JP2007524989A - 自己組織化単分子層を含む電子デバイスおよびこれを製造する方法 - Google Patents

自己組織化単分子層を含む電子デバイスおよびこれを製造する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 電子特性が向上した分子層を有する電子デバイスを提供すること。
【解決手段】 電子デバイスは、ソース領域およびドレイン領域と、ソース領域およびドレイン領域に隣接して配置され、少なくとも１つの共役分子を含む自己組織化単分子層と、自己組織化単分子層に隣接した導電性基板と、を含む。
【選択図】 図７

Description

本出願は、２００３年３月２１日に出願され、InternationalBusiness Machines Corporationに譲渡された、「CONJUGATED MOLECULAR ASSEMBLY, METHOD OF FABRICATING THE ASSEMBLY,AND DEVICE INCLUDING THE ASSEMBLY」と題する米国特許出願第１０／３９２，９７７号（出願人整理番号第ＹＯＲ９２００３００１２ＵＳ１号）に関する。
本発明は、アクティブ材料として自己組織化単分子層（self-assembled monolayer）を含む電子（例えば分子電子）デバイスに関し、具体的には、導電性（例えば金属製）基板に隣接して配置された自己組織化単分子層を有する電子デバイスに関する。
有機薄膜トランジスタ（ＯＴＦＴ：OrganicThin-Film Transistor）は、アモルファス・シリコン・チャネルに基づいた従来の無機半導体トランジスタに代わるものとして、大きな注目を集め続けている。図２〜４に、双方とも広く研究されている下部コンタクトおよび上部コンタクトの幾何学的形状を有するＯＴＦＴを示す。有機半導体材料およびデバイスの調製および製造の進展によって、ＯＴＦＴの電界効果移動度は、〜１ｃｍ2／Ｖ・秒まで増大しており、単結晶有機固体において見出される値から予想される限界に近付いている。
有機薄膜および結晶において、分子またはオリゴマーは、弱いファン・デル・ワールス力（Van der WaalsForces）によって共に保持されており、隣接する分子上のπ軌道（π-orbital）が重複して、固体での電荷移動（chargetransfer）を生じるようになっている。しかしながら、電荷移動は、有機固体において、弱い分子間結合によって制限され、狭い価電子帯および伝導帯を生じ、更に電子−光子結合によって制限される。
近年、狭いチャネルを有するＯＴＦＴの製造、および、一般的に用いられているゲート絶縁無機酸化物または高分子薄膜を、長鎖アルキルトリクロロシラン等の絶縁性自己組織化単分子層（ＳＡＭ：Self-Assembled Monolayer）によって置換することに関する研究が行われている（J. Collet等による「Nano-Field EffectTransistor with an Organic Self-Assembled Monolayer as Gate Insulator」、Applied Physics Letters、Ｖｏｌ．７３、Ｎｏ．１８、１９９８年１１月２日、J. Collet等による「Low-Voltage,30 nm Channel Length, Organic Transistors with a Self-Assembled Monolayer asGate Insulating Films」、AppliedPhysics Letters、Ｖｏｌ．７６、Ｎｏ．１４、２０００年４月３日）。
一方、分子電子および光デバイスにおけるアクティブ層として、共役ＳＡＭ（conjugated SAM）が大きな関心を集めている。これまで研究された共役ＳＡＭは、通常、短い（例えば４ｎｍ未満）共役分子である。また、１つの分子が、他の基または官能性を含む場合があり、共役分子は、もっと大きい分子の一部分である場合がある。
分子電子およびメモリ・デバイスは、分子内電荷移動、および、分子内でのスイッチング等の所望の機能の構築に基づいている。分子スケールのトランジスタは、論理回路（ロジック）用途にとって重要なコンポーネントであり、分子電子工学の「究極の目的」と呼ばれることが多い。
しかしながら、従来の分子デバイスの性能を改善することが望まれている。具体的には、電子特性が向上した分子層（例えば自己組織化単分子層）を有する電子デバイスを提供することが望まれている。
従来のシステムおよび方法の前述の問題およびその他の問題、不都合、欠点を考慮して、本発明の目的は、電子特性が向上した分子層を有する電子デバイスを提供することである。
本発明は、電子デバイス（例えば電界効果トランジスタ）を含む。これは、ソース領域およびドレイン領域と、ソース領域およびドレイン領域に隣接して配置され、少なくとも１つの共役分子を含む自己組織化単分子層と、自己組織化単分子層に隣接して配置された導電性基板（例えば金属基板）と、を含む。例えば、少なくとも１つの共役分子は、オリゴフェニルアセチレン、ポリアセン、オリゴチオフェン、オリゴフェニレン、オリゴフェニレンビニレン、ポルフィリン誘導体の少なくとも１つを含むことができる。
