(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極と該電極の一方にコンタクトするように中間層が積層形成され、
該電極の他方と該中間層の間に形成された酸化物半導体と、
該酸化物半導体及び該中間層の積層界面側の酸化物半導体にデルタ・ドーピング法で形成された不純物層とを備え、
前記中間層のバリア高さが前記酸化物半導体に比較して低く、且つ、前記不純物層のバリア高さが前記酸化物半導体に比較して低いこと
を特徴とする酸化物電子装置。
【請求項２】
一方の側にデルタ・ドーピング法で形成された不純物層をもつ酸化物半導体と、
該酸化物半導体に於ける該一方の表面に形成された中間層と、
該中間層表面及び該酸化物半導体に於ける他方の表面にそれぞれ形成された一対の電極と
を備えてなることを特徴とする酸化物電子装置。
【請求項３】
表裏両面にデルタ・ドーピング法で形成された不純物層をもつ酸化物半導体と、
該酸化物半導体に於ける該表裏両面に形成された中間層と、
該中間層表面にそれぞれ形成されたエミッタ電極並びにコレクタ電極と、
該酸化物半導体にコンタクトし、該表裏両面以外に設けたベース電極と
を備えてなることを特徴とする酸化物電子装置。
【請求項４】
前記不純物層の厚さが、２５Å〜５０Åであること
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１記載の酸化物電子装置。
【請求項５】
一対の電極と該電極の一方にコンタクトするように中間層が積層形成され、
該電極の他方と該中間層の間に形成された酸化物半導体と、
該酸化物半導体及び該中間層の積層界面側の酸化物半導体にデルタ・ドーピング法で形成された不純物層と、
該不純物層のバリア高さが該中間層よりも低いこと
を特徴とする酸化物電子装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動作電圧を低減させることを可能にした酸化物ダイオードや誘電体ベース・トランジスタなどの酸化物電子装置に関する。
【０００２】
現在、酸化物超伝導体をはじめ、様々な機能性酸化物を用いたエレクトロニクスが展開されようとしている。
【０００３】
この分野は、今までは、エレクトロニクスの中心的存在であるＳｉでは実現困難な種々なエレクトロニクス分野を開拓できる可能性があるので、その中心的存在となるべく、様々な素子が提案されている。
【０００４】
そのような素子として、酸化物ダイオードや誘電体ベース・トランジスタが挙げられているのであるが、実用化する為には、更に性能を向上させなければならず、本発明は、それに応える手段の一つを提供している。
【０００５】
【従来の技術】
図８は従来の技術を解説する為の酸化物ダイオードを表す要部説明図である。
【０００６】
図に於いて、（Ａ）は要部切断側面、（Ｂ）はエネルギ・バンド・ダイヤグラム、１は酸化物半導体、２は中間層、３は陰極側電極、４は陽極側電極をそれぞれ示している。
【０００７】
エネルギ・バンド・ダイヤグラム（Ｂ）から明らかなように、酸化物半導体１に於ける中間層２との界面近傍には空乏層が生成され、その空乏層に起因するバリヤ高さが酸化物ダイオードの動作電圧を決定している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記した酸化物半導体１と中間層２との界面に生成される空乏層に起因するバリヤの高さは、酸化物半導体１と中間層２との電子親和力に依って決まり、従って、酸化物ダイオードの動作電圧は中間層２に依存していると考えて良い。
【０００９】
このようなバリヤ高さの影響で、酸化物ダイオードの動作電圧を２〔Ｖ〕以下とし、大きな電流を得ることは困難である。尚、ここで説明した酸化物ダイオードに関する問題は、誘電体ベース・トランジスタにおいても、全く同様に発生する問題である。
【００１０】
本発明では、極めて簡単な手段に依って、酸化物半導体と中間層との電子親和力、即ち、接触面に於ける空乏層に起因するバリヤ高さに依っては動作電圧が決定されない構造を実現し、動作電圧の低減を図ろうとする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理を解説する為の酸化物ダイオードを表す要部説明図であって、図８に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００１２】
