JP2004193325A - 電子デバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高速のスイッチング動作が可能な電子デバイスとその製造方法とを提供する。
【解決手段】本発明の電子デバイスは、基板１０と、チタン酸バリウムからなる圧電素子膜１１と、圧電素子膜１１の上に設けられたソース電極１２およびドレイン電極１３と、ソース電極１２とドレイン電極１３との間に接続され、フタロシアニン誘導体の分子１４が１次元的に連なった構造を有し、応力が加わると電気特性が導電性から絶縁性に変化する性質を有するナノワイヤー１５とから構成されている。圧電素子膜１１に電圧を印加すると、圧電素子膜１１は横方向に伸張し、ソース電極１２とドレイン電極１３との間の距離が長くなり、ナノワイヤー１５に応力が加わる。これにより、電子デバイスのスイッチングが可能となる。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明の電子デバイスは、基板１０と、チタン酸バリウムからなる圧電素子膜１１と、圧電素子膜１１の上に設けられたソース電極１２およびドレイン電極１３と、ソース電極１２とドレイン電極１３との間に接続され、フタロシアニン誘導体の分子１４が１次元的に連なった構造を有し、応力が加わると電気特性が導電性から絶縁性に変化する性質を有するナノワイヤー１５とから構成されている。圧電素子膜１１に電圧を印加すると、圧電素子膜１１は横方向に伸張し、ソース電極１２とドレイン電極１３との間の距離が長くなり、ナノワイヤー１５に応力が加わる。これにより、電子デバイスのスイッチングが可能となる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分子からなるナノワイヤーを用いた電子デバイスに関し、特に、ソース電極からドレイン電極に電流が流れることによってスイッチング動作が可能となる電子デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体を用いた電子集積回路の高集積化が進行するのにともなって、トランジスタのサイズも微細化されてきている。最近では、１０ｎｍのゲート長のゲート電極を有するトランジスタの動作が確認されている。しかしながら、ゲート長を１０ｎｍ以下にするためには、誤差範囲が１ｎｍ以下となる精度でゲート電極を形成する必要があることから、トランジスタのさらなる微細加工は困難になってきている。
【０００３】
以上のような課題を克服してトランジスタのさらなる微細化を図るために、有機分子を用いたトランジスタが提案されている。図１３は、従来における有機分子を用いたトランジスタの構造を示す断面図である。図１３に示す構造は、非特許文献１に開示された構造である。
【０００４】
図１３に示すように、従来における有機分子を用いたトランジスタでは、シリコン基板１０１の上にシリコン酸化膜１０２が設けられている。シリコン基板１０１およびシリコン酸化膜１０２の上面は、段差面１１０によって上段面１１１と下段面１１２とに分けられる。
【０００５】
シリコン酸化膜１０２の下段面１１２の上にはソース電極１０３が形成されている。ソース電極１０３の上には、シリコン酸化膜１０２の段差面１１０に接するように有機分子膜１０４が設けられている。有機分子膜１０４の上には、シリコン酸化膜１０２の段差面１１０と上段面１１１との上に延びるドレイン電極１０５が設けられている。
【０００６】
シリコン基板１０１にゲート電極（図示せず）から電圧を印加しない状態では、有機分子膜１０４には電流が流れず、トランジスタはオフの状態になる。一方、シリコン基板１０１にゲート電圧を印加すれば、ソース電極１０３から有機分子膜１０４を介してドレイン電極１０５に電流が流れ、トランジスタがオン状態となる。この構造では、ゲート長は有機分子膜１０４における分子の長さに相当する。一般的に、有機分子の長さを１０ｎｍ以下にすることは容易であり、また、有機分子の長さは制御しやすい。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｊａｎ Ｈｅｎｄｒｉｋ Ｓｃｈｏｎ ｅｔ ａｌ．Ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ ｏｒｇａｎｉｃ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ．Ｎａｔｕｒｅ Ｖｏｌ．４１３，７１３−７１６（２００１）．
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来における有機分子を用いたトランジスタでは、素子の大きさを小さくしても動作速度が高くならないという課題がある。
【０００９】
これは以下の理由による。図１３に示す構造では、有機分子膜１０４は半導体の性質を有している。そのため、ソース電極１０３とドレイン電極１０５との間に電流を流したときのコンダクタンスの値は小さく、高い電子移動度を得ることが困難なためである。
【００１０】
本発明は、電子デバイスにおいて、ソース・ドレイン間の電子の移動度を向上させる手段を講ずることにより、高速なスイッチング動作を実現することを目的とする。目的を達成するために、導電性の分子または分子の集合体の構造に歪みを生じさせると、電気特性が導電性から絶縁性に変化することに着目した。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子デバイスは、ソース部およびドレイン部と、上記ソース部と上記ドレイン部とに接続され、応力に応じて電気特性が導電性と絶縁性との間で変化する性質を有するワイヤーと、上記ワイヤーに応力を与えるための応力追加部材とを備える。
【００１２】
これにより、応力を加えない状態ではワイヤーは導電性になるので電子デバイスをオンにすることができ、応力追加部材によって応力を加えた状態のワイヤーは絶縁性になるので電子デバイスをオフにすることができる。これにより、電子デバイスにおいて高速動作が可能となる。
【００１３】
上記ワイヤーは、π電子による共役の構造を有することにより、バリスティックな電子伝導を実現することができる。
【００１４】
上記ワイヤーは分子の集合体から構成されており、上記ワイヤーは、上記ワイヤーの軸方向に、上記軸方向に垂直な方向よりも強い導電性を示すことにより、軸方向の電子の移動度を１次元的に高くすることができる。
【００１５】
上記ワイヤーは、重合体からなっていてもよい。
【００１６】
上記ワイヤーは、カーボンナノチューブからなっていてもよい。
【００１７】
上記応力追加部材は圧電素子膜であって、上記ソース部および上記ドレイン部は上記圧電素子膜の上に設けられていることにより、圧電素子膜に電圧を印加することにより、ソース部とドレイン部との間の距離が変化するので、ワイヤーに軸方向の応力を与えることができる。
【００１８】
上記圧力追加部材は圧電素子膜であって、上記ワイヤーは上記圧電素子膜の上に設けられていることにより、圧電素子膜に電圧を印加することにより圧電素子膜が軸方向と垂直な方向に伸張した場合には、ワイヤーに圧電素子膜が接触し、軸方向と垂直な方向の応力を直接与えることができる。
【００１９】
上記応力追加部材は絶縁体チップであって、上記絶縁体チップを移動させるチップ移動部材をさらに備えることにより、絶縁体チップを移動させてワイヤーに接触させることにより、ワイヤーに応力を与えることができる。
【００２０】
本発明の第１の電子デバイスの製造方法は、基板の上に圧電素子膜を形成する工程（ａ）と、上記圧電素子膜の上に、互いに離間するソース部とドレイン部とを形成する工程（ｂ）と、上記ソース部と上記ドレイン部とに接続され、応力が加わることによって電気特性が導電性から絶縁性に変化する性質を有するワイヤーを形成する工程（ｃ）とを含む。
【００２１】
これにより、ワイヤーに応力を加えることによりスイッチングが可能な電子デバイスを製造することができる。この電子デバイスでは、圧電素子膜に電圧を印加することによりソース部とドレイン部との間の距離を変化させることにより、ワイヤーに応力を加えることができる。
【００２２】
上記工程（ｃ）では、上記ソース部および上記ドレイン部を試料溶液に浸し、上記ソース部と上記ドレイン部との間に電界を形成することにより上記ワイヤーが形成されることにより、自己整合的にワイヤーを形成することができる。
