一种交流偏置的超导场效应器件

摘要

本发明涉及超导电子学技术,特别是涉及一种交流偏置超导场效应器件。本发明的目的在于使用厚的外延超导薄膜来制备在77K以上温区工作的交流偏置场效应器件,和为了降低该器件的低频噪声,提高其它性能。提供一种在钛酸锶基片上溅射一层镱钡铜氧薄膜,光刻成桥型,再镀电介质层时留下电极点,最后镀金层并光刻四个方形电极和一个T型上门电极。T型门电极与镱钡铜氧薄膜桥交叉并绝缘。在金门电极与基片下的铜箔之间加交流偏置形成交流偏置场效应器件。该器件场效T应显著,制备工艺简单,并具有可在液氮温区工作等优点。

说明书

本发明涉及超导电子学技术，特别是涉及一种交流偏置超导场效应器件。

人们对超导三端器件感兴趣是由于它们有一些独特的潜在优势，包括由于是超导无损耗，源漏通道是处于通路状态，以及能维持较高的电流密度，这是其中一些最重要的优点。

自五十年代，从低温冷子管开始，人们在三端器件方面一直不断探索，当约瑟夫森结的局限性变得明显以来，超导晶体管的研究就更进了一步，特别是在高温超导体的发现后就更受到重视，并产生了一些新的三端器件，下面仅就各种超导三端器件做简单介绍。

(1)超导基三极管Superconducting Base Transistors，

SBT的能带结构见图1，它由金属或半导体夹着一层超导体构成，其优点是由超导体做成基极因而电阻低，可以得到较大的1_G，如果发射极的准粒子是以动能E_kin《Δ注入的，称为超导热电子三极管(Super-HFT)，其特点是器件的速度非常快但它要求平均自由程与基极厚度相当，而对于镱钡铜氧仅在10nm以下，器件制造非常困难。

(2)电介质基极的三极管Dielectric Base Transistors，

如图2所示：它建立在载流子从超导发射极到集电极的共振隧穿效应之上，其势垒层由两层低ε夹一层高ε的三层电介质构成。这种构造使它有非常高的电流和电压增益，但介电层使发射极-集电极电流很小，另外势垒层的制造也比较困难。

(3)涡旋流三极管Vortex Flow Transistor，

如图3所示：控制电流产生的小磁场向作为漏源通道的一个或多个平行的超导桥注入磁通，如象图中那样，超导桥包括约瑟夫森结则称为约色夫森涡旋流三极管JVFT，否则称为阿布里科索夫涡旋流三极管。它们最大的特点是输入与输出端是隔离的，并可在超导通路下运行，它们的输入输出阻抗小，电压增益大但电流增益不易实现。

(4)  准粒子注入器件Quasiparticle-injection Devices，

如图4所示：准粒子穿过势垒层注入到超导膜面改变超导序参数，目前对这种高Tc非平衡器件的研究还很有限，其结构决定电压增益很难实现，但可有较大的电流增益，

(5)电场效应器件Superconducting field-effect transistor，

如图5所示：器件的工作是通过绝缘势垒加在超导体上的电场改变平行于绝缘体/超导体界面上的库柏对的数目来实现的。过去人们对传统超导体的场效应做了很多研究，而高Tc超导体有比低Tc超导体小一两个量级的载流子密度和相干长度，这一特点降低了对门电极的要求，有利于场效应的应用，关于这方面的详细材料请参阅曼哈特的文章“高温超导体晶体三极管”一文[超导和科学技术”，9(1996)49-67]。

上面介绍的五种器件，由于SUFET的标准结构，工艺上的可行性，备受人们重视。但是SUFET在直流偏置下工作时，要求材料的超导层非常薄，理论计算认为，常规超导体的厚度约为1，高温超导体约为10。实验上，高温超导材料20-100时也能看到场效应。但对于20-100的材料制备特别是保持材料的稳定性是非常困难的，薄的超导层，超导转变温度低，对常规超导体，工作温度是4.2K或4.2K以下，对高温超导体工作温度一般都在77K以下，工作条件要求苛刻；另外，直流偏置的场效应器件的性能差，难于使用。