具体的には、自己組織化単分子層は、トランジスタのアクティブ・チャネル層を含むことができる。その場合、キャリアは、自己組織化単分子層内に注入され、自己組織化単分子層によって配される面に沿って伝搬することができる。例えば、自己組織化単分子層は、絶縁体との界面において電流変調および電荷移動を担うアクィブ層を含むことができる。
また、自己組織化単分子層は、分子を組織化して基板上で自己組織化単分子層を整然と形成するのに役立つ官能基を含むことができる。
また、電子デバイスは、自己組織化単分子層に隣接したゲート電極も含むことができる。更に、ゲート電極は、導電基板と同じ層を含むことができる。更に、基板は、チャネル層の静電機能を制御することができ、ゲート電極および基板の少なくとも一方は、自己組織化単分子層から電気的に絶縁することができる。
更に、少なくとも１つの共役分子は、チャネル層の分子間のπ重複を増大させるように選択された複数の分子を含むことができる。更に、複数の分子は、整列され（aligned）１つに集められて、自己組織化単分子層（例えば２次元の層）を形成することができる。
更に、自己組織化単分子層は、自己組織化単分子層のπ電子系と隣接する導電層との間の導通を低減させるための官能基を含むことができる。更に、自己組織化単分子層は、自己組織化単分子層とソースおよびドレイン領域との間の電気的接触を与える官能基を含むことができる。
更に、自己組織化単分子層は、基板に付着するための第１の官能基、および、自己組織化単分子層と隣接する層との間の電気的絶縁を増大させる第２の官能基を含むことができる。
更に、第１の基は、ホスフィン酸化物、亜リン酸塩、リン酸塩、フォスファゼン、アジド、ヒドラジン、スルホン酸、硫化物、二硫化物、アルデヒド、ケトン、シラン、ゲルマン、アルシン、ニトリル、イソシアニド、イソシアン酸塩、チオシアン酸塩、イソチオシアン酸塩、アミド、アルコール、セレノール、ニトロ、ボロン酸、エーテル、チオエーテル、カルバミン酸塩、チオカルバミン酸、ジチオカルバミン酸、ジチオカルボン酸塩、キサントゲン酸塩、チオキサントゲン酸塩、アルキルチオリン酸塩、ジアルキルジチオリン酸塩、およびこれらの基のいずれかの組み合わせの少なくとも１つを含むことができる。
第２の官能基は、例えばアルキル鎖のような絶縁特性を有する。
ソースおよびドレイン領域は、金属コンタクトを含むことができる。ソースおよびドレイン領域は、例えば、自己組織化単分子層の上面上に配置することができる。ソースおよびドレイン領域は、各々、自己組織化単分子層の側面上に配置することができる。更に、導電性基板は、自己組織化単分子層の上面上に配置することができる。
あるいは、ソースおよびドレイン領域の一方を自己組織化単分子層の側面上に配置し、ソースおよびドレイン領域の他方を自己組織化単分子層の上面上に配置することができる。更に、ソースおよびドレイン領域の一方を自己組織化単分子層の下面および側面上に配置し、ソースおよびドレイン領域の他方を自己組織化単分子層の上面および側面上に配置することができる。
また、本発明は、電子デバイスを製造する方法も含む。本発明の方法は、ソース領域およびドレイン領域を形成するステップと、ソース領域およびドレイン領域に隣接して、少なくとも１つの共役分子を含む自己組織化単分子層を形成するステップと、自己組織化単分子層に隣接して導電性基板を形成するステップと、を含む。
その独特で新規な特徴によって、本発明は、電気的特性が向上した分子層（例えば自己組織化単分子層）を有する電子デバイス（およびこの電子デバイスを製造する方法）を提供する。具体的には、本発明の電子デバイスは、従来の有機薄膜トランジスタよりも優れた性能を提供する。
前述および他の目的、態様、および利点は、図面を参照した本発明の好適な実施形態の以下の詳細な説明から、より充分に理解されよう。
ここで図面を参照すると、図７は、本発明に従った電子（例えば分子電子）デバイスの一例を示す。具体的には、図７に示す電子デバイス４００は、ソース領域４５２およびドレイン領域４５３と、このソース領域およびドレイン領域に隣接して配置され、少なくとも１つの共役分子４１０を含む自己組織化単分子層４００と、自己組織化単分子層に隣接した導電性（例えば金属製）基板４５９と、を含む。
一般に、本発明は、導電性（例えば金属）基板上に、またはこれに近接して、自己組織化分子単層または多層（ＳＡＭ）を含むことができる電界効果トランジスタを含む。ＳＡＭ層は、アクティブ半導体チャネルとして使用可能である。ＳＡＭ内に注入されるキャリアは、ＳＡＭによって配される面に沿って伝搬する。
本発明は、少なくとも以下の点で、従来の有機薄膜トランジスタ（ＯＴＦＴ）（例えば、G. Horowitz、「OrganicField-Effect Transistors」、Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．１０、３６５（１９９８年）、「Organic Electronics」、IBM Journal of Research and development、ｖｏｌ．４５（１）、２００１年を参照）とは異なる。
