JP2011073926A - 超伝導体構造、その製造方法、及び電子素子 - Google Patents

超伝導体構造、その製造方法、及び電子素子 Download PDF

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Hiroshi Ikuta
博志 生田
Yoshikazu Takeda
美和 竹田
Toru Ujihara
徹 宇治原
Masao Tabuchi
雅夫 田渕
Yasushi Takenaka
康司 竹中
Takahiko Kawaguchi
昴彦 川口
Hiroki Uemura
彦樹 上村
Toshiya Ono
俊也 大野
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Abstract

【課題】鉄砒素系超伝導体の高品質な超伝導薄膜を備えた超伝導体構造、その製造方法、及び電子素子を提供すること。
【解決手段】基板と、前記基板上に形成され、III-V族半導体から成るバッファ層と、前記バッファ層上に形成され、下記式(1)で表される組成を有する超伝導薄膜と、を含み、前記超伝導薄膜におけるAs−As間隔は、前記III-V族半導体におけるV族原子間距離の約1倍であることを特徴とする超伝導体構造。式(1)LnFeAsO1-pq(式(1)において、Lnは1種以上のランタノイド元素であり、0<p<1、0≦q<1)
【選択図】図3

Description

本発明は、超伝導体構造、その製造方法、及び電子素子に関する。
ジョセフソン素子をはじめとする電子素子は、従来の半導体素子の問題を解決するものとして期待されている。
ジョセフソン素子は、高速動作が可能であり、消費電力が低いという特徴を有するので、これを高密度集積回路に応用すると、半導体素子を用いる場合よりも、発熱量を低減し、演算性能を向上させることができる。
ジョセフソン素子は、ジョセフソン接合を有している。そのジョセフソン接合としては、図9に示すような、超伝導体薄膜の間に常伝導体や絶縁体から成る極薄膜のバリア層を挟んだ積層接合が、精密に寸法が制御できる点、数多くの接合が作成できるという点から、有望である。
ジョセフソン接合に用いる超伝導体として、Nb金属やNbNが知られている。しかしながら、これらの材料を用いた場合、超伝導転移温度が低く、液体ヘリウム温度(4.2K)で使用しなければならない。
そこで、より高い超伝導転移温度を持つ銅酸化物超伝導体を用いたジョセフソン素子の開発が期待された。しかしながら、銅酸化物超伝導体は、Nb等の従来の超伝導体に比べて、コヒーレンス長(超伝導電子対が形成できる電子間距離)、磁束侵入深さ、及び臨界電流密度等の超伝導特性の異方性が顕著である。特に、ジョセフソン接合に密接に係わるコヒーレンス長は、c軸方向では、a軸方向に比べ、著しく小さい。超伝導体の異方性が顕著であると、素子の構造が複雑になり、その製造プロセスが煩雑になってしまう。
最近、超伝導転移温度が高い鉄砒素系超伝導体が発見された。この鉄砒素系超伝導体は、銅酸化物超伝導体と比較して、コヒーレンス長の異方性が小さいことが予測されている。鉄砒素系超伝導体をジョセフソン接合に用いるには、その単結晶薄膜が必要である。これまで、この鉄砒素系超伝導体の中でも超伝導転移温度の高いLnFeAs(O、F)(Lnはランタノイド元素)で単結晶薄膜が得られた例はほとんど報告されておらず、わずかに、PLD法等によってLaFeAs(O、F)薄膜を得た例(非特許文献1、2参照)が報告されているのみである。
H.Hiramatsu,T.Katase,T.Kamiya,M.Hirano,and H.Hosono,Appl.Phys.Lett.93(2008) 162504 E.Backen,S.Haindl,T.Niemeier,R.Huhne,T.Freudenberg,J.Werner,G.Behr,L.Schultz and B.Holzapfel,Supercond.Sci.Technol.21(2008) 122001
非特許文献1、2において得られた薄膜は、いずれも、結晶品質が十分でない。特に非特許文献1において得られた薄膜は、超伝導になっていない。
本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、鉄砒素系超伝導体の高品質な超伝導薄膜を備えた超伝導体構造、その製造方法、及び電子素子を提供することを目的とする。
(A)本発明の第1の超伝導体構造は、
基板と、前記基板上に形成され、III-V族半導体から成るバッファ層と、前記バッファ層上に形成され、下記式(1)で表される組成を有する超伝導薄膜と、を含み、前記超伝導薄膜におけるAs−As間隔は、前記III-V族半導体におけるV族原子間距離の約1倍であることを特徴とする。
式(1) LnFeAsO1-pq
(式(1)において、Lnは1種以上のランタノイド元素であり、0<p<1、0≦q<1)
この超伝導体構造は、高品質な超伝導薄膜を備えている。そのため、この超伝導体構造を用いて電子素子(例えばジョセフソン素子、超伝導−二次元電子ガス素子)を製造すると、優れた性能(例えば、動作が高速であり、消費電力が低い)を持つ電子素子となる。
