DE69219194T2

DE69219194T2 - Josephsoneffekt-Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE69219194T2
Application number: DE69219194T
Authority: DE
Inventors: Alain Friederich; Alain Schuhl; Stephane Tyc
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1991-03-15
Filing date: 1992-03-06
Publication date: 1997-08-07
Anticipated expiration: 2012-03-07
Also published as: JPH05110152A; EP0508843A1; FR2674067B1; DE69219194D1; FR2674067A1; EP0508843B1; US5239187A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor mit Josephson-Effekt, in dem die aktive Schicht aus Halbleitermaterial auf eine Schicht aus supraleitendem Material aufgebracht ist.
Der Josephson-Effekt ist ein bei Supraleitern auftretender Effekt, gemäß dem ein supraleitender Strom in einem Metall oder in einem Halbleiter aufgrund der Nachbarschaft eines Supraleiters existieren kann.
Die Bauelemente, die sich auf einen Supraleitereffekt stützen, finden sicher zahlreiche Anwendungen in naher Zukunft. Ihre geringe Wärmeentwicklung in Verbindung mit der großen Schaltgeschwindigkeit macht sie besonders geeignet für logische Schaltungen mit hohem Integrationsgrad vom Typ LSI oder VLSI (Very Large Scale Integration).
Mehrere Modelle von Feldeffekttransistoren unter Verwendung des Josephson-Effekts (JOFETs) wurden bereits beschrieben, insbesondere von A.W. Kleinsasser et al in "Superconducting Devices", Herausgeber S. Ruggiera und D. Rudman, Academic Press, 1990, sowie in den Patentanmeldungen EP-A-0 305 167 und EP-A-0 181 191. Es handelt sich um einen Feldeffekttransistor mit ganz und gar klassischer Architektur, dessen Metallbeschichtungen der Source- und Drainelektroden aus supraleitendem Material sind. Der Halbleiterkanal überträgt einen supraleitenden Strom, der vom Gate moduliert wird, aufgrund des oben erwähnten Nachbarschaftseffekts.
Eine der wesentlichen Begrenzungen solcher Transistoren beruht jedoch auf der geringen Kohärenzlänge der Supraleitfähigkeit in den Halbleitermaterialien, d.h. der Länge, über die der Nachbarschaftseffekt Wirkung entfaltet. Um wesentliche supraleitende Ströme zu erhalten, benötigt man extrem kurze Kanallängen in der Größenordnung von 10 bis 1000 Å, d.h. 0,1 µm. Solche Werte sind der Fachwelt derzeit bekannt und werden insbesondere in der Patentanmeldung EP-A- 0 413 333 beschrieben. Mit den derzeit verfügbaren Maskiertechniken kann man selbst mittels Elektronenstrahlen oder Röntgenstrahlen keinen Transistor herstellen, dessen Source- und Drainelektroden nur einen Abstand von 0,1 µm besitzen, wobei außerdem eine Metallbeschichtung für das Gate zwischen den Metallbeschichtungen für die Source- und Drainelektrode liegen muß.
Daher sind die Merkmale von JOFETs gemäß dem Stand der Technik für die Nutzung noch unzureichend.
Das japanische Patent JP-A-63 160 273 (Patent Abstract of Japan Vol. 12, No 423 (3-680) vom 9. November 1988) schlägt eine neue Struktur vor, bei der supraleitende und halbleitende Schichten einander abwechseln und sich ein parallel zu den Schichten unmittelbar unter der Source- und der Drainelektrode verlaufender Kanal ergibt. Eine solche Struktur erfordert jedoch eine große Anzahl von molekularen Schichten, die die Herstellung solcher Vorrichtungen schwierig und delikat machen.
