JPH0888414A

JPH0888414A - 誘電体ベーストランジスタ

Info

Publication number: JPH0888414A
Application number: JP6221211A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Tamura; 泰孝田村; Akira Yoshida; 晃吉田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1994-09-16
Filing date: 1994-09-16
Publication date: 1996-04-02

Abstract

(57)【要約】【目的】誘電体ベーストランジスタに関し、制御電極
の制御性を高めることにより、電圧ゲイン及び超伝導電
流の制御性を高めると共に、製造工程を簡素化して生産
性を向上させる。【構成】誘電体からなるベース層２と、このベース層
２上にベース層より誘電率の低い低誘電体層３を介して
互いに近接させて設けたエミッタ電極４及びコレクタ電
極５とからなる誘電体ベーストランジスタにおいて、ベ
ース層２の電位を制御するためのベース電極６をエミッ
タ電極４及びコレクタ電極５と同じ側のベース層２の表
面に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は誘電体ベーストランジス
タに関するものであり、特に、薄膜酸化物ベースを用い
た誘電体トランジスタの電極構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、エレクトロニクス技術分野におい
ては、半導体トランジスタ等の半導体を用いた能動素子
が用いられており、能動素子としてはバイポーラトラン
ジスタ或いはＭＩＳＦＥＴが大半を占めており、また、
半導体材料としてもシリコンを中心として、ゲルマニウ
ム等のIV族半導体、或いは、ＧａＡｓ等のIII-Ｖ族化合
物半導体が用いられている。

【０００３】これに対して、酸化物半導体を用いたトラ
ンジスタも提案されており、この様な酸化物半導体の多
くは、エネルギギャップが３ｅＶ以上であるため可視光
に対して透明であり、また、高誘電性或いは強誘電性等
の通常の半導体にはない特性を持つ。

【０００４】また、酸化物のなかには、高温超伝導体の
ように通常の超伝導体よりも高い７７Ｋ付近の温度で超
伝導性を示すものもあり、このような酸化物の特性を積
極的に利用することにより、強誘電性を利用した不揮発
性メモリ、可視光に対する透明性を利用した表示デバイ
ス、或いは、超伝導性を利用した超伝導スイッチ等の機
能的なデバイスの作製が可能になる。

【０００５】このような酸化物を利用した誘電体ベース
トランジスタの原理、構造、及び、特性を図６及び図７
を用いて説明する。図６（ａ）は誘電体ベーストランジ
スタの概念的構成を示すものであり、図６（ｂ）は無バ
イアス時のバンドダイヤグラムを示し、図６（ｃ）はバ
イアス時のバンドダイヤグラムを示すものである。ま
た、図７（ａ）は従来の誘電体ベーストランジスタの具
体的構造であり、図７（ｂ）は一般的な誘電体ベースト
ランジスタの特性を示すものであり、図７（ｃ）はエミ
ッタ・コレクタの間隔を５０ｎｍ程度にした場合の特性
を示すものである。

【０００６】図６参照誘電体ベーストランジスタは、エミッタ電極４及びコレ
クタ電極５からなる一対の電流印加電極、及び、この電
流印加電極間に設けられた酸化物半導体からなるベース
層２によって構成され、このベース層２の電位を制御電
極であるベース電極６により制御してベース層２にチャ
ネルを形成して流れる電流を制御するものである。

【０００７】実際には、図に示すように電流印加電極
４，５と酸化物半導体ベース層２との間にベース層２の
誘電率より低い誘電率を有する低誘電体層３を介在させ
ることにより、電流印加電極４，５とベース電極６間の
静電容量を低減させ特性を向上させている。また、動作
においては、図６（ｂ）及び（ｃ）に示すように、エミ
ッタ電極４から注入された電子は拡散やドリフトによっ
てベース層２を走行してコレクタ電極５に達する。

【０００８】図７（ａ）参照図７（ａ）は、実際に提案されている誘電体ベーストラ
ンジスタの具体的構造を示すものであり、誘電率の高い
ＳｒＴｉＯ₃からなる酸化物半導体をベース層２として
用いると共に、ベース層２上にＺｎＯ等の誘電率の低い
低誘電体層３を介してエミッタ電極４及びコレクタ電極
５を所定間隔だけ離して設ける。なお、制御電極である
ベース電極６はベース層２の裏面に設け、このベース電
極６に加えた電圧によりエミッタ・コレクタ間の電流を
制御するものであり、また、７はＳｉＯ₂等の保護膜で
ある。

