JP2006332097A - Semiconductor device and method for driving same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which can transfer electrons with high precision, can operate at higher temperature and can be manufactured more easily. <P>SOLUTION: The semiconductor device comprises: a semiconductor layer 101; a p-type region 102 formed from the surface of the semiconductor layer 101; an n-type region 103 formed from the surface of the semiconductor layer 101 while spaced apart from the p-type region 102; a gate insulating layer 104 formed on the surface of the semiconductor layer 101; and a gate 105 formed on the gate insulating layer 104 between the p-type region 102 and the n-type region 103. In addition, one impurity 106 is introduced into a region within 30 nm from the surface of the semiconductor layer 101 between the p-type region 102 and the n-type region 103. The impurity 106 is introduced into a channel region between the p-type region 102 and the n-type region 103. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電子を転送する半導体装置及びその駆動方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device for transferring electrons and a driving method thereof.

単一の電子を転送するデバイス(素子)は、単電子デバイスと呼ばれ、最も基本となるデバイスは、単電子トランジスタと呼ばれる3端子素子である。単電子トランジスタは、図5に概略を示すように、ソース501、ドレイン502、ゲート503、及び中核部である単電子島504から構成されている。単電子島504は、量子ドット、あるいは人工原子とも呼ばれる伝導体の微細構造である。単電子島504が十分に小さい場合、ソース501から単電子島504に電子が1個入ると、単電子島504のポテンシャルエネルギーが大きく上昇し、単電子島504にはこれ以上電子が入ることができなくなる。   A device (element) that transfers a single electron is called a single-electron device, and the most basic device is a three-terminal element called a single-electron transistor. As schematically shown in FIG. 5, the single electron transistor includes a source 501, a drain 502, a gate 503, and a single electron island 504 which is a core part. The single electron island 504 is a fine structure of a conductor also called a quantum dot or an artificial atom. If the single-electron island 504 is sufficiently small, when one electron enters the single-electron island 504 from the source 501, the potential energy of the single-electron island 504 increases greatly, and more electrons may enter the single-electron island 504. become unable.

言い換えると、電子が1個入ったことにより、単電子島504は大きく負に帯電し、新たな電子は、帯電したことによる静電反発力により単電子島504に入れない。このポテンシャルエネルギーの増加分は、帯電エネルギーと呼ばれている。単電子島504に入っていた電子が、ドレイン502に抜けてしまうと、静電反発力がなくなり、新たな電子が単電子島504に入れるようになる。このように、第一の電子が単電子島504を通過した後に、次の第2の電子は単電子島504を通過でき、単電子トランジスタでは、単電子島504を通過する電子は、1個ずつとなる。   In other words, the single electron island 504 is largely negatively charged due to the entry of one electron, and new electrons cannot enter the single electron island 504 due to the electrostatic repulsive force due to the charging. This increase in potential energy is called charging energy. When the electrons that have entered the single-electron island 504 escape to the drain 502, the electrostatic repulsion is lost and new electrons enter the single-electron island 504. Thus, after the first electron passes through the single electron island 504, the next second electron can pass through the single electron island 504. In the single electron transistor, one electron passes through the single electron island 504. It becomes one by one.

ただし、上記の動作は、単電子島504が十分に小さいか、または、温度を十分に低くしないと保証されない。単電子島504が十分に小さくないと、静電エネルギーの上昇量(帯電エネルギー)も小さく、静電反発力がうまく機能しない。従って、電子の熱エネルギーのため、反発力にうち勝って電子が間違って単電子島504に入ってしまうということが起こり、これが誤動作となる。この問題は、温度を下げて電子の熱エネルギーを低くすることにより回避できるが、これは、低温でのデバイス動作を意味し、実用上好ましくない。このような理由から、単電子島504は、非常に小さくしなければならず、常温に近い動作を保証するには、単電子島504の直径を10nm以下にしなければいならないことが知られている。   However, the above operation is not guaranteed unless the single electron island 504 is sufficiently small or the temperature is not sufficiently low. If the single-electron island 504 is not sufficiently small, the amount of increase in electrostatic energy (charging energy) is also small and the electrostatic repulsive force does not function well. Therefore, due to the thermal energy of the electrons, the repulsive force is overcome and the electrons mistakenly enter the single-electron island 504, which becomes a malfunction. This problem can be avoided by lowering the temperature to lower the thermal energy of the electrons, but this means device operation at a low temperature and is not practically preferable. For this reason, it is known that the single electron island 504 must be very small, and the diameter of the single electron island 504 must be 10 nm or less in order to guarantee an operation close to room temperature. .

直径を10nm以下にした微細な単電子島504を有する単電子トランジスタは、研究レベルでは試作されているが、実用には至っていない。また、単電子トランジスタの特性は、単電子島504の大きさや形に敏感に依存するため、単電子トランジスタを集積するためには、微細な単電子島504を再現性よく作製する技術が必要であるが、このような技術は現状ではまだない。   A single-electron transistor having a fine single-electron island 504 having a diameter of 10 nm or less has been prototyped at the research level, but has not yet been put into practical use. In addition, since the characteristics of the single-electron transistor depend sensitively on the size and shape of the single-electron island 504, in order to integrate the single-electron transistors, a technique for manufacturing the fine single-electron island 504 with high reproducibility is required. There is no such technology yet.

加えて、上記構造の単電子トランジスタでは、原理的に、単電子転送の精度が上がらないことが知られている。単電子トランジスタでは、電子は1個ずつ転送されるが、各電子転送の時間間隔はバラバラである。例えば、転送時間を区切り、10個の電子を正確にソースからドレインに転送するということができない。転送精度を上げるためには、単電子トランジスタよりもさらに複雑な構造が必要となる。これらは、単電子転送デバイスと呼ばれ、単電子ターンスタイルや単電子ポンプなどが考案され、実証されている(非特許文献1参照)。   In addition, it is known that the single-electron transistor having the above structure does not increase the accuracy of single-electron transfer in principle. In a single electron transistor, electrons are transferred one by one, but the time intervals of each electron transfer vary. For example, the transfer time cannot be divided and 10 electrons cannot be accurately transferred from the source to the drain. In order to increase the transfer accuracy, a more complicated structure than the single electron transistor is required. These are called single-electron transfer devices, and single-electron turn styles and single-electron pumps have been devised and demonstrated (see Non-Patent Document 1).

一例として、単電子ターンスタイルの構成を図6に示す。図6に示す素子は、ソース601、ドレイン602、ゲート603、及び直列に接続した3個の単電子島641,642,643から構成されている。このターンスタイルでは、ゲート603は、中央の単電子島641に結合(容量結合)しており、ゲート603にクロック電圧を印加すると、1回の電圧の立ち上がり下がりにつき、正確に1個の電子を転送させることができる。例えば、10個の電子を転送したい場合には、ゲート603に対して立ち上がり下がりが10回繰り返されるクロック電圧を印加すればよい。また、図6に示す素子のオンオフを10回繰り返せばよい。   As an example, FIG. 6 shows a single-electron turn style configuration. The element shown in FIG. 6 includes a source 601, a drain 602, a gate 603, and three single electron islands 641, 642, 643 connected in series. In this turn style, the gate 603 is coupled (capacitively coupled) to the central single-electron island 641, and when a clock voltage is applied to the gate 603, exactly one electron is generated at each rising and falling of the voltage. Can be transferred. For example, when 10 electrons are to be transferred, a clock voltage that rises and falls 10 times may be applied to the gate 603. Moreover, what is necessary is just to repeat ON / OFF of the element shown in FIG. 6 10 times.

