KR100304399B1 - Nanoscale mott-transition molecular field effect transistor - Google Patents

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Abstract

전계 효과 트랜지스터의 기능을 구비한 실질적인 3-단자 디바이스에서 모트 천이(Mott transition)를 사용하여 금속-절연체 천이를 실현하는 것이 개시된다. 본 디바이스는 전도 채널로서 분자 어레이를 사용하며, 여기서 전하 캐리어(정공 또는 전자)는 강하게 상관된다. 모트 천이는 금속-절연체 스위칭을 결정하며, 외부 게이트 전극에 의해 제어되는 것으로 알려져 있다. 이외의 점에 있어서, 본 디바이스는 통상의 실리콘-기반 FET에 적합한 전기적 특성을 갖는 것으로 보인다. "온" 상태는 약 10e2/h의 전형적인 컨덕턴스를 갖는다.It is disclosed to realize a metal-insulator transition using a Mott transition in a substantially three-terminal device with the function of a field effect transistor. The device uses a molecular array as the conduction channel, where the charge carriers (holes or electrons) are strongly correlated. The Mott transition determines metal-insulator switching and is known to be controlled by an external gate electrode. In other respects, the device appears to have suitable electrical properties for conventional silicon-based FETs. "On" state has a typical conductance of about 10e 2 / h.

"온" 컨덕턴스 및 "오프" 상태의 항복 전압의 견지에서 볼 때, 본 디바이스 성능은 회로 환경에서 만족할 만하다. 본 디바이스는 통상의 FET보다 작은 치수, 즉 대략 한 차수 작은 크기의 선형 치수로 구축될 수 있다. 본 디바이스는 셀프-어셈블리 기법을 이용하여 제조될 수 있고 다층 구조의 핵심 단계를 가능하게 한다. 따라서, 칩당 상당히 많은 트랜지스터가 극히 작은 디자인 룰의 요건없이도 어셈블링될 수 있다. 이는 본 디바이스의 저 전압 및 전력 요건에 의해 용이해 진다. 따라서, 모트 천이 전계 효과 트랜지스터(MTFET)는, 기존 실리콘 기법이 극히 높은 트랜지스터 밀도로 스케일링될 때 발생되는 문제점에 대한 해결책을 제시할 것으로 기대된다.From the standpoint of breakdown voltage in the "on" conductance and "off" states, the performance of this device is satisfactory in circuit environments. The device can be constructed with a smaller dimension than a conventional FET, i.e., with a linear dimension of about one order of magnitude smaller. The device can be fabricated using self-assembly techniques and enables key steps in a multi-layer structure. Thus, a considerable number of transistors per chip can be assembled without the requirement of very small design rules. This is facilitated by the low voltage and power requirements of the device. Thus, the Mott Transition Field Effect Transistor (MTFET) is expected to provide a solution to the problems that arise when conventional silicon techniques are scaled to extremely high transistor densities.

Description

전계 효과 트랜지스터 및 전계 효과 트랜지스터가 적층된 어레이{NANOSCALE MOTT-TRANSITION MOLECULAR FIELD EFFECT TRANSISTOR}BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention [0001] The present invention relates to an NANOSCALE MOTT-TRANSITION MOLECULAR FIELD EFFECT TRANSISTOR

본 발명은 전반적으로 반도체 스위치, 특히 전계 효과 트랜지스터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 주문-설계형 쌍안정 분자(custom-designed bistable molecules)의 단층막 또는 다층막내의 모트 금속-절연체 천이(Mott metal-insulator transition)에 근거하는 신규한 나노스케일(nanoscale) 스위치에 관한 것이다.The present invention relates generally to semiconductor switches, and more particularly to field-effect transistors, and more particularly to Mott metal-insulator (MIT) insulators within a single-layer or multi-layered film of custom-designed bistable molecules. transition based nanoscale switch. < Desc / Clms Page number 2 >

현재의 컴퓨터 회로, 즉 논리 회로 및 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM)는 모두 주로 전계 효과 트랜지스터(FET) 스위치로 구성되어 있다. 시중의 칩당 트랜지스터의 개수는 지수 함수적으로 증가하는 시간 함수(무어(Moore)의 법칙)라고 알려져 있다. 따라서, DRAM 칩당 저장 비트의 개수도 또한 무어의 법칙에 따라 지수 함수적으로 증가하고 있다. 무어의 법칙은 몇 개의 공식을 갖고 있는데, 예를 들면 트랜지스터 밀도는 5년마다 10 배(factor)씩 증가하며, 계산 시간은 8년마다 6 배씩 감소하고, 계산 비용은 8년마다 10 배씩 감소한다는 공식이다. 무어의 법칙의 주요 요인은 시간에 따른 디자인 룰(design rule)의 지수 함수적인 감소이다. 따라서, 디자인 룰의 감소는 실리콘(Si) 기술의 고유의 물리적 한계와 서로 상반되는 것처럼 보인다. 기술적인 측면에서 보면, 재료와 상반되는 실리콘의 가장 중요한 물리적 특성중 두 가지, 즉 긴 캐리어 평균 자유 경로(long carrier mean free path) 및 도핑 능력은 매우 작은 스케일에서는 그 중요성이 감소되고 있는데, 그 이유는 긴 캐리어 평균 자유 경로가, 도펀트 간의 간격처럼 디바이스 치수와 필적하거나 혹은 이보다 크게 되었기 때문이다. 지금까지, 실험에 의해 밝혀진 최소 채널 길이는 40nm 차수(order)이며, 이는 달성가능한 최소 채널 길이에 가장 근접한 것으로 여겨진다. 따라서, 10 내지 20년 후에 일어날 것으로 예상되는, 디자인 룰이 40nm 한계에 근접할 때 새로운 기술이 요구된다.Current computer circuits, i.e., logic circuits and dynamic random access memories (DRAMs) all consist primarily of field effect transistor (FET) switches. The number of transistors per chip on the market is known as the exponentially increasing time function (Moore's Law). Therefore, the number of stored bits per DRAM chip is also increasing exponentially according to Moore's Law. Moore's Law has several formulas: for example, the transistor density increases by a factor of 10 every five years, the computation time is reduced by six times every eight years, and the computation cost is reduced by ten times every eight years It is a formula. A major factor in Moore's Law is the exponential decline of the design rule over time. Thus, the reduction in design rules appears to be incompatible with the inherent physical limitations of silicon (Si) technology. From a technical point of view, two of the most important physical properties of silicon contrary to the material, namely the long carrier mean free path and doping ability, are becoming less important at very small scales, Is because the long carrier mean free path is comparable to or greater than the device dimensions like the spacing between dopants. So far, the minimum channel length revealed by the experiment is an order of 40 nm, which is considered to be closest to the achievable minimum channel length. Thus, new techniques are required when the design rule is close to the 40 nm limit, which is expected to occur 10 to 20 years later.

실리콘의 이들 장점이 사라지고 있음과 동시에, 불이익, 즉 2차원 회로 어레이의 한계로 인해 비용이 높아지고 있는데, 그 이유는 메모리 용량에 대한 무어의 법칙은 디자인 룰 및 이에 따른 투자비에 대한 무어의 법칙을 또한 의미하기 때문이다. 실리콘 웨이퍼 기술에서와 같이 2차원으로 국한되지 않고 다층(multilayer)을 구현할 수 있는 기술은, 칩당 트랜지스터의 개수에 대한 무어의 법칙 효과를 디자인 룰로부터 배제함으로써 투자비에 가해지는 이러한 압력을 피할 수 있을 것이다.While these advantages of silicon are disappearing, the disadvantage, that is, the cost of a two-dimensional circuit array, is increasing, because Moore's Law on memory capacity is based on Moore's Law on design rules and the investment cost accordingly Because it means. A technique that can be implemented in a multilayer without being limited to two dimensions as in silicon wafer technology would avoid this pressure on the investment cost by excluding the Moore's Law effect on the number of transistors per chip from the design rule .

이러한 것들을 고려해 보면, 물리계는 보다 짧은 평균 자유 경로 및 보다 높은 캐리어 농도를 구비한 계(system), 즉 금속을 선택하는 방향으로 가고 있는 것 같다. 이제는, 금속의 스위칭 문제가 쟁점으로 된다. 본 발명은 보다 높은 캐리어 농도를 갖는 3단자 디바이스를 구성하는 문제에 대한 해결책을 제시하는데, 이 디바이스는 "온(ON)" 상태일 때 금속의 특성을 나타낸다. 이 디바이스의 스위칭은 상관된 전자 계내에서의 모트 금속-절연체 천이의 개념을 통하여 실현된다. 이와 동시에, 이제 표준 셀프-어셈블리(self-assembly) 개념을 상당히 확장시키면, 제조된 구조체내에 어느 정도 3차원 구성이 실현가능하다. 이 디바이스는 기존 FET-기반 회로에 부합하는 예측된 전기적 특성(즉, 제로 정적 게이트 전류, 높은 "오프(OFF)" 임피던스, 및 낮은 "온" 임피던스)을 구비한 것으로 보인다.Taking these into consideration, the physical system seems to be going in the direction of choosing a system with a shorter average free path and higher carrier concentration, metal. Now, the metal switching problem becomes an issue. The present invention provides a solution to the problem of constructing a 3-terminal device with higher carrier concentration, which exhibits the properties of the metal when in the " ON " state. The switching of this device is realized through the concept of a Mott metal-insulator transition in a correlated electronic system. At the same time, considerable expansion of the standard self-assembly concept now allows some degree of three-dimensional configuration to be realized within the fabricated structure. The device appears to have predicted electrical characteristics (i.e., a zero static gate current, a high "OFF" impedance, and a low "on" impedance) consistent with existing FET-based circuits.

이들 특성 및 가장 중요하게는 매우 작은 치수에서의 그 기능적 실현가능성으로 인해, 여기서 제안된 디바이스는, 컴퓨터 산업이 앞으로 10-20년 후에 직면할 것으로 예상되는 기본적인 문제에 대한 해결책을 제시해 줄 것이다.Owing to these features and, most importantly, their functional feasibility in very small dimensions, the devices proposed here will provide a solution to the fundamental problems that the computer industry is expected to face in the next 10 to 20 years.

몇 가지 유형의 전도체에 있어서, 전도대(conduction band)는 잘 정의된 원자 또는 분자 오비탈(orbital)로부터 형성된다. 컵레이트(cuprate) 초전도체에서, 이러한 역할은 Cu 위치 상의대칭 오비탈에 의해 수행된다. 다른 예인 KnC60에 있어서, C60의 가장 낮은 미점유 분자 오비탈(lowest unoccupied molecularorbitals : LUMO)의 3겹의 축퇴(degenerate) 세트가 유사한 역할을 수행한다. 이러한 재료를 기술하는 데 있어 가장 단순한 모델은 제이. 허바드(J. Hubbard)의 Proc. Roy. Sci.(London) A276, 238(1963), A277, 237(1963), A281, 401(1963)의 문헌에 개시된 허바드 모델(Hubbard model)이며, 이는 본 명세서에서 참조로 인용된다.For some types of conductors, the conduction band is formed from a well-defined atom or molecular orbital. In cuprate superconductors, this role is in the Cu position Symmetric orbitals. In another example, K n C 60 , a triple degenerate set of the lowest unoccupied molecular orbitals (LUMO) of C60 plays a similar role. The simplest model for describing these materials is J. J. Hubbard, Proc. Roy. (Hubbard model), which is disclosed in U.S.A. Sci. (London) A276, 238 (1963), A277, 237 (1963), A281, 401 (1963), which is incorporated herein by reference.

컵레이트 CuO2평면과 같은 본질적으로 순서화된 계(system)에 있어서, 그 계의 적어도 두개의 가능한 글로벌 상태, 즉, 절연체 및 금속이 존재하는 것으로 밟혀졌다. 이들 상태는 엔. 모트(N. Mott)에 의한 Metal-Insulator Transitions, Taylor & Francis, London, 1990의 문헌에 개시된 모트 천이(Mott Transition)에 의해 분리되며, 이는 본 명세서에서 참조로 인용된다.In an essentially ordered system, such as a cuprate CuO 2 plane, at least two possible global states of the system, i.e., insulators and metals, have been trampled into existence. These states are the yen. Metal-Insulator Transitions by N. Mott, Mott Transition, Taylor & Francis, London, 1990, which is incorporated herein by reference.

Cu 위치(site) 마다 정확히 하나의 전자(충진 계수 n=1)가 존재하면, 전자들은 그 활동 범위가 Cu 위치로 국부화될 수 있으며, 이에 따라 절연 특성이 야기될 수 있다. 이러한 국부화는 주로 동일한 오비탈내의 두 전자들간의 강력한 위치내(intra-site) 쿨롱 척력(Coulomb repulsion) U에 의해 야기된다. 모든 위치 상에 하나의 전자를 갖는 소정의 구성으로부터 시작하면, 이웃하는 위치에 전자가 전달되는 단일 호핑 프로세스(single hopping process)는 에너지 불이익(energy penalty) U를 수반한다. 따라서, 전자는 깊이 U의 포텐셜 우물(potential wells)로 효과적으로 갇히게 되므로, 전자들이 국부화된다. 이러한 절연체는 모트 절연체(Mott insulator)로 일컬어진다. 이는, 사실상 반 정도 채워진 전도대라는 점에서 밴드(band) 구조 의미상 절연체가 아니지만, 상호작용 U에 의해, 그리고 단위값(1)의 특수한 충진 계수 때문에 절연체이다.If there is exactly one electron (fill factor n = 1) per Cu site, the electrons can localize their activity range to the Cu location, which can lead to isolation properties. This localization is mainly caused by the strong intra-site Coulomb repulsion U between the two electrons in the same orbitals. Starting from a given configuration with one electron on every position, a single hopping process in which electrons are transferred to neighboring locations involves an energy penalty U. Thus, the electrons are effectively trapped in the potential wells of depth U, so that the electrons are localized. Such an insulator is referred to as a Mott insulator. It is not an insulator in the sense of a band structure in the sense that it is in fact a half-filled conduction band, but it is an insulator due to interaction U and a specific packing coefficient of unit value (1).

국부화가 U보다 큰 온도에서 파괴되는 경향이 있음은 분명하다. 또한, 일반적으로 U는 호핑 적분 t보다 클 필요가 있는데, 이러한 호핑 적분 t는 단일 전자를 가장 인접한 위치에 전송하기 위한 매트릭스 엘리먼트이다(2차원의 단순한 정방형 격자에 대한 예외가 존재하고, 여기서 이러한 불일치(inequality)는 그 다음으로 인접한 위치에 대한 매트릭스 엘리먼트를 수반한다).It is clear that there is a tendency to break down at a temperature greater than the localized painter U. Also, U generally needs to be larger than the hopping integral t, which is a matrix element for transmitting a single electron to the closest location (there is an exception for a simple square grid of two dimensions, (inequality) is followed by a matrix element for the next adjacent position.

점유 상태가 절반 충진 상태로부터 상당히 벗어나면, 즉 n=1±δ(여기서, δ는 컵레이트로부터의 데이터를 기초한 것으로서, 대략 0.1-0.15보다 큼)이면 심지어 큰 U에서도, 국부화가 해제된 금속 상태가 발생한다.Even if the occupancy state deviates significantly from the half-filling state, i.e. n = 1 ± δ, where δ is based on data from the cup rate and is greater than approximately 0.1-0.15, even in a large U, Lt; / RTI >

절연 상태일 때, 큰 U에서 차수 U의 에너지 스펙트럼 내에 갭(상위 및 하위 허바드 대역 사이의 갭)이 존재한다. 전도 상태일 때에는 금속의 경우와 같이 갭이 존재하지 않는다. 전도 상태는 진정한 금속이므로, 2차원 계에서 컨덕턴스는 e2/h로 주어진 '최소 금속 컨덕턴스' 보다 작게 될 수 없다. 이러한 수치는 차수 20㏀의 2차원 쉬트(sheet) 저항에 대응한다.In the insulated state, there is a gap (gap between the upper and lower Hubbard bands) within the energy spectrum of order U in the larger U. In the conductive state, there is no gap as in the case of metal. Since the conduction state is a true metal, the conductance in a two-dimensional system can not be less than the 'minimum metal conductance' given by e 2 / h. This value corresponds to a two-dimensional sheet resistance of order 20 k ?.

