JPH0786644A - 超伝導配線装置 - Google Patents
超伝導配線装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 配線による信号遅延時間の短い、高速信号処
理を必要とする情報機器に関し、配線における信号の伝
搬速度そのものを高速化した配線装置を提供することを
目的とする。 【構成】 基板と、基板上に配置され、超伝導体で形成
された第１配線部分と、半導体で形成され、前記第１配
線部分と近接して基板上に配置され、少なくとも一部近
接効果によって超伝導状態になる第２配線部分とを有す
る。
理を必要とする情報機器に関し、配線における信号の伝
搬速度そのものを高速化した配線装置を提供することを
目的とする。 【構成】 基板と、基板上に配置され、超伝導体で形成
された第１配線部分と、半導体で形成され、前記第１配
線部分と近接して基板上に配置され、少なくとも一部近
接効果によって超伝導状態になる第２配線部分とを有す
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高速信号処理を必要と
する情報機器に関し、特に配線による信号遅延時間の短
い、高速信号処理を必要とする情報機器に関する。
する情報機器に関し、特に配線による信号遅延時間の短
い、高速信号処理を必要とする情報機器に関する。
【０００２】コンピュータを初めとする情報処理機器に
おいて、より高速な信号処理が要求されている。信号処
理が高速化してくると、配線による信号の遅延が大きな
問題となってくる。特に、集積化が進み、配線の線幅が
減少すると、配線の抵抗による信号遅延等が問題とな
る。
おいて、より高速な信号処理が要求されている。信号処
理が高速化してくると、配線による信号の遅延が大きな
問題となってくる。特に、集積化が進み、配線の線幅が
減少すると、配線の抵抗による信号遅延等が問題とな
る。
【０００３】
【従来の技術】半導体集積回路装置においては、配線層
として低抵抗率のＡｌ層をよく用いる。しかし、集積度
の向上と共に配線の線幅は次第に細くなり、その抵抗が
問題となってくる。たとえば線幅０．５μｍのアルミ配
線は、厚さ０．５μｍの場合、配線長１ｃｍで約１ＫΩ
の抵抗を持ってしまう。配線は容量を伴うので、信号遅
延が大きくなる。また、信号の分散や抵抗による発熱も
問題となる。
として低抵抗率のＡｌ層をよく用いる。しかし、集積度
の向上と共に配線の線幅は次第に細くなり、その抵抗が
問題となってくる。たとえば線幅０．５μｍのアルミ配
線は、厚さ０．５μｍの場合、配線長１ｃｍで約１ＫΩ
の抵抗を持ってしまう。配線は容量を伴うので、信号遅
延が大きくなる。また、信号の分散や抵抗による発熱も
問題となる。
【０００４】抵抗の著しく小さい、または抵抗のない配
線として超伝導体が着目されている。抵抗のない超伝導
体を配線として用いると、無損失、無ひずみの配線が得
られる。
線として超伝導体が着目されている。抵抗のない超伝導
体を配線として用いると、無損失、無ひずみの配線が得
られる。
【０００５】図２に、従来の技術による超伝導体配線の
構成例を示す。図２において、物理的支持を与える基板
１０１の上に、超伝導体層１０２、誘電体層１０３、他
の超伝導体層１０４が積層されている。
構成例を示す。図２において、物理的支持を与える基板
１０１の上に、超伝導体層１０２、誘電体層１０３、他
の超伝導体層１０４が積層されている。
【０００６】超伝導体層１０２、１０４は、誘電体層１
０３を挟んで伝送路を形成する。超伝導体層１０２、１
０４は、抵抗“０”の伝送路を形成するため、無損失、
無ひずみの配線を形成することができる。回路を小型化
し、配線を短くすれば、配線による信号の遅延時間は短
縮される。
０３を挟んで伝送路を形成する。超伝導体層１０２、１
０４は、抵抗“０”の伝送路を形成するため、無損失、
無ひずみの配線を形成することができる。回路を小型化
し、配線を短くすれば、配線による信号の遅延時間は短
縮される。
【０００７】図９は、超伝導体を用いたジョセフソン素
子の回路の一部を示す断面図である。基板１２１の上
に、接地配線としての超伝導体層１２２が形成され、そ
の上を層間絶縁膜１２４が覆っている。層間絶縁膜１２
４の所要部分には開口が形成され、他の部分上には抵抗
体層１２７およびその表面保護膜１２８が形成される。
子の回路の一部を示す断面図である。基板１２１の上
に、接地配線としての超伝導体層１２２が形成され、そ
の上を層間絶縁膜１２４が覆っている。層間絶縁膜１２
４の所要部分には開口が形成され、他の部分上には抵抗
体層１２７およびその表面保護膜１２８が形成される。
【０００８】これらの構成の上に他の配線層としての超
伝導体層１２６が形成され、グランド配線１２２と抵抗
体層１２７を接続し、また、抵抗体層１２７をその上に
形成するジョセフソン接合素子Ｊに接続する。
伝導体層１２６が形成され、グランド配線１２２と抵抗
体層１２７を接続し、また、抵抗体層１２７をその上に
形成するジョセフソン接合素子Ｊに接続する。
【０００９】中央の超伝導体層１２６の上に、アルミニ
