JPH0291983A - 超伝導トランジスタ - 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】 〔概要〕 酸化物超伝導体を用いたトランジスタ、特に、ソース及
びドレイン間のチャネル領域に相当する部分に導電性微
粒子を介在させた超伝導トランジスタに関し、 導電性微粒子として酸化物超伝導体を用いることで特性
のバラツキが少なく且つ高速の超伝導トランジスタを提
供することを目的とし、金属に比較してキャリヤ濃度が
低く且つ超伝導を示す程度にキャリヤ濃度が高く維持さ
れた酸化物超伝導体からなるソース部分並びにドレイン
部分と、該ソース部分並びにドレイン部分の間に介在し
且つそれらと同じ物質からなっていて超伝導を示す程度
にキャリヤ濃度が高く維持された酸化物超伝導体からな
る微粒子部分と、該微粒子部分と前記ソース部分並びに
ドレイン部分との間にキャリヤがトンネル可能である厚
さを維持して介在し且つ該微粒子部分とソース部分並び
にドレイン部分とは組成を異にした同じ物質からなって
いて超伝導を示さない程度にキャリヤ濃度が低いトンネ
ル媒質部分と、前記微粒子部分上に形成され且つそれと
は組成を異にした同じ物質からなっていて超伝導を示さ
ない程度にキャリヤ濃度が低いゲート絶縁膜と、該ゲー
ト絶縁膜上に積層され且つ前記微粒子部分とソース部分
並びにドレイン部分とは同じ組成の物質からなっていて
超伝導を示す程度にキャリヤ濃度が高いゲート導電層と
を備えてなるよう構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、酸化物超伝導体を用いたトランジスタ、特に
、ソース及びドレイン間のチャネル領域に相当する部分
に導電性微粒子を介在させた超伝導トランジスタに関す
る。

近年、臨界温度が液体窒素の沸点、即ち、７７（Ｋ）を
越えるような酸化物高温超伝導体が発見され、エレクト
ロニクスの分野に於いても、その利用が期待されている
。

長年に亙り超伝導エレクトロニクスの分野で使用されて
きたジョセフソン接合は、高速且つ低消費電力である旨
の利点をもつが、本質的に二端子素子である為、回路的
な工夫のみでは実現できない機能がある。

従って、超伝導現象を利用した三端子素子、即ち、トラ
ンジスタ動作をする素子が得られれば種々な機能を実現
できて好都合であり、特に、高温超伝導体を用いて実現
できれば多くの分野に進歩をもたらすことができる。

〔従来の技術〕

第３図は本発明者等が開発した超伝導トランジスタの要
部切断側面図を表している。

図に於いて、３１はシリコン基板、３２並びに３３は例
えばスパッタリング法で形成されたタンタル（Ｔａ）Ｆ
ｉｔ膜からなるソース電極並びにドレイン電極、３４は
白金（Ｐｔ）からなる金属微粒子、３５は酸化タンタル
膜、３６は例えばＡｌからなるゲート電極、Ｓはソース
端子、Ｄはドレイン端子、Ｇはゲート端子をそれぞれ示
している。

この超伝導トランジスタに於いては、ソースから金属微
粒子３４へ、そして、金属微粒子３４からドレインへと
二回の連続したトンネル可能で電子が移動し、実効的な
キャリヤ走行時間は極めて短く、高速動作が可能である
。

ここで、金属微粒子３４の静電容量が小さく、そして、
電子１個分の電荷に依る金属微粒子の電位変化が熱雑音
電圧ｋＴ／ｅ（ｋ＝ポルツマン定数、Ｔ＝絶対温度、ｅ
＝電荷素量）より充分に大きい場合、この電位変化は電
子の移動に対して一種のバリヤとして作用する。従って
、金属微粒子３４にゲートを取り付けて電圧を印加すれ
ば、前記バリヤが実効的に変化するので、ドレイン・ソ
ース間に流れる電流を制御することができるのである。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記説明したような超伝導トランジスタでは、金属微粒
子３４を極めて小さく作る必要があると共に金属微粒子
３４とトンネル媒質である酸化タンタル膜３５との界面
及びトンネル媒質である酸化タンタル膜３５とソース電
極３２或いはドレイン電極３３との界面に於けるバリヤ
・ハイドを精密に制御する必要があり、若し、バリヤ・
ハイドの制御が不充分であるとトランジスタの闇値電圧
が変動する。ところが、それ等界面は、金属とその酸化
物の界面であったり、半導体と金属の界面であったりす
るので、そこに生成されるバリヤ・ハイドを精密に制御
することは、かなり困難な技術であり、研究室段階では
可能であるが、量産ラインでの製造歩留りは大変に悪く
なる筈である。

