專利名稱：采用超晶格的無電介質(zhì)勢壘的開關(guān)裝置的制作方法
概要由于計算機領(lǐng)域的信息處理量的增大，要求作為計算機心臟的中央處理器(Central Processing UnitCPU)的指數(shù)級(order level)要高速化。以前，CPU的高速化一直遵從被稱為“縮小法則”的原理，并隨著元件集成化而發(fā)展。但是，高速化受限于這個“縮小法則”已經(jīng)開始顯現(xiàn)出來。為了解決這個問題，有人提出采用了超導(dǎo)的元件的方案，但一直沒有得到實際應(yīng)用。這是因為為了隔斷電流，要考慮在元件中存在電介質(zhì)材料。我們認(rèn)為如果能不用電介質(zhì)材料而隔斷電流，則可以解決采用超導(dǎo)材料的超高速開關(guān)動作的問題。在本申請中，申請人提出了不用電介質(zhì)勢壘的4端子開關(guān)元件方案。
1.前言自從1948年W.B.Schockly、J.Bardeen、W.H.Brattain等人發(fā)現(xiàn)晶體管效應(yīng)以來，用于計算機中的半導(dǎo)體元件創(chuàng)造出了許多令世界改變面貌的觀念。為了適應(yīng)觀念的變化趨勢，要求數(shù)據(jù)處理速度達到最高速度。在電子元件領(lǐng)域中，為了追上這種趨勢，構(gòu)成元件基于“縮小法則”進行集成。所謂“縮小法則”是指通過減小含有作為集成電路基本要素的場效應(yīng)管(FET)的整個電路的電阻值和電容尺寸，可以實現(xiàn)高速的開關(guān)。但是，我們開始意識到根據(jù)這個“縮小法則”無法適應(yīng)現(xiàn)代社會的要求。由于FET的開關(guān)動作通過利用偏壓控制FET柵極附近的載流子來實現(xiàn)，因此依賴于載流子的遷移率。最近，Y.Nishi預(yù)測2010年以前CPU動作頻率會長時期上升。根據(jù)這個預(yù)測，動作頻率到2010年將達到1.1×109Hz(1)。也就是說，CPU的信息處理能力將提高數(shù)倍。這就意味著通過龐大軟件進行處理的大量信息處理量依賴于載流子的遷移率。
另一方面，我們知道B.D.Josephson(約瑟夫森)提倡的超導(dǎo)元件是高速動作、低消耗功率的元件(2)。但是，在7×108Hz以上的開關(guān)頻率下，約瑟夫森元件由于受因混亂信號的波動而產(chǎn)生的雜音影響，不能供在高頻區(qū)域使用。而且，具有由于溝道勢壘而造成透過率減少、信號延遲、及相對于熱變形的機械脆化這樣的性質(zhì)。K.A.Muller、J.G.Bednorz等人發(fā)現(xiàn)的氧化物超導(dǎo)體(3)被期待用于高溫下動作的元件，但是還未應(yīng)用于開關(guān)元件。盡管多次進行實驗，但還未實際應(yīng)用是因為氧化物超導(dǎo)體固有的特性。本說明書中，說明了通過使用金屬超導(dǎo)體超晶格(superlattice)，可以完全解決面向?qū)嶋H應(yīng)用化的問題。
2.不用電介質(zhì)材料隔斷可干涉區(qū)域的方法氧化物超導(dǎo)體沒有實際用作約瑟夫森元件的原因有兩個。第1是由于存在晶界等的一致性低的界面，所以波動函數(shù)的相位有偏移。第2是由于在如上的一致性低的界面上，波動函數(shù)的穿透率非常小，因此集成時信號極度衰減。
氧化物超導(dǎo)體的可干涉距離被設(shè)計得非常短(～0.1nm)，以使超導(dǎo)相轉(zhuǎn)移溫度(Tc)升高(4)。但是，為此，必須利用電介常數(shù)高的離子性結(jié)晶隔斷可干涉區(qū)域。其結(jié)果，結(jié)晶本身的電介常數(shù)上升，不可避免地造成傳導(dǎo)層層間波動函數(shù)的延遲(圖1a)。而且，這種延遲在一致性低的界面上變得不均(圖1b)。由于這樣的不均，元件的動態(tài)阻抗上升、穿透率下降(5)(6)。即，氧化物超導(dǎo)體的問題點也可歸結(jié)為電介常數(shù)的存在。