（１）従来のＯＴＦＴにおける導電チャネルは共役π電子系を伴うが、本発明の導電チャネル材料は、特に、本発明の幾何学的形状によって生成される物理的特性において異なる。
具体的には、本発明におけるチャネルは、ＳＡＭ層（例えば、導電性（例えば金属）の表面の上に、またはこれに近接して自己組織化した分子層）を含む。ＳＡＭ層の電気的特性は、いったん金属基板上に組織化されると、著しく向上する。ＳＡＭに基づくＦＥＴは従来の有機薄膜トランジスタよりも優れた性能を与えるという証拠がある。
（２）本発明では、分子膜および金属基板に対する（平行または傾斜している）面内に、ＳＡＭに近接して、ゲート電極を配置することができる。また、ゲートは、金属基板自体とすることも可能である。その場合、基板の機能は、ＳＡＭ層を組織化し（assemble）、半導体ＦＥＴチャネルの静電特性（electrostatics）を制御することである。
（３）本発明では、ソース−ドレイン電極を、ＳＡＭ層のπ電子系に直接接触させることができる。しかしながら、ゲートおよび（または）金属基板は、π電子ＳＡＭ層から電気的に絶縁することができる。すなわち、ＳＡＭ層（例えばＳＡＭ層を形成する分子）は、例えば、以下を含む多数の機能を有することができる。
（ａ）薄膜における分子間のπ重複（p-overlap）を最大化する共役部を有するように設計することができる。
（ｂ）表面（例えば金属表面または基板）上で分子を整然と組織化することを助けるため、官能基を有することができる。例えば、いくつかの整列させた１Ｄ（１次元）構造（例えば有機分子）を１つに集めて（ぎっしり詰めて）、２Ｄ（２次元）構造（例えば層）を形成することができる。
（ｃ）別の化学基（または自己組織化に用いる末端基に付着させたペンダント部）を含めて、π電子系と支持金属（例えばゲート制御領域）との間の導通を低減することができる。しかしながら、自己組織化のための末端基は、支持金属から系（system）を充分に分離させることが可能である。
（ｄ）別の官能基を含めて、ソースおよびドレイン電極によるπ電子ＳＡＭ層に対する電気的接触を可能とすることができる。また、この基は、方位を制御してデバイス特性を向上させることができるように設計可能である。
自己組織化単分子層（ＳＡＭ）は、導電性基板（例えば金等の金属）の上に、またはこれに近接して１つに集められ組織化された、共役部（例えばベンジル環）を含む分子の単層（または多層）を含むことができる。
（４）また、ＳＡＭ層は、アクティブ層における電荷移動を２次元に制限することができる。この次元数の低減および幾何学的形状によって、ソースおよびドレイン電極からの注入を含むデバイスの動作を支配する静電特性が向上する。
基板がない場合の分子特性
図１は、分子層１０を示し、図２〜４は、自己組織化単分子層に隣接して配置された導電性基板を有しないデバイス１５０、１６０、１７０を示す。
分離された共役分子は、大きいバンドギャップを有する。有機固体において、薄膜または単結晶として、隣接する共役分子間でのπ軌道の重複から電荷移動が生じ、もっと狭い「バンド」または状態を形成する。室温では、分子間ホッピングから電荷移動が生じ、従って、薄膜および単結晶有機ＦＥＴは、最大でも〜１−１０ｃｍ2／Ｖ・秒である低いキャリア移動度を示す（G. Horowitz、「OrganicField-Effect Transistors」、Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．１０、３６５（１９９８年）、「Organic Electronics」、IBM Journal of Research and development、ｖｏｌ．４５（１）、２００１年）。
例えば、図１は、少なくとも１つの共役分子を含む分子層１０を示す（例えば堆積した分子層）。更に、分子層１０は、（例えば基板に付着させるための）共役分子に付着させたヘッド（頭部）末端基、および、（例えば別の分子または層に付着させるための）テイル（後尾）末端基を含むことができる。
図２は、上部コンタクト薄膜トランジスタ１５０を示す。分子層１０がゲート絶縁体１５１の上に配置され、ソースおよびドレイン領域１５２、１５３が分子層１０の上に配置されている。ゲート絶縁体１５１は、ゲート電極１５８の上に堆積または成長させ、ゲート電極１５８は、基板１５９の上に堆積することができるか、または基板１５９である。図３は、下部コンタクト薄膜トランジスタ１６０を示す。ソースおよびドレイン領域１６２、１６３がゲート絶縁膜１６１の上に配置され、分子層１０がソースおよびドレイン領域１６２、１６３ならびにゲート絶縁膜１６１の上に配置されている。ゲート絶縁体１６１は、ゲート電極１６８の上に堆積または成長させ、ゲート電極１６８は、基板１６９の上に堆積することができるか、または基板１６９である。図４は、単結晶電界効果トランジスタ１７０（例えばゲート１７４を有する）を示す。分子層１０が、ゲート絶縁膜１７１ならびにソースおよびドレイン領域１７２、１７３の下に配置されている。
