JP2005260113A - Superconductor three-terminal device and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、量子コンピュータなどに用いられる超伝導三端子素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a superconducting three-terminal element used in a quantum computer or the like and a method for manufacturing the same.
電気的,磁気的に特異な特性を備えた超伝導素子は、高速かつ低消費電力で動作し、エレクトロニクス分野においては有用な素子である。特に、超伝導電流をゲート電圧で制御する超伝導三端子素子は、量子コンピュータへの応用が研究されている。
超伝導三端子素子としては、カーボンナノチューブを用いたジョセフソン接合電界効果トランジスタ(JOFET)が提案されている(非特許文献1参照)。例えば、径(幅)が23nm程度の束にした単層カーボンナノチューブに、2.5μAの最大超伝導臨界電流Icが流れることが確認されており(非特許文献2参照)、JOFETへの応用が期待されている。
A superconducting element having electrical and magnetic unique characteristics operates at high speed and low power consumption, and is a useful element in the electronics field. In particular, superconducting three-terminal devices that control the superconducting current with the gate voltage have been studied for application to quantum computers.
As a superconducting three-terminal element, a Josephson junction field effect transistor (JOFET) using carbon nanotubes has been proposed (see Non-Patent Document 1). For example, it has been confirmed that a maximum superconducting critical current Ic of 2.5 μA flows in a single-walled carbon nanotube having a diameter (width) of about 23 nm (see Non-Patent Document 2). Expected.
上述したJOFETは、図5に示すように、シリコン基板501の上に酸化シリコンからなる絶縁層502を介して配置されたカーボンナノチューブ504を備え、カーボンナノチューブ504の両端が、超伝導ソース電極505,超伝導ドレイン電極506に接続され、シリコン基板501の裏面にゲート電極となる電極層507を備えたものである。カーボンナノチューブ504は、触媒金属部503a,503bの間に、よく知られたCCVD(触媒化学蒸着)法により形成されたものである。
As shown in FIG. 5, the JOFET described above includes
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
しかしながら、図5に示す従来の構成では、超伝導ソース電極505と超伝導ドレイン電極506との間に、所望とする大きな超伝導電流を流すことができないという問題があった。
However, the conventional configuration shown in FIG. 5 has a problem that a desired large superconducting current cannot flow between the
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、2つの超伝導電極間をカーボンナノチューブで接続し、カーボンナノチューブに流れる超伝導電流をゲート電極で制御する超伝導三端子素子に、より多くの超伝導電流が流せるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. A superconducting three-channel structure in which two superconducting electrodes are connected by a carbon nanotube and a superconducting current flowing in the carbon nanotube is controlled by a gate electrode. The purpose is to allow a larger amount of superconducting current to flow through the terminal element.
本発明に係る超伝導三端子素子は、半導体から構成された基板の上に絶縁層を介して配置されたカーボンナノチューブと、このカーボンナノチューブの両端部にオーミック接続した、例えば窒化ニオブから構成された2つの超伝導電極と、カーボンナノチューブにゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極と、カーボンナノチューブと超伝導電極との界面に形成されて、超伝導金属の炭素化合物から構成された合金層とを備えるものである。
従って、カーボンナノチューブと超伝導電極とは、超伝導電流が流れるオーミック接続となる。
A superconducting three-terminal element according to the present invention is composed of carbon nanotubes disposed on an insulating layer on a substrate composed of a semiconductor, and made of, for example, niobium nitride, ohmic-connected to both ends of the carbon nanotubes. Two superconducting electrodes, a gate electrode provided on the carbon nanotube via a gate insulating layer, an alloy layer formed at the interface between the carbon nanotube and the superconducting electrode, and composed of a superconducting metal carbon compound; Is provided.
Therefore, the carbon nanotube and the superconducting electrode are in ohmic connection through which a superconducting current flows.
本発明に係る超伝導三端子素子の製造方法は、半導体から構成された基板の上に絶縁層を形成する工程と、絶縁層の上にカーボンナノチューブを配置する工程と、カーボンナノチューブの両端部に接する2つの超伝導電極を形成する工程と、カーボンナノチューブと超伝導電極とが接触する界面を加熱して、界面に超伝導金属の炭素化合物から構成された合金層を形成する工程とを少なくとも備えるものである。
なお、超伝導電極は、窒化ニオブから構成する。
A method of manufacturing a superconducting three-terminal element according to the present invention includes a step of forming an insulating layer on a substrate composed of a semiconductor, a step of disposing carbon nanotubes on the insulating layer, and both ends of the carbon nanotubes. Forming at least two superconducting electrodes in contact with each other and heating an interface where the carbon nanotube and the superconducting electrode are in contact with each other to form an alloy layer composed of a carbon compound of a superconducting metal at the interface. Is.
