(57)【要約】【課題】カーボンナノチューブを用いた超伝導三端子素子がより容易に製造できるようにする。【解決手段】シリコンからなる基板１０１の上に所定の間隔をあけて設けられたコバルト珪化物から構成された超伝導ソース電極１０２ａ及び超伝導ドレイン電極１０２ｂと、これらの間に架橋するように形成されたカーボンナノチューブ１０３と、この上に配置されたゲート電極１０５とにより、超伝導三端子素子を構成する。【選択図】  図１
2006024617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に所定の間隔をあけて配置されたコバルト珪化物からなる超伝導ソース電極及び超伝導ドレイン電極と、
前記超伝導ソース電極及び前記超伝導ドレイン電極の間に架橋して形成されたカーボンナノチューブと、
前記カーボンナノチューブに所定の間隔をあけて設けられたゲート電極と
を備えることを特徴とする超伝導三端子素子。
【請求項２】
請求項１記載の超伝導三端子素子において、
前記ゲート電極は、ゲート絶縁膜を挾むことで前記カーボンナノチューブに所定の間隔をあけて設けられている
ことを特徴とする超伝導三端子素子。
【請求項３】
請求項１記載の超伝導三端子素子において、
前記ゲート電極は、前記基板の平面方向に前記カーボンナノチューブに所定の間隔をあけて設けられている
ことを特徴とする超伝導三端子素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の超伝導三端子素子において、
前記超伝導ソース電極及び超伝導ドレイン電極は、前記基板の上に絶縁層を介して形成されている
ことを特徴とする超伝導三端子素子。
【請求項５】
基板の上に、所定の間隔をあけて対向配置したコバルトからなる２つのコバルトパターンを、下層にシリコン層を備えてこのシリコン層に接した状態で形成された状態とする工程と、
前記コバルトパターンを触媒とした化学的気相成長法により、２つの前記コバルトパターンの間に架橋するカーボンナノチューブが形成された状態とする工程と、
所定温度以上に加熱することで前記シリコン層と前記コバルトパターンとを固相により反応させて２つの前記コバルトパターンをシリサイド化し、コバルト珪化物からなる超伝導ソース電極及び超伝導ドレイン電極が形成された状態とする工程と、
前記カーボンナノチューブに所定の間隔をあけて配置されたゲート電極が形成された状態とする工程と
を少なくとも備えることを特徴とする超伝導三端子素子の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の超伝導三端子素子の製造方法において、
シリコンからなる前記基板に接して２つの前記コバルトパターン基板を形成し、
所定の間隔をあけて対向配置したコバルトからなる２つのコバルトパターンを、下層にシリコン層を備えてこのシリコン層に接した状態で形成された状態とする
ことを特徴とする超伝導三端子素子の製造方法。
【請求項７】
請求項５記載の超伝導三端子素子の製造方法において、
前記基板の上に所定の間隔をあけて対向配置した２つのシリコンパターンを形成し、
２つの前記シリコンパターンの上に各々接して２つの前記コバルトパターンを形成し、
所定の間隔をあけて対向配置したコバルトからなる２つのコバルトパターンを、下層にシリコン層を備えてこのシリコン層に接した状態で形成された状態とする
ことを特徴とする超伝導三端子素子の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の超伝導三端子素子の製造方法において、
前記シリコンパターンは、前記基板の上に絶縁層を介して形成する
ことを特徴とする超伝導三端子素子の製造方法。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれか１項に記載の超伝導三端子素子の製造方法において、
前記カーボンナノチューブにゲート絶縁膜を形成する工程を備え、
前記ゲート電極を前記ゲート絶縁膜の上に形成することで、前記カーボンナノチューブに所定の間隔をあけて配置された前記ゲート電極が形成された状態とする
ことを特徴とする超伝導三端子素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子コンピュータなどに用いられる超伝導三端子素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気的，磁気的に特異な特性を備えた超伝導素子は、高速かつ低消費電力で動作し、エレクトロニクス分野においては有用な素子である。特に、超伝導電流をゲート電圧で制御する超伝導三端子素子は、量子コンピュータへの応用が研究されている。
超伝導三端子素子としては、カーボンナノチューブを用いたジョセフソン接合電界効果トランジスタ（ＪＯＦＥＴ）が提案されている（非特許文献１参照）。例えば、径（幅）が２３ｎｍ程度の束にした単層カーボンナノチューブに、２．５μＡの最大超伝導臨界電流Ｉｃが流れることが確認されており（非特許文献２参照）、ＪＯＦＥＴへの応用が期待されている。
【０００３】
上述したＪＯＦＥＴは、図５に示すように、シリコン基板５０１の上に酸化シリコンからなる絶縁層５０２を介して配置されたカーボンナノチューブ５０４を備え、カーボンナノチューブ５０４の両端が、超伝導ソース電極５０５，超伝導ドレイン電極５０６に接続され、シリコン基板５０１の裏面にゲート電極となる電極層５０７を備えたものである。カーボンナノチューブ５０４は、触媒金属部５０３ａ，５０３ｂの間に、よく知られたＣＣＶＤ（触媒化学蒸着）法により形成されたものである。
【０００４】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】A.F.Morpurgo, J.Kong, M.Marcus, H.Dai, "Gate-Controlled Superconducting Proximity Effect in Carbon Nanotubes" Science, vol.286, pp.263-265,8 October 1999.
