JPH03149882A - 電界効果トランジスタ - Google Patents
電界効果トランジスタInfo
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- JPH03149882A JPH03149882A JP1287820A JP28782089A JPH03149882A JP H03149882 A JPH03149882 A JP H03149882A JP 1287820 A JP1287820 A JP 1287820A JP 28782089 A JP28782089 A JP 28782089A JP H03149882 A JPH03149882 A JP H03149882A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
本発明は、超伝導体をゲート電極に用いる電界効果トラ
ンジスタに関するものである。
ンジスタに関するものである。
【−従来の技術Ｊ
ゲート電極と半導体活性層との間に酸化膜、あるいは他
の絶縁膜を介在させたいわゆるＭＯＳ構造、あるいはＭ
ＩＳ構造の電界効果トランジスタにおいて、その高周波
特性を支配する要素は、ゲートツース間容量ｃａ＊と相
互コンダクタンスｇ＃の比、Ｃｇｓ／ｇｇであり、この
数値が小さいほど性能が高い、すなわち、高周波性能を
向上させるには、Ｃｊ！ｓを小さくし、ｇ、を大きくす
ることが必要となる。 相互コンダクタンスｇ、は、 ｇｌｌｌ＝ｇｍ、／（ｌ＋ｇｍ、（Ｒｓ＋Ｒｇ））で表
わすことができる。ここで、ｇ＋＋＋、は真性相互コン
ダクタンス、Ｒ１はゲートツース間抵抗、Ｒ８はゲート
抵抗である。この式かられかるように、ｇ、はゲート抵
抗に依存しており、性能を向上させるためゲート電極を
細くしようとしても。 ゲート抵抗が増大し、ｇ、は増加しなくなる。そこでゲ
ート抵抗の問題を解決するため、ゲート電極として超伝
導体を用いた電界効果トランジスタが提案されていた。 この場合には、ゲート抵抗はほとんどゼロとなり、飛躍
的に高いｇ、が得られることとなる。 超伝導体として、Ｎｂ、Ｐｂなとの金属超伝導体を用い
た場合は、これらの金属の超伝導転移温度が絶対温度１
０に以下であるため、極低温環境が必要となり、冷却に
要する装置、費用が問題であったが、超伝導転移温度が
液体窒素温度を越えるいわゆる酸化物高温超伝導体の発
見により冷却の問題はかなり軽減されることとなった。 【発明が解決しようとする課題】 しかしなから、酸化物超伝導体をゲート電極として用い
る場合、ゲート絶縁膜としてＳｉ半導体に一般に用いら
れているＳ ｉ Ｏ，を用いるとＳ ｉ Ｏ，上の酸化
物超伝導体の超伝導的性質、すなわち、超伝導転移温度
、臨界電流密度などが劣化し、素子の動作温度の低下や
必要とされるゲート電流を得ることができないという問
題点が存在した。これは、酸化物超伝導体薄膜形成時の
高温環境において、界面での相互拡散、反応等により超
伝導体膜中に不純物が取り込まれてしまうことと、形成
される超伝導体薄膜が多結晶となり結晶粒界が多数存在
することなどに起因している。そこで、ゲート絶縁膜と
して酸化物超伝導体簿膜との結晶構造の類似性、格子整
合性等にすぐれたＳｒＴｉＯ，を用いた電界効果トラン
ジスタが提案されているが、ＳｒＴｉＯ，の格子定数と
Ｓｉの格子整合が悪いために、Ｓｉ上にＳｒＴｉＯ。 はエピタキシャル成長せず、多結晶となってしまい、こ
の上に形成される酸化物超伝導薄膜は、粒界が多数存在
する膜となり、臨界電流密度が低下してしまうという間
層を有していた。 本発明の目的は、半導体と超伝導体との間に介在するゲ
ート絶縁膜として、超伝導体との相互拡散、反応が起こ
らず、かつ、この絶縁膜上に酸化物超伝導膜をエピタキ
シャル成長させ、高品質の酸化物超伝導膜を実現すると
ともに、ひいては単結晶化することにより粒界の存在に
よる臨界電流密度の低下を抑制しようとするものである
。
の絶縁膜を介在させたいわゆるＭＯＳ構造、あるいはＭ
ＩＳ構造の電界効果トランジスタにおいて、その高周波
特性を支配する要素は、ゲートツース間容量ｃａ＊と相
互コンダクタンスｇ＃の比、Ｃｇｓ／ｇｇであり、この
数値が小さいほど性能が高い、すなわち、高周波性能を
向上させるには、Ｃｊ！ｓを小さくし、ｇ、を大きくす
ることが必要となる。 相互コンダクタンスｇ、は、 ｇｌｌｌ＝ｇｍ、／（ｌ＋ｇｍ、（Ｒｓ＋Ｒｇ））で表
わすことができる。ここで、ｇ＋＋＋、は真性相互コン
ダクタンス、Ｒ１はゲートツース間抵抗、Ｒ８はゲート
抵抗である。この式かられかるように、ｇ、はゲート抵
抗に依存しており、性能を向上させるためゲート電極を
細くしようとしても。 ゲート抵抗が増大し、ｇ、は増加しなくなる。そこでゲ
ート抵抗の問題を解決するため、ゲート電極として超伝
導体を用いた電界効果トランジスタが提案されていた。 この場合には、ゲート抵抗はほとんどゼロとなり、飛躍
的に高いｇ、が得られることとなる。 超伝導体として、Ｎｂ、Ｐｂなとの金属超伝導体を用い
