(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強相関酸化物薄膜を含むチャネル層と、ゲート電極と、該チャネル層の表面または界面の少なくとも一部に接して形成され、該チャネル層と該ゲート電極とにより挟まれているゲート絶縁層と、前記チャネル層の少なくとも一部に接して形成されたソース電極およびドレイン電極とを備える強相関酸化物電界効果素子であって、
前記チャネル層が、互いに積層して配置されている強相関酸化物の絶縁体金属転移層と強相関酸化物の金属状態層とを含んでおり、
該チャネル層の厚さｔ、該絶縁体金属転移層の厚さｔ１、および該金属状態層の厚さｔ２が、該絶縁体金属転移層および該金属状態層のそれぞれの金属相のための臨界膜厚ｔ１ｃおよびｔ２ｃに対し、
ｔ＝ｔ１＋ｔ２≧ｔ１ｃ＞ｔ２ｃ、ただしｔ１＜ｔ１ｃ、ｔ２＜ｔ２ｃ
なる関係を満たしている
強相関酸化物電界効果素子。
【請求項２】
前記金属状態層と前記ゲート絶縁層とにより前記絶縁体金属転移層が挟まれている
請求項１に記載の強相関酸化物電界効果素子。
【請求項３】
基板をさらに備えており、
前記チャネル層、前記ゲート絶縁層および前記ゲート電極が、該基板からこの順に形成されている
請求項１に記載の強相関酸化物電界効果素子。
【請求項４】
基板をさらに備えており、
前記ゲート電極、前記ゲート絶縁層および前記チャネル層が、該基板からこの順に形成されている
請求項１に記載の強相関酸化物電界効果素子。
【請求項５】
前記ゲート電極を介した電圧印加により、電圧の極性によらずソース、ドレイン間の抵抗が減少する
請求項１または請求項２に記載の強相関酸化物電界効果素子。
【請求項６】
前記絶縁体金属転移層および前記金属状態層がペロフスカイト型マンガン酸化物からなるものである
請求項１または請求項２に記載の強相関酸化物電界効果素子。
【請求項７】
前記絶縁体金属転移層および前記金属状態層がペロフスカイト型マンガン酸化物からなり、
前記基板が（ＬａＡｌＯ３）０．３（ＳｒＡｌ０．５Ｔａ０．５Ｏ３）０．７であり、
前記絶縁体金属転移層が（Ｐｒ、Ｓｒ）ＭｎＯ３からなるものである
請求項３または請求項４に記載の強相関酸化物電界効果素子。
【請求項８】
前記絶縁体金属転移層および前記金属状態層がペロフスカイト型マンガン酸化物からなり、
前記基板の面方位が（１１０）面方位または（２１０）面方位である
請求項７に記載の強相関酸化物電界効果素子。
【請求項９】
前記絶縁体金属転移層および前記金属状態層がペロフスカイト型マンガン酸化物からなり、
前記基板がＳｒＴｉＯ３であり、
前記絶縁体金属転移層が（Ｎｄ、Ｓｒ）ＭｎＯ３からなるものである
請求項３または請求項４に記載の強相関酸化物電界効果素子。
【請求項１０】
前記絶縁体金属転移層および前記金属状態層がペロフスカイト型マンガン酸化物からなり、
前記基板の面方位が（１１０）面方位または（２１０）面方位である
請求項９に記載の強相関酸化物電界効果素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は強相関酸化物電界効果素子に関する。さらに詳細には本発明は、電気的手段によりスイッチング機能を発現する強相関酸化物電界効果素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの性能向上指針であったスケーリング則もいよいよ限界に直面することが懸念されている。それに伴い、トランジスタリミット以降の危機を乗り越えるべく新規な動作原理を可能とする材料開発が進められている。例えば、スピンの自由度を取り入れたスピントロニクスの分野において、ＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリー）並みの高速動作が可能な高密度不揮発性メモリを目指した開発が進められている。【０００３】
一方、半導体デバイス設計の基礎を支えるバンド理論を適用することができない強相関電子系を有する材料の研究も進展してきた。その進展の成果として、電子系の相転移に起因する巨大かつ高速な物性変化を示す物質が見出されている。強相関電子系材料においては、スピンのみならず電子軌道の自由度までもが電子系の相状態に関与することにより、スピン、電荷、軌道が形成する様々な秩序からなる多彩な電子相が発現する。強相関電子系材料の代表例がペロフスカイト型マンガン酸化物（perovskite manganite）であり、その電子系においては、一次相転移によりマンガン（Ｍｎ）の３ｄ電子が整列する電荷整列相（charge-ordered phase）や、電子軌道が整列する軌道整列相（orbital-ordered phase）が発現することが知られている。【０００４】
電荷整列相や軌道整列相においてはキャリアが局在するため電気抵抗は高くなり、電子相は絶縁体相となる。また、この電子相の磁気的性質は、二重交換相互作用及び超交換相互作用による反強磁性相である。なお、電荷整列相や軌道整列相の電子状態は半導体的とみるべき場合も多い。電荷整列相や軌道整列相においては、キャリアが局在しているものの、電気抵抗はいわゆるバンド絶縁体よりも低くなるためである。ここでは慣例により、電荷整列相や軌道整列相の電子相を絶縁体相と表現する。これとは逆に、電気抵抗が低く金属的振舞いを示す場合にはスピンが揃うため電子相は強磁性相を示す。なお、金属相の定義は様々あるが、本出願においては、「抵抗率の温度微係数の符号が正のもの」を金属相と表現する。この表現に対応させれば、上記の絶縁体相は、「抵抗率の温度微係数の符号が負のもの」と再定義される。【０００５】
上述した電荷整列相、軌道整列相に加え、電荷整列と軌道整列との両方がともに成立している相（電荷軌道整列相; charge- and orbital-ordered phase）といった電子相のうちいずれかのものをとりうる物質においては、その物質の単結晶バルク材料において種々のスイッチング現象が観察されることが開示されている（特許文献１：特開平８−１３３８９４号公報、特許文献２：特開平１０−２５５４８１号公報、特許文献３：特開平１０−２６１２９１号公報）。それらのスイッチング現象は、転移点を挟むような温度変化、磁場や電場の印加、さらには光照射といった刺激を作用させたことに応じて発現する現象である。これらのスイッチング現象は、典型的には、電気抵抗の巨大な変化や、反強磁性相―強磁性相の間の相転移として観察される。例えば、磁場印加による何桁もの抵抗変化は、超巨大磁気抵抗効果としてよく知られている。【０００６】
