KR100335305B1 - 강유전성 저장 판독-기록 기억 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적어도 한 쌍의 이격되어 있는 도체 및 도체 쌍 사이에 강유전성 물질을 포함하는 기억 장치에 관한 것이다. 도체 쌍은 그들 사이에 터널링(tunneling) 전류를 허용하기에 충분한 거리만큼 이격되어 있다.
Description
본 발명은 기억 장치 및 기억 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.
실리콘 칩 상의 능동 장치의 축소 규모는 사진평판 기술에 의해 한정된 그 한계까지 접근하고 있다. 예를 들면, 간섭 및 회절과 같은 방사선의 파동 특성은 장치의 크기 및 밀도를 제한할 수 있다. 사진평판 기술의 제한을 극복하기 위해 상당한 연구가 이루어져 왔다.
연구는, 예를 들어 상 이동 평판인쇄술에 의한 문제를 조정하는 것 뿐 아니라 다른 새로운 접근방법을 개발하는 것에 관한 것이었다. 부수적으로, 상기 연구에 의해, 작은 부피의 전자 제한을 이용하는 장치 고안에 있어 발전이 이루어졌다. 상기 장치 고안의 3가지 기본 범주는 양자 도트(Quantum Dots; QD), 공명 터널링 장치(Resonant Tunneling Devices; RTD) 및 단일 전자 트랜지스터(Single Electron Transistors; SET)이다. 양자 도트와 관련하여서는 문헌 [R. Turton,The Quantum Dot, Oxford, U. K., Oxford University Press(1995)]에 보다 상세히 논의되어 있고; 공명 터널링 장치에 관해서는 문헌 [A. C. Seabaugh et al.,Future Electron Devices(FED) J., Vol. 3, Suppl. 1, 9-20(1993)]에 보다 상세히 기술되어 있으며; 단일 전자 트랜지스터에 대하여는 문헌 [M. A. Kastner,Rev. Mod. Phys., Vol. 64, 849-858(1992)]에 보다 상세히 기술되어 있다; 이들 문헌은 모두 그 전체로 본원에 참고로 인용된다.
본 발명은 적어도 한 쌍의 이격되어 있는 도체를 포함하는 기억 장치를 제공한다. 강유전성 물질이 도체 사이에 정렬된다. 도체는 그 사이에 터널링(tunneling) 전류를 허용하기에 충분한 거리만큼 이격되어 있다.
본 발명의 다른 태양은 기억 장치를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 적어도 한 쌍의 이격되어 있는 도체를 기판 상에 제공함을 포함한다. 강유전성 물질을 도체의 쌍 사이에 제공한다. 도체 쌍은 그 사이에 터널링 전류를 허용하기에 충분한 거리만큼 이격되어 있다.
본 발명의 다른 목적 및 잇점들은, 본 발명을 수행하고자 하는 가장 우수한 방식을 단순히 예시함으로써 본 발명의 바람직한 태양만을 나타내고 기술하고 있는 하기의 상세한 설명으로부터 당해분야에 숙련된 자에 의해 쉽게 명백해질 것이다. 인지하듯이, 본 발명은 다른 여러 태양을 가질 수 있으며, 본 발명의 여러 세부사항들은 본 발명으로부터 벗어나지 않고 다양한 명백한 점에서 변형될 수 있다. 따라서, 도면 및 설명은 사실상 예시적인 것이며 제한하는 것이 아닌 것으로 간주되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 강유전성 저장 장치의 한 태양의 횡단면도를 나타낸 것이고;
도 2a, 2b 및 2c는 본 발명에 따른 강유전성 저장 장치의 한 태양의 실시를 예시하는 상기 태양의 횡단면도를 나타낸 것이며;
도 3a 내지 3d는 본 발명에 따른 강유전성 저장 장치의 제조 방법의 한 태양의 여러 단계의 횡단면도를 예시한 것이고;
도 4는 본 발명에 따른 강유전성 저장 장치의 한 태양의 평면도를 나타낸 것이며;
도 5는 본 발명에 따른 강유전성 저장 장치의 다른 태양의 횡단면도를 나타낸 것이고;
도 6은 도 5에 예시된 본 발명의 태양의 한 부분을 보다 큰 척도로 나타낸 횡단면도를 나타낸 것이고;
도 7은 추가로 처리한 후의 도 6에 예시된 본 발명의 태양의 횡단면도를 나타낸 것이고;
도 8은 본 발명에 따라 사용될 수 있는 DNA 분자의 한 태양을 나타낸 것이며;
도 9 내지 11은 본 발명에 따른 방법의 한 태양의 여러 단계에서 본 발명에 따른 장치의 한 태양의 횡단면도를 나타낸 것이다.
본 발명은 강유전성 저장 판독-기록 기억장치를 제공한다. 일반적으로, 본 발명에 따른 저장 장치는 2개의 전극 사이에 얇은 강유전성 층을 포함한다. 전형적으로, 강유전성 층의 두께는 터널링을 허용하기에 충분하다.
데이터는 강유전성 층의 전기 쌍극자를 정렬시킴으로써 본 발명에 따른 저장 장치에 저장될 수 있다. 쌍극자의 상이한 정렬 상태는 '업 클로즈(up close)' 또는 '다운(down)'으로 고려될 수 있다. 강유전성 층의 전기 쌍극자를 제어함으로써, 터널링 전류를 조절할 수 있다.
데이터는 한계 응집장(threshold cohesive field; Ec)보다 높은 전기장을 생성할 만큼 충분히 높은 전압을 적용함으로써 본 발명에 따른 강유전성 저장 장치에 기록될 수 있다. 적어도 Ec만큼 큰 전압은 강유전성 물질의 내부 쌍극자를 플립할 것이다. 상이한 상태의 쌍극자에 상이한 값을 지정할 수 있다. 한 상태는 "0"의 값을 지정하는 반면, 다른 상태는 "1"의 값을 지정할 수 있다. 따라서, 저장 장치는 정보의 저장을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 저장 장치를 판독하는 것은 Ec값 이상의 전기장을 생성하는데 필요한 전압보다 꽤 낮은 전압에서 수행되므로, 강유전성 물질에 생성되는 전기장은 Ec미만이다. 따라서, 상기 낮은 전압에서, 강유전성 물질의 쌍극자는 판독 중에 플립되지 않는다.
본 발명의 기억 장치에 따른 저장 용도에 대한 일반적인 방법은 저장 전하에대한 강유전성 물질의 높은 유전 상수 및 장 트랜지스터 유형 구조물에 의한 저장 전하를 '판독'하는 성질을 이용한다. 본 발명의 이러한 측면을 보다 상세히 고찰하기 위해 미국 특허 제 5,487,029 호를 참조하였으며, 그 전체를 본원에 참고로 인용한다.
본 발명은 또한 기억 장치의 제조 방법을 포함한다. 대체로, 상기 방법은 적어도 한 쌍의 이격되어 있는 도체를 제공하고 도체 쌍 사이에 강유전성 물질을 제공하는 것으로 설명될 수 있다. 도체 쌍은 그들 사이에 터널링 전류를 허용하기에 충분한 거리만큼 이격되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 강유전성 저장 판독-기록 기억 장치의 한 예를 예시한 것이다. 도 1에 예시된 태양은 일반적으로 고밀도 저장을 위한 본 발명에 따른 체계를 예시한 것이다. 이러한 기준에 따라, 도 1에 예시된 태양은 본 발명에 따른 단일 '저장 셀'의 본질적 특징을 나타내고 있다. 그 자체로, 도 1에 예시된 장치는 1 비트의 데이터, 즉, 0 또는 1을 저장할 수 있는 단일 저장 셀이다.
