(57)【要約】【課題】２つの超伝導電極間をカーボンナノチューブで接続し、カーボンナノチューブに流れる超伝導電流をゲート電極で制御する超伝導三端子素子に、より多くの超伝導電流が流せるようにする。【解決手段】シリコンからなる基板１０１と、基板１０１の上に形成された絶縁層１０２と、絶縁層１０２の上に設けられたカーボンナノチューブ１０４と、カーボンナノチューブ１０４の一端部に、合金層１１５を介してオーミック接続した超伝導ソース電極１０５と、カーボンナノチューブ１０４の他端部に、合金層１１６を介してオーミック接続した超伝導ドレイン電極１０６と、基板１０１の裏面に形成された金属電極層１０７とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体から構成された基板の上に絶縁層を介して配置されたカーボンナノチューブと、
このカーボンナノチューブの両端部にオーミック接続した２つの超伝導電極と、
前記カーボンナノチューブにゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極と、
前記カーボンナノチューブと前記超伝導電極との界面に形成されて、超伝導金属の炭素化合物から構成された合金層と
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、
前記超伝導電極は、窒化ニオブから構成され
たことを特徴とする超伝導三端子素子。
【請求項３】
半導体から構成された基板の上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層の上にカーボンナノチューブを配置する工程と、
前記カーボンナノチューブの両端部に接する２つの超伝導電極を形成する工程と、
前記カーボンナノチューブと前記超伝導電極とが接触する界面を加熱して、前記界面に超伝導金属の炭素化合物から構成された合金層を形成する工程と
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４】
請求項３記載の超伝導三端子素子の製造方法において、
前記超伝導電極は、窒化ニオブから構成する
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】
しかしながら、図５に示す従来の構成では、超伝導ソース電極５０５と超伝導ドレイン電極５０６との間に、所望とする大きな超伝導電流を流すことができないという問題があった。
【０００６】
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、２つの超伝導電極間をカーボンナノチューブで接続し、カーボンナノチューブに流れる超伝導電流をゲート電極で制御する超伝導三端子素子に、より多くの超伝導電流が流せ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、半導体から構成された基板の上に絶縁層を介して配置されたカーボンナノチューブと、このカーボンナノチューブの両端部にオーミック接続した、例えば窒化ニオブから構成された２つの超伝導電極と、カーボンナノチューブにゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極と、カーボンナノチューブと超伝導電極との界面に形成されて、超伝導金属の炭素化合物から構成された合金層とを備えるものである。
従って、カーボンナノチューブと超伝導電極とは、超伝導電流が流れるオーミック接続となる。
【０００８】
本発明に係る超伝導三端子素子の製造方法は、半導体から構成された基板の上に絶縁層を形成する工程と、絶縁層の上にカーボンナノチューブを配置する工程と、カーボンナノチューブの両端部に接する２つの超伝導電極を形成する工程と、カーボンナノチューブと超伝導電極とが接触する界面を加熱して、界面に超伝導金属の炭素化合物から構成された合金層を形成する工程とを少なくとも備えるものである。
なお、超伝導電極は、窒化ニオブから構成する。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明によれば、例えば窒化ニオブから構成された超伝導電極に、合金層が形成された状態でカーボンナノチューブを接続したので、カーボンナノチューブに流れる超伝導電流をゲート電極で制御する超伝導三端子素子に、より多くの超伝導電流が流せ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】
【００１０】
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の上に形成された絶縁層１０２と、絶縁層１０２の上に設けられたカーボンナノチューブ１０４と、カーボンナノチューブ１０４の一端部に、合金層１１５を介してオーミック接続した超伝導ソース電極１０５と、カーボンナノチューブ１０４の他端部に、合金層１１６を介してオーミック接続した超伝導ドレイン電極１０６と、基板１０１の裏面に形成された金属電極層１０７とを備えている。なお、基板１０１は、他の半導体材料から構成されていてもよい。
【００１１】
カーボンナノチューブ１０４は、例えばＦｅやＣｏなどの触媒金属から構成されて数μｍの間隔で配置された触媒金属部１０３ａ，１０３ｂの間に、触媒ＣＶＤ法により形成されている。
