JP2932756B2

JP2932756B2 - 伝導性の増大した共振超格子構造体

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Publication number: JP2932756B2
Application number: JP3133741A
Authority: JP
Inventors: ハーブ・ゴロンキン
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1991-03-29
Publication date: 1999-08-09
Anticipated expiration: 2014-08-09
Also published as: DE69107320D1; JPH04226015A; DE69107320T2; EP0449019B1; EP0449019A1; US5012302A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に超伝導体に関
し、さらに詳しくは半導体材料で作られた共振超伝導構
造に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常フェルミ・エネルギ（Ｅ_Ｆ）の正ま
たは負ｋ_ｂＴ以内のエネルギ・レベルにある電子が崩壊
して、Ｅ_Ｆ以下でほぼｋ_ｂＴ_ｃに等しいエネルギ状態に
陥るとき、超伝導状態が結晶格子に生じる。ここで、Ｔ
_ｃは超伝導性が生じる臨界温度であり、ｋ_ｂは結晶格子
のブリュアン帯の境界を定めるベクトルである。電子
は、「クーパー対（Ｃｏｏｐｅｒｐａｉｒｓ）」とし
て結合、すなわち対になることによってのみ崩壊しう
る。クーパー対となるためには、あるエネルギ・レベル
の各電子が等しい運動量を有しかつ回転して、通常の
状態では不可能な高密度で電子を充填する必要がある。
対になった電子は、等しくかつ反対の運動量の変化で拡
散するので、電子エネルギは全体的には失われない。故
に、対になった電子はそのエネルギ・レベルで抵抗を受
けずに電荷を運ぶ。

【０００３】従って、超伝導材料の主要な特徴は、通常
の抵抗性伝導の原因となっているフェルミ粒子ではな
く、電子対として電子を存在せしめることである。近
年、高温で電子対が存在しうる材料を開発するため多く
の研究が行われている。本発明は、電子結合が自然では
起こりえない温度において電子対の形成を促進する方法
に関する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】結晶格子内の電子は、
結晶格子の電子特性および結晶特性によって決まる特性
コヒーレンス長を有する。熱や電磁界といった外因によ
り、この電子コヒーレンス長は影響を受ける。通常の導
電状態の電子は互いに反発しあい、対を形成するほど接
近することはない。しかし、超伝導体中の電子は格子振
動（フォノン：ｐｈｏｎｏｎ）と相互に作用して対を形
成する。対になった電子は、電子コヒーレンス長よりも
互いに接近している。自然界の超伝導体では、電子とフ
ォノンの相互作用の結果、低温で超伝導性が生じ、この
とき電子コヒーレンス長は十分な長さとなる。

【０００５】本発明は、半導体材料を用いて合成格子を
提供し、この合成格子を調整して電子とフオノンの相互
作用を促進し、特に、通常では電子対が存在しない温度
において材料内に電子対を形成させる電子とフォノンの
相互作用を促進する。

【０００６】従って、本発明の目的は電子・フォノン相
互作用の回数が高い新しい合成超伝導材料を提供するこ
とである。

【０００７】本発明の他の目的は、共振電子・フォノン
相互作用過程を有する超伝導材料を提供することであ
る。

【０００８】さらに、本発明の目的は、不純物で調整し
た超格子量子ウェル（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｄｏｐｅ
ｄｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｑｕａｎｔｕｍｗｅｌ
ｌ）を用いる超伝導材料に関する。

【０００９】本発明のさらに他の目的は、量子ウェルを
有する共振超格子超伝導体であって、光学縦フォノン・
エネルギ（ｏｐｔｉｃａｌｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ
ｐｈｏｎｏｎｅｎｅｒｇｙ）が２つのエネルギ状態
の差に等しいフォノン・ジェネレータを有する共振超格
子超伝導体を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の上記のおよび他
の目的および利点は、量子ウェル超伝導構造によって得
れる。量子ウェル構造は、バンドギャップの広い材料か
ら成る２つのバリア層にはさまれた狭いエネルギ・ギャ
ップを有する材料に封じ込められた電子を与える。電子
は、バリア層に不純物を添加し、量子ウェルの不純物を
調整（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｄｏｐｉｎｇ）ることに
より量子ウェルに与えられる。量子ウェルは、その境界
内に異なる材料から成る少なくとも１つの単分子層（ｍ
ｏｎｏｌｌａｙｅｒ）を含む。この単分子層材料は電気
的に不活性であることが望ましく、またこの単分子層は
電子対の形成に必要な電子とフォノンの結合のため生成
されるフォノンの発生源となる。好適な実施例におい
て、複数のフォノン・ジェネレータ単分子層が量子ウェ
ルの中央に設けられ、このフォノン・ジェネレータ単分
子層が量子ウェル材料から成る少数の単分子層によって
互いに分離することでフォノンの個数が増加し、従って
電子とフォノンの相互作用の回数も増加する。

