JP2003101018A - 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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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
- H10N99/03—Devices using Mott metal-insulator transition, e.g. field-effect transistor-like devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 急激な金属−絶縁体相転移を利用した電界効
果トランジスタを提供すること。 【解決手段】 基板４００上に配置されて充電ホールが
流入される時に急激な金属−絶縁体相転移を生じるモッ
ト絶縁体４１０と、その上に配置されて一定の電圧が印
加される時に充電ホールをモット絶縁体４１０に流入さ
せる強誘電体膜４２０と、その上に配置されて強誘電体
膜に一定の電圧を印加するゲート電極４３０と、モット
絶縁体４１０の第１表面と電気的に接続されるように形
成されたソース電極４４０と、モット絶縁体４１０の第
２表面と電気的に接続されるように形成されたドレーン
電極４５０とを備える。素子の集積度及びスイッチング
速度を大幅に向上でき、膜厚を大きく薄くしなくても低
電圧下で適切なドーピング用ホールを得ることができ
る。
果トランジスタを提供すること。 【解決手段】 基板４００上に配置されて充電ホールが
流入される時に急激な金属−絶縁体相転移を生じるモッ
ト絶縁体４１０と、その上に配置されて一定の電圧が印
加される時に充電ホールをモット絶縁体４１０に流入さ
せる強誘電体膜４２０と、その上に配置されて強誘電体
膜に一定の電圧を印加するゲート電極４３０と、モット
絶縁体４１０の第１表面と電気的に接続されるように形
成されたソース電極４４０と、モット絶縁体４１０の第
２表面と電気的に接続されるように形成されたドレーン
電極４５０とを備える。素子の集積度及びスイッチング
速度を大幅に向上でき、膜厚を大きく薄くしなくても低
電圧下で適切なドーピング用ホールを得ることができ
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電界効果トランジ
スタに関し、より詳細には、急激な金属−絶縁体相転移
を利用した電界効果トランジスタに関する。
スタに関し、より詳細には、急激な金属−絶縁体相転移
を利用した電界効果トランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、超小型及び超高速用スイッチング
トランジスタとしてＭＯＳ電界効果トランジスタ（Ｍｅ
ｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆ
ｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＭＯ
ＳＦＥＴ）が多用されている。ＭＯＳＦＥＴは、低いド
レーン電圧下で線形的特性を示す２つのｐｎ接合構造を
基本構造として採用している。しかし、素子の集積度が
高くなるにつれてチャンネル長が略５０ｎｍ以下に短く
なる場合、空乏層の増加によりキャリアの濃度が変わ
り、ゲートとチャンネルとの間を貫いて流れる電流が大
いに増える。
トランジスタとしてＭＯＳ電界効果トランジスタ（Ｍｅ
ｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆ
ｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＭＯ
ＳＦＥＴ）が多用されている。ＭＯＳＦＥＴは、低いド
レーン電圧下で線形的特性を示す２つのｐｎ接合構造を
基本構造として採用している。しかし、素子の集積度が
高くなるにつれてチャンネル長が略５０ｎｍ以下に短く
なる場合、空乏層の増加によりキャリアの濃度が変わ
り、ゲートとチャンネルとの間を貫いて流れる電流が大
いに増える。
【０００３】最近、このような問題を解決するための手
段として、ハバードの連続的な金属−絶縁体相転移（Ｍ
ｏｔｔ−Ｈｕｂｂａｒｄ ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔ
ｏｒｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）、すなわち、２次相転移を
するモット−ハバード絶縁体をチャンネル層に使用する
モット電界効果トランジスタに関する研究が盛んになり
つつある。モット電界効果トランジスタは、金属−絶縁
体相転移によってオン／オフ動作を行い、ＭＯＳＦＥＴ
とは異なって空乏層が存在しないことから、素子の集積
度を大幅に高められるだけではなく、ＭＯＳＦＥＴより
も高速のスイッチング特性を示すと知られている。
段として、ハバードの連続的な金属−絶縁体相転移（Ｍ
ｏｔｔ−Ｈｕｂｂａｒｄ ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔ
ｏｒｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）、すなわち、２次相転移を
するモット−ハバード絶縁体をチャンネル層に使用する
モット電界効果トランジスタに関する研究が盛んになり
つつある。モット電界効果トランジスタは、金属−絶縁
体相転移によってオン／オフ動作を行い、ＭＯＳＦＥＴ
