JP2004172270A - 内包フラーレンによる分子及び薄膜トランジスタ - Google Patents
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Abstract
【課題】室温で稼動可能であり、しかも活性素子が制御可能なバンドギャップ及び均一な構造を有するように構成される分子トランジスタを提供する。
【解決手段】活性素子として一般式Ｍｘ＠Ｃｙ（Ｍは、周期表のＩＡ族，ＩＩＡ族，ＶＡ族，及びＩＩＩＢ族の元素群の中から選択されるフラーレンに内包される元素であり、上記ｘは、１≦ｘ≦４（但し、ｘは内包原子の数を表す）を満足し、上記ｙは、３６≦ｙ≦１００を満足する。）の内包フラーレンによる分子及び薄膜トランジスタを提供する。上記内包フラーレンのバンドギャップは、０．２ｅＶ以上、１．２ｅＶ以下である。また、この内包フラーレンは、単一分子、二量体、線状重合体及び薄膜の各種トランジスタに用いることができる。
【選択図】 図１
【解決手段】活性素子として一般式Ｍｘ＠Ｃｙ（Ｍは、周期表のＩＡ族，ＩＩＡ族，ＶＡ族，及びＩＩＩＢ族の元素群の中から選択されるフラーレンに内包される元素であり、上記ｘは、１≦ｘ≦４（但し、ｘは内包原子の数を表す）を満足し、上記ｙは、３６≦ｙ≦１００を満足する。）の内包フラーレンによる分子及び薄膜トランジスタを提供する。上記内包フラーレンのバンドギャップは、０．２ｅＶ以上、１．２ｅＶ以下である。また、この内包フラーレンは、単一分子、二量体、線状重合体及び薄膜の各種トランジスタに用いることができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分子及び薄膜電界効果型トランジスタに関する。特に、本発明は、活性素子として内包フラーレン材料を用いた分子及び薄膜電界効果型トランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術としては、まず最初に個別のＣ６０分子による単一分子トランジスタの製造が実現されている。この“ナノトランジスタ”は、Ｃ６０分子が電気接点間を往復移動するため、力学的挙動と電子的物性とを結びつける特有の性質を呈するものである（参照、Ｈ．Ｐａｒｋ ｅｔ ａｌ．，“Ｎａｎｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ｉｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ−Ｃ６０ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ”，Ｎａｔｕｒｅ，２０００，４０７，５７）。しかしながら、この単一分子Ｃ６０トランジスタは、約１．５Ｋといった超低温でしか稼動することができない。
【０００３】
また、Ｃ６０薄膜は、電界効果型トランジスタの活性電子素子としても機能することが報告されている。例えば、次の文献を参照することができる。“Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ”Ｊ．Ｋａｓｔｎｅｒ ｅｔ ａｌ．，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｓｅｒｉｅｓ ｉｎ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈ．Ｋｕｚｍａｎｙ ｅｔ ａｌ．，ｖｏｌｕｍｅ １１３，Ｐａｇｅｓ ５１２−５１３，１９９３．また、関連米国特許第５，６９３，９７７号の“Ｎ−ｃｈａｎｎｅｌ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｆｕｌｌｅｒｅｎ”も参照できる。なお、この米国特許は、Ｌｕｃｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．に譲渡されている。
【０００４】
しかしながら、このようなＣ６０薄膜トランジスタは、電子移動度が比較的低いという特徴がある。例えば、上記のＫａｓｔｎｅｒ氏による文献では、上記トランジスタのフラーレン薄膜中の電子移動度は、たったの約１０−４ｃｍ２／Ｖ−ｓであると特定されている。また、譲渡先がＬｕｃｅｎｔであるＣ６０薄膜においても、その電子移動度が非常に低いため（０．０８ｃｍ２／Ｖ−ｓ）、酸素効果を厳密に抑えて実質的に性能改善を図っているにもかかわらず、実用には不適当である。なお、この点については、以下を参照すると良い。Ｒ．Ｃ．Ｈａｄｄｏｎ ｅｔ ａｌ．，“Ｃ６０ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，１９９５，６７，１２１．
【０００５】
ところで、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、特有な性質を有するために、ナノ電子を含む様々な応用へと幅広い関心を集めている。Ｔａｎｓらは、ＣＮＴを室温でのトランジスターに利用することを最初に研究した（参照、Ｓ．Ｊ．Ｔａｎｓ ｅｔ ａｌ．，“Ｒｏｏｍ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ”， Ｎａｔｕｒｅ，１９９８，３９３，４９）。このＣＮＴ電界効果型トランジスタは、２つの金属電極に接続された１つの半導性単層カーボンナノチューブからなる。そして、ゲート電極に電圧を印加することで、このナノチューブを導電状態から絶縁状態へと切り替えることができる。ＩＢＭの科学者は、ナノチューブを通る移動が正孔により支配されており、室温ではナノチューブが弾道性よりもむしろ拡散性を呈することを見出している。また、構造的に変形させた多層カーボンナノチューブについても、検出可能なゲート効果を示している（参照、Ｍａｒｔｅｌ ｅｔ ａｌ．，“Ｓｉｎｇｌｅ− ａｎｄ ｍｕｌｔｉ−ｗａｌｌ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｓ．，１９９８，７３，２４４７）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、カーボンナノチューブは、ナノ電子分野において非常に有望なものである。しかしながら、最適なＣＮＴを適切な位置に設計し操作するのは困難であり、多くの課題が伴う。しかも、構造的に均一で欠陥の全くないＣＮＴを得ることは非常に難しい。このため、たとえＣＮＴがナノ電子の応用分野において一般的な対象となってきていても、これら多くの課題が解決されねばならない。
【０００７】
