[发明专利]一种超导场效应晶体管、其制作方法及应用方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体领域，特别是涉及一种超导场效应晶体管、其制作方法及应用方法。

背景技术

超导场效应晶体管，Superconductor FET（SFET）：是一种利用超导沟道导电的绝缘栅场效应晶体管。它的源极和漏极的电极接触金属是超导体（见图示）。由于超导体的相干长度——超导电子对之间的关联长度（关联效应的空间长度）大约为1nm～100nm（在这个长度内，可有很多个超导电子对），故与超导体接触的常导体或者半导体薄膜也将成为超导态。从而对于较短的器件沟道，也可变为超导态，所以这种超导场效应晶体管的电流大、驱动力强、速度快、响应快。

请参阅图1，显示为现有的超导场效应晶体管结构示意图，如图所示，该超导场效应晶体管包括N型源极S、N型漏极D、P型沟道区（位于该源极S与漏极D之间的部分，未予以标号）、栅区结构G、以及分别制作于源极S与漏极D上的超导体膜（未予以标号）。在这种器件中，所述沟道区与所述源极、漏极的导电类型相反，当栅极施加适当电压使沟道反型时，器件导通，当栅极电压移除时，器件关闭。根据超导电子对之间的关联长度，沟道区在较短范围内可以成为半超导体或超导体以获得性能优异的器件。然而，当所述沟道区的长度较短时，由于源、漏极的掺杂浓度较高，掺杂离子向所述沟道区扩散，往往会导致器件漏电流增大，严重时会导致整个器件失效。故这种超导晶体管对沟道的长度有一定的限制，因而会影响到超导晶体管的响应速度，限制了器件性能的提高。

因此，提供一种新型的超导场效应晶体管实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超导场效应晶体管、其制作方法及其应用方法，用于解决现有技术中超导场效应晶体管沟道长度难以进一步缩小至纳米级尺寸、容易因源区与漏区杂质离子向沟道区扩散而造成器件漏电，进而导致晶体管性能退化的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超导场效应晶体管的制作方法，所述制作方法至少包括：1）提供一绝缘体上半导体衬底，包括背衬底、背衬底上的绝缘层及绝缘层上的第一掺杂导电类型的半导体薄膜；2）于所述半导体薄膜定义沟道区，并刻蚀所述沟道区两侧至所述绝缘层以形成欲制备源极与漏极的区域；3）于所述欲制备源极与漏极的区域分别形成与所述沟道区掺杂导电类型相同的超导体源极与超导体漏极；4）选择性去除所述沟道区下垂向区域的绝缘层以在所述沟道区下垂向区域形成隧道结构，并对所述沟道区进行圆角化处理；5）于所述沟道区表面包裹栅氧层，且所述栅氧层的厚度小于所述隧道结构的高度；6）于所述栅氧层表面包裹电极层，且使电极层填满所述隧道结构，以完成所述超导场效应晶体管的制作。

在所述的超导场效应晶体管的制作方法中，依据超导电子对之间的关联长度确定所述沟道区的长度。具体地，所述沟道区的长度为10~1000nm。

在所述的超导场效应晶体管的制作方法中，所述半导体薄膜为P型掺杂或N型掺杂的Si、Ge、SiGe、SiGeC、或III-V半导体材料。

作为本发明的超导场效应晶体管的制作方法的一个优选方案，所述半导体薄膜为N型掺杂，且所述超导体源极与超导体漏极为N型的Nd-Ce-Cu-O或Nd-Cu-O-F基及其它N型超导薄膜。

作为本发明的超导场效应晶体管的制作方法的一个优选方案，所述半导体薄膜为P型掺杂，且所述超导体源极与超导体漏极为P型的La-Sr-Cu-O、Y-Ba-Cu-O、Bi-Sr-Ca-Cu-O或Tl-Ba-Sr-Cu-O基及其它P型超导薄膜。

在所述的超导场效应晶体管的制作方法的步骤3）中，先采用原子层沉积或分子束沉积于所述欲制备源极与漏极的区域形成超导体薄膜，然后采用化学机械抛光平坦化以形成所述超导体源极与超导体漏极。

在所述的超导场效应晶体管的制作方法的步骤4）中，先对所述沟道区进行高温氧化以在其表面形成氧化层，然后采用BOE湿法腐蚀工艺刻蚀所述氧化层，接着在氢气气氛下于1000~1200℃进行退火，以圆角化所述沟道区，形成圆柱体沟道区。

在所述的超导场效应晶体管的制作方法的步骤5）中，采用化学气相沉积法或原子层沉积法形成所述栅氧层。

在所述的超导场效应晶体管的制作方法的步骤6）中，采用化学气相沉积法或原子层沉积法形成所述电极层，所述电极层为金属硅化物。

作所述为本发明的超导场效应晶体管的制作方法的一个优选方案，所述步骤6）后还包括采用化学气相沉积法于所述超导场效应晶体管表面沉积介电层，并通过各向异性反应离子刻蚀以形成栅极介质隔离侧墙结构的步骤。