ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР Российский патент 1995 года по МПК H01L27/12 

Изобретение относится к криоэлектронике и может быть использовано при создании элементной базы сверхпроводниковой микроэлектроники и, в частности, полностью сверхпроводниковых интегральных схем.

Полевой транзистор с изолированным затвором, содержащий индуцированный проводящий канал и прилегающий к нему затвор, состоящий из диэлектрического материала с металлическим контактом к последнему, является основой современной микроэлектроники и описан во всех монографиях по этому направлению [1] .

В настоящее время значительная часть работ по высокотемпературной сверхпроводимости направлена на создание полупроводниковых интегральных схем, в которых активными элементами должны быть полевые транзисторы, а микрополосковые межсоединения выполнены из высокотемпературного сверхпроводника. Однако в таких интегральных схемах преимущество сверхпроводящих межсоединений, связанное с уменьшением времени задержки, не может быть реализовано из-за резкого рассогласования волнового сопротивления сверхпроводящей микрополосковой линии, которое составляет единицы Ом, и сопротивления канала открытого транзистора (в микроэлектронном исполнении), которое составляет 10³-10⁴ Ом. Из-за такого рассогласования распространение сигнала в линии имеет не волновой, а диффузионный характер, при котором задержка определяется не фазовой скоростью, распространения сигнала, а погонной емкостью линии, не зависящей от ее сопротивления.

Наиболее близким аналогом изобретения является одна из разновидностей полевого транзистора с изолированным затвором - транзистор со скрытым каналом [2]. Конструкция его содержит проводящий канал из легированного n-кремния, к которому с одной стороны прилегает буферный кремниевый слой, а с другой стороны расположен затвор из диэлектрического материала (диоксида кремния) с металлическим контактом к нему. Назначение буферного слоя заключается в уменьшении влияния дефектов подложки на материал канала.

Недостатком ближайшего аналога является высокое (10³-10⁴ Ом) сопротивление канала, не дающее возможности согласовать транзистор со сверхпроводящей микрополосковой линией.

Целью изобретения является создание полевого транзистора с изолированным затвором, имеющего сопротивление канала менее 10¹ Ом, т.е. согласуемого с волновым сопротивлением сверхпроводящих микрополосковых линий.

Цель достигается в полевом транзисторе, содержащем проводящий канал, к которому с одной стороны прилегает буферный слой, а с другой стороны расположен затвор из диэлектрического материала с металлическим контактом к последнему, причем канал выполнен из сверхпроводящего материала с концентрацией свободных носителей P_o ≅ P ≅ 10²² см^-3 и толщиной d, см, отвечающей соотношению
A < d < а буферный слой выполнен из материала с нормальным характером проводимости и кристаллической решеткой, одинаковой с кристаллической решеткой материала канала, где ε - диэлектрическая постоянная материала канала, Ф/см; ε_o - диэлектрическая постоянная вакуума, Ф/см; Е_пр - напряженность поля в канале при пробое, В/см; q - заряд электрона, Kул; А - размер одной ячейки монокристалла материала канала, см; Р_о - концентрация свободных носителей, при которой разрушается сверхпроводящее состояние, см^-3, проводящий канал может быть выполнен из сверхпроводника состава YBa₂Cu₃O₇. Между проводящим каналом и диэлектрическим материалом затвора может быть введен второй буферный слой из материала с нормальным характером проводимости и кристаллической решеткой, одинаковой с кристаллической решеткой сверхпроводящего материала канала, толщиной d₁, удовлетворяющей соотношению:
A₁< d₁< , см, где А₁ - размер одной ячейки монокристалла второго буферного слоя, см; Р₁ - концентрация дырок во втором буферном слое, см^-3.

Оба буферных слоя могут быть выполнены из PrBa₂Cu₃O₇, а затвор - из SrTiO₃.

Суть изобретения поясняется чертежами (фиг. 1 и 2), где приняты следующие обозначения: проводящий канал 1, первый буферный слой 2, диэлектрический материал затвора 3, металлический контакт 4 к диэлектрическому материалу, подложка 5, контакты 6 из сверхпроводящего материала к проводящему каналу 1, металлические контакты 7 истока и стока, второй буферный слой 8.

