JPH0834321B2 - 反転misfet構造を有する超伝導電界効果トランジスタの製造方法 - Google Patents
反転misfet構造を有する超伝導電界効果トランジスタの製造方法Info
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- JPH0834321B2 JPH0834321B2 JP3331796A JP33179691A JPH0834321B2 JP H0834321 B2 JPH0834321 B2 JP H0834321B2 JP 3331796 A JP3331796 A JP 3331796A JP 33179691 A JP33179691 A JP 33179691A JP H0834321 B2 JPH0834321 B2 JP H0834321B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
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- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/10—Junction-based devices
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- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
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- H10N60/205—Permanent superconducting devices having three or more electrodes, e.g. transistor-like structures
- H10N60/207—Field effect devices
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Y10S505/70—High TC, above 30 k, superconducting device, article, or structured stock
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、その導電率を電界によ
り再現可能に変えることができる高Tc超伝導材料から
成る電流チャンネルを備え、且つその構造が基板をゲー
ト電極として使用するという意味で反転MISFET
(金属絶縁物超伝導体)の構造である超伝導電界効果ト
ランジスタの製造方法に関する。
り再現可能に変えることができる高Tc超伝導材料から
成る電流チャンネルを備え、且つその構造が基板をゲー
ト電極として使用するという意味で反転MISFET
(金属絶縁物超伝導体)の構造である超伝導電界効果ト
ランジスタの製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】数十年間、エレクトロニクス業界は、動作
速度の増大および電力消費/消散の減少を目指して電子
部品および回路の大きさを縮小しようと多大の努力を行
ってきた。これらの努力の結果、数平方ミリメ−トルの
体積内に数千個のトランジスタや他の回路要素を備えて
いる集積回路および多層セラミック装置が開発されてい
る。これらの装置は、電子がその内部を走行しなければ
ならない距離が短くなっているため動作速度が非常に大
きい。最近の回路はすべて、たとえばシリコンおよび砒
化ガリウムのような高等の半導体材料を使用している。
速度の増大および電力消費/消散の減少を目指して電子
部品および回路の大きさを縮小しようと多大の努力を行
ってきた。これらの努力の結果、数平方ミリメ−トルの
体積内に数千個のトランジスタや他の回路要素を備えて
いる集積回路および多層セラミック装置が開発されてい
る。これらの装置は、電子がその内部を走行しなければ
ならない距離が短くなっているため動作速度が非常に大
きい。最近の回路はすべて、たとえばシリコンおよび砒
化ガリウムのような高等の半導体材料を使用している。
【0003】ベドノルツおよびミュラーによる新種の半
導体材料の発見(Z.Phys.,B64(1986)
p.189)は勿論、消費電力を更に下げる他の道を開
き、電子回路でのこれら材料の可能な用途を世界中で探
求するきっかけとなった。酸化銅化合物の電界効果に関
する多数の研究について報告されている(たとえば、
U.Kabasawa他がJapanese Jour
n.of Applied Phys.29 L86,
1990で)が、これまでのところ高Tc超伝導体では
小さな電界効果しか見つかっていない。しかし、EP−
A−O 324044(特開平1−207982号)は
既に、電界効果を利用して高Tc超伝導体材料から成る
チャンネル層の輸送性を制御している超伝導チャンネル
を有する三端子電界効果装置について記している。この
装置は、基板とゲート絶縁層との間に極薄の超伝導層を
挟むサンドイッチ構造を有する。これは見込みのある方
法のように思われるが、このような装置の成長の研究に
より、提示された構成では、極薄の超伝導層が絶縁層お
よび上部電極の堆積中に劣化しやすいことがわかった。
酸化銅化合物系の超伝導層は多数の成分を含み且つ非常
に薄いため、特に超伝導層上にゲート絶縁層を付着させ
る期間に、超伝導薄膜と、これに接するゲート絶縁層お