【非特許文献２】A.Yu. Kasumov,R.Deblock, M.Kociak, B.Reulet, H.Bouchiat, I.I.Khodos, Yu.B.Gorbatov, V.T.Volkov, C.Journet, and M.Burghard, "Supercurrents Through Single-Walled Carbon Nanotubes" Science, vol.284, pp.1508-1511, 28 May 1999.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した超伝導三端子素子では、カーボンナノチューブ５０４を２つの触媒金属部５０３ａ，５０３ｂの間に架橋させるために、２つの触媒金属部５０３ａ，５０３ｂの間隔は２μｍ以下にする必要がある。一方で、各々が接触しない状態で、超伝導ソース電極５０５及び超伝導ドレイン電極５０６を、カーボンナノチューブ５０４に接続させる必要がある。
従って、非常に狭い間隔内で、各々が接触しない状態に、超伝導ソース電極５０５及び超伝導ドレイン電極５０６を形成することになる。
【０００６】
このため、従来では、製造における寸法の余裕が非常に少なく、超伝導ソース電極５０５及び超伝導ドレイン電極５０６の形成には、レーザ干渉計を用いた電子ビーム露光装置を用いるなど、高い位置精度や寸法精度が要求されていた。
このように、従来では、カーボンナノチューブを用いた超伝導三端子素子の製造が容易ではないという問題があった。
本発明は、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、カーボンナノチューブを用いた超伝導三端子素子がより容易に製造できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る超伝導三端子素子は、基板の上に所定の間隔をあけて配置されたコバルト珪化物からなる超伝導ソース電極及び超伝導ドレイン電極と、超伝導ソース電極及び超伝導ドレイン電極の間に架橋して形成されたカーボンナノチューブと、カーボンナノチューブに所定の間隔をあけて設けられたゲート電極とを備えるようにしたものである。
従って、カーボンナノチューブが架橋する間隔と超伝導ソース電極及び超伝導ドレイン電極の間隔とが、ほぼ等しい状態となっている。
【０００８】
上記超伝導三端子素子において、ゲート電極は、ゲート絶縁膜を挾むことでカーボンナノチューブに所定の間隔をあけて設けられていればよい。また、ゲート電極は、基板の平面方向にカーボンナノチューブに所定の間隔をあけて設けられていてもよい。
上記超伝導三端子素子において、超伝導ソース電極及び超伝導ドレイン電極は、基板の上に絶縁層を介して形成されていてもよい。
【０００９】
また、本発明に係る超伝導三端子素子の製造方法方法は、まず、基板の上に、所定の間隔をあけて対向配置したコバルトからなる２つのコバルトパターンを、下層にシリコン層を備えてこのシリコン層に接した状態で形成された状態とし、次に、コバルトパターンを触媒とした化学的気相成長法により、２つのコバルトパターンの間に架橋するカーボンナノチューブが形成された状態とし、次に、所定温度以上に加熱することでシリコン層とコバルトパターンとを固相により反応させて２つのコバルトパターンをシリサイド化し、コバルト珪化物からなる超伝導ソース電極及び超伝導ドレイン電極が形成された状態とし、この後、カーボンナノチューブに所定の間隔をあけて配置されたゲート電極が形成された状態とするようにしたものである。
従って、超伝導ソース電極及び超伝導ドレイン電極の間隔が、カーボンナノチューブが架橋する間隔にほぼ等しい状態に形成される。
【００１０】
上記超伝導三端子素子の製造方法において、シリコンからなる基板に接して２つのコバルトパターン基板を形成することで、所定の間隔をあけて対向配置したコバルトからなる２つのコバルトパターンを、下層にシリコン層を備えてこのシリコン層に接した状態で形成された状態とすることができる。また、基板の上に所定の間隔をあけて対向配置した２つのシリコンパターンを形成し、２つのシリコンパターンの上に各々接して２つのコバルトパターンを形成することで、所定の間隔をあけて対向配置したコバルトからなる２つのコバルトパターンを、下層にシリコン層を備えてこのシリコン層に接した状態で形成された状態としてもよい。この場合、シリコンパターンは、基板の上に絶縁層を介して形成してもよい。
