JPH0376172A - 超伝導化半導体ジョセフソン接合素子 - 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】 【産業上の利用分野】

本発明は、超伝導／半導体近接効果を用いた超伝導化学
導体ジョセフソン接合素子に係り、特に超高速で、低消
費電力な半導体メモリ、ロジックの構成に好適な超伝導
化学導体ジョセフソン接合素子に関する。

【従来の技術Ｉ Ｂ、Ｄ、ジョセフソンによりＰｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔ
ｅｒｓ　１（１９６２）２５１にジョセフソン効果の予
言がなされて以来、ＪＪ（ジョセフソン接合）素子は、
超高速超低消費電力なメモリＩＣや論理ＩＣとして発展
をとげてきた（例えば、超高速ジョセフソンデバイス；
早用尚夫編培風館１９８６年刊参照）。しかしながら、
現実のＪＪ　ＩＣには１次のような問題点がある。 １　、５（−３（超伝導体−絶縁体−超伝導体）構造で
。 超薄膜（１−３ｎｍ）ｌｆＡ縁層の膜厚を良質で均一に
することが極めて難しい。 事実、膜厚のばらつきを反映して、ＪＪでは、トンネル
ジョセフソン電流Ｉ。が、非常にばらついてしまう。 更に、＃＠縁層に生じるピンホール等のために、超伝導
体間がショートしてしまい歩留まりのよいＬＳＩを形成
することが難しい。 ２、現実の絶縁層のポテンシャル障壁は数ｅＶと大きい
のでトンネルジョセフソン電流工。を大きくすることは
、本質的に困難である。そのため、ジョセフソン接合を
微細にしていくと、電流が流せなくなるため、高集積の
ＬＳＩにしたときに、速度が落ちて高集積化のメリット
がなくなるという欠点が存在する。 しかしながら、ＪＪ　ＩＣは以上のような問題点を有し
ながらも、半導体デバイスにはない次の様な大きな長所
がある。 Ａ、超低消費電力素子であるため、極めて高集積で、コ
ンパクトなＬＳＩを形成できる可能性があるという点で
は、極めて優れている。即ち、この点を活かせば、非常
にコンパクトなシステム（超超高速なスーパーコンピュ
ーター等）を形成できる可能性がある。 係るＪＪ素子の欠点１．を克服する試みとして、特開昭
５７−１７６７８０号に開示されている様に、超伝導を
示す縮退半導体（例えば、５ｎＴｅ、　ＧｅＴｅ、　Ｐ
ｂＴａｙＳｒＴｉＯｚ等の実施例が挙げられている。）
のｐｎ接合を用いてＪＪ素子を形成するものが存在する
。しかしながら、これらの超伝導性を示す縮退半導体は
、材料が限定されること、超伝導転移温度が、１００ｍ
Ｋと極めて低温であること、たとえ超伝導を示す縮退半
導体（ＳｎＴｅ、　ＧａＴｅ、　ＰｂＴｅ、５ｒＴｉＯ
，等の限られた材料のみ知られている。）でも、ｐ型ｎ
型のキャリヤ濃度を制御性良くコントロールできないと
いう欠点があり、その結果として、絶縁層としてのｐｎ
接合空乏層膜厚がばらつき、その結果、超伝導電流がば
らつくという欠点が存在する。特に、現在の電子デバイ
スＬＳＩとして実用化しているシリコン、ＧａＡｓの縮
退半導体は、周知のように現在達成できる最低の■０μ
にの超低温に冷却してもｎ型もｐ型超伝導状態にはなら
ない。 さらに、Ｔ、Ｄ、Ｃ１ａｒｋら（Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔ
ｙ　ｏｆ　ＨｙｂｒｉｄＪｏｓｅｐｈｓｏｎ　Ｆｉｅｌ
ｄ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；　Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ
。 ５１（５）、Ｍａｙ　１９８０．ｐ２７３６−ｐ２７４
３）により、超伝導と半導体の近接効果を利用した電界
効果トランジスタ、が提案され、その後、６野ら（Ｐｈ
ｙｓ、Ｒｅｖ、Ｂ３３゜２０４２（１９８６）によりＳ
ｉを用いた実験でＴ、Ｄ、Ｃ１ａｒｋらのアイデアは肯
定的に実証された。　このＴ、Ｄ。 Ｃ１ａｒｋのＭＯＳ−ＪＯＦＥＴは、半導体デバイスと
超伝導デバイスを結び付けると言う意味で、エポックメ
イキングな提案であった。しかしながら、このデバイス
をＬＳＩに適用しようとすると二つの本質的な問題点が
存在する。その一つは、流れる超伝導電流が小さすぎて
、実用的な回路を構成した時に、配線容量や、他のトラ
ンジスタの容量を廓動できず、回路のスピードを速くで
きない。即ち、現実的なメリットを見出せないという点
、その二つ目は、０．１μｍ程度の極めて、微細化した
ゲート長でのみ、超伝導電流が観測され、超微細化技術
を使いこなせないと現実的な回路を作れないので、世代
とともに、集積度を増加させたいＳｉ　ＬＳＨには不向
きであるという点である。この超伝導電流が取れない点
は、このデバイスの動作原理に基ずく本質的な欠点であ
る。 又、Ｓｉ基板の上に、従来の５−Ｉ−Ｓジョセフソン素
子を形成し、従来のＳｉデバイスと組合せるという発明
は知られている（例えば、特開昭６４−８６５７６号な
どを参照）が、　ＪＪ素子自身は従来構造そのままであ
るため、ＪＪ素子固有の上記欠点は解決されないままで
ある。特にＬＳＩでは、個々の素子に対する信頼性への
要求がＳｉ、ＧａＡｓで分かるように、極めて厳しいの
が特徴である。また、個々の素子性能も大事だが、ＬＳ
Ｉとして性能が引き出せることが最も大切であろう。 一方、シリコンのＬＳＩ（大規模集積回路）では、良く
知られているように、大規模低消費電力な０ＭＯ３（相
補型）ＬＳＩと高速大消費電力なバイポーラ−ＥＣＬ　
（エミッタカップルロジック）ＬＳ１．両者の中間を埋
めるＢｉ−ＣＭＯ５ＬＳＩがある。しかしながら、シリ
コンのＬＳＩ（大規模集積回路）で超高速大規模低消費
電力ＬＳＩを実現する事はできないでいる。 更に、近年ＧａＡｓ（ガリウム砒素”）　ＬＳＩ、　ｌ
（ＥＭＴ（Ｈｉｇｈ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｎｏｂｉｌｉ
ｔｙ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）　ＬＳ１．　ＨＢＴ（ヘ
テロバイポーラ−トランジスタ）は、ＦＥＴにおいては
負荷開動能力の無さが事実上高集積化を阻んでいる。ま
たＨＢＴにおいては発熱の問題が高集積化のネックにな
っている。この様に化合物半導体のＦＥＴ、バイポーラ
−夫々単独だけでは超高速大規模低消費電力ＬＳＩを実
現する事はできない。 現在までに、実現している電子デバイスの消費電力とス
ピードの関係をまとめて第９図に示す（出展は、スーパ
ーコンピューター；日本物理学全編ｐ２２８　　；培風
館、１９８５年刊行）。 【発明が解決しようとする課Ｍ】 ところで、超高速スーパーコンピューター、大容量画像
システム等では、超高速大規模低消費電力なメモリ、ロ
ジックＬＳＩに対する要求は止まるところを知らない。 本発明の解決しようとする課題は、第９図に示すジョセ
フソン素子並みの超高速超低消費電力素子を超伝導体／
半導体近接効果を利用して、それ自身では超伝導性を示
さない信頼性の高い半導体（ＧａＡｓやシリコン）で実
現することにある。本発明の半導体素子の狙いを第９図
に・印で示す。

【課題を解決するための手段】 最近、超伝導体と半導体の近接効果の研究が進み、クー
パー対の半導体中へのしみだし機構が明らかになりつつ
ある（例えば、固体物理Ｖｏ１．２３　Ｎｏ。 ３　ＰＰ１５３−１６２１９８８年；超伝導近接効果；
田仲、塚田、及びその参考文献を参照）。ところが、こ
れらの研究成果は、金属の超伝導体と半導体との近接効
果であり、転移温度Ｔｃが数十度にの高温超伝導体／半
導体接合での近接効果についての研究は報告されていな
かった。 発明者らは、転移温度Ｔｃが９０にの高温超伝導体（ｙ
ｎｃｏ：ａ化物高温超伝導体ＹＢａ、　Ｃｕ、　Ｏ，の
酩号で以下ＹＢＣＯと記述する。）／Ａｕ（５０ｎｍ）
／Ｍｏ（１０ｎｍ）／Ｗ（４０ｎｍ）／ｎ型半導体；Ｇ
ａＡｓ（或いはｐ型半導体；ＧａＡｓ）接合でのクーパ
ー対の半導体側へのしみだし距離ξｓと半導体中での超
伝導ギャップΔ、を測定し次のような結果を得た。実験
結果を表１に示す。この結果を要約すれば 表１ １、Ｌみだし距離　ξｓは３００　ｎｍから５００　ｎ
ｍである。 ２、しみだしクーパー対の超伝導ギャップΔ１の平均的
大きさΔａｖは、２０　ｍｅＶから３０　ｍｅＶである
。 である。 ここで、高温超伝導体とＧａＡｓの間にバッファーメタ
ル（Ａｕ／Ｎｏ／Ｗ）を挿入している理由は、酸素雰囲
気中で、ＧａＡｓの上に酸化物超伝導体をつけるとＧａ
Ａｓが酸化され、絶縁膜がはさまったり、Ａｓがぬけた
り、酸化物超伝導体が超伝導性をしめさなつかたりする
ため、酸化されにくいＡｕの上に酸化物超伝導体を形成
した。ところが、Ａｕは直接ＧａＡｓｄ上に安定に被着
することはできない。また、ＡｕとＧａＡｓは４７０℃
で反応しはじめ、ＡｕがＧａＡｓ中に拡散する。更に、
