JPS6175575A - 超電導デバイス - Google Patents

超電導デバイス

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JPS6175575A
JPS6175575A JP59196830A JP19683084A JPS6175575A JP S6175575 A JPS6175575 A JP S6175575A JP 59196830 A JP59196830 A JP 59196830A JP 19683084 A JP19683084 A JP 19683084A JP S6175575 A JPS6175575 A JP S6175575A
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superconducting
electrode
semiconductor
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superconductive
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Juichi Nishino
西野 壽一
Yutaka Harada
豊 原田
Mutsuko Miyake
三宅 睦子
Ushio Kawabe
川辺 潮
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/10Junction-based devices
    • H10N60/128Junction-based devices having three or more electrodes, e.g. transistor-like structures

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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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、極低温で動作する超電導デバーrスに係り、
特に半導体中を1〜ンネルする超電導及び常電導電子の
数を制御電極に印加する電圧によって制御する超電導ス
イッチングデバイスに関する。
〔発明の背景〕
半導体を使用し、デバイスの特性を制御するための電+
!iJW造を有する超電導デバイスとしては、T、D、
C1arkによって提案されたJOFET(J 、 A
ppl、  Phys、 2736.51 (1980
) )が知られている。JOFETにおいては、グー1
〜電極からクーパ対が供給さhるために、電流利得は1
を超えることができないという問題がある。そのた′ 
め回路利得が小さい。同種のデバイスとしては特開昭5
7−176781号公報に記載された超電導デバイスが
開示されている。このデバイスでは、超電導転移温度T
c以下の温度で超電導となり得る半導体材料を使用する
が、この場合のTcは一般に液体He温度(4,2°K
)と同程度かあるいはそれよりも低く、そのため回路を
安定に動作させるためには4.2°に以下に冷却する必
要があった。
このように、従来の、制御電極を有する超電導デバイス
においては、回路利得及び回路安定動作の点から満足で
きるものが無かった。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、その特性が電圧によって制御でき、し
かも電流利得の大きな高速スイッチング素子を提供する
ことにある。
〔発明の概要〕
本発明はこの目的を達成するために、半導体上に設けた
第1及び第2の超電導電極と、該第1及び第2の超電導
電極の間の上記半導体の上部もしくは下部に絶縁膜を介
して形成された常電導もしくけ超電導の制御電極を有し
、第1又は第2の超電導電極の一方と上記制御電極との
間に印加された電圧によって、第1及び第2の超電導電
極の間の超電導弱結合状態を変化させることにより動作
することを特徴とする。すなわち、半導体(層もしくは
」1(扱)上に形成された2つの超電導電極の距離Qを
、該電極間に超電導トンネルによるジョセフソン電流が
流れる程度(0くQ≦300nm)に接近させ、半導体
を超電導トンネルに対するトンネル障壁層として用い、
また半導体上に膜厚約10〜30nmの絶縁膜を介して
設けた制御電極に印加した電圧によって1こ導体中の空
間電荷量を変化させて、1ヘンネル障壁の幅と高さとを
変化させることによってデバイスを動作する点に特徴が
ある。従って半導体はその超電導転移温度以下で使用す
る必要は無い。また制御電極はクーパ対の供給には使用
していないので、デバイスとしての利得を大きくするこ
とができる。
〔発明の実施例〕
以下、実施例を用いて本発明の詳細な説明する。