Daher schlägt die Erfindung eine Vorrichtung vor, deren Kanal in zwei vertikale Kanäle aufgeteilt ist, die in einer Schicht aus Halbleitermaterial auf einer Schicht aus supraleitendem Material enthalten sind, wobei ein supraleitender Strom sich in den Halbleiterkanälen durch den Nachbarschaftseffekt ausbildet. Hierzu darf die Dicke der Halbleiterschicht höchstens gleich der Kohärenzlänge für das betrachtete Materialpaar von Supraleiter und Halbleiter sein. Man hat daher die derzeit unlösbare Aufgabe der Maskierung in einer waagrechten Ebene durch eine vollkommen durch epitaxiales Aufwachsen lösbare Aufgabe in Dickenrichtung ersetzt.
Genauer betrachtet ist Gegenstand der Erfindung eine Halbleitervorrichtung mit Josephson-Effekt und mit einem Substrat, einer Schicht aus Halbleitermaterial und mindestens zwei Zugangselektroden, die Source- und Drainelektrode genannt werden und aus supraleitendem Material auf die Schicht aus Halbleitermaterial aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Schicht aus supraleitendem Material an der Oberfläche des Substrats besitzt und daß auf diese Schicht die Schicht aus Halbleitermaterial aufgebracht ist, deren Dicke höchstens gleich der Kohärenzlänge der Supraleitfähigkeit in dem halbleitenden Material ist, so daß sich ein Steuerkanal bestehend aus zwei zur Schichtebene senkrechten Kanälen ergibt, die zwischen der Sourceelektrode und der Schicht aus supraleitendem Material bzw. zwischen der Drainelektrode und der Schicht aus supraleitendem Material liegen.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels eines supraleitenden Transistors in Verbindung mit den beiliegenden zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt im Schnitt einen Feldeffekttransistor mit Supraleiter gemäß der Erfindung.
Die Figuren 2 und 3 zeigen im Schnitt die Kanalzone eines erfindungsgemäßen Transistors für zwei verschiedene Gatespannungen.
Figur 4 zeigt im Schnitt die Kanalzone eines erfindungsgemäßen Transistors in einer strukturellen Variante der Einwirkung des Gates.
Figur 5 zeigt ein zweites Beispiel einer strukturellen Variante mit implantiertem Gate.
Figur 6 zeigt die Struktur der Vorrichtung als Fotodiode.
Die Figuren 7 und 8 zeigen im Schnitt (Figur 7) bzw. von oben (Figur 8) einen erfindungsgemäßen Transistor mit hohem Verstärkungsgrad.
Figur 1 zeigt im Schnitt einen erfindungsgemäßen JOFET in ganz allgemeiner Form. Die Anzahl, die Art und die Form (ausgeschnitten oder als Mesa) der Schichten können je nach den Anwendungen unterschiedlich sein.
Der Transistor enthält ein Substrat 1, das entweder aus Silizium (Halbleiter) oder aus Materialien der Gruppen III-V wie z.B. GaAs (diese Materialien können halbisolierend sein) oder auch aus Materialien besteht, die nicht halbleitend sind, wie z.B. Saphir, Zirkon, Glas, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Strontiumtitanat usw. Auf dieses Substrat wird eine Schicht 2 aus supraleitenden Materialien aufgebracht, so daß man nicht mehr die Probleme der Anpassung von Parametern der Kristallstruktur wie z.B. zwischen Si und GaAs hat. Eine Pufferschicht kann ggf. notwendig sein, je nach dem eingesetzten Materialpaar.
Die Halbleiterschicht 2 hat eine Dicke von etwa 1000 Å oder 0,1 µm. Sie wird zum Beispiel durch Kathodenzerstäubung (sputtering), Laserabtrag oder durch epitaxiales Wachstum über einen Molekularstrahl (MBE) aufgebracht. Die Art des supraleitenden Materials ist für die Erfindung nicht wichtig, aber vorzugsweise handelt es sich um einen Supraleiter mit hoher kritischer Temperatur, wie sie unter der Abkürzung YBaCuO bekannt sind. Hierbei kann das Yttrium durch Thallium, Dysprosium oder Europium ersetzt sein oder auch eine Blei-Zinn-Tellur-Legierung sein, die mit Indium dotiert ist. Wichtig bei der Wahl des supraleitenden Materials ist, daß die Bedingungen beim Aufbringen und bei der Wärmebehandlung, um einen großen Anteil an supraleitendem Volumen zu erzielen, mit der Art des Substrats 1 kompatibel sind.
