專利名稱：超電導(dǎo)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用電場(chǎng)效應(yīng)的大電流容量的超電導(dǎo)晶體管。
在半導(dǎo)體的技術(shù)領(lǐng)域中作為用于高速地對(duì)大容量的電流進(jìn)行開關(guān)的元件廣泛使用的有晶閘管、GTO(閘門電路斷開)晶閘管、功率晶體管、功率MOS·FET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)等。
晶閘管、GTO晶閘管、功率晶體管等所制造的元件已達(dá)1KA級(jí)，而這些元件由于不能避免因在半導(dǎo)體PN結(jié)處的阻擋層電壓所引起的損耗，故在其導(dǎo)電時(shí)會(huì)發(fā)生大量發(fā)熱或功率損耗，又開關(guān)時(shí)間也為30微秒左右，很慢。
功率MOS·FET的開關(guān)時(shí)間為0.1微秒，較高速，但由于其導(dǎo)通時(shí)的電阻大而不能做到大容量化，故目前只能提供具有幾安培左右的電流容量的晶體管。
可是，在技術(shù)已比以前取得進(jìn)步的現(xiàn)狀下要求可使大容量電流、開關(guān)的高速性、導(dǎo)通時(shí)的功率損耗最小、電流切斷時(shí)能完全關(guān)斷等這些特性更加提高的元件。
現(xiàn)已經(jīng)提出了符合這些要求的使用如圖3-圖6所示的超電導(dǎo)體的元件。
圖3的元件是在如n-In Sb、n-In As的n型半導(dǎo)體11上以相干(コヒ-レンス)長L(例如0.5微米)的間隔來層疊上由In(銦)制造的超電導(dǎo)體組成的源極12和漏極13，并在半導(dǎo)體11的下側(cè)經(jīng)SiO2、Si3N4等的絕緣層14設(shè)置鋁Al制的門極15，又由于半導(dǎo)體層11和超電導(dǎo)體的兩電極12、13在電氣上是絕緣的，故在這些之間配置由和上述絕緣層14相同的材料所形成的絕緣層16。
在圖3的元件構(gòu)造上，當(dāng)在門極15上不加電壓時(shí)由于源極12和漏極13的鄰近效應(yīng)的作用兩電極12、13以高電阻導(dǎo)通，當(dāng)在門極15上加電壓時(shí)，使源極12、漏極13之間的半導(dǎo)體11的載流子濃度改變，因此上述相干長L也變化，并控制源極12、漏極13之間為非導(dǎo)通狀態(tài)。
圖4的元件是在具有超電導(dǎo)體的源極12、漏極13的一側(cè)上配置門極15，但除此之外其他的結(jié)構(gòu)與圖3的元件的結(jié)構(gòu)相同。
圖4的元件構(gòu)造的動(dòng)作也和圖3所示的元件相同。
圖5的元件是在半導(dǎo)體11上層疊具有其膜很薄的部分(薄膜部17)的超電導(dǎo)體層18、在此薄膜部17之上經(jīng)絕緣層19設(shè)置上部電極20，而在半導(dǎo)體層11的下側(cè)則設(shè)置下部電極21。
在圖5的元件構(gòu)造上由于正常狀態(tài)到超電導(dǎo)狀態(tài)的鄰近效應(yīng)在半導(dǎo)體層的載流子濃度調(diào)制的影響下，使此部分的超電導(dǎo)體成為非超電導(dǎo)體，和在圖3-圖4中所述的相同，通過向上部電極20和下部電極21加電壓來控制其導(dǎo)通情況而進(jìn)行動(dòng)作。
圖6的元件是在由MgO形成的膜厚100
的介質(zhì)體層23上，形成由In-InOX所形成的40
的超電導(dǎo)體層24，并在此介質(zhì)體層23的下側(cè)上設(shè)有Al制的門極。
在圖6的元件構(gòu)造上，通過加到門極25上的電壓，使在門極部分上的超電導(dǎo)體層的載流子濃度改變，并控制超電導(dǎo)體層的導(dǎo)電性。