よび基板との間の元素の相互拡散により、超伝導層の元
素の化学量論比が変動して超伝導特性を劣化させ、ま
た、絶縁層の付着に熱処理を伴う場合は、超伝導層の酸
素含有量が変動し、超伝導特性を劣化させることが判明
した。
導体材料の発見(Z.Phys.,B64(1986)
p.189)は勿論、消費電力を更に下げる他の道を開
き、電子回路でのこれら材料の可能な用途を世界中で探
求するきっかけとなった。酸化銅化合物の電界効果に関
する多数の研究について報告されている(たとえば、
U.Kabasawa他がJapanese Jour
n.of Applied Phys.29 L86,
1990で)が、これまでのところ高Tc超伝導体では
小さな電界効果しか見つかっていない。しかし、EP−
A−O 324044(特開平1−207982号)は
既に、電界効果を利用して高Tc超伝導体材料から成る
チャンネル層の輸送性を制御している超伝導チャンネル
を有する三端子電界効果装置について記している。この
装置は、基板とゲート絶縁層との間に極薄の超伝導層を
挟むサンドイッチ構造を有する。これは見込みのある方
法のように思われるが、このような装置の成長の研究に
より、提示された構成では、極薄の超伝導層が絶縁層お
よび上部電極の堆積中に劣化しやすいことがわかった。
酸化銅化合物系の超伝導層は多数の成分を含み且つ非常
に薄いため、特に超伝導層上にゲート絶縁層を付着させ
る期間に、超伝導薄膜と、これに接するゲート絶縁層お
よび基板との間の元素の相互拡散により、超伝導層の元
素の化学量論比が変動して超伝導特性を劣化させ、ま
た、絶縁層の付着に熱処理を伴う場合は、超伝導層の酸
素含有量が変動し、超伝導特性を劣化させることが判明
した。
【0004】本発明によれば、この欠点を、超伝導膜を
絶縁層の後で堆積し、ゲート電極を絶縁層および高Tc
膜の下に設けることにより回避している。超伝導薄膜
は、ゲート絶縁層の上に存在し、超伝導薄膜をゲート絶
縁層と基板とによって挟むサンドイッチ構造が回避され
ているる。更に本発明によれば、導電基板をゲート電極
として使用しており、好ましい完全な結晶を成長しやす
くするのに、基板および絶縁物を同じ結晶族の材料から
選定している。すなわち、材料の格子定数が少くともほ
ぼ合致するように選定されている。たとえば、導電性の
NbドープSrTiO3を基板に使用し、ドープ無しの
SrTiO3を絶縁物層に使用する。
絶縁層の後で堆積し、ゲート電極を絶縁層および高Tc
膜の下に設けることにより回避している。超伝導薄膜
は、ゲート絶縁層の上に存在し、超伝導薄膜をゲート絶
縁層と基板とによって挟むサンドイッチ構造が回避され
ているる。更に本発明によれば、導電基板をゲート電極
として使用しており、好ましい完全な結晶を成長しやす
くするのに、基板および絶縁物を同じ結晶族の材料から
選定している。すなわち、材料の格子定数が少くともほ
ぼ合致するように選定されている。たとえば、導電性の
NbドープSrTiO3を基板に使用し、ドープ無しの
SrTiO3を絶縁物層に使用する。
【0005】高Tc超伝導体構造を成すニオブ・ドープ
・チタン酸ストロンチウムNb:SrTiO3の使用に
ついては、Hasegawa等がその論文“Conta
ctbetween High−Tc Superco
nductor andSemiconducting
Niobium−Doped SrTiO3″、Ja
panese Journ.of Appl.Phy
s.,Vol.28,No.12,Dec.1988,
pp.L2210〜L2212に、および彼等のEP−
A−O 371 462に記している。これら文献は、
超伝導膜をNbドープSrTiO3基板の上に堆積する
ダイオード構造について記している。これら文献の著者
は、整流性と、順方向および逆方向の抵抗の測定にしか
関心を持っていない。彼等は「二つの材料の間に未知の
境界層が存在することを実証した」が、これは本発明が
優雅に克服した問題点である。
・チタン酸ストロンチウムNb:SrTiO3の使用に
ついては、Hasegawa等がその論文“Conta
ctbetween High−Tc Superco
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Niobium−Doped SrTiO3″、Ja
panese Journ.of Appl.Phy
s.,Vol.28,No.12,Dec.1988,
pp.L2210〜L2212に、および彼等のEP−
A−O 371 462に記している。これら文献は、
超伝導膜をNbドープSrTiO3基板の上に堆積する
ダイオード構造について記している。これら文献の著者
は、整流性と、順方向および逆方向の抵抗の測定にしか
関心を持っていない。彼等は「二つの材料の間に未知の
境界層が存在することを実証した」が、これは本発明が
優雅に克服した問題点である。
【0006】本発明は、超伝導薄膜に存在することが最
近発見されたかなりな電界効果に関する実験的証拠に基
いている。これら実験は酸化銅級の超伝導体の材料、特
にYBa2Cu3O7−δを用いて行われた。超伝導Y
Ba2Cu3O7−δの膜は、EP−A−O 293
836から既に知られている。YBa2Cu3O7−δ
のエピタキシャル成長についてはEP−A−O 329
103に記されている。本発明の目的では、「δ」の
値を0(望ましい)に非常に近いと考えるものとする
が、0.5までの大きさにすることができる。高Tc超
