JPH03274774A - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は超導電素子にに係り、特に近接効果型重性入超
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
より成し遂げられている。

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）を設けた構造を威している。

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
電極によって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、ある一定電
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）が形成され、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
って、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
ン状態では発熱がない。

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６図（ａ）、（ｂ）に断面的に例示
した構造を成している。第６図（ａ）では、超伝導体Ｓ
１、超伝導体Ｓ２、超伝導体Ｓ３がトンネル絶縁膜１１
、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ａ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６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かできる。

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か
、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、接合の臨界電流が飛鑵的に増大し
ない限り、ピコ秒オーダーの高速動作か困難である。さ
らに、準粒子注入型素子の構造上、人出力の分離か難し
いという問題点も抱えている。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように、準粒子注入型超伝導素子は、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、動作温度が液体ヘリウムあ
るいはその近傍という超低温であり、実用化が妨げられ
ている。

本発明は、このような点に鑑みてなされたちので、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
作が可能でかっ、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。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、常伝導体層と、前記常伝導体層を介し互いに
離隔して一体的に形設された高温超伝導体から成るドレ
イン部およびソース部とを具備した近接効果型準粒子注
入３端子素子において、前記ドレイン部−ソース部間を
流れる常伝導電流が集束するように、ドレイン部−ソー
ス部の互いに対向する面を非直線化したことを特徴とす
る。

（作　用） 本発明に係る近接効果型準粒子注入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か可
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
。

また、ドレイン部およびソース部の互いに対向する面を
非直線面とし、このドレイン部−ソース部間に流れる常
伝導電流が集中ないし集束されるようにしであるため、
オフ状態におけるドレイン部−ソース部間の抵抗値が増
大し、もって準粒子注入３端子素子の電圧利得を高める
ことも可能となる。

（実施例） まず、本発明に係る近接効果型準粒子注入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Ｓ　＋　、Ｓ　２層が積層されている。また、常伝
導層Ｎには準粒子注入のためにトンネル障壁１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超伝導３端子素子は、前記第６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）、ドレイン部（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ｌ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Ｓ＋／常伝導層Ｎ１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
Ｓ２内の超伝導ギャップ（ベアポテンシャル）△１、△
２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Ｎ、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が注入され、
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、たとえばＬａ２−ｘＳｒｘＣｕＯ４において
は、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。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
。

本発明に係る近接効果型準粒子注入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
依存している。すなわち、前記準粒子注入素子の応答速
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るかということである。

第６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Ｓ１／絶縁層Ｉｔ／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ｌＯ／ｃＩｎ３、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１０”　／
　ａｍ　”程度に増加させるのに必要な時間は約１０ｎ
ｓである。第６図（ｂ）に示した準粒子注入型３端子素
子の場合も事情は同じである。

一方、第１図の素子の場合、高温超伝導層Ｓ１、高温超
伝導層Ｓ２として高温超伝導体を用いると、事情は大き
く変化する。高温超伝導体は、臨界温度Ｔｃが高く超伝
導ギャップ△が大きいという特徴に加え、キャリア濃度
が１０”　／　ａｍ　”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がＣ軸方向で〜３入、Ｃ面内でも数１０入と極め
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。

したがって、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に注入される。高温超伝導層Ｓ１、高温超伝導層Ｓ
２内に注入された準粒子は、これらの高温超伝導層Ｓ１
、高温超伝導層Ｓ２内での拡散係数が小さいため、常伝
導層Ｎの境界近傍散大、すなわち平均自由行程程度の高
温超伝導層Ｓ１および高温超伝導層Ｓ２内に効率よ（蓄
積される。

高温超伝導体はコヒーレンス長ξがＣ軸方向では〜３λ
と短く、キャリア濃度が１０”　／　ｃｍ　３と低いた
め、上記界面の数λ程度の領域にある高温超伝導層Ｓ１
およびＳ２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ＳＴ／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ＩＯ５〜１０６Ａ／
ｃｄか期待される。

さらに、上で述へたように、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重性大型
素子は、ピコ秒あるいはそれ以下での高速応答が可能で
ある。

