(57)【要約】電界効果トランジスタは、５０ｎｍ以下の膜厚を有し、０℃以上で強磁性を示すＢａ系Ｍｎ酸化物からなる強磁性層と、誘電体または強誘電体からなる誘電体層とが接合されてなっている。これにより、０℃以上で、磁性、電気輸送特性および／または磁気抵抗効果を制御することができる。
2004023563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
５０ｎｍ以下の膜厚を有し、０℃以上で強磁性を示すＢａ系Ｍｎ酸化物からなる強磁性層と、
誘電体または強誘電体からなる誘電体層とが接合されてなることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２】
上記強磁性層が
（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３
（ただし、ｘは、０．０５＜ｘ＜０．３の関係を満たす）
で示すＢａ系Ｍｎ酸化物からなることを特徴とする請求項１記載の電界効果トランジスタ。
【請求項３】
上記強磁性層が
（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３
（ただし、ｘは、０．１０＜ｘ＜０．３の関係を満たす）
で示すＢａ系Ｍｎ酸化物からなることを特徴とする請求項１記載の電界効果トランジスタ。
【請求項４】
上記誘電体または強誘電体は、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）ＴｉＯ３（ただし、ｙは、０＜ｙ＜１の関係を満たす）、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ１−ｚＴｉｚ）ＴｉＯ３（ただし、ｚは、０＜ｚ＜１の関係を満たす）、または、Ａｌ２Ｏ３であることを特徴とする請求項１、２または３記載の電界効果トランジスタ。
【請求項５】
上記誘電体または強誘電体は、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）ＴｉＯ３（ただし、ｙは、０＜ｙ＜１の関係を満たす）、ＰｂＴｉＯ３、または、Ａｌ２Ｏ３であることを特徴とする請求項１、２または３記載の電界効果トランジスタ。
【請求項６】
ボトムゲート構造を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、電界効果トランジスタ、特に、電界で書込みが可能である磁気記録素子、新機能半導体−磁気集積回路、電界制御磁気アクチュエータ等に利用可能な電界効果トランジスタに関するものである。
【背景技術】  電子の流れを制御する半導体デバイスに加え、磁性の源であるスピンを半導体的手法により、制御するスピントロニクスが近年発展しつつある。そして、これらスピントロニクスの発展は、電圧を印加することで磁気半導体中のキャリア濃度の変化を利用させる強磁性のスイッチングを可能とし、電界で情報の書込みが可能な新規な磁気記録素子や、新機能半導体−磁気集積回路等を実現させることができると期待される。
強磁性を電界で制御する電界効果素子としては、例えば、（１）希薄磁性半導体を用いたもの報告されている（非特許文献１参照）。該報告では、希薄磁性体として（Ｉｎ，Ｍｎ）Ａｓを使用している。
また、他の電界効果素子としては、（２）Ｍｎ酸化物／強誘電体酸化物を用いたものも報告されている（例えば、非特許文献２〜４参照）。
【非特許文献１】  Ｈ．Ｏｈｎｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ  ４０８，９４４−９４６（２０００）
【非特許文献２】  Ｓ．Ｍａｔｈｅｗｓ  ｅｔ  ａｌ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２７６（１９９７）２３８
【非特許文献３】  Ｔ．Ｗｕ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８６（２００１）５９９８
【非特許文献４】  Ｓ．Ｂ  Ｏｇａｌｅ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７７（１９９６）１１５９
ところが、上記従来構成の電界効果素子では、磁性転移温度が低く、かつ、高電界を印加する必要がある、または、磁性転移温度変化がないという問題を生じている。
具体的には、上記（１）の希薄磁性半導体を用いた電界効果素子は、磁性転移温度が極低温（２２．５Ｋ＝−２５０℃）である。また、その際、磁性転移温度変化を得るためには、高電界を必要としており。具体的には、磁性転移温度変化（ΔＴｃ）は、１２５Ｖの高電界を印加したとき、１Ｋ（ΔＴｃ＝１Ｋ）である。さらには、上記構成の電界効果素子は、メモリ効果を有していない。
また、上記（２）のＭｎ酸化物／強誘電体酸化物を用いた場合では、上記構成の電界効果素子の多くは、磁性転移温度変化を示していない。また、磁性転移温度変化を示す化合物の場合でも、その磁性転移温度は低く、また、磁性転移温度変化の幅は小さい。具体的には、Ｖｅｎｋａｔｅｓａｎ（米国）のグループ（非特許文献２〜４参照）は、強磁性層として、（Ｌａ，Ａ）ＭｎＯ３（Ａ＝Ｓｒ，Ｃａ，Ｎｄ）を用いている。上記構成の強磁性層は、デバイスを作製する際に必要な薄膜化することにより、急激に磁性転移温度が減少することが知られている。従って、上記構成の電界効果素子は、例えば、室温付近で転移温度を制御することができない。一例としては、（Ｌａ，Ｃａ）ＭｎＯ３（５０ｎｍ）／ＳｒＴｉＯ３の電界効果型素子を用いた例について磁性転移温度変化が報告されているが、磁性転移温度変化は、５Ｖの電圧印加時でΔＴｃ＝１５０Ｋ＋３Ｋである。
従って、０℃以上で動作可能であり、かつ、従来と比べて低い電圧で動作が可能である電界効果トランジスタが望まれている。
【発明の開示】
本願発明者等は、上記の問題を鋭意検討した結果、十分な電界効果を得るために、最適な膜厚、Ｂａ原子の含有量、原子レベルでの平坦な界面を有するＢａ系Ｍｎ酸化物と、最適な残留分極値と絶縁性とを有する誘電体または強誘電体とを組合わせることにより、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明にかかる電界効果トランジスタは、上記の課題を解決するために、５０ｎｍ以下の膜厚を有し、０℃以上で強磁性を示すＢａ系Ｍｎ酸化物からなる強磁性層と、誘電体または強誘電体からなる誘電体層とが接合されてなることを特徴としている。
上記の構成によれば、本発明にかかる電界効果トランジスタは、強磁性層として、０℃以上で強磁性を示すＢａ系Ｍｎ酸化物、例えば、特定の組成を有するＢａ系Ｍｎ酸化物を用いている。そして、上記強磁性層と、誘電体または強誘電体層とを接合することで０℃以上の磁性転移温度を有する電界効果トランジスタを得ることができる。これにより、本発明のトランジスタを、従来と比べて、非常に高い温度、すなわち、０℃以上で動作させることができる。具体的には、０℃以上で、磁性、電気輸送特性および／または磁気抵抗効果を制御することができる。
また、Ｂａ系Ｍｎ酸化物は、例えば、希薄磁性半導体と比べて、電子間の相互作用が非常に強い「強相関電子系」である。従って、わずかなキャリア濃度の変化で物性が変化するため、例えば、希薄磁性半導体と比べて、低電圧での制御を行うことができる。
以上のように、本発明の電界効果トランジスタは、従来よりも、より低電圧、かつ、高温（０℃以上）で動作させることができる。
本発明の電界効果トランジスタは、ボトムゲート構造を有することがより好ましい。
上記ボトムゲート構造とは、チャネル層（強磁性層）である（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３層が、基板と接しておらず、かつ、一方の面が剥き出しになっている構造である。より具体的には、（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３層が、露出している構造である。
上記の構成によれば、ボトムゲート構造を有しているので、（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３層が基板と接していない。これにより、基板と（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３層との相互作用を無くすことができる。従って、０℃以上で強磁性を示すとともに、より一層広い磁性転移温度変化を得ることができる。
本発明のさらに他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十分わかるであろう。また、本発明の利益は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の実施の形態にかかる電界効果トランジスタの概略の構成を示す断面図である。