소스, 드레인 및 게이트로 표기된 3개의 단자를 구비하고, 소스 및 드레인을 접속하는 채널을 포함하여, 채널을 구성하는 재료가 게이트 단자 상의 전압에 따라 모트 절연 상태 또는 금속 절연 상태중 어느 하나의 상태로 되도록 하는 구조체를 제조할 수 있다. 따라서, 게이트는 소스와 드레인 단자 사이에 도전 경로가 존재하는지의 여부를 제어하여, 디바이스가 게이트 제어형 스위치가 되게 한다.The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein the source of the source and the drain of the source and the drain of the source are connected to each other. Can be produced. Thus, the gate controls whether or not a conductive path exists between the source and drain terminals, thereby making the device a gate controlled switch.

도 1a는 단일 게이트를 갖는 3-단자 단일 발색단 단층 모트 천이 전계 효과 트랜지스터의 측면도를 개략적으로 나타낸 도면,Figure 1a schematically depicts a side view of a three-terminal single chromophore single-layer Mott Transition field effect transistor with a single gate,

도 1b는 이중 게이트를 갖는 3-단자 단일 발색단 단층 모트 천이 전계 효과 트랜지스터의 개략도,Figure 1B is a schematic diagram of a three-terminal single chromophore single layer Mott Transistor field effect transistor with double gates,

도 2는 단일 게이트를 갖는 3-단자 단일 발색단 다중층 모트 천이 FET의 측면도를 개략적으로 나타낸 도면,Figure 2 schematically shows a side view of a three-terminal single chromophore multi-layer Mott Transition FET with a single gate,

도 3은 이중-게이트 4-단자 이중 발색단 단층 모트 천이 FET의 측면도를 개략적으로 나타낸 도면,Figure 3 schematically shows a side view of a dual-gate 4-terminal dual chromophore single-layered Mott-Transistor FET,

도 4는 도 1에 도시한 디바이스에 대한 에너지도를 나타낸 도면으로서, 특히 도 4a는 p-타입 인핸스먼트 모드 디바이스에 대한 평형 상태의 분자 에너지 수준을 나타내며, 도 4b는 n-타입 인핸스먼트 모드 디바이스에 대한 평형 상태의 분자 에너지 수준을 나타내고, 도 4c는 게이트와 소스 접속되고 전극 및 채널이 얇은 판으로 취급되며, 무한 게이트 전극을 구비한 p-타입 디바이스의 경우, 드레인-소스 바이어스 VDS가 존재할 때 채널 방향으로의 분자 에너지 수준의 에너지 변동을 나타낸 도면,FIG. 4 shows the energy diagram for the device shown in FIG. 1, in particular, FIG. 4A shows the molecular energy level of the equilibrium state for the p-type enhancement mode device and FIG. 4B shows the energy level for the n-type enhancement mode device 4c is source connected to the gate and the electrode and channel are treated as thin plates and for a p-type device with infinite gate electrode, a drain-source bias V DS is present Lt; RTI ID = 0.0 > molecular < / RTI > energy level in the channel direction,

도 5는 연속적인 층에 대한 캐패시턴스를 통해 어레이내의 분자당 캐패시턴스를 나타내는 도면으로서, 여기서 실선은 단일 게이트 경우에 대한 것이며(균일한 유전 상수 εox=ε), 점선은 이중 게이트 경우에 대한 것을 나타낸 도면,Figure 5 shows the capacitance per molecule in the array through the capacitance for a continuous layer, where the solid line is for a single gate case (uniform dielectric constant epsilon ox = epsilon), the dashed line represents the double gate case drawing,

도 6은 소스-드레인 채널 방향으로의 전위 분포(실선) 및 정공 캐리어 분포를 나타낸 도면으로서, 도 6a는 Vsat=0.5V, VDS=-0.25V를 갖는 약하게 바이어스된 드레인을 가지며, 도 6b는 Vsat=0.5V, VDS=-0.75V를 갖는 |VDS|>Vsat인 핀치 영역에서 드레인에 가까이 있는 폭 2nm의 핀치-오프 영역을 갖는 도면,6A and 6B show a potential distribution (solid line) and a hole carrier distribution in the source-drain channel direction, in which FIG. 6A has a weakly biased drain with V sat = 0.5V and V DS = -0.25V, is V sat = 0.5V, V DS = having -0.75V | V DS |> V sat of the pinch width of 2nm close to the drain region in the pinch-off region having a drawing,

도 7은 수학식 14로부터 결정되는 소스-단부 도핑에 대응하는 가변 게이트 전압하의 채널에서의 드레인-소스 전압, VDS(-V)에 따른 전류 IDS의 그래프,7 is a graph of a drain-source voltage in a channel under a variable gate voltage corresponding to the source-end doping determined from equation (14), a current I DS according to V DS (-V)

도 8은 제로 캐리어 농도에서 게이트 전압 VG=1V가 존재할 때 채널의 전위 분포를 나타내는 도면으로서, 채널 길이 L은 100nm라 가정하며, 산화물 스페이서의 폭은 dox=20Å인 도면,8 is a diagram showing a potential distribution of a channel when a gate voltage V G = 1 V exists at a zero carrier concentration, in which the channel length L is assumed to be 100 nm, the width of the oxide spacer is d ox =

도 9는 분자층의 절연 (오프) 에지 영역을 나타내는 VG/VT에 대한 (ye/d)의 위상도로서, 여기서 d는 분자층과 게이트간의 거리를 나타낸 도면,9 is a phase diagram of (y e / d) versus V G / V T representing the isolated (off) edge region of the molecular layer, where d is the distance between the molecular layer and the gate,

도 10은 본 발명의 디바이스의 적층형 어레이의 개략적인 단면도,Figure 10 is a schematic cross-sectional view of a stacked array of devices of the present invention,

도 11은 표준 모트-천이 전계 효과 트랜지스터의 개략도,11 is a schematic diagram of a standard Mott-Transition field effect transistor,

도 12는 표준 모트-천이 전계 효과 트랜지스터의 성능 특성을 나타낸 도면.12 illustrates performance characteristics of a standard Mott-Transition field effect transistor;

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS

18 : 게이트 절연체 20 : 게이트18: gate insulator 20: gate

100 : 모트 전계 효과 트랜지스터 110 : 모트 천이층 채널100: Mott field effect transistor 110: Mott transition layer channel

114 : 소스 전극 116 : 드레인 전극114: source electrode 116: drain electrode

118 : 유전 스페이서층 120 : 기판118: dielectric spacer layer 120: substrate

제 1 실시예, 즉 인핸스먼트 모드의 단발색단(monochromophore)의 단층 구성에 있어서, 채널은 yz 평면에 위치하는 분자 단층(monolayer)으로부터 형성된다. 단층을 구성하는 분자 M은 불안정한 전자(또는 정공)을 포함하는 산화 환원 센터(redox centers)(이와 달리 발색단 또는 보조 인자(cofactors)로 또한 지칭됨)를 포함한다. 보다 구체적으로는, 산화 환원 센터는 전자 프로세스(즉, 모트 절연체-금속 천이 및 전류의 흐름)에 관여하는 적어도 하나의 활성 성분을 갖는 것을 특징으로 한다.In the monolayer configuration of the first embodiment, that is the monochromophore of the enhancement mode, the channel is formed from a molecular monolayer located in the yz plane. The molecule M constituting the monolayer includes redox centers (also referred to as chromophores or cofactors) containing unstable electrons (or holes). More specifically, the redox center is characterized by having at least one active component that is involved in an electronic process (i.e., a Mott insulator-metal transition and current flow).

도 1a에는 필수 구성요소가 도시되어 있는 3 단자 디바이스의 단일 게이트 형태의 단순한 예가 제공된다. 먼저, 도전 채널(10)은, 파라미터 U에 대해 상당히 큰 값을 갖는다는 점에서 강하게 상관된 전자계일 필요가 있는 2차원 분자 어레이(12)로 구성된다. 채널은 좌측 및 우측상의 각각의 소스(14) 및 드레인(16)의 리드와 접촉한다. 분자층 또는 채널(10)로부터 절연 스페이서(18)에 의해 분리된 금속 전극은 게이트 전극(20)을 형성한다. 스페이서(18)에 대해 알맞은 재료는 SrTiO3와 같은 산화물을 포함한다. 기본 디바이스 파라미터는 채널 길이 L 및 폭 W, 스페이서 두께 dox, 분자 반경 Rmol, 평면내 분자 간격 Amol, 스페이서 층의 유전 상수 εox, 충진제 및 층 자체의 유전 상수(이들은 모두 ε을 취함), 소스/드레인전극 페르미 준위에 대한 분자의 이온화 에너지(ionization energy) ε1이다. 채널(10)에 직교하는 (채널로부터 게이트까지의) 거리는 x 방향으로, 채널(10)에 평행한 (소스로부터 드레인까지의) 거리는 y 방향으로 정의되고 채널내 방향(즉, 도 1a의 평면 내부로의 방향)은 z방향이 된다.Figure 1a provides a simple example of a single gate form of a three terminal device in which the essential components are shown. First, the conductive channel 10 is composed of a two-dimensional molecular array 12 which needs to be a strongly correlated field in that it has a considerably large value for the parameter U. The channel contacts the leads of the respective source 14 and drain 16 on the left and right sides. The metal electrode separated by the insulating spacer 18 from the molecular layer or channel 10 forms the gate electrode 20. Suitable materials for the spacer 18 include oxides such as SrTiO 3 . Basic device parameters include channel length L and width W, spacer thickness d ox , molecular radius R mol , in-plane molecular spacing A mol , dielectric constant of the spacer layer ε ox , dielectric constant of the filler and layer itself, , The ionization energy of the molecule with respect to the source / drain electrode Fermi level ε 1 . The distance orthogonal to the channel 10 (from the channel to the gate) is defined in the x direction and the distance parallel to the channel 10 (from the source to the drain) is defined as the y direction and the in-channel direction Direction) is in the z direction.

디바이스는 또한 도 1b에 도시된 바와 같이 이중 게이트 구성을 가질 수 있으며, 여기서 유전 상수 ε를 갖는 채널의 양측면 상의 절연체에 동일한 재료가 사용되는 것으로 가정한다. d는 절연체 두께이며, 이는 채널층의 중심으로부터 측정된다.The device may also have a double gate configuration as shown in FIG. 1B, where it is assumed that the same material is used for the insulator on both sides of the channel with the dielectric constant epsilon. d is the thickness of the insulator, which is measured from the center of the channel layer.

절연체에 대한 재료는 무기 재료 또는 유기 재료일 수 있지만, 단일 게이트 형태는 스페이서 층(필드 산화물)에 대한 산화물 기술과 보다 부합된다. 반드시 필수적인 것은 아니지만, 이중 게이트 구성의 절연층(18, 18')은 유기물, 예를 들어, 폴리이미드를 포함하는 상이한 재료로 이루어질 수 있다.The material for the insulator may be an inorganic material or an organic material, but a single gate shape is more compatible with the oxide technology for the spacer layer (field oxide). Although not necessarily essential, the insulating layers 18, 18 'in a double gate configuration may be made of different materials including organic materials, for example, polyimide.

어레이(등가적으로, 채널 및 분자층이라는 용어가 사용됨)는 이동 전하(캐리어)의 가용도에 따라 전도 상태 또는 절연 상태중 어느 하나의 상태가 된다. 소정의 전위를 게이트 전극에 인가하면, 반대 극성의 캐리어가 채널로 끌려 들어가는 경향이 있다. 채널내의 캐리어의 밀도는 게이트 전위와 캐리어간 정전기적 척력간의 평형에 의해 결정된다. 캐리어의 농도와 게이트 전압 VG간의 관계는 아래에서 유도된다.An array (equivalently, the term channel and molecular layer is used) is in either a conducting state or an isolated state, depending on the availability of moving charge (carrier). When a predetermined potential is applied to the gate electrode, the carrier of the opposite polarity tends to be attracted to the channel. The density of the carriers in the channel is determined by the equilibrium between the gate potential and the electrostatic repulsive force between carriers. The relationship between the concentration of carriers and the gate voltage V G is derived below.

인핸스먼트 모드 디바이스에 있어서, 게이트 전위가 존재하지 않은 때의 분자 레벨은 분자당 전자의 홀수 적분수를 갖는 소스 및 드레인 전극과 안정한 평형 상태에 있게 된다. 이러한 전하 상태에 있어서, (호핑 적분 t 및 온도 T에 대한 조건이 충족되면) 층 내의 전자는 모트 천이에 의해 국부화될 것이다. 소스 및 드레인 전극간의 도통과 관련해서, 디바이스는 "오프(OFF)" 상태를 갖는다.In the enhancement mode device, the molecular level in the absence of the gate potential is in a stable equilibrium state with the source and drain electrodes having an odd integral number of electrons per molecule. In this charge state, electrons in the layer will be localized by the Mott transition (if the conditions for hopping integration t and temperature T are met). Regarding conduction between the source and drain electrodes, the device has an " OFF " state.

전위가 단일(또는 이중) 게이트에 인가되면, 층상에 반대 부호의 전하가 유도될 것이다. 만약 이 전위가 적절한 부호이고 임계치를 초과하면(전형적으로 분자당 0.1-0.15 전자 혹은 정공), 분자층은 전도 상태로 스위칭할 것이다. 그러면, 디바이스는 "온(ON)" 상태가 된다.When a potential is applied to a single (or dual) gate, the charge of the opposite sign will be induced on the layer. If this potential is the appropriate sign and exceeds the threshold (typically 0.1-0.15 electrons or holes per molecule), the molecular layer will switch to conduction. Then, the device is in the " ON " state.

인핸스먼트 모드 디바이스의 "온" 상태의 특징은 채널의 에지에 짧은(일분자폭 혹은 수 분자폭의) 비전도성 영역이 존재한다는 것이다. 캐리어는 이들 에지 영역을 통과하여 터널링되어야 한다.The feature of the "on" state of the enhancement mode device is that there is a short (one or a few milliseconds) non-conductive region at the edge of the channel. The carriers must tunnel through these edge regions.

캐리어가 전자 또는 정공 타입인지의 여부에 따라 포지티브 또는 네거티브 전압중 어느 하나의 전압에 의해 "온" 상태로 스위칭하기 위해, 디바이스는 두 가지 형태로 이루어질 수 있다. 이들 형태는 n 채널 및 p 채널의 MOSFET 디바이스와 유사하며, 유사한 방식으로 CMOS 회로의 구성에 사용될 수 있다.To switch to the " on " state by either positive or negative voltage depending on whether the carrier is of the electron or hole type, the device may be of two types. These configurations are similar to n-channel and p-channel MOSFET devices and can be used in CMOS circuit configurations in a similar manner.