ウム酸化物層を備えたアルミニウム層１３１が形成さ
れ、その上に、さらに超伝導体層１３２を形成すること
により、ジョセフソン接合素子Ｊが形成される。このジ
ョセフソン接合素子Ｊは、超伝導配線層１３４によって
他の超伝導配線層１２６に接続される。
ウム酸化物層を備えたアルミニウム層１３１が形成さ
れ、その上に、さらに超伝導体層１３２を形成すること
により、ジョセフソン接合素子Ｊが形成される。このジ
ョセフソン接合素子Ｊは、超伝導配線層１３４によって
他の超伝導配線層１２６に接続される。
【００１０】なお、超伝導体層１３４の下には、他の層
間絶縁膜１３３が形成されている。このような構成によ
り、図中上部に示すように、抵抗体Ｒとジョセフソン接
合素子Ｊが直列に接続された回路が形成される。
間絶縁膜１３３が形成されている。このような構成によ
り、図中上部に示すように、抵抗体Ｒとジョセフソン接
合素子Ｊが直列に接続された回路が形成される。
【００１１】なお、超伝導体層１２２、１２６、１３
２、１３４としては、たとえばＮｂを用いることがで
き、抵抗体１２７としてはＭｏを用いることができる。
また、層間絶縁膜等の絶縁層としてはＳｉＯ2 等を用い
ることができる。
２、１３４としては、たとえばＮｂを用いることがで
き、抵抗体１２７としてはＭｏを用いることができる。
また、層間絶縁膜等の絶縁層としてはＳｉＯ2 等を用い
ることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】ところで、超伝導体の
配線を小型化しようとすると、問題が生じる。すなわ
ち、超伝導体配線の膜厚を薄くすると、磁場侵入長との
関係で、信号の伝搬速度は遅くなってしまう。抵抗が
“０”でも信号の伝搬速度が遅くては、回路の高速動作
を期待することができなくなる。
配線を小型化しようとすると、問題が生じる。すなわ
ち、超伝導体配線の膜厚を薄くすると、磁場侵入長との
関係で、信号の伝搬速度は遅くなってしまう。抵抗が
“０”でも信号の伝搬速度が遅くては、回路の高速動作
を期待することができなくなる。
【００１３】本発明の目的は、配線における信号の伝搬
速度そのものを高速化した超伝導配線装置を提供するこ
とである。
速度そのものを高速化した超伝導配線装置を提供するこ
とである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明の超伝導配線装置
は、基板と、基板上に配置され、超伝導体で形成された
第１配線部分と、半導体で形成され、前記第１配線部分
と近接して基板上に配置され、少なくとも一部近接効果
によって超伝導状態になる第２配線部分とを有する。
は、基板と、基板上に配置され、超伝導体で形成された
第１配線部分と、半導体で形成され、前記第１配線部分
と近接して基板上に配置され、少なくとも一部近接効果
によって超伝導状態になる第２配線部分とを有する。
【００１５】
【作用】超伝導体に近接して、半導体を配置すると、波
動関数の重なりによる近接効果によって半導体を超伝導
状態にすることができる。このような半導体を配線とし
て利用することにより、超伝導体と半導体との両者の好
適な性質を利用することが可能になる。
動関数の重なりによる近接効果によって半導体を超伝導
状態にすることができる。このような半導体を配線とし
て利用することにより、超伝導体と半導体との両者の好
適な性質を利用することが可能になる。
【００１６】
【実施例】まず、図２に示すような従来の超伝導配線に
ついて考える。図に示すような平行平面型の超伝導配線
における位相速度ｖphと群速度ｖgrは、表面抵抗を無視
すると、以下の式で表すことができる。
ついて考える。図に示すような平行平面型の超伝導配線
における位相速度ｖphと群速度ｖgrは、表面抵抗を無視
すると、以下の式で表すことができる。
【００１７】
【数１】 ｖph＝ｖgr＝（μo ε）1/2 〔１＋（２λ／ｄ）ｃｏｔｈ（ｂ／λ）〕-1/2 ここで、２つの超伝導体層の厚さは共にｂとし、誘電体
層の厚さをｄとし、誘電体の誘電率をεとし、超伝導体
の磁場侵入長をλとした。
層の厚さをｄとし、誘電体の誘電率をεとし、超伝導体
の磁場侵入長をλとした。
【００１８】上式より明らかなように、高速な信号の伝
搬を実現するためには、誘電体の厚さｄを大きくし、磁
場侵入長λを小さくすることが有効である。また、超伝
導体層の磁場侵入長λと較べ、その厚さｂを大きくする
ことが好ましい。
搬を実現するためには、誘電体の厚さｄを大きくし、磁
場侵入長λを小さくすることが有効である。また、超伝
導体層の磁場侵入長λと較べ、その厚さｂを大きくする
ことが好ましい。
【００１９】磁場侵入長λは、ダーティーリミットの場
合、次式で表される。
合、次式で表される。
【００２０】
【数２】 λ＝（ｍ* ／μo ｎs * ｅ*2）1/2 （ξo ／ｌn ）1/2 なお、ｍ* はキャリアの有効質量、μo はキャリアの移
動度、ｎs * は有効超伝導キャリア密度、ξo は真性コ
ヒーレンス長、ｌn は平均自由行程である。
動度、ｎs * は有効超伝導キャリア密度、ξo は真性コ
ヒーレンス長、ｌn は平均自由行程である。
