JPH0786644A - 超伝導配線装置 - Google Patents
超伝導配線装置Info
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- JPH0786644A JPH0786644A JP5225513A JP22551393A JPH0786644A JP H0786644 A JPH0786644 A JP H0786644A JP 5225513 A JP5225513 A JP 5225513A JP 22551393 A JP22551393 A JP 22551393A JP H0786644 A JPH0786644 A JP H0786644A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 配線による信号遅延時間の短い、高速信号処
理を必要とする情報機器に関し、配線における信号の伝
搬速度そのものを高速化した配線装置を提供することを
目的とする。 【構成】 基板と、基板上に配置され、超伝導体で形成
された第1配線部分と、半導体で形成され、前記第1配
線部分と近接して基板上に配置され、少なくとも一部近
接効果によって超伝導状態になる第2配線部分とを有す
る。
理を必要とする情報機器に関し、配線における信号の伝
搬速度そのものを高速化した配線装置を提供することを
目的とする。 【構成】 基板と、基板上に配置され、超伝導体で形成
された第1配線部分と、半導体で形成され、前記第1配
線部分と近接して基板上に配置され、少なくとも一部近
接効果によって超伝導状態になる第2配線部分とを有す
る。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高速信号処理を必要と
する情報機器に関し、特に配線による信号遅延時間の短
い、高速信号処理を必要とする情報機器に関する。
する情報機器に関し、特に配線による信号遅延時間の短
い、高速信号処理を必要とする情報機器に関する。
【0002】コンピュータを初めとする情報処理機器に
おいて、より高速な信号処理が要求されている。信号処
理が高速化してくると、配線による信号の遅延が大きな
問題となってくる。特に、集積化が進み、配線の線幅が
減少すると、配線の抵抗による信号遅延等が問題とな
る。
おいて、より高速な信号処理が要求されている。信号処
理が高速化してくると、配線による信号の遅延が大きな
問題となってくる。特に、集積化が進み、配線の線幅が
減少すると、配線の抵抗による信号遅延等が問題とな
る。
【0003】
【従来の技術】半導体集積回路装置においては、配線層
として低抵抗率のAl層をよく用いる。しかし、集積度
の向上と共に配線の線幅は次第に細くなり、その抵抗が
問題となってくる。たとえば線幅0.5μmのアルミ配
線は、厚さ0.5μmの場合、配線長1cmで約1KΩ
の抵抗を持ってしまう。配線は容量を伴うので、信号遅
延が大きくなる。また、信号の分散や抵抗による発熱も
問題となる。
として低抵抗率のAl層をよく用いる。しかし、集積度
の向上と共に配線の線幅は次第に細くなり、その抵抗が
問題となってくる。たとえば線幅0.5μmのアルミ配
線は、厚さ0.5μmの場合、配線長1cmで約1KΩ
の抵抗を持ってしまう。配線は容量を伴うので、信号遅
延が大きくなる。また、信号の分散や抵抗による発熱も
問題となる。
【0004】抵抗の著しく小さい、または抵抗のない配
線として超伝導体が着目されている。抵抗のない超伝導
体を配線として用いると、無損失、無ひずみの配線が得
られる。
線として超伝導体が着目されている。抵抗のない超伝導
体を配線として用いると、無損失、無ひずみの配線が得
られる。
【0005】図2に、従来の技術による超伝導体配線の
構成例を示す。図2において、物理的支持を与える基板
101の上に、超伝導体層102、誘電体層103、他
の超伝導体層104が積層されている。
構成例を示す。図2において、物理的支持を与える基板
101の上に、超伝導体層102、誘電体層103、他
の超伝導体層104が積層されている。
【0006】超伝導体層102、104は、誘電体層1
03を挟んで伝送路を形成する。超伝導体層102、1
04は、抵抗“0”の伝送路を形成するため、無損失、
無ひずみの配線を形成することができる。回路を小型化
し、配線を短くすれば、配線による信号の遅延時間は短
縮される。
03を挟んで伝送路を形成する。超伝導体層102、1
04は、抵抗“0”の伝送路を形成するため、無損失、
無ひずみの配線を形成することができる。回路を小型化
し、配線を短くすれば、配線による信号の遅延時間は短
縮される。
【0007】図9は、超伝導体を用いたジョセフソン素
子の回路の一部を示す断面図である。基板121の上
に、接地配線としての超伝導体層122が形成され、そ
の上を層間絶縁膜124が覆っている。層間絶縁膜12
4の所要部分には開口が形成され、他の部分上には抵抗
体層127およびその表面保護膜128が形成される。
子の回路の一部を示す断面図である。基板121の上
