ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР Российский патент 1996 года по МПК H01L29/80 

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

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. Известен полевой транзистор с изолированным затвором - транзистор со скрытым каналом [1] который содержит проводящий канал из легированного п-кремния и затвор, состоящий из прилегающего к этому каналу диэлектрического слоя из SiO₂ с металлической обкладкой. В таком транзисторе высокое сопротивление канала (10³ 10⁴ Ом) не позволяет согласовать транзистор со сверхпроводящей микрополосковой линией.

Известен также полевой транзистор с изолированным затвором [2] взятый в качестве прототипа, содержащий монокристаллическую подложку, канал из высокотемпературного полупроводника YBa₂Cu₃O₇ толщиной приблизительно 200 и затвор из диэлектрического материала с металлическим контактом к нему. Этот транзистор может быть легко согласован со сверхпроводящей микрополосковой линией, поскольку канал имеет нулевое сопротивление при низких температурах. Однако при такой толщине канала поле затвора слабо влияет на сопротивление канала.

Это является основным недостатком прототипа. Для того, чтобы усилить эффект поля, необходимо уменьшать толщину канала, как показывают оценки, до 15-20 , т.е. до толщины, несколько большей размера одной ячейки монокристалла YBa₂Cu₃O₇ вдоль оси С. Однако, как показывают эксперименты [3] при такой толщине канала переход в сверхпроводящее состояние происходит при температуре приблизительно 20 К, т.е. в области гелиевых температур.

Задачей предлагаемого изобретения является создание полевого транзистора, работающего при температуре выше 77 К, т.е. работающего при охлаждении жидким азотом.

Указанная задача решается в полевом транзисторе, содержащем монокристаллическую подложку, канал из сверхпроводящего материала, затвор из диэлектрического материала с металлическим контактом к нему.

Новым является то, что в транзистор введены два буферных слоя и дополнительный затвор, проводящий канал имеет толщину d, определяемую из соотношения

буферные слои выполнены из материала с кристаллической решеткой, одинаковой с решеткой материала канала, и нормальным характером проводимости, каждый толщиной d₁, отвечающей соотношению
,
и расположены по обе стороны от проводящего канала; дополнительный затвор выполнен из диэлектрического материала и сверхпроводящего контакта к нему и расположен между введенным буферным слоем и подложкой, причем сверхпроводящий контакт примыкает к подложке,
где А (см) размер ячейки монокристалла материала канала,
d (см) толщина канала,
d₁ (см) толщина буферных слоев,
P(см^-3) концентрация свободных носителей тока в канале,
P₁ (см^-3>) концентрация свободных носителей тока в буферных слоях,
ε (отн.ед.) диэлектрическая постоянная материала канала,
e_o (Ф/см) диэлектрическая постоянная вакуума,
E_пр (В/см) напряженность поля в материале канала при пробое,
q (Кл) заряд электрона.

На чертеже представлена схематическая конструкция полевого транзистора, где:
1 монокристаллическая подложка,
2 сверхпроводящий контакт к диэлектрическому слою введенного затвора,
3 диэлектрический слой введенного затвора,
4 буферный слой,
5 канал из сверхпроводящего материала,
6 буферный слой,
7 диэлектрический слой затвора,
8 металлический контакт затвора.

Суть предлагаемой конструкции состоит в следующем.

Если затвор создает на границе с проводящим каналом поле Е_м, то глубина экранирования l, т. е. толщина слоя, из которого могут быть полем затвора удалены свободные носители, определяется из решения уравнения Пуассона

