JP2013074159A

JP2013074159A - 電界効果トランジスタ

Info

Publication number: JP2013074159A
Application number: JP2011212667A
Authority: JP
Inventors: Yukio Kono; 行雄河野
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2013-04-22
Anticipated expiration: 2031-09-28
Also published as: JP5943411B2

Abstract

【課題】装置規模を増大させることなく、測定対象の検出感度を高く維持することができる技術を提供することを目的とする。
【解決手段】半導体基板と、半導体基板上に間隔を空けて形成されるソース領域およびドレイン領域と、絶縁層を介してソース領域およびドレイン領域に隣接するように、半導体基板上に形成されるゲート領域と、ソース領域とドレイン領域との間の静電結合による容量を制御する容量制御部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象を検出する電界効果トランジスタに関する。

従来、光、熱や気体などの測定対象を精度よく測定するために、測定対象とのわずかな作用でも大きな電流や電圧の出力が得られる電界効果トランジスタなどの様々なセンサが開発されている。

例えば、サブミクロンサイズの量子ドットに、ミリ波・遠赤外光を集中するボータイ・アンテナを配置した電界効果トランジスタの一種である単電子トランジスタと、量子ドットへ印可される外部磁場とを備えることで、従来のものより桁違いに感度が高く、かつ高速で動作するミリ波・遠赤外光検出器が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

特許４０２９４２０号

しかしながら、特許文献１のような従来技術では、量子ドットの電子のエネルギー準位間のエネルギー間隔をゲート電極のバイアス電圧などとともに、外部磁場の印可によって制御するために、外部磁場を発生させる装置を単電子トランジスタとは別に配置する必要があり、装置規模が増大してしまう。

また、ミリ波・遠赤外光などの測定対象を量子ドットに直接作用させることから、ある程度強いパワーのミリ波・遠赤外光を照射すると、量子ドットの温度が上昇し、電気特性が不安定になり測定対象の検出感度が悪くなる。

上記従来技術が有する問題に鑑み、本発明の目的は、装置規模を増大させることなく、測定対象の検出感度を高く維持することができる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明を例示する電界効果トランジスタの一態様は、半導体基板と、半導体基板上に間隔を空けて形成されるソース領域およびドレイン領域と、絶縁層を介してソース領域およびドレイン領域に隣接するように、半導体基板上に形成されるゲート領域と、ソース領域とドレイン領域との間の静電結合による容量を制御する容量制御部と、を備える。

また、ソース領域とドレイン領域との間の領域に形成され、ソース領域およびドレイン領域それぞれとトンネル接合して接続される電荷島を備えてもよい。

また、容量制御部は、ソース領域とドレイン領域との間の領域と半導体基板面の垂直方向で対向して配置され、外部からの作用に応じて垂直方向に撓み、容量を変化させる支持部と、支持部の一端が固定され、支持部の他端からソース領域とドレイン領域との間の領域までの距離を設定する距離設定部と、をさらに備えてもよい。

また、容量制御部は、ソース領域、ドレイン領域およびゲート領域を含む半導体基板と異なる筐体に配置されてもよい。

また、容量制御部は、ソース領域、ドレイン領域およびゲート領域を含む半導体基板と同一の基板上に配置されてもよい。

また、容量制御部は、半導体基板のうち、ソース領域、ドレイン領域およびゲート領域と絶縁された領域に形成される溝部と、溝部を橋渡しするように配置され、外部からの作用に応じて半導体基板面の垂直方向に撓み、容量を変化させるワイヤ部と、をさらに備えてもよい。

本発明の目的は、装置規模を増大させることなく、測定対象の検出感度を高く維持することができる。

本発明の一の実施形態に係る単電子トランジスタの構成例を示す図図１に示す領域Ａを拡大した図単電子トランジスタによるクーロン振動の一例を示す図図１に示す単電子トランジスタの等価回路を示す図本発明の一の実施形態の変形例に係る単電子トランジスタの構成例を示す図本発明の他の実施形態に係る単電子トランジスタの構成例を示す図図６に示す単電子トランジスタの等価回路を示す図本発明の一の実施形態に係る単電子トランジスタの構成の別例を示す図本発明の他の実施形態に係る単電子トランジスタの構成の別例を示す図

