JPWO2016111306A1 - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
半導体装置は、酸化物の磁性材料からなる活性層と、活性層の上に設けられた、水を含有する多孔質誘電体とを含み、水の電気分解で形成された水素および酸素を用いて、強磁性金属と反強磁性絶縁体との間で活性層の結晶構造を変化させる。
Description
本発明は、酸化物の磁性体を活性層に用いた半導体装置に関し、特に、活性層の結晶構造を変化させて、強磁性金属と反強磁性絶縁体との間で活性層の特性を切り替える半導体装置に関する。
近年、磁性材料中の微小な磁石である電子スピンを、磁界に代えて電界で制御する次世代スピントロニクスが大きな注目を集めており、その一例が磁性材料を活性層に用いてゲート電圧で活性層の磁気を制御する強磁性薄膜トランジスタである。ここで、磁性材料の多くは金属並みの高い電子（またはホール）キャリア濃度（１０２２ｃｍ−３程度）を有するため、半導体エレクトロニクスで用いられる誘電体をゲート絶縁膜に用いた場合、キャリア濃度を十分に変調することができない。このため、イオン液体を用いて強磁性体のキャリア濃度を変調する電気二重層トランジスタが提案されている（例えば、非特許文献１、２参照）。
D. Chiba et al., Nature Materials 10, 853 (2011)
T. Fukumura et al., Science 332, 1065 (2011)
しかしながら、イオン液体を用いた電気二重層トランジスタでは、室温で磁性体のスピン状態を電界変調できるが、イオン液体は室温で液体であり、素子全体を封止するなどの漏液対策が必要となり、素子構造が複雑になるという問題があった。また、一般にイオン液体として用いられる有機イオン液体は室温以上の温度に加熱された場合、発火する危険性があり、安全性の面でも問題があった。
そこで、本発明は、イオン液体を用いた電気二重層トランジスタに代えて、多孔質の絶縁体中に保持された水の電気分解を用いて活性層の結晶構造を変化させ、強磁性金属と反強磁性絶縁体との間で活性層の特性を切り替える半導体装置の提供を目的とする。
本発明は、
酸化物の磁性材料からなる活性層と、
活性層の上に設けられた、水を含有する多孔質誘電体と、を含み、
水の電気分解で形成された水素および酸素を用いて、強磁性金属と反強磁性絶縁体との間で活性層の結晶構造を変化させることを特徴とする半導体装置である。
酸化物の磁性材料からなる活性層と、
活性層の上に設けられた、水を含有する多孔質誘電体と、を含み、
水の電気分解で形成された水素および酸素を用いて、強磁性金属と反強磁性絶縁体との間で活性層の結晶構造を変化させることを特徴とする半導体装置である。
また、本発明は、
基板と、
基板の上に設けられた、酸化物の磁性材料からなる活性層と、
基板の上に、活性層を挟んで配置されたソース電極およびドレイン電極と、
活性層の上に設けられた、水を含有する多孔質誘電体と、
多孔質誘電体の上に設けられたゲート電極と、を含み、
ゲート電極に電圧を印加して水を電気分解し、形成された水素および酸素を用いて、強磁性金属と反強磁性絶縁体との間で活性層の結晶構造を変化させることを特徴とする半導体装置でもある。
基板と、
基板の上に設けられた、酸化物の磁性材料からなる活性層と、
基板の上に、活性層を挟んで配置されたソース電極およびドレイン電極と、
活性層の上に設けられた、水を含有する多孔質誘電体と、
多孔質誘電体の上に設けられたゲート電極と、を含み、
ゲート電極に電圧を印加して水を電気分解し、形成された水素および酸素を用いて、強磁性金属と反強磁性絶縁体との間で活性層の結晶構造を変化させることを特徴とする半導体装置でもある。
本発明では、水の電気分解で生成する水素ガスおよび酸素ガスを利用して、活性層の結晶構造（酸素含有率）を変化させ、強磁性金属と反強磁性絶縁体との間で活性層の特性を切り替えることにより、室温動作が可能な半導体装置を得ることができる。