본 발명에 따른 저장 장치는, 도 1에 예시된 태양에서, 강유전성 물질(3) 영역과 상호연결된 2개의 이격되어 있는 전극(1) 및 (2)로서 기술될 수 있다. 본 발명에 따른 저장 장치의 정확한 구조는 매우 달라질 수 있다. 그러나, 강유전성 물질 중의 전극은 전형적으로 구조물의 일부임을 확인할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 구조물은 유전성 층에 삽입될 수 있다. 전형적으로, 본 발명에 따른 저장 장치를 둘러싸고 있는 유전성 물질은 약 1 내지 약 10의 유전 상수를 가질 수 있다. 상기 유전성 물질의 예로는 1의 유전 상수를 갖는 공기; 7의 유전 상수를 갖는 질화규소; 약 9.2 내지 약 9.4의 유전 상수를 갖는 알루미나; 및 3.9의 유전 상수를 갖는 이산화규소가 포함된다. 유전체가 공기일 수도 있다는 사실에 비추어, 본 발명에 따른 저장 장치는 단순히 장치의 측면 위에 놓이거나 측면에 인접한 어떤 물질도 포함하지 않는 기판 상에도 형성될 수 있음이 명백하다.
도 1에 예시된 태양에서 전극(1) 및 (2) [이들은 본원에서 전형적으로 도체로 지칭된다]는 다양하고 상이한 물질들로 제조될 수 있다. 이러한 기준에 따라, 도체 또는 전극(1) 및 (2)는 전형적으로 전도성 물질로 제조된다. 예를 들면, 전극은 금속 또는 도핑된 반도체일 수 있다. 전극에 사용될 수 있는 금속의 예로는 하나 이상의 알루미늄, 금, 은, 구리 및/또는 이들 금속들 중 임의의 하나 이상을 포함하는 합금이 포함된다. 반도체의 예로는 규소 및 규소-게르마늄이 포함된다.
본 발명에 따른 기억 셀의 물리적 크기는 변할 수 있는 반면, 전형적으로 전극(1) 및 (2)는 약 1 내지 약 500 ㎚ 범위의 선 폭 및 약 100 내지 약 1000 ㎚ 범위의 두께를 갖는다. 또한, 강유전성 물질은 약 10 ㎚ 미만의 두께를 갖는 필름일 수 있다.
본 발명에 따라 사용되는 강유전성 물질(3)의 조성은 달라질 수 있다. 강유전성 물질의 조성에 영향을 미칠 수 있는 한가지 요인은 장치에 바람직한 판독 및 기록 전압이다. 판독 및 기록 전압을 제어하는 한가지 방법은 강유전성 물질의 퀴리(Curie) 온도를 제어함에 의해서이다. 이러한 기준에 따라, 보다 높은 퀴리 온도를 갖는 강유전성 물질은 판독 및 기록 전압, 각각 Vr및 Vw둘다를 증가시킬 수 있다. 본 발명에 따라 사용될 수 있는 강유전성 물질의 예로는 120 ℃의 퀴리 온도 Tc를 갖는 티탄산 바륨; 490 ℃의 퀴리 온도를 갖는 티탄산 납; 415 ℃의 퀴리 온도를 갖는 니오브산 칼륨; 49 ℃의 퀴리 온도를 갖는 황산 트리-글라이신; 23 ℃의 퀴리 온도를 갖는 로셸(Rochelle) 염(주석산 칼륨-나트륨); 및 112 ℃의 퀴리 온도를 갖는 니오브산 납 철이 포함된다.
상기에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 저장 장치를 기록하는 것은 전형적으로 전기장 Ec를 생성하기에 충분한 값을 갖는 기록 전압, Vw를 적용하여 강유전성 물질의 내부 쌍극자를 제어함을 포함한다. 강유전성 물질에 생성된 전기장은 적어도 강유전성 물질의 전기장 Ec의 진로만큼 커야한다. Vw의 값은 강유전성 물질의 조성에 따라 달라질 수 있다. Vw의 값은 또한 강유전성 물질의 퀴리 온도와 작업 온도 사이의 온도 차이에 따라 달라질 수 있다.
예를 들면, 전형적으로, 온도 차이가 적을수록 쌍극자를 기록하거나 또는 전환시키기 위한 한계 전압은 낮아진다. 예를 들면, 강유전성 물질이 티탄산바륨을 포함하는 경우, 실온에서 상기 물질의 쌍극자를 플립하기 위한 전형적인 전기장은 10,000 V/Cm 미만이다. 상기 전기장은 본원에 기술된 두께에 따라 약 1000 내지 약 10,000 V/Cm으로 달라질 수 있다. 한가지 예에 따르면, 약 100 ㎚의 강유전성 물질의 두께에 대해, 쌍극자를 플립하는데 필요한 전압은 약 100 mV 보다 높다.
본 발명에 따른 저장 장치를 기록하는데 있어서, 강유전성 물질의 각각의 쌍극자 모멘트는 한가지 값을 지정받을 수 있다. 예를 들면, 하나의 상태는 '0'의 값을 지정받고 다른 상태는 '1'의 값을 지정받을 수 있다. 도 2a는 강유전성물질(3)의 쌍극자 μ이 도 2a의 방향으로 아래로 향하고 있는 상태를 예시하고 있다. 이 상태는 '0'의 값으로 지정될 수 있다. 쌍극자 모멘트를 상태 '1'로 플립시키기 위해, 도 2b에 예시된 바와 같이, Vw보다 큰 전압에 상응하는 위쪽을 향한 전기장을 전극(1) 및 (2) 사이에 적용할 수 있다.
도 2c에 예시되어 있듯이, 기록 전압을 적용한 결과로서, 강유전성 물질의 쌍극자 모멘트가 역전되었다. 이 상태는 '1'의 값으로 지정될 수 있다.
본 발명에 따른 저장 장치를 판독하는 것은 본 발명에 따른 저장 장치를 기록하는 것과 매우 유사하게 수행될 수 있다. 판독과 기록 방법 사이의 한가지 차이점은 기억 장치를 판독하기 위해 적용된 전압 Vr이 기록 전압 Vw보다 훨씬 낮다는 것이다. 본 발명에 따른 기억 장치를 판독하기 위해, 판독 전압을 2개의 전극(1) 및 (2) 사이에 적용하고, 터널링 전류를 측정한다. 한 예에 따르면, 판독 전압 Vr은 전극(1) 상에서는 양성을 띠고 전극(2) 상에서는 음성을 띤다. 상기 예에 따르면, 터널링 전류(I)는, 주어진 Vr에 대해 도 2c에 예시된 상태 '1'에 대해서는 높을 것이고, 도 2에 예시된 상태 '0'에 대해서는 낮을 것이다. 이어서, 측정된 터널링 전류를 전자공학에 의해 기억 장치의 2개 상태에 상응하는 전압으로 전환시킬 수 있다.
상기 설명으로부터 인지할 수 있듯이, 본 발명에 따른 저장 장치를 판독하고 기록하는 것은 동일한 회로를 이용하여 수행될 수 있다. 이것이 본 발명의 한가지 잇점이다. 본 발명의 또 다른 잇점은 저장이 영구적일 수 있다는 것이다.
전형적으로, 판독 전압은 확실히 판독 전압이 기억 장치의 상태를 변화시키기 않도록 하기 위해 쌍극자를 플립시키는데 필요한 한계 전압보다 상당히 낮다. 예를 들면, 강유전성 물질로서 티탄산바륨의 경우, 판독 전압은 쌍극자 모멘트를 플립시키지 않고 기억 장치를 판독하기 위해 약 100 mV 미만일 수 있다. 판독 전압은 약 1 내지 약 100 mV로 변할 수 있다.
쌍극자 모멘트, 또는 잔류 분극은 도체 사이에 기록 또는 바이어스(bias) 전압을 인가함으로써 유도될 수 있다. 바이어스 전압이 강유전성 물질의 전기장의 진로보다 높은 전기장을 강유전성 물질에 생성하기에 충분한 경우, 바이어스 전압은 기록 전압으로 고려될 수 있다. 강유전성 물질의 잔류 분극은 가역적일 수 있다, 즉, 도체 사이에 바이어스 전압의 신호를 변화시켜 플립될 수 있다.
