JPH069261B2 - 半導体結合超伝導素子 - Google Patents
半導体結合超伝導素子Info
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- JPH069261B2 JPH069261B2 JP59164116A JP16411684A JPH069261B2 JP H069261 B2 JPH069261 B2 JP H069261B2 JP 59164116 A JP59164116 A JP 59164116A JP 16411684 A JP16411684 A JP 16411684A JP H069261 B2 JPH069261 B2 JP H069261B2
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- JP
- Japan
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- semiconductor
- superconducting
- superconductor
- superconducting device
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- Prior art date
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-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/10—Junction-based devices
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体を接合部にもつ超伝導素子、即ち超伝導
体−半導体−超伝導体結合素子に関するものである。
体−半導体−超伝導体結合素子に関するものである。
半導体をバリアとする超伝導素子は、電子に対するエネ
ルギバリアが低いためバリア長が長くできること、また
半導体に対する電気的制御により超伝導三端子素子を表
現できる可能性を持つことから、多くの試みがなされて
いるが実用に供するものは得られていない。
ルギバリアが低いためバリア長が長くできること、また
半導体に対する電気的制御により超伝導三端子素子を表
現できる可能性を持つことから、多くの試みがなされて
いるが実用に供するものは得られていない。
例えば第１図に半導体結合超伝導素子の一例を示す。図
において、１は半導体基板、２は超伝導体（超伝導電
極）、３は半導体−超伝導体界面を示す。これまでに実
現されたものでは、半導体１として単結晶シリコンを用
い、拡散又はイオン打込みによりｐ形の高濃度化を行つ
たもので、超伝導電流が得られている。
において、１は半導体基板、２は超伝導体（超伝導電
極）、３は半導体−超伝導体界面を示す。これまでに実
現されたものでは、半導体１として単結晶シリコンを用
い、拡散又はイオン打込みによりｐ形の高濃度化を行つ
たもので、超伝導電流が得られている。
しかしこの場合、キヤリア濃度は１×１０20cm-3以上で
あり、また超伝導電極間隔Ｌも0.1μｍ程度のものしか
実現されていない。キヤリアが１０2020cm-3ではもはや
半導体といはいいがたく金属的であり、トランジスタ又
はFET素子のような半導体としての特徴を活かすことは
できない。少くともキヤリア濃度は５×１０19cm-3以下
にする必要がある。また超伝導間隔が0.1μｍでは、半
導体上に第三端子を形成することは非常に困難である。
あり、また超伝導電極間隔Ｌも0.1μｍ程度のものしか
実現されていない。キヤリアが１０2020cm-3ではもはや
半導体といはいいがたく金属的であり、トランジスタ又
はFET素子のような半導体としての特徴を活かすことは
できない。少くともキヤリア濃度は５×１０19cm-3以下
にする必要がある。また超伝導間隔が0.1μｍでは、半
導体上に第三端子を形成することは非常に困難である。
ところで半導体結合超伝導素子の特性は、半導体中の超
伝導拡散長ξＮと密接な関係がある。超伝導近接効果理
論によるとξＮは半導体中のキヤリア密度をｎ（cm-3）