Суть предлагаемой конструкции состоит в том, что проводящий канал выполнен из сверхпроводника со сравнительно малой концентрацией свободных носителей Р_о ≅ P ≅ 10²² см^-3 и имеет очень малую толщину, т.е. общее количество сверхпроводящих пар на единицу площади канала сравнительно невелико. Это дает возможность получить очень малое сопротивление (в пределе - нулевое) проводящего канала при отсутствии смещения на затворе, а при подаче на затвор рабочего смещения - обеспечить удаление свободных носителей электрическим полем в буферный слой и разрушение сверхпроводимости, причем напряженность электрического поля в материале канала при этом не превышает критическую (пробивную) величину, при которой происходит пробой канала.

Если затвор создает на границе с каналом поле Е_м, то глубина экранирования, т.е. толщина слоя, из которого будут удалены свободные носители, определяется из решения уравнения Пуассона
dE = dx и равна d = . При этом поле Е_м должно быть меньше критического поля пробоя материала канала Е_пр, откуда следует выражение для предельно допустимой толщины канала A < d < . Если выполнить проводящий канал из любого металлического сверхпроводника с Р10²³ см^-3, что d<1 x 10^-9 см, т. е. тоньше, чем один атомный монослой, что нереально. Открытые недавно высокотемпературные сверхпроводящие керамики типа YBa₂Cu₃O₇ имеют Р ≅ 5 х 10²¹ см^-3, что дает при ε ≃ 100 Р=10²¹ см^-3 и Е_пр=10⁷ В/см d=6 x 10^-8 см. Поскольку заметное изменение концентрации свободных носителей должно происходить на расстоянии порядка 2-3 d, то канал может иметь толщину порядка одной-двух ячеек кристалла YBa₂Cu₃O₇. Эксперименты показали, что слой такой толщины, выращенный на буферном слое состава PrBa₂Cu₃O₇, обладает переходом в сверхпроводимость при температуре ≈50 К.

Первый буферный слой выполняется из материала с нормальным характером проводимости при рабочей температуре, такой характер проводимости обеспечивает возможность получения большого перепада сопротивлений при разрушении сверхпроводимости в канале. Этот материал должен иметь одинаковую с каналом кристаллическую решетку для сохранения свойств канала. Толщина буферного слоя должна быть достаточно большой для того, чтобы при его выращивании произошло залечивание ростовых дефектов, вызванных дефектами подложки и диффузией примесей из нее. Поскольку не все диэлектрические материалы могут быть выращены непосредственно на тонком проводящем канале без нарушения его сверхпроводящих свойств, то в таком случае возможно введение второго буферного слоя между каналом и диэлектрическим слоем. Этот второй буферный слой должен обладать нормальным характером проводимости и иметь одинаковую с проводящим каналом кристаллическую решетку, все это способствует сохранению сверхпроводящих свойств канала. Если канал выполнен из сверхпроводящей керамики YBa₂Cu₃O₇, то оба буферных слоя должны быть выполнены из керамики состава PrBa₂Cu₃O₇, имеющей нормальный характер проводимости и кристаллическую решетку, совпадающую с решеткой YBa₂Cu₃O₇. Во втором буферном слое заряд имеющихся в этом слое носителей экранирует поле затвора от канала. Поэтому для уменьшения величины экранирующего заряда толщина второго буферного слоя должна быть выбрана так, чтобы удельный заряд в нем на единицу площади был по крайней мере на порядок меньше удельного заряда в канале, т. е. выполнялось соотношение:
Pd ≥ 10p₁d₁.

С другой стороны, толщина второго буферного слоя должна быть больше размера одной ячейки монокристалла материала буферного слоя. Канал в предлагаемом транзисторе может быть выполнен как из YBa₂Cu₃O₇, так и из BiSrCaO, TlBaCaCuO. Для этих материалов канала соответствующих им материалов для буферных слоев пока не найдено. Диэлектрический слой лучше всего выполнять из SrTiO₃, BaTiO₃, могут быть также использованы TiO₂, ZrO₂, 4GaO₃ x x NdGaO₃ ˙ LaAlO₃. Сток и исток также необходимо выполнять из того же сверхпроводящего материала, что и канал, чтобы не нарушать сверхпроводимость канала.

Работает предлагаемый транзистор следующим образом.

