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Dokumentenidentifikation DE69306316T2 03.04.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0577074
Titel Supraleitendes Bauelement des Feld-Effekt-Typs
Anmelder Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Kadoma, Osaka, JP
Erfinder Mizuno, Koichi, Nara-shi, Nara-ken, JP;
Adachi, Hideaki, Neyagawa-shi, Osaka, JP;
Ichikawa, Yo, Moriguchi-shi, Osaka, JP;
Setsune, Kentaro, Sakai-shi, Osaka, JP
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69306316
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 29.06.1993
EP-Aktenzeichen 931103584
EP-Offenlegungsdatum 05.01.1994
EP date of grant 04.12.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse H01L 39/22
IPC-Nebenklasse H01L 39/24   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine supraleitende Einrichtung vom Feldeffekt-Typ, wie im ersten Teil von Anspruch 1 definiert. Eine derartige Einrichtung ist aus der EP-A-0 484 253 bekannt.

Beschreibung des Standes der Technik

Takayanagi und Kawakami beobachteten einen Suprastrom durch ein 2DEG (zweidimensionales Elektronengas) in der Inversionsschicht auf InAs vom p-Typ, und zwar zusätzlich zu einem Wechselstrom-Josephson-Effekt, mit supraleitenden Elektroden, die 0,2-0,5 µm getrennt waren (H. Takayanagi und T. Kawakami: Physical Review Letters 54, Seiten 2449-2452, 1985). Sie fanden auch heraus, daß ein Übergang mit einer Metallgateelektrode die Steuerbarkeit des Suprastroms durch die Gate-Spannung zeigte.

Mannhart et al berichteten von experimentellen Anzeichen dafür, daß die Pinning-Kraft und die kritische Stromdichte von supraleitenden YBa&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Filmen durch elektrische Felder gesteuert werden könnte (J. Mannhart et al: Physical Review Letters 67, Seiten 2099-2101, 1991). Ihrer Ansicht nach ist dieser Effekt zurückzuführen auf eine gleiche Änderung der globalen Pinning-Kraft von magnetischen Flußlinien, die durch die Änderung der Dichte von beweglichen Ladungsträgern mit den angelegten elektrischen Feldern verursacht wird. Um elektrische Felder an dünne supraleitende YBa&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Schichten anzulegen, stellten sie invertierte Heterostrukturen vom Metall-Isolator-Halbleiter-FET-Typ (MISFET-Typ) her. In den Heterostrukturen vom MISFET-Typ war eine Gate-Elektrode von der supraleitenden Schicht durch einen Gate-Isolator aus SrTiO&sub3; getrennt.

Xi et al stellten eine supraleitende mehrschichtige feldeffekttransistorartige Struktur mit hoher Tc aus ultradünnen YBa&sub2;Cu&sub3;O7-x-Filmen her (X. X. Xi et al: Appl. Phys. Lett. 59, Seiten 3470-3472, 1991). Sie fanden heraus, daß eine epitaxial aufgewachsene dielektrische SrTiO&sub3;-Isolationsschicht, die eine Durchbruchspannung in Vorwärtsrichtung von etwa 20 V besaß, eine durch ein elektrisches Feld induzierte Änderung in der Kanalschicht von 1,25 x 10¹³ Träger/cm² pro Volt der Gate-Spannung gestattete. Außerdem beobachteten sie eine signifikante Modulation der Normalzustands- und supraleitenden Eigenschaften in Proben mit YBa&sub2;Cu&sub3;O7-x-Kanalschichten mit einer Dicke von wenigen Einheitszellen. In dieser Struktur wird durch Anlegen einer Gate-Spannung unterschiedlicher Eigenschaften Tc sowohl unterdrückt als auch gesteigert, und zwar um 1 K. Des weiteren wurde der Widerstand um soviel wie 20 % im normalen Zustand und um über 1.500 % nahe der Nullwiderstand-Temperatur moduliert. In dieser Struktur war eine Gate- Elektrode von der supraleitenden Kanalschicht durch einen Gate-Isolator aus SrTiO&sub3; getrennt.

Fujii et al stellten Metall-Isolator-Supraleiter-Feldeffekt- Transistoren (MISFET's) vom Planar-Typ her und untersuchten deren Strommodulationscharakteristiken (T. Fujii et al: Jpn. J. Appl. Phys. 31, Seiten L612-L615, Mai 1992). Diese MISFET's besaßen eine Struktur aus Al-Gate- Metall/(100)SrTiO&sub3;-Gate-Isolator/(001)YBa&sub2;Cu&sub3;Oy-Kanal. Sie fanden heraus, daß eine sichtbare Feldeffekt-Modulation des Drain-Stroms sowohl in den normalen (T> Tc) als auch supraleitenden (T< Tc) Zuständen vorlag. Im supraleitenden Zustand wurde nicht nur der kritische Strom, sondern auch der Flußströmungswiderstand merklich gemäß der angelegten Gate- Spannung geändert.

Die japanische veröffentlichte, ungeprüfte Patentanmeldung 1-207982 offenbart einen supraleitenden Feldeffekt-Transistor, der eine sehr dünne Kanalschicht aus supraleitendem Material mit hoher Tc wie beispielsweise YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; umfaßt. Die Kanalschicht weist eine Dicke von beispielsweise etwa 1 nm auf. Eine Gate-Elektrode ist von der Kanalschicht durch einen aus SrTiO&sub3; bestehenden Gate-Isolator getrennt, der eine ausreichend große dielektrische Konstante besitzt.

Die japanische veröffentlichte, ungeprüfte Patentanmeldung 63-283177 offenbart einen supraleitenden Feldeffekt-Transistor, der eine aus supraleitendem Oxid bestehende Kanalschicht umfaßt. Eine Halbleiterschicht grenzt an die Kanalschicht.

Die japanische veröffentlichte, ungeprüfte Patentanmeldung 63-283178 offenbart einen supraleitenden Feldeffekt-Transistor, der eine aus supraleitendem Oxid bestehende Kanalschicht umfaßt. Eine aus einer nichtmagnetischen Übergangsmetallverbindung (beispielsweise LaNiO&sub3;) bestehende Schicht grenzt an die Kanalschicht.

Die japanische veröffentlichte, ungeprüfte Patentanmeldung 3-102883 offenbart einen supraleitenden Feldeffekt-Transistor, in welchem ein Kanal, der sich zwischen einer Source- Elektrode und einer Drain-Elektrode erstreckt, supraleitende Regionen und halbleitende Regionen umfaßt, die einander abwechseln. Ein elektrischer Stromweg zwischen der Source- Elektrode und der Drain-Elektrode erstreckt sich sukzessiv durch die abwechselnden supraleitenden und halbleitenden Regionen.

Die japanische veröffentlichte, ungeprüfte Patentanmeldung 2-194665 offenbart einen supraleitenden Feldeffekt-Transistor, in welchem eine Source-Region und eine Drain-Region aus BiSrCaCuO auf einem aus MgO bestehenden Substrat ausgebildet sind. Eine normal leitende Region, eine supraleitende Region und eine normal leitende Region sind sequentiell zwischen der Source-Region und der Drain-Region angeordnet. Die supraleitende Region besteht aus BiSrCaCuO. Die sequentielle Anordnung der normal leitenden Region, der supraleitenden Region und der normal leitenden Region bildet einen Kanal zwischen der Source-Region und der Drain-Region. Ein elektrischer Stromweg zwischen der Source-Region und der Drain-Region erstreckt sich sukzessiv durch die normal leitende Region, die supraleitende Region und die normal leitende Region. Ein Gate-Isolator aus MgO erstreckt sich zwischen der supraleitenden Region und einer Gate-Elektrode.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel dieser Erfindung, eine verbesserte supraleitende Einrichtung vom Feldeffekt-Typ zu schaffen.

