JP6482762B2 - 単電子トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本特許文献には、ナノ粒子を用いた単電子トランジスタ及びその製造方法が記述される。

半導体素子の高性能、高速、低消費電力化を実現し、低価格化を追求するために、トランジスタのサイズを減らすスケーリングが行われ続けている。しかし、スケーリングにより低い動作電圧で洩れ電流を抑制し、安定的に動作するトランジスタを実現することは限界に達した状態である。特に、テラ級の集積度をなすためには、トランジスタの構造的変更が不回避な状態である。

その代案として、米国公開特許第２０１００３２７２６０号のように、単電子トランジスタ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に関する技術が開発されている。単電子トランジスタは、１つの電子の動きによってトランジスタの動作が制御され、動作電圧も極めて低くて低電力化及び高集積度が可能である。

しかし、単電子トランジスタを商業的に使用可能な温度である常温で動作させるためには、数ｎｍサイズの量子点を所望の位置に再現性あるように形成させる技術、すなわち、厳密にサイズが制御され、均一なサイズを有する一個〜数十個の量子点を特定の位置に形成させ得る技術が求められている。さらに、高価の装備を用いて高度に複雑な工程を使用せず、商業的に工程構築が可能な技術が求められ続けている。しかしながら、まだこれを十分満たす技術開発は遠い実情である。

本発明の実施形態が解決しようとする第１の課題は、再現性かつ信頼性のあるようにトランジスタの動作が可能な単電子トランジスタ及びその製造方法を提供することである。

本発明の実施形態が解決しようとする第２の課題は、商業的に使用可能な低費用の方法で短時間に大量生産が可能な単電子トランジスタ及びその製造方法を提供することである。

本発明の実施形態に係る単電子トランジスタは、基材上に形成されたリンカーと、前記リンカーに結合された金属イオンから成長された金属性ナノ粒子とを含むチャネル領域と、前記チャネル領域の一端に位置するソース領域と、前記チャネル領域の他端に位置して、前記ソース領域と対向するドレイン領域と、前記チャネル領域での電荷移動を制御するために、前記チャネル領域に結合されたゲートとを備えることができる。

好ましくは、前記リンカーは、自己組立により前記基材表面に結合された有機単分子でありうる。

好ましくは、前記チャネル領域は、前記金属性ナノ粒子の表面に結合またはコーティングされた絶縁性有機物及び無機酸化物のうち、少なくともいずれか１つをさらに含むことができる。

好ましくは、前記チャネル領域は、前記金属イオンまたは成長中の前記ナノ粒子に結合された単種または互いに異なる種の複数の界面活性剤有機物をさらに含むことができる。ここで、前記複数の界面活性剤有機物は、互いに異なる種の第１の有機物及び第２の有機物を含むことができる。前記第１の有機物は、窒素または含硫有機物であり、前記第２の有機物は、相転移触媒（Ｐｈａｓｅ−ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃａｔａｌｙｓｔ）系の有機物でありうる。

好ましくは、前記金属性ナノ粒子の平均粒径は、０．５ｎｍ〜１ｎｍであり、前記粒径の標準偏差は、±２０％以下でありうる。

好ましくは、前記基材は、前記リンカーと結合可能な表面層を有することができ、前記表面層は、金属、金属酸化物、半導体、及び半導体酸化物からなるグループより選ばれたいずれか１つでありうる。

好ましくは、前記基材は、フレキシブル基材でありうるし、前記フレキシブル基材は、ヒドロキシ基（−ＯＨ）作用基を有する表面層を備えることができる。前記フレキシブル基材は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のグループより選ばれたいずれか１つであるか、これらの混合物を含むことができる。

好ましくは、前記チャネル領域の表面粗さ（ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）は、０．１ｎｍ〜４．０ｎｍ ｒｍｓでありうる。

好ましくは、前記チャネル領域での前記金属性ナノ粒子の密度は、０．２×１０^１４〜２．０×１０^１４／ｃｍ^２でありうる。

好ましくは、前記リンカーは、有機単分子であり、前記有機単分子が前記基材上に複数個自己結合されて形成された自己組立単分子膜のリンカー層が前記チャネル領域にさらに備えられることができる。

好ましくは、前記基材上に形成され、アミン基（−ＮＨ_２）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、及びチオール基（−ＳＨ）から選ばれたいずれか１つの作用基を有するシラン化合物層のリンカー層が前記チャネル領域にさらに備えられることができる。このとき、前記アミン基（−ＮＨ_２）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、及びチオール基（−ＳＨ）から選ばれたいずれか１つの作用基は前記リンカーの一部でありうる。

好ましくは、前記金属性ナノ粒子は、金属ナノ粒子、金属酸化物ナノ粒子、金属窒化物ナノ粒子、金属炭化物ナノ粒子、及び金属間化合物ナノ粒子のグループより選ばれたいずれか１つでありうる。

好ましくは、前記チャネル領域で複数の前記金属性ナノ粒子が互いに離隔配列され、前記複数の前記金属性ナノ粒子は、単一層をなすことができる。

好ましくは、前記チャネル領域で前記金属性ナノ粒子は、均一または不均一に分布することができる。

好ましくは、単電子トランジスタは、前記チャネル領域と前記ゲートとの間に介在されたゲート絶縁膜をさらに備えることができる。

本発明の実施形態に係る単電子トランジスタのチャネル領域形成方法は、ａ）基材を用意するステップと、ｂ）前記基材上にリンカーを形成するステップと、ｃ）前記リンカーに金属イオンを結合するステップと、ｄ）エネルギーを印加して、前記金属イオンを金属性ナノ粒子で形成するステップとを含むことができる。

好ましくは、本発明の実施形態に係る単電子トランジスタは、ｅ）前記金属性ナノ粒子の表面に絶縁性有機物を結合するステップをさらに含むことができる。

好ましくは、本発明の実施形態に係る単電子トランジスタは、ｆ）前記ｄ）ステップ前または前記ｄ）ステップ中に単種または互いに異なる種の複数の界面活性剤有機物を供給するステップをさらに含むことができる。

好ましくは、前記リンカーは有機単分子であり、前記有機単分子で構成された自己組立単分子膜のリンカー層がチャネル領域に備えられ得る。このとき、前記リンカー層は、前記リンカーが溶媒に溶解されたリンカー溶液に前記基材の表面を接触させて形成されることができる。

好ましくは、前記基材上に複数の前記リンカーが結合されてリンカー層が形成され、前記リンカー層は、前記リンカーを有する気相のガスを使用した原子層蒸着法により形成され得る。このとき、前記リンカー層は、アミン基、カルボキシル基、及びチオール基から選ばれたいずれか１つを含むシラン化合物層でありうる。

好ましくは、前記ｃ）ステップは、金属前駆体を前記ｂ）ステップの結果物上に接触させるステップを含むことができる。

好ましくは、前記ｃ）ステップは、金属前駆体が溶解された溶液を前記ｂ）ステップの結果物上に塗布するか、気相の金属前駆体を前記ｂ）ステップの結果物上に供給するステップを含むことができる。

好ましくは、前記エネルギーは、熱、化学、光、振動、イオンビーム、電子ビーム、及び放射線のグループより選ばれたいずれか１つ以上のエネルギーでありうる。

好ましくは、前記エネルギー印加時、前記金属イオンと相違した異種元素を供給して、前記金属性ナノ粒子を金属ナノ粒子、金属酸化物ナノ粒子、金属窒化物ナノ粒子、金属炭化物ナノ粒子、及び金属間化合物ナノ粒子のグループより選ばれたいずれか１つで形成することができる。

好ましくは、前記エネルギーの印加時、前記チャネル領域に部分的にエネルギーを印加して、前記金属性ナノ粒子を均一または不均一に分布させることができる。

本発明の実施形態に係る単電子トランジスタは、極めて微細かつ均一な金属性ナノ粒子でクーロンアイランドが形成されるにことにより、トランジスタの動作温度を顕著に向上させることができ、常温動作可能な長所がある。また、本発明の実施形態に係る単電子トランジスタは、チャネル領域に位置する金属性ナノ粒子が均一なサイズを有し、粒子間で互いに接触せずに所定距離離隔されていることにより、動作安全性、再現性、及び信頼性に優れた長所がある。

本発明の実施形態に係る単電子トランジスタの製造方法は、極めて容易かつ簡単で低価の速い方法で単電子トランジスタを製造できることにより、商業化が可能であるという長所がある。また、本発明の実施形態に係る単電子トランジスタの製造方法は、トランジスタの製造の際、インサイチュで金属性ナノ粒子を製造することにより、原料の浪費を最小化することができる。さらに、ナノ粒子の成長の際、界面活性剤の導入及び反応という簡単な工程によって微細粒子サイズの制御が可能である。すなわち、所望のサイズの粒子でナノ粒子を製造することができる。また、５ｎｍ〜２００ｎｍに達する微細チャネルでもナノ粒子領域と絶縁領域のパターニングが可能であり、チャネル領域のパターニングもリンカーと基材との結合制御という極めて容易かつ簡単な方法によってなされるという長所がある。

本発明の実施形態に係る単電子トランジスタの構造を示した模式図である。 本発明の実施形態に係る単電子トランジスタのチャネル領域形成方法を示した模式図である。 本発明の実施形態に係る単電子トランジスタのチャネル領域形成方法を示した模式図である。 本発明の実施形態に係る単電子トランジスタのチャネル領域形成方法を示した模式図である。 本発明の実施形態に係る単電子トランジスタのチャネル領域形成方法を示した模式図である。 本発明の実施形態に係る単電子トランジスタのチャネル領域形成方法を示した模式図である。 本発明の実施形態に係る単電子トランジスタのチャネル領域形成方法を示した模式図である。 チャネル領域の製造例で表面改質前の基材（Ａ）、表面改質後の基材（Ｂ）、及び化学的還元反応後の基材（Ｃ）の表面を観察したＡＦＭイメージである。 チャネル領域の製造例でＲＴＰ処理後、基材に形成された金属ナノ粒子を観察した透過電子顕微鏡及び元素分析結果を示した図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態に係る単電子トランジスタ及びその製造方法について詳しく説明する。次に紹介される図面は、当業者に本発明の思想が十分伝達され得るようにするために例として提供されるものである。したがって、本発明は、以下に提示される図面に限定されず、他の形態に具体化されることもでき、以下に提示される図面は、本発明の思想を明確にするために誇張されて図示され得る。また、明細書全体にわたって同じ参照符号は同じ構成要素を示す。

