JP2012114373A - ペロブスカイト型の複合酸化物をチャンネル層とする電界効果トランジスタ及びその製造方法と、これを利用したメモリ素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】化学式がCa1−xCexMnO3(但し、xは0≦x<1を満たす実数である)で表される複合酸化物からなる単結晶膜をチャンネル層として、電界効果トランジスタを構成する。
【選択図】図2
Description
(dCCMO -dS)/dCCMO ≒ 0.5×10−2・・・(1)或いは
(dCCMO -dS)/dCCMO ≧ 0.5×10−2 ・・・(2)
パルスレーザー堆積法を用いて、基板温度600℃〜800℃、酸素圧225mTorrの製膜条件で、(110)または(001)面に配向したYAlO3の単結晶基板1の表面上に、ペロブスカイト型の酸化物であるCa1−xCexMnO3(0≦x<1)の単結晶薄膜を約10nm〜30nmの膜厚になるまで成長させる。
上述の方法で製膜したCa1−xCexMnO3(0≦x<1)単結晶薄膜をフォトリソグラフィー法及びアルゴンイオンエッチングを用いてパターニングを行い、縦幅100μm×横幅20μm程度の導電チャンネル2を形成する。このとき、導電チャンネル2以外の薄膜は除去され絶縁性の基板1の表面が露出している状態になるので、この露出した基板1の表面の上に次の工程で電極及び配線等を形成する。
上述の方法で形成した導電チャンネル2及び絶縁性基板1の表面の上に、フォトリソグラフィー法及び真空蒸着法を用いて、ソース3及びドレイン4、ゲート5及び金属配線を形成する。
(i) まず、上記のようにして形成された導電チャンネル2及び絶縁性基板1の表面上に、フォトリソグラフィー法を用いて、配線とソース3、ドレイン4、ゲート5の基となるパターンを形成する。
(ii) 上記の導電チャンネル2及び絶縁性基板1の表面上に厚さ10nmのAg層を蒸着法により形成し、該Ag層と上記チャンネル層2との接合と配線及び電極を形成する。
(iii) 次いで、上記Ag層上に厚さ190nmのAu層を蒸着法により形成することによって、Au/Agソース3及びAu/Agドレイン4を形成する。また、該ソース3及びドレイン4の表面がイオン液体に接触しないように、ソース3及びドレイン4の表面上をエポキシ樹脂等の合成樹脂製の絶縁性物質からなる保護層31及び41でそれぞれ被覆する。尚、導電チャンネル2を形成するCa1−xCexMnO3単結晶薄膜のキャリア21はn−typeであり、仕事関数は5.2eV〜5.4eV程度の範囲内である。そのため、導電チャンネルとして形成された上記単結晶よりも仕事関数が小さい金属であれば、その金属と上記Ag層とを代替である。
上述の方法で形成した導電チャンネル2及び金属配線の上にフォトリソグラフィー法を用いて、図2の断面模式図に示されるように、ゲート5及び導電チャンネル層2間の絶縁性を確保するためのゲート絶縁体の一部を構成する構造のセパレータ層6を形成する。該セパレータ層6は、図2の断面模式図に示されるように、電気二重層法に用いる電解質及び/或いはイオン液体が不必要な場所でソース電極或いはドレイン電極等の金属配線等に接触して漏れ電流が増大するのを防ぐためのものであり、素子の品質向上のために不可欠のものである。
ゲート絶縁体は、液状の電解質が上記導電チャンネル2及びゲート5に接触するように該液状の電解質を含有するイオン液体層7からなるゲート絶縁層を形成することによって構成される。すなわち、セパレータ層6の外側にゲート5を形成し、イオン液体層7が上記導電チャンネル2及びゲート5の表面に直接接触できるように液状の電解質を含有するイオン液体層7を充填する。
実施例1のFET素子は、図1の平面図及び図2の断面図に示される構造を備え、Ca1−xCexMnO3単結晶薄膜として、チャンネル層2はCe濃度(x)が0になるように調整された。尚、本実施例において、ゲート絶縁層を構成する図2のイオン液体層7には疎水性イオン液体であるDEME−TFSIが用いられている。イオン液体層7の一部は、DEMEのカチオン71及びTFSIのアニオン72に分解され、カチオン71はチャンネル層2の表面及びその近傍に高い密度で集中する。一方、アニオン72はゲートの表面及びその近傍に高い密度で集中する。
2 導電チャンネル
3 ソース
4 ドレイン
5 ゲート電極
6 セパレータ
7 イオン液体層
21 導電チャンネル2のキャリア
31 保護層
41 保護層
71 カチオン(DEME)
72 アニオン(TFSI)
Claims (7)
- 化学式Ca1−xCexMnO3(但し、xは0≦x<1を満たす実数である)で表される複合酸化物からなる単結晶膜をチャンネル層として備える、電界効果トランジスタ。
- 上記チャンネル層は、上記化学式におけるCeの組成が0≦x≦0.02である複合酸化物で形成されてなる、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記チャンネル層を形成する複合酸化物よりも小さい格子定数を有する酸化物の単結晶からなる基板と、液状の電解質を含有するゲート絶縁層とを備え、
前記チャンネル層は、該基板上に直接に形成され、
上記ゲート絶縁層は、前記チャンネル層の露出した表面に接触する、請求項1または請求項2に記載の電界効果トランジスタ。 - 上記チャンネル層は、上記基板によって圧縮歪みが加えられる、請求項3に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記基板は、YAlO3から形成されてなる、請求項3に記載の電界効果トランジスタ。
- 請求項1乃至5に記載の電界効果トランジスタのうち、少なくとも1つを配置することによって構成される、メモリ素子。
- ソース領域及びドレイン領域、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間に設けられたチャンネル層、電気絶縁層を介して前記チャンネル層に隣接して設けられたゲート領域が、酸化物単結晶の基板の同一表面上に配置されるプレーナ構造の電界効果トランジスタを製造する方法であって、
化学式がCa1−xCexMnO3(但し、xは0≦x<1を満たす実数である)で表される複合酸化物からなる単結晶膜を前記チャンネル層として、該チャンネル層を形成する複合酸化物よりも小さい格子定数を有する酸化物単結晶の基板の同一平面上に直接的にエピタキシャル形成する工程と、
フォトリソグラフィー法を用いて、ゲート領域及びチャンネル層間にゲート絶縁体領域の一部を構成する前記電気絶縁層を形成する工程と、
液状の電解質が上記チャンネル層に接触するように、液状の電解質を含有するイオン液体層で満たしたゲート絶縁体領域を上記チャンネル層上に形成する工程と、
を含む、電界効果トランジスタの製造方法。
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