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特表2025-504099２次元電子ガスに基づいた不揮発性電界効果トランジスタ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2025-02-06
(54)【発明の名称】２次元電子ガスに基づいた不揮発性電界効果トランジスタ
(51)【国際特許分類】
H10D 30/47 20250101AFI20250130BHJP
【ＦＩ】
H01L29/80 H
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024545993
(86)(22)【出願日】2023-02-01
(85)【翻訳文提出日】2024-09-30
(86)【国際出願番号】 EP2023052391
(87)【国際公開番号】W WO2023148196
(87)【国際公開日】2023-08-10
(31)【優先権主張番号】2200906
(32)【優先日】2022-02-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】502124444
【氏名又は名称】コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ
(71)【出願人】
【識別番号】506316557
【氏名又は名称】サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ シアンティフィック
(71)【出願人】
【識別番号】323002277
【氏名又は名称】ユニヴェルシテ グルノーブル アルプ
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】セシル・グレゼス
(72)【発明者】
【氏名】ジャン－フィリップ・アッタネ
(72)【発明者】
【氏名】マニュエル・ビベ
(72)【発明者】
【氏名】ローラン・ヴィラ
【テーマコード（参考）】
5F102
【Ｆターム（参考）】
5F102GB01
5F102GC01
5F102GD01
5F102GJ03
5F102GJ04
5F102GJ05
5F102GK10
5F102GL04
5F102GL05
5F102GM00
5F102GQ01
5F102GR06
5F102GR09
5F102GV07
(57)【要約】
本発明は、
第１の接点（Ｃ１）を含むゲート電極と、
第２の接点（Ｃ２）を備えるソース（１４）と、
第３の接点（Ｃ３）を含むドレイン（１６）と、
ドレイン（１６）とソース（１４）との間の、２次元電子ガスからなるチャネル（２０）と、
２つの電気的に制御可能な残留状態を有し、少なくとも１つの酸化物層を含む、残留状態サブアセンブリ（１８）と、
少なくとも１つの金属タイプの還元材料でできており、５０％を超える金属元素の原子濃度を有する還元層（２２）と
を備え、
第１の接点（Ｃ１）と別の接点（Ｃ２、Ｃ３）との間の電圧の印加によって、２次元電子ガスの導電率の不揮発性の変調がもたらされる、不揮発性電界効果トランジスタ（１０）に関する。
第１の接点（Ｃ１）を含むゲート電極と、
第２の接点（Ｃ２）を備えるソース（１４）と、
第３の接点（Ｃ３）を含むドレイン（１６）と、
ドレイン（１６）とソース（１４）との間の、２次元電子ガスからなるチャネル（２０）と、
２つの電気的に制御可能な残留状態を有し、少なくとも１つの酸化物層を含む、残留状態サブアセンブリ（１８）と、
少なくとも１つの金属タイプの還元材料でできており、５０％を超える金属元素の原子濃度を有する還元層（２２）と
を備え、
第１の接点（Ｃ１）と別の接点（Ｃ２、Ｃ３）との間の電圧の印加によって、２次元電子ガスの導電率の不揮発性の変調がもたらされる、不揮発性電界効果トランジスタ（１０）に関する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
不揮発性電界効果トランジスタ（１０）であって、第１の接点（Ｃ１）を含む、ゲート電極と呼ばれる第１の電極（１２）と、
ソース（１４）と呼ばれる第２の電極（１４）であって、前記ソース（１４）が、第２の接点（Ｃ２）を備える、第２の電極（１４）と、
ドレイン（１６）と呼ばれる第３の電極（１６）であって、前記ドレイン（１６）が、第３の接点（Ｃ３）を含む、第３の電極（１６）と、
前記ドレイン（１６）と前記ソース（１４）との間のチャネル（２０）であって、２次元電子ガスからなるチャネル（２０）と、
少なくとも２つの電気的に制御可能な残留状態を有し、前記チャネル（２０）と接触し、少なくとも１つの酸化物層を含む、残留状態サブアセンブリ（１８）と、