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態にかかる磁性トランジスタ（「磁性薄膜トランジスタ」とよぶ場合もある）の断面の概略図である。磁性トランジスタ１００は、基板１を含む。基板１には、例えば（００１）ＳｒＴｉＯ３の単結晶基板が用いられるが、他のＡＢＯ３（Ａ：Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂ：Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ）で表される酸化物、ＬＳＡＴ（Ｌａ０．３Ｓｒ０．７Ａｌ０．６５Ｔａ０．３５Ｏ３）、更にはシリコンやガラスを用いても構わない。また、基板１の面方位も（００１）には限定されない。
基板１の上には、活性層２が設けられる。活性層２には、例えば、ブラウンミラライト型構造の反強磁性絶縁体であるＳｒＣｏＯ２．５が用いられる。活性層２の膜厚は、例えば３０ｎｍである。
活性層２の材料としては、結晶構造が変化することにより、強磁性金属と反強磁性絶縁体との間で特性が変わる材料であれば他のＡＢＯｘ（Ａ：Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂ：Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、２．０≦ｘ３．５）で表される酸化物を用いても構わない。
活性層２の上には、多孔質絶縁体のゲート絶縁膜３が設けられる。ゲート絶縁膜３には、例えば１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３（Ｃ１２Ａ７）が用いられるが、更に、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、１２ＳｒＯ・７Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＮａＴａＯ３、ＫＴａＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＺｒＯ２、ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＳｒＺｒＯ３、ＣａＺｒＯ３、ＢａＺｒＯ３やゼオライト、または、これらの２種以上を含む材料を用いても良い。これらの材料は、アモルファス状態でも結晶でも構わない。また、多孔質の絶縁材料であれば、プラスチック等の樹脂材料を用いても構わない。
多孔質絶縁体のゲート絶縁膜３は、表面および内部に複数の空孔が形成され、いわゆるナノポアまたはメソポアと呼ばれる微細構造を有する。空孔の直径は０．３〜１００ｎｍ、好ましくは５〜２０ｎｍである。また、空孔率、即ち、空孔の体積の、ゲート絶縁膜３の体積に占める割合は５〜７０体積％であり、好適には２０〜５０体積％である。空孔は、例えば球状であるが、これに限定されるものではない。
ゲート絶縁膜３の空孔中には水が含まれる。水分含有率、即ち空孔中に含まれる水の体積の、空孔の体積に対する割合は、２３〜１００体積％、好適には５０〜１００体積％、更に好適には８０〜１００体積％である。なお、水分含有率は、ゲート絶縁膜３全体における平均値であり、全ての空孔が上述の水分占有率を満たす必要はない。
ゲート絶縁膜３の膜厚は、例えば２００ｎｍである。
基板１の上には、活性層２の両側に、活性層２を挟んで対向するようにソース電極１１とドレイン電極１２が設けられる。ソース電極１１とドレイン電極１２の一部は、活性層２とゲート絶縁膜３との間に挟まれても良い。また、ゲート絶縁膜３の上には、ゲート電極１３が設けられる。ソース電極１１、ドレイン電極１２およびゲート電極１３は、例えばチタン、金、ニッケル、アルミニウム、モリブデンからなる。
図１に示すように、例えば磁性トランジスタ１００のソース電極１１は接地（ＧＮＤ）され、ゲート電極１３にゲート電圧Ｖｇが印加される。
次に、図１、２を参照しながら、本発明の実施の形態にかかる磁性トランジスタ１００の動作について説明する。図２中、図１と同一符合は、同一または相当箇所を示す。また、動作は室温で行うことが可能である。