そこで、本発明は、室温で稼動可能であり、しかも活性素子が制御可能なバンドギャップ及び均一な構造を有するように構成される分子トランジスタを提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、活性素子として 内包フラーレンを用いた分子トランジスタを提供することをも目的とする。
【０００９】
さらに、本発明は、活性素子として 内包フラーレンを用いた薄膜トランジスタを提供することをも目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、分子薄膜トランジスタの活性素子を構成するのに内包フラーレンを用いることを特徴とする。特に、本発明は、一般式Ｍｘ＠Ｃｙの内包フラーレンを含んで構成され、ここで、上記Ｍが、周期表のＩＡ族，ＩＩＡ族，ＶＡ族，及びＩＩＩＢ族の元素群の中から選択されるフラーレンに内包される元素であり、上記ｘが１≦ｘ≦４（但し、ｘは内包原子の数を表す）を満足し、上記ｙが３６≦ｙ≦１００を満足するものである。
【００１１】
本発明において活性素子として内包フラーレンを用いることは、幾つかの利点がある。第一に、大抵の内包フラーレンは加工しない状態のままでも半導体である点である。そして、内包フラーレンのバンドギャップは、異なるドープ元素により変化させることができる。特に、本発明の代表的な金属内包フラーレンのバンドギャップは、０．２ｅＶ以上、１．２ｅＶ以下である。
【００１２】
また、内包フラーレンの中には非常に安定なものがある。本発明の金属内包フラーレンは、構造的に均一であり、しかも大きな双極子モーメントを有するため、互いに集まりやすく、後述する幾つかの実施形態で示すように、一次元的、二次元的及び三次元的構造に重合されやすい。さらに、内包フラーレンの炭素ケージは、分子を電極や基板に取り付けるための各種官能基によって機能化することができる。
【００１３】
本発明の原理は、活性素子として内包フラーレンを用いた分子電界効果型トランジスタを、真空中で蒸着技術を用いて作製したり、ナノプローブにより操作することができる点にある。また、致命的欠陥無く応用したものとしては、上記の代わりに内包フラーレンの希釈溶液を前処理後の電極上に滴下して作製することもできる。
【００１４】
しかも、薄膜電界効果型トランジスタは、ラングミュア・ブロジェット技術を用いることで、空気／水、又は不活性ガス／水の境界面で作成することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の上述した目的及びその他の目的、並びに効果について、詳細な実施形態を取り挙げて添付の図面を参照しながらより明確に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態による単一金属内包フラーレン（Ｓｉｎｇｌｅ ｐｒｉｓｔｉｎｅ ｅｎｄｏｈｅｄｒａｌ ｍｅｔａｌｌｏｆｕｌｌｅｒｅｎｅ： ＳＰＥＭ）トランジスタ１００を示す概略図である。ＳＰＥＭトランジスタ１００は、金属内包フラーレン分子１１０を含んでいる。この金属内包フラーレン分子は、Ｌａ＠Ｃ８２，Ｃｅ＠Ｃ８２，Ｔｂ＠Ｃ８２等の安定した金属内包フラーレンやそのアニオンであると良い。
【００１７】
金属内包フラーレン分子１１０は、例えば、不活性ガス中で元素ドープした炭素ロッドをアーク放電し、その後抽出及び分離することにより大規模に準備できる（例えば、本発明者らの文献で、本願にもその開示内容全体を含んでいる以下の文献を参照することができる。Ｈｏｕｊｉｎ Ｈｕａｎｇ ｅｔ ａｌ．“Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｅｎｄｏｈｅｄｒａｌ ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ ｗｉｔｈ ｈｅａｖｙ ｌａｎｔｈａｎｉｄｅ ａｔｏｍｓ（Ｔｂ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｈｏ）ｉｎｓｉｄｅ”，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ２０００．１０４（７），１４７３−１４８２）。
【００１８】
そして、金属内包フラーレン分子１１０を用意した後、２つの電極であるソース電極１３０及びドレイン電極１４０を前もって形成しておいたゲート電極１２０（本例では、これが基板となる）上に、この金属内包フラーレン分子１１０を載置する。ここで、電極１３０，１４０は、例えば、Ａｕ，Ｃｕ等から形成することができる。また、ゲート電極１２０（基板）には、ＳｉＯ２層を形成したシリコン基板を用いることができる。
【００１９】
以下、発明を限定することを目的としない例を用いて説明すると、本発明のＳＰＥＭトランジスタ１００を製造するには、まず、バックゲートとして用いる均一にドープされたＳｉ基板の上面に、厚さ３０ｎｍのＳｉＯ２絶縁層を熱的成長させると良い。その後、幅２００ｎｍ未満、長さ約５００ｎｍ、厚さ約１０ｎｍの連続金ワイヤを、例えば電子ビームリソグラフィによりＳｉＯ２絶縁層上に作りこむと良い。なお、上述した基板の熱的成長工程や電子ビームリソグラフィ工程は、従来より当業者により公知な技術によれば良い。
【００２０】
そして、金ワイヤの作り込まれた基板を、アセトン、塩化メチレン、酸素プラズマにより洗浄する。次に、純粋な金属内包フラーレンを含有するトルエン溶液を１滴、金ワイヤ上に滴下する。
【００２１】
その後、金属内包フラーレンで被覆されたワイヤは、低温にて圧力を上げながら、トンネル信号だけ存在するような状態となるまで電流をモニターすることで、電気移動法により破壊される（参照、Ｐａｒｋ，Ｈ．，Ｌｉｍ，Ａ．Ｋ．Ｌ．，Ｐａｒｋ，Ｊ．，Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓ，Ａ．Ｐ．，ａｎｄ ＭｃＥｕｅｎ，Ｐ．Ｌ．，“Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｎａｎｏｍｅｔｅｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ．，１９９９，７５，３０１．）。これにより、約１ｎｍ〜２ｎｍ幅のギャップを生じ、その中を１つの金属内包フラーレンが存在するようになる。
【００２２】
金属内包フラーレンの電気的性質は、ゲート電圧（Ｖｇ）を変化させながら、電流対バイアス電圧（Ｉ−Ｖ）曲線を得ることで決定できる。上記のようにして得られたナノトランジスタ装置は、単一電子トランジスタとして用いることができる。
【００２３】
上記トランジスタ１００、及び後述する本発明の実施形態に係るトランジスタでは、ＯＮ／ＯＦＦ比が、約１０以上であると良く、特に入出力信号の正確な応答を得るには、約１０５以上であることが好ましい。また、しきい値電圧は、約１０ボルト、好ましくは５ボルト未満、より好ましくは２ボルト未満であると良く、これによりナノスケールの論理回路における熱抵抗及び放電を低減しうる。