これらの強相関電子系材料を薄膜化しチャネル層として用いる電界効果素子の研究も早くから試みられてきた。例えば、Ｌａ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯ３薄膜をチャネル層とし、その上部にゲート絶縁層として強誘電体ＰｂＺｒ０．２Ｔｉ０．８Ｏ３薄膜を作製した場合に、強誘電体ＰｂＺｒ０．２Ｔｉ０．８Ｏ３薄膜の残留分極によりチャネル層に不揮発な抵抗変化がもたらされることが報告されている（非特許文献１）。非特許文献１には、チャネル層の抵抗は、正の電圧印加により低下し、負の電圧印加により増大することが報告されている。また、（１１０）面方位基板上において単結晶薄膜における一次転移が可能であること（特許文献４）を利用して、金属絶縁体転移（metal insulator
transition）を示す強相関酸化物薄膜であるＮｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜をｐ層として、また、ＮｂドープＳｒＴｉＯ３（１１０）基板をｎ層として用いたｐｎ接合が報告されている（非特許文献２）。さらに最近、金属絶縁体転移を示すＮｄＮｉＯ３薄膜をチャネル層に用いた３端子素子の研究も報告されている（非特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−１３３８９４号公報
【特許文献２】特開平１０−２５５４８１号公報
【特許文献３】特開平１０−２６１２９１号公報
【特許文献４】特開２００５−２１３０７８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】S. Mathews et al., “Ferroelectric Field Effect Transistor Based on Epitaxial Perovskite Heterostructures”, Science vol.276, 238(1997)
【非特許文献２】J. Matsuno et al., “Magnetic field tuning of interface electronic properties in manganite-titanate junctions”, Applied Physics Letters vol.92, 122104(2008)
【非特許文献３】S. Asanuma et al., “Tuning of the metal-insulator transition in electrolyte-gated NdNiO3”, Applied Physics Letters vol.97, 142110(2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献１によれば、±１０Ｖの電圧印加の範囲において生じる抵抗の変化量は、比にして約３倍程度にとどまっている。また、非特許文献２に開示されるｐｎ接合においても、Ｎｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜の金属絶縁体転移において発現する５桁以上もの抵抗変化から期待されるほどの電流密度あるいはキャパシタンスの巨大な変化は観測されていない。さらに、非特許文献３によれば、チャネル層の厚みが５ｎｍの試料において、−２．５Ｖのゲート電圧の印加により金属絶縁体転移温度が約４０Ｋ低減しているものの、ゲート電圧による完全な金属相への転移は実現していない。これらの報告に示されるように、強相関酸化物をチャネル層に用いる電界効果素子において、当初期待されたような巨大な抵抗変化（スイッチング）が達成されていないという課題がある。【００１０】
本発明は上記いずれかの問題点を解決するためになされたものである。本発明は、電気的手段によるスイッチング機能を発現する強相関酸化物電界効果素子の実現に貢献する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願の発明者は、上記課題を吟味した結果、単一の強相関酸化物薄膜からなるチャネル層を用いるだけでは限界があると考えるに至り、この課題を解決する新たなアプローチを見出した。【００１２】
本願の発明者は、まず、強相関酸化物を電界効果素子に適用するこれまでの試みにおいて抵抗変化が不十分であった原因を精査した。そして、その原因が次のようなメカニズムによるものと推測するに至った。【００１３】
強相関酸化物の電界効果素子の動作原理は、電界によってチャネル層内にキャリアをドーピングすることにより相転移を引き起こし、それを抵抗比として利用するものである。すなわち、相転移を生起させるために必要となる量のキャリアをチャネル層内にドーピングすることができなければ、抵抗変化は得られないか、あるいは、僅かなものにとどまることになる。ここで、相転移を生起させるために必要なチャネル層内のキャリア量はキャリア密度として規格化される。そのため、チャネル層を薄くしてキャリア密度を増大させることにより、相転移を容易にすることができるといえる。【００１４】
ところが、本願発明者は、強相関酸化物の電界効果素子においては強相関酸化物特有の現象が障害となっていることに気づいた。そして、その現象が伝導キャリアの空間的広がりに関する次元性に関連していることが明らかとなった。【００１５】
強相関酸化物薄膜において、金属相を安定させたり、金属絶縁体転移が実現したりするためには、その薄膜はある程度の厚みに作製されている必要がある。強相関酸化物薄膜の膜厚があまりに薄いと安定した金属相が実現されず金属絶縁体転移が実現しないのである。すなわち、厚みに関する臨界値（以下「臨界膜厚（critical thickness）」という）より厚く形成されている強相関酸化物薄膜においてのみ、金属相が実現したり、金属絶縁体転移が実現したりする。その意味において、臨界膜厚とは、上記の金属相が安定に存在するため、または、金属絶縁体転移が発現するために必要となる膜厚の下限値ともいえる。この強相関酸化物特有の現象のために、上述したようにキャリア密度の向上を狙ってチャネル層を薄くしていっても金属相や金属絶縁体転移自体が消失してしまうのである。これが、Ｍｎ酸化物やＮｉ酸化物などの強相関酸化物薄膜において期待されるようなスイッチング特性が実現されていない理由であると本願の発明者は推測した。特に、Ｍｎ酸化物やＮｉ酸化物などの強相関酸化物薄膜の臨界膜厚は、相転移を生起させるキャリア密度を実現するためのチャネル層の厚みよりも大きい。この矛盾のために、強相関酸化物薄膜が十分な膜厚において十分なスイッチングを示しても、それをそのまま電界効果素子に適用することはできないのである。【００１６】
もちろん、一般の電界効果素子と同様に、ゲート電圧を増加するにつれてキャリア量も増加しているはずである。それにもかかわらずこれまでの研究成果においてはかばかしい結果が得られていないことは、ゲート絶縁層がリークしたりあるいは絶縁破壊を起こしかねないほどの大きさの印加可能な電圧を印加したとしても、予想されたようなキャリアドーピングが実現できないことの何よりの証左であると考えている。【００１７】
そこで、この矛盾を回避するために、本願の発明者は、強相関酸化物薄膜の特有の性質に着目し、従来にないアプローチを取ることとした。それは、伝導キャリアの次元性が変化することを積極的に変更することにより電気抵抗が変動する現象を活用するアプローチである。【００１８】