【００２１】磁場侵入長λを小さくするためには、キャ
リアの有効質量ｍ* の小さな材料を用いることが有効で
ある。また、有効超伝導キャリア密度は高いほどよい。
超伝導体と半導体とを結合させると、超伝導体内のある
厚さ（超伝導体のコヒーレンス長）までの部分が半導体
内のある厚さ（半導体のコヒーレンス長）までの部分に
影響を与え、結果として半導体内のコヒーレンス長に相
当する部分が超伝導状態になる。この現象が近接効果で
ある。
リアの有効質量ｍ* の小さな材料を用いることが有効で
ある。また、有効超伝導キャリア密度は高いほどよい。
超伝導体と半導体とを結合させると、超伝導体内のある
厚さ（超伝導体のコヒーレンス長）までの部分が半導体
内のある厚さ（半導体のコヒーレンス長）までの部分に
影響を与え、結果として半導体内のコヒーレンス長に相
当する部分が超伝導状態になる。この現象が近接効果で
ある。
【００２２】本発明者は、超伝導体に半導体を近接して
配置し、半導体を超伝導状態として配線に利用すること
を提案する。図１は、本発明の基本的実施例を示す。図
１（Ａ）は配線の構造を示す断面図、図１（Ｂ）は図１
（Ａ）に示す積層内の超伝導状態を概略的に示す線図で
ある。
配置し、半導体を超伝導状態として配線に利用すること
を提案する。図１は、本発明の基本的実施例を示す。図
１（Ａ）は配線の構造を示す断面図、図１（Ｂ）は図１
（Ａ）に示す積層内の超伝導状態を概略的に示す線図で
ある。
【００２３】図１（Ａ）において、物理的支持を与える
基板１の上に、超伝導体層２、半導体層３、誘電体層
４、半導体層５、超伝導体層６がこの順序で積層されて
いる。下側の超伝導体層２と半導体層３は互いに結合し
て、図２に示した従来の超伝導配線の下側配線層１０２
に相当する役割を果たし、上側の超伝導体層６と半導体
層５は結合して、図２に示す従来の超伝導配線の上側配
線１０４の役割を果たす。
基板１の上に、超伝導体層２、半導体層３、誘電体層
４、半導体層５、超伝導体層６がこの順序で積層されて
いる。下側の超伝導体層２と半導体層３は互いに結合し
て、図２に示した従来の超伝導配線の下側配線層１０２
に相当する役割を果たし、上側の超伝導体層６と半導体
層５は結合して、図２に示す従来の超伝導配線の上側配
線１０４の役割を果たす。
【００２４】半導体層３と５は、隣接する超伝導体層２
と６の影響により、その一部が超伝導体状態に変化す
る。図１（Ｂ）は、界面近傍の超伝導体層と半導体層の
状態を概略的に示す。超伝導体層２、６に隣接して半導
体層３、５が配置されている。超伝導体層２、６のコヒ
ーレンス長をＬ１とし、半導体層３、５のコヒーレンス
長をＬ２とする。
と６の影響により、その一部が超伝導体状態に変化す
る。図１（Ｂ）は、界面近傍の超伝導体層と半導体層の
状態を概略的に示す。超伝導体層２、６に隣接して半導
体層３、５が配置されている。超伝導体層２、６のコヒ
ーレンス長をＬ１とし、半導体層３、５のコヒーレンス
長をＬ２とする。
【００２５】すると、半導体層のコヒーレンス長Ｌ２内
においては、超伝導体層２、６のコヒーレンス長Ｌ１内
の部分の影響を受け、超伝導状態に変化する。なお、半
導体内のコヒーレンス長は、超伝導状態が階段的な変化
を示す値ではなく、一定の割合となる領域を示す。
においては、超伝導体層２、６のコヒーレンス長Ｌ１内
の部分の影響を受け、超伝導状態に変化する。なお、半
導体内のコヒーレンス長は、超伝導状態が階段的な変化
を示す値ではなく、一定の割合となる領域を示す。
【００２６】したがって、現実にはコヒーレンス長の数
倍の厚さまで半導体層は超伝導状態になると考えてよ
い。半導体層の厚さが十分薄ければ、半導体層全体が超
伝導状態となる。
倍の厚さまで半導体層は超伝導状態になると考えてよ
い。半導体層の厚さが十分薄ければ、半導体層全体が超
伝導状態となる。
【００２７】このように、超伝導状態となった半導体内
においては、位相速度と群速度は〔数１〕に示すような
式で表現され、その磁場侵入長は〔数２〕で示す式で表
現される。
においては、位相速度と群速度は〔数１〕に示すような
式で表現され、その磁場侵入長は〔数２〕で示す式で表
現される。
【００２８】すなわち、超伝導状態の半導体内の磁場侵
入長λは、半導体のキャリアの有効質量ｍ* の１／２乗
に比例し、キャリアの移動度μo とキャリア密度ｎs *
との１／２乗に逆比例する。
入長λは、半導体のキャリアの有効質量ｍ* の１／２乗
に比例し、キャリアの移動度μo とキャリア密度ｎs *
との１／２乗に逆比例する。
【００２９】半導体においては、一般的に金属よりもキ
ャリア密度ｎs * が小さいが、移動度μo 、有効質量ｍ
* は半導体の種類によって変化する。有効質量ｍ* が小
さく、移動度μo が大きな材料を得られれば、磁場侵入
長λを小さくすることができ、伝搬速度を高くすること
ができる。
ャリア密度ｎs * が小さいが、移動度μo 、有効質量ｍ
* は半導体の種類によって変化する。有効質量ｍ* が小
さく、移動度μo が大きな材料を得られれば、磁場侵入
長λを小さくすることができ、伝搬速度を高くすること
