JP2000349275A - 単一電子素子とその製造方法 - Google Patents
単一電子素子とその製造方法Info
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- JP2000349275A JP2000349275A JP11154041A JP15404199A JP2000349275A JP 2000349275 A JP2000349275 A JP 2000349275A JP 11154041 A JP11154041 A JP 11154041A JP 15404199 A JP15404199 A JP 15404199A JP 2000349275 A JP2000349275 A JP 2000349275A
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
- H10D30/40—FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels
- H10D30/402—Single electron transistors; Coulomb blockade transistors
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- Electroluminescent Light Sources (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 動作温度が高く、室温でも動作し均一な特性
を持つ単一電子素子を集積化できる程度に大量に、しか
も簡便に作製し、更にトンネル接合構造の制御も可能な
単一電子素子とその製造方法を提供する。 【解決手段】 絶縁基板表面に形成された金属電極間
に、一端がシラン基、他の端がチオール基を有する有機
分子パターンを形成し、金属微粒子をこの有機分子膜表
面に２次元的に分散良く吸着させる製法であって、金属
微粒子を再配列させる工程に金属微粒子同士を結びつけ
るジチオール分子の構造制御、或いは、温度制御を取り
入れものである。
を持つ単一電子素子を集積化できる程度に大量に、しか
も簡便に作製し、更にトンネル接合構造の制御も可能な
単一電子素子とその製造方法を提供する。 【解決手段】 絶縁基板表面に形成された金属電極間
に、一端がシラン基、他の端がチオール基を有する有機
分子パターンを形成し、金属微粒子をこの有機分子膜表
面に２次元的に分散良く吸着させる製法であって、金属
微粒子を再配列させる工程に金属微粒子同士を結びつけ
るジチオール分子の構造制御、或いは、温度制御を取り
入れものである。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、単一電子素子とそ
の製造方法に係わり、特に、動作温度が高く室温でも動
作し、均一性の高い単一電子素子を集積化できる程度に
大量に、しかも簡便に作製することを可能にした単一電
子素子とその製造方法に関する。
の製造方法に係わり、特に、動作温度が高く室温でも動
作し、均一性の高い単一電子素子を集積化できる程度に
大量に、しかも簡便に作製することを可能にした単一電
子素子とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】単一電子素子は、クーロンブロッケイド
と呼ばれる現象に基づいた素子であり、電子を局在させ
る島と電極の間を隔てるトンネル接合により、電子が１
個単位でトンネルする現象を用いた素子である。この単
一電子素子が室温で動作するためには、電子を局在させ
る島の大きさが２０ｎｍ以下であり、更に、トンネル接
合の距離が数ｎｍ以下となる微小トンネル接合構造が形
成されなければならない。従来の単一電子素子では、電
子線リソグラフィ技術が用いられているが、現段階のレ
ベルでは、２０ｎｍ以下の構造を形成することは非常に
難しく、形成された微小トンネル接合の容量を十分に小
さくすることはできず、室温において単一電子素子の動
作は実現されていない。
と呼ばれる現象に基づいた素子であり、電子を局在させ
る島と電極の間を隔てるトンネル接合により、電子が１
個単位でトンネルする現象を用いた素子である。この単
一電子素子が室温で動作するためには、電子を局在させ
る島の大きさが２０ｎｍ以下であり、更に、トンネル接
合の距離が数ｎｍ以下となる微小トンネル接合構造が形
成されなければならない。従来の単一電子素子では、電
子線リソグラフィ技術が用いられているが、現段階のレ
ベルでは、２０ｎｍ以下の構造を形成することは非常に
難しく、形成された微小トンネル接合の容量を十分に小
さくすることはできず、室温において単一電子素子の動
作は実現されていない。
【０００３】微小なトンネル接合構造の形成で、リソグ
ラフィ技術を用いない単一電子素子の形成方法として、
金属微粒子を用いてトンネル接合構造を形成した例（T.
Sato, H. Ahmed, D. Brown, B. F. G. Johnson: J. Ap
pl. Phys. 82, 696 (1997)）がある。この方法を図３を
用いて説明する。
ラフィ技術を用いない単一電子素子の形成方法として、
金属微粒子を用いてトンネル接合構造を形成した例（T.
