(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン拡散部材と、
前記イオン拡散部材の第１の面に配置されたゲート電極と、
前記イオン拡散部材の前記第１の面に対抗する第２の面に、絶縁体を介して配置されたソース電極及びドレイン電極と
を設け、
前記ゲート電極に印加された電圧により前記イオン拡散部材中で金属イオンを拡散させて前記ソース電極及びドレイン電極の近傍で前記金属イオンを過飽和させることによって析出した金属で前記ソース電極と前記ドレイン電極の間を電気的に導通させる
電気化学トランジスタ。
【請求項２】
前記イオン拡散部材の前記第１の面と前記第２の面の間の厚さは４０ナノメートル以下である、請求項１に記載の電気化学トランジスタ。
【請求項３】
前記イオン拡散材料が金属酸化物またはシリコン酸化物である、請求項１または２に記載の電気化学トランジスタ。
【請求項４】
前記金属酸化物が、チタン酸化物、タンタル酸化物、タングステン酸化物、またはそれらの混合酸化物である、請求項３に記載の電気化学トランジスタ。
【請求項５】
前記金属イオンが、銀イオン、銅イオン、リチウムイオンから選ばれた一種のイオンまたは複数種の混合イオンである、請求項１から４の何れかに記載の電気化学トランジスタ。
【請求項６】
前記ゲート電極の少なくとも一部が、銅または銀で形成されている、請求項１から５の何れかに記載の電気化学トランジスタ。
【請求項７】
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の離間距離が２０ナノメートル以下である、請求項１から６の何れかに記載の電気化学トランジスタ。
【請求項８】
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の離間距離が１ナノメートルから１５ナノメートルの範囲である、請求項７に記載の電気化学トランジスタ。
【請求項９】
前記イオン拡散材料が、銀イオンまたは銅イオンから選ばれた一種のイオンまたは複数種の混合イオンを含む、請求項１から８のいずれかに記載の電気化学トランジスタ。
【請求項１０】
前記ソース電極及び前記ドレイン電極に対する前記ゲート電圧が正の領域で、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電気的接続と非接続を行う、請求項１から９の何れかに記載の電気化学トランジスタ。
【請求項１１】
前記ソース電極及び前記ドレイン電極に対する前記ゲート電圧であるソース・ドレイン基準ゲート電圧が正の領域で前記ソース電極と前記ドレインとの間が不揮発的に電気的に接続し、前記ソース・ドレイン基準ゲート電圧が負の領域で前記不揮発的な電気的接続が解消される、請求項１から１０のいずれかに記載の電気化学トランジスタ。
【請求項１２】
前記ソース・ドレイン基準ゲート電圧を正の第１の領域とした場合に、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間が電気的に接続するが、その後に前記ソース・ドレイン基準ゲート電圧を前記正の第１の領域よりも低い正またはゼロの第２の領域に変化させると前記第１の領域の前記ソース・ドレイン基準電圧による前記電気的な接続が解消され、
前記ソース・ドレイン基準ゲート電圧を前記正の第１の領域よりも高い第３の領域とした場合に、前記不揮発的な電気的接続が起こる、
請求項１１に記載の電気化学トランジスタ。
【請求項１３】
前記イオン拡散材料を介して前記ドレイン電極及び前記ソース電極近傍に拡散して析出し得る前記金属の量が、前記ソース電極または前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間を導通せしめる量よりも少ない、請求項１から１２のいずれかに記載の電気化学トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲート電圧を用いてソース・ドレイン電極間の電気的接続と非接続を制御して動作する３端子型素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ゲート電圧を用いてソース・ドレイン電極間の電気的接続と非接続を制御して動作する３端子型素子と言えば、電界効果型半導体トランジスタが知られている。電界効果型半導体トランジスタでは、ゲート電圧によって半導体中に誘起される電界を利用して半導体中の電子と空孔（ホール）の分布を制御することでソース・ドレイン電極間の電気的接続と非接続とを制御している。例えば、非特許文献１にその動作原理が詳しく述べられている。
【０００３】
一方、イオンの移動を制御してオン・オフ動作する３端子素子として、正のゲート電圧を印加することによって、金属陽イオン（カチオン）をソース・ドレイン電極側に移動させることでソース・ドレイン電極間の電気的接続をはかる素子が知られており、特許文献１にその動作原理が詳しく述べられている。また、別の例が非特許文献２に述べられている。この例でも、正のゲート電圧を印加することによりゲート電極から銅イオンをソース・ドレイン電極側に供給することでオン状態を実現している。その動作原理の詳細が、特許文献２に述べられている。
