JP3852963B2 - マイクロ電子デバイス - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明はマイクロ電子デバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
量子力学的効果を利用するマイクロ電子デバイスは高い集積度を有する非常に高速の電子デバイスの開発の点で重要性を増している。その際に関心はなかんずく、リクハレーヴ(K.K.Likharev)著「グラニュラー‐ナノエレクトロニクス」D.K.Ferry ed. Plenum,N.Y. (1991年)、第371頁以降に記載されているクーロン障壁の効果に向けられている。
【0003】
クーロン障壁は、トンネル接触を介しての電子のトンネリングの際に全システムのエネルギーが変化する効果に基づいている。トンネル接触とは、絶縁層により隔てられた2つの電極を含んでいる構造を云い、その際に絶縁層は、絶縁層を通じての個々の電子のトンネリングが生ずるように薄い。その際に全システムのエネルギー変化はqe2 /Cのオーダーにあり、ここでqe は電子の電荷、またCはトンネル接触のキャパシタンスである。このエネルギー変化がシステムの熱的エネルギーkB T(ここでkB はボルツマン定数、またTは絶対温度)を明らかに越えるエネルギー上昇であれば、トンネル接触を通じての電子のトンネリングが生ずる。それによってトンネル接触を通る電流が遮断される。それに対してエネルギー変化が熱的エネルギー以下であれば、すなわちqe 2 /C≦kB Tであれば、トンネル接触を経ての電子のトンネリングが生じ得る。
【0004】
従って、クーロン障壁の利用は一方ではミリケビン範囲内で作動させられる30ないし100nmの範囲内の構造(たとえばグラドウン(A.Gladun)ほか著「現代の物理学」第23巻(1992年)、第159頁以降およびギールリグス(L.J.Geerligs)ほか著「Phys.Rev.Lett.」第65巻(1990年)、第3037頁以降参照)またはより高い温度で作動させられる明らかに10nmよりも小さい大きさを有する構造(たとえばシェーネンベルガー(C.Schoenenberger )ほか著「Europhys.Lett.」第20巻(1992年)第249頁以降参照)において可能である。
【0005】
第1の場合のトンネル接触としてたとえばアルミニウムから成る2つの電極が使用され、それらの間に薄い酸化物層が配置されている(グラドウン(A.Gladun)ほか著「現代の物理学」第23巻(1992年)、第159頁以降参照)。このようなクーロン障壁デバイスは非常に低い温度でのみ作動可能である。このトンネル接触の電気的特性は構成要素のスケーリングを介して設定され得る。
【0006】
室温におけるクーロン障壁効果はエネルギー変化および熱的エネルギーに関する推定に従ってアトファラッド(10-18F)またはそれ以下のキャパシタンスを有するトンネル接触を有する要素においてのみ生ずる。このような要素は数ナノメートルのオーダーの広がりを有する。
【0007】
このように小さい要素の接触は走査トンネル顕微鏡または原子力顕微鏡シェーネンベルガー(C.Schoenenberger )ほか著「Europhys.Lett.」第20巻(1992年)、第249頁以降参照)のような走査顕微鏡により行われる。この大きさのオーダーの要素を接触する他の可能性は知られていない。
【0008】
ナノメートルの大きさのトンネル接触要素として、絶縁性シースにより囲まれている金属クラスターが提案されている(ドイツ特許出願公開第 4212220A1号明細書参照)。このトンネル接触要素の電気的特性は金属クラスターならびに絶縁性シースの大きさおよび形式により予め定められている。
【0009】
ドイツ特許出願公開第 4212220A1号では個々のトンネル要素の接触のためにマイクロ電極、すなわち走査顕微鏡が使用される。このような接触は確かにこのようなトンネル要素の検査および学術的研究のためには目的にかなっているが、複雑な回路装置内のマイクロ電子デバイスとしてのトンネル要素の使用のためには適していない。
【0010】
実際的な実施例として、個別要素を積層として受入枠内に受入れ、また受入枠の上に相応に接触し、または接触を設けられるブレス体を高圧のもとでの個別要素の圧縮により形成することはドイツ特許出願公開第 4212220A1号明細書に記載されている。この方法ではデバイスは5mmの直径および0.379mmの厚みを有する円板として形成される。直径に対する2ないし10mmの寸法および厚みに対する0.1ないし1mmの寸法が好ましい。このようなデバイスはキロボルトのオーダーの阻止電圧を有し、このことはマイクロ電子デバイスでの使用のために望ましくない。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、スケーリング可能にかつリトグラフィにより製造可能であり、また特に室温で機能可能であるマイクロ電子デバイスを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明によれば、請求項1によるマイクロ電子デバイスにより解決される。本発明の他の実施態様はその他の請求項に記載されている。
