JPH065793B2

JPH065793B2 - 超伝導トランジスタ

Info

Publication number: JPH065793B2
Application number: JP61024020A
Authority: JP
Inventors: 康夫田雑
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1986-02-07
Filing date: 1986-02-07
Publication date: 1994-01-19
Anticipated expiration: 2009-01-19
Also published as: JPS62183572A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は超伝導現象を応用したデバイスに係わり、半導
体トランジスタの特性に比べ極めて優れた信号増幅作用
および高速スイッチング動作を有する超伝導トランジス
タに関するものである。

（従来の技術）最近、ホットエレクトロントランジスタに類似する動作
を行う超伝導トランジスタが発表されている。（参考文
献としては、(1)田村泰孝，“超伝導デバイス”，特開
昭60-117691号、(2)D.J.Frank et al."A new supercond
ucting-basetransistor,"IEEE Trans.Magn.,vol.Mag-2
1,no.3,pp.721-724,March 1985、(3)H.Tamura et al.,"C
urrent injection effects in a Nb/Al0_x-Al/Nb/n-InSb
triode,"Japanese J,of Appl.Phys.,vol.24,no.9,pp.L
709-710,Sept.1985が挙げられる。）これらの超伝導トランジスタの構造および動作原理は基
本的には同じであるので、ここでは上記の参考文献(2)
を例にとって説明する。

第６図にその基本構造模式図を示す。バイポーラトラン
ジスタと同様、エミッタＥ，ベースＢ、コレクタ部Ｃか
ら構成される。エミッタＥはエミッタ金属１とトンネル
絶縁体２とから形成され、ベースＢは超伝導体ベース３
から形成され、コレクタ部Ｃは半導体からなるコレクタ
４と金属からなるコレクタ電極５とから形成される。ま
た、動作原理から、コレクタ４のバリヤ△_９は超伝導体
ベース３のエネルギーギャップ△より小さい値を持つ必
要がある。

第７図はコレクタ４として上記条件を満たす理想的な半
導体が実現できた場合のエネルギーバンドの模式図を示
す。第７図(イ)はエミッタ・ベース間電圧Ｖ_ＥＢおよび
ベース・コレクタ間電圧Ｖ_ＢＣをいずれも印加しない場
合である。

エミッタ・ベース間電圧Ｖ_ＥＢとして超伝導体ベース３
のエネルギーギャップ△程度以上の電圧を印加すると、
第７図(ロ)に示すように、トンネル絶縁体２を通すトン
ネリングにより準粒子６がエミッタ金属１より超伝導体
ベース３に注入される。注入された準粒子６の一部はク
ーパーペアー７になりベース電流Ｉ_Ｂになるが、ほとん
どの準粒子６はベース・コレクタ界面に到達する。コレ
クタ４のバリヤ△_９は超伝導体ベース３のエネルギーギ
ャップ△より小さいので、到達した準粒子６はベース・
コレクタ間電圧Ｖ_ＢＣによるコレクタ内部電界により加
速され、コレクタ電極５に到達しコレクタ電流Ｉ_Ｃとな
る。

そして、超伝導体ベース３中における準粒子６からクー
パーペアー７への再結合時間が半導体中における電子の
ホールへの再結合時間より極めて長いため、すなわちエ
ミッタＥから注入された準粒子６が超伝導体ベース３中
でほとんど再結合しないため、エミッタ接地の電流増幅
率β（＝Ｉ_Ｃ／Ｉ_Ｂ）は半導体トランジスタに比べて極
めて大きくなる。例えば、コレクタ界面での電子透過率
を0.1とかなり小さく見積もっても電流増幅率βは10⁵に
達する。また、ベース電流Ｉ_Ｂは基本的にはクーパーペ
アー７として流れるのでベース抵抗Ｒ_ｂが極めて小さ
く、インピーダンス整合を行った時の電力増幅率が１に
なる周波数、いわゆる最大発振周波数ｆ_ＭＡＸ（∝１／
Ｒ_ｂ）が極めて高い特徴を持っている。更に、注入され
た準粒子６は熱平衡状態に比べてエネルギーギャップΔ
だけ大きなエネルギーを持ち超伝導体ベース３中を高速
に動くため、ベース走行時間τは極めて小さい。例え
ば、ベース厚さ30nmのNbを仮定すると、ベース走行時間
τは0.1psになる。従って、この超伝導トランジスタは
高速トランジスタとしての条件も基本的には兼ね備えて
いると考えられる。