還元層（２２）と前記残留状態サブアセンブリ（１８）との間の界面に前記チャネル（２０）を形成する前記２次元ガスを作るように働く還元層（２２）であって、少なくとも１つの金属タイプの還元材料でできており、各金属タイプ還元材料が５０％以上の金属元素の原子濃度を有する、還元層（２２）と
を備え、
前記第１の電極（１２）が、前記残留状態サブアセンブリ（１８）と接触し、前記第１の接点（Ｃ１）と、前記第２の接点（Ｃ２）および前記第３の接点（Ｃ３）のうちの１つの接点との間の電圧の印加が、前記チャネル（２０）を形成する前記２次元ガスの導電率の不揮発性変調をもたらす、不揮発性電界効果トランジスタ（１０）。
【請求項2】
前記還元層（２２）が、金属タイプの還元材料の単層または金属タイプの還元材料の多層であり、１つまたは複数の前記還元材料が各々、５０％以上の金属元素の原子濃度を有する、請求項１に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項3】
前記残留状態サブアセンブリ（１８）が、強誘電体効果、捕獲電荷効果、イオンマイグレーション効果、または複数の前記効果の組合せによって電気的に制御される少なくとも１つの不揮発性誘電体層または多層を備える、請求項１または２に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項4】
各金属タイプ還元材料が、８０％以上の金属元素の原子濃度を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項5】
各金属元素が、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｙ、Ｐｔ、Ｗ、Ａｕ、およびＦｅ、またはこれらの合金からなるリストから選択される、請求項１から４のいずれか一項に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項6】
各金属元素が、アルミニウム、タンタル、イットリウム、マグネシウム、およびルテニウムからなるリストから選択される、請求項１から４のいずれか一項に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項7】
前記還元層（２２）が、１５ナノメートル以下、好ましくは１０ナノメートル以下の厚さを有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項8】
前記トランジスタ（１０）が、前記ドレイン（１６）、前記ソース（１４）、および前記還元層（２２）を載せる基板（２４）を含み、前記還元層（２２）、前記チャネル（２０）、および前記残留状態サブアセンブリ（１８）が、前記順番でスタックを形成し、
前記第１の電極（１２）が、前記残留状態サブアセンブリ（１８）上に載る、請求項１から７のいずれか一項に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項9】
前記残留状態サブアセンブリ（１８）が、前記第１の電極（１２）の上に載り、前記ドレイン（１６）、前記チャネル（２０）、および前記ソース（１４）が、前記残留状態サブアセンブリ（１８）の上に載り、
前記還元層（２２）が、前記チャネル（２０）を覆って配置される、請求項１から８のいずれか一項に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項10】
前記還元層（２２）を覆う保護層（３０）をさらに含む、請求項９に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項11】
前記残留状態サブアセンブリ（１８）が、ペロブスカイト酸化物から作られる酸化物の層、
（Ｈｆ１－ｘＺｒｘ）Ｏ２の酸化物の層であって、ｘが０と１の間で変化し、適切な場合にはドープされる酸化物の層、および、
ポリ（ビニリデンフッ化物）から作られる層
の中から選択される層を含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項12】
前記トランジスタ（１０）が、読取りユニットを含み、前記読取りユニットが、前記ドレイン（１６）と前記ソース（１４）との間に電圧を印加するためのサブユニット、および、前記ドレイン（１６）と前記ソース（１４）との間の電流を測定するためのサブユニットを含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の不揮発性トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、２次元電子ガスを使用する不揮発性電界効果トランジスタに関する。
【背景技術】
【0002】
電界効果トランジスタは、しばしば、ＦＥＴという略称で呼ばれる。そのようなトランジスタは、しばしば、スイッチまたは増幅器として使用される。
【0003】