伝導体材料の当業者は、この部類の多数の他の材料が、
ここに提示されているMISFET形式の電界効果トラ
ンジスタの構造に同等に適することを認めるであろう。
また、レーザ蒸着、電子ビーム蒸着、および分子線エピ
タキシのような、高Tc材料のおよびSrTiO3の膜
を堆積する他の方法も当業者には既知である。
近発見されたかなりな電界効果に関する実験的証拠に基
いている。これら実験は酸化銅級の超伝導体の材料、特
にYBa2Cu3O7−δを用いて行われた。超伝導Y
Ba2Cu3O7−δの膜は、EP−A−O 293
836から既に知られている。YBa2Cu3O7−δ
のエピタキシャル成長についてはEP−A−O 329
103に記されている。本発明の目的では、「δ」の
値を0(望ましい)に非常に近いと考えるものとする
が、0.5までの大きさにすることができる。高Tc超
伝導体材料の当業者は、この部類の多数の他の材料が、
ここに提示されているMISFET形式の電界効果トラ
ンジスタの構造に同等に適することを認めるであろう。
また、レーザ蒸着、電子ビーム蒸着、および分子線エピ
タキシのような、高Tc材料のおよびSrTiO3の膜
を堆積する他の方法も当業者には既知である。
【0007】頭字語「MISFET」は普通、金属絶縁
物半導体電界効果トランジスタ構造を表わすのに使用さ
れるが、この用語は以下の説明では類似の構造を説明す
るのに使用する。説明する本発明の実施例は、異なる材
料、すなわち、金属の代りに導電性NbドープSrTi
O3を、および半導体の代りに超伝導体を使用してい
る。
物半導体電界効果トランジスタ構造を表わすのに使用さ
れるが、この用語は以下の説明では類似の構造を説明す
るのに使用する。説明する本発明の実施例は、異なる材
料、すなわち、金属の代りに導電性NbドープSrTi
O3を、および半導体の代りに超伝導体を使用してい
る。
【0008】MISFET形式の構造は、107V/c
mより大きい電界をエピタキシャル成長極薄YBa2C
u3O7−δチャンネル層上の絶縁SrTiO3障壁を
横切って印加させる本発明により開発された。無線周波
マグネトロン・スパッタリングによるYBa2Cu3O
7−δのエピタキシャル成長についてはEP−A−O3
43 649に記されている。この構造では、YBa2
Cu3O7−δの正常状態の電気固有抵抗および自由キ
ャリアの密度は、約50Vのゲート電圧でかなり修正す
ることができる。
mより大きい電界をエピタキシャル成長極薄YBa2C
u3O7−δチャンネル層上の絶縁SrTiO3障壁を
横切って印加させる本発明により開発された。無線周波
マグネトロン・スパッタリングによるYBa2Cu3O
7−δのエピタキシャル成長についてはEP−A−O3
43 649に記されている。この構造では、YBa2
Cu3O7−δの正常状態の電気固有抵抗および自由キ
ャリアの密度は、約50Vのゲート電圧でかなり修正す
ることができる。
【0009】高Tc超伝導体材料を発見してからわずか
後に、ベドノルツ等は、彼等の上掲のEP−A−O 3
24 044で、高Tc超伝導体材料は、低Tc超伝導
体材料の場合よりはるかに大きい電界効果を保持するこ
とができるということを理論的基礎に立って予測した。
静電界を導電材料内で遮蔽する長さの尺度は、デバイ長
Ld=(εoεrkT/q2n)1/2と究極の空乏域
の幅Ldz=N/nの和Ld+Ldzで与えられる。こ
こで、εoおよびεrはそれぞれ真空および導電材料の
誘電率であり、kはボルツマン定数であり、Tは絶対温
度であり、qは基本電荷であり、nは移動キャリアの密
度であり、Nは誘起面積キャリア密度である。その高キ
ャリア密度のため、低Tc超伝導体は通常、電界を非常
に良く遮蔽するので電界は材料の性質にわずかな影響を
与えるだけである。遮蔽を減衰するため、低Tc超伝導
体の電界効果に関する最近の実験は、例えば、ドーパン
トとしてニオブを用いるドープSrTiO3のようなキ
ャリア密度の非常に低い化合物に重点を置いている。
後に、ベドノルツ等は、彼等の上掲のEP−A−O 3
24 044で、高Tc超伝導体材料は、低Tc超伝導
体材料の場合よりはるかに大きい電界効果を保持するこ
とができるということを理論的基礎に立って予測した。
静電界を導電材料内で遮蔽する長さの尺度は、デバイ長
Ld=(εoεrkT/q2n)1/2と究極の空乏域
の幅Ldz=N/nの和Ld+Ldzで与えられる。こ
こで、εoおよびεrはそれぞれ真空および導電材料の
誘電率であり、kはボルツマン定数であり、Tは絶対温
度であり、qは基本電荷であり、nは移動キャリアの密
度であり、Nは誘起面積キャリア密度である。その高キ
ャリア密度のため、低Tc超伝導体は通常、電界を非常
に良く遮蔽するので電界は材料の性質にわずかな影響を
与えるだけである。遮蔽を減衰するため、低Tc超伝導
体の電界効果に関する最近の実験は、例えば、ドーパン
トとしてニオブを用いるドープSrTiO3のようなキ
ャリア密度の非常に低い化合物に重点を置いている。
【0010】高Tc超伝導体化合物では、そのキャリア
濃度が本質的に低いため、およびそのコヒーレンス長が
小さいため、更に大きな電界効果が期待される。約3〜
5×1021/cm3という低いキャリア濃度のため遮
蔽長はナノメートルの数十分の1の程度になり、またコ
ヒーレンス長が小さいため、かなりな臨界温度を有する
極薄層を製作することができる。1〜2nmのように薄
い超伝導膜は既に成長されており、電界はこのような膜
をかなりな程度まで貫通することができる。
