JPH0730160A - 超伝導トランジスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超伝導体と半導体を使い、超伝導体から半導
体への近接効果を磁場によって制御する超高速のトラン
ジスタを提供する。 【構成】 超伝導体と接合の際、ポテンシャル障壁がな
い半導体（ＩｎＡｓ）をチャネルとした量子井戸構造
（ＡｌＧａＳｂ層１／ＩｎＡｓ層２／ＡｌＧａＳｂ層
３）を用い、ソース，ドレイン電極６，８として超伝導
体を用い、量子井戸の上側障壁層の上に、ゲートとして
電流を流すための配線をもうけた構造を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超伝導体と量子井戸構造
を用いた超伝導トランジスタに関する。

【０００２】

【従来の技術】超伝導体を用いた素子としては、代表的
なものとして、ジョセフソン素子が知られており、２つ
の超伝導体を弱結合を介して接合した基本構造をもって
いる。しかし、ジョセフソン素子は電流利得があまりと
れないため、回路構成が複雑になるという欠点があっ
た。

【０００３】この他に、図３に示すように、超伝導近接
効果を用いたトランジスタが提案されている。これは、
ｐ型ＩｎＡｓ１５を基板に用い、ソース１２，ドレイン
１３として超伝導体であるＮｂを用い、超伝導近接効果
によりソース１２からｐ型ＩｎＡｓ１５にしみだした超
伝導電流をゲート１１によって制御していた（高柳他、
フィジカルレビューレター（Ｐｈｉｓｉｃａｌ Ｒｅｖ
ｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ）第５４巻、２４４９頁、１９
８５年）。制御方法は、ｐ型ＩｎＡｓ１５の上に絶縁膜
１４を例えば酸化珪素で構成して、その上にゲート１１
を設け、このゲートに電圧をかけて電界効果によってチ
ャネル中の電子数を変え、電流値を変化させている。こ
の場合の問題点は、ソース，ドレイン間に必要な電圧は
数十ｍＶ程度の小さな電圧でよいが、ソース，ゲート間
には１Ｖまたはそれ以上の大きな電圧が必要となること
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の、超伝導近接効
果を用いたトランジスタは、電界効果によってチャネル
の電子数を変化させてスイッチングを行っていたため、
ソース，ドレイン間の電圧に比較して、ゲート，ソース
間に非常に大きな電圧が必要であった。

【０００５】本発明の目的は、これらの問題を解決し、
ソース，ドレイン間と同様に、ゲート，ソース間も数十
ｍＶで動作する、超伝導近接効果を用いた、超伝導トラ
ンジスタを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の超伝導トランジ
スタは、第１の半導体と第２の半導体と第３の半導体と
の積層構造を有し、第１の半導体および第３の半導体
は、第２の半導体に対してポテンシャル障壁層となる特
性を有し、第２の半導体は超伝導体との接合の際、ポテ
ンシャル障壁がきわめて小さい特性を有し、第１，第２
および第３の半導体は互いに格子欠陥が発生しない程度
の格子定数，膜厚からなる特性を有し、第２の半導体を
チャネルとし、ソース，ドレイン電極として超伝導体を
第２の半導体と接合して形成し、第１の半導体の上、ま
たは第１の半導体の上に設けた絶縁層の上に、ゲートと
して電流を流し磁場を発生するための配線を設けたこと
を特徴とする。

