JPH03274773A - 超伝導素子 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は超導電素子にに係り、特に準粒子注入型超伝導
３端子素子に関する。

（従来の技術） 現在まで、超高密度電子素子や超高速電子素子の開発は
、シリコンおよび化合物半導体を中心として進められて
きた。ところで、従来の半導体素子の高密度化と高速化
は、高度の微細加工技術、均質で完全性の高い結晶作製
技術およびシミュレーションを利用した素子設計技術に
より威し遂げられてきた。

しかし、半導体素子の高密度化や高速化などをさらに図
る上で、今後ますます重要になる問題として駆動・動作
発熱が挙げられる。つまり、半導体素子自体の結晶の完
全性や微細加工技術とは別に、半導体素子の駆動・動作
発熱が、高密度化や高速化の限界を与える大きい要因に
なると考えられるからである。

半導体素子など電子素子の駆動・動作発熱の点で、ジョ
セフソン接合素子に代表される超伝導素子は、半導体素
子に比べてすぐれている。しかし、超伝導素子はこれま
でのところ、本格的な実用化の目途は十分立っていると
はいない。その理由は、超伝導材料として金属あるいは
金属間化合物を用いるため酸化され易いこと、ジョセフ
ソン接合素子の場合には、絶縁膜として用いる金属酸化
物の時間的安定性、空間的−様性が得られず、また本質
的に２端子素子であるため使い難いことなどである。

近年、ジョセフソン接合素子の２端子素子という欠点を
解消するものとして、超伝導体と半導体を結合した超伝
導トランジスタが試作されている。

この超伝導トランジスタは、半導体層の一方の面に微少
間隔をもって、対向する一対の超伝導体膜ないし電極（
ソース、ドレイン領域ないし電極）を設け、他方の面に
半導体層内のキャリア濃度分布を制御する電極（ゲート
電極）を設けた構造を成している。

上記構成の超電導トランジスタにおいては、ゲート電極
により、ソース電極およびドレイン電極近傍のキャリア
濃度が減少する方向のバイアスを与えると、ソース、ド
レイン両電極間にはジョセフソン接合が形成されないた
め、ソース、ドレイン両電極間に超伝導電流が流れない
。これがトランジスタのオフ状態である。一方、ゲート
電極によりソース電極およびドレイン電極近傍のキャリ
ア濃度を増大させるバイアスを与えると、ある−定電圧
以上でソース、ドレイン両電極間にジョセフソン接合（
超伝導接合）か形成され、トランジスタはオン状態にな
る。

上記作用ないし現象は、従来厚み方向に対向させていた
ジョセフソン素子の一対の超伝導電極を平面上に展開し
た形とし、その超伝導電極間のキャリア濃度の制御によ
り、超伝導接合を形成するか否かを制御するようにした
ものということができる。しかも、超伝導接合には抵抗
零で電流が流れるから、この超伝導トランジスタはオン
状態では発熱かない。

上記超伝導トランジスタは、３端子素子であるという点
で、従来のジョセフソン素子の欠点を解消しようとする
ものである。しかし、電界効果をその動作原理としてい
るため、制御電圧が大きくなり、電圧利得を得ることが
難しいという問題がある。

前記電界効果とは、異なる動作原理を持つ超伝導３端子
素子として準粒子注入型素子が知られている。この超伝
導３端子素子は、第１９図（ａ）、（ｂ）に断面的に例
示した構造を成している。第１９図（ａ）では、超伝導
体Ｓ１、超伝導体Ｓ２、超伝導体Ｓ３がトンネル絶縁膜
■１、トンネル絶縁膜Ｉ２を介して積層された構造とな
っている。

しかして、注入電極端子２から電流を流し込むと、超伝
導体Ｓ３から超伝導体Ｓ２へ準粒子が注入され、超伝導
体Ｓ２の超伝導ギャップが減少し、超伝導体Ｓ１７トン
ネル絶縁膜１１／超伝導体Ｓ２接合の電流−電圧特性が
変化する。換言すれば、超伝導体Ｓ１、トンネル絶縁膜
１１、超伝導体Ｓ２で構成されるジョセフソン接合の特
性を外部電流で変化させることができ、超伝導３端子素
子として動作する。

第１９図（ｂ）の場合には、超伝導体Ｓ３に代えて金属
あるいは半導体のＮ型層（常電導体）を用いることによ
り、同様な動作特性が得られる。

すなわち、Ｎ型層として半導体を用いた場合には、トン
ネル絶縁膜Ｉ２に代えて、超伝導体Ｓ２とＮ型層との間
に形成されるショットキー障壁を準粒子注入障壁として
用いることができる。

