CN1073045A - 带反向misfet基片的超导场效应晶体管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明的场效应晶体管由作为栅极的传导基片 (2)，一个绝缘阻挡层(3)和阻挡层(3)上的一个超导 通道层(1)所组成，超导体层(1)承载着一对相距一定 距离的电极(4，5)，分别构成源极和漏极，基片以一个 适当的门电极的形式出现。基片(2)由与阻挡层(2) 相同的属于同一晶体家族的材料所构成，在所用的具 体元件中，基片(2)是一个掺铌的锶钛酸盐，阻挡层 (3)是一个无掺杂元素的锶钛酸盐，超导体(1)是一个 很薄的膜。

Description

本发明涉及具有高Tc电流通道的场效应晶体管，其超导材料的传导性可以反复地被一个电场所作用。它的结构是一个基片作为栅极的反向的金属绝缘超导体场效应晶体管（MISFET）。再进一步说，本发明涉及具有反向的MISFET基片的超导场效应晶体管的制作方法。

几十年来，电子工业在缩小电子元件和电路的体积为实现提高操作速度和减少能量消耗上作出了巨大的努力，这些努力已经导致了集成电路的发展。在体积只有几个立方毫米的多层陶瓷部件上，可以容纳成千上万个晶体管和其它电路组件。由于在其内部缩短了电子需要运行的路离，这些部件具有很高的工作速度，所有这些现代化的电路都采用了先进的半导体材料，如硅和稼砷化物。

由Bednorz和Miiller发现的新型系列的超导体材料开辟了另一条更加降低能耗的新路，并且引起世界范围在电路上尽可能应用这些材料的探索。许多在铜氧化物的电场效应方面的研究，已有所报道（如U.Kabasawa等人在日本杂志《应用物理》29L86，1990中作的报道）。但到目前为至，还很少发现高Tc的场效应超导体。然而，EP-A-O324 044已经描述了一种被称为三端的场效应部件，这个部件带一个超导通道，在这个通道中用电场来控制包含高-T_c超导体材料的通道层的传导特性，这似乎是可以达到的，对这种部件的进一步研究表明，在假定的结构中超薄的超导层在绝缘层和顶电极的沉积过程中迅速衰变。

在本发明中，通过在绝缘层后喷镀超导薄膜，并将栅板电极置于绝缘体和高-T_c膜之下，上述缺陷就会避免。此外，在本发明中，用导电的基片作为栅电极。为了便于更理想的晶体的生长，基片和绝缘体也是从同样类型的结晶材料中选择出来的，即所选择材料的晶格常量至少大致相符。例如，导电的掺入Nb的SrTiO₃用来作为基片，什么都不掺的SrTiO₃用来作为绝缘层。

高温-Tc超导体结构中的掺银的锶钛酸盐Nb：SrTiO₃在H.Hasegaua等人的论文“高-Tc超导体与掺Nb SrTiO₃之间的连接”，见日本杂志《应用物理》第28卷，12期，1988年12月，pp.L2210-L2212以及他们的EP-A-0371462中作了描述。这些参考资料描述了一个二极管结构，其中超导薄膜被镀在一个掺铌的SrTiO₃基片上。这“表明在两种材料之间存在一个未知的界面层”，这就是本发明所解决的问题。

本发明是针对于近来发现的存在很薄的超导薄膜内部的巨大的电场效应，而在实验数据的基础上作出的。这些实验是采用氧化铜系列超导体材料，特别是YBa₂Cu₃O_7-δ而进行的。很薄的超导薄膜YBa₂Cu₃O_7-δ从EP-A-0293836中可以所了解。YBa₂Cu₃O_7-δ的外延生长在EP-A-0329103中也有所描述。为了实现本发明的目的，“δ”值被认为O（理想情况下），但可以大到0.5，高-Tc超导体材料在工艺上的这些技术证明，许多那个系列的其它材料同样适用于MISFET类型的场效应晶体管结构，正象这是所假设的。此外，高-Tc材料和SrTiO₃薄膜的在工艺上的喷镀方法也是众所周知的，如激光蒸发，电子束蒸发和分子来取向附生。