電界効果トランジスタは、ドレインとソースとの間に配置されるチャネルの導電率への電界の作用に依拠する３つの端子（ドレイン、ソース、およびゲート）を有するユニポーラ３端子デバイスである。チャネル中で、前記２つの端子間に印加される電圧の作用の下で、電子または正孔といったキャリアがソースとドレインとの間を自由に動くことができる。チャネルのコンダクタンスは、電圧をゲートに印加することによって制御される。キャリア（電子または正孔）の性質またはチャネル上に加えられる電気制御の性質に依存して、多くのタイプの電界効果トランジスタが存在する。
【0004】
電界効果トランジスタは、現在では、様々な半導体材料、特に単結晶シリコン材料を使用して構築される。しかし、アモルファスシリコン、多結晶シリコン、ガリウムヒ素、または窒化ガリウムなどといった、他の材料が使用される。
【0005】
ＦＥＴトランジスタでは、状態は、ゲートに印加される電圧に依存するために、電源がトランジスタのオン状態（すなわち、非ゼロのチャネル導電率）またはオフ状態（ゼロのチャネル導電率）を維持する。電力供給が中断される場合に、ゲートに印加される電圧は必然的にゼロになり、状態が保存されない。そのような状態は揮発性である。メモリ状態を保存するため常に電圧を印加することによって、トランジスタ状態を維持するための電力消費がもたらされる。そのような消費は、それが漏れ電流の発生に関係し、メモリを書き込むまたは読み取る動的プロセスに関係しないために、静的と呼ばれる。
【0006】
したがって、電力供給をせずにトランジスタの状態を維持するのに適した不揮発性電界効果トランジスタを作成することによって、静的なエネルギー消費をなくし、したがってエネルギー消費を低減する。不揮発性によって、メモリ機能または論理計算機能などといった、追加機能を有するトランジスタを考えることも可能になる。
【0007】
半導体トランジスタに基づいて、複数の非揮発性電界効果トランジスタが提案されている。より具体的には、研究は、Ｆｅ－ＦＥＴと呼ばれることが多い強誘電性電界効果トランジスタの開発に焦点を当てている。Ｆｅ－ＦＥＴは、電力供給のない場合にオンまたはオフ状態を維持する働きをする、ゲートとドレインソースチャネル間の強誘電性要素を備える。
【0008】
知られているＦｅ－ＦＥＴには、限られた持続時間およびオン状態とオフ状態との間のコントラスト（オン／オフコントラストと呼ばれることがある）の問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
したがって、よりよい持続時間およびオン状態とオフ状態との間の改善されたコントラストを有する不揮発性トランジスタの必要がある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
この目的のために、本明細書では、不揮発性電界効果トランジスタを説明する。このトランジスタは、第１の接点を含む、ゲート電極と呼ばれる第１の電極と、ソース電極と呼ばれる第２の電極であって、ソースが、第２の接点を備える、第２の電極と、ドレインと呼ばれる第３の電極であって、ドレインが、第３の接点を含む、第３の電極と、ドレインとソースとの間のチャネルであって、２次元電子ガスからなるチャネルと、残留状態サブアセンブリであって、少なくとも２つの電気的に制御可能な残留状態を有し、チャネルと接触し、少なくとも１つの酸化物層を含む残留状態サブアセンブリと、少なくとも１つの金属タイプの還元材料からなる還元層であって、各金属タイプ還元材料が５０％以上の金属元素の原子濃度を有する、還元層とを備える。第１の電極は、残留状態サブアセンブリと接触し、第１の接点と、第２の接点および第３の接点のうちの１つとの間の電圧の印加によって、チャネルを形成する２次元ガスの導電率の不揮発性変調がもたらされる。
【0011】
還元層によって、還元層と残留状態サブアセンブリとの間の界面にチャネルを形成する電子の２次元ガスを作ることが可能になる。
【0012】
特定の実施形態によれば、不揮発性トランジスタは、個別にまたはすべての技術的に可能な組合せに従って採用される１つまたは複数の以下の特徴を有する。
－ 還元層が、還元層と残留状態サブアセンブリとの間の界面にチャネルを形成する２次元ガスを作るように働く。
－ 還元層が、金属タイプの還元材料の単層または金属タイプの還元材料の多層であり、還元材料は各々、５０％以上の金属元素の原子濃度を有する。
－ 残留状態サブアセンブリが、強誘電体効果、捕獲電荷効果、イオンマイグレーション効果、または複数の前記効果の組合せによって電気的に制御される少なくとも１つの不揮発性誘電体層または多層を備える。
－ 各金属タイプ還元材料が、８０％以上の金属元素の原子濃度を有する。
－ 各金属元素が、アルミニウム、タンタル、イットリウム、マグネシウム、およびルテニウムからなるリストから選択される。