ＹＢＣＯを被着させる過程で４００℃から５５０℃で基
板温度を設定するため、ＧａＡｓとバッファーメタルが
反応しない様にさらにＡｕの拡散を防ぐ目的で、Ａｕと
反応しにくい高耐熱金属、Ｖをバッファーメタルに用い
た。更に、Ｖ上に、Ａｕを接着性よく形成することは難
しく、接着性をあげる目的でＮｏを挿入させた。この様
なバッファーメタルを挿入した理由は、高温超伝導体を
ＧａＡｓ（半導体）に対しオーミックに接触させたいた
めで、金属超伝導体Ｎｂ、　Ｐｂ等の場合には、バッフ
ァーメタルは必要ないことは言うまでもない。 発明者らは、この実験を更に推し進め高温超伝導体／バ
ッファーメタル／半導体接合でのクーパー対の半導体側
へのしみだし距離　ξｓと半導体中での超伝導ギャップ
Δ１を系統的に測定した。ｎ型ＧａＡｓ、　ｎ型ＧａＡ
ｓの名ドーピングレヴエルに、おける実験結果を第１０
図に示す。但し、比接触抵抗ρＣはバッファーメタルと
半導体の界面の比接触抵抗で、膜厚３０　ｎｍの濃度を
変化させた半導体層を挿入している。図中Ｎｏ、　Ｎ＾
は夫々しみだし半導体層のドナー、アクセプタ濃度であ
る。Ｎｏ＝　１０”７ｃｍ”、ＮＡ＝１０”／ｃｍ’に
おける夫々Ｓｎ、８ｅドープＧａＡｓに対するしみだし
距離ξｓと半導体中での超伝導ギャップΔ、の温度を変
化をか第１１図に示す。第１０図及び第１１図で実線は
ｎ型ＧａＡｓを破線はｎ型ＧａＡｓを示す。測定結果か
ら、次のような一般的結論を得た。 １、Ｌみだし距離　ξｓはＯｎｍから最大７００　ｎｍ
まで制御できる。 ２、しみだし距離　ξｓは極めて敏感にドーピングレヴ
エルに依存する。 ３、しみだし距離　ξｓはバッファーメタルと半導体の
界面の比接触抵抗ρＣにあまり依存しない。 ４、しみだしクーパー対の超伝導ギャップΔ１の平均的
大きさΔａｖは、比接触抵抗ρＣとドーピングレヴエル
に大きく依存する。特に、オーミック特性の程度を表す
ρＣには大きな制限が付く。 ５、しみだし距離　ξｓとしみだしクーパー対の超伝導
ギャップΔ□の平均的大きさΔａｖは、Ｔｃ（今の場合
、９０Ｋ）の半分以下の温度では、あまり大きく、変化
しない。 ６、半導体は縮退していないとしみだし距離ξｓが２０
■以下になる。 次にこの近接系の物理的イメージを説明する。 第１図（ｆ）に、界面でのクーパー対ポテンシャルのし
めす。 超伝導体中でのバルクのクーパー対ポテンシャルの層を
介してクーパー対が半導体側にしみだしく太き半導体側
へのしみだし距離をξｓとし、平均クーパー対の大きさ
をΔａｖとする。この様にして、クーパー対供給層と超
伝導化学導体層に分けることができる。 半導体がｎ型の場合、超伝導化した縮退半導体の伝導帯
（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｂａｎｄ）付近のエネルギー
バンド図と対応する状態密度の様子を第１図（ｄ）に示
す。伝導帯端ＥｃからｑＶｃの位置にフェルミレヴエル
ＥＦが位置し、超伝導ギャップ２Δが開く。 図中、伝導帯端Ｅｃから斜線の部分がクーパー対の凝縮
した領域である。対応した状態密度のエネルギーＥに対
する概念図では、超伝導ギャップ２Δの間には状態がな
くなり、元々あった状態はその上下に分配される。半導
体がｎ型の場合、超伝導化した縮退半導体の価電子帯（
Ｖａｌｅｎｃｅ　Ｂａｎｄ）付近のエネルギーバンド図
と対応する状態密度の様子を第１図（ｅ）に示す６価電
子帯端ＥｖからｑＶｖの位置にフェルミレヴエルＥＦが
位置し、超伝導ギャップ２Δが開く。図中、価電子帯端
Ｅｖから斜線の部分がクーパー対の凝縮した領域である
。対応した状態密度のエネルギーＥに対する概念図では
、超伝導ギャップ２Δの間には状態がなくなり、元々あ
った状態はその上下に分配される。Ｐ型半導体へのクー
パー対のしみだしは、直感的には理解しすらいが、電子
がフェルミレヴエルまでつまって、価電子帯端Ｅｖから
フェルミレヴエルまで電子にとっての空席が存在すると
考えれば理解しやすい。 又、この様な描像は、通常の金属超伝導体（Ｎｂやｐｂ
など）とｎ　（ｐ）型ＧａＡｓや５１などの縮退半導体
この接合における近接効果においても、超伝導ギャップ
の値が異なるだけで物理的描像は同じである。 この様な実験事実から発明者らは、超伝導体／半導体接
合において、大略クーパー対の半導体側へのしみだし距
離　ξｓ内では、半導体自身が超伝導ギャップΔの超伝
導体に変化し、超伝導体を半導体へのクーパー対供給層
とみなすことができる。 この様な現象を電子デバイスへ応用するという視点から
は、しみだし距離ξｓ内では半導体自身が超伝導体とみ
なすことができ、半導体を用いた様々な超伝導デバイス
（即ち、超伝導化学導体ジョセフソン接合素子）を実現
できる道を開く。特に、しみだし距離　ξｓは半導体の
キャリヤ濃度をうまく選ぶことにより、ｌｎｍから５０
０　ｎｍの範囲で制御できるため、このクーパー対の半
導体側へのしみだし距離ξｓ内に様々な結晶構造を設計
してやることで従来の半導体デバイスでは実現できなか
った新しい原理の超伝導化学導体デバイスを実現できる
。 以下に説明する本発明に係る素子は、本来超伝導を示さ
ない半導体を超伝導体の近接効果を利用して、恰も半導
体が超伝導体のように振る舞うことを利用した超伝導化
学導体素子である。又、本発明が前述の特開昭５７−１
７６７８０号の発明と本質的に異なるのは、本来超伝導
を示さない（温度で）半導体を上記近接効果をもちいて
超伝導に一部分を転化して電子デバイスとして用いる点
にある（特開昭５７−１７６７８０号の発明は、ｎ型超
伝導体とｎ型超伝導体のｐｎ接合を利用したＪＪ素子あ
る。即ち、温度を下げて、超伝導を示す縮退半導体のｐ
ｎ接合を利用する。） 特に、　ＧａＡｓやシリコンの結晶性は、他の材料（上
記超伝導を示す縮退半導体材料や、今までのＪＪ素子に
用いられてきた絶縁体材料）に比べて、材質（完全結晶
性、無欠陥性、無粒界性等）の面で格段に優れている。 更に、Ｓｉ　ＬＳＩやＧａＡｓ　ＬＳＩに用いられてき
た高品質のバッファーメタル（Ａｕ／Ｍｏ／ＷＳｉなど
；通常超伝導性を示さないか、示しても超低温である。 ）を介在させて、半導体を超伝導化できるので、従来の
ＪＪ素子のように超伝導金属の粒界等のためにＪＪ　Ｉ
Ｃの歩留まりを下げることはない。また、素子作成上今
まで発展してきたＳｉ　ＬＳＩ、　ＧａＡｓ　ＬＳＩの
プロセス技術、デバイス回路技術の多くの部分を活かす
ことができるという大きな長所を有する。 又、既存のＳｉデバイス、ＧａＡｓ（ペテロ）デバイス
との複合化や融合化を容易に実現できるという長所も存
在する。 次に本発明を、エネルギーバンド図をもちいて詳しく説
明する。半導体としてはＧａＡｓを例にとる。 Ｓｉや他の半導体でも実現できるが、実施例でコメント
する。第１図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）に、超伝
導エサキダイオード（ａ）、ヘテロ接合超伝導ＪＪ素子
（ｂ）、共鳴トンネル超伝導ダイオード（Ｃ）の例を示
す。ホットクーパー対トランジスタについては、第６図
（ａ）。 （ｂ）　、　（ｃ）　、　（ｄ）　、　（ｅ）　、　（
ｆ）をもちいて実施例で説明することにする。 先ず、超伝導エサキダイオードについて説明する。超伝
導ギャップΔ。の超伝導体１とバッファーメタル（超伝
導体／半導体接合を作る時に超伝導体、半導体の夫々を
保護する役割を担う。デバイス動作の原理上は、無くて
もよい、）２　　、ｐ型縮退半導体３．ｎ型縮退半導体
４を形成する。Ｐ型縮退半導体３とｎ型縮退半導体４の
膜厚、ドーピングレヴエルは、クーパー対がｎ型縮退半
導体４の中までしみだしてくる様に設計し、半導体のｐ
ｎ接合の空乏層１０１の膜厚は、準粒子のエサキダイオ
ードの負性抵抗が出現する様にＰｅｎ半導体層の不純物
濃度を決定する。又、クーパー対をより多く、超伝導ギ
ャップの減衰が少なくなるように、バッファーメタル２
と半導体３の間のオー呈ツク接触がよくなるように、設
計すると良い。そのためにはバッファーメタル２と半導
体３の間のショットキー障壁をできるだけ小さくし、バ
ッファーメタル２直下の半導体を高濃度にし、比接触抵
抗ρＣを大略５ｘｌＯ”Ωｃ−以下にする必要がある。 この場合、バッファーメタル２と半導体３の間の空乏層
１００の厚さはきわめて薄く、クーパー対及び準粒子は
それぞれトンネル効果などで半導体中にしみだすことが
できる。半導体３，４中での超伝導ギャップをそれぞれ
、Ａ１、Ａ２で示す。図中、ＥＦはフェルミレヴエッル
である。 実施例でも詳しく説明するが、ｎ型縮退半導体４にもク
ーパー対供給層を近接させる場合には、ｐ型縮退半導体
３側からｎ型縮退半導体４へのクーパー対のしみだしは
必ずしも必要ない。 この様に、各層の膜厚、ドーピングレヴエルを設定する
と、このダイオードはＰ型縮退半導体３、ｎ型縮退半導
体４の夫々に存在するクーパー対により、空乏層を絶縁
