TW531890B - Single electron device fabricated from nanoparticle derivatives - Google Patents

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Yuh-Jiuan Lin
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Description

531890 五、發明說明（1) 【發明領域】 -11明疋有關於一種由奈米微粒衍生物 子兀件，且姓别Η 1 行〜平电 所建構之單電^ ^ :關於—種由金與碳娱奈米微粒衍生物 【發明背景】 古、既f電子兀件（Slngle electron devices)，乃現今最 有潛力的下-世代電子元件，其具有低電力消7取 ^wer consumptl〇n)及高層疊密度（high packi density)等優異的特點。 如第la圖所示，Λ第1&圖係表示習知單電子電 =視0圖中，1S〇為隔離結構；㈤分別表示源極、 牙及極，0X為牙隧氧化層；dot為奈米微粒 (na—n〇Partlcle)，係為三度空間點狀區域，其在x z 軸二個座標方向之長度，一般均必須小於5〇〇 A ; 移=電子。第lb圖則係表示第“圖所示的單電子電晶體 之電子移動方式示意圖。直中，G為 〜口 ，、τ υ钓閘極（未圖示於第1 a圖 中）。 在上述習知單電子電晶體（SET)結構中’源極s、夺米 微粒、及汲極D，係由厚度極薄之穿隧氧化層〇χ所隔離·， 在特定源極一没極偏壓條件之下’經由控制閘極偏壓可將 源^s九電子透過穿遂效應(tunne i ing ef f⑶t)而得以穿 過牙隨氧化層OX先到達奈米微粒’再穿過穿隧氧化層最 後到達沒極，而促使單電子電晶體之導通。 曰
0648-7311TWF;13900025;Peterliou.ptd 531890 五、發明說明（2)
由於S E T的插作溫度與奈米微粒的幾何尺寸大小相 關，亦即奈米微粒的幾何尺寸愈小愈好，故對於目前的半 導體製程技術而言，實為一大挑戰。傳統上，製作S E T之 方法大多是採用電子束微影技術（e - b e a m 1 i t h 〇 g r a p h y )， 然而由於電子束微影技術有空間解析度上的限制，故其所 能建構出之結構大小仍在數十奈米以上，因此為了突破上 述之技術限制，應用具有小於數奈米之臨界尺寸的奈米結 構物質（nano-structured materials)之方〉去 gp 被提出 〇 然而，雖然上述奈米結構物質可藉由合成技術來予以製 造’但對於如何使這些奈米結構物質與電極接觸，仍然是 應用上不易克服的一大難題。因此，利用自聚集奈米建構 區段（self-assembly nanometer building -blocks)來建 構奈米元件之方法由於可施行性高，遂成為近來最常被探 討研究的方法。
目前為止，已有許多關於利用微影法及磊晶沉積法來 進行量子點（quanturn dot)之二維陣列的自聚集方法被提 出。另外，利用溶液化學法亦可藉由有機分子例如：燒基 二硫醇、介面活性劑、有機聚合物、共輛])N a或仿生化共 軛系統分子（biomimic conjugated systems molecules) 等作為橋接物（b r i d g e )，以輔助金屬、絕緣體及半導體奈 米微粒能規則地聚集在一起。經由上述之方法，二維或三 維奈米微粒陣列亦已藉由形成共價鍵、氫鍵或凡德瓦力而 被建構出。因此，自聚集方法之出現可說是為建構奈米元 件提供了 一非常可行的方式。
531890 五、發明說明（3) 【發明概要】 有鑑於此，本發明的第一目的就是提供一種由奈米微 粒衍生物所建構之單電子元件，包括： 一第一電極； 一第二電極，係面向於上述第一電極來配置；以及 一奈米微粒衍生物，橋接於上述第一電極及第二電極 之間，其化學結構式係如下式（1 )所示·· (1) 其中 Μ為A u、A g、P d或P t之奈米微粒； A係具有如下式（2 )所示之化學結構式 -X-R-F-R-X- (2) 馨 X為N、S或
〇II -C——G G = 〇H，NH2; R為飽和或非飽和匕_12烷基 基、或取代或非取代之芳香基 ，1-12 之飽和或非飽和環烧