The superconducting electrode is made of niobium nitride.
以上説明したように、本発明によれば、例えば窒化ニオブから構成された超伝導電極に、合金層が形成された状態でカーボンナノチューブを接続したので、カーボンナノチューブに流れる超伝導電流をゲート電極で制御する超伝導三端子素子に、より多くの超伝導電流が流せるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, since the carbon nanotube is connected to the superconducting electrode made of, for example, niobium nitride in the state where the alloy layer is formed, the superconducting current flowing through the carbon nanotube is The superconducting three-terminal element to be controlled has an excellent effect of allowing more superconducting current to flow.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図1は、本発明の実施の形態における超伝導三端子素子の構成例を示す断面図(a)及び平面図(b)である。図1に示す超伝導三端子素子は、例えばシリコンからなる基板101と、基板101の上に形成された絶縁層102と、絶縁層102の上に設けられたカーボンナノチューブ104と、カーボンナノチューブ104の一端部に、合金層115を介してオーミック接続した超伝導ソース電極105と、カーボンナノチューブ104の他端部に、合金層116を介してオーミック接続した超伝導ドレイン電極106と、基板101の裏面に形成された金属電極層107とを備えている。なお、基板101は、他の半導体材料から構成されていてもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view (a) and a plan view (b) showing a configuration example of a superconducting three-terminal element in an embodiment of the present invention. The superconducting three-terminal element shown in FIG. 1 includes, for example, a
カーボンナノチューブ104は、例えばFeやCoなどの触媒金属から構成されて数μmの間隔で配置された触媒金属部103a,103bの間に、触媒CVD法により形成されている。
また、超伝導ソース電極105,超伝導ドレイン電極106は、超伝導金属である窒化ニオブ(NbN)から構成されている。これら超伝導電極と、チャネルとなるカーボンナノチューブ104との間の合金層115,116は、超伝導金属とカーボンナノチューブとの固相反応により形成される超伝導金属の炭素化合物から構成されている。
The
The
合金層115,116は、NbCXN1-Xと考えられ、Xが0.1以下の場合、NbCXN1-Xの超伝導臨界温度は18Kである。窒化ニオブの超伝導臨界温度が15K程度であるので、合金層115,116により、超伝導電極の特性を向上させることが可能となる。
図1に示す三端子素子では、金属電極層107に電圧をかけることでカーボンナノチューブ104における超伝導電流のキャリア(クーパー対)の濃度を変化させ、カーボンナノチューブ104を流れる超伝導電流を制御する。
The
In the three-terminal element shown in FIG. 1, a voltage is applied to the
次に、図1に示す三端子素子の製造方法について、説明する。
まず、基板101の上に公知の化学的気相成長(CVD)法などによりSiO2を堆積して膜厚0.1〜0.2μm程度の絶縁層102が形成された状態とする。なお、絶縁層102は、窒化シリコンから構成してもよい。
Next, a method for manufacturing the three-terminal element shown in FIG. 1 will be described.
First, SiO 2 is deposited on the
次に、絶縁層102の上に、触媒金属部103a,103bを形成する領域に開口部を備えたマスクパターンを形成し、ついで、真空蒸着法もしくはスパッタ法により、触媒金属材料を堆積して触媒金属膜を形成する。この後、上記マスクパターンを除去し、マスクパターン上の触媒金属膜を除去することで上記開口部の部分に触媒金属を残し、触媒金属部103a,103bが形成された状態とする。なお、触媒金属は、Pd、Fe、Co及びNiのいずれかから構成されていればよい。
Next, on the
次に、メタンやアセチレンなどの有機炭素原料をソースガスとし、基板101を例えば400〜500℃程度に加熱し、上記ソースガスを所定の流速で基板101の上を流通させた状態とし、触媒金属部103a,103bの間にカーボンナノチューブを成長させ、カーボンナノチューブ104が形成された状態とする。ここで、カーボンナノチューブ104の成長は、上述した条件に限るものではなく、公知の触媒CVD法による種々のカーボンナノチューブ形成方法を用いることができる。
Next, an organic carbon raw material such as methane or acetylene is used as a source gas, the
次に、超伝導ソース電極105及び超伝導ドレイン電極106を形成する領域に開口部を備えた新たなマスクパターンを形成し、ついで、真空蒸着法もしくはスパッタ法により、窒化ニオブを堆積して超伝導金属膜を形成する。この後、上記マスクパターンを除去し、マスクパターン上の超伝導金属膜を除去することで上記開口部の部分に超伝導金属を残し、超伝導ソース電極105及び超伝導ドレイン電極106が形成された状態とする。なお、超伝導金属膜は、ニオブやニオブと窒化ニオブの積層構造であってもよい。ただし、窒化ニオブを用いる方が、熱処理により、超伝導電極とカーボンナノチューブとの界面(合金層)をより良好な状態に形成できる。また、窒化ニオブの方がNbよりも高い超伝導電流を有しており、この点でも有利である。
Next, a new mask pattern having openings is formed in the region where the
次に、基板101(カーボンナノチューブ104,超伝導ソース電極105及び超伝導ドレイン電極106)を加熱し、これらの界面に合金層115,116が形成された状態とする。加熱処理は、600〜700℃程度で数分間行えばよい。
最後に、基板101の裏面に金属電極層107が形成された状態とすることで、図1に示す超伝導三端子素子が形成される。
