JP5409626B2 - 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 - Google Patents
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Description
本発明は、金属・絶縁体転移（ＭＩＴ：metal-insulator transition）素子に関し、具体的には、ＭＩＴ薄膜を２元素以上の複合材料ではないゲルマニウム（Ｇｅ）単元素物質で製造したＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜、そのＭＩＴ薄膜を含むＭＩＴ素子、及びそのＭＩＴ素子の製造方法に関する。
最近、ＶＯ2等の酸化物や、ＧａＡｓ等の正孔（hole）を含む化合物から形成され、外部電圧によって抵抗の変化が発生する絶縁体についての研究が活発に進められている。具体的には、絶縁体から金属への急激な転移が発生する不連続ＭＩＴ物質について、転移の原因を究明するために、実験的研究がなされてきた。
このＭＩＴ物質は、基板に形成された後で電極を形成し、２端子又は３端子を有するＭＩＴ素子を形成するためにＭＩＴ物質を使用できるようにされる。そのようなＭＩＴ素子は、さまざまな電子素子に適用することができる。例えば、ＭＩＴ物質を用いた電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が特許文献１に開示される。
ＭＩＴ物質、又はＭＩＴ物質を含んだＭＩＴ素子において、ＭＩＴ素子に印加される電圧が所定電圧（以下、「転移電圧」と称する）以上であるとき、電流が不連続且つ急激に増加されるか、あるいは抵抗が不連続且つ急激に低下され、絶縁体状態から金属状態への転移が発生する。
一般的に、そのようなＭＩＴ物質は、酸化物や、正孔を含む化合物から形成される。しかしながら、二種以上の元素から形成されたＭＩＴ物質の場合、ＭＩＴ発生後に、望まない二次相転移が現れる可能性がある。
本発明は、２元素以上の複合材料ではないＧｅ単元素物質から形成され、物質成長を容易に実行することができ、構造的欠陥及び不純物添加による二次相（second phase）特性の問題を解決することができる、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜、そのＭＩＴ薄膜を含むＭＩＴ素子、及びそのＭＩＴ素子の製造方法を提供する。
本発明の一態様によると、基板上にゲルマニウム（Ｇｅ）単元素物質から形成され、所定転移電圧で不連続金属・絶縁体転移（ＭＩＴ）が発生するＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜が提供される。
この基板は、シリコン（Ｓｉ）、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、及びＡｌＡｓのうち１つを含むことができ、ｎ型、ｐ型、及び非ドープ型のうち１つの型を有し、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、低濃度の正孔を含むことができ、不連続ＭＩＴ特性を有することができる。
基板は、基板の上面にバッファ層を含むことができ、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜を、１５０〜２００ｎｍの厚さを有するように、スパッタリング法、ＭＢＥ（molecular beam epitaxy）法、電子ビーム蒸着（e-beam evaporation）法、熱蒸着（thermal evaporation）法、ＡＬＥ（atomic layer epitaxy）法、ＰＬＤ（pulsed laser deposition）法、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）法、ゾル・ゲル法、及びＡＬＤ（atomic layer depostion）法のうちの１つの方法を使用することにより、形成することができる。ここで、バッファ層は、ＳｉＯ2層、ＳｉＮ層、Ｓｉ3Ｎ4層、及びＡｌ2Ｏ3層のうち、少なくとも１つを含むことができる。
Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、基板上にじかに成長させることができる。この場合、基板は、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜と同じ格子構造を有する非ドープ型ＧａＡｓ基板であるか、またはＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜の格子定数と約７％異なる格子定数を有する非ドープ型Ｓｉ基板であって、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、基板上にＭＢＥ法を使用して、１５０〜２００ｎｍの厚さを有するように形成することができる。
