JP3801309B2

JP3801309B2 - Ｃｂトンネル効果に基づく温度計

Info

Publication number: JP3801309B2
Application number: JP16808297A
Authority: JP
Inventors: ペコラ，ユッカ
Original assignee: Nanoway Oy
Current assignee: Nanoway Oy
Priority date: 1996-06-11
Filing date: 1997-06-10
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2017-06-10
Also published as: EP0813046B1; CA2209538A1; US5947601A; JPH1068659A; FI970136A; FI102695B1; FI970136A0; FI102695B; CA2209538C; EP0813046A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＢトンネル効果に基づく温度計に関し、特に、センサー素子と、その電圧−電流依存性を測定するための電圧−電流測定デバイスから成り、該センサーは、半導体基板上に配列された少くとも１０個のナノ単位のトンネル接合部から成るチェーンと、前記電圧−電流測定デバイスを該チェーンの両端に接続するための接続電極を含み、該各トンネル接合部の抵抗は少くとも１０ｋΩであり、該センサーの電圧−電流依存性のグラフＧ／Ｇ_T の特性値に基づく周知の方法で温度Ｔが測定されるように構成されているＣＢ式温度計に関する。
【０００２】
【技術背景】
クーロンブロッキング（ＣＢ）に基づく温度計及びその原理は、機関紙「ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ」１９９４年１１月２１日発行、第７３巻、第２１号、第２９０３〜２９０６頁、「ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ」１９９５年１０月２日発行、６７（１４）、第２０９６〜２０９８頁、及び「ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｏｗＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＰｈｙｓｉｃｓ」１９９５年１０月発行、第１０１巻、第１／２号、第１７〜２４頁に記載されている。温度計のセンサー内には、数個のトンネル接合部が順次チェーンとして配列されている。クーロンブロッキング（ＣＢ）と称される現象により、バイアス電圧のゼロ点においてコンダクタンスのドロップ（降下）が生じる。コンダクタンスの特性値は、温度によって変化する。この方法は、複数のトンネル接合部によって隔離された小さな金属アイランドによって形成された極小キャパシタの充電エネルギー充電エネルギーＥ_c ＝ｅ² ／２ｃ（ここで、ｃは、対応する接合部のキャパシタンス）と、熱エネルギーｋ_B Ｔの結合効果に基づいている。トンネル接合部チェーンの電圧−電流特性曲線を、より正確にはトンネル接合部における動抵抗に影響する電圧の関数として測定すれば、ゼロセンターピークを観察することができることは明らかであろう。ゼロセンターピークの幅は、温度に比例し、その絶対値は非常に高い精度で理論的に算出される値に相当する。この特性が、この温度計を一次温度計とする。他方、このピークの高さは温度に反比例するので、二次温度計を提供する。
【０００３】
一次温度計は、特に、低温度に用いられるものとしては少ないが、少ない幾つかの例を挙げると、３Ｋ以上の温度に適用される気体（理想気体）温度計、３Ｋ〜５０ｍＫの温度に適用される核整列温度計、雑音温度計等がある。ＣＢトンネル効果（ＣＢＴ）に基づく温度計は、これらの温度計に比べて幾つかの利点を提供する。
【０００４】
しかしながら、実際の使用においては、ＣＢＴ温度計には幾つかの問題点がある。第１に、ＣＢＴ温度計のセンサーの総インピーダンスが非常に大きくなることである。この理論をトンネル現象自体においてできるだけ正確に実現させるためには、各トンネル接合部の抵抗Ｒ_T を下式（１）で表される量子抵抗Ｒ_K より明確に大きい値にしなければならない。
【０００５】
【数１】

【０００６】
実際の使用においては、下式（２）で表される値で十分であることが判明した。
【０００７】
【数２】

【０００８】
他方、トンネル接合部チェーンの端部がセンサーに及ぼす有害作用を最少限にするためには、チェーン中のトンネル接合部の個数Ｎを少くともほぼ２０個にしなければならない。これらの２つの条件が相俟って、センサーの最小限のインピーダンス（抵抗率）Ｚ_min を下式（４）で表される’良好’な値にする。
【０００９】
【数３】