Ein erster Aspekt dieser Erfindung schafft eine supraleitende Einrichtung vom Feldeffekt-Typ wie in Anspruch 1 definiert, die eine supraleitende Kanalschicht mit einer Schicht aus einer auf Bi basierenden Oxidverbindung, die Cu enthält, einen isolierenden Elektrodenfilm, der aus isolierendem Material besteht und sich auf der Kanalschicht erstreckt, und eine Steuerelektrode umfaßt, die sich auf dem isolierenden Elektrodenfilm erstreckt und breite Abschnitte und einen eingeengten Abschnitt über dem Kanalbereich aufweist.

Ein zweiter Aspekt dieser Erfindung schafft eine supraleitende Einrichtung vom Feldeffekt-Typ wie in Anspruch 10 definiert, die eine supraleitende Kanalschicht mit einer Schicht aus einer auf Bi basierenden Oxidverbindung, die Cu enthält, einen isolierenden Elektrodenfilm, der aus isolierendem Material besteht und sich auf der Kanalschicht erstreckt, und ein Paar von Steuerelektroden umfaßt, die sich auf dem isolierenden Elektrodenfilm erstrecken und jeweilige verjüngte Abschnitte über dem Kanalbereich aufweisen, die einander zugewandt sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Draufsicht eines ersten Beispiels einer supraleitenden Einrichtung gemäß dieser Erfindung.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie D-D von Fig. 1 genommen ist.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer Kanalschicht in Fig. 2.

Fig. 4 ist eine Draufsicht eines zweiten Beispiels einer supraleitenden Einrichtung gemäß dieser Erfindung.

Fig. 5 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie E-E von Fig. 4 genommen ist.

Fig. 6 ist eine Schnittansicht einer Kanalschicht in Fig. 5.

Fig. 7 ist eine Draufsicht eines dritten Beispiels einer supraleitenden Einrichtung gemäß dieser Erfindung.

Fig. 8 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie F-F von Fig. 7 genommen ist.

Fig. 9 ist eine Schnittansicht einer Kanalschicht in Fig. 8.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Einige der supraleitenden Einrichtungen vom Feldeffekt-Typ dieser Erfindung umfassen eine Kanalschicht, eine Source- Elektrode, die die Kanalschicht kontaktiert, eine Drain- Elektrode, die die Kanalschicht kontaktiert, einen isolierenden Gate-Film, der die Kanalschicht kontaktiert, und eine Gate-Elektrode, die den isolierenden Gate-Film kontaktiert. Die Kanalschicht umfaßt eine auf Bi basierende Oxidverbindung mit einer Schichtstruktur, die Cu enthält. Der isolierende Gate-Film umfaßt einen dünnen Film aus Oxid, das Bi oder Pb enthält. Die auf Bi basierende Oxidverbindung in der Kanalschicht ist bezüglich der c-Achse orientiert und zeigt eine Supraleitfähigkeit bei einer niedrigen Temperatur. Der isolierende Gate-Film kontaktiert eine a-b-Fläche (-Ebene) der Kanalschicht. Die Relation zwischen der Source-Elektrode, der Kanalschicht und der Drain-Elektrode ist so entworfen, daß ein Strom zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode entlang a-b-Ebenen der Kanalschicht fließt. Wenn ein elektrisches Feld an die Gate-Elektrode angelegt ist, konzentrieren sich Träger auf der a-b-Fläche der Kanalschicht, die die Gate-Elektrode kontaktiert, so daß die Verteilung von Trägern in einer a-b-Ebene unter einem Gleichgewichtszustand moduliert ist.

In einer supraleitenden Einrichtung mit einer ersten Struktur gemäß dieser Erfindung ist eine Kanalschicht auf einem Substrat abgelagert, und ein isolierender Gate-Film ist auf der Kanalschicht ausgebildet. Zusätzlich ist eine Gate- Elektrode ausgebildet, die den isolierenden Gate-Film kontaktiert. Des weiteren sind eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode ausgebildet, die die Kanalschicht kontaktieren.

In einer supraleitenden Einrichtung mit einer zweiten Struktur gemäß dieser Erfindung ist ein isolierender Film auf einem elektrisch leitenden Substrat abgelagert, und eine Kanalschicht ist ausgebildet, die den isolierenden Film kontaktiert. Zusätzlich sind eine Gate-Elektrode, eine Source- Elektrode und eine Drain-Elektrode ausgebildet, die die Kanalschicht kontaktieren.

In einer supraleitenden Einrichtung mit einer dritten Struktur gemäß dieser Erfindung ist eine elektrisch leitende Pufferschicht auf einem Substrat ausgebildet, und ein isolierender Film ist auf der Pufferschicht abgelagert. Zusätzlich ist eine Kanalschicht ausgebildet, die den isolierenden Film kontaktiert. Des weiteren sind eine Gate-Elektrode, eine Source- Elektrode und eine Drain-Elektrode ausgebildet, die die Kanalschicht kontaktieren.

Eine supraleitende Einrichtung mit einer vierten Struktur gemäß dieser Erfindung weist eine planare Konfiguration auf. Die planare Konfiguration ermöglicht eine Vereinfachung der Herstellungsschritte der supraleitenden Einrichtung. Die supraleitende Einrichtung mit der vierten Struktur ist mit wenigstens zwei Gate-Elektroden versehen, um die Effizienz der Modulation durch den Feldeffekt zu steigern.

In einer Josephson-Einrichtung mit einer planaren Konfiguration gemäß dieser Erfindung weist eine Steuerelektrode einen verengten Abschnitt (Brückenabschnitt) mit einer Breite von 20 µm oder kleiner auf. Der verengte Abschnitt der Gate- Elektrode ändert die elektrischen Charakteristiken eines Abschnitts einer Kanalschicht, die dem verengten Abschnitt gegenüberliegt. Die Charakteristiken der Josephson-Einrichtung dieser Erfindung können durch ein extern angelegtes Signal gesteuert werden.

In einigen der supraleitenden Einrichtungen vom Feldeffekt- Typ dieser Erfindung umfaßt einen Kanalschicht einen geschichteten Film oder einen Mehrschichtfilm mit wenigstens zwei Unterschichten aus auf Bi basierenden Oxidverbindungen. Dieses Design steigert den Feldeffekt auf der Kanalschicht.

Einige der supraleitenden Einrichtungen dieser Erfindung können als nichtflüchtige Speicher verwendet werden. In diesen supraleitenden Einrichtungen sind die isolierenden Gate-Filme aus ferroelektrischem Material hergestellt.

In den vorstehend erwähnten verschiedenen supraleitenden Einrichtungen dieser Erfindung umfaßt eine Kanalschicht Oxid oder supraleitendes Oxid, ausgedrückt als (Bi1-yPby)&sub2;An&sub2;LnnCun+1O(2n+6)±δ, wobei An wenigstens ein Element von Sr, Ca und Ba bezeichnet und Ln wenigstens ein Element von Sr, Ca, Ba, Y und Lanthanoiden bezeichnet. Außerdem gilt n = 0, 1, 2, 3, 4, 5 und 0 ≤ δ ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 0,5. Ein isolierender Film oder ein isolierender Gate-Film umfaßt ein Ferroelektrikum, welches Pb enthält und ausgedrückt wird als (Pb1-xLax) (Zr1-yTiy)1-x/4O&sub3;, wobei 0 ≤ x ≤ 0,2 und 0 ≤ y ≤ 1,0. Alternativ kann der isolierende Film oder der isolierende Gate-Film ein Ferroelektrikum umfassen, welches Bi enthält und ausgedrückt wird als Bi&sub3;Ti&sub4;O&sub1;&sub2;.

