JPH05129670A

JPH05129670A - 超電導素子

Info

Publication number: JPH05129670A
Application number: JP3056520A
Authority: JP
Inventors: Mutsuko Hatano; 睦子波多野; Juichi Nishino; 壽一西野; 和夫 ▲斉▼藤; Kazuo Saito
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-03-20
Filing date: 1991-03-20
Publication date: 1993-05-25

Abstract

(57)【要約】【目的】利得大の超電導素子を提供すること。【構成】超電導体、この超電導体と接して積層された常
伝導体、この常伝導体に電子又は正孔を注入する手段、
常伝導体と超電導体との界面で反射した電子又は正孔を
検出する手段並びに（１）電子又は正孔が走行する経路
の大きさと常伝導体中のキャリア濃度を制御する手段、
（２）常伝導体中の電子又は正孔が走行する方向を制御
する手段又は（３）常伝導体中に注入した電子又は正孔
の波動関数の位相を制御する手段を有する超電導素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導材料を用いた高
速動作に適し、かつ低消費電力の超電導素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導体と常伝導体を組合せた超電導ト
ランジスタには、（１）超電導電流を制御電極に印加し
た電圧により制御する電界効果タイプと、（２）超電導
体に準粒子を注入して電流を制御するタイプがある。

【０００３】（１）については、テイーデイークラーク
（Ｔ．Ｄ．Ｃｌａｒｋ）によってジャーナルオブア
プライドフィジクス，５１巻２７３６ページ（１９８
０年）（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．５１，（１
９８０年）２７３６）に論じられている。この超電導ト
ランジスタは、超電導電極からなるソース、ドレイン電
極とゲート電極からなり、ゲート電極に電圧を印加する
ことにより常伝導体（この場合半導体）中のキャリア濃
度を変化させ、ソース、ドレイン電極間に常伝導体を介
して流れる超電導電流を変調している。

【０００４】（２）については、第１８回固体素子材料
国際会議（Ｄ−７−１，１９８６）にて論じられてお
り、その構造はベース電極に超電導体を用いている。こ
の素子は常伝導体と超電導体との間に形成されるショッ
トキバリアを介した電子の注入により動作する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記（１）に記載の従
来の超電導電界効果型トランジスタは、０．５Ｖ以上の
電圧を印加しなければ動作しなかった。さらにスイッチ
特性を向上させるためには、素子容量、特にゲート容量
を非常に小さくし、半導体中の不純物の分布を最適化
し、素子の寸法を微細化する等の製造上の技術課題を有
し、大規模な集積回路の構成は困難であった。

【０００６】また上記（２）に記載の従来の注入型の超
電導トランジスタは、利得を向上させるには、電子をバ
リステイックにべース電極を通過させる必要があり、こ
のためベース電極の厚さを極めて薄くしなければならな
かった。しかし超電導特性を劣化させずに超電導体の膜
厚を薄くすることは技術的な課題があるため、利得の高
い素子の製造は困難であり、この場合にも大規模な集積
回路の構成は難しかった。

【０００７】本発明の第１の目的は、小さい信号で出力
信号を変調することができるすなわち利得が大きく、か
つ入出力分離に優れ、消費電力が小さく、高速動作に適
した超電導素子を提供することにある。

