JPH03214677A - 超伝導デバイス - Google Patents
超伝導デバイスInfo
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- JPH03214677A JPH03214677A JP2008238A JP823890A JPH03214677A JP H03214677 A JPH03214677 A JP H03214677A JP 2008238 A JP2008238 A JP 2008238A JP 823890 A JP823890 A JP 823890A JP H03214677 A JPH03214677 A JP H03214677A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
［産業上の利用分野】
本発明は、超伝導近接効果（ｐｒｏｘｉｍｊ．ｔｙ ｅ
ｆｆｅｃｔ）によって超伝導体のエネルギーギャップを
制御された形で利用する超伝導デバイスに関するもので
り、特に超伝導システムＬＳＩに用いても好適である。
ｆｆｅｃｔ）によって超伝導体のエネルギーギャップを
制御された形で利用する超伝導デバイスに関するもので
り、特に超伝導システムＬＳＩに用いても好適である。
従来、超伝導体のエネルギーギャップの大きさを平面内
で変化させるためには、異なる大きさのエネルギーギャ
ップを持った超伝導材料を平面内に配置しなければなら
なかった。即ち，複数個の異なる材料からなる超伝導体
を平面内に配置する必要があった。例えば、エネルギー
ギャップの大きさを空間的に変化させて電子デバイスと
して利用するクイテロン（ｑｕｉｔｅｒｏｎ ： ｒ
Ｋ．Ｅ．Ｇｒａｙ＋Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒ ３２ （１９７８） ３９２Ｊ ）と呼
ばれる素子が知られている。これはエネルギーギャップ
の大きさの異なる３つの超伝導体を用いて、超伝導体一
絶縁体一超伝導体一維縁体一超伝導体という２重のジョ
セフソン接合の形を持つデバイスである。通常この素子
は基板上に積層されて構成されていることが多く、平面
内でエネルギーギャップの大きさのことなる超伝導体を
制御性良く配置させることは極めて困難であった。 また、電場を利用して半導体中のキャリア濃度を変化さ
せて、クーパー対のしみだしの深さを制御するジョセフ
ソン電界効果型１一ランジスタ（Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ
ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ：
Ｔ．Ｄ．Ｃｌａｒｋ，ｅｔ ａｌ．， Ｊｏｕｒｎａ
ｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｊｃｓ ５］（１
９８０） ２７３６）が知られている。しかし、これは
エネルギーギャップの大きさの平面内での変化を積極的
に利用したものではない。即ち、半導体中にしみだした
クーパー対の波動関数の重なりを制御するだけのもので
あった。 また従来例では、エネルギーギャップの大きさを平面内
で変化させるためには超伝導体材料そのものを平面内で
制御しなければならなかった。即ち、従来のいかなる超
伝導デバイスも、設計者の意図する通りに平面内で超伝
導のエネルギーギャップを変化させて用いる超伝導デバ
イスを実現できないでいた。 ［発明が解決しようとする課題】 上記のように超伝導体のエネルギーギャップの大きさを
平面内で変化させるためには、異なる大きさのエネルギ
ーギャップを持った超伝導材料を平面的に配置しなけれ
ばならない。しかし、各超伝導材料はそれぞれ固有のエ
ネルギーギャップを持っているので、それらを平面的に
配置したとしてもエネルギーギャップの大きさの平面内
での変化は離散的であり、かつ限られた値しか取れない
という問題があった。 また、超伝導体材料そのものを面内で制御しなければな
らないので、半導体における微細加工技術を応用するこ
とができないという問題があった。 さらに、デバイスを集積化するという観点からのより本
質的な問題点としては、次のようなものがあげられる。 −４＝ １．超伝導体一絶縁体一超伝導体という構造で、超薄膜
絶縁層（厚さ：１−３ｎｍ）を良質で均一にすることが
極めて困難である。実際，膜厚のばらつきを反映して、
ジョセフソン接合ではジョセフソン電流が非常にばらつ
いてしまう。 さらに、絶縁層に生じるビンホールなどのために、超伝
導体間がショー１〜してしまい歩留まりのよいＬＳＩを
形成することが困難である。 ２．現実の絶縁層のポテンシャル障壁は数ｅＶと大きい
のでジョセフソン電流を大きくすることは本質的に困難
である。そのため、ジョセフソン接合を微細にしていく
と電流が流せなくなるために高集積のＬＳＩにしたとき