【0013】
本発明によるデバイスでは、基板の主面の上に、1つの層のなかに並び合って1つの層構造を形成する個別要素が配置されている。個別要素は上下に量子力学的接触を介して接続されている。このことは、各個別要素が1つの電気伝導性の範囲を含んでおり、また1つの絶縁層を介して隣接する個別要素の電気伝導性の範囲に対して絶縁されていることを意味する。絶縁層は、隣接する個別要素の伝導性の範囲およびその間に配置されている絶縁層がトンネル接触を形成するようにディメンジョニングされている。
【0014】
個別要素としては、この条件を満足するすべての構造が考慮に値する。特に個別要素として、伝導性のコアおよび伝導性のコアを囲む絶縁性のシースを含んでいる構造が適している。その際に個別要素の直径は好ましくは1nmと10nmとの間である。個別要素のキャパシタンスはこの大きさ範囲では、デバイスが室温で機能するように小さい。特に個別要素として、ドイツ特許出願公開第 4212220A1号明細書から公知のように、絶縁性のシースとしての有機リガンドを有する金属クラスターまたは囲まれた金属コアを有するフィラーが適している。
【0015】
個別要素として適した他の材料はストラヴェレン(M.P.J.van Straveren )ほか著「Phys.Rep. 」第208巻(1991年)、第1号に記載されているが、それは層構造としてではなく体積材料として記載されている。
【0016】
さらに、層構造を、細孔を経ての通しの伝導性接続がもはや存在しないように強くエッチングされている多孔性の半導体材料、好ましくはシリコンにより形成することは本発明の範囲内にある。伝導可能な範囲としてはこのような多孔性の半導体材料内で細孔の間に位置する半導体材料のコアが作用する。多孔性の半導体材料としては、特にフッ化物を含有する電解液内での陽極エッチングにより形成される多孔性のシリコンが適している。
【0017】
マイクロ電子デバイスには、層構造と電気的に接続されている少なくとも2つの接触構造が設けられている。2つの接触構造は好ましくは層構造の向かい合う側に配置されている。その際に接触構造は、層構造の縁に位置する個別要素がそのつどの接触構造と接触しているように基板の主面の上に配置されている。向かい合う接触構造は好ましくは20nmと500nmとの間の間隔を有する。それに対して垂直に層構造は20nmと10μmとの間の広がりを有する。このような寸法は電子線リトグラフィまたは深‐UV‐リトグラフィにより製造可能である。
【0018】
接触構造はドープされたポリシリコンまたは金属から形成されると良い。
【0019】
層構造および接触構造は基板に対して電気的に絶縁されている。基板としてたとえばガラスまたはサファイアのような絶縁材料が使用されると、絶縁のために追加的な措置は必要でない。基板としてシリコンが使用されると、絶縁は、表面に接触構造および層構造が配置されている絶縁層により保証される。
【0020】
両接触構造の間の間隔がL、また個別要素の大きさがaであれば、両接触構造の間に電圧Uを印加する際に、Lの方向に隣接している2つの個別要素の間に電圧U/(L/a)が降下する。その際に均等な電荷分布が仮定されている。個別要素ごとのこの電圧部分がクーロン障壁のしきい電圧よりも小さいならば、マイクロ電子デバイスは遮断する。それに対してこの電圧部分がクーロン障壁のしきい電圧よりも大きいならば、マイクロ電子デバイスは導通する。部品のしきい電圧は、各個別要素が6つの隣接個別要素を有するならば、Uth=qe L/6Caにより与えられている。ここでCは2つの隣接する個別要素の間のキャパシタンスである。たとえば個別要素の広がりが2nm、キャパシタンスが0.5aF、また接触構造の間の間隔が50nmであれば、すべてのマイクロ電子デバイスに対するしきい電圧は1.3Vである。すなわち、接触構造の間に1.3Vよりも小さい電圧が与えられると、デバイスは遮断し、それに対して1.3Vよりも大きい電圧が与えられると、デバイスは導通する。このしきい電圧は集積回路に対して利用可能な大きさの範囲内にある。
【0021】
基板の主面に対して平行に向けられている層構造の表面にゲート誘電体を設けることは本発明の範囲内にある。ゲート誘電体の表面の上に、ゲート誘電体により層構造および接触構造に対して絶縁されているゲート電極が配置されている。ゲート電極に制御電圧を与えることによりクーロン障壁に対するしきい電圧が影響される。本発明によるマイクロ電子デバイスのこの実施例は制御可能なクーロン障壁デバイスをなす。
【0022】