式(1)において、ランタノイド元素としては、例えば、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luが挙げられる。式(1)において、Lnは、1種のみのランタノイド元素から成っていてもよいし、2種以上のランタノイド元素から成っていてもよい。
式(1)で表される超伝導薄膜としては、例えば、qが0でないもの(Fを含む)が挙げられる。また、式(1)で表される超伝導薄膜としては、例えば、qが0であるもの(Fを含まず、Oの欠損があるもの)が挙げられる。
pの好適な範囲は、例えば、0〜0.8(ただし0は除く)である。また、qの好適な範囲は、例えば、0〜0.3である。
また、p≧qであることが好ましい。
本発明の第1の超伝導体構造において、基板としては、GaAs、GaP、InPのうちのいずれかから成る単結晶基板が好ましい。
本発明におけるIII-V族半導体としては、下記式(2)で表される組成を有するものが好ましい。
式(2) Al1-x-yGaxInyAs1-zz
(式(2)において、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y≦1)
式(2)で表されるものには、GaAsが含まれる。
本発明において、超伝導薄膜の組成、III-V族半導体の組成、又はその両方を調整することにより、図1に示すように、超伝導薄膜(図1ではLnFeAs(O、F))におけるAs−As間隔を、III-V族半導体(図1ではGaInAsP)におけるV族原子間距離の約1倍とすることができる
ここで、約1倍とは、例えば、0.95〜1.05の範囲であり、好ましくは、0.99〜1.01の範囲であり、特に好ましくは、0.995〜1.005の範囲である。
(B)本発明の第2の超伝導体構造は、
少なくとも表面にIII-V族半導体から成る領域を備える基板と、前記基板上に形成され、下記式(1)で表される組成を有する超伝導薄膜と、を含み、前記超伝導薄膜におけるAs−As間隔は、前記III-V族半導体におけるV族原子間距離の約1倍であることを特徴とする。
式(1) LnFeAsO1-pq
(式(1)において、Lnは1種以上のランタノイド元素であり、0<p<1、0≦q<1)
この超伝導体構造は、高品質な超伝導薄膜を備えている。そのため、この超伝導体構造を用いて電子素子(例えばジョセフソン素子、超伝導−二次元電子ガス素子)を製造すると、優れた性能(例えば、動作が高速であり、消費電力が低い)を持つ電子素子となる。
式(1)において、ランタノイド元素としては、例えば、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luが挙げられる。式(1)において、Lnは、1種のみのランタノイド元素から成っていてもよいし、2種以上のランタノイド元素から成っていてもよい。
式(1)で表される超伝導薄膜としては、例えば、qが0でないもの(Fを含む)が挙げられる。また、式(1)で表される超伝導薄膜としては、例えば、qが0であるもの(Fを含まず、Oの欠損があるもの)が挙げられる。
pの好適な範囲は、例えば、0〜0.8(ただし0は除く)である。また、qの好適な範囲は、例えば、0〜0.3である。また、p≧qであることが好ましい。
本発明の第2の超伝導体構造において、基板は、例えば、その全体がIII-V族半導体から成っていてもよいし、超伝導薄膜を製膜する側の面のみが、III-V族半導体から成っていてもよい。
本発明におけるIII-V族半導体としては、下記式(2)で表される組成を有するものが好ましい。
式(2) Al1-x-yGaxInyAs1-zz
(式(2)において、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y≦1)
式(2)で表されるものには、GaAsが含まれる。
本発明において、超伝導薄膜の組成、III-V族半導体の組成、又はその両方を調整することにより、図1に示すように、超伝導薄膜(図1ではLnFeAs(O、F))におけるAs−As間隔を、III-V族半導体(図1ではGaInAsP)におけるV族原子間距離の約1倍とすることができる
ここで、約1倍とは、例えば、0.95〜1.05の範囲であり、好ましくは、0.99〜1.01の範囲であり、特に好ましくは、0.995〜1.005の範囲である。
(C)本発明の超伝導体構造の製造方法は、
前記超伝導薄膜をMBE(分子線エピタキシー)法又はMOCVD法(有機金属気相成長法)で形成することを特徴とする。
本発明によれば、高品質な超伝導薄膜を備える超伝導体構造を製造できる。その超伝導体構造を用いて電子素子(例えばジョセフソン素子、超伝導−二次元電子ガス素子)を製造すると、優れた性能(例えば、動作が高速であり、消費電力が低い)を持つ電子素子となる。
(D)本発明の電子素子は、
請求項1〜5のいずれか1項に記載の超伝導体構造を有する。本発明の電子素子は、優れた性能(例えば、動作が高速であり、消費電力が低い)を持つ。
