採用超導材料的電子器件的製作方法

2023-05-27 12:10:11

專利名稱：採用超導材料的電子器件的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種採用超導材料的電子器件。
迄今人們都在試圖製造採用象Nb-Ge系列金屬化合物之類的超導材料的固體電子器件，在超導狀態下能按隧道效應工作的約瑟夫森器件是其中一個具有代表性的例子。這種超導器件是一種二端開關器件。
但由於約瑟夫森器件是個二端開關器件，輸入信號和輸出信號不能獨立加以處理，因而沒有放大功能可加以利用。因此儘管這種超導器件能在極高的頻率下工作，但其設計極為複雜。此外還有這樣另外一個缺點，即要採用一般目前已在半導體工業中高度發展的設計程序來設計這種超導器件，既不方便又有困難。
再有，將陶瓷超導體應用到半導體集成電路上時，集成電路經過長期使用之後，與陶瓷超導體接觸的矽半導體表面往往會被氧化。這個氧化使半導體與超導體之間的界面不導電，從而使電流不能通過該界面。
因此本發明的一個目的是提供一種基於一種新的工作原理的超導器件。
本發明的另一個目的是提供一種頻率特性優異的超導器件。
本發明的又一個目的是提供一種新型的在超導體與半導體表面之間的結。
為實現本發明的上述和其它目的，將一種超導體膜耦合到超導器件半導體區的表面部分，在兩者之間夾上一絕緣膜。絕緣膜的作用是使隧道電流可以跨越絕緣膜在超導膜與半導體區之間流通，並保護襯底的半導體區不致因上覆的超導膜或加工工藝的影響而變質。為此絕緣膜系由厚度和禁帶寬度選擇得能容許隧道電流通過的絕緣或半絕緣膜製成的。


