JPH0745878A - Semiconductor combination superconductive element - Google Patents
Semiconductor combination superconductive elementInfo
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- JPH0745878A JPH0745878A JP5210003A JP21000393A JPH0745878A JP H0745878 A JPH0745878 A JP H0745878A JP 5210003 A JP5210003 A JP 5210003A JP 21000393 A JP21000393 A JP 21000393A JP H0745878 A JPH0745878 A JP H0745878A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、半導体のヘテロ接合
部に形成される2次元電子ガスと超伝導体とが接する半
導体超伝導結合素子に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor superconducting coupling element in which a two-dimensional electron gas formed in a semiconductor heterojunction portion is in contact with a superconductor.
【0002】[0002]
【従来の技術】化合物半導体基板上に積層させた複数の
化合物半導体薄膜のヘテロ接合界面付近では、空間電荷
によってその接合面にある幅の中に閉じこめられた2次
元電子ガスが形成される。この2次元電子ガスをキャリ
ヤとして利用した電子素子の研究が進展している。その
代表的な半導体電子ディバイスとしてHEMT(Hig
h Electron Mobility Trans
istor)がある。このHEMTは、積層した薄膜の
化合物半導体にソース・ドレインおよびゲートの3電極
を設け、ゲートに電圧を印加することでゲート電極下の
2次元電子ガス濃度を変化させ、ソース・ドレイン電流
を制御するようにしている。2. Description of the Related Art In the vicinity of a heterojunction interface of a plurality of compound semiconductor thin films stacked on a compound semiconductor substrate, a two-dimensional electron gas confined within a width at the junction surface is formed by space charges. Research on electronic devices using this two-dimensional electron gas as a carrier is progressing. As a typical semiconductor electronic device, HEMT (High
h Electron Mobility Trans
istor). In this HEMT, three electrodes of a source / drain and a gate are provided in a laminated thin film compound semiconductor, and a voltage is applied to the gate to change the two-dimensional electron gas concentration under the gate electrode to control the source / drain current. I am trying.
【0003】ここで、このゲート電極に間隙を設けて、
キャリヤとしての2次元電子ガスをより小さい領域に閉
じこめて制御する量子ポイントコンタクト素子がある。
図10は、このようにゲート電極に微小間隙を設けて分
割した構造、すなわちスプリット型ゲート電極を有する
量子ポイントコンタクト素子の1例を示す斜視図であ
る。図10(a)において、1は半絶縁性GaAs基
板、2はバッファ層、3,4はAuGeNiなどからな
るソース電極,ドレイン電極、5はノンドープのGaA
s層、7はノンドープのAlGaAs層、8はn型の不
純物が導入されたAlGaAs層、9はノンドープのA
lGaAs層、10は所定の位置に隙間を有するスプリ
ット型金属ゲート電極である。Here, by providing a gap in this gate electrode,
There are quantum point contact devices that confine and control a two-dimensional electron gas as a carrier in a smaller area.
FIG. 10 is a perspective view showing an example of a quantum point contact device having a structure in which the gate electrode is divided by providing a minute gap, that is, a split type gate electrode. In FIG. 10A, 1 is a semi-insulating GaAs substrate, 2 is a buffer layer, 3 and 4 are source and drain electrodes made of AuGeNi or the like, and 5 is undoped GaA.
s layer, 7 is a non-doped AlGaAs layer, 8 is an AlGaAs layer introduced with an n-type impurity, and 9 is a non-doped A
The lGaAs layer 10 is a split type metal gate electrode having a gap at a predetermined position.
【0004】このような構造では、GaAs層5とAl
GaAs層7の界面のGaAs層5側に、n型AlGa
As層8の存在により2次元電子ガス6が形成される。
ここで、スプリット型金属ゲート電極10に電圧を印加
すると、図10(b)に示すように、空乏化した空乏領
域11が形成され、スプリット型金属ゲート電極10下
の領域の2次元電子ガス6も完全に空乏化しキャリヤと
して働かなくなる。したがって、スプリット型金属ゲー
ト電極10の間隙の下の空乏化していない領域の2次元
電子ガス6が伝導のチャネルとなる。このとき、スプリ
ット型金属ゲート電極10両脇の2次元電子ガス6は、
スプリット型金属ゲート電極10の隙間下で接続されて
いることになる。In such a structure, the GaAs layer 5 and the Al
On the GaAs layer 5 side of the interface of the GaAs layer 7, n-type AlGa
The presence of the As layer 8 forms the two-dimensional electron gas 6.
Here, when a voltage is applied to the split type metal gate electrode 10, a depleted depletion region 11 is formed as shown in FIG. 10B, and the two-dimensional electron gas 6 in the region below the split type metal gate electrode 10 is formed. Will be completely depleted and will no longer function as a carrier. Therefore, the two-dimensional electron gas 6 in the non-depleted region under the gap of the split type metal gate electrode 10 becomes a conduction channel. At this time, the two-dimensional electron gas 6 on both sides of the split type metal gate electrode 10 is
The connection is made under the gap of the split type metal gate electrode 10.
