JPS641945B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電流増巾装置、特に薄膜超伝導接合装
置に関する。

半導体接合は開発が進められ、接合ダイオー
ド、接合トランジスタ及び他の多くのものを含む
極めて多種の装置が作られている。特に、半導体
接合トランジスタは半導体材料の３つの区域を直
線的に順次配置することによつて形成され、これ
ら区域はドープされて交互の多数キヤリアを順次
生じさせるようになつており、かつ、少数キヤリ
アの拡散の特性的距離に比べて薄い空乏層によつ
て互いに離隔されている。このような半伝導装置
においては、ドーパントを変えて多数キヤリアを
電子又はホールのどちらかにするという可能性が
あるので整流接合を作る可能性がある。しかし、
このような整流は、ここでは接合への注入により
注入の大きさよりも大きな大きさの効果を作りだ
すものと定義するトランジスタ作用と本来的に関
係するものではない。半伝導接合においては、注
入はベース内に入る少数キヤリアのものである。
従つて、電子は、４価の半導体を３価のドーパン
トでドープすることによつて作つた材料であるＰ
型材料で作つたベースに注入される。これと対応
して、ホールは、５価の材料でドープした４価の
半導体であるＮ型材料に注入される。

伝導のメカニズムは超伝導体においては異る。
超伝導は、臨界温度よりも下の単一の量子状態に
おいて対をなす（クーパの対）電子の集合的作用
として説明されている。ここには、半導体のドー
ピングに相当するものはなく、また、接合トラン
ジスタのような伝導の優先的方向を呈示する構造
はない。しかし、超伝導装置においてはトランジ
スタ作用を提供するように利用できる２つの現象
がある。その一つは、薄い絶縁層を通る対をなさ
ない電子（準粒子）のトンネリングである。他の
一つは、超伝導トンネリングによつて超伝導領域
に単粒子を注入するという可能性である。

本発明の目的は超伝導装置でトランジスタ作用
をなさしめることである。

本発明の他の目的は超伝導体の薄膜で作つた装
置において正確に調整された電流利得を得ること
である。

他の目的は本発明の詳細な説明から明らかにな
る。

本発明装置は、３つのほぼ平行な薄膜超伝導体
を薄い絶縁層によつて離隔した緊密な関係に沈着
して２つの接合を形成することによつて作られ
る。高い比抵抗を有する接合を、超伝導エネルギ
ーギヤツプに対応する電圧の２倍よりも高い電圧
でバイアスし、低い比抵抗を有する接合を、超伝
導エネルギーギヤツプの２倍に対応する電圧未満
でバイアスすると、一つの接合を通る全電流に変
化が生じ、この変化は中央の超伝導層に注入され
る電流の量よりも大きい。以下、本発明を図面を
参照して詳細に説明する。

第１図は本発明装置の斜視図である。第１図に
おいて、１０は、サフアイアのような、蒸着処理
に耐えかつ電気的に絶縁性の表面上に蒸着した諸
物質の相対的位置を保持する材料で作つたサブス
トレートである。第１の膜１２は、適当する温度
範囲内で超伝導性である材料の蒸着膜である。第
１の膜１２は、蒸着を制御するマスクを用いるこ
とによつて所望の場所に蒸着される。第１の絶縁
層１４が、酸化のような方法によりトンネリング
に適当する厚さに第１の膜１２上に形成される。
次いで、第２の膜１６が形成され、第１の膜１２
の一部及び第１の絶縁層１４を覆い、これととも
にトンネリング接合を形成する。次いで、第２の
膜１６が酸化されるか又は他の処理をなされ、ト
ンネリング距離のオーダの厚さを有する薄い絶縁
層１８を形成する。次いで、第３の膜２０がマス
クを通じて一つの領域に蒸着され、この領域は、
第１の膜１２、第２の膜１６及びこれらと第３の
膜２０との間の絶縁層でサンドイツチ構造を形成
する。第１図に示すように、上述のマスキング
は、第１の膜１２と第２の膜１６との間に一つの
接合があり、かつ第２の膜１６と第３の膜２０と
の間に一つの接合があるが、第１の膜１２と第３
の膜２０との間には接合がないように行なわれ
る。

