JP2001119038A - 単電子トランジスタおよびその製造方法 - Google Patents
単電子トランジスタおよびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 室温で作動し、作製プロセスが簡便な単電子
トランジスタの製造方法を提供する。 【解決手段】 この単電子トランジスタの製造方法は、
予め形成されたソース電極４,ゲート電極６およびドレ
イン電極５の電極構造を有する基板２上のソース電極４
とドレイン電極５の間の表面酸化層３を、チオール誘導
体分子で終端されたコロイド粒子７を含む溶液中で、探
針９で部分的に剥離して、基板材料清浄表面８を溶液に
露出させる。そして、この操作によって露出した基板材
料表面８上だけに、自己組織化作用によって選択的にコ
ロイド粒子７を化学吸着させる。これにより、コロイド
粒子７がソース電極４とゲート電極６の間に１列に形成
される。
トランジスタの製造方法を提供する。 【解決手段】 この単電子トランジスタの製造方法は、
予め形成されたソース電極４,ゲート電極６およびドレ
イン電極５の電極構造を有する基板２上のソース電極４
とドレイン電極５の間の表面酸化層３を、チオール誘導
体分子で終端されたコロイド粒子７を含む溶液中で、探
針９で部分的に剥離して、基板材料清浄表面８を溶液に
露出させる。そして、この操作によって露出した基板材
料表面８上だけに、自己組織化作用によって選択的にコ
ロイド粒子７を化学吸着させる。これにより、コロイド
粒子７がソース電極４とゲート電極６の間に１列に形成
される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、単電子トンネル
現象を利用した単電子トランジスタおよびその製造方法
に関する。
現象を利用した単電子トランジスタおよびその製造方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】２１世紀は好みの情報を世界規模で交換
できるモーバイル機器が期待され、これに搭載されるエ
レクトロニクス素子は高機能,高速かつ大容量であるこ
とはもちろん、その一方で、電源や重量による負担から
解放されることが望まれている。この要望を実現するに
際して鍵となる超ＬＳＩ技術は、主として微細加工技術
の進歩によって、集積度の向上を図り、同時に、動作速
度の向上と消費電力,コスト,重量,体積の低減を満たし
てきた。
できるモーバイル機器が期待され、これに搭載されるエ
レクトロニクス素子は高機能,高速かつ大容量であるこ
とはもちろん、その一方で、電源や重量による負担から
解放されることが望まれている。この要望を実現するに
際して鍵となる超ＬＳＩ技術は、主として微細加工技術
の進歩によって、集積度の向上を図り、同時に、動作速
度の向上と消費電力,コスト,重量,体積の低減を満たし
てきた。
【０００３】しかしながら、現在のトランジスタのよう
に、電子数の確率的制御を動作原理とする素子では、Ｔ
(テラ)ビット[１テラ＝１０12]級の集積度の領域に到達
することは困難であり、個々の電子を確実に輸送でき、
貯蔵できる新たな原理に基づく素子開発が望まれてい
る。その有力候補としてクーロン・ブロッケード効果を
利用した単一電子素子が考えられている。
に、電子数の確率的制御を動作原理とする素子では、Ｔ
(テラ)ビット[１テラ＝１０12]級の集積度の領域に到達
することは困難であり、個々の電子を確実に輸送でき、
貯蔵できる新たな原理に基づく素子開発が望まれてい
る。その有力候補としてクーロン・ブロッケード効果を
利用した単一電子素子が考えられている。
【０００４】従来、単一電子トランジスタは、金属系と
半導体系の２つに大きく分けられる。金属系の単一電子
トランジスタとしては、２重シャドウ蒸着法によってト
ンネル接合形成した例(Ｐhys.Ｒev.Ｌetts.５９(１),１
９８７ p.１０９(ＦultonとＤolanによる))が報告され
ている。また、高分解電子ビーム露光装置によるチャン
ネル長２５ｎｍ,幅約４０ｎｍのトンネルギャップを作
製した例(Ａppl.Ｐhys.Ｌett.６６(２４),１２ June １
９９５ ｐ.３３８３(Ｃhenらによる))が有る。
半導体系の２つに大きく分けられる。金属系の単一電子
トランジスタとしては、２重シャドウ蒸着法によってト
ンネル接合形成した例(Ｐhys.Ｒev.Ｌetts.５９(１),１
９８７ p.１０９(ＦultonとＤolanによる))が報告され
ている。また、高分解電子ビーム露光装置によるチャン
ネル長２５ｎｍ,幅約４０ｎｍのトンネルギャップを作
製した例(Ａppl.Ｐhys.Ｌett.６６(２４),１２ June １
９９５ ｐ.３３８３(Ｃhenらによる))が有る。
【０００５】さらに、ナノメータサイズのソース-ドレ
イン間ギャップ内に金属コロイド粒子を配置し、ＭＴＪ
(マルチプル・トンネル・ジャンクション：Ｍultiple
Ｔunnel Ｊunction)を形成した例(Ａppl.Ｐhys.Ｌett.
６８(１８),２９ Ａpril １９９６ ｐ.２５７４(Ｋlein
らによる))等が詳しく研究されている。
イン間ギャップ内に金属コロイド粒子を配置し、ＭＴＪ
(マルチプル・トンネル・ジャンクション：Ｍultiple
Ｔunnel Ｊunction)を形成した例(Ａppl.Ｐhys.Ｌett.
６８(１８),２９ Ａpril １９９６ ｐ.２５７４(Ｋlein
らによる))等が詳しく研究されている。
【０００６】また、ＡｕＰｄのナノワイヤ上のごく近接
した２点に不連続部を設け、トレンチのエッジで自然に
破断させることによって、ＡｕＰｄの島を形成するステ
ップクラック法を用いて素子を形成した例も有る(Ｊpn.
Ｊ.Ａppl.Ｐhys.３４(Ｐt１,１２Ｂ)１９９５ ｐ.６９
５６(Ｌangheinrichらによる))。
した２点に不連続部を設け、トレンチのエッジで自然に
破断させることによって、ＡｕＰｄの島を形成するステ
ップクラック法を用いて素子を形成した例も有る(Ｊpn.
