(57)【要約】【課題】鉄砒素系超伝導体の高品質な超伝導薄膜を備えた超伝導体構造、その製造方法、及び電子素子を提供すること。【解決手段】基板と、前記基板上に形成され、III-V族半導体から成るバッファ層と、前記バッファ層上に形成され、下記式（１）で表される組成を有する超伝導薄膜と、を含み、前記超伝導薄膜におけるＡｓ−Ａｓ間隔は、前記III-V族半導体におけるV族原子間距離の約１倍であることを特徴とする超伝導体構造。式（１）ＬｎＦｅＡｓＯ1-pＦq（式（１）において、Ｌｎは１種以上のランタノイド元素であり、０＜ｐ＜１、０≦ｑ＜１）【選択図】図３
2011073926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、III-V族半導体から成るバッファ層と、
前記バッファ層上に形成され、下記式（１）で表される組成を有する超伝導薄膜と、を含み、
前記超伝導薄膜におけるＡｓ−Ａｓ間隔は、前記III-V族半導体におけるV族原子間距離の約１倍であることを特徴とする超伝導体構造。
式（１）  ＬｎＦｅＡｓＯ1-pＦq
（式（１）において、Ｌｎは１種以上のランタノイド元素であり、０＜ｐ＜１、０≦ｑ＜１）
【請求項２】
前記基板は、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰのうちのいずれかから成る単結晶基板であることを特徴とする請求項１記載の超伝導体構造。
【請求項３】
少なくとも表面にIII-V族半導体から成る領域を備える基板と、
前記基板上に形成され、下記式（１）で表される組成を有する超伝導薄膜と、を含み、
前記超伝導薄膜におけるＡｓ−Ａｓ間隔は、前記III-V族半導体におけるV族原子間距離の約１倍であることを特徴とする超伝導体構造。
式（１）  ＬｎＦｅＡｓＯ1-pＦq
（式（１）において、Ｌｎは１種以上のランタノイド元素であり、０＜ｐ＜１、０≦ｑ＜１）
【請求項４】
前記III-V族半導体は、下記式（２）で表される組成を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超伝導体構造。
式（２）  Ａｌ1-x-yＧａxＩｎyＡｓ1-zＰz
（式（２）において、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）
【請求項５】
前記III-V族半導体は、ＧａＡｓであることを特徴とする請求項４に記載の超伝導体構造。
【請求項６】
前記超伝導薄膜をＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法で形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超伝導体構造の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の超伝導体構造を有する電子素子。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の超伝導体構造を有するジョセフソン素子。
【請求項９】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の超伝導体構造を有する超伝導−二次元電子ガス素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導体構造、その製造方法、及び電子素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジョセフソン素子をはじめとする電子素子は、従来の半導体素子の問題を解決するものとして期待されている。
ジョセフソン素子は、高速動作が可能であり、消費電力が低いという特徴を有するので、これを高密度集積回路に応用すると、半導体素子を用いる場合よりも、発熱量を低減し、演算性能を向上させることができる。
【０００３】
ジョセフソン素子は、ジョセフソン接合を有している。そのジョセフソン接合としては、図９に示すような、超伝導体薄膜の間に常伝導体や絶縁体から成る極薄膜のバリア層を挟んだ積層接合が、精密に寸法が制御できる点、数多くの接合が作成できるという点から、有望である。
【０００４】
ジョセフソン接合に用いる超伝導体として、Ｎｂ金属やＮｂＮが知られている。しかしながら、これらの材料を用いた場合、超伝導転移温度が低く、液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）で使用しなければならない。
【０００５】
そこで、より高い超伝導転移温度を持つ銅酸化物超伝導体を用いたジョセフソン素子の開発が期待された。しかしながら、銅酸化物超伝導体は、Ｎｂ等の従来の超伝導体に比べて、コヒーレンス長（超伝導電子対が形成できる電子間距離）、磁束侵入深さ、及び臨界電流密度等の超伝導特性の異方性が顕著である。特に、ジョセフソン接合に密接に係わるコヒーレンス長は、ｃ軸方向では、ａ軸方向に比べ、著しく小さい。超伝導体の異方性が顕著であると、素子の構造が複雑になり、その製造プロセスが煩雑になってしまう。
