JPH0350425B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は一般に低温で動作する増幅スイツチン
グ・デバイス、特に超伝導体ースとベースから半
導体要素によつて分離されたコレクタとを備えた
低温トランジスタに関する。

〔従来技術〕 従来、層構造より成る３端子のトランジスタ状
のデバイスが数多く知られている。そのあるもの
は、超伝導状態で動作する金属を必要とし、また
他のものは正常金属又はそれらの金属の組み合せ
を用いている。さらに、それらの金属を互いに分
離するトンネル障壁、絶縁体又は結晶性材料を用
いるものもある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

これらの従来技術の構造体は広く使われるに至
つていないが、これはそれらの構造体が、明らか
に、半導体トランジスタ・デバイスに存在する有
用な性質を欠いているからである。さらに、３端
子の低温デバイスも従来技術中に存在している
が、利得の低さ及びアイソレーシヨンの不足によ
り、それらのデバイスのいずれも、低温環境で動
作するトランジスタ状デバイスに関する必要性を
満足していない。

従つて利得を示し且つすぐれた入力／出力の分
離（アイソレーレヨン）を有する３端子のトラン
ジスタ状デバイスが望まれる。

また良好な線型性を示し電力消費の小さな３端
子のトランジスタ状デバイスが望まれる。

さらに、低温で高速にスイツチングし、高密度
の集積回路の形で形成できる３端子のトランジス
タ状デバイスが望まれる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、超伝導ベース及びそれから分離され
たコレクタを有する低温トランジスタに関する。
ベースに発生した準粒子は、ベースとコレクタと
の間に配置された領域の作用により、所定のバイ
アス条件の下でコレクタへ移動する。このベース
とコレクタとの間の領域は、例えばクーパー対の
トンネリングを阻止するのに充分な厚さを有し、
ベースからコレクタへの準粒子の通過を可能にす
ると共にコレクタからベースへのキヤリアの移動
を阻止するような障壁を持つた半導体層である。

ベース中の準粒子は、他の電極からの準粒子の
注入によつて発生させることもできる。そのよう
なデバイスとしては、例えば、アルミニウム等の
金属層、酸化タンタル（Ta₂O₂）等の絶縁体から
成るトンネル障壁、タンタル等の超伝導金属層、
トンネリングを阻止するのに充分な厚さを持ち且
つエネルギー障壁の高さがクーパー対の通過を阻
止すると同時に準粒子の流れを可能にするに充分
であるようｐ型ガリウム・アンチモナイド又はイ
ンジウム・アンチモナイド等の半導体材料の層、
そして最後にタンタル等の金属層から成る５層の
デバイスがある。タンタル層と半導体層との間に
はオーミツク接点が形成されている。

また最初の３つの層は上記の例と同様である
が、半導体はｐ型ゲルマニウムであり、最後の金
属層はアルミニウムであるようなデバイスも可能
である。半導体と接触する金属層は、タンタルと
ガリウム・アンチモナイド又はインジウム・アン
チモナイドとの場合及びアルミニウムとゲルマニ
ウムとの場合のように自然にオーミツク接点を形
成することも、又ゲルマニウムの表面に最初にア
ルミニウムを拡散することによつてゲルマニウム
とタンタルとの間にオーミツク接点を形成するこ
ともできる。エミツタ、ベース及びコレクタの特
徴を有する各金属層の間に適当にバイアスを加え
る事によつて、超伝導ベースに注入された準粒子
がコレクタ端子に移動する。コレクタに現れたキ
ヤリアは半導体材料の障壁高によつて超伝導ベー
スに戻るのを阻止される。得られたデバイスは高
速スイツチングが可能で、すぐれた入力／出力ア
イソレーシヨンを有する。

〔実施例〕

下記の説明中で、クーパー対という用語は、臨
界温度以下の超伝導体中の電子又はホールの対を
意味する。また準粒子という用語は、超伝導体中
の、対をなしていない電子又はホールを意味す
る。準粒子は電子的特性及びホール的特性の混合
したもを示す事に注意されたい。また準粒子が半
導体中を通過すると単に言う時、より完全な物理
的記述は、準粒子が半導体に入る時それは確定的
にホール又は電子のいずれかになるという事であ
る。半導体中を通過するのは、この電子又はホー
ルである。

