JPH06302806A - シングルエレクトロントランジスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 動作温度を高くするために必要な量子ドット
寸法の縮小と、安定動作を実現するために必要なゲート
容量とトンネル容量の比の増大を同時に満足させる高性
能シングルエレクトロントランジスタの提供。 【構成】 少なくとも一つの量子ドット１と、該量子ド
ットに接して形成された少なくとも二つのトンネル接合
２と、該量子ドットに隣接して形成されたゲート５から
なる構造であり、該ゲート５が少なくとも該量子ドット
１を実質的に囲んだ構造となっているとともに、さらに
基板と基板上に形成された下部ゲートと、該下部ゲート
上に形成された量子ドットと、該量子ドット上に、該下
部ゲートと電気的に接続されて形成された上部ゲートを
備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子一つをスイッチング
の単位として用いる、いわゆるシングルエレクトロント
ランジスタの新規な構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シングルエレクトロントランジスタは、
従来の半導体トランジスタに代わる極微小構造デバイス
として注目されている。動作原理は例えば、ジェー タ
ッカージャーナル オブ アプライド フィジックス
７２巻 ４３９９頁 １９９２年（J. R. Tucker, J. A
ppl. Phys., 72, 4399 (1992).）に記載されている。基
本構造は図２に示したように、量子ドットと呼ばれる電
子を一つ一つ出し入れする部分１１と、トンネル接合１
２により隔てられた注入電極１３及び排出電極１４、量
子ドットのポテンシャルを制御するゲート１５からな
る。

【０００３】トンネル接合の容量をＣt、ゲートの容量
をＣgとすると、シングルエレクトロントランジスタの
利得(ゲイン)Ｇは、 Ｇ＝Ｃg／Ｃt （１） で表せる。Ｇは適切な回路動作を保証するために、１０
以上であることが望ましい。ゲート１５と量子ドット１
１間の距離をｒ_g、対向する面積をＡg、トンネル接合の
距離をｒ_t、対向する面積をＡtとすると、式（１）は近
似的に次式で表せる。

【０００４】 Ｇ＝Ａg・ｒ_t／Ａt・ｒ_g （２） しかしながら、ｒ_tはトンネル電流が流れる必要がある
ため、４ｎｍ以下である必要があり、一方ｒ_gはゲート
として正常に動作するため５ｎｍ以上であることが必要
である。実際に製造する場合の膜厚ばらつきを考慮する
と、ｒ_t／ｒ_gの値は１／２程度以下にしておくのが望ま
しい。従って、シングルエレクトロントランジスタが適
切な動作条件を持つためには、面積比は少なくとも、 Ａg／Ａt＞２０ （３） とする必要がある。

【０００５】動作温度について考察する。量子ドット１
１の自己容量をＣdとすると、全容量Ｃは、 Ｃ＝Ｃd＋Ｃg＋Ｃt （４） となる。実際にはこの値に浮遊容量が加わるため、不要
な容量は増加する方向であり、不要容量は出来るかぎり
排除する必要がある。量子ドット１１に電子が一つ注入
された時の量子ドット１１のエネルギの増加分△Ｅは電
子の素電荷をｅとすると、 △Ｅ＝ｅ²／２Ｃ （５） 温度Ｔで安定に動作するためには、ボルツマン定数をｋ
とすると △Ｅ＞１０〜１００ｋＴ （６） 室温動作のためには、式（６）より、△Ｅ＞２５０ｍｅ
Ｖが必要である。この時式（５）から全容量Ｃは、０．
１ａＦ程度となるため、量子ドット１１の寸法は約１ｎ
ｍとすることが必要である。安定な動作を保証するため
には式（３）を満足することが必要であるから、結局平
面構造においては、トンネル接合の寸法は約１／２０ｎ
ｍ（０．０５ｎｍ）であることが要求される。