【０００９】図７（ｂ）及び図７（ｃ）参照図７（ｂ）は、図７（ａ）に示した誘電体ベーストラン
ジスタの特性を示すものであり、電流ゲインはＦＥＴと
同様に大きな値になるものの、電圧ゲインは約３であ
る。また、図７（ｃ）は電極４〜６をＮｂ等の超伝導体
で構成し、ＳｒＴｉＯ₃層２の低誘電体層３に接する部
分に１０¹⁹ｃｍ^-3にドープしたｎ型ドープ領域を設ける
と共に、エミッタ電極４とコレクタ電極５との間隔を５
０ｎｍ程度にした場合に特性を示すものであり、超伝導
電流が流れることが確認できる。

【００１０】この超伝導電流は、所謂近接効果によって
流れるものである。即ち、超伝導体からなるエミッタ電
極４及びコレクタ電極５においては、電子はクーパー対
を形成して超伝導状態になっており、この対を形成した
電子が常伝導体であるＳｒＴｉＯ₃からなるベース層２
に注入されると、時間の経過とともにクーパー対は壊れ
てその密度が減少するものの、ベース層２の厚さが５０
ｎｍ程度の場合には、クーパー対の多くが超伝導体から
なるコレクタに到達し、超伝導電流として観測される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の誘電体
ベーストランジスタにおいては、電圧ゲインが３程度と
トランジスタとしては小さいという問題があり、また、
図７（ｃ）に示すように超伝導電流を制御する場合に
は、ｎ型ドープ領域の電子密度が大きすぎるため、制御
電圧に対する特性の変化が小さいという問題がある。

【００１２】即ち、誘電体ベーストランジスタにおいて
は、ベース電極６に電圧変化を与えた場合、ベース層２
のベース電極寄りに形成されるチャネル領域の電位が変
化することになるが、チャネル領域のドープ量が多い場
合に電位変化というよりはキャリア密度が変化し、結果
としてチャネル抵抗が変化することになる。

【００１３】そして、トランジスタに流れる電流がエミ
ッタ電極４からベース層２に注入される電流によって決
定される場合には、電流はベース層２の電位により決定
されるので、小さな制御電圧でベース層の電位が大きく
変化するならば、トランジスタの電流の変化も大きくな
る。また、電流がベース層２内での抵抗、即ち、キャリ
ア密度及び移動度により決定される場合には、小さな制
御電圧でキャリア密度の変化が大きいならば、トランジ
スタの電流の変化も大きくなり、これらの変化の程度に
より制御電極の制御性が評価されることになる。

【００１４】上記の図７の場合には、チャネル領域を構
成するドープされたｎ型ドープ領域のキャリア密度、即
ち、電子密度が大きいので、電流は電子密度により決定
されることになるが、この素子の場合にはｎ型ドープ領
域の電子密度が大きすぎるために、制御電圧の変化に対
する電子密度の変化が小さく、制御電極の制御性が低い
ということになる。

【００１５】さらに、図６に示した概念的構成におい
て、キャリアのコレクタへの到達率を高めるためにエミ
ッタ電極４とコレクタ電極５との間に設けるベース層２
の厚さを薄くしようとする場合には、高度の薄膜形成技
術が必要となり、生産性に問題が生ずることになる。

【００１６】したがって、本発明は、誘電体ベーストラ
ンジスタにおいて、制御電極の制御性を高めて、電圧ゲ
イン及び超伝導電流の制御性を高めると共に、製造工程
を簡素化して生産性を向上することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】図１は、本発明の原理的
構成を説明するための素子断面を示す図であり、図１を
用いて本発明の課題を解決するための手段を説明する
と、本発明は、誘電体からなるベース層２と、このベー
ス層２上にベース層２より誘電率の低い低誘電体層３を
介して互いに近接させて設けたエミッタ電極４及びコレ
クタ電極５とからなる誘電体ベーストランジスタにおい
て、ベース層２の電位を制御するためのベース電極６を
エミッタ電極４及びコレクタ電極５と同じ側のベース層
２の表面に設けたことを特徴とするものである。

【００１８】また、本発明は、ベース電極６をエミッタ
電極４及びコレクタ電極５を取り囲むように設けたこと
を特徴とし、さらに、本発明は、ベース層２の背面にベ
ース電極６と電気的に接続する背面電極を設けたことを
特徴とする。