（発明が解決しようとする問題点）このように超伝導トランジスタは半導体トランジスタよ
り優れた特性を基本的に持っているが、従来の超伝導ト
ランジスタではコレクタ構造に起因する欠点があった。

以下にその欠点について説明する。

(1)第１の欠点としては電流増幅率βが低下してしまう
ことである。これは半導体からなるコレクタ４のバリヤ
△_ｇを超伝導体ベース３のエネルギーギャップ△以下に
することが困難であることが原因となっている。すなわ
ち、第８図に示すように超伝導体ベース３とコレクタ４
とが金属−半導体接触となるため、その界面にショット
キーバリヤ８が生じるためである。pb，Nb，Nb化合物な
どの代表的な超伝導体との間にショットキーバリヤを生
じない半導体材料として、n-InAs,p-GaSb,p-InSb,n-Cd
S,n-PbTe,n-CdSeなどがあるが、これらの物質は表面準
位を作り易いために現実には超伝導体ベース３のエネル
ギーギャップ△（meVオーダ）以下にバリヤ高さを制御
するのは困難であると考えられる。

そのため、動作原理からもわかるように、エネルギーギ
ャップ△より大きいショットキーバリヤ８が存在すると
超伝導体ベース３を走行してきた準粒子６はこのショッ
トキーバリヤ８を越えることができず、コレクタ電極５
にほとんど到達できない。従って、電流増幅率βが小さ
くなってしまう。第９図は従来の超伝導トランジスタの
電流特性例を示したものであるが、上記の理由のため
に、β=α/(1-α))は約3.7×10^-3（α＝∂Ｉ_Ｃ／∂Ｉ_Ｅ
＝3.7×10^-3）になり、前述した理想値10^-5からすると
８桁小さい値しか得られていない。

(2)第２の欠点としては高速動作が制限されることであ
る。これには２つの原因があり、１つはアバランシェ衝
撃イオン化現象によるリーク電流を増大させないために
半導体からなるコレクタ４内における電子速度を所定の
値より大きくできないことにあり、もう１つはトンネル
現象によるリーク電流を起こさないためにコレクタ４の
厚さを小さくできないことにある。

すなわち、コレクタ中を走行する電子はコレクタ内電界
により加速され運動エネルギーを増加させるが、この電
子の持つ運動エネルギーが伝導帯と不純物レベルとのエ
ネルギー差Ｅ_ｉより大きくなると、第10図に示すよう
に、不純物を電離させ電子が伝導帯に励起されてしま
う。そして、励起された電子もコレクタ内電界により加
速され、更に不純物を電離させ電子が伝導帯に励起され
る現象を引き起こすので、伝導電子の数が急激に増大
し、いわゆるアバランシェ衝撃イオン化現象が起きる。
このため、エミッタ電流と無関係なコレクタ電流、すな
わちコレクタリーク電流が流れ、正常なトランジスタ動
作を示さなくなる。これを防止するためには、コレクタ
電界により加速される電子の運動エネルギーを伝導帯と
不純物レベルとのエネルギー差Ｅ_ｉより小さくする必要
があるわけである。この関係を示したのが次式である。

1/2・ｍｖ^２＝Ｅ_ｉ＝ｍｑ^４/(8π²▲ε² _s▼h² ………
…(1) なお、ｖは電子の速度、ｍは電子の有効質量、ε_ｓは半
導体の比誘電率、ｑは電子の電荷、ｈはプランク定数で
ある。

