DE69218388T2 - Supraleitendes Bauelement mit extrem dünnem Kanal aus supraleitendem Oxyd und sein Herstellungsverfahren - Google Patents
Supraleitendes Bauelement mit extrem dünnem Kanal aus supraleitendem Oxyd und sein HerstellungsverfahrenInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein supraleitendes Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung desselben und insbesondere ein supraleitendes Bauelement mit einem äußerst dünnen supraleitenden Kanal, bestehend aus einem supraleitenden Oxidmaterial und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
- Bauelemente, die Supraleitungseffekte verwenden, arbeiten schnell mit niedrigen Stromverbrauch, so dass sie eine höhere Leistung als herkömmliche Haibleiterbauteile aufweisen. Insbesondere ist es möglich, mittels Verwendung eines supraleitenden Oxidmaterials, welches neulich im Rahmen der Forschung weiterentwickelt wurde, ein supraleitendes Bauelement herzustellen, das bei einer relativ hohen Temperatur arbeitet.
- Das Josephson-Bauelement ist eines der wohlbekannten supraleitenden Bauelemente. Da das Josephson-Bauelement jedoch ein Zwei-Terminal-Bauelement ist, wird ein Logik-Gate, das Josephson-Elemente verwendet, kompliziert. Deswegen sind Drei- Terminal-supraleitende Bauelemente praktischer.
- Typische Drei-Terminal-supraleitende Bauelemente enthalten zwei Typen von Super-FET (Feldeffekttransistor). Der erste Typ der Super-FET enthält einen supraleitenden Kanal sowie eine supraleitende Source-Elektrode und eine supraleitende Drain-Elektrode, die an beiden Seiten des supraleitenden Kanals nah zueinander angeordnet sind. Ein Abschnitt der supraleitenden Schicht zwischen der supraleitenden Source-Elektrode und der supraleitenden Drain-Elektrode weist eine stark ausgesparte oder ausgeschnittene Rückseitenoberfläche auf, so dass sie eine reduzierte Dicke hat. Zusätzlich ist eine Gate-Elektrode durch eine Gate-Isolierschicht auf dem Abschnitt der ausgesparten oder ausgeschnittenen Rückseitenoberfläche der supraleitenden Schicht zwischen der supraleitenden Source-Elektrode und der supraleitenden Drain-Elektrode ausgebildet.
- Ein Supraleitungsstrom fließt aufgrund eines Supraleitungsnäherungs-Effektes durch die supraleitende Schicht (Kanal) zwischen der supraleitenden Source-Elektrode und der supraleitenden Drain-Elektrode und ist mittels einer angelegten Gate-Spannung gesteuert. Dieser Typ der Super-FET arbeitet bei einer höheren Geschwindigkeit mit einem niedrigen Stromverbrauch.
- Der zweite Typ der Super-FET enthält einen Kanal eines Supraleiters, der zwischen einer Source-Elektrode und einer Drain- Elektrode ausgebildet ist, so dass ein durch den supraleitenden Kanal fließender Strom durch eine an ein oberhalb des supraleitenden Kanals ausgebildetes Gate angelegte Spannung gesteuert wird.
- Beide oben erwähnten Super-FET Typen sind spannungsgesteuerte Bauelemente, die fähig sind, ein Ausgangssignal von einem Eingangssignal zu isolieren und eine gut definierte Verstärkung aufweisen.
- Da jedoch der erste Typ der Super-FET den Supraleitungsnäherungs-Effekt verwendet, müssen die supraleitende Source- Elektrode und die supraleitende Drain-Elektrode voneinander in einem Abstand von wenigen Vielfachen der Kohärenzlänge des Supraleitermaterials der supraleitenden Source-Elektrode und der supraleitenden Drain-Elektrode angeordnet werden. Da insbesondere ein supraleitendes Oxid eine kurze Kohärenzlänge aufweist, muss der Abstand zwischen der supraleitenden Source- Elektrode und der supraleitenden Drain-Elektrode kleiner als einige Zehn Nanometer betragen, wenn die supraleitende Source- Elektrode und die supraleitende Drain-Elektrode aus dem supraleitenden Oxidmaterial ausgebildet sind. Es ist jedoch sehr schwierig, einen Feinbearbeitungs-Prozess, wie ein feines Ätzen durchzuführen, um den oben erwähnten sehr kurzen Trennabstand zu erfüllen.
- Andererseits hat der den supraleitenden Kanal aufweisende Super-FET ein großes Stromvermögen und den Feinbearbeitungs- Prozess der benötigt wird&sub1; um den ersten Typ der Super-FET herzustellen wird nicht benötigt, um diesen Typ der Super-FET zu produzieren.
- Um einen kompletten ON/OFF Schaltvorgang zu erhalten, sollten beide, der supraleitende Kanal und die Gate-Isolierschicht, eine äußerst geringe Dicke aufweisen. Zum Beispiel soll der supraleitende Kanal, der aus einem supraleitenden Oxidmaterial ausgebildet ist, eine Dicke von weniger als fünf Nanometer aufweisen und die Gate-Isolierschicht soll eine Dicke von mehr als zehn Nanometer aufweisen, die ausreichend ist, um einen Tunnelstrom zu vermeiden,
- Da im Super-FET der äußerst dünne supraleitende Kanal mit dem relativ dicken supraleitenden Source-Bereich verbunden ist und mit dem supraleitenden Drain-Bereich an seinen unteren Abschnitten verbunden ist, fließt der Supraleitungsstrom im wesentlichen horizontal durch den supraleitenden Kanal und im wesentlichen vertikal im supraleitenden Source-Bereich und im supraleitenden Drain-Bereich.