Die supraleitende Schicht 2 kann gleichmäßig auf das Substrat 1 oder, wie weiter unten deutlich wird, begrenzt auf Zonen, die dem Kanal des Transistors entsprechen, aufgebracht sein.
Auf die supraleitende Schicht 2 wird eine Schicht 3 aus Halbleitermaterial aufgebracht. Sie ist in Figur 1 homogen dargestellt, aber sie kann auch komplexer sein und beispielsweise eine Glättungsschicht in Kontakt mit der Schicht 2 und stärker dotierte Kontaktzonen unter der Sourceund Drainelektrode 4, 5 besitzen.
Die auf die Oberfläche der halbleitenden Schicht aufgebrachten Elektroden bestehen aus supraleitenden Materialien ebenso wie ihre Verbindungen, so daß ein supraleitender Strom in der ganzen Schaltung fließen kann, ohne daß irgendein Element einen nennenswerten Widerstand hat, wenn der Kanal des Transistors supraleitend ist.
Die Gateelektrode 6 zwischen der Source- und der Drainelektrode kann eine Schottky-Kontaktelektrode sein oder sie kann durch eine (nicht dargestellte) Oxidschicht oder eine Isolatorschicht isoliert sein oder auch von einem pn- Übergang gebildet werden. Es ist wichtig, daß das Gate im Vergleich zum Stand der Technik lang ist.
Die Dicke der halbleitenden Schicht 3 variiert zwischen 10 und 1000 Å oder sogar 1 µm, d.h. daß sie mit der Kohärenzlänge für das betrachtete Paar aus Supraleiter und Halbleiter vergleichbar ist. Diese Länge variiert nämlich von 10 Å für die ältesten supraleitenden Materialien bis 1000 Å für die Supraleitermaterialien mit sogenannter hoher kritischer Temperatur (> 20K). Sie erreicht sogar in manchen Fällen 1 µm. Der Josephson-Effekt kann dann in vertikaler Richtung, senkrecht zu den Schichten zweimal wirksam werden, und zwar einmal zwischen der Sourceelektrode 4 und der eingebetteten supraleitenden Schicht 2 und ein andermal zwischen der Drainelektrode 5 und der gleichen Schicht 2. Die vertikale Struktur der Vorrichtung vereinfacht deutlich ihre Herstellung. Die üblichen Techniken des Aufwachsens von Materialien ergeben in vertikaler Richtung deutlich feinere Auflösungen als in horizontaler Richtung, wie sie durch Ätztechniken erhalten werden. Man kann nämlich Atomschicht für Atomschicht aufwachsen lassen.
In der horizontalen Ebene oder parallel zu den Schichten hat der Halbleiterkanal des JOFET, der von der Source- zur Drainelektrode verläuft, eine deutlich größere Länge als die Kohärenzlänge. Im derzeitigen Stand der Technik beträgt diese Länge etwa zwischen 1 und 3 µm. Aber der Halbleiterkanal in der Schicht 3 ist an einen Supraleiterkanal in der Schicht 2 gekoppelt, die eine Fortpflanzung der Kohärenz durch den Nachbarschaftseffekt über eine größere Entfernung als durch den alleinigen Josephson-Effekt gewährleistet.
Der Betrieb dieses Transistors wird nun anhand der Figuren 2 und 3 näher erläutert, in denen das Substrat 1 aus Gründen der klareren Darstellung weggelassen wurde.
Damit ein Josephson-Effekt zwischen zwei supraleitenden Schichten in den Zonen 7 und 8 auftritt, die zwischen der Sourceelektrode 4 und der Schicht 2 bzw. zwischen der Drainelektrode 5 und der Schicht 2 liegen, muß nicht nur die Halbleiterschicht 3 weniger dick als die Kohärenzlänge sein, sondern es müssen auch genug Elektronen als Cooper-Paare vorliegen, um einen vertikalen supraleitenden Strom in den Zonen 7 und 8 senkrecht zu den Schichten zu sichern.