た場合は、これらの金属の超伝導転移温度が絶対温度１
０に以下であるため、極低温環境が必要となり、冷却に
要する装置、費用が問題であったが、超伝導転移温度が
液体窒素温度を越えるいわゆる酸化物高温超伝導体の発
見により冷却の問題はかなり軽減されることとなった。 【発明が解決しようとする課題】 しかしなから、酸化物超伝導体をゲート電極として用い
る場合、ゲート絶縁膜としてＳｉ半導体に一般に用いら
れているＳ ｉ Ｏ，を用いるとＳ ｉ Ｏ，上の酸化
物超伝導体の超伝導的性質、すなわち、超伝導転移温度
、臨界電流密度などが劣化し、素子の動作温度の低下や
必要とされるゲート電流を得ることができないという問
題点が存在した。これは、酸化物超伝導体薄膜形成時の
高温環境において、界面での相互拡散、反応等により超
伝導体膜中に不純物が取り込まれてしまうことと、形成
される超伝導体薄膜が多結晶となり結晶粒界が多数存在
することなどに起因している。そこで、ゲート絶縁膜と
して酸化物超伝導体簿膜との結晶構造の類似性、格子整
合性等にすぐれたＳｒＴｉＯ，を用いた電界効果トラン
ジスタが提案されているが、ＳｒＴｉＯ，の格子定数と
Ｓｉの格子整合が悪いために、Ｓｉ上にＳｒＴｉＯ。 はエピタキシャル成長せず、多結晶となってしまい、こ
の上に形成される酸化物超伝導薄膜は、粒界が多数存在
する膜となり、臨界電流密度が低下してしまうという間
層を有していた。 本発明の目的は、半導体と超伝導体との間に介在するゲ
ート絶縁膜として、超伝導体との相互拡散、反応が起こ
らず、かつ、この絶縁膜上に酸化物超伝導膜をエピタキ
シャル成長させ、高品質の酸化物超伝導膜を実現すると
ともに、ひいては単結晶化することにより粒界の存在に
よる臨界電流密度の低下を抑制しようとするものである
。
上記目的を達成するために、本発明の電界効果トランジ
スタは、半導体基板の活性層上に絶縁膜を介してゲート
電極を有する電界効果トランジスタにおいて、前記ゲー
ト電極として。 ＬｎＢａＣｕＯ，系（Ｌｎは、イットリウム、あるいは
ランタノイド元素のうちの少なくとも１つ、以下同様）
、Ｂ ｉ Ｓ ｒｃａｃｕｏ、系、ＴＩＢａＣａＣｕＯ
ｙ系、あるいは Ｎ ｄ Ｃｅ Ｃｕ Ｏ，系のうちの少なくとも１つか
ら成るペロウスカイト構造を基本とする酸化物超伝導体
を用い、かつ前記ゲート絶縁膜として、ＬｎＸＯ，（Ｘ
は、Ｆｅ、Ｇｏ、ＮｉｌＡｌ。 Ｇａのうちの少なくとも１つ）、あるいはＬａＳｒＭＯ
，（Ｍは、Ｃｒ、Ｍｎ％Ｆｅ、Ｃｏ。 Ｎｉ、Ｇａ１Ｒｈ％Ａｌのうちの少なくとも１つ）のう
ちの少なくとも１つから成るペロウスカイト構造を基本
とする絶縁物を用いたことを特徴とする特 ｖた、前記半導体基板がＳｉから成り、前記ゲート絶縁
膜の組成がその膜厚方向に変化するように形成され、前
記ゲート絶縁膜と前記活性層との界面における格子不整
合率と、前記ゲート絶縁膜と前記酸化物超伝導体との界
面における格子不整合率が各々１％以下であることを特
徴とする特＊作用ｌ Ｓｉ基板上へゲート絶縁膜をヘテロエピタキシャル成長
させ、、さらにその上に酸化物超伝導体薄膜をヘテロエ
ピタキシャル成長させるためには。 ゲート絶縁膜材料の選択として、いくつかの条件を満足
する必要がある。第１にその格子定数が、Ｓｉの格子定
数とほぼ等しいこと、第２にその格子定数が、酸化物超
伝導体の格子定数とほぼ等しいこと、第３にその結晶構
造が、酸化物超伝導体と類似していることである。さら
に、Ｓｉとの反応性が低いこと、絶縁膜材料の拡散によ
る超伝導性の劣化が少ないことも重要である。本発明は
、ゲート絶縁膜材料として、酸化物超伝導体の格子定数
とほぼ合致しく格子不整合率４％以下）、かつ酸化物超
伝導体の結晶構造の基本骨格である酸素八面体で構成さ
れたペロウスカイト構造の複合酸化物番選定することを
最も主要な特徴とする。 さらに、酸化物超伝導体の構成元素である希土類元素を
複合酸化物の構成元素の１つとして含むことも補足的特
徴である。従来の技術では困難なゲート絶縁膜、酸化物
超伝導体ゲート電極を含む全ての構造を単結晶にする酸
化物超伝導体ゲートＭＩＳ形電界効果トランジスタを実
現するものである。
スタは、半導体基板の活性層上に絶縁膜を介してゲート
電極を有する電界効果トランジスタにおいて、前記ゲー
ト電極として。 ＬｎＢａＣｕＯ，系（Ｌｎは、イットリウム、あるいは
ランタノイド元素のうちの少なくとも１つ、以下同様）
、Ｂ ｉ Ｓ ｒｃａｃｕｏ、系、ＴＩＢａＣａＣｕＯ
ｙ系、あるいは Ｎ ｄ Ｃｅ Ｃｕ Ｏ，系のうちの少なくとも１つか
ら成るペロウスカイト構造を基本とする酸化物超伝導体
を用い、かつ前記ゲート絶縁膜として、ＬｎＸＯ，（Ｘ
は、Ｆｅ、Ｇｏ、ＮｉｌＡｌ。 Ｇａのうちの少なくとも１つ）、あるいはＬａＳｒＭＯ
，（Ｍは、Ｃｒ、Ｍｎ％Ｆｅ、Ｃｏ。 Ｎｉ、Ｇａ１Ｒｈ％Ａｌのうちの少なくとも１つ）のう
ちの少なくとも１つから成るペロウスカイト構造を基本
とする絶縁物を用いたことを特徴とする特 ｖた、前記半導体基板がＳｉから成り、前記ゲート絶縁