層としたジョセフソン接合ＪＪになり、クーパー対の壊
れた準粒子にとっては、通常のエサキダイオードになる
。電流電圧特性は、第３図（ａ）のようになる。但し、
ｎ型半導体層４に接続する電極に有限な抵抗が生じる場
合には、ジョセフソン電流Ｉ０に抵抗成分のために傾き
工。′になる。この点については、実施例のところで詳
しく論じる。準粒子によるエサキダイオードでは、ピー
ク電圧ＶＰの時の準粒子のトンネル電流は、最高値ｒｐ
になり、ヴアレイ電圧Ｖｖで最低値Ｉｖをとる。半導体
層３．４が超伝導化することで、恰もこのｐｎ接合の半
導体が超伝導ギャップΔ、とＡ２の超伝導体になったよ
うに振る舞い、そのため、通常のトンネル接合型ＪＪ素
子のようなジョセフソン電流工。が流れる。 このダイオードの特徴は、超伝導電流工。と負性抵抗と
が重層された形でＩ−Ｖ特性に反映することである。 ｐｌｑ、体半導体３、ｎ型縮体半導体４のドービングレ
ヴエルを上げていくと、通常のエサキダイオードも負性
抵抗が無くなり、オーミック特性を示す。 その場合、本発明の超伝導化学導体ジョセフソン接合素
子の電流電圧特性は、第３図（ｂ）のような通常のＪＪ
の特性になる。但し、Ｐ型半導体層４に接続する電極に
有限な抵抗が生じる場合には、ジョセフソン電流工。に
抵抗成分のために傾き、■。′になる点は同じである。 この場合通常のＪＪ素子に類似したＩ−Ｖ特性になる。 次にペテロ接合超伝導ＪＪ素子について説明する。超伝
導ギャップΔ。の超伝導体１とバッファーメタル（超伝
導体／半導体接合を作る時に超伝導体、半導体の夫々を
保護する役割を担う。デバイス動作の原理上は、無くて
もよい。）２　、ｐ型縮退ＧａＡｓ　５　、アンドープ
ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ　６、ｐ型縮退ＧａＡｓ　７を形
成する。ｐ型縮退半導体５とｐ型縮退半導体７の膜厚、
ドーピングレヴエル、アンドープＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ
　６のＡ１組成Ｘ、膜厚りを、クーパー対がＰ型縮退半
導体７の中までしみだしてくる様に設計することは、超
伝導エサキダイオードの場合と同様である。又、クーパ
ー対をより多く、超伝導ギャップの減衰が少なくなるよ
うに、バッファーメタル２と半導体５の間のオーミック
接触がよくなるように、設計することも同様である。こ
の場合、バッファーメタル２と半導体５の間の空乏層１
０２の厚さはきわめて薄く、クーパー対、準粒子はそれ
ぞれトンネル効果などで半導体中にしみだすことができ
る。更に実施例でも詳しく説明するが、ｐ型縮退半導体
７にもクーパー対供給層を近接させる場合には、ｐ型縮
退半導体５側からＰ型縮退半導体７へのクーパー対のし
みだしは必ずしも必要ないことも同様である。 この様に各層の膜厚、ドーピングレヴエルを設定すると
、このダイオードはＰ型縮退半導体５、Ｐ型縮退半導体
７の夫々に存在するクーパー対によりアンドープＡｌｘ
Ｇａ１−ｘＡｓ層を絶縁層とした、ジョセフソン接合Ｊ
Ｊになる。電流電圧特性は、第３図（ｂ）のようになる
。但し、ｐ型半導体層７に接続する電極に有限な抵抗が
生じる場合には、ジョセフソン電流工。に抵抗成分のた
めに傾き、工。′になる。この点については、実施例の
ところで詳しく論じる。半導体層５．７が超伝導化する
ことで、恰も、このｐ−１−ｐへテロ接合の半導体が超
伝導ギャップΔ１と　Δ２の超伝導体になったように振
る舞う。このため通常のトンネル接合型ＪＪ素子のよう
にジョセフソン電流Ｉ０が流れる。 次にこのダイオードの特徴を説明する。ジョセフソン接
合５−ｒ−ｓのジョセフソン電流■。は、一般的に ■。＝　πΔ（Ｔ）／２ｑＲｎ＊ｔａｎｈΔ（Ｔ）／２
ｋＴで表わされる。但し、Δ（Ｔ）は、＃ｔＡ縁層をは
さむ両側の超伝導体の超伝１導ギャップの大きさであり
、簡単のため、二つの超伝導体で同じ大きさを仮定して
いる。大きさが異なる場合容易に拡張されるが、本質的
な点は変わらないので、この表式を用いて以下説明する
。ｑは単位電荷、Ｔは絶対温度、ｋはボルツマン定数、
Ｒｎはこの接合の抵抗をそれぞれ表わす、　Ｒｎは絶縁
層を挾む両側の導体の状態密度Ｎ１、Ｎ２と絶縁層を抜
けるキャリヤのトンネル確率Ｔｎとを用いて、 Ｒｎ　＝　　ＡＴｎＮｉＮ２ と表わせる。但しＡは比例係数であり、物質定数にあま
り依存しない。 ところで、従来の絶縁体と金属超伝導体を用いる５−Ｉ
−３構造では、絶縁層の膜厚をし、フエルミレヴエルか
らのポテンシャル障壁高さをＵとし、フェルミレヴエル
の運動エネルギーを　εとすると、Ｔｎは Ｔｎ　＝（１＋（（Ｅ　＋　Ｕ　）ｓｉｎｈ（にＬ））
”／４　ｔ　Ｕ）＋１で表わされる。 但し、に＝Ｖ’（２１１（Ｕ−ε））／迦は、絶縁層内
の虚数の波数である。 従来のＡ１□０１等の絶縁膜に共通するのは、成膜技術
の制約から膜厚りは実用的には１．５　ｎｍ以下にする
ことが、不可能であり、典型的には３　ｎｍ程度である
。又、相縁膜に共通な性質としてポテンシャル障壁Ｕは
３ｅＶから５ｅＶ程度であり、自由に設計することがで
きなかった。ところで、トンネル障壁の透過確率Ｔｎの
表式かられかる様に、ＴｎはＬとＵに極めて鋭敏に依存
する。従来の５−Ｉ−５構造の典型的値、Ｌ＝　３　ｎ
ｕ、　　Ｅ　＝ｔｌ＝３．２　ｅＶのとき、Ｔｎ　　＝
　　２．８ｘｌＯ” である。 ところで、ペテロ接合超伝導ＪＪ素子（第１図ｂ）の場
合、ペテロ障壁をもちいて、ポテンシャル障壁Ｕを形成
できるので、ＧａＡｓ／ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓヘテロ接
合系ではＡ１組組成を変えることでポテンシャル障壁Ｕ
をＯｅＶから１　ｅＶ程度まで自由に設計することがで
きる。そのためＴｎをきわめて大きく設計することがで
きる。さらに、通常この様なＧａＡｓ／ＡｌｘＧａ１−
スＡｓヘテロ接合系はＭＢＥ　（分子線エピタキシー法
）やＭＯＣＶＤ　（有機金属熱分解法）といった単原子
層を制御できる結晶成長法を用いて完全に近い単結晶を
得られる。このため、極めて高品質（金属上に形成され
たＭ縁膜；従来のＪＪ素子にくらべて）で、一原子層ず
つ制御された絶縁層に対応したアンドープＡｌｘＧａ１
−ｘＡｓの膜厚りとポテンシャル障壁高さＵを形成でき
る。 事実、典型的な値、し＝３ｎｆｆｉ、ｉ　＝Ｕ　＝１０
０　ｍｅＶのとき障壁トンネル確率Ｔｎは、 Ｔｎ　＝　０．２８ と従来の構造に比べて５桁も大きくなる。 現実には、ジョセフソン電流Ｉ０は状態密度Ｎ１、Ｎ２
にも依存するわけだが、超伝導体として通常の金属（Ｎ
ｂなど）を用いれば、状態密度は不変でしみだした半導
体中での超伝導ギャップの減少分工。にばマイナスであ
っても、圧倒的にトンネル確率の増大のため、大略１０
０から１０００倍大きいジョセフソン、電流Ｉ０を実現
できる。超伝導体として高温超伝導体を用いれば、状態
密度は約−桁減少するが、超伝導ギャップは一桁増加す
るので圧倒的トンネル確率の増大のため大略１００から
１０００倍大きいジョセフソン電流■。を実現できる。 従来実現されているＪＪ素子では、接合容量Ｃ０が５　
ｐ　Ｆ１ａ１、ジョセフソン電流Ｉ、は１０’　Ａ／ｃ
ｍ”が典型的値であり、ジョセフソン接合のｆｉｇｕｒ
ｅｏｆ　ｍｅｒｉｔとしては、接合容量Ｃ０はなるたけ
小さくしジョセフソン電流Ｉ０はなるたけ大きくするこ
とが望ましい。 ヘテロ接合超伝導ＪＪ素子（第１図（ｂ））の場合、ク
ーパー対供給層を高温超伝導体で形成すると、大略１０
０から１０００倍の高いジョセフソン電流工。を得る事
ができる。 一方、接合容量Ｃ０はＡ１組成ｘ＝、４５で膜厚し＝３
　ｎｍの時　３μＦ／ｃ−となり、従来のＪＪ素子と同
程度である。 更に、共鳴トンネル超伝導ダイオードに付いて第１図（
ｃ）によいを説明する。ペテロ接合超伝導ＪＪ＾瓜（１
、第１図（ｂ））の場合との違いは、アンドープＡｌｘ
Ｇａ１−ｘＡｓ　６の代りに、ペテロ接合を用いた量子
井戸構造、アンドープＡｌＧａＡｓ　１１／アンドープ
ＧａＡｓ１０／アンドープＡｌＧａＡｓ　９を用いてい
る点である。この三層のアンドープ層の膜厚ＬＬや、ポ
テンシャル障壁高さや、ｐ型縮退半導体８とｐ型縮退半
導体１２の膜厚、ドーピングレヴエル、アンドープＧａ
Ａｓ１０の膜厚りを、クーパー対がｐ型縮退半導体１２
の中までしみだしてくる様に設計するのは超伝導エサキ
ダイオードの場合と同様である。又、クーパー対をより
多く超伝導ギャップの減衰が少なくなるようにバッファ
ーメタル２と半導体８の間のオーミック接触がよくなる
ように設計することも同様である。通例この様な場合、
バッファーメタル２と半導体８の間の空乏層１０３の厚
さはきわめて薄く、クーパー対、準粒子はそれぞれトン
ネル効果などで半導体中にしみだすことができる。更に
、実施例でも詳しく説明するがｐ型縮退半導体１２にも
クーパー対供給層を近接させる場合には、ρ型縮退半導
