JP5717063B2 - 電流制御素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、所定の電場を作用させることにより電流量を制御可能とした電流制御素子及びその製造方法に関する。
従来、半導体素子では、ｐ型半導体層とｎ型半導体層、さらには絶縁層などを用いてトランジスタやダイオードなどを構成しており、これらの素子を用いて所要の半導体回路を形成している。
特に、半導体回路中のトランジスタは、通電のオン・オフの切替制御を行うスイッチング素子として用いられることが多い。
トランジスタは、一般的にｐ型半導体層とｎ型半導体層とを接合させて形成しており、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが接合されたｐｎ接合を有していることにより、このｐｎ接合部分に生じているエネルギーバンドギャップを超えるエネルギを与えない限り、トランジスタを駆動させることができないこととなっている。
したがって、シリコンを用いて形成された半導体回路中のトランジスタでは、少なくとも0.7V以上の駆動用の電圧が必要であり、半導体回路を安定的に動作させるために、通常は約1.5V以上の電圧を印加していることが多い。
さらに、半導体回路では、動作にともなって電力を消費して発熱するため、省電力化のためだけでなく、発熱量を抑制するためにも半導体回路はできるだけ低い電圧で駆動させることが求められている。
そこで、バナジウム酸化物や、ニッケル酸化物、あるいはハフニウム酸化物などを用いて構成した相変化層を設け、この相変化層が電圧の印加によって伝導性が変化することを利用してチャネルの物性を制御し、半導体回路の駆動電圧を低下させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−１１４８１０９号公報
しかしながら、相変化層でチャネルの物性を制御するだけでは十分ではなく、しかも、構造が複雑化することにより製造コストが増大するおそれがあった。
本発明者らは、希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物の研究を行う中で、この化合物の通電特性を利用することにより、小さい駆動電圧で電流制御が可能な電流制御素子を提供できることに思い至り、本発明を成したものである。
本発明の電流制御素子では、電場を作用させることにより電流量を制御する電流制御体と、電流制御体に所定の電場を作用させる電極とを有する電流制御素子であって、電流制御体を希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で構成することとした。
さらに、本発明の電流制御素子では以下の点にも特徴を有するものである。すなわち、
（１）前記化合物が、Ｒを、Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ceから選ばれる少なくとも１種類の元素、Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも１種類の元素、ｎを１以上の整数、ｍを０以上の整数、δを０以上0.2以下の実数として、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される化合物、またはその化合物のＲの一部を正二価以下の元素により置換した化合物であること。
（２）電流制御体を、ドレイン電極とソース電極を設けたｐ型電導体のドレイン電極とソース電極との間に接合させたこと。
（３）電流制御体に、電流を入力する入力側電極と、電流を出力させる出力側電極とを設けたこと。
（４）電流制御体に作用させる電場の向きを化合物のｃ軸方向としたこと。
（１）前記化合物が、Ｒを、Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ceから選ばれる少なくとも１種類の元素、Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも１種類の元素、ｎを１以上の整数、ｍを０以上の整数、δを０以上0.2以下の実数として、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される化合物、またはその化合物のＲの一部を正二価以下の元素により置換した化合物であること。
（２）電流制御体を、ドレイン電極とソース電極を設けたｐ型電導体のドレイン電極とソース電極との間に接合させたこと。
（３）電流制御体に、電流を入力する入力側電極と、電流を出力させる出力側電極とを設けたこと。
（４）電流制御体に作用させる電場の向きを化合物のｃ軸方向としたこと。
また、本発明の電流制御素子の製造方法では、電場を作用させることにより電流量を制御する電流制御体と、電流制御体に所定の電場を作用させる電極とを有する電流制御素子の製造方法であって、電流制御体を希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で形成する工程を有することとした。