膜の組成がその膜厚方向に変化するように形成され、前
記ゲート絶縁膜と前記活性層との界面における格子不整
合率と、前記ゲート絶縁膜と前記酸化物超伝導体との界
面における格子不整合率が各々１％以下であることを特
徴とする特＊作用ｌ Ｓｉ基板上へゲート絶縁膜をヘテロエピタキシャル成長
させ、、さらにその上に酸化物超伝導体薄膜をヘテロエ
ピタキシャル成長させるためには。 ゲート絶縁膜材料の選択として、いくつかの条件を満足
する必要がある。第１にその格子定数が、Ｓｉの格子定
数とほぼ等しいこと、第２にその格子定数が、酸化物超
伝導体の格子定数とほぼ等しいこと、第３にその結晶構
造が、酸化物超伝導体と類似していることである。さら
に、Ｓｉとの反応性が低いこと、絶縁膜材料の拡散によ
る超伝導性の劣化が少ないことも重要である。本発明は
、ゲート絶縁膜材料として、酸化物超伝導体の格子定数
とほぼ合致しく格子不整合率４％以下）、かつ酸化物超
伝導体の結晶構造の基本骨格である酸素八面体で構成さ
れたペロウスカイト構造の複合酸化物番選定することを
最も主要な特徴とする。 さらに、酸化物超伝導体の構成元素である希土類元素を
複合酸化物の構成元素の１つとして含むことも補足的特
徴である。従来の技術では困難なゲート絶縁膜、酸化物
超伝導体ゲート電極を含む全ての構造を単結晶にする酸
化物超伝導体ゲートＭＩＳ形電界効果トランジスタを実
現するものである。
【実施例１
第１図は、本発明による酸化物超伝導体ゲートＭＩＳ形
電界や果トランジスタの基本構造を示す概略断面である
。１はＳｔ基板であり、単結晶で構成されている。２は
ゲート絶縁膜で、Ｓｉ基板上にエピタキシャルに構成さ
れている。、３は酸化物超伝導体よりなるゲート電極で
あり。 ＬｎＢａＣｕＯｙ系（Ｌｎは、イットリウム（Ｙ）、あ
るいはランタノイド元素のうち少なくともその１”）を
表わす、以下同様）、Ｂｉ ＳｒｃａｃｕＯ。 系、ＴｌＢａＣａＣｕＯｙ系、あるいはＮｄＣｅＣｕＯ
，基材料であり、ゲート絶縁膜上にエピタキシャルに形
成されている。４．５はそれぞれ、ソース、ドレイン電
極である。 このような構成を形成するには、良く知られているよう
に、超伝導転移温度Ｔｃ〜９０Ｋを持つＬｎ、Ｂａ、Ｃ
ｕ、Ｏｒ系はＣｕｌｌ子を中心にした酸素八面体が規則
的に配列したペロウスカイト構造が基本となっている。 転移温度〜８ＯＫ、〜ＩＩＯＫを持つＢｉ Ｓｒｃａｃ
ｕｏｙ系超伝導体（転移温度〜８０にはＢ ｉ、Ｓ ｒ
、（，ａ、ＣｕｌｌＯｙ、転移温度〜ＩＩＯにはＢ ｉ
、Ｓ ｒ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｏｙと言われている、）、ある
いは転移温度〜１２０にのＴｌＢａＣａＣｕＯｙ系超伝
導体も同様な構造とみなせる。従って、このような材料
がヘテロエピタキシャル成長する下層膜としてはペロウ
スカイト構造の物質で、格子整合する材料が望ましい。 Ｌｎ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｏｙ系酸化物超伝導体は基本的には
斜方晶形で格子定数はａ〜３．８２Ａ、ｂ〜３゜８８Ａ
であるが、この結晶構造は格子定数ａ、の擬い、また、
ＢｉＳｒＣａＣｕＯ，系は〜８０に相も〜ＩＩＯＫ相も
ほぼ正方晶でａ、〜５．４Ａである。一般に格子構造を
考える上で対角線を副格子とみなすことができるのは結
晶学上でよく行なわれている。従って、対角線副格子と
してａ、×ｒＩｒ／２〜３Ｊ２Ａを取ることができる。 ＴｌＢａＣａＣｕＯｙ系は、ａ、〜３，８６Ａの正方晶
系である。次に、単結晶を実現するための格子の不整合
程度について論議する。最も、技術的に進んでいる半導
体の分野では、その不整合率は１％以下が許容されてい
る。さらにはヘテロエピタキシャルの代表であるＳｉ上
Ｇ ａ Ａ ｓ単結晶成長においては、〜４％の格子の
不整合が許容されている。いずれも現在良質な単結晶が
実現され実用化されている。本発明では、このような科
学技術上の一般観念から格子定数の不整合条件を４％以
下とする。前記の酸素八面体ペロウスカイト構造を持つ
複合酸化物材料は極めて数多く報告されているが、酸化
物超伝導体との格子の不整合が４％以下のものは限られ
てくる。 さらに、酸化物超伝導体と熱的、化学的に反応しにくい
材料系の方がゲート絶縁膜として適していると考えられ
る（従って、できるだけ高融点材料が望ましい、）、ま
た、以上述べてきた酸化物超伝導体は希土類元素が含ま
れており、希土類元素が混合しても超伝導特性が劣化し
ないという特徴がある。これらに着目すると、ゲート絶
縁膜材料となるペロウスカイト複合酸化物として希土類
元素を構成元素の１つとして含む化合物系が適している
と考えられる。格子定数の整合、ペロウスカイト構造、
希土類（Ｌｎ）酸化物系、の条件を満足するものとして
、斜方晶構造を持つＬｎＸＯ，（ＸはＦｅ、Ｃｏ１Ｎｉ
のいずれか）、ＬｎＡｌＯ，、ＬａＧａＯ，−（Ａグル
ープ）、あるいは、正方晶構造を持つＬａＳｒＭＯ，（