- Da das supraleitende Oxid die höchste kritische Stromdichte JC in die Richtung senkrecht zu den c-Achsen seiner Kristallgitter aufweist, ist der supraleitende Kanal vorzugsweise aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit c-Achsausrichtung ausgebildet und der supraleitende Source-Bereich und der supraleitende Drain-Bereich sind vorzugsweise aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit a-Achsausrichtung ausgebildet.
- Im Stand der Technik, wie im Dokument EP-A-0478465 im Rahmen des Artikels 54(3) EPC beschrieben, wird um den Super-FET herzustellen, der den supraleitenden Kanal aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit c-Achsausrichtung und den supraleitenden Source-Bereich und den supraleitenden Drain-Bereich aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit a-Achsausrichtung aufweist, zuerst eine oxidische supraleitende Dünnschicht mit c-Achsausrichtung gebildet und die oxidische supraleitende Dünnschicht mit c-Achsausrichtung wird mit Ausnahme eines Abschnittes, der den supraleitenden Kanal ausbildet geätzt und entfernt Anschliessend wird eine oxidische supraleitende Dünnschicht mit a-Achsausrichtung aufgetragen, um den supraleitenden Source-Bereich und den supraleitenden Drain-Bereich auszubilden.
- In einem weiteren Stand der Technik, wie im Dokument EP-A-O 480814 im Rahmen des Artikels 54(3) EPC, wird zuerst eine oxidische supraleitende Dünnschicht mit a-Achsausrichtung aufgetragen und geätzt, um den supraleitenden Source-Bereich und den supraleitenden Drain-Bereich auszubilden und anschliessend wird eine oxidische supraleitende Dünnschicht mit c-Achsausrichtung aufgetragen, um den supraleitenden Kanal auszubilden.
- Weiterhin offenbart das Dokument EP-A-O 502787 im Rahmen des Artikels 54(3) EPC eine Technik des gleichzeitigen Formens von Bereichen mit a-Achsausrichtung und c-Achsausrichtung in einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht.
- Jedoch wird im Stand der Technik die oxidische supraleitende Dünnschicht während des Ätzens hinsichtlich der Qualität verschlechtert, so dass die Supraleitungsmerkmale beeinflusst werden. Zusätzlich wird die geätzte Oberfläche der oxidischen supraleitenden Dünnschicht aufgerauht, weswegen, wenn eine weitere oxidische supraleitende Dünnschicht so gebildet wird, dass sie Kontakt zu der rauhen Oberfläche hat, ein unerwünschter Josephson-Übergang oder ein Widerstand an der Übergangsfläche erzeugt werden.
- Dadurch weist der gemäß dem obigen herkömmlichen Verfahren hergestellte Super-FET keinen ausreichenden Wirkungsgrad auf.
- Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein supraleitendes Bauelement des FET-Typs zu schaffen, das einen supraleitenden Bereich aufweist, der aus einer äußerst dünnen oxidischen supraleitenden Dünnschicht ausgebildet ist, das die oben erwähnten Nachteile der herkömmlichen Bauelemente vermeidet.
- Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauelementes des FET-Typs zur Verfügung zu stellen, welches die oben erwähnten Nachteile der herkömmlichen Bauelemente vermeidet.
- Die obigen sowie weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden gemäß der vorliegenden Erfindung mittels eines supraleitenden Bauelementes gemäß Patentanspruch 1 erreicht, mit:
- einem Substrat, welches eine Hauptoberfläche aufweist; einer nicht-supraleitenden Oxidschicht, die eine Kristallstruktur aufweist, ähnlich derjenigen eines supraleitenden Oxids auf der Hauptoberfläche des Substrats; einem supraleitenden Source-Bereich und einem supraleitenden Drain-Bereich bestehend aus einem supraleitenden Oxid auf der nicht-supraleitenden Oxidschicht, die voneinander getrennt sind; einem äußerst dünnen supraleitenden Kanal bestehend aus dem supraleitenden Oxid zwischen dem supraleitenden Source-Bereich und dem supraleitenden Drain-Bereich, welcher den supraleitenden Source-Bereich und den supraleitenden Drain-Bereich derart elektrisch miteinander verbindet, dass ein Supraleitungsstrom durch den supraleitenden Kanal zwischen dem supraleitenden Source-Bereich und dem supraleitenden Drain-Bereich fließen kann; und einer Gate-Elektrode oberhalb eines Gate-Isolators auf dem supraleitenden Kanal zur Steuerung des Supraleitungsstromes, der durch den supraleitenden Kanal fließt, wobei das Bauelement außerdem wenigstens eine nicht-supraleitende Oxidschicht aufweist, mit einer ähnlichen Kristallstruktur, wie diejenige eines supraleitenden Oxids auf der Hauptoberfläche des Substrats, wobei sie wenigstens den supraleitenden Source-Bereich und den supraleitenden Drain-Bereich kontaktiert; bei diesem Bauelement werden der supraleitende Kanal, der supraleitende Source-Bereich und der supraleitende Drain-Bereich in Form einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht gleichzeitig ausgebildet, wobei der Mittenabschnitt eine c-Achsausrichtung und die beiden Enden eine a-Achsausrichtung aufweisen. Die Unteransprüche 2 bis 11 beschreiben besondere Ausführungsformen des supraleitenden Bauelementes gemäß der vorliegenden Erfindung.