【０００６】しかし現実にデバイスを構成する原子の寸
法は０．２ｎｍ程度であるから、この値は従来提案され
ている平面構造では原子寸法より小さくなるため、原理
的に達成不可能である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は動作温
度を高くするために必要な量子ドット寸法の縮小と、安
定動作を実現するために必要なゲート容量とトンネル容
量の比の増大を同時に満足させる高性能シングルエレク
トロントランジスタ構造を開示するものである。

【０００８】さらに、本発明は従来のシングルエレクト
ロントランジスタ構造における動作温度の限界を超え、
室温動作も可能にする等、新規な機能を実現可能な構造
を提案するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明で開示するシングルエレクトロントランジス
タの基本的な構造を図１に示す。量子ドット１、トンネ
ル接合２、注入電極３、排出電極４、ゲート電極５から
なる構造である。従来の構造との最大の相違点は、同一
寸法でゲート容量を最大にする構造とするため、ゲート
電極５が量子ドット１を実質的に覆っている点である。

【００１０】

【作用】ゲートが量子ドットを実質的に覆っている構造
とすることにより、（ｉ）同一素子寸法でゲート容量を
最大にすることが可能になる、（ii）外部からの電界の
影響を排除でき、浮遊容量による不要な容量の増大を防
げることが可能になる。

【００１１】このため式（３）、（４）に示したよう
に、従来構造で問題となっていたゲート容量のトンネル
容量との比を最大にすることが可能になり、従って安定
な動作を確保できるばかりでなく、室温動作が可能なシ
ングルエレクトロントランジスタを実現可能である。

【００１２】

【実施例】以下本発明を実施例に基づき詳細に説明す
る。

【００１３】（実施例１）本実施例では新構造シングル
エレクトロントランジスタの構造を開示する。図３
（ａ）に横断面構造を、図３（ｂ）に平面構造を、図３
（ｃ）に縦断面構造をそれぞれ示したものである。図３
（ａ）、図３（ｃ）はそれぞれ図３（ｂ）のＡ−Ａ’、
Ｂ−Ｂ’の位置で矢印方向に見た断面構造である。絶縁
体基板２１上に、ゲートとなるべき導電体２２を形成
し、該導電体上にゲート絶縁体となるべき絶縁体２３を
形成する。量子ドット２４を絶縁体２３上に形成し、こ
の量子ドット２４の両端にトンネル絶縁膜２５を成長さ
せ、更に注入電極２６、排出電極２７を形成し、量子ド
ット２４の上に再びゲート絶縁膜２８を形成する。最後
に再び絶縁体２８の上にゲート導電体２９を形成する。
図３（ｂ）は平面構造を示したものである。絶縁体基板
２１上にゲート導電体２９、注入電極２６、排出電極２
７を配置した構造が得られる。図３（ｃ）は縦断面構造
を示す図である。前記ゲート導電体２２と２９は電気的
に接続されており、絶縁膜２３、２５および２８を介し
て、量子ドット２４を取り囲む構成となっている。

【００１４】このような構造とすることにより、室温動
作を可能にするためには、該量子ドット２４の寸法（図
３（ａ）の横方向の長さ）を１ｎｍとする必要がある。
この時に、注入電極２６、排出電極２７と量子ドット２
４との間のトンネル絶縁膜２５の厚さをを原子１個分の
大きさである０．２ｎｍとすれば、ゲート容量とトンネ
ル接合容量の比を２０程度の値にすることが可能である
ため、室温での安定動作が実現できる。

【００１５】（実施例２）本実施例では、シリコンプレ
ーナ技術による新構造シングルエレクトロントランジス
タの実現方法を断面図を用いて開示する。

【００１６】図４（ａ）はｐ型（１００）面１０Ωｃｍ
のシリコン基板３１上に熱酸化法により、１０００℃で
シリコン酸化膜３２を１μｍの厚さに成長させ、その上
に化学蒸着法(CVD;Chemical Vapor Deposition)により
モノシラン(SiH₄)とフォスフィン(PH₃)を原料ガスとし
てリンを3×10²⁰/cm³含む多結晶シリコンを堆積し、リ
ソグラフィとドライエッチング技術によって必要な形３
３に加工し、さらに900℃で酸素を窒素で1/10に希釈し
た雰囲気中で酸化し、該多結晶シリコン３３上に厚さ6n
mの酸化膜３４を成長させた状態を示す。