【００１９】また、本発明は、ベース電極６とベース層
２との間にキャリアの移動を妨げるバリア層を設けたこ
とを特徴とし、更に、ベース電極６とベース層２との間
に強誘電体層を設けることも特徴とする。

【００２０】

【作用】本発明の作用を図２を用いて説明する。図２
（ａ）はベース層２の低誘電体層３と接する部分に１０
¹⁹ｃｍ^-3程度のｎ型不純物をドープしたｎ型ドープ領域
１１を設けた従来の誘電体ベーストランジスタの制御電
極の制御性をモデル的に説明するための素子断面であ
り、図２（ｂ）は、本発明の制御電極の制御性をモデル
的に説明するための素子断面である。

【００２１】この場合に、制御電極の制御性は、制御電
極であるベース電極６とｎ型ドープ領域１１との間の静
電容量で決まることになる。即ち、この場合の静電容量
とは、制御電圧の変化によりｎ型ドープ領域のキャリア
量がどの程度変化するかを表す量であるので、このｎ型
ドープ領域の単位面積が制御電極に対して持つ静電容量
が大きいほど制御性が大きいことになる。

【００２２】図２において、制御電極６の幅が無限大で
あるという近似を用いてこのモデルの静電容量Ｃを求め
ると、図２（ａ）の従来の場合には、以下の（１）式の
ようになる。

【数１】

【００２３】また、図２（ｂ）の本発明の場合には、静
電容量Ｃは上記の（１）式で与えられるが、ｋの値は、
ｋ＝ｄ／（ｄ＋２ｗ）となる。但し、ｗはｎ型ドープ領
域１１と制御電極（ベース電極）６との間のギャップで
ある。

【００２４】この場合、例えば、ベース層２を厚さｈが
４００μｍのＳｒＴｉＯ₃層で構成し、ｎ型ドープ領域
１１の幅ｄを２０μｍ、ｎ型ドープ領域１１と制御電極
６とのギャップｗを２μｍ、ＳｒＴｉＯ₃層の比誘電率
を２０００（４．２Ｋ）とすると、従来例では単位面積
当たり０．６５μＦ／ｃｍ²であった静電容量は、本発
明においては２．１μＦ／ｃｍ²となり、大幅な改善が
得られる。

【００２５】上記のモデル計算では、図に示した素子の
断面構造が紙面に垂直に無限に続いている二次元モデル
を用いて計算したが、制御電極をエミッタ電極及びコレ
クタ電極を取り囲むように設けた場合にも、同様な効果
が得られる。

【００２６】したがって、制御電極（ベース電極）とエ
ミッタ電極及びコレクタ電極とを、ベース層の同じ側に
設けたので、制御電極の制御性が向上し、電圧ゲイン及
び相互コンダクタンス等のゲインパラメータが向上し、
また、薄膜ベース層の表面をチャネル領域として用いる
ためにゲインを低下させない程度の比較的厚い薄膜の使
用が可能になるので、高度の薄膜形成技術を必要とせ
ず、且つ、全ての電極を同じ側に設けるので製造工程が
簡素化される。

【００２７】また、ベース電極６をエミッタ電極４及び
コレクタ電極５を取り囲むように設けたことにより、制
御電極の制御性は更に高まり、さらに、ベース電極６に
電気的に接続する背面電極をベース層２の背面にも設け
たことにより、チャネル領域が外部からシールドされる
ので、動作がより安定になる。

【００２８】また、ベース電極６とベース層２との間に
キャリアの移動を妨げるバリア層を設けたことにより、
ノーマリオフ型のトランジスタを実現することができ、
さらに、ベース電極６とベース層２との間に強誘電体層
を設けることにより、メモリ作用を有するトランジスタ
を実現することができる。

【００２９】

【実施例】図３は、本発明の誘電体ベーストランジスタ
の第１の実施例を示す図である。図３（ａ）及び（ｂ）参照まず、サファイア等の絶縁基板１上にＮｂを０．１重量
％ドープしたｎ型のＳｒＴｉＯ₃薄膜を５００ｎｍ堆積
し、次いで、ＳｒＴｉＯ₃より低誘電率のＺｎＯを１０
ｎｍ堆積させた後、パターニングすることによりベース
層２、及び、低誘電体層３を形成する。