超導(dǎo)現(xiàn)象的特性可以用庫柏對(Cooper pairs)的波動函數(shù)的可干涉性來描述，這種可干涉性可通過旋轉(zhuǎn)交換相關(guān)(Spin exchangecorrelation)實現(xiàn)。這意味著，如果可以控制旋轉(zhuǎn)交換相關(guān)，則可以操控電子的流動。因此，以人為地控制旋轉(zhuǎn)交換相關(guān)為例，考察巨大磁阻效應(yīng)(Giant Magneto-Resisitance；GMR)的發(fā)現(xiàn)機構(gòu)。有報告說，在具有中型結(jié)構(gòu)的金屬系中發(fā)現(xiàn)了巨大磁阻效應(yīng)，但是由于施加了外磁，電阻也減少了50％(7)。直至旋轉(zhuǎn)記述的波動函數(shù)在相鄰層間不同時，根據(jù)近藤效應(yīng)(8)，由于巡回電子(itinerant electrons)的遷移受到限制而引起巨大磁阻效應(yīng)。雖然有關(guān)于顯示巨大磁阻效應(yīng)以及中型磁排列(9)的報告，但如果這樣，則可以通過中子的衍射，確認(rèn)存在2倍于超晶格周期的磁排列。
在這里想要強調(diào)的是，中等規(guī)模的磁區(qū)結(jié)構(gòu)是通過控制超晶格的周期發(fā)現(xiàn)的。這意味著，站在旋轉(zhuǎn)交換相關(guān)的角度，通過改變密切相關(guān)的超導(dǎo)層的疊層周期，不配置電介質(zhì)，而控制巡回電子的遷移。通過這種指導(dǎo)，不用電介質(zhì)也可以制作出進行開關(guān)動作的超晶格。
3.采用金屬超導(dǎo)超晶格的開關(guān)元件的可能性在超導(dǎo)金屬-普通傳導(dǎo)金屬-超導(dǎo)金屬(Superconductingmetal-Normal metal-superconducting metalS-N-S)超晶格中，可以觀察到空間交叉現(xiàn)象(dimensional crossover effect)。對在Nb/Cu系超晶格中的空間交叉現(xiàn)象的研究，I.K.Schuller等人組成的小組扮演著先驅(qū)的角色(10)。根據(jù)他們的報告，Nb/Cu超晶格的可干涉距離，具有只有在中型結(jié)構(gòu)金屬系中才有的各向異性，通過使超晶格周期最佳化，使超導(dǎo)層間的相關(guān)達到最大。申請人通過申請?zhí)岢隼迷搶娱g的相關(guān)，隔斷直至旋轉(zhuǎn)記述的波動函數(shù)。
最近，申請人等人指出在具有中型結(jié)構(gòu)的超晶格周期的Nb/Cu超晶格中，存在每個超導(dǎo)層的反強磁性磁排列(11)。測量Nb、Cu各層層厚固定在16.8nm、14.7nm的Nb/Cu系超導(dǎo)晶格電阻，可以觀察到阻抗異常的再現(xiàn)性?？紤]到這種阻抗異常只在層間相關(guān)性最大時出現(xiàn)，在中等規(guī)模中，可以實現(xiàn)電子頻譜帶的反強磁性排列，而且，阻抗異常導(dǎo)致因近藤效應(yīng)而產(chǎn)生的巡回電子的產(chǎn)生(圖2)。
如果在超導(dǎo)系中形成了反強磁性的磁排列，則可以推斷超導(dǎo)現(xiàn)象和GMR是模擬的。如上所述，在顯示GMR的金屬系中，可以不用電介質(zhì)勢壘隔斷電子的流動。因此，可以知道即使在S-N-S接合時，不用電介質(zhì)勢壘也可以隔斷庫柏對的流動。