とは異なって空乏層が存在しないことから、素子の集積
度を大幅に高められるだけではなく、ＭＯＳＦＥＴより
も高速のスイッチング特性を示すと知られている。
【０００４】モット−ハバード電界効果トランジスタ
は、連続的に生じる金属−絶縁体相転移を利用するた
め、最適の金属的特性が得られるまでキャリアとして利
用される電荷を連続的に添加しなければならない。従っ
て、添加する電荷が高濃度でなければならない。一般
に、単位面積当り充電電荷量Ｎは、以下の式（１）のよ
うに表わせる。
は、連続的に生じる金属−絶縁体相転移を利用するた
め、最適の金属的特性が得られるまでキャリアとして利
用される電荷を連続的に添加しなければならない。従っ
て、添加する電荷が高濃度でなければならない。一般
に、単位面積当り充電電荷量Ｎは、以下の式（１）のよ
うに表わせる。
【０００５】
【数１】
【０００６】ここで、εはゲート絶縁体の誘電率、ｅは
基本電荷、ｄはゲート絶縁体の厚さ、そしてＶgはゲー
ト電圧を各々表わす。
基本電荷、ｄはゲート絶縁体の厚さ、そしてＶgはゲー
ト電圧を各々表わす。
【０００７】例えば、モット−ハバード絶縁体として分
類される物質の一つであるＬａ2ＣｕＯ4の場合、Ｌａ2
ＣｕＯ4にホールを添加すれば、Ｌａ2-xＳｒxＣｕＯ
4（ＬＳＣＯ）の特性が示され、ｘ＝０．１５（１５
％）で最高のホールキャリアを有する金属となる。ここ
で、添加されたホールはキャリアとなる。通常、ｘ＝
０．１５は高濃度であるため、Ｎ値が大きくなればゲー
ト絶縁体の誘電率が大きくなるか、絶縁体が薄くなる
か、それともゲート電圧が大きくならなければならな
い。
類される物質の一つであるＬａ2ＣｕＯ4の場合、Ｌａ2
ＣｕＯ4にホールを添加すれば、Ｌａ2-xＳｒxＣｕＯ
4（ＬＳＣＯ）の特性が示され、ｘ＝０．１５（１５
％）で最高のホールキャリアを有する金属となる。ここ
で、添加されたホールはキャリアとなる。通常、ｘ＝
０．１５は高濃度であるため、Ｎ値が大きくなればゲー
ト絶縁体の誘電率が大きくなるか、絶縁体が薄くなる
か、それともゲート電圧が大きくならなければならな
い。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、誘電率
があまりにも大きくなれば、高速スイッチング動作下で
誘電体の疲労特性が急激に悪くなり、その結果、トラン
ジスタの寿命が短縮される。また、工程上の限界によっ
て絶縁体を薄めるには困難さがある。さらに、ゲート電
圧が大きくなる場合、電力消耗が増えて低電力用として
使用し難いという問題がある。
があまりにも大きくなれば、高速スイッチング動作下で
誘電体の疲労特性が急激に悪くなり、その結果、トラン
ジスタの寿命が短縮される。また、工程上の限界によっ
て絶縁体を薄めるには困難さがある。さらに、ゲート電
圧が大きくなる場合、電力消耗が増えて低電力用として
使用し難いという問題がある。
【０００９】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは、低濃度のホールを
添加しても最適の金属的特性が得られるように急激な金
属−絶縁体相転移を利用した電界効果トランジスタを提
供することにある。
たもので、その目的とするところは、低濃度のホールを
添加しても最適の金属的特性が得られるように急激な金
属−絶縁体相転移を利用した電界効果トランジスタを提
供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の電界効果トラン
ジスタは、このような目的を達成するために、基板と、
該基板上に配置されて充電ホールが流入される時に急激
な金属−絶縁体相転移を生じるモット絶縁体と、該モッ
ト絶縁体上に配置されて一定の電圧が印加される時に前
記充電ホールを前記モット絶縁体に流入させる強誘電体
膜と、該強誘電体膜上に配置されて前記強誘電体膜に一
定の電圧を印加するゲート電極と、前記モット絶縁体の
第１表面と電気的に接続されるように形成されたソース
電極と、前記モット絶縁体の第２表面と電気的に接続さ
れるように形成されたドレーン電極とを備えることを特
徴とする。
ジスタは、このような目的を達成するために、基板と、
該基板上に配置されて充電ホールが流入される時に急激
な金属−絶縁体相転移を生じるモット絶縁体と、該モッ
ト絶縁体上に配置されて一定の電圧が印加される時に前
記充電ホールを前記モット絶縁体に流入させる強誘電体
膜と、該強誘電体膜上に配置されて前記強誘電体膜に一
定の電圧を印加するゲート電極と、前記モット絶縁体の
第１表面と電気的に接続されるように形成されたソース
電極と、前記モット絶縁体の第２表面と電気的に接続さ
れるように形成されたドレーン電極とを備えることを特
徴とする。
【００１１】前記基板は、ＳｒＴｉＯ3基板であること
が望ましい。また、前記モット絶縁体は、ＬａＴｉ
Ｏ3、ＹＴｉＯ3またはｈ−ＢａＴｉＯ3物質よりなるこ
とが望ましい。また、前記強誘電体膜は、Ｂａ1-xＳｒx
ＴｉＯ3物質よりなることが望ましい。さらに、前記ソ
ース電極及び前記ドレーン電極は、前記強誘電体膜によ
って互いに分離されることが望ましい。
が望ましい。また、前記モット絶縁体は、ＬａＴｉ
Ｏ3、ＹＴｉＯ3またはｈ−ＢａＴｉＯ3物質よりなるこ
とが望ましい。また、前記強誘電体膜は、Ｂａ1-xＳｒx
ＴｉＯ3物質よりなることが望ましい。さらに、前記ソ
ース電極及び前記ドレーン電極は、前記強誘電体膜によ
って互いに分離されることが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。しかしながら、本発明の実
施形態を各種の形態に変形でき、本発明の範囲が後述す