【０００４】
上記従来の電界効果型半導体トランジスタでは、素子サイズの微細化に伴うゲートリーク電流の増大などが顕著になり、これ以上の素子の高性能化が困難になると予想されている。例えば、国際半導体ロードマップでは、加工寸法１１ナノメートル以降に対応可能な電界効果型半導体トランジスタの開発は極めて困難であることが示されている。
【０００５】
このため、電界効果型半導体トランジスタに代わり得る３端子素子の開発が盛んに行われている。そのひとつである前記特許文献１では、電子と空孔を制御する代わりに、イオン伝導体中における金属陽イオンの分布を制御することでイオン伝導体の電子伝導性を制御している。このため、ゲート電圧に依存したソース・ドレイン電流が得られるが、電界強度に依存して金属陽イオンの分布が連続的に変わるため、急峻なオン・オフ動作が行えないという課題があった。
【０００６】
これに対して、前記非特許文献２では、ソース・ドレイン電極上で金属イオンを還元させ、ソース・ドレイン電極上からそれぞれ成長した金属フィラメントが結合することで、オン状態を実現している。すなわち、フィラメントが結合した瞬間にソース・ドレイン間の抵抗が下がるため、急峻なオン・オフ動作を実現できる。しかしながら、金属イオンの析出によるフィラメントの成長速度は、印加するゲート電圧値に依存するため、ゲート電圧の走査速度などの動作条件が異なると、オン状態になるゲート電圧値も異なってしまうという課題があった。また、高速動作を実現するためには、フィラメント成長速度を上げるために高いゲート電圧を用いる必要もあった。加えて、ゲート電圧を印加し続けるとゲート電極とソース電極、ないしドレイン電極との間にも金属フィラメントが形成されてしまい、ゲート電極の絶縁性が確保できないという課題もあった。
【０００７】
これを解決するため、前記特許文献２では、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の各電極間隔を制御し、ゲート電極との間にフィラメントが形成されるより前に、ソース・ドレイン電極間にフィラメントが形成されるような工夫がなされている。しかしながら、このような改良を行っても、ゲート電圧を印加し続ければゲート電極との間にもフィラメントが形成されてしまうため、ゲート電圧の印加時間を制御するなどの必要性があった。すなわち、特許文献２の構成はゲート電圧の印加が任意に行われる論理演算素子としては用いることができず、電界効果型半導体トランジスタの代わりとはなり得ないという課題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消し、急峻なオン・オフ動作と、ゲート電圧を印加し続けてもゲート電極の絶縁性を確保する３端子素子「電気化学トランジスタ」を供給することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面によれば、イオン拡散部材と、前記イオン拡散部材の第１の面に配置されたゲート電極と、前記イオン拡散部材の前記第１の面に対抗する第２の面に、絶縁体を介して配置されたソース電極及びドレイン電極とを設け、前記ゲート電極に印加された電圧により前記イオン拡散部材中で金属イオンを拡散させて前記ソース電極及びドレイン電極の近傍で前記金属イオンを過飽和させることによって析出した金属で前記ソース電極と前記ドレイン電極の間を電気的に導通させる電気化学トランジスタが与えられる。
前記イオン拡散部材の前記第１の面と前記第２の面の間の厚さは４０ナノメートル以下であってよい。
前記イオン拡散材料は金属酸化物またはシリコン酸化物であってよい。
前記金属酸化物が、チタン酸化物、タンタル酸化物、タングステン酸化物、またはそれらの混合酸化物であってよい。
前記金属イオンは、銀イオン、銅イオン、リチウムイオンから選ばれた一種のイオンまたは複数種の混合イオンであってよい。
前記ゲート電極の少なくとも一部は銅または銀で形成されていてよい。
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の離間距離は２０ナノメートル以下であってよい。
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の離間距離は１ナノメートルから１５ナノメートルの範囲であってよい。
前記イオン拡散材料は、銀イオンまたは銅イオンから選ばれた一種のイオンまたは複数種の混合イオンを含んでよい。
前記ソース電極及び前記ドレイン電極に対する前記ゲート電圧が正の領域で、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電気的接続と非接続を行ってよい。
前記ソース電極及び前記ドレイン電極に対する前記ゲート電圧であるソース・ドレイン基準ゲート電圧が正の領域で前記ソース電極と前記ドレインとの間が不揮発的に電気的に接続し、前記ソース・ドレイン基準ゲート電圧が負の領域で前記不揮発的な電気的接続が解消されてよい。