L.J.Geerligs, et al., "Frequency-Locked Turnstile Device for Single Electron", Physical Review Letters, Vol.64, No.22, pp.2691-2694, 1990.L.J.Geerligs, et al., "Frequency-Locked Turnstile Device for Single Electron", Physical Review Letters, Vol.64, No.22, pp.2691-2694, 1990.

上述したように、非特許文献1に示されているような素子によれば、高い精度で電子の転送が可能であるが、微細な単電子島を直列した状態で3個形成する必要があるなど、単電子トランジスタの場合に比べ、より製造が困難である。このように、従来では、高い精度で電子の転送が可能で、かつより高温で動作可能な微細な単電子島による単電子素子の実現は、容易ではなかった。   As described above, according to the element shown in Non-Patent Document 1, it is possible to transfer electrons with high accuracy, but it is necessary to form three fine single-electron islands in series. Thus, it is more difficult to manufacture compared to a single electron transistor. As described above, conventionally, it has not been easy to realize a single-electron element using a fine single-electron island that can transfer electrons with high accuracy and can operate at a higher temperature.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、高い精度で電子の転送が可能でより高温で動作可能であり、かつより容易に製造ができる半導体装置の提供を目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and provides a semiconductor device that can transfer electrons with high accuracy, can operate at a higher temperature, and can be manufactured more easily. Objective.

本発明に係る半導体装置は、p型の不純物が導入された半導体からなるp型領域と、n型の不純物が導入された半導体からなるn型領域と、第1方向でp型領域とn型領域とに挾まれて配置された半導体からなるチャネル領域と、チャネル領域の第1方向に垂直な第2方向の側に配置されたゲート電極と、チャネル領域のゲート電極の側の界面より30nmの範囲に導入された既知の個数の不純物原子とを少なくとも備え、不純物原子は、イオン化エネルギーが0.1eV以上であり、チャネル領域の中に不純物準位を形成するようにしたものである。例えば、1個の前記不純物原子が前記チャネル領域に導入されているようにしたものである。従って、ゲート電極にゲート電圧を印加してn型領域より電子チャネルが形成された状態とすると、形成された電子チャネル中の1つ(既知の個数)の電子が1個(既知の個数)の不純物原子に捕獲される。   A semiconductor device according to the present invention includes a p-type region made of a semiconductor doped with p-type impurities, an n-type region made of a semiconductor doped with n-type impurities, a p-type region and an n-type in the first direction. A channel region made of a semiconductor disposed between the region, a gate electrode disposed on a second direction side perpendicular to the first direction of the channel region, and a channel region of 30 nm from an interface of the channel region on the gate electrode side And a known number of impurity atoms introduced into the range, the impurity atoms having an ionization energy of 0.1 eV or more and forming an impurity level in the channel region. For example, one impurity atom is introduced into the channel region. Therefore, when a gate voltage is applied to the gate electrode and an electron channel is formed from the n-type region, one (known number) of electrons in the formed electron channel is one (known number). Captured by impurity atoms.

上記半導体装置において、ゲート電極とチャネル領域との間に配置されたゲート絶縁層を備えるようにしてもよい。このゲート絶縁層は、チャネル領域を構成する半導体よりもバンドギャップの広い半導体から構成されていてもよい。また、チャネル領域はシリコンから構成される場合、不純物原子は、インジウム及びタリウムの少なくとも1つであればよい。   The semiconductor device may include a gate insulating layer disposed between the gate electrode and the channel region. This gate insulating layer may be made of a semiconductor having a wider band gap than the semiconductor constituting the channel region. When the channel region is made of silicon, the impurity atom may be at least one of indium and thallium.

また、上記半導体装置において、チャネル領域のゲート電極と反対の側にゲート電極と対向して配置された他のゲート電極を備え、チャネル領域の第2方向の層厚は、高々60nmに形成されているようにしてもよい。この場合においても、他のゲート電極とチャネル領域との間に配置された他のゲート絶縁層を備えていてもよく、他のゲート絶縁層は、チャネル領域を構成する半導体よりもバンドギャップの広い半導体から構成されていてもよい。   The semiconductor device further includes another gate electrode arranged opposite to the gate electrode in the channel region, and the channel region has a layer thickness in the second direction of 60 nm at most. You may make it. In this case as well, another gate insulating layer disposed between another gate electrode and the channel region may be provided, and the other gate insulating layer has a wider band gap than the semiconductor constituting the channel region. You may be comprised from the semiconductor.

また、本発明に係る半導体装置の駆動方法は、上述した構成の半導体装置を駆動する方法であり、ゲート電極に、n型領域より供給される電子による電子チャネルが形成されるしきい値以上の第1ゲート電圧と、p型領域より供給される正孔による正孔チャネルが形成されるしきい値以下の第2ゲート電圧とを交互に印加するようにしたものである。   A method for driving a semiconductor device according to the present invention is a method for driving a semiconductor device having the above-described configuration, which is equal to or higher than a threshold at which an electron channel is formed by electrons supplied from an n-type region in a gate electrode. The first gate voltage and the second gate voltage below the threshold value at which a hole channel is formed by holes supplied from the p-type region are alternately applied.

また、本発明に係る半導体装置の駆動方法は、上述した構成の半導体装置を駆動する方法であり、チャネル領域のゲート電極側と他のゲート電極側との2つの界面における電位差が、チャネル領域を構成する半導体のバンドギャップを越えないようにする第1ゲート電圧を他のゲート電極に印加し、他のゲート電極に第1ゲート電圧が印加されている状態で、ゲート電極に、n型領域より供給される電子による電子チャネルが形成されるしきい値以上の第2ゲート電圧と、p型領域より供給される正孔による正孔チャネルが形成されるしきい値以下の第3ゲート電圧とを交互に印加するようにしたものである。   In addition, a driving method of a semiconductor device according to the present invention is a method of driving a semiconductor device having the above-described structure, in which a potential difference at two interfaces between a gate electrode side of a channel region and another gate electrode side causes the channel region to A first gate voltage is applied to the other gate electrode so as not to exceed the band gap of the constituent semiconductor, and the gate electrode is applied to the gate electrode from the n-type region in a state where the first gate voltage is applied to the other gate electrode. A second gate voltage equal to or higher than a threshold value at which an electron channel is formed by the supplied electrons, and a third gate voltage equal to or lower than a threshold value at which a hole channel is formed from holes supplied from the p-type region. They are applied alternately.