- Im supraleitenden Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung sind der supraleitende Kanal, der supraleitende Source-Bereich und der supraleitende Drain-Bereich aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht ausgebildet, deren Mittenabschnitt eine c-Achsausrichtung und die beiden Enden eine a-Achsausrichtung aufweisen und in der keine Korn-Grenzfläche existiert. Deswegen existiert weder ein unerwünschter Widerstand, noch ein unerwünschter Josephson-Übergang zwischen dem supraleitenden Kanal und dem supraleitenden Source-Bereich und zwischen dem supraleitenden Kanal und dem supraleitenden Drain-Bereich, so dass die Stromleistung des Super-FET verbessert werden kann.
- Das supraleitende Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann zwei nicht-supraleitende Oxidschichten aufweisen, die eine ähnliche Kristallstruktur besitzen, wie diejenige einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit a-Achsausrichtung, welche die Seitenflächen des supraleitenden Source-Bereichs und des supraleitenden Drain-Bereichs kontaktieren.
- Das supraleitende Bauelement enthält vorzugsweise eine nichtsupraleitende Oxidschicht mit einer Kristallstruktur ähnlich derjenigen einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit c- Achsausrichtung unterhalb des supraleitenden Kanals, des supraleitenden Source-Bereichs und des supraleitenden Drain-Bereichs Selbstverständlich kann das supraleitende Bauelement zwei nicht-supraleitende Oxidschichten enthalten, die eine ähnliche Kristallstruktur besitzen, wie diejenige einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit a-Achsausrichtung an beiden Enden der nicht-supraleitenden Oxidschicht, welche die Außenflächen des supraleitenden Source-Bereichs und des supraleitenden Drain-Bereichs kontaktieren.
- In einer bevorzugten Ausführungsform weist die nicht-supraleitende Oxidschicht eine Aussparung im Mittenbereich auf, in der der supraleitende Kanal angeordnet ist.
- Vorzugsweise bestehen die obigen nicht-supraleitenden Oxidschichten aus einem Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε-Oxid. Die Dünnschicht aus Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε mit c-Achsausrichtung weist eine fast identische Kristallgitterstruktur auf, wie diejenige einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit c-Achsausrichtung und die Dünnschicht aus Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε mit a-Achsausrichtung weist eine fast identische Kristallgitterstruktur auf, wie diejenige einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit a-Achsausrichtung.
- In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das supraleitende Oxid aus einem supraleitenden Oxid mit hoher Tc (hoher kritischer Temperatur) insbesondere aus einem supraleitenden Oxid des Kupfer-Verbundoxid-Typs mit hoher Tc, zum Beispiel aus einem supraleitenden Y-Ba-Cu-O-Verbundoxidmaterial, aus einem supraleitenden Bi-Sr-Ca-Cu-O-Verbundoxidmaterial und aus einem supraleitenden Tl-Ba-Ca-Cu-O-Verbundoxidmaterial.
- Zusätzlich kann das Substrat aus einem isolierenden Substrat ausgebildet werden, vorzugsweise aus einem oxidischen Einkristallsubstrat wie MgO, SrTiO&sub3;, CdNdAlO&sub4; ,etc.. Diese Substratmaterialien sind sehr effektiv für die Bildung oder Züchtung einer kristallinen Dünnschicht, die im hohem Grade kristalline Orientierung aufweist. Jedoch kann das supraleitende Bauelement auf einem Halbleiter-Substrat ausgebildet werden, wenn eine geeignete Ausgleichsschicht darauf aufgetragen ist. Zum Beispiel kann die Ausgleichsschicht eines Halbleiter-Substrats aus einer Doppelschichtbeschichtung bestehen, die aus einer MgAl&sub2;O&sub4;-Schicht und einer BaTiO&sub3;-Schicht gebildet ist, wenn Silizium als Substrat verwendet wird.
- Vorzugsweise ist der supraleitende Kanal aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit c-Achsausrichtung ausgebildet und die supraleitende Source-Elektrode und die supraleitende Drain-Elektrode sind aus oxidischen supraleitenden Dünnschichten mit a-Achsausrichtung ausgebildet.
- Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauelementes gemäß Patentanspruch 12 geschaffen worden mit den Schritten des Ausbildens auf einer Hauptoberfläche eines Substrates einer nicht-supraleitenden Oxidschicht mit einer ähnlichen Kristallstruktur wie diejenige einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit a-Achsausrichtung, des wahlweisen Ätzens eines Mittenbereichs der nicht-supraleitenden Oxidschicht, so dass dieser Bereich vollständig entfernt wird und die Oberfläche des Substrates freigelegt wird, wobei die nicht-supraleitende Oxidschicht in zwei voneinander getrennte Bereiche unterteilt wird, des Ausbildens einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf der freiliegenden Oberfläche des Substrates und der zwei voneinander getrennten Bereiche der nicht-supraleitenden Oxidschicht, so dass der Bereich der oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf der freigelegten Oberfläche des Substrates eine c-Achsausrichtung erhält und die Bereiche der oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf und neben den voneinander getrennten Bereichen der nicht-supraleitenden Oxidschicht eine a-Achsausrichtung erhalten, des Zurückätzens der oxidischen supraleitenden Dünnschicht und der voneinander getrennten Bereiche der nicht-supraleitenden Oxidschicht derart, dass die Bereiche der oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf den voneinander getrennten Bereichen der nicht-supraleitenden Oxidschicht vollständig entfernt werden und ein supraleitender Kanal, ein supraleitender Source-Bereich und ein supraleitender Drain-Bereich , die die gleiche Dicke aufweisen, wie die voneinander getrennten Bereiche der nicht-supraleitenden Oxidschicht zwischen den voneinander getrennten Bereichen der nicht-supraleitenden Oxidschicht ausgebildet werden, und des Ausbildens eines Gate-Isolators und einer Gate-Elektrode auf dem Gate-Isolator im Mittenbereich des supraleitenden Kanals.
- Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauelementes entsprechend dem Patentanspruch 14 geschaffen worden mit den Schritten des Ausbildens auf einer Hauptoberfläche eines Substrats einer nicht-supraleitenden Oxidschicht, mit einer Kristallstruktur ähnlich derjenigen einer oxidischen, supraleitenden Dünnschicht mit c-Achsausrichtung, des Ausbildens einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit a-Achsausrichtung auf der nicht-supraleitenden Oxidschicht, des stellenweisen Ätzens eines Mittenbereichs der oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit der a-Achsausrichtung und der nicht-supraleitenden Dünnschicht derart, dass der Bereich der oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit der a-Achsausrichtung vollständig entfernt wird und eine Aussparung in dem Bereich gebildet wird, des Ausbildens einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht oberhalb der oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit der a-Achsausrichtung und der Aussparung in der nicht-supraleitenden Oxidschicht, so dass der Bereich der oxidischen supraleitenden Dünnschicht oberhalb der Aussparung eine c-Achsausrichtung erhält, um dergestalt den supraleitenden Kanal zu bilden, wobei die Bereiche der oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf der oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit der a-Achsausrichtung eine a- Achsausrichtung erhalten, um so einen supraleitenden Source-Bereich und einen supraleitenden Drain-Bereich zu bilden und des Ausbildens eines Gate-Isolators und einer auf dem Gate-Isolator angeordneten Gate-Elektrode im Mittenbereich des supraleitenden Kanals.
- In den obigen Verfahren können, wenn notwendig, Metallelektroden auf dem supraleitenden Source-Bereich und auf dem supraleitenden Drain-Bereich ausgebildet werden.
- Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden der supraleitende Kanal, die supraleitende Source-Elektrode und die supraleitende Drain-Elektrode gleichzeitig aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht ausgebildet, die einen Abschnitt mit c-Achsausrichtung und zwei Abschnitte mit a-Achsausrichtung aufweist. Da der Abschnitt mit c-Achsausrichtung und die zwei Abschnitte mit a-Achsausrichtung gleichzeitig aufwachsen, wird am Übergang keine Korn-Grenzfläche ausgebildet, so dass die Kristallstruktur kontinuierlich ist. Deswegen entsteht kein unerwünschter Widerstand und kein unerwünschter Josephson-Übergang innerhalb der oxidischen supraleitenden Dünnschicht.
- Die obigen sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen deutlich.
- Figuren 1A bis 1F sind schematische Schnittansichten zum Illustrieren einer ersten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des Super-FET gemäß der vorliegenden Erfindung; und
- Figuren 2A bis 2F sind schematische Schnittansichten zum Illustrieren einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des Super-FET gemäß der vorliegenden Erfindung.
- Das Verfahren zur Herstellung des Super-FET gemäß der vorliegenden Erfindung wird anhand der Figuren 1A bis 1F beschrieben.
- Wie in Figur 1A gezeigt, wird ein einkristallines MgO(100)- Substrat 5 präpariert, das eine im wesentlichen ebene Hauptoberfläche ((100) Oberfläche) aufweist.
- Wie in Figur 1B gezeigt, werden eine Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε-Oxidschicht mit c-Achsausrichtung 20 mit einer Dicke in der Größenordnung von etwa 50 Nanometern und eine Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε-Oxidschicht mit a-Achsausrichtung 21 mit einer Dicke in der Größenordnung von etwa 300 Nanometern auf einer Hauptoberfläche eines einkristallinen MgO(100)-Substrats 5 aufgetragen und mittels zum Beispiel Sputtern, MBE (Molekulare Strahl-Epitaxie), Vakuumaufdampfen, CVD, etc. geschichtet.
