(57)【要約】【課題】  ヘテロ接合を利用した素子の特性を好適に制御することが可能なヘテロ接合素子、ヘテロ接合素子モジュール、及びヘテロ接合素子の制御方法を提供する。【解決手段】  電子がドープされた遷移金属酸化物からなる第１酸化物結晶であるｎ型のＴｉ酸化物基板（例えばＮｂ：ＳｒＴｉＯ３基板）１０と、正孔がドープされた遷移金属酸化物からなる第２酸化物結晶であるｐ型のＭｎ酸化物薄膜（例えばＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３−δ薄膜）２１〜２３とによって、酸化物ヘテロ接合構造を有するヘテロ接合素子１Ａを構成する。そして、そのヘテロ接合構造に対して所定の方向に磁場を印加することによって、ヘテロ接合面における空乏層の厚さを制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子がドープされた遷移金属酸化物からなるｎ型の第１酸化物結晶と、
正孔がドープされた遷移金属酸化物からなり、前記第１酸化物結晶とヘテロ接合を形成するｐ型の第２酸化物結晶とを備え、
前記第１酸化物結晶及び前記第２酸化物結晶は、所定の方向に磁場を印加することによって、前記ヘテロ接合面における空乏層の厚さを制御することが可能に構成されていることを特徴とするヘテロ接合素子。
【請求項２】
前記第１酸化物結晶は、ｎ型不純物によって電子がドープされたＴｉ酸化物結晶からなることを特徴とする請求項１記載のヘテロ接合素子。
【請求項３】
前記第２酸化物結晶は、Ａサイト置換によって正孔がドープされたＭｎ酸化物結晶からなることを特徴とする請求項１または２記載のヘテロ接合素子。
【請求項４】
前記第２酸化物結晶は、所定量の酸素欠損を含むＭｎ酸化物結晶からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のヘテロ接合素子。
【請求項５】
前記第１酸化物結晶に電気的に接続された第１電極、及び前記第２酸化物結晶に電気的に接続された第２電極を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のヘテロ接合素子。
【請求項６】
電子がドープされた遷移金属酸化物からなり、前記第１酸化物結晶とは反対側で前記第２酸化物結晶とヘテロ接合を形成するｎ型の第３酸化物結晶を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のヘテロ接合素子。
【請求項７】
正孔がドープされた遷移金属酸化物からなり、前記第２酸化物結晶とは反対側で前記第１酸化物結晶とヘテロ接合を形成するｐ型の第４酸化物結晶を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載のヘテロ接合素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項記載のヘテロ接合素子と、
前記第１酸化物結晶及び前記第２酸化物結晶に対して、前記所定の方向に磁場を印加するための磁場印加手段と
を備えることを特徴とするヘテロ接合素子モジュール。
【請求項９】
電子がドープされた遷移金属酸化物からなるｎ型の第１酸化物結晶と、
正孔がドープされた遷移金属酸化物からなり、前記第１酸化物結晶とヘテロ接合を形成するｐ型の第２酸化物結晶とを備えるヘテロ接合素子を用い、
前記第１酸化物結晶及び前記第２酸化物結晶に対して所定の方向に磁場を印加することによって、前記ヘテロ接合面における空乏層の厚さを制御することを特徴とするヘテロ接合素子の制御方法。
【請求項１０】
前記第１酸化物結晶は、ｎ型不純物によって電子がドープされたＴｉ酸化物結晶からなることを特徴とする請求項９記載のヘテロ接合素子の制御方法。
【請求項１１】
前記第２酸化物結晶は、Ａサイト置換によって正孔がドープされたＭｎ酸化物結晶からなることを特徴とする請求項９または１０記載のヘテロ接合素子の制御方法。
【請求項１２】