以上説明したように、本発明によれば、チャネル領域のゲート電極の側の界面より30nmの範囲に導入された1つの不純物原子とを備え、不純物原子は、イオン化エネルギーが0.1eV以上であり、チャネル領域の中に不純物準位を形成するようにしたので、高い精度で電子の転送が可能でより高温で動作可能な半導体装置が、より容易に製造ができるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, one impurity atom introduced in a range of 30 nm from the interface on the gate electrode side of the channel region is provided, and the impurity atom has an ionization energy of 0.1 eV or more. Since the impurity level is formed in the channel region, a semiconductor device capable of transferring electrons with high accuracy and operating at a higher temperature can be manufactured more easily. can get.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における半導体装置の構成例を示す構成図である。ここでは、単電子素子を例に説明する。図1に示す単電子素子は、例えばシリコンからなる半導体層101と、半導体層101に形成されたp型領域102と、p型領域102と離間して半導体層101に形成されたn型領域103と、半導体層101の主表面に形成されたゲート絶縁層104と、p型領域102とn型領域103との間の半導体層101の上に形成されたゲート電極105とを備える。図1に示す単電子素子では、ゲート電極105は、ゲート絶縁層104を介して半導体層101の主表面の上に形成されている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a configuration example of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. Here, a single electronic device will be described as an example. 1 includes a semiconductor layer 101 made of, for example, silicon, a p-type region 102 formed in the semiconductor layer 101, and an n-type region 103 formed in the semiconductor layer 101 apart from the p-type region 102. And a gate insulating layer 104 formed on the main surface of the semiconductor layer 101, and a gate electrode 105 formed on the semiconductor layer 101 between the p-type region 102 and the n-type region 103. In the single electronic device shown in FIG. 1, the gate electrode 105 is formed on the main surface of the semiconductor layer 101 with the gate insulating layer 104 interposed therebetween.

加えて、図1に示す単電子素子は、p型領域102とn型領域103とに挟まれた半導体層101の主表面、すなわちゲート電極105側の表面より30nm以内の領域に導入された1個の不純物(不純物原子)106を備えている。不純物106は、p型領域102とn型領域103とに挟まれたチャネル領域に導入され、不純物準位を形成している。なお、ゲート電極105は、不純物106が導入されたチャネル領域に結合(容量結合)している。   In addition, the single-electron device shown in FIG. 1 is introduced 1 into a region within 30 nm from the main surface of the semiconductor layer 101 sandwiched between the p-type region 102 and the n-type region 103, that is, the surface on the gate electrode 105 side. An impurity (impurity atom) 106 is provided. The impurity 106 is introduced into a channel region sandwiched between the p-type region 102 and the n-type region 103 to form an impurity level. Note that the gate electrode 105 is coupled (capacitively coupled) to the channel region into which the impurity 106 is introduced.

例えば、半導体層101は、シリコン基板(ウエハ)であり、この所定領域に公知のイオン注入法などによりよく知られたp型不純物を導入することでp型領域102が形成可能であり、同様に、よく知られたn型不純物を導入することで、n型領域103の形成が可能である。ここで、図1に示す単電子素子は、p型領域102とn型領域103とが、半導体(チャネル領域)を挾むように配置され、この配置の方向と垂直な方向のチャネル領域の上にゲート電極105が配置されている構成である。従って、所定の半導体から構成されたチャネル領域を挾むようにp型半導体とn型半導体とを配置し、上記構成としてもよい。この場合、チャネル領域,p型半導体,及びn型半導体は、同じ半導体から構成されている必要はない。   For example, the semiconductor layer 101 is a silicon substrate (wafer), and a p-type region 102 can be formed by introducing a well-known p-type impurity into the predetermined region by a known ion implantation method or the like. The n-type region 103 can be formed by introducing a well-known n-type impurity. Here, in the single-electron device shown in FIG. 1, the p-type region 102 and the n-type region 103 are arranged so as to sandwich the semiconductor (channel region), and the gate is formed on the channel region in the direction perpendicular to the arrangement direction. In this configuration, the electrode 105 is disposed. Therefore, a p-type semiconductor and an n-type semiconductor may be arranged so as to sandwich a channel region made of a predetermined semiconductor, and the above structure may be adopted. In this case, the channel region, the p-type semiconductor, and the n-type semiconductor need not be made of the same semiconductor.

また、シリコン基板(半導体層101)の表面を熱酸化して酸化膜が形成された状態とすることで、ゲート絶縁層104の形成が可能である。なお、ゲート絶縁層104は、化学的気相成長法などの堆積法により形成してもよく、半導体層101(チャネル領域)よりもバンドギャップの広い別の半導体材料から構成されていてもよい。ここで、以降に示す「界面」は、ゲート絶縁層と半導体層との界面を示している。また、半導体層にショットキー接続するゲート電極を用いるようにしてもよい。この場合、以降に記載する「界面」は、半導体層とゲート電極との界面を示すことになる。一方、不純物106は、シングルイオン注入技術を用いて単一イオンを半導体層101(チャネル領域)に打ち込み、打ち込んだ後にアニール処理を行い活性化させればよい。この不純物106の導入は、ゲート電極105の形成前に行う。   Further, the gate insulating layer 104 can be formed by thermally oxidizing the surface of the silicon substrate (semiconductor layer 101) to form an oxide film. Note that the gate insulating layer 104 may be formed by a deposition method such as chemical vapor deposition, or may be formed of another semiconductor material having a wider band gap than the semiconductor layer 101 (channel region). Here, the “interface” described below indicates the interface between the gate insulating layer and the semiconductor layer. Alternatively, a gate electrode that is Schottky connected to the semiconductor layer may be used. In this case, the “interface” described below indicates the interface between the semiconductor layer and the gate electrode. On the other hand, the impurity 106 may be activated by implanting single ions into the semiconductor layer 101 (channel region) using a single ion implantation technique and performing an annealing process after the implantation. The introduction of the impurity 106 is performed before the gate electrode 105 is formed.

次に、上述した単電子素子の動作(駆動方法)例について説明する。なお、図2において、(a’)〜(e’)は、p型領域102とn型領域103に挾まれた半導体層101(チャネル領域)における、半導体層101の表面(絶縁層104との界面)近傍のポテンシャルを示すポテンシャル図である。まず、図2(a)及び図2(a’)に示すように、初期状態では、ゲート電極105に例えば0V程度と、電子チャネルのしきい値Vth-nと、正孔チャネルのしきい値Vth-pとの中間の値のゲート電圧が印加された状態としておく。なお、Vth-n>Vth-pである。この状態では、電子のチャネルも正孔のチャネルもどちらも開いておらず、不純物106には、なにもトラップ(捕獲)されていない。 Next, an example of the operation (driving method) of the above-described single electronic element will be described. 2A to 2E, (a ′) to (e ′) indicate the surface of the semiconductor layer 101 (with the insulating layer 104) in the semiconductor layer 101 (channel region) sandwiched between the p-type region 102 and the n-type region 103. It is a potential diagram showing the potential in the vicinity of the interface). First, as shown in FIGS. 2A and 2A ′, in the initial state, the gate electrode 105 has, for example, about 0 V, an electron channel threshold V th-n, and a hole channel threshold. It is assumed that a gate voltage having an intermediate value between the value V th-p is applied. Note that V th-n > V th-p . In this state, neither the electron channel nor the hole channel is open, and the impurity 106 is not trapped at all.

