JPH09199708A - 半導体結合単一電子トンネリング素子およびその作製方法 - Google Patents
半導体結合単一電子トンネリング素子およびその作製方法Info
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- JPH09199708A JPH09199708A JP8005827A JP582796A JPH09199708A JP H09199708 A JPH09199708 A JP H09199708A JP 8005827 A JP8005827 A JP 8005827A JP 582796 A JP582796 A JP 582796A JP H09199708 A JPH09199708 A JP H09199708A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】微小トンネル接合の特性を大きく左右する電磁
場環境を制御することができ、また、超伝導状態におい
て理想的な微小トンネル接合の特性を得るために非平衡
準粒子の影響を取り除くことができる半導体結合単一電
子トンネリング素子およびその作製方法を提供する。 【解決手段】ヘテロ界面に２次元電子ガスを生成する第
１のヘテロ構造半導体と、帯電エネルギーを大きくする
ことにより電子の離散的なトンネリングを可能とした微
小トンネル接合と、ヘテロ界面に２次元電子ガスを生成
する第２のヘテロ構造半導体とを、少なくとも１組以
上、順次、直列に接続した半導体結合単一電子トンネリ
ング素子であって、上記第１および第２のヘテロ構造半
導体における２次元電子ガスと、上記微小トンネル接合
とを結合する構造とした半導体結合単一電子トンネリン
グ素子およびその作製方法。
場環境を制御することができ、また、超伝導状態におい
て理想的な微小トンネル接合の特性を得るために非平衡
準粒子の影響を取り除くことができる半導体結合単一電
子トンネリング素子およびその作製方法を提供する。 【解決手段】ヘテロ界面に２次元電子ガスを生成する第
１のヘテロ構造半導体と、帯電エネルギーを大きくする
ことにより電子の離散的なトンネリングを可能とした微
小トンネル接合と、ヘテロ界面に２次元電子ガスを生成
する第２のヘテロ構造半導体とを、少なくとも１組以
上、順次、直列に接続した半導体結合単一電子トンネリ
ング素子であって、上記第１および第２のヘテロ構造半
導体における２次元電子ガスと、上記微小トンネル接合
とを結合する構造とした半導体結合単一電子トンネリン
グ素子およびその作製方法。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体ヘテロ界面に
形成される２次元電子ガス（２ＤＥＧ）と、電子１つず
つのトンネリングを起こす微小トンネル接合とを組み合
わせた回路素子を作製し、２次元電子ガス領域のインピ
ーダンスをゲート電圧の調整により単一電子トンネリン
グ素子の電磁場環境を自在に制御できる構造とした半導
体結合単一電子トンネリング素子およびその作製方法に
関する。
形成される２次元電子ガス（２ＤＥＧ）と、電子１つず
つのトンネリングを起こす微小トンネル接合とを組み合
わせた回路素子を作製し、２次元電子ガス領域のインピ
ーダンスをゲート電圧の調整により単一電子トンネリン
グ素子の電磁場環境を自在に制御できる構造とした半導
体結合単一電子トンネリング素子およびその作製方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】近年の極微細加工技術の進歩により、数
十ナノメートル（〜１０~8ｍ）角という微小な寸法を持
つ微小トンネル接合の製作が可能となった。ここで、微
小トンネル接合を図１に示す。２枚の金属電極薄膜から
なる上部電極１１と、下部電極１３を、数十Åという非
常に薄い絶縁体からなるトンネル障壁１２で隔てた構造
としており、電子がこの絶縁体（トンネル障壁）１２を
トンネルすることによって電流が流れる。このトンネル
接合は、その構造からコンデンサと見なせる。したがっ
て接合容量Ｃは、次の（数１）式で表わされる。 Ｃ＝ε×Ｓ／ｄ ……… （数１） ここで、Ｓは接合面積、ｄはトンネル障壁厚さを示し、
εは誘電率であって、トンネル障壁材料に固有の値であ
る。そして、微小トンネル接合に蓄えられる単一電子の
帯電エネルギーＥCは、次の（数２）式で表わされる。 ＥC＝ｅ2／２Ｃ ……… （数２） したがって、（数１）、（数２）式より、小さな接合面
積を持つ微小トンネル接合では、（数３）式で示される
ように、大きな帯電エネルギーを持つことになる。 ＥC＝ｅ2／２ε×ｄ／Ｓ ……… （数３） 電極材料としてアルミニウムを用いた典型的な微小トン
ネル接合においては、Ｓ＝１００００ｎｍ2、ｄ＝２ｎ
ｍ、ε＝１×１０~10であり、帯電エネルギーＥCは、Ｅ
C＝１６０μｅＶとなる。このエネルギーを温度に換算
すると約１.８６Ｋとなる。したがって、希釈冷凍機を
用いて極低温環境（１００ｍＫ以下）とすることによ
り、熱励起による電荷のトンネリングを抑制できる。図
２に示すように、微小トンネル接合２１に、理想的な電
流源２３を接続した場合には、電流の注入により接合界
面に徐々に分極が生じて接合電圧は増加する。この電圧
が、所定のしきい値電圧（Ｖth）を超えると、電子が１
つトンネリングできるようになり、トンネリング後は、
接合両端の電圧は下がり、再びＶthまで充電されてトン
ネリングが起こるというサイクルを繰り返す。したがっ
て、微小トンネル接合では、電子は規則的に１つずつト
ンネルする。この現象をＳＥＴ（Single Electron Tunn
eling）振動と呼ぶ。しきい値電圧（Ｖth）は、電子の
トンネリング前後のエネルギー変化が保存されることを
考えて、次の（数４）式により求められる。 Ｖth＝ｅ／２Ｃ ……… （数４） 微小トンネル接合の電流−電圧特性は図１０に示すよう
になる。一般に、しきい値電圧（Ｖth）は、オフセット
電圧１０２と呼ばれている。このような微小トンネル接
合の特性は、理論的には１９８０年代の中頃にAverin a
nd Likharevらによって解析されたが〔例えば、D.V. Av
erin and K.K.Lokharev,J.Low Temp.Phys.,62,345(198
6）〕、単一の微小トンネル接合において実際に観測さ
れたのは、それよりもかなり後のことである。この理由
として、素子製作の観点からは当時の微細加工技術が十
分でなかったことが挙げられるが、本質的な問題として
は微小トンネル接合で起こる現象を観測するためには、
外部の電磁場環境（electromagnetic environment）か
らの影響を取り除かねばならないことが分かったからで
ある〔例えば、Yu.V.Nazarov,JETP Lett.,49,126(198
9）〕。ＳＥＴ振動のような時間的に規則正しい電子の
トンネリングを実現するためには、微小トンネル素子
は、図２に示すような電流バイアス状態でなければなら
ない。しかしながら、素子自体の容量が非常に小さいの
で〔典型的には０.５ｆＦ（フェムト ファラド：Ｆ／１
０15）程度〕、リード線自体の持つ浮遊容量の方が大き
くなり、仮に理想的な電流源を微小トンネル接合に接続
したとしても、実際には電圧バイアス状態となってしま
うからである。このため、電子のトンネリング前後での
電圧変化がなくなり、電子のトンネリングはランダムと
なってしまう。また、オフセット電圧も非常に小さなも
のとなる。そこで、浮遊容量の影響を防ぐ方法として、
素子の近傍に高インピーダンスの抵抗体を配置すること
が考えられた。実際には接合アレイを利用する方法〔例
えば、P.Delsing,K.K.Likharev,L.S.Kuzmin,and T.Clae
son,Phys.Rev.Lett.,63,1180(1989）〕や、Ｃｒ（クロ
ム）などの高抵抗薄膜を配置する方法〔例えば、L.S.Ku
zmin and D.B.Haviland,Phys.Rev.Lett.,67,2890(199
1）〕などが提案されている。しかしながら、接合アレ
イを利用した場合には、外部インピーダンスは非線形と
なって解析が難しく、かつ適当な値に設計することは非
常に難しい。またＣｒ薄膜を用いたときには、薄膜自体
がインピーダンスが高いため生じるホットエレクトロン
効果を無視することができない。したがって理想的な電
流バイアス状態を得ることは難しい。このように従来の
電子素子とは大きく異なり、微小トンネル接合では外部
環境を含めて設計する必要がある。最近ではさらに進ん
で、素子の特性にふさわしい電磁場環境を設計しようと
する試みがなされている〔例えば、T.Holst,D.Esteve,
C.Urbina,and M.H.Devoret,Phys.Rev.Lett.,73,3455(19
94）〕。また、超伝導状態における微小トンネリング素
子も盛んに研究されている。超伝導微小トンネリング素
子では、トンネリングする電荷がクーパー対と準粒子の
２種類が存在するためにいろいろな現象が起こってく
る。最近は、超伝導ＳＥＴトランジスタ（図３）におい
て、ゲート電圧源３３の変化により生じる電流の周期的
変化が、超伝導エネルギーギャップ（Δ）と帯電エネル
ギー（ＥC）との大小関係によってさまざまに変化する
ことが分かってきた〔例えば、K.A.Matveev,M.Gisselfa
lt,L.I.Glazman,M.Jonson,and R.I.Shekhter,Phys.Rev.
