JP2010161413A - 急激な金属−絶縁体転移半導体物質を利用した２端子半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

急激な金属−絶縁体転移半導体物質を利用した２端子半導体素子及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】急激な金属−絶縁体転移半導体物質を利用した２端子半導体素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の実施の一形態に係る２端子半導体素子は、第１電極膜と、第１電極膜上に配置される２ｅＶ以下のエネルギーギャップと正孔準位内の正孔とを有する急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜と、急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜上に配置される第２電極膜と、を備えている２端子半導体素子である。これによれば、第１電極膜と第２電極膜との間に印加される電界によって急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜では、構造的な相転移ではない正孔ドーピングによる急激な金属−絶縁体転移が発生する。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体素子及びその製造方法に係り、さらに詳細には急激な金属−絶縁体転移（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ：ＭＩＴ）半導体物質を利用した２端子半導体素子及びその製造方法に関する。
最近、構造相転移物質を利用したメモリ素子についての関心及びそれによる研究と開発とが活発に進められつつある。このような構造相転移物質を利用したメモリ素子の一例が特許文献１に開示されている。ここで開示している素子は、高温で発生する結晶相と非結晶相との構造的な相変化を利用した相変化メモリ（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｏｒｙ：ＰＣＭ）素子である。このようなＰＣＭ素子の場合、構造的な相変化による状態変化を利用できるので、メモリ素子として利用され得るが、他の分野、例えば、スイッチング素子としての利用には適切ではない。その理由は、構造的な相変化による原子の位置変化によって速いスイッチング速度を具現できないためである。もしスイッチング速度を速く強制すれば、ヒステリシス現象によって、結局は素子が破壊される。このように、ＰＣＭ素子の場合には、その適用範囲が狭いという限界を有する。
一方、ＭＩＴを利用する半導体素子として、連続的なＭＩＴ、即ち、２次転移をするモット・ハバード絶縁体をチャンネル層に使用するモット・ハバード電界効果トランジスタが提案されている。モット・ハバード電界効果トランジスタは、非特許文献１に開示されている。モット・ハバード電界効果トランジスタは、ＭＩＴによってオン／オフ動作を行い、一般的なＭＯＳ電界効果トランジスタとは違って、空乏層が存在していないので、素子の集積度を大きく向上させ得るだけでなく、ＭＯＳ電界効果トランジスタより高速のスイッチング特性を示すものとして知られている。しかし、モット・ハバード電界効果トランジスタは、連続的に発生するＭＩＴを利用するので、金属的特性を最もよく示すまで連続的に移動子として利用される電荷を添加しなければならない。従って、添加する電荷が高濃度でなければならないが、それにより、ゲート絶縁膜の誘電率が高いか、ゲート絶縁膜が薄いか、又は、印加されるゲート電圧が大きくならねばならない。しかし、誘電率があまり高くなれば、高速スイッチング動作で誘電体の疲労特性が急激に劣化してトランジスタの寿命が短縮される。そして、絶縁体を薄くすることには、工程上の限界による難点がある。また、ゲート電圧が大きくなる場合、電力消耗が増加して低電力用として使用し難いという問題がある。
このような問題を解決するために連続的でない、急激なＭＩＴ物質を利用したスイッチング電界効果トランジスタが特許文献２に開示されている。この急激なＭＩＴ物質は、モット絶縁体に低濃度の正孔を添加することによって、絶縁体から金属への転移が、連続的ではなく急激に発生する特性を有している物質である。低濃度の正孔の添加による正孔誘導金属−絶縁体理論は、非特許文献２あるいはｈｔｔｐ：／／ｘｘｘ.ｌａｎｌ.ｇｏｗ／ａｂｓ／ｃｏｎｄ−ｍａｔ／０１１０１１２に提示されている。そして、モット絶縁体の代表的な物質であるバナジウム二酸化膜（ＶＯ２）を利用した急激なＭＩＴに関する研究は、非特許文献３に開示されている。添加する正孔の濃度が非常に低濃度であるので、連続的なＭＩＴ物質を利用した電界効果トランジスタが有している問題点が解決される。しかし、このような急激なＭＩＴ物質には制限があり、これまでは、ほとんどの急激なＭＩＴ物質膜を良好な品質で形成するのに高コストが必要になるという問題がある。
米国特許第５,６８７,１１２号公報 米国特許第６,６２４,４６３号公報 Ｄ.Ｍ.Ｎｅｗｎｓ，Ｊ.Ａ.Ｍｉｓｅｗｉｃｈ，Ｃ.Ｃ.Ｔｓｕｅｉ，Ａ.Ｇｕｐｔａ，Ｂ.Ａ.Ｓｃｏｔｔ，Ａ.Ｓｃｈｒｏｔｔ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ.７３（１９９８）７８０ Ｈｙｕｎ−Ｔａｋ Ｋｉｍ、"Ｎｅｗ Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ"、ＮＡＴＯ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｓｅｒｉｅｓ Ｖｏｌ ＩＩ／６７（Ｋｌｕｗｅｒ，２００２）ｐ.１３７ Ｈｙｕｎ−Ｔａｋ Ｋｉｍ，Ｂｙｕｎｇ−Ｇｙｕ Ｃｈａｅ，Ｄｏｏ−Ｈｙｅｂ Ｙｏｕｎ，Ｓｕｎｇ−Ｌｙｕｌ Ｍａｅｎｇ，Ｇｙｕｎｇ−ｏｃｋ Ｋｉｍ，Ｋｗａｎｇ−Ｙｏｎｇ Ｋａｎｇ及びＹｏｎｇ−Ｓｉｋ Ｌｉｍ、Ｎｅｗ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ６（２００４）５２
本発明が解決しようとする技術的課題は、構造的な相転移を誘発せずに低コストで容易に形成できる急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子を提供することである。
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、前記のような急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子を製造する方法を提供することである。
ここで、半導体とは、２ｅＶ以下のエネルギーギャップと正孔準位又は電子準位とを有し、かつ、低温で絶縁体である物質と定義する。正孔準位は正孔を有し、電子準位は電子を有していることを意味し、その物質は有機物と無機物とを含む。
前記課題を解決するために、本発明の実施の一形態に係る急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子は、第１電極膜と、前記第１電極膜上に配置される２ｅＶ以下のエネルギーギャップと正孔準位内の正孔とを有する急激なＭＩＴ半導体物質膜と、前記急激なＭＩＴ半導体物質膜上に配置される第２電極膜と、を備えていることを特徴とする。
前記急激なＭＩＴ半導体物質膜は、低濃度の正孔が添加されたｐ型Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｌ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂ、Ｎ、Ｇａ、Ｐ、Ｉｎ、Ｔｅ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓ、Ｂｉ、Ｋ、Ｈ、Ｂｅ、Ｏ若しくはＣの個別元素、又は、前記元素より構成された化合物半導体を含み得る。
前記急激なＭＩＴ半導体物質膜は、低濃度の正孔が添加されたｐ型酸化物半導体のＹ、Ｐｒ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｌａ若しくはＰｄ元素、又は、前記元素より構成された酸化物半導体を含み得る。
前記急激なＭＩＴ半導体物質膜は、低濃度の正孔が添加されたｐ型Ｆｅ、Ｓ、Ｓｍ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｅｕ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｂ、Ｈ、Ｌｉ、Ｃａ、Ｙ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｐ、Ａｓ、Ｐ、Ｉｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｔｅ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｙｂ、Ｂ若しくはＣ元素、転移、希土類及びランタン系元素、又は、前記元素より構成された半導体を含み得る。