すなわち、本発明のある態様においては、強相関酸化物薄膜を含むチャネル層と、ゲート電極と、該チャネル層の表面または界面の少なくとも一部に接して形成され、該チャネル層と該ゲート電極とにより挟まれているゲート絶縁層と、前記チャネル層の少なくとも一部に接して形成されたソース電極およびドレイン電極とを備える強相関酸化物電界効果素子であって、前記チャネル層が、互いに積層して配置されている強相関酸化物の絶縁体金属転移層と強相関酸化物の金属状態層とを含んでおり、該チャネル層の厚さｔ、該絶縁体金属転移層の厚さｔ１、および該金属状態層の厚さｔ２が、該絶縁体金属転移層および該金属状態層のそれぞれの金属相のための臨界膜厚ｔ１ｃおよびｔ２ｃに対し、ｔ＝ｔ１＋ｔ２≧ｔ１ｃ＞ｔ２ｃ、ただしｔ１＜ｔ１ｃ、ｔ２＜ｔ２ｃなる関係を満たしている強相関酸化物電界効果素子が提供される。【００１９】
本発明の上記態様において良好な特性の強相関酸化物電界効果素子（strongly correlated oxide field effect element）が実現される理由について説明する。強相関酸化物の絶縁体金属転移層（insulator metal transition layer）であり厚さｔ１をその臨界膜厚ｔ１ｃより薄くした層と、強相関酸化物の金属状態層（metallic state layer）であり厚さｔ２をその臨界膜厚ｔ２ｃより薄くした層との２層を含むチャネル層を考える。絶縁体金属転移層および金属状態層それぞれは、単独の層では各々の臨界膜厚ｔ１ｃおよびｔ２ｃより薄いために金属絶縁体転移（metal-insulator transition）あるいは金属相（metallic phase）が消失する。しかし、その消失のメカニズムが、層厚が薄く電子状態が二次元的になるためであることに本願発明者は注目した。ここで、上記２層を含むチャネル層全体の厚みｔを、ｔ＝ｔ１＋ｔ２≧ｔ１ｃ＞ｔ２ｃを満たすように決定する。この場合、絶縁体金属転移層が金属相を示す場合には、チャネル層全体として電子状態が三次元的になる。このため、チャネル層全体が金属絶縁体転移あるいは金属相に維持される。次に、絶縁体金属転移層が金属絶縁体転移により絶縁相となった場合を考える。このとき、絶縁体金属転移層に接して配置された金属状態層の内部のキャリアは、絶縁体金属転移層が絶縁相となっているためにチャネル層全体の厚みｔではなく強相関酸化物の金属状態層の厚みｔ２のみを感じることになる。金属状態層の厚みｔ２は金属相の臨界膜厚ｔ２ｃより薄いため、金属状態層の金属相は消失し、その結果チャネル層全体の抵抗値が上昇する。このように、チャネル層全体の抵抗が絶縁体金属転移層の金属絶縁体転移によって支配される。すなわち絶縁体金属転移層が金属相であればチャネル層は抵抗値が低い金属相であり、絶縁体金属転移層が絶縁相であればチャネル層は抵抗値が高い絶縁相となる。限定するものではないが、実施例に基づいて示すように、強相関酸化物の絶縁体金属転移層の臨界膜厚ｔ１ｃは例えばほぼ５ｎｍであり、強相関酸化物の金属状態層の臨界膜厚ｔ２ｃはそれよりは小さいことが知られている。例えば、絶縁体金属転移層の厚みｔ１を３ｎｍ、強相関酸化物の金属状態層の厚みｔ２を３ｎｍとするとチャネル層の厚みｔとしては６ｎｍとなる。従来技術として説明したように５ｎｍではチャネル層が厚すぎるために電界効果によるスイッチング効果は得られていない。しかしながら上記構成を採用すると、ドーピングすべき実効的なチャネル層は強相関酸化物の絶縁体金属転移層の厚みｔ１が約３ｎｍとなることから、絶縁体金属転移層には、相転移を引き起こすに十分なキャリア密度がドープされ巨大な抵抗変化が得られる。これが上記態様において十分な抵抗変化が実現する理由である。【００２０】
なお、ここに述べた理由から分かるように、絶縁体金属転移層および金属状態層のそれぞれの金属相のための臨界膜厚ｔ１ｃおよびｔ２ｃは、両層にて同様に決定されるとは限らない。例えば、絶縁体金属転移層の臨界膜厚ｔ１ｃは、絶縁体金属転移層が絶縁体金属転移を起こす最小の膜厚として決定されるのに対し、金属状態層の臨界膜厚ｔ２ｃは、金属相が発現する最小の膜厚として決定される。また、絶縁体金属転移層、金属状態層と本出願において呼ぶ各層の名称について説明する。強相関酸化物の絶縁体金属転移層とは、その層が単層にて臨界膜厚ｔ１ｃと同等またはそれよりも厚く作製されるなら絶縁体金属転移を生じさせうる材質の層である、という点において、絶縁体金属転移を生じさせる強相関酸化物の層を意味している。本発明の各態様のチャネル層に含まれる臨界膜厚ｔ１ｃより薄い絶縁体金属転移層は、その相を単独でその膜厚にて形成した場合に絶縁体金属転移を生じないことを以て、その膜が本発明の各態様の絶縁体金属転移層に該当しないということはできない。同様に、強相関酸化物の金属状態層も、その層が単層にて臨界膜厚ｔ２ｃと同等またはそれよりも厚く作製されるなら金属状態となりうる材質の層である、という点において、金属状態となる強相関酸化物による層である。本発明の各態様のチャネル層に含まれる臨界膜厚ｔ２ｃより薄く作製される金属状態層も、その層を単独でその膜厚にて形成した場合に金属相とはならず、他の相、例えば絶縁体相などとなることを以て、その膜が本発明の各態様の金属状態層に該当しないということはできない。任意の層または膜が、本発明の各態様の絶縁体金属転移層や金属状態層に該当するかどうかの判断においてもこれらの点は同様である。【００２１】
また、本発明の上記態様においては、前記金属状態層と前記ゲート絶縁層とにより前記絶縁体金属転移層が挟まれている構成とされると好適である。【００２２】
本構成においては、絶縁体金属転移層に対して、ゲート電極によるキャリアドープがより効果的に作用し、抵抗値の大きな変化が実現する。【００２３】
本発明においては、上述の態様において、基板をさらに備えており、前記チャネル層、前記ゲート絶縁層および前記ゲート電極が、該基板からこの順に形成されている強相関酸化物電界効果素子が提供される。本発明においては、上述の態様において、基板をさらに備えており、前記ゲート電極、前記ゲート絶縁層および前記チャネル層が、該基板からこの順に形成されている強相関酸化物電界効果素子が提供される。【００２４】
本構成により、いわゆるトップゲート構成の電界効果素子やボトムゲート構成の電界効果素子が提供される。【００２５】
また、本発明の上述の態様において、上述の態様において、前記ゲート電極を介した電圧印加により、電圧の極性によらずソース、ドレイン間の抵抗が減少する強相関酸化物電界効果素子が提供される。【００２６】
本構成により、両極性にて動作する強相関酸化物電界効果素子が提供される。このため、３端子素子に印加する電圧の極性を自由に選べるという利点が生じる。例えば上記強相関酸化物電界効果素子のチャネル層はｐ型であるがチャネル層のキャリアが電子であるかホールであるかによらずゲートに印加する電圧の極性を選択することができる。【００２７】