電子素子としては、例えば、ジョセフソン素子、超伝導−二次元電子ガス素子等が挙げられる。
超伝導薄膜とバッファ層との格子整合を表す説明図である。 超伝導体構造の製造装置を表す説明図である。 超伝導体構造の層構成を表す説明図である。 超伝導薄膜のX線回折パターン図である。 抵抗率の温度依存性(磁場無印加条件)を表すグラフである。 抵抗率の温度依存性(磁場印加条件)を表すグラフである。 ジョセフソン素子の構成を表す説明図である。 超伝導−二次元電子ガス素子の構成を表す説明図である。 ジョセフソン接合を表す説明図である。
本発明の実施形態を説明する。
1.超伝導体構造の製造
まず、GaAs単結晶基板を加熱し、その表面に形成されていた酸化膜を昇華させた。次に、GaAs単結晶基板の表面に、GaAsからなるバッファ層を、610℃の下で、MBE法により形成した。バッファ層の厚みは300nmとした。
次に、図2に示すように、クヌーセンセル1を複数備えた製造装置3内に、GaAs単結晶基板5を収容した。複数のクヌーセンセル1には、それぞれ、原料として、NdF3、Fe、As、Fe23を導入した。この製造装置3を用いて、MBE法により、バッファ層の上に、NdFeAs(O、F)層(超伝導薄膜)を形成した。なお、(O、F)は、組成式においてOとFの和が1であることを意味する。製膜時におけるGaAs単結晶基板5の温度は670℃、もしくは650℃とした。また、製膜時において、温度を制御することにより、各原料の分子線圧を、下記表1に示すように制御した。製膜時間は1時間もしくは6時間とした。
以上の工程により、図3に示すように、基板上に、バッファ層、及びNdFeAs(O、F)層が順次積層された、超伝導体構造が製造された。
2.超伝導体構造の評価
(1)X線回折パターン
製造した超伝導体構造のX線回折を行った。その結果を図4に示す。図4に示すように、基板のGaAsとNdFeAs(O、F)に起因するピーク以外は観測されておらず、高品質な単相の薄膜が得られたことが確認できた。
基板以外の全ての回折ピークは、NdFeAs(O、F)の(00n)で指数付けできる。これより、NdFeAs(O、F)層は、c軸が基板面に垂直配向した単結晶薄膜であることが分かる。
なお、バッファ層(GaAs)の(001)面内のAs原子間距離は3.997451Åであるのに対し、NdFeAs(O、F)のc面内のAs原子間距離は3.96666Åであり、格子不整合度は0.77626%と極めて小さい。
さらに、GaAs0.78520.2148など、NdFeAs(O、F)と格子整合する組成のバッファ層を形成すれば、さらに高品質な結晶が実現できる。また、超伝導体の熱膨張率を実験的に求めて、成長温度において格子整合する組成を選ぶことで、さらなる高品質化が可能である。
(2)抵抗率の温度依存性の測定
(2−1)温度を変化させながら、NdFeAs(O、F)層の電気抵抗率を測定した。このとき、磁場は無印加とした。測定結果を図5に示す。図5に示すように、NdFeAs(O、F)層は、所定の温度で超伝導転移することが確認できた。
(2−2)温度を変化させながら、NdFeAs(O、F)層の電気抵抗率を測定した。測定は、印加する磁場が0T、1T、3T、5T、7T、9Tの場合に、それぞれ行った。測定結果を図6に示す。図6に示すように、印加する磁場が強いほど、超伝導転移する温度が低かった。このことから、NdFeAs(O、F)層が超伝導体であることが確認できた。
3.電子素子の製造
(1)ジョセフソン素子の製造
図7に示すように、絶縁体7と一対の超伝導体9、11とを配置して、ジョセフソン素子13を製造した。この超伝導体9、11は、上述した超伝導体構造を有する。
(2)超伝導−2次元電子ガス素子の製造
図8に示すように、半導体15、一対の超伝導体17、及び一対のマスク19を配置するとともに、一対の超伝導体17の間を2次元電子ガス(量子井戸構造)21で接続し、その上にゲート電極22を配置することにより、超伝導−2次元電子ガス素子23を製造した。この超伝導体17は、上述した超伝導体構造を有する。
この超伝導−2次元電子ガス素子23は、ゲート電極22に印加した電圧による電界効果により、高速のスイッチング機能の作用を奏する。
尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、超伝導薄膜において、Ndの代わりに、他のランタノイド元素を用いても、略同様の効果を奏することができる。
また、バッファ層、NdFeAs(O、F)層の製膜方法として、スパッタ法、パルスレーザ蒸着法(PLD法)、MOCVD法を用いても、略同様の効果を奏することができる。
バッファ層として、GaAs以外のIII-V族半導体を用いても、略同様の効果を奏することができる。
1・・・クヌーセンセル、3・・・製造装置、5・・・GaAs単結晶基板、
7・・・絶縁体、9、11・・・超伝導体、13・・・ジョセフソン素子、
15・・・半導体、17・・・超伝導体、19・・・マスク、21・・・2次元電子ガス、22・・・ゲート電極、23・・・超伝導−2次元電子ガス素子、