Sato, H. Ahmed, D. Brown, B. F. G. Johnson: J. Ap
pl. Phys. 82, 696 (1997)）がある。この方法を図３を
用いて説明する。
【０００４】シリコン酸化膜上にアミノプロピルトリメ
トキシシランの有機分子の自己組織化膜（ＳＡＭ膜: se
lf assembled monolayer膜）を電極間にパターン形成し
た上に、金微粒子処理をして、電極間に金属微粒子を堆
積した後、ジチオール溶液に浸して金微粒子にジチオー
ル被覆し、再度、金微粒子処理をすることにより、金微
粒子の鎖を形成した。
トキシシランの有機分子の自己組織化膜（ＳＡＭ膜: se
lf assembled monolayer膜）を電極間にパターン形成し
た上に、金微粒子処理をして、電極間に金属微粒子を堆
積した後、ジチオール溶液に浸して金微粒子にジチオー
ル被覆し、再度、金微粒子処理をすることにより、金微
粒子の鎖を形成した。
【０００５】また、金微粒子を用いて単一電子素子を作
製する例（特開平７−２２６５２２号公報）では、金属
微粒子が基板表面に均一に並ぶ現象や、１次元的にパタ
ーン形成された凹凸の溝やシリコン酸化膜パターン上に
微粒子が並ぶ現象を用いている。
製する例（特開平７−２２６５２２号公報）では、金属
微粒子が基板表面に均一に並ぶ現象や、１次元的にパタ
ーン形成された凹凸の溝やシリコン酸化膜パターン上に
微粒子が並ぶ現象を用いている。
【０００６】既に述べたように、電子線リソグラフィ技
術を用いる従来の単一電子素子では、現段階のレベルで
は、２０ｎｍ以下の構造を形成することは困難であり、
形成された微小トンネル接合の容量は十分に小さくする
ことはできず、単一電子素子の室温動作は実現されてい
ない。また、シリコン酸化膜上にアミノプロピルトリメ
トキシシランの有機分子のＳＡＭ膜を用いる従来技術で
は、ジチオール処理でも金微粒子がほとんど動かず、複
数回のジチオール処理、及び、２回目の金微粒子堆積と
いう多重処理を行う必要がある。更に、そのため電極近
傍に金微粒子が堆積する偶然性に依存しなければなら
ず、電極間に金微粒子鎖を形成できる確率が非常に低
い。このようにして、均一な特性を持つ単一電子素子を
多量に形成することは非常に困難である。
術を用いる従来の単一電子素子では、現段階のレベルで
は、２０ｎｍ以下の構造を形成することは困難であり、
形成された微小トンネル接合の容量は十分に小さくする
ことはできず、単一電子素子の室温動作は実現されてい
ない。また、シリコン酸化膜上にアミノプロピルトリメ
トキシシランの有機分子のＳＡＭ膜を用いる従来技術で
は、ジチオール処理でも金微粒子がほとんど動かず、複
数回のジチオール処理、及び、２回目の金微粒子堆積と
いう多重処理を行う必要がある。更に、そのため電極近
傍に金微粒子が堆積する偶然性に依存しなければなら
ず、電極間に金微粒子鎖を形成できる確率が非常に低
い。このようにして、均一な特性を持つ単一電子素子を
多量に形成することは非常に困難である。
【０００７】また、金属微粒子が基板表面に均一に並ぶ
現象や、１次元的にパターン形成された凹凸の溝やシリ
コン酸化膜パターン上に微粒子が並ぶ現象を用いた場合
は、基板と金属微粒子の相互作用の制御、広い面積で均
一な金属微粒子の堆積膜の形成などが非常に難しく、多
数の単一電子素子を同時に作製することは困難である。
現象や、１次元的にパターン形成された凹凸の溝やシリ
コン酸化膜パターン上に微粒子が並ぶ現象を用いた場合
は、基板と金属微粒子の相互作用の制御、広い面積で均
一な金属微粒子の堆積膜の形成などが非常に難しく、多
数の単一電子素子を同時に作製することは困難である。
【０００８】また、これらの方法では、金属微粒子は電
極間だけではなくゲート電極や他の領域に付着し、或い