このとき、使用される技術用語及び科学用語において他の定義がなければ、この発明の属する技術分野における通常の知識を有した者が通常理解している意味を有し、下記の説明及び添付図面において本発明の要旨を不要に濁す恐れがある公知機能及び構成に関する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る単電子トランジスタの構造を示した模式図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る単電子トランジスタは、チャネル領域１９０と、チャネル領域１９０の一端に位置するソース領域１７０Ａと、チャネル領域の他端に位置してソース領域１７０Ａと対向するドレイン領域１７０Ｂと、チャネル領域１９０での電荷移動を制御するためにチャネル領域１９０に結合されたゲート１８０とを備えることができる。チャネル領域１９０とゲート１８０との間にはゲート絶縁膜１６０が備えられ得る。

本発明の実施形態に係る単電子トランジスタのチャネル領域１９０は、リンカー１２０Ａと、リンカー１２０Ａに結合された金属イオンから成長された金属性ナノ粒子１４０とを含むことができる。また、チャネル領域１９０は、金属性ナノ粒子１４０の表面に結合された絶縁性有機物１５０をさらに含むことができる。

本発明の実施形態に係る単電子トランジスタのチャネル領域１９０は、金属性ナノ粒子１４０を含む。金属性ナノ粒子１４０は、リンカー１２０Ａを媒介として金属イオンを基材上に結合させた後、エネルギーを印加して金属イオンを核生成及び成長することによりナノ粒子層に形成されることができる。

チャネル領域１９０の基材上に複数のリンカー１２０Ａが結合されてリンカー層１２０が形成され、リンカー層１２０は、自己結合により形成された自己組立単分子膜でありうるし、蒸着により形成されたシラン化合物層でありうる。

チャネル領域１９０は、０．１ｎｍ〜４．０ｎｍ ｒｍｓ、具体的に、０．２〜３．０ｎｍ ｒｍｓの極めて低い表面粗さを有することができる。０．１ｎｍ〜４．０ｎｍ ｒｍｓの極めて低い表面粗さは、トランジスタの動作安全性、再現性、及び信頼性を担保することができる。このような極めて低い表面粗さは、リンカーに結合された金属イオンにエネルギーを印加してナノ粒子１４０を形成（インサイチュでナノ粒子を形成）することにより得られることができる粗さである。上述したｒｍｓは、ＡＦＭ（ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて測定された表面粗さ平均でありうるし、互いに離隔配列されたナノ粒子及び／又はナノ粒子を囲む絶縁性有機物を含むチャネル領域の表面粗さをＡＦＭで測定して得られたｒｍｓでありうる。また、チャネル領域１９０でナノ粒子１４０が所定のパターンを有して位置することができ、この場合、上述したｒｍｓは、少なくともナノ粒子が位置する全領域の表面をＡＦＭで測定して得られたｒｍｓでありうる。

ナノ粒子１４０の平均粒径は０．５ｎｍ〜１ｎｍでありうる。単電子トランジスタの実現のために通常２０ｎｍ以下のサイズを有するナノ粒子が求められることと知られているが、ナノ粒子のサイズが大きくなるほど、トランジスタの動作温度が低くなるという限界がある。しかし、本発明の一実施形態により、チャネル領域１９０に平均粒径が０．５ｎｍ〜１ｎｍの遷移金属ナノ粒子が互いに離隔配列された場合、トランジスタの動作温度を顕著に向上させることができ、具体的に、平均粒径が０．５ｎｍ〜１ｎｍのナノ粒子によりトランジスタの常温動作が可能となり得る。

上述したように、ナノ粒子１４０は、平均粒径が０．５ｎｍ〜１ｎｍであり、粒径の標準偏差は±２０％以下、具体的に、±０．１％〜±１５％でありうる。このような極めて微細な粒径及び極めて狭い粒子分布によりチャネルの表面粗さが極めて低い値を有することができる。すなわち、ナノ粒子１４０が上述した粒径及び標準偏差を有することにより、チャネル領域１９０の表面粗さがナノ粒子を囲み、チャネル表面をなす絶縁性有機物１５０に基づいたものでない、ナノ粒子１４０自体により極めて低い値を有することができる。

ソース領域１７０Ａからドレイン領域１７０Ｂ方向へのチャネル領域１９０の長さは５ｎｍ〜２００ｎｍでありうる。工程の容易性及び実現可能性の側面でチャネルの長さは５ｎｍ以上でありうる。トランジスタ動作の安全性向上及びナノ粒子をインサイチュ形成する本発明の一実施形態において、チャネル領域１９０に形成されるナノ粒子のサイズ均一性を担保し、スキャン方式でエネルギーを照射するとき、より速い粒子化実現の側面でチャネルの長さは２００ｎｍ以下でありうる。５ｎｍ〜２００ｎｍのチャネル長を有するとき、チャネルの幅は５ｎｍ〜１０００ｎｍ、具体的に１０ｎｍ〜５００ｎｍ、より具体的にチャネルの幅は１０ｎｍ〜２００ｎｍでありうる。

本発明の一実施形態に係る単電子トランジスタにおいて、チャネル領域１９０の単位面積当たりのナノ粒子１４０の数であるナノ粒子密度は０．２×１０^１４〜２．０×１０^１４個／ｃｍ^２でありうるし、チャネルの長さ方向にナノ粒子が均一に分布するとき、チャネルには、チャネルの長さ方向に一個〜数百個のナノ粒子が位置し得る。

本発明の一実施形態に係る単電子トランジスタにおいて、チャネル領域１９０に位置するナノ粒子１４０の粒子間離隔距離（最隣接粒子間隔離距離）は０．２ｎｍ〜５ｎｍでありうる。チャネル領域１９０は、ナノ粒子１４０が絶縁体マトリックスに埋め込まれている（ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ）か、ナノ粒子をコアとして絶縁体のシェルが形成された構造を有することができる。ここで、絶縁体は、絶縁性有機物１５０それ自体でありうる。ナノ粒子１４０の粒子間離隔距離によりナノ粒子１４０間に形成されるトンネリングバリア距離が決定され得る。上述したナノ粒子間の隔離距離は、ゲート電圧印加により電子のトンネリング及び／又はホッピングが円滑に発生しながらも、アイドル（ｉｄｌｅ）状態でトランジスタの誤動作または洩れ電流を防止できる距離である。さらに、平均粒径が０．５ｎｍ〜１ｎｍのナノ粒子１４０が互いに０．２ｎｍ〜５ｎｍの距離で均一に離隔されてチャネル領域１９０に配列された構造は、上述したように、リンカー結合された金属イオンをインサイチュで還元及び成長させてナノ粒子１４０を製造することにより実現され得る。

チャネル領域１９０に位置する金属性ナノ粒子１４０の総原子数は、下記の関係式１、詳細には下記の関係式１−１、さらに詳細には、下記の関係式１−２を満たすことができる。
（関係式１）
０．８Ｎｍｌ≦Ｎｎｐ≦１ Ｎｍｌ
（関係式１−１）
０．９Ｎｍｌ≦Ｎｎｐ≦１Ｎｍｌ
（関係式１−２）
０．９８Ｎｍｌ≦Ｎｎｐ≦１Ｎｍｌ
関係式１、関係式１−１、または関係式１−２において、Ｎｍｌは、リンカーを媒介として基材上に結合された金属イオンの総原子（イオンを含む）数であり、Ｎｎｐは、チャネル領域に位置する全ての金属性ナノ粒子をなす総金属原子数である。

チャネル領域１９０に位置するナノ粒子１４０のサイズとナノ粒子１４０間の離隔距離とは比例関係を有することができる。詳しくは、エネルギー照射（化学的還元エネルギーを含む）前、金属イオンが結合されたリンカー層がチャネル領域に単分子膜で形成されている。このような単分子膜の金属イオンがナノ粒子の核生成及び成長時の唯一の物質供給源となることにより、ナノ粒子のサイズが大きくなるほど、ナノ粒子の粒子間離隔距離も大きくなることができ、ナノ粒子のサイズが小さくなるほど、ナノ粒子の粒子間離隔距離も小さくなることができる。ナノ粒子のサイズ及び粒子間離隔距離は、単分子膜に照射されるエネルギーによる金属原子（またはイオン）の拡散距離により制御されたものでありうる。すなわち、印加されるエネルギーにより金属原子（またはイオン）の拡散距離が大きくなるほど、一遷移金属の核を基準として一核の成長に寄与できる物質供給源が増えたことと類似している。

上述したように、リンカーに結合された金属イオンを唯一の物質供給源として、チャネル領域１９０においてインサイチュでナノ粒子１４０が形成されることにより、チャネルに位置するナノ粒子は極めて均一なサイズ及び均一な粒子間離隔距離を有することができる。

本発明の実施形態に係る単電子トランジスタにおいて、チャネル領域１９０は、互いに離隔配列されたナノ粒子１４０及びナノ粒子を囲む絶縁性有機物１５０を含むことができる。具体的にチャネル領域１９０は、絶縁体マトリックスにナノ粒子１４０が埋め込まれた（ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ）構造であるか、ナノ粒子１４０のコアを囲む絶縁体のシェルを含むコア−シェル粒子が配列された構造でありうる。具体的に、チャネル領域１９０のナノ粒子と絶縁体との重量比は１：０．５〜５でありうるが、このような遷移金属ナノ粒子と絶縁体との重量比は安定したトンネリングバリアを提供し、洩れ電流を防止しつつ、ゲート電圧によりトランジスタ動作が円滑に制御され得る重量比である。

本発明の実施形態に係る単電子トランジスタにおいて、チャネル領域１９０に含有される絶縁体（絶縁性有機物１５０を含む）は、ナノ粒子間、ナノ粒子とソース、及びドレイン間のトンネリングバリアを提供することにより、チャネル領域１９０に絶縁体が均一に分布するのが好ましく、ナノ粒子１４０の粒子間に存在する絶縁体が均一な厚さを有するのが好ましい。このような側面で、チャネル領域１９０の絶縁体は、ナノ粒子の金属と化学結合した絶縁性有機物１５０でありうる。すなわち、チャネル領域１９０に含有される絶縁体は、ナノ粒子の表面に位置する金属元素と化学的に結合してナノ粒子を囲む絶縁性シェルを形成する絶縁性有機物１５０でありうる。このような絶縁性有機物１５０は、ナノ粒子金属と自発的に化学結合することにより、微細なナノ粒子に極めて均一に絶縁性膜を形成することができ、ナノ粒子別に絶縁性膜の厚さも一定に維持されることができる。絶縁性有機物１５０は、金属と結合する作用基を有し、絶縁性の有機物であればよい。具体的な一例として、金属と自発的に結合する絶縁性有機物１５０は、チオール基（−ＳＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、及び／又はアミン基（−ＮＨ_２）のように、金属と自発的に化学結合可能な一端の作用基を有し、メチル基のように、金属と反応しない他端の作用基を有し、規則的な絶縁膜の形成を可能とするボディ部分のアルカン鎖を含んでなることができる。このとき、アルカン鎖の炭素数により絶縁膜の厚さが制御され得る。エネルギー照射により０．５ｎｍ〜１ｎｍの隔離距離を有して配列されたナノ粒子１４０がチャネル領域１９０に形成されることを考慮するとき、絶縁性有機物１５０は、−（ＣｎＨｎ^＋２）（ここで、ｎは３以上２０以下）のアルカン鎖構造の有機物でありうる。