本発明では、電場を作用させることにより電流量を制御する電流制御体と、電流制御体に所定の電場を作用させる電極とを有する電流制御素子の電流制御体を、希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で形成することにより、0.7Ｖよりも低い電圧で駆動する電流制御素子を提供でき、省電力で低発熱の電流制御素子とすることができる。
10 ｐ型電導体
11 ドレイン電極
12 ソース電極
13 電流制御体
14 ゲート電極
11 ドレイン電極
12 ソース電極
13 電流制御体
14 ゲート電極
本発明の電流制御素子及びその製造方法では、電場を作用させることにより電流量を制御する電流制御体と、電流制御体に所定の電場を作用させる電極とを有する電流制御素子において、電流制御体を、希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で形成しているものである。
電流制御体は、具体的には、Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ceから選ばれる少なくとも１種類の元素、Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも１種類の元素、ｎを１以上の整数、ｍを０以上の整数、δを０以上0.2以下の実数として、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される化合物、またはその化合物のＲの一部を正二価以下の元素により置換した化合物である。
以下において、ＲをLuとし、Ma及びMbをFeとしたLuFe2O4を代表例として、層状三角格子構造を有する化合物を説明する。
LuFe2O4は、以下の手順により生成できる。
（１）酸化ルテチウム(Lu2O3)と酸化鉄(III)(Fe2O3)とを１：２の割合で混合するとともに、ボールミルで約１時間混合し、混合物を生成する。
（２）前記混合物を所定形状に成形して、酸素雰囲気下で、24時間、800℃に加熱して仮焼成体を生成する。
（３）ＦＺ(Floating Zone)法によって前記仮焼成体を本焼成することにより、単結晶のLuFe2O4とする。このとき、一酸化炭素と二酸化炭素の混合ガスであるCO−CO2混合ガスの雰囲気下で結晶成長させている。
（１）酸化ルテチウム(Lu2O3)と酸化鉄(III)(Fe2O3)とを１：２の割合で混合するとともに、ボールミルで約１時間混合し、混合物を生成する。
（２）前記混合物を所定形状に成形して、酸素雰囲気下で、24時間、800℃に加熱して仮焼成体を生成する。
（３）ＦＺ(Floating Zone)法によって前記仮焼成体を本焼成することにより、単結晶のLuFe2O4とする。このとき、一酸化炭素と二酸化炭素の混合ガスであるCO−CO2混合ガスの雰囲気下で結晶成長させている。
なお、単結晶を生成する本焼成では、CO−CO2混合ガスの代わりにCO2−H2混合ガスを用いてもよく、還元雰囲気で酸素分圧を制御しながら焼成することにより酸素の量を調整している。
単結晶のLuFe2O4の結晶構造について、図１及び図２を用いて説明する。なお、説明の便宜上、LuFe2O4の結晶構造は、結晶中のFeイオンにおいてFe3+とFe2+の規則構造が出現していない、いわゆる電荷秩序化前の状態としている。
図１は、平面視における各元素の配置の概略説明図であり、元素Ａの三角格子と、元素Ｂの三角格子と、元素Ｃの三角格子の位置関係を示している。以下において、元素Ａの三角格子における格子点の位置を「Ａ位置」、元素Ｂの三角格子における格子点の位置を「Ｂ位置」、元素Ｃの三角格子における格子点の位置を「Ｃ位置」と呼ぶこととする。
図２は、側面視における各元素の配置の概略説明図であり、最上層から下方に向けて以下の順番で所定の位置に各元素が位置している。
Lu−Ｂ位置
O −Ｃ位置
Fe−Ｃ位置
O −Ｂ位置
O −Ｃ位置
Fe−Ｂ位置
O −Ｂ位置
Lu−Ｃ位置
O −Ａ位置
Fe−Ａ位置○
O −Ｃ位置○
O −Ａ位置○
Fe−Ｃ位置○
O −Ｃ位置
Lu−Ａ位置
O −Ｂ位置
Fe−Ｂ位置
O −Ａ位置
O −Ｂ位置
Fe−Ａ位置
O −Ａ位置
Lu−Ｂ位置
Lu−Ｂ位置
O −Ｃ位置
Fe−Ｃ位置
O −Ｂ位置
O −Ｃ位置
Fe−Ｂ位置
O −Ｂ位置
Lu−Ｃ位置
O −Ａ位置
Fe−Ａ位置○
O −Ｃ位置○
O −Ａ位置○
Fe−Ｃ位置○
O −Ｃ位置
Lu−Ａ位置
O −Ｂ位置
Fe−Ｂ位置
O −Ａ位置
O −Ｂ位置
Fe−Ａ位置
O −Ａ位置
Lu−Ｂ位置
このうち、○印を付した４層で構成される部分をＷ層(W-Layer)と呼んでおり、このＷ層を有していることがLuFe2O4の特徴点となっている。
また、LuFe2O4以外の層状三角格子構造を有する化合物でも同様にＷ層が形成されていることが知られている。
Ｗ層は三角格子の積層構造となっており、LuFe2O4において同数のFe2+とFe3+とを存在させることにより、電荷のフラストレーションを生じさせている。
これにより、LuFe2O4では、Ｗ層中においてFe3+の多い領域が正電荷の役割を持ち、一方、Fe2+の多い領域が負電荷の役割を持つこととなって、電気双極子（電気分極）が現れることとなっている。
しかも、LuFe2O4では、外部から電場を作用させることにより電気双極子の状態が変化し、導電性が変化することからLuFe2O4を流れる電流量を変化させることができる。