る実施形態によって限定されることはない。
施の形態について説明する。しかしながら、本発明の実
施形態を各種の形態に変形でき、本発明の範囲が後述す
る実施形態によって限定されることはない。
【００１３】まず、本発明に係る電界効果トランジスタ
の動作原理について説明する。図１（ａ），（ｂ）は、
一定の条件下で急激な金属−絶縁体相転移現象を示すモ
ット絶縁体の内部の原子配置を示した図である。
の動作原理について説明する。図１（ａ），（ｂ）は、
一定の条件下で急激な金属−絶縁体相転移現象を示すモ
ット絶縁体の内部の原子配置を示した図である。
【００１４】まず、図１（ａ）に示されたように、ある
原子に２つの電子が存在し、それら電子間に作用する反
発クーロン相互作用の強度Ｕが電子間の最大クーロンエ
ネルギーＵｃと同一になれば、すなわち、Ｕ／Ｕｃ＝ｋ
＝１になれば、その原子に２つの電子が存在できず、そ
のうち一つの電子は隣りの原子へと移動しつつ束縛され
る。このように束縛されて金属的な電子構造を有する絶
縁体をモット絶縁体１００と呼ぶ。
原子に２つの電子が存在し、それら電子間に作用する反
発クーロン相互作用の強度Ｕが電子間の最大クーロンエ
ネルギーＵｃと同一になれば、すなわち、Ｕ／Ｕｃ＝ｋ
＝１になれば、その原子に２つの電子が存在できず、そ
のうち一つの電子は隣りの原子へと移動しつつ束縛され
る。このように束縛されて金属的な電子構造を有する絶
縁体をモット絶縁体１００と呼ぶ。
【００１５】このようなモット絶縁体１００に極めて低
濃度のホールが添加されれば、モット絶縁体１００は、
クーロン相互作用が弱くなって金属に急激に相転移され
て金属相及び絶縁相を合わせ持つ不均一な金属的システ
ムに変わる。このように、急激な相転移現象は、”Ｈｙ
ｕｎ−Ｔａｋ Ｋｉｍ、Ｐｈｙｓｉｃａ Ｃ ３４１−
３４８，２５９（２０００）”に開示されている。ここ
で、不均一な金属的システムになる理由は、ホールの添
加によって電子の数が原子の数よりも少なくなるからで
ある。
濃度のホールが添加されれば、モット絶縁体１００は、
クーロン相互作用が弱くなって金属に急激に相転移され
て金属相及び絶縁相を合わせ持つ不均一な金属的システ
ムに変わる。このように、急激な相転移現象は、”Ｈｙ
ｕｎ−Ｔａｋ Ｋｉｍ、Ｐｈｙｓｉｃａ Ｃ ３４１−
３４８，２５９（２０００）”に開示されている。ここ
で、不均一な金属的システムになる理由は、ホールの添
加によって電子の数が原子の数よりも少なくなるからで
ある。
【００１６】この場合、図１（ｂ）に示されたように、
クーロン相互作用の強度Ｕが最大クーロンエネルギーＵ
ｃよりも弱くなり、すなわち、Ｕ／Ｕｃ＝ｋ＜１にな
り、これによりモット絶縁体１００は局所的にブリンク
マン−ライスの強相関金属理論を従う強相関金属（図１
（ｂ）のＭにて表示）になる。ブリンクマン−ライスの
強相関金属理論は、”Ｗ．Ｆ．Ｂｒｉｎｋｍａｎ，
Ｔ．Ｍ．Ｒｉｃｅ， Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ２， ４３
０２（１９７０）”に開示されている。
クーロン相互作用の強度Ｕが最大クーロンエネルギーＵ
ｃよりも弱くなり、すなわち、Ｕ／Ｕｃ＝ｋ＜１にな
り、これによりモット絶縁体１００は局所的にブリンク
マン−ライスの強相関金属理論を従う強相関金属（図１
（ｂ）のＭにて表示）になる。ブリンクマン−ライスの
強相関金属理論は、”Ｗ．Ｆ．Ｂｒｉｎｋｍａｎ，
Ｔ．Ｍ．Ｒｉｃｅ， Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ２， ４３
０２（１９７０）”に開示されている。
【００１７】このような強相関金属は、１つの原子につ
き１つの電子を有する電子構造、すなわち、ｓエネルギ
ー帯に１つの電子が満たされた金属的電子構造及び電子
のキャリアを有する。このような現象を理論的により詳
細に説明すれば、以下の通りである。
き１つの電子を有する電子構造、すなわち、ｓエネルギ
ー帯に１つの電子が満たされた金属的電子構造及び電子
のキャリアを有する。このような現象を理論的により詳
細に説明すれば、以下の通りである。
【００１８】図１（ｂ）の金属領域Ｍにおいて、キャリ
アの有効質量ｍ＊／ｍは、以下の式（２）のように表わ
される。
アの有効質量ｍ＊／ｍは、以下の式（２）のように表わ
される。
【００１９】
【数２】
【００２０】この場合、ｋ＜１を満足し、ｋ＝１近くの
ある値とｋ＝１との間で急激な金属−絶縁体相転移が起
こる。このような理論式は、”Ｗ．Ｆ．Ｂｒｉｎｋｍａ
ｎ，Ｔ．Ｍ．Ｒｉｃｅ， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ
２，４３０２（１９７０）”に開示されている。また、
強相関についての最初の理論は、”Ｎ．Ｆ．Ｍｏｔｔ，
Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｔｒａｎｓｉｔｉ
ｏｎ， Ｃｈａｐｔｅｒ３，（Ｔａｙｌｏｒ＆Ｆｒａｎ
ｃｅｓ， ２ｎｄ ｅｄｉｔｉｏｎ， １９９０”によ
り導き出された。
ある値とｋ＝１との間で急激な金属−絶縁体相転移が起
こる。このような理論式は、”Ｗ．Ｆ．Ｂｒｉｎｋｍａ
ｎ，Ｔ．Ｍ．Ｒｉｃｅ， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ
２，４３０２（１９７０）”に開示されている。また、
強相関についての最初の理論は、”Ｎ．Ｆ．Ｍｏｔｔ，
Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｔｒａｎｓｉｔｉ
ｏｎ， Ｃｈａｐｔｅｒ３，（Ｔａｙｌｏｒ＆Ｆｒａｎ
ｃｅｓ， ２ｎｄ ｅｄｉｔｉｏｎ， １９９０”によ
り導き出された。
【００２１】一方、図１Ｂの全体的な金属的システムに
おけるキャリアの有効質量ｍ＊／ｍは、以下の式（３）
のように表わされる。
おけるキャリアの有効質量ｍ＊／ｍは、以下の式（３）
のように表わされる。
【００２２】
【数３】
【００２３】ここで、ρは伝導帯充填因子であって、原
子の数に対する電子（またはキャリア）の数の割合で表
わせる。この場合、ｋ＝１の時、ρ＝１近くのある値で
ρ＝１に急激な転移が起こり、このような理論は前述し
た”Ｈｙｕｎ−Ｔａｋ Ｋｉｍ、Ｐｈｙｓｉｃａ Ｃ
３４１−３４８，２５９（２０００）”に開示されてい
る。
子の数に対する電子（またはキャリア）の数の割合で表
わせる。この場合、ｋ＝１の時、ρ＝１近くのある値で
ρ＝１に急激な転移が起こり、このような理論は前述し
た”Ｈｙｕｎ−Ｔａｋ Ｋｉｍ、Ｐｈｙｓｉｃａ Ｃ
３４１−３４８，２５９（２０００）”に開示されてい
る。
【００２４】例えば、物質Ｓｒ1-xＬａxＴｉＯ3（ＳＬ
ＴＯ）の場合、ＳｒＴｉＯ3（ＳＴＯ）モット絶縁体の
Ｓｒ+2をＬａ+3に置換することは電子をドーピングする
場合であり、逆に、ＬａＴｉＯ3（ＬＴＯ）モット絶縁
体のＬａ+3をＳｒ+2に置換することはホールをドーピン
グする場合である。
ＴＯ）の場合、ＳｒＴｉＯ3（ＳＴＯ）モット絶縁体の
Ｓｒ+2をＬａ+3に置換することは電子をドーピングする
場合であり、逆に、ＬａＴｉＯ3（ＬＴＯ）モット絶縁
体のＬａ+3をＳｒ+2に置換することはホールをドーピン
グする場合である。
【００２５】図２は、ＬａＴｉＯ3（ＬＴＯ）モット絶
縁体に添加されるＳｒ+2ホールの割合、すなわち伝導帯
充填因子値ρによる有効質量ｍ＊／ｍをグラフに示した
図である。
縁体に添加されるＳｒ+2ホールの割合、すなわち伝導帯
充填因子値ρによる有効質量ｍ＊／ｍをグラフに示した
図である。
【００２６】図２に示されたように、ｋ＝１の場合、ρ
＝１からρ＝０．９５まで、すなわち、ＬａＴｉＯ
3（ＬＴＯ）モット絶縁体に添加されるＳｒ+2ホールが
５％になるまで、キャリアの有効質量が最も大きい金属
からモット絶縁体に急激に相転移（グラフ中、矢印にて
表示）することが分かる。
＝１からρ＝０．９５まで、すなわち、ＬａＴｉＯ
3（ＬＴＯ）モット絶縁体に添加されるＳｒ+2ホールが
５％になるまで、キャリアの有効質量が最も大きい金属
からモット絶縁体に急激に相転移（グラフ中、矢印にて
表示）することが分かる。
【００２７】この時、ρ＝０．９５に対応する電子量Ｎ
ｃは、約１．７×１０22cm-3であることが実験的に観察
され、この実験結果は、”Ｙ．Ｔｏｋｕｒａ， Ｙ．Ｔ
ａｇｕｃｈｉ， Ｙ．Ｏｋａｄａ， Ｙ．Ｆｕｊｉｓｈ
ｉｍａ，Ｔ．Ａｒｉｍａ，Ｋ．Ｋｕｍａｇｉ， ａｎｄ
Ｙ．Ｉｙｅ， Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７０，
２１２６（１９９３）”及び”Ｋ．Ｋｕｍａｇａｉ，
Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ， Ｙ．Ｔａｇｕｃｈｉ， Ｙ．Ｏ
ｋａｄａ， Ｙ．Ｆｕｊｉｓｈｉｍａ，ａｎｄ Ｙ．Ｔ
ｏｋｕｒａ， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ４８， ７６
３６（１９９３）”に開示されている。
ｃは、約１．７×１０22cm-3であることが実験的に観察
され、この実験結果は、”Ｙ．Ｔｏｋｕｒａ， Ｙ．Ｔ
ａｇｕｃｈｉ， Ｙ．Ｏｋａｄａ， Ｙ．Ｆｕｊｉｓｈ
ｉｍａ，Ｔ．Ａｒｉｍａ，Ｋ．Ｋｕｍａｇｉ， ａｎｄ
Ｙ．Ｉｙｅ， Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７０，
２１２６（１９９３）”及び”Ｋ．Ｋｕｍａｇａｉ，
Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ， Ｙ．Ｔａｇｕｃｈｉ， Ｙ．Ｏ
ｋａｄａ， Ｙ．Ｆｕｊｉｓｈｉｍａ，ａｎｄ Ｙ．Ｔ
ｏｋｕｒａ， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ４８， ７６
３６（１９９３）”に開示されている。
【００２８】一方、ρ＝０．９５以下、すなわちＬａ+3
の電子添加量が減ったり、あるいはＳｒ+2のホール添加
量が５％以上に増えたりする場合には、キャリアの減少
による連続的な金属−絶縁体相転移現象が起こる。
の電子添加量が減ったり、あるいはＳｒ+2のホール添加
量が５％以上に増えたりする場合には、キャリアの減少
による連続的な金属−絶縁体相転移現象が起こる。
【００２９】図３は、ＬａＴｉＯ3（ＬＴＯ）モット絶
縁体に添加されるＳｒ+2ホールの割合、すなわち伝導帯
充填因子値ρによる電気伝導度σをグラフに示した図で
ある。図３において、σBRは金属における臨界電気伝導
度を表わす。
縁体に添加されるＳｒ+2ホールの割合、すなわち伝導帯
充填因子値ρによる電気伝導度σをグラフに示した図で
ある。図３において、σBRは金属における臨界電気伝導
度を表わす。
【００３０】図３に示されたように、ｋ＝１の場合、ρ
＝１からρ＝０．９５まで、すなわち、ＬａＴｉＯ
3（ＬＴＯ）モット絶縁体に添加されるＳｒ+2ホールが
５％になるまで電気伝導度が急激に上がってρ＝０．９
５で最大の電気伝導度が得られるということが実験的に
観察され、この実験結果は、前述した”Ｙ．Ｔｏｋｕｒ
ａ， Ｙ．Ｔａｇｕｃｈｉ， Ｙ．Ｏｋａｄａ， Ｙ．