【００２３】
上記工程（ｃ）では、上記ソース部と上記ドレイン部との間に交流の電界を形成することが好ましい。
【００２４】
本発明の第２の電子デバイスの製造方法は、基板の上に圧電素子膜を形成する工程（ａ）と、上記基板の上に、ソース部とドレイン部とを形成する工程（ｂ）と、上記圧電素子膜の上に、上記ソース部と上記ドレイン部とに接続され、応力が加わることによって電気特性が導電性から絶縁性に変化する性質を有するワイヤーを形成する工程（ｃ）とを含む。
【００２５】
これにより、ワイヤーに応力を加えることによりスイッチングが可能な電子デバイスを製造することができる。この電子デバイスでは、圧電素子膜に電圧を印加することにより圧電素子膜をワイヤーに押しあてることにより、ワイヤーに応力を加えることができる。
【００２６】
上記工程（ｃ）では、上記ソース部および上記ドレイン部を試料溶液に浸し、上記ソース部と上記ドレイン部との間に電界を形成することにより形成されることにより、自己整合的にワイヤーを形成することができる。
【００２７】
上記工程（ｃ）では、上記ソース部と上記ドレイン部との間に交流の電界を形成することが好ましい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
第１の実施形態では、フタロシアニン誘導体のナノワイヤーに応力を加えることによりスイッチングを行なう電子デバイスについて説明する。
【００２９】
図１は、第１の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の電子デバイスは、基板１０と、基板１０の上に設けられ、厚さ１００ｎｍのチタン酸バリウムからなり、応力追加部材として機能する圧電素子膜１１と、圧電素子膜１１の上に距離３０ｎｍだけ離間して設けられた、厚さ１０ｎｍの金からなるソース電極（ソース部）１２およびドレイン電極（ドレイン部）１３と、ソース電極１２とドレイン電極１３とに接続するように設けられたナノワイヤー１５とを備えている。ナノワイヤー１５は、フタロシアニン誘導体の分子１４が、ナノワイヤー１５の軸方向に１次元的に連なって形成されている。
【００３０】
次に、本実施形態の電子デバイスの製造方法について、図２（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態における電子デバイスの製造方法を示す断面図である。
【００３１】
まず、図２（ａ）に示す工程で、Ｓｉからなる基板１０の上に、スパッタリング法により、厚さ１００ｎｍのチタン酸バリウムからなる圧電素子膜１１を形成する。
【００３２】
次に、図２（ｂ）に示す工程で、圧電素子膜１１の上に、スパッタ蒸着法により厚さ１０ｎｍの金膜（図示せず）を形成する。そして、金膜をリソグラフィー法によりパターニングすることにより、互いに離間するソース電極１２とドレイン電極１３とを形成する。ここで、ソース電極１２およびドレイン電極１３は、白金であってもよい。
【００３３】
次に、図２（ｃ）に示すようなナノワイヤー１５を得るために、以下の工程を行なう。まず、ソース電極１２とドレイン電極１３とを試料溶液（図示せず）に浸し、交流電流下において電気分解を行なう。ここで、試料溶液としては、０．３〜０．４ｍｍｏｌ／ｄｍ−３ の濃度のフタロシアニン系化合物ＴＰＰ［Ｃｏ（Ｐｃ）ＣＮ２］が溶解しているアセトニトリルを用い、１μＡの交流電流を流した状態を、２０℃の温度で１〜２週間保つ。ここで、電流の値を０．５〜２μＡの範囲で変化させても、同様のナノワイヤーを得ることができる。
【００３４】
このような電気化学的な方法によると、フタロシアニン誘導体の１次元的なナノワイヤー１５を、自己整合的に形成することができる。
【００３５】
図３は、第１の実施形態において、ナノワイヤー１５を構成するフタロシアニン誘導体の分子の化学式を示す図である。図３に示すＭ（Ｐｃ）（ＣＮ）２ において、Ｍは３価の金属イオンである。ナノワイヤー１５では、図３に示すようなフタロシアニン誘導体からなる単一分子１４が、Ｐｃ鎖（Ｐｃ Ｃｈａｉｎ）と垂直な方向に１次元的に配列されている。そして、互いに隣接する単一分子１４のπ電子同士は重なっている。単一分子１４同士の電気的な結合は強いため、単一分子１４の集合体であるナノワイヤー１５は金属的な導電性を示す。
【００３６】
また、導電性を示すときのナノワイヤー１５と、ソース電極１２もしくはドレイン電極１３とは、オーミックコンタクトを形成する。そのため、電気的なロスは生じにくい。
【００３７】
次に、本実施形態の電子デバイスの動作について、図４（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。図４（ａ），（ｂ）は、第１の実施形態の電子デバイスにおいて、圧電素子膜１１に電圧を印加しない状態と、印加した状態とを示す断面図である。なお、図４（ａ），（ｂ）では、圧電素子膜１１が電源１６と接続されており、電源１６によって圧電素子膜１１へ電圧を印加することができる。
【００３８】
図４（ａ）に示すように、電源１６によって圧電素子膜１１に電圧を印加しない状態では、ソース電極１２からナノワイヤー１５を介してドレイン電極１３に電子が流れる。上述したように、フタロシアニン誘導体の単一分子１４同士のπ電子の重なりはナノワイヤー１５の軸方向に１次元的に連なっている。このため、１次元的に電子の移動度が高くなり、バリスティックな電子伝導を実現することができる。
【００３９】
次に、図４（ｂ）に示すように、圧電素子膜１１に電圧を印加して圧電素子膜１１を横方向に伸張させる。ここで、印加する電圧の値を調整することにより、圧電素子膜１１の伸張と圧縮とを制御することができる。圧電素子膜１１が伸張すると、圧電素子膜１１の上に設けられているソース電極１２とドレイン電極１３との間の距離が大きくなり、ナノワイヤー１５に横方向の伸張応力が加わる。これにより、単一分子間の電気的な結合が弱まり分子間空壁が生じるので、ナノワイヤー１５の電気特性が金属的な導電性から絶縁性に変化する。なお、本明細書中における「ワイヤー」とは、電気特性が導電性であるものと絶縁性であるものとを含む。また、分子間空壁とは、π電子同士の重なりが少なくなることにより電子密度が疎になった領域のことをいう。
【００４０】
以上に述べたように、本実施形態では、圧電素子膜１１に印可する電圧を制御することによって、スイッチング動作が可能となる。そして、分子の集合体からなるナノワイヤー１５に機械的な応力を加えて、ナノワイヤー１５の電気特性を金属的な導電性から絶縁性に変化させることにより、高速な電子デバイスを実現することができる。
【００４１】
また、π電子共役の構造を有する分子で構成される１次元的な結晶をナノワイヤー１５として使用する。これにより、ナノワイヤー１５に応力を加えない状態では、バリスティックな伝導性を得ることができる。
【００４２】
また、ナノワイヤー１５のサイズは小さく、また、ナノワイヤー１５のサイズは正確に制御することができる。このため、素子の微細化を図ることができるので、動作速度の高速化と消費電力の低減とが可能となる。
【００４３】
なお、本実施形態では、ナノワイヤー１５を電気化学的な方法によって形成した。しかし、本発明においては、結晶性の高い分子結晶からなるナノワイヤーを形成すればよいので、化学気相（ＣＶＤ）法や真空蒸着法などの他の方法によってナノワイヤーを形成してもよい。
【００４４】
なお、本実施形態では、ナノワイヤー１５を構成する分子としてフタロシアニン誘導体を用いた。しかしながら、本発明においては、ポルフィリンなどのπ電子共役系の分子を用いた場合であっても、応力を加えることにより電気特性を変化させることができる。
【００４５】
また、本実施形態では、圧電素子膜１１としてチタン酸バリウムを用いた。しかしながら、本発明では、圧電素子膜１１としてチタン酸鉛やジルコン酸鉛などの他の材料を用いた場合であっても、電圧の印加により圧縮と伸張とを変化することができる。
【００４６】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、ポルフィリンの重合体ワイヤーに応力を加えることによりスイッチングを行なう電子デバイスについて説明する。
【００４７】