《一の実施形態》
図１は、一の実施形態に係る電界効果トランジスタの一種である単電子トランジスタの構成を示す。図１（ａ）〜（ｃ）は、単電子トランジスタを真上（Ｚ軸方向）から見た図、Ｙ軸方向から見た図、図１（ａ）のＹ１−Ｙ２間における断面図をそれぞれ示す。図２は、図１に示す領域Ａを拡大したものである。

本実施形態の単電子トランジスタは、後述する支柱１７、ピエゾ素子１８、カンチレバー１９を除き、従来の単電子トランジスタと同じ構造を有する。すなわち、本実施形態の単電子トランジスタは、ＳｉＯ_２の酸化膜２１が形成されたシリコン（Ｓｉ）の半導体基板２２上に、Ｓｉのゲート領域１０が、酸化膜２１上に形成される酸化膜１６（絶縁層）を介して、Ｓｉのソース領域１２およびドレイン領域１４とともに形成され配置される。ゲート領域１０、ソース領域１２、ドレイン領域１４それぞれには、ゲート電極１１、ソース電極１３、ドレイン電極１５が形成される。また、単電子トランジスタは、図１および図２に示すように、ソース領域１２とドレイン領域１４との間に、Ｓｉの量子ドット３０（電荷島）、およびその量子ドット３０の形成の際に形成されるＳｉのくびれ領域であるトンネル隔壁３１ｓ、３１ｄを有する。これにより、ソース領域１２とドレイン領域１４とは、量子ドット３０およびトンネル隔壁３１ｓ、３１ｄを介してトンネル接合され、図３の実線で示すように、ソース領域１２とドレイン領域１４との間で、トンネル障壁３１ｓ、３１ｄの容量に応じた間隔でクーロン振動する電流Ｉｓｄが流れる。

ところで、従来の単電子トランジスタは、上述のように、外部から測定対象を直接量子ドット３０に当てて作用させ、量子ドット３０に蓄積される電荷量を変化させることにより、電流Ｉｓｄのピーク位置や、所定の電圧Ｖ_０での電流Ｉｓｄの変化量から、測定対象を検出している。しかしながら、量子ドット３０に直接測定対象を当てることにより、温度が上昇したり測定対象物が付着したりして、電流Ｉｓｄのピーク位置や変化量を正確に測定できず、ノイズが増大し、かつ不安定になり検出感度が悪くなる。

そこで、本実施形態では、図１に示すように、単電子トランジスタが形成された半導体基板２２と同一の基板上の酸化膜２０に、Ｌ字型の支柱１７を配置し、ピエゾ素子１８と平板の先端に突起部を有するカンチレバー１９とから構成される容量制御部を支柱１７に配置する。つまり、本実施形態では、外部からの測定対象を量子ドット３０に作用させず、カンチレバー１９の平板に作用させて測定対象を検出することにより、検出感度低下の回避を図る。

なお、本実施形態の支柱１７には、図１に示すようなＬ字型に形成され、ＳｉＯ_２などの酸化膜などで表面が絶縁処理されたＳｉのものが用いられる。しかしながら、絶縁体または絶縁処理された任意の材料および任意の形状のものを支柱１７として用いてもよい。

また、ピエゾ素子１８（距離設定部）は、支柱１７に配置されるとともに、カンチレバー１９の平板の一端と接続固定される。さらに、ピエゾ素子１８の大きさは数ミリメートルであるのに対し、後述するカンチレバー１９の突起部の大きさは数マイクロメートルと非常に小さいことから、本実施形態のピエゾ素子１８には、カンチレバー１９の突起部と量子ドット３０との間で静電結合し易いように、例えば、図１（ｃ）に示すようなくさび形の形状を有するものを用いる。そして、ピエゾ素子１８は、外部の不図示の直流電源により印可される電圧に応じて伸縮し、カンチレバー１９の他端の突起部と量子ドット３０との間を所定の距離に設定する。つまり、ピエゾ素子１８は、自身が伸縮することにより、クーロン振動する電流Ｉｓｄのピーク位置を、例えば、図３の実線で示す位置などに設定することができる。なお、本実施形態では、距離設定部としてピエゾ素子１８を用いるが、カンチレバー１９の突起部と量子ドット３０との間の距離を設定できるものであれば何でもよい。また、ピエゾ素子１８は、くさび形の形状を有するとしたが、矩形型のものを用いてもよく、その場合、カンチレバー１９の平板の形状を、量子ドット３０との間で静電結合し易いように適宜変形して配置することが好ましい。