体８側からｐ型縮退半導体１２へのクーパー対のしみだ
しは必ずしも必要ないことも同様である。 この様に、各層の膜厚、ドーピングレヴエルを設定する
と、このダイオードは、第３図（ｃ）と第３図（ｅ）に
示す典型的電流電圧特性を有する共鳴トンネル超伝導ダ
イオードになる。このダイオードの動作特性については
、実施例で詳しく論する。 ［作用］ この様に、本発明の超伝導化学導体ジョセフソン接合素
子では、結晶性が極めて良く、膜厚、不純物濃度の極め
て制御性の高い半導体（ＧａＡｓやＳｉ等）をもちいて
５−Ｉ−５構造を形成できるので、次のような大きな特
徴を有する。 １　、３−Ｉ−５構造を半導体結晶を用いて実現できる
ため従来のＪＪ素子のような、材料の不完全さに起因す
る欠点（粒界、ピンホール等）が完全に克服できる。 ２、ペテロ接合超伝導ＪＪ素子の様にペテロ接合を用い
て絶縁層を形成できるので、絶縁層のポテンシャル障壁
をｒｍ　ｅＶから１−２　ｅＶまで自由に精度良く決定
できる。絶ａ′層の膜厚は、ＭＢＥ（分子線エピタキシ
ー）やＭＯＣＶＤ　（有機金属熱分解法）等の一原子層
を制御できる結晶成長技術をもちいて制御できるので、
極めて均一に、かつ正確な膜厚で再現性良く形成できる
。 ３　、　ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ等のへテロ接合をもち
いてジョセフソン接合を形成できるので、接合容量の増
加なしに、ジョセフソン電流を一桁から二桁程度大きく
できる。このため、　ＬＳＩでの配線容量、他の素子の
容量や抵抗の開動能力が著しく向上し、ＬＳＩとしての
スピードを向上させることができる。 ４、Ｔｃが大略１００　Ｋ以上の高温超伝導体をクーパ
ー対供給層に用いることで、液体窒素温度で安定に稼働
するＬＳＩを実現できる。 ５、負性抵抗素子を利用した、極めて低消費電力で高速
なＬＳＩやニューロＩＣを作成できる。 以上、説明は省略したが、第１図（Ｃ）、第４図（Ｃ）
、の半導体部分の共鳴トンネル構造は、二重井戸、三重
井戸、等々と井戸数を増やす事が、可能である（但し、
クーパー対の半導体側へのしみだし距離ξｓ内にこの量
子井戸構造を作る必要があり、クーパー対の共鳴トンネ
ル構造の解析手法は、半導体の共鳴トンネル構造の設計
指針とは当然異なる）。また、本発明の超伝導化学導体
ジョセフソン接合素子と既存の半導体デバイス（Ｓｉ−
ＭＯＳＦＥＴ、Ｓｉ−バイポーラトランジスタ、　Ｇａ
Ａｓ　ＭＥＳＦＥＴ、２ＤＥＧＦＥＴ　（二次元電子ガ
スＦＥＴ；）ＩＥＭＴ）、ヘテロ接合ＦＥＴ、ヘテロバ
イポーラトランジスタ、２０ＥＧＩＩＢＴ、等など）あ
るいは、光デバイス（半導体レーザー、ＬＥＤ、各種発
光。 受光素子）とモノリシックに同一基板上に形成する事も
容易である。更に２０ＥＧＨＢＴ（たとえば、Ｔ、ｕｓ
ａｇａｖａ他６名ＩＥＤＭ　８７　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
　Ｄｉｇｅｓｔｐｐ７８−８１或いは、特願昭６０−１
６４１２８号、特願昭６０−１６４１２６号、特願昭６
１−４０２４４号等　）や共鳴トンネルＦＥＴ　（例え
ば、Ａ、Ｒ，Ｂｏｎｎｅｆｏｉ他２名；　ＩＥＥＥＴｒ
ａｎｓ、　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ、　ＥＤ
Ｌ−６（１９８５）　６３６　　）の用に本発明の超伝
導化学導体ジョセフソン接合素子と既存の半導体デバイ
スとを同一素子内に組み入れる事も可能である。 この様にして、超高速低消費電力な半導体を用いた広い
意味でのＪＪ素子及びその回路と従来の半導体（ＦＥＴ
／バイポーラ−等）素子及び回路を同一の半導体基板上
にモノリシックに形成できる（第１図（ｇ））。この半
導体デバイスとの集積化は、半導体デバイスが低温（例
えば、液体窒素温度；超伝導体の熱的ゆらぎが本質的に
寄与しない程度の低温）でデバイス性能が向上する２Ｄ
ＥＧＨＢＴ、　２ＤＥＧＦＥＴ、低温バイポーラ−１低
温Ｂｉ−ＣＭＯ３等との複合化で特に著しくＩＣ，ＬＳ
Ｉの性能向上に寄与する。

【実施例】

本発明を実施例を通じて更に詳しく説明する。 実施例　１　超伝導エサキダイオードの一実施例を第２
図（、）に示す。半絶縁性ＧａＡｓ基板９０上にＭＢＥ
（分子線エピタキシー）を用いて、Ｓｉを３ｘｌＯ”／
ｃｍ”　含有するｎ＋ＧａＡｓＪ！ｉ　４を３００　ｎ
ｍ、　Ｂｅを１ｘｌＯ”／ｃｍ３含有するｐ＋ＧａＡｓ
Ｊｉｌ　３を５０　ｎｍ形成後、通常のリソグラフィー
とエツチング技術を用いて、ダイオードパターンを形成
する。つぎに、バッファーメタルとしてＷＳｉ　５４を
３０ｎｍ　、　Ｎｏ　５３を３０ｎｍ　、　Ａｕ５２を
８０　ｎｍ、スパッタ法をもちいて被着する。更に、反
応性蒸着法により、ＹＢＣＯ膜１，１′を４００　ｎｍ
形成する１次に電極間の電気的分離、素子間分離を行い
、ダイオードの取りだし電極５０．５１　としてＡｕを
３００　ｎｍ形成する。 この様な作成プロセスでの問題点は、ｐ＋ＧａＡｓＮ３
への超伝導体としての接続とｎ＋ＧａＡｓ層４への超伝
導体としての接続とに関して、両者の分離領域９５が存
在する。この間隔Ｌｄｄ部分にはＹＢＣＯ膜１′からク
ーパー対がしみだし、更にＹＢＧＯ膜１がらクーパー対
がｐ＋ＧａＡｓＪｆｊ　３を通してしみだす、　Ｌｄｄ
が大きすぎると両者のしみだしクーパー対はオーバーラ
ツプしなくなり、分離領域９５のために本発明のＪＪ素
子に有限の寄生抵抗が生じてしまう。この問題は、超伝
導体１，１′のいずれか−っを定伝導体に置き換えた場
合にもあてはまることである。分離領域９５の間隔Ｌｄ
ｄが両側からのｎ＋ＧａＡｓ層４中へのクーパー対のし
みだし距離ξ２ｓより小さい場合には。 通常のＪＪと同様な動作をする。ＶＳｉのこの様な濃度
のｐ＋ＧａＡｓへの比接触抵抗ρｃは３Ｘ１０”ΩｃＩ
１１２程度であり、液体窒素温度でも液体ヘリウム温度
でも変わらない。さらに、オーミック接触をよくするに
はＭＯＭＢＥ（ガスソースＭＢＥ）などの方法で、Ｐ”
ＧａＡｓ層３とバッファーメタル５４の間にＣ（カーボ
ン）ドープのｐ＋＋ＧａＡｓ（ドーピングレヴエル；１
０”／ａｍ’）を１０ｎ１１挿入することである。これ
により比接触抵抗をｌＸｌ０”Ωｃ１まで下げることが
可能である（例えば、宇佐用ほか９名ＰＮｐ型２０ＥＧ
−ＨＢＴのノンアロイエミッタ電極の検討；信奉技法Ｅ
Ｄ８８−１３４ｐｐ８７−ｐｐ９２：　１９８９年１月
１９日）、この場合、ｐ＋ＧａＡｓ層３の膜厚は１０ｒ
＋＋＋＋程度に薄くする。本実施例では、超伝導体とし
てＹＢＣＯをもちいたが１Ｍ理的には超伝導を示す材料
なら何でもよい。例えば、ＴｌｚＢａ２Ｃａ、Ｃｕ、０
．６　（以下、ＴＢＣＣＯと略記；Ｔｃ　＝１２５　Ｋ
）、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｏ，、（Ｂ５ＣＣ０と略
記；　Ｔｃ　＝１１５　Ｋ　）、Ｎｄ、、、Ｃｅ、、Ｃ
ｕ０４（ＮＣＣＯと略記；　Ｔｃ　＝２４　Ｋ　）等の
高温超伝導体、或いは、Ｎｂ、　Ｎｂ、Ｇｅ、　　Ｎｂ
、Ｓｎ、　Ｐｂ等の通常の金属超伝導体薄膜でもよい。 また、ＧａＡｓのｐｎ接合を例にしめしたが、Ｓｉ、　
ＩｎＰ等におけるｐｎ接合をもちいても同様なデバイス
が実現する事は言うまでもない、以下の実施例では特定
の材料による実施例を記述するが、ここでのコメントは
同様に適用できる。 実施例　２　超伝導エサキダイオードの他の一実施例を
第５図（ａ）に示す。実施例１との違いを主に説明する
。半絶縁性ＧａＡｓ基板９０上にＭＢＥ　（分子線エピ
タキシー）を用いて、Ｂｅを１ｘｌＯ”／ｃｍ３含有す
るｐ＋ＧａＡｓ、Ｉｌｌ　３４を５００　ｎｍ、　Ｂｅ
の拡散がないように５００℃の低温で結晶成長し、Ｓｉ
を３ｘｌＯ”／ｃｍ”含有するｎ＋ＧａＡｓ層３３を４
０　ｎｍ、　Ｓｎを９ｘｌＯ”／ｃｍ”含有するｎ＋＋
ＧａＡｓ層３３′を１５　ｎｍ形成後、実施例１と同様
のプロセスを経て、ダイオードを形成する。 一般に、ｎ型ＧａＡｓではノンアロイオーミックをとり
にくい。そこでオーミック接触をさらによくするために
、Ｓｎドープ層３３′の代りに、例えばＴ、Ｎ１ｔｔｏ
ｎｏ、他３名Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ
ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ　Ｖｏｌ、２７、Ｎｏ、
９、Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ％１９８８、ｐｐ１７１８−１
７２２に示すようにＩｎ組成ｙが傾斜化したｎ＋Ｉｎｙ
Ｇａｌ−ｙＡｓ層を挾んでもよい。但し、Ｔ、Ｎ１ｔｔ
ｏｎｏの場合と異なり、ＩｎＧａＡｓの膜厚は通常１５
ｎｍＪ＊に選んでいる。即ちＩｎ組組成、この１５ｎｍ
の膜厚内で傾斜化させている。この様にすることで、バ