然而字头缩写“MISFET”通常都是用来表示“Metal-lnsulator-semiconductor Field-Effect Transistor”（金属绝缘体半导体场效应晶体管）结构，这个术语在下面的陈述中用来描述一个类似的结构，尽管所描述的本发明的具体实例将采用不同的材料，即，用导电的掺铌SrTiO₃代替金属，并用超导体代替半导体。

MISFET结构适用于本发明，就可以在超薄的取向生长的YBa₂Cu₃O_7-δ通道层上的绝缘的SrTiO₃屏障之间采用大于7V/cm的电场，由磁控管整流器喷射而形成的YBa₂Cu₃O_7-δ的取向生长在EP-A-0343649中已有描述，在这些结构中，当栅电压达到50V时，YBa₂Cu₃O_7-δ膜的常态电阻率和载流子的密度都会有很大的改变。

在高-Tc超导体材料发现后不久，Bednorz等人在前述的EP-A-0324044中从理论上预言，高-Tc（超导体材料将承受一个比低Tc超导材料大得多的电场效应，导体材料中被屏蔽的静电场的长度大小由德拜长度L_D＝（ε_oε_rKT/q²n）¹/2和最终耗尽带的宽度L_D2＝N/n之和L_D+L_DZ的形式给出。在这里，εo和εr分别为真空介电常数和导体介电常数，K是Boltzmann常数，T是绝对温度，q是电荷数，n是运动的载流子的浓度，N是感应区域的载流子浓度。低温超导体通常将电场屏蔽得相当好，以至于电场对材料的特性仅有很小的影响。为了衰减屏蔽作用，近来有关低温超导体的电场效应方面的实验都集中于具有特别低的载流子浓度的化合物上，如以铌作为掺杂剂的掺杂SrTiO₃。

在高温超导体化合物中，由于它们所固有的低载流子浓度和很小的相参长度，因而可以期望得到较大的电场效应。大约3-5×10²¹/cm³的低载流子浓度将导致10个毫微米范围内的屏蔽长度，并且很小的相参长度就可以实现在相当精确的温度下的超薄层的生产。薄于1-2mm的超导膜的生产技术已经成熟了，电场可以相当程度地穿透这种薄膜。

本发明的一个目的就是提出一个带一个可反相的MISFET结构的超导场效应晶体管，其中超导通道层被喷镀在绝缘屏障层之上以便降低已发现的削弱前述元件功能的电场效应。

本发明的另一个目的就是示教一种制作超导场效应晶体管的方法，它的反相的MISFET结构可以使喷涂超导通道层在喷涂绝缘屏障层之后进行。

图1是与本发明有关的第一种的场效应管的大致图形。

图2是本发明的第二种场效应管的大致图形。

图3表示了图1的场效应管的I_G/V_G曲线。

图4显示的是随着门电压V_G的改变通道电阻率的变化的示意图。

图5显示了随着绝对温度的改变通道电阻率的情况。

为了将大电场应用于YBa₂Cu₃O_7-δ超导薄膜，在本发明中采用了如图1所示的反相的MISFET结构。在这个结构中，厚度为S的超导薄膜1与栅电极2被厚度为t的绝缘层3隔开，如了超导体的厚度以外，电阻率ρ₁和绝缘体的穿透场强E_BD都是决定性的参数，如果忽略空间电荷的作用，所需的E_BD值和ρ₁的值可以简单地估算出来。为了减少相对于稳定的运动载流子的浓度。而形成的超导膜1的表面电荷浓度，由栅电极2和超导膜1所组成的电容器就由电压V_G所偏压，

V_G= (qnst)/(ε₁ε₂) ……（1）

其中，ε₁是绝缘体3的介电常数，等式（1）就意味着，为了稳定地调整高温超导体内载流子的浓度，介电常数ε₁和穿透场强的乘积ε₁×E_BD必须达到10⁸V/cm的数量级（如：SiO₂在室温下的ε₁×E_BD之乘积是4×10⁷V/m）。