また、超伝導ソース電極１０５，超伝導ドレイン電極１０６は、超伝導金属である窒化ニオブ（ＮｂＮ）から構成されている。これら超伝導電極と、チャネルとなるカーボンナノチューブ１０４との間の合金層１１５，１１６は、超伝導金属とカーボンナノチューブとの固相反応により形成される超伝導金属の炭素化合物から構成されている。
【００１２】
合金層１１５，１１６は、ＮｂＣXＮ1-Xと考えられ、Ｘが０．１以下の場合、ＮｂＣXＮ1-Xの超伝導臨界温度は１８Ｋである。窒化ニオブの超伝導臨界温度が１５Ｋ程度であるので、合金層１１５，１１６により、超伝導電極の特性を向上させることが可能となる。
図１に示す三端子素子では、金属電極層１０７に電圧をかけることでカーボンナノチューブ１０４における超伝導電流のキャリア（クーパー対）の濃度を変化させ、カーボンナノチューブ１０４を流れる超伝導電流を制御する。
【００１３】
次に、図１に示す三端子素子の製造方法について、説明する。
まず、基板１０１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１０２が形成された状態とする。なお、絶縁層１０２は、窒化シリコンから構成してもよい。
【００１４】
次に、絶縁層１０２の上に、触媒金属部１０３ａ，１０３ｂ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、触媒金属材料を堆積して触媒金属膜を形成する。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触媒金属膜を除去することで上記開口部の部分に触媒金属を残し、触媒金属部１０３ａ，１０３ｂが形成された状態とする。なお、触媒金属は、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのいずれかから構成されていればよい。
【００１５】
次に、メタンやアセチレンなどの有機炭素原料をソースガスとし、基板１０１を例えば４００〜５００℃程度に加熱し、上記ソースガスを所定の流速で基板１０１の上を流通させた状態とし、触媒金属部１０３ａ，１０３ｂ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１０４が形成された状態とする。ここで、カーボンナノチューブ１０４の成長は、上述した条件に限るものではなく、公知の触媒ＣＶＤ法による種々のカーボンナノチューブ形成方法を用いることができる。
【００１６】
次に、超伝導ソース電極１０５及び超伝導ドレイン電極１０６を形成する領域に開口部を備えた新たな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、窒化ニオブを堆積して超伝導金属膜を形成する。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超伝導金属膜を除去することで上記開口部の部分に超伝導金属を残し、超伝導ソース電極１０５及び超伝導ドレイン電極１０６が形成された状態とする。なお、超伝導金属膜は、ニオブやニオブと窒化ニオブの積層構造であってもよい。ただし、窒化ニオブを用いる方が、熱処理により、超伝導電極とカーボンナノチューブとの界面（合金層）をより良好な状態に形成できる。また、窒化ニオブの方がＮｂよりも高い超伝導電流を有しており、この点でも有利である。
【００１７】
次に、基板１０１（カーボンナノチューブ１０４，超伝導ソース電極１０５及び超伝導ドレイン電極１０６）を加熱し、これらの界面に合金層１１５，１１６が形成された状態とする。加熱処理は、６００〜７００℃程度で数分間行えばよい。
最後に、基板１０１の裏面に金属電極層１０７が形成された状態とすることで、図１に示す超伝導三端子素子が形成される。
【００１８】
ところで、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）とニオブとの間では、６５０℃・３０分間の熱処理で、接触させた界面にＮｂＣが形成され、超伝導電流が流れるオーミック接触が実現できることが報告されている（非特許文献：J.Haruyama, K.Takazawa, S.Miyadai, A.Takeda, N.Hori, I.Takesue, Y.Kanda, N.Sugiyama, T.Akazaki, and H.Takayanagi, "Injection of Cooper pairs into quasidiffusive multiwalled carbon nanotubes with weak localization", Physical Review B 68, 165420, 2003.）。この文献では、コンタクト抵抗の減少により、Ｎｂ／多層カーボンナノチューブ／Ａｌ接合において、カーボンナノチューブの中に、超伝導電流が流れることが示されている。
【００１９】
以上に説明したように、図１に示す超伝導三端子素子によれば、合金層１１５，１１６を形成するようにしたので、超伝導ソース電極と超伝導ドレイン電極間に設けたカーボンナノチューブに、より多くの超伝導電流を流すことが可能となる。