前記ソース・ドレイン基準ゲート電圧を正の第１の領域とした場合に、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間が電気的に接続するが、その後に前記ソース・ドレイン基準ゲート電圧を前記正の第１の領域よりも低い正またはゼロの第２の領域に変化させると前記第１の領域の前記ソース・ドレイン基準電圧による前記電気的な接続が解消され、前記ソース・ドレイン基準ゲート電圧を前記正の第１の領域よりも高い第３の領域とした場合に、前記不揮発的な電気的接続がおこってよい。
前記イオン拡散材料を介して前記ドレイン電極及び前記ソース電極近傍に拡散して析出し得る前記金属の量は、前記ソース電極または前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間を導通せしめる量よりも少なくてよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明を用いれば、急峻なオン・オフ動作と、ゲート電圧を印加し続けてもゲート電極の絶縁性を確保する３端子素子「電気化学トランジスタ」を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１の模式的構造及びその動作を説明する図。
【図２】本発明の実施例１の電気化学トランジスタのオン・オフ動作を示す電流測定結果とそれに対応する電気化学トランジスタ内部の変化を模式的に示す図。
【図３】本発明の実施例２の電気化学トランジスタの構造を示す模式図。
【図４】本発明の実施例２の電気化学トランジスタにおいて、オン状態を実現するに必要なゲート電圧と電界強度の測定結果を示す図。
【図５】本発明の実施例３の電気化学トランジスタのゲート電圧を掃引した場合のドレイン電流の変化を測定した結果を示す図。
【図６】本発明の実施例３において、揮発性オンと不揮発性オンを選択して制御した動作結果を示す図。
【図７】比較例１及び２である、過飽和状態を用いない従来の電気化学トランジスタの構造と動作を示す模式図。
【図８】ゲート電圧を印加し続けてもゲート電極の絶縁性を保つことが可能な本発明の実施例４の電気化学トランジスタの構造と動作原理を示す模式図。
【図９】ソース電極とドレイン電極との間隔が広い、比較例３の電気化学トランジスタの動作を示す模式図。
【図１０】銅の代わりに銀を使用した本発明の実施例５の電気化学トランジスタの動作結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明では、イオン拡散材料を挟んで一方にゲート電極を配置し、もう一方には絶縁物材料を介して互いに絶縁されたソース電極とドレイン電極を配置することで３端子構造を形成する。以下で本発明の電気化学トランジスタの実施例を説明しながら、併せてその動作原理を説明する。
【実施例】
【００１３】
［実施例１］
図１は、本発明の第１の実施例の電気化学トランジスタの模式的構造とその動作を説明する図である。本実施例では、イオン拡散材料として酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）を、ゲート電極材料として銅（Ｃｕ）を、ドレイン電極およびソース電極材料として白金（Ｐｔ）を用いている。また、ソース電極とドレイン電極との間を絶縁する材料として酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いている。
【００１４】
上述した構成でゲート電極に正の電圧を印加すると、ゲート電極を構成する銅原子が酸化（イオン化）されてイオン拡散材料である酸化タンタル中に供給される（図１（ｂ））。酸化タンタル中に供給された銅イオンは、ゲート電圧の印加に伴い酸化タンタル中に誘起された電界によってソース電極及びドレイン電極に向かって酸化タンタル中を拡散する（図１（ｃ））。この結果、ソース電極及びドレイン電極の近傍では銅イオンの濃度が上昇し、ゲート電圧がある一定の値に達した時点で過飽和状態となり、銅原子として析出する（図１（ｄ））。ソース電極とドレイン電極との間を絶縁する酸化シリコンの膜厚（ソース電極とドレイン電極の間隙）を薄くすることで、ソース・ドレイン電極間にも過飽和によって銅原子が析出する。この結果、ソース電極とドレイン電極とが電気的に接続される。
【００１５】
本発明では、過飽和現象により金属原子の析出を行うため、急峻なオン動作を実現できるという特徴がある。さらに、過飽和現象の実現には一定以上の大きさの電界を印加する必要があることから、オン状態を実現するゲート電圧に臨界値（閾値）があり、ゲート電圧の印加時間や走査速度に依存すること無く、常に同じゲート電圧値でオン状態が実現される。
【００１６】
次に、負のゲート電圧を印加すると、ソース・ドレイン電極近傍に析出していた銅原子が酸化（イオン化）されて再びイオン拡散材料である酸化タンタル中をゲート電極に向かって拡散する（図１（ｅ））。その結果、ソース・ドレイン電極間の電気的接続を実現していた銅原子は消失し、ソース・ドレイン電極間は電気的に非接続状態となる（図１（ｆ））。ゲート電圧を印加し続けることで、イオン拡散材料である酸化タンタル中に供給された銅イオンはゲート電極上で再び還元されて銅原子となり、ゲート電極中に取り込まれる（図１（ｇ））。このようにして、本発明では、イオン拡散材料中における金属イオンの拡散とその酸化・還元反応をゲート電圧によって制御することで、ソース・ドレイン電極間の電気的接続と非接続を制御する。