Für eine erste an das Gate 6 angelegte Spannung ergibt sich in der Kanalzone zwischen der Source- und der Drainelektrode eine an Elektronen angereicherte oder verarmte Zone 9, die ganz in der halbleitenden Schicht 3 enthalten ist. Der Betrieb ist noch einfacher, wenn man mit Anreicherung arbeitet. Die verarmte Zone bildet sich teilweise unter den Metallbeschichtungen der Source- und Drainelektroden, da wie oben erwähnt das Gate lang ist, d.h. daß die Abstände zwischen Gate und Source und zwischen Gate und Drain klein sind. Die seitliche Komponente dieses Felds erzeugt genug Elektronen für das Auftreten des Josephson- Effekts in den Zonen 7 und 8. Es fließt daher ein supraleitender Strom durch die Schaltung von der Sourceelektrode 4, durch die Zone 7, die Schicht 2, die Zone 8 zur Drainelektrode 5.
Da ein supraleitender Strom in der Schicht 2 fließt, unterliegt die Zone 10 zwischen der Schicht 2 und der verarmten Zone unter dem Gate 6 dem Nachbarschaftseffekt, so daß dort auch ein supraleitender Strom fließt.
Legt man gemäß Figur 3 eine zweite Spannung an das Gate, dann verschiebt sich die vom Gate verarmte Zone 9. Die Zone 10 verschwindet.
Aber insbesondere verschiebt sich die verarmte Zone 9 auch waagrecht in der Ebene der Halbleiterschicht 3 und verarmt die Zonen 7 und 8 zwischen Source/Drain und supraleitender Schicht 2 vollkommen an Elektronen. Unter diesen Bedingungen tritt kein Josephson-Effekt mehr auf, da man Elektronen zum Transport eines supraleitenden Stroms in den Zonen 7 und 8 benötigt. Diese Elektronen fehlen aber.
Für diese zweite Gatespannung ist der Transistor gesperrt und es fließt kein supraleitender Strom in der Schaltung von der Sourceelektrode 4 über die Zone 7, die Schicht 2, die Zone 8 zur Drainelektrode 5. Da der Steuerkanal, der nach dem Stand der Technik die Source- und die Drainelektrode in einer Richtung parallel zur Ebene der Schichten verbindet, in der erfindungsgemäßen Struktur durch zwei Kanäle ersetzt ist, kann man diese als Pseudokanäle betrachten, um sie von dem üblichen Steuerkanal zu unterscheiden. Diese Pseudokanäle verlaufen senkrecht zu den Schichten und liegen zwischen der Sourceelektrode und der Schicht 2 bzw. zwischen der Drainelektrode und der gleichen Schicht 2. Mit anderen Worten besitzt der erfindungsgemäße Transistor zwei Pseudosteuerkanäle durch den Josephson- Effekt in den Zonen 7 und 8.
Da die beiden Pseudosteuerkanäle 7 und 8 senkrecht verlaufen und durch die zweite Steuerspannung horizontal an Elektronen verarmt werden, hat die Transistorstruktur eine zweite Form, die symmetrisch zur ersten ist und in Figur 4 gezeigt wird. Ein doppeltes Steuergate 61 und 62 ist außerhalb des durch die Pseudokanäle 7 und 8 definierten Volumens, aber in der Dicke der halbleitenden Schicht 3 aufgebracht. Unter der Wirkung der beiden elektrischen Felder, die vom Gate erzeugt werden, werden die Elektronen in den Zonen 7 und 8 von außen nach innen verarmt, während in der vorhergehenden Lösung der Figur 3 sie von innen nach außen verarmt wurden, indem die verarmte Zone 9 sich ausgedehnt hat.
Das seitliche Gate, das aus zwei von einer gemeinsamen Spannungsquelle gespeisten Teilen 61 und 62 besteht, kann verschiedene Ausführungsformen annehmen. Figur 4 zeigt eine Mesastruktur, die auf die halbleitende Schicht 3 begrenzt ist und deren Flanken bei 61 und 62 metallbeschichtet sind. Diese Figur bleibt auch gültig für eine Planarstruktur: In der halbleitenden Schicht 3, die gestrichelt vervollständigt wurde, werden zwei Rillen ausgeätzt und dann metallbeschichtet. Man braucht nur die Tiefe der Metallbeschichtungen 61, 62 so zu begrenzen, daß sie nicht mit der supraleitenden Schicht 2 in Kurzschluß gelangen, wenn die Pseudokanäle 7 und 8 leitend sind.