【０００８】本発明の第２の目的は、従来の超電導素子
で実現できなかった２値以上の多値論理の扱える、多機
能を有する超電導素子を提供することにある。

【０００９】本発明の第３の目的は、高集積化が容易な
微細な寸法の超電導素子を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、（１）超電
導体、該超電導体と接して積層された常伝導体、該常伝
導体に電子又は正孔を注入する手段、該常伝導体と該超
電導体との界面で反射した電子又は正孔を検出する手段
及び電子又は正孔が走行する経路の大きさと該常伝導体
中のキャリア濃度を制御する手段を有することを特徴と
する超電導素子、（２）超電導体、該超電導体と接して
積層された常伝導体、該常伝導体に電子又は正孔を注入
する手段、該常伝導体と該超電導体との界面で反射した
電子又は正孔を検出する手段及び該常伝導体中の電子又
は正孔が走行する方向を制御する手段を有することを特
徴とする超電導素子、（３）超電導体、該超電導体と接
して積層された常伝導体、該常伝導体に電子又は正孔を
注入する手段、該常伝導体と該超電導体との界面で反射
した電子又は正孔を検出する手段及び該常伝導体中に注
入した電子又は正孔の波動関数の位相を制御する手段を
有することを特徴とする超電導素子、（４）上記１、２
又は３記載の超電導素子において、上記電子又は正孔を
注入する手段は、上記常伝導体に接合された第２の超電
導体であることを特徴とする超電導素子、（５）上記
１、２又は３記載の超電導素子において、上記電子又は
正孔を注入する手段は、上記常伝導体に直接又はトンネ
ル障壁層を介して接合された第２の常伝導体であること
を特徴とする超電導素子、（６）上記４又は５記載の超
電導素子において、上記電子又は正孔を注入する手段が
常伝導体に接合した部分の一辺の長さは、上記常伝導体
中のキャリアの平均自由行程の１０倍以下であることを
特徴とする超電導素子、（７）上記１から６のいずれか
に記載の超電導素子において、上記電子又は正孔を注入
する手段は、超電導体と常伝導体の界面から、上記常伝
導体中のキャリアの平均自由工程の１０倍以下の距離に
配置されたことを特徴とする超電導素子、（８）上記１
から７のいずれかに記載の超電導素子において、上記電
子又は正孔を検出する手段は、上記電子又は正孔を注入
する手段と同一の手段であることを特徴とする超電導素
子、（９）上記１から８のいずれかに記載の超電導素子
において、上記常伝導体は、半導体であることを特徴と
する超電導素子、（１０）上記１記載の超電導素子にお
いて、上記電子又は正孔が走行する経路の大きさと該常
伝導体中のキャリア濃度を制御する手段は、上記常伝導
体に電界を印加する手段であることを特徴とする超電導
素子、（１１）上記１０記載の超電導素子において、上
記電界を印加する手段は、上記常伝導体中に設けられた
ことを特徴とする超電導素子、（１２）上記２記載の超
電導素子において、上記電子又は正孔が走行する方向を
制御する手段は、上記常伝導体中に設けられたことを特
徴とする超電導素子、（１３）上記３記載の超電導素子
において、上記電子又は正孔の波動関数の位相を制御す
る手段は、上記常伝導体に電界を印加する手段であるこ
とを特徴とする超電導素子、（１４）上記１３記載の超
電導素子において、上記電界を印加する手段は、上記常
伝導体中に設けられたことを特徴とする超電導素子、
（１５）上記２記載の超電導素子において、上記電子又
は正孔が走行する方向を制御する手段は、上記常伝導体
に磁界を印加する手段であることを特徴とする超電導素
子、（１６）上記３記載の超電導素子において、上記電
子又は正孔の波動関数の位相を制御する手段は、上記常
伝導体に磁界を印加する手段であることを特徴とする超
電導素子、（１７）上記１、２又は３記載の超電導素子
において、上記常伝導体と超電導体との界面は、上記電
子又は正孔を注入する手段から等距離に配置されている
ことを特徴とする超電導素子、（１８）上記１、２又は
３記載の超電導素子において、上記常伝導体と超電導体
との界面は、上記電子又は正孔を注入する手段から部分
的に距離が異なるように配置されていることを特徴とす
る超電導素子、（１９）上記１、２又は３記載の超電導
素子において、上記常伝導体は、半導体であり、該半導
体は部分的にキャリア濃度が異なることを特徴とする超
電導素子によって達成される。

【００１１】本発明において、超電導材料はどのような
材料でも用いることができるが、特に高温で動作させる
ために、高い超電導転移温度を有する酸化物超電導材料
を用いることが望ましい。ｎ型の導電性を有する超電導
材料、Ｎｄ_2xＣｅ_xＣｕＯ_yなる組成の超電導体を用いる
とよいが、上記組成のＮｄの部分をＰｒ、Ｐｍ、Ｓｍ、
Ｅｕ、Ｇｄ、Ｅｒの群より選ばれた少なくとも１つの元
素によって置き換えた材料、あるいはＣｅの部分をＴ
ｈ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉの群より選ばれた少なくとも１つ
の元素によって置き換えた材料であってもよい。ｐ型の
導電性を有する超電導材料であるＹ系の酸化物超電導体
を用いるとよいが、これに換えてＬａ系の酸化物超電導
体、Ｂｉ系の酸化物超電導体、Ｔｌ系の酸化物超電導体
を用いてもよい。また金属系の超電導材料、具体的には
Ｎｂ、Ｐｂ又はＰｂ合金、Ｎｂ金属化合物を用いてもよ
い。

【００１２】常伝導体として半導体を用いるとき、その
材料としてＳｉを用いるとよいが、これに換えてＧｅ、
ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰを用いてもよ
い。また、酸化物超電導体と組成比が異なるが同一の元
素から成り半導体的な性質を有する材料を用いてもよ
い。

【００１３】

【作用】超電導体と常伝導体を接触させて使用し、常伝
導体側から両者の界面に、超電導体のエネルギーギャッ
プよりも低いか又はほぼ同じエネルギーを有する電子あ
るいは正孔を入射し、その反射率、反射した電子あるい
は正孔の量を制御することによって本発明の素子は動作
する。以下、これについて詳述する。