図５は、第２の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。図５に示すように、本実施形態の電子デバイスは、基板２０と、基板２０の上に設けられ、厚さ１００ｎｍのチタン酸バリウムからなり、応力追加部材として機能する圧電素子膜２１と、圧電素子膜２１の上に、距離１０ｎｍだけ離間して設けられた、厚さ５ｎｍの金からなるソース電極（ソース部）２２およびドレイン電極（ドレイン部）２３と、ソース電極２２とドレイン電極２３とに接続するように設けられたポルフィリンの重合体からなる重合体ワイヤー２４とを備えている。
【００４８】
次に、本実施形態の電子デバイスの製造方法について説明する。まず、第１の実施形態と同様の方法により、基板２０、圧電素子膜２１、ソース電極２２およびドレイン電極２３を形成する。
【００４９】
そして、重合体ワイヤー２４を形成するために行なう処理について、図６（ａ）〜図７（ｂ）を参照しながら説明する。図６（ａ），（ｂ）は、ポルフィリン重合体が形成される過程の化学式を示す図である。
【００５０】
図６（ａ）に示すように、ベンゾニトリル中において、５，１５ジアリール置換ポルフィリンのＺｎ錯体またはＭｇ錯体の定電位電気分解酸化を行なうと、自己整合的に、メゾ−メゾ結合ポルフィリン重合体が生成される。
【００５１】
一方、図６（ｂ）に示すように、５，１５ジアリール置換ポルフィリンのＮｉ錯体、Ｐｄ錯体またはＣｕ錯体の定電位電気分解酸化を行なうと、メゾ−ベータ結合ポルフィリン重合体が生成される。
【００５２】
ポルフィリン重合体を生成する方法としては、上述のように電気分解酸化を行なう方法の他に、酸化剤を用いて酸化を行なう方法があり、それについて、図７（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。図７（ａ），（ｂ）は、ポルフィリンの重合体が形成される過程の化学式を示す図である。
【００５３】
第１の方法は、酸化剤として銀（Ｉ）塩を用いる方法である。図７（ａ）に示すように、５，１５−ジアリール置換ポルフィリン亜鉛錯体を銀（Ｉ）塩で処理すると、互いにメゾ位で結合したポルフィリン２量体や３量体を得ることができる。この２量体を単離して再び銀（Ｉ）塩で処理すると、ポルフィリン４量体を得ることができる。この２量化反応を繰り返すことにより、重合体を得ることができる。
【００５４】
第２の方法は、酸化剤として（ＢｒＣ６Ｈ４）３ＮＳｂＣｌ６を用いる方法である。図７（ｂ）に示すように、５，１５−ジアリール置換ポルフィリンニッケル錯体を（ＢｒＣ６Ｈ４）３ ＮＳｂＣｌ６ で処理すると、メゾ−ベータ縮合ポルフィリンの２量体や３量体などの重合体を得ることができる。
【００５５】
重合体ワイヤー２４は、π電子の共役状態になっているので金属的な導電性を示す。また、ソース電極２２もしくはドレイン電極２３と重合体ワイヤー２４とはオーミックコンタクトを形成するため、電気的なロスは生じない。
【００５６】
次に、本実施形態の電子デバイスの動作について、図８（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。図８（ａ），（ｂ）は、本実施形態の電子デバイスにおいて、圧電素子膜２１に電圧を印加しない状態と、印加した状態とを示す断面図である。
【００５７】
図８（ａ）に示すように、圧電素子膜２１に電圧を印加しない状態では、ソース電極２２から重合体ワイヤー２４を介してドレイン電極２３に電子が流れる。上述したように、重合体ワイヤー２４ではπ電子が共役しているので、バリスティックな電子伝導を実現することができ、電子の移動度を高くすることができる。
【００５８】
次に、図８（ｂ）に示すように、圧電素子膜２１に印加する電圧を調整することにより、圧電素子膜２１が横方向に圧縮する。それに伴なって、ソース電極２２とドレイン電極２３との間の距離が小さくなり、重合体ワイヤー２４に横方向の圧縮応力が加わる。圧縮応力が加わると、重合体ワイヤー２４には構造的な歪みが生じる。これにより、重合体ワイヤー２４では、電子状態が変化して導電性から絶縁性への変化が起こる。
【００５９】
以上に述べたように、本実施形態では、圧電素子膜２１に印可する電圧を制御することによってスイッチング動作が可能となる。そして、金属的な導電性を示す単一の分子からなる重合体ワイヤー２４に機械的な応力を加えて、重合体ワイヤーの電気特性を金属的な導電性から絶縁性に変化させるので、電子デバイスの高速な動作を実現することができる。
【００６０】
特に、ポルフィリンなどのπ電子共役の分子を重合して重合体ワイヤー２４として使用する場合には、バリスティックな伝導性を得ることができる。
【００６１】
また、重合体ワイヤー２４のサイズは小さく、また、重合体ワイヤー２４のサイズは正確に制御することができる。このため、素子の微細化を図ることができるので、動作速度の高速化と消費電力の低減とが可能となる。
【００６２】
なお、本実施形態では、重合体ワイヤー２４を電気化学的な方法あるいは酸化によって形成した。しかしながら、本発明では、化学吸着によって重合体ワイヤー２４を形成してもよい。
【００６３】
また、本実施形態では、単一の分子からなる重合体ワイヤーとしてポルフィリンの重合体を形成した。しかしながら、本発明では、フタロシアニン系分子、フェニレンの重合体またはチオフェンの重合体などのπ電子共役系分子を用いた場合にも、歪みを加えることによって電気特性を変化させることができる。
【００６４】
また、本実施形態では、圧電素子膜２１としてチタン酸バリウムを用いた。しかしながら、本発明では、圧電素子膜２１としてチタン酸鉛やジルコン酸鉛などの他の材料を用いた場合であっても、電圧の印加により圧縮と伸張とを制御することができる。
【００６５】
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、カーボンナノチューブのナノワイヤーに応力を加えることによりスイッチングを行なう電子デバイスについて説明する。
【００６６】
図９は、第３の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。図９に示すように、本実施形態の電子デバイスは、基板３０と、基板３０の上に設けられ、厚さ５０ｎｍのチタン酸バリウムからなり、応力追加部材として機能する圧電素子膜３１と、圧電素子膜３１の上に距離５００ｎｍだけ離間して設けられた、厚さ１００ｎｍの金からなるソース電極（ソース部）３２およびドレイン電極３３（ドレイン部）と、ソース電極３２およびドレイン電極３３とに接続するように設けられた導電性のカーボンナノチューブからなるワイヤー３４とを備えている。
【００６７】
本実施形態ではワイヤー３４に縦方向の応力を加えるのに対し、第１および第２の実施形態では横方向の応力を加える。つまり、本実施形態では、縦に伸張する圧電素子膜によってワイヤーに直接応力を加えるのに対し、第１および第２の実施形態では、圧電素子膜を横方向に伸張あるいは圧縮することによってソース電極とドレイン電極との間の距離を変化させる。
【００６８】
次に、本実施形態の電子デバイスの動作について、図１０（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。図１０（ａ），（ｂ）は、本実施形態の電子デバイスにおいて、圧電素子膜３１に電圧を印加しない状態と、印加した状態とを示す断面図である。
【００６９】
図１０（ａ）に示すように、圧電素子膜３１に電圧を印加しない状態では、ソース電極３２からワイヤー３４を通してドレイン電極３３に電子が流れる。ワイヤー３４として金属的な導電性を示すものが使用されているので、バリスティックな電子伝導を実現することができ、電子の移動度が高くなる。
【００７０】
次に、図１０（ｂ）に示すように、圧電素子膜３１に電圧を印加して、圧電素子膜３１を縦方向に伸張させる。これにより、ワイヤー３４のうち圧電素子膜３１の上に位置する部分に応力がかかり、ワイヤー３４は変形する。変形によって歪みが生じると、ワイヤー３４の電気特性は導電性から絶縁性に変化する。
【００７１】
このように、本実施形態では、圧電素子膜３１に電圧を印加することによってスイッチング動作が可能となる。そして、金属的な導電性を示すワイヤー３４に機械的な応力を加えて、ワイヤー３４の電気特性を金属的な導電性から絶縁性に変化させることにより、高速な電子デバイスを実現することができる。
