RU2029415C1 - Field-effect transistor - Google Patents
Field-effect transistor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2029415C1 RU2029415C1 SU5036059A RU2029415C1 RU 2029415 C1 RU2029415 C1 RU 2029415C1 SU 5036059 A SU5036059 A SU 5036059A RU 2029415 C1 RU2029415 C1 RU 2029415C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channel
- buffer layer
- gate
- superconducting
- crystal lattice
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к криоэлектронике и может быть использовано при создании элементной базы сверхпроводниковой микроэлектроники и, в частности, полностью сверхпроводниковых интегральных схем. The invention relates to cryoelectronics and can be used to create the element base of superconducting microelectronics and, in particular, fully superconducting integrated circuits.
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] . An insulated gate field effect transistor containing an induced conductive channel and an adjacent gate, consisting of a dielectric material with a metal contact to the latter, is the basis of modern microelectronics and is described in all monographs in this direction [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.Currently, a significant part of the work on high-temperature superconductivity is aimed at creating semiconductor integrated circuits in which field-effect transistors should be active elements, and microstrip interconnects are made of a high-temperature superconductor. However, in such integrated circuits, the advantage of superconducting interconnects associated with a decrease in the delay time cannot be realized due to the sharp mismatch of the wave impedance of the superconducting microstrip line, which is units of Ohm, and the channel resistance of the open transistor (in microelectronic design), which is 10 3 -10 4 ohms. Due to such a mismatch, the signal propagation in the line has not a wave but a diffusion character, in which the delay is determined not by the phase velocity of the signal propagation, but by the linear capacity of the line, independent of its resistance.
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. The closest analogue of the invention is one of the varieties of an insulated gate field effect transistor - a hidden channel transistor [2]. Its construction contains a conductive channel made of doped n-silicon, to which a buffer silicon layer adheres on one side, and on the other hand there is a gate made of a dielectric material (silicon dioxide) with a metal contact to it. The purpose of the buffer layer is to reduce the effect of substrate defects on the channel material.
Недостатком ближайшего аналога является высокое (103-104 Ом) сопротивление канала, не дающее возможности согласовать транзистор со сверхпроводящей микрополосковой линией.The disadvantage of the closest analogue is the high (10 3 -10 4 Ohm) channel resistance, which makes it impossible to match the transistor with a superconducting microstrip line.
Целью изобретения является создание полевого транзистора с изолированным затвором, имеющего сопротивление канала менее 101 Ом, т.е. согласуемого с волновым сопротивлением сверхпроводящих микрополосковых линий.The aim of the invention is to provide an insulated gate field effect transistor having a channel resistance of less than 10 1 Ohm, i.e. consistent with wave impedance of superconducting microstrip lines.
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.The goal is achieved in a field-effect transistor containing a conductive channel to which the buffer layer adheres on one side, and on the other hand there is a gate made of a dielectric material with a metal contact to the latter, the channel being made of a superconducting material with a concentration of free carriers P o ≅ P ≅ 10 22 cm -3 and a thickness d, cm corresponding to the ratio
A <d < and the buffer layer is made of a material with a normal character of conductivity and a crystal lattice identical with the crystal lattice of the channel material, where ε is the dielectric constant of the channel material, f / cm; ε o - dielectric constant of the vacuum, f / cm; E CR - field strength in the channel during breakdown, V / cm; q is the electron charge, Kool; A is the size of one cell of a single crystal of the channel material, cm; P about - the concentration of free carriers at which the superconducting state is destroyed, cm -3 , the conductive channel can be made of a superconductor of the composition YBa 2 Cu 3 O 7 . Between the conductive channel and the dielectric material of the gate can be introduced a second buffer layer of material with a normal nature of conductivity and a crystal lattice identical to the crystal lattice of the superconducting channel material, thickness d 1 , satisfying the ratio:
A 1 <d 1 < , cm, where A 1 - the size of one cell of a single crystal of the second buffer layer, cm; P 1 is the concentration of holes in the second buffer layer, cm -3 .
Оба буферных слоя могут быть выполнены из PrBa2Cu3O7, а затвор - из SrTiO3.Both buffer layers can be made of PrBa 2 Cu 3 O 7 , and the gate can be made of SrTiO 3 .
