JPH02230779A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JPH02230779A
JPH02230779A JP1049829A JP4982989A JPH02230779A JP H02230779 A JPH02230779 A JP H02230779A JP 1049829 A JP1049829 A JP 1049829A JP 4982989 A JP4982989 A JP 4982989A JP H02230779 A JPH02230779 A JP H02230779A
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JP
Japan
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semiconductor
superconducting
emitter
base
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Pending
Application number
JP1049829A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuo Yano
和男 矢野
Masabumi Miyamoto
宮本 正文
Masaaki Aoki
正明 青木
Hideaki Nakane
中根 英章
Mutsuko Hatano
睦子 波多野
Juichi Nishino
西野 壽一
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Publication of JPH02230779A publication Critical patent/JPH02230779A/en
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  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention] 【産業上の利用分野】[Industrial application field]

本発明は、超伝導電極と半導体を組合せた超高性能電子
デバイスにかかわり、特にバイポーラトランジスタと超
伝導電界効果型トランジスタの利点をあわせ持った高性
能トランジスタに関する。
The present invention relates to ultra-high performance electronic devices that combine superconducting electrodes and semiconductors, and particularly to high-performance transistors that have both the advantages of bipolar transistors and superconducting field effect transistors.

【従来の技術1 従来、超伝導体と半導体を組合せた高性能トランジスタ
としては、クラーク(T.D.C l a r k)ら
によってジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス5
1巻、2736頁(JournalofApplied
  Physics,vol.51,p.2736, 
 1980)に論じられている電界効果型の超伝導トラ
ンジスタが知られている。 このトランジスタは、絶縁ゲート型、あるいはショット
キー接合型の電界効果型トランジスタのソース及びドレ
イン領域に接して超伝導電極を形成し、ソース・ドレイ
ン間に流れる電流を、ゲート電圧によって制御するもの
である。この電界効果型超伝導トランジスタの動作原理
については、例えば、「量子力学と新技術」(培風館、
1987年)第3章に詳しく記してあるが、ソースおよ
びドレインの超伝導電極から半導体のソース・トレイン
領域を介してチャネル領域にクーパ一対が「超伝導近接
効果」によって侵入するため、ソース・ドレイン間には
抵抗Oで電流を流すことができる6ゲート電圧によって
チャネル領域のキャリア密度を変化させるとこの超伝導
電流も変化し、トランジスタとしての動作が可能になる
。ソース・ドレイン間に電圧を印加することなしにドレ
イン電流を流すことが出来るという,これまでの半導体
による電界効果トランジスタにはない特徴を有しており
、高速かつ低消費電力のデジタル回路を実現するのに極
めて適している。 【発明が解決しようとする課題1 上記従来技術の電界効果型超伝導トランジスタでは、実
際の回路動作に用いようとするとしきい値ばらつきが大
きすぎて正常動作出来ないという問題がある。ゲート長
が1μm以下の電界効果型トランジスタでは,短チャネ
ル効果とよばれる2次元効果によって、しきい電圧が強
くゲート長に依存する.これについては、例えば、エス
,エム、セー(S.M.Sz e)著のフィジクス オ
ブセミコンダクター デバイセズ 第2版(Physi
cs of Se+aiconductor Devi
ces, SECONDEDITION, 1981)
の474頁から477頁に詳しく論じてある。従って、
ゲート加工寸法のわずかのばらつきによってトランジス
タのしきい値が容易に100mV程度ばらついてしまう
.このしきい値ばらつきは超伝導トランジスタとしても
変わらない。 通常の半導体のデジタル回路は数ボルトの論理振幅で動
作しているので、上記したしきい値ばらつきの回路動作
への影響は比較的小さい。これに対して超伝導トランジ
スタを用いた回路では論理振幅はmVから数10mVの
オーダーである必要があり,このしきい値変動によって
正常な回路動作が出来なくなってしまう.超伝導トラン
ジスタにおいて、論理振幅をmVから数10mVのオー
ダーにしなければならない理由を以下に説明する.超伝
導トランジスタが、半導体による通常の伝導機構を用い
た(これを以下常伝導と呼ぶこととする)トランジスタ
と比べて、有為差が有るためには,超伝導電流工。 が常伝導電流INより大きくなければならない.以下に
このための条件を求めてみる。常伝導電流INは、オー
ムの法則によって次式で表される。 IN ” Vsn/RH    (1)ここで. VS
Oはソース・ドレイン間の電圧、RNは超伝導電極が無
い場合のソース・ドレイン間の抵抗である。上記クラー
クの文献でも用いているように、超伝導電流I。とRN
の間には大ざっぱには次の関係式が成り立つ。 IaRN−47CΔ/ (2q)    (2)ここで
Δは超伝導電極のギャップエネルギーであり、9は電子
の電荷量である。(1)と(2)よりRNを消去すると
次式を得る. I,/IN− 2πΔ/ (qVsn)I,/IN− 
6.3Δ/ (qvmo)これから、超伝導電流を常伝
導電流よりも十分大きくするには、すなわち ■。>>  工、 のためには、 VSO 〜 Δ/q である必要があることが分かる。従って、ドレイン・ソ
ース間の電圧を超伝導電極のギャップ電圧Δ/9程度に
する必要が有る.これよりデジタル回路における論理振
幅をギャップ電圧Δ/q程度にする必要がある。超伝導
体のギャップ電圧Δ/9はmVから数10mVのオーダ
であるので(例えば,鉛pbでは1.2mV,ニオブN
bテは1.5mV,YBCOでは数10mV)論理振幅
はmVから数10mVのオーダーであることが要求され
る。従って、上記したしきい値電圧のばらつきによって
回路が正常に動作出来ないことは明らかである。 さらに、従来の電界効果型超伝導トランジスタでは増幅
率が極めて小さいという問題点もある。 上記した様に電界効果゛型超伝導トランジスタを用いた
回路では、論理振幅はmVから数10mVのオーダーで
ある必要がある。しかし、電界効果トランジスタでは、
このような微小信号がゲート電極に入力として印加され
ても、チャネルのキャリア数は極めてわずかしか変化し
ない.このためドレイン電流の変化も極めて小さいもの
になってしまう,本発明の目的は、しきい値のばらつき
が小さく、かつ増幅率も大きいので高性能動作が可能な
超伝導トランジスタを提供することにある。 [課題を解決するための手段1 上記目的を達成するために本発明では、主電流の経路上
において、主電流を運ぶキャリアの密度よりも高密度の
反対導電型キャリアが同一個所に存在する活性領域を有
するトランジスタ、すなわちバイポーラトランジスタの
エミッタ及びコレクタ領域に超伝導電極を接触させて、
超伝導トランジスタを構成したものである。 また、超伝導トランジスタが抵抗Oで電流を流すことが
出来るために、上記超伝導電極の間の距離を超伝導体の
コヒーレント長以下としたものである. さらに、超伝導状態が生じる低温でもパイボ−ラトラン
ジスタが高い電流利得で正常動作するために,エミッタ
半導体の禁制帯幅がベース半導体の禁制帯幅よりも大き
くなるようにしたものである。 さらに、低温においても再結合電流が小さく、ホモ接合
を半導体材料として用いるためにベースの不純物濃度を
エミッタの不純物濃度に比べて大きくしたものである。 さらに、ベース抵抗を小さくあるいはOとするため,ベ
ース半導体領域の電位を制御する超伝導電極を,ベース
半導体領域に直接接する構造としたものである。 さらに、製造工程を簡素化し、かつ高集積にも適する構
造とするために、電流が流れる方向を半導体基板と平行
の方向としたものである。 さらに、超伝導電極から半導体への近接効果が低温にお
いても有効に働くために、該バイボーラ型超伝導トラン
ジスタの電流経路における半導体領域を縮退半導体とし
たものである。 さらに、該バイポーラ型超伝導トランジスタの電流経路
がエミッタ・コレクタ間の再短距離を通るようにするた
めに、それ以外の領域に低濃度のベース領域を設けたも
のである。 さらに低消費電力で高速の論理回路を実現するためnp
nバイボーラ型超伝導トランジスタとpnpバイポーラ
型超伝導トランジスタを同一基板上に作成したものであ
る。 また、比較的高温での動作を可能にし、エビタキシアル
成長を用いた縦型のバイポーラトランジスタを実現する
ため、超伝導体にCuを含む酸化物超伝導体を用い、か
つ酸化物超伝導体を酸化あるいは還元した半導体領域に
本発明のバイポーラトランジスタを形成したものである
。 [作用1 バイポーラトランジスタにおいて、エミッタとコレクタ
の半導体領域に超伝導電極を接続すると、エミッタおよ
びコレクタ領域を介してベース領域にクーパ一対が侵入
し.てくる。ベース・エミッタ間の電圧を変化させると
、ベース中の少数キャリア数(npnバイポーラトラン
ジスタの場合は電子数)を変化させることができ、従っ
て超伝導電流によるトランジスタ動作が可能になる。エ
ミソタ・コレクタ間にはクーパ一対による超伝導電流が
流れるので、エミッタ・コレクタ間の電圧が0でも電流
を流すことができる。 バイポーラトランジスタのコレクタ電流が流れ始めるし
きい値電圧のばらつきは、電界効果型トランジスタに比
べて、極めて小く、特に低温で動作させるとさらに小さ
くなる。これは、バイポーラトランジスタでは、活性領
域たるベース領域に高密度の正孔が存在するため,遮蔽
効果によりベースのポテンシャルはコレクタ電圧の影響
をほとんど受けないからである。バイポーラトランジス
タのしきい値ばらつきは、[超高速バイボーラ・デバイ
ス」(培風館、1985年)54頁に記載してあるよう
に、次式で表される. ΔVsg =−(kT/q)(ΔAg/Ag)   (
 2 )ここで,Δvagはしきい値の変化、kはボル
ツマン定数、Tは絶対温度、qは電子の電荷量、Δ輸は
エミッタ面積の変化、八〇はエミッタ面積である。温度
が4.2Kの場合に、エミッタ面積のばらつきΔ昂/昂
が10%であると仮定するとΔVBEは0.036mV
となる。これは電界効果型トランジスタのしきい値ばら
つき100+nVにくらべて3桁以上小さい。また超伝
導電極のギャップ電圧(mVから数10mV)に比べて
も十分小さいため、mVオーダーの微小な論理振幅でも
正常な回路動作が可能になる。 また、バイポーラトランジスタの電圧増幅率は、良く知
られているように、電界効果型トランジスタよりも、ず
