JPS6265472A - Mis型半導体素子 - Google Patents

Mis型半導体素子

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JPS6265472A
JPS6265472A JP60205725A JP20572585A JPS6265472A JP S6265472 A JPS6265472 A JP S6265472A JP 60205725 A JP60205725 A JP 60205725A JP 20572585 A JP20572585 A JP 20572585A JP S6265472 A JPS6265472 A JP S6265472A
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JP
Japan
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semiconductor
type
mis
thin film
organic molecules
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JP60205725A
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Nobuhiro Motoma
信弘 源間
Akira Miura
明 三浦
Koichi Mizushima
公一 水島
Minoru Azuma
東 実
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPS6265472A publication Critical patent/JPS6265472A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10PGENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P14/00Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars
    • H10P14/60Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of insulating materials
    • H10P14/63Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of insulating materials characterised by the formation processes
    • H10P14/6326Deposition processes
    • H10P14/6342Liquid deposition, e.g. spin-coating, sol-gel techniques or spray coating
    • H10P14/6344Liquid deposition, e.g. spin-coating, sol-gel techniques or spray coating using Langmuir-Blodgett techniques
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D1/00Resistors, capacitors or inductors
    • H10D1/60Capacitors
    • H10D1/62Capacitors having potential barriers
    • H10D1/66Conductor-insulator-semiconductor capacitors, e.g. MOS capacitors
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D64/00Electrodes of devices having potential barriers
    • H10D64/60Electrodes characterised by their materials
    • H10D64/66Electrodes having a conductor capacitively coupled to a semiconductor by an insulator, e.g. MIS electrodes
    • H10D64/68Electrodes having a conductor capacitively coupled to a semiconductor by an insulator, e.g. MIS electrodes characterised by the insulator, e.g. by the gate insulator

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  • Electroluminescent Light Sources (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (発明の技術分野) 本発明は、有機薄膜を絶縁体として用いた金属/絶縁体
/半導体構造の半導体素子に関する。
(発明の技術的麹景とその問題点) LSl、超LSIに代表される半導体技術の隆盛は、M
O3技術即ちSlに対する安定な酸化膜(SiO2)の
存在に負うところが大きい。ポストSi素子として期待
されるGaAs、InPなどの■−v族化合物半導体に
おいても酸化膜を絶縁体として用いるMO3素子の試み
はかなり以前からなされている。しかし良質な酸化膜が
得られず、極めて界面単位の多いMO8素子しか得られ
ていない。その結果、バイアスを印加しても半導体表面
のフェルミ単位がビン止めされて反転が起きなかったり
、反転が起きてもドリフト現象のような不安定な特性が
現われる、という問題がある。
一方、化合物半導体に対してSiO2やAβ203のよ
うな無曙絶縁躾を用いる試みもなされている。しかしこ