【0005】ここで、スプリット型金属ゲート電極10
の間隙における、電圧を印加したときに残されている伝
導チャネルとしての2次元電子ガス6の幅Wと長さL
が、このキャリヤの平均自由行程le よりも十分短く、
更に幅Wが電子のフェルミ波長λF と同程度かまたはそ
れ以下の場合、この伝導チャネルは擬似的に1次元とみ
なすことができる。これを量子ポイントコンタクトと呼
んでおり、このような構造では、伝導チャネルのコンダ
クタンスGは、不連続に変化していることが文献1に示
されている(文献1:B.J.van Wees など
Physical ReviewLetters,V
ol.60,No.9,p848,1988)。これ
は、図11に示すように、ゲート電圧のある一定の変化
に対して、コンダクタンスGが不連続に量子化単位「2
e2/h 」で変化しているものである。ここでeは電子
の電荷、hはプランク定数であり、量子化単位は普遍的
な大きさである。Here, the split type metal gate electrode 10
Width W and length L of the two-dimensional electron gas 6 as a conduction channel left when a voltage is applied in the gap of
Is sufficiently shorter than the mean free path l e of this carrier,
Further, when the width W is equal to or smaller than the Fermi wavelength λ F of the electron, this conduction channel can be regarded as pseudo one-dimensional. This is called a quantum point contact, and in such a structure, it is shown in Reference 1 that the conductance G of the conduction channel changes discontinuously (Reference 1: BJ van Wees et al. Physical Review Letters, V
ol. 60, No. 9, p848, 1988). This is because, as shown in FIG. 11, the conductance G becomes discontinuous with the quantization unit "2" with respect to a certain change in the gate voltage.
e 2 / h ”. Here, e is the charge of the electron, h is the Planck's constant, and the quantization unit is a universal size.
【0006】スプリット型金属ゲート電極10に印加す
る電圧により空乏領域11の広さが変化するので、これ
によって伝導チャネル幅Wも変化し、このことによって
コンダクタンスGも変化するが、これがある電圧領域で
は不連続に量子化されたものとなる。このある電圧領域
が、上述したように、伝導チャネルの幅Wと長さLが、
このキャリヤの平均自由行程le よりも十分短く、更に
幅Wが電子のフェルミ波長λF と同程度かまたはそれ以
下となるときのものである。Since the width of the depletion region 11 is changed by the voltage applied to the split type metal gate electrode 10, the conduction channel width W is also changed by this, and the conductance G is also changed by this, but in a certain voltage region. It becomes discontinuously quantized. As described above, in this certain voltage region, the width W and the length L of the conduction channel are
It is sufficiently shorter than the mean free path l e of this carrier, and the width W is about the same as or less than the Fermi wavelength λ F of the electron.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】従来は以上のように構
成されていたので、ゲート電圧に対して量子化されて変
化する伝導チャネルのコンダクタンスの量子化単位を増
大させることができないという問題があった。また、こ
のコンダクタンスの量子化単位を制御すること、すなわ
ち、量子化されてステップ状に変化するコンダクタンス
の1ステップの変化量を制御することができないという
問題があった。Since the conventional configuration is as described above, there is a problem that it is not possible to increase the quantization unit of the conductance of the conduction channel which is quantized and changed with respect to the gate voltage. It was Further, there is a problem in that it is impossible to control the quantization unit of the conductance, that is, it is impossible to control the amount of change in one step of the conductance that is quantized and changes stepwise.
【0008】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、量子ポイントコンタクト
素子の、ゲート電圧の連続的な変化に対して量子化され
て不連続に変化する伝導チャネルのコンダクタンスの量
子化単位を大きくすることを目的とする。そして、その
コンダクタンスの量子化単位を制御できるようにするこ
とを目的とする。The present invention has been made in order to solve the above problems, and the quantum point contact element is quantized and discontinuously changed in response to a continuous change in gate voltage. The purpose is to increase the quantization unit of the conductance of the channel. And, it aims to be able to control the quantization unit of the conductance.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】この発明の半導体結合超
伝導素子は、半導体基板上に形成されキャリアとなる2
次元電子ガスを形成するためのヘテロ接合面を有する半
導体層積層体と、半導体層積層体上に絶縁層を介して形
成され所定の位置に微小な間隙が形成されているゲート
電極と、半導体層積層体のヘテロ接合面に形成されてい
る2次元電子ガスと接続するように形成された第1の電
極と、2次元電子ガスと接続しかつゲート電極と2次元
電子ガスの平均自由行程より短い間隔で形成され超伝導
体からなる第2の電極とを有することを特徴とする。ま
た、2次元電子ガスと第2の電極との界面に磁場を印加
するための第3の電極を有することを特徴とする。一
方、半導体基板裏面にゲート電極と対向するように形成
された第4の電極を有することを特徴とする。A semiconductor-coupled superconducting device according to the present invention is formed on a semiconductor substrate and serves as a carrier.
Semiconductor layer laminated body having a heterojunction surface for forming a three-dimensional electron gas, a gate electrode formed on the semiconductor layer laminated body via an insulating layer and having a minute gap at a predetermined position, and a semiconductor layer A first electrode formed to connect with a two-dimensional electron gas formed on the heterojunction surface of the stack, connected with the two-dimensional electron gas, and shorter than the mean free path of the gate electrode and the two-dimensional electron gas The second electrode is formed at intervals and is made of a superconductor. It is also characterized in that it has a third electrode for applying a magnetic field to the interface between the two-dimensional electron gas and the second electrode. On the other hand, the semiconductor device is characterized by having a fourth electrode formed on the back surface of the semiconductor substrate so as to face the gate electrode.