4.提出的4端子元件方案圖3所示是4端子開關(guān)元件的示意圖。只有在直至旋轉(zhuǎn)記述的波動函數(shù)一致時，層間的電子遷移才受控制，向相鄰層的遷移因反強磁性的旋轉(zhuǎn)排列而受控(圖3a)。基于這種哲學(xué)，申請人之一(K.Tsukui)提出具有源層、柵層、漏層的4端子元件(圖3b)。開關(guān)動作的動作原理是調(diào)制Broch共鳴(12)(13)后，依靠Broch共鳴的電子輸送的非線性。依照圖4所描述的那樣，超導(dǎo)層中的具有不同旋轉(zhuǎn)的占有軌道，與半導(dǎo)體超晶格一樣，用普通傳導(dǎo)層隔斷。超晶格內(nèi)部的庫柏對處于共鳴狀態(tài)，該共鳴狀態(tài)通過對柵的操作和從外部導(dǎo)入的單一事件受到調(diào)制。調(diào)制Broch共鳴的結(jié)果，源-漏間電壓通過超晶格的非線性輸送被多值化(14)。這種現(xiàn)象與半導(dǎo)體超晶格一樣，與使用超晶格的溝道勢壘不同。
S-N-S超晶格時，巡回電子在普通磁性金屬中傳播。但是，低溫下從某個超傳導(dǎo)層向相鄰超傳導(dǎo)層的遷移由于近藤效應(yīng)而受限。因巡回電子而產(chǎn)生的電阻值(ρ↑)由下面的式子決定(8)。
ρ↑=ρ0π2(NPara(ϵF))2J2S(S+1)(1-4NPara(ϵF)JlogkBTD)]]>電阻值是溫度和普通傳導(dǎo)金屬的費米單位的電子密度(Npara(εF))的函數(shù)。其結(jié)果，100K以下的巡回電子的遷移率明顯降低，插入的普通磁性金屬與絕緣體勢壘的作用相同。這種作用與半導(dǎo)體超晶格的帶隙一樣。這種“溝道勢壘效應(yīng)”作為在旋轉(zhuǎn)交換相關(guān)強的層電子和插入其間的普通磁性金屬中的電子角運動量量子數(shù)不同時引起的現(xiàn)象，已被人認(rèn)知(15)。結(jié)論是由于該4端子元件通過Broch共鳴一直維持超導(dǎo)電流而動作，因此動作頻率的上限與在這之前的RC型約瑟夫森元件的動作頻率受隙能決定不同。
而且，如超晶格一樣，以源層(S)/柵層(G)/漏層(D)/G/S/G/D/G…的順序，對元件的基本單元進行疊層，因此從源層到漏層的相關(guān)以等比級數(shù)接近1。在具有電介質(zhì)勢壘的約瑟夫森接合中，混亂的雜音、波動函數(shù)的波動、透過率低、機械脆性等令人煩惱，但是提出的元件只用金屬就解決了面向超導(dǎo)元件的實際實用時的所有問題。而且，該元件在沒有通過破壞超導(dǎo)狀態(tài)而動作的元件的能量損失狀態(tài)下，可以在超高頻下動作。動作頻率的上限，如果考慮到金屬的等離子體子損失(Cu時為103eV級)，則可以預(yù)計達到1018Hz。假設(shè)，可以在這樣的高頻下動作，則可認(rèn)為可以將電信號轉(zhuǎn)換為高能光子，而且在進行其逆轉(zhuǎn)換時，可以檢出高能粒子。
5.結(jié)論在該申請書中，論證了為使CPU更高速地動作，基于縮小法則并且不依賴集成化的方法。為了采用超導(dǎo)體，制作在超高頻下動作的開關(guān)元件，不得不除去在接合處寄生的電容(電子分極)。作為這種元件的一個例子，申請人提出不用電介質(zhì)勢壘地控制電子流動的用于S-N-S接合的4端子元件。
6.謝詞申請人對京都大學(xué)的新宮秀夫教授和石原慶一助理教授表示深深的謝意。GMR和超導(dǎo)現(xiàn)象相似的這種觀點，在與老師討論之中形成。從內(nèi)心感謝指導(dǎo)薄膜制作的金屬材料技術(shù)研究所的矢田雅則博士。從內(nèi)心感謝提供低溫實驗環(huán)境的早稻田大學(xué)理工學(xué)部的大泊嚴(yán)老師、大坂敏明老師。從內(nèi)心感謝從低溫工學(xué)的立場指導(dǎo)低溫實驗的大金工業(yè)機械技術(shù)研究所的八木信昭氏。而且，申請人對參與討論的金屬材料技術(shù)研究所、工業(yè)技術(shù)院電子技術(shù)綜合研究所、工業(yè)技術(shù)院、早稻田大學(xué)、京都大學(xué)的老師們表示深深的謝意。對大冢國際特許事務(wù)所的大冢康德先生表示深深的感謝，感謝他在特許化方面給予的許多建議。另外，最后，申請人之一(K.Tsukui)對櫻丘紀(jì)念病院的古茶大樹先生全面地親自指導(dǎo)研究生活進行感謝。