一方、カンチレバー１９（支持部）は、図１に示すように、例えば、窒化シリコン等で平板と突起部とを有した形状に形成され、表面に金、銀またはアルミニウムなどの金属でコーティングされたものを用いる。また、カンチレバー１９の平板は、外部からの測定対象の作用に応じて撓み易いように、小さなバネ定数の値を有するように成形される。なお、突起部は、量子ドット３０との間で静電結合し易いように、量子ドット３０の大きさと等しい、またはそれよりも小さい曲率半径を有した形状に成形されることが好ましい。そして、カンチレバー１９は、図１に示すように、平板の一端がピエゾ素子１８のくさび形の傾斜部分に固定され、他端の突起部は量子ドット３０とＺ軸方向で対向するように配置される。

図４は、本実施形態の単電子トランジスタの等価回路を示す。つまり、ソース領域１２とドレイン領域１４とは、図４に示すように、量子ドット３０、およびトンネル隔壁３１ｓ、３１ｄによるトンネル容量Ｃｓ、Ｃｄを介してトンネル接合される。また、ゲート電極１１およびカンチレバー１９それぞれは、容量ＣｇおよびＣｍを介して、量子ドット３０と静電結合する。そして、ゲート電極１１とソース電極１３との間に電圧Ｖｓｇが印可されるとともに、ソース電極１３とカンチレバー１９との間に一定の電圧Ｖｍが印可されることにより、量子ドット３０の電子のエネルギー準位間のエネルギー間隔が制御される。なお、本実施形態ではＣｓ＝Ｃｄとする。

次に、本実施形態の単電子トランジスタの動作について説明する。

本実施形態の単電子トランジスタは、不図示の外部の直流電源により、ソース電極１３とゲート電極１１、ドレイン電極１５、カンチレバー１９との間に電圧Ｖｓｇ、Ｖｓｄ、Ｖｍがそれぞれ印可される。同時に、単電子トランジスタのピエゾ素子１８には、別の不図示の外部の直流電源により電圧が印可され、所定の電圧Ｖ_０で電流Ｉｓｄがピークとなるように、カンチレバー１９の突起部と量子ドット３０との間の距離を調整設定する。

そして、単電子トランジスタは、カンチレバー１９の平板に測定対象を当てて作用させる。測定対象との作用により、カンチレバー１９の平板は撓み、カンチレバー１９の突起部と量子ドット３０との間の距離が変化する。例えば、カンチレバー１９の突起部と量子ドット３０との間の距離が短くなった場合、容量Ｃｍは増大する。その結果、量子ドット３０に蓄積される電荷数が増大し、例えば、図３の一点波線で示すように、電流Ｉｓｄのピークは初期位置Ｖ_０から左側にずれる。一方、カンチレバー１９の突起部と量子ドット３０との間の距離が長くなった場合、容量Ｃｍは減少し、量子ドット３０に蓄積される電荷数が減少する。その結果、例えば、図３の波線で示すように、電流Ｉｓｄのピークは初期位置Ｖ_０から右側にずれる。

これにより、単電子トランジスタから出力される電流Ｉｓｄのピーク位置の変化量、または初期位置Ｖ_０における電流Ｉｓｄの変化量を、ユーザが測定することにより、測定対象の検出およびその量が分かる。このとき電流の変化量ΔＩｓｄは、初期位置Ｖ_０における勾配ΔＩｓｄ／ΔＶが急峻なため、大きな値となり、高感度の検出が可能となる。

このように、本実施形態では、測定対象をカンチレバー１９の平板に作用させて撓ませることにより、量子ドット３０の温度上昇や測定対象物の付着などを回避しつつ、測定対象の検出感度を高く維持することができる。