前記急激なＭＩＴ半導体物質膜は、低濃度の正孔が添加されたｐ型半導体、低濃度の正孔が添加されたｐ型酸化物半導体、低濃度の正孔が添加されたｐ型半導体元素（ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族）、転移金属元素、希土類元素、ランタン系元素を含む無機物化合物半導体又は低濃度の正孔が添加されたｐ型有機物半導体を含むことが望ましい。
前記低濃度の正孔が添加されたｐ型半導体は、Ｓｉ(１００)、Ｓｉ（１１１）、Ｓｉ(１１０)、Ｓｉ：Ｂ、Ｓｉ：Ｐ,Ｇｅ(１００)、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＢＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＧａｘＳｂ１−ｘ（０≦ｘ≦０.５）、ＧｅｘＳｂ１−ｘ（０≦ｘ≦０.２）、ＩｎＮ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＩｎｘＳｂ１−ｘ（０≦ｘ≦０.５）、ＧｅａＩｎｂＳｂｃＴｅｄ（０≦ａ≦０.２、０≦ｂ≦０.２、０.５≦ｃ≦１、０≦ｄ≦０.５）、ＩｎｘＳｂｙＴｅｚ（０≦ｘ≦０.２、０.５≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０.３）、ＡｇａＩｎｂＳｂｃＴｅｄ（０≦ａ≦０.２、０≦ｂ≦０.２、０.５≦ｃ≦１、０≦ｄ≦０.５）、ＴｅａＧｅｂＳｎｃＡｕｄ（０.５≦ａ≦１、０≦ｂ≦０.２、０.０≦ｃ≦０.３、０≦ｄ≦０.５）、ＡｇＳｂＴｅ２、ＡｇＩｎＴｅ２、ＧｅＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＧｒｅｙＳｎ、ＧｒｅｙＳｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｂ１−ｘＴｅｘ（０≦ｘ≦０.５）、Ｂ、ＤＡＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ ｌｉｋｅ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−Ｃ）、ＴＡＣ（Ｔｅｔｒａｈｅｄｒａｌ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−Ｃ）：Ｎ、ａ−Ｃ：Ｈ（Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｌｍｓ、又はＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）、Ｋ４Ｃ６０、Ｋ６Ｃ６０、Ｇａ−Ａｓ−Ｓｉシステム、Ｇａ−ＧａＡｓ−Ｇｅシステム、Ｇａ−ＧａＡｓ−Ｓｎ、Ｇａ−Ａｓ−Ｓｎシステム、Ｇａ−Ａｓ−Ｚｎシステム、Ｇａ−Ｐ−Ｓｉシステム、Ｇａ−Ｐ−Ｚｎシステム、Ｇａ−Ｐ−Ｇｅシステム、ＧａＰ−Ｂｉシステム、ＧｅＴｅ−Ｂｉ２Ｔｅ３システム、ＧｅＳｂ２Ｔｅ４システム、ＧａＰ：Ｎ、ＧａＡｓ：Ｃａ、ＧａＡｓ：Ｋ、ＧａＡｓ：Ｃｌ又はＧｅＢｉ２Ｔｅ４を含み得る。
前記低濃度の正孔が添加されたｐ型酸化物半導体は、Ｙ１−ｘＰｒｘＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｄ（０≦ｘ≦１）、Ｌａ２−ｘＳｒｘＣｕＯ４（０≦ｘ≦１）、Ｌａ２−ｘＢａｘＣｕＯ４（０≦ｘ≦１）、Ｂａ１−ｘＳｒＴｉＯ３（０≦ｘ≦１）、Ｌａ１−ｘＳｒＴｉＯ３（０≦ｘ≦１）、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、ＣａｘＶ１−ｘＯ２（０≦ｘ≦１）、ＡｌｘＶ１−ｘＯ２（０≦ｘ≦１）、ＴｉｘＶ１−ｘＯ２（０≦ｘ≦１）、ＦｅｘＶ１−ｘＯ２（０≦ｘ≦１）、ＷｘＶ１−ｘＯ２（０≦ｘ≦１）、ＭｏｘＶ１−ｘＯ２（０≦ｘ≦１）、Ｆｅ３Ｏ４、Ｎｂ２Ｏ５、ＷＯ３、Ｔｉ２Ｏ３、ＰｄＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２又はＺｒＯ２を含み得る。
前記低濃度の正孔が添加されたｐ型転移金属及びその転移金属を含む半導体は、Ｆｅ１−ｘＳ（０≦ｘ≦０.５）、ＳｍＳ、ＳｍＳｅ、ＳｍＴｅ、Ｅｕ３Ｓ４、ＦｅＳｉ２、Ｆｅ１−ｘＭｎｘＳｉ２（０≦ｘ≦０.５）、Ｆｅ１−ｘＣｏｘＳｉ２（０≦ｘ≦０.５）、Ｂ：Ｈ（９％）、Ｂ：Ｈ（１１％）、Ｂ：Ｈ（２４％）、ＬｉＡｌＢ１４、ＣｕＢ４、ＣａＢ６、ａ−ＡｌＢ１２、ＹＢ６６、ＳｍＢ６６、Ｍｎ１１Ｓｉ１９、Ｍｎ２６Ｓｉ４５、Ｍｎ１５Ｓｉ２６、Ｒｕ２Ｓｉ３、Ｆｅ２Ｓｉ２、ＲｕＰ２、ＲｕＰＡｓ、ＲｕＡｓ２、ＯｓＰ２、ＯｓＡｓ２、ＲｈＰ２、ＲｈＡｓ２、ＩｒＰ２、ＩｒＡｓ２、ＲｕＰ４、ＦｅＡｓ、ＲｕＡｓＳ、ＯｓＰＳ、ＯｓＡｓＳ、ＯｓＰＳｅ、Ｔｉ１＋ｘＳ２（０≦ｘ≦０.５）、ＴｉＳ３−ｘ（０≦ｘ≦０.５）、Ｚｒ１＋ｘＳｅ２（０.０１≦ｘ≦０.１）、Ｚｒ２Ｓ３、ＺｒＳｅ３、ＨｆＳｅ２、ＭｏＳ２、２Ｈ−ＭｏＴｅ２−ｘ（０.０１≦ｘ≦０.１）、２Ｈ−ＷＳｅ２、ＭｎＴｅ、ＴｃＳ２、ＴｃＳｅ２、ＲｅＳ２、ＲｅＳｅ２、ＦｅＳ２、ＲｕＳ２、ＲｕＳｅ２、ＲｈＳ３、ＲｈＳｅ２、ＲｈＳｅ３、ＩｒＳ２、ＩｒＳｅ２、ＰｔＳ、ＰｔｘＳ２（０.９≦ｘ≦１）、ＳｍＴｅ、ＥｕＴｅ、ＹｂＳｅ、ＹｂＴｅ又はＢＣを含み得る。
前記低濃度の正孔が添加されたｐ型有機物絶縁体は、Ｄ＋は有機的ドナーであり、Ａ−は有機的アクセプタであるＤ＋Ａ−類型であり得る。
この場合、前記Ｄ＋Ａ−類型は、Ｄ＋Ａ−＝ＴＴＦ＋Ｂｒ、Ｄ＋Ａ−＝ＢＥＤＴ−ＴＴＦ又はＤ＋Ａ−＝ＴＭＰＤ＋ＴＣＮＱを含むが、前記ＴＴＦはテトラチオフルバレンであり、前記ＥＤＴ−ＴＴＦはビス−エチレンジチオ−テトラチオフルバレンであり、前記ＴＭＰＤはＮ，Ｎ，Ｎ'Ｎ'−テトラメチル−ｐ−フェニレンジアミンであり、前記ＴＣＮＱは有機テトラシアノ−キノジメタンであり、そして、ＴＣＮＱは、正孔注入によってＴＣＮＱ−とＴＣＮＱとの間でスイッチングする活性成分であることが望ましい。
また、前記ｐ型有機物半導体は、ペンタセンとペンタセン誘導体、チオフェンとチオフェンオリゴマー、ベンゾジチオフェンダイマー、フタロシアニン、ポリ（アルキルチオフェン）、ポリ（３−へキシリルチオフェン）、ポリ（３−オクチルチオフェン）、ポリ（３−ドデシルチオフェン）、ＡＤＴ(anthradithiophene)、ジヘキシル(dihexyl)−ＡＤＴ、ジドデシル(dioctadecy)−ＡＤＴ、ジオクタデシル(didodecyl)−ＡＤＴ を含むチオフェン誘導体、アロマチック化合物有機物を含むことが望ましい。
前記第１電極膜及び第２電極膜は、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ／Ｃｒ、Ｔｉ／Ｗ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎ、Ｎｉ／Ｃｒ、Ａｌ／Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｒ／Ｍｏ／Ａｕ、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｄ又はＮｉ／Ｍｏ／Ａｕを含み得る。
前記第１電極膜及び第２電極膜のうち少なくとも何れか一つに連結される抵抗素子をさらに含むことが望ましい。
前記課題を解決するために、本発明の他の実施の形態に係る急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子は、基板と、前記基板上に配置された第１電極膜と、前記第１電極膜上に配置される２ｅＶ以下のエネルギーギャップと正孔準位内の正孔とを有する急激なＭＩＴ半導体物質膜と、前記急激なＭＩＴ半導体物質膜上に配置される第２電極膜と、を備えていることを特徴とする。
前記基板は、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＧａＡｓ、Ａｌ３Ｏ４、プラスチック、ガラス、Ｖ２Ｏ５、ＰｒＢａ２Ｃｕ３Ｏ７、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ３、ＮｂがドーピングされたＳｒＴｉＯ３、又は、絶縁膜上のシリコン（ＳＯＩ：Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を含み得る。
前記基板と第１電極膜との間に配置されたバッファ層をさらに備えていることが望ましい。
この場合、前記バッファ層は、ＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４膜を含み得る。
前記第１電極膜及び第２電極膜のうち少なくとも何れか一つに連結される抵抗素子をさらに含むことが望ましい。
前記課題を解決するために、本発明のさらに他の実施の形態に係る急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子は、基板と、前記基板上に配置された第１電極膜と、前記第１電極膜上に配置される２ｅＶ以下のエネルギーギャップと正孔準位内の正孔とを有する急激なＭＩＴ半導体物質膜と、前記急激なＭＩＴ半導体物質膜上に配置される第２電極膜と、前記急激なＭＩＴ半導体物質膜の両側面のうち少なくとも何れか一側面上に配置されるゲート絶縁膜と、を備えていることを特徴とする。