従って、コレクタ４中の電子速度ｖに対しては、次式で
示されるような上限速度ｖ_{ｌｉｍｉｔ}が存在する。

ｖ_{ｌｉｍｉｔ}＝ｑ^２/(2πε_sh) …………(2) これより、コレクタ走行時間τ_Ｃも下式のように制限さ
れてしまう。

τ_Ｃ＝Ｌ／ｖ_{ｌｉｍｉｔ} …
………(3) なお、Ｌはコレクタ厚さである。

一方、コレクタ走行時間τ_Ｃを小さくするためにはコレ
クタ厚さＬを短くすればよいが、これにも下限がある。
それは第11図に示すようにコレクタ厚さＬを短くすると
超伝導体ベース３にあるクーパーペアー７が壊れ自由電
子となり、半導体からなるコレクタ４の伝導帯にトンネ
ルしてしまってリーク電流となるため、コレクタ厚さＬ
を無制限に小さくすることができないからである。例え
ば、コレクタ４としてp-InSbを想定しこのクーパーペア
ーブレークトンネリングによるリーク電流が生じないよ
うにコレクタ厚さＬを決定し、コレクタ走行時間τ_Ｃを
算出すると約５psになる。他の半導体をコレクタとして
用いた場合も同じオーダになる。また、電流利得遮断周
波数ｆ_Ｔを決定する要因としてはコレクタ走行時間τ_Ｃ
以外にエミッタ・ベース間容量を充電する時間やベース
走行時間があるが、仮にそれらがゼロであっても、下式
で示されるようにコレクタ走行時間τ_Ｃのみによって電
流利得遮断周波数ｆ_Ｔが制限されてしまう。

ｆ_Ｔ＝１/(2πτ_C)〜30GHz …………(4) このように従来の超伝導トランジスタではコレクタ構造
に起因する諸問題のために本来持っている性能（高増幅
率，高速）を充分引き出せないという欠点を有してい
た。

（問題点を解決するための手段）本発明は上記の点に鑑み提案されたものであり、その目
的とするところは、大きな信号増幅率を有し、かつ高速
でリーク電流が少なく低消費電力で動作する超伝導トラ
ンジスタを提供することにある。

すなわち、本発明は上記の目的を達成するため、コレク
タを、第１の物質と、この第１の物質に比べて大きな仕
事関数あるいは大きな電子親和力を持つ第２の物質との
周期構造で構成し、前記第２の物質の厚さをこの第２の
物質におけるド・ブロイ波長程度以下にすることを最も
大きな特徴とする。

そして、従来の技術とは以下の効果があることが大きく
異なる。

(a)コレクタ・ベース間電圧Ｖ_ＢＣに適当な値を与える
と、共鳴トンネル現象（詳細については後述）により電
子はコレクタをトンネルするため、見掛け上、準粒子に
対するコレクタバリヤがない状態が実現できる。従っ
て、理想に近い大きな電流増幅率が期待できる。

(b)アバランシェ衝撃イオン化現象あるいはクーパーペ
アーブレークトンネリングによるリーク電流がないた
め、コレクタ厚さＬの下限が緩和され、高速動作が可能
となり、また消費電力を低くできる。さらに、トンネル
現象は超高速であるため、コレクタ走行時間を極めて小
さくできる。従って、高い電流利得遮断周波数ｆ_Ｔを実
現できる。

以下、実施例を示す図面に沿って本発明を更に詳述す
る。

（実施例１）第１図は本発明の第１の実施例を示したものである。素
子はエミッタＥとベースＢとコレクタ部Ｃとからなる。
エミッタＥはエミッタ金属11とトンネル絶縁体12とから
形成され、エミッタ金属11はエミッタ電極を兼ねてい
る。ベースＢは超伝導体ベース13から形成され、超伝導
体ベース13はベース電極を兼ねている。コレクタ部Ｃは
コレクタ14とコレクタ電極15とから形成され、コレクタ
14は第１の物質14Aと第２の物質14Bとが周期構造で形成
されている。第１の物質14Aと第２の物質14Bとの組合せ
は、半導体と半導体、半導体と金属、半導体と超伝導
体、絶縁体と金属、絶縁体と超伝導体、絶縁体と半導体
のどれでも良く、第２の物質14Bの仕事関数あるいは電
子親和力は第１の物質14Aに比べて大きく設定する。第
２の物質14Bの厚さは第２の物質14Bの電子のド・ブロイ
波長程度以下にする。コレクタ電極15は、第２の物質14
Bと同じ物質、第２の物質14Bの縮退物質、金属、あるい
は超伝導体で形成する。