Ｍは、Ｃ「、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ％Ｇａ％Ｒｈ％Ａ
ｌのいずれか）−（ｉグループ）などがある。 Ａグループの構造は擬正方晶にとることができ。 Ｂグループ材料も含めてこれらの格子定数のＥ７倍はＳ
ｉの格子定数５．４３Ａとも非常に近く、Ｓｉ上に容易
にエピタキシャル成長する。 表１に前記条件を満足する代表的なペロウスカイト酸化
物系の格子定数を示す、Ａグループについては擬正方晶
としたときの格子定数を示す、併せてすでに述べた酸化
物超伝導体及びＳｉの格子定数も示す、これらの伺れの
組み合わせでも、一般的ヘテロエピタキシャルの格子整
合条件（不整合度４％以下）の範囲内である。従って、
Ｓｉ活性層上に前記の材料よりなるゲート絶縁膜、さら
にその上に酸化物超伝導体よりなるゲート電極膜をエピ
タキシャルに形成することができ、これによりゲート電
極として高い超伝導転移温度と高い臨界電流密度を有す
る超伝導体を構成することができ、ひいては、ゲート抵
抗がゼロで高いｇ、をもつ高性能の電界効果トランジス
タを実現することができる。 表１ 材料 格子定数（Ａ） ゲート絶縁膜 ＹＡ １０． ３．６８ＧｄＡｌＯ，３
，７１ ＥｕＡ １０． ３，７２５ＮｄＡ １０
． ３．７５２ＳｍＡ １０．
３．７３４Ｐ ｒＡ １０． ３，７
５７ＬａＡｌ０． ３，７７８ＮｄＧａＯ
，３，８５１ ＰｒＧａ０． ３−８６３ＬａＧａ０．
３．８７５ＣｅＧａＯ，３，８７９ ＧｄＧａＯ，：ｔ８４０ ＬａＳｒＣｒ０． ３．８４ ＬａＳｒＭｎＯ，３，８８ ＬａＳｒＦｅ０． ３．８６ ＬａＳｒＣｏ０． ３．８０ ＬａＳｒＮｉ０． ３．８０ 材料 格子定数（Ａ） ＬａＳｒＧａＯ，３，８４ ＬａＳｒＲｈ０． ３．９２ ＬａＳｒＡｌ０． ３．７５ ゲート電極 （Ｌａ、−ｘＭＪ ＊Ｃｕ０． ３．７８ （Ｍ＝
Ｂａ、 Ｓｒ、 Ｃｅ）ＹＢａ、Ｃｕ、０．
３．８２ ３．８８ （斜方晶）ＢｉＳｒｃａｃ
ｕＯ系 ５．４ （／（Ｔ ＝３．８２）ＴＩ
ＢａＣａＣｕＯ系 ３，８６ ＮｄＣｅＣｕＯ系 ３．９５ 以下、余白。 次の実施例では、ゲート絶縁膜を前記の選定材料を２つ
以上混合したＬ ｎ （Ａ ｌ ａ −Ｘ Ｇ ａ Ｘ
） Ｏｎとするものである。前記の選定材料はペロウス
カイト構造であるからＸのすべてに均一混合し、従って
、そのときＮ格子定数は２者の中間をとることになり、
より精密な格子整合が可能になる。例えば酸化物超伝導
ゲート電極を Ｂ ｉ Ｓｒｃａｃｕｏ、、ゲート絶縁膜をＮｄ （Ａ
１．．．Ｇａ、、、）Ｏ，とすれば格子定数は３．８２
ＡとなりＢｉ Ｓｒｃａｃｕｏ、系の副格子と完全な格
子整合（不整合率θ％）となり、いわゆるエピタキシャ
ル成長として最適になる。２者の組み合わせは表１の中
で任意にすることができることは言うまでもない。この
ときＳｉに対しても１％以内で格子整合する。さらに厳
密な格子整合を実現するためには、及びＸの値をゲート
絶縁膜の厚み方向に連続的に変化させる。例えば、酸化
物超伝導ゲート電極を丁ＩＢａＣａＣｕＯア。 ゲート絶縁膜をＬ ａ （Ａ Ｉ 、−ｘＧ ａＪ Ｏ
，とすると、Ｓｉ側の界面でのＸの値を０．６３に酸化
物超伝導体ゲート電極側の界面でのＸを０．８５にし、
ゲート絶ｇ膜の厚み方向にＸを０．６３から０．８５ま
で連続的に変化させればよい。酸化物超伝導体ゲート電
極材料との組み合わせ、及びＸの値は表１のデータを参
考に決めることができることは言うまでもない。 ゲート絶縁膜の格子定数をコントロールする方法として
は、Ｌ ｎ Ｇ ａ Ｏｍのランタノイド元素の部分を
複数の組成としてそれらの組成比をＳｉとの界面側でＳ
ｉと格子整合をとるように定め、そこから酸化物超伝導
体との界面側へ漸次変化させ。 酸化物超伝導体との界面で酸化物超伝導体との格子整合
を実現する方法も可能である。具体的には。 Ｓｉ界面側での組成をＧｄＧａＯ，、酸化物超伝導体界
面側での組成をＣｅ Ｇ ａ Ｏ，となるように、ゲー
ト酸化膜中の組成を次第に変化させることにより、ゲー
ト酸化膜の両側で厳密な格子整合を実現することができ
る。このとき、膜中での組成変化については、組成をＧ
ｄ 、 −Ｘ Ｃｅ ｘ Ｇ ａ Ｏ，として、Ｇｄ
、Ｃｅの組成を変えてもよいし、さらにその他のランタ
ノイド元素を混入することにより格子定数を調整するこ
とも可能である。 さらに別の実施例としてはＢグループの材料をゲート絶
縁膜として用い、Ｓｉとの界面側の組成をＬａＳｒＣｒ
Ｏ，、またはＬａＳｒＧａＯ，とし、膜中で組成を変化
させ酸化物超伝導体ゲート電極界面側でＬａＳｒＦｅＯ
，とし、超伝導体ゲート電極としてＴｌＢａＣａＣｕＯ
ｙ系酸化物超伝導体を選ぶと、両側の界面での格子整合
性はきわめて良好なものとなる。 このように上記実施例では、酸化物超伝導体ゲート電界
効果トランジスタのゲート絶縁膜として、超伝導酸化物
ゲート電極と格子整合（不整合率４％以下）し、かつ該
酸化物超伝導体と類似の結晶構造を持ち、さらにＳｉと
も格子整合する材料としてしｎＸＯ，（ＸはＦｅ％Ｇｏ