ッファーメタルと半導体層の比接触抵抗ρＣは５ｘｌＯ
”　ΩＣ−程度までさげることができ、クーパー対のし
みこみ深さをｐ型ＧａＡｓまで届かすように膜厚を設計
できる。Ｉ−Ｖ特性についてのコメントは、実施例１と
同様である。 実施例　３　ヘテロ接合超伝導、ＴＪ素子の一実施例を
第２１ｍ（ｂ）に示す。半絶縁性ＧａＡｓ基板９０上に
、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）を用いてアンドープＧ
ａＡｓ１３　を４００　ｎｕ、Ｂｅを５ｘｌＯ１″／ｃ
ｍ″含有するｐ＋ＧａＡｓ層７を３００　ｎｍ、アンド
ープＡｌｘＧａ１−ｘＡ５（ｘ＝０．４５）　６を３　
ｎｍ、　Ｂｅを５ｘ　１０’″／Ｃｌ１１３含有するｐ
＋ＧａＡｓ　５を４０ｎｍ、更にＢｅを１ｘ１０２ａ／
Ｃｍ”含有するｐ＋＋ＧａＡｓ層５′を１０　ｎ■形成
後、実施例１と同様な手法を用いて、ダイオードを形成
する。アンドープＡｌｘＧａ１−ｘＡ５（ｘ＝０．４５
）　６の膜厚りとＡ１組成Ｘはジョセフソン電流工。を
所望の値にするように設計できる。膜厚りは０．５　ｎ
ｍから５０　ｎｍの範囲で、Ａ１組成Ｘは０より大きく
１までの範囲で選んでい・る。 本実施例では、ジョセフソン電流工。は５ｘｌＯ’Ａ／
ｃｔａ”と従来のＪＪ素子に比べて一桁半高い電流密度
を得ることができる。また、この接合容量Ｃ０は２．８
５μＦ／ｃ−と従来の金属ＪＪ素子の接合容量と同等レ
ヴエルである。寄生抵抗の寄与に対する議論は、実施例
１と同様であるので省略する。 実施例　４　ヘテロ接合超伝導ＪＪ素子の他の一実施例
を第５図（ｂ）に示す。実施例３との違いを主に説明す
る。半絶縁性ＧａＡｓ基板９０上に、ＭａＢ（分子線エ
ピタキシー）を用いてアンドープＧａＡｓ　１３を４０
０　ｎｍ、Ｓｉを４ｘｌＯ”／ａ１　含有するｎ＋Ｇａ
Ａｓ層３７を３００　ｎｍ、　アンド−プＡｌｘＧａ１
−ｘＡｓ　（ｘ＝０．３７）　３６を１．５　ｎｍ、Ｓ
ｉを４ｘｌＯ”／ｃｍ”　含有するｎ型ＧａＡｓ　３５
を４゜ｎｕｔ、更にＳｉを４ｘｌＯ”／ａｍ’含有する
Ｉｎ組成ｙを傾斜化（バッファーメタル側でｙが大きく
、ＧａＡｓ側でｙが小さい）ｎ◆ＩｎｙＧａｌ−ｙＡｓ
層３５′を１５　ｎｍ形成後。 実施例１と同様な手法を用いて、ダイオードを形成する
。アンドープＡｌｘＧａ１−ｘＡ５（ｘ＝０．４５）　
６の膜厚しとＡＩ組成Ｘはジョセフソン電流工。を所望
の値にするように設計できる。この点は実施例３と同様
である。 実施例　５　共鳴トンネル超伝導ダイオードの一実施例
を第２図（ｃ）に示す。　半絶縁性ＧａＡｓ基板９０上
に、ＭＢＥ　（分子線エピタキシー）を用いてアンドー
プＧａＡｓ　１３　を４００　ｎｍ、　Ｂｅを５ｘｌＯ
”／ｃｍ”　含有するｐ＋ＧａＡｓ層１２を３００　ｎ
ｍ、アンドープＡｌｘＧａ１−ｘＡ５（ｘ＝０．７５）
　１１を１．Ｏｎｕ、　　アンドープＧａＡｓ　１０を
３　ｎｍ、アンドープＡｌｘＧａ１−ｘＡ５（ｘ＝０．
７５）　９を１．Ｏｎｍ、更にＢｅを１ｘｌＯ２′１／
ａｍ’　含有するｐ＋＋ＧａＡｓＮ３を１５　ｒ＋＋ｗ
形成後、実施例１と同様な手法を用いて、ダイオードを
形成する。アンドープＡｌｘＧａ１−ｘＡ５（ｘ＝ｏ、
７５）　９．１１の膜厚しとＡ１組組成性ジョセフソン
電流工。を所望の値にするように設計できる。膜厚りは
０．Ｓｎｍから５０　ｎｍの範囲で、Ａ１組ｆＪ、ｘは
０より大きく、１までの範囲で選んでいる。 電流電圧特性を、第３図（ｃ）、（ｅ）に示す。ＢＣＳ
基底状態の共鳴の場合第３図（Ｃ）の様に、超伝導ギャ
ップの和１Δ、１＋１Δ８１内のエネルギー的に従来禁
止されていた領域に超伝導電流工。′が共鳴エネルギー
１Δｒ１のところに現れる場合と、第３図（ｅ）の様に
、準粒子が共鳴して、負性抵抗が現れる場合とがある。 この場合、ＶＰが準粒子の共鳴エネルギーに対応する。 この様に、量子井戸を挾む超伝導体と化した縮退半導体
により、基底状態自身の共鳴という新しい現象により従
来のＪＪ接合には見られないＩ−Ｖ特性が得られる。準
粒子の共鳴トンネル現象は、通常の共鳴トンネルダイオ
ードのような一体問題であるので理解しやすい。両者の
間で、量子井戸内に形成される共鳴準位の位置は異なる
。この位置の具体的値により、（Ｃ）と（、）が重層し
て観測される場合もある。 実施例　６　共鳴トンネル超伝導ダイオードの他の一実
施例を第５図（Ｃ）に示す。半絶縁性ＧａＡｓ基板９０
上に、ＭＢＥを用いて、アンドープＧａＡｓ　１３を４
００ｎｍ、　　Ｓｉを４Ｘ１０”／Ｃ１１’含有するｎ
＋ＧａＡｓ層４２を３００ｎｍ、アンドープＡｌｘＧａ
１−ｘＡ５（ｘ＝０．４５）　４１を１．５　ｎｍ、ア
ンドープＧａＡｓ　４０を３　ｎｕ、アンドープＡｌｘ
Ｇａ１−ｘＡ５（ｘ＝０．４５）　３９を１．５　ｎｍ
、更にＳｉを４ｘｌＯ”／ｃｍ３　含有するｎ＋ＧａＡ
ｓ層３８を２５　ｎｍ、　Ｓｎを１ｘｌＯ”／　　ｃｍ
’　含有するｎ＋ＧａＡｓ層３８′をＩｓ　ｎｍ形成後
、実施例１と同様な手法を用いて、ダイオードを形成す
る。アンドープＡｌｘＧａ１−ｘＡ５（ｘ＝０．４５）
　３９．４１　の膜厚りとＡ１組組成性ジョセフソン電
流■。を所望の値にするように設計できる。膜厚りは０
．５　ｎｍから５０　ｎｍの範囲で、Ａ１組組成性０よ
り大きく１までの範囲で選んでいる。電流電圧特性に関
する議論は、実施例５と同様であるので省略する。 実施例　７　ホットクーパー対トランジスタの一実施例
を第６図（ａ）、（ｂ）に示す。このトランジスタの各
部分の説明をする。結晶構造はＭＢＥで形成する。半絶
縁性ＧａＡｓ基板９０上に、アンドープＧａＡｓ　１３
を４００　ｎｕ、　Ｂｅを５ｘｌＯ”／ｃｍ’含有する
ｐ＋ＧａＡｓ層１７を３００　ｎｍ、アンドープＡｌｘ
Ｇａ１−ｘＡ５（ｘ＝０．７５）　１６を２．Ｏｎｍ、
　　Ｂｅを５ｘｌＯ”／ａｍ’　含有するｐ＋ＧａＡｓ
層１５を５０　ｎｍ、アンドープＡｌｘＧａ１−ｘＡ５
（ｘ＝０．７５）　１４を２．Ｏｎｍ、　　Ｂｅを５ｘ
ｌＯ”／ｃｍ’　含有するｐ＋ＧａＡｓ層１３を５０　
ｎｍ、更にＢｅを１ｘｌＯ２ａ／ｃｍ’含有するρ＋＋
ＧａＡｓ層１３′を１０　ｎｎ＋形成する。通常の半導
体プロセスを用いて、エミッタ、ベース、コレクタの各
領域に、実施例■と同様にバッファーメタル５２．５３
，５４及び高温超伝導体１．１’、１″を形成し。 素子間分離を行い、エミッタ電極５６．ベース電極５７
、コレクタ電極５５としてＡｇを被着加工する。アンド
ープＡｌｘＧａ１−ｘＡ５（ｘ＝０．７５）　１４．１
６の膜厚しとＡ１組組成性ジョセフソン電流工。を所望
の値にするように設計できる。膜厚りは０．５　ｎｍか
ら５０　ｎｍの範囲で、Ａ１組組成性Ｏより大きく１ま
での範囲で選んでいる。このトランジスタの動作原理は
、エミッタからコレクタへ流れるジョセフソン電流工。 ＣＶＢＥ）をベース電位ＶＢＥ（ベースに対しエミッタ
電位が正の時、ＶＢＥを正にとる。）により制御する点
であり、電流電圧特性（コレクタエミッタ電圧ＶＣＨに
対するコレクタ電流Ｉｃ）は、第６図（ｃ）に示す。 実施例　８　ホットクーパー対トランジスタの他の一実
施例を第６図（ｄ）、（ｅ）に示す。半絶縁性ＧａＡｓ
基板９０上に、ＭＢＥを用いてアンドープＧａＡｓ　１
３を４００　ｎ＋ａ、　　Ｓｉを４ｘｌＯ”／ｃｍ’　
含有するｎ＋ＧａＡｓ、ｆ１４７を３００　ｎｔａ、ア
ンドープＡｌｘＧａ１−ｘＡ５（ｘ＝０．４５）　４６
を１．５　ｎｍ、　　Ｓｉを４ｘｌＯ”／ｃ−含有する
ｎ＋ＧａＡｓ層４５を３０　ｎｍ、アンドープＡｌｘＧ
ａ１−ｘＡ５（ｘ＝０．４５）　４４を１．５ｎｍ、更
にＳｉを４ｘｌＯ”／ｃｍ’　含有するｎ＋ＧａＡｓ層
４３を２５　ｎｍ、　Ｓｎを１ｘｌＯ”／　　ａｍ”含
有するｎ＋ＧａＡｓ層４３′を１５　ｎｍ形成後、実施
例７と同様な手法を用いて、トランジスタを形成する。 動作原理は実施例７と同様である。 実施例　９　ホットクーパー対トランジスタの一実施例
を第６図（ｆ）、（ｇ）に示す。半導体のへテロ接合で
は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓの様に、ＧａＳｂの価電子帯が
ＩｎＡｓの伝導帯の上に位置する例が知られている（例
えば、Ｌ、Ｌ、Ｃｈａｎｇ他５名Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ、
Ｌｅｔｔ、　３５（１９７９）　９３９−９４２などを
参照）、このトランジスタの各部分の説明をする。結晶
構造は、ＭＢＥで形成する。半絶縁性ＧａＡｓ基板９０
上に、アンドープＧａＡｓ１３　を４００止、Ｂｅを５
ｘｌＯ”／ｃｍ３含有するｐ＋Ｇａ５ｂ層１２３を３０
０　ｎｍ、アンドープＧａＡＳｂ　１２３’を２．０　
ｎｍ、Ｓｉｅを４ｘｌＯ”／ｃｍ’含有するｎ＋ＩｎＡ
ｓ層１２２を２０　ｎｍ、アンドープＩｎＡｓ　１２２
’を２．０　ｎｍ、　　Ｂｅを５ｘｌＯ”／ｃｍ３含有
