DE3751098T2

DE3751098T2 - Feldeffekttransistor.

Info

Publication number: DE3751098T2
Application number: DE3751098T
Authority: DE
Inventors: Makoto C O Patent Divisi Azuma; Nobuhiro C O Patent Divi Gemma; Akira C O Patent Divisio Miura; Koichi C O Patent Di Mizushima; Toshio C O Patent Div Nakayama
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-03-25
Filing date: 1987-03-24
Publication date: 1995-08-31
Anticipated expiration: 2007-03-25
Also published as: EP0239368B1; EP0239368A3; DE3751098D1; JPH0770708B2; EP0239368A2; JPS62222675A; US5294820A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor, welcher einen dünnen organischen Film als eine Gate-Zone verwendet.
Vor kurzem erfolgte Fortschritte in einer Technik des Langmuir-Blodgett-Prozesses (im folgenden als der LB-Prozeß bezeichnet) zur Ausformung eines superdünnen Films aus Organischen Molekülen resultierten in einer lebhaften Entwicklung der Auftragstechniken dünner organischer Filme auf verschienden Elementen. Forschungsarbeit auf dem Gebiet der Entwicklung solcher Techniken wird von vielen Organisationen geleistet, wie z.B. Forschungen von G.G. Roberts an der Durham-Universität zur Entwicklung eines MIS-Elements unter Verwendung eines dünnen organischen Films. Allerdings ist bisher noch kein Element mit einer neuartigen Funktion unter wirksamer Nutzung der Eigenschaften eines dünnen organischen Films verwirklicht worden.
Im Zusammenhang mit dem Aufbringen auf ein elektronisches Bauelement ist das wichtigste Merkmal des organischen Materials das Phänomen der Ladungsübertragung zwischen Molekülen. Organische Moleküle enthalten Donatormoleküle, welche ein niederes Ionisierungspotential haben und Elektronen an andere Moleküle abgeben, so daß sie einen positiven Ionenzustand annehmen, und Akzeptormoleküle, welche eine hohe elektronische Affinität haben und Elektronen von anderen Molekülen annehmen, wodurch sie einen negativen Ionenzustand übergehen. Es ist bekannt, daß sich zwischen diesen beiden Molekültypen ein "Ladungsübertragungskomplex" genannter Verbund bildet. So besteht beispielsweise ein Verbund aus Perylen und Tetracyanquinodemethan (TCNQ) aus neutralen Molekülen, in welchen keine Ladung übertragen wird, jedoch bilden Tetramethylphenylendiamin (TMPD) und TCNQ einen Verbund, in welchem sich die entsprechenden Moleküle im positiven oder negativen Zustand befinden. Außerdem ist von einem Verbund aus TCNQ mit Tetrathiofluvalen (TTF) bekannt, daß er aufgrund einer Temperatur- oder Druckänderung von einem neutralen Zustand in einen Ionenzustand übergeht.
Wird ein solches Ladungsübertragungsphänomen des organischen Materials als ein Funktionsprinzip eines elektronischen Elements herangezogen, so müssen die Ladungsübertragungseigenschaften, wie Wirkungsgrad, Ansprechzeit und Regelbarkeit hervorragend sein, und ein Material und ein elektronisches Element, welche die Ladungsübertragung verursachen, müssen einfach herzustellen sein. In diesem Fall eines Ladungsübertragungskomplexes ist die Herstellung von Kristallen sehr schwierig, und die externe Steuerung der Ladungsübertragung ist ebenfalls schwierig. Man hat vorgeschlagen, die Ladungsübertragung zwischen einem Metallfilm und einem organischen Molekülfilm durch Licht oder ein elektrisches Feld für das Aufbringen auf ein Schalt- oder Speicherelement zu steuern. Ein großes Problem liegt jedoch in Wirkungsgrad, Ansprechzeit und Lebendauer eines Ladungsübertragungskomplexes. Obwohl die Ladungsübertragung auf verschiedene Elemente angewendet werden kann, ist sie bisher noch nicht praktisch verwirklicht worden.