図１は磁性トランジスタ１００のゲート電極１３に電圧を印加しない状態であり、活性層２はブラウンミラライト型構造の反強磁性絶縁体であるＳｒＣｏＯ２．５から形成されている。このため活性層２は絶縁性であり、ソース電極１１とドレイン電極１２との間には電流が流れず、磁性トランジスタ１００はオフ状態である。
次に、図２（ａ）に示すように、ゲート電極１３に例えば−５０Ｖの負の電圧を印加すると、多孔質絶縁体からなるゲート絶縁膜３の厚さ方向に電界が発生する。これによりゲート絶縁膜３の空孔に含まれる水分が、正電荷を有するプロトン（Ｈ＋）と、負電荷を有する水酸化物イオン（ＯＨ−）に電気分解し、プロトンは負に帯電したゲート電極１３側に、水酸化物イオンは逆に活性層２側に移動する（矢印２０）。
活性層２側に移動した水酸化物イオンは、反応して水と酸素になり、図２（ａ）に矢印２０で示すように酸素は活性層２中に移動する。ブラウンミラライト型構造のＳｒＣｏＯ２．５からなる活性層２に酸素が注入されると、酸化反応が起きて、ブラウンミラライト型構造のＳｒＣｏＯ２．５は、酸化されて酸素含有率（酸素不定比性）が変わりペロブスカイト型構造のＳｒＣｏＯ３に結晶構造が変化する。この結果、活性層２は強磁性金属となって導電性となり、磁性トランジスタ１００はオン状態となる。
オン状態となった磁性トランジスタ１００では、ゲート電極１３に印加する電圧を０Ｖにしても、活性層２は強磁性金属であるＳｒＣｏＯ３のままであり、オン状態が維持される。
次に、図２（ｂ）に示すように、ゲート電極１３に例えば＋８０Ｖの正の電圧を印加すると、電界の方向が逆転し、水の電気分解で生じた水酸化物イオンは正に帯電したゲート電極１３側に、プロトンは活性層２側にそれぞれ移動する。
活性層２側に移動したプロトン（矢印２１）は、ペロブスカイト型構造のＳｒＣｏＯ３を還元し（酸素を引き抜き）、ペロブスカイト型構造のＳｒＣｏＯ３の酸素含有率（酸素不定比性）が減少し、ブラウンミラライト型構造のＳｒＣｏＯ２．５に結晶構造が変化する。この結果、活性層２は反強磁性絶縁体となって絶縁性となり、磁性トランジスタ１００はオフ状態となる。
このように、本発明の実施の形態にかかる磁性トランジスタ１００では、多孔性材料からなるゲート絶縁膜３に含まれる水分を電気分解して、得られた水素および酸素を用いて活性層２を形成する磁性体酸化物の酸素不定比数を変え、強磁性金属と反強磁性絶縁体の間で結晶構造を変化させることで、活性層２を絶縁性と導電性の間で切り換え、室温において磁性トランジスタ１００をオン／オフさせることができる。
なお、磁性トランジスタ１００を作製する場合に、活性層２として、ブラウンミラライト型構造の反強磁性絶縁体の代わりに、ペロブスカイト型構造の強磁性金属であるＳｒＣｏＯ３を用いても良い。この場合、ゲート電極１３に正の電圧を印加することにより、ＳｒＣｏＯ３が還元されてＳｒＣｏＯ２．５となり、活性層２は、ペロブスカイト型構造からブラウンミラライト型構造に変化する。この結果、活性層２は、導電性の強磁性金属から絶縁性の反強磁性絶縁体に切り替わる。逆に、ゲート電極１３に負の電圧を印加することにより、活性層２は、絶縁性の反強磁性絶縁体から導電性の強磁性金属に切り替わる。
次に、図３を用いて、本発明の実施の形態にかかる磁性トランジスタ１００の製造方法について説明する。図３中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。製造方法は、以下の工程１〜５を含む。
工程１：図３（ａ）に示すように、例えば（００１）ＳｒＴｉＯ３からなる単結晶基板を準備する。基板は、他のＡＢＯ３（Ａ：Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂ：Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ）で表される酸化物やＬＳＡＴ、シリコンやガラスでも構わない。