디바이스의 제 2 실시예인 공핍 모드의 단발색단의 단층 구성은 공핍 모드 반도체 FET와 유사하다. 디바이스 내의 분자 특성은 게이트 전위가 존재하지 않을 경우 전자의 홀수의 적분수를 갖는 전자 구성이 불안정하지만, 분자층이 이온화되어, 0.1-0.15 정공(p 타입) 또는 전자(n 타입)의 차수 상의 캐리어 농도를 생성한다는 것이다. 그러면, 디바이스는 "온" 상태가 된다.The monolayer configuration of the depletion mode monochromatic stage, which is the second embodiment of the device, is similar to the depletion mode semiconductor FET. When the gate potential is not present, the molecular structure in the device is unstable in the electronic structure having an integral number of electrons, but the molecular layer is ionized to form a carrier of 0.1-0.15 hole (p type) or electron (n type) Concentration. The device is then " on "

적절한 부호(p 타입에 대한 포지티브 부호, n 타입에 대한 네거티브 부호) 및 크기의 게이트 전위를 인가하면, 순(intrinsic) 캐리어 농도는 제거되고, 층은 모트 절연 상태, 즉 분자당 홀수 개의 전자수를 갖는 오프 상태로 반전된다. 따라서, 이러한 디바이스는 본래 "온" 상태이며, 공핍 모드 FET와 유사하게, 이를 "오프" 상태로 전환하는 데에는 게이트 전위를 필요로 한다. 공핍 모드 디바이스는 CMOS와 호환되지 않으나 다수의 DRAM 메모리 셀 회로와 호환성이 있다. 공핍 모드 디바이스의 기술적인 장점은 디바이스가 온 상태일 때 전도성 채널의 에지에 절연 영역이 존재하지 않는다는 것이다. 대신에, 디바이스가 오프 상태일 때, 채널의 에지에 전도성 영역이 존재하며, 이는 채널을 단축시키는 것 이외에 다른 물리적인 효과를 갖지 않는다.Applying the appropriate sign (positive sign for p type, negative sign for n type) and size, the intrinsic carrier concentration is removed and the layer is in the mote insulated state, i.e., the odd number of electrons per molecule Is turned off. Thus, such a device is essentially an "on" state and requires a gate potential to turn it into an "off" state, similar to a depletion mode FET. Depletion mode devices are not CMOS compatible but are compatible with multiple DRAM memory cell circuits. A technical advantage of the depletion mode device is that there is no isolation region at the edge of the conductive channel when the device is on. Instead, when the device is off, there is a conductive region at the edge of the channel, which has no other physical effect other than shortening the channel.

도 2에는 제 3 실시예인 인핸스먼트 모드의 단발색단의 다층 구성만이 도시되어 있다. 채널은 단층 대신 결정 또는 비결정 다층 분자 조합체(assemblage)로 구성될 수 있다. 인핸스먼트 모드 디바이스에 있어서, 게이트 전압은 분자성 고체(molecular solid)의 표면에 전도층을 유도할 것이고, 이러한 전도층은 차수 1 단층의 폭을 갖는다. 따라서, 전도성 채널은 단층의 경우에서 형성된 것과 매우 유사하다. 항복 전압에 대한 상세한 결과, "오프" 상태에서 "온" 상태로 스위칭하는데 필요한 게이트 전압, "온" 컨덕턴스, 선형 및 비선형 영역에 있어서 채널 에지의 절연 영역의 폭과, 이 에지 영역을 통한 터널링 속도는 단층 인핸스먼트 모드 디바이스에 대한 것과 유사하다. 다층 전도체가 절연 상태로 스위칭될 수 없기 때문에 다층 공핍 모드 디바이스는 불가능하다.FIG. 2 shows only a multi-layer structure of an enhancement mode unperforated chromophore according to the third embodiment. The channel may be composed of crystalline or amorphous multilayer molecular assemblies instead of monolayers. In an enhancement mode device, the gate voltage will induce a conductive layer on the surface of a molecular solid, and this conductive layer has a width of one monolayer. Thus, the conductive channel is very similar to that formed in the case of a single layer. As a result of the breakdown voltage, the gate voltage required to switch from " off " to " on ", the width of the isolation region of the channel edge in the "on" conductance, Is similar to that for a single layer enhancement mode device. Multilayer depletion mode devices are not possible because the multilayered conductors can not be switched to an insulated state.

제 4 실시예인 인핸스트 모드의 다중 발색단 단층 구성은 유리하게도, 두 개 이상의 발색단 또는 산화 환원 센터를 갖는 분자를 사용한다. 도 3에는 다중 발색단의 디바이스가 이중 발색단 또는 2 성분 분자의 형태로 도시되어 있다. 이중 발색단 디바이스는 본래 두 개의 독립적인 게이트 전압을 갖는 4 단자 디바이스이다. 간략하게 기술하면, 두 개의 발색단 디바이스는 다음과 같이 기능한다. 분자를 구성하는 두 개의 발색단은 산화 환원쌍을 형성한다. 가장 단순한 가정은 하나의 분자 V가 -εi에서 소스-드레인 페르미 준위에 대한 에너지 준위를 갖고 나머지 분자 C는 εi에서 소스-드레인 페르미 준위에 대한 에너지 준위를 갖는다는 것이다.Advantageously, the multi-chromophore monolayer configuration of the fourth embodiment advantageously employs molecules having two or more chromophores or redox centers. In Figure 3, a multi-chromophore device is shown in the form of a dual chromophore or two-component molecule. The dual chromophore device is essentially a four terminal device with two independent gate voltages. Briefly, the two chromophore devices function as follows. The two chromophores that make up the molecule form a redox pair. The simplest assumption is that one molecule V has an energy level for the source-drain Fermi level at -ε i and the other molecule C has an energy level for the source-drain Fermi level at ε i .

게이트 전압이 함께 묶이면 (이중 게이트 디바이스에서 흔한 공통 게이트 모드 동작시) 디바이스는 단발색단 MTFET의 동작과 유사한 방식으로 동작한다. εi/e 또는 -εi/e의 게이트 전압은 각각 n 타입 또는 p 타입 캐리어를 획득하도록 분자층을 임계치로 유도할 것이다. 분자당 0.1-0.15 컨덕턴스 임계치에 필요한 게이트 전압은 단발색단의 경우와 같이 Cmol의 계산에 따라 달라진다.When the gate voltages are tied together (in common gate mode operation, which is common in dual gate devices), the device operates in a manner similar to the operation of a single chromophore MTFET. The gate voltages of? i / e or? i / e will each lead to a molecular layer to obtain n-type or p-type carriers. The gate voltage required for a 0.1-0.15 conductance threshold per molecule depends on the calculation of C mol , as in the case of a single chromophore.

그러나, 차동(differential) 모드에서의 동작의 경우, 게이트가 (동일한 제로 전압으로 취해진) 소스 및 드레인에 대해 반대 극성이면, 에너지에 있어서 산화 환원 센터 C를 위쪽 방향으로, 산화 환원 센터 V를 아래쪽 방향으로 미는(pushing) 상기 극성은 층을 절연 상태로 유지할 것이다. 그러나, 일반적으로 2εi보다 큰통합 전위에 대한 임계치에서 C 및 V 레벨을 함께 미는 반대 극성은 n 타입 캐리어를 V에서 C 센터로 주입하고, p 타입 캐리어를 C에서 V 센터로 주입할 것이다. 또한, 컨덕턴스 임계치는 전기 용량을 고려하여(capacitative considerations) 제어된다.However, in the case of operation in the differential mode, if the gate is of the opposite polarity to the source and drain (taken at the same zero voltage), the redox center C is directed upward, the redox center V is directed downward This polarity pushing will keep the layer insulated. However, the opposite polarity, which generally pushes the C and V levels together at a threshold for an integrated potential greater than 2ε i , will inject an n-type carrier from V to the C-center and inject the p-type carrier from C to V-center. In addition, the conductance threshold is controlled by capacitive considerations.

이중 발색단 디바이스는 "온" 및 "오프" 상태를 제어하는 보다 충분한 상 공간을 갖는다. 주요한 잠재적 장점은, 차동 모드에서 단지 게이트들을 접속하는 모드에 의해 CMOS 회로를 실현할 수 있고, 별도의 n 타입 및 p 타입 디바이스를 필요로 하지 않는다는 것이다.The dual-chromophore device has a more sufficient phase space to control the " on " and " off " states. A major potential advantage is that CMOS circuits can be realized by a mode of merely connecting the gates in the differential mode, and no separate n-type and p-type devices are required.

분자 M은 여러가지 형태를 가질 수 있고 여러가지 화학 성질을 가질 수 있다. 가장 단순한 형태에 있어서, 이들 분자는 헴(Heme) 계열의 구성원(예를 들어, Fe2+및 Fe3+상태간에 스위칭하는 Fe)과 같은 진정한 분자이다. 보다 복잡한 "분자"는 (X+TCNQ-)와 같은 전하 전송 착물(charge transfer complexes)을 포함하며, 여기서 X는 알칼리 금속이고, TCNQ는 유기 테트라시아노(tetracyano)-p-퀴노디메탄(quinodimethane)이고, TCNQ는 정공 주입(hole injection)에 의해 TCNQ-와 TCNQ 사이에서 스위칭하는 활성 성분이다.The molecule M may have various forms and may have various chemical properties. In their simplest form, these molecules are true molecules, such as members of the Heme family (e.g., Fe switching between Fe 2+ and Fe 3+ states). More complex "molecule" is (X + TCNQ -) and includes a like charge transfer complexes (charge transfer complexes), wherein X is an alkali metal, an organic TCNQ tetrahydro-dicyano (tetracyano) -p- quinolyl nodi methane (quinodimethane ), And TCNQ is an active ingredient that switches between TCNQ - and TCNQ by hole injection.

보다 일반적으로, 인핸스먼트 모드 디바이스용 착물(complexes)은,More generally, the complexes for the enhancement mode device have a

1) 정공 기반 계 X+A-(여기서, A는 그 예가 TCNQ 및 C60인 유기 억셉터(organic acceptor)이고, X는 알칼리 금속이다).1) Hole-based system X + A - (where A is an organic acceptor, for example TCNQ and C 60 , and X is an alkali metal).

2) 전자 기반 계 D+Y-(여기서, D는 유기 도너(organic donor)(예를 들어 테트라티오풀발렌(tetrathiofulvalene)인 TTF)이고, Y는 할로겐이다).2) an electron-based system D + Y - where D is an organic donor (for example TTF, tetrathiofulvalene) and Y is a halogen.

3) 정공 또는 전자 기반 계 D+A-(여기서, D는 유기 도너(예를 들어, 비스 ―에틸렌디티오-테트라티오풀발렌인 BEDT-TTF(bis-ethylenedithio-tetrathiofulvalene)와, N, N, N', N'-테트라메틸-p-페닐렌디아민인 TMPD(N, N, N', N' ―tetramethyl-p-phenylenediamine))이고, A는 TCNQ와 같은 유기 억셉터이다). 분자 M에 대한 유용한 재료로서 전도성 폴리머를 배제할 만한 아무런 이유가 없다.3) a hole or electron based system D + A - where D is an organic donor such as bis-ethylenedithio-tetrathiofulvalene (BEDT-TTF) N ', N'-tetramethyl-p-phenylenediamine), and A is an organic acceptor such as TCNQ. There is no reason to exclude the conductive polymer as a useful material for the molecule M.

본 발명의 디바이스를 좀 더 설명하기 위해, p 타입 인핸스먼트 모드의 도 1a의 디바이스를 고려한다. 게이트 전위가 존재하지 않으면, 층(10)의 분자는 모트 절연 상태가 된다. 이러한 p 타입 인핸스먼트 모드 디바이스에 있어서, 게이트에 충분한 네거티브 전압이 공급되면, 분자들은 포지티브 전하를 띠게 되고 모트 절연체에서 금속 상태로 스위칭하여, 소스와 드레인간에 전도가 가능하게 된다. 이러한 디바이스에 있어서, 층(10)에 알맞은 재료는 알칼리 금속과 TCNQ간의 전하 전송 착물을 포함한다.To further illustrate the device of the present invention, consider the device of FIG. 1A of a p-type enhancement mode. If no gate potential is present, the molecules of layer 10 become mote-insulated. In such a p-type enhancement mode device, when a sufficient negative voltage is applied to the gate, the molecules become positive charges and switch from the Mott insulator to the metal state, allowing conduction to the source and drains. In such a device, a material suitable for layer 10 comprises a charge transport complex between an alkali metal and a TCNQ.

반면에, 도 1a의 디바이스가 n 타입 인핸스먼트 모드 디바이스이면, 게이트 전위가 존재하지 않을 경우, 층(10)의 분자는 또한 모트 절연 상태가 된다. 게이트에 충분한 포지티브 전압이 인가되면, 분자들은 네거티브 전하를 띠게 되고, 모트 절연체에서 금속 상태로 스위칭하여, 소스와 드레인간에 전도가 가능하게 된다.이러한 디바이스에 있어서, 층(10)에 적절한 재료는 TTF와 할로겐간의 전하 전송 착물을 포함한다.On the other hand, if the device of Fig. 1A is an n-type enhancement mode device, the molecules of layer 10 are also in a mote-insulated state if no gate potential is present. When a sufficient positive voltage is applied to the gate, the molecules become negatively charged and switch from the Mott insulator to the metal state, allowing conduction to the source and drain. In such a device, a suitable material for the layer 10 is And a charge transfer complex between the TTF and the halogen.

도 1a의 디바이스가 p 타입 공핍 모드 디바이스일 때, 게이트 전위가 존재하지 않으면 층(10)의 분자들은 금속 전도 상태가 되고, 게이트에 충분한 포지티브 전압이 인가되면, 분자들은 포지티브 전하를 띠게 되고 절연 상태로 스위칭한다.When the device of FIG. 1A is a p-type depletion mode device, the molecules of layer 10 become a metal conduction state if no gate potential is present, and when a sufficient positive voltage is applied to the gate, the molecules become positive charges, .

외부 전위가 존재하지 않을 때 디바이스가 "오프" 상태로 남아 있고, 전자 대신 정공이 전도 상태(즉, "온" 상태)의 전하 캐리어인 경우는 본 발명의 디바이스의 특성들을 밝히는데 사용될 것이다. 절연 및 전도 상태의 디바이스의 특성들은 전하 캐리어가 외부 게이트 전압에 의해 조절될 수 있게 하는 메카니즘과 함께 기술될 것이다. 디바이스 내에서의 금속-절연체 천이는 "온" 상태와 "오프" 상태간의 스위칭을 가능하게 한다.The case where the device remains in the "off" state when no external potential is present and the hole is a charge carrier in the conducting state (ie, the "on" state) instead of the electron will be used to characterize the device of the present invention. The characteristics of the device in isolation and conduction state will be described with a mechanism whereby the charge carrier can be controlled by the external gate voltage. The metal-insulator transition in the device enables switching between an " on " state and an " off " state.

먼저, 디바이스의 "오프" 상태가 모트 절연 상태임을 입증하기 위해, 디바이스는, 아래의 수학식 1이 충족되면, 평형 상태에서 어레이의 각 위치마다 평균적으로 하나의 전자가 존재하도록 설계된다. 운동 에너지를 무시하면, 도 4a에 도시된 바와 같이, 모든 전자들은 단일의 축퇴 에너지 수준을 점유하며, 이러한 에너지 수준은 리드 내에서 인접한 페르미 바다(seas)의 페르미 준위보다 작은 에너지 ε1에 있도록 정의되어 있다. 강하게 상호 연관되어 있는 층 분자들 내의 전자들은 서로 접근할 때 강력한 쿨롱 척력을 받게 된다. 특히, 단일 위치 상에 두개의 전자를 허용하는 상태는 매우 높은 에너지 U를 갖는다(U>>kBT 또는 소정의 다른 에너지 스케일). 그 결과, 어떠한 이중 점유도 이러한 상태에서 효율적으로 허용되지 않게 되며, 리드 내의 전자는 어레이를 관통 혹은 통과할 수 없다. 다시 말하면 위치당 임의의 이중 점유를 가능하게 하는 상태는 차수 U의 갭(도 4a)에 의해 제거된다. 다음의 수학식 1이 성립하면, 계(system)는 열평형 상태에서 모트 절연체 상태를 유지한다.First, to demonstrate that the device's "off" state is a mote isolated state, the device is designed to have one electron on average at each location in the array in equilibrium, if Equation 1 below is met. 4A, all of the electrons occupy a single degenerate energy level, which is defined as the energy < RTI ID = 0.0 > 1 < / RTI > less than the Fermi level of the adjacent Fermi seas in the lead . Electrons in strongly correlated layer molecules receive strong coulomb repulsion when they approach each other. In particular, a state that allows two electrons on a single location has a very high energy U (U >> k B T or some other energy scale). As a result, any dual occupancy is not efficiently allowed in this state, and electrons in the lead can not penetrate or pass through the array. In other words, the state enabling any double occupancy per position is eliminated by the gap of order U (FIG. 4A). When the following equation (1) holds, the system maintains the mote insulator state in the thermal equilibrium state.