は、金属微粒子同士が堆積してしまうため、素子として
の特性を複雑な物にしており、均一な単一電子素子を多
数作製することは困難である。そして、何よりも致命的
な従来技術の欠点は、微粒子間のトンネル接合構造にお
ける、接合距離を制御できなかったことである。
極間だけではなくゲート電極や他の領域に付着し、或い
は、金属微粒子同士が堆積してしまうため、素子として
の特性を複雑な物にしており、均一な単一電子素子を多
数作製することは困難である。そして、何よりも致命的
な従来技術の欠点は、微粒子間のトンネル接合構造にお
ける、接合距離を制御できなかったことである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した従来技術の欠点を改良し、特に、動作温度が高く、
室温でも動作し均一な特性を持つ単一電子素子を集積化
できる程度に大量に、しかもを簡便に作製し、更にトン
ネル接合構造の制御も可能な新規な単一電子素子とその
製造方法を提供するものである。
した従来技術の欠点を改良し、特に、動作温度が高く、
室温でも動作し均一な特性を持つ単一電子素子を集積化
できる程度に大量に、しかもを簡便に作製し、更にトン
ネル接合構造の制御も可能な新規な単一電子素子とその
製造方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明では、基板上の電
極間に、微粒子を堆積し配列させるための下地膜として
の自己組織化膜（ＳＡＭ膜: self assembled monolayer
膜）の一端は、シラン基、他端はチオール基で構成され
る有機分子膜であり、或いは、自己組織化膜はメルカプ
トブチルトリエトキシシラン（ＭＢＴＳ）で構成され、
或いは、微粒子堆積後に微粒子をジチオールに接触させ
る場合、ジチオール分子長によって、微粒子間のトンネ
ル構造を制御する工程を含み、或いは、ジチオール分子
はデカンジチオールであり、又は、デカンジチオールア
ルコール溶液であり、又、デカンジチオールアルコール
溶液濃度は１乃至７ｍｌ／Ｍであり、微粒子領域とデカ
ンジチオールのアルコール溶液との接触時間は実質２４
時間程度であり、或いは、デカンジチオールに代えてヘ
キサンジチオールを接触させる工程を含み、或いは、電
極間に微粒子堆積後、微粒子とジチオール類を接触させ
る工程で、基板温度を制御し、或いは、基板温度を室温
から８０℃の間の温度に加熱し、或いは、微粒子は金で
ある単一電子素子とその製造方法を提供する。
極間に、微粒子を堆積し配列させるための下地膜として
の自己組織化膜（ＳＡＭ膜: self assembled monolayer
膜）の一端は、シラン基、他端はチオール基で構成され
る有機分子膜であり、或いは、自己組織化膜はメルカプ
トブチルトリエトキシシラン（ＭＢＴＳ）で構成され、
或いは、微粒子堆積後に微粒子をジチオールに接触させ
る場合、ジチオール分子長によって、微粒子間のトンネ
ル構造を制御する工程を含み、或いは、ジチオール分子
はデカンジチオールであり、又は、デカンジチオールア
ルコール溶液であり、又、デカンジチオールアルコール
溶液濃度は１乃至７ｍｌ／Ｍであり、微粒子領域とデカ
ンジチオールのアルコール溶液との接触時間は実質２４
時間程度であり、或いは、デカンジチオールに代えてヘ
キサンジチオールを接触させる工程を含み、或いは、電
極間に微粒子堆積後、微粒子とジチオール類を接触させ
る工程で、基板温度を制御し、或いは、基板温度を室温
から８０℃の間の温度に加熱し、或いは、微粒子は金で
ある単一電子素子とその製造方法を提供する。
【００１１】なお、デカンジチオールアルコール溶液濃
度を１乃至７ｍｌ／Ｍとした理由は、１ｍｌ／Ｍ以下で
は、制御性が不安定になり、又、通常、７ｍｌ／Ｍを超
える濃度では使用しないからである。
