[发明专利]带倒置的MISFET结构的超导场效应晶体管

说明书

本发明是乔治等人于1991年12月6日递交的发明名称为“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的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及具有由高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。

在本发明中，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，在本发明中，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”，这就是本发明所解决的问题。

本发明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YBa₂Cu₃O_7-δ而进行的。很薄的超导薄膜YBa₂Cu₃O_7-δ从EP-A-0293836中可以了解。YBa₂Cu₃O_7-δ的外延生长在EP-A-0329103中也有所描述。为了实现本发明的目的，“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，尽管所描述的本发明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。