【0010】[0010]
【作用】2次元電子ガスと第2の電極との界面におい
て、2次元電子ガスから第2の電極へ、フェルミレベル
を基準としたエネルギーが超伝導ギャップ内にある1個
の電子が入射すると、第2の電極では電子2個からなる
クーパー対が生成してキャリアとなる。このクーパー対
を生成するためにはもう1個電子が必要になるが、この
分が正孔となって2次元電子ガスの存在する半導体側に
生成される。すなわち、半導体側に正孔を反射するアン
ドレエフ反射が起こる。これらのことにより、このアン
ドレエフ反射が100%起これば、コンダクタンスが2
倍となる。At the interface between the two-dimensional electron gas and the second electrode, when one electron whose energy based on the Fermi level is within the superconducting gap enters the second electrode from the two-dimensional electron gas, At the second electrode, a Cooper pair composed of two electrons is generated and becomes a carrier. Another electron is required to generate this Cooper pair, but this electron becomes a hole and is generated on the semiconductor side where the two-dimensional electron gas exists. That is, Andreev reflection that reflects holes occurs on the semiconductor side. Due to these, if this Andreev reflection occurs 100%, the conductance becomes 2
Doubled.
【0011】また、第2の電極が接している2次元電子
ガスには、クーパー対の存在し得る対ポテンシャルが第
2の電極側より染み出していて、この染みだしの量が第
3の電極による磁界により変化する。一方、ゲート電極
に対向する第4の電極よりゲート電極に対して負電圧が
印加されると、2次元電子ガスの電子濃度は低下する。In the two-dimensional electron gas with which the second electrode is in contact, a pair potential in which a Cooper pair can exist oozes out from the second electrode side, and the amount of this oozing out is the third electrode. It is changed by the magnetic field. On the other hand, when a negative voltage is applied to the gate electrode from the fourth electrode facing the gate electrode, the electron concentration of the two-dimensional electron gas decreases.
【0012】[0012]
【実施例】以下この発明の1実施例を図を参照して説明
する。 実施例1.図1はこの発明の1実施例である半導体結合
超伝導素子(以下量子ポイントコンタクト素子と称す
る)の構成を示す斜視図と平面図である。同図におい
て、1はInP基板、2はノンドープのInAlAs
層、3はAuGeNiなどからなる常伝導体であるソー
ス電極(第1の電極)、4は超伝導体からなるドレイン
電極(第2の電極)、5はノンドープのInGaAs
層、6はInGaAs層5の表面に形成された2次元電
子ガス、7はノンドープのInAlAs層、8はn型I
nAlAs層、9はノンドープのInAlAs層(絶縁
層)、10は所定の位置に隙間を有するスプリット型金
属ゲート電極、11は磁場印加用の電極(第3の電
極)、12はドレイン電極4と電極11とを電気的に分
離するための絶縁膜である。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Example 1. FIG. 1 is a perspective view and a plan view showing the structure of a semiconductor-coupled superconducting device (hereinafter referred to as a quantum point contact device) which is an embodiment of the present invention. In the figure, 1 is an InP substrate, 2 is undoped InAlAs
Layer, 3 is a source electrode (first electrode) which is a normal conductor made of AuGeNi, 4 is a drain electrode (second electrode) which is a superconductor, and 5 is non-doped InGaAs.
Layer, 6 is a two-dimensional electron gas formed on the surface of the InGaAs layer 5, 7 is a non-doped InAlAs layer, and 8 is n-type I
nAlAs layer, 9 is a non-doped InAlAs layer (insulating layer), 10 is a split type metal gate electrode having a gap at a predetermined position, 11 is an electrode for applying a magnetic field (third electrode), 12 is a drain electrode 4 and an electrode 11 is an insulating film for electrically separating the same.
【0013】上述の構成において、2次元電子ガス6
は、InGaAs層5とInAlAs層7との界面のI
nGaAs層5に、n型InAlAs層8の存在により
形成される(半導体層積層体)。一方、ソース電極3は
常伝導体に限るものではなく超伝導体でも良い。そし
て、ドレイン電極4としては、例えばNbは絶対温度9
K以下で用いれば超伝導状態となるので、このNbを用
いこれを液体ヘリウムなどで絶対温度4.2Kにすれば
よい。この量子ポイントコンタクト素子は、絶縁層とな
るInAlAs層9とスプリット型金属電極10によっ
て、MIS型ゲートを構成し、一方で、電極11に電流
を流すことによって磁場を発生する。In the above configuration, the two-dimensional electron gas 6
Is I at the interface between the InGaAs layer 5 and the InAlAs layer 7.
The n-type InAlAs layer 8 is formed on the nGaAs layer 5 (semiconductor layer stack). On the other hand, the source electrode 3 is not limited to the normal conductor but may be a superconductor. As the drain electrode 4, for example, Nb is an absolute temperature of 9
If used below K, it will be in a superconducting state, so this Nb can be used and the absolute temperature can be brought to 4.2 K with liquid helium or the like. In this quantum point contact device, an InAlAs layer 9 serving as an insulating layer and a split type metal electrode 10 constitute a MIS type gate, while a current is passed through the electrode 11 to generate a magnetic field.
【0014】この実施例1の素子構造において、従来の
量子ポイントコンタクト素子と異なる点は、ドレイン電
極4が超伝導体からなる電極であることと、磁場印加用
の電極11を新たに設けたことである。そして、ドレイ
ン電極4とスプリット型金属電極10との距離が2次元
電子ガス6の平均自由行程より小さいことである。な
お、この実施例1の構造の2次元電子ガス6の電子濃度
Ns および移動度μは、絶対温度4.2Kにおいて、そ
れぞれNs =2.1×1012cm-2、μ=87200c
m2/Vsであった。また、2次元電子ガス6のフェルミ
波長λF は17.3nm、平均自由行程le は2.1μ
mである。従って、電圧が印加されたときのスプリット
型金属ゲート電極10の隙間の下の領域に形成される伝
導チャネル(2次元電子ガス6)の長さLが2.1μm
より十分小さく、幅Wが17.3nm程度かそれ以下の
時、この実施例1の構造は量子ポイントコンタクトとな
る。The element structure of the first embodiment is different from the conventional quantum point contact element in that the drain electrode 4 is an electrode made of a superconductor and that an electrode 11 for applying a magnetic field is newly provided. Is. The distance between the drain electrode 4 and the split-type metal electrode 10 is smaller than the mean free path of the two-dimensional electron gas 6. The electron concentration N s and the mobility μ of the two-dimensional electron gas 6 having the structure of Example 1 are N s = 2.1 × 10 12 cm −2 and μ = 87200c at an absolute temperature of 4.2 K, respectively.
m was 2 / V s. The Fermi wavelength λ F of the two-dimensional electron gas 6 is 17.3 nm, and the mean free path l e is 2.1 μ.
m. Therefore, the length L of the conduction channel (two-dimensional electron gas 6) formed in the region under the gap of the split-type metal gate electrode 10 when the voltage is applied is 2.1 μm.