従って、金属微粒子を利用する超伝導トランジスタを実
用化するには、まず、特性のバラツキを解消することが
大きな課題である。

一般に、金属微粒子を利用する超伝導トランジスタでは
、ソース・ドレイン間に多数の、例えば１０００個以上
の金属微粒子が並列になった構造を備えている。換言す
ると、多くの単一金属微粒子をもつ超伝導トランジスタ
が並列になっているものであり、その個々の特性にバラ
ツキがあると全体としてトランジスタ特性を全く示さな
いものになってしまう。

前記説明した金属微粒子を利用する超伝導トランジスタ
とは別に、本発明者は、さきに、酸化物超伝導体を材料
とする超伝導トランジスタを実現させたく要すれば特願
昭６３−２１２５６６号参照）。

第４図はその超伝導トランジスタの要部切断側面図を表
している。

図に於いて、４１は酸化物超伝導体コレクタ層、４２は
酸化物バリヤ層、４３は酸化物超伝導体ベース層、４４
は酸化物バリヤ層、４５は酸化物超伝導体エミツタ層、
４６はコレクタ電極、４７はベース電極、４８はエミッ
タ電極、４９は絶縁性基板をそれぞれ示している。

図示の超伝導トランジスタに於いては、コレクタ層４１
、ベース層４３、エミツタ層４５が使用温度で超伝導特
性を示すようになっている。バリヤ層４２並びに４４は
コレクタ層４１、ベース層４３、エミツタ層４５と同様
な酸化物からなっているが組成を異にしている為、超伝
導電流を搬送するキャリヤ濃度が小さい値になっていて
超伝導性は示さない。

この超伝導トランジスタは、全てが本質的に同種類の結
晶構造物質で構成されていることから、例えば、ベース
層４３とコレクタ層４１との間に不所望のバリヤが発生
するようなことはなく、従って、電流伝達特性が良好で
あり、そして、半導体・超伝導体間の接触に関する電気
的特性の均−性及び再現性が良好であるなど、優れた素
子特性を実現しているのであるが、第３図に見られる金
属微粒子を利用した超伝導トランジスタとは異なり、二
回の連続したトンネル効果は利用していない。この為、
第４図に見られる超伝導トランジスタでは、エミツタ層
４５からベース層４３に注入されたキャリヤはコレクタ
層４１に到達するまでにベース層４３内を走行しなけれ
ばならない。通常、この種のトランジスタに於ける動作
速度は、キャリヤがベース層４３を走行する時間で制限
を受ける。ところが、酸化物超伝導体ではキャリヤの局
在性が強く、その結果、キャリヤの移動度は小さいこと
が知られていて、−船釣に用いられている半導体に比較
して３桁以上も小さい。従って、スイッチング速度に関
しては、期待される程の特性改善は得られない。

前記したようなことを考慮すると、矢張り、第３図につ
いて説明したトンネル効果を利用する超伝導トランジス
タの改善が期待されるところであろう。

本発明は、酸化物超伝導体からなる微粒子を用いること
で特性のバラツキが少ない且つ高速の超伝導トランジス
タを提供しようとする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の詳細な説明する為の超伝導トランジス
タの要部切断側面図を表している。

図に於いて、ｌは酸化物トンネル媒質基板（或いは層）
、２は酸化物超伝導体ソース領域、３は酸化物超伝導体
ドレイン領域、４は酸化物超伝導体からなる微粒子領域
、５は酸化物バリヤ層、６は酸化物導電層、７は金属ソ
ース電極、８は金属ドレイン電極、９は金属ゲート電極
をそれぞれ示している。