っと大きいので、mVオーダーの微小な電圧に対しても
コレクタ電流を大幅に変化させることができる。特に,
低温で動作させるとこの電圧増幅率は、極めて大きくな
る。なぜなら、電圧増幅の目安となるトランスコンダク
タンスg0は次式で表され、絶対温度に反比例する。 gヨニ9■。/(kT) ここで■。は、コレクタ電流である。従って、温度が4
.2Kにおいて、コレクタ電流として100μA流した
場合のトランスコンダクタンスは、3.63(ジーメン
ス)となる。これは、電界効果型トランジスタのトラン
スコンダクタンスが、(これまで発表された最高値にお
いても)ゲート幅10μmにおいて,10mS程度であ
ることを考えると2桁以上大きい値である。従って, 
mV程度の微小電圧の入力に対しても出力電流の大きな
変化を得ることができる。 このように、バイポーラトランジスタのエミッタ・コレ
クタに超伝導電極を接続することによって,従来の電界
効果型超伝導トランジスタの問題点を解決できるが、通
常のホモ接合(同一材料を用いた接合)を用いたバイポ
ーラトランジスタに本発明を適用すると電流利得が低温
で極めて小さくなってしまうという問題点があることが
、本発明者の検討によって明らかになった。バイポーラ
トランジスタの電流利得hPEは再結合電流が十分小さ
ければ次式で表される。 h FE tye− exp{(Eag−Ec+a)/
(kT))   (3)ここで、EQEはエミッタ半導
体領域の禁制帯幅、EQgはベース半導体領域の禁制帯
幅である。通常のホモ接合を用いたバイポーラトランジ
スタでは、エミッタ領域がベース領域よりも高濃度に形
成されている。エス、エム、セー(S.M.S z e
)著のフィジクス オブ セミコンダクター デバイセ
ズ 第2版 (Physics of Semicon
ductorDevices, SECOND EDI
TION, 1981)の143頁から144頁に記さ
れているように高濃度の半導体では,禁制帯縮小効果に
よって禁制帯がわずかに小さくなる。ホモ接合のバイポ
ーラトランジスタではエミッタにおいて禁制帯幅がベー
スよりも小さくなり、従って(3)式により低温で電流
利得が小さくなってしまう。超伝導電極をエミッタ・コ
レクタに接続しても、同様に電流利得は低下してしまう
ので、低温で大きな電流利得を得るためには、エミッタ
半導体領域の禁制帯幅がベース半導体領域の禁制帯幅に
比入で大きい必要がある。これには、エミッタとベース
に、この条件を満たす異なる半導体材料を用いたべテロ
接合を用いればよい。 また、別の方法として、エクステンデッド・アブストラ
クト・オブ・ザ・トエンティース.コンファレンス・オ
ン・ソリッド・ステーツ・デバイセズ・アンド・マテリ
アルズ、1988年(Extended Abstra
ctsof  the  20th  Confere
nce  on  Solid  StateDevi
ces and Materials,1988)61
7頁において発明者等によって論じられているように、
エミッタ領域の不純物濃度よりもベース活性領域の不純
物濃度を大きくし、ベース活性領域の濃度はバンドギャ
ップ縮小効果が起きる程度に高濃度にすることによって
、ホモ接合(同一材料による接合)を用いても、低温で
大きな電流利得を得ることができる。 この構造をバイポーラ型超伝導トランジスタに適用する
れば,製造工程を簡素化でき、またホモ接合であるから
エミッタ・ベース間の再結合電流を小さくすることがで
きる。 さらにベース半導体領域に超伝導電極を直接接続するこ
とによって、このベース超伝導電極からベース半導体領
域にクーパ一対が侵入する。これによって,ベース中の
多数キャリア(npnバイポーラトランジスタの場合は
正孔)もクーパ一対になり、ベース抵抗を極めて小さく
することができる。 以上述べた構造は、横型、すなわち電流の流れる方向が
,基板面に平行の方向である構造とすることにより、製
造工程が簡素化される。この場合、半導体表面部に横型
バイポーラトランジスタを形成し、そのエミッタ及びコ
レクタ領域の表面部に超伝導電極を形成すればよい。 また、超伝導電極から半導体領域への近接効果が有効に
働くためには、低温で動作した場合にも半導体領域は十
分多数のキャリアを含んでいる必要がある。このために
はフエルミ準位が価電子帯あるいは伝導帯に入り込んだ
縮退半導体であることが望ましい。 また、横型のバイポーラトランジスタではエミッタの底
面部から基板内部を流れコレクタに達する電流成分がに
より、高速性能が劣化する。このような電流経路による
電流成分は再短距離を流れる電流よりも距離が長いため
実効的にベース幅が長くなったように働くからである。 これを防ぐためにはエミッタの底面部にバリア層を設け
れば良い。npnパイポーラ型超伝導トランジスタの場
合にはエミッタの底面部に真性ベースよりも低濃度のp
型層を設けることによってバリア層とすることが出来る
。なぜなら、高不純物濃度の領域では禁制帯が小さくな
っている。従って低不純物濃度の領域は相対的に禁制帯
が大きく、そのため電子の注入が起きにくくなる。 npnバイボーラ型超伝導トランジスタとpnpバイポ
ーラ型超伝導トランジスタを同一基板上に作成すれば、
絶縁ゲート型FETを用いたCMOS回路と同様な回路
構成が可能となり、低消費電力で高速の論理回路が実現
できる。 また、超伝導体にCuを含む酸化物超伝導体を用い、か
つ酸化物超伝導体を酸化あるいは還元した半導体領域を
本発明のバイポーラトランジスタに用いると、この超伝
導体の臨界温度が高いので、比較的高温での動作が可能
になる、また、格子定数がほぼ一致しているため、エビ
タキシアル成長を用いた縦型のバイポーラトランジスタ
が形成しやすいという利点がある. [実施例】 以下、本発明の一実施例を第1図により説明する。第1
図は、本発明による高性能超伝導トラン?スタを用いた
相補型のデバイスの断面図を示す。 1はp型シリコンの基板であり、2は素子間の分離用の
SiO■領域であり、3はn型ウエル領域である.基板
の表面領域にnpnバイボーラ型超伝導トランジスタ1
3とpnpバイポーラ型超伝導トランジスタ23が形成
されている。npnバイボーラ型超伝導トランジスタ1
3は、p型低不純物濃度ベース領域4、低不純物濃度n
型エミッタ領域5、高不純物濃度n型エミッタ領域6、
エミッタ超伝導電極7、高不純物濃度p型ベース領域8
、低不純物濃度n型コレクタ領域9、高不純物濃度n型
コレクタ領域10.コレクタ超伝導電極11、高不純物
濃度p型多結晶シリコン外部ベース領域12からなる。 pnpバイポーラ型超伝導トランジスタ23は、n型低
不純物濃度ベース領域14、低不純物濃度p型エミッタ
領域15、高不純物濃度p型エミッタ領域16、エミッ
タ超伝導電極17、高不純物濃度n型ベース領域18、
低不純物濃度n型コレクタ領域19、高不純物濃度n型
コレクタ領域20、コレクタ超伝導電極21、高不純物
濃度p型多結晶シリコン外部ベース領域22からなる。 n型及びp型の不純物としてはB,As,P,Sb,a
aなどの公知の不純物を用いることができる。n型不純
物としてはsbを用いると、不純物準位が浅いので(約
39meV)キャリアの凍結の影響を受けにくいので特
に適する。 具体的な濃度値としては、半導体としてシリコンを用い
た本実施例の場合には、低不純物濃度ベース領域4、1
4はI X 1 017/m3程度の濃度、低不純物濃
度エミッタ領域5、15はlXIQLs/−3程度の濃
度、高不純物濃度エミッタ領域6,16はI X 1 
0”/ cs3程度の濃度、高不純物濃度ベース領域8
,18は5 X 1 019/an3程度の濃度,高不
純物濃度多結晶シリコン外部ベース領域12,22はI
 X 1 0”/■3程度の濃度、低不純物濃度コレク
タ領域9,19は1 x 1 019/13程度の濃度
、高不純物濃度コレクタ領域10.20はI X 1 
0”/ aa’程度の濃度とする。ただし使用目的、使
用条件によって、この濃度値の1/10倍から10倍程
度の範囲で濃度の最適化を行いうろことはもちろんであ
る。 超伝導電極7,11,17,21としては、超伝導材料
であれば原理的には使用することが出来、使用目的に応
じて材料選択を行いうろことはもちろんである。例えば
、ここでは、Nbを用いることとする。Nbは高融点で
あり、シリコンプロセスとの整合性も取りやすい。製造
工程を簡素化できる。この他の超伝導体例えばpb,p
bの合金やNbの金属間化合物、例えばNbN,Nb,
Ge * N b3A 1 + N b3 S 1など
,さらにはCuを含む酸化物超伝導体でもよいことはい
うまでもない。 次にこのバイボーラ型超伝導トランジスタの動作をnp
nバイボーラ型超伝導トランジスタ13を例に説明する
。はじめに、コレクタ・エミッタ間の電圧が0の場合を
説明する。高不純物濃度エミッタ領域6,および低不純
物濃度エミッタ領域5には超伝導近接効果によってエミ
ッタ超伝導電極7からクーパ一対が侵入する。近接効果
については「量子力学と新技術」(培風館、1987年
)第3章に詳しく記してある。同様にして高不純物濃度
コレクタ領域10、および低不純物濃度コレクタ領域9
には超伝導近接効果によってコレクタ超伝導電極11か
らクーパ一対が侵入する。しかしベース・エミソタ間の
電圧VBEがOのときは.ベース領域8のポテンシャル
パリアによってエミッタのクーパ一対はコレクタに到達
することができない。 これは第4図(A)に示すバンド図によって容易に理解
することができる。エミッタ・ベース間に電圧を印加す
ると、第4図(B)に示すように.ベース領域8のポテ
ンシャルバリアが低くなって,ベース中に少数キャリア
である電子が誘起されて、これもまた近接効果によって
クーパ一対となる。 従って、エミッタ・コレクタ間にクーパ一対の電流経路
ができ、抵抗Oの超伝導電流を流すことができる。この
超伝導電流はベース電極の電位によって制御することが
できるので、超伝導電流を用いたトランジスタ動作が可
能となる。この時ベース中には多数キャリアである正孔
が多数存在することはもちろんである。 次に、コレクタ・エミッタ間に電圧を印加した場合につ
いて、第5図を用いて説明する.ベース・エミッタ間電
圧が0の場合には、第5図(A)に示すように、ベース
領域8のバリアの効果により,コレクタ・エミッタ間に
電流は流れない。ベース・エミッタ間電圧が印加された
場合を,第5図(B)、及び(C)を用いて説明する。 ベースのコレクタ端44における電子数は次式で表され
る。 nac=A’eXP((lVBc/kT)=A−exp
[:q(Vsg−Vcg)/kT]=^・exp(qV
gg/kT) ・exp(−qVcg/kT)ここでA
は比例定数、9は電子の電荷量、VBCはベース・コレ
クタ間の電圧、VCfEはコレクタ・エミッタ間の電圧
、VBEはベース・エミッタ間の電圧、kはボルツマン
定数、Tは絶対温度である。VCEをOから徐々に増加
していくと+ nBcは急激に指数関数的に減少し, vollK)kT/9 になると.Vo8=Oの場合に比べて極めて小さくなっ
てしまう。この時、ベースのコレクタ端におけるクーパ
一対の濃度も急激に減少し,超伝導電流は極めて小さく
なる。この場合、通常の常伝導のキャリアによる電流は
流れるので、この常伝導による電流が支配的となる。常
伝導による電流は通常のバイポーラトランジスタの電圧
電流特性を示す6 以上をもとにして、npn超伝導バイポーラトランジス
タの電流電圧特性を第6図に示す。超伝導電流成分45
と常伝導電流成分との大小関係によって同図(A),(
B)(C:)に示す三つの場合がある。同図(A)は、
超伝導電流より超伝導電流の方が大きい場合であり、(
B)は超伝導電流と常伝導電流がほぼ等しい場合、(C
)は超伝導電流が常伝導電流より大きい場合である。こ
のいずれの場合にも、エミッタ・コレクタ間電圧■1が
Oでもコレクタ電流を流すことができるという従来のバ
イポーラトランジスタにない特徴を有している。特に,
同図(B)の特性は、出力インピーダンスが極めて大き
く、かつオン抵抗がOという3端子スイッチ素子として
の理想的な特性を示している。実際の素子がこれらのど
の場合に当てはまるかは、超伝導電極7,11の種類、
エミッタ・ベース・コレクタの半導体6,5,8,9.
