JPH0567816A - Superconducting field-effect transistor and its manufacture - Google Patents

Superconducting field-effect transistor and its manufacture

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JPH0567816A
JPH0567816A JP3225711A JP22571191A JPH0567816A JP H0567816 A JPH0567816 A JP H0567816A JP 3225711 A JP3225711 A JP 3225711A JP 22571191 A JP22571191 A JP 22571191A JP H0567816 A JPH0567816 A JP H0567816A
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Japan
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layer made
effect transistor
gate electrode
inp
field effect
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JP3225711A
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Inventor
Atsushi Nakagawa
敦 中川
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide a quantum well type superconducting field-effect transistor which has a long coherent length zeta and excellent transistor characteristics and further enables its practical use and to provide easy manufacturing processes for the transistor at an excellent yield rate by the use of a self- alignment method. CONSTITUTION:On an InP substrate 1, the first barrier layer 2 consisting of InXAl1-XAs which are grid-matched at least with the InP substrate, a channel layer 3 consisting of InXGa1-XAs, a channel supplying layer 4 consisting of an n type InP, the second barrier layer 5 consisting of InXAl1-XAs which is grid-matched with the InP substrate and a contact layer 6 consisting of an n type InAs are provided for constituting an epitaxial layer structure. Further, a gate electrode 7 consisting of Wsi is formed, and, by using the gate electrode 7 as a mask, a transistor is manufactured in a self-matching manner.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は超伝導電界効果トランジ
スタとその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a superconducting field effect transistor and its manufacturing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】超伝導トランジスタは超高速・超低消費
電力を兼ね合わせ持つ次世代のデバイスとして注目され
ており、特に3端子構造を有し、直流電源の使用が可能
である超伝導トランジスタは超伝導体デバイスの集積化
を推進していく上で最適である。上記のトランジスタの
1つである超伝導電界効果トランジスタは超伝導体の近
接効果により半導体に浸入したクーパー対が電界により
変調される原理を利用しており、特に入力と出力が完全
に分離されている点において他の超伝導トランジスタと
比べて非常に優れており、その実現は大きな課題であ
る。
2. Description of the Related Art Superconducting transistors are attracting attention as next-generation devices that combine ultra-high speed and ultra-low power consumption. In particular, superconducting transistors that have a three-terminal structure and can use a DC power supply are It is optimal for promoting the integration of superconductor devices. The superconducting field effect transistor, which is one of the above-mentioned transistors, uses the principle that the Cooper pair that penetrates into the semiconductor is modulated by the electric field due to the proximity effect of the superconductor, and in particular, the input and output are completely separated. It is extremely superior to other superconducting transistors in the point that it exists, and its realization is a major issue.

【0003】シリコンMOSFET構造を有した第1の超伝導
電界効果トランジスタが提案されている。(T. Nishino
et al. : Tech. Dig. IEDM, 1988 p.286)図3aは第1
の従来例の超伝導電界効果トランジスタの素子断面図で
ある。上記超伝導電界効果トランジスタはSi基板11上
にゲート酸化膜12、ポリSiゲート電極13、ゲート
電極13上にオーバーハングの形状の窒化膜14で、ま
たゲート側壁に絶縁膜として形成された窒化膜15、ゲ
ート酸化膜12とSi基板11との界面に生じたチャンネ
ル層16、砒素のイオン注入より形成されたソース領域
18a、ドレイン領域17bから構成されており、オー
バーハング形状の窒化膜14を用いて、超伝導体材料N
bからなるソース電極17b、ドレイン電極18bが短
絡することなく自己整合的に形成される。図3bと図3
cは超伝導電界効果トランジスタの動作を説明する図で
あり、超伝導近接効果によって、超伝導体側から半導体
中へ染みだした超伝導性を対ポテンシャルの空間変化と
して表しており、それぞれゲート電圧の無い場合、ゲー
ト電圧の印加されている場合を示しているが、対ポテン
シャルは、コヒーレント長ζで減衰する。つまり、同図
(b)において、ゲートに電圧がかかっていないため、
超伝導体からクーパペアー(図中の矢印)は少ししかし
みださない。よってそのポテンシャルも低い。ところが
ゲートに電圧をかけると同図(c)に示すようにクーパ
ペアーは超伝導体からかなりしみだすことができるの
で、同図に示すとおりソース、ドレインからでたクーパ
ペアーは重なり、そのポテンシャルも連続的になるため
超伝導電流が流れるというものである。
A first superconducting field effect transistor having a silicon MOSFET structure has been proposed. (T. Nishino
et al .: Tech. Dig. IEDM, 1988 p. 286) Figure 3a is the first
FIG. 7 is an element cross-sectional view of a conventional superconducting field effect transistor of FIG. The superconducting field effect transistor is a gate oxide film 12 on a Si substrate 11, a poly-Si gate electrode 13, a nitride film 14 in the form of an overhang on the gate electrode 13, and a nitride film formed as an insulating film on the gate sidewall. 15, a channel layer 16 formed at the interface between the gate oxide film 12 and the Si substrate 11, a source region 18a formed by arsenic ion implantation, and a drain region 17b. The overhang-shaped nitride film 14 is used. , Superconductor material N
The source electrode 17b and the drain electrode 18b made of b are formed in a self-aligned manner without short circuit. 3b and 3
FIG. 3C is a diagram for explaining the operation of the superconducting field effect transistor, which shows the superconductivity that has exuded into the semiconductor from the superconductor side by the superconducting proximity effect as a spatial change of the pair potential. When there is no gate voltage, the case where the gate voltage is applied is shown, but the potential pair attenuates with the coherent length ζ. That is, in the same figure (b), since no voltage is applied to the gate,
The Cooper pair (arrow in the figure) barely emerges from the superconductor. Therefore, its potential is also low. However, when a voltage is applied to the gate, the Cooper pair can be exuded considerably from the superconductor as shown in (c) of the figure, so as shown in the figure, the Cooper pair from the source and drain overlap and their potentials are continuous. Therefore, the superconducting current flows.

