JPH02230779A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、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。

【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。

【発明の効果】

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。

【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

Claims (1)

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。