Ｊ.Ａppl.Ｐhys.３４(Ｐt１,１２Ｂ)１９９５ ｐ.６９
５６(Ｌangheinrichらによる))。
【０００７】一方、半導体系、特にシリコン系では、Ｓ
ＯＩ(Ｓilicon−Ｏn−Ｉnsulator)基板を用いたＳｉ単
結晶の島によるクーロン・ブロッケート素子が、Ａliら
によって提案された(Ａppl.Ｐhys.Ｌett.６４(１６),１
８ Ａpril １９９４ ｐ.２１１９)。また、矢野らによ
って、多結晶シリコンナノ粒子細線による単一電子メモ
リが開発されたことが示されている(IEEE TRANSACTIONS
ON ELECTRON DEVICES,４１(９)Ｓeptember １９９４
ｐ.１６２８)。
ＯＩ(Ｓilicon−Ｏn−Ｉnsulator)基板を用いたＳｉ単
結晶の島によるクーロン・ブロッケート素子が、Ａliら
によって提案された(Ａppl.Ｐhys.Ｌett.６４(１６),１
８ Ａpril １９９４ ｐ.２１１９)。また、矢野らによ
って、多結晶シリコンナノ粒子細線による単一電子メモ
リが開発されたことが示されている(IEEE TRANSACTIONS
ON ELECTRON DEVICES,４１(９)Ｓeptember １９９４
ｐ.１６２８)。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
いずれの方法においても、紫外線リソグラフィー(Ｕltr
a−Ｖiolet Ｌight Ｌithography)、ＦＩＢ(フォーカス
ド・イオン・ビーム：Ｆocused Ｉon Ｂeam)およびＥＢ
リソグラフイー(Ｅlectron Ｂeam Ｌithography)等の従
来の半導体プロセスでのパターニング技術を用いてい
る。このため、デバイスサイズが大きく、動作温度が低
い欠点があった。また、室温動作が可能である場合で
も、多結晶粒子間の電子のトンネリングを利用するの
で、島の大きさやトンネル障壁の大きさを制御できず、
トランジスタ素子毎の特性が“ばらつく”という問題が
あった。
いずれの方法においても、紫外線リソグラフィー(Ｕltr
a−Ｖiolet Ｌight Ｌithography)、ＦＩＢ(フォーカス
ド・イオン・ビーム：Ｆocused Ｉon Ｂeam)およびＥＢ
リソグラフイー(Ｅlectron Ｂeam Ｌithography)等の従
来の半導体プロセスでのパターニング技術を用いてい
る。このため、デバイスサイズが大きく、動作温度が低
い欠点があった。また、室温動作が可能である場合で
も、多結晶粒子間の電子のトンネリングを利用するの
で、島の大きさやトンネル障壁の大きさを制御できず、
トランジスタ素子毎の特性が“ばらつく”という問題が
あった。
【０００９】上記方法の中でも、金属コロイド粒子をト
ンネル接合として利用した単電子トランジスタの場合に
は、粒径の揃ったナノメータサイズの金属コロイド粒子
をトンネル接合に用いるので、室温動作を期待できる
が、図３に示すように、これらのコロイド粒子１０７が
ソース１０４とドレイン１０５の間に無秩序に配置され
てしまう(Appl.Phys.Lett.６６(２４),１２ June １９
９５ ｐ.３３８３)。このため、ソース１０４とドレイ
ン電極間のコロイド島の数およびトンネル障壁の大きさ
は、全くの偶然に頼る他はなく、トランジスタ特性のば
らつきが大きく実用的でないという問題がある。
ンネル接合として利用した単電子トランジスタの場合に
は、粒径の揃ったナノメータサイズの金属コロイド粒子
をトンネル接合に用いるので、室温動作を期待できる
が、図３に示すように、これらのコロイド粒子１０７が
ソース１０４とドレイン１０５の間に無秩序に配置され
てしまう(Appl.Phys.Lett.６６(２４),１２ June １９
９５ ｐ.３３８３)。このため、ソース１０４とドレイ
ン電極間のコロイド島の数およびトンネル障壁の大きさ
は、全くの偶然に頼る他はなく、トランジスタ特性のば
らつきが大きく実用的でないという問題がある。
【００１０】そこで、この発明の目的は、室温で作動で
き、かつ、コロイド粒子の配列とコロイド粒子間のトン
ネル障壁を精密に制御できる単一電子トランジスタおよ
びその製造方法を提供することにある。
き、かつ、コロイド粒子の配列とコロイド粒子間のトン
ネル障壁を精密に制御できる単一電子トランジスタおよ
びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の単電子トランジスタは、ソース電極，ゲ
ート電極およびドレイン電極が配置され、上記ソース電
極からドレイン電極に向かって、少なくとも２個以上の
コロイド粒子が一列に整列していることを特徴としてい
る。
に、この発明の単電子トランジスタは、ソース電極，ゲ
ート電極およびドレイン電極が配置され、上記ソース電
極からドレイン電極に向かって、少なくとも２個以上の
コロイド粒子が一列に整列していることを特徴としてい
る。
【００１２】この発明の単電子トランジスタでは、ソー
ス電極からドレイン電極に向かって、少なくとも２個以
上のコロイド粒子が一列に整列しているので、ソース電
極とドレイン電極間のコロイド島の数およびトンネル障
壁の大きさを精密に制御でき、トランジスタ特性を精密
に設定することができる。
ス電極からドレイン電極に向かって、少なくとも２個以
上のコロイド粒子が一列に整列しているので、ソース電
極とドレイン電極間のコロイド島の数およびトンネル障
壁の大きさを精密に制御でき、トランジスタ特性を精密
に設定することができる。
【００１３】また、一実施形態の単電子トランジスタで
は、上記コロイド粒子は、III-Ｖ族化合物半導体で構成
された面に接触している。
は、上記コロイド粒子は、III-Ｖ族化合物半導体で構成
された面に接触している。
【００１４】この一実施形態では、公知のリソグラフィ
ー技術を用いて、III-Ｖ族化合物半導体からなる基板表
面上に、ソース電極とゲート電極とドレイン電極を形成
できる。
ー技術を用いて、III-Ｖ族化合物半導体からなる基板表
面上に、ソース電極とゲート電極とドレイン電極を形成
できる。
【００１５】また、他の実施形態の単電子トランジスタ
は、上記コロイド粒子が貴金属である。
は、上記コロイド粒子が貴金属である。
【００１６】上記他の実施形態では、上記コロイド粒子