濃度が本質的に低いため、およびそのコヒーレンス長が
小さいため、更に大きな電界効果が期待される。約3〜
5×1021/cm3という低いキャリア濃度のため遮
蔽長はナノメートルの数十分の1の程度になり、またコ
ヒーレンス長が小さいため、かなりな臨界温度を有する
極薄層を製作することができる。1〜2nmのように薄
い超伝導膜は既に成長されており、電界はこのような膜
をかなりな程度まで貫通することができる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
技術の装置の機能を損うことがわかっている劣化効果を
回避するように超伝導チャンネル層を絶縁障壁層の上に
堆積する、反転MISFET構造の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である。
技術の装置の機能を損うことがわかっている劣化効果を
回避するように超伝導チャンネル層を絶縁障壁層の上に
堆積する、反転MISFET構造の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である。
【0012】本発明の更に他の目的は、結晶を完全にし
やすくするように少くともほぼ同じ程度の格子定数を有
する基板用および絶縁物層用の材料の使用を提案するこ
とである。
やすくするように少くともほぼ同じ程度の格子定数を有
する基板用および絶縁物層用の材料の使用を提案するこ
とである。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は、電界制御電流
チャンネルとゲート、ソース、およびドレイソの各電極
とを有し、銅酸化物系の結晶質超伝導体の薄膜を前記電
流チャンネルとして使用し、前記結晶質超伝導体と格子
適合性を有する結晶質絶縁層をゲート絶縁層として使用
する電界効果トランジスタを製造する方法である。本発
明は2つの方法で実施することができる。
チャンネルとゲート、ソース、およびドレイソの各電極
とを有し、銅酸化物系の結晶質超伝導体の薄膜を前記電
流チャンネルとして使用し、前記結晶質超伝導体と格子
適合性を有する結晶質絶縁層をゲート絶縁層として使用
する電界効果トランジスタを製造する方法である。本発
明は2つの方法で実施することができる。
【0014】第1の方法は、前記結晶質絶縁層と同じ結
晶族の導電性結晶よりなる、基板として働くゲート電極
(2)を設ける工程、前記ゲート電極(2)の上に、前
記結晶質絶縁層(3)を付着する工程、前記絶縁層
(3)の上に、前記結晶質超伝導体の薄膜(1)を付着
する工程、前記超伝導体薄膜(1)の上に、所定の距離
を隔ててソース接点およびドレイン接点(4、5)を形
成する工程、および前記ゲート電極(2)の上にゲート
接点(6)を設ける工程を含む。好ましくは、前記結晶
質超伝導体はBa2Cu3O7−δ(O≦δ≦0.5)
よりなり、前記結晶質絶縁層はSrTiO3よりなり、
前記導電性結晶はNbドープSrTiO3よりなる。
晶族の導電性結晶よりなる、基板として働くゲート電極
(2)を設ける工程、前記ゲート電極(2)の上に、前
記結晶質絶縁層(3)を付着する工程、前記絶縁層
(3)の上に、前記結晶質超伝導体の薄膜(1)を付着
する工程、前記超伝導体薄膜(1)の上に、所定の距離
を隔ててソース接点およびドレイン接点(4、5)を形
成する工程、および前記ゲート電極(2)の上にゲート
接点(6)を設ける工程を含む。好ましくは、前記結晶
質超伝導体はBa2Cu3O7−δ(O≦δ≦0.5)
よりなり、前記結晶質絶縁層はSrTiO3よりなり、
前記導電性結晶はNbドープSrTiO3よりなる。
【0015】第2の方法は、前記結晶質絶縁層(7)形
成する工程、前記絶縁層(7)の一方の側に、前記結晶
質超伝導体薄膜(8)を付着する工程、前記超伝導体薄
膜(8)の上に金属のソース接点およびドレイン接点
(9、10)を形成する工程、前記絶縁層(7)の他方
の側にゲート電極(11)を金属層の形で付着する工
程、および前記ゲート電極(11)に接点(12)を設
ける工程を含む。好ましくは、前記結晶質超伝導体はB
a2Cu3O7−δ(O≦δ≦0.5)よりなり、前記
結晶質絶縁層はSrTiO3よりなる。
成する工程、前記絶縁層(7)の一方の側に、前記結晶
質超伝導体薄膜(8)を付着する工程、前記超伝導体薄
膜(8)の上に金属のソース接点およびドレイン接点
(9、10)を形成する工程、前記絶縁層(7)の他方
の側にゲート電極(11)を金属層の形で付着する工
程、および前記ゲート電極(11)に接点(12)を設
ける工程を含む。好ましくは、前記結晶質超伝導体はB
a2Cu3O7−δ(O≦δ≦0.5)よりなり、前記
結晶質絶縁層はSrTiO3よりなる。
【0016】
【実施例】超伝導体YBa2Cu3O7の薄膜に大きい
電界を印加するのに、本発明によれば、図1に示すよう
な反転MISFET構造を使用する。この構造では、厚
さSの超伝導膜1が厚さtの絶縁膜3によりゲート電極
2から分離されている。超伝導体の厚さの他に、絶縁物
の電気固有抵抗δおよび破壊電界強度Ebdが重要なパ
ラメータである。Ebdおよびδの所要値は、空間電荷
効果を無視すれば、簡単に推定することができる。超伝
導膜1に移動電荷キャリアの未擾乱密度nに対応する空
間電荷密度を誘導するには、ゲート電極2および超伝導
膜1から成るコンデンサを電圧 VG=(qnst/εoεi) (1) でバイアスしなければならない。ここでεiは絶縁物3
の誘電率である。式(1)は、高Tc超伝導体中のキャ