【００７２】
また、ワイヤー３４のサイズは小さく、また、ナノワイヤー３４のサイズは正確に制御することができる。このため、素子の微細化を図ることができるので、動作速度の高速化と消費電力の低減とが可能となる。
【００７３】
なお、本実施形態で用いるワイヤー３４としては、単層カーボンナノチューブを用いてもよいし、多層カーボンナノチューブを用いてもよい。
【００７４】
本実施形態では、機械的な応力を加える方法として、ワイヤー３４の直下のうちの一部に圧電素子膜３１を配置して、ワイヤー３４に縦方向の応力を加えた。しかしながら、本発明では、ワイヤー３４に接するように圧電素子膜３１を形成して、圧縮あるいは伸張といった横方向の応力を加えてもよい。
【００７５】
また、本実施形態では、圧電素子膜３１としてチタン酸バリウムを用いた。しかしながら、本発明では、圧電素子膜３１としてチタン酸鉛やジルコン酸鉛などの他の材料を用いた場合であっても、電圧の印加により圧縮と伸張とを制御することができる。
【００７６】
また、本実施形態で用いたワイヤー３４のかわりとして、第１の実施形態で述べたフタロシアニン誘導体のナノワイヤー１５（図１に示す）を用いてもよい。この場合にも、ナノワイヤー１５の電気特性を変化させることができるので、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、ワイヤー３４のかわりとして、第２の実施形態で述べたポルフィリンの重合体ワイヤー２４（図５に示す）を用いてもよい。この場合にも、重合体ワイヤー２４の電気特性を変化させることができるので、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７７】
（第４の実施形態）
第４の実施形態では、第１〜第３の実施形態において述べた方法とは異なる方法によりナノワイヤーに応力を加える場合について説明する。
【００７８】
図１１は、第４の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。図１１に示すように、本実施形態の電子デバイスは、Ｓｉからなる基板４０と、基板４０の上に距離５００ｎｍだけ離間して設けられた、厚さ１００ｎｍの金からなるソース電極４１およびドレイン電極４２と、ソース電極４１とドレイン電極４２とに接続するように設けられた導電性のカーボンナノチューブからなるワイヤー４３と、ワイヤー４３への応力追加部材として機能する絶縁体チップ４４と、絶縁体チップに取り付けられた探針（チップ移動部材）４５とを備えている。
【００７９】
本実施形態では、探針４５を動作させて絶縁体チップ４４をワイヤー４３に押しあてることにより、ワイヤー４３に歪みを発生させる。
【００８０】
次に、本実施形態の電子デバイスの動作について、図１２（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。図１２（ａ），（ｂ）は、本実施形態の電子デバイスの動作を示す断面図である。
【００８１】
図１２（ａ）に示すように、絶縁体チップ４４によってワイヤー４３の応力が加わっていない状態では、ワイヤー４３は導電性を示す。ソース電極４１からワイヤー４３を介してドレイン電極４２に電子が流れる。
【００８２】
次に、図１２（ｂ）に示すように、絶縁体チップ４４をワイヤー４３に押しあてると、応力がかかることによりワイヤー４３が変形する。変形によって歪みが生じると、ワイヤー４３の電気特性は導電性から絶縁性に変化する。
【００８３】
このように、本実施形態では、探針４５を動作させることによってスイッチング動作が可能となる。そして、金属的な導電性を示すカーボンナノチューブに機械的な応力を加えて、ワイヤー４３の電気特性を金属的な導電性から絶縁性に変化させることにより、高速な電子デバイスを実現することができる。
【００８４】
また、ナノワイヤー４３のサイズは小さく、また、ナノワイヤー４３のサイズは正確に制御することができる。このため、素子の微細化を図ることができるので、動作速度の高速化と消費電力の低減とが可能となる。
【００８５】
なお、本実施形態で用いるワイヤー４３としては、単層カーボンナノチューブを用いてもよいし、多層カーボンナノチューブを用いてもよい。
【００８６】
また、本実施形態で用いたワイヤー４３のかわりとして、第１の実施形態で述べたフタロシアニン誘導体のナノワイヤー１５（図１に示す）を用いてもよい。この場合にも、ナノワイヤー１５の電気特性を変化させることができるので、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、ワイヤー４３のかわりとして、第２の実施形態で述べたポルフィリンの重合体ワイヤー２４（図５に示す）を用いてもよい。この場合にも、重合体ワイヤー２４の電気特性を変化させることができるので、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８７】
【発明の効果】
本発明の電子デバイスでは、ワイヤーに応力を加えることによりスイッチングが可能となるため、高速動作を実現することができる。また、素子をナノメートルオーダーまで微細化することができることによって、素子の動作速度の高速化と消費電力の低減とが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態における電子デバイスの製造方法を示す断面図である。
【図３】第１の実施形態において、ナノワイヤー１５を構成するフタロシアニン誘導体の分子の化学式を示す図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、第１の実施形態における電子デバイスの動作を示す断面図である。
【図５】第２の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態において、ポルフィリン重合体が形成される過程の化学式を示す図である。
【図７】（ａ），（ｂ）は、ポルフィリンの重合体が形成される過程の化学式を示す図である。
【図８】（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態における電子デバイスの動作を示す断面図である。
【図９】第３の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。
【図１０】（ａ），（ｂ）は、第３の実施形態における電子デバイスの動作を示す断面図である。
【図１１】第４の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。
【図１２】（ａ），（ｂ）は、第４の実施形態の電子デバイスの動作を示す断面図である。
【図１３】従来における有機分子を用いたトランジスタの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 基板
１１ 圧電素子膜
１２ ソース電極
１３ ドレイン電極
１４ 分子
１５ ナノワイヤー
１６ 電源
２０ 基板
２１ 圧電素子膜
２２ ソース電極
２３ ドレイン電極
２４ 重合体ワイヤー
３０ 基板
３１ 圧電素子膜
３２ ソース電極
３３ ドレイン電極
３４ ワイヤー
４０ 基板
４１ ソース電極
４２ ドレイン電極
４３ ワイヤー
４４ 絶縁体チップ
４５ 探針
【発明の属する技術分野】
本発明は、分子からなるナノワイヤーを用いた電子デバイスに関し、特に、ソース電極からドレイン電極に電流が流れることによってスイッチング動作が可能となる電子デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体を用いた電子集積回路の高集積化が進行するのにともなって、トランジスタのサイズも微細化されてきている。最近では、１０ｎｍのゲート長のゲート電極を有するトランジスタの動作が確認されている。しかしながら、ゲート長を１０ｎｍ以下にするためには、誤差範囲が１ｎｍ以下となる精度でゲート電極を形成する必要があることから、トランジスタのさらなる微細加工は困難になってきている。
【０００３】
以上のような課題を克服してトランジスタのさらなる微細化を図るために、有機分子を用いたトランジスタが提案されている。図１３は、従来における有機分子を用いたトランジスタの構造を示す断面図である。図１３に示す構造は、非特許文献１に開示された構造である。