前記第２酸化物結晶は、所定量の酸素欠損を含むＭｎ酸化物結晶からなることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項記載のヘテロ接合素子の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物結晶のヘテロ接合を利用したヘテロ接合素子、ヘテロ接合素子モジュール、及びヘテロ接合素子の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＴｂＭｎＯ３結晶やＴｂＭｎ２Ｏ５結晶などの強磁性と強誘電性とを併せ持つ磁性誘電体材料について、磁場によって誘電特性を制御できることが知られている（非特許文献１、２参照）。また、ＳｉやＧａＡｓなどの半導体材料の分野では、例えば、ＭｎをＧａＡｓにドープした半導体材料を用いた磁場に応答する素子が提案されている（非特許文献３参照）。
【０００３】
また、ヘテロ接合面を利用して素子の電気容量を磁場で制御した例として、Ｐｄ−ＡｌＯｘ−Ａｌ薄膜構造を用いた例が報告されている。この磁場による電気容量の制御は、常磁性体Ｐｄのｄバンドのゼーマン分裂による効果として説明されている（非特許文献４参照）。
【非特許文献１】T. Kimura et al., "Magnetic control of ferroelectric polarization", Nature Vol.426, pp.55-58 (2003)
【非特許文献２】N. Hur et al., "Electric polarization reversal and memory in a multiferroic material induced by magnetic fields", Nature Vol.429, pp.392-395 (2004)
【非特許文献３】M. Yamanouchi et al., "Current-induced domain-wall switching in a ferromagnetic semiconductor structure", Nature Vol.428, pp.539-542 (2004)
【非特許文献４】K. T. McCarthy et al., "Magnetocapacitance: Probe of Spin-Dependent Potentials", Phys. Rev. Lett. Vol.90, pp.117201-1-117201-4 (2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した素子のうち、磁性誘電体材料を用いて磁場によって誘電特性を制御する素子構造では、磁性誘電体材料はほとんどがバルク材料であり、実際に集積回路上で素子として機能させるにはそのサイズを小型化する必要がある。しかしながら、そのように素子を小型化した場合、バルク体と同様の特性を示すかどうかは不明である。一方、磁場によるゼーマン分裂に起因する誘電特性の変化が観測されているＰｄ−ＡｌＯｘ−Ａｌ薄膜構造では、その変化量が７Ｔの磁場下で０．１８％程度と非常に小さくなっている。
【０００５】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、ヘテロ接合を利用した素子の特性を好適に制御することが可能なヘテロ接合素子、ヘテロ接合素子モジュール、及びヘテロ接合素子の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的を達成するために、本発明によるヘテロ接合素子は、（１）電子がドープされた遷移金属酸化物からなるｎ型の第１酸化物結晶と、（２）正孔がドープされた遷移金属酸化物からなり、第１酸化物結晶とヘテロ接合を形成するｐ型の第２酸化物結晶とを備え、（３）第１酸化物結晶及び第２酸化物結晶は、所定の方向に磁場を印加することによって、ヘテロ接合面における空乏層の厚さを制御することが可能に構成されていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明によるヘテロ接合素子の制御方法は、（ａ）電子がドープされた遷移金属酸化物からなるｎ型の第１酸化物結晶と、（ｂ）正孔がドープされた遷移金属酸化物からなり、第１酸化物結晶とヘテロ接合を形成するｐ型の第２酸化物結晶とを備えるヘテロ接合素子を用い、（ｃ）第１酸化物結晶及び第２酸化物結晶に対して所定の方向に磁場を印加することによって、ヘテロ接合面における空乏層の厚さを制御することを特徴とする。
【０００８】
上記したヘテロ接合素子及びその制御方法においては、ｎ型の導電性を有する第１酸化物結晶と、ｐ型の導電性を有する第２酸化物結晶とによってヘテロ接合を形成した構造を用いている。そして、このような構造でｐｎヘテロ接合面に形成される空乏層に対し、所定の方向（例えばヘテロ接合面に垂直な方向）に磁場を印加して、空乏層の厚さを変化させている。
