(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融温度が低い金属と前記金属より溶融温度が高く、かつ他方の金属への拡散が起こらない金属とを前記溶融温度が低い金属が液体状態で前記溶融温度が高い金属とメゾスコピック接合してなる金属−金属接合整流素子。
【請求項２】
融点温度の高い金属が液体状金属と接合する側で径が減少する探針形状構造であることを特徴とする請求項１に記載のメゾコンタクト接合してなる金属−金属接合整流素子。
【請求項３】
溶融温度が低い金属がＰｂまたはＧａ１−ｘＩｎｘ（０≦ｘ≦（０≦１）であり、溶融温度が高い金属がＷまたはＮｉであることを特徴とする請求項１または２に記載のメゾスコピック接合してなる金属−金属接合整流素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な構造の整流素子、すなわち、溶融温度に大きな差があり、かつ金属相互に拡散が起こらない（拡散によって半導体特性の領域が形成されない。）異種の金属をメゾスコピック接合してなる金属−金属接合整流素子に関する。
なお、本明細書において、メゾスコピック接合（メゾスコピックコンタクト）とは、量子化電流が安定化している前記金属−金属特有の接合状態を意味し。量子化電流が安定化しているとは、例えば、図１のように、コンダクタンス（２ｅ２／ｈ、ここでｅは電子の電荷量、ｈはプランクの定数である。）が横軸の時間に対して一定である特性を持った状態をいう（ここではコンダクタンスが≒０．５である。）。
このような、構成の整流素子を実現することにより、ナノメートル〜サブミクロンサイズの整流素子を設計でき、従来の整流素子がその特性を発揮できない例えば数百度℃（低融点金属の融点以上）のような高い温度においても整流性を発揮する素子として利用できる。
【０００２】
【従来技術】
従来から、金属ナノワイヤーを形成して、量子コンダクタンスの特性が研究されている。量子コンダクタンスとは、電流の増加が、電圧の変化に対して階段状の不連続な変化を示す特性である。
このような量子コンダクタンス（メゾスコピックコンダクタンス）の特性が、一方の電極を固定し、他方の電極を前記電極に押し付けた後、他方の電極を離して行く進行の過程において、両電極（それぞれを構成する金属電極）のナノコンタクトが破れる直前にあらわれることが観察されたことが報告がされている〔Ｐ．Ａ．Ｓｅｒｅｎａ  ａｎｄ  Ｎ．Ｇａｒｃｉａ著「Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ」第１７０−１９０頁参照。〕。
ここでは、金属として金およびニッケルのナノワイヤーを実現した場合におけるコンダクタンスの実験について報告され、量子コンダクタンス（メゾスコピックコンダクタンス）を明瞭に示す電流の階段増加特性〔電圧に対する電流のジャンプ（非線形性）〕が観察されたことが報告されている。
そして、多くの観察において前記量子コンダクタンス値のあらわれる頻度（ヒストグラム）から、安定なコンダクタンス状態、すなわち、長時間にわたって安定的なコンダクタンスを示す状態が観察されることが報告されている。
また、安定なナノコンタクト（安定電流状態）においてＩ−Ｖ特性カーブが測定されることが説明されている。
【０００３】
また、整流特性を示す素子は多数提案され実用化されている。
本発明者らは、融点の異なる金属の組み合わせを用いて、例えば、融点が比較的高い金属と、融点が比較的低く、常温で液体または前記金属が常温で固体の場合には加熱により溶融した液状の金属とをメゾスコピック接合した場合の量子化コンダクタンスを観察する実験中、通常は導体と導体の接合においては電流−電圧特性に非対称性、非線形性はないのが普通であるが、驚くべきことに電流−電圧特性に非対称性現象、すなわち整流特性があらわれる条件があることを発見した。
【０００４】