前記課題を解決するために、本発明のさらに他の実施の形態に係る急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子は、基板と、前記基板上に配置された第１電極膜と、前記第１電極膜上に配置される２ｅＶ以下のエネルギーギャップと正孔準位内の正孔とを有する急激なＭＩＴ半導体物質膜と、前記急激なＭＩＴ半導体物質膜上に配置される第２電極膜と、前記急激なＭＩＴ半導体物質膜の両側面のうち少なくとも何れか一側面上に配置される強磁性体薄膜と、を備えていることを特徴とする。この構造では、急激なＭＩＴが起こるときに流れる大きい電流によって生じた同心円状の磁場によって強磁性体薄膜中にある磁気モーメントの方向を制御できる。この原理で不揮発性磁気メモリを作製し得る。
前記課題を解決するために、本発明のまた他の実施の形態に係る急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子は、基板と、前記基板上に配置される２ｅＶ以下のエネルギーギャップと正孔準位内の正孔とを有する急激なＭＩＴ半導体物質膜と、前記急激なＭＩＴ半導体物質膜上において相互に対向しつつ離隔されるように配置される第１電極膜及び第２電極膜と、を備えていることを特徴とする。
前記基板と前記急激なＭＩＴ半導体物質膜との間に配置されたバッファ層をさらに備えていることが望ましい。
前記第１電極膜及び第２電極膜のうち少なくとも何れか一つに連結される抵抗素子をさらに含むことが望ましい。
前記第１電極膜及び第２電極膜は、フィンガー状であり得る。
前記課題を解決するために、本発明のさらに他の実施の形態に係る急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子は、基板と、前記基板上に配置される２ｅＶ以下のエネルギーギャップと正孔準位内の正孔とを有する急激なＭＩＴ半導体物質膜と、前記急激なＭＩＴ半導体物質膜上において相互に対向しつつ離隔されるように配置される第１電極膜及び第２電極膜と、前記第１電極膜と第２電極膜との間の前記急激なＭＩＴ半導体物質膜上に配置されるゲート絶縁膜と、を備えていることを特徴とする。
前記課題を解決するために、本発明のさらに他の実施の形態に係る急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子は、基板と、前記基板上に配置される２ｅＶ以下のエネルギーギャップと正孔準位内の正孔とを有する急激なＭＩＴ半導体物質膜と、前記急激なＭＩＴ半導体物質膜上において相互に対向しつつ離隔されるように配置される第１電極膜及び第２電極膜と、前記第１電極膜と第２電極膜との間の前記急激なＭＩＴ半導体物質膜上に配置される強磁性体薄膜と、を備えていることを特徴とする。この構造では、急激なＭＩＴが起こるときに流れる大きい電流によって同心円状に生じた磁場により強磁性体薄膜中にある磁気モーメントの方向を制御できる。この原理で不揮発性磁気メモリを作り得る。
前記他の課題を解決するために、本発明の実施の一形態に係る急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子の製造方法は、基板上に第１電極膜を形成する段階と、前記第１電極膜上に２ｅＶ以下のエネルギーギャップと正孔準位内の正孔とを有する急激なＭＩＴ半導体物質膜を形成する段階と、前記急激なＭＩＴ半導体物質膜上に第２電極膜を形成する段階と、を備えていることを特徴とする。
前記第１電極膜及び第２電極膜を形成する段階は、スパッタリング方法を使用して行うことができる。
前記急激なＭＩＴ半導体物質膜を形成する段階は、パルスレーザ方法を使用して行うことができる。
前記急激なＭＩＴ半導体物質膜を形成する段階は、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）方法を使用して行うこともある。
前記急激なＭＩＴ半導体物質膜を形成する前に前記基板上にバッファ層を先に形成する段階をさらに含むことが望ましい。
前記他の課題を達成するために、本発明の他の実施の形態に係る急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子の製造方法は、基板上に２ｅＶ以下のエネルギーギャップと正孔準位内の正孔とを有する急激なＭＩＴ半導体物質膜を形成する段階と、前記急激なＭＩＴ半導体物質膜上に金属膜を形成する段階と、前記金属膜をパターニングして前記急激なＭＩＴ半導体物質膜の一面を露出させ、前記露出面を介して相互に対向するように配置される第１電極膜及び第２電極膜を形成する段階と、を備えていることを特徴とする。
前記急激なＭＩＴ半導体物質膜を形成する前に前記基板上にバッファ層を先に形成する段階をさらに含むことが望ましい。
本発明に係る急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子及びその製造方法によれば、構造的相転移ではない正孔のドーピングによる急激なＭＩＴ半導体物質を利用することによって、狭い面積で高電流利得及び高速動作が可能な素子を作り得る。
以下、添付図面を参照して本発明の望ましい実施の形態を詳細に説明する。しかし、本発明の実施の形態は、様々な形態に変形することができ、本発明の範囲が後述する実施の形態によって限定されると解釈されてはならない。
図１は、本発明の実施の一形態に係る急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子を示す断面図である。
図１を参照すれば、本実施の形態に係る急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子１００は、垂直方向に電流が流れる積層型構造として、基板１１０上にバッファ層１２０、第１電極膜１４１、急激なＭＩＴ半導体物質膜１３０及び第２電極膜１４２が順次積層された構造を有する。場合により、基板１１０、バッファ層１２０及び第１電極膜１４１は、一つの膜より形成されることもある。この場合、基板１１０及びバッファ層１２０なしに第１電極膜１４１自体が基板となる。また、場合により、急激なＭＩＴ半導体物質膜１３０の両側面のうち少なくとも何れか一面上にゲート絶縁膜又は強磁性体薄膜が配置され得る。
前記基板１１０は、特別に制限されず、一例としてＳｉ、ＳｉＯ２、ＧａＡｓ、Ａｌ３Ｏ４、プラスチック、ガラス、Ｖ２Ｏ５、ＰｒＢａ２Ｃｕ３Ｏ７、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ３、ＮｂがドーピングされたＳｒＴｉＯ３、又は、絶縁膜上のＳＯＩ基板を使用できる。前記バッファ１２０は、基板１１０上に第１電極膜１４１がよく成長できるように配置されるものであって、場合により省略されることもある。バッファ層１４１は、基板１１０及び第１電極１４１の格子定数を調節することができる物質、例えばＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４膜等よりなる。
前記急激なＭＩＴ半導体物質膜１３０は、低濃度の正孔が添加されるときに急激なＭＩＴを起こす半導体物質よりなる薄膜を意味する。ここで、低濃度とは、モットの基準で考えれば、正孔濃度ｎは、約（０.２／ａＨ）３（ここで、ａＨはその物質から見た半径）で与えられる。例として、エネルギーギャップが０.６ｅＶであり、かつ、正孔準位を有するバナジウム二酸化膜ＶＯ２に対して、正孔濃度は、約ｎ＝０.００１８％であって、約ｎ＝３×１０１８ｃｍ−３である。このような急激なＭＩＴ半導体物質膜１３０は、２ｅＶ以下のエネルギーギャップを有し、正孔準位内の正孔を有する物質よりなる。さらに他の例は、エネルギーギャップが１.４５程度であり、ホール準位を有するガリウム砒素ｐＧａＡｓに対して、正孔濃度は、約ｎ＝０.００１％であって、約ｎ＝１×１０１４ｃｍ−３である。低濃度の正孔の添加による正孔誘導金属−絶縁体理論は、Ｈｙｕｎ−Ｔａｋ Ｋｉｍの“Ｎｅｗ Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ”、ＮＡＴＯ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｓｅｒｉｅｓ Ｖｏｌ ＩＩ／６７（Ｋｌｕｗｅｒ、２００２）ｐ.１３７あるいはｈｔｔｐ：／／ｘｘｘ.ｌａｎｌ.ｇｏｗ／ａｂｓ／ｃｏｎｄ−ｍａｔ／０１１０１１２に提示されている。その結果式は、図４に示されている。ここで、正孔準位とは、正孔が束縛状態に存在するエネルギー準位を意味する。高抵抗ｎ型半導体の場合にも、急激なＭＩＴ物質膜１３０として使用され得る。