【０００９】
このように、ヘテロ接合面での空乏層の厚さを磁場によって制御することにより、ヘテロ接合を利用した素子の特性を充分な範囲で好適に制御することが可能となる。また、このような構成では、酸化物結晶の薄膜等を利用することにより、素子の小型化が可能である。なお、上記のように空乏層の厚さを制御することによって変化する具体的な特性としては、例えば素子の電気容量がある。
【００１０】
ここで、ヘテロ接合素子及びその制御方法においては、第１酸化物結晶は、ｎ型不純物によって電子がドープされたＴｉ酸化物結晶からなることが好ましい。ｎ型の酸化物結晶としてＴｉ（チタン）酸化物結晶を用いることにより、上記構成のヘテロ接合素子を好適に実現することができる。このようなＴｉ酸化物結晶としては、例えば、Ｎｂ（ニオブ）が微量にドープされたＳｒＴｉＯ３結晶を用いることが好ましい。
【００１１】
一方、第２酸化物結晶は、Ａサイト置換によって正孔がドープされたＭｎ酸化物結晶からなることが好ましい。ｐ型の酸化物結晶としてペロブスカイト型の結晶構造を有するＭｎ（マンガン）酸化物結晶を用いることにより、上記構成のヘテロ接合素子を好適に実現することができる。また、第２酸化物結晶は、所定量の酸素欠損を含むＭｎ酸化物結晶からなることとしても良い。
【００１２】
第１酸化物結晶及び第２酸化物結晶を含む全体の素子構造については、第１酸化物結晶に電気的に接続された第１電極、及び第２酸化物結晶に電気的に接続された第２電極を備える構成としても良い。このような構成では、第１、第２電極間での電気的特性（例えば電気容量）を好適に制御可能なヘテロ接合素子が実現される。
【００１３】
また、ヘテロ接合素子は、第１酸化物結晶及び第２酸化物結晶に加えて、電子がドープされた遷移金属酸化物からなり、第１酸化物結晶とは反対側で第２酸化物結晶とヘテロ接合を形成するｎ型の第３酸化物結晶を備える構成としても良い。あるいは、ヘテロ接合素子は、第１酸化物結晶及び第２酸化物結晶に加えて、正孔がドープされた遷移金属酸化物からなり、第２酸化物結晶とは反対側で第１酸化物結晶とヘテロ接合を形成するｐ型の第４酸化物結晶を備える構成としても良い。
【００１４】
本発明によるヘテロ接合素子モジュールは、上記したヘテロ接合素子と、ヘテロ接合素子の第１酸化物結晶及び第２酸化物結晶に対して、所定の方向に磁場を印加するための磁場印加手段とを備えることを特徴とする。このように、磁場印加手段を用いてヘテロ接合素子に対して磁場を印加することにより、素子の特性を充分な範囲で好適に制御することが可能なヘテロ接合素子モジュールが実現される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によるヘテロ接合素子、ヘテロ接合素子モジュール、及びヘテロ接合素子の制御方法によれば、ｎ型の第１酸化物結晶とｐ型の第２酸化物結晶とによってヘテロ接合を形成した構造を用いるとともに、所定の方向に磁場を印加して空乏層の厚さを制御することにより、ヘテロ接合を利用した素子の特性を充分な範囲で好適に制御することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面とともに本発明によるヘテロ接合素子、ヘテロ接合素子モジュール、及びヘテロ接合素子の制御方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１７】
図１は、本発明によるヘテロ接合素子の一実施形態の構成を示す側面断面図である。本実施形態によるヘテロ接合素子１Ａは、ｎ型の酸化物基板１０と、基板１０上に形成されたｐ型の酸化物薄膜２１、２２、２３とからなる酸化物結晶の積層体によって構成されている。
【００１８】
基板１０は、電子がドープされた遷移金属酸化物からなるｎ型の第１酸化物結晶であるＴｉ（チタン）酸化物結晶からなる。この基板１０としては、具体的には例えば、ｎ型不純物であるＮｂが所定のドープ量でドープされ、そのペロブスカイト型の結晶構造における（１００）面を表面とするＮｂ：ＳｒＴｉＯ３（１００）基板を用いることができる。
【００１９】