その移動度をμ（cm2/V・S）とするとn1/3μ1/2に比例す
る。例えば高移動度化合物半導体n-InAsを例にとると４
Ｋ付近の極低温においてn=2×1018cm-3，μ＝10,000cm2
/V・Sなら，ξＮ＝0.22μｍ，ｎ＝2×1017cm-3，μ＝20,
000cm2/V・SでξＮ＝0.15μｍ程度となる（ここで電子の
有効質量は0.028とした）。通常の超伝導体−金属−超
伝導体素子の場合でみるとL/ξＮが１〜５程度において
も超伝導電流は流れるため、上記InAsの場合Ｌが0.2〜
0.5μｍ以上の素子においても超伝導電流は得られるは
ずである。ところが、実際は超伝導電流は得られなかつ
た。これは極低温における半導体−超伝導界面の電気特
性の重要性を示している。
伝導拡散長ξＮと密接な関係がある。超伝導近接効果理
論によるとξＮは半導体中のキヤリア密度をｎ（cm-3）
その移動度をμ（cm2/V・S）とするとn1/3μ1/2に比例す
る。例えば高移動度化合物半導体n-InAsを例にとると４
Ｋ付近の極低温においてn=2×1018cm-3，μ＝10,000cm2
/V・Sなら，ξＮ＝0.22μｍ，ｎ＝2×1017cm-3，μ＝20,
000cm2/V・SでξＮ＝0.15μｍ程度となる（ここで電子の
有効質量は0.028とした）。通常の超伝導体−金属−超
伝導体素子の場合でみるとL/ξＮが１〜５程度において
も超伝導電流は流れるため、上記InAsの場合Ｌが0.2〜
0.5μｍ以上の素子においても超伝導電流は得られるは
ずである。ところが、実際は超伝導電流は得られなかつ
た。これは極低温における半導体−超伝導界面の電気特
性の重要性を示している。
本発明は上述の従来の超伝導体−半導体−超伝導体結合
素子における問題点、すなわち超伝導電流を得るため
に、超伝導電極間隔をきわめて短かくしなければなら
ず、また半導体のキヤリア濃度をきわめて高くしなけれ
ばならないという問題を解決し、実用に供することがで
きる超伝導二端子あるいは三端子素子を実現しようとす
るものである。
素子における問題点、すなわち超伝導電流を得るため
に、超伝導電極間隔をきわめて短かくしなければなら
ず、また半導体のキヤリア濃度をきわめて高くしなけれ
ばならないという問題を解決し、実用に供することがで
きる超伝導二端子あるいは三端子素子を実現しようとす
るものである。
本発明は、上記問題点を、半導体と超伝導体の界面電気
特性をオーミツク的にすることにより解決する。
特性をオーミツク的にすることにより解決する。
ここで本発明の理解のための比較例として、従来知られ
ているスーパ・シヨツトキ素子を示す。これは超伝導体
と半導体とがシヨツトキバリアを形成して接触している
ものであり、そのＩ−Ｖ特性を第２図のロで、又エネル
ギバンド図を第３図(a)に示す。この場合電圧が０付近
では、バリアハイトＥｂと、空乏槽中ｗ（ｗは半導体の
キヤリア濃度の平行根に反比例する）で決まるトンネル
電流が流れるが、スーパ・シヨツトキ素子と呼ばれるも
のではＩ−Ｖ特性は直線的ではなくまたその量は非常に
小さい。電圧が超伝導体のギヤツプエネルギ△（△はよ
く使われるNb，Pbで1.3〜1.5meVである）付近で電流が
大きく流れる。スーパ・シヨツトキ素子はこの付近のＩ
−Ｖ特性の非線形を利用したものである。以上が従来の
スーパ・シヨツトキ素子の説明であるが、ｎ形InAsのよ
うにバリアハイトが負といわれているものについても、
本発明のよらず表面に形成された自然酸化膜等の「汚
れ」を除去しないで金属と接合させた場合、そのポテン
シヤルバリアのために、Ｉ−Ｖ特性は第２図(a)ロのよ
うになる。そして、いずれの場合ともＩ−Ｖ特性が第２
図(a)ロで示すものについては、その部分拡大図の第２
図(b)ロで示すように超伝導電流Icは得られないことが
わかつた。
ているスーパ・シヨツトキ素子を示す。これは超伝導体
と半導体とがシヨツトキバリアを形成して接触している
ものであり、そのＩ−Ｖ特性を第２図のロで、又エネル
ギバンド図を第３図(a)に示す。この場合電圧が０付近
では、バリアハイトＥｂと、空乏槽中ｗ（ｗは半導体の
キヤリア濃度の平行根に反比例する）で決まるトンネル
電流が流れるが、スーパ・シヨツトキ素子と呼ばれるも