【００１１】
上記記載の超伝導三端子素子の製造方法において、カーボンナノチューブにゲート絶縁膜を形成する工程を備え、ゲート電極をゲート絶縁膜の上に形成することで、カーボンナノチューブに所定の間隔をあけて配置されたゲート電極が形成された状態とすればよい。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、コバルト珪化物から超伝導ソース電極及び超伝導ドレイン電極を構成したので、超伝導ソース電極及び超伝導ドレイン電極の間隔は、カーボンナノチューブが架橋する間隔にほぼ等しい状態に形成すればよく、カーボンナノチューブを用いた超伝導三端子素子がより容易に製造できるようになるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における超伝導三端子素子の構成例を示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。図１に示す超伝導三端子素子は、例えばシリコンからなる基板１０１と、基板１０１の上に所定の間隔をあけて設けられたコバルト珪化物から構成された超伝導ソース電極１０２ａ及び超伝導ドレイン電極１０２ｂと、超伝導ソース電極１０２ａ及び超伝導ドレイン電極１０２ｂの間に架橋するように形成されたカーボンナノチューブ１０３とを備える。
【００１４】
また、図１に示す超伝導三端子素子は、カーボンナノチューブ１０３の上に、ゲート絶縁膜１０４を介してゲート電極１０５を備える。ゲート絶縁膜１０４は、例えば酸化シリコンや窒化シリコンから構成すればよい。ゲート電極１０５は、例えば、チタンからなる下層と金からなる上層を備えた金属の積層構造とすればよい。
図１に示す超伝導三端子素子では、ゲート電極１０５に電圧をかけることでカーボンナノチューブ１０３における超伝導電流のキャリアの濃度を変化させ、カーボンナノチューブ１０３を流れる超伝導電流を制御する。
【００１５】
図１に示す超伝導三端子素子は、超伝導ソース電極１０２ａ及び超伝導ドレイン電極１０２ｂをコバルトから構成しておき、これらの間にカーボンナノチューブ１０３を形成し、この後、コバルトをシリサイド化してコバルト珪化物とすることで製造できる。従って、図１に示す超伝導三端子素子では、カーボンナノチューブ１０３を形成するためには、超伝導ソース電極１０２ａ及び超伝導ドレイン電極１０２ｂの間隔が２μｍ程度に形成されていればよいため、あまり高い寸法精度を必要とせずに、容易に製造可能である。
【００１６】
なお、コバルト珪化物は、膜厚が１０ｎｍ以上で超伝導臨界温度１Ｋ程度の超伝導体となる（P.A.Badoz, A.Briggs, E.Rosencher, F.Aenaud d'Avitaya, C.d'Anterroches, "Low-temperature transport properties of ultrathin CoSi2 epitaxial films" Appl.Phys.Lett. Vol.51 (3), pp.169-171, 20 July 1987.）。
【００１７】
以下、図１に示す超伝導三端子素子の製造方法例についてより詳細に説明する。
まず、基板１０１の上に、超伝導ソース電極１０２ａ及び超伝導ドレイン電極１０２ｂを形成する領域に開口部を備えたマスクパターンを形成し、ついで、真空蒸着法もしくはスパッタ法により、コバルトを堆積してコバルト膜を形成する。この後、上記マスクパターンを除去し、マスクパターン上のコバルト膜を除去することで図２（ａ）に示すように、基板１０１の上に所定の間隔をあけて対向配置するコバルトパターン１１２ａ及びコバルトパターン１１２ｂが形成された状態とする。
【００１８】