【０００７】

【作用】超伝導体と半導体を接触した時、両者の間のポ
テンシャル障壁が極めて小さい場合、近接効果により超
伝導体中のクーパーペアが半導体中にしみだし、そのし
みだした部分が超伝導特性を示すことはよく知られてい
る。また、しみだしたところに磁場をかければクーパー
ペアが破壊され、常伝導になることもよく知られてい
る。従って、このような特性をもった半導体に、ソー
ス，ドレイン電極として、超伝導体を各々接触し、ソー
スに対してドレインを正に電圧をかければ、ソースから
クーパーペアがしみだし、ドレイン側へと移動し、超伝
導電流が流れる。さらにゲートとして、電流を流し磁場
を発生するための配線を設け、そこに電流を流して半導
体中のソース，ドレインの間に磁場をかけると、ソー
ス，ドレイン間に流れているクーパーペアが破壊され、
超伝導電流を常伝導電流に変えることができる。すなわ
ち、ゲート電流の有無によって、ソース、ドレイン間の
電流を、常伝導と超伝導とに制御することができる。超
伝導電流が流れているときは、ソース，ドレイン間電圧
は０であり、常伝導電流のときは、電圧は有限となる。

【０００８】チャネルとして用いる半導体とポテンシャ
ル障壁層として用いる半導体は、格子欠陥が入らない程
度に選択すれば、チャネル電子は高速であるため、素子
のスイッチングスピードは速い。動作電圧については、
ソース，ドレイン間電圧は、チャネル長，チャネル幅，
動作電流に依存するが、数十ｍＶ以下に選ぶことができ
る。またゲートに必要な電圧は、チャネル中に磁場を発
生させるための電流とゲート抵抗の大きさに依存する
が、金属配線や超伝導配線をつかって、数十ｍＶ以下に
選ぶことが可能である。従って、低電圧動作による低消
費電力動作が可能である。

【０００９】

【実施例】本発明の一実施例である超伝導トランジスタ
の層構造を図１に示す。

【００１０】基板５上にバッファー層としてＡｌ_z Ｇａ
_1-z Ｓｂ層４、ポテンシャル障壁層としてＡｌ_y Ｇａ
_1-y Ｓｂ層３、チャネル層としてＩｎＡｓ層２、上側の
ポテンシャル障壁層としてＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｓｂ層１を順
に形成したものに、ソース６，ドレイン８をＩｎＡｓ層
２に接触して形成し、ゲート７をＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｓｂ層
１の上に形成する。さらに素子分離のための素子分離絶
縁層９を形成して素子分離する。

【００１１】ここでソースとドレインとして超伝導体、
例えばＮｂや酸化物超伝導体を用いる。ゲート材料は超
伝導体または金属、例えばＡｕ，Ａｌなどを用いる。素
子分離絶縁層９としては、例えば、酸化珪素または窒化
珪素を用いる。バッファー層やポテンシャル障壁層に用
いるＡｌＧａＳｂのＡｌ組成比ｘ，ｙ，ｚは、０から１
の範囲で変化することができる。チャネル層に用いるＩ
ｎＡｓ材料は、超伝導体との接触の際、ポテンシャル障
壁が超伝導ギャップ程度に極めて小さいために、超伝導
体からＩｎＡｓ中へクーパーペアが容易に移動できる特
性をもっている。またＡｌＧａＳｂはＡｌ組成比が０か
ら１の範囲でＩｎＡｓとの格子定数の違いが１％程度に
小さいため、ＩｎＡｓ層２の膜厚が薄い場合には臨界膜
厚内で積層することができる。

【００１２】ここではポテンシャル障壁層やバッファー
層にＡｌＧａＳｂ層を用いたが、ＡｌＧａＳｂＡｓでＩ
ｎＡｓ格子定数の近いものでもよい。またチャネルには
ＩｎＡｓを用いたが、他の半導体、例えばＨｇＣｄＴｅ
などを用いてもよく、その場合にはポテンシャル障壁層
などは、チャネル材料に格子定数の近いもの、例えば、
Ｈｇ組成が少し少ないＨｇＣｄＴｅなどを用いることが
できる。基板５としては、ＧａＳｂまたはＩｎＡｓまた
はＧａＡｓなどを用いることができる。

