JPH0794739A - Field effect transistor having quantum box and method of manufacturing the same - Google Patents
Field effect transistor having quantum box and method of manufacturing the sameInfo
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Abstract
(57)【要約】
【目的】量子箱を有し、モット転移(金属−絶縁体転
移)を応用した、高い集積度を達成し得る電界効果トラ
ンジスタ(FET)及びその作製方法を提供する。
【構成】FETは、(イ)基体10と、(ロ)その上に
形成された複数の量子箱18と、障壁層16と、障壁層
の上に形成された2次元導電層24とから成るチャネル
領域と、(ハ)ゲート電極32と、(ニ)ソース・ドレ
イン領域34、及びソース・ドレイン電極40、から成
る。FETの作製方法は、(イ)基体上に形成された半
導体原料層12に熱処理を施して複数の半導体結晶粒1
4を形成した後、それらの表面を酸化して酸化膜から成
る障壁層16を形成して、半導体結晶粒から成る量子箱
18を形成し、(ロ)量子箱の上方に形成された半導体
原料層22に熱処理を施して2次元導電層24を形成す
る工程、から成るチャネル領域形成工程を具備する。
(57) [Summary] [Object] To provide a field effect transistor (FET) having a quantum box and capable of achieving a high degree of integration by applying a Mott transition (metal-insulator transition), and a manufacturing method thereof. The FET is composed of (a) substrate 10, (b) a plurality of quantum boxes 18 formed thereon, barrier layer 16, and two-dimensional conductive layer 24 formed on the barrier layer. The channel region, (c) the gate electrode 32, (d) the source / drain regions 34, and the source / drain electrodes 40. The FET manufacturing method is as follows: (a) A plurality of semiconductor crystal grains 1 are formed by heat-treating the semiconductor raw material layer 12 formed on the substrate.
4 is formed, the surfaces thereof are oxidized to form a barrier layer 16 made of an oxide film to form a quantum box 18 made of semiconductor crystal grains, and (b) a semiconductor raw material formed above the quantum box. The layer 22 is subjected to a heat treatment to form a two-dimensional conductive layer 24, and a channel region forming step is provided.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、量子箱を有する電界効
果トランジスタ及びその作製方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field effect transistor having a quantum box and a method for manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、量子波エレクトロニクスにおい
て、電子のド・ブロイ波長と同程度の断面寸法を有する
極微細構造、即ち、所謂量子箱あるいは複数の量子箱の
集合である量子箱集合素子が注目されており、この量子
箱内に閉じ込められた0次元電子が示す量子効果に大き
な関心がもたれている。量子箱集合素子においては、例
えば、電子は隣接する量子箱間をトンネリングによって
移動することができ、しかも、0次元的量子閉じ込めに
よって電子間クーロン相互作用の効果が顕著になる。2. Description of the Related Art In recent years, in quantum wave electronics, attention has been paid to a hyperfine structure having a cross-sectional dimension similar to the de Broglie wavelength of electrons, that is, a so-called quantum box or a quantum box assembly element which is a collection of a plurality of quantum boxes. Therefore, there is great interest in the quantum effect exhibited by the zero-dimensional electrons confined in this quantum box. In the quantum box assembly element, for example, electrons can move between adjacent quantum boxes by tunneling, and the effect of Coulomb interaction between electrons becomes remarkable due to zero-dimensional quantum confinement.
【0003】量子箱1つ当りに1つの電子が供給された
場合、電子間クーロン相互作用によってモット転移(金
属−絶縁体転移)が起こることが予言されている。即
ち、10nm程度の大きさを有する量子箱を5nm程度
離して並べた量子箱集合素子を考える。このような系に
おける量子箱間のトランスファーエネルギーは或る程度
の値(例えば10meV程度)となっており、電子の密
度が低い領域では金属的伝導が生じる。しかしながら、
電子密度が上昇して量子箱1つ当りに1つの電子の密度
(ハーフフィールド)になると、電子間クーロン相互作
用のために各電子は各量子箱に閉じ込められ、伝導でき
なくなる。この現象はモット絶縁体と呼ばれている。こ
の状態は、ハバードギャップによって分離されたサブバ
ンドの低エネルギー側に電子が詰め込まれた状態と考え
ることができる。一方、ハーフフィールドを越えた電子
密度になると、ハバードギャップによって分離されたサ
ブバンドの高エネルギー側に電子が詰まっていき、再び
金属的伝導が可能になる。It is predicted that when one electron is supplied to each quantum box, Mott transition (metal-insulator transition) occurs due to Coulomb interaction between electrons. That is, consider a quantum box assembly element in which quantum boxes having a size of about 10 nm are arranged with a distance of about 5 nm. The transfer energy between the quantum boxes in such a system has a certain value (for example, about 10 meV), and metallic conduction occurs in a region where the electron density is low. However,
When the electron density rises to a density of one electron per quantum box (half field), each electron is confined in each quantum box due to Coulomb interaction between electrons, and cannot conduct. This phenomenon is called Mott insulator. This state can be considered as a state in which electrons are packed in the low energy side of the subbands separated by the Hubbard gap. On the other hand, when the electron density exceeds the half field, the high energy side of the subband separated by the Hubbard gap is clogged with electrons, and the metallic conduction becomes possible again.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】このような量子箱集合
素子の応用分野の1つに電界効果トランジスタ(FE
T)が考えられる。電界効果トランジスタのチャネル領
域に量子箱集合素子を形成し、量子箱集合素子内におけ
る電子あるいは正孔の移動を制御することによってチャ
ネル領域の導通を制御することで、チャネル領域を流れ
るソース・ドレイン電流を制御することが可能である。A field effect transistor (FE) is one of the application fields of such a quantum box assembly element.
T) is considered. A source / drain current flowing in the channel region is formed by forming a quantum box assembly element in the channel region of a field effect transistor and controlling the conduction of the channel region by controlling the movement of electrons or holes in the quantum box assembly element. It is possible to control
【0005】現在、複数の量子箱の集合体である量子箱
集合素子は、主に化合物半導体材料から作製されてい
る。この量子箱集合素子は、化合物半導体のヘテロ接合
による電子閉じ込めを実現する系である。化合物半導体
材料を用いる理由は、分子線エピタキシー技術あるいは
MOCVD技術などの化合物半導体のエピタキシャル成
長技術の進歩によって、形成された化合物半導体層の結
晶性や均質性が良好になってきただけでなく、シャープ
なヘテロ接合が形成できるようになってきたことに大き
く依存している。これらの結晶成長技術は、化合物半導
体材料から成る単結晶基板上に化合物半導体材料から成
る結晶層を成長させることが前提となっている。At present, a quantum box assembly element, which is an assembly of a plurality of quantum boxes, is mainly made of a compound semiconductor material. This quantum box assembly device is a system that realizes electron confinement by a heterojunction of compound semiconductors. The reason why the compound semiconductor material is used is that not only the crystallinity and homogeneity of the formed compound semiconductor layer have been improved by the progress of the epitaxial growth technology of the compound semiconductor such as the molecular beam epitaxy technology or the MOCVD technology, but also the sharpness is improved. It relies heavily on the ability to form heterojunctions. These crystal growth techniques are premised on growing a crystal layer made of a compound semiconductor material on a single crystal substrate made of a compound semiconductor material.
【0006】現在、電界効果トランジスタの多くはシリ
コン等のIV族元素をその構成材料としている。従っ
て、シリコン等のIV族元素を構成材料とした量子箱を
有する電界効果トランジスタが、材料特性の安定性の面
から望まれている。また、例えばLCD等の制御用の電
界効果トランジスタのように、大面積の基板上に高性能
の電界効果トランジスタを高集積度にて作製する技術に
対する強い要求がある。At present, most field effect transistors use Group IV elements such as silicon as their constituent materials. Therefore, a field effect transistor having a quantum box using a group IV element such as silicon as a constituent material is desired in terms of stability of material characteristics. Further, there is a strong demand for a technique for manufacturing a high-performance field-effect transistor with a high degree of integration on a large-area substrate, such as a field-effect transistor for control of LCD or the like.
【0007】量子効果が顕著になる10nm程度の大き
さを有する孤立した量子箱は、従来、電子ビーム露光を
用いて作製されている。例えば、M.N. Reeds, et al.,
Phys. Rev. Lett. 60, 535 (1988) を参照のこと。ま
た、電子ビーム露光に関しては、例えば、A.N. Broers,
et al., Appl. Phys. Lett. 29, 596 (1976) を参照の
こと。然るに、従来の電子ビーム露光によるレジストパ
ターン間隔の限界は、電子ビームの近接効果によって5
0nm程度である。従って、量子箱の間隔が5nm程度
に近接した極めて集積度の高い量子箱集合素子を既存の
技術で作製することは極めて困難である。An isolated quantum box having a size of about 10 nm in which the quantum effect becomes remarkable is conventionally manufactured by using electron beam exposure. For example, MN Reeds, et al.,
See Phys. Rev. Lett. 60, 535 (1988). Regarding electron beam exposure, for example, AN Broers,
See et al., Appl. Phys. Lett. 29, 596 (1976). However, the limit of the resist pattern interval by the conventional electron beam exposure is 5 due to the proximity effect of the electron beam.
