JPS60117691A - 超伝導デバイス - 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】 発明の技術分野 本発明は超伝導ｒ−ぐイスに係υ、半導体トランジスタ
と類似の信号増幅作用及びスイッ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
ョセフソン・トンネリングｒ／？イス等の！　パイＸＫ
よって代表される。クライオトロンｔｄ薄膜の超＠導ギ
ャッゾΔが消滅せしめられるが、これは薄膜の臨界電流
よシも大きな電流を薄膜に通すことλ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栴によ
って引起される。このクライオトロンはスイッチングａ
度が（数μ５ｅｃ）程度と極めて遅すために利用されて
いない。ジョセフソン・トンネリングデバイスは非常に
薄いトンネル障壁によって隔てられた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
うなジョセフソン・トンネリンクテバイスは高速動作が
可能であるためにスイッ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、ノヨセ７ソン・トンネリン
グデバイス（以下ジョ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
って非常に困難である。そのためジョセフソン紫子によ
シ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、スイッチング
動作を実現するために、Ｇｒａｙの超＠専トランジスタ
（ｃｆ　：例えばＧｒａｙ　・Ａｐｐｌ　、　ｐｈｙｓ
。

１ｅｔｔ、ｖｏｌ　３２Ａ６　ＰＰ３９２〜３９５）及
びＦａｒｌｓのＱｕｉｔｅｒｏｎ　（ｃｆ　：％開昭５
７−１２５７５号公報）等の超伝導デバイスが知られで
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シ、超伝導薄膜の裏
と表にトンネル接合を有する構造となっている。該層と
表のトンネル接合のうち一方は中央り超伝導薄膜に準粒
子を注入するために用い、他方は出力を堆シ出すために
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１ヨ号電圧は減哀している。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Ｑｕｌｔｅｒｏｎの超伝導デバイスは注入
によって生じた準粒子過剰の状態が熱平衡状態に緩和す
る時間によシスイツチング時間が依存し、例えばＱｕｉ
ｔｅｒｏｎの場合では３００ピコ秒というがなシ長いス
イッチング時間となってしまうという欠点がある。

発明の目的 上記欠点を鑑み、本兄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、且っ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
超導体から準粒子を捕獲する捕獲確率がｌθ　以上であ
る準粒子捕獲手段とｔ−具備することを特徴とする超伝
導デバイスによって達成されるＯ 本発明によれは該準粒子を注入する手段が、該超伝導体
を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。史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
常伝専体’ｈ極を取ｐ付けたものであり、臥バリア層の
バリア局さが該超伝導体のエネルギーギヤ、ノと同程度
でるることが好ましい。

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
バリア層を介して當伝晦体電極を取シ付りたものでおシ
、該バリア層のバリア尚さが、該超伝導体のエネルギー
ギャップと同程度であることか好ましい。

以下準粒子透過率の尚い（準粒子捕獲率の篩い）準粒子
コレクタを用いる本発明の詳細な説明する０前述のＧｒ
ａｙのトランジスタ及びＱｕｉｔｅｒｏｎにおいては、
木兄１８１１の準粒子コレクタに相当する部分には絶縁
体をＷ′″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
効果によシ準粒子が障壁、を透過する確率は一般に非常
に小ざ＜　ｉ　ｏ−５〜１０　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
電極よシ注入される準粒子電流と同程度になるためには
、単位時間らたりにトンネル接合に入射する準粒子数が
単位時間あたシの注入準粒子数のｌＯ〜ｌＯ倍となる必
ばかある。トンネルバリアに単位時間あたυに入射する
準粒子数を増加δぜるには１超伝導体中の準粒子密度を
増加させればよい。そこでＧｒａｙの超伝導トランゾス
タ及びＱｕｉｔｅｒｏｎのいずれも、注入電流によシで
きるだけ効果的に準粒子密度を＾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（１）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
度を尚めている。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、ノが変化する
効果は小さいため、準粒子の増倍率は、入力電圧のエネ
ルギーギャッ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、入力端子はギャ
ップ電圧の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ャップ電圧以下で
ある、このためＧｒａｙ　（Ｄ　）ランノスタの出力は
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ャップか準粒
子注入により減少する効果を積極的に用いる。