【００１３】素子動作は、ソース，ドレイン間にチャネ
ルを通して電流を流し、ゲート電流により発生する磁場
で、チャネル電流を超伝導と常伝導の間で変換する。ゲ
ート電流が０では、超伝導体電極からの近接効果によっ
て、チャネルには超伝導電流が流れ、ソース・ドレイン
間に電圧が発生しない。他方ゲート電流が流れた状態で
は、磁場によりチャネルの超伝導電流は常伝導電流に変
わる。この時、ソース・ドレイン間に電圧が発生する。
動作電圧としては、数十ミリボルト程度でよいために、
消費電力をきわめて小さくすることができる。

【００１４】また、素子のスイッチングは、電子がソー
スからドレインまで走る時間できまり、チャネル材料の
ＩｎＡｓの電子速度は半導体の中でも特に速いため、高
速スイッチングが可能である。

【００１５】ゲート電流とチャネルに発生する磁場の関
係は、上側のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｓｂ層１の厚さやゲートサ
イズに依存するが、例えば、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｓｂ層１を
１０ナノメータ、ゲート７の断面積を５０ナノメータ角
にした場合、ゲート電流を２００マイクロアンペア程度
にすると、チャネルに１０ガウス程度の磁場を発生する
ことができる。チャネルにＳｉ等をドープし、超伝導電
流が流れる臨界磁場を１０ガウス程度にしておけば、ゲ
ート電流２００マイクロアンペアでスイッチすることが
できる。

【００１６】図１の実施例では、上側のポテンシャル障
壁層であるＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｓｂ層１の上にゲートを形成
したが、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｓｂ層１の上に薄い絶縁膜を形
成し、その上にゲートを形成してもよい。絶縁膜として
は、例えば、酸化珪素または窒化珪素を数十オングスト
ローム程度の厚さで用いることにより、ゲートとチャネ
ル間の絶縁性を図１の場合より高めることができる。

【００１７】図２に実施例を上からみた平面図を示す。
素子分離絶縁層９に囲まれた中に、ソース６，ドレイン
８等を形成している。ゲート７の両端にはゲートに電流
を流すためのゲート電極１０を設けてある。実際の回路
のなかでは、ゲート電極１０は必ずしも必要でなく，ゲ
ート７から直接他のトランジスタに接続される場合が多
い。

【００１８】

【発明の効果】本発明の超伝導トランジスタを用いるこ
とにより、数十ｍＶの低電圧で動作する、低消費電力、
かつ高速な動作が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の層構造を示す図である。

【図２】本発明の実施例の平面図を示す図である。

【図３】従来の超伝導トランジスタを示す図である。

【符号の説明】

１ Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｓｂ層 ２ ＩｎＡｓ層 ３ Ａｌ_y Ｇａ_1-y Ｓｂ層 ４ Ａｌ_z Ｇａ_1-z Ｓｂ層 ５ 基板 ６ ソース ７ ゲート ８ ドレイン ９ 素子分離絶縁層 １０ ゲート電極 １１ ゲート １２ ソース １３ ドレイン １４ 絶縁膜 １５ ｐ型ＩｎＡｓ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超伝導体と接合の際、ポテンシャル障壁が
   ない半導体をチャネルとした量子井戸構造を用い、ソー
   ス，ドレイン電極として超伝導体を用い、量子井戸の上
   側障壁層の上に、ゲートとして電流を流すための配線を
   設けた構造を有することを特徴とする超伝導トランジス
   タ。
2. 【請求項２】第１の半導体と第２の半導体と第３の半導
   体との積層構造を有し、第１の半導体および第３の半導
   体は、第２の半導体に対してポテンシャル障壁層となる
   特性を有し、第２の半導体は超伝導体との接合の際、ポ
   テンシャル障壁がきわめて小さい特性を有し、第１，第
   ２および第３の半導体は互いに格子欠陥が発生しない程
   度の格子定数，膜厚からなる特性を有し、第２の半導体
   をチャネルとし、ソース，ドレイン電極として超伝導体
   を第２の半導体と接合して形成し、第１の半導体の上、
   または第１の半導体の上に設けた絶縁層の上に、ゲート
   として電流を流し磁場を発生するための配線を設けたこ
   とを特徴とする超伝導トランジスタ。