具体的な材料としては、エミッタ金属11としてAl，Au等
の金属、トンネル絶縁体１２としてpb系，Nb系の酸化膜
もしくはAl系，Zr系等の酸化膜、超伝導体ベース13とし
てpb系，Nb系の超伝導体、コレクタ電極15としてAl，Au
等の金属あるいはpb系，Nb系の金属，合金が適用でき
る。また、第１の物質14Aと第２の物質14Bについては各
組合せにつき下表のような材料が考えられる。

次に、コレクタ周期構造の電子エネルギー状態について
述べる。第２図はこの部分のエネルギーバンドの模式図
を示したものであり、CBは伝導帯、VBは価電子帯であ
る。また、Ｌ_ｗは第２の物質14Bの厚さ、すなわち第２
の物質14Bにより形成されたポテンシャル井戸の幅、Ｈ
は第１の物質14Aと第２の物質14B間に形成されたポテン
シャル障壁の高さ、Ｌ_Ｂは第１の物質14Aの厚さ、すな
わちそのポテンシャル障壁の厚さであり、電子のトンネ
リングが起こる程度の厚さである。

しかして、ポテンシャル井戸の幅Ｌ_ｗを第２の物質14B
における電子のド・ブロイ波長程度以下にすると、ポテ
ンシャル障壁に囲まれた電子の波動的性質により井戸内
に量子化されたサブバンドSB₁，SB₂，…が形成される。
なお、サブバンドSB₁，SB₂，…のエネルギーレベル
Ｅ_１，Ｅ_２…および幅△Ｅ_１，△Ｅ_２，……は、Ｎ（ポ
テンシャル井戸の数）と上記のＬ_ｗ，Ｈ，Ｌ_Ｂにより決
定される。

第３図は第１の実施例に示した超伝導トランジスタのエ
ネルギーバンドの模式図を示し、(イ)はエミッタ・ベー
ス間電圧Ｖ_ＥＢ、ベース・コレクタ間電圧Ｖ_ＢＣとも印
加してない場合を示す。また、(ロ)はエミッタ・ベース
間電圧Ｖ_ＢＥに超伝導体ベース13のエンルギーギャップ
Δ程度の電圧を印加し、ベース・コレクタ間電圧Ｖ_ＢＣ
に注入準粒子レベルとコレクタ周期構造エネルギーレベ
ルＥ_１が一致するような電圧を印加した場合のエンルギ
ーバンドの模式図を示す。

しかして、エミッタ・ベース間電圧Ｖ_ＢＥを印加する
と、トンネル絶縁体12を通すトンネリングにより準粒子
６がエミッタ金属11より超伝導体ベース13に注入され
る。注入された準粒子６は一部がクーパーペアー７にな
りベース電流Ｉ_Ｂになるが、ほとんどはベース・コレク
タ界面に到達する。そして、この準粒子６のエネルギー
がコレクタ14のサブバンドレベルＥ_１に一致するとトン
ネル確率がほぼ１でコレクタ周期構造をトンネルしてコ
レクタ電極15に到達する。なお、注入エネルギーがサブ
バンドレベルに一致した時にトンネル確率が大きくなる
現象は共鳴トンネル現象と呼ばれている。そして、コレ
クタ界面で反射された準粒子６はトンネル絶縁体12とコ
レクタ界面との間を多重反射しながら再結合してクーパ
ーペアー７になりベース電流Ｉ_Ｂになるか、あるいはコ
レクタ周期構造をトンネルしてコレクタ電流Ｉ_Ｃになる
かのどちらかである。

次に、このデバイスの電流増幅率βを概算を行う。超伝
導体ベース13における準粒子６の走行時間をτ、準粒子
６からクーパーペアー７への再結合時間をτ_Ｒ、超伝導
体ベース13とコレクタ界面でのトンネル透過係数をｔ_Ｂ
とすると、ベース電流Ｉ_Ｂとエミッタ電流Ｉ_Ｅの関係は
次式で与えられる。