に、接地配線としての超伝導体層122が形成され、そ
の上を層間絶縁膜124が覆っている。層間絶縁膜12
4の所要部分には開口が形成され、他の部分上には抵抗
体層127およびその表面保護膜128が形成される。
【0008】これらの構成の上に他の配線層としての超
伝導体層126が形成され、グランド配線122と抵抗
体層127を接続し、また、抵抗体層127をその上に
形成するジョセフソン接合素子Jに接続する。
伝導体層126が形成され、グランド配線122と抵抗
体層127を接続し、また、抵抗体層127をその上に
形成するジョセフソン接合素子Jに接続する。
【0009】中央の超伝導体層126の上に、アルミニ
ウム酸化物層を備えたアルミニウム層131が形成さ
れ、その上に、さらに超伝導体層132を形成すること
により、ジョセフソン接合素子Jが形成される。このジ
ョセフソン接合素子Jは、超伝導配線層134によって
他の超伝導配線層126に接続される。
ウム酸化物層を備えたアルミニウム層131が形成さ
れ、その上に、さらに超伝導体層132を形成すること
により、ジョセフソン接合素子Jが形成される。このジ
ョセフソン接合素子Jは、超伝導配線層134によって
他の超伝導配線層126に接続される。
【0010】なお、超伝導体層134の下には、他の層
間絶縁膜133が形成されている。このような構成によ
り、図中上部に示すように、抵抗体Rとジョセフソン接
合素子Jが直列に接続された回路が形成される。
間絶縁膜133が形成されている。このような構成によ
り、図中上部に示すように、抵抗体Rとジョセフソン接
合素子Jが直列に接続された回路が形成される。
【0011】なお、超伝導体層122、126、13
2、134としては、たとえばNbを用いることがで
き、抵抗体127としてはMoを用いることができる。
また、層間絶縁膜等の絶縁層としてはSiO2 等を用い
ることができる。
2、134としては、たとえばNbを用いることがで
き、抵抗体127としてはMoを用いることができる。
また、層間絶縁膜等の絶縁層としてはSiO2 等を用い
ることができる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】ところで、超伝導体の
配線を小型化しようとすると、問題が生じる。すなわ
ち、超伝導体配線の膜厚を薄くすると、磁場侵入長との
関係で、信号の伝搬速度は遅くなってしまう。抵抗が
“0”でも信号の伝搬速度が遅くては、回路の高速動作
を期待することができなくなる。
配線を小型化しようとすると、問題が生じる。すなわ
ち、超伝導体配線の膜厚を薄くすると、磁場侵入長との
関係で、信号の伝搬速度は遅くなってしまう。抵抗が
“0”でも信号の伝搬速度が遅くては、回路の高速動作
を期待することができなくなる。
【0013】本発明の目的は、配線における信号の伝搬
速度そのものを高速化した超伝導配線装置を提供するこ
とである。
速度そのものを高速化した超伝導配線装置を提供するこ
とである。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明の超伝導配線装置
は、基板と、基板上に配置され、超伝導体で形成された
第1配線部分と、半導体で形成され、前記第1配線部分
と近接して基板上に配置され、少なくとも一部近接効果
によって超伝導状態になる第2配線部分とを有する。
は、基板と、基板上に配置され、超伝導体で形成された
第1配線部分と、半導体で形成され、前記第1配線部分
と近接して基板上に配置され、少なくとも一部近接効果
によって超伝導状態になる第2配線部分とを有する。
【0015】
【作用】超伝導体に近接して、半導体を配置すると、波
動関数の重なりによる近接効果によって半導体を超伝導
状態にすることができる。このような半導体を配線とし
て利用することにより、超伝導体と半導体との両者の好
適な性質を利用することが可能になる。
動関数の重なりによる近接効果によって半導体を超伝導
状態にすることができる。このような半導体を配線とし
て利用することにより、超伝導体と半導体との両者の好
適な性質を利用することが可能になる。
【0016】
【実施例】まず、図2に示すような従来の超伝導配線に
ついて考える。図に示すような平行平面型の超伝導配線
における位相速度vphと群速度vgrは、表面抵抗を無視
すると、以下の式で表すことができる。
ついて考える。図に示すような平行平面型の超伝導配線
における位相速度vphと群速度vgrは、表面抵抗を無視
すると、以下の式で表すことができる。
【0017】
【数1】 vph=vgr=(μo ε)1/2 〔1+(2λ/d)coth(b/λ)〕-1/2 ここで、2つの超伝導体層の厚さは共にbとし、誘電体
層の厚さをdとし、誘電体の誘電率をεとし、超伝導体
の磁場侵入長をλとした。
層の厚さをdとし、誘電体の誘電率をεとし、超伝導体
の磁場侵入長をλとした。
【0018】上式より明らかなように、高速な信号の伝
搬を実現するためには、誘電体の厚さdを大きくし、磁
場侵入長λを小さくすることが有効である。また、超伝