するｐ＋ＧａＳｂ層１２１を３０　ｎｍ形成している。 他のプロセス工程は実施例８と同様である。このトラン
ジスタの特徴は、エミッタ中の価電子帯に充満している
電子がＩｎＡｓ中伝導帯に電子が移行しやすく、より容
易にジョセフソン電流を制御できる点にある。本実施例
はｐｎｐ型をしめしたが、ＧａＳｂとＩｎＡｓを逆に並
べたｎｐｎ型でも本発明は同様である。 実施例　１０　　ヘテロ接合超伝導ＪＪ素子を拡張した
の他の一実施例を第７図（ａ）、（ｂ）に示す。実施例
４との違いを主として説明する。ｐ型Ｓｉ基板り０′上
に、ＭＢＥ　（分子線エピタキシー）を用いて高純度ｐ
−Ｓｉ　１８を２００　ｒ＋ｍ、　Ａｓを４Ｘ１０”／
　ａｍ’含有するｎ＋ｓｉ／ＩＦ　３７’を３０（ｌ　
ｒｖ＋、熱酸化Ｓｉｎ、　３６’を　０．Ｓｎｍ、　Ａ
ｓを４ｘｌＯ”／ｃ＋ａ’含有するポリシリコン２′を
３０　ｎｍ形成後、実施例１と同様な手法を用いてダイ
オードを形成する。この場合、Ｓｉｎ、の膜厚を一様に
つけるのが難しいという欠点は存在するが、ある意味で
ペテロ接合超伝導ＪＪ素子を拡張したデバイスと言える
。 実施例　１１　　ヘテロ接合超伝導ＪＪ素子と他の半導
体素子（この場合、２ＤＥＣＨＢＴと波動関数の重なり
を制御する発光素子）をモノリシックに形成した場合の
一実施例を第８図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）に示す。 先ず、結晶成長の手順を述べる。半絶縁性ＧａＡｓ基板
９０上に、ＭＢＥを用いてアンドープＧａＡｓ　　７６
を２００止、Ｂｅを５ｘｌＯ”／ａｍ”含有するＰ＋Ｇ
ａＡｓ層７５を４００　ｎｍ、ｐ＋ＡｌｘＧａ１−ｚＡ
ｓ（ｘ＝０．４５）　７４を３００　　ｎｍ、アンドー
プＡｌｘＧａ１−ｚＡｓ（ｘ＝０．４５）　７３を１５
０　ｎｍ、量子井戸の底になるアンドープＧａＡｓ　７
２を１８　ｎｍ、二次元電子ガス供給層であるＳｉを４
Ｘ１０”／Ｃ１１１”含有するｎ型ＡｌｙＧａｌ−ｙＡ
ｓ（ｙ＝、３）　　７１を３０　ｎｍ、正孔の注入源で
あるＢｅを５ｘｌＯ”／ｃｍ’含有するｐ＋ＡｌｚＧａ
１−ｚＡｓ　７０を１５０　ｎｍ、更に２ＤＥＧＨＢＴ
のエミッタ電極のオーミック接触を良くする目的で、Ｂ
ｅをｌｘ　　１０”／ｃｍ’　含有するｐ＋＋ＧａＡｓ
層７を２００　ｎｍ形成する。このｐ＋＋ＧａＡｓ層７
は、本発明のＪＪ素子へテロ接合超伝導ＪＪ素子の一方
の超伝導体に転化する層でもある。次に、＃＠縁層に対
応するアンドープＡｌｕＧａｌ−ｕＡｓ（ｕ＝０．６）
層６を１．５　ｎｍ形成し、さらに、Ｂｅを５ｘｌＯ”
／ａｍ”含有するｐ＋ＧａＡｓ層５を３０　ｎｍ、バッ
ファーメタルとオーミック接触をよくする目的で、Ｂｅ
＠：１ｘｌＯ”／Ｃ１含有するｐ＋＋ＧａＡｓ層５′を
　１０　ｎｍ形成する。この様に、ＡｌｕＧａｌ−ｕＡ
ｓ（ｕ＝０．６）層６、ｐ＋ＧａＡｓ層５、ｐ＋＋Ｇａ
Ａｓ層５′の合計膜厚は４１．５　ｎｌ１１であり、こ
の層を選択的に除去することで生じる段差はＵＬＳＩ（
超大規模集積回路）レヴエルにおいても平坦性を損なう
事は無い。 次に、製造工程を説明する。実施例１と同様な手法を用
いて、ペテロ接合超伝導ＪＪ素子を形成する。超伝導体
やバッファーメタルの対応する番号は、実施例３と同じ
である。他の半導体素子を形成する領域は、半導体層５
’、５．６を除去し、ＷＳｉエミッタ電極５９を被着、
更に、エミッタ領域を確保した後、エミッタ層７，７０
を除去、そしてＳｉｎ、の側壁７８をつける工程を経た
後ＭＯＣＶＤ（有機金属熱分解法）によりｎ＋ＧａＡｓ
　７７を３００　ｎｍ形成する。 次にコレクタ電極取りだしのエツチングおよび素子間分
離の後、リフトオフ法によりベース電極５８としてＡｕ
Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕを被着アロイし、コレクタ電極５７と
してＡｕＺｎ／Ａｕを被着アロイする。配−線工程は省
略しであるが、通常と同様な方法でも実現できるし、超
伝導体を利用して超伝導配線をすることもできる。又、
同じプロセスで２０ＥＧｌ（ＢＴ　　Ｂと波動関数制御
型発光素子　Ｃを同時に形成できる。 但し、発光素子の場合出てくる光７９はＧａＡｓつ工−
ハ表面側であるため、光にとっての吸収層であるｐ＋Ｇ
ａＡｓ層７は選択的にエツチング除去している。第８図
Ｃに、エビ層主要部分のエネルギーバンド図を示す。発
光素子は、ｎ−ＡｌＧａＡｓ／アンドープＧａＡｓヘテ
ロ接合界面に形成される二次元電子ガス６０とエミッタ
からペースコレクタに注入される正孔はコレクタ層のア
ンドープＡｌＧａＡｓ　７３のへテロ障壁に一時的にト
ラップされ量子井戸内の電子と正孔の波動関数の重なり
をコレクタ電極からの電界で制御することで発光を超高
速に制御できる新原理の素子である。 この様に、本発明の素子は、容易に他の半導体素子（電
子デバイスや光デバイス）とモノリシックに集積化でき
るという長所が存在する。この実施例でも分かるように
、本発明の素子は低温（超伝導化学導体素子が有効に動
作する低温）で動作特性が向上する、本実施例に示すよ
うな２ＤＥＧ−ＨＢＴや、波動関数制御型発光素子と組
合せると特に優れた性能を発揮する。 以上の実施例の他に、硫化物超伝導体、フッ化物超伝導
体等の高温超伝導体を用いてもよいことはもちろんであ
る。 【発明の効果１ 本発明によれば、超伝導をそれ自身だけでは示さない半
導体（Ｓｉ、　ＧａＡｓ、ＩｎＰなど）に、超伝導電極
を形成するだけで、半導体を用いたジョセフソン接合を
形成できるので、極めて信頼性が高く、高いジョセフソ
ン電流のとれる、新しい負性抵抗の素子が実現できる。 また、従来の半導体基板上に半導体を用いた超伝導素子
と半導体デバイスをモノリシックに集積できるという長
所が存在するので、実用上極めて価値が高い。 本発明は、転移温度Ｔｃが液体窒素温度より高い高温超
伝導体を用いることで特にその実用性を高くすることは
言を待たない。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）　、　（ｄ）　
、　（ｅ）　、　（ｆ）及び（ｇ）、は本発明の詳細な
説明するための図、第２図（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は
本発明素子の断面図、第３図（ａ）　、　（ｂ）　、（
ｃ）　−（ｄ）及び（ｅ）は、本発明に係る素子の電流
電圧特性及び通常のエサキダイオードの電流電圧特性を
示す図、第４図（ａ）、（ｂ）及び（Ｃ）は他の本発明
に係る素子のエネルギーバンド図、第５図（ａ）、（ｂ
）及び（ｃ）は第４図の素子断面図、第６図（ａ）　、
　（ｂ）　ｅ　（Ｃ）　、　（ｄ）　。 （ｅ）、（ｆ）及び（ｇ）は他の本発明に係る素子のエ
ネルギーバンド図、素子断面図及び電流電圧特性を示す
図、第７図（ａ）及び（ｂ）は他の本発明に係る素子の
エネルギーバンド図と素子断面図、第８図（ａ）、（ｂ
）及び（Ｃ）は他の本発明に係る素子のエネルギーバン
ド図素子断面図、第９図は本発明素子の位置付を示す図
、第１Ｏ図及び第１１図は、高温超伝導体／半導体近接
効果の実験データのまとめを示す図である。 符号の説明 １．１’、１″、、、酸化物高温超伝導体又は、超伝導
体２．２’、、、バッファーメタル ３．５，７，８，１０，１２，３４，１３，１５，１７
．、、ｐ型縮退半導体（ＧａＡｓ等） ４．３３，３５，３７，３８，４０，４２，４３，４５
，４７．　、　、ｎ型縮退半導体（ＧａＡｓ等） １００．１０２，１０３，３００，３０２，３０３．、
バッファーメタルからの空乏層 １０１．３０１　、、、、ｐｎ接合の空乏層６．９，１
１，３６，３９，４１，１４，１６，４４，４６．、、
、アンドープＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ絶縁層 （５４，、、ｔｌ　５３．、、Ｍｏ　５２．、、Ａｕ）
、、、、バッファーメタル５０、Ｓｌ、、、、Ａｕ、Ａ
ｇ電極メタル１３、、、、アンドープＧａＡｓ　　９０
．、、半絶縁性ＧａＡｓ基板５５．５６，５７　　電極
金属　１９．、、ｌ／Ａ縁化ＧａＡｓ領域９０’　、　
、　、Ｓｉ基板３６’、、、Ｓｉ０．３７’、、、ｎ＋
５ｉｔａ、、、ｐ型Ｓｉ　　２７．、、再成長ｎ＋Ｇａ
Ａｓ７９、、、発光５８．、、　　ベース電極５７、、
、コレクタ電極５９．５９’、、、エミッタ電極７４　
、　、　、　、　ｐ＋ＡｌＧａＡｓコレクタ層７３、、
、アンドープＡｌＧａＡｓコレクタ層７２、、、、アン
ドープＧａＡｓ層　６０．、、二次元電子ガス７１、、
、ｎ型ＡｌＧａＡｓ　　７０．、、、　ｐ＋ＡｌＧａＡ
ｓエミッタ層７５、、、、ｐ＋ＧａＡｓ層 ７６、、、アンドープＧａＡｓ バッファー層 ５’−−−ｐ＋＋ＧａＡｓＮ 第 ！ 輸 寥Ｉ 図 同−事導４本チッフ゛ 第２ 図 第３図 ム Ｃｂ） Ａｒｌ／１　１Ａ１１寸１４ 第２図 ｙ〃 第３図 第３図 Δ１ｌ−ＩＡ２１　　　ｌΔ１（寸ｌＡ２１　　Ｖｐ　
