DE69502444T2

DE69502444T2 - Supraleitendes Bauelement mit einem supraleitenden Kanal aus supraleitendem Oxidmaterial

Info

Publication number: DE69502444T2
Application number: DE69502444T
Authority: DE
Inventors: Michitomo F-75116 Paris Iiyama; Takao F-75116 Paris Nakamura
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1994-07-04
Filing date: 1995-07-04
Publication date: 1999-01-28
Anticipated expiration: 2015-07-05
Also published as: EP0691690B1; DE69502444D1; EP0691690A1; CA2153189A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine supraleitende Feldeffekt-Einrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine supraleitende Feldeffekt-Transistoreinrichtung mit einem supraleitenden Kanal, einem supraleitenden Source- Bereich und einem supraleitenden Drain-Bereich, gebildet aus oxidischen supraleitenden Dünnschichten, und einer Gate-Elektrode auf einem Gate-Isolator, der auf dem supraleitenden Kanal angeordnet ist, wobei der durch den supraleitenden Kanal fließende supraleitende Strom vollständig abgeschaltet werden kann.

Beschreibung des Standes der Technik

Vorrichtungen, welche das supraleitende Phänomen nutzen, arbeiten mit großer Geschwindigkeit bei niedrigem Energieverbrauch, so daß sie ein höheres Leistungsvermögen aufweisen als herkömmliche Halbleitereinrichtungen. Unter Verwendung eines oxidischen Supraleiters, der in jüngster Zeit zunehmend untersucht wurde, ist es insbesondere möglich, eine supraleitende Einrichtung herzustellen, die bei relativ hoher Temperatur arbeitet.
Eine der wichtigsten supraleitenden Drei-Anschlußeinrichtungen ist eine supraleitende Feldeffekt-Transistoreinrichtung (nachfolgend als Super-FET abgekürzt) mit einem Kanal aus einem Supraleiter, der zwischen einer Source und einem Drain gebildet ist. In dieser supraleitenden Einrichtung wird ein durch den supraleitenden Kanal fließender Strom durch eine Signalspannung gesteuert, die an ein Gate angelegt ist, das über dem supraleitenden Kanal gebildet ist.
Der vorstehend erläuterte Super-FET ist eine spannungsgesteuerte Einrichtung, die in der Lage ist, Ausgangssignale von Eingangssignalen zu isolieren, und die eine wohldefinierte Verstärkung aufweist. Außerdem hat sie eine große Stromlieferfähigkeit, und eine feine Verarbeitung, die schwer ausführbar ist, ist nicht erforderlich, um diese Art eines Super-FET herzustellen.
In dem vorstehend genannten Super-FET sollte sowohl der supraleitende Kanal wie die Gate-Isolierschicht eine extrem dünne Dicke aufweisen, um durch eine Signalspannung von wenigen Volt, die an die Gate-Elektrode angelegt ist, einen vollständigen EIN/AUS-Schaltvorgang zu erzielen. Beispielsweise sollte der aus einem oxidischen Supraleiter gebildete supraleitende Kanal eine Dicke von 5 Nanometer oder weniger haben, und die Gate- Isolierschicht sollte eine Dicke von 10 bis 15 Nanometer oder mehr haben, um einen Tunnelstrom zu verhindern, sie sollte jedoch so dünn wie möglich sein.
Zugunsten der hervorragenden Eigenschaften des Super-FET sollte der dünne supraleitende Kanal aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit hoher Kristallinität und guten Eigenschaften gebildet sein. Um diesen dünnen supraleitenden Kanal zu verwirklichen, wird eine Pufferschicht aus einem Oxid mit einer Kristallstruktur entsprechend derjenigen eines oxidischen Supraleiters und Gitterparametern ähnlich denjenigen des oxidischen Superleiters auf einem Substrat gebildet werden, und die oxidische supraleitende Dünnschicht des supraleitenden Kanals wird auf der Pufferschicht abgeschieden.
Die Pufferschicht verhindert eine gegenseitige Diffusion zwischen dem Substrat und dem supraleitenden Kanal und beseitigt Inkonsistenzen der Gitterparameter. Eine oxidische supraleitende Dünnschicht wächst demnach auf der Pufferschicht zufriedenstellend in zweidimensionaler Weise.
Beispielsweise wird die Pufferschicht aus Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y gebildet, wenn ein oxidischer Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Supraleiter für den supraleitenden Kanal verwendet wird (siehe beispielsweise Patentanmeldung EP-A-0 546 959)
Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y kann jedoch einen extrem geringen Widerstand bei niedrigen Temperaturen durch eine bestimmte Nachbehandlung aufweisen. Wenn einige oxidische Supraleiter, wie etwa ein oxidischer Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Supraleiter im Kontakt mit einer Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O&sub7;&submin; y-Schicht angeordnet werden, kann außerdem supraleitender Strom durch die Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Schicht aufgrund des weitreichenden Nachbarschaftseffekts fließen.
In einem Super-FET mit einem supraleitenden Kanal aus einer oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht, gebildet auf einer Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Pufferschicht geht deshalb ein Abschnitt einer Oberfläche der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Pufferschicht in den supraleitenden Zustand über, wenn eine Verarmungsschicht die Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Pufferschicht erreicht, die in dem supraleitenden Kanal durch eine Signalspannung erzeugt wird, die an die Gate- Elektrode angelegt ist. Insbesondere fließt supraleitender Strom zwischen dem supraleitenden Source-Bereich und dem supraleitenden Drain-Bereich durch die Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Pufferschicht selbst dann, wenn das Gate geschlossen ist, so daß es schwierig ist, einen vollständigen EIN/AUS-Schaltvorgang zu verwirklichen.