動作速度が低下して高集積のメリットがなくなるという
欠点が存在する。 本発明の目的は、超伝導のエネルギーギャップが設計者
の意図された様に平面内に設計でき、かつ高集積化に適
したプレーナー構造の超伝導デバイスを提供することに
ある。
で変化させるためには、異なる大きさのエネルギーギャ
ップを持った超伝導材料を平面内に配置しなければなら
なかった。即ち，複数個の異なる材料からなる超伝導体
を平面内に配置する必要があった。例えば、エネルギー
ギャップの大きさを空間的に変化させて電子デバイスと
して利用するクイテロン（ｑｕｉｔｅｒｏｎ ： ｒ
Ｋ．Ｅ．Ｇｒａｙ＋Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒ ３２ （１９７８） ３９２Ｊ ）と呼
ばれる素子が知られている。これはエネルギーギャップ
の大きさの異なる３つの超伝導体を用いて、超伝導体一
絶縁体一超伝導体一維縁体一超伝導体という２重のジョ
セフソン接合の形を持つデバイスである。通常この素子
は基板上に積層されて構成されていることが多く、平面
内でエネルギーギャップの大きさのことなる超伝導体を
制御性良く配置させることは極めて困難であった。 また、電場を利用して半導体中のキャリア濃度を変化さ
せて、クーパー対のしみだしの深さを制御するジョセフ
ソン電界効果型１一ランジスタ（Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ
ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ：
Ｔ．Ｄ．Ｃｌａｒｋ，ｅｔ ａｌ．， Ｊｏｕｒｎａ
ｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｊｃｓ ５］（１
９８０） ２７３６）が知られている。しかし、これは
エネルギーギャップの大きさの平面内での変化を積極的
に利用したものではない。即ち、半導体中にしみだした
クーパー対の波動関数の重なりを制御するだけのもので
あった。 また従来例では、エネルギーギャップの大きさを平面内
で変化させるためには超伝導体材料そのものを平面内で
制御しなければならなかった。即ち、従来のいかなる超
伝導デバイスも、設計者の意図する通りに平面内で超伝
導のエネルギーギャップを変化させて用いる超伝導デバ
イスを実現できないでいた。 ［発明が解決しようとする課題】 上記のように超伝導体のエネルギーギャップの大きさを
平面内で変化させるためには、異なる大きさのエネルギ
ーギャップを持った超伝導材料を平面的に配置しなけれ
ばならない。しかし、各超伝導材料はそれぞれ固有のエ
ネルギーギャップを持っているので、それらを平面的に
配置したとしてもエネルギーギャップの大きさの平面内
での変化は離散的であり、かつ限られた値しか取れない
という問題があった。 また、超伝導体材料そのものを面内で制御しなければな
らないので、半導体における微細加工技術を応用するこ
とができないという問題があった。 さらに、デバイスを集積化するという観点からのより本
質的な問題点としては、次のようなものがあげられる。 −４＝ １．超伝導体一絶縁体一超伝導体という構造で、超薄膜
絶縁層（厚さ：１−３ｎｍ）を良質で均一にすることが
極めて困難である。実際，膜厚のばらつきを反映して、
ジョセフソン接合ではジョセフソン電流が非常にばらつ
いてしまう。 さらに、絶縁層に生じるビンホールなどのために、超伝
導体間がショー１〜してしまい歩留まりのよいＬＳＩを
形成することが困難である。 ２．現実の絶縁層のポテンシャル障壁は数ｅＶと大きい
のでジョセフソン電流を大きくすることは本質的に困難
である。そのため、ジョセフソン接合を微細にしていく
と電流が流せなくなるために高集積のＬＳＩにしたとき
動作速度が低下して高集積のメリットがなくなるという
欠点が存在する。 本発明の目的は、超伝導のエネルギーギャップが設計者
の意図された様に平面内に設計でき、かつ高集積化に適
したプレーナー構造の超伝導デバイスを提供することに
ある。
本発明の原理を第１図に示した基本的な断面構造を用い
て説明する。これは超伝導体材料５の表面に直接または
＃＠総体あるいは半導体へテロ接合を介して半導体領域
を形成したものである。このとき、半導体領域には３つ
の異なる性質を持つ領域１、２、３を作った。また４は
絶縁体障壁または半導体と金属の接触のよってできるシ
ョットキー障壁あるいは半導体１、２、３とへテロ接合
をしているバンドギャップの広い半導体を表す。このよ
うな構造を作ると超伝導近接効果によって、半導体に超
伝導体のクーパー対の一部がしみだして半導体が超伝導
体としての性質を示すようになる。第２図はこのしみだ
しの様子を示したものである。第２図のｘ ＜ Ｏの領
域が超伝導体であり、ｘ ） ａの領域が半導体である