When the width W is sufficiently smaller and the width W is about 17.3 nm or less, the structure of Example 1 becomes a quantum point contact.
【0015】ここで、InGaAs層5の2次元電子ガ
ス6と超伝導体のドレイン電極4が結合している界面
に、2次電子ガス6のフェルミレベルを基準としたエネ
ルギーの絶対値が超伝導体のギャップ以下のエネルギを
持った電子が入射すると、超伝導体側にクーパー対を生
成し、半導体側に正孔を反射するアンドレエフ反射が起
こる。半導体では1個の電子もしくは1個の正孔が伝導
性を示すためのキャリヤとなるが、超伝導体では電子2
個が対となったクーパー対がキャリヤとなる。図2はこ
れを模式的に表したものである。Here, at the interface where the two-dimensional electron gas 6 of the InGaAs layer 5 and the drain electrode 4 of the superconductor are coupled, the absolute value of energy based on the Fermi level of the secondary electron gas 6 is superconducting. When electrons with energy less than the body gap enter, Cooper pairs are generated on the superconductor side, and Andreev reflection occurs in which holes are reflected on the semiconductor side. In a semiconductor, one electron or one hole serves as a carrier for showing conductivity, but in a superconductor, an electron 2
The Cooper pair, which is a pair of pieces, becomes the carrier. FIG. 2 schematically shows this.
【0016】通常の動作では、ソース電極3とドレイン
電極4の間にはほとんど電圧がかかっていないので、I
nGaAs層5の伝導チャネルである2次電子ガス6の
電子は、超伝導体のフェルミレベルに近いエネルギーを
有するものとなる。従って、図1の量子ポイントコンタ
クト素子を動作させているときの2次電子ガス6の電子
は、図2に示すように、超伝導体に入射していく。そし
て、超伝導体であるドレイン電極4では、1個の電子の
入射により2つの電子からなるクーパー対を生成し、一
方、2次電子ガス6の存在するInGaAs層5では1
個の正孔を生成する。このアンドレエフ反射では、1個
の電子が入射して2つの電子からなる1つのクーパー対
が生じるので、正味2個の電荷が伝導したことになり、
界面を含む素子のコンダクタンスGは通常の常伝導体に
よる電極のコンダクタンスの2倍となる。In normal operation, since almost no voltage is applied between the source electrode 3 and the drain electrode 4, I
The electrons of the secondary electron gas 6 which is the conduction channel of the nGaAs layer 5 have energy close to the Fermi level of the superconductor. Therefore, the electrons of the secondary electron gas 6 when the quantum point contact device of FIG. 1 is operated are incident on the superconductor, as shown in FIG. Then, in the drain electrode 4, which is a superconductor, a Cooper pair composed of two electrons is generated by the incidence of one electron, while in the InGaAs layer 5 in which the secondary electron gas 6 exists,
Generates individual holes. In this Andreev reflection, one electron is incident and one Cooper pair consisting of two electrons is generated, so two net charges are conducted,
The conductance G of the element including the interface is twice the conductance of the electrode made of a normal normal conductor.
【0017】ここで、ドレイン電極4とInGaAs層
5との界面におけるアンドレエフ反射確率をAとする
と、ソース電極3とドレイン電極4間のコンダクタンス
Gは、図3に示すように、「4e2 /h×A」を単位と
して量子化され、不連続な値を取る。従って、この実施
例1によれば、ソース電極3とドレイン電極4間のコン
ダクタンスGは、従来の量子ポイントコンタクト素子に
おける量子化単位の2A倍の値が得られる。Assuming that the Andreev reflection probability at the interface between the drain electrode 4 and the InGaAs layer 5 is A, the conductance G between the source electrode 3 and the drain electrode 4 is "4e2 / h" as shown in FIG. It is quantized in units of “× A” and takes discontinuous values. Therefore, according to the first embodiment, the conductance G between the source electrode 3 and the drain electrode 4 is 2A times the quantization unit in the conventional quantum point contact element.
【0018】ところで、超伝導体と半導体とが接してい
るとき、実際には半導体側にもクーパー対の存在し得る
領域が生成する。図4は、この状態を示したものであ
り、超伝導体であるドレイン電極4と半導体であるIn
GaAs層5(2次元電子ガス6)との界面付近の、ク
ーパー対が存在し得る領域を示す対ポテンシャルの状態
を示す状態図である。ここで、Zはドレイン電極4とI
nGaAs層5との界面における散乱ポテンシャルバリ
アを示すパラメータである。By the way, when the superconductor and the semiconductor are in contact with each other, a region where a Cooper pair can exist is actually formed on the semiconductor side. FIG. 4 shows this state, in which the drain electrode 4 as a superconductor and the In as a semiconductor are used.