드레인-소스 전압의 인가는 용이하게 계를 금속 상태로 만들 수는 없다. 도 4c는 네거티브 바이어스 전압 VDS=-V(CMOS 응용에서, 이는 중요한 부호이다)가 존재하는 경우 계에 대한 전자 에너지 다이어그램을 도시한 도면이다. 실제로, 네거티브 드레인-소스 전압은 드레인 단부에 인접한 어레이 내의 전자들의 에너지를 상승시킨다. 드레인 전극에 근접할 경우, 도 4c의 정전기 에너지의 변동은 대략 다음과 같은 분석적 형태를 따른다.The application of the drain-source voltage can not easily make the system a metal state. FIG. 4C is a diagram showing an electron energy diagram for the system in the presence of a negative bias voltage V DS = -V (in CMOS applications, which is an important sign). In fact, the negative drain-source voltage raises the energy of the electrons in the array adjacent to the drain end. When approaching the drain electrode, the variation of the electrostatic energy of Figure 4c follows the following analytical form.

여기서, VG는 게이트 전압이고, δy는 드레인 전극으로부터의 거리이고, d는 (거의 무한대의 얇은 판이라 간주되는) 드레인 전극과 (거의 무한대의 얇은 판이라 간주되는) 게이트 전극간의 간격이고, 유전 상수는 단위값으로 취해진다. 이러한 근사식의 제곱근 특이점은 도 4c의 수치 해법에서 분명하다.Here, V G is the gate voltage, δy is the distance from the drain electrode, d is (almost be considered to be a thin plate of infinity), the drain electrode and the distance between the gate electrode (that is almost considered to be a thin plate of infinity), oil Constants are taken as unit values. The square root singularity of this approximation is evident in the numerical solution of Figure 4c.

전술한 계산은 단위 유전 상수를 가정한다. 균일한 유전 상수 ε가 도입되면, 도 4c의 절연체내의 전압 변동은 계수 ε만큼 감소되지만, 전극 표면에서 전위의 점프가 나타난다. 이러한 변형된 상황(picture)은 이하의 논의를 변경하지 못한다.The above calculation assumes a unit dielectric constant. When a uniform dielectric constant < RTI ID = 0.0 > epsilon < / RTI > is introduced, the voltage variation in the insulator of Figure 4c is reduced by a factor epsilon, but a potential jump appears at the electrode surface. This modified picture does not change the following discussion.

드레인에 인접한 분자 에너지 준위가 상승함에도 불구하고, (도 4c에 도시한 파라미터에 의해 충족되는) 다음의 수학식의 조건하에서, 어레이와 드레인 또는 소스간의 전자 전송이 계내의 허바드 장벽으로 인해 전혀 허용되지 않는다.Even though the molecular energy level adjacent to the drain rises, electron transfer between the array and the drain or source is not allowed at all due to the Hubbard barrier in the system (under the conditions of the following equation) (fulfilled by the parameters shown in Figure 4C) Do not.

이온화 준위의 전자의 경우, 어레이로부터의 소정의 전자를 좌측면 상의 소스에 전송하려면, 중간 과정에서 이중 점유를 갖는 소정 상태를 기동해야 하는데, 이는 차수 U의 에너지를 필요로 한다. 또한, 드레인 페르미 준위가 여전히 상위 허바드 밴드 아래에 놓이기 때문에, 전자가 드레인에서 인접 준위(affinity level)(상위 허바드 밴드)로 터널링하는 것은 불가능하다. 따라서, 계는 수학식 3의 조건이 충족되는 한 모트 절연체를 유지한다. 층의 연속 모델을 비연속 모델로 대체한다고 하여, 전술한 설명이 질적으로 바뀌지는 않을 것이다.In the case of electrons at the ionization level, in order to transfer certain electrons from the array to the source on the left side, a certain state with dual occupancy must be activated in the intermediate process, which requires the energy of order U. Also, since the drain Fermi level is still below the upper Hubbard band, it is impossible to tunnel electrons from the drain to the affinity level (upper Hubbard band). Thus, the system holds the Mott insulator as long as the condition of equation (3) is satisfied. By replacing the continuous model of layers with a discontinuous model, the above description will not change qualitatively.

중첩하는 게이트 전극과 기판 사이에 네거티브 전압을 인가함으로써, 어레이는, 일단 이온화 에너지 준위(하위 허바드 밴드)가 리드의 페르미 준위 위로 이동하면 금속 상태로 스위칭한다. 주어진 게이트 전압에서 어레이내의 가용 전하 캐리어의 실제 밀도는 또한, 어레이내의 쿨롱 상호작용(Coulomb interactions)에 따라 달라진다.By applying a negative voltage between the overlapping gate electrode and the substrate, the array switches to the metal state once the ionization energy level (lower Hubbard band) moves above the Fermi level of the lead. The actual density of the available charge carriers in the array at a given gate voltage also depends on the Coulomb interactions in the array.

계가 평형 상태로 유지되는 동안 디바이스가 네거티브 게이트 전압 -VG,VG>0 하에 있는 것으로 가정한다. 소스-드레인 페르미 준위에 대한 제로 캐리어 밀도 e(VG1)에서의 층 이온화 준위가 포지티브가 되면, 어레이내의 전자가 리드로 방출되어 층이 포지티브 전하로 충전되는 경향이 있다. 이러한 충전 경향은 층내의 정전기 에너지의 증가(build up)와 상반된다. 분자당 총 전기 에너지는 다음과 같이 표현될 수 있다.It is assumed that the device is under negative gate voltages -V G , V G > 0 while the system remains in equilibrium. When the layer ionization level at the zero-carrier density e (V G1 ) relative to the source-drain Fermi level becomes positive, electrons in the array tend to be released into the leads, filling the layer with a positive charge. This charging tendency is contrary to the build up of electrostatic energy in the layer. The total electrical energy per molecule can be expressed as:

여기서, δ는 분자당 부분(fractional) 포지티브 전하(0<δ<1)이고, Cmol은 다음과 같이 정의된다.Where δ is the fractional positive charge (0 <δ <1) per molecule, and C mol is defined as:

수학식 5에서, Vtot는 ri의 분자에서 발생된 r0의 분자의 총 전위(직접 전위+유도 전위)이다.In Equation 5, V tot is the total potential (direct potential + induced potential) of the molecule of r 0 generated in the molecule of r i .

r0의 분자 자체로부터 유도된 전위는 수학식 5에 포함되지 않는다. 이러한 전위는 ε1을 재정규화하는데 작용하지만(이러한 전위는 기체 상태(gas-phase)값으로부터 ε1을 감소시킨다), 수학식 4의 2항에 영향을 미치지 않는다. 재정규화의결과는 ε1의 상기 값으로 정의되는 것으로 가정한다.The potential derived from the molecule itself of r 0 is not included in equation (5). This potential acts to renormalize ε 1 (this potential reduces ε 1 from the gas-phase value), but does not affect the second term in equation (4). The result of the renormalization is assumed to be defined by the above value of ε 1 .

양 영역의 유전 상수가 동일하고, 도 1a에 도시된 단일 게이트 경우의 ε와 같으면, 수학식 5는 다음과 같이 표현될 수 있다.If the dielectric constants of both regions are equal and equal to? Of the single gate case shown in FIG. 1A, equation (5) can be expressed as:

여기서, 분자층은 yz 평면에 위치하는 것으로 정의되고, Rmol은 층 내의 분자의 반경이다.Here, the molecular layer is defined as being located in the yz plane, and Rmol is the radius of the molecules in the layer.

분자간 간격 amol이 분자와 표면간의 거리보다 훨씬 적으면, Cmol의 연속 극한값 Ccont에 이르게 된다. 그러면, 표준 결과는 다음과 같이 도출된다.When the intermolecular spacing a mol much less than the distance between the molecule and the surface, which leads to continuous extreme value C of the C cont mol. Then, the standard result is derived as follows.

여기서, n은 단위 면적당 분자의 농도이다.Where n is the concentration of molecules per unit area.

εox>>ε인 고 유전체 기능성 산화물의 경우, 수학식 6은 또한 다른 극한값에서 사용될 수 있다. 이제 dox+Rmol의 양이 분자 반경 Rmol로 되면, 수학식 6은 다음과 같이 된다.In the case of a high dielectric functional oxide of epsilon ox > e, Equation (6) can also be used at other extreme values. Now, if the amount of d ox + R mol is the molecular radius R mol , Equation (6) becomes as follows.

수학식 6과 수학식 8 간의 근사 보간식은 극한 Rmol>>dox일 때에만 매우 정확한 것으로서, 수학식 6의 dox를 수학식 9로 대체함으로써 획득된다.As only a very accurate when the equation (6) and the approximation between the interpolation equation (8) is an intrinsic R mol >> d ox, is obtained by replacing the d ox of the equation (6) into equation (9).

이 식에 의해, 도 1a의 dox의 임의의 값에 대한 Cmol을 대략적으로 추정할 수 있다.By this formula, it is possible to roughly estimate C mol for an arbitrary value of d ox in FIG.

도 5는 분자 어레이가 서로 가까이 밀집한 단층일 때, Cmol의 값을 d=dox+Rmol대 amol또는 d=Rmol대 amol의 비의 함수로서 나타낸 도면이다. d/amol의 비는 수학식 8의 경우 1/2 보다 작을 수 있으며, Cmol은 수학식 7의 연속 극한값보다 훨씬 클 수 있다.5 is a diagram showing the value of C mol as a function of the ratio of d = d ox + R mol to a mol or d = R mol to a mol when the molecular arrays are close to each other in a single layer. The ratio of d / a mol may be less than 1/2 in equation (8), and C mol may be much larger than the continuous limit of equation (7).

도 1b에 도시된 이중 게이트 구성의 경우, 분자당 총 정적 에너지에 대한 수학식 4는 분자당 캐패시턴스가 다음과 같이 변경되는 것을 제외하면 여전히 유지된다.In the case of the double gate configuration shown in FIG. 1B, Equation 4 for the total static energy per molecule is still maintained, except that the capacitance per molecule is changed as follows.

여기서, p는 무한 개의 이미지 전하를 합한 모든 정수에 걸쳐 변한다.Where p varies across all integers that sum up the infinite number of image charges.

Cmol의 값은 도 5에 또한 도시되어 있다.The value of C mol is also shown in FIG.

수학식 4를 δ에 대해 최소화하면, 게이트 전압 VG를 분자당 캐리어의 비율 δ에 접속하는 수식으로서 다음과 같은 수학식이 도출된다.Minimizing for the equation (4) for δ, as a formula for connecting a gate voltage V G to a ratio δ of the carrier per molecule and is derived as the following equation.

따라서, VT=e-1ε1은 분자층의 전하 캐리어의 농도가 비제로가 되는데 필요한 최소 게이트 전압을 정의한다. δ=0.15가 (컵레이트 데이타를 기초하여) 적절하게 "온"(금속) 상태가 되는데 필요한 전형적인 캐리어의 비율이라 하면 여러 파라미터 세트에 대해 필요한 "온" 게이트 전압이 명시될 수 있다. ε1에 대해 차수 0.25eV의 값(300K에서 ∼10keT)이 허용된다. 이들 결과는 단일 및 이중 게이트 구성 모두에 대한 표 1 및 2에 도시된다.Therefore, V T = e -1 ε 1 defines the minimum gate voltage required for the concentration of charge carriers in the molecular layer to be non-zero. The " on " gate voltage required for various parameter sets can be specified if &lt; RTI ID = 0.0 &gt; = &lt; / RTI &gt; = 0.15 is the typical carrier ratio required to be in an appropriately &quot; on & A value of order 0.25 eV (~ 10 k e T at 300 K) is allowed for ε 1 . These results are shown in Tables 1 and 2 for both single and double gate configurations.

이들 결과를 요약하면, 0.4V와 0.8V 사이의 게이트 전압에 대해 동작이 가능함을 알 수 있다. U가 1-2eV의 차수인 것으로 가정하면, 이러한 범위는, 게이트가 소스-드레인 전압에 의해 구동될 경우 수학식 3이 만족되도록 하는데 적당하며, 이는 적당한 설계시 제시된 디바이스는 전술한 바와 같이 작용할 수 있음을 보여준다.Summarizing these results, it can be seen that operation is possible for gate voltages between 0.4V and 0.8V. Assuming that U is in the order of 1-2 eV, this range is suitable to ensure that equation (3) is satisfied when the gate is driven by the source-drain voltage, which means that the device presented in the proper design can act as described above Lt; / RTI &gt;

어레이의 연속 처리에 의존하는 차후의 엔지니어링 분석을 위하여, 편의상 이하의 정의를 도입한다(여기서, n은 어레이내의 단위 면적당 분자의 농도를 의미함).For the sake of future engineering analysis, which relies on continuous processing of the array, the following definition is introduced for convenience (where n means the concentration of molecules per unit area in the array).

또한, 가용 최대 정공의 수는 δ≤1로 제한됨을 알아두어야 한다. 즉, 어레이내의 정공 밀도는 게이트 전압 VG≥ VT+ ne/C'T에 대해 n에서 불변인 채로 유지될 것이다. 이러한 사실을 좀 더 명확히 나타내기 위해,를 VT+ ne/C'T로 정의하면, 수학식 11은 이하의 수학식 14로 다시 표현된다.It should be noted that the maximum number of available holes is limited to? 1. That is, the hole density in the array will remain unchanged at n for the gate voltage V G ≥ V T + ne / C ' T. To illustrate this fact more clearly, Is defined as V T + ne / C ' T , Equation (11) is expressed again by Equation (14) below.

디바이스 내의 전도 채널에 걸쳐 정공 분포가 균일하다는 가정하에서 임계 전압 VT가 도출되었음에 유의하자. 디바이스가 소스에서 드레인까지의 채널에 걸쳐 가변 두께를 갖는 스페이서를 구비한다면, 이는 부정확할 것이다. 유한한 드레인-소스 바이어스 전압이 인가될 때 정공 분포도 또한 변할 것이다. 이러한 후자의 경우에 있어서, 상황은 전도 채널을 통과하는 전류 흐름으로 인해 더욱 복잡해진다. 또한, 정적 에너지 수식, 즉 수학식 4를 작성할 때, 양쪽 측면 상의 어레이-리드 접점에서의 에지 효과는 무시되었지만, 이하에서 상세히 기술하기로 한다.Note that the threshold voltage V T is derived under the assumption that the hole distribution is uniform over the conduction channel in the device. If the device has a spacer with variable thickness over the channel from source to drain, this would be inaccurate. The hole distribution will also change when a finite drain-source bias voltage is applied. In this latter case, the situation is further complicated by the current flow through the conduction channel. In addition, when creating the static energy equation, i.e., equation (4), the edge effect at the array-lead contact on both sides is neglected but will be described in detail below.

