JPS63193581A

JPS63193581A - 抵抗制御素子

Info

Publication number: JPS63193581A
Application number: JP62025904A
Authority: JP
Inventors: Makoto Hikita; 疋田　真; Yukimichi Tajima; 田嶋　幸道; Toshiaki Tamamura; 敏昭玉村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1987-02-06
Filing date: 1987-02-06
Publication date: 1988-08-10

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】産業上の利用分野本発明は、抵抗制御素子に関する。より詳細には、本発
明は、金属あるいは半導体の抵抗値を、印加電圧により
直接制御することのできる全く新規な外部制御型非線形
素子の構成に関するものである。

従来の技術外部からの印加電圧を変化して素子の抵抗を変化する抵
抗制御素子として電界効果トランジスタ、評（以下ＦＥ
Ｔと記す）が知られ、また、既に広く実用に供されてい
る。Ｆ　Ｅ　Ｔ、は、そのゲート電極に印加する電圧を
変化することによりソース−ドレイン間の抵抗を制御す
る素子である。

ところで、固体の伝導率σは、一般に次式によって与え
られる。

σ＝六ｅ２７７ｍ　　・・・式（１）ここで、ｎはキャリア濃度、ｅは１個の電子が有する電荷、 τは固体中篭子の散乱時間の平均１直、ｍは固体中篭子
の有効質量を表している。

上述のＦＥＴの動作を式（１）について検討すると、ゲ
ート電圧によりチャネルのキャリア濃度ｎを変化し、チ
ャネルを挟むソース−ドレイン間の導電率を制御してい
ることが判る。

半導体を利用した従来の抵抗制御素子は、二〇ＦＥＴの
動作と同様に、半導体中のキャリア濃度を変化すること
によって素子の抵抗を変化するものである。

一方、固体の伝導率を決定する要素としては、式（１）
にも挙げたように、固体中の電子の有効質量あるいは固
体中の電子の散乱時間も挙げられる。

しかしながら、従来はこのような要素を制御することは
困難であるとされ、電子の有効質量あるいは散乱時間の
変化を動作原理とした抵抗側（卸素子は存在していなか
った。

発明が解決しようとする問題点しかしながら、固体において、その固体中の電子の有効
質量あるいは散乱時間が変化するとその固体の導電率そ
のものが変化したことになる。従って、これを動作原理
として構成された抵抗制御素子の機能は、極低温下にお
いても維持されるので超高速デバイスとなり得る。

そこで、本発明の目的は、印加電圧による固体中篭子の
有効質量あるいは散乱時間の制御によって、従来は困難
であった金属あるいは半導体そのものの抵抗値を制御す
る全く新規な抵抗制御素子を提供することにある。

問題点を解決するた必の手段即ち、本発明に従い、単結晶性誘電体薄膜層と、該誘電
体薄膜層の一方の面に形成された制御電極層と、該制御
電極層との間に前記誘電体薄膜層の少なくとも一部を挟
むように該誘電体薄膜層に形成され、両端を１対の被制
御電極とした非絶縁性材料の細線状部材とを備え、前記
細線状部材と前記制御電極層との間に印加する電圧を変
化することによって、前記１対の被制御電極間の電気抵
抗を制御することを特徴とする抵抗制御素子が提供され
る。

作用本発明に従う抵抗制御素子は、制御電極間に印加する電
圧を変化すると被制御電極間の抵抗１直を変化する。特
に、細線状部材を金属で形成し、超低温下において本発
明に従う抵抗制御素子の制御電極間に印加する電圧を変
化すると被制御電極間の抵抗値が変化する。これは、そ
の抵抗値の変化に、キャリア濃度の変化が寄与している
のではなく、細線状部材を形成する金属または半導体の
中の電子の有効質量と散乱時間の何れか一方または両方
の変化が寄与しているためである。このように細線状部
材中の電子の有効質量あるいは散乱時間またはそれら両
方の変化により抵抗値を変化させることが本発明の最も
重要な特徴である。

即ち、制御電極に電圧を印加すると、制御電極と被制御
電極とに挟まれた誘電体層に電界が印加される。すると
、誘電体層は分極を生じ、これに接している細線状部材
中の電子と相互作用を行う。