導体層の磁場侵入長λと較べ、その厚さbを大きくする
ことが好ましい。
搬を実現するためには、誘電体の厚さdを大きくし、磁
場侵入長λを小さくすることが有効である。また、超伝
導体層の磁場侵入長λと較べ、その厚さbを大きくする
ことが好ましい。
【0019】磁場侵入長λは、ダーティーリミットの場
合、次式で表される。
合、次式で表される。
【0020】
【数2】 λ=(m* /μo ns * e*2)1/2 (ξo /ln )1/2 なお、m* はキャリアの有効質量、μo はキャリアの移
動度、ns * は有効超伝導キャリア密度、ξo は真性コ
ヒーレンス長、ln は平均自由行程である。
動度、ns * は有効超伝導キャリア密度、ξo は真性コ
ヒーレンス長、ln は平均自由行程である。
【0021】磁場侵入長λを小さくするためには、キャ
リアの有効質量m* の小さな材料を用いることが有効で
ある。また、有効超伝導キャリア密度は高いほどよい。
超伝導体と半導体とを結合させると、超伝導体内のある
厚さ(超伝導体のコヒーレンス長)までの部分が半導体
内のある厚さ(半導体のコヒーレンス長)までの部分に
影響を与え、結果として半導体内のコヒーレンス長に相
当する部分が超伝導状態になる。この現象が近接効果で
ある。
リアの有効質量m* の小さな材料を用いることが有効で
ある。また、有効超伝導キャリア密度は高いほどよい。
超伝導体と半導体とを結合させると、超伝導体内のある
厚さ(超伝導体のコヒーレンス長)までの部分が半導体
内のある厚さ(半導体のコヒーレンス長)までの部分に
影響を与え、結果として半導体内のコヒーレンス長に相
当する部分が超伝導状態になる。この現象が近接効果で
ある。
【0022】本発明者は、超伝導体に半導体を近接して
配置し、半導体を超伝導状態として配線に利用すること
を提案する。図1は、本発明の基本的実施例を示す。図
1(A)は配線の構造を示す断面図、図1(B)は図1
(A)に示す積層内の超伝導状態を概略的に示す線図で
ある。
配置し、半導体を超伝導状態として配線に利用すること
を提案する。図1は、本発明の基本的実施例を示す。図
1(A)は配線の構造を示す断面図、図1(B)は図1
(A)に示す積層内の超伝導状態を概略的に示す線図で
ある。
【0023】図1(A)において、物理的支持を与える
基板1の上に、超伝導体層2、半導体層3、誘電体層
4、半導体層5、超伝導体層6がこの順序で積層されて
いる。下側の超伝導体層2と半導体層3は互いに結合し
て、図2に示した従来の超伝導配線の下側配線層102
に相当する役割を果たし、上側の超伝導体層6と半導体
層5は結合して、図2に示す従来の超伝導配線の上側配
線104の役割を果たす。
基板1の上に、超伝導体層2、半導体層3、誘電体層
4、半導体層5、超伝導体層6がこの順序で積層されて
いる。下側の超伝導体層2と半導体層3は互いに結合し
て、図2に示した従来の超伝導配線の下側配線層102
に相当する役割を果たし、上側の超伝導体層6と半導体
層5は結合して、図2に示す従来の超伝導配線の上側配
線104の役割を果たす。
【0024】半導体層3と5は、隣接する超伝導体層2
と6の影響により、その一部が超伝導体状態に変化す
る。図1(B)は、界面近傍の超伝導体層と半導体層の
状態を概略的に示す。超伝導体層2、6に隣接して半導
体層3、5が配置されている。超伝導体層2、6のコヒ
ーレンス長をL1とし、半導体層3、5のコヒーレンス
長をL2とする。
と6の影響により、その一部が超伝導体状態に変化す
る。図1(B)は、界面近傍の超伝導体層と半導体層の
状態を概略的に示す。超伝導体層2、6に隣接して半導
体層3、5が配置されている。超伝導体層2、6のコヒ
ーレンス長をL1とし、半導体層3、5のコヒーレンス
長をL2とする。
【0025】すると、半導体層のコヒーレンス長L2内
においては、超伝導体層2、6のコヒーレンス長L1内
の部分の影響を受け、超伝導状態に変化する。なお、半
導体内のコヒーレンス長は、超伝導状態が階段的な変化
を示す値ではなく、一定の割合となる領域を示す。
においては、超伝導体層2、6のコヒーレンス長L1内
の部分の影響を受け、超伝導状態に変化する。なお、半
導体内のコヒーレンス長は、超伝導状態が階段的な変化
を示す値ではなく、一定の割合となる領域を示す。
【0026】したがって、現実にはコヒーレンス長の数
倍の厚さまで半導体層は超伝導状態になると考えてよ
い。半導体層の厚さが十分薄ければ、半導体層全体が超
伝導状態となる。
倍の厚さまで半導体層は超伝導状態になると考えてよ
い。半導体層の厚さが十分薄ければ、半導体層全体が超
伝導状態となる。
【0027】このように、超伝導状態となった半導体内
においては、位相速度と群速度は〔数1〕に示すような
式で表現され、その磁場侵入長は〔数2〕で示す式で表
現される。
においては、位相速度と群速度は〔数1〕に示すような
式で表現され、その磁場侵入長は〔数2〕で示す式で表
現される。
【0028】すなわち、超伝導状態の半導体内の磁場侵