次に、基板１０１を所定の熱ＣＶＤ装置の成膜室内に搬入して固定し、成膜室内部を所定の圧力にまで減圧して排気をした後、成膜室内にＡｒなどの不活性ガスを導入してパージする。この後、基板１０１を８００℃程度に加熱し、メタンガスを所定の流速で基板１０１の上を流通させた状態とし、コバルトパターン１１２ａ及びコバルトパターン１１２ｂの表面がメタンガスに晒された状態とする。このことにより、図２（ｂ）に示すように、コバルトパターン１１２ａ及びコバルトパターン１１２ｂの間にカーボンナノチューブを成長させ、カーボンナノチューブ１０３が形成された状態とする。
【００１９】
メタンを原料ガスとした化学的気相成長（ＣＶＤ）法を用いると、８００℃の温度条件で２μｍ程度の間隔で配置された２つのコバルトパターン間に、架橋するように炭層のカーボンナノチューブが形成されることが確認されている。また、コバルトとシリコンとの間の固相反応によるシリサイド化は、８００℃の温度条件ではほとんど進行せず、８５０℃以上で始まることが判明している（Y.Homma, Y.Kobayashi, T.Ogino, and T.Yamashita, "Growth of suspended carbon nanotube networks on 100-nm-scale silicon pillars" Appl.Phys.Lett., Vol.81, No.12, pp.2261-2263, 16 September 2002. ）。
なお、カーボンナノチューブ１０３は、プラズマＣＶＤ法や熱フィラメントＣＶＤ法を用いて形成してもよい。これらの方法によれば、カーボンナノチューブ１０３を、８００℃以下のより低温で形成できるようになる。
【００２０】
以上のようにして、カーボンナノチューブ１０３を形成した後、上記成膜室内への原料ガスの供給を停止し、成膜室の内部にＡｒガスを供給してパージする。引き続いて、基板１０１の加熱温度を８５０℃以上に上昇させる。これらのことにより、コバルトパターン１１２ａ及びコバルトパターン１１２ｂと基板１０１との間の固相反応により、コバルトパターン１１２ａ及びコバルトパターン１１２ｂをシリサイド化する。
【００２１】
このように、コバルトのパターンの下にシリコンの層を用意しておくことで、加熱により容易にコバルト珪化物からなる超伝導ソース電極１０２ａ及び超伝導ドレイン電極１０２ｂが形成できる。この結果、図２（ｃ）に示すように、カーボンナノチューブ１０３が、超伝導ソース電極１０２ａ及び超伝導ドレイン電極１０２ｂの間に架橋するように形成された状態が得られる。この後、基板加熱を停止して自然冷却した後、基板１０１を成膜室より搬出する。なお、上記シリサイド化は、他の加熱装置で行うようにしてもよい。
【００２２】
以上のようにして超伝導ソース電極１０２ａ及び超伝導ドレイン電極１０２ｂを形成した後、図２（ｄ）に示すように、カーボンナノチューブ１０３の上に、ゲート絶縁膜１０４を介してゲート電極１０５が形成された状態とすれば、超伝導三端子素子が得られる。  以上に説明したように、図２を用いて説明した製造方法によれば、超伝導ソース電極１０２ａ及び超伝導ドレイン電極１０２ｂは、μｍオーダーの寸法制御により形成できるので、製造が容易である。
【００２３】
ところで、上述では、コバルトパターンの下に用意するシリコン層としてシリコン基板を利用し、基板を構成しているシリコンとの間の固相反応によりシリサイド化を行うようにしたが、これに限るものではなく、図３に示すように、基板とは別にシリコン層を用意してシリサイド化を行うようにしてもよい。まず、基板３０１の上に、公知の化学的気相成長（ＣＶＤ）法などによりＳｉＯ2を堆積して膜厚０．１〜０．２μｍ程度の絶縁層３０２が形成された状態とする。なお、絶縁層３０２は、熱酸化により形成してもよく、また、窒化シリコンから構成してもよい。
【００２４】
次に、超伝導ソース電極及び超伝導ドレイン電極を形成する領域に開口部を備えたマスクパターンを絶縁層３０２の上に形成し、まず、公知のＣＶＤ法などによりシリコン膜を形成し、ついで、真空蒸着法もしくはスパッタ法により、コバルトコバルト膜を形成する。この後、上記マスクパターンを除去し、マスクパターン上のシリコン膜及びコバルト膜を除去することで図３（ａ）に示すように、基板３０１の上に所定の間隔をあけて対向配置するシリコンパターン３０３ａ及びシリコンパターン３０３ｂと、同様の間隔をあけて対向配置するコバルトパターン３１４ａ及びコバルトパターン３１４ｂが形成された状態とする。シリコンパターンとコバルトパターンとは、積層している。