【０００４】
図１３に示すように、従来における有機分子を用いたトランジスタでは、シリコン基板１０１の上にシリコン酸化膜１０２が設けられている。シリコン基板１０１およびシリコン酸化膜１０２の上面は、段差面１１０によって上段面１１１と下段面１１２とに分けられる。
【０００５】
シリコン酸化膜１０２の下段面１１２の上にはソース電極１０３が形成されている。ソース電極１０３の上には、シリコン酸化膜１０２の段差面１１０に接するように有機分子膜１０４が設けられている。有機分子膜１０４の上には、シリコン酸化膜１０２の段差面１１０と上段面１１１との上に延びるドレイン電極１０５が設けられている。
【０００６】
シリコン基板１０１にゲート電極（図示せず）から電圧を印加しない状態では、有機分子膜１０４には電流が流れず、トランジスタはオフの状態になる。一方、シリコン基板１０１にゲート電圧を印加すれば、ソース電極１０３から有機分子膜１０４を介してドレイン電極１０５に電流が流れ、トランジスタがオン状態となる。この構造では、ゲート長は有機分子膜１０４における分子の長さに相当する。一般的に、有機分子の長さを１０ｎｍ以下にすることは容易であり、また、有機分子の長さは制御しやすい。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｊａｎ Ｈｅｎｄｒｉｋ Ｓｃｈｏｎ ｅｔ ａｌ．Ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ ｏｒｇａｎｉｃ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ．Ｎａｔｕｒｅ Ｖｏｌ．４１３，７１３−７１６（２００１）．
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来における有機分子を用いたトランジスタでは、素子の大きさを小さくしても動作速度が高くならないという課題がある。
【０００９】
これは以下の理由による。図１３に示す構造では、有機分子膜１０４は半導体の性質を有している。そのため、ソース電極１０３とドレイン電極１０５との間に電流を流したときのコンダクタンスの値は小さく、高い電子移動度を得ることが困難なためである。
【００１０】
本発明は、電子デバイスにおいて、ソース・ドレイン間の電子の移動度を向上させる手段を講ずることにより、高速なスイッチング動作を実現することを目的とする。目的を達成するために、導電性の分子または分子の集合体の構造に歪みを生じさせると、電気特性が導電性から絶縁性に変化することに着目した。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子デバイスは、ソース部およびドレイン部と、上記ソース部と上記ドレイン部とに接続され、応力に応じて電気特性が導電性と絶縁性との間で変化する性質を有するワイヤーと、上記ワイヤーに応力を与えるための応力追加部材とを備える。
【００１２】
これにより、応力を加えない状態ではワイヤーは導電性になるので電子デバイスをオンにすることができ、応力追加部材によって応力を加えた状態のワイヤーは絶縁性になるので電子デバイスをオフにすることができる。これにより、電子デバイスにおいて高速動作が可能となる。
【００１３】
上記ワイヤーは、π電子による共役の構造を有することにより、バリスティックな電子伝導を実現することができる。
【００１４】
上記ワイヤーは分子の集合体から構成されており、上記ワイヤーは、上記ワイヤーの軸方向に、上記軸方向に垂直な方向よりも強い導電性を示すことにより、軸方向の電子の移動度を１次元的に高くすることができる。
【００１５】
上記ワイヤーは、重合体からなっていてもよい。
【００１６】
上記ワイヤーは、カーボンナノチューブからなっていてもよい。
【００１７】
上記応力追加部材は圧電素子膜であって、上記ソース部および上記ドレイン部は上記圧電素子膜の上に設けられていることにより、圧電素子膜に電圧を印加することにより、ソース部とドレイン部との間の距離が変化するので、ワイヤーに軸方向の応力を与えることができる。
【００１８】
上記圧力追加部材は圧電素子膜であって、上記ワイヤーは上記圧電素子膜の上に設けられていることにより、圧電素子膜に電圧を印加することにより圧電素子膜が軸方向と垂直な方向に伸張した場合には、ワイヤーに圧電素子膜が接触し、軸方向と垂直な方向の応力を直接与えることができる。
【００１９】
上記応力追加部材は絶縁体チップであって、上記絶縁体チップを移動させるチップ移動部材をさらに備えることにより、絶縁体チップを移動させてワイヤーに接触させることにより、ワイヤーに応力を与えることができる。
【００２０】
本発明の第１の電子デバイスの製造方法は、基板の上に圧電素子膜を形成する工程（ａ）と、上記圧電素子膜の上に、互いに離間するソース部とドレイン部とを形成する工程（ｂ）と、上記ソース部と上記ドレイン部とに接続され、応力が加わることによって電気特性が導電性から絶縁性に変化する性質を有するワイヤーを形成する工程（ｃ）とを含む。
【００２１】
これにより、ワイヤーに応力を加えることによりスイッチングが可能な電子デバイスを製造することができる。この電子デバイスでは、圧電素子膜に電圧を印加することによりソース部とドレイン部との間の距離を変化させることにより、ワイヤーに応力を加えることができる。
【００２２】
上記工程（ｃ）では、上記ソース部および上記ドレイン部を試料溶液に浸し、上記ソース部と上記ドレイン部との間に電界を形成することにより上記ワイヤーが形成されることにより、自己整合的にワイヤーを形成することができる。
【００２３】
上記工程（ｃ）では、上記ソース部と上記ドレイン部との間に交流の電界を形成することが好ましい。
【００２４】
本発明の第２の電子デバイスの製造方法は、基板の上に圧電素子膜を形成する工程（ａ）と、上記基板の上に、ソース部とドレイン部とを形成する工程（ｂ）と、上記圧電素子膜の上に、上記ソース部と上記ドレイン部とに接続され、応力が加わることによって電気特性が導電性から絶縁性に変化する性質を有するワイヤーを形成する工程（ｃ）とを含む。
【００２５】
これにより、ワイヤーに応力を加えることによりスイッチングが可能な電子デバイスを製造することができる。この電子デバイスでは、圧電素子膜に電圧を印加することにより圧電素子膜をワイヤーに押しあてることにより、ワイヤーに応力を加えることができる。
【００２６】
上記工程（ｃ）では、上記ソース部および上記ドレイン部を試料溶液に浸し、上記ソース部と上記ドレイン部との間に電界を形成することにより形成されることにより、自己整合的にワイヤーを形成することができる。
【００２７】
上記工程（ｃ）では、上記ソース部と上記ドレイン部との間に交流の電界を形成することが好ましい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
第１の実施形態では、フタロシアニン誘導体のナノワイヤーに応力を加えることによりスイッチングを行なう電子デバイスについて説明する。
【００２９】
図１は、第１の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の電子デバイスは、基板１０と、基板１０の上に設けられ、厚さ１００ｎｍのチタン酸バリウムからなり、応力追加部材として機能する圧電素子膜１１と、圧電素子膜１１の上に距離３０ｎｍだけ離間して設けられた、厚さ１０ｎｍの金からなるソース電極（ソース部）１２およびドレイン電極（ドレイン部）１３と、ソース電極１２とドレイン電極１３とに接続するように設けられたナノワイヤー１５とを備えている。ナノワイヤー１５は、フタロシアニン誘導体の分子１４が、ナノワイヤー１５の軸方向に１次元的に連なって形成されている。
【００３０】
次に、本実施形態の電子デバイスの製造方法について、図２（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態における電子デバイスの製造方法を示す断面図である。
【００３１】
まず、図２（ａ）に示す工程で、Ｓｉからなる基板１０の上に、スパッタリング法により、厚さ１００ｎｍのチタン酸バリウムからなる圧電素子膜１１を形成する。
【００３２】