圖1.所示是氧化物超導(dǎo)體內(nèi)部的電子分極對傳導(dǎo)層間的波動函數(shù)傳播的影響(a)。采用氧化物超導(dǎo)體的約瑟夫森元件時，在104Hz以上的開關(guān)頻率下，受熱雜音所支配(6)。根據(jù)K.K.Likharev的報告(5)，這種雜音是由于高頻區(qū)域的動態(tài)阻抗上升的緣故。也就是，在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的結(jié)晶中，存在大的電子分極。波動函數(shù)由于這些電子分極的存在，在傳播時產(chǎn)生延遲。圖1b所示是在一致性低的界面附近，在波動函數(shù)的延遲上產(chǎn)生偏移的說明圖。由于波動函數(shù)的延遲，界面附近的磁序參數(shù)變小，波動函數(shù)的結(jié)合必然變?nèi)酢?br> 圖2所示是得到阻抗測量實驗結(jié)論的、在具有中型結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)體中的、每層的反強磁性的旋轉(zhuǎn)排列。各層的電子狀態(tài)通過作為非經(jīng)驗的分子軌道法的DV-Xα法(16)算出。同時提出的因“庫泊對的熱穩(wěn)定機構(gòu)”而產(chǎn)生的偏移可以被看作與普通狀態(tài)的電子狀態(tài)相互獨立。因此，以普通的電子狀態(tài)為基礎(chǔ)，可以描寫中型的旋轉(zhuǎn)排列。由于降低了用交換相關(guān)參數(shù)函數(shù)表示的全部能量，因此相鄰層的旋轉(zhuǎn)方向相反。如果在超導(dǎo)體中存在這種反強磁性的磁排列，則可以在不用電介質(zhì)的同時隔斷電子的流動。
圖3所示是4端子開關(guān)元件的示意圖以及其動作原理。在包含旋轉(zhuǎn)的波動函數(shù)一致的層間的遷移優(yōu)先(a)。近藤效應(yīng)的結(jié)果是向相鄰層的遷移受到限制。4個端子的基本單元由源層、柵層、漏層組成(b)。開關(guān)的截止動作通過根據(jù)柵層的電子狀態(tài)、外部環(huán)境的單一事件調(diào)制在元件內(nèi)存在的Broch共鳴而進行動作。而且，如果認(rèn)為超導(dǎo)現(xiàn)象和GMR是模擬的，則可以不用電介質(zhì)的同時隔斷電子的流動。即，我們知道如果將旋轉(zhuǎn)交換相關(guān)作用強的層進行疊加，則可以作成該元件。
圖4所示是提出的4端子元件的基本單元內(nèi)部的能帶示意圖。如上所述，可以認(rèn)為根據(jù)“庫泊對的穩(wěn)定機構(gòu)”，旋轉(zhuǎn)的偏移與普通狀態(tài)的電子狀態(tài)相互獨立。因此，以普通電子狀態(tài)為基礎(chǔ)，可以描寫中型旋轉(zhuǎn)排列。超導(dǎo)層內(nèi)部的電子狀態(tài)在中等規(guī)模下成反強磁性排列，可以用普通金屬隔斷。作為近藤效應(yīng)或者“溝道勢壘效應(yīng)”的結(jié)果，可以確定與半導(dǎo)體超晶格一樣的Broch共鳴狀態(tài)。
