CN1099138C - 带倒置的misfet结构的超导场效应晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明的场效应晶体管由作为栅极的导电性基底(2)、一个绝缘势垒层(3)和势垒层(3)上的一个超导沟道层(1)所组成。超导层(1)附装着一对相距一定距离的电极(4，5)，分别构成源极和漏极，基底上设有一个适当的栅极接点。基底(2)由与势垒层(3)属于同一结晶体群的材料所构成。在本发明的一个最佳实施例中，基底(2)是一个掺铌的钛酸锶，势垒层(3)是一个非掺杂钛酸锶，超导体(1)是一个薄膜。

Description

带倒置的MISFET结构的超导场效应晶体管

本发明涉及具有由高Tc(临界温度)超导材料构成的电流沟道的场效应晶体管，该超导材料的导电性可以重复地被一个电场影响。该场效应晶体管的结构是一个基底作为栅极的、倒置的金属绝缘超导场效应晶体管(MISFET)。本发明还涉及具有倒MISFET结构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器件和电路的体积以实现操作速度的提高和能量消耗的减少上作出上巨大的努力，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器件上，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径，这些器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，如硅和砷化镓。

由Bednorz和Muller发现的新型系列的超导体材料开辟了另一条更加低能耗的新路，并且在世界范围引起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.K abasawa等人在日本杂志《应用物理》29L86，1990中作的报道)。但在目前为至，在高Tc超导体中只发现了很小的场效应。然而，EP-A-0324，044描述了一种三端场效应器件，这个器件带一个超导沟道，在这个沟道中电场被用来控制由高Tc超导体材料构成的沟道层的输运性质。这似乎是一个有希望的途径，但对这种器件的进一步研究表明，该专利建议的结构中的超导层在淀积绝缘层和上电极的过程中很容易劣化。

在本发明中，通过在绝缘层形成后再淀积超导薄膜，交将栅电极置于绝缘体和高-Tc膜之下，就会避免上述缺陷。此外，在本发明中，用导电的基底作为栅电极。为了便于生长更理想的晶体，基底和绝缘体是从同一结晶体群材料中选择出来的，即所选择材料的晶格常数至少大致相等。例如，导电的掺Nb的SrTiO₃用来作为基底，非掺杂SrTiO₃用来作为绝缘层。

高Tc超导体结构中的掺铌的钛酸锶Nb：SrTiO₃在H.Hasegawar等人的论文“高-Tc超导体与掺Nb的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，其中超导薄膜被淀积在一个掺铌的SrTiO₃基底上。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。

本发明基于近来发现的在很薄的超导薄膜中存在着巨大的电场效应的实验证据。这些实验是采用氧化铜系列超导体材料，特别是YBa₂Cu₃O_7-δ从EP-A-0293836中可以了解。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0(理想情况下)，但可以大到0.5。对高-Tc超导体材料了解的人将会意识到，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。此外，淀积高-Tc和SrTiO₃薄膜的其它方法也是众所周知的，如激光蒸发，电子束蒸发和分子束外延生长。

虽然字头缩写“MISFET”通常都用来表示“Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor”(金属绝缘体半导体场效应晶体管)结构，但这个术语在下面陈述中用来描述一个类似结构，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。

根据本发明制优的MISFET结构可以跨过绝缘的SrTiO₃势垒层对外延生长的超薄YBa₂Cu₃O_7-δ沟道层施加大于10⁷V/cm的电场。采用射频磁控溅射外延生长YBa₂Cu₃O_7-δ在EP-A-0343649中已有描述，在这些结构中，当栅电压达到50V的数量级时，YBa₂Cu₃O_7-δ膜的常态电阻率和自由载流子的密度都会有很大的改变。

在高-Tc超导材料发现后不久，Bednorz等人在前述的EP-A-0324044中从理论上预言，高-Tc超导体材料能承受一个比低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和最终耗尽区的宽度L_DZ＝N/n之和L_D+L_DZ的形式给出。在这里，ε_o和ε_r分别为真空介电常数和导体介电常数，K是波尔兹曼常数，T是绝对温度，q是电荷数，n是运动载流子的浓度，N是感应区域的载流子浓度。由于载流子浓度很高，低Tc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。为了减弱屏蔽作用，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度的化合物上，如以铌作为掺杂剂的掺杂SrTiO₃.