Lett.,70,2940(1993）〕。このような理論から、準電子
とクーパー対を選択的にトンネルさせる素子も可能にな
ると考えられる。しかしながら、超伝導エネルギーギャ
ップ（Δ）と帯電エネルギー（ＥC）に応じた周期性を
みるためには、熱的に励起された状態にある準電子を取
り除き、系全体が熱平衡状態にあるように制御しなけれ
ばならない。そのために接合の近傍に、超伝導体ではな
く常伝導金属を配置することが試みられている〔例え
ば、P.Joyez,P.Lafarge,A.Filipe,D.Esteve,and M.H.De
voret.Phys.Rev.Lett.,72,2458(1994）〕。この常伝導
金属は、超伝導体中の非平衡準粒子を緩和させる働きを
担っている。ＳＥＴ振動と似ているが、厳密な意味では
時間相関を持ったクーパー対のトンネリングであるブロ
ッホ（Bloch）振動を観測するためにも非平衡準粒子の
除去は重要な課題である。また、ブロッホ振動を観測す
るためには、クーパー対が基底状態のバンド上を運動す
ることが必要である。そのために、クーパー対に過剰な
エネルギーを与えないようにすることが重要となる。高
抵抗体を接合近傍に配置した場合には、電子が加熱され
ることにより大きなエネルギーを持つようになって、容
易に基底状態からその上のバンドに移ってしまう。この
ためにブロッホ振動の観測は難しいと指摘されている。
十ナノメートル（〜１０~8ｍ）角という微小な寸法を持
つ微小トンネル接合の製作が可能となった。ここで、微
小トンネル接合を図１に示す。２枚の金属電極薄膜から
なる上部電極１１と、下部電極１３を、数十Åという非
常に薄い絶縁体からなるトンネル障壁１２で隔てた構造
としており、電子がこの絶縁体（トンネル障壁）１２を
トンネルすることによって電流が流れる。このトンネル
接合は、その構造からコンデンサと見なせる。したがっ
て接合容量Ｃは、次の（数１）式で表わされる。 Ｃ＝ε×Ｓ／ｄ ……… （数１） ここで、Ｓは接合面積、ｄはトンネル障壁厚さを示し、
εは誘電率であって、トンネル障壁材料に固有の値であ
る。そして、微小トンネル接合に蓄えられる単一電子の
帯電エネルギーＥCは、次の（数２）式で表わされる。 ＥC＝ｅ2／２Ｃ ……… （数２） したがって、（数１）、（数２）式より、小さな接合面
積を持つ微小トンネル接合では、（数３）式で示される
ように、大きな帯電エネルギーを持つことになる。 ＥC＝ｅ2／２ε×ｄ／Ｓ ……… （数３） 電極材料としてアルミニウムを用いた典型的な微小トン
ネル接合においては、Ｓ＝１００００ｎｍ2、ｄ＝２ｎ
ｍ、ε＝１×１０~10であり、帯電エネルギーＥCは、Ｅ
C＝１６０μｅＶとなる。このエネルギーを温度に換算
すると約１.８６Ｋとなる。したがって、希釈冷凍機を
用いて極低温環境（１００ｍＫ以下）とすることによ
り、熱励起による電荷のトンネリングを抑制できる。図
２に示すように、微小トンネル接合２１に、理想的な電
流源２３を接続した場合には、電流の注入により接合界
面に徐々に分極が生じて接合電圧は増加する。この電圧
が、所定のしきい値電圧（Ｖth）を超えると、電子が１
つトンネリングできるようになり、トンネリング後は、
接合両端の電圧は下がり、再びＶthまで充電されてトン
ネリングが起こるというサイクルを繰り返す。したがっ
て、微小トンネル接合では、電子は規則的に１つずつト
ンネルする。この現象をＳＥＴ（Single Electron Tunn
eling）振動と呼ぶ。しきい値電圧（Ｖth）は、電子の
トンネリング前後のエネルギー変化が保存されることを
考えて、次の（数４）式により求められる。 Ｖth＝ｅ／２Ｃ ……… （数４） 微小トンネル接合の電流−電圧特性は図１０に示すよう
になる。一般に、しきい値電圧（Ｖth）は、オフセット
電圧１０２と呼ばれている。このような微小トンネル接
合の特性は、理論的には１９８０年代の中頃にAverin a
nd Likharevらによって解析されたが〔例えば、D.V. Av
erin and K.K.Lokharev,J.Low Temp.Phys.,62,345(198
6）〕、単一の微小トンネル接合において実際に観測さ
れたのは、それよりもかなり後のことである。この理由
として、素子製作の観点からは当時の微細加工技術が十
分でなかったことが挙げられるが、本質的な問題として
は微小トンネル接合で起こる現象を観測するためには、
外部の電磁場環境（electromagnetic environment）か
らの影響を取り除かねばならないことが分かったからで
ある〔例えば、Yu.V.Nazarov,JETP Lett.,49,126(198
9）〕。ＳＥＴ振動のような時間的に規則正しい電子の
トンネリングを実現するためには、微小トンネル素子
は、図２に示すような電流バイアス状態でなければなら
ない。しかしながら、素子自体の容量が非常に小さいの
で〔典型的には０.５ｆＦ（フェムト ファラド：Ｆ／１
０15）程度〕、リード線自体の持つ浮遊容量の方が大き
くなり、仮に理想的な電流源を微小トンネル接合に接続
したとしても、実際には電圧バイアス状態となってしま
うからである。このため、電子のトンネリング前後での
電圧変化がなくなり、電子のトンネリングはランダムと
なってしまう。また、オフセット電圧も非常に小さなも
のとなる。そこで、浮遊容量の影響を防ぐ方法として、
素子の近傍に高インピーダンスの抵抗体を配置すること
が考えられた。実際には接合アレイを利用する方法〔例
えば、P.Delsing,K.K.Likharev,L.S.Kuzmin,and T.Clae
son,Phys.Rev.Lett.,63,1180(1989）〕や、Ｃｒ（クロ
ム）などの高抵抗薄膜を配置する方法〔例えば、L.S.Ku
zmin and D.B.Haviland,Phys.Rev.Lett.,67,2890(199
1）〕などが提案されている。しかしながら、接合アレ
イを利用した場合には、外部インピーダンスは非線形と
なって解析が難しく、かつ適当な値に設計することは非
常に難しい。またＣｒ薄膜を用いたときには、薄膜自体
がインピーダンスが高いため生じるホットエレクトロン
効果を無視することができない。したがって理想的な電
流バイアス状態を得ることは難しい。このように従来の
電子素子とは大きく異なり、微小トンネル接合では外部
環境を含めて設計する必要がある。最近ではさらに進ん
で、素子の特性にふさわしい電磁場環境を設計しようと
する試みがなされている〔例えば、T.Holst,D.Esteve,
C.Urbina,and M.H.Devoret,Phys.Rev.Lett.,73,3455(19
94）〕。また、超伝導状態における微小トンネリング素
子も盛んに研究されている。超伝導微小トンネリング素
子では、トンネリングする電荷がクーパー対と準粒子の
２種類が存在するためにいろいろな現象が起こってく
る。最近は、超伝導ＳＥＴトランジスタ（図３）におい
て、ゲート電圧源３３の変化により生じる電流の周期的
変化が、超伝導エネルギーギャップ（Δ）と帯電エネル
ギー（ＥC）との大小関係によってさまざまに変化する
ことが分かってきた〔例えば、K.A.Matveev,M.Gisselfa
lt,L.I.Glazman,M.Jonson,and R.I.Shekhter,Phys.Rev.
Lett.,70,2940(1993）〕。このような理論から、準電子
とクーパー対を選択的にトンネルさせる素子も可能にな
ると考えられる。しかしながら、超伝導エネルギーギャ
ップ（Δ）と帯電エネルギー（ＥC）に応じた周期性を
みるためには、熱的に励起された状態にある準電子を取
り除き、系全体が熱平衡状態にあるように制御しなけれ
ばならない。そのために接合の近傍に、超伝導体ではな
く常伝導金属を配置することが試みられている〔例え
ば、P.Joyez,P.Lafarge,A.Filipe,D.Esteve,and M.H.De
voret.Phys.Rev.Lett.,72,2458(1994）〕。この常伝導
金属は、超伝導体中の非平衡準粒子を緩和させる働きを
担っている。ＳＥＴ振動と似ているが、厳密な意味では
時間相関を持ったクーパー対のトンネリングであるブロ
ッホ（Bloch）振動を観測するためにも非平衡準粒子の
除去は重要な課題である。また、ブロッホ振動を観測す
るためには、クーパー対が基底状態のバンド上を運動す
ることが必要である。そのために、クーパー対に過剰な
エネルギーを与えないようにすることが重要となる。高
抵抗体を接合近傍に配置した場合には、電子が加熱され
ることにより大きなエネルギーを持つようになって、容
易に基底状態からその上のバンドに移ってしまう。この
ためにブロッホ振動の観測は難しいと指摘されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、微小
トンネル接合の特性を大きく左右する電磁場環境を制御
することができ、また、超伝導状態において理想的な微
小トンネル接合の特性を得るために非平衡準粒子の影響
を取り除くことができる半導体結合単一電子トンネリン
グ素子およびその作製方法を提供することにある。
トンネル接合の特性を大きく左右する電磁場環境を制御
することができ、また、超伝導状態において理想的な微
小トンネル接合の特性を得るために非平衡準粒子の影響
を取り除くことができる半導体結合単一電子トンネリン
グ素子およびその作製方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記本発明の課題を達成
するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構
成とするものである。すなわち、本発明は請求項１に記
載のように、ヘテロ界面に２次元電子ガスを生成する第
１のヘテロ構造半導体と、帯電エネルギーを大きくする
ことにより電子の離散的なトンネリングを可能とした微
小トンネル接合と、ヘテロ界面に２次元電子ガスを生成
する第２のヘテロ構造半導体とを、少なくとも１組以
上、順次、直列に接続した半導体結合単一電子トンネリ
ング素子であって、上記第１および第２のヘテロ構造半
導体における２次元電子ガスと、上記微小トンネル接合
とを結合する構造とした半導体結合単一電子トンネリン
グ素子とするものである。このように、微小トンネル接
合と半導体ヘテロ界面で形成される２次元電子ガスとを
結合させるというハイブリッドな素子構成とすることに
より、単一電子トンネリング素子の電磁場環境を人工的
に制御することが可能となり、自在に素子特性を制御す
ることができ、単一電子トンネリング素子回路設計や電
流標準の精度向上等に大きく貢献できる効果がある。ま
た、本発明は請求項２に記載のように、請求項１におい
て、第１および第２のヘテロ構造半導体のそれぞれに、
もしくは上記ヘテロ構造半導体のどちらか一方に、少な
くとも１つのゲート電極を付加し、これにより２次元電
子ガスの濃度を制御する手段を有する半導体結合単一電
子トンネリング素子とするものである。このように、２
次元電子ガス上部に少なくとも１つのゲート電極をつけ
ることで、ゲート電圧により２次元電子ガス領域のイン
ピーダンスを自在に制御することができ、また２次元電
子ガスを複数のゲート電極で制御した構造とすることに
よりインピーダンスの空間分布を作ることが可能とな
り、電子の過剰な加熱（ホットエレクトロン効果）の影
響を除いた電流を単一電子トンネリング素子に注入でき
るようになり、高抵抗領域におけるホットエレクトロン
効果を最小限に抑制できる効果がある。また、本発明は
請求項３に記載のように、請求項１において、ヘテロ界
面に２次元電子ガスを生成する第１のヘテロ構造半導体
と、帯電エネルギーを大きくすることにより電子の離散
的なトンネリングを可能とした第１の微小トンネル接合
と、ヘテロ界面に２次元電子ガスを生成する第２のヘテ
ロ構造半導体と、帯電エネルギーを大きくすることによ
り電子の離散的なトンネリングを可能とした第２の微小
トンネル接合と、ヘテロ界面に２次元電子ガスを生成す
る第３のヘテロ構造半導体とを、順次、直列に接続した
半導体結合単電子トンネリング素子であって、上記第
１、第２および第３のヘテロ構造半導体における２次元
電子ガスと、上記第１および第２の微小トンネル接合と
を結合した半導体結合単一電子トンネリング素子とする
ものである。このように、微小トンネル接合を二つ以
上、直列に繋いだ２重（複数）単一電子トンネリング素
子を実現することができ、上記請求項１と同様の効果が
ある。また、本発明は請求項４に記載のように、請求項
３において、第２のヘテロ構造半導体に、少なくとも１
つのゲート電極を付加し、これにより２次元電子ガスの
濃度を制御する手段を有する半導体結合単一電子トンネ
リング素子とするものである。このような構成にするこ
とにより、例えば、中央電極に、上記請求項２のような
ゲート制御可能な２次元電子ガスを結合させた構造の抵
抗結合単一電子トランジスタを実現することができ、上
記請求項１の共通の効果に加え、請求項２と同様の効果
がある。また、本発明は請求項５に記載のように、請求
項１ないし請求項４のいずれか１項において、微小トン
ネル接合が超伝導体よりなる半導体結合単一電子トンネ
リング素子とするものである。このような構成とするこ
とにより、単一電子トンネリング素子が超伝導状態にな
ったときに実現できる電荷−位相共役関係に基づくクー
パー対の量子力学的２重性を利用する抵抗結合単一電子
トランジスタを実現することができ、ジョセフソン効果
とブロッホ振動との共存による量子ホール抵抗が観測で
きる。また、単一電子トンネリング素子の両端に、上記
請求項２のようなゲート電極を有する２次元電子ガスを
配置し、単一トンネリング素子が超伝導状態においてブ
ロッホ振動する半導体結合単一電子トンネリング素子を
実現できる効果がある。また、本発明は請求項６に記載
のように、請求項１ないし請求項５のいずれか１項にお
いて、磁場発生装置を付加して、該磁場発生装置より発
生される磁場によりヘテロ構造半導体における２次元電
子ガスが量子ホール効果を示す半導体結合単一電子トン
ネリング素子とするものである。このような構成とする
ことにより、高磁場を加えて、２次元電子ガス中の電子
が量子ホール状態にあるときに実現できる理想的な電流
標準が得られる効果がある。また、本発明は請求項７に
記載のように、請求項１ないし請求項６のいずれか１項
に記載の半導体結合単一電子トンネリング素子を作製す
る方法であって、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）界面を有
する逆ヘテロ構造基板上に、配線取り出し部は光露光
で、微小トンネル接合コンタクト部は電子線露光でレジ
ストのエッチングマスクを作製し、メサエッチングによ
り溝状に加工して、配線取り出し部、微小トンネル接合
コンタクト部および微小トンネル接合形成部を形成する
工程と、電子線レジストを塗布して、微小トンネル接合
コンタクト部の両端部、すなわち微小トンネル接合と２
ＤＥＧとのコンタクト部および２ＤＥＧと配線とのコン
タクト部に電子線露光を行ってレジストを除去し、さら
にアルゴンによるスパッタエッチングにより清浄な２Ｄ
ＥＧ界面を取り出し、該２ＤＥＧ界面の汚染を防止する
工程と、上記レジストのままで、上記微小トンネル接合
と２ＤＥＧとのコンタクト部および２ＤＥＧと配線との
コンタクト部に所定の金属膜を蒸着してリフトオフを行
う工程と、電子線レジストを塗布して、電極部および電
極までの配線用パターンを露光により形成し、所定の金
属を蒸着して電極および配線用金属膜を形成する工程
と、微小トンネル接合を作製するための２層レジストを
塗布して、電子線露光により架橋部を形成し、２種類の
現像液を用いて、各々のレジスト層の現像を行い、電子
線のドーズ量、現像溶液の種類および濃度、現像時間の
調整により、下層レジスト層に所定形状のアンダーカッ
ト部を形成する工程と、次に、微小トンネル接合の下部
電極を蒸着した後、表面を酸化してトンネル障壁を形成
し、ついで上部電極を蒸着して微小トンネル接合を作製
する工程を含む半導体結合単一電子トンネリング素子の
作製方法とするものである。このような工程を用いるこ
とにより、２ＤＥＧと微小トンネル接合とのコンタクト
の部分の界面におけるコンタミネーション（汚れ）が問
題となることなく、アルゴンスパッタエッチングにより
清浄な２ＤＥＧ界面（例えば、ＩｎＡｓ層）を取り出す
ことができ、その後、例えば真空を保持したまま、金な
どの金属を蒸着して、２ＤＥＧ界面が大気等に触れない
ようにしているため、上記請求項１ないし請求項６に記
載の優れた特性を有する半導体結合単一電子トンネリン
グ素子を歩留まり良く作製することが可能となる。ここ
で、本発明の半導体結合単一電子トンネリング素子の基
本的な作用について述べる。本発明の素子の基本的な構
成は、半導体ヘテロ界面で形成される２次元電子ガス
と、薄い絶縁体層を金属薄膜で挟んで形成される面積の
小さい微小トンネル接合素子とを結合させたものであ
る。このような構造においては、微小トンネル接合を通
る電荷のトンネリングの性質は、２次元電子ガスのイン
ピーダンスによって決まる。２次元電子ガスのインピー
ダンスは、ゲート電圧を加えることによるキャリア濃度
の変化により制御することが可能となる。
するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構
成とするものである。すなわち、本発明は請求項１に記
載のように、ヘテロ界面に２次元電子ガスを生成する第
１のヘテロ構造半導体と、帯電エネルギーを大きくする
ことにより電子の離散的なトンネリングを可能とした微
小トンネル接合と、ヘテロ界面に２次元電子ガスを生成
する第２のヘテロ構造半導体とを、少なくとも１組以
上、順次、直列に接続した半導体結合単一電子トンネリ
ング素子であって、上記第１および第２のヘテロ構造半
導体における２次元電子ガスと、上記微小トンネル接合
とを結合する構造とした半導体結合単一電子トンネリン
グ素子とするものである。このように、微小トンネル接
合と半導体ヘテロ界面で形成される２次元電子ガスとを
結合させるというハイブリッドな素子構成とすることに
より、単一電子トンネリング素子の電磁場環境を人工的
に制御することが可能となり、自在に素子特性を制御す
ることができ、単一電子トンネリング素子回路設計や電
流標準の精度向上等に大きく貢献できる効果がある。ま
た、本発明は請求項２に記載のように、請求項１におい
て、第１および第２のヘテロ構造半導体のそれぞれに、
もしくは上記ヘテロ構造半導体のどちらか一方に、少な
くとも１つのゲート電極を付加し、これにより２次元電
子ガスの濃度を制御する手段を有する半導体結合単一電
子トンネリング素子とするものである。このように、２
次元電子ガス上部に少なくとも１つのゲート電極をつけ
ることで、ゲート電圧により２次元電子ガス領域のイン
ピーダンスを自在に制御することができ、また２次元電
子ガスを複数のゲート電極で制御した構造とすることに
よりインピーダンスの空間分布を作ることが可能とな