本発明によるデバイスのこの実施例がシリコンから成る基板により実現されると、基板の上に先ずゲート電極を、その上にゲート誘電体を、またその上に接触構造および層構造を施すと有利である。接触構造および層構造はこの場合にゲート誘電体により基板に対して電気的に絶縁されている。このようにして、接触構造の間に層構造が析出される前に、先ずシリコンプロセスが実行される。特にゲート電極をこの場合に植え込まれた拡散領域として基板の表面内に実現することは本発明の範囲内にある。
【0023】
この実施態様の1つの形態によれば、ゲート誘電体の表面の上に少なくとも2つのゲート電極が配置される。それにより本発明によるデバイスは、たとえばアービナ(C.Urbina)ほか著「米国電気電子学会論文集・磁気工学編」第27巻(1991年)、第2578頁以降から公知のような電子ポンプとして使用され得る。このような電子ポンプではゲート電極への適当な交流電圧の印加により周期あたりそれぞれ特定の電荷量が装置を通って流れ得る。それにより、交流電圧の大きさにより大きさを制御される直流電流が発生され得る。
【0024】
【実施例】
以下、実施例および図面により本発明を一層詳細に説明する。
【0025】
基板10は主面11を有する(図1および図2参照)。基板10は少なくとも主面11の範囲内で絶縁されている。基板はたとえば主面11の範囲内にSiO2 層を有するシリコンから成っている。代替的に基板はガラスまたはサファイアから成っている。
【0026】
基板10の主面11の上に2つの接触構造12が配置されている。接触構造12はたとえばドープされたポリシリコンまたは金属、好ましくはアルミニウムまたはチタンから成っている。主面11に対して平行に接触構造12はたとえば1μmの幅を有する。接触構造12は導線の一部として構成されていてよく、または接触孔を経て外方に接触され得る。両接触構造12の間の間隔はたとえば50nmである。両接触構造12の間に層構造13が配置されている。層構造13は、一層の層として主面11の上に配置されている個別要素を含んでいる。その際に隣接する個別要素14は互に接触する。層構造13の縁に配置されており接触構造12に境を接する個別要素14はそのつどの接触構造12と接触している。接触構造12の間の接続線に対して垂直に層構造はたとえば1μmの広がりを有する。
【0027】
個別要素14はたとえば金属クラスターのまわりに絶縁性シースを形成する有機リガンドを有する金属クラスター、または囲まれた金属コアを有するフィラー、または通しの伝導性接続がもはや存在しないようにまた半導体材料が主として細孔および半導体コアから成るように強くエッチングされている多孔性の半導体材料である。好ましくは個別要素14として有機リガンドから成るシースを有する金属クラスターが使用され、その際に金属クラスターは55金原子を含んでいる。このような個別要素14は約2nmの直径を有する。隣接する個別要素の間のキャパシタンスは約0.2aFである。
【0028】
隣接する個別要素14はトンネル接触を介して互いに接続されている。接触構造12の間に、個別要素14の両端の電圧降下がトンネル接触のしきい電圧uthよりも小さいような大きさの電圧が与えられると、電流が層構造13を通って流れ得ない。それに対して接触構造12の間の電圧が、各個別要素14の両端の電圧降下がトンネル接触に対するしきい電圧uthよりも大きいような大きさの電圧であれば、電子はトンネル接触を経てトンネリングをし、また層構造13を通って接触構造12の間に電流が流れる。
【0029】
図3には、図1および図2により説明したダイオード構造の電流(I)‐電圧(U)特性が示されている。電流Iは単位IO =(W・Uth)/(L・RT )で示されている。その際にRT はトンネル接触の抵抗、またWは接触構造12の間隔に対して垂直な接触構造12の広がりである。Uthはたとえば1.3V、RT はたとえば100kΩ、Wはたとえば1μm、Lはたとえば50nmである。Uは全デバイスのしきい電圧Uthの単位で示されている。
【0030】
基板20は主面21を含んでいる(図4および図5参照)。基板20は主面21において絶縁されている。基板20は好ましくはSiO2 層を有するシリコンから成っている。代替的に基板20は一貫して絶縁材料、たとえばガラスまたはサファイアから成っている。
【0031】
主面21の上に2つの接触構造22、個別要素24の一層の層から成る層構造23とならんで、ゲート誘電体25およびゲート電極26が配置されている。主面21の上にゲート電極26が配置されている。ゲート電極26はたとえばドープされたポリシリコンまたは金属、好ましくはアルミニウムまたはチタンから成っている。ゲート電極26はたとえば50nmの厚みを有する。
【0032】
ゲート電極26の表面にゲート誘電体25が配置されている。ゲート誘電体25はたとえばSiO2 を含んでおり、またたとえば10nmの厚みを有する。
【0033】
接触構造22はゲート電極26の向かい合う側に配置されている。好ましくは接触構造22はゲート誘電体25の縁を覆っている。接触構造22はたとえば50nmの間隔を有する。接触構造22は主面21に対して平行にたとえば1μmの幅を有する。接触構造22の厚みはたとえば50nmである。