It is about 0 nm. Therefore, it is extremely difficult to manufacture an extremely highly integrated quantum box assembly element in which the quantum box spacing is close to about 5 nm by the existing technique.
【0008】従って、本発明の目的は、量子箱を有し、
モット転移(金属−絶縁体転移)を応用した、高い集積
度を達成し得る電界効果トランジスタ及びその作製方法
を提供することにある。また、本発明の目的は、広く用
いられているIV族元素系材料を構成材料とすることが
でき、ヘテロ接合を有していない量子箱を有する電界効
果トランジスタ及びその作製方法を提供することにあ
る。更に、本発明の目的は、大面積の基板上に高性能の
電界効果トランジスタを高集積度にて作製し得る方法を
提供することにある。Therefore, an object of the present invention is to have a quantum box,
An object of the present invention is to provide a field effect transistor that can achieve a high degree of integration by applying a Mott transition (metal-insulator transition) and a manufacturing method thereof. Further, an object of the present invention is to provide a field effect transistor having a quantum box which does not have a heterojunction and which can use a widely used group IV element-based material as a constituent material, and a manufacturing method thereof. is there. A further object of the present invention is to provide a method capable of producing a high-performance field effect transistor with a high degree of integration on a large-area substrate.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の第1の態様に係る電界効果トランジスタ
は、(イ)基体と、(ロ)基体上に形成された複数の量
子箱と、これらの量子箱の間及び量子箱上に形成された
障壁層と、障壁層の上に形成された2次元導電層とから
成るチャネル領域と、(ハ)チャネル領域に設けられた
ゲート電極と、(ニ)チャネル領域の両端に形成された
ソース・ドレイン領域、及びソース・ドレイン領域に設
けられたソース・ドレイン電極、から成ることを特徴と
する。この第1の態様に係る電界効果トランジスタにお
いては、障壁層と2次元導電層の間に、更に、層間絶縁
層を形成することができる。A field-effect transistor according to a first aspect of the present invention for achieving the above object comprises: (a) a substrate; and (b) a plurality of quantum boxes formed on the substrate. A channel region composed of a barrier layer formed between the quantum boxes and on the quantum boxes, and a two-dimensional conductive layer formed on the barrier layer, and (c) a gate electrode provided in the channel region. And (d) a source / drain region formed at both ends of the channel region, and a source / drain electrode provided in the source / drain region. In the field effect transistor according to the first aspect, an interlayer insulating layer can be further formed between the barrier layer and the two-dimensional conductive layer.
【0010】上記の目的を達成するための本発明の第2
の態様に係る電界効果トランジスタは、(イ)基体と、
(ロ)基体上に形成された2次元導電層と、2次元導電
層上に設けられた層間絶縁層と、層間絶縁層上に設けら
れた複数の量子箱と、これらの量子箱の間及び量子箱上
に形成された障壁層とから成るチャネル領域と、(ハ)
チャネル領域に設けられたゲート電極と、(ニ)チャネ
ル領域の両端に形成されたソース・ドレイン領域、及び
ソース・ドレイン領域に設けられたソース・ドレイン電
極、から成ることを特徴とする。A second aspect of the present invention for achieving the above object.
The field effect transistor according to the aspect of
(B) A two-dimensional conductive layer formed on a substrate, an interlayer insulating layer provided on the two-dimensional conductive layer, a plurality of quantum boxes provided on the interlayer insulating layer, between these quantum boxes, and A channel region composed of a barrier layer formed on the quantum box, and (c)
It is characterized by comprising a gate electrode provided in the channel region, (d) a source / drain region formed at both ends of the channel region, and a source / drain electrode provided in the source / drain region.
【0011】これらの本発明の第1及び第2の態様に係
る電界効果トランジスタにおいては、量子箱はIV族元
素の結晶粒から成ることが望ましい。IV族元素として
は、シリコンを挙げることができる。更に、障壁層は二
酸化シリコンから成ることが望ましい。2次元導電層
は、シリコン結晶粒から構成することができる。基体は
透明材料から成ることが好ましい。更には、量子箱ある
いは2次元導電層は、1つの量子箱当りに1つの電子あ
るいは正孔を閉じ込め得るドーピング濃度を有すること
が好ましい。In the field effect transistors according to the first and second aspects of the present invention, it is desirable that the quantum box is made of crystal grains of group IV element. Silicon can be used as the group IV element. Further, the barrier layer preferably comprises silicon dioxide. The two-dimensional conductive layer can be composed of silicon crystal grains. The substrate preferably comprises a transparent material. Further, the quantum box or the two-dimensional conductive layer preferably has a doping concentration capable of confining one electron or hole per one quantum box.
【0012】上記の目的を達成するための本発明の第1
の態様に係る電界効果トランジスタの作製方法は、
(イ)基体上に半導体原料層を形成し、次いで、この半
導体原料層に熱処理を施して複数の半導体結晶粒を形成
した後、これらの半導体結晶粒のそれぞれの表面を酸化
して酸化膜を形成し、酸化膜から成る障壁層によって相
互に隔てられた半導体結晶粒から成る量子箱を形成する
工程と、(ロ)量子箱の上方に半導体原料層を形成した
後、この半導体原料層に熱処理を施して半導体結晶粒か
ら成る2次元導電層を形成する工程、から成るチャネル
領域形成工程を具備することを特徴とする。この場合、
工程(イ)の後、障壁層上に層間絶縁層を形成する工程
を含ませることができる。A first aspect of the present invention for achieving the above object
The method for manufacturing the field effect transistor according to the aspect of
(A) After forming a semiconductor raw material layer on a substrate and then subjecting this semiconductor raw material layer to heat treatment to form a plurality of semiconductor crystal grains, the surface of each of these semiconductor crystal grains is oxidized to form an oxide film. A step of forming a quantum box made of semiconductor crystal grains separated from each other by a barrier layer made of an oxide film, and (b) forming a semiconductor raw material layer above the quantum box and then heat treating the semiconductor raw material layer. And a channel region forming step of forming a two-dimensional conductive layer made of semiconductor crystal grains. in this case,
After the step (a), a step of forming an interlayer insulating layer on the barrier layer can be included.
【0013】上記の目的を達成するための本発明の第2
の態様に係る電界効果トランジスタの作製方法は、
(イ)基体上に半導体原料層を形成した後、この半導体
原料層に熱処理を施して半導体結晶粒から成る2次元導
電層を形成する工程と、(ロ)2次元導電層上に層間絶
縁層を形成する工程と、(ハ)層間絶縁層上に半導体原
料層を形成し、次いで、この半導体原料層に熱処理を施
して複数の半導体結晶粒を形成した後、これらの半導体
結晶粒のそれぞれの表面を酸化して酸化膜を形成して、
酸化膜から成る障壁層によって相互に隔てられた半導体
結晶粒から成る量子箱を形成する工程、から成るチャネ
ル領域形成工程を具備することを特徴とする。A second aspect of the present invention for achieving the above object.
The method for manufacturing the field effect transistor according to the aspect of
(B) a step of forming a semiconductor raw material layer on the substrate and then heat treating the semiconductor raw material layer to form a two-dimensional conductive layer made of semiconductor crystal grains; and (b) an interlayer insulating layer on the two-dimensional conductive layer. And (c) forming a semiconductor raw material layer on the interlayer insulating layer, and then subjecting the semiconductor raw material layer to heat treatment to form a plurality of semiconductor crystal grains, The surface is oxidized to form an oxide film,
And a channel region forming step of forming quantum boxes made of semiconductor crystal grains separated from each other by a barrier layer made of an oxide film.
【0014】これらの本発明の第1及び第2の態様に係
る電界効果トランジスタの作製方法においては、半導体
原料層はIV族元素から構成することができる。半導体
原料層としてポリシリコンを挙げることができる。基体
は熱処理に耐え得る基板あるいは絶縁層から成ることが
望ましい。熱処理はレーザアニール処理とすることがで
きる。また、量子箱を形成するための半導体原料層若し
くは2次元導電層を形成するための半導体原料層に対し
て、1つの量子箱当りに1つの電子あるいは正孔を閉じ
込め得る濃度のドーピングを行うことが好ましい。In the method of manufacturing the field effect transistor according to the first and second aspects of the present invention, the semiconductor raw material layer can be composed of a group IV element. Polysilicon can be used as the semiconductor raw material layer. The substrate preferably comprises a substrate or insulating layer that can withstand heat treatment. The heat treatment can be laser annealing treatment. Further, the semiconductor raw material layer for forming the quantum box or the semiconductor raw material layer for forming the two-dimensional conductive layer is doped with a concentration that can confine one electron or hole per one quantum box. Is preferred.
