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WO2010038788A1 - 電流制御素子及びその製造方法 - Google Patents

電流制御素子及びその製造方法 Download PDF

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WO2010038788A1
WO2010038788A1 PCT/JP2009/067049 JP2009067049W WO2010038788A1 WO 2010038788 A1 WO2010038788 A1 WO 2010038788A1 JP 2009067049 W JP2009067049 W JP 2009067049W WO 2010038788 A1 WO2010038788 A1 WO 2010038788A1
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current control
electrode
control body
current
compound
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PCT/JP2009/067049
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直 池田
芳博 久保園
高志 神戸
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Okayama University NUC
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Okayama University NUC
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60—Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • H10D30/67—Thin-film transistors [TFT]
    • H10D30/6729—Thin-film transistors [TFT] characterised by the electrodes
    • H10D30/6737—Thin-film transistors [TFT] characterised by the electrodes characterised by the electrode materials
    • H10D30/6739—Conductor-insulator-semiconductor electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D64/00—Electrodes of devices having potential barriers
    • H10D64/60—Electrodes characterised by their materials
    • H10D64/66—Electrodes having a conductor capacitively coupled to a semiconductor by an insulator, e.g. MIS electrodes
    • H10D64/68—Electrodes having a conductor capacitively coupled to a semiconductor by an insulator, e.g. MIS electrodes characterised by the insulator, e.g. by the gate insulator
    • H10D64/691—Electrodes having a conductor capacitively coupled to a semiconductor by an insulator, e.g. MIS electrodes characterised by the insulator, e.g. by the gate insulator comprising metallic compounds, e.g. metal oxides or metal silicates 

Definitions

  • the present invention relates to a current control element capable of controlling the amount of current by applying a predetermined electric field, and a manufacturing method thereof.
  • a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, an insulating layer, and the like are used to form a transistor, a diode, and the like, and a required semiconductor circuit is formed using these elements.
  • a transistor in a semiconductor circuit is often used as a switching element that performs on / off switching control of energization.
  • a transistor is generally formed by joining a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, and has a pn junction in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are joined. The transistor cannot be driven unless energy exceeding the energy band gap generated at the pn junction is given.
  • a transistor in a semiconductor circuit formed using silicon requires a driving voltage of at least 0.7 V or more, and normally a voltage of about 1.5 V or more is required to stably operate the semiconductor circuit. It is often applied.
  • semiconductor circuits power is consumed during operation and heat is generated. Therefore, not only to save power, but also to suppress the amount of heat generated, semiconductor circuits are required to be driven at as low a voltage as possible. Yes.
  • phase change layer composed of vanadium oxide, nickel oxide, hafnium oxide or the like is provided, and the physical properties of the channel are changed by utilizing the fact that this phase change layer changes its conductivity when a voltage is applied.
  • a method for controlling and lowering the driving voltage of a semiconductor circuit has been proposed (for example, see Patent Document 1). JP 2006-1148109 A
  • the present inventors While conducting research on a compound having a layered triangular lattice structure containing rare earth elements, the present inventors provide a current control element capable of current control with a small driving voltage by utilizing the current-carrying characteristics of this compound.
  • the present invention has been accomplished by thinking of what can be done.
  • the current control element of the present invention is a current control element that includes a current control body that controls the amount of current by applying an electric field, and an electrode that applies a predetermined electric field to the current control body. It was decided to comprise a compound having a layered triangular lattice structure containing the element.
  • the current control element of the present invention is also characterized by the following points. That is, (1) In the compound, R is at least one element selected from In, Sc, Y, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ti, Ca, Sr, Ce, Sn, and Hf, Ma, and Mb is at least one element selected from Ti, Mn, Fe, Co, Cu, Ga, Zn, Al, Mg, and Cd, n is an integer of 1 or more, m is an integer of 0 or more, ⁇ Is a compound represented by (RMbO 3- ⁇ ) n (MaO) m , where R is a real number of 0 or more and 0.2 or less, or a compound in which a part of R of the compound is substituted with an element less than or equal to positive divalent.
  • the current control body is joined between the drain electrode and the source electrode of the p-type conductor provided with the drain electrode and the source electrode.
  • the current control body is provided with an input side electrode for inputting current and an output side electrode for outputting current.
  • the direction of the electric field applied to the current control body is the c-axis direction of the compound portion.
  • the current control element manufacturing method of the present invention is a current control element manufacturing method including a current control body that controls the amount of current by applying an electric field, and an electrode that applies a predetermined electric field to the current control body. Therefore, the method includes forming the current control body with a compound having a layered triangular lattice structure containing a rare earth element.
  • a current control body of a current control element having a current control body that controls the amount of current by applying an electric field and an electrode that causes a predetermined electric field to act on the current control body is formed into a layered triangle containing a rare earth element.
  • FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of the arrangement of each element in a plan view of a compound having a layered triangular lattice structure.