- Eine Bedingung zur Ausbildung der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε-Oxidschicht mit c-Achsausrichtung 20 mittels Off-Axis Sputtern lautet wie folgt:
- Temperatur des Substrats 750ºC
- Sputtergas Ar: 90%
- O&sub2;: 10%
- Druck 10 Pa
- Eine Bedingung zur Ausbildung der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε-Oxidschicht mit a-Achsausrichtung 21 mittels Off-Axis Sputtern lautet wie folgt:
- Temperatur des Substrats 680ºC
- Sputtergas Ar: 90%
- O&sub2;: 10%
- Druck 10 Pa
- Anschliessend wird ein Mittenbereich der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε-Oxidschicht 21 mittels eines reaktiven Ionenätzenprozesses unter Verwendung eines Chlorgases, eines Ionenfräsprozesses unter Verwendung von Ar-Ionen oder eines fokussierten Ionenstrahlätzens wahlweise geätzt, so dass der Bereich vollständig entfernt wird und zwei Oxidschichten 22 und 23 auf dem Substrat 5 separat ausgebildet werden, wie es in Figur 1C gezeigt ist. Die Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε-Oxidschicht mit c-Achsausrichtung 20 ist im Mittenbereich freigelegt.
- Anschliessend wird das Substrat 5 auf eine Temperatur von 350 bis 400ºC unter einem Druck niedriger als 1,333*10&supmin;&sup7; Pa (1 *10&supmin;&sup9; Torr) für 5 Minuten erhitzt, um den freigelegten Bereich der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε-Oxidschicht mit c-Achsausrichtung 20 zu reinigen.
- Wie in Figur 1D gezeigt, wird eine oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht 1 mit einer Dicke von 300 Nanometern auf die Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε--Oxidschicht mit c-Achsausrichtung 20 und auf die Oxidschichten 22 und 23 mittels Off-Axis Sputtern aufgetragen. Eine Bedingung für die Ausbildung der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht 1 ist gegeben, so dass eine oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht 1 mit c- Achsausrichtung auf dem MgO-Substrat 5 wächst. Eine Bedingung für die Ausbildung der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ- Dünnschicht 1 mittels Off-Axis Sputtern lautet wie folgt:
- Temperatur des Substrats 700ºC
- Sputtergas Ar: 90%
- O&sub2;: 10%
- Druck 10 Pa
- Bereiche 32 und 33 der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ- Dünnschicht 1 auf und neben den Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε-Oxidschichten mit a-Achsausrichtung 22 und 23 erhalten eine a-Achsausrichtung, da die oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ- Dünnschicht epitaxial zu den Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε-Oxidschichten mit a- Achsausrichtung 22 und 23 auf diesen Bereichen wächst. Der restliche Bereich der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ- Dünnschicht 1 erhält eine c-Achsausrichtung, da die oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht epitaxial zu der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε-Oxidschicht mit c-Achsausrichtung 20 auf diesem Bereich wächst. Die oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht 1 weist eine kontinuierliche Kristallstruktur auf, so dass dort keine Korn-Grenzfläche existiert.
- Anschliessend wird die oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ- Dünnschicht 1 mittels eines reaktiven Ionenätzenprozesses bei Verwendung eines Chlorgases, eines Ionenfräsprozesses bei Verwendung von Ar-Ionen oder eines fokussierten Ionenstrahlätzens zurückgeätzt, so dass die Bereiche der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht 1 auf den Oxidschichten 22 und 23 entfernt werden und der Mittenbereich der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht 1 zu einem supraleitenden Kanal 10 ausgebildet wird, der eine bestimmte Dicke aufweist, wie in Figur 1E gezeigt. Ein supraleitender Source-Bereich 2 und ein supraleitender Drain-Bereich 3 werden aus kontinuierlichen Bereichen oxidischer supraleitender Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht mit a-Achsausrichtung an beiden Seiten des supraleitenden Kanals 10 ausgebildet.
- Schliesslich werden, wie in Figur 1F gezeigt, auf dem supraleitenden Kanal 10 eine Gate-isolierende Schicht 7 und eine Gate- Elektrode 4 ausgebildet und auf dem supraleitenden Source-Bereich 2 und dem supraleitendem Drain-Bereich 3 eine Source- Elektrode 12 bzw. eine Drain-Elektrode 13 ausgebildet. In diesem Zusammenhang werden Bereiche der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht 1 auf den Oxidschichten 22 und 23 entfernt, wenn die Gate-Elektrode gemustert wird. Damit ist der Super-FET gemäß der vorliegenden Erfindung vollständig. Die Gate-isolierende Schicht 7 wird vorzugsweise aus MgO, Siliziumnitrid oder SrTiO&sub3; und die Gate-Elektrode 4 wird vorzugsweise aus einem Edelmetall wie Au oder Pt ausgebildet.
- Der oben erwähnte Super-FET, der gemäß der ersten Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, weist einen supraleitenden Kanal, einen supraleitenden Source-Bereich und einen supraleitenden Drain-Bereich auf, die aus einer oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht ausgebildet sind, deren Mittenbereich eine c-Achsausrichtung und deren beide Enden eine a-Achsausrichtung aufweisen. Deswegen existiert weder ein unerwünschter Widerstand, noch ein unerwünschter Josephson-Übergang zwischen dem supraleitenden Kanal und dem supraleitenden Source-Bereich und zwischen dem supraleitenden Kanal und dem supraleitenden Drain-Bereich. Da zusätzlich der supraleitende Source-Bereich und der supraleitende Drain-Bereich fast die gleiche Dicke wie der supraleitende Kanal aufweisen, fließt Supraleitungsstrom effizient in den und aus dem supraleitenden Kanal. Dadurch kann die Stromleistung des Super-FET verbessert werden.