и равна
При этом поле Е_м должно быть меньше критического поля пробоя материала канала Е_пр. Поскольку заметное изменение концентрации должно происходить на расстоянии порядка (2 3) l, то толщина канала должна лежать в пределах
,
где А размер ячейки монокристаллического материала канала в направлении, перпендикулярном плоскости затвора. Высокотемпературные сверхпроводящие керамики, в частности YBa₂Cu₃O₇, имеют P≅5x10²¹ см^-3 ε ~ 100 при 77 К и Е_пр≈ 10⁷ В/см, что дает d (10 20)10^-8см 10 20 , что несколько больше размера ячейки вдоль оси С. Отсюда понятно слабое влияние поля на проводимость канала, наблюдавшееся в [2] где толщина канала была приблизительно 200 . В то же время эксперименты показали [3] что слой YBa₂Cu₃O₇ толщиной порядка трех ячеек обладает переходом в сверхпроводимость при температуре приблизительно 20 К, т.е. ниже температуры кипения жидкого азота. Для того, чтобы этот переход осуществлялся при температуре жидкого азота и выше, толщина канала должна быть больше, как минимум, вдвое.

Для управления проводимостью в слое такой толщины предлагается воздействовать полем на канал не с одной стороны, как в прототипе, а одновременно с двух сторон, т.е. ввести в конструкцию прибора дополнительный нижний затвор со стороны подложки. В этом затворе контакт к слою диэлектрического материала, в отличие от верхнего затвора, расположенного над каналом, не может быть металлическим, т.к. на металле невозможно вырастить монокристаллические слои диэлектрика и сверхпроводника. Поэтому роль хорошо проводящего контакта в этом затворе играет слой высокотемпературного сверхпроводника, выращенного на монокристаллической подложке. Толщина этого слоя должна быть достаточной для того, чтобы все дефекты подложки оказались залеченными, и верхняя часть слоя стала совершенным монокристаллом; обычно для этого необходима толщина в 500-700 . На этом слое выращивается слой из диэлектрического материала, и на нем выращивается тонкий буферный слой из материала с нормальным типом проводимости, имеющий кристаллическую решетку, одинаковую с решеткой проводящего канала. Если канал будет выполнен из сверхпроводящей керамики YBa₂Cu₃O₇, то буферный слой обычно выполняется из керамики состава Pr₅Ba₂Cu₃O₇. Поскольку заряд в этом слое будет экранировать проводящий канал от воздействия поля затвора, то максимальная толщина этого 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. должно выполняться соотношение Pd≥10p₁d₁. Минимальная толщина этого слоя не должна быть меньше размера одной ячейки монокристалла А.

На этом слое выращивается проводящий канал, толщина которого определяется соотношением

затем второй буферный и диэлектрический слой верхнего затвора, аналогично первым, после чего на верхний диэлектрический слой напыляется металлический контакт.

Таким образом, суть изобретения сводится к следующему.

Для того, чтобы полевой транзистор работал при температуре жидкого азота, толщина канала не должна быть меньше 4-6 ячеек кристаллической решетки. Для того, чтобы можно было эффективно воздействовать полем на канал такой толщины, предложено ввести два затвора, расположенных сверху и снизу от канала. Проводящий контакт к изолирующему слою нижнего затвора предложено выполнить из сверхпроводящего материала, одинакового с материалом канала.

Для того, чтобы обеспечить высокое качество монокристаллической структуры материала канала, предложено сверху и снизу канала ввести дополнительно буферные слои из материала с нормальным характером проводимости, имеющие одинаковую кристаллическую структуру с материалом канала.

Далее покажем, что предлагаемое решение отвечает изобретательскому уровню.

В отличие от известного [2] в предлагаемом решении толщина сверхпроводящего канала выбирается согласно соотношению, обеспечивающему возможность глубокой модуляции проводимости электрическим полем затвора.

В отличие от известного, в предлагаемом решении воздействие поля на канал осуществляется не с одной, а с двух сторон, для чего в конструкцию введен второй затвор, выращенный на подложке, причем в качестве контакта к диэлектрическому слою затвора используется не металл, а слой высокотемпературного сверхпроводника.

В отличие от известного, между сверхпроводящим каналом и изолирующими слоями помещен буферный слой из материала с нормальной проводимостью, хорошо согласованный с каналом по параметрам решетки. Это дает возможность вырастить супертонкий (4-6 ячеек решетки) слой высокотемпературного сверхпроводника с температурой сверхпроводящего перехода выше 77 К.