図に於いて、（Ａ）は要部切断側面、（Ｂ）はエネルギ・バンド・ダイヤグラム、５はデルタ・ドーピング法に依って形成された不純物層を示しいる。
【００１３】
図から判るように、本発明では、酸化物半導体１と中間層２との界面に於ける酸化物半導体１側にデルタ・ドーピング法に依って不純物層５を形成する点が従来の技術と相違している。
【００１４】
このようにすると、エネルギ・バンド・ダイヤグラム（Ｂ）から明らかなように、界面に於ける空乏層に起因するバリヤ高さは変わりないのであるが、酸化物ダイオードの動作電圧を決定する空乏層は酸化物半導体１の内部に在って、デルタ・ドーピング法に依って形成された不純物層５の影響で、そのバリヤ高さは低減されている。
【００１５】
前記酸化物ダイオードに於いて、酸化物半導体１と中間層２との界面に於ける空乏層に起因するバリヤ高さが高くても、その空乏層は極めて薄いので、キャリヤは全てトンネリングしてしまうので問題は起こらない。
【００１６】
前記したところから、本発明に依る酸化物電子装置に於いては、
（１）
一対の電極（例えば電極３及び電極４）と該電極の一方（例えば電極３）にコンタクトするように中間層（例えば中間層２）が積層形成され、該電極の他方（例えば電極４）と該中間層の間に形成された酸化物半導体（例えば酸化物半導体１）と、該酸化物半導体及び該中間層の積層界面側の酸化物半導体にデルタ・ドーピング法で形成された不純物層（例えば不純物層５）とを備え、前記中間層のバリア高さが前記酸化物半導体に比較して低く、且つ、前記不純物層のバリア高さが前記酸化物半導体に比較して低いことを特徴とするか、或いは、
（２）
一方の側にデルタ・ドーピング法で形成された不純物層（例えば不純物層１５）をもつ酸化物半導体（例えば酸化物半導体１１）と、該酸化物半導体に於ける該一方の表面に形成された中間層（例えば中間層１２）と、該中間層表面及び該酸化物半導体に於ける他方の表面にそれぞれ形成された一対の電極（例えば電極１３及び１４）とを備えてなることを特徴とするか、或いは、
（３）
表裏両面にデルタ・ドーピング法で形成された不純物層（例えば不純物層４６Ａ及び４６Ｂ）をもつ酸化物半導体（例えば酸化物半導体４１）と、該酸化物半導体に於ける該表裏両面に形成された中間層（例えば中間層４２Ａ及び４２Ｂ）と、該中間層表面にそれぞれ形成されたエミッタ電極並びにコレクタ電極（例えばエミッタ電極４３及びコレクタ電極４４）と、該酸化物半導体にコンタクトし、該表裏両面以外に設けたベース電極（例えばベース電極４５）とを備えてなることを特徴とするか、或いは、
（４）
前記（１）乃至（３）の何れか１に於いて、前記不純物層の厚さが、２５Å〜５０Åであることを特徴とするか、或いは、
（５）
一対の電極と該電極の一方にコンタクトするように中間層が積層形成され、該電極の他方と該中間層の間に形成された酸化物半導体と、該酸化物半導体及び該中間層の積層界面側の酸化物半導体にデルタ・ドーピング法で形成された不純物層と、該不純物層のバリア高さが該中間層よりも低いことを特徴とする。
【００１９】
前記手段を採ることに依り、動作電圧を低減した酸化物ダイオードや誘電体ベース・トランジスタなどの酸化物電子装置を実現することができ、機能性酸化物エレクトロニクス分野、或いは、酸化物超伝導エレクトロニクス分野を開拓する為の優れた基本素子を得ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図２は本発明に於ける実施の形態例を説明する為の酸化物ダイオードを表す要部切断側面図である。
【００２１】
図に於いて、１１は酸化物半導体、１２は中間層、１３は陰極側電極、１４は陽極側電極、１５並びに１６はデルタ・ドーピング法に依って形成された不純物層、１１Ａは中間層１２と不純物層１５或いは１６との間に在る酸化物半導体層をそれぞれ示している。
【００２２】
前記各部分について、主要なデータを例示すると次の通りである。
【００２３】
（Ａ）の場合
○  酸化物半導体１１
材料：ＮｂドープＳｒＴｉＯ3 
Ｎｂ含有量：０．０５〔重量％〕
【００２４】
○  酸化物半導体層１１Ａ
材料：ＳｒＴｉＯ3 
厚さ：５０〔Å〕
【００２５】
○  中間層１２
材料：ＳｎＯ2 
厚さ：５０〔Å〕
【００２６】
○  陰極側電極１３及び陽極側電極１４
材料：Ａｕ
【００２７】
○  不純物層１５
材料：Ｌａを拡散して得られる（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3 
厚さ：２５〔Å〕
【００２８】
（Ｂ）の場合
不純物層１６の他は全て（Ａ）と同じ