При охлаждении транзистора до температуры меньшей, чем температура перехода в сверхпроводящее состояние материала канала, проводимость в нем обеспечивается спаренными дырками и сопротивление канала нулевое. При приложении внешнего напряжения к клеммам 7 исток-сток (И-С, + на истоке) через канал 1 протекает ток, ограниченный внешней цепью. При подаче управляющего сигнала в цепь затвор 3 - сток 7 (3-С, + на затворе) спаренные дырки вытесняются полем в нижний буферный слой 2 и распариваются. В результате этого проводимость канала падает от величины, определяемой сопротивлением движению нормальных дырок в нижнем буферном слое 2. Перепад сопротивлений при этом составляет 10¹⁰-10¹², что обеспечивает хорошие ключевые свойства прибора. При снятии с затвора 3 управляющего сигнала сверхпроводимость в канале восстанавливается.

Были изготовлены транзисторы по следующей технологической схеме.

На подложке 5 из SrTiO₃ (100) методом лазерного напыления была выращена пленка 2 из PrBa₂Cu₃O₇ толщиной 1000 с осью С, направленной вертикально. Затем на этой пленке был выращен проводящий канал 1 толщиной 20 и контакты 6 толщиной 500 из YBa₂Cu₃O₇ с Р=5 х 10²¹см^-3. После этого был выращен второй буферный слой из PrBa₂Cu₃O₇толщиной 200 , диэлектрический слой из SrTiO₃ толщиной 500 и методом термического распыления в вакууме нанесены алюминиевые контакты 7 толщиной 0,5 мкм и обкладка затвора 4 толщиной 0,5 мкм. Ширина проводящего канала была 100 мкм, длина - 400 мкм. Без управляющего сигнала на затворе сопротивление сток-исток составляло 2 х 10^-5 Ом, что определялось сопротивлением контактов. При подаче на затвор управляющего сигнала с напряжением U₃=30 В сопротивление возрастало до 2 х 10³ Ом, что примерно равно сопротивлению буферного слоя 2.

Таким образом, изобретение позволило резко уменьшить сопротивление проводящего канала полевого транзистора и в то же время получить перепад сопротивлений при переключении в восемь порядков. Это открывает принципиально новую возможность создания полностью сверхпроводниковых интегральных схем, где в качестве активного элемента будет использован предлагаемый транзистор, а межсоединения будут выполнены в виде микрополосковых сверхпроводящих линий.

Использование: в криоэлектронике при создании элементной базы сверхпроводниковой микроэлектроники, в частности полностью сверхпроводниковых интегральных схем. Сущность изобретения: полевой транзистор выполнен на подложке из диэлектрического материала. На подложке расположены буферный слой с расположенными на нем проводящим каналом и затвором, выполненным из диэлектрического материала. К затвору выполнен металлический электрод. Канал выполнен из сверхпроводящего материала. Между каналом и затвором может быть расположен второй буферный слой. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР, содержащий буферный слой, расположенный на нем проводящий канал и затвор из диэлектрического материала с металлическим контактом к последнему, отличающийся тем, что проводящий канал выполнен из сверхпроводящего материала с концентрацией свободных носителей P₀ ≅ P ≅ 10²² см^-3 и толщиной d, см, удовлетворяющей соотношению
а буферный слой выполнен из материала с кристаллической решеткой, одинаковой с кристаллической решеткой материала канала, где ε - диэлектрическая постоянная материала канала, Ф/см; e_o - диэлектрическая постоянная вакуума, Ф/см; E_пр - напряженность поля в материале канала при пробое, В/см; q - заряд электрона; A - размер ячейки монокристалла материала канала, см; P₀ - концентрация свободных носителей, при которой разрушается сверхпроводящее состояние, см^-3. 2. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что проводящий канал выполнен из сверхпроводника состава JBa₂Cu₃O₇. 3. Транзистор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что дополнительно между каналом и слоем диэлектрического материала затвора введен второй буферный слой из материала с нормальным характером проводимости и кристаллической решеткой, одинаковой с кристаллической решеткой сверхпроводящего материала канала, толщиной d₁, удовлетворяющей соотношению

где P₁ - концентрация дырок во втором буферном слое, см^-3;
A₁ - размер ячейки материала второго буферного слоя, см. 4. Транзистор по п.3, отличающийся тем, что оба буферных слоя выполнены из PrBa₂Cu₃O₇. 5. Транзистор по пп.1 - 4, отличающийся тем, что в качестве диэлектрического материала затвора использован SrTiO₃.