ができる。
【００３０】たとえば、半導体層３、５としてＩｎＳｂ
を選択し、Ｎｂの超伝導体層２、６と組み合わせると、
半導体層３、５における磁場侵入長は超伝導体層２、６
における磁場侵入長よりも１桁程度小さくすることがで
きる。
を選択し、Ｎｂの超伝導体層２、６と組み合わせると、
半導体層３、５における磁場侵入長は超伝導体層２、６
における磁場侵入長よりも１桁程度小さくすることがで
きる。
【００３１】これは、ＩｎＳｂの半導体層のキャリア密
度を５×１０17ｃｍ-3位と仮定した場合であり、キャリ
ア密度が小さくて磁場侵入長が大きくなる効果を、有効
質量が小さく、磁場侵入長が小さくなる効果が上回った
結果である。
度を５×１０17ｃｍ-3位と仮定した場合であり、キャリ
ア密度が小さくて磁場侵入長が大きくなる効果を、有効
質量が小さく、磁場侵入長が小さくなる効果が上回った
結果である。
【００３２】磁場侵入長が１／１０にできることは、配
線サイズを１／１０にすることができることを意味す
る。また、同等の厚さを有する配線層の場合、より高速
の信号伝搬が実現できる。
線サイズを１／１０にすることができることを意味す
る。また、同等の厚さを有する配線層の場合、より高速
の信号伝搬が実現できる。
【００３３】図３は、より具体的な配線構造を示す。半
導体または誘電体で形成された基板１１ａの上に、超伝
導体であるＮｂ層１２ａが厚さ約数１０００Å積層さ
れ、その上に半導体層であるＩｎＳｂ層１３ａが１０ｎ
ｍ以下積層され、その上に誘電体層であるＭｇＯ層１４
ａが数１０００Å積層される。
導体または誘電体で形成された基板１１ａの上に、超伝
導体であるＮｂ層１２ａが厚さ約数１０００Å積層さ
れ、その上に半導体層であるＩｎＳｂ層１３ａが１０ｎ
ｍ以下積層され、その上に誘電体層であるＭｇＯ層１４
ａが数１０００Å積層される。
【００３４】さらに、ＭｇＯ層１４ａの上に、半導体で
あるＩｎＳｂ１５ａが１０ｎｍ以下積層され、その上に
Ｎｂ層１６ａが数１０００Å積層される。たとえば、図
３に示す配線装置を、液体ヘリウム温度に冷却すると、
臨界温度が約９°ＫであるＮｂ層１２ａ、１６ａは超伝
導状態に維持される。ＩｎＳｂ層１３ａ、１５ａのドー
ピング濃度を約１×１０18ｃｍ-3とすると、ＩｎＳｂの
コヒーレンス長は約２００ｎｍとなる。したがって、Ｉ
ｎＳｂ層１３ａ、１５ａはほぼ完全に超伝導状態とな
る。
あるＩｎＳｂ１５ａが１０ｎｍ以下積層され、その上に
Ｎｂ層１６ａが数１０００Å積層される。たとえば、図
３に示す配線装置を、液体ヘリウム温度に冷却すると、
臨界温度が約９°ＫであるＮｂ層１２ａ、１６ａは超伝
導状態に維持される。ＩｎＳｂ層１３ａ、１５ａのドー
ピング濃度を約１×１０18ｃｍ-3とすると、ＩｎＳｂの
コヒーレンス長は約２００ｎｍとなる。したがって、Ｉ
ｎＳｂ層１３ａ、１５ａはほぼ完全に超伝導状態とな
る。
【００３５】ＩｎＳｂのコヒーレンス長がおよそ２００
ｎｍの場合、半導体層の厚さは、さらに厚くても構わな
い。なお、半導体としてＩｎＳｂを用いる場合を説明し
たが、有効質量が小さく、移動度の高い半導体であれ
ば、これらの例に制限されない。たとえば、ＩｎＡｓ、
ＧａＡｓ、ＩｎＰや混晶等を用いることもできる。
ｎｍの場合、半導体層の厚さは、さらに厚くても構わな
い。なお、半導体としてＩｎＳｂを用いる場合を説明し
たが、有効質量が小さく、移動度の高い半導体であれ
ば、これらの例に制限されない。たとえば、ＩｎＡｓ、
ＧａＡｓ、ＩｎＰや混晶等を用いることもできる。
【００３６】また、超伝導体としてＮｂ以外の材料を用
いてもよい。たとえば、他の超伝導体を用いることも可
能である。たとえば、ＮｂＮや酸化物超伝導を用いれ
ば、高温で超伝導状態を実現することができ、高温で半
導体を超伝導状態とした配線装置を得ることができる。
いてもよい。たとえば、他の超伝導体を用いることも可
能である。たとえば、ＮｂＮや酸化物超伝導を用いれ
ば、高温で超伝導状態を実現することができ、高温で半
導体を超伝導状態とした配線装置を得ることができる。
【００３７】図４は、図３の構成の変形例を示す。半導
体または誘電体で形成された基板１１ａの上に、Ｎｂ層
１２ａ、ＩｎＳｂ層１３ａが、図３の実施例と同様、積
層され、ＩｎＳｂＯX 層１４ｂがその上に積層される。
体または誘電体で形成された基板１１ａの上に、Ｎｂ層
１２ａ、ＩｎＳｂ層１３ａが、図３の実施例と同様、積
層され、ＩｎＳｂＯX 層１４ｂがその上に積層される。
【００３８】ＩｎＳｂＯX １４ｂの上に、厚いＩｎＳｂ
層１５ａをストライプ状に形成し、その側面および上面
をＮｂ層１６ａで覆う。このような構成とすると、Ｉｎ
Ｓｂ１５ａは、その上面および側面を覆うＮｂ層１６ａ
によって超伝導状態に駆動される。
層１５ａをストライプ状に形成し、その側面および上面
をＮｂ層１６ａで覆う。このような構成とすると、Ｉｎ
Ｓｂ１５ａは、その上面および側面を覆うＮｂ層１６ａ
によって超伝導状態に駆動される。
【００３９】また、図５のような構成とすることもでき
る。図５においては、基板１１ａの上に超伝導体層とし
てＮｂＮ層１２ｂが形成され、その上に半導体層として