- Eine zweite Ausführungsform des Prozesses zur Herstellung des Super-FET gemäß der vorliegenden Erfindung wird anhand der Figuren 2A bis 2F beschrieben.
- Wie in Figur 2A gezeigt, wird ein einkristallines MgO(100)- Substrat 5, ähnlich dem der Ausführungsform 1, präpariert.
- Wie in Figur 2B gezeigt, wird eine Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε-Oxidschicht mit c-Achsausrichtung 20 mit einer Dicke in der Größenordnung von etwa 300 Nanometern auf einer Hauptoberfläche eines einkristallinen MgO(100)-Substrats 5 aufgetragen, zum Beispiel mittels Sputtern, MBE (Molekulare Strahl-Epitaxie), Vakuumaufdampfen, CVD, etc..
- Eine Bedingung zur Ausbildung der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε-Oxidschicht mit c-Achsausrichtung 20 mittels Off-Axis Sputtern lautet wie folgt:
- Temperatur des Substrats 750ºC
- Sputtergas Ar: 90%
- O&sub2;: 10%
- Druck 10 Pa
- Anschliessend wird, wie in Figur 2C gezeigt, auf der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε-Oxidschicht 20 mittels Off-Axis Sputtern eine oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht mit a-Achsausrichtung 11 ausgebildet, die eine Dicke von 100 Nanometern aufweist.
- Eine Bedingung für die Ausbildung der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht 11 mittels Off-Axis Sputtern lautet wie folgt:
- Temperatur des Substrats 640ºC
- Sputtergas Ar: 90%
- O&sub2;: 10%
- Druck 10 Pa
- Vorzugsweise wird die oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-d-Dünnschicht mit a-Achsausrichtung 11 sukzessiv nach dem Ausbilden der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub5;O7-ε-Oxidschicht 20 und nachdem die Temperatur des Substrats niedriger ist, ausgebildet.
- Anschliessend, wie in Figur 2D gezeigt, wird ein Bereich der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht mit a-Achsausrichtung 11, auf dem der supraleitende Kanal angeordnet wird, stellenweise mittels eines reaktiven Ionenätzenprozesses unter Verwendung eines Chlorgases, eines Ionenfräsprozesses unter Verwendung von Ar-Ionen oder eines fokussierten Ionenstrahlätzens geätzt, so dass der Bereich vollständig entfernt wird; die Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε-Oxidschicht 20 wird ebenfalls geätzt, um eine Aussparung 24 mit einer Tiefe von 200 Nanometern auszubilden.
- Wie in Figur 2E gezeigt, wird eine oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht mit einer Dicke von 300 Nanometern auf der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht mit a- Achsausrichtung 11 und dem hohlen Bereich der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε-Oxidschicht 20 aufgetragen.
- Eine Bedingung für die Ausbildung der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht ist so gegeben, dass eine oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht mit c-Achsausrichtung auf einem üblichen Substrat wächst. Eine Bedingung für die Ausbildung der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht mittels Off-Axis Sputtern lautet wie folgt:
- Temperatur des Substrats 700ºC
- Sputtergas Ar: 90%
- O&sub2;: 10%
- Druck 10 Pa
- Bereiche der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht auf den oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschichten 11 a-Achsausrichtung erhalten eine a-Achsausrichtung, um einen supraleitenden Source-Bereich 2 und einen supraleitenden Drain- Bereich 3 zu bilden, da die oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht epitaxial zu den oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschichten 11 mit a-Achsausrichtung auf diesen Bereichen wächst. Der restliche Bereich der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht erhält eine c-Achsausrichtung um den supraleitenden Kanal auszubilden, da die oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht epitaxial zu der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε-Oxidschicht mit c-Achsausrichtung 20 auf diesem Bereich wächst. Die oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Dünnschicht weist eine kontinuierliche Kristallstruktur auf, so dass dort keine gekörnte Grenzfläche existiert.
- Schliesslich werden, wie in Figur 2F gezeigt, auf dem supraleitenden Kanal 10 eine Gate-isolierende Schicht 7 aus MgO, Siliziumnitrid oder SrTiO&sub3; und eine Gate-Elektrode 4 ausgebildet und auf dem supraleitenden Source-Bereich 2 und dem supraleitendem Drain-Bereich 3 eine Source-Elektrode 12 bzw. eine Drain-Elektrode 13 ausgebildet. Damit ist der Super-FET gemäß der vorliegenden Erfindung vollständig.
- Der oben erwähnte Super-FET, der gemäß der zweiten Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, weist einen supraleitenden Kanal, einen supraleitenden Source-Bereich und einen supraleitenden Drain-Bereich auf, die aus einer oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-d-Dünnschicht ausgebildet sind, deren Mittenbereich eine c-Achsausrichtung und deren beide Enden eine a-Achsausrichtung aufweisen. Deswegen existiert weder ein unerwünschter Widerstand, noch ein unerwünschter Josephson-Übergang zwischen dem supraleitenden Kanal und dem supraleitenden Source-Bereich und zwischen dem supraleitenden Kanal und dem supraleitenden Drain-Bereich.
