JP3917025B2 - 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 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＭＯＳＦＥＴ）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（Ｍｏｔｔ−Ｈｕｂｂａｒｄ ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）、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。
【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Ｖ_g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、Ｌａ₂ＣｕＯ₄にホールを添加すれば、Ｌａ_2-xＳｒ_xＣｕＯ₄（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。
【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、低濃度の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とにより導電チャンネルが形成されるモット絶縁体と、該モット絶縁体上に配置され、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、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表面と前記導電チャンネルを介して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表面と前記導電チャンネルを介して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、ＳｒＴｉＯ_３基板であることが望ましい。また、前記モット絶縁体は、ＬａＴｉＯ_３、ＹＴｉＯ_３またはｈ−ＢａＴｉＯ_３物質よりなることが望ましい。また、前記強誘電体膜は、Ｂａ_１−ｘＳｒ_ｘＴｉＯ_３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。
【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。なお、本発明に係る「電界効果トランジスタ」は、従来の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）電界効果トランジスタ」を意味している。
【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。
【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、”Ｈｙｕｎ−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Ｕｃ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， ４３０２（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。
【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。
【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．Ｂｒｉｎｋｍａｎ，Ｔ．Ｍ．Ｒｉｃｅ， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ２，４３０２（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 Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ， Ｃｈａｐｔｅｒ３，（Ｔａｙｌｏｒ＆Ｆｒａｎｃｅｓ， 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。
【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。
【００２４】
例えば、物質Ｓｒ_1-xＬａ_xＴｉＯ₃（ＳＬＴＯ）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。
【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、ＬａＴｉＯ₃（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Ｎｃ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．Ｔａｇｕｃｈｉ， Ｙ．Ｏｋａｄａ， Ｙ．Ｆｕｊｉｓｈｉｍａ，Ｔ．Ａｒｉｍａ， Ｋ．Ｋｕｍａｇｉ， ａｎｄ Ｙ．Ｉｙｅ， Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ． ７０， ２１２６（１９９３）”及び”Ｋ．Ｋｕｍａｇａｉ， Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ， Ｙ．Ｔａｇｕｃｈｉ， Ｙ．Ｏｋａｄａ， Ｙ．Ｆｕｊｉｓｈｉｍａ， ａｎｄ Ｙ．Ｔｏｋｕｒａ， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ４８， ７６３６（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。
【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、σ_BR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、ＬａＴｉＯ₃（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＝０．９５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．Ｔｏｋｕｒａ， Ｙ．Ｔａｇｕｃｈｉ， Ｙ．Ｏｋａｄａ， Ｙ．Ｆｕｊｉｓｈｉｍａ， Ｔ．Ａｒｉｍａ， Ｋ．Ｋｕｍａｇｉ， ａｎｄ Ｙ．Ｉｙｅ， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ７０， ２１２６（１９９３）”及び”Ｋ．Ｋｕｍａｇａｉ， Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ｙ．Ｔａｇｕｃｈｉ， Ｙ．Ｏｋａｄａ， Ｙ．Ｆｕｊｉｓｈｉｍａ， ａｎｄ Ｙ．Ｔｏｋｕｒａ， Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ． 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、ＳｒＴｉＯ₃（ＳＴＯ）モット絶縁体に電子を添加するよりも、ＬａＴｉＯ₃（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４１０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、Ｂａ_1-xＳｒ_xＴｉＯ₃（ＢＳＴＯ）強誘電体膜４２０が形成される。このＢａ_1-xＳｒ_xＴｉＯ₃（ＢＳＴＯ）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４２０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４２０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Ｂａ_1-xＳｒ_xＴｉＯ₃（ＢＳＴＯ）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／ｃｍ²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Ｎ_charge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５０ｎｍである場合に約４×１０¹⁴／ｃｍ²になる。
【００３７】
すなわち、Ｎ_charge＝Ｖ_gε／ｅｄである。従って、ホール濃度Ｎ_hole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Ｖ_g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Ｎ_electronがホールの数Ｎ_hole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Ｖ_g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、本発明に係る電界効果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）電界効果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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】
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

Claims (5)

1. 基板と、
   該基板上に配置され、低濃度の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とにより導電チャンネルが形成されるモット絶縁体と、
   該モット絶縁体上に配置され、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、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表面と前記導電チャンネルを介して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表面と前記導電チャンネルを介して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。
2. 前記基板は、ＳｒＴｉＯ_３基板であることを特徴とする請求項１に記載のモット−ブリンクマン−ライス−キム（ＭＢＲＫ）電界効果トランジスタ。
3. 前記モット絶縁体は、ＬａＴｉＯ_３、ＹＴｉＯ_３またはｈ−ＢａＴｉＯ_３物質よりなることを特徴とする請求項１に記載のモット−ブリンクマン−ライス−キム（ＭＢＲＫ）電界効果トランジスタ。
4. 前記強誘電体膜は、Ｂａ_１−ｘＳｒ_ｘＴｉＯ_３物質よりなることを特徴とする請求項１に記載のモット−ブリンクマン−ライス−キム（ＭＢＲＫ）電界効果トランジスタ。
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。

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