り、電子の過剰な加熱（ホットエレクトロン効果）の影
響を除いた電流を単一電子トンネリング素子に注入でき
るようになり、高抵抗領域におけるホットエレクトロン
効果を最小限に抑制できる効果がある。また、本発明は
請求項３に記載のように、請求項１において、ヘテロ界
面に２次元電子ガスを生成する第１のヘテロ構造半導体
と、帯電エネルギーを大きくすることにより電子の離散
的なトンネリングを可能とした第１の微小トンネル接合
と、ヘテロ界面に２次元電子ガスを生成する第２のヘテ
ロ構造半導体と、帯電エネルギーを大きくすることによ
り電子の離散的なトンネリングを可能とした第２の微小
トンネル接合と、ヘテロ界面に２次元電子ガスを生成す
る第３のヘテロ構造半導体とを、順次、直列に接続した
半導体結合単電子トンネリング素子であって、上記第
１、第２および第３のヘテロ構造半導体における２次元
電子ガスと、上記第１および第２の微小トンネル接合と
を結合した半導体結合単一電子トンネリング素子とする
ものである。このように、微小トンネル接合を二つ以
上、直列に繋いだ２重（複数）単一電子トンネリング素
子を実現することができ、上記請求項１と同様の効果が
ある。また、本発明は請求項４に記載のように、請求項
３において、第２のヘテロ構造半導体に、少なくとも１
つのゲート電極を付加し、これにより２次元電子ガスの
濃度を制御する手段を有する半導体結合単一電子トンネ
リング素子とするものである。このような構成にするこ
とにより、例えば、中央電極に、上記請求項２のような
ゲート制御可能な２次元電子ガスを結合させた構造の抵
抗結合単一電子トランジスタを実現することができ、上
記請求項１の共通の効果に加え、請求項２と同様の効果
がある。また、本発明は請求項５に記載のように、請求
項１ないし請求項４のいずれか１項において、微小トン
ネル接合が超伝導体よりなる半導体結合単一電子トンネ
リング素子とするものである。このような構成とするこ
とにより、単一電子トンネリング素子が超伝導状態にな
ったときに実現できる電荷−位相共役関係に基づくクー
パー対の量子力学的２重性を利用する抵抗結合単一電子
トランジスタを実現することができ、ジョセフソン効果
とブロッホ振動との共存による量子ホール抵抗が観測で
きる。また、単一電子トンネリング素子の両端に、上記
請求項２のようなゲート電極を有する２次元電子ガスを
配置し、単一トンネリング素子が超伝導状態においてブ
ロッホ振動する半導体結合単一電子トンネリング素子を
実現できる効果がある。また、本発明は請求項６に記載
のように、請求項１ないし請求項５のいずれか１項にお
いて、磁場発生装置を付加して、該磁場発生装置より発
生される磁場によりヘテロ構造半導体における２次元電
子ガスが量子ホール効果を示す半導体結合単一電子トン
ネリング素子とするものである。このような構成とする
ことにより、高磁場を加えて、２次元電子ガス中の電子
が量子ホール状態にあるときに実現できる理想的な電流
標準が得られる効果がある。また、本発明は請求項７に
記載のように、請求項１ないし請求項６のいずれか１項
に記載の半導体結合単一電子トンネリング素子を作製す
る方法であって、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）界面を有
する逆ヘテロ構造基板上に、配線取り出し部は光露光
で、微小トンネル接合コンタクト部は電子線露光でレジ
ストのエッチングマスクを作製し、メサエッチングによ
り溝状に加工して、配線取り出し部、微小トンネル接合
コンタクト部および微小トンネル接合形成部を形成する
工程と、電子線レジストを塗布して、微小トンネル接合
コンタクト部の両端部、すなわち微小トンネル接合と２
ＤＥＧとのコンタクト部および２ＤＥＧと配線とのコン
タクト部に電子線露光を行ってレジストを除去し、さら
にアルゴンによるスパッタエッチングにより清浄な２Ｄ
ＥＧ界面を取り出し、該２ＤＥＧ界面の汚染を防止する
工程と、上記レジストのままで、上記微小トンネル接合
と２ＤＥＧとのコンタクト部および２ＤＥＧと配線との
コンタクト部に所定の金属膜を蒸着してリフトオフを行
う工程と、電子線レジストを塗布して、電極部および電
極までの配線用パターンを露光により形成し、所定の金
属を蒸着して電極および配線用金属膜を形成する工程
と、微小トンネル接合を作製するための２層レジストを
塗布して、電子線露光により架橋部を形成し、２種類の
現像液を用いて、各々のレジスト層の現像を行い、電子
線のドーズ量、現像溶液の種類および濃度、現像時間の
調整により、下層レジスト層に所定形状のアンダーカッ
ト部を形成する工程と、次に、微小トンネル接合の下部
電極を蒸着した後、表面を酸化してトンネル障壁を形成
し、ついで上部電極を蒸着して微小トンネル接合を作製
する工程を含む半導体結合単一電子トンネリング素子の
作製方法とするものである。このような工程を用いるこ
とにより、２ＤＥＧと微小トンネル接合とのコンタクト
の部分の界面におけるコンタミネーション（汚れ）が問
題となることなく、アルゴンスパッタエッチングにより
清浄な２ＤＥＧ界面（例えば、ＩｎＡｓ層）を取り出す
ことができ、その後、例えば真空を保持したまま、金な
どの金属を蒸着して、２ＤＥＧ界面が大気等に触れない
ようにしているため、上記請求項１ないし請求項６に記
載の優れた特性を有する半導体結合単一電子トンネリン
グ素子を歩留まり良く作製することが可能となる。ここ
で、本発明の半導体結合単一電子トンネリング素子の基
本的な作用について述べる。本発明の素子の基本的な構
成は、半導体ヘテロ界面で形成される２次元電子ガス
と、薄い絶縁体層を金属薄膜で挟んで形成される面積の
小さい微小トンネル接合素子とを結合させたものであ
る。このような構造においては、微小トンネル接合を通
る電荷のトンネリングの性質は、２次元電子ガスのイン
ピーダンスによって決まる。２次元電子ガスのインピー
ダンスは、ゲート電圧を加えることによるキャリア濃度
の変化により制御することが可能となる。
【０００５】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を挙
げ、図面を用いてさらに詳細に説明する。 〈第１の実施の形態〉図５は、本実施の形態で例示する
半導体結合単一電子トンネリング素子の構成を示す斜視
図である。図において、インジウム・リン（ＩｎＰ）か
らなる絶縁性基板５５上に、分子線エピタキシ（ＭＢ
Ｅ）法により、２次元電子ガスを形成するインジウムヒ
素（ＩｎＡｓ）層を含む半導体ヘテロ接合５１を成長さ
せ、エッチングによりＩｎＡｓ層より上部の層を取り除
き、金属−２次元電子ガス接触部５６を形成する。絶縁
性基板５５は、低温においてキャリア凍結により絶縁性
となるような材料を用いる。半導体製基板の場合には、
漏れ電流による悪影響が考えられる。金属下部電極５
２、金属上部電極５３となる金属材料としては、アルミ
ニウムやニオブを挙げることができる。問題となるの
は、これらの金属電極と２次元電子ガスの界面抵抗であ
る。ＩｎＡｓは、金属と接触した場合には、オーミック
接触を得られることが報告されており、ガリウム・ヒ素
（ＧａＡｓ）のようなショットキー障壁は形成されない
ので、良好な伝導特性を得ることが可能である。ここで
は、図６に示すようなＩｎＰ基板６８上に成長されたＩ
ｎＡｓ層挿入の逆ＨＥＭＴ構造基板を用いる。素子の製
作プロセスは、次のような工程となる〔図７（ａ）〜
（ｄ）および図８（ｅ）〜（ｇ）を参照〕。 （１）図７（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板７１上に、
ＭＢＥ成長膜（Ｂ）７３およびＭＢＥ成長膜（Ａ）７２
を形成したＩｎＡｓ層挿入逆ＨＥＭＴ構造基板（図６参
照）を用い、光露光および電子線露光を用いて素子概形
を形成する。すなわち、図７（ｂ）に示すように、配線
取り出し部７４は光露光で、微小トンネル接合コンタク
ト部７５は電子線露光で、それぞれレジストのエッチン
グマスクを作製する。次に、クエン酸によりメサエッチ
ングを行い、ＭＢＥ成長膜（Ａ）および（Ｂ）を剥ぎ取
り、溝を形成する。中央の微小トンネル接合形成部７６
の溝は、幅１.５μｍとした。そして、レジストを剥離
すると図７（ｂ）に示すようになる。 （２）図７（ｃ）に示すように、電子線レジスト７７を
再び塗布して、微小トンネル接合と２ＤＥＧコンタクト
部７８、および２ＤＥＧと配線コンタクト部７９に電子
線露光を行ってレジストを除く。塩酸によりＭＢＥ成長
膜（Ａ）７２をエッチングする。さらに、アルゴンによ
るスパッタエッチングにより、清浄なＩｎＡｓ層を取り
出す。７８の部分は、微小トンネル接合と２次元電子ガ
ス（２ＤＥＧ）とのコンタクトを取るためのもので、面
積は４μｍ×４μｍとした。その外側の部分７９は、電
極パッドまでの配線用のコンタクト部で １０μｍ×２
０μｍの寸法を持つように形成した。 （３）図７（ｃ）のレジストをそのまま用いて、金（Ａ
ｕ）を１００Å蒸着して金蒸着膜７１０を形成し、リフ
トオフを行うと図７（ｄ）に示す形状になる。 （４）光露光用レジストを塗布して、電極部および電極
までの配線用のパターンを露光して、金を２０００Å蒸
着し、電極および配線用金蒸着膜８１を形成する〔図８
（ｅ）〕。 （５）次に、微小トンネル接合の製作のために２層レジ
スト、すなわち上層レジスト（ＺＥＰ：日本ゼオン製）
８２と、下層レジスト（ＰＭＧＩ：日本マクダーミット
製）８３を形成する。まず、下層レジスト８３としてＰ
ＭＧＩをスピン塗布し、プリベークを行い、その後、上