【0004】上記コヒーレント長ζはclean-limit近似
の場合において以下の式で与えられる。
The coherent length ζ is given by the following equation in the case of the clean-limit approximation.

【0005】ζ=h2 √Ns/ √2πkbTm* Nsは電子のシートキャリア濃度、m*は電子の有効質
量である。ゲートに電圧が与えられると、ゲート直下電
子のシートキャリア濃度Nsが変動し、コヒーレント長
ζ変化し、その結果超伝導電流を制御できる。超伝導電
界効果トランジスタを動作させるためには、ソース・ド
レイン間隔をするためにコヒーレント長ζ以下にしなけ
ればならない。Si中の電子の有効質量は大きく、コヒー
レント長ζは短くなるが、またSi中の電子移動度は小さ
く、イオン化不純物散乱等の影響を受けるために、clea
n-limit近似 が適応できず、コヒーレント長ζはさらに
短くなる。上記従来例においてもソース・ドレイン間隔
は0.1μmであり、現状のフォトリソグラフィの技術レベ
ルでは高歩留まりで0.1μmのパターンニングを行うこと
は困難であり、デバイスの実用化を可能とするためにコ
ヒーレント長ζできるだけ長くする必要がある。
Ζ = h 2 √N s / √2πk b Tm * Ns is the electron sheet carrier concentration, and m * is the effective electron mass. When a voltage is applied to the gate, the sheet carrier concentration N s of electrons directly under the gate fluctuates, the coherent length ζ changes, and as a result, the superconducting current can be controlled. In order to operate the superconducting field effect transistor, it is necessary to make the coherent length ζ or less in order to set the source-drain distance. Although the effective mass of electrons in Si is large and the coherence length ζ is short, the electron mobility in Si is small and the influence of ionized impurity scattering etc.
The n-limit approximation cannot be applied, and the coherent length ζ becomes even shorter. Even in the above conventional example, the source-drain interval is 0.1 μm, and it is difficult to perform patterning of 0.1 μm with a high yield at the current photolithography technology level, and coherent to enable device practical use. Length ζ needs to be as long as possible.