【0034】
層構造23はゲート誘電体25の表面の上に接触構造22の間に配置されている。層構造23は1つの層のなかに配置されている個別要素24を含んでいる。その際に隣接する個別要素24は接触する。接触構造22に境を接する層構造23の側に配置されている個別要素24はそのつどの接触構造22と接触する。
【0035】
個別要素24は好ましくは、有機リガンドから成るシースにより囲まれている55金原子から成る金属クラスターである。代替的に個別要素24は有機リガンドシースを有する他の金属クラスター、囲まれた金属コアを有するフィラー、または多孔性の半導体材料であってよい。
【0036】
ゲート電極26への制御電圧の印加により、隣接する個別要素24の間に存在するトンネル接触の電位障壁の高さが変化する。従って、接触構造22の間の与えられた電圧に対してゲート電極26における制御電圧の変化により接触構造22の間の電流が影響され得る。
【0037】
基板30は主面31を有する(図1および図7参照)。主面31の上に接触構造32、1つの層のなかに配置された個別要素34を含んでいる層構造33とならんで、ゲート誘電体35が配置されている。基板30は主面31に境を接する2つのゲート電極36を含んでいる。
【0038】
基板30はたとえば単結晶シリコンから成っている。ゲート電極36は植え込まれた拡散領域として基板内に実現されており、またpn接合により基板30に対して絶縁されている。
【0039】
ゲート誘電体35の表面に2つの接触構造32が配置されている。接触構造32はたとえばドープされたポリシリコンまたは金属、好ましくはアルミニウムまたはチタンから成っている。接触構造32はたとえば50nmの厚みを有する。接触構造32の間にはたとえば150nmの間隔が存在する。
【0040】
ゲート電極36は、それが接触構造32の間に位置するように基板30内に配置されている。
【0041】
層構造33はゲート誘電体35の表面に接触構造32の間に配置されている。層構造33は一層の層として接触構造32の間に配置されている個別要素34から形成される。その際に直接に隣接する個別要素34は接触する。接触構造32と隣接する層構造33の1つの縁に配置されている個別要素34は接触構造32と接触する。
【0042】
個別要素34は好ましくは、絶縁性の有機リガンドシースにより囲まれている55金原子を有する金属クラスターである。隣接する金属クラスターの間の絶縁性のシースはクーロン障壁を形成する。個別要素34は約2nmの寸法を有する。代替的に個別要素は絶縁性のシースにより囲まれている他の大きさの金属クラスター、または囲まれた金属コアを有するフィラーであってよく、または多孔性の半導体材料から成っていてよい。
【0043】
接触構造32および層構造33はゲート誘電体35により基板30に対して絶縁されている。接触構造32、層構造33、ゲート誘電体35および両ゲート電極36は、ゲート電極36への相応の制御電圧の印加により電荷がリズミカルに一方の接触構造から他方にシフトされ得るデバイスを形成する。それはアービナ(C.Urbina)ほか著「米国電気電子学会論文集・磁気工学編」第27巻(1991年)、第2578頁以降に記載されているものと類似の原理による電子ポンプである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるダイオード構造の正面図。
【図2】図1中のII‐IIを付されているダイオード構造の断面図。
【図3】図1および図2に示されているダイオード構造の特性曲線。
【図4】ゲート電極を有する本発明によるデバイスの正面図。
【図5】図4中のV‐Vを付されている断面図。
【図6】回転ドア装置として使用可能な2つのゲート電極を有するデバイスの正面図。
【図7】図6中のVII‐VIIを付されている断面図。
【符号の説明】
10 基板
11 主面
12 接触構造
13 層構造
14 個別要素
20 基板
21 主面
22 接触構造
23 層構造
25 ゲート誘電体
26 ゲート電極
30 基板
31 主面
32 接触構造
33 層構造
35 ゲート誘電体
36 ゲート電極
【産業上の利用分野】
本発明はマイクロ電子デバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
量子力学的効果を利用するマイクロ電子デバイスは高い集積度を有する非常に高速の電子デバイスの開発の点で重要性を増している。その際に関心はなかんずく、リクハレーヴ(K.K.Likharev)著「グラニュラー‐ナノエレクトロニクス」D.K.Ferry ed. Plenum,N.Y. (1991年)、第371頁以降に記載されているクーロン障壁の効果に向けられている。
【0003】