Zusammenfassung der Erfindung

Demnach besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine neuartige supraleitende FET-Einrichtung mit einem supraleitenden Kanal aus einer extrem dünnen oxidischen supraleitenden Dünnschicht zu schaffen, welche die vorstehend genannten Nachteile herkömmlicher Einrichtungen überwindet.
Die vorstehend genannte sowie weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung durch eine supraleitende Einrichtung gelöst, die im Anspruch 1 beansprucht ist. Die Einrichtung weist ein Substrat mit einer Hauptfläche, einen supraleitenden Kanal, der aus einem oxidischen Supraleiter über der Hauptfläche des Substrats gebildet ist, auf, einen supraleitenden Source-Bereich und einen supraleitenden Drain-Bereich, gebildet auf einem oxidischen Supraleiter über der Hauptfläche des Substrats an beiden Enden des supraleitenden Kanals, welcher den supraleitenden Source-Bereich und den supraleitenden Drain-Bereich verbindet, so daß supraleitender Strom durch den supraleitenden Kanal zwischen dem supraleitenden Source-Bereich und dem supraleitenden Drain-Bereich fließen kann, eine Gate-Elektrode auf einem Gate- Isolator, angeordnet auf dem supraleitenden Kanal zum Steuern des supraleitenden Stroms, der durch den supraleitenden Kanal fließt, durch eine Signalspannung, die an die Gate-Elektrode angelegt ist, und eine erste dielektrische Pufferschicht unter dem supraleitenden Source-Bereich, dem supraleitenden Kanal und dem supraleitenden Drain-Bereich, durch welche Leckstrom verhindert wird, wenn der supraleitende Kanal geschlossen ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste dielektrische Pufferschicht eine Dicke von 10 bis 30 Nanometern auf. Wenn die erste dielektrische Pufferschicht zu dünn ist, vermag Tunnelstrom durch die dielektrische Schicht zu einer unteren Schicht hindurchzudringen, wenn der supraleitende Kanal geschlossen ist. Es ist deshalb unmöglich, einen Leckstrom vollständig zu unterbinden. Wenn im Gegensatz die erste dielektrische Pufferschicht zu dick ist, ist es schwierig, eine planare bzw. ebene Schicht auszubilden. In diesem Fall können der supraleitende Kanal, der supraleitende Source-Bereich und der supraleitende Drain-Bereich durch Unebenheit ernsthaft beeinträchtigt sein.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist die erste dielektrische Pufferschicht aus BaxSr1-xTiO&sub3; (0 ≤ · ≤ 1) gebildet. BaxSr1-xTiO&sub3; ist ein dielektrisches Material, durch welches kein supraleitender Strom durch den Lang-weitreichenden Nachbarschaftseffekt fließt. Supraleitender Strom, der zwischen den supraleitenden Source- und Drain-Bereichen fließt, kann deshalb durch eine geeignete Gate-Spannung in dem Super-FET in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vollständig abgeschal tet werden. BaxSr1-xTiO&sub3; hat Gitterparameter ähnlich denjenigen eines oxidischen Supraleiters, so daß eine oxidische supraleitende Dünnschicht auf einer BaxSr1-xTiO&sub3;-Schicht epitaxial aufwächst. Außerdem tritt zwischen einem oxidischen Supraleiter und BaxSr1-xTiO&sub3; nur eine geringfügige gegenseitige Diffusion auf, wodurch es möglich ist, daß eine oxidische supraleitende Dünnschicht mit hervorragenden supraleitenden Eigenschaften auf einer BaxSr1-xTiO&sub3;-Schicht aufwächst.
In der erfindungsgemäßen supraleitenden Einrichtung ist eine zweite Pufferschicht aus einem nicht-supraleitenden Oxid zwischen der ersten dielektrischen Pufferschicht und der Hauptfläche des Substrats angeordnet. Die nicht-supraleitende oxidische Schicht hat eine ähnliche Kristallstruktur wie diejenige eines oxidischen Supraleiters. Die zweite Pufferschicht verhindert eine gegenseitige Diffusion zwischen der ersten dielektrischen Pufferschicht und dem Substrat, so daß die erste dielektrische Pufferschicht eine hohe Kristallinität und eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist. Dies trägt zu einer Verbesserung der Kristallinität und der Eigenschaften des supraleitenden Kanals bei. Zu diesem Zweck weist die zweite Pufferschicht bevorzugt eine Dicke von 10 bis 30 Nanometern auf.
Die vorstehend genannte nicht-supraleitende oxidische Schicht ist aus einem Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Oxid gebildet. Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y weist nahezu dieselbe Kristallgitterstruktur auf wie diejenige eines oxidischen Supraleiters.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der oxidische Supraleiter aus einem oxidischen Supraleiter mit hoher Tc (hohe kri tische Temperatur) gebildet, insbesondere aus einem supraleitenden Kupferoxid-Verbundoxid mit hoher Tc, wie beispielsweise einem supraleitenden Y-Ba-Cu-O-Verbundoxid, einem supraleitenden Bi-Sr-Ca-Cu-O-Verbundoxid und einem supraleitenden Tl-Ba- Ca-Cu-O-Verbundoxid.
Außerdem kann das Substrat aus einem isolierenden Substrat gebildet sein, bevorzugt aus einem oxidischen einkristallinen Substrat, wie etwa MgO, SrTiO&sub3;, YSZ usw. Diese Substratmaterialien sind sehr wirksam zur Bildung oder zum Aufwachsen einer kristallinen Dünnschicht mit einer gut definierten kristallinen Orientierung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Super-FET jedoch auf einem Substrat aus einem Halbleitermaterial gebildet sein, wenn eine geeignete isolierende Pufferschicht darauf abgeschieden ist. Beispielsweise kann die Pufferschicht auf dem Halbleitersubstrat aus einer doppelschichtigen Beschichtung gebildet sein, die aus einer MgAl&sub2;O&sub4;-Schicht und einer BaTiO&sub3;-Schicht gebildet ist, wenn Silicium als Substrat verwendet wird.
Die vorstehend genannten sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung in bezug auf die beiliegenden Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A bis 1F zeigen schematische Schnittansichten zur Erläuterung einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des Super-FET in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2A zeigt Kurvendarstellungen des Drain-Source-Stroms als Funktion der Gate-Spannungen des Super-FET in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und eines herkömmlichen Super- FET; und
Fig. 2B zeigt Kurvendarstellungen des Drain-Source-Stroms als Funktion der Drain-Source-Spannung der Super-FETs in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ausführungsform 1