此外，绝缘体的常态电阻率必须足够高以避免导致输入损失V_G×I_G的漏电流的产生。对于一个非常典型的状态：I_a＜I_DS/100I_DS＝10μA，且在1mm²栅电极的区域内，在操作温度下，电阻率必须高于10¹⁴Ωcm/ε₁。

根据这些要求，建议采用具有高介电常数的绝缘层，因此，为了使YBa₂Cu₃O_7-δ生长具有很好的相容性。选择SrTiO₃作为绝缘层3的屏障材料，YBa₂Cu₃O_7-δ和SrTiO₃的相容性已经在EP-A-0299870和EP-A-0301646中有所报道，而且，取向的多晶质SrTiO₃的缓冲层的采用在EP-A-0324220和EP-A-0341788中也已有描述。所推荐的图1所示的带阻挡层3的MISFET结构的制作方法包括下列步骤：

1.栅电极2采用了导电的n型｛100｝取向的掺铌的SrTiO₃单晶体的型式，这种晶体是采用普通的区域熔化技术使其生长的。所掺杂的元素是10^-3到5%的铌，一般是在0.05%，这个栅电极2用来作为所有进一步喷镀的基片。需要指出的是，当选择单晶体基片时，同时也可以使用多晶质或非晶的基片。另外，除铌以外其它的掺杂剂也可以用SrTiO₃的传导中。一个例子就是欠氧（Oxygendefict）。

2.在基片2的上面，一个｛100｝取向的SrTiO₃层3在650℃（样品池的温度）的温度下，被一个电抗性的磁控管整流器以O₂/Ar大气压下，6.7Pa的压力喷涂后，取向附生。这个绝缘层的厚度可以在1-1000nm的范围内。

3.在真空不破坏的情况下，YBa₂Cu₃O_7-δ超导膜经过阴极空心的磁控管喷涂后，取向附生在SrTiO₃绝缘层3之上。在这里δ的值理想情况下为0，但可以大到0.5，超导层的厚度可以在1-1000nm的范围内。

4.然后把金属垫（如金垫4和5）被喷涂在YBa₂Cu₃O_7-δ层1之上，分别构成源极和漏极。

5.最后，栅极6将扩散的银放进掺铌的SrTiO₃栅/基片2中。

图2显示的是稍有不同（但是更真实的MISFET）结构，制作这种结构所采用的方法包括以下的步骤：

1.一个｛100｝取向的SrTiO₃层7用来作为绝缘体，经过抛光后，它的厚度降到20-30μm。

2.在很薄的绝缘层7上喷涂了一个YBa₂Cu₃O_7-δ膜8，其中，δ的值理想情况下等于0，但也可以达到0.5。

3.金垫9和10位于超导层8之上;分别构成源极和漏极，

4.在很薄的绝缘体的背面，喷涂了一个以金属层的形式（如金属）构成的导电的栅极11，它承载着一个适当的触点，

5.为了稳定起见，栅彬11可以任意地靠在绝缘基片13之上，如图2所示。

图3显示的是图1所示元件的一个典型的特征曲线，即流过绝缘层3的电流I_G随所采用的栅极电压V_G的改变而改变的曲线。所测量的特征曲线都是针对于和脚连接的、分别以超导体和基片作为P极和n极的结构，在所研究的一个样品中，绝缘屏障的电阻率在正偏3V的情况下为4×10¹³Ωcm，在反偏20V的情况下为4×10¹⁴Ωcm，在室温下，正向和反向上的击穿场强分别为5×10⁵V/cm和1.5×10⁷V/cm，室温下样品的容量是2×10^-7F/cm²，这个值对应于相当低的ε₁＝8（t＝40nm），这一较低的介电常数缘于掺铌的SrTiO₃基片上的绝缘表面层，这一点可以是和Hasegawa等人的在日本《应用物理》杂志，28，L2210（1989）中的一篇报告一致向。这个绝缘的表面层的击穿电压大约是2V，但是，SrTiO₃屏障层在反偏的状态下乘积ε₁E_BD大约是10⁸V/cm，这是等式（1）所要求的极限值。