さらに、本発明の上述の態様において、前記絶縁体金属転移層および前記金属状態層がペロフスカイト型マンガン酸化物からなるものである強相関酸化物電界効果素子が提供される。【００２８】
本構成により、強相関酸化物の絶縁体金属転移層として電荷軌道整列絶縁相と金属相間の相転移による巨大な抵抗変化を利用することが可能となる。【００２９】
加えて、本発明の上述の態様において、前記絶縁体金属転移層および前記金属状態層がペロフスカイト型マンガン酸化物からなり、前記基板が（ＬａＡｌＯ３）０．３（ＳｒＡｌ０．５Ｔａ０．５Ｏ３）０．７であり、前記絶縁体金属転移層が（Ｐｒ、Ｓｒ）ＭｎＯ３からなるものである強相関酸化物電界効果素子が提供される。【００３０】
本構成により、強相関酸化物の絶縁体金属転移層として電荷軌道整列絶縁相と金属相間の相転移による巨大かつディスクリートな抵抗変化を利用することが可能となる。なお、「（Ｐｒ、Ｓｒ）ＭｎＯ３」は、例えばＰｒ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３（ｘは０以上１以下）とも表現される。【００３１】
さらに加えて、本発明の上述の態様において、前記絶縁体金属転移層および前記金属状態層がペロフスカイト型マンガン酸化物からなり、前記基板がＳｒＴｉＯ３であり、前記絶縁体金属転移層が（Ｎｄ、Ｓｒ）ＭｎＯ３からなるものである強相関酸化物電界効果素子が提供される。【００３２】
本構成により、強相関酸化物の絶縁体金属転移層として電荷軌道整列絶縁相と金属相間の相転移による巨大かつ連続的な抵抗変化を利用することが可能となる。なお、「（Ｎｄ、Ｓｒ）ＭｎＯ３」は、例えばＮｄ１−ｙＳｒｙＭｎＯ３（ｙは０以上１以下）とも表現される。【００３３】
そして、本発明の上述の前記絶縁体金属転移層および前記金属状態層がペロフスカイト型マンガン酸化物である態様において、前記絶縁体金属転移層および前記金属状態層がペロフスカイト型マンガン酸化物からなり、前記基板の面方位が（１１０）面方位または（２１０）面方位である強相関酸化物電界効果素子が提供される。【００３４】
本構成により、単結晶薄膜を用いて電荷軌道整列絶縁相と金属相間の相転移による巨大な抵抗変化を利用することが可能となる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明のいずれかの態様においては、金属絶縁体転移の機能を維持しながら等価的にチャネル層の厚みを低減することが可能となるため、電界効果により相転移しスイッチング機能を発現する強相関酸化物電界効果素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明のある実施形態におけるトップゲート型の強相関酸化物電界効果素子の概略断面図である。
【図２】本発明のある実施形態におけるボトムゲート型の強相関酸化物電界効果素子の概略断面図である。
【図３】本発明のある実施形態における強相関酸化物電界効果素子の絶縁体金属転移層として使用した金属状態層として使用したＮｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜（膜厚８０ｎｍ）（図３（ａ））とＰｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜（膜厚４０ｎｍ）（図３（ｂ））それぞれの抵抗率の温度および磁場依存性のグラフである。
【図４】本発明のある実施形態における強相関酸化物電界効果素子のチャネル層抵抗値の温度および磁場依存性のグラフ（ｔ＝ｔ１＋ｔ２＝６ｎｍ、ｔ１＝３ｎｍ、ｔ２＝３ｎｍ）である。
【図５】本発明のある実施形態におけるチャネル層の抵抗変化のメカニズムを示す模式図である。
【図６】Ｐｒ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３（ｘ＝０．４〜０．６）バルク単結晶の電子相図である。
【図７】本発明のある実施形態における強相関酸化物電界効果素子の実施例においてゲート電圧に対するチャネル層抵抗値のグラフ（ｔ＝ｔ１＋ｔ２＝６ｎｍ、ｔ１＝３ｎｍ、ｔ２＝３ｎｍ）である。
【図８】本発明のある実施形態における強相関酸化物電界効果素子の別の実施例においてゲート電圧に対するチャネル層抵抗値のグラフ（ｔ＝ｔ１＋ｔ２＝５．４ｎｍ、ｔ１＝２．７ｎｍ、ｔ２＝２．７ｎｍ）である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明に係る強相関酸化物電界効果素子の実施形態を説明する。当該説明に際し特に言及がない限り、全図にわたり共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。
【００３８】
＜第１実施形態＞
［１  素子構造］
［１−１  構成例：電界効果素子の構造］
以下、本実施形態の強相関酸化物を用いる電界効果素子の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の一例の強相関酸化物電界効果素子の構成を示す概略断面図であり、トップゲート構造を有する強相関酸化物電界効果素子１００（以下「電界効果素子１００」と記す）の構造を示す。図１における基板１の紙面の上方の面の上には、強相関酸化物の金属状態層２１と、強相関酸化物の絶縁体金属転移層２２とを、基板１側からこの順に含むチャネル層２が形成されている。なお、本出願全般において、チャネル層との用語は、従来の電界効果素子の代表的な構成である例えばシリコン用いるＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスター）と対比することにより、本願の説明の理解を容易にするためのみに記載されている。本出願においてチャネル層と表現する要素または部位において、実際に生じる電気伝導や抵抗制御のメカニズムについては別途説明される。
【００３９】
チャネル層２の図１における上面には、ゲート絶縁層３１を介してゲート電極４１が形成されている。さらに、チャネル層２に接するように、ドレイン電極４２およびソース電極４３が形成されている。そして、基板１とチャネル層２に含まれる２つの層（金属状態層２１、絶縁体金属転移層２２）とを構成する物質としてペロフスカイト型酸化物を選択することにより、チャネル層２の金属状態層２１および絶縁体金属転移層２２を、基板１に対してエピタキシャルに成長させることが可能となる。これにより、チャネル層２として高品質な薄膜を作製することが可能となる。例えば、基板１としては（ＬａＡｌＯ３）０．３（ＳｒＡｌ０．５Ｔａ０．５Ｏ３）０．７（以下、ＬＳＡＴと略記する）あるいはＳｒＴｉＯ３が好ましい。
【００４０】