クーロン障壁は、トンネル接触を介しての電子のトンネリングの際に全システムのエネルギーが変化する効果に基づいている。トンネル接触とは、絶縁層により隔てられた2つの電極を含んでいる構造を云い、その際に絶縁層は、絶縁層を通じての個々の電子のトンネリングが生ずるように薄い。その際に全システムのエネルギー変化はqe2 /Cのオーダーにあり、ここでqe は電子の電荷、またCはトンネル接触のキャパシタンスである。このエネルギー変化がシステムの熱的エネルギーkB T(ここでkB はボルツマン定数、またTは絶対温度)を明らかに越えるエネルギー上昇であれば、トンネル接触を通じての電子のトンネリングが生ずる。それによってトンネル接触を通る電流が遮断される。それに対してエネルギー変化が熱的エネルギー以下であれば、すなわちqe 2 /C≦kB Tであれば、トンネル接触を経ての電子のトンネリングが生じ得る。
【0004】
従って、クーロン障壁の利用は一方ではミリケビン範囲内で作動させられる30ないし100nmの範囲内の構造(たとえばグラドウン(A.Gladun)ほか著「現代の物理学」第23巻(1992年)、第159頁以降およびギールリグス(L.J.Geerligs)ほか著「Phys.Rev.Lett.」第65巻(1990年)、第3037頁以降参照)またはより高い温度で作動させられる明らかに10nmよりも小さい大きさを有する構造(たとえばシェーネンベルガー(C.Schoenenberger )ほか著「Europhys.Lett.」第20巻(1992年)第249頁以降参照)において可能である。
【0005】
第1の場合のトンネル接触としてたとえばアルミニウムから成る2つの電極が使用され、それらの間に薄い酸化物層が配置されている(グラドウン(A.Gladun)ほか著「現代の物理学」第23巻(1992年)、第159頁以降参照)。このようなクーロン障壁デバイスは非常に低い温度でのみ作動可能である。このトンネル接触の電気的特性は構成要素のスケーリングを介して設定され得る。
【0006】
室温におけるクーロン障壁効果はエネルギー変化および熱的エネルギーに関する推定に従ってアトファラッド(10-18F)またはそれ以下のキャパシタンスを有するトンネル接触を有する要素においてのみ生ずる。このような要素は数ナノメートルのオーダーの広がりを有する。
【0007】
このように小さい要素の接触は走査トンネル顕微鏡または原子力顕微鏡シェーネンベルガー(C.Schoenenberger )ほか著「Europhys.Lett.」第20巻(1992年)、第249頁以降参照)のような走査顕微鏡により行われる。この大きさのオーダーの要素を接触する他の可能性は知られていない。
【0008】
ナノメートルの大きさのトンネル接触要素として、絶縁性シースにより囲まれている金属クラスターが提案されている(ドイツ特許出願公開第 4212220A1号明細書参照)。このトンネル接触要素の電気的特性は金属クラスターならびに絶縁性シースの大きさおよび形式により予め定められている。
【0009】
ドイツ特許出願公開第 4212220A1号では個々のトンネル要素の接触のためにマイクロ電極、すなわち走査顕微鏡が使用される。このような接触は確かにこのようなトンネル要素の検査および学術的研究のためには目的にかなっているが、複雑な回路装置内のマイクロ電子デバイスとしてのトンネル要素の使用のためには適していない。
【0010】
実際的な実施例として、個別要素を積層として受入枠内に受入れ、また受入枠の上に相応に接触し、または接触を設けられるブレス体を高圧のもとでの個別要素の圧縮により形成することはドイツ特許出願公開第 4212220A1号明細書に記載されている。この方法ではデバイスは5mmの直径および0.379mmの厚みを有する円板として形成される。直径に対する2ないし10mmの寸法および厚みに対する0.1ないし1mmの寸法が好ましい。このようなデバイスはキロボルトのオーダーの阻止電圧を有し、このことはマイクロ電子デバイスでの使用のために望ましくない。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、スケーリング可能にかつリトグラフィにより製造可能であり、また特に室温で機能可能であるマイクロ電子デバイスを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明によれば、請求項1によるマイクロ電子デバイスにより解決される。本発明の他の実施態様はその他の請求項に記載されている。
【0013】
本発明によるデバイスでは、基板の主面の上に、1つの層のなかに並び合って1つの層構造を形成する個別要素が配置されている。個別要素は上下に量子力学的接触を介して接続されている。このことは、各個別要素が1つの電気伝導性の範囲を含んでおり、また1つの絶縁層を介して隣接する個別要素の電気伝導性の範囲に対して絶縁されていることを意味する。絶縁層は、隣接する個別要素の伝導性の範囲およびその間に配置されている絶縁層がトンネル接触を形成するようにディメンジョニングされている。
【0014】