다른 한편으로, 바이어스 전압이 강유전성 물질의 전기장의 진로보다 낮은 전기장을 생성하는 경우, 강유전성 물질의 잔류 분극은 변화되지 않을 것이다. 상기 바이어스 전압은 판독 바이어스 전압인 것으로 고려될 수 있다. 판독 바이어스 전압에 의해 생성된 터널링 전류를 감지하고 분석하여 강유전성 물질의 잔류 분극을 측정하고, 이로써 기억 장치의 상태를 측정할 수 있다.
즉, 터널링 전류를 측정함으로써, 기억 장치가 "0"의 상태 또는 "1"의 상태를 갖는지 여부를 측정할 수 있다. 이러한 기준에 따라, 터널링 전류가 높은 경우, 터널링 전류는 약 0.1 내지 약 10 mA 범위의 위쪽 절반에 속하는 값을 가질 수 있다. 판독 바이어스 전압, 즉, 기록 바이어스 전압의 절반 미만이 잔류 분극에 반(反)-평행할 때 터널링 전류가 높다. 전형적으로, 판독 바이어스 전압은 기록 전압의 약 1/2 미만일 것이다.
다른 한편으로, "판독" 바이어스 전압, 즉, 기록 바이어스 전압의 절반 미만이 강유전성 물질의 잔류 분극에 평행할 때 터널링 전류는 "낮다". 그러한 경우, 터널링 전류는 약 0.1 내지 약 10 mA의 아래쪽 절반에 속하는 값을 가질 수 있다.
판독 바이어스 전압을 적용함과 동시에, 강유전성 물질에 열을 국소적으로 적용할 수 있다. 강유전성 물질의 상승된 온도는 항자장(恒磁場)(coercive field)을 퀴리 온도에서 0 또는 대략 0까지 감소시킬 수 있다. 한 예에 따르면, 내광성 가열을 이용하여 강유전성 물질에 열을 국소적으로 적용한다. 한 예에 따르면, 레이저를 이용하여 내광성 가열을 적용한다. 온도는 실온보다 높은 온도에서 대략 특정 물질의 퀴리 온도까지의 임의의 온도일 수 있다.
본 발명은 적어도 2개의 이격되어 있는 도체를 포함하여, 전술한 본 발명의 일반적 구조가 혼입된 다수의 구조물을 포함할 수 있다. 도체들은 동일한 평면에 정렬될 수 있다. 또는, 도체들은 상이한 평면에 정렬될 수 있다. 도체들이 동일 평면에 정렬되지 않는 경우, 도체의 쌍은 수직 방향으로 약 10 ㎚ 이하의 거리만큼 이격될 수 있다.
강유전성 물질은 도체들 사이에 정렬된다. 강유전성 물질은 약 10 ㎚ 이하의 두께를 가질 수 있다. 강유전성 물질은 상기 고찰한 물질들 중 임의의 물질로 제조된 하나 이상의 강유전성 결정체를 포함할 수 있다. 강유전성 물질은 약 23 내지 약 490 ℃의 퀴리 온도를 가질 수 있다. 추가적으로, 또는 다르게는, 강유전성 물질은 강유전성 물질의 쌍극자를 전환시키는데 필요한 전압이 약 100 내지 약 10,000 mV이도록 하는 성질을 가질 수 있다. 기억 장치를 판독하는데 필요한 바이어스 전압은 약 10 mV 미만일 수 있다.
유전성 물질이 도체와 강유전성 물질을 둘러쌀 수도 있다. 유전성 물질은 약 1 내지 약 10의 유전 상수를 가질 수 있다.
도 1이 본 발명에 따른 기억 장치의 일반적인 개요도를 예시하고 있는 반면, 도 3d 및 4는 도 1에 예시된 바와 같은 구조물을 다수 포함하는 보다 큰 규모의 장치를 예시하고 있다. 이러한 기준에 따라, 도 3d 및 4에 예시된 본 발명의 태양은 다수의 제 1 병렬 도체(5) 및 다수의 제 2 병렬 도체(9)를 포함한다. 도 3d 및 4에 예시된 태양에서, 제 2 병렬 도체(9)는 제 1 병렬 도체(5)에 수직이며 제 1 병렬 도체(5) 위에 놓인다. 강유전성 물질(8)은 적어도 제 1 병렬 도체(5) 및 제 2 병렬 도체(9) 사이에 침착된다.
상기 고찰 및 도 3d 및 4로부터 인지할 수 있듯이, 본 발명은 다수의 제 1 도체(5) 및 단지 1개의 제 2 도체(9)를 포함할 수도 있다. 또는, 본 발명은 제 1 도체(5) 위로 정렬된 다수의 제 2 도체(9)를 갖는 1개의 제 1 도체(5)를 포함할 수 있다. 도 3d 및 4에 예시된 태양에서, 제 2 도체들(9) 중 하나의 도체가 제 1 도체들(5) 중 하나의 도체 위에 놓여 있는 각각의 연결부가 저장 셀이 될 것이다. 그렇게, 도체들이 중첩되는 각각의 위치 및 그 사이의 강유전성 물질은 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 도체 쌍을 나타낸다. 각각의 저장 셀의 크기는 도체들의 폭 및 간격에 의해 적어도 부분적으로 조절될 것이다.
도 3d 및 도 4에 예시된 태양으로부터 명백하듯이, 다수의 이격되어 있는 도체들은 도체들 사이에 제공된 기판 및 강유전성 물질 상에 제공될 수 있다. 도 3d 및 4에 예시된 바와 같은 태양에서, 상기 태양이 다수의 도체(5) 및 다수의 도체(9)를 포함하긴 하지만, 이들 도체 그룹들 중 어느 하나는 단지 하나의 도체만을 포함할 수도 있다.
도 3d 및 4에 예시된 바와 같은 태양을 제조하는데 있어, 접착 층을 먼저 기판 상에 제공할 수 있다. 접착 층(6) 위에는 제 1 금속 층이 제공될 수 있다. 제 1 금속 층 위에는 제 1 포토레지스트 층이 제공될 수 있다.
포토레지스트 층은 목적하는 패턴을 형성하도록 노출될 수 있다. 그런 다음 포토레지스트를 현상한다. 포토레지스트의 현상은 제 1 전도성 층 위에 마스크를 형성한다. 상기 포토레지스트 마스크를 이용하여, 제 1 전도성 층(5)을 에칭할 수 있다. 이어서, 현상 후에 남아 있는 포토레지스트를 제거하거나 벗겨낼 수 있다.
다음으로, 강유전성 물질 층을 에칭된 제 1 전도성 층의 남아 있는 부분 중 적어도 한 부분 위에 제공할 수 있다. 강유전성 물질은 에칭된 제 1 전도성 층의 다수의 부분 상에 침착될 수 있다. 강유전성 물질은 또한 제 1 전도성 층을 에칭함으로써 노출된 기판 상에 제공될 수 있다. 제 1 전도성 층의 에칭은, 포토레지스트 아래에 놓여 있지 않은 접착 층 부분 및 포토레지스트 아래에 있는 제 1 전도성 층 부분을 또한 제거할 수 있다.
이어서, 강유전성 물질 층 및 아마도 제 1 전도성 물질 층의 남아 있는 부분들 사이의 기판 부분 상뿐만 아니라 제 1 전도성 물질 층의 남아 있는 부분들 사이의 기판 위에 있든지 또는 접착 촉진제 위에 있든지를 막론한 영역 상에 제 2 전도성 층이 제공될 수 있다. 제 2 포토레지스트 층은 제 2 전도성 물질 층 위에 제공된다. 제 2 포토레지스트 층을 노출 및 현상시키고 제 2 전도성 물질 층을 에칭한다. 그런 다음, 제 2 포토레지스트 층을 벗겨낼 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 따라서, 도체들의 세트 중 적어도 하나는 유기 분자를 포함한다. 유기 분자의 한 예는 도 5 내지 7에 예시된 태양에서와 같이 DNA이다. 도 7은 본 발명의 상기 측면에 따른 태양의 한 예의 횡단면도를 예시한 것이다. 도 5는 도 7에 예시된 최종 태양을 형성하기 위한 추가의 공정을 수행하기 전의 도 7에 예시된 태양의 확대도를 예시한 것이다. 도 5에 예시되어 있듯이, 도 7에 예시된 기억 셀은 다수의 도체(10) 및 (11)을 포함할 수 있다. 도 5 내지 7에 예시된 태양에서, DNA 가닥 또는 다른 유기 분자가 하나의 도체로 작용한다. 도체(11)은 도 1에서 일반적으로 나타낸 이격되어 있는 도체의 쌍 중 나머지 도체로서 작용한다.