この準粒子注入型素子は、電界効果を利用していないの
で、制御電圧を小さくてきるという特徴を有しているが
、数１００〜数１０００大の厚さを持つ超伝導体Ｓ２の
超伝導ギャップ△２を変化させるために、多量の準粒子
を注入せねばならず、接合の臨界電流か飛躍的に増大し
ない限り、ピコ秒オーダーの高速動作が困難である。さ
らに、準粒子注入型素子の構造上、入出力の分離が難し
いという問題点も抱えている。

一方、高温超伝導体の発見以来これまでの半導体に代え
て、高温超伝導体を用いた赤外線センサー（赤外線検出
器）の開発が進められている。しかし、その多くは多結
晶薄膜の粒界ジョセフソン接合を用いたものである。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように超伝導素子は、発熱が少ない点で従来の半
導体素子の高密度化や高速化の限界を超え得るものとし
て注目される。しかし、これまでに提案された超伝導３
端子素子は、それぞれ電圧利得がとれない、高速動作お
よび入出力分離が難しいという困難に加え、動作温度が
液体へりラムあるいはその近傍という超低温であり、実
用化か妨げられている。

一方、前記多結晶薄膜の粒界ジョセフソン接合を用いた
赤外線センサーにおていは、感度および安定性とも満足
なものが得られておらず、より高感度、高速、高安定セ
ンサーの開発が望まれている。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、新し
い動作原理に基づいて、液体窒素温度以上の温度での動
作が可能でかつ、空気中での安定性もすぐれた超伝導３
端子素子の提供を目的とする。

本発明の他の一つの目的は、上で述べた超伝導３端子素
子の原理を応用した高感度赤外線センサーを提供するも
のである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、準粒子注入型超伝導３端子素子において、前
記準粒子の注入部が超伝導近接効果により超伝導状態に
ある常伝導金属部に設定されていることを特徴とする。

（作　用） 本発明に係る準粒子注入型超伝導３端子素子は、高温超
伝導体を用いているため、窒素温度以上での動作が可能
であり、また後述するように、高温超伝導体の特徴、す
なわちキャリア濃度が小さいこと、超伝導特性がキャリ
ア濃度に敏感であること、コヒーレンス長が短いこと、
キャリアの平均自由行程が短いことなどの特徴を利用す
ることにより、従来の準粒子注入型素子に比べ、はるか
に高速なピコ秒あるいはそれ以下の応答が可能である。

本発明に係る超伝導３端子素子のすぐれた特性の一つで
ある高速応答性は、高温超伝導体の物性に多くを依存し
ている。準粒子注入型素子の応答速度の上限を決める最
大の因子は、超伝導体内の準粒子密度をいかに速やかに
増大させ得るかということである。

（実施例） まず、本発明に係る準粒子注入型超伝導３端子素子の構
成原理および動作原理について説明する。第１図は構成
原理を説明するもので、ゲート部を構成する金属あるい
は半導体からなる常伝導層Ｎ上に、ソース部およびドレ
イン部をそれぞれ構成する一対の高温超伝導層Ｓ１．８
２層が積層されている。常伝導層Ｎには準粒子注入のた
めにトンネル障壁工を介してゲート電極Ｇが一体的に取
付けられている。つまり、本発明に係る準粒子注入型超
伝導３端子素子は、前記第１９図（ａ）、（ｂ）に図示
した従来の準粒子注入型素子とは異なり、入出力分離の
達成が容易な素子構造となっている。

また、動作原理は以下の通りである。すなわち、ゲート
電極Ｇに電流を流し込まない状態では、常伝導層Ｎは高
温超伝導層Ｓ１およびＳ２への近接効果により超伝導状
態となっており、ソース部（高温超伝導層Ｓ１）、ドレ
イン部（高温超伝導層Ｓ２）間は短絡されて、トランジ
スタはオン状態となっている。

一方、ゲート部（常伝導層Ｎ）、ドレイン（高温超伝導
層Ｓ２）間に外部電流をつなぎ、ゲート電極Ｇに電流を
流し込むと、トンネル障壁Ｉを介して常伝導層Ｎに準粒
子が注入される。注入された準粒子は、常伝導層Ｎから
高温超伝導層ｓ１、高温超伝導層Ｓ２へと拡散し、高温
超伝導層ｓ１／１／常伝導１高温超伝導層Ｓ２／常伝導
層Ｎ界面近傍の高温超伝導層ｓ１および高温超伝導層Ｓ
２内の超伝導ギャップ（ペアポテンシャル）△１、Δ２
を減少させ、その結果、近接効果により誘起された常伝
導層Ｎ内の超伝導ギャップ△も減少する。

ゲート電流を増大し、注入準粒子数がさらに増大すると
、高温超伝導層Ｓ、／常伝導層Ｎ１高温超伝導層Ｓ２／
常伝導層Ｎ界面近傍の超伝導ギャップは増々減少し、遂
には零となり、トランジスタはオフ状態となる。前記準
粒子注入に伴う高温超伝導層Ｓ１、高温超伝導層ｓ２、
常伝導層Ｎ内の超伝導ギャップの減少の様子を第２図（
ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。