Anhand der Fig. 1A bis 1F wird nunmehr ein Verfahren zur Herstellung des Super-FET in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erläutert.
Auf einem SrTiO&sub3;(100)-Einkristallsubstrat 5, wie in Fig. 1A gezeigt, wird eine c-Achsen-orientierte oxidische Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y Pufferschicht 20 durch reaktive Mitverdampfung abgeschieden, wie in Fig. 1B gezeigt. Die c-Achsen-orientierte oxidische Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Pufferschicht 20 ist aus einem oxidischen Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Kristall gebildet, dessen c-Achsen senkrecht zum Substrat verlaufen. Die oxidische Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Pufferschicht 20 kann durch MBE (Molekularstrahlepitaxie) hergestellt werden.
Die Bedingung zum Bilden der oxidischen Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Pufferschicht 20 durch reaktives Mitverdampfen ist wie folgt:
Substrattemperatur 700ºC
Druck 1,333 · 10&supmin;³ Pa (1 · 10&supmin;&sup5; Torr) (in der Nähe des Substrats) (O&sub2; einschließlich 70 Vol.-% O&sub3; oder mehr)
Temperatur der Verdampfungsquelle und ihres Gefäßes
Pr: 1225ºC
Ba: 600ºC
Cu: 1040ºC
Dünnschichtdicke 10 Nanometer
Die Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Pufferschicht 20 hat bevorzugt eine Dicke von 10 bis 30 Nanometern, und auf ihr kann eine BaxSr1-xTiO&sub3;-Schicht hoher Kristallinität und mit guten dielektrischen Eigenschaften abgeschieden werden.
Durch Austauschen der Verdampfungsquellen mit Barium und Titan wird daraufhin eine BaTiO&sub3;-Pufferschicht 21 nachfolgend auf der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Pufferschicht 20 durch reaktives Mitverdampfen abgeschieden, wie in Fig. 1C gezeigt. Die Bedingung zur Bildung der BaTiO&sub3;-Pufferschicht 21 durch reaktives Mitverdampfen ist wie folgt:
Substrattemperatur 500ºC
Druck 1,333 · 10&supmin;³ Pa (1 · 10&supmin;&sup5; Torr) (in der Nähe des Substrats) (O&sub2; einschließlich 70 Vol.-% O&sub3; oder mehr)
Temperatur der Verdampfungsquelle und ihres Gefäßes
Ba: 600ºC
Ti: 1500ºC
Dünnschichtdicke 30 Nanometer
Daraufhin wird durch Austauschen der Verdampfungsquellen mit Yttrium, Barium und Kupfer nachfolgend eine oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 1 auf der BaTiO&sub3;-Pufferschicht 21 durch reaktives Mitverdampfen abgeschieden, wie in Fig. 1D gezeigt. Die oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 1 wird so aufgewachsen, daß sie eine Dicke von 5 Nanometern oder weniger hat, was für einen supraleitenden Kanal eines Super-FET geeignet ist. Die Bedingung zum Bilden der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht durch reaktives Mitverdampfen ist wie folgt:
Substrattemperatur 700ºC
Druck 1,333 · 10&supmin;³ Pa (1 · 10&supmin;&sup5; Torr) (in der Nähe des Substrats) (O&sub2; einschließlich 70 Vol.-% O&sub3; oder mehr)
Temperatur der Verdampfungsquelle und ihres Gefäßes
Y: 1220ºC
Ba: 620ºC
Cu: 1000ºC
Dünnschichtdicke 5 Nanometer
Wie in Fig. 1E gezeigt, wird daraufhin eine Gate-Isolationsschicht 7 aus SrTiO&sub3; auf einem zentralen Abschnitt der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 1 durch reaktives Mitverdampfen gebildet, und eine Gate-Elektrode 4 aus Au wird auf der Gate-Isolationsschicht 7 durch Vakuumverdampfen gebildet. Ein Teil der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 1 unter der Gate-Isolationsschicht 7 wird ein supraleitender Kanal. Die Gate-Isolationsschicht 7 sollte eine Dicke von 10 Nanometern oder mehr haben, um einen Tunnelstrom zu verhindern. Wenn die Gate-Isolationsschicht 7 eine zu große Dicke hat, sind höhere Signalspannungen erforderlich, um den supraleitenden Strom zu modulieren und zu steuern, der durch den supraleitenden Kanal fließt. Die Gate-Isolationsschicht sollte deshalb eine Dicke von 100 Nanometern oder weniger haben. Die Bedingung zum Bilden der SrTiO&sub3;-Gate-Isolationsschicht 7 durch reaktives Mitverdampfen ist wie folgt:
Substrattemperatur 500ºC
Druck 3,999 · 10&supmin;³ Pa (3 · 10&supmin;&sup5; Torr) (in der Nähe des Substrats) (O&sub2; einschließlich 70 Vol.-% O&sub3; oder mehr)
Temperatur der Verdampfungsquelle und ihres Gefäßes
Sr: 600ºC
Ti: 1500ºC