を貴金属とすることで、トンネル障壁の精密化を図れ
る。
を貴金属とすることで、トンネル障壁の精密化を図れ
る。
【００１７】また、一実施形態の単電子トランジスタで
は、上記コロイド粒子が半導体である。
は、上記コロイド粒子が半導体である。
【００１８】上記一実施形態では、上記コロイド粒子を
半導体とすることで、トンネル障壁の精密化を図れる。
半導体とすることで、トンネル障壁の精密化を図れる。
【００１９】また、他の実施形態の単電子トランジスタ
は、上記コロイド粒子の直径が、１乃至１０ｎｍであ
る。
は、上記コロイド粒子の直径が、１乃至１０ｎｍであ
る。
【００２０】上記他の実施形態では、上記コロイド粒子
の直径が、１乃至１０ｎｍであるから、ナノメータサイ
ズのコロイド粒子をトンネル接合に用いることとなり、
室温で動作する単電子トランジスタを実現できる。
の直径が、１乃至１０ｎｍであるから、ナノメータサイ
ズのコロイド粒子をトンネル接合に用いることとなり、
室温で動作する単電子トランジスタを実現できる。
【００２１】また、一実施形態の単電子トランジスタで
は、上記コロイド粒子の表面が、脂肪族炭化水素を骨格
とする有機体で被覆された状態になっている。
は、上記コロイド粒子の表面が、脂肪族炭化水素を骨格
とする有機体で被覆された状態になっている。
【００２２】この一実施形態では、上記コロイド粒子の
表面を被覆する脂肪族炭化水素を骨格とする有機体は、
露出された基板の清浄面に選択的に化学結合する。これ
により、上記コロイド粒子は、上記被覆有機体の厚さで
規定された間隔でソース-ドレイン電極間に略等間隔で
配列される。すなわち、上記被覆有機体の厚さでトンネ
ル障壁の間隔を制御することができる。
表面を被覆する脂肪族炭化水素を骨格とする有機体は、
露出された基板の清浄面に選択的に化学結合する。これ
により、上記コロイド粒子は、上記被覆有機体の厚さで
規定された間隔でソース-ドレイン電極間に略等間隔で
配列される。すなわち、上記被覆有機体の厚さでトンネ
ル障壁の間隔を制御することができる。
【００２３】また、他の実施形態の単電子トランジスタ
は、上記コロイド粒子の表面が、少なくとも１つのチオ
ール基を持つ分子で被覆された状態になっている。
は、上記コロイド粒子の表面が、少なくとも１つのチオ
ール基を持つ分子で被覆された状態になっている。
【００２４】上記他の実施形態では、上記コロイド粒子
の表面が、少なくとも１つのチオール基を持つ分子で被
覆された状態になっているから、このチオール基を持つ
分子の分子長を変化させることによって、原子間距離程
度の精度でトンネル障壁の間隔を精密に制御できる。
の表面が、少なくとも１つのチオール基を持つ分子で被
覆された状態になっているから、このチオール基を持つ
分子の分子長を変化させることによって、原子間距離程
度の精度でトンネル障壁の間隔を精密に制御できる。
【００２５】また、一実施形態の単電子トランジスタの
製造方法は、ソース電極からドレイン電極に向かって、
少なくとも２個以上のコロイド粒子が一列に整列してい
る単電子トランジスタを製造する方法であって、上記コ
ロイド粒子を含む溶液中で、上記ソース電極とドレイン
電極との間の基板表面を、微小プローブで機械的に剥離
することによって、上記基板の表面酸化層を除去し、上
記基板の清浄面を露出させる工程を有している。
製造方法は、ソース電極からドレイン電極に向かって、
少なくとも２個以上のコロイド粒子が一列に整列してい
る単電子トランジスタを製造する方法であって、上記コ
ロイド粒子を含む溶液中で、上記ソース電極とドレイン
電極との間の基板表面を、微小プローブで機械的に剥離
することによって、上記基板の表面酸化層を除去し、上
記基板の清浄面を露出させる工程を有している。
【００２６】この一実施形態の製造方法では、コロイド
粒子の大きさがそろったコロイド溶液であれば、ソース
-ドレイン電極間に露出した清浄面の領域を制御するこ
とによって、この清浄面に吸着させるコロイド粒子の数
を精密に制御できる。
粒子の大きさがそろったコロイド溶液であれば、ソース
-ドレイン電極間に露出した清浄面の領域を制御するこ
とによって、この清浄面に吸着させるコロイド粒子の数
を精密に制御できる。
【００２７】また、他の実施形態の単電子トランジスタ
の製造方法は、ソース電極からドレイン電極に向かっ
て、少なくとも２個以上のコロイド粒子が一列に整列し
ている単電子トランジスタを製造する方法であって、上
記コロイド粒子を含む溶液中で、上記ソース電極とドレ
イン電極間の基板表面を、微小プローブによって電解研
磨して剥離することによって、基板の表面酸化層を除去
し、上記基板の清浄面を露出させる工程を有している。
の製造方法は、ソース電極からドレイン電極に向かっ
て、少なくとも２個以上のコロイド粒子が一列に整列し
ている単電子トランジスタを製造する方法であって、上
記コロイド粒子を含む溶液中で、上記ソース電極とドレ
イン電極間の基板表面を、微小プローブによって電解研
磨して剥離することによって、基板の表面酸化層を除去
し、上記基板の清浄面を露出させる工程を有している。
【００２８】この実施形態の製造方法では、基板表面の
酸化層を、微小プローブによる電解研磨によって剥離す
る。
酸化層を、微小プローブによる電解研磨によって剥離す
る。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、この発明の単電子トランジ
スタを図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
スタを図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００３０】図２に、この発明の単電子トランジスタの
実施の形態の構造を模式的に示す。
実施の形態の構造を模式的に示す。
【００３１】この実施形態の単電子トランジスタ１は、
III−Ｖ族化合物半導体基板２上に、通常の半導体製造
プロセスで用いられるリソグラフィー技術によって、同
一平面上に、ソース電極４，ゲート電極６およびドレイ
ン電極５が形成されている。
III−Ｖ族化合物半導体基板２上に、通常の半導体製造
プロセスで用いられるリソグラフィー技術によって、同
一平面上に、ソース電極４，ゲート電極６およびドレイ
ン電極５が形成されている。