Die Erfinder stellten eine supraleitende Einrichtung mit einer Kanalschicht und einem isolierenden Gate-Film her, der die Kanalschicht kontaktiert. Die Kanalschicht bestand aus einer auf Bi basierenden Oxidverbindung mit einer Schichtstruktur, die Cu enthielt. Die auf Bi basierende Oxidverbindung in der Kanalschicht war bezüglich der c-Achse orientiert und zeigte Supraleitfähigkeit bei einer niedrigen Temperatur. Der isolierende Gate-Film bestand aus einem Oxid, das Bi oder Pb enthält. Die meisten Oxide, die als der isolierende Gate- Film verwendet werden konnten, waren ein Perowskit-Dielektrikum oder -Ferroelektrikum. Die Erfinder fanden heraus, daß der Normalzustand-Widerstand der Kanalschicht bei Temperaturen nahe Tc oder der Nullwiderstand-Temperatur der Kanalschicht variierte, als ein elektrisches Feld daran über den isolierenden Gate-Film angelegt wurde. In Fällen, in denen die Kanalschicht aus einer auf Bi basierenden Perowskit- Oxidverbindung mit einer Schichtstruktur, die bezüglich der c-Achse orientiert war, bestand und der isolierende Gate-Film aus einem Perowskit-Oxid-Dielektrikum bestand, das Bi oder Pb enthielt und das bezüglich der c-Achse orientiert war, ähnelten sich die Kanalschicht und der isolierende Gate-Film hinsichtlich der Kristallstruktur, der Gitterkonstanten, der Elemente und des Wärmeausdehnungskoeffizienten. In diesen Fällen konnten sowohl die Kanalschicht als auch der isolierende Gate-Film in einer oxidierenden Atmosphäre gebildet werden. Der isolierende Gate-Film konnte auf der Kanalschicht durch Epitaxie gebildet werden. Die Erfinder fanden heraus, daß die Dicke des isolierenden Gate-Films auf dem Niveau einer Atomlage gesteuert werden konnte und daher der isolierende Gate-Film dünn und gleichförmig sein konnte, und daß die Dichte von Defekten im isolierenden Gate-Film einen bemerkenswert reduzierten Wert besaß. Das Material für den isolierenden Gate-Film besaß eine relative Dielektrizitätskonstante von 100 oder größer, wenn es als der dünne Film vorlag. Dieser Wert der relativen Dielektrizitätskonstante gewährleistete gute Charakteristiken des isolierenden Gate-Films.

Wie vorstehend beschrieben, war in der supraleitenden Einrichtung mit der ersten Struktur gemäß dieser Erfindung die Kanalschicht auf dem Substrat abgelagert, und der isolierende Gate-Film war auf der Kanalschicht ausgebildet. Zusätzlich war die Gate-Elektrode ausgebildet, die den isolierenden Gate-Film kontaktierte. Des weiteren waren die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode ausgebildet, die die Kanalschicht kontaktierten. In der supraleitenden Einrichtung mit der ersten Struktur konnte das Substrat eines von allgemeinen isolierenden Substraten sein. Die Erfinder fanden heraus, daß die kristallinen Charakteristiken der Kanalschicht verbessert waren und die charakteristische Temperatur-Widerstand-Kurve um Tc herum steiler war, wenn das Substrat aus Einzelkristall- oder kristallinem Material hergestellt war. Dies verursachte eine erhöhte Rate von Modulation als Reaktion auf ein angelegte elektrisches Feld. Da der isolierende Gate-Film auf der Kanalschicht abgelagert war, wurde der isolierende Gate-Film daran gehindert, eine mechanische Beschädigung zu erleiden. Da es unnötig war, einen Prozeß zum Bilden eines Films bei einer hohen Temperatur nach der Ablagerung des isolierenden Gate-Films durchzuführen, wurden die isolierenden Charakteristiken und die dielektrischen Charakteristiken des isolierenden Gate-Films aufrechterhalten.

Wie zuvor beschrieben, war in der supraleitenden Einrichtung mit der zweiten Struktur gemäß dieser Erfindung der isolierende Film auf dem elektrisch leitenden Substrat abgelagert, und die Kanalschicht war ausgebildet, die den isolierenden Film kontaktierte. Zusätzlich waren die Gate-Elektrode, die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode ausgebildet, die die Kanalschicht kontaktieren. Diese supraleitende Einrichtung konnte in der Struktur vereinfacht werden, indem das Substrat als die Gate-Elektrode verwendet oder indem eine rückwärtige Elektrode auf einer Rückseite des Substrats ausgebildet wurde. Da die Kanalschicht auf dem isolierenden Film abgelagert war, wurde die Kanalschicht daran gehindert, eine mechanische Beschädigung zu erleiden. Da es unnötig war, einen Hochtemperaturprozeß nach der Ablagerung der Kanalschicht durchzuführen, wurde die Abtrennung von Sauerstoff aus der Kanalschicht verhindert, und die supraleitenden Charakteristiken waren kaum beeinträchtigt. Somit war es möglich, eine gute Effizienz der Steuerung der elektrischen Charakteristiken der Kanalschicht in Abhängigkeit von einem angelegten elektrischen Feld zu erreichen.

In der supraleitenden Einrichtung der vorliegenden Lehre, in der die Steuerelektrode auf der Kanalschicht ausgebildet war, bestimmte die Form der Steuerelektrode die effektive Form der Kanalschicht. Diese supraleitende Einrichtung bildete eine Josephson-Einrichtung mit einem Brückenabschnitt mit einer steuerbaren Form. Alternativ bildete diese supraleitende Einrichtung eine Feldeffekt-Einrichtung mit einem Kanal mit einer steuerbaren Breite. Die Erfinder fanden heraus, daß in der Josephson-Einrichtung dieser Erfindung verschiedene Charakteristiken wie beispielsweise deren supraleitenden Charakteristiken in Abhängigkeit von der Größe einer an die Steuerelektrode angelegten Spannung gesteuert wurden.

In Fällen, in denen wenigstens zwei Gate-Elektroden in der supraleitenden Einrichtung dieser Erfindung angeordnet waren, wurde ein stärkeres elektrisches Feld entwickelt, wenn eine Spannung zwischen den Gate-Elektroden angelegt war. In Fällen, in denen zwei Wege von jeweiligen Kanalschichten vorgesehen und Gate-Elektroden in Verbindung mit den jeweiligen Wegen ausgebildet waren, konnten die Betriebsweisen der zwei Kanäle komplementär sein.

Wie zuvor beschrieben, war in der supraleitenden Einrichtung mit der dritten Struktur gemäß dieser Erfindung die elektrisch leitende Pufferschicht auf dem Substrat ausgebildet, und der isolierende Film war auf der Pufferschicht abgelagert. Zusätzlich war die Kanalschicht ausgebildet, die den isolierenden Film kontaktierte. Des weiteren waren die Gate- Elektrode, die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode ausgebildet, die die Kanalschicht kontaktierten. In dieser supraleitenden Einrichtung, selbst dann, wenn das Substrat eines von allgemeinen isolierenden Substraten war, gab es Vorteile ähnlich den Vorteilen der supraleitenden Einrichtungen mit dem elektrisch leitenden Substrat. Die Erfinder fanden heraus, daß die aus einer Bi-Basis-Verbindung bestehende Pufferschicht sehr effektiv darin war, eine Gitter-Fehlübereinstimmung zwischen dem Substrat und der Kanalschicht und eine Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Substrat und der Kanalschicht zu bewältigen, und daß die elektrischen Charakteristiken der Kanalschicht dadurch verbessert waren. Diese supraleitende Einrichtung konnte einfach hergestellt werden und war im praktischen Gebrauch gut.