この超伝導トランジスタに於いて、トンネル媒質基板１
はソース領域２、ドレイン領域３、微粒子領域４と同様
な酸化物で構成されているが、組成が異なる為、超伝導
電流を搬送するキャリヤ密度がソース領域２などよりも
小さい値になっていて、ソース領域２及び微粒子領域４
間と微粒子領域４及びドレイン領域間とのバリヤとして
作用する。

ソース領域２並びにドレイン領域３は酸化物超伝導体で
構成され使用温度で超伝導特性を示す。

微粒子領域４はソース領域２及びドレイン領域３と同じ
酸化物超伝導体からなる導電性の微粒子で構成され、そ
の直径は例えば１０１００（ｎ程度であり、ソース領域
２並びにドレイン領域３と同様、使用温度で超伝導特性
を示す。

バリヤ層５はゲート絶縁膜であり、ソース領域２、ドレ
イン領域３などと同様の酸化物からなっているが、組成
を異にしている為、超伝導電流を搬送するキャリヤ濃度
が小さい値になっていて超伝導性は示さない。

酸化物導電層６はバリヤ層５と共にゲートを構成してい
る。

前記各酸化物層は理想的には単一の単結晶からなるか、
或いは、少なくとも類似の結晶構造をもち、組成の相違
に依ってキャリヤ濃度に差がある点を除けば、同種の物
質と見做して差支えないものである。即ち、全てが本質
的に同種類の結晶構造物質で構成されていることから、
例えば、ソース領域２と微粒子領域４との間、或いは、
微粒子領域４とドレイン領域３との間などに不所望の電
気的障壁が生成される虞は殆どなく、従って、特性良好
な超伝導トランジスタを再現性良く実現できる。

・さて、図示の超伝導トランジスタは、次のように動作
する。

通常、キャリヤはソース領域２から微粒子領域４にトン
ネリングで、そして、微粒子領域４からドレイン領域３
に同じくトンネリングによって現れる。即ち、ソース領
域２から微粒子領域４へとキャリヤがトンネリングする
と微粒子の電位が変化し、微粒子領域４からドレイン領
域３に対するキャリヤのトンネル確率が増大する。その
為、ソース領域２→微粒子領域４−ドレイン領域３のト
ンネリングが連続して発生する。

ここで、微粒子領域４は、第３図についで説明した従来
の金属微粒子を利用する超伝導トランジスタと同様、微
粒子の静電容量が小さく、キャリヤ１個分の電荷に依る
微粒子の電位変化が熱雑音電圧ｋ　Ｔ　／　ｅと比較し
て充分に大きい場合は、前記電位変化がキャリヤの移動
に対するバリヤとして作用し、ゲート電極９に電圧を印
加すると該バリヤの高さが実効的に変化することから、
ドレイン・ソース間電流は制御されるものである。即ち
、ゲート電圧の印加に依って、前記トンネル電流は変化
し、トランジスタ作用が現れるものである。

前記したところから、本発明に依る超伝導トランジスタ
に於いては、金属に比較してキャリヤ濃度が低く且つ超
伝導を示す程度にキャリヤ濃度が高く維持された酸化物
超伝導体からなるソース部分（例えば酸化物超伝導体ソ
ース領域２）並びにドレイン部分（例えば酸化物超伝導
体ドレイン領域３）と、該ソース部分並びにドレイン部
分の間に介在し且つそれらと同じ物質からなっていて超
伝導を示す程度にキャリヤ濃度が高く維持された酸化物
超伝導体からなる微粒子部分（例えば酸化物超伝導体か
らなる微粒子領域４）と、該微粒子部分と前記ソース部
分並びにドレイン部分との間にキャリヤがトンネル可能
である厚さを維持して介在し且つ該微粒子部分とソース
部分並びにドレイン部分とは組成を異にした同じ物質か
らなっていて超伝導を示さない程度にキャリヤ濃度が低
いトンネル媒質部分（例えば酸化物トンネル媒質基板１
）と、前記微粒子部分上に形成され且つそれとは組成を
異にした同じ物質からなっていて超伝導を示さない程度
にキャリヤ濃度が低いゲート絶縁膜（例えば酸化物バリ
ヤ層）と、該ゲート′ｆＪＡ縁膜上に積層され且つ前記
微粒子部分とソース部分並びにドレイン部分とは同じ組
成の物質からなっていて超伝導を示す程度にキャリヤ濃
度が高いゲート導電層（例えば酸化物導電層６）とを備
えている。