【0006】図4は第1の従来例の課題を解決するため
に提案された第2の従来例の超伝導電界効果トランジス
タの素子断面図である。(C. Nguyenet al. Appl. Phys.
Lett., Vol. 57, (1990) p. 87) 該超伝導電界効果ト
ランジスタの製造行程を説明する。GaAs基板21上にGa
Sbからなる第1のバッファ層22a、AlSbからなる第2
のバッファ層22b、GaSbとAlSbからなる超格子層2
3、AlSbからなる第1のバリヤー層24、InAsからなる
チャンネル層25、AlSbからなる第2のバリヤー層2
6、GaSbからなるエッチングストッパー層27、InAsか
らなる第1のゲートコンタクト層28a、GaSbからなる
第2のゲートコンタクト層28bを順次積層し、ゲート
パターンをマスクにしてリアクティブイオンエッチング
により第2のゲートコンタクト層28bと第1のゲート
コンタクト層28aの一部をエッチング除去し、次に残
存するInASからなる第1のゲートコンタクト層28aを
ウェットエッチングにより除去することによりゲート電
極領域とその直下に形成された第のゲートコンタクト層
のエッチング面の間にアンダーカット部28cが形成さ
れ、さらにGaSbからなるエッチングストッパー層27と
AlSbからなる第1のバリヤー層26をウェットエッチン
グにより除去して、チャンネル層25を表面に露出し、
電子ビーム蒸着法によりNbからなる超伝導体膜を蒸着
して、ソース電極29、ドレイン電極30をそれぞれ自
己整合的に形成する。量子井戸型電界効果トランジスタ
は、チャンネル内に不純物がドープされていないので、
イオン化不純物等により電子散乱されないために電子の
移動度は極めて高くなり、clean-limit近似が適応で
き、またチャンネルがInAsで形成されているので電子の
有効質量が極めて小さくなり、コヒーレント長ζを十分
長くすることができる。例えばシートキャリア濃度が10
12cm-2、電子の有効質量が0.023meとすると、コヒーレ
ント長ζは約0.4μmとなりSi系のMOSFETに比べて非常に
大きな値となる。しかしながら第2の従来例の超伝導電
界効果トランジスタは以下のような課題を有している。
バリヤー層として用いられているAlSbは化学的に不安定
な材料であり、空気中に放置されるとすぐに酸化し劣化
するので、トランジスタの製造工程や信頼性の面で問題
がある。またInAsとAlSbのバンドラインアップはスタッ
ガータイプであり、InAsのバンドギャップエネルギーは
0.36eVと小さいために、ゲートに電圧が印加されると、
InAsとAlSb間の障壁は非常に薄くなり、チャンネル内の
電子は容易にゲート側へリークして、良好なトランジス
タ動作が得られない。該超伝導電界効果トランジスタの
課題を解決するためにInP基板に格子整合したInAlAs/In
GaAs系の量子井戸型超伝導電界効果トランジスタも検討
できるが、製造工程においてInAlAs層とInGaAs層の選択
エッチングが現状では不可能であり、ソース、ドレイン
電極の形成時にチャンネル層を再現性良く表面に露出さ
せることが困難であるという課題を抱えている。
FIG. 4 is a device sectional view of a second conventional superconducting field effect transistor proposed to solve the problem of the first conventional example. (C. Nguyenet al. Appl. Phys.
Lett., Vol. 57, (1990) p. 87) The manufacturing process of the superconducting field effect transistor will be described. Ga on the GaAs substrate 21
The first buffer layer 22a made of Sb and the second buffer layer made of AlSb
Buffer layer 22b, superlattice layer 2 composed of GaSb and AlSb
3, a first barrier layer 24 made of AlSb, a channel layer 25 made of InAs, a second barrier layer 2 made of AlSb
6, an etching stopper layer 27 made of GaSb, a first gate contact layer 28a made of InAs, and a second gate contact layer 28b made of GaSb are sequentially stacked, and a second gate is formed by reactive ion etching using the gate pattern as a mask. A part of the gate contact layer 28b and the first gate contact layer 28a is removed by etching, and the remaining first gate contact layer 28a made of InAS is removed by wet etching to form the gate electrode region and the region directly below it. An undercut portion 28c is formed between the etching surfaces of the formed first gate contact layer, and an etching stopper layer 27 made of GaSb is formed.
The first barrier layer 26 made of AlSb is removed by wet etching to expose the channel layer 25 on the surface,
A source electrode 29 and a drain electrode 30 are formed in a self-aligned manner by depositing a superconductor film made of Nb by an electron beam vapor deposition method. Since the quantum well field effect transistor has no impurities doped in the channel,
Since electrons are not scattered by ionized impurities, the mobility of electrons is extremely high, the clean-limit approximation can be applied, and since the channel is formed of InAs, the effective mass of electrons is extremely small and the coherence length ζ is sufficient. Can be long. For example, if the sheet carrier concentration is 10
When the effective mass of electrons is 12 cm -2 and 0.023 m e , the coherent length ζ is about 0.4 μm, which is much larger than that of Si-based MOSFET. However, the second conventional superconducting field effect transistor has the following problems.
AlSb used as a barrier layer is a chemically unstable material and is oxidized and deteriorated immediately when left in the air, which causes a problem in the manufacturing process and reliability of the transistor. The band lineup of InAs and AlSb is a stagger type, and the band gap energy of InAs is
Since it is as small as 0.36eV, when voltage is applied to the gate,
The barrier between InAs and AlSb becomes very thin, and the electrons in the channel easily leak to the gate side, and good transistor operation cannot be obtained. InAlAs / In lattice-matched to an InP substrate to solve the problems of the superconducting field effect transistor.
Although GaAs quantum well superconducting field effect transistors can be studied, selective etching of InAlAs layer and InGaAs layer is not possible at present in the manufacturing process, and the channel layer is formed on the surface with good reproducibility when forming the source and drain electrodes. The problem is that it is difficult to expose.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】Si MOS型超伝導電界効
果トランジスタはコヒーレント長ζが非常に短いために
現状のフォトリソグラフィ技術では実用化が困難であ
る。上記課題を解決するために提案されたInAs/AlSb量
子井戸型超伝導電界効果トランジスタはゲートリーク電
流のため良好なトランジスタ特性が得られず、また信頼
性や製造工程の面でも問題があり、実用化が困難であ
る。InAlAs/InGaAs系の量子井戸型超伝導電界効果トラ
ンジスタにおいても選択エッチングができない等の製造
工程上の問題があり、さらにゲート電極とInAlASとの障
壁の高さが0.6eVと低いために耐圧が悪く、ゲート材料
も限定されている等の問題がある。
Since the Si MOS type superconducting field effect transistor has a very short coherence length ζ, it is difficult to put it into practical use by the current photolithography technology. The InAs / AlSb quantum well type superconducting field effect transistor proposed to solve the above problems cannot obtain good transistor characteristics due to the gate leakage current, and also has problems in terms of reliability and manufacturing process. Is difficult to convert. Even in the InAlAs / InGaAs quantum well type superconducting field effect transistor, there is a problem in the manufacturing process such as selective etching not being possible. Furthermore, since the barrier height between the gate electrode and InAlAS is as low as 0.6 eV, the breakdown voltage is poor. However, there is a problem that the gate material is also limited.