【００１４】常伝導体に注入され超電導体のエネルギー
ギャップよりも低いかもしくはほぼ同じのエネルギーを
有する電子あるいは正孔は、超電導体の界面において特
異な反射を生ずる。この反射はアンドレエフ反射とし
て、１９６４年に、ソビエトフィジクスジェーイーテ
ィーピー，１９巻，１２２８ページ（Ｓｏｖ．Ｐｈｙ
ｓ．ＪＥＴＰ，ｖｏｌ１９，ｐ１２２８）に記載され
ている。具体的には、注入した電子のエネルギーがＥ、
運動量がｋの場合、エネルギーがＥ、運動量が−ｋの正
孔が反射される。従って、流れる電流電圧特性はオーム
の法則に従わず、過剰電流が観測されて抵抗が減少す
る。

【００１５】この反射率は、超電導体と常伝導体の間の
ポテンシャル障壁の状態あるいは超電導近接効果により
常伝導体中にしみ出した超電導性、具体的には超電導ペ
アポテンシャルの分布の仕方に依存して変化する。ポテ
ンシャル障壁が大きいときには、弾性散乱の影響が大き
く、過剰電流は減少する。

【００１６】通常の固体中の電子の反射あるいは散乱の
要因としては、格子の振動、結晶中の欠陥や不純物、さ
らには別の電子との相互作用等がある。本発明は、これ
らいわゆる通常の反射をしたキャリアとアンドレエフ反
射をしたキャリアとから後者検出する比率を制御し、過
剰電流、すなわち電流電圧特性を変調することができ
る。

【００１７】電流電圧特性を制御する第１の方法は、キ
ャリア（電子あるいは正孔）が走行する常伝導体中の経
路の大きさと、常伝導体中のキャリア濃度を変調する方
法である。経路の寸法が常伝導体のキャリアの平均自由
行程の１０倍以下であるとき、常伝導体と超電導体界面
でのアンドレエフ反射したキャリアを選択的に検出する
比率が大になる。さらに検出部分での散乱が抑えられる
効果も加わり、過剰電流が増加する。一方、寸法がこれ
以上になると通常の反射によるキャリアを検出する比率
が大になり、過剰電流が減少する。

【００１８】また、常伝導体中のキャリア濃度を増加さ
せると、超電導近接効果により常伝導体中に浸透する超
電導ペアポテンシャルの大きさと領域が広がる。このた
め、常伝導体と超電導体界面でのアンドレエフ反射した
キャリアを選択的に検出する比率が大になり、過剰電流
が大きくなる。

【００１９】電流電圧特性を制御する第２の方法は、常
伝導体中をキャリア（電子あるいは正孔）が走行する方
向を変化させることである。その手段としては、常伝導
体に磁界を印加する。磁界を印加したときには、アンド
レエフ反射されたキャリアにローレンツ力が加わり、進
行方向が変調されるため過剰電流が変化する。

【００２０】電流電圧特性を制御する第３の方法は、キ
ャリアの波動関数の位相を変化させることである。位相
はベクトルポテンシャル、スカラポテンシャル及びキャ
リアの走行距離により変化する。これは、それぞれ磁界
を印加する、電場を印加する、チャネルの長さを変化さ
せることに相当する。位相が変化すると各キャリアの波
動関数の干渉状態が変わり、その結果として過剰電流の
値を制御できる。また、位相の干渉効果を利用している
多値論理素子の構成も可能となる。

【００２１】以上示した反射現象を効率良く制御するた
めには、注入側の手段も工夫する必要がある。注入時の
キャリアの散乱を抑えるために、注入するための手段
は、常伝導体上に常伝導体中のキャリアの平均自由行程
の１０倍以下、０．１倍以上の微小な接合によって設け
られること、また、注入するための手段から超電導体と
常伝導体との界面の距離は常伝導体中のキャリアの平均
自由行程の１０倍以下、０．１倍以上に選択されること
が望ましい。

【００２２】また、本発明においては、キャリアの多重
反射の干渉効果を用いて、多値論理素子を構成すること
ができる。キャリアを注入する手段として第２の常伝導
体、あるいは薄い酸化膜や絶縁膜等のトンネル障壁層を
介した第２の常伝導体を用いている場合、第１の常伝導
体と超電導体の界面でアンドレエフ反射されたキャリア
は、さらに注入する手段である第２の常伝導体で通常の
反射をする。この様子を図１４に示す。通常の反射をし
たキャリアは、再び第１の常伝導体と超電導体の界面で
アンドレエフ反射をする。すなわち、第１の常伝導体の
両側の境界において、異なる反射が繰返し起こる。従っ
て波動関数の位相の干渉が起こり、離散的で決まった注
入エネルギーＥｎで共振現象が起こる。このエネルギー
Ｅｎは、

【００２３】

【数１】

【００２４】で与えられる。ここで、△_Nは常伝導体中
のペアポテンシャルの値、ｎは１以上の整数、ｈはプラ
ンク定数、ｖ_Fはフェルミ速度、ｄ_Nは常伝導体の厚さを
表す。また図において△_Sは超電導体中のペアポテンシ
ャルの値である。

