JP6763595B2 - ナノギャップ電極及びその作製方法、並びにナノギャップ電極を有するナノデバイス - Google Patents
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Description
本発明の一実施形態に係るナノギャップ電極の構造及び作製方法について図面を参照して説明する。
図1Aは、本実施形態に係るナノギャップ電極100の平面図を示し、図1Bは点線で囲まれた領域Rの拡大図を示し、図1CはA1−A2間に対応する断面構造を示す。ナノギャップ電極100の構造について、以下の説明においてはこれらの図面を参照するものとする。
1−2−1.作製工程
ナノギャップ電極100の作製方法を、図面を参照して説明する。図5Aは、金属膜を形成する段階を示す。ナノギャップ電極100を作製するための基板としては、絶縁表面を有することが好ましく、微細なパターンを形成するために、平坦性に優れ、反りの小さいことが望まれる。例えば、基板110として、酸化シリコン膜等の第1絶縁層112が表面に形成されたシリコンウェハを好適に用いることができる。シリコンウェハの表面に熱酸化で形成された第1絶縁層112は緻密であり、膜厚の均一性に優れるため適している。また、基板110として、石英基板、無アルカリガラス基板、アルミナ、ジルコニア等の絶縁性を有する酸化物材料で形成されるセラミック基板等を用いることができる。
本実施形態で用いられる無電解メッキ液としては、ヨードチンキ液(ethanol溶媒にI2とKIを溶かした溶液)に金箔を溶かしたものが用いられる。このような無電解メッキ液を用いると、金の飽和状態による化学反応を用いた自己触媒型の無電解金メッキを行うことができる。
図5Cに示す第1金属粒子106a及び第2金属粒子106bを作製する段階において、分子定規無電解メッキ法が適用されてもよい。分子定規メッキ法とは、保護基である界面活性剤分子を分子定規として用いた無電解メッキ法であり、同様にナノギャップ電極100を作製することができる。
本実施形態は、第1実施形態で示すナノギャップ電極を用いたナノデバイスの一例を示す。本実施形態で示すナノデバイス200aは、単電子トランジスタとして動作する構成を有する。
図6Aは、ナノデバイス200aの平面図を示し、図6Bは、B1−B2間に対応する断面構造を示す。ナノデバイス200aは、基板110上に配置され、第1絶縁層112と、ナノギャップ電極100(第1電極102a及び第2電極102b)と、ナノギャップ電極100の間隙部に隣接するように配置された第3電極102c及び第4電極102dを含む。第1電極102aは、第1電極層104aと第1金属粒子106aを含んで構成され、第2電極102bは、第2電極層104bと第2金属粒子106bを含んで構成される。本実施形態において、第1金属粒子106aと第2金属粒子106bとの間隔は、5nm以下であることが好ましい。
図7A及び図7Bは、ナノデバイス200aの他の構造を示す。図7Aは、ナノデバイス200aの平面図を示し、図7Bは、B3−B4間に対応する断面構造を示す。図6A及び図6Bに示すナノデバイスとの相違は、第3電極102c、第4電極102dの構成にある。
本実施形態は、第1実施形態で示すナノギャップ電極を用いたナノデバイスの一例を示す。本実施形態で示すナノデバイス200bは、論理演算素子として動作する構成を有する。
本実施形態は、第1実施形態で示すナノギャップ電極を用いたナノデバイスの一例を示す。本実施形態で示すナノデバイス200cは、電流電圧特性にヒステリシスを有し、メモリ素子として機能する構成を有する。
(1) 書込電圧(Vwrite)<0<読取電圧(Vread)<消去電圧(Verase)
(2) または、書込電圧(Vwrite)>0>読取電圧(Vread)>消去電圧(Verase)
が成り立つように設定する。
本実施形態は、第1実施形態で示すナノギャップ電極を用いたナノデバイスの一例を示す。本実施形態で示すナノデバイス200dは、フローティングゲートを有し、メモリ素子として用いることができる。
本実施形態は、第2実施形態乃至第5実施形態で例示されるナノデバイスと、MOSトランジスタ等の電子デバイスが形成された集積回路を示す。
本実施例は、第1電極102a及び第2電極102bを、白金(Pt)を用いて作製する一例を示す。本実施例では、第1乃至第4電極を白金電極というものとする。
白金(Pt)電極上に、金属粒子を形成した。金属粒子の材料としては金(Au)を用いた。金(Au)粒子は、白金(Pt)電極上に、無電解メッキ法により作製した。以下に白金(Pt)電極上におけるヨウ素無電解金メッキ法によるナノギャップ電極の作製手順の詳細を示す。
無電解メッキ液を作製した。純度99.99%の金(Au)箔を容器に入れ、ヨードチンキを加えて攪拌し、その後静置させた。さらに、L(+)−アスコルビン酸(C6H8O6)を加え、加熱後静置させた。静置させた溶液は遠心分離機で分離させた。遠心分離後の溶液の上澄みを採取し、L(+)−アスコルビン酸(C6H8O6)が入った別の容器に加えて加熱し、攪拌した。その後、静置して無電解メッキに用いる金(Au)を含有するヨードチンキ液を作製した。
無電解金メッキを施す前に、白金電極の洗浄を行った。洗浄は、アセトンおよびエタノールにより行った。洗浄後、窒素ブローで表面を乾燥させ、UV−オゾン処理により表面の有機物を取り除いた。
無電解金メッキが施されたチタン(Ti)/白金(Pt)ナノギャップ電極(以下、「試料1」とする)と、チタン(Ti)/金(Au)ナノギャップ電極(以下、「試料2」)について耐熱性の評価をした。なお、試料1及び試料2は共に、無電解メッキによって金が電極表面に均一に形成された構造を有している。耐熱性試験は、400℃、2時間で行った。
Claims (23)
- 第1電極層と、前記第1電極層の先端部に配置された第1金属粒子とを有する第1電極と、
第2電極層と、前記第2電極層の先端部に配置された第2金属粒子を有する第2電極と、を含み、
前記第1金属粒子と前記第2金属粒子とは間隙を持って相対して配置され、
前記第1電極層及び前記第2電極層は前記先端部まで20nm以下の均一の幅を有し、膜厚が20nm以下であり、