このように、希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物はＷ層を有するとともに、外部から加えた電場によって電流量を変化させることができるので、電流制御素子として用いることができる。
以下において、図面に基づいて詳説する。
〔第１実施形態〕
第１実施形態の電流制御素子は、図３に示すように、支持基体となるｐ型電導体10と、このｐ型電導体10の所定位置にそれぞれ設けたドレイン電極11とソース電極12と、ドレイン電極11とソース電極12との間におけるｐ型電導体10の上面に設けた電流制御体13と、電流制御体13の上面に設けたゲート電極14とで構成している。
第１実施形態の電流制御素子は、図３に示すように、支持基体となるｐ型電導体10と、このｐ型電導体10の所定位置にそれぞれ設けたドレイン電極11とソース電極12と、ドレイン電極11とソース電極12との間におけるｐ型電導体10の上面に設けた電流制御体13と、電流制御体13の上面に設けたゲート電極14とで構成している。
電流制御体13は、本実施形態ではLuFe2O4としている。なお、電流制御体13はLuFe2O4に限定するものではなく、Ｒを、Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ceから選ばれる少なくとも１種類の元素、Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも１種類の元素、ｎを１以上の整数、ｍを０以上の整数、δを０以上0.2以下の実数として、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される層状三角格子構造を有する化合物、またはその化合物のＲの一部を正二価以下の元素により置換した化合物を用いることができる。以下においては、電流制御体13はLuFe2O4として説明する。
LuFe2O4はｎ型電導体として機能し、ｐ型電導体10に当接させて設けることにより、ｐ型電導体10と電流制御体13との接合界面がｐｎ接合界面となっている。
ｐ型電導体10としては、適宜の半導体を用いることができるが、ｐ型電導体10をC60フラーレンで構成した有機半導体とすることにより、図４に示すように整流特性を示し、ｐｎ接合が形成されていることが確認されている。
なお、ｐ型電導体10をC60フラーレンで構成した有機半導体とする場合には、適宜の支持基体にC60フラーレンを真空蒸着させてｐ型電導体10を形成している。
ｐ型電導体10と電流制御体13とによりｐｎ接合界面が形成された電流制御素子において、ゲート電極14に正電場を印加すると、ｐ型電導体10と電流制御体13の接合界面部分に負電荷が現れ、この負電荷がキャリアをトラップすることによって、ソース−ドレイン電極間の電気伝導が減少することとなっている。すなわち、本実施形態の電流制御素子は、電流制御を行うトランジスタとして機能することとなっている。
電流制御体13は、LuFe2O4の単結晶であってもよいし、多結晶であってもよいが、単結晶とする場合には、ｐ型電導体10とゲート電極14に挟まれた電流制御体13の厚み方向をLuFe2O4のｃ軸方向とすることにより、効果的に電流制御を行うことができる。
第１実施形態の電流制御素子は、以下のようにして形成している。
まず、ｐ型電導体10を準備し、このｐ型電導体10の上面に、微粒子状としたLuFe2O4を用いて、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法、スパッタ法、ＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法、あるいはエアロゾルデポジション法などによって膜状あるいは層状の電流制御体13を形成している。なお、ｐ型電導体10の上面は、必要に応じて平坦化するとともに結晶面を調整していてもよい。
次いで、膜状あるいは層状の電流制御体13を電子線リソグラフィーによって所定の形状としている。
次いで、電流制御体13及びｐ型電導体10上にスパッタ法などによって金属層を形成して、この金属層上に所要のエッチング用のマスクを形成し、金属層をエッチングすることにより、ドレイン電極11、ソース電極12及びゲート電極14を形成している。
電流制御素子の形成は、上記の方法に限定されるものではなく、適宜の方法を用いてもよい。
〔第２実施形態〕
第２実施形態の電流制御素子は、図５に示すように、支持基体となる誘電絶縁膜20と、この誘電絶縁膜20の上面に設けた電流制御体21と、電流制御体21にそれぞれ当接させて誘電絶縁膜20の上面に設けたドレイン電極22とソース電極23と、誘電絶縁膜20の下面に設けたゲート電極24とで構成している。ゲート電極24は、誘電絶縁膜20を挟んで電流制御体21の直下方位置に設けている。
第２実施形態の電流制御素子は、図５に示すように、支持基体となる誘電絶縁膜20と、この誘電絶縁膜20の上面に設けた電流制御体21と、電流制御体21にそれぞれ当接させて誘電絶縁膜20の上面に設けたドレイン電極22とソース電極23と、誘電絶縁膜20の下面に設けたゲート電極24とで構成している。ゲート電極24は、誘電絶縁膜20を挟んで電流制御体21の直下方位置に設けている。
