JP4156880B2

JP4156880B2 - 電界効果トランジスタ

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Publication number: JP4156880B2
Application number: JP2002225469A
Authority: JP
Inventors: 正和青野; 剛長谷川; 知信中山; 一弥寺部; 利司阪本
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; NEC Corp; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; NEC Corp; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2022-08-02
Also published as: JP2004071659A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、混合導電体材料中の可動イオン密度を制御することにより、混合導電体材料の電子伝導性を制御する電界効果トランジスタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電界効果トランジスタと言えば、シリコンを材料のベースにしたＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄ−ＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のことであり、例えば、ファイマン・レクチャーズ・オン・コンピューテーション（ＦｅｙｎｍａｎＬｅｃｔｕｒｅｓｏｎＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ）第２２２頁〜第２３３頁に記載されている。
【０００３】
この方法では、ゲート電極（Ｍｅｔａｌ）に電圧を印加することにより、酸化膜（Ｏｘｉｄｅ）を介してシリコン層（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）に電界を印加し、このシリコン層中の電子分布を制御することにより電子伝導性を制御していた。また、この方法では、シリコンとゲート電極間に酸化膜を形成することで、シリコンとゲート電極間の電子の移動を防いでいる。
【０００４】
一方、イオンの移動を制御する素子として、固体電解質を用いた電子素子が、本願発明者らによって既に提案されている（特開２０００−２６５３４４）。
【０００５】
この方法では、固体電解質からなる第１の電極と金属からなる第２の電極間に電圧を印加して、固体電解質から金属原子を析出させ、２つの電極間に金属原子による架橋を形成する（スイッチ・オンの状態）。電圧の極性を逆にすれば、析出した金属原子が固体電解質内に固溶して架橋が消失する（スイッチ・オフの状態）。その場合の状態の読み出しは、前記析出反応および固溶反応の臨界電圧より小さい電圧を印加して、電極間に流れる電流を計測することで行う。このとき用いられる素子は、２端子素子である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したシリコンを用いた従来の電界効果トランジスタは、微細化が進んだ結果、まもなくその動作限界を迎えようとしている。例えば、半導体開発ロードマップによれば、その酸化膜厚（実効膜厚）は、２０１０年には既に１ｎｍを切っているだろうと予想されており、その場合、既存の材料を用いる限り、もはや絶縁膜として機能できなくなる。即ち、電界効果トランジスタとして動作しないことになる。
【０００７】
このため、分子デバイスなど、ｎｍサイズの新しいデバイスの開発が進められている。例えば、ネーチャー第３９３巻４９頁から５０頁（１９９８年）〔Ｎａｔｕｒｅ，３９３（１９９８）ｐｐ．４９−５０〕に、カーボンナノチューブを用いたトランジスタの実験結果が報告されている。しかし、この方法でも、カーボンナノチューブ以外のゲート電極などの構造体は、既存の半導体デバイスの製造プロセスを応用して作られており、結果として、トランジスタ全体のサイズは従来のものと大差ない。即ち、ｎｍサイズの素子の開発は、未だ基本原理実証の域を出ていないのが実状であった。
【０００８】
また、前記イオンの移動を制御するスイッチは、前記シリコンを用いた従来の電界効果トランジスタのサイズ的な限界を解決するものであったが、２端子素子であったために、増幅作用などがなく、機能として、前記シリコンを用いた従来の電界効果トランジスタに劣る面があった。
【０００９】
本発明は、上記状況を鑑みて、イオンの移動を制御することにより、電子伝導性を制御することができるナノメータサイズの電界効果トランジスタを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕電界効果トランジスタにおいて、イオン伝導性および電子伝導性を有する混合導電体材料で構成された第１の層（４）および第２の層（６）、およびこの第１の層（４）と第２の層（６）に挟まれたイオン伝導性のみを有するイオン導電体材料で構成される第３の層（５）を有し、前記第１の層（４）、第２の層（６）、第３の層（５）の各層における可動イオンは同種であり、前記可動イオンの各層間の移動を制御することにより前記第１の層（４）の電子伝導性を制御し、それによって、前記第１の層（４）に接続されたソース電極（２）・ドレイン電極（３）間の電流・電圧特性を制御することを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載の電界効果トランジスタにおいて、前記第２の層（６）上に設けたゲート電極（７）により、前記可動イオンの移動を制御することを特徴とする。
【００１２】
〔３〕上記〔１〕記載の電界効果トランジスタにおいて、前記第２の層（６）上に絶縁膜（３０）を配置し、この絶縁膜層（３０）上に設けたゲート電極（７）により、前記可動イオンの移動を制御することを特徴とする。
【００１３】
〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の電界効果トランジスタにおいて、