。ａ ＞ ｘ ＞ Ｏの領域は絶縁体障壁またはショッ
ｌ−キー障壁またはへテロ接合による障壁である。縦軸
はエネルギーギャップの大きさあるいはペアポテンシャ
ルの大きさを表している。ΔＳは超伝導体の境界でのエ
ネルギーギャップの大きさであり、境界条件によりバル
クの値よりも小さくなっている。一方、ΔＮは半導体の
境界でのエネルギーギャップの大きさで、超伝導体との
境界から離れるにしたがって、Δ（ｒ）＝ΔＮ−ｅｘｐ
［： （ｘ−ａ）／ξＮ］、 （１）という指数関
数の形で減衰する。ここで，ξＮは半導体内でのコヒー
レンス長であり、ΔＳとΔＮとの関係はｄｅＧｅｎｎｅ
ｓの境界条件、で与えられる。ここで、ＤＳとＤＮはそ
れぞれの内部での電子の拡散係数であり、ＮＳとＮＮは
それぞれの側での電子の状態密度である。上記の（ξＮ
、ＤＮ． ＮＮ）あるいは（ξＮ、ΔＮ）は超伝導体と
接触している半導体の性質によって決まる量である。 したがって、同じ超伝導体を用いても接触させる半導体
の性質を制御すれば、超伝導体化した半導体のエネルギ
ーギャップを制御できる。したがって、半導体１、半導
体２、半導体３で元素組成、不純物の種類若しくは濃度
を変えれば、第３図に示すように各半導体内において（
ξ，、Δ１）、（ξ２、Δ２）、（ξ３、Δ３）は異な
る値をとる。 このとき、各半導体１、２、３において、それぞれ異な
る大きさの有効的なエネルギーギャップをもつことにな
る（第４図）。 次に、第５図で示したような断面構造を考える。 これは第１図の３種類の半導体領域をそれぞれ絶縁体領
域９、１０で分離した構造を持つ。この構造は２重直列
のジョセフソン接合と同じである。 このとき、半導体領域６における有効的なエネルギーギ
ャップの大きさをΔ１、半導体領域７における有効的な
エネルギーギャップの大きさをΔ２、半導体領域８にお
ける有効的なエネルギーギャップの大きさをΔ３とする
。そして、各半導体の性質を制御して、関係式 Δ３くΔ１＋Δ２くΔ２＋Δ３、 （３）を
満足するようにする。端子ＡＢ間を流れる電流を■ΔＢ
、電圧をＶＡＢとし、端子ＢＣ間を流れる電流をＩＢＣ
、電圧をＶＢＣとする。第６図で示したグラフは電流Ｉ
ＢＣ一電圧ＶＢＣ特性である。第６図のグラフａは、入
力電力Ｐ（＝Ｉ八ＢＸＶＡＢ）がゼロの場合の電流工Ｂ
ｃ−電圧ＶＢＣ特性である。第６図のグラフｂは入力電
力Ｐがあるしきい値電力Ｐｃを超えた場合の電流ＩＢＣ
一電圧ＶＢＣ特性である。 したがって、端子ＢＣ間に負荷をつないで、Ｐ＝０の場
合の動作点ｖ１を状態（１）とし、Ｐ ＞ Ｐ ｃの場
合の動作点Ｖ。と状態（０）とすれば、入力電力をＰ＝
ｏからＰ ＞ Ｐ ｃに変えることによって、状態（１
）から状態（０）へスイッチできる。このスイッチング
動作の特徴はジョセフソン接合素子とは異なり、ラッチ
状態にならないので直流的に駆動できることである。こ
れは、従来技術におけるクイテロンと呼ばれるデバイス
に対応するものである。このとき、半導体領域６一絶縁
体領域９一半導体領域７はインジェクター接合と呼ばれ
、半導体領域７一絶縁体領域１０一半導体領域８はアク
セプター接合と呼ばれる。 このようにして、本発明では物性（膜厚、不純物濃度な
ど）を制御しやすい半導体を用いることで、平面内で超
伝導のエネルギーギャップの大きさΔやクーパー対のし
みだしの深さξを設計できる超伝導デバイスを提供でき
る。 以下、本発明を実施例を通してさらに詳しく説明する。
て説明する。これは超伝導体材料５の表面に直接または
＃＠総体あるいは半導体へテロ接合を介して半導体領域
を形成したものである。このとき、半導体領域には３つ
の異なる性質を持つ領域１、２、３を作った。また４は
絶縁体障壁または半導体と金属の接触のよってできるシ
ョットキー障壁あるいは半導体１、２、３とへテロ接合
をしているバンドギャップの広い半導体を表す。このよ
うな構造を作ると超伝導近接効果によって、半導体に超
伝導体のクーパー対の一部がしみだして半導体が超伝導
体としての性質を示すようになる。第２図はこのしみだ
しの様子を示したものである。第２図のｘ ＜ Ｏの領
域が超伝導体であり、ｘ ） ａの領域が半導体である
。ａ ＞ ｘ ＞ Ｏの領域は絶縁体障壁またはショッ
ｌ−キー障壁またはへテロ接合による障壁である。縦軸
はエネルギーギャップの大きさあるいはペアポテンシャ
ルの大きさを表している。ΔＳは超伝導体の境界でのエ
ネルギーギャップの大きさであり、境界条件によりバル
クの値よりも小さくなっている。一方、ΔＮは半導体の
境界でのエネルギーギャップの大きさで、超伝導体との
境界から離れるにしたがって、Δ（ｒ）＝ΔＮ−ｅｘｐ
［： （ｘ−ａ）／ξＮ］、 （１）という指数関
数の形で減衰する。ここで，ξＮは半導体内でのコヒー
レンス長であり、ΔＳとΔＮとの関係はｄｅＧｅｎｎｅ
ｓの境界条件、で与えられる。ここで、ＤＳとＤＮはそ
れぞれの内部での電子の拡散係数であり、ＮＳとＮＮは