【００２５】第２の常伝導体と超伝導体間の微分抵抗と
電圧の関係を図１５に示す。微分抵抗は、エネルギーＥ
ｎに相当する電圧で減少する。従って、第２の常伝導体
と超伝導体間の電流あるいは抵抗が、異なった制御条件
で同一の値を実現し、これを２値以上の多値の論理に対
応させ動作することによって新しい機能を有する超電導
素子を実現できる。

【００２６】上記波動関数の制御は、電界又は磁界で第
１の常伝導体と超電導体の境界のペアポテンシャルの値
を変化させることにより行うことができる。すなわち第
１の常伝導体中の超電導コヒーレンス長を変調すると第
１の常伝導体の厚さｄ_Nが変化し、この結果エネルギー
Ｅｎが変わり、電流、抵抗の値を制御することが可能と
なる。制御手段としては、超電導体、常伝導体、ｐｎ接
合等を使用することができる。

【００２７】一方、キャリアを注入する手段として第２
の常伝導体に代えて超電導体を用いた場合、図１６に示
したように両超電導体から常伝導体中に超電導近接効果
によりペアポテンシャルが存在するようになる。注入さ
れたキャリアは、２つの超電導体と常伝導体の境界でそ
れぞれアンドレエフ反射され、この反射が繰返し起こ
る。従って波動関数の位相の干渉が起こり、決まった注
入エネルギーＥｎで、共振現象が起こる。このエネルギ
ーＥｎは、

【００２８】

【数２】

【００２９】で与えられる。

【００３０】２つの超伝導体間の微分抵抗と電圧の関係
を図１７に示す。２つの超伝導体間の電流あるいは抵抗
が、異なった制御条件で同一の値を実現し、これを２値
以上の多値の論理に対応させ動作することによって新し
い機能を有する超電導素子を実現できる。

【００３１】波動関数の制御の方法としては、常伝導体
中の超電導コヒーレンス長あるいは常伝導体と超電導体
の境界のペアポテンシャルの値を電界又は磁界で制御す
る方法がある。常伝導体中の超電導コヒーレンス長を変
調すると常伝導体の厚さｄ_Nが変化し、この結果エネル
ギーＥｎが変わり、電流、抵抗の値を制御することが可
能となる。制御手段としては、超電導体、常伝導体、ｐ
ｎ接合等を使用することができる。

【００３２】

【実施例】以下本発明を、実施例に基づき詳細に説明す
る。〈実施例１〉図１は本発明の第１の実施例である超電導
素子の断面構造図である。基板（図示せず）上に、Ｎｂ
材料からなる膜厚２００ｎｍの超電導体１、第１の常伝
導体としてＳｉからなる半導体２、第２の常伝導体とし
てＡｌからなる膜厚２００ｎｍの常伝導金属３が積層さ
れている。半導体２の中にはＣｏＳｉ₂材料からなる制
御電極４、５が埋め込まれている。６は半導体のチャネ
ルである。制御電極４、５と半導体２の界面にはｐ−ｎ
接合が形成されている。

【００３３】制御電極４、５に電界を印加すると、空間
電荷層７が延び、チャネル６の幅がＬからＬ′に変化す
る。これと同時に、チャネル６のキャリア濃度が増加す
る。常伝導金属３は、キャリア（電子あるいは正孔）の
注入手段を構成し、これは、超電導体１と半導体２の界
面でアンドレエフ反射したキャリアの検出手段をも構成
する。

【００３４】常伝導金属３から半導体２中に、超電導体
のギャップエネルギー以下のエネルギーでキャリアが注
入された場合、超電導体１と半導体２の境界においてア
ンドレエフ反射が起きる。制御電極４、５に電界を印加
すると、キャリアが走行する半導体中の経路が小さくな
り、アンドレエフ反射したキャリアと通常の反射による
キャリアのうち前者を検出する比率が大になる。特に、
Ｌ′がキャリアの平均自由行程の１０倍以下になると、
通常の散乱が抑制されるためこの効果が強まる。さら
に、制御電極４、５に電界を印加すると、チャネル６の
キャリア濃度が増加するので、超電導近接効果により半
導体中に浸透する超電導ペアポテンシャルの大きさと領
域が広がる。このため、半導体と超電導体界面でのアン
ドレエフ反射したキャリアを選択的に検出する比率が大
になる。

【００３５】以上二つの要因により、制御電極４、５に
電界を印加すると過剰電流が大きくなる。すなわち、制
御電圧によって常伝導金属３と超電導体１の間の電流の
電流電圧特性が変化する。この素子の特性を図２に示
す。超電導体のエネルギーギャップ△₁に相当する電圧
以下の過剰電流を、制御電極に印加する電圧Ｖｇで制御
することができる。