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. The essence of the invention is illustrated by drawings (Fig. 1 and 2), where the following notation is adopted:
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.The essence of the proposed design is that the conductive channel is made of a superconductor with a relatively low concentration of free carriers P o ≅ P ≅ 10 22 cm -3 and has a very small thickness, i.e. the total number of superconducting pairs per unit area of the channel is relatively small. This makes it possible to obtain a very low resistance (in the limit - zero) of the conducting channel in the absence of bias at the gate, and when applying a working bias to the gate, to ensure the removal of free carriers by the electric field into the buffer layer and the destruction of superconductivity, and the electric field in the channel material at this does not exceed the critical (breakdown) value at which the channel breakdown occurs.
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.If the shutter creates a field E m at the boundary with the channel, then the screening depth, i.e. the thickness of the layer from which free carriers will be removed is determined from the solution of the Poisson equation
dE = dx and is equal to d = . In this case, the field E m should be less than the critical breakdown field of the channel material E pr , whence the expression for the maximum allowable channel thickness A <d < . If you make a conductive channel of any metal superconductor with P 10 23 cm -3 , which d <1 x 10 -9 cm, i.e., thinner than one atomic monolayer, which is unrealistic. Recently discovered high-temperature superconducting ceramics like YBa 2 Cu 3 O 7 have P ≅ 5 x 10 21 cm -3 , which gives ε при 100 P = 10 21 cm -3 and E pr = 10 7 V / cm d = 6 x 10 -8 cm. Since a noticeable change in the concentration of free carriers should occur at a distance of the order of 2-3 d, the channel can have a thickness of the order of one or two cells of a YBa 2 Cu 3 O 7 crystal. The experiments showed that a layer of this thickness grown on a buffer layer of the composition PrBa 2 Cu 3 O 7 has a transition to superconductivity at a temperature of ≈50 K.
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.The first buffer layer is made of a material with a normal character of conductivity at an operating temperature; this type of conductivity makes it possible to obtain a large difference in resistances during the destruction of superconductivity in the channel. This material should have the same crystal lattice with the channel to preserve the channel properties. The thickness of the buffer layer should be large enough so that during its growth healing of growth defects caused by defects of the substrate and diffusion of impurities from it occurs. Since not all dielectric materials can be grown directly on a thin conducting channel without violating its superconducting properties, it is then possible to introduce a second buffer layer between the channel and the dielectric layer. This second buffer layer should have a normal character of conductivity and have the same crystal lattice with the conducting channel, all this contributes to the preservation of the superconducting properties of the channel. If the channel is made of superconducting ceramics YBa 2 Cu 3 O 7 , then both buffer layers should be made of ceramics of the composition PrBa 2 Cu 3 O 7 , which has a normal conductivity and a crystal lattice that matches the lattice YBa 2 Cu 3 O 7 . In the second buffer layer, the charge of the carriers present in this layer shields the gate field from the channel. Therefore, to reduce the value of the shielding charge, the thickness of the second buffer layer should be chosen so that the specific charge in it per unit area is at least an order of magnitude less than the specific charge in the channel, i.e., the relation
Pd ≥ 10p 1 d 1 .
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.On the other hand, the thickness of the second buffer layer should be greater than the size of one single crystal cell of the buffer layer material. The channel in the proposed transistor can be made both from YBa 2 Cu 3 O 7 , and from BiSrCaO, TlBaCaCuO. For these materials, a channel of corresponding materials for buffer layers has not yet been found. The dielectric layer is best made of SrTiO 3 , BaTiO 3 , TiO 2 , ZrO 2 , 4GaO 3 xx NdGaO 3 ˙ LaAlO 3 can also be used. The drain and source must also be made of the same superconducting material as the channel, so as not to violate the superconductivity of the channel.
Работает предлагаемый транзистор следующим образом. The proposed transistor operates as follows.
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.When the transistor is cooled to a temperature lower than the temperature of the transition to the superconducting state of the channel material, the conductivity in it is ensured by paired holes and the channel resistance is zero. When an external voltage is applied to
Были изготовлены транзисторы по следующей технологической схеме. The transistors were manufactured according to the following flow chart.