図２は、本発明の他の実施の形態にかかる電界効果トランジスタの概略の構成を示す斜視図である。
図３は、トップゲート型の電界効果トランジスタにゲートバイアス掃引を行ったときの、ソース−ドレイン抵抗の変化を示すグラフである。
図４は、トップゲート型の電界効果トランジスタの温度変化による、ソース−ドレイン抵抗の変化を示すグラフである。
図５は、ボトムゲート型の電界効果トランジスタの温度変化による、ソース−ドレイン抵抗の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】  〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について図１に基づいて説明すれば、以下の通りである。
本実施の形態にかかる電界効果トランジスタは、図１に示すように、強磁性層２、誘電体層１、ソース電極４、ゲート電極３およびドレイン電極５から構成されている。そして、上記強磁性層２は、基板上に形成されている。
具体的には、基板の上に強磁性層２が形成されており、基板の強磁性層２が形成されている面に誘電体層１が積層されている。すなわち、基板、強磁性層２、誘電体層１が、この順に積層されており、強磁性層２と誘電体層１とは接合（ヘテロ接合）されている。そして、誘電体層１には、ゲート電極３が設けられており、強磁性層２には、ソース電極４とドレイン電極５とが誘電体層１を挟んで設けられている。このとき、誘電体層１と強磁性層２とが接合している面積が、電界効果トランジスタとしての動作範囲となる。
基板は、表面に強磁性層２を、均一、かつ、平坦に形成することができるものであればよく、特に限定されるものではない。基板を構成する材料としては、具体的には、例えば、（Ｓｒ１−ｑＢａｑ）ＴｉＯ３（ただし、０≦ｑ≦１．０）、または、ＭｇＯ等の単結晶を好適に用いることができる。上記例示の基板のうち、ｑ＝０であるＳｒＴｉＯ３は、安価であり電気特性を制御しやすいため、一般に標準基板としてよく用いられているため、より好ましい。特に、単結晶ＳｒＴｉＯ３基板の（００１）面上に１００ｎｍ（１０００Å）以下の膜厚で強磁性層２を形成すると、そのキュリー温度は、バルク状態でのキュリー温度より上昇する傾向にあるのでより好ましい。また、上記例示の単結晶を用いることにより、上記基板上に強磁性層２を、例えば、レーザアブレーション法にて作成する際、強磁性層２の薄膜を容易に作成することができる。
強磁性層２は、強磁性体であるＢａ系Ｍｎ酸化物で構成されている。上記Ｂａ系Ｍｎ酸化物とは、ペロブスカイト構造を有する（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３を示す。
本実施の形態にかかるＢａ系Ｍｎ酸化物は、５０ｎｍ以下の膜厚を有し、０℃以上で強磁性を示している。
上記性質を示すＢａ系Ｍｎ酸化物としては、例えば、（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３（ただし、ｘは、０．０５＜ｘ＜０．３の関係を満たす）の組成が挙げられる。上記ｘの下限値としては、０．０５より大きいことが好ましく、０．１より大きいことがより好ましく、０．１５以上であることが特に好ましい。上記ｘが０．０５以下であると、キャリア濃度が不足し、良好な電気伝導が得られず強磁性体にならない。また、上記ｘを０．１以上より好ましくは０．１５以上とすることにより、０℃以上で強磁性を示すとともに、より一層広い磁性転移温度変化を得ることができる。
一方、上記ｘの上限値としては、０．３より小さいことが好ましく、０．２以下であることがより好ましい。上記ｘが０．３以上であると、膜厚を５０ｎｍ以下にした場合、０℃以上で強磁性を示さないので、電界効果トランジスタとした場合、０℃以上で動作させることができないため好ましくない。なお、上記のＢａ系Ｍｎ酸化物の組成において、Ｍｎ欠損、酸素欠損があってもよいが、Ｍｎ欠損および／または酸素欠損は、強磁性を発現する温度を下げる要因であり、０℃以上で強磁性を示す強磁性体としてこれらの欠損はない方が望ましい。
上記組成のＢａ系Ｍｎ酸化物からなる強磁性層２は、厚さが薄くなるほど、強磁性転移温度が高くなる特徴を有している。従って、本実施の形態にかかる電界効果トランジスタにおける強磁性層２はより薄いことが好ましい。具体的には、Ｂａ系Ｍｎ酸化物からなる強磁性層２の厚さとしては、５０ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以下がより好ましく、５ｎｍ以下が特に好ましい。上記組成のＢａ系Ｍｎ酸化物から構成される強磁性層２の厚さを５０ｎｍ以下とすることにより、０℃以上で強磁性を発現させることができる。一方、上記強磁性層２の厚さの下限値としては、０．８ｎｍよりも厚いことがより好ましい。上記厚さが０．８ｎｍ以下となると、理論的に強磁性が消失することとなる。
また、強磁性を示す温度としては、より高いことが好ましい。すなわち、強磁性を示す温度としては、０℃以上が好ましく、２５℃以上がより好ましく、４０℃以上がさらに好ましい。強磁性を示す温度が高いことは、トランジスタの磁性転移温度を高くすることができる。すなわち、強磁性を示す温度が、例えば、室温（２５℃）である場合、この強磁性層２を用いて電界効果トランジスタを構成すると、室温で動作させることができる。従って、本実施の形態にかかる電界効果トランジスタは、強磁性層２として、０℃以上で強磁性を示すＢａ系Ｍｎ酸化物を用いているので、０℃以上で動作させることができる。
誘電体層１は、強誘電体または誘電体から構成されている。上記誘電体層１を構成している強誘電体または誘電体としては、特に限定されるものではなく、種々のものが使用できる。
上記誘電体としては、具体的には、ＳｒＴｉＯ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ等が挙げられる。上記例示の誘電体のうち、誘電率の大きさ、入手のし易さの点でＳｒＴｉＯ３がより好ましい。
また、上記強誘電体としては、具体的には、（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）ＴｉＯ３（ただし、ｙは、０＜ｙ＜１の関係を満たす）、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ１−ｚＴｉｚ）ＴｉＯ３（ただし、ｚは、０＜ｚ＜１の関係を満たす）、ＢａＴｉＯ３等が挙げられる。上記例示の強誘電体のうち、誘電分極の大きさの点でＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）ＴｉＯ３がより好ましい。
本実施の形態にかかる電界効果トランジスタにおいて、強磁性層２の厚さが５０ｎｍ以下である場合、誘電体層１の厚さの上限値としては、４００ｎｍ以下がより好ましく、１００ｎｍ以下がさらに好ましい。
本実施の形態にかかる電界効果トランジスタは、以上のように、５０ｎｍ以下の膜厚を有し、０℃以上で強磁性を示すＢａ系Ｍｎ酸化物からなる強磁性層２と、誘電体または強誘電体からなる誘電体層１とが接合されてなる構成である。これにより、本発明のトランジスタを、従来と比べて、非常に高い温度、すなわち、０℃以上で動作させることができる。具体的には、０℃以上で、磁性、電気輸送特性および／または磁気抵抗効果を制御することができる。
また、Ｂａ系Ｍｎ酸化物は、例えば、希薄磁性半導体と比べて、電子間の相互作用が非常に強い「強相関電子系」である。従って、わずかなキャリア濃度の変化で物性が変化するため、例えば、希薄磁性半導体と比べて、低電圧での制御を行うことができる。
従って、本発明の電界効果トランジスタは、従来よりも、より低電圧、かつ、高温（０℃以上）で動作させることができる。
また、本実施の形態において、強磁性層２として、（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３（ただし、ｘは、０．０５＜ｘ＜０．３の関係を満たす）のＢａ系ＭｎＯ３を用いて、誘電体層１として、誘電体（例えば、ＳｒＴｉＯ３）を用いる場合には、スイッチング素子として機能する電界効果トランジスタとすることができる。