そこで、金属の組み合わせを色々変え、比較的融点の高い金属、例えばＷ、Ｎｉで、走査電子顕微鏡写真（図２）で見られる構造の一方の導体を作り、この導体を、常温で液状の金属、または前記金属より融点の低い金属（合金）、例えばＰｂ，Ｇａ１−ｘＩｎｘ（ただし、０≦ｘ≦１）などからなる他方の導体に押し付けて行き、両金属が量子化コンダクタンス構造で安定に接合する条件を多くの観察から統計的に見出し、その安定な条件において電流−電圧特性を観察した。そうすると、電流−電圧特性に非線形現象の現れることを発見した。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、異種の金属と金属を量子化コンダクタンスが起こる構造を介して接合する場合に起こる、前記電流−電圧特性の非線形現象の現れる構成を具体的に観察し、その現象が実験的な裏付けを持っていることを証明し、従来にない全く新しい整流素子の開発、それの利用性を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、溶融温度が低い（常温液体の場合を含む。）金属と前記金属より溶融温度が高く、かつ他方の金属への拡散が起こらない金属とを前記溶融温度が低い金属が液体状態で前記溶融温度が高い金属とメゾスコピック接合してなる金属−金属接合整流素子である。好ましくは、融点温度の高い金属が液体状金属と接合する側で径が減少する探針形状構造であることを特徴とする前記メゾスコピック接合してなる金属−金属接合整流素子であり、より好ましくは、溶融温度が低い金属がＰｂまたはＧａ１−ｘＩｎｘ（０≦ｘ≦（０≦１）であり、溶融温度が高い金属がＷまたはＮｉであることを特徴とする前記メゾスコピック接合してなる金属−金属接合整流素子である。本発明者は、異種の金属を組み合わせた、メゾスコピック接合において、電流−電圧特性に非線形現象の現れる構成があることを偶然にも発見することによって、前記課題を実現したものである。そして、金属−金属接合整流素子は、金属の組み合わせが同じであっても、整流特性が全く逆の現象が確実に観察されることは極めて興味深いことである。
【０００７】
【本発明の実施の態様】
本発明をより詳細に説明する。
Ａ．本発明の異種の金属を組み合わせたメゾスコピック接合において、電流−電圧特性に非線形現象が現れる現象は、いかなる原理、機構によって現れるのかは、明確に説明することはできないが、確実に起こっている現象であることは、以下に具体例で示すように明らかである。
【０００８】
Ｂ．本発明を裏付ける実験では、接合する各金属の接合面から構造は非対称的である、すなわち、走査電子顕微鏡写真（図２）から理解されるように、高融点の一方の金属（これを金属Ａと表現する場合もある。）は接合する先端に行くに従って径が減少している構造であるのに対し、低融点の他方の金属（常温で液体の金属、合金を含む。これを金属Ｂと表現する場合もある。）は平面を有する。
ただ、金属Ａを金属Ｂに押し付けて行き、メゾスコピック接合が観察される状態において両金属がどのような状態で接合しているかは観察されていない。
【０００９】
Ｂ．本発明を裏付ける実験では、接合する各金属の組み合わせを、融点が異なり、金属の接合面近傍で拡散現象が起こらないものに限定している。
これは、実験で使用したものが、そのようなものであり、前記文献に記載の同一の金属をコンタクトさせ、これを引き離して行く過程において、量子コンダクタンス（メゾスコピックコンダクタス）の特性が現れるのを観察するものとは異なる。また、前記文献では、整流現象を証明する下記の式（１）において、
Ｉ＝ａＶ＋ｂＶ２＋ｃＶ３・・式（１）（但し、Ｉは電流、Ｖは電圧、ａ，ｂ，ｃは定数）
二次の項（非対称性）は現れない、と説明している。
更に、拡散現象が起こらないと限定したのは、このような現象によって、非オーミック接合が起こる場合を除くためである。
【００１０】
Ｄ．本発明を裏付ける実験では、接合する金属ＡおよびＢを図３のように配置し、計測器に接続する（この状態は、図２の走査電子顕微鏡写真で示されているように接合している。）。ここで上記実験における計測系を示す。
