JPS60231375A - 超伝導トランジスタ - 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〕 本発明は一般に低温で動作する増幅スイッチング、・デ
バイス、特に超伝導体ベースとベースから半導体要素に
よっ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っていな
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
からであるうさらに、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ョン
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。

従って利得を示し且つすぐれた入力／出力の分離（アイ
ソレーション）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、低温で高速にスイッチングし、高密度の集積回
路の形に形成できる３端子のトランジスタ状デバイスが
望まれる。

〔問題点を解決するだめの手段〕

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、例えばクーパ一対のトンネリングを阻止するの
に充分な厚さを有し、（３） 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ャリアの移動を阻止するよ
うな障壁を持った半導体層である。

ベース中の準粒子は、他の電極からの準粒子の注入によ
っ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
（Ｔａ２０５）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一対
の通過を３目止すると同時に準粒子の流れを可能にする
に充分であるような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ック接点
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（４） ラム・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
うに自然にオーミッ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
ってゲルマニウムとタンタルとの間にオーミック接点を
形成することもできる。エミッタ、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
事によって、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ャリアは半導体
材料の障壁高によっ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ッチングが可能で、す
ぐれた入力／出力アイソレーションを有する。

〔実施例〕

下記の説明中で、クーパ一対という用語は、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っまた
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のを
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。

各金属層はエミッタ、ベース及びコレクタの性質を有す
る。層２及び３は、電荷キャ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によって互
いに分離されている。また半導体材料の層６が層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一対の通過は
有効に阻止するようにドープされている。層６は、準粒
子及びクーパ一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・プロファイルを適当に選択する
ことによっても減少できる。層３．４はオーミック接点
によって層６に接続されている。仁の接点は使用した材
料の結果として自然に形成されるが、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
って形成される。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
ッタ２を正にするバイアスが、ベース３とエミッタ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］
１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６０半導体によって（７
） 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。もしスイッチ９が端子８の代
９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だめに、デバイス１は約２°にの
温度（’Ｉ”ａの場合（１／　２　）　Ｔ　ｃ　＝　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はキャ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ャリアに関して事
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っ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々るからである
。

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（Ｔａ２０５）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（８） 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型半導体であって、
厚さは１０００〜］　００００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１０１５〜１０１６ｃｒ１１
−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のギャップの上端又は下端
とほぼ揃っ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っていなければなら
ない。ベース＄３は、タンタルの連続的な層の形成と矛
盾なく可能々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・アンチモチイド上
に付着された時に半導体材料と自然にオーミック接点を
形成する。オーミック接点を使用すると、ミリ電子ポル
）　（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
オーミッ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
ーミック接点を形成しないので、最初アルミニウムが３
゜０℃の温度でゲルマニウム表面に拡散され、浅い縮退
ショッ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、オーミック接点が得られる。

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って容易であろ
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ェハが、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５００
０オンゲス）ｏ−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ャル層
を用いる事によって助けられる。次にウェハの薄片化部
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
をスイッチングさせるバイアスを印加するだめに種々の
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
イスのエミッ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っ
と下で動作していれば、層３の超伝導ギャップ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
（１１） バイス１のしきい値レベルである超伝導ギャップ程度に
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。超伝導ギヤツブ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一対が形成されると、その
ようなり−バ一対は（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の厚さがクーパ一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、クーパ一対はコレクタ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からの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（１２） 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＠３は薄い（その厚さはその平均自由
行程と同程変である）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
ある々らば、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に入った全てのキャリ
アはコレクタ層４に集められる。従ってエミツタ層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
しきい値コレクターベース・バイアス電圧も存在せず、
且つ良好なアイソレーションが存在している。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、コレクター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。

捷だ最適動作のために、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べ→ズ曾３
１ど＋：ａしつフタ層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
オーミック接点か又はオーミック接点として作用する浅
い縮退したショッ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、それによって、はんのｍｅＶ程
度のエネルギーｅレベルでベース層３カラコレクタ層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って全面的に決定される。従っ
て、もしエミツタ層２から注入された電流の一部分子が
再結合してクーパ一対を形成するならば、次の関係が成
立する。

■（ベース）＝ｆＩ（エミッタ） ■　（コレクタ）＝（１−ｆ）Ｉ（エミッタ）ここで、
例えばｆ＝０．０５ならば、共通エミッタ電流利得β＝
１９である。

デバイス１に関する典型的々動作電圧は次の通りである
。

エミッターベース電圧は１ミリボルトで、エミッタはベ
ースに対して正にバイアスされる。コレクターベース電
圧はＯ〜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ック
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
エミッ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だめに他の方法も用いうる
事に注意されたい。例えば（１５） 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
ーパ一対を破壊し、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
ダイナミック・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／出力アイソレーションを有し、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
ｎ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。 （１６）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）超伝導材料の層と、導電材料の層と、上記層の間
   に配置され、上記超伝導材料層に発生した準粒子が上記
   層の間を流れるのを制御し、且つクーパ一対のトンネリ
   ング及び上記導電材料層から上記超伝導材料層へのキャ
   リアの流れを阻止する手段とを含む超伝導トランジスタ
   。
2. （２）上記手段が、上記準粒子の通過を可能にし且つ上
   記導電材料層から上記超伝導材料層への上記キャリアの
   流れを阻止するのに充分な障壁高及び上記クーパ一対の
   トンネリングを阻止するのに充分な厚さを有する半導体
   層を含む特許請求の範囲第（１）項記載の超伝導トラン
   ジスタ。