【００３０】次いで、超伝導体であるＮｂにより、厚さ
２００ｎｍのエミッタ電極４及びコレクタ電極５と厚さ
２００ｎｍのベース電極６を形成し、ＳｉＯ₂等の保護
膜７を介してエミッタ引出電極８及びコレクタ引出電極
９を設ける。なお、図３（ｂ）は電極の平面パターンを
明らかにするために、図３（ａ）における保護膜７と引
出電極８，９を除去した場合における上面から見た状態
を示すものである。

【００３１】この場合には、制御電極を構成するＮｂと
ベース層を構成するＳｒＴｉＯ₃との接触電位差により
ノーマリオン動作するものであるが、上述のように静電
容量Ｃが、電極配置により従来に比べて約３．２倍向上
するので、電圧ゲインも約１０になり、大幅に特性が改
善される。また、この例において、低誘電体層に接して
２×１０¹⁹ｃｍ^-3程度のｎ型不純物をドープしたｎ型ド
ープ領域を設けた場合の電流−電圧特性を図３（ｃ）に
示す。

【００３２】図３（ｃ）参照図３（ｃ）に示す本発明の超伝導電流の特性を、図７
（ｃ）に示す従来例の超伝導電流特性とを比較すると、
同一の制御電圧（Ｖ_BE）の変化により、Ｉ_Cが約３倍変
化していることが分かり、従って、超伝導電流の制御性
も約３倍向上したことになる。

【００３３】図４（ａ）参照図４（ａ）は、本発明の誘電体ベーストランジスタの第
２の実施例を説明する図であり、電極の平面パターンを
明らかにするために、保護膜と引出電極を除去した場合
における上面からみた状態を示すものであり、電極配置
以外の構成は第１の実施例と同様である。

【００３４】この第２の実施例は、ベース電極６を、そ
の平面パターンにおいて、エミッタ電極４及びコレクタ
電極５とを完全に取り囲むように設けたものであり、こ
のような電極配置により、制御電極の制御性が更に５０
％程度向上する。

【００３５】図４（ｂ）参照図４（ｂ）は本発明の誘電体ベーストランジスタの第３
の実施例を説明するための素子断面を示すものであり、
電極配置以外の構成は第１の実施例と同様である。この
第３の実施例においては、ベース層２の絶縁基板１と対
向する側の面に厚さ５０ｎｍのＰｔからなるベース電極
と電気的に接続された背面電極、即ち、背面ベース電極
１２を設けており、このような電極構造によりチャネル
領域が外部の影響からシールドされるので、より安定し
た動作特性が得られる。

【００３６】図５（ａ）参照図５（ａ）は本発明の誘電体ベーストランジスタの第４
の実施例を説明するための素子断面を示すものであり、
ベース層２としてノン・ドープのＳｒＴｉＯ₃層を用い
ると共に、制御電極６とベース層２との間に厚さ５ｎｍ
の絶縁性のＣｅＯ₂薄膜からなるバリア層１３を挿入し
たもので、その他の構成は、第１の実施例と同様であ
る。

【００３７】この様に、ノン・ドープのＳｒＴｉＯ₃を
用いた場合には、上記の第１乃至第３の実施例とは異な
り、ノーマリオフ特性が得られるが、上記の様に制御電
極６とベース層２との間にバリア層１３を設けることに
より、オン電圧を印加した時にベース層２の表面のチャ
ネル領域を流れる電子が制御電極に流れ込むのが阻止で
きるため、正常なノーマリオフ型のトランジスタ特性を
得ることができる。なお、詳しい機構は不明であるが、
バリア作用はＣｅＯ₂とＳｒＴｉＯ₃とのバンド・ギャ
ップの差によるものと考えられる。

【００３８】図５（ｂ）参照図５（ｂ）は本発明の誘電体ベーストランジスタの第５
の実施例を説明するための素子断面を示すものであり、
制御電極６とベース層２との間に厚さ２００ｎｍのＰＺ
Ｔ（ＰｂＺｒ_0.52Ｔｉ_0.48Ｏ₃）からなる強誘電体層１
４を挿入したもので、その他の構成は、第１の実施例と
同様である。