【0008】本発明は、上記の欠点を解消し、コヒーレ
ント長ζが十分に長く、現状のフォトリソグラフィーの
技術でも製造可能であり、トランジスタの諸特性が良好
であり、信頼性の問題もない超伝導電界効果トランジス
タを提供し、コヒーレント長ζにより制限されている短
いソース・ドレイン電極間隔にもかかわらず、容易な製
造工程により高歩留まりが可能な超伝導電界効果トラン
ジスタの製造方法を提供することを目的としている。
The present invention solves the above-mentioned drawbacks, has a sufficiently long coherent length ζ, can be manufactured by the current photolithography technology, has excellent transistor characteristics, and has no problem of reliability. (EN) Provided is a conductive field effect transistor, and a method for manufacturing a superconducting field effect transistor capable of achieving a high yield by an easy manufacturing process, despite a short source-drain electrode distance limited by a coherent length ζ. Has a purpose.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】この発明は以上の点に鑑
みてなされたもので、InP基板上に少なくともInP基板と
格子整合したInxAl1-xAsからなる第1のバリアー層、In
xGa1-xAsからなるチャンネル層、n型不純物を導入した
InPからなるチャンネル供給層、InP基板と格子整合した
InxAl1-xAsからなる第2のバリアー層から構成されたエ
ピタキシャル層構造を有し、InxAl1-xAsからなる第2の
バリアー層上にInAsからなるコンタクト層とWSiからな
るゲート電極を形成し、ソース、ドレイン領域上のInAs
からなるコンタクト層、InPからなるチャンネル供給層
とInxAl1-xAsからなる第2のバリアー層を除去して表面
に露出したInxGa1-xAsからなるチャンネル層上に超伝導
材料からなるソース及びドレイン電極を形成されている
超伝導電界効果トランジスタを用いる。
The present invention has been made in view of the above points, and a first barrier layer made of In x Al 1-x As, which is lattice-matched with at least the InP substrate, is formed on the InP substrate.
Channel layer made of x Ga 1-x As, n-type impurities introduced
Channel supply layer made of InP, lattice-matched with InP substrate
Has In x Al 1-x As epitaxial layer structure composed of a second barrier layer made of, consists In x Al 1-x As made of InAs in the second barrier layer made of the contact layer and WSi InAs on the source and drain regions, forming the gate electrode
On the channel layer made of In x Ga 1-x As exposed on the surface by removing the contact layer made of InP, the channel supply layer made of InP and the second barrier layer made of In x Al 1-x As A superconducting field effect transistor having source and drain electrodes made of is used.

【0010】長方形の形状をした該ゲート電極の長軸を
基板の<110>方向または<110>方向から45°
回転した方向に設置し、該ゲート電極をマスクにしてIn
Asからなるコンタクト層、InxAl1-xAsからなる第2のバ
リアー層とInPからなるチャンネル供給層を選択的に除
去し、ゲート電極をマスクとしてn型不純物をイオン注
入して結晶性を回復してソース・ドレイン領域を形成し
た後、自己整合的に超伝導体材料からなるソース、ドレ
イン電極を形成する超伝導電界効果トランジスタの製造
方法を用いる。
The long axis of the gate electrode having a rectangular shape has a <110> direction of the substrate or 45 ° from the <110> direction.
Installed in the rotated direction, and using the gate electrode as a mask
The contact layer made of As, the second barrier layer made of In x Al 1-x As, and the channel supply layer made of InP are selectively removed, and n-type impurities are ion-implanted using the gate electrode as a mask to improve crystallinity. After recovering and forming the source / drain regions, a method of manufacturing a superconducting field effect transistor in which source and drain electrodes made of a superconductor material are formed in a self-aligning manner is used.