Ｆｕｊｉｓｈｉｍａ， Ｔ．Ａｒｉｍａ， Ｋ．Ｋｕｍ
ａｇｉ， ａｎｄ Ｙ．Ｉｙｅ， Ｐｈｙｓ． Ｒｅ
ｖ． Ｌｅｔｔ． ７０， ２１２６（１９９３）”及
び”Ｋ．Ｋｕｍａｇａｉ， Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ｙ．Ｔ
ａｇｕｃｈｉ， Ｙ．Ｏｋａｄａ， Ｙ．Ｆｕｊｉｓｈ
ｉｍａ， ａｎｄ Ｙ．Ｔｏｋｕｒａ， Ｐｈｙｓ．Ｒ
ｅｖ． Ｂ４８，７６３６（１９９３）”に開示されて
いる。
＝１からρ＝０．９５まで、すなわち、ＬａＴｉＯ
3（ＬＴＯ）モット絶縁体に添加されるＳｒ+2ホールが
５％になるまで電気伝導度が急激に上がってρ＝０．９
５で最大の電気伝導度が得られるということが実験的に
観察され、この実験結果は、前述した”Ｙ．Ｔｏｋｕｒ
ａ， Ｙ．Ｔａｇｕｃｈｉ， Ｙ．Ｏｋａｄａ， Ｙ．
Ｆｕｊｉｓｈｉｍａ， Ｔ．Ａｒｉｍａ， Ｋ．Ｋｕｍ
ａｇｉ， ａｎｄ Ｙ．Ｉｙｅ， Ｐｈｙｓ． Ｒｅ
ｖ． Ｌｅｔｔ． ７０， ２１２６（１９９３）”及
び”Ｋ．Ｋｕｍａｇａｉ， Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ｙ．Ｔ
ａｇｕｃｈｉ， Ｙ．Ｏｋａｄａ， Ｙ．Ｆｕｊｉｓｈ
ｉｍａ， ａｎｄ Ｙ．Ｔｏｋｕｒａ， Ｐｈｙｓ．Ｒ
ｅｖ． Ｂ４８，７６３６（１９９３）”に開示されて
いる。
【００３１】図２及び図３の実験結果から、ＳｒＴｉＯ
3（ＳＴＯ）モット絶縁体に電子を添加するよりも、Ｌ
ａＴｉＯ3（ＬＴＯ）モット絶縁体にホールを添加する
ことによって最大電気伝導度がより効率良く得られると
いうことが分かる。
3（ＳＴＯ）モット絶縁体に電子を添加するよりも、Ｌ
ａＴｉＯ3（ＬＴＯ）モット絶縁体にホールを添加する
ことによって最大電気伝導度がより効率良く得られると
いうことが分かる。
【００３２】図４は、本発明に係る急激な金属−絶縁体
相転移を利用した電界効果トランジスタを示した断面図
である。図４を参照すれば、ＳｒＴｉＯ3（ＳＴＯ）基
板４００上にＬａＴｉＯ3（ＬＴＯ）モット絶縁体４１
０が配置される。モット絶縁体４１０はＹＴｉＯ3モッ
ト絶縁体またはｈ−ＢａＴｉＯ3モット絶縁体でありう
る。モット絶縁体４１０の一部の表面上には、ゲート絶
縁膜として誘電率が２００以上である強誘電体、例え
ば、Ｂａ1-xＳｒxＴｉＯ3（ＢＳＴＯ）強誘電体膜４２
０が形成される。このＢａ1-xＳｒxＴｉＯ3（ＢＳＴ
Ｏ）強誘電体膜４２０は、一定の電圧が印加されると
き、モット絶縁体４１０に充電ホールを流入させてモッ
ト絶縁体４１０に急激な金属−絶縁体相転移現象を生
じ、これにより導電チャンネル４１５が形成される。
相転移を利用した電界効果トランジスタを示した断面図
である。図４を参照すれば、ＳｒＴｉＯ3（ＳＴＯ）基
板４００上にＬａＴｉＯ3（ＬＴＯ）モット絶縁体４１
０が配置される。モット絶縁体４１０はＹＴｉＯ3モッ
ト絶縁体またはｈ−ＢａＴｉＯ3モット絶縁体でありう
る。モット絶縁体４１０の一部の表面上には、ゲート絶
縁膜として誘電率が２００以上である強誘電体、例え
ば、Ｂａ1-xＳｒxＴｉＯ3（ＢＳＴＯ）強誘電体膜４２
０が形成される。このＢａ1-xＳｒxＴｉＯ3（ＢＳＴ
Ｏ）強誘電体膜４２０は、一定の電圧が印加されると
き、モット絶縁体４１０に充電ホールを流入させてモッ
ト絶縁体４１０に急激な金属−絶縁体相転移現象を生
じ、これにより導電チャンネル４１５が形成される。
【００３３】強誘電体膜４２０上には、強誘電体膜４２
０に一定の電圧を印加するためのゲート電極４３０が形
成される。また、モット絶縁体４１０の第１表面上には
ソース電極４４０が形成され、モット絶縁体４１０の第
２表面上には、ドレーン電極４５０が形成される。ソー
ス電極４４０及びドレーン電極４５０は強誘電体膜４２
０によって互いに分離される。
０に一定の電圧を印加するためのゲート電極４３０が形
成される。また、モット絶縁体４１０の第１表面上には
ソース電極４４０が形成され、モット絶縁体４１０の第
２表面上には、ドレーン電極４５０が形成される。ソー
ス電極４４０及びドレーン電極４５０は強誘電体膜４２
０によって互いに分離される。
【００３４】このような電界効果トランジスタの動作過
程について説明すれば、以下の通りである。ソース電極
４４０及びドレーン電極４５０に一定の電圧を印加して
ＬａＴｉＯ3（ＬＴＯ）モット絶縁体４１０の表面に一
定のポテンシャルを生じる。次に、ゲート電極４３０に
ゲート電圧を印加してＢａ1-xＳｒxＴｉＯ3（ＢＳＴ
Ｏ）強誘電体膜４２０から低濃度のＳｒ+2充電ホールを
モット絶縁体４１０に注入させる。充電ホールが注入さ
れたＬａＴｉＯ3（ＬＴＯ）モット絶縁体４１０には急
激な金属−絶縁体相転移が起こり、その結果、導電チャ
ンネル４１５が形成される。また、この導電チャンネル
４１５を通じてソース電極４４０とドレーン電極４５０
との間に電流が流れる。
程について説明すれば、以下の通りである。ソース電極
４４０及びドレーン電極４５０に一定の電圧を印加して
ＬａＴｉＯ3（ＬＴＯ）モット絶縁体４１０の表面に一
定のポテンシャルを生じる。次に、ゲート電極４３０に
ゲート電圧を印加してＢａ1-xＳｒxＴｉＯ3（ＢＳＴ
Ｏ）強誘電体膜４２０から低濃度のＳｒ+2充電ホールを
モット絶縁体４１０に注入させる。充電ホールが注入さ
れたＬａＴｉＯ3（ＬＴＯ）モット絶縁体４１０には急
激な金属−絶縁体相転移が起こり、その結果、導電チャ
ンネル４１５が形成される。また、この導電チャンネル
４１５を通じてソース電極４４０とドレーン電極４５０
との間に電流が流れる。