上記の構造及びその作動は、諸接合のサンドイ
ツチ組合せ及びそれらの電気的接続を略示する第
２Ａ図及び第２Ｂ図において明らかになる。第２
Ａ図及び第２Ｂ図において、第１の膜１２はサブ
ストレート１０に蒸着され、第２の膜１６ととも
に第１の絶縁層１４によつて離隔されたトンネリ
ング接合を形成する。同様に、第２の膜１６は第
２の絶縁層１８によつて第３の膜２０から離隔さ
れ、第２のトンネリング接合を形成する。第２Ａ
図と第２Ｂ図とは、バイアシング接続が異なつて
いるだけである。第２Ａ図の構造は、第１の電源
２２を第１の膜１２と第２の膜１６との間に接続
し、電流Ibを第２の膜１６に注入するようにする
ことによつて作動状態にあらしめられる。第２の
電源２４が第１の膜１２と第３の膜２０との間に
接続され、コレクタ電流Icを与えるようになつて
いる。第２Ｂ図においては、第２の電源２４は第
２の膜１６と第３の膜２０との間に接続されてい
る。第２の電源２４からの電流は第２図に示され
ており、Ｉ（ｏ）、コレクタを作動化する休止電流
バイアス、及び第２の膜１６に注入される電流に
伴つて変化する△Ｉから成る。電流Ibの変化によ
つて電流Icに大きな変化が生ずる場合は、装置は
電流利得を得ておつて増巾器としての使用の可能
性を有することは明らかである。この状態は第３
図及び第４図に示す仕方で得られる。

第３図及び第４図は、普通、エネルギーレベ
ル・ダイヤグラムと云われているものであり、こ
れらはまた可能なトンネリング・プロセスを示す
ものである。第３図は、超伝導体のエネルギーギ
ヤツプと関連する電圧の２倍よりも小さい電圧
Vgによつてバイアスされる２つの超伝導体間の
絶縁接合におけるエネルギーレベル・ダイヤグラ
ムである。これはeVgのエネルギー差を表わして
おり、ここにｅは電荷である。第４図は、超伝導
エネルギーギヤツプと関連する電圧の２倍よりも
大きな電圧Vgによつて互いにバイアスされる２
つの超伝導体の接合に対するエネルギーレベル・
ダイヤグラムである。第３図及び第４図に示すエ
ネルギーレベルのほかに、縦座標にとつたエネル
ギーの関数としての還元バーデーン・クーパ・シ
ユリフア（BSC）状態密度を示す曲線が横座標
でプロツトしてある。第３図及び第４図に示して
ある他の曲線における横座標は還元BCS状態密
度にフエルミ関数を乗じた積であり、これは或る
与えられた温度において関連するエネルギー状態
の占有確率である。これらの曲線の各々における
縦座標はエネルギーであり、これら曲線は各々が
共通エネルギーレベルと呼ばれ、接合上の印加電
圧の影響の比較に用いられる。

第３図は薄い絶縁膜が２つの薄膜超伝導体間に
接合を作る時の伝導のメカニズムを表わすもので
あり、この接合は上記超伝導体におけるエネルギ
ーギヤツプと関連する電圧の２倍よりも小さい電
圧でバイアスされている。第３図において、エネ
ルギーレベル２８は、領域ａにおける曲線によつ
て描写される超伝導材料における接地状態を表わ
す。超伝導性の現象は、超伝導材料内のクーパの
対の形の電子の存在によつて説明され、その一つ
を第３図に対３０として象徴的に示す。全てのク
ーパの対は同じエネルギーレベルにある。絶縁接
合３２を横切る伝導は第３図に示す２つのメカニ
ズムによつて生ずる。その第１のものは準粒子ト
ンネリングである。超伝導体内の準粒子は、多数
の対をなさない電子状態からでき上つた対をなさ
ない荷電粒子である。準粒子３４を第３図に、接
合３２を通つてトンネリングして接合３２を横切
つて準粒子３６として現われる状態で示す。この
トンネリングは、準粒子トンネリングの初期及び
終期の各状態間にエネルギーの保存があらねばな
らないから、上記エネルギーレベル・ダイヤグラ
ムに水平に示してある。上述のメカニズムは第２
のメカニズムの数と同じ数で生じ、これは、対３
０のようなクーペの対が領域ａに残る１つの準粒
子３８と領域ｂへトンネルして準粒子４２ととも
に新たな対４４を形成する電子４０とになる破壊
である。実際のメカニズムは領域ａからｂへ接合
３２を横切る電子のトンネリングのメカニズムで
あるが、諸対の相互作用のために、準粒子４２が
準粒子３８として膜内にトンネルしたかのように
みえる。上記のエネルギーの保存には、準粒子４
２及び準粒子すなわち電子４０による下方へ行く
垂直距離が準粒子３８のエネルギーレベルの垂直
方向上昇と等しくなければならない。