Andererseits wird die Entwicklung eines neuartigen Funktionselements, welches von einem herkömmlichen MOSFET-LSI unter Verwendung von Silizium nicht verwirklicht werden kann, erwartet. So laufen z.B. derzeit Forschungen in Zusammenhang mit einem elektronischen Element unter Verwendung einer Supergitterstruktur, bestehend aus einem GaAs- Film und einem AlGaAs-Film als ein Verbindungshalbleiter. Da jedoch Gitterkonstanten oder Gitterstrukturen aus zwei Verbundarten aufeinander abgestimmt werden müssen, um eine Supergitterstruktur eines Verbindungshalbleiters zu erhalten, ist der Auswahlbereich von Verbindungshalbleitern begrenzt und die Herstellung des Supergitters teuer und zeitaufwendig.
Des weiteren bestehen bei einem FET mit einem Verbindungshalbleiter verschiedene Probleme, die bei einem Silizium verwendenden MOSFET niemals auftreten. Darüber hinaus ändert sich aufgrund einer Zustandsdichte der Grenzschicht ein Oberflächenpotential eines Halbleiters selbst dann nicht wesentlich, wenn eine Gate-Spannung angelegt wird. Hierbei handelt es sich um das sog. Pinning-Phänomen auf dem Fermi-Niveau. Da außerdem die Mobilität der Träger von GaAs oder InP höher ist als diejenige von Si, kann eine hochschnelle Operation erwartet werden. Mit solchen Verbindungshalbleitern läßt sich jedoch ein Oxidfilm mit weniger Defekten, wie z.B. ein SiO&sub2;-Film im Fall von Silizium, nicht erzielen. Insbesondere hat ein durch thermische oder anodische Oxidation erhaltener Oxidfilm eines solchen Verbindungshalbleiters eine sehr hohe Zustandsdichte der Grenzschicht. Wird also ein FET des MIS-Typs unter Verwendung eines durch thermische oder anodische Oxidation oder einem anderen anorganischen, beispielsweise durch das CVD- Verfahren erhaltenen Oxid wie SiO&sub2; oder Al&sub2;O&sub3;, erhaltenen Oxidfilms als Gate-Isolierfilm gebildet, so findet keine FET-Funktion statt, da in der Oberfläche des Halbleiters aufgrund einer hohen Zustandsdichte der Grenzschicht keine Inversion stattfindet.
Wie oben beschrieben, ist bisher ein elektronisches Element mit einer neuartigen Funktion, welche von einem herkömmlichen MOSFET unter Verwendung von Silizium nicht erbracht werden kann, noch nicht verwirklicht worden, obwohl es erwartet wird. Da außerdem ein guter Gate-Isolierfilm nicht erzielt werden kann und eine Zustandsdichte der Grenzschicht in einem FET mit einem Verbindungshalbleiter, von dem eine höhere Leistung als von einem Silizium verwendenden MOSFET erwartet wird, hoch ist, ist ein FET des MIS- Typs bisher noch nicht verwirklicht worden.
Die Anwendungen organischer Dünnfilme durch den LB-Prozeß bei der Herstellung von Halbleitern sind in der DE-A-2 637 206 beschrieben worden. Die Verwendung eines leitfähigen Films, welcher eine monomolekulare Schicht eines Ladungsübertragungskomplexes enthält, ist in der EP-A-165 111 beschrieben.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochleistungs-FET bereit zustellen, welcher die obigen Probleme beseitigt und eine neuartige Funktion hat.
Ein FET entsprechend der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß er einen dünnen organischen Film mit Donator- und Akzeptormolekülen zwischen einer Gate-Elektrode und der Oberfläche eines Halbleitersubstrats umfaßt, wobei der dünne organische Film aus einer geschichteten Struktur aus einem ersten Donatormoleküle enthaltenden Dünnfilm und einem zweiten Akzeptormoleküle enthaltenden Dünnfilm besteht. Unter Ausnutzung des Ladungsübertragungsphänomens zwischen Donator- und Akzeptormolekülen wird ein Oberflächenpegel geregelt.
Diese Definition enthält die Möglichkeit, daß der dünne organische Film eine Supergitterstruktur aufweist, welche man durch abwechselndes Schichten einer Vielzahl erster und zweiter, Donator- bzw. Akzeptormoleküle enthaltender, Dünnfilme erhält. Des weiteren kann in diesen dünnen organischen Filmen eine Reihe von Donator- und Akzeptor-Molekültypen wie gewünscht kombiniert werden.