【0015】[0015]
【作用】本発明の電界効果トランジスタは、複数の量子
箱と、その上方若しくは下方に形成された2次元導電層
との間の電子あるいは正孔のトンネリングによる移動を
ゲート電極によって制御する。電子あるいは正孔が2次
元導電層に引かれた状態では、2次元導電層は金属的挙
動を示し、チャネル領域にはソース・ドレイン電流が流
れる。一方、電子あるいは正孔が量子箱内に捕捉された
状態では、2次元導電層は絶縁体としての挙動を示し、
チャネル領域にはソース・ドレイン電流が流れない。量
子箱1つ当りに電子あるいは正孔が1つ捕捉される状態
の場合、電気伝導度の低下が最も大きくなり、チャネル
領域におけるソース・ドレイン電流の流れを最も効果的
に制御することができる。In the field effect transistor of the present invention, the movement of electrons or holes by tunneling between the plurality of quantum boxes and the two-dimensional conductive layer formed above or below the quantum boxes is controlled by the gate electrode. When electrons or holes are drawn to the two-dimensional conductive layer, the two-dimensional conductive layer exhibits a metallic behavior, and source / drain currents flow in the channel region. On the other hand, when electrons or holes are trapped in the quantum box, the two-dimensional conductive layer behaves as an insulator,
No source / drain current flows in the channel region. In the state where one electron or hole is trapped per quantum box, the decrease in electrical conductivity is the largest, and the source / drain current flow in the channel region can be controlled most effectively.
【0016】本発明の電界効果トランジスタの作製方法
においては、半導体原料層に熱処理を施して複数の半導
体結晶粒を形成する。この半導体結晶粒の大きさは、例
えば半導体原料層の厚さに依存するので、半導体原料層
の厚さを薄くすれば、非常に微細な半導体結晶粒を形成
することができる。そして、半導体結晶粒のそれぞれの
表面を酸化して酸化膜を形成するので、薄い酸化膜から
成る障壁層によって相互に隔てられた半導体結晶粒から
成る量子箱が形成される。即ち、薄い酸化膜から成る障
壁層を介して量子箱相互が非常に近接した微細な複数の
量子箱から構成された電界効果トランジスタを作製する
ことが可能になる。このような構成にすることによっ
て、ヘテロ接合を形成することなく量子箱を作製するこ
とが可能になる。In the method of manufacturing the field effect transistor of the present invention, the semiconductor raw material layer is heat-treated to form a plurality of semiconductor crystal grains. Since the size of the semiconductor crystal grain depends on, for example, the thickness of the semiconductor raw material layer, if the thickness of the semiconductor raw material layer is reduced, extremely fine semiconductor crystal grains can be formed. Then, since each surface of the semiconductor crystal grains is oxidized to form an oxide film, quantum boxes made of semiconductor crystal grains are formed which are separated from each other by a barrier layer made of a thin oxide film. That is, it becomes possible to fabricate a field effect transistor composed of a plurality of fine quantum boxes in which the quantum boxes are very close to each other through a barrier layer made of a thin oxide film. With such a structure, a quantum box can be manufactured without forming a heterojunction.
【0017】[0017]
【実施例】以下、図面を参照して、実施例に基づき本発
明の電界効果トランジスタ及びその作製方法を説明す
る。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The field effect transistor of the present invention and the method for manufacturing the same will be described below with reference to the drawings.
【0018】(実施例1)実施例1は、本発明の第1の
態様に係る電界効果トランジスタ及び第1の態様に係る
電界効果トランジスタ作製方法に関する。実施例1の電
界効果トランジスタは、複数の量子箱から成る層(以
下、量子箱層とも呼ぶ)を1層有し、その上に2次元導
電層を有する。半導体原料層はポリシリコンから構成さ
れる。また、基体は熱処理に耐え得る材料であるガラス
から構成される。更には、熱処理はレーザアニール処理
である。Example 1 Example 1 relates to a field effect transistor according to the first aspect of the present invention and a method for producing a field effect transistor according to the first aspect. The field-effect transistor of Example 1 has one layer composed of a plurality of quantum boxes (hereinafter also referred to as quantum box layer), and has a two-dimensional conductive layer thereon. The semiconductor raw material layer is composed of polysilicon. The substrate is made of glass, which is a material that can withstand heat treatment. Furthermore, the heat treatment is a laser annealing treatment.
【0019】図1の(A)に、実施例1の電界効果トラ
ンジスタの模式的な一部断面図を示す。この電界効果ト
ランジスタは、具体的には、(イ)ガラスから成る基体
10と、(ロ)基体10上に形成された複数のシリコン
結晶粒から成る量子箱18と、これらの量子箱の間及び
量子箱上に形成された二酸化シリコンから成る障壁層1
6と、障壁層の上に形成されたシリコン結晶粒から成る
2次元導電層24とから構成されたチャネル領域と、
(ハ)チャネル領域の上方に設けられたゲート電極32
と、(ニ)チャネル領域の両端に形成されたソース・ド
レイン領域34、及びソース・ドレイン領域34に設け
られたソース・ドレイン電極40から成る。尚、実施例
1の電界効果トランジスタにおいては、障壁層16と2
次元導電層24との間に、更に、層間絶縁層20が形成
されている。FIG. 1A shows a schematic partial sectional view of the field effect transistor of the first embodiment. Specifically, this field effect transistor includes (a) a substrate 10 made of glass, (b) a quantum box 18 made of a plurality of silicon crystal grains formed on the substrate 10, and between the quantum boxes. Barrier layer 1 made of silicon dioxide formed on a quantum box
6 and a two-dimensional conductive layer 24 made of silicon crystal grains formed on the barrier layer,
(C) Gate electrode 32 provided above the channel region
And (d) a source / drain region 34 formed at both ends of the channel region, and a source / drain electrode 40 provided in the source / drain region 34. In the field effect transistor of Example 1, the barrier layers 16 and 2
An interlayer insulating layer 20 is further formed between the dimensional conductive layer 24.
【0020】かかる実施例1の電界効果トランジスタの
作製方法を、以下、図2及び図3を参照して説明する。A method of manufacturing the field effect transistor of Example 1 will be described below with reference to FIGS. 2 and 3.
【0021】[工程−100]先ず、基体10上に半導
体原料層12を形成する。即ち、例えばCVD法にてポ
リシリコンから成る半導体原料層12を、ガラスから成
る基体10上に形成する(図2の(A)参照)。半導体
原料層12の厚さが量子箱の大きさを規定することにな
るので、半導体原料層12の厚さを、例えば10nm〜
100nmとする。実施例1においては、半導体原料層
12の厚さを10nmとした。最終的に形成される量子
箱の大きさは2nm〜50nmであることが望ましい。
また、半導体原料層12には、1018/cm3〜1019
/cm3程度の濃度のドーパントを加えることが望まし
い。これによって、量子箱1つ当りに電子あるいは正孔
が1つ含まれることになる。[Step-100] First, the semiconductor raw material layer 12 is formed on the substrate 10. That is, the semiconductor raw material layer 12 made of polysilicon is formed on the substrate 10 made of glass by, for example, the CVD method (see FIG. 2A). Since the thickness of the semiconductor raw material layer 12 defines the size of the quantum box, the thickness of the semiconductor raw material layer 12 is, for example, 10 nm to
It is 100 nm. In Example 1, the semiconductor raw material layer 12 had a thickness of 10 nm. The size of the finally formed quantum box is preferably 2 nm to 50 nm.
Further, the semiconductor raw material layer 12 has 10 18 / cm 3 to 10 19
It is desirable to add a dopant at a concentration of about / cm 3 . As a result, one quantum box contains one electron or hole.
【0022】[工程−110]次に、半導体原料層12
に熱処理を施して複数の半導体結晶粒14を形成する。
具体的には、半導体原料層12にパルスレーザ光を照射
する。パルスレーザ光としては、例えば、以下の諸元を
有するものを使用することができる。 使用レーザ : XeClエキシマレーザ パルス幅 : 30n秒 照射エネルギー : 180mJ/cm2 [Step-110] Next, the semiconductor raw material layer 12
Is subjected to heat treatment to form a plurality of semiconductor crystal grains 14.