10の種類及び濃度、及びエミッタ・コレクタ超伝導電
極間の距離、動作温度などで決まるので、使用目的に応
じて設計することができる。 さらにベース半導体領域に超伝導電極を直接接続するこ
とによって、このベース超伝導電極からベース半導体領
域にクーパ一対が侵入する。これによって、ベース中の
多数キャリア(npnバイポーラトランジスタの場合は
正孔)もクーパ一対になり、ベース抵抗を極めて小さく
することができる。 以上述べた構造は、横型、すなわち電流の流れる方向が
、基板面に平行の方向である構造とすることにより,製
造工程が簡素化される。この場合、半導体表面部に横型
バイポーラトランジスタを形成し、そのエミッタ及びコ
レクタ領域の表面部に超伝導電極を形成すればよい。 また、超伝導電極から半導体領域への近接効果が有効に
働くためには、低温で動作した場合にも半導体領域は十
分多数のキャリアを含んでいる必要がある.このために
はフエルミ準位が価電子帯あるいは伝導帯に入り込んだ
縮過半導体であることが望ましい。 なお,本実施例では、低温においても電流利得、すなわ
ち工。/IB(I。はコレクタ電流、TBはベース電流
)、が大きくなるように、ベース8の濃度を禁制帯縮小
効果が生じる程度に高濃度とし、かつエミッタ5の濃度
はベース8の濃度よりも低濃度としている。このような
濃度プロファイルは、「擬似へテロバイポーラトランジ
スタ」としてエクステンデッド・アブストラクト・オブ
・ザ・トエンティース・コンファレンス・オン・ソリッ
ド・ステーツ・デバイセズ・アンド・マテリアルズ、1
988年(Extended Abstracts o
f the 20th Conference on 
Solid State Devices and M
aterials,1988)617頁に発明者等によ
って論じられている。バイポーラトランジスタの電流利
得h2よは再結合電流が十分小さければ次式で表される
. hFg cx< eXP((Eag−Eaa)/(kT
))   (3)ここで、[EaEはエミッタ半導体領
域の禁制帯幅、Eaaはベース半導体領域の禁制帯幅で
ある。通常のホモ接合を用いたバイポーラトランジスタ
では、エミッタ領域がベース領域よりも高濃度に形成さ
れている。エス、エム、セー(S.M.S z e)著
のフィジクス オブ セミコンダクター デバイセズ 
第2版 (Physics of Semicondu
ctorDevices, SECOND EDITI
ON, 1981)の143頁から144頁に記されて
いるように高濃度の半導体では、禁制帯縮小効果によっ
て禁制帯がわずかに小さくなる。ホモ接合のバイポーラ
トランジスタではエミッタにおいて禁制帯幅がベースよ
りも小さくなり、従って(3)式により低温で電流利得
が小さくなってしまう。超伝導トランジスタにおいても
、同様に電流利得は低下してしまう。低温で大きな電流
利得を得るためには、エミッタ半導体領域の禁制帯幅が
ベース半導体領域の禁制帯幅に比べて大きい必要がある
。本実施例の構造では、低濃度エミッタ5の禁制帯が高
濃度ベース8の禁制帯よりも大きいため、エミッタから
ベースへ電子は注スしやすく、ベースからエミッタヘ正
孔は逆注入しにくい.すなわち注入効率が高い。発明者
らはバイポーラ型超伝導トランジスタにおいてもこの構
造によって十分大きな電流利得を得ることができること
を見出した。具体的には、半導体としてシリコンを用い
た場合には、高濃度エミッタ6は5 X 1 0”/■
3以上の濃度、低濃度エミッタ5はI X 1 0”/
cxa’程度の濃度,高濃度ベース8は5 X 1 0
”/ C!I1’程度の濃度とすれば良い。この構造で
は、製造工程を簡素化でき,またホモ接合であるからエ
ミッタ・ベース間の再結合電流を小さくすることができ
る。 この実施例のような横型バイポーラトランジスタでは、
低濃度エミッタ5の底面部から下方に向かって電子が注
入されることを防ぐ必要がある.なぜなら第7図に示す
ように下方において注入された電子は、コレクタに到達
するまでの距離が長いため、半導体表面部を再短距離で
流れる場合に比べて動作速度が遅くなってしまうからで
ある。 本実施例ではこの底面部での注入を防ぐため、低?度ベ
ース領域4を設けている。この低濃度p型領域の効果は
、新たに発明者らが発見した以下に述べる効果によるも
のである. 第8図に示すように、n型半導体が二種類の濃度のp型
半導体領域P1+P2に接合を形成している場合を考え
る.この接合に順方向に電圧を印加するとn型領域から
p型領域へ電子が注入される。この電子による電流は次
式で表される。 I1:A1” (kT/q) ” ( μe ntn”
/Pat We1)・exp(ΔEgb■/kT) ・
exp(qV/kT) Iz=A*{kT/q){μe nto”/PB2WB
x)・exp(ΔEgb2/kT) ・exp(qV/
kT) で表される.ここでI、,I,はP1+92に注入され
る電子の電流、A1,A2はそれぞれP1+ p2の面
積、kはボルツマン定数、Tは絶対温度,9は電子の電
荷量、μ。は電子のp型領域中での移動度、niaは禁
制帯縮小効果が無い場合の真性キャリア密度、pi.P
zは領域pi,P2における正孔の密度、W1,W,は
P1+ P2領域の深さ、ΔEll tΔEむはP1t
P2における禁制帯縮小量,■は印加電圧である。従っ
て次式が成り立つ。 I, /I、=(A,/A.)・(pエWt/P2wz
)・eXp{(ΔEl!.−ΔEg1)/kT }  
 (4)p2の電流を21に比べて小さくするには、面
積の比率を小さくすることが一つの手段ではあるが、そ
のほかに右辺第2,第3因子を小さくすることが重要と
なる。室温では指数関数の因子は小さいため,右辺第2
因子が支配的となる。従って,p1の電流をp2に比べ
て小さくするにはfh Wx < P2 Wz という設定を行う必要が有る。すなわち、p2の不純物
濃度を21よりも十分大きくしておけば良い。これに対
して,液体窒素温度等の低温では,式(4)において右
辺の指数関数の因子が支配的となる。p2の電流を小さ
くするには ΔEgz <八Egt とする必要が有り,禁制帯縮小が不純物濃度の単調増加
関数であることを考慮すると P2< 21 という設定をする必要がある.すなわち,室温とまった
く反対にp2の濃度をp1よりも小さくしておく必要が
ある。しかも、式(4)によりこの効果は指数関数的依
存性を持つので、この方法により低温ではI./I.と
いう比を極めて小さくすることが可能となる。このこと
は従来知られていなかったことであり,発明者により明
らかにされたことである。 このn型半導体領域をエミッタ領域5に対応させ,p1
を高濃度ベース領域8、P2を低濃度ベース領域4に対
応させれば、電子の電流はほとんど全て高濃度ベース8
に注入されることは明らかである。すなわち低濃度ベー
スによってエミッタ底面部をおおうことによって,エミ
ッタ底面部への注入を極めて小さくすることができる。 この実施例のバイポーラ型超伝導トランジスタではクー
パ一対の流れる方向が,基板面にたいして水平の方向に
流れる構造の例を示したが、基板面に対して垂直あるい
は斜めの方向に流れる構造も同様の動作原理にもとつい
て作製することができる。 バイボーラ型超伝導トランジスタは、第6図に示したよ
うにコレクタ・エミッタ間の電圧が0の条件でも正常動
作する必要がある。コレクタ・エミッタ間の電圧がOの
時には、ベース・エミッタ間のpn接合とベース・コレ
クタ間のpn接合が同時に順方向に電圧が印加されてい
るので,ベース・コレクタ間接合の注入効率も十分高い
ことが必要となる。すなわちコレクタからベースへ電子
の電流は注入しやすく.ベースからコレクタへの正孔の
電流は注入しにくい必要がある。このために、本実施例
では、ベース・コレクタの接合部にベース・エミッタの
接合と同様に低濃度コレクタ領域9を有する構造とした
。これによって,上記したベース・エミッタ間の場合と
同様に,ベースからコレクタへの正孔の注入を抑制する
ことができる.具体的には、低濃度コレクタ領域9は1
×10”/13程度の濃度に設定する。 また、このバイポーラ型超伝導トランジスタは超伝導現
象が生じる低温で動作するので.高濃度エミッタ6、低
濃度エミッタ5,高濃度ベース8,低濃度コレクタ9、
高濃度コレクタ10はキャリアの凍結が生じない程度に
高濃度にしておいた方が良い。半導体としてシリコンを
用いた場合には3 X 1 01″/!3以上の濃度に
設定することによってキャリアの凍結を回避できるので
これ以上の濃度で,濃度の高低を設定することが望まし
い。 本実施例のバイポーラ型超伝導トランジス久のコレクタ
電流が流れ始めるしきい値電圧のばらつきは、電界効果
型超伝導トランジスタに比べて、極めて小く、特に低温
で動作させるとさらに小さくなる。これは、ベース中に
多数キャリアたる正孔が多数存在するため,ベース中は
遮蔽効果によって、中性になっている。従って、コレク
タ電圧が変動してもしきい値はほとんど変化しない。し
きい値ばらつきは、[超高速パイポーラ・デバイス」(
培風館、1985年)54頁に記載してあるように、次
式で表される. ΔVaie ;− (kT/q) (ΔAg/Ag)こ
こで,ΔVBECはしきい値の変化、kはボルッマン定
数,Tは絶対温度、9は電子の電荷量、ΔARはエミッ
タ面積の変化、AEはエミッタ面積である。温度が4.