初期状態についで、図2(b)及び図2(b’)に示すように、ゲート電極105に電子チャネルのしきい値Vth-nを超える大きさのゲート電圧が印加された状態とする。このゲート電圧の印加により、ゲート電極105の下のチャネル領域にn型領域103から電子が供給されて電子チャネル131が形成される。電子チャネル131は、半導体層101を構成している半導体の伝導帯中に形成される。このとき、形成された電子チャネル131より、1個の電子が不純物106にトラップされる。このようにして1個の電子が不純物106にトラップされた後、ゲート電極105に初期状態と同様のゲート電圧が印加された状態とすると、電子チャネル131として供給されていた電子(伝導体中の電子)は、n型領域103に回収される。しかしながら、図2(c)及び図2(c’)に示すように、不純物106にトラップされた電子は、有限のイオン化エネルギーのために、n型領域103に戻れずに、不純物106にトラップされたままの状態となる。 Next to the initial state, as shown in FIGS. 2B and 2B ′, a gate voltage having a magnitude exceeding the threshold V th-n of the electron channel is applied to the gate electrode 105. . By application of this gate voltage, electrons are supplied from the n-type region 103 to the channel region under the gate electrode 105 to form the electron channel 131. The electron channel 131 is formed in the conduction band of the semiconductor constituting the semiconductor layer 101. At this time, one electron is trapped in the impurity 106 from the formed electron channel 131. After one electron is trapped in the impurity 106 in this way, when the gate voltage similar to the initial state is applied to the gate electrode 105, the electron supplied as the electron channel 131 (in the conductor) Electrons) are collected in the n-type region 103. However, as shown in FIGS. 2C and 2C ′, the electrons trapped in the impurity 106 are trapped in the impurity 106 without returning to the n-type region 103 due to finite ionization energy. It will be in a state as it is.

このように、不純物106に電子がトラップされた状態で、ゲート電極105に正孔チャネルのしきい値Vth-pよりも低い値のゲート電圧が印加された状態とする。このゲート電圧の印加により、図2(d)に示すように、ゲート電極105の下のチャネル領域にp型領域102より正孔が供給されて正孔チャネル121が形成される。正孔チャネル121は、半導体層101を構成している半導体の価電子帯中に形成される。この正孔チャネル121の形成により、不純物106にトラップされていた電子が、供給された正孔と再結合する。言い換えると、不純物106にトラップされていた電子は、価電子帯へと移動する。 In this manner, the gate voltage having a value lower than the threshold value V th-p of the hole channel is applied to the gate electrode 105 in a state where electrons are trapped in the impurity 106. By applying this gate voltage, holes are supplied from the p-type region 102 to the channel region below the gate electrode 105 to form a hole channel 121 as shown in FIG. The hole channel 121 is formed in the valence band of the semiconductor constituting the semiconductor layer 101. By the formation of the hole channel 121, the electrons trapped in the impurity 106 are recombined with the supplied holes. In other words, the electrons trapped in the impurity 106 move to the valence band.

以上のようにして、不純物106にトラップされていた電子が価電子帯へと移動された後、ゲート電極105に初期状態と同様のゲート電圧が印加された状態とすると、正孔チャネル121は閉じられ、価電子帯中の正孔は、p型領域102に回収される。この結果、図2(e)及び図2(e’)に示すように、不純物106が、なにもトラップしていない状態となり、1個の電子が、n型領域103からp型領域102へ流れた(転送された)ことになる。なお、上述した動作の中で、n型領域103及びp型領域102における電圧は、両者とも0V程度とされていればよい。また、n型領域103とp型領域102との間に、±0.1V程度の電圧が印加されていてもよい。   As described above, after the electrons trapped in the impurity 106 are moved to the valence band and then the gate voltage similar to the initial state is applied to the gate electrode 105, the hole channel 121 is closed. The holes in the valence band are recovered in the p-type region 102. As a result, as shown in FIGS. 2E and 2E ′, the impurity 106 is not trapped at all, and one electron is transferred from the n-type region 103 to the p-type region 102. It has flowed (transferred). Note that in the above-described operation, the voltages in the n-type region 103 and the p-type region 102 may both be about 0V. In addition, a voltage of about ± 0.1 V may be applied between the n-type region 103 and the p-type region 102.

以下、不純物106について、より詳細に説明する。図2を用いて説明した転送動作において、より精度よく電子を転送するためには、不純物106が、電子及び正孔の両者に対して高い捕獲断面積を有している必要がある。言い換えると、不純物106の電子状態が、伝導帯及び価電子帯の両方の電子状態とよく結合していなければならない。このためには、より深い準位を有する不純物が適している。   Hereinafter, the impurity 106 will be described in more detail. In the transfer operation described with reference to FIG. 2, in order to transfer electrons with higher accuracy, the impurity 106 needs to have a high capture cross section for both electrons and holes. In other words, the electronic state of the impurity 106 must be well coupled with both the conduction band and valence band electronic states. For this purpose, an impurity having a deeper level is suitable.

例えば、半導体層101がシリコンから構成されている場合、リン及びボロンは、各々浅い準位を有するドナー及びアクセプターである。この中で、リンは、シリコン伝導帯の下45meV程度の位置に準位を有するが、この場合、リンドナーの電子状態は、伝導帯の電子状態の重ね合わせでよく記述できる。このため、伝導電子を容易に捕獲することが可能である。一方、リンドナーは、価電子帯の正孔の捕獲断面積は非常に小さい。このようなリンに対し、ボロンなどの浅い準位を有するアクセプターは、価電子帯の正孔の捕獲断面積は大きいが、伝導帯の電子捕獲断面積が小さく、伝導帯電子の捕獲確率が小さい。   For example, when the semiconductor layer 101 is made of silicon, phosphorus and boron are a donor and an acceptor having shallow levels, respectively. Among them, phosphorus has a level at a position of about 45 meV below the silicon conduction band. In this case, the electronic state of the phosphorus donor can be well described by superposition of the electronic states of the conduction band. For this reason, it is possible to easily capture conduction electrons. On the other hand, a phosphorus donor has a very small hole cross-sectional area in the valence band. An acceptor having a shallow level such as boron with respect to such phosphorus has a large valence band hole capture cross section, but a small conduction band electron capture cross section and a small conduction band electron capture probability. .

上述した浅い準位を有する不純物に対し、深い準位を有する不純物106の電子状態は、伝導帯及び価電子帯の両方の状態を用いて記述されるため、電子及び正孔の両方の捕獲断面積が大きい。このように、深い準位を有する不純物により、より精度よく単電子転送が可能となり、単電子転送を実現するためには、不純物106のイオン化エネルギー(基底状態の準位)は0.1eV以上が必要である。   In contrast to the above-described impurity having a shallow level, the electronic state of the impurity 106 having a deep level is described using both the conduction band and valence band states, and therefore, both electron and hole trapping are interrupted. Large area. In this way, single-electron transfer can be performed with higher accuracy by using impurities having deep levels. In order to realize single-electron transfer, the ionization energy (level of the ground state) of the impurity 106 is 0.1 eV or more. is necessary.

また、浅い準位を有するドナーの場合、伝導帯電子をトラップしたとしても、電子チャネルを閉じて電子をn型電極に回収する際に、熱雑音によりトラップした電子を再放出してしまう確率が高くなる。このため、浅い準位のドナーでは、転送精度が悪くなる。同様に、浅い準位を有するアクセプターの場合、熱雑音により正孔を再放出してしまう確率が高くなり、転送精度が悪くなる。これらに対し、深い準位の不純物106を用いるほど、高温動作に適している。安定した動作のためには、熱エネルギーの4倍程度のイオン化エネルギーが必要であり、室温での動作を実現するためには、やはり、不純物106のイオン化エネルギー(基底状態の準位)は0.1eV以上が必要である。   In the case of a donor having a shallow level, even if a conduction band electron is trapped, there is a probability that the trapped electron is re-emitted due to thermal noise when the electron channel is closed and the electron is collected in the n-type electrode. Get higher. For this reason, in a shallow level donor, transfer accuracy deteriorates. Similarly, in the case of an acceptor having a shallow level, there is a high probability that holes will be re-emitted due to thermal noise, resulting in poor transfer accuracy. On the other hand, the deeper level the impurity 106 is, the more suitable for high temperature operation. For stable operation, ionization energy of about four times the thermal energy is necessary. To realize operation at room temperature, the ionization energy (ground state level) of the impurity 106 is still 0. 1 eV or more is required.