ところで、図１に示した超伝導三端子素子では、基板１０１の裏面に形成した金属電極層１０７により、ゲート電圧を印加するようにしたが、これに限るものではない。
【００２０】
図２は、本実施の形態における他の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の上に形成された絶縁層１０２と、絶縁層１０２の上に設けられたカーボンナノチューブ１０４と、カーボンナノチューブ１０４の一端部に、合金層１１５を介してオーミック接続した超伝導ソース電極１０５と、カーボンナノチューブ１０４の他端部に、合金層１１６を介してオーミック接続した超伝導ドレイン電極１０６とを備えている。これらの構成は、図１に示した超伝導三端子素子と同様である。
【００２１】
図２に示す超伝導三端子素子では、カーボンナノチューブ１０４の上に、ゲート絶縁膜２０７を介してゲート電極２０８を備えるようにした。図２に示す超伝導三端子素子では、ゲート電極２０８に電圧をかけることでカーボンナノチューブ１０４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１０４を流れる超伝導電流を制御する。
【００２２】
また、図３に示すように、ゲート電極３０８ａ，３０８ｂを設けるようにしてもよい。図３に示す超伝導三端子素子では、絶縁層１０２の上にゲート電極３０８ａ，３０８ｂを形成し、これらの一端がカーボンナノチューブ１０４と所定の間隙をあけて配置されているようにした。図３に示す超伝導三端子素子では、ゲート電極３０８ａ，３０８ｂとカーボンナノチューブ１０４との間の間隙が、ゲート絶縁層に対応している。なお、ゲート電極３０８ａ，３０８ｂは、どちらか一方が設けられていればよい。
【００２３】
また、図４に示すように、基板１０１に設けた高濃度不純物領域４０８をゲート電極として用いるようにしてもよい。図４に示す超伝導三端子素子は、シリコンからなる基板１０１と、基板１０１の上に形成された絶縁層１０２と、絶縁層１０２の上に設けられたカーボンナノチューブ１０４と、カーボンナノチューブ１０４の一端部に、合金層１１５を介してオーミック接続した超伝導ソース電極１０５と、カーボンナノチューブ１０４の他端部に、合金層１１６を介してオーミック接続した超伝導ドレイン電極１０６とを備えている。これらの構成は、図１に示した超伝導三端子素子と同様である。
【００２４】
図４に示す超伝導三端子素子では、基板１０１に、例えばｐ形の不純物が導入されたウエル領域４０７が形成され、ウエル領域４０７の内部のカーボンナノチューブ１０４の下を含む領域にｎ型の不純物が高濃度に導入された高濃度不純物領域４０８が形成されている。ウエル領域４０７には、絶縁層１０２を介したコンタクト４１１により配線４１２が接続し、高濃度不純物領域４０８には、絶縁層１０２を介したコンタクト４１３により配線４１４が接続している。
【００２５】
図４に示す超伝導三端子素子では、配線４１２によりウエル領域４０７に固定電位が印加されている状態で、配線４１４により高濃度不純物領域４０８にゲート電圧をかけることでカーボンナノチューブ１０４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１０４を流れる超伝導電流を制御する。
【００２６】
なお、カーボンナノチューブ１０４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１０４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、触媒金属部１０３ａ，１０３ｂ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。
【００２７】
また、上述では、基板１０１の上に触媒金属部１０３ａ，１０３ｂを設け、これらの間に触媒ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブ１０４を成長させるようにしたが、これに限るものではない。他の方法により形成してあるカーボンナノチューブを絶縁層１０２の上に設置し、この後、超伝導ソース電極１０５，超伝導ドレイン電極１０６を形成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【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】本発明の実施の形態における他の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３】本発明の実施の形態における他の超伝導三端子素子の構成例を示す平面図である。
【図４】本発明の実施の形態における他の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】
【００２９】
１０１…基板、１０２…絶縁層、１０３ａ，１０３ｂ…触媒金属部、１０４…カーボンナノチューブ、１０５…超伝導ソース電極、１０６…超伝導ドレイン電極、１０７…金属電極層、１１５，１１６…合金層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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