本発明の別の態様によると、基板と、基板上にゲルマニウム（Ｇｅ）単元素物質から形成され、所定転移電圧で不連続金属・絶縁体転移（ＭＩＴ）が発生するＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜と、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜と接する少なくとも２枚の薄膜電極とを含むＭＩＴ素子であって、薄膜電極を介して印加される電圧又は電流によって、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜において不連続ＭＩＴが発生することを特徴とするＭＩＴ素子が提供される。
この少なくとも２枚の薄膜電極は、第１の薄膜電極、及び第２の薄膜電極を含むことができ、ＭＩＴ素子は、第１の薄膜電極が基板上に形成され、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜が第１の薄膜電極上に形成され、第２の薄膜電極がＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜上に形成される垂直型構造、又は、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜が基板上に形成され、第１の薄膜電極及び第２の薄膜電極がＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜両側面に、互いに対向するように形成される水平型構造を有することができる。
この基板は、シリコン（Ｓｉ）、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、及びＡｌＡｓのうち１つを含むことができ、ｎ型、ｐ型、及び非ドープ型のうち１つの型を有し、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、低濃度の正孔を含むことができ、不連続ＭＩＴ特性を有することができる。
Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、基板上にじかに成長させることができる。この場合、基板は、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜と同じ格子構造を有する非ドープ型ＧａＡｓ基板であるか、またはＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜の格子定数と約７％異なる格子定数を有する非ドープ型Ｓｉ基板であって、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、基板上にＭＢＥ法を使用して、形成することができる。
薄膜電極は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ＴａＮ、ＴａＷ、ＷＮ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、ポリシリコン（poly−Ｓｉ）、ＩｒＯ、ＲｕＯ、ＩｎＳｎＯ（ＩｎＯ：Ｓｎ）、又はＺｎＯのうち、少なくとも１つを含むことができる。薄膜電極のうちの１枚に、抵抗を接続することができる。
このＭＩＴ素子は、ＭＩＴ電池、ＭＩＴ発光素子、ＭＩＴセンサ、ＭＩＴ２端子スイッチング素子、ＭＩＴ３端子スイッチング素子（トランジスタ）、ＭＩＴメモリ、ＭＩＴ振動子、及びＭＩＴ ＲＦ（radio frequency）素子のうち、少なくとも１つに適用可能であることができる。
本発明の別の態様によると、基板上に第１の薄膜電極を形成するステップと、第１の薄膜電極上に、基板上にゲルマニウム（Ｇｅ）単元素物質から形成され、所定転移電圧で不連続金属・絶縁体転移（ＭＩＴ）が発生するＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜を形成するステップと、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜上に、第２の薄膜電極を形成するステップとを含むＭＩＴ素子の製造方法が提供される。
本発明の別の態様によると、基板上にゲルマニウム（Ｇｅ）単元素物質から形成され、基板上で、所定転移電圧で不連続金属・絶縁体転移（ＭＩＴ）が発生するＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜を形成するステップと、基板上に、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜両側面及び上面一部に、第１の薄膜電極と第２の薄膜電極との間で所定間隔を有するように、第１の薄膜電極及び第２の薄膜電極を形成するステップとを含むＭＩＴ素子の製造方法が提供される。
この基板は、非ドープ型ＧａＡｓ基板であるか、または非ドープ型Ｓｉ基板であってよく、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、基板上に、ＭＢＥ法を用いて形成することができ、基板が非ドープ型ＧａＡｓ基板である場合、非ドープ型ＧａＡｓ基板は、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜と同じ格子構造を有することができ、基板が非ドープ型Ｓｉ基板である場合、非ドープ型Ｓｉ基板は、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜の格子定数と約７％異なる格子構造を有することができる。
このＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、４００〜５００℃の温度及び１０-10〜１０-9torrの圧力で１０分間、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜を成長させることにより、形成することができる。
この基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、及びＡｌＡｓのうち１つを含むことができ、ｎ型、ｐ型、及び非ドープ型のうち１つの型を有することができ、この方法は、基板上にバッファ層を形勢するステップをさらに含むことができ、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜を、スパッタリング法、ＭＢＥ法、電子ビーム蒸着法、熱蒸着法、ＡＬＥ法、ＰＬＤ法、ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法、及びＡＬＤ法のうちの１つを用いて形成することができる。
このＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、スパッタリング法を用いて、４００〜５００℃の温度及び１０-6〜１０-5torrの圧力で５分間、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜を成長させることにより、形成することができる。
本発明に従って、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜を、高純度Ｇｅ単元素物質から形成することができるので、２元素以上の複合材料によって製造されたＭＩＴ薄膜に比べて容易に低コストで成長させることができる。また、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜を含むＧｅ基盤のＭＩＴ素子も製作することができる。
更に、本発明によるＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、高い転移温度を有することができるので、構造的欠陥及び電気的な特性変化に関する問題を解決することができ、二次相（second phase）特性問題も解決することができる。
従って、本発明によるＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜を含んだＧｅ基盤のＭＩＴ素子は、２元素以上の複合材料から形成されるＭＩＴ薄膜を含むＭＩＴ素子に適用することができる、電子素子／装置または電気システム、ＭＩＴ太陽電池、及びＭＩＴ発光素子のようなＭＩＴ現象を利用する様々な素子に適用することができる。
本発明の上記及び他の特徴及び効果は、添付図面に関する例示的実施形態を詳細に説明することにより、より明らかになる。
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明をより詳細に説明する。添付された図面には、本発明の例示的実施形態が示される。ある要素が別の要素の「上に（on）」存在すると記述されるとき、これは、他の要素の真上に存在できること、または介在する要素が存在することもできることを理解されたい。図面において、要素の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確性のために誇張され、説明と関係ない部分は省略されている。図面上で同一符号は、同じ要素を示す。一方、本発明を説明するために使われる用語は、単に記述的な目的で使われたものであり、本発明の範囲を制限することを意図されない。
図１は、本発明の一実施形態による、Ｇｅ基盤の金属・絶縁体転移（ＭＩＴ：metal-insulator transition）素子の断面図である。
図１を参照すると、本発明の本実施形態によるＧｅ基盤ＭＩＴ素子は、垂直型構造を有し、基板１００、基板１００上に形成されたバッファ層２００、ＭＩＴ薄膜３００、及びバッファ層２００上に形成された第１の薄膜電極４１０と、ＭＩＴ薄膜３００上に形成された第２の薄膜電極４２０とを含む薄膜電極４００を含む。
バッファ層２００は、基板１００と第１の薄膜電極４１０との間で、格子不整合（lattice mismatch）を緩和させる。基板１００と第１の薄膜電極４１０との間の、格子不整合が非常に小さいときは、バッファ層２００を形成せずに、第１の薄膜電極４１０を基板１００上に直接に形成することができる。このバッファ層２００は、ＳｉＯ2層、ＳｉＮ層、Ｓｉ3Ｎ4層、及びＡｌ2Ｏ3層のうち、少なくとも１つを含むことができる。
基板１００は、シリコン（Ｓｉ）、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、及びＡｌＡｓのうちの１つを含むことができ、ｎ型、ｐ型、及び非ドープ型のうちの１つの型を有することができる。また、基板１００は、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、プラスチック、ガラス、Ｖ2Ｏ5、ＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ7、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ3、ＮｂがドープされたＳｒＴｉＯ3、及び絶縁薄膜上のシリコン（ＳＯＩ）のうち、少なくとも１つを含むこともできる。