ＩｎＡｓ層１３ｂが積層される。
る。図５においては、基板１１ａの上に超伝導体層とし
てＮｂＮ層１２ｂが形成され、その上に半導体層として
ＩｎＡｓ層１３ｂが積層される。
【００４０】ＩｎＡｓ層１３ｂの上に、ＧａＳｂ層１４
ｃを介してＩｎＡｓ層１５ｂのストライプ状パターンを
形成する。このＩｎＡｓ層１５ｂの側面および上面を覆
ってＮｂＮ層１６ｂを形成する。
ｃを介してＩｎＡｓ層１５ｂのストライプ状パターンを
形成する。このＩｎＡｓ層１５ｂの側面および上面を覆
ってＮｂＮ層１６ｂを形成する。
【００４１】この構成においては、超伝導体としてＮｂ
Ｎを用い、半導体としてＩｎＡｓを用い、両者で超伝導
状態の配線を形成している。中間のＧａＳｂ層１４ｃ
は、誘電体膜としての役割を果たす。
Ｎを用い、半導体としてＩｎＡｓを用い、両者で超伝導
状態の配線を形成している。中間のＧａＳｂ層１４ｃ
は、誘電体膜としての役割を果たす。
【００４２】なお、図３、４、５に示すような構成にお
いて、超伝導体Ｎｂ、ＮｂＮや誘電体ＭｇＯ等はスパッ
タリングによって形成することができる。また、ＩｎＳ
ｂ層やＩｎＡｓ層の半導体層は、たとえばＭＢＥ（分子
ビームエピタキシ）によって形成することができる。半
導体層のパターニングを行なうときは、イオンミリング
等のドライ処理を採用することができる。また、半導体
を誘電体層として利用する場合、その半導体層はスパッ
タリングによって形成してもよく、ＭＢＥやＣＶＤによ
って形成してもよい。
いて、超伝導体Ｎｂ、ＮｂＮや誘電体ＭｇＯ等はスパッ
タリングによって形成することができる。また、ＩｎＳ
ｂ層やＩｎＡｓ層の半導体層は、たとえばＭＢＥ（分子
ビームエピタキシ）によって形成することができる。半
導体層のパターニングを行なうときは、イオンミリング
等のドライ処理を採用することができる。また、半導体
を誘電体層として利用する場合、その半導体層はスパッ
タリングによって形成してもよく、ＭＢＥやＣＶＤによ
って形成してもよい。
【００４３】図６は、さらに他の構成例を示す。本構成
においては、基板１１ｂの上に超伝導体としてＹＢＣＯ
層１２ｃを形成し、その上に誘電体層としてＣｅＯ2 層
１４ｄを形成する。
においては、基板１１ｂの上に超伝導体としてＹＢＣＯ
層１２ｃを形成し、その上に誘電体層としてＣｅＯ2 層
１４ｄを形成する。
【００４４】ＣｅＯ2 層１４ｄの上に所定厚さのＧａＡ
ｓ層を形成し、パターニングすることによって半導体配
線層１５ｃを形成する。このＧａＡｓ層１５ｃの表面
を、金属バッファ層１７で覆い、この上にＹＢＣＯ層１
６ｃを成長する。ＹＢＣＯ層１６ｃは、ＣｅＯ2 層１４
ｄの上で成長し、金属バッファ層の高さを越えると、横
方向にも成長を行なってＧａＡｓ層１５ｃおよび金属バ
ッファ層１７を完全に覆う。
ｓ層を形成し、パターニングすることによって半導体配
線層１５ｃを形成する。このＧａＡｓ層１５ｃの表面
を、金属バッファ層１７で覆い、この上にＹＢＣＯ層１
６ｃを成長する。ＹＢＣＯ層１６ｃは、ＣｅＯ2 層１４
ｄの上で成長し、金属バッファ層の高さを越えると、横
方向にも成長を行なってＧａＡｓ層１５ｃおよび金属バ
ッファ層１７を完全に覆う。
【００４５】なお、図６の構成においては、超伝導体層
であるＹＢＣＯ層１６ｃが、半導体層であるＧａＡｓ層
１５ｃの表面を酸化することを防止するため、金属バッ
ファ層１７を用いたが、半導体層と超伝導体層の選択ま
たは成長方法を調整することにより、半導体層表面の変
化を考慮しなくてよい場合には、金属バッファ層１７を
省略することができる。
であるＹＢＣＯ層１６ｃが、半導体層であるＧａＡｓ層
１５ｃの表面を酸化することを防止するため、金属バッ
ファ層１７を用いたが、半導体層と超伝導体層の選択ま
たは成長方法を調整することにより、半導体層表面の変
化を考慮しなくてよい場合には、金属バッファ層１７を
省略することができる。
【００４６】以上の構成例においては、半導体層として
不純物をドープした単一の半導体層を用いた。半導体層
として、２次元電子ガスを有する積層半導体層を用いる
こともできる。
不純物をドープした単一の半導体層を用いた。半導体層
として、２次元電子ガスを有する積層半導体層を用いる
こともできる。
【００４７】図７は、２次元電子ガスを利用した配線構
造の例を示す。基板１１ａの上に、超伝導体のＮｂＮ層
１２ｂ、高移動度半導体であるＧａＡｓ層１３ｃ、キャ
リアを供給するためのｎ型ＡｌＧａＡｓ層１９、高移動
度半導体であるＧａＡｓ層１５ｄ、超伝導体であるＮｂ
Ｎ層１６ｂを積層する。ここで、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１
９は、そのバンドギャップがＧａＡｓよりも大きく、そ
の中のキャリアを隣接する半導体層であるＧａＡｓ層１
３ｃ、１５ｄに供給する。
造の例を示す。基板１１ａの上に、超伝導体のＮｂＮ層
１２ｂ、高移動度半導体であるＧａＡｓ層１３ｃ、キャ
リアを供給するためのｎ型ＡｌＧａＡｓ層１９、高移動
度半導体であるＧａＡｓ層１５ｄ、超伝導体であるＮｂ
