KR100233841B1 - High tc superconducting field effect device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고온 초전도 전계효과 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 펄스 레이저 증착 방법과 포토리소그라피 공정을 이용하여 쌍결정 기판상에 도우핑된 구리계 산화물 박막을 채널층으로, 구리계 산화물 박막을 소오스 및 드레인용 초전도 전극층으로, 티탄산 스트론튬 박막을 게이트 형성을 위한 절연층으로 사용하여 도우핑된 구리계 산화물 박막의 입계를 고온 초전도 전계효과 트랜지스터의 채널층에 형성시켜 이 층의 전하 밀도를 낮추고 임계 전류 변조율을 증진시킬 수 있는 고온 초전도 전계효과 소자 및 그 제조 방법이 개시된다.The present invention relates to a high-Tc superconducting field effect device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a high-Tc superconducting field effect device and a method of manufacturing the same, And a superconducting electrode layer for a drain are used as an insulating layer for forming a gate, and a grain boundary of a doped copper oxide thin film is formed in a channel layer of a HTS transistor to lower the charge density of the layer, A high-temperature superconducting field effect device capable of improving a modulation ratio and a method of manufacturing the same.
Description
본 발명은 고온 초전도 전계효과 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 도우핑된 구리계 산화물 박막의 입계를 고온 초전도 전계효과 트랜지스터의 채널층에 형성시켜 이 층의 전하 밀도를 낮추고 임계 전류 변조율을 증진시킬 수 있는 고온 초전도 전계효과 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high-temperature superconducting field effect device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a high-Tc superconducting field effect transistor in which a grain boundary of a doped copper oxide thin film is formed in a channel layer of a high- The present invention relates to a high-temperature superconducting field effect device and a method of manufacturing the same.
일반적으로 고온 초전도 박막을 이용한 전계효과 소자에는 전기전도의 역할을 하는 채널층으로서 산화물 고온 초전도 박막과 전계를 발생시기는 절연박막 그리고, 게이트 전압이 인가되는 금속 박막층으로 구성된 전계효과 소자가 제시되어 있다. [X.X.Xi et al, Applied Physics Letters., 55 pp 3470-3472 (1991)].In general, a field effect device using a high-temperature superconducting thin film has been proposed as a channel layer serving as an electric conduction, an oxide high-temperature superconducting thin film, an insulating thin film at an electric field generating time, and a metal thin film layer to which a gate voltage is applied . [X.X.Xi et al, Applied Physics Letters, 55 pp 3470-3472 (1991)].
이러한 금속 박막층-절연 박막층-고온 초전도 박막층의 3층 구조를 역전시킨 고온 초전도 박막층-절연 박막층-금속 박막층의 전계효과 소자도 제시되어 있다. [J. Mannhart, et al, Physical Review Letters, Vol. 67, No. 15, pp 2099-2101(1991), U.S.Patent 5278136 (1994)].The field effect device of the metal thin film layer - insulating thin film layer - high temperature superconducting thin film layer - insulating thin film layer - metal thin film layer which reverses the three layer structure of the high temperature superconducting thin film layer is also proposed. [J. Mannhart, et al., Physical Review Letters, Vol. 67, No. 15, pp 2099-2101 (1991), U.S. Patent 5278136 (1994)].
또한, 산화물 고온 초전도 박막에 인위적으로 약결합 부위를 생성시켜 이를 게이트로 사용하는 전계효과 소자가 제시되어 있다. 고온 초전도 박막의 약결합 부위를 채널로 사용한 전계효과 소자구조는 고온 초전도 박막내에 인위적으로 약결합의 역할을 하는 입계를 생성시켜 이 입계를 채널로 사용하고 있다. 기존에는 고온 초전도 박막이 증착되는 기판 표면의 일정 부위를 연마하여 다수의 홈을 만든 후, 기판에 고온 초전도 박막을 성장시키면 홈이 생성된 기판 표면 부위에 성장된 고온 초전도 박막에서는 입계군이 생성되어 이를 채널로 사용한 전계효과 소자가 제시되어 있다. [J. Mannhart et al, Applied Physics Letters, 62(6) pp 630-632(1993)].In addition, a field effect device has been proposed in which a weak bonding site is artificially formed in an oxide high-temperature superconducting thin film and used as a gate. The field effect device structure using the weak bonding region of the high temperature superconducting thin film as a channel creates a grain boundary which plays a role of artificially weak bonds in the high temperature superconducting thin film and uses the grain boundary as a channel. When a high-Tc superconducting thin film is grown on a substrate by polishing a certain portion of the surface of the substrate on which the high-Tc superconducting thin film is deposited, a high-Tc superconducting thin film grown on the substrate surface is formed And a field effect device using this as a channel is proposed. [J. Mannhart et al., Applied Physics Letters, 62 (6) pp 630-632 (1993)].
