JP2012190840A - ナノ構造デバイスおよびナノ構造デバイスの作製方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】結晶成長を促進させる雰囲気ガス中で、金属細線に所定の電圧印加および電流を流してこの金属細線に結晶成長をさせつつ、ナノギャップを形成する。結晶成長により、金属細線は局所的に高い結晶性を有する領域を備え、この領域にナノギャップが形成される。
【選択図】図14
Description
金属細線2に設けられた理想的なナノギャップ構造の形状は、ナノギャップ幅6、ナノギャップ長さ7、および、ナノギャップ幅の均一性により定められる。
半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた金属細線とを備え、
前記金属細線は、局所的に高い結晶性を有する領域を備え、前記領域にナノギャップが形成されているナノ構造デバイスである。
前記ナノギャップは、2nm以下のギャップ幅であることを特徴としている。
前記ナノギャップは、ナノギャップ長が100 nm以上にわたって均一な幅を有することを特徴としている。
前記金属細線を構成する金属は、白金、金、アルミニウム、銅、チタン、タングステン、ルテニウム、銀、タンタル、炭素、及びこれらの合金もしくは化合物であることを特徴としている。
結晶成長を促進させる所定の雰囲気ガス中で、金属細線に所定の電圧印加および電流を流して前記金属細線において局所的に結晶成長させて、前記金属細線にナノギャップを形成するナノ構造デバイスの作製方法である。
前記金属細線を構成する金属は、白金、金、アルミニウム、銅、チタン、タングステン、ルテニウム、銀、タンタル、炭素、及びこれらの合金もしくは化合物であることを特徴としている。
前記雰囲気ガスは、水素、一酸化炭素、硫化水素、ホルムアルデヒド、酸素、オゾン、亜酸化窒素、または、それらの混合ガス、または、不活性元素であることを特徴としている。
絶縁体膜4および半導体基板5上の金属細線2の幅は、1μm以下である。金属細線2の材質としては、白金、金、アルミニウム、銅、チタン、タングステン、ルテニウム、銀、タンタル、炭素、及びこれらの合金もしくは化合物が挙げられる。
図3、4、5、7に示したように、ナノギャップ幅6が狭く、且つ、均一であり、ナノギャップ長7が長い形状が理想的な形状である。また、ナノギャップ面を挟む金属細線2における結晶面が単一の結晶面で構成されるような高い結晶性を持つナノギャップが理想的な形態である。
発明者らは、所定の雰囲気ガス中で金属細線2に所定の電圧印加および電流を流して結晶成長させるプロセスを行うことで、金属細線2の結晶粒界が局所的に大きく再構成しやすくなることを見出した。
この手法で用いられている所定の電圧・電流を印加する方法では、金属細線2が蒸発もしくは融解する程度の大きなジュール熱を抑制する必要がある。結晶性の向上には高い温度が必要であるが、温度が高すぎると、金属細線2が融解・蒸発などで大きく変形してしまうため、それらの温度以上にならないように温度を制御することが望ましい。この温度の調整には、微分抵抗を制限した電圧掃引印加や、パルス時間幅を抑制した電圧パルス印加法などが好適に用いられる。この温度以下で、この所定の電圧・電流を印加する方法により、結晶粒界の原子に電子の運動エネルギーを与え、結晶粒界の原子をエレクトロマイグレーションで輸送する。結果として、このエレクトロマイグレーションが特に集中して発生した金属細線箇所では、最終的に金属細線2が断線されナノギャップ構造になる。
図13には、結晶成長過程における金属細線のSEM像を示す。結晶の成長に伴い、金属細線は、徐々に断線されていく。
以上の手順により、ナノギャップ構造を作製した。
図14には、作製したナノギャップ構造のSEM写真を示す。ギャップ幅が2 nm以下、かつ、ギャップ長100 nmのナノギャップ構造が得られている。また、ギャップ部の結晶構造が単一である。
図15には、作製した他のナノギャップ構造のSEM写真を示す。ギャップ幅が2nm以下、かつ、ギャップ長2 nmのナノギャップ構造である。また、ギャップ部の結晶構造が単一である。
2:金属細線
3:金属層
4:半導体基板表面(絶縁層)
5:半導体基板
6:ギャップ幅
7:ギャップ長
11〜13:結晶面
15:アズグロウンの結晶状態(アモルファス)
16:金属結晶が再構成した領域
17〜19:金属結晶
Claims (8)
- 半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた金属細線とを備え、
前記金属細線は、局所的に高い結晶性を有する領域を備え、前記領域にナノギャップが形成されているナノ構造デバイス。 - 前記ナノギャップは、2nm以下のギャップ幅であることを特徴とする請求項1記載のナノ構造デバイス。
- 前記ナノギャップは、ナノギャップ長が100 nm以上にわたって均一な幅を有することを特徴とする請求項1記載のナノ構造デバイス。
- 前記金属細線を構成する金属は、白金、金、アルミニウム、銅、チタン、タングステン、ルテニウム、銀、タンタル、炭素、及びこれらの合金もしくは化合物であることを特徴とする請求項1記載のナノ構造デバイス。
- 当該ナノ構造デバイスは、電子デバイス、光デバイス、又はバイオデバイスであることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載のナノ構造デバイス。
- 結晶成長を促進させる所定の雰囲気ガス中で、金属細線に所定の電圧印加および電流を流して前記金属細線において局所的に結晶成長させて、前記金属細線にナノギャップを形成するナノ構造デバイスの作製方法。
- 前記金属細線を構成する金属は、白金、金、アルミニウム、銅、チタン、タングステン、ルテニウム、銀、タンタル、炭素、及びこれらの合金もしくは化合物であることを特徴とする請求項6記載のナノ構造デバイスの作製方法。
- 前記雰囲気ガスは、水素、一酸化炭素、硫化水素、ホルムアルデヒド、酸素、オゾン、亜酸化窒素、または、それらの混合ガス、または、不活性元素であることを特徴とする請求項6記載のナノ構造デバイスの作製方法。
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JP2007123828A (ja) * | 2005-09-27 | 2007-05-17 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | スイッチング素子 |
JP2008311449A (ja) * | 2007-06-15 | 2008-12-25 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | シリコンによる2端子抵抗スイッチ素子及び半導体デバイス |
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