【００３６】次にこの素子の製造方法について、図３を
用いて説明する。基板（図示せず）上に、高真空中で厚
さ１００ｎｍのＮｂを蒸着して超電導体１を形成する。
その後真空に保った状態で厚さ２００ｎｍのＳｉ膜を分
子線エピタキシー（ＭＢＥ法）により形成し、次にイオ
ン打ち込み法によりＳｉ膜全体に濃度１０¹⁷ｃｍ~³のヒ
素を導入して半導体２を形成する（図３（ａ））。

【００３７】次に半導体のチャネル部分と制御電極を形
成するために、半導体２に凹凸を設ける。凹凸のパター
ンの形成には、電子線描画法を用いた。半導体２の表面
にネガ型の電子線レジストを２００ｎｍの厚さに塗布し
た後、電子線を照射して幅１００ｎｍのレジストパター
ンを形成した。このレジストパターンをマスクとして、
反応性イオンエッチング法よりエッチングして凹凸を形
成した（図３（ｂ））。

【００３８】続いて、制御電極を形成するために、ＭＢ
Ｅ法により厚さ２０ｎｍのＣｏＳｉ₂膜を成長させ、エ
ッチングにより凹部以外のＣｏＳｉ₂膜を除去した。こ
れにより、半導体２の凹部に、制御電極４、５が形成さ
れた（図３（ｃ））。次に、厚さ２００ｎｍの常伝導金
属となるＡｌ膜を、抵抗加熱蒸着法により形成し、所定
のパターンとし、超電導素子を得た（図３（ｄ））。本
実施例で製造した超電導素子は、小さい制御電圧で素子
の電流電圧特性を変調でき、高速動作が可能であった。

【００３９】なお、本実施例においては、キャリアを注
入する手段に常伝導金属を用いたが、超電導体を用いて
も同様の効果が得られた。さらにキャリアを注入する手
段は、トンネル障壁層を介した超電導体を用いて構成し
ても同様の効果が得られた。この場合、素子の電流電圧
特性は、過剰電流が検出される電圧レベルが注入側の超
電導体のギャップエネルギー分だけ高エネルギー側へシ
フトする。

【００４０】また、上記のようにキャリアを注入する手
段として常伝導金属に代えて超電導体を用いるとき、注
入されたキャリアは、超電導体１と半導体２の境界と、
キャリアを注入する手段を構成している超電導体と半導
体の境界とでアンドレエフ反射と通常の反射が繰返し生
ずることにより、波動関数の位相の干渉効果が起こり、
離散的に決まった注入エネルギーＥｎで共振現象が起こ
る。微分抵抗は、エネルギーＥｎに相当する４ｄ_N電圧
で減少する。従って、２つの超伝導体間の電流あるいは
抵抗が、異なった制御条件で同一の値を実現する。これ
を２値以上の多値の論理に対応させ動作することによっ
て新しい機能を有する超電導素子を実現できた。

【００４１】〈実施例２〉図４は本発明の第２の実施例
である超電導素子の平面構造図である。図において、１
はＮｂ材料からなる膜厚２００ｎｍの超電導体、２はＳ
ｉからなる半導体、３はＡｌからなる膜厚２００ｎｍの
常伝導金属、４と５はＡｌからなる制御電極、６は半導
体のチャネルである。常伝導金属３は、キャリアの注入
手段を構成するが、これは同時に超電導体１と半導体２
の界面での反射したキャリアの検出手段をも兼ね備え構
成する。

【００４２】常伝導金属３から半導体２中に、超電導体
のギャップエネルギー以下のエネルギーでキャリアが注
入された場合、超電導体１と半導体２の境界においてア
ンドレエフ反射が起きる。図４において、制御電極４、
５に電界を印加すると空間電荷層７が延びると同時に半
導体のチャネル６のキャリア濃度が増加する。このた
め、アンドレエフ反射したキャリアを検出する比率が大
きくなり、超電導体１と常伝導金属３の間に流れる過剰
電流が増加する。さらに、キャリアが走行する半導体２
中の経路の寸法は、空間電荷層７が延びることによりＬ
からＬ′に変化する。すなわち制御電極４、５に電界を
印加することによって、アンドレエフ反射したキャリア
を検出する比率を制御することができる。

【００４３】この寸法は、半導体チャネルのキャリアの
平均自由工程の１０倍以下であるとき、電子を注入して
半導体と超電導体界面でのアンドレエフ反射により戻っ
てきた正孔を検出する比率がさらに大きくなる。さらに
検出部分での散乱が抑えられる効果も加わり、過剰電流
が増加する。一方、寸法が上記以上になると通常の反射
によって（電子が注入されれば電子が反射、正孔が注入
されれば正孔が反射する）戻ってきた電子を検出する比
率が大きくなり、過剰電流が減少する。本実施例の超電
導素子は、小さい制御電圧で素子の電流電圧特性を変調
でき、高速動作が可能であり、また平坦構造であるため
集積化が容易であった。