加えて、不純物106原子の半導体(半導体層101)中での位置は、深さ方向にのみ制約があり、半導体の界面(半導体層101のゲート電極105側の表面)からの距離が30nm以内になければならない。これは、界面に形成されるチャネルとの間で、電子あるいは正孔を捕獲するためには、チャネルの電子あるいは正孔と、不純物106の電子の波動関数との間にオーバーラップが必要なためである。不純物106に捕獲された電子の波動関数の広がりは10nm程度、チャネルにおける電子及び正孔の波動関数の広がりは5nm程度であり、これらの和の2倍程度以下の距離にないと、十分な捕獲が起こらない。なお、イオン化エネルギーが0.1eV以上の不純物の波動関数の広がりは、不純物そのものの性質を強く反映し、母材となる半導体の性質にはあまり依存しない。また、チャネル電子,正孔の波動関数の広がりも、半導体の種類には強く依存しない。このため、上述した30nmという界面(表面)からの距離に対する条件は、半導体の種類には関わらない。   In addition, the position of the impurity 106 atoms in the semiconductor (semiconductor layer 101) is limited only in the depth direction, and the distance from the semiconductor interface (the surface of the semiconductor layer 101 on the gate electrode 105 side) is within 30 nm. There must be. This is because an overlap between the channel electron or hole and the electron wave function of the impurity 106 is required to capture electrons or holes between the channel formed at the interface. It is. The spread of the wave function of electrons trapped in the impurity 106 is about 10 nm, and the spread of the wave function of electrons and holes in the channel is about 5 nm. If the distance is less than about twice the sum of these, sufficient trapping is possible. Does not happen. Note that the spread of the wave function of an impurity having an ionization energy of 0.1 eV or more strongly reflects the nature of the impurity itself, and does not depend much on the nature of the semiconductor serving as a base material. In addition, the spread of the wave functions of channel electrons and holes does not depend strongly on the type of semiconductor. For this reason, the above-mentioned conditions for the distance from the interface (surface) of 30 nm are not related to the type of semiconductor.

一方、チャネルが形成されるゲート電極105の下の領域であれば、深さ方向に垂直な平面上(p型領域102からn型領域103への方向)において、どの位置に配置されていても構わない。例えば、不純物106は、p型領域102に近い位置にあっても、n型領域103に近い位置にあっても、中央にあってもよい。これにより素子の作製が非常に簡便となる。なお、p型領域102とn型領域103との間隔が大きいと、動作のときに形成される電子チャネルや正孔チャネルの戻りなどにより長い時間を要するようになり、動作速度の低下を招く。一方、前述した不純物106の波動関数の広がりの観点から、p型領域102とn型領域103との間隔が30nmよりあまり小さくなると、素子の動作に影響を及ぼす場合がある。   On the other hand, as long as it is a region under the gate electrode 105 where the channel is formed, it is disposed at any position on a plane perpendicular to the depth direction (direction from the p-type region 102 to the n-type region 103). I do not care. For example, the impurity 106 may be located near the p-type region 102, located near the n-type region 103, or in the center. This makes it very easy to manufacture the device. Note that if the distance between the p-type region 102 and the n-type region 103 is large, a longer time is required due to the return of the electron channel and hole channel formed during operation, resulting in a decrease in operation speed. On the other hand, if the distance between the p-type region 102 and the n-type region 103 is much smaller than 30 nm from the viewpoint of the spread of the wave function of the impurity 106 described above, the operation of the element may be affected.

図1に示す単電子素子によれば、ゲート電極下のチャネル領域における単一の不純物原子が、従来の単電子転送デバイスにおける単電子島に相当するものとなっている。従来の単電子デバイスでは、単電子島の大きさや形が素子の特性を支配しており、これらの制御が大きな問題となっていた。これに対して図1に示す単電子素子によれば、不純物原子により構成される単電子島相当の部分の大きさや形は、不純物に捕獲された電子の波動関数の広がりと形で定義され、イオン化エネルギーが帯電エネルギーに対応する。これらの諸量は、不純物原子が本来持つ特性で一意に決定され、制御不要であることは言うまでもない。従って、図1に示す単電子素子によれば、容易に製造することが可能であり、製造による特性ばらつきも非常に小さく、大規模集積が可能となる。   According to the single electron device shown in FIG. 1, a single impurity atom in the channel region under the gate electrode corresponds to a single electron island in the conventional single electron transfer device. In the conventional single-electron device, the size and shape of the single-electron island dominate the characteristics of the element, and these controls have been a big problem. On the other hand, according to the single electron device shown in FIG. 1, the size and shape of the portion corresponding to the single electron island constituted by the impurity atoms are defined by the spread and shape of the wave function of the electrons trapped by the impurities, The ionization energy corresponds to the charging energy. Needless to say, these quantities are uniquely determined by the inherent properties of the impurity atoms and need not be controlled. Therefore, according to the single electronic device shown in FIG. 1, it can be easily manufactured, and the variation in characteristics due to the manufacturing is very small, and large-scale integration is possible.

次に、本発明の実施の形態における他の半導体装置について説明する。図3は、本発明の実施の形態における他の半導体装置の構成例を示す構成図である。ここでも、単電子素子を例に説明する。図3に示す単電子素子は、例えばシリコンからなる半導体層301と、半導体層301に形成されたp型領域302と、半導体層301にp型領域302と離間して形成されたn型領域303と、半導体層301の一方の表面上に形成されたゲート絶縁層304と、p型領域302とn型領域303との間のゲート絶縁層304の上に形成された第1ゲート電極305とを備える。   Next, another semiconductor device according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a configuration diagram showing a configuration example of another semiconductor device according to the embodiment of the present invention. Here, a single electronic device will be described as an example. 3 includes, for example, a semiconductor layer 301 made of silicon, a p-type region 302 formed in the semiconductor layer 301, and an n-type region 303 formed in the semiconductor layer 301 so as to be separated from the p-type region 302. A gate insulating layer 304 formed on one surface of the semiconductor layer 301, and a first gate electrode 305 formed on the gate insulating layer 304 between the p-type region 302 and the n-type region 303. Prepare.

また、図3に示す単電子素子は、半導体層301の他方の表面上に形成されたゲート絶縁層307と、p型領域302とn型領域303との間のゲート絶縁層307の上に形成された第2ゲート電極308を備え、2つのゲート電極を備える構成とされている。加えて、図3に示す単電子素子でも、p型領域302とn型領域303とに挟まれた半導体層301の両方の表面より30nm以内の領域に導入された1個の不純物306を備えている。不純物306は、p型領域302とn型領域303とに挟まれたチャネル領域に導入されている。なお、図3に示す単電子素子においても、ゲート絶縁層304,ゲート絶縁層307が、例えば、半導体層301(チャネル領域)よりもバンドギャップの広い別の半導体材料から構成されていてもよい。   3 is formed on the gate insulating layer 307 formed on the other surface of the semiconductor layer 301 and the gate insulating layer 307 between the p-type region 302 and the n-type region 303. The second gate electrode 308 is provided, and two gate electrodes are provided. In addition, the single-electron element shown in FIG. 3 also includes one impurity 306 introduced into a region within 30 nm from both surfaces of the semiconductor layer 301 sandwiched between the p-type region 302 and the n-type region 303. Yes. The impurity 306 is introduced into a channel region sandwiched between the p-type region 302 and the n-type region 303. In the single-electron device shown in FIG. 3, the gate insulating layer 304 and the gate insulating layer 307 may be made of another semiconductor material having a wider band gap than the semiconductor layer 301 (channel region), for example.

