本发明专利技术的场效应晶体管由作为栅极的导电性基底（２）、一个绝缘势垒层（３）和势垒层（３）上的一个超导沟道层（１）所组成。超导层（１）附装着一对相距一定距离的电极（４，５），分别构成源极和漏极，基底上设有一个适当的栅极接点。基底（２）由与势垒层（２）属于同一结晶体群的材料所构成。在本发明专利技术的一个最佳实施例中，基底（２）是一个掺铌的钛酸锶，势垒层（３）是一个无掺杂元素的钛酸锶，超导体（１）是一个薄膜。（*该技术在2011年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本专利技术是乔治等人于1991年12月6日递交的专利技术名称为“带倒置的MISFET结构的超导场效应晶体管及其制作方法”、申请号为91111456.4的专利技术专利申请的分案申请。本专利技术涉及具有由高Tc(临界温度)超导材料构成的电流沟道的场效应晶体管，该超导材料的传导性可以重复地被一个电场所作用。该场效应晶体管的结构是一个基底作为栅极的、倒置的金属绝缘超导体场效应晶体管(MISFET)。几十年来，电子工业在缩小电子元件和电路的体积以实现操作速度的提高和能量消耗的减少上作出了巨大的努力，这些努力已经导致了集成电路的发展。在体积只有几个立方毫米的多层陶瓷部件上，可以容纳成千上万个晶体管和其它电路组件。由于在其内部缩短了电子需要运行的路径，这些部件具有很高的工作速度，所有这些现代化的电路都采用了先进的半导体材料，如硅和砷化镓。由Bednorz和Miiller发现的新型系列的超导体材料开辟了另一条更加低能耗的新路，并且引起世界范围在电路上尽可能应用这些材料的探索。许多在铜氧化物的电场效应方面的研究，已有所报道(如U.Kabasawa等人在日本杂志《应用物理》29L86,1990中作的报道)。但在目前为至，在高Tc超导体中只发现了很小的场效应。然而，EP-A-0324,044描述了一种三端场效应部件，这个部件带一个超导沟道，在这个沟道中电场被用来控制由高Tc超导体材料组成的沟道层的传导特性。这似乎是一个有希望的途径，但对这种部件的进一步研究表明，该专利建议的结构中的超薄的超导层的特性在绝缘层和上部电极的淀积过程中很容易劣化。在本专利技术中，通过在绝缘层形成后再淀积超导薄膜，并将栅电极置于绝缘体和高-Tc膜之下，上述缺陷就会避免。此外，在本专利技术中，用导电的基底作为栅电极。为了便于更理想的晶体的生长，基底和绝缘体是从同一结晶体群材料中选择出来的，即所选择材料的晶格常数至少大致相等。例如，导电的掺入Nb的SrTiO3用来作为基底，什么都不掺的SrTiO3用来作为绝缘层。高Tc超导体结构中的掺铌的钛酸锶Nb:SrTiO3在H.Hasegawar等人的论文“高-Tc超导体与掺Nb的SrTiO3之间的连接”(见日本杂志《应用物理》第28卷，12期，1988年12月PP.L2210-L2212)以及他们的EP-A-0371462中作了描述。这些参考资料描述了一个二极管结构，其中超导薄膜被淀积在一个掺铌的Sr-TiO3基底上。这“表明在两种材料之间存在一个未知的界面层”，这就是本专利技术所解决的问题。本专利技术是针对于近来发现的存在于很薄的超导薄膜内部的巨大的电场效应，在实验数据的基础上作出的。这些实验是采用氧化铜系列超导体材料，特别是YBa2Cu3O7-δ而进行的。很薄的超导薄膜YBa2Cu3O7-δ从EP-A-0293836中可以了解。YBa2Cu3O7-δ的外延生长在EP-A-0329103中也有所描述。为了实现本专利技术的目的，“δ”值被认为0(理想情况下)，但可以大到0.5。对高-Tc超导体材料了解的人将会意识到，许多那个系列的其它材料同样适用于MISFET类型的场效应晶体管结构。此外，高-Tc材料和SrTiO3的薄膜淀积的其它方法也是众所周知的，如激光蒸发，电子束蒸发和分子束外延生长。虽然字头缩写“MISFET”通常都用来表示“Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor”(金属绝缘体半导体场效应晶体管)结构，这个术语在下面的陈述中用来描述一个类似的结构，尽管所描述的本专利技术的具体实例将采用不同的材料，即，用导电的掺铌SrTiO3代替金属，并用超导体代替半导体。根据本专利技术制成的MISFET结构可以跨过绝缘的SrTiO3势垒层对超薄的外延生长的YBa2Cu3O7-δ沟道层施加大于107V/cm的电场。射频磁控管溅射而形成的YBa2Cu3O7-δ的外延生长在EP-A-0343649中已有描述，在这些结构中，当栅电压达到50V的数量级时，YBa2Cu3O7-δ膜的常态电阻率和自由载流子的密度都会有很大的改变。