【００１７】
図２に、図１に示した電気化学トランジスタの動作結果の一例を説明する。図２に示した動作結果は、ゲート電極として５０ナノメートル膜厚の銅薄膜を、イオン拡散材料として３０ナノメートル膜厚の酸化タンタルを、ソース電極およびドレイン電極として５０ナノメートル膜厚の白金薄膜を、ソース電極とドレイン電極を絶縁する材料として１５ナノメートル幅の酸化シリコン薄膜（膜厚は、ソース電極とドレイン電極間隔方向）を用いて作製した電気化学トランジスタを用いて測定したものである。
【００１８】
ソース電極に０Ｖ、ドレイン電極に５ｍＶを印加した上で、ゲート電極に４Ｖを印加した。なお、ソース電極とドレイン電極に印加する電圧は同電位でもよいし、さらに大きな電位差を設けてもよい。本実施例においては、ゲート電圧印加に伴うソース・ドレイン電極間の抵抗の変化を実時間計測するために、わずかな電位差（５ｍＶ）を設けている。図２（ａ）には、ソース電流の時間変化を示した。一定時間経過後に、電流値が２マイクロアンペアに達していることがわかる。同じタイミングで、ドレイン電流値（図２（ｂ））が−２マイクロアンペアに達している。一方、ゲート電流（図２（ｃ））はスパイク状の電流増加が時々計測されるものの、概ね数十ナノアンペア程度の電流値を示している。このことから、計測された２マイクロアンペアの電流は、ソース電極とドレイン電極との間で流れている電流であることがわかる。すなわち、上記ある時点において、ソース電極とドレイン電極とが電気的に接続されたことを意味している。
【００１９】
なお、本実施例においては、最大電流が２マイクロアンペアとなるよう測定系に制限を設けた。図２（ｄ）に、図２（ａ）〜（ｃ）における電流変化に対応する素子動作の模式図を示す。銅で構成されたゲート電極に４Ｖの電圧を印加することで、ゲート電極を構成する銅原子がイオン化されて酸化タンタル中に拡散し、ソース電極とドレイン電極側に拡散する。ソース電極とドレイン電極近傍に拡散した銅イオンが過飽和状態となると、銅原子として析出し、ソース電極とドレイン電極間を電気的に接続する。なお、４Ｖのゲート電圧を印加しているにもかかわらずゲート電流が数十ナノアンペアの程度であることは、ソース・ドレイン電極に対して、ゲート電極がギガオームの程度で絶縁されていることを意味している。
【００２０】
次に、ゲート電極に−２０Ｖを印加すると、一定時間経過後に、ソース電流値（図２（ｅ））とドレイン電流値（図２（ｆ））が同時にナノアンペア以下の電流値に下がっていることがわかる。この間、ゲート電流（図２（ｇ））はナノアンペア程度の電流値を保っていた。この間の素子動作模式図を図２（ｈ）に示す。ソース電極とドレイン電極を電気的に接続していた銅原子がイオン化し、ゲート電極側に拡散することによってソース電極とドレイン電極間の電気的接続が切断されている。
【００２１】
以上述べたように、本発明を用いれば、ゲート電極に印加する電圧の極性を変えることで、ソース・ドレイン電極間の電気的接続と非接続とを実現することができる。図２（ａ）、（ｂ）、（ｅ）、（ｆ）から明らかなように、電気的接続と非接続は一瞬にして起こっていることもわかる。これは、銅イオンが過飽和になった瞬間に析出が起こることを利用した本発明に特徴的な現象である。
【００２２】
なお、本実施例ではドレイン電極とソース電極の間に膜厚が１５ナノメートルのシリコン酸化膜を設け、当該膜厚だけ両電極を離間したが、両電極の距離は２０ナノメートルまで大きくしても本発明の電気化学トランジスタとして動作する。ただし、良好な特性を得るためには、両電極の離間距離は１５ナノメートル以下が好ましい。また、両電極間が１ナノメートルよりも狭くなるとリーク電流が大きくなり、あまり好ましくない。
【００２３】
［実施例２］
本実施例では、本発明の電気化学トランジスタのより具体的な構造及びその製造方法を説明し、更にこのようにして製造された電気化学トランジスタの特性を測定した結果を示す。
【００２４】
図３は、本発明を実現する電気化学トランジスタ素子のより具体的な構造の例を示す。図３（ａ）はゲート電極、イオン伝導体、ソース電極、ドレイン電極等を含む断面図、図３（ｂ）はイオン伝導体とソース電極、ドレイン電極、絶縁膜との界面部分の断面図（図３（ａ）に示すＡ−Ａ断面図）である。ただし、図３（ｂ）では、図３（ａ）中の最上部のＳｉＯ２層の上にあるＴａ２Ｏ５及びＣｕの層は省略している。
【００２５】
本実施例における素子構造では、絶縁性基板（ＳｉＯ２）上に、ソース電極となるＰｔ／Ｔｉ層とドレイン電極となるＰｔ／Ｔｉ層とが絶縁膜（ＳｉＯ２）を挟んで積層構造を形成している。さらにその上部には、銅原子の析出する領域をソース・ドレイン電極間に限定するために絶縁膜層（ＳｉＯ２）が形成されている。最上部のＳｉＯ２層がない場合、ゲートから供給された銅イオンは、Ｐｔ／Ｔｉ層の上側でも過飽和となって析出する。このため、オンオフ動作をする際に移動させる銅原子（イオン）の数が多くなり、オンオフ動作が遅くなる、供給するイオンが多くなるためにイオン伝導層の電子伝導度が増し、オフ状態の抵抗が低下、オン／オフ比が小さくなるなどの問題が生じる。このため、図３に示す構造では、最上部にもＳｉＯ２層を設けている。ゲートがソース・ドレインの側面にしか無ければ、最上部のＳｉＯ２層は不要と考えられるが、素子サイズが小さいためそのような構造制御は現状では難しい。この積層構造に対して、側壁にイオン伝導体層として酸化タンタル層が、さらにその側壁にゲート電極として銅の薄膜層が形成されている。これらはスパッタ法や電子ビーム蒸着法などの一般的な薄膜形成手法とフォトリソグラフィーや電子線描画法などの一般的なパターン形成手法にて形成することができる。