これらの構造の各々において、電流変調（currentmodulation）および電荷移動（chargetransport）を担うアクティブ層は分子層１０であり、特に、絶縁体との界面に配置された分子層１０の部分である（ゲート電極に密接した分子−絶縁体界面）。
基板の役割およびＳＡＭの形成
分子層における分子は、導電性（例えば金属）基板の表面の上にまたはこれに近接して付着させる（例えば化学的に結合させるかまたは吸収させる）。基板は、テンプレートであり、この上に分子層を組織化して整然とした構造を形成する。更に、基板（例えば近接金属表面）は、π系の電気的特性を改善し、ゲート電界による優れた導電および変調に役立つようにバンドを変更するという証拠がある。
また、有機薄膜におけるように、ＳＡＭ層は、組織化された分子間の強いπ重複を伴う。しかしながら、ＳＡＭ膜における電子状態は、導電性（例えば金属）基板の存在のために改善する。この改善は、主に、導電性基板との電子の相互作用のため、分子がより良く整列し、広い状態（state）を形成することによって生じる。
更に、分子層は、単分子層（例えば電荷移動のための薄いチャネル）であるＳＡＭ層を含む。従って、この層の電子状態は、より適切に膜の面内に閉じ込められる。分子層（例えば堆積した分子層）は、単一の単分子層よりも厚くすることができるが、基板（例えば金属基板）の表面に隣接した分子層のみが電子的に広くなり、ゲート絶縁体に隣接する分子層のみがゲート電界によって変調される。
ＳＡＭの構造
ＳＡＭのπ系は、化学基またはバッファ層を用いて、基板から電気的に絶縁することができる。例えば、移動のバリアを形成するために、チオール基が知られている（M. A. Reed等、「Conductanceof a Molecular Junction」、Ｓｃｉｅｎｃｅ２７８，２５２（１９９７年）、M. Diventra等、「First-Principles Calculation of Transport Properties of a MolecularDevice」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８４，９７９（２０００年））。かかるバリアは、π電子を更に閉じ込め、基板（例えば金（金属）基板）から導電チャネルを分離するのに役立てることができる。この閉じ込めは、短チャネル挙動を軽減させ、コンタクト・バリアを介した電荷注入を改善するように作用することができる。
分子層１００（例えば半導体分子膜）は、例えば図５に示す一般的な構造を有することができる。図５に示すように、ヘッド末端（ヘッド・エンド）１１１およびテイル末端（テイル・エンド）１１２を付着させた共役分子１１０（例えばπ分子系）を含む一般的なＳＡＭ層１００を、基板２１０の上に配置することができる。図５において、基板２１０は金属基板であるが、他の導電性基板も可能である。
図６は、π分子系のためのＳＡＭ層３００の具体的な例を示す。この例では、ＳＡＭ層３００は、ジチオール分子で配置されている。具体的には、ＳＡＭ層３００は、共役分子３１０（例えばπ分子１Ｄまたは２Ｄ系）、共役分子３１０に結合させたヘッド末端ジオール分子３１１、およびテイル末端チオール分子３１２を含む。ＳＡＭ層３００は、基板３１０（例えば金の基板）の上に組織化することができる。
この例では、金の基板は、いずれかの導電性膜または機能化金属または薄い酸化物層を有する金属または高濃度にドーピングした半導体を含む他の支持体によって置換することができる。また、分子のヘッドは、それらの基板上で個々の分子を化学的に自己組織化させるのに役立ついずれかの化学基で構成することができる。
ＳＡＭ層は、米国特許出願第１０／３９２９７７号に記載された方法で配置することができ、（上にこれを配置する導電性基板と組み合わせて）上述の関連特許出願に詳細に記載した共役分子集合体に類似した構造を有することができる。
更に具体的には、ＳＡＭを形成する分子は、同一の末端基を有する（例えばヘッド基がテイル基と同一である）か、または２つの異なる官能末端基を有する（ヘッドおよびテイルが異なる）ことができる。一方の末端基（「ヘッド」基と称する）は、所望の基板表面に付着する（例えば結合または吸着する）ように選択する。また、ヘッド基によって、基板とＳＡＭによって配されるπ共役層との間の電気的絶縁を得ることができる。他方の末端基（「テイル」基と称する）は、ソースおよびドレイン電極に対して電気的コンタクトを形成し抵抗を低減するように選択することができる。
「ヘッド」末端基は、例えば、金属および半導体表面では、チオール／チオラート、アミン、イミン、ニトリル、イソシアニド、ホスフィン、セレン化合物、および硫化物を含む官能基から選択することができる。酸化物表面では、例えば、ヘッド末端官能基は、シラン、ホスホン酸、ヒドロキサム酸、およびヒドロキシ酸官能基を含むことができる。このリストは網羅的なものではなく、限定を意図するものではない。
また、末端官能基（例えばヘッド末端基あるいはテイル末端基またはその両方）は、アルキル鎖等のスペーサ基を含むように選択して、別の層（例えば基板またはＳＡＭ層の上に配置された層）とＳＡＭ層（例えばπ分子層）との間の電気的絶縁を増大させることができる。