2Kの場合に,エミッタ面積のばらつきΔ昂/篩が10
%であると仮定するとΔVBやは0.036mVとなる
.これは電界効果型トランジスタのしきい値ばらつき1
00mVにくらべて3桁以上小さい。また超伝導電極の
ギャップ電圧(+!lvから数10mV)に比べても十
分小さいため、IIlvオーダーの微小な論理振幅でも
正常な回路動作が可能になる。 また、本実施例の超伝導型バイポーラトランジスタの電
圧増幅率は、良く知られているように、電界効果型トラ
ンジスタよりも、ずっと大きいので、mVオーダーの微
小な電圧に対してもコレクタ電流を大幅に変化させるこ
とができる。特に、低温で動作させるとこの電圧増幅率
は、極めて大きくなる。なぜなら、電圧増幅の目安とな
るトランスコンダクタンスg.は次式で表され、絶対温
度に反比例する。 g rn =qIc/ (kT) ここで工。は、コレクタ電流である。従って、温度が4
.2Kにおいて、コレクタ電流として100μA流した
場合のトランスコンダクタンスは、3.65(ジーメン
ス)となる。これは、電界効果型トランジスタの1ヘラ
ンスコンダクタンスが、(これまで発表された最高値に
おいても)ゲート幅10μmにおいて,10mS程度で
あることを考えると2桁以上人きい値である。従って、
mV程度の微小電圧の入力に対しても出力電流の大きな
変化を得ることができる。 p’npバイポーラ型超伝導トランジスタ23も電極に
印加する電圧の極性を反対にするだけで、npnバイボ
ーラ型超伝導トランジスタと同様の動作をする。 npnバイボーラ型超伝導トランジスタとpnpバイポ
ーラ型超伝導トランジスタを同一基板上に作成すれば、
絶縁ゲート型FETを用いたCMOS回路と同様に、低
消費電力で高速の論理回路が実現できる。 実施例2 第2図には、本発明による第二の実施例を示す。 真性のInP基板24の表面部にバイポーラ型超伝導型
トランジスタが形成されている。28は工ミッタ超伝導
電極、27は高不純物濃度のI n G a A sに
よるエミッタ高不純物濃度n型領域であり5 X 1 
0”/cxn3程度の濃度、26はInPによるエミッ
タ低不純物濃度n型領域であり5 X l O”/CI
l13程度の濃度、29はI nGaAsによるベース
高不純物濃度p型領域でありI X 1 019/ロ3
程度の濃度、30はInPによる低不純物濃度n型コレ
クタ領域であり5 X 1 0”/an3程度の濃度、
31はI nGaAsによる高不純物濃度n型コレクタ
領域であり5 X 1 0” / ex’程度の濃度と
する、32はコレクタ超伝導電極、25は素子間分離の
S i O.膜である。 InPの禁制帯幅は1.27eV,InGaAsの禁制
帯幅は0.75であるので,本実施例のバイボーラ型超
伝導トランジスタでも,第1の実施例と同じくベース領
域29の禁制帯幅がエミッタ26及びコレクタ30の禁
制帯幅よりも小さくなっており、式(3)によって大き
な電流利得を得ることが出来、正常な動作が出来る.I
nP,InGaAs共に電子の有効質量が小さいため、
高速に動作可能である(InPは0.067mo+ I
nGaAsは0.03m。である。ここでm。は真空中
の電子の質量)。また、超伝導近接効果による半導体へ
のクーパ一対の侵入は、有効質量が小さい方が深く侵入
し,従って超伝導電流も大きくなることが知られいる。 この点でも有効質量の小さい材料は超伝導トランジスタ
の動作には適している。 本実施例のバイボーラ型超伝導トランジスタにおいても
第1の実施例と全く同様な特徴を有する。 すなわち、コレクタ・エミッタ間に電圧を印加すること
なしに、抵抗Oのコレクタ電流を流すことが出来る。ま
た、しきい電圧のばらつきが小さく、トランスコンダク
タンスが大きいので低振幅動作に適する。 実施例3 第3図には本発明によるバイポーラ型超伝導バイポーラ
トランジスタの第3の実施例を示す。 MgO基板34の上にn導電型の酸化物超伝導体である
N et2−,c eXc u O,によるコレクタ超
伝導電極35が形成されている。コレクタ半導体領域 36はNd,,xCexcuOyを酸化したn型半導体
を用いる。n導電型の酸化物超伝導体であるNd,)(
CezcuOyは、酸化することによりn型の半導体と
なる。このコレクタ半導体領域はコレクタ超伝導電極と
ほぼ同一の格子定数を持つため容易にエビタキシャル成
長させることが出来る。 ベース半導体領域37はp導電型酸化物超伝導体である
TIBa3Ca,Cu.oyを窒素雰囲気で還元したp
型半導体を用いる。p導電型酸化物超伝導体は還元する
ことによりp型半導体となる。エミッタ半導体領域38
はコレクタと同じくN d,−xce)(CuOyを酸
化したn型半導体を用いる。また、エミッタ超伝導電極
は N d,,−xc exc u Oyを用いる。 このバイポーラ型超伝導トランジスタの動作は、基板面
に垂直な方向に電流が流れることを除いては第1及び第
2の実施例と基本的には同じであり、同じ特徴を有する
。 この実施例ではCuの酸化物による超伝導体及びこれを
酸化あるいは還元した半導体を用いているため、格子定
数がほぼ一致しており、超伝導電極、半導体活性領域の
両方をエビタキシアル成長出来るという特徴がある。さ
らに、これらの酸化あるいは還元した半導体領域の厚さ
は、酸化・還元の時間、雰囲気によって精密に制御でき
るため、極めてベース幅の薄いバイポーラトランジスタ
が作成出来、高速化に適する。 また、このような酸化物超伝導体を用いることによって
金属超伝導体に比べ高い温度での動作が可能になる点も
本実施例の特徴である。 本実施例ではn導電型酸化物超伝導体としてN dx−
Xc e)(C u O,を例レこ説明したが、これレ
こ換えて上記組成のNdの部分をPr,Pm,Sm,E
u,Gd,Erの群より選ばれた少なくとも一つの元素
によって置き換えたもの、あるいはCeの部分をTh,
Tl,Pb,Biの群より選ばれた少なくと一つの元素
によって置き換えたものであってもよい。さらにn導電
型超伝導体としてNdi−xCexcuOyに換えて、
Ax − x C u O yなる組成であって、Aは
Sr及びCaより選ばれた少なくとも一考,Nは基本結
晶構造が保たれ、2十価よりも大きい酸化数を取りうる
元素であって良く、例えばLay Ce,Pry Nd
,Sm+ Gd,T d + T 1 t P b r
 B i+ Y +  I nよりなる群より選ばれた
少なくとも一考よりなることを特徴とする酸化物超伝導
体を用いても本発明の目的を達することが出来る。さら
に、A1−)(C u Oyなる組成であって、AはS
r及びCaより選ばれた少なくとも一考,Nは基本結晶
構造が保たれ、2+価よりも大きい酸化数を取りうる元
素であって良く、例えばLa,Ce,Pr,Nd,Sm
,Gd,Td,TI,Pb,Bi,Y,Inよりなる群
より選ばれた少なくとも一考よりなることを特徴とする
酸化物超伝導体を用いても本発明の目的を達することが
出来る。 またp導電型Cu酸化物超伝導体としては例えばLa系
のLa1Ba.Cu.O,など、Y系のY,Ba,Cu
,07など,Bi系の B i,S r.Ca,Cu,Oyなど、T1系のT 
I B a 3 C a 2 C u 4 0 yなど
を用いることが出来る. 本実施例はnpnバイボーラ型超伝導トランジスタを例
に説明したが.pnpバイボーラ型超伝導トランジスタ
も同様に構成できる。p型酸化物超伝導帯の方が現時点
では超伝導臨界温度が高いので、pnpパイポーラ型超
伝導トランジスタの方がより高い温度で動作させること
が可能であるという特徴がある。
[Conventional technology 1] Conventionally, high-performance transistors combining superconductors and semiconductors have been developed by T.D.C. Clark et al. in Journal of Applied Physics 5.
Volume 1, page 2736 (Journal of Applied
Physics, vol. 51, p. 2736,
1980) is known. In this transistor, a superconducting electrode is formed in contact with the source and drain regions of an insulated gate or Schottky junction field effect transistor, and the current flowing between the source and drain is controlled by gate voltage. . Regarding the operating principle of this field-effect superconducting transistor, see, for example, ``Quantum Mechanics and New Technology'' (Baifukan,
1987), as described in detail in Chapter 3, a pair of Coopers intrudes from the superconducting electrodes of the source and drain into the channel region via the source/train region of the semiconductor due to the "superconducting proximity effect". If the carrier density in the channel region is changed by a gate voltage that allows a current to flow with a resistor O between them, this superconducting current also changes, making it possible to operate as a transistor. It has the ability to flow drain current without applying voltage between the source and drain, a feature not found in conventional semiconductor field-effect transistors, making it possible to create high-speed, low-power digital circuits. It is extremely suitable for Problem 1 to be Solved by the Invention The conventional field effect superconducting transistor described above has a problem in that when it is attempted to be used in actual circuit operation, the threshold voltage variation is too large to allow normal operation. In field effect transistors with a gate length of 1 μm or less, the threshold voltage strongly depends on the gate length due to a two-dimensional effect called the short channel effect. This is discussed, for example, in the Physics of Semiconductor Devices 2nd Edition by S.M.Sze.
cs of Se + ai conductor Devi
ces, SECONDEDITION, 1981)
It is discussed in detail on pages 474 to 477. Therefore,
Due to slight variations in gate processing dimensions, the threshold voltage of a transistor can easily vary by about 100 mV. This threshold variation remains the same even in superconducting transistors. Since a typical semiconductor digital circuit operates with a logic amplitude of several volts, the influence of the above-mentioned threshold variation on circuit operation is relatively small. On the other hand, in a circuit using superconducting transistors, the logic amplitude needs to be on the order of mV to several tens of mV, and this threshold fluctuation makes it impossible for the circuit to operate normally. The reason why the logic amplitude in a superconducting transistor must be on the order of mV to several tens of mV will be explained below. In order for a superconducting transistor to have a significant difference from a transistor that uses a normal conduction mechanism using semiconductors (hereinafter referred to as normal conduction), a superconducting current mechanism is required. must be larger than the normal conduction current IN. Let's find the conditions for this below. The normal conduction current IN is expressed by the following equation according to Ohm's law. IN ” Vsn/RH (1) Here. VS
O is the voltage between the source and drain, and RN is the resistance between the source and drain when there is no superconducting electrode. Superconducting current I, as used in Clark's article above. and RN
The following relational expression roughly holds true between them. IaRN-47CΔ/ (2q) (2) Here, Δ is the gap energy of the superconducting electrode, and 9 is the amount of charge of the electron. By eliminating RN from (1) and (2), we obtain the following equation. I, /IN- 2πΔ/ (qVsn) I, /IN-
6.3Δ/ (qvmo) From now on, in order to make the superconducting current sufficiently larger than the normal current, that is, ■. >> It can be seen that for , it is necessary that VSO ~ Δ/q. Therefore, it is necessary to set the voltage between the drain and source to about the gap voltage Δ/9 of the superconducting electrode. From this, it is necessary to make the logic amplitude in the digital circuit approximately equal to the gap voltage Δ/q. Since the gap voltage Δ/9 of a superconductor is on the order of mV to several tens of mV (for example, 1.2 mV for lead PB, 1.2 mV for niobium N
The logic amplitude is required to be on the order of mV to several tens of mV. Therefore, it is clear that the circuit cannot operate normally due to the above-mentioned variations in threshold voltage. Another problem with conventional field-effect superconducting transistors is that their amplification factors are extremely small. As described above, in a circuit using a field effect type superconducting transistor, the logic amplitude needs to be on the order of mV to several tens of mV. However, in field effect transistors,
Even when such a small signal is applied as an input to the gate electrode, the number of carriers in the channel changes very little. Therefore, the change in drain current becomes extremely small.An object of the present invention is to provide a superconducting transistor that has small variations in threshold value and a large amplification factor, so that it can operate at high performance. . [Means for Solving the Problems 1] In order to achieve the above object, the present invention provides an active method in which carriers of the opposite conductivity type exist at the same location on the path of the main current, the density of which is higher than that of the carriers carrying the main current. contacting superconducting electrodes to the emitter and collector regions of a transistor having regions, i.e., a bipolar transistor;
It consists of a superconducting transistor. Furthermore, since the superconducting transistor can conduct current with a resistance of O, the distance between the superconducting electrodes is set to be less than or equal to the coherence length of the superconductor. Furthermore, the forbidden band width of the emitter semiconductor is made larger than that of the base semiconductor so that the piebola transistor can operate normally with a high current gain even at low temperatures where a superconducting state occurs. Furthermore, the recombination current is small even at low temperatures, and in order to use a homojunction as a semiconductor material, the impurity concentration in the base is made higher than that in the emitter. Furthermore, in order to reduce the base resistance to O, the superconducting electrode that controls the potential of the base semiconductor region is structured to be in direct contact with the base semiconductor region. Furthermore, in order to simplify the manufacturing process and create a structure suitable for high integration, the direction in which current flows is parallel to the semiconductor substrate. Furthermore, since the proximity effect from the superconducting electrode to the semiconductor works effectively even at low temperatures, the semiconductor region in the current path of the bibolar superconducting transistor is made of a degenerate semiconductor. Furthermore, in order to ensure that the current path of the bipolar superconducting transistor passes over a short distance between the emitter and collector, a lightly doped base region is provided in the other region. In order to realize high-speed logic circuits with even lower power consumption, np
An n bipolar superconducting transistor and a pnp bipolar superconducting transistor are fabricated on the same substrate. In addition, in order to enable operation at relatively high temperatures and realize a vertical bipolar transistor using epitaxial growth, we used an oxide superconductor containing Cu as the superconductor, and oxidized the oxide superconductor. Alternatively, the bipolar transistor of the present invention is formed in a reduced semiconductor region. [Effect 1] In a bipolar transistor, when a superconducting electrode is connected to the emitter and collector semiconductor regions, a pair of Coopers invades the base region via the emitter and collector regions. It's coming. By changing the voltage between the base and emitter, the number of minority carriers (the number of electrons in the case of an npn bipolar transistor) in the base can be changed, and therefore transistor operation using superconducting current becomes possible. Since a superconducting current flows between the emitter and collector due to the pair of Coopers, current can flow even if the voltage between the emitter and collector is zero. The variation in the threshold voltage at which the collector current begins to flow in bipolar transistors is extremely small compared to field effect transistors, and becomes even smaller especially when operated at low temperatures. This is because, in a bipolar transistor, a high density of holes exists in the base region, which is the active region, so that the potential of the base is hardly affected by the collector voltage due to the shielding effect. The threshold voltage variation of a bipolar transistor is expressed by the following equation, as described in "Ultra High Speed Bibolar Device" (Baifukan, 1985), p. 54. ΔVsg = - (kT/q) (ΔAg/Ag) (
2) Here, Δvag is the change in threshold, k is Boltzmann's constant, T is the absolute temperature, q is the amount of electron charge, Δtrans is the change in emitter area, and 80 is the emitter area. If the temperature is 4.2K and the emitter area variation ΔAg/Ag is 10%, ΔVBE is 0.036mV.