次に、図２（ｂ）に示す工程で、圧電素子膜１１の上に、スパッタ蒸着法により厚さ１０ｎｍの金膜（図示せず）を形成する。そして、金膜をリソグラフィー法によりパターニングすることにより、互いに離間するソース電極１２とドレイン電極１３とを形成する。ここで、ソース電極１２およびドレイン電極１３は、白金であってもよい。
【００３３】
次に、図２（ｃ）に示すようなナノワイヤー１５を得るために、以下の工程を行なう。まず、ソース電極１２とドレイン電極１３とを試料溶液（図示せず）に浸し、交流電流下において電気分解を行なう。ここで、試料溶液としては、０．３〜０．４ｍｍｏｌ／ｄｍ−３ の濃度のフタロシアニン系化合物ＴＰＰ［Ｃｏ（Ｐｃ）ＣＮ２］が溶解しているアセトニトリルを用い、１μＡの交流電流を流した状態を、２０℃の温度で１〜２週間保つ。ここで、電流の値を０．５〜２μＡの範囲で変化させても、同様のナノワイヤーを得ることができる。
【００３４】
このような電気化学的な方法によると、フタロシアニン誘導体の１次元的なナノワイヤー１５を、自己整合的に形成することができる。
【００３５】
図３は、第１の実施形態において、ナノワイヤー１５を構成するフタロシアニン誘導体の分子の化学式を示す図である。図３に示すＭ（Ｐｃ）（ＣＮ）２ において、Ｍは３価の金属イオンである。ナノワイヤー１５では、図３に示すようなフタロシアニン誘導体からなる単一分子１４が、Ｐｃ鎖（Ｐｃ Ｃｈａｉｎ）と垂直な方向に１次元的に配列されている。そして、互いに隣接する単一分子１４のπ電子同士は重なっている。単一分子１４同士の電気的な結合は強いため、単一分子１４の集合体であるナノワイヤー１５は金属的な導電性を示す。
【００３６】
また、導電性を示すときのナノワイヤー１５と、ソース電極１２もしくはドレイン電極１３とは、オーミックコンタクトを形成する。そのため、電気的なロスは生じにくい。
【００３７】
次に、本実施形態の電子デバイスの動作について、図４（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。図４（ａ），（ｂ）は、第１の実施形態の電子デバイスにおいて、圧電素子膜１１に電圧を印加しない状態と、印加した状態とを示す断面図である。なお、図４（ａ），（ｂ）では、圧電素子膜１１が電源１６と接続されており、電源１６によって圧電素子膜１１へ電圧を印加することができる。
【００３８】
図４（ａ）に示すように、電源１６によって圧電素子膜１１に電圧を印加しない状態では、ソース電極１２からナノワイヤー１５を介してドレイン電極１３に電子が流れる。上述したように、フタロシアニン誘導体の単一分子１４同士のπ電子の重なりはナノワイヤー１５の軸方向に１次元的に連なっている。このため、１次元的に電子の移動度が高くなり、バリスティックな電子伝導を実現することができる。
【００３９】
次に、図４（ｂ）に示すように、圧電素子膜１１に電圧を印加して圧電素子膜１１を横方向に伸張させる。ここで、印加する電圧の値を調整することにより、圧電素子膜１１の伸張と圧縮とを制御することができる。圧電素子膜１１が伸張すると、圧電素子膜１１の上に設けられているソース電極１２とドレイン電極１３との間の距離が大きくなり、ナノワイヤー１５に横方向の伸張応力が加わる。これにより、単一分子間の電気的な結合が弱まり分子間空壁が生じるので、ナノワイヤー１５の電気特性が金属的な導電性から絶縁性に変化する。なお、本明細書中における「ワイヤー」とは、電気特性が導電性であるものと絶縁性であるものとを含む。また、分子間空壁とは、π電子同士の重なりが少なくなることにより電子密度が疎になった領域のことをいう。
【００４０】
以上に述べたように、本実施形態では、圧電素子膜１１に印可する電圧を制御することによって、スイッチング動作が可能となる。そして、分子の集合体からなるナノワイヤー１５に機械的な応力を加えて、ナノワイヤー１５の電気特性を金属的な導電性から絶縁性に変化させることにより、高速な電子デバイスを実現することができる。
【００４１】
また、π電子共役の構造を有する分子で構成される１次元的な結晶をナノワイヤー１５として使用する。これにより、ナノワイヤー１５に応力を加えない状態では、バリスティックな伝導性を得ることができる。
【００４２】
また、ナノワイヤー１５のサイズは小さく、また、ナノワイヤー１５のサイズは正確に制御することができる。このため、素子の微細化を図ることができるので、動作速度の高速化と消費電力の低減とが可能となる。
【００４３】
なお、本実施形態では、ナノワイヤー１５を電気化学的な方法によって形成した。しかし、本発明においては、結晶性の高い分子結晶からなるナノワイヤーを形成すればよいので、化学気相（ＣＶＤ）法や真空蒸着法などの他の方法によってナノワイヤーを形成してもよい。
【００４４】
なお、本実施形態では、ナノワイヤー１５を構成する分子としてフタロシアニン誘導体を用いた。しかしながら、本発明においては、ポルフィリンなどのπ電子共役系の分子を用いた場合であっても、応力を加えることにより電気特性を変化させることができる。
【００４５】
また、本実施形態では、圧電素子膜１１としてチタン酸バリウムを用いた。しかしながら、本発明では、圧電素子膜１１としてチタン酸鉛やジルコン酸鉛などの他の材料を用いた場合であっても、電圧の印加により圧縮と伸張とを変化することができる。
【００４６】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、ポルフィリンの重合体ワイヤーに応力を加えることによりスイッチングを行なう電子デバイスについて説明する。
【００４７】
図５は、第２の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。図５に示すように、本実施形態の電子デバイスは、基板２０と、基板２０の上に設けられ、厚さ１００ｎｍのチタン酸バリウムからなり、応力追加部材として機能する圧電素子膜２１と、圧電素子膜２１の上に、距離１０ｎｍだけ離間して設けられた、厚さ５ｎｍの金からなるソース電極（ソース部）２２およびドレイン電極（ドレイン部）２３と、ソース電極２２とドレイン電極２３とに接続するように設けられたポルフィリンの重合体からなる重合体ワイヤー２４とを備えている。
【００４８】
次に、本実施形態の電子デバイスの製造方法について説明する。まず、第１の実施形態と同様の方法により、基板２０、圧電素子膜２１、ソース電極２２およびドレイン電極２３を形成する。
【００４９】
そして、重合体ワイヤー２４を形成するために行なう処理について、図６（ａ）〜図７（ｂ）を参照しながら説明する。図６（ａ），（ｂ）は、ポルフィリン重合体が形成される過程の化学式を示す図である。
【００５０】
図６（ａ）に示すように、ベンゾニトリル中において、５，１５ジアリール置換ポルフィリンのＺｎ錯体またはＭｇ錯体の定電位電気分解酸化を行なうと、自己整合的に、メゾ−メゾ結合ポルフィリン重合体が生成される。
【００５１】
一方、図６（ｂ）に示すように、５，１５ジアリール置換ポルフィリンのＮｉ錯体、Ｐｄ錯体またはＣｕ錯体の定電位電気分解酸化を行なうと、メゾ−ベータ結合ポルフィリン重合体が生成される。
【００５２】
ポルフィリン重合体を生成する方法としては、上述のように電気分解酸化を行なう方法の他に、酸化剤を用いて酸化を行なう方法があり、それについて、図７（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。図７（ａ），（ｂ）は、ポルフィリンの重合体が形成される過程の化学式を示す図である。
【００５３】
第１の方法は、酸化剤として銀（Ｉ）塩を用いる方法である。図７（ａ）に示すように、５，１５−ジアリール置換ポルフィリン亜鉛錯体を銀（Ｉ）塩で処理すると、互いにメゾ位で結合したポルフィリン２量体や３量体を得ることができる。この２量体を単離して再び銀（Ｉ）塩で処理すると、ポルフィリン４量体を得ることができる。この２量化反応を繰り返すことにより、重合体を得ることができる。
【００５４】
第２の方法は、酸化剤として（ＢｒＣ６Ｈ４）３ＮＳｂＣｌ６を用いる方法である。図７（ｂ）に示すように、５，１５−ジアリール置換ポルフィリンニッケル錯体を（ＢｒＣ６Ｈ４）３ ＮＳｂＣｌ６ で処理すると、メゾ−ベータ縮合ポルフィリンの２量体や３量体などの重合体を得ることができる。
【００５５】