Specifically, the semiconductor raw material layer 12 is irradiated with pulsed laser light. As the pulsed laser light, for example, one having the following specifications can be used. Laser used: XeCl excimer laser Pulse width: 30 nsec Irradiation energy: 180 mJ / cm 2
【0023】パルスレーザ光に照射された半導体原料層
12の領域は瞬間的に溶融し、パルスレーザ光の照射が
完了した時点から冷却され、シリコンから成る均質な微
細(例えば10nm程度の)半導体結晶粒14が形成さ
れる(図2の(B)参照)。このように形成された半導
体結晶粒は十分大きな電気伝導度を有することから、半
導体結晶粒界面での電子散乱は殆ど無いと考えられる。
従って、半導体結晶粒間には空隙は殆ど無いと考えられ
る。The region of the semiconductor raw material layer 12 irradiated with the pulsed laser light is instantaneously melted and cooled from the time when the irradiation of the pulsed laser light is completed, and a uniform fine semiconductor crystal (for example, about 10 nm) made of silicon is formed. Grains 14 are formed (see FIG. 2B). Since the semiconductor crystal grains formed in this way have a sufficiently large electric conductivity, it is considered that there is almost no electron scattering at the semiconductor crystal grain interface.
Therefore, it is considered that there are almost no voids between the semiconductor crystal grains.
【0024】[工程−120]その後、半導体結晶粒1
4のそれぞれの表面を酸化して酸化膜を形成し、酸化膜
から成る障壁層16によって相互に隔てられた半導体結
晶粒14から成る量子箱18を形成する(図2の(C)
参照)。酸化膜の形成は、例えば以下の条件で行うこと
ができる。 酸化雰囲気 : 窒素ガスで希釈した酸素ガス雰囲気 温度 : 950゜C 時間 : 30分[Step-120] Then, semiconductor crystal grains 1
Each surface of 4 is oxidized to form an oxide film, and a quantum box 18 made of semiconductor crystal grains 14 separated from each other by a barrier layer 16 made of an oxide film is formed ((C) in FIG. 2).
reference). The oxide film can be formed, for example, under the following conditions. Oxidizing atmosphere: Oxygen gas atmosphere diluted with nitrogen gas Temperature: 950 ° C Time: 30 minutes
【0025】半導体結晶粒14のそれぞれの表面が酸化
され、シリコンから成る中心部を二酸化シリコンから成
る酸化膜(障壁層16)が取り囲む構造を有する量子箱
18が、チャネル領域形成予定領域に形成される。その
理由は、外部から取り込まれた酸素が、半導体結晶粒1
4の界面上を拡散してシリコンから成る半導体結晶粒1
4中に侵入するからである。こうして、量子箱18は、
酸化膜から成る障壁層16によって相互に隔てられる。
シリコンから成る半導体結晶粒表面の酸化処理の制御性
は非常に優れている。従って、数nmの厚さの酸化膜を
形成することができる。Quantum boxes 18 having a structure in which the respective surfaces of the semiconductor crystal grains 14 are oxidized and the central part made of silicon is surrounded by an oxide film (barrier layer 16) made of silicon dioxide are formed in the regions where channel regions are to be formed. It The reason is that oxygen taken in from the outside is
Semiconductor crystal grains 1 made of silicon diffused on the interface 4
It is because it invades in 4. Thus, the quantum box 18 becomes
They are separated from each other by a barrier layer 16 made of an oxide film.
The controllability of the oxidation treatment on the surface of semiconductor crystal grains made of silicon is very excellent. Therefore, an oxide film having a thickness of several nm can be formed.
【0026】こうして、ナノメーターオーダーのシリコ
ンから成る半導体結晶粒14から構成された複数の量子
箱18を作製することができる。また、これらの量子箱
18は、ナノメーターオーダーの二酸化シリコンから成
る障壁層16(酸化膜)によって相互に隔てられてい
る。このように、量子箱18の形成に際しては、下地で
ある基体10との間でヘテロ接合を形成する必要がな
い。In this way, a plurality of quantum boxes 18 composed of semiconductor crystal grains 14 made of silicon of nanometer order can be manufactured. Further, these quantum boxes 18 are separated from each other by a barrier layer 16 (oxide film) made of nanometer-order silicon dioxide. As described above, when forming the quantum box 18, it is not necessary to form a heterojunction with the base body 10 as the base.
【0027】このような量子箱の大きさは、走査型トン
ネル顕微鏡(STM)による量子箱の断面観察や、光ル
ミネッセンスにおけるブルーシフトによって、観察する
ことができる。The size of such a quantum box can be observed by observing a cross section of the quantum box with a scanning tunneling microscope (STM) or by blue shift in photoluminescence.
【0028】[工程−130]その後、必要に応じて、
全面に層間絶縁層20を形成する(図2の(D)参
照)。これによって、量子箱18は層間絶縁層20で被
覆される。層間絶縁層20は、例えば二酸化シリコンか
ら成り、CVD法等にて形成することができる。層間絶
縁層20と、半導体結晶粒14のそれぞれの表面に形成
された酸化膜から成る障壁層16の厚さの合計は、電子
がトンネリングできる厚さとする。具体的には、合計の
厚さは、例えば数nm〜数十nm程度である。[Step-130] Thereafter, if necessary,
An interlayer insulating layer 20 is formed on the entire surface (see FIG. 2D). As a result, the quantum box 18 is covered with the interlayer insulating layer 20. The interlayer insulating layer 20 is made of, for example, silicon dioxide and can be formed by a CVD method or the like. The total thickness of the interlayer insulating layer 20 and the barrier layer 16 formed of an oxide film formed on each surface of the semiconductor crystal grains 14 is set to a thickness at which electrons can tunnel. Specifically, the total thickness is, for example, about several nm to several tens of nm.
【0029】[工程−140]次いで、全面に半導体原
料層22を形成する(図3の(A)参照)。これによっ
て、障壁層16の上に(層間絶縁層20を形成した場合
には、層間絶縁層20の上に)、半導体原料層22が形
成される。半導体原料層22は、例えばCVD法にて形
成されたポリシリコンから構成することができる。この
半導体原料層22の厚さは5〜20nm程度であればよ
い。尚、[工程−100]で半導体原料層12にドーパ
ントを加えない場合には、[工程−140]において、
半導体原料層22に、1018/cm3〜1019/cm3程
度の濃度のドーパントを加えることが望ましい。これに
よって、量子箱1つ当りに電子あるいは正孔が1つ含ま
れることになる。[Step-140] Next, the semiconductor raw material layer 22 is formed on the entire surface (see FIG. 3A). As a result, the semiconductor raw material layer 22 is formed on the barrier layer 16 (on the interlayer insulating layer 20 when the interlayer insulating layer 20 is formed). The semiconductor raw material layer 22 can be composed of, for example, polysilicon formed by a CVD method. The thickness of the semiconductor raw material layer 22 may be about 5 to 20 nm. When no dopant is added to the semiconductor raw material layer 12 in [Step-100], in [Step-140],
It is desirable to add a dopant having a concentration of about 10 18 / cm 3 to 10 19 / cm 3 to the semiconductor raw material layer 22. As a result, one quantum box contains one electron or hole.
【0030】[工程−150]その後、半導体原料層2
2に熱処理を施して半導体結晶粒から成る2次元導電層
24を形成する(図3の(B)参照)。2次元導電層2
4を半導体結晶粒から構成することによって、2次元導
電層24の電気伝導度を向上させることができる。この
熱処理工程は、例えば、[工程−110]と同様とする
ことができる。パルスレーザ光に照射された半導体原料
層22の領域は瞬間的に溶融し、パルスレーザ光の照射
が完了した時点から冷却され、シリコンから成る均質な
微細半導体結晶粒から構成された2次元導電層24が形
成される。こうして、電界効果トランジスタのチャネル
領域が形成される。[Step-150] After that, the semiconductor raw material layer 2
2 is heat-treated to form a two-dimensional conductive layer 24 made of semiconductor crystal grains (see FIG. 3B). Two-dimensional conductive layer 2
By configuring 4 as a semiconductor crystal grain, the electrical conductivity of the two-dimensional conductive layer 24 can be improved. This heat treatment step can be similar to, for example, [Step-110]. The region of the semiconductor raw material layer 22 irradiated with the pulsed laser light is instantaneously melted, cooled from the time when the irradiation of the pulsed laser light is completed, and is a two-dimensional conductive layer composed of homogeneous fine semiconductor crystal grains made of silicon. 24 is formed. Thus, the channel region of the field effect transistor is formed.
【0031】[工程−160]次いで、ソース・ドレイ
ン領域形成予定領域の外側の、量子箱18、障壁層16
及び2次元導電層24、並びに場合によっては層間絶縁
層20の一部を除去し、電界効果トランジスタの各素子
を分離させる(この状態は図示せず)。[Step-160] Next, the quantum box 18 and the barrier layer 16 outside the source / drain region formation planned region.
Then, the two-dimensional conductive layer 24, and optionally the interlayer insulating layer 20 are partially removed to separate each element of the field effect transistor (this state is not shown).