에지 효과를 무시하는 것 이외에도, 분자 내부 호핑 적분 t의 효과도 또한 앞에서 무시되었다. t는 분자층에 대해 100mV 보다 현저하게 크게 될 것 같지 않고, 운동 에너지 효과(∼t)는 표 1에서 유도된 에너지의 스케일 상에서 작으므로, 모트 천이 FET의 앞선 처리 과정에서 이들을 무시할 수 있음은 타당하다.In addition to neglecting the edge effect, the effect of the internal hopping integration t was also neglected. It is unlikely that t will be significantly greater than 100 mV for the molecular layer and that the kinetic energy effects (~ t) are small over the scale of the energy induced in Table 1, Do.

적절한 게이트 전압을 인가함으로써, 어레이내의 상호연관된 전자계를 "오프" 상태에서 "온" 상태로(혹은 그 역으로) 전환할 수 있다. 이제, 드레인-소스 전압이 존재할 때 금속 상태의 전류-전압 특성을 고려한다.By applying an appropriate gate voltage, the interrelated field in the array can be switched from " off " to " on " Now, consider the current-voltage characteristic of the metal state when a drain-source voltage is present.

선형 영역의 경우, 디바이스가 낮은 드레인-소스 전압 VDS에 있음을 먼저 고려한다. 이 조건하에서, 게이트-어레이 바이어스 및 이에 따른 전하(정공) 분포는 소스(14)에서 드레인(16)까지의 전체 전도 채널을 따라 거의 균일하다. 이 계의 이동 전하 밀도는 대략 수학식 14에 의해 주어진다.For a linear region, first consider that the device is at a low drain-source voltage V DS . Under this condition, the gate-array bias and hence the charge (hole) distribution are substantially uniform along the entire conduction channel from the source 14 to the drain 16. The moving charge density of this system is approximately given by Equation (14).

VDS에 의해 구동된 정상 상태 전류는 y-축(즉, 소스-드레인 방향)을 따라 흐른다. 따라서, 옴의 법칙에 따라 아래와 같이 나타낼 수 있다.The steady-state current driven by V DS flows along the y-axis (i.e., source-drain direction). Thus, according to Ohm's law, it can be expressed as follows.

여기서, μh= eτ/mh는 정공 이동도로서, 상수로 가정한다. 따라서, 소정의 게이트 전압에서, 채널 컨덕턴스는 GL= ∂IDS/∂VDS로 일정하게 된다. 수학식 15에서 VG에 대한 의존은 전적으로 어레이내의 가용 이동 정공의 변화에 기인한다. 이제, 수학식 14를 도출할 때 언급된 바와 같이, 정공 밀도에 상한(위치당 하나의 정공)이 존재하며, 이 경우 어레이 밴드는 비게 되어, (모트 절연체와는 상반된) 통상의 절연체가 된다. 따라서, 가장 효과적인 채널 컨덕턴스는 δ=0과 δ=1 사이에 있다.Here, μ h = eτ / m h is the hole mobility and is assumed to be a constant. Therefore, at a given gate voltage, the channel conductance is constant at G L = ∂I DS / ∂V DS . The dependence on V G in equation (15) is entirely due to the change in available moving holes in the array. Now, as mentioned when deriving equation (14), there is an upper limit of hole density (one hole per position), in which case the array band becomes empty and becomes a normal insulator (as opposed to a Mott insulator). Thus, the most effective channel conductance is between δ = 0 and δ = 1.

비선형 영역에서, 드레인-소스 전압의 값이 게이트 전압 VG에 비해 무시할 수 없게 될 때까지 증가할 경우, 전술한 분석은 더 이상 유지되지 않는다. 유한한 드레인-소스 전압은 전도 채널에 따라 전위 분포를 변화시키도록 작용한다. 따라서, 게이트와 채널간의 전압, 및 실질적인 전하 밀도는 소스로부터 드레인으로진행하는 위치 y의 함수일 것이다. 특히, 드레인이 소스에 대해 네가티브로 바이어스될 때, 임계 전하 전위는 상승하여 효율적으로 가용 정공 밀도를 감소시킨다.In the non-linear region, if the value of the drain-source voltage increases until it becomes negligible relative to the gate voltage V G , the above-described analysis is no longer maintained. The finite drain-source voltage acts to vary the potential distribution along the conduction channel. Thus, the voltage between the gate and the channel, and the actual charge density, will be a function of the position y going from the source to the drain. In particular, when the drain is biased negatively with respect to the source, the threshold charge potential rises and effectively reduces the available hole density.

임의의 VDS에 대한 전류-전압 특성의 정량 도면(quantitative picture)을 얻기 위해, 반도체 디바이스 물리계에서 널리 사용되는 소위 점진적 채널 근사법(gradual-channel approximation)이 이용된다. 이 근사법에서는, 전류 흐름 방향의 필드가 어레이에 수직인 필드보다 훨씬 작은 것(또한 느리게 변화함)으로 가정한다. 이 근사법 내에서, (정상 상태) 채널 전류의 함수로서 채널에 따라 증가하는 전압 강하는 이하와 같이 표현된다.To obtain a quantitative picture of the current-voltage characteristic for any V DS , a so-called gradual-channel approximation, which is widely used in semiconductor device physics, is used. In this approximation, it is assumed that the field in the current flow direction is much smaller (also slowly changing) than the field perpendicular to the array. Within this approximation, the voltage drop that increases with the channel as a function of (steady state) channel current is expressed as:

여기서, Q'h(y)는 채널내의 위치 y에서의 정공 밀도이며, y는 소스에서 드레인까지 변하며, 또한 컵레이트 데이터(cuprate data)로부터 추론되는 바와 같이, 이동도 μh는 상수로 가정한다. 드레인이 네가티브로 바이어스되고 VDS=-V(V>0)일 경우, 점진적 채널 근사법 내에서 분자당 정공 비율은 대략 수학식 11로 표현될 수 있으며, 여기서 VT는 채널 방향의 위치 y의 위치-의존형 임계 전압으로서 VT+Vy로 대체되며, Vy는 (0, V)에서 변한다. 위치 y에서 채널 방향의 단위 길이당 전체 전하 캐리어 밀도는 이하와 같이 나타낼 수 있다.Here, Q ' h (y) is the hole density at position y in the channel, y changes from source to drain, and mobility μ h is assumed to be a constant, as deduced from the cuprate data . When the drain is negatively biased and V DS = -V (V > 0), the hole-to-molecule ratio in the gradual channel approximation can be approximated by Equation (11), where V T is the position - V T + V y as a dependent threshold voltage, and V y changes at (0, V). The total charge carrier density per unit length in the direction of the channel at the position y can be expressed as follows.

수학식 17과 수학식 16을 조합하면, 이하의 수학식과 같이 일정한 전류 IDS의 함수로서 채널내의 임의의 위치 y에서의 전위 Vy를 계산할 수 있다.By combining equations (17) and (16), it is possible to calculate the potential V y at an arbitrary position y in the channel as a function of a constant current I DS as shown in the following equation.

소스-드레인 채널 방향의 Vy및 Q'h(y)의 변화는 각각, 적절하고 강한 바이어스 전압에 대해 도 6a 및 도 6b에 도시된다. 또한, 이는 적분 경로를 소스에서 드레인까지의 전체 채널로 확장함으로써, 이하의 수학식과 같이 전류가 인가된 전압의 함수로서 표현될 수 있게 한다.The changes in V y and Q ' h (y) in the source-drain channel direction are shown in Figs. 6A and 6B, respectively, for a suitable and strong bias voltage. This also allows the integration path to be expressed as a function of the applied voltage, as in the following equation, by extending the entire path from the source to the drain.

이제, 전류 IDS는 드레인-소스 전압 VDS(=-V)에 대한 비선형 함수이다. 드레인이 네가티브로 바이어스될 때, 전류는 VDS값이 증가함에 따라 보다 점진적으로 증가하여, 결국 이하의 수학식과 같이 -VDS=VSAT=VG-VT에서 최대값에 도달한다.Now, the current I DS is a nonlinear function for the drain-source voltage V DS (= -V). When the drain is negatively biased, the current gradually increases as the V DS value increases, eventually reaching a maximum at -V DS = V SAT = V G -V T as in the following equation:

통상의 MOSFET의 경우에, 수학식 17로부터 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 드레인이 -Vsat에서 바이어스될 때, 드레인 전압은 드레인 단부(end)에 인접한 상관된 전자에 대한 네가티브 게이트 전압의 영향을 완전히 없애며, 이 경우 결국 가용 이동 전하(정공)가 존재하지 않게 된다 (Q'h(L)=0).In the case of a conventional MOSFET, as can be readily seen from equation (17), when the drain is biased at -V sat , the drain voltage has the effect of the negative gate voltage on the correlated electrons adjacent the drain end (Q ' h (L) = 0). In this case, there is no free moving charge (Q' h (L) = 0).

드레인이 |VDS|>Vsat가 되도록 더 바이어스될 때, 도 6b에 도시된 바와 같이 가용 캐리어가 존재하지 않은 소위 핀치-오프(pinch-off) 영역이 드레인 전극 근방에 나타난다. 채널의 전류는 강한 전계가 존재하는 핀치-오프 영역을 가로질러 전하 캐리어를 주입함으로써 유지된다. 수학식 19에 나타낸 바와 같이 전류의 크기는, 핀치-오프 영역이 너무 넓어지게 될 경우 전류가 차단되고 핀치 영역 자체가 사라지는, 실리콘 MOSFET 환경에서의 잘 알려진 네가티브 피드백 현상에 의해 수학식 19에서와 같이 감소하지 않고 Isat로 유지되거나 그보다 약간 크게 된다. 도 7은 여러 게이트 전압에서의 전류-전압 특성을 나타내는 도면이다. 도 7에서, δ=0.1-0.5(하부 곡선에서 상부 곡선까지를 나타냄)이다. 곡선에 나타난 전류 IDS및 전압 VDS는 I0=GTmaxV0및 V0=e/Cmol에 대하여 각각 스케일링된다. 게이트 전압은 인핸스먼트 모드 디바이스에서는 네가티브이며 그 값은 하부에서 상부 곡선으로 이동할수록 증가하는 반면, 공핍 모드에서는 포지티브이며 하부에서 상부 곡선으로 이동할수록 감소한다.When the drain is further biased such that | V DS | > V sat , a so-called pinch-off region where no usable carrier exists appears near the drain electrode as shown in FIG. 6B. The current in the channel is maintained by injecting a charge carrier across the pinch-off region where strong electric fields are present. As shown in Equation 19, the magnitude of the current is obtained by the well-known negative feedback phenomenon in the silicon MOSFET environment in which the current is blocked and the pinch region itself disappears when the pinch-off region becomes too wide It does not decrease but remains I sat or slightly larger. 7 is a graph showing current-voltage characteristics at various gate voltages. In Fig. 7,? = 0.1-0.5 (representing from the bottom curve to the top curve). The current I DS and the voltage V DS appearing in the curves are respectively scaled for I 0 = G Tmax V 0 and V 0 = e / C mol . The gate voltage is negative in the enhancement mode device and its value increases as it moves from the bottom to the top curve, while it is positive in the depletion mode and decreases as it moves from the bottom to the top curve.

수학식 20으로부터 알 수 있는 바와 같이, 포화 영역에서의 정공 전류, Isat는 게이트 전압에 따라 2차 함수적으로 변화한다. 게이트 전압이 네가티브로 될수록(혹은, VG가 증가할수록), 드레인 포화 전압 Vsat및 채널내 가용 전하 캐리어는 모두 VG에 따라 선형적으로 증가한다. 따라서, GT=∂Isat/∂VG에 의해 정의되는 트랜스컨덕턴스는 이하의 수학식과 같이 게이트 전압의 선형 함수이다.As can be seen from the expression (20), the hole current in the saturation region, I sat , changes in a quadratic function according to the gate voltage. As the gate voltage becomes negative (or as V G increases), the drain saturation voltage V sat and the available charge carriers in the channel all increase linearly with V G. Therefore, the transconductance defined by G T = ∂I sat / ∂ V G is a linear function of the gate voltage as shown in the following equation.

여기서, I는 전하 캐리어에 대한 평균 자유 경로를 지칭하며,는 층내의 정공 농도이며, kf는 대응하는 파형 벡터이다. 수 분자간 거리의 차수의 I를 갖는 계(system)의 경우, 트랜스컨덕턴스 GT는 컨덕턴스의 수 양자(quanta)의 차수 상에 있다. 컨덕턴스 e2/h의 하나의 양자는 약 26KΩ의 저항에 대응하기 때문에, 이에 따라 통상적인 포화 트랜스컨덕턴스는 수 킬로 Ω에 대응한다.Where I refers to the average free path for charge carriers, Is the hole concentration in the layer, and k f is the corresponding waveform vector. For a system with an order I of intermolecular distances, the transconductance G T is on the order of the number of conductances of the conductance (quanta). Because it corresponds to one of the two it is approximately 26KΩ resistance of the conductance e 2 / h, thus the conventional saturation transconductance may correspond to kilograms Ω.

작은 드레인 바이어스하의 선형 영역에서, 캐리어 밀도 δ가 분자당 하나의 정공에 이르게 될 때 계가 통상적인 밴드 절연체로 되기 때문에 트랜스컨덕턴스는VG가 증가함에 따라 무한적으로 증가할 수는 없다. 따라서, GT는 소정의 중간 도핑값 0<δ0<1에서 최대값에 도달할 것이다. 평균 자유 경로가 수 분자간 거리의 차수상에 있다고 가정하면, 최대 컨덕턴스는,In a linear region under a small drain bias, the transconductance can not increase indefinitely as V G increases, as the system becomes a conventional band insulator when the carrier density? Reaches one hole per molecule. Thus, G T will reach a maximum at a predetermined intermediate doping value 0 <? 0 <1. Assuming that the average free path is the difference of the number of intermolecular distances, the maximum conductance is

의 차수상에 있게 된다. 즉, 수 KΩ으로 된다.Of the car. That is, it becomes several K?.

따라서, 포지티브 바이어스 전압이 드레인에 인가될 때(VDS>0), 핀치-오프 영역은 발생되지 않을 것이며, 포지티브 드레인-소스 바이어스하에서 전류-전압 곡선에는 포화 영역이 존재하지 않을 것이다. 그러나, 게이트 및 드레인 전압의 결합 효과가 너무 강하게 됨에 따라, 정공 밀도가 드레인 단부(end) 근방의 채널에서 상한에 도달하게 될 가능성이 존재한다. 이러한 한계를 넘어서면, 전류가 급속히 감소하며, 이 계는 마침내 통상적인 밴드 절연체로 될 것이다.Thus, when a positive bias voltage is applied to the drain (V DS > 0), the pinch-off region will not be generated and there will be no saturation region in the current-voltage curve under the positive drain-source bias. However, as the coupling effect of the gate and drain voltages becomes too strong, there is a possibility that the hole density will reach the upper limit in the channel near the drain end. Beyond these limits, the current will decrease rapidly, and the system will eventually become a conventional band insulator.

p-타입 인핸스먼트 모드 디바이스 특성에 초점을 맞추면, n-타입 인핸스먼트 모드 디바이스에 대한 분석은 동일 라인을 따라 수행될 수 있다. 그러나, 후자의 경우 도 4b에 도시한 바와 같이, 에너지도는 p-타입 디바이스의 에너지도와 반전된다. 즉, 이제 상위 허바드(Hubbard) 밴드가 금속-절연체 스위칭에 관여하게 되고, 정공 대신에 전자가 전하 캐리어로 된다. 마찬가지로, 이 디바이스는 제로 게이트 전압에서 "오프" 상태이며, 충분히 큰 포지티브 게이트 전압이 인가될 때 "온" 상태로 전환된다.Focusing on the p-type enhancement mode device characteristics, an analysis for the n-type enhancement mode device can be performed along the same line. However, in the latter case, as shown in Fig. 4B, the energy level is reversed with the energy of the p-type device. That is, the upper Hubbard band is now involved in metal-insulator switching, and electrons become charge carriers instead of holes. Likewise, the device is in an " off " state at a zero gate voltage and is switched to an " on " state when a sufficiently large positive gate voltage is applied.