【００１０】
しかしながら、そのような高いレベルのインピーダンスは、特に、センサーとそれを制御するエレクトロニク装置との間の距離が、そしてそれと共に測定リード線のキャパシタンスが増大すると、いろいろな問題を惹起する。
【００１１】
第２の問題は、それらのセンサーの温度範囲を広くしなければならないことである。トンネル接合部チェーンの最適温度は、それらのトンネル接合部のキャパシタンスＣによって決定される。１個のセンサーの温度範囲は、今日では、２０より僅かに小さい数値とすることができる。その上限温度は、測定中のＳＮ比によって、換言すれば、測定可能な最小コンダクタンスピークによって決定される。各センサーの下限温度は、そのセンサーが機能しなくなるという事実によって決定される。そのような事実は、ピークの相対高さが△Ｇ／Ｇ_T ≧０．２となるように増大した場合のように、単純な直列展開から予測することができる。
【００１２】
第３の問題は、１Ｋより低い温度下でよく起こる問題として、チェーンを通って流れる電流がセンサーを加熱し、その結果、センサーにおいて測定すべき電流の電子の温度がセンサーの基板の温度より高くなってしまうことである。
【００１３】
言及すべき第４の問題は、特に本発明に関連するものとしてアルミニウムの問題である。まず第１に、アルミニウムは、１Ｋ以下の温度下では超伝導金属である。しかしながら、センサーは通常の金属としてのみ機能するので、アルミニウムを１Ｋより低い温度下でも通常の金属として維持するためには約０．５Ｔの強力な磁界を必要とする。第２に、５０Ｋより高い温度下では、Ａｌ／ＡｌＯ_X ／Ａｌトンネルバリヤーの高さ（約２ｅＶ）が制限要因となる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した諸問題を解決することを企図したものであり、その特徴は、特許請求の範囲に記載されている通りである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、センサー素子と、その電圧−電流依存性を測定するための電圧−電流測定デバイスから成り、該センサーは、半導体基板上に配列された数個の、少くとも１０個のナノ単位の（微小な）トンネル接合部から成るチェーンと、前記電圧−電流測定デバイスを該チェーンの両端に接続するための接続電極を含み、各トンネル接合部の抵抗は少くとも１０ｋΩであり、センサーの電圧−電流依存性のグラフＧ／Ｇ_T の特性値に基づく周知の方法で温度Ｔが測定されるように構成されているＣＢトンネル効果に基づくＣＢ式温度計において、該センサーの測定アレーは、該アレーの総インピーダンスを測定するために並列に接続された数本のトンネル接合部チェーンを含むことを特徴とするＣＢ式温度計を提供する。
【００１６】
本発明によるＣＢ（クーロンブロッキング）式温度計は、以下の利点を有する。
１．各ＣＢトンネル接続部アレー（配列体）の作動温度範囲は、ほぼ２桁であり、ＣＢトンネル接続部（以下、「トンネル接続部」又は単に「接続部」とも称する）を所望のサイズとすることによって選択することができる。即ち、接続部を小さくすればするほど、温度が高くなり、接続部を大きくすればするほど、温度が低くなる。実際の使用においては、現在可能とされる最小接続部サイズは、約３０ｎｍ×３０ｎｍであり、その最小接続部サイズは１〜１００Ｋの温度範囲に対応する。接続部サイズをより大きくすることによって０．０５〜４．２Ｋの温度範囲を得ることができる。従って、２〜３の接続部アレーを含むセンサーの総温度範囲は、０．０５〜１００Ｋである。
２．強力な磁界が存在しても、それが温度計の作動や読取値に影響しない、このことは、最大８Ｔまでの磁界において確認された。
３．抵抗の測定において、このセンサーの特性を一次温度計としても、二次温度計としても利用することができる。その結果として、作動速度が迅速で信頼性の高い測定デバイスが得られる。
４．このセンサーの製造は、近代的なナノ技術（極小加工技術）に基づいて行われるので、反復精度が高く（製造むらが少なく）、センサーの大量生産にも適している。
５．センサーのサイズが非常に小さい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図を参照して本発明を説明する。