以下、図3に示す単電子素子の動作例(駆動方法例)について、図4を用いて説明する。図4は、半導体層301における膜厚方向のポテンシャル分布を示す分布図である。まず、初期状態では、第1ゲート電極305に印加されるゲート電圧は、電子チャネルのしきい値Vth-nと正孔チャネルのしきい値Vth-p(Vth-n>Vth-p)の中間の値に設定しておく。このような駆動状態では、図4(a)に示すように、電子及び正孔のどちらのチャネルも開いておらず、不純物306には電子はトラップされていない。さらに、この初期状態において、第2ゲート電極307にオフセット電圧をかけておく。このオフセット電圧の大きさは、両界面での電位差が、半導体層301を構成する半導体のバンドギャップを越えないように設定する。このような条件を満たすオフセット電圧の値は、容易に算定することができる。 Hereinafter, an operation example (an example of a driving method) of the single electronic element shown in FIG. 3 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a distribution diagram showing the potential distribution in the film thickness direction in the semiconductor layer 301. First, in the initial state, the gate voltage applied to the first gate electrode 305 includes an electron channel threshold V th-n and a hole channel threshold V th-p (V th-n > V th- p ) Set to an intermediate value. In such a driving state, as shown in FIG. 4A, neither the electron channel nor the hole channel is open, and no electrons are trapped in the impurity 306. Further, an offset voltage is applied to the second gate electrode 307 in this initial state. The magnitude of this offset voltage is set so that the potential difference between the two interfaces does not exceed the band gap of the semiconductor constituting the semiconductor layer 301. The value of the offset voltage that satisfies such conditions can be easily calculated.

例えば、図3に示す単電子素子において、半導体層301中の電界強度をEs、半導体層301のバンドギャップをEg、半導体層301の膜厚をts、半導体層301の誘電率をεs、ゲート絶縁層304,ゲート絶縁層307の誘電率をεD、ゲート絶縁層304の膜厚をtD1、ゲート絶縁層307の膜厚をtD2とすると、ゲート絶縁層304,ゲート絶縁層307の電界強度EDは、半導体の電界強度EDを用いて、(εs/εD)Esと表されるので、オフセット電圧VG2は、「VG2=Ess+(εs/εD)Es(tD1+tD2)=[ts+(εs/εD)(tD1+tD2)]Es」と表される。従って、第2ゲート電極307に印加されるオフセット電圧の許容最大値VG2-maxは、「[ts+(εs/εD)(tD1+tD2)]Eg/ts」となる。なお、上記オフセット電圧は、正でも負でも構わない。オフセット電圧を負にする場合、許容最小値VG2-minは、「−[ts+(εs/εD)(tD1+tD2)]Eg/ts」となる。以上が電圧の初期設定である。以下、オフセット電圧を負とした場合について説明する。 For example, in the single electronic device shown in FIG. 3, the electric field strength in the semiconductor layer 301 is E s , the band gap of the semiconductor layer 301 is E g , the thickness of the semiconductor layer 301 is t s , and the dielectric constant of the semiconductor layer 301 is ε s , where the dielectric constant of the gate insulating layer 304 and the gate insulating layer 307 is ε D , the thickness of the gate insulating layer 304 is t D1 , and the thickness of the gate insulating layer 307 is t D2 , the gate insulating layer 304 and the gate insulating layer field strength E D 307, using the field strength E D of the semiconductor, so is represented as (ε s / ε D) E s, the offset voltage V G2, "V G2 = E s t s + s / εD) E s (t D1 + t D2) = [t s + (ε s / ε D) (t D1 + t D2)] is expressed as E s ". Therefore, the allowable maximum value V G2-max of the offset voltage applied to the second gate electrode 307 is “[t s + (ε s / ε D ) (t D1 + t D2 )] E g / t s ”. . The offset voltage may be positive or negative. When the offset voltage is set to be negative, the allowable minimum value V G2-min is “− [t s + (ε s / ε D ) (t D1 + t D2 )] E g / t s ”. The above is the initial voltage setting. Hereinafter, a case where the offset voltage is negative will be described.

上述したように各ゲート電圧が印加された状態の初期状態の後、第1ゲート電極305に正の電圧が印加された状態とする。この正の電圧は、電子チャネルのしきい値Vth-nを越える大きさとする。この電圧印加により、図4(b)に示すように、第1ゲート電極305側の界面(半導体層301の表面)に電子チャネル331が形成され、n型領域303より電子が供給される。この時、電子チャネル331から、1個の電子が不純物306にトラップされる。この後、第1ゲート電極305に印加されているゲート電圧を初期状態に戻すと、電子チャネル331は閉まり、半導体の伝導体中の電子はn型領域303に回収されるが、不純物306にトラップされた電子は、有限のイオン化エネルギーのためにn型領域303に戻ることができない(図4(c))。 As described above, a positive voltage is applied to the first gate electrode 305 after the initial state in which each gate voltage is applied. This positive voltage has a magnitude exceeding the threshold value V th-n of the electron channel. By this voltage application, as shown in FIG. 4B, an electron channel 331 is formed at the interface on the first gate electrode 305 side (the surface of the semiconductor layer 301), and electrons are supplied from the n-type region 303. At this time, one electron is trapped in the impurity 306 from the electron channel 331. Thereafter, when the gate voltage applied to the first gate electrode 305 is returned to the initial state, the electron channel 331 is closed, and electrons in the semiconductor conductor are collected in the n-type region 303, but trapped in the impurity 306. The emitted electrons cannot return to the n-type region 303 due to the finite ionization energy (FIG. 4C).

次に、第1ゲート電極305に負の電圧が印加された状態とする。この負のゲート電圧は、正孔チャネルのしきい値Vth-pよりも低い値とする。このゲート電圧の印加により、図4(d)に示すように、正孔チャネル321が第2ゲート電極308側の界面(半導体層301の表面)に形成され、p型領域302より正孔が供給され、供給された正孔がトラップされていた電子と再結合する。言い換えると、不純物306にトラップされていた電子は、半導体の価電子帯へ移動する。 Next, a negative voltage is applied to the first gate electrode 305. This negative gate voltage is set to a value lower than the threshold value V th-p of the hole channel. By applying this gate voltage, a hole channel 321 is formed at the interface (the surface of the semiconductor layer 301) on the second gate electrode 308 side, and holes are supplied from the p-type region 302, as shown in FIG. The supplied holes recombine with the trapped electrons. In other words, the electrons trapped in the impurity 306 move to the valence band of the semiconductor.