入長λは、半導体のキャリアの有効質量m* の1/2乗
に比例し、キャリアの移動度μo とキャリア密度ns *
との1/2乗に逆比例する。
入長λは、半導体のキャリアの有効質量m* の1/2乗
に比例し、キャリアの移動度μo とキャリア密度ns *
との1/2乗に逆比例する。
【0029】半導体においては、一般的に金属よりもキ
ャリア密度ns * が小さいが、移動度μo 、有効質量m
* は半導体の種類によって変化する。有効質量m* が小
さく、移動度μo が大きな材料を得られれば、磁場侵入
長λを小さくすることができ、伝搬速度を高くすること
ができる。
ャリア密度ns * が小さいが、移動度μo 、有効質量m
* は半導体の種類によって変化する。有効質量m* が小
さく、移動度μo が大きな材料を得られれば、磁場侵入
長λを小さくすることができ、伝搬速度を高くすること
ができる。
【0030】たとえば、半導体層3、5としてInSb
を選択し、Nbの超伝導体層2、6と組み合わせると、
半導体層3、5における磁場侵入長は超伝導体層2、6
における磁場侵入長よりも1桁程度小さくすることがで
きる。
を選択し、Nbの超伝導体層2、6と組み合わせると、
半導体層3、5における磁場侵入長は超伝導体層2、6
における磁場侵入長よりも1桁程度小さくすることがで
きる。
【0031】これは、InSbの半導体層のキャリア密
度を5×1017cm-3位と仮定した場合であり、キャリ
ア密度が小さくて磁場侵入長が大きくなる効果を、有効
質量が小さく、磁場侵入長が小さくなる効果が上回った
結果である。
度を5×1017cm-3位と仮定した場合であり、キャリ
ア密度が小さくて磁場侵入長が大きくなる効果を、有効
質量が小さく、磁場侵入長が小さくなる効果が上回った
結果である。
【0032】磁場侵入長が1/10にできることは、配
線サイズを1/10にすることができることを意味す
る。また、同等の厚さを有する配線層の場合、より高速
の信号伝搬が実現できる。
線サイズを1/10にすることができることを意味す
る。また、同等の厚さを有する配線層の場合、より高速
の信号伝搬が実現できる。
【0033】図3は、より具体的な配線構造を示す。半
導体または誘電体で形成された基板11aの上に、超伝
導体であるNb層12aが厚さ約数1000Å積層さ
れ、その上に半導体層であるInSb層13aが10n
m以下積層され、その上に誘電体層であるMgO層14
aが数1000Å積層される。
導体または誘電体で形成された基板11aの上に、超伝
導体であるNb層12aが厚さ約数1000Å積層さ
れ、その上に半導体層であるInSb層13aが10n
m以下積層され、その上に誘電体層であるMgO層14
aが数1000Å積層される。
【0034】さらに、MgO層14aの上に、半導体で
あるInSb15aが10nm以下積層され、その上に
Nb層16aが数1000Å積層される。たとえば、図
3に示す配線装置を、液体ヘリウム温度に冷却すると、
臨界温度が約9°KであるNb層12a、16aは超伝
導状態に維持される。InSb層13a、15aのドー
ピング濃度を約1×1018cm-3とすると、InSbの
コヒーレンス長は約200nmとなる。したがって、I
nSb層13a、15aはほぼ完全に超伝導状態とな
る。
あるInSb15aが10nm以下積層され、その上に
Nb層16aが数1000Å積層される。たとえば、図
3に示す配線装置を、液体ヘリウム温度に冷却すると、
臨界温度が約9°KであるNb層12a、16aは超伝
導状態に維持される。InSb層13a、15aのドー
ピング濃度を約1×1018cm-3とすると、InSbの
コヒーレンス長は約200nmとなる。したがって、I
nSb層13a、15aはほぼ完全に超伝導状態とな
る。
【0035】InSbのコヒーレンス長がおよそ200
nmの場合、半導体層の厚さは、さらに厚くても構わな
い。なお、半導体としてInSbを用いる場合を説明し
たが、有効質量が小さく、移動度の高い半導体であれ
ば、これらの例に制限されない。たとえば、InAs、
GaAs、InPや混晶等を用いることもできる。
nmの場合、半導体層の厚さは、さらに厚くても構わな
い。なお、半導体としてInSbを用いる場合を説明し
たが、有効質量が小さく、移動度の高い半導体であれ
ば、これらの例に制限されない。たとえば、InAs、
GaAs、InPや混晶等を用いることもできる。
【0036】また、超伝導体としてNb以外の材料を用
いてもよい。たとえば、他の超伝導体を用いることも可
能である。たとえば、NbNや酸化物超伝導を用いれ
ば、高温で超伝導状態を実現することができ、高温で半
導体を超伝導状態とした配線装置を得ることができる。
いてもよい。たとえば、他の超伝導体を用いることも可
能である。たとえば、NbNや酸化物超伝導を用いれ
ば、高温で超伝導状態を実現することができ、高温で半
導体を超伝導状態とした配線装置を得ることができる。
【0037】図4は、図3の構成の変形例を示す。半導
体または誘電体で形成された基板11aの上に、Nb層