【００１１】

【作用】本発明は、超格子構造において電子結合を促進
することによって超格子層の導電性を向上させる。対に
なった電子は、電子の散乱により、通常抵抗性または絶
縁性を有する材料においてエネルギを失うことなく電荷
を運ぶことが知られている。電子対は、電子と結晶格子
との相互作用、いわゆる電子・フォノン相互作用によっ
て形成することができる。自然界の超伝導材料のほとん
どでは、電子対形成、つまり超伝導性が生まれる特性エ
ネルギ・レベルおよびフォノン・スペクトルとなってい
る。本発明では、量子ウェルに設けられたフォノン・ジ
ェネレータの光学フォノン・エネルギに量子ウェルのエ
ネルギ・レベルが一致するような合成材料を作る。さら
に、本発明では、エネルギ・レベルとフォノン・ジェネ
レータ・エネルギとの特定の関係を用い、量子ウェルに
おいて共振状態を生じさせ、この共振状態が電子とフォ
ノンの相互作用の確率を高め、従って電子対の形成を向
上させる。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明の一部の拡大図である。バリ
ア層１３ａ−ｂ，１４ａ−ｂは、アルミニウム・ガリウ
ムひ素（ＡｌＧａＡｓ）等のバンドギャップの広い材料
から成る。量子ウェルは、狭バンドギャップ層１１，１
２，１６によってバリア層１３ａとバリア層１４ａとの
間に形成される。ＡｌＧａＡｓをバリア層１３ａ−１４
ａに使用した場合、量子ウェル層材料としてはガリウム
ひ素（ＧａＡｓ）が適している。明らかなように、シリ
コン、ゲルマニウムならびにＩＩＩ−Ｖ族およびＩＩ−
ＶＩ族化合物半導体を含む各種の材料を用いて、バリア
層１３ａ−１４ａおよび量子ウェル層１１，１２，１６
を形成することができる。ただし、バリア層１３ａ−１
４ａのバンドギャップは量子ウェル層１１，１２，１６
のそれよりも広いことが重要である。どの材料を選ぶか
は、材料の量子エネルギ・レベルとフォノン・エネルギ
・スペクトルの所望する関係によって決まる。

【００１３】量子ウェルの中心に向かって、多数のフォ
ノン・ジェネレータ層１０が量子ウェル材料の層１６に
よって互いに分離されて形成される。各フォノン・ジェ
ネレータ層１０は、量子ウェル材料の光学フォノン・エ
ネルギよりも小さい光学フォノン・エネルギを有する材
料の単分子層から構成されることが好ましい。ＧａＡｓ
を量子ウェル層１１，１２，１６に用いた場合、インジ
ウムひ素（ＩｎＡｓ）はＧａＡｓよりも光学フォノン・
エネルギが小さいため、フォノン・ジェネレータ１０の
材料として好適である。中間にある量子ウェル層１６
は、５〜１０層の量子ウェル材料の単分子層から構成さ
れることが好ましい。

【００１４】バリア層１３ａ−１４ａに形成される不純
物層（ｄｏｐｉｎｇｌａｙｅｒ）２１，２２は、電荷
キャリアを与え、この電荷キャリアは量子ウェルに落ち
込む。電子を量子ウェルに与えるためには、層２１，２
２はシリコン等の任意の適切な材料であってもよい。電
子がバリア層１４ａ，１３ａを通り抜けて量子ウェル層
１１，１２に達することができるように、不純物層２
１，２２は量子ウェルに近づけて配置しなければならな
い。

【００１５】動作中、電流は図１に示す超格子構造中を
層の面に対して平行に流れる。また、電流は、バリア層
１３，１４ではなく、主に量子ウェル層１１，１２，１
６を流れる。各層について特定の材料の点から本発明を
説明してきたが、重要な点は、各層のバンドギャップ・
エネルギとフォノン・スペクトルとの関係であることが
理解される。さまざまな材料の組み合わせを用いて量子
ウェル、バリア層および調整された不純物層（ｍｏｄｕ
ｌａｔｉｏｎｄｏｐｉｎｇ）を形成できることが当業
者にとって明らかである。特に別の量子ウェル材料を選
ぶ場合、フォノン・ジェネレータ層１０は異なる材料で
あってもよい。また、クーパー対（Ｃｏｏｐｅｒｐａ
ｉｒｓ）を形成する電子結合の点から本発明を説明して
きたが、正孔を結合させても超伝導性が生じることが理
解される。本発明の原理および要素は、材料と不純物を
変えることにより、同様に正孔結合についても当てはま
る。