becomes. This is three orders of magnitude smaller than the threshold voltage variation of field effect transistors, which is 100+nV. Furthermore, since it is sufficiently small compared to the gap voltage of a superconducting electrode (mV to several tens of mV), normal circuit operation is possible even with a minute logic amplitude on the order of mV. Furthermore, as is well known, the voltage amplification factor of a bipolar transistor is much larger than that of a field effect transistor, so that the collector current can be changed significantly even with a minute voltage on the order of mV. especially,
When operated at low temperatures, this voltage amplification factor becomes extremely large. This is because transconductance g0, which is a measure of voltage amplification, is expressed by the following equation and is inversely proportional to absolute temperature. g yoni 9 ■. /(kT) Here■. is the collector current. Therefore, the temperature is 4
.. At 2K, the transconductance when 100 μA flows as a collector current is 3.63 (Siemens). This value is more than two orders of magnitude larger considering that the transconductance of a field effect transistor is about 10 mS at a gate width of 10 μm (even at the highest value announced so far). Therefore,
A large change in output current can be obtained even with input of a minute voltage on the order of mV. In this way, the problems of conventional field-effect superconducting transistors can be solved by connecting superconducting electrodes to the emitter and collector of bipolar transistors, but it is possible to solve the problems of conventional field-effect superconducting transistors by connecting superconducting electrodes to the emitter and collector of bipolar transistors. The inventor's studies have revealed that, when the present invention is applied to bipolar transistors, there is a problem in that the current gain becomes extremely small at low temperatures. The current gain hPE of the bipolar transistor is expressed by the following equation if the recombination current is sufficiently small. h FE tie- exp {(Eag-Ec+a)/
(kT)) (3) Here, EQE is the forbidden band width of the emitter semiconductor region, and EQg is the forbidden band width of the base semiconductor region. In a normal bipolar transistor using a homojunction, the emitter region is formed with a higher concentration than the base region. S.M.S z e
Physics of Semiconductor Devices, 2nd edition, written by )
ductorDevices, SECOND EDI
TION (1981), pages 143 to 144, in highly concentrated semiconductors, the forbidden band becomes slightly smaller due to the forbidden band reduction effect. In a homojunction bipolar transistor, the forbidden band width at the emitter is smaller than that at the base, and therefore, according to equation (3), the current gain becomes smaller at low temperatures. Even if a superconducting electrode is connected to the emitter/collector, the current gain similarly decreases, so in order to obtain a large current gain at low temperatures, the forbidden band width of the emitter semiconductor region must be equal to the forbidden band width of the base semiconductor region. It needs to be relatively large. To this end, a beta junction may be used in which the emitter and base are made of different semiconductor materials that satisfy this condition. Alternatively, Extended Abstracts of the Twenties. Conference on Solid State Devices and Materials, 1988 (Extended Abstra
ctsof the 20th Conference
nce on Solid StateDevi
ces and Materials, 1988) 61
As discussed by the inventors on page 7,
By making the impurity concentration in the base active region higher than the impurity concentration in the emitter region, and making the concentration in the base active region high enough to produce a band gap reduction effect, it is possible to use a homojunction (junction made of the same material). , a large current gain can be obtained at low temperatures. If this structure is applied to a bipolar superconducting transistor, the manufacturing process can be simplified, and since it is a homojunction, the recombination current between the emitter and base can be reduced. Further, by directly connecting a superconducting electrode to the base semiconductor region, a pair of Coopers penetrates from the base superconducting electrode into the base semiconductor region. As a result, the majority carriers (holes in the case of an npn bipolar transistor) in the base also become a pair of Coopers, making it possible to extremely reduce the base resistance. The manufacturing process is simplified by making the structure described above horizontal, that is, a structure in which the direction of current flow is parallel to the substrate surface. In this case, a lateral bipolar transistor may be formed on the semiconductor surface, and superconducting electrodes may be formed on the surface of its emitter and collector regions. Furthermore, in order for the proximity effect from the superconducting electrode to the semiconductor region to work effectively, the semiconductor region must contain a sufficient number of carriers even when operated at low temperatures. For this purpose, it is desirable to use a degenerate semiconductor in which the Fermi level falls into the valence band or conduction band. Furthermore, in a lateral bipolar transistor, high-speed performance deteriorates due to a current component flowing inside the substrate from the bottom of the emitter and reaching the collector. This is because the current component due to such a current path has a longer distance than the current flowing over a shorter distance, so it effectively acts as if the base width has become longer. In order to prevent this, a barrier layer may be provided on the bottom surface of the emitter. In the case of an npn bipolar superconducting transistor, the bottom of the emitter has a lower concentration of p than the intrinsic base.
By providing a mold layer, it can be used as a barrier layer. This is because the forbidden band is small in a region with high impurity concentration. Therefore, a region with a low impurity concentration has a relatively large forbidden band, which makes it difficult for electron injection to occur. If you create an npn bipolar superconducting transistor and a pnp bipolar superconducting transistor on the same substrate,
A circuit configuration similar to a CMOS circuit using insulated gate FETs is possible, and a high-speed logic circuit with low power consumption can be realized. Furthermore, if an oxide superconductor containing Cu is used as a superconductor and a semiconductor region obtained by oxidizing or reducing the oxide superconductor is used in the bipolar transistor of the present invention, the critical temperature of this superconductor is high. It has the advantage of being able to operate at relatively high temperatures, and because the lattice constants are almost the same, it is easy to form vertical bipolar transistors using epitaxial growth. [Embodiment] An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. 1st
The figure shows a high-performance superconducting transformer according to the present invention? 1 shows a cross-sectional view of a complementary device using a star. 1 is a p-type silicon substrate, 2 is an SiO2 region for isolation between elements, and 3 is an n-type well region. NPN bibolar superconducting transistor 1 in the surface area of the substrate
3 and a pnp bipolar type superconducting transistor 23 are formed. npn bibolar superconducting transistor 1
3 is a p-type low impurity concentration base region 4, a low impurity concentration n
type emitter region 5, high impurity concentration n-type emitter region 6,
Emitter superconducting electrode 7, high impurity concentration p-type base region 8
, a low impurity concentration n-type collector region 9, a high impurity concentration n-type collector region 10. It consists of a collector superconducting electrode 11 and a highly impurity-concentrated p-type polycrystalline silicon external base region 12. The pnp bipolar superconducting transistor 23 includes an n-type low impurity concentration base region 14 , a low impurity concentration p-type emitter region 15 , a high impurity concentration p-type emitter region 16 , an emitter superconducting electrode 17 , and a high impurity concentration n-type base region 18 ,
It consists of a low impurity concentration n-type collector region 19, a high impurity concentration n-type collector region 20, a collector superconducting electrode 21, and a high impurity concentration p-type polycrystalline silicon external base region 22. N-type and p-type impurities include B, As, P, Sb, a
Known impurities such as a can be used. It is particularly suitable to use sb as the n-type impurity because it has a shallow impurity level (approximately 39 meV) and is less susceptible to the effects of carrier freezing. As specific concentration values, in the case of this embodiment using silicon as the semiconductor, the low impurity concentration base regions 4, 1
4 has a concentration of about IX1017/m3, low impurity concentration emitter regions 5 and 15 have a concentration of about 1XIQLs/-3, and high impurity concentration emitter regions 6 and 16 have a concentration of IX1017/m3.
High impurity concentration base region 8 with a concentration of about 0”/cs3
, 18 have a concentration of about 5×1019/an3, and the high impurity concentration polycrystalline silicon external base regions 12 and 22 have I
The concentration of the low impurity concentration collector regions 9 and 19 is about 1 x 1 019/13, and the high impurity concentration collector region 10.20 is I x 1.
The concentration should be approximately 0"/aa'. However, depending on the purpose of use and conditions of use, the concentration may be optimized within the range of 1/10 to 10 times this concentration value. Superconducting electrode As for 7, 11, 17, and 21, any superconducting material can be used in principle, and it goes without saying that materials should be selected depending on the purpose of use.For example, Nb is used here. Nb has a high melting point and is easily compatible with the silicon process.The manufacturing process can be simplified.Other superconductors such as pb and p
alloys of b and intermetallic compounds of Nb, such as NbN, Nb,
It goes without saying that an oxide superconductor such as Ge*N b3A 1 + N b3 S 1 or further containing Cu may be used. Next, we will explain the operation of this bibolar superconducting transistor in np
This will be explained using the n-bibolar type superconducting transistor 13 as an example. First, a case where the voltage between the collector and emitter is 0 will be explained. A pair of Coopers enters the high impurity concentration emitter region 6 and the low impurity concentration emitter region 5 from the emitter superconducting electrode 7 due to the superconducting proximity effect. The proximity effect is described in detail in Chapter 3 of ``Quantum Mechanics and New Technology'' (Baifukan, 1987). Similarly, high impurity concentration collector region 10 and low impurity concentration collector region 9
A pair of Coopers enters from the collector superconducting electrode 11 due to the superconducting proximity effect. However, when the base-emitter voltage VBE is O. A potential pariah in the base region 8 prevents the emitter pair of coopers from reaching the collector. This can be easily understood from the band diagram shown in FIG. 4(A). When a voltage is applied between the emitter and base, as shown in Figure 4(B). The potential barrier of the base region 8 is lowered, and electrons, which are minority carriers, are induced in the base, and these also form a pair of Coopers due to the proximity effect. Therefore, a pair of Cooper current paths is formed between the emitter and the collector, allowing a superconducting current with a resistance of O to flow. Since this superconducting current can be controlled by the potential of the base electrode, transistor operation using superconducting current becomes possible. At this time, it goes without saying that a large number of holes, which are majority carriers, exist in the base. Next, the case where a voltage is applied between the collector and emitter will be explained using Fig. 5. When the base-emitter voltage is 0, no current flows between the collector and emitter due to the barrier effect of the base region 8, as shown in FIG. 5(A). The case where a base-emitter voltage is applied will be explained using FIGS. 5(B) and 5(C). The number of electrons at the collector end 44 of the base is expressed by the following equation. nac=A'eXP((lVBc/kT)=A-exp
[:q(Vsg-Vcg)/kT]=^・exp(qV
gg/kT) ・exp(-qVcg/kT) where A
is a proportionality constant, 9 is an electron charge amount, VBC is a base-collector voltage, VCfE is a collector-emitter voltage, VBE is a base-emitter voltage, k is a Boltzmann constant, and T is an absolute temperature. When VCE is gradually increased from 0, +nBc suddenly decreases exponentially until it reaches volK)kT/9. This becomes extremely small compared to the case where Vo8=O. At this time, the concentration of the Cooper pair at the collector end of the base also decreases rapidly, and the superconducting current becomes extremely small. In this case, since a current due to normal conduction carriers flows, this current due to normal conduction becomes dominant. The current due to normal conduction shows the voltage-current characteristics of a normal bipolar transistor. Based on the above, the current-voltage characteristics of an npn superconducting bipolar transistor are shown in FIG. Superconducting current component 45
(A), (
There are three cases shown in B) (C:). The same figure (A) is
This is the case when the superconducting current is larger than the superconducting current, and (
B) is (C
) is the case where the superconducting current is larger than the normal current. In either case, the transistor has a feature not found in conventional bipolar transistors in that a collector current can flow even if the emitter-collector voltage (1) is O. especially,
The characteristics shown in FIG. 3B show ideal characteristics as a three-terminal switch element, with an extremely large output impedance and an on-resistance of 0. Which of these cases applies to the actual device depends on the type of superconducting electrodes 7 and 11,
Emitter-base-collector semiconductors 6, 5, 8, 9.