Работает предлагаемый транзистор следующим образом.

При охлаждении транзистора материал канала 5 переходит в сверхпроводящее состояние, проводимость в нем обеспечивается спаренными дырками и сопротивление канала нулевое; при этом по каналу между клеммами исток-сток (И-С) протекает ток, огpаниченный внешней цепью. При подаче на клемму затвора напряжения отрицательной полярности дырки вытягиваются внешним полем в буферные слои 4 и 6, где происходит разрушение куперовских дырочных пар. В результате этого материал канала переходит в состояние с нормальной проводимостью и сопротивление его резко возрастает, т.е. транзистор выключается.

Конкретный пример изготовления.

Были изготовлены транзисторы по следующей технологической схеме. На подложку 1 из GNdO₃ (100) методом лазерного напыления [4] (температура подложки 880^oС, атмосфера кислород 0,2 Торр, энергия, лазерного импульса 0,15 Дж, длина волны 1,06 Мкм, частота 25 Гц) был нанесен слой 2 сверхпроводника YBa₂Cu₃O₇ толщиной 700 , затем диэлектрический слой введенного затвора 3 из SrTiO₃ толщиной 2000 , буферный слой 4 введенного затвора толщиной 100 из P₅Ba и С₃O₇, канал 5 из сверхпроводящего материала YBa₂Cu₃O₇ толщиной 60 , буферный слой затвора 6 из Pr₅Ba₂Cu₃O₇ и толщиной 100 и диэлектрический слой 7 верхнего затвора из SrTiO₃ толщиной 2000 . После этого методом термического распыления серебра были изготовлены металлический контакт верхнего затвора 8 с толщиной 0,5 Мкм и контакты стока и истока.

Без управляющего сигнала на затворе при температуре жидкого азота сопротивление сток-исток составляло приблизительно 10^-6 Ом, очевидно, что определялось сопротивлением контактов. При подаче на затвор отрицательного смешения 20 В сопротивление сток-исток возрастало до 10³ Ом.

Таким образом, изобретение позволило осуществить работу полевого транзистора со сверхпроводящим каналом при температуре жидкого азота.

Использование: в криоэлектронике при создании сверхпроводниковых интегральных схем. Сущность изобретения: полевой транзистор содержит монокристаллическую подложку, канал из сверхпроводящего материала, слой диэлектрического материала, два буферных слоя, дополнительные диэлектрический слой и затвор. Буферные слои выполнены из материала с кристаллической решеткой, одинаковой с решеткой материала канала и нормальным характером проводимости. Буферные слои расположены по обе стороны от канала, каждый слой из диэлектрического материала расположен на буферном слое, дополнительный затвор выполнен из сверхпроводящего материала и расположен между подложкой и дополнительным диэлектрическим слоем. 1 ил.

Полевой транзистор, содержащий монокристаллическую подложку, канал из сверхпроводящего материала, слой диэлектрического материала и затвор, отличающийся тем, что в транзистор введены два буферных слоя и дополнительные диэлектрический слой и затвор, канал имеет толщину d, определяемую из соотношения

буферные слои выполнены из материала с кристаллической решеткой, одинаковой с решеткой материала канала и нормальным характером проводимости, каждый толщиной d₁, отвечающей соотношению

где d толщина канала, см;
Р концентрация свободных носителей тока в канале, см^-3;
Р₁ концентрация свободных носителей тока в буферных слоях, см^-3;
ε диэлектрическая постоянная материала канала, относительн.ед;
e_o диэлектрическая постоянная вакуума, Ф/см;
Е_пр напряженность поля в материале канала при пробое, В/см;
q заряд электрона, Кл;
А размер ячейки монокристалла материала канала, см,
и расположены по обе стороны от канала, каждый слой из диэлектрического материала расположен на буферном слое, дополнительный затвор выполнен из сверхпроводящего материала и расположен между подложкой и дополнительным диэлектрическим слоем.