CN1269603A - 带倒置misfet结构的超导体场效应晶体管制造方法 - Google Patents

Abstract

一种制造带有电场控制的电流沟道以及栅极、源极和漏极的场效应晶体管的方法,包括以下步骤:设置一种导电的N型(100)取向的掺铌SrTiO₃单晶体栅极,铌的掺杂系数为0.001%至10%,所述栅极用作基底;在所述栅极之上淀积一个(100)取向的SrTiO₃绝缘层;在SrTiO₃绝缘层之上淀积YBa₂Cu₃O₇－δ超导薄膜,其中0≤δ≤0.5;在YBa₂Cu₃O₇－δ层上淀积金属端片,以分别形成源极接点和漏极接点;以及在掺铌的SrTiO₃栅极/基底上淀积一个栅极接点。

Description

带倒置MISFET结构的 超导体场效应晶体管制造方法

本申请是1991年12月6日递交的第91111456.4号专利申请的分案申请。

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，该超导材料的传导性可以重复地被一个电场所作用。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体场效应晶体管(MISFET)。再进一步说，本发明涉及具有倒置的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元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径，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，如硅和砷化镓。

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部件，这个部件带一个超导沟道，在这个沟道中电场被用来控制由高Tc超导体材料组成的沟道层的传导特性。这似乎是一个有希望的途径，但对这种部件的进一步研究表明，该专利建议的结构中的超薄的超导层的特性在绝缘层和上部电极的淀积过程中很容易劣化。

在本发明中，通过在绝缘层形成后再淀积超导薄膜，并将栅电极置于绝缘体和高-Tc膜之下，上述缺陷就会避免。此外，在本发明中，用导电的基底作为栅电极。为了便于更理想的晶体的生长，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，导电的掺入Nb的SrTiO₃用来作为基底，什么都不掺的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Sr-TiO₃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。

本发明是针对于近来发现的存在于很薄的超导薄膜内部的巨大的电场效应，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，高-Tc材料和SrTiO₃的薄膜淀积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，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。

根据本发明制成的MISFET结构可以跨过绝缘的SrTiO₃势垒层对超薄的外延生长的YBa₂Cu₃O_7-δ沟道层施加大于10⁷V/cm的电场。射频磁控管溅射而形成的YBa₂Cu₃O_7-δ的外延生长在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和最终耗尽带的宽度L_Dz＝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是波尔兹曼常数，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。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Tc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干长度，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，并且很小的相干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1-2nm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，它的倒置的MISFET结构可以使淀积超导沟道层在淀积绝缘势垒层之后进行。

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。

图1是本发明的第一实施例的场效应管的示意图。

图2是本发明的第二实施例的场效应管的示意图。

图3表示了图1的场效应管的I_G/V_G曲线。

图4显示的定随着栅电压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被厚度为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。为了减少相对于稳定的运动载流子的浓度n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， $V_G=\frac{\mathrm{qnst}}{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_i}---\left(1\right)$ 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E_BD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状态：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，为了使YBa₂Cu₃O_7-δ生长具有很好的相容性，选择SrTiO₃作为绝缘层3的势垒材料，YBa₂Cu₃O₇和SrTiO₃的相容性已经在EP-A-0299870和EP-A-0301646中有所披露。而且，取向的多晶体Sr-TiO₃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SrTiO₃势垒层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}-取向的掺铌的Sr-TiO₃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％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提供SrTiO₃的传导。一个例子是缺氧(Oxygen deficit)。

2.在基底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，被一个反应的射频磁控管在O₂/Ar环境下以6.7Pa的压力进行溅射外延生长。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溅射后，外延生长在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.然后把金属端片(如金端片4和5)被溅射在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中而构成的栅极接点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，绝缘势垒层的电阻率在正偏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Sr-TiO₃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与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，将在电极中引起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的载流子浓度，它对应于厚度为10nm的沟道层中空穴的浓度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所示的那类元件的一个典型例子。

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△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引起的沟道电阻的改变对应于V_G为18V时中点温度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)的势垒层电阻。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极电流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沟道电阻的改变，并且不会引起沟道层电压的很大的改变。

由YBa₂Cu₃O_7-δ/SrTiO₃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。这些元件中，电场效应引起沟道电阻的改变。YBa₂Cu₃O_7-δ膜的厚度选择在100nm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等数量的改变。

Claims (7)

1.一种制造带有电场控制的电流沟道以及栅极、源极和漏极的场效应晶体管的方法，其特征在于包括以下步骤：

设置一种导电的N型{100}取向的掺铌SrTiO₃单晶体栅极，铌的掺杂系数为0.001％至10％，所述栅极用作基底；

在所述栅极之上淀积一个{100}取向的SrTiO₃绝缘层；

在SrTiO₃绝缘层之上淀积YBa₂Cu₃O₇-δ超导薄膜，其中0≤δ≤0.5；

在YBa₂Cu₃O₇-δ层上淀积金属端片，以分别形成源极接点和漏极接点；以及

在掺铌的SrTiO₃栅极/基底上淀积一个栅极接点。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述SrTiO₃层是在400℃至900℃下在O₂/Ar环境中以6.7Pa的压力由反应磁控管溅射外延生长而成的。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于所述YBa₂Cu₃O₇-δ超导薄膜层是在SrTiO₃绝缘层之上外延生长而成的。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于所述栅极接点是通过在掺铌的SrTiO₃栅极/基底中扩散银而成的。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于铌的所述掺杂系数是0.05％。

6.一种制造带有电场控制的电流沟道以及栅极、源极和漏极的场效应晶体管的方法，其特征在于包括以下步骤：

设置一个{100}取向的SrTiO₃层作为绝缘体，将所述层的厚度减薄到20微米至30微米；

在减薄的绝缘体之上溅射一个YBa₂Cu₃O₇-δ膜，其中0≤δ≤0.5，所溅射的膜的厚度处于1至10毫微米的范围内；

在超导层之上设置金属端片，以分别形成源极接点和漏极接点；

在减薄的绝缘体的背侧以金属层的形式设置一个栅极；以及

在所述栅极下侧设置一个接点。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于还包括在所述栅极之下设置一个绝缘基底。

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