「テイル」末端基は、ヘッド末端基に関して先に列挙した同じ群から選択することができる。更に、テイル末端基は、「ヘッド」基と同じかまたは異なる機能を有することができ、ＳＡＭ層−金属のコンタクト（例えば分子層と分子層の上に配置したソースまたはドレインとの間のコンタクト）を制御するように選択することができる。例えば、イソシアニドは、低抵抗の金属−分子コンタクトを提供することが示されている（J. Chen、L. C. Calvet、M. A. Reed、D. W. Carr、D. S. GrubishaおよびD. W. Bennet、「Electronic Transport Through Metal-1,4,phenylene diisocyanide-metal Junctions」、Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３１３，７４１（１９９９年））。
ＳＡＭＦＥＴの構造
図７〜１２は、本発明によるＳＡＭＦＥＴの例を示す。例えば、これらの図に示すように、ＳＡＭＦＥＴは、分子π層（例えばＳＡＭ層）の上面または側面に接触するソース電極およびドレイン電極（例えば金属コンタクト）を含むことができる。構造のゲート制御を向上させるように、分子π層（例えばＳＡＭ膜）のほとんどを、ゲート電界にさらさなければならない（例えばゲート電極に近接させる）。
例えば、図７が示すＳＡＭＦＥＴ構造において、ＳＡＭＦＥＴ４５０は、２つの上部コンタクト（例えばソース電極４５２およびドレイン電極４５３）を含む。具体的には、ＳＡＭ層４００は、共役分子４１０（例えばπ分子層）およびヘッド末端官能基４１１およびテイル末端官能基４１２を含み、導電性（例えば金属）基板４５９の上に配置されている。また、ＳＡＭＦＥＴ４５０は、誘電体（例えば絶縁性）層４５１およびこの誘電層４５１の上に配置されたゲート（例えば金属ゲート）４５８を含む。
しかしながら、他のコンタクト方式によって、分子ＳＡＭ内への代替的な注入を行うことができる。これは、例えば図８に示される。図８は、金属とすることができる側面コンタクト（例えばソース電極５５２およびドレイン電極５５３）を有するＳＡＭＦＥＴ５５０を例示する。具体的には、ＳＡＭ層５００は、共役分子５１０（例えばπ分子（１Ｄまたは２Ｄ層））およびヘッド末端官能基５１１およびテイル末端官能基５１２を含み、導電性（例えば金属）基板５５９の上に配置されている。また、ＳＡＭＦＥＴ５５０は、誘電体（例えば絶縁性）層５５１およびこの誘電層５５１の上に配置されたゲート（例えば金属ゲート）５５８を含む。
更に、図９はＳＡＭＦＥＴ６５０を示す。これは、金属とすることができる側面および上面コンタクト（例えばそれぞれソース電極６５２およびドレイン電極６５３）を有する。具体的には、ＳＡＭ層６００は、共役分子６１０（例えばπ分子（例えば２Ｄ）層）およびヘッド末端官能基（例えばチオール基）６１１およびテイル末端官能基（例えばチオール基）６１２を含み、導電性（例えば金属）基板６５９の上に配置されている。また、ＳＡＭＦＥＴ６５０は、誘電体（例えば絶縁性）層６５１（例えば酸化物）およびこの誘電層６５１の上に配置されたゲート（例えば金属ゲート）６５８を含む。
図１０は、本発明によるＳＡＭＦＥＴ構造の別の可能な例を示す。例えば、図１０が示すＳＡＭＦＥＴ７５０は、ＳＡＭ層７００の上に配置されたソース７５２およびドレイン７５３を有する。具体的には、ＳＡＭ層７００は、共役分子７１０（例えばπ分子層）およびヘッド末端官能基７１１およびテイル末端官能基７１２を含み、基板（例えばシリコン基板）７５９の上に配置された絶縁層（例えば二酸化シリコン）７６０の上に配置されている。また、ＳＡＭＦＥＴ７５０は、誘電体（例えば絶縁性）ＳＡＭ層７００の上に配置された層７５１および金属層７５８を含む。
図１１は、図１０に示したものと同様のＳＡＭＦＥＴを示す。しかしながら、図１１において、ＳＡＭＦＥＴは、ＳＡＭ層の側面に配置されたソースおよびドレインを有する。具体的には、ＳＡＭＦＥＴ８５０は、ソース電極８５２およびドレイン電極８５３を含む。ＳＡＭ層８００は、共役分子８１０（例えばπ分子層）およびヘッド末端官能基８１１およびテイル末端官能基８１２を含み、基板（例えばシリコン基板）８５９の上に配置された絶縁層（例えば二酸化シリコン）８６０の上に配置されている。また、ＳＡＭＦＥＴ８５０は、誘電体（例えば絶縁）層８５１と、この誘電体層８５１およびＳＡＭ層８００の上に配置された金属（例えば金属ゲート）８５８とを含む。
図１２において、ＳＡＭＦＥＴ９５０は、ＳＡＭ層の側面および下部に配置されたソースと、ＳＡＭ層の側面に配置されたドレインとを有する。具体的には、ＳＡＭＦＥＴ９５０は、ソース電極９５２およびドレイン電極９５３を含む。ＳＡＭ層９００は、共役分子９１０（例えばπ分子（１Ｄまたは２Ｄ）層）およびヘッド末端官能基９１１およびテイル末端官能基９１２を含み、基板（例えば金属基板）９５９の上に配置されている。また、ＳＡＭＦＥＴ９５０は、誘電体（例えば絶縁）層９５１およびこの誘電体層９５１の上に配置されたゲート（例えば金属ゲート）９５８を含む。