Next, the substrate 101 (the
Finally, by setting the
ところで、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)とニオブとの間では、650℃・30分間の熱処理で、接触させた界面にNbCが形成され、超伝導電流が流れるオーミック接触が実現できることが報告されている(非特許文献:J.Haruyama, K.Takazawa, S.Miyadai, A.Takeda, N.Hori, I.Takesue, Y.Kanda, N.Sugiyama, T.Akazaki, and H.Takayanagi, "Injection of Cooper pairs into quasidiffusive multiwalled carbon nanotubes with weak localization", Physical Review B 68, 165420, 2003.)。この文献では、コンタクト抵抗の減少により、Nb/多層カーボンナノチューブ/Al接合において、カーボンナノチューブの中に、超伝導電流が流れることが示されている。 By the way, it has been reported that, between the multi-walled carbon nanotube (MWCNT) and niobium, NbC is formed at the contacted interface by heat treatment at 650 ° C. for 30 minutes, and ohmic contact in which superconducting current flows can be realized ( Non-patent literature: J. Haruyama, K. Takazawa, S. Miyadai, A. Takeda, N. Hori, I. Takesue, Y. Kanda, N. Sugiyama, T. Akazaki, and H. Takayanagi, "Injection of Cooper pairs into quasidiffusive multiwalled carbon nanotubes with weak localization ", Physical Review B 68, 165420, 2003.). This document shows that a superconducting current flows in a carbon nanotube in a Nb / multi-walled carbon nanotube / Al junction due to a decrease in contact resistance.
以上に説明したように、図1に示す超伝導三端子素子によれば、合金層115,116を形成するようにしたので、超伝導ソース電極と超伝導ドレイン電極間に設けたカーボンナノチューブに、より多くの超伝導電流を流すことが可能となる。
ところで、図1に示した超伝導三端子素子では、基板101の裏面に形成した金属電極層107により、ゲート電圧を印加するようにしたが、これに限るものではない。
As described above, according to the superconducting three-terminal element shown in FIG. 1, since the
In the superconducting three-terminal element shown in FIG. 1, the gate voltage is applied by the
図2は、本実施の形態における他の超伝導三端子素子の構成例を示す断面図(a)及び平面図(b)である。図2に示す超伝導三端子素子は、例えばシリコンからなる基板101と、基板101の上に形成された絶縁層102と、絶縁層102の上に設けられたカーボンナノチューブ104と、カーボンナノチューブ104の一端部に、合金層115を介してオーミック接続した超伝導ソース電極105と、カーボンナノチューブ104の他端部に、合金層116を介してオーミック接続した超伝導ドレイン電極106とを備えている。これらの構成は、図1に示した超伝導三端子素子と同様である。
FIG. 2 is a cross-sectional view (a) and a plan view (b) showing a configuration example of another superconducting three-terminal element in the present embodiment. The superconducting three-terminal element shown in FIG. 2 includes, for example, a
図2に示す超伝導三端子素子では、カーボンナノチューブ104の上に、ゲート絶縁膜207を介してゲート電極208を備えるようにした。図2に示す超伝導三端子素子では、ゲート電極208に電圧をかけることでカーボンナノチューブ104における超伝導電流のキャリアの濃度を変化させ、カーボンナノチューブ104を流れる超伝導電流を制御する。
In the superconducting three-terminal element shown in FIG. 2, a
また、図3に示すように、ゲート電極308a,308bを設けるようにしてもよい。図3に示す超伝導三端子素子では、絶縁層102の上にゲート電極308a,308bを形成し、これらの一端がカーボンナノチューブ104と所定の間隙をあけて配置されているようにした。図3に示す超伝導三端子素子では、ゲート電極308a,308bとカーボンナノチューブ104との間の間隙が、ゲート絶縁層に対応している。なお、ゲート電極308a,308bは、どちらか一方が設けられていればよい。
In addition, as shown in FIG. 3,
また、図4に示すように、基板101に設けた高濃度不純物領域408をゲート電極として用いるようにしてもよい。図4に示す超伝導三端子素子は、シリコンからなる基板101と、基板101の上に形成された絶縁層102と、絶縁層102の上に設けられたカーボンナノチューブ104と、カーボンナノチューブ104の一端部に、合金層115を介してオーミック接続した超伝導ソース電極105と、カーボンナノチューブ104の他端部に、合金層116を介してオーミック接続した超伝導ドレイン電極106とを備えている。これらの構成は、図1に示した超伝導三端子素子と同様である。
Further, as shown in FIG. 4, a high
図4に示す超伝導三端子素子では、基板101に、例えばp形の不純物が導入されたウエル領域407が形成され、ウエル領域407の内部のカーボンナノチューブ104の下を含む領域にn型の不純物が高濃度に導入された高濃度不純物領域408が形成されている。ウエル領域407には、絶縁層102を介したコンタクト411により配線412が接続し、高濃度不純物領域408には、絶縁層102を介したコンタクト413により配線414が接続している。