個別要素としては、この条件を満足するすべての構造が考慮に値する。特に個別要素として、伝導性のコアおよび伝導性のコアを囲む絶縁性のシースを含んでいる構造が適している。その際に個別要素の直径は好ましくは1nmと10nmとの間である。個別要素のキャパシタンスはこの大きさ範囲では、デバイスが室温で機能するように小さい。特に個別要素として、ドイツ特許出願公開第 4212220A1号明細書から公知のように、絶縁性のシースとしての有機リガンドを有する金属クラスターまたは囲まれた金属コアを有するフィラーが適している。
【0015】
個別要素として適した他の材料はストラヴェレン(M.P.J.van Straveren )ほか著「Phys.Rep. 」第208巻(1991年)、第1号に記載されているが、それは層構造としてではなく体積材料として記載されている。
【0016】
さらに、層構造を、細孔を経ての通しの伝導性接続がもはや存在しないように強くエッチングされている多孔性の半導体材料、好ましくはシリコンにより形成することは本発明の範囲内にある。伝導可能な範囲としてはこのような多孔性の半導体材料内で細孔の間に位置する半導体材料のコアが作用する。多孔性の半導体材料としては、特にフッ化物を含有する電解液内での陽極エッチングにより形成される多孔性のシリコンが適している。
【0017】
マイクロ電子デバイスには、層構造と電気的に接続されている少なくとも2つの接触構造が設けられている。2つの接触構造は好ましくは層構造の向かい合う側に配置されている。その際に接触構造は、層構造の縁に位置する個別要素がそのつどの接触構造と接触しているように基板の主面の上に配置されている。向かい合う接触構造は好ましくは20nmと500nmとの間の間隔を有する。それに対して垂直に層構造は20nmと10μmとの間の広がりを有する。このような寸法は電子線リトグラフィまたは深‐UV‐リトグラフィにより製造可能である。
【0018】
接触構造はドープされたポリシリコンまたは金属から形成されると良い。
【0019】
層構造および接触構造は基板に対して電気的に絶縁されている。基板としてたとえばガラスまたはサファイアのような絶縁材料が使用されると、絶縁のために追加的な措置は必要でない。基板としてシリコンが使用されると、絶縁は、表面に接触構造および層構造が配置されている絶縁層により保証される。
【0020】
両接触構造の間の間隔がL、また個別要素の大きさがaであれば、両接触構造の間に電圧Uを印加する際に、Lの方向に隣接している2つの個別要素の間に電圧U/(L/a)が降下する。その際に均等な電荷分布が仮定されている。個別要素ごとのこの電圧部分がクーロン障壁のしきい電圧よりも小さいならば、マイクロ電子デバイスは遮断する。それに対してこの電圧部分がクーロン障壁のしきい電圧よりも大きいならば、マイクロ電子デバイスは導通する。部品のしきい電圧は、各個別要素が6つの隣接個別要素を有するならば、Uth=qe L/6Caにより与えられている。ここでCは2つの隣接する個別要素の間のキャパシタンスである。たとえば個別要素の広がりが2nm、キャパシタンスが0.5aF、また接触構造の間の間隔が50nmであれば、すべてのマイクロ電子デバイスに対するしきい電圧は1.3Vである。すなわち、接触構造の間に1.3Vよりも小さい電圧が与えられると、デバイスは遮断し、それに対して1.3Vよりも大きい電圧が与えられると、デバイスは導通する。このしきい電圧は集積回路に対して利用可能な大きさの範囲内にある。
【0021】
基板の主面に対して平行に向けられている層構造の表面にゲート誘電体を設けることは本発明の範囲内にある。ゲート誘電体の表面の上に、ゲート誘電体により層構造および接触構造に対して絶縁されているゲート電極が配置されている。ゲート電極に制御電圧を与えることによりクーロン障壁に対するしきい電圧が影響される。本発明によるマイクロ電子デバイスのこの実施例は制御可能なクーロン障壁デバイスをなす。
【0022】
本発明によるデバイスのこの実施例がシリコンから成る基板により実現されると、基板の上に先ずゲート電極を、その上にゲート誘電体を、またその上に接触構造および層構造を施すと有利である。接触構造および層構造はこの場合にゲート誘電体により基板に対して電気的に絶縁されている。このようにして、接触構造の間に層構造が析出される前に、先ずシリコンプロセスが実行される。特にゲート電極をこの場合に植え込まれた拡散領域として基板の表面内に実現することは本発明の範囲内にある。
【0023】
この実施態様の1つの形態によれば、ゲート誘電体の表面の上に少なくとも2つのゲート電極が配置される。それにより本発明によるデバイスは、たとえばアービナ(C.Urbina)ほか著「米国電気電子学会論文集・磁気工学編」第27巻(1991年)、第2578頁以降から公知のような電子ポンプとして使用され得る。このような電子ポンプではゲート電極への適当な交流電圧の印加により周期あたりそれぞれ特定の電荷量が装置を通って流れ得る。それにより、交流電圧の大きさにより大きさを制御される直流電流が発生され得る。
【0024】
【実施例】
以下、実施例および図面により本発明を一層詳細に説明する。
【0025】