前記準粒子注入に伴う超伝導ギャップ△１、△２の減少
には２つの要因が考えられる。

第１の要因は、従来の超伝導研究から明らかにされてき
たもので、熱平衡状態に比べ過剰の準粒子か注入され、
非平衡状態にある超伝導体は、その超伝導ギャップが減
少することが知られている。

第２の要因は、高温超伝導体に特有のものである。高温
超伝導体は、たとえばＬａ２−ｘＳｒｘＣｕ０４におい
ては、第３図に示すように、その臨界温度Ｔｃがその組
成に極めて敏感な組成域が存在するが、このことはこの
領域で超伝導ギャップがキャリア濃度あるいはクーパ一
対濃度に強く依存することを示している。

したがって、高温超伝導体の場合には、準粒子が注入さ
れ、もともと高温超伝導層Ｓ＋／常伝導層Ｎ１高温超伝
導層Ｓ２／常伝導層Ｎ界面近傍にあった高温超伝導層Ｓ
１および高温超伝導層Ｓ２内のクーパ一対濃度が電気的
中性を保つため減少すると、従来の超伝導体に比べ、よ
り顕著な超伝導ギャップの減少が期待されることになる
。

第１図に示した準粒子注入型３端子素子の動作原理は、
赤外線センサーに応用することができる。

すなわち、第４図にその構成・動作の原理を示すように
、常伝導層Ｎ上に高温超伝導層ｓ１、ｓ２、・・・　Ｓ
ｎか互いに離隔して形設されている。赤外線か照射され
ていない状態では、常伝導層Ｎが高温超伝導層Ｓ１、Ｓ
２、・・・　Ｓｎへの近接効果によって超伝導状態とな
っているため、高温超伝導層Ｓ１と高温超伝導層Ｓｎと
は短絡されている。

赤外線照射により、常伝導層Ｎ内あるいは高温超伝導層
Ｓ１、Ｓ２、・・・　Ｓｎ内に準粒子が発生し、高温超
伝導層Ｓ＋／常伝導層Ｎ、高温超伝導層Ｓ２／常伝導層
Ｎ、・・・、高温超伝導層Ｓｎ／常伝導層Ｎ界面近傍の
高温超伝導層ｓ１、高温超伝導層Ｓ２、・・・、高温超
伝導層Ｓｎ内の準粒子濃度が増大すると、上記界面近傍
の高温超伝導層ｓ１、高温超伝導層Ｓ２、・・・、高温
超伝導層Ｓｎ内の超伝導ギャップが減少し、それに伴っ
て常伝導層Ｎ内の超伝導ギャップも減少する。すなわち
、高温超伝導層Ｓ１、高温超伝導層Ｓｎ間の電流−電圧
特性が変化し、赤外線センサーとして動作する。第５図
は前記構成の赤外線センサーに赤外線を照射した場合に
おける高温超伝導層Ｓ１、高温超伝導層Ｓｎ間の電流−
電圧特性の変化を示したものである。

第１９図（ａ）に示した準粒子注入型素子の場合、高温
超伝導層Ｓ３から高温超伝導層Ｓ２へ準粒子を注入し、
高温超伝導層Ｓ２内の準粒子密度をそのキャリア濃度の
１割程度変化させなければ、高温超伝導層Ｓ２の超伝導
ギャップおよび高温超伝導層Ｓ＋／絶縁層１．／高温超
伝導層Ｓ２で構成されるジョセフソン接合の特性を大き
く変化させることはできない。高温超伝導層Ｓ２のキャ
リア濃度を１０／ｃｍ”、高温超伝導層８２層の厚さを
１００大とすると、高温超伝導層Ｓ、／絶縁層１１／高
温超伝導層Ｓ２接合の準粒子が注入されていない状態で
の臨界電流として１０’　Ａ／ｃ−という高い値を仮定
しても、高温超伝導層Ｓ２内の準粒子密度を１０２／（
１）３程度に増加させるのに必要な時間は約１０ｎｓで
ある。

一方、第１９図の素子の場合、高温超伝導層Ｓ１、高温
超伝導層Ｓ２を用いると、事情は大きく変化する。高温
超伝導体は、臨界温度Ｔｃか高く超伝導ギャップΔが大
きいという特徴に加え、キャリア濃度が１０２／（１）
３と通常の超伝導体に比較して１ケタ低いという特徴を
もっている。さらに、コヒーレンス長ξかＣ軸方向で〜
３大、Ｃ面内でも数ｌＯ大と極めて短く、またホール効
果測定から推定されるキャリアの平均自由行程も散大と
極めて短い。