この相互作用の強さの変化によって、被制御電極間の細
線状部材を構成する金属あるいは半導体中で、電子の有
効質量あるいは散乱時間またはそれら両方が変化する。

従って、前述の式（１）に示すように、被制御電極間の
細線状部材の導電率が変化する。

即ち、細線状部材に金属、ノンドープ半導体あるいはド
ープした半導体等を目的に応じて選択すれば、極低温に
おいても動作する抵抗制御素子が得られる。

ここで、被制御電極間の部材を細線状とするのは、分極
した誘電体との相互作用の効果を高めるためである。即
ち、具体的には、太さ１μｍ以下の細線状部材中では、
電子の運動に方向的な制御が付加されるので、分極との
相互作用の相対的な割合が大きく増加するからである。

また、細線状部材と誘電体との界面は、極力清浄であり
、且つ、配向性の良い状態としておくことが好ましい。

更に、具体的には後述するが、この素子を作製する場合
は、細線状部材と誘電体薄膜との間で配向を揃えるよう
な膜形成を行うことが望ましい。

尚、誘電体薄膜層は、普通の誘電体だけでなく、強誘電
体によって形成してもよい。しかし、強誘電体を用いた
場合は、特に電圧を印加した後、電圧を取り去っても強
誘電体自体が自発分極している。従って、この場合は、
制御電柵に印加した電圧による分極の変化分が、被制御
電極間の抵抗の変化として顕れる。

実施例以下に図面を参照して本発明をより具体的に詳述するが
、以下に開示するものは本発明の一実施例に過ぎず、本
発明の技術的範囲を何等制限するものではない。

実施例１第１図は、本発明に従って構成された抵抗制御素子の構
成を示す斜視図である。

この素子は、主に、誘電体薄膜１０と、その上面に形成
された導電体１１並びにその両端部に形成された１対の
被制御電極１２ａ、１２ｂと、誘電体薄膜１０の下面に
形成された制御電極１３とから構成されている。

制御電極１３は、誘電体薄膜１０を介して導電体１１と
は反対の面金面に形成された導電体薄膜であり、導電体
１１並びに被制御電極１２ａ、　１２ｂとは誘電体薄膜
１０を介して電気的に絶縁されている。

導電体１１並びに被制御電極１２ａ、１２ｂは、実際に
は所定のパターンにパターニングされた１層の導体薄膜
であり、導電体１１は、互いに平行に配列した複数の細
線状になされている。なお、導電体１１は、金属であっ
ても半導体であってもよく、半導体は、ノンドープ半導
体でも、不純物がドープされた半導体でもよい。

この抵抗制御素子の動作は、以下のようなものである。

まず、直流電圧電源１４によって、制御電極１３と被制
御電極１２ａの間に所定の電圧を印加する。この場合、
被制御電極ｉ２ａ、１２ｂと導電体１１とは実質的に１
層の導体薄膜として、全体で１つの電極として機能する
。従って、誘電体薄膜１０の両面の間に電位差が発生し
て分極が誘起される。誘電体と導電体との界面に誘起さ
れた分極と導電体１１中の電子とが相互作用し、導電体
１１中の電子の有効質量あるいは分散時間または両方が
変化し、導電体は実質的にその導電率を変化する。かく
して、被制御電極１２ａ、　１２ｂ間の抵抗が変化する
。

また、誘電体薄膜１０の分極は、制御型開１３と被制御
電極１２ａの間に印加する電圧の変化に応じて変化する
。従って、制御電極１３に印加する電圧を変化すること
によって、被制御電極１２ａ　、　１２ｂ間の抵抗を任
意に変化することができる。

以上の被制御電極１２ａ、１２ｂ間の抵抗の変化は、定
電流ｉＪ！１５を被制御電極１２ａと１２ｂとの間に接
続して導電体１１に一定の電流を流し、両彼制御電極１
２ａと１２ｂ間の電圧を電圧計１６によって測定するこ
とによって知ることができる。

作製例１第２図（ａ）乃至（ｉ）は、第１図に示した抵抗制御素
子の具体的な作製例を挙げて、素子の作製工程を説明す
る図である。

まず、第２図（ａ）に示すように、チタン酸ストロンチ
ウム（ＳｒＴｉＯ３）の単結晶基板２１上に、蒸着法に
より厚さ０．１μｍのＰｔ層２２を堆積した。蒸着の条
件は、圧力１０−”Ｔｏｒｒ以下、基板温度１５０℃と
した。Ｐｔは５ｒＴｉＯ＋　と格子定数が近いので、得
られたｐｔ層２２は極めて配向性の良いものであった。