、Ｎｉのいずれか）、ＬｎＡｌＯ，、Ｌ ｎ Ｇ ａ
Ｏ，、（Ｌｎはランタノイド元素またはＹ）−（Ａグル
ープ）、あるいは、正方晶構造を持つＬａＳｒＭＯ，（
ＭはＣｒ１Ｍｎ、Ｆｅ１Ｃｏ、Ｎｉ％Ｇａ％Ｒｈ。 Ａｌのいずれカリー（Ｂグループ）などを選定したため
、Ｓｉ半導体基板からゲート絶縁膜、ゲート電極まで含
めてヘテロエピタキシャル成長が可能となり、素子全体
を単結晶で成長させることができる。従って、酸化物超
伝導体ゲート電極中の結晶粒界に生じるジョセフソン接
合を完全に無くすことができ、劣化が少なく、かつ高い
超伝導転移温度と高い電流密度の実現を可能とし、ゲー
ト抵抗を減少させることができ、高性能のＭＩＳ形電界
効果トランジスタを実現することができる。 以上、述べてきた実施例の他にも、表１から格子整合条
件を満たす組み合わせを選ぶことができることは言うま
でもない。 【発明の効果】 以上説明したように、本発明によれば、酸化物超伝導体
ゲート電極中の結晶粒界に生じるジョセフソン接合を完
全に無くすことができ、劣化が少なく、かつ高い超伝導
転移温度と高い電流密度の実現を可能とし、ゲート抵抗
を減少させることができ、高性能のＭＩＳ形電界効果ト
ランジスタを実現することができる。
電界や果トランジスタの基本構造を示す概略断面である
。１はＳｔ基板であり、単結晶で構成されている。２は
ゲート絶縁膜で、Ｓｉ基板上にエピタキシャルに構成さ
れている。、３は酸化物超伝導体よりなるゲート電極で
あり。 ＬｎＢａＣｕＯｙ系（Ｌｎは、イットリウム（Ｙ）、あ
るいはランタノイド元素のうち少なくともその１”）を
表わす、以下同様）、Ｂｉ ＳｒｃａｃｕＯ。 系、ＴｌＢａＣａＣｕＯｙ系、あるいはＮｄＣｅＣｕＯ
，基材料であり、ゲート絶縁膜上にエピタキシャルに形
成されている。４．５はそれぞれ、ソース、ドレイン電
極である。 このような構成を形成するには、良く知られているよう
に、超伝導転移温度Ｔｃ〜９０Ｋを持つＬｎ、Ｂａ、Ｃ
ｕ、Ｏｒ系はＣｕｌｌ子を中心にした酸素八面体が規則
的に配列したペロウスカイト構造が基本となっている。 転移温度〜８ＯＫ、〜ＩＩＯＫを持つＢｉ Ｓｒｃａｃ
ｕｏｙ系超伝導体（転移温度〜８０にはＢ ｉ、Ｓ ｒ
、（，ａ、ＣｕｌｌＯｙ、転移温度〜ＩＩＯにはＢ ｉ
、Ｓ ｒ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｏｙと言われている、）、ある
いは転移温度〜１２０にのＴｌＢａＣａＣｕＯｙ系超伝
導体も同様な構造とみなせる。従って、このような材料
がヘテロエピタキシャル成長する下層膜としてはペロウ
スカイト構造の物質で、格子整合する材料が望ましい。 Ｌｎ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｏｙ系酸化物超伝導体は基本的には
斜方晶形で格子定数はａ〜３．８２Ａ、ｂ〜３゜８８Ａ
であるが、この結晶構造は格子定数ａ、の擬い、また、
ＢｉＳｒＣａＣｕＯ，系は〜８０に相も〜ＩＩＯＫ相も
ほぼ正方晶でａ、〜５．４Ａである。一般に格子構造を
考える上で対角線を副格子とみなすことができるのは結
晶学上でよく行なわれている。従って、対角線副格子と
してａ、×ｒＩｒ／２〜３Ｊ２Ａを取ることができる。 ＴｌＢａＣａＣｕＯｙ系は、ａ、〜３，８６Ａの正方晶
系である。次に、単結晶を実現するための格子の不整合
程度について論議する。最も、技術的に進んでいる半導
体の分野では、その不整合率は１％以下が許容されてい
る。さらにはヘテロエピタキシャルの代表であるＳｉ上
Ｇ ａ Ａ ｓ単結晶成長においては、〜４％の格子の
不整合が許容されている。いずれも現在良質な単結晶が
実現され実用化されている。本発明では、このような科
学技術上の一般観念から格子定数の不整合条件を４％以
下とする。前記の酸素八面体ペロウスカイト構造を持つ
複合酸化物材料は極めて数多く報告されているが、酸化
物超伝導体との格子の不整合が４％以下のものは限られ
てくる。 さらに、酸化物超伝導体と熱的、化学的に反応しにくい
材料系の方がゲート絶縁膜として適していると考えられ
る（従って、できるだけ高融点材料が望ましい、）、ま
た、以上述べてきた酸化物超伝導体は希土類元素が含ま
れており、希土類元素が混合しても超伝導特性が劣化し
ないという特徴がある。これらに着目すると、ゲート絶
縁膜材料となるペロウスカイト複合酸化物として希土類
元素を構成元素の１つとして含む化合物系が適している
と考えられる。格子定数の整合、ペロウスカイト構造、
希土類（Ｌｎ）酸化物系、の条件を満足するものとして
、斜方晶構造を持つＬｎＸＯ，（ＸはＦｅ、Ｃｏ１Ｎｉ
のいずれか）、ＬｎＡｌＯ，、ＬａＧａＯ，−（Ａグル
ープ）、あるいは、正方晶構造を持つＬａＳｒＭＯ，（
Ｍは、Ｃ「、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ％Ｇａ％Ｒｈ％Ａ
ｌのいずれか）−（ｉグループ）などがある。 Ａグループの構造は擬正方晶にとることができ。 Ｂグループ材料も含めてこれらの格子定数のＥ７倍はＳ