工程２：図３（ｂ）に示すように、金属マスクを用いて、基板１の上の所定の位置にＳｒＣｏＯ２．５からなる活性層２を形成する。活性層２の形成は、例えばパルスレーザー堆積法や電子ビーム蒸着法を用いて行われる。この時の基板温度は、例えば７００〜８００℃であり、チャンバ内の酸素圧力は、例えば１０Ｐａである。活性層２の膜厚は、例えば３０ｎｍである。
工程３：図３（ｃ）に示すように、金属マスクを用いて、基板１の上の所定の位置にソース電極１１とドレイン電極１２を形成する。ソース電極１１、ドレイン電極１２は、例えばチタンや金のような一般的な電極材料からなり、例えば電子ビーム蒸着法を用いて形成される。ソース電極１１、ドレイン電極１２の膜厚は、例えば２０ｎｍである。
工程４：図３（ｄ）に示すように、金属マスクを用いて、活性層２の上にゲート絶縁膜３を形成する。ゲート絶縁膜３は、例えば１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３からなる。ゲート絶縁膜３の形成は、例えば、減圧したチャンバ内で、パルスレーザー堆積法を用いて行う。パルスレーザー堆積法では、チャンバ内の圧力を１０−５〜１０−８Ｐａに減圧した後、チャンバ内に酸素を導入して酸素圧力を１〜１０Ｐａに維持する。続いてＫｒＦエキシマレーザー等を材料のターゲットに照射して、活性層２の上の所定の位置にゲート絶縁膜３を堆積させる。ＫｒＦエキシマレーザーの照射条件は、例えば波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓ、繰り返し周波数１０Ｈｚとする。このように、チャンバ内の酸素圧力を制御することにより、空孔率が２０体積％以上の多孔質絶縁体からなるゲート絶縁膜３を得ることができる。
多孔質絶縁体からなるゲート絶縁膜３を形成した後、チャンバに空気を導入して常圧にすることにより、空気中に含まれる水分が空孔内に取り込まれる。空孔の水分含有率は、例えば２３〜１００体積％となる。
工程５：図３（ｅ）に示すように、ゲート絶縁膜３の上にゲート電極１３を形成する。ゲート電極１３は、例えばチタンや金のような一般的な電極材料からなり、例えば電子ビーム蒸着法を用いて形成される。
以上の工程により、本発明の実施の形態にかかる磁性トランジスタ１００が完成する。
次に、以下の実施例に示す磁性トランジスタ１００の特性を、多孔質材料からなるゲート絶縁膜を有さない比較例の特性と比較した。
（実施例）
磁性トランジスタ１００の作製は、最初に（００１）ＳｒＴｉＯ３単結晶基板（信光社製、サイズ１０×１０×０．５ｍｍ）を準備し、その上に、パルスレーザー堆積法により、膜厚３０ｎｍのＳｒＣｏＯ２．５からなる活性層２を、金属マスク（ピーワン製）を介して堆積した。基板温度は７２０℃、酸素圧力は１０Ｐａとした。
磁性トランジスタ１００の作製は、最初に（００１）ＳｒＴｉＯ３単結晶基板（信光社製、サイズ１０×１０×０．５ｍｍ）を準備し、その上に、パルスレーザー堆積法により、膜厚３０ｎｍのＳｒＣｏＯ２．５からなる活性層２を、金属マスク（ピーワン製）を介して堆積した。基板温度は７２０℃、酸素圧力は１０Ｐａとした。
次に、電子ビーム蒸着法により、ソース電極１１、ドレイン電極１２を形成した。ソース電極１１、ドレイン電極１２はチタンからなり、膜厚は２０ｎｍとした。
次に、パルスレーザー堆積法により、膜厚２００ｎｍの多孔質１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３薄膜からなるゲート絶縁体３を活性層２の上に形成した。基板加熱は行わず、チャンバ内の酸素圧力は５Ｐａとした。作製したトランジスタのチャネル長（ソース電極１１とドレイン電極１２の間隔）Ｌとチャネル幅（ソース電極１１、ドレイン電極１２の幅）Ｗはともに４．０ｍｍである。
最後に、ゲート絶縁体３の上に、チタンからなるゲート電極１３を形成した。このようにして本実施例にかかる磁性トランジスタ１００を作製した。
シート抵抗