It is determined by the type and concentration of 10, the distance between the emitter and collector superconducting electrodes, the operating temperature, etc., and can be designed according to the purpose of use. Further, by directly connecting a superconducting electrode to the base semiconductor region, a pair of Coopers penetrates from the base superconducting electrode into the base semiconductor region. As a result, the majority carriers (holes in the case of an npn bipolar transistor) in the base also form a pair of Coopers, making it possible to extremely reduce the base resistance. The manufacturing process is simplified by making the structure described above horizontal, that is, a structure in which the direction in which the current flows is parallel to the substrate surface. In this case, a lateral bipolar transistor may be formed on the semiconductor surface, and superconducting electrodes may be formed on the surface of its emitter and collector regions. Furthermore, in order for the proximity effect from the superconducting electrode to the semiconductor region to work effectively, the semiconductor region must contain a sufficient number of carriers even when operated at low temperatures. For this purpose, it is desirable to use a degenerate semiconductor in which the Fermi level enters the valence band or conduction band. Note that in this example, the current gain, that is, the current gain, even at low temperatures. /IB (I. is the collector current, TB is the base current), the concentration of the base 8 is set high enough to produce the forbidden band reduction effect, and the concentration of the emitter 5 is set higher than the concentration of the base 8. The concentration is low. Such a concentration profile has been published as a "pseudo-hetero bipolar transistor" in Extended Abstracts of the Twenty-Three Conference on Solid State Devices and Materials, 1
988 (Extended Abstracts o
f the 20th Conference on
Solid State Devices and M
Materials, 1988), page 617, discussed by the inventors. The current gain h2 of a bipolar transistor is expressed by the following equation if the recombination current is sufficiently small. hFg cx< eXP((Eag-Eaa)/(kT
)) (3) Here, [EaE is the forbidden band width of the emitter semiconductor region, and Eaa is the forbidden band width of the base semiconductor region. In a normal bipolar transistor using a homojunction, the emitter region is formed with a higher concentration than the base region. Physics of Semiconductor Devices by S.M.S.
2nd edition (Physics of Semiconductor
ctorDevices, SECOND EDITI
ON, 1981), pages 143 to 144, in highly concentrated semiconductors, the forbidden band becomes slightly smaller due to the forbidden band reduction effect. In a homojunction bipolar transistor, the forbidden band width at the emitter is smaller than that at the base, and therefore, according to equation (3), the current gain becomes smaller at low temperatures. In a superconducting transistor, the current gain similarly decreases. In order to obtain a large current gain at low temperatures, the forbidden band width of the emitter semiconductor region must be larger than that of the base semiconductor region. In the structure of this embodiment, since the forbidden band of the low concentration emitter 5 is larger than the forbidden band of the high concentration base 8, electrons are easily injected from the emitter to the base, and holes are difficult to be injected back from the base to the emitter. In other words, the injection efficiency is high. The inventors have discovered that this structure can provide a sufficiently large current gain even in bipolar superconducting transistors. Specifically, when silicon is used as the semiconductor, the high concentration emitter 6 is 5×10”/■
3 or higher concentration, low concentration emitter 5 is I x 1 0''/
Concentration of cxa', high concentration base 8 is 5 x 1 0
The concentration may be approximately ``/C!I1'. With this structure, the manufacturing process can be simplified, and since it is a homojunction, the recombination current between the emitter and base can be reduced. In a lateral bipolar transistor such as
It is necessary to prevent electrons from being injected downward from the bottom of the low concentration emitter 5. This is because, as shown in Figure 7, electrons injected downward have a long distance to reach the collector, so their operating speed is slower than when they flow over a short distance on the semiconductor surface. . In this example, in order to prevent injection at this bottom part, the temperature is low. A degree base area 4 is provided. The effect of this low concentration p-type region is due to the following effect newly discovered by the inventors. As shown in FIG. 8, consider the case where an n-type semiconductor forms a junction with p-type semiconductor regions P1+P2 having two different concentrations. When a forward voltage is applied to this junction, electrons are injected from the n-type region to the p-type region. The current due to these electrons is expressed by the following equation. I1:A1"(kT/q)" (μe ntn"
/Pat We1)・exp(ΔEgb■/kT)・
exp(qV/kT) Iz=A*{kT/q){μe nto”/PB2WB
x)・exp(ΔEgb2/kT)・exp(qV/
kT). Here, I,,I, is the current of electrons injected into P1+92, A1 and A2 are the areas of P1+p2, respectively, k is Boltzmann's constant, T is the absolute temperature, and 9 is the amount of electron charge, μ. is the electron mobility in the p-type region, nia is the intrinsic carrier density in the absence of the forbidden band reduction effect, and pi. P
z is the hole density in the region pi, P2, W1, W, is the depth of the P1+P2 region, ΔEll tΔE is P1t
The forbidden band reduction amount at P2, ■ is the applied voltage. Therefore, the following formula holds. I, /I, = (A, /A.)・(pWt/P2wz
)・eXp{(ΔEl!.−ΔEg1)/kT }
(4) One way to make the current of p2 smaller than that of 21 is to reduce the area ratio, but it is also important to reduce the second and third factors on the right side. At room temperature, the factor of the exponential function is small, so the second
factor becomes dominant. Therefore, in order to make the current of p1 smaller than that of p2, it is necessary to set fh Wx < P2 Wz. That is, the impurity concentration of p2 should be made sufficiently higher than 21. On the other hand, at low temperatures such as liquid nitrogen temperature, the exponential function factor on the right side of equation (4) becomes dominant. In order to reduce the current of p2, it is necessary to set ΔEgz < 8Egt, and considering that the forbidden band reduction is a monotonically increasing function of impurity concentration, it is necessary to set P2 < 21. That is, it is necessary to keep the concentration of p2 lower than p1, which is exactly the opposite of room temperature. Moreover, since this effect has an exponential dependence according to equation (4), this method allows the I. /I. It is possible to make this ratio extremely small. This was not previously known and was revealed by the inventor. This n-type semiconductor region is made to correspond to the emitter region 5, and p1
If P2 corresponds to the high-concentration base region 8 and P2 corresponds to the low-concentration base region 4, almost all the electron current will flow to the high-concentration base region 8.
It is clear that it is injected into That is, by covering the bottom surface of the emitter with a low concentration base, the amount of injection into the bottom surface of the emitter can be made extremely small. In the bipolar superconducting transistor of this example, an example of a structure in which the flow direction of the pair of coopers is horizontal to the substrate surface is shown, but a structure in which the flow direction is perpendicular or diagonal to the substrate surface also works in the same way. It can be manufactured based on the principle. A bibolar superconducting transistor must operate normally even under the condition that the voltage between the collector and emitter is 0, as shown in FIG. When the collector-emitter voltage is O, a forward voltage is simultaneously applied to the base-emitter pn junction and the base-collector pn junction, so the injection efficiency of the base-collector junction is also sufficiently high. This is necessary. In other words, electron current is easily injected from the collector to the base. It is necessary that it is difficult to inject hole current from the base to the collector. For this reason, in this embodiment, a structure is adopted in which the base-collector junction has a low concentration collector region 9, similar to the base-emitter junction. This makes it possible to suppress hole injection from the base to the collector, similar to the case between the base and emitter described above. Specifically, the low concentration collector region 9 is 1
The concentration is set to approximately ×10”/13. Also, since this bipolar superconducting transistor operates at a low temperature where superconductivity occurs, the high concentration emitter 6, low concentration emitter 5, high concentration base 8, low concentration collector 9,
It is better to keep the concentration of the high concentration collector 10 high enough to prevent freezing of carriers. When silicon is used as the semiconductor, freezing of carriers can be avoided by setting the concentration to 3×101″/!3 or more, so it is desirable to set the concentration higher or lower than this.This implementation The variation in the threshold voltage at which the collector current begins to flow in the bipolar superconducting transistor in this example is extremely small compared to field-effect superconducting transistors, and becomes even smaller when operated at low temperatures. Because there are many holes, which are majority carriers, inside the base, it becomes neutral due to the shielding effect.Therefore, even if the collector voltage fluctuates, the threshold value hardly changes.Threshold dispersion is caused by [ "Ultra-high-speed pipolar device" (
As described on page 54 (Baifukan, 1985), it is expressed by the following formula. ΔVaie ;- (kT/q) (ΔAg/Ag) where ΔVBEC is the change in threshold, k is the Borckmann constant, T is the absolute temperature, 9 is the amount of electron charge, ΔAR is the change in emitter area, and AE is is the emitter area. The temperature is 4.
In the case of 2K, the variation in emitter area ∆/sieve is 10
%, ΔVB is 0.036 mV. This is the threshold variation of field effect transistors1
This is more than three orders of magnitude smaller than 00mV. Furthermore, since it is sufficiently small compared to the gap voltage of the superconducting electrode (+!lv to several tens of mV), normal circuit operation is possible even with a minute logic amplitude on the order of IIlv. In addition, as is well known, the voltage amplification factor of the superconducting bipolar transistor of this example is much larger than that of a field effect transistor, so the collector current can be greatly increased even for a minute voltage on the order of mV. can be changed to In particular, when operated at low temperatures, this voltage amplification factor becomes extremely large. This is because transconductance g. is expressed by the following formula and is inversely proportional to absolute temperature. g rn = qIc/ (kT) here. is the collector current. Therefore, the temperature is 4
.. At 2K, the transconductance when 100 μA flows as a collector current is 3.65 (Siemens). This is a threshold value of more than two orders of magnitude, considering that the 1-Herance conductance of a field effect transistor is about 10 mS (even at the highest value announced so far) at a gate width of 10 μm. Therefore,
A large change in output current can be obtained even with input of a minute voltage on the order of mV. The p'np bipolar superconducting transistor 23 also operates in the same way as the npn bipolar superconducting transistor by simply reversing the polarity of the voltage applied to the electrodes. If you create an npn bipolar superconducting transistor and a pnp bipolar superconducting transistor on the same substrate,
Similar to CMOS circuits using insulated gate FETs, high-speed logic circuits with low power consumption can be realized. Embodiment 2 FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. A bipolar superconducting transistor is formed on the surface of the intrinsic InP substrate 24. 28 is an emitter superconducting electrode, 27 is an emitter high impurity concentration n-type region made of InGaAs with a high impurity concentration, and 5×1
The concentration is about 0"/cxn3, and 26 is the emitter low impurity concentration n-type region made of InP, 5X l O"/CI
The concentration is about 113, and 29 is a base high impurity concentration p-type region made of InGaAs.
30 is a low impurity concentration n-type collector region made of InP and has a concentration of about 5 x 10"/an3,
31 is a highly impurity-concentrated n-type collector region made of InGaAs with a concentration of about 5 x 10''/ex', 32 is a collector superconducting electrode, and 25 is an SiO film for isolation between elements. InP The forbidden band width of the base region 29 is 1.27 eV, and the forbidden band width of InGaAs is 0.75. Therefore, in the bibolar type superconducting transistor of this embodiment, the forbidden band width of the base region 29 is equal to that of the emitter 26 as in the first embodiment. This is smaller than the forbidden band width of the collector 30, and a large current gain can be obtained according to equation (3), allowing normal operation.I
Since the effective mass of electrons is small for both nP and InGaAs,
Can operate at high speed (InP is 0.067mo+I
nGaAs is 0.03m. It is. Here m. is the mass of an electron in vacuum). Furthermore, it is known that the penetration of a pair of Coopers into a semiconductor due to the superconducting proximity effect is deeper when the effective mass is smaller, and therefore the superconducting current becomes larger. In this respect as well, materials with a small effective mass are suitable for the operation of superconducting transistors. The bibolar superconducting transistor of this embodiment also has the same characteristics as the first embodiment. That is, a collector current of resistance O can be caused to flow without applying a voltage between the collector and emitter. In addition, the variation in threshold voltage is small and the transconductance is large, making it suitable for low amplitude operation. Embodiment 3 FIG. 3 shows a third embodiment of a bipolar type superconducting bipolar transistor according to the present invention. A collector superconducting electrode 35 is formed on the MgO substrate 34 by N et2-, c eXc u O, which are n-type oxide superconductors. The collector semiconductor region 36 uses an n-type semiconductor obtained by oxidizing Nd, , xCexcuOy. Nd, which is an n-conductivity type oxide superconductor)
CezcuOy becomes an n-type semiconductor by being oxidized. Since this collector semiconductor region has almost the same lattice constant as the collector superconducting electrode, it can be easily grown epitaxially. The base semiconductor region 37 is made of p-type oxide superconductor such as TIBa3Ca, Cu. p by reducing oy in nitrogen atmosphere
type semiconductor is used. A p-conductivity type oxide superconductor becomes a p-type semiconductor by being reduced. Emitter semiconductor region 38
The collector uses N d, -xce) (CuOy oxidized n-type semiconductor. Also, the emitter superconducting electrode uses N d, -xc exc Oy. The operation of this bipolar superconducting transistor is as follows. It is basically the same as the first and second embodiments, except that the current flows in the direction perpendicular to the substrate surface, and has the same characteristics.In this embodiment, a superconductor made of Cu oxide and Since the oxidized or reduced semiconductor is used, the lattice constants are almost the same, and both the superconducting electrode and the semiconductor active region can be grown epitaxially.Furthermore, these oxidized or reduced semiconductor regions The thickness of the oxide superconductor can be precisely controlled by changing the oxidation/reduction time and atmosphere, making it possible to create bipolar transistors with extremely thin base widths, which are suitable for high-speed operation. Another feature of this example is that it can operate at higher temperatures than superconductors.In this example, Ndx-
Xc e) (Cu
u, Gd, Er replaced by at least one element selected from the group, or Ce part replaced by Th,
It may be replaced with at least one element selected from the group of Tl, Pb, and Bi. Furthermore, in place of Ndi-xCexcuOy as an n-conducting type superconductor,
The composition is Ax − x Cu O y, where A is at least one selected from Sr and Ca, and N is an element that maintains the basic crystal structure and can have an oxidation number higher than 20. For example, Lay Ce, Pry Nd
, Sm+ Gd, T d + T 1 t P b r
The object of the present invention can also be achieved using an oxide superconductor characterized by at least one element selected from the group consisting of B i + Y + I n. Furthermore, the composition is A1-)(C u Oy, where A is S
At least one selected from r and Ca, N may be an element that maintains the basic crystal structure and can have an oxidation number greater than 2+, such as La, Ce, Pr, Nd, Sm.