Ｉ_Ｂ＝Ｉ_Ｅ(τ/τ_R＋２τ(1-r_B)/τ_R＋２τ1-t_B)²/τ_R
＋……）＝Ｉ_Ｅ（２−ｔ_Ｂ）／τ／τ_Ｒ………………
(5) これからＩ_Ｃ＝Ｉ_Ｅ−Ｉ_Ｂをもとに電流増幅率βを求め
ると、 β＝∂Ｉ_Ｃ／∂Ｉ_Ｂ＝τ_Rt_B/τ/(2-t_B)…………(6) 代入すると、となる。なお、ｄはベース厚さ、ｖ_Ｆはフェルミ速度、
Ｔ′は準粒子の等価温度、ｋはボルツマン定数である。

第４図は第１の物質14AとしてAlGaAs、第２の物質14Bと
してGaAsを設定し、第１の物質14Aの厚さ（障壁幅）Ｌ
_Ｂを６nm、第２の物質14Bの厚さ（井戸幅）Ｌ_ｗを６n
m、井戸の数Ｎを１にしたときのコレクタ周期構造のト
ンネル透過係数ｔ_Ｂの計算例を示す。ここで、トンネル
透過係数ｔ_Ｂのピーク値は１であるが、出力電圧に充分
大きなマージンをとるために、小さく見積もってｔ_Ｂ＝
0.5とする。また、エミッタ金属11をAl、トンネル絶縁
体12をアルミニウム酸化膜、超伝導体ベース13をNb系金
属として、ｄ＝30nm，ｖ_Ｆ＝１μm／ps，２ｋＴ′＝0.1
△（△は約1.5meV，τ_Ｒは45ns）として電流増幅率βを
求めると1.6×10⁶と極めて大きい値になる。

一方、コレクタ走行時間τ_Ｃはコレクタ周期構造を電子
が共鳴トンネルするのに要する時間であり、トンネル過
程での散乱が小さいと近似的に下式で与えられる。

τ_Ｃ＝{(1+N)L_B+NL_w)}／ｖ……………(8) ここで、ｖは入射準粒子の速度で、約0.3μm/psであ
る。また、Ｌ_Ｂ＝Ｌ_ｗ＝６nm，Ｎ＝５を代入すると、コ
レクタ走行時間τ_Ｃは0.2psとなる。(4)式からコレクタ
走行時間τ_Ｃでのみ決定される電流利得遮断周波数ｆ_Ｔ
を求めると800GHzと極めて高速になる。

この結果から明らかなように、従来の超伝導トランジス
タに比べて、電流増幅率，高速動作に対して極めて大き
い改善がある。

また、コレクタ電極15は第２の物質14Bと同じ物質，第
２の物質14Bの縮退物質，金属，もしくは超伝導体から
構成されるが、第２の物質14Bと同じ物質あるいはその
縮退物質の場合はコレクタ14と同一物質であるためエピ
タキシャル技術等により連続して形成できるので製造が
容易である利点があり、金属もしくは超伝導体の場合は
コレクタ抵抗が小さくできる利点がある。

（実施例２）第５図は本発明の他の実施例を示したものであり、エミ
ッタＥから超伝導体ベース13のベースＢに準粒子を注入
する構造のみを示している。

第５図(イ)は超伝導体ベース13に直接エミッタ半導体16
を接触させた構造、第５図(ロ)はトンネル絶縁体12を介
してエミッタ超伝導体17を接触させた構造、第５図(ハ)
はトンネル半導体18を介してエミッタ金属11を接触させ
た構造、第５図(ニ)はトンネル半導体18を介してエミッ
タ超伝導体17を接触させた構造を示している。なお、エ
ミッタ半導体16としてはGaAs,InSb,Si等の半導体、エミ
ッタ超伝導体17としては超伝導体ベース13と同様にpb
系，Nb系の超伝導体、トンネル半導体18としてはInAs，
InSb，GaAs等の材料が適用できる。

第５図(イ)の場合は超伝導体ベース13とエミッタ半導体1
6の界面に生じるショットキーバリヤを介して準粒子が
超伝導体ベース13に注入される。第５図(ロ)ないし(ニ)の
場合はトンネル絶縁体12あるいはトンネル半導体18を介
したトンネリングにより注入される。