Claims (9)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成され、III-V族半導体から成るバッファ層と、
    前記バッファ層上に形成され、下記式(1)で表される組成を有する超伝導薄膜と、を含み、
    前記超伝導薄膜におけるAs−As間隔は、前記III-V族半導体におけるV族原子間距離の約1倍であることを特徴とする超伝導体構造。
    式(1) LnFeAsO1-pq
    (式(1)において、Lnは1種以上のランタノイド元素であり、0<p<1、0≦q<1)
  2. 前記基板は、GaAs、GaP、InPのうちのいずれかから成る単結晶基板であることを特徴とする請求項1記載の超伝導体構造。
  3. 少なくとも表面にIII-V族半導体から成る領域を備える基板と、
    前記基板上に形成され、下記式(1)で表される組成を有する超伝導薄膜と、を含み、
    前記超伝導薄膜におけるAs−As間隔は、前記III-V族半導体におけるV族原子間距離の約1倍であることを特徴とする超伝導体構造。
    式(1) LnFeAsO1-pq
    (式(1)において、Lnは1種以上のランタノイド元素であり、0<p<1、0≦q<1)
  4. 前記III-V族半導体は、下記式(2)で表される組成を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の超伝導体構造。
    式(2) Al1-x-yGaxInyAs1-zz
    (式(2)において、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y≦1)
  5. 前記III-V族半導体は、GaAsであることを特徴とする請求項4に記載の超伝導体構造。
  6. 前記超伝導薄膜をMBE法又はMOCVD法で形成することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の超伝導体構造の製造方法。
  7. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の超伝導体構造を有する電子素子。
  8. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の超伝導体構造を有するジョセフソン素子。
  9. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の超伝導体構造を有する超伝導−二次元電子ガス素子。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101489802B1 (ko) * 2012-07-26 2015-02-04 이화여자대학교 산학협력단 철-기반 초전도 재료, 및 이의 제조 방법

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