第３図は、通例このようなダイヤグラムに表わ
されている以下の特色を見ることによつてよく理
解される。曲線４６は、左方へ正である横座標を
有するエネルギーの関数としての状態密度のプロ
ツトである。曲線４６は、レベル２８によつて表
わす接地状態の上の超伝導エネルギーギヤツプ△
の量に等しいエネルギーレベルにある直線４８へ
の漸近線である。曲線５０は、曲線４６と、或る
与えられた温度における諸状態の占有確率である
フエルミ関数との積を表わす。領域ａに対して述
べた諸曲線の各々は領域ｂにおける対応曲線を有
し、この対応曲線は、接合３２を横切つて印加さ
れる電圧と等価であるエネルギーによつてシフト
されている。従つて、領域ｂにおいて、レベル５
２は領域ｂにおける接地状態を表わす。レベル５
２は、印加電圧と等価なエネルギーであるエネル
ギーeVgだけレベル２８の下にある。曲線５４
は、領域ａ内の曲線４６の領域ｂにおける等価物
であり、これは、接合３２から離れて増加する横
座標を有するエネルギーの関数としての状態密度
の曲線である。曲線５４は、レベル５２のエネル
ギーギヤツプに等しいエネルギーにある直線５６
への漸近線である。曲線５８は、領域ab内の諸
エネルギーレベルに諸状態の各々の占有確率を乗
じた積である。これらのプロセスの両方に対応す
る接合を通る諸電流は大きさが等しく、かつ第３
図に斜線を付した領域によつて示す準粒子の数密
度に比例する。

第４図は第３図のダイヤグラムと異るダイヤグ
ラムであり、その相異点は、第４図においては超
伝導領域がエネルギーレベルの２倍よりも大きい
電圧によつてバイアスされていることである。第
４図における対応要素は第３図におけるものと同
じ番号を付してあり、従つてレベル２８は領域ａ
におけるベース・エネルギーレベルである。第３
図におけるように、対３０は、準粒子３８及びト
ンネルして領域ｂ内に対４４を作る電子４０に分
割される。前述のように、曲線４６及び５４はそ
れぞれ領域ａ及びｂにおける状態密度を表わす。
第３図におけるように、準粒子３４は接合３２を
通つてトンネルし、準粒子３６として領域ｂに現
われる。しかし、領域ａにおけるクーパの対のエ
ネルギーレベル２８はバイアスされて曲線ｂのレ
ベル５２の上の超伝導エネルギーギヤツプの２倍
よりも大きくなつているので、伝導のための新た
なメカニズムが導き出される。これは、クーパの
対６０が領域ａ内に残る準粒子６２及び領域ｂ内
の準粒子６４の形成に資する電子に分割されるこ
とである。第４図を見ると、バイアスが超伝導エ
ネルギーギヤツプ△の２倍を越えているので、こ
の状態が許されることが解る。従つて、対６０が
分割されると、準粒子６２はエネルギーが増加
し、この増加量により準粒子６２は領域ａ内の直
線４８の上に位置し、従つてこの準粒子は許容状
態に置かれる。直線２８と４８との間の状態は許
容されない。大きさが等しくてエネルギーの保存
を許さなければならないクーパの対６０及び準粒
子６４のエネルギーの間の位置における垂直降下
は、準粒子６４が領域ｂ内に在ることを許す。す
なわち、このエネルギーの降下は、レベル５２と
直線５６との間の距離によつて領域ｂ内に表わさ
れる超伝導エネルギーギヤツプ内にはない場所へ
の降下であるからである。適当にバイアスされた
装置におけるトランジスタ作用の可能性へ導くの
は、対６０のようなクーパの対の破壊及び領域ｂ
における準粒子６４の出現によつて表わされる準
粒子トンネリングである。超伝導エネルギーギヤ
ツプに対応する電圧の２倍よりも高い電圧でバイ
アスされた接合はクーパの対を破壊し、準粒子を
中央層に注入する。この中央層を用いる第２の接
合は上記第１の接合上のバイアスとは独立にバイ
アスされ、超伝導エネルギーギヤツプの２倍より
も小さいエネルギーに対応する電圧にある。従つ
て、上記第２の接合における電流は準粒子の密度
に比例する。上記第２の接合を通る電流の変化
が、この変化を生じさせるのに必要な注入電流よ
りも大きい場合は、装置は交流利得を提示する。

