JPH0142148B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高周波特性の良い微小接合面を持つス
ーパ・シヨツトキ・ダイオードとその製造方法に
関するものである。

スーパ・シヨツトキ・ダイオードはマイクロ波
から遠赤外波長帯における極めて感度の高い高速
度電磁波検出器として、レーダや短距離通信、イ
メージセンサ、人体温度計測ないし電波天文等の
高感度分光分析に用いるための有望な新しい検出
器である。これまでは主として物理的見地から超
電導体と半導体の接合の性質を調べるため第１図
のような点接触型が用いられた。この構造では機
械的振動に対して不安定であり、量産が不可能で
あるなどの欠点があるため、又半導体先端の磨耗
が著るししいなどの特徴に鑑み、検出器として実
用化には適さない。一方、一般に検出器として実
用に供せられているシヨツトキ・ダイオードは第
２図のような構造を持つているが、電極金属に常
電導体を用い、バイアス電圧数百ミリボルトの範
囲で室温で用いるため雑音温度が高く特にミリ波
以上の周波数領域ての高感度検出には向いていな
い。

また、ウイスカー６を用いるか否かはともかく
として、別の観点から従来提案されているスー
パ・シヨツトキ・ダイオードを見ると、例えば、
1973年９月発行の「Appl.Phys.Lett.，Vol.23，
No.５，P.263−264」に記載された論文等に代表的
に認められるように、化合物半導体とシヨツトキ
接合を形成する超電導体の材料については鉛
（Pb）しか開示されておらず、しかもこれは、単
に材料の選択の問題に留まるものではなくて、あ
る意味では従来の常識的な考え方であり、用いざ
るを得ないとされていたものであつた。

例えば、単に材料選択の問題であるとするなら
ば、同じ超電導体としても、鉛に比すとずつと温
度サイクルに強く、信頼性の高い材料としてニオ
ブ（Nb）がある。

実際上、鉛では、実験には良くとも、室温と極
低温下の温度サイクルに極めて弱く経時変化特性
も全くにして不満足なため、到底、実用的なスー
パ・シヨツトキ・ダイオードを構成することはで
きない。

にもかかわらず従来、上記のように、ニオブはこ
の種のスーパ・シヨツトキ・ダイオード用の超電
導体としては用い得ない材料であるとされていた
のは、専ら次のような理由による。

例えば、酸化物を挟んで一対の超電導体を対向
させ、超電導トンネル接合を形成すれば良い“ジ
ヨゼフソン素子”においては、確かに、特開昭54
−52990号公報等に認められるように、鉛系の材
料に代え、ニオブ系の材料の使用も提案されてい
た。

しかしこれは、それがジヨゼフソン素子である
からこそ、可能だつたのである。

すなわち、ニオブは、周知のように、機械的な
硬度も高く、鉛に比すと遥かに加工が難しい外、
何よりもその融点が約2500℃近くと極めて高温で
あるため、上記したジヨゼフソン素子のように、
一対の対向電極や、その間に挟み込まれる絶縁膜
（トンネル絶縁膜）を作成するにも、それらの全
てを高温プロセスで作成できるか、少なくとも高
温プロセスに晒しても問題のない場合に限り、採
用できるものであつても、本書で対象としている
ようなスーパ・シヨツトキ・ダイオードには、化
合物半導体に低温プロセスが必要なため、到底、
使用不能を考えられていたのである。ちなみに鉛
ならば、その融点は327℃と低温であるし、硬度
も低く、極めて加工し易い。ただ如何せん、上述
のように、実用的なスーパ・シヨツトキ・ダイオ
ードを作成する上では、満足な特性の得られない
不適当な材料だつたのである。

本発明はこうした従来の実情に鑑みて成された
もので、上記のようにマイクロ波から遠赤外波長
領域における高感度電磁波検出器等として有効に
用い得るスーパ・シヨツトキ・ダイオードとし
て、その超電導体材料に、従来はむしろ使用不能
ということが常識的な事実とされていたニオブを
あえて選びながら、当該ニオブを化合物半導体上
に現に作成してスーパ・シヨツトキ接合を実現
し、もつて十分に実用的なスーパ・シヨツトキ・
ダイオードを提供せんとするものであり、また、
これに併せて、素子構造上の工夫をも開示するも
のである。

以降、添付の図面に即し、本発明の実施例につ
き説明するが、まず、本発明の基本的な一実施例
である第３図示の素子は、次のような製造工程に
より作成される。

半導体バルク結晶基板ないしエピタキシヤル成
長層１の表面を化学エツチング等で清浄化した
後、スパツタリング等の方法により、SiO₂等の
絶縁体層２を形成する。

さらに、この絶縁体層２の上に、図示していな
いが適当なるホトレジスト層を付し、ホトリソグ
ラフイ技術により所定のパタンに従つて化学エツ
チング等を施し、ホトレジスト層と絶縁体層２に
一連に単位微小孔を穿孔する。