【００２６】
図４に、図３に示す素子構造を持つ本実施例の電気化学トランジスタの素子動作特性を示す。図４（ａ）は、ソース電極とドレイン電極とを電気的に接続するため（つまり本トランジスタをオンにする）に必要であったゲート電圧値を示す。同図より、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）の膜厚に依存して、ソース電極とドレイン電極との電気的接続を行うに必要なゲート電圧値が変化していることがわかる。すなわち、酸化タンタルの膜厚が３０ナノメートルでは、平均して３Ｖのゲート電圧値が必要であるが、酸化タンタルの膜厚が２０ナノメートル、１０ナノメートルと薄くなるにつれて、必要なゲート電圧値もその平均値が２Ｖ→１Ｖと低くなっている。このゲート電圧値を酸化タンタルの膜厚で割った値、すなわち、電界強度表示にしてみると（図４（ｂ））、いずれの膜厚でも平均して、０．１Ｖ／ｎｍの電界強度が必要なことがわかる。すなわち、ソース電極、ドレイン電極と酸化タンタルの界面において銅イオンの過飽和状態を実現する臨界電界強度は、０．１Ｖ／ｎｍとなる。このことから、例えば、酸化タンタルの膜厚を５ｎｍとすれば、ゲート電圧０．５Ｖでのソース電極とドレイン電極との電気的接続が可能となることがわかる。なお、本臨界電圧値は、ゲート電極の材料として、すなわち、拡散するイオン種として銅を、イオン伝導体材料として酸化タンタルを用いた場合の例であり、用いる拡散イオン種やイオン伝導体材料によって臨界電圧値は異なる。
【００２７】
また、イオン伝導体として酸化タンタルを用いる場合には、実用的な電圧（集積回路上において用いられる電圧）である２０Ｖ以下での動作を実現するためには、酸化タンタルの膜厚を４０ナノメートル以下にする必要があることが分かっている。実施例１では、酸化タンタルの膜厚が３０ナノメートルの素子の動作を示した。そのオン電圧は４Ｖであり、概ね、上記の臨界電圧値と一致している。これに対して、オフ電圧は−２０Ｖと高くなっている。これは、酸化タンタルの膜厚が厚くなると、不揮発性のスイッチオン動作の際に過飽和状態となる領域が広くなり、必要以上の金属が析出してしまうためである。すなわち、多量の析出金属を短時間にイオン化させるために大きなオフ電圧が必要となる。また、過飽和状態を実現するために多量の金属イオンをイオン伝導体中に供給する必要があるため、動作速度が遅くなるという問題も生じる。このため、動作時間が短く、オン電圧、オフ電圧ともに絶対値で２０Ｖ以下となる良好な動作を実現するためには、イオン伝導体膜厚は、４０ナノメートル以下とすることが望ましい。
【００２８】
［実施例３］
本実施例では、ゲート電圧を掃引した場合のドレイン電流の測定結果を用いて、本発明に基づく素子動作の詳細を説明する。図５は、酸化タンタル膜厚２０ナノメートル、ゲート電極材料として銅を用いた場合の測定結果である。図５（ａ）では、ゲート電圧を０Ｖから１．５Ｖまで増大させ、再び、０Ｖまで掃引した。その結果、ゲート電圧１．０Ｖでドレイン電流が急峻な増大を見せている。その変化量は１０−９ミリアンペアから１０−３ミリアンペアと６桁におよぶ。ゲート電圧を１．５Ｖまで増大した後、０Ｖに向かってゲート電圧を掃引すると、０．６５Ｖ付近で、ドレイン電流の急峻な減少が観測された。この間、ゲート電流はナノアンペア程度の大きさを保っていた。
【００２９】
以上の結果は、ゲート電圧増加時に、ゲート電圧１．０Ｖでソース電極とドレイン電極との電気的接続が形成され、ゲート電圧減少時に、ゲート電圧０．６５Ｖでソース電極とドレイン電極との電気的接続が切断されたことに対応している。すなわち、ゲート電圧が一定以上の値にあるときのみソース電極とドレイン電極とが電気的に接続される揮発性動作をしていることがわかる。図５（ａ）における点線は、オン・オフ状態間を遷移する電圧・電流領域の最大・最小値間を結んだ線であり、いわゆる半導体トランジスタでいうところのＳファクター（ドレイン電流を一桁増大させるのに必要なゲート電圧）に対応している。図５（ａ）に示す動作結果から、本実施例におけるＳファクターは７０ｍＶ／ｄｅｃａｄｅとなり、現在の半導体トランジスタのＳファクター１００ｍＶ／ｄｅｃａｄｅよりも急峻な動作が達成された。
【００３０】
次に、ゲート電圧の最大値を３Ｖにしてゲート電圧の掃引を行った結果を図５（ｂ）に示す。ゲート電圧を０Ｖから増大させると、ゲート電圧１．４Ｖ付近でドレイン電流が急峻な増加を示した。その変化量は、１０−８ミリアンペアから１０−２ミリアンペアと６桁におよぶ。さらに電圧を掃引し続けると、ゲート電圧２．７Ｖで再び急峻な増加がドレイン電流に観測された。ゲート電圧を３Ｖまで掃引したのち、０Ｖまでゲート電圧を小さくした。ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極間の抵抗を状態変化の起こらない小さな電圧（２ｍＶ）を用いてそれぞれ測定したところ、ソース電極とドレイン電極とが２００オーム程度の抵抗で電気的に接続されていた。一方、ゲート電極とソース電極間、及びゲート電極とドレイン電極間は、ギガオーム以上の抵抗で絶縁されていた。この結果から、本実施例に基づく電気化学トランジスタは、不揮発性のオン状態（ゲート電圧をゼロにしても、ソース電極とドレイン電極との電気的接続が保たれている）にあることがわかる。