磁性トランジスタ１００について、図１、図２（ａ）および（ｂ）に示す状態において、活性層２のシート抵抗を室温で測定した。シート抵抗の計測には、ソース電極１１およびドレイン電極１２を用いた。計測の結果、シート抵抗は、ゲート電極１３に電圧を印加しない状態（図１）で３４０ｋΩ／□、電圧が−５０Ｖの状態（図２（ａ））で１ｋΩ／□、電圧が＋８０Ｖの状態（図２（ｂ））で１００ｋΩ／□となり、ゲート電圧を変えることによりシート抵抗を変化させ、磁性トランジスタ１００をオン／オフできることがわかった。ここではゲート電極１３に印加する電圧を−５０Ｖと＋８０Ｖとしたが、後述のように、−３Ｖと＋３Ｖとした場合も、シート抵抗を変化させて、磁性トランジスタ１００をオン／オフできることが確認されている。
磁性トランジスタ１００について、図１、図２（ａ）および（ｂ）に示す状態において、活性層２のシート抵抗を室温で測定した。シート抵抗の計測には、ソース電極１１およびドレイン電極１２を用いた。計測の結果、シート抵抗は、ゲート電極１３に電圧を印加しない状態（図１）で３４０ｋΩ／□、電圧が−５０Ｖの状態（図２（ａ））で１ｋΩ／□、電圧が＋８０Ｖの状態（図２（ｂ））で１００ｋΩ／□となり、ゲート電圧を変えることによりシート抵抗を変化させ、磁性トランジスタ１００をオン／オフできることがわかった。ここではゲート電極１３に印加する電圧を−５０Ｖと＋８０Ｖとしたが、後述のように、−３Ｖと＋３Ｖとした場合も、シート抵抗を変化させて、磁性トランジスタ１００をオン／オフできることが確認されている。
Ｘ線回折
図４は、磁性トランジスタ１００の活性層２のＸ線回折図形であり、（ａ）はゲート電圧印加前および正のゲート電圧（＋８０Ｖ）印加後（図１および図２（ｂ）の状態）におけるＸ線回折図形、（ｂ）は負のゲート電圧（−５０Ｖ）印加後（図２（ａ）の状態）におけるＸ線回折図形である。横軸は散乱ベクトル、縦軸は強度（任意スケール）を表す。また、「ＢＭ」はブラウンミラライト型ＳｒＣｏＯ２．５、「Ｐ」はペロブスカイト型ＳｒＣｏＯ３、数字は回折指数を表す。
図４は、磁性トランジスタ１００の活性層２のＸ線回折図形であり、（ａ）はゲート電圧印加前および正のゲート電圧（＋８０Ｖ）印加後（図１および図２（ｂ）の状態）におけるＸ線回折図形、（ｂ）は負のゲート電圧（−５０Ｖ）印加後（図２（ａ）の状態）におけるＸ線回折図形である。横軸は散乱ベクトル、縦軸は強度（任意スケール）を表す。また、「ＢＭ」はブラウンミラライト型ＳｒＣｏＯ２．５、「Ｐ」はペロブスカイト型ＳｒＣｏＯ３、数字は回折指数を表す。
図４に示すように、（ａ）ゲート電圧印加前および正のゲート電圧（＋８０Ｖ）印加後においては、「ＢＭ」で表示したブラウンミラライト型構造に起因するピークが見られ、活性層２がブラウンミラライト型構造のＳｒＣｏＯ２．５からなることがわかる。また、ＳｒＣｏＯ２．５薄膜は強くｃ軸に配向したエピタキシャル薄膜であり、ゲート絶縁体３を構成する１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３薄膜はアモルファスであることがわかる。
一方、（ｂ）負のゲート電圧（−５０Ｖ）印加後においては、「ＢＭ」で表示されるピークに代わり「Ｐ」で表示したペロブスカイト型構造に起因するピークが見られ、活性層２がペロブスカイト型構造のＳｒＣｏＯ３に変わっていることがわかる。
このように、ゲート電圧を変えることにより、ブラウンミラライト型ＳｒＣｏＯ２．５と、ペロブスカイト型ＳｒＣｏＯ３との間で、活性層２の構造が変化していることがわかる。
磁化特性
図５は、磁性トランジスタ１００の磁化特性の温度依存性を示す。図５において、横軸は温度、縦軸なＣｏ１原子当たりの磁化を示す。図５中、（ａ）はゲート電圧印加前（図１の状態）、（ｂ）は−５０Ｖのゲート電圧印加後（図２（ａ）の状態）を示す。磁気特性の測定は、磁気特性測定装置ＭＰＭＳ（カンタム・デザイン社製）を用いて、２０Ｏｅの磁場を印可して、１０〜３５０Ｋの温度範囲で行った。
図５は、磁性トランジスタ１００の磁化特性の温度依存性を示す。図５において、横軸は温度、縦軸なＣｏ１原子当たりの磁化を示す。図５中、（ａ）はゲート電圧印加前（図１の状態）、（ｂ）は−５０Ｖのゲート電圧印加後（図２（ａ）の状態）を示す。磁気特性の測定は、磁気特性測定装置ＭＰＭＳ（カンタム・デザイン社製）を用いて、２０Ｏｅの磁場を印可して、１０〜３５０Ｋの温度範囲で行った。