本発明の一実施形態に係る単電子トランジスタにおいて、チャネル領域１９０に位置するナノ粒子１４０は、単一層をなし、互いに離隔配列され得る。ナノ粒子１４０が互いに直接接する場合、単電子トランジスタの電気的特性及び動作温度に顕著な悪影響を及ぼす恐れがある。しかし、リンカーを媒介として基材上に結合された金属イオンをインサイチュで成長させてナノ粒子を形成する本発明の思想にしたがって、チャネル領域１９０でナノ粒子１４０間の所望しなかった物理的接触が根本的に防止されることができ、単一層のナノ粒子層を形成することができる。

チャネル領域１９０を構成する具体的な物質及びその構造は、この後、図２〜図６を介して記述される製造方法の実施形態においてさらに詳しく説明される。

一方、単電子トランジスタのチャネル領域は、先に基材上に形成された後、この後、ソース・ドレイン領域及びゲートが形成され得る。他の実施形態として、ソース領域、ドレイン領域、及びゲートのうち、少なくともいずれか１つが先に基材上に形成されてから、この後、チャネル領域が形成され得る。

チャネル領域１９０は、基材上の互いに離隔対向するソース及びドレイン間の基材表面領域でありうるし、トランジスタ設計によって予め規定された領域でありうる。チャネル領域１９０の形状は、１次元的な線状または２、３次元的な多角面状でありうる。また、チャネル領域に該当する基材の表面は、ソース及びドレインの下部の基材面と同一線上に位置するか、ソース及びドレインが形成される基材表面を基準としてその下部または上部に位置することができる。すなわち、幾何学的に、チャネル領域１９０は、全体的に扁平な平面状であるか、突出または陥没された構造を有することができる。

ソース及びドレインは、チャネルに平行な方向に電界を形成する役割を果たすことができ、互いに離隔対向するソースとドレインとの間の離隔距離によってチャネル長が決定され得る。このような離隔距離は、トランジスタの設計によって適宜設計変更され得る。好ましくは、単電子のトンネリング（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）及び／又はホッピング（ｈｏｐｐｉｎｇ）によりトランジスタの駆動がなされる信頼性のある動作及びインサイチュで遷移金属ナノ粒子が形成されてクーロンアイランドを形成する本発明の製造容易性によってソースとドレインとの隔離距離は５ｎｍ〜２００ｎｍでありうる。これにより、ソースからドレイン方向へのチャネル長は５ｎｍ〜２００ｎｍでありうる。

ソース及びドレインは、所定の距離離隔されて予め設計された形状を有するように導電性物質の塗布、導電性物質の蒸着、または不純物の注入により形成され得る。詳しくは、導電性物質の塗布は、導電性インキを用いた印刷方法を利用して行われることができ、このような印刷の限定的でない一例として、インクジェット、スクリーンプリント、グラビア印刷などがある。詳しくは、導電性物質の蒸着は、半導体の製造工程で電極の製造の際に通常使用される化学的蒸着、物理的蒸着、または熱的蒸着を利用することができる。化学的蒸着は、プラズマ支援化学的蒸着を含むことができる。ゲートの物質は、金属と、金属合金と、導電性金属酸化物と、導電性金属窒化物と、金属シリサイドと、導電性ポリマーと、グラフェンまたは金属性炭素ナノチューブのような導電性ナノ物質と、若しくはこれらの混合物でありうるが、本発明がソース及びドレインの物質により限定されないことはもちろんである。基材がシリコン（Ｓｉ）基板である場合を一例として、ソース及び／又はドレインは、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｗ、ＷＮ、Ｐｄ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）、またはこれらの合金であるか、ポリシリコン、導電性ポリアセチレン、導電性ポリアニリン、導電性３，４−エチレンジオキシチオフェンのような導電性物質でありうる。上述したように、ソースとドレインとによりチャネル領域が規定され得るし、詳しくは、チャネル領域は、互いに離隔対向するソースとドレインとの間の基材表面を意味することができる。

ゲート１８０は、単一ゲートまたはデュアルゲート構造でありうる。また、ゲート１８０がチャネル領域１９０の上部に位置することもできる。

図２〜図６は、本発明の実施形態に係る単電子トランジスタのチャネル領域形成方法を示した模式図である。

本発明の実施形態に係る単電子トランジスタのチャネル領域形成方法は、基材１１０を用意するステップ（図２参照）と、基材１１０上にリンカー１２０Ａを結合させるステップ（図３参照）と、リンカー１２０Ａに金属イオン１３０を結合するステップ（図４Ａ及び図４Ｂ参照）と、エネルギーを印加して金属イオン１３０を金属性ナノ粒子１４０で形成するステップ（図５参照）とを含むことができる。また、金属性ナノ粒子１４０が形成された構造物上に絶縁性有機物１５０を供給するステップ（図６参照）をさらに含むことができる。なお、エネルギーを印加する前、またはエネルギー印加中に単種或いは互いに異なる複数種の界面活性剤有機物を供給するステップをさらに含むことができる。

図２は、用意された基材１１０を示す。図２に示すように、基材１１０は、リンカーと結合可能な表面層１１４を有することができる。例えば、基材１１０は、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）を表面層１１４として有するシリコン基板１１２でありうる。表面層１１４は、単電子トランジスタのゲートとチャネル領域との間に形成されるゲート絶縁膜として機能することができる。

基材１１０は、半導体基材またはフレキシブル基材でありうるし、単電子トランジスタのソース領域、ドレイン領域、及びゲートのうち、少なくともいずれか１つを物理的に支持する支持体の役割を果たすか、前記要素等の原材料でありうる。

巨視的形状において基材１１０はウエハ、フィルム（ｆｉｌｍ）形状でありうるし、リセス構造または３次元構造のトランジスタなどのように設計される単電子トランジスタの物理的形状を考慮して、その表面がナノパターン化（構造化）されたものでありうる。

物質的に、基材１１０は、半導体、セラミック、金属、高分子、またはこれらから選ばれた２つ以上の物質が各層をなして積層された積層体でありうる。具体的な積層体の限定的でない一例として、互いに異なる半導体物質が各々層をなして積層された積層体、互いに異なるセラミック物質が各々層をなして積層された積層体、半導体及び金属が各々層をなして積層された積層体、半導体及びセラミックが各々層をなして積層された積層体などを挙げることができる。

半導体基材の限定的でない一例として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、またはシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）を含む４族半導体と、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、インジウムリン（ＩｎＰ）、またはガリウムリン（ＧａＰ）を含む３−５族半導体と、硫化カドミウム（ＣｄＳ）またはテルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）を含む２−６族半導体と、硫化鉛（ＰｂＳ）を含む４−６族半導体と、またはこれらから選ばれた２つ以上の物質が各層をなして積層された積層体を挙げることができる。セラミック基材の限定的でない一例として、半導体酸化物、半導体窒化物、半導体炭化物、金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物、またはこれらから選ばれた２つ以上の物質が各層をなして積層された積層体を挙げることができる。このとき、半導体酸化物、半導体窒化物、または半導体炭化物の半導体は、４族半導体、３−５族半導体、２−６族半導体、４−６族半導体、またはこれらの混合物を含むことができる。

金属基材の限定的でない一例として、貴金属を含む遷移金属、金属、またはこれらの混合物を挙げることができる。このとき、遷移金属は、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ａｃ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｔｅ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、またはこれらの混合物を含むことができ、金属は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｐｏ、またはこれらの混合物を含むことができる。

フレキシブル高分子基材の限定的でない一例として、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、またはこれらの混合物を挙げることができる。

基材１１０がフレキシブル高分子基材である場合、基材の表面層１１４は、リンカーと結合可能な作用基（例えば、−ＯＨ作用基）を有する有機物でありうる。

一方、表面層１１４は金属薄膜でありうる。このとき、金属薄膜の厚さは、１００ｎｍ以下、具体的に１ｎｍ〜１００ｎｍでありうる。金属薄膜の厚さが１ｎｍ未満で、極めて薄い場合、薄膜の均一性が劣る可能性があり、チャネル領域１９０に部分的に所望しなかった薄膜未形成領域が存在する危険がある。

図３は、基材１１０上にリンカー層１２０が形成された状態を示す。リンカー層１２０は、複数のリンカー１２０Ａで構成され、リンカー層１２０は、基材１１０の表面に自己組立により結合された自己組立単分子膜でありうる。

リンカー１２０Ａは、基材１１０の表面に化学的に結合または吸着し、金属イオンと化学的に結合できる有機リンカーでありうる。具体的に、リンカー１２０Ａは、基材の表面層１１４と化学的に結合または吸着する作用基１２２と金属イオン（後で形成される）と化学的に結合する作用基１２６とを全て有する有機リンカーでありうる。このとき、化学的結合は、共有結合、イオン結合、または配位結合を含むことができる。具体的な一例として、金属イオンとリンカーとの結合は、正の電荷（または負の電荷）を有する金属イオンと少なくとも一端基によって負の電荷（または正の電荷）を有するリンカー間イオン結合により結合された化合物でありうる。具体的な一例として、基材１１０の表面層とリンカーとの結合は、自己組立による結合でありうるし、リンカーの作用基１２２と基材の表面原子との間の自発的な化学的結合でありうる。

より具体的に、リンカー１２０Ａは、自己組立単分子膜を形成する有機単分子でありうる。すなわち、リンカー１２０Ａは、表面層１１４に自己組立される作用基１２２と金属イオンが結合可能な作用基１２６とを有する有機単分子でありうる。また、リンカー１２０Ａは、作用基１２２と作用基１２６とを連結し、ファンデルワールス相互作用により整列された単分子膜の形成を可能とする鎖基１２４を備えることができる。

自己組立は、基材の表面物質及び有機単分子の第１の作用基１２２を適宜設計してなることができ、通常周知された自己組立（自己結合）される物質別の末端基のセットを用いることができる。

具体的で限定的でない一例として、基材１１０の表面層１１４が酸化物、窒化物、オキシナイトライド、またはシリケートである場合、リンカーである有機単分子は、下記の化学式１を満たす物質でありうる。