薄膜２１〜２３は、正孔がドープされた遷移金属酸化物からなるｐ型の第２酸化物結晶であるＭｎ（マンガン）酸化物結晶からなり、ｎ型のＴｉ酸化物基板１０の（１００）面上に形成されている。この薄膜２１〜２３としては、具体的には例えば、Ａサイト置換によって正孔がドープされるとともに、所定量の酸素欠損を含むＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３−δ薄膜を用いることができる。また、図１に示した構成例においては、このｐ型のＭｎ酸化物薄膜は３つの薄膜部分２１〜２３に分割されて基板１０上に形成されている。
【００２０】
図１に示したヘテロ接合素子１Ａにおいては、これらのｎ型半導体であるＴｉ酸化物基板（第１酸化物結晶）１０と、ｐ型半導体であるＭｎ酸化物薄膜（第２酸化物結晶）２１〜２３とによって、酸化物結晶のヘテロ接合が形成されている。このような構成では、基板１０と薄膜２１〜２３とのｐｎヘテロ接合面及びその近傍において、所定の厚さで空乏層が形成される。
【００２１】
本ヘテロ接合素子１Ａは、基板１０及び薄膜２１〜２３に対して所定の方向（例えば基板１０と薄膜２１〜２３とのヘテロ接合面に垂直な方向）に磁場を印加し、印加する磁場の大きさによって空乏層の厚さを変化させるヘテロ接合素子の制御方法を適用可能に構成されている。なお、図１中においては、磁場の印加方向の例として、ヘテロ接合面に垂直な磁場の印加方向を矢印によって示している。また、磁場による空乏層の厚さの変化を２つの異なる厚さｔ１、ｔ２によって模式的に示している。
【００２２】
Ｔｉ酸化物基板１０の下面側には、基板１０に電気的に接続された第１電極１５がｎ側電極として設けられている。この電極１５は、例えば基板１０の下面上にＡｌ（アルミニウム）などの金属材料を蒸着することによって形成される。また、Ｍｎ酸化物薄膜２１〜２３のそれぞれの上面側には、薄膜２１〜２３に電気的に接続された第２電極２６〜２８がｐ側電極として設けられている。この電極２６〜２８は、例えば薄膜２１〜２３の上面上にＡｕ（金）などの金属材料を蒸着することによって形成される。
【００２３】
上記したヘテロ接合素子及びその制御方法においては、ｎ型のＴｉ酸化物基板１０と、ｐ型のＭｎ酸化物薄膜２１〜２３とによるヘテロ接合に対して所定の方向に磁場を印加することによって、ヘテロ接合面における空乏層の厚さを制御する。これにより、ヘテロ接合を利用した素子１Ａの特性を充分な範囲で好適に制御することが可能となる。また、このような構成では、酸化物結晶の薄膜等を利用することにより、素子１Ａの小型化が可能である。このことは、実際に集積回路上で素子として機能させる上で有用である。
【００２４】
このような素子構造は、一般には、電子がドープされた遷移金属酸化物からなるｎ型の第１酸化物結晶と、正孔がドープされた遷移金属酸化物からなり、第１酸化物結晶とヘテロ接合を形成するｐ型の第２酸化物結晶とによって構成することができる。
【００２５】
すなわち、ｎ型半導体として機能する電子ドープ遷移金属酸化物結晶と、ｐ型半導体として機能する正孔ドープ遷移金属酸化物結晶とによってヘテロ接合を形成すると、そのｐｎヘテロ接合面において空乏層が形成される。そして、このような酸化物ヘテロ接合構造において、所定の方向に磁場を印加することにより、発生する空乏層の厚さを変化させることができる。これにより、ヘテロ接合素子に対して印加する磁場の大きさを制御することによって、素子の特性を所望の特性に制御することが可能となる。ヘテロ接合構造に対する磁場の印加方向については、上記したヘテロ接合面に垂直な方向に限らず、例えばヘテロ接合面に水平な方向など、他の方向を磁場の印加方向としても良い。
【００２６】
なお、酸化物ヘテロ接合を構成する第１、第２酸化物結晶の組合せについては、それぞれの結晶構造、及び磁場に対する応答特性等を考慮して適宜選択すれば良い。また、このような構成では、第１、第２酸化物結晶のそれぞれにおける電子のドープ量、正孔のドープ量の設定により、ヘテロ接合面における空乏層の厚さ、及びその磁場依存性の大きさ等を制御することが可能である。また、酸化物ヘテロ接合におけるダイオード特性及びその磁場による変調は、例えば文献 J. R. Sun et al., "Effects of magnetic field on the manganite-based bilayer junction", Appl. Phys. Lett. Vol.84, pp.1528-1530 (2004) に一部報告されている。
【００２７】