図１を参照して説明すると、一実施形態においては、本発明のセンサーは、半導体（例えば、純粋シリコン）基板１上に配列された、それぞれ３つの異なる温度範囲に適用される３つのトンネル接続部アレー（配列体）４，４' ，４″から成る。各アレーは、それぞれ接続導体５を介して一端において共通の接続電極２に接続され、他端においてそれぞれ独自の接続電極３，３' ，３″に接続されている。このセンサーは、例えば標準サイズの８ピンソケットとしてミクロ回路において慣用の方法で被包される。これらの３つのトンネル接続部アレー（以下、「測定アレー」又は単に「アレー」とも称する）のうち特定の測定にとって望ましいアレーが、エレクトロニク測定装置によって選択される。
【００１８】
これらの３つの測定アレーは、いずれも、図２に示されるような構造を有している。各アレーの負側の測定装置への接続は、上述した態様でなされているが、各アレーの正側は、別々にされている。図２のアレー４は、並列に接続された１０本の同一のトンネル接続部チェーン４．１・・・４．１０から成る。１本のトンネル接合部チェーンの抵抗が４００ｋΩであるとすると、アレー４全体の抵抗（アレーの総抵抗）は僅か４０ｋΩとなり、上述した問題が回避される。アレーの総抵抗は、最大限せいぜい１５０ｋΩにすることができる。最も有利なのは、製造がそれほど困難でなく、しかも、アレーの総抵抗を１００ｋΩ未満に抑えることができる４本又は５本のチェーンを設けることである。
【００１９】
図３は、トンネル接続部の形状・寸法を変更する態様を概略的に示す。トンネル接続部のキャパシタンスは、そのトンネル接続部の表面積を変更することによって極めて簡単に調節することができる。絶縁材として用いられた薄い酸化皮膜（酸化物層）の厚さは、基板の全面に亙って同一である。図３の上方部分には、約１．５μｍ² の表面積を有する低温度範囲トンネル接続部１０″が示されている。この接続部は、導体７″と８″の間の絶縁層によって画定される。トンネル接続部１０″は、図には１つだけしか示されていないが、この例では２０個のトンネル接続部１０″が直列に配置されて１本のチェーンをなしている。図３の下方部分には、同じスケールの高温度範囲トンネル接続部１０のチェーンが示されている。このチェーンにおいても、２０個のトンネル接続部１０が、導体７及び８によって直列に配置されている。各トンネル接続部の表面積は、約０．０１μｍ² である。
【００２０】
使用される製造技術の関係で、１本のチェーンの両側にチェーンの幾つかの分離セクションが形成されるが、それらは、センサーの作動には関与しない。このセンサーのトンネル接続部は、写真平版法よりはるかに高い精度が得られる電子ビーム平版法を用いて製造することが極めて有利である。
【００２１】
１Ｋより低い低温では、測定電流が、上述したように測定を撹乱し始める。この問題は、本発明によれば、図４に示される態様で解決される。即ち、トンネル接続部１０″の中間導体７″及び８″が延展されて、側部に大きな面積の冷却区域１３を画定するようになされている。これらの冷却区域（アルミニウム又はそれに類する素材で形成されている）では、測定電流の電子は、熱中性子化することができる。電子は、導体の全体積内で熱中性子化し、周囲環境との相互作用により減速する。トンネル接続部のキャパシタンスの増大は、有害にならない。基板は、この温度範囲では導電性とはならない。
【００２２】
測定精度と製造技術との妥協として、上述のような冷却区域を備えた並列チェーンの本数を４〜５本とするのが適当である。
【００２３】
図５に示されるように、トンネル接続部１０及び導体７，８は、純粋シリコンのような半導体基板１上に形成される。実用上の理由から、センサーを室温でテストすることができるように、基板１は、基礎材１' とその上に形成された酸化皮膜１″とで構成されている。この基板の上に、電子ビーム平版法を用いて、第１導電層８、絶縁層９及び第２導電層７が順次に形成される。かくして、トンネル接続部１０は、導電層即ち導体７と８の間の接合部に絶縁層９によって形成される。導体７と８の間の接合部１０の絶縁層の厚さは、約１ｎｍであるが、図では導体７及び８に比して誇張して示されている。導体７及び８の厚さは、実際は約１００ｎｍである。
【００２４】
トンネル接続部チェーンの動的挙動は、上述した各刊行物に記載されている。それらの刊行物の記載から測定を実施するための以下に示す式を導出することができる。そのようなチェーン（キャパシタンスＣを有するＮ個のトンネル接続部から成るチェーン）における無次元コンダクタンスＧ／Ｇ_T は、下式（４）から近似値として算出することができる。
【００２５】
【数４】