層レジスト８２であるＺＥＰをスピン塗布して、再びプ
リベークを行う。この時、上層レジスト８２のプリベー
ク温度は下層レジスト８３よりも約２０度低くする。レ
ジストのプリベーク後の厚さは、下層レジスト８３のＰ
ＭＧＩは２０００Å、上層レジスト８２のＺＥＰは５０
０Åであった。次に、電子線露光を行ない、図８（ｆ）
に示すように、架橋部（幅０.１μｍ）が形成できるよ
うに露光する。露光終了後、２種類の現像液を用いて、
各々のレジスト層の現像を行う。この時、電子線のドー
ズ量、現像溶液の種類および濃度、現像時間を調整する
ことにより、下層レジスト８３であるＰＭＧＩ層に適当
なアンダーカットを形成することができる。アンダーカ
ットの量は、微小トンネル接合を作製するときの斜め蒸
着の条件に依存するが、最低０.４μｍ程度は必要であ
る。 (６）微小トンネル接合８４の作製のために、基板に垂
直な面に対する法線から＋１０度の角度でアルミニウム
（Ａｌ）を２００Åの厚さに斜め蒸着する。蒸着後、１
０mTorr（ミリトル）の酸素を導入してＡｌ表面を酸化
し、トンネル障壁を形成する。次に、−１０度の角度で
Ａｌを４００Åの厚さに斜め蒸着する。上層Ａｌ膜（上
部電極）の膜厚は、段差部での切断を防ぐために、下層
Ａｌ膜（下部電極）の２倍程度の厚さにする必要があ
る。最後に、２層レジストを剥離することにより、本発
明の素子が完成する〔図８（ｇ）〕。本プロセスでは、
２ＤＥＧと微小トンネル接合とのコンタクト部７８の界
面におけるコンタミネーション（汚れ）が問題となる。
このために、アルゴンスパッタエッチングを用いて、清
浄な２ＤＥＧ界面（ＩｎＡｓ層）を取り出し、その後、
真空を保持したまま金を蒸着して、２ＤＥＧ界面が大気
等に触れないようにしてある。ここでは、ＩｎＡｓ層の
２次元電子ガスを用いたが、例えば、シリコンの反転層
を用いたＭＯＳ−ＦＥＴ構造であっても実現可能であ
る。微小トンネル接合８４の近傍に、２次元電子ガスで
形成される正常金属領域を置くことで、過剰な準粒子を
接合電極より取り除くことができる。このために、超伝
導状態におけるクーパー対の振る舞いは、基底状態のバ
ンドにより決まる熱平衡状態を実現できることとなる。
げ、図面を用いてさらに詳細に説明する。 〈第１の実施の形態〉図５は、本実施の形態で例示する
半導体結合単一電子トンネリング素子の構成を示す斜視
図である。図において、インジウム・リン（ＩｎＰ）か
らなる絶縁性基板５５上に、分子線エピタキシ（ＭＢ
Ｅ）法により、２次元電子ガスを形成するインジウムヒ
素（ＩｎＡｓ）層を含む半導体ヘテロ接合５１を成長さ
せ、エッチングによりＩｎＡｓ層より上部の層を取り除
き、金属−２次元電子ガス接触部５６を形成する。絶縁
性基板５５は、低温においてキャリア凍結により絶縁性
となるような材料を用いる。半導体製基板の場合には、
漏れ電流による悪影響が考えられる。金属下部電極５
２、金属上部電極５３となる金属材料としては、アルミ
ニウムやニオブを挙げることができる。問題となるの
は、これらの金属電極と２次元電子ガスの界面抵抗であ
る。ＩｎＡｓは、金属と接触した場合には、オーミック
接触を得られることが報告されており、ガリウム・ヒ素
（ＧａＡｓ）のようなショットキー障壁は形成されない
ので、良好な伝導特性を得ることが可能である。ここで
は、図６に示すようなＩｎＰ基板６８上に成長されたＩ
ｎＡｓ層挿入の逆ＨＥＭＴ構造基板を用いる。素子の製
作プロセスは、次のような工程となる〔図７（ａ）〜
（ｄ）および図８（ｅ）〜（ｇ）を参照〕。 （１）図７（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板７１上に、
ＭＢＥ成長膜（Ｂ）７３およびＭＢＥ成長膜（Ａ）７２
を形成したＩｎＡｓ層挿入逆ＨＥＭＴ構造基板（図６参
照）を用い、光露光および電子線露光を用いて素子概形
を形成する。すなわち、図７（ｂ）に示すように、配線
取り出し部７４は光露光で、微小トンネル接合コンタク
ト部７５は電子線露光で、それぞれレジストのエッチン
グマスクを作製する。次に、クエン酸によりメサエッチ
ングを行い、ＭＢＥ成長膜（Ａ）および（Ｂ）を剥ぎ取
り、溝を形成する。中央の微小トンネル接合形成部７６
の溝は、幅１.５μｍとした。そして、レジストを剥離
すると図７（ｂ）に示すようになる。 （２）図７（ｃ）に示すように、電子線レジスト７７を
再び塗布して、微小トンネル接合と２ＤＥＧコンタクト
部７８、および２ＤＥＧと配線コンタクト部７９に電子
線露光を行ってレジストを除く。塩酸によりＭＢＥ成長
膜（Ａ）７２をエッチングする。さらに、アルゴンによ
るスパッタエッチングにより、清浄なＩｎＡｓ層を取り
出す。７８の部分は、微小トンネル接合と２次元電子ガ
ス（２ＤＥＧ）とのコンタクトを取るためのもので、面
積は４μｍ×４μｍとした。その外側の部分７９は、電
極パッドまでの配線用のコンタクト部で １０μｍ×２
０μｍの寸法を持つように形成した。 （３）図７（ｃ）のレジストをそのまま用いて、金（Ａ
ｕ）を１００Å蒸着して金蒸着膜７１０を形成し、リフ
トオフを行うと図７（ｄ）に示す形状になる。 （４）光露光用レジストを塗布して、電極部および電極
までの配線用のパターンを露光して、金を２０００Å蒸
着し、電極および配線用金蒸着膜８１を形成する〔図８
（ｅ）〕。 （５）次に、微小トンネル接合の製作のために２層レジ
スト、すなわち上層レジスト（ＺＥＰ：日本ゼオン製）
８２と、下層レジスト（ＰＭＧＩ：日本マクダーミット
製）８３を形成する。まず、下層レジスト８３としてＰ
ＭＧＩをスピン塗布し、プリベークを行い、その後、上
層レジスト８２であるＺＥＰをスピン塗布して、再びプ
リベークを行う。この時、上層レジスト８２のプリベー
ク温度は下層レジスト８３よりも約２０度低くする。レ
ジストのプリベーク後の厚さは、下層レジスト８３のＰ
ＭＧＩは２０００Å、上層レジスト８２のＺＥＰは５０
０Åであった。次に、電子線露光を行ない、図８（ｆ）
に示すように、架橋部（幅０.１μｍ）が形成できるよ
うに露光する。露光終了後、２種類の現像液を用いて、
各々のレジスト層の現像を行う。この時、電子線のドー
ズ量、現像溶液の種類および濃度、現像時間を調整する
ことにより、下層レジスト８３であるＰＭＧＩ層に適当
なアンダーカットを形成することができる。アンダーカ
ットの量は、微小トンネル接合を作製するときの斜め蒸
着の条件に依存するが、最低０.４μｍ程度は必要であ
る。 (６）微小トンネル接合８４の作製のために、基板に垂
直な面に対する法線から＋１０度の角度でアルミニウム
（Ａｌ）を２００Åの厚さに斜め蒸着する。蒸着後、１
０mTorr（ミリトル）の酸素を導入してＡｌ表面を酸化
し、トンネル障壁を形成する。次に、−１０度の角度で
Ａｌを４００Åの厚さに斜め蒸着する。上層Ａｌ膜（上
部電極）の膜厚は、段差部での切断を防ぐために、下層
Ａｌ膜（下部電極）の２倍程度の厚さにする必要があ
る。最後に、２層レジストを剥離することにより、本発
明の素子が完成する〔図８（ｇ）〕。本プロセスでは、
２ＤＥＧと微小トンネル接合とのコンタクト部７８の界
面におけるコンタミネーション（汚れ）が問題となる。
このために、アルゴンスパッタエッチングを用いて、清
浄な２ＤＥＧ界面（ＩｎＡｓ層）を取り出し、その後、
真空を保持したまま金を蒸着して、２ＤＥＧ界面が大気
等に触れないようにしてある。ここでは、ＩｎＡｓ層の
２次元電子ガスを用いたが、例えば、シリコンの反転層
を用いたＭＯＳ−ＦＥＴ構造であっても実現可能であ
る。微小トンネル接合８４の近傍に、２次元電子ガスで
形成される正常金属領域を置くことで、過剰な準粒子を
接合電極より取り除くことができる。このために、超伝
導状態におけるクーパー対の振る舞いは、基底状態のバ
ンドにより決まる熱平衡状態を実現できることとなる。
【０００６】〈第２の実施の形態〉図９は、本実施の形
態で例示するゲート電極により制御可能な構造の半導体
結合単一電子トンネリング素子である。ゲート電極９２
に負の電圧を加えることで、ＩｎＡｓ層のキャリア濃度
を変化させることができ、ＩｎＡｓ層の２次元電子ガス
領域の抵抗を任意に可変（制御）することが可能であ
る。このために、ゲート電圧の変化により、図１０に示
すごとく、素子のＩ−Ｖ特性は変化する。すなわち、ゲ
ート電圧を加えない時には、ＩｎＡｓ層領域の抵抗は低
く、オフセット電圧は見られないが、ゲート電圧を加え
ることで、抵抗が量子抵抗ＲK（＝ｈ／ｅ2＝２５.８ｋ
Ω）よりも大きくなるとオフセット電圧が明瞭となる。
図中の破線で示されるような負荷線１０１を考えると、
スイッチング素子として働くことが分かる。等価回路図
は図１１に示すようになる。また、ゲート電圧の変化に
よりトンネルする電子同士の相関も変わるようになる。
すなわち、大きなゲート電圧を加えた場合には電子同士
の相関が強くなる。図１２に、本実施の形態における半
導体結合単一電子トンネリング素子の模式図を示す。こ
こでは、２次元電子ガスでの浮遊容量を減らすために、
微小トンネル接合とヘテロ構造半導体（２ＤＥＧ）との
接触部分の寸法は、４μｍ角以下とした。これは、２次
元電子ガス（２ＤＥＧ）の持つ浮遊容量が、少なくとも
接合容量と同程度以下とする必要があること、および接
合から２次元電子ガスまでの距離を１μｍ以下とする必
要があるためである。ここでは、一つのヘテロ接合半導
体上が、二つのゲート電極を有する場合の構造を示して
いるが、ゲート電極が一つの場合にはゲート１のみを利
用する。製作プロセスとして、第１の実施の形態で示し
たプロセスに、ゲートを形成するプロセスを加える。第
