專(zhuān)利名稱(chēng)：采用超導(dǎo)材料的電子器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種采用超導(dǎo)材料的電子器件。
迄今人們都在試圖制造采用象Nb-Ge系列金屬化合物之類(lèi)的超導(dǎo)材料的固體電子器件，在超導(dǎo)狀態(tài)下能按隧道效應(yīng)工作的約瑟夫森器件是其中一個(gè)具有代表性的例子。這種超導(dǎo)器件是一種二端開(kāi)關(guān)器件。
但由于約瑟夫森器件是個(gè)二端開(kāi)關(guān)器件，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)不能獨(dú)立加以處理，因而沒(méi)有放大功能可加以利用。因此盡管這種超導(dǎo)器件能在極高的頻率下工作，但其設(shè)計(jì)極為復(fù)雜。此外還有這樣另外一個(gè)缺點(diǎn)，即要采用一般目前已在半導(dǎo)體工業(yè)中高度發(fā)展的設(shè)計(jì)程序來(lái)設(shè)計(jì)這種超導(dǎo)器件，既不方便又有困難。
再有，將陶瓷超導(dǎo)體應(yīng)用到半導(dǎo)體集成電路上時(shí)，集成電路經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用之后，與陶瓷超導(dǎo)體接觸的硅半導(dǎo)體表面往往會(huì)被氧化。這個(gè)氧化使半導(dǎo)體與超導(dǎo)體之間的界面不導(dǎo)電，從而使電流不能通過(guò)該界面。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種基于一種新的工作原理的超導(dǎo)器件。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種頻率特性優(yōu)異的超導(dǎo)器件。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種新型的在超導(dǎo)體與半導(dǎo)體表面之間的結(jié)。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述和其它目的，將一種超導(dǎo)體膜耦合到超導(dǎo)器件半導(dǎo)體區(qū)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(dǎo)膜與半導(dǎo)體區(qū)之間流通，并保護(hù)襯底的半導(dǎo)體區(qū)不致因上覆的超導(dǎo)膜或加工工藝的影響而變質(zhì)。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(guò)的絕緣或半絕緣膜制成的。


圖1(A)至1(C)是本發(fā)明超導(dǎo)器件一些實(shí)施例的示意橫向剖視圖。
圖2(A)至2(C)是說(shuō)明本發(fā)明的超導(dǎo)器件工作情況的示意圖。
圖3是顯示本發(fā)明超導(dǎo)器件的應(yīng)用的電路圖。
參看圖1(A)至1(C)，這是本發(fā)明的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的示意圖。
圖1(A)是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的示意圖。超導(dǎo)陶瓷膜3和5是用絲網(wǎng)壓印法、濺射法、MBE(分子束外延生長(zhǎng))法、CVD(化學(xué)汽相淀積)法等方法在YZT(氧化氣穩(wěn)定過(guò)的鋯)或鈦酸鍶的絕緣基片1上淀積的。該陶瓷材料符合，例如，YBa2Cu3O6-8、YBaSrCu3O6-8或YBaCaCu3O6-8等化學(xué)式。其它的例子見(jiàn)諸本說(shuō)明書(shū)的最后一部分。往這些配方中加入Ge、Sn、Pb、Sb、F和/或諸如此類(lèi)的元素時(shí)可以降低出現(xiàn)在各晶體之間界面上阻擋層的高度。同時(shí)或在這之后，在500℃～1200℃下對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行5～10小時(shí)的熱退火，然后逐步加以冷卻。
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后，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(jié)構(gòu)上形成非晶態(tài)或微晶硅半導(dǎo)體膜。結(jié)構(gòu)的上部表面由不導(dǎo)電膜11加以絕緣?？刂齐姌O10是用蒸汽蒸發(fā)法由與上述相同的超導(dǎo)陶瓷或銅之類(lèi)的金屬材料或銅和鎳之間的化合物制成的。雖然這里沒(méi)有舉例加以說(shuō)明，但超導(dǎo)膜8和9在端部18和19與各超導(dǎo)引線進(jìn)行沒(méi)有任何接觸電阻的接觸。