【００２９】
○  不純物層１６
材料：ＬａＴｉＯ3 を拡散して得られる（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3 
厚さ：２５〔Å〕
【００３０】
一般に、酸化物は伝導帯に於けるポテンシャルが高く、ダイオードを構成しても、動作電圧が高い旨の欠点がある。然しながら、図２に於ける（Ａ）について説明した酸化物ダイオードは、動作電圧が低く、電流密度を高めることが可能であり、又、Ｌａの活性率やドーピング量を制御することで動作電圧も制御することができる。
【００３１】
また、図２に於ける（Ｂ）について説明した酸化物ダイオードの利点は、デルタ・ドーピングにＬａＴｉＯ3 を用いているので、酸化物半導体であるＳｒＴｉＯ3 とは結晶整合が良好であって、ＳｒＴｉＯ3 の再成長は容易である。尚、不純物層１６の厚さは２５〔Å〕〜５０〔Å〕の範囲で選択して良い。
【００３２】
図３は本発明に於ける他の実施の形態例を説明する為の酸化物ダイオードを表す要部切断側面図であり、図２に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００３３】
図に於いて、２１は酸化物半導体、２２は中間層、２３は陰極側電極、２４は陽極側電極、２５はデルタ・ドーピング法に依って形成された不純物層、２６は陰極側電極、２７は陽極側電極、２１Ａは中間層２２と不純物層２５との間に在る酸化物半導体層をそれぞれ示している。
【００３４】
前記各部分について、主要なデータを例示すると次の通りである。
【００３５】
（Ａ）の場合
○  酸化物半導体２１
材料：ＮｂドープＳｒＴｉＯ3 
Ｎｂ含有量：０．０５〔重量％〕
【００３６】
○  酸化物半導体層２１Ａ
材料：ＳｒＴｉＯ3 
厚さ：５０〔Å〕
【００３７】
○  中間層２２
材料：Ｉｎ2 Ｏ3 
厚さ：５０〔Å〕
【００３８】
○  陰極側電極２３及び陽極側電極２４
材料：ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ）
【００３９】
○  不純物層２５
材料：ＬａＴｉＯ3 を拡散して得られる（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3 
厚さ：２５〔Å〕
【００４０】
（Ｂ）の場合
陰極側電極２６及び陽極側電極２７の他は全て（Ａ）に同じ
【００４１】
○  陰極側電極２６及び陽極側電極２７
材料：ＹＢＣＯ
【００４２】
図３に於ける（Ａ）について説明した酸化物ダイオードの利点は、中間層２２の材料にＩｎ2 Ｏ3 を用いているので、ＩＴＯなどの透明な電極やＹＢＣＯ超伝導体からなる電極を用いるのに適している。
【００４３】
また、図３に於ける（Ｂ）について説明した酸化物ダイオードの利点は、図２に於ける（Ａ）について説明した酸化物ダイオードの利点と同じである。
【００４４】
図４は本発明に於ける他の実施の形態例を説明する為の酸化物ダイオードを表す要部切断側面図であり、図２及び図３に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００４５】
図に於いて、３１，３２，３３は酸化物半導体、３４は中間層、３５は陰極側電極、３６は陽極側電極、３７並びに３８はデルタ・ドーピング法に依って形成された不純物層、３１Ａは中間層３４と不純物層３７との間に在る酸化物半導体層、３２Ａは中間層３４と不純物層３８との間に在る酸化物半導体層、３３Ａは中間層３４と不純物層３７との間に在る酸化物半導体層をそれぞれ示している。
【００４６】
前記各部分について、主要なデータを例示すると次の通りである。
（Ａ）の場合
○  酸化物半導体３１
材料：ＬａドープＳｒＴｉＯ3 
Ｌａ拡散濃度：面密度にして１×１０15〜１０16〔原子個〕
【００４７】
○  酸化物半導体層３１Ａ
材料：ＳｒＴｉＯ3 
厚さ：５０〔Å〕
【００４８】
○  中間層３４
材料：ＺｎＯ
厚さ：５０〔Å〕
【００４９】
○  陰極側電極３５及び陽極側電極３６
材料：（ＺｎＡｌ）Ｏ
【００５０】
○  不純物層３７
材料：ＬａＴｉＯ3 を拡散して得られる（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3 
厚さ：２５〔Å〕
【００５１】
（Ｂ）の場合
酸化物半導体３２、酸化物半導体層３２Ａ、不純物層３８の他は全て（Ａ）に同じ
【００５２】
○  酸化物半導体３２
材料：ＮｂドープＳｒＴｉＯ3 