【0032】[工程−170]次に、2次元導電層24
の表面を、通常の酸化法にて酸化してゲート酸化膜30
を形成する。次いで、ポリシリコン等から成るゲート電
極32を従来の方法にてゲート酸化膜30上に形成する
(図3の(C)参照)。[Step-170] Next, the two-dimensional conductive layer 24.
The surface of the gate oxide film 30 is oxidized by an ordinary oxidation method.
To form. Next, a gate electrode 32 made of polysilicon or the like is formed on the gate oxide film 30 by a conventional method (see FIG. 3C).
【0033】[工程−180]次に、ソース・ドレイン
領域形成予定領域に従来のイオン注入法によってイオン
注入を施し、ソース・ドレイン領域34を形成する。そ
の後、例えば二酸化シリコンから成る絶縁層36をCV
D法等にて全面に形成した後、リソグラフィー技術及び
RIE法等のエッチング技術を用いて、ソース・ドレイ
ン領域34上の絶縁層36に開口部38を設け、スパッ
タ法等によって、開口部38を含む絶縁層36上にアル
ミニウム合金等の金属配線材料を堆積させて、ソース・
ドレイン電極40を設ける。次いで、絶縁層36上に堆
積された金属配線材料に所望のパターニングを施し、配
線を形成する。[Step-180] Next, the source / drain regions 34 are to be formed by the conventional ion implantation method to form the source / drain regions 34. Thereafter, the insulating layer 36 made of, for example, silicon dioxide is CV
After the entire surface is formed by the D method or the like, an opening 38 is formed in the insulating layer 36 on the source / drain region 34 by using a lithography technique and an etching technique such as an RIE method, and the opening 38 is formed by a sputtering method or the like. A metal wiring material such as an aluminum alloy is deposited on the insulating layer 36 including
A drain electrode 40 is provided. Next, the metal wiring material deposited on the insulating layer 36 is subjected to desired patterning to form wiring.
【0034】こうして、図1の(A)に示した電界効果
トランジスタが完成される。この電界効果トランジスタ
は、基体10上に形成された複数の量子箱18と、量子
箱の間及び量子箱上に形成された障壁層16と、障壁層
の上に形成された2次元導電層24とから成るチャネル
領域を有する。Thus, the field effect transistor shown in FIG. 1A is completed. This field effect transistor includes a plurality of quantum boxes 18 formed on a substrate 10, barrier layers 16 formed between and on the quantum boxes, and a two-dimensional conductive layer 24 formed on the barrier layers. And a channel region consisting of
【0035】以下、実施例1の電界効果トランジスタの
動作概要を説明する。この電界効果トランジスタは、モ
ット転移を応用している。尚、量子箱は、例えば、1つ
の量子箱当りに1つの電子を閉じ込め得るドーピング濃
度を有するとする。The outline of the operation of the field effect transistor of the first embodiment will be described below. This field effect transistor applies Mott transition. The quantum boxes are assumed to have a doping concentration capable of confining one electron per one quantum box.
【0036】ソース・ドレイン電極40間に適当なバイ
アスをかけた状態で、ゲート電極32に0.1〜1V程
度の正の電位を印加する。これによって、電子は2次元
導電層24へ引かれ、2次元導電層24の電気伝導度が
大きくなり、2次元導電層24は金属的な挙動を示し、
ソース・ドレイン電極40間に電流が流れる。一方、ゲ
ート電極32に−0.1〜−1V程度の負の電位を印加
すると、電子は量子箱18の方向に引かれ、量子箱18
内に捕捉される。その結果、2次元導電層24の電気伝
導度はほぼ0となり、2次元導電層24は絶縁体として
の挙動を示し、ソース・ドレイン電極40間に電流が流
れなくなる。以上の動作原理によって、電界効果トラン
ジスタのチャネル領域の伝導性、即ちソース・ドレイン
電流を制御することができる。With a proper bias applied between the source / drain electrodes 40, a positive potential of about 0.1 to 1 V is applied to the gate electrode 32. As a result, electrons are attracted to the two-dimensional conductive layer 24, the electric conductivity of the two-dimensional conductive layer 24 increases, and the two-dimensional conductive layer 24 exhibits a metallic behavior.
A current flows between the source / drain electrodes 40. On the other hand, when a negative potential of about −0.1 to −1 V is applied to the gate electrode 32, the electrons are drawn toward the quantum box 18,
Captured within. As a result, the electric conductivity of the two-dimensional conductive layer 24 becomes almost 0, the two-dimensional conductive layer 24 behaves as an insulator, and no current flows between the source / drain electrodes 40. Based on the above operation principle, the conductivity of the channel region of the field effect transistor, that is, the source / drain current can be controlled.
【0037】(実施例2)実施例2は、本発明の第2の
態様に係る電界効果トランジスタ及び第2の態様に係る
電界効果トランジスタ作製方法に関する。実施例2の電
界効果トランジスタは、2次元導電層を有し、その上に
量子箱層を1層有する。半導体原料層はポリシリコンか
ら構成される。また、基体は熱処理に耐え得る材料であ
るガラスから構成される。更には、熱処理はレーザアニ
ール処理である。Example 2 Example 2 relates to a field effect transistor according to the second aspect of the present invention and a method for producing a field effect transistor according to the second aspect. The field-effect transistor of Example 2 has a two-dimensional conductive layer and a quantum box layer on it. The semiconductor raw material layer is composed of polysilicon. The substrate is made of glass, which is a material that can withstand heat treatment. Furthermore, the heat treatment is a laser annealing treatment.
【0038】図1の(B)に、実施例2の電界効果トラ
ンジスタの模式的な一部断面図を示す。この電界効果ト
ランジスタは、具体的には、(イ)ガラスから成る基体
10と、(ロ)基体10上に形成されたシリコン結晶粒
から成る2次元導電層24と、2次元導電層24上に設
けられた二酸化シリコンから成る層間絶縁層50と、層
間絶縁層50上に設けられた複数のシリコン結晶粒から
成る量子箱18と、これらの量子箱の間及び量子箱上に
形成された二酸化シリコンから成る障壁層16とから構
成されたチャネル領域と、(ハ)チャネル領域の上方に
設けられたゲート電極32と、(ニ)チャネル領域の両
端に形成されたソース・ドレイン領域34、及びソース
・ドレイン領域34に設けられたソース・ドレイン電極
40から成る。FIG. 1B is a schematic partial sectional view of the field effect transistor of the second embodiment. Specifically, this field effect transistor includes (a) a substrate 10 made of glass, (b) a two-dimensional conductive layer 24 made of silicon crystal grains formed on the substrate 10, and a two-dimensional conductive layer 24 on the two-dimensional conductive layer 24. The interlayer insulating layer 50 made of silicon dioxide provided, the quantum boxes 18 made of a plurality of silicon crystal grains provided on the interlayer insulating layer 50, and silicon dioxide formed between these quantum boxes and on the quantum boxes. A channel region composed of a barrier layer 16 composed of (c), (c) a gate electrode 32 provided above the channel region, (d) a source / drain region 34 formed at both ends of the channel region, and a source / drain region. The source / drain electrodes 40 are provided in the drain region 34.
【0039】かかる実施例2の電界効果トランジスタの
作製方法を、以下、図4を参照して説明する。A method of manufacturing the field effect transistor of Example 2 will be described below with reference to FIG.
【0040】[工程−200]先ず、基体10上に半導
体原料層22を形成する(図4の(A)参照)。半導体
原料層22は、例えばCVD法にて形成されたポリシリ
コンから構成することができる。この半導体原料層22
の厚さは5〜20nm程度であればよい。必要に応じ
て、実施例1の[工程−140]にて説明したように、
半導体原料層22にドーパントを加えることができる。[Step-200] First, the semiconductor raw material layer 22 is formed on the substrate 10 (see FIG. 4A). The semiconductor raw material layer 22 can be composed of, for example, polysilicon formed by a CVD method. This semiconductor raw material layer 22
May have a thickness of about 5 to 20 nm. If necessary, as described in [Step-140] of Example 1,
A dopant can be added to the semiconductor raw material layer 22.
【0041】[工程−210]その後、半導体原料層2
2に熱処理を施して半導体結晶粒から成る2次元導電層
24を形成する(図4の(B)参照)。この熱処理工程
は、例えば、実施例1の[工程−110]と同様とする
ことができる。パルスレーザ光に照射された半導体原料
層22の領域は瞬間的に溶融し、パルスレーザ光の照射
が完了した時点から冷却され、シリコンから成る均質な
微細半導体結晶粒から構成された2次元導電層24が形
成される。[Step-210] After that, the semiconductor raw material layer 2
2 is heat-treated to form a two-dimensional conductive layer 24 made of semiconductor crystal grains (see FIG. 4B). This heat treatment step can be performed, for example, in the same manner as in [Step-110] of the first embodiment. The region of the semiconductor raw material layer 22 irradiated with the pulsed laser light is instantaneously melted, cooled from the time when the irradiation of the pulsed laser light is completed, and is a two-dimensional conductive layer composed of homogeneous fine semiconductor crystal grains made of silicon. 24 is formed.