  • FIG. 2 is a schematic explanatory diagram of the arrangement of each element in a side view of a compound having a layered triangular lattice structure.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of the current control element of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a graph of the current-voltage measurement result of the pn junction formed by the current control body and the p-type conductor.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of the current control element of the second embodiment.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of a current control element according to the third embodiment.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of a modification example of the current control element of the third embodiment.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of a modification example of the current control element of the third embodiment.
  • the current control body in the current control element having a current control body that controls the amount of current by applying an electric field, and an electrode that applies a predetermined electric field to the current control body, the current control body Is formed of a compound having a layered triangular lattice structure containing a rare earth element.
  • the current control body includes at least one element selected from R, In, Sc, Y, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ti, Ca, Sr, Ce, Sn, and Hf.
  • Ma and Mb are at least one element selected from Ti, Mn, Fe, Co, Cu, Ga, Zn, Al, Mg, and Cd, n is an integer of 1 or more, and m is 0 or more. It is a compound represented by (RMbO 3 - ⁇ ) n (MaO) m , where R is an integer and ⁇ is a real number of 0 or more and 0.2 or less, or a compound in which a part of R of the compound is substituted with an element less than or equal to positive divalent.
  • LuFe 2 O 4 in which R is Lu and Ma and Mb are Fe as representative examples.
  • LuFe 2 O 4 can be produced by the following procedure. (1) Lutetium oxide (Lu 2 O 3 ) and iron (III) oxide (Fe 2 O 3 ) are mixed at a ratio of 1: 2 and mixed with a ball mill for about 1 hour to form a mixture. (2) The mixture is formed into a predetermined shape and heated to 800 ° C. for 24 hours in an oxygen atmosphere to form a pre-fired body. (3) The temporary fired body is fired by the FZ (Floating Zone) method to obtain single crystal LuFe 2 O 4 . At this time, the crystal is grown in an atmosphere of a CO—CO 2 mixed gas that is a mixed gas of carbon monoxide and carbon dioxide.
  • a CO—CO 2 mixed gas that is a mixed gas of carbon monoxide and carbon dioxide.
  • a CO 2 —H 2 mixed gas may be used instead of the CO—CO 2 mixed gas, and the amount of oxygen is obtained by firing while controlling the oxygen partial pressure in a reducing atmosphere. Is adjusted.
  • the crystal structure of single crystal LuFe 2 O 4 will be described with reference to FIGS.
  • the crystal structure of LuFe 2 O 4 is in a state before so-called charge ordering, in which the ordered structure of Fe 3+ and Fe 2+ does not appear in Fe ions in the crystal.
  • FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of the arrangement of each element in a plan view, and shows the positional relationship of a triangular lattice of element A, a triangular lattice of element B, and a triangular lattice of element C.
  • the position of the lattice point in the triangular lattice of element A is “A position”
  • the position of the lattice point in the triangular lattice of element B is “B position”
  • the position of the lattice point in the triangular lattice of element C is “C position”. I will call it.
  • FIG. 2 is a schematic explanatory diagram of the arrangement of each element in a side view, and each element is located at a predetermined position in the following order from the uppermost layer downward.
  • W-Layer a portion composed of four layers marked with a circle is called a W layer (W-Layer), and having this W layer is a characteristic point of LuFe 2 O 4 .
  • a W layer is also formed in a compound having a layered triangular lattice structure other than LuFe 2 O 4 .
  • the W layer has a triangular lattice laminated structure, and the presence of the same number of Fe 2+ and Fe 3+ in LuFe 2 O 4 causes frustration of charges.
  • the region rich in Fe 3+ has a role of positive charge in the W layer, while the region rich in Fe 2+ has a role of negative charge. (Electrical polarization) appears.
  • LuFe 2 O 4 the electric dipole state is changed by applying an electric field from the outside, and the conductivity changes, so that the amount of current flowing through LuFe 2 O 4 can be changed.
  • a compound having a layered triangular lattice structure containing a rare earth element has a W layer and can change the amount of current by an electric field applied from the outside, so that it can be used as a current control element.
  • the current control element As shown in FIG. 3, the current control element according to the first embodiment includes a p-type conductor 10 serving as a support base, a drain electrode 11 and a source electrode 12 provided at predetermined positions of the p-type conductor 10, A current control body 13 provided on the upper surface of the p-type conductor 10 between the drain electrode 11 and the source electrode 12 and a gate electrode 14 provided on the upper surface of the current control body 13 are configured.
  • the current control body 13 is LuFe 2 O 4 .
  • the current control body 13 is not limited to LuFe 2 O 4 , and R is changed to In, Sc, Y, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ti, Ca, Sr, Ce, Sn, Hf.
  • the current control body 13 will be described as LuFe 2 O 4 .
  • LuFe 2 O 4 functions as an n-type conductor, and is provided in contact with the p-type conductor 10 so that the junction interface between the p-type conductor 10 and the current control body 13 is a pn junction interface.
  • the p-type conductor 10 As the p-type conductor 10, an appropriate semiconductor can be used. However, when the p-type conductor 10 is an organic semiconductor composed of C60 fullerene, it exhibits rectification characteristics as shown in FIG. It is confirmed that it is formed.