次に、第２図（ｂ）に示すように、高周波マグネトロン
スパッタ法によって、Ｐｔ層２２上に厚さ１μｍのチタ
ン酸鉛（ＰｂＴｉＯ２）層２３を堆積した。スパッタリ
ング条件は、アルゴン８０％、酸素２０％の混合ガス中
で、圧力１０ｍＴｏｒｒで行い、基板温度は５００℃と
した。ここでも、ＰｂＴ＋０３はＰｔと格子定数が近い
ので、得られたＰｂＴ　ｉ○３層２３は極めて配向性の
侵れたものであった。

続いて、第２図（Ｃ）に示すように、蒸着法によりＰｂ
Ｔｉ０３層２３上に厚さ５μｍのｐｔ１２４を堆積した
。

蒸着条件は、１Ｏ−９Ｔｏ丁ｒ以下の圧力下で、基板温
度は１５０℃とした。

次に、第２図（ｄ）に示すように、プラズマＣＶＤ法に
より、ｐｔ層２４上に厚さ７０ｎｍの非晶質カーボン層
２５を堆積した。非晶質カーボン層２５の形成はアセチ
レンと后の混合ガスを用いＩ　Ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒの
圧力下で行った。また、非晶質カーボン層２５の形成と
連続して、スピンコード法により厚さ７Ｑｒ＋ｍのネガ
形電子線レジスト層２６（ＳＮＲ１ＮＲ１東洋ソー金製
成した。更に、電子線露光装置によって上方から電子線
を照射し、複数の平行細線５０本を有し両端に被制御電
極に相当するパッド部分を有するパターンを描画してレ
ジスト層２６を露光した。尚、このパターンの寸法は、
線幅３Ｑｎｍ、線と線の間隔７０ｎｍとした。また、細
線パターンは、両端では結合されたものとした。

続いて、レジスト層２６をキシレン中で第２図（ｆ）に
示すように現像した後、反応性イオンエツチング装置中
でＩＱ　ｍＴｏｒｒの０２ガスによるエツチングを行い
、第２図（（イ）に示すように、レジスト層２６のパタ
ーンに対応するパターンに非晶質カーボン層２５を選択
除去した。

次に、第２図（５）に示すように、イオンミリング装置
中で、５　ｘｉｏ　’Ｔｏｒｒのアルゴン雪囲気下で１
分間エツチングを行い、レジスト層２６を除去すると共
に、２１層２４の露出部分を非晶質カーボン層２５と同
じパターンにエツチングした。

更に、１０ｍＴｏｒｒの酸素ガス中で反応性ドライエツ
チングに付し、第２図（山こ示すように、残った非晶質
カーボン層２５を除去する。

こうして、第２図（ｉ）に示すように、誘電体であルＰ
ｂＴｉ０．層２３の下面に制御電極としてのｐｔ層２２
を具備し、また上面には細線状導電体であるｐｔ細線パ
ターン２４を搭載した、実質的に第１図に示したものと
同じ構造を有する抵抗制御素子が完成しこの素子を、４
にの液体ヘリウム中で冷却しながらｐｊ層２２とｐｔ層
２４との間に１の電圧を印加し、Ｐｔ層２４の両端間の
電気抵抗を測定した。こうして測定された電気抵抗は、
電圧をかけない同じ温度の電気抵抗に比較して１３％減
少していた。

作製例２第３図（ａ）乃至（ｈ）は、本発明に従う抵抗制御素子
の他の態様の作製過程を説明する図であり、ここでは埋
め込み型の抵抗制御素子を作製する。

まず、第３図（ａ）に示すように、スパッタリング法に
より、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）基板３
１上に、厚さ５０ｎｍのＧｅ層３２を堆積した。このＧ
ｅ層３２は、後述する電子ビーム露光時の基板のチャー
ジアップを防止するためのものである。

次に、第３図ら）に示すように、ポジ形電子線レジスト
φ−ＭＡＣ（フェニルメタクリレート−メタクリル酸共
重合体、ダイキン工業製）による厚さ０．３μｍのレジ
スト層３３をスピンコード法により堆積した。

このレジスト層３３を、第３図（Ｃ）に示すように、線
巾３Ｑｎｍ、ピッチ２００ｎｍの平行な細線５０本とそ
の両端に形成される被制御電極に相通するパッドとを有
するパターンを電子線により描画してレジストを露光し
、更に、ジイソブチルケトン−ジオキサン（７０：３０
）溶液により３０秒間現像して、マスクバクーンを形成
した。