Ｎ層１６ｂを積層する。ここで、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１
９は、そのバンドギャップがＧａＡｓよりも大きく、そ
の中のキャリアを隣接する半導体層であるＧａＡｓ層１
３ｃ、１５ｄに供給する。
【００４８】ＧａＡｓ層１３ｃ、１５ｄにおいては、ｎ
型ＡｌＧａＡｓ層１９との界面において狭いポテンシャ
ルウェルが形成され、ｎ型ＧａＡｓ層１９から供給され
たキャリアをトラップし、２次元電子ガス１８を形成す
る。
型ＡｌＧａＡｓ層１９との界面において狭いポテンシャ
ルウェルが形成され、ｎ型ＧａＡｓ層１９から供給され
たキャリアをトラップし、２次元電子ガス１８を形成す
る。
【００４９】ＧａＡｓ層１３ｃ、１５ｄの厚さをＮｂＮ
層１２ｂ、１６ｂからの近接効果が十分届く厚さにする
ことにより、ＧａＡｓ層１３ｃ、１５ｄは近接効果によ
り超伝導状態となる。したがって、２次元電子ガスが超
伝導状態で輸送される。なお、キャリアを供給したｎ型
ＡｌＧａＡｓ層１９は、誘電体層としての役割を果た
す。
層１２ｂ、１６ｂからの近接効果が十分届く厚さにする
ことにより、ＧａＡｓ層１３ｃ、１５ｄは近接効果によ
り超伝導状態となる。したがって、２次元電子ガスが超
伝導状態で輸送される。なお、キャリアを供給したｎ型
ＡｌＧａＡｓ層１９は、誘電体層としての役割を果た
す。
【００５０】本構成によれば、形成される２次元電子ガ
ス１８が通常のキャリアと較べ、著しく高い移動度を示
すため、極めて小さな磁場侵入長λが得られ、キャリア
の伝搬速度が高くなる。
ス１８が通常のキャリアと較べ、著しく高い移動度を示
すため、極めて小さな磁場侵入長λが得られ、キャリア
の伝搬速度が高くなる。
【００５１】図８は、本発明の他の実施例によるジョセ
フソン素子を用いた回路を示す。図８において、誘電体
等で形成された基板２１の上に、Ｎｂ等で形成された超
伝導体層２２とＩｎＳｂ層で形成された半導体層２３を
積層し、パターニングする。これら２つの層は、併せて
超伝導配線を形成する。
フソン素子を用いた回路を示す。図８において、誘電体
等で形成された基板２１の上に、Ｎｂ等で形成された超
伝導体層２２とＩｎＳｂ層で形成された半導体層２３を
積層し、パターニングする。これら２つの層は、併せて
超伝導配線を形成する。
【００５２】この配線層の上に、ＳｉＯ2 等で形成され
た層間絶縁層２４を形成し、その上にＭｏ等で形成され
た抵抗層２７、ＳｉＯ2 等で形成された抵抗層の保護層
２８を形成し、パターニングする。さらに、ＩｎＳｂ等
で形成された半導体層２５を形成し、パターニングす
る。必要部分に開口を形成し、開口部に露出された半導
体層を除去し、Ｎｂ等の超伝導体層２６を形成する。
た層間絶縁層２４を形成し、その上にＭｏ等で形成され
た抵抗層２７、ＳｉＯ2 等で形成された抵抗層の保護層
２８を形成し、パターニングする。さらに、ＩｎＳｂ等
で形成された半導体層２５を形成し、パターニングす
る。必要部分に開口を形成し、開口部に露出された半導
体層を除去し、Ｎｂ等の超伝導体層２６を形成する。
【００５３】このようにして、抵抗を接続する配線層を
形成した後、超伝導体層２６の一部表面上にアルミニウ
ム酸化膜を備えたアルミニウム層３１を形成することに
より、ジョセフソン接合用トンネル障壁を形成する。
形成した後、超伝導体層２６の一部表面上にアルミニウ
ム酸化膜を備えたアルミニウム層３１を形成することに
より、ジョセフソン接合用トンネル障壁を形成する。
【００５４】この上に、ジョセフソン接合の他の電極と
なるＮｂ等の超伝導体３２を形成し、パターニングした
後、その表面をＳｉＯ2 等の絶縁体層３３で覆う。絶縁
体層３３の必要個所に開口を形成した後、上部配線層と
なるＮｂ等の超伝導体層３４を形成する。
なるＮｂ等の超伝導体３２を形成し、パターニングした
後、その表面をＳｉＯ2 等の絶縁体層３３で覆う。絶縁
体層３３の必要個所に開口を形成した後、上部配線層と
なるＮｂ等の超伝導体層３４を形成する。
【００５５】この構成においては、ジョセフソン素子と
抵抗を接続する配線および抵抗とグランド配線を接続す
る配線およびグランド配線は、超伝導体層と半導体層の
積層による配線によって形成される。
抵抗を接続する配線および抵抗とグランド配線を接続す
る配線およびグランド配線は、超伝導体層と半導体層の
積層による配線によって形成される。
【００５６】半導体層が有効質量の小さく、移動度の高
いＩｎＳｂで形成されているため、超伝導状態となった
この複合配線層は無損失、無ひずみ、かつ高速の配線を
提供する。
いＩｎＳｂで形成されているため、超伝導状態となった
この複合配線層は無損失、無ひずみ、かつ高速の配線を
提供する。
【００５７】なお、集積回路内の配線として超伝導体層
と半導体層の積層を用いる場合を説明したが、電子回路
における信号の伝搬は、集積回路内と同様、集積回路間
および集積回路と端子や他の部分間においても生じる。
かえって、集積回路間等の配線の方が長距離となる場合
も多い。
と半導体層の積層を用いる場合を説明したが、電子回路
における信号の伝搬は、集積回路内と同様、集積回路間
および集積回路と端子や他の部分間においても生じる。