  • the p-type conductor 10 is an organic semiconductor composed of C60 fullerene
  • the p-type conductor 10 is formed by vacuum-depositing C60 fullerene on an appropriate support base.
  • the current control element of this embodiment functions as a transistor that performs current control.
  • the current control body 13 may be a single crystal of LuFe 2 O 4 or may be polycrystalline, but when it is a single crystal, it is sandwiched between the p-type conductor 10 and the gate electrode 14. By controlling the thickness direction of the current control body 13 to the c-axis direction of LuFe 2 O 4 , current control can be performed effectively.
  • the current control element of the first embodiment is formed as follows.
  • a p-type conductor 10 is prepared, and on the upper surface of the p-type conductor 10, fine particles of LuFe 2 O 4 are used to form a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a sputtering method, an MBE (Molecular Beam Epitaxy).
  • the film-like or layer-like current control body 13 is formed by the method or the aerosol deposition method.
  • the upper surface of the p-type conductor 10 may be flattened and the crystal plane may be adjusted as necessary.
  • the film-like or layer-like current control body 13 is formed into a predetermined shape by electron beam lithography.
  • a metal layer is formed on the current control body 13 and the p-type conductor 10 by sputtering or the like, a required etching mask is formed on the metal layer, and the metal layer is etched to thereby form a drain electrode. 11, a source electrode 12 and a gate electrode 14 are formed.
  • the formation of the current control element is not limited to the above method, and an appropriate method may be used.
  • the current control element according to the second embodiment corresponds to a dielectric insulating film 20 serving as a support base, a current control body 21 provided on the upper surface of the dielectric insulating film 20, and a current control body 21, respectively.
  • a drain electrode 22 and a source electrode 23 provided on the upper surface of the dielectric insulating film 20 in contact with each other and a gate electrode 24 provided on the lower surface of the dielectric insulating film 20 are configured.
  • the gate electrode 24 is provided immediately below the current control body 21 with the dielectric insulating film 20 interposed therebetween.
  • the current control body 21 is also LuFe 2 O 4 in this embodiment.
  • the current control body 21 is not limited to LuFe 2 O 4 , and R is changed to In, Sc, Y, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ti, Ca, Sr, Ce, Sn, Hf.
  • the current control body 21 will be described as LuFe 2 O 4 .
  • the current control body 21 may be a single crystal of LuFe 2 O 4 or may be polycrystalline, but in the case of a single crystal, the current that is in the same direction as the thickness direction of the dielectric insulating film 20 By controlling the thickness direction of the control body 21 to the c-axis direction of LuFe 2 O 4 , current control can be performed effectively.
  • a predetermined electric field acts on the current control body 21 to cause modulation of channel conduction, and the current control body 21 Current control between the source and drain electrodes can be performed.
  • the current control element of the second embodiment is formed as follows.
  • a film-like or layer-like film is formed on the upper surface of a thin plate-like or thin-film dielectric insulating film 20 by using a fine particle-like LuFe 2 O 4 by a CVD method, a sputtering method, an MBE method, an aerosol deposition method, or the like.
  • a current control body 21 is formed.
  • the film-like or layer-like current control body 21 is formed into a predetermined shape by electron beam lithography.
  • a metal layer is formed on the upper surfaces of the current control body 21 and the dielectric insulating film 20 by sputtering or the like, a required etching mask is formed on the metal layer, and the metal layer is etched, whereby the drain electrode 22 and source electrode 23 are formed.
  • a metal layer is formed on the lower surface of the dielectric insulating film 20 by a sputtering method or the like, a required etching mask is formed on the metal layer, and the gate electrode 24 is formed by etching the metal layer. .
  • the current control element according to the third embodiment includes an insulating substrate 30 serving as a support base, a first electrode 31 provided on the upper surface of the insulating substrate 30, and an upper surface of the first electrode 31.
  • the current control body 32 and the second electrode 33, the third electrode 34, and the fourth electrode 35 provided on the upper surface of the current control body 32 so as to be spaced apart from each other.
  • the first electrode 31 and the third electrode 34 are disposed to face each other with the current control body 32 interposed therebetween, and the third electrode 34 is disposed between the second electrode 33 and the fourth electrode 35.
  • ScAlMgO 4 or the like can be suitably used.
  • the current control body 32 is also LuFe 2 O 4 in this embodiment.
  • the current control body 32 is not limited to LuFe 2 O 4 , and R is changed to In, Sc, Y, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ti, Ca, Sr, Ce, Sn, Hf.
  • the current control body 32 will be described as LuFe 2 O 4 .
  • the current control body 32 may be a single crystal of LuFe 2 O 4 or may be polycrystalline, but when it is a single crystal, it is sandwiched between the first electrode 31 and the third electrode 34.
  • the current control can be effectively performed by setting the thickness direction of the current control body 32 to the c-axis direction of LuFe 2 O 4 .
  • the second electrode 33 and the fourth electrode 35 are used as the source electrode or the drain electrode, respectively, and by applying a predetermined voltage to each of the first electrode 31 and the third electrode 34, A predetermined electric field is applied to the current control body 32 sandwiched between the first electrode 31 and the third electrode 34 to control the current flowing between the second electrode 33 and the fourth electrode 35 via the current control body 32. ing.