次に、強相関酸化物の金属状態層２１について説明する。基板１がＬＳＡＴである場合には、Ｎｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜を金属状態層２１とすることが好ましく、また、基板１がＳｒＴｉＯ３の場合はＰｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜を金属状態層２１とすることが好ましい。ただし金属状態層２１としてＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３薄膜（ｘ＝０．２〜０．４）を採用すれば、基板１がＬＳＡＴであっても、また、ＳｒＴｉＯ３であってもどちらの場合にも良質な金属状態層２１を形成することが可能である。
【００４１】
さらに、強相関酸化物の絶縁体金属転移層２２について説明する。基板１がＬＳＡＴの場合には、Ｐｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜を絶縁体金属転移層２２とすることが好ましく、基板１がＳｒＴｉＯ３の場合にはＮｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜を絶縁体金属転移層２２とすることが好ましい。ゲート絶縁層３１やゲート電極４１、ドレイン電極４２、ソース電極４３はペロフスカイト型酸化物である必要はなく、適宜利用可能な物質を選択することができる。
【００４２】
［１−２  変形構成例：ボトムゲート構造］
図１に示した電界効果素子１００の変形として、本実施形態においては、ボトムゲート構造の強相関酸化物電界効果素子を作製することも可能である。図２は、本実施形態の強相関酸化物電界効果素子の別の例であるボトムゲート構造の強相関酸化物電界効果素子２００（（以下「電界効果素子２００」と記す）の概略断面図である。図２に示したように、電界効果素子２００においては、基板１Ａ側にゲート電極４１Ａが配置されている。この構造の電界効果素子２００を作製するためには、まず、基板１Ａの図２における紙面の上方の面の上に、エピタキシャル成長可能な導電性の酸化物薄膜としてゲート電極４１Ａを形成し、次いでゲート絶縁層３１Ａ、強相関酸化物の絶縁体金属転移層２２Ａ、強相関酸化物の金属状態層２１Ａを、この順に積層する。これらの基板１Ａと、チャネル層２Ａ（金属状態層２１Ａ、絶縁体金属転移層２２Ａ）と、チャネル層２Ａおよび基板１Ａの間に位置するゲート電極４１Ａおよびゲート絶縁層３１Ａとのすべてが、ペロフスカイト型酸化物により構成されていることにより、チャネル層２Ａとして、基板１Ａに対してエピタキシャルに成長する高品質な薄膜を作製することが可能となる。例えば、基板１ＡとしてはＬＳＡＴあるいはＳｒＴｉＯ３が望ましい。ゲート電極４１ＡとしてはＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３薄膜（ｘ＝０．２〜０．４）、ゲート絶縁層３１Ａとしては基板１Ａと同種の物質、すなわち基板１ＡがＬＳＡＴの場合はＬＳＡＴ、基板１ＡがＳｒＴｉＯ３の場合はＳｒＴｉＯ３を選択すること好ましい。また、強相関酸化物の絶縁体金属転移層２２Ａとしては基板１ＡがＬＳＡＴである場合には、例えばＰｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜とすることが好ましく、また、基板１ＡがＳｒＴｉＯ３である場合には、Ｎｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜とすることが好ましい。
【００４３】
電界効果素子２００における強相関酸化物の金属状態層２１Ａとしては、基板１ＡがＬＳＡＴである場合には、Ｎｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜とすることが好ましく、また、基板１がＳｒＴｉＯ３である場合には、Ｐｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜とすることが好ましい。ただし、金属状態層２１ＡとしてＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３薄膜（ｘ＝０．２〜０．４）を採用すれば、基板１ＡがＬＳＡＴであってもＳｒＴｉＯ３であってもどちらの場合にも良質な金属状態層２１Ａを形成することが可能である。
【００４４】
なお、電界効果素子２００においては、例えば、金属状態層２１Ａ、絶縁体金属転移層２２Ａ、ゲート電極４１Ａおよびゲート絶縁層３１Ａは、まずこれら４つの層が形成される。その後、４つの層はフォトリソグラフィーにより一括してエッチングして基板１Ａの面内の形状がパターニングされ、図２に示されているように加工される。そして、絶縁膜３２を形成した後に、チャネル層２の表面または界面に接するいずれかの位置にドレイン電極４２とソース電極４３とが形成される。こうして図２の電界効果素子２００の構造が形成される。
【００４５】
［２  実施例に基づく作製方法］
以下、本実施形態の電界効果素子の作製方法について説明する。この説明は、図１に示したトップゲート構造の電界効果素子１００の一例の実施例を作製した具体的方法に基づくものである。以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することかできる。したがって、本発明の範囲は以下の具体例に限定されるものではない。
【００４６】
実施例の強相関酸化物の電界効果素子に採用される材料は、絶縁体金属転移層２２としてＰｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３、金属状態層２１としてＮｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３であり、基板１はＬＳＡＴ（１１０）面方位基板である。製造装置の構成についてはいずれも図示しない。
【００４７】
まず、本実施形態の電界効果素子１００の実施例において、強相関酸化物薄膜からなるチャネル層２がレーザーアブレーション法を利用して作製された。成膜のための各材料のターゲットは、固相反応法によりφ２０ｍｍ×５ｍｍの円筒形に成形して作製された各組成の多結晶材料を用いた。具体的には、基板１としてＬＳＡＴ（１１０）基板を取り付けた真空チャンバーを３×１０-９Ｔｏｒｒ（４×１０-７Ｐａ）以下に真空排気した。その後、高純度の酸素ガスを１ｍＴｏｒｒ（０．１３３Ｐａ）導入し、基板を９００℃に到達するまで加熱した。続いて波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザを、チャンバーのレーザー光導入ポートを介してターゲットに照射した。次いで、金属状態層２１としてＮｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜を１１原子層の厚みに形成した。引き続き、同一雰囲気中にて絶縁体金属転移層２２のための強相関酸化物の層としてＰｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜を１１原子層の厚みに形成した。なお、これらの原子層の厚みは、１原子層の厚みが、（１１０）面の間隔ｄ（１１０）に対応している。つまり、Ｐｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３やＮｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３におけるｄ（１１０）は０．２７ｎｍに相当しているため、１１原子層の場合にはいずれも、約３ｎｍの厚みである。すなわち、ここで作製された電界効果素子１００の実施例においては、強相関酸化物の絶縁体金属転移層２２の厚みｔ１は３ｎｍ、金属状態層２１の厚みｔ２は３ｎｍ、したがって、チャネル層２の厚みｔは６ｎｍである。なお、原子層数を１０原子層とした別の実施例も作製している（後述する）。