Dünnschichtdicke 15 Nanometer
Die Gate-Isolationsschicht 7 kann aus MgO, Si&sub3;N&sub4; oder BaxSr&sub1;&submin; xTiO&sub3;(0 ≤ x ≤ 1) gebildet sein. Die Gate-Elektrode 4 kann auch aus einem Edelmetall, wie etwa Pt, Ag, aus polykristallinem Silicium oder einem oxidischen Supraleiter gebildet sein.
Schließlich wird, wie in Fig. 1F gezeigt, eine oxidische supraleitende Dünnschicht auf Teilen der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht zu beiden Seiten der Gate-Elektrode 4 durch reaktives Verdampfen derart abgeschieden, daß ein supraleitender Source-Bereich 2 und ein supraleitender Drain-Bereich 3 gebildet werden. Der supraleitende Source-Bereich 2 und der supraleitende Drain-Bereich 3 haben bevorzugt eine Dicke von 100 Nanometern oder mehr, was ausreicht, um auf ihnen Kontakte zu bilden. Da der supraleitende Kanal 10 mit unteren Abschnitten des supraleitenden Source-Bereichs 2 und des supraleitenden Dram-Bereichs 3 verbunden ist, ist es bevorzugt, sie aus einer a-Achsen-orientierten oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x- Dünnschicht zu bilden, durch welche ein großer supraleitender Strom in einer Richtung senkrecht zur Dünnschichtoberfläche fließen kann. Die Bedingung zur Bildung einer a-Achsen-orientierten oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht für den supraleitenden Source-Bereich 2 und den supraleitenden Drain-Bereich 3 durch reaktives Mitverdampfen ist wie folgt:
Substrattemperatur 650ºC
Druck 3,999 · 10&supmin;³ Pa (3 · 10&supmin;&sup5; Torr) (in der Nähe des Substrats) (O&sub2; einschließlich 70 Vol.-% O&sub3; oder mehr)
Temperatur der Verdampfungsquelle und ihres Gefäßes
Y: 1220ºC
Ba: 620ºC
Cu: 1000ºC
Dünnschichtdicke 300 Nanometer
Eine metallische Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode werden auf dem supraleitenden Source-Bereich 2 und dem supraleitenden Drain-Bereich 3 gebildet, falls erforderlich. Damit ist der Super-FET gemäß der vorliegenden Erfindung fertiggestellt. Die Eigenschaften des Super-FET in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, hergestellt wie vorstehend angeführt, wurden gemessen und mit einem herkömmlichen Super-FET verglichen, der keine BaTiO&sub3;-Pufferschicht aufwies. Die Ergebnisse sind in Fig. 2A und 2B gezeigt. Fig. 2A zeigt eine Kurve des supraleitenden Strom IDS, der zwischen den supraleitenden Source- und Drain-Bereichen fließt, als Funktion der Signalspannung VG, die an die Gate-Elektrode des Super-FET angelegt ist. Die Kennlinien des Super-FET gemäß der vorliegenden Erfindung sind mit einer durchgezogenen Linie und diejenigen des herkömmlichen Super-FET mit einer durchbrochenen Linie gezeigt. Wie in Fig. 2A gezeigt, floß ein kleiner supraleitender Strom IDS in dem herkömmlichen Super-FET; es wurde jedoch eine hohe Spannung VG an die Gate-Elektrode angelegt. Andererseits war bei dem Super- FET gemäß der vorliegenden Erfindung der supraleitende Strom los vollständig abgeschaltet, wenn an die Gate-Elektrode eine nicht so hohe Spannung VG angeschlossen war. Der Super-FET in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hat deshalb einen geringen Verlust, wenn der supraleitende Strom abgeschaltet ist und damit einen geringen Verbrauch.
Fig. 2B zeigt Kurvendarstellungen des Drain-Source-Stroms als Funktion der Drain-Source-Spannung unterschiedlicher Super-FETs in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 2B gezeigt, hatten die Super-FETs gemäß der vorliegenden Erfindung ideale Stromspannungskennlinien zwischen dem supraleitenden Source- und dem supraleitenden Drain-Bereich.
Bei dieser Ausführungsform wurde lediglich ein (einziger) Super-FET gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise können der supraleitende Source- Bereich und der supraleitende Drain-Bereich mit dem supraleitenden Kanal derart leicht verbunden sein, daß supraleitender Strom von dem supraleitenden Source-Bereich in den extrem dünnen Kanal wirksam fließt und aus dem extrem dünnen supraleitenden Kanal in den supraleitenden Drain-Bereich wirksam fließt. Außerdem können der supraleitende Kanal, die Gate-Isolationsschicht und die Gate-Elektrode Konfigurationen so haben, daß sie im Herstellungsverfahren selbst ausgerichtet sind.

