(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気伝導層とトンネル障壁層からなる積層状結晶構造を持つ遷移金属カルコゲナイドを用い、層数が５以上である積層構造を持つ単電子トンネル素子。
【請求項２】
請求項１記載の積層構造を持つ単電子トンネル素子において、前記遷移金属カルコゲナイドはＴａＳ2 ，ＴａＳｅ2 ，ＮｂＳｅ2 である積層構造を持つ単電子トンネル素子。
【請求項３】
請求項１記載の積層構造を持つ単電子トンネル素子において、更に、制御ゲートを有したトランジスタの機能を有することを特徴とする積層構造を持つ単電子トンネル素子。
【請求項４】
電気伝導層とトンネル障壁層からなる積層状結晶構造を持つ遷移金属カルコゲナイドを用い、層数が５以上である積層構造を持つ単電子トンネル素子の製造方法であって、分子線エピタキシャル法によって、結晶を一層ずつ成長させ、前記電気伝導層とトンネル障壁層を交互に成長させて、人工的積層構造を形成することを特徴とする積層構造を持つ単電子トンネル素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層構造を持つ単電子トンネル素子及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、積層構造を持つ単電子トンネル素子としては、以下に示すようなものがあった。
【０００３】
図５は銅酸化物超伝導体のＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏy の結晶構造を示す模式図である。
【０００４】
この図に示すように、超伝導層（ＣｕＯ2 ）１とトンネル障壁層（ＢｉＯ）２が交互に積層した構造となっている。これを電極モデルで描いたものが、図６である。この図６において、Ｓは面積、ｄは格子間隔である。
このモデルで、電極ＡとＢの間の静電容量Ｃは、
Ｃ＝（ε0 ｓ）／（ｄＮ）                                …（１）
となる。ここで、εは誘電率である。
【０００５】
また、トンネル抵抗Ｒは、
Ｒ＝（Ｎｐ0 ）（ｄ／ｓ）                                …（２）
ここで、ｐ0 は比抵抗である。
【０００６】
このような構造を持つ素子が単電子トンネル効果を示す条件は、超伝導電子の電荷２ｅの一つを電極Ａから電極Ｂへ移動したときのエネルギー（２ｅ2 ／Ｃ）が、熱雑音エネルギーｋB Ｔより十分大きいときである。ここで、ｋB はボルツマン定数である。
【０００７】
よって、
（２ｅ2 ／Ｃ）＞（ｋB Ｔ）                              …（３）
上記（１）式と（２）式より、単電子トンネル効果のおこる層の数Ｎの条件は、
Ｎ＞〔（εｓ）／ｄ〕〔（ｋB Ｔ）／（２ｅ2 ）〕          …（４）
となる。１μｍ2 の素子をＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏy 単結晶で作ったときの、液体ヘリウム温度４Ｋで観測できる層数Ｎは、Ｎ＞５０となり、容易に実現できる厚さである。また、１０分の１μｍ2 ではＮ＞５となり、実現可能である。
【０００８】
また、単電子トンネル効果の観測できるもう一つの条件は、素子の抵抗Ｒが量子抵抗Ｒ0 、
Ｒ0 ＝ｈ／（４ｅ2 ）＝６ｋΩ                            …（５）
より大きくなければならない。
【０００９】
Ｒ＞ｈ／（４ｅ2 ）                                      …（６）
よって、上記（２）式と（５）式より
Ｎ＞〔ｓ／（ｐ0 ｄ）〕〔ｈ／（４ｅ2 ）〕                …（７）
となり、１μｍ2 の上の素子の場合も、やはり、層数Ｎは、Ｎ＞５０となる。
【００１０】
Ｎ＞５０で１μｍ2 の素子を作ることは、通常のＮ＝１に比して著しく容易である。また、１０分の１μｍ2 の素子の場合は、Ｎ＝５となり、実現可能である。図７は通常の１層のトンネル障壁層よりなる単電子トンネル素子である。
【００１１】
この素子が単電子トンネル効果を示すための条件は上記（４）式より
Ｎ＝１＞〔（εｓ）／ｄ〕〔（ｋB Ｔ）／（２ｅ2 ）〕      …（８）
上記（７）式より
Ｎ＝１＞〔ｓ／（ｐ0 ｄ）〕〔ｈ／（４ｅ2 ）〕            …（９）
となり、ｓを２桁以下に小さくし、１００分の１μｍ2 とすることが必要となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の積層構造を持つ単電子トンネル素子においては、１００分の１μｍ以下の加工精度を持つ製造方法を実現することは、容易ではないといった問題があった。
【００１３】
本発明は、上記問題点に鑑みて、０．１μｍ2 以下の加工精度を有する、信頼性の高い積層構造を持つ単電子トンネル素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕積層構造を持つ単電子トンネル素子であって、電気伝導層とトンネル障壁層からなる積層状結晶構造を持つ遷移金属カルコゲナイドを用い、層数が５以上である。
【００１５】
〔２〕上記〔１〕記載の積層構造を持つ単電子トンネル素子において、前記遷移金属カルコゲナイドはＴａＳ2 ，ＴａＳｅ2 ，ＮｂＳｅ2 である。
【００１６】
〔３〕上記〔１〕記載の積層構造を持つ単電子トンネル素子において、更に、制御ゲートを有したトランジスタの機能を有するようにしたものである。
【００１７】
〔４〕電気伝導層とトンネル障壁層からなる積層状結晶構造を持つ銅酸化物超伝導体や遷移金属カルコゲナイドを用い、層数が５以上である積層構造を持つ単電子トンネル素子の製造方法であって、分子線エピタキシャル法によって、結晶を一層ずつ成長させ、前記電気伝導層とトンネル障壁層を交互に成長させて、人工的積層構造を形成するようにしたものである。
【００１８】