したかって、ゲートから注入された準粒子は、常伝導層
Ｎ内を高速で拡散し、高温超伝導層Ｓ１、高温超伝導層
Ｓ２との境界に到達する。ここで、準粒子が高温超伝導
層Ｓ＋、高温超伝導層Ｓ２内に効率よく注入されるため
には、高温超伝導層Ｓ１／常伝導層Ｎ１高温超伝導層Ｓ
２／常伝導層Ｎ界面の状態が重要である。高温超伝導体
の仕事函数が常伝導層Ｎの仕事函数より小さい場合には
第６図（ａ）に示すバンドの曲りすなわち内部電場が、
逆の場合には第６図（ｂ）の曲りが高温超伝導層Ｓ１／
常伝導層Ｎ１高温超伝導層Ｓ２／常伝導層Ｎ界面に形成
される。したかつて、ｐ型の高温超伝導体を用いた場合
には第６図（ａ）の、ｎ型の高温超伝導体を用いた場合
には第６図（ｂ）の曲りか生ずるように常伝導層Ｎの金
属を選択することか望ましい。高温超伝導層Ｓ１、高温
超伝導層Ｓ２に注入された準粒子は、これらの層内ての
拡散係数か小さいため、常伝導層Ｎとの境界近傍散大、
すなわち平均自由行程程度、の高温超伝導体層Ｓ１、高
温超伝導層８２層内に効率よく蓄積される。

高温超伝導体はコヒーレンス長ξかＣ軸方向では〜３入
と短く、キャリア濃度が１０／ｃｍ”と低いため、上記
界面の散大程度の領域にある高温超伝導層Ｓ１およびＳ
２内の超伝導ギャップは著しく減少し、その結果、常伝
導層Ｎ内の超伝導ギャップも著しく減少する。また、高
温超伝導層Ｓ１およびＳ２の超伝導ギャップが従来の超
伝導体のギャップに比較して約１ケタ大きく、ジョセフ
ソン接合の臨界電流が超伝導ギャップの自乗に比例する
ことから、前記第１図に図示した高温超伝導体層Ｓ＋／
常伝導層Ｎ／高温超伝導体層Ｓ２で構成されるジョセフ
ソン接合の臨界電流として１０５〜１０”　Ａ／ｃ♂が
期待される。

さらに、上で述べたように、高温超伝導体のギャップは
、従来の超伝導体に比ベクーパ一対濃度により敏感であ
ることを考慮すると、第１図に図示した構成の準注入型
素子は、ピコ秒あるいはそれ以下での高速応答か可能で
ある。第１図の素子の高速応答性は、高温超伝導体のコ
ヒーレンス長ξおよび平均自由行程（が短いことを利用
しているか、これまでに見出された高温超伝導体は、全
て結晶のＣ軸方向のコヒーレンス長ξおよび平均自由行
程（がＣ面内のそれらより短い。したかって、第１図の
準注入型素子の高温超伝導層Ｓ１および高温超伝導層Ｓ
２の０面は、第７図に示すように接合面と平行になって
いることが望ましい。

第１図に図示したの準注入型素子が高速で動作するため
には、注入された準粒子が大きな拡散係数をもつ常伝導
層Ｎ内を速やかに拡散し、小さな拡散係数をもつ高温超
伝導層Ｓ１およびＳ２の高温超伝導層Ｓｉ／常伝導層Ｎ
１高温超伝導層Ｓ２／常電伝層Ｎ界面近傍に効率よく蓄
積されることか必要である。したがって、常伝導層Ｎを
構成する常伝導体として、高ドープの半導体よりも拡散
係数の大きい純粋金属あるいは純粋半金属を用いること
か望ましい。

常伝導層Ｎ層として半導体を用いた場合、高温超伝導層
Ｓ＋／常伝導層Ｎ層高温超伝導層Ｓ２／常伝導層Ｎ界面
の常伝導層Ｎ側にもショットキー障壁が形成され、常伝
導層Ｎから高温超伝導層Ｓ１およびＳ２への準粒子拡散
を妨げる要因にもなる。常伝導層Ｎは準粒子の拡散層と
してだけでなく、高温超伝導層Ｓ＋／常伝導伝常伝導層
Ｎ／高温導伝導層Ｓ２ジヨセフソン接として機能するが
、そのためにも高ドープ半導体よりも平均自由行程が長
＜、シたがって、コヒーレンス長ξＮの長い純粋金属、
半金属を用いることが望ましい。

高温超伝導層Ｓ＋／常伝導層Ｎ１高温超伝導層Ｓ２／常
伝導層Ｎ界面のショットキー障壁および高ドープに伴う
常磁性不純物準位の存在は、高温超伝導層Ｓ、／常伝導
層Ｎ／高温超伝導層Ｓ２ジョセフソン接合の臨界電流を
著しく減少させる。

高温超伝導層Ｓ＋／常伝導伝常伝導層Ｎ／高温導伝導層
Ｓ２ジヨセフソン接電流は、常伝導層Ｎ内の超伝導ギャ
ップ△、に依存するが、近接効果の理論によると、界面
近傍の△、は常伝導層Ｎ内のキャリア密度に反比例する
。したかって、常伝導層Ｎには、純粋金属よりもξ、を
あまり小さくしない程度にキャリア密度の小さいＢｉや
ＴｉＳ２などの半金属を用いることが望ましい。