一方、本実施の形態において、強磁性層２として、（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３（ただし、ｘは、０．０５＜ｘ＜０．３の関係を満たす）のＢａ系ＭｎＯ３を用いて、誘電体層１として、強誘電体（例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）ＴｉＯ３）を用いる場合には、電圧を印加していない状態でも変調が保持されるために、メモリ効果を有する。また、上記構成の電界効果トランジスタに電界を印加した場合、誘電体層１と強磁性層２との接合界面付近に、電界無印加時と比べて、キャリア（ホール）濃度の高い層もしくは低い層が形成される。このキャリア濃度の高い部分をアキュムレート（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅ）層と呼ぶ。上記構成の電界効果トランジスタは、上記アキュムレート層を利用しており、常磁性（磁化がない状態）から強磁性（磁化の大きい状態）へとスイッチできるので、例えば、ｐ−ｎ型のダイオードと比べて、直接磁性検出に有利となる。
本発明の電界効果トランジスタの製造方法において、強磁性層２を製造するには、具体的には、例えば、レーザアブレーション法により製膜することができる。また、上記以外にも、例えば、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、レーザＭＢＥ法、スパッタ法、ＣＶＤ法等で製膜することができる。また、誘電体層１または強誘電体層１を製造する場合にも、上記例示の方法により製膜することができる。例えば、レーザアブレーション法を用いる場合の成膜条件としてはは、基板温度範囲６５０〜７３５０℃、１．１０×１０−１〜５．０×１０−１Ｐａの範囲内のＯ２ガス圧雰囲気が好ましい。また、上記強磁性層２の場合、５０ｎｍ以下の膜厚を形成するためには、例えば、１０ｎｍ（１００Å）／２０ｍｉｎ程度の製膜速度で製膜することがより好ましい。
特に、上記（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３からなる強磁性層２の薄膜を基板に作製する際には、高酸素圧で薄膜化を行うほど強磁性を示しやすく、低酸素圧で薄膜化を行うほど強磁性を示しにくくなる。これは、強磁性層２が酸素量を増やすことによって、キャリア（正孔）濃度が高くなり、キャリア濃度が高くなるにつれてキュリー温度も上昇するからである。
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について図２を参照して説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施の形態１にて示した各部材と同一の機能を有する部材には、同一の符号を付記し、その説明を省略する。
本実施の形態にかかる電界効果トランジスタは、ボトムゲート構造を有する（ボトムゲート型の）ものである。上記ボトムゲート型の電界効果トランジスタとは、チャネル層である（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３が基板と接しておらず、一方の面が剥き出しになっている。つまり、本実施の形態にかかる電界効果トランジスタにおいて、チャネル層である（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３は、光を受光することができるようになっている。従って、本実施の形態にかかる電界効果トランジスタは、電界で磁性を制御する結果、入射した光の偏光面を電界で制御する光変調器とすることができる。そして、上記電界効果トランジスタは、チャネル層である（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３の一方の面が剥き出しになっているために、光の出し入れを有利に行うことができる。
また、本実施の形態にかかる電界効果トランジスタは、図２に示すように、基板とゲート層であるＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）ＴｉＯ３との間に（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３またはＳｒＲｕＯ３からなる酸化物ゲート電極が形成されている。つまり、ボトムゲート型の電界効果トランジスタは、基板の上に、酸化物ゲート電極、ゲート層（誘電体層）およびチャネル層（強磁性層）が、この順に積層されている（基板と酸化物ゲート電極とが接している）。そして、電界効果トランジスタには、チャネル層である（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３の表面に、ドレイン電極とソース電極とが設けられ、酸化物ゲート電極上には、ゲート電極が設けられている。
本実施の形態にかかる電界効果トランジスタは、ボトムゲート型である。つまり、上記実施の形態１のトップゲート型、すなわち、（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３が基板とゲート層（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）ＴｉＯ３）との両方と接している構成と比べて、（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３が基板とは接しておらず、ゲート層のみと接している。一般に、基板界面では、ｄｅａｄ層と呼ばれる制御が困難な層が存在している。本実施の形態にかかる電界効果トランジスタは、上記基板と接していないので、より大きな磁性転移温度変化が期待できる。
なお、上記ボトムゲート型の電界効果トランジスタは、実施の形態１のトップゲート型（ゲート電極が上部にある）の電界効果トランジスタの製造方法と同様であり、詳細な説明は省略する。
また、酸化物ゲート電極が、（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３から構成されている場合には、ＬａとＢａとの組成比としては、上記チャネル層の組成比と同じであることがより好ましい。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
以上のように、本発明にかかる電界効果トランジスタは、５０ｎｍ以下の膜厚を有し、０℃以上で強磁性を示すＢａ系Ｍｎ酸化物からなる強磁性層と、誘電体または強誘電体からなる誘電体層とが接合されてなることを特徴としている。
上記の構成によれば、本発明にかかる電界効果トランジスタは、強磁性層として、０℃以上で強磁性を示すＢａ系Ｍｎ酸化物、例えば、特定の組成を有するＢａ系Ｍｎ酸化物を用いている。そして、上記強磁性層と、誘電体または強誘電体層とを接合することで０℃以上の磁性転移温度を有する電界効果トランジスタを得ることができる。これにより、本発明のトランジスタを、従来と比べて、非常に高い温度、すなわち、０℃以上で動作させることができる。具体的には、０℃以上で、磁性、電気輸送特性および／または磁気抵抗効果を制御することができる。
また、Ｂａ系Ｍｎ酸化物は、例えば、希薄磁性半導体と比べて、電子間の相互作用が非常に強い「強相関電子系」である。従って、わずかなキャリア濃度の変化で物性が変化するため、例えば、希薄磁性半導体と比べて、低電圧での制御を行うことができる。
以上のように、本発明の電界効果トランジスタは、従来よりも、より低電圧、かつ、高温（０℃以上）で動作させることができる。
本発明の電界効果トランジスタは、上記強磁性層が（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３（ただし、ｘは、０．０５＜ｘ＜０．３の関係を満たす）で示す構造からなるＢａ系Ｍｎ酸化物であることがより好ましい。
上記の構成によれば、（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３のうち、ｘを０．０５＜ｘ＜０．３の範囲内とすることにより、０℃以上で強磁性を示すことができる。従って、上記特定の組成を有するＢａ系Ｍｎ酸化物を用いることで、０℃以上で動作させることができる電界効果トランジスタを提供することができる。
本発明の電界効果トランジスタは、上記強磁性層が（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３（ただし、ｘは、０．１０＜ｘ＜０．３の関係を満たす）で示すＢａ系Ｍｎ酸化物であることがより好ましい。
すなわち、（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３のうち、ｘを０．１０＜ｘ＜０．３範囲内とすることにより、０℃以上で強磁性を示すとともに、より一層広い磁性転移温度変化を得ることができる。
本発明の電界効果トランジスタは、上記誘電体または強誘電体が、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）ＴｉＯ３（ただし、ｙは、０＜ｙ＜１の関係を満たす）、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ１−ｚＴｉｚ）ＴｉＯ３（ただし、ｚは、０＜ｚ＜１の関係を満たす）、または、Ａｌ２Ｏ３である構成がより好ましい。