前記急激なＭＩＴ半導体物質膜１３０は、低濃度の正孔が添加されたｐ型Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｌ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂ、Ｎ、Ｇａ、Ｐ、Ｉｎ、Ｔｅ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓ、Ｂｉ、Ｋ、Ｈ、Ｂｅ、Ｏ若しくはＣの個別元素、又は、前記元素より構成されたｐ型化合物半導体を含む。そして、低濃度の正孔が添加されたｐ型酸化物半導体のＹ、Ｐｒ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｐｄ、Ｏ元素、又は、前記元素より構成された酸化物半導体を含む。また、低濃度の正孔が添加されたＦｅ、Ｓ、Ｓｍ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｅｕ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｂ、Ｈ、Ｌｉ、Ｃａ、Ｙ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｐ、Ａｓ、Ｐ、Ｉｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｔｅ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｙｂ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ若しくはＣ元素、転移、希土類及びランタン系元素、又は、前記元素より構成された半導体を含む。
これとは異なる分類をすれば、前記急激なＭＩＴ半導体物質膜１３０として、低濃度の正孔が添加されたｐ型半導体、低濃度の正孔が添加されたｐ型酸化物半導体、低濃度の正孔が添加されたｐ型半導体元素（ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族）、転移金属元素、希土類元素、ランタン系元素を含む無機物化合物半導体、又は、低濃度の正孔が添加されたｐ型有機物半導体及び絶縁体等がある。
非常に低い濃度の正孔が添加されたｐ型半導体は、Ｓｉ(１００)、Ｓｉ（１１１）、Ｓｉ(１１０)、Ｓｉ：Ｂ、Ｓｉ：Ｐ,Ｇｅ(１００)、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＢＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＧａｘＳｂ１−ｘ（０≦ｘ≦０.５）、ＧｅｘＳｂ１−ｘ（０≦ｘ≦０.２）、ＩｎＮ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＩｎｘＳｂ１−ｘ（０≦ｘ≦０.５）、ＧｅａＩｎｂＳｂｃＴｅｄ（０≦ａ≦０.２、０≦ｂ≦０.２、０.５≦ｃ≦１、０≦ｄ≦０.５）、ＩｎｘＳｂｙＴｅｚ（０≦ｘ≦０.２、０.５≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０.３）、ＡｇａＩｎｂＳｂｃＴｅｄ（０≦ａ≦０.２、０≦ｂ≦０.２、０.５≦ｃ≦１、０≦ｄ≦０.５）、ＴｅａＧｅｂＳｎｃＡｕｄ（０.５≦ａ≦１、０≦ｂ≦０.２、０.０≦ｃ≦０.３、０≦ｄ≦０.５）、ＡｇＳｂＴｅ２、ＡｇＩｎＴｅ２、ＧｅＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＧｒｅｙＳｎ、ＧｒｅｙＳｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｂ１−ｘＴｅｘ（０≦ｘ≦０.５）、Ｂ、ＤＡＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ ｌｉｋｅ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−Ｃ）、ＴＡＣ（Ｔｅｔｒａｈｅｄｒａｌ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−Ｃ）：Ｎ、ａ−Ｃ：Ｈ（Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｌｍｓ、又はＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）、Ｋ４Ｃ６０、Ｋ６Ｃ６０、Ｇａ−Ａｓ−Ｓｉシステム、Ｇａ−ＧａＡｓ−Ｇｅシステム、Ｇａ−ＧａＡｓ−Ｓｎ、Ｇａ−Ａｓ−Ｓｎシステム、Ｇａ−Ａｓ−Ｚｎシステム、Ｇａ−Ｐ−Ｓｉシステム、Ｇａ−Ｐ−Ｚｎシステム、Ｇａ−Ｐ−Ｇｅシステム、ＧａＰ−Ｂｉシステム、ＧｅＴｅ−Ｂｉ２Ｔｅ３システム、ＧｅＳｂ２Ｔｅ４システム、ＧａＰ：Ｎ、ＧａＡｓ：Ｃａ、ＧａＡｓ：Ｋ、ＧａＡｓ：Ｃｌ又はＧｅＢｉ２Ｔｅ４を含む。
非常に低い濃度の正孔が添加されたｐ型酸化物半導体は、Ｙ１−ｘＰｒｘＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｄ（０≦ｘ≦１）、Ｌａ２−ｘＳｒｘＣｕＯ４（０≦ｘ≦１）、Ｌａ２−ｘＢａｘＣｕＯ４（０≦ｘ≦１）、Ｂａ１−ｘＳｒＴｉＯ３（０≦ｘ≦１）、Ｌａ１−ｘＳｒＴｉＯ３（０≦ｘ≦１）、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、ＣａｘＶ１−ｘＯ２（０≦ｘ≦１）、ＡｌｘＶ１−ｘＯ２（０≦ｘ≦１）、ＴｉｘＶ１−ｘＯ２（０≦ｘ≦１）、ＦｅｘＶ１−ｘＯ２（０≦ｘ≦１）、ＷｘＶ１−ｘＯ２（０≦ｘ≦１）、ＭｏｘＶ１−ｘＯ２（０≦ｘ≦１）、Ｆｅ３Ｏ４、Ｎｂ２Ｏ５、ＷＯ３、Ｔｉ２Ｏ３、ＰｄＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２又はＺｒＯ２を含む。
非常に低い濃度の正孔が添加されたｐ型転移金属及びその転移金属を含む半導体は、Ｆｅ１−ｘＳ（０≦ｘ≦０.５）、ＳｍＳ、ＳｍＳｅ、ＳｍＴｅ、Ｅｕ３Ｓ４、ＦｅＳｉ２、Ｆｅ１−ｘＭｎｘＳｉ２（０≦ｘ≦０.５）、Ｆｅ１−ｘＣｏｘＳｉ２（０≦ｘ≦０.５）、Ｂ：Ｈ（９％）、Ｂ：Ｈ（１１％）、Ｂ：Ｈ（２４％）、ＬｉＡｌＢ１４、ＣｕＢ４、ＣａＢ６、ａ−ＡｌＢ１２、ＹＢ６６、ＳｍＢ６６、Ｍｎ１１Ｓｉ１９、Ｍｎ２６Ｓｉ４５、Ｍｎ１５Ｓｉ２６、Ｒｕ２Ｓｉ３、Ｆｅ２Ｓｉ２、ＲｕＰ２、ＲｕＰＡｓ、ＲｕＡｓ２、ＯｓＰ２、ＯｓＡｓ２、ＲｈＰ２、ＲｈＡｓ２、ＩｒＰ２、ＩｒＡｓ２、ＲｕＰ４、ＦｅＡｓ、ＲｕＡｓＳ、ＯｓＰＳ、ＯｓＡｓＳ、ＯｓＰＳｅ、Ｔｉ１＋ｘＳ２（０≦ｘ≦０.５）、ＴｉＳ３−ｘ（０≦ｘ≦０.５）、Ｚｒ１＋ｘＳｅ２（０.０１≦ｘ≦０.１）、Ｚｒ２Ｓ３、ＺｒＳｅ３、ＨｆＳｅ２、ＭｏＳ２、２Ｈ−ＭｏＴｅ２−ｘ（０.０１≦ｘ≦０.１）、２Ｈ−ＷＳｅ２、ＭｎＴｅ、ＴｃＳ２、ＴｃＳｅ２、ＲｅＳ２、ＲｅＳｅ２、ＦｅＳ２、ＲｕＳ２、ＲｕＳｅ２、ＲｈＳ３、ＲｈＳｅ２、ＲｈＳｅ３、ＩｒＳ２、ＩｒＳｅ２、ＰｔＳ、ＰｔｘＳ２（０.９≦ｘ≦１）、ＳｍＴｅ、ＥｕＴｅ、ＹｂＳｅ、ＹｂＴｅ又はＢＣを含む。
非常に低い濃度の正孔が添加されたｐ型有機物半導体は、Ｄ＋は有機的ドナーであり、Ａ−は有機的なアクセプタであるＤ＋Ａ−類型であって、Ｄ＋Ａ−＝ＴＴＦ＋Ｂｒ、Ｄ＋Ａ−＝ＢＥＤＴ−ＴＴＦ又はＤ＋Ａ−＝ＴＭＰＤ＋ＴＣＮＱを含む。ここで、ＴＴＦは、テトラチオフルバレンである。ＢＥＤＴ−ＴＴＦは、ビス−エチレンジチオ−テトラチオフルバレンである。ＴＭＰＤは、Ｎ,Ｎ,Ｎ'Ｎ'−テトラメチル−ｐ−フェニレンジアミンである。ＴＣＮＱは、有機テトラシアノ−キノジメタンである。そして、ＴＣＮＱは、正孔注入によってＴＣＮＱ−とＴＣＮＱとの間でスイッチングする活性成分である。
また、前記ｐ型有機物半導体は、ペンタセンとペンタセン誘導体、チオフェンとチオフェンオリゴマー、ベンゾジチオフェンダイマー、フタロシアニン、ポリ（アルキルチオフェン）、ポリ（３−へキシリルチオフェン）、ポリ（３−オクチルチオフェン）、ポリ（３−ドデシルチオフェン）、ＡＤＴ、ジヘキシル−ＡＤＴ、ジドデシル−ＡＤＴ、ジオクタデシル−ＡＤＴを含むチオフェン誘導体、アロマチック化合物有機物を含む。
前記第１電極膜１４１及び第２電極膜１４２は、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ／Ｃｒ、Ｔｉ／Ｗ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎ、Ｎｉ／Ｃｒ、Ａｌ／Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｒ／Ｍｏ／Ａｕ、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｄ又はＮｉ／Ｍｏ／Ａｕを含む。
このような構造の急激なＭＩＴ半導体物質を利用した半導体素子の動作を説明すると、第１電極膜１４１及び第２電極膜１４２に一定サイズのバイアスを印加すれば、第１電極膜１４１と第２電極膜１４２との間の急激なＭＩＴ半導体物質膜１３０の両端に一定サイズの電界が形成される。この電界によって急激なＭＩＴ半導体物質膜１３０内の正孔準位にある正孔がバランスバンドに注入される正孔ドーピング現象が発生する。正孔ドーピング現象が発生することによって急激なＭＩＴ半導体物質膜１３０が絶縁体で金属に転移し、その結果、第１電極膜１４１と第２電極膜１４２との間に多くの電流が流れる。