【００２４】
本発明の第２の実施形態として、図２に示すような別の単一金属内包フラーレントランジスタ２００が挙げられる。この金属内包フラーレントランジスタ２００は、金属内包フラーレンの誘電体により構成され、例えば、図２に示した−ＳＨ基により機能化された金属内包フラーレン２１０が用いられる。この他の官能基としては、例えば、−ＮＨ２，−Ｃ６Ｈ６，−ＳＯ３Ｈ等の基が挙げられる。より詳しくは、図２は、内包フラーレンの炭素ケージが機能化され、電極表面に接続された後の状態のトランジスタ構造を示している。なお、電極の作製方法は、上述した第１の実施形態と同じ方法で良い。
【００２５】
この第２の実施形態では、金属内包フラーレンを電極に取り付ける方法としては、第１の実施形態でのフラーレン含有溶液を電極上に滴下した方法とは異なり、例えば、金属内包フラーレン分子を含有するトルエン溶液中に電極を少なくとも１日浸すことで自己集合層を形成することによるものである。そして、この−ＳＨ基と、例えばＡｕ電極との間には強力な相互作用があるため、結果的にこのようなフラーレン誘導体及びその製造方法によって、より安定的な単一電子トランジスタ２００を作製することができる。さらに、ポルフィリンや長鎖状分子などの他の補助材料をトルエン溶液中に添加することで、接着特性及び膜特性を向上することができる。
【００２６】
また、本発明の第３及び第４の実施形態では、図３及び図４に示すように、分子トランジスタ３００，４００の各々が、純粋な空フラーレン３１０，４１０と、金属内包フラーレン３２０，４２０との二量体に基づいて構成されている。図３及び図４に示したトランジスタ３００，４００は、両者がかなり類似しているが、図４のトランジスタ４００がフラーレン誘電体の二量体に基づくのに対して、図３のトランジスタ３００は純粋な二量体に基づいて構成される点が異なっている。
【００２７】
図３及び図４に示すように、トランジスタ３００，４００の活性素子は、１つの空フラーレン３１０，４１０と、１つの金属内包フラーレン３２０，４２０とを含んでおり、供与体・受容体（ドナー・アクセプタ）構造を構成している。このドナー・アクセプタ構造は、半導体分野のダイオードにおけるＰＮ接合に類似している。よって、この構造は、現時点において世界最小のダイオードとして考えられる。本発明者らは、このような実験により、直径約１ｎｍで、長さ約２ｎｍのダイオードを作製するに至った。
【００２８】
これら第３及び第４の実施形態では、一般式Ｃｎの空フラーレンと、一般式Ｍｘ＠Ｃｎの金属内包フラーレンとの間の相互作用は化学結合によるものである。従って、二量体トランジスタ３００，４００は非常に安定している。本発明の実施形態全てに共通している点は、一般式Ｍｘ＠Ｃｙの内包フラーレンが用いられており、ここで、上記Ｍが周期表のＩＡ族，ＩＩＡ族，ＶＡ族，及びＩＩＩＢ族の元素群の中から選択されるフラーレンに内包される元素であり、上記ｘが１≦ｘ≦４（但し、ｘは内包原子の数を表す）を満足し、上記ｙが３６≦ｙ≦１００を満足することである。
【００２９】
一般式Ｃｎ―Ｍｘ＠Ｃｎの二量体は、ＲＦプラズマ法やイオン注入法を用いてフラーレンや金属内包フラーレンを蒸着させて作製し、高圧液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）にて分離することができる。なお、これらの技術は、当業者に公知な従来の技術を用いれば良い。このような二量体の生成は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）又は走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）のプローブにより観察される。また、トランジスタの電極及びその他機能部の作製は、上述した第１の実施形態と同様な方法にて作製することが可能である。
【００３０】
図５及び図６は、一次元（１Ｄ）重合内包フラーレンによる分子トランジスタ５００，６００の各々の実施形態である。この一次元内包フラーレン構造は、図５に示すように、純粋な金属内包フラーレン５１０から構成することもできるし、また、図６に示すように、一部分を金属内包フラーレン６１０とし、他の部分を空フラーレン重合体６２０として構成することもできる。このような図５及び図６に示した本発明の１Ｄ金属内包フラーレントランジスタ５００，６００は、半導体ナノチューブによるトランジスタ（参照、Ｓ．Ｊ．Ｔｒａｎｓ ｅｔ ａｌ．，“Ｒｏｏｍ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ”，Ｎａｔｕｒｅ，１９９８，３９３，４９．）と比較して、１Ｄフラーレン重合体が個々のフラーレンブロックから構成でき、そのためトランジスタ５００，６００の長さが調整可能とすることができる点が優れている。
【００３１】
ここで、金属内包フラーレンの鎖状構造の形成は、分子間の双極子−双極子相互作用による。本発明者らは、導入金属から炭素ケージへの電子供与により金属内包フラーレンが非常に大きな双極子モーメント（＞４Ｄｅｂｙｅ）を有することに気づいた。そのため、一端、金属内包フラーレン同士が互いに接触すると、自動的に頭―尾構造を形成する。特に、Ｎｄ＠Ｃ８２のような金属内包フラーレンでは、それ自身で重合化し、線状構造を形成する。図５に示した重合金属内包フラーレン電界効果型トランジスタ５００では、少なくともモノマー数が２であると良い。
【００３２】
本発明の最後の実施形態として、図７に、内包フラーレン７１０に基づく薄膜トランジスタ７００の概略図を示す。本実施形態において、本発明者らは、Ｎｄ＠Ｃ８２のような小さなギャップの金属内包フラーレンによってトランジスタ素子を構成すると、通常膜状態の内包フラーレン７１０が重合化して、安定なトランジスタ７００が作製されることを見出したものである。
【００３３】
