JP2012038984A - 半導体結合超伝導三端子素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】超伝導電極層としてＭｇＢ2、接合部にＩｎＧａＡｓチャネル層を用い、第三電極を用いて超伝導電流を制御する半導体結合超伝導三端子素子において、超伝導電極層の成長時のＭｇのＩｎＧａＡｓチャネル層への拡散を抑制し、接合特性を改善した半導体結合超伝導三端子素子を提供することにある。
【解決手段】超伝導電流のチャネル層となるＩｎＧａＡｓ層とソース電極となる第１のＭｇＢ2超伝導電極層及びドレイン電極となる第２のＭｇＢ2超伝導電極層とその二つの超伝導電極間のＩｎＧａＡｓ層中に流れる超伝導電流を制御する第三電極とを有する半導体結合超伝導三端子素子において、ＭｇＢ2超伝導電極層１，２とＩｎＧａＡｓチャネル層６との層間にＡｕ層６が挿入された。
【選択図】図１
【解決手段】超伝導電流のチャネル層となるＩｎＧａＡｓ層とソース電極となる第１のＭｇＢ2超伝導電極層及びドレイン電極となる第２のＭｇＢ2超伝導電極層とその二つの超伝導電極間のＩｎＧａＡｓ層中に流れる超伝導電流を制御する第三電極とを有する半導体結合超伝導三端子素子において、ＭｇＢ2超伝導電極層１，２とＩｎＧａＡｓチャネル層６との層間にＡｕ層６が挿入された。
【選択図】図１
Description
本発明は、ＩｎＧａＡｓチャネル層を接合部に持つ半導体結合超伝導三端子素子に関するものである。
従来のＩｎＧａＡｓチャネル層を用いた半導体結合超伝導三端子素子の断面構造を図５に示す。図５に示すように、半導体結合超伝導三端子素子は、半絶縁性のＩｎＰからなる基板７の上にｎ型のＩｎＧａＡｓからなるチャネル層６を備えている。この素子は、チャネル層６の上にＭｇＢ2超伝導電極層（ソース電極）１及びＭｇＢ2超伝導電極層（ドレイン電極）２を備えると共に、チャネル層６の上にゲート絶縁層５を介して金属ゲート電極層（第三電極）３を備えている。金属ゲート電極層３は、電圧を印加することにより超伝導電極層１，２間におけるチャネル層６に流れる超伝導電流を制御している。
ＭｇＢ2は、二元化合物、シンプルな結晶構造でありながら、金属間化合物超伝導体中、最高の超伝導臨界温度ＴC（〜３９Ｋ）を有しており、半導体結合超伝導三端子素子の動作温度上昇のための新しい超伝導電極として有望な材料である（非特許文献１参照）。通常、ＭｇＢ2超伝導電極層１，２の成膜には、電子ビーム共蒸着法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法などが用いられる（非特許文献２参照）。従来構造では、ｎ型のＩｎＧａＡｓからなるチャネル層の上に直接ＭｇＢ2超伝導電極層を成膜することで、超伝導電極層とチャネル層とのオーミック接触を実現している。
Jun Nagamatsu et al., "Superconductivity at 39K in magnesium diboride", NATURE , vol 410, p.63-64, 2001 MARCH 1
内藤方夫, "MgB2薄膜・接合作製の現状とデバイス応用への展望", 低温工学, 41巻, 11号, p.463-473, 2006年
G. E. Blonder et al., "Transition from metallic to tunneling regimes in superconducting microconstrictionｓ: Excess current, charge imbalance, and supercurrent conversion", PHYSICAL REVIEW B, VOLUME 25, NUMBER 7, P.4515-4532, 1982 APRIL 1