第1図に本発明の第1の実施例を示す。不純物濃度10
1゛■−3以下のn形Siより成る基板1中に不純物B
を1011′〜1020■−3導入して深さ1〜2//
fflのp形制御電極2を形成した。基板1はこのよう
に極低温において、半絶縁性となるような材料を用いる
ことが望ましい。次いで、基板1の表面を酸化して厚さ
約30nmのSiO2から成る絶縁膜3を形成した。続
いて、気相成長法あるいは分子線成長法によって厚さ約
100nmのSiより成る半導体層4を形成した。半導
体層4はアモルファス状態及び多結晶状態のいずれの場
合でも、本発明の目的を達することができた。半導体層
4にn形の不純物(A sあるいはP)を5 X101
9〜1021020aの濃度に導入した。続いて線幅約
5//II+の帯状の第1及び第2の超電導電極5.6
を基板1の同じ側に形成する。該超電導電極を構成する
材料はpb及びpbを主成分とした合金、Nb−Nb化
合物の中から選ばれることが、素子が液体ヘリウム中で
動作させ得るために望ましいが、これに限定されること
はない。以上によって、本発明の超電導デバイスを作製
することができた。
このデバイスにおいては、超電導電極5と6の間は、超
電導電極材料の転移温度以下に冷却した場合、超電導弱
結合によって結ばれており、そのために2つの超電導電
極の間に流れる最大ジョセフソン電流Tmは ■m=4πΔ/2eRH により与えられる。ここにΔは超電導電極5.6のギャ
ップエネルギー、eは素電荷、RNは該超電導弱結合の
常電導トンネル抵抗である。なお、2つの超電導電極5
.6の間隔は超電導弱結合を形成するためには300n
m以下に選ばれ、両電極が空間的に分離されていること
が望ましい。
制御電極2に、超電導電極5又は6に対して負の電圧を
印加した場合には、半導体層4と絶縁膜3どの界面の半
導体層4側に正の電荷が誘起されて、この電荷のために
トンネル障壁としての状態が変化し、RNがより大きな
値に変化するために電極5.6の間に電圧を発生させる
ことなく流しG− 得る最大ジョセフソン電流Imは減少する。
第2図はこのような本発明による超電導デバイスの特性
の説明図で、この図のように負荷を設けると、制御電極
2の電圧VCがOのときにはA点にあった動作点は、ゲ
ート電圧VG<Oの信号の印加によってB点ヘスイッチ
する。この場合;制御電極2は半導体層4と絶縁膜3に
よって隔てられているので、このデバイスは電圧制御型
の動作をする。第1図に示した実施例は、n形半導体の
制御電極2とn形の半導体層4を用いたが、これらに替
えてn形半導体の制御電極2とn形の半導体層4を用い
ても良い。また半導体層4の材料としてはSiの他にG
e、GaAs、InAs、InP、InSb等を用いて
も良い。また絶縁膜3の材料としてはSiOあるいはS
i3N、の薄膜を使用しても同様の効果を得ることがで
きた。この場合Geにあってはキャリア濃度が6X10
111r+n−’以上、GaAs、InPにあってはキ
ャリア濃度はlX1017(n−3以上、InAs、I
nSbにあってはlXl016(1)−3以」二である
ことが、極低温においてデバイスが動作するために望ま
しいが、ここに示した数値以下のキャリア濃度であって
も制御電極に印加する電圧に大きくすれば、本発明の目
的を達することができた。
なお、本実施例では、基板1にn形半導体、半導体層4
にn形の半導体材料を用いたが、基板1にP形半導体、
半導体層4にn形半導体を用い制御化(が2に正の電圧
を印加した場合にも同様の効果を得ることができた。
第1図に示した超電導デバイスの第1及び第2の超電専
電(かの間のバンド図を第5図、第6図、第7191、
第8図に示す。
各回において、7は第1の超電導電極の伝導帯、8は第
1の超電導電極の禁制帯、9は第1の超電導@極の充満
帯、10は第2の超電導電極の伝導帯、11は第2の超
電導電極の禁制帯、12は第2の超電導電極の充満帯で
ある。
第5図は半導体に非縮退の材料を用いたとき、第6図は
半導体に縮退半導体を用いたときで、それぞれ第3の超
電導電極に電圧は印加されていない。第3の電極電圧を
印加した場合のバンド図は半導体が非縮退の場合には第
7図、縮退半導体の場合には第8図のようになり、前者
では超電導臨界電流が増大し後者では超電導臨界電流が
減少してスイッチングが行われる。
第3図に、本発明の第2の実施例を示す。制御電極2は
超電導金属であるNbをArガスを用いたスパッタ法に
よって厚さ約200nmに製膜し、CF4ガスを用いた
反応性イオンエツチング法により加工した。次いでその
表面に常圧CVD法によって膜厚約50nmのアモルフ
ァス5jO2膜を堆積して絶縁膜3とした。引き続きシ
ランガスのRF放電を用いてリンを10”an−”以上
に高濃度に含んだ厚さ約200nmのアモルファス・シ
リコン膜を形成し半導体層4とした。最後に厚さ約30