それぞれの側での電子の状態密度である。上記の（ξＮ
、ＤＮ． ＮＮ）あるいは（ξＮ、ΔＮ）は超伝導体と
接触している半導体の性質によって決まる量である。 したがって、同じ超伝導体を用いても接触させる半導体
の性質を制御すれば、超伝導体化した半導体のエネルギ
ーギャップを制御できる。したがって、半導体１、半導
体２、半導体３で元素組成、不純物の種類若しくは濃度
を変えれば、第３図に示すように各半導体内において（
ξ，、Δ１）、（ξ２、Δ２）、（ξ３、Δ３）は異な
る値をとる。 このとき、各半導体１、２、３において、それぞれ異な
る大きさの有効的なエネルギーギャップをもつことにな
る（第４図）。 次に、第５図で示したような断面構造を考える。 これは第１図の３種類の半導体領域をそれぞれ絶縁体領
域９、１０で分離した構造を持つ。この構造は２重直列
のジョセフソン接合と同じである。 このとき、半導体領域６における有効的なエネルギーギ
ャップの大きさをΔ１、半導体領域７における有効的な
エネルギーギャップの大きさをΔ２、半導体領域８にお
ける有効的なエネルギーギャップの大きさをΔ３とする
。そして、各半導体の性質を制御して、関係式 Δ３くΔ１＋Δ２くΔ２＋Δ３、 （３）を
満足するようにする。端子ＡＢ間を流れる電流を■ΔＢ
、電圧をＶＡＢとし、端子ＢＣ間を流れる電流をＩＢＣ
、電圧をＶＢＣとする。第６図で示したグラフは電流Ｉ
ＢＣ一電圧ＶＢＣ特性である。第６図のグラフａは、入
力電力Ｐ（＝Ｉ八ＢＸＶＡＢ）がゼロの場合の電流工Ｂ
ｃ−電圧ＶＢＣ特性である。第６図のグラフｂは入力電
力Ｐがあるしきい値電力Ｐｃを超えた場合の電流ＩＢＣ
一電圧ＶＢＣ特性である。 したがって、端子ＢＣ間に負荷をつないで、Ｐ＝０の場
合の動作点ｖ１を状態（１）とし、Ｐ ＞ Ｐ ｃの場
合の動作点Ｖ。と状態（０）とすれば、入力電力をＰ＝
ｏからＰ ＞ Ｐ ｃに変えることによって、状態（１
）から状態（０）へスイッチできる。このスイッチング
動作の特徴はジョセフソン接合素子とは異なり、ラッチ
状態にならないので直流的に駆動できることである。こ
れは、従来技術におけるクイテロンと呼ばれるデバイス
に対応するものである。このとき、半導体領域６一絶縁
体領域９一半導体領域７はインジェクター接合と呼ばれ
、半導体領域７一絶縁体領域１０一半導体領域８はアク
セプター接合と呼ばれる。 このようにして、本発明では物性（膜厚、不純物濃度な
ど）を制御しやすい半導体を用いることで、平面内で超
伝導のエネルギーギャップの大きさΔやクーパー対のし
みだしの深さξを設計できる超伝導デバイスを提供でき
る。 以下、本発明を実施例を通してさらに詳しく説明する。
実施例１
第７図は超伝導近接効果によって超伝導体としての性質
をそなえた半導体を用いて構成したクイテロンである。 不純濃度が１０”’ｃｍ””程度のＮ型Ｓｉ基板１８に
、電気的絶縁分雛領域としてＢを１００ｋｅＶ程度の加
速エネルギーでドーズ量２Ｘ１０１３ｃｍ−２で注入し
てＰ型ウェル領域３５一１１一 ？形成する。このときＰ型ウェル領域３５の厚さは３０
０ｎｍで不純物濃度は１ ０１″ｃ ｍ−３である。 この次に通常のイオン打ち込みによってＡｓを注入し、
ｎ＋領域１３、１４、１５を形成する。イオン打ち込み
の際、イオン打ち込み領域を３つに分け、各領域でＡｓ
の注入量を変える。さらにこのとき、３つの領域は互い
に分離されるようにする。これは通常のリソグラフィー
とエッチング技術を用いて行える。この結果、Ａｓ濃度
が異なり、かつ互いに分離された３つのｎ＋領域１３、
１４、１５ができる。このときの各領域でのＡｓ濃度を
それぞれＮａ．Ｎｂ．Ｎｃとする。たとえば、Ａｓをイ
オン打ち込みやＦＩＢなどにより１３、１４、１５の領
域に５０ｋｅＶの加速エネルギーで、それぞれドーズ量
としてＩＸＩＯ１５ａｍ’−２２Ｘ１０”ｃｍ−２、２
Ｘ１０１ＳＣｍ−２注入し、ＳｉＯ■ギャップによりア
ニールした。このとき、各領域１３、１４、」．５での
ピーク濃度は、それぞれ、 −１２ Ｎａ＝ ５ Ｘ １ ０” ｃ ｍ” Ｎｂ＝ Ｉ Ｘ １ ０２１ｃ ｍ−”Ｎｃ＝ Ｉ Ｘ
１ ０” ｃ ｍ” であった。次に、これらのｎ＋領域を熱酸化してｌｎｍ
程度のＳｉ○２締縁体膜１６で覆い、さらにこの上にＮ
ｂ層１７をスパッタ法で３００ｎｍ形成した。このよう
にして形成されたデバイスをＮｂの超伝導転移温度以下
に冷却すると、Ｎｂ層１７は超伝導体になり、超伝導近
接効果によりｎ十領域にエネルギーギャップがしみだす
。しみだしたエネルギーギャップの大きさは、Ａｓ濃度
Ｎａ． Ｎｂ． Ｎｃに応じてｎ＋領域１３ではΔａ．
ｎ”領域１４ではΔｂ， ｎ＋領域１５では八Ｃとな
る。 しみだしたエネルギーギャップの大きさは、Ａｓ濃度が
大きい程大きくなる。したがって、各ｎ＋領域のＡｓ濃
度が Ｎｃ＜Ｎａ＋Ｎｂ＜Ｎｂ＋Ｎｃ、 （４）
という関係式を満たすようにＡｓ注入量を制御してやれ