のではＩ−Ｖ特性は直線的ではなくまたその量は非常に
小さい。電圧が超伝導体のギヤツプエネルギ△（△はよ
く使われるNb，Pbで1.3〜1.5meVである）付近で電流が
大きく流れる。スーパ・シヨツトキ素子はこの付近のＩ
−Ｖ特性の非線形を利用したものである。以上が従来の
スーパ・シヨツトキ素子の説明であるが、ｎ形InAsのよ
うにバリアハイトが負といわれているものについても、
本発明のよらず表面に形成された自然酸化膜等の「汚
れ」を除去しないで金属と接合させた場合、そのポテン
シヤルバリアのために、Ｉ−Ｖ特性は第２図(a)ロのよ
うになる。そして、いずれの場合ともＩ−Ｖ特性が第２
図(a)ロで示すものについては、その部分拡大図の第２
図(b)ロで示すように超伝導電流Icは得られないことが
わかつた。
これに対して本発明による場合、例えば半導体１として
ｎ形InAsを用い、超伝導電極２を例えば蒸着法で形成す
る場合、その直前にアルゴンスパツタクリーニング等に
より表面に残つている自然酸化膜等の汚れを除去したも
のでは、第２図(a)イに示すようにＩ−Ｖ特性が全く直
線的（いわゆるオーミツク性）になるものが得られ、こ
の場合にはじめて超伝導電流Icが得られることがわかつ
た。これは表面のクリーニングにより自然酸化膜等が除
去され、第３図(b)に示すように理想的な界面が得られ
たことに関連する。この表面クリーニングは、化学エツ
チングを施した表面に対してでも必要であり、超伝導体
を形成する直前において同一真空槽内で行うのが最も良
い。クリーニングの方法には高周波スパツタクリーニン
グの他、イオンビーム，オゾン，光照射，あるいは反応
性ガスなどを用いる方法があり、使用する半導体により
最適な方法が選ばれる。
ｎ形InAsを用い、超伝導電極２を例えば蒸着法で形成す
る場合、その直前にアルゴンスパツタクリーニング等に
より表面に残つている自然酸化膜等の汚れを除去したも
のでは、第２図(a)イに示すようにＩ−Ｖ特性が全く直
線的（いわゆるオーミツク性）になるものが得られ、こ
の場合にはじめて超伝導電流Icが得られることがわかつ
た。これは表面のクリーニングにより自然酸化膜等が除
去され、第３図(b)に示すように理想的な界面が得られ
たことに関連する。この表面クリーニングは、化学エツ
チングを施した表面に対してでも必要であり、超伝導体
を形成する直前において同一真空槽内で行うのが最も良
い。クリーニングの方法には高周波スパツタクリーニン
グの他、イオンビーム，オゾン，光照射，あるいは反応
性ガスなどを用いる方法があり、使用する半導体により
最適な方法が選ばれる。
このようなＩ−Ｖ特性及び超伝導電流は、バリアハイト
が正の場合いおいてもその大きさが小さく、かつ空乏槽
巾も小さいときには可能である。前者の負のバイアハイ
トをもつ半導体としては上記ｎ形InAsの他，Ｐ形GaSb，
Ｐ形InSb等が知られている。又これらの半導体を含む三
元又は四元混晶、例えばInxGa1-xAs，InxAl1-xAs，（い
ずれもｘは１に近い領域）等においても負とバリアハイ
トをもたせることができる。良好なオーミツク特性を得
るため、特に後者のバイアハイトが正の場合には必要な
らば半導体の超伝導体２との界面側を高濃度層にしたも
の即ちn+-n-n+構造にしてもよい(この場合エネルギバンド図でw
が小さくなる)。第4図にその例を示しており、4が高濃度
層である。これは内部の半導体1はキヤリア制御のためには低
濃度の方がよく、かつオ-ミツク特性が得られるようにするた
めである。半導体としての特徴をいかすためには、内部の
キヤリア濃度は5×1019cm-3以下に押える必要がある。この
キヤリア濃度の範囲でかつオーミツク特性をもたらせる
ことが半導体結合超伝導三端子素子には重要である。こ
の場合、半導体へのキヤリア注入などによつてオーミツ
ク特性を得、超伝導電流を流すこともできる。
が正の場合いおいてもその大きさが小さく、かつ空乏槽
巾も小さいときには可能である。前者の負のバイアハイ
トをもつ半導体としては上記ｎ形InAsの他，Ｐ形GaSb，
Ｐ形InSb等が知られている。又これらの半導体を含む三
元又は四元混晶、例えばInxGa1-xAs，InxAl1-xAs，（い
ずれもｘは１に近い領域）等においても負とバリアハイ