【0011】[0011]

【作用】上記した構成による超伝導電界効果トランジス
タとその製造方法よる作用は以下のようになる。InGaAs
層をチャンネルとする量子井戸型電界効果トランジスタ
であるために、不純物が導入されていないチャンネル内
においてイオン化不純物等により電子散乱が少ないため
に電子の移動度は極めて高くなり、clean-limit近似が
適応でき、また電子の有効質量がSiデバイスに比べて極
めて小さいために、コヒーレント長ζを長くすることが
できる。上層のバリアがInAlAsとInPにより構成されて
いるために従来のウェットエッチング技術によりInAlAs
とInP、またはInGaAsとInPの選択エッチングの特性を利
用して容易にチャンネル層を再現性良く表面に露出でき
る。上層のバリアがInPだけの場合ゲート電極と良好な
ショットキー特性が得られないが、上部にInAlAs層を設
置するとそのショットキー特性は改善され、さらにその
上部にInAsならなるコンタク層を設けるとInAsとInAlAs
の伝導帯バンドオフセットが約0.9eVもあり、従来のInA
lAsとゲート電極の障壁の高さ(約0.6eV)に比べて大き
く、ゲート耐圧を改善でき、上記構成による超伝導電界
効果トランジスタはInAs/AlSb量子井戸超伝導電界効果
トランジスタにおけるゲートへのリーク電流は生じず、
材料上の信頼性の面でも良好である。また該超伝導電界
効果トランジスタの製造方法において、ゲート電極をマ
スクにして自己整合的にソース・ドレイン電極を形成す
る場合、チャンネル層とゲート電極間の十分な段差とゲ
ート電極とその直下に形成されたコンタクト層等のエッ
チング面の間にアンダーカット部の形成が必要である
が、InAsからなるコンタクト層はゲート金属として働く
ので、コンタクト層の厚みを任意に設定できるので、十
分な段差を確保でき、長方形の形状をしたゲート電極の
長軸が基板の<110>方向または<110>方向から
45°回転した方向に設置されているので、エッチング
面は基板に対して垂直また逆メサに形成されるので、ゲ
ート電極直下にアンダーカット部が形成される。ゲート
電極としてWSiを用いる場合、InASからなるコンタクト
層とオーミックな接合を有し、WSiはドライエッチング
により容易に加工でき、またWSiは耐熱性があり、WSiか
らなるゲート電極をマスクにしてエッチングによりソー
ス、ドレイン領域のチャンネル層を表面に露出した後、
ゲート電極をマスクにしてn型不純物をイオン注入し、
高温の熱処理により結晶性の回復ような製造工程に適応
でき、以上のように上記の自己整合法を用いた容易な製
造工程により超伝導電界効果トランジスタを製造でき
る。
The operation of the superconducting field effect transistor having the above structure and the method of manufacturing the same is as follows. InGaAs
Since it is a quantum well field effect transistor with a layer as a channel, electron mobility is extremely high due to little electron scattering due to ionized impurities in the channel where impurities are not introduced, and the clean-limit approximation is applicable. In addition, since the effective mass of electrons is extremely smaller than that of the Si device, the coherent length ζ can be increased. Since the upper barrier is composed of InAlAs and InP, InAlAs is formed by conventional wet etching technology.
The channel layer can be easily exposed on the surface with good reproducibility by utilizing the characteristics of selective etching of InP and InP or InGaAs and InP. If the upper barrier is only InP, good Schottky characteristics cannot be obtained with the gate electrode, but if the InAlAs layer is placed on top, the Schottky characteristics are improved, and if a contact layer made of InAs is placed on top of it, InAs And InAlAs
Has a conduction band offset of about 0.9 eV,
Compared to the height of the barrier between lAs and the gate electrode (about 0.6 eV), the gate breakdown voltage can be improved, and the superconducting field-effect transistor with the above configuration has a leakage current to the gate in InAs / AlSb quantum well superconducting field-effect transistor Does not occur,
It is also good in terms of material reliability. Further, in the method of manufacturing the superconducting field effect transistor, when the source / drain electrodes are formed in a self-aligned manner by using the gate electrode as a mask, a sufficient step between the channel layer and the gate electrode and the gate electrode and the layer directly under the gate electrode are formed. It is necessary to form an undercut portion between the etching surfaces of the contact layer, etc., but since the contact layer made of InAs acts as a gate metal, the thickness of the contact layer can be set arbitrarily, so a sufficient step can be secured. Since the long axis of the rectangular shaped gate electrode is installed in the <110> direction of the substrate or in a direction rotated by 45 ° from the <110> direction, the etching surface is formed perpendicular to the substrate or in an inverted mesa. Therefore, an undercut portion is formed immediately below the gate electrode. When WSi is used as the gate electrode, it has an ohmic junction with the contact layer made of InAS, WSi can be easily processed by dry etching, and WSi has heat resistance, and is etched by using the gate electrode made of WSi as a mask. After exposing the channel layer of the source and drain regions to the surface,
N-type impurities are ion-implanted using the gate electrode as a mask,
A high-temperature heat treatment can be applied to a manufacturing process such as recovery of crystallinity, and as described above, a superconducting field effect transistor can be manufactured by the easy manufacturing process using the self-alignment method.