【００３２】このソース電極４とドレイン電極５の間で
は、III−Ｖ族化合物半導体基板２の清浄表面８が露出
された領域だけに、少なくとも１個のコロイド粒子７が
化学吸着した構造になっていて、ＭＴＪ(マルチプル・
トンネル・ジャンクション:Multiple Tunnel Junction)
を形成している。
は、III−Ｖ族化合物半導体基板２の清浄表面８が露出
された領域だけに、少なくとも１個のコロイド粒子７が
化学吸着した構造になっていて、ＭＴＪ(マルチプル・
トンネル・ジャンクション:Multiple Tunnel Junction)
を形成している。
【００３３】この単電子トランジスタ１では、ゲート電
極６に加える電圧を変化させることによって、金属コロ
イド内に閉じこめられた電子の動きを制御して、ソース
-ドレイン間の電子の輸送を制御できる。
極６に加える電圧を変化させることによって、金属コロ
イド内に閉じこめられた電子の動きを制御して、ソース
-ドレイン間の電子の輸送を制御できる。
【００３４】上記単電子トランジスタ１は、例えば以下
の手順で製造される。
の手順で製造される。
【００３５】先ず、図１(ａ)に示すように、通常の半導
体製造プロセスで用いられるリソグラフィーによって、
III−Ｖ族化合物半導体基板２の表面酸化層３上に、ソ
ース電極４とドレイン電極５およびゲート電極６を形成
する。
体製造プロセスで用いられるリソグラフィーによって、
III−Ｖ族化合物半導体基板２の表面酸化層３上に、ソ
ース電極４とドレイン電極５およびゲート電極６を形成
する。
【００３６】次に、この基板２を、液中で動作する原子
間力顕微鏡装置にセットし、液中セルに、例えば、エタ
ノール溶媒１(ｍＭ)、１,９−ノナンダイチオール[１,
９-nonanedithiol ＨＳ(ＣＨ2)9ＳＨ]で終端された平均
粒径が５ｎｍの金コロイド溶液を満たす。
間力顕微鏡装置にセットし、液中セルに、例えば、エタ
ノール溶媒１(ｍＭ)、１,９−ノナンダイチオール[１,
９-nonanedithiol ＨＳ(ＣＨ2)9ＳＨ]で終端された平均
粒径が５ｎｍの金コロイド溶液を満たす。
【００３７】次に、図１(ｂ)に示すように、原子間力顕
微鏡(Atomic Force Microscope:ＡＦＭ)の探針９に加え
る力が一定になるように、試料(すなわち基板２)に対す
る探針９の高さを変化させながら、試料台を面内方向の
Ｘ軸−Ｙ軸方向に走査させる。この面内の位置の関数と
なる探針９の高さを、基板２の表面酸化層３の表面の凹
凸情報として、記録装置に記録する。
微鏡(Atomic Force Microscope:ＡＦＭ)の探針９に加え
る力が一定になるように、試料(すなわち基板２)に対す
る探針９の高さを変化させながら、試料台を面内方向の
Ｘ軸−Ｙ軸方向に走査させる。この面内の位置の関数と
なる探針９の高さを、基板２の表面酸化層３の表面の凹
凸情報として、記録装置に記録する。
【００３８】そして、この記録された凹凸情報が表す像
に基づき、ソース電極４とドレイン電極５との間の表面
酸化層３を、探針９で剥離する幅と長さを決定する。そ
して、剥離加工すべき始点に、探針９を移動させ、フォ
ースカーブを取り、探針９−試料間に加える力を決定す
る。さらに、この力が一定になるように、探針９を終点
まで１回あるいは繰り返し走査することによって、表面
酸化層３を機械的に剥離して、基板材料の清浄表面８を
溶液に接触させる。
に基づき、ソース電極４とドレイン電極５との間の表面
酸化層３を、探針９で剥離する幅と長さを決定する。そ
して、剥離加工すべき始点に、探針９を移動させ、フォ
ースカーブを取り、探針９−試料間に加える力を決定す
る。さらに、この力が一定になるように、探針９を終点
まで１回あるいは繰り返し走査することによって、表面
酸化層３を機械的に剥離して、基板材料の清浄表面８を
溶液に接触させる。
【００３９】このとき、Ｓｉ3Ｎ4からなる探針９と試料
(基板２がＧａＡｓ(００１)表面の場合には)に加える力
を、５０ｎＮに設定し、０.０２μｍ／秒の走査速度で
走査することで、幅が１０ｎｍで深さが２ｎｍの溝１１
をソース電極４とドレイン電極５の間に形成した。
(基板２がＧａＡｓ(００１)表面の場合には)に加える力
を、５０ｎＮに設定し、０.０２μｍ／秒の走査速度で
走査することで、幅が１０ｎｍで深さが２ｎｍの溝１１
をソース電極４とドレイン電極５の間に形成した。
【００４０】これにより、図１(ｃ)に示すように、１,
９−ノナンダイチオールのチオール基で終端された金コ
ロイド粒子７が、探針９による機械研磨によって基板材
料が露出された上記清浄溝表面８に選択的に化学結合
し、図２に示す単電子トランジスタ構造が形成された。
９−ノナンダイチオールのチオール基で終端された金コ
ロイド粒子７が、探針９による機械研磨によって基板材
料が露出された上記清浄溝表面８に選択的に化学結合
し、図２に示す単電子トランジスタ構造が形成された。
【００４１】こうして得られた単電子トランジスタ１
は、ソース電極４,ゲート電極６およびドレイン電極５
の各電極を外部回路(図示省略)に接続することによっ
て、電極間に電圧を加えることができる。そして、絶縁
体である１,９−ノナンダイチオールのトンネル障壁を
介した金コロイド粒子７の連続した島から構成されるＭ
ＴＪを形成し、トンネル効果により１個の電子移動が行
える構成を呈した。したがって、この単電子トランジス
タ１は、ゲート電極６の電位によって、ソース-ドレイ
ン電極間の電流のオン−オフを制御することができ、ス
イッチング機能を果たすことができる。
は、ソース電極４,ゲート電極６およびドレイン電極５
の各電極を外部回路(図示省略)に接続することによっ
て、電極間に電圧を加えることができる。そして、絶縁
体である１,９−ノナンダイチオールのトンネル障壁を
介した金コロイド粒子７の連続した島から構成されるＭ
ＴＪを形成し、トンネル効果により１個の電子移動が行
える構成を呈した。したがって、この単電子トランジス
タ１は、ゲート電極６の電位によって、ソース-ドレイ
ン電極間の電流のオン−オフを制御することができ、ス
イッチング機能を果たすことができる。
【００４２】なお、上述した単電子トランジスタの製造
方法では、金コロイド粒子７の表面を取り囲むチオール
誘導体の一端は、コロイド表面に強く化学吸着している