内包フラーレン７１０の薄膜は、ラングミュア・ブロジェット技術により形成することができる（例えば、本発明者らの文献で、本願にもその開示内容全体を含んでいる以下の文献を参照することができる。Ｈ．Ｊ．Ｈｕａｎｇ ｅｔ ａｌ．“Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ ｆｉｌｍ ｏｆ ｅｎｄｏｈｅｄｒａｌ ｍｅｔａｌｌｏｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ ａｔ ｔｈｅ ａｉｒ−ｗａｔｅｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ”，Ｊ．Ｏｒｇａｎｏｍｅｔ．，Ｃｈｅｍ．，２０００，５９９，４２−４８）。また、この代わりに、内包フラーレン７１０の薄膜は、高真空下での蒸着により形成することもできる（参照、Ｂｏ−Ｒｏｎｇ Ｓｈｉ，Ｘｕｅ−ｓｅｎ Ｗａｎｇ，Ｈｏｕｊｉｎ Ｈｕａｎｇ，Ｓｈｉｈｅ Ｙａｎｇ，Ｗｅｎｅｒ Ｈｅｉｌａｎｄ，Ｎｅｌｓｏｎ Ｃｕｅ“Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ｅｎｄｏｈｅｄｒａｌ ｍｅｔａｌｌｏｆｕｌｌｅｒｅｎｅ Ｔｂ＠Ｃ８２ ｏｎ Ｃ６０ ｆｉｌｍ ａｎｄ Ｓｉ（１００）２Ｘ１ ｓｕｒｆａｃｅ”，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ ２００１，１０５，１１４１４−１１４１８）。（また、薄膜形成には、次の本発明者らの文献も参照できる。例えば、本願にも参考としてその開示内容を含ませたが、Ｈｏｕｊｉｎ Ｈａｕｎｇ ｅｔ ａｌ．，“Ｆｉｌｍ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｄｏｈｅｄｒａｌ ｍｅｔａｌｌｏｆｕｌｌｅｒｅｎｅ Ｄｙ＠Ｃ８２”，Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｐｒｏｃ．，２０００，５９３，６３−６８。さらに、Ｘｉａｏｇｏｎｇ Ｌｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｌａｎｇｍｕｉ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ ｆｉｌｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｄｏｈｅｄｒａｌ ｍｅｔａｌｏｆｕｌｌｅｒｅｎｅ Ｄｙ＠Ｃ８２ ｍｉｘｅｄ ｗｉｔｈ ｃａｄｍｉｕｍ ａｒａｃｈｉｄａｔｅ”，Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ，２００２，４１３，２３１−２３６）。
【００３４】
内包フラーレン薄膜は、表面に絶縁層７４１を有するＳｉ基板７４０上に堆積される。ソース電極７２０及びドレイン電極７３０は、薄膜の堆積前、または後で形成することができる。ここで、ゲート電極７４０は、絶縁層７４１下のドープしたＳｉ面である。図８は、図７に示したトランジスタ７００の実施形態における金属内包フラーレンＮｄ＠Ｃ８２の単層を示す図である。図８では、個々の金属内包フラーレン及びそれらの鎖状構造が明確に示されている。
【００３５】
上述したように、本発明は、室温で稼動する分子トランジスタを提供するものである。しかも、本発明の活性素子（内包フラーレン）は、均一な構造を有するとともに制御可能なバンドギャップを有することができる。
【００３６】
さらに、本発明の内包フラーレンは、高い双極子モーメントを有するものであり、本発明は、電荷のトンネル過程を制御可能とする新規なドナー・アクセプタ構造を提供するものである。また、本発明は、双極子モーメントの高い分子ブロックから構成されるトランジスタ構造を提供する。特に、本発明の一実施形態では、金属内包フラーレンがトランジスタの活性素子として一次元カーボンナノ構造体を構成するのに用いられる。
【００３７】
しかも、本発明は、内包フラーレンに基づく薄膜トランジスタを提供するものである。
【００３８】
以上、本発明について詳細に説明してきたが、本発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではない。よって、本発明は、特許請求の範囲にて記載した本発明の要旨及び権利範囲を逸脱しない範囲で多様な変形を施すことが可能であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】単一分子内包フラーレントランジスタを示す概略図である。
【図２】図１に示した構造において、内包フラーレンの炭素ケージを機能化し電極表面に接続させた構造を示す概略図である。
【図３】内包フラーレン及びそのトランジスタによるドナー・アクセプタ構造を示す概略図である。
【図４】図３に示した構造において、内包フラーレンの炭素ケージを機能化し電極表面に固定させた構造を示す概略図である。
【図５】重合化された１Ｄ内包フラーレン鎖によるトランジスタを示す概略図である。
【図６】１Ｄ内包フラーレンと空フラーレンとの共重合体によるトランジスタを示す概略図である。
【図７】内包フラーレンによる薄膜トランジスタを示す概略図である。
【図８】重合化された一般式Ｎｄ＠Ｃ８２の内包フラーレンの単層を、高分解能透過電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）により観察した像である。
【符号の説明】
１００ 単一純粋金属内包フラーレン（ＳＰＥＭ）トランジスタ
１１０ 金属内包フラーレン
１２０ ゲート電極（基板）
１３０ ソース電極
１４０ ドレイン電極
２００ 金属内包フラーレン誘電体による単一金属内包フラーレントランジスタ
２１０ −ＳＨ基を有する金属内包フラーレン
３００ 二量体トランジスタ
３１０ 純粋な空フラーレン
３２０ 金属内包フラーレン
４００ 誘電体による二量体トランジスタ
４１０ 純粋な空フラーレン
４２０ 金属内包フラーレン
５００ 一次元重合内包フラーレントランジスタ
５１０ 金属内包フラーレン
６００ 一次元重合内包フラーレントランジスタ
６１０ 金属内包フラーレン及び空フラーレンの共重合体
７００ 薄膜トランジスタ
７１０ 金属内包フラーレン
７２０ ソース電極
７３０ ドレイン電極
７４０ ゲート電極
７４１ 絶縁層
【発明の属する技術分野】
本発明は、分子及び薄膜電界効果型トランジスタに関する。特に、本発明は、活性素子として内包フラーレン材料を用いた分子及び薄膜電界効果型トランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術としては、まず最初に個別のＣ６０分子による単一分子トランジスタの製造が実現されている。この“ナノトランジスタ”は、Ｃ６０分子が電気接点間を往復移動するため、力学的挙動と電子的物性とを結びつける特有の性質を呈するものである（参照、Ｈ．Ｐａｒｋ ｅｔ ａｌ．，“Ｎａｎｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ｉｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ−Ｃ６０ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ”，Ｎａｔｕｒｅ，２０００，４０７，５７）。しかしながら、この単一分子Ｃ６０トランジスタは、約１．５Ｋといった超低温でしか稼動することができない。