【００４８】
これらの２層を含むチャネル層２を形成した後、原子層堆積法によりゲート絶縁層３１として酸化アルミニウムを形成した。その後フォトリソグラフィーとエッチング、電極作製プロセスを経て図１に示す三端子の電界効果素子を作製した。
【００４９】
次に、上記実施例の金属状態層２１として採用したＮｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３と、絶縁体金属転移層２２として採用したＰｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３のより一般的な特性について説明する。図３は、各材料の体積抵抗率ρの温度依存性のグラフである。図３（ａ）は、Ｎｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３、そして図３（ｂ）はＰｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３のものである。各グラフは、外部磁場をパラメータとして示している。図３（ｂ）に示すように、Ｐｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜（膜厚は４０ｎｍ）はＬＳＡＴ（１１０）基板上においては軌道秩序によるシャープな金属絶縁体転移を示す。別途検討したところ、Ｐｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３における臨界膜厚ｔ１ｃは約５ｎｍである。これに対し、Ｎｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜（膜厚は８０ｎｍ）は図３（ａ）のグラフに示すようにＬＳＡＴ（１１０）基板上においては電荷軌道整列絶縁相が混じった金属相となる。Ｎｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３の臨界膜厚ｔ２ｃは約５ｎｍ未満である。したがって、上記実施例におけるチャネル層２は、ｔ＝ｔ１＋ｔ２≧ｔ１ｃ＞ｔ２ｃ、但しｔ１＜ｔ１ｃ、ｔ２＜ｔ２ｃの条件を満たしている。
【００５０】
なお、図３（ａ）のグラフに示したようにＮｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜は電荷軌道整列絶縁相が混じっていることから１００〜１７０Ｋの範囲において抵抗率の温度微係数の符号が負となり厳密には金属相と呼ぶことはできない。しかしながら、Ｎｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜においては、冷却に伴う抵抗の増加は小さく、キュリー温度（Curie temperature）ＴＣ＝２００Ｋ以下において、その他の温度範囲で抵抗率の温度微係数の符号が正である。このため、Ｎｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜は本実施形態の強相関酸化物の金属状態層２１として使用することが可能である。
【００５１】
［３  動作特性］
［３−１  チャネル層の特性］
次に、電界効果素子１００の特性について説明する。図４は、上述した工程により作製した電界効果素子１００のチャネル層２に対して、温度および磁場を変えながら測定した電気抵抗のグラフである。図４に示すように温度を室温から冷却していくと、チャネル層２の電気抵抗が１００Ｋにおいて急激に６桁以上も増大することを確認した。すなわち、強相関酸化物の絶縁体金属転移層２２と強相関酸化物の金属状態層２１からなるチャネル層２は、強相関酸化物の絶縁体金属転移層２２における金属絶縁体転移により、全体が絶縁体となる。このように、強相関酸化物の金属状態層２１が存在しているにもかかわらず、絶縁体金属転移層２２における金属絶縁体転移の影響によって金属状態層２１の金属相が消失している。このため、チャネル層２全体としてみても巨大な抵抗変化が得られることが確認された。
【００５２】
このような現象が見られるメカニズムについて、図５に示すモデルを用いて詳しく説明する。図５は、軌道整列温度（Orbital  ordering temperature）ＴＯＯとの比較において、温度ＴがＴＯＯよりも高温（図５（ａ））、ＴＯＯ程度（図５（ｂ））、そしてＴＯＯより低温（図５（ｃ））のそれぞれにおけるチャネル層２の内部の伝導キャリアの移動の様子を模式的に示す説明図である。例えば室温（３００Ｋ）など、図５（ａ）に示される高温の状態から冷却していくとする。チャネル層２においては、キュリー温度ＴＣ＝２００Ｋ近傍およびそれより低温の温度域において、抵抗率の温度微係数の符号は正となっている。この際には、図５（ａ）の矢印により示されるように、チャネル層２全体、つまり、金属状態層２１および絶縁体金属転移層２２をまたがるようにキャリアが伝播している。すなわち、上記２層を含むチャネル層２の合計の厚みｔが、ｔ＝ｔ１＋ｔ２≧ｔ１ｃ＞ｔ２ｃを満たしている。このため、キャリアはチャネル層２の全体を伝播し三次元的な領域に拡がる電子状態となっている。このため、強相関酸化物の絶縁体金属転移層２２が金属相を示す場合には、金属相が維持される。なお、強相関酸化物の絶縁体金属転移層であるＰｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜のみを２２原子層（厚み約６ｎｍ）だけ堆積させた層である場合、その層の電子相が金属相となるのが冷却により温度Ｔがキュリー温度ＴＣ＝２００Ｋ近傍となるときであることをあらかじめ確認している。
【００５３】