（化１）
Ｒ１−Ｃ−Ｒ２
化学式１において、「Ｒ１」は基材と結合する作用基を、「Ｃ」は鎖基を、「Ｒ２」は金属イオンと結合する作用基を意味する。「Ｒ１」はアセチル基、アセト酸基、ホスフィン基、ホスホニック酸基、アルコール基、ビニル基、アミド基、フェニル基、アミン基、アクリル基、シラン基、シアン基、及びチオール基からなる群より選ばれる１種以上の作用基でありうる。「Ｃ」は、Ｃ１−２０の線形または分枝形炭素鎖である。「Ｒ２」は、カルボキシル酸基、カルボキシル基、アミン基、ホスフィン基、ホスホニック酸基、チオール基からなる群より選ばれる１種以上の作用基でありうる。

限定的でない一例として、リンカー１２０Ａである有機単分子は、オクチルトリクロロシラン（Ｏｃｔｙｌｔｒｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ；ＯＴＳ）、ヘキサメチルジシラン（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌｄｉｓｉｌａｚａｎｅ；ＨＭＤＳ）、オクタデシルトリクロロシラン（Ｏｃｔａｄｅｃｙｌｔｒｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ；ＯＤＴＳ）、（３−アミノプロピル）トリメトキシシラン（（３−Ａｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌ）ｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ；ＡＰＳ）、（３−アミノプロピル）トリエトキシシラン（（３−Ａｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌ）ｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）、Ｎ−（３−アミノプロピル）−ジメチル−エトキシシラン（Ｎ−（３−ａｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌ）−ｄｉｍｅｔｈｙｌ−ｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ；ＡＰＤＭＥＳ）、パーフルオロデシルトリクロロシラン（Ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｄｅｃｙｌｔｒｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ；ＰＦＳ）、メルカプトプロピルトリメトキシシラン（Ｍｅｒｃａｐｔｏｐｒｏｐｙｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ；ＭＰＴＭＳ）、Ｎ−（２−アミノエチル）−３アミノプロピルトリメトキシシラン（Ｎ−（２−ａｍｉｎｏｅｔｈｙｌ）−３ａｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌｔｒｙｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）、（３−トリメトキシシリルプロピル）ジエチレントリアミン（（３−Ｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐｙｌ）Ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅｔｒｉａｍｉｎｅ）、オクタデシルトリメトキシシラン（Ｏｃｔａｄｅｃｙｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ；ＯＴＭＳ）、（ヘプタデカフルオロ−１，１，２，２−テトラハイドロデシル）トリクロロシラン（（Ｈｅｐｔａｄｅｃａｆｌｕｏｒｏ−１，１，２，２−ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｄｅｃｙｌ）ｔｒｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ；ＦＤＴＳ）、ジクロロジメチルシラン（Ｄｉｃｈｌｏｒｏｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌａｎｅ；ＤＤＭＳ）、Ｎ−（トリメトキシシリルプロピル）エチレンジアミントリアセト酸（Ｎ−（Ｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐｙｌ）Ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅ Ｔｒｉａｃｅｔｉｃ Ａｃｉｄ）、ヘキサデカンチオール（Ｈｅｘａｄｅｃａｎｅｔｈｉｏｌ、ＨＤＴ）、及びエポキシヘキシルトリエトキシシラン（Ｅｐｏｘｙｈｅｘｙｌｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎ）から１つまたは２つ以上選ばれた物質でありうる。

ナノ粒子と基材との間の安定した絶縁性確保の側面で、リンカーである有機単分子は、アルカン鎖基、具体的にＣ３−Ｃ２０のアルカン鎖基を含むことができ、酸素を含有するモイエティ（ｍｏｉｅｔｙ）をさらに含むことができる。酸素含有モイエティの一例として、エチレングリコール（−Ｏ−ＣＨ_２−ＣＨ_２−）、カルボキシル酸（−ＣＯＯＨ）、アルコール（−ＯＨ）、エーテル（−Ｏ−）、エステル（−ＣＯＯ−）、ケトン（−ＣＯ−）、アルデヒド（−ＣＯＨ）、及び／又はアミド（−ＮＨ−ＣＯ−）などを挙げることができる。

リンカー１２０Ａの貼り付けは、リンカー１２０Ａが溶媒に溶解されたリンカー溶液に基材１１０を接触させて行われることができる。リンカー溶液の溶媒は、リンカーを溶解し、揮発により容易に除去可能ないかなる有機溶媒でも使用可能である。また、周知されているように、リンカーがシラン基を含む場合、加水分解反応を促進するための水がリンカー溶液に添加され得る。基板とリンカー溶液との間の接触は、通常周知された自己組立単分子膜を基材に形成する周知された全ての方法が使用され得ることはもちろんである。限定的でない一例として、リンカー溶液と基板との接触は、浸漬法（ｄｉｐｐｉｎｇ）、微細接触印刷法（ｍｉｃｒｏ ｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）、スピンコート（ｓｐｉｎ−ｃｏａｔｉｎｇ）、ロールコート（ｒｏｌｌ ｃｏａｔｉｎｇ）、スクリーンコート（ｓｃｒｅｅｎ ｃｏａｔｉｎｇ）、スプレーコート（ｓｐｒａｙ ｃｏａｔｉｎｇ）、スピンキャスト（ｓｐｉｎ ｃａｓｔｉｎｇ）、フローコート（ｆｌｏｗ ｃｏａｔｉｎｇ）、スクリーン印刷（ｓｃｒｅｅｎ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）、インクジェットコート（ｉｎｋｊｅｔ ｃｏａｔｉｎｇ）、またはドロップキャスト（ｄｒｏｐ ｃａｓｔｉｎｇ）方法を利用して行われることができる。

リンカー１２０Ａを用いて金属イオンを基板に固定させる場合、基材の表面層１１４の損傷を防止することができ、特に、自己組立を利用して金属イオンが均一に分布する金属イオン膜の形成が可能であり、エネルギー印加により形成されるナノ粒子も安定的に固定され得るという長所がある。

一方、リンカーは、金属イオンと化学的に結合する作用基自体でありうる。具体的に、基材１１０の表面を改質して作用基（リンカー）を形成した後、表面改質された基材に金属前駆体を供給することにより、金属イオンを作用基と結合させることができる。このとき、作用基は、カルボキシル酸基、カルボキシル基、アミン基、ホスフィン基、ホスホニック酸基、チオール基からなる群より選ばれる１種以上の作用基でありうる。基材１１０の表面に作用基を形成する方法は、いかなる方法を使用しても関係ない。具体的な一例として、プラズマ改質や化学的改質、作用基を有する化合物の蒸着（塗布）を挙げることができ、膜内の不純物導入や膜質低下、膜の損傷を防止する側面で作用基を有する化合物の蒸着（塗布）を介して改質がなされ得る。

具体的で限定的でない一例として、基材１１０の表面物質が酸化物、窒化物、オキシナイトライド、またはシリケートである場合、基材１１０にシラン化合物層を形成することにより作用基（リンカー）を形成することができる。

詳しくは、シラン化合物層は、カルボキシル酸基、カルボキシル基、アミン基、ホスフィン基、ホスホニック酸基、及びチオール基から１つ以上選ばれる作用基を有するアルコキシシラン化合物でありうる。

より具体的に、シラン化合物は、下記の化学式２でありうる。
（化２）
Ｒ^１ｎ（Ｒ^２Ｏ）_３−ｎＳｉ−Ｒ
化学式２において、「Ｒ^１」は水素；カルボキシル酸基；カルボキシル基；アミン基；ホスフィン基；ホスホニック酸基；チオール基；または線形または分枝形の（Ｃ１−Ｃ１０）アルキル基であり、「Ｒ^２」は線形または分枝形の（Ｃ１−Ｃ１０）アルキル基であり、「Ｒ」は線形または分枝形の（Ｃ１−Ｃ１０）アルキル基であって、前記「Ｒ」のアルキルは、カルボキシル酸基；カルボキシル基；アミン基；ホスフィン基；ホスホニック酸基；またはチオール基；に１つ以上が置換されたものであり、前記「Ｒ^１」のアルキル基及び「Ｒ^２」のアルキル基は、互いに独立的にハロゲン；カルボキシル酸基；カルボキシル基；アミン基；ホスフィン基；ホスホニック酸基；及びチオール基から選ばれる１つ以上に置換されることができ、ｎは、０、１、または２である。

さらに具体的に、シラン化合物は、下記の化学式３〜５でありうる。
（化３）
（Ｒ^３）_３Ｓｉ−Ｒ^４−ＳＨ
（化４）
（Ｒ^３）_３Ｓｉ−Ｒ^４−ＣＯＯＨ
（化５）
（Ｒ^３）_３Ｓｉ−Ｒ^４−ＮＨ_２
化学式３、化学式４、または化学式５において、「Ｒ^３」は独立的にアルコキシまたはアルキルからなり、１つ以上の「Ｒ^３」グループはアルコキシグループであり、「Ｒ^４」は（Ｃ１−Ｃ１０）の２価炭化水素グループである。具体的に、化学式３、化学式４、または化学式５において、「Ｒ^３」は同一または相違し、メトキシ、エトキシ、またはプロポキシであるアルコキシまたはアルキルからなり、「Ｒ^４」は−ＣＨ_２−、−ＣＨ_２−ＣＨ_２−、−ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＨ_２−、−ＣＨ_２−ＣＨ（ＣＨ_３）−ＣＨ_２−、または−ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＨ（ＣＨ_３）−のようなＣ１−Ｃ２０の２価炭化水素グループでありうる。

限定的でない一例として、カルボキシシラン化合物は、メチルジアセトキシシラン、１，３−ジメチル−１，３−ジアセトキシジシロキサン、１，２−ジメチル−１，２−ジアセトキシジシラン、１，３−ジメチル−１，３−ジプロピオノキシジシラメタン、または１，３−ジエチル−１，３−ジアセトキシジシラメタンを挙げることができる。限定的でない一例として、アミノシラン化合物は、Ｎ−（２−アミノエチル）アミノプロピルトリ（メトキシ）シラン、Ｎ−（２−アミノエチル）アミノプロピルトリ（エトキシ）シラン、Ｎ−（２−アミノエチル）アミノプロピルメチルジ（メトキシ）シラン、Ｎ−（２−アミノエチル）アミノプロピルメチルジ（エトキシ）シラン、３−アミノプロピルトリ（メトキシ）シラン、３−アミノプロピルトリ（エトキシ）シラン、３−アミノプロピルメチルジ（メトキシ）シラン、または３−アミノプロピルメチルジ（エトキシ）シランを挙げることができる。限定的でない一例として、メルカプトシラン化合物は、メルカプトプロピルトリメトキシシラン、メルカプトプロピルトリエトキシシラン、メルカプトエチルトリメトキシシラン、またはメルカプトエチルトリエトキシシランを挙げることができる。

上述したシラン化合物を基材１１０の表面に塗布または蒸着して作用基（シラン化合物層による作用基）を形成することができる。詳しくは、上述したシラン化合物が溶解された溶液を塗布及び乾燥してシラン化合物層を形成したり、気相のシラン化合物を基材表面に供給してシラン化合物を蒸着する方法を使用することができる。