Es kann günstig sein, zwei Diffusionen oder Implantationen durchzuführen, um die beiden Bereiche 61 und 62 des Gates zu erzeugen, wie dies Figur 5 zeigt.
Schließlich ist die halbleitende Schicht 3 aufgrund ihrer geringen Dicke für Lichtstrahlung transparent, da die Kohärenzlänge zwischen 10 und 1000 Å und ausnahmsweise auch 1 µm je nach der Art der halbleitenden und supraleitenden Materialien variiert. Der erfindungsgemäße Transistor kann daher, wie in Figur 6 dargestellt, ein durch eine elektromagnetische Strahlung h ν gesteuerter Fototransistor sein. Man muß jedoch einen Teil der Oberfläche des Fototransistors abdecken, damit dieser gemäß dem Mechanismus der Figur 3 (zentrales Gate) oder der Figur 4 (externes Gate) verarmt.
Im Vergleich mit den bekannten Transistoren leiden JOFETs an einer eigenen Begrenzung: Die Spannungen zwischen der Source- und der Drainelektrode, für die die supraleitenden Effekte von Bedeutung sind, werden durch die Kondensationsenergie der Cooper-Paare begrenzt, d.h. auf etwa 1 mV für die Supraleiter mit tiefer kritischer Temperatur und 10 mV für die Supraleiter mit hoher kritischer Temperatur. Dadurch ergeben sich keine großen Ausgangsspannungen und hohe Verstärkungsgrade.
Die im Schnitt in Figur 7 und von oben in Figur 8 gezeigte Struktur bietet hier Abhilfe. In dieser Struktur sind mehrere JOFETs in Reihe geschaltet. Die supraleitende Schicht 2 ist nicht mehr eine homogene Schicht, sondern enthält mindestens zwei parallele Bänder 21 und 22 aus supraleitendem Material, die in eine Matrix aus halbleitendem Material 1 und 3 eingebettet sind. Es kann auch mehrere Paare paralleler Bänder 21 und 22 geben. Senkrecht zu diesem Bändern 21 und 22 sind auf der halbleitenden Schicht 3 parallele Bänder 54&sub1;, 54&sub2; ... aus supraleitendem Material angebracht. Das Band 54i schaltet die Drainelektrode 5 des Transistors des Rangs i-1 in Reihe mit der Sourceelektrode des Transistors des Rangs i. So zeigt Figur 8 als nicht beschränkendes Beispiel drei Transistoren (S1, G1, D1) (S2, G2, D2) (S3, G3, D3) in Reihe, deren Zugangselektroden D0 und S4 sind. Alle Gates G1, G2 ... sind parallelgeschaltet und werden von einer gemeinsamen Spannung gesteuert.
Dies ist nur möglich, indem die Supraleitfähigkeit in bestimmten Zonen 11 der Bänder 21 und 22 zerstört wird, um zu vermeiden, daß diese Zonen einen Transistor kurzschließen. Die Zerstörung der Supraleitfähigkeit kann beispielsweise durch Ionenimplantierung erfolgen. So vermeidet in Figur 7, die einen Schnitt in Höhe des Bandes 21 zeigt, die Zone 11&sub2; mit Ionenimplantierung, die zwischen den Transistoren 1 (S1, G1, D1) und 3 (S3, D3, G3) liegt, daß das supraleitende Band 21 den Transistor 2 (S2, G2, D2) kurzschließt, der auf dem Band 22 ausgebildet ist. Die Serie von Transistoren bildet eine Mäanderlinie, die nicht-supraleitende Inseln 11i umschifft.
Aufgrund dessen, was oben hinsichtlich der Aufgabe der Halbleiterschicht 3 gesagt wurde, die nur in den Zonen 7 und 8 wirksam wird, kann diese Schicht inhomogene elektrische Eigenschaften haben. Die Schicht 3 kann beispielsweise aus halbisolierendem GaAs bestehen, das nur unter den Metallbeschichtungen der Source- und Drainelektroden dotiert ist, nämlich in den Zonen der Pseudokanäle 7 und 8.
Ziel der obigen Ausführungen war es nur, die Erfindung klar zu erläutern, aber selbstverständlich gehören für den Fachmann evidente Varianten, z.B. hinsichtlich der Art der Materialien, der Form und der Funktion der Elektroden ebenfalls in den Rahmen der Erfindung.