ここで、ｎ型のＩｎＧａＡｓからなるチャネル層の上に直接ＭｇＢ2超伝導電極層を成膜して作製した半導体結合超伝導三端子素子の微分抵抗のバイアス電圧依存性（測定温度：１８Ｋ）のグラフを図６（ａ）に示す。ここでは、ｎ型ＩｎＧａＡｓチャネル層の厚さを２１０ｎｍとした。但し、この測定時には、金属ゲート電極３とゲート絶縁層５を形成していない素子を用いた。
このグラフに示されるように、微分抵抗は、約２１０Ωの高抵抗であり、アンドレーエフ反射による超伝導ギャップ電圧以下での微分抵抗の低減も観測することはできなかった。この原因は、図６（ｂ）に示すＭｇＢ2／ＩｎＧａＡｓ界面でのＭｇのＳＴＥＭ−ＥＤＳマッピングから分かるように、ＭｇＢ2成長時、ＭｇがＩｎＧａＡｓチャネル層に拡散し、ＩｎＧａＡｓチャネル層の特性劣化を引き起こしているものと考えられる。
以上のことから、本発明は上述したような課題を解決するために為されたものであって、超伝導電極層としてＭｇＢ2、接合部にＩｎＧａＡｓチャネル層を用い、第三電極を用いて超伝導電流を制御する半導体結合超伝導三端子素子において、超伝導電極層の成長時のＭｇのＩｎＧａＡｓチャネル層への拡散を抑制し、接合特性を改善した半導体結合超伝導三端子素子を提供することを目的としている。
上述した課題を解決する第１の発明に半導体結合超伝導三端子素子は、
超伝導電流のチャネル層となるＩｎＧａＡｓ層とソース電極となる第１のＭｇＢ2超伝導電極層及びドレイン電極となる第２のＭｇＢ2超伝導電極層とその二つの超伝導電極層間のＩｎＧａＡｓ層中に流れる超伝導電流を制御する第三電極とを有する半導体結合超伝導三端子素子において、
前記ＭｇＢ2超伝導電極層と前記ＩｎＧａＡｓチャネル層との層間にＡｕ層が挿入された
ことを特徴とする。
超伝導電流のチャネル層となるＩｎＧａＡｓ層とソース電極となる第１のＭｇＢ2超伝導電極層及びドレイン電極となる第２のＭｇＢ2超伝導電極層とその二つの超伝導電極層間のＩｎＧａＡｓ層中に流れる超伝導電流を制御する第三電極とを有する半導体結合超伝導三端子素子において、
前記ＭｇＢ2超伝導電極層と前記ＩｎＧａＡｓチャネル層との層間にＡｕ層が挿入された
ことを特徴とする。
上述した課題を解決する第２の発明に係る半導体結合超伝導三端子素子は、
第１の発明に係る半導体結合超伝導三端子素子であって、
前記第三電極は前記基板の下に設けられる
ことを特徴とする。
第１の発明に係る半導体結合超伝導三端子素子であって、
前記第三電極は前記基板の下に設けられる
ことを特徴とする。
上述した課題を解決する第３の発明に係る半導体結合超伝導三端子素子は、
第１の発明に係る半導体結合超伝導三端子素子であって、
前記チャネル層の下にキャリア供給層が設けられる
ことを特徴とする。
第１の発明に係る半導体結合超伝導三端子素子であって、
前記チャネル層の下にキャリア供給層が設けられる
ことを特徴とする。
本発明に係る半導体結合超伝導三端子素子によれば、超伝導電極としてＭｇＢ2、接合部にＩｎＧａＡｓチャネル層を用い、第三電極を用いて超伝導電流を制御する半導体結合超伝導三端子素子において、ＭｇＢ2超伝導電極層とＩｎＧａＡｓチャネル層との層間にＡｕ層を挿入することにより、超伝導電極層の成長時のＭｇのＩｎＧａＡｓチャネル層への拡散を抑制し、超伝導電極層とチャネル層の接合特性を改善することができる。これにより、半導体結合超伝導三端子素子の動作温度上昇が期待できる。
本発明は、ＭｇＢ2超伝導電極層とＩｎＧａＡｓチャネル層との層間にＡｕ層を挿入することにより、超伝導電極層の成長中のＭｇのＩｎＧａＡｓチャネル層への拡散を抑制することが最大の特徴である。
本発明に係る半導体結合超伝導三端子素子について、各実施例にて詳細に説明する。
