Brevet FR2666175A1 — publié le 19920228

TRANSISTOR A EFFET DE CEAMP A SUPRACONDUCTEUR L'invention concerne un transistor à effet de champ utilisant la supraconductivité et plus particulièrement un transistor à effet de champ dont le canal est alternativement rendu supraconducteur ou résistif par l'application d'un champ électrique sur la grille. Les composants basés sur un effet supraconducteur ont deux champs d'application principaux: la détection ultra sensible (en particulier dans l'infra rouge) et la logique avec très peu de dissipation et de très grandes vitesses de commutation Toutefois des applications en logique ne semblent pouvoir faire simplement sans l'utilisation de composants à trois terminaux (en effet la logique ài base de jonctions Josephson est difficile). De nombreux composants à trois terminaux ont été proposés à ce jour, en particulier un transistor Josephson à effet de champ (JOFET), tel que décrit clans le document de A.W KLEINSASSER et al publié dans SUPERCONDUCTING DEVICES Edited by S Ruggiera and D Rudman Academic Press, Inc, San Diego ( 1990) Le principe de fonctionnement est identique à celui du FET à ceci près que les électrodes sont en matériau supraconducteur et que le canal semiconducteur supporte un courant supraconducteur qui est lui-même modulé par la tension de grille (voir figure 1) Le courant supraconducteur peut se propager dans le semiconducteur grâce à l'effet de proximité bien connu entre les métaux normaux et les supraconducteurs et aussi démontré entre les semiconducteurs et les supraconducteurs. Toutefois il n'a pas encore été réalisé de composant de la famille JOFET dont les caractéristiques soient suffisamment bonne pour être utiles. D'autre part la supraconductivité d'une couche (canal) peut être commandée en modulant la densité électronique dans certains systèmes particuliers Dans Ies sels de plomb qui sont des semiconducteurs à petite bande interdite, petite masse effective et grande mobilité, il est possible de préparer des couches semiconductrices qui présentent des inclusions de gouttes de plomb métallique comme cela est décrit dans le document "CONTROLLABILITY OF SUPERCONDUCTING BEHAVIOR BY PHOTO-ILLUMINATIONS lN INDIUM DOPED Pbl x Snx Te WITH LEAD INCLUSION" de S TAKAOKA et al. th conference of Semiconductors Thessalonik_GREECE-August 6, 1990 A basse température ces inclusions deviennent supraconductrices et l'existence d'un courant supraconducteur reliant ces inclusions est fonction de la densité électronique dans la matrice semiconductrice Cet effet N été démontré par le document Takaoka et al En faisant varier la densité électronique dans la matrice semiconductrice par photoexcitation d'électrons (illumination), des améliorations de la température critique du système ont été obtenues. La figure 2 a représente, selon le document TAKAOWA des inclusions de plomb dans un matériau de Tplx Snx Te/In et met évidence (zones hachurées) la pénétration de l'état supraconducteur dans le matériau semiconducteur (Pbl _x Snx Te/In) La figure 2 b met en évidence qu supraconductivité augmente. Les inconvénients de l'approche des JOFE Ts sont doubles D'une part, pour obtenir des courants supraconducteurs non négligeables par rapport au courant normal il faut des longueurs de canal extrêmement faibles et donc difficiles à fabriquer D'autre part, les tensions entre source et drain auxquelles les effets supraconducteurs sont importants sont intrinsèquement limitées par l'énergie de condensation des paires de Cooper (environ lm V dans les anciens supraconducteurs et 10 m V dans les: nouveaux) alors que les tensions de grille requises pour moduler la conduction dans le canal sont au minimum de l'ordre de centaines de m V. Le système du document Takaoka et al a l'inconvénient d'avoir des temps de réponse très longs; les électrons photoexcités se recombinent lentement. L'invention concerne donc un transistor à effet de champ qui remédie à ces inconvénients. L'invention concerne donc un transistor à effet de champ caractérisé en ce qu'il comporte, stir un substrat, une couche d'un matériau semiconducteur contenant des inclusions en matériau supraconducteur (naturelles ou artificielle comme dans les boîtes quantiques), et disposées à la surface de la couche de matériau semiconducteur, une électrode de grille disposée entre une électrode de drain et une ôlectrode de source, l'électrode de grille étant commandée par une tension de grille. De plus, selon l'invention les 4 lectrodes de grille, de drain et de source comportent soit des contacts ohmiques en matériau conducteur normal soit des connexions en matériaux supraconducteur. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple et dans les figures annexées qui représentent: les figures 1, 2 a et 2 b des dispositifs connus dans la technique décrits précédemment; la figure 3, un exemple de Yr (alisation du dispositif selon l'invention la figure 4, une variante de réalisation du dispositif de l'invention. L'exemple de réalisation du dispositif de l'invention de la figure 3 comporte, sur un substrat l, une couche 2 en matériau semiconducteur comprenant des inclusions de matériau supraconducteur, telles que 20 et 21, réparties dans l'épaisseur de la couche 2. A la surface 25 de la couche 2 sont localisées une électrode de drain 3 et une électrode source 4 connectées à une source de polarisation 8. Entre ces deux électrodes, se trouve une électrode de grille 5 à laquelle est connectée une source de tension de grille de commande 7. Les électrodes de drain et de source 3 et 4 sont réalisées à l'aide de contacts ohmiques Ces contacts ohmiques sont de préférence en matériau conducteur normal. L'électrode de grille 5 peut êtro réalisée sous forme d'un contact Schottky Elle peut également comporter, comme cela est représenté en figure 3, une couche d'un matériau isolant 6 située entre une couche de contact 5 et la couche 2. L'électrode 5 peut également être une jonction pn ou tout autre dispositif connu permettant de moduler la densité électronique dans la couche 2. De cette manière le supracourant entre drain et la source est commandé par la tension appliquée sur la grille. Cette tension module la densité électronique dans le canal et permet ou non au supracourant de se propager d'une électrode à l'autre par percolation à travers les inclusions supraconductrices. Dans la figure 3, le mode de réalisation est tel que la répartition des inclusions n'est pas complètement contrôlée. Les inclusions sont réalisées naturellement lors de la réalisation de la couche 2. La figure 4 représente un mode de réalisation dans lequel les inclusions sont faites sous la forme de boîtes quantiques dont on peut contrôler la position selon les techniques de réalisation des boîtes quantiques. L'invention permet ainsi de résoudre le problème de la proximité des électrodes surpaconductrices en ayant des distances entre les inclusions supraconductrices faibles Ceci permet d'abaisser la densité électronique nécessaire dans la matrice semiconductrice pour établir un courant supraconducteur et par là même d'abaisser la tension de commande de la grille. L'invention permet également de mettre en série des systèmes équivalents à de petits JOFET élémentaires entre les inclusions supraconductrices et conduit à des tensions drain-source supérieures à l'énergie de condensation des paires de Cooper. Selon un exemple de réalisation pratique du dispositif de l'invention, la couche 2 est un sel de plomb tel que Pb Sn Te 1- x x ou Pb 1 x Sn X In avec x compris sensiblement entre 0,1 et 0,5. Par exemple x peut avoir pour valeur 0,25. Les inclusions de matériau supraconducteur ( 20, 21) sont alors des inclusions de plomb qui se forme lors de la réalisation de la couche 2 Le pourcentage d'inclusions de plomb est par exemple de 1 %. Dans cet exemple de réalisation, la couche 2 a sensiblement pour épaisseur 100 nm ou est inférieure à 1 O Onm. Les électrodes de source et de drain 3 et 4 sont des contacts ohmiques en or. Si la grille comporte une cotuche d'isolant 6, le contact ohmique 5 peut être en or. Il est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple non limitatif, et d'autres variantes peuvent être envisagées Les exemples numériques et de matériaux n'ont été fournis que pour illustrer la description. REVENDICATIONS 1 Transistor à effet de champ oaractérisé en ce qu'il comporte, sur un substrat ( 1), une ouiche d'un matériau semiconducteur ( 2) contenant des inclusions en matériau supraconducteur ( 20, 21), et disposées à la surface de la couche de matériau semiconducteur ( 2), une électrode de grille ( 5) disposée entre une électrode de drain ( 3) ot une électrode de source ( 4), l'électrode de grille étant commandée par une tension de grille (VG). 2 Transistor à effet de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que les inclusions ( 20, 21) sont réparties régulièrement dans la couche de matériau semiconducteur ( 20). 3 Transistor à effet de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes de grille, de drain et de source ( 3, 4, 5) comportent des contacts ohmiques en matériau conducteur normal. 4 Transistor à effet de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes de grilles, de drain et de source ( 3, 4, 5) comportent des oontacts en matériau supraconducteur. 5 Transistor à effet de champ selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en en que l'électrode de grille comporte, entre le contact ( 5) et la couche de matériau semiconducteur ( 2), une couche de matériau isolant ( 6). 6 Transistor à effet de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode dle grille comporte un contact SCHOTTKY ou une jonction PN. 7 Transistor à effet de champ selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la matériau semiconducteur ( 2) est un sel de plomb et que les inclusions de matériau supraconducteur ( 20, 21) sont à base de plomb. 8 Transistor à effet de champ selon la revendication 4, caractérisé en ce que le sel de plomb a pour formule: Pb 1-x Snx Te ou Pb 1 _x Sn In avec sensiblement 0,1