また、支柱１７にピエゾ素子１８およびカンチレバー１９を配置するだけで、量子ドット３０の電子のエネルギー準位間のエネルギー間隔を制御することができ、検出器の小型化を図ることができる。
《一の実施形態の変形例》
図５は、本発明の一の実施形態の変形例に係る単電子トランジスタの構成を示す。図５（ａ）〜（ｃ）は、単電子トランジスタをＺ軸方向から見た図、Ｙ軸方向から見た図、図５（ａ）のＹ３−Ｙ４間における断面図をそれぞれ示す。なお、本実施形態の単電子トランジスタにおいて、図１に示す一の実施形態の単電子トランジスタの構成要素と同一のものについては、同一の符号を付し詳細な説明を省略する。

本実施形態の単電子トランジスタと一の実施形態のものとの相違点は、ピエゾ素子１８とカンチレバー１９とから構成される容量制御部が直接半導体基板２２の酸化膜２０上に配置されることにある。

一方、本実施形態の単電子トランジスタの動作は、図１に示す一の実施形態の単電子トランジスタと同一であり詳細な説明は省略する。

また、ピエゾ素子１８およびカンチレバー１９を配置するだけで、量子ドット３０の電子のエネルギー準位間のエネルギー間隔を制御することができ、検出器の小型化を図ることができる。
《他の実施形態》
図６は、他の実施形態に係る単電子トランジスタの構成を示す。図６（ａ）〜（ｃ）は、単電子トランジスタをＺ軸方向から見た図、Ｙ軸方向から見た図、図６（ａ）のＹ５−Ｙ６間における断面図をそれぞれ示す。図７は、本実施形態の単電子トランジスタの等価回路を示す。なお、本実施形態の単電子トランジスタにおいて、図１に示す一の実施形態の単電子トランジスタの構成要素と同一のものについては、同一の符号を付し詳細な説明を省略する。

本実施形態の単電子トランジスタと一の実施形態のものとの相違点は、容量制御部が、酸化膜２０のうち量子ドット３０に近接する領域に形成される溝部４０と、その溝部４０を橋渡しするように配置されるワイヤ５０とで構成されることにある。また、ワイヤ５０には電圧が印可されない。

溝部４０は、エッチングなどの微細加工によって形成される。なお、溝部４０の形状や配置位置、幅や深さ等は、要求される測定対象の検出感度や測定精度に応じて決められることが好ましい。

ワイヤ５０（ワイヤ部）は、溝部４０をＹ軸方向に橋渡しするように酸化膜２０上に配置され、量子ドット３０の一部に達する長さを有するナノワイヤやナノチューブなどの導電性のワイヤである。なお、ワイヤ５０は、ファンデルワース力で固定される。そして、ワイヤ５０は、溝部４０を橋渡ししている部分に、外部から測定対象が当てられると撓み、図６（ｃ）に示すように、ワイヤ５０の量子ドット３０に配置された部分が、Ｚ軸方向に浮き上がる。これにより、図７に示すワイヤ５０と量子ドット３０との間の容量Ｃｍ’が変化する。なお、ゲート領域１０や量子ドット３０などのＳｉ表面は、酸化膜（不図示）が形成されているため、ワイヤ５０と量子ドット３０とは互いに絶縁状態にある。

次に、本実施形態の単電子トランジスタの動作について説明する。なお、上述したように、ワイヤ５０には電圧が印可されないことから、検出前に電流Ｉｓｄがピークとなる位置Ｖ_０を予め測定し取得しているものとする。

本実施形態の単電子トランジスタは、不図示の外部の直流電源により、ソース電極１３とゲート電極１１およびドレイン電極１５との間に電圧ＶｓｇおよびＶｓｄが印可される。そして、単電子トランジスタは、ワイヤ５０のうち、溝部４０を橋渡ししている部分に、測定対象を当てて作用させる。測定対象との作用により、ワイヤ５０の溝部４０を橋渡ししている部分は撓み、ワイヤ５０の量子ドット３０に配置された部分はＺ軸方向に浮き上がる。その結果、図６（ｃ）に示すように、例えば、ワイヤ５０と量子ドット３０との間の距離が変化する。図６（ｃ）に示すように、ワイヤ５０と量子ドット３０との間の距離が長くなった場合、容量Ｃｍ’は減少し、量子ドット３０に蓄積される電荷数が減少する。図３の波線で示すように、電流Ｉｓｄのピークが初期位置Ｖ_０から右側にずれる。