【００３１】
なお、図５の（ａ）と（ｂ）では閾値ゲート電圧、変化前／変化後の電流値などがかなり相違しているが、これは測定対象とした電気化学トランジスタが（ａ）と（ｂ）で異なることによるものである。すなわち、電気化学トランジスタの各要素の寸法や物性のばらつきなどによって電気化学トランジスタの特性もばらつく。このばらつきは電気化学トランジスタの製造プロセスの改善やサイズの縮小によって低減されるものと考えられる。測定結果から判断して、図５（ｂ）の測定を行った電気化学トランジスタにおいては、酸化タンタル膜厚が２８ナノメートル程度になっていると考えられる。
【００３２】
以上の結果から、本発明に基づく一実施例では、揮発性と不揮発性の２種類のオン状態（ソース電極とドレイン電極との電気的接続状態）があり、印加するゲート電圧の大きさを制御することでそれら２種類のオン状態を選択的に実現することができる。例えば、酸化タンタル膜厚が２０ｎｍの場合では、ゲート電圧１Ｖ〜１．５Ｖ程度で揮発性のオン状態を、ゲート電圧２Ｖ〜３Ｖ程度で不揮発性のオン状態を実現できることがわかる。
【００３３】
図６を用いて、揮発性と不揮発性の２種類のオン状態を制御した動作を説明する。図５に結果を示した素子を用いて、図６下側に示すようなゲート電圧を印加した。すなわち、領域Ｉでは、０Ｖまたは１．５Ｖのゲート電圧を、領域ＩＩでは、３Ｖ、０Ｖまたは−３Ｖの電圧を、領域ＩＩＩでは、再び０Ｖまたは１．５Ｖのゲート電圧を、領域ＩＶでは、０Ｖまたは−３Ｖの電圧を、領域Ｖでは、０Ｖまたは１．５Ｖのゲート電圧を印加した。その間のソース電極とドレイン電極との間に流れた電流値を図６上部に示す。領域Ｉでは揮発性動作を示しており、ゲート電圧が１．５Ｖの間のみソース・ドレイン電極間の電流が１ミリアンペアと大きくなっている。領域ＩＩでは不揮発性動作を示しており、３Ｖのゲート電圧印加によってオン状態（ソース・ドレイン間に流れる電流１０ミリアンペア）となり、そのオン状態はゲート電圧が０Ｖになっても維持されている。このオン状態はゲート電圧を−３Ｖにすることによってオフ状態（ソース・ドレイン間に流れる電流１ナノアンペア）に遷移した。領域ＩＩＩでは不揮発性のオン状態にある素子に対して揮発性動作に必要なゲート電圧を印加したため、ゲート電圧値に係わり無く常にオン状態となっている。これに対して領域ＩＶでは不揮発性の動作に必要なゲート電圧値（つまり、不揮発性のオン状態をオフ状態に遷移させるための電圧である−３Ｖ）を印加したため、オフ状態への遷移（１０ミリアンペアから１ナノアンペアへの電流値の低減）が観測されている。領域Ｖでは、このオフ状態の素子に対して揮発性動作に必要なゲート電圧を印加したので、領域Ｉと同様の動作が観測された。
【００３４】
以上、述べたように、本発明を用いれば、印加するゲート電圧の大きさを制御することで、揮発性動作と不揮発性動作を選択して制御することができる。
【００３５】
［比較例１，２］
ここでは、従来例に基づく２つの素子の動作を比較例１，２として説明する。
【００３６】
非特許文献２では、イオン伝導体として硫化銅を、ゲート電極とソース電極材料として銅を、ドレイン電極材料として白金を用いた３端子型スイッチの動作が報告されている。この実施例では、あらかじめドレイン電極とソース電極との間に銅原子からなるナノ金属フィラメントを形成しておく（図７(a)）。次に、ソース・ドレイン電極間に適切な電圧を印加することで、ナノ金属フィラメントの一部を切断する（図７(b)）。その後、ゲート電極とソース・ドレイン電極間に適切な電圧を印加することで、ゲート電極から供給した銅イオンが前記切断された金属ナノフィラメントを再び接続してソース・ドレイン電極間を電気的に接続する（図７(c)）。この接合部はもともとソース・ドレイン電極間に形成したフィラメントよりも細いので、逆極性のゲート電圧を印加すると優先的に切断がおこり、再びオフ状態が実現される（図７(b)）。この実施例では、ソース・ドレイン間に形成された銅フィラメントの表面にさらに銅原子が析出することで、切断されたフィラメントの再結合が起こる。いわば、フィラメントが太ったり、細ったりすることで、フィラメントの細い部分が切断されたり、結合したりしてオン・オフ動作を実現している。
【００３７】
同様のスイッチング動作は、電解液中でも実現されている。図７(d)にその模式図を示す。この実施例では、硝酸銀を含む水溶液中に２つの金電極を配置し、やはり電解液中に配置したゲート電極に電圧を印加することで電解液中の電位を制御して、金電極表面における銀原子の析出現象を制御している。銀原子の析出によって金電極は太り、ついには、２つの金電極からそれぞれ伸びた銀のフィラメントが結合する（図７(d)右上の挿絵参照）。ゲート電圧に印加する電位を制御することで、析出した銀原子を再びイオン化して硝酸銀溶液中に取り込んでオフ状態を実現することもできる。