　　Ｖｖヌ２ 第４図 ＪＪ （ｂ） 第 図 （ｂ） （Ｃり 第４図 （Ｏ 第５図 （に） 第６図 （ＣＬ） （ｂ） １ｃ 第６ 図 山公暉」△紅 り ｃＥ Ｃｄ） （ｃｔ） 第 図 りθ′ 第２図 （ｂ） へテロ＃ｒ合 ｎ積重 ＪＪ脣、１ β ＄６荒木子 σ ４云Ｊ椴見龜闘Ｆ／ｌ　（ｐｓ　／ケ゛−ト）第 と 図 ＣＣ） クーハ゛−ガレｈ出し長７ （５ｔＱＬ％） しｈホレスーへ°−ズ丁Ｏ手９フ白７尺きてΔｔＶ （％６Ｖン クーバーク１しｈｔし衣さＩｔ　　　（□、）手　　続 補　　正　　書 しｈｔレフーハ゛−文４ｃ才ｔｑ台フスーでてＡユＶ（
慴４し）事件０表１　０／−２／／３／ρ 平戊１年８月１８日提出の特許＠（１、発明の名称 超伝導化学導体ジョセフソン接合素子 補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 名　　称　（５１０）株式会社　日　立　製　作　所代
　　理 人 居 氏 所　〒１００東京都千代田区丸の内−丁目５番１号株式
会社　日　立　製　作　所　内 電　話　　東京２１２−１１１１（大代表）名（６８５
０）弁理士　小　川　勝　男補正の対象 明細書の特許請求の範囲の欄 補正の内容 １、特許請求の範囲を別紙の通り補正する。 ２６　　発明の詳細な説明を以下の通り補正する。 （１）本願明細書の第１０頁、第９行の′「１」をｒＡ
Ｊに訂正する。 （２）本願明細書の第１５頁に記載の表１を以下の通り
訂正する。 表１　　　　　　　１］定温度４．２Ｋ（３）本願明細
書の第２４頁、第８行の「５Ｘ１０　＋ｓ　」を「５ｘ
ｌＯ−’Ｊに訂正する。 （４）本願明細書の第２９頁、第１１行のｒＴ　　−（
１＋（（ｅ＋Ｕ）ｓｉｎｈ（ｚＬ）ｌ”／ＩＵ）”Ｊを
−ｒ　ＴＨ−（１＋　Ｉ　（ｅ＋Ｕ）ｓｆｎｈ（ｚＬ）
Ｉ”／４ｅＵ）−’Ｊに訂正する０ （５）同頁、第１３行の「−」を「１」に訂正する０ （６）本願明細書の第３０頁、第９行のｒＴｎ−２，８
ｋ　１０”Ｊ　ヲ ｒＴｎ−２，８Ｘ　１０−’Ｊに訂正する。 （７）本ｍ明細書の第３８頁、第１９行のｒ３　ｋ　１
０＋６Ｊ　％　ｒ３　ｋ　１０’−’Ｊ　ｆｍ訂正する
０ （８）　　本願明細書の第３９頁、第６行のｒｌ　ｋ　
１０”Ｊ　％　ｒｌ　Ｘ　１０””Ｊに訂正する０ （９）本ａＦ！Ａ細書の第４１頁、第３行のｒ　５　Ｘ
　１　（）＋　ｓ　ｊを「４Ｐ−大１０リコｌこ訂正す
る０ 特許請求の範囲 １．超伝導体Ｉ／バッファーメタル■／半導体■の接合
系であって、上記超伝導体ｉ中のクーパー対が上記半導
体■ζこ近接効果でしみこむ構造に設計されてあり、上
記半導体導体■中クーパー対のしみこみ長ξｓ内では、
上記半導体■の導体部分が超伝導体に転化しており、上
記半導体■中への上記しみこみ長ξｓ内に能動領域が配
され、一個以上の取りだし電極ＩＶ’Ｆ有することを特
徴とする超伝導化学導体ジョセフソン接合素子。 ２、請求項１において、前記超伝導化学導体ジ。 セフソン接合素子と他の半導体素子をモノリシックに形
成したこと−）特徴とする超伝導化学導体ジ冒セフソン
接合素子。 ３、請求項１若しくは２において、前記半導体■が縮退
した半導体であることを特徴とする超伝導化学導体ジョ
セフソン接合素子。 ４、請求項１，２若しくは３において、前記バッファー
メタル中／半導体■の接合がオーミック接合をしている
ことを特徴とする超伝導化学導体ジョセフソン接合素子
。 ５、請求項１，２若しくは３において、前記超伝導体１
が酸化物高温超伝導体であることを特徴とする超伝導化
学導体ジョセフソン接合素子０６、請求項４において、
前記バリファーメタル■が前記半導体■との保Ｗ！膜（
超伝導体■／バッファーメタル■と半導体■の相互拡散
のバリヤの役割をするための金属Ｖと、前記酸化物高温
超伝導体が酸化されないか、もしくは、酸化された物質
が導伝体になる金属■上ｆこ形成され。 これら金ｙｉｖと■とを接着するための金属■が。 ｍ／Ｖ／■／ｖｘ／ＩＩ／ｒの順序で形成されているこ
とを特徴とする超伝導化学導体ジョセフソン接合素子。 ７、請求項１．２若しくは３において、前記超伝導体■
が金属超伝導体であり、前記超伝導体Ｉが前記半導体■
に直接接合され、この接合がオーミック接合を形成して
いることを特徴とする超伝導化学導体ジ冒セフソン接合
素子０８・　請求項４若しくは７において、オーミ、り
特性として比接触抵抗が５ｘｌＯ−’Ωｃｍ”ＪＬＴに
形成されていることを特徴とする超伝導化学導体ジョセ
フソン接合素子。 ９、請求項１から８のいずれかにおいて、前記半導体層
■が、縮退したｎ型半導体と縮退したｎ型半導体あるい
は、縮退したｎ型半導体と縮退したｎ型半導体のｐｎ接
合や有する導電型半導体層であり、前記超伝導体Ｉに少
なくとも一つの取りだし電極が形成され、前記超伝導体
Ｉから離れている側の上記導電型半導体に、オーミ・７
り接続する他の電極■が形成されていることヲ特徴とす
る超伝導化学導体ジッセフソン接合素子。 １０、請求項１から８のいずれかにおいて、前記半導体
層■が、縮退した半導体Ｘと縮退した半導体層の間に、
これら半導体Ｍ及び、Ｘ［ｌがｎ型電子親和力とバンド
ギヤ、プの和が小さい別の縮退してない半導体層が挿入
され、前記超伝導体■に少なくとも一つの取りだし電極
が形成され、上記半導体層にオーミック接続する他の電
極■が形成されていることを特徴とする超伝導化学導体
ジョセフソン接合素子。 １１、請求項１０において、縮退した前記半導体Ｍと縮
退した前記半導体層との間に挿入した半導体層が、実質
的に不純物を含まないことを特徴とする超伝導化学導体
ジ璽セフソン接合素子。 １２、　　請求項１から８のいずれかにおいて、前記半
導体層■が、同じ導伝性を有する縮退した半導体Ｘと縮
退した半導体層の間に、これら半導体Ｍ及び川より電子
親和力が大きいか、あるいは、電子親和力とバンドギャ
ップの和が小さい別の縮退けしてない半導体層に挾まれ
た一個以上の量子井戸型半導体層が挿入された構造にな
っており、前記超伝導体■に少なくとも一つの取りだし
電極が形成され、前記半導体Ｍにオーミック接続する他
の電極■が形成されていることを特徴とする超伝導化学
導体ジ璽セフソン接合素子。 １３．請求項１２において、前記縮退した型半導体Ｍと
前記縮退した半導体層との間に、挿入した量子井戸半導
体層が、実質的に不純物を含まないこと８４Ｉ徴とする
超伝導化学導体ジ冒セフソン接合素子。 １４、　　請求項１から８のいずれかにおいて、前記半
導体層■が、同じ導伝性を有する縮退した半導体Ｍと縮
退した半導体層との間に、これら半導体１及び期がｎ型
の場合、これら半導体Ｍ及び箔よ０電子親和力が大きい
か、あるいは、該半導体Ｍ、Ｍがｐ型の場合、電子親和
力とバンドギャップの和が小さい別の縮退はしてない半
導体層ＸＵＩに挾まれかつ、この半導体層ＸＩＩＩに比
べて、上記半導体Ｍ及び刈がｎ型の場合、電層 子親和力が小さい別の縮退したｎ型半導侑♂■層を挿入
するか、あるいは、上記半導体層及び川がｐ型の場合、
電子親和力とバンドギャップの和が大きい縮退した半導
体層ＭＩＩ［が挿入された構造になっており、前記超伝
導体■に少なくとも一つの取りだし電極が形成され、上
記半導体層にオーミック接続する他の電極■が形成され
、該半導体層Ｘ１Ｉｎにオーミ、り接続する他の電極夏
■が形成されていることを特徴とする超伝導化学導体ジ
ョセフソン接合素子。 １５、請求項１４において、前記縮退した型半導体Ｍと
前記縮退した半導体層との間に挿入した前記半導体層Ｘ
ＩＩＩが、実質的に不純物を含まないことを特徴とする
超伝導化学導体ジョセフソン接合素子。 １６、　　請求項１から８のいずれかにおいて、前記圧 半導体層巻が、同じ導伝性を有する縮退した半導体Ｍと
縮退した半導体層の間に、これら半導体Ｘ及び夏がｎ型
の場合、これら半導体Ｍ及びＭの伝導帯より価電子帯が
エネルギー的に上に位置するｐ型の縮退した半導体層袖
山が挿入されるかあるいは、上記半導体Ｍ及び苅がｐ型
の場合、これら半導体Ｍ及び刈の価電子帯より伝導帯が
エネルギー的に上に位置するｎ型の縮退した半導体層用
田が挿入された構造になっており、前記超伝導体Ｉに少
なくとも一つの取りだし電極が形成され、上記半導体層
にオーミ、り接続する他の電極■が形成され、上記半導
体層Ｘ１ｌｌｌにオーミ、り接続する他の電極箔■が形
成されていることを特徴とする超伝導化学導体ジＷセフ
ソン接合素子。 １７、　　請求項１６において、前記縮退した型半導体
Ｍと前記ＭＩ退した半導体層との間に挿入した半導体層
用１が、実質的に不純物を含まないことを特徴とする超
伝導化学導体ジ’ｉ＊クソン接合素子。 １８、＃ｌｌｌｌ求心９いて、前記オーミ、り電極■あ
６（＋ＩはＭｍが、バッファーメタル■／酸化物超伝導
体Ｘもしくは金属超伝導体Ｘで形成され、すべての電極
間が超伝導状態で形成されることを特徴とする超伝導化
学導体ジョセフソン接合素子。 １９、請求項１から１８のいずれかにおいて、前記半導