さらに冷却され温度ＴがＴＯＯ程度、例えば１００Ｋ近傍となると、絶縁体金属転移層２２が金属絶縁体転移により絶縁相へと相転移する（図５（ｂ））。このとき、絶縁体金属転移層２２に接して配置された金属状態層２１の内部にある伝導キャリアは、金属状態層２１の厚みｔ２のみを「感じる」ことになる。つまり、伝導キャリアの状態は、その伝導キャリア自体の伝播可能な領域の厚みの減少による影響を受ける。伝導キャリアにとっての厚みが、チャネル層２全体の厚みｔではなく、金属状態層２１の厚みｔ２となるのである。図５（ｂ）は、この状態において、伝導キャリアが金属状態層２１のみを伝導する様子を示している。すなわち絶縁体金属転移層２２であるＰｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜内の伝導キャリアにとっては、図中の白丸を以て示したように局在しているのに対し、金属状態層２１であるＮｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜内の伝導キャリアは、チャネル層２の厚みが例えば半分になったのと同様の状況となる。こうして、Ｐｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜内の伝導キャリアにとって、「感じる」ことのできる膜厚が、チャネル層２全体の厚みから、金属状態層２１のみの厚みへと切り替わることとなる。
【００５４】
さらに冷却され温度がＴＯＯを下回ると、金属状態層２１の金属相は消失し、その結果、チャネル層２全体の抵抗値が増大する。図５（ｃ）は、この状態において伝導キャリアがいずれの層においても局在している様子を示している。すなわち、温度がＴＯＯを下回ると、金属状態層２１であるＮｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜内のキャリアも局在化することになる。
【００５５】
このようにして、チャネル層２全体の抵抗が、絶縁体金属転移層２２であるＰｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜の金属絶縁体転移によって支配されることとなる。すなわち絶縁体金属転移層２２が金属相であればチャネル層が金属相となってその抵抗値は低くなるのに対し、絶縁体金属転移層２２が絶縁相であれば、チャネル層は絶縁相となって抵抗値は高くなる。
【００５６】
なお、磁場を印加しながら冷却すると磁束密度２Ｔに相当する以上の磁場印加によりチャネル層２の全体が金属相となることが確認された（図４）。これは絶縁体金属転移層２２であるＰｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜の金属絶縁体転移の磁場閾値（図３（ｂ））に対応している。このことから、磁場下においてもチャネル層２全体の電気抵抗は絶縁体金属転移層２２の状態により支配されることが確認された。
【００５７】
ここで、絶縁体金属転移層２２であるＰｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３の相転移に関連して、Ｐｒ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３（ｘ＝０．４〜０．６）バルク単結晶の性質を説明する。図６は、Ｐｒ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３（ｘ＝０．４〜０．６）バルク単結晶の電子相図である。図６の縦軸は温度（Ｋ）、そして横軸はＳｒ量すなわちホールドープ量ｘである。白丸は強磁性相の転移温度（キュリー温度）を示し、黒丸は強磁性相から反強磁性相へと転移するＴＮ（ネール温度）を示している。Ｐｒ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３においては反強磁性相への転移と同時に軌道整列が生じ、それとともに、キャリアが局在化するため金属絶縁体転移も発生する。したがって、ＴＮ＝ＴＯＯ（軌道整列温度）が金属絶縁体転移が生じる温度となる。図６に示すようにｘ＝０．５の組成のＰｒ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３に対しては、電子をドープすることは、例えば１００Ｋ程度の温度を保って図６の左側へ移動することに対応する。このため、電子をドープすることにより、金属相が出現し始め絶縁体から金属へと転移することとなり、抵抗が低下する。また、ｘ＝０．５の組成のＰｒ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３に対してホールをドープすることは、相図の右側へ移動することに対応する。こちら側では層状反強磁性金属相が出現するため、抵抗は低下するが、電子をドープした場合よりは抵抗変化は小さい。
【００５８】
［３−２  電界効果による抵抗変化］
続いて、電界効果による抵抗変化について説明する。図７は、強相関酸化物の電界効果素子１００の実施例においてゲート電圧に対するチャネル層抵抗値のグラフである。各白丸は、正または負の両側において電圧を０Ｖから２Ｖに上昇させてゆく場合の電気抵抗値の測定値を示している。ここで、チャネル層２の厚みｔ、絶縁体金属転移層２２の厚みｔ１、そして金属状態層２１の厚みｔ２は、それぞれ、ｔ＝ｔ１＋ｔ２＝６ｎｍ、ｔ１＝３ｎｍ、ｔ２＝３ｎｍとした。３０Ｋに冷却し＋２Ｖの電圧を印加したところ、５桁以上の抵抗変化が得られる（図７）。同様にして−２Ｖの電圧を印加したところ４桁以上の抵抗変化が得られる。すなわち電圧の極性によらずゲート電圧印加により抵抗が減少する。この理由はチャネル層のＳｒ置換によるドーピング量０．５において軌道整列絶縁相が最も安定でありその前後、すなわちドーピング量として０．４９や０．５１においてはともに軌道整列絶縁相が不安定化し、ゲート電圧の極性を変えて電子あるいはホールを電界効果によりドープしたどちらの場合においても抵抗が減少するためである。なお、ゲート電圧の極性が正の場合には電子がドープされることから図６に示した電子相図上はドーピング量として０．４９側つまり左へと移動することに対応し、ゲート電圧の極性が負の場合にはホールがドープされることから図６に示した電子相図上はドーピング量として０．５１側へつまり右へと移動することに対応する。０．４９側は金属相が接しており、０．５１側は層状金属相が接していることから抵抗変化としては０．４９側にドーピングした場合により抵抗が低くなるためその結果抵抗変化は大きくなると考えられる。
【００５９】
さらに、上記のチャネル層の厚みをそれぞれ１１原子層から１０原子層へと変えて作製した別の実施例の素子について説明する。図８は、電界効果素子の１００の実施例においてゲート電圧に対するチャネル層抵抗値のグラフである。白丸については図７と同様に測定したものである。チャネル層２の厚みｔ、絶縁体金属転移層２２の厚みｔ１、そして金属状態層２１の厚みｔ２は、それぞれ、ｔ＝ｔ１＋ｔ２＝５．４ｎｍ、ｔ１＝２．７ｎｍ、ｔ２＝２．７ｎｍである。その結果、図７に示した実施例の素子と同様に３０Ｋにおいて＋２Ｖの電圧を印加したところ、こちらも７桁以上の抵抗変化が観測されることを確認した。なお、図中の黒丸は電圧を±２Ｖから下げていく際、つまり、正または負の両側においてゲート電圧の絶対値を２Ｖから０Ｖに近づけてゆく際に得られたプロットである。特に、留意すべきは、０Ｖから正または負の電圧において、金属相と絶縁相が相転移することに対応して白丸と黒丸の値にずれがみられ、ヒステリシス特性が観察されていることである。