しかしながら、（例えば図１２に示すような）この構造では、デバイスのオフ状態において、トンネリングまたは他の形態の寄生伝導を低減するか、更には阻止することが有利な場合がある。実際、ソースおよびドレイン電極９５２、９５３が、互いに、または基板９５９（例えば金属基板）と、極めて近接している（ほぼ分子膜の厚さ）領域がある。従って、ヘッド基９１１は、これらの領域において、より高い抵抗を生じるように設計しなければならない。
ゲート電極
上述の構造（例えば図７〜１２に示したような）では、誘電体層によってソースおよびドレイン領域からゲート電極を分離することができる。更に、ＳＡＭ層によって配置された面に対して垂直に電界を印加することができる。例えば、誘電体層は、酸化シリコン、金属酸化物、有機膜、または他の誘電体層材料から成るものとすることができる。ゲートの幾何学的形状は、分子層において有効な伝導の変調が行われるように選択しなければならない。
本発明は、従来のデバイスに関する先に考察した問題を解決する。具体的には、本発明は、基板上での製造および組織化のコストが低い分子ＦＥＴ構造を提供することによって、従来のデバイスに勝る利点を達成する。
かかる分子ＦＥＴの性能は、他のいずれの分子デバイスよりも優れている。なぜなら、少なくとも導電性表面が分子チャネルに近接して配置され、分子内への注入がいっそう効率的になり、チャネル層における電子ガスの閉じ込めが良好であり、静電界からのゲート制御がより有効になるからである。更に、本発明は、例えば論理（回路）またはメモリ・デバイスにおいて利用可能である。
更に、本発明による構造の各々において、電流変調および電荷移動を担うアクティブ層は、絶縁体との界面（ゲート電極に最も近接した分子−絶縁体界面）における分子層（例えばＳＡＭ層）である。いったん金属表面に近接して組織化されると、分子は、整然とした１Ｄ（１次元）または２Ｄ（２次元）の分子層を形成し、組織化された共役分子間にπ重複を生じる。この分子層は、表面（金属または金属酸化物）に物理的に吸収されるか、化学的に結合するか、または表面に近接している場合がある。
例えば、物理的に吸収された分子層（例えばＳＡＭ層）は、例えば、オリゴフェニルアセチレン、ポリアセン（ペンタセン等）、オリゴチオフェン（６チオフェン等）、およびポフィリン誘導体（フタロシアニン等）を含む共役分子を含むことができる。分子層は、溶液からまたは気相から堆積させて、共役分子間のπ重複を有するこのような分子層を形成することができる。
共役分子間のπ−π相互作用は、これらの系の組織化を促進するのに役立ち、基板表面から立ち上がる分子を正しく方向付けることができる。更に、これらの共役分子の末端を、アルキル鎖等の絶縁性スペーサによって官能化して、電極からの分子の電気的抵抗を調整することができる。
共役部分（例えばＳＡＭ層における共役分子（複数の分子））の例は、以下の構造式を有する分子を含む。
Figure 2007524989
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また、ＳＡＭ層を、（例えば基板に隣接して）基板に化学的に結合することも可能である。また、分子層の共役分子内に異なる官能性を構築するために、合成化学によって柔軟性を与える。例えば、共役分子間にπ重複を有する共役分子の自己組織化単分子層を形成するように、分子を設計することができる。
更に、金属、半導体、または絶縁性表面を含むことができる特定の材料に結合するヘッド基を用いて分子を官能化して、分子層の自己組織化を容易にすることができる。これを、例えば図１３〜１５に示す。
例えば、図１３が示す系１０５０は、基板１０５９および共役分子１０１０を含み、共役分子１０１０は、この共役分子１０１０を基板１０５９に付着させるためのヘッド末端官能基１０１１を有する。図１４の系１０６０は、図１３に示すものと同様である。しかしながら、系１０６０は、ヘッド末端官能基１０１１と共役分子１０１０との間に、絶縁性官能基１０１３を含む。更に、図１５の系１０７０は、図１４のものと同様である。しかしながら、系１０７０は、共役分子１０１０上のテイル末端官能基１０１２、および、テイル末端官能基１０１２と共役分子１０１０との間に配置された第２の絶縁性官能基１０１４を含む。
化学的特異性によって、ある特定の基板表面と相互作用するか、またはこれに結合するために使用可能な（例えば共役分子に付着させる）ヘッド末端官能基の例は、同一または異なる官能基の１つ以上を含み、例えば、ホスフィン酸化物、亜リン酸塩、リン酸塩、フォスファゼン、アジド、ヒドラジン、スルホン酸、硫化物、二硫化物、アルデヒド、ケトン、シラン、ゲルマン、アルシン、ニトリル、イソシアニド、イソシアン酸塩、チオシアン酸塩、イソチオシアン酸塩、アミド、アルコール、セレノール、ニトロ、ボロン酸、エーテル、チオエーテル、カルバミン酸塩、チオカルバミン酸、ジチオカルバミン酸、ジチオカルボン酸塩、キサントゲン酸塩、チオキサントゲン酸塩、アルキルチオリン酸塩、ジアルキルジチオリン酸塩、ホスホン酸、ヒドロキサム酸、またはこれらの基のいずれかの組み合わせである。例えば、図６のＳＡＭ層３００において、ヘッド末端官能基３１１およびテイル末端官能基３１２は、双方ともチオール官能基を含む。