このとき、シラン化合物の作用基には、後続して供給される金属前駆体と反応して金属イオンが基材上に固定され得ることにより、作用基がその表面に均等に露出し、均一な膜でシラン化合物層を形成するのがより好ましい。このような側面で、シラン化合物層は、ＡＬＤ（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法を利用して形成され得る。

上述した作用基を有するシラン化合物は、具体的に、化学式２のシラン化合物、より具体的に、化学式３〜４のシラン化合物、また、上述した自己組立単分子に属することができる。詳しくは、（Ｒ^３）_３Ｓｉは、基材表面と結合される作用基に該当することができ、「Ｒ^４」は鎖基に該当することができ、−ＳＨ、−ＣＯＯＨ、または−ＮＨ_２のような「Ｒ」（化学式２の「Ｒ」）は、金属イオンと結合する作用基に該当することができる。シラン化合物層は、シラン化合物の単分子膜でありうる。

図４Ａ及び図４Ｂは、リンカー１２０Ａに金属イオン１３０を結合した状態を示す。金属イオン１３０は、リンカー１２０Ａの作用基１２６に結合され得る。

金属イオン１３０は、金属前駆体を基材（リンカーが形成された基材）に供給することにより形成され得る。すなわち、金属前駆体が溶解された溶液を基材に塗布（または含浸）するか、気相の金属前駆体を基材上に供給することによりなされ得る。

金属前駆体は、所望のナノ粒子の物質を考慮して設計され得る。一例として、金属前駆体の金属は、遷移金属、転移後金属、及び準金属群から１つまたは２つ以上選ばれる金属の前駆体でありうる。限定的でない一例として、遷移金属前駆体は遷移金属塩でありうる。具体的に、遷移金属は、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｐｄ、及びＰｔから１つ以上選択されたものでありうるし、遷移金属塩は、これら遷移金属のハロゲン化物、カルコゲン化物、塩酸化物、硝酸塩、硫酸塩、アセト酸塩、またはアンモニウム塩でありうる。遷移金属前駆体の遷移金属がＡｕであるとき、遷移金属前駆体の具体的で限定的でない一例として、ＨＡｕＣｌ_４、ＡｕＣｌ、ＡｕＣｌ_３、Ａｕ_４Ｃｌ_８、ＫＡｕＣｌ_４、ＮａＡｕＣｌ_４、ＮａＡｕＢｒ_４、ＡｕＢｒ_３、ＡｕＢｒ、ＡｕＦ_３、ＡｕＦ_５、ＡｕＩ、ＡｕＩ_３、ＫＡｕ（ＣＮ）_２、Ａｕ_２Ｏ_３、Ａｕ_２Ｓ、Ａｕ_２Ｓ_３、ＡｕＳｅ、Ａｕ_２Ｓｅ_３を挙げることができるが、本発明が遷移金属前駆体の種類により限定され得ないことはもちろんである。

リンカー１２０Ａを媒介として基材に結合（貼り付け）される金属イオン１３０は、遷移金属、転移後金属、及び準金属群から１つまたは２つ以上選ばれる金属（元素）イオンでありうる。金属イオン１３０は、金属前駆体の種類に応じて上述した金属イオン自体または上述した金属を含む単分子イオンでありうるし、有機単分子（リンカー）の作用基１２６に金属イオン自体が結合したり（図４Ａ参照）、有機単分子の第２の作用基１２６に金属を含む単分子イオンが結合したもの（図４Ｂ参照）でありうる。このとき、金属を含む単分子イオンは、金属前駆体から引き起こされる（有機単分子の作用基との反応による引き起こし）イオンでありうる。

図５は、エネルギーを印加して金属イオン１３０を還元すると同時に成長させることにより、金属性ナノ粒子１４０が形成された状態を示す。リンカー１２０Ａを媒介として金属性ナノ粒子１４０が基材１１０上に形成され得る。

合成技術が高度に発達して数十〜数百個の原子からなる極めて微細なナノ粒子の合成が可能であるとしても、熱力学的に、外部で予め合成されたナノ粒子は、粒子サイズにおいて一定の分布を有せざるを得ず、これは、合成時の反応場（ｒｅａｃｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ）が大きくなるほど、最も大きい粒子間サイズ差を誘発せざるを得ない。また、エッチングによりトップダウン方式でナノ粒子を製造する方法は、リソグラフィ技術が高度に発達して２０ｎｍ以下の粒子の製造が可能になるとしても、その工程が複雑で厳格かつ精密な制御が必要であり、商業的に困難な点が多い。

しかし、本発明の実施形態に係る製造方法は、基材の表面領域に該当する極めて小さな反応場で直接ナノ粒子を製造することにより、極めて均一かつ微細に制御されたサイズのナノ粒子を高密度に形成することができる。また、単にリンカーを媒介として金属イオンを基材上に固定させた後、金属イオンにエネルギーを印加してナノ粒子を形成することにより、簡単かつ容易で、短時間に低費用でナノ粒子を大量生産することができる。また、金属原子（イオン）がリンカーを介して基材上に固定されている状態で、エネルギー印加により核生成と成長（ナノ粒子化）がなされることにより、金属原子（イオン）の移動が全体的に均一に抑制され、より均一かつ微細なナノ粒子が形成され得る。詳しくは、ナノ粒子化のための物質の核生成及び成長時に求められる金属の物質供給は、リンカーに結合された金属原子（イオン）のみによりなされることができる。すなわち、ナノ粒子化のための物質供給がリンカーと予め結合された金属原子（イオン）の移動のみにより生じ、リンカーとの結合により金属原子（イオン）が所定の距離以上に移動して核生成及び成長に参加することが難しくなることにより、各ナノ粒子の反応場は核の周辺に限定されることができる。これにより、基材上には、より均一かつ微細なサイズのナノ粒子が高密度に形成されることができ、一定に互いに離隔されたナノ粒子が形成され得る。このとき、金属性ナノ粒子は、リンカーと結合した状態を維持してナノ粒子がリンカーを媒介として物理的に安定して固定結合されることができ、ナノ粒子間の離隔距離は、各ナノ粒子の生成及び成長に寄与する金属原子拡散距離に対応し得る。

ナノ粒子化のために印加されるエネルギーは、熱、化学、光、振動、イオンビーム、電子ビーム、及び放射線エネルギーから１つ以上選ばれるエネルギー源でありうる。

具体的に、熱エネルギーは、ジュール熱を含むことができる。熱エネルギーは、直接的にまたは間接的に印加され得るが、直接的印加は、熱源（ｓｏｕｒｃｅ）と金属イオンとが固定された基材が物理的に接触された状態を意味することができ、間接的印加は、熱源（ｓｏｕｒｃｅ）と金属イオンとが固定された半導体基材が物理的に非接触された状態を意味することができる。限定的でない一例として、直接的な印加は、基材下部に電流の流れによりジュール熱を発生する加熱エレメントが位置して、基材を介して金属イオンに熱エネルギーを伝達する方法を挙げることができる。限定的でない一例として、間接的な印加は、チューブのような熱処理対象が位置する空間、熱処理対象が位置する空間を囲み、熱損失を防止する耐熱材及び耐熱材の内部に位置する加熱エレメントを含んで構成される通常の熱処理炉を用いた方法を挙げることができる。限定的でない一例として、間接的印加は、金属イオンが固定された基材の上部に金属イオンと所定の距離離隔されるように加熱エレメントが位置して、金属イオンと加熱エレメントとの間に存在する流体（空気を含む）を介して金属イオンに熱エネルギーを伝達する方法を挙げることができる。

具体的に光エネルギーは、深紫外線ないし近赤外線を含むことができ、光エネルギーの印加は光の照射を含むことができる。限定的でない一例として、金属イオンが固定された基材の上部に金属イオンと所定の距離離隔されるように光源が位置して金属イオンに光を照射することができる。

具体的に振動エネルギーは、マイクロウェーブ及び／又は超音波を含むことができ、振動エネルギーの印加は、マイクロウェーブ及び／又は超音波の照射を含むことができる。限定的でない一例として、金属イオンが固定された基材の上部に金属イオンと所定の距離離隔されるようにマイクロウェーブ及び／又は超音波発生源が位置して金属イオンにマイクロウェーブ及び／又は超音波を照射することができる。

具体的に放射線エネルギーは、α線、β線、及びγ線から１つ以上選ばれる放射線を含むことができ、金属イオンの還元の側面でβ線及び／又はγ線でありうる。限定的でない一例として、金属イオンが固定された基材の上部に金属イオンと所定の距離離隔されるように放射線発生源が位置して金属イオンに放射線を照射することができる。

具体的にエネルギーは、粒子ビームによる運動エネルギーでありうるし、粒子ビームは、イオンビーム及び／又は電子ビームを含むことができる。金属イオンの還元の側面でビームのイオンは負の電荷を有するイオンでありうる。限定的でない一例として、金属イオンが固定された基材の上部に金属イオンと所定の距離離隔されるようにイオンまたは電子発生源が位置し、イオンまたは電子を金属イオン方向に加速する電場（電界）を提供する加速部材を用いて、金属イオンにイオンビーム及び／又は電子ビームを印加することができる。

具体的に化学的エネルギーは、化学反応の反応前後、ギブスフリーエネルギー差を意味することができ、化学的エネルギーは還元エネルギーを含むことができる。詳しくは、化学的エネルギーは、還元剤による還元反応エネルギーを含むことができ、還元剤により金属イオンが還元される還元反応エネルギーを意味することができる。限定的でない一例として、化学的エネルギーの印加は、金属イオンが固定された基材と還元剤とを接触する還元反応でありうる。このとき、還元剤は、液相で供給されることができ、気相で供給されることもできることはもちろんである。

本発明の一実施形態に係る製造方法において、エネルギーの印加は、熱、化学、光、振動、イオンビーム、電子ビーム、及び放射線エネルギーから選ばれた２つ以上のエネルギーが同時または順次印加されることを含むことができる。

同時印加の具体的な一例として、熱の印加とともに粒子ビームの印加が同時に行われることができ、このとき、粒子ビームの粒子が熱エネルギーにより加熱され得ることはもちろんである。同時印加の他の具体的な一例として、熱の印加とともに還元剤の投入が同時に行われ得る。同時印加のさらに他の具体的な一例として、粒子ビームの印加とともに赤外線が印加されるか、粒子ビームとともにマイクロウェーブが印加され得る。

順次的印加は、一種類のエネルギー印加がなされた後、さらに異なる種類のエネルギー印加がなされることを意味することができ、互いに相違した種類のエネルギーが連続的または不連続的に金属イオンに印加されることを意味することができる。リンカーを媒介として基材に固定された金属イオンの還元が粒子化より先になされるのが好ましいので、順次的印加の具体的な一例として、還元剤の投入後、熱が印加されるか、負の電荷を帯びる粒子ビームの印加後に熱が印加され得る。