此圖6的元件和圖3-圖5所示的元件相比，由于不利用鄰近效應(yīng)，故不受所謂將超電導(dǎo)體間設(shè)定約為相干長的制約。
上述的各已有技術(shù)都是在研究階段發(fā)表的，故其中留下的課題是應(yīng)解決下述的事項(xiàng)。
在圖3-圖5所示的元件的場(chǎng)合，可得到通·斷的高速性，但由于被控制的電流為隧道電流，或約瑟夫森電流，故要進(jìn)行大容量電流的控制是困難的。
而且由于受到所謂將超電導(dǎo)體間構(gòu)成為相干長以下的制約，故有必要因此而作微細(xì)加工。
附帶說明的是在氧化物超電導(dǎo)體中由于相干長為金屬系超電導(dǎo)體的1/10-1/100，故需作100
以下的細(xì)微加工，加工難度極高。
關(guān)于圖6所示的元件，其原理與半導(dǎo)體的電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的原理相似，如從此原理來看，需要使可注入到超電導(dǎo)層的耗盡層的量和超電導(dǎo)體層的載流子密度在程度上大致相同，能使用的材料必需是如In-InOx那樣的載流子密度低的超電導(dǎo)體。
這意味著使用超電導(dǎo)體層時(shí)的臨界溫度很低。
即能作為元件而進(jìn)行動(dòng)作的溫度下降，例如低于液體氦的溫度(4.2K)等，而脫離了實(shí)用范圍。
而且這種低載流子密度性由于還意味著超電導(dǎo)體層的臨界輸送電流下降，故作為元件而進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作的電流變小。
在圖6的元件上即使想使耗盡層的量增加，但如In-InOx那樣的低載流子密度的超電導(dǎo)體由于是非晶體型In和氧化In結(jié)晶的混合相，故在其上層積良好質(zhì)量的絕緣層(介質(zhì)體層)是很困難的，且會(huì)引起絕緣層的擊穿、可加上的門電壓下降、耗盡層的注入量惡化等不良的事態(tài)。
鑒于這樣的技術(shù)課題，本發(fā)明的目的在于提供一種不利用約瑟夫森效應(yīng)、鄰近效應(yīng)控制少數(shù)載波子，而是通過電場(chǎng)效應(yīng)直接控制超電導(dǎo)溝道的多數(shù)載流子、且很容易制成大容量的超電導(dǎo)晶體管。
屬于特定發(fā)明的超電導(dǎo)晶體管為了達(dá)到預(yù)期的目的，其特征在于在基板上外延生長成的氧化物超電導(dǎo)體層之上配置源極、漏極，同時(shí)在此兩電極之間的超電導(dǎo)體層上經(jīng)外延生長成的絕緣膜配置門極，設(shè)上述超電導(dǎo)體層的厚度為dc、超電導(dǎo)體層的介電常數(shù)為ε、超電導(dǎo)體層的載流子濃度為n、與超電導(dǎo)體層的禁帶(forbiddenband)寬度相對(duì)應(yīng)的電壓為Vf，則超電導(dǎo)體層的厚度dc為d c ≤( 2 ε V f ) / n。]]>屬于相關(guān)發(fā)明的超電導(dǎo)晶體管為了達(dá)到預(yù)期目的，其特征在于在基板上外延生長成的氧化物超電導(dǎo)體層配置源極、漏極，同時(shí)在該兩電極之間的超電導(dǎo)體層的兩面上經(jīng)外延成長的絕緣膜以對(duì)置方式配置門極，設(shè)上述超電導(dǎo)體層的厚度為dc、超電導(dǎo)體層的介電常數(shù)為ε、超電導(dǎo)體層的載流子濃度為n、與超電導(dǎo)體層的禁帶寬度相對(duì)應(yīng)的電壓為Vf，則超電導(dǎo)體層的厚度dc為d c ≤ 2( 2 ε V f ) / n]]>一般的電場(chǎng)效應(yīng)晶體管通過第3電極(門極)在靜電方面使電流通路的導(dǎo)電率變化來控制電流。