ギヤラグ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のトランゾスタよシは大きな′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、エネルギーギャップを有効に変化させる
ためには準粒子エネルギーか向いことが必梨でおる。こ
れはＧｒａｙのトランノスタ同様に向い入力バイアス電
圧を意味するＯ一方で出力電圧はギャップ電圧の程度で
ある。このためＱｕｌ　ｔｅｒｏｎ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
間部が生ずる。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
度か準粒子の再結合速度と同程度になってしまうからで
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１直となるため、これらのデノマイスのスイッチ
ング時間もそのｕ度となる０ 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１Ｏ−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Ｆｉ１″′ｅあシ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
けか装求されるのであれば、トンネル飯台で障壁厚さか
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
圧ある準粒子が接合を通っ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
号を制卸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、
通常のバイア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ノ
ぐイポーラトランジスタのコレクタ接合と同様の機能を
はだす。準粒子注入用の接触部（以下準粒子エミッタと
記す）ｔｉら注入された準粒子は超伝導体（以下ペース
とＳ己す）を通過し準粒子コレクタに達し外部電極に流
れ出す。これ社半導体／４イボーラド２ンゾスタと類似
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ｈｏなぜなら注入された準粒子のは
とんどけ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。準粒子はほぼフェル
ミ速度（約１０’　Ｗ′ｓｅｃ　）で走るため通常のｉ
ｏｏ　〜２００ｎｍのベース層を走るには０．１ピコ秒
程度しか蒙しないのである。

本発明の特徴は、＾い効率で準粒子を捕捉する準粒子コ
レク′ＩＸ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トンネル接合を使うこと
である。第１図は本発明の準粒子コレクタの原理を説明
するだ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、接触部にフェルミレベルよシ測って高さγ
の障壁が形成されているとする。ごこで簡牟化のためＶ
／は超伝導体のエネルギーギャップΔに等しいとする。

半導体に超伝導体に対し正の電位■を与える。超伝導体
中の準粒子状態にお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７エルミエネルギよ
りｚだけ向いエネルギレベルにある。ここでＥは準粒子
の励起エネルギで必シＥ〉Δであるから、電子は障壁を
越えて自由に半４体側にＳ励できる。一方苧尋陣中には
この電子を接合部から引き出す方向の電界が存在する◇
したがってコレクタ接合に入射した準粒子状態の１Ｌ子
はコレクタ４ｊｉ：合に捕捉され半導体側に流れ出ず・
一方超伝導体中のクーパ−ベアをこわして、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
体中に移った電子は超伝導体のフェルミレベルよシＥだ
ケ低いエネルギレベルにある。このレベルが半導体の票
ｆｌ＋！Ｉ帯中にあるか、または、ごのレベルで見た障
’ｊｌ、　Ｑｉ厚εが十分に厚ければ、このようなＩＬ
子移動のプロセスは生じない。

したがって超伝導体中にいわば多数キャリアとして存在
するクーパーペアはｌｓ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、準粒子エミッタ接合よｐ注入式れた準粒子及びペ
ース領域内で７オノンによ少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
ッタ接合を形成した場合を巧える。

第２Ｂ図は準粒子エミッタ接合として準粒子コレクタ接
合と同様役牛導体−超伝纒体接触を用いた場合のエネル
ギー模式図である。この場合準粒子エミッタは半導体ｉ
ｌｌが負電圧にバイアスされている。準粒子エミ、りよ
シ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ベアと
なｐベース−極より流れ出ず。したがって準粒子コレク
タ電流ＩＣは準粒子エミッタ接合を工。とすればＩ、＝
αＩｅ＋ｆｓａｔ（り 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ペー
ス内に滞在する時間は、大体、領域内を準粒子が走る時
間によって決矩される。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、準粒子のペース
領域内での散乱や、準粒子コレクタ接合の透過率が１よ
シ小さいことの影響のため、このペース滞在時間は若干
増加する。−力率粒子の再結合時間は少なくとも数１０
０ピコ秒から数ナノ秒（、、）程度であり、ペース滞在
時間よシ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。したがってαはＩＫ非常に近い値になる。