ば、各ｎ＋領域にしみだしたエネルギーギャップの大き
さは、 ΔＣ〈Δａ＋ΔｂくΔｂ＋ΔＣ、 （５）
という条件を満足する。上記のＡｓの注入の条件は（４
）式と（５）式で与えられる条件を満足するようにした
ものである。このとき、ｎ＋領域１３とｎ十領域１４を
インジェクター接合とし、ｎ＋領域１４とｎ＋領域１５
をアクセプター接合とすれば、第１７図のデバイスはク
イテロンとなる。 このときの電流一電圧特性は、作用の所で説明したよう
に第６図で与えられる。以上では１つのクイテロンを構
成したが、全く同様にして複数個のクイテロンを同一の
半導体基板上に構成し、システムＬＳＩを作ることもで
きる。 上記の例ではｎ＋領域を用いてクイテロンを構成したが
、Ｎ型Ｓｉ基板の変わりにＰ型Ｓｉ基板を用い、Ｐ型ウ
ェルの代わりにＮ型ウェルを形成１５− し、Ａｓの変わりにＢを注入すれば、全く同様にしてｐ
＋領域を用いてクイテロンを構成することができる．，
Ｂ注大量に関する必要条件は（４）式と同じであり、こ
のときＰ＋領域にしみだしたエネルギーギャップの大き
さは（５）式を満足する。 さらに、上記のＳｉ○２絶縁体膜１６の代わりに、金属
と半導体の接触によってできるショッ１・キー障壁を利
用してもよい。 また上記の例では超伝導体材料としてＮｂを用いたが、
Ｐｂ．Ｓｎ．Ｎｊなどを用いてもよい。 さらには酸化物高温超伝導体材料であるＹＢａ２Ｃｕ，
０７−ＸやＢ １ ２ Ｓ ｒ ２ Ｃ ａ Ｃ ｕ
２ ０ Ｉｌ＋ｘなどを用いても′よい。超伝導体材料
として酸化物高温超伝導体を用いると、本発明を液化窒
素温度あるいはそれ以上の温度領域で用いることができ
るという利点がある。 さらに上記の例ではｎ＋領域を形成するためにＡｓを注
入したが、他の■族元素を用いてもよい。 また、ｐ十領域を形成する場合にホウ素Ｂなどの他の■
族元素を用いてもよい。 ー１６一 特に、超伝導近接効果によりクーパー対のしみだす半導
体領域１３、１４、１５は縮退状態にある半導体を用い
ることが望ましい。フェルミレベルを伝導帯より上に位
置させることにより、多くのクーパー対をしみださせる
ことができる。この点は以下の実施例においても同様で
ある。 実施例２ 第８図は超伝導近接効果によって超伝導体としての性質
をそなえた半導体を用いて構成したクイテロンである。 本実施例の作製は、Ｓｉｎ２絶総体膜２２を形成すると
ころまでは第１の実施例と全く同様である。このＳｉ０
２Ｍ総体膜２２の上にＮｂ層を形成するときに、通常の
リソグラフィーとエッチング技術を用いて、３つのｎ＋
半導体領域１９、２０、２１に対応してＮｂＭを３つの
領域２３、２４、２５に分ける。このとき、３つのＮｂ
層の間には絶縁領域２６、２７を設け、さらにｎ十半導
体領域１９へはＮｂ層２３からのみエネルギーギャップ
がしみだすようにし、ｎ＋半導体領域２０へはＮｂ層２
４からのみエネルギーギャップがしみだすようにし、ｎ
＋半導体領域２１へはＮｂ層２４からのみエネルギーギ
ャップがしみだすようにする。 本実施例と第１の実施例との違いは、各半導体領域に超
伝導近接効果を及ぼす各超伝導体の間のコヒーレンスを
弱くした点にある。 実施例３ 次に化合物半導体を用いて本発明を実施した例を説明す
る。第９図は超伝導近接効果によって超伝導体としての
性質をそなえた半導体を用いて構成したクイテロンであ
る。半絶縁性Ｇ ａ Ａ ｓ基板３４に通常のイオン打
ち込みによってＳｉを注入（加速エネルギー：２５ｋｅ
Ｖ、ドーズ量：５×１ ０’３ｃ ｍ−２） Ｌ／ ｎ
＋領域２９、３１を形成し、さらに通常のイオン打ち込
みによってＢｅを注入（加速エネルギー： ３０ｋｅＶ
、ドーズ量：１×１ ０１″ｃ ｍ−”） Ｌ／ ｐ”
領域３０を形成し、ｎｐｎ接合を作る。これらのｎ＋領
域２９、３１とｐ ４’領域３０の上に通常の方法によ
って高抵抗ＡＩＧａＡｓ膜３２をｌｎｍ程度の厚さで形
成する。そして、この高抵抗Ａ Ｉ Ｇ ａ Ａ ｓ膜
３２の上にＮｂ層３３を形成する。各領域へのＳｉおよ
びＢｅの注入量は、Ｎｂ層３３からｎ十領域２９へしみ
だしたエネルギーギャップの大きさをΔａ、ｐ＋領域３
０へしみだしたエネルギーギャップの大きさをΔｂ．
ｎ＋領域３１へしみだしたエネルギーギャップの大きさ
をΔＣとするとき、条件（５）式を満足するように調節
する。本素子構造においてはｐｎ接合による空乏層が障
壁の役割を果たすので、これはＮｂの超伝導転移温度以
下でクイテロンとして動作する。 上記の例ではｎｐｎ接合を形成したが、ｐｎｐ接合の形
にしてもよい。また、３つの半導体領域の間に絶縁性領
域を形成することによって、全てをｎ十半導体あるいは
Ｐ＋半導体で作ることもできる。さらに、高抵抗Ａ Ｉ
Ｇ ａ Ａ ｓ膜３２の代わりに金属と半導体の接触
によってできるシミットキー障壁を利用してもよい。ま
た、Ｎｂ層を形成するとき、第２の実施例のように３つ