かえって、集積回路間等の配線の方が長距離となる場合
も多い。
【００５８】図１０は、集積回路間の配線に半導体層と
超伝導体層の複合配線層を用いる構成を示す。図におい
て、基板４１の上にＹＢＣＯで形成された超伝導体層４
２とＧａＡｓで形成された高移動度の半導体層４３が積
層され、接地配線層を構成する。この接地配線層の上
に、ＣｅＯ2 で形成された誘電体層４４が作成され、上
部配線と下部配線の間の誘電体層を構成する。
超伝導体層の複合配線層を用いる構成を示す。図におい
て、基板４１の上にＹＢＣＯで形成された超伝導体層４
２とＧａＡｓで形成された高移動度の半導体層４３が積
層され、接地配線層を構成する。この接地配線層の上
に、ＣｅＯ2 で形成された誘電体層４４が作成され、上
部配線と下部配線の間の誘電体層を構成する。
【００５９】この誘電体層４４の上に、ＧａＡｓで形成
された高移動度の半導体層４５のパターンおよびその上
に形成されたＹＢＣＯの超伝導体層４６のパターンが形
成される。この配線層にＩＣ４８のピンが接続されてい
る。
された高移動度の半導体層４５のパターンおよびその上
に形成されたＹＢＣＯの超伝導体層４６のパターンが形
成される。この配線層にＩＣ４８のピンが接続されてい
る。
【００６０】このように、回路基板上の配線として超伝
導体と半導体の積層構造を用いることにより、極めて高
速でかつ無損失、無ひずみの配線を提供することが可能
となる。
導体と半導体の積層構造を用いることにより、極めて高
速でかつ無損失、無ひずみの配線を提供することが可能
となる。
【００６１】なお、半導体としてＩｎＳｂを用いた場
合、そのキャリア密度が５×１０17ｃｍ-3の場合、半導
体のコヒーレンス長は約３００Åである。このコヒーレ
ンス長に等しい深さのとき、超伝導状態は約半分程度に
低下する。しかしながら、コヒーレンス長を越えても超
伝導状態は継続し、その３〜５倍程度を超伝導配線とし
て用いることが有効である。
合、そのキャリア密度が５×１０17ｃｍ-3の場合、半導
体のコヒーレンス長は約３００Åである。このコヒーレ
ンス長に等しい深さのとき、超伝導状態は約半分程度に
低下する。しかしながら、コヒーレンス長を越えても超
伝導状態は継続し、その３〜５倍程度を超伝導配線とし
て用いることが有効である。
【００６２】なお、コヒーレンス長は半導体内のキャリ
ア濃度、半導体の種類等によって変化する。製造技術等
との関連も考慮すると、半導体層の厚さは３０００Å以
下、より好ましくは１０００Åとすることが好ましい。
ア濃度、半導体の種類等によって変化する。製造技術等
との関連も考慮すると、半導体層の厚さは３０００Å以
下、より好ましくは１０００Åとすることが好ましい。
【００６３】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。
【００６４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体と超伝導体を近接配置することにより、半導体を
超伝導化させ、配線として利用することができる。半導
体を用いて無損失、無ひずみの配線を形成することがで
きる。
半導体と超伝導体を近接配置することにより、半導体を
超伝導化させ、配線として利用することができる。半導
体を用いて無損失、無ひずみの配線を形成することがで
きる。
【００６５】半導体としてキャリアの有効質量が小さな
材料、キャリアの移動度の高い材料を用いると、超伝導
体を用いた場合と比較して、より高速な信号伝送路を形
成することもできる。
材料、キャリアの移動度の高い材料を用いると、超伝導
体を用いた場合と比較して、より高速な信号伝送路を形
成することもできる。
【００６６】このような配線を用いることにより、超伝
導素子、半導体素子等を用いた信号処理回路において、
発熱の低減による回路の高速化、信号処理の高信頼化、
信号処理の高速化が可能となる。コンピュータを初めと
する信号処理装置の性能の向上に寄与するところが大き
い。
導素子、半導体素子等を用いた信号処理回路において、
発熱の低減による回路の高速化、信号処理の高信頼化、
信号処理の高速化が可能となる。コンピュータを初めと
する信号処理装置の性能の向上に寄与するところが大き
い。
【図１】本発明の基本実施例による配線構造を示す断面
図およびその機能を説明する模式図である。
図およびその機能を説明する模式図である。
【図２】従来の技術による超伝導配線の構造を示す断面
図である。
図である。
【図３】本発明の実施例による超伝導配線の構成例を示
す断面図である。
す断面図である。
【図４】本発明の実施例による超伝導配線の構成例を示
す断面図である。
す断面図である。
【図５】本発明の実施例による超伝導配線の構成例を示
す断面図である。
す断面図である。
【図６】本発明の実施例による超伝導配線の構成例を示
す断面図である。
す断面図である。
【図７】本発明の実施例による超伝導配線の構成例を示
す断面図である。
す断面図である。
【図８】本発明の実施例によるジョセフソン素子を用い
た回路の断面図である。
た回路の断面図である。