限定的でなく、実質的な一例として、エネルギーの印加は、タングステン−ハロゲンランプを含む急速熱処理装置（ＲＴＰ；Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）を利用して行われることができ、急速熱処理時の加温速度（ｈｅａｔｉｎｇ ｒａｔｅ）は５０〜１５０℃／ｓｅｃでありうる。急速熱処理装置を利用した熱処理の際、熱処理雰囲気は、還元雰囲気または不活性気体雰囲気でありうる。

限定的でなく、実質的な一例として、エネルギーの印加は、還元剤が溶媒に溶解された還元液と金属イオンとを接触させた後、急速熱処理装置を利用した熱処理により行われることができる。急速熱処理装置を利用した熱処理の際、熱処理雰囲気は、還元雰囲気または不活性気体雰囲気でありうる。

限定的でなく、実質的な一例として、エネルギーの印加は、真空チャンバ内に、電子ビーム発生装置から電子ビームを発生させ、これを金属イオンで加速することにより行われることができる。このとき、電子ビーム発生装置は、スクウェアタイプまたはリニアガンタイプでありうる。電子ビーム発生装置は、プラズマを発生させた後、遮蔽膜を用いて電子を抽出することにより電子ビームを生成することができる。また、真空チャンバ内の基材を支持する試験片ホルダーには加熱部材が形成されることができ、このような加熱部材により電子ビーム印加前、電子ビーム印加中、及び／又は電子ビーム印加後、基材に熱エネルギーが加えられ得ることはもちろんである。

目的とするナノ粒子が金属ナノ粒子である場合、上述したエネルギーの印加により金属ナノ粒子がインサイチュで製造され得るし、金属ナノ粒子でない金属化合物粒子を製造しようとする場合、上述したエネルギーの印加時、または上述したエネルギーの印加後、金属イオンと相違した異種元素を供給して金属化合物ナノ粒子を製造することができる。詳しくは、金属化合物ナノ粒子は、金属酸化物ナノ粒子、金属窒化物ナノ粒子、金属炭化物ナノ粒子、または金属間化合物ナノ粒子を含むことができる。より詳しくは、上述したエネルギーの印加時、気相または液相で異種元素を供給することにより、金属化合物ナノ粒子を製造することができる。具体的な一例として、エネルギーの印加時、酸素ガスを含む酸素源を供給することにより、金属ナノ粒子でない金属酸化物ナノ粒子を製造することができ、エネルギーの印加時、窒素ガスを含む窒素源を供給することにより、金属ナノ粒子でない金属窒化物ナノ粒子を製造することができ、エネルギーの印加時、Ｃ１−Ｃ１０の炭化水素ガスを含む炭素源を供給することにより、金属炭化物ナノ粒子を製造することができ、エネルギーの印加時、目的とする金属間化合物を製造するための異種元素前駆体ガスを含む異種元素源を供給することにより、金属間化合物ナノ粒子を製造することができる。より詳しくは、上述したエネルギー印加後、エネルギー印加により製造される金属ナノ粒子を炭化処理、酸化処理、窒化処理、または合金化することにより、金属間化合物ナノ粒子を製造することができる。

印加されるエネルギーの種類、印加されるエネルギーのサイズ、エネルギーの印加時間、及び温度を含むエネルギー印加条件から１つ以上選ばれる因子（ｆａｃｔｏｒ）により、ナノ粒子の密度（チャネル領域の単位表面的当たりのナノ粒子の個数）、ナノ粒子のサイズ及び分布が調整され得る。

ナノ粒子は、平均粒径が０．５〜１ｎｍに極めて微細に形成され、粒径の標準偏差が±２０％以下に極めて均一に形成するのが好ましい。そして、チャネルの単位面積当たりのナノ粒子の数、すなわち、ナノ粒子密度を０．２×１０^１４〜２．０×１０^１４／ｃｍ^２に形成するのが好ましい。このための具体的な一例として、印加されるエネルギーが電子ビームである場合、電子ビーム照射量は１μＧｙ〜１００ＫＧｙ、具体的に、１μＧｙ〜５０ＫＧｙ、より具体的に、０．００１〜２０ＫＧｙ、より具体的に、０．０１〜１０ＫＧｙ、さらに具体的に、０．０５〜５ＫＧｙでありうる。また、印加されるエネルギーが熱エネルギーである場合、還元雰囲気で１００〜５００℃の温度で０．１時間〜４時間の間熱処理したり、リンカーに結合された金属イオンに還元剤を供給し、不活性雰囲気で１００〜５００℃の温度で０．１時間〜４時間の間熱処理することにより、上述した微細かつ均一なナノ粒子を形成することができる。すなわち、熱エネルギー印加時、還元雰囲気での熱エネルギー印加または化学エネルギーと熱エネルギーとが順次印加される場合を挙げることができるが、還元雰囲気で熱エネルギーを印加する場合、還元雰囲気は、水素が存在する雰囲気を含むことができ、具体的な一例として、水素を１〜５モル％含有する不活性気体である還元ガス雰囲気でありうる。また、均一な還元力を提供する側面で還元ガスが流れる雰囲気で熱エネルギーが印加され得るし、具体的な一例として、還元ガスが１０〜１００ｃｃ／ｍｉｎで流れる雰囲気でありうる。化学エネルギーと熱エネルギーとが順次印加される場合、還元剤を金属イオンに接触させた後、不活性雰囲気で熱エネルギーが印加され得る。還元剤は、金属イオンを還元させる物質であれば、使用可能である。還元剤の投入により化学エネルギーを印加するようになる場合、還元反応によっても遷移金属が粒子化され得る。還元反応時、金属イオンの粒子化が生じる場合、還元反応がチャネルの全領域で非常に速くかつ均質になされてこそより均一なサイズの遷移金属粒子が形成され得る。このような側面で、還元力の強い還元剤を使用することができ、代表的な一例として、還元剤は、ＮａＢＨ_４、ＫＢＨ_４、Ｎ_２Ｈ_４Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２Ｈ_４、ＬｉＡｌＨ_４、ＨＣＨＯ、ＣＨ_３ＣＨＯ、またはこれらの混合物を挙げることができる。金属イオンと還元剤との接触は、還元剤が溶解された溶媒をチャネル領域に塗布するか、基材を還元剤が溶解された溶媒に含浸させるか、還元剤を気相で供給することによりなされることができる。具体的で限定的でない一例として、還元剤と金属イオンとの間の接触は常温でなされることができ、１〜５時間の間なされることができる。

上述したように、印加されるエネルギーの種類、印加されるエネルギーのサイズ、及びエネルギーの印加時間から１つ以上選ばれる因子（ｆａｃｔｏｒ）を用いて、遷移金属ナノ粒子の核生成及び成長を調整することができる。

一方、本発明の一実施形態に係る製造方法において、ｉ）エネルギーの印加前、金属イオンに結合または吸着される界面活性剤有機物を供給した後、エネルギーを印加してナノ粒子のサイズを調整することができ、これと独立的に、ｉｉ）エネルギーの印加中、金属イオンに結合または吸着される界面活性剤有機物を供給することにより、ナノ粒子成長の際、そのサイズを調整することができる。このような界面活性剤有機物の供給は、製造過程中、選択的事項となり得る。エネルギー印加前または印加中に供給される界面活性剤有機物は単種の有機物でありうるし、互いに異なる複数種の複数の有機物でありうる。

金属の物質移動をより効果的に抑制するために、界面活性剤有機物は、互いに異なる種の第１の有機物と第２の有機物とを使用することができる。

ここで、第１の有機物は、窒素または含硫有機物でありうるし、一例として、含硫有機物は、一端基がチオール基である直鎖または分枝鎖形炭化水素化合物を含むことができる。含硫有機物の具体的な一例として、ＨＳ−Ｃ_ｎ−ＣＨ_３（ｎ：２〜２０の整数）、ｎ−ドデシルメルカプタン、メチルメルカプタン、エチルメルカプタン（Ｅｔｈｙｌ Ｍｅｒｃａｐｔａｎ）、ブチルメルカプタン、エチルヘキシルメルカプタン、イソオクチルメルカプタン、ｔｅｒｔ−ドデシルメルカプタン、チオグリコールアセト酸、メルカプトプロピオン酸、メルカプトエタノール、メルカプトプロパノール、メルカプトブタノール、メルカプトヘキサノール、及びオクチルチオグリコレートから１つ以上選ばれた物質を挙げることができる。

第２の有機物は、相転移触媒（Ｐｈａｓｅ−ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃａｔａｌｙｓｔ）系の有機物でありうるし、具体的な一例として、４元素アンモニウム（ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ ａｍｍｏｎｉｕｍ）、またはリン蛋白質塩（ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｕｍ ｓａｌｔｓ）でありうる。より具体的に、第２の有機物は、テトラオキシルアンモニウムブロミド（Ｔｅｔｒａｏｃｙｌｙａｍｍｏｎｉｕｍ ｂｒｏｍｉｄｅ）、テトラエチルアンモニウム（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ）、テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム（Ｔｅｔｒａ−ｎ−ｂｕｔｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｂｒｏｍｉｄｅ）、テトラメチルアンモニウムクロリド（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ）、テトラブチルアンモニウムフロライド（Ｔｅｔｒａｂｕｔｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｆｌｕｏｒｉｄｅ）から１つ以上選ばれた物質でありうる。

エネルギー印加前またはエネルギー印加中に供給される界面活性剤有機物は、金属イオンの核またはリンカーと結合された金属イオンに結合または吸着することができ、供給されるエネルギーによるナノ粒子の核生成及び成長は、金属イオンと結合するか、金属イオンに吸着する界面活性剤有機物により制御され得る。このような界面活性剤有機物は、エネルギー印加時、金属の物質移動を抑制してより均一かつ微細なナノ粒子の形成を可能とする。金属イオンは、界面活性剤有機物と結合することにより、核生成または成長に関与するための移動（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）の際、より高い活性化エネルギー（ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ）が必要となるか、有機物により物理的に移動が抑制されることにより、金属（イオン）の拡散が遅くなり、核の成長に寄与する金属（イオン）の数が減少され得る。

界面活性剤有機物の存在下、エネルギーを印加する構成は具体的に、エネルギー印加ステップが行われる前、有機物が溶解された溶液をチャネル領域（すなわち、リンカーを媒介として金属イオンが結合された基材の表面）に塗布するか、気相の有機物を供給するステップを含むことができる。または、エネルギー印加とともに、有機物が溶解された溶液を金属イオンが形成されたチャネル領域に塗布するか、気相の有機物を供給して金属核に有機物を吸着または結合させるものでありうる。または、エネルギーを印加する途中に有機物が溶解された溶液を金属イオンが形成されたチャネル領域に塗布するか、気相の有機物を供給して金属核に有機物を吸着または結合させるものでありうる。または、所定時間の間エネルギーを印加した後、エネルギーの印加を中止し、有機物が溶解された溶液を金属イオンが形成されたチャネル領域に塗布するか、気相の有機物を供給して金属核に有機物を吸着または結合させた後、再度エネルギーを印加するものでありうる。

