Способ получения сверхпроводящих метастабильных фаз Советский патент 1979 года по МПК H01L39/24 

I

Изобретение относится к области sneirтротехники и электроники, преимуществен но микроэлектронику, и может быть использовано для изготовления сверхпроводников и пленочных микросхем, в том числе криоэлектронных.

В современной микроэлектронике применяются слои элементов и соединений со структурой стабильных кристаллических модификаций, , далеко не все вещества с нормальной кристаллической решеткой являются сверхпроводниками. В то же время у многих этих веществ метастабильные структурные модификации обладают сверхпроводимостью.

Для получения сверхпроводящих метастабильных фаз используются высокие давления бяагодаря чему получаемые ме«тастабильные фазы принято назьгеать фазами высокого давления. В способе кристаллы с кормал1 ной решеткой подвергаются действию давлений в десятки и сотни килобар, затем охлаждаются до температур, при которых некоторые

метастабильные фазы сохраняются при атмосферном давлении, и давление с.нимается l.

Однако, способ с использованием вы соких давлений непригоден для получения пленок метастабкльных фаз, пленочных структур и микросхем, а громоздкость оборудования, используемого в данном способе, делает его сложным и дорогостоящим.

Известен более простой и доступный способ получения метастабильных фаз, пригодный для получения слоев метастабильных фаз|2.