第１図に図示した構成の準粒子注入型素子において、準
粒子は電極Ｇから絶縁層Ｉを介して常伝導層Ｎに注入さ
れるが、電圧利得を大きくするためには、電極Ｇ１常伝
導層Ｎ間の電位差が超伝導ギャップ程度に小さいことが
望ましい。そのためには、絶縁層Ｉの厚さを薄く、かつ
ポテンシャル障壁を１０１００ｌ程度に低くすることが
必要であり、絶縁層■の材料としてバンドギャップの狭
いにａＡＳＳＧａＡｓＰやＴａＳ２、ＭｏＳ２などに代
表される電荷密度波、スピン密度波状態を示す２次元カ
ルコゲナイド物質などを用いることか望ましい。

高い注入効率を得るもう一つの方法として、電極Ｇに高
トープ半導体を用いることが考えられる。

ドーピング濃度を調節することにより、電極Ｇ／常常電
電層Ｎ界面形成されるシヨ・ントキー障壁を制御するこ
とにより、高効率の準粒子注入を行うことができる。こ
れまでに見出されている高温超伝導体は、他の物質に対
して強い酸化作用を示すことか知られている。高温超伝
導体と通常の金属、あるいは半導体と直接接触させると
、金属、半導体は酸化され、高温超伝導体は還元される
ため、高温超伝導層Ｓ、／常伝電層Ｎおよび高温超伝導
層Ｓ２／常伝電層Ｎの各界面に厚い絶縁層が形成され、
高温超伝導層Ｓ、／常伝常雇常雇電層Ｎ／高温超伝導層
ョセフソン接合を形成することはできない。しかしなが
ら、高温超伝導体と金、銀、白金などの貴金属との間は
、良好な電気的接触が得られている。

したがって、高温超伝導層Ｓ１／常伝電層Ｎ１高温超伝
導層Ｓ２／常伝電層Ｎの各界面の問題は、第８図に示す
ように、薄い貴金属層Ｎ′を高温超伝導層Ｓ＋／常伝電
層Ｎあるいは高温超伝導層Ｓ２／常伝電層Ｎ２の界面に
挿入することにより解決することかできる。

第１図に図示した構成の準粒子注入型素子の応答速度は
、上で述べた準粒子密度の増大速度とならんでフォノン
の逃散速度と関連している。前者は、準粒子注入型素子
かオン状態からオフ状態に変化する速度と関連し、後者
は、オフ状態から再びオン状態に戻る速度と関連してい
る。

オフ状態では、高温超伝導層Ｓ＋／＋／導層Ｎ層よび高
温超伝導層Ｓ２／常伝導層Ｎの各界面近傍の高温超伝導
体層Ｓ１およびＳ２内に高濃度の準粒子か注入され、準
粒子がクーパ一対に緩和する過程で多量のフォノンが発
生している。準粒子の注入を停止し、素子が再びオン状
態に戻るには、発生したフォノンが高温超伝導層Ｓ＋／
常伝電層Ｎおよび高温超伝導層Ｓ２／常伝電層Ｎの界面
近傍から速やかに逃散しなければならない。

第１図に図示した構成の準粒子注入型素子では、第１９
図（ａ）、（ｂ）に図示した構成の準粒子注入型素子と
異なり、フォノンの発生が界面近傍数式の領域に限られ
ており、かつ、この領域から逃散しさえすれば、前記準
粒子注入型素子をオン状態に戻すことかできる。音速を
１０５ｃｍ／ｓｅｃ程度とすれば、この時間は１ｏ−１
〜ｔｏ−１ｓｅｃとなり、ピコ秒以下での応答が期待さ
れる。フォノン発生に伴う素子の発熱およびフォノン逃
散を考慮した準粒子注入型素子構造の具体例を第９図に
示す。この素子では、高温超伝導層Ｓ＋／常伝導層Ｎ１
高温超伝導層Ｓ２／常伝導層Ｎ接合が高温超伝導層ｓ、
、ｓ２の端面に形成されたエツジ接合となっており、液
体ヘリウム、液体窒素などの寒剤との熱接触が極めて良
好な構造となっている。

第１図に図示した準粒子注入型素子構造の自然な波長と
して第１０図（ａ）の構造が考えられる。

第１図に図示の場合と異なり、多数の高温超伝導層Ｓ１
、Ｓ２、・・・　Ｓｎ領域、か常伝導層Ｎ層の上に互い
に離隔してストライブ状に形成されている。

この準粒子注入型素子は、オン状態のソース、トレイン
間の臨界電流値を、第１図に図示した準粒子注入型素子
に比べ減少させずオフ状態のソース部Ｓ１、ドレイン部
８２間の抵抗を大きくすることかできるため、第１図に
図示した準粒子注入型素子より大きな電圧利得を得るこ
とができる。