【0012】[0012]

【実施例】以下本発明の実施例を記載する。EXAMPLES Examples of the present invention will be described below.

【0013】図1は本発明の超伝導電界効果トランジス
タの実施例の主要断面図である。この実施例の構成が図
4に示した第2の従来例の構成と異なる点は、InP基板
と格子整合したInxAl1-xAs及びInPからなるバリア層とI
nxGa1-xAsからなるチャンネル層により量子井戸型超伝
導電界効果トランジスタで、ゲート電極がWSiで構成さ
れている点である。
FIG. 1 is a main sectional view of an embodiment of a superconducting field effect transistor of the present invention. The structure of this embodiment is different from the structure of the second conventional example shown in FIG. 4 in that a barrier layer made of In x Al 1-x As and InP lattice-matched with the InP substrate and I
It is a quantum well type superconducting field effect transistor with a channel layer made of n x Ga 1-x As, and its gate electrode is made of WSi.

【0014】次に、図2を用いて超伝導電界効果トラン
ジスタの製造方法を説明する。図2aに示すように半絶
縁性のInP基板1上に分子エピタキシーにより厚さ300nm
のIn 0.53Al0.47Asからなる第1のバリアー層2、厚さ25
nmのIn0.53Ga0.47Asからなるチャンネル層3、厚さ1.5n
mのInP、厚さ8nmの5X1018/cm3のn型不純物を含有する
n型InP(n-InP)及び厚さ10nmのInPからなるチャンネル
供給層4、厚さ20nmのIn0.53Al0.47Asからなる第2のバ
リアー層5、厚さ200nmのInAsからなるコンタクト層6
を順次積層する。図2bに示すように電子ビーム蒸着法
により厚さ200nmのWSiを基板上に蒸着し、ゲート長が0.
5μm、ゲート幅50μmのパターンをフォトレジストによ
り形成し、該ゲートパターンをマスクにして、SF6とCF4
の混合ガスによるリアクティブイオンエッチングにより
ゲート電極7を形成する。図2cに示すようにケート電
極7をマスクにしてInAsからなるコンタクト層6、InAl
Asからなる第2のバリアー層5をりん酸と過酸化水素の
水溶液により選択的にエッチング除去し、次に塩酸と燐
酸の混合液によりInPからなるチャンネル供給層4を選
択的にエッチング除去して、In0.53Ga0.47Asからなるチ
ャンネル層3の表面を露出するが、長方形状のゲートパ
ターンを基板の<110>方向から45°回転した方向
に形成しているので、エッチング面はチャンネル層3に
対して垂直になり、ゲート電極7とエッチング面の間に
アンダーカット部が形成される。図2dに示すようにゲ
ート電極7をマスクにして70KVの加速電圧、5X1013/cm3
のドーズ量でSiイオン注入を行い、600℃で10秒の熱処
理による結晶性の回復を施し、ソース領域8a、ドレイ
ン領域8bをそれぞれ形成し、次に電子ビーム蒸着法に
より厚さ100nmのNbを蒸着し、ゲート電極とエッチング
面の間に形成されたアンダーカット部によりゲート電極
と短絡することなく、自己整合的に超伝導材料Nbからな
るソース電極9a、ドレイン電極9bを形成し、メサエ
ッチングにより素子間分離を行い、超伝導電界効果トラ
ンジスタの製造工程を終了する。
Next, the superconducting field effect transistor will be described with reference to FIG.
A method of manufacturing the transistor will be described. Semi-aborted as shown in Figure 2a
Thickness of 300 nm on a limbal InP substrate 1 by molecular epitaxy
In 0.53Al0.47First barrier layer 2 of As, thickness 25
nm In0.53Ga0.47Channel layer 3 made of As, thickness 1.5n
m InP, thickness 8nm 5X1018 / cm3Contains n-type impurities
Channel consisting of n-type InP (n-InP) and InP with a thickness of 10 nm
Supply layer 4, 20 nm thick In0.53Al0.47The second bar made of As
Rear layer 5, contact layer 6 made of 200 nm thick InAs
Are sequentially laminated. As shown in FIG. 2b, electron beam evaporation method
WSI with a thickness of 200 nm was vapor-deposited on the substrate with a gate length of 0.
A pattern of 5 μm and a gate width of 50 μm is formed by photoresist.
Formed, and using the gate pattern as a mask, SF6 and CF4
By reactive ion etching with mixed gas of
The gate electrode 7 is formed. As shown in Figure 2c
Contact layer 6 made of InAs using the electrode 7 as a mask, InAl
The second barrier layer 5 composed of As is formed of phosphoric acid and hydrogen peroxide.
Selectively etched away with aqueous solution, then hydrochloric acid and phosphorus
The channel supply layer 4 made of InP is selected by the mixed solution of acids.
Selective etching removal0.53Ga0.47Chi consisting of As
Although the surface of the channel layer 3 is exposed, a rectangular gate pattern is formed.
The direction in which the turn is rotated 45 ° from the <110> direction of the substrate
Since it is formed on the channel layer 3
It becomes vertical with respect to, and is between the gate electrode 7 and the etching surface.
An undercut portion is formed. As shown in Figure 2d,
70KV acceleration voltage, 5X10 with the gate electrode 7 as a mask13 / cm3
Ion implantation at a dose of 10 ℃ and heat treatment at 600 ℃ for 10 seconds.
The crystallinity is restored by the reason, and the source region 8a and the drain are
Area 8b respectively, and then the electron beam evaporation method is applied.
Evaporate Nb with a thickness of 100 nm and etch with the gate electrode
Gate electrode due to the undercut portion formed between the surfaces
It is made of superconducting material Nb in a self-aligning manner without short-circuiting
A source electrode 9a and a drain electrode 9b are formed,
The elements are separated by etching, and the superconducting field effect transistor is
The manufacturing process of the transistor is completed.