【００１４】
〔５〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の電界効果トランジスタにおいて、

【００１６】
すなわち、
〔１〕イオン伝導性および電子伝導性を有する混合導電体材料で構成された第１の層（４）を絶縁性基板（１）上に設置し、その上にイオン伝導性のみを有するイオン導電体材料で構成される第３の層（５）を設置し、さらにその上にイオン伝導性および電子伝導性を有する混合導電体材料で構成された第２の層（６）を設置し、さらにその第２の層（６）上に金属のゲート電極（７）を構成する。あるいは、第２の層（６）上に絶縁膜（３０）を配置し、この絶縁膜（３０）上に金属のゲート電極（７）を構成する。また、第１の層（４）に対して、ソース電極（２）およびドレイン電極（３）を接続して電界効果トランジスタを構成することを特徴とする。
【００１７】
〔２〕上記〔１〕記載の電界効果トランジスタにおいて、前記ゲート電極（７）に電圧を印加して、前記第２の層（６）内に電界を発生させ、これにより第２の層（６）内の可動イオンを移動させる。例えば、ゲート電極（７）に正の電圧を印加すれば、可動イオンは、前記第３の層（５）へ向かって移動し、その一部は、第３の層（５）内へ流入する。これに伴い、第３の層（５）から前記第１の層（４）へも可動イオンが流入し、第１の層（４）のイオン密度は上昇する。即ち、第１の層（４）においては、イオン密度の上昇に伴い、電子伝導度が高くなる。従って、ソース・ドレイン間に一定電圧を印加した場合、上記ゲート電圧の印加により、ソース・ドレイン間に流れる電流量は増大する。
【００１８】
一方、ゲート電極（７）に負の電圧を印加すれば、可動イオンの移動の向きは逆方向になり、前記第１の層（４）の可動イオン密度が減少し、その結果、第１の層（４）の電子伝導度が低くなり、ソース・ドレイン間の電流は減少する。このようにイオンの移動を電界により制御してトランジスタを動作させることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施例を示す電界効果トランジスタの模式図である。
【００２１】
この図に示すように、絶縁性基板１上に、ソース電極２およびドレイン電極３に挟まれる形で、混合導電体材料からなる第１の層４が形成されている。この第１の層４上には、イオン導電体材料からなる第３の層５が形成されており、さらにこの第３の層５の上には、混合導電体材料からなる第２の層６が形成されている。この第２の層６上には、ゲート電極７があり、これらは、絶縁膜８によって覆われている。
【００２２】
そこで、ゲート電極７に電圧を印加すると、前記第１の層４、第３の層５、第２の層６の各層内および各層間でイオンの移動が起こり、前記第１の層４内の可動イオン密度が変化することで、第１の層４内の電子伝導度が変化する。これによって、前記ソース電極２、ドレイン電極３間の電流・電圧特性が制御される。
【００２３】
このように、本発明は、混合導電体材料からなる層とイオン導電体材料からなる層とを積層することによって、イオンの移動を制御することにより、電子伝導性を制御する新しいタイプの電界効果トランジスタを実現した。
【００２４】
【実施例１】
図２は本発明の実施例を示す電界効果トランジスタの動作原理図である。
【００２５】
説明を簡単にするため、この図では、絶縁性基板１、ソース電極２、ドレイン電極３、混合導電体材料からなる第１の層４、イオン導電体材料からなる第３の層５、混合導電体材料からなる第２の層６、ゲート電極７と、前記第１の層４、第３の層５、第２の層６内の可動イオン９のみを模式的に示した。

【００２６】
図２（ａ）は、ゲート電圧がゼロの状態を示している。可動イオン９は、第１の層４、第２の層６、および第３の層５において均一な分布をしている。この状態でソース電極２、ドレイン電極３間に電圧を印加すれば、ソース電極２からドレイン電極３に、第１の層４を通って電流が流れる。