基板10は主面11を有する(図1および図2参照)。基板10は少なくとも主面11の範囲内で絶縁されている。基板はたとえば主面11の範囲内にSiO2 層を有するシリコンから成っている。代替的に基板はガラスまたはサファイアから成っている。
【0026】
基板10の主面11の上に2つの接触構造12が配置されている。接触構造12はたとえばドープされたポリシリコンまたは金属、好ましくはアルミニウムまたはチタンから成っている。主面11に対して平行に接触構造12はたとえば1μmの幅を有する。接触構造12は導線の一部として構成されていてよく、または接触孔を経て外方に接触され得る。両接触構造12の間の間隔はたとえば50nmである。両接触構造12の間に層構造13が配置されている。層構造13は、一層の層として主面11の上に配置されている個別要素を含んでいる。その際に隣接する個別要素14は互に接触する。層構造13の縁に配置されており接触構造12に境を接する個別要素14はそのつどの接触構造12と接触している。接触構造12の間の接続線に対して垂直に層構造はたとえば1μmの広がりを有する。
【0027】
個別要素14はたとえば金属クラスターのまわりに絶縁性シースを形成する有機リガンドを有する金属クラスター、または囲まれた金属コアを有するフィラー、または通しの伝導性接続がもはや存在しないようにまた半導体材料が主として細孔および半導体コアから成るように強くエッチングされている多孔性の半導体材料である。好ましくは個別要素14として有機リガンドから成るシースを有する金属クラスターが使用され、その際に金属クラスターは55金原子を含んでいる。このような個別要素14は約2nmの直径を有する。隣接する個別要素の間のキャパシタンスは約0.2aFである。
【0028】
隣接する個別要素14はトンネル接触を介して互いに接続されている。接触構造12の間に、個別要素14の両端の電圧降下がトンネル接触のしきい電圧uthよりも小さいような大きさの電圧が与えられると、電流が層構造13を通って流れ得ない。それに対して接触構造12の間の電圧が、各個別要素14の両端の電圧降下がトンネル接触に対するしきい電圧uthよりも大きいような大きさの電圧であれば、電子はトンネル接触を経てトンネリングをし、また層構造13を通って接触構造12の間に電流が流れる。
【0029】
図3には、図1および図2により説明したダイオード構造の電流(I)‐電圧(U)特性が示されている。電流Iは単位IO =(W・Uth)/(L・RT )で示されている。その際にRT はトンネル接触の抵抗、またWは接触構造12の間隔に対して垂直な接触構造12の広がりである。Uthはたとえば1.3V、RT はたとえば100kΩ、Wはたとえば1μm、Lはたとえば50nmである。Uは全デバイスのしきい電圧Uthの単位で示されている。
【0030】
基板20は主面21を含んでいる(図4および図5参照)。基板20は主面21において絶縁されている。基板20は好ましくはSiO2 層を有するシリコンから成っている。代替的に基板20は一貫して絶縁材料、たとえばガラスまたはサファイアから成っている。
【0031】
主面21の上に2つの接触構造22、個別要素24の一層の層から成る層構造23とならんで、ゲート誘電体25およびゲート電極26が配置されている。主面21の上にゲート電極26が配置されている。ゲート電極26はたとえばドープされたポリシリコンまたは金属、好ましくはアルミニウムまたはチタンから成っている。ゲート電極26はたとえば50nmの厚みを有する。
【0032】
ゲート電極26の表面にゲート誘電体25が配置されている。ゲート誘電体25はたとえばSiO2 を含んでおり、またたとえば10nmの厚みを有する。
【0033】
接触構造22はゲート電極26の向かい合う側に配置されている。好ましくは接触構造22はゲート誘電体25の縁を覆っている。接触構造22はたとえば50nmの間隔を有する。接触構造22は主面21に対して平行にたとえば1μmの幅を有する。接触構造22の厚みはたとえば50nmである。
【0034】
層構造23はゲート誘電体25の表面の上に接触構造22の間に配置されている。層構造23は1つの層のなかに配置されている個別要素24を含んでいる。その際に隣接する個別要素24は接触する。接触構造22に境を接する層構造23の側に配置されている個別要素24はそのつどの接触構造22と接触する。
【0035】
個別要素24は好ましくは、有機リガンドから成るシースにより囲まれている55金原子から成る金属クラスターである。代替的に個別要素24は有機リガンドシースを有する他の金属クラスター、囲まれた金属コアを有するフィラー、または多孔性の半導体材料であってよい。
【0036】
ゲート電極26への制御電圧の印加により、隣接する個別要素24の間に存在するトンネル接触の電位障壁の高さが変化する。従って、接触構造22の間の与えられた電圧に対してゲート電極26における制御電圧の変化により接触構造22の間の電流が影響され得る。
【0037】