近接効果を利用した準粒子注入型３端子素子の動作原理
を赤外線センサーに応用するには、赤外線照射時に高い
電圧発生が期待される第４図および第１０図（ｂ）の構
造が望ましい。ここでは常伝導層Ｎとして常伝導金属あ
るいは半金属よりも、より赤外線の吸収率の高いＨｇ−
Ｃｄ−Ｔｅなどの狭バンドギヤツプ半導体を用いるか、
あるいは第１０図（ｃ）に示したそれら半導体と金属、
半金属との積層構造を用いることにより、より高感度化
が期待される。

次に本発明の実施例を具体的に説明する。

実施例１ 上記したように、本発明に係る超伝導素子は、超伝導近
接効果および準粒子注入をその動作原理としているが、
先ず高温超伝導体と常伝導金属との間に近接効果が生ず
ることを、次の３つの方法によって確認した。

（１）ＹＢＣＱ／Ａｇ／Ａｎ／Ａｊ２０ｘ　／Ｐｂ接合
のトンネルスペクトロスコピー 多元スパッタ法によって５ｒＴｉ０３　　（支持体）面
Ｂ上に形成されたＹＢＣＯ（Ｙ、Ｂａ、Ｃｕ酸化物）薄
膜Ｓ上に、１ｎ−８ｉｔｕにＡｇを積層した。

ＹＢＣＯのＴｃは８０に１厚さは４０００大、Ａｇの厚
さは５０大とした。トンネル絶縁膜１１は、Ａ（を５０
大蒸着後、大気中で１時間表面を酸化することによって
形成した。接合面積は１００Ｘ　　１００μ閣とした。

Ａｇと八１がこの接合の常伝導層となっている。ＩＯＫ
　Ｉニオケルｄ　Ｉ　／ｄ　Ｖ−Ｖ曲線を第１１図（ａ
）に示す。約７ＩＩＶに近接効果によりＡｇ／Ａ（層内
に誘起された超伝導ギャップによる異常が観測され、Ｙ
ＢＣＯからＡｇ／、１１層への超伝導近接効果か確認さ
れた。

（２）ＹＢＣＯ／Ａｇ／ＡＡ／ＡＪＯｘ　／Ｐｂ接合の
ジョセフソン特性の確認 ＹＢＣＯ／Ａｇ／Ａｎ／ＡＪ２０ｘ　／Ｐｂ接合を（１
）の場合と同様の方法で形成した。ただし、Ａ℃の酸化
は純酸素中で１０分行った。この素子は、第１１図（ｂ
）に図示した電流−電圧特性を示し、上記接合がトンネ
ル型ジョセフソン接合となっていることが確認された。

（３）ＹＢＣＯ／Ａｇ／Ｐｂ接合を流れる超伝導電流の
観測 近接効果を確認する他の方法として、（１）の場合と同
様の方法でＹＢＣＯ／Ａｇ／Ｐｂ接合を形成し、超伝導
性の確認、臨界電流の測定、臨界電流以上での電流−電
圧特性の測定を行った。超伝導性の確認は、第１２図に
示した超伝導検流計を含む超伝導閉回路内の電流の減衰
を観測することにより行い、臨界電流以下では接合抵抗
か１０−１６Ωｃｄ以下であることを確認した。

臨界電流値は、第１２図のｐａｔｈ　Ｉ　、　ｐａｔｈ
ｎを流れる電流配分が、臨界電流を境に変化することを
利用して求め、５０個の接合のうち３０個がＩＡ／ａｍ
２〜ＩＯＡ／ｍｕ２の範囲にあることが分った。臨界電
流値以上での電流−電圧特性は、第１３図に示す超伝導
ブリッジ回路を用い、１ｐＶ〜１ｎＶの範囲で行った。

接合面積１００μＣＩ　Ｘ　　ＬＯＯμ目の接合につい
て、電流−電圧特性の実測例を第１４図に示す。Ｓ／Ｎ
／Ｓジョセフソン接合から期待される特性が得られてい
る。

実施例２ 本発明に係る超電導素子は、常伝導層Ｎとして通常の金
属あるいは半導体に代えて、半金属を用いることを特徴
としているが、半金属を用いることによる高温超伝導層
８１など／常伝導層Ｎ近接効果の増大を確認するため、
第１５図に示したブリッジ接合の臨界電流の測定を行っ
た。ブリ・ソジ長は２０００大、幅は１μｌとし、その
上に常伝導金属膜Ｎを５００Ａの厚さに形成した。常伝
導金属膜ＮとしてＡ　ｕ　ｓ　Ａ　ｇ　ＳＢ　ｌＳＡ　
ｇ　／　Ｂ　ｌ積層膜を用いた４種の素子を作製し、そ
れらの臨界電流を比較した。Ａ　ｇ　／　Ｂ　ｌ積層膜
はＡｇ５０入、Ｂ１１０００入とした。