또한, 기판의 결정배향 방위가 다른 2개의 단결정을 접합하여 만든 쌍결정 기판을 이용하여 고온 초전도 박막을 성장시켜 쌍결정의 접합부에 성장한 고온 초전도 박막에서 입계가 생성되어 이를 채널로 사용하는 전계효과 소자도 제시되어 있다. [K. Nakajima et al, Applies Physics Letters 63(5), pp 684-686 (1993), Z. G. Ivanov et al,IEEE Transcations on Applied Superconductivity. Vol. 3, No. 1, pp 2925-2928(1993)].In addition, a high-temperature superconducting thin film is grown using a twin crystal substrate formed by joining two single crystals having different crystal orientation orientations of the substrate, and a grain boundary is generated in the high-temperature superconducting thin film grown on the junction of the twin crystals, . [K. Nakajima et al, Applies Physics Letters 63 (5), pp 684-686 (1993), Z. G. Ivanov et al, IEEE Transcations on Applied Superconductivity. Vol. 3, No. 1, pp 2925-2928 (1993)].
그러나, 상기와 같은 종래의 소자들은 채널층으로 모두 YBa2Cu307-x 고온 초전도 박막 자체나 이것의 입계 접합을 이용하므로, 전하 밀도는 YBa2Cu307-x 박막 자체가 채널층일 때 5x1021cm-3정도이고, 입계 접합에서는 이보다 1/10 에서 1/100 감소된 값을 갖게 된다. 그런데 전하 밀도가 낮을수록 전계효과는 크게 나타나므로, 전하 밀도가 낮은 초전도 채널층을 사용하면 큰 전계효과 트랜지스터를 만들 수 있다.However, since the conventional devices use the YBa 2 Cu 3 O 7 -x high-temperature superconducting thin film itself or the intergranular junction thereof as the channel layers, the charge density is such that the YBa 2 Cu 3 O 7 -x thin film itself becomes the channel layer 5 × 10 21 cm -3 , and at the intergranular junction, it is reduced from 1/10 to 1/100. However, the lower the charge density, the greater the field effect. Thus, the use of a superconducting channel layer having a low charge density can produce a large field effect transistor.
따라서, 본 발명은 도우핑된 구리계 산화물 박막을 이용한 쌍결정 입계 접합을 채널로 사용하므로써 고온 초전도 채널층의 변조율을 증진시킬 수 있는 고온 초전도 전계효과 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a high-temperature superconducting field effect device capable of enhancing a modulation ratio of a high-temperature superconducting channel layer by using a bipolar intergranular junction using a doped copper-based oxide thin film as a channel and a method of manufacturing the same. .
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고온 초전도 전계효과 소자는 쌍결정 기판과, 상기 쌍결정 기판 상부에 적층되는 PrBa2Cu3O7-x 버퍼층과, 상기 PrBa2Cu3O7-x 버퍼층 상부에 적층되는 YBa2Cu307-x 채널층과, 상기 쌍결정 기판의 입계로부터 YBa2Cu307-x 채널층까지 연결된 입계와, 상기 YBa2Cu307-x 채널층 상부에 적층된 보호층과, 상기 보호층 상부에 적층될 게이트 절연층과, 상기 채널층 양쪽 끝에 형성된 초전도 소오스 전극 및 드레인 전극과, 상기 입계 접합의 상단에 배치된 게이트 전극으로 구성된 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a high-temperature superconducting field effect device comprising a pair of crystal substrates, a PrBa 2 Cu 3 O 7 -x buffer layer stacked on the pair of crystal substrates, and a PrBa 2 Cu 3 O 7 -x YBa stacked on top buffer layer 2 Cu 3 0 7 -x channel layer and, from the grain boundary of the YBa 2 Cu 3 0 7 -x pair crystal substrate and the grain boundary, the YBa 2 Cu connected to the channel layer, the channel layer 3 0 7 -x And a gate electrode disposed at an upper end of the intergranular junction, wherein the superconducting source electrode and the drain electrode are formed at both ends of the channel layer, .