Ausführungsform 2

Ein Verfahren zum Herstellen des Super-FET anderen Typs gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun erläutert. Der Super-FET gemäß dieser Ausführungsform hat eine Pufferschicht 21, die aus Ba0,3Sr0,7TiO&sub3; gebildet ist. Die anderen Teile des Super-FET sind dieselben wie bei dem Super-FET gemäß der Ausführungsform 1. Es werden deshalb hauptsächlich die Unterschiede nachfolgend erläutert.
Auf einem SrTiO&sub3;(100)-Einkristallsubstrat 5, wie in Fig. 1A gezeigt, wird eine c-Achsen-orientierte oxidische Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y- Pufferschicht 20 mit einer Dicke von 10 Nanometern durch reaktive Mitverdampfung abgeschieden, wie in Fig. 1B gezeigt, und zwar unter derselben Bedingung wie bei der Ausführungsform 1.
Darauf wird durch Austauschen der Verdampfungsquellen mit Barium, Strontium und Titan eine Ba0,3Sr0,7TiO&sub3;-Pufferschicht 21 nachfolgend auf der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y -Pufferschicht 20 durch reaktives Mitverdampfen abgeschieden, wie in Fig. 1C gezeigt. Die Bedingung zum Bilden der Ba0,3Sr0,7TiO&sub3;-Pufferschicht 21 durch reaktives Mitverdampfen ist wie folgt:
Substrattemperatur 500ºC
Druck 1,333 · 10&supmin;³ Pa (1 · 10&supmin;&sup5; Torr) (in der Nähe des Substrats) (O&sub2; einschließlich 70 Vol.-% O&sub3; oder mehr)
Temperatur der Verdampfungsquelle und ihres Gefäßes
Ba: 580ºC
Sr: 590ºC
Ti: 1500ºC
Dünnschichtdicke 30 Nanometer
Durch Austauschen der Verdampfungsquellen mit Yttrium, Barium und Kupfer wird daraufhin eine oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 1 auf der Ba0,3Sr0,7TiO&sub3;-Pufferschicht 21 durch reaktives Mitverdampfen abgeschieden, wie in Fig. 1D gezeigt. Die oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 1 wird so aufgewachsen, daß sie eine Dicke von 5 Nanometern oder weniger hat, die für einen supraleitenden Kanal eines Super-FET geeignet ist. Die Bedingung zum Bilden der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 1 ist dieselbe wie bei der Ausführungsform 1.
Wie in Fig. 1E gezeigt, wird daraufhin eine Gate-Isolationsschicht 7 aus SrTiO&sub3; mit einer Dicke von 15 Nanometern auf einem zentralen Abschnitt der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht durch reaktives Mitverdampfen gebildet, und eine Gate-Elektrode 4 aus Gold wird auf der Isolationsschicht 7 durch Vakuumverdampfen gebildet. Ein Teil der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 1 unter der Gate- Isolationsschicht 7 wird ein supraleitender Kanal. Die Gate- Isolationsschicht 7 sollte eine Dicke von 10 Nanometern oder mehr haben, um einen Tunnelstrom zu verhindern. Wenn die Gate- Isolationsschicht 7 eine zu große Dicke aufweist, sind jedoch höhere Signalspannungen erforderlich, um den supraleitenden Strom zu modulieren und zu steuern, der durch den supraleitenden Kanal fließt. Die Gate-Isolationsschicht 7 sollte deshalb eine Dicke von 100 Nanometern oder weniger haben. Die Bedingung zum Bilden der SrTiO&sub3;-Gate-Isolationsschicht 7 durch reaktives Mitverdampfen ist dieselbe wie bei der Ausführungsform 1.
Die Gate-Isolationsschicht 7 kann aus MgO, Si&sub3;N&sub4; oder BaxSr&sub1;&submin; xTiO&sub3;(0 ≤ x ≤ 1) gebildet sein. Die Gate-Elektrode 4 kann außerdem aus einem Edelmetall, wie etwa Pt, Ag, aus polykristallinem Silicium oder einem oxidischen Supraleiter gebildet sein.
Schließlich wird, wie in Fig. 1F gezeigt, eine oxidische supraleitende Dünnschicht auf Teilen der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 1 zu beiden Seiten der Gate-Elektrode 4 durch reaktives Verdampfen so abgeschieden, daß ein supraleitender Source-Bereich 2 und ein supraleitender Drain-Bereich 3 gebildet sind.
Die Eigenschaften des Super-FET gemäß dieser Ausführungsform, hergestellt wie vorstehend angeführt, wurden gemessen. Bei dem Super-FET gemäß dieser Ausführungsform war der supraleitende Strom IDS vollständig abgeschaltet, wenn eine nicht so hohe Spannung VG an die Gate-Elektrode angelegt wurde. Der Super-FET gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat deshalb einen geringen Verlust, wenn der supraleitende Strom abgeschaltet ist, und zwar zugunsten eines geringen Verbrauchs.
Außerdem ergibt sich, daß die Super-FETs gemäß dieser Ausführungsform ideale Stromspannungskennlinien zwischen der supraleitenden Source und dem Drain-Bereich haben.
Bei dieser Ausführungsform wurde lediglich ein (einziger) Super-FET gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise können der supraleitende Source- Bereich und der supraleitende Drain-Bereich mit dem supraleitenden Kanal derart leicht verbunden sein, daß supraleitender Strom von dem supraleitenden Source-Bereich in den extrem dünnen Kanal wirksam fließt und aus dem extrem dünnen supraleitenden Kanal in den supraleitenden Drain-Bereich wirksam fließt.
Außerdem können der supraleitende Kanal, die Gate-Isolationsschicht und die Gate-Elektrode Konfigurationen so haben, daß sie im Herstellungsverfahren selbst ausgerichtet sind.