  • the current control element of the present embodiment is a transistor that does not use a pn junction, a so-called forward voltage drop does not exist in principle, and can function as a transistor that operates at a low driving voltage.
  • the current control element of the third embodiment is formed as follows.
  • a first electrode 31 is formed by forming a metal layer on the upper surface of the insulating substrate 30 by sputtering or the like.
  • a film-like or layer-like current control body 32 is formed on the upper surface of the first electrode 31 by using finely divided LuFe 2 O 4 by CVD, sputtering, MBE, aerosol deposition, or the like. ing.
  • a metal layer is formed on the upper surface of the current control body 32 in the form of a film or a layer by sputtering or the like, a required etching mask is formed on the metal layer, and the metal layer is etched to form a first layer.
  • Two electrodes 33, a third electrode 34, and a fourth electrode 35 are formed.
  • the current control element according to the third embodiment is not limited to the form shown in FIG. 6.
  • the first electrode 31, the second electrode 33, the third electrode 34, and the fourth electrode 35 are provided. It can also be arranged.
  • a metal layer is formed on the upper surface of the insulating substrate 30 by sputtering or the like, and a required etching mask is formed on the metal layer.
  • the first electrode 31 is formed by etching the layer.
  • a film-like or layered LuFe 2 O 4 layer is formed on the upper surface of the first electrode 31 by using finely divided LuFe 2 O 4 by CVD, sputtering, MBE, aerosol deposition, or the like.
  • the current control body 32 is formed with the LuFe 2 O 4 layer having a predetermined shape by electron beam lithography.
  • a metal layer is formed on the upper surface of the current control body 32 by sputtering or the like, a required etching mask is formed on the metal layer, and the metal layer is etched.
  • An electrode 34 and a fourth electrode 35 are formed to form a current control element.
  • the third electrode 34 is provided at least directly above the first electrode 31.
  • the second electrode 33 and the fourth electrode 35 are provided in contact with the current control body 32, respectively.
  • a first electrode 31, a second electrode 33, a third electrode 34, and a fourth electrode 35 can be arranged.
  • fine particles of LuFe 2 O 4 are used on the upper surface of the insulating substrate 30 to form a film-like or layer-like current by CVD, sputtering, MBE, aerosol deposition, or the like.
  • a control body 32 is formed.
  • a metal layer is formed on the upper surface of the current control body 32 in the form of a film or a layer by sputtering or the like, a required etching mask is formed on the metal layer, and the metal layer is etched, whereby the first An electrode 31, a second electrode 33, a third electrode 34, and a fourth electrode 35 are formed to form a current control element.