12a、InSb層13aが、図3の実施例と同様、積
層され、InSbOX 層14bがその上に積層される。
体または誘電体で形成された基板11aの上に、Nb層
12a、InSb層13aが、図3の実施例と同様、積
層され、InSbOX 層14bがその上に積層される。
【0038】InSbOX 14bの上に、厚いInSb
層15aをストライプ状に形成し、その側面および上面
をNb層16aで覆う。このような構成とすると、In
Sb15aは、その上面および側面を覆うNb層16a
によって超伝導状態に駆動される。
層15aをストライプ状に形成し、その側面および上面
をNb層16aで覆う。このような構成とすると、In
Sb15aは、その上面および側面を覆うNb層16a
によって超伝導状態に駆動される。
【0039】また、図5のような構成とすることもでき
る。図5においては、基板11aの上に超伝導体層とし
てNbN層12bが形成され、その上に半導体層として
InAs層13bが積層される。
る。図5においては、基板11aの上に超伝導体層とし
てNbN層12bが形成され、その上に半導体層として
InAs層13bが積層される。
【0040】InAs層13bの上に、GaSb層14
cを介してInAs層15bのストライプ状パターンを
形成する。このInAs層15bの側面および上面を覆
ってNbN層16bを形成する。
cを介してInAs層15bのストライプ状パターンを
形成する。このInAs層15bの側面および上面を覆
ってNbN層16bを形成する。
【0041】この構成においては、超伝導体としてNb
Nを用い、半導体としてInAsを用い、両者で超伝導
状態の配線を形成している。中間のGaSb層14c
は、誘電体膜としての役割を果たす。
Nを用い、半導体としてInAsを用い、両者で超伝導
状態の配線を形成している。中間のGaSb層14c
は、誘電体膜としての役割を果たす。
【0042】なお、図3、4、5に示すような構成にお
いて、超伝導体Nb、NbNや誘電体MgO等はスパッ
タリングによって形成することができる。また、InS
b層やInAs層の半導体層は、たとえばMBE(分子
ビームエピタキシ)によって形成することができる。半
導体層のパターニングを行なうときは、イオンミリング
等のドライ処理を採用することができる。また、半導体
を誘電体層として利用する場合、その半導体層はスパッ
タリングによって形成してもよく、MBEやCVDによ
って形成してもよい。
いて、超伝導体Nb、NbNや誘電体MgO等はスパッ
タリングによって形成することができる。また、InS
b層やInAs層の半導体層は、たとえばMBE(分子
ビームエピタキシ)によって形成することができる。半
導体層のパターニングを行なうときは、イオンミリング
等のドライ処理を採用することができる。また、半導体
を誘電体層として利用する場合、その半導体層はスパッ
タリングによって形成してもよく、MBEやCVDによ
って形成してもよい。
【0043】図6は、さらに他の構成例を示す。本構成
においては、基板11bの上に超伝導体としてYBCO
層12cを形成し、その上に誘電体層としてCeO2 層
14dを形成する。
においては、基板11bの上に超伝導体としてYBCO
層12cを形成し、その上に誘電体層としてCeO2 層
14dを形成する。
【0044】CeO2 層14dの上に所定厚さのGaA
s層を形成し、パターニングすることによって半導体配
線層15cを形成する。このGaAs層15cの表面
を、金属バッファ層17で覆い、この上にYBCO層1
6cを成長する。YBCO層16cは、CeO2 層14
dの上で成長し、金属バッファ層の高さを越えると、横
方向にも成長を行なってGaAs層15cおよび金属バ
ッファ層17を完全に覆う。
s層を形成し、パターニングすることによって半導体配
線層15cを形成する。このGaAs層15cの表面
を、金属バッファ層17で覆い、この上にYBCO層1
6cを成長する。YBCO層16cは、CeO2 層14
dの上で成長し、金属バッファ層の高さを越えると、横
方向にも成長を行なってGaAs層15cおよび金属バ
ッファ層17を完全に覆う。
【0045】なお、図6の構成においては、超伝導体層
であるYBCO層16cが、半導体層であるGaAs層
15cの表面を酸化することを防止するため、金属バッ
ファ層17を用いたが、半導体層と超伝導体層の選択ま
たは成長方法を調整することにより、半導体層表面の変
化を考慮しなくてよい場合には、金属バッファ層17を
省略することができる。
であるYBCO層16cが、半導体層であるGaAs層
15cの表面を酸化することを防止するため、金属バッ
ファ層17を用いたが、半導体層と超伝導体層の選択ま
たは成長方法を調整することにより、半導体層表面の変
化を考慮しなくてよい場合には、金属バッファ層17を
省略することができる。
【0046】以上の構成例においては、半導体層として
不純物をドープした単一の半導体層を用いた。半導体層
として、2次元電子ガスを有する積層半導体層を用いる
こともできる。