Vorzugsweise umfaßt mindestens eine der Oberflächen der dünnen organischen Filme einen dritten Dünnfilm, welcher isolierende organische Moleküle enthält.
Bei dem FET entsprechend der vorliegenden Erfindung ist es wichtig, die Dicke des dünnen organischen Films zu kontrollieren, um gute Elementeigenschaften zu erzielen. Deshalb wird vorzugsweise ein durch den LB-Prozeß ausgeformter monomolekularer Film oder eine durch Schichten einer Vielzahl monomolekularer Filme erhaltende Supergitterstruktur als Dünnfilm verwendet.
In dem FET entsprechend der vorliegenden Erfindung findet durch Anlegen einer vorgegebenen Spannung an eine Gate-Elektrode eine Ladungsübertragung zwischen den in dem dünnen organischen Film enthaltenen Donator- und Akzeptormolekülen statt, wodurch das Oberflächenpotential des Halbleiters geregelt wird. Die Änderung des Oberflächenpotentials des Halbleiters ist unstetig, so daß sich ein zwischen Drain und Source des FET fließender Strom unstetig ändert. Deshalb kann durch Regelung der Stärke des Drain- Spurce-Stroms vor und nach der Ladungsübertragung entsprechend der EIN-AUS-Operation des FET eine Schaltsteuerung des FET verwirklicht werden.
Darüber hinaus kann durch die Wahl von Typ und Struktur des dünnen organischen Films eine Schwellspannung oder eine Differenz des Drain-Source-Stroms während der EIN- und AUS- Operationen beliebig eingestellt werden. Da außerdem der Änderungsbetrag des Oberflächenpotentials durch die Konzentrationen der Donator- und Akzeptormoleküle in dem dünnen organischen Film bestimmt wird, läßt sich eine Struktur erzielen, in der das Oberflächenpotential des Halbleiters ohne Beeinträchtigung selbst einer hohen Zustandsdichte der Grenzschicht des Halbleiters geregelt werden kann. Auf diese Weise kann ein FET des MIS-Typs, dessen herkömmliche Herstellung schwierig ist, verwirklicht werden.
Es ist zu beachten, daß dann, wenn der dünne organische Film zwischen der Gate-Elektrode und der Halbleiteroberfläche als Schichtstruktur aus einem ersten dünnen organischen Film mit Donatormelekülen und einem zweiten dünnen organischen Film mit Akzeptormolekülen besteht, eine Ladungsübertragung zwischen den ersten und zweiten dünnen organischen Filmen sowie zwischen den Filmen stattfindet, wenn der Film eine Schichtstruktur aus monomolekularen Filmen aufweist.
Außerdem kann der in der vorliegenden Erfindung verwendete dünne organische Film organische Moleküle mit Donator- und Akzeptorradikalen enthalten.
Es ist zu beachten, daß die Dicke des dünnen organischen Films vorzugsweise zwischen 50 Å und 10.000 Å und am besten zwischen 50 Å und 1000 Å liegt (10 Å = 1 nm).
Folgende Donatormoleküle können in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
(1) Donatoren des Fulvalentyps mit den nachstehend aufgeführten Strukturformeln:
(2) S-haltige heterozyklische Donatoren mit den nachstehend aufgeführten Strukturformeln: Tetrathiotetracen (TTT) Tetraselentetracen (TST) Tetrathionaphthalen Tetrathioperillen Tetraphenyl-Bithiopyralyden (BTP) Bizenzothiophen (BBT)
Anmerkung: φ in den obigen Formeln stellt einen Phenylanteil dar.
(3) Donatoren des Amintyps mit den nachstehend aufgeführten Strukturformeln: N-Methylanilin Anilin P-Phenylendiamin TMPD Diaminonaphthalen Benzidin Tetramethylbenzidin Diaminopyren
(4) Donatoren des Metallverbindungstyps mit den nachstehend aufgeführten Strukturformeln: Ferrocen Phthalocyanin M(Pc) M(dbtaa) M(Pophyrin) M(TAAB) M(bqd)&sub2;
(5) Cyanin-Farbstoffdonatoren mit den nachstehend aufgeführten Strukturformeln:
(6) N-haltige heterozyklische Donatoren mit den nachstehend aufgeführten Strukturformeln: Phenothiazin Phenazin Quinolin Acridin DEPE²&spplus;
(7) Donatoren des Polymertyps mit den nachstehend aufgeführten Strukturformeln: Polyacetylen Polypyrrol X = O, N, S Polypyridin Poly-p-Phenylen Pol-p-Phenylensulfid