の半導体領域に対応してこのＮｂの領域を３つに分離し
てもよ１９一 い。また、本実施例では化合物半導体としてＧａＡｓを
用いたが、Ｉ ｎＡｓなどの化合物半導体を用いてもよ
い。
をそなえた半導体を用いて構成したクイテロンである。 不純濃度が１０”’ｃｍ””程度のＮ型Ｓｉ基板１８に
、電気的絶縁分雛領域としてＢを１００ｋｅＶ程度の加
速エネルギーでドーズ量２Ｘ１０１３ｃｍ−２で注入し
てＰ型ウェル領域３５一１１一 ？形成する。このときＰ型ウェル領域３５の厚さは３０
０ｎｍで不純物濃度は１ ０１″ｃ ｍ−３である。 この次に通常のイオン打ち込みによってＡｓを注入し、
ｎ＋領域１３、１４、１５を形成する。イオン打ち込み
の際、イオン打ち込み領域を３つに分け、各領域でＡｓ
の注入量を変える。さらにこのとき、３つの領域は互い
に分離されるようにする。これは通常のリソグラフィー
とエッチング技術を用いて行える。この結果、Ａｓ濃度
が異なり、かつ互いに分離された３つのｎ＋領域１３、
１４、１５ができる。このときの各領域でのＡｓ濃度を
それぞれＮａ．Ｎｂ．Ｎｃとする。たとえば、Ａｓをイ
オン打ち込みやＦＩＢなどにより１３、１４、１５の領
域に５０ｋｅＶの加速エネルギーで、それぞれドーズ量
としてＩＸＩＯ１５ａｍ’−２２Ｘ１０”ｃｍ−２、２
Ｘ１０１ＳＣｍ−２注入し、ＳｉＯ■ギャップによりア
ニールした。このとき、各領域１３、１４、」．５での
ピーク濃度は、それぞれ、 −１２ Ｎａ＝ ５ Ｘ １ ０” ｃ ｍ” Ｎｂ＝ Ｉ Ｘ １ ０２１ｃ ｍ−”Ｎｃ＝ Ｉ Ｘ
１ ０” ｃ ｍ” であった。次に、これらのｎ＋領域を熱酸化してｌｎｍ
程度のＳｉ○２締縁体膜１６で覆い、さらにこの上にＮ
ｂ層１７をスパッタ法で３００ｎｍ形成した。このよう
にして形成されたデバイスをＮｂの超伝導転移温度以下
に冷却すると、Ｎｂ層１７は超伝導体になり、超伝導近
接効果によりｎ十領域にエネルギーギャップがしみだす
。しみだしたエネルギーギャップの大きさは、Ａｓ濃度
Ｎａ． Ｎｂ． Ｎｃに応じてｎ＋領域１３ではΔａ．
ｎ”領域１４ではΔｂ， ｎ＋領域１５では八Ｃとな
る。 しみだしたエネルギーギャップの大きさは、Ａｓ濃度が
大きい程大きくなる。したがって、各ｎ＋領域のＡｓ濃
度が Ｎｃ＜Ｎａ＋Ｎｂ＜Ｎｂ＋Ｎｃ、 （４）
という関係式を満たすようにＡｓ注入量を制御してやれ
ば、各ｎ＋領域にしみだしたエネルギーギャップの大き
さは、 ΔＣ〈Δａ＋ΔｂくΔｂ＋ΔＣ、 （５）
という条件を満足する。上記のＡｓの注入の条件は（４
）式と（５）式で与えられる条件を満足するようにした
ものである。このとき、ｎ＋領域１３とｎ十領域１４を
インジェクター接合とし、ｎ＋領域１４とｎ＋領域１５
をアクセプター接合とすれば、第１７図のデバイスはク
イテロンとなる。 このときの電流一電圧特性は、作用の所で説明したよう
に第６図で与えられる。以上では１つのクイテロンを構
成したが、全く同様にして複数個のクイテロンを同一の
半導体基板上に構成し、システムＬＳＩを作ることもで
きる。 上記の例ではｎ＋領域を用いてクイテロンを構成したが
、Ｎ型Ｓｉ基板の変わりにＰ型Ｓｉ基板を用い、Ｐ型ウ
ェルの代わりにＮ型ウェルを形成１５− し、Ａｓの変わりにＢを注入すれば、全く同様にしてｐ
＋領域を用いてクイテロンを構成することができる．，
Ｂ注大量に関する必要条件は（４）式と同じであり、こ
のときＰ＋領域にしみだしたエネルギーギャップの大き
さは（５）式を満足する。 さらに、上記のＳｉ○２絶縁体膜１６の代わりに、金属
と半導体の接触によってできるショッ１・キー障壁を利
用してもよい。 また上記の例では超伝導体材料としてＮｂを用いたが、
Ｐｂ．Ｓｎ．Ｎｊなどを用いてもよい。 さらには酸化物高温超伝導体材料であるＹＢａ２Ｃｕ，
０７−ＸやＢ １ ２ Ｓ ｒ ２ Ｃ ａ Ｃ ｕ
２ ０ Ｉｌ＋ｘなどを用いても′よい。超伝導体材料
として酸化物高温超伝導体を用いると、本発明を液化窒
素温度あるいはそれ以上の温度領域で用いることができ
るという利点がある。 さらに上記の例ではｎ＋領域を形成するためにＡｓを注
入したが、他の■族元素を用いてもよい。 また、ｐ十領域を形成する場合にホウ素Ｂなどの他の■
族元素を用いてもよい。 ー１６一 特に、超伝導近接効果によりクーパー対のしみだす半導
体領域１３、１４、１５は縮退状態にある半導体を用い
ることが望ましい。フェルミレベルを伝導帯より上に位
置させることにより、多くのクーパー対をしみださせる
ことができる。この点は以下の実施例においても同様で
ある。 実施例２ 第８図は超伝導近接効果によって超伝導体としての性質
をそなえた半導体を用いて構成したクイテロンである。 本実施例の作製は、Ｓｉｎ２絶総体膜２２を形成すると
ころまでは第１の実施例と全く同様である。このＳｉ０
２Ｍ総体膜２２の上にＮｂ層を形成するときに、通常の
リソグラフィーとエッチング技術を用いて、３つのｎ＋
