JPS6142178A - 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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- JPS6142178A JPS6142178A JP16411684A JP16411684A JPS6142178A JP S6142178 A JPS6142178 A JP S6142178A JP 16411684 A JP16411684 A JP 16411684A JP 16411684 A JP16411684 A JP 16411684A JP S6142178 A JPS6142178 A JP S6142178A
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/10—Junction-based devices
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
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
体一半導体一超伝導体結合素子に関するものである。
体一半導体一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Ｃ：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
実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（＝供するものは得られていない。
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
実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（＝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形の高濃度化を行った
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形の高濃度化を行った
もので、超伝導電流が得られている。
しかしこの場合、キャリア濃度は、 ×１０２０．、−
５以上であり、また超伝導電極間隔りも０．１μ展程度
のものしか実現されていない。キャリアが１００１ｎで
はもはや半導体と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。少くともキャリア濃度は５ｘ１０１
９ｃｍ−５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。
５以上であり、また超伝導電極間隔りも０．１μ展程度
のものしか実現されていない。キャリアが１００１ｎで
はもはや半導体と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。少くともキャリア濃度は５ｘ１０１
９ｃｍ−５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ξにと密接な関係がある。超伝導近接効果理
論によるとξＩは半導体中のキャリア密度を３ （Ｃｍ
−５）その移動度をμ（ｃｍ’／Ｖ−８）とするとル１
／３μｍ／２に比例する。例えば高移動度化合物半導体
ｎ−１ｎＡｚを例にとると４に付近の極低温（二おいて
ｎ＝ ２ｘ ’＋０１８ｃｍ−’、 ｐ＝１０，０００
ｃｍ”／Ｖ−：Ｓ なら。
伝導拡散長ξにと密接な関係がある。超伝導近接効果理
論によるとξＩは半導体中のキャリア密度を３ （Ｃｍ
−５）その移動度をμ（ｃｍ’／Ｖ−８）とするとル１
／３μｍ／２に比例する。例えば高移動度化合物半導体
ｎ−１ｎＡｚを例にとると４に付近の極低温（二おいて
ｎ＝ ２ｘ ’＋０１８ｃｍ−’、 ｐ＝１０，０００
ｃｍ”／Ｖ−：Ｓ なら。
ξ、ｖ＝０．２２μｍ 、 ｎｗ２ ｘ １０”ｃｍ−
’ 、 μ”２０ｔ０００ Ｃｍ２／ＶｅＳでξ−０，
１５μｍ程度となる（ここで電子の有効質量は０．０２
８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ｆｎＡｚ の場合りが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った
。これは極低温における半導体−超伝導昇動の電気特性
の重要性を示している。
’ 、 μ”２０ｔ０００ Ｃｍ２／ＶｅＳでξ−０，
１５μｍ程度となる（ここで電子の有効質量は０．０２
８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ｆｎＡｚ の場合りが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った
。これは極低温における半導体−超伝導昇動の電気特性
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ｆ二おける問題点、すなわち超伝導電流を得るため
１：、超伝導電極間隔をきわめて短かくしなければなら
ず、また半導体のキャリアｍ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ｆ二おける問題点、すなわち超伝導電流を得るため
１：、超伝導電極間隔をきわめて短かくしなければなら
ず、また半導体のキャリアｍ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
特性をオーミック的にすることにより解決する。
特性をオーミッ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・ショットキ素子を示す。
ているスーパ・ショットキ素子を示す。
これは超伝導体と半導体とがショッ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
口で、又エネルギバンド図を第５図（α）に示す。この
場合電圧がＯ付近では、パリアノ１イトＥｋと、空乏槽
中ｗ（ｗは半導体のキャリア濃度の平方根に反比例する
）で決まるトンネル電流が流れるが、スーパ・ショット
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ャップ
エネルギ△（△はよく使われるＮｈ、Ｐｂで１．５〜１
．５ｒｒｈｇＶである）付近で電流が大きく流れる。ス
ーパ・ショッ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。以上が従来のスーツ（・ショッ
トキ素子の説明であるが、ル形１ｎＡｚ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、本発明によ
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、そのポテンシャルバリア