도 1에 예시된 본 발명의 태양에서, 본 발명에 따른 기억 장치의 터널링 접합부/갭을 형성하는 것은 도 1a에 예시된 도체 및 강유전성 물질 부분이다. 도 7에 예시된 본 발명의 태양에서, 전극(11)과 전도성 물질(18) 사이의 터널링 갭(19)은 나노입자(nanoparticle) 및 나노입자와 도체 또는 전극(11) 사이의 분자에 의해 제공된다. 상기 태양에 따르면, 저장 셀은 DNA와 게이트(gate) 전극(11) 사이의 터널링 전류가 강유전성 나노입자의 편광 상태에 의해 조절되는 스위치를 포함한다. 상기 태양에 의해 저장된 비트는 정지상태(static)이다. 셀을 판독 및 기록하는 것은 동일한 회로에 의해 수행된다. 셀 크기는 게이트 전극의 크기에 의해 제한될 수 있다.
도 5 내지 7에 도시된 태양을 도 4에 예시된 태양과 비교할 때, 도체(5) 중 하나 이상 및/또는 도체(9) 중 하나 이상이 하나 이상의 유기 분자로 대체될 수 있다. 즉, 도 1에 예시된 전극 쌍 중 하나 이상의 전극이 하나 이상의 유기 분자로 대체될 수 있다. 강유전성 물질은 여전히 유기 물질과 다른 한쪽 전극 사이에 침착될 것이다. 강유전성 물질은 유기 분자와 다른 한쪽 전극 사이에 정렬될 것이다.
강유전성 물질은 하나 이상의 유기 분자 상에 정렬될 수 있다. 이러한 기준에 따라, 강유전성 물질은, 예를 들면, 결합 또는 다른 방법에 의해 하나 이상의 유기 분자에 부착될 수 있다. 또한, 전도성 물질도 유기 분자에 전도성을 제공하여, 예를 들어 도 4에 예시된 태양에서 도체(9)로서의 기능을 제공하도록 하나 이상의 유기 분자에 부착될 수 있다.
하나 이상의 유기 분자는 하나 이상의 유기 분자 상의 하나 이상의 위치에 부착된 하나 이상의 올리고머를 포함할 수 있다. 하나 이상의 올리고머는 하나 이상의 유기 분자의 적어도 일부분에 부착된 올리고머의 단일층에 포함될 수 있다.
하나 이상의 유기 분자가 DNA 분자인 경우, DNA 분자는 단일 또는 이중 가닥일 수 있다. 도 5 내지 7에 예시된 태양은 이중 가닥 DNA 분자를 포함한다. 한 예에 따르면, DNA는 λ-DNA이다. 그러나, 임의의 염기 서열을 갖는 임의의 DNA 분자도 본 발명에 따라 사용할 수 있다. 즉, DNA는 주관적으로 선택될 수 있다.
하나 이상의 DNA 분자는 하나 이상의 R-루프를 포함할 수 있다. 전형적으로, 하나 이상의 R-루프는 하나 이상의 DNA 분자가 그 위에 정렬된 하나 이상의 도체, 예를 들면, 도체(11) 중 하나 이상의 위에 형성된다.
상기 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 구조에 포함될 수 있는 DNA 분자는 R-루프를 포함할 수 있다. R-루프에 대한 설명은 문헌 [Asai and Kogoma, D-Loops and R-Loops: Alternative Mechanisms for the Initiation of Chromosome Replication inEscherichia coli,Journal of Bacteriology, 1807-1812(1994. 4); Landgraf et al., R-loop stability as a function of RNA structure and size,Nucleic Acids Research, 23(7), 3516-3523(1995); Landgraf et al., Double stranded scission of DNA directed through sequence-specific R-loop formation,Nucleic Acids Research, 23(7), 3524-3530(1995); 및 Masai and Arai, Mechanisms of primer RNA synthesis and D-loop/R-loop dependent DNA replication in Escherichia coli,Biochemie, 78, 1109-1117(1996)]에서 찾아 볼 수 있으며, 이들 문헌은 모두 그 전체로 본원에 참고로 인용된다.
하기에 보다 상세히 기술하는 바와 같이, R-루프는 DNA 분자에 나노입자(들)의 부착을 위한 부위를 제공하는 기능을 할 수 있다. 각각의 R-루프는 R-루프 내의 DNA 부분에 결합된 하나 이상의 나노입자를 포함할 수 있다. 하나 이상의 R-루프를 포함하는 것 이외에, 하나 이상의 나노입자가 각각의 R-루프 내의 DNA 분자 부분에 결합될 수 있다. 나노입자(들)을 R-루프에 부착시키는 단계는 하기에서 보다 상세히 고찰한다.
R-루프는 상기에서 참조한 과학 문헌의 논문들에 개시된 방법들과 같은, R-루프를 형성하기 위한 임의의 공지된 기술에 따라 형성될 수 있다. DNA 분자의 하나 이상의 부분에 상보적인 서열을 갖는 하나 이상의 RNA 분자를 R-루프 형성에 이용할 수 있다. 상기 언급했듯이, DNA 분자는 하나 이상의 R-루프를 포함할 수 있다. 그러므로, 하나 이상의 RNA 분자를 이용하여 DNA 분자에 R-루프를 형성할 수 있다. 각각의 RNA 분자는 DNA 분자의 상이한 서열에 상보적인 서열을 가질 수 있다.
RNA 분자의 서열은 R-루프(들)이 생성되는 대조군으로 조절될 수 있다. 예를 들면, DNA 분자가 하나의 R-루프를 포함하고 R-루프가 DNA 분자에서 중앙에 위치할 경우, RNA 분자가 DNA 분자 상에서, R-루프의 생성시 DNA 분자의 말단으로부터 등거리에, 거의 중심에 있도록, RNA 분자는 DNA 분자의 서열에 상보적인 서열을 가질 수 있다. DNA 분자는 원하는 위치(들)에 원하는 수의 R-루프들을 형성할 수 있도록 하는 임의의 서열을 가질 수 있다.
R-루프(들)의 형성에 사용될 수 있는 RNA 분자의 서열은 DNA 분자 아래에 놓일 수 있는 전극에 대한 DNA 분자의 위치에 따라 달라질 수 있다. 이러한 기준에 따라, RNA 분자는, R-루프가 아래에 있는 전극 위에 위치할 수 있는 서열을 가질 수 있다. 본 발명이 하나 이상의 R-루프를 포함하고 각각의 R-루프가 전극 위에 놓인다면, R-루프의 형성에 사용되는 RNA 분자는, R-루프가 도 5 내지 7에 예시된 태양에서의 전극(11)과 같이 아래에 있는 전극 위에 위치하도록 하는 서열을 가질 수 있다.
R-루프의 길이는 태양에 따라 달리질 수 있다. 한 예에 따르면, R-루프의 길이, 즉, 하나 이상의 R-루프가 있는 DNA 분자 상의 뉴클레오티드 염기의 수는,R-루프가 형성되는 DNA 분자 아래에 정렬된 도체 또는 전극(11)의 폭에 따라 달라질 수 있다. 한 예에 따르면, R-루프를 형성하는 RNA(15)는 약 10 내지 약 1,500 염기 길이를 가질 수 있다. 이것은 약 3 내지 약 500 ㎚의 길이에 상응한다. 전형적으로, R-루프 형성 RNA는 약 10 내지 약 100 ㎚에 상응하는 약 30 내지 약 300개 염기의 길이를 갖는다.