度を１乃至７ｍｌ／Ｍとした理由は、１ｍｌ／Ｍ以下で
は、制御性が不安定になり、又、通常、７ｍｌ／Ｍを超
える濃度では使用しないからである。
【００１２】そのため、以下のような理由で、リソグラ
フィ限界に依存しない、均一性の高い単一電子素子を製
造することができる。更に、トンネル接合構造の制御も
可能になる。
フィ限界に依存しない、均一性の高い単一電子素子を製
造することができる。更に、トンネル接合構造の制御も
可能になる。
【００１３】即ち、電子を局在させる島構造は少なくと
も２０ｎｍ以下の均一な構造が必要であり、そのような
形状のものに、金や銀などの金属やＣｄＳｅなどの半導
体の微粒子を用いることができる。それらの微粒子は、
クラスターとも呼ばれ、化学的に合成されたものや、蒸
着法により作製され、粒径は１ｎｍ以上の大きさで非常
に均一なものを多量に得ることができる。
も２０ｎｍ以下の均一な構造が必要であり、そのような
形状のものに、金や銀などの金属やＣｄＳｅなどの半導
体の微粒子を用いることができる。それらの微粒子は、
クラスターとも呼ばれ、化学的に合成されたものや、蒸
着法により作製され、粒径は１ｎｍ以上の大きさで非常
に均一なものを多量に得ることができる。
【００１４】金属微粒子を任意の位置にある基板の電極
間に吸着させるために、基板表面に吸着し、金属微粒子
と非常に結合しやすい薄膜のパターン形成を行う。一般
的に、基板表面は素子を作製するためには絶縁性を有し
ており、多くが酸化膜で覆われている。酸化膜上に吸着
し、かつ微粒子と選択的に結合する薄膜として、有機分
子による自己組織化膜（ＳＡＭ膜：self assembled mon
olayer）を用いることができる。自己組織化膜とは、有
機分子の少なくても一端が、基板表面の原子と両親性の
性質を持つ結合性官能基であり、この部分が表面の特定
部分に吸着し分子を固定し、アルキル鎖等の骨格は、分
子同士の配向をファンデルワールス力により決定し、他
端に機能性官能基を有する分子による自己組織的に形成
された単分子薄膜のことである。絶縁性を有する酸化膜
表面の場合、結合性官能基の一端としては、シラン基
（Ｓｉ）があげられ、他端の金属微粒子と結合する機能
性官能基としては、チオール基（ＳＨ）があげられる。
この有機分子を電極の間にパターン形成する。
間に吸着させるために、基板表面に吸着し、金属微粒子
と非常に結合しやすい薄膜のパターン形成を行う。一般
的に、基板表面は素子を作製するためには絶縁性を有し
ており、多くが酸化膜で覆われている。酸化膜上に吸着
し、かつ微粒子と選択的に結合する薄膜として、有機分
子による自己組織化膜（ＳＡＭ膜：self assembled mon
olayer）を用いることができる。自己組織化膜とは、有
機分子の少なくても一端が、基板表面の原子と両親性の
性質を持つ結合性官能基であり、この部分が表面の特定
部分に吸着し分子を固定し、アルキル鎖等の骨格は、分
子同士の配向をファンデルワールス力により決定し、他
端に機能性官能基を有する分子による自己組織的に形成
された単分子薄膜のことである。絶縁性を有する酸化膜
表面の場合、結合性官能基の一端としては、シラン基
（Ｓｉ）があげられ、他端の金属微粒子と結合する機能
性官能基としては、チオール基（ＳＨ）があげられる。
この有機分子を電極の間にパターン形成する。
【００１５】金属微粒子を電極間に吸着させた後、基板
表面で再配列させ、お互いを結びつけ、かつ、安定で均
一なトンネル障壁を形成するための有機分子として、ア
ルキル鎖の両端にチオール基がついたジチオール有機分
子を用いることができる。チオール基（ＳＨ）は、金属
と結合する性質を持っており、これにより、金属表面は
チオール分子が１層分吸着した自己組織化膜を形成する
ことがよく知られている。金属微粒子を堆積させるため