【0042】[工程−220]次に、2次元導電層24
上に層間絶縁層50を形成する(図4の(C)参照)。
層間絶縁層50は、例えば二酸化シリコンから成り、C
VD法等にて形成することができる。層間絶縁層50の
厚さは、電子がトンネリングできる厚さとする。具体的
には、層間絶縁層50の厚さは、例えば数nm〜数十n
m程度である。[Step-220] Next, the two-dimensional conductive layer 24.
An interlayer insulating layer 50 is formed thereover (see FIG. 4C).
The interlayer insulating layer 50 is made of, for example, silicon dioxide, and has a C content.
It can be formed by the VD method or the like. The thickness of the interlayer insulating layer 50 is set so that electrons can be tunneled. Specifically, the thickness of the interlayer insulating layer 50 is, for example, several nm to several tens n.
It is about m.
【0043】[工程−230]そして、層間絶縁層50
上に半導体原料層12を形成し(図4の(D)参照)、
次に、半導体原料層12にレーザアニール処理から成る
熱処理を施して複数の半導体結晶粒を形成する。その
後、半導体結晶粒のそれぞれの表面を酸化して酸化膜を
形成し、酸化膜から成る障壁層16によって相互に隔て
られた半導体結晶粒から成る量子箱18を形成する(図
4の(E)参照)。以上の各工程は、実施例1の[工程
−100]〜[工程−120]と同様とすることができ
る。このように、量子箱18の形成に際しては、下地で
ある層間絶縁層50との間でヘテロ接合を形成する必要
がない。[Step-230] Then, the interlayer insulating layer 50 is formed.
A semiconductor raw material layer 12 is formed thereon (see FIG. 4D),
Next, the semiconductor raw material layer 12 is subjected to heat treatment including laser annealing treatment to form a plurality of semiconductor crystal grains. After that, each surface of the semiconductor crystal grains is oxidized to form an oxide film, and the quantum boxes 18 made of the semiconductor crystal grains are separated from each other by the barrier layer 16 made of the oxide film ((E) in FIG. 4). reference). The above steps can be the same as [Step-100] to [Step-120] of the first embodiment. In this way, when forming the quantum box 18, it is not necessary to form a heterojunction with the underlying interlayer insulating layer 50.
【0044】[工程−240]次に、実施例1の[工程
−160]と同様に素子分離を行い、次いで、例えば二
酸化シリコンから成るゲート酸化膜30を複数の量子箱
18の上方に形成する。[Step-240] Next, element isolation is performed in the same manner as in [Step-160] of the first embodiment, and then the gate oxide film 30 made of, for example, silicon dioxide is formed above the plurality of quantum boxes 18. .
【0045】[工程−250]その後、チャネル領域の
上のゲート酸化膜30上にゲート電極32を形成する。[Step-250] After that, the gate electrode 32 is formed on the gate oxide film 30 above the channel region.
【0046】[工程−260]次いで、実施例1の[工
程−180]と同様に、イオン注入法によるソース・ド
レイン領域34の形成、絶縁層36及び開口部38の形
成、ソース・ドレイン電極40の形成を行う。[Step-260] Next, as in [Step-180] of Example 1, the source / drain regions 34 are formed by the ion implantation method, the insulating layer 36 and the openings 38 are formed, and the source / drain electrodes 40 are formed. Formation.
【0047】こうして、図1の(B)に示した電界効果
トランジスタが完成される。この電界効果トランジスタ
は、基体10上に形成された2次元導電層24と、この
2次元導電層24上に形成された層間絶縁層50と、層
間絶縁層50上に形成された複数の量子箱18と、量子
箱の間及び量子箱上に形成された障壁層16から成るチ
ャネル領域を有する。Thus, the field effect transistor shown in FIG. 1B is completed. This field effect transistor includes a two-dimensional conductive layer 24 formed on a substrate 10, an interlayer insulating layer 50 formed on the two-dimensional conductive layer 24, and a plurality of quantum boxes formed on the interlayer insulating layer 50. 18 and a barrier region 16 formed between the quantum boxes and on the quantum boxes.
【0048】実施例2の電界効果トランジスタの動作原
理は、ゲート電極32に印加される電位の符号が異なる
点を除き、実質的には実施例1の電界効果トランジスタ
と同様であるので、詳細な説明は省略する。The operating principle of the field-effect transistor of the second embodiment is substantially the same as that of the field-effect transistor of the first embodiment except that the sign of the potential applied to the gate electrode 32 is different, and therefore the detailed operation principle will be described. The description is omitted.
【0049】以上、好ましい実施例に基づき本発明の電
界効果トランジスタ及びその作製方法を説明したが、本
発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施
例における成膜方法や各種条件は例示であり、適宜変更
することができる。半導体原料層は、ポリシリコン以外
にも、アモルファスシリコン、その他、ゲルマニウム等
から構成することができる。層間絶縁層や絶縁層も二酸
化シリコンに限定されず、SiN等、適当な方法で量子
箱層や2次元導電層上に堆積させ得る公知の絶縁材料か
ら構成することができる。基体は、ガラス以外にも、石
英、シリコン基板、その他、熱処理に耐え得る基板を用
いることができる。あるいは、基体は各種素子や配線を
被覆した絶縁層であってもよい。この場合には、多層の
素子構造を形成することができる。Although the field effect transistor and the method for manufacturing the same according to the present invention have been described based on the preferred embodiments, the present invention is not limited to these embodiments. The film forming method and various conditions in the examples are merely examples, and can be appropriately changed. The semiconductor raw material layer can be made of amorphous silicon, other than germanium, or the like, in addition to polysilicon. The interlayer insulating layer and the insulating layer are not limited to silicon dioxide, and can be made of a known insulating material such as SiN that can be deposited on the quantum box layer or the two-dimensional conductive layer by an appropriate method. As the substrate, besides glass, quartz, a silicon substrate, or a substrate that can withstand heat treatment can be used. Alternatively, the substrate may be an insulating layer that covers various elements and wirings. In this case, a multi-layer element structure can be formed.
【0050】電界効果トランジスタには、量子箱層や2
次元導電層を複数設けてもよい。このような構造にする
ことによって、大電流のソース・ドレイン電流を電界効
果トランジスタに流すことが可能になり、大電流の制御
を行い得る。In the field effect transistor, a quantum box layer or 2
A plurality of dimensional conductive layers may be provided. With such a structure, a large amount of source / drain current can be passed through the field effect transistor, and a large amount of current can be controlled.
【0051】2次元導電層の形成方法や半導体原料層の
熱処理方法は、レーザアニール処理に限られず、RTA
(Rapid Thermal Annealing)処理を採用することがで
きる。The method for forming the two-dimensional conductive layer and the method for heat-treating the semiconductor raw material layer are not limited to the laser annealing process, but may be RTA.
(Rapid Thermal Annealing) processing can be adopted.
【0052】実施例においては、所謂トップゲート型の
電界効果トランジスタを専ら例にとり説明したが、本発
明の電界効果トランジスタは、所謂ボトムゲート型であ
ってもよい。実施例1にて説明した電界効果トランジス
タの構造をボトムゲート型電界効果トランジスタに適用
した場合には、具体的には、例えば以下の構造を有す
る。 (A)ガラスから成る基体10 (B)基体10上に形成されたゲート電極32 (C)ゲート電極32上に形成されたゲート酸化膜30 (D)ゲート酸化膜30上に形成された複数のシリコン
結晶粒から成る量子箱18と、これらの量子箱の間及び
量子箱上に形成された二酸化シリコンから成る障壁層1
6と、障壁層の上に形成されたシリコン結晶粒から成る
2次元導電層24とから構成されたチャネル領域 (E)チャネル領域の両端に形成されたソース・ドレイ
ン領域34、及びソース・ドレイン領域34に設けられ
たソース・ドレイン電極40In the embodiments, the so-called top gate type field effect transistor has been described as an example, but the field effect transistor of the present invention may be a so-called bottom gate type. When the structure of the field effect transistor described in the first embodiment is applied to the bottom gate type field effect transistor, it has, for example, the following structure. (A) Substrate 10 made of glass (B) Gate electrode 32 formed on the substrate 10 (C) Gate oxide film 30 formed on the gate electrode 32 (D) A plurality of gate electrodes formed on the gate oxide film 30 Quantum boxes 18 made of silicon crystal grains, and a barrier layer 1 made of silicon dioxide formed between and on the quantum boxes 1.
