CN1040463A - 超电导晶体管 - Google Patents

Abstract

一种超电导晶体管，在外延生长在基板上的氧化物超电导体层上配置源极、漏极，在源极漏极之间的超电导体层上经外延生长的绝缘膜配置门极，超电导体的厚度为其中ε为超电导体层的介电常数、n为超电导体层的载流子浓度，Vf为对应于超电导体层的禁带宽度的电压。又另一实施例相似，但在源极、漏极间的超电导体层的两面上经上述绝缘膜以对置方式配置门极，此时的超电导体层的厚度

Description

本发明涉及利用电场效应的大电流容量的超电导晶体管。

在半导体的技术领域中作为用于高速地对大容量的电流进行开关的元件广泛使用的有晶闸管、GTO（闸门电路断开）晶闸管、功率晶体管、功率MOS·FET（金属氧化物半导体场效应晶体管）等。

晶闸管、GTO晶闸管、功率晶体管等所制造的元件已达1KA级，而这些元件由于不能避免因在半导体PN结处的阻挡层电压所引起的损耗，故在其导电时会发生大量发热或功率损耗，又开关时间也为30微秒左右，很慢。

功率MOS·FET的开关时间为0.1微秒，较高速，但由于其导通时的电阻大而不能做到大容量化，故目前只能提供具有几安培左右的电流容量的晶体管。

可是，在技术已比以前取得进步的现状下要求可使大容量电流、开关的高速性、导通时的功率损耗最小、电流切断时能完全关断等这些特性更加提高的元件。

现已经提出了符合这些要求的使用如图3-图6所示的超电导体的元件。

图3的元件是在如n-In Sb、n-In As的n型半导体11上以相干（コヒ-レンス）长L（例如0.5微米）的间隔来层叠上由In（铟）制造的超电导体组成的源极12和漏极13，并在半导体11的下侧经SiO₂、Si₃N₄等的绝缘层14设置铝Al制的门极15，又由于半导体层11和超电导体的两电极12、13在电气上是绝缘的，故在这些之间配置由和上述绝缘层14相同的材料所形成的绝缘层16。

在图3的元件构造上，当在门极15上不加电压时由于源极12和漏极13的邻近效应的作用两电极12、13以高电阻导通，当在门极15上加电压时，使源极12、漏极13之间的半导体11的载流子浓度改变，因此上述相干长L也变化，并控制源极12、漏极13之间为非导通状态。

图4的元件是在具有超电导体的源极12、漏极13的一侧上配置门极15，但除此之外其他的结构与图3的元件的结构相同。

图4的元件构造的动作也和图3所示的元件相同。

图5的元件是在半导体11上层叠具有其膜很薄的部分（薄膜部17）的超电导体层18、在此薄膜部17之上经绝缘层19设置上部电极20，而在半导体层11的下侧则设置下部电极21。

在图5的元件构造上由于正常状态到超电导状态的邻近效应在半导体层的载流子浓度调制的影响下，使此部分的超电导体成为非超电导体，和在图3-图4中所述的相同，通过向上部电极20和下部电极21加电压来控制其导通情况而进行动作。

图6的元件是在由MgO形成的膜厚100

的介质体层23上，形成由In-InO_X所形成的40 的超电导体层24，并在此介质体层23的下侧上设有Al制的门极。

在图6的元件构造上，通过加到门极25上的电压，使在门极部分上的超电导体层的载流子浓度改变，并控制超电导体层的导电性。

此图6的元件和图3-图5所示的元件相比，由于不利用邻近效应，故不受所谓将超电导体间设定约为相干长的制约。

上述的各已有技术都是在研究阶段发表的，故其中留下的课题是应解决下述的事项。

在图3-图5所示的元件的场合，可得到通·断的高速性，但由于被控制的电流为隧道电流，或约瑟夫森电流，故要进行大容量电流的控制是困难的。

而且由于受到所谓将超电导体间构成为相干长以下的制约，故有必要因此而作微细加工。

附带说明的是在氧化物超电导体中由于相干长为金属系超电导体的1/10-1/100，故需作100

以下的细微加工，加工难度极高。

关于图6所示的元件，其原理与半导体的电场效应晶体管的原理相似，如从此原理来看，需要使可注入到超电导层的耗尽层的量和超电导体层的载流子密度在程度上大致相同，能使用的材料必需是如In-InOx那样的载流子密度低的超电导体。