0648-7311TWF;13900025;Pe t e r1i ou.p t d 第8頁 531890 五、發明說明（4) F為^、C?G或奈米碳管„ 件中在所建構…子元 :減粒陣…=:=== 發明的奈来ΐ : J ::件之操作溫度。同3寺，利用上述又本 寸限制，4構可突破目前半導體製程技術之尺 尺寸之單電子元件a兩電極間之間距達到15㈣的微小結構 電極為源in:月的第-發明之單電子元件中，第- 列方式，$為：：，汲極。另外，上述之既定陣列排 式，也可為:维陆陣列排列方式，亦可為二維陣列排列方 “為列方式。 以包括-第三電^兔，的第—發明之單電子元件中，可 第二電極來配置° ，此第三電極係面向於上述第一電極及 μ ΐί。上述第三電極為閘極。 微粒衍生物所建構之的係提供一種由金與碳簇奈米 —第H 疋件，包括： 係面向於上述第-電極來配置；以及 而橋接於上述第—電極= 既定陣列排列方式來排列 式（3)所示： '及弟二電極之間，其結構式係如下
531890 五、發明說明（5) 其中， Μ為A u奈米微粒； A係具有如下式（4 )所示之化學結構式： -X-R-F-R-X- (4) X為N、S或 〇 I g = oh,nh2 ； R為飽和或非飽和(^_12烧基、C1M2之飽和或非飽和環烧 基、或取代或非取代之芳香基； F為06〇、C7〇或奈米碳管。 在上述本發明之由金與碳簇奈米微粒衍生物所建構之 單電子元件中，由於係使用因具有剛硬碳粒子而擁有優異 熱穩定性之碳簇所構成的奈米微粒衍生物來橋接於電極之 間，能有效地提高元件之熱穩定度。同時，利用上述本發 明的金與碳簇奈米微粒衍生物，可突破目前半導體製程技 術之尺寸限制，建構出上述兩電極間之間距達到1 5nm的微 小結構尺寸之單電子元件。 又，在上述本發明的第二發明之單電子元件中，第一 電極為源極，第二電極為汲極。另外，上述之既定陣列排
0648-7311TWF;13900025;Peter 1iou.ptd 第10頁 531890 五、發明說明（6) 列方式，可為一維陣列排列方式，亦可為二維陣列排列方 式，也可為三維陣列排列方式。 此外，在上述本發明的第二發明之單電子元件中，可 以包括一第三電極，此第三電極係面向於上述第一電極及 第二電極來配置。又，上述第三電極為閘極。 再者，本發明的第三目的係提供一種奈米微粒衍生 物，適用於分別具有相異兩電極的兩基板之間，其具有一 既定陣列排列方式而用以橋接上述兩電極，結構式係如下 式（5 )所示： A - Μ - A - (5) 其中， Μ為Au、Ag、Pd或Pt之奈米微粒； A係具有如下式（2 )所示之化學結構式 X-R-F-R-X- (2) X為N、S或
〇 C—-G G = 〇H，NH2;
0648-7311TWF;13900025;Peterliou.ptd 第11頁 531890 五、發明說明（7) R為飽和或非飽和Cu烷基、Ci_12之飽和或非飽和環烷 基、或取代或非取代之芳香基； F為(]6()、C7Q或奈米碳管。 又，在上述本發明的第三發明之奈米微粒衍生物中， 上述之既定陣列排列方式可為一維陣列排列方式，亦可為 二維陣列排列方式，也可為三維陣列排列方式。 【圖式之簡單說明】 第1 a圖係表示習知單電子電晶體結構之上視圖，第1 b 圖係表示第la圖所示的單電子電晶體之電子移動方式示意 圖。 第2圖係表示本發明實施例所製得的碳簇衍生物C6() -S 之結構示意圖。 第3圖係表示本發明實施例之由金與碳簇奈米微粒衍 生物所建構之單電子電晶體的示意剖面圖。 第4圖係表示使用本發明實施例所製得的碳簇衍生物 C6Q-S而製作出之奈米元件。 【符號說明】 D〜汲極、 S〜源極、 d 〇 t〜奈米微粒、 ISO〜隔離結構、 0X〜穿隧氧化層、
0648-7311TWF;13900025;Peterliou.ptd 第12頁 531890 五、發明說明（8) f〜移動電子、 G〜閘極、 1 0〜源極、 _ 2 0〜汲極、 3 0〜閘極、 4 0〜電極基板。 【發明之詳細說明】 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳 $ 細說明如下： 【實施例】 石炭簽衍生物C6〇 - S之合成 - 如下列圖解1所示，該圖解1係表示本發明之碳簇衍生 物C6Q -S中之一較佳例的合成順序圖解。 圖解1