【０００３】
また、Ｃ６０薄膜は、電界効果型トランジスタの活性電子素子としても機能することが報告されている。例えば、次の文献を参照することができる。“Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ”Ｊ．Ｋａｓｔｎｅｒ ｅｔ ａｌ．，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｓｅｒｉｅｓ ｉｎ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈ．Ｋｕｚｍａｎｙ ｅｔ ａｌ．，ｖｏｌｕｍｅ １１３，Ｐａｇｅｓ ５１２−５１３，１９９３．また、関連米国特許第５，６９３，９７７号の“Ｎ−ｃｈａｎｎｅｌ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｆｕｌｌｅｒｅｎ”も参照できる。なお、この米国特許は、Ｌｕｃｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．に譲渡されている。
【０００４】
しかしながら、このようなＣ６０薄膜トランジスタは、電子移動度が比較的低いという特徴がある。例えば、上記のＫａｓｔｎｅｒ氏による文献では、上記トランジスタのフラーレン薄膜中の電子移動度は、たったの約１０−４ｃｍ２／Ｖ−ｓであると特定されている。また、譲渡先がＬｕｃｅｎｔであるＣ６０薄膜においても、その電子移動度が非常に低いため（０．０８ｃｍ２／Ｖ−ｓ）、酸素効果を厳密に抑えて実質的に性能改善を図っているにもかかわらず、実用には不適当である。なお、この点については、以下を参照すると良い。Ｒ．Ｃ．Ｈａｄｄｏｎ ｅｔ ａｌ．，“Ｃ６０ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，１９９５，６７，１２１．
【０００５】
ところで、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、特有な性質を有するために、ナノ電子を含む様々な応用へと幅広い関心を集めている。Ｔａｎｓらは、ＣＮＴを室温でのトランジスターに利用することを最初に研究した（参照、Ｓ．Ｊ．Ｔａｎｓ ｅｔ ａｌ．，“Ｒｏｏｍ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ”， Ｎａｔｕｒｅ，１９９８，３９３，４９）。このＣＮＴ電界効果型トランジスタは、２つの金属電極に接続された１つの半導性単層カーボンナノチューブからなる。そして、ゲート電極に電圧を印加することで、このナノチューブを導電状態から絶縁状態へと切り替えることができる。ＩＢＭの科学者は、ナノチューブを通る移動が正孔により支配されており、室温ではナノチューブが弾道性よりもむしろ拡散性を呈することを見出している。また、構造的に変形させた多層カーボンナノチューブについても、検出可能なゲート効果を示している（参照、Ｍａｒｔｅｌ ｅｔ ａｌ．，“Ｓｉｎｇｌｅ− ａｎｄ ｍｕｌｔｉ−ｗａｌｌ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｓ．，１９９８，７３，２４４７）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、カーボンナノチューブは、ナノ電子分野において非常に有望なものである。しかしながら、最適なＣＮＴを適切な位置に設計し操作するのは困難であり、多くの課題が伴う。しかも、構造的に均一で欠陥の全くないＣＮＴを得ることは非常に難しい。このため、たとえＣＮＴがナノ電子の応用分野において一般的な対象となってきていても、これら多くの課題が解決されねばならない。
【０００７】
そこで、本発明は、室温で稼動可能であり、しかも活性素子が制御可能なバンドギャップ及び均一な構造を有するように構成される分子トランジスタを提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、活性素子として 内包フラーレンを用いた分子トランジスタを提供することをも目的とする。
【０００９】
さらに、本発明は、活性素子として 内包フラーレンを用いた薄膜トランジスタを提供することをも目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、分子薄膜トランジスタの活性素子を構成するのに内包フラーレンを用いることを特徴とする。特に、本発明は、一般式Ｍｘ＠Ｃｙの内包フラーレンを含んで構成され、ここで、上記Ｍが、周期表のＩＡ族，ＩＩＡ族，ＶＡ族，及びＩＩＩＢ族の元素群の中から選択されるフラーレンに内包される元素であり、上記ｘが１≦ｘ≦４（但し、ｘは内包原子の数を表す）を満足し、上記ｙが３６≦ｙ≦１００を満足するものである。
【００１１】
本発明において活性素子として内包フラーレンを用いることは、幾つかの利点がある。第一に、大抵の内包フラーレンは加工しない状態のままでも半導体である点である。そして、内包フラーレンのバンドギャップは、異なるドープ元素により変化させることができる。特に、本発明の代表的な金属内包フラーレンのバンドギャップは、０．２ｅＶ以上、１．２ｅＶ以下である。
【００１２】
また、内包フラーレンの中には非常に安定なものがある。本発明の金属内包フラーレンは、構造的に均一であり、しかも大きな双極子モーメントを有するため、互いに集まりやすく、後述する幾つかの実施形態で示すように、一次元的、二次元的及び三次元的構造に重合されやすい。さらに、内包フラーレンの炭素ケージは、分子を電極や基板に取り付けるための各種官能基によって機能化することができる。
【００１３】
本発明の原理は、活性素子として内包フラーレンを用いた分子電界効果型トランジスタを、真空中で蒸着技術を用いて作製したり、ナノプローブにより操作することができる点にある。また、致命的欠陥無く応用したものとしては、上記の代わりに内包フラーレンの希釈溶液を前処理後の電極上に滴下して作製することもできる。
【００１４】
しかも、薄膜電界効果型トランジスタは、ラングミュア・ブロジェット技術を用いることで、空気／水、又は不活性ガス／水の境界面で作成することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の上述した目的及びその他の目的、並びに効果について、詳細な実施形態を取り挙げて添付の図面を参照しながらより明確に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態による単一金属内包フラーレン（Ｓｉｎｇｌｅ ｐｒｉｓｔｉｎｅ ｅｎｄｏｈｅｄｒａｌ ｍｅｔａｌｌｏｆｕｌｌｅｒｅｎｅ： ＳＰＥＭ）トランジスタ１００を示す概略図である。ＳＰＥＭトランジスタ１００は、金属内包フラーレン分子１１０を含んでいる。この金属内包フラーレン分子は、Ｌａ＠Ｃ８２，Ｃｅ＠Ｃ８２，Ｔｂ＠Ｃ８２等の安定した金属内包フラーレンやそのアニオンであると良い。