また、本発明の電界効果トランジスタは、上記誘電体または強誘電体は、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）ＴｉＯ３（ただし、ｙは、０＜ｙ＜１の関係を満たす）、ＰｂＴｉＯ３、または、Ａｌ２Ｏ３であることがより好ましい。
誘電体または強誘電体を上記例示の化合物のいずれかとすることにより、より磁性転移温度変化の効率のよい電界効果トランジスタを提供することができる。
本発明の電界効果トランジスタは、ボトムゲート構造を有することがより好ましい。
上記ボトムゲート構造とは、チャネル層（強磁性層）である（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３層が、基板と接しておらず、かつ、一方の面が剥き出しになっている構造である。より具体的には、（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３層が、露出している構造である。
上記の構成によれば、ボトムゲート構造を有しているので、（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３層が基板と接していない。これにより、基板と（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３層との相互作用を無くすことができる。従って、０℃以上で強磁性を示すとともに、より一層広い磁性転移温度変化を得ることができる。
【実施例】
【実施例１】  本発明にかかる電界効果トランジスタをレーザアブレーション法によって製造する例を以下に示す。
まず、（Ｌａ０．８７Ｂａ０．１３）ＭｎＯ３を作製するに当たり、Ｌａ２Ｏ３、Ｍｎ２Ｏ３、ＢａＯパウダーを適量な混合比にとり、混ぜあわせ、９００℃、４０時間の仮焼結を行った後、１３００℃、２４時間の本焼結を行った。
そして、レーザアブレーション法を用いて、ＡｒＦエキシマレーザ（λ＝１９３ｎｍ）を（Ｌａ０．８７Ｂａ０．１３）ＭｎＯ３に照射し、基板の温度を７００℃、酸素ガス圧１．０×１０−１Ｐａの条件で、ＳｒＴｉＯ３の（００１）面の単結晶基板上に（Ｌａ０．８７Ｂａ０．１３）ＭｎＯ３の薄膜（厚さ３．６ｎｍ）を作製した。これにより、強磁性層を形成した。
そして、上記強磁性層の上に、レーザアブレーション法により、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３からなる薄膜（厚さ３０ｎｍ）を作製した。これにより誘電体層を形成した。つまり、基板、強磁性層、誘電体層が順に積層されている。また、誘電体層は基板に接していない。
次に、誘電体層の上に、ゲート電極を設け、ソース電極およびドレイン電極を強磁性層の上に形成した。具体的には、ソース電極およびドレイン電極を、強磁性層の上に形成された誘電体層を挟むように形成した。このとき、ソース電極およびドレイン電極と誘電体層とを接触させてもよく、また、接触させなくともよい。
以上のようにして本実施例にかかる電界効果トランジスタを製造した。上記製造方法により得られた電界効果トランジスタのデバイス動作範囲は、２００μｍ×２００μｍであった。
次に得られた電界効果トランジスタを用いて、２９０Ｋにて、ゲートバイアス掃引を行うことにより、ソース−ドレイン抵抗が誘電体層によって分極し、強磁性層のキャリア濃度が有効に変化しているか否かを確認した、その結果を図３に示す。図３に示すように、強磁性層のキャリア濃度が有効に変化できていることが確認された。
次に、ゲートバイアスとして、５Ｖの電界を印加した状態で電界効果トランジスタを温度変化させたときの、ソース−ドレイン抵抗を測定した。その結果を図４に示す。図４から分かるように、強磁性転移温度（金属−絶縁体転移温度）が２８０Ｋに達することがわかる。
また、図４から分かるように、ゲートバイアスとして５Ｖの電界を印加した状態で２８０Ｋ（バルク２７０Ｋ）において、１．５Ｋの磁性転移温度変化を確認した。これは、強磁性−常磁性スイッチが行われていることを意味する。従って、本発明の電界効果トランジスタは、従来よりも、より低電圧、かつ、高温（０℃以上）で動作させることができる。
【実施例２】  （Ｌａ０．８７Ｂａ０．１３）ＭｎＯ３の組成を（Ｌａ０．８５Ｂａ０．１５）ＭｎＯ３に変えた以外は、実施例１と同様にして、電界効果トランジスタを作製した。
次に得られた電界効果トランジスタを用いて、２９０Ｋにて、ゲートバイアス掃引を行うことにより、ソース−ドレイン抵抗が誘電体層によって分極し、強磁性層のキャリア濃度が有効に変化しているか否かを確認すると、実施例１と同様に、強磁性層のキャリア濃度が有効に変化できていることが確認された。
そして、ゲートバイアスとして、５Ｖの電界を印加した状態で電界効果トランジスタを温度変化させたときの、ソース−ドレイン抵抗を測定した。その結果、ゲートバイアスとして５Ｖの電界を印加した状態で２８２Ｋにおいて、３．０Ｋの磁性転移温度変化を確認した。
【実施例３】  実施例２と同じ組成の材料を用いて、レーザアブレーション法にて、ボトムゲート型の電界効果トランジスタを作製した。このとき、チャネル層である（Ｌａ０．８５Ｂａ０．１５）ＭｎＯ３の層厚（膜厚）は、１５ｎｍであった。なお、ＳｒＴｉＯ３の（００１）面の単結晶基板上と、誘電体層（ゲート層）であるＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３との間には、（Ｌａ，Ｂａ）ＭｎＯ３からなる酸化物ゲート電極を形成している。
そして、ゲートバイアスとして、５Ｖの電界を印加した状態で電界効果トランジスタを温度変化させたときの、ソース−ドレイン抵抗を測定した。その結果、ゲートバイアスとして５Ｖの電界を印加した状態で２８２Ｋにおいて、３．０Ｋの磁性転移温度変化を確認した。
次に得られた電界効果トランジスタを用いて、ゲートバイアスとして、５Ｖの電界を印加した状態で電界効果トランジスタを温度変化させたときの、ソース−ドレイン抵抗を測定した。その結果を図５に示す。図５から分かるように、強磁性転移温度（金属−絶縁体転移温度）が３１３Ｋに達することがわかる。
また、図５から分かるように、ゲートバイアスとして５Ｖの電界を印加した状態で３１３Ｋにおいて、１６０Ｋの磁性転移温度変化を確認した。これは、強磁性−常磁性スイッチが行われていることを意味する。従って、本発明の電界効果トランジスタは、従来よりも、より低電圧、かつ、高温（０℃以上）で動作させることができる。
尚、発明を実施するための最良の形態の項においてなした具体的な実施態様または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求の範囲内で、いろいろと変更して実施することができるものである。
【産業上の利用の可能性】
本発明にかかる電界効果トランジスタは、例えば、電界で書込みが可能である磁気記録素子、新機能半導体−磁気集積回路、電界制御磁気アクチュエータ等に利用可能である。
【図１】
2004023563.tif 000003
【図２】
2004023563.tif 000004
【図３】
2004023563.tif 000005
【図４】
2004023563.tif 000006
【図５】
2004023563.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成16年6月23日(2004.6.23)
【手続補正００１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】特許請求の範囲
【請求項１】５０ｎｍ以下の膜厚を有し、０℃以上で強磁性を示すＢａ系Ｍｎ酸化物からなる強磁性層と、
誘電体または強誘電体からなる誘電体層とが接合されてなり、
ボトムゲート構造を有することを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２】上記強磁性層が
（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３
（ただし、ｘは、０．０５＜ｘ＜０．３の関係を満たす）
で示すＢａ系Ｍｎ酸化物からなることを特徴とする請求項１記載の電界効果トランジスタ。
【請求項３】上記強磁性層が
（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３
（ただし、ｘは、０．１０＜ｘ＜０．３の関係を満たす）
で示すＢａ系Ｍｎ酸化物からなることを特徴とする請求項１記載の電界効果トランジスタ。
