[論文レビュー] InAs nanowire hot-electron Josephson transistor

Stefano Roddaro, Andrea Pescaglini+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2010

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 2被引用数 24

ひとこと要約

この論文は、正孔金属電極からの準粒子注入によって超電流が制御されるInAsナノワイヤー熱電子ジョセフソントランジスタを示している。わずか約100 pWの熱準粒子を注入するだけで、臨界電流が完全に抑制され、ナノスケールの超伝導デバイスにおいて超低消費電力・高速スイッチングが実現可能である。

ABSTRACT

At a superconductor (S)-normal metal (N) junction pairing correlations can "leak-out" into the N region. This proximity effect [1, 2] modifies the system transport properties and can lead to supercurrent flow in SNS junctions [3]. Recent experimental works showed the potential of semiconductor nanowires (NWs) as building blocks for nanometre-scale devices [4-7], also in combination with superconducting elements [8-12]. Here, we demonstrate an InAs NW Josephson transistor where supercurrent is controlled by hot-quasiparticle injection from normal-metal electrodes. Operational principle is based on the modification of NW electron-energy distribution [13-20] that can yield reduced dissipation and high-switching speed. We shall argue that exploitation of this principle with heterostructured semiconductor NWs opens the way to a host of out-of-equilibrium hybrid-nanodevice concepts [7, 21].

研究の動機と目的

• 非平衡電子分布を用いた超電流のアクティブ制御が可能なナノスケールジョセフソントランジスタの開発。
• 半導体ナノワイヤーを非平衡ハイブリッドナノデバイスのプラットフォームとしての利用を検討すること。
• 短い拡산的SNS接合における熱準粒子注入による超電流の電気的制御を実証すること。
• ナノワイヤー内の電子エネルギー分布を操作することで、高スイッチング速度と低損失を達成すること。

提案手法

• Ti/Al超伝導電極を約60 nm間隔で配置した短い拡散的InAsナノワイヤージョセフソン接合（S-NW-S）をフォトリソグラフィーとドライクリーブェージを用いて作製。
• ナノワイヤー端にTi/Au正孔金属制御電極を統合し、電圧バイアス（V_inj）により準粒子を注入。
• 電子ビームリソグラフィーとドライクリーブェージを用いて、Si/SiO2基板上に高品質で被覆された金属-半導体接触を実現。
• フローティングバイアス方式と4端子測定を採用し、ジョセフソン電流を最小限の負荷で検出。
• 短い拡散的SNS接合の理論モデルを適用し、臨界電流の温度および注入電圧依存性を分析。
• 微分抵抗スペクトルを測定し、超伝導ギャップ（Δ ≈ 120 μeV）を抽出し、複数のアンドレーエフ反射特徴を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半導体ナノワイヤーにおける準粒子注入が、超伝導接合のジョセフソン結合を制御可能か？
• RQ2 ナノスケールジョセフソントランジスタの超電流を完全に抑制するために必要な最小注入電力は何か？
• RQ3 短い拡散的SNS接合において、臨界電流は温度および注入電圧にどのように依存するか？
• RQ4 電子の加熱または熱化の程度が、電流-電圧特性のヒステリシス挙動に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 熱電子効果は、ハイブリッド超伝導デバイスにおいて超低消費電力・高速スイッチングを実現可能か？

主な発見

• わずか約100 pWの注入電力でジョセフソン臨界電流が完全に抑制され、超低消費電力制御が実証された。
• 臨界電流の抑制は、わずか約300 μVの注入電圧で達成された。これは準粒子注入に対する高い感度を示している。
• デバイスは約1 Kまで非損失輸送を維持し、臨界電流は最大で約350 nA（超伝導電流密度は約5.5 kA/cm²）に達した。
• 測定された臨界電流は、短い拡散的SNS接合モデルと整合する温度依存性を示し、I_cR_N積は最大で約75 μeVに達した。
• 微分抵抗スペクトルに複数のアンドレーエフ反射特徴が観測され、超伝導ギャップΔ ≈ 120 μeVが確認された。
• 超伝導接合のみを有するデバイスでは、電子の熱化が不十分なためにIV曲線にヒステリシスが見られたが、正孔金属電極を有するデバイスではヒステリシスのない挙動を示した。