这意味着使用超电导体层时的临界温度很低。

即能作为元件而进行动作的温度下降，例如低于液体氦的温度（4.2K）等，而脱离了实用范围。

而且这种低载流子密度性由于还意味着超电导体层的临界输送电流下降，故作为元件而进行开关动作的电流变小。

在图6的元件上即使想使耗尽层的量增加，但如In-InOx那样的低载流子密度的超电导体由于是非晶体型In和氧化In结晶的混合相，故在其上层积良好质量的绝缘层（介质体层）是很困难的，且会引起绝缘层的击穿、可加上的门电压下降、耗尽层的注入量恶化等不良的事态。

鉴于这样的技术课题，本发明的目的在于提供一种不利用约瑟夫森效应、邻近效应控制少数载波子，而是通过电场效应直接控制超电导沟道的多数载流子、且很容易制成大容量的超电导晶体管。

属于特定发明的超电导晶体管为了达到预期的目的，其特征在于在基板上外延生长成的氧化物超电导体层之上配置源极、漏极，同时在此两电极之间的超电导体层上经外延生长成的绝缘膜配置门极，设上述超电导体层的厚度为dc、超电导体层的介电常数为ε、超电导体层的载流子浓度为n、与超电导体层的禁带（forbidden    band）宽度相对应的电压为Vf，则超电导体层的厚度dc为：

$\mathrm{d\; c\; \le }\sqrt{\mathrm{(\; 2\; \epsilon \; V\; f\; )\; /\; n}}。$

属于相关发明的超电导晶体管为了达到预期目的，其特征在于在基板上外延生长成的氧化物超电导体层配置源极、漏极，同时在该两电极之间的超电导体层的两面上经外延成长的绝缘膜以对置方式配置门极，设上述超电导体层的厚度为dc、超电导体层的介电常数为ε、超电导体层的载流子浓度为n、与超电导体层的禁带宽度相对应的电压为Vf，则超电导体层的厚度dc为：

$\mathrm{d\; c\; \le \; 2}\sqrt{\mathrm{(\; 2\; \epsilon \; V\; f\; )\; /\; n}}$

一般的电场效应晶体管通过第3电极（门极）在静电方面使电流通路的导电率变化来控制电流。

与此相反，本发明的超电导晶体管以绝缘物的薄膜覆盖超电导体沟道、通过在其上形成的金属电极来调制超电导体层的导电率。

为此，由于有必要弄清楚用以通过电场效应在超电导体层上形成耗尽层的条件，故以下就此进行说明。

应加到超电导晶体管上的门电压，其一部分加到绝缘膜上，而其残余部分则加到超电导体层上。

如设此时的所加电压为V、超电导体层的介电常数为ε、载流子浓度为n，则超电导体层的耗尽层的厚度d将由下面的Ⅰ式给出。

$\mathrm{d\; c\; \le }\sqrt{\mathrm{(\; 2\; \epsilon \; V\; )\; /\; n}}\mathrm{\dots \dots \; I}$

式中，如V超过与超电导体层的禁带的宽度相对应的电压Vf，则在超电导体层表面上会形成反型层，出现反电荷（薄电子层），故V必需低于Vf。

因而，为了使超电导体沟道完全耗尽，就超电导体层的厚度dc来说最好能使之满足下面的Ⅱ式，为了使dc变厚、而希望有载流子浓度小的超电导体。

$\mathrm{d\; c\; \le }\sqrt{\mathrm{(\; 2\; \epsilon \; V\; f\; )\; /\; n}}\mathrm{\dots \dots Ⅱ}$

因而，在YBaCuO系的氧化物超电导体中其禁带宽度为3ev左右，并令其介电常数和同类的钙钛矿结晶相同的20ε₀，如设载流子浓度为10²¹/cm³，则dc小于25

。

此值可以通过使之满足下列的Ⅲ式例如在超电导体层的两面上经绝缘膜分别配置门极，可使其为2倍。

$\mathrm{d\; c\; \le }\sqrt{\mathrm{(\; 2\; \epsilon \; V\; f\; )\; /\; n}}\mathrm{\dots \dots \; Ⅲ}$