また、上記のように空乏層の厚さを制御することによって変化する具体的な特性としては、例えば素子の電気容量がある。この場合、酸化物ヘテロ接合を利用して、素子の電気容量を磁場によって大きく変調することができる。したがって、このようなヘテロ接合素子をコンデンサとして回路に組み込むことにより、例えば回路の共振周波数を磁場によって変調することが可能となる。すなわち、上記構成のヘテロ接合素子は、磁場によって電気容量を連続的かつ広い範囲で変調することが可能なことから、例えば、電波信号を受信する際に、アンテナが感知する信号の中から所望の周波数の信号を共振回路で抽出するような場合において有用である。
【００２８】
また、図１に示したヘテロ接合素子１Ａでは、Ｔｉ酸化物基板１０及びＭｎ酸化物薄膜２１〜２３を含む全体の素子構造について、基板１０に対する第１電極１５、及び薄膜２１〜２３に対する第２電極２６〜２８を備える構成としている。このように電極を設けた構成では、第１電極１５と第２電極２６〜２８との間での電気的特性（例えば電気容量）を好適に制御可能なヘテロ接合素子１Ａが得られる。なお、Ｍｎ酸化物結晶については、電極材料として金を用いることにより、整流作用を示さないオーミックな接合を作成することができる。
【００２９】
ｎ型の第１酸化物結晶としては、具体的には、図１にＴｉ酸化物基板１０を例示したように、ｎ型不純物によって電子がドープされたＴｉ酸化物結晶を用いることが好ましい。このような結晶を用いることにより、上記構成のヘテロ接合素子、及びその接合面での空乏層の厚さの磁場による制御を好適に実現することができる。このＴｉ酸化物結晶としては、例えば、Ｎｂなどのｎ型不純物が微量にドープされたＳｒＴｉＯ３結晶を用いることが好ましい。ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）結晶は、ペロブスカイト型の酸化物結晶の薄膜を作成するための基板として広く用いられているものである。
【００３０】
一方、ｐ型の第２酸化物結晶としては、具体的には、図１にＭｎ酸化物薄膜２１〜２３を例示したように、Ａサイト置換によって正孔がドープされたＭｎ酸化物結晶を用いることが好ましい。このような結晶を用いることにより、上記構成のヘテロ接合素子、及びその接合面での空乏層の厚さの磁場による制御を好適に実現することができる。また、第２酸化物結晶としては、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３−δ薄膜に関して上述したように、所定量の酸素欠損を含むＭｎ酸化物結晶を用いることとしても良い。第２酸化物結晶中に酸素欠損が存在する場合、キャリアとしての電子の発生、結晶構造による不規則性などによって、磁場に対する応答性が向上すると考えられる。
【００３１】
ここで、ペロブスカイト型の結晶構造を有するＭｎ酸化物結晶は、超巨大磁気抵抗効果を示す結晶である。また、Ｍｎ酸化物結晶については、Ａサイト置換による正孔のドープ量、あるいは酸素欠損量を変化させることによりその電気・磁気特性が変化し、また、それに伴って磁気抵抗効果を示す温度領域が変化する。
【００３２】
ｎ型のＴｉ酸化物基板１０上にｐ型のＭｎ酸化物薄膜２１〜２３を形成した図１の素子１Ａの構成では、空乏層の厚さの変化の例を厚さｔ１、ｔ２によって模式的に示したように、磁場を印加することによって主にＭｎ酸化物薄膜２１〜２３の特性が変化し、薄膜２１〜２３側で空乏層の厚さが変化する。また、Ｍｎ酸化物結晶での正孔のドープ量を制御することにより、磁場に対して空乏層の厚さが応答する温度領域を変化させることも可能である。
【００３３】
具体的には、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３−δ結晶などのＭｎ酸化物結晶では、スピンが揃った状態では絶縁体状態よりも金属的状態の方がエネルギー的に安定する。また、ヘテロ接合面での空乏層の厚さは、自由キャリアの濃度が高くなると減少する。したがって、上記構成のヘテロ接合素子に対して所定の方向に磁場を印加すると、Ｍｎ酸化物結晶中で電気伝導に寄与するキャリア数が増加し、それに伴って空乏層の厚さが減少する。
【００３４】