に用いる有機分子（自己組織化膜）から金属微粒子に働
く力を考慮し、金微粒子を再配列させる有機分子の構造
は、十分な検討が必要であり、アルキル鎖の長さを変え
たり、分子の先端に、チオール基だけでなく、メチル基
或いはアルコール基も付いた有機分子を用いることによ
り、金微粒子を堆積させるために用いた有機分子の金属
微粒子に働く力よりも十分強い力を働かせることがで
き、再配列させる度合いを制御することが可能である。
また、アルキル鎖の長さを変えると分子全体の長さを調
整することができ、再配列時の金属微粒子の間隔を制御
し、トンネル接合の間隔を制御することが可能である。
表面で再配列させ、お互いを結びつけ、かつ、安定で均
一なトンネル障壁を形成するための有機分子として、ア
ルキル鎖の両端にチオール基がついたジチオール有機分
子を用いることができる。チオール基（ＳＨ）は、金属
と結合する性質を持っており、これにより、金属表面は
チオール分子が１層分吸着した自己組織化膜を形成する
ことがよく知られている。金属微粒子を堆積させるため
に用いる有機分子（自己組織化膜）から金属微粒子に働
く力を考慮し、金微粒子を再配列させる有機分子の構造
は、十分な検討が必要であり、アルキル鎖の長さを変え
たり、分子の先端に、チオール基だけでなく、メチル基
或いはアルコール基も付いた有機分子を用いることによ
り、金微粒子を堆積させるために用いた有機分子の金属
微粒子に働く力よりも十分強い力を働かせることがで
き、再配列させる度合いを制御することが可能である。
また、アルキル鎖の長さを変えると分子全体の長さを調
整することができ、再配列時の金属微粒子の間隔を制御
し、トンネル接合の間隔を制御することが可能である。
【００１６】金属微粒子を再配列させるために、結合分
子による処理をする時に、基板温度を室温から８０℃の
間で制御することにより、金属微粒子が、堆積させるた
めに用いる有機分子の自己組織化膜の表面を移動する度
合いを制御することができる。これにより、トンネル接
合の間隔を考えて選んだ結合分子が、金属微粒子を再配
列させる力が弱い時に、基板温度を制御することによ
り、金属微粒子を再配列させ、安定に秩序構造を形成す
ることができる。
子による処理をする時に、基板温度を室温から８０℃の
間で制御することにより、金属微粒子が、堆積させるた
めに用いる有機分子の自己組織化膜の表面を移動する度
合いを制御することができる。これにより、トンネル接
合の間隔を考えて選んだ結合分子が、金属微粒子を再配
列させる力が弱い時に、基板温度を制御することによ
り、金属微粒子を再配列させ、安定に秩序構造を形成す
ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１を参照
して説明する。この図は、絶縁性を有する基板表面にパ
ターン形成された二つの金属電極の間に、金属微粒子の
トンネル接合構造を形成するプロセスである。まず、絶
縁性基板１３上に形成されたリード電極（金属）１２、
１２間に、一端がシラン基、他の端がチオール基を有す
る有機分子１４をパターン形成する。この基板を金属微
粒子１５が浮遊している溶液に浸すと、金属微粒子１５
はこの有機分子膜表面に選択的にある割合でしかも２次
元的に分散良く吸着する。
して説明する。この図は、絶縁性を有する基板表面にパ
ターン形成された二つの金属電極の間に、金属微粒子の
トンネル接合構造を形成するプロセスである。まず、絶
縁性基板１３上に形成されたリード電極（金属）１２、
１２間に、一端がシラン基、他の端がチオール基を有す
る有機分子１４をパターン形成する。この基板を金属微
粒子１５が浮遊している溶液に浸すと、金属微粒子１５
はこの有機分子膜表面に選択的にある割合でしかも２次
元的に分散良く吸着する。