【００２６】
ＣＢトンネル効果式温度計においては、温度Ｔは、下式（５）からＧ／Ｇ_T に基づいて一次的に算出される。
【００２７】
【数５】

ここで、Ｖ_1/2 はコンダクタンスドロップ側の深さとして測定されたコンダクタンスドロップの測定電圧差、Ｎはチェーン中のトンネル接続部の個数、ｋ_B はボルツマン定数、ｅは単位電荷である。
【００２８】
かくして、温度の測定は、電圧の測定に帰する。コンダクタンスドロップの最低値の２分の１のところでの全幅の算出には、それに関与する各パラメータの絶対的な正確性を必要としない。なぜなら、それは、センサーの相対的データに基づいて算出されるからである。上記コンダクタンスドロップの両側間の深さを測定した後、コンダクタンスドロップの両側の半分値電圧値を求め、その両側の半分値電圧値の差が求めるべきＶ_1/2 である。
【００２９】
ＣＢトンネル効果式温度計においては、温度Ｔは、下式（６）から二次的に求めることもできる。
【００３０】
【数６】

ここで、△Ｇ／Ｇ_T は無次元コンダクタンスドロップの深さである。
【００３１】
アルミニウムの上述した欠点を排除するために、トンネル接続部の導電材として、アルミニウムの代わりに、クロムＣｒ、銅Ｃｕ、ニッケルＮｉ、又はニオブＮｂ等の他の金属を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、半導体基板上に配列された３つのＣＢトンネル接続部アレーと、接続電極から成る本発明のセンサーの基本構造を示す概略図である。
【図２】図２は、１つのＣＢトンネル接続部アレー回路図である。
【図３】図３は、シリコン基板上に形成された、同じスケールで、異なる温度範囲に適用されるトンネル接続部を示す概略図である。
【図４】図４は、接続部間の導体に電子を熱中性子化させる領域を有する、最も低い温度範囲のトンネル接続部チェーンの構造を示す概略図である。
【図５】図５は、単一のトンネル接続部の構造を示す概略図である。
【符号の説明】
１：半導体（純粋シリコン）基板
２，３，３' ，３″：接続電極
４，４' ，４″：トンネル接続部アレー（測定アレー）
４．１・・・４．１０：トンネル接続部チェーン
５：接続導体
７，７″，８，８″：導体
９：絶縁層
１０，１０″：トンネル接続部

Claims

センサー素子と、その電圧−電流依存性を測定するための電圧−電流測定デバイスから成り、該センサー素子は、半導体基板上に配列された少くとも１０個のナノ単位のトンネル接合部（１０，１０″）から成るトンネル接合部チェーンと、前記電圧−電流測定デバイスを該チェーンの両端に接続するための接続電極（２，３，３' ，３″）を含み、該各トンネル接合部の抵抗は少くとも１０ｋΩであり、該センサー素子の電圧−電流依存性のグラフＧ／Ｇ_T の特性値に基づく周知の方法で温度Ｔが測定されるように構成されているＣＢトンネル効果に基づくＣＢ式温度計であって、
前記センサー素子の測定アレー（４，４' ，４″）は、該アレーの総インピーダンスを測定するために並列に接続された数本のトンネル接合部チェーン（４．１・・・４．１０）を含むことを特徴とするＣＢ式温度計。
前記センサー素子に設けられた前記測定アレーは、少くとも２つの異なる温度範囲に適用されるトンネル接続部チェーンから成る複数の測定アレー（４，４' ，４″）であり、該各測定アレーは、少くとも一端において同じ接続電極（２）に接続され、各測定アレーの他端は、それぞれ異なる接続電極（３，３' ，３″）に接続されており、前記電圧−電流測定デバイスは、所望の測定アレーを選択するためのデバイスを含むことを特徴とする請求項１に記載のＣＢ式温度計。
該温度計の測定範囲は、１Ｋ以下の温度範囲にまで及ぶものであり、少くとも最も低い温度範囲のトンネル接続部チェーンのトンネル接続部（１０″）間の導体（７″，８″）は、その表面積を拡大する拡張部分（１３）を有しており、それによって、測定電流の電子が熱中性子化することができ、該トンネル接続部（１０″）を加熱しないようになされていることを特徴とする請求項２に記載のＣＢ式温度計。
前記トンネル接合部チェーン（４．１・・・４．１０）は、酸化皮膜を被覆されたＳｉ半導体基板上に電子ビーム平版法によって製造されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のＣＢ式温度計。
前記トンネル接合部チェーン（４．１・・・４．１０）は、アルミニウム金属の導体（７，８）と、各トンネル接合部（１０，１０″）に設けられた酸化アルミニウムの絶縁層から成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のＣＢ式温度計。
該温度計の測定範囲は、１Ｋ以下の温度範囲にまで及ぶものであり、該センサー素子は、強力な磁界を創生するデバイスのような、アルミニウム導体の通常のコンダクタンスを維持するためのデバイスを有することを特徴とする請求項５に記載のＣＢ式温度計。
前記トンネル接合部の導電材は、クロムＣｒ、銅Ｃｕ、ニッケルＮｉ及びニオブＮｂの群から選択されたものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のＣＢ式温度計。