また、ヘテロ接合面での全空乏層は、ｎ型のＴｉ酸化物結晶中の空乏層領域、及びｐ型のＭｎ酸化物結晶中の空乏層領域からなる。このような構成では、磁場によって主に変調されるＭｎ酸化物結晶中の空乏層領域が同じであれば、Ｔｉ酸化物結晶中の空乏層領域が狭い方が全体としての空乏層の厚さの磁場依存性、及びそれに伴う素子の電気容量等の磁場依存性は大きくなる。ヘテロ接合素子の具体的な構成については、このような特性をも考慮して、各酸化物結晶の酸化物材料、及び電子あるいは正孔のドープ量等を設定することが好ましい。
【００３５】
図２は、図１に示したヘテロ接合素子１Ａを用いたヘテロ接合素子モジュールの構成の一例を示す側面断面図である。本ヘテロ接合素子モジュール３は、図１に示した構成を有するヘテロ接合素子１Ａと、ヘテロ接合素子１Ａを収容して所定温度に保持するデュワー３０と、デュワー３０中に設置された電磁石３２とを備えている。
【００３６】
これらのうち、電磁石３２は、第１酸化物結晶であるｎ型の基板１０、及び第２酸化物結晶であるｐ型の薄膜２１〜２３によって構成されるヘテロ接合素子１Ａ（図１参照）に対して、所定の方向に磁場を印加するための磁場印加手段である。このように、電磁石３２などの磁場印加手段を用いてヘテロ接合素子１Ａに対して磁場を印加することにより、素子１Ａの特性を充分な範囲で好適に制御することが可能なヘテロ接合素子モジュール３が実現される。図２においては、電磁石３２により、ヘテロ接合素子１Ａに対して、そのヘテロ接合面に垂直な方向に磁場を印加している。
【００３７】
なお、図２に示した構成のうち、デュワー３０及び電磁石３２としては、具体的には例えば、ＰＰＭＳ（Physical Property Measurement System：物理特性測定システム、Quantum Design 社）を用いることができる。また、図２においては、ヘテロ接合素子１Ａに対し、その特性を測定するための半導体パラメータアナライザ３６及びＬＣＲメータ３７が接続されている。半導体パラメータアナライザ３６は、素子１Ａの電流−電圧特性等を測定する際に用いられる。また、ＬＣＲメータ３７は、素子１Ａの電気容量等を測定する際に用いられる。
【００３８】
次に、上記構成のヘテロ接合素子及びその制御方法を用いた素子の特性の制御の具体的な実施例について説明する。本実施例では、図１に示した構成において、ｎ型のＴｉ酸化物基板としてＮｂをドープしたＳｒＴｉＯ３（１００）基板を用いた。そして、その基板上にレーザアブレーション法によってｐ型のＭｎ酸化物薄膜としてＬａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３−δ薄膜を堆積して、ペロブスカイト型の遷移金属酸化物結晶によるＬａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３−δ／Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ３の酸化物ヘテロ接合を作成した。
【００３９】
また、ヘテロ接合素子の作成時において、Ｍｎ酸化物薄膜の作成条件として極端な還元雰囲気を採用し、Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３−δ薄膜中に多量の酸素欠損を導入した。さらに、Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ３基板の下面にはアルミニウムを蒸着して第１電極を形成し、Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３−δ薄膜の上面には金を蒸着して第２電極を形成するとともに、これらの電極を用いて素子の電流−電圧特性、及び電気容量の温度、磁場依存性等について測定を行った。
【００４０】
図３は、ヘテロ接合素子の電流−電圧特性の磁場依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はバイアス電圧（Ｖ）を示し、縦軸は電流密度（１０−２Ａ／ｃｍ２）を示している。ここでは、ヘテロ接合素子に印加する磁場の大きさを０Ｔ、２Ｔ、４Ｔ、６Ｔ、８Ｔと変化させ、そのそれぞれについての電流−電圧特性の測定結果を示している。また、測定時の温度については、１０Ｋで一定としている。
【００４１】
図３に示すように、ヘテロ接合素子に対して接合面に垂直な方向に磁場を印加することにより、磁場の大きさが大きくなるにしたがって、その電流−電圧特性が低バイアス側にシフトした。
【００４２】