6 and a two-dimensional conductive layer 24 made of silicon crystal grains formed on the barrier layer (E) source / drain regions 34 formed at both ends of the channel region, and source / drain regions Source / drain electrode 40 provided on
【0053】このようなボトムゲート型の電界効果トラ
ンジスタは、実施例1における作製工程の順序を以下の
ように変更して作製することができる。 (X)[工程−170](但し、ゲート電極とゲート酸
化膜の形成順序を逆にする) (Y)[工程−100]〜[工程−160](但し、量
子箱の形成はゲート酸化膜上にて行う) (Z)[工程−180]Such a bottom gate type field effect transistor can be manufactured by changing the order of the manufacturing steps in the first embodiment as follows. (X) [Step-170] (however, the order of forming the gate electrode and the gate oxide film is reversed) (Y) [Step-100] to [Step-160] (however, the quantum box is formed by the gate oxide film) Performed above) (Z) [Step-180]
【0054】また、実施例2にて説明した電界効果トラ
ンジスタの構造をボトムゲート型電界効果トランジスタ
に適用した場合には、具体的には、例えば以下の構造を
有する。 (a)ガラスから成る基体10 (b)基体10上に形成されたゲート電極32 (c)ゲート電極32上に形成されたゲート酸化膜30 (d)ゲート酸化膜30上に形成されたシリコン結晶粒
から成る2次元導電層24と、2次元導電層24上に設
けられた二酸化シリコンから成る層間絶縁層50と、層
間絶縁層50上に設けられた複数のシリコン結晶粒から
成る量子箱18と、これらの量子箱の間及び量子箱上に
形成された二酸化シリコンから成る障壁層16とから構
成されたチャネル領域 (e)チャネル領域の両端に形成されたソース・ドレイ
ン領域34、及びソース・ドレイン領域34に設けられ
たソース・ドレイン電極40When the structure of the field effect transistor described in the second embodiment is applied to the bottom gate type field effect transistor, it has the following specific structure. (A) Substrate 10 made of glass (b) Gate electrode 32 formed on the substrate 10 (c) Gate oxide film 30 formed on the gate electrode 32 (d) Silicon crystal formed on the gate oxide film 30 A two-dimensional conductive layer 24 made of grains, an interlayer insulating layer 50 made of silicon dioxide provided on the two-dimensional conductive layer 24, and a quantum box 18 made of a plurality of silicon crystal grains provided on the interlayer insulating layer 50. A channel region formed between these quantum boxes and a barrier layer 16 made of silicon dioxide formed on the quantum boxes (e) source / drain regions 34 formed at both ends of the channel region, and source / drain Source / drain electrodes 40 provided in the region 34
【0055】このようなボトムゲート型の電界効果トラ
ンジスタは、実施例2における作製工程の順序を以下の
ように変更して作製することができる。 (x)[工程−250](但し、ゲート電極とゲート酸
化膜の形成順序を逆にする) (Y)[工程−200]〜[工程−240](但し、2
次元導電層の形成はゲート酸化膜上にて行う) (Z)[工程−260]Such a bottom gate type field effect transistor can be manufactured by changing the order of the manufacturing steps in the second embodiment as follows. (X) [Step-250] (however, the order of forming the gate electrode and the gate oxide film is reversed) (Y) [Step-200] to [Step-240] (however, 2
The three-dimensional conductive layer is formed on the gate oxide film) (Z) [Step-260]
【0056】本発明の電界効果トランジスタは、本発明
の電界効果トランジスタ作製方法によって作製されるこ
とが望ましいが、本発明の電界効果トランジスタ作製方
法に限定されるものではない。半導体結晶粒から成る層
(半導体結晶粒層と呼ぶ)を形成した後、かかる半導体
結晶粒層をパターニングすることによって、量子箱を形
成することもできる。パターニングの際、半導体結晶粒
層上のレジスト材料の形成は、例えば、電子ビーム照射
装置の真空排気された試料室内において所定のレジスト
原料ガス雰囲気中でスポット径を十分小さく絞った電子
ビームを半導体結晶粒層上に選択的に照射して、この電
子ビームが照射された半導体結晶粒層の部分にレジスト
原料ガスの分解生成物を堆積させることで行うことがで
きる。また、パターニングの際における半導体結晶粒層
のエッチングは、例えばRIE法のような異方性ドライ
エッチング法にて行うことができる。量子箱の平面形状
は、例えば矩形とすることができる。こうして形成され
た複数の量子箱の上及び量子箱の間には、例えばCVD
法等によって二酸化シリコンから成る障壁層を堆積させ
ればよい。The field effect transistor of the present invention is preferably manufactured by the method of manufacturing a field effect transistor of the present invention, but is not limited to the method of manufacturing a field effect transistor of the present invention. It is also possible to form a quantum box by forming a layer made of semiconductor crystal grains (referred to as a semiconductor crystal grain layer) and then patterning the semiconductor crystal grain layer. During patterning, the resist material is formed on the semiconductor crystal grain layer by, for example, using an electron beam with a spot diameter sufficiently narrowed in a predetermined resist source gas atmosphere in a vacuumed sample chamber of an electron beam irradiation apparatus to form a semiconductor crystal. This can be performed by selectively irradiating the grain layer and depositing a decomposition product of the resist source gas on the portion of the semiconductor crystal grain layer irradiated with the electron beam. Further, the etching of the semiconductor crystal grain layer at the time of patterning can be performed by an anisotropic dry etching method such as the RIE method. The planar shape of the quantum box can be rectangular, for example. For example, CVD is provided between the quantum boxes thus formed and between the quantum boxes.
A barrier layer made of silicon dioxide may be deposited by a method or the like.
【0057】[0057]
【発明の効果】本発明によって、量子箱を有し、モット
転移(金属−絶縁体転移)を応用した、高い集積度を有
する電界効果トランジスタを提供することができる。こ
の電界効果トランジスタにおいては、チャネル領域にお
ける電子密度は一定であり、電子等が2次元導電層と量
子箱との間をトンネリングによって移動するだけであ
る。従って、電界効果トランジスタを高速で動作させる
ことができる。また、高性能の電界効果トランジスタを
高集積度にて大面積の基板上に作製することができる。
本発明の電界効果トランジスタは、ヘテロ接合を有して
いない量子箱を有し、広く用いられているIV族元素系
材料を構成材料とし得る。本発明の電界効果トランジス
タの作製方法によって、薄い酸化膜を介して量子箱相互
が非常に近接した微細な複数の量子箱から構成された電
界効果トランジスタを作製することができる。本発明の
電界効果トランジスタを、例えばLCDの駆動制御用の
薄膜トランジスタに適用することができる。According to the present invention, it is possible to provide a field effect transistor having a quantum box and applying Mott transition (metal-insulator transition) and having a high degree of integration. In this field effect transistor, the electron density in the channel region is constant, and the electrons and the like only move between the two-dimensional conductive layer and the quantum box by tunneling. Therefore, the field effect transistor can be operated at high speed. In addition, a high-performance field effect transistor can be manufactured with high integration degree over a large area substrate.
The field-effect transistor of the present invention has a quantum box that does not have a heterojunction, and can use a widely used group IV element-based material as a constituent material. According to the method of manufacturing a field effect transistor of the present invention, it is possible to manufacture a field effect transistor composed of a plurality of fine quantum boxes in which quantum boxes are very close to each other through a thin oxide film. The field effect transistor of the present invention can be applied to, for example, a thin film transistor for driving control of an LCD.
【図1】本発明の電界効果トランジスタの模式的な一部
断面図である。FIG. 1 is a schematic partial cross-sectional view of a field effect transistor of the present invention.
【図2】実施例1の電界効果トランジスタの作製方法を
説明するための各工程における模式的な一部断面図であ
る。FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view in each step for explaining the manufacturing method of the field-effect transistor of Example 1.
【図3】図1に引き続き、実施例1の電界効果トランジ
スタの作製方法を説明するための各工程における模式的
な一部断面図である。FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view in each step for explaining the manufacturing method of the field-effect transistor of Example 1, following FIG.
【図4】実施例2の電界効果トランジスタの作製方法を
説明するための各工程における模式的な一部断面図であ
る。FIG. 4 is a schematic partial cross-sectional view in each step for explaining the manufacturing method of the field-effect transistor of Example 2.
10 基体 12,22 半導体原料層 14 半導体結晶粒 16 障壁層 18 量子箱 20,50 層間絶縁層 24 2次元導電層 30 ゲート酸化膜 32 ゲート電極 34 ソース・ドレイン領域 36 絶縁層 38 開口部 40 ソース・ドレイン電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Base | substrate 12,22 Semiconductor raw material layer 14 Semiconductor crystal grain 16 Barrier layer 18 Quantum box 20,50 Interlayer insulating layer 24 Two-dimensional conductive layer 30 Gate oxide film 32 Gate electrode 34 Source / drain region 36 Insulating layer 38 Opening 40 Source Drain electrode
Claims (18)
の間及び量子箱上に形成された障壁層と、該障壁層の上
に形成された2次元導電層とから成るチャネル領域と、 (ハ)該チャネル領域に設けられたゲート電極と、 (ニ)チャネル領域の両端に形成されたソース・ドレイ
ン領域、及び該ソース・ドレイン領域に設けられたソー
ス・ドレイン電極、 から成ることを特徴とする電界効果トランジスタ。1. A substrate, (b) a plurality of quantum boxes formed on the substrate, barrier layers formed between the quantum boxes and on the quantum boxes, and on the barrier layer. A channel region composed of the formed two-dimensional conductive layer, (c) a gate electrode provided in the channel region, (d) source / drain regions formed at both ends of the channel region, and the source / drain region A field effect transistor comprising: a source / drain electrode provided on the.
