JP3698304B2

JP3698304B2 - Semiconductor-coupled superconducting device and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP3698304B2
Application number: JP2000238562A
Authority: JP
Inventors: 達志赤崎; 英明高柳; 淳作新田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2020-08-07
Also published as: JP2002050802A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体結合超伝導素子とその製造方法に関する。例えば、半導体を結合部に持つ超伝導素子、即ち超伝導体−半導体−超伝導体ジョセフソン素子に関するものである。特に、請求項２は、ＳnドープＩnＧaＡs層を形成し、そのＳnドープＩnＧaＡs層によりＮbＮ層とＧaＡs半導体層のオーミック接続を実現するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体結合超伝導素子の素子構造を図５に示す。
１はソース電極であるＮbＮ超伝導電極層、２はドレイン電極であるＮbＮ超伝導電極層、３はゲート電極層、１３はノンドープのＩnＡlＡs層、１４はノンドープのＩnＧaＡs層、１５は２次元電子ガス、１６はノンドープのＩnＡlＡs層、１７はｎ型ＩnＡlＡs層、１８はノンドープのＩnＡlＡs層、１９はＩnＰ基板である。
【０００３】
２次元電子ガス１５は、ＩnＧaＡs層１４とＩnＡlＡs層１６の界面のＩnＡlＡs層１６側に形成されている。
ここでは、半導体としてＩnＡlＡs／ＩnＧaＡs変調ドープ構造を用いているが、ＡlＧaＳb／ＩnＡs変調ドープ構造でも可能である。
これらの構造では、二次元電子ガス１５は、ＩnＧaＡs層又はＩnＡsチャネル層中に形成される。
【０００４】
ＩnＡs及びＩn組成８０％以上のＩnＧaＡs層は、金属との間にショットキーバリアを形成しない半導体である（K. Kajiyama, Y. Mizushima, and S. Sakata, Appl. Phys. Lett., vol. 23, p.458, 1973.）。
ショットキーバリアは、超伝導電子が超伝導電極層から二次元電子ガスへ入射することを抑制してしまうため、従来の半導体結合超伝導素子では、チャネル層はショットキーバリアの無いＩnＧaＡs層又はＩnＡs層を用いている。
【０００５】
一方、ＡlＧaＡs／ＧaＡs変調ドープ構造は、これらのＩnＡs系変調ドープ構造と比べて、高い移動度と優れたゲート電圧での制御性を有している（例えば、榊裕之編、”超格子ヘテロ構造デバイス”、工業調査会）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＧaＡs層は金属に対して０．９ｅＶ程度の高いショットキーバリアを有するため（M. J. Howes and D. V. Morgan, Gallium Arsenide, John Willey & Sons, New York (1985).）、超伝導電極層とオーミック接触させることができず、多くの利点があるにもかかわらず、半導体結合超伝導素子に用いることができなかった。
【０００７】
本発明の目的は、二次元電子ガスを形成するＧaＡ層と超伝導電流のソース及びドレイン電極層となる二つのＮbＮ超伝導電極層を有する半導体結合超伝導素子において、ＮbＮ超伝導電極層とＧaＡs層との層間にＩn−Ｓn層を挿入し熱処理することにより、ＮbＮ超伝導電極層と二次元電子ガスとのオーミック接触を実現させるものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成する本発明の請求項１に係る半導体結合超伝導素子は、二次元電子ガスを形成するＧaＡs層と超伝導電流のソース電極となる第１のＮbＮ超伝導電極層及びドレイン電極となる第２のＮbＮ超伝導電極層を有する半導体結合超伝導素子において、前記ＮbＮ超伝導電極層と前記ＧaＡs層との層間にＳnドープＩnＧaＡs層が挿入されたことを特徴とする。
【０００９】
上記目的を達成する本発明の請求項２に係る半導体結合超伝導素子の製造方法は、請求項１記載の半導体結合超伝導素子を製造する方法であって、前記ＳnドープＩnＧaＡs層は、前記ＧaＡs層上にＩn−Ｓn層、ＮbＮ層をこの順で積層した後に、熱処理により該Ｉn−Ｓn層を該ＧaＡs層に合金化して形成することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例における素子構造を図１に示す。
図１（ａ）は熱処理前の素子構造を示し、図１（ｂ）は熱処理後の素子構造を示している。
【００１１】