Die Erfinder stellten eine supraleitende Einrichtung vom Feldeffekt-Typ her, in der eine Kanalschicht einen geschichteten Film oder einen Mehrschichtfilm mit wenigstens zwei Unterschichten umfaßte, die aus auf Bi basierenden Oxidverbindungen bestanden. Dieses Design steigerte den Feldeffekt auf der Kanalschicht. Im allgemeinen weisen Oxidsupraleiter kleine Trägerdichten auf, und verschiedene supraleitende Charakteristiken und verschiedene Normalzustand-Charakteristiken davon variieren mit der Trägerdichte. Die Erfinder entdeckten, daß die Charakteristiken der Einrichtung von der Trägerdichte in der Kanalschicht und dem Zustand der Trägerverteilung abhingen. In Fällen, in denen die Kanalschicht einen geschichteten Film oder einen Mehrschichtfilm mit wenigstens zwei Unterschichten aus auf Bi basierenden Oxidverbindungen umfaßte, die bezüglich der c-Achsen orientiert waren, konnte die Trägerdichte in der Kanalschicht und der Zustand der Trägerverteilung in geeigneter Weise entworfen werden. Somit war diese supraleitende Einrichtung hinsichtlich der Leistungen gut. Die Charakteristiken dieser supraleitenden Einrichtung konnten durch Variieren der Widerstandsfähigkeit (das heißt, der Trägerdichte oder des mittleren freien Weges) durch Elementdotierung oder Elementsubstitution auf den auf Bi basierenden Verbindungen oder durch Ändern der Reihenfolge der Schichtung der Schichten, der Kombination der geschichteten Materialien und der räumlichen Periode der Schichtung eingestellt werden, um die Trägerverteilung in zwei Dimensionen zu verbessern (um die Kopplung zwischen den Schichten zu steuern).

Die Erfinder stellten eine supraleitende Einrichtung mit einer aus ferroelektrischem Material bestehenden Gate-Elektrode her. Die Erfinder fanden heraus, daß in dieser supraleitenden Einrichtung die Nullwiderstandtemperatur oder der Normalzustandwiderstand einer Kanalschicht in Abhängigkeit von dem Anlegen einer Spannung an die Gate-Elektrode variierte, und daß die Variation der Nullwiderstandtemperatur oder des Normalzustandwiderstands nach der Entfernung der angelegten Spannung andauerte. Man geht davon aus, daß die angelegte Spannung die Trägerdichte, die Trägerverteilung oder die elektrische Bindungsenergie ändert und somit eine Variation der elektrischen Charakteristiken verursacht. Außerdem geht man davon aus, daß die Variation durch die dielektrische Rest-Polari-sation im ferroelektrischen Material andauert. Diese supraleitende Einrichtung diente als ein nichtflüchtiger Speicher.

Wie zuvor beschrieben, umfaßte in den verschiedenen supraleitenden Einrichtungen dieser Erfindung die Kanalschicht Oxid oder supraleitendes Oxid, das ausgedrückt wird als (Bi1-yPby)&sub2;An&sub2;LnnCun+1O(2n+6)±δ, wobei An wenigstens ein Element von Sr, Ca und Ba bezeichnet und Ln wenigstens ein Element von Sr, Ca, Ba, Y und Lanthanoiden bezeichnet. Außerdem gilt n = 0, 1, 2, 3, 4, 5 und 0 ≤ δ ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 0,5. Der isolierende Film oder der isolierende Gate-Film umfaßte ein Ferroelektrikum, das Pb enthielt und welches ausgedrückt wurde als (Pb1-xLax) (Zr1-yTiy)1-x/4O&sub3;, wobei 0 ≤ x ≤ 0,2 und 0 ≤ y ≤ 1,0. Alternativ umfaßte der isolierende Film oder der isolierende Gate-Film ein Ferroelektrikum, welches Bi enthielt und ausgedrückt wurde als Bi&sub3;Ti&sub4;O&sub1;&sub2;. Die auf Bi basierende Verbindung in der Kanalschicht besaß die Perowskit-Struktur. Auch das auf Pb basierende Ferroelektrikum im isolierenden Film besaß die Perowskit-Struktur. Daher ähnelten sich die Kanalschicht und der isolierende Film hinsichtlich der Gitterkonstanten und des Wärmeausdehnungskoeffizienten, und die Kanalschicht und der isolierende Film konnten durch Epitaxie in eine Schichtung gebracht werden, ohne die elektrischen Charakteristiken der Kanalschicht und des isolierenden Films zu beeinträchtigen. Der isolierende Film konnte dünn sein und gute kristalline Charakteristiken aufweisen, wodurch verbesserte elektrische Charakteristiken der Einrichtung, eine höhere Dielektrizitätskonstante, verbesserte isolierende Charakteristiken des isolierenden Films und eine Reduzierung im Leckstrom verursacht wurden. In dem auf Pb basierenden Ferroelektrikum des isolierenden Films wurde die Curie-Temperatur variiert, indem der atomare La-Bruchteil (Konzentration) "x" oder der atomare Ti-Bruchteil (Konzentration) "y" geändert wurde. Somit konnte die Dielektrizitätskonstante bei einer beliebigen Betriebstemperatur groß sein, indem die Curie- Temperatur in geeigneter Weise eingestellt wurde. Dies ist vorteilhaft für den praktischen Gebrauch.

Typische supraleitende Einrichtungen dieser Erfindung umfassen eine Kanalschicht und einen isolierenden Film oder einen isolierenden Gate-Film. Die Kanalschicht umfaßt einen Oxid- Supraleiter. Der isolierende Film oder der isolierende Gate- Film umfaßt ein Oxid-Dielektrikum. Hinsichtlich des Oxid- Supraleiters in der Kanalschicht wird eine kleine Trägerdichte vorgezogen, und eine niedrige Tc wird gestattet. Ein auf Oxid basierendes supraleitendes Material, dessen Tc durch Elementsubstitution variiert werden kann, wird beim Entwerfen einer supraleitenden Einrichtung, die am effizientesten bei einer gegebenen Temperatur arbeiten kann, vorgezogen. In einem geschichteten Film oder einem Mehrschichtfilm mit einer ersten Unterschicht aus einem Supraleiter eines gegebenen Systems und einer zweiten Unterschicht aus einem Oxid eines zum früheren System ähnlichen Systems kann die Supraleitfähigkeit durch das Ändern der Struktur der Schichtung (beispielsweise der Kombination der Materialien, der Reihenfolge der geschichteten Schichten und der räumlichen Schichtungsperiode) gesteuert werden. Somit ist der geschichtete Film oder der Mehrschichtfilm vorteilhaft, um eine gute Kanalschicht zu bilden. Vorzugsweise wird die Struktur der Schichtung gemäß der Verwendung der supraleitenden Einrichtung gewählt. Außerdem ist es vorzuziehen, daß die Materialien in einer Kombination für die Schichtung Kristallstrukturen ähnlichen Typs aufweisen. Beispielsweise werden eine Kombination aus Bi-Sr-Ca-Cu-O (2212-Phase oder 2223-Phase) und Bi-Sr-Cu-O (2201-Phase) und eine Kombination aus Bi-Sr-Ca-Cu-O und Bi-Sr-Ln-Cu-O (2212-Phase, und Ln bezeichnet Y oder Lanthanoid) vorgezogen. Des weiteren ist es vorzuziehen, daß die Materialien für die Unterschichten der Schichtung in der Kanalschicht und das Material für den isolierenden Film ähnliche Kristallstrukturen und ähnliche Gitterkonstanten aufweisen. Beispielsweise werden auf Bi basierende Supraleiter mit ähnlichen Kristallstrukturen und ähnlichen Gitterkonstanten in der Kanalschicht verwendet, und ein auf Pb basierendes Perowskit-Ferroelektrikum wird im isolierenden Film verwendet. In supraleitenden Einrichtungen mit Kanalschichten, isolierenden Schichten, Pufferschichten, Substratschichten und elektrisch leitenden Schichtungen, wenn auf Bi basierende Verbindungen in diesen Schichten verwendet werden, können die kristallinen Charakteristiken der Schichten gut sein. Die guten kristallinen Charakteristiken gewährleisten gute Betriebscharakteristiken der supraleitenden Einrichtungen. Unter dieser Materialwahl können die isolierenden Filme dünn sein und gute kristalline Charakteristiken aufweisen. Diese guten isolierenden Filme bewirken eine Verbesserung der elektrischen Charakteristiken der Kanalschichten.