リア密度を実質的に変調するには、誘電率εiと破壊電
界強度Ebdとの積εi×Ebdが約108V/cmで
なければならないことを意味する。(比較のため、Si
O2の室温でのεi×Ebd積は4×107V/cmで
ある)。
電界を印加するのに、本発明によれば、図1に示すよう
な反転MISFET構造を使用する。この構造では、厚
さSの超伝導膜1が厚さtの絶縁膜3によりゲート電極
2から分離されている。超伝導体の厚さの他に、絶縁物
の電気固有抵抗δおよび破壊電界強度Ebdが重要なパ
ラメータである。Ebdおよびδの所要値は、空間電荷
効果を無視すれば、簡単に推定することができる。超伝
導膜1に移動電荷キャリアの未擾乱密度nに対応する空
間電荷密度を誘導するには、ゲート電極2および超伝導
膜1から成るコンデンサを電圧 VG=(qnst/εoεi) (1) でバイアスしなければならない。ここでεiは絶縁物3
の誘電率である。式(1)は、高Tc超伝導体中のキャ
リア密度を実質的に変調するには、誘電率εiと破壊電
界強度Ebdとの積εi×Ebdが約108V/cmで
なければならないことを意味する。(比較のため、Si
O2の室温でのεi×Ebd積は4×107V/cmで
ある)。
【0017】その他、絶縁物の正常状態電気固有抵抗
は、入力損失VG×IGを生ずる洩れ電流を避けるよう
充分高くなければならない。IG<IDS/100およ
びIDS=10μA、およびゲート電極の面積が1mm
2の典型的な場合には、電気固有抵抗は動作温度におい
て1014Ωcm/εiより高くなければならない。
は、入力損失VG×IGを生ずる洩れ電流を避けるよう
充分高くなければならない。IG<IDS/100およ
びIDS=10μA、およびゲート電極の面積が1mm
2の典型的な場合には、電気固有抵抗は動作温度におい
て1014Ωcm/εiより高くなければならない。
【0018】これら要求事項にかんがみ、誘電率の高い
絶縁層が推奨される。それ故、且つYBa2Cu3O7
の成長との適合性が良いため、絶縁層3に対する障壁材
料としてSrTiO3を選定する。YBa2Cu3O7
とSrTiO3との適合性についてはEP−A−O 2
99 870およびEP−A−O 301 646で指
摘されており、方位性多結晶SrTiO3のバッファ層
の使用についてはEP−A−O 324 220および
EP−A−O 341 788に記されている。SrT
iO3障壁層3を有する図1のMISFET構造を製作
する推奨方法には以下の工程が含まれる。
絶縁層が推奨される。それ故、且つYBa2Cu3O7
の成長との適合性が良いため、絶縁層3に対する障壁材
料としてSrTiO3を選定する。YBa2Cu3O7
とSrTiO3との適合性についてはEP−A−O 2
99 870およびEP−A−O 301 646で指
摘されており、方位性多結晶SrTiO3のバッファ層
の使用についてはEP−A−O 324 220および
EP−A−O 341 788に記されている。SrT
iO3障壁層3を有する図1のMISFET構造を製作
する推奨方法には以下の工程が含まれる。
【0019】1.ゲート電極2を、伝統的なゾーソ・メ
ルティング法により成長されたn導電形の方位{10
0}のNbドープSrTiO3単結晶の形で設ける。ニ
オブのドーピング割合は10−3%(0.001%)と
5%との間にし、好ましくはNbの含有量を0.05%
とする。このゲート電極2を以後のすべての付着のため
の基板として使用する。
ルティング法により成長されたn導電形の方位{10
0}のNbドープSrTiO3単結晶の形で設ける。ニ
オブのドーピング割合は10−3%(0.001%)と
5%との間にし、好ましくはNbの含有量を0.05%
とする。このゲート電極2を以後のすべての付着のため
の基板として使用する。
【0020】単結晶基板が望ましいが、多結晶基板また
は非晶質基板も同様に使用することができることを指摘
したい。また、SrTiO3を導電性にするのにニオブ
以外のドーパントを使用することができる。一例は酸素
欠損である。
は非晶質基板も同様に使用することができることを指摘
したい。また、SrTiO3を導電性にするのにニオブ
以外のドーパントを使用することができる。一例は酸素
欠損である。
【0021】2.基板2の上に、SrTiO3の方位
{100}の絶縁層3をO2/Ar雰囲気中で6.7P
aの圧力、400〜900℃の温度、好ましくは650
℃(サンプル・ホルダの温度)で反応性無線周波マグネ
トロン・スパッタリングでエピタキシャル成長させる。
この層の厚さは1から1000nmの範囲にすることが
できる。
{100}の絶縁層3をO2/Ar雰囲気中で6.7P
aの圧力、400〜900℃の温度、好ましくは650
℃(サンプル・ホルダの温度)で反応性無線周波マグネ
トロン・スパッタリングでエピタキシャル成長させる。
この層の厚さは1から1000nmの範囲にすることが
できる。
【0022】3.真空を破らずに、YBa2Cu3O
7−δの超伝導膜1をSrTiO3の絶縁層3の上にホ
ロー陰極マグネトロン・スパッタリングによりエピタキ
シャル成長させる。この場合、「δ」の値は0に等しい
ことが望ましいが、0.5のように大きくすることもで
きる。超伝導層の厚さは1から1000nmの範囲にす
ることができる。
7−δの超伝導膜1をSrTiO3の絶縁層3の上にホ
ロー陰極マグネトロン・スパッタリングによりエピタキ
シャル成長させる。この場合、「δ」の値は0に等しい
ことが望ましいが、0.5のように大きくすることもで