【0015】本発明の実施例においてInP基板に格子整
合したIn0.53Ga0.47AsとIn0.52Al0.4 8Asが使用されてい
るが、格子不整合が転移欠陥を発生しない程度であれば
トランジスタの特性を劣化させない。
[0015] Characteristics of exemplary but In 0.53 Ga 0.47 As and In 0.52 Al 0.4 8 As is used which is lattice matched to the InP substrate in the example, a transistor as long as the lattice mismatch does not occur a transfer defects of the present invention Does not deteriorate.

【0016】[0016]

【発明の効果】このように本発明により、InGaAsをチャ
ンネルとする量子井戸型超伝導電界効果トランジスタに
おいて、InPからなるチャンネル供給層とInAlAsからな
るバリアー層の2層構造の採用により実用化を可能と
し、InAsからなるコンタクト層を用いることによりゲー
ト耐圧の向上等の特性の改善が計られ、極低消費電力化
及び超高速化の実現が可能な超伝導電界効果トランジス
タを提供できる。また自己整合技術により製造工程を非
常に容易にし、超伝導電界効果トランジスタを歩留まり
良く提供できる。
As described above, according to the present invention, a quantum well type superconducting field effect transistor having InGaAs as a channel can be put into practical use by adopting a two-layer structure of a channel supply layer made of InP and a barrier layer made of InAlAs. Further, by using the contact layer made of InAs, it is possible to provide a superconducting field effect transistor capable of improving characteristics such as improvement of gate breakdown voltage and realizing extremely low power consumption and ultra high speed. Further, the self-alignment technique makes the manufacturing process very easy, and the superconducting field effect transistor can be provided with high yield.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例である超伝導電界効果トランジ
スタの主要断面図
FIG. 1 is a main sectional view of a superconducting field effect transistor according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施例である超伝導電界効果トランジ
スタの製造工程図
FIG. 2 is a manufacturing process diagram of a superconducting field effect transistor according to an embodiment of the present invention.

【図3】(a)は第1の従来例の超伝導電界効果トランジ
スタの主要断面図 (b)はゲート電圧無印加時の超伝導電界効果トランジス
タの内部における超伝導近接効果の制御を説明するため
の図 (c)はゲート電圧印加時の超伝導電界効果トランジスタ
の内部における超伝導近接効果の制御を説明するための
FIG. 3A is a main cross-sectional view of a first conventional superconducting field effect transistor, and FIG. 3B illustrates control of the superconducting proximity effect inside the superconducting field effect transistor when no gate voltage is applied. FIG. 3C is a diagram for explaining control of the superconducting proximity effect inside the superconducting field effect transistor when a gate voltage is applied.