ここで、１はＮbＮ超伝導電極層（ソース）、２はＮbＮ超伝導電極層（ドレイン）、３はゲート電極層、４はＩn−Ｓn挿入層、５はノンドープのＡlＧaＡs層、６はノンドープのＧaＡs層、７は６と８の界面の８側に形成された２次元電子ガス、８はノンドープのＡlＧaＡs層、９はｎ型ＡlＧaＡs層、１０はノンドープのＡlＧaＡs層、１１は半絶縁性ＧaＡs基板、１２は熱処理により合金化させた領域である。
２次元電子ガス７は、ＧaＡs層６とＡlＧaＡs層８の界面のＡlＧaＡs層８側に形成されている。
【００１２】
この構造は、図１（ａ）に示すように、ソース及びドレイン電極層部分を光露光又は電子ビーム露光によりパターニング後、ウエットエッチングかドライエッチングで一部残して除去することによりＡlＧaＡs層５を形成し、Ｉn−Ｓn挿入層４及びＮbＮ超伝導電極層１，２をＧaＡs層６上に形成したものである。
【００１３】
その後、図１（ｂ）に示すように熱処理し、Ｉn−Ｓn挿入層４とＧaＡs層６とを反応させ、ＮbＮ超伝導電極層１，２と二次元電子ガス６の間にＩn−Ｓn挿入層４とＧaＡs層６との合金化層であるＳnドープＩnＧaＡs層１２を形成した。
この時、ＮbＮは安定な物質であるため、熱処理を行っても超伝導特性を維持できる。
【００１４】
本構造の熱処理前後でのエネルギーバンドの変化を図３に模式的に示す。
図３（ｂ）に示されるように、Ｉn−Ｓn挿入層４が、熱処理によりＧaＡs層６と反応することにより、ｎ型ドーパントとなるＳnによる高キャリア濃度層の形成とＧaＡs層６がＩn_XＧa_1-XＡs層１２に変化することによるショットキーパリアの低減が期待できる（L. J. Brillson, Contacts to semiconductos, Nayes Publications, New Jersey (1993). ）。
これにより、ＮbＮ超伝導電極層１，２と二次元電子ガス７の間にオーミック接触が実現できる。
【００１５】
４．２Ｋでの接触比抵抗ρ_cの熱処理時間依存性（熱処理温度：６００℃）を図４に示す。
Ｉn−Ｓn挿入層の厚さは、２０ｎｍ，ＮbＮ超伝導電極層の厚さは、１００ｎｍで、Ｎ₂雰囲気中で熱処理を行っている。
予想通り、熱処理により接触比抵抗は減少し、６００℃−３０ｍｉｎの熱処理で、接触比抵抗_c〜５×１０^-5Ωｃｍ²が得られた。
この値は、４．２Ｋでの接触比抵抗_cとしては十分小さく、ＮbＮとＧaＡs層の間に良好なオーミックコンタクトが得られていることを示している。
【００１６】
なお、上記実施例では、ＡlＧaＡs／ＧaＡs変調ドープ構造（逆構造）を用いているが、図２に示すように、ＡlＧaＡs／ＧaＡs変調ドープ構造（順構造）を用いても同様の効果が期待できる。
このように説明したように、本実施例では、従来二次元電子ガスと超伝導電極層とのオーミック接触が実現されていなかった、二次元電子ガスを形成するＧaＡs層とＮbＮ超伝導電極層を有する半導体結合超伝導素子において、ＮbＮ超伝導電極層とＧaＡs層との層間にＩn−Ｓn層を挿入し熱処理することにより、ＮbＮ超伝導電極層と二次元電子ガスとのオーミック接触を実現できることが最大の特徴である。
【００１７】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発明では、従来二次元電子ガスと超伝導電極層とのオーミック接触が実現されていなかった、二次元電子ガスを形成するＧaＡs層とＮbＮ超伝導電極層を有する半導体結合超伝導素子において、ＮbＮ超伝導電極層とＧaＡs層との層間にＩn−Ｓn層を挿入し熱処理することにより、ＮbＮ超伝導電極層と二次元電子ガスとのオーミック接触を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＡlＧaＡs／ＧaＡs変調ドープ構造（逆構造）を用いた半導体結合超伝導素子の断面図であり、図１（ａ）は熱処理前を示し、図１（ｂ）は熱処理後を示す。
【図２】ＡlＧaＡs／ＧaＡs変調ドープ構造（順構造）を用いた半導体結合超伝導素子の断面図であり、図２（ａ）は熱処理前を示し、図２（ｂ）は熱処理後を示す。
【図３】本実施例の熱処理前後でのエネルギーバンドの変化を示すグラフであり、図３（ａ）は熱処理前を示し、図３（ｂ）は熱処理後を示す。
【図４】本実施例の接触比抵抗ρ_cの熱処理時間依存性（４．２Ｋ）を示すグラフである。
【図５】従来のＩnＡlＡs／ＩnＧaＡs変調ドープ構造（逆構造）を用いた半導体結合超伝導素子の断面図である。
【符号の説明】
１ＮbＮ超伝導電極層（ソース）
２ＮbＮ超伝導電極層（ドレイン）
３ゲート電極層
４Ｉn−Ｓn挿入層
５ノンドープのＡlＧaＡs層
６ノンドープのＧaＡs層
７２次元電子ガス
８ノンドープのＡlＧaＡs層
９ｎ型ＡlＧaＡs層
１０ノンドープのＡlＧaＡs層
１１半絶縁性ＧaＡs基板
１２熱処理により合金化させた領域
１３ノンドープのＩnＡlＡs層
１４ノンドープのＩnＧaＡs層
１５２次元電子ガス
１６ノンドープのＩnＡlＡs層
１７ｎ型ＩnＡlＡs層
１８ノンドープのＩnＡlＡs層