與此相反，本發(fā)明的超電導(dǎo)晶體管以絕緣物的薄膜覆蓋超電導(dǎo)體溝道、通過在其上形成的金屬電極來調(diào)制超電導(dǎo)體層的導(dǎo)電率。
為此，由于有必要弄清楚用以通過電場(chǎng)效應(yīng)在超電導(dǎo)體層上形成耗盡層的條件，故以下就此進(jìn)行說明。
應(yīng)加到超電導(dǎo)晶體管上的門電壓，其一部分加到絕緣膜上，而其殘余部分則加到超電導(dǎo)體層上。
如設(shè)此時(shí)的所加電壓為V、超電導(dǎo)體層的介電常數(shù)為ε、載流子濃度為n，則超電導(dǎo)體層的耗盡層的厚度d將由下面的Ⅰ式給出。
d c ≤( 2 ε V ) / n…… I]]>式中，如V超過與超電導(dǎo)體層的禁帶的寬度相對(duì)應(yīng)的電壓Vf，則在超電導(dǎo)體層表面上會(huì)形成反型層，出現(xiàn)反電荷(薄電子層)，故V必需低于Vf。
因而，為了使超電導(dǎo)體溝道完全耗盡，就超電導(dǎo)體層的厚度dc來說最好能使之滿足下面的Ⅱ式，為了使dc變厚、而希望有載流子濃度小的超電導(dǎo)體。
d c ≤( 2 ε V f ) / n……Ⅱ]]>因而，在YBaCuO系的氧化物超電導(dǎo)體中其禁帶寬度為3ev左右，并令其介電常數(shù)和同類的鈣鈦礦結(jié)晶相同的20ε0，如設(shè)載流子濃度為1021/cm3，則dc小于25
。
此值可以通過使之滿足下列的Ⅲ式例如在超電導(dǎo)體層的兩面上經(jīng)絕緣膜分別配置門極，可使其為2倍。
d c ≤( 2 ε V f ) / n…… Ⅲ]]>在有關(guān)本發(fā)明的超電導(dǎo)晶體管中，氧化物超電導(dǎo)體層，不僅具有高臨界溫度，還具有低載流子密度，高臨界電流密度等特性。
在本發(fā)明的超電導(dǎo)晶體管中，將例如絕緣層、絕緣膜、超電導(dǎo)體層層積為如絕緣層-超電導(dǎo)體層-絕緣膜那樣，這就成為三層構(gòu)造的平面型，在其上就無必要進(jìn)行微細(xì)加工。
此三層在用外延晶體生長法形成疊層時(shí)，可得到具有高臨界電流密度的超電導(dǎo)體層，由于可得到比其質(zhì)量更好的絕緣膜，故可具有大擊穿電壓且可使之高效率地發(fā)生耗盡層。
其結(jié)果是，氧化物超電導(dǎo)體層可發(fā)揮很大的電場(chǎng)效應(yīng)。
為了將本發(fā)明的超電導(dǎo)晶體管作為元件而使其工作，需要將其超電導(dǎo)體層的厚度設(shè)定為如上述的Ⅱ式、Ⅲ式那樣。
本發(fā)明的超電導(dǎo)晶體管由于在超電導(dǎo)體層上流動(dòng)的電流為輸電電流，故可如圖3、圖4所示，用比已有例更大的電流進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作。
下面就根據(jù)本發(fā)明的超電導(dǎo)晶體管的實(shí)施例，參照

圖1進(jìn)行說明。
在p型Si基板1上、由n型Si形成的厚度小于1微米的下部門極2是通過注入離子而形成的。
在含有下部門極2的p型Si基板1的上面，為取得晶格匹配，通過外延生長而形成由MgAl2O4組成的緩沖絕緣層3，并在緩沖絕緣層3的上面通過外延生長而形成由SrTiO3組成的下部門極絕緣膜4。
在下部門極絕緣膜4上通過外延生長形成由Y1Ba2Cu3O6.8組成的超電導(dǎo)膜5，并在超電導(dǎo)膜(層)5上形成由SrTiO3組成的上部門極絕緣膜6。
在上部門極絕緣膜6上形成由歐姆的Ag電極組成的源極7a和漏極7b，這些電極7a、7b之間成為預(yù)定的溝道長度(寬度)。
又，在上部門極絕緣膜6上形成門電極8。
圖1所示的超電導(dǎo)晶體管作為一例以下列方式進(jìn)行制作。
首先，在p型(100)Si基板1上經(jīng)P(磷)離子注入手段，形成由n型Si組成的厚度為0.25微米的下部門極2。