【００１６】図２は、図１に示した量子ウェルの伝導帯
（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｂａｎｄ）Ｅ_ｃ図である。図２
の伝導帯図は、図１に示すフォノン・ジェネレータ１０
を有する超格子構造を極めて簡略に示したものである。
フォノン・ジェネレータ１０は、図２の伝導帯にある突
起（ｓｐｉｋｅ）２０に相当する。簡略に図示するた
め、１つの突起２０しか示されていないが、突起２０は
量子ウェルに形成される各単分子層１０に存在すること
が理解される。各単分子層１０には、量子ウェル１８の
中央付近に突起２０が生じる。各単分子層１０は、１原
子の幅しか有せず、かつわずか数原子の幅の量子ウェル
材料によって互いに分離されているので、量子ウェル１
８の中央の数オングストロームの幅に多数の単分子層を
形成することができる。導電エネルギ・レベル１９，１
７は、バリア層１４ａ，１３ａに相当する。量子ウェル
１８は、図１の層１１、１２から成る。量子ウェル１８
は、バリア層１４ａ，１３ａよりも狭いバンドギャップ
を有し、従って、量子ウェル内で伝導帯エネルギの低下
が生じる。

【００１７】量子ウェル１８を構成する層に対して平行
方向に移動する電子は、特性エネルギ・レベルＥ_１，Ｅ
_２を有する。量子ウェル１８を移動する電子は、電子波
動関数Ｅ_１，Ｅ_２で表される個別のエネルギ値でしか移
動できない。高エネルギ・レベルへと励起するのを防ぐ
ため、電子の移動方向のエネルギは比較的小さくなくて
はならないことに注意されたい。このように励起する
と、電子結合が抑制され、従って超伝導性も抑制され
る。フォノン・ジェネレータ２０の電荷分布は、量子ウ
ェル１８の中央において最大値を有する。基底状態にお
ける電子波動関数Ｅ_１も、量子ウェル１８の中央におい
て最大値を有する。基底状態の電子は、フォノン・ジェ
ネレータのフォノンと強力に結合し、フォノンが吸収さ
れると次の状態に励起される。状態Ｅ_２は、量子ウェル
１８の中央においてゼロを通る非対称的な波動関数によ
って特徴づけられる。この状態の電子は、フォノン・ジ
ェネレータとの結合が弱く、フォノン・ジェネレータの
フォノンを吸収しない傾向がある。しかし、Ｅ_２状態の
電子は、フォノン・ジェネレータのフォノンを放出しや
すい。この構造では、第１励起状態の電子がフォノンを
吸収し、第２励起状態の電子がフォノンを放出する。

【００１８】本発明の重要な特徴は、フォノン・ジェネ
レータによって生成されたフォノンは、Ｅ_２とＥ_１との
差に実質的に等しいエネルギを有するという点である。
量子ウェル１８の第１エネルギ状態と第２エネルギ状態
とのエネルギの差（Ｅ_１−Ｅ_２）は、フォノン・ジェネ
レータのフォノン・エネルギと実質的に等しいので、フ
ォノン・ジェネレータの存在により生じる電子とフォノ
ンの相互作用により、吸収・放出過程で電子が対にな
る。電子とフォノン間の結合は次式により表される：

【数２】ここで、Ｍは電子・フォノン結合に比例し、

【数１】は縦光学（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｏｐｔｉｃａ
ｌ：ＬＯ）フォノン・ジェネレータ（ｐｈｏｎｏｎｇ
ｅｎｅｒａｔｏｒ：ＰＧ）のエネルギである。

【００１９】本発明では、２つの第１エネルギ・レベル
の差（Ｅ_１−Ｅ_２）は１つの光学フォノン・エネルギ

【数１】に等しい。電子・フォノン結合式から、このフォノン・
エネルギとエネルギ・レベルＥ_１，Ｅ_２との関係により
共振状態が生じ、このため電子とフォノンの相互作用が
高められることがわかる。超伝導構造全体をＧａＡｓ、
ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓといった一般に入手可能なエピ
タキシャル材料から作るのが便利である。ＧａＡｓの縦
光学フォノン・エネルギは約３７ｍｅＶであるので、光
学フォノン・エネルギが３０・５ｍｅＶのＩｎＡｓはフ
ォノン・ジェネレータ材料として適している。ＩｎＡｓ
をフォノン・ジェネレータとして用いた場合、２つの第
１エネルギ・レベルの必要な差（Ｅ_１−Ｅ_２）は約３０
・５ｍｅＶである。このエネルギ・レベル差を生じる方
形量子ウェルのパラメータは次の通りである：ウェル材料＝ＧａＡｓバリア材料＝ＡｌＧａＡｓバリア層電位，Ｖｏ，＝０．１２２ｅＶ量子ウェル長，Ｌｗ，＝６４層のＧａＡｓ（ＧａＡｓ＝
１８１．１２オングストローム）単分子層ここで、ＶｏはＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓから成る
バリア材料に相当する。