Ｎｂ含有量：０．０５〔重量％〕
【００５３】
○  酸化物半導体層３２Ａ
材料：ＮｂドープＳｒＴｉＯ3 
Ｎｂ含有量：０．０５〔重量％〕
【００５４】
○不純物拡散層３８
材料：ＬａＴｉＯ3 を拡散して得られる（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3 
厚さ：５０〔Å〕
【００５５】
（Ｃ）の場合
酸化物半導体３３、酸化物半導体層３３Ａの他は全て（Ａ）或いは（Ｂ）に同じ
【００５６】
○  酸化物半導体３３
材料：Ｎｂドープ（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3 
Ｎｂ含有量：０．０５〔重量％〕
【００５７】
○  酸化物半導体層３３Ａ
材料：ＬａＴｉＯ3 を拡散して得られる（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3 
厚さ：２５〔Å〕
【００５８】
図４に於ける（Ａ）について説明した酸化物ダイオードの利点は、酸化物半導体３１の材料にＬａをドーピングしたＳｒＴｉＯ3 を用いたことであり、Ｌａは高いキャリヤ生成効率をもつことが知られている。
【００５９】
図４に於ける（Ｂ）について説明した酸化物ダイオードの利点は、酸化物半導体３２の材料にＮｂをドーピングしたＳｒＴｉＯ3 を用いたことであり、その理由は単結晶を入手し易いことにある。
【００６０】
図４に於ける（Ｃ）について説明した酸化物ダイオードの利点は、酸化物半導体３３の母体材料に（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3 を用いたことである。一般に、ダイオード特性、即ち、整流性を向上するには、酸化物半導体材料の誘電率が大きいことは重要な因子になっていて、単純なＳｒＴｉＯ3 を用いる場合に比較して、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3 は室温で高い誘電率をもっているので、ダイオード特性を向上することができる。
【００６１】
前記説明した各実施の形態は、何れも酸化物ダイオードの改善に関するものであるが、ダイオードが実現できれば、当然、トランジスタも実現することができるものであり、次に、誘電体ベース・トランジスタについて説明する。
【００６２】
図５は本発明に於ける他の実施の形態例を説明する為の誘電体ベース・トランジスタを表す要部説明図である。
【００６３】
図に於いて、（Ａ）は要部切断側面、（Ｂ）はエネルギ・バンド・ダイヤグラム、４１は誘電体ベース層、４１Ａ及び４１Ｂは誘電体層、４２Ａ及び４２Ｂは中間層、４３はエミッタ電極、４４はコレクタ電極、４５はベース電極、４６Ａ及び４６Ｂはデルタ・ドーピング法に依って形成された不純物層をそれぞれ示している。
【００６４】
前記各部分について、主要なデータを例示すると次の通りである。
○  誘電体ベース層４１
材料：ＳｒＴｉＯ3 
【００６５】
○  誘電体層４１Ａ及び４１Ｂ
材料：ＳｒＴｉＯ3 
厚さ：５０〔Å〕
【００６６】
○  中間層４２Ａ及び４２Ｂ
材料：Ｉｎ2 Ｏ3 
厚さ：５０〔Å〕
【００６７】
○  エミッタ電極４３及びコレクタ電極４４
材料：ＹＢＣＯ
【００６８】
○  ベース電極４５
材料：ＹＢＣＯ
【００６９】
○  不純物層４６Ａ及び４６Ｂ
材料：ＬａＴｉＯ3 を拡散して得られる（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3 
厚さ：２５〔Å〕
【００７０】
この誘電体ベース・トランジスタの利点は、勿論、動作電圧を低減できることであって、（Ｂ）のエネルギ・バンド・ダイヤグラムから明らかなように、エミッタ側にもコレクタ側にも、不純物層４６Ａ或いは４６Ｂの存在に起因するポテンシャル・バリヤの落ち込みが見られ、中間層４２Ａと不純物層４６Ａとの間、或いは、中間層４２Ｂと不純物層４６Ｂとの間に生成される空乏層に依るバリヤ高さは高いのであるが、実質的な動作電圧は低下することが明らかである。尚、キャリヤは、各界面に於ける高いバリヤをトンネリングで通過することは云うまでもない。
【００７１】
図６は図３の（Ｂ）で説明した酸化物ダイオードに関する実験結果である電圧−電流特性を従来の酸化物ダイオードに関する実験結果である電圧−電流特性と対比して説明する為の図である。
【００７２】