本発明に係る近接効果軸型３端子素子においては、ドレ
イン部およびソース部を威す高温超伝導層Ｓ１および高
温超伝導層Ｓ２の互いに対向する面を、そのドレイン部
およびソース部の限られた部分に常伝導電流が集中する
形状に加工されている。しかして、本発明に係る近接効
果軸型３端子素子は、前記したように極めて大きい応答
速度を有するが、高温超伝導層Ｓ＋／常伝導層Ｎ／高温
超伝導層Ｓ２接合を基本しているため、オフ時のソース
部−ドレイン部間の抵抗値が低く、高い電圧利得を得る
には、ドレイン電流を大きくしなければならない。

前記オフ時の抵抗値を増大させるには、高温超伝導層Ｓ
／常伝導層Ｎ界而面トンネル絶縁膜を挿入したり、常伝
導層Ｎとして抵抗値の高い金属を用いる手段が考えられ
る。しかし、このような手段を施しても、注入準粒子の
輸送速度の減少を招来し、高速動作を妨げると同時に、
ソース部−ドレイン部間の臨界電流値を減少させ、電流
利得の低下を招来する。準粒子の輸送速度およびソース
部−ドレイン部間の臨界電流値を減少させずに、オフ時
のソース部−ドレイン部間の抵抗値を増大させる一手段
は、オフ時に常伝導層Ｎを流れる常伝導電流のバスを局
在化させることによって達成し得る。

第２図（ａ）、（ｂ）にそれぞれ平面的に示した２種の
重性大型素子について考察する。いずれの形状の高温超
伝導層Ｓ１およびＳ２においても、オンの状態（超伝導
状態）では、電流は電流の作る磁気エネルギーが最小に
なるように流れる。したがって、第２図（ａ）、（ｂ）
図示いずれの構成においても、電流集中は起らずソース
部−ドレイン部間の臨界電流値は全体的にほぼ等しくな
る。

一方、第３図（ａ）、（ｂ）に図示した構成の場合は、
オフ状態での電流分布は、高温超伝導層Ｓ１およびＳ２
の対向面の形状によって全く異なっている。すなわち、
オフ状態では常伝導層Ｎが抵抗発生状態となっているた
め、第３図（ａ）図示の場合は、ソース部−ドレイン部
（ｓ、−８２間では電流がほぼ−様な分布で流れている
。しかし、第３図（ｂ）図示の場合は、強い電界強度と
してソース部−ドレイン部ｃｓ、−ｓ２＞　間では電流
が集中し、このため前記ソース部−ドレイン部（Ｓ、−
５２）間の抵抗値が著しく増大する。

つまり、重性大型素子の電圧利得を増大することが可能
となる。

このようにして電流を集中し得るソース部−ドレイン部
（Ｓ、−８２）の対向する面の構成ないし形状の設定は
、重性大型素子分離のためにも好ましい。オフ状態での
電流分布がソース部−ドレイン部間の所定領域に集中す
るため、ゲート電極への電流流入も著しく低減し、前段
への影響低減も可能となる。

次に本発明の実施例を具体的に説明する。

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か、
先ずドレイン部およびソース部の対向する面を非直線的
に形成することによって、ドレイン部およびソース部の
間流れる常伝導電流を集中させ、応答速度および電流利
得を減少させずに電圧利得を上昇させ得ることの実証の
ため、次の特性評価を行った。

Ｓ　ｒ　Ｔ　ｉ　Ｏ３（１００面）基板面Ｂ上に、形成
された多元スパッタ法によって、ＹＢＣＯ（Ｙ、Ｂａ。

Ｃｕ酸化物）薄膜Ｓを厚さ２０００Åに形成した。この
ＹＢＣＯＩＩＩＳは、（１００面）に強い配向を示し、
また臨界温度Ｔｃが約８０にであった。次いで前記Ｓ　
ｒ　Ｔ　ｉ　０３　（１００面）基板面Ｂに形成したＹ
ＢＣＯＳＳについて、エツチング処理を施してソース部
Ｓ１およびドレイン部Ｓ２を形設し、さらに前記ソース
部Ｓ１およびドレイン部Ｓ２上に絶縁層（Ｍ　ｇ　Ｏ）
を被着した。しかる後、前記ソース部Ｓ１およびドレイ
ン部８２間を接続するように、Ａｇをスパッターして常
伝導層Ｎを形成した後、常伝導層Ｎ面上にＡＪ２層を被
着形威し、大気中で１時間表面を酸化することによって
トンネル絶縁層を形成した。このトンネル絶縁層上にＰ
ｂ１ｎから戊るゲート電極Ｇを設け、断面的には第４図
（ａ）にまた平面的には第４図（ｂ）、（ｃ）にそれぞ
れ示す２種類の近接効果型重性穴３端子素子を構成した
。