本发明的目的在于使用厚的外延超导膜(500-2000)材料来制备交流偏置的超导场效应器件，使之工作电流可以很大，而且制备工艺简单。

目的之二使交流偏置的超导场效应器件可在77K或以上温区工作。

目的之三降低了交流偏置的超导场效应器件的低频噪声和提高其它性能，比如临界电流和临界温度可在大范围内可控，提高器件的增益等。

本发明的目的是这样实现的：

采用直流磁控溅射的方法先在钛酸锶基片上溅射一层镱钡铜氧膜(500-2000)，然后将它们光刻成桥形，再用射频溅射的方法在镱钡铜氧膜上镀一层厚约1000的绝缘层(如钛酸锶等)，在溅射时预先留下电极位置，即电极位置上的钛酸锶很容易被去掉；最后在它们上面镀一层金膜，并将金膜光刻成四个测试方形电极(与镱钡钢氧欧姆接触)和一个T形电极(在钛酸锶上面)，T形门电极竖直部分与镱钡铜氧膜桥交叉并与镱钡铜氧绝缘，样品的结构如图6(a)所示，为了增强电场作用，也可先在钛酸锶基片上用直流磁控溅射镀上镱钡铜氧膜T形下电极，在下电极上镀一层介质层(如钛酸锶等)，再在上面制备镱钡铜氧桥，介质层和金上门电极，样品的结构如图6(b)所示，

在上下门电极之间，加不同幅度，不同频率交流电压(Vg)，用四引线法测量镱钡铜氧膜桥的电阻-温度曲线，镱钡铜氧膜桥的临界电流(Ic)，以及在Vg为固定值的高频讯号电压偏置时，金属门电极M和镱钡铜氧膜之间的电容随温度的变化等，Vg为直流电压时也对上述参数进行测量，二者的性质有很大的差别，样品密封在一支不漏气的不钢管内，保证样品经多次冷热循环其性能不变，测温用铜电阻温度计。

图7.是Vg为0V，5V，10V，讯号频率分别为200kHz，400kHz，600kHz和1mHz下，镱钡铜氧膜桥的电阻-温度曲线，桥的长度为300μm，宽为100μm，膜厚约800下表为同一样品在不同频率，不同偏置时的Ic，Ic的判据为0.2μV.

    0V    5V    10V    Ic(200kHz)    2.53mA    2.10mA    1.30mA    Ic(400kHz)    2.53mA    2.04mA    1.87mA    Ic(600kHz)    2.53mA    2.10mA    1.81mA    Ic(800kHz)    2.53mA    1.83mA    1.71mA    Ic(1MHz)    2.53mA    2.09mA    1.95mA

当交流讯号Vg的值小于20V时，对应不同的Vg，R-T曲线重复可逆。也就是说图7中的Vg值从10V降到5V，0V时，R-T曲线也会从图中的3位置分别回到2和1位置。当Vg值大于20μV以上时，R-T曲线对Vg就不可逆了。图8是膜厚约2000的镱钡铜氧桥的R-T曲线(右图)，经大于20V，100kHz的方波讯号处理后，R-T曲线变成两相(左插图)，Vg去掉后，R-T曲线仍保两相不变，不能回到Vg为0V时的起始状态(右图)，图9是Vg为直流电压是测得的金电极M和镱钡铜氧膜桥之间的电容随温度的变化曲线，金门电极M和镱钡铜氧膜桥之间重叠部分面积为2×2mm²。当Vg从0V变到80V时，M-S之间的电容变化很小。将Vg由直流电压变为交流电压时，M-S之间的电容无论是在室温还是在低温下，随交流讯号的幅度发生显著的变化，见下表：图10是Vg为交流讯号时，M-S之间的电容随温度的变化曲线。

  电容  (nF)    300kHz方波峰-峰电压    0mV  150mV  300mV  450mV  800mV  900mV  CM-S(300K)    15.39    9.47    5.49    3.13    2.20    1.60 CM-S(84K)    12.37    7.73    3.49    2.26    1.55    1.36