강유전성 물질은 R-루프 내의 DNA 분자에 부착될 수 있다. 상기 태양에 따르면, 강유전성 물질은 전형적으로 R-루프 형성 RNA(15)에 결합되지 않은 R-루프에 있는 DNA 분자 부분에 부착된다.
하나 이상의 화학 잔기가 하나 이상의 R-루프 중의 하나 이상의 뉴클레오티드에 부착될 수 있다. 하나 이상의 화학 잔기는 강유전성 물질을 포함할 수 있다. 하나 이상의 화학 잔기는 하나 이상의 수소 결합 및/또는 하나 이상의 공유 결합에 의해 R-루프 내의 DNA 분자에 부착될 수 있다.
유기 분자에 부착된 하나 이상의 화학 잔기의 성질은 태양에 따라 달라질 수 있다. 한 태양에 따르면, 하나 이상의 화학 잔기는 하나 이상의 뉴클레오티드를 포함한다. 몇몇 태양에 따르면, 하나 이상의 화학 잔기는 다수의 화학 잔기를 포함할 수 있다. 하나 이상의 잔기는 전형적으로 하나 이상의 R-루프 중의 하나 이상의 뉴클레오티드에 결합될 수 있다. 몇몇 태양에 따르면, 하나 이상의 화학 잔기는 하나 이상의 산 그룹 및 하나 이상의 알콜 그룹을 포함한다.
하나 이상의 화학 잔기는 추가로 또는 달리 R-루프 내의 하나 이상의 DNA 분자 상의 하나 이상의 아미드 그룹에 부착될 수 있다. 하나 이상의 화학 잔기는 R-루프 내의 DNA 분자 상의 2개 뉴클레오티드에 결합된 2개의 뉴클레오티드를 포함할 수 있다. 화학 잔기에 포함된 2개의 분자는 구아닌과 시토신 또는 티민과 아데닌을 포함한다.
언급했듯이, 화학 잔기는 나노입자를 포함할 수 있다. 나노입자는 강유전성 물질을 포함할 수 있다. 나노입자는 약 10 ㎚ 미만의 최대 폭을 가질 수 있다.
하나 이상의 화학 잔기는 하나 이상의 나노입자를 포함할 수 있다. 유기 구조물에 대한 나노입자의 결합을 촉진하기 위해, 나노입자는 나노입자에 부착된 하나 이상의 원자 또는 화학 그룹을 포함할 수 있다. 하나 이상의 상기 원자 또는 그룹을 부착시킴으로써, 나노입자는 '작용화'될 수 있다.
유기 구조물이 DNA 분자를 포함하는 경우, 하나 이상의 뉴클레오티드가 나노입자에 부착될 수 있다. 나노입자에 부착된 하나 이상의 뉴클레오티드는 전형적으로 RNA 분자에 부착되지 않은 R-루프 부분 상의 DNA 분자의 R-루프 내의 하나 이상의 뉴클레오티드에 상보적이다. 그러므로, 나노입자에 부착되는 뉴클레오티드는 DNA 분자의 서열에 따라 달라질 수 있으며, 여기서 나노입자가 DNA 분자에 부착되는 것이 바람직하다. 나노입자 및 DNA 분자에 대한 나노입자의 부착은 상기에서 보다 상세히 고찰하였다.
나노입자는 R-루프 내의 어느 위치에 있는 DNA 분자 부분에라도 부착될 수 있다. 한 태양에 따르면, 나노입자는 R-루프 내에 있는 부분의 중심 부근의 DNA에 부착된다. 그러므로, 나노입자의 위치는 R-루프의 위치에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, DNA 분자가 DNA 분자의 거의 중앙에 하나의 R-루프를 포함하는 경우,나노입자는 DNA 분자의 말단 사이의 중간에 있는 DNA 분자에 부착될 수 있다.
본 발명이 도 5 내지 7에 예시된 태양에서와 같은 유기 분자를 포함하는지 또는 도 3d 및 4에 예시된 태양에서와 같은 전형적인 평판인쇄술에 의해 정의된 도체를 포함하는지 여부에 관계없이, 본 발명은 전형적으로 기판 상에 형성된다. 본 발명이 그 위에 형성될 수 있는 기판의 예로는 유리 및/또는 세라믹이 포함된다. 상기 물질의 예로는 석영, 알루미나 및 파이렉스(PYREX)가 포함된다.
또한, 본 발명이 도 5 내지 7에 예시된 태양에서와 같은 DNA 분자를 포함하는지 또는 도 3d 및 4에 예시된 태양에서와 같은 전형적인 평판인쇄술에 의해 정의된 도체를 포함하는지 여부에 관계없이, 본 발명은 도체와 기판 사이에 정렬된 접착 층을 포함할 수 있다. 도 3d는 접착 층의 한 예를 예시하고 있다. 도체와 기판 사이의 접착 층은 하나 이상의 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 접착 층은 크롬 및/또는 티타늄을 포함할 수 있다. 접착 층은 또한 제 2 도체(9)와 기판 사이에 정렬될 수 있는데, 여기서 제 2 도체(9)는 제 1 도체(5) 위에 정렬되기보다는 기판에 인접하여 있다. 도 5 내지 7에 예시된 태양에서, DNA 분자를 도체(11) 위에 정렬시키기 전에, 접착 촉진제(14)를 도체(11)의 표면 위에 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 기억 장치의 도체는, 이들이 도 3d 및 4에 예시된 도체(5) 및 (9)와 같은 도체이든지 또는 도 5 내지 7에 예시된 것과 같은 유기 분자를 기판으로 하는 도체이든지 간에, 서로 약 50 내지 약 5,000 ㎚의 거리만큼 이격될 수 있다. 또한, 각 유형의 도체는 약 50 내지 약 5,000 ㎚의 폭을 가질 수 있다.
또한, 각 유형의 도체는 서로에 평행할 수 있다. 예를 들면, 도체(5)는 모두 서로에 평행하거나, 또는 도체(9)는 모두 서로에 평행할 수 있다. 한 유형의 도체는 또한 서로 등거리에 정렬될 수 있다. 또는, 한 유형의 도체는 모두 동일한 유형의 다른 도체로부터 동일한 거리에 있지 않을 수도 있다.
유기 분자, 또는 보다 다르게 유기 구조물은, 도 5에 예시된 태양에서의 전극(10)과 같이, 기판의 표면 상의 전극에 연결될 수 있다. 전극은 상기에서 보다 상세히 고찰하였다. 연결은 다양한 방법에 의해 수행될 수 있다. 예를 들면, 연결은 전극 상에 유기 구조물이 부착될 수 있는 부위를 제공함으로써 수행될 수 있다.
부착 부위는 다양한 구조에 의해 제공될 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 원자 또는 분자를 하나 이상의 전극 위에 제공할 수 있다. 한 예에 따르면, 하나 이상의 유기 분자를 하나 이상의 전극 위에 제공한다. 유기 분자는 전극(들)의 표면에 결합될 수 있다.
유기 구조물이 전극(10) 사이로 연장되어 있는 DNA 분자를 포함하는 한 예에 따르면, 하나 이상의 DNA 및/또는 RNA 분자를 도 5에 도시된 전극(10)에 부착시킬 수 있다. 유기 구조물이 DNA를 포함하는 경우, 전형적으로 DNA는 전극(10) 위에 제공된다. DNA는 다양한 방법에 의해 전극 상에 제공될 수 있다.
한 예에 따르면, DNA는 전극에 대한 그의 연결을 촉진하는 원자 또는 분자에 결합된다. 예를 들면, DNA는 황으로 종결될 수 있다. 황으로 종결된 말단은 금 전극의 표면에 부착될 수 있다. 황-종결된 화합물이 금 표면에 결합하는 것은 공지되어 있다.