ので、粒子同士が融合することなく溶液中に分散してい
る。
方法では、金コロイド粒子７の表面を取り囲むチオール
誘導体の一端は、コロイド表面に強く化学吸着している
ので、粒子同士が融合することなく溶液中に分散してい
る。
【００４３】そして、ソース-ドレイン間の自然表面酸
化層３を剥離して、基板２の清浄表面８を露出させる
と、金コロイド粒子７に化学吸着した分子であって未反
応のチオール基が溶液中を移動し、上記露出した清浄表
面８に選択的に化学結合する。これらの化学吸着した金
コロイド粒子７は、金コロイド粒子７が持つ立体的な障
害と剥離された基板２の清浄表面８の領域による制約と
によって、ソース-ドレイン電極の間にほぼ等間隔で配
列する。したがって、このコロイド粒子７間の間隔は、
コロイド粒子７に化学結合した有機分子の厚さの程度に
なる。
化層３を剥離して、基板２の清浄表面８を露出させる
と、金コロイド粒子７に化学吸着した分子であって未反
応のチオール基が溶液中を移動し、上記露出した清浄表
面８に選択的に化学結合する。これらの化学吸着した金
コロイド粒子７は、金コロイド粒子７が持つ立体的な障
害と剥離された基板２の清浄表面８の領域による制約と
によって、ソース-ドレイン電極の間にほぼ等間隔で配
列する。したがって、このコロイド粒子７間の間隔は、
コロイド粒子７に化学結合した有機分子の厚さの程度に
なる。
【００４４】上記製造方法は、以下に示される特徴を有
している。
している。
【００４５】１.金コロイド粒子７の大きさが揃ったコ
ロイド溶液であるので、ソース-ドレイン電極間の表面
自然酸化層３の剥離領域を制御することによって、吸着
する金コロイド粒子７の数を精密に制御できる。
ロイド溶液であるので、ソース-ドレイン電極間の表面
自然酸化層３の剥離領域を制御することによって、吸着
する金コロイド粒子７の数を精密に制御できる。
【００４６】２.金コロイド粒子７に化学吸着させる有
機分子の分子長を変化させることによって、原子間距離
程度の精度でトンネル障壁の間隔を制御できる。例え
ば、有機分子をアルカンダイチオールとした場合には、
Ｃ−Ｃ結合長である０.１５ｎｍの２倍程度の精度でト
ンネル障壁の間隔を制御できる。
機分子の分子長を変化させることによって、原子間距離
程度の精度でトンネル障壁の間隔を制御できる。例え
ば、有機分子をアルカンダイチオールとした場合には、
Ｃ−Ｃ結合長である０.１５ｎｍの２倍程度の精度でト
ンネル障壁の間隔を制御できる。
【００４７】３.別の貴金属からなるコロイド粒子を採
用して、コロイド粒子の粒径を変化させることによっ
て、露出された清浄表面の単位長さ当たりに吸着させる
粒子数を制御できる。
用して、コロイド粒子の粒径を変化させることによっ
て、露出された清浄表面の単位長さ当たりに吸着させる
粒子数を制御できる。
【００４８】このように、この製造方法によれば、トラ
ンジスタ構造のいくつものパラメータを精密に制御で
き、トランジスタ特性を精密に制御することができる。
よって、これまで余り明らかにされていなかった弾性・
非弾性コトンネリングがデバイス特性に及ぼす影響，オ
フセット電荷の起源，ショット雑音の定量的な評価等の
物理現象の解明にも役立つ。
ンジスタ構造のいくつものパラメータを精密に制御で
き、トランジスタ特性を精密に制御することができる。
よって、これまで余り明らかにされていなかった弾性・
非弾性コトンネリングがデバイス特性に及ぼす影響，オ
フセット電荷の起源，ショット雑音の定量的な評価等の
物理現象の解明にも役立つ。
【００４９】尚、上記実施の形態では、ソース電極４,
ゲート電極６およびドレイン電極５を、III−Ｖ族化合
物半導体基板２表面上に形成する方法として、レジスト
塗布工程を経るリソグラフィー技術を利用したが、この
リソグラフィー技術としては、可能ならば、サイズの微
細化が容易な電子ビームリソグラフィーが好ましい。ま
た、このリソグラフィー技術に替えて、ＦＩＢから発生
するタングステン等の金属の集束イオンビームを基板上
に照射して電極をパターニングする方法を用いても良
い。その他、走査型プローブ探針からの電界蒸発を利用
して、探針直下の基板表面に探針材料を蒸着させて電極
構造をパターニングする方法を採用してもよい。さらに
は、電極パターニング方法として、ソース-ドレイン間
のギャップが０.１μｍ程度の電極構造を作製できる方
法であればよい。
ゲート電極６およびドレイン電極５を、III−Ｖ族化合
物半導体基板２表面上に形成する方法として、レジスト
塗布工程を経るリソグラフィー技術を利用したが、この
リソグラフィー技術としては、可能ならば、サイズの微
細化が容易な電子ビームリソグラフィーが好ましい。ま
た、このリソグラフィー技術に替えて、ＦＩＢから発生
するタングステン等の金属の集束イオンビームを基板上
に照射して電極をパターニングする方法を用いても良
い。その他、走査型プローブ探針からの電界蒸発を利用
して、探針直下の基板表面に探針材料を蒸着させて電極
構造をパターニングする方法を採用してもよい。さらに
は、電極パターニング方法として、ソース-ドレイン間
のギャップが０.１μｍ程度の電極構造を作製できる方
法であればよい。
【００５０】また、チオール誘導体で表面を修飾した金
属コロイドは、Ａndresら(Ｓcience２７３, ２０ Ｓept
ember １９９６ ｐ.１６９０)や高見ら(特開平９−２７
８５９８)などによって既に開示されている方法で作製
できるが、市販のＡｕ粒子をエタノール溶媒チオール誘
導体溶液中に投入するだけでも容易に作製できる。
属コロイドは、Ａndresら(Ｓcience２７３, ２０ Ｓept
ember １９９６ ｐ.１６９０)や高見ら(特開平９−２７
８５９８)などによって既に開示されている方法で作製
できるが、市販のＡｕ粒子をエタノール溶媒チオール誘
導体溶液中に投入するだけでも容易に作製できる。
【００５１】また、ナノメータサイズの粒子の種類とし
ては、Ａｕ,Ｐｄ,Ｐｔ,Ｒｈ等の貴金属が好ましく、さ
らにそれらの合金でも構わないし、ＣｄＳ等の化合物半
導体を用いてもよい。
ては、Ａｕ,Ｐｄ,Ｐｔ,Ｒｈ等の貴金属が好ましく、さ
らにそれらの合金でも構わないし、ＣｄＳ等の化合物半
導体を用いてもよい。
【００５２】また、チオール誘導体としては、１分子内
に少なくとも１個のチオール基を内在する分子が用いら