Ｄ−１．計測系
ＵＨＶ  Ｃｈａｍｂｅｒ〔超真空（２〜５×１０−６Ｐａ）に保たれている。〕内の計測器の構造を図４に示す。直線導入機（Ｐ．Ｐ：例えば：印可電圧により変位させるピエゾ装置を備えたもの）の先端に取り付けられた金属Ａ（ここではＷ針）を、容器（Ｓ．Ｃ）内の金属Ｂ（ここでは図示されていないが、例えばＰｂ）に押し付けて（逆に、押し付けておいて徐々に離すこともできるが再現性が小さい。）、金属コンタクトの太さを変化させる。
直線導入機とＷ針は、碍子（マコール）を挟むことで絶縁している。試料の加熱は、Ｔａ箔のフィラメントをガラス板に挟んで作成したヒーターを定電圧電源（ＮＩＳＴＡＣ  ２５Ｖ−１２Ａ）を用いて通電加熱することにより行う。このため、試料と加熱電源は電気的に絶縁されている。
金属Ｂの温度は、金属Ｂを入れた容器（Ｓ．Ｃ）に取り付けた熱電対（クロメル、アルメル）を温度表示装置であるデジタルマルチメーター（ＦＬＵＫＥ８８４０Ａ）で計測する。また真空室内の配線は、前記図３の通りである。金属Ｂ側を基準電位（接地電位：ＧＮＤ）にとり、Ｗ針側に定電圧電源（菊水  ＰＡＢ８−２．５）で電圧をかけている。Ｗ針と電源の間に電流検出用抵抗（例えば、２．２ｋΩ）を直列につなげ、この抵抗の両端の電位をデジタルストレージスコープ（岩崎通信機  ＤＳ−８６３１）で計測することにより電流を算出する。
【００１１】
Ｄ−２．実験方法
前記計測器でコンタクトの太さを変化させ、形成されたコンタクト構造とコンダクタンスとの関係を１２０または３６０回の測定結果のヒストグラムとした。
金属ＢとしてＰｂ、およびＧａ１−ｘＩｎｘ（但し、ｘは０．１４２である）を用い、以下の手順でコンダクタンスの測定をした。
▲１▼  金属Ｂを、室温から加熱して融解させる（融点が常温以上の場合）。
ちなみに、Ｇａ、ＩｎおよびＧａ０．８５８Ｉｎ０．１４２の融点は、それぞれ、２９．７７４１、１５６．６３４、および１５．２℃である。
▲２▼  金属Ａ、例えばＷにバイアス電圧をかける。
▲３▼  ストレージオシロを単発計測モードに切り替え、トリガをコンダクタンス測定範囲との関連で適当な値に設定する。入力抵抗１ＭΩあるいは５０Ωで、Ｗ針の電位およびＢＩＡＳ電圧を２チャンネル同時に計測した。５０Ωの時は、計器の抵抗の補正のを行った。
▲４▼金属Ａを金属Ｂを押し付けて行く。この時接触部分の抵抗の変化に伴い金属Ａ針側の電位が変化するため、トリガがかかる。
▲５▼ストレージオシロのデータをＰＣ（パーソナルコンピューター）に転送し、表計算ソフトでコンダクタンス（Ｇ）の計算およびヒストグラムの作成をする。
なお、コンダクタンスは以下の式により計算した。
オシロ入力抵抗１ＭΩ使用時
Ｇ＝（Ｖａｐｐｌｉｅｄ／Ｖｍｅａｓｕｒｅｄ−１）／Ｒｓ
ただし、Ｖａｐｐｌｉｅｄはバイアス電圧、ＶｍｅａｓｕｒｅｄはＷ針の電位、Ｒｓは電流検出用抵抗をあらわしている。
また、ストレージオシロの内部抵抗（１ＭΩ、１６ｐＦ）はＲｓおよびＧに比べて十分大きいとみなし、計算式に含まれない。図３にその等価回路を示してある。本実験では、Ｒｓ＝２．２ｋΩ、Ｒ１＝０を用いた。
オシロ入力抵抗５０Ω使用時
Ｇ＝（５０（Ｖａｐｐｌｉｅｄ／Ｖｍｅａｓｕｒｅｄ）−（Ｒｓ＋Ｒ１＋５０））／Ｒｓ（５０＋Ｒ１）
ただし、ＲｓとＲ１は電流検出用抵抗をあらわす。前記図３に等価回路が示してある。本発明の具体例では、Ｒｓ＝Ｒ１＝２．２ｋΩを用いている。
【００１２】
【実施例】
実施例１
金属ＡとしてＷ、金属ＢとしてＰｂを用いた場合。
固体鉛および加熱溶融したＰｂを用いてコンダクタンスの計測を以下の表１の条件で行った。
【００１３】
【表１】
0003590931.tif 000002
【００１４】