Die vorliegende Erfindung gestattet das Aufbringen der Derivate der in Punkt (1) bis (7) aufgeführten Moleküle des Donatortyps, die eine hydrophobe Gruppe mit der Strukturformel CH&sub3;(CH&sub2;)n, CH&sub3;(CH&sub2;)p(CH&sub2;=CH&sub2;)q(CH&sub2;)&sub1; (wobei n bzw. p+q+l höhere Zahlen als 8 darstellen) oder eine hydrophile Gruppe mit der Strukturformel -COOH, -OH, SO&sub3;H, -COOR', -NH&sub2;, -N&spplus;(R')&sub3;Y&supmin; (Y kennzeichnet Halogenionen) oder die sowohl hydrophobe als auch hydrophile Gruppen aufweisen.
Von den obigen Donatormolekülen werden Donatoren des Amintyps bevorzugt, am besten geeignet sind jedoch Donatoren des Fulvalentyps und S-haltige heterozyklische Verbindungen.
Die obengenannten Akzeptormoleküle enthalten folgendes:
(1) Akzeptoren des Cyanverbindungstyps mit den nachstehend aufgeführten Strukturformeln: Dicyanbenzol (DCNB)
(2) Akzeptoren des Quinoimintyps mit den nachstehend aufgeführten Strukturformeln:
(3) Akzeptoren des Quinontyps mit den nachstehend aufgeführten Strukturformeln: Dicyannaphthoquinon Chloranil Benzoquinon 2,5-Dimethylbenzoquinon Naphthoquinon 2,6-Dichlorbenzoquinon 2,3-Dichlornaphthoquinon
(4) Akzeptoren des Nitroverbindungstyps mit den nachstehend aufgeführten Strukturformeln: p-Nitrocyanbenzol 1,3-Dinitrobenzol TNF 1,3,5-Trinitrobenzol p-Nitrobenzol
Die vorliegende Erfindung gestattet, das Aufbringen der Derivate der Moleküle des Akzeptortyps mit den in Punkt (1) bis (4) aufgeführten wesentlichen Strukturformeln, die hydrophobe Substituenten, die durch CH&sub3;(CH&sub2;)n, CH&sub3;(CH&sub2;)p(CH&sub2;=CH&sub2;)q(CH&sub2;)l dargestellt werden (wobei n bzw. eine Summe aus p+q+l höhere Zahlen als 8 darstellen) oder hydrophile Gruppen, dargestellt mit -COOH, -OH, SO&sub3;H, -COOR', -NH&sub2;, -N&spplus;(R')&sub3;Y&supmin; (Y kennzeichnet Halogenionen) oder die sowohl hydrophobe als auch hydrophile Radikale aufweisen.
Von den obigen Akzeptormolekülen werden Akzeptoren des Quinontyps bevorzugt, am besten geeignet sind jedoch Akzeptoren des Cyanverbindungs- und Quinoimintyps.
Die obigen isolierenden oder inaktiven organischen Moleküle enthalten die nachstehend aufgeführten Typen.
(1) Substituierbare gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffderivate, welche mit der folgenden allgemeinen Strukturformel dargestellt werden:
R-X
wobei R eine hydrophobe Gruppe aus substituierbarem CH&sub3;(CH&sub2;)n- oder CH&sub3;(CH&sub2;)p(CH&sub2;=CH&sub2;)q(CH&sub2;)l darstellt (wobei n bzw. eine Summe aus p+q+l höhere Zahlen als 8 darstellen) und X hydrophile Gruppen darstellt, die beispielsweise -cOOH, -OH, SO&sub3;H, -COOR', -NH&sub2;, -N&spplus;(R')&sub3;Y&supmin; (Y kennzeichnet Halogenionen) enthalten.
(2) Verschiedene polymerisierbare Moleküle
Die betreffenden polymerisierbaren Moleküle können beispielsweise repräsentiert werden durch:
Polymere von Vinylverbindungen, wie substituierbares Acrylat, Methacrylat, Vinyläther, Styrol, Vinylalkohol, Acrylamid;
α-Aminosäuren, wie z.B. Alanin, Glutamat, Aspartat;
Aminosäuren, wie z.B. von α-Aminosäure verschiedenes &epsi;-Aminocaprolat; und
Polyamidpolymere, bestehend aus einem Gemisch im Verhältnis 1:1 von Diaminen, z.B. Hexamethylendiamin und Kohlensäure, z.B. Hexamethylendiamin.
Wenn die oben unter (2) genannten Moleküle über die Eigenschaft verfügen, allein zu einem Film verarbeitet werden zu können, so können sie unverändert aufgebracht werden. Die Moleküle, die nicht allein zu zu einem Film verarbeitet werden können, werden nach der Mischung mit den isolierenden Molekülen (unter Punkt (1) aufgeführt) aufgebracht, die unabhängig zu einem Film ausgeformt werden können.
Diese Erfindung wird anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines dünnen organischen Films, der in einem FET der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 2 einen Graphen zur Erläuterung des Prinzips der Ladungsübertragung zwischen organischen Molekülen;