－ 還元層が、１５ナノメートル以下、好ましくは１０ナノメートル以下の厚さを有する。
－ トランジスタが、ドレイン、ソース、および還元層を載せる基板を含み、還元層、チャネル、および残留状態サブアセンブリが、前記の順番でスタックを形成し、第１の電極が残留状態サブアセンブリ上に載る。
－ 残留状態サブアセンブリが、第１の電極上に載り、ドレイン、チャネル、およびソースが、残留状態サブアセンブリ上に載り、還元層がチャネル上に配置される。
－ 不揮発性トランジスタが、還元層を覆う保護層をさらに含む。
－ 残留状態サブアセンブリが、ペロブスカイト酸化物から作られる酸化物の層、（Ｈｆ１－ｘＺｒｘ）Ｏ２から作られ、ここでｘが０と１の間で変化し、適切な場合にはドープされる酸化物の層、および、ポリ（ビニリデンフッ化物）から作られる層から選択される層を含む。
－ トランジスタが、読取りユニットを含み、読取りユニットが、ドレインとソース間に電圧を印加するためのサブユニット、および、ドレインとソース間の電流を測定するためのサブユニットを含む。
－ ソースおよびドレインがチャネルの端部と接触する。
－ 還元層が、還元層と残留状態サブアセンブリとの間の界面にチャネルを形成する２次元ガスを作るように働く。
－ 還元層が、金属タイプの還元材料の単層または金属タイプの還元材料の多層であり、還元材料は各々、５０％以上の金属元素の原子濃度を有する。
－ 残留状態サブアセンブリが、強誘電体効果、捕獲電荷効果、イオンマイグレーション効果、または複数の前記効果の組合せによって電気的に制御される少なくとも１つの不揮発性誘電体層または多層を備える。
－ 各金属タイプ還元材料が、８０％以上の金属元素の原子濃度を有する。
－ 各金属元素が、アルミニウム、タンタル、イットリウム、マグネシウム、およびルテニウムからなるリストから選択される。
－ 還元層が、１５ナノメートル以下、好ましくは１０ナノメートル以下の厚さを有する。
－ トランジスタが、ドレイン、ソース、および還元層を載せる基板を含み、還元層、チャネル、および残留状態サブアセンブリが、前記の順番でスタックを形成し、第１の電極が残留状態サブアセンブリ上に載る。
－ 残留状態サブアセンブリが、第１の電極上に載り、ドレイン、チャネル、およびソースが、残留状態サブアセンブリ上に載り、還元層がチャネル上に配置される。
－ 不揮発性トランジスタが、還元層を覆う保護層をさらに含む。
－ 残留状態サブアセンブリが、ペロブスカイト酸化物から作られる酸化物の層、（Ｈｆ１－ｘＺｒｘ）Ｏ２から作られ、ここでｘが０と１の間で変化し、適切な場合にはドープされる酸化物の層、および、ポリ（ビニリデンフッ化物）から作られる層から選択される層を含む。
－ トランジスタが、読取りユニットを含み、読取りユニットが、ドレインとソース間に電圧を印加するためのサブユニット、および、ドレインとソース間の電流を測定するためのサブユニットを含む。
－ ソースおよびドレインがチャネルの端部と接触する。
【0013】
本発明の特徴および利点は、例としてのみ与えられるが限定されない以下の記載を読み、同封の図面への参照をすれば明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】２次元電子ガスを使用する不揮発性電界効果トランジスタの例の概略図である。
【図2】２次元電子ガスを使用する不揮発性電界効果トランジスタの別の例の概略図である。
【図3】印加される電圧の関数として、２つの接点間の抵抗の依存性を示すグラフである。
【図4】オン状態とオフ状態におけるトランジスタの例の電流電圧特性を図示するグラフである。
【図5】読取りユニットおよび書込みユニットを有するトランジスタの例の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
【0016】
トランジスタ１０は、不揮発性電界効果トランジスタである。
【0017】
トランジスタ１０は、３つの電極を含み、第１の電極は第１の接点Ｃ１を含むゲート電極１２と呼ばれ、第２の電極は第２の接点Ｃ２を含むソース１４と呼ばれ、第３の電極は第３の接点Ｃ３を含むドレイン１６と呼ばれる。
【0018】
電極は、有利には金属であり、または、高度にドープされた半導体材料から作られる。
【0019】
トランジスタ１０は、残留状態サブアセンブリ１８、２次元電子ガスから形成されドレイン１６とソース１４との間に配置されるチャネル２０、および還元層２２をさらに含む。
【0020】
図５に見ることができるように、トランジスタ１０は、読取りユニット４０および書込みユニット４２をさらに含む。
【0021】
読取りユニット４０は、電圧印加サブユニット４４および電流測定サブユニット４６をさらに含む。
【0022】
【0023】