体層がＳｉあるいはＧａＡｓ　、ＡｌＧａＡｓ。 ＡｌＡｓ　、　ＩｎＧａＡｓ　、　Ｉｎ　Ｐ　、　Ｉｎ
ＧａＡｓ　Ｐ　、のいずれか一つで、若しくはそれらの
組合せで形成されていることを特徴とする超伝導化学導
体ジ冒セフソン接合素子。 ２０、請求項６において、前記金属■がＷＳｉ／Ｗで２
前記金属■がＡｕであり前記金属■がＭＯであることを
特徴とする超伝導化学導体ジョセフソン接合素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超伝導体 I ／バッファ−メタルII／半導体IIIの接
   合系であって、上記超伝導体 I 中のクーパー対が上記
   半導体IIIに近接効果でしみこむ構造に設計されてあり
   、上記半導体III中クーパー対のしみこみ長ξｓ内では
   、上記半導体IIIの導体部分が超伝導体に転化しており
   、上記半導体III中への上記しみこみ長ξｓ内に能動領
   域が配され、一個以上の取りだし電極IVを有することを
   特徴とする超伝導化学導体ジョセフソン接合素子。 ２、請求項１において、前記超伝導化半導体ジョセフソ
   ン接合素子と他の半導体素子をモノリシックに形成した
   ことを特徴とする超伝導化半導体ジョセフソン接合素子
   。 ３、請求項１若しくは２において、前記半導体IIIが縮
   退した半導体であることを特徴とする超伝導化半導体ジ
   ョセフソン接合素子。 ４、請求項１、２若しくは３において、前記バッファ−
   メタルII／半導体IIIの接合がオーミック接合をしてぃ
   ることを特徴とする超伝導化半導体ジョセフソン接合素
   子。 ５、請求項１、２若しくは３において、前記超伝導体
   I が酸化物高温超伝導体であることを特徴とする超伝導
   化半導体ジョセフソン接合素子。 ６、請求項４において、前記バッファ−メタルIIが前記
   半導体IIIとの保護膜（超伝導体 I ／バッファ−メタル
   IIと半導体IIIの総互拡散のバリヤの役割をするための
   金属Ｖと、前記酸化物高温超伝導体が酸化されないか、
   もしくは、酸化された物質が導伝体になる金属VI上に形
   成され、これら金属ＶとVIとを接着するための金属VII
   が、III／Ｖ／VII／VI／II／ I の順序で形成されてい
   ることを特徴とする超伝導化半導体ジョセフソン接合素
   子。 ７、請求項１、２若しくは３において、前記超伝導体
   I が金属超伝導体であり、前記超伝導体 I が前記半導
   体IIIに直接接合され、この接合がオーミック接合を形
   成していることを特徴とする超伝導化半導体ジョセフソ
   ン接合素子。 ８、請求項４若しくは７において、オーミック特性とし
   て比接触抵抗が５×１０＾＋＾６Ωｃｍ＾２以下に形成
   されていることを特徴とする超伝導化半導体ジョセフソ
   ン接合素子。 ９、請求項１から８のいずれかにおいて、前記半導体層
   IIIが、縮退したｐ型半導体と縮退したｎ型半導体ある
   いは、縮退したｐ型半導体と縮退したｎ型半導体のｐｎ
   接合を有する導電型半導体層であり、前記超伝導体 I
   に少なくとも一つの取りだし電極が形成され、前記超伝
   導体 I から離れている側の上記導電型半導体に、オー
   ミック接続する他の電極VIIIが形成されていることを特
   徴とする超伝導化半導体ジョセフソン接合素子。 １０、請求項１から８のいずれかにおいて、前記半導体
   層IIIが、縮退した半導体Ｘ I と縮退した半導体ＸIIの
   間に、これら半導体Ｘ I 及び、ＸIIがｎ型の場合、該
   半導体Ｘ I 及びＸIIより電子親和力が大きいか、ある
   いは、該半導体Ｘ I 及びＸIIがｐ型の場合、電子親和
   力とバンドギャップの和が小さい別の縮退してない半導
   体層が挿入され、前記超伝導体 I に少なくとも一つの
   取りだし電極が形成され、上記半導体ＸIIにオーミック
   接続する他の電極VIIIが形成されていることを特徴とす
   る超伝導化半導体ジョセフソン接合素子。 １１、請求項１０において、縮退した前記半導体Ｘ I
   と縮退した前記半導体ＸIIとの間に挿入した半導体層が
   、実質的に不純物を含まないことを特徴とする超伝導化
   半導体ジョセフソン接合素子。 １２、請求項１から８のいずれかにおいて、前記半導体
   層IIIが、同じ導伝性を有する縮退した半導体Ｘ I と縮
   退した半導体ＸIIの間に、これら半導体Ｘ I 及びＸII
   より電子親和力が大きいか、あるいは、電子親和力とバ
   ンドギャップの和が小さい別の縮退はしてない半導体層
   に挾まれた一個以上の量子井戸型半導体層が挿入された
   構造になっており、前記超伝導体 I に少なくとも一つ
   の取りだし電極が形成され、前記半導体ＸIIにオーミッ
   ク接続する他の電極VIIIが形成されていることを特徴と
   する超伝導化半導体ジョセフソン接合素子。 １３、請求項１２において、前記縮退した型半導体Ｘ
   I と前記縮退した半導体ＸIIとの間に、挿入した量子井
   戸半導体層が、実質的に不純物を含まないことを特徴と
   する超伝導化半導体ジョセフソン接合素子。 １４、請求項１から８のいずれかにおいて、前記半導体
   層IIIが、同じ導伝性を有する縮退した半導体Ｘ I と縮
   退した半導体ＸIIとの間に、これら半導体Ｘ I 及びＸ
   IIがｎ型の場合、これら半導体Ｘ I 及びＸIIより電子
   親和力が大きいか、あるいは、該半導体Ｘ I 、ＸIIが
   ｐ型の場合、電子親和力とバンドギャップの和が小さい
   別の縮退はしてない半導体層ＸII I に挾まれかつ、こ
   の半導体層ＸII I に比べて、上記半導体Ｘ I 及びＸI
   Iがｎ型の場合、電子親和力が小さい別の縮退したｎ型
   半導体層ＸIIII層を挿入するか、あるいは、上記半導体
   Ｘ I 及びＸIIがｐ型の場合、電子親和力とバンドギャ
   ップの和が大きい縮退した半導体層ＸIIIIが挿入された
   構造になっており、前記超伝導体 I に少なくとも一つ
   の取りだし電極が形成され、上記半導体ＸIIにオーミッ
   ク接続する他の電極VIIIが形成され、該半導体層ＸIII
   Iにオーミック接続する他の電極ＸIIIIIが形成されてい
   ることを特徴とする超伝導化半導体ジョセフソン接合素
   子。 １５、請求項１４において、前記縮退した型半導体Ｘ
   I と前記縮退した半導体ＸIIとの間に挿入した前記半導
   体層ＸII I が、実質的に不純物を含まないことを特徴
   とする超伝導化半導体ジョセフソン接合素子。 １６、請求項１から８のいずれかにおいて、前記半導体
   層IIIが、同じ導伝性を有する縮退した半導体Ｘ I と縮
   退した半導体ＸIIの間に、これら半導体Ｘ I 及びＸII
   がｎ型の場合、これら半導体Ｘ I 及びＸIIの伝導帯よ
   り価電子帯がエネルギー的に上に位置するｐ型の縮退し
   た半導体層ＸIIIIが挿入されるかあるいは、上記半導体
   Ｘ I 及びＸIIがｐ型の場合、これら半導体 I 及びＸI
   Iの価電子帯より伝導帯がエネルギー的に上に位置する
   ｎ型の縮退した半導体層ＸIIIIが挿入された構造になっ
   ており、前記超伝導体 I に少なくとも一つの取りだし
   電極が形成され、上記半導体ＸIIにオーミック接続する
   他の電極VIIIが形成され、上記半導体層ＸIIIIにオーミ
   ック接続する他の電極ＸIIIIIが形成されていることを
   特徴とする超伝導化半導体ジョセフソン接合素子。 １７、請求項１６において、前記縮退した型半導体Ｘ
   I と前記縮退した半導体ＸIIとの間に挿入した半導体層
   ＸII I が、実質的に不純物を含まないことを特徴とす
   る超伝導化半導体ジョセフソン接合素子。 １８、請求項９において、前記オーミック電極VIIIある
   いはＸIIIIIが、バッファ−メタルIX／酸化物超伝導体
   Ｘもしくは金属超伝導体Ｘで形成され、すべての電極間
   が超伝導状態で形成されることを特徴とする超伝導化半
   導体ジョセフソン接合素子。 １９、請求項１から１８のいずれかにおいて、前記半導
   体層がＳｉあるいはＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓ
   、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、のいずれか
   一つで、若しくはそれらの組合せで形成されていること
   を特徴とする超伝導化半導体ジョセフソン接合素子。 ２０、請求項６において、前記金属ＶがＷＳｉ／Ｗで、
   前記金属VIがＡｕであり前記金属VIIがＭｏであること
   を特徴とする超伝導化半導体ジョセフソン接合素子。