JPS63140577A

JPS63140577A - 電界効果トランジスタ

Info

Publication number: JPS63140577A
Application number: JP28594186A
Authority: JP
Inventors: Koichi Mizushima; 公一水島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-12-02
Filing date: 1986-12-02
Publication date: 1988-06-13

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、遷移金属化合物、或は稀土類化合物薄膜をゲ
ート部に用いた電界効果トランジスタに関する。

（従来の技術）近年有機材料におけるラングミュア・プロジュツト法や
金属超格子、化合物超格子など熱平衡状態にはない超薄
膜やそれを積層した新材料の開発が活発に行われている
。例えばダーラム（Ｄｕｈｒａｍ）大学のロバーツ（Ｇ
、Ｇ、Ｒｏｂｅｒｔｓ　）　（７）　、有機薄膜を用い
たＭＩＳ素子の研究は、有名である。しかしデバイス応
用を目指した研究のほとんどは、Ｃ）ａＡｓ−ＧａＡｕ
５　　に代表される■−■族半導体にかぎられている。

その最も大きな理由は、■族、■−■族中では電子が非
常に動きやすく、その優秀性が他の材料を電子デバイス
に入り込む余地をなくしてしまっているためと考えられ
る。したがって■−■族以外の超薄膜、超格子膜は、現
在もっばら新しい超電導体や磁性体等の材料開発の一環
として進められている。しかしこれらの新材料は、「電
子の動きやすさ」では半導体に劣るものの半導体にない
特異な物性を示すものが多く、これらの新材料を用いた
新しい原理にもとすくデバイス開発が望まれている。

今日電子デバイスのほとんどは８１デバイスであるが、
８ｉ−ＬＳＩでは実現できないような新しい機能素子の
試みの一つが、上にのべた化合物半導体のＧａＡ３とＧ
ａＡｔＡｓによるヘテロ接合やさらに進んで超格子を用
いた素子の研究である。しかし化合物半導体の超格子は
、格子定数や格子構造を合せる必要があるため、組合わ
せとして用いる材料に制限があり、しかも超格子作成に
は多大のコストと時間を必要とする、等の問題がある。

また特に化合物半導体を用いたＦＥＴでは、ＳｉのＭＯ
ＳＦＥＴにない種々の問題がある。例えば界面準位が高
密度に存在するため、半導体の表面準位がゲート電圧を
変えても殆んど変化しないことが起こる。いわゆるフェ
ルミ、レベルのピン止めと呼ばれる現象である。またＧ
ａＡｓやＩｎＰではＳｉに比べてキャリア移動度が高い
ため、高速動作が期待されるが、これらの化合物半導体
ではＳｉに対するＳｔＯ，膜のような欠陥の少ない酸化
膜が得られない。即ちこれらの化合物半導体に熱酸化や
陽極酸化により形成した酸化膜は界面準位密度が極めて
高い。そのため、これらの酸化膜あるいは。

Ｓｉｎ、　、ｌ、０３のような他の無機酸化物をゲート
絶縁膜として用いてＭＩＳｆｉＦＥＴを形成しても。

高密度の界面準位のため半導体表面は反転せず。

ＦＥＴ動作しない。

（発明が解決しようとする問題点）以上のように従来のＳｉを用いたＭＯＳＦＥＴでは得ら
れない新しい機能の素子が望まれながら、未だその様な
素子は実現されていない。また、Ｓｉを用いたＭＯＳＦ
ＥＴより高性能が期待される化合物半導体を用いたＰＥ
Ｔでは良好なゲート絶縁膜が得られないこと、界面準位
密度が高いこと１等の理由でＭＩＳ型ＦＥ’Ｉ’が実現
されていない。

本発明は上記のような問題を解決した。新しい機能を持
つ高性能のＦＥＴを提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）本発明にかかるＦＥＴは、ゲート電極（金属）と半導体
表面との間に、遷移金属イオン或は稀土類イオンを含む
化合物薄膜を設け、金属と遷移金属イオン間、遷移金属
イオン間、遷移金属イオンと稀土類イオン間の電荷移動
現象を利用して半導体の表面電位制御を行うようにした
ことを特徴とする。