本発明に係る半導体結合超伝導三端子素子について、各実施例にて詳細に説明する。
本発明の第１の実施例に係る半導体結合超伝導三端子素子について図１および図４を参照して説明する。
本実施例に係る半導体結合超伝導三端子素子１０は、図１に示すように、半絶縁性のＩｎＰからなる基板７の上にｎ型のＩｎＧａＡｓからなるチャネル層６を備える。この素子１０は、チャネル層６の上にゲート絶縁層５を介して金属ゲート電極層（第三電極）３を備えると共に、チャネル層６の上にＡｕ挿入層４を介してＭｇＢ2超伝導電極層（ソース電極）１及びＭｇＢ2超伝導電極層（ドレイン電極）２を備える。金属ゲート電極３は、電圧を印加することにより超伝導電極層１，２間のＩｎＧａＡｓチャンネル層６に流れる超伝導電流を制御する。
すなわち、本実施例に係る半導体結合超伝導三端子素子１０は、ＭｇＢ2超伝導電極層１，２とチャネル層６との層間にＡｕ挿入層４が挿入されたものである。本実施例に係る半導体結合超伝導三端子素子１０と図６に示した従来の半導体結合超伝導三端子素子とは、このＡｕ挿入層４が、ＭｇＢ2超伝導電極層１，２とｎ型ＩｎＧａＡｓチャネル層６との間に挿入されているところが異なっている。本構造は、Ａｕ挿入層４を成膜した後に、ＭｇＢ2超伝導電極層１，２の成膜することで、容易に得ることができる。なお、ＭｇＢ2超伝導電極層１，２及び金属ゲート電極３の成膜法としては、電子ビーム共蒸着法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法などが挙げられる。
Ａｕ挿入層４の成膜法としては、電子ビーム共蒸着法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法などが挙げられる。
ここで、本実施例に係る半導体結合超伝導三端子素子１０の微分抵抗のバイアス電圧依存性（測定温度：１８Ｋ）のグラフを図４(a)に示す。ここでは、Ａｕ挿入層４の厚さは、５ｎｍ、ｎ型のＩｎＧａＡｓからなるチャネル層６の厚さは、２１０ｎｍである。但し、この測定時には、金属ゲート電極３とゲート絶縁層５を形成していない素子を用いた。同グラフの横軸は、超伝導電極層１，２間の電圧であり、超伝導電極層（ソース電極）１の電位に対して超伝導電極層（ドレイン電極）２の電位が高い場合を正としている。
このグラフに示されるように、微分抵抗は、約５．６Ωの低抵抗となり、図６（ａ）に示した従来構造に比べて、約１／４０の改善が得られていることが分かる。また、バイアス電圧の絶対値が、約９ｍＶ以下の領域で、微分抵抗の低下が観測されている。これは、ＭｇＢ2／ＩｎＧａＡｓ界面の良好なオーミック接触により、超伝導ギャップ電圧以下でのアンドレーエフ反射による微分抵抗の低減が観測出来ていることを示している（非特許文献３参照）。
また、図４（ｂ）に本実施例に係る半導体結合超伝導三端子素子１０におけるＭｇＢ2／Ａｕ／ＩｎＧａＡｓ界面でのＭｇのＳＴＥＭ−ＥＤＳマッピング結果を示す。このＳＴＥＭ−ＥＤＳマッピングでは、ＩｎＧａＡｓチャネル層中にＭｇの拡散領域は確認できなかった。これらのことから、Ａｕ挿入層４により、ＭｇＢ2の成膜（成長）時のＩｎＧａＡｓチャネル層６へのＭｇの拡散が抑制され、ＩｎＧａＡｓチャネル層６の特性劣化が起こらないことが分かった。また、Ａｕ挿入層４の厚さは、２ｎｍでも、ほぼ同等の改善効果があることが分かっている。
したがって、本実施例に係る半導体結合超伝導三端子素子１０によれば、ＭｇＢ2超伝導電極層１，２とＩｎＧａＡｓチャネル層６との層間にＡｕ挿入層４を挿入することにより、超伝導電極層１，２の成膜時のＭｇのＩｎＧａＡｓチャネル層６への拡散を抑制でき、ＭｇＢ2超伝導電極層１，２とＩｎＧａＡｓチャネル層６の接合特性を改善することができる。これにより、半導体結合超伝導三端子素子１０の動作温度上昇を期待できる。