きる。超伝導層の厚さは1から1000nmの範囲にす
ることができる。
【0023】4.金属パッド、たとえば金パッド4およ
び5を次にYBa2Cu3O7−δの最上層1にスパッ
タして、それぞれソース接点およびドレイン接点を形成
する。
び5を次にYBa2Cu3O7−δの最上層1にスパッ
タして、それぞれソース接点およびドレイン接点を形成
する。
【0024】5.最後に、NbドープSrTiO3ゲー
ト/基板2に銀を拡散することによりゲート接点6を設
ける。
ト/基板2に銀を拡散することによりゲート接点6を設
ける。
【0025】図2は、わずかに異なる(ただし一層真実
のMISFET)構造を示す。この構造を製造する望ま
しい方法は下記工程から構成される。
のMISFET)構造を示す。この構造を製造する望ま
しい方法は下記工程から構成される。
【0026】1.{100}方位のSrTiO3層7を
絶縁物として設け、これを20〜30μmの厚さまで研
磨する。
絶縁物として設け、これを20〜30μmの厚さまで研
磨する。
【0027】2.研磨して薄くした絶縁物7の上に、Y
Ba2Cu3O7−δ膜8を1〜10nmの厚さにスパ
ッタする。この場合、「δ」の値は0に等しいことが望
ましいが、最大0.5まで大きくすることができる。
Ba2Cu3O7−δ膜8を1〜10nmの厚さにスパ
ッタする。この場合、「δ」の値は0に等しいことが望
ましいが、最大0.5まで大きくすることができる。
【0028】3.金パッド9および10を超伝導体層の
上に設けて、それぞれソース接点およびドレイン接点を
形成する。
上に設けて、それぞれソース接点およびドレイン接点を
形成する。
【0029】4.薄くした絶縁物の裏側に、導電ゲート
電極11を金属層、たとえば、金層の形で堆積させる。
この層には適切な接点12がある。
電極11を金属層、たとえば、金層の形で堆積させる。
この層には適切な接点12がある。
【0030】5.隋意選定で、ゲート電極11を、図2
に示すように、絶縁基板13に支持させ、安定にするこ
とができる。
に示すように、絶縁基板13に支持させ、安定にするこ
とができる。
【0031】図3は、図1による装置の、絶縁層3を通
るゲート電流IGの典型的な特性を、印加ゲート電圧V
Gの関数として示す。
るゲート電流IGの典型的な特性を、印加ゲート電圧V
Gの関数として示す。
【0032】測定した特性は、pin接合に対して期待
されるものであり、超伝導体および基板は、それぞれp
電極およびn電極である。研究された一つの例では、絶
縁障壁の電気固有抵抗は3Vの順バイアスで4×10
13Ωcmであり、20Vの逆バイアスでは4×10
14Ωcmであった。室温で5×105V/cmおよび
1.5×107V/cmの破壊電界強度がそれぞれ順方
向および逆方向で得られた。このサンプルのキャパシタ
ンスは室温で2×10−7F/cm2であった。この値
は比較的低いεi=8(t=40nm)に対応する。こ
の低い誘電率は、NbドープSrTiO3基板上の絶縁
表面層により発生することができ、Japan.Jou
rn.of Appl.Phys.,28L2210
(1989)のHasegawa等による報告と一致し
て観察された。層の破壊電圧は約2Vである。それにも
かかわらず、逆バイアス下にあるSrTiO3障壁層の
εixEbd積は約108V/cmであったが、これは
(1)で必要とされる値の限界である。
されるものであり、超伝導体および基板は、それぞれp
電極およびn電極である。研究された一つの例では、絶
縁障壁の電気固有抵抗は3Vの順バイアスで4×10
13Ωcmであり、20Vの逆バイアスでは4×10
14Ωcmであった。室温で5×105V/cmおよび
1.5×107V/cmの破壊電界強度がそれぞれ順方
向および逆方向で得られた。このサンプルのキャパシタ
ンスは室温で2×10−7F/cm2であった。この値
は比較的低いεi=8(t=40nm)に対応する。こ
の低い誘電率は、NbドープSrTiO3基板上の絶縁
表面層により発生することができ、Japan.Jou
rn.of Appl.Phys.,28L2210
(1989)のHasegawa等による報告と一致し
て観察された。層の破壊電圧は約2Vである。それにも
かかわらず、逆バイアス下にあるSrTiO3障壁層の
εixEbd積は約108V/cmであったが、これは
(1)で必要とされる値の限界である。
【0033】厚さ40nmのSrTiO3障壁層の上の
厚さ10nmのYBa2Cu3O7−δ膜から成るサン
プルのチャンネル抵抗RDSに及ぼすゲート電圧VGの
影響を図4に示す。図から明白なことは、正常状態の電
気固有抵抗の測定値がゲート電圧にほぼ直線的に依存す
ること、および電気固有抵抗に及ぼす効果はゲート電圧
を逆にすると符号が変るということである。電圧誘起抵
抗変化の測定極性は理論的予想と一致している。YBa
2Cu3O7−δはp形の導体であり、したがってゲー
ト電極に正電圧VGがあれば、チャンネル内の自由キャ
リア濃度が減少し、したがってチャンネル抵抗RDSが
増大するが、ゲート電極に負電圧VGがあればチャンネ
ル内の自由キャリアの濃度が上り、したがって、チャン
ネル抵抗RDSが減少する。
厚さ10nmのYBa2Cu3O7−δ膜から成るサン
プルのチャンネル抵抗RDSに及ぼすゲート電圧VGの
影響を図4に示す。図から明白なことは、正常状態の電
気固有抵抗の測定値がゲート電圧にほぼ直線的に依存す
ること、および電気固有抵抗に及ぼす効果はゲート電圧