続いて、ＥＣＲ型エツチング装置（日電アネルド製）に
よって、第３図（ｄ）に示すように、前述のレジストパ
ターンをマスクとしてＡｒ＋エツチングを行い、Ｇｅ層
３２並びに基板３１に細線状導電体並びに被制御電極の
パターンを形成した。尚、基板３１は、深さ０．１μｍ
までエツチングした。

次に、第３図（ｅ）に示すように、電子ビーム蒸着法に
より、基板３１の上方から１×１０１６個／ｃｆｆｌの
Ｐを含むＳｌを蒸着した。また、この後で、第３図（ｆ
）に示すように、メチルエチルケトン中でのリフトオフ
法によりレジスト層３２を除去すると共に、プラズマエ
ツチング法により残余のＧｅ層３２を除去した。かくし
て、５ｒＴｉ０３基板３１の一方の面に、厚さ０．１μ
ｍのＰドープＳｉ細線３４を埋め込んだ部材を作製した
。

更に、第３図（ｇ）に示すように、高周波マグネトロン
スパッタリング装置を用いて、厚さ１μｍのチタン酸鉛
（ＰｂＴｉＯ３）層３５を前記部材の全面に堆積する。

即ち、ＰｂＴｉＯ３とＳｒＴ＋０３　とは、格子定数が
極めて近いので５ｒＴｉ０３基板３１の直上にＰｂＴｉ
Ｏ３の単結晶が生成し、続いて横方向の成長により、埋
め込み型ＰドープＳ１細線３４の上にもＰｂＴｉ０３層
３５が形成される。

また更に、このＰｂＴｉＣ１＋　！ｉ！３５上に、第３
図（ｈ）に示すように、厚さ０．１μｍのｐｔ層３６を
堆積した。

こうして作製した抵抗制御素子を、４にの液体ヘリウム
中で冷却し、ＰドープＳｉ細線３４とｐｔ層３６との間
に１■の電圧をかけ、ＰドープＳ１細線３４の両端間で
の電気抵抗を測定した。ここで測定された電気抵抗は、
ＰドープＳ１細線３４とｐｔ層３６との間に電圧をかけ
ない場合の、同じ温度中のＰドープＳ１に比較して２７
％低かった。

実施例２第４図は、本発明に従う抵抗制御素子の他の態様を示す
ものである。

この態様では、細線状導電体４１が、誘電体薄膜４０ａ
に埋め込んであり、表面はもう１層の誘電体薄膜４０ｂ
によって被われている。各誘電体層４０ａ、４０ｂの外
面には、１対の制御電極４３ａ、４３ｂが形成されてい
る。抵抗制御のための電圧は細線状導電体４１と制御電
極４３ａ、４３ｂの間に印加する。この電圧によって誘
電体層４０ａ、　４０ｂが分極し、細線状導電体４１と
相互作用を呈する。

この抵抗制御素子が実施例１に示した抵抗制御素子と異
なる点は、誘電体層４０ａ、　４０ｂと細線状導電体４
１との接触面積が大きいので、電子と分極との相互作用
が更に増大することである。

作製例３第５図は、第４図に示した抵抗制御素子と実質的に同じ
構造の、１対の制御電極を備えた抵抗制御素子の作製過
程を説明する図である。

第５図（ａ）に示す部材は、第２図（ｉ）に示す抵抗制
御素子と同じものであり、ここまでの工程は、作製例１
において説明したものと同じ工程によって作製している
。従って、厚さ０１１μｍのｐｔ層２２、厚さＩＡｔｍ
のＰｂＴ＋０３層２３、厚さＯ，ｌＪｊｍのＰｔ層２４
とが、５ｒＴｉ０３基板２１上にこの順序で積層されて
いる。また、Ｐｔ層２４は、幅３Ｑｎｍ、ピッチ７０ｎ
ｍの細線５０本とその両端に設けられたパッドとを形成
している。

続いて、第５図（ｂ）に示すように、高周波マグネトロ
ンスパッタ法によりこの部材の上方から厚さ１μｍのＰ
ｂＴｉ０９層５１を形成する。

次に、第５図（Ｃ）に示すように、蒸着法により厚さ０
．１μｍのｐｔ層５２を形成する。

こうして完成した抵抗制御素子は、細線状導電体である
Ｐｔ層２４が、その断面の全周を誘電体であるＰｂＴｉ
０３層２３並びに５１で覆われており、Ｊ先主（本の分
極との相互作用がより大きく得られることが期待される
。