れる。それらの分子は、モノマー,オリゴマー,ポリマー
のいずれの有機材料でも良く、それらのうち何種類かを
混合させてコロイドを作製しても構わない。その中で
も、炭素数が９以上の直鎖の有機分子であるアルカンジ
チオールは、上記コロイド粒子に均一な厚さで自己組織
的に化学吸着するので、最も好ましい材料である。
に少なくとも１個のチオール基を内在する分子が用いら
れる。それらの分子は、モノマー,オリゴマー,ポリマー
のいずれの有機材料でも良く、それらのうち何種類かを
混合させてコロイドを作製しても構わない。その中で
も、炭素数が９以上の直鎖の有機分子であるアルカンジ
チオールは、上記コロイド粒子に均一な厚さで自己組織
的に化学吸着するので、最も好ましい材料である。
【００５３】また、ソース電極４とドレイン電極５間の
表面自然酸化層３を、上記作製したコロイド溶液中で剥
離する方法としては、液中で動作する走査型トンネル顕
微鏡(ＳＴＭ:Ｓcanning Ｔunneling Ｍicroscope)の探
針に一定の電圧を印加した状態で、ソース電極とドレイ
ン電極の間を走査する方法を採用してもよい。また、上
記実施形態では、液中動作する原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)
に用いるカンチレバーに取り付けられた探針と試料との
間に、一定の力を加えた状態でソース電極４とドレイン
電極５の間を走査する方法を採用したが、上記ＳＴＭ
(走査型トンネル顕微鏡)と同様に、探針に一定の電圧を
印加した状態で走査する方法を採用してもよい。さらに
また、走査型近接場光学顕微鏡(ＳＮＯＭ:Ｓacanning
Ｎear-feild Ｏptical Ｍicroscope)のファイバープロ
ーブを用いて、上記表面自然酸化層３を剥離することも
可能である。
表面自然酸化層３を、上記作製したコロイド溶液中で剥
離する方法としては、液中で動作する走査型トンネル顕
微鏡(ＳＴＭ:Ｓcanning Ｔunneling Ｍicroscope)の探
針に一定の電圧を印加した状態で、ソース電極とドレイ
ン電極の間を走査する方法を採用してもよい。また、上
記実施形態では、液中動作する原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)
に用いるカンチレバーに取り付けられた探針と試料との
間に、一定の力を加えた状態でソース電極４とドレイン
電極５の間を走査する方法を採用したが、上記ＳＴＭ
(走査型トンネル顕微鏡)と同様に、探針に一定の電圧を
印加した状態で走査する方法を採用してもよい。さらに
また、走査型近接場光学顕微鏡(ＳＮＯＭ:Ｓacanning
Ｎear-feild Ｏptical Ｍicroscope)のファイバープロ
ーブを用いて、上記表面自然酸化層３を剥離することも
可能である。
【００５４】このような微細加工を行うためには、表面
形状の観察によって、探針を走査する領域を予め調べて
おく必要がある。したがって、得られた像が試料表面の
導電性の違いによって真の凹凸像が損なわれることのな
い原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)や走査型近接場光学顕微鏡
(ＳＮＯＭ)を用いることがより好ましい。
形状の観察によって、探針を走査する領域を予め調べて
おく必要がある。したがって、得られた像が試料表面の
導電性の違いによって真の凹凸像が損なわれることのな
い原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)や走査型近接場光学顕微鏡
(ＳＮＯＭ)を用いることがより好ましい。
【００５５】なお、原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)の探針を表
面加工装置として用いた場合、探針材料として、Ｓｉ3
Ｎ4、ダイヤモンド,シリコン等が用いられ、それらの材
料によって、加える力および走査速度を調整しなければ
ならない。例えば、Ｓｉ3Ｎ4の場合、試料−探針間に加
える力は、１ｎＮ〜１００ｎＮで行われるが、１０〜５
０ｎＮが好ましい。また、走査速度は、０.０１〜１μ
ｍ／秒が用いられるが、０.０２〜０.１μｍ／秒がより
好ましい。
面加工装置として用いた場合、探針材料として、Ｓｉ3
Ｎ4、ダイヤモンド,シリコン等が用いられ、それらの材
料によって、加える力および走査速度を調整しなければ
ならない。例えば、Ｓｉ3Ｎ4の場合、試料−探針間に加
える力は、１ｎＮ〜１００ｎＮで行われるが、１０〜５
０ｎＮが好ましい。また、走査速度は、０.０１〜１μ
ｍ／秒が用いられるが、０.０２〜０.１μｍ／秒がより
好ましい。
【００５６】
【発明の効果】以上より明らかなように、この発明の単
電子トランジスタは、ソース電極からドレイン電極に向
かって、少なくとも２個以上のコロイド粒子が一列に整
列しているので、ソース電極とドレイン電極間のコロイ
ド島の数およびトンネル障壁の大きさを精密に制御で
き、トランジスタ特性を精密に設定することができる。
電子トランジスタは、ソース電極からドレイン電極に向
かって、少なくとも２個以上のコロイド粒子が一列に整
列しているので、ソース電極とドレイン電極間のコロイ
ド島の数およびトンネル障壁の大きさを精密に制御で
き、トランジスタ特性を精密に設定することができる。
【００５７】また、一実施形態の単電子トランジスタで
は、上記コロイド粒子は、III-Ｖ族化合物半導体で構成
された面に接触している。
は、上記コロイド粒子は、III-Ｖ族化合物半導体で構成
された面に接触している。
【００５８】この一実施形態では、公知のリソグラフィ
ー技術を用いて、III-Ｖ族化合物半導体からなる基板表
面上に、ソース電極とゲート電極とドレイン電極を形成
できる。
ー技術を用いて、III-Ｖ族化合物半導体からなる基板表
面上に、ソース電極とゲート電極とドレイン電極を形成
できる。
【００５９】また、他の実施形態の単電子トランジスタ
は、上記コロイド粒子が貴金属である。この請求項３の
発明では、上記コロイド粒子を貴金属としたので、トン
ネル障壁を精密に設定できる。
は、上記コロイド粒子が貴金属である。この請求項３の
発明では、上記コロイド粒子を貴金属としたので、トン
ネル障壁を精密に設定できる。
