Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР - Патент РФ 2029415
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР
ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: 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.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2029415
Класс(ы) патента: H01L27/12
Номер заявки: 5036059/25
Дата подачи заявки: 06.04.1992
Дата публикации: 20.02.1995
Заявитель(и): Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе РАН
Автор(ы): Грехов И.В.
Патентообладатель(и): Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе РАН
Описание изобретения: 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 Po ≅ 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; εo - диэлектрическая постоянная вакуума, Ф/см; Епр - напряженность поля в канале при пробое, В/см; q - заряд электрона, Kул; А - размер одной ячейки монокристалла материала канала, см; Ро - 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 Ро ≅ 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 Ем, 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 Ем должно быть меньше критического поля пробоя материала канала Епр, 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 Епр=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.
Формула изобретения: 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; eo - диэлектрическая постоянная вакуума, Ф/см; Eпр - 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.