れらも、やはり界面単位がきわめて多く、同様の問題に
ぶつかっている。
近年、有機物の薄膜の研究が活発化している。
これは、ラングミュア・ブロジェット法(以下、LB法
)に代表される有機薄膜の形成技術の進歩によるものと
思われる。このLB法による有機薄膜(以下、LBIg
)を金jjl/絶縁体/半導体(Mis)構造の素子の
絶縁膜に用いる試みがジーラム(Qurhal >大学
のロバ−、ツ(G、G。
Roberts)を中心として行われている。InPの
n型結晶に対してステアリン酸のLBIIIを絶縁膜と
して用いたMIS型素子では、界面単位は3×1011
 /eV−aiと割合い少なく、反転が確認され、更に
FET特性も実現している(ジー・ジー・ロバーツ他:
ソリッド・ステート・エレクトロン・デバイセス(G、
 G、 Roberts  et al  :S ol
id  S tate  E Iectron  D 
evices) 5−(1978p169)、しかしp
型1nP結晶の場合は界面準位が極めて多く、反転は実
現していない(アール・ダブリュ・サイクス他:アイ・
イー・イー ブロシーディングズ(R,W、 5yke
set al:  [EE  Proc 、  )工p
  (1980)partI、 p137)、その他に
もGaAspア−t−ルファス3i等にLB膜を付着さ
せてMIS型素子を構成した報告がある(例えば、エヌ
・ジェー・トーマス他=iレクトロニクス レターズ(
N。
J、  Thomas et  al  : EIec
ron、  Lett  、  )  20(19a4
)p838、ジエー・ビー・ロイド他ニスイン ソリッ
ド フィルムス(J 、 P 、 L Ioidet 
al: Th1n 5olid  Films) LL
  (1’)83)p297等)。これらにおいても界
面単位の低減に成功していない。従来の研究におけるL
BIIIの有機材料としては、ステアリン酸、アラキシ
ン酸等の飽和脂肪酸が主に用いられ、その他、ω−トリ
コセン酸、フタロシアニン、ポリジアセチレンなどと数
少ない(例えば、ジエー・バラティ他:エレクトロニク
ス レターズ(J、 Batey et al:Ele
ctron 、 Lett 、 ) 、2Jl(198
4) D489、ジエー・バラティ他:プロシーディン
グズ インフォス コンファレンス(J、 Batey
 et at:Proc 、  I NFO8Conf
 、 1983  ) Durhai(E l5evi
er ) 0141等)。
LB法では膜形成の際に半導体基板を水につけるので、
酸化膜ができやすく、そのために界面準位fsi/Si
O2界tlfiと同程1(10/eV・csi)の少な
いものとすることが難しいと考えられる。従ってLBI
gを用いたMIS型素子において界面準位を制御するに
は、従来考えられていない何らかの工夫をすることが必
要である。
〔発明の目的〕
本発明は上記した点に鑑みなされたもので、特にn型ま
たは半絶縁性の化合物半導体に対して絶縁膜として有機
WIJIllを用いてMIS構造を構成し、界面単位の
素子特性に与える影響を低減して、p型反転を可能とし
たMIs型素子を提供することを目的とする。
(発明の概要〕 有機分子の特徴の一つとして、分子設計と化学合成によ
りそのイオン化ポテンシャルと電子親和力の値を任意に
制御できること、およびこれらの値が広範囲にわたって
いることがある。これは、無機材料と異なる有咀材料固
有の特徴である。しかも、LB法に代表される有機薄膜
形成技術の進歩により多種多様の有機分子の単分子膜や
超薄膜が均一に且つ欠陥を伴わずに作製することが可能
になっている。′ 本発明は以上の考察に基づき、有機薄膜を絶縁体として
用いたMIS型素子において、有機分子の電子親和力を
χI [eV]、半導体のイオン化ポテンシャルをIp
s [eV]としたとき、Ips<χt +Q、 3 
  ・・・(1)を満たす有機分子を含む薄膜により絶
縁体を構成したことを特徴とする。
ここで有W1薄膜は、上記(1)式を満たす有機分子単
独でも、またこれに他の有機分子を混合した膜であって
もよい。
MIS型素子では絶縁膜の膜厚の均一性や欠陥の少ない
ことが要求されるので、本発明で用いる有機il膜はL
B法により形成されることが望ましいが、蒸@法やイオ
ンクラスタビーム法等他の方法を用いることも可能であ
る。
[発明の効果] 本発明によるMIS型素子では、絶縁膜として用いられ
る有機薄膜は、絶It躾−半導体界面の界面単位を補償
する灘能を持つ。即ち界面単位から有機薄膜へと電子が
移動し、そのため、印加電圧零の状態で界面単位のフェ
ルミ・レベルは半導体の1ifi電子帯近傍に存在する
ことになる。この結果n型または半絶縁性半導体を用い
たMIS型素子では、金属に負電圧を印加することによ
り橿めて容易に半導体表面のp型反転が生じる。この様
な本発明の効果は特に、界面単位密度が多いために反転
を起こすような良好なMIS型素子が得られなかったG
aASやInPなどのような化合物半導体に対して有効
であり、^性能のFETなとの実現が可能となる。
〔発明の実施例〕
3iをlX10”/a++3添加したn型GaASM板
の裏面に先ず、通常の方法でAuGeオーミンク電極を
形成する。この基板に対して5)−111理を施して表
面を清浄化する。次にこのGaAS基板に、7,7,8
.8−テトラシアノキノジメタン(TCNQ)とアラキ
シン酸を1:1のモル比で混合したLBIIを通常の方
法で20層つける。
その侵、これらのLBII上に蒸着法によりA2電極を
形成する。
第1図はこのようにして得られたMISキャパシタであ
る。11がn型GaAS基板、12がAuGeオーミッ
ク電極、13がLBIII、14がA2電極である。
第2図はこのMISキャパシタのバンド図である。図に
示すように、LBIIIの電子親和力χ直はGaASの
イオン化ポテンシャルIpsと(1)式を満たすような
関係にある。
第3図はこの実施例のMISキャパシタのC−■特性を
測定した結果である。測定周波数が1×10”Hzの場
合と30−の場合を併せて示す。
A2電楡14に負電圧、つまり逆バイアスした時のキャ