図５から分かるように、（ａ）ゲート電圧印加前は、磁化のシグナルは見られないのに対し、（ｂ）−５０Ｖのゲート電圧印加後は、大きな磁化を有し、強磁性体になっていることがわかる。この結果から、負のゲート電圧印加により、活性層２が、反強磁性絶縁体のＳｒＣｏＯ２．５から強磁性金属のＳｒＣｏＯ３に変化していることがわかる。
熱電能
ゲート電極１３に−５０Ｖのゲート電圧を印加した場合（図２（ａ）の場合）、活性層２が金属になっているかどうかを調べるために、室温における熱電能を計測した。熱電能の計測は、ソース電極１１とドレイン電極１２の間に５〜１０Ｋの温度差を付与し、この状態で電極間に発生する熱起電力を計測して行った。そして付与した温度差と発生した熱起電力の関係から熱電能を算出した。
ゲート電極１３に−５０Ｖのゲート電圧を印加した場合（図２（ａ）の場合）、活性層２が金属になっているかどうかを調べるために、室温における熱電能を計測した。熱電能の計測は、ソース電極１１とドレイン電極１２の間に５〜１０Ｋの温度差を付与し、この状態で電極間に発生する熱起電力を計測して行った。そして付与した温度差と発生した熱起電力の関係から熱電能を算出した。
この結果、ゲート電圧印加前（図１の場合）の熱電能が＋３００μＶ／Ｋであったのに対し、−５０Ｖのゲート電圧を印加した場合（図２（ａ）の場合）の熱電能は＋１０μＶ／Ｋとなった。これらの熱電能の値は、例えば文献（H. Jeen et al., Nature Materials 12, 1057 (2013)）に記載されたＳｒＣｏＯ２．５およびＳｒＣｏＯ３の熱電能の値と同程度である。このことから、負のゲート電圧の印加により、絶縁体であるＳｒＣｏＯ２．５が金属であるＳｒＣｏＯ３に変化していることがわかる。
このように、実施例の磁性トランジスタ１００では、ゲート電圧を制御することにより、活性層の結晶構造をブラウンミラライト型ＳｒＣｏＯ２．５構造と、ペロブスカイト構造との間で変化させ、活性層を強磁性金属と反強磁性絶縁体との間で切り替えることができ、室温でトランジスタ動作が可能となる。
ゲート電圧印加時間に対するゲート電流とシート抵抗の変化
図６、７は、磁性トランジスタ１００のゲート電流とシート抵抗の、ゲート電圧印加時間に対する変化を示すグラフであり、図６は、活性層２の酸化時（ＳｒＣｏＯ２．５→ＳｒＣｏＯ３）、図７は、活性層２の還元時（ＳｒＣｏＯ３→ＳｒＣｏＯ２．５）を表す。
図６、７は、磁性トランジスタ１００のゲート電流とシート抵抗の、ゲート電圧印加時間に対する変化を示すグラフであり、図６は、活性層２の酸化時（ＳｒＣｏＯ２．５→ＳｒＣｏＯ３）、図７は、活性層２の還元時（ＳｒＣｏＯ３→ＳｒＣｏＯ２．５）を表す。
図６では、オフ状態の磁性トランジスタ１００のゲート電極に、４種類のゲート電圧Ｖｇ（−３Ｖ、−２．５Ｖ、−２Ｖ、−１．５Ｖ）を印加した状態で保持してゲート電流Ｉｇを測定し、その後、ゲート電圧をオフして活性層２のシート抵抗を測定することで、ゲート電圧印加時間に対する変化を調べた。ゲート電流の計測には、ゲート電極１３およびソース電極１１を用いた。例えばゲート電圧Ｖｇが−３Ｖの場合、約２〜３秒の保持時間でシート抵抗は、ＳｒＣｏＯ２．５に起因する２×１０６Ω／□から４×１０２Ω／□まで変化し、磁性トランジスタ１００がオフ状態からオン状態に切り替わる。即ち、活性層２のＳｒＣｏＯ２．５が酸化されてＳｒＣｏＯ３に変化する。オフ状態からオン状態への切り換え時間は、ゲート電圧Ｖｇが−２．５Ｖの場合は１５秒、２．０Ｖの場合は３０秒と、印加電圧が小さくなるほど長くなる。また、活性層２のシート抵抗の減少に伴いゲート電流Ｉｇも増加する。
一方、図７では、オン状態の磁性トランジスタ１００のゲート電極に、４種類のゲート電圧Ｖｇ（＋３Ｖ、＋２．５Ｖ、＋２Ｖ、＋１．５Ｖ）を印加した状態で保持してゲート電流Ｉｇを測定し、その後、ゲート電圧をオフして活性層２のシート抵抗を測定することで、ゲート電圧印加時間に対する変化を調べた。例えばゲート電圧Ｖｇが＋３Ｖの場合、約２〜３秒の保持時間でシート抵抗は４×１０２Ω／□から２×１０６Ω／□まで変化し、磁性トランジスタ１００がオン状態からオフ状態に切り替わる。即ち、活性層２のＳｒＣｏＯ３が還元されてＳｒＣｏＯ２．５になる。オン状態からオフ状態への切り換え時間は、ゲート電圧Ｖｇが小さくなるほど長くなる。また、活性層２のシート抵抗の増加に伴いゲート電流Ｉｇも減少する。