摘要由于計算機領(lǐng)域的信息處理量的增大，要求作為計算機心臟的中央處理器(CPU)的指數(shù)級要高速化。以前，CPU的高速化一直遵從被稱為“縮小法則”的原理，并隨著元件集成化而發(fā)展。但是，高速化受限于這個“縮小法則”已經(jīng)開始顯現(xiàn)出來。為了解決這個問題，有人提出采用了超導(dǎo)的元件的方案，但一直沒有得到實際應(yīng)用。這是因為為了隔斷電流，要考慮在元件中存在電介質(zhì)材料。我們認(rèn)為如果能不用電介質(zhì)材料而隔斷電流，則可以解決采用超導(dǎo)材料的超高速開關(guān)動作的問題。在本說明書中，申請人提出了不用電介質(zhì)勢壘的4端子開關(guān)元件方案。
該元件在沒有通過破壞超導(dǎo)狀態(tài)而動作的元件的能量損失狀態(tài)下，可以在超高頻下動作。動作頻率的上限，如果考慮到金屬的等離子體子損失(Cu時，為103eV級)，則可以預(yù)計達到1018Hz。假設(shè)，可以在這樣的高頻下動作，則可認(rèn)為可以將電信號轉(zhuǎn)換為高能光子，而且在進行其逆轉(zhuǎn)換時，可以檢出高能粒子。
(1)Y.Nish，Proceedings of Internatinal Symposium on Control ofSingle Particles and its Application(1996)(2)B.D.Josephson，Phys.Rev.lett.，1(7)(1962)251(3)K.Alex Muller and J.Georg Bednorz，Zeitschrift fur Physik，B64(1986)April
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權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1.(修改)一種開關(guān)裝置，交替地對超導(dǎo)體(A層)、常磁性普通傳導(dǎo)體(B層)進行疊層。
2.(修改)一種開關(guān)裝置，僅在A層設(shè)置端子。
3.(修改)可以使用超導(dǎo)體，代替B層的常磁性普通傳導(dǎo)體。
4.(刪除)5.一種進行開關(guān)動作的裝置，如圖3所示，順次給A層命名為源層、柵層、漏層，通過在柵層上施加的電流或者電壓對源層和漏層之間的Broch共鳴進行調(diào)制。
6.權(quán)利要求5所述的裝置，多次疊層的裝置。
7.在A層和B層之間，可以插入其它的金屬層。
權(quán)利要求
1.一種裝置，旋轉(zhuǎn)交換相關(guān)強的傳導(dǎo)體(A層、B層)相互交叉疊層。
2.一種裝置，在A層設(shè)立端子。
3.旋轉(zhuǎn)交換相關(guān)強的層(A層、B層)可以是超導(dǎo)體。
4.B層的旋轉(zhuǎn)交換相關(guān)可以較弱。
5.一種進行開關(guān)動作的裝置，如圖3所示，順次給A層命名為源層、柵層、漏層，通過在柵層上施加的電流或者電壓對源層和漏層之間的Broch共鳴進行調(diào)制。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，多次疊層的裝置。
7.在A層和B層之間，可以插入其它的金屬層。
全文摘要
為打破“縮小法則”的界限而提出來的應(yīng)用了超導(dǎo)體的元件，由于在元件中使用的用于隔斷電流的電介質(zhì)材料的存在，還沒有被實用化。申請人提出利用無電介質(zhì)勢壘而對電流的流動進行控制的S－N－S接合的3端子元件。該元件在沒有通過破壞超導(dǎo)狀態(tài)而動作的元件的能量損失狀態(tài)下，可以在超高頻下動作。
文檔編號H01L39/22GK1489794SQ00820026
公開日2004年4月14日 申請日期2000年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月17日
發(fā)明者津久井克幸 申請人:津久井克幸