下面參照?qǐng)D2(A)至2(C)說(shuō)明本發(fā)明器件的工作情況。各圖的橫向相應(yīng)于圖1(A)的橫向，垂直方向則與能級(jí)(電位)有關(guān)。
在圖2(A)至2(C)中，器件是在膜4兩端的超導(dǎo)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(shí)的能態(tài)示意圖。膜5的電位能變得比膜3的高30。由于存在電位差30，電子流20超過(guò)電子流20′，因此可以觀測(cè)到有電流22存在。圖2(B)是控制膜10上加有負(fù)電壓時(shí)的能態(tài)示意圖。由于在活性半導(dǎo)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。最后終于可以觀測(cè)到有受限制的電流22′。圖2(C)是控制膜10加有正電壓時(shí)能態(tài)示意圖。由于存在對(duì)應(yīng)于膜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)。于是與圖2(A)中的電流22不相上下的電流22″可在其間通過(guò)。
如上所述，通過(guò)半導(dǎo)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，則輸出能量可大于輸入能量，因而可以起放大作用。此外，當(dāng)按圖3所示的電路配置時(shí)，該超導(dǎo)器件起倒相器的作用。
圖1(B)是本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的橫向剖視圖。在硅半導(dǎo)體基片1內(nèi)形成有場(chǎng)絕緣區(qū)2，活性區(qū)4位于各區(qū)2之間。超導(dǎo)膜3和5在活性區(qū)4兩邊的基片表面上通過(guò)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(shì)壘薄膜的作用，它提供勢(shì)壘，使能起隧道效應(yīng)。結(jié)構(gòu)上形成有氧化硅絕緣膜11。在活性區(qū)上方和超導(dǎo)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(guò)在700～950℃下的高純度氨氣氛中將硅基片加熱15～40分鐘以便在基片1表面形成10-25埃厚的氮化硅膜制成的。
圖1(C)是本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的示意圖。場(chǎng)絕緣區(qū)2按前一個(gè)實(shí)施例同樣的方式在硅半導(dǎo)體基片上形成。在各絕緣區(qū)2之間由熱氧化膜形成絕緣膜11。接著，用超導(dǎo)陶瓷、硅半導(dǎo)體或金屬氧化物制成控制膜10，然后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(shí)例是氧化硅、碳化硅和主要包括由碳例如金剛石類(lèi)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(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)88101061.8中找到。氧化硅、氮化硅和金剛石類(lèi)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(dǎo)體基片上引入P型或n型雜質(zhì)，以便在基片內(nèi)產(chǎn)生雜質(zhì)區(qū)13和14。各雜質(zhì)區(qū)起IGFET(絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的源區(qū)和漏區(qū)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埃厚的半絕緣碳化硅膜的絕緣膜8和9。在此工序中，同時(shí)對(duì)摻雜的半導(dǎo)體區(qū)進(jìn)行退火，使其雜質(zhì)密度達(dá)1×1019至1×1021厘米-3。用濺射法或電子束蒸發(fā)法在結(jié)構(gòu)上淀積超導(dǎo)氧化物，并按以上諸實(shí)施例同樣的方式形成圖案，以形成超導(dǎo)膜3和5。超導(dǎo)膜3和5覆蓋住雜質(zhì)區(qū)13和14的大部分表面部分。此外，必要時(shí)可形成超導(dǎo)或非超導(dǎo)引線與超導(dǎo)膜3和5接觸以便與外部線路連接。編號(hào)12表示上覆的絕緣膜。