本発明の原理に従つて作つた実際の装置につい
て得た試験結果を第５図、第６図及び第７図に示
す。第５図は、本発明の原理を実現する超伝導ト
ランジスタに対するインジエクタ電圧の関数とし
てのインジエクタ電流のプロツトである。第６図
は、インジエクタ電流の種々の値に対する上記と
同じトランジスタに対するコレクタ電圧の関数と
してのコレクタ電流のプロツトである。第７図
は、温度の種々の値に対するインジエクタ電流の
関数としてのコレクタ電流の変化のプロツトであ
る。上記の諸曲線に共通な若干の特徴が解るよう
に、第５図、第６図及び第７図を一緒に説明す
る。

第５図の曲線はｗを付した点における原点で始
まる。インジエクタ電圧が約375マイクロボルト
の値へ上昇する間はインジエクタ電流は零に留ま
つている。この点において、インジエクタ電流は
増加を始め、この増加は点ｘを通るほぼ垂直なも
のであり、そして傾いて点ｙ及びｚを通り、この
曲線は、接合抵抗を表わす破線への漸近線とな
る。点ｗ，ｘ，ｙ及びｚは、次に述べる第６図に
おける対応があるので、第５図にこれらの記号で
示す。第６図は、第５図において記号を付したイ
ンジエクタ電流の種々の固定値に対するコレクタ
電圧の関数としてのコレクタ電流のプロツトであ
り、上記のコレクタ電流は、第６図において、線
７０，７２，７４及び７６とそれぞれ関連する上
記と同じ文字ｗ，ｘ，ｙ及びｚで示してある。こ
れらの全ての線は線７８に合体する。約0.2mVか
ら0.3mVまでのコレクタ電圧の間の第６図の領域
において、点ｗ，ｘ，ｙ及びｚで表わす諸値のう
ちのインジエクタ電流の変化により、文字ｗ，
ｘ，ｙ及びｚを付した諸曲線のうちの第６図の曲
線における対応のシフトが生ずることが見られ
る。従つて、インジエクタ電流の変化により、コ
レクタ電流−電圧特性の一つの曲線からこのよう
な曲線の他のものへの遷移が生ずる。従つて、パ
ラメータの関数としての１組の値の変化は利得の
可能性を表わす。この利得の確実性は第７図を検
討すれば解る。第７図は、温度の種々の値に対す
る本発明のトランジスタの１組の電流−伝達特性
を示すものである。第７図において、線８２は超
伝導体の臨界温度よりも下の或る与えられた温度
に対して得たものであり、線８４，８６及び８８
は、これも臨界温度よりも下の、更に低い温度に
対して得たものである。線８８は、第５図及び第
６図の諸曲線を得た作動温度における第５図及び
第６図に示すトランジスタの電流−伝達特性であ
る。第７図の縦座標及び横座標の電流の尺度は同
じにとつてあり、従つて、１よりも大きな勾配を
有する第７図の尺度上の曲線は１よりも大きな電
流利得を表わす。このことは第７図を検討すれば
解る。線８２，８４，８６及び８８は全て１より
も大きな勾配を有しており、この勾配は線８２か
ら線８８へ順次大きくなつている。

本発明の装置における電流利得に関連する物理
的効果は次のようであると考えられる。

一つの電子が中央膜に注入されると一つの準粒
子励起が生じ、この励起により１個よりも多くの
電子が生じてコレクタ接合を横切つて流れる。注
入された粒子はコレクタ障壁を何回も横切ること
ができ、その度毎に一つ電荷がコレクタ接合を通
つて同じ方向に伝達されて電流となる。準粒子は
注入によつて作られ、コレクタ接合内で再結合さ
れてクーパの対を作るまで自由に前後にトンネル
する。このトンネリング率が再結合率を超える
と、そこで電流利得の可能性があることになる。