【００３８】
以上説明した２つの比較例では、いずれも、ソース電極とドレイン電極の表面における金属原子の析出と溶解現象を利用して、オン・オフ動作を制御している。その様子を図７(e)、(f)、(g)に模式的に示す。析出と溶解は比較的小さい電圧（例えば、硫化銅における銅の析出では、０．１Ｖ程度）で起こる。このため、ゲート電圧を走査した場合に何ボルトのゲート電圧でオン状態に遷移するかは、ゲート電圧の走査速度に大きく依存する。さらには、図７(a), (b), (c)に示した比較例では、ソース・ドレイン電極間の電気的接続が達成された後もゲート電極に電圧を印加し続けると、ゲート電極とソース電極またはドレイン電極との間でも電気的接続が形成されてしまう。場合によっては、ソース・ドレイン電極間の電気的接続が形成される前に、ゲート電極とソース電極、あるいはゲート電極とドレイン電極との間の電気的接続が形成されてしまうという問題がある。これを避けるために、ゲート電極とソース電極またはドレイン電極との間の距離をソース・ドレイン電極間隔よりも大きくとることが望ましいことが、特許文献２で述べられている。しかしながら、そのような工夫をしても、ゲート電圧を印加し続ければ、ゲート電極がソース電極またはドレイン電極と電気的に接続されてしまうことに違いはない。
【００３９】
［実施例４］
この実施例では、ゲート電圧を印加し続けてもゲート電極の絶縁性を保つことが可能な本発明に基づく実施例を説明する。
【００４０】
図８に、このような本発明の電気化学トランジスタの実施例を示す。この実施例では、絶縁膜（ＳｉＯ２）で分離されたソース電極とドレイン電極の上部にイオン伝導体である酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）層が形成されており、さらにその上部に、銅薄膜層、白金層が形成されている。この銅薄膜層と白金層がゲート電極を構成する（図８（ａ））。ここで、同銅薄膜層の厚さは、酸化タンタル膜厚や素子構造にも依存するが、概ね、１ナノメートルから５ナノメートル程度である。ただし、ゲート電極面積に対してソース電極とドレイン電極の面積が大きい場合には２０ナノメートル程度までにその範囲は広がり、逆に、ゲート電極面積に対してソース電極とドレイン電極の面積が小さい場合には数ナノメートル程度までにその範囲は狭まる。要は、用いる素子構造によって適正な銅薄膜の厚さは変わるということである。その理由を、以下説明する。
【００４１】
ゲート電極に正の電圧を印加すると、ゲート電極を構成する銅薄膜から銅イオンが酸化タンタル中に供給され（図８（ｂ））、供給された銅イオンはソース・ドレイン電極に向かって拡散する（図８（ｃ））。拡散した銅イオンがソース・ドレイン電極近傍で過飽和となることによって銅原子として析出し、ソース・ドレイン電極間の電気的接続を実現する。このとき、ゲート電極を構成する銅薄膜が薄ければ、さらに銅原子の析出を起こすに必要な銅イオンの供給を行うことができない。すなわち、ゲート電圧を印加し続けても、ゲート電極とソース電極、ないし、ドレイン電極とを結合するような金属フィラメントが形成されることはなく、ゲート電極の絶縁性を保つことができる。ソース・ドレイン電極側の面積とゲート電極の面積が同等の場合、銅薄膜の最適値は、概ね、酸化タンタル膜厚の１/１０程度であった。すなわち、酸化タンタル膜厚が２０ナノメートルの場合、銅薄膜の厚さが２ナノメートル程度であれば、ゲート電極の絶縁性を保ったオン・オフ動作が実現できる。なお、銅薄膜の厚さが、０．１ナノメートルであっても、１０ナノメートルであっても、ゲート電極が絶縁された状態でのオン・オフ動作を実現することが可能である。ただし、それを実現するためのゲート電圧値は、後述するように銅薄膜の膜厚によって異なる。
【００４２】
［比較例３］
図９を用いて、本発明を実施する上で必要な金属イオンの過飽和状態について説明する。より具体的には、ソース電極とドレイン電極の離間距離が大きすぎる場合の問題点を説明する。
【００４３】
図９では、ソース電極とドレイン電極が膜厚（図９(a)の矢印方向）３０ナノメートルのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）で絶縁されている。この膜厚は実施例１において説明したものよりもかなり厚くなっている。それらの上部に、膜厚３０ナノメートルの酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）薄膜、さらには銅のゲート電極が形成されている（図９(a)）。この素子構造に対して正のゲート電圧を印加すると、ゲート電極から銅イオンが供給され（図９(b)）、それらはソース電極、ならびにドレイン電極に向かって拡散する。このとき、銅イオンの拡散はイオン伝導体（酸化タンタル）内部の電位勾配に沿って起こるので、本比較例におけるようにソース電極とドレイン電極との間隔が広い場合には、ソース電極及びドレイン電極の近傍は銅イオンの濃度が上昇するが、両電極間の広い中間領域では上昇しない（図９(c)）。この結果、過飽和状態の実現もソース電極、ドレイン電極の各近傍でしか起こらず、各電極上及びその近傍にのみ銅原子の析出が起こり、ソース電極とドレイン電極との間の広い間隙での接続の進行が非常に遅くなるかあるいは接続が全く起こらなくなる（図９(d)）。さらに銅イオンを供給しても銅原子の析出はそれぞれの電極から成長した銅フィラメント上でしか起こらないので、ソース電極またはドレイン電極とゲート電極との間の短絡（図９(e)）が起こっても、なおもソース電極とドレイン電極との間は電気的に絶縁されたままである。
