[发明专利]超电导晶体管

说明书

本发明涉及利用电场效应的大电流容量的超电导晶体管。

在半导体的技术领域中作为用于高速地对大容量的电流进行开关的元件广泛使用的有晶闸管、GTO（闸门电路断开）晶闸管、功率晶体管、功率MOS·FET（金属氧化物半导体场效应晶体管）等。

晶闸管、GTO晶闸管、功率晶体管等所制造的元件已达1KA级，而这些元件由于不能避免因在半导体PN结处的阻挡层电压所引起的损耗，故在其导电时会发生大量发热或功率损耗，又开关时间也为30微秒左右，很慢。

功率MOS·FET的开关时间为0.1微秒，较高速，但由于其导通时的电阻大而不能做到大容量化，故目前只能提供具有几安培左右的电流容量的晶体管。

可是，在技术已比以前取得进步的现状下要求可使大容量电流、开关的高速性、导通时的功率损耗最小、电流切断时能完全关断等这些特性更加提高的元件。

现已经提出了符合这些要求的使用如图3-图6所示的超电导体的元件。

图3的元件是在如n-In Sb、n-In As的n型半导体11上以相干（コヒ-レンス）长L（例如0.5微米）的间隔来层叠上由In（铟）制造的超电导体组成的源极12和漏极13，并在半导体11的下侧经SiO₂、Si₃N₄等的绝缘层14设置铝Al制的门极15，又由于半导体层11和超电导体的两电极12、13在电气上是绝缘的，故在这些之间配置由和上述绝缘层14相同的材料所形成的绝缘层16。

在图3的元件构造上，当在门极15上不加电压时由于源极12和漏极13的邻近效应的作用两电极12、13以高电阻导通，当在门极15上加电压时，使源极12、漏极13之间的半导体11的载流子浓度改变，因此上述相干长L也变化，并控制源极12、漏极13之间为非导通状态。

图4的元件是在具有超电导体的源极12、漏极13的一侧上配置门极15，但除此之外其他的结构与图3的元件的结构相同。

图4的元件构造的动作也和图3所示的元件相同。

图5的元件是在半导体11上层叠具有其膜很薄的部分（薄膜部17）的超电导体层18、在此薄膜部17之上经绝缘层19设置上部电极20，而在半导体层11的下侧则设置下部电极21。

在图5的元件构造上由于正常状态到超电导状态的邻近效应在半导体层的载流子浓度调制的影响下，使此部分的超电导体成为非超电导体，和在图3-图4中所述的相同，通过向上部电极20和下部电极21加电压来控制其导通情况而进行动作。

图6的元件是在由MgO形成的膜厚100的介质体层23上，形成由In-InO_X所形成的40的超电导体层24，并在此介质体层23的下侧上设有Al制的门极。

在图6的元件构造上，通过加到门极25上的电压，使在门极部分上的超电导体层的载流子浓度改变，并控制超电导体层的导电性。

此图6的元件和图3-图5所示的元件相比，由于不利用邻近效应，故不受所谓将超电导体间设定约为相干长的制约。

上述的各已有技术都是在研究阶段发表的，故其中留下的课题是应解决下述的事项。

在图3-图5所示的元件的场合，可得到通·断的高速性，但由于被控制的电流为隧道电流，或约瑟夫森电流，故要进行大容量电流的控制是困难的。

而且由于受到所谓将超电导体间构成为相干长以下的制约，故有必要因此而作微细加工。

附带说明的是在氧化物超电导体中由于相干长为金属系超电导体的1/10-1/100，故需作100以下的细微加工，加工难度极高。

关于图6所示的元件，其原理与半导体的电场效应晶体管的原理相似，如从此原理来看，需要使可注入到超电导层的耗尽层的量和超电导体层的载流子密度在程度上大致相同，能使用的材料必需是如In-InOx那样的载流子密度低的超电导体。

这意味着使用超电导体层时的临界温度很低。

即能作为元件而进行动作的温度下降，例如低于液体氦的温度（4.2K）等，而脱离了实用范围。

而且这种低载流子密度性由于还意味着超电导体层的临界输送电流下降，故作为元件而进行开关动作的电流变小。

在图6的元件上即使想使耗尽层的量增加，但如In-InOx那样的低载流子密度的超电导体由于是非晶体型In和氧化In结晶的混合相，故在其上层积良好质量的绝缘层（介质体层）是很困难的，且会引起绝缘层的击穿、可加上的门电压下降、耗尽层的注入量恶化等不良的事态。