不純物をドープした単一の半導体層を用いた。半導体層
として、2次元電子ガスを有する積層半導体層を用いる
こともできる。
【0047】図7は、2次元電子ガスを利用した配線構
造の例を示す。基板11aの上に、超伝導体のNbN層
12b、高移動度半導体であるGaAs層13c、キャ
リアを供給するためのn型AlGaAs層19、高移動
度半導体であるGaAs層15d、超伝導体であるNb
N層16bを積層する。ここで、n型AlGaAs層1
9は、そのバンドギャップがGaAsよりも大きく、そ
の中のキャリアを隣接する半導体層であるGaAs層1
3c、15dに供給する。
造の例を示す。基板11aの上に、超伝導体のNbN層
12b、高移動度半導体であるGaAs層13c、キャ
リアを供給するためのn型AlGaAs層19、高移動
度半導体であるGaAs層15d、超伝導体であるNb
N層16bを積層する。ここで、n型AlGaAs層1
9は、そのバンドギャップがGaAsよりも大きく、そ
の中のキャリアを隣接する半導体層であるGaAs層1
3c、15dに供給する。
【0048】GaAs層13c、15dにおいては、n
型AlGaAs層19との界面において狭いポテンシャ
ルウェルが形成され、n型GaAs層19から供給され
たキャリアをトラップし、2次元電子ガス18を形成す
る。
型AlGaAs層19との界面において狭いポテンシャ
ルウェルが形成され、n型GaAs層19から供給され
たキャリアをトラップし、2次元電子ガス18を形成す
る。
【0049】GaAs層13c、15dの厚さをNbN
層12b、16bからの近接効果が十分届く厚さにする
ことにより、GaAs層13c、15dは近接効果によ
り超伝導状態となる。したがって、2次元電子ガスが超
伝導状態で輸送される。なお、キャリアを供給したn型
AlGaAs層19は、誘電体層としての役割を果た
す。
層12b、16bからの近接効果が十分届く厚さにする
ことにより、GaAs層13c、15dは近接効果によ
り超伝導状態となる。したがって、2次元電子ガスが超
伝導状態で輸送される。なお、キャリアを供給したn型
AlGaAs層19は、誘電体層としての役割を果た
す。
【0050】本構成によれば、形成される2次元電子ガ
ス18が通常のキャリアと較べ、著しく高い移動度を示
すため、極めて小さな磁場侵入長λが得られ、キャリア
の伝搬速度が高くなる。
ス18が通常のキャリアと較べ、著しく高い移動度を示
すため、極めて小さな磁場侵入長λが得られ、キャリア
の伝搬速度が高くなる。
【0051】図8は、本発明の他の実施例によるジョセ
フソン素子を用いた回路を示す。図8において、誘電体
等で形成された基板21の上に、Nb等で形成された超
伝導体層22とInSb層で形成された半導体層23を
積層し、パターニングする。これら2つの層は、併せて
超伝導配線を形成する。
フソン素子を用いた回路を示す。図8において、誘電体
等で形成された基板21の上に、Nb等で形成された超
伝導体層22とInSb層で形成された半導体層23を
積層し、パターニングする。これら2つの層は、併せて
超伝導配線を形成する。
【0052】この配線層の上に、SiO2 等で形成され
た層間絶縁層24を形成し、その上にMo等で形成され
た抵抗層27、SiO2 等で形成された抵抗層の保護層
28を形成し、パターニングする。さらに、InSb等
で形成された半導体層25を形成し、パターニングす
る。必要部分に開口を形成し、開口部に露出された半導
体層を除去し、Nb等の超伝導体層26を形成する。
た層間絶縁層24を形成し、その上にMo等で形成され
た抵抗層27、SiO2 等で形成された抵抗層の保護層
28を形成し、パターニングする。さらに、InSb等
で形成された半導体層25を形成し、パターニングす
る。必要部分に開口を形成し、開口部に露出された半導
体層を除去し、Nb等の超伝導体層26を形成する。
【0053】このようにして、抵抗を接続する配線層を
形成した後、超伝導体層26の一部表面上にアルミニウ
ム酸化膜を備えたアルミニウム層31を形成することに
より、ジョセフソン接合用トンネル障壁を形成する。
形成した後、超伝導体層26の一部表面上にアルミニウ
ム酸化膜を備えたアルミニウム層31を形成することに
より、ジョセフソン接合用トンネル障壁を形成する。
【0054】この上に、ジョセフソン接合の他の電極と
なるNb等の超伝導体32を形成し、パターニングした
後、その表面をSiO2 等の絶縁体層33で覆う。絶縁
体層33の必要個所に開口を形成した後、上部配線層と
なるNb等の超伝導体層34を形成する。
なるNb等の超伝導体32を形成し、パターニングした
後、その表面をSiO2 等の絶縁体層33で覆う。絶縁
体層33の必要個所に開口を形成した後、上部配線層と
なるNb等の超伝導体層34を形成する。
【0055】この構成においては、ジョセフソン素子と
抵抗を接続する配線および抵抗とグランド配線を接続す
る配線およびグランド配線は、超伝導体層と半導体層の
積層による配線によって形成される。
抵抗を接続する配線および抵抗とグランド配線を接続す