Die Kanalschicht in den typischen supraleitenden Einrichtungen dieser Erfindung können eine Kombination oder eine Schichtung aus einer supraleitenden Oxid-Unterschicht und einer Oxid-Unterschicht umfassen. Die supraleitende Oxid- Unterschicht umfaßt hauptsächlich auf Bi basierendes 2212-Phase-Material, ausgedrückt als (Bi1-yPBy)&sub2;-Sr&sub2;-Ca&sub1;-Cu&sub2;-O8±δ, wobei 0 ≤ δ ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 0,5. Alternativ umfaßt die supraleitende Oxid-Unterschicht hauptsächlich 2223-Phase-Material, ausgedrückt als (Bi1-yPBy)&sub2;-Sr&sub2;-Ca&sub2;-Cu&sub3;-O10±δ, wobei 0 ≤ δ ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 0,5. Die Oxid-Unterschicht umfaßt hauptsächlich 2212-Phase-Material, ausgedrückt als (Bi1-yPby)&sub2;-Sr&sub2;-Ln&sub1;-Cu&sub2;-O8±δ, wobei Ln wenigstens ein Element von Y und Lanthanoiden bezeichnet und 0 ≤ δ ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 0,5. Alternativ umfaßt die Oxid-Unterschicht hauptsächlich auf Bi basierendes 2201-Phase-Material, ausgedrückt als (Bi1-yPby)&sub2;-Sr&sub2;-Cu&sub1;-O6±δ, wobei 0 ≤ δ ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 0,5. Der isolierende Film in den typischen supraleitenden Einrichtungen dieser Erfindung kann ein Ferroelektrikum umfassen, welches Pb enthält und ausgedrückt wird als (Pb1-xLax) (Zr1-yTiy)1-x/4O&sub3;, wobei 0 ≤ x ≤ 0,2 und 0 ≤ y ≤ 1,0. Alternativ kann der isolierende Film ein Ferroelektrikum umfassen, welches Bi enthält und ausgedrückt wird als Bi&sub3;Ti&sub4;O&sub1;&sub2;.

In Fällen, in denen zwei Gate-Elektroden, die einander mit einem kleinen Abstand gegenüberliegen, auf einem isolierenden Gate-Film ausgebildet sind, ist ein Zwischenelektrodenspalt schmal, so daß ein erhöhtes elektrisches Feld entwickelt und ein erhöhter elektrischer Feldeffekt erreicht werden kann.

In Fällen, in denen wenigstens eine Kanalschicht, eine isolierende Gate-Schicht, eine elektrisch leitende Schicht und eine Gate-Elektrode in demselben Vakuum gebildet werden, wird das Entstehen einer Schicht mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante in der Grenze zwischen der Oberfläche des isolierenden Gate-Films und der Oberfläche der Kanalschicht, der Gate-Elektrode oder der elektrisch leitenden Schicht verhindert. Folglich können die Bedingungen an der Grenze gut gehalten werden. Außerdem können eine verbesserte Reproduzierbarkeit der Charakteristiken der Einrichtung, eine gesteigerte Stabilität der Einrichtung und eine erhöhte Modulationseffizienz der Einrichtung erreicht werden.

In der vorstehend erwähnten supraleitenden Einrichtung, die den isolierenden Film mit Ferroelektrizität umfaßt, dient der isolierende Film dazu, den Feldeffekt zu halten. Somit kann diese supraleitende Einrichtung als ein Speicher verwendet werden. Der durch die supraleitende Einrichtung gebildete Speicher nimmt lediglich einen kleinen Bereich in Anspruch, so daß der Speicher beim Schaffen eines in hohem Maße integrierten Speicherschaltkreises nützlich ist.

In der vorstehend erwähnten supraleitenden Einrichtung mit wenigstens zwei Gate-Elektroden kann ein Paar von komplementären Schaltungselementen gebildet werden. Somit ist diese supraleitende Einrichtung beim Schaffen einer logischen Operationsschaltung nützlich.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, besitzen die supraleitenden Einrichtungen dieser Erfindung die Mehrschichtstruktur (geschichtete Struktur). Im allgemeinen ist die Mehrschichtstruktur dazu geeignet, eine integrierte Schaltung zu schaffen. Wie vorstehend beschrieben, umfassen einige der supraleitenden Einrichtungen dieser Erfindung die Kanalschichten mit der geschichteten Struktur. Die geschichtete Struktur in der Kanalschicht ermöglicht die Bildung eines isolierenden Gate-Films, der für eine hohe Modulationseffizienz sorgt.

Beispiel 1

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein erstes Beispiel einer supraleitenden Einrichtung gemäß dieser Erfindung. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt die supraleitende Einrichtung breite Abschnitte 50A und 50C und einen eingeengten Abschnitt (Brückenabschnitt 50B). Der eingeengte Abschnitt 50B erstreckt sich zwischen den breiten Abschnitten 50A und 50C. Das Zentrum des eingeengten Abschnitts 50B weist eine signifikant kleinere Breite als die breiten Abschnitte 50A und 50C auf. Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt die supraleitende Einrichtung ein Substrat 1, auf welchem sich eine Kanalschicht 2H erstreckt. Das Substrat 1 besteht aus einem (100)-orientierten MgO-Einzelkristall. Ein isolierender Gate-Film 3 erstreckt sich auf der Kanalschicht 2H. Der isolierende Gate-Film 3 weist eine Dicke von 200 nm auf. Der isolierende Gate-Film 3 besteht aus SrTiO&sub3;, der Ferroelektrizität zeigt. Eine Steuerelektrode 14 (Gate- Elektrode) erstreckt sich auf einem gegebenen Bereich des isolierenden Gate-Films 3. Die Steuerelektrode 14 besteht aus Pt.

Gemäß der Konfiguration der Einrichtung von Fig. 1 weisen die Kanalschicht 2H, der isolierende Gate-Film 3 und die Steuerelektrode 14 jeweils breite Abschnitte und einen eingeengten Abschnitt (Brückenabschnitt) auf, der sich zwischen den breiten Abschnitten erstreckt.

Wie in Fig. 3 gezeigt, weist die Kanalschicht 2H eine Mehrschicht- (geschichtete) Struktur auf. Genauer gesagt, die Kanalschicht 2H weist eine Überlagerung aus einer unteren Unterschicht 11H und einer oberen Unterschicht 12H auf. Die untere Unterschicht 11H, die sich auf dem Substrat 1 erstreckt, ist ein dünner Film mit einer Dicke von 30 nm. Der dünne Film 11H besteht aus einem auf Bi basierenden Oxidsupraleiter, der hauptsächlich einen 2212-Phase-Oxidsupraleiter umfaßt. Der auf Bi basierende Oxidsupraleiter im dünnen Film 11H wird ausgedrückt als Bi&sub2;-Sr&sub2;-Ca&sub1;-Cu&sub2;-O8±δ, wobei 0 ≤ δ ≤ 1. Die obere Unterschicht 12H, die sich auf der unteren Unterschicht 11H erstreckt, ist ein dünner Film mit einer Dicke von 10 nm. Der dünne Film 12H besteht aus einem Oxid, das hauptsächlich ein auf Bi basierendes 2212-Phase-Oxid umfaßt, das ausgedrückt wird als Bi&sub2;-Sr&sub2;-Nd&sub1;-Cu&sub2;-O8±δ, wobei 0 ≤ δ ≤ 1.