共役部分（セグメント）は、官能化されたヘッド基に直接結合することができ、または、絶縁性部分によって離間して、所望のデバイス構造および特性を達成することができる。絶縁性部分は、例えば、金属基板からの共役部分の電気的絶縁を改善／調整するように組み込むことができ、ゲート誘電体として機能するように選択可能である。
例えば、絶縁性部分は、単一のアルキル鎖とすることができる。共役部分は、上述の例（例えば、アセン、チオフェン、フェニレン、フェニレンビニレン、ポルフィリン誘導体）からのもの、または当技術分野におけるものとすることができる。また、絶縁性スペーサを用いておよびテイル末端官能基を用いて、π共役部分を官能化することができる。例えば、テイル末端官能基を用いて、分子層の上部に配置された金属層に対するコンタクト（接触）を得ることができる。例示的なテイル末端官能基のリストは、表官能性について上述したものと同じである。
ＳＡＭＦＥＴ構造の製造
図１６に示すように、本発明は、自己組織化単分子層（ＳＡＭＦＥＴ）を含む電子デバイス（例えば電界効果トランジスタ）を製造する発明の方法１１００も含む。本発明の方法１１００は、ソース領域およびドレイン領域を形成するステップ（１１１０）と、ソース領域およびドレイン領域に隣接して、少なくとも１つの共役分子を含む自己組織化単分子層を形成するステップ（１１２０）と、自己組織化単分子層に隣接して導電性基板を形成するステップ（１１３０）と、を含む。
例えば、本発明の方法１１００を用いて、図７に示すような２つの上部コンタクトを有するＳＡＭＦＥＴを製造することができる。具体的には、本発明の方法１１００のこの例において、平坦な基板上に絶縁層（例えばＳｉウエハ上のＳｉ酸化物）を成長させることができる。この絶縁層の上に、（Ｔｉ等の標準的な接着層を用いて）金の膜を堆積する。リソグラフィを用いて金の膜をパターニングする。金の層を洗浄し、分子自己組織化技法を用いて、上述のようにアクティブ分子を堆積する。
次いで、ステンシル・マスクによって、またはリソグラフィを用いて、分子層（例えばＳＡＭ層）の上に、（例えば蒸着によって）上部金属層を堆積することができる。この金属層は、ＳＡＭ層トランジスタのソースおよびドレインを形成する。この層は、電気めっきによって成長させることも可能である。
ＣＶＤ技法または自己組織化を含む別の技法を用いて絶縁層を堆積し、次いでゲート金属を堆積する（または、ステンシル・マスクを介してゲート層を堆積し、次いでリソグラフィおよびエッチングを用いてコンタクトを開口する）。光リソグラフィを用いてゲート金属をパターニングし、ゲート層をエッチングし、リソグラフィおよびエッチングを用いてコンタクトを開口する。
その独特で新規な特徴によって、本発明は、電気的特性が向上した分子層（例えば自己組織化単分子層）を有する電子デバイス（およびこの電子デバイスを製造する方法）を提供する。具体的には、本発明の電子デバイスは、従来の有機薄膜トランジスタよりも優れた性能を提供する。
本発明について好適な実施形態に関連付けて説明したが、特許請求の精神および範囲内で本発明を変更して実施可能であることは、当業者には認められよう。具体的には、本明細書における図面は例示を意図したものであり、本発明の組織化（assembly）の設計は本明細書中に開示したものに限定されず、本発明の精神および範囲内で変更可能であることは、当業者には理解されよう。
更に、出願人の意図は、全ての請求要素の均等物を包含することであり、本出願のいずれの請求項に対する補正も、補正した特許請求の範囲のいずれかの要素または特徴の均等物におけるいかなる利益または権利の放棄（disclaimer）としても解釈されない。
分子層１０を示す。 隣接する導電性基板なしの分子層を有するデバイス１５０を示す。 隣接する導電性基板なしの分子層を有するデバイス１６０を示す。 隣接する導電性基板なしの分子層を有するデバイス１７０を示す。 金属基板に隣接した分子層１００の例を示す。 金の基板に隣接した分子層３００の具体例を示す。 本発明による２つの上部コンタクトを有する電子デバイス４５０を示す。 本発明による側面コンタクトを有する電子デバイス５５０を示す。 本発明による側面コンタクトおよび上部コンタクトを有する電子デバイス６５０を示す。 本発明による２つの上部コンタクトおよび上部金属基板を有する電子デバイス７５０を示す。 本発明による上部金属基板および２つの側面コンタクトを有する電子デバイス８５０を示す。 本発明による側面／下部コンタクトおよび上面／側面コンタクトを有する電子デバイス９５０を示す。 本発明によって、共役分子１０１０を、ヘッド基１０１１、テイル基１０１２、および絶縁基１０１３、１０１４によってどのように官能化することができるかを示す。 本発明によって、共役分子１０１０を、ヘッド基１０１１、テイル基１０１２、および絶縁基１０１３、１０１４によってどのように官能化することができるかを示す。 本発明によって、共役分子１０１０を、ヘッド基１０１１、テイル基１０１２、および絶縁基１０１３、１０１４によってどのように官能化することができるかを示す。 本発明による電子デバイスの製造方法１１００を示す。

Claims (25)

  1. 電子デバイスであって、