전극(10) 사이로 연장되어 있는 DNA 분자는 전극 상의 DNA 및/또는 RNA에 결합될 수 있다. 예를 들면, 2개 전극 사이로 연장될 DNA 분자 및 상기 예에서와 같이 전극에 부착된 DNA 분자(들)은 둘 다 단일 가닥 부분을 가질 수 있다. 전극 사이로 연장될 DNA 분자 및 전극에 부착된 DNA 분자(들) 위의 단일 가닥 부분은 서로에 대한 그들의 결합을 촉진하도록 상보성 말단을 가질 수 있다.
한 태양에 따르면, 전극에 부착되는 DNA는 단일 가닥의 황-종결된 DNA이다. 단일 또는 이중 가닥 DNA 또는 RNA가 전극에 결합되는지에 관계 없이, DNA 및/또는 RNA는 약 30 내지 약 30,000개의 염기를 포함할 수 있다. 그러나, DNA는 약 10,000 염기쌍만큼 길고, RNA 분자는 약 40개 염기를 포함할 수 있다.
또한, 단일 또는 이중 가닥 DNA 또는 RNA 분자가 전극에 결합되는지에 관계없이, 전극(10)에 부착된 DNA 및/또는 RNA 분자는 나머지 전극(10)에 부착된 DNA 및/또는 RNA 분자와는 상이한 염기 서열을 가질 수 있다. 또는, DNA가 전극 사이로 연장될 DNA 및/또는 RNA 분자 부분은 전체 DNA 및/또는 RNA 분자와는 상이한 서열을 가질 수 있다.
DNA 분자가 전극에 부착되고 DNA 분자가 전극(10) 사이로 연장될 DNA 분자에 결합되는 염기 서열을 포함하는 태양에 따르면, 전극 사이로 연장될 DNA 분자는 전극에 부착되는 DNA에 상보적인 염기 서열을 갖는 '결합 말단'을 포함할 수 있다.
도 8은 전극(10) 사이로 연장될 DNA 분자(21)의 한 태양을 예시하고 있다. 도 8은 본 발명의 상기 측면의 이해를 용이하게 하기 위해 전극들(10) 사이의 한전극(11) 만을 예시하고 있다. DNA 분자(21)은 선 구조로 도시되어 있다. 결합 말단(23) 및 (25)는 DNA 분자의 말단 상에 제공되어 있다.
전극(10)에 부착될 DNA 분자를 구성한 후 또는 다른 방법으로 수득한 후, 이들을 전극에 부착시킬 수 있다. DNA 분자가 첨가될 용액을 제조할 수 있다. 먼저, 염의 수용액을 제조한다. 염의 한 예는 염화나트륨이다. 이어서, 각각의 DNA 분자(여기서, 상이한 분자는 각각의 전극(10)에 부착될 것이다)를 용액에 첨가할 수 있다.
용액을 제조한 후, 일정량(43)의 한 용액을 하나의 전극(10) 위에 놓고 일정량(45)의 다른 용액을 다른 전극(10) 위에 놓을 수 있다. 어떤 용액을 어떤 전극 위에 놓을 지는 전극 사이로 연장될 DNA 분자가 어떻게 배향되는 것이 바람직한 지에 따라 달라질 수 있다. 각각의 전극 위에 침착되는 용액의 양은 DNA, RNA 및/또는 용액 중에 존재하는 다른 분자의 농도에 따라 달라질 수 있다.
상기 요인들을 결정하는데 있어서, 생성되는 최종 구조가 중요하다. 즉, 전극들(10) 사이의 하나의 DNA 가교가 형성되어야 한다. 부피의 농축은 전형적으로 부차적이다. 유동 용액도 또한 사용될 수 있다.
용액을 전극에 도포하여 목적하는 분자를 전극 위에 침착시킨 후에, 용액을 제거할 수 있다. 전형적으로, 용액은 전극에 부착될 많은 분자가 2개 전극 사이에 유기 구조물의 부착을 촉진하기에 충분한 시간 동안 전극 상에 잔류할 수 있다. 전형적으로, 용액은 약 10 내지 약 20 분 동안 잔류한다.
용액의 제거는 많은 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 용액은 세척될수 있다. 예를 들면, 물을 이용하여 용액을 세척해낼 수 있다. 전형적으로, 용액은 -S-Au 결합에 부착되는 어떤 잔기도 포함하지 않는 액체에 의해 세척된다. 또는, 용액은 열을 적용하지 않고 건조될 수 있다. 한 예에 따르면, 공기 총을 이용할 수 있다.
도 10은 용액이 일단 제거된 전극(10)을 예시하고 있다. 분자(47) 및 (49)가 전극에 부착된 채 남아 있다.
전극에 고정 분자를 부착한 후, 전극(10) 사이로 연장될 구조물을 도 10에 예시된 바와 같은 구조에 적용할 수 있다. 유기 구조물이 DNA를 포함하는 경우, DNA는 구조물에 전극 위 전극 사이의 공간에 적용될 수 있다. 유기 구조물은 용액으로 적용될 수 있다. 전극 사이에 DNA 가교를 형성하는 한 방법은 그 전체로 본원에 참고로 인용된 문헌 [Braun et al., DNA-templated assembly and electrodes attachment of a conducting silver wire,Nature, 391, 775-777(1998. 2. 19)]에 개시되어 있다.
DNA 분자(들), 전극 사이로 연장될 DNA 분자들을 기판 및 전극에 적용한 후에, 이들은 전극에 부착된 유기 구조물, 예를 들어 고정 분자에 결합될 수 있다. 전극 및 고정 분자, 예를 들면 전술한 DNA에 대한 DNA 분자의 목적하는 배향을 촉진하기 위해, 전극 사이로 연장될 DNA는 이들을 일렬로 정렬시키는 경향이 있는 조건에 적용될 수 있다. 상기 조건은 DNA 분자를 전기장 또는 유동 장에 적용시킴을 포함할 수 있다. 전기장을 이용하는 경우, 전기장은 약 104내지 106V/㎝일 수 있다. 다른 한편으로, 유동 장을 이용하는 경우, V는 약 1 내지 약 100 ㎝/초일 수 있다.
DNA가 특정 방식으로 정렬되는 것을 촉진하는 것은 하나 이상의 DNA 분자가 전극 사이로 연장되는 것을 확실히 하는데 도움을 준다. 전형적으로, 단지 'DNA 가교'가 전극 사이에 형성된다. 또한, 전형적으로 DNA 가교가 도 11에 도시된 영역 밖으로는 어떤 DNA 가교도 연장되지 않을 것이다.
DNA 가교(들)의 형성을 촉진하기 위해, 형광 염료를 이용하여 DNA에 표를 붙일 수 있다. 실험은 현미경 하에서 수행된다. 하나의 가교가 형성되자마자, DNA를 함유하는 용액을 전극 영역으로부터 퍼징할 수 있다.
도 5 내지 7에 예시된 DNA 분자와 같은 유기 분자를 도체(11) 위에 고정하는 것은 DNA 분자와 도체 사이에 접착 촉진제를 정렬시킴으로써 수행될 수 있다. 접착 촉진제는 DNA 분자가 도체 위에 고정되는 것을 촉진하는 임의의 물질일 수 있다. 한 예에 따르면, 접착 촉진제는 하나의 말단에 황 원자를 포함하고 두 번째 말단에 OH 그룹을 포함하는 분자이다. 황 원자는 도체(11)에 접촉하여 그에 결합될 수 있다. 다른 한편으로, OH 그룹은 DNA 분자 부분에 접촉할 수 있다. 도체/전극(11)이 금 또는 금-함유 합금을 포함하는 경우에 황 분자 및 접착 촉진제를 포함하는 것이 특히 유용하다.
DNA 분자(들)을 전극에 결합시킨 후에, 전극 사이에 '가교'를 형성하는 각각의 DNA 분자에 하나 이상의 R-루프를 형성할 수 있다. 전형적으로, R-루프는 전술한 전극(들)(11)과 같이 또 다른 전극 위로 배열되어 있는 전극(10) 사이의 DNA 분자의 영역에 형성된다. R-루프의 형성은 또한 상기에서 기술하였다. 도 5는전극(10) 사이로 연장되어 있는 DNA 분자(13)를 예시하고 있는데, 여기서 DNA 분자는 각 전극(11) 위의 DNA 분자의 영역에 R-루프(20)를 포함하고 있다.