【００６０】
本願の発明者は、これらの実施例の電界素子において観測されたチャネル層２の電気抵抗の変化から、以下の結論を導いている。まず、強相関酸化物、特にＭｎ酸化物においては、３ｎｍ程度の厚みのチャネル層に対して電界効果を利用してドーピングすることにより、相転移を生起させることが可能である。そして、チャネル層２において巨大な抵抗変化やスイッチング現象が発現しているのは、その相転移が生じているためである。
【００６１】
［４  強相関酸化物電界効果素子のスイッチング動作］
以上説明したように、強相関酸化物薄膜からなるチャネル層と、ゲート電極と、チャネル層の表面または界面の少なくとも一部に接して形成され、チャネル層とゲート電極とにより挟まれているゲート絶縁層と、チャネル層の少なくとも一部に接して形成されたソース電極およびドレイン電極とを備える強相関酸化物電界効果素子のチャネル層が、互いに積層して配置されている強相関酸化物の絶縁体金属転移層と強相関酸化物の金属状態層とを含んでおり、チャネル層の厚さｔ、絶縁体金属転移層の厚さｔ１、および金属状態層の厚さｔ２が、絶縁体金属転移層および金属状態層のそれぞれの金属相のための臨界膜厚ｔ１ｃおよびｔ２ｃに対し、ｔ＝ｔ１＋ｔ２≧ｔ１ｃ＞ｔ２ｃ、ただしｔ１＜ｔ１ｃ、ｔ２＜ｔ２ｃなる関係を満たすことにより、絶縁体金属転移層の金属絶縁体転移によりチャネル層全体の抵抗値を制御することが可能となる。このため、実効的にドーピングすべきチャネル層の層厚を減少させることができる。上記の例においてはｔ１とｔ２を等しくしたため、実効的なチャネル層厚みを１／２に減少させることが可能となり、その結果、７桁にもおよび抵抗変化が実現された。その理由は、伝導キャリアにとって厚みｔ２の薄い領域による２次元的な伝導が強いられるためキャリアにとって次元性が低下し、高抵抗状態においてさらなる高抵抗化が実現しているためであると本願の発明者は考えている。
【００６２】
また、金属状態層２１を金属的な電気伝導を行なう物質の中では抵抗が大きい強相関酸化物とすることにより、臨界膜厚ｔ２ｃが比較的大きくなり、ｔ２の膜厚制御が相対的に容易となるため有利である。
【００６３】
なお、ＳｒＴｉＯ３（１１０）基板上においては、Ｎｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３は電荷軌道整列絶縁相による金属絶縁体転移が発現し臨界膜厚ｔ１ｃは約５ｎｍである。一方、Ｐｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３は金属相となりその臨界膜厚ｔ２ｃは約５ｎｍ未満である。従ってＳｒＴｉＯ３（１１０）基板上においては強相関酸化物の絶縁体金属転移層としてＮｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜を使用し、強相関酸化物の金属状態層としてＰｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜を使用すれば同様の効果が期待できる。両者の異なる点は強相関酸化物の絶縁体金属転移層の一次転移の性質が異なる点である。ＬＳＡＴ（１１０）上のＰｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜はシャープな転移をするためチャネル層の抵抗変化もディスクリートなスイッチング特性を示す。一方、ＳｒＴｉＯ３（１１０）基板上のＮｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３薄膜はなだらかな相転移をするためチャネル層の抵抗変化もアナログ的にリニアな挙動を示す。
【００６４】
そして、いずれの場合においても、図５を参照して説明したスイッチングのメカニズムから、絶縁体金属転移層２２に対してキャリアをドープしてその絶縁体金属転移層２２の電子状態を相転移させることにより、金属状態層２１の伝導キャリアが「感じる」実質的な膜厚を切り替えることが、チャネル層２の電気抵抗の制御幅を拡大するために役立っている。そのため、上述のチャネル層２の構成において、絶縁体金属転移層２２に対して、ゲート電極４１によるキャリアドープが有効である限り、抵抗値の大きな変化が実現する。その効果をより顕著に発現させるためには、絶縁体金属転移層２２を金属状態層２１よりもゲート絶縁層３１に近くに配置すること、より直接的には、金属状態層２１とゲート絶縁層３１とにより絶縁体金属転移層２２を挟むように構成することが有利である。なお、ソース電極、ドレイン電極は金属状態層２１あるいは絶縁体金属転移層２２のどちらに接していても動作が可能であり、トップゲート構造あるいはボトムゲート構造などの素子構造とプロセスに適合するように、ソース電極、ドレイン電極の構成を選択することが可能である。
【００６５】
また、本実施形態においては（１１０）面方位基板を使用したが（２１０）面方位基板上の単結晶薄膜も一次転移が可能であることから（２１０）面方位基板を用いた場合にも同様に巨大な抵抗変化を示す強相関酸化物電界効果素子を実現可能である。なお、本実施形態において例示した薄膜や基板の材料やその組成、膜厚、形成方法等は、上記実施形態に限定されるものではない。
【００６６】
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態および実施例は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。また、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の強相関酸化物電界効果素子は、電気的手段によりスイッチング機能を発現する電界効果素子を利用する任意の電気・電子機器に利用可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１００、２００  強相関酸化物電界効果素子
１、１Ａ  基板
２、２Ａ  チャネル層
２１、２１Ａ  金属状態層
２２、２２Ａ  絶縁体金属転移層
３１、３１Ａ  ゲート絶縁層
３２  絶縁膜
４１、４１Ａ  ゲート電極
４２  ドレイン電極
４３  ソース電極
【図１】
0005598605.tif 000002
【図２】
0005598605.tif 000003
【図３】
0005598605.tif 000004
【図４】
0005598605.tif 000005
【図５】
0005598605.tif 000006
【図６】
0005598605.tif 000007
【図７】
0005598605.tif 000008
【図８】
0005598605.tif 000009