【請求項４】上記誘電体または強誘電体は、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）ＴｉＯ３（ただし、ｙは、０＜ｙ＜１の関係を満たす）、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ１−ｚＴｉｚ）ＴｉＯ３（ただし、ｚは、０＜ｚ＜１の関係を満たす）、または、Ａｌ２Ｏ３であることを特徴とする請求項１、２または３記載の電界効果トランジスタ。
【請求項５】上記誘電体または強誘電体は、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）ＴｉＯ３（ただし、ｙは、０＜ｙ＜１の関係を満たす）、ＰｂＴｉＯ３、または、Ａｌ２Ｏ３であることを特徴とする請求項１、２または３記載の電界効果トランジスタ。




【手続補正書】
【提出日】平成17年3月11日(2005.3.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
５０ｎｍ以下の膜厚を有し、０℃以上で強磁性を示すＢａ系Ｍｎ酸化物からなる強磁性層と、
誘電体または強誘電体からなる誘電体層とが接合されてなることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２】
上記強磁性層が
（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３
（ただし、ｘは、０．０５＜ｘ＜０．３の関係を満たす）
で示すＢａ系Ｍｎ酸化物からなることを特徴とする請求項１記載の電界効果トランジスタ。
【請求項３】
上記強磁性層が
（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３
（ただし、ｘは、０．１０＜ｘ＜０．３の関係を満たす）
で示すＢａ系Ｍｎ酸化物からなることを特徴とする請求項１記載の電界効果トランジスタ。
【請求項４】
上記誘電体または強誘電体は、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）ＴｉＯ３（ただし、ｙは、０＜ｙ＜１の関係を満たす）、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ１−ｚＴｉｚ）Ｏ３（ただし、ｚは、０＜ｚ＜１の関係を満たす）、または、Ａｌ２Ｏ３であることを特徴とする請求項１、２または３記載の電界効果トランジスタ。
【請求項５】
上記誘電体または強誘電体は、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）ＴｉＯ３（ただし、ｙは、０＜ｙ＜１の関係を満たす）、ＰｂＴｉＯ３、または、Ａｌ２Ｏ３であることを特徴とする請求項１、２または３記載の電界効果トランジスタ。
【請求項６】
ボトムゲート構造を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果トランジスタ、特に、電界で書込みが可能である磁気記録素子、新機能半導体−磁気集積回路、電界制御磁気アクチュエータ等に利用可能な電界効果トランジスタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子の流れを制御する半導体デバイスに加え、磁性の源であるスピンを半導体的手法により、制御するスピントロニクスが近年発展しつつある。そして、これらスピントロニクスの発展は、電圧を印加することで磁気半導体中のキャリア濃度の変化を利用させる強磁性のスイッチングを可能とし、電界で情報の書込みが可能な新規な磁気記録素子や、新機能半導体−磁気集積回路等を実現させることができると期待される。
【０００３】
強磁性を電界で制御する電界効果素子としては、例えば、（１）希薄磁性半導体を用いたもの報告されている（非特許文献１参照）。該報告では、希薄磁性体として（Ｉｎ，Ｍｎ）Ａｓを使用している。
【０００４】
また、他の電界効果素子としては、（２）Ｍｎ酸化物／強誘電体酸化物を用いたものも報告されている（例えば、非特許文献２〜４参照）。
【０００５】
〔非特許文献１〕
H.Ohno et al., Nature 408,944-946(2000)
〔非特許文献２〕
S.Mathews et al., Science 276(1997)238
〔非特許文献３〕
T.Wu et al., Phys.Rev.Lett. 86(2001)5998
〔非特許文献４〕
S.B Ogale et al.,Phys.Rev.Lett. 77(1996)1159
ところが、上記従来構成の電界効果素子では、磁性転移温度が低く、かつ、高電界を印加する必要がある、または、磁性転移温度変化がないという問題を生じている。
【０００６】
具体的には、上記（１）の希薄磁性半導体を用いた電界効果素子は、磁性転移温度が極低温（２２．５Ｋ＝−２５０℃）である。また、その際、磁性転移温度変化を得るためには、高電界を必要としており。具体的には、磁性転移温度変化（ΔＴｃ）は、１２５Ｖの高電界を印加したとき、１Ｋ（ΔＴｃ＝１Ｋ）である。さらには、上記構成の電界効果素子は、メモリ効果を有していない。
【０００７】
また、上記（２）のＭｎ酸化物／強誘電体酸化物を用いた場合では、上記構成の電界効果素子の多くは、磁性転移温度変化を示していない。また、磁性転移温度変化を示す化合物の場合でも、その磁性転移温度は低く、また、磁性転移温度変化の幅は小さい。具体的には、Venkatesan（米国）のグループ（非特許文献２〜４参照）は、強磁性層として、（Ｌａ，Ａ）ＭｎＯ３（Ａ＝Ｓｒ，Ｃａ，Ｎｄ）を用いている。上記構成の強磁性層は、デバイスを作製する際に必要な薄膜化することにより、急激に磁性転移温度が減少することが知られている。従って、上記構成の電界効果素子は、例えば、室温付近で転移温度を制御することができない。一例としては、（Ｌａ，Ｃａ）ＭｎＯ３（５０ｎｍ）／ＳｒＴｉＯ３の電界効果型素子を用いた例について磁性転移温度変化が報告されているが、磁性転移温度変化は、５Ｖの電圧印加時でΔＴｃ＝１５０Ｋ＋３Ｋである。
【０００８】
従って、０℃以上で動作可能であり、かつ、従来と比べて低い電圧で動作が可能である電界効果トランジスタが望まれている。
【発明の開示】
【０００９】
本願発明者等は、上記の問題を鋭意検討した結果、十分な電界効果を得るために、最適な膜厚、Ｂａ原子の含有量、原子レベルでの平坦な界面を有するＢａ系Ｍｎ酸化物と、最適な残留分極値と絶縁性とを有する誘電体または強誘電体とを組合わせることにより、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明にかかる電界効果トランジスタは、上記の課題を解決するために、５０ｎｍ以下の膜厚を有し、０℃以上で強磁性を示すＢａ系Ｍｎ酸化物からなる強磁性層と、誘電体または強誘電体からなる誘電体層とが接合されてなることを特徴としている。
【００１１】
上記の構成によれば、本発明にかかる電界効果トランジスタは、強磁性層として、０℃以上で強磁性を示すＢａ系Ｍｎ酸化物、例えば、特定の組成を有するＢａ系Ｍｎ酸化物を用いている。そして、上記強磁性層と、誘電体または強誘電体層とを接合することで０℃以上の磁性転移温度を有する電界効果トランジスタを得ることができる。これにより、本発明のトランジスタを、従来と比べて、非常に高い温度、すなわち、０℃以上で動作させることができる。具体的には、０℃以上で、磁性、電気輸送特性および／または磁気抵抗効果を制御することができる。
【００１２】
また、Ｂａ系Ｍｎ酸化物は、例えば、希薄磁性半導体と比べて、電子間の相互作用が非常に強い「強相関電子系」である。従って、わずかなキャリア濃度の変化で物性が変化するため、例えば、希薄磁性半導体と比べて、低電圧での制御を行うことができる。
【００１３】
以上のように、本発明の電界効果トランジスタは、従来よりも、より低電圧、かつ、高温（０℃以上）で動作させることができる。
【００１４】
本発明の電界効果トランジスタは、ボトムゲート構造を有することがより好ましい。
【００１５】
上記ボトムゲート構造とは、チャネル層（強磁性層）である（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３層が、基板と接しておらず、かつ、一方の面が剥き出しになっている構造である。より具体的には、（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３層が、露出している構造である。
【００１６】
上記の構成によれば、ボトムゲート構造を有しているので、（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３層が基板と接していない。これにより、基板と（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３層との相互作用を無くすことができる。従って、０℃以上で強磁性を示すとともに、より一層広い磁性転移温度変化を得ることができる。
【００１７】