R-루프(들)을 형성한 후, 하나 이상의 나노입자를 DNA 분자에 결합시킬 수 있다. 하나 이상의 나노입자는 각각의 R-루프 내에 있으면서 RNA 분자에 부착되지 않은 DNA 분자 부분에 결합될 수 있다. DNA 분자에 나노입자를 부착시키기 위해, 나노입자의 현탁액을 제조할 수 있다. 현탁액은 전술한 바와 같이 개질된 표면을 갖는 나노입자를 포함할 수 있다. 나노입자는 물 중에 약 0.1 내지 약 10%의 농도로 현탁될 수 있다.
용액을 제조한 후, 용액을 R-루프 위의 영역에 분산시킬 수 있다. 이어서, 나노입자에 부착된 촉진제(17)를 R-루프 내의 DNA에 결합시킬 수 있다. 전형적으로, 약 1 내지 약 10000 개의 뉴클레오티드가 나노입자에 부착되어 나노입자가 DNA 분자에 접착되는 것을 촉진한다. 나노입자에 부착된 뉴클레오티드(들)은 상기에서 보다 상세히 기술한 바와 같이 R-루프 내의 하나 이상의 뉴클레오티드에 상보적일 수 있다.
DNA 분자에 결합하고 있는 나노입자 상의 뉴클레오티드의 경우에, 나노입자 상의 뉴클레오티드는 DNA 분자(들)의 뉴클레오티드에 수소 결합될 수 있다.
나노입자(들)을 전극(10) 사이로 연장되어 있는 DNA 분자에 부착한 후에, 전도성 물질을 DNA 분자 상에 제공할 수 있다. 전도성 물질로는 어떠한 전도성 물질도 포함될 수 있다. 한 예에 따르면, 은은 유기 구조물과 염을 형성할 수 있다. 금속 은도 또한 유기 구조물 상에 제공될 수 있다.
도 7은 DNA 분자가 도체/전극(11)에 부착된 R-루프를 포함하는 DNA 분자 부분은 제외하고 DNA 분자의 양쪽 측면 상에 전도성 물질(18)이 정렬되어 있는 본 발명의 한 예를 예시하고 있다. DNA 분자 상의 전도성 물질은 DNA 분자의 포스페이트 그룹에 결합된 은 이온을 포함할 수 있다. 다르게는 및/또는 추가적으로, 전도성 물질은 DNA 분자에 결합된 금속 은을 포함할 수 있다. 은을 전극(10) 사이로 연장되어 있는 DNA 분자 상에 침착시키는 경우, 은 이온의 낮은 밀도로 인해 R-루프 상에 어떤 심각한 은의 접종 및 침착도 일어나지 않을 수 있다.
Ag＋이온은 DNA 주쇄 중의 포스페이트 이온과 염을 형성한다. 이중 나선 구조에서, 포스페이트 이온의 O－는 이중 나선 주위로 고르게 분포된다. 그러나, 밀도는 R-루프를 형성하는 가닥 중에 약 50% 미만이다. 또한, 열 진동으로 인해, Ag 이온은 R-루프 상에서 Ag로 환원되므로, 고밀도 영역, 즉, 이중 나선 영역으로 이동할 것이다.
유기 구조물 상의 전도성 물질은 유기 구조물 상에 도체를 제공한다. 유기 구조물이 DNA, DNA 중의 R-루프, 및 R-루프 중의 DNA 분자에 부착된 나노입자를 포함하는 경우, 유기 구조물 상의 전도성 물질은 DNA 분자 상의 R-루프의 두 측면에 도체를 제공할 수 있다.
전도성 피막은 유기 구조물을 은 이온을 포함하는 용액에 침지시킴으로써 유기 구조물에 적용될 수 있다. 이어서, 용액 중의 은 이온은 유기 구조물과 은 염을 형성할 수 있다. 유기 구조물이 DNA를 포함하는 경우, 은은 DNA 분자의 포스페이트 그룹과 염을 형성할 수 있다. 염을 형성한 후, 염 중의 은은 환원제에 의해 금속 은으로 환원될 수 있다. 사용될 수 있는 환원제의 예로는 하이드로퀴논/OH－에 이어 하이드로퀴논/OH＋가 포함된다.
도 3d 및 4에 예시된 태양에서 강유전성 물질의 침착은 포스트-레이저 침착법(post-laser deposition; PLD)에 의해 수행될 수 있다. 포스트 레이저 침착법은 각 원소의 다양한 화학 잔기의 레이저 침착에 의해 레이저가 수행될 수 있는 방법이다. 포스트-레이저 침착법의 화학량론은 각 원소의 표적으로부터 보정된 양의 물질을 제거함으로써 조절될 수 있다. 도 3a 내지 3d에 예시된 방법은 본 발명에 따른 구조물을 제조하는 한 방법이긴 하지만, 대체 방법은 포토레지스트가 금속 선을 직접 침착시키기 위한 마스크로서 작용하는 표준 "리프트-오프(lift-off)" 방법을 이용할 수도 있다. 리프트-오프 방법은 보다 높은 분해능이 달성될 수 있다. 그러나, 리프트-오프 방법을 이용하는 것은 도 3a 내지 3d에 예시된 표준 사진평판 방법 보다 한층 복잡할 수 있다.
본 발명의 전술한 설명은 본 발명을 예시하고 설명한다. 또한, 개시 내용은 본 발명의 바람직한 태양만을 나타내고 기술하고 있으나, 전술한 바와 같이, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변형 및 환경에서 사용될 수 있으며, 본원에 나타낸 바와 같은 본 발명의 개념, 상기 교지에 상응하는 바 및/또는 관련 분야의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변화 또는 변형될 수 있음을 주지해야 한다. 본원에서 전술한 태양은 또한, 본 발명을 실시하는 가장 우수한 방식을 설명하고, 당해분야에 숙련된 다른 자들이 상기 태양 또는 다른 태양에서 및 본 발명의 특별한 적용 또는 이용에 필요한 다양한 변형하에 본 발명을 이용할 수 있게 하기 위한 것이다. 따라서, 본 발명의 설명은 본 발명을 본원에 개시된 형태로 한정하려는 것이 아니다. 또한, 첨부한 특허청구의 범위는 대체 태양을 포함하는 것으로 간주하고자 하는 것이다.
본 발명에 따르면, 그 사이에 터널링 전류를 허용하기에 충분한 거리만큼 이격되어 있는 적어도 한 쌍의 도체 및 상기 도체 사이에 강유전성 물질을 포함하는 기억 장치 및 그의 제조방법이 제공된다. 본 발명에 따라 저장 장치를 판독하고 기록하는 것은 동일한 회로를 이용하여 수행될 수 있으며, 또한 본 발명의 장치에 의한 저장은 영구적일 수 있다.
Claims (53)
- 서로가 터널링(tunneling) 전류를 허용하기에 충분한 거리만큼 이격되어 있는 한 쌍 이상의 도체; 상기 도체 쌍 사이에서 연장되어 있는 하나 이상의 유기 분자; 및 상기 도체 쌍 사이에 위치하며 유기 분자에 부착되는 강유전성 물질을 포함하는 기억 장치.
- 제 1 항에 있어서,도체 쌍의 각각이 Al, Au, Ag, Cu 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 금속 전극인 기억 장치.
- 제 1 항에 있어서,도체 쌍이 수평 방향으로 약 1 내지 약 100 ㎚의 거리만큼 이격되어 있는 기억 장치.
- 제 1 항에 있어서,도체 쌍이 동일한 평면에 정렬되어 있는 기억 장치.
- 제 1 항에 있어서,도체 쌍이 수직 방향으로 약 10 ㎚ 이하의 거리만큼 이격되어 있는 기억 장치.
- 제 1 항에 있어서,강유전성 물질이 티탄산 바륨, 티탄산 납, 니오브산 칼륨, 황산 트리-글라이신, 로셸(Rochelle) 염 및 니오브산 납 철로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 기억 장치.
