JP6482762B2 - 単電子トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents
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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。
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。
(化2)
R1n(R2O)3−nSi−R
化学式2において、「R1」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、「R2」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「R1」のアルキル基及び「R2」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。
(化3)
(R3)3Si−R4−SH
(化4)
(R3)3Si−R4−COOH
(化5)
(R3)3Si−R4−NH2
化学式3、化学式4、または化学式5において、「R3」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「R3」グループはアルコキシグループであり、「R4」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、「R3」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、「R4」は−CH2−、−CH2−CH2−、−CH2−CH2−CH2−、−CH2−CH(CH3)−CH2−、または−CH2−CH2−CH(CH3)−のようなC1−C20の2価炭化水素グループでありうる。
単結晶Siウエハに5〜50nmの厚さで非晶質SiO2酸化膜が形成された基板(以下、SiO2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SiO2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SiO2基板を1mM KAuCl4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SiO2基板を0℃、1M NaBH4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。
Claims (34)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 前記チャネル領域での前記金属性ナノ粒子の密度は、0.2×1014〜2.0×1014/cm2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。
- 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。
- 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。 - 前記リンカーは、前記金属イオンと結合するアミン基(−NH2)、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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
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