在高Tc超导体化合物中，由于它所固有的低载流子浓度和很小的相干长度，因而可以期望得较大的电场效应。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，并且很小的相干长度使得可以制备高临界温度的超薄层。薄于1-2nm的超导薄膜的生产技术已经成熟了，电场可以在很大程度上穿透这种薄膜。

本发明的一个目的就是提出一具有倒置的MISFET结构的超导场效应晶体管，其中超导沟道层被淀积在绝缘势垒层之上，以便降低已发现的削弱现有器件功能的电场效应。

本发明的另一个目的就是教授一种制作超导场效应晶体管的方法，它的倒置的MISFET结构使得可以在淀积绝缘势垒层之后淀积超导沟道层。

本发明的另一个目的在于提出一种把具有至少大致相同的晶格常数的材料用作基底和绝缘层以保持晶体完整性的方法。

为实现上述目的，本发明提供一种超导场效应晶体管，其特征在于包括：

一个导电性基底，由某结晶体群中的第一材料的单晶体组成，所述晶体具有预定的晶体取向；

一个栅极，由一个连接到所述基底的接点构成；

一个绝缘势垒层，在所述基底的上表面上，所述绝缘势垒层由所述晶体群中的第二材料组成，并且具有与预定晶体取向相同的晶体取向；

一个超导薄膜层，在所述绝缘势垒层的上表面上；

一个对金属端片，在所述超导薄膜的上表面上，第一金属端片是源极，第二金属端片是漏极；以及

一个由电场控制的电流沟道，位于两个金属端片之间的所述超导薄膜层中。

本发明还提供一种超导场效应晶体管，其特征在于包括：

一个基底，由在绝缘层下侧的金属层构成，所述基底是栅极；

一个超导薄膜，在所述绝缘层上侧；

一对电极，在所述超导薄膜上，一个电极是源极，另一个电极是漏极；以及

一个在所述金属层上的接点。

图1是本发明的第一实施例的场效应晶体管的示意图。

图2是本发明的第二实施例的场效应晶体管的示意图。

图3表示了图1的场效应晶体管的I_G/V_G曲线。

图4显示的是随着栅电压V_G的改变沟道电阻率的变化示意图。

图5显示了随着绝对温度的改变沟道电阻率的变化情况。

为了将大电场应用于YBa₂Cu₃O₇超导薄膜，在本发明中采用了如图1所示的倒置的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t的绝缘层3隔开。除了超导体的厚度以外，电阻率ρ_i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ρ_i的值可以简单地估算出来。为了在超导薄膜1中诱发相对于稳定的运动载流子的浓度n的表面电荷浓度，对由栅电极2和超导薄膜1所组成的电容器偏置电压V_G， $V_G=\frac{\mathrm{qnst}}{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_i}......\left(1\right)$

其中，ε_i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Tc超导体内载流子的浓度，介电常数ε_i和穿透场强EBD的乘积ε_i×E_BD必须达到10⁸V/cm的数量级(作为比较：SiO₂在室温下的ε_i×E_BD之乘积是4×10⁷V/cm)。

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情形：I_G＜I_DS/100，I_DS＝10μA，且栅电极2的面积为1mm²，在操作温度下，电阻率必须高于10¹⁴Ωcm/ε_i。

根据这些要求，建议采用具有高介电常数的绝缘层，因此，为了与YBa₂Cu₃O_7-δ生长有很好的相容性，选择SrTiO₃作为绝缘层3的垫垒材料，YBa₂Cu₃O₇和SrTiO₃的相容性已经在EP-A-0299870和EP-A-0301646中所有披露。而且，采用取向的多晶体SrTiO₃的缓冲层在EP-A-0324220和EP-A-0341788中也已有描述。所推荐的图1所示的带SrTiO₃垫垒层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}-取向的掺泥的SrTiO₃单晶体的形式，这种晶体是采用普通的区域熔化技术生长的。所掺杂的元素是10^-3％至5％的铌，最好是在0.05％，这个栅电极2用来作为所有的后续淀积的基底。

需要指出的是，在选择单晶体基底的同时，同时也可以使用多晶体或非晶体基片。另外，除铌以外其它的掺杂剂也可以用于SrTiO₃成为导体。一个例子是缺氧(Oxygen deficit)。

2.在O₂/A₂气氛中，在气压为6，7Pa、温度为650℃(样品座温度)的条件下采用反应射频磁控溅射在基底2的上面外延生长{100}-取向的SrTiO₃绝缘层3。这个绝缘层的厚度可以在1-1000nm的范围内。