トをもたせることができる。良好なオーミツク特性を得
るため、特に後者のバイアハイトが正の場合には必要な
らば半導体の超伝導体２との界面側を高濃度層にしたも
の即ちn+-n-n+構造にしてもよい(この場合エネルギバンド図でw
が小さくなる)。第4図にその例を示しており、4が高濃度
層である。これは内部の半導体1はキヤリア制御のためには低
濃度の方がよく、かつオ-ミツク特性が得られるようにするた
めである。半導体としての特徴をいかすためには、内部の
キヤリア濃度は5×1019cm-3以下に押える必要がある。この
キヤリア濃度の範囲でかつオーミツク特性をもたらせる
ことが半導体結合超伝導三端子素子には重要である。こ
の場合、半導体へのキヤリア注入などによつてオーミツ
ク特性を得、超伝導電流を流すこともできる。
ところで超伝導電流が得られるに必要な接触抵抗につい
て見積つてみる。半導体結合超伝導素子のIcに対する理
論はないが、トンネル接合における理論によるとIcR積
の最大値は用いる超伝導体の超伝導エネルギギヤツプに
より決まつており、Nb，Pbなどでは２mVのオーダであ
る。Ｒは常伝導抵抗であり今の場合オーミツク部の抵抗
である。簡単のため半導体自身の抵抗を無視し、素子抵
抗は半導体と超伝導体の接触抵抗だけとする。熱的ゆら
ぎを考慮すると実際上必要な最大超伝導電流は、10μＡ
以上であるので、素子抵抗は100Ω以下が要求される。
もし、有効に超伝導電流が得られる電極領域を超伝導電
極の端から0.5μｍ程度とし、又、素子巾を100μｍとす
ると、接触抵抗は５×10-5Ω・cm2以下が必要となる。
本発明によれば、この程度の低い接触抵抗を充分得るこ
とができる。そして、本発明によれば超伝導体−半導体
−超伝導対結合素子において、超伝導電流を得るに要す
る超伝導電極間隔を比較的に長くすることがで、また半
導体のキヤリア濃度を比較的に低くすることが可能とな
る。
て見積つてみる。半導体結合超伝導素子のIcに対する理
論はないが、トンネル接合における理論によるとIcR積
の最大値は用いる超伝導体の超伝導エネルギギヤツプに
より決まつており、Nb，Pbなどでは２mVのオーダであ
る。Ｒは常伝導抵抗であり今の場合オーミツク部の抵抗
である。簡単のため半導体自身の抵抗を無視し、素子抵
抗は半導体と超伝導体の接触抵抗だけとする。熱的ゆら
ぎを考慮すると実際上必要な最大超伝導電流は、10μＡ
以上であるので、素子抵抗は100Ω以下が要求される。
もし、有効に超伝導電流が得られる電極領域を超伝導電
極の端から0.5μｍ程度とし、又、素子巾を100μｍとす
ると、接触抵抗は５×10-5Ω・cm2以下が必要となる。
本発明によれば、この程度の低い接触抵抗を充分得るこ
とができる。そして、本発明によれば超伝導体−半導体
−超伝導対結合素子において、超伝導電流を得るに要す
る超伝導電極間隔を比較的に長くすることがで、また半
導体のキヤリア濃度を比較的に低くすることが可能とな
る。
以上は半導体結合超伝導素子の二端子間に超伝導電流を
得ることで説明したが、半導体結合超伝導三端子素子に
関しても応用できることはいうまでもない。
得ることで説明したが、半導体結合超伝導三端子素子に
関しても応用できることはいうまでもない。
本発明によれば、上述から明らかなごとく、超伝導体−
半導体−超伝導体結合素子において、超伝導電流を得る
に要する超伝導電極間隔を比較的に長くすることが、ま
た半導体のキヤリア濃度を比較的に低くすることが可能
となるから、半導体結合の超伝導二端子素子あるいは三
端子素子の実用化に大いに貢献するものである。
半導体−超伝導体結合素子において、超伝導電流を得る
に要する超伝導電極間隔を比較的に長くすることが、ま
た半導体のキヤリア濃度を比較的に低くすることが可能
となるから、半導体結合の超伝導二端子素子あるいは三
端子素子の実用化に大いに貢献するものである。
第１図は半導体結合超伝導素子の断面図、第２図(a)は
半導体結合超伝導素子のＩ−Ｖ特性図、(b)は(a)の原点
付近の拡大図、第３図は半導体結合超伝導素子のそれぞ
れ(a)はバリアが有限（Eb＜０），(b)バリアが負（Eb＜
０）の場合のエネルギバンド図（いずれもｎ形半導体の
場合）、第４図は本発明の半導体結合超伝導素子の高濃