１９ＩnＰ基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor coupled superconducting device and a method for manufacturing the same. For example, the present invention relates to a superconducting element having a semiconductor as a coupling portion, that is, a superconductor-semiconductor-superconductor Josephson element. In particular, claim 2 forms an Sn-doped InGaAs layer, and realizes an ohmic connection between the NbN layer and the GaAs semiconductor layer by the Sn-doped InGaAs layer.
[0002]
[Prior art]
The element structure of a conventional semiconductor coupled superconducting element is shown in FIG.
1 is an NbN superconducting electrode layer that is a source electrode, 2 is an NbN superconducting electrode layer that is a drain electrode, 3 is a gate electrode layer, 13 is an undoped InAlAs layer, 14 is an undoped InGaAs layer, and 15 is a two-dimensional electron gas. , 16 is a non-doped InAlAs layer, 17 is an n-type InAlAs layer, 18 is a non-doped InAlAs layer, and 19 is an InP substrate.
[0003]
The two-dimensional electron gas 15 is formed on the InAlAs layer 16 side at the interface between the InGaAs layer 14 and the InAlAs layer 16.
Here, an InAlAs / InGaAs modulation doped structure is used as a semiconductor, but an AlGaSb / InAs modulation doped structure is also possible.
In these structures, the two-dimensional electron gas 15 is formed in the InGaAs layer or InAs channel layer.
[0004]
InAs and InGaAs layers having an In composition of 80% or more are semiconductors that do not form a Schottky barrier with metals (K. Kajiyama, Y. Mizushima, and S. Sakata, Appl. Phys. Lett., Vol. 23). , p.458, 1973.).
Since the Schottky barrier suppresses superconducting electrons from entering the two-dimensional electron gas from the superconducting electrode layer, in the conventional semiconductor-coupled superconducting device, the channel layer is an InGaAs layer or InAs without a Schottky barrier. Use layers.
[0005]
On the other hand, the AlGaAs / GaAs modulation doped structure has higher mobility and controllability with an excellent gate voltage than these InAs modulation doped structures (for example, Hiroyuki Tsuji, “Superlattice heterostructure”). Device ", Industrial Research Committee).