    ソース領域およびドレイン領域と、
    前記ソース領域および前記ドレイン領域に隣接して配置され、少なくとも１つの共役分子を含む自己組織化単分子層と、
    前記自己組織化単分子層に隣接した導電性基板と、
    を含む、電子デバイス。
  2. 前記導電性基板が金属基板を含む、請求項１に記載の電子デバイス。
  3. 前記自己組織化単分子層がチャネル層を含み、
    前記自己組織化単分子層内に注入されたキャリアが、前記自己組織化単分子層によって配される面に沿って伝搬する、請求項１に記載の電子デバイス。
  4. 前記自己組織化単分子層が官能基を更に含み、前記官能基が、前記基板上で前記自己組織化単分子層の分子を整然と組織化するのに役立つ、請求項１に記載の電子デバイス。
  5. 前記自己組織化単分子層に隣接したゲート電極を更に含む、請求項１に記載の電子デバイス。
  6. 前記ゲート電極が前記基板と同じ層を含み、前記基板が、前記自己組織化単分子層を組織化し、前記自己組織化単分子層の静電機能を制御する、請求項５に記載の電子デバイス。
  7. 前記ゲート電極および前記基板の少なくとも一方が前記自己組織化単分子層から電気的に絶縁されている、請求項６に記載の電子デバイス。
  8. 前記少なくとも１つの共役分子が、前記自己組織化単分子層の分子間のπ重複を増大させるように選択された複数の分子を含む、請求項１に記載の電子デバイス。
  9. 前記複数の分子が整列され１つに集められて２次元の膜を形成する、請求項８に記載の電子デバイス。
  10. 前記自己組織化単分子層が、前記自己組織化単分子層のπ電子系と隣接する導電層との間の導通を低減させるための官能基を更に含む、請求項１に記載の電子デバイス。
  11. 前記自己組織化単分子層が、前記ソースおよびドレイン領域による前記自己組織化単分子層に対する電気的接触を与える官能基を更に含む、請求項１に記載の電子デバイス。
  12. 前記自己組織化単分子層が、絶縁体との界面において電流変調および電荷移動を担うアクィブ層を含む、請求項１１に記載の電子デバイス。
  13. 前記自己組織化単分子層が、前記基板に付着するための第１の官能基を更に含む、請求項１に記載の電子デバイス。
  14. 前記自己組織化単分子層が、前記自己組織化単分子層と隣接する層との間の電気的絶縁を増大させる第２の官能基を更に含む、請求項１３に記載の電子デバイス。
  15. 前記第１および第２の官能基が、ホスフィン酸化物、亜リン酸塩、リン酸塩、フォスファゼン、アジド、ヒドラジン、スルホン酸、硫化物、二硫化物、アルデヒド、ケトン、シラン、ゲルマン、アルシン、ニトリル、イソシアニド、イソシアン酸塩、チオシアン酸塩、イソチオシアン酸塩、アミド、アルコール、セレノール、ニトロ、ボロン酸、エーテル、チオエーテル、カルバミン酸塩、チオカルバミン酸、ジチオカルバミン酸、ジチオカルボン酸塩、キサントゲン酸塩、チオキサントゲン酸塩、アルキルチオリン酸塩、ジアルキルジチオリン酸塩、ホスホン酸、ヒドロキサム酸、およびこれらの基のいずれかの組み合わせの少なくとも１つを含む、請求項１４に記載の電子デバイス。
  16. 前記電子デバイスが電界効果トランジスタを含む、請求項１に記載の電子デバイス。
  17. 前記ソースおよびドレイン領域の各々が金属コンタクトを含む、請求項１に記載の電子デバイス。
  18. 前記ソースおよびドレイン領域が前記自己組織化単分子層の上面上に配置されている、請求項１に記載の電子デバイス。
  19. 前記導電性基板が前記自己組織化単分子層の上面上に配置されている、請求項１８に記載の電子デバイス。
  20. 前記ソースおよびドレイン領域が各々、前記自己組織化単分子層の側面上に配置されている、請求項１に記載の電子デバイス。
  21. 前記導電性基板が前記自己組織化単分子層の上面上に配置されている、請求項２０に記載の電子デバイス。
  22. 前記ソースおよびドレイン領域の一方が前記自己組織化単分子層の側面上に配置され、前記ソースおよびドレイン領域の他方が前記自己組織化単分子層の上面上に配置されている、請求項１に記載の電子デバイス。
  23. 前記ソースおよびドレイン領域の一方が前記自己組織化単分子層の下面および側面上に配置され、前記ソースおよびドレイン領域の他方が前記自己組織化単分子層の上面および側面上に配置されている、請求項１に記載の電子デバイス。
  24. 前記少なくとも１つの共役分子が、オリゴフェニルアセチレン、ポリアセン、オリゴチオフェン、フェニレン、フェニレンビニレン、ポルフィリン誘導体、またはこれらのいずれかの組み合わせを含む、請求項１に記載の電子デバイス。
  25. 電子デバイスを製造する方法であって、
    ソース領域およびドレイン領域を形成するステップと、
    前記ソース領域および前記ドレイン領域に隣接して、少なくとも１つの共役分子を含む自己組織化単分子層を形成するステップと、
    前記自己組織化単分子層に隣接して導電性基板を形成するステップと、
    を含む、方法。
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