0648-7311TWF;13900025;Peterliou.ptd 第13頁 531890 五、發明說明（9) 首先，將0· 1克的C60(Aldrich化學公司製）加入於3· 4克的丙基2 -胺基乙基二硫化物（pr0pyl 2-aminoethyl disulfide)中進行反應，在室溫下擾拌3天，以令全部的 C60反應完成。之後，加入2 0毫升的曱醇於上述之混合物 中，得到棕色的沉澱物。將此沉澱物進行過濾，再以曱醇 反覆清洗數次，最後施行乾燥步驟乾燥之，即得到〇 · 〇 9 6 克之碳簇衍生物C6Q -S，其結構示意圖係如第2圖所示。 金奈米微粒之自聚集
首先’將四氣合金酸（tetrachloroauric acid， Across化本么司製）及挣橡酸納（trisodium citrate，
Across化學公司製）加入於蒸餾水中並迴流反應，而製備 出一金奈米微粒水溶液。其次，取1毫克前述步驟所得之 碳簇衍生物- S溶於1 〇毫升的氯仿中，而得到一溶解有碳 族竹生物C6Q - S之氯仿溶液。
取1 0毫升上述金奈米微粒水溶液倒入於丨〇毫升的上述 溶解有礙鎮衍生物ce() - S之氣仿溶液中，反應2到7天，即會 於上述兩浴液的界面間形成一由金奈米微粒及碳簇衍生物 Go-S所自聚集而成的薄膜。以穿透式電子顯微鏡（1^以， JOEL 10 OCX II)觀察上述薄膜，得到：金微粒的平均大小 為1 4 · 5 ± 2 · 3 n m，而金微粒間的平均間距則為2 1 + 0· 4nm，其結果係如附件1所示。 單電子電晶體之建構
〇648-7311TWF;13900025;Peterliou.ptd 第14頁 531890 五、發明說明（ίο) 首先，藉由電子束微 (源極、沒極及閘極）。其 述溶解有碳蔟衍生物C6() 一 s 置數分鐘待溶劑（氯仿）蒸 次，並以氮氣將此晶片吹 最後，令此晶片懸浮 (具有線路之面朝下），於 奈米微粒水溶液中取出， 氣氣將此晶片吹乾。即得 衍生物所建構之單電子電 (SEM)觀察上述晶片表面： 為15nm，其結果係如附件 又’參照第3圖所示： 與碳簇奈米微粒衍生物所 圖。在此圖中，本發明的 維陣列的排列方式而橋接 3 0則係用來調整奈米微粒 在上述本發明實施例 建構之單電子電晶體元件 子而擁有優異熱穩定性之 橋接於電極之間，故可減 而能有效地提高元件之熱 的金與碳簇奈米微粒衍生 之尺寸限制，建構出上述 影技術於矽晶片上形成—組電極 次，使用微吸量管沉積1 //1的上 之氣仿溶液於一既定晶片上，靜 發後，再以氯仿清洗此晶片3 乾。 於上述金奈米微粒水溶液的表面 餐過1天的浸潰後’將晶片由金 以蒸館水清洗此晶片3次，並以 到本發明之由金與碳簇奈米微粒 晶體元件。以掃描式電子顯微鏡 ’得到：金電極間的間隙寬度約 —所示（附件二中未圖示閘極）。 ’第3圖係表示上述本發明之由金 建構之單電子電晶體的示意剖面 金與破藤奈米微粒衍生物係以一 於源極10及汲極2〇之間，而閘極 之電位。 之由金與碳簇奈米微粒衍生物所 =丄由於係使用因具有剛硬碳粒 石反誤所構成的奈米微粒衍生物來 低^米微粒陣列之熱漲落變化， 穩疋度。同時，利用上述本發明 物’可突破目前半導體製程技術 兩電極間之間距達到1 5nm的微小
0648-7311TWF;13900025;Peter 1iou.ptd 第15頁 531890 五、發明說明（11) _ 結構尺寸之單電子元件。 另外，第4圖係表示使用上述本發明實施例所製得的 碳簇衍生物C6Q-S而製作出之奈米元件，其中40為電極基 板。在上述本發明實施例中，雖然金與碳簇奈米微粒衍生 物係以一維陣列的排列方式而橋接於源極及汲極之間，然 其並非用以限定本發明，亦可以二維陣列的排列方式或三 維陣列的排列方式而橋接於電極之間，如第4圖所示。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍内，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
0648-7311TWF;13900025;Peterliou.ptd 第 16 頁

Claims (1)

  1. 531890 六、申請專利範圍 1 · 一種由奈米微粒衍生物所建構之單電子元件，包 括： 一第一電極； 一第二電極，係面向於上述第一電極來配置；以及 一奈米微粒衍生物，係以一既定陣列排列方式來排歹>J 而橋接於上述第一電極及第二電極之間，其結構式係如下 式（1 )所示： -A-M-A- (1) 其中， Μ為Au、Ag、Pd或Pt之奈米微粒； A係具有如下式（2 )所示之化學結構式： -X-R-F-R-X- (2) X為N、S或