本発明の第２の実施例に係る半導体結合超伝導三端子素子について図２を参照して具体的に説明する。
本実施例に係る半導体結合超伝導三端子素子は、実施例１において、ＩｎＧａＡｓ層中に流れる超伝導電流を制御する第三電極が基板側にあることを特徴としている。
本実施例に係る半導体結合超伝導三端子素子２０は、図２に示すように、ｐ型のＩｎＰからなる基板２１の上にｐ型のＩｎＧａＡｓ層２２を備え、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層２２の上にｎ型のＩｎＧａＡｓからなるチャネル層６を備える。この素子２０は、チャネル層６の上にＡｕ挿入層４を介してＭｇＢ2超伝導電極層（ソース電極）１及びＭｇＢ2超伝導電極層（ドレイン電極）２を備えると共に、基板２１の下に金属ゲート電極（第三電極）２３を備える。金属ゲート電極２３は、電圧を印加することにより超伝導電極層１，２間のＩｎＧａＡｓチャネル層６に流れる超伝導電流を制御する。
したがって、本実施例に係る半導体結合超伝導三端子素子２０によれば、上述した第１の実施例に係る半導体結合超伝導三端子素子１０と同様、ＭｇＢ2超伝導電極層１，２の成膜時のＭｇのＩｎＧａＡｓチャネル層６への拡散を抑制し、ＭｇＢ2超伝導電極層１，２とＩｎＧａＡｓチャネル層６の接合特性を改善することができる。
本発明の第３の実施例に係る半導体結合超伝導三端子素子について図３を参照して具体的に説明する。
本実施例に係る半導体結合超伝導三端子素子は、実施例１において、半導体としてＩｎＧａＡｓチャネル層を有する高電子移動度トランジスタを用いることを特徴としている。
本実施例に係る半導体結合超伝導三端子素子３０は、図３に示すように、半絶縁性のＩｎＰからなる基板７の上に、ＩｎＡｌＡｓからなるバッファ層３１、ｎ型のＩｎＡｌＡｓからなるキャリア供給層３２、ＩｎＡｌＡｓからなるスペーサ層３３、ＩｎＧａＡｓからなるチャネル層３４が順番に設けられたものである。チャネル層３４の上にＡｕ挿入層４を介してＭｇＢ2超伝導電極層（ソース電極）１及びＭｇＢ2超伝導電極層（ドレイン電極）２が備えられる。チャネル層３４の上にＩｎＡｌＡｓゲートコンタクト層３５を介して金属ゲート電極（第三電極）３６が備えられる。スペーサ層３３とチャネル層３４との界面におけるスペーサ層３３側に二次元電子ガス３７が形成される。金属ゲート電極３６は、電圧を印加して二次元電子ガス３７の濃度を変化させることにより、超伝導電極層１，２間のＩｎＧａＡｓチャネル層３４に流れる超伝導電流を制御する。
したがって、本実施例に係る半導体結合超伝導三端子素子３０によれば、上述した第１の実施例に係る半導体結合超伝導三端子素子１０と同様、ＭｇＢ2超伝導電極層１，２の成膜時のＭｇのＩｎＧａＡｓチャネル層３４への拡散を抑制し、ＭｇＢ2超伝導電極層１，２とＩｎＧａＡｓチャネル層３４の接合特性を改善することができる。
なお、上記では、チャネル層３４の下にキャリア供給層３２を設けた逆構造の半導体結合超伝導三端子素子３０を用いて説明したが、チャネル層の上にキャリア供給層を設けた順構造の半導体結合超伝導三端子素子とすることも可能である。このような半導体結合超伝導三端子素子であっても、上述の半導体結合超伝導三端子素子３０と同様な作用効果を奏する。
本発明は半導体結合超伝導三端子素子に関するものであり、ＭｇＢ2超伝導電極層の成長中のＭｇのＩｎＧａＡｓチャネル層への拡散を抑制してＭｇＢ2超伝導電極層とＩｎＧａＡｓチャネル層の接合特性を改善することができるので、光通信産業などにおいて、極めて有益に利用することができる。