【００４４】
なお、従来技術文献に示されているような、過飽和状態を経ないで析出させる従来の構成では、横方向（ソース電極とドレイン電極を結ぶ方向）にも銅フィラメントが成長することで、ソース電極とドレイン電極との電気的接続を達成することが可能である。ただし、この場合には、比較例１，２の項で説明したように、オン状態を実現するゲート電圧値はゲート電圧の掃引速度に依存し、明確な臨界ゲート電圧値が存在しないことが特徴となる。
【００４５】
［実施例５］
以上の実施例では、ゲート電極材料として銅を用いた場合の実施例を説明してきたが、例えば、銀をゲート電極材料として用いることもできる。この場合には、銀イオンがイオン伝導体中に供給され、ソース・ドレイン電極側で過飽和状態を実現することによって、銀原子として析出することにより、ソース電極とドレイン電極との電気的接続が達成される。また、銅、銀以外に例えばリチウムを使用することもできる。あるいはこれらの金属を単独で使用する代わりに、２種類あるいは３種類以上を混合して使用してもよい。
【００４６】
図１０（ａ）は、銀薄膜の膜厚が２ナノメートル、酸化タンタルの膜厚が２０ナノメートル、ソース電極とドレイン電極を分離絶縁する酸化シリコン（ＳｉＯ２）の膜厚が１０ナノメートルの場合の動作結果である。ゲート電圧を０Ｖから３Ｖまで掃引する間、２．４Ｖでドレイン電流が急峻な上昇を示している。一方、ゲート電圧を３Ｖから０Ｖに掃引する間、２．０Ｖでドレイン電流が急激に小さくなっており、揮発性のオン・オフ動作が実現されている。
【００４７】
このようにして測定した揮発性動作に必要なゲート電圧値を、酸化タンタルの膜厚が２０ナノメートル、ソース電極とドレイン電極を分離絶縁する酸化シリコン（ＳｉＯ２）の膜厚が１０ナノメートルの場合について、銀薄膜の膜厚を変えた素子を作製して測定した結果、図１０（ｂ）に示す測定結果が得られた。この結果から、銀薄膜の膜厚が薄い場合には、酸化タンタル中に供給可能な銀イオンの量が少ないため、過飽和状態を実現するために必要な臨界電界、すなわち、ゲート電圧が大きくなることがわかる。同様にして、不揮発性のオン状態を実現するためのゲート電圧値を測定した結果、銀薄膜の厚さに依存して必要なゲート電圧値が変化することがわかった（図１０（ｃ））。
【００４８】
なお、以上の実施例では、素子作製時に銀または銅の金属イオン供給源の薄膜をイオン伝導体薄膜上に形成したが、イオン伝導体薄膜を製膜する際に同時に蒸着するなどして、あらかじめ取り込んでおいてもよい。要は、過飽和状態を実現しうる金属イオンが素子構造中に存在していることが本発明を実施する上では必要であるということである。
【００４９】
また、金属イオン供給源をイオン伝導体薄膜中に予め取り込んでおく際には、このような金属イオンは当初からイオンの形態で取り込んでおくのが望ましい。例えば、銅原子（イオン）は、酸化タンタル中では、酸化タンタルの格子中に（中性の原子としてではなく）イオンとして存在すると考えられる。銅と酸化タンタルを同時に成膜することによって、酸化タンタル中に銅がイオンとして含まれる薄膜の形成が可能である。
【００５０】
また、上記では、イオン伝導体材料として酸化タンタルを用いて実施例を示してきたが、金属イオンの拡散を実現できる材料であれば、酸化タンタル以外のイオン伝導体材料でも本発明を実施できることは言うまでもない。このようなイオン伝導体材料としては、これに限定するものではないが、例えばチタン酸化物、タングステン酸化物などの金属酸化物、シリコン酸化物、あるいはこれらの酸化物の２種、あるいは３種以上の混合物とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、オン・オフ動作に適した、制御しやすく信頼性の高い電気化学トランジスタが提供される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５２】
【特許文献１】特許第４１５６８８０号「電界効果トランジスタ」
【特許文献２】特開２００６-３３９６６７「スイッチング素子、書き換え可能な論理集積回路およびメモリ素子」
【非特許文献】
【００５３】
【非特許文献１】Physics of Semiconductor Devices (S. M. Sze著、Wiley Inter-Science)
【非特許文献２】「固体電解質を用いた３端子型ナノメートル金属スイッチ」電気学会論文誌Ｃ、128(6), 890-895 (2008)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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