この素子を４にの液体ヘリウム中で冷却しながら、Ｐｔ
層２２並とｐｔ層５２とを同電位に保つと共にｐｔ層２
４との間に１■の電圧を印加し、Ｐｔ層２４の両端で電
気抵抗を測定した。ここで測定された抵抗は、同じ温度
で測定したｐｔ線の電気抵抗に比較して３５％低かった
。すなわち、第４図の構造は、第１図の構造に比較して
複雑であり、素子の作成工程が複雑になるが、同一電圧
で抵抗変化を大きくすることができる。

なお、上記した作製例では、抵抗の変化が極めて大きい
とは言えないが、その原因は、細線状導電体と誘電体と
の界面が理想的な状態ではなく、部分的に吸着物質によ
り汚染されているためと考えられる。従って、この点を
配慮して素子を作製すれば更に大きな動作範囲が実現で
きる。

発明の効果以上詳述のように、本発明に従う抵抗制御素子は、導電
体中の電子の有効質量あるいは分散時間またはその両方
を制御するという動作原理に基づく全く新しい素子であ
り、特に、極低温において金属の抵抗を制御することを
可能とする。

近年、超高速スイッチングあるいは超低消費電力等によ
って注目されている超電導現象を利用した各種装置の開
発に、本発明の果たす効果は極めて大きいといえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従って構成された抵抗制御素子の構
成を示す斜視図であり、第２図（ａ）乃至（ｉ）は、第１図に示す抵抗制御素子
の作製過程を説明する図であり、第３図（ａ）乃至（社）は、本発明に従う抵抗制御素子
の他の実施例の作製過程を示すものであり、第４図は、
本発明に従って構成された抵抗制御素子の他の態様の構
成を示す断面図であり、第５図（ａ）乃至（Ｃ）は、第
４図に示す抵抗制御素子と実質的に同じ構造の抵抗制御
素子の作製過程を説明する図である。（主な参照番号）１０．４０ａ、４０ｂ−・誘電体薄膜、１１．４１・・
・・・細線状導電体、１２ａ、１２ｂ・・・・・被制御電極、１３．４３ａ、
　４３１］　・・・制御電極、１４．４４・・・・・・
電源、１５・・定電流源、１６・・電圧計、２１．３１　・・ＳｒＴ＋　０３基板、２２．２４．３
６．５２・・ｐｔ層、２３．３５．５１・・ＰｂＴ＋Ｃ）＋層、２５・　・　
・　・非晶質カーボ、ン層、２６．３３・・レジスト層
、３２・・Ｇｅ層、３４・　・ＰドープＳ１層、

Claims

【特許請求の範囲】

（１）単結晶性誘電体薄膜層と、該誘電体薄膜層の一方
の面に形成された制御電極層と、該制御電極層との間に
前記誘電体薄膜層の少なくとも一部を挟むように該誘電
体薄膜層に形成され、両端を１対の被制御電極とした非
絶縁性材料の細線状部材とを備え、前記細線状部材と前
記制御電極層との間に印加する電圧を変化することによ
って、前記１対の被制御電極間の電気抵抗を制御するこ
とを特徴とする抵抗制御素子。
（２）前記細線状部材は、金属、ノンドープ半導体また
は不純物をドープした半導体の何れかにより形成されて
いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の抵抗
制御素子。
（３）前記細線状部材の幅が１μｍ以下であることを特
徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記載の抵
抗制御素子。
（４）前記細線状部材が複数平行に設けられており、各
細線状部材が両端で結合されて前記１対の制御電極を形
成していることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至
第３項の何れか１項に記載の抵抗制御素子。
（５）前記細線状部材が、前記単結晶性誘電体薄膜層の
他方の面に形成されていることを特徴とする特許請求の
範囲第１項乃至第４項の何れか１項に記載の抵抗制御素
子。
（６）前記細線状部材が前記単結晶性誘電体薄膜内に埋
め込まれており、前記制御電極は、前記単結晶性誘電体
薄膜層の両面にそれぞれ形成されていることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項乃至第４項の何れか１項に記載
の抵抗制御素子。