Способ заключается в том, что рост слоев проводят при температуре 300 К и выше со скоростью 0,2 - 0,8 мкм/с, превышающей скорость фазовых переходов. В этих условиях проявляется вовый механизм кристаллизации; при быстрой конденсации структурные фазовые превращения запаздывают во времени и кристаллизация идет из аморфной фазы в конечную нормальную структуру через кристаллические метастабипьные фазы (фазы высокого давления). Недостатками способа быстрой конде ёЭДйй Являются кратковременность суfflectaoeaHHH метастабильных фаз (их время жизни не превышает 0,О2 с) и отсутствие возможности управления продолжительностью времени жизни метастабильных фаз. Цель предлагаемого изобретения увеличение времени жизни метастабильнь фаз и управление его продолжитеяьнос тью,. . Она достигается тем, что рост слоев ведут при температурах- ниже температу ры перехода через метастабильные фазы в конечную структуру, затем изменяют температуру до величины, обес пёчйваю- щей переход в метастабильную фазу, после чего устанавливают температуру, обеспечивающую заданное время ЖИЗНИ метастабильной фйэы, причем изменение величины температуры проводят fe тече ние времени жизни метастабильной фазы Так как время жизни tT определяется кинетикой процесса фазовых превраще ний и связано по закону Аррениуса с температурой (Т) экспоненциально t:--Ag,,p(B/T)/ где А, В - коэффициенты, то, изменяя температуру, время жизн можно увеличивать и управлять его продолжительностью в широких пределах (от долей секунды до десятков и сотен лет). Таким o6pa3diCi, реапи зуются возможности существенного увеличения вре ни жизни метастабильных фаз и управле кия его продолжительностью. Далее в заданное время производят нагрев слоев выше точки фазового перехода метастабильных фаз в конечную структуру. В этом диапазоне температур метастйбипьные фазы теряют свою устой чивость и превращаются в конечную структуру. Таким образом, реализуется Шзмь ность в течение задйнногб време стабилизировать метастабнльные фазы. Стимулирование указанных фазовых пере ходов находится вне зависимости от способа энергетического воздействия и может быть вызвано нагревом, током, токами высокой частоты, об лучением лучистой энергией и т. д. Пример. Получение метастабипь ных фаз антимонида индия, висмута и сурьмы осуществляется испарением и кондвйсацией паров в вакууме яа иэоли3Арующих подложках. Скорость конденсации (роста) слоев превышает скорость фазовых переходов и составляет 1 мкм/с. Высокие скорости роста достигаются испарением порошкообразных порций вещеcfBa весом 25 мг из тантал-ниобиевого ленточно-щелевого испарителя путем его разогрева до 1600 18ОО С Мощным импульсом тока ( - 10О А) длительностью 1-2 с. Пленки имеют толщину 500 - 1000 А. Фазовые переходы регистрируются по электропроводности пленок,оптически,а также электронографически. Перед получением пленок на подложку наносятся металлические измерительные контакты, подложка укрепляется на охлаждаемом дер1йателе, контакты подсоединяются к измерительно и схеме, о помощью которой ведётся непрерывная запись проводимости пленок, в испаритель помещается навеска выбранного вещества, и система вакуумируется до 10 - 1О тор. Затем подложка охлаждается до температуры 8О К, при которой заведомо конденсируются аморфные слои, и проводится напыление аморфной пленки. Последующий нагрев пленки приводит к последовательности фазовых переходов: аморфная фаза - метастабильные фазы - конечная структура . В процессе температурных воздействий ведется запись проводимости пленки. Фазовые превращения сопровождаются большими (на несколько порядков) скачками проводимости пле)нок, по которым определяются точки фазовых переходов. Для слоев антимони- да индия температура переходов аморфной фазы в метастабильные и метастабильHbk фаз в конечную структуру соответственно равна К к 24ОК.. Аналогичным образом определяются точки фазовйх переходов дпя висмута и сурьмы. Температура переходов аморфной фазы в метастабильные и метастабишэ- в конечную структуру для этих веществ соответственно равна 90 К и Т 270к - ЦПЯ1 слоев висмута Тддд« 115-К и Т 245 К - для слоев сурьмы. После определения точек фазовых пвгреходов проводятся повторные опыты по получению и стабилизации метастабильных фаз. Слои аморфных фаз получаются при любых температурах ниже точки фазового перехода аморфной фазы в метастабильную. Далее, нагревом до температур , лежащих в указанных Bi.iuie для клжцогоиз веществ интервалах от точки Т. дд перехода аморфной фазы в метастабш.ьны до точки Тд, перехода метастабильных фаз в конечную структуру, аморфные слои антимонида индия, висмута и сурьмы пре , вращаются в опои соответствующих мета стабильных фаз антимонида индия, висму или сурьмы. При конденсации выше точки Ам вначале образуются аморфные слои, но аморфная фаза спонтанно переходит в нестабильные фазы, которые по истечении времени жизни превращаются а конечную структуру. После образования нестабильных фаз изменением температуры выбирается заданное время жизни. Охлаждение метастабильных фаз до хйрактерной для каждого вещества критической температуры Т приводит к воз никновению сверхпроводимости. В данном конкретном случае критическая температура сверхпроводящего перехода ,1 что соответствует метастабильной фазе DnStoffic наибольшей критической температурой. В заданный момент времени путем нагрева выше указанного для каждого из веществ значения температуры Т перехода метастабильных фаз в конечную структуру соответствующие метастабиль- ньге фазы в пленках антимонида индия, висмута и сурьмы разрушаются, и пленки переходят в конечные нормальные стру туры. Предлагаемый способ получевия криста лических сверхпроводящих метастабильных фаз отличается простотой и вкономичностью. Больщие перепады в величинах электропроводности и, соответственно, оптических констант слоев при фазовых переходах, сверхпроводящие свойства метастабильных фаз и возможность их стабилизации на заданное время открывают новые пути к использованию слоев метастабилыиых фаз как сверхпроводников, так и элементов памяти и переключающих устройств, к созданию криоэлектронных приборов и микросхем на их основе, которые могут найти применение в электротехнической и электронной прстмыщленностй. Формула изобретения 1.Способ получения сверхпроводящих метастабильных фаз из аморфных слоев, заключающийся в том, что рост слоев проводят .«со скоростью, превышающей скорость фазовых переходов, отличающийся тем, что, с целью увеличения времени жизни метастабиль- ных фаз и управления его продолжитель- костью, рост слоев ведут при температурах ниже температуры перехода через метастабильные фазы в конечную структуру, затем изменяют температуру до величины, обеспечивающей переход в метастабильную фазу, после чего устанавливают температуру, обеспечивающую заданное время жизни метастабильной фазы, причем изменение величины температуры проводят в течение времени жизни метастабильной фазы. 2.Способ по п. 1, о т л и ч а ю - щ и и с я тем, что рост слоев антимонида индия ведут при температурах ниже 240 К. 3.Способ по п. 1,0 т л и ч а юи и с я тем, что рост слоев висмута ведут при температурах ниже 270 К. 4.Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что рост слоев сурьмы ведут при температурах ниже 245К. Источники информашга, принятые во нимание при экспертизе 1.Багпее& A.a.Libb W.F.qndium Antimonide ttie Metafc&ic iorrn at Atmosptiere PreaeurCjScienceу.139-р-1ЪО-1,19 6 2. Петросян В. И. и др. Особенности инамики фазовых превращений в услоиях быстрой конденсации Микроэлекроника, Г973, № 3, с. 265.