  • first electrode 31 and the third electrode 34 are arranged to face each other, and the second electrode 33 and the fourth electrode 35 are also arranged to face each other, and the first electrode 31 and the third electrode 34 are arranged. And a virtual line connecting the second electrode 33 and the fourth electrode 35 are arranged so as to cross each other.
  • the current control body 32 sets the c-axis direction of LuFe 2 O 4 as the extending direction of the imaginary line connecting the first electrode 31 and the third electrode 34.
  • the current control body 32 positioned between the first electrode 31 and the third electrode 34 is applied. It is possible to control the current flowing between the second electrode 33 and the fourth electrode 35 via the current control body 32 by applying a predetermined electric field.

Landscapes

  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Abstract

　より小さい駆動電力で電流制御を可能とする電流制御素子及びその製造方法を提供する。 　電場を作用させることにより電流量を制御する電流制御体と、電流制御体に所定の電場を作用させる電極とを有する電流制御素子及びその製造方法であって、電流制御体を希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で構成する。特に、電流制御体は、Ｒを、In,Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ti,Ca,Sr,Ce,Sn,Hfから選ばれる少なくとも１種類の元素、Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも１種類の元素、ｎを１以上の整数、ｍを０以上の整数、δを０以上0.2以下の実数として、電流制御体を、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される層状三角格子構造を有する化合物、またはその化合物のＲの一部を正二価以下の元素により置換した化合物とする。

Description

電流制御素子及びその製造方法
　本発明は、所定の電場を作用させることにより電流量を制御可能とした電流制御素子及びその製造方法に関する。
　従来、半導体素子では、ｐ型半導体層とｎ型半導体層、さらには絶縁層などを用いてトランジスタやダイオードなどを構成しており、これらの素子を用いて所要の半導体回路を形成している。
　特に、半導体回路中のトランジスタは、通電のオン・オフの切替制御を行うスイッチング素子として用いられることが多い。
　トランジスタは、一般的にｐ型半導体層とｎ型半導体層とを接合させて形成しており、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが接合されたｐｎ接合を有していることにより、このｐｎ接合部分に生じているエネルギーバンドギャップを超えるエネルギを与えない限り、トランジスタを駆動させることができないこととなっている。
　したがって、シリコンを用いて形成された半導体回路中のトランジスタでは、少なくとも0.7V以上の駆動用の電圧が必要であり、半導体回路を安定的に動作させるために、通常は約1.5V以上の電圧を印加していることが多い。
　さらに、半導体回路では、動作にともなって電力を消費して発熱するため、省電力化のためだけでなく、発熱量を抑制するためにも半導体回路はできるだけ低い電圧で駆動させることが求められている。
　そこで、バナジウム酸化物や、ニッケル酸化物、あるいはハフニウム酸化物などを用いて構成した相変化層を設け、この相変化層が電圧の印加によって伝導性が変化することを利用してチャネルの物性を制御し、半導体回路の駆動電圧を低下させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６－１１４８１０９号公報
　しかしながら、相変化層でチャネルの物性を制御するだけでは十分ではなく、しかも、構造が複雑化することにより製造コストが増大するおそれがあった。
　本発明者らは、希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物の研究を行う中で、この化合物の通電特性を利用することにより、小さい駆動電圧で電流制御が可能な電流制御素子を提供できることに思い至り、本発明を成したものである。
　本発明の電流制御素子では、電場を作用させることにより電流量を制御する電流制御体と、電流制御体に所定の電場を作用させる電極とを有する電流制御素子であって、電流制御体を希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で構成することとした。
　さらに、本発明の電流制御素子では以下の点にも特徴を有するものである。すなわち、
（１）前記化合物が、Ｒを、In,Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ti,Ca,Sr,Ce,Sn,Hfから選ばれる少なくとも１種類の元素、Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも１種類の元素、ｎを１以上の整数、ｍを０以上の整数、δを０以上0.2以下の実数として、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される化合物、またはその化合物のＲの一部を正二価以下の元素により置換した化合物であること。
（２）電流制御体を、ドレイン電極とソース電極を設けたｐ型電導体のドレイン電極とソース電極との間に接合させたこと。
（３）電流制御体に、電流を入力する入力側電極と、電流を出力させる出力側電極とを設けたこと。
（４）電流制御体に作用させる電場の向きを化合部のｃ軸方向としたこと。