【００１７】図４（ｂ）は酸化膜３４の上にさらにリン
をドープした多結晶シリコン膜を堆積し、量子ドット３
５に加工後、１０００℃希釈酸素雰囲気中で酸化し、該
量子ドット３５となるべき領域の両端に厚さ３ｎｍのト
ンネル酸化膜３６を成長させ、更に注入電極３７及び排
出電極３８となるべき電極を形成した状態を示す。

【００１８】図４（ｃ）は再び同様な条件で酸化を行
い、該量子ドット３５及び該電極３７、３８上に厚さ6n
mの酸化膜３９を成長させ、更にリンをドープした多結
晶シリコン膜を堆積して加工し、ゲート４０を形成した
状態を示す。図には直接示されていないが、前述した図
３（ｃ）のように、ゲート３３、４０は、電気的に接続
されている。

【００１９】他の構造として、ゲート３３、４０は絶縁
されたものとして構成し、これに各々異なるバイアスを
与え、量子ドットのポテンシャルを制御する方法も可能
である。

【００２０】前記酸化膜３９は、前記酸化膜３４と共に
該ゲート３３、４０のゲート酸化膜として機能する。こ
のような構造とすることにより、量子ドット３５の寸法
を最小限にしつつ、該ゲート容量と該トンネル接合容量
の比を最大にすることが可能になり、従来構造に比較し
てはるかに安定かつ、高温動作が可能なシングルエレク
トロントランジスタを実現可能である。

【００２１】図４（ｂ）に示したトンネル酸化膜の成長
方法としては、図５（ａ）に示したように、シリコン基
板３１上にシリコン酸化膜３２を成長後、ゲート電極３
３を形成し、さらに酸化膜３４を成長させた後、導電膜
を堆積しこれを電極３７、３８及び量子ドット３５とな
るべき構造に加工後、部分的に酸化して酸化膜４２を形
成する方法も有効である。この時、該導電膜は該ゲート
電極３３の肩の部分で膜厚が薄くなり、かつ酸化速度が
早くなるため、酸化によりこの肩の部分が完全に酸化さ
れトンネルトンネル接合が形成できる。このような手法
により、量子ドット３５及び電極３７、３８を自己整合
的に形成可能である。該導電膜の材質は、一般に制御さ
れた酸化が可能な材料であれば良いが、特にシリコン、
アルミニウム、二オブ等が適当であった。

【００２２】他のトンネル酸化膜の成長方法としては、
エッチバック法が用いられる。即ち図５（ｂ）に示した
ように量子ドット３５、トンネル酸化膜３６を形成後、
導電体４３を堆積し、更に平坦化膜を形成して、高さ４
４の部分までエッチバックし平坦化する。この構造に形
成した後再び該量子ドット３５の表面を含む構造を酸化
すれば、良好なトンネル電導特性を確保することが可能
である。

【００２３】他の方法としては、導電膜上に窒化シリコ
ン膜を形成後、微細加工技術によって量子ドット３５を
形成し、酸化により該量子ドット３５の端部にトンネル
酸化膜３６を形成することもできる。この時該窒化シリ
コン膜はそのままゲート酸化膜として利用することも可
能である。以上のような手法を用いることにより、自己
整合的なトンネル酸化膜を形成可能であるが、必ずしも
これらの方法だけに限られることはないことは言うまで
もない。