１ ＭｇＢ2超伝導電極層（ソース電極）
２ ＭｇＢ2超伝導電極層（ドレイン電極）
３ 金属ゲート電極（第三電極）
４ Ａｕ挿入層
５ ゲート絶縁層
６ ｎ型ＩｎＧａＡｓチャネル層
７ 半絶縁性ＩｎＰ基板
１０ 半導体結合超伝導三端子素子
２０ 半導体結合超伝導三端子素子
２１ ｐ型ＩｎＰ基板
２２ ｐ型ＩｎＧａＡｓ層
２３ 金属ゲート電極
３０ 半導体結合超伝導三端子素子
３１ ＩｎＡｌＡｓバッファ層
３２ ｎ型ＩｎＡｌＡｓキャリア供給層
３３ ＩｎＡｌＡｓスペーサ層
３４ ＩｎＧａＡｓチャネル層
３５ ＩｎＡｌＡｓゲートコンタクト層
３６ 金属ゲート電極
３７ 二次元電子ガス
２ ＭｇＢ2超伝導電極層（ドレイン電極）
３ 金属ゲート電極（第三電極）
４ Ａｕ挿入層
５ ゲート絶縁層
６ ｎ型ＩｎＧａＡｓチャネル層
７ 半絶縁性ＩｎＰ基板
１０ 半導体結合超伝導三端子素子
２０ 半導体結合超伝導三端子素子
２１ ｐ型ＩｎＰ基板
２２ ｐ型ＩｎＧａＡｓ層
２３ 金属ゲート電極
３０ 半導体結合超伝導三端子素子
３１ ＩｎＡｌＡｓバッファ層
３２ ｎ型ＩｎＡｌＡｓキャリア供給層
３３ ＩｎＡｌＡｓスペーサ層
３４ ＩｎＧａＡｓチャネル層
３５ ＩｎＡｌＡｓゲートコンタクト層
３６ 金属ゲート電極
３７ 二次元電子ガス
Claims (3)
- 超伝導電流のチャネル層となるＩｎＧａＡｓ層とソース電極となる第１のＭｇＢ2超伝導電極層及びドレイン電極となる第２のＭｇＢ2超伝導電極層とその二つの超伝導電極層間のＩｎＧａＡｓ層中に流れる超伝導電流を制御する第三電極とを有する半導体結合超伝導三端子素子において、
前記ＭｇＢ2超伝導電極層と前記ＩｎＧａＡｓチャネル層との層間にＡｕ層が挿入された
ことを特徴とする半導体結合超伝導三端子素子。 - 請求項１に記載の半導体結合超伝導三端子素子であって、
前記第三電極は前記基板の下に設けられる
ことを特徴とする半導体結合超伝導三端子素子。 - 請求項１に記載の半導体結合超伝導三端子素子であって、
前記チャネル層の下にキャリア供給層が設けられる
ことを特徴とする半導体結合超伝導三端子素子。
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|---|---|---|---|---|
| JP2003101038A (ja) * | 2001-09-19 | 2003-04-04 | Toshiba Corp | 機能素子 |
| WO2006101255A1 (ja) * | 2005-03-25 | 2006-09-28 | Incorporated National University Iwate University | 超伝導硼化マグネシウム薄膜及びその製造方法 |
| JP2009224390A (ja) * | 2008-03-13 | 2009-10-01 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 超伝導量子干渉素子 |
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- 2010-08-10 JP JP2010179169A patent/JP5134053B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2009224390A (ja) * | 2008-03-13 | 2009-10-01 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 超伝導量子干渉素子 |
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