基板30は主面31を有する(図1および図7参照)。主面31の上に接触構造32、1つの層のなかに配置された個別要素34を含んでいる層構造33とならんで、ゲート誘電体35が配置されている。基板30は主面31に境を接する2つのゲート電極36を含んでいる。
【0038】
基板30はたとえば単結晶シリコンから成っている。ゲート電極36は植え込まれた拡散領域として基板内に実現されており、またpn接合により基板30に対して絶縁されている。
【0039】
ゲート誘電体35の表面に2つの接触構造32が配置されている。接触構造32はたとえばドープされたポリシリコンまたは金属、好ましくはアルミニウムまたはチタンから成っている。接触構造32はたとえば50nmの厚みを有する。接触構造32の間にはたとえば150nmの間隔が存在する。
【0040】
ゲート電極36は、それが接触構造32の間に位置するように基板30内に配置されている。
【0041】
層構造33はゲート誘電体35の表面に接触構造32の間に配置されている。層構造33は一層の層として接触構造32の間に配置されている個別要素34から形成される。その際に直接に隣接する個別要素34は接触する。接触構造32と隣接する層構造33の1つの縁に配置されている個別要素34は接触構造32と接触する。
【0042】
個別要素34は好ましくは、絶縁性の有機リガンドシースにより囲まれている55金原子を有する金属クラスターである。隣接する金属クラスターの間の絶縁性のシースはクーロン障壁を形成する。個別要素34は約2nmの寸法を有する。代替的に個別要素は絶縁性のシースにより囲まれている他の大きさの金属クラスター、または囲まれた金属コアを有するフィラーであってよく、または多孔性の半導体材料から成っていてよい。
【0043】
接触構造32および層構造33はゲート誘電体35により基板30に対して絶縁されている。接触構造32、層構造33、ゲート誘電体35および両ゲート電極36は、ゲート電極36への相応の制御電圧の印加により電荷がリズミカルに一方の接触構造から他方にシフトされ得るデバイスを形成する。それはアービナ(C.Urbina)ほか著「米国電気電子学会論文集・磁気工学編」第27巻(1991年)、第2578頁以降に記載されているものと類似の原理による電子ポンプである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるダイオード構造の正面図。
【図2】図1中のII‐IIを付されているダイオード構造の断面図。
【図3】図1および図2に示されているダイオード構造の特性曲線。
【図4】ゲート電極を有する本発明によるデバイスの正面図。
【図5】図4中のV‐Vを付されている断面図。
【図6】回転ドア装置として使用可能な2つのゲート電極を有するデバイスの正面図。
【図7】図6中のVII‐VIIを付されている断面図。
【符号の説明】
10 基板
11 主面
12 接触構造
13 層構造
14 個別要素
20 基板
21 主面
22 接触構造
23 層構造
25 ゲート誘電体
26 ゲート電極
30 基板
31 主面
32 接触構造
33 層構造
35 ゲート誘電体
36 ゲート電極
Claims (5)
- 主面(11)を有する基板(10)が設けられており、
基板(10)の主面(11)の上に、1つの層のなかに並び合って配置された個別要素(14)を含んでいる層構造(13)が配置されており、
基板(10)の主面(11)の上に、層構造(13)と電気的に接続されている少なくとも2つの接触構造(12)が設けられており、
個別要素(14)および接触構造(12)が基板(10)に対して電気的に絶縁されており、
隣接する個別要素(14)が層構造(13)の面の方向においてそれぞれ量子力学的接触を介して電気的に接続されており、
個別要素(14)が多孔性の半導体材料で形成され、該材料は多孔性の半導体材料内で細孔の間に半導体材料のコアが位置するようにエッチングされていて、前記細孔により層構造内に連続的な導電的結合が存在せず、かつ
個別要素(14)が各々1〜10nmの直径を有する
ことを特徴とするマイクロ電子デバイス。 - 両接触構造(12)が、層構造(13)を介して互いに対向するように配置されていることを特徴とする請求項1記載のデバイス。
- 層構造(13)が接触構造(12)の間隔に対して平行に20nmと550nmとの間の広がりを、またそれに対して垂直に20nmと10μmとの間の広がりを有することを特徴とする請求項2記載のデバイス。
- 基板(20、30)の主面(21、31)に対して平行に向けられている層構造(23、33)の表面にゲート誘電体(25、35)が設けられており、
ゲート誘電体(25、35)の表面上の層構造(23、33)と反対の側に、少なくとも1つのゲート電極(26、36)が配置されていることを特徴とする請求項2または3記載のデバイス。 - ゲート誘電体(35)の表面上に少なくとも2つのゲート電極(36)が配置されていることを特徴とする請求項4記載のデバイス。
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