【００３５】充電ホールの濃度が５％である時、すなわ
ち、ρ＝０．９５の時に、急激な金属−絶縁体相転移に
よって金属領域に形成される電子数は、約４×１０14／
ｃｍ 2になるが、この電子数は、通常のＭＯＳＦＥＴの
チャンネルに存在する電子数（約１０12／ｃｍ2）の約
１００倍以上であるため、高い電流増幅を得ることがで
きる。
ち、ρ＝０．９５の時に、急激な金属−絶縁体相転移に
よって金属領域に形成される電子数は、約４×１０14／
ｃｍ 2になるが、この電子数は、通常のＭＯＳＦＥＴの
チャンネルに存在する電子数（約１０12／ｃｍ2）の約
１００倍以上であるため、高い電流増幅を得ることがで
きる。
【００３６】場合によっては、モット絶縁体４１０に充
電電子を注入することもある。しかし、充電ホールの代
わりに充電電子を注入する場合、電力消耗が増えるとい
う短所がある。すなわち、低濃度であるρ＝０．９５に
対応する静電ホール電荷の数Ｎchargeは、ゲート電圧Ｖ
gが０．１２Ｖであり、強誘電体膜４２０の誘電率εが
２００であり、そして強誘電体膜４２０の膜厚ｄが５０
ｎｍである場合に約４×１０14／ｃｍ2になる。
電電子を注入することもある。しかし、充電ホールの代
わりに充電電子を注入する場合、電力消耗が増えるとい
う短所がある。すなわち、低濃度であるρ＝０．９５に
対応する静電ホール電荷の数Ｎchargeは、ゲート電圧Ｖ
gが０．１２Ｖであり、強誘電体膜４２０の誘電率εが
２００であり、そして強誘電体膜４２０の膜厚ｄが５０
ｎｍである場合に約４×１０14／ｃｍ2になる。
【００３７】すなわち、Ｎcharge＝Ｖgε／ｅｄであ
る。従って、ホール濃度Ｎholeも同様に約４×１０14／
ｃｍ2とし、他の変数、すなわち強誘電体膜４２０の誘
電率ε及び膜厚ｄをトランジスタの製造条件に合わせて
適宜に変えればゲート電圧Ｖgを十分に小さくでき、そ
の結果、電力消耗を省ける。
る。従って、ホール濃度Ｎholeも同様に約４×１０14／
ｃｍ2とし、他の変数、すなわち強誘電体膜４２０の誘
電率ε及び膜厚ｄをトランジスタの製造条件に合わせて
適宜に変えればゲート電圧Ｖgを十分に小さくでき、そ
の結果、電力消耗を省ける。
【００３８】しかし、高濃度ρ＝０．９５に対応する静
電電子をモット絶縁体４１０に注入する場合には、電子
の数Ｎelectronがホールの数Ｎholeよりも大きいために
強誘電体膜４２０の誘電率ε及び膜厚ｄを適宜に変えて
もホールを注入する場合よりもゲート電圧Ｖgが大きく
なってしまう。
電電子をモット絶縁体４１０に注入する場合には、電子
の数Ｎelectronがホールの数Ｎholeよりも大きいために
強誘電体膜４２０の誘電率ε及び膜厚ｄを適宜に変えて
もホールを注入する場合よりもゲート電圧Ｖgが大きく
なってしまう。
【００３９】従って、低濃度のホールを注入する場合よ
りも電力消耗が多い。この明細書では、本発明に係るト
ランジスタをモットまたはモット−ハバード（ＭＨ）電
界効果トランジスタと区別するために、モット−ブリン
クマン−ライス−キム（ＭＢＲＫ）トランジスタと名づ
ける。
りも電力消耗が多い。この明細書では、本発明に係るト
ランジスタをモットまたはモット−ハバード（ＭＨ）電
界効果トランジスタと区別するために、モット−ブリン
クマン−ライス−キム（ＭＢＲＫ）トランジスタと名づ
ける。
【００４０】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、第
一に、空乏層が存在しないことからチャンネル長に制限
がなくなり、その結果、素子の集積度及びスイッチング
速度を大幅に向上できる。
一に、空乏層が存在しないことからチャンネル長に制限
がなくなり、その結果、素子の集積度及びスイッチング
速度を大幅に向上できる。
【００４１】また、第二に、ゲート絶縁膜として適切に
高い誘電率を有する強誘電体膜を使用することから、膜
厚を大きく薄くしなくても低電圧下で適切なドーピング
用ホールを得ることができる。
高い誘電率を有する強誘電体膜を使用することから、膜
厚を大きく薄くしなくても低電圧下で適切なドーピング
用ホールを得ることができる。
【００４２】さらに、第三に、低濃度のホールをモット
絶縁体に注入して急激なモット−絶縁体相転移を引き起
こすことから、高い電流利得及び低い電力消耗を得るこ
とができる。
絶縁体に注入して急激なモット−絶縁体相転移を引き起
こすことから、高い電流利得及び低い電力消耗を得るこ
とができる。
【図１】本発明に係る電界効果トランジスタの動作原理
について説明するための図で、（ａ），（ｂ）は、一定
の条件下で急激な金属−絶縁体相転移現象を示すモット
絶縁体の内部の原子配置を示した図である。
について説明するための図で、（ａ），（ｂ）は、一定
の条件下で急激な金属−絶縁体相転移現象を示すモット
絶縁体の内部の原子配置を示した図である。
【図２】ＬａＴｉＯ3（ＬＴＯ）モット絶縁体に添加さ
れるＳｒ+2ホールの割合、すなわち、伝導帯充填因子値
ρによる有効質量ｍ＊／ｍをグラフ示した図である。
れるＳｒ+2ホールの割合、すなわち、伝導帯充填因子値
ρによる有効質量ｍ＊／ｍをグラフ示した図である。
【図３】ＬａＴｉＯ3（ＬＴＯ）モット絶縁体に添加さ
れるＳｒ+2ホールの割合、すなわち、伝導帯充填因子値
ρによる電気伝導度σをグラフ示した図である。
れるＳｒ+2ホールの割合、すなわち、伝導帯充填因子値
ρによる電気伝導度σをグラフ示した図である。
【図４】本発明に係る電界効果トランジスタを示した断
面図である。
面図である。
１００ モット絶縁体
４００ 基板
４１０ モット絶縁体
４１５ 導電チャンネル
４２０ 強誘電膜