【００２７】
図２（ｂ）では、ゲート電極７に負の電圧が印加されており、第２の層６内の可動イオン（銀イオン）９が電界によってゲート電極７側に引き寄せられている。これに伴い、第２の層６内では、第３の層５近傍の銀イオン濃度が小さくなるので、それを補うため、第３の層５より第２の層６内へ銀イオン９が供給される。第３の層５内では、銀イオン９はヨウ素イオンと同数存在する必要があるため、第１の層４より、第３の層５内へ銀イオン９が供給される。
【００２８】
この結果、第１の層４内の銀イオン濃度が減少し、電子伝導度が減少する。即ち、ソース・ドレイン間に流れる電流が減少する。なお、これらイオンの移動は無限に続くわけではなく、ゲート電圧による電界とイオンの移動によって形成される電界が釣り合った時点で移動は終了する。つまり、ゲート電圧と１対１に対応したイオン分布となる。
【００２９】
一方、ゲート電極７に正の電圧を印加すると、図２（ｃ）に示すように、第２の層６内の銀イオン９はゲート電極７から遠ざかり、一部が、第３の層５内へ流入する。この結果、第３の層５から第１の層４内へ銀イオン９の供給が行われ、第１の層４内の銀イオン濃度が上昇する。即ち、第１の層４の電子伝導度が増し、ソース・ドレイン間の電流が増大する。
【００３０】
なお、イオン導電体からなる第３の層５は、イオン伝導性のみを有し、電子伝導性を有しないので、第１の層４と第２の層６間での電子の移動はない。即ち、第３の層５は、ＭＯＳＦＥＴで言うところのゲート絶縁膜の役目を果たす。ただし、上述の通り、ゲート電圧を印加することによってイオンの移動が起こるので、ゲート電圧に対応した準安定なイオン分布になるまでの間、いわゆるイオン電流が流れる。
【００３１】
しかし、この時間は、前記第１の層４、第２の層６、第３の層５の膜厚と余剰イオン量（δ）を最適化することで、数ナノ秒から数ピコ秒以下に抑えられ、また、このとき流れる電流量もナノアンペア（ｎＡ）以下に抑えることが出来るので、回路を構成する上で、何ら問題はない。
【００３２】
図３はソース・ドレイン間電圧を固定（０．５Ｖ）し、ゲート電圧を−２Ｖから＋２Ｖに掃引した場合のソース・ドレイン電流の測定結果である。ここで、横軸はゲート電圧（Ｖ）、縦軸がソース・ドレイン間電流（ｍＡ）を示す。
【００３３】
この図から明らかなように、ゲート電圧０Ｖでは、−１Ｖから＋１Ｖの範囲では、ゲート電圧に応じ、上述の説明の通り、ソース・ドレイン電流が変化している。−１Ｖ以下では、第１の層４内の余剰イオンがほとんどなくなっており、イオンの移動はこれ以上起こらず、電流がゼロとなっている。一方、＋１Ｖ以上では、やはり、イオンの移動がそれ以上は起こらず、一定電流が流れている。
【００３４】
このように、実施例１では、−１Ｖから＋１Ｖの範囲で電流の制御を行うことができるが、前記第１の層４、第２の層６、第３の層５の膜厚と余剰イオン量（δ）を制御することで、その範囲を変えた電界効果トランジスタを作製することが出来る。
【００３５】
【実施例２】
図４を用いて、余剰イオン量（δ）を小さくした場合の本発明に基づく電界効果トランジスタの動作を説明する。
【００３６】
この実施例では、余剰イオン量（δ）がほぼゼロとなるようにした。ゲート電極７の電圧がゼロの状態〔図４（ａ）〕では、第１の層４と第２の層６の余剰イオン量（δ）は等しい。従って、ゲート電圧ゼロの状態では、第１の層４内には、ほとんどキャリアが存在せず、ソース・ドレイン間に電流は流れない。
【００３７】
図５に測定結果を示す。この図では、横軸がゲート電圧（Ｖ）、縦軸がソース・ドレイン間電流（ソース・ドレイン間電圧：０．５Ｖ）（ｍＡ）を示している。
【００３８】
次いで、ゲート電圧として負電圧を印加すると、実施例１で説明した通り、第１の層４の余剰銀イオン９が限りなく０に近づくので〔図４（ｂ）〕、ソース・ドレイン間電流は流れない。
【００３９】
逆に、ゲート電圧として正の電圧を印加すると、第１の層４中の余剰銀イオン量（δ）が増え〔図４（ｃ）〕、導電性が増すので、ソース・ドレイン間に電流が流れるようになる。
【００４０】
この実施例では、電界効果トランジスタの閾値電圧が０Ｖとなるように余剰銀イオン量（δ）を制御したが、これを制御することで、閾値電圧をさらにプラス側にシフトさせることもできる。