パシタンスのS舞いから容易に理解されるように、逆バ
イアス約1.5v程度でGaAs1板11の表面が反転
していることが確認される。
また逆バイアスOV〜10vの範囲でリーク電流は11
)Aと極めて小さいことが確認された。
次に上記実施例の構造のLBIIの一部を2か屑除去し
、その除去した部分にMgイオンを加速電圧60KeV
、ドーズ5110I2/a2の条件で打ち込み、アニー
ルを行ってソース、ドレインとなるp型層を形成し、こ
こにAuZnオーミック電橿を電橋してpチャネルMI
SFETを構成した。
第4図はそのFET構造を示す。第1図と対応する部分
には第1図と同一符号を付しである。
151.152がp型層、161.162がAuZnオ
ーミック2に極である。
第5図はこのMISFETの特性である。相互コンダク
タンスは約10100O/amと高い値を示した。
以上のように本発明によれば、電子親和力の大きい有機
分子のLBglを絶縁膜として用いて、n型GaAs基
板に対してp型反転を生じる優れたMIS素子が得られ
る。
本発明は上記実施例に限られるものではない。
絶縁膜に用いる電子親和力の大きい有機分子としては、
上記実施例のTCNQの他、以下に列挙するようなもの
が挙げられる。
2−メチル−i、7.8.a−テトラシアノキノジメタ
ン(MTCNQ)、2.5−ジメチル−7,7,8,8
−テトラシアノキノジメタン(DMTCNQ)、2.5
−ジエチル−7,7,8゜8−テトラシアノキシメタン
(DETCNQ>、2−メトキシ−7,7,8,8−テ
トラシアノキノジメタン(MOTCNQ>、2.5−ジ
メトキシ−7,7,8,8−テトラシアノキノジメタン
(DMOTCNQ)、2−メトキシ−5−エトキシ−7
,7,8,8−テトラシアノキノジメタン(MOEOT
CNQ)、2d l−キシジヒドロジオキサベンゾ−7
,7,8,8−テトラシアノキノジメタン(MODOT
CNQ) 、2−りOローフ、7,8.8−テトラシア
ノキノジメタン(CTCNQ)、2−プロモーフ、7,
8.8−テトラシアノキノジメタン(BTCNQ>、2
゜5−ジブロモ−7,7,8,8−テトラシアノキノジ
メタン(DBTCNQ)、2.5−ショート−7,7,
8,8−テトラシアノキノジメタン(D ITcNQ)
 、2−クロロ−5−メチル−7゜7.8.8−テトラ
シアノキノジメタン(CMTCNQ)、2−ブロモ−5
−メヂルー7.7,8゜8−テトラシアノキノジメタン
(BMTCNQ)、2−ヨード−5−メチル−7,7,
8,8−テトラシアノキノジメタン(IMTCNQ) 
、11,11゜12、12−テトラシアノ−2,6−ナ
フドキノジメタン(TNAP)、1.1.2.3.4.
4−へキサシアノブタジェン(HCB)、ナトリウム+
3.13.14.14−テトラシアノジフェノキノジメ
タン(NaTCDQ) 、テトラシアノエチレン(TC
NE)、o−ベンゾキノン、p−ベンゾキノン、2.6
−ナフドキノン、ジフェノキノン、テトラシアノエチレ
ン(TCNDQ) 、p−フルオラニル、テトラクロロ
ジフェノキノン。
またアラキシン酸は、LB法による製膜が容易であるこ
とからTTFと混合して用いているが、TTFのみで十
分良好な製膜ができればこの混合は不要であるし、アラ
キシン酸の池数のようなものも用いられる。
■ CH3(CH2)n C0OHで表ワサレル飽和脂
肪酸のうら、゛特にnの値が15〜25の範囲のもの、 ■ ω−トリコセン酸で代表される直鎖不飽和脂肪酸、 ■ ■の飽和脂肪酸とビニルアルコールなどの炭素−炭
素2重結合を持つアルコールとそのエステル、 ■ CH3(CH2)n −C−C−C日C−(CH2
)l C0OHで表わされるジアセチレン誘導体のうち
、nの値が8〜15、mの値が8〜15の範囲にあるも
の。
また半導体基板はn型GaASの他、アンドープ或いは
クロムドープの半絶縁性GaAS、更にn型1nPや、
アンドープ或いはFeドープのlnPなど、各種材料を
用いて本発明を実施することができる。LBIIの層数
も必要に応じて1〜1000111の範囲で選択するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実FA@のMISキャパシタを示す
図、第2図はそのバンド図、第3図は同じくそのC−■
特性を示す図、第4図は他の実施例のIVIIsFE丁
を示す図、第5図はそのFET持性を示す図である。 11−n型GaAS!!板、12・AuGeオーミック
電極、13・・・LBI(アラキシン酸とTCNQ分子
の混合)、14・・・AR電惨1.151゜152・ 
p型層、161.162−Qu7nオーミック電極。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦 (M>   (1)     (S) 第2図 電ル(V) 第3図 z 第4図 VO5(イ杢麺スケタレ)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)絶縁体として有機薄膜を用いた金属/絶縁体/半
    導体構造を持つ半導体素子において、有機分子の電子親
    和力χ_1[eV]とし、半導体のイオン化ポテンシャ
    ルをI_P_S[eV]としたとき、 I_P_S<χ_1+0.3 を満たす有機分子を含む薄膜により絶縁体を構成したこ
    とを特徴とするMIS型半導体素子。
  2. (2)前記有機分子を含む薄膜は、前記式を満たす有機
    分子とこれとは異種の有機分子とが混合された薄膜であ
    る特許請求の範囲第1項記載のMIS型半導体素子。
  3. (3)前記有機分子を含む薄膜はラングミュア・ブロジ
    ェット法により形成される特許請求の範囲第1項記載の
    MIS型半導体素子。
  4. (4)半導体はn型または半絶縁性の化合物半導体であ
    る特許請求の範囲第1項記載のMIS型半導体素子。
JP60205725A 1985-09-18 1985-09-18 Mis型半導体素子 Pending JPS6265472A (ja)

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