Fig. 3 eine Schnittansicht eines FET entsprechend einem Beispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 einen Graphen zur Darstellung der Änderungen des Oberflächenpotentials eines Substrats entsprechend den Änderungen der Gate-Spannung des FET der Fig. 3;
Fig. 5 und 6 Graphen zur Darstellung der FET-Kennwerte des FET der Fig. 3;
Fig. 7 einen Graphen, der die Änderungen von ΔVs entsprechend den Änderungen der Konzentration der Akzeptormoleküle in einem Akzeptormolekülfilm zeigt;
Fig. 9 bis 13 Schnittansichten von FET's mit einem Siliziumsubstrat entsprechend verschiedener Beispiele der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 14, 15 und 16 Schnittansichten von FET's mit einem GaAs-Substrat entsprechend verschiedener Beispiele der vorliegenden Erfindung.
Das Ladungsübertragungsphänomen in einer Dünnfilmheterostruktur, d.h. in einer Schichtstruktur eines dünnen organischen Films (Donatormolekülfilm) mit Donatormolekülen und eines dünnen organischen Films (Akzeptormolekülfilm) mit Akzeptormolekülen in einem FET entsprechend der vorliegenden Erfindung wird nunmehr im folgenden detalliert beschrieben.
Die Fig. 1 zeigt eine Struktur, bei der eine Heterostruktur eines Donatormolekülfilms 4 und eines Akzeptormolekülfilms 3 sandwichartig zwischen zwei Elektroden 1 und 6 angeordnet ist. Organische Dünnfilme (isolierende Molekülfilme) 2 und 5 sind zwischen den Elektroden 1 und 6 und der Heterostruktur angeordnet. Die Filme 2 und 5 dienen als Sperrschichten, um eine Ladungsübertragung zwischen der Elektrode 1 und dem Film 3 sowie zwischen der Elektrode 6 und dem Film 4 zu verhindern.
In einer solchen Struktur wird eine Spannung V&sub1; zwischen den Elektroden 1 und 6 angelegt, so daß die Elektrode 1 positiv ist. Wird die Spannung V&sub1; höher als eine mit der nachstehenden Gleichung (1) gegebene Spannung Vtr, so wandern Elektronen aus dem Film 4 in den Film 3, und die Donatormoleküle nehmen einen positiven Ionenzustand (D&spplus;), und die Aktzeptormoleküle nehmen einen negativen Ionenzustand (A&spplus;) an.
Vtr = (l/a) (l/e) { (Ip -EA) - e²/a} ... (1)
wobei Ip das Ionisierungspotential des Donatormoleküls, EA die Elektronenaffinität des Akzeptormoleküls, l einen Abstand zwischen den Elektroden 1 und 6, a einen Abstand zwischen einem Loch des Donatormoleküls und einem Elektron des Akzeptormoleküls und e eine Elementarladungsgröße bedeuten.
Wenn Elektronen aus den Donator- in die Akzeptormoleküle übergehen, zeigt die Potentialverteilung in der Heterostruktur unstetige Änderungen.
Die Fig. 2 zeigt, auf welche Weise sich eine Potentialdifferenz V&sub2; zwischen einem Potential an einer Grenzfläche zwischen den Filmen 2 und 3 und einem Potential an der Elektrode 1 aufgrund der zwischen den Elektroden angelegten Spannung V&sub1; unstetig ändert. Die Größe des Versatzes V&sub2;dis einer unstetigen Spannung bei V&sub1; = Vtr ergibt sich aus der nachstehenden Gleichung (2).
V&sub2;dis = (b/l) (Qtr/QM) V&sub2;con ... (2)
wobei QM die pro Flächeneinheit einer Elektrodenoberfläche induzierte Ladungsgröße, Qtr die Anzahl von Elektronen, die pro Flächeneinheit von den Donator- zu den Akzeptormolekülen übergehen, V&sub2;con, wie in der Fig. 2 gezeigt, die stetige Änderung von V&sub2; vor dem Elektronenübergang und b der Abstand zwischen der Grenzfläche zwischen den Filmen 2 und 3 und der Oberfläche der Elektrode 1.
Wie oben beschrieben, kann durch Nutzung der unstetigen Änderung der Potentialverteilung zusammen mit dem Elektronenübergang zwischen organischen Molekülen ein FET mit einer neuartigen Funktion verwirklicht werden.
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nunmehr detailliert beschrieben.