낮은 VDS에서 채널을 금속 영역으로 바이어스하는 VG로 전도될 경우, 전도되지 않을 수도 있는 에지를 통한 터널링은 전체 디바이스 전도도를 제한할 수 있다. 효과에 대한 연속적인 분석이 이하와 같이 행해질 수 있다.Tunneling through the edges, which may not be conducting, may limit the overall device conductivity when conducted at V G biasing the channel to the metal region in the low V DS . Continuous analysis of the effect can be done as follows.

도 8에는, 먼저 통상적인 게이트 전압이 인가될 때 채널이 여전히 절연 상태(δ=0)인, 채널의 전위 분포가 도시되어 있다. 양 단부에서의 전위 변화는 이하와 같이 근사적으로 나타낼 수 있다.In Fig. 8, the potential distribution of the channel is shown in which the channel is still in an insulated state (delta = 0) when a normal gate voltage is applied. The potential change at both ends can be approximated as follows.

여기서 δy는 소스(또는 드레인) 전극으로부터 측정된 거리이며, d는 분자층과 게이트 전극간의 간격이다. 수학식 25는, δy가 전극에 매우 근접해 있는 한 채널이 전도될 때에도 여전히 정확하다. 따라서, 작은 절연 영역이 소스 및 드레인 전극에 근접한 분자층의 에지에 존재할 것이라고 예상된다.Where? Y is the distance measured from the source (or drain) electrode and d is the distance between the molecular layer and the gate electrode. Equation 25 is still accurate even when the channel is conducted as long as? Y is very close to the electrode. Thus, it is expected that a small insulating region will be present at the edge of the molecular layer close to the source and drain electrodes.

도 9는 에지에서의 절연 영역의 폭을 결정하는 위상도이다. 소정의 게이트 전압 -VG하의 평형 상태에서, 분자층중 전도 상태인 부분은 전위 -VT를 갖는다. 위상도는 ye/d-VG/VT파라미터 공간에 도시되며, 여기서 ye는 절연 에지 영역의 폭이다. 도 9로부터, 무엇보다도 유의할 점은 적절하고 강한 게이트 전압에 대해 절연 영역이 단지 하나 이상의 분자 직경내로 한정될 뿐이라는 것이다. 반면에, 전체 층은 임계 전압 VT보다 낮은 게이트 전압 VG에 대해 절연 상태로 되며, 상기 절연 영역은 게이트 전압 VG가 위쪽에서부터 VT에 접근할수록 급격하게 성장하며, 이는 절연 에지 영역의 네가티브 효과를 방지하기 위해 게이트 전압이 임계 전압보다 충분히 커야함을 분명히 나타낸다. 예를 들면, VG=2VT일 때, 에지 영역은 20Å 폭의 스페이서에 대해 ∼10Å이다.9 is a phase diagram for determining the width of the insulating region at the edge. In the equilibrium state under a predetermined gate voltage -V G , the part of the molecule layer which is in a conducting state has a potential -V T. The phase diagram is shown in the y e / dV G / V T parameter space, where y e is the width of the insulating edge region. From Figure 9, it should be noted that, above all, the isolation region is limited to only one or more of the molecular diameters for a suitable and strong gate voltage. On the other hand, the entire layer is insulated with respect to the gate voltage V G lower than the threshold voltage V T , and the insulating region grows sharply as the gate voltage V G approaches V T from above, It is clear that the gate voltage must be sufficiently larger than the threshold voltage to prevent the effect. For example, when V G = 2V T , the edge area is ~ 10A for a spacer of 20A wide.

에지 영역은 일반적으로 하나 또는 두 개의 분자 직경의 차수이나, 반면에 전하 캐리어(정공)에 대한 장벽은 ε≒0.25eV이기 때문에, 터널링이 쉽게 발생할 수 있고, 에지 영역은 디바이스의 기능에 대해 매우 제한적인 효과만을 미칠 것으로 예상된다.Tunneling can easily occur because the edge region is generally of the order of one or two molecular diameters, whereas the barrier to the charge carrier (hole) is?? 0.25 eV, and the edge region is very limited It is expected to have only an effect.

전하 캐리어가 차수 ε=VG/ye의 유효 전계를 갖는 에지 영역내의 삼각 장벽에 직면한다고 가정하면 ― 여기서 ye는 도 9의 위상도로부터 결정된 최대 장벽폭임 ―, 장벽을 통한 터널링 컨덕턴스는 이하의 수학식과 같이 용이하게 계산될 수 있다.Assuming that the charge carrier confronts a triangular barrier in the edge region with an effective field of order ε = V G / y e , where y e is the maximum barrier width determined from the phase diagram in FIG. 9, the tunneling conductance through the barrier is Can be easily calculated as shown in the following equation.

컨덕턴스의 크기의 차수를 계산하기 위해, εf=0.5eV이고 디바이스 폭 W=100nm이라 가정한다. 파라미터 εl=0.5eV, VG=1.0V(도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, d=40Å에 대해 ye≒17Å)의 바람직하지 못한 선택에 대해서 조차도, 터널링컨덕턴스는 ∼3e2/h만큼 큰 것으로 계산될 수 있다. 반면에, εl=0.25eV 및 VG=0.6V로 하면, 장벽폭은 d=30Å에 대해 ye≒11Å으로 되며, 컨덕턴스는 ∼25e2/h에 이른다.To calculate the order of magnitude of the conductance, it is assumed that? F = 0.5 eV and device width W = 100 nm. Even for the undesirable selection of the parameters ε 1 = 0.5 eV, V G = 1.0 V (y e ≈ 17 Å for d = 40 Å as can be seen from FIG. 8), the tunneling conductance is ~ 3 e 2 / h Can be calculated to be large. On the other hand, assuming that? 1 = 0.25 eV and V G = 0.6 V, the barrier width becomes y e ? 11 Å for d = 30 Å, and the conductance reaches ~25 e 2 / h.

터널링 컨덕턴스를 좀 더 정확히 분석하기 위해, 수학식 25에 나타낸 바와 같이 에지 영역의 실질적인 전위 변화와, Vim=-e2/2πεδy로 나타낼 수 있는 이미지 힘(force)의 장벽 저하 효과를 고려할 필요가 있다. 장벽 높이는 3(eVG)2/3(2e2/εd)1/3/2π만큼 낮아질 것으로 예상되며, 이는 εl의 장벽 높이에 비해 매우 크다. 따라서, 하나 또는 두 개의 분자 거리의 장벽폭의 경우, 도 8의 위상도로부터 결정된 바와 같이, 이미지 힘은 터널링 전류를 더욱 증가시키고, 그 결과 가능한 에지 효과를 감소시키게 된다. 따라서, 결과적으로 에지 효과는 본 장치가 적절하게 동작하는데 별로 영향을 끼치지 않게 된다.To more precisely analyze the tunneling conductance, it is necessary to consider the barrier lowering effect of a substantial change in the potential of the edge area, as shown in equation 25, V im = -e 2 / 2πεδy image force that can be described as (force) have. The barrier height is expected to be lower by 3 (eV G ) 2/3 (2e 2 / epsilon) 1/3 / 2 pi, which is very large compared to the barrier height of? L. Thus, for barrier widths of one or two molecular distances, as determined from the phase diagram of FIG. 8, the image force further increases the tunneling current and consequently reduces the possible edge effect. Consequently, the edge effect will not affect the proper operation of the device.

전술한 단층 트랜스컨덕턴스 스위치의 인핸스먼트 모드 버전 이외에도, 공핍 모드 버전의 디바이스도 또한 존재하지만, 이러한 공핍 모드 디바이스는 그 게이트 전위가 소스 및 드레인 전위의 범위 밖에 놓이게 되어, CMOS 응용에 부적합하다. 그러나, 공핍 모드 버전은 여러 DRAM 메모리 셀 설계에 적합하기 때문에, 공핍 모드 디바이스는 유용하리라 예상된다.In addition to the enhancement mode version of the above-described single-layer transconductance switch, there is also a depletion mode version of the device, but such a depletion mode device is not suitable for CMOS applications because its gate potential is outside the range of source and drain potentials. However, depletion mode devices are expected to be useful because the depletion mode version is well suited for designing multiple DRAM memory cells.

p-타입 공핍 모드 디바이스는 분자 에너지 수준 εl을 네가티브로 함으로써구현되므로, 분자는 게이트 전위가 없어도 이온화되는 경향이 있다. 제로-VG캐리어 농도는 VG=0인 수학식 11 즉, εl=-δ/Cmol에 의해 제어된다.p- type depletion mode device is implemented by the molecular energy level ε l in the negative, the molecule will tend to be the gate potential without ionization. The zero-V G carrier concentration is controlled by Equation 11, i.e.,? 1 = -δ / C mol , where V G = 0.

δ=0.15인 "온" 정공 농도의 경우, εl의 필요한 값은 표 1의 열 7로부터 판독될 수 있다.For an " on " hole concentration of delta = 0.15, the required value of [epsilon] l can be read from column 7 of Table 1.

게이트 전압을 포지티브로 함으로써, 디바이스는 "오프" 상태로 될 수 있다. 요구되는 전압 변동폭(swing)은 표 1의 마지막 열의 것과 동일하다.By making the gate voltage positive, the device can be put into the " off " state. The required voltage swing is the same as the last column in Table 1.

따라서, εl의 상이한 튜닝 및 게이트 전압의 변이(이는 캐리어 농도로부터 수학식 11에 의해 결정됨)를 차치하면, 이 디바이스는 도 7의 특성에 따라 동작한다.Thus, by subtracting the different tuning of? 1 and the variation of the gate voltage (which is determined by Equation 11 from the carrier concentration), the device operates according to the characteristics of FIG.

공핍 모드 디바이스의 이점은 채널의 에지에 터널링 임피던스가 존재하지 않는다는 것이다. 게이트 필드가 없을 때 채널이 "온" 상태이기 때문에, 금속 전극에 의해 차단되는(screen) 에지에서의 분자는 항상 "온" 상태에 있게 된다. 따라서, 채널의 나머지가 "온" 또는 "오프" 상태이던지 간에, 에지 분자는 전도 상태로 되며, "오프" 상태에서는 단지 채널을 약간 짧게 하는데 작용한다. 메모리 응용에 있어서, 이러한 이점은 매우 중요한 것으로 판명되었다.An advantage of the depletion mode device is that there is no tunneling impedance at the edge of the channel. Since the channel is in the " on " state when there is no gate field, the molecule at the screen edge is always in the "on" state. Thus, whether the rest of the channel is in the " on " or " off " state, the edge molecule is in the conducting state and only in the " off " In memory applications, this advantage has proven to be very important.

단일 게이트 디바이스의 제조에서, 금속 전극 및 (존재한다면) 산화물이 열적 프로세스에서 형성된다. 다음에, 분자층이 표준 셀프-어셈블리 프로세스를 통해 도포된다. 이 산화물 프로세스는 2D 기술로 국한되는데, 그 이유는 다른 산화물 열 프로세스가 그 위의 다음 층의 증착중에 발생할 경우, 아마도 분자층에 열이가해질 것이기 때문이다.In the fabrication of a single gate device, metal electrodes and oxides (if present) are formed in a thermal process. Next, the molecular layer is applied through a standard self-assembly process. This oxide process is limited to the 2D technique because if another oxide thermal process occurs during the deposition of the next layer thereon, the molecular layer will probably be heated.

이중 게이트 디바이스는 완전-유기 프로세스(all-organic process)에서, 폴리이미드와 같은 유기 절연체를 이용하여 제조될 수 있다. 이러한 프로세스는 다중층으로 된 구조를 구축하는데 사용될 수 있다. 게이트 길이가 100nm(차수 100×100 분자의 어레이)이고 층이 32 개이면, 차수 1011비트의 저장 용량 ― 용량은 통상의 기술적 자원에 대한 도전을 제기할 것임 ― 이 실현가능하다.The double gate device can be fabricated using an organic insulator such as polyimide in a all-organic process. This process can be used to build multi-layered structures. If the gate length is 100 nm (an array of orders of 100 x 100 molecules) and the number of layers is 32, then a storage capacity-capacity of order 10 11 bits will pose challenges to conventional technical resources.

디바이스내의 전도 채널을 구성하는 분자는, 단층의 형태이거나 또는 인핸스먼트 모드 디바이스의 경우 육안으로 보이는 결정체 또는 게이트에 가장 가까운 분자층만이 채널을 형성하는 비결정 3-차원 분자 어레이의 형태일 수 있다.The molecules making up the conduction channel in the device may be in the form of a monolayer or in the case of an enhancement mode device, in the form of an amorphous three-dimensional molecular array in which only the visible crystalline or nearest molecular layer to the gate forms a channel.

산화물일 수 있는 절연체의 표면은 분자를 수용할 준비가 되어 있어야 한다. 이는 낮은 스텝 밀도를 가진 평탄한 상태에 있을 필요가 있다. 표면은 세정되거나, 혹은 특히 단층 채널형 디바이스의 경우 "An Introduction to Ultrathin Organic Films, from Langmiur-Blodgett to Self-Assembly", A. Ulman, Academic Press, Boston(1991) 및 J.A.Tour 등, J.Am.Chem.Soc., 117, 9529, 1995 ― 이는 본 명세서에 참조로서 인용됨 ― 에 개시된 바와 같이 그 위에 어셈블될 분자에 적합하도록 선택된 화학적 활성 그룹을 구비할 수 있다.The surface of the insulator, which can be an oxide, must be ready to accept molecules. It needs to be in a flat state with a low step density. The surface may be cleaned or, in particular, in the case of a single-channel type device, an organic semiconductor material such as an amorphous silicon film may be used, such as " An Introduction to Ultrathin Organic Films from Langmuir Blodgett to Self-Assembly ", A. Ulman, Academic Press, Boston . Chem. Soc., 117, 9529, 1995, which is hereby incorporated by reference - can be provided with a chemically active group selected to suit the molecule to be assembled thereon.

분자를 어셈블링하는 프로세스는 용해 또는 증발에 의해 행해질 수 있으며, 혹은 분자 빔 또는 그 밖의 다른 프로세스에 의해 행해질 수 있다.The process of assembling the molecules can be done by dissolving or evaporating, or by molecular beam or other process.

단층의 셀프-어셈블리는, 분자내에 합체된 화학적 그룹을 이용하여 진행되어단층이 그 표면에 부착되거나 그 분자에 사전 부착된 화학적 그룹에 부착될 수 있게 한다.Single layer self-assemblies are made using chemical groups incorporated within the molecule so that a monolayer can be attached to its surface or attached to a chemical group pre-attached to the molecule.

분자는, 랭뮤어-블로젯(Langmiur-Blodgett) 프로세스 또는 그 표면을 이들이 용해되어 있는 용액에 노출시키는 프로세스, 또는 그 밖의 다른 수단에 의해 부착될 수 있다. 분자층은 가까이 밀집되고, 가능한한 순서화되어 있어서 고도로 지향된 방식으로 표면에 부착되게 된다. 분자는, 이들을 표면에 결합시키는 그룹 이외에도 MTFET 디바이스의 기능에 있어서 중요한 역할을 하는 산화 환원 활성 센터를 포함해야 한다.The molecules may be attached by a Langmuir-Blodgett process or a process that exposes the surface of the Langmuir-Blodgett process to a solution in which they are dissolved, or by other means. The molecular layers are closely packed, as ordered as possible and attached to the surface in a highly oriented manner. Molecules should include a redox activity center that plays an important role in the function of the MTFET device in addition to the group that binds them to the surface.