前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子の一端から他端までの幅が20nm以下であり、
前記第1金属粒子と前記第2金属粒子との間隙の長さが10nm以下であり、
前記第1電極層及び前記第2電極層の表面に、前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子に加え、複数の他の金属粒子を含み、
前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子、並びに前記複数の他の金属粒子は、それぞれが前記第1電極層及び前記第2電極層の表面において相互に接触せず、離間しており、
前記第1電極層及び前記第2電極層が白金で形成され、前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子並びに前記他の金属粒子が金であることを特徴とするナノギャップ電極。 - 前記第1電極層及び前記第2電極層は上面及び側面を有し、
前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子は、それぞれ前記上面及び前記側面に接する、請求項1に記載のナノギャップ電極。 - 前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子が半球状である、請求項2に記載のナノギャップ電極。
- 前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子の曲率半径が12nm以下である、請求項3に記載のナノギャップ電極。
- 前記第1金属粒子が前記第1電極層の先端部分からせり出して配置され、前記第2金属粒子が前記第2電極層の先端部分からせり出して配置されている、請求項4に記載のナノギャップ電極。
- 前記第1電極層と前記第1金属粒子、及び前記第2電極層と前記第2金属粒子は、それぞれが前記接する界面で、前記白金と前記金とが金属結合を形成している、請求項2に記載のナノギャップ電極。
- 絶縁表面を有する基板上に、先端部まで20nm以下の均一の幅を有し膜厚が20nm以下である第1電極層及び第2電極層を、それぞれの先端部が対向し且つ離隔するように形成し、
前記第1電極層及び前記第2電極層が形成された基板を、金属イオンを含む電解液に還元剤が混入された無電解メッキ液に浸漬し、前記第1電極層及び前記第2電極層の少なくとも先端部分にそれぞれ金属粒子を形成することを含み、
前記第1電極層及び前記第2電極層を形成する第1金属と前記無電解メッキ液に含まれる前記第1金属とは異なる第2金属とを金属結合させ、前記金属粒子の一端から他端までの幅が10nm以下の大きさに成長させ、前記第1電極層の先端部分に形成された金属粒子と前記第2電極層の先端部分に形成された金属粒子との間の間隙の長さを10nm以下に形成し、かつ前記第1電極層の先端部分に形成された金属粒子及び前記第2電極層の先端部分に形成された金属粒子に加え、前記第1電極層及び前記第2電極層の表面に複数の金属粒子を離隔して形成することを含み、
前記第1金属が白金であり、前記第2金属が金であることを特徴とするナノギャップ電極の作製方法。 - 前記金属粒子は、前記第1電極層及び前記第2電極層のそれぞれの先端部分の上面及び側面に接するように形成する、請求項7に記載のナノギャップ電極の作製方法。
- 前記金属粒子を半球状に形成する、請求項8に記載のナノギャップ電極の作製方法。
- 前記金属粒子の曲率半径が12nm以下となるように形成する、請求項9に記載のナノギャップ電極の作製方法。
- 前記第1電極層及び前記第2電極層と、前記金属粒子とがそれぞれ前記接する界面で、前記第1金属と前記第2金属とが金属結合を形成するように形成する、請求項8に記載のナノギャップ電極の作製方法。
- 前記金属粒子を、白金と金の固溶体で形成する、請求項7に記載のナノギャップ電極の作製方法。
- 前記無電解メッキ液が、L(+)−アスコルビン酸、金、及びヨードチンキを含む、請求項7に記載のナノギャップ電極の作製方法。
- 前記無電解メッキ液が、800倍以上に希釈されている、請求項7に記載のナノギャップ電極の作製方法。
- 前記第1電極層及び前記第2電極層が形成された基板を前記無電解メッキ液に含浸する前に、前記第1電極層及び前記第2電極層の表面を酸で処理を行う、請求項7に記載のナノギャップ電極の作製方法。
- 請求項1乃至6のいずれか一項に記載のナノギャップ電極と、
金属ナノ粒子又は機能分子と、
を含み、
前記金属ナノ粒子又は前記機能分子は、前記第1金属粒子と前記第2金属粒子の間隙に配置されていることを特徴とするナノデバイス。 - 前記第1電極及び前記第2電極の上方に設けられ、前記金属ナノ粒子又は前記機能分子を埋設する絶縁層を有する、請求項16に記載のナノデバイス。
- 前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子との間隙部に隣接し、前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子と絶縁されて配置され、前記絶縁層に被覆される第3電極を含む、請求項17に記載のナノデバイス。
- 前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子との間隙部に隣接し、前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子と絶縁され、前記第3電極に対向して配置され、前記絶縁層に被覆される第4電極を含む、請求項18に記載のナノデバイス。
- 前記絶縁層上に、前記金属ナノ粒子又は機能分子と重畳する第5電極を有する、請求項19に記載のナノデバイス。
- 前記金属ナノ粒子又は機能分子に代えて、ハロゲンイオンが配置された、請求項16に記載のナノデバイス。
- 前記第3電極及び前記第4電極の一方を、フローティングゲート電極として用い、前記金属ナノ粒子又は機能分子の電荷状態を制御する、請求項19に記載のナノデバイス。
- 請求項16乃至22のいずれか一項に記載のナノデバイスと、電子デバイスとが半導体基板上に設けられた集積回路。
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