Beispiel 1

Die Fig. 3 ist eine Schnittansicht eines n-Kanal-MOSFET entsprechend einem Beispiel der vorliegenden Erfindung. Das Bezugszeichen 11 kennzeichnet ein Si-Substrat des p-Typs; 12 und 13 kennzeichnen Schichten des n-Typs, die als Source- bzw. Drainzonen dienen. Auf einer Gate-Zone des Substrats 11 sind ein isolierender Molekülfilm 15, ein Donatormolekülfilm 16, ein Akzeptormolekülfilm 17 und ein isolierender Molekülfilm 18 sequentiell auf einem Oxidfilm 14 geschichtet angeordnet, und eine Gate-Elektrode 19 ist darauf ausgeformt.
Der Film 14 ist ein thermischer Oxidfilm mit einer Dicke von etwa 100 Å. Die Filme 15, 16, 17 und 18 sind durch das LB-Verfahren ausgeformt. Dies bedeutet speziell, daß ein Alkylkettenderivat von Tetrathiofluvalen (TTF) als Donatormoleküle mit Stearinsäure (SA) in einem Molverhältnis von 1:1 gemischt wird, um einen monomolekularen LB-Film zu erhalten; vier monomolekulare LB-Filme werden zur Bildung des Films 16 geschichtet angeordnet. Ein Alkylkettenderivat von Tetracyanquinodemethan (TCNQ) als Akzeptormoleküle wird mit SA in einem Molverhältnis von 1:1 gemischt, um einen monomolekularen LB-Film zu erhalten; vier monomolekulare LB-Filme werden zur Bildung des Films 17 geschichtet angeordnet. Drei und vier monomolekulare LB-Films aus SA werden zur Bildung der Films 15 bzw. 18 geschichtet. Die Elektrode 19 besteht aus Al.
Die Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen einer Gate-Spannung VG des in der obigen Weise aufgebauten MOSFET und dem Oberflächenpotential Vs des Substrats 11. Wenn die Spannung VG einen bestimmten Wert VGtr annimmt, zeigt das Potential Vs einen unstetigen Anstieg ΔVs. Im Fall des obigen Elements betragen VGtr bzw. ΔVs 1,5 bzw. 2,0 V.
Die Fig. 5 bzw. 6 zeigen die Beziehungen zwischen Drainstrom und -spannung und zwischen Drainstrom und Gate- Spannung. Wie aus den Fig. 5 und 6 ersichtlich wird, steigt der Drainstrom rasch entsprechend der unstetigen Änderung des Potentials Vs auf eine Schwellspannung von VG = VGtr, wodurch ein Schalten einer FET-Operation verwirklicht wird.
Bei einem Element der Fig. 3 ändert sich der Versatz ΔVs des Substrat-Oberflächenpotentials durch eine Änderung der Konzentration der Donator- oder Akzeptormoleküle.
Die Fig. 7 zeigt die Änderung des Versatzes ΔVs des Oberflächenpotentials, wenn die Konzentration der Donatormoleküle des Films 16 konstant gehalten und die Konzentration der Akzeptormoleküle des Films 17 auf 1/2, 1/3, 1/5, .... geändert wird. Der Wert von ΔVs nimmt proportional zur Konzentration der Akzeptormoleküle erheblich ab.
In dem Beispiel der Fig. 3 können die Anzahl organischer Molekülfilme und die Dicke des Films 14 frei gewählt werden. Durch Änderung der Anzahl und der Dicke ändert sich die Schwellspannung VGtr, die Grundeigenschaften des Elements bleiben jedoch gleich.

Beispiel 2

Die Fig. 9A ist eine Schnittansicht eines n-Kanal-MOSFET entsprechend einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Beispiel ist mit dem der Fig. 3 identisch, mit der Ausnahme, daß eine Supergitterstruktur verwendet wird, welche man durch eine abwechselnde Schichtung der Donatormolekülfilme 16a, 16b, ... und der Akzeptormolekülfilme 17a, 17b erhält. Mit diesem Beispiel können die gleichen Elementeigenschaften wie diejenigen des vorigen Beispiels erzielt werden.

Beispiel 3

Die Fig. 10 ist ein n-Kanal-MOSFET entsprechend einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel werden zwei Arten von Akzeptorfilmen 17a und 17b bezogen auf den Donatormolekülfilm 16 als eine Heterostruktur einer Gate-Zone übereinander geschichtet. Die Akzeptormoleküle des Films 17b haben eine höhere Elektronenaffinität als diejenigen des Films 17a.
Entsprechend diesem Beispiel bleibt aufgrund einer Differenz zwischen der Elektronenaffinität der beiden Arten von Akzeptormolekülen der Ladungsübertragungszustand (D&spplus;A&supmin;) erhalten, wenn die Vorspannung auf unter VGtr zurückgeht, wodurch eine Speicherfunktion verwirklicht wird.

Beispiel 4

Die Fig. 11 ist ein n-Kanal-MOSFET entsprechend einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel sind im Gegensatz zur Fig. 10 zwei Arten von Donatormolekülfilmen 16a und 16b übereinander geschichtet, und der Akzeptormolekülfilm 17 ist auf diesen angeordnet. Die Donatormoleküle des Films 16b haben ein höheres Ionisierungspotential als diejenigen des Films 16a.
Entsprechend diesem Beispiel wird die Speicherfunktion ebenso dem Ladungsübertragungszustand hinzugefügt wie im Falle des Elements der Fig. 10.
Die Materialien der Donator- und Akzeptormolekülfilme des Supergitterstrukturabschnitts des Elements der Fig. 9A können voneinander verschieden sein, so daß man ein Element mit mehreren Schwellspannungswerten erhält, wie in der Fig. 9B dargestellt.
Die Fig. 9B stellt die Tatsache dar, daß dann, wenn eine Spannung V&sub1; mit mehreren Werten zwischen den Elektroden angelegt wird, V&sub2; sich unstetig ändert, d.h. zahlreiche Schwellspannungen Vtr1, Vtr2 Vtr3, ... vorliegen.