図に於いて、（Ａ）は本発明の酸化物ダイオードに関するエネルギ・バンド・ダイヤグラム、（Ｂ）は従来の酸化物ダイオードに関するエネルギ・バンド・ダイヤグラム、（Ｃ）は電圧−電流特性を表す線図である。
【００７３】
ここに挙げた従来の酸化物ダイオードの構造は、図８に見られるものと同様であり、具体的には、
○  酸化物半導体１
材料：ＮｂドープＳｒＴｉＯ3 
Ｎｂ含有量：０．０５〔重量％〕
【００７４】
○  中間層２
材料：Ｉｎ2 Ｏ3 
厚さ：１００〔Å〕
【００７５】
○  陰極側電極３及び陽極側電極６
材料：ＹＢＣＯ
である。
【００７６】
○  不純物層３７
材料：ＬａＴｉＯ3 を拡散して得られる（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3 
厚さ：２５〔Å〕
【００７７】
図６の線図（Ｃ）に於いて、横軸には電圧を、縦軸には電流をそれぞれ採ってあり、破線が本発明に依る酸化物ダイオードの特性線を、また、実線が従来の酸化物ダイオードの特性線をそれぞれ表している。
【００７８】
線図（Ｃ）から明らかなように、本発明に依る酸化物ダイオードは、動作電圧が低く、また、良好な整流性をもつことが看取されよう。
【００７９】
図７は図５について説明した誘電体ベース・トランジスタに関する実験結果であるコレクタ電圧−コレクタ電流特性を説明する為の線図である。
【００８０】
図に於いて、横軸にはコレクタ電圧を、縦軸にはコレクタ電流をそれぞれ採ってあり、「ドーピング有り」と表示してあるものが本発明に依る誘電体ベース・トランジスタに関する測定値、「ドーピング無し」と表示してあるものが従来の技術に依る誘電体ベース・トランジスタに関する測定値をそれぞれ示している。
【００８１】
この測定は、ベース電圧を２〔Ｖ〕ステップで、０〔Ｖ〕〜１０〔Ｖ〕まで変化させて行ったものであり、また、測定時に於けるトランジスタの温度は４．２〔Ｋ〕であった。
【００８２】
図から判るように、デルタ・ドーピングを行って不純物層を形成した本発明に依る誘電体ベース・トランジスタは、デルタ・ドーピングを行わない、即ち、不純物層がない従来の誘電体ベース・トランジスタに比較し、１桁分も少ない電圧で動作することが看取されよう。
【００８３】
【発明の効果】
本発明に依る酸化物電子装置に於いては、電極とコンタクトする為の中間層が積層形成された酸化物半導体と、酸化物半導体及び中間層の積層界面側の酸化物半導体表面近傍にデルタ・ドーピング法で形成された不純物層とを備える。
【００８４】
前記構成を採ることに依り、動作電圧を低減した酸化物ダイオードや誘電体ベース・トランジスタなどの酸化物電子装置を実現することができ、機能性酸化物エレクトロニクス分野、或いは、酸化物超伝導エレクトロニクス分野を開拓する為の優れた基本素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を解説する為の酸化物ダイオードを表す要部説明図である。
【図２】本発明に於ける実施の形態例を説明する為の酸化物ダイオードを表す要部切断側面図である。
【図３】本発明に於ける他の実施の形態例を説明する為の酸化物ダイオードを表す要部切断側面図である。
【図４】本発明に於ける他の実施の形態例を説明する為の酸化物ダイオードを表す要部切断側面図である。
【図５】本発明に於ける他の実施の形態例を説明する為の誘電体ベース・トランジスタを表す要部説明図である。
【図６】図３の（Ｂ）で説明した酸化物ダイオードに関する実験結果である電圧−電流特性を従来の酸化物ダイオードに関する実験結果である電圧−電流特性と対比して説明する為の図である。
【図７】図５について説明した誘電体ベース・トランジスタに関する実験結果であるコレクタ電圧−コレクタ電流特性を説明する為の線図である。
【図８】従来の技術を解説する為の酸化物ダイオードを表す要部説明図である。
【符号の説明】
１  酸化物半導体
２  中間層
３  陰極側電極
４  陽極側電極
５  デルタ・ドーピング法に依って形成された不純物層
４１  誘電体ベース層
４１Ａ及び４１Ｂ  誘電体層
４２Ａ及び４２Ｂ  中間層
４３  エミッタ電極
４４  コレクタ電極
４５  ベース電極
４６Ａ及び４６Ｂ  デルタ・ドーピング法に依って形成された不純物層
【図１】
0004022783.tif 000002
【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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