Experimente wurden durchgeführt, um die Charakteristiken der supraleitenden Einrichtung zu messen. Es wurde bestätigt, daß die supraleitende Einrichtung als eine Josephson-Einrichtung arbeitete. Der supraleitende kritische Strom in der supraleitenden Einrichtung variierte in Abhängigkeit davon, ob eine Spannung an die Steuerelektrode 14 angelegt wurde oder nicht. Unter Bedingungen, in denen ein konstanter Strom durch die supraleitende Einrichtung getrieben blieb, war eine Spannung in der Einrichtung gemäß einer Steuerspannung an der Steuerelektrode 14 moduliert. Somit wurde bestätigt, daß die supraleitende Einrichtung auch als ein Feldeffekt-Typ arbeitete.

Die supraleitende Einrichtung wurde wie folgt hergestellt. Zuerst wurde ein (100)-orientiertes MgO-Substrat 1 hergestellt. In einem Vakuum wurde ein dünner Film 11H mit einer Dicke von 30 nm auf dem Substrat 1 durch RF-Magnetronsputtern abgelagert, wobei ein Oxidpulvertarget verwendet wurde. Dieses Oxidpulvertarget war so eingestellt, daß ein auf Bi basierender Oxidsupraleiter, der hauptsächlich einen 2212-Phase-Oxidsupraleiter enthielt, abgelagert werden konnte. Der auf Bi basierende Oxidsupraleiter im dünnen Film 11H wurde ausgedrückt als Bi&sub2;-Sr&sub2;-Ca&sub1;-Cu&sub2;-O8±δ, wobei 0 ≤ δ ≤ 1. Während des Sputterns, um den dünnen Film 11 zu bilden, wurde die Temperatur des Substrats 1 auf 650ºC gehalten. Anschließend wurde in demselben Vakuum ein dünner Film 12H mit einer Dicke von 10 nm auf dem dünnen Film 11H durch RF-Magnetronsputtern abgelagert, wobei ein Oxidpulvertarget verwendet wurde. Dieses Oxidpulvertarget war so eingestellt, daß ein Oxid, das hauptsächlich auf Bi basierendes 2212-Phase-Oxid umfaßte, abgelagert werden konnte. Das auf Bi basierende Oxid im dünnen Film 12H wurde ausgedrückt als Bi&sub2;-Sr&sub2;-Nd&sub1;-Cu&sub2;-O8±δ, wobei 0 ≤ δ ≤ 1. Während des Sputterns, um den dünnen Film 12H zu bilden, wurde die Temperatur des Substrats 1 auf 650ºC gehalten. Die dünnen Filme 11H und 12H bildeten eine Kanalschicht 2H. Dann wurde in demselben Vakuum ein SrTiO&sub3;-Film mit einer Dicke von 200 nm auf der Kanalschicht 2H durch einen geeigneten Prozeß wie beispielsweise einen RF-Sputter- Prozeß abgelagert. Während der Ablagerung des SrTiO&sub3;-Films wurde die Temperatur des Substrats 1 auf 650ºC gehalten.

Die Kanalschicht 2H und der SrTiO&sub3;-Film wurden in eine eingeengte Konfiguration durch einen Musterbildungsprozeß unter Verwendung von Ionenfräsen und Photolithographie gebildet. Die Photolithographie setzte ein negatives Photoresist ein. Kontaktlöcher zur Aufnahme einer Stromelektrode und einer Spannungselektrode (nicht gezeigt) wurden durch den SrTiO&sub3;- Film durch Ionenfräsen gebildet. Somit wurde der SrTiO&sub3;-Film zu einem isolierenden Gate-Film 3 verarbeitet. Dann wurde ein Pt-Film auf dem isolierenden Gate-Film 3 und freiliegenden Bereichen der Kanalschicht 2H abgelagert. Der Pt-Film wurde zu einer Gate-Elektrode 14 und anderen Elektroden (nicht gezeigt) durch einen Musterbildungsprozeß unter Verwendung von Ionenfräsen und Photolithographie gebildet. Die Photolithographie setzte ein negatives Photoresist ein. Infolgedessen war die supraleitende Einrichtung vollendet.

Beispiel 2

Die Fig. 4 und 5 zeigen ein zweites Beispiel einer supraleitenden Einrichtung gemäß dieser Erfindung. Wie in Fig. 4 gezeigt, umfaßt die supraleitende Einrichtung breite Abschnitte 50A und 50C und einen eingeengten Abschnitt (Brückenabschnitt 50B). Der eingeengte Abschnitt 50B erstreckt sich zwischen den breiten Abschnitten 50A und 50C. Das Zentrum des eingeengten Abschnitts 50B weist eine signifikant kleinere Breite als die breiten Abschnitte 50A und 50C auf. Wie in Fig. 5 gezeigt, umfaßt die supraleitende Einrichtung ein Substrat 1, auf welchem sich eine Kanalschicht 2J erstreckt. Das Substrat 1 besteht aus einem (100)-orientierten MgO-Einzelkristall. Ein isolierender Gate-Film 3 erstreckt sich auf der Kanalschicht 2J. Der isolierende Gate-Film 3 weist eine Dicke von 200 nm auf. Der isolierende Gate-Film 3 besteht aus SiO&sub2;. Ein Paar von Steuerelektroden 14 (Gate-Elektroden) erstreckt sich auf gegebenen Bereichen des isolierenden Gate-Films 3. Die Steuerelektroden 14 erstrecken sich ausgehend von den breiten Abschnitten 50A und 50C in den eingeengten Abschnitt 50B. Die Steuerelektroden 14 weisen sich verjüngende Abschnitte auf, die sich im eingeengten Abschnitt 50B erstrecken und näherungsweise in der Form mit den Hälften des eingeengten Abschnitts 50B übereinstimmen. Die sich verjüngenden Abschnitte der Steuerelektroden 14 sind einander zugewandt und durch einen Spalt von 2 µm beabstandet. Die Steuerelektroden 14 bestehen aus Pt.

Gemäß der Konfiguration der Einrichtung von Fig. 4 weisen die Kanalschicht 2J und der isolierende Gate-Film 3 jeweils breite Abschnitte und einen eingeengten Abschnitt (Brückenabschnitt) auf, der sich zwischen den breiten Abschnitten erstreckt.

Wie in Fig. 6 gezeigt, weist die Kanalschicht 2J eine Mehrschicht- (geschichtete) Struktur auf. Genauer gesagt, die Kanalschicht 2J weist eine Überlagerung aus einer unteren Unterschicht 11J und einer oberen Unterschicht 12J auf. Die untere Unterschicht 11J, die sich auf dem Substrat 1 erstreckt, ist ein dünner Film mit einer Dicke von 30 nm. Der dünne Film 11J besteht aus einem Oxid, das hauptsächlich ein auf Bi basierendes 2201-Phase-Oxid umfaßt, welches als Bi&sub2;-Sr&sub2;-Cu&sub1;-O6±δ ausgedrückt wird, wobei 0 ≤ δ ≤ 1. Die obere Unterschicht 12J, die sich auf der unteren Unterschicht 11J erstreckt, ist ein dünner Film mit einer Dicke von 30 nm. Die obere Unterschicht 12J besteht aus einem Oxidsupraleiter, der hauptsächlich einen auf Bi basierenden 2223-Phase-Oxidsupraleiter umfaßt, der als Bi&sub2;-Sr&sub2;-Sr&sub2;-Cu&sub3;-O10±δ ausgedrückt wird, wobei 0 ≤ δ ≤ 1.