【００４４】〈実施例３〉図５は、本発明の第３の実施
例である超電導素子の平面構造図である。制御電極４は
円形に構成され、半導体中に埋め込まれている。制御電
極４に電圧を印加すると空間電荷層７が広がり、チャネ
ル６の直径がＬからＬ′に変化する。これにより、アン
ドレエフ反射したキャリアを検出する比率が変わり、超
電導体１と常伝導金属３の間に流れる過剰電流が変調さ
れる。本実施例の超電導素子は、小さい制御電圧で素子
特性を変調でき、高速動作が可能で、低い電力で動作す
る。

【００４５】〈実施例４〉図６は本発明の第４の実施例
である超電導素子の断面構造図である。図１に示した超
電導素子に磁界を印加するために、超電導体２６が埋め
込まれている。この超電導体２６に電流を流すと、磁界
を発生する。磁界を印加したときには、アンドレエフ反
射したキャリアにローレンツ力が加わり、反射する方向
が変調されるため、過剰電流を制御することができる。
また、磁界を印加すると、波動関数の位相が変調する効
果により過剰電流を制御することができる。また、超電
導体に電流を流す方向を変えることにより、磁界の方向
を制御することができる上に、超電導体に流す電流によ
り磁界の強さの制御も可能である。この超電導素子の特
性を図７に示す。本実施例の超電導素子は、小さい制御
電圧で素子特性を変調でき、高速動作が可能で、低い電
力で動作する。

【００４６】〈実施例５〉図８は本発明の第５の実施例
である超電導素子の断面構造図である。第１の実施例で
示した超電導素子に、電子の反射方向を制御するための
制御電極１０がさらに付加されている。すなわち、この
制御電極１０に電圧を印加する、あるいは電流を注入す
ることにより、アンドレエフ反射したキャリアの反射方
向を変調し、その結果として超電導体１と常伝導金属３
の間に流れる過剰電流の値を制御することができる。本
実施例の超電導素子は、小さい制御電圧で素子特性を変
調でき、高速動作が可能である。

【００４７】〈実施例６〉図９は本発明の第６の実施例
である超電導素子の平面構造図である。半導体２′中の
キャリアの経路をチャネル１１、１２に分岐する。それ
ぞれのチャネルで生ずるキャリアの反射と干渉は、超電
導電極１と常伝導金属３の間の電流あるいは抵抗値の変
化として検出される。なお、図において９は絶縁膜であ
る。

【００４８】各々のチャネルの長さ、深さ、巾、及びチ
ャネル間の距離を０．１μｍに設定することによりアハ
ラノフーボーム（Ａｈａｒａｎｏｖ−Ｂｏｈｍ）効果も
検出される。これは、電子の位相情報は失われずに電気
抵抗に干渉効果が現れる代表的な現象である。二つの電
流経路に電圧Ｖによる位相差が有る場合、 Φｅ＝２πｅＶＬ／ｈｖ_x の位相差が生ずる。ここで、ｅは電荷、Ｌはチャネルの
長さ、ｈはプランク定数、ｖ_xはフェルミ速度である。

【００４９】この位相差は、図９において制御電極４、
５に印加する電圧によって生じる。従って、常伝導金属
と超伝導体間の電流あるいは抵抗が、異なった制御条件
で同一の値を実現し、これを２値以上の多値の論理に対
応させ動作することによって新しい機能を有する超電導
素子を実現できる。本実施例の超電導素子は、より小さ
い制御電圧で素子特性を変調でき、高速動作が可能であ
る。また、この超電導素子は、従来の超電導素子で実現
できなかった２値以上の多値論理が扱え、多機能を有す
る。

【００５０】〈実施例７〉図１０は本発明の第７の実施
例である超電導素子の断面構造図である。３つの埋め込
まれた制御電極４、５、１６を設け、キャリアが半導体
中を走行する経路をチャネル１１、１２に分岐させて構
成する。この超電導素子は、常伝導金属と超伝導体間の
電流あるいは抵抗が、異なった制御条件で同一の値を実
現し、これを２値以上の多値の論理に対応させ動作する
ことができる。本実施例の超電導素子は、より小さい制
御電圧で素子特性を変調でき、高速動作が可能である。
また、この超電導素子は、従来の超電導素子で実現でき
なかった２値以上の多値論理が扱え、多機能を有する。