この後、第1ゲート電極305に印加されるゲート電圧を再び初期状態に戻すと、正孔チャネル321は閉まり、半導体の価電子帯中の正孔はp型領域302に回収される(図4(e))。これらで、転送の1サイクルが終了し、図4(a)に示す状態から、1個の電子がn型領域303からp型領域302へ流れた(転送された)ことになる。なお、上述の動作手順中、n型領域303、p型領域302の電圧は、両方とも0Vにしておけばよい。あるいは、n型領域303とp型領域302の間に、±0.1V程度の電圧をかけていてもよい。   Thereafter, when the gate voltage applied to the first gate electrode 305 is returned to the initial state again, the hole channel 321 is closed, and holes in the valence band of the semiconductor are collected in the p-type region 302 (FIG. 4). (E)). Thus, one transfer cycle is completed, and one electron flows (transferred) from the n-type region 303 to the p-type region 302 from the state shown in FIG. Note that during the above-described operation procedure, the voltages of the n-type region 303 and the p-type region 302 may both be set to 0V. Alternatively, a voltage of about ± 0.1 V may be applied between the n-type region 303 and the p-type region 302.

以上のサイクル(1サイクル)では、電子チャネルと正孔チャネルの形成される場所が異なっているため、界面(半導体層301の表面)に局在している界面準位は、電子の転送に寄与することができない。例えば、第1ゲート電極305側の界面に存在する界面準位は、電子をトラップすることはできるが、このトラップ電子は、反対側(第2ゲート電極307側)の界面に形成される正孔チャネル321の正孔と再結合することができない。転送に寄与できるのは、半導体中に存在する不純物準位のみとなる。このように、図3に示す単電子素子によれば、素子の作成段階で導入される可能性のある界面準位により、単電子転送の精度が影響を受けることがなく、より高い転送精度が得られるようになる。   In the above cycle (one cycle), the location where the electron channel and the hole channel are formed is different. Therefore, the interface state localized at the interface (the surface of the semiconductor layer 301) contributes to the transfer of electrons. Can not do it. For example, an interface state present at the interface on the first gate electrode 305 side can trap electrons, but these trapped electrons are holes formed at the interface on the opposite side (second gate electrode 307 side). It cannot recombine with the holes in the channel 321. Only the impurity levels present in the semiconductor can contribute to the transfer. As described above, according to the single-electron device shown in FIG. 3, the single-electron transfer accuracy is not affected by the interface state that may be introduced in the device creation stage, and higher transfer accuracy is achieved. It will be obtained.

初期状態で印加するオフセット電圧により、半導体中の電界強度がEg/tsを越える、言い換えれば、両界面での電位差が半導体中のバンドギャップを越えると、前述した動作の中で、正孔及び電子の両チャネルが同時に開く状態が存在するようになる。この場合、2つのチャネルの間に、不純物準位を介して直流のリーク電流が流れてしまい、単電子転送の精度を悪化させる。このため、前述したように、オフセット電圧の絶対値には上限値が存在する。 The offset voltage to be applied in the initial state, the electric field strength in the semiconductor exceeds E g / t s, in other words, when the potential difference at both interfaces exceeds a band gap of the semiconductor, in the operation described above, the hole And there will be a state where both channels of electrons and electrons are opened simultaneously. In this case, a DC leakage current flows between the two channels via the impurity level, and the accuracy of single-electron transfer is deteriorated. For this reason, as described above, there is an upper limit value for the absolute value of the offset voltage.

不純物準位を用いて精度よく単電子転送を行うためには、準位にトラップされた電子の波動関数がどちらのチャネルともオーバーラップしていなければならない。このため、不純物はどちらの界面からも30nm以内に位置していなければならない。この条件は同時に、半導体(半導体層301)の膜厚も規定し、半導体層301の膜厚は、高々60nm(60nm以下)となっている必要がある。   In order to perform single-electron transfer with high accuracy using impurity levels, the wave function of electrons trapped in the levels must overlap in both channels. For this reason, the impurities must be located within 30 nm from either interface. This condition simultaneously defines the thickness of the semiconductor (semiconductor layer 301), and the thickness of the semiconductor layer 301 needs to be at most 60 nm (60 nm or less).

次に、電子をトラップする不純物についてより詳細に説明する。イオン化エネルギーが0.1eV以上の深い準位を有する不純物は、例えば半導体としてシリコンを例にとると、インジウム及びタリウムなどのIII属の深いアクセプターと、マンガン,鉄,銅,及びニッケルのなどの遷移金属の深い準位に大別される。なお、シリコンでは、イオン化エネルギーが0.1eVを越えるV属の深いドナーは存在しない。   Next, impurities that trap electrons will be described in more detail. Impurities having a deep level of ionization energy of 0.1 eV or more include, for example, silicon as a semiconductor, a group III deep acceptor such as indium and thallium, and transitions such as manganese, iron, copper, and nickel Broadly divided into deep levels of metals. In silicon, there is no deep V group donor whose ionization energy exceeds 0.1 eV.

まず、インジウム及びタリウムは、不純物として導入されると、シリコンのバンドギャップ中に単一の準位を形成し、0及び−1の2種類の荷電状態が存在する。このため、インジウム及びタリウムを不純物106として用いた図1に示す半導体装置(単電子素子)では、図2を用いて説明した駆動の条件が満たされていれば、正確に単電子転送を行うことができる。   First, when indium and thallium are introduced as impurities, they form a single level in the band gap of silicon, and there are two kinds of charged states of 0 and -1. For this reason, in the semiconductor device (single-electron element) shown in FIG. 1 using indium and thallium as the impurities 106, single-electron transfer is accurately performed if the driving conditions described with reference to FIG. 2 are satisfied. Can do.

一方、遷移金属では、不純物としてシリコンに導入されると複数の準位を有する。例えば、シリコン中のマンガンは、3個の準位を有し、−1,0,+1,+2の4種類の荷電状態を有する。このため、ゲート電圧の掃引時間によって、一度に転送される電子の数が1個から最大3個まで変化する。掃引時間が十分に長いと3個の電子が転送され、短くなるにしたがって転送される電子数が減少する。このため、マンガンを不純物106として用いる場合、正確な単電子転送には、掃引時間の調整が必要になる。   On the other hand, transition metals have a plurality of levels when introduced into silicon as impurities. For example, manganese in silicon has three levels and has four types of charge states of -1, 0, +1, and +2. For this reason, the number of electrons transferred at one time varies from 1 to a maximum of 3 depending on the sweep time of the gate voltage. If the sweep time is sufficiently long, three electrons are transferred, and the number of transferred electrons decreases as the time becomes shorter. For this reason, when manganese is used as the impurity 106, it is necessary to adjust the sweep time for accurate single electron transfer.

このように、インジウム及びタリウムを不純物として用いた方が、ゲート電圧の掃引時間依存性が小さく、あるいは、交流ゲート電圧の周波数依存性が小さく、安定した動作が可能となる。また、インジウム及びタリウム(III属のアクセプター)は、シリコン中の拡散係数が、遷移金属に比べて格段に小さい。このため、イオン注入後の熱処理による拡散距離を小さく抑えることができ、不純物の深さ制御を容易に行うことができる。   Thus, the use of indium and thallium as impurities makes the gate voltage less dependent on the sweep time or less dependent on the frequency of the AC gate voltage, and enables stable operation. Indium and thallium (group III acceptor) have a diffusion coefficient in silicon that is significantly smaller than that of transition metals. For this reason, the diffusion distance by the heat treatment after ion implantation can be kept small, and the depth control of impurities can be easily performed.