本発明の実施形態に係る製造方法において、エネルギーは、金属イオン結合領域の全領域に同時にエネルギーが印加されるか、金属イオン結合領域の一部にエネルギーが印加され得る。一部分にエネルギーが印加される場合、エネルギーがスポット（ｓｐｏｔ）、ライン（ｌｉｎｅ）、または予め設定された形状の面をなして印加（照射）されることができる。限定的でない一例として、スポットでエネルギーが照射され、金属イオン結合領域の全領域をスキャンする方式でエネルギーが印加（照射）され得る。このとき、金属イオン結合領域の一部分にエネルギーが印加されるとは、スポット、ライン、または面でエネルギーが照射され、金属イオン結合領域の全領域がスキャンされる場合のみならず、金属イオン結合領域の一部領域にのみエネルギーが印加（照射）される場合も含むことができる。このように、チャネル領域に部分的にエネルギーを印加してナノ粒子のパターンを形成することができる。すなわち、部分的なエネルギー印加（照射）は、エネルギー印加（照射）によりナノ粒子のパターン化を可能にすることができる。チャネル領域の全領域でない、パターン化された領域にエネルギーが照射され得るし、このようなエネルギー照射によりチャネル領域にパターン化された金属性ナノ粒子が形成され得る。パターン化の限定的でない一例として、チャネル領域でソースからドレイン方向をチャネル長方向に、チャネル長方向に垂直な方向をチャネル幅方向にして、チャネル長方向に不連続的なエネルギーが印加されて、長さ方向に不連続的なナノ粒子が形成され得る。これは、エネルギー印加によりインサイチュでチャネルにナノ粒子を形成する本発明の一実施形態に基づいたものであって、チャネル領域でナノ粒子を形成しようとする部分にのみエネルギーを印加することにより、チャネルにナノ粒子が形成された粒子領域とナノ粒子が形成されていない非粒子領域とが所定のパターンで共存するパターン化がなされ得る。

図６は、エネルギー印加により成長された金属性ナノ粒子１４０に絶縁性有機物１５０が結合された状態を示す。絶縁性有機物１５０は、金属性ナノ粒子１４０の表面にコーティングされた状態であるか、金属性ナノ粒子１４０間の空いた空間を満たす形態でありうる。絶縁性有機物１５０は、ナノ粒子１４０間を絶縁させて隣り合うナノ粒子の間の通電をより安定的に防止することができる。

一方、先のステップで界面活性剤有機物が十分供給されたとすれば、すなわち、エネルギー印加前または印加中に供給される界面活性剤有機物が成長されたナノ粒子の表面に残留して成長されたナノ粒子間の絶縁が十分であれば、成長されたナノ粒子１４０の表面に絶縁性有機物１５０をさらに形成する必要がない。すなわち、所望のナノ粒子のサイズによってエネルギー印加前または印加中に供給される有機物の使用有無（または、供給量、種類など）が決定されるので、これに合わせて絶縁性有機物１５０の形成は選択的事項となる。

絶縁性有機物１５０の供給は、絶縁性有機物が溶解された溶液をエネルギー印加により製造されるナノ粒子層に塗布してから乾燥して、ナノ粒子間の空いた空間を絶縁性有機物で満たすステップを含んで行われることができる。これにより、絶縁性有機物からなる絶縁マトリックスにナノ粒子が埋め込まれた（ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ）構造を有することができる。絶縁性有機物は、通常の有機基盤の電子素子で絶縁膜を形成するために使用される通常的な絶縁性有機物であれば使用可能である。具体的な一例として、絶縁性有機物は、ＢＣＢ（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）、アクリル系物質、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリプロピレン、フッ素系物質（ＣＹＴＯＰＴＭ）、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、ポリエチレンテレフタレート、ポリキシリレン系物質（Ｐｏｌｙ−ｐ−ｘｙｌｙｌｅｎｅ）、ＣＹＭＭ（Ｃｙａｎｏｐｕｌｌｕａｎｅ）、またはポリメチルスチレン（Ｐｏｌｙ−ｍｅｔｈｙｌｓｔｙｒｅｎｅ）を挙げることができるが、本発明がこれに限定されないことはもちろんである。

絶縁性有機物１５０は、金属と自発的に結合する物質でありうる。すなわち、エネルギー印加による粒子化が行われた後、リンカーを介して基材に貼り付けられる金属イオンの金属と自発的に結合する絶縁性有機物溶液をチャネル領域に塗布するか、絶縁性有機物を気相供給してナノ粒子に含有された金属（リンカーを介して半導体基材に貼り付けられる金属イオンの金属）と絶縁性有機物とを結合させて、ナノ粒子コア−絶縁性有機物のシェルのコア−シェル構造の複合粒子を形成することができる。このような方法は、微細なナノ粒子に極めて均一に絶縁性膜を形成することができ、ナノ粒子間のより安定的な絶縁性を確保することができる。

絶縁性有機物１５０は、ナノ粒子に含有された金属と結合する作用基を有し、絶縁性の有機物であれば使用可能である。具体的な一例として、ナノ粒子に含有された金属と自発的に結合する絶縁性有機物は、チオール基（−ＳＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、及び／又はアミン基（−ＮＨ_２）のように、ナノ粒子に含有された金属と自発的に化学結合可能な一作用基、メチル基のように、ナノ粒子に含有された金属と反応しない他の作用基、及び規則的な絶縁膜形成を可能にするボディ部分のアルカン鎖を含んでなされることができる。このとき、アルカン鎖の炭素数により絶縁膜（シェル）の厚さが制御され得るし、絶縁性有機物は、Ｃ３−Ｃ２０のアルカン鎖構造の有機物でありうる。

一方、絶縁性有機物１５０が形成された状態で、ナノ粒子１４０をより安定的に固定させるために、無機酸化物をさらに形成することができる。また、絶縁性有機物１５０無しで直接無機酸化物が形成され得る。無機酸化物は、通常的な気相蒸着法を利用して形成されることができる。

本発明の一実施形態に係る製造方法において、チャネルをなす金属性ナノ粒子及び絶縁性有機物の重量比は１：０．５〜５でありうる。このような遷移金属ナノ粒子と絶縁性有機物との重量比は、安定したトンネリングバリアを提供し、洩れ電流を防止しつつ、ゲート電圧によりトランジスタ動作が円滑に制御され得る重量比である。このようなナノ粒子と絶縁性有機物との重量比は、ナノ粒子が形成されたチャネルに投入される絶縁性有機物の量によって制御されることができる。また、ナノ粒子の表面に位置する金属原子と自発的に結合する絶縁性有機物を用いる場合、絶縁性有機物の上述したアルカン鎖の炭素数によってもナノ粒子と絶縁体との重量比が制御され得ることはもちろんである。

以下では、ナノ粒子が形成された試料を製作し、その試料でのナノ粒子を観察した実験例を説明する。

（実験例）
単結晶Ｓｉウエハに５〜５０ｎｍの厚さで非晶質ＳｉＯ_２酸化膜が形成された基板（以下、ＳｉＯ_２基板）を用意した後、蒸溜水に１５分間３回、エタノール溶媒を用いて３０分間、２回超音波洗浄した。この後、ＡＬＤ（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）蒸着装備のチャンバに装入した後、３−アミノプロピルメチルジ（エトキシ）シラン前駆体を用いてシラン層（リンカー層）蒸着を行った。詳しくは、２５℃、０．４Ｔｏｒｒの圧力下、３−アミノプロピルメチルジ（エトキシ）シラン前駆体を供給して１秒間蒸着し、５秒間アルゴンガスでパージする工程を単位工程として、このような単位工程は、１回〜１０回繰り返してＳｉＯ_２基板に３−アミノプロピルメチルジ（エトキシ）シラン層を蒸着した。この後、アミン基の表面作用基を有する３−アミノプロピルメチルジ（エトキシ）シラン層が形成されたＳｉＯ_２基板を１ｍＭ ＫＡｕＣｌ_４水溶液１０ｍＬが入れられた容器に６時間の間常温含浸することにより、アミン基にＡｕを結合させた。この後、３−アミノプロピルメチルジ（エトキシ）シランを介してＡｕが結合されたＳｉＯ_２基板を０℃、１Ｍ ＮａＢＨ_４水溶液１０ｍＬに含浸して、化学的還元反応を行った。化学的還元反応後、回収された基板を急速熱処理装置（ＲＴＰ、ｒａｐｉｄｌｙ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ）に装入した後、Ａｒ雰囲気で２００〜４５０℃で１時間の間熱処理して金ナノ粒子を形成した。この後、金ナノ粒子が形成された基板に５ｍＭ濃度でトルエンに溶解されたヘキサンチオール（ｈｅｘａｎｅｔｈｉｏｌ）溶液１０ｍＬに含浸して金ナノ粒子の表面を囲む絶縁性有機物を形成した。

図７は、製造例の各ステップでＳｉＯ_２基板の表面粗さを観察したＡＦＭ（ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）イメージである。図７（Ａ）は、洗浄直後のＳｉＯ_２基板の表面ＡＦＭイメージであり、表面粗さは０．０８ｎｍ ｒｍｓと確認された。図７（Ｂ）は、３−アミノプロピルメチルジ（エトキシ）シランの１回（１ｌａｙｅｒ）ＡＬＤ工程後のＡＦＭイメージである。３−アミノプロピルメチルジ（エトキシ）シラン蒸着後、表面の高さが増加したことが確認でき、表面粗さは０．１２ｎｍ ｒｍｓに扁平な表面を維持し、基板の表面に３−アミノプロピルメチルジ（エトキシ）シランが均一に蒸着されたことが確認できる。図７（Ｃ）は、金前駆体であるＫＡｕＣｌ_４とシラン層とが形成された基板を反応させてシラン層の作用基（アミン基）にＡｕを結合させた後、ＮａＢＨ_４を用いた化学的還元反応後の表面ＡＦＭイメージである。図７（Ｃ）で分かるように、化学的還元反応後、表面粗さが０．２５ｎｍ ｒｍｓであり、化学的還元反応により、直径が１ｎｍ以下サイズの金ナノ粒子が合成されたことが確認できる。