層間絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項1
に記載の電界効果トランジスタ。2. Between the barrier layer and the two-dimensional conductive layer, further comprising:
The interlayer insulating layer is formed, The claim 1 characterized by the above-mentioned.
A field effect transistor described in 1.
導電層上に設けられた層間絶縁層と、該層間絶縁層上に
設けられた複数の量子箱と、該量子箱の間及び量子箱上
に形成された障壁層とから成るチャネル領域と、 (ハ)該チャネル領域に設けられたゲート電極と、 (ニ)チャネル領域の両端に形成されたソース・ドレイ
ン領域、及び該ソース・ドレイン領域に設けられたソー
ス・ドレイン電極、 から成ることを特徴とする電界効果トランジスタ。3. A base, (b) a two-dimensional conductive layer formed on the base, an interlayer insulating layer formed on the two-dimensional conductive layer, and an interlayer insulating layer formed on the interlayer insulating layer. A plurality of quantum boxes, and a channel region composed of a barrier layer formed between the quantum boxes and on the quantum boxes, (c) a gate electrode provided in the channel region, and (d) both ends of the channel region. And a source / drain electrode provided in the source / drain region.
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項
に記載の電界効果トランジスタ。4. The field effect transistor according to claim 1, wherein the quantum box is made of a crystal grain of a group IV element.
を特徴とする請求項4に記載の電界効果トランジスタ。5. The field effect transistor according to claim 4, wherein the quantum box is made of silicon crystal grains.
を特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記
載の電界効果トランジスタ。6. The field effect transistor according to claim 1, wherein the barrier layer is made of silicon dioxide.
成ることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか
1項に記載の電界効果トランジスタ。7. The field effect transistor according to claim 1, wherein the two-dimensional conductive layer is made of silicon crystal grains.
電子あるいは正孔を閉じ込め得るドーピング濃度を有す
ることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1
項に記載の電界効果トランジスタ。8. A quantum box having a doping concentration capable of confining one electron or hole per one quantum box.
A field effect transistor according to item.
1つの電子あるいは正孔を閉じ込め得るドーピング濃度
を有することを特徴とする請求項1乃至請求項7のいず
れか1項に記載の電界効果トランジスタ。9. The two-dimensional conductive layer has a doping concentration capable of confining one electron or hole in one quantum box, according to any one of claims 1 to 7. Field effect transistor.
次いで、該半導体原料層に熱処理を施して複数の半導体
結晶粒を形成した後、該半導体結晶粒のそれぞれの表面
を酸化して酸化膜を形成し、該酸化膜から成る障壁層に
よって相互に隔てられた半導体結晶粒から成る量子箱を
形成する工程と、 (ロ)量子箱の上方に半導体原料層を形成した後、該半
導体原料層に熱処理を施して半導体結晶粒から成る2次
元導電層を形成する工程、 から成るチャネル領域形成工程を具備することを特徴と
する電界効果トランジスタの作製方法。10. A semiconductor raw material layer is formed on a substrate,
Next, the semiconductor raw material layer is subjected to heat treatment to form a plurality of semiconductor crystal grains, each surface of the semiconductor crystal grains is oxidized to form an oxide film, which is separated from each other by a barrier layer formed of the oxide film. Forming a quantum box made of semiconductor crystal grains, and (b) forming a semiconductor raw material layer above the quantum box and then heat treating the semiconductor raw material layer to form a two-dimensional conductive layer made of semiconductor crystal grains. A method of manufacturing a field effect transistor, comprising a step of forming a channel region.
縁層を形成することを特徴とする請求項10に記載の電
界効果トランジスタの作製方法。11. The method for manufacturing a field effect transistor according to claim 10, wherein an interlayer insulating layer is formed on the barrier layer after the step (a).
後、該半導体原料層に熱処理を施して半導体結晶粒から
成る2次元導電層を形成する工程と、 (ロ)2次元導電層上に層間絶縁層を形成する工程と、 (ハ)該層間絶縁層上に半導体原料層を形成し、次い
で、該半導体原料層に熱処理を施して複数の半導体結晶
粒を形成した後、該半導体結晶粒のそれぞれの表面を酸
化して酸化膜を形成して、該酸化膜から成る障壁層によ
って相互に隔てられた半導体結晶粒から成る量子箱を形
成する工程、 から成るチャネル領域形成工程を具備することを特徴と
する電界効果トランジスタの作製方法。12. (a) a step of forming a semiconductor raw material layer on a substrate and then subjecting the semiconductor raw material layer to a heat treatment to form a two-dimensional conductive layer made of semiconductor crystal grains; and (b) a two-dimensional conductive layer. A step of forming an interlayer insulating layer thereon, and (c) forming a semiconductor raw material layer on the interlayer insulating layer, and then subjecting the semiconductor raw material layer to heat treatment to form a plurality of semiconductor crystal grains, and thereafter, the semiconductor A step of forming an oxide film by oxidizing each surface of the crystal grains and forming quantum boxes made of semiconductor crystal grains separated from each other by a barrier layer made of the oxide film; A method for manufacturing a field effect transistor, comprising:
を特徴とする請求項10乃至請求項12のいずれか1項
に記載の電界効果トランジスタの作製方法。13. The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 10, wherein the semiconductor raw material layer is made of a group IV element.
とを特徴とする請求項13に記載の電界効果トランジス
タの作製方法。14. The method for manufacturing a field effect transistor according to claim 13, wherein the semiconductor raw material layer is made of polysilicon.
縁層から成ることを特徴とする請求項10乃至請求項1
4のいずれか1項に記載の電界効果トランジスタの作製
方法。15. The substrate according to claim 10, wherein the substrate comprises a substrate or an insulating layer which can withstand heat treatment.
4. The method for manufacturing the field effect transistor according to any one of 4 above.
を特徴とする請求項10乃至請求項15のいずれか1項
に記載の電界効果トランジスタの作製方法。16. The method for manufacturing a field effect transistor according to claim 10, wherein the heat treatment is a laser annealing treatment.
層に対して、1つの量子箱当りに1つの電子あるいは正
孔を閉じ込め得る濃度のドーピングを行うことを特徴と
する請求項10乃至請求項16のいずれか1項に記載の
電界効果トランジスタの作製方法。17. The semiconductor raw material layer for forming the quantum boxes is doped with a concentration having a concentration capable of confining one electron or hole per one quantum box. Item 17. A method for manufacturing a field effect transistor according to any one of items 16.
体原料層に対して、1つの量子箱当りに1つの電子ある
いは正孔を閉じ込め得る濃度のドーピングを行うことを
特徴とする請求項10乃至請求項16のいずれか1項に
記載の電界効果トランジスタの作製方法。18. The semiconductor raw material layer for forming the two-dimensional conductive layer is doped with a concentration enough to confine one electron or hole per one quantum box. 17. A method for manufacturing a field effect transistor according to claim 16.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5256451A JPH0794739A (en) | 1993-09-20 | 1993-09-20 | Field effect transistor having quantum box and method of manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5256451A JPH0794739A (en) | 1993-09-20 | 1993-09-20 | Field effect transistor having quantum box and method of manufacturing the same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0794739A true JPH0794739A (en) | 1995-04-07 |
Family
ID=17292837
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5256451A Pending JPH0794739A (en) | 1993-09-20 | 1993-09-20 | Field effect transistor having quantum box and method of manufacturing the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0794739A (en) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US6555393B2 (en) * | 1999-03-16 | 2003-04-29 | International Business Machines Corporation | Process for fabricating a field-effect transistor with a buried Mott material oxide channel |
| US6720589B1 (en) | 1998-09-16 | 2004-04-13 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
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| WO2009014348A3 (en) * | 2007-07-20 | 2009-03-19 | Korea Electronics Telecomm | Three-terminal metal-insulator transition switch, switching system including the same, and method of controlling metal-insulator transition of the same |
| CN105140299A (en) * | 2015-10-14 | 2015-12-09 | 京东方科技集团股份有限公司 | Thin-film transistor and preparation method thereof |
-
1993
- 1993-09-20 JP JP5256451A patent/JPH0794739A/en active Pending
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