作為一個(gè)修改方案，可以這樣設(shè)計(jì)多層超導(dǎo)結(jié)構(gòu)將超導(dǎo)膜的上層表面覆以絕緣膜，在絕緣膜上開(kāi)一個(gè)口，然后在絕緣膜上淀積上另一層超導(dǎo)膜，以便通過(guò)該口與下部超導(dǎo)膜接觸。
本發(fā)明半導(dǎo)體基片活性區(qū)的長(zhǎng)度選用1微米或小于1微米，這樣器件就可以在低于1毫微秒的頻率下工作。
本發(fā)明所用的超導(dǎo)陶瓷也可按化學(xué)計(jì)算式(A1-XBX)CuZOWXV制備。其中A是化學(xué)周期表Ⅲa族中的一個(gè)或一個(gè)以上的元素，例如稀土元素;B是化學(xué)周期表Ⅱa族中的一個(gè)或一個(gè)以上的元素，例如堿土金屬，包括鈹和鎂在內(nèi)，x是一組由Ge、Sn、Pb、F和Cl組成中的一個(gè)或一個(gè)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(fā)明所用的超導(dǎo)陶瓷可按化學(xué)計(jì)算式(A1-XBX)yCuZOW制備，其中A是化學(xué)周期表Ⅴb族中一個(gè)或一個(gè)以上的元素，例如Bi、Sb和As;B是化學(xué)周期表Ⅱa中的一個(gè)或一個(gè)以上的族元素，例如堿土金屬，包括鈹和鎂在內(nèi)，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(jīng)證實(shí)與式Bi4SryCa3Cu4Ox(y約為1.5)一致的初始Tc和Tco的樣品經(jīng)測(cè)定為40～60°K，不太高。符合化學(xué)計(jì)算式Bi4Sr4Ca2Cu4Ox和Bi2Sr3Ca3Cu2Ox的樣品其臨界溫度較高。數(shù)字x表示氧比例，等于6～10，例如在8.1左右。這種超導(dǎo)材料可用絲網(wǎng)壓印法、真空蒸發(fā)法或化學(xué)汽相淀積法制成。
此外還可采用引起廣泛注意的有機(jī)超導(dǎo)材料來(lái)實(shí)施本發(fā)明。
盡管前面是就一些實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，但本發(fā)明只應(yīng)受本說(shuō)明書(shū)所附權(quán)利要求的限制，不應(yīng)受該諸特殘實(shí)例的限制。舉例說(shuō)，本發(fā)明可應(yīng)用于MISFET(金屬絕緣體硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管)、雙極型半導(dǎo)體器件、甚大規(guī)模集成電路或超大規(guī)模集成電路上。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)器件，其特征在于，該器件包括一半導(dǎo)體基片；一在所述基片內(nèi)形成的半導(dǎo)體器件；和一超導(dǎo)膜，在所述半導(dǎo)體基片上形成，且與所述器件的一部分相連接，其間有一勢(shì)壘膜。
2.權(quán)利要求1的器件，其特征在于，所述勢(shì)壘膜的厚度系選取得使隧道電流可以通過(guò)。
3.權(quán)利要求1的器件，其特征在于，所述器件的一部分是個(gè)P型或n型半導(dǎo)體區(qū)。
4.權(quán)利要求3的器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件是個(gè)場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體器件。
5.權(quán)利要求4的器件，其特征在于，所述勢(shì)壘膜是氮化硅膜。
6.權(quán)利要求4的器件，其特征在于，所述勢(shì)壘膜是氧化硅膜。
7.權(quán)利要求4的器件，其特征在于，該器件還包括一在所述半導(dǎo)體器件活性區(qū)上形成的控制電極。
8.權(quán)利要求7的器件，其特征在于，所述控制電極由超導(dǎo)材料制成。
9.權(quán)利要求2的器件，其特征在于，所述超導(dǎo)膜起引線的作用，從所述半導(dǎo)體器件的所述部分延伸。
全文摘要
敘述了一種新型的超導(dǎo)電子器件。在介紹中，根據(jù)本發(fā)明制造一種場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體器件。在該半導(dǎo)體器件的源區(qū)和漏區(qū)上淀積上超導(dǎo)陶瓷材料，其間夾有絕緣膜，起隧道電流膜的作用。
文檔編號(hào)H01L29/43GK1031627SQ8810627
公開(kāi)日1989年3月8日 申請(qǐng)日期1988年8月24日 優(yōu)先權(quán)日1987年8月24日
發(fā)明者山崎舜平 申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所