此時(shí)P離子的打入能量為200kv、劑量為1015個(gè)/cm2，退火條件采用了800℃×30分。
接著，在含有下部門極2的p型Si基板1的上面，經(jīng)CVD(化學(xué)汽相淀積)法使由MgAl2O4組成的緩沖絕緣層3外延生長為15
的厚度。
此時(shí)，使在600-700℃的溫度下加熱的金屬鋁(Al)和鹽酸HCl氣體起反應(yīng)，生成AlCl3，但此時(shí)令上述加熱溫度為650℃，HCl氣體的供給量為2cc/分、運(yùn)載氣體H的供給量為0.5公升/分。
使固體MgCl2在800-900℃的溫度下加熱并蒸發(fā)，并使由此而得到的MgCl2氣體為源氣體。
此時(shí)的上述加熱溫度為840℃、MgCl2的運(yùn)載氣體H的供給量為2公升/分。
其后，以上述AlCl3氣體和MgCl2氣體為材料氣體，以H2為運(yùn)載氣體，并將該材料氣體送到加熱到920℃的Si基板上、與此同時(shí)向此加熱氣氛中供給2-10cc/分的CO2氣體、更具體地供給3cc/分的CO2氣體，并在Si基板1上，根據(jù)下述的反應(yīng)式使MgAl2O4膜作外延生長。
2AlCl3(g)+MgCl2(g)+4CO2(g)+4H2(g)→MgAl2O4(S)+4CO(g)+8HCl(g)又，在上述成膜之前用H2氣體除去Si基板上的自然氧化物膜。
又，在緩沖絕緣層3的上面，使由SrTiO3組成的200 厚的下部門極絕緣膜4作外延生長。
該成膜是在氣體壓力10m Torr、基板溫度550℃的條件下、且通過在Ar∶O2＝4∶1的氣氛中的RF磁控管濺鍍法，以SrTiO3燒結(jié)體為靶而實(shí)施的。
其后經(jīng)激光蒸鍍法在下部門極絕緣膜4上使由Y1Ba2Cu3O6.8組成的超電導(dǎo)膜5以50 的厚度，作外延生長。
在此時(shí)的成膜中以Y1Ba2Cu3O6.8燒結(jié)體為靶并以KrF最大激光器(マキミマ·レ-ザ)(248mm)作為激光光源，且在O2氣100mTorr的氣氛中，以激光脈沖能量為0.2J/次、激光功率密度為4J/cm2、10HZ的重復(fù)頻率將來自上述激光光源的激光照射到靶上，并在加熱到600-700℃的基板上形成預(yù)定的超電導(dǎo)膜5。
因此，如用上述方法，以50 的厚度在SrTiO3單結(jié)晶基板上形成YBCO薄膜，即可得到Tco＝81K、Jc＝105A/cm2(在77K)的特性。
又，在超電導(dǎo)膜5之上形成由SrTiO3組成的厚度為200 的上部門極絕緣膜6。
上述門極絕緣膜6可用和上述的下部門極絕緣膜4時(shí)相同的方法形成。
最后，在超電導(dǎo)膜上形成由歐姆的Ag電極組成的源極7a和漏極7b，令溝道長度為100μm、并在上部門極絕緣膜6上形成門電極8，這些都是以公知乃至眾所周知的手段來形成的。
在上述具體實(shí)例中，各層積膜作外延生長一事是通過X射線分析、雷得RHEED圖形進(jìn)行的。
然而，為使上述構(gòu)成的元件作為超電導(dǎo)晶體管工作，在超電導(dǎo)體層的厚度上往往帶來限界。
例如在YBaCuO系者之中超電導(dǎo)體層5的厚度如上所述為25
，極薄，因此溝道的容許電流(臨界電流)變低、外延膜的結(jié)晶品質(zhì)往往也成了問題。
在這樣的場(chǎng)合，根據(jù)關(guān)連發(fā)明，可以是通過門極、從上下夾住溝道的疊層結(jié)構(gòu)，如這樣的話，則溝道的極限厚度成為2倍。
例如如采用上述YBaCuO系者作為超電導(dǎo)體層5，則可使超電導(dǎo)體層5的厚度成為50
。
圖2為根據(jù)這樣的技術(shù)構(gòu)思所制成的元件在77K時(shí)的晶體管特性的測(cè)定結(jié)果。
在圖2中源漏電壓VSD和漏極電流ID的關(guān)系是以門極電壓VG為參數(shù)進(jìn)行表示的。