　また、本発明の電流制御素子の製造方法では、電場を作用させることにより電流量を制御する電流制御体と、電流制御体に所定の電場を作用させる電極とを有する電流制御素子の製造方法であって、電流制御体を希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で形成する工程を有することとした。
　本発明では、電場を作用させることにより電流量を制御する電流制御体と、電流制御体に所定の電場を作用させる電極とを有する電流制御素子の電流制御体を、希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で形成することにより、0.7Ｖよりも低い電圧で駆動する電流制御素子を提供でき、省電力で低発熱の電流制御素子とすることができる。
図１は層状三角格子構造を有する化合物の平面視における各元素の配置の概略説明図である。 図２は層状三角格子構造を有する化合物の側面視における各元素の配置の概略説明図である。 図３は第１実施形態の電流制御素子の説明図である。 図４は電流制御体とｐ型電導体とにより形成したｐｎ接合の電流電圧計測結果のグラフである。 図５は第２実施形態の電流制御素子の説明図である。 図６は第３実施形態の電流制御素子の説明図である。 図７は第３実施形態の電流制御素子の変容例の説明図である。 図８は第３実施形態の電流制御素子の変容例の説明図である。
　10　ｐ型電導体
　11　ドレイン電極
　12　ソース電極
　13　電流制御体
　14　ゲート電極
　本発明の電流制御素子及びその製造方法では、電場を作用させることにより電流量を制御する電流制御体と、電流制御体に所定の電場を作用させる電極とを有する電流制御素子において、電流制御体を、希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で形成しているものである。
　電流制御体は、具体的には、Ｒを、In,Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ti,Ca,Sr,Ce,Sn,Hfから選ばれる少なくとも１種類の元素、Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも１種類の元素、ｎを１以上の整数、ｍを０以上の整数、δを０以上0.2以下の実数として、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される化合物、またはその化合物のＲの一部を正二価以下の元素により置換した化合物である。
　以下において、ＲをLuとし、Ma及びMbをFeとしたLuFe2O4を代表例として、層状三角格子構造を有する化合物を説明する。
　LuFe2O4は、以下の手順により生成できる。
（１）酸化ルテチウム(Lu2O3)と酸化鉄(III)(Fe2O3)とを１：２の割合で混合するとともに、ボールミルで約１時間混合し、混合物を生成する。
（２）前記混合物を所定形状に成形して、酸素雰囲気下で、24時間、800℃に加熱して仮焼成体を生成する。
（３）ＦＺ(Floating Zone)法によって前記仮焼成体を本焼成することにより、単結晶のLuFe2O4とする。このとき、一酸化炭素と二酸化炭素の混合ガスであるCO－CO2混合ガスの雰囲気下で結晶成長させている。
　なお、単結晶を生成する本焼成では、CO－CO2混合ガスの代わりにCO2－H2混合ガスを用いてもよく、還元雰囲気で酸素分圧を制御しながら焼成することにより酸素の量を調整している。
　単結晶のLuFe2O4の結晶構造について、図１及び図２を用いて説明する。なお、説明の便宜上、LuFe2O4の結晶構造は、結晶中のFeイオンにおいてFe3+とFe2+の規則構造が出現していない、いわゆる電荷秩序化前の状態としている。
　図１は、平面視における各元素の配置の概略説明図であり、元素Ａの三角格子と、元素Ｂの三角格子と、元素Ｃの三角格子の位置関係を示している。以下において、元素Ａの三角格子における格子点の位置を「Ａ位置」、元素Ｂの三角格子における格子点の位置を「Ｂ位置」、元素Ｃの三角格子における格子点の位置を「Ｃ位置」と呼ぶこととする。
　図２は、側面視における各元素の配置の概略説明図であり、最上層から下方に向けて以下の順番で所定の位置に各元素が位置している。
　　Lu－Ｂ位置
　　O －Ｃ位置
　　Fe－Ｃ位置
　　O －Ｂ位置
　　O －Ｃ位置
　　Fe－Ｂ位置
　　O －Ｂ位置
　　Lu－Ｃ位置
　　O －Ａ位置
　　Fe－Ａ位置○
　　O －Ｃ位置○
　　O －Ａ位置○
　　Fe－Ｃ位置○
　　O －Ｃ位置
　　Lu－Ａ位置
　　O －Ｂ位置
　　Fe－Ｂ位置
　　O －Ａ位置
　　O －Ｂ位置
　　Fe－Ａ位置
　　O －Ａ位置
　　Lu－Ｂ位置
　このうち、○印を付した４層で構成される部分をＷ層(W-Layer)と呼んでおり、このＷ層を有していることがLuFe2O4の特徴点となっている。
　また、LuFe2O4以外の層状三角格子構造を有する化合物でも同様にＷ層が形成されていることが知られている。
　Ｗ層は三角格子の積層構造となっており、LuFe2O4において同数のFe2+とFe3+とを存在させることにより、電荷のフラストレーションを生じさせている。
　これにより、LuFe2O4では、Ｗ層中においてFe3+の多い領域が正電荷の役割を持ち、一方、Fe2+の多い領域が負電荷の役割を持つこととなって、電気双極子（電気分極）が現れることとなっている。
　しかも、LuFe2O4では、外部から電場を作用させることにより電気双極子の状態が変化し、導電性が変化することからLuFe2O4を流れる電流量を変化させることができる。
　このように、希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物はＷ層を有するとともに、外部から加えた電場によって電流量を変化させることができるので、電流制御素子として用いることができる。
　以下において、図面に基づいて詳説する。
〔第１実施形態〕
　第１実施形態の電流制御素子は、図３に示すように、支持基体となるｐ型電導体10と、このｐ型電導体10の所定位置にそれぞれ設けたドレイン電極11とソース電極12と、ドレイン電極11とソース電極12との間におけるｐ型電導体10の上面に設けた電流制御体13と、電流制御体13の上面に設けたゲート電極14とで構成している。
　電流制御体13は、本実施形態ではLuFe2O4としている。なお、電流制御体13はLuFe2O4に限定するものではなく、Ｒを、In,Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ti,Ca,Sr,Ce,Sn,Hfから選ばれる少なくとも１種類の元素、Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも１種類の元素、ｎを１以上の整数、ｍを０以上の整数、δを０以上0.2以下の実数として、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される層状三角格子構造を有する化合物、またはその化合物のＲの一部を正二価以下の元素により置換した化合物を用いることができる。以下においては、電流制御体13はLuFe2O4として説明する。