前記積層型構造の急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子を製造する方法を説明すると、先ず、ＳＯＩ基板のような半導体基板１１０上に、例えば、Ｔｉ膜のようなバッファ層１２０を形成し、その上に下部電極として第１電極１４１をＰｔ薄膜より形成する。Ｐｔ薄膜は、スパッタリング方法を利用して形成することができる。次いで、急激なＭＩＴ半導体物質膜１３０を、例えば、ＶＯ２膜を使用して形成する。ＶＯ２膜は、パルスレーザ方法を使用して蒸着することができる。場合により、急激なＭＩＴ半導体物質膜１３０は、ＭＢＥ方法でも形成することができる。次いで、急激なＭＩＴ半導体物質膜１３０上に第２電極１４２をＡｕ／Ｃｒ膜より形成する。形成方法としては、スパッタリング方法を使用することができる。
図２は、本発明の他の実施の形態に係る急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子を示す断面図である。
図２を参照すると、本実施の形態に係る急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子２００は、水平方向に電流が流れる平面形構造であって、基板２１０上にバッファ層２２０が配置され、バッファ層２２０上に急激なＭＩＴ半導体物質膜パターン２３０が配置される。急激なＭＩＴ半導体物質膜パターン２３０は、バッファ層２２０の一面上にのみ配置される。第１電極膜２４１及び第２電極膜２４２は、急激なＭＩＴ半導体物質膜パターン２３０上で一定間隔で相互に離隔されるように配置される。場合により、急激なＭＩＴ半導体物質膜２３０上の第１電極膜２４１と第２電極膜２４２との間にゲート絶縁膜又は強磁性体薄膜が配置され得る。
このような平面状構造の２端子半導体素子２００の動作は、急激なＭＩＴ半導体物質膜パターン２３０が金属に転移されて流れる電流の方向が水平方向という点を除いては、図１を参照して説明した積層型構造の２端子半導体素子１００と同じである。
前記平面状構造の急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子を製造する方法を説明すると、先ず、ＳＯＩ基板のような半導体基板２１０上に、例えば、Ｔｉ膜のようなバッファ層２２０を形成し、その上に急激なＭＩＴ半導体物質膜１３０を、例えば、ＶＯ２膜を使用して形成する。次いで、急激なＭＩＴ半導体物質膜１３０をパターニングしてバッファ層２２０の一面を露出させた後に、全面に金属膜（図示せず）を形成する。そして、この金属膜上にマスク膜パターン（図示せず）を形成し、このマスク膜パターンをエッチングマスクとしたエッチング工程で金属膜の露出部分を除去する。それにより、チャンネル領域で用いられる急激なＭＩＴ物質膜１３０の一面が露出され、この露出部分の両側に配置される第１電極膜２４１及び第２電極膜２４２が形成される。次いで、前記マスク膜パターンを除去する。
図３は、本発明に係る急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子を適用した２端子網回路図である。
図３を参照すると、積層型構造又は平面状構造の急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子１００又は２００の一電極、例えば、第１電極膜１４１又は２４１は、第１端子３１０に連結され、他の電極、例えば第２電極膜１４２又は２４２は、抵抗素子３００を介して第２端子３２０に連結される。ここで、抵抗素子３００は、前記急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子１００又は２００内に多くの電流が流れて素子が破壊されることを防止するためのものであって、急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子１００又は２００が多くの電流によって破壊されない程度の抵抗値Ｒを有する。この２端子網回路は、トランジスタ又は電源に連結されて使用され得る。
図４は、図１及び図２の急激なＭＩＴ半導体物質での正孔ドーピング効果を説明するグラフである。このグラフの内部曲線は、金属で移動子の有効質量ｍ＊とバンド充填因子ρとの関係が、ｍ＊／ｍ＝１／（１−ρ４）式によって与えられる。電気伝導度σは、（ｍ＊／ｍ）２に比例する。斯かる関係式は、Ｈｙｕｎ−Ｔａｋ Ｋｉｍの“Ｎｅｗ Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ”、ＮＡＴＯ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｓｅｒｉｅｓ Ｖｏｌ ＩＩ／６７（Ｋｌｕｗｅｒ、２００２）ｐ.１３７あるいはｈｔｔｐ：／／ｘｘｘ.ｌａｎｌ.ｇｏｖ／ａｂｓ／ｃｏｎｄ−ｍａｔ／０１１０１１２に提示されている。
図４を参照すると、電子数と原子数とが同一であるにも拘わらず、金属ではない物質であるモット絶縁体の場合、原子数に対する電子数の割合で表せるバンド充填因子ρが１より小さくなれば、即ち、正孔ドーピングが起これば、モット絶縁体は、絶縁体から金属に転移する。バンド充填因子ρが１であるモット絶縁体でバンド充填因子ρが１より小さくなるということは、正孔ドーピングが起こったということを意味する。図面で、“４１０”で表した破線は、絶縁体から金属に急激にジャンプすることを表す線であり、“４２０”で表した線は、金属に転移された場合の金属状態での電子の有効質量ｍ＊／ｍを表した線である。一般的に、電気伝導度が金属状態での電子の有効質量（ｍ＊／ｍ）２に比例するということは、公知である。従って、モット絶縁体に非常に低濃度の正孔をドーピングすれば、絶縁体から金属に転移し、この場合、正孔ドーピングを誘発する正孔添加量が多いほど、ジャンプする程度が低くて低い電気伝導度を示し、一方、正孔ドーピングを誘発する正孔添加量が少ないほど、ジャンプする程度が高くて高い電気伝導度を示す。ところで、一般的に、半導体は、モット絶縁体ではないと解釈されてきた。しかし、前記理論で提示したモット絶縁体の特徴である２ｅＶ以下のエネルギーギャップ及び正孔準位又は電子準位を、半導体物質も有するという点で、これを利用した２端子半導体素子の製作が可能である。
図５は、図１及び図２の急激なＭＩＴ半導体物質での２ｅＶ以下のサブギャップの存在を説明するグラフである。このグラフは、光放出分光学データとして、Ｒ.Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎ，Ｒ.Ｃｌａｅｓｓｅｄ，Ｆ.Ｒｅｉｎｅｒｔ，Ｐ.Ｓｔｅｉｎｅｒ，Ｓ.Ｈｕｆｎｅｒ，Ｊ.Ｐｈｙｓ.：Ｃｏｎｄｅｎｓ．Ｍａｔｔｅｒ１０（１９９８）５６９７から引用された。
図５を参照すると、図４を参照して説明したような正孔ドーピングによる金属への急激な転移現象を表すモット絶縁体であるＶＯ２の光放出スペクトル（“５２０”で表した線）及びＶ２Ｏ３の光放出スペクトル（“５３０”で表した線）を参照すれば、結合エネルギー（又はエネルギーギャップ）が約６ｅＶ内外で示すメインギャップ以外に、２ｅＶより小さな結合エネルギーで示すサブギャップ（５２１及び５３１で表示した部分）が存在するということが分かる。これとは対照的に、正孔ドーピングによっても急激なＭＩＴが発生しないＶ２Ｏ５の光放出スペクトル（“５１０”で表した線）を参照すれば、メインギャップが存在するのみで、２ｅＶより小さな結合エネルギーでいかなるサブギャップも存在していない。このような結果は、急激なＭＩＴを表す物質は、２ｅＶ以下の結合エネルギーでサブギャップが存在するということを意味する。これは、モット絶縁体の特徴でも半導体の特徴でもある。
図６は、図１及び図２の急激なＭＩＴ半導体物質での温度によるキャリア変化を説明するためにホール効果の結果を示すグラフである。
図６を参照すると、約３３２Ｋより低い温度での正孔濃度を参照すれば、約１.２５ １０１５／ｃｍ３乃至７.３７ １０１５／ｃｍ３の正孔濃度を示す（６Ａを参照）。図面において、“−”表記は、電子ではなく正孔であるということを表すものである。ここで、約１.２５ １０１５／ｃｍ３乃至７.３７ １０１５／ｃｍ３の濃度を示す正孔は、バランスバンド内に存在する正孔である。しかし、事実上、このバランスバンド内の正孔以外にも、測定されずとも正孔準位内に存在する少量の正孔が存在する。この正孔準位内の正孔は、温度が上昇するにつれて現れるが、約３３２Ｋに温度が上昇すれば、約１.１６ １０１７／ｃｍ３の正孔が測定される（６Ｂを参照）。次いで、温度が上昇すれば、多数の電子が測定され、温度が上昇するほど急激に多数の電子が測定される（６Ｃを参照）。結論的に、このようにモット絶縁体の温度が上昇すれば、約３３２Ｋの温度で正孔電位内の正孔が測定され、温度がさらに上昇すれば、絶縁体から金属に急激に転移される。このような正孔の温度依存性は、半導体の特徴でもある。
図７は、図１及び図２の急激なＭＩＴ半導体物質での温度による抵抗値の変化を説明するグラフである。