ＭＩＴ薄膜３００の電気的特性は、２電極を介して印加される電圧によって急激に変わる。すなわち、電圧が転移電圧未満である場合、ＭＩＴ薄膜３００は絶縁体の特性を有し、電圧が転移電圧以上である場合、不連続ＭＩＴによって金属の特性を有する。
ＭＩＴ薄膜は、低濃度の正孔を含む、ｐ型無機物半導体、ｐ型無機物絶縁体、ｐ型有機物半導体、及びｐ型有機物絶縁体のうち、少なくとも１つを含むことができる。ｐ型無機物半導体、ｐ型無機物絶縁体、ｐ型有機物半導体、及びｐ型有機物絶縁体のようなＭＩＴ薄膜物質の各々は、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）、Ｓｉ、Ｇｅ、半導体化合物（ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＩＶ族）、遷移金属元素、希土類元素、及びランタン系元素のうちの少なくとも１つを含むことができる。例えば、ＭＩＴ薄膜は、ＧａＡＳ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧＳＴ（ＧｅＳｂＴｅ）の化合物や、Ｓｉ、Ｇｅのような半導体物質から形成することができる。一方、ＭＩＴ薄膜は、非常に大きい抵抗を有するｎ型半導体又はｎ型絶縁体を含むことができる。ここで、含まれた正孔の濃度は、３×１０16cm-3ほどである。
より詳細には、ＭＩＴ薄膜は、Ａｌ2Ｏ3、ＶＯ2、Ｖ2Ｏ3、ＺｒＯ2、ＺｎＯ、ＨｆＯ2、ＣｕＯ、Ｔａ2Ｏ5、Ｌａ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、ＮｉＯ、及びＭｇＯのうち少なくとも１つを含む酸化層物質；ＡｌxＴｉyＯ、ＺｎxＴｉyＯ、ＺｒxＴｉyＯ、ＴａxＴｉyＯ、ＶxＴｉyＯ、ＬａxＴｉyＯ、ＢａxＴｉyＯ、及びＳｒxＴｉyＯのうち少なくとも１つを含む酸化層物質；ＧａＡＳ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧＳＴ、Ｓｉ、及びＧｅのうち少なくとも１つを含む半導体物質のうち、少なくとも１つの物質を含むことができる。
しかしながら、本発明の本実施形態によるＭＩＴ薄膜３００は、二種以上の元素の複合材料ではなく、Ｇｅ単元素物質のみから形成される。すなわち、ＭＩＴ薄膜３００は、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜である。
そのようなＭＩＴ薄膜３００は、さまざまな方法を使用することにより形成することができる。本発明の本実施形態のように、バッファ層２００や第１の薄膜電極４１０上に、ＭＩＴ薄膜３００が形成される場合、バッファ層２００、又は第１の薄膜電極４１０に適切な物質を選択すること、及び多様な蒸着方法を用いることにより、ＭＩＴ薄膜３００を形成することができる。
例えば、ＭＩＴ薄膜３００を、スパッタリング法、ＭＢＥ（molecular beam epitaxy）法、電子ビーム蒸着（e-beam evaporation）法、熱蒸着（thermal evaporation）法、ＡＬＥ（atomic layer epitaxy）法、ＰＬＤ（pulsed laser deposition）法、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）法、ゾル・ゲル法、及びＡＬＤ（atomic layer deposition）法のうちの少なくとも１つを用いることにより形成することができる。
一方、電極薄膜４００は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ＴａＮ、ＴａＷ、ＷＮ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、ポリシリコン、及び酸化物電極のうち、少なくとも１つを含むことができる。ここで、酸化物電極は、ＩｒＯ、ＲｕＯ、ＩｎＳｎＯ（ＩｎＯ：Ｓｎ）、又はＺｎＯであってよい。
本発明の本実施形態に従って、Ｇｅ単元素物質のみを用いてＧｅ基盤のＭＩＴ素子のＭＩＴ薄膜３００を形成することにより、二種以上の元素の化合物から形成されたＭＩＴ薄膜に比べて、物質成長を容易に実行することができ、二種以上の元素の結合により生じる含まれた不純物や構造的欠陥による二次相特性の望ましくない問題を解決することができる。
従って、上記の効果により、Ｇｅ単元素物質から形成されるＭＩＴ薄膜３００を含むＧｅ基盤のＭＩＴ素子は、ＭＩＴ電池、ＭＩＴ発光素子、ＭＩＴセンサ、ＭＩＴ２端子スイッチング素子、ＭＩＴ３端子スイッチング素子（トランジスタ）、ＭＩＴメモリ、ＭＩＴ振動子、及びＭＩＴ ＲＦ（radio frequency）素子のような、ＭＩＴ現象を利用する多様な素子に適用することができる。
図２は、本発明の別の実施形態による、Ｇｅ基盤ＭＩＴ素子の断面図である。