Ausführungsform 3

Ein Verfahren zur Herstellung eines Super-FET anderen Typs in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird nunmehr erläutert. Der Super-FET gemäß dieser Ausführungsform hat ein Substrat, das aus einem oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x- Einkristall gebildet ist. Die anderen Teile des Super-FET sind dieselben wie diejenigen des Super-FET gemäß Ausführungsform 2. Es werden deshalb nachfolgend hauptsächlich die Unterschiede erläutert.
Auf einer (001)-Ebene eines oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Einkristallsubstrats 5, wie in Fig. 1A gezeigt, wird eine c-Achsen-orientierte oxidische Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Pufferschicht 20 mit einer Dicke von 10 Nanometern durch reaktives Mitverdampfen abgeschieden, wie in Fig. 1B gezeigt, und zwar unter derselben Bedingung wie bei der Ausführungsform 1. Das oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Einkristallsubstrat 5 wurde durch ein Schmelzverfahren hergestellt, bei welchem ein oxidischer supraleitender Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Einkristall aus der Schmelze gezogen wurde. Das oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Einkristallsubstrat 5 hatte eine quadratische Grundfläche von 5 mm und eine Dicke von 0,5 mm.
Durch Austausch der Verdampfungsquellen für Barium, Strontium und Titan wird daraufhin eine Ba0,3Sr0,7TiO&sub3;-Pufferschicht 21 nachfolgend auf der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Pufferschicht 20 durch reaktives Mitverdampfen abgeschieden, wie in Fig. 1C gezeigt. Die Bedingung zur Bildung der Ba0,3Sr0,7TiO&sub3;-Pufferschicht 21 mit einer Dicke von 30 Nanometern durch reaktives Mitverdampfen ist dieselbe wie bei der Ausführungsform 2.
Daraufhin wurde durch Austauschen der Verdampfungsquellen für Yttrium, Barium und Kupfer eine oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 1 nachfolgend auf der Ba0,3Sr0,7TiO&sub3;-Pufferschicht 21 durch reaktives Mitverdampfen abgeschieden, wie in Fig. 1D gezeigt. Die oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x- Dünnschicht wird so aufgewachsen, daß sie eine Dicke von 5 Nanometern oder weniger hat, was für einen supraleitenden Kanal eines Super-FET geeignet ist. Die Bedingung zum Bilden der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 1 ist dieselbe wie bei der Ausführungsform 1.
Wie in Fig. 1E gezeigt, wird daraufhin eine Gate-Isolationsschicht 7 aus SrTiO&sub3; mit einer Dicke von 15 Nanometern auf einem zentralen Abschnitt der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 1 durch reaktives Mitverdampfen gebildet, und eine Gate-Elektrode 4 aus Gold wird auf der Gate-Isolationsschicht 7 durch Vakuumverdampfen gebildet. Ein Teil der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 1 unter der Gate-Isolationsschicht 7 wird ein supraleitender Kanal. Die Gate-Isolationsschicht 7 sollte eine Dicke von 10 Nanometern oder mehr haben, um einen Tunnelstrom zu verhindern. Wenn die Gate-Isolationsschicht 7 hingegen eine zu große Dicke hat, sind höhere Signalspannungen erforderlich, um den supraleitenden Strom zu modulieren und zu steuern, der durch den supraleiten den Kanal fließt. Die Gate-Isolationsschicht 7 sollte deshalb eine Dicke von 100 Nanometern oder weniger haben. Die Bedingung zum Bilden der SrTiO&sub3;-Gate-Isolationsschicht 7 durch reaktives Mitverdampfen ist dieselbe wie bei der Ausführungsform 1.