第４図（ｂ）は、ソース部ｓ１とドレイン部Ｓ２とが約
５０００Å離隔しかつ、互いに対向する面が直線（平滑
面）の場合（比較例）であり、また第４図（Ｃ）は、ソ
ース部ｓ１とドレイン部ｓ２とが最短部で約３０００大
、最遠部で約７０００Å離隔しかつ、互いに対向する面
が非直線（一部突設）の場合（実施例）である。

上記構成した２種類の近接効果型重性穴３端子素子につ
いて、ゲート電極Ｇから準粒子をそれぞれ注入し、ソー
ス部ｓ１とドレイン部ｓ２との間の電流−電圧特性の変
化を測定した結果を第５図（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示
す。第５図（ａ）は、前記第４図（ｂ）に図示した比較
例の場合であり、また第５図（ｂ）は、前記第４図（ｃ
）に図示した実施例の場合で、図中の１ｂはゲート電極
Ｇから注入された準粒子電流の値を示す。

第５図（ａ）および（ｂ）から明らかのように、本発明
に係る近接効果型重性入３端子素子（第４図（ｃ）に図
示した構成）の場合は、比較例の近接効果型重性入３端
子素子（第４図（ｂ）に図示した構成）に比べて臨界電
流値をほとんど低下させずに、常伝導状態の抵抗値が増
大している。つまり、第４図（Ｃ）に示したように、ソ
ース部Ｓ１とドレイン部Ｓ２とをたとえば最短部で約３
０００大、最遠部で約７０００Å離隔しかつ、互いに対
向する面を非直線（一部突設）状に形設し、ソース部Ｓ
１−ドレイン部Ｓ２間を電流集中型化したことにより、
電流利得を変えずに電圧利得を増大させることができる
。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、近接効果型準粒子注
入３端子素子において、ソース部およびいドレイン部の
互いに対向する面を、それらの間を流れる電流が一定の
領域に集中ないし集束するように（対向面を電流集中型
に）構成ないし形設している。しかして、上記ソース部
およびいドレイン部の互いに対向する面の構成により、
近接効果型準粒子注入３端子素子は、高速性および高い
電流利得を維持しつつ高い電圧利得を保持発揮する。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図は本発明に係る近接効果型準粒子注入３端子素子
の構成原理を示す断面図、第２図（ａ）（ｂ）および第
３図（ａ）、（ｂ）は本発明に係る近接効果型準粒子注
入３端子素子の動作原理を示す説明図、第４図（ａ）は
近接効果型準粒子注入３端子素子の構成例を示す断面図
、第４図（ｂ）は比較例としての近接効果型準粒子注入
３端子素子の平面図、第４図（ｃ）は本発明に係る近接
効果型準粒子注入３端子素子例の平面図、第５図（ａ）
、（ｂ）は比較例および本発明１こ係る近接効果型準粒
子注入３端子素子の特性例を比較して示めす曲線図、第
６図（ａ）および（ｂ）　４よ従来の近接効果型準粒子
注入３端子素子の構成を示す断面図である。 ５（Ｓｌ、Ｓ２・・・）・・・高温超伝導体Ｎ　（Ｎ’
　）・・・・・・・・・常伝導体■・・・・・・・・・
・・・・・・絶縁層ＩＩ、！２・・・・・・・・・トン
ネル絶縁膜Ｇ・・・・・・・・・ゲート電極 Ｂ・・・・・・・・・支持基体

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　常伝導体層と、前記常伝導体層を介し互いに離隔して
   一体的に形設された高温超伝導体から成るドレイン部お
   よびソース部とを具備した近接効果型準粒子注入３端子
   素子において、 前記ドレイン部−ソース部間を流れる常伝導電流が集束
   するように、ドレイン部−ソース部の互いに対向する面
   を非直線化したことを特徴とする近接効果型準粒子注入
   ３端素子。