第１図をを参照すると、金属層２，３，４を含
む低温動作型３端子のトランジスタ状デバイス１
が示されている。各金属層はエミツタ、ベース及
びコレクタの性質を有する。層２及び３は、電荷
キヤリアのトンネリングを可能にするのに充分な
厚さを有する絶縁材料層５によつて互いに分離さ
れている。また半導体材料の層６や層３と４との
間に配置され、この層６は適当なバイアス条件の
下でホール的準粒子の通過に対しては実質的に何
のエネルギー障壁も与えず電子的準粒子及びクー
パー対の通過は有効に阻止するるようにドープさ
れている。層６は、準粒子及びクーパー対のトン
ネリングを阻止するのに充分な厚さを有し且つ衝
撃イオン化による効果が無視しうる程度に充分に
薄くなければならない。また衝撃イオン化効果は
層６のドーピング・プロフアイルを適当に選択す
ることによつても減少できる。層３，４はオーミ
ツク接点によつて層６に接続されている。この接
点は使用した材料の結果として自然に形成される
か、又は層３の金属と層６の半導体との間に適当
な材料を介在させることによつて形成される。第
１図の構成において、ベース層３は超伝導でなけ
ればならないが、エミツタ層２及びコレクタ層４
は超伝導体、正常金属又は縮退半導体のどれでも
良い。デバイス１を導通させるために、ベース３
に対してエミツタ２を正にするバイアスが、ベー
ス３とエミツタ２との間のバイアス電源７から２
極スイツチ９の端子８を経て加えられる。第２の
バイアス電源１０は、負荷装置１１を経て層２及
び層４の間にバイアスを与える。これはベース層
３に対してコレクタ層４を負にする。以下詳細に
定める特定の動作電圧は準粒子を層２から層３へ
注入させる。それらの準粒子は、層６の半導体に
よつて与えられる低いエネルギー障壁を越えて移
動するのに充分なエネルギーを有し、この例では
ホールとして層４に流れ、そこで収集される。も
しスイツチ９が端子８の代りに端子１２に接続さ
れると、層２，３は短絡され、デバイス１は非導
通になる。

ベースを超伝導にするために、デバイス１は約
2゜Kの温度（Taの場合（1/2）Tc＝2゜K）を与え
る液体ヘリウム中に浸漬される。そのような環境
の下で、半導体層６はキヤリア凍結と呼ばれる現
象を起こし、熱的に生成された電荷キヤリアに関
して事実上絶縁体として作用する。デバイス１を
超伝導ベースの遷移温度よりもずつと下で動作さ
せる主な理由は、超伝導ベース中の熱的な準粒子
の密度が非常に低いのでコレクタとベースとの間
の漏洩電流が低くなるからである。

良好な実施例において、層２はアルミニウムか
ら、また層３，４はタンタルから作られる。また
層５は酸化タンタル（Ta₂O₅）から形成され、準
粒子のトンネリングを可能にするように10〜100
オングストロームの範囲内の厚さを有するべきで
ある。半導体層６はガリウム・アンチモナイド又
はインジウム・アンチモナイド等のｐ型半導体で
あつて、厚さは1000〜10000オングストロームの
範囲内である。この範囲の厚さはトンネリングを
阻止し、衝撃イオン化の効果を無視しうるものに
する。半導体層６は、炭素等のドーパントを10¹⁵
〜10¹⁶cm^-3のレベルにドープされている。広く言
えば、ドーピング・レベルは、超伝導層３のギヤ
ツプの上端又は下端とほぼ揃つた半導体の伝導帯
又は価電子帯の端に関して相当程度の縮退が生じ
ないようになつていなけばならない。ベース層３
は、タンタルの連続的な層の形成と矛盾なく可能
な限り薄い厚さを有している。100〜300オングス
トローム程度の厚さが適当である。上記の材料を
用いれば、タンタル層３，４はガリウム・アンチ
モナイド又はインジウム・アンチモナイド上に付
着された時に半導体材料と自然にオーミツク接点
を形成する。オーミツク接点を使用すると、ミリ
電子ボルト（meV）程度のエネルギー・レベル
で電子又はホールが自由に層３から層４へ移動で
きる。層２，４はデバイス設計全般と矛盾しない
限り任意の厚さを有しうる。