【図９】従来の技術によるジョセフソン素子を用いた回
路の断面図である。
路の断面図である。
【図１０】本発明の実施例による配線基板の構成を示す
斜視図である。
斜視図である。
１ 基板 ２、６ 超伝導体層 ３、５ 半導体層 ４ 誘電体層 １１ 基板 １２、１６ 超伝導体層 １３、１５ 半導体層 １４ 誘電体層 ２２、２６、３４ 超伝導体層 ２３、２５ 半導体層 ４２、４６ 超伝導体層 ４３、４５ 半導体層 ４４ 誘電体層
Claims (7)
- 【請求項１】 基板と、 基板上に配置され、超伝導体で形成された第１配線部分
と、 半導体で形成され、前記第１配線部分と近接して基板上
に配置され、少なくとも一部近接効果によって超伝導状
態になる第２配線部分とを有する超伝導配線装置。 - 【請求項２】 前記第２配線部分が前記第１配線部分よ
りも小さな磁場侵入長を有する請求項１記載の超伝導配
線装置。 - 【請求項３】 前記第２配線部分が延在したストリップ
状の形状を有し、前記第１配線部分が第２配線部分の側
面および上面を覆う請求項１ないし２記載の超伝導配線
装置。 - 【請求項４】 前記第１配線部分がＮｂまたはＮｂＮを
主成分として形成され、前記第２配線部分がＩｎＳｂ、
ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＰおよびこれらの混晶のいず
れかを主成分として形成されている請求項１〜３のいず
れかに記載の超伝導配線装置。 - 【請求項５】 前記第２配線部分が、不純物濃度が低
く、比較的狭いバンドギャップを有する半導体で形成さ
れた電子走行層と、電子走行層に隣接して配置され、ｎ
型にドープされ、比較的広いバンドギャップを有する半
導体で形成された電子供給層を有する請求項１〜４のい
ずれかに記載の超伝導配線装置。 - 【請求項６】 さらに、基板と第１配線部分および第２
配線部分との間に配置された誘電体層と、 前記誘電体層と基板との間に配置され、超伝導体で形成
された第３配線部分と、 前記第３配線部分に近接して誘電体層と基板との間に配
置され、半導体で形成され、少なくとも一部近接効果に
よって超伝導状態になる第４配線部分とを有する請求項
１〜５のいずれかに記載の超伝導配線装置。 - 【請求項７】 さらに、第１配線部分と第２配線部分と
の間に配置された金属の中間層を含む請求項１〜６のい
ずれかに記載の超伝導配線装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5225513A JPH0786644A (ja) | 1993-09-10 | 1993-09-10 | 超伝導配線装置 |
| US08/601,646 US5760463A (en) | 1993-09-10 | 1996-02-14 | Superconducting layer in contact with group III-V semiconductor layer for wiring structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5225513A JPH0786644A (ja) | 1993-09-10 | 1993-09-10 | 超伝導配線装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0786644A true JPH0786644A (ja) | 1995-03-31 |
Family
ID=16830499
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5225513A Pending JPH0786644A (ja) | 1993-09-10 | 1993-09-10 | 超伝導配線装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5760463A (ja) |
| JP (1) | JPH0786644A (ja) |
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| US6642608B1 (en) * | 2002-07-31 | 2003-11-04 | Northrop Grumman Corporation | MoNx resistor for superconductor integrated circuit |
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-
1993
- 1993-09-10 JP JP5225513A patent/JPH0786644A/ja active Pending
-
1996
- 1996-02-14 US US08/601,646 patent/US5760463A/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5760463A (en) | 1998-06-02 |
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