ｉの格子定数５．４３Ａとも非常に近く、Ｓｉ上に容易
にエピタキシャル成長する。 表１に前記条件を満足する代表的なペロウスカイト酸化
物系の格子定数を示す、Ａグループについては擬正方晶
としたときの格子定数を示す、併せてすでに述べた酸化
物超伝導体及びＳｉの格子定数も示す、これらの伺れの
組み合わせでも、一般的ヘテロエピタキシャルの格子整
合条件（不整合度４％以下）の範囲内である。従って、
Ｓｉ活性層上に前記の材料よりなるゲート絶縁膜、さら
にその上に酸化物超伝導体よりなるゲート電極膜をエピ
タキシャルに形成することができ、これによりゲート電
極として高い超伝導転移温度と高い臨界電流密度を有す
る超伝導体を構成することができ、ひいては、ゲート抵
抗がゼロで高いｇ、をもつ高性能の電界効果トランジス
タを実現することができる。 表１ 材料 格子定数（Ａ） ゲート絶縁膜 ＹＡ １０． ３．６８ＧｄＡｌＯ，３
，７１ ＥｕＡ １０． ３，７２５ＮｄＡ １０
． ３．７５２ＳｍＡ １０．
３．７３４Ｐ ｒＡ １０． ３，７
５７ＬａＡｌ０． ３，７７８ＮｄＧａＯ
，３，８５１ ＰｒＧａ０． ３−８６３ＬａＧａ０．
３．８７５ＣｅＧａＯ，３，８７９ ＧｄＧａＯ，：ｔ８４０ ＬａＳｒＣｒ０． ３．８４ ＬａＳｒＭｎＯ，３，８８ ＬａＳｒＦｅ０． ３．８６ ＬａＳｒＣｏ０． ３．８０ ＬａＳｒＮｉ０． ３．８０ 材料 格子定数（Ａ） ＬａＳｒＧａＯ，３，８４ ＬａＳｒＲｈ０． ３．９２ ＬａＳｒＡｌ０． ３．７５ ゲート電極 （Ｌａ、−ｘＭＪ ＊Ｃｕ０． ３．７８ （Ｍ＝
Ｂａ、 Ｓｒ、 Ｃｅ）ＹＢａ、Ｃｕ、０．
３．８２ ３．８８ （斜方晶）ＢｉＳｒｃａｃ
ｕＯ系 ５．４ （／（Ｔ ＝３．８２）ＴＩ
ＢａＣａＣｕＯ系 ３，８６ ＮｄＣｅＣｕＯ系 ３．９５ 以下、余白。 次の実施例では、ゲート絶縁膜を前記の選定材料を２つ
以上混合したＬ ｎ （Ａ ｌ ａ −Ｘ Ｇ ａ Ｘ
） Ｏｎとするものである。前記の選定材料はペロウス
カイト構造であるからＸのすべてに均一混合し、従って
、そのときＮ格子定数は２者の中間をとることになり、
より精密な格子整合が可能になる。例えば酸化物超伝導
ゲート電極を Ｂ ｉ Ｓｒｃａｃｕｏ、、ゲート絶縁膜をＮｄ （Ａ
１．．．Ｇａ、、、）Ｏ，とすれば格子定数は３．８２
ＡとなりＢｉ Ｓｒｃａｃｕｏ、系の副格子と完全な格
子整合（不整合率θ％）となり、いわゆるエピタキシャ
ル成長として最適になる。２者の組み合わせは表１の中
で任意にすることができることは言うまでもない。この
ときＳｉに対しても１％以内で格子整合する。さらに厳
密な格子整合を実現するためには、及びＸの値をゲート
絶縁膜の厚み方向に連続的に変化させる。例えば、酸化
物超伝導ゲート電極を丁ＩＢａＣａＣｕＯア。 ゲート絶縁膜をＬ ａ （Ａ Ｉ 、−ｘＧ ａＪ Ｏ
，とすると、Ｓｉ側の界面でのＸの値を０．６３に酸化
物超伝導体ゲート電極側の界面でのＸを０．８５にし、
ゲート絶ｇ膜の厚み方向にＸを０．６３から０．８５ま
で連続的に変化させればよい。酸化物超伝導体ゲート電
極材料との組み合わせ、及びＸの値は表１のデータを参
考に決めることができることは言うまでもない。 ゲート絶縁膜の格子定数をコントロールする方法として
は、Ｌ ｎ Ｇ ａ Ｏｍのランタノイド元素の部分を
複数の組成としてそれらの組成比をＳｉとの界面側でＳ
ｉと格子整合をとるように定め、そこから酸化物超伝導
体との界面側へ漸次変化させ。 酸化物超伝導体との界面で酸化物超伝導体との格子整合
を実現する方法も可能である。具体的には。 Ｓｉ界面側での組成をＧｄＧａＯ，、酸化物超伝導体界
面側での組成をＣｅ Ｇ ａ Ｏ，となるように、ゲー
ト酸化膜中の組成を次第に変化させることにより、ゲー
ト酸化膜の両側で厳密な格子整合を実現することができ
る。このとき、膜中での組成変化については、組成をＧ
ｄ 、 −Ｘ Ｃｅ ｘ Ｇ ａ Ｏ，として、Ｇｄ
、Ｃｅの組成を変えてもよいし、さらにその他のランタ
ノイド元素を混入することにより格子定数を調整するこ
とも可能である。 さらに別の実施例としてはＢグループの材料をゲート絶
縁膜として用い、Ｓｉとの界面側の組成をＬａＳｒＣｒ
Ｏ，、またはＬａＳｒＧａＯ，とし、膜中で組成を変化
させ酸化物超伝導体ゲート電極界面側でＬａＳｒＦｅＯ
，とし、超伝導体ゲート電極としてＴｌＢａＣａＣｕＯ
ｙ系酸化物超伝導体を選ぶと、両側の界面での格子整合
性はきわめて良好なものとなる。 このように上記実施例では、酸化物超伝導体ゲート電界
効果トランジスタのゲート絶縁膜として、超伝導酸化物
ゲート電極と格子整合（不整合率４％以下）し、かつ該
酸化物超伝導体と類似の結晶構造を持ち、さらにＳｉと
も格子整合する材料としてしｎＸＯ，（ＸはＦｅ％Ｇｏ
、Ｎｉのいずれか）、ＬｎＡｌＯ，、Ｌ ｎ Ｇ ａ
Ｏ，、（Ｌｎはランタノイド元素またはＹ）−（Ａグル
ープ）、あるいは、正方晶構造を持つＬａＳｒＭＯ，（
ＭはＣｒ１Ｍｎ、Ｆｅ１Ｃｏ、Ｎｉ％Ｇａ％Ｒｈ。 Ａｌのいずれカリー（Ｂグループ）などを選定したため