- 제 1 항에 있어서,강유전성 물질이 약 23 내지 약 490 ℃의 퀴리(Curie) 온도를 갖는 기억 장치.
- 제 1 항에 있어서,강유전성 물질의 쌍극자를 전환시키는데 필요한 전압이 약 100 내지 약 10000 mV인 기억 장치.
- 제 1 항에 있어서,도체 쌍을 통해 판독 전압을 적용함으로써 생성되는 터널링 전류를 측정함으로써 기억 장치를 판독하는데 필요한 전압이, 강유전성 물질의 쌍극자를 전환시키는데 필요한 전압보다 낮은 기억 장치.
- 제 1 항에 있어서,도체 쌍 및 강유전성 물질을 둘러싸는, 약 1 내지 약 10의 유전 상수를 갖는 유전성 물질을 추가로 포함하는 기억 장치.
- 제 10 항에 있어서,유전성 물질이 공기, Si3N4, 알루미나 및 SiO2로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 기억 장치.
- 제 1 항에 있어서,강유전성 물질이 약 10 ㎚ 미만의 두께를 갖는 기억 장치.
- 제 1 항에 있어서,도체 쌍 사이에 강유전성 물질의 항자장(coercive field)보다 높은 전기장을 형성하기에 충분한 바이어스 전압을 적용함으로써, 잔류 분극이 강유전성 물질에 유도될 수 있는 기억 장치.
- 제 13 항에 있어서,잔류 분극이 또한 바이어스 전압의 적용 중에 적용되는 국소적 가열에 의해 유도될 수 있는 기억 장치.
- 제 13 항에 있어서,도체들 사이에 바이어스 전압의 신호를 변화시킴으로써, 잔류 분극이 역전(reverse)될 수 있는 기억 장치.
- 제 13 항에 있어서,잔류 분극을 역전시키는 전압이 기록 바이어스 전압을 나타내는 기억 장치.
- 제 9 항에 있어서,판독 전압이 도체 쌍 사이에 바이어스 전압을 적용함으로써 강유전성 물질에 유도된 잔류 분극에 반(反)-평행할 때, 터널링 전류가 높은 기억 장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,유기 분자가 하나 이상의 DNA 분자를 포함하는 기억 장치.
- 제 19 항에 있어서,유기 분자가 하나 이상의 DNA 분자 상의 하나 이상의 위치에 부착된 하나 이상의 올리고머를 추가로 포함하는 기억 장치.
- 제 1 항에 있어서,하나 이상의 DNA 분자가 이중 가닥이고 하나 이상의 R-루프를 포함하며; 하나 이상의 R-루프 중의 하나 이상의 뉴클레오티드에 부착된, 강유전성 물질을 포함하는 하나 이상의 화학 잔기를 추가로 포함하는 기억 장치.
- 제 21 항에 있어서,하나 이상의 화학 잔기가 하나 이상의 수소 결합 또는 하나 이상의 공유 결합에 의해 하나 이상의 R-루프 중의 하나 이상의 뉴클레오티드에 부착되는 기억 장치.
- 제 21 항에 있어서,하나 이상의 화학 잔기가 하나 이상의 뉴클레오티드를 포함하는 기억 장치.
- 제 21 항에 있어서,하나 이상의 화학 잔기가 하나 이상의 산 및 하나 이상의 알콜을 포함하는 기억 장치.
- 제 21 항에 있어서,하나 이상의 화학 잔기가 R-루프 내의 하나 이상의 DNA 분자 상의 하나 이상의 아미드 그룹에 부착되는 기억 장치.
- 제 21 항에 있어서,하나 이상의 화학 잔기가, R-루프 내의 하나 이상의 뉴클레오티드에 부착되고, 강유전성 물질을 제공하는 하나 이상의 나노입자를 포함하는 기억 장치.
- 제 26 항에 있어서,하나 이상의 나노입자가 약 10 ㎚ 미만의 최대 폭을 갖는 기억 장치.
- 제 21 항에 있어서,R-루프를 형성하는 RNA가 약 10 내지 약 1500개 염기의 길이를 갖는 기억 장치.
- 제 1 항에 있어서,제 1 병렬 도체에 수직인 제 2 방향으로 기판 및 제 1 병렬 도체 상에 연장되어 있는, 제 1 병렬 도체와 중첩되는 다수의 제 2 병렬 도체(여기서, 강유전성 물질이 제 1 병렬 도체와 제 2 병렬 도체 사이에 배열되어 있다)를 추가로 포함하는 기억 장치.
- 제 29 항에 있어서,기판과 제 1 병렬 도체 및 제 2 병렬 도체(여기서, 제 1 병렬 도체 및 제 2 병렬 도체는 기판과 중첩된다) 사이에 접착 층을 추가로 포함하는 기억 장치.
- 제 30 항에 있어서,접착 층이 Cr 및 Ti로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 기억 장치.
- 제 29 항에 있어서,기판이 유리 또는 세라믹인 기억 장치.
- 제 29 항에 있어서,제 1 병렬 도체 및 제 2 병렬 도체가 약 50 내지 약 5000 ㎚의 폭을 갖는 기억 장치.
- 제 1 항에 있어서,다수의 제 1 도체 위로 R-루프를 포함하는, 다수의 제 1 도체를 통해 연장되어 있는 이중 가닥 DNA 분자; 및 다수의 R-루프 중의 하나 이상의 뉴클레오티드에 부착된 하나 이상의 화학 잔기를 추가로 포함하는 기억 장치.
- 제 34 항에 있어서,DNA 분자가 2개의 도체에 고정된 말단을 포함하고; DNA 분자가 고정되는 도체의 표면에 결합된 유기 분자를 추가로 포함하는 기억 장치.
- 제 35 항에 있어서,DNA 분자가 고정 도체에 고정된 결합 말단을 포함하는 기억 장치.
- 제 36 항에 있어서,DNA 분자가 고정되는 도체의 표면에 결합된 유기 분자가 DNA인 기억 장치.
- 제 37 항에 있어서,DNA 분자가 고정되는 도체의 표면에 결합된 DNA 분자가 황으로 종결되고 단일 가닥인 기억 장치.
- 제 37 항에 있어서,제 1 고정 도체에 결합된 DNA 분자가, 제 2 도체에 결합된 DNA 분자와 상이한 서열을 갖는 기억 장치.
- 제 37 항에 있어서,고정 도체에 결합된 DNA 분자가 약 5 내지 약 20개의 염기 쌍을 포함하는 기억 장치.
- 제 37 항에 있어서,고정 도체 사이로 연장되어 있는 DNA 분자가 고정 도체의 표면에 결합된 DNA 분자와 하이브리드화하는 결합 말단을 포함하는 기억 장치.
- 제 34 항에 있어서,R-루프와 도체 사이에 정렬된 접착 촉진제를 추가로 포함하는 기억 장치.
- 제 42 항에 있어서,접착 촉진제가 제 1 말단에 도체와 접촉하기 위한 황 원자를 포함하고 제 2 말단에 DNA 분자와 접촉하기 위한 OH 그룹을 포함하는 분자인 기억 장치.
- 제 1 항에 있어서,제 1 전극과 제 2 전극 사이로 연장되어 있는 유기 분자 상에 전도성 물질을 추가로 포함하는 기억 장치.
- 제 19 항, 제 21 항 및 제 34 항중 어느 한 항에 있어서,DNA 분자 상에 전도성 물질을 추가로 포함하는 기억 장치.
- 제 21 항에 있어서,전도성 물질이 DNA 분자의 포스페이트 그룹에 결합된 은 이온을 포함하는 기억 장치.
- 제 42 항에 있어서,나노입자를 DNA 분자에 결합시키기 위해 나노입자에 부착된 하나 이상의 화학 잔기를 추가로 포함하며, 이때 접착 촉진제 및 나노입자를 DNA에 부착시키기 위한 하나 이상의 화학 잔기가 터널링 갭을 형성하는 기억 장치.
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