Beispiel 5

Die Fig. 12 ist ein Beispiel eines n-Kanal-MOSFET mit mehreren Schwellspannungswerten. Das bedeutet, daß in diesem Beispiel der Film 16 ein dünner Mischfilm mit einer Vielzahl von Donatormolekülarten D&sub1;, D&sub2;, ... und der Film 17 ein dünner Mischfilm mit einer Vielzahl von Akzeptormolekülarten A&sub1;, A&sub2;, ... ist. In diesem Beispiel findet ein unstetiger Versatz des Oberflächenpotentials an zwei Punkten bezogen auf die Gate-Spannung statt, wodurch eine Mehrwertfunktion verwirklicht wird, wie in der Fig. 9B dargestellt.
In den obigen Beispielen kann der auf dem Substrat 11 ausgeformte Oxidfilm 14 entfallen. Analog können die isolierenden Molekülfilme 15 und 18 entfallen, wenn eine Sperre aus einem Material, das eine Ladungsübertragung verhindern kann, zwischen der Elektrode oder dem Substrat und dem dünnen organischen Film ausgeformt ist. Der isolierende Molekülfilm ist jedoch nützlich, um zuverlässig eine Ladungsträgerinjektion aus der Elektrode oder dem Substrat in den dünnen organischen Film zu verhindern, so daß ein hoher Wirkungsgrad der Ladungsübertragung erzielt wird. Außerdem werden hinsichtlich der Stabilität der Elementeigenschaften diese isolierenden Filme bevorzugt ausgeformt, speziell jeweils einer an jeder Seite der Elektrode. Da insbesondere das Metall der Gate-Elektrode im allgemeinen eine ausgeprägte Akzeptor- oder Donatoreigenschaft und ein hohes Diffusionsvermögen aufweist, wenn sich die Gate-Elektrode in direktem Kontakt mit dem Donator- oder Akzeptormolekülfilm befindet, bildet sich leicht eine Kettenverbindung und verschlechtert die Elementeigenschaften.
Die Beschreibung hat sich auf den Fall bezogen, in dem die vorliegende Erfindung auf einen n-Kanal-MOSFET angewendet wird. Wie jedoch aus der Fig. 13 ersichtlich ist, kann die vorliegende Erfindung analog auf einen p-Kanal-MOSFET angewendet werden, in dem eine Sourcezone 12' des p-Typs und eine Drainzone 13' auf einem Si-Substrat 11' des n-Typs ausgeformt sind. In diesem Fall ist zu beachten, daß die Reihenfolge der D- und der A-Molekülschichten umgekehrt ist wie beim n-Kanal-MOSFET, wie aus der Fig. 13 ersichtlich ist.
Nunmehr werden Beispiele beschrieben, bei denen die vorliegende Erfindung auf einen GaAs-MISFET angewendet ist.

Beispiel 6

Die Fig. 14 zeigt einen n-Kanal-MISFET entsprechend einem Beispiel der vorliegenden Erfindung. Das Bezugszeichen 21 kennzeichnet eine GaAs-Substrat des p-Typs; 22 und 23 kennzeichnen als Source bzw. Drain dienende Schichten des n-Typs. Ein isolierender Molekülfilm 24, ein Donatormolekülfilm 25, ein Akzeptormolekülfilm 26 und ein isolierender Molekülfilm 27 sind sequentiell auf dem Substrat zwischen den Schichten 22 und 23 geschichtet. Ähnlich wie im Fall des Beispiels eines MOSFET unter Verwendung von Si, sind diese dünnen organischen Filme durch das LB-Verfahren ausgeformt. Eine Gate-Elektrode 28 ist auf den dünnen organischen Filmen ausgeformt, und Source- und Drainelektroden 29 bzw. 30 sind auf den Schichten 22 und 23 ausgeformt.
Entsprechend diesem Beispiel gibt es kein sog. Pinning auf dem Fermi-Niveau, und man kann eine normale MISFET-Operation verwirklichen. Das heißt, Änderungen des Oberflächenpotentials des Halbleitersubstrats aufgrund des Elekronenübergangs von Donator- nach Akzeptormolekülen bei einer an der Gate-Elektrode angelegten Spannung werden durch die Konzentrationen der Donator- und Akzeptormoleküle bestimmt, wie in der Gleichung (2) angegeben. Die Konzentrationen der Donator- und Akzeptormoleküle können durch Bildung von Gemischfilmen mit isolierenden Molekülen als entsprechende Dünnfilme beeinflußt werden. Ein Maximum von 10¹&sup5;/cm² pro einzelner Molekülfilm ist erzielbar. Andererseits beträgt eine Elektrodenoberflächenladung, die zur Generierung einer Potentialdifferenz von 1 V erforderlich ist, 10¹² bis 10¹³/cm². Deshalb wird eine Änderung des Oberflächenpotentials von ca. 100 V verwirklicht, wie sich aus der obigen Gleichung (2) ergibt. Aus diesem Grund kann selbst bei einer Pegeldichte von bis zu 10¹³/cm² eV die Inversion der Halbleiteroberfläche durch Erhöhung der Donator- oder Akzeptormolekülkonzentration verwirklicht werden, wodurch eine FET-Operation verwirklicht wird. Ähnlich wie bei den vorigen Si verwendenden Beispielen weisen Änderungen des Oberflächenpotentials auf eine unstetige Erhöhung hin, wodurch ein Schalten der FET-Operation erreicht wird.