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the GaAs layer has a Schottky barrier as high as about 0.9 eV with respect to the metal (MJ Howes and DV Morgan, Gallium Arsenide, John Willey & Sons, New York (1985).) In spite of its many advantages, it could not be used in semiconductor coupled superconducting devices.
[0007]
An object of the present invention is to provide a semiconductor-coupled superconducting device having a GaA layer that forms a two-dimensional electron gas and two NbN superconducting electrode layers that serve as a source and drain electrode layer of a superconducting current, and the NbN superconducting electrode layer and the GaAs An In—Sn layer is inserted between the layers and heat-treated to achieve ohmic contact between the NbN superconducting electrode layer and the two-dimensional electron gas.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor-coupled superconducting device according to claim 1 of the present invention that achieves such an object includes a GaAs layer that forms a two-dimensional electron gas, a first NbN superconducting electrode layer that serves as a source electrode of a superconducting current, and a drain electrode. In the semiconductor coupled superconducting device having the second NbN superconducting electrode layer, a Sn-doped InGaAs layer is inserted between the NbN superconducting electrode layer and the GaAs layer.
[0009]
A method for manufacturing a semiconductor coupled superconducting device according to claim 2 of the present invention that achieves the above object is a method for manufacturing a semiconductor coupled superconducting device according to claim 1, wherein the Sn-doped InGaAs layer comprises the GaAs An In—Sn layer and an NbN layer are laminated in this order on the layer, and then the In—Sn layer is alloyed with the GaAs layer by heat treatment.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows an element structure in one embodiment of the present invention.
FIG. 1A shows an element structure before heat treatment, and FIG. 1B shows an element structure after heat treatment.
[0011]
Here, 1 is an NbN superconducting electrode layer (source), 2 is an NbN superconducting electrode layer (drain), 3 is a gate electrode layer, 4 is an In-Sn insertion layer, 5 is an undoped AlGaAs layer, and 6 is an undoped layer. A GaAs layer, 7 is a two-dimensional electron gas formed on the 8 side of the interface between 6 and 8, 8 is a non-doped AlGaAs layer, 9 is an n-type AlGaAs layer, 10 is a non-doped AlGaAs layer, and 11 is a semi-insulating GaAs substrate. , 12 are regions alloyed by heat treatment.
The two-dimensional electron gas 7 is formed on the AlGaAs layer 8 side at the interface between the GaAs layer 6 and the AlGaAs layer 8.
[0012]
In this structure, as shown in FIG. 1A, the source and drain electrode layer portions are patterned by light exposure or electron beam exposure, and then partially removed by wet etching or dry etching to form an AlGaAs layer 5. The In—Sn insertion layer 4 and the NbN superconducting electrode layers 1 and 2 are formed on the GaAs layer 6.
[0013]
Thereafter, heat treatment is performed as shown in FIG. 1B to cause the In—Sn insertion layer 4 and the GaAs layer 6 to react with each other to insert In—Sn between the NbN superconducting electrode layers 1 and 2 and the two-dimensional electron gas 6. An Sn-doped InGaAs layer 12 which is an alloyed layer of the layer 4 and the GaAs layer 6 was formed.
At this time, since NbN is a stable substance, the superconducting characteristics can be maintained even after heat treatment.
[0014]
FIG. 3 schematically shows the energy band change before and after the heat treatment of this structure.
As shown in FIG. 3B, the In—Sn insertion layer 4 reacts with the GaAs layer 6 by heat treatment, thereby forming a high carrier concentration layer with Sn serving as an n-type dopant and forming the GaAs layer 6 with In _X. Reduction of Schottky paria by changing to the Ga _1-X As layer 12 can be expected (LJ Brillson, Contacts to semiconductos, Nayes Publications, New Jersey (1993)).
Thereby, ohmic contact can be realized between the NbN superconducting electrode layers 1 and 2 and the two-dimensional electron gas 7.
[0015]
FIG. 4 shows the heat treatment time dependence (heat treatment temperature: 600 ° C.) of the contact specific resistance ρ _c at 4.2 K.