なお、上述では単電子素子を例に説明したが、これに限るものではない。例えば、1サイクルで2個(あるいはn個)の電子を転送したい場合には、2個の不純物あるいはn個の不純物が、半導体(チャネル領域)中に導入されていればよい。チャネル領域に、設計された数の上記不純物が導入され、チャネル領域に導入されている不純物の数が既知の状態であればよい。既知の数(規定数)の不純物がチャネル領域に導入されている状態で、図2を用いて説明した駆動のサイクルを規定数繰り返すことで、図1に示す半導体装置により、基準となる電流値を得ることが可能となる。この場合、各不純物の種類は同じでも違っていても構わない。また、相互の位置関係に相関があってもなくてもよい。あるいは、互いに近くても遠くてもよい。   In the above description, the single-electron element is described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, when two (or n) electrons are to be transferred in one cycle, two impurities or n impurities may be introduced into the semiconductor (channel region). The designed number of impurities may be introduced into the channel region, and the number of impurities introduced into the channel region may be in a known state. A reference current value is obtained by the semiconductor device shown in FIG. 1 by repeating the driving cycle described with reference to FIG. 2 in a state where a known number (specified number) of impurities are introduced into the channel region. Can be obtained. In this case, the type of each impurity may be the same or different. Moreover, the mutual positional relationship may or may not be correlated. Alternatively, they may be close or far from each other.

本発明の実施の形態における半導体装置の構成例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structural example of the semiconductor device in embodiment of this invention. 図1に示す半導体装置の動作(駆動方法)例について説明する説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating an example of operation (driving method) of the semiconductor device illustrated in FIG. 1. 本発明の実施の形態における他の半導体装置の構成例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structural example of the other semiconductor device in embodiment of this invention. 図3に示す半導体装置の動作(駆動方法)例について説明するための、半導体層301における膜厚方向のポテンシャル分布を示す分布図である。FIG. 4 is a distribution diagram showing a potential distribution in a film thickness direction in a semiconductor layer 301 for explaining an example of an operation (driving method) of the semiconductor device shown in FIG. 3. 従来よりある単電子素子の構成を簡単に示す構成図である。It is a block diagram which shows simply the structure of the conventional single electronic element. 単電子ターンスタイルの構成を簡単に示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of a single electron turn style simply.

符号の説明Explanation of symbols

101…半導体層、102…p型領域、103…n型領域、104…ゲート絶縁層、105…ゲート電極。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Semiconductor layer, 102 ... P-type area | region, 103 ... N-type area | region, 104 ... Gate insulating layer, 105 ... Gate electrode.

Claims (10)

p型の不純物が導入された半導体からなるp型領域と、
n型の不純物が導入された半導体からなるn型領域と、
第1方向で前記p型領域と前記n型領域とに挾まれて配置された半導体からなるチャネル領域と、
前記チャネル領域の前記第1方向に垂直な第2方向の側に配置されたゲート電極と、
前記チャネル領域の前記ゲート電極の側の界面より30nmの範囲に導入された既知の個数の不純物原子と
を少なくとも備え、
前記不純物原子は、イオン化エネルギーが0.1eV以上であり、前記チャネル領域の中に不純物準位を形成する
ことを特徴とする半導体装置。
a p-type region made of a semiconductor doped with a p-type impurity;
an n-type region made of a semiconductor doped with an n-type impurity;
A channel region made of a semiconductor disposed between the p-type region and the n-type region in a first direction;
A gate electrode disposed on a second direction side perpendicular to the first direction of the channel region;
At least a known number of impurity atoms introduced in a range of 30 nm from the interface of the channel region on the gate electrode side,
The impurity atom has an ionization energy of 0.1 eV or more, and forms an impurity level in the channel region.
請求項1記載の半導体装置において、
1個の前記不純物原子が前記チャネル領域に導入されている
ことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
One of the impurity atoms is introduced into the channel region. A semiconductor device, wherein:
請求項1又は2記載の半導体装置において、
前記ゲート電極と前記チャネル領域との間に配置されたゲート絶縁層を備えることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2,
A semiconductor device comprising a gate insulating layer arranged between the gate electrode and the channel region.
請求項3記載の半導体装置において、
前記ゲート絶縁層は、前記チャネル領域を構成する半導体よりもバンドギャップの広い半導体から構成されている
ことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 3.
The gate insulating layer is made of a semiconductor having a wider band gap than the semiconductor constituting the channel region.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記チャネル領域はシリコンから構成され、
前記不純物原子は、インジウム及びタリウムの少なくとも1つである
ことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
The channel region is made of silicon;
The semiconductor device, wherein the impurity atom is at least one of indium and thallium.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記チャネル領域の前記ゲート電極と反対の側に前記ゲート電極と対向して配置された他のゲート電極を備え、
前記チャネル領域の前記第2方向の層厚は、高々60nmに形成されている
ことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
Another gate electrode disposed opposite to the gate electrode on the opposite side of the channel region from the gate electrode;
A layer thickness of the channel region in the second direction is formed to be 60 nm at most.
請求項6記載の半導体装置において、
前記他のゲート電極と前記チャネル領域との間に配置された他のゲート絶縁層を備えることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 6.
A semiconductor device comprising: another gate insulating layer disposed between the other gate electrode and the channel region.
請求項7記載の半導体装置において、
前記他のゲート絶縁層は、前記チャネル領域を構成する半導体よりもバンドギャップの広い半導体から構成されている
ことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 7.
The other gate insulating layer is made of a semiconductor having a wider band gap than the semiconductor constituting the channel region.
請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体装置の駆動方法であって、
前記ゲート電極に、
前記n型領域より供給される電子による電子チャネルが形成されるしきい値以上の第1ゲート電圧と、
前記p型領域より供給される正孔による正孔チャネルが形成されるしきい値以下の第2ゲート電圧と
を交互に印加する
ことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
A method for driving a semiconductor device according to claim 1,
The gate electrode;
A first gate voltage equal to or higher than a threshold at which an electron channel is formed by electrons supplied from the n-type region;
A method for driving a semiconductor device, comprising: alternately applying a second gate voltage lower than a threshold value at which a hole channel is formed by holes supplied from the p-type region.
請求項6〜8のいずれか1項に記載の半導体装置の駆動方法であって、
前記チャネル領域の前記ゲート電極側と前記他のゲート電極側との2つの界面における電位差が、前記チャネル領域を構成する半導体のバンドギャップを越えないようにする第1ゲート電圧を前記他のゲート電極に印加し、
前記他のゲート電極に前記第1ゲート電圧が印加されている状態で、
前記ゲート電極に、
前記n型領域より供給される電子による電子チャネルが形成されるしきい値以上の第2ゲート電圧と、
前記p型領域より供給される正孔による正孔チャネルが形成されるしきい値以下の第3ゲート電圧と
を交互に印加する
ことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
A method for driving a semiconductor device according to claim 6, wherein:
A first gate voltage is set so that a potential difference at two interfaces between the gate electrode side and the other gate electrode side of the channel region does not exceed a band gap of a semiconductor constituting the channel region. Applied to
With the first gate voltage applied to the other gate electrode,
The gate electrode;
A second gate voltage equal to or higher than a threshold at which an electron channel is formed by electrons supplied from the n-type region;
A method for driving a semiconductor device, comprising: alternately applying a third gate voltage lower than a threshold value at which a hole channel is formed by holes supplied from the p-type region.
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