を逆にすると符号が変るということである。電圧誘起抵
抗変化の測定極性は理論的予想と一致している。YBa
2Cu3O7−δはp形の導体であり、したがってゲー
ト電極に正電圧VGがあれば、チャンネル内の自由キャ
リア濃度が減少し、したがってチャンネル抵抗RDSが
増大するが、ゲート電極に負電圧VGがあればチャンネ
ル内の自由キャリアの濃度が上り、したがって、チャン
ネル抵抗RDSが減少する。
【0034】チャンネル抵抗RDS(VG)の測定値は
理論的予測と良く一致する。図4を作るのに使用した、
2×10−7F/cm2のキャパシタンスを有するサン
プルに30Vを加えると、電極上の電子の濃度に2×1
013/cm2の変化を生ずる。他方、YBa2Cu3
O7−δのキャリア濃度は約3〜5×1021/cm3
であり、これは厚さ10nmのチャンネル層の3〜5×
1015/cm2の移動ホールの面積密度に相当する。
このことは、実験誤差内で、どんな温度でもチャンネル
内の自由キャリアの密度が変化すれば対応してRDSの
変化が生ずることを意味している。
理論的予測と良く一致する。図4を作るのに使用した、
2×10−7F/cm2のキャパシタンスを有するサン
プルに30Vを加えると、電極上の電子の濃度に2×1
013/cm2の変化を生ずる。他方、YBa2Cu3
O7−δのキャリア濃度は約3〜5×1021/cm3
であり、これは厚さ10nmのチャンネル層の3〜5×
1015/cm2の移動ホールの面積密度に相当する。
このことは、実験誤差内で、どんな温度でもチャンネル
内の自由キャリアの密度が変化すれば対応してRDSの
変化が生ずることを意味している。
【0035】YBa2Cu3O7−δ膜の電気固有抵抗
の温度依存RDS(T)を図5に示す。サンプルは図1
に示す形式のすべての装置に対して代表的のものであ
る。
の温度依存RDS(T)を図5に示す。サンプルは図1
に示す形式のすべての装置に対して代表的のものであ
る。
【0036】このサンプルに対するチャンネル抵抗変化
の電圧誘起変動の温度依存ΔRDS/RDS(VG,
T)を図4に示してある。この図で示すように、実験の
ばらつきの範囲で、チャンネル抵抗の分数変化ΔRDS
/RDSは温度の関数としてほとんど一定である。温度
依存のΔRDS/RDS(VG)の比は最低Tcまで
(RDS=0)観察される。
の電圧誘起変動の温度依存ΔRDS/RDS(VG,
T)を図4に示してある。この図で示すように、実験の
ばらつきの範囲で、チャンネル抵抗の分数変化ΔRDS
/RDSは温度の関数としてほとんど一定である。温度
依存のΔRDS/RDS(VG)の比は最低Tcまで
(RDS=0)観察される。
【0037】ゲート電圧VGにより誘起されるチャンネ
ル抵抗の変化は、VG=18Vでは50mKの中間点T
cでのRDS(T)特性の変化に対応する。
ル抵抗の変化は、VG=18Vでは50mKの中間点T
cでのRDS(T)特性の変化に対応する。
【0038】本発明による電界効果トランジスタの幾つ
かの見本実施例で取った測定値から、動作ゲート電圧V
Gは0.1Vと50Vとの間の範囲にあるべきこと、超
伝導膜の厚さSは1と30nmとの間の範囲にあるべき
こと、および絶縁層の厚さは0.3と10nmとの間の
範囲にあるべきことが決定された。
かの見本実施例で取った測定値から、動作ゲート電圧V
Gは0.1Vと50Vとの間の範囲にあるべきこと、超
伝導膜の厚さSは1と30nmとの間の範囲にあるべき
こと、および絶縁層の厚さは0.3と10nmとの間の
範囲にあるべきことが決定された。
【0039】本発明により作製される構造が予想どおり
に実際に働くか、すなわち、チャンネル内の電流を実際
に電界効果により制御することができるかを確認するた
め、スポットチェック測定が下記のように行われた。
に実際に働くか、すなわち、チャンネル内の電流を実際
に電界効果により制御することができるかを確認するた
め、スポットチェック測定が下記のように行われた。
【0040】1.図4の曲線を生じたサンプルより50
0倍(20Vで)低い障壁層抵抗を有するサンプルに関
するRDS(VG)の測定。この測定では同じR
DS(VG)特性が示され、観察される効果が有限のゲ
ート電流IGによって生じるものでないことが実証され
た。
0倍(20Vで)低い障壁層抵抗を有するサンプルに関
するRDS(VG)の測定。この測定では同じR
DS(VG)特性が示され、観察される効果が有限のゲ
ート電流IGによって生じるものでないことが実証され
た。
【0041】2.VGが主としてチャンネル抵抗RDS
に影響するかまたは影響がVDSの変化に基くものであ
るかをはっきりさせるため、異なるチャンネル電流I
DSに対してRDSを測定した。たとえIDSが4けた
の大きさだけ変化しても、印加ゲート電圧はチャンネル
抵抗RDSの変化を生じ、チャンネル層にかなりな電圧
を誘起することはない。
に影響するかまたは影響がVDSの変化に基くものであ
るかをはっきりさせるため、異なるチャンネル電流I
DSに対してRDSを測定した。たとえIDSが4けた
の大きさだけ変化しても、印加ゲート電圧はチャンネル
抵抗RDSの変化を生じ、チャンネル層にかなりな電圧
を誘起することはない。
【0042】YBa2Cu3O7−δ/SrTiO3の
多層から成るMISFET形式のヘテロ構造が開発さ
れ、この構造により107V/cmより大きい電界をY
Ba2Cu3O7−δの超伝導膜に加えることができ
る。これらの装置では、電界効果がチャンネル抵抗の変
化を生ずる。YBa2Cu3O7−δ膜は、約10nm