度層を形成した例の断面図。 １…半導体基板 ２…超伝導電極 ３…半導体−超伝導体界面 ４…高濃度層
半導体結合超伝導素子のＩ−Ｖ特性図、(b)は(a)の原点
付近の拡大図、第３図は半導体結合超伝導素子のそれぞ
れ(a)はバリアが有限（Eb＜０），(b)バリアが負（Eb＜
０）の場合のエネルギバンド図（いずれもｎ形半導体の
場合）、第４図は本発明の半導体結合超伝導素子の高濃
度層を形成した例の断面図。 １…半導体基板 ２…超伝導電極 ３…半導体−超伝導体界面 ４…高濃度層
Claims (3)
- 【請求項１】超伝導体−半導体−超伝導体結合素子にお
いて、半導体と超伝導体がオーミツク的に接触し、前記
半導体として、前記超伝導体との接触部における電子ま
たはホールのバリアハイトが負である半導体、または化
合物半導体、またはそれらの混晶で構成しかつ上記接触
部において半導体の母体酸化膜が除去されていることを
特徴とする半導体結合超伝導素子。 - 【請求項２】前記半導体のキヤリア濃度を５×１０19ｃ
ｍ−３以下とすることを特徴とする前記特許請求の範囲
第１項記載の半導体結合超伝導素子。 - 【請求項３】前記半導体の内部構造をｎ＋、−ｎ−ｎ＋
となし、ｎ＋層に前記超伝導体が接触していることを特
徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の半導体結合超
伝導素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59164116A JPH069261B2 (ja) | 1984-08-03 | 1984-08-03 | 半導体結合超伝導素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59164116A JPH069261B2 (ja) | 1984-08-03 | 1984-08-03 | 半導体結合超伝導素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6142178A JPS6142178A (ja) | 1986-02-28 |
| JPH069261B2 true JPH069261B2 (ja) | 1994-02-02 |
Family
ID=15787053
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59164116A Expired - Lifetime JPH069261B2 (ja) | 1984-08-03 | 1984-08-03 | 半導体結合超伝導素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH069261B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2515751B2 (ja) * | 1986-08-13 | 1996-07-10 | 株式会社日立製作所 | 超伝導トランジスタ |
| KR910002311B1 (ko) * | 1987-02-27 | 1991-04-11 | 가부시기가이샤 히다찌세이사꾸쇼 | 초전도 디바이스 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5979585A (ja) * | 1982-10-29 | 1984-05-08 | Hitachi Ltd | ジヨセフソン接合素子とその製造方法 |
| JPS59103389A (ja) * | 1982-12-04 | 1984-06-14 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 超伝導素子及びその製法 |
-
1984
- 1984-08-03 JP JP59164116A patent/JPH069261B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6142178A (ja) | 1986-02-28 |
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