直流电压偏置时，由于极化作用，门电极通过绝缘层相对应的超导层的表面形成一感应的电荷层，电压恒定时，在超导体的内部和表面达到平衡，具有相同的费米能级，在门电极和超导体之间象是一个平板电容，电容值的大小即是介质层的电容，偏置电压变化时，电容变化不大，与我们测得的实验结果完全符合，由于超导体表面电荷区的存在，影响超导体的载流子浓度，使超导体的正常态电阻，临界电流和临界温度发生变化，这就是超导电场效应器件，由于门电极和超导体之间的电容随直流偏置电压的大小变化不大，注入的载流子又有限，所以一般仅能在超薄膜和极低的温度下方能明显地观察到场效应。

交流偏置时，在超导体的表面不在是一个稳定的薄层电荷区，而可能是一个不稳定的电荷层。使超导体的内部和表面失去平衡，当它们从新达到平衡时，在超导体的表面形成有一定厚度的空间电荷层。这时，门电极和超导体之间的电容不再是介质层的电容，而是介质层电容和空间电荷层电容的串联。由于空间电荷层的介电常数小于介质层的介电常数，所以在交流偏置时门电极和超导体之间电容明显减小，而且随偏置电压的大小有显著的变化。电容的显著变化，反映出超导体的载流子浓度的明显变化，也就能在较厚的超导膜和77K以上温区观察到强烈的场效应。

超导电场效应器件由直流电压偏置改为交流电压偏置时性能上的差别正如上面讲到的那样，反映了这两种偏置的物理机制不同。交流偏置的超导电场效应器件器件不但对镱系，铋系和铊系等高温超导体材料有强烈的场效应，对常规超导体比如铌，钒等都会有强的场效应。金属电极和超导体之间的介质层，不但可用钛酸锶(SrTiO₃)，钛酸钡(BaTiO₃)和钛酸铋(BaTiO₃)等钛酸盐材料，也可以使用锆钛酸铅(PZT)等材料。

本发明的优点在于将超导场效应器件的直流偏置改成交流偏置后，其特性发生了重大变化，列表对比如下：

直流超导场小于器件交流超导场小于器件超导薄膜的厚度T_c0的变化临界电流的变化工作温度0 M-S之间的电容随偏压的变化    20-100    1-3K    30-50％    小于77K    很小    ～2000    ～30K    0-100％    高于77K    很大下面结合附图及具体实施方案进行详细地说明：

图1.超导基极三极管图2.电介质基极三极管图3.涡旋流三极管图4.准粒子注入器件图5.电场效应器件图6.交流偏置的电场效应器件结构示意图图7.不同的电压，不同频率偏置时，交流场效应器件的电阻-温度曲线图8.镱钡铜氧膜桥交流场效应器件不加偏置和加大于20V，100kHz的方波后的电阻-温度曲线，图9.直流偏置时金电极和镱钡铜氧膜之间的电容-温度曲线，图10.交流偏置时金电极和镱钡铜氧膜之间的电容-温度曲线，图1I.交流场效应器件的电阻-温度曲线，图面说明如下：1.半导体  2.金属  3.超导体  4.镱钡铜氧  5.电介质6.势类层  7.钛酸锶基片  8.钛酸锶薄膜  9.金膜  10.铜箔

实施方案：

首先用直流磁控溅射方法在0.5毫米厚的钛酸锶基片上溅射一层厚800的镱钡铜氧薄膜，将它光刻成长300微米，宽100微米的桥形。再溅射一层1000厚的钛酸锶在桥形上，并预留出四个电极位置不溅射钛酸锶，然后在钛酸锶层上溅射一层500厚的金层作电极，并在金层上光刻一个T形电极，T形电极的竖条宽100微米。图11中的R-T曲线和Ic值是该样品得到的最佳值之一。Vg从0V变到5V时，T_co变化近10K，Ic变化达50％。改变桥区的膜厚和桥宽调节Ic，改变金电极的宽度相当于改变桥长因而可以改变超导场效应器件的阻抗。