따라서, 단층 채널을 갖는 3단자 디바이스를 기술하였으며, 이는 모트 천이를 통해 동작하므로, 모트-천이 전계 효과 트랜지스터(MTFET)로 칭해진다. 이 디바이스는 전도 채널로서 분자의 어레이를 이용하며, 여기서 전하 캐리어(정공 또는 전자)는 강하게 상관된다. 모트 천이는 금속-절연체 스위칭을 결정하며, 외부 게이트 전극에 의해 제어되는 것으로 알려져 있다. 이외의 점에 있어서, 이 디바이스는 통상의 실리콘-기반 FET에 상응하는 전기적 특성을 갖는 것으로 보인다. "온" 상태는 전형적인 트랜스컨덕턴스인 ∼10e2/h를 갖는다.Thus, a three-terminal device with a monolayer channel has been described, which operates through a Mott transition and is therefore referred to as a Mott-Transition Field Effect Transistor (MTFET). The device uses an array of molecules as the conduction channel, where the charge carriers (holes or electrons) are strongly correlated. The Mott transition determines metal-insulator switching and is known to be controlled by an external gate electrode. In other respects, the device appears to have electrical characteristics corresponding to conventional silicon-based FETs. "On" state has a typical transconductance ~10e 2 / h.

분자층에 대한 가능성 있는 후보 분자를 선택할 때 중요한 기준은 (위치상(on-site)) 쿨롱 척력 U(Coulomb repulsion U)이다. 로직 환경내에서 MTFET이 적절하게 동작하려면, 디바이스 환경내의 쿨롱 상호작용 U가 각각 반지름 범위 0.5-1nm내의 분자에 대해 적어도 1.5-0.75eV 정도될 필요가 있다.An important criterion when selecting potential candidate molecules for the molecular layer is (on-site) Coulomb repulsion U. For the MTFET to operate properly in a logic environment, the Coulomb interaction U in the device environment needs to be at least about 1.5-0.75 eV for each molecule within the radius range 0.5-1 nm.

요약하면, 모트-천이 전계 효과 트랜지스터는 이하의 특징 및 이점을 갖는다. 모트 천이 디바이스의 특징은, 높은 캐리어 밀도를 이용하여 약 4 격자 간격의 비교적 짧은 평균 자유 경로를 허용한다는 것이다. 실리콘 기법에서와 같이 고순도의 주문된 재료를 필요로 하지 않으므로, 제조 공정을 단순화할 수 있다. 이 디바이스는 1보다 큰 가용 캐리어가 존재할 경우 캐리어 평균 자유 경로의 차수상의 최소 절대값 크기로 낮춰 동작할 수 있다. 따라서, 4×4 어레이 차수(예를 들면, 격자 간격에 따라 4nm×4nm) 상의 최소 사이즈가 실현가능하다. 4×4 어레이의 캐리어 수는 임의의 시각에서 2 캐리어의 차수상에 있으며, 이는 디바이스가 작동하는 하한에 또한 가깝다. 이 최소 사이즈는 통상적인 최소 사이즈의 FET에 비해 100배의 실장 밀도를 제공한다. "온" 저항은 크기에 무관하며, 예를 들어 수 KΩ인 수 양자 컨덕턴스의 차수이며, 이는 로직 및 메모리 응용 분야에서 적절한 것으로 평가된다. 동작 전압은 약 0.5V이며, 이는 여전히 실내 온도에서 노이즈를 겪지만, 현재의 수준보다 낮게 옴 가열(ohmic heating)을 현저히 감소시킬 것이다. 이 디바이스는 n 및 p타입 등에서 제조될 수 있어서, CMOS 기법의 실시를 가능하게 해준다.In summary, the Mott-to-Transition field-effect transistor has the following features and advantages. A feature of the Mott Transition device is that it allows a relatively short average free path of about four lattice spacings using a high carrier density. Since a high purity ordered material is not required as in the silicon technique, the manufacturing process can be simplified. The device can operate with a minimum absolute magnitude value of the Carrier Average Free Path Carrier if there is an available carrier greater than one. Therefore, the minimum size on a 4x4 array order (for example, 4nm x 4nm according to the lattice spacing) can be realized. The number of carriers in a 4x4 array is at a time of two carriers at any time, which is also close to the lower limit of device operation. This minimum size provides a 100 times greater mounting density than a typical minimum size FET. The " on " resistance is independent of magnitude, for example orders of magnitude of the quantum conductance of several K [Omega], which is considered appropriate in logic and memory applications. The operating voltage is about 0.5 V, which still experiences noise at room temperature, but will significantly reduce ohmic heating below the current level. The device can be fabricated in n and p types, etc., enabling the implementation of CMOS techniques.

공핍 모드 디바이스는 CMOS 응용에 부적절하나, DRAM 환경에서는 여전히 적합하다. 그 이점은 "온" 상태에서 에지 효과가 없다는 것이다. 다만, "오프" 상태에서 에지 효과가 나타나긴 하지만, 이는 무해하다. 공핍 모드 구성은 상당한 에지 문제가 있는 경우에 대한 이용가능한 하나의 대응 방안이다.Depletion mode devices are unsuitable for CMOS applications, but are still well suited for DRAM environments. The advantage is that there is no edge effect in the "on" state. However, although the edge effect appears in the "off" state, this is harmless. The depletion mode configuration is an available countermeasure for cases with significant edge problems.

이 디바이스는 도 10에 도시한 바와 같이, 예를 들어 표준 셀프-어셈블리 기법에 의해 용액으로부터 단층을 연속적으로 도포함으로써 적층형 어레이로서 구축될 수 있으며, 이 후에 그 상부에 절연체 및 전극이 증착된다. (이전에 정의된 바와 같이) 이 디바이스의 어레이는 y-z 평면내에 있으며, 어레이의 스택은 x-방향에 있다. 이러한 유형의 프로세서는 이중-게이트 완전 유기형 디바이스에 대해 특히 실현가능하다. 적층형 어레이 DRAM 기법으로 획득할 수 있는 비트 밀도는 디자인 룰의 과감성(aggressiveness)에 따라 1011-1012범위일 것으로 예상된다. 적층형 어레이 로직 디바이스도 또한 실현가능하다. 분자내의 호모 루모(HOMO-LUMO) 갭을 가로질러 여기하는 것이 디바이스 기능에 필요하지 않아서(유기 LED와 구별됨), 디바이스 수명이 증가된다. 도 10에서, 층(22)은 절연체를 평탄화하며, 층(24)은 스택 내의 디바이스간의 간섭을 방지하는 접지된 차단면이다. 적층형 어레이의 단일 게이트 변형예는 게이트(20) 및 이에 인접한 제 2 산화물 층(18')을 제거함으로써 형성된다.The device can be constructed as a stacked array by successively applying a single layer from solution, for example by standard self-assembly techniques, as shown in Fig. 10, after which an insulator and an electrode are deposited thereon. The array of this device (as previously defined) is in the yz plane, and the stack of arrays is in the x-direction. This type of processor is particularly feasible for a dual-gate fully organic device. The bit density achievable with the stacked array DRAM technique is expected to be in the range of 10 11 -10 12 depending on the aggressiveness of the design rule. Stacked array logic devices are also feasible. Since excitation across the HOMO-LUMO gap in the molecule is not required for device function (distinguished from organic LEDs), device lifetime is increased. In FIG. 10, layer 22 is planarizing the insulator, and layer 24 is a grounded blocking surface that prevents interference between devices in the stack. A single gate modification of the stacked array is formed by removing the gate 20 and the second oxide layer 18 'adjacent thereto.

도 11에는, 소스 전극(114), 드레인 전극(116), 게이트 전극(120), 게이트 절연체(118) 및 채널(110)을 갖는 도 2에 도시된 유형(즉, 다중층, 단일 게이트)의 프로토타입 인핸스먼트 모드 모트 전계 효과 트랜지스터(100)가 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 컵레이트는 모트 금속-절연체 천이를 보여주는 일군의 재료를 형성한다. 이는 그 컵레이트를 도 1a, 1b 및 도 2의 분자층으로서 사용하기에 적합하게 한다. 또한, 컵레이트는, 도 1a, 1b, 및 도 2의 게이트 절연체(18)로서 사용되기에 적절한 재료인 스트론튬 티탄산염(SrTiO3) 및 Ba1-xSrxTiO3와 같은 고유전체 산화물과 집적되기에 아주 적절하다. 도 11에 도시한 프로토타입 디바이스(100)는 이하에 기술되는 제조 시퀀스와 정반대로 제조된다.11 shows the type (i.e., multiple layers, single gate) shown in FIG. 2 having source electrode 114, drain electrode 116, gate electrode 120, gate insulator 118 and channel 110 A prototype enhancement mode transistor 100 is shown. As described above, the cup rate forms a group of materials showing the metal-insulator transition. This makes the cuprate suitable for use as the molecular layer in Figs. 1A, 1B and 2. In addition, the cup-rate, Fig. 1a, 1b, and a strontium titanate suitable material for use as a gate insulator (18) of 2 (SrTiO 3) and Ba-K dielectric oxide and integrated, such as 1-x Sr x TiO 3 It is very appropriate to be. The prototype device 100 shown in Fig. 11 is fabricated opposite to the production sequence described below.

디바이스(100)는 니오브(niobium) 도핑된 스트론튬 티탄산염(Nb-SrTiO3) 기판(120) 상에서 성장한다. 니오브 도핑은 기판(120)을 전도 상태로 만든다. 기판(120)은 디바이스(100)내의 게이트 전극이다. 대략 1800Å 두께의 유전체 스페이서층(118)은, 진공 증착 챔버에서 스트론튬 티탄산염의 레이저 절삭 단결정 증착의 표준 셀프-어셈블리 공정에 의해 기판(120) 상에 에픽택셜 성장한다. 게이트 절연체 스페이서층(118)에 대한 양호한 유전체 특성, 예를 들면 높은 항복 전압, 낮은 누설 전류, 및 높은 유전 상수를 얻기 위해서는, 증착이 산소 존재하에서 실시되어야 함을 알게 되었다. 프로토타입 디바이스(100)에 대한 산소 압력은 대략 300(milliTorr)이다. 레이저 절삭 진공 증착 챔버로부터 디바이스를 제거하지 않고서, 컵레이트 Y0.5Pr0.5Ba2Cu3O7-δ로 구성되는 200Å 두께의 모트 천이층 채널(110)을, 디바이스 위에서 산소 분압(여기서는 대략 4 milliTorr)의 레이저 절삭 단결정 증착의 표준 셀프-어셈블리 공정에 의해 게이트 절연체층(118) 상에 에피택셜 성장시킨다. 이는, 층 쉬트 저항을 포함한 원하는 특성을 나타내도록 모트 천이층 채널(110)의 화학양론적 제어를 가능하게 한다. 그 후, 소스 전극(114) 및 드레인 전극(116)이, 콘택트 마스크를 통해 전자빔 증발에 의해 컵레이트 모트 천이층(110)상에 증착된다. 소스 전극(114) 및 드레인 전극(116)은 2000Å의 두께의 50 마이크론×50마이크론의 백금(platinum)이다. 표준디바이스(100)는 5마이크론의 채널 길이와 50마이크론의 채널폭을 갖는다. 컵레이트층의 두께에 비해 소스 및 드레인 전극 영역의 비율이 크기 때문에, 컵레이트 모트 천이층으로의 전기 전도성이 게이트 필드, 즉 컵레이트/티탄산염 계면에 있는 층에 의해 가장 영향을 받게 될 수 있다.The device 100 is grown on a niobium doped strontium titanate (Nb-SrTiO 3 ) substrate 120. The niobium doping causes the substrate 120 to conduct. Substrate 120 is the gate electrode in device 100. The dielectric spacer layer 118, approximately 1800A thick, is epitaxially grown on the substrate 120 by a standard self-assembly process of laser cutting single crystal deposition of strontium titanate in a vacuum deposition chamber. In order to obtain good dielectric properties, such as high breakdown voltage, low leakage current, and high dielectric constant for the gate insulator spacer layer 118, it has been found that the deposition must be performed in the presence of oxygen. The oxygen pressure for the prototype device 100 is approximately 300 milliTorr. Without removing the device from the laser cutting vacuum deposition chamber, a 200 angstrom thick Mott Transition Layer channel 110 consisting of a cuprate Y 0.5 Pr 0.5 Ba 2 Cu 3 O 7 -δ was placed on the device at an oxygen partial pressure (here approximately 4 milliTorr ) On the gate insulator layer 118 by a standard self-assembly process of laser cutting single crystal deposition. This enables stoichiometric control of the Mott Transition Layer channel 110 to exhibit the desired properties including the layer sheet resistance. Thereafter, the source electrode 114 and the drain electrode 116 are deposited on the cuprate transition layer 110 by electron beam evaporation through a contact mask. The source electrode 114 and the drain electrode 116 are platinum of 50 microns x 50 microns with a thickness of 2000 angstroms. The standard device 100 has a channel length of 5 microns and a channel width of 50 microns. Since the ratio of the source and drain electrode regions relative to the thickness of the cuprate layer is large, the electrical conductivity to the cuprate-mart transition layer can be most affected by the layer at the gate field, the cuprate / titanate interface .

프로토타입 모트 천이 FET의 성능 테스트는 소스 전극(114)을 접지시킨 상태로 수행된다. 드레인 전류는 여러 게이트 전압에 대한 드레인 전압의 함수로서 결정된다. 프로토타입 모트 천이 FET의 성능은 도 12에 도시된다. 도 12에서, 드레인 전류는 드레인 전압에 대해 도시된다. 도 12의 각 곡선은 상이한 게이트 전압을 나타낸다. 도 12의 성능 데이터는 포지티브 게이트 전압에서의 오프 상태(고저항)로부터 네가티브 게이트 전압에서의 온 상태(저저항)로 디바이스가 스위칭함을 분명히 나타낸다.The performance test of the prototype MOSFET is performed with the source electrode 114 grounded. The drain current is determined as a function of the drain voltage for the various gate voltages. The performance of the prototype motor transition FET is shown in FIG. In Fig. 12, the drain current is shown for the drain voltage. Each curve in Fig. 12 represents a different gate voltage. The performance data of Fig. 12 clearly show that the device switches from the off state (high resistance) at the positive gate voltage to the on state (low resistance) at the negative gate voltage.

이러한 프로토타입 디바이스의 물리적 파라미터가 최적이라 생각되는 것은 아니지만, 그 프로토타입 디바이스는, 모트 천이 디바이스가 실현가능하며 우수한 스위칭 성능을 나타낼 수 있음을 명확하게 보여준다.Though the physical parameters of such a prototype device are not considered optimal, the prototype device clearly shows that the motto transition device is feasible and can exhibit excellent switching performance.

프로토타입 디바이스에서 실증된 에피택셜 성장의 결과로서, 이제 도 10에 도시한 디바이스 유형의 3차원 적층형 어레이를 구축하는 것이 가능하게 된다. 이러한 구조에서, 소스, 드레인 및 게이트 전극은, 예를 들면, 당업자에 알려진 기술에 의한 절연 스페이서층의 선택적인 이온 주입에 의해 형성될 수 있다. 이러한 어레이는, 산화물 재료의 상부에 양질의 실리콘 채널을 에피택셜 성장시키는데 어려움이 있기 때문에 통상의 실리콘 기술에서는 발견되지 않는다.As a result of the demonstrated epitaxial growth in the prototype device, it becomes now possible to build a three-dimensional stacked array of device types as shown in Fig. In such a structure, the source, drain, and gate electrodes may be formed, for example, by selective ion implantation of an insulating spacer layer by techniques known to those skilled in the art. Such an array is not found in conventional silicon technology because it is difficult to epitaxially grow good quality silicon channels on top of the oxide material.