Claims

1. Halbleitervorrichtung mit Josephson-Effekt und mit einem Substrat (1), einer Schicht (3) aus Halbleitermaterial und mindestens zwei Zugangselektroden (4, 5), die Source- und Drainelektrode genannt werden und aus supraleitendem Material auf die Schicht aus Halbleitermaterial aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Schicht aus supraleitendem Material (2) an der Oberfläche des Substrats (1) besitzt und daß auf diese Schicht (2) die Schicht aus Halbleitermaterial (3) aufgebracht ist, deren Dicke höchstens gleich der Kohärenzlänge der Supraleitfähigkeit in dem halbleitenden Material ist, so daß sich ein Steuerkanal bestehend aus zwei zur Schichtebene senkrechten Kanälen (7, 8) ergibt, die zwischen der Sourceelektrode (4) und der Schicht aus supraleitendem Material bzw. zwischen der Drainelektrode (8) und der Schicht aus supraleitendem Material liegen.

2. Halbleitervorrichtung mit Josephson-Effekt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Steuerelektrode (6), auch Gate genannt, besitzt, die zwischen den Zugangselektroden (4, 5) zur Schicht (3) aus Halbleitermaterial liegt.

3. Vorrichtung mit Josephson-Effekt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate (6) aus einem nicht-supraleitenden Metall besteht und zwischen den Zugangselektroden (4, 5) zur halbleitenden Schicht (3) angeordnet ist.

4. Vorrichtung mit Josephson-Effekt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate (6) aus zwei Elektroden (61, 62) besteht, zwischen denen die Zugangselektroden (4, 5) liegen.

5. Vorrichtung mit Josephson-Effekt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate (61, 62) aus zwei durch Diffusion oder Implantierung in der halbleitenden Schicht gebildeten Zonen besteht, die außerhalb der durch die Zugangselektroden (4, 5) definierten Zone liegen.

6. Vorrichtung mit Josephson-Effekt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Schicht (3) homogen in ihrem ganzen Volumen dotiert ist.

7. Vorrichtung mit Josephson-Effekt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Schicht (3) inhomogen nur zwischen den Zugangselektroden (4, 5) und der supraleitenden Schicht (2) dotiert ist.

8. Vorrichtung mit Josephson-Effekt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (2) von einem Band (21) aus supraleitenden Material gebildet wird, das in das halbleitende Material (1, 3) eingebettet ist.

9. Vorrichtung mit Josephson-Effekt nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der zwischen die Zugangselektroden (4, 5) angelegten Spannung, die durch die Kondensationsenergie der Elektronen begrenzt wird, welche die Supraleitfähigkeit gewährleisten, mindestens zwei Josephson- Effekt-Vorrichtungen in Reihe auf einem Band (21) aus supraleitendem Material aufgebaut sind und durch mindestens eine Zone (11) des Bandes (21) getrennt sind, die nicht-supraleitend gemacht wurde.