【００６０】また、一実施形態の単電子トランジスタ
は、上記コロイド粒子が半導体であるので、トンネル障
壁を精密に設定できる。
は、上記コロイド粒子が半導体であるので、トンネル障
壁を精密に設定できる。
【００６１】また、他の実施形態の単電子トランジスタ
は、上記コロイド粒子の直径を、１乃至１０ｎｍとした
から、ナノメータサイズのコロイド粒子をトンネル接合
に用いて、室温で動作する単電子トランジスタを実現で
きる。
は、上記コロイド粒子の直径を、１乃至１０ｎｍとした
から、ナノメータサイズのコロイド粒子をトンネル接合
に用いて、室温で動作する単電子トランジスタを実現で
きる。
【００６２】また、一実施形態の単電子トランジスタ
は、上記コロイド粒子の表面が、脂肪族炭化水素を骨格
とする有機体で被覆された状態になっている。
は、上記コロイド粒子の表面が、脂肪族炭化水素を骨格
とする有機体で被覆された状態になっている。
【００６３】この一実施形態の単電子トランジスタで
は、上記コロイド粒子の表面を被覆する脂肪族炭化水素
を骨格とする有機体は、露出された基板の清浄面に選択
的に化学結合する。これにより、上記コロイド粒子は、
上記被覆有機体の厚さで規定された間隔でソース-ドレ
イン電極間に略等間隔で配列される。すなわち、上記被
覆有機体の厚さでトンネル障壁の間隔を制御することが
できる。
は、上記コロイド粒子の表面を被覆する脂肪族炭化水素
を骨格とする有機体は、露出された基板の清浄面に選択
的に化学結合する。これにより、上記コロイド粒子は、
上記被覆有機体の厚さで規定された間隔でソース-ドレ
イン電極間に略等間隔で配列される。すなわち、上記被
覆有機体の厚さでトンネル障壁の間隔を制御することが
できる。
【００６４】また、他の実施形態の単電子トランジスタ
は、上記コロイド粒子の表面が、少なくとも１つのチオ
ール基を持つ分子で被覆された状態になっているから、
このチオール基を持つ分子の分子長を変化させることに
よって、原子間距離程度の精度でトンネル障壁の間隔を
精密に制御できる。
は、上記コロイド粒子の表面が、少なくとも１つのチオ
ール基を持つ分子で被覆された状態になっているから、
このチオール基を持つ分子の分子長を変化させることに
よって、原子間距離程度の精度でトンネル障壁の間隔を
精密に制御できる。
【００６５】また、一実施形態の製造方法は、ソース電
極からドレイン電極に向かって、少なくとも２個以上の
コロイド粒子が一列に整列している単電子トランジスタ
を製造する方法であって、上記コロイド粒子を含む溶液
中で、上記ソース電極とドレイン電極との間の基板表面
を、微小プローブで機械的に剥離することによって、上
記基板の表面酸化層を除去し、上記基板の清浄面を露出
させる工程を有する。
極からドレイン電極に向かって、少なくとも２個以上の
コロイド粒子が一列に整列している単電子トランジスタ
を製造する方法であって、上記コロイド粒子を含む溶液
中で、上記ソース電極とドレイン電極との間の基板表面
を、微小プローブで機械的に剥離することによって、上
記基板の表面酸化層を除去し、上記基板の清浄面を露出
させる工程を有する。
【００６６】この一実施形態の製造方法では、コロイド
粒子の大きさがそろったコロイド溶液であれば、ソース
-ドレイン電極間に露出した清浄面の領域を制御するこ
とによって、この清浄面に吸着させるコロイド粒子の数
を精密に制御できる。
粒子の大きさがそろったコロイド溶液であれば、ソース
-ドレイン電極間に露出した清浄面の領域を制御するこ
とによって、この清浄面に吸着させるコロイド粒子の数
を精密に制御できる。
【００６７】また、他の実施形態の単電子トランジスタ
の製造方法では、基板表面の酸化層を、微小プローブに
よる電解研磨によって剥離できる。
の製造方法では、基板表面の酸化層を、微小プローブに
よる電解研磨によって剥離できる。
【００６８】以上の通り、この発明の単電子トランジス
タおよびその製造方法によれば、冷却装置を要すること
なく、超小型電子機器に搭載してスイッチング素子とな
りうる単電子トランジスタを提供できる。
タおよびその製造方法によれば、冷却装置を要すること
なく、超小型電子機器に搭載してスイッチング素子とな
りうる単電子トランジスタを提供できる。
【図１】 この発明の実施形態である自己組織化を利用
した構造の単電子トランジスタを製造する工程を示す図
である。
した構造の単電子トランジスタを製造する工程を示す図
である。
【図２】 上記単電子トランジスタの構造を示す模式図
である。
である。
【図３】 従来の単電子トランジスタの構造を示す図で
ある。
ある。
１…単電子トランジスタ、２…III−Ｖ族化合物半導体
基板、３…III−Ｖ族化合物半導体基板表面酸化層、４
…ソース電極、５…ドレイン電極、６…ゲート電極、７
…金属コロイド、８…III−Ｖ族化合物半導体基板清浄
表面、９…探針。
基板、３…III−Ｖ族化合物半導体基板表面酸化層、４
…ソース電極、５…ドレイン電極、６…ゲート電極、７
…金属コロイド、８…III−Ｖ族化合物半導体基板清浄
表面、９…探針。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤岡 一志 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Ｆターム(参考） 5F102 FB05 FB10 GB01 GC01 GD10 GJ04 GJ05 GR01 HC11
Claims (9)
- 【請求項１】 ソース電極，ゲート電極およびドレイン
電極が配置され、上記ソース電極からドレイン電極に向
かって、少なくとも２個以上のコロイド粒子が一列に整
列していることを特徴とする単電子トランジスタ。 - 【請求項２】 請求項１に記載の単電子トランジスタに
おいて、 上記コロイド粒子は、III-Ｖ族化合物半導体で構成され
た面に接触していることを特徴とする単電子トランジス
タ。 - 【請求項３】 請求項１に記載の単電子トランジスタに
おいて、 上記コロイド粒子が貴金属であることを特徴とする単電
子トランジスタ。 - 【請求項４】 請求項１に記載の単電子トランジスタに
おいて、 上記コロイド粒子が半導体であることを特徴とする単電
子トランジスタ。 - 【請求項５】 請求項１に記載の単電子トランジスタに