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고온 초전도 전계효과 소자 제조 방법은 쌍결정 기판 상부에 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 버퍼를 상부에 초전도 채널층을 형성하는 단계와, 상기 쌍결정 기판의 입계로부터 상기 채널층까지 고온 초전도 박막을 성장시켜 입계를 형성하는 단계와, 상기 초전도 채널층 상부에 초전도 채널, 보호층을 형성하는 단계와, 상기 보호층 상부에 게이트 절연층을 형성하는 단계와, 상기 채널층 양쪽 끝에 초전도 소오스 전극 및 드레인 전극과 상기 입계 접합의 상단에 게이트 전극을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a high-Tc superconducting field effect device, comprising: forming a buffer layer on a substrate; forming a superconducting channel layer on the buffer; Forming a superconducting channel and a protective layer on the superconducting channel layer, forming a gate insulating layer on the protective layer, forming a gate electrode on the superconducting channel layer, And forming a superconducting source electrode and a drain electrode at both ends of the channel layer and a gate electrode at an upper end of the intergranular junction.
상술한 바와 같은 초전도 전계효과 소자 구조에 의하면, 이미 잘 알려진 바와 같이 입계상의 전하 밀도는 벌크에 비해 크게 저하되고, 계면 전하 상태가 유기되어 전계에 의한 입계 결합의 특성 변조는 YBa2Cu307-x 초전도 초박막 자체의 전계효과에 비해 매우 크다. 이러한 입계 접합을 포함하는 YBa2Cu307-x 초전도 채널층에 전하 밀도를 낮추기 위해 도우핑을 하게 되면 더 큰 변조율을 갖는 초전도 전계효과 트랜지스터를 만들 수 있다.According to the superconducting field effect device structure as described above, the charge density of the intergranular phase is significantly lower than that of the bulk, and the interfacial charge state is induced and the characteristic modulation of the intergranular coupling due to the electric field is performed by YBa 2 Cu 3 O 7- x superconducting super thin film itself. Doping to lower the charge density on the YBa 2 Cu 3 0 7 -x superconducting channel layer, including these intergranular junctions, can result in a superconducting field effect transistor with greater modulation.
첨부된 도면은 본 발명에 따른 도우핑된 구리계 산화물 초전도 박막을 이용한 고온 초전도 전계효과 소자의 단면도.FIG. 1 is a sectional view of a high-temperature superconducting field effect device using a doped copper-based oxide superconducting thin film according to the present invention. FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS
1 : 쌍결정 기판 2 : 쌍결정 입계1: Pair crystal substrate 2: Pair crystal grain boundary
3 : PrBa2Cu3O7-x 4 : 도우핑될 YBa2Cu3O7-x 채널층 3: PrBa 2 Cu 3 O 7 -x 4: dough be ping YBa 2 Cu 3 O 7 -x channel layer
5 : SrTiO3보호층 5 : 비정질 SrTiO3게이트 절연층5: SrTiO 3 protective layer 5: amorphous SrTiO 3 gate insulating layer
7 : 소오스 전극 8 : 드레인 전극7: source electrode 8: drain electrode
9 : 게이트 전극9: gate electrode
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
첨부 도면은 본 발명의 실시예에 따른 도우핑된 YBa2Cu307-x 고온 초전도 박막을 이용한 전계효과 소자의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a field effect device using a doped YBa 2 Cu 3 O 7 -x high temperature superconducting thin film according to an embodiment of the present invention.
고온 초전도 전계효과 소자의 구조는 쌍결정 기판(1) 상부에 PrBa2CH3O7-x 버퍼층(3), 도우핑된 YBa2Cu307-x 채널층(4), 쌍결정 기판(1)의 입계로부터 채널층(4)까지 연결된 입계(2), 채널층(4) 위에 증착된 보호층(5), 게이트 절연층(6), 채널 양쪽끝에 형성된 초전도 소오스 전극(7)과 드레인 전극(8) 및 입계 접합 상단에 배치된 게이트 전극(5)이 순차적으로 적충된 구조를 갖게 된다.The structure of the high-temperature superconducting field effect device includes a PrBa 2 CH 3 O 7 -x buffer layer 3 , a doped YBa 2 Cu 3 O 7 -x channel layer 4, a paired crystal substrate A gate insulating layer 6 formed on both sides of the channel layer 4 and a superconducting source electrode 7 formed on both ends of the channel and a drain layer 4 formed on the channel layer 4, The electrode 8 and the gate electrode 5 disposed at the upper end of the intergranular junction are sequentially stacked.