半導体領域１９、２０、２１に対応してＮｂＭを３つの
領域２３、２４、２５に分ける。このとき、３つのＮｂ
層の間には絶縁領域２６、２７を設け、さらにｎ十半導
体領域１９へはＮｂ層２３からのみエネルギーギャップ
がしみだすようにし、ｎ＋半導体領域２０へはＮｂ層２
４からのみエネルギーギャップがしみだすようにし、ｎ
＋半導体領域２１へはＮｂ層２４からのみエネルギーギ
ャップがしみだすようにする。 本実施例と第１の実施例との違いは、各半導体領域に超
伝導近接効果を及ぼす各超伝導体の間のコヒーレンスを
弱くした点にある。 実施例３ 次に化合物半導体を用いて本発明を実施した例を説明す
る。第９図は超伝導近接効果によって超伝導体としての
性質をそなえた半導体を用いて構成したクイテロンであ
る。半絶縁性Ｇ ａ Ａ ｓ基板３４に通常のイオン打
ち込みによってＳｉを注入（加速エネルギー：２５ｋｅ
Ｖ、ドーズ量：５×１ ０’３ｃ ｍ−２） Ｌ／ ｎ
＋領域２９、３１を形成し、さらに通常のイオン打ち込
みによってＢｅを注入（加速エネルギー： ３０ｋｅＶ
、ドーズ量：１×１ ０１″ｃ ｍ−”） Ｌ／ ｐ”
領域３０を形成し、ｎｐｎ接合を作る。これらのｎ＋領
域２９、３１とｐ ４’領域３０の上に通常の方法によ
って高抵抗ＡＩＧａＡｓ膜３２をｌｎｍ程度の厚さで形
成する。そして、この高抵抗Ａ Ｉ Ｇ ａ Ａ ｓ膜
３２の上にＮｂ層３３を形成する。各領域へのＳｉおよ
びＢｅの注入量は、Ｎｂ層３３からｎ十領域２９へしみ
だしたエネルギーギャップの大きさをΔａ、ｐ＋領域３
０へしみだしたエネルギーギャップの大きさをΔｂ．
ｎ＋領域３１へしみだしたエネルギーギャップの大きさ
をΔＣとするとき、条件（５）式を満足するように調節
する。本素子構造においてはｐｎ接合による空乏層が障
壁の役割を果たすので、これはＮｂの超伝導転移温度以
下でクイテロンとして動作する。 上記の例ではｎｐｎ接合を形成したが、ｐｎｐ接合の形
にしてもよい。また、３つの半導体領域の間に絶縁性領
域を形成することによって、全てをｎ十半導体あるいは
Ｐ＋半導体で作ることもできる。さらに、高抵抗Ａ Ｉ
Ｇ ａ Ａ ｓ膜３２の代わりに金属と半導体の接触
によってできるシミットキー障壁を利用してもよい。ま
た、Ｎｂ層を形成するとき、第２の実施例のように３つ
の半導体領域に対応してこのＮｂの領域を３つに分離し
てもよ１９一 い。また、本実施例では化合物半導体としてＧａＡｓを
用いたが、Ｉ ｎＡｓなどの化合物半導体を用いてもよ
い。
本発明によれば、超伝導のエネルギーギャップを空間的
に制御した形で用いることができ、これにより電子デバ
イスを構成することができる。さらに、半導体集積化技
術と組合せれば、超伝導システムＬＳＩとしての道も開
ける。
に制御した形で用いることができ、これにより電子デバ
イスを構成することができる。さらに、半導体集積化技
術と組合せれば、超伝導システムＬＳＩとしての道も開
ける。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の基本構造を示す断面図、第２図は超伝
導近接効果を説明する図、第３図は各半導体領域へのエ
ネルギーギャップのしみだしの様子を示す図、第４図は
各半導体領域での有効的なエネルギーギャップの大きさ
を示す図、第５図は本発明の電子デバイスとしての基本
構造を示す図、第６図は第５図で示したデバイスの動作
特性を示す図、第７図は本発明の第１の実施例の断面図
、第８図は本発明の第２の実施例の断面図、第９図は本
発明の第３の実施例の断面図である。 ＝２０− 符号の説明 ］−〜３・・・半導体領域、４・・・絶縁体障壁または
ショットキー障壁、５ 超伝導体領域、６〜８・・・半
導体領域、９、１０・・・絶縁体障壁、１１・・・絶縁
体障壁はたはショッ１・キー障壁、１２・・超伝導体領
域、１３〜１５・・・ｎ十半導体領域、１６・・・Ｓｉ
○２絶縁体膜、１７・・・Ｎｂ層、１８・・・Ｎ型Ｓｉ
基板、１９〜２１・・・ｎ十半導体領域、２２・・・Ｓ
ｉｎ２絶縁体膜、２３〜２５・・・Ｎｂ層、２６．２７
・・・絶縁層、２９、３１・・・ｎ十半導体領域、３０
・・・ｐ十半導体領域、３ ２−・・高抵抗ＡＩＧａＡ
ｓ層、３ ３ ・Ｎ ｂ層、３４・・・半絶縁性Ｇ ａ
Ａ ｓ基板、３５・・・Ｐ型ウェル領域。 ） 一゛ 特開平３ ２１４６７７ （８）
導近接効果を説明する図、第３図は各半導体領域へのエ
ネルギーギャップのしみだしの様子を示す図、第４図は
各半導体領域での有効的なエネルギーギャップの大きさ
を示す図、第５図は本発明の電子デバイスとしての基本
構造を示す図、第６図は第５図で示したデバイスの動作
特性を示す図、第７図は本発明の第１の実施例の断面図
、第８図は本発明の第２の実施例の断面図、第９図は本
発明の第３の実施例の断面図である。 ＝２０− 符号の説明 ］−〜３・・・半導体領域、４・・・絶縁体障壁または