以下では、スタックの層は、スタック方向に沿ってスタックされる層である。スタックの方向に関する低と高の相対的な概念も規定される。ある層が図１のシート上の表現でより低い場合、それは別の層よりも低い。
【0024】
図１に示される例では、不揮発性トランジスタ１０は、その上にドレイン１６、ソース１４、ならびに、還元層２２、チャネル２０、および残留状態サブアセンブリ１８を備える層のスタック２６を載せる基板２４を含み、スタック２６は底から頂部に（底はこの場合に基板に対応する）わたるとき前記の順番でスタックされる。
【0025】
最後に、層の厚さは、層のスタックの方向に沿った寸法、すなわち、その２つの面の間の距離として規定される。
－ ゲート電極１２が、残留状態サブアセンブリ１８と接触する。
－ ゲート電極１２が、残留状態サブアセンブリ１８と接触する。
【0026】
スタック２６の層の順番は、図２に示されるように反転することができる。
【0027】
図２の場合には、残留状態サブアセンブリ１８はゲート電極１２上に載る。ドレイン１６、チャネル２０、およびソース１４は、残留状態サブアセンブリ１８上に載る。
【0028】
チャネル２０と還元層２２は、前記の順番で、底からスタック２８を通して頂部に至るスタック２８を形成する。
【0029】
さらに、任意選択で、スタック２８は、還元層２２上に載る保護層３０を含む。
【0030】
保護層３０は、ゼロ導電率またはほとんどゼロの導電率によって特徴づけられ、スタック２８を特に酸化から保護することを可能にする絶縁材料から作られる。
【0031】
保護層３０は、たとえば、ＳｉＯ２から作られる。
【0032】
図示される２つの場合では、ソース１４およびドレイン１６は、チャネル２０のそれぞれの端部と接触する。
【0033】
残留状態サブアセンブリ１８は、少なくとも２つの電気的制御可能な残留状態を有する。電気的制御は、ここで、第１の接点Ｃ１と、第２の接点Ｃ２または第３の接点Ｃ３との間に電圧を加えることによって得られる。
【0034】
言い換えると、残留状態サブアセンブリ１８は、印加電圧とヒステリシスサイクルに従う明らかな貯蔵電荷との間の非線形な関係、および、少なくとも２つの残留状態を生じさせることによって特徴づけられる。
【0035】
このため、残留状態サブアセンブリ１８は、強誘電体効果、捕獲電荷効果、イオンマイグレーション効果、または複数の前記効果の組合せによって電気的に制御される誘電体層または不揮発性誘電体層のスタックである。残留状態は、強誘電性分極、捕獲電荷の数、もしくはイオンの位置の変化、またはそのような変化の組合せに対応する。
【0036】
より正確には、サブアセンブリが、ペロブスカイト酸化物、または、（Ｈｆ１－ｘＺｒｘ）Ｏ２もしくは（Ｈｆ１－ｘＧａｘ）Ｏ２（ｘは０と１の間で変化する）などといった、可能なら他の要素でドープされた、ＨｆＯ２に基づいた酸化物、またはこれらの合金、またはポリビニリデンフッ化物から選択される材料から作られる少なくとも１つの酸化物層を含む。
【0037】
ペロブスカイト酸化物は、ＡおよびＢが陽イオンであるタイプＡＢＯ３の構造を有する。ＢａＴｉＯ３、ＰＺＴ（すなわち、ＰｂＺｒ１－ｘＴｉｘＯ３、ここでｘは０と１の間で変化する）、ＰＭＮ－ＰＴ（すなわち、［１－ｘ］Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３－ｘＰｂＴｉＯ３、ここでｘは０と１の間で変化する）、ＢｉＦｅＯ３（適切な場合には、たとえば、Ｂｉ部位に希土類元素またはＦｅ部位にＭｎでドープされる）、ＳｒＴｉＯ３（適切な場合にはドープされる）、ＫＴｉＯ３（適切な場合にはドープされる）、Ｐｒ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯ３（適切な場合にはドープされる）、またはＹＭｎＯ３（適切な場合にはドープされる）がそのような材料の例である。
【0038】
残留状態サブアセンブリ１８を生成するための誘電体材料の使用は、不揮発性の方式でチャネル２０の導電率を電気的に制御する働きをする。
【0039】
上記の例の各々で、残留状態が存在するのは、強誘電体効果、捕獲電荷効果、イオンマイグレーション効果、または複数のそのような効果の組合せからもたらされる。実際には、主な効果は、材料に依存し、残留状態サブアセンブリ１８を形成する層の堆積の状態に依存する。記載される例によれば、誘電体要素の抗電界およびその厚さは、書込みデバイス１４がマイクロエレクトロニック技術と互換性がある電圧、すなわち、１０ボルト未満の電圧（＜１０Ｖ）で残留状態を書き込むのに適して、十分小さい。上述の材料における１００ｎｍ未満、有利には５０ｎｍ未満の厚さによって、そのような特性を得ることが可能である。残留状態サブアセンブリ１８は、繰返しに対する耐性もあり、典型的には、少なくとも１０４サイクルを耐えるのに適する。
【0040】