在高-Tc超导体材料发现后不久，Bednorz等人在前述的EP-A-0324044中从理论上预言，高-Tc超导体材料能承受一个比低Tc超导材料大得多的电场效应。导体材料中被屏蔽的静电场的长度大小由德拜长度LD=(εoεrKT/q2n)1/2和最终耗尽带的宽度LDZ=N/n之和LD+LDZ的形式给出。在这里，εo和εr分别为真空介电常数和导体介电常数，K是波尔兹曼常数，T是绝对温度，q是电荷数，n是运动的载流子的浓度，N是感应区域的载流子浓度。由于载流子浓度很高，低Tc超导体通常将电场屏蔽得相当好，以至于电场对材料的特性仅有很小的影响。为了衰减屏蔽作用，近来有关低温超导体的电场效应方面的实验都集中于具有特别低的载流子浓度的化合物上，如以铌作为掺杂剂的掺杂SrTiO3。在高Tc超导体化合物中，由于它们所固有的低载流子浓度和很小的相干长度，因而可以期望得到较大的电场效应。大约3-5×1021/cm3的低载流子浓度将导致10个毫微米范围内的屏蔽长度，并且很小的相干长度就可以实现在相当精确的温度下的超薄层的生产。薄于1-2nm的超导膜的生产技术已经成熟了，电场可以相当程度地穿透这种薄膜。本专利技术的一个目的就是提出一具有倒置的MISFET结构的超导场效应晶体管，其中超导沟道层被淀积在绝缘势垒层之上，以便降低已发现的削弱现有元件功能的电场效应。本专利技术的另一个目的就是示教一种制作超导场效应晶体管的方法，它的倒置的MISFET结构可以使淀积超导沟道层在淀积绝缘势垒层之后进行。本专利技术的另一个目的在于提出一种把具有至少大致相同的晶格常数的材料用作基底和绝缘层以保持晶体完整性的方法。附图说明图1是本专利技术的第一实施例的场效应管的示意图。图2是本专利技术的第二实施例的场效应管的示意图。图3表示了图1的场效应管的IG/VG曲线。图4显示的是随着栅电压VG的改变沟道电阻率的变化示意图。图5显示了随着绝对温度的改变沟道电阻率的变化情况。为了将大电场应用于YBa2Cu3O7超导薄膜，在本专利技术中采用了如图1所示的倒置的MISFET结构。在这个结构中，厚度为S的超导薄膜1与栅电极2被厚度为t的绝缘层3隔开。除了超导体的厚度以外，电阻率ρi和绝缘体的穿透场强EBD都是决定性的参数。如果忽略空间电荷的作用，所需的EBD值和ρi的值可以简单地估算出来。为了减少相对于稳定的运动载流子的浓度n而形成的超导膜1的表面电荷浓度，由栅电极2和超导膜1所组成的电容器就由电压VG所偏压，VG=qnstϵ0ϵi---(1)]]>其中，εi是绝缘体3的介电常数，等式(1)就意味着，为了稳定地调整高Tc超导体内载流子的浓度，介电常数εi和穿透场强EBD的乘积εi×EBD必须达到108V/cm的数量级(作为比较SiO2在室温下的εi×EBD之乘积是4×107V/cm)。此外，绝缘体的常态电阻率必须足够高以避免导致输入损失VG×IG的漏电流的产生。对于一个非常典型的状态IG＜IDS/100,IDS=10μA，且栅电极2的面积为1mm2，在操作温度下，电阻率必须高于1014Ωcm/εi。根据这本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种超导体场效应晶体管，其特征在于包括： 一个导电性基底，由某结晶体群中的第一材料的单晶体组成，所述晶体具有预定的晶体取向； 一个栅极，由一个到所述基底的接点构成； 一个绝缘势垒层，在所述基底的上表面上，所述绝缘势垒层由所述结晶体群中的第二材料组成，并且具有与预定晶体取向相同的晶体取向； 一个超导薄膜层，在所述绝缘势垒层的上表面上； 一对金属端片，在所述超导薄膜的上表面上，第一金属端片是源极，第二金属端片是漏极；以及 一个由电场控制的电流沟道，位于两个金属端片之间的所述超导薄膜层中。
【技术特征摘要】
EP 1991-1-7 91810006.61．一种超导体场效应晶体管，其特征在于包括一个导电性基底，由某结晶体群中的第一材料的单晶体组成，所述晶体具有预定的晶体取向；一个栅极，由一个到所述基底的接点构成；一个绝缘势垒层，在所述基底的上表面上，所述绝缘势垒层由所述结晶体群中的第二材料组成，并且具有与预定晶体取向相同的晶体取向；一个超导薄膜层，在所述绝缘势垒层的上表面上；一对金属端片，在所述超导薄膜的上表面上，第一金属端片是源极，第二金属端片是漏极；以及一个由电场控制的电流沟道，位于两个金属端片之间...
【专利技术属性】
技术研发人员：贝德诺茨J乔治，曼哈特J迪特尔，米勒C亚历山大，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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