上記遷移金属イオン、稀土類イオンを含む化合物薄膜と
半導体表面との間には、有機或は無機の絶縁膜を有する
構造とすることが好咳しい。

（作用）本発明の構成によれば、ゲート電極に所定の電圧を印加
す゛ることにより、金属と遷移金属イオン間、或は遷移
金属イオン間で電荷移動が生じ、これにより半導体表面
電位が制御される。この半導体の表面電位変化は不連続
であり、この結果ＦＥＴのドレイン、ソース間電流の大
きさも不連続に変化する。従って電荷移動が生じる前後
のドレイン。

ソース電流の大小をＦＥＴ動作のオン、オフ動作に対応
させることにより、ＦＥＴのスイッチング制御が実現で
きる。

また、遷移金属化合物、稀土類化合物の種類。

構造を選ぶことにより、しきい値電圧やオン、オフ時の
ドレイン、ソース間電流の差を任意に設定することがで
きる。

更に、電荷移動に伴う半導体の表面電位の変化の大きさ
は、上記化合物薄膜に含まれる遷移金属イオン或は稀土
類イオンの濃度により決まるので。

半導体の界面準位が高密度であってもその影響を受ける
ことなく半導体の表面電位制御を行ない得るように構成
することができる。従って従来困難であった化合物半導
体を用いたＭＩＳ型ＦＥＴを実現することができる。

（実施例）具体的な実施例の説明に先立ち本発明で用いる金属と遷
移金属イオン（稀土類金属イオン）を含む化合物薄膜と
の間の電荷移動現象及び遷移金属イオン（稀土類金属イ
オン）間の電荷移動現象を説明する。

第１図は、２つの金属電極１，２間に遷移金属化合物薄
膜３と絶縁性薄膜４とを挟んだ構造を示す。絶縁性薄膜
４は、金属電極２と遷移金属化合物３の間での電荷移動
を防止する障壁として設けられている。このような構成
において、電極ｌ。

２間に電極１が正となるような電圧■宜を印加する。

この電圧Ｖ１が、下記式（１）で示される電圧ｖｔｒよ
り大きくなると、遷移金属化合物膜３から金属電極２へ
電子が移動し、遷移金属イオンがより高価数のイオンの
状態になる。

ここで工、は遷移金属イオンのイオン化ボテンシアル、
Ｗは金属電極の仕事函数を表わす。またｔは電極１，２
間の距離、ａは、遷移金属イオンに生ずるホールと金属
電極間の距離を表わす。ｅは電荷素置である。

このような遷移金属イオンから金属電極への電子遷移が
生ずると、第１図の膜内の電位分布は。

不連続な変化を示す。

第２図は、遷移金属化合物膜３と絶縁性薄膜４の界面の
電位と電極２の電位との間の電位差ｖ怠が電極間に印加
される電圧Ｖ、により不連続に変化する様子を示してい
る。このＶ１＝＝Ｖ、ｒでの不連続なｉｓ電圧の飛びの大きさＶ！　は、近似的に次式（２）のよ
うに表わされる。

ここでｂは絶縁性薄膜の厚さを、ｖ！ｃ０ｎは、第２図
に示されるように電子遷移が起きるまでのＶ！の連続的
な変化量を表わす。

第３図は、２つの電極１．６間に異なる遷移金属イオン
を含む薄膜３，４のへテロ構造を挟んだ構造を示す。電
極１，６とへテロ構造の間には、絶縁性薄膜２，５を介
在させている。絶縁性薄膜２．５は、電極１，６とへテ
ロ構造膜３，４との間での電荷移動を防止する障壁とし
て設けられている。

このような構成において、電極１，６間に電極ｌ側が正
となるような電圧Ｖ、を印加する。この電圧ｖ１が下記
式（３）で示される電圧ｖｔｒより大きくなると、遷移
金属イオン膜４から３へ電子が移動する。