それぞれの臨界電流は、常伝導層ＮかＡｕ場合０．７ｍ
Ａ　、　Ａ　ｇの場合１．２＋ａ＾、Ａｇ／Ｂｉの場合
２．５＋ａＡであり、Ｂｉの場合は超伝導電流か観測さ
れなかった。Ｂｉの場合超伝導電流が流れない原因は、
ＹＢＣＯ膜８１などとＢｉとの間で化学反応が生じ、界
面に絶縁層が形成されたためてはないかと考えられる。

またＡｕを用いた場合、Ａｇを用いた場合に比べて臨界
電流がかなり小さい原因は、常伝導金属としてＡｕを用
いた場合は、Ａｕの仕事函数がＹＢＣＯのそれに比べ小
さいため、第６図（ｂ）に示したショットキー障壁がＹ
ＢＣＯ／Ａｕ界面に形成され、界面近傍のＹＢＣＯ内の
正孔濃度が減少し、超伝導ギャップが減少したためでは
ないかと考えられる。すなわち、ｐ型の高温超伝導体を
用いる場合には、常伝導金属として仕事函数の小さいＡ
ｕよりも、仕事函数の大きいＡｇを用いる方がよいこと
が確認された。常伝導金属がＡｇ／Ｂｉ場合では、Ａｇ
の場合に比べ約２倍の臨界電流が得られているが、半金
属Ｂｉを用いることにより、常伝導層内の超伝導ギャッ
プか増大したためと考えられ、常伝導層に半金属を用い
ることの有用性が確認された。

実施例３ （１）準粒子による超伝導ギヤ・ツブの減少を観測する
ため、前記実施例２て構成したのトンネル型ジョセフソ
ン素子に、半導体レーザーにより７８０■の光を照射し
、電流−電圧特性の変化を観測した。第１６図に示した
ように赤外線照射により準粒子が発生し、臨界電流およ
び超伝導ギヤ・ンプの減少が観測された。

（２）準粒子に対する応答を調べる他の方法として、前
記第４図に図示したタイプの赤外線センサーを試作した
。常伝導層ＮとしてＡｇを用い、Ｓ　１、−　　Ｓｎ　
　（ｎ−１０）はＹＢＣＯ薄膜で形成した。ＳｌとＳｌ
、ＳｌとＳ３、・・・の各間隔は０．２μ鴎とした。バ
イアス電流１、１＋ａＡのもとて赤外線を照射したころ
、波長１０μｍ赤外線に対して８Ｘ　１０１０ｃ１０１
Ｏ／２ハの感度が得られ、その応答速度は１Ｏ−９ｓｅ
ｃ以下であった。

実施例４ 前記第９図に図示した構成の素子を試作し、素子の基本
動作の確認を行った。高温超伝導体としてＣ面ＹＢＣＯ
薄膜Ｓ１、Ｓｌを用い、絶縁層ｌとして厚さ　２０００
大のＭｇＯ膜、常伝導層ＮとしてＡｇ５０大／　Ｂ　ｉ
　１０００大の積ｊ曽膜、ケート電極にはＰｂｌｎ合金
、ゲート電極から常伝導層Ｎへの準粒子注入のためのト
ンネル絶縁膜Ｉには、ＧａＡｓ半導体を用いた。高温超
伝導層Ｓ１、Ｓｌと常伝導層Ｎの間のトンネル絶縁膜は
形成していない。

第１７図（ａ）に、この超伝導素子の代表的動作特性を
示す。ゲート電流ＩＧの増大に伴って、ソース−ドレイ
ン特性（Ｉ　ＳＤ−ＶＳＤ特性）か大きく変化し、３端
子素子として機能することか確認された。この素子のゲ
ート人力抵抗は約０．１Ωであった。常伝導層Ｎとして
Ａｕを用いた場合、およびＹＢＣＯのａｂ面膜を用いた
場合の特性をそれぞれ第１７図（ｂ）、（ｃ）に示す。

第１７図（ｂ）では、Ａｕのイオン化ボテンシャルか小
さいため、第１７図（Ｃ）では、ＹＢＣＯ膜のａ、ｂ軸
方向のコヒーレンス長ξが長いため、素子特性の劣化か
みられる。

第１８図はＣ面ＹＢＣＯ薄膜の組成を微細に変えて作っ
た　５個の超伝導素子のうち最も特性の良いものを示す
。常伝導層ＮはＡｇ／Ｂ　ｉ膜を用いている。ＹＢＣＯ
薄膜組成の最適化が素子特性向上に重要であることが確
認された。