しかして、第５図(イ)の場合はトンネル絶縁体を使用し
ないのでエミッタ・ベース間容量が小さいという利点が
ある。第５図(ロ)の場合はエミッタＥが超伝導体なので
エミッタ抵抗がなくエミッタ時定数を小さくできると共
に、キャリア密度も大なので電流密度が増加する利点が
ある。第５図(ハ)，(ニ)の場合はトンネル絶縁体を使用し
ないのでエミッタ・ベース間容量が小さいと共に、エミ
ッタが金属あるいは超伝導体なのでキャリア密度が増加
する利点があり、更にトンネル膜としてバリヤ高さが低
い半導体を用いることにより、準粒子注入電流密度を向
上させることができる特徴を持っている。

なお、準粒子注入以降の動作、機能、作用、効果、およ
び従来技術との差異は、前述した第１の実施例と同じで
ある。

（発明の効果）以上説明したように、本発明により半導体トランジスタ
特性を大きく越える信号増幅作用およびスイッチング動
作が可能であり、高速、低消費電力（リーク電流が少な
い）の超伝導トランジスタを得ることができる。

そして、本発明による超伝導トランジスタは超高速ＬＳ
Ｉあるいは超高周波デバイスなど幅広い応用を切り開く
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超伝導トランジスタの第１の実施
例を示しその基本構造を説明する図、第２図は本発明の
超伝導トランジスタにおけるコレクタ周期構造のエネル
ギーバンド構造およびそのエネルギーレベルを示す図、
第３図は第１の実施例の超伝導トランジスタのエネルギ
ーバンドの模式図、第４図は代表的なコレクタ周期構造
のトンネル透過係数ｔ_Ｂの計算例を示す図、第５図は本
発明の他の実施例を示しエミッタ構造を中心に書いた
図、第６図は従来の超伝導トランジスタの基本構造模式
図、第７図は従来の超伝導トランジスタのエネルギーバ
ンドの模式図、第８図は従来の超伝導トランジスタのコ
レクタ界面に生じるショットキーバリヤの説明図、第９
図は従来の超伝導トランジスタの電流特性例、第10図は
従来の超伝導トランジスタで起きるアバランシェ衝撃イ
オン化現象によるコレクタリーク電流を説明する図、第
11図は従来の超伝導トランジスタで起きるクーパーペア
ーブレークトンネリング現象によるコレクタリーク電流
を説明する図である。Ｅ……エミッタ、Ｂ……ベース、Ｃ……コレクタ部、11
……エミッタ金属、12……トンネル絶縁体、13……超伝
導体ベース、14……コレクタ、14A……第１の物質、14B
……第２の物質、15……コレクタ電極、16……エミッタ
半導体、17……エミッタ超伝導体、18……トンネル半導
体、６……準粒子、７……クーパーペアー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超伝導体からなるベースと、前記ベースに
準粒子を注入するエミッタと、前記ベースから準粒子を
捕獲するコレクタおよびコレクタ電極とを具備し、前記
コレクタを第１の物質と、前記第１の物質に比べて大き
な仕事関数あるいは大きな電子親和力を持つ第２の物質
との周期構造で構成し、前記第２の物質の厚さを前記第
２の物質における電子のド・ブロイ波長程度以下にする
ことを特徴とする超伝導トランジスタ。
【請求項２】第１の物質と第２の物質との組合せを、半
導体と半導体、半導体と金属、半導体と超伝導体、絶縁
体と金属、絶縁体と超伝導体、もしくは絶縁体と半導体
にしてなる特許請求の範囲第１項記載の超伝導トランジ
スタ。
【請求項３】エミッタのベースに直接接触する部分が半
導体である特許請求の範囲第１項記載の超伝導トランジ
スタ。
【請求項４】エミッタを、ベースに接触する側から絶縁
体と超伝導体とで構成してなる特許請求の範囲第１項記
載の超伝導トランジスタ。
【請求項５】エミッタを、ベースに接触する側から半導
体と金属とで構成してなる特許請求の範囲第１項記載の
超伝導トランジスタ。
【請求項６】エミッタを、ベースに接触する側から半導
体と超伝導体とで構成してなる特許請求の範囲第１項記
載の超伝導トランジスタ。
【請求項７】コレクタ電極を、第２の物質と同じ物質、
第２の物質の縮退物質、金属、もしくは超伝導体から構
成してなる特許請求の範囲第１項記載の超伝導トランジ
スタ。