図２を参照すると、本発明の本実施形態によるＧｅ基盤ＭＩＴ素子は、水平型構造を有し、基板１００、基板１００上に形成されたバッファ層２００、バッファ層２００の上面の一部に形成されたＭＩＴ薄膜３００ａ、及び互いに対向しＭＩＴ薄膜３００ａの両側面と上面の一部に形成された第１の薄膜電極４１０ａと第２の薄膜電極４２０ａとを含む薄膜電極４００ａを含む。すなわち、第１の薄膜電極４１０ａと第２の薄膜電極４２０ａは、ＭＩＴ薄膜３００ａを間にさらすことによって、互いに分離されている。
バッファ層２００は、基板１００とＭＩＴ薄膜３００ａとの間で、格子不整合を低減する。基板１００とＭＩＴ薄膜３００ａとの間で、格子不整合が非常に小さいときは、バッファ層２００を形成せずに、ＭＩＴ薄膜３００ａを基板１００上に直接形成することができる。基板１００、バッファ層２００、及び電極薄膜４００ａを形成するために、上述の物質を使用できることは明白である。
一方、本発明の本実施形態によるＭＩＴ薄膜３００ａもまた、Ｇｅ単元素物質のみから形成されたＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜である。また、図１に関して上で述べたように、そのようなＭＩＴ薄膜３００を、バッファ層２００に適した物質を選択すること、並びにスパッタリング法、ＭＢＥ法、電子ビーム蒸着法、熱蒸着法、ＡＬＥ法、ＰＬＤ法、ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法、及びＡＬＤ法のような様々な蒸着方法のうちの少なくとも１つを使用することにより、形成することができる。
そのような、水平型構造を有するＧｅ基盤ＭＩＴ素子は、μｍ単位の小型に、非常に廉価で製作することができる。
図３Ａ及び図３Ｂはそれぞれ、本発明の別の実施形態による、Ｇｅ基盤ＭＩＴ素子の断面図及び平面図である。
図３Ａ及び図３Ｂにおいて、本発明の本実施形態による、Ｇｅ基盤ＭＩＴ素子は、基板１００、ＭＩＴ薄膜３００ａ、及び第１の薄膜電極４１０ａと第２の薄膜電極４２０ａとを含む薄膜電極４００ａを含む。
図３Ａを参照すると、このＧｅ基盤ＭＩＴ素子は、前の図２の実施形態によるＧｅ基盤ＭＩＴ素子と類似した構造を有するが、バッファ層を含まない。従って、図３において、ＭＩＴ薄膜３００ａは、注意深く形成しなければならない。すなわち、本発明の本実施形態によると、ＭＢＥ装置を用いて基板１００上にじかにＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜を成長させて、ＭＩＴ薄膜３００ａを形成することができる。
ＭＢＥ装置を使用することにより、高純度薄膜を成長させる場合、最も重要な要素の一つは、成長物質を蒸着するのに必要な基板である。これは、成長物質の質は、成長物質と基板１００との間の格子不整合に基づくためである。
本発明の本実施形態では、結晶学上［１００］方向の配向を有する非ドープ型ＧａＡｓ基板、または結晶学上［１００］方向の配向を有する非ドープ型Ｓｉ基板が使用される。非ドープ型ＧａＡｓ基板上で、ＭＩＴ薄膜３００ａと非ドープ型ＧａＡｓ基板との間で、格子不整合が発生しないため、ＭＩＴ薄膜に関する欠陥量を低減させる。従って、高純度薄膜を成長させることを可能とする。
非ドープ型Ｓｉ基板の格子定数は、ＭＩＴ薄膜３００ａの格子定数と約７％異なる。非ドープ型Ｓｉ基板は、ＭＩＴ薄膜３００ａの成長方向を変化させるために使用される。すなわち、非ドープ型Ｓｉ基板は、非ドープ型Ｓｉ基板と成長物質との格子不整合を利用することにより、成長物質の成長軸（結晶軸）を変化させるために使用される。また、非ドープ型Ｓｉ基板が使用される場合、非ドープ型ＧａＡｓ基板に比べて、生産コストを大幅に削減でき、広い面積の薄膜を容易に形成することができる。
一方、基板１００の影響を排除するため、及び高コストのＭＢＥ装置を使用せず、スパッタリング法のような様々な蒸着法を使用し、ＭＩＴ薄膜３００ａを成長させて、低コストな大量生産を可能にするために、基板上にじかにＭＩＴ薄膜３００ａを形成せずに、ＳｉＯ2薄膜のようなバッファ層を基板１００とＭＩＴ薄膜３００ａとの間に形成できることは明白である。
図１に関して上述したように、印加電圧が転移電圧以上である場合に、不連続ＭＩＴがＧｅ基盤ＭＩＴ素子において発生する。この転移電圧は、Ｇｅ基盤ＭＩＴ素子の構造により変えることができる。例えば、図３Ｂを参照すると、第１の薄膜電極４１０ａと第２の薄膜電極４２０ａとの間の距離Ｄや、ＭＩＴ薄膜３００ａの幅Ｗを変化させることによって、転移電圧を変化させることができる。
前の図２の実施形態によるＧｅ基盤ＭＩＴ素子は、図３Ｂの平面図と類似した平面図を有する。しかしながら、前の図２の実施形態によるＧｅ基盤ＭＩＴ素子では基板１００上にバッファ層２００が形成されるので、基板１００ではなく、バッファ層２００を第１の薄膜電極４１０ａと第２の薄膜電極４２０ａとの間に露出することができる。水平型構造を有するＧｅ基盤ＭＩＴ素子においても、第１の薄膜電極４１０ａと第２の薄膜電極４２０ａとの間の距離ＤやＭＩＴ薄膜の幅Ｗを変化させることにより、転移電圧を変化させることができる。
図４Ａは、本発明の実施形態による、図３Ａに示した非ドープ型Ｓｉ基板を利用するＧｅ基盤ＭＩＴ素子の電圧モードにおける電流及び電圧のグラフである。
図４Ａを参照すると、図３Ｂに示す第１の薄膜電極４１０ａと第２の薄膜電極４２０ａとの間の距離Ｄによって、Ｇｅ基盤ＭＩＴ素子の転移電圧が変わることが分かる。第１の薄膜電極４１０ａと第２の薄膜電極４２０ａとの間の距離Ｄが短くなるほど、転移電圧が低くなる。