如參照?qǐng)D2很明顯地可以明白當(dāng)VG為零時(shí)，ID為最大、由于如VG在負(fù)值上變大則ID減小，故從此，可以得到開關(guān)特性。
就上述的具體例的元件來說，在測(cè)定其響應(yīng)速度的結(jié)果，得到下面那樣的結(jié)果。
在由在前段的驅(qū)動(dòng)用晶體管上的漏電流驅(qū)動(dòng)后段的負(fù)荷晶體管時(shí)，其開關(guān)速度由門極電容的充電時(shí)間和超電導(dǎo)溝道的電感確定，并約為30毫微秒。
此速度的值是比功率半導(dǎo)體還要快得多的值。
該元件的開關(guān)電流每個(gè)溝道寬度為20A/cm，而此值可以看出與半導(dǎo)體的功率MOS·FET器件的0.8A/cm相比大20倍。
因而，在開關(guān)同樣的電流時(shí)，本發(fā)明的超電導(dǎo)晶體管可以是上述MOS·EFT的1/20的大小。
又，在本發(fā)明的實(shí)施例中用YBaCuO系超電導(dǎo)體，作為超電導(dǎo)體，而即使用BiSrCaCuO系的超電導(dǎo)體，也能得到和實(shí)施例相同的晶體管特性。
除了Si基板之外，可采用GaAs基板、InP基板等作為基板，作為門極絕緣膜除SrTiO3外還可采用介電常數(shù)大的耐壓高的ZrO2、MgAl2O4等。
如上面所說明的那樣，屬于本發(fā)明的超電導(dǎo)晶體管在具有預(yù)定的層積構(gòu)造、預(yù)定電極者中，由于超電導(dǎo)體層的厚度比由超電導(dǎo)體確定的固有的厚度小，故有可能進(jìn)行大容量控制并很容易地進(jìn)行制作，通過將門電極配置在超電導(dǎo)體層兩面，也有可能使超電導(dǎo)體層加厚，且質(zhì)量穩(wěn)定。
圖1為表示根據(jù)本發(fā)明的超電導(dǎo)晶體管的一實(shí)施例的斷面圖，圖2為在同一實(shí)施例中的超電導(dǎo)晶體管的特性圖，圖3到圖6為表示在已有例中所見到的各種超電導(dǎo)晶體管的斷面圖。
1……基板，2……下部門極，3……緩沖絕緣層，4……下部門極絕緣膜，5……氧化物超電導(dǎo)體，6……上部門極絕緣膜，7a……源極，7b……漏極，8……門極。
權(quán)利要求
1.一種超電導(dǎo)晶體管，其特征在于在外延生長在基板上的氧化物超電導(dǎo)體層上配置源極、漏極，同時(shí)在上述兩電極之間的超電導(dǎo)體層上經(jīng)外延生長的絕緣膜配置門極，令上述超電導(dǎo)體層的厚度為dc、超電導(dǎo)體層的介電常數(shù)為ε、超電導(dǎo)體層的載流子濃度為n及對(duì)應(yīng)于超電導(dǎo)體層的禁帶寬度的電壓為Vf，則超電導(dǎo)體層的厚度dc為
。
2.一種超電導(dǎo)晶體管，其特征在于在外延生長在基板上的氧化物超電導(dǎo)體層上配置源極、漏極，同時(shí)在該兩極之間的超電導(dǎo)體層的兩面上經(jīng)外延生長的絕緣膜以對(duì)置方式配置門極，令上述超電導(dǎo)體層的厚度為dc、超電導(dǎo)體層的介電常數(shù)為ε、超電導(dǎo)體層的載流子濃度為n，及對(duì)應(yīng)于超電導(dǎo)體層的禁帶寬度的電壓為Vf，則超電導(dǎo)體層的厚度dc為
。
全文摘要
一種超電導(dǎo)晶體管，在外延生長在基板上的氧化物超電導(dǎo)體層上配置源極、漏極，在源極漏極之間的超電導(dǎo)體層上經(jīng)外延生長的絕緣膜配置門極，超電導(dǎo)體的厚度為
文檔編號(hào)H01L39/14GK1040463SQ8910645
公開日1990年3月14日 申請(qǐng)日期1989年8月11日 優(yōu)先權(quán)日1988年8月11日
發(fā)明者鳴海榮基, 柏亨, 松井正和 申請(qǐng)人:古河電氣工業(yè)株式會(huì)社