〔作用〕

前記手段を採ることに依り、ソース領域２からドレイン
領域３へのキャリヤの移動は二回の連続したトンネル現
象で実現されている。

これ等のトンネル現象の間隔を定めているのは、微粒子
領域４内での電位変化の伝播とソース領域２−微粒子領
域４−ドレイン領域３のトンネル確率であって、微粒子
領域４内でのキャリヤ伝播速度には依存しない。

微粒子領域４内での電位変化は光速で伝播するものであ
るから、その伝播時間は極めて短く、従って、高速の動
作を可能にしている。

ところで、本発明に依る超伝導トランジスタの動作に大
きな影響を及ぼすのは、ソース領域２と微粒子領域４と
の間、そして、微粒子領域４とドレイン領域３との間に
それぞれ生成されるバリヤの高さ及びその形状であって
、バリヤ・ハイドにバラツキが在ると、トランジスタの
インピーダンス・レベルが大きく変動し、また、バリヤ
の形にバラツキがあっても特性の変動が現れる。

第３図について説明したような金属微粒子を用いた超伝
導トランジスタのように、金属とその酸化物とで生成さ
れる界面を利用するものに於いては、金属−酸化物の界
面に於ける結晶の整合性が悪く、表面準位や酸化物中の
固定電荷の影響がある為、バリヤの形を制御するのが難
しい。

第１図について説明した本発明に依る超伝導トランジス
タでは、トンネル媒質基板１、ソース領域２、ドレイン
領域３、微粒子領域４、ゲートの一部をなすバリヤＮ５
などは本質的に同種の物質からなっていて、各部分の界
面にトランジスタ特性を損ねるような表面準位や固定電
荷は発生せず、また、結晶構造を異にする物質量で接合
を生成させる場合のような技術的困難は存在しない。

〔実施例〕

第２図は本発明一実施例の要部切断側面図を表す。

図に於いて、２１は基板、２２はトンネル媒質層、２３
はソース層、２４はドレイン層、２５は微粒子層、２６
はゲート絶縁膜、２７はゲート導電層、２８はソース電
極、２９はドレイン電極、３０はゲート電極をそれぞれ
示している。

本実施例に於ける各部分の主要データを例示すると次の
通りである。

＋１１　　基板２１について 材料：　Ｓ　ｒ　Ｔ　ｉ　Ｏ３ （２）トンネル媒質層２２について 材料：絶縁性Ｌ　ａ　２　Ｃｕ　Ｏ４ 厚さ：４００（ｎｍ） （３）　　ソースＮ２３について 材料：　　（Ｌ　ａ　ｌ−Ｘ　Ｓ　ｒｇ　）　ｚ　Ｃｕ
　ＯａＸ値：０．０７５ 厚さ：１００（ｎ１０ ０（ｎ　　ドレイン層２４について 材料：　　（Ｌａｄ−，５ＦＸ）ｚ　ＣｕｂａＸ値：０
．０７５ 厚さ：１００（ｎ１０ ０（ｎ微粒子層２５について 材料：　　（Ｌ　ａ　Ｉ−Ｘ　Ｓｒ、ｔ）　ｚ　Ｃｕ　
ＯａＸ値：０．０７５ 厚さ：１００（ｎ１０ ０（ｎゲート絶縁膜２６について 材料：絶縁性Ｌａ２Ｃ，ｕ０４ 厚さ：１００（ｎ１０ ０（ｎゲート導電層２７について 材料：　　（Ｌ　ａｌ−ＩＦ　Ｓ　ｒ、　）　ｔ　Ｃｕ
ｂａＸ値：０．０７５ 厚さ：３００（ｎｍ） （６）　　ソース電極２８、ドレイン電極２９、ゲート
電極３０について 材料：Ａｕ 厚さ：１　〔μｍ〕 前記実施例では、超伝導を示す層と超伝導を示さない層
とでキャリヤ濃度を変える為、構成元素の組成を種々変
化させるようにしたが、これは、酸化物超伝導体として
、例えば、Ｂａ２ＹＣｕ３ＯＭを用いると、酸素のｌｘ
を変えるのみでキャリヤ濃度を変化させることが可能で
ある。