【図4】第2の従来例の超伝導電界効果トランジスタの
主要断面図
FIG. 4 is a main sectional view of a second conventional superconducting field effect transistor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半絶縁性InP基板 2 第1のバリアー層(InAlAs) 3 チャンネル層(InGaAs) 4 チャンネル供給層(InP、n型InP、InPの3層構造) 5 第2のバリアー層(InAlAs) 6 コンタクト層(InAs) 7 ゲート電極(WSi) 8 ソース領域 8b ドレイン領域 9a ソース電極(WSi) 9b ドレイン電極(WSi) 1 semi-insulating InP substrate 2 first barrier layer (InAlAs) 3 channel layer (InGaAs) 4 channel supply layer (3 layer structure of InP, n-type InP and InP) 5 second barrier layer (InAlAs) 6 contact layer (InAs) 7 Gate electrode (WSi) 8 Source region 8b Drain region 9a Source electrode (WSi) 9b Drain electrode (WSi)

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】InP基板上に少なくともInP基板と格子整合
したInxAl1-xAsからなる第1のバリアー層、InxGa1-xAs
からなるチャンネル層、n型不純物を導入したInPから
なるチャンネル供給層、InP基板と格子整合したInxAl
1-xAsからなる第2のバリアー層から構成されたエピタ
キシャル層構造を有し、InxAl1-xAsからなる第2のバリ
アー層上にゲート電極を形成し、ソース、ドレイン領域
上のn型InPからなるチャンネル供給層とInxAl1-xAsか
らなる第2のバリアー層を除去して表面に露出されたIn
xGa1-xAsからなるチャンネル層上に超伝導材料からなる
ソース及びドレイン電極を形成することを特徴とする超
伝導電界効果トランジスタ。
1. A first barrier layer made of In x Al 1-x As, which is lattice-matched to at least the InP substrate, and In x Ga 1-x As.
Channel layer made of InP, a channel supply layer made of InP doped with n-type impurities, In x Al lattice-matched with the InP substrate
It has an epitaxial layer structure composed of a second barrier layer made of 1-x As, a gate electrode is formed on the second barrier layer made of In x Al 1-x As, and it is formed on the source and drain regions. In exposed on the surface by removing the channel supply layer made of n-type InP and the second barrier layer made of In x Al 1-x As
A superconducting field-effect transistor characterized in that source and drain electrodes made of a superconducting material are formed on a channel layer made of x Ga 1-x As.
【請求項2】請求項1に記載の超伝導トランジスタにお
いて、上記InxAl1-xAsからなる第2のバリアー層とゲー
ト電極の間にInAsからなるコンタクト層を挿入し、該コ
ンタクト層がゲート金属として働くことを特徴とする超
伝導電界効果トランジスタ。
2. The superconducting transistor according to claim 1, wherein a contact layer made of InAs is inserted between the second barrier layer made of In x Al 1-x As and the gate electrode. A superconducting field effect transistor characterized by acting as a gate metal.
【請求項3】請求項1と請求項2に記載の超伝導電界効
果トランジスタにおいて、長方形の形状をしたゲート電
極の長軸を基板の<110>方向または<110>方向
から45° 回転した方向に設置し、該ゲート電極をマ
スクにしてInAsからなるコンタクト層、InxAl1-xAsから
なる第2のバリアー層とInPからなるチャンネル供給層
を選択的に除去し、該ゲート電極をマスクとして自己整
合的に超伝導体材料からなるソース、ドレイン電極を形
成することを特徴とする超伝導電界効果トランジスタの
製造方法。
3. The superconducting field effect transistor according to claim 1, wherein the major axis of the rectangular gate electrode is the <110> direction of the substrate or a direction rotated by 45 ° from the <110> direction. And using the gate electrode as a mask, the contact layer made of InAs, the second barrier layer made of In x Al 1-x As, and the channel supply layer made of InP are selectively removed to mask the gate electrode. A method of manufacturing a superconducting field effect transistor, characterized in that the source and drain electrodes made of a superconducting material are formed in a self-aligning manner.
【請求項4】請求項3に記載の超伝導電界効果トランジ
スタの製造方法において、ゲート電極がWSiにより形成
されており、該ゲート電極をマスクにしてInAsからなる
コンタクト層、InxAl1-xAsからなる第2のバリアー層と
InPからなるチャンネル供給層を選択的に除去し、ソー
ス、ドレイン領域に相当するInxGa1-xAs層へのn型不純
物のイオン注入と結晶性の回復を施した後、該ゲート電
極をマスクとして自己整合的に超伝導体材料からなるソ
ース、ドレイン電極を形成することを特徴とする超伝導
電界効果トランジスタの製造方法。
4. The method for manufacturing a superconducting field effect transistor according to claim 3, wherein the gate electrode is formed of WSi, and the contact layer made of InAs is masked with the gate electrode, In x Al 1-x. With a second barrier layer made of As
The channel supply layer made of InP is selectively removed, and after ion implantation of n-type impurities into the In x Ga 1-x As layer corresponding to the source and drain regions and recovery of crystallinity, the gate electrode is formed. A method of manufacturing a superconducting field effect transistor, which comprises forming source and drain electrodes made of a superconductor material in a self-aligning manner as a mask.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100485498B1 (en) * 2002-11-29 2005-04-28 한국과학기술원 Fabrication method for a quantum wire on the quantum wire FETs

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