0nmのNbから成る超電導電極5.6をスパッタ法で
形成し反応性スパッタ法で加工した。この実施例では、
超電導デバイスの構造そのものは第1の実施例と同じで
あるが、制御電極2に超電導金属を用いている。
また絶縁膜3には該超電導金属の自己酸化膜を使用する
ことが望ましいが、SiO2.5iO1S j、 N、
等の薄膜を被着させて使用しても良い。
該超電導金属としてはNb、Nbの化合物、Taの中の
少なくとも1つから選ばれた材料を用い、絶縁膜3の比
誘電率を大きくすることが望ましいが、これに限定され
ることはない。これによってこのデバイスの電作電圧を
低くし、消費電力を低減することができる。
第4図に、本発明の第3の実施例を示す。この実施例で
は、半導体層4にSi単結晶を用いている。このSi単
結晶は、n形又はn形であり不純物濃度は1. X 1
0” ’ rw−1以下であることが望ましい。
すなわち、(1,oo)方位のSi単結晶に、5jO2
等をマスクとじK OI−Tによる異方性エツチングに
よって第4図に示したような加工を施し、厚さ約100
〜200nmの極めて薄い半導体層4とした。
この半導体層4の表面を酸化して絶縁膜3を形成し、制
御電極2としては超電導金属であるpbを蒸着法によj
l約500 n m被着させたのち、加工したものを用
いた。次いで半導体層4の上面を清浄化し厚さ約300
nmのNb又はpbより成る超電導電極5.6を製膜し
反応性イオンエツチング法により加工した。このような
構造を用いても本発明の超電導デバイスを実現すること
ができた。
」―配糖1〜第2の実施例では、第1及び第2の超電導
電極5.6の間の半導体層4(半導体基体でもよい。)
の下部に絶縁膜3を介して制御電極2を設けたが、第1
及び第2の超電導電極5.6の間の半導体層4の上部に
絶縁膜3を介して制御電極2を設けても同様の効果を得
ることができる。
以上のようにして作製された超電導デバイスは、超電導
弱結合と並列に存在する静電容量が小さいために、特性
のヒステリシスが極めてわずかであって、従来のジョセ
フソン回路の高速化及び回路の簡略化の妨げとなってい
る交流電源に替えて直流の電源を使用することができる
。また電圧flHfl型でありかつ半導体を使用するデ
バイスであっても、トンネル効果を利用しているので、
高周波応答は半導体キャリアの易動度によって制限され
ることは無く、高速スイッチングを実現することが5.
6・・・超電導電極 できた。
〔発明の効果〕
以上述べたように、本発明によれば、電圧による制御に
よってジョセフソン接合素子の特性を変化させ、これを
スイッチとして使用することができる。1・tっで本発
明により1回路利得の大きな超高速スイッチング回路を
得ることができる効果がある。また、ジョセフソン接合
素子で作製された回路と混在させて使用することができ
る。従って従来のジョセフソン接合素子による計算機シ
ステムをより容易に構成することのできる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図、第3図、第4図はそれぞれ本発明の実施例によ
る超電導デバイスの一部を示す断面図、第2図は本発明
の実施例による超電導デバイスの特性を説明する図、第
5図〜第8図はそ九ぞれ本発明の実施例による超電導デ
バイスの電子バンド状態を示す図である。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)半導体上に設けた第1及び第2の超電導電極と、
    該第1及び第2の超電導電極の間の上記半導体の上部も
    しくは下部に絶縁膜を介して形成された常電導もしくは
    超電導の制御電極を有することを特徴とする超電導デバ
    イス。
  2. (2)特許請求の範囲第1項に記載の超電導デバイスに
    おいて、上記半導体は、単結晶又は多結晶あるいはアモ
    ルファス半導体の中の少なくとも1つの材料から成るこ
    とを特徴とする超電導デバイス。
  3. (3)特許請求の範囲第1項に記載の超電導デバイスに
    おいて、上記絶縁膜はSiの自己酸化膜あるいは、上記
    半導体表面又は上記制御電極表面に被着されるSiO_
    2又はSiOあるいはSi_3N_4から成ることを特
    徴とする超電導デバイス。
  4. (4)特許請求の範囲第1項に記載の超電導デバイスに
    おいて、上記制御電極はNb又はNbの化合物あるいは
    Taの中の少なくとも1つの材料から成り、かつ上記絶
    縁膜はこれらの材料の自己酸化膜から成ることを特徴と
    する超電導デバイス。
  5. (5)特許請求の範囲第1項に記載の超電導デバイスに
    おいて、上記半導体はSi単結晶から成ることを特徴と
    する超電導デバイス。
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