图4显示了栅极电压V_G对样品的通道电阻R_DS的影响。这个样品是由厚度为40nm的SrTiO₃阻挡层和喷涂于其上的厚度力10nm的YBa₂Cu₃O_7-δ膜所组成的。从图上很明显地看到所测的常态电阻率随栅电压变化的一个大致的线性关系，以及当栅电压反向时，对电阻率改变的影响，所测的电压极性导致了理论上的预想相一致的电阻率的改变。YBa₂Cu₃O_7-δ是一个P型导体，因此，栅电极的正电压V_G消耗了通道中自电载体的浓度，因而加大了通道的电阻R_DS，而门电极的负电压V_G增加了通道中的自由电子的浓度，因而降低了通道的电阻R_DS。

所测的通道的电阻值R_DS（V_G）正好与理论上的预想相一致：对用来产生图4曲线并具有容量2×10¹³/cm²的电子密度的改变。另一方面，YBa₂Cu₃O_7-δ具有大约3-5×10²¹/cm的载流子的浓度，它对应于厚度为10nm的通道层中突穴的浓度3-5×10¹⁵/cm/这意味着，在任何温度下，通道中自由载体浓度的改变都将引起R_DS相应的改变。

YBa₂Cu₃O_7-δ膜的温度与电阻率的关系曲线R_DS（T）见于图5，图1所示的是一个非常典型的元件模型。

模型的温度与由通道电阻的改变而引起的变化的电压之间的关系曲线R_DS/R_DS（V_G，T）见于图4，从图中可以说明，从实验的角度上来看，随着温度的变化，通道电阻的改变△R_DS/R_DS几乎是一个常量，在Tc以下（R_DS＝0）可以看到一个与温度无关的△R_DS/R_DS（V_G）比值。

由栅极电压V_G引起的通道电阻的改变对应于V_G18V，中点温度Tc下50km的R_DS改变的特征曲线。

通过对与本发明有关的几个场效应晶体管的具体样品的测量，确定了开门电压应该在0.1到50V的范围内，超导膜的厚度S应该在1到30nm的范围内，绝缘层的厚度应该在0.3到100nm的范围内。

为了确保与本发明有关的这些结构确实按预期运行，即，流经通道的电流实际上由电场效应来控制，逐点检查测量按下列步骤进行：

1.对样品的R_DS（V_G）的测量，这个样品是具有仅有图4中的沉陷曲线部分500分之一（在20V时）的阻挡层电阻。这一测量画出了同样的R_DS（V_G）特征曲线，表明所看到的效应不是由限定的栅电流I_G引起的。

2.为了阐明V_G是否主要影响通道电阻R_DS，或这个效应是否取决于V_DS的改变，就要根据不同的通道电流I_DS测量R_DS。既使I_DS按四个等级变化，所加的栅极电压也会导致通道电阻的改变，并且不会引起通道层电压的很大的改变。

由YBa₂Cu₃O_7-δ多层物质组成的MISFET型异结构已经出现了。这可以使大于10⁷V/cm的电场施加于YBa₂Cu₃O_7-δ超导膜上，在这些元件中，电场效应引起通道电阻的改变。YBa₂Cu₃O_7-δ膜的厚度选择在10nm的数量极上，并且在大约30V的门电压下操作，通道电阻的改变是由于高温超导体内的载流子浓度抽等数量的改变。

Claims (14)

1、具有电场控制的通道电流和门，源和漏电极的超导场效应晶体管，其特征有：由某种晶体家族的第一种材料的单晶体组成的导电片(2)，这个基片具有预定的晶格取向，所述的基片(2)有一个合适的触点(6)构成门电极，一个绝缘阻挡层(3)喷涂在基片(2)上，这个阻挡层由第二种材料的同种家族所构成并具有与基片(2)相同的晶格取向，一个超导薄膜层(1)喷涂在绝缘阻挡层(3)之上，并由与前述材料家族类似的晶格特性的材料构成，超导薄膜(1)作为所述的电流通道，超导薄膜(1)上的两端有两个金垫(5，6)，分别作为源极和漏极。