電流制御体21は、本実施形態でもLuFe2O4としている。なお、電流制御体21はLuFe2O4に限定するものではなく、Ｒを、Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ceから選ばれる少なくとも１種類の元素、Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも１種類の元素、ｎを１以上の整数、ｍを０以上の整数、δを０以上0.2以下の実数として、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される層状三角格子構造を有する化合物、またはその化合物のＲの一部を正二価以下の元素により置換した化合物を用いることができる。以下においては、電流制御体21はLuFe2O4として説明する。
電流制御体21は、LuFe2O4の単結晶であってもよいし、多結晶であってもよいが、単結晶とする場合には、誘電絶縁膜20の厚み方向と同一方向である電流制御体21の厚み方向をLuFe2O4のｃ軸方向とすることにより、効果的に電流制御を行うことができる。
特に、本実施形態の電流制御素子では、ゲート電極24に所定の電圧を印加することにより、電流制御体21に所定の電場が作用してチャネル伝導の変調が生じ、電流制御体21を介したソースードレイン電極間の電流制御を行うことができる。
第２実施形態の電流制御素子は、以下のようにして形成している。
まず、薄板状または薄膜状とした誘電絶縁膜20の上面に、微粒子状としたLuFe2O4を用いて、ＣＶＤ法、スパッタ法、ＭＢＥ法、あるいはエアロゾルデポジション法などによって膜状あるいは層状の電流制御体21を形成している。
次いで、膜状あるいは層状の電流制御体21を電子線リソグラフィーによって所定の形状としている。
次いで、電流制御体21及び誘電絶縁膜20の上面にスパッタ法などによって金属層を形成して、この金属層上に所要のエッチング用のマスクを形成し、金属層をエッチングすることにより、ドレイン電極22及びソース電極23を形成している。
さらに、誘電絶縁膜20の下面にスパッタ法などによって金属層を形成して、この金属層上に所要のエッチング用のマスクを形成し、金属層をエッチングすることによりゲート電極24を形成している。
〔第３実施形態〕
第３実施形態の電流制御素子は、図６に示すように、支持基体となる絶縁基板30と、この絶縁基板30の上面に設けた第１電極31と、この第１電極31の上面に設けた電流制御体32と、この電流制御体32の上面にそれぞれ互いに離隔させて設けた第２電極33、第３電極34、第４電極35とで構成している。
第３実施形態の電流制御素子は、図６に示すように、支持基体となる絶縁基板30と、この絶縁基板30の上面に設けた第１電極31と、この第１電極31の上面に設けた電流制御体32と、この電流制御体32の上面にそれぞれ互いに離隔させて設けた第２電極33、第３電極34、第４電極35とで構成している。
特に、第１電極31と第３電極34は、電流制御体32を挟んで対向させて配置するとともに、第３電極34は、第２電極33と第４電極35の間に配置している。
絶縁基板30にはScAlMgO4などを好適に用いることができる。
電流制御体32は、本実施形態でもLuFe2O4としている。なお、電流制御体32はLuFe2O4に限定するものではなく、Ｒを、Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ceから選ばれる少なくとも１種類の元素、Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも１種類の元素、ｎを１以上の整数、ｍを０以上の整数、δを０以上0.2以下の実数として、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される層状三角格子構造を有する化合物、またはその化合物のＲの一部を正二価以下の元素により置換した化合物を用いることができる。以下においては、電流制御体32はLuFe2O4として説明する。
電流制御体32は、LuFe2O4の単結晶であってもよいし、多結晶であってもよいが、単結晶とする場合には、第１電極31と第３電極34に挟まれた電流制御体32の厚み方向をLuFe2O4のｃ軸方向とすることにより、効果的に電流制御を行うことができる。
すなわち、本実施形態の電流制御素子では、第２電極33と第４電極35をそれぞれソース電極またはドレイン電極としており、第１電極31と第３電極34にそれぞれ所定の電圧を印加することにより、第１電極31と第３電極34で挟まれた電流制御体32に所定の電場を作用させて、電流制御体32を介して第２電極33と第４電極35の間を流れる電流を制御している。
すなわち、本実施形態の電流制御素子は、ｐｎ接合を用いないトランジスタとなっているので、いわゆる順方向電圧降下が原理的に存在せず、低い駆動電圧で動作するトランジスタとして機能させることができる。
第３実施形態の電流制御素子は、以下のようにして形成している。
まず、絶縁基板30の上面に、スパッタ法などによって金属層を形成して第１電極31としている。
次いで、第１電極31の上面に、微粒子状としたLuFe2O4を用いて、ＣＶＤ法、スパッタ法、ＭＢＥ法、あるいはエアロゾルデポジション法などによって膜状あるいは層状の電流制御体32を形成している。