図４は、ヘテロ接合素子の導電性の磁場依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は磁場（Ｔ）を示し、縦軸は微分電流ｄＪ／ｄＶ（Ｓ／ｃｍ２）を示している。ここでは、温度＝１０Ｋ、４０Ｋ、１００Ｋのそれぞれについて導電性の磁場依存性を示している。また、バイアス電圧については、磁場８Ｔで０．０２Ａ／ｃｍ２の電流が流れる電圧（図３中に矢印で示す電圧）で一定に設定している。この電圧は、温度＝１０Ｋでは０．７６Ｖ、４０Ｋでは０．７１Ｖ、１００Ｋでは０．５９Ｖである。
【００４３】
図４に示すように、温度＝１０Ｋでは、固定された順バイアス電圧の条件下において、磁場によって素子の導電性が指数関数的に変化し、そのヘテロ接合における微分電流値は８Ｔの磁場で２桁変化した。また、この導電性の磁場依存性については、４０Ｋ、１００Ｋと温度が高くなるにしたがって、磁場による変化が小さくなっていることがわかる。なお、このグラフでは、例えば温度＝１０Ｋについて、導電性の磁場依存性が若干ずれた複数のグラフが示されているが、これは磁場依存性のヒステリシスによるものである。
【００４４】
図５は、ヘテロ接合素子の電気容量の磁場依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は磁場（Ｔ）を示し、縦軸は電気容量（μＦ／ｃｍ２）を示している。ここでは、図４と同様に、温度＝１０Ｋ、４０Ｋ、１００Ｋのそれぞれについて電気容量の磁場依存性を示している。
【００４５】
図５に示すように、ヘテロ接合素子に対して磁場を印加することにより、素子の電気容量について大きい磁場依存性が観測された。これは、ヘテロ接合面での空乏層の厚さの変化によるものである。この測定結果から、上記したようにヘテロ接合面での空乏層の厚さを磁場によって制御することにより、電気容量などの素子の特性を充分な範囲で好適に制御可能であることが理解される。
【００４６】
図６は、ヘテロ接合素子の磁場による電気容量の変化量の温度依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は温度（Ｋ）を示し、縦軸は電気容量の変化量を示している。ここで、電気容量の変化量は、磁場が０Ｔの状態と、８Ｔの状態との間での電気容量Ｃの変化率（Ｃ８Ｔ−Ｃ０Ｔ）／Ｃ０Ｔによって示している。また、ここでは、ｎ型のＮｂ：ＳｒＴｉＯ３基板でのＮｂのドープ量が０．５重量％、及び０．０１重量％の２つの場合について電気容量の変化量の温度依存性を示している。
【００４７】
図６に示すように、例えばドープ量が０．５重量％のＮｂ：ＳｒＴｉＯ３基板を用いたヘテロ接合素子では、磁場８Ｔで１２０％近い電気容量の変化量が得られている。また、Ｎｂのドープ量が０．５重量％の場合と、０．０１重量％の場合とを比較すると、０．５重量％の場合の方が電気容量の変化量が大きくなっている。これは、ドープ量が０．５重量％のＮｂ：ＳｒＴｉＯ３基板の方が基板中の空乏層領域が狭く、酸化物ヘテロ接合構造の全体として、空乏層の厚さの磁場依存性が大きくなっているためである。
【００４８】
なお、本願発明者による測定結果によれば、図１に示した構成のヘテロ接合素子においては、ヘテロ接合の電気抵抗が室温以上で急激に低下する。図７は、ヘテロ接合素子の電流−電圧特性の温度依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はバイアス電圧（Ｖ）を示し、縦軸は電流密度（１０−３Ａ／ｃｍ２）を示している。ここでは、２００Ｋ〜４００Ｋの温度範囲について磁場が０Ｔの状態での電流−電圧特性の温度依存性を示している。また、ここでは、Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３−δ薄膜中に酸素欠損を導入しない構成としている。
【００４９】
図７に示すように、上述した酸化物ヘテロ接合構造においては、ヘテロ接合の電気抵抗が室温以上で急激に低下する。したがって、このようなヘテロ接合素子を特定の素子に対して並列に接続した場合、本ヘテロ接合素子を温度上昇の際の保護回路として機能させることが可能である。
【００５０】
図８は、本発明によるヘテロ接合素子の他の実施形態の構成を示す側面断面図である。本実施形態によるヘテロ接合素子１Ｂは、ｎ型の第１酸化物結晶６１、ｐ型の第２酸化物結晶７０、及びｎ型の第３酸化物結晶６２がこの順で接続された３端子素子であるｎｐｎトランジスタとして構成されている。