コンダクタンスは、測定毎に異なるので、これらを統計的に扱うために、図５に示すように、横軸にコンダクタンスを取り、縦軸に頻度（カウント数）を取った。これにより安定なコンダクタンスの位置を推測できる。例えば、図５（ｂ）のコンダクタンスのヒストグラムにおいて、コンダクタンス約０．５にピークがあるので、このコンダクタンスの安定性を示すために、図１（金属ＡとしてＷ、金属Ｂとして３８０℃の溶融Ｐｂ）のように、横軸に時間を取り、経過時間毎のコンダクタンスを縦軸とした計測を行った。
図６に、前記安定条件において、金属Ａ（この場合Ｗ）に加える電圧−電流特性を計測したところ、図６（ａ）〜（ｄ）から半導体特性を特性が得られることが分かり、図６（ａ）〜（ｄ）を比べると、金属の組み合わせが同じでも、全く逆の半導体特性を示すことが理解される。
図７は、前記式（１）において、コンダクタンスを横軸に取り、コンダクタンスと変数電圧との相関における、定数ａ，ｂ，およびｃの変化を縦軸に取ってフィティングパラメータとして観察したものである。コンダクタンス約０．５付近に定数ｂが０から大きく変位しており（↑で示した）、非対称性を示す二次の項が現れており、半導体特性を支持している。
【００１５】
実施例２
金属ＡとしてＷおよびＮｉ、金属ＢとしてＧａ１−ｘＩｎｘ（但し、ｘは０．１４２である：融点１５．３℃）を用いた場合。
常温においていＧａ０．８５８Ｉｎ０．１４２に、ＷまたはＮｉ針を押し付けて、量子コンダクタンス（メゾスコピックコンダクタス）のコンタクトを実現し、電圧−電流特性を計測した。図８に金属ＡとしてＷを使用した場合を、図９に金属ＡとしてＮｉを使用した場合の、電圧−電流特性を示す。これらの結果から、半導体特性が観察される。この観察は表２の条件で行った。
【００１６】
【表２】
0003590931.tif 000003
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように、全く新しい原理に基づく半導体素子を設計でき、かつ、高温において半導体特性を示すから、特殊な条件の下で作動する半導体素子としての利用が可能になるという優れた作用・効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コンダクタンス（２ｅ２／ｈ、ここでｅは電子の電荷量、ｈはプランクの定数である。）の安定状態
【図２】金属Ａと金属Ｂとの接合を示すの走査電子顕微鏡写真
【図３】コンダクタンスを測定するための等価回路
【図４】ＵＨＶ  Ｃｈａｍｂｅｒ〔超真空（２〜５×１−６Ｐａ）に保たれている。〕内の計測器の構造
【図５】金属ＡとしてＷを使用し、金属ＢとしてＰｂを使用した場合のコンダクタンスのヒストグラム
【図６】金属ＡとしてＷを使用し、金属ＢとしてＰｂを使用した場合の、半導体特性を示す
【図７】コンダクタンスと変数電圧との相関を示す、式（１）の定数ａ，ｂ，およびｃのフィティングパラメータ
【図８】金属ＡとしてＷを使用し、金属ＢとしてＧａ０．８５８Ｉｎ０．１４２を使用した場合の、半導体特性を示す
【図９】金属ＡとしてＮｉを使用し、金属ＢとしてＧａ０．８５８Ｉｎ０．１４２を使用した場合の、半導体特性を示す
【符号の説明】
Ｓ．Ｃ  金属Ｂの容器    Ｐ．Ｐ  直線導入機
Ｖａｐｐｌｉｅｄ  バイアス電圧  Ｖｍｅａｓｕｒｅｄ  金属Ａの電位
Ｒｓ、Ｒ１  電流検出用抵抗
【図１】
0003590931.tif 000004
【図２】
0003590931.tif 000005
【図３】
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【図４】
0003590931.tif 000007
【図５】
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【図６】
0003590931.tif 000009
【図７】
0003590931.tif 000010
【図８】
0003590931.tif 000011
【図９】
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