る配線およびグランド配線は、超伝導体層と半導体層の
積層による配線によって形成される。
【0056】半導体層が有効質量の小さく、移動度の高
いInSbで形成されているため、超伝導状態となった
この複合配線層は無損失、無ひずみ、かつ高速の配線を
提供する。
いInSbで形成されているため、超伝導状態となった
この複合配線層は無損失、無ひずみ、かつ高速の配線を
提供する。
【0057】なお、集積回路内の配線として超伝導体層
と半導体層の積層を用いる場合を説明したが、電子回路
における信号の伝搬は、集積回路内と同様、集積回路間
および集積回路と端子や他の部分間においても生じる。
かえって、集積回路間等の配線の方が長距離となる場合
も多い。
と半導体層の積層を用いる場合を説明したが、電子回路
における信号の伝搬は、集積回路内と同様、集積回路間
および集積回路と端子や他の部分間においても生じる。
かえって、集積回路間等の配線の方が長距離となる場合
も多い。
【0058】図10は、集積回路間の配線に半導体層と
超伝導体層の複合配線層を用いる構成を示す。図におい
て、基板41の上にYBCOで形成された超伝導体層4
2とGaAsで形成された高移動度の半導体層43が積
層され、接地配線層を構成する。この接地配線層の上
に、CeO2 で形成された誘電体層44が作成され、上
部配線と下部配線の間の誘電体層を構成する。
超伝導体層の複合配線層を用いる構成を示す。図におい
て、基板41の上にYBCOで形成された超伝導体層4
2とGaAsで形成された高移動度の半導体層43が積
層され、接地配線層を構成する。この接地配線層の上
に、CeO2 で形成された誘電体層44が作成され、上
部配線と下部配線の間の誘電体層を構成する。
【0059】この誘電体層44の上に、GaAsで形成
された高移動度の半導体層45のパターンおよびその上
に形成されたYBCOの超伝導体層46のパターンが形
成される。この配線層にIC48のピンが接続されてい
る。
された高移動度の半導体層45のパターンおよびその上
に形成されたYBCOの超伝導体層46のパターンが形
成される。この配線層にIC48のピンが接続されてい
る。
【0060】このように、回路基板上の配線として超伝
導体と半導体の積層構造を用いることにより、極めて高
速でかつ無損失、無ひずみの配線を提供することが可能
となる。
導体と半導体の積層構造を用いることにより、極めて高
速でかつ無損失、無ひずみの配線を提供することが可能
となる。
【0061】なお、半導体としてInSbを用いた場
合、そのキャリア密度が5×1017cm-3の場合、半導
体のコヒーレンス長は約300Åである。このコヒーレ
ンス長に等しい深さのとき、超伝導状態は約半分程度に
低下する。しかしながら、コヒーレンス長を越えても超
伝導状態は継続し、その3〜5倍程度を超伝導配線とし
て用いることが有効である。
合、そのキャリア密度が5×1017cm-3の場合、半導
体のコヒーレンス長は約300Åである。このコヒーレ
ンス長に等しい深さのとき、超伝導状態は約半分程度に
低下する。しかしながら、コヒーレンス長を越えても超
伝導状態は継続し、その3〜5倍程度を超伝導配線とし
て用いることが有効である。
【0062】なお、コヒーレンス長は半導体内のキャリ
ア濃度、半導体の種類等によって変化する。製造技術等
との関連も考慮すると、半導体層の厚さは3000Å以
下、より好ましくは1000Åとすることが好ましい。
ア濃度、半導体の種類等によって変化する。製造技術等
との関連も考慮すると、半導体層の厚さは3000Å以
下、より好ましくは1000Åとすることが好ましい。
【0063】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。
【0064】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体と超伝導体を近接配置することにより、半導体を
超伝導化させ、配線として利用することができる。半導
体を用いて無損失、無ひずみの配線を形成することがで
きる。
半導体と超伝導体を近接配置することにより、半導体を
超伝導化させ、配線として利用することができる。半導
体を用いて無損失、無ひずみの配線を形成することがで
きる。
【0065】半導体としてキャリアの有効質量が小さな
材料、キャリアの移動度の高い材料を用いると、超伝導
体を用いた場合と比較して、より高速な信号伝送路を形
成することもできる。
材料、キャリアの移動度の高い材料を用いると、超伝導
体を用いた場合と比較して、より高速な信号伝送路を形
成することもできる。
【0066】このような配線を用いることにより、超伝
導素子、半導体素子等を用いた信号処理回路において、
発熱の低減による回路の高速化、信号処理の高信頼化、
信号処理の高速化が可能となる。コンピュータを初めと
する信号処理装置の性能の向上に寄与するところが大き
い。
導素子、半導体素子等を用いた信号処理回路において、
発熱の低減による回路の高速化、信号処理の高信頼化、
