(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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半導体結合超伝導素子。
【請求項２】
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半導体結合超伝導素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【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ＩnXＧa1-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ρc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ρc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】
１  ＮbＮ超伝導電極層（ソース）
２  ＮbＮ超伝導電極層（ドレイン）
３  ゲート電極層
４  Ｉn−Ｓn挿入層
５  ノンドープのＡlＧaＡs層
６  ノンドープのＧaＡs層
７  ２次元電子ガス
８  ノンドープのＡlＧaＡs層
９  ｎ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
１５  ２次元電子ガス
１６  ノンドープのＩnＡlＡs層
１７  ｎ型ＩnＡlＡs層
１８  ノンドープのＩnＡlＡs層
１９  ＩnＰ基板
【図１】
0003698304.tif 000002
【図２】
0003698304.tif 000003
【図３】
0003698304.tif 000004
【図４】
0003698304.tif 000005
【図５】
0003698304.tif 000006