【００４１】
【実施例３】

【００４２】
まず、絶縁性基板１０上にＰｔ配線１１を形成し、その上にＳｉＯ₂等よりなる絶縁層１２を形成する。さらに、その上にレジスト１３，１４を塗布し、電子線描画装置などによりパターンを形成する〔図６（ａ）〕。
【００４３】
次いで、絶縁層１２およびＰｔ配線１１をエッチングし、ソース電極１１′、ドレイン電極１１″、絶縁層１２′，１２″を形成する。さらに、真空蒸着法等により銀薄膜１５，１６，１７を形成する〔図６（ｂ）〕。
【００４４】
続いて、基板を２００℃程度に加熱した上で、この基板をイオウガス雰囲気中に導入すると、前記銀薄膜１５，１６，１７は硫化され、硫化銀薄膜１５′，１６′，１７′となる〔図６（ｃ）〕。
【００４５】
その後、基板をヨウ素雰囲気中に導入すると、硫化銀薄膜１５′，１６′，１７′の表面がヨウ化され、ヨウ化銀薄膜１８，１９，２０が形成される〔図６（ｄ）〕。これは、硫化銀よりもヨウ化銀の方が安定であることを利用したものである。従って、ヨウ化銀薄膜１８，１９，２０の膜厚を制御するには、基板をヨウ素雰囲気中に導入する際の基板温度、ヨウ素雰囲気濃度と導入時間を制御すればよい。
【００４６】
さらに、銀薄膜を真空蒸着などにより形成し、上記の方法で硫化し、硫化銀薄膜２１，２２，２３を形成し、その上にＰｔ電極２４，２５，２６を形成する〔図６（ｅ）〕。
【００４７】
最後に、リフトオフ法などによりレジスト１３，１４およびその上に形成された薄膜を除去して、本発明の電界効果トランジスタが形成される〔図６（ｆ）〕。この実施例では、電界効果トランジスタのサイズは、図６（ａ）に示すレジストの開口部の大きさで決まる。電子線描画装置などを用いれば、容易に１０ｎｍ以下の加工が可能であり、本発明に基づく電界効果トランジスタが容易に集積化できることが分かる。
【００４８】
なお、以上述べた製造プロセスは、一実施例である。他の製造プロセスにより作製しても、同様の構造が最終的に形成されれば、本発明に基づく電界効果トランジスタを実現できることは言うまでもない。
【００４９】
【実施例４】
図７は本発明に係る絶縁膜を用いた電界効果トランジスタの模式図である。
【００５０】
ここでは、ゲート電極７と混合導電体材料からなる第２の層６間に絶縁膜３０を配置するようにしたものである（図７参照）。
【００５１】
このように、ゲート電極７と第２の層６間に絶縁膜３０を配置することにより、ゲート電極７とソース電極２ないしドレイン電極３間には一切電流が流れなくなる。このため、高速動作を行う上では、実施例１に示した構造よりも、この実施例による構造の方が有利である。