他の実施例において、層２，３、及び５は上記
の第１の実施例の各層と同じ材料から形成され
る。しかしながら層６は、ホウ素等のドーパント
を縮退レベル近くまでドープしたゲルマニウム等
のｐ型半導体から形成される。最後に層４はタン
タルから形成される。アルミニウムはアニールす
るとｐ型ゲルマニウムと容易にオーミツク接点を
形成するので、何の特別な処理も必要ではない。
しかしタンタルはゲルマニウムと直接的にオーミ
ツク接点を形成しないので、最初アルミニウムが
300℃の温度でゲルマニウム表面に拡散され、浅
い縮退シヨツトキー接点が形成される。次の工程
でタンタルが付着され、オーミツク接点が得られ
る。

上記のデバイスは両方共、層構造を有し、第１
図の構造を形成するのは半導体技術の当業者にと
つて容易であろう。例えば真空蒸着、分子線エピ
タキシー及びCVD等の周知技術を用いることが
できる。単純な方式では、ガリウム・アンチモナ
イドのウエハが、デバイスを形成したい位置にお
いて、化学的エツチングを用いて約5000オングス
トロームの厚さに薄片化される。この工程は、エ
ツチングが停止する所望の厚さのエピタキシヤル
層を用いる事によつて助けられる。次にウエハの
薄片化部分は両側にタンタルが付着される。次の
工程で、１つのタンタル層がマスクされ、他方は
酸化工程に付されて酸化タンタルのトンネル障壁
層が形成される。最終工程で、酸化タンタル上に
アルミニウムが付着され、デバイスをスイツチン
グさせるバイアスを印加するために種々の層に電
極が取り付けられる。

第２図を参照すると、非バイアス状態における
第１図のデバイスのエネルギー・バンド図が示さ
れている。デバイスのエミツタとして作用する層
２は、トンネル障壁層５を経て超伝導ベース層３
へ準粒子を注入しようとする。しかしデバイス１
が層３の超伝導遷移温度よりもずつと下で動作し
ていれば、層３の超伝導ギヤツプΔが電流の流入
を阻止する。これは層２，３の間のバイアスがデ
バイス１のしきい値レベルである超伝導ギヤツプ
程度になるまで保たれる。

第３図を参照すると、バイアス条件下のデバイ
ス１のエネルギー・バンド図が示されている。超
伝導ギヤツプΔ程度の電圧が層２，３の間に加え
られると、層２から層３に注入される準粒子は超
伝導層３を容易に通過し半導体層６中に入る。こ
の半導体層はベース層３からコレクタ層４を有効
に分離する。エミツタ層２から注入された準粒子
の再結合によりクーパー対が形成されると、その
ようなクーパー対は（半導体がｐ型か又はｎ型か
に依存して）半導体層６の伝導帯の充分下方又は
価電子帯の充分上方に来、それらは半導体材料の
エネルギー障壁を越えるのには不充分なエネルギ
ーしか持たない。また半導体層６の厚さがクーパ
ー対のトンネリングを阻止するのに充分な位に大
きければ、クーパー対はコレクタ４へのトンネリ
ングを阻止される。このようにして、エミツタ層
２から準粒子の注入が存在しない場合にコレクタ
とベースとの間にバイアスが加えられた時、不所
望のベースからコレクタへの漏洩電流は最小限に
される。超伝導ベース層３は薄い（その厚さはそ
の平均自由行程と同程度である）ので、注入され
た準粒子は容易に超伝導層３を通過し半導体層６
に流入する。この時、半導体のエネルギー・バン
ドが第３図に示すようなものであるならば、ベー
ス層３とコレクタ層４との間にバイアス電圧を印
加すると、半導体層６に入つた全てのキヤリアは
コレクタ層４に集められる。従つてエミツタ層２
から注入された電流の殆んど全てはコレクタ層４
に到達し、少量のものだけが準粒子の再結合によ
りベース層３に入る。