In the superconducting three-terminal element shown in FIG. 4, a
図4に示す超伝導三端子素子では、配線412によりウエル領域407に固定電位が印加されている状態で、配線414により高濃度不純物領域408にゲート電圧をかけることでカーボンナノチューブ104における超伝導電流のキャリアの濃度を変化させ、カーボンナノチューブ104を流れる超伝導電流を制御する。
In the superconducting three-terminal element shown in FIG. 4, the superconducting current in the
なお、カーボンナノチューブ104は、1本のカーボンナノチューブから構成してもよく、複数本のカーボンナノチューブの束から構成してもよい。また、カーボンナノチューブ104は、単層カーボンナノチューブであってもよく、多層カーボンナノチューブであってもよい。例えば、触媒金属部103a,103bの寸法を制御することで、成長するカーボンナノチューブの状態を制御できる。
The
また、上述では、基板101の上に触媒金属部103a,103bを設け、これらの間に触媒CVD法によりカーボンナノチューブ104を成長させるようにしたが、これに限るものではない。他の方法により形成してあるカーボンナノチューブを絶縁層102の上に設置し、この後、超伝導ソース電極105,超伝導ドレイン電極106を形成するようにしてもよい。
In the above description, the
101…基板、102…絶縁層、103a,103b…触媒金属部、104…カーボンナノチューブ、105…超伝導ソース電極、106…超伝導ドレイン電極、107…金属電極層、115,116…合金層。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
このカーボンナノチューブの両端部にオーミック接続した2つの超伝導電極と、
前記カーボンナノチューブにゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極と、
前記カーボンナノチューブと前記超伝導電極との界面に形成されて、超伝導金属の炭素化合物から構成された合金層と
を備えることを特徴とする超伝導三端子素子。 A carbon nanotube disposed via an insulating layer on a substrate composed of a semiconductor;
Two superconducting electrodes ohmically connected to both ends of the carbon nanotube,
A gate electrode provided on the carbon nanotube via a gate insulating layer;
A superconducting three-terminal element, comprising: an alloy layer formed at a boundary between the carbon nanotube and the superconducting electrode and made of a carbon compound of a superconducting metal.
前記超伝導電極は、窒化ニオブから構成され
たことを特徴とする超伝導三端子素子。 The superconducting three-terminal element according to claim 1,
A superconducting three-terminal element, wherein the superconducting electrode is made of niobium nitride.
前記絶縁層の上にカーボンナノチューブを配置する工程と、
前記カーボンナノチューブの両端部に接する2つの超伝導電極を形成する工程と、
前記カーボンナノチューブと前記超伝導電極とが接触する界面を加熱して、前記界面に超伝導金属の炭素化合物から構成された合金層を形成する工程と
を少なくとも備えることを特徴とする超伝導三端子素子の製造方法。 Forming an insulating layer on a substrate composed of a semiconductor;
Disposing carbon nanotubes on the insulating layer;
Forming two superconducting electrodes in contact with both ends of the carbon nanotube;
Heating the interface where the carbon nanotube and the superconducting electrode are in contact with each other, and forming an alloy layer composed of a carbon compound of a superconducting metal at the interface. Device manufacturing method.
前記超伝導電極は、窒化ニオブから構成する
ことを特徴とする超伝導三端子素子の製造方法。
In the manufacturing method of the superconducting three-terminal element according to claim 3,
The method for manufacturing a superconducting three-terminal element, wherein the superconducting electrode is made of niobium nitride.
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JP2007251028A (en) * | 2006-03-17 | 2007-09-27 | Japan Science & Technology Agency | Superconducting element and its manufacturing method |
WO2013100906A1 (en) * | 2011-12-27 | 2013-07-04 | Intel Corporation | Carbon nanotube semiconductor devices and deterministic nanofabrication methods |
CN105984840A (en) * | 2015-03-17 | 2016-10-05 | 国际商业机器公司 | Silicided nanowires for nanobridge weak links |
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