これにより、当該微小孔の底に露呈した半導体
１の表面を、望ましくは化学エツチング等の方法
で再度清浄化処理し、表面酸化膜を除去した後、
10^-7トール以下の高真空中でニオブ３を蒸着し、
そのまま真空を破ることなく、これと同一の真空
槽内で、連続して適当なる常電導金属４をニオブ
３の上に蒸着、積層する。

そうした後、有機溶媒等を用いたリフトオフ工
程により、絶縁体層２上にあつて単位微小孔以外
の部分に残つているホトレジスト共々、不必要な
ニオブ３と常電導金属４の所定面積部分を除去
し、第３図示の基本構造を得る。

なお、ここでも、本発明は従来の常識を打破し
ている。

すなわち、ニオブのような極めて高い融点を有
する物質をリフトオフにより除去することは、そ
の下の残存ホトレジストが黒化する等の理由によ
り、従来は不可能と考えられていたからである。

しかし本発明は、そもそも、ニオブをこうした
スーパ・シヨツトキ・ダイオードの超電導体材料
として選ぶという、従来の常識を打破する意欲を
持つて成されたものであるので、当該リフトオフ
工程時にも、上記のような問題を生じない設計的
な条件が存在するのではないかとの発想の下、現
にニオブのリフトオフに成功したのである。

逆に、本発明が開示され、上記のようにニオブ
のリフトオフが可能であることも提示された以上
は、当業者である限り、通常の設計的な種々の条
件設定の如何により、こうしたニオブのリフトオ
フに必ずや成功するはずである。

この基本構造を同一基板上に複数個配置して表
面の利用率を上げると共に、検出素子としてウイ
スカーを立てて利用する場合には第４図の実施例
に示すような配置とパタンを用いる。即ち微小単
位孔の中心は互いに正三角形の頂点に位するよう
に配置すると共に、微小単位孔自身は正方形マス
クを用いて作成する。この場合正方形の一辺が、
半導体バルク結晶ないしエピタキシヤル成長層の
劈開面に並行になるように配置する。この製作工
程を用いることにより、本発明に関わる素子は以
下のような利点を持つことになる。即ち従来のシ
ヨツトキ・ダイオードで用いられている配置は、
基盤目状の行列配置であるため、表面の利用率が
低く電極ウイスカー６の設置に際して絶縁体層上
に設置してウイスカーを破損する等の技術的難点
があつた。これを第４図の様な、微小単位孔を互
いに正三角形の頂点にその中心が位する様に配置
することにより設置を容易にすることができる。

さらに、第４図の配置にすることにより微小単
位孔間の距離が平均化されるため、化学的ないし
機械的エツチング工程等における単位孔間の分離
が容易となる。又ホトリソグラフ技術並びにエツ
チング等の製作工程を同一分解能とすると単位面
積中の微小単位孔数は多く設けることができるこ
とになる。さらに、微小単位孔自身を正方形にす
ると共に、この正方形の一辺を半導体結晶の劈開
面に平行に配置することにより、化学的ないし機
械的エツチング工程等、製作工程における微小単
位孔のボケをサブミロン以下に抑えることができ
るため、微小単位孔を作成する際に特に重要な手
段となる。

尚、この製作手段並びに微小単位孔の配置パタ
ンは、本発明に関わるスーパ・シヨツトキ・ダイ
オードのみならず、通常のシヨツトキ・ダイオー
ドにも適用されるものであり、その特性上に寄与
する有効な手段である。

第５図は、半絶縁性基板上に作成したエピタキ
シヤル成長層を用いた平面型スーパ・シヨツト
キ・ダイオードの基本構造実施例である。エピタ
キシヤル成長層７上にホトリソグラフ技術等によ
りオーミツク電極パタンを作成して半導体結晶表
面を露出させた後、化学エツチングないし機械エ
ツチング等の方法により表面の清浄化を行つてオ
ーム性電極５を作成する。オーム性電極５は、常
電導金属等の真空蒸着等の工程と、還元雰囲気中
における合金化工程等によつて作成する。この
後、ホトリソグラフ技術と化学エツチングないし
機械エツチング等の技術の併用等により、エピタ
キシヤル層の不必要部分を除去し、半絶縁性基板
８上に、５，７を作成する。このとき、エピタキ
シヤル結晶７のメサ面は、スーパ・シヨツトキ電
極３，４に向うよう、パタンを作成しておくもの
とする。この工程後、不必要金属をリフトオフ等
により除去した後更にホトリソグラフ技術と化学
エツチングないし機械エツチング等の工程の併用
により、半導体表面上にスーパ・シヨツトキ電極
パタンを作成して、10^-7トール以下の高真空中に
挿入し、超電導体金属３並びに常電導体金属４を
電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、スパツタ蒸
着法等により連続蒸着してスーパ・シヨツトキ電
極とする。この作成工程の後、有機溶媒等を用い
たリフトオフ工程により、半導体基板上の不必要
な超電導体及び常電導体金属を除去する。第６図
は、この第５図示素子を平面的に見た構造を示し
ている。