次いで、膜状あるいは層状とした電流制御体32の上面にスパッタ法などによって金属層を形成して、この金属層上に所要のエッチング用のマスクを形成し、金属層をエッチングすることにより、第２電極33と、第３電極34と、第４電極35を形成している。
第３実施形態の電流制御素子は、図６に示す形態に限定するものではなく、例えば図７に示すように、第１電極31、第２電極33、第３電極34及び第４電極35を配置することもできる。
すなわち、図７に示す電流制御素子を形成する場合には、まず、絶縁基板30の上面にスパッタ法などによって金属層を形成し、この金属層上に所要のエッチング用のマスクを形成して金属層をエッチングすることにより第１電極31を形成している。
次いで、第１電極31の上面に、微粒子状としたLuFe2O4を用いて、ＣＶＤ法、スパッタ法、ＭＢＥ法、あるいはエアロゾルデポジション法などによって膜状あるいは層状のLuFe2O4層を形成し、このLuFe2O4層を電子線リソグラフィーによって所定の形状として電流制御体32を形成している。
次いで、電流制御体32の上面にスパッタ法などによって金属層を形成し、この金属層上に所要のエッチング用のマスクを形成して金属層をエッチングすることにより、第２電極33と、第３電極34と、第４電極35を形成して電流制御素子としている。
特に、第３電極34は少なくとも第１電極31の直上位置に設けている。また、第２電極33と第４電極35は、それぞれ電流制御体32に当接させて設けている。
あるいは、電流制御素子では、図８に示すように、第１電極31、第２電極33、第３電極34及び第４電極35を配置することもできる。
すなわち、電流制御素子では、絶縁基板30の上面に、まず、微粒子状としたLuFe2O4を用いて、ＣＶＤ法、スパッタ法、ＭＢＥ法、あるいはエアロゾルデポジション法などによって膜状あるいは層状の電流制御体32を形成している。
次いで、膜状あるいは層状とした電流制御体32の上面にスパッタ法などによって金属層を形成し、この金属層上に所要のエッチング用のマスクを形成して金属層をエッチングすることにより、第１電極31と、第２電極33と、第３電極34と、第４電極35を形成して電流制御素子としている。
特に、第１電極31と第３電極34は互いに対向させて配置するとともに、第２電極33と第４電極35も互いに対向させて配置しており、しかも、第１電極31と第３電極34を結ぶ仮想線と、第２電極33と第４電極35を結ぶ仮想線とを交差させて配置している。
さらに、電流制御体32は、LuFe2O4のｃ軸方向を第１電極31と第３電極34を結ぶ仮想線の延伸方向としている。
したがって、図８に示した電流制御素子でも第１電極31と第３電極34にそれぞれ所定の電圧を印加することにより、第１電極31と第３電極34の間に位置した電流制御体32に所定の電場を作用させて、電流制御体32を介して第２電極33と第４電極35の間を流れる電流制御を行うことができる。
本発明によれば、小さい駆動電力で動作する電流制御素子を提供でき、電子回路の省電力化を図ることができる。
Claims (5)
- 電場を作用させることにより電流量を制御する電流制御体と、
前記電流制御体に所定の電場を作用させる電極と
を有する電流制御素子であって、
前記電流制御体を希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で構成し
前記電流制御体に作用させる電場の向きを、前記化合物のｃ軸方向とした電流制御素子。 - 前記電流制御体が、
Ｒを、Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ceから選ばれる少なくとも１種類の元素、
Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも１種類の元素、
ｎを１以上の整数、
ｍを０以上の整数、
δを０以上0.2以下の実数
として、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される層状三角格子構造を有する化合物、またはその化合物のＲの一部を正二価以下の元素により置換した化合物である請求項１に記載の電流制御素子。 - 前記電流制御体を、ドレイン電極とソース電極を設けたｐ型電導体の前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に接合させた請求項１または請求項２に記載の電流制御素子。
- 前記電流制御体に、電流を入力する入力側電極と、電流を出力させる出力側電極とを設けた請求項１に記載の電流制御素子。
- 電場を作用させることにより電流量を制御する電流制御体と、前記電流制御体に所定の電場を作用させる電極とを有する電流制御素子の製造方法であって、
前記電流制御体を希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で形成する工程と、
前記電流制御体に作用させる電場の向きを、前記化合物のｃ軸方向とする工程とを有する電流制御素子の製造方法。
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