The object of the present invention can also be achieved using an oxide superconductor characterized by at least one selected from the group consisting of , Gd, Td, TI, Pb, Bi, Y, and In. Examples of the p-conductivity type Cu oxide superconductor include La-based La1Ba. Cu. O, etc., Y-based Y, Ba, Cu
, 07, etc., Bi-based B i,S r. T1-based T such as Ca, Cu, Oy, etc.
I B a 3 C a 2 C u 4 0 y, etc. can be used. This embodiment was explained using an npn bibolar superconducting transistor as an example. A pnp bibolar superconducting transistor can also be constructed in a similar manner. Since the p-type oxide superconducting band currently has a higher superconducting critical temperature, the pnp bipolar superconducting transistor has the characteristic that it can be operated at a higher temperature.

【発明の効果】【Effect of the invention】

本発明のバイポーラ型超伝導トランジスタではエミッタ
・コレクタ間にはクーパ一対による超伝導電流が流れる
ので、エミッタ・コレクタ間の電圧がOでも電流を流す
ことができる。 このような超伝導電流によるトランジスタ動作はコレク
タ・エミッタ間の距離を超伝導電極のコヒーレント長よ
り小さくすることによりはじめて可能となる. またこのバイポーラトランジスタのコレクタ電流が流れ
始めるしきい値電圧のばらつきは,電界効果型超伝導ト
ランジスタに比べて、極めて小く、特に低温で動作させ
るとさらに小さくなる。これはベース領域に多数キャリ
アが存在するためにベース中が電気的に中性となってい
るからである。 電界効果型トランジスタのしきい値ばらつき100mV
にくらべて3桁以上小さいばらつき値が実現出来る。ま
た超伝導電極のギャップ電圧(mVから数10+++V
)に比べても十分小さいため、mVオーダーの微小な論
理振幅でも正常な回路動作が可能になる。 また、本発明のバイポーラ型超伝導トランジスタの電圧
増幅率は、電界効果型トランジスタよりも、2桁以上大
きいのでmVオーダーの微小な電圧に対してもコレクタ
電流を大幅に変化させることができる。 通常のホモ接合(同一材料を用いた接合)を用いたバイ
ポーラトランジスタに本発明を適用すると電流利得が低
温で極めて小さくなってしまうという問題点があるが、
エミッタ半導体領域の禁制帯幅がベース半導体領域の禁
制帯幅に比べて大きい材料を用いれば低温でも大きな電
流利得を実現できる。これには、エミッタとベースにこ
の条件を満たす、異なる半導体材料を用いたヘテロ接合
を用いればよい。電流利得は式(3)に従って温度低下
と共に指数関数的に増加するので、低温での電流利得は
室温では不可能な1000から10’という極めて大き
い値が実現できる。これには.エミッタとベースにこの
条件を満たす、異なる半導体材料を用いたべテロ接合を
用いればよい。 また、エミッタ領域の不純物濃度よりもベース活性領域
の不純物濃度を太きくし、ベース活性領域の濃度はバン
ドギャップ縮小効果が起きる程度に高濃度にすることに
よって、ホモ接合(同一材料による接合)を用いても、
低温で大きな電流利得を得ることができる。この構造を
バイボーラ型超伝導トランジスタに適用するれば、製造
工程を簡素化でき、またホモ接合であるからエミッタ・
ベース間の再結合電流を小さくすることができる。 さらにベース半導体領域に超伝導電極を直接接続するこ
とによって,このベース超伝導電極からベース半導体領
域にクーパ一対が侵入する。これによって、ベース中の
多数キャリア(nρnバイポーラトランジスタの場合は
正孔)もクーパ一対になり、ベース抵抗を極めて小さく
することができる。 さらに横型、すなわち電流の流れる方向が、基板面に平
行の方向である構造とすることにより、製造工程が簡素
化される。 また、超伝導電極から半導体領域への近接効果が有効に
働くためには、低温で動作した場合にも半導体領域は十
分多数のキャリアを含んでいる必要がある。このために
はフェルミ準位が価電子帯あるいは伝導帯に入り込んだ
縮退半導体であることが望ましい.これにより正常動作
が可能となる.また、横型のバイポーラトランジスタで
はエミッタの底面部から基板内部を流れコレクタに達す
る電流成分かにより、高速性能が劣化するが、エミッタ
の底面部に低不純物濃度のバリア層を設けることにより
これを防止できる。 さらに、同一基板上に本発明のnpnパイボーラ型超伝
導トランジスタとpnpバイボーラ型超伝導トランジス
タを形成することにより、CMOS回路と同様な相補型
の回路が実現できるので、低消費電力で、高速の集積回
路が実現できる。 また、超伝導体にCuを含む酸化物超伝導体を用い、か
つ酸化物超伝導体を酸化あるいは還元した半導体領域を
バイポーラトランジスタに用いることにより比較的高温
での動作が可能となり、また、エビタキシアル成長を用
.八だ縦型のバイポーラトランジスタが形成しやすいと
いう利点がある。 従って,本発明を用いた集積回路、計算機、計測器、通
信システムなどの高速化に大きな効果がある。
In the bipolar superconducting transistor of the present invention, a superconducting current flows between the emitter and collector due to the pair of Coopers, so even if the voltage between the emitter and collector is O, a current can flow. Transistor operation using such superconducting current becomes possible only by making the distance between the collector and emitter smaller than the coherence length of the superconducting electrode. Furthermore, the variation in the threshold voltage at which the collector current begins to flow in this bipolar transistor is extremely small compared to that of a field-effect superconducting transistor, and becomes even smaller especially when operated at low temperatures. This is because the base region is electrically neutral due to the presence of majority carriers in the base region. Field effect transistor threshold variation 100mV
It is possible to achieve a variation value that is more than three orders of magnitude smaller than that of the conventional method. Also, the gap voltage of the superconducting electrode (from mV to several tens+++V
), so normal circuit operation is possible even with minute logic amplitudes on the order of mV. Further, the voltage amplification factor of the bipolar superconducting transistor of the present invention is two or more orders of magnitude larger than that of a field effect transistor, so that the collector current can be changed significantly even with a minute voltage on the order of mV. If the present invention is applied to a bipolar transistor using a normal homojunction (junction using the same material), there is a problem that the current gain becomes extremely small at low temperatures.
If a material is used in which the forbidden band width of the emitter semiconductor region is larger than that of the base semiconductor region, a large current gain can be achieved even at low temperatures. For this purpose, a heterojunction may be used in which the emitter and base are made of different semiconductor materials that satisfy this condition. Since the current gain increases exponentially as the temperature decreases according to equation (3), the current gain at low temperatures can achieve an extremely large value of 1000 to 10', which is impossible at room temperature. For this. A beta junction using different semiconductor materials that satisfies this condition for the emitter and base may be used. In addition, by making the impurity concentration in the base active region higher than the impurity concentration in the emitter region and making the concentration in the base active region high enough to produce a band gap reduction effect, a homojunction (junction made of the same material) can be used. Even though
A large current gain can be obtained at low temperatures. If this structure is applied to a bibolar superconducting transistor, the manufacturing process can be simplified, and since it is a homojunction, the emitter
Recombination current between the bases can be reduced. Further, by directly connecting a superconducting electrode to the base semiconductor region, a pair of coopers enters the base semiconductor region from the base superconducting electrode. As a result, the majority carriers (holes in the case of an nρn bipolar transistor) in the base also become a pair of Coopers, and the base resistance can be made extremely small. Furthermore, by adopting a horizontal structure, that is, a structure in which the direction in which current flows is parallel to the substrate surface, the manufacturing process is simplified. Furthermore, in order for the proximity effect from the superconducting electrode to the semiconductor region to work effectively, the semiconductor region must contain a sufficient number of carriers even when operated at low temperatures. For this purpose, it is desirable to have a degenerate semiconductor in which the Fermi level falls into the valence band or conduction band. This allows normal operation. In addition, in horizontal bipolar transistors, high-speed performance deteriorates due to the current component flowing from the bottom of the emitter inside the substrate and reaching the collector, but this can be prevented by providing a barrier layer with a low impurity concentration on the bottom of the emitter. . Furthermore, by forming the npn bibolar superconducting transistor and the pnp bibolar superconducting transistor of the present invention on the same substrate, a complementary circuit similar to a CMOS circuit can be realized, resulting in low power consumption and high-speed integration. The circuit can be realized. In addition, by using an oxide superconductor containing Cu as a superconductor and using a semiconductor region obtained by oxidizing or reducing the oxide superconductor in a bipolar transistor, operation at relatively high temperatures is possible, and in addition, it is possible to operate at relatively high temperatures. Use growth. It has the advantage that it is easy to form an octahedral vertical bipolar transistor. Therefore, there is a great effect on speeding up integrated circuits, computers, measuring instruments, communication systems, etc. using the present invention.

【図面の簡単な説明】 第1図は、本発明による第1の実施例の相補型バイボー
ラ型超伝導トランジスタの断面図、第2図は第2の実施
例のnpnバイボーラ型超伝導トランジスタの断面図、
第3図は第3の実施例のnpnバイポーラが他超伝導ト
ランジスタの断面図、第4図はコレクタ・エミッタ間に
電圧が印加されていない場合の、npnバイボーラ型超
伝導トランジスタのバンド図、第5図はコレクタ・エミ
ッタ間に電圧が印加されている場合の本発明のnpnバ
イポーラ型超伝導トランジスタのバンド図、第6図は本
発明のバイポーラ型超伝導トランジスタの電流電圧特性
を示す図、第7図は横型バイポーラ型超伝導トランジス
タの二種類の電流経路を示す図、第8図はn型半導体に
濃度の異なる2種類のp型半導体が接合を形成している
断面図である。 符号の説明 ■・・・p型シリコンの基板,2・・・素子間の分離用
のSin,領域、3・・・n型ウエル領域,4・・p型
低不純物濃度ベース領域,5・・・低不純物濃度n型エ
ミッタ領域、6・・・高不純物濃度n型エミッタ領域、
7・・エミッタ超伝導電極、8・・・高不純物濃度p型
べ−ス領域、9・・・低不純物濃度n型コレクタ領域、
10・・・高不純物濃度n型コレクタ領域,11・・・
コレクタ超伝導電極、12・・・高不純物濃度p型多結
晶シリコン外部ベース領域,13・・・npnパイポ?