　LuFe2O4はｎ型電導体として機能し、ｐ型電導体10に当接させて設けることにより、ｐ型電導体10と電流制御体13との接合界面がｐｎ接合界面となっている。
　ｐ型電導体10としては、適宜の半導体を用いることができるが、ｐ型電導体10をC60フラーレンで構成した有機半導体とすることにより、図４に示すように整流特性を示し、ｐｎ接合が形成されていることが確認されている。
　なお、ｐ型電導体10をC60フラーレンで構成した有機半導体とする場合には、適宜の支持基体にC60フラーレンを真空蒸着させてｐ型電導体10を形成している。
　ｐ型電導体10と電流制御体13とによりｐｎ接合界面が形成された電流制御素子において、ゲート電極14に正電場を印加すると、ｐ型電導体10と電流制御体13の接合界面部分に負電荷が現れ、この負電荷がキャリアをトラップすることによって、ソース－ドレイン電極間の電気伝導が減少することとなっている。すなわち、本実施形態の電流制御素子は、電流制御を行うトランジスタとして機能することとなっている。
　電流制御体13は、LuFe2O4の単結晶であってもよいし、多結晶であってもよいが、単結晶とする場合には、ｐ型電導体10とゲート電極14に挟まれた電流制御体13の厚み方向をLuFe2O4のｃ軸方向とすることにより、効果的に電流制御を行うことができる。
　第１実施形態の電流制御素子は、以下のようにして形成している。
　まず、ｐ型電導体10を準備し、このｐ型電導体10の上面に、微粒子状としたLuFe2O4を用いて、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法、スパッタ法、ＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法、あるいはエアロゾルデポジション法などによって膜状あるいは層状の電流制御体13を形成している。なお、ｐ型電導体10の上面は、必要に応じて平坦化するとともに結晶面を調整していてもよい。
　次いで、膜状あるいは層状の電流制御体13を電子線リソグラフィーによって所定の形状としている。
　次いで、電流制御体13及びｐ型電導体10上にスパッタ法などによって金属層を形成して、この金属層上に所要のエッチング用のマスクを形成し、金属層をエッチングすることにより、ドレイン電極11、ソース電極12及びゲート電極14を形成している。
　電流制御素子の形成は、上記の方法に限定されるものではなく、適宜の方法を用いてもよい。
〔第２実施形態〕
　第２実施形態の電流制御素子は、図５に示すように、支持基体となる誘電絶縁膜20と、この誘電絶縁膜20の上面に設けた電流制御体21と、電流制御体21にそれぞれ当接させて誘電絶縁膜20の上面に設けたドレイン電極22とソース電極23と、誘電絶縁膜20の下面に設けたゲート電極24とで構成している。ゲート電極24は、誘電絶縁膜20を挟んで電流制御体21の直下方位置に設けている。
　電流制御体21は、本実施形態でもLuFe2O4としている。なお、電流制御体21はLuFe2O4に限定するものではなく、Ｒを、In,Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ti,Ca,Sr,Ce,Sn,Hfから選ばれる少なくとも１種類の元素、Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも１種類の元素、ｎを１以上の整数、ｍを０以上の整数、δを０以上0.2以下の実数として、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される層状三角格子構造を有する化合物、またはその化合物のＲの一部を正二価以下の元素により置換した化合物を用いることができる。以下においては、電流制御体21はLuFe2O4として説明する。
　電流制御体21は、LuFe2O4の単結晶であってもよいし、多結晶であってもよいが、単結晶とする場合には、誘電絶縁膜20の厚み方向と同一方向である電流制御体21の厚み方向をLuFe2O4のｃ軸方向とすることにより、効果的に電流制御を行うことができる。
　特に、本実施形態の電流制御素子では、ゲート電極24に所定の電圧を印加することにより、電流制御体21に所定の電場が作用してチャネル伝導の変調が生じ、電流制御体21を介したソースードレイン電極間の電流制御を行うことができる。
　第２実施形態の電流制御素子は、以下のようにして形成している。
　まず、薄板状または薄膜状とした誘電絶縁膜20の上面に、微粒子状としたLuFe2O4を用いて、ＣＶＤ法、スパッタ法、ＭＢＥ法、あるいはエアロゾルデポジション法などによって膜状あるいは層状の電流制御体21を形成している。
　次いで、膜状あるいは層状の電流制御体21を電子線リソグラフィーによって所定の形状としている。
　次いで、電流制御体21及び誘電絶縁膜20の上面にスパッタ法などによって金属層を形成して、この金属層上に所要のエッチング用のマスクを形成し、金属層をエッチングすることにより、ドレイン電極22及びソース電極23を形成している。
　さらに、誘電絶縁膜20の下面にスパッタ法などによって金属層を形成して、この金属層上に所要のエッチング用のマスクを形成し、金属層をエッチングすることによりゲート電極24を形成している。
〔第３実施形態〕
　第３実施形態の電流制御素子は、図６に示すように、支持基体となる絶縁基板30と、この絶縁基板30の上面に設けた第１電極31と、この第１電極31の上面に設けた電流制御体32と、この電流制御体32の上面にそれぞれ互いに離隔させて設けた第２電極33、第３電極34、第４電極35とで構成している。
　特に、第１電極31と第３電極34は、電流制御体32を挟んで対向させて配置するとともに、第３電極34は、第２電極33と第４電極35の間に配置している。
　絶縁基板30にはScAlMgO4などを好適に用いることができる。
　電流制御体32は、本実施形態でもLuFe2O4としている。なお、電流制御体32はLuFe2O4に限定するものではなく、Ｒを、In,Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ti,Ca,Sr,Ce,Sn,Hfから選ばれる少なくとも１種類の元素、Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも１種類の元素、ｎを１以上の整数、ｍを０以上の整数、δを０以上0.2以下の実数として、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される層状三角格子構造を有する化合物、またはその化合物のＲの一部を正二価以下の元素により置換した化合物を用いることができる。以下においては、電流制御体32はLuFe2O4として説明する。