次に、第７図は、特にスーパ・シヨツトキ・ダ
イオードの構造としても十分に発明的な特徴を持
つた実施例素子を示している。

すなわち、半絶縁性等、適当なる基板８上に形
成されたGaAsエピタキシヤル層７は、同図に示
されるように、面内一方向に沿つた両端部がメサ
加工され、その結果、断面形状が山形で、これと
直交す方向には線状に伸びる形状に加工されてい
る（図示の場合、このような構造が並列に三本、
設けられている）。

これに対し、既に述べた本発明方法により、同
一の真空槽中で連続、一連に作成されるニオブ３
と常電導金属４の積層体は、当該化合物半導体７
をその山の峰を乗り越えるように横切る細幅な線
状形状に加工されている。

そのため、断面山形で細幅な線状形状の化合物
半導体７と、これをほぼ直交する関係で横切る細
幅な線状形状の超電導体３の交差部分にてのみ、
当該スーパ・シヨツトキ接合部９が極めて狭い面
積領域として限定されるので、接合抵抗や接合容
量を極めて小さくすることができ、本質的に高周
波特性に優れたものとなる。図示の並列接続で
は、その効果を保ちながら電流容量を増すことが
できる。さらに、リード線のボンデイング部分１
０を除いて全体を絶縁層２で覆い保護膜とする。
この保護膜を設けることにより、室温一液体ヘリ
ウム温度間正熱サイクルに伴う素子面の結露によ
る素子劣化を防ぐことができる。又、この構造と
することにより、ウイスカーによる電極リードを
とり出すことな目的の検出特性を得ることができ
るので、技術的な困難さを大幅に改善することが
できる。

以上詳記のように、本発明は、化合物半導体に
対しスーパ・シヨツトキ接合を形成する超電導体
材料として、従来の常識を打破し、ニオブを用い
ることに始めて成功したものであり、また、当該
ニオブの上には同一真空槽内で真空を破ることな
く連続して常電導金属を積層してしまうので、原
理的な所からしても、ニオブ表面に酸化膜が形成
されるようなおそれがない。

したがつて、化学的にも機械的にも極めて安定
で、電気的特性も良好であり、温度サイクルにも
経時変化にも強いというニオブ本来の優秀な特性
を享受することができ、これにより作成されるス
ーパ・シヨツトキ・ダイオードも、単に実験室レ
ベルに留まるようなものではなく、温度サイクル
に強く、長期の使用にも耐える十分に実用的なも
のとなる。

なお、実施例的な望ましい配慮ではあるが、電
子ビーム蒸着等を利用してのニオブの蒸着に際し
ては、最終的に蒸着膜厚が500Å以上となるよう
にして、その超電導体遷移温度をバルク金属のそ
れに近い値にするのが良く、また、蒸着後の合金
化は行なわないようにする。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の物理実験に用いられた半導体
超電導体接合の横断面である。第２図は、従来の
シヨツトキ接合ダイオードの横断面である。第３
図は、本発明に基づくスーパ・シヨツトキ・ダイ
オードの単位横断面、第４図はその平面図であ
り、正三角形の頂点１１にそれぞれ設けた接合面
９に超電導体と金属を連続して蒸着して構成す
る。第５図は、本発明に基づくスーパ・シヨツト
キ・ダイオードの別の実施例の横断面である。 図中、１は半導体、２は絶縁層、３は超電導
体、４は金属、５はオーム性電極、６はウイスカ
ー、７は半導体エピタキシヤル成長層である。第
６図は、第５図の素子の平面構成図で、１０はボ
ンデイング部分である。第７図は、別の実施例で
９は接合部である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 化合物半導体と超電導体とのスーパ・シヨツ
   トキ接合を有するスーパ・シヨツトキ・ダイオー
   ドであつて； 上記化合物半導体は断面山形で細幅な線状形状
   を有し； 上記超電導体は、上記細幅な線状形状の化合物
   半導体の上記山形の峰を乗り越えて横切る細幅な
   線状形状に構成され； 上記スーパ・シヨツトキ接合は、上記細幅な線
   状形状の化合物半導体と上記細幅な線状形状の超
   電導体との上記交差部分にてのみ、その面積領域
   が限定されていること； を特徴とするスーパ・シヨツトキ・ダイオード。 ２ 化合物半導体と超電導体とのスーパ・シヨツ
   トキ接合を有するスーパ・シヨツトキ・ダイオー
   ドの製造方法であつて； 上記化合物半導体上に絶縁体層を形成する工程
   と； 上記絶縁体層上にホトレジストを付着させ、ホ
   トリソグラフイにより、所定のパタンに従い、該
   ホトレジストと上記絶縁体層に一連に微小孔を穿
   孔し、該穿孔された微小孔の底に上記化合物半導
   体の表面を露呈させる工程と； 該微小孔穿孔の後、同一真空槽内の高真空中で
   該真空を破ることなく、ニオブと常電導金属とを
   連続して蒸着、積層する工程と； 該ニオブと常電導金属の上記積層構造形成後、
   上記絶縁体層上に残つている上記ホトレジスト
   共々、上記ニオブと常電導金属の所定面積部分を
   除去するリフトオフ工程と； を有して成るスーパ・シヨツトキ・ダイオードの
   製造方法。