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に近し値のため、エミッタ接地の回路方式によシ大き
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、・Ｑｕｉｔｓｒｏｎのようなエ
ネルギーギャップの変化は本質的に必要がない。また準
粒子のペース滞在時間が非常に短いため高速動作となる
。動作電圧は数ミリゲ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　ｒ　ＩｎＰ　ｒ　ＩｎＡ
ｓ　＋ＩｎＳｂの半導体基板１の上に超伝導体たとえば
ｐｂ自金、　Ｎｂ　、　ＮｂＮ等よυ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間
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・母ツタ法等、で付着した５ｉｎ２膜）に
開けた窓を介してトンネル酸化膜５ｔ−成長させその上
に準粒子注入用電極３及びペースバイアス用′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ｐ
ｂ金合金Ｎｂ等である。超伝導体４とペースとして動作
する超伝導薄膜２との間にはノヨセ７ソン接合が形成さ
れ１通常のペース電流にメ１してはｔ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ック性の
電極７を形成して取シ出す。本発明の一実施例はペース
領域の厚さを薄くすることが容易でおる。このため鍋い
電流伝導率及び小さなペース接地飽和を流ｌ１ａｔが実
現できる。またペース・バイアス−億とペース領域との
間にトンネル接合があるため、バイアス電極からペース
層への準粒子流を小さくできる。これによ’）　ｌ５ａ
ｔ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程度である。

第４図は本発明の他の実施例を示す図である０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１１（ａ）の上に、活性
層１１（ｂ）が成長した構造を持っている。半導体基板
１１に形成された溝は活性層ｘｘ（ｂ）を左右に分離す
るようになっている０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
、ノヨセフソン接合を形成する。超伝導体１４がこのデ
バイスのペース電極となる。エミッタ電極及びコレク、
りを極として基板表面にオーミック電極１７．１８を取
り付ける。この実施例の準粒子捕獲率はｉｏ　程度であ
る。

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

発明の詳細 な説明した通９本発明によればトランジスタに類似した
信号増幅、スイッチング動作が可能で、＾速・抵消費電
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
粒子エミッ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Ｍ曲回であシ、第４図は本発明の他の
実施例を示す概略断面図でおる。 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、５，１
５・・・トンネル酸化膜、６．１６・・・絶縁層、７・
・・半導体基板とオーミック性接触を得るための金属）
ｌｌ（ａ）−・・半絶縁層、１ｌ（ｂ）・・・活性層、
１７，１８・・・オーミック註電極。 特許出願人 富士通株式会社 特許出願代理人 弁理士　宵　木　朗 弁理士　西　舘　和　之 弁理士　内　１）幸　男 弁理士　山　口　昭　之 第１　図 第３図 第４図

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、該超伝導体か
   ら準粒子を捕獲する捕獲確率が１０　以上である準粒子
   捕獲手段とを具備す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、ｉｉＪ記準粒子を注入する手段が前記超伝導体を一
   方の′Ｉｉ、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−り
   の１１Ｌ極とし、該超伝導体に、バリア層を介して常伝
   導体電極ｔ−取り付けたものであシ、該バリア層のバリ
   ア＾さが前記超伝導体のエネルギーギャップと同程度で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項ｄ己載の超
   伝導デバイス。 ５、　前記準粒子捕獲手段が、前記超伝導体’ｔ　一方
   の電極とした半４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、前記準粒子捕獲手段が、前記超伝導体を一つの電極
   とし、該超伝導体に、バリアＪ−を介して常伝導体電極
   を取シ付けたものであシ、該バリア層のバリア高さが前
   記超＠導体のエネルギーギャップと同程反であることを
   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
   。