- In den oben erwähnten Ausführungsformen kann die oxidische supraleitende Dünnschicht nicht nur aus supraleitendem Y-Ba-Cu-O-Verbundoxidmaterial, sondern auch aus einem oxidischen supraleitenden Material mit einer hohen Tc (hohen kritischen Temperatur), insbesondere einem supraleitenden Verbundoxidmaterial des Kupferoxidtyps mit hoher Tc ausgebildet werden, wie zum Beispiel aus supraleitendem Bi-Sr-Ca-Cu-O- Verbundoxidmaterial und supraleitendern Ti-Ba-Ca-Cu-O- Verbundoxidmaterial.
- Die Erfindung ist anhand von speziellen Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden. Jedoch sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung keinesfalls auf die Einzelheiten der dargestelten Strukturen eingeschränkt ist, sondern dass Anderungen und Modifikationen in Rahmen der beigefügten Patentansprüche durchgeführt werden können.
Claims (14)
1. Supraleitendes Bauelement mit: einem Substrat (5), welches
eine Hauptoberfläche aufweist; einer nicht-supraleitenden
Oxidschicht (20), die eine Kristallstruktur aufweist,
ähnlich derjenigen eines supraleitenden Oxids auf der
Hauptoberfläche des Substrats (5); einem supraleitenden Source-
Bereich (2) und einem supraleitenden Drain-Bereich (3)
bestehend aus einem supraleitenden Oxid auf der
nichtsupraleitenden Oxidschicht (20), die voneinander getrennt
sind; einen äußerst dünnen supraleitenden Kanal (10)
bestehend aus dem supraleitenden Oxid zwischen dem
supraleitenden Source-Bereich (2) und dem supraleitenden Drain-Bereich
(3), welcher den supraleitenden Source-Bereich (2) und den
supraleitenden Drain-Bereich (3) derart elektrisch
miteinander verbindet, daß ein Supraleitungsstrom durch den
supraleitenden Kanal (10) zwischen dem supraleitenden Source-
Bereich (2) und dem supraleitenden Drain-Bereich (3)
fließen kann; und einer Gate-Elektrode (4) oberhalb eines Gate-
Isolators (7) auf dem supraleitenden Kanal (10) zur
Steuerung des Supraleitungsstromes, der durch den supraleitenden
Kanal (10) fließt, wobei das Bauelement außerdem wenigstens
eine nicht-supraleitende Oxidschicht (20, 22, 23) aufweist,
mit einer ähnlichen Kristallstruktur, wie diejenige eines
supraleitenden Oxids auf der Hauptoberfläche des Substrats
(5), wobei sie wenigstens den supraleitenden Source-Bereich
(2) und den supraleitenden Drain-Bereich (3) kontaktiert;
bei diesem Bauelement werden der supraleitende Kanal (10),
der supraleitende Source-Bereich (2) und der supraleitende
Drain-Bereich (3) in Form einer oxidischen supraleitenden
Dünnschicht gleichzeitig ausgebildet, wobei der
Mittenabschnitt eine c-Achsausrichtung und die beiden Enden eine a-
Achsausrichtung aufweisen.
2. Supraleitendes Bauelement nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das supraleitende Bauelement zwei
nichtsupraleitende Oxidschichten (22, 23) aufweist, die eine
ähnliche Kristallstruktur besitzen, wie diejenige einer
oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit a-
Achsausrichtung, welche die Seitenflächen des
supraleitenden Source-Bereichs (2) und des supraleitenden Drain-
Bereichs (3) gegenüber dem supraleitenden Kanal (10)
kontaktiert.
3. Supraleitendes Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das supraleitende Bauelement eine
nicht-supraleitende Oxidschicht (20) aufweist mit einer
Kristallstruktur ähnlich derjenigen einer oxidischen
supraleitenden Dünnschicht mit c-Achsausrichtung auf der
Hauptoberfläche des Substrates (5), wobei der supraleitende Kanal
(10), der supraleitende Source-Bereich (2) und der
supraleitende Drain-Bereich (3) auf der nicht-supraleitenden
Oxidschicht (20) angeordnet sind.
4. Supraleitendes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Bauelement
eine nicht-supraleitende Oxidschicht (20) aufweist, mit
einer Kristallstruktur ähnlich derjenigen einer oxidischen
supraleitenden Dünnschicht mit c-Achsausrichtung auf der
Hauptoberfläche des Substrates (5), wobei zwei
nichtsupraleitenden Oxidschichten (22, 23) mit einer ähnlichen
Kristallstruktur wie diejenige der oxidischen
supraleitenden Dünnschicht mit a-Achsausrichtung auf der
nichtsupraleitenden Oxidschicht (20) getrennt voneinander sind,
wobei sie Seitenflächen des supraleitenden Source-Bereichs
(2) und des supraleitenden Drain-Bereich (3) gegenüber dem
supraleitenden Kanal (10) kontaktieren.
5. Supraleitend Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-supraleitende
Oxidschicht
(20) eine Aussparung (24) im Mittenbereich
aufweist, in der eine oxidische supraleitende den
supraleitenden Kanal (10) bildende Dünnschicht angeordnet ist.
6. Supraleitendes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-supraleitenden
Oxidschicht (20, 22, 23) aus einer Dünnschicht aus Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-ε
besteht.
7. Supraleitendes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Oxid aus
einem supraleitenden Oxid mit hoher Tc (hoher kritischer
Temperatur) besteht.