、Ｓｉ半導体基板からゲート絶縁膜、ゲート電極まで含
めてヘテロエピタキシャル成長が可能となり、素子全体
を単結晶で成長させることができる。従って、酸化物超
伝導体ゲート電極中の結晶粒界に生じるジョセフソン接
合を完全に無くすことができ、劣化が少なく、かつ高い
超伝導転移温度と高い電流密度の実現を可能とし、ゲー
ト抵抗を減少させることができ、高性能のＭＩＳ形電界
効果トランジスタを実現することができる。 以上、述べてきた実施例の他にも、表１から格子整合条
件を満たす組み合わせを選ぶことができることは言うま
でもない。 【発明の効果】 以上説明したように、本発明によれば、酸化物超伝導体
ゲート電極中の結晶粒界に生じるジョセフソン接合を完
全に無くすことができ、劣化が少なく、かつ高い超伝導
転移温度と高い電流密度の実現を可能とし、ゲート抵抗
を減少させることができ、高性能のＭＩＳ形電界効果ト
ランジスタを実現することができる。
第１図は、本発明による酸化物超伝導体ゲートＭＩＳ形
電界効果トランジスタの基本構造の概略断面図である。 ｌ・・・電界効果トランジスタの主要部分であるＳｉ基
板 ２・・・ゲート絶縁膜
電界効果トランジスタの基本構造の概略断面図である。 ｌ・・・電界効果トランジスタの主要部分であるＳｉ基
板 ２・・・ゲート絶縁膜
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、半導体基板の活性層上に絶縁膜を介してゲート電極
を有する電界効果トランジスタにおいて、前記ゲート電
極として、ＬｎＢａＣｕＯ＿ｙ系（Ｌｎは、イットリウ
ム、あるいはランタノイド元素のうちの少なくとも１つ
、以下同様）、ＢｉＳｒＣａＣｕＯ＿ｙ系、ＴｌＢａＣ
ａＣｕＯ＿ｙ系、あるいはＮｄＣｅＣｕＯ＿ｙ系のうち
の少なくとも１つから成るペロウスカイト構造を基本と
する酸化物超伝導体を用い、かつ前記ゲート絶縁膜とし
て、ＬｎＸＯ、（Ｘは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｇａ
のうちの少なくとも１つ）、あるいは ＬａＳｒＭＯ、（Ｍは、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ
、Ｇａ、Ｒｈ、Ａｌのうちの少なくとも１つ）のうちの
少なくとも１つから成るペロウスカイト構造を基本とす
る絶縁物を用いたことを特徴とする電界効果トランジス
タ。 ２、前記半導体基板がＳｉから成り、前記ゲート絶縁膜
の組成がその膜厚方向に変化するように形成され、前記
ゲート絶縁膜と前記活性層との界面における格子不整合
率と、前記ゲート絶縁膜と前記酸化物超伝導体との界面
における格子不整合率が各々１％以下であることを特徴
とする請求項１記載の電界効果トランジスタ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1287820A JP2740680B2 (ja) | 1989-11-07 | 1989-11-07 | 電界効果トランジスタ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1287820A JP2740680B2 (ja) | 1989-11-07 | 1989-11-07 | 電界効果トランジスタ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03149882A true JPH03149882A (ja) | 1991-06-26 |
| JP2740680B2 JP2740680B2 (ja) | 1998-04-15 |
Family
ID=17722189
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1287820A Expired - Lifetime JP2740680B2 (ja) | 1989-11-07 | 1989-11-07 | 電界効果トランジスタ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2740680B2 (ja) |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6806202B2 (en) | 2002-12-03 | 2004-10-19 | Motorola, Inc. | Method of removing silicon oxide from a surface of a substrate |
| US6855992B2 (en) | 2001-07-24 | 2005-02-15 | Motorola Inc. | Structure and method for fabricating configurable transistor devices utilizing the formation of a compliant substrate for materials used to form the same |