４３０ ゲート電極
４４０ ソース電極
４５０ ドレーン電極
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｌ 29/78 ３０１Ｊ
(72)発明者 カン クヮンヨン
大韓民国 デジョン ユソング シンスン
ドン サムスンハンウル アパートメント
110−802
Ｆターム(参考） 5F110 AA01 AA04 AA07 AA09 BB13
CC01 DD01 FF01 GG01
5F140 AA01 AA02 AA39 AC16 BA00
BD13
Claims (5)
- 【請求項１】 基板と、 該基板上に配置されて充電ホールが流入される時に急激
な金属−絶縁体相転移を生じるモット絶縁体と、 該モット絶縁体上に配置されて一定の電圧が印加される
時に前記充電ホールを前記モット絶縁体に流入させる強
誘電体膜と、 該強誘電体膜上に配置されて前記強誘電体膜に一定の電
圧を印加するゲート電極と、 前記モット絶縁体の第１表面と電気的に接続されるよう
に形成されたソース電極と、 前記モット絶縁体の第２表面と電気的に接続されるよう
に形成されたドレーン電極とを備えることを特徴とする
電界効果トランジスタ。 - 【請求項２】 前記基板は、ＳｒＴｉＯ3基板であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジス
タ。 - 【請求項３】 前記モット絶縁体は、ＬａＴｉＯ3、Ｙ
ＴｉＯ3またはｈ−ＢａＴｉＯ3物質よりなることを特徴
とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。 - 【請求項４】 前記強誘電体膜は、Ｂａ1-xＳｒxＴｉＯ
3物質よりなることを特徴とする請求項１に記載の電界
効果トランジスタ。 - 【請求項５】 前記ソース電極及び前記ドレーン電極
は、前記強誘電体膜によって互いに分離されることを特
徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2001-0057176A KR100433623B1 (ko) | 2001-09-17 | 2001-09-17 | 급격한 금속-절연체 상전이를 이용한 전계 효과 트랜지스터 |
| KR2001-57176 | 2001-09-17 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003101018A true JP2003101018A (ja) | 2003-04-04 |
| JP3917025B2 JP3917025B2 (ja) | 2007-05-23 |
Family
ID=19714341
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002197871A Expired - Fee Related JP3917025B2 (ja) | 2001-09-17 | 2002-07-05 | モット−ブリンクマン−ライス−キム（ｍｂｒｋ）電界効果トランジスタ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US6624463B2 (ja) |
| JP (1) | JP3917025B2 (ja) |
| KR (1) | KR100433623B1 (ja) |
| TW (1) | TW565934B (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2007000991A (ja) * | 2005-06-27 | 2007-01-11 | National Institute Of Information & Communication Technology | 非導電性ナノワイヤー及びその製造方法 |
| JP2008523587A (ja) * | 2004-12-08 | 2008-07-03 | エレクトロニクス アンド テレコミュニケーションズ リサーチ インスチチュート | 急激な金属−絶縁体転移素子及びその製造方法 |
| JP2009500844A (ja) * | 2005-06-30 | 2009-01-08 | エレクトロニクス アンド テレコミュニケーションズ リサーチ インスチチュート | 急激な金属−絶縁体転移を利用したメモリ素子及びその動作方法 |
| JP2009525608A (ja) * | 2006-02-01 | 2009-07-09 | 韓國電子通信研究院 | 並列伝導層構造を持つ金属−絶縁体転移素子 |
| JP2010535413A (ja) * | 2007-08-02 | 2010-11-18 | 韓國電子通信研究院 | Ｇｅ基盤の金属・絶縁体転移薄膜、その金属・絶縁体転移薄膜を含むＭＩＴ素子、及びそのＭＩＴ素子の製造方法 |
| JP2012069946A (ja) * | 2011-09-20 | 2012-04-05 | National Institute Of Information & Communication Technology | 非導電性ナノワイヤー及びその製造方法 |
| WO2012172898A1 (ja) * | 2011-06-16 | 2012-12-20 | 富士電機株式会社 | 強相関酸化物電界効果素子 |
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|---|---|---|---|---|