このように、本発明の実施の形態にかかる磁性トランジスタでは、ゲート電圧Ｖｇを、比較的に低電圧である−３Ｖと＋３Ｖとすることによっても、約２〜３秒の保持時間で磁性トランジスタ１００を可逆的にオン／オフできることがわかる。
電子密度とシート抵抗
図８は、磁性トランジスタ１００に様々なゲート電圧Ｖｇを印加した場合の、活性層２の電子密度とシート抵抗との関係を示す。図８の左図は、オフ状態の磁性トランジスタ１００のゲート電極に、４種類のゲート電圧Ｖｇ（−３Ｖ、−２．５Ｖ、−２Ｖ、−１．５Ｖ）を印加し、活性層２のＳｒＣｏＯ２．５を酸化してＳｒＣｏＯ３にした場合のグラフであり、図８の右図は、オン状態の磁性トランジスタ１００のゲート電極に、４種類のゲート電圧Ｖｇ（＋３Ｖ、＋２．５Ｖ、＋２Ｖ、＋１．５Ｖ）を印加し、活性層２のＳｒＣｏＯ３を還元してＳｒＣｏＯ２．５にした場合のグラフである。
図８は、磁性トランジスタ１００に様々なゲート電圧Ｖｇを印加した場合の、活性層２の電子密度とシート抵抗との関係を示す。図８の左図は、オフ状態の磁性トランジスタ１００のゲート電極に、４種類のゲート電圧Ｖｇ（−３Ｖ、−２．５Ｖ、−２Ｖ、−１．５Ｖ）を印加し、活性層２のＳｒＣｏＯ２．５を酸化してＳｒＣｏＯ３にした場合のグラフであり、図８の右図は、オン状態の磁性トランジスタ１００のゲート電極に、４種類のゲート電圧Ｖｇ（＋３Ｖ、＋２．５Ｖ、＋２Ｖ、＋１．５Ｖ）を印加し、活性層２のＳｒＣｏＯ３を還元してＳｒＣｏＯ２．５にした場合のグラフである。
例えば、図８の左図の場合、ゲート電圧Ｖｇを印加すると、ゲート絶縁膜３の中の空孔に含まれる水が、プロトン（Ｈ＋）と水酸化物イオン（ＯＨ−）に電気分解する。この水酸化物イオンにより活性層２のＳｒＣｏＯ２．５が酸化されてＳｒＣｏＯ３になり、活性層２のシート抵抗が低くなる。図８の左図に示すように、様々なゲート電圧Ｖｇを印加した場合の電子密度とシート抵抗の関係は、ほぼ同一直線状に変化しており、金属化に要する電子密度は７×１０１６ｃｍ−２である。ＳｒＣｏＯ２．５からＳｒＣｏＯ３への酸化反応に要する理想的な電子密度は７×１０１６ｃｍ−２であり、電気分解で発生した電気量（活性層に移動した水酸化物イオンの量）と一致することから、本磁性トランジスタ１００の酸化反応において、ファラデーの電気分解の法則が成り立つことがわかる。
図８の右図の場合も同様に、様々なゲート電圧Ｖｇを印加した場合の電子密度とシート抵抗はほぼ同一直線状に変化しており、絶縁体化に要する電子密度は７×１０１６ｃｍ−２である。ＳｒＣｏＯ３からＳｒＣｏＯ２．５への還元反応に要する理想的な電子密度は７×１０１６ｃｍ−２であり、電気分解で発生した電気量（活性層に移動したプロトンの量）と一致することから、ここでもファラデーの電気分解の法則が成り立つことがわかる。
このように、磁性トランジスタ１００では、活性層２で起きる酸化還元反応が、ファラデーの電気分解の法則に従うことが確認された。
（比較例）
比較例に用いたサンプルでは、実施例と同様に、（１００）ＳｒＴｉＯ３単結晶基板（信光社製、サイズ１０×１０×０．５ｍｍ）を準備し、その上に、パルスレーザー堆積法によりＳｒＣｏＯ２．５エピタキシャル薄膜（膜厚４０ｎｍ）を作製した。次に、酸素ガスを流した状態で加熱した。
比較例に用いたサンプルでは、実施例と同様に、（１００）ＳｒＴｉＯ３単結晶基板（信光社製、サイズ１０×１０×０．５ｍｍ）を準備し、その上に、パルスレーザー堆積法によりＳｒＣｏＯ２．５エピタキシャル薄膜（膜厚４０ｎｍ）を作製した。次に、酸素ガスを流した状態で加熱した。
かかるサンプルについて、ＳｒＣｏＯ２．５エピタキシャル薄膜のＸ線回折測定と磁気特性測定を行った。Ｘ線回折測定と磁気特性測定の方法は、実施例と同様とした。