具体的には、Ｂａｔ　ＹＣｕ、、ｏｌｌに於いて、Ｘ値
を約６．７〜６．８程度にすると超伝導を示すようにな
り、また、Ｘ値を約６．４以下にすると半導体的性質を
示すようになる。

また、Ｂ１５ｒＣａＣｕＯを用い、 ２：２：０：　１：６ なる組成にした場合、臨界温度Ｔ、は１０（Ｋ）程度と
なり、また、同じく、 ２：２：ｌ：２：８ なる組成にした場合、臨界温度Ｔｃは８０（Ｋ）程度と
なり、更にまた、同じく、 ２：２：２：３：１０ にした場合、臨界温度Ｔｃは１１０（Ｋ）程度となる。

因みに、Ｎｂを超伝導体とした場合の臨界温度Ｔｃは９
．２　（Ｋ）程度である。

前記したところから理解できるように、本発明に依る超
伝導トランジスタでは、接合する物質が何れも酸化物で
あり、しかも、結晶構造にも共通点が多く、殆ど同じ物
質で構成できるところが大きな強みであって、例えば、
前記のＢ１５ｒＣａＣｕＯではＣａ＝０とする場合はあ
るものの、その外は全く同じ物質が採用されている。

〔発明の効果〕

本発明に依る超伝導トランジスタに於いては、ソース部
分、ドレイン部分、微粒子部分、トンネル媒質部分、ゲ
ートなど全てが酸化物超伝導体或いは酸化物などの実質
的に同種の物質で構成されている。

このような構成を採っていることから、異種物質間の接
合を形成した場合に発生する技術的問題を考慮する必要
は皆無であり、そして、各部分間に電気的障壁が生成さ
れることはないので電流伝達率が大きく、また、ソース
・ドレイン間のキャリヤ移動が２回のトンネル現象に依
って行われ、実効的なキャリヤ移動時間はトンネル確率
と微粒子部分内の電磁波伝播時間で決まる為、酸化物超
伝導体の内部に於けるキャリヤ移動時間は動作速度を制
限することにはならず、従って、周波数特性が優れてい
るなど、素子特性良好な超伝導トランジスタが再現性良
く実現されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明する為の超伝導トランジス
タの要部切断側面図、第２図は本発明一実施例の要部切
断側面図、第３図は従来例の要部切断側面図、第４図は
先行技術に依る超伝導トランジスタの要部切断側面図を
それぞれ表している。 図に於いて、１は酸化物トンネル媒質基板、２は酸化物
超伝導ソース領域、３は酸化物超伝導体ドレイン領域、
４は酸化物超伝導体からなる微粒子領域、５は酸化物バ
リヤ層、６は酸化物導電層、７は金属ソース電極、８は
金属ドレイン電極、９は金属ゲート電極をそれぞれ示し
ている。 特許出願人　　　富士通株式会社 代理人弁理士　　相　谷　昭　司

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 金属に比較してキャリヤ濃度が低く且つ超伝導を示す程
   度にキャリヤ濃度が高く維持された酸化物超伝導体から
   なるソース部分並びにドレイン部分と、 該ソース部分並びにドレイン部分の間に介在し且つそれ
   らと同じ物質からなっていて超伝導を示す程度にキャリ
   ヤ濃度が高く維持された酸化物超伝導体からなる微粒子
   部分と、 該微粒子部分と前記ソース部分並びにドレイン部分との
   間にキャリヤがトンネル可能である厚さを維持して介在
   し且つ該微粒子部分とソース部分並びにドレイン部分と
   は組成を異にした同じ物質からなっていて超伝導を示さ
   ない程度にキャリヤ濃度が低いトンネル媒質部分と、 前記微粒子部分上に形成され且つそれとは組成を異にし
   た同じ物質からなっていて超伝導を示さない程度にキャ
   リヤ濃度が低いゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に積
   層され且つ前記微粒子部分とソース部分並びにドレイン
   部分とは同じ組成の物質からなっていて超伝導を示す程
   度にキャリヤ濃度が高いゲート導電層と を備えてなることを特徴とする超伝導トランジスタ。