図７を参照すると、Ａｌ２Ｏ３（結晶面は、１１０２）基板上にモット絶縁体であるＶＯ２膜を形成した後に、温度変化による抵抗値を測定した結果、約３３２Ｋより低い温度では相対的に非常に高い抵抗値を表す半導体（半導体は、低温で絶縁体である）状態（７Ａを参照）であり、約３３２Ｋで急激な金属への転移が発生して、約３４０Ｋ以上の温度では非常に低い抵抗値を表す金属状態（７Ｂを参照）となる。このような結果は、図６を参照して説明した温度による正孔ドーピングの結果、金属への急激な転移がなされることと同じ結果である。領域（７Ａ）において、温度の上昇によって抵抗が指数関数的に減少する特徴は、半導体の特徴である。
図８は、温度の変化による物質の構造的な変化を調べるためのラマン散乱実験の結果データを示すグラフである。図８において、横軸はラマン変位（転移）を表し、縦軸はスペクトルの強度を表す。
図８を参照すると、低温即ち４５℃の温度から高温即ち８５℃の温度まで変化すれば、原子の位置も変更されるが、具体的に、図面で“８００”で表したように、４５℃の温度で６２２cm−１にある最も大きい単斜晶系のＡｇピークが、温度が上昇して８５℃の温度では５７０cm−１にある広い正方晶系のＡ１ｇピークに変更される。このように、特定位置での原子の分極状態を表すピークの位置が変更されるにつれて原子の位置も変更されることが分かる。このように原子の位置が変更されるというのは、構造的な相転移が発生したということを意味し、従って、温度の変化によって構造的な相転移が発生することが分かる。この構造的な相転移は、２次的な現象である。
図９は、電流の変化による物質の構造的な変化を調べるために、図１及び図２の急激なＭＩＴ物質ＶＯ２に対する急激なＭＩＴで観測された分光学的マイクロラマン散乱実験の結果データを示すグラフである。
先ず、図９（ａ）を参照すると、Ａｌ２Ｏ３（結晶面は、１１０２）基板上のＶＯ２膜の場合、“９００”で表したピーク位置の変化を参照すれば、ＶＯ２膜に流れる電流が約１８ｍＡになるまで６２２ｃｍ−１の単斜晶系のＡｇピークの位置が変わらず、１８ｍＡ以上で消える。これは、２０ｍＡ以下では構造的な相転移が発生しないということを意味する。１６ｍＡ以上で存在するピークは、基板のＡｌ２Ｏ３ピークである。そして、約３０ｍＡの電流より高い電流が流れる場合に、構造相転移の発生を意味する原子の位置が変更され、広い正方晶系構造を意味するＡ１ｇピークが現れる。これにより、３０ｍＡ以上で構造的な相転移が発生することが分かる。しかし、図１１を参照して後述するが、ＶＯ２膜に流れる電流が約５ｍＡとなるということは、既にＶＯ２膜から正孔ドーピングによる金属への急激な転移が発生したということを意味する。これは、正孔ドーピングによる金属への急激な転移による構造的な相転移は発生しないということを証明している。約３０ｍＡの電流より高い電流が流れる場合に、構造的な相転移が発生する現象は、ＶＯ２膜に流れる電流によって発生した熱によって発生する現象であり、これは、正孔ドーピングによる金属への急激な転移と直接的な関連はない。結論的に、正孔ドーピングによる金属への急激な転移は、構造的な相転移と異なる。
次いで、図９（ｂ）を参照すると、ＶＯ２膜に流れる電流が約１００ｍＡとなる場合、原子の位置が変更されたか否かに関する測定が難しいが、これは、多くの電流によってラマン変位ピークが隠されたためであり、ＶＯ２膜が金属的な特性を示すという証拠になる。
図１０は、温度の変化による図１及び図２の急激なＭＩＴ半導体物質の電圧−電流特性を示すグラフである。図１０において、横軸はＡｌ２Ｏ３（結晶面は、１１０２）基板上のＶＯ２膜の両端に印加されるドレイン−ソース電圧ＶＤＳであり、縦軸はＶＯ２膜の両端に流れる電流ＩＤＳ及び電流密度ＪＤＳである。そして、ＶＯ２膜の両端の長さ、即ち、チャンネル長は５μｍである。
図１０を参照すると、構造的な相転移が発生する温度の約３３８Ｋ（６５℃）の温度より低い温度のドレイン−ソース電圧ＶＤＳで金属への急激な転移が起こる。特に、温度が高まるほど、金属への急激な転移が起こるドレイン−ソース電圧ＶＤＳが低くなる。そして、３３８Ｋ（６５℃）の温度より高い温度では、即ち、既に温度による構造的な相転移が発生した後には、オームの法則が満足される。結果的に、急激な金属への転移は、構造的な相転移を発生させる温度より低い温度で起こり、従って、構造的な相転移と急激なＭＩＴとは、直接的な関連性がない。構造的な相転移は、ＭＩＴ以後に過電流によって素子の温度上昇のために起こる。これは、ＭＩＴが構造的な相転移に間接的に影響を及ぼすということを意味する。
図１１は、図３の２端子網回路での電圧−電流特性を示すグラフである。図１１においては、急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子として、図２の平面状構造の半導体素子を使用したが、具体的に、基板としてはＡｌ２Ｏ３膜を使用し、急激なＭＩＴ半導体物質としてはＶＯ２膜を使用し、第１電極及び第２電極としてはＡｕ／Ｃｒの２層膜を使用し、第１電極と第２電極との間のＶＯ２膜のチャンネル長は５μｍである。一方、抵抗素子は１ｋΩの抵抗値を有する。
図１１を参照すると、第１電極と第２電極との間に印加されるドレイン−ソース電圧ＶＤＳが、約２２.５Ｖまでは絶縁体状態（１１Ａを参照）を維持するが、それ以上になると、急激に金属への転移が発生して金属状態（１１Ｂを参照）となる。これは、約２２.５Ｖの電圧が印加されれば、即ち、一定の大きさ以上の電界がＶＯ２膜の両端に印加されれば、正孔ドーピングによる急激なＭＩＴが発生するということを意味する。このように、正孔ドーピングによる急激なＭＩＴが発生して絶縁体状態（１１Ａ）で金属状態（１１Ｂ）になれば、ＶＯ２膜には電流が流れるが、このときに流れる電流の大きさは、約１５ｍＡ以上である。
図１２は、図１及び図２の急激なＭＩＴ半導体物質の金属相のヒステリシス特性を示すグラフである。
図１２を参照すると、急激なＭＩＴ半導体物質の両端に印加される電界ＥＤＳを変化させることによって電流密度ＪＤＳの変化を測定した結果、急激なＭＩＴの結果現れる金属状態でのヒステリシス特性、即ち、図面で矢印で表す順序（１２Ａ→１２Ｂ→１２Ｃ→１２Ｄ）の通りに電流密度ＪＤＳが変化する特性があることが分かり、これは、電界印加によって正孔ドーピングによる急激なＭＩＴが発生するということを証明している。
図１３は、急激なＭＩＴ半導体物質としてＶＯ２膜を利用した２端子半導体素子での電圧−電流特性を示すグラフである。
図１３を参照すると、図１の積層型構造を有する急激なＭＩＴ半導体物質を利用した半導体素子において、急激なＭＩＴ半導体物質としてＶＯ２膜を使用した場合、ＶＯ２膜の上下部の両端に一定の大きさの電圧ＶＤＳを印加した結果、正孔ドーピングによる急激なＭＩＴが起こって絶縁体状態（１３Ａ）から金属状態（１３Ｂ）に変化することが分かる。
図１４は、急激なＭＩＴ半導体物質としてｐガリウム砒素（ｐＧａＡｓ）を利用した２端子半導体素子での電圧−電流特性を示すグラフである。
図１４を参照すると、ＧａＡｓ基板上にｐＧａＡｓ膜を形成し、ｐＧａＡｓ膜の両端に一定大きさの電圧ＶＤＳを印加した結果、正孔ドーピングによる急激なＭＩＴが起こって絶縁体状態（１３Ａ）から金属状態（１３Ｂ）に変化した。ここで、ｐＧａＡｓは、２ｅＶ以下のサブバンドを有して正孔準位内の正孔を保有している物質であり、従って、約３０Ｖの電圧印加によって正孔ドーピングによる金属への急激な転移が起こることが分かる。急激なＭＩＴが起こるとき、低濃度の正孔は、ｎ＝（０.２／ａＨ）３からｎ＝０.００１％ ＝１ｘ１０１４ｃｍ−３である。
図１５は、急激なＭＩＴ半導体物質としてｐＧａＡｓを利用した２端子半導体素子での電圧−電流特性を示すグラフである。
図１５を参照すると、ＧａＡｓ基板とｐＧａＡｓ膜との間にアルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）バッファ膜を形成した場合には、ＡｌＡｓバッファ膜がない場合（図１４参照）と比較して多少高い電圧を印加したとき、正孔ドーピングによる急激なＭＩＴが発生して絶縁体状態（１４Ａ）から金属状態（１４Ｂ）に変更されることが分かる。しかし、このような電圧差は、非常に微細な差である。
図１６は、急激なＭＩＴ半導体物質としてｐＧａＡｓを利用した２端子半導体素子での温度の変化による電圧−電流特性を示すグラフである。ここで、ｐＧａＡｓのチャンネル長は、約１０μｍである
図１６を参照すると、ＧａＡｓ基板上にｐＧａＡｓ膜を形成した場合に、相対的に最も低い温度である３００Ｋで、ｐＧａＡｓ膜は、約８０Ｖの電圧で絶縁体状態（１６Ａ１）から金属状態（１６Ｂ１）への急激な転移が起こる。相対的に多少高い温度である３３０Ｋで、ｐＧａＡｓ膜は、約５５Ｖの電圧で絶縁体状態（１６Ａ２）から金属状態（１６Ｂ２）への急激な転移が起こる。そして、相対的に最も高い温度である３５０Ｋで、ｐＧａＡｓ膜は、約５３Ｖの電圧で絶縁体状態（１６Ａ３）から金属状態（１６Ｂ３）への急激な転移が起こる。これは、急激なＭＩＴ現象を誘発させるために印加される電圧の大きさと温度との相関関係を示すものであって、結果的に、温度が高いほど急激なＭＩＴ現象を誘発させるために印加される電圧の大きさは低く、一定温度以上では急激なＭＩＴ現象を誘発させるために印加される電圧の大きさとの間に大きな差がないということを示している。