【０００６】
最近、超伝導転移温度が高い鉄砒素系超伝導体が発見された。この鉄砒素系超伝導体は、銅酸化物超伝導体と比較して、コヒーレンス長の異方性が小さいことが予測されている。鉄砒素系超伝導体をジョセフソン接合に用いるには、その単結晶薄膜が必要である。これまで、この鉄砒素系超伝導体の中でも超伝導転移温度の高いＬｎＦｅＡｓ（Ｏ、Ｆ）（Ｌｎはランタノイド元素）で単結晶薄膜が得られた例はほとんど報告されておらず、わずかに、ＰＬＤ法等によってＬａＦｅＡｓ（Ｏ、Ｆ）薄膜を得た例（非特許文献１、２参照）が報告されているのみである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】H.Hiramatsu,T.Katase,T.Kamiya,M.Hirano,and H.Hosono,Appl.Phys.Lett.93(2008) 162504
【非特許文献２】E.Backen,S.Haindl,T.Niemeier,R.Huhne,T.Freudenberg,J.Werner,G.Behr,L.Schultz and B.Holzapfel,Supercond.Sci.Technol.21(2008) 122001
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１、２において得られた薄膜は、いずれも、結晶品質が十分でない。特に非特許文献１において得られた薄膜は、超伝導になっていない。
本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、鉄砒素系超伝導体の高品質な超伝導薄膜を備えた超伝導体構造、その製造方法、及び電子素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（Ａ）本発明の第１の超伝導体構造は、
基板と、前記基板上に形成され、III-V族半導体から成るバッファ層と、前記バッファ層上に形成され、下記式（１）で表される組成を有する超伝導薄膜と、を含み、前記超伝導薄膜におけるＡｓ−Ａｓ間隔は、前記III-V族半導体におけるV族原子間距離の約１倍であることを特徴とする。
【００１０】
式（１）  ＬｎＦｅＡｓＯ1-pＦq
（式（１）において、Ｌｎは１種以上のランタノイド元素であり、０＜ｐ＜１、０≦ｑ＜１）
この超伝導体構造は、高品質な超伝導薄膜を備えている。そのため、この超伝導体構造を用いて電子素子（例えばジョセフソン素子、超伝導−二次元電子ガス素子）を製造すると、優れた性能（例えば、動作が高速であり、消費電力が低い）を持つ電子素子となる。
【００１１】
式（１）において、ランタノイド元素としては、例えば、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕが挙げられる。式（１）において、Ｌｎは、１種のみのランタノイド元素から成っていてもよいし、２種以上のランタノイド元素から成っていてもよい。
【００１２】
式（１）で表される超伝導薄膜としては、例えば、ｑが０でないもの（Ｆを含む）が挙げられる。また、式（１）で表される超伝導薄膜としては、例えば、ｑが０であるもの（Ｆを含まず、Ｏの欠損があるもの）が挙げられる。
【００１３】
ｐの好適な範囲は、例えば、０〜０．８（ただし０は除く）である。また、ｑの好適な範囲は、例えば、０〜０．３である。
また、ｐ≧ｑであることが好ましい。
【００１４】
本発明の第１の超伝導体構造において、基板としては、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰのうちのいずれかから成る単結晶基板が好ましい。
本発明におけるIII-V族半導体としては、下記式（２）で表される組成を有するものが好ましい。
【００１５】
式（２）  Ａｌ1-x-yＧａxＩｎyＡｓ1-zＰz
（式（２）において、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）
式（２）で表されるものには、ＧａＡｓが含まれる。
【００１６】
本発明において、超伝導薄膜の組成、III-V族半導体の組成、又はその両方を調整することにより、図１に示すように、超伝導薄膜（図１ではＬｎＦｅＡｓ（Ｏ、Ｆ））におけるＡｓ−Ａｓ間隔を、III-V族半導体（図１ではＧａＩｎＡｓＰ）におけるV族原子間距離の約１倍とすることができる
ここで、約１倍とは、例えば、０．９５〜１．０５の範囲であり、好ましくは、０．９９〜１．０１の範囲であり、特に好ましくは、０．９９５〜１．００５の範囲である。
（Ｂ）本発明の第２の超伝導体構造は、