［発明の効果コ 以上述べたように本発明によれば、高温超伝導体をソー
ス、ドレイン部に用い、超伝導近接効果により超伝導状
態となっている常伝導金属あるいは半金属をチャネル部
に用い、チャネル部に準粒子を注入するためのトンネル
障壁に狭バンドギャップの半導体を用いることにより、
極めて高速応答を示す超伝導３端子素子を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る準粒子注入型３端子素子の構成原
理を示す断面図、第２図（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る
準粒子注入型３端子素子の動作原理を示す特性図、第３
図は本発明に係る準粒子注入型３端子素子の構成に用い
る高温超伝導体の組成と特性との関係図、第４図は本発
明に係る赤外線センサーの構成・動作原理を示す断面図
、第５図は本発明に係る赤外線センサーの電圧−電流の
関係を示す特性図、第６図（ａ）〜（ｂ）は本発明に係
る超伝導素子の特性図、第７図および第８図は本発明に
係る超伝導素子の動作を説明するための模式図、第９図
は本発明に係る準粒子注入型３端子素子の構造例を示す
断面図、第１０図（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る赤外線
センサーの構成例を示す断面図、第１１図（ａ）〜（ｂ
）は本発明に係る超伝導素子の基本特性図、第１２図は
本発明に係る超伝導素子の超伝導性の確認に用いた装置
のブロック図、第１３図は本発明に係る超伝導素子の電
流−電圧特性の測定に用いたブリッジ回路図、第１４図
は本発明に係る超伝導素子の電流−電圧特性例を示す曲
線図、第１５図は本発明に係る超伝導素子の基本特性測
定に用いた超伝導素子の基本構成を示す断面図、第１６
図は本発明に係る赤外線センサーの特性図、第１７図（
ａ）〜（ｃ）および第１８図は本発明に係る超伝導素子
の動作特性をそれぞれ示す曲線図、第１９図（ａ）およ
び（ｂ）は従来の準粒子注入型３端子素子の構成を示す
断面図である。 ｓ　（ｓ、、ｓ２・・・）・・・高温超伝導体Ｎ　（Ｎ
”）・・・・・・・・・常伝導体ｌ・・・・・・・・・
・・・・・・絶縁層１１％　　１２・・・・・・・・・
トンネル絶縁膜Ｇ・・・・・・・・・ゲート電極 Ｂ・・・・・・・・・支持基体 、ｉｉａ　イｉ４ちＡ１ 第１図 （８） （ｂ）

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）準粒子注入型超伝導３端子素子において、前記準
   粒子の注入部が超伝導近接効果により超伝導状態にある
   常伝導金属部に設定されていることを特徴とする準粒子
   注入型超伝導３端子素子。
2. （２）請求項１において、前記準粒子の注入のためのト
   ンネル障壁が狭いバンドギャップ半導体によって形成さ
   れていることを特徴とする準粒子注入型超伝導３端子素
   子。
3. （３）請求項１において、前記常伝導金属部が半金属、
   金属／半金属の積層膜もしくは縮退半導体であることを
   特徴とする準粒子注入型超伝導３端子素子。
4. （４）請求項１において、前記常伝導金属部に近接する
   超伝導体が酸化物高温超伝導体でかつ、その組成が相図
   において超伝導と常伝導との境界近傍の組成であること
   を特徴とする準粒子注入型超伝導３端子素子。
5. （５）請求項４において、前記酸化物高温超伝導体と常
   伝導金属部との間に貴金属層（Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ）を介
   在させることを特徴とする準粒子注入型超伝導３端子素
   子。
6. （６）支持基体と、前記支持基体の主面上に少くとも一
   側面が傾斜付けられて形設された第１の酸化物高温超伝
   導体層と、前記第１の酸化物高温超伝導体層上に同一傾
   斜面を成して積層された第１の絶縁層と、前記第１の絶
   縁層上に同一傾斜面を成して積層された第２酸化物高温
   超伝導体層と、前記第２の酸化物高温超伝導体層上に同
   一傾斜面を成して積層された第２の絶縁層と、前記積層
   された構成体の傾斜面を被覆する第１のトンネル絶縁膜
   と、前記第１のトンネル絶縁膜上に積層された常伝導体
   層と、前記常伝導体層の傾斜面を被覆する第２のトンネ
   ル絶縁膜と、前記第２のトンネル絶縁膜上を含む領域面
   上に積層形成されたゲート電極層と、前記第１の酸化物
   高温超伝導体層に設けられたソース電極部と、第２酸化
   物高温超伝導体層に設けられたドレイン電極部とを具備
   して成ることを特徴とする準粒子注入型超伝導３端子素
   子。
7. （７）互いに離隔した複数個の高温超伝導体薄膜が常伝
   導体により支持連結されかつ、高温超伝導体間が超伝導
   近接効果により超伝導接続となっていることを特徴とす
   る赤外線検知器。
8. （８）請求項１１において、前記常伝導薄膜が金属と狭
   いバンドギャップ半導体の積層膜であることを特徴とす
   る赤外線検知器。