3.在不破坏真空的情况下，经过空心阴极的磁控溅射后，在SrTiO₃绝缘层3之上YBa₂Cu₃O_7-δ超导薄膜外延生长。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.然后把金属端片(如金端片4和5)溅射在YBa₂Cu₃O_7-δ层1之上，分别构成源极和漏极。

5.最后，通过将银扩散进掺铌的SrTiO₃栅/基底2中而构成栅极接点6。

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上溅射了一个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.金端片9、10设于超导层8之上；分别构成源极和漏极。

4.在很薄的绝缘体的背面，淀积了一个以金属层的形式(如金层)构成的导电的栅极11，它附装着一个适当的接点。

5.为了稳定起见，栅极11也可以靠在绝缘基片13之上，如图2所示。

图3显示的是图1所示器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，绝缘势垒层的电阻率在正向偏置3V的情况下为4×10¹³Ωcm，在反向偏置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，室温下样品的电容是2×10^-7F/cm²，这个值对应于相当低的ε_i＝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，这一点可以和Hasegawa等人在日本《应用物理》杂志，28，L2210(1989)中的报告相一致的。这个绝缘的表面层的击穿电压大约是2V，但是，SrTiO₃势垒层在反向偏置的状态下乘积ε_iE_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对样品的沟道电阻R_DS的影响。这个样品是由厚度为40nm的SrTiO₃势垒层和淀积于其上的厚度为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电阻率的改变的现象与理论上的预想相一致：YBa₂Cu₃O_7-δ是一个P型导体，因此，栅电极的正电压V_G消耗了沟道中自由载流子的浓度，因而加大了沟道的电阻R_DS，而栅电极的负电压V_G增加了沟道中的自由载流子的浓度，因而降低了沟道的电阻R_DS。

所测的沟道的电阻值R_DS(V_G)正好与理论上的预想相一致：对用来产生图4曲线并具有电容2×10^-7F/cm²的样品加上30V电压，在电极中引起的电子密度的改变达2×10¹³/cm²。另一方面，YBa₂Cu₃O_7-δ具有大约3-5×10²¹/cm的载流子浓度，它对应于厚度10nm的沟通层中空穴的浓度3-5×10¹⁵/cm。这意味着，在任何温度下，沟道中自由载流子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，上述样品是图1所示的那类器件的一个典型例子。

该样品的温度与由沟道电阻的电压引起的变化的之间的关系曲线ΔR_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ΔR_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AR_DS/R_DS(V_G)比值。

由栅极电压V_G引起的沟道电阻的改变对应于V_G为18V时中点Tc为50mK时的R_DS改变的特征曲线R_DS(T)。

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，确定了工作时栅极电压应该在0.1到50V的范围内，超导薄膜的厚度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，流经沟道的电流确定由电场效应来控制，逐点检查测量按下列步骤进行：

1.对样品R_DS(V_G)的测量，这个样品的势垒层电阻比产生图4曲线的样品低500分之一(在20V)。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极电流I_G引起的。

2.为了阐明是否主要由V_G影响通道电阻R_DS还是取决于V_DS的改变，就是根据不同的沟道电流I_DS测量R_DS。即使I_DS按四个等级变化，所加的栅极电压也会导致电阻的改变，并且不会引起沟道层电压的很大的改变。

已开发出由YBa₂Cu₃O_7-δ/SrTiO₃多层膜组成的MISFET型异质结，这可以使大于10⁷V/cm的电场施加于YBa₂Cu₃O_7-δ超导薄膜上。这些器件中，电场效应引起沟道电阻的改变。YBa₂Cu₃O_7-δ膜的厚度选择在100mm的数量极上，并且在大约30V的栅电压下工作，沟道电阻的改变是由于高Tc超导体内的载流子浓度同样强烈的改变。

Claims (2)

1.一种超导场效应晶体管，其特征在于包括：

一个基底，由在绝缘层下侧的金属层构成，所述基底是栅极；

一个超导薄膜，在所述绝缘层上侧；

一对电极，在所述超导薄膜上，一个电极是源极，另一个电极是漏极；以及

一个在所述金属层上的接点。

2.根据权利要求1的场效应晶体管，其特征在于所述超导薄膜由YBa₂Cu₃O_7-δ构成，其中0≤δ≤0.5，所述超导薄膜的厚度为1至30毫微米。

Images