    R為飽和或非飽和(V12烧基、Cu之飽和或非飽和環烧 基、或取代或非取代之芳香基； mm
    0648-7311TWF;13900025;Pe t e r1i ou.p t d 第17頁 /、、申請專利範圍 15'為C6G、C7G或奈米碳管。 建構2之t申請專利範圍第1項所述之由太乎a 4 '早電子元件，其中上述第Λίν切粒衍生物所 建構之扣I專利乾圍第1項所述之由夺乎《柘 哽構之早電子元件，由不水彳政粒衍生物 4.如申靖真刹代间中上述弟—電極為汲極。 建構之4;::第1項所述之由奈米微粒街生你 列排列Π 件，其中上述既定陣列排列方式為二 建構5之ΐΓΐΐΓΙ第1項所述，由奈米微粒衍生物所 列排列方式。 〃中上述既疋陣列排列方式為二維陣 建構6之ί 第1項所述之由奈米微粒衍生物所 列排列Γ式子…其中上述既定陣列排列方式為二 建樣之如。申印專利園第1項所遂之由奈米敬极衍士 4 述第：電子儿件’其中良包括一第三電極，俾面Θ m 也弟一電極反第二電搔策配1。 係面向於上 建J之如。t請專利範園第7項所述之由奈米微粒衍生物所 建構之=電子元件，其中上述第三電極為閑極。订生物所 件，9包:種由金與碳蔡奈米微粒衍生物所建構之單電子元 一第一電極； 罝；以及 方式來排列 第二電極，係面向於上述第一電極來配 奈米微粒衍生物，係以/既定陣列排列
    0648-7311TWF;13900025;Peterliou.ptd 531890 六、申請專利範圍
    其結構式係如下 而橋接於上述第一電極及第二電極之間 式（3 )所示： —A—M-A- (3) 其中， Μ為A u奈米微粒； A係具有如下式（2 )所示之化學結構式： -X-R-F-H X為N、S或 (2) 〇 || G = 〇H，NH2， c-G ， R為飽和或非飽和Gw烷基、Ci l2之飽和或非飽和環烷 基、或取代或非取代之芳香基； F 為 C6◦或 C70。 衍 衍 1 0 ·如申請專利範圍第9項所述之由金與碳簇奈米微粒 生物所建構之單電子元件，、其中上述第一電極為源極。 1 1 ·如申請專利範圍第9 之由金與碳簇奈米微粒 生物所建構之單雷1 ^ ^ ^ Φ -JrX： ^ |心傅I早電子元件，其中上述弟一電極為汲極。
    0648-7311TWF;13900025;Peterli ou.ptd 苐19貢 531890 六、申請專利範圍 1 2 ·如申請專利範圍第9項所述之由金與碳簇奈米微粒 衍生物所建構之單電子元件，其中上述既定陣列排列方式 為一維陣列排列方式。 1 3 ·如申請專利範圍第9項所述之由金與碳簇奈米微粒 衍生物所建構之單電子元件，其中上述既定陣列排列方式 為二維陣列排列方式。 1 4.如申請專利範圍第9項所述之由金與碳簇奈米微粒 衍生物所建構之單電子元件，其中上述既定陣列排列方式 為三維陣列排列方式。 1 5.如申請專利範圍第9項所述之由金與碳簇奈米微粒 衍生物所建構之單電子元件，其中更包括一第三電極，係 面向於上述第一電極及第二電極來配置。 1 6.如申請專利範圍第1 5項所述之由金與碳簇奈米微 粒衍生物所建構之單電子元件，其中上述第三電極為閘 極° 1 7. —種奈米微粒衍生物，適用於分別具有相異兩電 極的兩基板之間，其具有一既定陣列排列方式而用以橋接 上述兩電極，結構式係如下式（5 )所示： (5) _ -A-M-A- 其中 Μ為Au、Ag、Pd或Pt之奈米微粒； A係具有如下式（2)所示之化學結構式
    0648-7311TWF;13900025;Peterliou.ptd 第20頁 531890 六、申請專利範圍 X-R_F_R~X- X為N、S或 〇 G 二 OH，皿 2 II -C- R為飽和或非飽和(^_12烧基、Ci_12之飽和或非飽和環烧 基、或取代或非取代之芳香基； F為C6()、C7Q或奈米碳管。 1 8.如申請專利範圍第1 7項所述之奈米微粒衍生物， 其中上述既定陣列排列方式為一維陣列排列方式。 1 9.如申請專利範圍第1 7項所述之奈米微粒衍生物， 其中上述既定陣列排列方式為二維陣列排列方式。 2 0.如申請專利範圍第1 7項所述之奈米微粒衍生物， 其中上述既定陣列排列方式為三維陣列排列方式。
    0648-7 311TWF;13900025;Pe t e r1i ou.p t d 第21頁
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