FIG. 4 is a state diagram showing a pair potential state showing a region where a Cooper pair can exist near the interface with the GaAs layer 5 (two-dimensional electron gas 6). Here, Z is the drain electrode 4 and I
It is a parameter indicating the scattering potential barrier at the interface with the nGaAs layer 5.
【0019】超伝導体の対ポテンシャルは、超伝導体近
接効果によって半導体であるInGaAs層5の2次伝
電子ガス6中に染みだしてくる。この対ポテンシャルの
染みだしが0となる点までのInGaAs層5とドレイ
ン電極4との界面からの侵入距離をXN とすると、入射
エネルギーがフェルミレベルに近いときは、このXN が
大きいほどアンドレエフ反射確率は大きくなる。超伝導
体に隣接している半導体中に対ポテンシャルの侵入が存
在すると、これらの界面における散乱ポテンシャルバリ
アZの影響が低減され、電子の入射エネルギーがフェル
ミレベルに近いときのアンドレエフ反射確率が増大する
(文献2:P.C.van Son など、Physi
cal Review B,Vol.37,No.1
0,p.5015,1988)。The pair potential of the superconductor leaks into the secondary electron gas 6 of the InGaAs layer 5 which is a semiconductor due to the proximity effect of the superconductor. When the penetration distance from the interface between the InGaAs layer 5 and the drain electrode 4 to the point where the bleeding of the potential is zero is X N , when the incident energy is close to the Fermi level, the larger the X N, the Andre The F reflection probability increases. The presence of pair potential intrusion in the semiconductor adjacent to the superconductor reduces the effect of the scattering potential barrier Z at these interfaces and increases the Andreev reflection probability when the incident energy of the electron is close to the Fermi level. (Reference 2: PC van Son et al., Physi
cal Review B, Vol. 37, No. 1
0, p. 5015, 1988).
【0020】図5は、アンドレエフ反射確率と入射電子
エネルギーとの関係を示した相関図である。同図におい
て、51は対ポテンシャルの染みだし距離XN が0のと
き、52は対ポテンシャルの染みだし距離XN が0.4
μmの時の相関を示している。同図から明らかなよう
に、距離XN が0でも0.4μmでも、アンドレエフ反
射確率Aは超伝導体に入射する電子のエネルギーが0.
8(E/Δ)付近で最大となっている。しかし、素子を
実際に動作さるときの電子のエネルギーとなる入射電子
エネルギーが0(E/Δ)付近では、距離XN が0.4
μmの方がアンドレエフ反射確率Aが大きい。なお、こ
れは超伝導体のドレイン電極4として、超伝導ギャップ
エネルギーが1.5meVであるNbを超伝導状態で用
いたときのものである。FIG. 5 is a correlation diagram showing the relationship between Andreev reflection probability and incident electron energy. In the figure, 51 when the distance X N oozes pair potential of 0, 52 distance X N oozes pair potential 0.4
The correlation when μm is shown. As apparent from the figure, the distance X N even 0.4μm even 0, Andreev reflection probability A is the electron energy incident superconductor 0.
The maximum is around 8 (E / Δ). However, when the incident electron energy, which is the energy of electrons when the device is actually operated, is near 0 (E / Δ), the distance X N is 0.4
The Andreev reflection probability A is larger in μm. This is when Nb having a superconducting gap energy of 1.5 meV is used in the superconducting state as the drain electrode 4 of the superconductor.
【0021】ところで、この染みだし距離XN は、ドレ
イン電極4と2次元電子ガス6界面へ磁場を印加するこ
とによって抑制される。半導体と超伝導体界面に磁場を
与えると、超伝導体側より半導体側に染み出ているクー
パー対が存在し得る対ポテンシャルが、磁場によって破
壊されるためである。この対ポテンシャルの染みだし長
さである侵入距離XN と印加する磁場との関係は、文献
3に示されているように、以下の数1で示される(文献
3:T.Y.Hsiangなど、Physical R
eview B,Vol.22,No.1,p.15
4,1980)。The bleeding distance X N is suppressed by applying a magnetic field to the interface between the drain electrode 4 and the two-dimensional electron gas 6. This is because when a magnetic field is applied to the interface between the semiconductor and the superconductor, the magnetic field destroys the pair potential that may exist in the Cooper pair exuding from the superconductor side to the semiconductor side. The relationship between the penetration length X N , which is the exudation length of this pair potential, and the magnetic field to be applied is expressed by the following equation 1 as shown in Reference 3 (Reference 3: TY Hsiang et al. , Physical R
view B, Vol. 22, No. 1, p. 15
4, 1980).
【0022】[0022]
【数1】 ここで、vF はフェルミ速度、DN は拡散係数、Hは印
加磁場、Tは絶対温度、kB はボルツマン定数である。[Equation 1] Here, v F is the Fermi velocity, D N is the diffusion coefficient, H is the applied magnetic field, T is the absolute temperature, and k B is the Boltzmann constant.
【0023】例えば、T=0.5Kの時、超伝導体の電
極にはほとんど影響を与えない4mT程度の微弱な磁場
の印加でも、侵入距離XN は約1/10になる。ここ
で、図1(a)に示す、磁場印加用の電極11からIn
GaAs層5とドレイン電極4との界面までの距離を
0.5μmとすると、4mT程度の磁場Hは磁場印加用
の電極11に10mAの電流を流すことによって得られ
る。すなわち、磁場印加用の電極11に電流を流すこと
により、ドレイン電極4と2次電子ガス6の界面におけ
る2次電子ガス6側への対ポテンシャル侵入長を変調す
ることができる。For example, when T = 0.5K, the penetration distance X N becomes about 1/10 even when a weak magnetic field of about 4 mT which has almost no effect on the electrode of the superconductor is applied. Here, from the magnetic field applying electrode 11 shown in FIG.