少なくとも表面にIII-V族半導体から成る領域を備える基板と、前記基板上に形成され、下記式（１）で表される組成を有する超伝導薄膜と、を含み、前記超伝導薄膜におけるＡｓ−Ａｓ間隔は、前記III-V族半導体におけるV族原子間距離の約１倍であることを特徴とする。
【００１７】
式（１）  ＬｎＦｅＡｓＯ1-pＦq
（式（１）において、Ｌｎは１種以上のランタノイド元素であり、０＜ｐ＜１、０≦ｑ＜１）
この超伝導体構造は、高品質な超伝導薄膜を備えている。そのため、この超伝導体構造を用いて電子素子（例えばジョセフソン素子、超伝導−二次元電子ガス素子）を製造すると、優れた性能（例えば、動作が高速であり、消費電力が低い）を持つ電子素子となる。
【００１８】
式（１）において、ランタノイド元素としては、例えば、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕが挙げられる。式（１）において、Ｌｎは、１種のみのランタノイド元素から成っていてもよいし、２種以上のランタノイド元素から成っていてもよい。
【００１９】
式（１）で表される超伝導薄膜としては、例えば、ｑが０でないもの（Ｆを含む）が挙げられる。また、式（１）で表される超伝導薄膜としては、例えば、ｑが０であるもの（Ｆを含まず、Ｏの欠損があるもの）が挙げられる。
【００２０】
ｐの好適な範囲は、例えば、０〜０．８（ただし０は除く）である。また、ｑの好適な範囲は、例えば、０〜０．３である。また、ｐ≧ｑであることが好ましい。
本発明の第２の超伝導体構造において、基板は、例えば、その全体がIII-V族半導体から成っていてもよいし、超伝導薄膜を製膜する側の面のみが、III-V族半導体から成っていてもよい。
【００２１】
本発明におけるIII-V族半導体としては、下記式（２）で表される組成を有するものが好ましい。
式（２）  Ａｌ1-x-yＧａxＩｎyＡｓ1-zＰz
（式（２）において、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）
式（２）で表されるものには、ＧａＡｓが含まれる。
【００２２】
本発明において、超伝導薄膜の組成、III-V族半導体の組成、又はその両方を調整することにより、図１に示すように、超伝導薄膜（図１ではＬｎＦｅＡｓ（Ｏ、Ｆ））におけるＡｓ−Ａｓ間隔を、III-V族半導体（図１ではＧａＩｎＡｓＰ）におけるV族原子間距離の約１倍とすることができる
ここで、約１倍とは、例えば、０．９５〜１．０５の範囲であり、好ましくは、０．９９〜１．０１の範囲であり、特に好ましくは、０．９９５〜１．００５の範囲である。
（Ｃ）本発明の超伝導体構造の製造方法は、
前記超伝導薄膜をＭＢＥ（分子線エピタキシー）法又はＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）で形成することを特徴とする。
【００２３】
本発明によれば、高品質な超伝導薄膜を備える超伝導体構造を製造できる。その超伝導体構造を用いて電子素子（例えばジョセフソン素子、超伝導−二次元電子ガス素子）を製造すると、優れた性能（例えば、動作が高速であり、消費電力が低い）を持つ電子素子となる。
（Ｄ）本発明の電子素子は、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の超伝導体構造を有する。本発明の電子素子は、優れた性能（例えば、動作が高速であり、消費電力が低い）を持つ。
【００２４】
電子素子としては、例えば、ジョセフソン素子、超伝導−二次元電子ガス素子等が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】超伝導薄膜とバッファ層との格子整合を表す説明図である。
【図２】超伝導体構造の製造装置を表す説明図である。
【図３】超伝導体構造の層構成を表す説明図である。
【図４】超伝導薄膜のＸ線回折パターン図である。
【図５】抵抗率の温度依存性（磁場無印加条件）を表すグラフである。
【図６】抵抗率の温度依存性（磁場印加条件）を表すグラフである。
【図７】ジョセフソン素子の構成を表す説明図である。
【図８】超伝導−二次元電子ガス素子の構成を表す説明図である。
【図９】ジョセフソン接合を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施形態を説明する。
１．超伝導体構造の製造
まず、ＧａＡｓ単結晶基板を加熱し、その表面に形成されていた酸化膜を昇華させた。次に、ＧａＡｓ単結晶基板の表面に、ＧａＡｓからなるバッファ層を、６１０℃の下で、ＭＢＥ法により形成した。バッファ層の厚みは３００ｎｍとした。
【００２７】