【００２５】
次に、基板３０１を所定の熱ＣＶＤ装置の成膜室内に搬入して固定し、成膜室内部を所定の圧力にまで減圧して排気をした後、成膜室内にＡｒなどの不活性ガスを導入してパージする。この後、基板３０１を８００℃程度に加熱し、メタンガスを所定の流速で基板３０１の上を流通させた状態とし、コバルトパターン３１４ａ及びコバルトパターン３１４ｂの表面がメタンガスに晒された状態とする。このことにより、図３（ｂ）に示すように、コバルトパターン３１４ａ及びコバルトパターン３１４ｂの間にカーボンナノチューブを成長させ、カーボンナノチューブ３０５が形成された状態とする。
【００２６】
次に、上記成膜室内への原料ガスの供給を停止し、成膜室の内部にＡｒガスを供給してパージする。引き続いて、基板３０１の加熱温度を８５０℃以上に上昇させる。これらのことにより、コバルトパターン３１４ａ及びコバルトパターン３１４ｂと、これらの下層のシリコンパターン３０３ａ及びシリコンパターン３０３ｂとの間の固相反応により、コバルトパターン３１４ａ及びコバルトパターン３１４ｂをシリサイド化する。
【００２７】
以上のことにより、図３（ｃ）に示すように、カーボンナノチューブ３０５が、超伝導ソース電極３０４ａ及び超伝導ドレイン電極３０４ｂの間に架橋するように形成された状態が得られる。
図３を用いて説明した製造方法によれば、基板３０１の上に絶縁層３０２を介して超伝導ソース電極３０４ａ及び超伝導ドレイン電極３０４ｂが形成された状態が得れる。この構成とすることで、超伝導ソース電極３０４ａ及び超伝導ドレイン電極３０４ｂと基板３０１との間のリークが低減できる。
【００２８】
ところで、図１に示した超伝導三端子素子のゲート電極１０５は、図４に示すように構成してもよい。図４は、本発明の実施の形態における超伝導三端子素子の他の構成例を示す平面図である。図４に示す超伝導三端子素子は、２つのゲート電極４０５ａ，４０５ｂを所定の間隔をあけて設け、２つのゲート電極４０５ａ，４０５ｂに挾まれるようにカーボンナノチューブ１０３が配置されている。図４に示す超伝導三端子素子では、ゲート電極４０５ａ，４０５ｂとカーボンナノチューブ１０３との間の間隙が、図１に示すゲート絶縁膜１０４に対応している。なお、ゲート電極４０５ａ，４０５ｂは、どちらか一方が設けられていればよい。
【００２９】
なお、カーボンナノチューブ１０３は、１本のカーボンナノチューブから構成してもよく、複数本のカーボンナノチューブの束から構成してもよい。また、カーボンナノチューブ１０３は、単層カーボンナノチューブであってもよく、多層カーボンナノチューブであってもよい。例えば、コバルトパターン１１２ａ及びコバルトパターン１１２ｂの寸法を制御することで、成長するカーボンナノチューブの状態を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態における超伝導三端子素子の構成例を示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【図２】図１に示す超伝導三端子素子の製造方法例を説明する工程図である。
【図３】本発明における超伝導三端子素子の他の製造方法例を説明する工程図である。
【図４】本発明の実施の形態における超伝導三端子素子の他の構成例を示す平面図である。
【図５】従来よりある超伝導三端子素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０１…基板、１０２ａ…超伝導ソース電極、１０２ｂ…超伝導ドレイン電極、１０３…カーボンナノチューブ、１０４…ゲート絶縁膜、１０５…ゲート電極、１１２ａ，１１２ｂ…コバルトパターン。
【図１】
2006024617.tif 000003
【図２】
2006024617.tif 000004
【図３】
2006024617.tif 000005
【図４】
2006024617.tif 000006
【図５】
2006024617.tif 000007