When the distance to the interface between the GaAs layer 5 and the drain electrode 4 is 0.5 μm, a magnetic field H of about 4 mT can be obtained by passing a current of 10 mA through the electrode 11 for applying a magnetic field. That is, by supplying a current to the electrode 11 for applying a magnetic field, the pair potential penetration length to the secondary electron gas 6 side at the interface between the drain electrode 4 and the secondary electron gas 6 can be modulated.
【0024】従って、アンドレエフ反射確率が可変とな
り、結果としてコンダクタンスGの量子化単位を磁場に
より連続的に制御することができることになる。図6に
示すように、磁場Hが大きいと、コンダクタンスGの1
ステップの変化量は小さく、磁場Hが小さいと、コンダ
クタンスGの1ステップの変化量が大きい。すなわち、
磁場HによりコンダクタンスGの量子化単位が制御され
る。Therefore, the Andreev reflection probability becomes variable, and as a result, the quantization unit of the conductance G can be continuously controlled by the magnetic field. As shown in FIG. 6, when the magnetic field H is large, the conductance G becomes 1
When the amount of change in step is small and the magnetic field H is small, the amount of change in conductance G for one step is large. That is,
The magnetic field H controls the quantization unit of the conductance G.
【0025】ここで、図6に示したゲート電圧とコンダ
クタンスGとの関係を、ゲート電圧とソース・ドレイン
間電圧との関係にして表現し直すと、図7に示すように
なる。図7では、磁場Hが0の時のゲート電圧とソース
・ドレイン間電圧との関係を示す。この発明の素子で
は、ソース・ドレイン間電圧は、図7に示すように、ゲ
ート電圧によって段階的に変化し、ステップ間では急峻
に変化する。ここで、ゲート電圧をP点にバイアスして
おき、入力電圧Vinをスプリット型金属ゲート電極10
(図1)に加えると、ゲート電圧はQ点の値となる。こ
のゲート電圧の変化により、ソース・ドレイン間電圧は
0.5mVから1.0mVに変化し、出力電圧Vout =
0.5mVが得られる。Here, if the relationship between the gate voltage and the conductance G shown in FIG. 6 is re-expressed as the relationship between the gate voltage and the source-drain voltage, it becomes as shown in FIG. FIG. 7 shows the relationship between the gate voltage and the source-drain voltage when the magnetic field H is zero. In the device of the present invention, the source-drain voltage changes stepwise depending on the gate voltage, as shown in FIG. 7, and changes sharply between steps. Here, the gate voltage is biased to the point P, and the input voltage V in is set to the split type metal gate electrode 10.
(FIG. 1), the gate voltage becomes the value at point Q. Due to this change in the gate voltage, the source-drain voltage changes from 0.5 mV to 1.0 mV, and the output voltage V out =
0.5 mV is obtained.
【0026】ところで、ゲート電圧をバイアスしておく
P点がQ点より熱雑音電圧VN 以下の所であると、この
動作が熱雑音VN による誤動作をすることになる。この
誤作動をさせないためには、P点がQ点より熱雑音電圧
VN =(4kBTRLB)1/2 以上離れていればよい。こ
こで、Bは周波数帯域、RL は負荷抵抗である。ここ
で、T=0.5K,RL =1KΩ,B=10GHzとす
ると、VN =17μVとなる。従って、信号/雑音比を
5以上とれば良いとすると、P点が85μV以上Q点よ
り離れていれば良い。If the point P where the gate voltage is biased is below the thermal noise voltage V N from the point Q, this operation will malfunction due to the thermal noise V N. In order to prevent this malfunction, it is sufficient that the point P is separated from the point Q by at least the thermal noise voltage V N = (4k B TR L B) 1/2 . Here, B is a frequency band and RL is a load resistance. Here, assuming that T = 0.5K, RL = 1KΩ, and B = 10 GHz, V N = 17 μV. Therefore, assuming that the signal / noise ratio is 5 or more, it is sufficient that the point P is 85 μV or more and distant from the point Q.
【0027】従って、熱雑音電圧VN による誤動作無し
に出力電圧Vout =0.5mVを得るためには、入力電
圧が85μV以上あれば良く、このとき利得(Vout/
VIN)は約6となり、トランジスタとして実用値を得て
いる。更に、本実施例では、磁場を印加することによ
り、コンダクタンスGの1ステップの変化量を連続的に
可変でき、すなわち、ソース・ドレイン間電圧の1ステ
ップの変化を連続的に可変できるので、上述した利得を
0〜6まで連続的に変化させることができるという新し
い機能を有している。Therefore, in order to obtain the output voltage V out = 0.5 mV without malfunction due to the thermal noise voltage V N , it suffices if the input voltage is 85 μV or more, and at this time the gain (V out /
VI N) has gained practical value of about 6, and the as a transistor. Furthermore, in this embodiment, by applying a magnetic field, the amount of change in the conductance G in one step can be continuously changed, that is, the change in the source-drain voltage in one step can be continuously changed. It has a new function that can continuously change the gain from 0 to 6.