Die Gate-Isolationsschicht 7 kann aus MgO, Si&sub3;N&sub4; oder BaxSr&sub1;&submin; xTiO&sub3;(0 ≤ x ≤ 1) gebildet werden. Die Gate-Elektrode 4 kann auch aus einem Edelmetall, wie etwa Pt, Ag, aus polykristallinem Silicium oder einem oxidischen Supraleiter gebildet werden.
Wie in Fig. 1F gezeigt, wird schließlich eine oxidische supraleitende Dünnschicht auf Teilen der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 1 zu beiden Seiten der Gate-Elektrode 4 durch reaktives Verdampfen so abgeschieden, daß ein supraleitender Source-Bereich 2 und ein supraleitender Drain-Bereich 3 gebildet ist.
Die Eigenschaften des Super-FET gemäß dieser Ausführungsform, hergestellt wie vorstehend angeführt, wurden gemessen. Bei dem Super-FET gemäß dieser Ausführungsform wurde der supraleitende Strom IDS vollständig abgeschaltet, wenn eine nicht so hohe Spannung VG an die Gate-Elektrode angelegt wurde. Der Super-FET in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hat deshalb einen geringen Verlust, wenn der supraleitende Strom zugunsten eines geringen Verbrauchs abgeschaltet wird.
Außerdem war klar, daß die Super-FETs gemäß dieser Ausführungsform ideale Stromspannungskennlinien zwischen dem supraleitenden Source- und dem Drain-Bereich hatten.
Der Super-FET gemäß dieser Ausführungsform hat ein oxidisches supraleitendes Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Substrat, das ähnlich zu einem MESFET (Metall-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor) unter Verwendung eines GaAs-Substrats ist. Dieser Super-FET läßt sich vorteilhafterweise auf eine supraleitende integrierte Schaltung anwenden.
Bei dieser Ausführungsform wurde lediglich ein (einziger) Super-FET gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise können der supraleitende Source- Bereich und der supraleitende Drain-Bereich mit dem supraleitenden Kanal derart leicht verbunden sein, daß supraleitender Strom von dem supraleitenden Source-Bereich in den extrem dünnen Kanal wirksam fließt und aus dem extrem dünnen supraleitenden Kanal in den supraleitenden Drain-Bereich wirksam fließt. Außerdem können der supraleitende Kanal, die Gate-Isolationsschicht und die Gate-Elektrode Konfigurationen so haben, daß sie im Herstellungsverfahren selbst ausgerichtet sind.
Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen kann die oxidische supraleitende Dünnschicht nicht nur aus supraleitendem Y-Ba-Cu-O-Verbundoxid, sondern auch aus einem oxidischen Supraleiter mit hoher Tc (hohe kritische Temperatur) gebildet sein, insbesondere aus einem supraleitenden Kupferoxid-Verbundoxid mit hoher Tc, beispielsweise aus einem supraleitenden Bi-Sr-Ca- Cu-O-Verbundoxid und einem supraleitenden Tl-Ba-Ca-Cu-O-Verbundoxid.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen dargestellt und erläutert. Es wird bemerkt, daß die vorliegende Erfindung jedoch in keinster Weise auf die Einzelheiten der dargestellten Strukturen beschränkt, sondern vielmehr im Umfang der anliegenden Ansprüche Abwandlungen und Modifikationen zugänglich ist.