【００５１】〈実施例８〉図１１は、本発明の第８の実
施例である超電導素子の平面構造図である。図１１にお
いて、ヒ素を高濃度の不純物として含むＳｉからなる半
導体２と接して、Ｎｂ材料からなる膜厚２００ｎｍの超
電導体１とＡｌからなる膜厚２００ｎｍの常伝導金属３
が対向している。常伝導金属３は幅が０．２μｍ以下と
小さい針状の電極であり、超電導体１は弧状の電極であ
る。常伝導金属３の先端を中心とした円上に超電導体１
の端部２０があるように設置されている。これにより、
常伝導金属３の先端より半導体２中に放射線状に注入し
たキャリアが半導体中を走行する距離、すなわち針状の
常伝導金属３の先端から半導体２と超電導体１との界面
までの距離を一定にすることができる。

【００５２】このため、アンドレエフ反射が起る半導体
２と超電導体１との界面では、キャリアの位相が揃う。
従って、コヒーレントなキャリアと見なすことができ、
アンドレエフ反射したキャリアを検出する比率が向上
し、過剰電流を増加させることができる。この素子に、
図１１に示した方向に磁界を印加すると、キャリアの位
相が変化し、その結果として超電導体１と常伝導金属３
の間に流れる過剰電流を変調することができる。本実施
例の超電導素子は、より小さい制御電圧で素子特性を変
調でき、高速動作が可能である。また、この超電導素子
は、従来の超電導素子で実現できなかった２値以上の多
値論理が扱え、多機能を有する。

【００５３】〈実施例９〉図１２は、本発明の第９の実
施例である超電導素子の平面構造図である。この超電導
素子は、第８の実施例に示した超電導素子の針状の常伝
導金属３から超電導体１の端部までの距離を一部分変化
させた構造を持つ。図において、超電導体１の上半分と
下半分を変化させている。針状の常伝導金属３から超電
導体１の端部２１、２２までの距離が上部では０．１５
μｍ、下部では０．１０μｍである。このような構造で
は、上部と下部の超電導体の端部２１、２２でのキャリ
アの位相が異なるため、その干渉を変化させることがで
きる。本実施例の超電導素子は、より小さい制御電圧で
素子特性を変調でき、高速動作が可能である。また、こ
の超電導素子は、従来の超電導素子で実現できなかった
２値以上の多値論理が扱え、多機能を有する。

【００５４】〈実施例１０〉図１３は、本発明の第１０
の実施例である超電導素子の平面構造図である。図１３
（ａ）に示した超電導素子は、キャリアが走行する半導
体を二つの異なる不純物濃度からなるチャネル２３、２
４に分けて構成されている。超電導体１から半導体中に
超電導ペアポテンシャルが浸透する。半導体の不純物濃
度が大きいほど、ペアポテンシャルの浸透範囲が広が
る。チャネル２４中の不純物濃度がチャネル２３よりも
大きい場合、実際には図１２に示した第９の実施例の構
造と同様になる。このため、針状の常伝導金属３から注
入されたキャリアが、チャネル２４とチャネル２３を走
行した場合に、その位相が異なるようになり、干渉効果
による電流電圧特性に負性抵抗を有するようになる。

【００５５】図１３（ｂ）に示した超電導素子は、キャ
リアが走行する半導体２の一部分の下部のみのキャリア
濃度を変化させるために、半導体２に電界を印加するた
めの制御電極２５を設けている。制御電極２５は、半導
体２の裏面に設けられている。図１３（ａ）に示した素
子と同様の効果を、制御電極２５に印加する電圧によっ
て得ることができる。本実施例の超電導素子は、より小
さい制御電圧で素子特性を変調でき、高速動作が可能で
ある。また、この超電導素子は、従来の超電導素子で実
現できなかった２値以上の多値論理が扱え、多機能を有
する。

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば、高速動作をし、消費電
力が小さく、入出力分離の良好で利得向上、スイッチン
グ速度の高速な超電導素子を提供することができた。ま
た、多値論理が扱える素子を実現し、多機能を有する超
電導素子の回路、システムを実現できる効果がある。さ
らに、１つの素子の寸法が微細であり、高集積回路を実
現することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の超電導素子の断面構造
図である。