１の実施の形態のプロセス手順の（４）の後、レジスト
を塗布して、ウェットエッチングを行い、ゲート電極の
配線と２ＤＥＧ層が接触しないように、ＩｎＡｓ層にア
ンダーカットを付ける。引き続き、ＳｉＯないしはＳｉ
Ｏ2を蒸着し、素子間の分離ならびに平坦化をはかり、
ＡｌまたはＡｕのゲート電極を蒸着することにより作製
できる。
態で例示するゲート電極により制御可能な構造の半導体
結合単一電子トンネリング素子である。ゲート電極９２
に負の電圧を加えることで、ＩｎＡｓ層のキャリア濃度
を変化させることができ、ＩｎＡｓ層の２次元電子ガス
領域の抵抗を任意に可変（制御）することが可能であ
る。このために、ゲート電圧の変化により、図１０に示
すごとく、素子のＩ−Ｖ特性は変化する。すなわち、ゲ
ート電圧を加えない時には、ＩｎＡｓ層領域の抵抗は低
く、オフセット電圧は見られないが、ゲート電圧を加え
ることで、抵抗が量子抵抗ＲK（＝ｈ／ｅ2＝２５.８ｋ
Ω）よりも大きくなるとオフセット電圧が明瞭となる。
図中の破線で示されるような負荷線１０１を考えると、
スイッチング素子として働くことが分かる。等価回路図
は図１１に示すようになる。また、ゲート電圧の変化に
よりトンネルする電子同士の相関も変わるようになる。
すなわち、大きなゲート電圧を加えた場合には電子同士
の相関が強くなる。図１２に、本実施の形態における半
導体結合単一電子トンネリング素子の模式図を示す。こ
こでは、２次元電子ガスでの浮遊容量を減らすために、
微小トンネル接合とヘテロ構造半導体（２ＤＥＧ）との
接触部分の寸法は、４μｍ角以下とした。これは、２次
元電子ガス（２ＤＥＧ）の持つ浮遊容量が、少なくとも
接合容量と同程度以下とする必要があること、および接
合から２次元電子ガスまでの距離を１μｍ以下とする必
要があるためである。ここでは、一つのヘテロ接合半導
体上が、二つのゲート電極を有する場合の構造を示して
いるが、ゲート電極が一つの場合にはゲート１のみを利
用する。製作プロセスとして、第１の実施の形態で示し
たプロセスに、ゲートを形成するプロセスを加える。第
１の実施の形態のプロセス手順の（４）の後、レジスト
を塗布して、ウェットエッチングを行い、ゲート電極の
配線と２ＤＥＧ層が接触しないように、ＩｎＡｓ層にア
ンダーカットを付ける。引き続き、ＳｉＯないしはＳｉ
Ｏ2を蒸着し、素子間の分離ならびに平坦化をはかり、
ＡｌまたはＡｕのゲート電極を蒸着することにより作製
できる。
【０００７】〈第３の実施の形態〉第２の実施の形態で
は、２次元電子ガス領域のキャリア濃度を単一のゲート
電圧により変えていたが、図１３に示すように、ここで
は複数のゲート電圧により２次元電子ガスのキャリア濃
度に分布を持たせる構造について考える。このような構
造では、２次元電子ガス領域のインピーダンスの空間分
布をゲート電圧により制御（可変）でき、適当な条件下
において、微小トンネル接合とのインピーダンス整合を
取ることが可能となる。このために、電子温度の過剰な
上昇を防ぐことができ、熱平衡状態での電子分布を得る
ことができる。
は、２次元電子ガス領域のキャリア濃度を単一のゲート
電圧により変えていたが、図１３に示すように、ここで
は複数のゲート電圧により２次元電子ガスのキャリア濃
度に分布を持たせる構造について考える。このような構
造では、２次元電子ガス領域のインピーダンスの空間分
布をゲート電圧により制御（可変）でき、適当な条件下
において、微小トンネル接合とのインピーダンス整合を
取ることが可能となる。このために、電子温度の過剰な
上昇を防ぐことができ、熱平衡状態での電子分布を得る
ことができる。
【０００８】〈第４の実施の形態〉図１４に示すように
２つの微小トンネル接合１４１を直列につなげて、かつ
中央電極にゲート電極を配置した２次元電子ガス１４２
を繋げた抵抗結合単一電子トランジスタ（Resistively
coupled single electron transistor：以下、省略して
Ｒ−ＳＥＴと記述する。）を考える。上述した図３のよ
うな通常良く使われている容量性結合単一電子トランジ
スタ（Capacitively coupled single electron transis
tor：C-SET）は、ゲート電極に誘起される電荷ＱOによ
って電流の制御を行ったが、Ｒ−ＳＥＴでは、ベースに
注入する電荷によって制御を行う。オフセット電圧以下
にエミッタ１４６とコレクタ１４７間をバイアスした場
合、ベース１４８からの電流注入がなければ、クーロン
ブロッケイドにより出力抵抗は無限大となっている。い
ま、ベース電流の注入があると、クーロンブロッケイド
は弱められ、エミッタ１４６からコレクタ１４７に電流
は流れる。ここで、ベース電流をＩbとすると、周波数
ｆ＝Ｉb／ｅでエミッタ電流は振動することになる。
Ｒ−ＳＥＴでは、入力インピーダンスに比べて出力イン
ピーダンスは非常に大きいので、大きなファンアウトを
得ることが可能となる。従来Ｒ−ＳＥＴの製作には、厳
密にゲート抵抗を制御しなければならなかったが、この
素子の場合には、２ＤＥＧ層に加える電圧を制御するこ
とで、容易に適切なゲート抵抗を設定することが可能で
ある。
２つの微小トンネル接合１４１を直列につなげて、かつ
中央電極にゲート電極を配置した２次元電子ガス１４２
を繋げた抵抗結合単一電子トランジスタ（Resistively
coupled single electron transistor：以下、省略して
Ｒ−ＳＥＴと記述する。）を考える。上述した図３のよ
うな通常良く使われている容量性結合単一電子トランジ
スタ（Capacitively coupled single electron transis
tor：C-SET）は、ゲート電極に誘起される電荷ＱOによ
って電流の制御を行ったが、Ｒ−ＳＥＴでは、ベースに
注入する電荷によって制御を行う。オフセット電圧以下
にエミッタ１４６とコレクタ１４７間をバイアスした場
合、ベース１４８からの電流注入がなければ、クーロン
ブロッケイドにより出力抵抗は無限大となっている。い
ま、ベース電流の注入があると、クーロンブロッケイド
は弱められ、エミッタ１４６からコレクタ１４７に電流
は流れる。ここで、ベース電流をＩbとすると、周波数
ｆ＝Ｉb／ｅでエミッタ電流は振動することになる。
Ｒ−ＳＥＴでは、入力インピーダンスに比べて出力イン
ピーダンスは非常に大きいので、大きなファンアウトを
得ることが可能となる。従来Ｒ−ＳＥＴの製作には、厳
密にゲート抵抗を制御しなければならなかったが、この
素子の場合には、２ＤＥＧ層に加える電圧を制御するこ
とで、容易に適切なゲート抵抗を設定することが可能で
ある。
【０００９】〈第５の実施の形態〉図１５は、二つの微
小トンネル接合１５１が超伝導体である抵抗結合単一電
子トランジスタを示している。超伝導Ｒ−ＳＥＴでは、
さまざまな現象が期待される。一つは、量子抵抗の実現
である。ベースから電流を注入することにより超伝導電
流が流れる。この電流は有限電圧状態にあるので、ＡＣ
ジョセフソン効果により、周波数ｆJで振動している。
他方、エミッタ−コレクタ間を流れる電流は、クーロン
相互作用によりｆBで振動をしている。したがって、こ
のような素子では、ジョセフン効果とBloch振動とのロ
ッキングにより、次に示す（数５）式のようになる。 ｎｆJ＝ｎ２ｅ／ｈＶ＝ｍＩ／２ｅ＝ｍｆB ……… （数５） ∴Ｒ＝Ｖ／Ｉ＝（ｍ／ｎ）ｈ／（２ｅ)2＝（ｍ／ｎ）ＲQ となる。したがって、この素子のＩ−Ｖ特性は、量子抵
抗の分数倍の値に量子化されることが分かる。このよう
に、ジョセフソン効果による電圧基準、Bloch振動によ
る電流基準、そして量子抵抗の電磁気学における三つの
標準を一つの素子で実現することができる。次に、ベー
スに電圧を加えたときを考える。電圧の印加により、ベ
ース電流が流れていない状態においても実効的なジョセ
フソン結合エネルギー（ＥJ＊）を変えることができ
る。中央電極での電荷と接合の位相差との間には共役関
係［θ，Ｑ］＝２ｅｉが存在し、それぞれの変数のゆら
ぎは（ＥJ／ＥC）の比に依存する。電圧の印加により
（ＥJ＊）が減少することにより、電荷のゆらぎは小さ
くなる。したがって、ベース電圧により超伝導電流の値
を制御することができる。
小トンネル接合１５１が超伝導体である抵抗結合単一電
子トランジスタを示している。超伝導Ｒ−ＳＥＴでは、
さまざまな現象が期待される。一つは、量子抵抗の実現
である。ベースから電流を注入することにより超伝導電
流が流れる。この電流は有限電圧状態にあるので、ＡＣ
ジョセフソン効果により、周波数ｆJで振動している。
他方、エミッタ−コレクタ間を流れる電流は、クーロン
相互作用によりｆBで振動をしている。したがって、こ
のような素子では、ジョセフン効果とBloch振動とのロ
ッキングにより、次に示す（数５）式のようになる。 ｎｆJ＝ｎ２ｅ／ｈＶ＝ｍＩ／２ｅ＝ｍｆB ……… （数５） ∴Ｒ＝Ｖ／Ｉ＝（ｍ／ｎ）ｈ／（２ｅ)2＝（ｍ／ｎ）ＲQ となる。したがって、この素子のＩ−Ｖ特性は、量子抵
抗の分数倍の値に量子化されることが分かる。このよう
に、ジョセフソン効果による電圧基準、Bloch振動によ
る電流基準、そして量子抵抗の電磁気学における三つの
標準を一つの素子で実現することができる。次に、ベー
スに電圧を加えたときを考える。電圧の印加により、ベ
ース電流が流れていない状態においても実効的なジョセ
フソン結合エネルギー（ＥJ＊）を変えることができ
る。中央電極での電荷と接合の位相差との間には共役関
係［θ，Ｑ］＝２ｅｉが存在し、それぞれの変数のゆら