La2CuO4및 Y0.6Pr0.4Ba2Cu3O7-δ가 모트 천이 채널(110)로서 사용되기에 적절한 재료임이 또한 증명되었다. 따라서, 일반적인 분자식 Y1-XPrxBa2Cu3O7-δ, La2-xSrxCuO4및 La2-xBaxCuO4(여기서 0≤x≤1)을 갖는 것들을 포함한 넓은 범위의 컵레이트가 채널(10)에 대해 후보로 된다.La 2 CuO 4 and Y 0.6 Pr 0.4 Ba 2 Cu 3 O 7 -δ are suitable materials to be used as the moth transition channel 110. Thus, it is possible to use a wide range of materials including those having the general molecular formula Y 1 -X Pr x Ba 2 Cu 3 O 7-δ , La 2-x Sr x CuO 4 and La 2-x Ba x CuO 4 (where 0 ≦ x ≦ 1) Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 10 &lt; / RTI &gt;

이러한 모든 것들로 인해, 전술한 FET 기술에 대해 다중층(즉, 저비용), 저전력, 및 작은 사이즈 제조가 가능하게 된다. 이들은 차세대 기술에 대한 명시된 요구 조건들이며, 현존 실리콘 기술의 외삽(extrapolation)이 이들을 충족시킬 수는 없을 것이다.All of this allows multilayer (i.e., low cost), low power, and small size fabrication for the FET technology described above. These are specific requirements for next-generation technologies, and extrapolation of existing silicon technology will not meet them.

본 발명은 전계 효과 트랜지스터의 기능을 구비한 실질적인 3-단자 디바이스의 형태로 금속-절연체 천이를 실현하는데 모트 천이(Mott transition)를 사용하여, 기존 실리콘 기술에서 극히 높은 트랜지스터 밀도로 스케일링될 때 발생되는 문제점에 대한 해결책을 제공한다.The present invention is based on the use of Mott transition to realize a metal-insulator transition in the form of a substantial three-terminal device with the function of a field effect transistor, which occurs when scaled to an extremely high transistor density in existing silicon technology Provides a solution to the problem.

Claims (52)

소스 전극과, 드레인 전극과, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이에 전도 채널(a conducting channel)을 갖는 게이트 전극을 구비하는 전계 효과 트랜지스터에 있어서,A field effect transistor comprising a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode having a conduction channel between the source electrode and the drain electrode, 상기 전도 채널은 적어도 하나의 분자층의 2차원 어레이로 구성되고,Wherein the conduction channel comprises a two-dimensional array of at least one molecular layer, 상기 채널은 절연 스페이서층(an insulating spacer layer)에 의해 상기 게이트 전극으로부터 분리되며,The channel is separated from the gate electrode by an insulating spacer layer, 상기 분자 내에 모트 금속-절연체 천이(a Mott metal-insulator transition)가 일어날 수 있는 전계 효과 트랜지스터.Wherein a metal metal-insulator transition in the molecule can occur. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 분자는 불안정한 전자(a labile electron)를 포함하는 산화 환원 센터(redox center)인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the molecule is a redox center comprising an a labile electron. 제 2 항에 있어서,3. The method of claim 2, 상기 분자는 D+Y-유형이며, D+는 유기 도너(an organic donor)이며, Y-는 할로겐 이온(a halogen ion)인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the molecule is a D + Y - type, D + is an organic donor, and Y - is a halogen ion. 제 2 항에 있어서,3. The method of claim 2, 상기 분자는 D+A-유형이며, D+는 유기 도너이며, A-는 유기 억셉터(an organic acceptor)인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the molecule is a D + A - type, D + is an organic donor, and A - is an organic acceptor. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, 상기 D+는 TTF이며, 상기 Y-는 Br인 전계 효과 트랜지스터.Wherein D + is TTF and Y - is Br. 제 4 항에 있어서,5. The method of claim 4, 상기 D+는 BEDT-TTF이며, 상기 A-는 TCNQ인 전계 효과 트랜지스터.Wherein D + is BEDT-TTF, and A - is TCNQ. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 분자는 불안정한 정공을 포함하는 산화 환원 센터인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the molecule is a redox center comprising unstable holes. 제 7 항에 있어서,8. The method of claim 7, 상기 분자는 X+A-유형이며, X는 알칼리 금속이며, A는 유기 억셉터인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the molecule is of the X + A - type, X is an alkali metal, and A is an organic acceptor. 제 7 항에 있어서,8. The method of claim 7, 상기 분자는 D+A-유형이며, D+는 유기 도너이고 A-는 유기 억셉터인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the molecule is a D + A - type, D + is an organic donor and A - is an organic acceptor. 제 8 항에 있어서,9. The method of claim 8, 상기 X+는 알칼리 금속이며, 상기 A-는 C60인 전계 효과 트랜지스터.Wherein X + is an alkali metal, wherein the A - C 60 is a field effect transistor. 제 8 항에 있어서,9. The method of claim 8, 상기 X+는 알칼리 금속이며, 상기 A-는 TCNQ인 전계 효과 트랜지스터.Wherein X + is an alkali metal, and A - is TCNQ. 제 9 항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 D+는 TMPD이며, 상기 A-는 TCNQ인 전계 효과 트랜지스터.Wherein D + is TMPD, and A - is TCNQ. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 절연 스페이서층은 산화물인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the insulating spacer layer is an oxide. 소스 전극과, 드레인 전극과, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이에 전도 채널을 갖는 제 1 게이트 전극 및 제 2 게이트 전극을 구비하는 전계 효과 트랜지스터에 있어서,A field effect transistor comprising a source electrode, a drain electrode, and a first gate electrode and a second gate electrode having a conduction channel between the source electrode and the drain electrode, 상기 전도 채널은 적어도 하나의 분자층의 2차원 어레이로 구성되고,Wherein the conduction channel comprises a two-dimensional array of at least one molecular layer, 상기 채널은 제 1 절연 스페이서층에 의해 상기 제 1 게이트 전극으로부터 분리되고 제 2 절연 스페이서층에 의해 상기 제 2 게이트 전극으로부터 분리되며,The channel being separated from the first gate electrode by a first insulating spacer layer and separated from the second gate electrode by a second insulating spacer layer, 상기 분자 내에 모트 금속-절연체 천이가 일어날 수 있는 전계 효과 트랜지스터.Wherein a metal-insulator transition can occur in the molecule. 제 14 항에 있어서,15. The method of claim 14, 상기 분자는 불안정한 전자를 포함하는 산화 환원 센터인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the molecule is a redox center comprising unstable electrons. 제 15 항에 있어서,16. The method of claim 15, 상기 분자는 D+Y-유형이며, D+는 유기 도너이며, Y-는 할로겐 이온인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the molecule is a D + Y - type, D + is an organic donor, and Y - is a halogen ion. 제 14 항에 있어서,15. The method of claim 14, 상기 분자는 D+A-유형이며, D+는 유기 도너이며, A-는 유기 억셉터인 전계 효과 트랜지스터.The molecule is D + A - type is, D + is an organic donor, A - is a field effect transistor an organic acceptor. 제 15 항에 있어서,16. The method of claim 15, 상기 D+는 TTF이며, 상기 Y-는 Br인 전계 효과 트랜지스터.Wherein D + is TTF and Y - is Br. 제 17 항에 있어서,18. The method of claim 17, 상기 D+는 BEDT-TTF이며, 상기 A-는 TCNQ인 전계 효과 트랜지스터.Wherein D + is BEDT-TTF, and A - is TCNQ. 제 14 항에 있어서,15. The method of claim 14, 상기 분자는 불안정한 전자를 포함하는 산화 환원 센터인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the molecule is a redox center comprising unstable electrons. 제 20 항에 있어서,21. The method of claim 20, 상기 분자는 X+A-유형이며, X는 알칼리 금속이며, A는 유기 억셉터인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the molecule is of the X + A - type, X is an alkali metal, and A is an organic acceptor. 제 20 항에 있어서,21. The method of claim 20, 상기 분자는 D+A-유형이며, D+는 유기 도너이고 A-는 유기 억셉터인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the molecule is a D + A - type, D + is an organic donor and A - is an organic acceptor. 제 21 항에 있어서,22. The method of claim 21, 상기 X+는 알칼리 금속이며, 상기 A-는 C60인 전계 효과 트랜지스터.Wherein X + is an alkali metal, wherein the A - C 60 is a field effect transistor. 제 21 항에 있어서,22. The method of claim 21, 상기 X+는 알칼리 금속이며, 상기 A-는 TCNQ인 전계 효과 트랜지스터.Wherein X + is an alkali metal, and A - is TCNQ. 제 22 항에 있어서,23. The method of claim 22, 상기 D+는 TMPD이며, 상기 A-는 TCNQ인 전계 효과 트랜지스터.Wherein D + is TMPD, and A - is TCNQ. 제 14 항에 있어서,15. The method of claim 14, 상기 분자는 다중 발색단(multichromophores)인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the molecule is multichromophores. 제 26 항에 있어서,27. The method of claim 26, 상기 분자는 이중 발색단인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the molecule is a dual chromophore. 제 14 항에 있어서,15. The method of claim 14, 상기 제 1 절연층은 산화물이며, 상기 제 2 절연층은 산화물인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the first insulating layer is an oxide and the second insulating layer is an oxide. 제 28 항에 있어서,29. The method of claim 28, 상기 제 1 및 제 2 절연층의 상기 산화물은 동일한 전계 효과 트랜지스터.Wherein the oxide of the first and second insulating layers is the same. 제 28 항에 있어서,29. The method of claim 28, 상기 제 1 및 제 2 절연층의 상기 산화물은 서로 다른 전계 효과 트랜지스터.Wherein the oxides of the first and second insulating layers are different. 제 14 항의 트랜지스터가 적층된 어레이.14. The array of claim 14 wherein the transistors are stacked. 제 1 항의 트랜지스터가 적층된 어레이.An array in which the transistors of claim 1 are stacked. 제 2 항에 있어서,3. The method of claim 2, 상기 분자는 컵레이트(a cuprate)인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the molecule is a cuprate. 제 15 항에 있어서,16. The method of claim 15, 상기 분자는 컵레이트인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the molecules are cuprates. 제 33 항에 있어서,34. The method of claim 33, 상기 컵레이트는 Y1-XPrxBa2Cu3O7-δ(0≤X≤1)인 전계 효과 트랜지스터.The cup rates Y 1-X Pr x Ba 2 Cu 3 O 7-δ (0≤X≤1) is a field effect transistor. 제 34 항에 있어서,35. The method of claim 34, 상기 컵레이트는 Y1-XPrxBa2Cu3O7-δ(0≤X≤1)인 전계 효과 트랜지스터.The cup rates Y 1-X Pr x Ba 2 Cu 3 O 7-δ (0≤X≤1) is a field effect transistor. 제 33 항에 있어서,34. The method of claim 33, 상기 컵레이트는 La2-XSrxCuO4(0≤X≤1)인 전계 효과 트랜지스터.The cup rate La 2-X Sr x CuO 4 (0≤X≤1) is a field effect transistor. 제 34 항에 있어서,35. The method of claim 34, 상기 컵레이트는 La2-XSrxCuO4(0≤X≤1)인 전계 효과 트랜지스터.The cup rate La 2-X Sr x CuO 4 (0≤X≤1) is a field effect transistor. 제 33 항에 있어서,34. The method of claim 33, 상기 컵레이트는 La2-XBaxCuO4(0≤X≤1)인 전계 효과 트랜지스터.The cup rate La 2-X Ba x CuO 4 (0≤X≤1) is a field effect transistor. 제 34 항에 있어서,35. The method of claim 34, 상기 컵레이트는 La2-XBaxCuO4(0≤X≤1)인 전계 효과 트랜지스터.The cup rate La 2-X Ba x CuO 4 (0≤X≤1) is a field effect transistor. 제 35 항에 있어서,36. The method of claim 35, 상기 컵레이트는 Y0.5Pr0.5Ba2Cu3O7-δ인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the cup rate is Y 0.5 Pr 0.5 Ba 2 Cu 3 O 7 -δ . 제 36 항에 있어서,37. The method of claim 36, 상기 컵레이트는 Y0.5Pr0.5Ba2Cu3O7-δ인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the cup rate is Y 0.5 Pr 0.5 Ba 2 Cu 3 O 7 -δ . 제 37 항에 있어서,39. The method of claim 37, 상기 컵레이트는 La2CuO4인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the cup rate is La 2 CuO 4 . 제 38 항에 있어서,39. The method of claim 38, 상기 컵레이트는 La2CuO4인 전계 효과 트랜지스터.Wherein the cup rate is La 2 CuO 4 . 제 13 항에 있어서,14. The method of claim 13, 상기 산화물은 SrTiO3인 전계 효과 트랜지스터.SrTiO 3 and the oxide is a field effect transistor. 제 13 항에 있어서,14. The method of claim 13, 상기 산화물은 Ba1-XSrXTiO3(0≤X≤1)인 전계 효과 트랜지스터.A field effect transistor and the oxide is Ba 1-X Sr X TiO 3 (0≤X≤1). 제 28 항에 있어서,29. The method of claim 28, 상기 산화물은 SrTiO3인 전계 효과 트랜지스터.SrTiO 3 and the oxide is a field effect transistor. 제 28 항에 있어서,29. The method of claim 28, 상기 산화물은 Ba1-XSrXTiO3(0≤X≤1)인 전계 효과 트랜지스터.A field effect transistor and the oxide is Ba 1-X Sr X TiO 3 (0≤X≤1). 기판과, 소스 전극과, 드레인 전극과, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이에 채널을 갖는 게이트 전극을 구비하는 전계 효과 트랜지스터에 있어서,A field effect transistor comprising a substrate, a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode having a channel between the source electrode and the drain electrode, 상기 채널은 모트 금속-절연체 천이가 일어날 수 있는 재료의 적어도 하나의 층의 어레이로 구성되고,Said channel being comprised of an array of at least one layer of material from which a metal-insulator transition can occur, 상기 채널은 절연 스페이서층에 의해 상기 게이트 전극으로부터 분리되며,Said channel being separated from said gate electrode by an insulating spacer layer, 상기 전극과, 상기 절연 스페이서와, 상기 채널은 에피택셜적으로 성장하는전계 효과 트랜지스터.Wherein the electrode, the insulating spacer, and the channel are epitaxially grown. 제 49 항의 트랜지스터가 적층된 어레이.49. The array of claim 49 wherein the transistors are stacked. 기판과, 소스 전극과, 드레인 전극과, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이에 채널을 갖는 제 1 게이트 전극 및 제 2 게이트 전극을 구비하는 전계 효과 트랜지스터에 있어서,A field effect transistor comprising a substrate, a source electrode, a drain electrode, and a first gate electrode and a second gate electrode each having a channel between the source electrode and the drain electrode, 상기 채널은 모트 금속-절연체 천이가 일어날 수 있는 재료의 적어도 하나의 층의 어레이로 구성되고,Said channel being comprised of an array of at least one layer of material from which a metal-insulator transition can occur, 상기 채널은 제 1 절연 스페이서층에 의해 상기 제 1 게이트 전극으로부터 분리되고 제 2 절연 스페이서층에 의해 상기 제 2 게이트 전극으로부터 분리되며,The channel being separated from the first gate electrode by a first insulating spacer layer and separated from the second gate electrode by a second insulating spacer layer, 상기 전극과, 상기 절연 스페이서와, 상기 채널은 에피택셜적으로 성장하는 전계 효과 트랜지스터.Wherein the electrode, the insulating spacer, and the channel are epitaxially grown. 제 51 항의 트랜지스터가 적층된 어레이.51. The array of claim 51 wherein the transistors are stacked.
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