ショットキー障壁、５ 超伝導体領域、６〜８・・・半
導体領域、９、１０・・・絶縁体障壁、１１・・・絶縁
体障壁はたはショッ１・キー障壁、１２・・超伝導体領
域、１３〜１５・・・ｎ十半導体領域、１６・・・Ｓｉ
○２絶縁体膜、１７・・・Ｎｂ層、１８・・・Ｎ型Ｓｉ
基板、１９〜２１・・・ｎ十半導体領域、２２・・・Ｓ
ｉｎ２絶縁体膜、２３〜２５・・・Ｎｂ層、２６．２７
・・・絶縁層、２９、３１・・・ｎ十半導体領域、３０
・・・ｐ十半導体領域、３ ２−・・高抵抗ＡＩＧａＡ
ｓ層、３ ３ ・Ｎ ｂ層、３４・・・半絶縁性Ｇ ａ
Ａ ｓ基板、３５・・・Ｐ型ウェル領域。 ） 一゛ 特開平３ ２１４６７７ （８）
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、複数個の異なる性質を有する半導体から構成される
構造を有する半導体領域近傍に超伝導体領域を形成する
ことにより、上記半導体領域内に状態の異なる複数の超
伝導領域を設けたことを特徴とする超伝導デバイス。 ２、請求項１に記載の超伝導デバイスにおいて、前記半
導体領域と前記超伝導体領域とを第１の絶縁体領域で分
離し、半導体領域に接する超伝導体が絶縁されているこ
とを特徴とする超伝導デバイス。 ３、請求項１もしくは２に記載の超伝導デバイスにおい
て、前記超伝導体領域と前記半導体領域の間に、超伝導
近接効果により超伝導体領域から半導体領域にクーパー
対がしみこむことを許す厚さを持つ第１の絶縁層領域を
設けたことを特徴とする超伝導デバイス。 ４、請求項１もしくは２に記載の超伝導デバイスにおい
て、複数個の異なる性質を有する半導体の間に、半導体
間の準粒子トンネリングを許す厚さを持つ第２の絶縁層
領域を設けたことを特徴とする超伝導デバイス。 ５、請求項４に記載の超伝導デバイスにおいて、前記超
伝導体領域と前記半導体領域の間に、超伝導近接効果に
より超伝導体領域から半導体領域にクーパー対がしみこ
むことを許す厚さを持つ第１の絶縁層領域を設けたこと
を特徴とする超伝導デバイス。 ６、請求項４の超伝導デバイスにおいて、各半導体領域
を常伝導金属で構成したことを特徴とする超伝導デバイ
ス。 ７、請求項１、２、３、４、５もしくは６に記載の超伝
導デバイスを１つの半導体基板上に１つまたは複数個設
けたことを特徴とする超伝導デバイス。 ８、請求項１、２、３、４、５、６もしくは７に記載の
超伝導デバイスにおいて、前記超伝導体領域が酸化物高
温超伝導体であることを超伝導デバイス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008238A JPH03214677A (ja) | 1990-01-19 | 1990-01-19 | 超伝導デバイス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008238A JPH03214677A (ja) | 1990-01-19 | 1990-01-19 | 超伝導デバイス |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03214677A true JPH03214677A (ja) | 1991-09-19 |
Family
ID=11687571
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008238A Pending JPH03214677A (ja) | 1990-01-19 | 1990-01-19 | 超伝導デバイス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03214677A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5760463A (en) * | 1993-09-10 | 1998-06-02 | Fujitsu Limited | Superconducting layer in contact with group III-V semiconductor layer for wiring structure |
-
1990
- 1990-01-19 JP JP2008238A patent/JPH03214677A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5760463A (en) * | 1993-09-10 | 1998-06-02 | Fujitsu Limited | Superconducting layer in contact with group III-V semiconductor layer for wiring structure |
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