本発明のさらに他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十分わかるであろう。また、本発明の利益は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。
発明を実施するための最良の形態
〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について図１に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００１８】
本実施の形態にかかる電界効果トランジスタは、図１に示すように、強磁性層２、誘電体層１、ソース電極４、ゲート電極３およびドレイン電極５から構成されている。そして、上記強磁性層２は、基板上に形成されている。
【００１９】
具体的には、基板の上に強磁性層２が形成されており、基板の強磁性層２が形成されている面に誘電体層１が積層されている。すなわち、基板、強磁性層２、誘電体層１が、この順に積層されており、強磁性層２と誘電体層１とは接合（ヘテロ接合）されている。そして、誘電体層１には、ゲート電極３が設けられており、強磁性層２には、ソース電極４とドレイン電極５とが誘電体層１を挟んで設けられている。このとき、誘電体層１と強磁性層２とが接合している面積が、電界効果トランジスタとしての動作範囲となる。
【００２０】
基板は、表面に強磁性層２を、均一、かつ、平坦に形成することができるものであればよく、特に限定されるものではない。基板を構成する材料としては、具体的には、例えば、（Ｓｒ1-ｑＢａｑ）ＴｉＯ3（ただし、０≦ｑ≦１．０）、または、ＭｇＯ等の単結晶を好適に用いることができる。上記例示の基板のうち、ｑ＝０であるＳｒＴｉＯ３は、安価であり電気特性を制御しやすいため、一般に標準基板としてよく用いられているため、より好ましい。特に、単結晶ＳｒＴｉＯ３基板の（００１）面上に１００ｎｍ（１０００Å）以下の膜厚で強磁性層２を形成すると、そのキュリー温度は、バルク状態でのキュリー温度より上昇する傾向にあるのでより好ましい。また、上記例示の単結晶を用いることにより、上記基板上に強磁性層２を、例えば、レーザアブレーション法にて作成する際、強磁性層２の薄膜を容易に作成することができる。
【００２１】
強磁性層２は、強磁性体であるＢａ系Ｍｎ酸化物で構成されている。上記Ｂａ系Ｍｎ酸化物とは、ペロブスカイト構造を有する（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３を示す。
【００２２】
本実施の形態にかかるＢａ系Ｍｎ酸化物は、５０ｎｍ以下の膜厚を有し、０℃以上で強磁性を示している。
【００２３】
上記性質を示すＢａ系Ｍｎ酸化物としては、例えば、（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３（ただし、ｘは、０．０５＜ｘ＜０．３の関係を満たす）の組成が挙げられる。上記ｘの下限値としては、０．０５より大きいことが好ましく、０．１より大きいことがより好ましく、０．１５以上であることが特に好ましい。上記ｘが０．０５以下であると、キャリア濃度が不足し、良好な電気伝導が得られず強磁性体にならない。また、上記ｘを０．１以上より好ましくは０．１５以上とすることにより、０℃以上で強磁性を示すとともに、より一層広い磁性転移温度変化を得ることができる。
【００２４】
一方、上記ｘの上限値としては、０．３より小さいことが好ましく、０．２以下であることがより好ましい。上記ｘが０．３以上であると、膜厚を５０ｎｍ以下にした場合、０℃以上で強磁性を示さないので、電界効果トランジスタとした場合、０℃以上で動作させることができないため好ましくない。なお、上記のＢａ系Ｍｎ酸化物の組成において、Ｍｎ欠損、酸素欠損があってもよいが、Ｍｎ欠損および／または酸素欠損は、強磁性を発現する温度を下げる要因であり、０℃以上で強磁性を示す強磁性体としてこれらの欠損はない方が望ましい。
【００２５】
上記組成のＢａ系Ｍｎ酸化物からなる強磁性層２は、厚さが薄くなるほど、強磁性転移温度が高くなる特徴を有している。従って、本実施の形態にかかる電界効果トランジスタにおける強磁性層２はより薄いことが好ましい。具体的には、Ｂａ系Ｍｎ酸化物からなる強磁性層２の厚さとしては、５０ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以下がより好ましく、５ｎｍ以下が特に好ましい。上記組成のＢａ系Ｍｎ酸化物から構成される強磁性層２の厚さを５０ｎｍ以下とすることにより、０℃以上で強磁性を発現させることができる。一方、上記強磁性層２の厚さの下限値としては、０．８ｎｍよりも厚いことがより好ましい。上記厚さが０．８ｎｍ以下となると、理論的に強磁性が消失することとなる。
【００２６】
また、強磁性を示す温度としては、より高いことが好ましい。すなわち、強磁性を示す温度としては、０℃以上が好ましく、２５℃以上がより好ましく、４０℃以上がさらに好ましい。強磁性を示す温度が高いことは、トランジスタの磁性転移温度を高くすることができる。すなわち、強磁性を示す温度が、例えば、室温（２５℃）である場合、この強磁性層２を用いて電界効果トランジスタを構成すると、室温で動作させることができる。従って、本実施の形態にかかる電界効果トランジスタは、強磁性層２として、０℃以上で強磁性を示すＢａ系Ｍｎ酸化物を用いているので、０℃以上で動作させることができる。
【００２７】
誘電体層１は、強誘電体または誘電体から構成されている。上記誘電体層１を構成している強誘電体または誘電体としては、特に限定されるものではなく、種々のものが使用できる。
【００２８】
上記誘電体としては、具体的には、ＳｒＴｉＯ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ等が挙げられる。上記例示の誘電体のうち、誘電率の大きさ、入手のし易さの点でＳｒＴｉＯ３がより好ましい。
【００２９】
また、上記強誘電体としては、具体的には、（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）ＴｉＯ３（ただし、ｙは、０＜ｙ＜１の関係を満たす）、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ１−ｚＴｉｚ）Ｏ３（ただし、ｚは、０＜ｚ＜１の関係を満たす）、ＢａＴｉＯ３等が挙げられる。上記例示の強誘電体のうち、誘電分極の大きさの点でＰｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ３がより好ましい。
【００３０】
本実施の形態にかかる電界効果トランジスタにおいて、強磁性層２の厚さが５０ｎｍ以下である場合、誘電体層１の厚さの上限値としては、４００ｎｍ以下がより好ましく、１００ｎｍ以下がさらに好ましい。
【００３１】
本実施の形態にかかる電界効果トランジスタは、以上のように、５０ｎｍ以下の膜厚を有し、０℃以上で強磁性を示すＢａ系Ｍｎ酸化物からなる強磁性層２と、誘電体または強誘電体からなる誘電体層１とが接合されてなる構成である。これにより、本発明のトランジスタを、従来と比べて、非常に高い温度、すなわち、０℃以上で動作させることができる。具体的には、０℃以上で、磁性、電気輸送特性および／または磁気抵抗効果を制御することができる。
【００３２】
また、Ｂａ系Ｍｎ酸化物は、例えば、希薄磁性半導体と比べて、電子間の相互作用が非常に強い「強相関電子系」である。従って、わずかなキャリア濃度の変化で物性が変化するため、例えば、希薄磁性半導体と比べて、低電圧での制御を行うことができる。
【００３３】
従って、本発明の電界効果トランジスタは、従来よりも、より低電圧、かつ、高温（０℃以上）で動作させることができる。
【００３４】
また、本実施の形態において、強磁性層２として、（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３（ただし、ｘは、０．０５＜ｘ＜０．３の関係を満たす）のＢａ系ＭｎＯ３を用いて、誘電体層１として、誘電体（例えば、ＳｒＴｉＯ３）を用いる場合には、スイッチング素子として機能する電界効果トランジスタとすることができる。
【００３５】
一方、本実施の形態において、強磁性層２として、（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３（ただし、ｘは、０．０５＜ｘ＜０．３の関係を満たす）のＢａ系ＭｎＯ３を用いて、誘電体層１として、強誘電体（例えば、Ｐｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ３）を用いる場合には、電圧を印加していない状態でも変調が保持されるために、メモリ効果を有する。また、上記構成の電界効果トランジスタに電界を印加した場合、誘電体層１と強磁性層２との接合界面付近に、電界無印加時と比べて、キャリア（ホール）濃度の高い層もしくは低い層が形成される。このキャリア濃度の高い部分をアキュムレート（accumulate）層と呼ぶ。上記構成の電界効果トランジスタは、上記アキュムレート層を利用しており、常磁性（磁化がない状態）から強磁性（磁化の大きい状態）へとスイッチできるので、例えば、ｐ−ｎ型のダイオードと比べて、直接磁性検出に有利となる。