重合体ワイヤー２４は、π電子の共役状態になっているので金属的な導電性を示す。また、ソース電極２２もしくはドレイン電極２３と重合体ワイヤー２４とはオーミックコンタクトを形成するため、電気的なロスは生じない。
【００５６】
次に、本実施形態の電子デバイスの動作について、図８（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。図８（ａ），（ｂ）は、本実施形態の電子デバイスにおいて、圧電素子膜２１に電圧を印加しない状態と、印加した状態とを示す断面図である。
【００５７】
図８（ａ）に示すように、圧電素子膜２１に電圧を印加しない状態では、ソース電極２２から重合体ワイヤー２４を介してドレイン電極２３に電子が流れる。上述したように、重合体ワイヤー２４ではπ電子が共役しているので、バリスティックな電子伝導を実現することができ、電子の移動度を高くすることができる。
【００５８】
次に、図８（ｂ）に示すように、圧電素子膜２１に印加する電圧を調整することにより、圧電素子膜２１が横方向に圧縮する。それに伴なって、ソース電極２２とドレイン電極２３との間の距離が小さくなり、重合体ワイヤー２４に横方向の圧縮応力が加わる。圧縮応力が加わると、重合体ワイヤー２４には構造的な歪みが生じる。これにより、重合体ワイヤー２４では、電子状態が変化して導電性から絶縁性への変化が起こる。
【００５９】
以上に述べたように、本実施形態では、圧電素子膜２１に印可する電圧を制御することによってスイッチング動作が可能となる。そして、金属的な導電性を示す単一の分子からなる重合体ワイヤー２４に機械的な応力を加えて、重合体ワイヤーの電気特性を金属的な導電性から絶縁性に変化させるので、電子デバイスの高速な動作を実現することができる。
【００６０】
特に、ポルフィリンなどのπ電子共役の分子を重合して重合体ワイヤー２４として使用する場合には、バリスティックな伝導性を得ることができる。
【００６１】
また、重合体ワイヤー２４のサイズは小さく、また、重合体ワイヤー２４のサイズは正確に制御することができる。このため、素子の微細化を図ることができるので、動作速度の高速化と消費電力の低減とが可能となる。
【００６２】
なお、本実施形態では、重合体ワイヤー２４を電気化学的な方法あるいは酸化によって形成した。しかしながら、本発明では、化学吸着によって重合体ワイヤー２４を形成してもよい。
【００６３】
また、本実施形態では、単一の分子からなる重合体ワイヤーとしてポルフィリンの重合体を形成した。しかしながら、本発明では、フタロシアニン系分子、フェニレンの重合体またはチオフェンの重合体などのπ電子共役系分子を用いた場合にも、歪みを加えることによって電気特性を変化させることができる。
【００６４】
また、本実施形態では、圧電素子膜２１としてチタン酸バリウムを用いた。しかしながら、本発明では、圧電素子膜２１としてチタン酸鉛やジルコン酸鉛などの他の材料を用いた場合であっても、電圧の印加により圧縮と伸張とを制御することができる。
【００６５】
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、カーボンナノチューブのナノワイヤーに応力を加えることによりスイッチングを行なう電子デバイスについて説明する。
【００６６】
図９は、第３の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。図９に示すように、本実施形態の電子デバイスは、基板３０と、基板３０の上に設けられ、厚さ５０ｎｍのチタン酸バリウムからなり、応力追加部材として機能する圧電素子膜３１と、圧電素子膜３１の上に距離５００ｎｍだけ離間して設けられた、厚さ１００ｎｍの金からなるソース電極（ソース部）３２およびドレイン電極３３（ドレイン部）と、ソース電極３２およびドレイン電極３３とに接続するように設けられた導電性のカーボンナノチューブからなるワイヤー３４とを備えている。
【００６７】
本実施形態ではワイヤー３４に縦方向の応力を加えるのに対し、第１および第２の実施形態では横方向の応力を加える。つまり、本実施形態では、縦に伸張する圧電素子膜によってワイヤーに直接応力を加えるのに対し、第１および第２の実施形態では、圧電素子膜を横方向に伸張あるいは圧縮することによってソース電極とドレイン電極との間の距離を変化させる。
【００６８】
次に、本実施形態の電子デバイスの動作について、図１０（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。図１０（ａ），（ｂ）は、本実施形態の電子デバイスにおいて、圧電素子膜３１に電圧を印加しない状態と、印加した状態とを示す断面図である。
【００６９】
図１０（ａ）に示すように、圧電素子膜３１に電圧を印加しない状態では、ソース電極３２からワイヤー３４を通してドレイン電極３３に電子が流れる。ワイヤー３４として金属的な導電性を示すものが使用されているので、バリスティックな電子伝導を実現することができ、電子の移動度が高くなる。
【００７０】
次に、図１０（ｂ）に示すように、圧電素子膜３１に電圧を印加して、圧電素子膜３１を縦方向に伸張させる。これにより、ワイヤー３４のうち圧電素子膜３１の上に位置する部分に応力がかかり、ワイヤー３４は変形する。変形によって歪みが生じると、ワイヤー３４の電気特性は導電性から絶縁性に変化する。
【００７１】
このように、本実施形態では、圧電素子膜３１に電圧を印加することによってスイッチング動作が可能となる。そして、金属的な導電性を示すワイヤー３４に機械的な応力を加えて、ワイヤー３４の電気特性を金属的な導電性から絶縁性に変化させることにより、高速な電子デバイスを実現することができる。
【００７２】
また、ワイヤー３４のサイズは小さく、また、ナノワイヤー３４のサイズは正確に制御することができる。このため、素子の微細化を図ることができるので、動作速度の高速化と消費電力の低減とが可能となる。
【００７３】
なお、本実施形態で用いるワイヤー３４としては、単層カーボンナノチューブを用いてもよいし、多層カーボンナノチューブを用いてもよい。
【００７４】
本実施形態では、機械的な応力を加える方法として、ワイヤー３４の直下のうちの一部に圧電素子膜３１を配置して、ワイヤー３４に縦方向の応力を加えた。しかしながら、本発明では、ワイヤー３４に接するように圧電素子膜３１を形成して、圧縮あるいは伸張といった横方向の応力を加えてもよい。
【００７５】
また、本実施形態では、圧電素子膜３１としてチタン酸バリウムを用いた。しかしながら、本発明では、圧電素子膜３１としてチタン酸鉛やジルコン酸鉛などの他の材料を用いた場合であっても、電圧の印加により圧縮と伸張とを制御することができる。
【００７６】
また、本実施形態で用いたワイヤー３４のかわりとして、第１の実施形態で述べたフタロシアニン誘導体のナノワイヤー１５（図１に示す）を用いてもよい。この場合にも、ナノワイヤー１５の電気特性を変化させることができるので、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、ワイヤー３４のかわりとして、第２の実施形態で述べたポルフィリンの重合体ワイヤー２４（図５に示す）を用いてもよい。この場合にも、重合体ワイヤー２４の電気特性を変化させることができるので、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７７】
（第４の実施形態）
第４の実施形態では、第１〜第３の実施形態において述べた方法とは異なる方法によりナノワイヤーに応力を加える場合について説明する。
【００７８】
図１１は、第４の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。図１１に示すように、本実施形態の電子デバイスは、Ｓｉからなる基板４０と、基板４０の上に距離５００ｎｍだけ離間して設けられた、厚さ１００ｎｍの金からなるソース電極４１およびドレイン電極４２と、ソース電極４１とドレイン電極４２とに接続するように設けられた導電性のカーボンナノチューブからなるワイヤー４３と、ワイヤー４３への応力追加部材として機能する絶縁体チップ４４と、絶縁体チップに取り付けられた探針（チップ移動部材）４５とを備えている。
【００７９】
本実施形態では、探針４５を動作させて絶縁体チップ４４をワイヤー４３に押しあてることにより、ワイヤー４３に歪みを発生させる。