本発明によれば、面積Ｓや温度Ｔを大きくしても、層の数Ｎを多くすることによって、上記単電子トンネルの条件（４）式と（７）式を満足させることができる。従って、現在の加工技術で容易に実現できる１μｍ2 程の微小電極を用いても、層の数Ｎを増加させて、Ｎ＞５０以上で十分に単電子トンネル条件を満足させることができる。
【００１９】
また、測定温度Ｔも層数Ｎ＞２００とすることによって、従来は不可能であった、Ｔ≧１０Ｋ程度で、単電子トンネル現象を起こすことが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２１】
図１は本発明の第１実施例を示す単電子トンネル素子の模式図である。
【００２２】
図１に示すように、電極Ａと電極Ｂ間に電気伝導層１１とトンネル障壁層１２が５０層形成されており、その面積Ｓが、例えば、０．７μｍ2 である。
【００２３】
このように、この実施例によれば、面積Ｓや温度Ｔを大きくしても、層の数Ｎを多くすることによって、上記単電子トンネルの条件（４）式と（７）式を満足させることができる。
【００２４】
従って、現在の加工技術で容易に実現できる１μｍ2 程の微小電極を用いても、層の数を増加させてＮ＞５０以上にすることにより十分に単電子トンネル条件を満足させることができる。また、現在実現可能な１０分の１μｍ2 程の電極でもＮ＞５で、この条件が満足される。
【００２５】
また、測定温度Ｔも層数Ｎ＞２００とすると、従来は不可能であった、Ｔ≧１０Ｋ程度で、単電子トンネル現象を起こすことが可能となる。
【００２６】
ここで、単電子トンネル素子としては、電気伝導層とトンネル障壁層からなる積層状結晶構造をもつ銅酸化物超伝導体を用い、その銅酸化物超伝導体としてはＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏy ，Ｌａ1.9 Ｓｒ0.1 ＣｕＯ4 ，ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx などを用いる。
【００２７】
また、銅酸化物超伝導体に代えて、遷移金属カルコゲナイドを用いることができる。この遷移金属カルコゲナイドとしてはＴａＳ2 ，ＴａＳｅ2 ，ＮｂＳｅ2 を用いることができる。
【００２８】
そして、層数が多い積層構造を持つ単電子トンネル素子の製造方法の一例として、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法によって、結晶を一層ずつ成長させ、電気導電層とトンネル障壁層を交互に成長させて、人工的積層構造を形成することができる。この場合、電気伝導層は、金属や導電性半導体を用い、トンネル障壁層としては、酸化物や絶縁性半導体を用いることもできる。
【００２９】
図２は本発明の第１実施例を示す単電子トンネル素子のＩ−Ｖ特性図である。
【００３０】
この図に示すように、その単電子トンネル素子のＩ−Ｖ特性を見ると、
Ｖ1 ，Ｖ2 ，Ｖ3 で電流が極大を示す。単電子トンネル効果を示す電圧ｅは、ｅ＝ＣＶ1 、２ｅ＝ＣＶ2 、３ｅ＝ＣＶ3 の関係を満足している。
【００３１】
ここで、Ｃは素子の容量である。即ち、Ｉ−Ｖ特性は電圧ｅを単位として周期的に変化している。
【００３２】
図３は本発明の第２実施例を示す単電子トンネル素子の模式図である。
【００３３】
この図において、２１は電気伝導層、２２はトンネル障壁層、２３は制御ゲート（Ｇ）である。
【００３４】
この実施例の単電子トンネル素子は、制御ゲート（Ｇ）２３を持つ単電子トンネルトランジスタを示している。ここで、制御ゲート（Ｇ）２３は、容量Ｃを持つ単電子トンネル素子と、容量Ｃg で結合している。
【００３５】
図４は本発明の第２実施例を示す単電子トンネル素子のＩ−Ｖ特性図である。
【００３６】
この図に示すように、Ｖg ＝０のときはトンネル素子にＶ＝０での電流は流れず、「０」状態であるが、Ｖg ＝ｅ／Ｃg を印加すると、トンネル素子に電流が流れ、「１」状態となり、スイッチ素子として動作することがわかる。
【００３７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３９】
（Ａ）０．１μｍ2 以下の加工精度を有する、信頼性の高い積層構造を持つ単電子トンネル素子を得ることができる。
【００４０】
（Ｂ）層数を５以上とすることにより、十分に単電子トンネル条件を満足させることができる。
【００４１】
（Ｃ）制御ゲートを有したトランジスタの機能を有する単電子トンネル素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例を示す単電子トンネル素子の模式図である。
【図２】  本発明の第１実施例を示す単電子トンネル素子のＩ−Ｖ特性図である。
【図３】  本発明の第２実施例を示す単電子トンネル素子（単電子トンネルトランジスタ）の模式図である。
【図４】  本発明の第２実施例を示す単電子トンネル素子（単電子トンネルトランジスタ）のＩ−Ｖ特性図である。
【図５】  銅酸化物超伝導体のＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏy の結晶構造を示す模式図である。
【図６】  銅酸化物超伝導体のＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏy の結晶構造の層状構造の模式図である。
【図７】  通常の単電子トンネル素子（層数Ｎ＝１）の模式図である。
【符号の説明】
１１，２１    電気伝導層
１２，２２    トンネル障壁層
２３    制御ゲート
【図１】
0004027504.tif 000002
【図２】
0004027504.tif 000003
【図３】
0004027504.tif 000004
【図４】
0004027504.tif 000005
【図５】
0004027504.tif 000006
【図６】
0004027504.tif 000007
【図７】
0004027504.tif 000008