圖1(A)至1(C)是本發明超導器件一些實施例的示意橫向剖視圖。
圖2(A)至2(C)是說明本發明的超導器件工作情況的示意圖。
圖3是顯示本發明超導器件的應用的電路圖。
參看圖1(A)至1(C)，這是本發明的絕緣柵場效應電晶體的示意圖。
圖1(A)是本發明第一個實施例的示意圖。超導陶瓷膜3和5是用絲網壓印法、濺射法、MBE(分子束外延生長)法、CVD(化學汽相澱積)法等方法在YZT(氧化氣穩定過的鋯)或鈦酸鍶的絕緣基片1上澱積的。該陶瓷材料符合，例如，YBa2Cu3O6-8、YBaSrCu3O6-8或YBaCaCu3O6-8等化學式。其它的例子見諸本說明書的最後一部分。往這些配方中加入Ge、Sn、Pb、Sb、F和/或諸如此類的元素時可以降低出現在各晶體之間界面上阻擋層的高度。同時或在這之後，在500℃～1200℃下對該結構進行5～10小時的熱退火，然後逐步加以冷卻。
在陶瓷膜3和5以及膜3和5之間絕緣基片的夾層表面上形成絕緣膜之後，用光CVD法或等離子體CVD法在跨在絕緣基片1的夾層表面結構上形成非晶態或微晶矽半導體膜。結構的上部表面由不導電膜11加以絕緣。控制電極10是用蒸汽蒸發法由與上述相同的超導陶瓷或銅之類的金屬材料或銅和鎳之間的化合物製成的。雖然這裡沒有舉例加以說明，但超導膜8和9在端部18和19與各超導引線進行沒有任何接觸電阻的接觸。
下面參照圖2(A)至2(C)說明本發明器件的工作情況。各圖的橫向相應於圖1(A)的橫向，垂直方向則與能級(電位)有關。
在圖2(A)至2(C)中，器件是在膜4兩端的超導膜3和5上加有一定的電壓的。圖2(A)是控制膜10上不加電壓時的能態示意圖。膜5的電位能變得比膜3的高30。由於存在電位差30，電子流20超過電子流20′，因此可以觀測到有電流22存在。圖2(B)是控制膜10上加有負電壓時的能態示意圖。由於在活性半導體膜4上形成有電位阻擋層，電子流20′和電子流20受到抑制。最後終於可以觀測到有受限制的電流22′。圖2(C)是控制膜10加有正電壓時能態示意圖。由於存在對應於膜4受抑制的電位，電子流20′提高，電子流20都受到抑制。但在電位抑制情況下一旦充以電子，電位線24′就偏移到電位線25(虛線)。於是與圖2(A)中的電流22不相上下的電流22″可在其間通過。
如上所述，通過半導體膜4的輸出電流可按加到控制電極10上的輸入電壓加以控制。若在控制電極底下的絕緣膜具有足夠的絕緣性能，則輸出能量可大於輸入能量，因而可以起放大作用。此外，當按圖3所示的電路配置時，該超導器件起倒相器的作用。
圖1(B)是本發明第二個實施例的橫向剖視圖。在矽半導體基片1內形成有場絕緣區2，活性區4位於各區2之間。超導膜3和5在活性區4兩邊的基片表面上通過供隧道電流用的絕緣膜8和9形成。供隧道電流用的薄膜起勢壘薄膜的作用，它提供勢壘，使能起隧道效應。結構上形成有氧化矽絕緣膜11。在活性區上方和超導膜3和5的末端部分形成有控制電極10。
隧道電流用的絕緣膜是通過在700～950℃下的高純度氨氣氛中將矽基片加熱15～40分鐘以便在基片1表面形成10-25埃厚的氮化矽膜製成的。
圖1(C)是本發明第三個實施例的示意圖。場絕緣區2按前一個實施例同樣的方式在矽半導體基片上形成。在各絕緣區2之間由熱氧化膜形成絕緣膜11。接著，用超導陶瓷、矽半導體或金屬氧化物製成控制膜10，然後在控制膜和襯底的絕緣膜上形成圖案。
其它形成絕緣膜的實例是氧化矽、碳化矽和主要包括由碳例如金剛石類型碳組成的材料。碳材料的形成方法可以在1988年2月24日提交的中國專利申請88101061.8中找到。氧化矽、氮化矽和金剛石類型的碳，它們的能隙分別是8eV、5eV、3eV和1-5eV。
接下去，在控制膜和/或光致抗蝕劑仍然留在其上作為掩膜的情況下，用離子注入法往半導體基片上引入P型或n型雜質，以便在基片內產生雜質區13和14。各雜質區起IGFET(絕緣柵場效應電晶體)的源區和漏區的作用。在800～1050℃下的高純度甲烷氣氛中加熱基片，以形成10～30埃厚的半絕緣碳化矽膜的絕緣膜8和9。在此工序中，同時對摻雜的半導體區進行退火，使其雜質密度達1×1019至1×1021釐米-3。用濺射法或電子束蒸發法在結構上澱積超導氧化物，並按以上諸實施例同樣的方式形成圖案，以形成超導膜3和5。超導膜3和5覆蓋住雜質區13和14的大部分表面部分。此外，必要時可形成超導或非超導引線與超導膜3和5接觸以便與外部線路連接。編號12表示上覆的絕緣膜。
作為一個修改方案，可以這樣設計多層超導結構將超導膜的上層表面覆以絕緣膜，在絕緣膜上開一個口，然後在絕緣膜上澱積上另一層超導膜，以便通過該口與下部超導膜接觸。
本發明半導體基片活性區的長度選用1微米或小於1微米，這樣器件就可以在低於1毫微秒的頻率下工作。
本發明所用的超導陶瓷也可按化學計算式(A1-XBX)CuZOWXV製備。其中A是化學周期表Ⅲa族中的一個或一個以上的元素，例如稀土元素;B是化學周期表Ⅱa族中的一個或一個以上的元素，例如鹼土金屬，包括鈹和鎂在內，x是一組由Ge、Sn、Pb、F和Cl組成中的一個或一個以上的元素，且x＝0～1，y＝2.0～4.0，最好是2.5～3.5;z＝1.0～4.0，最好是1.5～3.5，w＝4.0～10.0，最好是6.0～8.0;v＝0～3。此外本發明所用的超導陶瓷可按化學計算式(A1-XBX)yCuZOW製備，其中A是化學周期表Ⅴb族中一個或一個以上的元素，例如Bi、Sb和As;B是化學周期表Ⅱa中的一個或一個以上的族元素，例如鹼土金屬，包括鈹和鎂在內，x＝0.3～1;y＝2.0～4.0，最好是2.5～3.5;z＝1.0～4.0，最好是1.5～3.5;w＝4.0～10.0，最好是6.0～8.0。該一般式的例子有BiSrCaCu3Ox和Bi4Sr3Ca3Cu4Ox。經證實與式Bi4SryCa3Cu4Ox(y約為1.5)一致的初始Tc和Tco的樣品經測定為40～60°K，不太高。符合化學計算式Bi4Sr4Ca2Cu4Ox和Bi2Sr3Ca3Cu2Ox的樣品其臨界溫度較高。數字x表示氧比例，等於6～10，例如在8.1左右。這種超導材料可用絲網壓印法、真空蒸發法或化學汽相澱積法製成。
此外還可採用引起廣泛注意的有機超導材料來實施本發明。
儘管前面是就一些實施例進行說明，但本發明只應受本說明書所附權利要求的限制，不應受該諸特殘實例的限制。舉例說，本發明可應用於MISFET(金屬絕緣體矽場效應電晶體)、雙極型半導體器件、甚大規模集成電路或超大規模集成電路上。
權利要求
1.一種超導器件，其特徵在於，該器件包括一半導體基片；一在所述基片內形成的半導體器件；和一超導膜，在所述半導體基片上形成，且與所述器件的一部分相連接，其間有一勢壘膜。
2.權利要求1的器件，其特徵在於，所述勢壘膜的厚度系選取得使隧道電流可以通過。
3.權利要求1的器件，其特徵在於，所述器件的一部分是個P型或n型半導體區。
4.權利要求3的器件，其特徵在於，所述半導體器件是個場效應半導體器件。
5.權利要求4的器件，其特徵在於，所述勢壘膜是氮化矽膜。
6.權利要求4的器件，其特徵在於，所述勢壘膜是氧化矽膜。
7.權利要求4的器件，其特徵在於，該器件還包括一在所述半導體器件活性區上形成的控制電極。
8.權利要求7的器件，其特徵在於，所述控制電極由超導材料製成。
9.權利要求2的器件，其特徵在於，所述超導膜起引線的作用，從所述半導體器件的所述部分延伸。
全文摘要
敘述了一種新型的超導電子器件。在介紹中，根據本發明製造一種場效應半導體器件。在該半導體器件的源區和漏區上澱積上超導陶瓷材料，其間夾有絕緣膜，起隧道電流膜的作用。
文檔編號H01L29/43GK1031627SQ8810627
公開日1989年3月8日 申請日期1988年8月24日 優先權日1987年8月24日
發明者山崎舜平 申請人:株式會社半導體能源研究所