の望ましい厚さを備えており、約30ボルトのゲート電
圧で動作する。チャンネルの電気固有抵抗の変化は、高
Tc超伝導体におけるキャリア密度の同等に強い変化に
帰することができる。
多層から成るMISFET形式のヘテロ構造が開発さ
れ、この構造により107V/cmより大きい電界をY
Ba2Cu3O7−δの超伝導膜に加えることができ
る。これらの装置では、電界効果がチャンネル抵抗の変
化を生ずる。YBa2Cu3O7−δ膜は、約10nm
の望ましい厚さを備えており、約30ボルトのゲート電
圧で動作する。チャンネルの電気固有抵抗の変化は、高
Tc超伝導体におけるキャリア密度の同等に強い変化に
帰することができる。
【0043】
【発明の効果】銅酸化物系の結晶質超伝導体薄膜を結晶
質絶縁層の上に堆積する本発明によれば、特開平1−2
07982号における問題、すなわち、、超伝導体薄膜
と、絶縁層および基板との間の相互拡散による超伝導薄
膜の劣化を低減でき、高性能な反転MISFET構造の
超伝導電界効果トランジスタを実現することができる。
また、特開平1−207982号は、電界効果トランジ
スタを形成するのに4層構造を必要とするが、本発明に
よれば、これを3層構造で実現することができる。
質絶縁層の上に堆積する本発明によれば、特開平1−2
07982号における問題、すなわち、、超伝導体薄膜
と、絶縁層および基板との間の相互拡散による超伝導薄
膜の劣化を低減でき、高性能な反転MISFET構造の
超伝導電界効果トランジスタを実現することができる。
また、特開平1−207982号は、電界効果トランジ
スタを形成するのに4層構造を必要とするが、本発明に
よれば、これを3層構造で実現することができる。
【図1】本発明による電界効果トランジスタの第1の実
施例の概要図である。
施例の概要図である。
【図2】本発明の電界効果トランジスタの第2の実施例
の概要図である。
の概要図である。
【図3】図1の電界効果トランジスタのIG/VG特性
を示す。
を示す。
【図4】ゲート電圧VGの関数としてのチャンネルの電
気固有抵抗の変化の依存性を示す図である。
気固有抵抗の変化の依存性を示す図である。
【図5】絶対温度の関数としてのチャンネルの電気固有
抵抗の依存性を示す。
抵抗の依存性を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミユーラー・カール・アレキサンダー スイス国ヘデインゲン、ハルデンスター54 番地 (56)参考文献 特開 平1−207982(JP,A) 特開 昭63−46786(JP,A) 特開 昭63−239990(JP,A) 特開 昭61−75575(JP,A) 欧州特許出願公開371462(EP,A)
Claims (4)
- 【請求項1】 電界制御電流チャンネルとゲート、ソー
ス、およびドレインの各電極とを有し、銅酸化物系の結
晶質超伝導体の薄膜を前記電流チャンネルとして使用
し、前記結晶質超伝導体と格子適合性を有する結晶質絶
縁層をゲート絶縁層として使用する電界効果トランジス
タを製造する方法にして、 (a)前記結晶質絶縁層と同じ結晶族の導電性結晶より
なる、基板として働くゲート電極(2)を設ける工程
と、 (b)前記ゲート電極(2)の上に、前記結晶質絶縁層
(3)を付着する工程と、 (c)前記結晶質絶縁層(3)の上に、前記結晶質超伝
導体の薄膜(1)を付着する工程と、 (d)前記結晶質超伝導体の薄膜(1)の上に、所定の
距離を隔ててソース接点およびドレイン接点(4、5)
を形成する工程と、 (e)前記ゲート電極(2)の上にゲート接点(6)を
設ける工程とを含む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。 - 【請求項2】 前記導電性結晶が結晶方位{100}の
NbドープSrTiO3よりなり、前記結晶質絶縁層が
結晶方位{100}のSrTiO3よりなり、前記結晶
質超伝導体がYBa2Cu3O7−δ(O≦δ≦0.
5)よりなることを特徴とする請求項1に記載の超伝導
電界効果トランジスタの製造方法。 - 【請求項3】 電界制御電流チャンネルとゲート、ソー
ス、およびドレインの各電極とを有し、銅酸化物系の結
晶質超伝導体の薄膜を前記電流チャンネルとして使用
し、前記結晶質超伝導体と格子適合性を有する結晶質絶
縁層をゲート絶縁層として使用する電界効果トランジス
タを製造する方法にして、 (a)前記結晶質絶縁層(7)を形成する工程と、 (b)前記結晶質絶縁層(7)の一方の側に、前記結晶
質超伝導体の薄膜(8)を付着する工程と、 (c)前記結晶質超伝導体の薄膜(8)の上に金属のソ
ース接点およびドレイン接点(9、10)を形成する工
程と、 (d)前記結晶質絶縁層(7)の他方の側にゲート電極
(11)を金属層の形で付着する工程と、 (e)前記ゲート電極(11)にゲート接点(12)を
設ける工程とを含む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。 - 【請求項4】 前記結晶質絶縁層が結晶方位{100}
のSrTiO3よりなり、前記結晶質超伝導体がYBa
2Cu3O7−δ(O≦δ≦0.5)よりなることを特
徴とする請求項3に記載の超伝導電界効果トランジスタ
の製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
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