【００３９】この第５の実施例の場合には、強誘電体層
の自発分極の向きにより、同じ制御電圧を印加した場合
にも、チャネル領域の電位或いはキャリア密度が異なる
ことになるので、トランジスタ特性が異なることにな
る。そして、この分極の向きは制御電圧に印加する電圧
によって反転させることができるので、過去に制御電圧
に加えた電圧によりトランジスタ特性が異なることにな
り、メモリとして使用することができる。

【００４０】また、この場合には、制御電極６はベース
層２の表面に設けるものであるため、強誘電体層１４も
表面に設けることになるので、ＰＺＴのような高温に弱
い強誘電体薄膜の使用も可能になる。

【００４１】なお、上記各実施例においては、低誘電体
層３はエミッタ電極４とコレクタ電極５との間におい
て、連続した構成になっているが、図７の従来例に示す
ように、エミッタ電極４とコレクタ電極５との間におい
て分離して設けても良く、また、ベース層２としてはＳ
ｒＴｉＯ₃を用いているが、ＳｒＴｉＯ₃と同様の他の
ペロブスカイト系の酸化物を用いても良いものである。
さらに、上記の各実施例においては矩形状パターンによ
り説明しているが、本発明は矩形状パターンに限られる
ものではない。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、制御電極とエミッタ電
極及びコレクタ電極とを同じ側の面に設けたので、制御
電極の制御性が向上することにより、電圧ゲインが向上
すると共に、超伝導電流の制御性も向上し、さらには、
製造工程も簡素化されるので生産性も向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理的構成を説明する図である。

【図２】本発明の作用を説明する図である。

【図３】本発明の第１の実施例を説明する図である。

【図４】本発明の第２及び第３の実施例を説明する図で
ある。

【図５】本発明の第４及び第５の実施例を説明する図で
ある。

【図６】誘電体ベーストランジスタの概念的構成を説明
する図である。

【図７】従来の誘電体ベーストランジスタを説明する図
である。

【符号の説明】

１絶縁基板２ベース層３低誘電体層４エミッタ電極５コレクタ電極６ベース電極（制御電極）７保護膜８エミッタ引出電極９コレクタ引出電極１０ベース引出電極１１ｎ型ドープ領域１２背面ベース電極１３バリア層１４強誘電体層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電体からなるベース層と、前記ベース
層上に前記ベース層より誘電率の低い低誘電体層を介し
て互いに近接させて設けたエミッタ電極及びコレクタ電
極とからなる誘電体ベーストランジスタにおいて、前記
ベース層の電位を制御するためのベース電極を前記エミ
ッタ電極及びコレクタ電極と同じ側の前記ベース層の表
面に設けたことを特徴とする誘電体ベーストランジス
タ。
【請求項２】上記ベース層を絶縁基板上に設けた薄膜
誘電体により構成したことを特徴とする請求項１記載の
誘電体ベーストランジスタ。
【請求項３】上記エミッタ電極及びコレクタ電極が超
伝導体からなることを特徴とする請求項１または２に記
載の誘電体ベーストランジスタ。
【請求項４】上記ベース電極を、上記エミッタ電極及
びコレクタ電極を取り囲むように設けたことを特徴とす
る請求項１ないし３のいずれか１項に記載の誘電体ベー
ストランジスタ。
【請求項５】上記ベース層の背面に、上記ベース電極
と電気的に接続された背面電極を設けたことを特徴とす
る請求項１ないし４のいずれか１項に記載の誘電体ベー
ストランジスタ。
【請求項６】上記ベース電極と上記ベース層との間に
強誘電体層を設けたことを特徴とする請求項１ないし５
のいずれか１項に記載の誘電体ベーストランジスタ。
【請求項７】上記ベース層をｎ型不純物をドープした
ＳｒＴｉＯ₃で構成したことを特徴とする請求項１ない
し６のいずれか１項に記載の誘電体ベーストランジス
タ。
【請求項８】上記ベース層の上記低誘電体層と接する
領域にｎ型不純物を更にドープして高不純物濃度領域を
設けたことを特徴とする請求項７記載の誘電体ベースト
ランジスタ。
【請求項９】上記ベース電極と上記ベース層との間に
キャリアに対するバリア層を設けたことを特徴とする請
求項１ないし５のいずれか１項に記載の誘電体ベースト
ランジスタ。
【請求項１０】上記ベース層をノン・ドープのＳｒＴ
ｉＯ₃で構成したことを特徴とする請求項９記載の誘電
体ベーストランジスタ。