【００２４】（実施例３）本実施例では、室温動作のシ
ングルエレクトロントランジスタ実現方法について開示
する。前述のようにトンネル接合の面積を原子レベルに
すれば、室温動作が可能になる。図６はこの構造を実現
するときの基本構造を開示したものである。即ち基板５
１にゲートとなるべき導電層５２を形成後、ゲート絶縁
膜５３を成長させる。このように準備した構造に、走査
トンネル顕微鏡（ＳＴＭ；ScanningTuneling Microscop
e）によって量子ドットとなるべき原子を所定の大きさ
に集積し、更にこの量子ドットとトンネル接合を形成す
るだけ離れた位置に電極５５及び５６を同様にＳＴＭに
よって集積する。この原子操作技術については、ジェー
ストロシオ 他 ネイチャー １９９１年１１月２９
日号１３１９頁(J.A.Stroscio, et al.,Nature 1319 (N
ov.29 1991).)に詳述されている。この時該電極は、少
なくとも原子１個以上からなる原子細線構造としておく
ことが必要である。この原子細線の先端部に原子を一個
置くことにより、トンネル接合の注入部とすれば、トン
ネル接合の面積を原子の大きさレベルである０．２ｎｍ
〜０．６ｎｍとすることが出来、従って容量を室温動作
に必要な値とできる。

【００２５】量子ドットの構成元素としては、アルミニ
ウム、金、銅、等の金属元素、不純物をドープしたシリ
コン等の半導体を用いることが可能である。またゲート
絶縁膜を形成する材料としては、誘電率の高いタンタル
酸化物を始めとする絶縁体を用いることが可能である
が、上記金属元素からなる導電体あるいは半導体の酸化
物、例えば酸化アルミニウム、酸化シリコン等を用いる
ことも可能である。量子ドット表面を酸化雰囲気に曝
す、あるいはＣＶＤ法で絶縁膜を単原子膜レベルづつ堆
積することにより、所定の絶縁膜を得られる。トンネル
接合を形成する絶縁体としては、単なる空気あるいは真
空ギャップを用いることが最も有効であるが、上記ゲー
ト絶縁膜と同一の材料を用いることも可能である。

【００２６】この理由は本デバイスの高性能動作のため
には、ゲート容量とトンネル接合容量の比を大きくする
事が有効であるためで、真空は最も誘電率が低く、トン
ネル接合容量を小さくできるからである。

【００２７】更に良好な特性を得るためには、原子操作
技術によって絶縁体を積層し、図３と同様な構造を実現
することが最も有効である。

【００２８】

【発明の効果】以上の実施例からも明らかなように、本
発明によれば高性能シングルエレクトロントランジスタ
を実現可能であり、量子ドットの寸法を原子レベルにす
れば、室温動作可能なシングルエレクトロントランジス
タも実現できるため、工学的なインパクトは非常に大き
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるシングルエレクトロントランジス
タの概略構造を示した図。

【図２】従来構造のシングルエレクトロントランジスタ
の概略図。

【図３】本発明によるシングルエレクトロントランジス
タの実施例の一つを示す図であり、図３（ａ）に横断面
構造を、図３（ｂ）に平面構造を、図３（ｃ）に縦断面
構造をそれぞれ示す。

【図４】本発明によるシングルエレクトロントランジス
タの他の実施例の一つを示す図であり、図４（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）にその構成の手順を示す。

【図５】図４のシングルエレクトロントランジスタの構
成の手順を一部変更した例を示す。

【図６】図４のシングルエレクトロントランジスタの構
成の手順を一部変更した他の例を示す。

【符号の説明】

１，１１，２８，３５，５４；量子ドット、 ２，１２，２５，３６；トンネル接合、 ３，４，１３，１４，２６，２７，３７，３８，５５，
５６；電極、 ５，１５，２２，２９，３３，４０，５２；ゲート、 ２３，２８，３２，３４，３９，５３；絶縁膜。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも一つの量子ドットと、該量子ド
   ットに接して形成された少なくとも二つのトンネル接合
   と、該量子ドットに隣接して形成されたゲートからなる
   構造において、該ゲートが少なくとも該量子ドットを実
   質的に囲んだ構造となっていることを特徴とするシング
   ルエレクトロントランジスタ。
2. 【請求項２】基板と、基板上に形成された下部ゲート
   と、該下部ゲート上に形成された量子ドットと、該量子
   ドット上に、該下部ゲートと電気的に接続されて形成さ
   れた上部ゲートを具備したことを特徴とする特許請求項
   １記載のシングルエレクトロントランジスタ。