チャネル２０は、２次元電子ガス、すなわち、２つの層の間の界面で形成される閉じ込められた電子ガスからなり、一方で、別個にされた材料の体積中にはガスは存在しない。
【0041】
こうして、チャネル２０は、残留状態サブアセンブリ１８と還元層２２との間の界面で形成される電子ガスである。それは、高いキャリア濃度（典型的には、１０１０ｃｍ－２以上）を有する。閉込めは、界面の近傍だけが導電性であるため、ガスが厳密に２次元であると考えることができるようなものである。
【0042】
チャネル２０の電子ガスは残留状態サブアセンブリ１８と還元層２２との間の界面に作られるため、その特性、特にその抵抗は、残留状態サブアセンブリ１８の状態に直接依存する。２次元電子ガスしたがってチャネル２０の抵抗は、こうして、残留状態サブアセンブリ１８の状態に従って、不揮発性の方式で電気的に変調することができる。それによって、残留状態サブアセンブリ１８の残留状態を選択することにより、チャネル２０の抵抗を変調することが可能である。
【0043】
還元層２２は、還元層２２と残留状態サブアセンブリ１８との間の界面でチャネルを形成する２次元電子ガスを作るために使用される。
【0044】
還元層２２は、５０％以上、好ましくは８０％以上の金属元素の原子濃度を有する還元材料でできている。
【0045】
規定によれば、原子濃度は、金属元素の原子の数と原子の総数との間の比率である。
【0046】
この意味で、還元層２２は、金属タイプの還元層として記載できる還元層である。
【0047】
具体的な例として、還元層２２の各金属元素は、Ａｌ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｙ、Ａｕ、または、ＰｔＷなど、これらの合金から選択される。
【0048】
Ｍｇ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｂｉ、Ｃｏ、およびＦｅなどの他の金属元素が考えられる。
【0049】
それによって、各金属元素は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｙ、Ｐｔ、Ｗ、Ａｕ、およびＦｅ、またはこれらの合金からなるリストから選択される。
【0050】
好ましくは、各金属元素は、アルミニウム、タンタル、イットリウム、マグネシウム、およびルテニウムからなるリストから選択される。
【0051】
変形形態では、還元層２２が多層である。そのような場合に、前記多層の各層が、この場合も、５０％以上、好ましくは８０％以上の金属元素の原子濃度を有する。
【0052】
還元層２２によって、残留状態サブアセンブリ１８と接触する電子の２次元ガスの形成が可能になる。この意味で、２次元電子ガスによって形成されるチャネル２０は、還元層がない従来型電界効果トランジスタのチャネルと全く異なる。また、従来型電界効果トランジスタのチャネルでは、静電界を生成するゲート電圧を印加することによって、半導体材料（一般的にドープＳｉからできている）中で、キャリアが可逆的に現れる。
【0053】
還元層２２は、１５ナノメートル（ｎｍ）以下である厚さを有する。
【0054】
上記によって、還元層２２は、残留状態サブアセンブリ１８と接触して部分的または完全に酸化されて、２次元電子ガスの導電率より低い導電率を有することが可能になる。還元層２２の厚さは、好ましくは、それが残留状態サブアセンブリ１８との接触によって完全に酸化されるように選択され、その結果、その導電率は可能な最低値となる。
【0055】
上記で示されるように、ソース１４およびドレイン１６は、チャネル２０のそれぞれの端部と接触し、それによって、チャネル２０を介して互いに電気的に接続される。
【0056】
電極１２、１４、および１６の各々は、高い導電率を有するように、好ましくはドープされた金属の導電性材料または半導体材料でできている。
【0057】
【0058】
動作の第１の例では、残留状態サブアセンブリ１８がＡおよびＢによって示される２つの状態を有する。
【0059】
上記は具体的には図３で見ることができ、ここでは、第１の接点Ｃ１と第２の接点Ｃ２との間に印加される電圧（ゲート電圧Ｖｇ）の関数として、第２の接点Ｃ２と第３の接点Ｃ３との間の抵抗の依存性が示される。ゲート電圧の関数としてのチャネル２０の導電率の変動は、サブアセンブリの２つの残留状態ＡおよびＢに対応するヒステリシスを有することが実際に観察される。
【0060】
そのような動作の第１の例によれば、書込みは、書込みユニットにより第１の接点Ｃ１と第２の接点Ｃ２との間に電圧を印加することによって実行される。
【0061】
書込みは、第２の接点Ｃ２を第３の接点Ｃ３で置き換えることによって実行することもできる。
【0062】
物理的な観点から、チャネル２０の導電率は、ここでは、第１の接点Ｃ１と第２の接点Ｃ２との間の電圧の印加による残留状態サブアセンブリ１８の残留状態に従って、不揮発性の方式で変調される。