次に、図２に示すように、クヌーセンセル１を複数備えた製造装置３内に、ＧａＡｓ単結晶基板５を収容した。複数のクヌーセンセル１には、それぞれ、原料として、ＮｄＦ3、Ｆｅ、Ａｓ、Ｆｅ2Ｏ3を導入した。この製造装置３を用いて、ＭＢＥ法により、バッファ層の上に、ＮｄＦｅＡｓ（Ｏ、Ｆ）層（超伝導薄膜）を形成した。なお、（Ｏ、Ｆ）は、組成式においてＯとＦの和が１であることを意味する。製膜時におけるＧａＡｓ単結晶基板５の温度は６７０℃、もしくは６５０℃とした。また、製膜時において、温度を制御することにより、各原料の分子線圧を、下記表１に示すように制御した。製膜時間は１時間もしくは６時間とした。
【００２８】
【表１】
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以上の工程により、図３に示すように、基板上に、バッファ層、及びＮｄＦｅＡｓ（Ｏ、Ｆ）層が順次積層された、超伝導体構造が製造された。
【００２９】
２．超伝導体構造の評価
（１）Ｘ線回折パターン
製造した超伝導体構造のＸ線回折を行った。その結果を図４に示す。図４に示すように、基板のＧａＡｓとＮｄＦｅＡｓ（Ｏ、Ｆ）に起因するピーク以外は観測されておらず、高品質な単相の薄膜が得られたことが確認できた。
【００３０】
基板以外の全ての回折ピークは、ＮｄＦｅＡｓ（Ｏ、Ｆ）の（００ｎ）で指数付けできる。これより、ＮｄＦｅＡｓ（Ｏ、Ｆ）層は、ｃ軸が基板面に垂直配向した単結晶薄膜であることが分かる。
【００３１】
なお、バッファ層（ＧａＡｓ）の（００１）面内のＡｓ原子間距離は３．９９７４５１Åであるのに対し、ＮｄＦｅＡｓ（Ｏ、Ｆ）のｃ面内のＡｓ原子間距離は３．９６６６６Åであり、格子不整合度は０．７７６２６％と極めて小さい。
【００３２】
さらに、ＧａＡｓ0.7852Ｐ0.2148など、ＮｄＦｅＡｓ（Ｏ、Ｆ）と格子整合する組成のバッファ層を形成すれば、さらに高品質な結晶が実現できる。また、超伝導体の熱膨張率を実験的に求めて、成長温度において格子整合する組成を選ぶことで、さらなる高品質化が可能である。
（２）抵抗率の温度依存性の測定
（２−1）温度を変化させながら、ＮｄＦｅＡｓ（Ｏ、Ｆ）層の電気抵抗率を測定した。このとき、磁場は無印加とした。測定結果を図５に示す。図５に示すように、ＮｄＦｅＡｓ（Ｏ、Ｆ）層は、所定の温度で超伝導転移することが確認できた。
（２−２）温度を変化させながら、ＮｄＦｅＡｓ（Ｏ、Ｆ）層の電気抵抗率を測定した。測定は、印加する磁場が０Ｔ、１Ｔ、３Ｔ、５Ｔ、７Ｔ、９Ｔの場合に、それぞれ行った。測定結果を図６に示す。図６に示すように、印加する磁場が強いほど、超伝導転移する温度が低かった。このことから、ＮｄＦｅＡｓ（Ｏ、Ｆ）層が超伝導体であることが確認できた。
【００３３】
３．電子素子の製造
（１）ジョセフソン素子の製造
図７に示すように、絶縁体７と一対の超伝導体９、１１とを配置して、ジョセフソン素子１３を製造した。この超伝導体９、１１は、上述した超伝導体構造を有する。
（２）超伝導−２次元電子ガス素子の製造
図８に示すように、半導体１５、一対の超伝導体１７、及び一対のマスク１９を配置するとともに、一対の超伝導体１７の間を２次元電子ガス（量子井戸構造）２１で接続し、その上にゲート電極２２を配置することにより、超伝導−２次元電子ガス素子２３を製造した。この超伝導体１７は、上述した超伝導体構造を有する。
【００３４】
この超伝導−２次元電子ガス素子２３は、ゲート電極２２に印加した電圧による電界効果により、高速のスイッチング機能の作用を奏する。
尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【００３５】
例えば、超伝導薄膜において、Ｎｄの代わりに、他のランタノイド元素を用いても、略同様の効果を奏することができる。
また、バッファ層、ＮｄＦｅＡｓ（Ｏ、Ｆ）層の製膜方法として、スパッタ法、パルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ法）、ＭＯＣＶＤ法を用いても、略同様の効果を奏することができる。
【００３６】
バッファ層として、ＧａＡｓ以外のIII-V族半導体を用いても、略同様の効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１・・・クヌーセンセル、３・・・製造装置、５・・・ＧａＡｓ単結晶基板、
７・・・絶縁体、９、１１・・・超伝導体、１３・・・ジョセフソン素子、
１５・・・半導体、１７・・・超伝導体、１９・・・マスク、２１・・・２次元電子ガス、２２・・・ゲート電極、２３・・・超伝導−２次元電子ガス素子、
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図１】
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【図７】
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【図８】
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