【００１７】
金属内包フラーレン分子１１０は、例えば、不活性ガス中で元素ドープした炭素ロッドをアーク放電し、その後抽出及び分離することにより大規模に準備できる（例えば、本発明者らの文献で、本願にもその開示内容全体を含んでいる以下の文献を参照することができる。Ｈｏｕｊｉｎ Ｈｕａｎｇ ｅｔ ａｌ．“Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｅｎｄｏｈｅｄｒａｌ ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ ｗｉｔｈ ｈｅａｖｙ ｌａｎｔｈａｎｉｄｅ ａｔｏｍｓ（Ｔｂ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｈｏ）ｉｎｓｉｄｅ”，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ２０００．１０４（７），１４７３−１４８２）。
【００１８】
そして、金属内包フラーレン分子１１０を用意した後、２つの電極であるソース電極１３０及びドレイン電極１４０を前もって形成しておいたゲート電極１２０（本例では、これが基板となる）上に、この金属内包フラーレン分子１１０を載置する。ここで、電極１３０，１４０は、例えば、Ａｕ，Ｃｕ等から形成することができる。また、ゲート電極１２０（基板）には、ＳｉＯ２層を形成したシリコン基板を用いることができる。
【００１９】
以下、発明を限定することを目的としない例を用いて説明すると、本発明のＳＰＥＭトランジスタ１００を製造するには、まず、バックゲートとして用いる均一にドープされたＳｉ基板の上面に、厚さ３０ｎｍのＳｉＯ２絶縁層を熱的成長させると良い。その後、幅２００ｎｍ未満、長さ約５００ｎｍ、厚さ約１０ｎｍの連続金ワイヤを、例えば電子ビームリソグラフィによりＳｉＯ２絶縁層上に作りこむと良い。なお、上述した基板の熱的成長工程や電子ビームリソグラフィ工程は、従来より当業者により公知な技術によれば良い。
【００２０】
そして、金ワイヤの作り込まれた基板を、アセトン、塩化メチレン、酸素プラズマにより洗浄する。次に、純粋な金属内包フラーレンを含有するトルエン溶液を１滴、金ワイヤ上に滴下する。
【００２１】
その後、金属内包フラーレンで被覆されたワイヤは、低温にて圧力を上げながら、トンネル信号だけ存在するような状態となるまで電流をモニターすることで、電気移動法により破壊される（参照、Ｐａｒｋ，Ｈ．，Ｌｉｍ，Ａ．Ｋ．Ｌ．，Ｐａｒｋ，Ｊ．，Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓ，Ａ．Ｐ．，ａｎｄ ＭｃＥｕｅｎ，Ｐ．Ｌ．，“Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｎａｎｏｍｅｔｅｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ．，１９９９，７５，３０１．）。これにより、約１ｎｍ〜２ｎｍ幅のギャップを生じ、その中を１つの金属内包フラーレンが存在するようになる。
【００２２】
金属内包フラーレンの電気的性質は、ゲート電圧（Ｖｇ）を変化させながら、電流対バイアス電圧（Ｉ−Ｖ）曲線を得ることで決定できる。上記のようにして得られたナノトランジスタ装置は、単一電子トランジスタとして用いることができる。
【００２３】
上記トランジスタ１００、及び後述する本発明の実施形態に係るトランジスタでは、ＯＮ／ＯＦＦ比が、約１０以上であると良く、特に入出力信号の正確な応答を得るには、約１０５以上であることが好ましい。また、しきい値電圧は、約１０ボルト、好ましくは５ボルト未満、より好ましくは２ボルト未満であると良く、これによりナノスケールの論理回路における熱抵抗及び放電を低減しうる。
【００２４】
本発明の第２の実施形態として、図２に示すような別の単一金属内包フラーレントランジスタ２００が挙げられる。この金属内包フラーレントランジスタ２００は、金属内包フラーレンの誘電体により構成され、例えば、図２に示した−ＳＨ基により機能化された金属内包フラーレン２１０が用いられる。この他の官能基としては、例えば、−ＮＨ２，−Ｃ６Ｈ６，−ＳＯ３Ｈ等の基が挙げられる。より詳しくは、図２は、内包フラーレンの炭素ケージが機能化され、電極表面に接続された後の状態のトランジスタ構造を示している。なお、電極の作製方法は、上述した第１の実施形態と同じ方法で良い。
【００２５】
この第２の実施形態では、金属内包フラーレンを電極に取り付ける方法としては、第１の実施形態でのフラーレン含有溶液を電極上に滴下した方法とは異なり、例えば、金属内包フラーレン分子を含有するトルエン溶液中に電極を少なくとも１日浸すことで自己集合層を形成することによるものである。そして、この−ＳＨ基と、例えばＡｕ電極との間には強力な相互作用があるため、結果的にこのようなフラーレン誘導体及びその製造方法によって、より安定的な単一電子トランジスタ２００を作製することができる。さらに、ポルフィリンや長鎖状分子などの他の補助材料をトルエン溶液中に添加することで、接着特性及び膜特性を向上することができる。
【００２６】
また、本発明の第３及び第４の実施形態では、図３及び図４に示すように、分子トランジスタ３００，４００の各々が、純粋な空フラーレン３１０，４１０と、金属内包フラーレン３２０，４２０との二量体に基づいて構成されている。図３及び図４に示したトランジスタ３００，４００は、両者がかなり類似しているが、図４のトランジスタ４００がフラーレン誘電体の二量体に基づくのに対して、図３のトランジスタ３００は純粋な二量体に基づいて構成される点が異なっている。
【００２７】
図３及び図４に示すように、トランジスタ３００，４００の活性素子は、１つの空フラーレン３１０，４１０と、１つの金属内包フラーレン３２０，４２０とを含んでおり、供与体・受容体（ドナー・アクセプタ）構造を構成している。このドナー・アクセプタ構造は、半導体分野のダイオードにおけるＰＮ接合に類似している。よって、この構造は、現時点において世界最小のダイオードとして考えられる。本発明者らは、このような実験により、直径約１ｎｍで、長さ約２ｎｍのダイオードを作製するに至った。
【００２８】
これら第３及び第４の実施形態では、一般式Ｃｎの空フラーレンと、一般式Ｍｘ＠Ｃｎの金属内包フラーレンとの間の相互作用は化学結合によるものである。従って、二量体トランジスタ３００，４００は非常に安定している。本発明の実施形態全てに共通している点は、一般式Ｍｘ＠Ｃｙの内包フラーレンが用いられており、ここで、上記Ｍが周期表のＩＡ族，ＩＩＡ族，ＶＡ族，及びＩＩＩＢ族の元素群の中から選択されるフラーレンに内包される元素であり、上記ｘが１≦ｘ≦４（但し、ｘは内包原子の数を表す）を満足し、上記ｙが３６≦ｙ≦１００を満足することである。