これにより、単電子トランジスタから出力される電流Ｉｓｄのピーク位置の変化量、または初期位置Ｖ_０における電流Ｉｓｄの変化量を、ユーザが測定することにより、測定対象の検出およびその量が分かる。

このように、本実施形態では、測定対象をワイヤ５０のうち溝部４０を橋渡ししている部分に作用させて撓ませることにより、量子ドット３０の温度上昇や測定対象物の付着などを回避しつつ、測定対象の検出感度を高く維持することができる。

また、溝部４０とワイヤ５０とを用いるだけで、量子ドット３０の電子のエネルギー準位間のエネルギー間隔を制御することができ、検出器の小型化を図ることができる。
《実施形態の補足事項》
（１）上記実施形態では、電界効果トランジスタとして単電子トランジスタを用いたが、本発明はこれに限定されず、他の電界効果トランジスタに対しても本発明を適用することができる。

（２）上記一の実施形態では、カンチレバー１９の突起部を、量子ドット３０の大きさと等しい、またはそれよりも小さい曲率半径を有した形状に成形するとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、カンチレバー１９の突起部は、先が尖った形状であってもよいし、突起部の先端に、さらにナノワイヤやナノチューブなどが配置されてもよい。これにより、カンチレバー１９がほんの少しの撓んだ場合でも、量子ドット３０との容量Ｃｍを大きく変化させることができ、測定対象の検出感度を向上させることができる。

（３）上記一の実施形態では、容量制御部を構成するピエゾ素子１８およびカンチレバー１９を、半導体基板２２上に設けられた支柱１７に配置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図８に示すように、半導体基板２２と異なる、単電子トランジスタを覆う筐体に容量制御部を配置してもよい。

（４）上記他の実施形態では、容量制御部として、溝部４０にワイヤ５０を配置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図９に示すように、溝部４０’を形成すると同時に、エッチングなどの微細加工により、溝部４０’を橋渡しするＳｉの細線を、ワイヤ５０’として一体形成してもよい。

以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図する。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物によることも可能である。

１０…ゲート領域、１１…ゲート電極、１２…ソース領域、１３…ソース電極、１４…ドレイン領域、１５…ドレイン電極、１６、２０、２１…酸化膜、１７…支柱、１８…ピエゾ素子、１９…カンチレバー、２２…半導体基板、３０…量子ドット、３１ｓ、３１ｄ…トンネル隔壁、４０…溝部、５０…ワイヤ

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板上に間隔を空けて形成されるソース領域およびドレイン領域と、
絶縁層を介して前記ソース領域およびドレイン領域に隣接するように、前記半導体基板上に形成されるゲート領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の静電結合による容量を制御する容量制御部と、
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１に記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の領域に形成され、前記ソース領域および前記ドレイン領域それぞれとトンネル接合して接続される電荷島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１または請求項２に記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記容量制御部は、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の領域と前記半導体基板面の垂直方向で対向して配置され、外部からの作用に応じて前記垂直方向に撓み、前記容量を変化させる支持部と、
前記支持部の一端が固定され、前記支持部の他端から前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の領域までの距離を設定する距離設定部と、をさらに備える
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
請求項３に記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記容量制御部は、前記ソース領域、前記ドレイン領域および前記ゲート領域を含む前記半導体基板と異なる筐体に配置されることを特徴とする電界効果トランジスタ。
請求項３に記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記容量制御部は、前記ソース領域、前記ドレイン領域および前記ゲート領域を含む前記半導体基板と同一の基板上に配置されることを特徴とする電界効果トランジスタ。
請求項１または請求項２に記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記容量制御部は、
前記半導体基板のうち、前記ソース領域、前記ドレイン領域および前記ゲート領域と絶縁された領域に形成される溝部と、
前記溝部を橋渡しするように配置され、外部からの作用に応じて前記半導体基板面の垂直方向に撓み、前記容量を変化させるワイヤ部と、をさらに備える
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。