第３図に示すようなバンド構造に関して、本質
的に何のしきい値コレクタ−ベース・バイアス電
圧も存在せず、且つ良好なアイソレーシヨンが存
在している。コレクタ電流は、サブ・ミリボルト
から数十ミリボルトのバイアスに至るまで、コレ
クタ−ベース電圧にほぼ独立である。最大の有用
な電圧は、超伝導層３と半導体層６との間の界面
におけるバンドの曲率及び半導体層の幅に依存す
る。所望の動作電圧に関してベース層３とコレク
タ層４との間に直接のトンネリングが起きないよ
うに、半導体層６が充分に広い事が重要である。
また最適動作のために、半導体層６は縮退状態に
近すぎない事も重要である。というのは縮退状態
はベース層３とコレクタ層４との間に過度の漏洩
を生じるからである。ここで、層３，４と層６と
の間の接点は真のオーミツク接点か又はオーミツ
ク接点として作用する浅い縮退したシヨツトキー
接点のいずれかである事を強調しておく。この事
はデバイス１の動作に関して非常に重要である。
というのは、それによつて、ほんのmeV程度の
エネルギー・レベルでベース層３からコレクタ層
４へ自由にホールが移動できるようになるからで
ある。

デバイス１の利得は、準粒子がベース層３を通
過する時のそれらの再結合率によつて全面的に決
定される。従つて、もしエミツタ層２から注入さ
れた電流の一部分ｆが再結合してクーパー対を形
成するならば、次の関係が成立する。

Ｉ（ベース）＝fI（エミツタ） Ｉ（コレクタ）＝（１−ｆ）Ｉ（エミツタ） β＝Ｉ（コレクタ）／Ｉ（ベース）＝Ｉ−ｆ／ｆ ここで、例えばｆ＝0.05ならば、共通エミツタ
電流利得β＝19である。

デバイス１に関する典型的な動作電圧は次の通
りである。

エミツタ−ベース電圧は１ミリボルトで、エミ
ツタはベースに対して正にバイアスされる。コレ
クタ−ベース電圧は０〜20ミリボルトで、コレク
タはベースに対して負である。

デバイス１は、ｎ型半導体の伝導帯に対するオ
ーミツク接点を用いて作ることもできる。そのよ
うなデバイスに関するバンド図は、基本的には第
２図及び第３図に示すバンド図の鏡像になる。

トンネル障壁を経て超伝導ベース中に準粒子を
注入するエミツタ電極として超伝導体及び正常金
属を示したが、そのような準粒子を注入するため
に他の方法も用いうる事に注意されたい。例えば
適当なエネルギーの光を超伝導ベースに直接に与
えてクーパー対に破壊し、必要な準粒子を供給す
る事もできる。

〔発明の効果〕

以上説明したデバイスは、すぐれた線型性、非
常に広いダイナミツク・レンジ、高利得、低いし
きい値及び低電力消費という特性を有する。さら
にこのデバイスは高速性、すぐれた入力／出力ア
イソーレヨンを有し、集積回路環境において高い
実装密度を提供する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の装置の概略断面図、
第２図はｐ型半導体を用いた第１図の装置のエネ
ルギー・バンド図、第３図はバイアス条件下にお
ける第１図の装置のエネルギー・バンド図であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a) 超伝導材料の層と、 (b) 導電材料の層と、 (c) 上記超伝導材料の層と上記導電材料の層の間
   に配置され、上記超伝導材料の層で発生された
   準粒子の、上記超伝導材料の層と上記導電材料
   の層の間の流れを制御するものであつて、クー
   パー対のトンネリングを禁止するに十分な厚さ
   をもち、該準粒子の通過は許容するが上記導電
   材料の層から上記超伝導材料の層へのキヤリア
   の流れは禁止するに十分な障壁高さをもつもの
   である手段とを具備し、 (d) 上記超伝導材料の層と上記導電材料の層は、
   上記手段に、オーミツク接点によつて接続され
   てなる、 超伝導トランジスタ。