ここで工、は遷移金属イオン４のイオン化ポテンシャル
、ＥＡは遷移金属イオン３の電子親和力を表わす。

また、ｔは電極１，６間の距離、ａは電子を放出する遷
移金属イオンと電子を受けとる遷移金属イオンの距離を
表す。ｅは電荷素置である。この様な遷移金属イオン間
の電子移動が生ずると、第３図の膜内の電位分布は不連
続な変化を示す。

第４図は遷移金属化合物膜３と絶縁性薄膜２の界面の電
位と電極１の電位との間の電位差■２が。

電極間に印加される電圧■、により不連続に変化する様
子を示している。このｖ１＝■ｔｒでの不連続な電圧の
飛びの大きさＶ！ｄｆｆｉｓは、次式（４）のように表
わされる。

ここで、〜は単位面積当りの電極表面に肪起される電荷
量であり、Ｑｔｒは単位面積当り遷移金属間を移動した
電子の量である。また村０ｎは第４図に示されるように
、電子移動が起きるまでのＶ！の連続的な変化量を表わ
す。ｂは遷移金属化合物膜３と絶縁性薄膜２の界面から
電極ｌの表面までの距離である。

以上のような金属−遷移金属イオン間或は異なる遷移金
属イオン間の電子移動に伴う電位分布の不連続な変化現
象をＦＥＴのゲート部に利用することにより、新しい機
能のＦＥＴが実現されることになる。

以下に本発明の具体的な実施例を説明する。

〈実施例１〉第５図は一実施例のｎチャネルＭＯ８ＦＥＴである。１
はｐ型８ｉ基板であり、２，３はそれぞれソース、ドレ
インとなるｎ型層である。この基板ｌのゲート部に、酸
化膜４を介して遷移金属化合物膜５が形成され、この上
にゲート電極６が形成されている。酸化膜４は１００Ａ
程度の熱酸化膜である。遷移金属化合物膜５はスパッタ
法によりＭｎＯを５００Ａの厚さに形成した。ゲート電
極はＡｕである。第６図は、このように構成されたＭＯ
ＳＦＥＴのゲート電圧−と基板１の表面電位■。

の関係を示す。ゲート・電圧Ｖ。がある値号１になると
１表面電位Ｖ、はΔＶ、という大きさの不連続な増加を
示す。上記条件の素子の場合　ＶＡｒ、Δ■、の値は、
それぞれ１．８ｖ、λ３ｖであった。第７図は、ドレイ
ン電流とドレイン電圧の関係、第８図はドレイン電流と
ゲート電圧の関係をそれぞれ示す。

これらの図から明ら−かなように、Ｖ、＝＝Ｖ、　　の
しきい値電圧で表面電位入の不連続なとびに対応してド
レイン電流は急激に増加し、ＦＥＴ動作のスイッチング
が実現されている。第５図の実施例においてＭｎＯ膜５
の厚さ、酸化膜４の厚さを任意に変えることができる。

これらの膜厚を変えることによりしきい値電圧号１が変
わるが、基本的な素子特性は同じである。

〈実施例２〉実施例１と同様ではあるが、第９図に示すように、ゲー
ト部にＭ！１０膜、Ｔｉｅ、膜のへテロ構造膜を８ｉ０
．薄膜の間にはさんだ構造となっている。ゲート電極は
、　Ａｕである。

ＥｕＯ膜、Ｔｉｅ、膜の厚さはともに５０ＯＡ。

ＳｔＯ，薄膜の厚さは１００Ａである。第１０図にドレ
イン電流とゲート電圧の関係を示す。この場合Ｖ″１は
１．　Ｉ　Ｖであった。

〈実施例３〉次に本発明をＧａＡｓのＭＩＳ型ＦＥＴに適用した実施
例を説明する。第１１図はその一実施例のｎチャネルＭ
ＩＳＦＥＴである。１はｐ型ＧａＡｓ基板、２，３はソ
ース、ドレインとなるｎ型層であり、これらｎ型層２，
３間の基板上に絶縁性薄膜４、ＭｎＯ膜５が順次積層さ
れている。ＭｎＯ膜上にゲート電極６が形成され、ｎ型
層２，３にそれぞれソース電極７、ドレイン電極８が形
成されている。このような構成により、先の８ｉを用い
た場合の実施例と同様に、その表面電位の変化が不連続
な増加を示し、ＦＥＴ動作のスイッチングが可能になる
。