３−アミノプロピルメチルジ（エトキシ）シランにより表面改質されたＳｉＯ_２基板表面の濡れ特性（ｗｅｔ ａｂｉｌｉｔｙ）変化を接触角（ｃｏｎｔａｃｔ ａｎｇｌｅ）を用いて測定した。接触角測定は、Ｙｏｕｎｇ ｅｑｕａｔｉｏｎを用いてａ ｈａｌｆ−ａｎｇｌｅ ｍｅｔｈｏｄにより行われた。接触角測定の結果、洗浄前のＳｉＯ_２基板表面の接触角は５０．３度であり、洗浄後のＳｉＯ_２基板表面の接触角は３１．１度で、エタノール洗浄前に比べて相対的に親水性表面に変化されたことが分かり、３−アミノプロピルメチルジ（エトキシ）シランの蒸着後のＳｉＯ_２表面の接触角は５８．９度で疏水性表面であることを確認した。

また、表面電荷分布分析のために、ゼータ電位測定装備を用いてゼータ電位（ｚｅｔａ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を測定した結果、３−アミノプロピルメチルジ（エトキシ）シラン蒸着前、後のゼータ電位測定値はｐＨ７で各々−２０ｍＶと０ｍＶとに確認された。したがって、ｐＨ７で負の電荷を帯びるＳｉＯ_２表面は、３−アミノプロピルメチルジ（エトキシ）シランがＳｉＯ_２表面に均一に蒸着されることにより、中性の表面に変化されたことが分かる。

図８は、ＲＴＰ処理後、金ナノ粒子を観察した透過電子顕微鏡写真（右側）及びエネルギー分散分光分析（ＥＤＳ；ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を利用した元素分析結果（左側）を示したものである。図８で分かるように、球状の金ナノ粒子が形成されることが確認でき、直径が１．８ｎｍである金ナノ粒子が形成されることが確認できる。

以上のように、本発明では、特定された事項等と限定された実施形態及び図面により説明されたが、これは、本発明のより全般的な理解を助けるために提供されたものであり、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有した者であれば、このような記載から様々な修正及び変形が可能である。

したがって、本発明の思想は、説明された実施形態に局限されて決められてはならず、後述する特許請求の範囲のみならず、この特許請求の範囲と均等であるか、等価的変形があるあらゆるものなどは、本発明の思想の範疇に属するといえるであろう。

Claims (34)

1. 基材上に形成されたリンカーと、前記リンカーに結合された金属イオンから成長された金属性ナノ粒子とを含むチャネル領域と、
   前記チャネル領域の一端に位置するソース領域と、
   前記チャネル領域の他端に位置して、前記ソース領域と対向するドレイン領域と、
   前記チャネル領域での電荷移動を制御するために、前記チャネル領域に結合されたゲートと、
   を備え、
   前記チャネル領域は、
   前記金属イオンまたは成長中の前記ナノ粒子に結合された界面活性剤有機物と、
   成長された前記金属性ナノ粒子の表面に結合またはコーティングされた絶縁性有機物及び無機酸化物のうち、いずれか１つをさらに含むことを特徴とする単電子トランジスタ。
2. 前記リンカーは、自己組立により前記基材表面に結合された有機単分子であることを特徴とする請求項１に記載の単電子トランジスタ。
3. 前記チャネル領域は、前記金属性ナノ粒子の表面に結合またはコーティングされた絶縁性有機物及び無機酸化物のうち、少なくともいずれか１つをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の単電子トランジスタ。
4. 前記チャネル領域は、前記金属イオンまたは成長中の前記ナノ粒子に結合された互いに異なる種の複数の界面活性剤有機物をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の単電子トランジスタ。
5. 前記複数の界面活性剤有機物は、互いに異なる種の第１の有機物及び第２の有機物を含み、
   前記第１の有機物は、窒素または含硫有機物であり、
   前記第２の有機物は、相転移触媒（Ｐｈａｓｅ−ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃａｔａｌｙｓｔ）系の有機物であることを特徴とする請求項４に記載の単電子トランジスタ。
6. 前記界面活性剤有機物は、
   互いに異なる種の複数の界面活性剤有機物であることを特徴とする請求項１に記載の単電子トランジスタ。
7. 前記金属性ナノ粒子の平均粒径は、０．５ｎｍ〜１ｎｍであり、前記粒径の標準偏差は、±２０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の単電子トランジスタ。
8. 前記基材は、前記リンカーと結合可能な表面層を有することを特徴とする請求項１に記載の単電子トランジスタ。
9. 前記表面層は、金属、金属酸化物、半導体、及び半導体酸化物からなるグループより選ばれたいずれか１つであることを特徴とする請求項８に記載の単電子トランジスタ。
10. 前記基材は、フレキシブル基材であり、前記フレキシブル基材は、ヒドロキシ基（−ＯＨ）作用基を有する表面層を備えることを特徴とする請求項１に記載の単電子トランジスタ。
11. 前記フレキシブル基材は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のグループより選ばれたいずれか１つであるか、これらの混合物を含むことを特徴とする請求項１０に記載の単電子トランジスタ。
12. 前記チャネル領域の表面粗さ（ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）は、０．１ｎｍ〜４．０ｎｍ ｒｍｓであることを特徴とする請求項１に記載の単電子トランジスタ。
13. 前記チャネル領域での前記金属性ナノ粒子の密度は、０．２×１０^１４〜２．０×１０^１４／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項１に記載の単電子トランジスタ。
14. 前記リンカーは、有機単分子であり、前記有機単分子が前記基材上に複数個自己結合されて形成された自己組立単分子膜のリンカー層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の単電子トランジスタ。
15. 前記基材上に形成され、アミン基、カルボキシル基、及びチオール基から選ばれたいずれか１つの作用基を有するシラン化合物層をさらに備え、
    前記アミン基、カルボキシル基、及びチオール基から選ばれたいずれか１つの作用基は前記リンカーの一部であることを特徴とする請求項１に記載の単電子トランジスタ。
16. 前記リンカーは、前記金属イオンと結合するアミン基（−ＮＨ_２）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、及びチオール基（−ＳＨ）から選ばれたいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の単電子トランジスタ。
17. 前記金属性ナノ粒子は、金属ナノ粒子、金属酸化物ナノ粒子、金属窒化物ナノ粒子、金属炭化物ナノ粒子、及び金属間化合物ナノ粒子のグループより選ばれたいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の単電子トランジスタ。
18. 前記チャネル領域で複数の前記金属性ナノ粒子が互いに離隔配列され、前記複数の前記金属性ナノ粒子は、単一層をなすことを特徴とする請求項１に記載の単電子トランジスタ。
19. 前記チャネル領域で前記金属性ナノ粒子は、均一または不均一に分布することを特徴とする請求項１に記載の単電子トランジスタ。
20. 前記チャネル領域と前記ゲートとの間に介在されたゲート絶縁膜をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の単電子トランジスタ。
21. ａ）基材を用意するステップと、
    ｂ）前記基材上にリンカーを形成するステップと、
    ｃ）前記リンカーに金属イオンを結合するステップと、
    ｄ）前記リンカーに結合された金属イオンを還元および成長させて金属性ナノ粒子を形成するステップと、
    を含み、
    ｅ）前記ｄ）ステップ前または前記ｄ）ステップ中に界面活性剤有機物を供給するステップと、
    ｆ）前記金属性ナノ粒子の表面に絶縁性有機物及び無機酸化物のうち、少なくともいずれか１つを結合するステップをさらに含むことを特徴とする単電子トランジスタのチャネル形成方法。
22. ｅ）前記金属性ナノ粒子の表面に絶縁性有機物及び無機酸化物のうち、少なくともいずれか１つを結合するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の単電子トランジスタのチャネル形成方法。
23. ｅ）前記ｄ）ステップ前、前記ｄ）ステップ中、またはｄ）ステップ後に互いに異なる種の複数の界面活性剤有機物を供給するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の単電子トランジスタのチャネル形成方法。
24. 前記ｅ）ステップが、互いに異なる種の複数の界面活性剤有機物を供給するステップであることを特徴とする請求項２１に記載の単電子トランジスタのチャネル形成方法。
25. 前記リンカーは有機単分子であり、前記有機単分子で構成された自己組立単分子膜のリンカー層を備えることを特徴とする請求項２１に記載の単電子トランジスタのチャネル形成方法。
26. 前記リンカー層は、前記リンカーが溶媒に溶解されたリンカー溶液に前記基材の表面を接触させて形成されることを特徴とする請求項２５に記載の単電子トランジスタのチャネル形成方法。
27. 前記基材上に複数の前記リンカーが結合されてリンカー層が形成され、
    前記リンカー層は、前記リンカーを有する気相のガスを使用した原子層蒸着法により形成されることを特徴とする請求項２１に記載の単電子トランジスタのチャネル形成方法。
28. 前記リンカー層は、アミン基、カルボキシル基、及びチオール基から選ばれたいずれか１つを含むシラン化合物層であることを特徴とする請求項２７に記載の単電子トランジスタのチャネル形成方法。
29. 前記リンカーは、前記金属イオンと結合するアミン基、カルボキシル基、及びチオール基から選ばれたいずれか１つを含むことを特徴とする請求項２１に記載の単電子トランジスタのチャネル形成方法。
30. 前記ｃ）ステップは、金属前駆体を前記ｂ）ステップの結果物上に接触させるステップを含むことを特徴とする請求項２１に記載の単電子トランジスタのチャネル形成方法。
31. 前記ｃ）ステップは、
    金属前駆体が溶解された溶液を前記ｂ）ステップの結果物上に塗布するか、気相の金属前駆体を前記ｂ）ステップの結果物上に供給するステップを含むことを特徴とする請求項２１に記載の単電子トランジスタのチャネル形成方法。
32. 前記ｄ）の金属性ナノ粒子を形成するステップは、エネルギーを供給するステップを含み、前記エネルギーは、熱、化学、光、振動、イオンビーム、電子ビーム、及び放射線のグループより選ばれたいずれか１つ以上のエネルギーであることを特徴とする請求項２１に記載の単電子トランジスタのチャネル形成方法。
33. 前記ｄ）の金属性ナノ粒子を形成するステップは、エネルギーを供給するステップを含み、前記エネルギー印加時、前記金属イオンと相違した異種元素を供給して、前記金属性ナノ粒子を金属ナノ粒子、金属酸化物ナノ粒子、金属窒化物ナノ粒子、金属炭化物ナノ粒子、及び金属間化合物ナノ粒子のグループより選ばれたいずれか１つで形成することを特徴とする請求項２１に記載の単電子トランジスタのチャネル形成方法。
34. 前記ｄ）の金属性ナノ粒子を形成するステップは、エネルギーを供給するステップを含み、前記エネルギーの印加時、前記チャネル領域に部分的にエネルギーを印加して、前記金属性ナノ粒子を均一または不均一に分布させることを特徴とする請求項２１に記載の単電子トランジスタのチャネル形成方法。