【００１８】次に、有機分子１４が金微粒子に働いてい
る力を考慮して選ばれた、金属微粒子を結びつけ秩序構
造を形成する効果を持つ結合分子１６の処理をすること
により、金属微粒子は再配列しお互いが結合し、かつ結
合分子１６により一定の間隔でへだたれたトンネル結合
を形成し、秩序構造を形成し、微小トンネル接合構造を
形成することができる。
る力を考慮して選ばれた、金属微粒子を結びつけ秩序構
造を形成する効果を持つ結合分子１６の処理をすること
により、金属微粒子は再配列しお互いが結合し、かつ結
合分子１６により一定の間隔でへだたれたトンネル結合
を形成し、秩序構造を形成し、微小トンネル接合構造を
形成することができる。
【００１９】結合分子１６の処理による再配列の効果を
あげるために、結合分子１６の処理時に、溶液全体の温
度や基板の温度を上げることにより、再配列する度合い
を制御し、安定に秩序構造を形成し、微小トンネル接合
構造を形成することができる。
あげるために、結合分子１６の処理時に、溶液全体の温
度や基板の温度を上げることにより、再配列する度合い
を制御し、安定に秩序構造を形成し、微小トンネル接合
構造を形成することができる。
【００２０】
【実施例】以下に、本発明に係わる単一電子素子とその
製造方法の具体例を図面を参照しながら詳細に説明す
る。
製造方法の具体例を図面を参照しながら詳細に説明す
る。
【００２１】（第１の具体例）図１、２は、本発明に係
わる単一電子素子とその製造方法の第１の具体例の構造
を示す図である。
わる単一電子素子とその製造方法の第１の具体例の構造
を示す図である。
【００２２】この具体例では、予め、絶縁性基板１３上
に、金による電極１１、１２が電子ビームリソグラフィ
等のリソグラフィ技術により形成されており、二つのリ
ード電極１２、１２の間隔は数十ｎｍ程度である。本具
体例において、基板１３は、シリコン基板の表面を熱酸
化して得られた絶縁性のシリコン酸化膜を表面に有する
基板を用いる。電極１２、１２の間に微粒子が選択的に
吸着する領域を作製するためＰＭＭＡレジスト等を用い
て、電極１２、１２間だけが露出したレジストによるパ
ターンを形成する。次に、一端がシラン基、反対側がチ
オール基を有する有機分子としてメルカプトブチルトリ
エトキシシラン（Mercapto butyl triethosy silane, M
BTS, HS-C4H8-Si(OC2H5)3）を用い、電極１１、１２を
形成した基板１３をこの有機分子が５ｍｌ／Ｍ入ったト
ルエン溶液に２４時間浸す。
に、金による電極１１、１２が電子ビームリソグラフィ
等のリソグラフィ技術により形成されており、二つのリ
ード電極１２、１２の間隔は数十ｎｍ程度である。本具
体例において、基板１３は、シリコン基板の表面を熱酸
化して得られた絶縁性のシリコン酸化膜を表面に有する
基板を用いる。電極１２、１２の間に微粒子が選択的に
吸着する領域を作製するためＰＭＭＡレジスト等を用い
て、電極１２、１２間だけが露出したレジストによるパ
ターンを形成する。次に、一端がシラン基、反対側がチ
オール基を有する有機分子としてメルカプトブチルトリ
エトキシシラン（Mercapto butyl triethosy silane, M
BTS, HS-C4H8-Si(OC2H5)3）を用い、電極１１、１２を
形成した基板１３をこの有機分子が５ｍｌ／Ｍ入ったト
ルエン溶液に２４時間浸す。
【００２３】図２（ａ）のように、シリコン酸化膜の表
面はＯＨ基等の表面終端基２２により表面終端されてお
り、ＭＢＴＳ有機分子は、シラン基がついているエトキ
シ基が分離し、図２(ｂ)のようにシリコン酸化膜表面の
酸素にシラン基が結合するＳＡＭ膜２４を形成する。金
電極２１表面では、ＭＢＴＳ有機分子は、逆にチオール
基が電極表面に吸着し、エトキシ基が上に並んだ自己組