図１７は、急激なＭＩＴ半導体物質としてｐＧａＡｓの金属相のヒステリシス特性を示すグラフである。ここで、ｐＧａＡｓのチャンネル長は、約１０μｍである。
図１７を参照すると、急激なＭＩＴ半導体物質の両端に印加される電圧（ＶＤＳ＝チャンネル長×ＥＤＳ）を変化させることによって電流密度ＪＤＳの変化を測定した結果、急激なＭＩＴの結果として現れる金属状態でのヒステリシス特性、即ち、図面において矢印で表す順序（１７Ａ→１７Ｂ→１７Ｃ→１７Ｄ）の通りに電流密度ＪＤＳが変化する特性が現れることが分かり、これは、ｐＧａＡｓの場合にも、電界印加によって正孔ドーピングによる急激なＭＩＴが発生するということを証明している。
図１８（ａ）は、ＧａＡｓの電気伝導度σの温度依存性である。このデータは、Ｇ.Ｇａｔｔｏｗ，Ｇ.Ｂｕｓｓ，Ｎａｔｕｒｗｉｓｓｅｎｓｃｈａｆｔｅｎ ５６（１）（１９６９）３５から引用された。これは、ＧａＡｓの構造相転移温度を示すために、ここで提示する。図１８（ｂ）は、低濃度の正孔が添加されたｐＧａＡｓの抵抗の温度依存性を観測して示している。抵抗は、電気伝導度に反比例する。
具体的には、図１８（ａ）において約１２４０℃で急激な不連続的な電気伝導度を示すが、これは、その温度以下の単斜晶系から正方晶系への構造相転移を意味する。図１８（ｂ）は、４８０Ｋまで観測された低濃度５×１０１４ｃｍ−３の正孔が添加されたｐＧａＡｓの電気抵抗であって急激なＭＩＴを示していない。そして、常温で観測された図１４、図１５、図１７及び図１６の３００Ｋ、３３０Ｋ、３５０Ｋで観測された急激なＭＩＴは、構造相転移温度よりはるかに下側にあるので、ＧａＡｓで観測された急激なＭＩＴは、構造相転移と直接的に関係しないと解釈することができる。
図１９は、急激なＭＩＴ物質としてｐＧａＡｓの５１４.５ｎｍのＡｒイオンレーザで測定された光電流特性を示すグラフである。ここで、ｐＧａＡｓのチャンネル長は、約１０μｍである。
図１９を参照すると、光電流特性は、レーザ光を照射しつつ測定した電流−電圧特性（１８Ａ２）とレーザ光を照射せずに測定された電流−電圧特性（１９Ａ１）との差と定義される。その光電流特性は、“１９Ａ３”曲線で表される。“１９Ａ１”曲線において急激なＭＩＴが起こる箇所である２７.５Ｖの近傍から太い矢印以下の小さな電圧側に“１９Ａ２”曲線と“１９Ａ３”曲線とが共に重複されている。これは、“１９Ａ１”曲線の値が非常に小さく、“１９Ａ２”曲線と“１９Ａ１”曲線との差がほぼ“１９Ａ２”曲線値となったためである。“１９Ａ３”曲線の長さは、レーザ光を照射するときにレーザ光によって励起された正孔キャリア（光電流キャリア）が発生して生じる光電流の大きさとほぼ一致するということを意味する。従って、この大きい光電流を利用すれば、本発明の２端子素子を光電センサとして利用することができる。既知の光電センサは、光電流効果を大きくするために、数十層の薄膜層を積層して作製する。しかし、２端子素子を利用すれば、非常に簡単になり得る。そして、レーザ光をＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）波に代える場合、光電センサのような２端子素子は、ＲＦ受信器としても使用され得る。一方、２７.５Ｖより大きい電圧側で光電流特性曲線（１９Ａ３）が減少することは、金属で光伝導特性が起こらないためである。これが急激なＭＩＴの特性である。
図２０は、急激なＭＩＴ物質としてｐＧａＡｓとＡｌＡｓとのバッファ層を使用して製造された図２の２端子半導体素子に、波長が４８８ｎｍであるアルゴンレーザをその素子に入射させて素子から放出された蛍光（Ｐｈｏｔｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＰＬ）の照度と波長依存性とを示すスペクトルである。
図２０を参照すると、細い線のグラフは、第１電極と第２電極とに印加された電場が０Ｖで測定されたスペクトルであり、太い線のグラフは、第１電極と第２電極とに印加された電場が３４Ｖで測定されたスペクトルである。３４Ｖの近傍で急激なＭＩＴが起こった“２０Ａ１”ピークは、８６０ｎｍの約１.４５ｅＶのＧａＡｓのサブエネルギーギャップに該当する。これは、ｐＧａＡｓが、正孔が添加された２ｅＶ以下のエネルギーギャップを有する半導体であるということを証明している。第１電極と第２電極との間に３４Ｖの電圧が印加されたとき、サブエネルギーＰＬの照度が急激に低下した。しかし、“２０Ａ２”としてある程度ピークが残っているのは、急激なＭＩＴを起こさない相の存在のためであり、これは、物質が急激なＭＩＴを起こす相とそうでない相とが互いに混合されていると解釈される。電場が印加されて急激なＭＩＴが起こった後、８００ｎｍから６００ｎｍまでスペクトルの強度が連続的に増加した。６００ｎｍから短波長側にスペクトル曲線が急激に減少するのは、フィルタを利用してそれ以下を除去したためである。スペクトル８００ｎｍ以下で蛍光度が増加する現象“２０Ａ４”は、その２端子素子から発生した発光と解釈される。６４０ｎｍ近くの波長を有する光は、赤い光に該当する。従って、図２の２端子素子は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）又はレーザのような発光用素子としても使用することができる。
そして、蛍光度が短波長側に８００から６００ｎｍまでにおいて連続的に増加する現象は、急激なＭＩＴによって生じた電子が強い電場（Ｅ＝Ｖ／ｄｃｈａｎｎｅｌ ｌｅｎｇｔｈ＝３４Ｖ／５μｍ＝６.８×１０６Ｖ／ｍ）中で加速して連続スペクトルの電磁波を放出する制動放射による発光と解釈される。一種の光を出す加速器のような原理である。
図２のような２端子素子は、加速長が５μｍである超小型加速器とみなされ得る。
図２１は、急激なＭＩＴ物質としてｐＧａＡｓを使用して製造された２端子半導体素子に１０μＡずつ電流を流しつつ電圧を観測した電流−電圧特性を示すグラフである。ここで、ｐＧａＡｓのチャンネル長は、約１０μｍである。
図２１を参照すると、初めて電流１０μＡを流したとき５５Ｖ（２１Ａ）で測定され、再び電流を１０μＡずつ高めると、電圧は不連続的に約２５Ｖ（２１Ｂ）まで低下し、再び電流を高めると、オームの法則によって電圧は上昇する。これは、測定された電圧５５Ｖの“２１Ａ”から２５Ｖの“２１Ｂ”まで不連続的な低下が急激なＭＩＴに対応する。
なぜなら、オームの法則を示す直線“１９Ｃ”が金属特性であるためである。このように、電流の増加によって測定された電圧が低下し、再び上昇する現象は、マイナス抵抗又はネガティブ抵抗という。ｐＧａＡｓのように、低濃度の正孔が注入された半導体においてネガティブ特性が観測されるのはＰＣＭの特徴である。それは、ｐＧａＡｓが不揮発性メモリの材料として利用される可能性があるということを意味する。また、低濃度の正孔が添加された総ての半導体物質は、このようなネガティブ抵抗特性を示すものである。
図２２は、図２の２端子半導体素子の電極形状の一例を説明する斜視図である。
図２２を参照すれば、急激なＭＩＴ半導体物質膜３００上に第１電極２４１及び第２電極２４２が相互に対向する平面状構造である場合、第１電極２４１及び第２電極２４２をフィンガー状に形成することによって相互に対向する面の長さが長くなり、その結果、単位面積当りに流れる電流の量も増加する。例えば図面では、第１電極２４１は、３個のフィンガーを有するように形成され、第２電極２４２は、２個のフィンガーを有するように形成されているが、その数はさらに増加することもある。また、フィンガーの長さａ及び第１電極２４１と第２電極２４２との間の水平距離Ｌも所望の素子の特性によって自由に調節され得る。
図２３は、図１及び図２の急激なＭＩＴ半導体物質膜の厚さの変化による長さ及び幅の相関関係を説明する図面である。
図２３を参照すると、急激なＭＩＴ半導体物質膜１３０又は２３０の幅Ｗ、長さＬ、厚さｔ及び面積Ａは相互に適切なサイズを有していなければならない。即ち、例えば、常温で少なくともＭＩＴが起こったときに、転移が起こる前後の抵抗変化を約１０４にするためには、薄膜の厚さが１００ｎｍである場合、図面において点線で示したように、約２０μｍの長さＬ及び約３ｍｍの幅Ｗを有していなければならない。このように、厚さｔ、長さＬ及び幅Ｗを相互に適切に調節することによって所望の抵抗変化を維持させ得る。
以上、本発明を望ましい実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、前述の実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で当業者によって様々な変形が可能である。
本発明は、既存の半導体素子をＭＩＴ半導体物質を利用した半導体素子に代替して適用することができる総ての応用分野、任意の特定温度で大きい電流を利用する警報器、温度センサ、スイッチング素子、情報記憶素子、電池の保護回路、ＰＣＭ、急激なＭＩＴと強磁性薄膜とを利用した磁気メモリ、光電センサ、超高速光通信用受信器、ＲＦ検出器、トランジスタ等の多様な分野に適用され得る。