図４Ｂは、本発明の実施形態による、図３Ａに示した非ドープ型Ｓｉ基板を利用するＧｅ基盤ＭＩＴ素子の電流モードにおける電流及び電圧のグラフである。
図４Ｂを参照すると、電流モードで、すなわちＧｅ基盤ＭＩＴ素子に印加される最大電圧を所定電圧に制限した状態で、Ｇｅ基盤ＭＩＴ素子に流れる電流を増加させることで、電流と電圧とが測定される。図４Ｂに示すように、ＭＩＴ発生後、電圧が瞬間的に降下すると同時に、電流が急激に増加する。
図４Ａ及び図４Ｂに示すように、Ｇｅ単元素物質のみから形成されるＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜と二種以上の元素から形成されたＭＩＴ薄膜とは、ほぼ同じＭＩＴ特性を有する。
一方、非ドープ型Ｓｉ基板上に形成されたＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜の転移電圧より、非ドープ型ＧａＡｓ基板上に形成されたＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜の転移電圧が、相対的に高い。これは、非ドープ型ＧａＡｓ基板上に形成されたＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、格子不整合を有さないので、大きい抵抗値を有するためである。Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜の転移電圧は、外部可変抵抗を第１の薄膜電極と第２の薄膜電極との一方に接続すること、第１の薄膜電極と第２の薄膜電極との間の距離を調節すること、バッファ層に適切な物質を選択すること、又はＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜の成長条件を変えることにより、制御することができる。
図５Ａは、本発明の実施形態による、Ｇｅ基盤ＭＩＴ素子の製造方法のフローチャートである。
図５Ａを参照すると、まず、基板上に、第１電極薄膜が形成される（Ｓ１００）。図１に関して上述したように、第１の薄膜電極は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｔａ、ＴａＮ、ＴａＷ、ＷＮ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、poly−Ｓｉ、及び酸化物電極のうち、少なくとも一つを含むことができる。ここで、酸化物電極は、ＩｒＯ、ＲｕＯ、ＩｎＳｎＯ、又はＺｎＯであってよい。一方、第１の薄膜電極が形成される前に、基板と第１の薄膜電極との間の格子不整合を低減させるために、適当なバッファ層を基板上に形成することができる。
次に、第１の薄膜電極上に、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜を形成する（Ｓ１２０）。Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、スパッタリング法、ＭＢＥ法、電子ビーム蒸着法、熱蒸着法、ＡＬＥ法、ＰＬＤ法、ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法、及びＡＬＤ法のような方法のうち、少なくとも１つを用いることにより形成することができる。
具体的には、スパッタリング法を利用する場合、４００〜５００℃の温度及び１０-6〜１０-5torrの圧力で５分間、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜を成長させることによって、約１５０〜２００ｎｍの厚さを有するＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜を得ることができる。一方、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜が成長された後、同一温度でＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜上で熱処理を行い、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜の安定性を高めることができる。スパッタリング法は、プラズマ生成条件を変化させることによって、多様な時間内に、多様な厚さのＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜を成長させることができる点において利点を有する。
スパッタリング法によって成長されたＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜が成長されるときに、適切な温度を調節することにより、低濃度な必要正孔をＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜内に生成することによって、所定転移電圧で不連続ＭＩＴが発生するＭＩＴ特性を有する。
上述のようにして生成されたＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜上に、第２の薄膜電極を形成する（Ｓ１４０）。第２の薄膜電極は、第１の薄膜電極と同じ材質によって形成できることはいうまでもない。