ぎは（ＥJ／ＥC）の比に依存する。電圧の印加により
（ＥJ＊）が減少することにより、電荷のゆらぎは小さ
くなる。したがって、ベース電圧により超伝導電流の値
を制御することができる。
【００１０】〈第６の実施の形態〉図１６のような等価
回路において、高磁場を加えた場合を考える。高磁場を
加えることで量子ホール状態が実現する。このような状
況では、２ＤＥＧ１６２から微小トンネル接合１６１に
注入される電子は互いに相関をもつようになり、電子の
トンネリングは非常に規則正しくなる。したがって、Ｓ
ＥＴ振動ならびにBloch振動の雑音は大幅に減少するこ
とが期待される。このため、従来からの素子に比べて精
度の良い電流標準となる。
回路において、高磁場を加えた場合を考える。高磁場を
加えることで量子ホール状態が実現する。このような状
況では、２ＤＥＧ１６２から微小トンネル接合１６１に
注入される電子は互いに相関をもつようになり、電子の
トンネリングは非常に規則正しくなる。したがって、Ｓ
ＥＴ振動ならびにBloch振動の雑音は大幅に減少するこ
とが期待される。このため、従来からの素子に比べて精
度の良い電流標準となる。
【００１１】〈第７の実施の形態〉図１５のような等価
回路において、アイランドに繋げた２次元電子ガス１５
２にゲート電圧を加えることを考える。ゲート電圧を加
えることで、実効的なジョセフソン結合エネルギーを変
えることができる。すなわち、ゲート電圧（負電圧）の
増大と共に、ジョセフソン結合エネルギー（ＥJ）は減
少する。系をトンネルするクーパー対の振舞は、ジョセ
フソン結合エネルギーと帯電エネルギー（Ｅ C）との比
によって決まる。ジョセフソン結合エネルギーが帯電エ
ネルギーよりも大きな領域では、超伝導電流、すなわち
コヒーレントなクーパー対電流が流れるが、ジョセフソ
ン結合エネルギーの減少と共に、クーパー対は定時間間
隔でトンネルするようになる。したがって、ジョセフソ
ン結合エネルギーと帯電エネルギーとの比、ＥJ／Ｅ
Cが、クーパー対の波動関数のコヒーレンスと局在とを
決めることになる。また、実効的なジョセフソン結合エ
ネルギーを変えることは、エネルギーギャップΔを変え
ることにつながり、パリティ理論〔例えば、K.A.Matvee
v,M.Gisselfalt,L.I.Glazman,M.Jonson,and R.I.Shekht
er,Phys,Rev.Lett.,70,2940(1993)．〕によれば、
（Δ）と（ＥC）との大小により、クーパー対または準
粒子を選択的にトンネルさせることが可能となる。した
がって、図１５の素子では、２次元電子ガス１５２に加
えるゲート電圧により準粒子、クーパー対を選択的にト
ンネルさせる素子として動作する。これは、ある意味で
位相／電荷の量子力学的２重性を利用した素子と見なす
ことができる。
回路において、アイランドに繋げた２次元電子ガス１５
２にゲート電圧を加えることを考える。ゲート電圧を加
えることで、実効的なジョセフソン結合エネルギーを変
えることができる。すなわち、ゲート電圧（負電圧）の
増大と共に、ジョセフソン結合エネルギー（ＥJ）は減
少する。系をトンネルするクーパー対の振舞は、ジョセ
フソン結合エネルギーと帯電エネルギー（Ｅ C）との比
によって決まる。ジョセフソン結合エネルギーが帯電エ
ネルギーよりも大きな領域では、超伝導電流、すなわち
コヒーレントなクーパー対電流が流れるが、ジョセフソ
ン結合エネルギーの減少と共に、クーパー対は定時間間
隔でトンネルするようになる。したがって、ジョセフソ
ン結合エネルギーと帯電エネルギーとの比、ＥJ／Ｅ
Cが、クーパー対の波動関数のコヒーレンスと局在とを
決めることになる。また、実効的なジョセフソン結合エ
ネルギーを変えることは、エネルギーギャップΔを変え
ることにつながり、パリティ理論〔例えば、K.A.Matvee
v,M.Gisselfalt,L.I.Glazman,M.Jonson,and R.I.Shekht
er,Phys,Rev.Lett.,70,2940(1993)．〕によれば、
（Δ）と（ＥC）との大小により、クーパー対または準
粒子を選択的にトンネルさせることが可能となる。した
がって、図１５の素子では、２次元電子ガス１５２に加
えるゲート電圧により準粒子、クーパー対を選択的にト
ンネルさせる素子として動作する。これは、ある意味で
位相／電荷の量子力学的２重性を利用した素子と見なす
ことができる。
【００１２】
【発明の効果】以上詳細に説明したごとく、本発明の半
導体結合単一電子トンネリング素子は、単一電子トンネ
リング素子と２次元電子ガスとを組み合わせることで、
単一電子トンネリング素子の電磁場環境を人工的に制御
することができる。単一電子トンネリング素子の特性
は、電磁場環境によって大きく左右される。したがっ
て、本発明の電磁場環境を制御することで自在に素子特
性を制御することが可能となり、単一電子トンネリング
素子回路設計や電流標準の精度向上等に大きく貢献でき
る効果がある。
導体結合単一電子トンネリング素子は、単一電子トンネ
リング素子と２次元電子ガスとを組み合わせることで、
単一電子トンネリング素子の電磁場環境を人工的に制御
することができる。単一電子トンネリング素子の特性
は、電磁場環境によって大きく左右される。したがっ
て、本発明の電磁場環境を制御することで自在に素子特
性を制御することが可能となり、単一電子トンネリング
素子回路設計や電流標準の精度向上等に大きく貢献でき
る効果がある。
【図１】微小トンネル接合の構造を示す模式図。
【図２】微小トンネル接合の等価回路図。
【図３】容量結合単一電子トランジスタ（Ｒ−ＳＥＴ）
の等価回路図。
の等価回路図。
【図４】単一電子トランジスタの電荷輸送の説明図。
【図５】本発明の第１の実施の形態で例示した半導体結
合単一電子トンネリング素子の構成を示す斜視図。
合単一電子トンネリング素子の構成を示す斜視図。
【図６】本発明の第１の実施の形態で例示したＩｎＡｓ
層挿入逆ＨＥＭＴ構造基板の構成を示す模式図。
層挿入逆ＨＥＭＴ構造基板の構成を示す模式図。
【図７】本発明の第１の実施の形態で例示した半導体結
合単一電子トンネリング素子の作製プロセスを示す工程
図。
合単一電子トンネリング素子の作製プロセスを示す工程
図。
【図８】本発明の第１の実施の形態で例示した半導体結
合単一電子トンネリング素子の作製プロセスを示す工程
図。ゲート付半導体結合単一電子トンネリング素子の概
形図。
合単一電子トンネリング素子の作製プロセスを示す工程
図。ゲート付半導体結合単一電子トンネリング素子の概
形図。
【図９】本発明の第２の実施の形態で例示したゲート付
半導体結合単一電子トンネリング素子の構造を示す模式
図。
半導体結合単一電子トンネリング素子の構造を示す模式
図。
【図１０】本発明の第２の実施の形態で例示したゲート
付半導体結合単一電子トンネリング素子の電流−電圧特
性図。
付半導体結合単一電子トンネリング素子の電流−電圧特
性図。
【図１１】本発明の第２の実施の形態で例示したゲート
制御可能２次元電子ガスを持つ半導体結合単一電子トン
ネリング素子の等価回路図。半導体結合単一電子トンネ
リング素子の鳥瞰図。
制御可能２次元電子ガスを持つ半導体結合単一電子トン
ネリング素子の等価回路図。半導体結合単一電子トンネ
リング素子の鳥瞰図。
【図１２】本発明の第２の実施の形態で例示したゲート
制御可能２次元電子ガスを持つ半導体結合単一電子トン
ネリング素子の構成をしめす模式図。
制御可能２次元電子ガスを持つ半導体結合単一電子トン
ネリング素子の構成をしめす模式図。
【図１３】本発明の第３の実施の形態で例示したゲート
可変インピーダンスを両端に配置した半導体結合単一電
子トンネリング素子の等価回路図。ゲート可変インピー
ダンスをもつ抵抗結合単一電子トランジスタ（Ｒ−ＳＥ
Ｔ）の等価回路図。
可変インピーダンスを両端に配置した半導体結合単一電
子トンネリング素子の等価回路図。ゲート可変インピー
ダンスをもつ抵抗結合単一電子トランジスタ（Ｒ−ＳＥ
Ｔ）の等価回路図。
【図１４】本発明の第４の実施の形態で例示したゲート
可変インピーダンスをもつ抵抗結合単一電子トランジス
タ（Ｒ−ＳＥＴ）の等価回路図。
可変インピーダンスをもつ抵抗結合単一電子トランジス
タ（Ｒ−ＳＥＴ）の等価回路図。
【図１５】本発明の第５およびの第７の実施の形態で例
示したゲート可変インピーダンスをもつ抵抗結合単一電
子トランジスタ（Ｒ−ＳＥＴ）の超伝導状態における等
価回路図。
示したゲート可変インピーダンスをもつ抵抗結合単一電
子トランジスタ（Ｒ−ＳＥＴ）の超伝導状態における等
価回路図。
【図１６】本発明の第６の実施の形態で例示したゲート
可変インピーダンスをもつ容量結合単一電子トランジス
タ（Ｃ−ＳＥＴ）の等価回路図。
可変インピーダンスをもつ容量結合単一電子トランジス
タ（Ｃ−ＳＥＴ）の等価回路図。
１１…上部電極 １２…トンネル障壁 １３…下部電極 １４…基板 ２１…微小トンネル接合 ２２…外部シャント抵抗 ２３…電流源 ３１…微小トンネル接合 ３２…ゲート容量 ３３…ゲート電圧源 ３４…電圧源（＋） ３５…電圧源（−） ４１…左リード線 ４２…右リード線 ４３…中央電極 ５１…半導体ヘテロ接合 ５２…金属下部電極 ５３…金属上部電極 ５４…トンネル障壁 ５５…絶縁性基板 ５６…金属と２次元電子ガスとの接触部 ６１…ｕｄ−ＩｎＡｌＡｓ（２００Å） ６２…ｕｄ−ＩｎＧａＡｓ（１３５Å） ６３…ｕｄ−ＩｎＡｓ（４０Å・２ＤＥＧ層） ６４…ｕｄ−ＩｎＧａＡｓ（２５Å） ６５…ｕｄ−ＩｎＡｌＡｓ（６０Å） ６６…ｎ＋ ＩｎＡｌＡｓ（７０Å） ６７…ｕｄ−ＩｎＡｌＡｓ（２０００Å） ６８…ＩｎＰ基板 ６９…ＭＢＥ成長膜（Ａ） ６１０…ＭＢＥ成長膜（Ｂ） ７１…ＩｎＰ基板 ７２…ＭＢＥ成長膜（Ａ） ７３…ＭＢＥ成長膜（Ｂ） ７４…配線取り出し部 ７５…微小トンネル接合コンタクト部 ７６…微小トンネル接合形成部 ７７…電子線レジスト ７８…微小トンネル接合と２ＤＥＧとのコンタクト部 ７９…２ＤＥＧと配線とのコンタクト部 ７１０…金蒸着膜 ８１…電極および配線用金蒸着膜 ８２…上層レジスト（ＺＥＰ：日本ゼオン製） ８３…下層レジスト（ＰＭＧＩ：日本マクダーミッド