【図２】本発明の第１の実施例の超電導素子の電流電圧
特性図である。

【図３】本発明の第１の実施例の超電導素子の製造方法
を表す工程図である。

【図４】本発明の第２の実施例の超電導素子の平面構造
図である。

【図５】本発明の第３の実施例の超電導素子の平面構造
図である。

【図６】本発明の第４の実施例の超電導素子の断面構造
図である。

【図７】本発明の第４の実施例の超電導素子の電流電圧
特性図図である。

【図８】本発明の第５の実施例の超電導素子の断面構造
図である。

【図９】本発明の第６の実施例の超電導素子の平面構造
図である。

【図１０】本発明の第７の実施例の超電導素子の断面構
造図である。

【図１１】本発明の第８の実施例の超電導素子の平面構
造図である。

【図１２】本発明の第９の実施例の超電導素子の平面構
造図である。

【図１３】本発明の第１０の実施例の超電導素子の平面
構造図である。

【図１４】本発明の原理を説明するための図である。

【図１５】本発明の原理を説明するための図である。

【図１６】本発明の原理を説明するための図である。

【図１７】本発明の原理を説明するための図である。

【符号の説明】

１、２６超電導体２、２′ 半導体３常伝導金属４、５、１０、１６、２５制御電極６、１１、１２、２３、２４チャネル７空間電荷層９絶縁膜２０、２１、２２端部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導体、該超電導体と接して積層された
常伝導体、該常伝導体に電子又は正孔を注入する手段、
該常伝導体と該超電導体との界面で反射した電子又は正
孔を検出する手段及び電子又は正孔が走行する経路の大
きさと該常伝導体中のキャリア濃度を制御する手段を有
することを特徴とする超電導素子。
【請求項２】超電導体、該超電導体と接して積層された
常伝導体、該常伝導体に電子又は正孔を注入する手段、
該常伝導体と該超電導体との界面で反射した電子又は正
孔を検出する手段及び該常伝導体中の電子又は正孔が走
行する方向を制御する手段を有することを特徴とする超
電導素子。
【請求項３】超電導体、該超電導体と接して積層された
常伝導体、該常伝導体に電子又は正孔を注入する手段、
該常伝導体と該超電導体との界面で反射した電子又は正
孔を検出する手段及び該常伝導体中に注入した電子又は
正孔の波動関数の位相を制御する手段を有することを特
徴とする超電導素子。
【請求項４】請求項１、２又は３記載の超電導素子にお
いて、上記電子又は正孔を注入する手段は、上記常伝導
体に接合された第２の超電導体であることを特徴とする
超電導素子。
【請求項５】請求項１、２又は３記載の超電導素子にお
いて、上記電子又は正孔を注入する手段は、上記常伝導
体に直接又はトンネル障壁層を介して接合された第２の
常伝導体であることを特徴とする超電導素子。
【請求項６】請求項４又は５記載の超電導素子におい
て、上記電子又は正孔を注入する手段が常伝導体に接合
した部分の一辺の長さは、上記常伝導体中のキャリアの
平均自由行程の１０倍以下であることを特徴とする超電
導素子。
【請求項７】請求項１から６のいずれかに記載の超電導
素子において、上記電子又は正孔を注入する手段は、超
電導体と常伝導体の界面から、上記常伝導体中のキャリ
アの平均自由工程の１０倍以下の距離に配置されたこと
を特徴とする超電導素子。
【請求項８】請求項１から７のいずれかに記載の超電導
素子において、上記電子又は正孔を検出する手段は、上
記電子又は正孔を注入する手段と同一の手段であること
を特徴とする超電導素子。
【請求項９】請求項１から８のいずれかに記載の超電導
素子において、上記常伝導体は、半導体であることを特
徴とする超電導素子。
【請求項１０】請求項１記載の超電導素子において、上
記電子又は正孔が走行する経路の大きさと該常伝導体中
のキャリア濃度を制御する手段は、上記常伝導体に電界
を印加する手段であることを特徴とする超電導素子。
【請求項１１】請求項１０記載の超電導素子において、
上記電界を印加する手段は、上記常伝導体中に設けられ
たことを特徴とする超電導素子。
【請求項１２】請求項２記載の超電導素子において、上
記電子又は正孔が走行する方向を制御する手段は、上記
常伝導体中に設けられたことを特徴とする超電導素子。
【請求項１３】請求項３記載の超電導素子において、上
記電子又は正孔の波動関数の位相を制御する手段は、上
記常伝導体に電界を印加する手段であることを特徴とす
る超電導素子。
【請求項１４】請求項１３記載の超電導素子において、
上記電界を印加する手段は、上記常伝導体中に設けられ
たことを特徴とする超電導素子。
【請求項１５】請求項２記載の超電導素子において、上
記電子又は正孔が走行する方向を制御する手段は、上記
常伝導体に磁界を印加する手段であることを特徴とする
超電導素子。
【請求項１６】請求項３記載の超電導素子において、上
記電子又は正孔の波動関数の位相を制御する手段は、上
記常伝導体に磁界を印加する手段であることを特徴とす
る超電導素子。
【請求項１７】請求項１、２又は３記載の超電導素子に
おいて、上記常伝導体と超電導体との界面は、上記電子
又は正孔を注入する手段から等距離に配置されているこ
とを特徴とする超電導素子。
【請求項１８】請求項１、２又は３記載の超電導素子に
おいて、上記常伝導体と超電導体との界面は、上記電子
又は正孔を注入する手段から部分的に距離が異なるよう
に配置されていることを特徴とする超電導素子。
【請求項１９】請求項１、２又は３記載の超電導素子に
おいて、上記常伝導体は、半導体であり、該半導体は部
分的にキャリア濃度が異なることを特徴とする超電導素
子。