| KR100513719B1 (ko) * | 2002-08-12 | 2005-09-07 | 삼성전자주식회사 | 하프늄 산화막 형성용 전구체 및 상기 전구체를 이용한하프늄 산화막의 형성방법 |
| KR100503421B1 (ko) * | 2003-05-20 | 2005-07-22 | 한국전자통신연구원 | 채널 재료로서 절연체-반도체 상전이 물질막을 이용한전계 효과 트랜지스터 및 그 제조 방법 |
| KR100467330B1 (ko) * | 2003-06-03 | 2005-01-24 | 한국전자통신연구원 | 절연체 바나듐 산화막을 채널 영역으로 이용한 전계 효과트랜지스터 및 그 제조 방법 |
| KR100576703B1 (ko) | 2003-10-23 | 2006-05-03 | 한국전자통신연구원 | 금속-절연체 상전이 고속 스위칭 소자 및 그 제조 방법 |
| KR100576704B1 (ko) * | 2003-11-06 | 2006-05-03 | 한국전자통신연구원 | 급격한 금속-절연체 상전이형 소자를 포함하는 전류제어회로 |
| EP1749329B1 (en) * | 2004-05-19 | 2015-10-07 | LG Chem, Ltd. | Safety element for battery and battery with the same |
| KR100609699B1 (ko) | 2004-07-15 | 2006-08-08 | 한국전자통신연구원 | 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질을 이용한 2단자반도체 소자 및 그 제조 방법 |
| KR100745354B1 (ko) * | 2004-08-24 | 2007-08-02 | 주식회사 엘지화학 | 이차전지의 과충전 방지를 위한 안전 소자 및 그 안전소자가 결합된 이차전지 |
| KR100682926B1 (ko) * | 2005-01-31 | 2007-02-15 | 삼성전자주식회사 | 저항체를 이용한 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조방법 |
| KR100640001B1 (ko) * | 2005-02-21 | 2006-11-01 | 한국전자통신연구원 | 급격한 ｍｉｔ 소자를 이용한 전기전자시스템 보호 회로 및그 회로를 포함한 전기전자시스템 |
| KR100714125B1 (ko) * | 2005-03-18 | 2007-05-02 | 한국전자통신연구원 | 급격한 ｍｉｔ 소자를 이용한 저전압 잡음 방지회로 및 그회로를 포함한 전기전자시스템 |
| KR100734882B1 (ko) * | 2005-07-28 | 2007-07-03 | 한국전자통신연구원 | 급격한 금속-절연체 전이를 하는 웨이퍼, 그 열처리 장치및 이를 이용한 열처리 방법 |
| WO2007013724A1 (en) * | 2005-07-29 | 2007-02-01 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Abrupt metal-insulator transition device, circuit for removing high-voltage noise using the abrupt metal-insulator transition device, and electrical and/or electronic system comprising the circuit |
| KR100714115B1 (ko) * | 2005-07-29 | 2007-05-02 | 한국전자통신연구원 | 급격한 ｍｉｔ 소자, 그 소자를 이용한 고전압 잡음제거회로 및 그 제거회로를 포함한 전기전자시스템 |
| KR100744551B1 (ko) * | 2005-10-12 | 2007-08-01 | 한국전자통신연구원 | 급격한 ｍｉｔ 소자를 이용한 온도센서 및 그 센서를포함한 경보기 |
| KR100668347B1 (ko) * | 2005-10-13 | 2007-01-12 | 삼성전자주식회사 | 금속-절연체 천이막 저항체를 포함하는 반도체 메모리 소자 |
| WO2007111478A1 (en) * | 2006-03-28 | 2007-10-04 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Materials of continuous metal-insulator transition and device using the same |
| KR100702033B1 (ko) * | 2006-04-25 | 2007-03-30 | 삼성전자주식회사 | 모트 패턴을 갖는 모스 전계효과 트랜지스터 |
| KR100825760B1 (ko) * | 2006-06-02 | 2008-04-29 | 한국전자통신연구원 | 급격한 ｍｉｔ 소자, 그 소자를 이용한 ｍｉｔ 센서 및 그ｍｉｔ 센서를 포함한 경보기 및 이차전지 폭발 방지 회로 |
| KR100864827B1 (ko) | 2006-11-02 | 2008-10-23 | 한국전자통신연구원 | Ｍｉｔ 소자를 이용한 논리회로 |
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