【0028】実施例2.以下この発明の第2の実施例に
ついて説明する。図8は、この発明の実施例2の半導体
結合超伝導素子の構成を示す斜視図である。同図におい
て、11aはInP基板1の裏面に形成されたバックゲ
ート電極(第4の電極)であり、InAlAs層9とス
プリット型金属ゲート電極10およびInP基板1とバ
ックゲート電極11aによってMIS型ゲートが構成さ
れており、他は図1と同様である。このような構造にお
いても、スプリット型金属ゲート電極10の所定の位置
に形成されている隙間の下の領域に形成される2次元電
子ガス6による伝導チャネルの長さLが、平均自由行程
leよりも十分短く、更に幅Wが電子のフェルミ波長λ
F と同程度またはそれ以下であるという条件を満たすと
き、量子ポイントコンタクトとなる。Example 2. The second embodiment of the present invention will be described below. FIG. 8 is a perspective view showing the structure of a semiconductor-coupled superconducting device of Example 2 of the present invention. In the figure, 11a is a back gate electrode (fourth electrode) formed on the back surface of the InP substrate 1, and the InAlAs layer 9 and the split type metal gate electrode 10 and the InP substrate 1 and the back gate electrode 11a are MIS type gates. Are configured, and the others are the same as in FIG. Also in such a structure, the length L of the conduction channel by the two-dimensional electron gas 6 formed in the region below the gap formed at the predetermined position of the split type metal gate electrode 10 is larger than the mean free path le. Is sufficiently short, and the width W is the Fermi wavelength λ of the electron.
Quantum point contact is achieved when the condition of being equal to or less than F is satisfied.
【0029】ところで、磁場が印加されていない状態で
ある零磁場下における、隣接している超伝導体から半導
体への対ポテンシャルの染みだし長さである侵入距離X
N は以下の数2で示される。By the way, under a zero magnetic field in which no magnetic field is applied, the penetration distance X, which is the leakage length of the pair potential from the adjacent superconductor to the semiconductor,
N is shown by the following equation 2.
【0030】[0030]
【数2】 ここで、m* は電子の有効質量、hはプランク定数、N
S は2次元電子ガスの電子濃度、Tは絶対温度、kB は
ボルツマン定数である。対ポテンシャルの侵入距離XN
は、2次元電子ガスの電子濃度NS の平方根に比例す
る。ここで、バックゲート電極11aに負電圧を印加す
ると、電子濃度NS が減少するので、このバックゲート
電圧によって対ポテンシャルの侵入距離XN を制御し、
アンドレエフ反射確率Aを変化させることができる。[Equation 2] Where m * is the effective mass of the electron, h is Planck's constant, N
S is the electron concentration of the two-dimensional electron gas, T is the absolute temperature, and k B is the Boltzmann constant. Intrusion distance of potential X N
Is proportional to the square root of the electron concentration N S of the two-dimensional electron gas. Here, when a negative voltage is applied to the back gate electrode 11a, the electron concentration N S decreases, so that the back gate voltage controls the penetration distance X N of the potential.
The Andreev reflection probability A can be changed.
【0031】図9は、スプリット型金属ゲート10に印
加される電圧とコンダクタンスGとの関係を示す相関図
であり、バックゲート電極11aに印加する印加電圧V
bgが変化すると、コンダクタンスGの1ステップの変化
量である量子化単位が変化している。そしてこれは、コ
ンダクタンスGの量子化単位を連続的に変調することが
できることを示している。すなわち、実施例1と同様に
この実施例の量子ポイントコンタクト素子も利得可変な
増幅素子として機能する。FIG. 9 is a correlation diagram showing the relationship between the voltage applied to the split type metal gate 10 and the conductance G, and the applied voltage V applied to the back gate electrode 11a.
When bg changes, the quantization unit, which is the change amount of the conductance G in one step, changes. And this shows that the quantization unit of the conductance G can be continuously modulated. That is, similarly to the first embodiment, the quantum point contact element of this embodiment also functions as a gain variable amplification element.
【0032】実施例3.実施例1で述べた図1の構造の
量子ポイントコンタクト素子を利用して、磁界の強度を
測定できる。図6に示した、印加磁場とコンダクタンス
の量子化単位の関係を予め知っておくことにより、逆に
コンダクタンスGの量子化単位から、この量子ポイント
素子に印加される磁場を測定することができる。Example 3. The intensity of the magnetic field can be measured by using the quantum point contact device having the structure of FIG. 1 described in the first embodiment. By previously knowing the relationship between the applied magnetic field and the quantization unit of conductance shown in FIG. 6, it is possible to measure the magnetic field applied to this quantum point element from the quantization unit of conductance G.
【0033】[0033]
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、ゲート電極に印加される電圧に対して量子化されて
不連続に変化する、第1と第2の電極間のコンダクタン
スすなわち伝導チャネルのコンダクタンスの量子化単位
が、大きくできるという効果がある。また、第3の電極
による磁場の印加または第4の電極からの負電圧印加に
よって、伝導チャネルのコンダクタンスの量子化単位を
連続的に可変できるという効果がある。これにより利得
可変な増幅器を1素子で構成できる。As described above, according to the present invention, the conductance, that is, the conduction channel between the first and second electrodes which is quantized and discontinuously changes with respect to the voltage applied to the gate electrode. The effect is that the quantization unit of conductance can be increased. Further, there is an effect that the quantization unit of the conductance of the conduction channel can be continuously changed by applying the magnetic field from the third electrode or applying the negative voltage from the fourth electrode. As a result, the variable gain amplifier can be configured by one element.
【図1】この発明の半導体結合超伝導素子の断面構成を
示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing a cross-sectional structure of a semiconductor-coupled superconducting device of the present invention.
【図2】超伝導体と半導体との界面付近における電子の
状態を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a state of electrons in the vicinity of an interface between a superconductor and a semiconductor.
【図3】図1の半導体結合超伝導素子におけるゲート電
圧とコンダクタンスとの相関を示す相関図である。3 is a correlation diagram showing a correlation between a gate voltage and a conductance in the semiconductor coupled superconducting device of FIG.
【図4】超伝導体と半導体の界面における対ポテンシャ
ルの染みだしの状態を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing the state of seeping out of the potential pair at the interface between the superconductor and the semiconductor.