　電流制御体32は、LuFe2O4の単結晶であってもよいし、多結晶であってもよいが、単結晶とする場合には、第１電極31と第３電極34に挟まれた電流制御体32の厚み方向をLuFe2O4のｃ軸方向とすることにより、効果的に電流制御を行うことができる。
　すなわち、本実施形態の電流制御素子では、第２電極33と第４電極35をそれぞれソース電極またはドレイン電極としており、第１電極31と第３電極34にそれぞれ所定の電圧を印加することにより、第１電極31と第３電極34で挟まれた電流制御体32に所定の電場を作用させて、電流制御体32を介して第２電極33と第４電極35の間を流れる電流を制御している。
　すなわち、本実施形態の電流制御素子は、ｐｎ接合を用いないトランジスタとなっているので、いわゆる順方向電圧降下が原理的に存在せず、低い駆動電圧で動作するトランジスタとして機能させることができる。
　第３実施形態の電流制御素子は、以下のようにして形成している。
　まず、絶縁基板30の上面に、スパッタ法などによって金属層を形成して第１電極31としている。
　次いで、第１電極31の上面に、微粒子状としたLuFe2O4を用いて、ＣＶＤ法、スパッタ法、ＭＢＥ法、あるいはエアロゾルデポジション法などによって膜状あるいは層状の電流制御体32を形成している。
　次いで、膜状あるいは層状とした電流制御体32の上面にスパッタ法などによって金属層を形成して、この金属層上に所要のエッチング用のマスクを形成し、金属層をエッチングすることにより、第２電極33と、第３電極34と、第４電極35を形成している。
　第３実施形態の電流制御素子は、図６に示す形態に限定するものではなく、例えば図７に示すように、第１電極31、第２電極33、第３電極34及び第４電極35を配置することもできる。
　すなわち、図７に示す電流制御素子を形成する場合には、まず、絶縁基板30の上面にスパッタ法などによって金属層を形成し、この金属層上に所要のエッチング用のマスクを形成して金属層をエッチングすることにより第１電極31を形成している。
　次いで、第１電極31の上面に、微粒子状としたLuFe2O4を用いて、ＣＶＤ法、スパッタ法、ＭＢＥ法、あるいはエアロゾルデポジション法などによって膜状あるいは層状のLuFe2O4層を形成し、このLuFe2O4層を電子線リソグラフィーによって所定の形状として電流制御体32を形成している。
　次いで、電流制御体32の上面にスパッタ法などによって金属層を形成し、この金属層上に所要のエッチング用のマスクを形成して金属層をエッチングすることにより、第２電極33と、第３電極34と、第４電極35を形成して電流制御素子としている。
　特に、第３電極34は少なくとも第１電極31の直上位置に設けている。また、第２電極33と第４電極35は、それぞれ電流制御体32に当接させて設けている。
　あるいは、電流制御素子では、図８に示すように、第１電極31、第２電極33、第３電極34及び第４電極35を配置することもできる。
　すなわち、電流制御素子では、絶縁基板30の上面に、まず、微粒子状としたLuFe2O4を用いて、ＣＶＤ法、スパッタ法、ＭＢＥ法、あるいはエアロゾルデポジション法などによって膜状あるいは層状の電流制御体32を形成している。
　次いで、膜状あるいは層状とした電流制御体32の上面にスパッタ法などによって金属層を形成し、この金属層上に所要のエッチング用のマスクを形成して金属層をエッチングすることにより、第１電極31と、第２電極33と、第３電極34と、第４電極35を形成して電流制御素子としている。
　特に、第１電極31と第３電極34は互いに対向させて配置するとともに、第２電極33と第４電極35も互いに対向させて配置しており、しかも、第１電極31と第３電極34を結ぶ仮想線と、第２電極33と第４電極35を結ぶ仮想線とを交差させて配置している。
　さらに、電流制御体32は、LuFe2O4のｃ軸方向を第１電極31と第３電極34を結ぶ仮想線の延伸方向としている。
　したがって、図８に示した電流制御素子でも第１電極31と第３電極34にそれぞれ所定の電圧を印加することにより、第１電極31と第３電極34の間に位置した電流制御体32に所定の電場を作用させて、電流制御体32を介して第２電極33と第４電極35の間を流れる電流制御を行うことができる。
　本発明によれば、小さい駆動電力で動作する電流制御素子を提供でき、電子回路の省電力化を図ることができる。

Claims (6)

  1. 　電場を作用させることにより電流量を制御する電流制御体と、
    　前記電流制御体に所定の電場を作用させる電極と
    を有する電流制御素子であって、
    　前記電流制御体を希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で構成した電流制御素子。
  2. 　前記電流制御体が、
    　Ｒを、In,Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ti,Ca,Sr,Ce,Sn,Hfから選ばれる少なくとも１種類の元素、
    　Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも１種類の元素、
    　ｎを１以上の整数、
    　ｍを０以上の整数、
    　δを０以上0.2以下の実数
    として、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される層状三角格子構造を有する化合物、またはその化合物のＲの一部を正二価以下の元素により置換した化合物である請求項１に記載の電流制御素子。
  3. 　前記電流制御体を、ドレイン電極とソース電極を設けたｐ型電導体の前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に接合させた請求項１または請求項２に記載の電流制御素子。
  4. 　前記電流制御体に、電流を入力する入力側電極と、電流を出力させる出力側電極とを設けた請求項１に記載の電流制御素子。
  5. 　前記電流制御体に作用させる電場の向きを、前記化合部のｃ軸方向とした請求項１～４のいずれか１項に記載の電流制御素子。
  6. 　電場を作用させることにより電流量を制御する電流制御体と、前記電流制御体に所定の電場を作用させる電極とを有する電流制御素子の製造方法であって、
    　前記電流制御体を希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で形成する工程を有する電流制御素子。
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