8. Supraleitendes Bauelement nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das supraleitende Oxid aus einem Kupfer-
Verbundoxid mit hoher Tc besteht.
9. Supraleitendes Bauelement nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das supraleitende Oxid eine supraleitende
Oxidverbindung ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe
bestehend aus einem supraleitenden Y-Ba-Cu-O-Verbundoxid,
einem supraleitenden Bi-Sr-Ca-Cu-O-Verbundoxid und einem
supraleitenden Tl-Ba-Ca-Cu-O-Verbundoxid.
10. Supraleitendes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) aus einem
Material besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend
aus einem MgO(100)-Substrat, einem SrTiO&sub3;(100)-Substrat und
einem CdNdAlO&sub4;(001)-Substrat sowie einem
Halbleitersubstrat.
11. Supraleitendes Bauelement nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß Substrat (5) aus einem Siliziumsubstrat
besteht und daß eine Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats
mit einer isolierenden Schicht beschichtet ist, welche aus
einer MgAl&sub2;O&sub4;-Schicht und einer BaTiO&sub3;-Schicht besteht.
12. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauelementes
mit den Schritten des Ausbildens auf einer Hauptoberfläche
eines Substrates (5) einer nicht-supraleitenden Oxidschicht
(21) mit einer ähnlichen Kristallstruktur wie diejenige
einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit a-
Achsausrichtung, des wahlweisen Ätzens eines Mittenbereichs
der nicht-supraleitenden Oxidschicht, so daß dieser Bereich
vollständig entfernt wird und die Oberfläche des Substrates
freigelegt wird, wobei die nicht-supraleitende Oxidschicht
in zwei voneinander getrennte Bereiche (22, 23) unterteilt
wird, des Ausbildens einer oxidischen supraleitenden
Dünnschicht (1) auf der freiliegenden Oberfläche des Substrates
(5) und der zwei voneinander getrennten Bereiche (22, 23)
der nicht-supraleitenden Oxidschicht, so daß der Bereich
der oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf der
freigelegten Oberfläche des Substrates eine c-Achsausrichtung
erhält und die Bereiche (32, 33) der oxidischen
supraleitenden Dünnschicht auf und neben den voneinander getrennten
Bereichen (22, 23) der nicht-supraleitenden Oxidschicht
eine a-Achsausrichtung erhalten, des Zurückätzens der
oxidischen supraleitenden Dünnschicht (1) und der voneinander
getrennten Bereiche (22, 23) der nicht-supraleitenden
Oxidschicht derart, daß die Bereiche der oxidischen
supraleitenden Dünnschicht auf den voneinander getrennten Bereichen
(22, 23) der nicht-supraleitenden Oxidschicht vollständig
entfernt werden und ein supraleitender Kanal (10), ein
supraleitender Source-Bereich (2) und ein supraleitender
Drain-Bereich (3), die die gleiche Dicke aufweisen, wie die
voneinander getrennten Bereiche (22, 23) der
nichtsupraleitenden Oxidschicht zwischen den voneinander
getrennten Bereichen (22, 23) der nicht-supraleitenden
Oxidschicht, ausgebildet werden und des Ausbildens eines Gate-
Isolators (7) und einer Gate-Elektrode (4) auf dem Gate-
Isolator (7) im Mittenbereich des supraleitenden Kanals
(10).
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das
Substrat (5) eine Oxidschicht (20) aufweist mit einer
ähnlichen Kristallstruktur wie diejenige einer oxidischen
supraleitenden Dünnschicht mit c-Achsausrichtung, wobei sie
auf der Hauptoberfläche des Substrates (5) ausgebildet
wird.
14. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauelementes
mit den Schritten des Ausbildens auf einer Hauptoberfläche
eines Substrats (5) einer nicht-supraleitenden Oxidschicht
(20), mit einer Kristallstruktur ähnlich derjenigen einer
oxidischen, supraleitenden Dünnschicht mit c-
Achsausrichtung, des Ausbildens einer oxidischen
supraleitenden Dünnschicht (11) mit a-Achsausrichtung auf der
nicht-supraleitenden Oxidschicht, des stellenweisen Ätzens
eines Mittenbereichs der oxidischen supraleitenden
Dünnschicht (11) mit der a-Achsausrichtung und der
nichtsupraleitenden Dünnschicht (20) derart, daß der Bereich der
oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit der a-
Achsausrichtung vollständig entfernt wird und eine
Aussparung (24) in dem Bereich gebildet wird, des Ausbildens
einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht oberhalb der
oxidischen supraleitenden Dünnschicht (11) mit der a-
Achsausrichtung und der Aussparung (24) in der
nichtsupraleitenden Oxidschicht, so daß der Bereich der
oxidischen supraleitenden Dünnschicht oberhalb der Aussparung
eine c-Achsausrichtung erhält, um dergestalt den
supraleitenden Kanal (10) zu bilden, wobei die Bereiche der
oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf der oxidischen
supraleitenden Dünnschicht mit der a-Achsausrichtung eine a-
Achsausrichtung erhalten, um so eine supraleitenden Source-
Bereich (2) und einen supraleitenden Drain-Bereich (3) zu
bilden und des Ausbildens eines Gate-Isolators (7) und
einer auf dem Gate-Isolator (7) angeordneten Gate-Elektrode
(4) im Mittenbereich des supraleitenden Kanals (10).
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