| US6885065B2 (en) | 2002-11-20 | 2005-04-26 | Freescale Semiconductor, Inc. | Ferromagnetic semiconductor structure and method for forming the same |
| US6916717B2 (en) | 2002-05-03 | 2005-07-12 | Motorola, Inc. | Method for growing a monocrystalline oxide layer and for fabricating a semiconductor device on a monocrystalline substrate |
| US6965128B2 (en) | 2003-02-03 | 2005-11-15 | Freescale Semiconductor, Inc. | Structure and method for fabricating semiconductor microresonator devices |
| US6992321B2 (en) | 2001-07-13 | 2006-01-31 | Motorola, Inc. | Structure and method for fabricating semiconductor structures and devices utilizing piezoelectric materials |
| US7005717B2 (en) | 2000-05-31 | 2006-02-28 | Freescale Semiconductor, Inc. | Semiconductor device and method |
| US7019332B2 (en) | 2001-07-20 | 2006-03-28 | Freescale Semiconductor, Inc. | Fabrication of a wavelength locker within a semiconductor structure |
| US7045815B2 (en) | 2001-04-02 | 2006-05-16 | Freescale Semiconductor, Inc. | Semiconductor structure exhibiting reduced leakage current and method of fabricating same |
| US7067856B2 (en) | 2000-02-10 | 2006-06-27 | Freescale Semiconductor, Inc. | Semiconductor structure, semiconductor device, communicating device, integrated circuit, and process for fabricating the same |
| US7105866B2 (en) | 2000-07-24 | 2006-09-12 | Freescale Semiconductor, Inc. | Heterojunction tunneling diodes and process for fabricating same |
| US7161227B2 (en) | 2001-08-14 | 2007-01-09 | Motorola, Inc. | Structure and method for fabricating semiconductor structures and devices for detecting an object |
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| US7211852B2 (en) | 2001-01-19 | 2007-05-01 | Freescale Semiconductor, Inc. | Structure and method for fabricating GaN devices utilizing the formation of a compliant substrate |
| US7342276B2 (en) | 2001-10-17 | 2008-03-11 | Freescale Semiconductor, Inc. | Method and apparatus utilizing monocrystalline insulator |
-
1989
- 1989-11-07 JP JP1287820A patent/JP2740680B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2740680B2 (ja) | 1998-04-15 |
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