쌍결정 기판(1) 상부에 버퍼층(3), 초전도 채널층(4), 초전도 채널 보호층(5)을 증착하는 제1단계 공정은 다음과 같다. 쌍결정 기판(1)은 산화물 단결정 기판으로 SrTiO3(100), MgO(100), YSZ(Yttria-stabilized zirconia)(100)와 같은 산화물 단결정 기판 두 개가 일정한 각도를 이루면서 서로 접합된 기판의 (100)면을 이용한다. 버퍼층(3)으로는 PrBa2Cu3O7-x 박막을 사용하는데, 이는 도우핑된 YBa2Cu307-x 고온 초전도 박막 내부에 발생되는 웅력을 제거하기 위함이다. 버퍼층(3)의 증착은 [표 1]의 조건에 의해 펄스 레이저 증착법으로 실시한다.The first step of depositing the buffer layer 3, the superconducting channel layer 4 and the superconducting channel protective layer 5 on the paired crystal substrate 1 is as follows. The paired crystal substrate 1 is an oxide single crystal substrate having two oxide single crystal substrates such as SrTiO 3 (100), MgO (100) and YSZ (Yttria-stabilized zirconia) ) Plane. The buffer layer 3 is for use with a thin-film PrBa 2 Cu 3 O 7 -x, which is to remove the ungryeok generated inside the YBa 2 Cu 3 0 7 -x high temperature superconducting thin film doped. Deposition of the buffer layer 3 is performed by a pulse laser deposition method under the conditions shown in Table 1.
PrBa2Cu3O7-x 버퍼층(3)을 증착한 후 연속해서 YBa2Cu2.79Co0.2107-x (이하 Co-YBC0라 칭함)의 조성을 갖는 타깃을 사용하여 [표 2]의 조건에 의해 초전도(Co-YBCO) 채널층(4)을 증착한다.After the deposition of the PrBa 2 Cu 3 O 7 -x buffer layer 3, the target was continuously deposited using the target having the composition of YBa 2 Cu 2.79 Co 0.2107 -x (hereinafter referred to as Co- YBC0 ) (Co-YBCO) channel layer 4 is deposited.
초전도(Co-YBCO) 채널층(4)을 증착한 후 상기 초전도(Co-YBCO) 채널층(4)의 보호층(5)으로 SrTiO3를 [표 3]의 조건에 의해 증착한다.After the superconducting Co-YBCO channel layer 4 is deposited, SrTiO 3 is deposited on the protective layer 5 of the superconducting Co-YBCO channel layer 4 under the conditions shown in Table 3.
제2 단계로는 증착된 박막층을 마이크로 브리지(micro-bridge) 형태로 건식 식각한다. 일반적인 광 리소그래피 공정으로 포토레지스트를 현상하고, 이온빔 식각 공정으로 증착될 박막을 식각한다.In the second step, the deposited thin film layer is dry-etched in the form of a micro-bridge. The photoresist is developed by a general photolithography process and the thin film to be deposited is etched by the ion beam etching process.
제3 단계는 게이트 절연층(6)을 형성하기 위한 공정으로 비정질 SrTi03박막을 [표 4]의 조건에 의해 증착한다.In the third step, the amorphous SrTiO 3 thin film is deposited according to the conditions shown in Table 4 as a process for forming the gate insulating layer 6.
이상의 방법으로 증착될 게이트층은 전극 부착을 위해 소오스와 드레인 부위만을 광 리소그래피 공정으로 포토레지스트를 현상한 후 습식 식각 방법으로 제거한다.The gate layer to be deposited by the above method is formed by developing the photoresist by a photolithography process only by the source and drain regions, and then by wet etching.
제4 단계 공정은 소오스 전극(7), 드레인 전극(8) 및 게이트 전극(9)에 순금 전극층을 형성하는 공정으로 [표 5]의 조건에 의해 먼저 순금층을 증착한다.The fourth step is a step of forming a pure gold electrode layer on the source electrode 7, the drain electrode 8 and the gate electrode 9 by depositing a pure gold layer according to the conditions shown in Table 5.
증착된 순금층을 일반적인 광 리소그래피 공정으로 포토레지스트를 현상하고 이온빔 식각 공정으로 소오스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 미세 형상화한다.The photoresist is developed by a general photolithography process and the source electrode, the drain electrode and the gate electrode are finely patterned by the ion beam etching process.
상술한 바와 같은 실시예에 따라 제작된 본 발명의 고온 초전도 전계효과 소자는 고온 초전도 채널층의 전하 밀도가 도우핑에 의해 낮아진 만큼 채널층의 전이 온도 및 임계 전류의 변조율이 증진된다.The high temperature superconducting field effect device of the present invention fabricated according to the embodiment described above improves the transition temperature of the channel layer and the modulation ratio of the critical current as the charge density of the HTSG layer is lowered by doping.
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