【0063】
そのような動作の例では、第１の接点Ｃ１と第２の接点Ｃ２との間の負の電圧の印加によって、残留状態サブアセンブリ１８を残留状態Ａで開始して、チャネル２０に低い導電率がもたらされる。他方で、正の電圧の印加によって、残留状態サブアセンブリ１８の残留状態Ｂに対応する、チャネル２０の高い導電率が引き起こされる。
【0064】
使用する材料に依存して、高抵抗および低抵抗の残留状態をもたらす電圧の符号を反転することができる。それによって、チャネル２０の低い導電率の残留状態がもたらされる、第１の接点Ｃ１と第２の接点Ｃ２との間に正の電圧の印加となってよい。そのような場合、チャネル２０の高い導電率に対応する残留状態を引き起こす負の電圧の印加となる。
【0065】
そのような動作の第１の例では、読取りユニット４０は、電圧印加サブユニット４４を使用して第２の接点Ｃ２と第３の接点Ｃ３との間に電圧を印加して、測定サブユニット４６によって２つの接点Ｃ２とＣ３との間の結果として得られる電流を測定することによって、残留状態を非破壊的に読み取る。
【0066】
それによって、第２の接点Ｃ２と第３の接点Ｃ３との間の電流電圧特性は、トランジスタ１０の出力特性に対応するが、残留状態サブアセンブリ１８の残留状態によって制御される。
【0067】
そのような特性が図４に示される。
【0068】
動作の第２の例では、電圧印加サブユニット４４は、ヒステリシスサイクルの任意の状態を得るために、第１の接点Ｃ１と第２の接点Ｃ２との間に電圧を印加する。チャネル２０の導電率は、２つより多い状態をとることができ、それによって、人工知能のためのニューラルネットワーク中のシナプス重みなどといった、アナログで非２進数情報をコード化するために使用することができる。
【0069】
これまで記載してきたトランジスタ１０は、酸化物層と金属タイプの還元層２２との間の界面で２次元電子ガスチャネル２０を使用する不揮発性電界効果トランジスタである。それは、還元層２２を有する残留状態サブアセンブリ１８の酸化物層に関連し、これによって、チャネル２０の導電率の不揮発性制御を達成することが可能になる。
【0070】
上記によって、構造上に追加される強誘電体要素を使用するのを回避することが可能になる。というのは、残留状態サブアセンブリ１８と還元層２２の組合せによって、２次元電子ガスと残留状態の両方が作られるためである。
【0071】
さらに、酸化物層、２次元電子ガス、および還元層２２によって形成される組立体の存在によって、従来技術の不揮発性電界効果トランジスタと比較して、チャネル２０の導電率を最適化し、よりよい持続時間およびオン状態とオフ状態との間のコントラストの改善を得ることが可能になる。カソードスパッタリングなどといった従来型マイクロエレクトロニック法に従って形成される還元層を使用することによって作られる２次元電子ガスチャネル２０によって得られる性能によって、トランジスタ１０を産業用に使用するのに好適にする働きをする。
【符号の説明】
【0072】
１０ 不揮発性電界効果トランジスタ
１２ 第１の電極、ゲート電極
１４ 第２の電極、ソース、書込みデバイス
１６ 第３の電極、ドレイン
１８ 残留状態サブアセンブリ
２０ チャネル
２２ 還元層
２４ 基板
２６ スタック
２８ スタック
３０ 保護層
４０ 読取りユニット
４２ 書込みユニット
４４ 電圧印加サブユニット
４６ 電流測定サブユニット
１２ 第１の電極、ゲート電極
１４ 第２の電極、ソース、書込みデバイス
１６ 第３の電極、ドレイン
１８ 残留状態サブアセンブリ
２０ チャネル
２２ 還元層
２４ 基板
２６ スタック
２８ スタック
３０ 保護層
４０ 読取りユニット
４２ 書込みユニット
４４ 電圧印加サブユニット
４６ 電流測定サブユニット
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【手続補正書】
【提出日】2024-10-02
【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】
不揮発性電界効果トランジスタ（１０）であって、第１の接点（Ｃ１）を含む、ゲート電極と呼ばれる第１の電極（１２）と、
ソース（１４）と呼ばれる第２の電極（１４）であって、前記ソース（１４）が、第２の接点（Ｃ２）を備える、第２の電極（１４）と、
ドレイン（１６）と呼ばれる第３の電極（１６）であって、前記ドレイン（１６）が、第３の接点（Ｃ３）を含む、第３の電極（１６）と、
前記ドレイン（１６）と前記ソース（１４）との間のチャネル（２０）であって、２次元電子ガスからなるチャネル（２０）と、
少なくとも２つの電気的に制御可能な残留状態を有し、前記チャネル（２０）と接触し、少なくとも１つの酸化物層を含む、残留状態サブアセンブリ（１８）と、