在有关本发明的超电导晶体管中，氧化物超电导体层，不仅具有高临界温度，还具有低载流子密度，高临界电流密度等特性。

在本发明的超电导晶体管中，将例如绝缘层、绝缘膜、超电导体层层积为如绝缘层-超电导体层-绝缘膜那样，这就成为三层构造的平面型，在其上就无必要进行微细加工。

此三层在用外延晶体生长法形成叠层时，可得到具有高临界电流密度的超电导体层，由于可得到比其质量更好的绝缘膜，故可具有大击穿电压且可使之高效率地发生耗尽层。

其结果是，氧化物超电导体层可发挥很大的电场效应。

为了将本发明的超电导晶体管作为元件而使其工作，需要将其超电导体层的厚度设定为如上述的Ⅱ式、Ⅲ式那样。

本发明的超电导晶体管由于在超电导体层上流动的电流为输电电流，故可如图3、图4所示，用比已有例更大的电流进行开关动作。

下面就根据本发明的超电导晶体管的实施例，参照图1进行说明。

在p型Si基板1上、由n型Si形成的厚度小于1微米的下部门极2是通过注入离子而形成的。

在含有下部门极2的p型Si基板1的上面，为取得晶格匹配，通过外延生长而形成由MgAl₂O₄组成的缓冲绝缘层3，并在缓冲绝缘层3的上面通过外延生长而形成由SrTiO₃组成的下部门极绝缘膜4。

在下部门极绝缘膜4上通过外延生长形成由Y₁Ba₂Cu₃O_6.8组成的超电导膜5，并在超电导膜（层）5上形成由SrTiO₃组成的上部门极绝缘膜6。

在上部门极绝缘膜6上形成由欧姆的Ag电极组成的源极7a和漏极7b，这些电极7a、7b之间成为预定的沟道长度（宽度）。

又，在上部门极绝缘膜6上形成门电极8。

图1所示的超电导晶体管作为一例以下列方式进行制作。

首先，在p型（100）Si基板1上经P（磷）离子注入手段，形成由n型Si组成的厚度为0.25微米的下部门极2。

此时P离子的打入能量为200kv、剂量为10¹⁵个/cm²，退火条件采用了800℃×30分。

接着，在含有下部门极2的p型Si基板1的上面，经CVD（化学汽相淀积）法使由MgAl₂O₄组成的缓冲绝缘层3外延生长为15

的厚度。

此时，使在600-700℃的温度下加热的金属铝（Al）和盐酸HCl气体起反应，生成AlCl₃，但此时令上述加热温度为650℃，HCl气体的供给量为2cc/分、运载气体H的供给量为0.5公升/分。

使固体MgCl₂在800-900℃的温度下加热并蒸发，并使由此而得到的MgCl₂气体为源气体。

此时的上述加热温度为840℃、MgCl₂的运载气体H的供给量为2公升/分。

其后，以上述AlCl₃气体和MgCl₂气体为材料气体，以H₂为运载气体，并将该材料气体送到加热到920℃的Si基板上、与此同时向此加热气氛中供给2-10cc/分的CO₂气体、更具体地供给3cc/分的CO₂气体，并在Si基板1上，根据下述的反应式使MgAl₂O₄膜作外延生长。

2AlCl₃（g）+MgCl₂（g）+4CO₂（g）+4H₂（g）→MgAl₂O₄（S）+4CO（g）+8HCl（g）

又，在上述成膜之前用H₂气体除去Si基板上的自然氧化物膜。

又，在缓冲绝缘层3的上面，使由SrTiO₃组成的200

厚的下部门极绝缘膜4作外延生长。

该成膜是在气体压力10m Torr、基板温度550℃的条件下、且通过在Ar∶O₂＝4∶1的气氛中的RF磁控管溅镀法，以SrTiO₃烧结体为靶而实施的。

其后经激光蒸镀法在下部门极绝缘膜4上使由Y₁Ba₂Cu₃O_6.8组成的超电导膜5以50

的厚度，作外延生长。

在此时的成膜中以Y₁Ba₂Cu₃O_6.8烧结体为靶并以KrF最大激光器（マキミマ·レ-ザ）（248mm）作为激光光源，且在O₂气100mTorr的气氛中，以激光脉冲能量为0.2J/次、激光功率密度为4J/cm²、10HZ的重复频率将来自上述激光光源的激光照射到靶上，并在加热到600-700℃的基板上形成预定的超电导膜5。