のために、ｌ−Ｔｌ特性は第２図（α）口のようになる
。そして、いずれの場合ともＩ−Ｖ特性が第２因（α）
口で示すものについては、その部分拡大図の第２図（ｂ
）口で示すよう（二超伝導電流ＩＣは得られないことが
わかった。
て接触しているものであり、そのＩ−Ｖ特性を第２図の
口で、又エネルギバンド図を第５図（α）に示す。この
場合電圧がＯ付近では、パリアノ１イトＥｋと、空乏槽
中ｗ（ｗは半導体のキャリア濃度の平方根に反比例する
）で決まるトンネル電流が流れるが、スーパ・ショット
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ャップ
エネルギ△（△はよく使われるＮｈ、Ｐｂで１．５〜１
．５ｒｒｈｇＶである）付近で電流が大きく流れる。ス
ーパ・ショッ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。以上が従来のスーツ（・ショッ
トキ素子の説明であるが、ル形１ｎＡｚ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、本発明によ
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、そのポテンシャルバリア
のために、ｌ−Ｔｌ特性は第２図（α）口のようになる
。そして、いずれの場合ともＩ−Ｖ特性が第２因（α）
口で示すものについては、その部分拡大図の第２図（ｂ
）口で示すよう（二超伝導電流ＩＣは得られないことが
わかった。
これ（二対して本発明による場合、例えば半導体として
ル形１ｎＡ、Ｐを用い、超伝導電瀘１例えば蒸着法で形
成する場合、その直前にアルゴンスパッタクリーニング
等（二より表面に残っている自然酸化膜等の汚れを除去
したものでは、第２図（α）イに示すようにＩ−Ｖ特性
が全く直線的（いわゆるオーミック性）になるものが得
られ、この場合にはじめて超伝導電流１ｃが得ら、れる
ことがわかった。
ル形１ｎＡ、Ｐを用い、超伝導電瀘１例えば蒸着法で形
成する場合、その直前にアルゴンスパッタクリーニング
等（二より表面に残っている自然酸化膜等の汚れを除去
したものでは、第２図（α）イに示すようにＩ−Ｖ特性
が全く直線的（いわゆるオーミック性）になるものが得
られ、この場合にはじめて超伝導電流１ｃが得ら、れる
ことがわかった。
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６図（Ａ）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（二対してでも必要であり、超伝導体
を形成する直前（二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ッタクリーニ
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。
れ、第６図（Ａ）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（二対してでも必要であり、超伝導体
を形成する直前（二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ッタクリーニ
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、バリア八イト
が正の場合（二おいてもその大きさが小さく、かつ空乏
層中も小さいときには可能である。
が正の場合（二おいてもその大きさが小さく、かつ空乏
層中も小さいときには可能である。
前者の負のバリア八イト？もつ半導体としては上記ル形
１ｎＡｚの他、Ｐ形Ｇａ５ｈ 、 ｐ形Ｉｎｃｈ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Ｉｎ、Ｇａ１−ａｃＡｓ 、 Ｉｎ、Ａｌ １
−ｘＡｌ ｐ （いずれもＸは１に近い領域）等におい
ても負のバリアハイトをもたせることができる。良好な
オーミック特性を得るため、特に後者のバリア八イトが
正の場合（二は必要ならば半導体の超伝導ｉの界面側を
高濃度層にしたもの即ちルールール構造にしてもよい（
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が高山 濃度層である。これは内部の半導体はキャリア制御のた
め（−ま低濃度の方がよく、かつオーミック特性が得ら
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、内部のキャリア濃度は５ ｘｌ ０” ｃ
ｍ＝以下に押える必要がある。このキャリア濃度の範囲
でかつオーミック特性をもた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
ャリア注入などによってオーミック特性を得、超伝導電
流を流すこともできる。
１ｎＡｚの他、Ｐ形Ｇａ５ｈ 、 ｐ形Ｉｎｃｈ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Ｉｎ、Ｇａ１−ａｃＡｓ 、 Ｉｎ、Ａｌ １
−ｘＡｌ ｐ （いずれもＸは１に近い領域）等におい
ても負のバリアハイトをもたせることができる。良好な
オーミック特性を得るため、特に後者のバリア八イトが
正の場合（二は必要ならば半導体の超伝導ｉの界面側を
高濃度層にしたもの即ちルールール構造にしてもよい（
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が高山 濃度層である。これは内部の半導体はキャリア制御のた
め（−ま低濃度の方がよく、かつオーミック特性が得ら
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、内部のキャリア濃度は５ ｘｌ ０” ｃ
ｍ＝以下に押える必要がある。このキャリア濃度の範囲
でかつオーミック特性をもた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
ャリア注入などによってオーミック特性を得、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
て見積ってみる。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Ｉｃ
１の最大値は用いる超伝導体の超伝導エネルギギャップ
により決まっており、Ｎｂ 、 Ｐｈなどでは２ｒｎＶ
のオーダである。Ｒは常伝導抵抗であり今の場合オーミ
ック部の抵抗である。
て見積ってみる。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Ｉｃ
１の最大値は用いる超伝導体の超伝導エネルギギャップ
により決まっており、Ｎｂ 、 Ｐｈなどでは２ｒｎＶ
のオーダである。Ｒは常伝導抵抗であり今の場合オーミ
ック部の抵抗である。
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、素子中を１００μｍと