【００３６】
本発明の電界効果トランジスタの製造方法において、強磁性層２を製造するには、具体的には、例えば、レーザアブレーション法により製膜することができる。また、上記以外にも、例えば、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、レーザＭＢＥ法、スパッタ法、ＣＶＤ法等で製膜することができる。また、誘電体層１または強誘電体層１を製造する場合にも、上記例示の方法により製膜することができる。例えば、レーザアブレーション法を用いる場合の成膜条件としてはは、基板温度範囲６５０〜７３５０℃、１．１０×１０-1〜５．０×１０-1Ｐａの範囲内のＯ２ガス圧雰囲気が好ましい。また、上記強磁性層２の場合、５０ｎｍ以下の膜厚を形成するためには、例えば、１０ｎｍ（１００Å）／２０ｍｉｎ程度の製膜速度で製膜することがより好ましい。
【００３７】
特に、上記（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３からなる強磁性層２の薄膜を基板に作製する際には、高酸素圧で薄膜化を行うほど強磁性を示しやすく、低酸素圧で薄膜化を行うほど強磁性を示しにくくなる。これは、強磁性層２が酸素量を増やすことによって、キャリア（正孔）濃度が高くなり、キャリア濃度が高くなるにつれてキュリー温度も上昇するからである。
【００３８】
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について図２を参照して説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施の形態１にて示した各部材と同一の機能を有する部材には、同一の符号を付記し、その説明を省略する。
【００３９】
本実施の形態にかかる電界効果トランジスタは、ボトムゲート構造を有する（ボトムゲート型の）ものである。上記ボトムゲート型の電界効果トランジスタとは、チャネル層である（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３が基板と接しておらず、一方の面が剥き出しになっている。つまり、本実施の形態にかかる電界効果トランジスタにおいて、チャネル層である（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３は、光を受光することができるようになっている。従って、本実施の形態にかかる電界効果トランジスタは、電界で磁性を制御する結果、入射した光の偏光面を電界で制御する光変調器とすることができる。そして、上記電界効果トランジスタは、チャネル層である（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３の一方の面が剥き出しになっているために、光の出し入れを有利に行うことができる。
【００４０】
また、本実施の形態にかかる電界効果トランジスタは、図２に示すように、基板とゲート層であるＰｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ３との間に（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３またはＳｒＲｕＯ３からなる酸化物ゲート電極が形成されている。つまり、ボトムゲート型の電界効果トランジスタは、基板の上に、酸化物ゲート電極、ゲート層（誘電体層）およびチャネル層（強磁性層）が、この順に積層されている（基板と酸化物ゲート電極とが接している）。そして、電界効果トランジスタには、チャネル層である（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３の表面に、ドレイン電極とソース電極とが設けられ、酸化物ゲート電極上には、ゲート電極が設けられている。
【００４１】
本実施の形態にかかる電界効果トランジスタは、ボトムゲート型である。つまり、上記実施の形態１のトップゲート型、すなわち、（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３が基板とゲート層（Ｐｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ３）との両方と接している構成と比べて、（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３が基板とは接しておらず、ゲート層のみと接している。一般に、基板界面では、dead層と呼ばれる制御が困難な層が存在している。本実施の形態にかかる電界効果トランジスタは、上記基板と接していないので、より大きな磁性転移温度変化が期待できる。
【００４２】
なお、上記ボトムゲート型の電界効果トランジスタは、実施の形態１のトップゲート型（ゲート電極が上部にある）の電界効果トランジスタの製造方法と同様であり、詳細な説明は省略する。
【００４３】
また、酸化物ゲート電極が、（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３から構成されている場合には、ＬａとＢａとの組成比としては、上記チャネル層の組成比と同じであることがより好ましい。
【００４４】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４５】
以上のように、本発明にかかる電界効果トランジスタは、５０ｎｍ以下の膜厚を有し、０℃以上で強磁性を示すＢａ系Ｍｎ酸化物からなる強磁性層と、誘電体または強誘電体からなる誘電体層とが接合されてなることを特徴としている。
【００４６】
上記の構成によれば、本発明にかかる電界効果トランジスタは、強磁性層として、０℃以上で強磁性を示すＢａ系Ｍｎ酸化物、例えば、特定の組成を有するＢａ系Ｍｎ酸化物を用いている。そして、上記強磁性層と、誘電体または強誘電体層とを接合することで０℃以上の磁性転移温度を有する電界効果トランジスタを得ることができる。これにより、本発明のトランジスタを、従来と比べて、非常に高い温度、すなわち、０℃以上で動作させることができる。具体的には、０℃以上で、磁性、電気輸送特性および／または磁気抵抗効果を制御することができる。
【００４７】
また、Ｂａ系Ｍｎ酸化物は、例えば、希薄磁性半導体と比べて、電子間の相互作用が非常に強い「強相関電子系」である。従って、わずかなキャリア濃度の変化で物性が変化するため、例えば、希薄磁性半導体と比べて、低電圧での制御を行うことができる。
【００４８】
以上のように、本発明の電界効果トランジスタは、従来よりも、より低電圧、かつ、高温（０℃以上）で動作させることができる。
【００４９】
本発明の電界効果トランジスタは、上記強磁性層が（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３（ただし、ｘは、０．０５＜ｘ＜０．３の関係を満たす）で示す構造からなるＢａ系Ｍｎ酸化物であることがより好ましい。
【００５０】
上記の構成によれば、（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３のうち、ｘを０．０５＜ｘ＜０．３の範囲内とすることにより、０℃以上で強磁性を示すことができる。従って、上記特定の組成を有するＢａ系Ｍｎ酸化物を用いることで、０℃以上で動作させることができる電界効果トランジスタを提供することができる。
【００５１】
本発明の電界効果トランジスタは、上記強磁性層が（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３（ただし、ｘは、０．１０＜ｘ＜０．３の関係を満たす）で示すＢａ系Ｍｎ酸化物であることがより好ましい。
【００５２】
すなわち、（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３のうち、ｘを０．１０＜ｘ＜０．３範囲内とすることにより、０℃以上で強磁性を示すとともに、より一層広い磁性転移温度変化を得ることができる。
【００５３】
本発明の電界効果トランジスタは、上記誘電体または強誘電体が、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）ＴｉＯ３（ただし、ｙは、０＜ｙ＜１の関係を満たす）、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ１−ｚＴｉｚ）Ｏ３（ただし、ｚは、０＜ｚ＜１の関係を満たす）、または、Ａｌ２Ｏ３である構成がより好ましい。