ｎ型ＧａＡｓ基板を用いて同様のゲート部を構成するこ
とにより、ｐチャネルＭＩＳＦＥＴが得られる。

本発明は更に上記した実施例に限られず、例えばＩｎｋ
、Ｇａｐ、　ＩｎＡｓなどの各種１ｕ−Ｖ族化合物半導
体あるいはこれらの混晶、また■−■族化合物半導体を
用いて実施することができ、またアモルファス半導体を
用いて実施することもできる。

本発明では、遷移金属（稀土類）化合物として以下のよ
うなものが用いられる。

Ｔｉｅ、　、Ｖ２Ｏ６、ＷＯ３、ＭｎＯ，Ｆ’ｅＯ，Ｃ
ｏｏ、ＮｉＯ，ＣｕＯ。

ＭｎＦｅ、Ｏ，、ＮｉＦｅ、Ｏ，、ＣｏＦｅ、０４．Ｃ
ｕＦｅ、０．　、ＮｉＣｒ＊Ｏ，。

Ｃｒ１Ｏ，、ＭｎＣｒ、０．　　、ＣｏＣｒ、０４　　
、Ｍｎ５Ｏ，、Ｔａ、０．　　　、Ｍｏｂ、。

ＥｕＯ，Ｙｂ、０３　、Ｇｄ、０．　、ＣｄＣｒ、Ｓ、
　、ＣｕＣｒ、８４．ＥｕＳ〔発明の効果〕以上述べたように本発明によれば、遷移金属化合物（稀
土類化合物）薄膜の電荷移動現象を利用して半導体の表
面電位制御を行うことで従来にない新しい機能をもった
ＦＥＴを実現することができる。また、従来困難であっ
た化合物半導体を用いたＭＩＳ型ＦＢＴをも実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明で利用する遷移金属（稀土類
）イオンと金属電、極間の電荷移動の原理を説明するた
めの図、第３図及び第４図は、異なる遷移金属イオン間
、異なる稀土類イオン間、遷移金属イオン−稀土類イオ
ン間の電荷移動の原理を説明するための図、第５図は本
発明の実施例１のＳ五を用いたＭＯＳＦＥＴを示す図、
第６図はそのゲート電圧による基板表面電位の変化特性
を示す図、第７図及び第８図はそのＦＥＴ特性を示す図
。第９図は本発明の実施例２のゲートに遷移金属化合物の
へテロ構造を用いたＭＯＳＦＥＴを示す図、第１０図は
そのＦＥＴ特性を示す図、第１１図はＧａＡｓ−ＭＩＳ
ＦＥＴの図である。１．２：金属電極、３：遷移金属化合物薄膜。４：絶縁性薄膜。代理人　弁理士　則　近　憲　佑同　　　　竹　花　喜久男第１図第３図第５図第６図ドレイン電ｊた第７図ゲート・５圧第８図第９図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ゲート電極と半導体表面との間に、遷移金属化合
物薄膜或は稀土類化合物薄膜を有することを特徴とする
電界効果トランジスタ。
（２）前記化合物薄膜は、前記半導体表面に有機或は無
機絶縁膜を介して形成されている特許請求の範囲第１項
記載の電界効果トランジスタ。
（３）前記化合物薄膜は、異なる遷移金属化合物或は稀
土類化合物薄膜の積層構造により形成されていることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電界効果トラン
ジスタ。
（４）前記化合物が酸化物であることを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の電界効果トランジスタ。