[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，该超导材料的导电性可以重复地被一个电场影响。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场效应晶体管(MISFET)。本发明还涉及具有倒MISFET结构的超导场效应晶体管的制作方法。

几十年来，电子工业在缩小电子器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上巨大的努力，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器件上，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，这些器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Muller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，并且在世界范围引起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.K abasawa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器件，这个器件带一个超导沟道，在这个沟道中电场被用来控制由高Tc超导体材料构成的沟道层的输运性质。这似乎是一个有希望的途径，但对这种器件的进一步研究表明，该专利建议的结构中的超导层在淀积绝缘层和上电极的过程中很容易劣化。

在本发明中，通过在绝缘层形成后再淀积超导薄膜，交将栅电极置于绝缘体和高-Tc膜之下，就会避免上述缺陷。此外，在本发明中，用导电的基底作为栅电极。为了便于生长更理想的晶体，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Nb的SrTiO₃用来作为基底，非掺杂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SrTiO₃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。

本发明基于近来发现的在很薄的超导薄膜中存在着巨大的电场效应的实验证据。这些实验是采用氧化铜系列超导体材料，特别是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，淀积高-Tc和SrTiO₃薄膜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，但这个术语在下面陈述中用来描述一个类似结构，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。

根据本发明制优的MISFET结构可以跨过绝缘的SrTiO₃势垒层对外延生长的超薄YBa₂Cu₃O_7-δ沟道层施加大于10⁷V/cm的电场。采用射频磁控溅射外延生长YBa₂Cu₃O_7-δ在EP-A-0343649中已有描述，在这些结构中，当栅电压达到50V的数量级时，YBa₂Cu₃O_7-δ膜的常态电阻率和自由载流子的密度都会有很大的改变。