Experimente wurden durchgeführt, um die Charakteristiken der supraleitenden Einrichtung zu messen. Es wurde bestätigt, daß die supraleitende Einrichtung als eine Josephson-Einrichtung arbeitete. Der supraleitende kritische Strom in der supraleitenden Einrichtung variierte in Abhängigkeit davon, ob eine gleiche Spannung an die Steuerelektroden 14 angelegt wurde oder nicht. Unter Bedingungen, in denen ein konstanter Strom durch die supraleitende Einrichtung getrieben blieb, war eine Spannung in der Einrichtung gemäß einer Steuerspannung an den Steuerelektroden 14 moduliert. Somit wurde bestätigt, daß die supraleitende Einrichtung auch als ein Feldeffekt-Typ arbeitete.

Die supraleitende Einrichtung wurde wie folgt hergestellt. Zuerst wurde ein (100)-orientiertes MgO-Substrat 1 hergestellt. In einem Vakuum wurde ein dünner Film 11J mit einer Dicke von 30 nm auf dem Substrat 1 durch RF-Magnetronsputtern abgelagert, wobei ein Oxidpulvertarget verwendet wurde. Dieses Oxidpulvertarget war so eingestellt, daß ein Oxid, das hauptsächlich ein auf Bi basierendes 2201-Phase-Oxid umfaßte, abgelagert werden konnte. Das auf Bi basierende Oxid im dünnen Film 11J wurde ausgedrückt als Bi&sub2;-Sr&sub2;-Cu&sub1;-O6±δ, wobei 0 ≤ δ ≤ 1. Während des Sputterns, um den dünnen Film 11J zu bilden, wurde die Temperatur des Substrats 1 auf 650ºC gehalten. Anschließend wurde in demselben Vakuum ein dünner Film 12J mit einer Dicke von 30 nm auf dem dünnen Film 11J durch RF-Magnetronsputtern abgelagert, wobei ein Oxidpulvertarget verwendet wurde. Dieses Oxidpulvertarget war so eingestellt, daß ein Oxidsupraleiter, der hauptsächlich einen auf Bi basierenden 2223-Phase-Oxidsupraleiter umfaßte, abgelagert werden konnte. Der auf Bi basierende Oxidsupraleiter im dünnen Film 12J wurde ausgedrückt als Bi&sub2;-Sr&sub2;-Sr&sub2;-Cu&sub3;-O10±δ, wobei 0 ≤ δ ≤ 1. Während des Sputterns, um den dünnen Film 12J zu bilden, wurde die Temperatur des Substrats 1 auf 650ºC gehalten. Die dünnen Filme 11J und 12J bildeten eine Kanalschicht 2J. Dann wurde in demselben Vakuum ein SiO&sub2;-Film mit einer Dicke von 200 nm auf der Kanalschicht 2J durch RF-Sputtern abgelagert. Während der Ablagerung des SiO&sub2;-Films wurde die Temperatur des Substrats 1 auf 200ºC gehalten.

Die Kanalschicht 2J und der SiO&sub2;-Film wurden in eine eingeengte Konfiguration durch einen Musterbildungsprozeß unter Verwendung von Ionenfräsen und Photolithographie gebracht. Die Photolithographie setzte ein negatives Photoresist ein. Kontaktlöcher zur Aufnahme einer Stromelektrode und einer Spannungselektrode (nicht gezeigt) wurden durch den SiO&sub2;-Film durch Ionenfräsen gebildet. Somit wurde der SiO&sub2;-Film zu einem isolierenden Gate-Film 3 verarbeitet. Dann wurde ein Pt-Film auf dem isolierenden Gate-Film 3 und freiliegenden Bereichen der Kanalschicht 2J abgelagert. Der Pt-Film wurde zu Gate-Elektroden 14 und anderen Elektroden (nicht gezeigt) durch einen Musterbildungsprozeß unter Verwendung von Ionenfräsen und Photolithographie verarbeitet. Die Photolithographie setzte ein negatives Photoresist ein. Infolgedessen wurde die supraleitende Einrichtung vollendet.

Beispiel 3

Die Fig. 7 und 8 zeigen ein drittes Beispiel einer supraleitenden Einrichtung gemäß dieser Erfindung, die dem ersten Beispiel (siehe Fig. 1 und 2) ähnelt, abgesehen von Designänderungen, die nachstehend angegeben sind. Wie in Fig. 7 gezeigt, umfaßt die supraleitende Einrichtung ein Paar von gegenüberliegenden Steuerelektroden (Gate-Elektroden) 15 und ein Paar von gegenüberliegenden Steuerelektroden (Gate- Elektroden) 16. Die Steuerelektroden 15 weisen eine näherungsweise dreieckige Form auf. Die Steuerelektroden 16 weisen eine näherungsweise dreieckige Form auf. Die Steuerelektroden 15 umfassen sich verjüngende Abschnitte, die einander zugewandt und durch einen Spalt von 2 µm voneinander beabstandet sind. Die Steuerelektroden 16 umfassen sich verjüngende Abschnitte, die einander zugewandt und durch einen Spalt von 2 µm voneinander beabstandet sind. Die erste Steuerelektrode 15, die erste Steuerelektrode 16, die zweite Steuerelektrode 15 und die zweite Steuerelektrode 16 sind in Umfangsrichtung bei gleichen Winkelintervallen von 90 Grad angeordnet.

Wie in Fig. 8 gezeigt, umfaßt die supraleitende Einrichtung ein Substrat 1, auf welchem sich eine Kanalschicht 2K erstreckt. Das Substrat 1 besteht aus einem (100)-orientierten MgO-Einzelkristall. Ein isolierender Gate-Film 3 erstreckt sich auf der Kanalschicht 2K. Der isolierende Gate- Film 3 weist eine Dicke von 150 nm auf. Der isolierende Gate- Film 3 besteht aus Bi-Ti-O. Die Steuerelektroden 15 und 16 erstrecken sich jeweils auf gegebenen Bereichen des isolierenden Gate-Films 3.

Wie in Fig. 9 gezeigt, weist die Kanalschicht 2K eine Überlagerung aus Unterschichten 11K eines ersten Typs und Unterschichten 12K eines zweiten Typs auf. Die Unterschichten 11K des ersten Typs wechseln sich mit den Unterschichten 12K des zweiten Typs ab. Die unterste Unterschicht, die sich auf einem Substrat 1 erstreckt, ist vom ersten Typ. Die oberste Unterschicht ist vom zweiten Typ. Beispielsweise ist sowohl die Anzahl der Unterschichten 11K vom ersten Typ als auch die Anzahl der Unterschichten 12K vom zweiten Typ gleich vier.

Jede der Unterschichten 11K vom ersten Typ ist ein dünner Film mit einer Dicke von 2,4 nm. Die dünnen Filme 11K bestehen aus einem Oxid, das hauptsächlich ein auf Bi basierendes 2201-Phase-Oxid umfaßt, welches ausgedrückt wird als Bi&sub2;-Sr&sub2;-Cu&sub1;-O6±δ, wobei 0 ≤ δ ≤ 1. Jede der Unterschichten 12K vom zweiten Typ ist ein dünner Film mit einer Dicke von 3 mm.