Claims

1. Supraleitende Einrichtung, aufweisend:

ein Substrat (5) mit einer Hauptfläche, einen supraleitenden Kanal (10), der auf einem oxidischen Supraleiter (1) über der Hauptfläche des Substrats gebildet ist,

einen supraleitenden Source-Bereich (2) und einen supraleitenden Drain-Bereich (3), gebildet aus einem oxidischen Supraleiter über der Hauptfläche des Substrats (5) an beiden Enden des supraleitenden Kanals (10), welcher den supraleitenden Source-Bereich und den supraleitenden Drain-Bereich verbindet, so daß supraleitender Strom durch den supraleitenden Kanal (10) zwischen dem supraleitenden Source-Bereich (2) und dem supraleitenden Drain-Bereich (3) fließen kann,

eine Gate-Elektrode (4) auf einem Gate-Isolator (7), angeordnet auf dem supraleitenden Kanal (10) zum Steuern des supraleitenden Stroms, der durch den supraleitenden Kanal fließt, durch eine Signalspannung, die an die Gate-Elektrode (4) angelegt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem aufweist:

eine erste dielektrische Pufferschicht (21), gebildet aus BaxSr1-xTiO&sub3; (0 ≤ x ≤ 1) unter dem supraleitenden Source- Bereich (2), dem supraleitenden Kanal (10) und dem supraleitenden Drain-Bereich (3), durch welche Leckstrom verhindert wird, wenn der supraleitende Kanal geschlossen ist, und

eine zweite Pufferschicht (20) aus einem nicht-supraleitenden Oxid, gebildet aus einer Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Dünnschicht mit einer ähnlichen Kristallstruktur wie diejenige des oxidischen Supraleiters zwischen der ersten dielektrischen Schicht (21) und der Hauptfläche des Substrats (5).

2. Supraleitende Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste dielektrische Schicht (21) eine Dicke von 10 bis 30 Nanometern hat.

3. Supraleitende Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Pufferschicht (20) aus der nichtsupraleitenden oxidischen Schicht eine Dicke von 10 bis 30 Nanometern hat.

4. Supraleitende Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oxidische Supraleiter aus einem oxidischen Supraleiter mit hoher Tc (hohe kritische Temperatur) gebildet ist, insbesondere aus einem supraleitenden Kupferoxid-Verbundoxid.

5. Supraleitende Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oxidische Supraleiter aus einem oxidischen Supraleiter gebildet ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus supraleitendem Y-Ba-Cu-O-Verbundoxid, einem supraleitenden Bi-Sr-Ca-Cu-O-Verbundoxid und einem supraleitenden Tl-Ba-Ca-Cu-O-Verbundoxid besteht.

6. Supraleitende Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) aus einem Material gebildet ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem MgO(100)-Substrat, einem SrTiO&sub3;(100)-Substrat, einem YSZ- Substrat und einem Halbleitersubstrat mit einer isolierenden Pufferschicht auf seiner Oberfläche besteht.

7. Supraleitende Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) aus einem oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Einkristall gebildet ist.