図５Ｂは、本発明の別の実施形態による、Ｇｅ基盤ＭＩＴ素子の製造方法のフローチャートである。
図５Ｂを参照すると、まず、基板上に、Ｇｅ基板ＭＩＴ薄膜を形成する（Ｓ２００）。基板上にじかにＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜を形成する場合、基板の材質が重要である。従って、図３Ａに関して上述したように、基板として、結晶学上［１００］方向の配向を有する非ドープ型ＧａＡｓ基板、又は非ドープ型Ｓｉ基板が使用される。
非ドープ型ＧａＡｓ又は非ドープ型Ｓｉ基板上に形成されるＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、ＭＢＥ法を使用することにより、形成することができる。４００〜５００℃、特に約４５０℃の温度、１０-10〜１０-9torrほどの圧力下で、１０分間、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜を成長させることによって、約１５０〜２００ｎｍの厚さを有するＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜を得ることができる。一方、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜が成長された後、同一温度でＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜上で熱処理を行い、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜の安定性を高めることができる。
基板上にじかに形成されたＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜が成長されるときに、原子の配列を調整することにより、低濃度な必要正孔をＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜内に生成することによって、所定転移電圧で不連続ＭＩＴが発生するＭＩＴ特性を有する。
一方、基板上にじかにＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜を形成せず、例えば、ＳｉＯ2層、ＳｉＮ層、Ｓｉ3Ｎ4層、及びＡｌ2Ｏ3層のうち、少なくとも１枚の層を含む適切なバッファ層を形成することによって、図１、図２、及び図５Ａに関して上述した、ＭＢＥ法を含む多様な方法を用いて、バッファ層上にＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜を形成できることはいうまでもない。
Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜形成後に、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜の両側面及び上面の一部に導電性物質を蒸着することにより、第１の薄膜電極及び第２の薄膜電極を形成する（Ｓ２２０）。第１の薄膜電極及び第２の薄膜電極は、図１及び図５Ａに関して上述した物質のうちの少なくとも１つから形成することができる。第１の薄膜電極及び第２の薄膜電極は、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜を挟むことにより、互いに分離するように形成される。図３Ｂ、図４Ａ、及び図４Ｂに関して上述したように、第１の薄膜電極と第２の薄膜電極との間の間隔を調節することによって、Ｇｅ基盤ＭＩＴ素子の転移電圧を調節することができる。
上述のように、本発明によると、Ｇｅ基盤ＭＩＴ薄膜は、高純度Ｇｅ単元素物質から形成されるので、２元素以上の複合材料から形成されたＭＩＴ薄膜に比べて、低コストで容易に成長させることができる。また、このＧｅ基盤ＭＩＴ薄膜を含むＧｅ基盤ＭＩＴ素子を製造することができる。
更に、本発明によるＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、高い転移温度を有するので、構造的欠陥及び電気的な特性変化に関する問題を解決することができ、二次相（second phase）特性の問題も解決することができる。
それによって、本発明による、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜を含むＧｅ基盤ＭＩＴ素子は、２元素以上の複合材料から形成されるＭＩＴ薄膜を含むＭＩＴ素子に適用することができる、電子素子／装置または電気システム、ＭＩＴ太陽電池、及びＭＩＴ発光素子のようなＭＩＴ現象を利用する様々な素子に適用することができる。
本発明が、例示的実施形態に関し、具体的に示され、説明されてきたが、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形式及び細部において本発明に多様な変形を行えることは、本技術分野の当業者によって、理解されるであろう。例示的実施形態は、記述的な意味のみで考えられるべきであって、限定の目的で考えられるべきではない。よって、本発明の範囲は、発明の詳細な説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって定義され、この範囲内の全ての差異は、本発明に含まれると解される。