【００８０】
次に、本実施形態の電子デバイスの動作について、図１２（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。図１２（ａ），（ｂ）は、本実施形態の電子デバイスの動作を示す断面図である。
【００８１】
図１２（ａ）に示すように、絶縁体チップ４４によってワイヤー４３の応力が加わっていない状態では、ワイヤー４３は導電性を示す。ソース電極４１からワイヤー４３を介してドレイン電極４２に電子が流れる。
【００８２】
次に、図１２（ｂ）に示すように、絶縁体チップ４４をワイヤー４３に押しあてると、応力がかかることによりワイヤー４３が変形する。変形によって歪みが生じると、ワイヤー４３の電気特性は導電性から絶縁性に変化する。
【００８３】
このように、本実施形態では、探針４５を動作させることによってスイッチング動作が可能となる。そして、金属的な導電性を示すカーボンナノチューブに機械的な応力を加えて、ワイヤー４３の電気特性を金属的な導電性から絶縁性に変化させることにより、高速な電子デバイスを実現することができる。
【００８４】
また、ナノワイヤー４３のサイズは小さく、また、ナノワイヤー４３のサイズは正確に制御することができる。このため、素子の微細化を図ることができるので、動作速度の高速化と消費電力の低減とが可能となる。
【００８５】
なお、本実施形態で用いるワイヤー４３としては、単層カーボンナノチューブを用いてもよいし、多層カーボンナノチューブを用いてもよい。
【００８６】
また、本実施形態で用いたワイヤー４３のかわりとして、第１の実施形態で述べたフタロシアニン誘導体のナノワイヤー１５（図１に示す）を用いてもよい。この場合にも、ナノワイヤー１５の電気特性を変化させることができるので、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、ワイヤー４３のかわりとして、第２の実施形態で述べたポルフィリンの重合体ワイヤー２４（図５に示す）を用いてもよい。この場合にも、重合体ワイヤー２４の電気特性を変化させることができるので、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８７】
【発明の効果】
本発明の電子デバイスでは、ワイヤーに応力を加えることによりスイッチングが可能となるため、高速動作を実現することができる。また、素子をナノメートルオーダーまで微細化することができることによって、素子の動作速度の高速化と消費電力の低減とが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態における電子デバイスの製造方法を示す断面図である。
【図３】第１の実施形態において、ナノワイヤー１５を構成するフタロシアニン誘導体の分子の化学式を示す図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、第１の実施形態における電子デバイスの動作を示す断面図である。
【図５】第２の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態において、ポルフィリン重合体が形成される過程の化学式を示す図である。
【図７】（ａ），（ｂ）は、ポルフィリンの重合体が形成される過程の化学式を示す図である。
【図８】（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態における電子デバイスの動作を示す断面図である。
【図９】第３の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。
【図１０】（ａ），（ｂ）は、第３の実施形態における電子デバイスの動作を示す断面図である。
【図１１】第４の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。
【図１２】（ａ），（ｂ）は、第４の実施形態の電子デバイスの動作を示す断面図である。
【図１３】従来における有機分子を用いたトランジスタの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 基板
１１ 圧電素子膜
１２ ソース電極
１３ ドレイン電極
１４ 分子
１５ ナノワイヤー
１６ 電源
２０ 基板
２１ 圧電素子膜
２２ ソース電極
２３ ドレイン電極
２４ 重合体ワイヤー
３０ 基板
３１ 圧電素子膜
３２ ソース電極
３３ ドレイン電極
３４ ワイヤー
４０ 基板
４１ ソース電極
４２ ドレイン電極
４３ ワイヤー
４４ 絶縁体チップ
４５ 探針
Claims (14)
- ソース部およびドレイン部と、
上記ソース部と上記ドレイン部とに接続され、応力に応じて電気特性が導電性と絶縁性との間で変化する性質を有するワイヤーと、
上記ワイヤーに応力を与えるための応力追加部材と
を備える電子デバイス。 - 請求項１に記載の電子デバイスにおいて、
上記ワイヤーは、π電子による共役の構造を有することを特徴とする電子デバイス。 - 請求項１または２に記載の電子デバイスにおいて、
上記ワイヤーは分子の集合体から構成されており、上記ワイヤーは、上記ワイヤーの軸方向に、上記軸方向に垂直な方向よりも強い導電性を示すことを特徴とする電子デバイス。 - 請求項１または２に記載の電子デバイスにおいて、
上記ワイヤーは、重合体からなることを特徴とする電子デバイス。 - 請求項１または２に記載の電子デバイスにおいて、
上記ワイヤーは、カーボンナノチューブからなることを特徴とする電子デバイス。 - 請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の電子デバイスにおいて、
上記応力追加部材は圧電素子膜であって、
上記ソース部および上記ドレイン部は上記圧電素子膜の上に設けられていることを特徴とする電子デバイス。 - 請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の電子デバイスにおいて、
上記圧力追加部材は圧電素子膜であって、
上記ワイヤーは上記圧電素子膜の上に設けられていることを特徴とする電子デバイス。 - 請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の電子デバイスにおいて、
上記応力追加部材は絶縁体チップであって、
上記絶縁体チップを移動させるチップ移動部材をさらに備えることを特徴とする電子デバイス。 - 基板の上に圧電素子膜を形成する工程（ａ）と、
上記圧電素子膜の上に、互いに離間するソース部とドレイン部とを形成する工程（ｂ）と、
上記ソース部と上記ドレイン部とに接続され、応力が加わることによって電気特性が導電性から絶縁性に変化する性質を有するワイヤーを形成する工程（ｃ）と
を含む電子デバイスの製造方法。 - 請求項９に記載の電子デバイスの製造方法において、
上記工程（ｃ）では、上記ソース部および上記ドレイン部を試料溶液に浸し、上記ソース部と上記ドレイン部との間に電界を形成することにより上記ワイヤーが形成されることを特徴とする電子デバイスの製造方法。 - 請求項１０に記載の電子デバイスの製造方法において、
上記工程（ｃ）では、上記ソース部と上記ドレイン部との間に交流の電界を形成することを特徴とする電子デバイスの製造方法。 - 基板の上に圧電素子膜を形成する工程（ａ）と、
上記基板の上に、ソース部とドレイン部とを形成する工程（ｂ）と、
上記圧電素子膜の上に、上記ソース部と上記ドレイン部とに接続され、応力が加わることによって電気特性が導電性から絶縁性に変化する性質を有するワイヤーを形成する工程（ｃ）と
を含む電子デバイスの製造方法。 - 請求項１２に記載の電子デバイスの製造方法において、
上記工程（ｃ）では、上記ソース部および上記ドレイン部を試料溶液に浸し、上記ソース部と上記ドレイン部との間に電界を形成することにより形成されることを特徴とする電子デバイスの製造方法。 - 請求項１３に記載の電子デバイスの製造方法において、
上記工程（ｃ）では、上記ソース部と上記ドレイン部との間に交流の電界を形成することを特徴とする電子デバイスの製造方法。
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