製） ８４…微小トンネル接合 ９１…微小トンネル接合 ９２…ゲート電極 ９３…ＭＢＥ成長膜（Ａ） ９４…ＭＢＥ成長膜（Ｂ） ９５…ＩｎＰ基板 ９６…上部電極 ９７…下部電極 １０１…負荷線 １０２…オフセット電圧 １１１…ゲート制御インピーダンス １１２…微小トンネル接合 １１３…電圧源 １３１…ゲート可変インピーダンス １３２…微小トンネル接合 １３３…電圧源 １４１…微小トンネル接合 １４２…２次元電子ガス １４３…ゲート電圧源 １４４…電圧源（＋） １４５…電圧源（−） １４６…エミッタ １４７…コレクタ １４８…ベース １５１…微小トンネル接合 １５２…２次元電子ガス １５３…ゲート電圧源 １５４…電圧源（＋） １５５…電圧源（−） １６１…微小トンネル接合 １６２…２次元電子ガス １６３…ゲートコンデンサ １６４…電圧源（＋） １６５…ゲート電圧源 １６６…電圧源（−） Ｃ…接合容量 ＲN…トンネル抵抗 ＲS…シャント抵抗 Ｒ…トンネル抵抗 ＲK…量子抵抗
製） ８４…微小トンネル接合 ９１…微小トンネル接合 ９２…ゲート電極 ９３…ＭＢＥ成長膜（Ａ） ９４…ＭＢＥ成長膜（Ｂ） ９５…ＩｎＰ基板 ９６…上部電極 ９７…下部電極 １０１…負荷線 １０２…オフセット電圧 １１１…ゲート制御インピーダンス １１２…微小トンネル接合 １１３…電圧源 １３１…ゲート可変インピーダンス １３２…微小トンネル接合 １３３…電圧源 １４１…微小トンネル接合 １４２…２次元電子ガス １４３…ゲート電圧源 １４４…電圧源（＋） １４５…電圧源（−） １４６…エミッタ １４７…コレクタ １４８…ベース １５１…微小トンネル接合 １５２…２次元電子ガス １５３…ゲート電圧源 １５４…電圧源（＋） １５５…電圧源（−） １６１…微小トンネル接合 １６２…２次元電子ガス １６３…ゲートコンデンサ １６４…電圧源（＋） １６５…ゲート電圧源 １６６…電圧源（−） Ｃ…接合容量 ＲN…トンネル抵抗 ＲS…シャント抵抗 Ｒ…トンネル抵抗 ＲK…量子抵抗
Claims (7)
- 【請求項１】ヘテロ界面に２次元電子ガスを生成する第
１のヘテロ構造半導体と、帯電エネルギーを大きくする
ことにより電子の離散的なトンネリングを可能とした微
小トンネル接合と、ヘテロ界面に２次元電子ガスを生成
する第２のヘテロ構造半導体とを、少なくとも１組以
上、順次、直列に接続した半導体結合単一電子トンネリ
ング素子であって、上記第１および第２のヘテロ構造半
導体における２次元電子ガスと、上記微小トンネル接合
とを結合する構造としたことを特徴とする半導体結合単
一電子トンネリング素子。 - 【請求項２】請求項１において、第１および第２のヘテ
ロ構造半導体のそれぞれに、もしくは上記ヘテロ構造半
導体のどちらか一方に、少なくとも１つのゲート電極を
付加し、これにより２次元電子ガスの濃度を制御する手
段を有することを特徴とする半導体結合単一電子トンネ
リング素子。 - 【請求項３】請求項１において、ヘテロ界面に２次元電
子ガスを生成する第１のヘテロ構造半導体と、帯電エネ
ルギーを大きくすることにより電子の離散的なトンネリ
ングを可能とした第１の微小トンネル接合と、ヘテロ界
面に２次元電子ガスを生成する第２のヘテロ構造半導体
と、帯電エネルギーを大きくすることにより電子の離散
的なトンネリングを可能とした第２の微小トンネル接合
と、ヘテロ界面に２次元電子ガスを生成する第３のヘテ
ロ構造半導体とを、順次、直列に接続した半導体結合単
電子トンネリング素子であって、上記第１、第２および
第３のヘテロ構造半導体における２次元電子ガスと、上
記第１および第２の微小トンネル接合とを結合する構造
としたことを特徴とする半導体結合単一電子トンネリン
グ素子。 - 【請求項４】請求項３において、第２のヘテロ構造半導
体に、少なくとも１つのゲート電極を付加し、これによ
り２次元電子ガスの濃度を制御する手段を有することを
特徴とする半導体結合単一電子トンネリング素子。 - 【請求項５】請求項１ないし請求項４のいずれか１項に
おいて、微小トンネル接合が超伝導体よりなることを特
徴とする半導体結合単一電子トンネリング素子。 - 【請求項６】請求項１ないし請求項５のいずれか１項に
おいて、磁場発生装置を付加して、該磁場発生装置より
発生される磁場によりヘテロ構造半導体における２次元
電子ガスが量子ホール効果を示す構造としたことを特徴
とする半導体結合単一電子トンネリング素子。 - 【請求項７】請求項１ないし請求項６のいずれか１項に
記載の半導体結合単一電子トンネリング素子を作製する
方法であって、 ２次元電子ガス（２ＤＥＧ）界面を有する逆ヘテロ構造
基板上に、配線取り出し部は光露光で、微小トンネル接
合コンタクト部は電子線露光でレジストのエッチングマ
スクを作製し、メサエッチングにより溝状に加工して、
配線取り出し部、微小トンネル接合コンタクト部および
微小トンネル接合形成部を形成する工程と、 電子線レジストを塗布して、微小トンネル接合コンタク
ト部の両端部、すなわち微小トンネル接合と２ＤＥＧと
のコンタクト部および２ＤＥＧと配線とのコンタクト部
に電子線露光を行ってレジストを除去し、さらにアルゴ
ンによるスパッタエッチングにより清浄な２ＤＥＧ界面
を取り出し、該２ＤＥＧ界面の汚染を防止する工程と、 上記レジストのままで、上記微小トンネル接合と２ＤＥ
Ｇとのコンタクト部および２ＤＥＧと配線とのコンタク
ト部に所定の金属膜を蒸着してリフトオフを行う工程
と、 電子線レジストを塗布して、電極部および電極までの配
線用パターンを露光により形成し、所定の金属を蒸着し
て電極および配線用金属膜を形成する工程と、 微小トンネル接合を作製するための２層レジストを塗布
して、電子線露光により架橋部を形成し、２種類の現像
液を用いて、各々のレジスト層の現像を行い、電子線の
ドーズ量、現像溶液の種類および濃度、現像時間の調整
により、下層レジスト層に所定形状のアンダーカット部
を形成する工程と、 次に、微小トンネル接合の下部電極を蒸着した後、表面
を酸化してトンネル障壁を形成し、ついで上部電極を蒸
着して微小トンネル接合を作製する工程を含むことを特
徴とする半導体結合単一電子トンネリング素子の作製方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8005827A JPH09199708A (ja) | 1996-01-17 | 1996-01-17 | 半導体結合単一電子トンネリング素子およびその作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8005827A JPH09199708A (ja) | 1996-01-17 | 1996-01-17 | 半導体結合単一電子トンネリング素子およびその作製方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09199708A true JPH09199708A (ja) | 1997-07-31 |
Family
ID=11621895
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8005827A Pending JPH09199708A (ja) | 1996-01-17 | 1996-01-17 | 半導体結合単一電子トンネリング素子およびその作製方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09199708A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101960809B1 (ko) * | 2018-01-12 | 2019-03-21 | 한국표준과학연구원 | 단전자 펌프를 포함하는 반도체 소자 |
| CN114762137A (zh) * | 2019-11-11 | 2022-07-15 | 国际商业机器公司 | 用离子注入方法制造的马约拉纳费米子量子计算器件 |
-
1996
- 1996-01-17 JP JP8005827A patent/JPH09199708A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101960809B1 (ko) * | 2018-01-12 | 2019-03-21 | 한국표준과학연구원 | 단전자 펌프를 포함하는 반도체 소자 |
| CN114762137A (zh) * | 2019-11-11 | 2022-07-15 | 国际商业机器公司 | 用离子注入方法制造的马约拉纳费米子量子计算器件 |
| CN114762137B (zh) * | 2019-11-11 | 2025-11-11 | 国际商业机器公司 | 用离子注入方法制造的马约拉纳费米子量子计算器件 |
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