本発明は、金属・絶縁体転移（ＭＩＴ）素子に関し、より具体的には、ＭＩＴ薄膜を２元素以上の複合材料ではないゲルマニウム（Ｇｅ）単元素物質で製造したＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜、そのＭＩＴ薄膜を含むＭＩＴ素子、及びそのＭＩＴ素子の製造方法に関する。本発明によると、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜を、高純度のＧｅ単元素物質で形成できるので、２元素以上の複合材料から製造されたＭＩＴ薄膜に比べ、低コストで容易に成長させることができる。また、Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜を含んだＧｅ基盤のＭＩＴ素子を製作することができる。
Claims (4)
- 基板上にゲルマニウム（Ｇｅ）単元素物質から形成され、所定転移電圧で不連続金属・絶縁体転移（ＭＩＴ）が発生するＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜であって、
前記基板は、前記Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜と同一の格子構造を有する非ドープ型ＧａＡｓ基板であるか、または前記Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜の格子定数と７％異なる格子定数を有する非ドープ型Ｓｉ基板であり、
前記Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、ＭＢＥ法を用いることにより前記基板上に、１５０〜２００ｎｍの厚さを有するように形成されることを特徴とするＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜。 - 基板と、
前記基板上にゲルマニウム（Ｇｅ）単元素物質から形成され、所定転移電圧で不連続金属・絶縁体転移（ＭＩＴ）が生じるＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜と、
前記Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜に接触する少なくとも２つの薄膜電極と
を備えるＭＩＴ素子であって、
前記薄膜電極を介して印加される電圧または電流によって、前記Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜において前記不連続ＭＩＴが発生し、
前記基板は、前記Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜と同一の格子構造を有する非ドープ型ＧａＡｓ基板であるか、または前記Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜の格子定数と７％異なる格子定数を有する非ドープ型Ｓｉ基板であり、
前記Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、前記基板上に、ＭＢＥ法を用いて形成されることを特徴とするＭＩＴ素子。 - 基板上に、前記基板上にゲルマニウム（Ｇｅ）単元素物質から形成され、所定転移電圧で不連続金属・絶縁体転移（ＭＩＴ）が生じるＧｅ基盤のＭＩＴ薄膜を形成するステップと、
前記基板上に、前記Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜の両側面及び上面の一部に、第１の薄膜電極と第２の薄膜電極との間で所定間隔を有するように、前記第１の薄膜電極と前記第２の薄膜電極とを形成するステップと
を含むＭＩＴ素子を製造する方法であって、
前記基板は、非ドープ型ＧａＡｓ基板であるか、または非ドープ型シリコン（Ｓｉ）基板であり、
前記Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、前記基板上に、ＭＢＥ法を用いることにより形成され、
前記基板が前記非ドープ型ＧａＡｓ基板である場合、前記非ドープ型ＧａＡｓ基板は、前記Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜と同じ格子構造を有し、
前記基板が非ドープ型Ｓｉ基板である場合、前記非ドープ型Ｓｉ基板は、前記Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜の格子定数と７％異なる格子定数を有することを特徴とするＭＩＴ素子を製造する方法。 - 前記Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜は、４００〜５００℃の温度、１０-10〜１０-9torrの圧力で１０分間、前記Ｇｅ基盤のＭＩＴ薄膜を成長させることにより形成されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
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