因此，如用上述方法，以50 的厚度在SrTiO₃单结晶基板上形成YBCO薄膜，即可得到Tco＝81K、Jc＝10⁵A/cm²（在77K）的特性。

又，在超电导膜5之上形成由SrTiO₃组成的厚度为200 的上部门极绝缘膜6。

上述门极绝缘膜6可用和上述的下部门极绝缘膜4时相同的方法形成。

最后，在超电导膜上形成由欧姆的Ag电极组成的源极7a和漏极7b，令沟道长度为100μm、并在上部门极绝缘膜6上形成门电极8，这些都是以公知乃至众所周知的手段来形成的。

在上述具体实例中，各层积膜作外延生长一事是通过X射线分析、雷得RHEED图形进行的。

然而，为使上述构成的元件作为超电导晶体管工作，在超电导体层的厚度上往往带来限界。

例如在YBaCuO系者之中超电导体层5的厚度如上所述为25

，极薄，因此沟道的容许电流（临界电流）变低、外延膜的结晶品质往往也成了问题。

在这样的场合，根据关连发明，可以是通过门极、从上下夹住沟道的叠层结构，如这样的话，则沟道的极限厚度成为2倍。

例如如采用上述YBaCuO系者作为超电导体层5，则可使超电导体层5的厚度成为50 。

图2为根据这样的技术构思所制成的元件在77K时的晶体管特性的测定结果。

在图2中源漏电压V_SD和漏极电流I_D的关系是以门极电压V_G为参数进行表示的。

如参照图2很明显地可以明白当V_G为零时，I_D为最大、由于如V_G在负值上变大则I_D减小，故从此，可以得到开关特性。

就上述的具体例的元件来说，在测定其响应速度的结果，得到下面那样的结果。

在由在前段的驱动用晶体管上的漏电流驱动后段的负荷晶体管时，其开关速度由门极电容的充电时间和超电导沟道的电感确定，并约为30毫微秒。

此速度的值是比功率半导体还要快得多的值。

该元件的开关电流每个沟道宽度为20A/cm，而此值可以看出与半导体的功率MOS·FET器件的0.8A/cm相比大20倍。

因而，在开关同样的电流时，本发明的超电导晶体管可以是上述MOS·EFT的1/20的大小。

又，在本发明的实施例中用YBaCuO系超电导体，作为超电导体，而即使用BiSrCaCuO系的超电导体，也能得到和实施例相同的晶体管特性。

除了Si基板之外，可采用GaAs基板、InP基板等作为基板，作为门极绝缘膜除SrTiO₃外还可采用介电常数大的耐压高的ZrO₂、MgAl₂O₄等。

如上面所说明的那样，属于本发明的超电导晶体管在具有预定的层积构造、预定电极者中，由于超电导体层的厚度比由超电导体确定的固有的厚度小，故有可能进行大容量控制并很容易地进行制作，通过将门电极配置在超电导体层两面，也有可能使超电导体层加厚，且质量稳定。

图1为表示根据本发明的超电导晶体管的一实施例的断面图，

图2为在同一实施例中的超电导晶体管的特性图，

图3到图6为表示在已有例中所见到的各种超电导晶体管的断面图。

1……基板，2……下部门极，

3……缓冲绝缘层，4……下部门极绝缘膜，

5……氧化物超电导体，6……上部门极绝缘膜，

7a……源极，7b……漏极，

8……门极。

Claims (2)

1、一种超电导晶体管，其特征在于在外延生长在基板上的氧化物超电导体层上配置源极、漏极，同时在上述两电极之间的超电导体层上经外延生长的绝缘膜配置门极，令上述超电导体层的厚度为dc、超电导体层的介电常数为ε、超电导体层的载流子浓度为n及对应于超电导体层的禁带宽度的电压为Vf，则超电导体层的厚度dc为： 。

2、一种超电导晶体管，其特征在于在外延生长在基板上的氧化物超电导体层上配置源极、漏极，同时在该两极之间的超电导体层的两面上经外延生长的绝缘膜以对置方式配置门极，令上述超电导体层的厚度为dc、超电导体层的介电常数为ε、超电导体层的载流子浓度为n，及对应于超电导体层的禁带宽度的电压为Vf，则超电导体层的厚度dc为：

。

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