【００５２】
図８（ａ）は、ゲート電圧がゼロの状態を示しており、可動イオン９は、第１の層４、第２の層６、および第３の層５において均一な分布をしている。この状態でソース電極２、ドレイン電極３間に電圧を印加すると、ソース電極２からドレイン電極３に、第１の層４を通って電流が流れる。
【００５３】
図８（ｂ）では、ゲート電極７に負の電圧が印加されており、絶縁膜３０を介して、第２の層６内に電界が印加され、第２の層６内の銀イオン９が該電界によって、絶縁膜３０（ゲート電極７）側に引き寄せられている。これに伴い、第２の層６内では、第３の層５近傍の銀イオン濃度が小さくなるので、それを補うため、第３の層５より第２の層６内へ銀イオン９が供給される。
【００５４】
第３の層５内では、銀イオン９はヨウ素イオンと同数存在する必要があるため、第１の層４より、第３の層５内へ銀イオン９が供給される。この結果、第１の層４内の銀イオン濃度が減少し、電子伝導度が減少する。即ち、ソース・ドレイン間に流れる電流が減少する。
【００５５】
一方、ゲート電極７に正の電圧を印加すると、図８（ｃ）に示すように、第２の層６内の銀イオン９はゲート電極７から遠ざかり、一部が、第３の層５内へ流入する。この結果、第３の層５から第１の層４内への銀イオン９の供給が行われ、第１の層４内の銀イオン濃度が上昇する。即ち、第１の層４の電子伝導度が増し、ソース・ドレイン間の電流が増大する。
【００５６】
なお、前述のように、本実施例では第２の層６とゲート電極７間に絶縁膜３０を配置したことで、ソース・ドレイン間電流にイオン電流に基づく電流は一切含まれないので、高速動作に適している。
【００５７】
上記したように、電子伝導性およびイオン伝導性を有する混合導電体と、イオン伝導性のみを有するイオン導電体とを積層し、電界を印加することで、前記混合導電体とイオン導電体間でのイオンの移動を誘起し、前記混合導電体中のイオンの濃度を制御する。この混合導電体中では、電子伝導性がイオン濃度に依存するので、前記イオンの濃度を電界で制御することにより、トランジスタ動作を実現できる。また、構造が簡単なので、ナノサイズ化が容易であり、従来型トランジスタで問題であったリーク電流が発生しないなどの利点がある。
【００５８】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００６０】
（Ａ）電子伝導性およびイオン伝導性を有する混合導電体と、イオン伝導性のみを有するイオン導電体とを積層し、電界を印加することで、前記混合導電体とイオン導電体間でのイオンの移動を誘起し、前記混合導電体中のイオンの濃度を制御する。この混合導電体中では、電子伝導性がイオン濃度に依存するので、前記イオンの濃度を電界で制御することにより、トランジスタ動作を実現できる。構造が簡単なので、ナノサイズ化が容易であり、従来型トランジスタで問題であったリーク電流が発生しないなどの利点がある。
【００６１】
（Ｂ）より具体的には、イオン伝導性および電子伝導性を有する混合導電体材料で構成された第１の層、第２の層、および前記第１の層と第２の層に挟まれたイオン伝導性のみを有するイオン導電体材料で構成された第３の層を備え、前記第１の層、第２の層、第３の層の各層における可動イオンは同種であり、前記可動イオンの各層間の移動を制御することにより、ソース・ドレイン間の電子伝導性を制御することができる新しいタイプのナノメータサイズの電界効果トランジスタを得ることができる。
【００６２】
（Ｃ）さらに、第２の層とゲート電極間に絶縁膜を配置することにより、高速動作に適した、新しいタイプのナノメータサイズの電界効果トランジスタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す電界効果トランジスタの模式図である。
【図２】本発明の実施例を示す電界効果トランジスタの動作原理図である。
【図３】図２に示す電界効果トランジスタの動作結果を示す図である。
【図４】本発明の実施例を示す別の電界効果トランジスタの動作原理図である。
【図５】図４に示す電界効果トランジスタの動作結果を示す図である。
【図６】本発明の実施例を示す電界効果トランジスタの製造工程断面図である。
【図７】本発明の実施例を示す絶縁膜を用いた電界効果トランジスタの模式図である。
【図８】本発明の実施例を示す絶縁膜を用いた電界効果トランジスタの動作原理図である。
【符号の説明】
１，１０絶縁性基板
２，１１′ ソース電極
３，１１″ ドレイン電極
４混合導電体からなる第１の層
５イオン導電体からなる第３の層
６混合導電体からなる第２の層
７ゲート電極
８，３０絶縁膜
９可動イオン（銀イオン）
１１Ｐｔ配線
１２，１２′，１２″ 絶縁層
１３，１４レジスト
１５，１６，１７銀薄膜
１５′，１６′，１７′，２１，２２，２３硫化銀薄膜
１８，１９，２０ヨウ化銀薄膜
２４，２５，２６Ｐｔ電極

Claims

イオン伝導性および電子伝導性を有する混合導電体材料で構成された第１の層および第２の層、および該第１の層と第２の層に挟まれたイオン伝導性のみを有するイオン導電体材料で構成される第３の層を有し、前記第１の層、第２の層、第３の層の各層における可動イオンは同種であり、前記可動イオンの各層間の移動を制御することにより前記第１の層の電子伝導性を制御し、それによって前記第１の層に接続されたソース電極・ドレイン電極間の電流・電圧特性を制御することを特徴とする電界効果トランジスタ。
請求項１記載の電界効果トランジスタにおいて、前記第２の層上に設けたゲート電極により、前記可動イオンの移動を制御することを特徴とする電界効果トランジスタ。
請求項１記載の電界効果トランジスタにおいて、前記第２の層上に絶縁膜を配置し、該絶縁膜層上に設けたゲート電極により、前記可動イオンの移動を制御することを特徴とする電界効果トランジスタ。
請求項１、２又は３記載の電界効果トランジスタにおいて、前記第１の層および第２の層を構成する混合導電体材料がＡｇ₂₊ _δＳないしＡｇ₂₊ _δＳｅであり、前記第３の層を構成するイオン導電体材料がＡｇＩないしＲｂＡｇ₄Ｉ₅であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
請求項１、２又は３記載の電界効果トランジスタにおいて、前記第１の層および第２の層を構成する混合導電体材料がＣｕ₁₊ _δＳないしＣｕ₂₊ _δＳないしＣｕ₂₊ _δＳｅであり、前記第３の層を構成するイオン導電体材料がＲｂ₄Ｃｕ₁₆Ｉ₇Ｃｌ₁₃であることを特徴とする電界効果トランジスタ。