ラ型超伝導トランジスタ,14・・・n型低不純物濃度
ベース領域、15・・・低不純物濃度p型エミッタ領域
,16・・・高不純物濃度p型エミッタ領域,17・・
・エミッタ超伝導電極,18・・・高不純物濃度n型ベ
ース領域,19・・・低不純物濃度n型コレクタ領域、
20・・・高不純物濃度n型コレクタ領域、21・・・
コレクタ超伝導電極,22・・・高不純物濃度p型多結
晶シリコン外部ベース領域,23・・・pnpバイボー
ラ型超伝導トランジスタ,24・・・InP基板,25
・・・素子間の分離用のSiO■領域、26・・・In
Pによるエミッタ低不純物濃度n型領域,27・・・高
不純物濃度のI n G a A sによるエミッタ高
不純物濃度n型領域、28・・・エミッタ超伝導電極、
29・・・I n G a A sによるベース高不純
物濃度p型領域、30・・・InPによる低不純物濃度
n型コレクタ領域、31・・・I n G a A s
による高不純物濃度n型コレクタ領域、32・・・コレ
クタ超伝導電極、33・・・ベース超伝導電極、34・
・MgO基板、35・・・n導電型の酸化物超伝導体で
あるN d.).C eXC u O,によるコレクタ
超伝導電極、3 6 ”’ N d 2−xC e x
C u O,を酸化したn型半導体によるコレクタ半導
体領域、37・・・p導電型酸化物超伝導体であるTI
Ba.Ca2Cu40yを還元したp型半導体によるベ
ース半導体領域、3 8 ・= N d 2 − X 
C e x C u O yを酸化したn型半導体によ
るエミッタ半導体領域、39・・・Nd,)(CexC
uOyのエミッタ超伝導電極。 40・・・正孔、41・・電子、42・・・伝導帯,4
3・・・価電子帯、44・・ベースのコレクタ端、45
・・・超伝導電流成分。 jQ’− (2?) ll 4ρ 第乙濃 いり コレ7ク エこフタr:Ia反
[BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS] FIG. 1 is a cross-sectional view of a complementary bibolar superconducting transistor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of an npn bibolar superconducting transistor of a second embodiment. figure,
Figure 3 is a cross-sectional view of the npn bipolar superconducting transistor of the third embodiment, and Figure 4 is a band diagram of the npn bipolar superconducting transistor when no voltage is applied between the collector and emitter. Figure 5 is a band diagram of the npn bipolar superconducting transistor of the present invention when a voltage is applied between the collector and emitter, and Figure 6 is a diagram showing the current-voltage characteristics of the bipolar superconducting transistor of the present invention. FIG. 7 is a diagram showing two types of current paths in a lateral bipolar superconducting transistor, and FIG. 8 is a cross-sectional view showing a junction between an n-type semiconductor and two types of p-type semiconductors having different concentrations. Explanation of symbols■...p-type silicon substrate, 2...Sin region for isolation between elements, 3...n-type well region, 4...p-type low impurity concentration base region, 5...・Low impurity concentration n-type emitter region, 6... High impurity concentration n-type emitter region,
7...Emitter superconducting electrode, 8...High impurity concentration p-type base region, 9...Low impurity concentration n-type collector region,
10... High impurity concentration n-type collector region, 11...
Collector superconducting electrode, 12...high impurity concentration p-type polycrystalline silicon external base region, 13...npn pipo?
R-type superconducting transistor, 14... n-type low impurity concentration base region, 15... low impurity concentration p-type emitter region, 16... high impurity concentration p-type emitter region, 17...
- Emitter superconducting electrode, 18... High impurity concentration n-type base region, 19... Low impurity concentration n-type collector region,
20...High impurity concentration n-type collector region, 21...
Collector superconducting electrode, 22... High impurity concentration p-type polycrystalline silicon external base region, 23... pnp bibolar superconducting transistor, 24... InP substrate, 25
...SiO■ region for isolation between elements, 26...In
Emitter low impurity concentration n-type region formed by P, 27... Emitter high impurity concentration n-type region formed by InGaAs with high impurity concentration, 28... Emitter superconducting electrode,
29...Base high impurity concentration p-type region made of InGaS, 30...Low impurity concentration n-type collector region made of InP, 31...InGaAs
High impurity concentration n-type collector region, 32... Collector superconducting electrode, 33... Base superconducting electrode, 34...
・MgO substrate, 35... N d. which is an n-conductivity type oxide superconductor. ). Collector superconducting electrode by C eXC u O, 3 6 ''' N d 2-xC e x
Collector semiconductor region made of an n-type semiconductor obtained by oxidizing C u O, 37...TI which is a p-conductivity type oxide superconductor
Ba. Base semiconductor region made of p-type semiconductor reduced Ca2Cu40y, 3 8 ・= N d 2 − X
Emitter semiconductor region made of n-type semiconductor obtained by oxidizing CexCuOy, 39...Nd,) (CexC
uOy emitter superconducting electrode. 40...hole, 41...electron, 42...conduction band, 4
3...Valence band, 44...Collector end of base, 45
...Superconducting current component. jQ'- (2?) ll 4ρ 1st otsu dark rikore 7ku ekofuta r: Ia anti

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、第1の超伝導電極から半導体領域を経由して第2の
超伝導電極に達する超伝導電流を第3の電極の電位を変
えることによって制御する超伝導トランジスタにおいて
、超伝導電流の経路の少なくとも一部の領域に、超伝導
電流のキャリア密度よりも高密度の反対導電型のキャリ
アが存在することを特徴とする半導体装置。 2、第1導電型半導体からなるコレクタ領域、該コレク
タ領域に接続された第2導電型半導体からなるベース領
域および、該ベース領域に接続された第1導電型半導体
からなるエミッタ領域とを含むバイポーラトランジスタ
において、エミッタ領域、及び、コレクタ領域に超伝導
電極が接続されており、ベース中の少数キャリア数を変
化させることによって、コレクタ・エミッタ間の超伝導
電流を制御することを特徴とする半導体装置。 3、上記エミッタに接続された超伝導電極から半導体領
域に侵入するコヒーレント長と、コレクタに接続された
超伝導電極から半導体領域に侵入するコヒーレント長の
和が、これらの超伝導電極間の距離に比べて長いことを
特徴とする請求項2記載の半導体装置。 4、上記エミッタ半導体領域の少なくとも一部の領域の
禁制帯幅が、ベース半導体領域の少なくとも一部の領域
の禁制帯幅よりも大きいことを特徴とする請求項2記載
の半導体装置。 5、上記ベース半導体領域の禁制帯幅が、エミッタ半導
体領域の禁制帯幅よりも小さく、かつコレクタ半導体領
域の禁制帯幅よりも小さいことを特徴とする請求項2記
載の半導体装置。 6、上記エミッタ領域中の少なくとも一部の領域の第1
導電型の不純物濃度が活性ベース中の第2導電型不純物
濃度の最大値より低い値に設定されていることを特徴と
する請求項2記載の半導体装置。 7、上記エミッタ領域とベース領域が第1及び第2導電
型の不純物を除いて実質的に同一半導体材料によって形
成されていることを特徴とする請求項6記載の半導体装
置。 8、該ベース半導体に直接接した超伝導体からなるベー
ス電極を有することを特徴とする請求項2記載の半導体
装置。 9、請求項1記載の半導体装置において第一半導体領域
から第3半導体領域に流れる電流が半導体基板表面に平
行あるいはそれに近い方向であることを特徴とする半導
体装置。 10、請求項1記載の半導体装置において第1半導体領
域から第3半導体領域に流れる電流の経路上において、
不純物濃度が、半導体材料及び不純物種によって決まる
モット転移濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置
。 11、第1導電型の半導体領域から第2導電型の半導体
領域へのキャリアの注入を少なくとも行う半導体装置に
おいて、該第2導電型半導体領域が少なくとも低不純物
濃度の第1領域と高不純物濃度の第2領域を有し、低温
では第1領域より第2領域へのキャリアの注入量が多い
ことを利用した半導体装置。 12、請求項2記載のバイポーラトランジスタにおいて
第1導電型のエミッタの周辺部の少なくとも一部に第2
導電型の高不純物濃度の真性ベース層と第2導電型の低
不純物濃度のキャリア注入バリア層を具備したことを特
徴とする半導体装置。 13、同一基板上に請求項2記載のnpnバイポーラト
ランジスタと請求項2記載のpnpバイポーラトランジ
スタを備えた半導体装置。 14、請求項2記載のバイポーラトランジスタにおいて
超伝導電極がCuを含む酸化物超伝導体からなり、かつ
半導体領域の少なくとも一部がCuを含む酸化物超伝導
体を酸化あるいは還元した領域からなることを特徴とす
る半導体装置。 15、請求項2記載のバイポーラトランジスタにおいて
半導体領域の少なくとも一部に、n導電型の酸化物超伝
導体を酸化して形成した半導体領域を用いることを特徴
とする半導体装置。
[Claims] 1. A superconducting transistor in which a superconducting current reaching a second superconducting electrode from a first superconducting electrode via a semiconductor region is controlled by changing the potential of a third electrode, A semiconductor device characterized in that carriers of the opposite conductivity type exist at a higher density than the carrier density of the superconducting current in at least a part of the path of the superconducting current. 2. A bipolar device including a collector region made of a first conductivity type semiconductor, a base region made of a second conductivity type semiconductor connected to the collector region, and an emitter region made of a first conductivity type semiconductor connected to the base region. A semiconductor device characterized in that, in a transistor, a superconducting electrode is connected to an emitter region and a collector region, and a superconducting current between the collector and emitter is controlled by changing the number of minority carriers in the base. . 3. The distance between these superconducting electrodes is the sum of the coherent length that penetrates into the semiconductor region from the superconducting electrode connected to the emitter and the coherent length that penetrates into the semiconductor region from the superconducting electrode connected to the collector. 3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the semiconductor device is relatively long. 4. The semiconductor device according to claim 2, wherein the forbidden band width of at least a part of the emitter semiconductor region is larger than the forbidden band width of at least a part of the base semiconductor region. 5. The semiconductor device according to claim 2, wherein the forbidden band width of the base semiconductor region is smaller than the forbidden band width of the emitter semiconductor region and smaller than the forbidden band width of the collector semiconductor region. 6. The first part of at least a part of the emitter region
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the conductivity type impurity concentration is set to a value lower than the maximum value of the second conductivity type impurity concentration in the active base. 7. The semiconductor device according to claim 6, wherein the emitter region and the base region are formed of substantially the same semiconductor material except for impurities of the first and second conductivity types. 8. The semiconductor device according to claim 2, further comprising a base electrode made of a superconductor that is in direct contact with the base semiconductor. 9. The semiconductor device according to claim 1, wherein the current flowing from the first semiconductor region to the third semiconductor region is parallel to or close to the surface of the semiconductor substrate. 10. In the semiconductor device according to claim 1, on the path of current flowing from the first semiconductor region to the third semiconductor region,
A semiconductor device characterized in that the impurity concentration is higher than the Mott transition concentration determined by the semiconductor material and the impurity species. 11. In a semiconductor device in which carriers are at least injected from a semiconductor region of a first conductivity type to a semiconductor region of a second conductivity type, the second conductivity type semiconductor region has at least a first region with a low impurity concentration and a first region with a high impurity concentration. A semiconductor device that has a second region and utilizes the fact that at low temperatures, the amount of carriers injected into the second region is larger than that of the first region. 12. In the bipolar transistor according to claim 2, at least a portion of the periphery of the emitter of the first conductivity type is provided with a second
1. A semiconductor device comprising an intrinsic base layer of a conductivity type with a high impurity concentration and a carrier injection barrier layer of a second conductivity type with a low impurity concentration. 13. A semiconductor device comprising the npn bipolar transistor according to claim 2 and the pnp bipolar transistor according to claim 2 on the same substrate. 14. In the bipolar transistor according to claim 2, the superconducting electrode is made of an oxide superconductor containing Cu, and at least a part of the semiconductor region is made of a region obtained by oxidizing or reducing the oxide superconductor containing Cu. A semiconductor device characterized by: 15. A semiconductor device in the bipolar transistor according to claim 2, wherein at least a part of the semiconductor region is formed by oxidizing an n-conductivity type oxide superconductor.
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