【００２９】
一般式Ｃｎ―Ｍｘ＠Ｃｎの二量体は、ＲＦプラズマ法やイオン注入法を用いてフラーレンや金属内包フラーレンを蒸着させて作製し、高圧液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）にて分離することができる。なお、これらの技術は、当業者に公知な従来の技術を用いれば良い。このような二量体の生成は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）又は走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）のプローブにより観察される。また、トランジスタの電極及びその他機能部の作製は、上述した第１の実施形態と同様な方法にて作製することが可能である。
【００３０】
図５及び図６は、一次元（１Ｄ）重合内包フラーレンによる分子トランジスタ５００，６００の各々の実施形態である。この一次元内包フラーレン構造は、図５に示すように、純粋な金属内包フラーレン５１０から構成することもできるし、また、図６に示すように、一部分を金属内包フラーレン６１０とし、他の部分を空フラーレン重合体６２０として構成することもできる。このような図５及び図６に示した本発明の１Ｄ金属内包フラーレントランジスタ５００，６００は、半導体ナノチューブによるトランジスタ（参照、Ｓ．Ｊ．Ｔｒａｎｓ ｅｔ ａｌ．，“Ｒｏｏｍ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ”，Ｎａｔｕｒｅ，１９９８，３９３，４９．）と比較して、１Ｄフラーレン重合体が個々のフラーレンブロックから構成でき、そのためトランジスタ５００，６００の長さが調整可能とすることができる点が優れている。
【００３１】
ここで、金属内包フラーレンの鎖状構造の形成は、分子間の双極子−双極子相互作用による。本発明者らは、導入金属から炭素ケージへの電子供与により金属内包フラーレンが非常に大きな双極子モーメント（＞４Ｄｅｂｙｅ）を有することに気づいた。そのため、一端、金属内包フラーレン同士が互いに接触すると、自動的に頭―尾構造を形成する。特に、Ｎｄ＠Ｃ８２のような金属内包フラーレンでは、それ自身で重合化し、線状構造を形成する。図５に示した重合金属内包フラーレン電界効果型トランジスタ５００では、少なくともモノマー数が２であると良い。
【００３２】
本発明の最後の実施形態として、図７に、内包フラーレン７１０に基づく薄膜トランジスタ７００の概略図を示す。本実施形態において、本発明者らは、Ｎｄ＠Ｃ８２のような小さなギャップの金属内包フラーレンによってトランジスタ素子を構成すると、通常膜状態の内包フラーレン７１０が重合化して、安定なトランジスタ７００が作製されることを見出したものである。
【００３３】
内包フラーレン７１０の薄膜は、ラングミュア・ブロジェット技術により形成することができる（例えば、本発明者らの文献で、本願にもその開示内容全体を含んでいる以下の文献を参照することができる。Ｈ．Ｊ．Ｈｕａｎｇ ｅｔ ａｌ．“Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ ｆｉｌｍ ｏｆ ｅｎｄｏｈｅｄｒａｌ ｍｅｔａｌｌｏｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ ａｔ ｔｈｅ ａｉｒ−ｗａｔｅｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ”，Ｊ．Ｏｒｇａｎｏｍｅｔ．，Ｃｈｅｍ．，２０００，５９９，４２−４８）。また、この代わりに、内包フラーレン７１０の薄膜は、高真空下での蒸着により形成することもできる（参照、Ｂｏ−Ｒｏｎｇ Ｓｈｉ，Ｘｕｅ−ｓｅｎ Ｗａｎｇ，Ｈｏｕｊｉｎ Ｈｕａｎｇ，Ｓｈｉｈｅ Ｙａｎｇ，Ｗｅｎｅｒ Ｈｅｉｌａｎｄ，Ｎｅｌｓｏｎ Ｃｕｅ“Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ｅｎｄｏｈｅｄｒａｌ ｍｅｔａｌｌｏｆｕｌｌｅｒｅｎｅ Ｔｂ＠Ｃ８２ ｏｎ Ｃ６０ ｆｉｌｍ ａｎｄ Ｓｉ（１００）２Ｘ１ ｓｕｒｆａｃｅ”，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ ２００１，１０５，１１４１４−１１４１８）。（また、薄膜形成には、次の本発明者らの文献も参照できる。例えば、本願にも参考としてその開示内容を含ませたが、Ｈｏｕｊｉｎ Ｈａｕｎｇ ｅｔ ａｌ．，“Ｆｉｌｍ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｄｏｈｅｄｒａｌ ｍｅｔａｌｌｏｆｕｌｌｅｒｅｎｅ Ｄｙ＠Ｃ８２”，Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｐｒｏｃ．，２０００，５９３，６３−６８。さらに、Ｘｉａｏｇｏｎｇ Ｌｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｌａｎｇｍｕｉ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ ｆｉｌｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｄｏｈｅｄｒａｌ ｍｅｔａｌｏｆｕｌｌｅｒｅｎｅ Ｄｙ＠Ｃ８２ ｍｉｘｅｄ ｗｉｔｈ ｃａｄｍｉｕｍ ａｒａｃｈｉｄａｔｅ”，Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ，２００２，４１３，２３１−２３６）。
【００３４】
内包フラーレン薄膜は、表面に絶縁層７４１を有するＳｉ基板７４０上に堆積される。ソース電極７２０及びドレイン電極７３０は、薄膜の堆積前、または後で形成することができる。ここで、ゲート電極７４０は、絶縁層７４１下のドープしたＳｉ面である。図８は、図７に示したトランジスタ７００の実施形態における金属内包フラーレンＮｄ＠Ｃ８２の単層を示す図である。図８では、個々の金属内包フラーレン及びそれらの鎖状構造が明確に示されている。
【００３５】
上述したように、本発明は、室温で稼動する分子トランジスタを提供するものである。しかも、本発明の活性素子（内包フラーレン）は、均一な構造を有するとともに制御可能なバンドギャップを有することができる。
【００３６】