信号処理の高速化が可能となる。コンピュータを初めと
する信号処理装置の性能の向上に寄与するところが大き
い。
【図1】本発明の基本実施例による配線構造を示す断面
図およびその機能を説明する模式図である。
図およびその機能を説明する模式図である。
【図2】従来の技術による超伝導配線の構造を示す断面
図である。
図である。
【図3】本発明の実施例による超伝導配線の構成例を示
す断面図である。
す断面図である。
【図4】本発明の実施例による超伝導配線の構成例を示
す断面図である。
す断面図である。
【図5】本発明の実施例による超伝導配線の構成例を示
す断面図である。
す断面図である。
【図6】本発明の実施例による超伝導配線の構成例を示
す断面図である。
す断面図である。
【図7】本発明の実施例による超伝導配線の構成例を示
す断面図である。
す断面図である。
【図8】本発明の実施例によるジョセフソン素子を用い
た回路の断面図である。
た回路の断面図である。
【図9】従来の技術によるジョセフソン素子を用いた回
路の断面図である。
路の断面図である。
【図10】本発明の実施例による配線基板の構成を示す
斜視図である。
斜視図である。
1 基板 2、6 超伝導体層 3、5 半導体層 4 誘電体層 11 基板 12、16 超伝導体層 13、15 半導体層 14 誘電体層 22、26、34 超伝導体層 23、25 半導体層 42、46 超伝導体層 43、45 半導体層 44 誘電体層
Claims (7)
- 【請求項1】 基板と、 基板上に配置され、超伝導体で形成された第1配線部分
と、 半導体で形成され、前記第1配線部分と近接して基板上
に配置され、少なくとも一部近接効果によって超伝導状
態になる第2配線部分とを有する超伝導配線装置。 - 【請求項2】 前記第2配線部分が前記第1配線部分よ
りも小さな磁場侵入長を有する請求項1記載の超伝導配
線装置。 - 【請求項3】 前記第2配線部分が延在したストリップ
状の形状を有し、前記第1配線部分が第2配線部分の側
面および上面を覆う請求項1ないし2記載の超伝導配線
装置。 - 【請求項4】 前記第1配線部分がNbまたはNbNを
主成分として形成され、前記第2配線部分がInSb、
InAs、GaAs、InPおよびこれらの混晶のいず
れかを主成分として形成されている請求項1〜3のいず
れかに記載の超伝導配線装置。 - 【請求項5】 前記第2配線部分が、不純物濃度が低
く、比較的狭いバンドギャップを有する半導体で形成さ
れた電子走行層と、電子走行層に隣接して配置され、n
型にドープされ、比較的広いバンドギャップを有する半
導体で形成された電子供給層を有する請求項1〜4のい
ずれかに記載の超伝導配線装置。 - 【請求項6】 さらに、基板と第1配線部分および第2
配線部分との間に配置された誘電体層と、 前記誘電体層と基板との間に配置され、超伝導体で形成
された第3配線部分と、 前記第3配線部分に近接して誘電体層と基板との間に配
置され、半導体で形成され、少なくとも一部近接効果に
よって超伝導状態になる第4配線部分とを有する請求項
1〜5のいずれかに記載の超伝導配線装置。 - 【請求項7】 さらに、第1配線部分と第2配線部分と
の間に配置された金属の中間層を含む請求項1〜6のい
ずれかに記載の超伝導配線装置。
Priority Applications (2)
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JP5225513A JPH0786644A (ja) | 1993-09-10 | 1993-09-10 | 超伝導配線装置 |
US08/601,646 US5760463A (en) | 1993-09-10 | 1996-02-14 | Superconducting layer in contact with group III-V semiconductor layer for wiring structure |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5225513A JPH0786644A (ja) | 1993-09-10 | 1993-09-10 | 超伝導配線装置 |
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JPH0786644A true JPH0786644A (ja) | 1995-03-31 |
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Family Applications (1)
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---|---|---|---|
JP5225513A Pending JPH0786644A (ja) | 1993-09-10 | 1993-09-10 | 超伝導配線装置 |
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