おいて、 上記コロイド粒子の直径が、１乃至１０ｎｍであること
を特徴とする単電子トランジスタ。 - 【請求項６】 請求項１に記載の単電子トランジスタに
おいて、 上記コロイド粒子の表面が、脂肪族炭化水素を骨格とす
る有機体で被覆された状態になっていることを特徴とす
る単電子トランジスタ。 - 【請求項７】 請求項１に記載の単電子トランジスタに
おいて、 上記コロイド粒子の表面が、少なくとも１つのチオール
基を持つ分子で被覆された状態になっていることを特徴
とする単電子トランジスタ。 - 【請求項８】 ソース電極からドレイン電極に向かっ
て、少なくとも２個以上のコロイド粒子が一列に整列し
ている単電子トランジスタを製造する方法であって、 上記コロイド粒子を含む溶液中で、上記ソース電極とド
レイン電極との間の基板表面を、微小プローブで機械的
に剥離することによって、上記基板の表面酸化層を除去
し、上記基板の清浄面を露出させる工程を有することを
特徴とする単電子トランジスタの製造方法。 - 【請求項９】 ソース電極からドレイン電極に向かっ
て、少なくとも２個以上のコロイド粒子が一列に整列し
ている単電子トランジスタを製造する方法であって、 上記コロイド粒子を含む溶液中で、上記ソース電極とド
レイン電極との間の基板表面を、微小プローブによって
電解研磨して剥離することによって、基板の表面酸化層
を除去し、上記基板の清浄面を露出させる工程を有する
ことを特徴とする単電子トランジスタの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29953399A JP2001119038A (ja) | 1999-10-21 | 1999-10-21 | 単電子トランジスタおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29953399A JP2001119038A (ja) | 1999-10-21 | 1999-10-21 | 単電子トランジスタおよびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001119038A true JP2001119038A (ja) | 2001-04-27 |
Family
ID=17873845
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29953399A Pending JP2001119038A (ja) | 1999-10-21 | 1999-10-21 | 単電子トランジスタおよびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001119038A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007091364A1 (ja) * | 2006-02-06 | 2007-08-16 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 単電子半導体素子の製造方法 |
| WO2008075826A1 (en) * | 2006-12-19 | 2008-06-26 | Chungbuk National University Industry-Academic Cooperation Foundation | Single electron based flexible multi-functional logic circuit and the transistor thereof |
| CN107492493A (zh) * | 2016-06-12 | 2017-12-19 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 晶体管的形成方法 |
-
1999
- 1999-10-21 JP JP29953399A patent/JP2001119038A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007091364A1 (ja) * | 2006-02-06 | 2007-08-16 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 単電子半導体素子の製造方法 |
| US7419849B2 (en) | 2006-02-06 | 2008-09-02 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Method for producing single electron semiconductor element |
| WO2008075826A1 (en) * | 2006-12-19 | 2008-06-26 | Chungbuk National University Industry-Academic Cooperation Foundation | Single electron based flexible multi-functional logic circuit and the transistor thereof |
| US7746118B2 (en) | 2006-12-19 | 2010-06-29 | Changbuk National University Industry-Academic Cooperation Foundation | Single electron based flexible multi-functional logic circuit and the transistor thereof |
| CN107492493A (zh) * | 2016-06-12 | 2017-12-19 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 晶体管的形成方法 |
| CN107492493B (zh) * | 2016-06-12 | 2021-03-09 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 晶体管的形成方法 |
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