本発明の実施の一形態に係る急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子を示す断面図である。 本発明の他の実施の形態に係る急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子を示す断面図である。 本発明に係る急激なＭＩＴ半導体物質を利用した２端子半導体素子を適用した２端子網回路図である。 図１及び図２の急激なＭＩＴ半導体物質における正孔のドーピング効果を説明するために示すグラフである。 図１及び図２の急激なＭＩＴ半導体物質における２ｅＶ以下のサブギャップの存在を説明するグラフである。 図１及び図２の急激なＭＩＴ半導体物質における温度によるキャリア変化を説明するグラフである。 図１及び図２の急激なＭＩＴ半導体物質における温度による抵抗値の変化を説明するグラフである。 温度の変化による物質の構造的な変化を調べるためのラマン散乱実験の結果データを示すグラフである。 電流の変化による物質の構造的な変化を調べるために、図１及び図２の急激なＭＩＴ半導体物質に対するマイクロラマン散乱実験の結果データを示すグラフである。 温度の変化による図１及び図２の急激なＭＩＴ半導体物質の電圧−電流特性を示すグラフである。 図３の２端子網回路における電圧−電流特性を示すグラフである。 図１及び図２の急激なＭＩＴ半導体物質の金属相のヒステリシス特性を示すグラフである。 急激なＭＩＴ半導体物質としてバナジウム二酸化膜を利用した２端子半導体素子における電圧−電流特性を示すグラフである。 急激なＭＩＴ半導体物質としてｐＧａＡｓを利用した２端子半導体素子における電圧−電流特性を示すグラフである。 急激なＭＩＴ半導体物質としてｐＧａＡｓを利用した２端子半導体素子における電圧−電流特性を示すグラフである。 急激なＭＩＴ半導体物質としてｐＧａＡｓを利用した２端子半導体素子における温度の変化による電圧−電流特性を示すグラフである。 急激なＭＩＴ半導体物質としてｐＧａＡｓの金属相のヒステリシス特性を示すグラフである。 ＧａＡｓの電気伝導度（σ）の温度依存性（ａ）と、低濃度の正孔が添加されたｐＧａＡｓ薄膜の抵抗の温度依存性（ｂ）とを表すグラフである。 急激なＭＩＴ半導体物質としてｐＧａＡｓを利用した２端子半導体素子において５１４.５ｎｍのＡｒイオンレーザを利用して観測した光電流特性を示すグラフである。 急激なＭＩＴ半導体物質としてｐＧａＡｓを利用した２端子半導体素子において波長が４８８ｎｍであるアルゴンレーザを入射させて、素子から放出される蛍光度の波長依存性スペクトルを示すグラフである。 急激なＭＩＴ半導体物質としてｐＧａＡｓを利用した２端子半導体素子において電流を流しつつ電圧を測定する電流制御方式により測定された電流−電圧特性を示すグラフである。 図２の２端子半導体素子の電極形状の一例を説明するために示す斜視図である。 図１及び図２の急激なＭＩＴ半導体物質膜の厚さの変化による長さ及び幅の相関関係を説明するために示す図面である。
１００ ２端子半導体素子
１１０ 基板
１２０ バッファ層
１３０ ＭＩＴ物質膜
１４１ 第１電極膜
１４２ 第２電極膜

Claims (17)

  1. 半導体エネルギーギャップと不純物準位（正孔あるいは電子）とを有し、所定電圧で絶縁体から金属に急激な金属−絶縁体転移を起こし、電圧印加による発光が発生する急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜。
  2. 前記急激な金属−絶縁体半導体物質膜は、レーザー光の照射によって前記エネルギーギャップに対応する波長部分に蛍光（ＰＬ：Ｐｈｏｔｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）のピーク（ｐｅａｋ）部分を有するが、前記急激な金属−絶縁体転移によって前記ピーク部分の前記蛍光の強度が減り、前記ピーク部分以下の波長に対応する前記蛍光の強度は増加することを特徴とする請求項１に記載の急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜。
  3. 前記急激な金属−絶縁体半導体物質膜は、ｐ型半導体（ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族）を含むことを特徴とする請求項１に記載の急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜。
  4. 前記急激な金属−絶縁体半導体物質膜は、ｐ型ＧａＡｓを含むことを特徴とする請求項３に記載の急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜。
  5. 前記急激な金属−絶縁体半導体物質膜は、ｎ型半導体を含むことを特徴とする請求項１に記載の急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜。
  6. 前記急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜は、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）、発光用素子、及び光を放出する加速器のうち、少なくとも１つに用られることを特徴とする請求項１に記載の急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜。
  7. 基板と、
    前記基板上に配置される請求項１に記載の急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜と、
    前記急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜上において相互に対向しつつ離隔されるように配置される第１電極膜及び第２電極膜と、を備えることを特徴とする発光素子。
  8. 前記急激な金属−絶縁体半導体物質膜は、ｐ型半導体（ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族）を含むことを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
  9. 前記急激な金属−絶縁体半導体物質膜は、ｎ型半導体を含むことを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
  10. 前記急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜は、ＬＥＤ、発光用素子、及び光を放出する加速器のうち、少なくとも１つに利用されることを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
  11. 前記基板と前記急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜との間に配置されたバッファ層をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
  12. 前記第１電極膜は、前記急激な金属−絶縁体半導体物質膜の左側に置かれるが、電極の一部は半導体の上部の一部を覆う構造であり、前記第２電極膜は、第１電極膜と同じ構造であり、かつ前記急激な金属−絶縁体半導体物質膜の右側に置かれることを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
  13. 基板と、
    前記基板上に配置される請求項１に記載の急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜と、
    前記急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜の下部に形成された第１電極膜と、
    前記急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜の上部に形成された第２電極膜と、を備えることを特徴とする発光素子。
  14. 前記基板は、サファイア、Ｓｉ、ＧａＡｓ、及び金属板を含むことを特徴とする請求項１３に記載の発光素子。
  15. 前記基板と前記急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜との間に配置されたバッファ層をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の発光素子。
  16. 前記急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜は、ｐ型半導体（ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族）を含むことを特徴とする請求項１３に記載の発光素子。
  17. 前記急激な金属−絶縁体転移半導体物質膜は、ｎ型半導体を含むことを特徴とする請求項１３に記載の発光素子。
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