上述した諸図の諸曲線は、アルゴンヌ・ナシヨ
ナル・ラボラトリ（Argonne National
Laboratory）において、サフアイア・サブスト
レート上にアルミニウムの膜を30ナノメートルの
オーダの厚さに沈着することによつて作つた装置
について得たものである。この膜を、16ミリオー
ムのオーダの比較的低い値の抵抗を持つように酸
化してコレクタ接合を作つた。これは、平方セン
チメートル当り約６マイクロオームの比抵抗に相
当する。また、30ナノメートルのオーダの厚さの
第２のアルミニウム膜を絶縁膜上に沈着してコレ
クタ接合を作つた。次いで、この膜を16オームの
オーダの比較的高い抵抗に酸化してインジエクタ
接合を作つた。この酸化物は充分に厚く、平方セ
ンチメートル当り約６ミリオームの比抵抗を示し
た。アルミニウムの第３の薄膜を３ナノメートル
のオーダの厚さに蒸着して、第１図のものと同様
の構造を作つた。上記の比較的低抵抗のコレクタ
接合を、超伝導エネルギーギヤツプに対応する電
圧の２倍未満の電圧でバイアスした。高い抵抗を
有する上記のインジエクタ接合を、超伝導エネル
ギーギヤツプの２倍に対応する電圧を超える電圧
でバイアスした。第５図及び第６図の諸曲線は、
第７図における線８８を得たように、約0.62Kの
温度における装置について得たものである。線８
２，８４及び８６は、アルミニウムの臨界温度よ
りも下の順次高くした諸温度において得た曲線を
表わすものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例装置の斜視図、第２Ａ
図は外部回路接続を示す本発明の実施例装置の典
形化した断面図、第２Ｂ図は他の外部接続を有す
る実施例装置の典形化した断面図、第３図はエネ
ルギーギヤツプの２倍未満でバイアスされた接合
におけるトンネリング・プロセスを示すエネルギ
ーレベルのダイヤグラム、第４図はエネルギーギ
ヤツプの２倍超でバイアスされた接合におけるト
ンネリング・プロセスを示すエネルギーレベルの
ダイヤグラム、第５図は代表的な超伝導トランジ
スタのインジエクタ接合に対する電流対電圧のプ
ロツト図、第６図はインジエクタ電流の種々の値
に対する超伝導トランジスタのコレクタ接合にお
ける電流対電圧のプロツト図、第７図は超伝導ト
ランジスタに対するインジエクタ電流の関数とし
てのコレクタ電流のプロツト図である。 １０……サブストレート、１２……第１の超伝
導膜、１４……第１の絶縁層、１６……第２の超
伝導膜、１８……第２の絶縁層、２０……第３の
超伝導膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ サブストレート上に沈着された第１の薄い超
   伝導膜及び上記第１の薄い超伝導膜上に沈着され
   て比較的低い単位面積当り抵抗を呈する第１の絶
   縁層を有する電流増巾のための装置において、上
   記第１の絶縁層上に沈着されてコレクタ接合を作
   る第２の薄い超伝導膜と、上記第２の薄い超伝導
   膜上に沈着されて比較的高い単位面積当り抵抗を
   呈する第２の絶縁層と、上記第２の絶縁層上に沈
   着されてインジエクタ接合を作る第３の薄い超伝
   導膜と、上記コレクタ接合に電気的に接続され、
   上記超伝導膜の超伝導エネルギーギヤツプに対応
   する電圧の２倍未満のバイアス電圧を上記コレク
   タ接合を横切つて設定するコレクタ接合バイアス
   装置と、上記インジエクタ接合に電気的に接続さ
   れ、上記超伝導膜の超伝導エネルギーギヤツプに
   対応する電圧の２倍よりも高いバイアス電圧を上
   記インジエクタ接合を横切つて設定するインジエ
   クタ接合バイアス装置とを備えたことを特徴とす
   る電流増巾装置。 ２ 上記サブストレートがサフアイアであること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電流増
   巾装置。 ３ 上記第１の薄い超伝導膜が上記サフアイア上
   に沈着されたアルミニウムであり、上記第１の絶
   縁層がアルミニウムを平方センチメートル当り約
   ６マイクロオームの比抵抗に酸化することによつ
   て作つた酸化アルミニウムであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項記載の電流増巾装置。 ４ 上記第２及び第３の薄い超伝導膜が沈着され
   たアルミニウムであり、上記第２の絶縁層が上記
   第２の薄い超伝導膜を平方センチメートル当り約
   ６ミリオームの比抵抗に酸化することによつて作
   つた酸化アルミニウムであることを特徴とする特
   許請求の範囲第３項記載の電流増巾装置。