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.On a
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. Thus, the invention allowed to sharply reduce the resistance of the conductive channel of the field-effect transistor and at the same time to obtain a difference in resistance when switching in eight orders of magnitude. This opens up a fundamentally new possibility of creating completely superconducting integrated circuits, where the proposed transistor will be used as the active element, and the interconnects will be made in the form of microstrip superconducting lines.
Claims (5)
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; Eп р - 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- 3.1. FIELD TRANSISTOR containing a buffer layer, a conducting channel located on it and a gate made of a dielectric material with a metal contact to the latter, characterized in that the conducting channel is made of a superconducting material with a concentration of free carriers P 0 0 P ≅ 10 2 2 cm - 3 and thickness d, cm, satisfying the relation
and the buffer layer is made of a material with a crystal lattice identical to the crystal lattice of the channel material, where ε is the dielectric constant of the channel material, F / cm; e o is the dielectric constant of the vacuum, f / cm; E p p - field strength in the channel material during breakdown, V / cm; q is the electron charge; A is the single crystal cell size of the channel material, cm; P 0 is the concentration of free carriers at which the superconducting state is destroyed, cm - 3 .
где P1 - концентрация дырок во втором буферном слое, см- 3;
A1 - размер ячейки материала второго буферного слоя, см.3. The transistor in paragraphs. 1 and 2, characterized in that in addition between the channel and the layer of gate dielectric material, a second buffer layer of material with a normal conductivity and a crystal lattice identical with the crystal lattice of the channel superconducting material, thickness d 1 , satisfying the ratio
where P 1 is the concentration of holes in the second buffer layer, cm - 3 ;
A 1 - cell size of the material of the second buffer layer, see
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5036059 RU2029415C1 (en) | 1992-04-06 | 1992-04-06 | Field-effect transistor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5036059 RU2029415C1 (en) | 1992-04-06 | 1992-04-06 | Field-effect transistor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2029415C1 true RU2029415C1 (en) | 1995-02-20 |
Family
ID=21601218
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5036059 RU2029415C1 (en) | 1992-04-06 | 1992-04-06 | Field-effect transistor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2029415C1 (en) |
-
1992
- 1992-04-06 RU SU5036059 patent/RU2029415C1/en active
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
1. Маллер Р., Клейник Т. Элементы интегральных схем, М.: Мир, 1989, с.187-191. * |
2. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984, т.1, с.362-263. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR960002292B1 (en) | Superconducting field-effect transistor and the manufacturing | |
US3500137A (en) | Cryogenic semiconductor devices | |
US5179426A (en) | Josephson device | |
RU2029415C1 (en) | Field-effect transistor | |
JPH03228384A (en) | superconducting element | |
CA2050731C (en) | Superconducting device having a reduced thickness of oxide superconducting layer and method for manufacturing the same | |
RU2065230C1 (en) | Field-effect transistor | |
CA2054470C (en) | Method for manufacturing superconducting device having a reduced thickness of oxide superconducting layer and superconducting device manufactured thereby | |
JP2941811B2 (en) | Superconducting transistor | |
Schneider et al. | HTS quasiparticle injection devices with large current gain at 77 K | |
JPH0237786A (en) | superconducting transistor | |
JP2540185B2 (en) | Semiconductor device | |
CA2052379C (en) | Superconducting device having an extremely thin superconducting channel formed of oxide superconductor material | |
JP3186035B2 (en) | Laminated thin film for field effect element and field effect transistor using the laminated thin film | |
KR100421865B1 (en) | Josephson junction manufacturing method for using chemical treatment | |
JP2641970B2 (en) | Superconducting element and fabrication method | |
JP2641973B2 (en) | Superconducting element and manufacturing method thereof | |
EP0565452B1 (en) | Superconducting device having a superconducting channel formed of oxide superconductor material | |
JP2641966B2 (en) | Superconducting element and fabrication method | |
JP2738144B2 (en) | Superconducting element and fabrication method | |
DE69027312D1 (en) | FIELD EFFECT TRANSISTOR WITH FERMI THRESHOLD VOLTAGE | |
KR100434279B1 (en) | Field Effect Transistor manufacturing method for using for superconductor | |
JP2641974B2 (en) | Superconducting element and fabrication method | |
JP2597745B2 (en) | Superconducting element and fabrication method | |
JP3348249B2 (en) | Dielectric-based transistor |