【図5】アンドレエフ反射確率と入射電子エネルギーと
の関係を示した相関図である。FIG. 5 is a correlation diagram showing a relationship between Andreev reflection probability and incident electron energy.
【図6】図1の半導体結合超伝導素子におけるゲート電
圧とコンダクタンスと印加される磁場との相関を示す相
関図である。6 is a correlation diagram showing a correlation between a gate voltage, conductance and an applied magnetic field in the semiconductor coupled superconducting device of FIG.
【図7】図1の半導体結合超伝導素子におけるゲート電
圧とソース・ドレイン間電圧との関係を示す相関図であ
る。7 is a correlation diagram showing the relationship between the gate voltage and the source-drain voltage in the semiconductor coupled superconducting device of FIG.
【図8】この発明の実施例2の半導体結合超伝導素子の
構成を示す斜視図である。FIG. 8 is a perspective view showing the structure of a semiconductor-coupled superconducting device of Example 2 of the invention.
【図9】図8の半導体結合超伝導素子におけるゲート電
圧とコンダクタンスとの相関を示す相関図である。9 is a correlation diagram showing a correlation between gate voltage and conductance in the semiconductor coupled superconducting device of FIG.
【図10】スプリット型ゲート電極を有する量子ポイン
トコンタクト素子の1例を示す斜視図である。FIG. 10 is a perspective view showing an example of a quantum point contact device having a split type gate electrode.
【図11】図10の量子ポイントコンタクト素子におけ
るゲート電圧とコンダクタンスとの相関を示す相関図で
ある。11 is a correlation diagram showing a correlation between gate voltage and conductance in the quantum point contact device of FIG.
【符号の説明】 1 InP基板 2 InAlAs層 3 ソース電極 4 ドレイン電極 5 InGaAs層 6 2次元電子ガス 7 InAlAs層 8 n型InAlAs層 9 InAlAs層 10 スプリット型金属ゲート電極 11 磁場印加用の電極 11a バックゲート電極 12 絶縁膜[Description of Reference Signs] 1 InP substrate 2 InAlAs layer 3 Source electrode 4 Drain electrode 5 InGaAs layer 6 Two-dimensional electron gas 7 InAlAs layer 8 n-type InAlAs layer 9 InAlAs layer 10 Split type metal gate electrode 11 Magnetic field application electrode 11a back Gate electrode 12 Insulating film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/812 29/80 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI technical display location H01L 29/812 29/80
Claims (3)
る2次元電子ガスを形成するためのヘテロ接合面を有す
る半導体層積層体と、 前記半導体層積層体上に絶縁層を介して形成され、所定
の位置に微小な間隙が形成されているゲート電極と、 前記半導体層積層体のヘテロ接合面に形成されている2
次元電子ガスと接続するように形成された第1の電極
と、 前記2次元電子ガスと接続し、かつ前記ゲート電極と前
記2次元電子ガスの平均自由行程より短い間隔で形成さ
れ、超伝導体からなる第2の電極とを有することを特徴
とする半導体結合超伝導素子。1. A semiconductor layer laminated body formed on a semiconductor substrate and having a heterojunction surface for forming a two-dimensional electron gas serving as a carrier; and a semiconductor layer laminated body formed on the semiconductor layer laminated body with an insulating layer interposed therebetween. A gate electrode having a minute gap formed at a predetermined position, and a gate electrode formed on the heterojunction surface of the semiconductor layer stack 2
A first electrode formed so as to be connected to a two-dimensional electron gas; formed at a distance shorter than the mean free path between the gate electrode and the two-dimensional electron gas; And a second electrode composed of a semiconductor-coupled superconducting device.
おいて、 前記2次元電子ガスと第2の電極との界面に磁場を印加
するための第3の電極を有することを特徴とする半導体
結合超伝導素子。2. The semiconductor-coupled superconducting device according to claim 1, further comprising a third electrode for applying a magnetic field to an interface between the two-dimensional electron gas and the second electrode. Superconducting element.
おいて、 前記半導体基板裏面に前記ゲート電極と対向するように
形成された第4の電極を有することを特徴とする半導体
結合超伝導素子。3. The semiconductor-coupled superconducting device according to claim 1, further comprising a fourth electrode formed on the back surface of the semiconductor substrate so as to face the gate electrode.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5210003A JPH0745878A (en) | 1993-08-03 | 1993-08-03 | Semiconductor combination superconductive element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5210003A JPH0745878A (en) | 1993-08-03 | 1993-08-03 | Semiconductor combination superconductive element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0745878A true JPH0745878A (en) | 1995-02-14 |
Family
ID=16582244
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP5210003A Pending JPH0745878A (en) | 1993-08-03 | 1993-08-03 | Semiconductor combination superconductive element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0745878A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005203601A (en) * | 2004-01-16 | 2005-07-28 | Yuichi Ochiai | Quantum point contact, quantum dot, quantum thin wire, memory element and quantum computer |
WO2021081090A1 (en) * | 2019-10-24 | 2021-04-29 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Semiconductor-superconductor hybrid device |
-
1993
- 1993-08-03 JP JP5210003A patent/JPH0745878A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005203601A (en) * | 2004-01-16 | 2005-07-28 | Yuichi Ochiai | Quantum point contact, quantum dot, quantum thin wire, memory element and quantum computer |
WO2021081090A1 (en) * | 2019-10-24 | 2021-04-29 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Semiconductor-superconductor hybrid device |
CN114600262A (en) * | 2019-10-24 | 2022-06-07 | 微软技术许可有限责任公司 | Semiconductor superconductor hybrid device |
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