さらに、本発明の内包フラーレンは、高い双極子モーメントを有するものであり、本発明は、電荷のトンネル過程を制御可能とする新規なドナー・アクセプタ構造を提供するものである。また、本発明は、双極子モーメントの高い分子ブロックから構成されるトランジスタ構造を提供する。特に、本発明の一実施形態では、金属内包フラーレンがトランジスタの活性素子として一次元カーボンナノ構造体を構成するのに用いられる。
【００３７】
しかも、本発明は、内包フラーレンに基づく薄膜トランジスタを提供するものである。
【００３８】
以上、本発明について詳細に説明してきたが、本発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではない。よって、本発明は、特許請求の範囲にて記載した本発明の要旨及び権利範囲を逸脱しない範囲で多様な変形を施すことが可能であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】単一分子内包フラーレントランジスタを示す概略図である。
【図２】図１に示した構造において、内包フラーレンの炭素ケージを機能化し電極表面に接続させた構造を示す概略図である。
【図３】内包フラーレン及びそのトランジスタによるドナー・アクセプタ構造を示す概略図である。
【図４】図３に示した構造において、内包フラーレンの炭素ケージを機能化し電極表面に固定させた構造を示す概略図である。
【図５】重合化された１Ｄ内包フラーレン鎖によるトランジスタを示す概略図である。
【図６】１Ｄ内包フラーレンと空フラーレンとの共重合体によるトランジスタを示す概略図である。
【図７】内包フラーレンによる薄膜トランジスタを示す概略図である。
【図８】重合化された一般式Ｎｄ＠Ｃ８２の内包フラーレンの単層を、高分解能透過電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）により観察した像である。
【符号の説明】
１００ 単一純粋金属内包フラーレン（ＳＰＥＭ）トランジスタ
１１０ 金属内包フラーレン
１２０ ゲート電極（基板）
１３０ ソース電極
１４０ ドレイン電極
２００ 金属内包フラーレン誘電体による単一金属内包フラーレントランジスタ
２１０ −ＳＨ基を有する金属内包フラーレン
３００ 二量体トランジスタ
３１０ 純粋な空フラーレン
３２０ 金属内包フラーレン
４００ 誘電体による二量体トランジスタ
４１０ 純粋な空フラーレン
４２０ 金属内包フラーレン
５００ 一次元重合内包フラーレントランジスタ
５１０ 金属内包フラーレン
６００ 一次元重合内包フラーレントランジスタ
６１０ 金属内包フラーレン及び空フラーレンの共重合体
７００ 薄膜トランジスタ
７１０ 金属内包フラーレン
７２０ ソース電極
７３０ ドレイン電極
７４０ ゲート電極
７４１ 絶縁層
Claims (21)
- 少なくとも１つの一般式Ｍｘ＠Ｃｙの内包フラーレンを含み、
前記Ｍは、周期表のＩＡ族，ＩＩＡ族，ＶＡ族，及びＩＩＩＢ族の元素群の中から選択されるフラーレンに内包される元素であり、前記ｘは、１≦ｘ≦４（但し、ｘは内包原子の数を表す）を満足し、前記ｙは、３６≦ｙ≦１００を満足すること
を特徴とする電界効果型トランジスタ。 - 前記少なくとも１つの内包フラーレンは、単一元素内包フラーレンであることを特徴とする請求項１記載の電界効果型トランジスタ。
- 前記単一元素内包フラーレンは、バンドギャップが０．２ｅＶ以上、１．２ｅＶ以下であることを特徴とする請求項２記載の電界効果型トランジスタ。
- ＯＮ／ＯＦＦ比が、約１０以上であることを特徴とする請求項２記載の電界効果型トランジスタ。
- ＯＮ／ＯＦＦ比が、約１０５以上であることを特徴とする請求項２記載の電界効果型トランジスタ。
- しきい値電圧が、約１５ボルト未満であることを特徴とする請求項２記載の電界効果型トランジスタ。
- 前記トランジスタは、内包フラーレン誘導体を含むことを特徴とする請求項１記載の電界効果型トランジスタ。
- 化学的に結合させた一般式Ｍｘ＠Ｃｙの内包フラーレンと一般式Ｃｙの空フラーレンとを含み、
前記Ｍは、周期表のＩＡ族，ＩＩＡ族，ＶＡ族，及びＩＩＩＢ族の元素群の中から選択されるフラーレンに内包される元素であり、前記ｘは、１≦ｘ≦４（但し、ｘは内包原子の数を表す）を満足し、前記ｙは、３６≦ｙ≦１００を満足すること
を特徴とするフラーレン二量体電界効果型トランジスタ。 - ＯＮ／ＯＦＦ比が、約１０以上であることを特徴とする請求項８記載のフラーレン二量体電界効果型トランジスタ。
- ＯＮ／ＯＦＦ比が、約１０５以上であることを特徴とする請求項８記載のフラーレン二量体電界効果型トランジスタ。
- しきい値電圧が、約１５ボルト未満であることを特徴とする請求項８記載のフラーレン二量体電界効果型トランジスタ。
- 前記トランジスタは、内包フラーレン誘導体を含むことを特徴とする請求項８記載のフラーレン二量体電界効果型トランジスタ。
- 線状重合した一般式Ｍｘ＠Ｃｙの内包フラーレンを含んで構成され、
前記Ｍは、周期表のＩＡ族，ＩＩＡ族，ＶＡ族，及びＩＩＩＢ族の元素群の中から選択されるフラーレンに内包される元素であり、前記ｘは、１≦ｘ≦４（但し、ｘは内包原子の数を表す）を満足し、前記ｙは、３６≦ｙ≦１００を満足すること
を特徴とする重合分子電界効果型トランジスタ。 - モノマー数が、２以上であることを特徴とする請求項１３記載の重合分子電界効果型トランジスタ。
- ＯＮ／ＯＦＦ比が、約１０以上であることを特徴とする請求項１３記載の重合分子電界効果型トランジスタ。
- ＯＮ／ＯＦＦ比が、約１０５以上であることを特徴とする請求項１３記載の重合分子電界効果型トランジスタ。
- しきい値電圧が、約１５ボルト未満であることを特徴とする請求項１３記載の重合分子電界効果型トランジスタ。
- 一般式Ｍｘ＠Ｃｙの内包フラーレン層を少なくとも１層備え、
前記Ｍは、周期表のＩＡ族，ＩＩＡ族，ＶＡ族，及びＩＩＩＢ族の元素群の中から選択されるフラーレンに内包される元素であり、前記ｘは、１≦ｘ≦４（但し、ｘは内包原子の数を表す）を満足し、前記ｙは、３６≦ｙ≦１００を満足すること
を特徴とする薄膜内包フラーレン電界効果型トランジスタ。 - ＯＮ／ＯＦＦ比が、約１０以上であることを特徴とする請求項１８記載の薄膜内包フラーレン電界効果型トランジスタ。
- ＯＮ／ＯＦＦ比が、約１０５以上であることを特徴とする請求項１８記載の薄膜内包フラーレン電界効果型トランジスタ。
- しきい値電圧が、約１５ボルト未満であることを特徴とする請求項１８記載の薄膜内包フラーレン電界効果型トランジスタ。
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-
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