2、如权利要求1所述的场效应晶体管，其中所述的基片（2）由掺铌的锶钛酸盐Nb：SrTiO₃构成，所掺杂的元素是10^-3到10%的铌，一般选择0.05%的铌。

3、如权利要求1所述的场效应晶体管，其特点为。基片（2）的晶格取向是｛100｝。

4、如权利要求1所述的场效应晶体管，其特点在于所述的相对于基片（2）的触点（6），形成由在基片（2）内扩散的银构成的晶体管的门电极。

5、如权利要求1所述的场效应晶体管，其特点为，喷涂在基片（2）上的绝缘层由具有｛100｝晶格取向的锶钛酸盐构成，其厚度在0.3到100nm的范围内。

6、具有电场效应控制的电流通道和栅极源极及漏极的超导场效应晶体管，其特征在于，导电的基片（11）由涂在绝缘层（7）下面的金层所构成，绝缘层（7）的上面承接着超导薄膜（8），超导薄膜（8）又承载着两个电极（9.10），分别构成晶体管的源极和漏极，基片（11）上有一个触点（12）。

7、如权利要求1和6所述的场效应晶体管，其特征在于：所述的超导体层（1，8）由YB_a2Cu₃O_7-δ构成，其中0≤δ≤0.5，厚度在1到30nm的范围内。

8、制作具有电场效应控制的电流通道和栅极，源极及漏极的场效应管的方法，其特点在于以下的步骤：

-用一个由某个晶体家族的具有预定的晶格取向的导电的单晶材料构成的门电极（2）作为一个基片。

-在所述的门电极（2）上喷涂一个绝缘层（3），绝缘层（3）的材料是门电极（2）二材料相同的晶体家族的成员之一，

-喷涂一个与所述的晶体家族至少大致相符的晶格常量的超导薄膜（1），

-在超导薄膜（1）上的两端喷镀触点（4，5），分别构成源极和漏极，

-在基片（2）上作一个栅极（6）。

9、如权利要求8所述的制作场效应管的方法，其特点在于：

-栅电极（2）以｛100｝取向的掺铌的SrTiO₃n型导体的形式给出，其掺杂元素是10^-3到10%的铌，一般选择0.05%的铌，

-在栅电极（2）上喷涂一个｛100｝取向的SrTiO₃绝缘层（3），

-在所述的SrTiO₃绝缘层（3）上，喷涂一个YB_a2Cu₃O_7-δ超导薄膜（1），其中，0≤δ≤0.5，

-将金垫（4，5）喷镀在YB_a2Cu₃O_7-δ层（1）上，分别构成源极相漏极，

-把一个电极（6）喷镀在掺铌的SrTiO₃栅基片（2）上。

10、如权利要求8所述的方法，其特点在于，所述的SrTiO₃层（3）在400-900℃的温度下，以O₂/Ar个大气压6.7Pa的压力，由再生的磁控管整流器喷线后，向外生长。

11、如权利要求8所述的方法，其特点在于，YB_a2Cu₃O_7-δ超导膜（1）在SrTiO₃绝缘层（3）上是外延生长的。

12、如权利要求8所述的方法，其特点在于，用在掺铌的SrTiO₃栅/基片（2）内扩散一银作为栅极（6）。

13、制作具有电场效应控制的电流通道和栅极、源极及漏极的场效应管的方法，其特点在于下列步骤：

-用｛100｝取向的SrTiO₃层（7）作为绝缘体，其厚度可以薄至20-30μm，

-一个YB_a2Cu₃O_7-δ膜（8）喷镀在很薄的绝缘体（7）上，其中，0≤δ≤0.5，膜（8）的厚度在1到10nm的范围内，

-在超导体层98）上备有金属垫（9.10），分别构成源极和漏极。

-将栅极喷涂在以金属层的形式构成的很薄的绝缘体（7）的背面，

-在栅极（n）的下面采用了一个触点（12）。

14、如权利要求13所述的方法，其特点在于，一个绝缘的基片被作在栅电极（11）的下方。