【００２０】このように広いウェルでは、一つ以上のフ
ォノン・ジェネレータを設けることが好ましい。３〜７
層のフォノン・ジェネレータ層が電子とフォノンの相互
作用を高め、従って、電子対形成の確率を高めると考え
られる。好適な実施例では、図１に示すように、フォノ
ン・ジェネレータ材料の５層の単分子層が、量子ウェル
の中央付近において量子ウェル材料の５〜１０層の単分
子層によって離間されている。

【００２１】効果的に電子対を形成するためには、十分
な数の電子を量子ウェルに与えなければならない。好適
な実施例では、相次ぐ層の不純物を変える（不純物変調
方法：ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｄｏｐｉｎｇ）ことによ
り、電子を量子ウェルに与えている。不純物変調方法と
は、バリア層１３−１４（図１に図示）に不純物を添加
することにより長格子の量子ウェル層に電荷キャリアを
与える方法である。量子ウェルに過剰の電子を与えるそ
の他の方法も知られている。電子対を形成するために必
要な数の電子が量子ウェルにない場合、少数の電子を補
うために電子コヒーレンス長を長くする必要がある。つ
まり、電子密度が増加するので、超伝導の臨界温度も上
昇する。また、１つのフォノン・ジェネレータではなく
多数のフォノン・ジェネレータを用いることにより、量
子ウェル層において電子密度が低くても補われる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、超伝導温度よりも
かなり高い温度で動作可能な新規の合成または人工の導
電性が増大した構造体が提供される。本発明は、２つの
量子ウェル層によってはさまれた複数のフォノン・ジェ
ネレータを有する超格子を用い、このフォノン・ジェネ
レータが量子ウェルのエネルギ・レベルの差に実質的に
等しい光学エネルギを有するフォノンを生成する。量子
ウェル内の電子とフォノン・ジェネレータにより生成さ
れたフォノンとの相互作用により、共振状態が生じ、そ
の結果、電子が量子ウェル格子と相互作用してフォノン
を吸収・放出し、電子を結合させる。結合した電子は、
超伝導状態でフォノン・ジェネレータ層に対して平行方
向に結晶格子を通り抜ける。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一部の拡大図である。

【図２】本発明に従った量子ウェル特性を示す伝導帯図
である。

【符号の説明】

１０フォノン・ジェネレータ層１１，１２，１６量子ウェル層（狭バンドギャップ）１３ａ，１４ａバリア層（広バンドギャップ）２１，２２不純物層（ｄｏｐｉｎｇｌａｙｅｒ）１７，１９伝導エネルギ・レベル１８量子ウェル２０フォノン・ジェネレータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 39/00 H01L 39/02 H01L 39/22 H01L 39/24 H01L 21/20 H01L 39/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】バリア層；バリア層上に設けられかつ第１および第２エネルギ・レ
ベルを有する第１層；第１層上に設けられ、第１層の第
１エネルギ・レベルと第２エネルギ・レベルの差に実質
的に等しいエネルギ・レベルの光学フォノンを有する少
なくとも１つの単分子層；および単分子層上に設けら
れ、第一層と同じエネルギ・レベルを有する第二層；によって構成されることを特徴とする、伝導性の増大し
た共振超格子構造体。
【請求項２】バリア層がＡｌＧａＡｓから成り、第１お
よび第２層がＧａＡｓから成り、単分子層がＩｎＡｓか
ら成ることを特徴とする請求項１の共振超格子構造体。
【請求項３】【数１】のエネルギを有する光学フォノンを生成するフォノン・
ジェネレータ；および少なくとも２つの層を有する量子
ウェルから成る超格子構造を有する合成超伝導体であっ
て、フォノン・ジェネレータが量子ウェルの２層の間に
はさまれ、量子ウェルがＥ₁およびＥ₂のエネルギ・レベ
ルを有し、さらにＥ₂−Ｅ₁が【数１】に実質的に等しいことを特徴とする共振超格子構造体。
【請求項４】物理的に支持する基板上にバリア層を形成
する段階；バリア層の一部に不純物を添加する段階；バリア層よりもバンドギャップの狭い第１量子ウェル層
を形成する段階；第１量子ウェル層上に量子ウェル層とは異なる材料のフ
ォノン・ジェネレータ単分子層を形成する段階；フォノン・ジェネレータ層上に第２量子ウェル層を設け
る段階；第２量子ウェル層上に第２バリア層を設ける段階；およ
び第２バリア層の一部に不純物を添加する段階；によって構成されることを特徴とする、伝導性の増大し
た超格子構造体の製造方法。
【請求項５】さらに、第２量子ウェル層を形成する前に
別のフォノン・ジェネレータ単分子層を形成する段階；
およびフォノン・ジェネレータ単分子層を分離する中間
層を形成する段階から構成され、中間層が第１および第
２量子ウェル層と同一の組成を有することを特徴とする
請求項４の方法。