測定の結果、酸素ガスを流した状態での加熱温度が３００℃以上の場合は、エピタキシャル薄膜のＳｒＣｏＯ２．５がＳｒＣｏＯ３になり、雰囲気酸素圧力によるＳｒＣｏＯｘの酸素不定比性ｘの制御が可能であることがわかった。一方で、３００℃より低い加熱温度、特に室温近傍の温度では、エピタキシャル薄膜のＳｒＣｏＯ２．５はＳｒＣｏＯ３にならず、酸素不定比性が制御できなかった。
即ち、ＳｒＣｏＯｘの酸素不定比性の制御は３００℃以上の高温でしかできず、室温近傍では雰囲気酸素圧力の制御だけでは、エピタキシャル薄膜の結晶構造の変化を起こさせることができないことがわかった。つまり、比較例のサンプルでは、室温近傍では活性層を強磁性金属と反強磁性絶縁体との間で切り替えることができず、室温でのトランジスタ動作は不可能である。
１ 基板
２ 活性層
３ ゲート絶縁膜
１１ ソース電極
１２ ドレイン電極
１３ ゲート電極
２０ 水酸化物イオン（ＯＨ−）
２１ プロトン（Ｈ＋）
１００ 磁性トランジスタ
２ 活性層
３ ゲート絶縁膜
１１ ソース電極
１２ ドレイン電極
１３ ゲート電極
２０ 水酸化物イオン（ＯＨ−）
２１ プロトン（Ｈ＋）
１００ 磁性トランジスタ
Claims (7)
- 酸化物の磁性材料からなる活性層と、
該活性層の上に設けられた、水を含有する多孔質誘電体と、を含み、
該水の電気分解で形成された水素および酸素を用いて、強磁性金属と反強磁性絶縁体との間で該活性層の結晶構造を変化させることを特徴とする半導体装置。 - 基板と、
該基板の上に設けられた、酸化物の磁性材料からなる活性層と、
該基板の上に、該活性層を挟んで配置されたソース電極およびドレイン電極と、
該活性層の上に設けられた、水を含有する多孔質誘電体と、
該多孔質誘電体の上に設けられたゲート電極と、を含み、
該ゲート電極に電圧を印加して該水を電気分解し、形成された水素および酸素を用いて、強磁性金属と反強磁性絶縁体との間で該活性層の結晶構造を変化させることを特徴とする半導体装置。 - 上記活性層は、強磁性金属と反強磁性絶縁体との間で、酸素含有率が変化することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体装置。
- 上記強磁性金属は、ペロブスカイト型構造のＳｒＣｏＯ３からなり、上記反強磁性絶縁体は、ブラウンミラライト型構造のＳｒＣｏＯ２．５からなることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体装置。
- 上記活性層は、ＡＢＯｘ（Ａ：Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂ：Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、２．０≦ｘ３．５）で表される酸化物からなることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体装置。
- 上記多孔質誘電体は、１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、１２ＳｒＯ・７Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＮａＴａＯ３、ＫＴａＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＺｒＯ２、ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＳｒＺｒＯ３、ＣａＺｒＯ３ＢａＺｒＯ３、およびゼオライトからなるグループから選択される少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体装置。
- 上記多孔質誘電体は、空孔率が５〜７０体積％で、水分含有率が２３〜１００体積％の多孔質誘電体からなることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体装置。
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