導入した上記母体物質領域を設け
、更に上記ソース領域とドレイン領域の間の母体物質領域
上に、上記ゲート電極用の絶縁膜を設けたことを特徴と
する超伝導トランジスタ。