Die dünnen Filme 12K bestehen aus einem Oxidsupraleiter, der hauptsächlich einen auf Bi basierenden 2212-Phase-Oxidsupraleiter umfaßt, der ausgedrückt wird als Bi&sub2;-Sr&sub2;-Sr&sub1;-Cu&sub2;-O8±δ, wobei 0 ≤ δ ≤ 1.

Während der Ablagerung der Kanalschicht 2K wurde die Temperatur des Substrats 1 auf 650ºC gehalten. Außerdem wurde während der Ablagerung des isolierenden Gate-Films 3 die Temperatur des Substrats 1 auf 650ºC gehalten.

Experimente wurde durchgeführt, um die Charakteristiken der supraleitenden Einrichtung zu messen. Der Josephson-Effekt fehlte, wenn keine Spannungen an die Steuerelektroden 15 und 16 angelegt wurden. Der Josephson-Effekt war vorhanden, wenn eine erste Spannung an die Steuerelektroden 15 und eine zweite Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet, an die Steuerelektroden 16 angelegt wurde. Die Charakteristiken der supraleitenden Einrichtung hingen von der Konfiguration und den Dicken der Unterschichten 11K und 12K in der Kanalschicht 2K ab.


Anspruch[de]

1. Eine supraleitende Einrichtung vom Feldeffekt-Typ mit:

einer supraleitenden Kanalschicht (2H, 2J, 2K) mit einer Schicht aus einer auf Bi basierenden Oxidverbindung, die Cu enthält;

einem isolierenden Elektrodenfilm (3), der aus isolierendem Material besteht und sich auf der Kanalschicht (2H, 2J, 2K) erstreckt;

und einer Steuerelektrode (14, 15, 16), die sich auf dem isolierenden Elektrodenfilm (3) erstreckt; dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode breite Abschnitte (50A, 50C) und einen eingeengten Abschnitt (50B) über dem Kanalbereich umfaßt.

2. Die supraleitende Einrichtung von Anspruch 1, worin die auf Bi basierende Oxidverbindung in der Kanalschicht (2K) c-achsen-orientiert ist und der isolierende Elektrodenfilm (3) ein entweder Bi oder Pb enthaltendes Oxid umfaßt.

3. Die supraleitende Einrichtung von Anspruch 1, worin die Steuerelektrode separate Unter-Gate-Elektroden (14, 15, 16) umfaßt.

4. Die supraleitende Einrichtung von Anspruch 1, worin die Kanalschicht eine Überlagerung aus ersten und zweiten Unterschichten (11H, 12H, 11J, 12J, 11K, 12K) umfaßt, die jeweils erste und zweite c-achsen-orientierte, auf Bi basierende Oxidverbindungen enthalten.

5. Die supraleitende Einrichtung von Anspruch 1, worin der isolierende Elektrodenfilm (3) ferroelektrisches Material (SrTiO&sub3;) umfaßt.

6. Die supraleitende Einrichtung von Anspruch 1, worin die Kanalschicht (2H, 2J, 2K) einen Oxidsupraleiter umfaßt, der ausgedrückt wird als (Bi1-yPby)&sub2;An&sub2;LnnCun+1O(2n+6)±δ, wobei An wenigstens ein Element von Sr, Ca und Ba bezeichnet; Ln wenigstens ein Element von Sr, Ca, Ba, Y und Lanthanoiden bezeichnet; n=0, 1, 2, 3, 4, 5; 0≤δ≤1; und 0≤y≤0,5.

7. Die supraleitende Einrichtung von Anspruch 1, worin die Kanalschicht (2H, 2J, 2K) ein Oxid umfaßt, das ausgedrückt wird als (Bi1-yPby)&sub2;An&sub2;LnnCun+1O(2n+6)±δ, wobei An wenigstens ein Element von Sr, Ca und Ba bezeichnet; Ln wenigstens ein Element von Sr, Ca, Ba, Y und Lanthanoiden bezeichnet; n=0, 1, 2, 3, 4, 5; 0≤δ≤1; und 0≤y≤0,5.

8. Die supraleitende Einrichtung von Anspruch 1, worin der isolierende Elektrodenfilm ferroelektrisches Material umfaßt, das ausgedrückt wird als (Pb1-xLax) (Zr1-yTiy)1-x/4O&sub3;, wobei 0≤x≤0,2 und 0≤y≤1,0.

9. Die supraleitende Einrichtung von Anspruch 1, worin der isolierende Elektrodenfilm (3) ferroelektrisches Material umfaßt, das ausgedrückt wird als Bi&sub3;Ti&sub4;O&sub1;&sub2;.

10. Eine supraleitende Einrichtung vom Feldeffekt-Typ mit:

einer supraleitenden Kanalschicht (2J, 2K) mit einer Schicht aus einer auf Bi basierenden Oxidverbindung, die Cu enthält;

einem isolierenden Elektrodenfilm (3), der aus isolierendem Material besteht und sich auf der Kanalschicht erstreckt; gekennzeichnet durch ein Paar von Steuerelektroden (14, 15, 16), die sich auf dem isolierenden Elektrodenfilm (3) erstrecken und jeweilige verjüngte Abschnitte über dem Kanalbereich aufweisen, die einander zugewandt sind.

11. Die supraleitende Einrichtung von Anspruch 10, worin die auf Bi basierende Oxidverbindung in der Kanalschicht (2J, 2K) c-achsen-orientiert ist und der isolierende Elektrodenfilm (3) ein Oxid umfaßt, das entweder Bi oder Pb enthält.

12. Die supraleitende Einrichtung von Anspruch 10, worin jede der Steuerelektroden (14, 15, 16) separate Unter-Gate-Elektroden umfaßt.

13. Die supraleitende Einrichtung von Anspruch 10, worin die Kanalschicht (2J, 2K) eine Überlagerung aus ersten und zweiten Unterschichten (11J, 12J, 11K, 12K) umfaßt, die jeweils erste und zweite c-achsen-orientierte, auf Bi basierende Oxidverbindungen enthalten.

14. Die supraleitende Einrichtung von Anspruch 10, worin der isolierende Elektrodenfilm (3) ferroelektrisches Material umfaßt.

15. Die supraleitende Einrichtung von Anspruch 10, worin die Kanalschicht (2J, 2K) einen Oxidsupraleiter umfaßt, der ausgedrückt wird als (Bi1-yPby)&sub2;An&sub2;LnnCun+1O(2n+6)±δ, wobei An wenigstens ein Element von Sr, Ca und Ba bezeichnet; Ln wenigstens ein Element von Sr, Ca, Ba, Y und Lanthanoiden bezeichnet; n=0, 1, 2, 3, 4, 5; 0≤δ≤1; und 0≤y≤0,5.

16. Die supraleitende Einrichtung von Anspruch 10, worin die Kanalschicht (2J, 2K) ein Oxid umfaßt, das ausgedrückt wird als (Bi1-yPby)&sub2;An&sub2;LnnCun+1O(2n+6)±δ, wobei An wenigstens ein Element von Sr, Ca und Ba bezeichnet; Ln wenigstens ein Element von Sr, Ca, Ba, Y und Lanthanoiden bezeichnet; n=0, 1, 2, 3, 4, 5; 0≤δ≤1; und 0≤y≤0,5.

17. Die supraleitende Einrichtung von Anspruch 10, worin der isolierende Elektrodenfilm (3) ferroelektrisches Material umfaßt, das ausgedrückt wird als (Pb1-xLax) (Zr1-yTiy)1-x/4O&sub3;, wobei 0≤x≤0,2 und 0≤y≤1,0.

18. Die supraleitende Einrichtung von Anspruch 10, worin 1, worin der isolierende Elektrodenfilm (3) ferroelektrisches Material umfaßt, das ausgedrückt wird als Bi&sub3;Ti&sub4;O&sub1;&sub2;.







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