【００５１】
ｎ型の第１酸化物結晶６１は、例えばＬａ：ＳｒＴｉＯ３結晶からなり、その図中の左面側にはエミッタ（Ｅ）電極として機能する第１電極６６が形成されている。また、第１酸化物結晶６１とヘテロ接合を形成するｐ型の第２酸化物結晶７０は、例えばＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３−δ結晶からなり、その下面側にはベース（Ｂ）電極として機能する第２電極７５が形成されている。また、第１酸化物結晶６１とは反対側で第２酸化物結晶７０とヘテロ接合を形成するｎ型の第３酸化物結晶６２は、例えばＮｂ：ＳｒＴｉＯ３結晶からなり、その右面側にはコレクタ（Ｃ）電極として機能する第３電極６７が形成されている。
【００５２】
このような構成では、図８中に厚さｔ６、ｔ７によって模式的に示すように、ｎｐｎトランジスタのベース部を構成する第２酸化物結晶７０の第１、第３酸化物結晶６１、６２とのヘテロ接合面のそれぞれにおいて、空乏層の厚さが磁場によって変化する。これにより、特性を充分な範囲で好適に制御することが可能なｎｐｎトランジスタが実現される。
【００５３】
本発明によるヘテロ接合素子及びその制御方法は、上記した実施形態及び実施例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、ｎ型の第１酸化物結晶及びｐ型の第２酸化物結晶に用いられる酸化物材料については、上記したＮｂ：ＳｒＴｉＯ３結晶及びＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３−δ結晶以外にも、様々な酸化物材料、及びその組合せを用いることが可能である。
【００５４】
また、ヘテロ接合素子の具体的な構成については、図１に示した構成、及び図８に示したｎｐｎトランジスタの構成に限らず、様々な構成を用いて良い。例えば、ｎ型の第１酸化物結晶及びｐ型の第２酸化物結晶に対し、第２酸化物結晶とは反対側で第１酸化物結晶とヘテロ接合を形成するｐ型の第４酸化物結晶を設ける構成としても良い。この場合、ヘテロ接合素子はｐｎｐトランジスタとして構成される。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、酸化物結晶のヘテロ接合を利用した素子の特性を好適に制御することが可能なヘテロ接合素子、ヘテロ接合素子モジュール、及びヘテロ接合素子の制御方法として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】ヘテロ接合素子の一実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図２】図１に示したヘテロ接合素子を用いたヘテロ接合素子モジュールの構成の一例を示す側面断面図である。
【図３】ヘテロ接合素子の電流−電圧特性の磁場依存性を示すグラフである。
【図４】ヘテロ接合素子の導電性の磁場依存性を示すグラフである。
【図５】ヘテロ接合素子の電気容量の磁場依存性を示すグラフである。
【図６】ヘテロ接合素子の磁場による電気容量の変化量の温度依存性を示すグラフである。
【図７】ヘテロ接合素子の電流−電圧特性の温度依存性を示すグラフである。
【図８】ヘテロ接合素子の他の実施形態の構成を示す側面断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１Ａ…ヘテロ接合素子、１０…ｎ型のＴｉ酸化物基板（Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ３基板）、１５…第１電極、２１〜２３…ｐ型のＭｎ酸化物薄膜（Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３−δ薄膜）、２６〜２８…第２電極、３…ヘテロ接合素子モジュール、３０…デュワー、３２…電磁石（磁場印加手段）、３６…半導体パラメータアナライザ、３７…ＬＣＲメータ、
１Ｂ…ヘテロ接合素子、６１、６２…ｎ型のＴｉ酸化物結晶、６６…第１電極、６７…第３電極、７０…ｐ型のＭｎ酸化物結晶、７５…第２電極。
【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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