Beispiele 8 und 9

Die Fig. 15 zeigt einen MISFET (Beispiel 8) mit einem Supergitter in der Heterostruktur der Gatezone, und die Fig. 16 zeigt einen MISFET (Beispiel 9), bei dem der Donatormolekülfilm 25 bzw. der Akzeptormolekülfilm 26 eine Vielzahl von Donator- und Akzeptormolekültypen enthalten. Diese Beispiele entsprechen den jeweiligen in den Fig. 9 und 12 dargestellten Beispielen, bei denen Si verwendet ist.
Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann durch Verwendung einer dünnen organischen Filmstruktur entsprechend den Beispielen der Fig. 15 und 16 ein GaAs-MISFET mit mehreren Schwellwerten gebildet werden.
Wie oben beschrieben worden ist, können ein GaAs-MISFET, dessen herkömmliche Herstellung schwierig ist, verwirklicht und eine neuartige Funktion, die einen unstetigen Stromkennwert durch die Gate-Spannung anzeigt, erzielt werden.
Durch Bildung der Gatezone unter Verwendung von GaAs des n-Typs kann man einen P-Kanal-MISFET erhalten.

Beispiele 10 und 11

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Beispiele beschränkt, sondern kann unter Verwendung verschiedener Verbindungshalbleiter der Gruppe III-V, z.B. InP, GaP und InAs oder deren Mischkristalle, Verbindungshalbleiter der Gruppe II-VI und amorpher Halbleiter verwirklicht werden.

Claims

1. Feldeffekttransistor, welcher ein Halbleitersubstrat (11) mit einer Sourcezone (12) und einer Drainzone (13) sowie eine Gate-Elektrode (19) umfaßt, wobei ein dünner organischer Film mit Donator- und Akzeptormolekülen zwischen dem Halbleitersubstrat (11) und der Gate-Elektrode (19) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne organische Film aus einer geschichteten Struktur eines ersten Donatormoleküle enthaltenden Dünnfilms (16) und eines zweiten Akzeptormoleküle enthaltenden Dünnfilms (17) besteht.

2. Transistor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne organische Film aus einer Supergitterstruktur besteht, welche aus einer wiederholten Schichtung einer Vielzahl der Schichtstrukturen des ersten Dünnfilms (16a, 16b, 16c) mit Donatormolekülen und des zweiten Dünnfilms (17a, 17b, 17c) mit Akzeptormolekülen besteht.

3. Transistor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne organische Film aus einer Schichtstruktur eines ersten eine Vielzahl von Donatormolekültypen enthaltenden Dünnfilms (16) und eines zweiten eine Vielzahl von Akzeptormolekültypen enthaltenden Dünnfilms (17) besteht.

4. Transistor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne organische Film aus einer Struktur einer sequentiellen Schichtung eines ersten Donatormoleküle (17a) enthaltenden Dünnfilms (16), eines zweiten Akzeptormoleküle enthaltenden Dünnfilms (17b) und eines dritten, andere Akzeptormoleküle mit einer höheren Affinität als diejenige der Akzeptormoleküle enthaltenden Dünnfilms (16b) besteht.

5. Transistor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne organische Film aus einer Struktur einer seguentiellen Schichtung eines ersten Donatormoleküle enthaltenden Dünnfilms (16a), eines zweiten Akzeptormoleküle enthaltenden Dünnfilms (17) und eines dritten, zwischen dem ersten und zweiten Dünnfilm (16a, 17) angeordneten und andere Donatormoleküle mit einem höheren Ionisierungspotential als das der Donatormoleküle enthaltenden Dünnfilms (16b) besteht.

6. Transistor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dünnfilm (15, 18), welcher isolierende organische Moleküle enthält, auf mindestens einer der Oberflächen des dünnen organischen Films ausgeformt ist.

7. Transistor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne organische Film über dem Halbleitersubstrat (11) auf einem anorganischen Isolierfilm (14) ausgeformt ist.

8. Transistor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne organische Film (15) unmittelbar auf dem Halbleitersubstrat (11) ausgeformt ist.

9. Transistor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne organische Film aus einer Struktur, bestehend aus einer Schichtung aus einem ersten Donatormoleküle enthaltenden Dünnfilm, einem zweiten Akzeptormoleküle enthaltenden Dünnfilm und einem dritten, zwischen dem ersten und zweiten Dünnfilm angeordneten und isolierende Moleküle enthaltenden Dünnfilm, besteht.

10. Transistor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne organische Film organische Moleküle mit einem Donator- und einem Akzeptorradikal enthält.

11. Transistor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne organische Film durch den Langmuir-Blodgett-Prozeß gebildet wird.

12. Transistor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenübergang zwischen Donator- und Akzeptormolekül aufrechterhalten bleibt, wenn die an die Gate-Elektrode gelegte Spannung entfernt wird.