【００５４】
また、本発明の電界効果トランジスタは、上記誘電体または強誘電体は、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）ＴｉＯ３（ただし、ｙは、０＜ｙ＜１の関係を満たす）、ＰｂＴｉＯ３、または、Ａｌ２Ｏ３であることがより好ましい。
【００５５】
誘電体または強誘電体を上記例示の化合物のいずれかとすることにより、より磁性転移温度変化の効率のよい電界効果トランジスタを提供することができる。
【００５６】
本発明の電界効果トランジスタは、ボトムゲート構造を有することがより好ましい。
【００５７】
上記ボトムゲート構造とは、チャネル層（強磁性層）である（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３層が、基板と接しておらず、かつ、一方の面が剥き出しになっている構造である。より具体的には、（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３層が、露出している構造である。
【００５８】
上記の構成によれば、ボトムゲート構造を有しているので、（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３層が基板と接していない。これにより、基板と（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３層との相互作用を無くすことができる。従って、０℃以上で強磁性を示すとともに、より一層広い磁性転移温度変化を得ることができる。
【００５９】
〔実施例〕
〔実施例１〕
本発明にかかる電界効果トランジスタをレーザアブレーション法によって製造する例を以下に示す。
【００６０】
まず、（Ｌａ0.87Ｂａ0.1３）ＭｎＯ３を作製するに当たり、Ｌａ２Ｏ３、Ｍｎ２Ｏ３、ＢａＯパウダーを適量な混合比にとり、混ぜあわせ、９００℃、４０時間の仮焼結を行った後、１３００℃、２４時間の本焼結を行った。
【００６１】
そして、レーザアブレーション法を用いて、ＡｒＦエキシマレーザ（λ＝１９３ｎｍ）を（Ｌａ0.87Ｂａ0.1３）ＭｎＯ３に照射し、基板の温度を７００℃、酸素ガス圧１．０×１０-1Ｐａの条件で、ＳｒＴｉＯ３の（００１）面の単結晶基板上に（Ｌａ0.87Ｂａ0.1３）ＭｎＯ３の薄膜（厚さ３．６ｎｍ）を作製した。これにより、強磁性層を形成した。
【００６２】
そして、上記強磁性層の上に、レーザアブレーション法により、Ｐｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ３からなる薄膜（厚さ３０ｎｍ）を作製した。これにより誘電体層を形成した。つまり、基板、強磁性層、誘電体層が順に積層されている。また、誘電体層は基板に接していない。
【００６３】
次に、誘電体層の上に、ゲート電極を設け、ソース電極およびドレイン電極を強磁性層の上に形成した。具体的には、ソース電極およびドレイン電極を、強磁性層の上に形成された誘電体層を挟むように形成した。このとき、ソース電極およびドレイン電極と誘電体層とを接触させてもよく、また、接触させなくともよい。
【００６４】
以上のようにして本実施例にかかる電界効果トランジスタを製造した。上記製造方法により得られた電界効果トランジスタのデバイス動作範囲は、２００μｍ×２００μｍであった。
【００６５】
次に得られた電界効果トランジスタを用いて、２９０Ｋにて、ゲートバイアス掃引を行うことにより、ソース−ドレイン抵抗が誘電体層によって分極し、強磁性層のキャリア濃度が有効に変化しているか否かを確認した、その結果を図３に示す。図３に示すように、強磁性層のキャリア濃度が有効に変化できていることが確認された。
【００６６】
次に、ゲートバイアスとして、５Ｖの電界を印加した状態で電界効果トランジスタを温度変化させたときの、ソース−ドレイン抵抗を測定した。その結果を図４に示す。図４から分かるように、強磁性転移温度（金属−絶縁体転移温度）が２８０Ｋに達することがわかる。
【００６７】
また、図４から分かるように、ゲートバイアスとして５Ｖの電界を印加した状態で２８０Ｋ（バルク２７０Ｋ）において、１．５Ｋの磁性転移温度変化を確認した。これは、強磁性−常磁性スイッチが行われていることを意味する。従って、本発明の電界効果トランジスタは、従来よりも、より低電圧、かつ、高温（０℃以上）で動作させることができる。
【００６８】
〔実施例２〕
（Ｌａ0.87Ｂａ0.1３）ＭｎＯ３の組成を（Ｌａ0.85Ｂａ0.15）ＭｎＯ３に変えた以外は、実施例１と同様にして、電界効果トランジスタを作製した。
【００６９】
次に得られた電界効果トランジスタを用いて、２９０Ｋにて、ゲートバイアス掃引を行うことにより、ソース−ドレイン抵抗が誘電体層によって分極し、強磁性層のキャリア濃度が有効に変化しているか否かを確認すると、実施例１と同様に、強磁性層のキャリア濃度が有効に変化できていることが確認された。
【００７０】
そして、ゲートバイアスとして、５Ｖの電界を印加した状態で電界効果トランジスタを温度変化させたときの、ソース−ドレイン抵抗を測定した。その結果、ゲートバイアスとして５Ｖの電界を印加した状態で２８２Ｋにおいて、３．０Ｋの磁性転移温度変化を確認した。
【００７１】
〔実施例３〕
実施例２と同じ組成の材料を用いて、レーザアブレーション法にて、ボトムゲート型の電界効果トランジスタを作製した。このとき、チャネル層である（Ｌａ0.85Ｂａ0.15）ＭｎＯ３の層厚（膜厚）は、１５ｎｍであった。なお、ＳｒＴｉＯ３の（００１）面の単結晶基板上と、誘電体層（ゲート層）であるＰｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ３との間には、（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３からなる酸化物ゲート電極を形成している。
【００７２】
そして、ゲートバイアスとして、５Ｖの電界を印加した状態で電界効果トランジスタを温度変化させたときの、ソース−ドレイン抵抗を測定した。その結果、ゲートバイアスとして５Ｖの電界を印加した状態で２８２Ｋにおいて、３．０Ｋの磁性転移温度変化を確認した。
【００７３】
次に得られた電界効果トランジスタを用いて、ゲートバイアスとして、５Ｖの電界を印加した状態で電界効果トランジスタを温度変化させたときの、ソース−ドレイン抵抗を測定した。その結果を図５に示す。図５から分かるように、強磁性転移温度（金属−絶縁体転移温度）が３１３Ｋに達することがわかる。
【００７４】
また、図５から分かるように、ゲートバイアスとして５Ｖの電界を印加した状態で３１３Ｋにおいて、１６０Ｋの磁性転移温度変化を確認した。これは、強磁性−常磁性スイッチが行われていることを意味する。従って、本発明の電界効果トランジスタは、従来よりも、より低電圧、かつ、高温（０℃以上）で動作させることができる。
【００７５】
尚、発明を実施するための最良の形態の項においてなした具体的な実施態様または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求の範囲内で、いろいろと変更して実施することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明にかかる電界効果トランジスタは、例えば、電界で書込みが可能である磁気記録素子、新機能半導体−磁気集積回路、電界制御磁気アクチュエータ等に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態にかかる電界効果トランジスタの概略の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の他の実施の形態にかかる電界効果トランジスタの概略の構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、トップゲート型の電界効果トランジスタにゲートバイアス掃引を行ったときの、ソース−ドレイン抵抗の変化を示すグラフである。
【図４】図４は、トップゲート型の電界効果トランジスタの温度変化による、ソース−ドレイン抵抗の変化を示すグラフである。
【図５】図５は、ボトムゲート型の電界効果トランジスタの温度変化による、ソース−ドレイン抵抗の変化を示すグラフである。
【国際調査報告】
2004023563.tif 000008
2004023563.tif 000009
2004023563.tif 000010
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