還元層（２２）と前記残留状態サブアセンブリ（１８）との間の界面に前記チャネル（２０）を形成する前記２次元ガスを作るように働く還元層（２２）であって、少なくとも１つの金属タイプの還元材料でできており、各金属タイプ還元材料が５０％以上の金属元素の原子濃度を有する、還元層（２２）と
を備え、
前記第１の電極（１２）が、前記残留状態サブアセンブリ（１８）と接触し、前記第１の接点（Ｃ１）と、前記第２の接点（Ｃ２）および前記第３の接点（Ｃ３）のうちの１つの接点との間の電圧の印加が、前記チャネル（２０）を形成する前記２次元ガスの導電率の不揮発性変調をもたらす、不揮発性電界効果トランジスタ（１０）。
【請求項2】
前記還元層（２２）が、金属タイプの還元材料の単層または金属タイプの還元材料の多層であり、１つまたは複数の前記還元材料が各々、５０％以上の金属元素の原子濃度を有する、請求項１に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項3】
前記残留状態サブアセンブリ（１８）が、強誘電体効果、捕獲電荷効果、イオンマイグレーション効果、および複数の前記効果の組合せの中から選択される効果によって電気的に制御される少なくとも１つの不揮発性誘電体層または多層を備える、請求項１または２に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項4】
各金属タイプ還元材料が、８０％以上の金属元素の原子濃度を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項5】
各金属元素が、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｙ、Ｐｔ、Ｗ、Ａｕ、およびＦｅ、またはこれらの合金からなるリストから選択される、請求項１から４のいずれか一項に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項6】
各金属元素が、アルミニウム、タンタル、イットリウム、マグネシウム、およびルテニウムからなるリストから選択される、請求項１から４のいずれか一項に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項7】
前記還元層（２２）が、１５ナノメートル以下の厚さを有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項8】
前記還元層（２２）が、１０ナノメートル以下の厚さを有する、請求項７に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項9】
前記トランジスタ（１０）が、前記ドレイン（１６）、前記ソース（１４）、および前記還元層（２２）を載せる基板（２４）を含み、前記還元層（２２）、前記チャネル（２０）、および前記残留状態サブアセンブリ（１８）が、前記順番でスタックを形成し、
前記第１の電極（１２）が、前記残留状態サブアセンブリ（１８）上に載る、請求項１から８のいずれか一項に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項10】
前記残留状態サブアセンブリ（１８）が、前記第１の電極（１２）の上に載り、前記ドレイン（１６）、前記チャネル（２０）、および前記ソース（１４）が、前記残留状態サブアセンブリ（１８）の上に載り、
前記還元層（２２）が、前記チャネル（２０）を覆って配置される、請求項１から９のいずれか一項に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項11】
前記還元層（２２）を覆う保護層（３０）をさらに含む、請求項１０に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項12】
前記残留状態サブアセンブリ（１８）が、ペロブスカイト酸化物から作られる酸化物の層、
（Ｈｆ１－ｘＺｒｘ）Ｏ２の酸化物の層であって、ｘが０と１の間で変化し、適切な場合にはドープされる酸化物の層、および、
ポリ（ビニリデンフッ化物）から作られる層
の中から選択される層を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の不揮発性トランジスタ。
【請求項13】
前記トランジスタ（１０）が、読取りユニットを含み、前記読取りユニットが、前記ドレイン（１６）と前記ソース（１４）との間に電圧を印加するためのサブユニット、および、前記ドレイン（１６）と前記ソース（１４）との間の電流を測定するためのサブユニットを含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の不揮発性トランジスタ。
【国際調査報告】