すると、接触抵抗は５Ｘ１０−５Ω・Ｃ♂以下が必要と
なる。本発明（二よれば、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−超伝導体結合素子において、超伝導電流を得
るζ：要する超伝導電極間隔を比較的に長くすることが
でき、また半導体のキャリア濃度を比較的に低くするこ
とが可能となる。
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、素子中を１００μｍと
すると、接触抵抗は５Ｘ１０−５Ω・Ｃ♂以下が必要と
なる。本発明（二よれば、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−超伝導体結合素子において、超伝導電流を得
るζ：要する超伝導電極間隔を比較的に長くすることが
でき、また半導体のキャ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（二超伝導電流
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。
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。
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（二長くすることが、
また半導体のキャリア濃度を比較的：二低くすることが
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太い（＝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（二長くすることが、
また半導体のキャリア濃度を比較的：二低くすることが
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太い（＝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（α）
は半導体結合超伝導素子のＩ−Ｖ特性図、（ｂ）は（α
）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（α）はバリアが有限（ＡＩ’ｈ＞０）。 （Ａｌはバリアが負（Ｅｂ＜ｏ）の場合のエネルギバン
ド図（いずれもル形半導体の場合）、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 ５・・・半導体−超伝導体界面 ４・・・高濃度層 第１図 １ｓ６図 （ｃＬ） 第２図 μＶ 第４図
は半導体結合超伝導素子のＩ−Ｖ特性図、（ｂ）は（α
）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（α）はバリアが有限（ＡＩ’ｈ＞０）。 （Ａｌはバリアが負（Ｅｂ＜ｏ）の場合のエネルギバン
ド図（いずれもル形半導体の場合）、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 ５・・・半導体−超伝導体界面 ４・・・高濃度層 第１図 １ｓ６図 （ｃＬ） 第２図 μＶ 第４図
Claims (5)
- （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ック的に接触していることを
特徴とする半導体結合超伝導素子。 - （２）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。 - （３）前記半導体のキャリア濃度を５×１０＾１＾９ｃ
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。 - （４）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。 - （５）超伝導体−半導体−超伝導体結合素子の製造方法
において、該半導体上に超伝導電極を形成する直前にお
いて、高周波スパッタクリーニング、イオンビームクリ
ーニング、光照射クリーニング、あるいはオゾン、反応
性ガス等を用いるクリーニング等の表面クリーニングを
行い、そのまま真空槽から取出すことなく超伝導電極を
形成することを特徴とする半導体結合超伝導素子の製法
。
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 true JPS6142178A (ja) | 1986-02-28 |
| JPH069261B2 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) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6345873A (ja) * | 1986-08-13 | 1988-02-26 | Hitachi Ltd | 超伝導トランジスタ |
| US5126315A (en) * | 1987-02-27 | 1992-06-30 | Hitachi, Ltd. | High tc superconducting device with weak link between two superconducting electrodes |
Citations (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
Patent Citations (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 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6345873A (ja) * | 1986-08-13 | 1988-02-26 | Hitachi Ltd | 超伝導トランジスタ |
| US5126315A (en) * | 1987-02-27 | 1992-06-30 | Hitachi, Ltd. | High tc superconducting device with weak link between two superconducting electrodes |
| US5552375A (en) * | 1987-02-27 | 1996-09-03 | Hitachi, Ltd. | Method for forming high Tc superconducting devices |
| US6069369A (en) * | 1987-02-27 | 2000-05-30 | Hitachi, Ltd. | Superconducting device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH069261B2 (ja) | 1994-02-02 |
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