The In—Sn insertion layer has a thickness of 20 nm, the NbN superconducting electrode layer has a thickness of 100 nm, and heat treatment is performed in an N ₂ atmosphere.
As expected, the specific contact resistance is reduced by the heat treatment, the heat treatment at 600 ℃ -30min, contact resistivity _{c ~5} × 10 ^-5 _Ωcm ² were obtained.
This value is sufficiently small as the contact specific resistance _c at 4.2 K, and indicates that a good ohmic contact is obtained between the NbN and GaAs layers.
[0016]
In the above embodiment, the AlGaAs / GaAs modulation doped structure (reverse structure) is used. However, as shown in FIG. 2, the same effect can be expected by using the AlGaAs / GaAs modulation doped structure (forward structure). .
As described above, in this embodiment, the GaAs layer and the NbN superconducting electrode layer that form the two-dimensional electron gas, in which the ohmic contact between the two-dimensional electron gas and the superconducting electrode layer has not been realized in the past. In the semiconductor coupled superconducting device, an ohmic contact between the NbN superconducting electrode layer and the two-dimensional electron gas can be realized by inserting an In—Sn layer between the NbN superconducting electrode layer and the GaAs layer and performing heat treatment. It is the biggest feature.
[0017]
【The invention's effect】
As described above in detail based on the embodiments, in the present invention, the GaAs layer that forms the two-dimensional electron gas, in which the ohmic contact between the conventional two-dimensional electron gas and the superconducting electrode layer has not been realized, In a semiconductor coupled superconducting device having an NbN superconducting electrode layer, an In—Sn layer is inserted between the NbN superconducting electrode layer and the GaAs layer and subjected to heat treatment, whereby the NbN superconducting electrode layer and the two-dimensional electron gas are heated. Can achieve ohmic contact.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor coupled superconducting device using an AlGaAs / GaAs modulation doped structure (reverse structure), FIG. 1 (a) shows before heat treatment, and FIG. 1 (b) shows after heat treatment.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor coupled superconducting device using an AlGaAs / GaAs modulation doped structure (forward structure), FIG. 2 (a) shows before heat treatment, and FIG. 2 (b) shows after heat treatment.
FIGS. 3A and 3B are graphs showing changes in energy bands before and after heat treatment in this example, FIG. 3A shows before heat treatment, and FIG. 3B shows after heat treatment.
FIG. 4 is a graph showing the heat treatment time dependency (4.2 K) of the contact specific resistance ρ _c of this example.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a semiconductor coupled superconducting device using a conventional InAlAs / InGaAs modulation doped structure (inverse structure).
[Explanation of symbols]
1 NbN superconducting electrode layer (source)
2 NbN superconducting electrode layer (drain)
3 Gate electrode layer 4 In—Sn insertion layer 5 Non-doped AlGaAs layer 6 Non-doped GaAs layer 7 Two-dimensional electron gas 8 Non-doped AlGaAs layer 9 n-type AlGaAs layer 10 Non-doped AlGaAs layer 11 Semi-insulating GaAs substrate 12 Alloy by heat treatment Region 13 Non-doped InAlAs layer 14 Non-doped InGaAs layer 15 Two-dimensional electron gas 16 Non-doped InAlAs layer 17 n-type InAlAs layer 18 Non-doped InAlAs layer 19 InP substrate

Claims

In a semiconductor coupled superconducting device having a GaAs layer forming a two-dimensional electron gas, a first NbN superconducting electrode layer serving as a source electrode of a superconducting current, and a second NbN superconducting electrode layer serving as a drain electrode, the NbN A semiconductor-coupled superconducting device, characterized in that a Sn-doped InGaAs layer is inserted between the superconducting electrode layer and the GaAs layer.

2. The method of manufacturing a semiconductor-coupled superconducting device according to claim 1, wherein the Sn-doped InGaAs layer is formed by laminating an In—Sn layer and an NbN layer in this order on the GaAs layer, and then heat treating the In— A method of manufacturing a semiconductor-coupled superconducting device, comprising forming an Sn layer by alloying with the GaAs layer.