織化膜が形成される。金微粒子はエトキシ基が並んだ表
面には吸着することができない。
面はＯＨ基等の表面終端基２２により表面終端されてお
り、ＭＢＴＳ有機分子は、シラン基がついているエトキ
シ基が分離し、図２(ｂ)のようにシリコン酸化膜表面の
酸素にシラン基が結合するＳＡＭ膜２４を形成する。金
電極２１表面では、ＭＢＴＳ有機分子は、逆にチオール
基が電極表面に吸着し、エトキシ基が上に並んだ自己組
織化膜が形成される。金微粒子はエトキシ基が並んだ表
面には吸着することができない。
【００２４】図１（ｂ）では、リード電極１２、１２間
に作製された酸化膜上の有機分子のパターンを示した。
この基板１３をテトラヒドロフラン溶液に金微粒子水溶
液を混ぜたものに約８時間浸す。濃度と浸している時間
に依存するが、金微粒子２５は、シリコン酸化膜に形成
されたＳＡＭ膜２４のチオール基に結合し、ある濃度で
２次元的に分散よく吸着する（図１（ｃ）、図２
（ｃ））。このとき、金微粒子はＭＢＴＳのチオール基
に結合し基板表面に吸着するので、金微粒子が重なり合
うような３次元的な堆積は生じない。（もし、金微粒子
の吸着が非常に具合よく行われた場合、この状態で電気
特性を測定すると、金微粒子の大きさと、吸着の分散の
度合いによる金微粒子の間隔がトンネル接合を形成する
距離と等しい場合、室温でクーロンブロッケイド現象を
測定することもできる。ただし、素子と素子のばらつき
が大きく多量の素子で同時にクーロンブロッケイド現象
を測定することは難しい。）
に作製された酸化膜上の有機分子のパターンを示した。
この基板１３をテトラヒドロフラン溶液に金微粒子水溶
液を混ぜたものに約８時間浸す。濃度と浸している時間
に依存するが、金微粒子２５は、シリコン酸化膜に形成
されたＳＡＭ膜２４のチオール基に結合し、ある濃度で
２次元的に分散よく吸着する（図１（ｃ）、図２
（ｃ））。このとき、金微粒子はＭＢＴＳのチオール基
に結合し基板表面に吸着するので、金微粒子が重なり合
うような３次元的な堆積は生じない。（もし、金微粒子
の吸着が非常に具合よく行われた場合、この状態で電気
特性を測定すると、金微粒子の大きさと、吸着の分散の
度合いによる金微粒子の間隔がトンネル接合を形成する
距離と等しい場合、室温でクーロンブロッケイド現象を
測定することもできる。ただし、素子と素子のばらつき
が大きく多量の素子で同時にクーロンブロッケイド現象
を測定することは難しい。）
【００２５】最後に、この金微粒子が吸着した基板を、
ジチオール-アルコール溶液（５ｍｌ／Ｍのデカンジチ
オール）に２４時間浸す。用いたデカンジチオールは、
Ｃが１０個のアルキル鎖の両端にチオール基が付いてい
る有機分子で、分子の長さは、１．５ｎｍ程度であり、
ＳＡＭ膜２４が金微粒子に及ぼす力よりも大きな力を金
微粒子同士に働かせることができ、金微粒子を再配列さ
せることができる。これにより、図１（ｄ）、図２
（ｄ）のように、ＭＢＴＳ上にある濃度で分散よく吸着
した金微粒子は、ジチオール２６（結合分子１６）によ
り再配列し、お互いが結合し秩序構造を形成することが
できる。ジチオール２６は金電極表面にも吸着し、金電
極近傍の金微粒子は金電極と結合し、最終的には、ジチ
オール２６により二つの金電極の間が金微粒子で結合し
た構造を形成することができた。この方法で得られた単
一電子素子は、金微粒子の大きさが均一であり、また、
トンネル接合が均一な値を有し、室温においてクーロン
ブロッケイド現象を観察した。この作製方法により大き
なウェハ上に、難しいリソグラフィ技術を用いずに、多
数の素子を形成することができた。
ジチオール-アルコール溶液（５ｍｌ／Ｍのデカンジチ
オール）に２４時間浸す。用いたデカンジチオールは、
Ｃが１０個のアルキル鎖の両端にチオール基が付いてい
る有機分子で、分子の長さは、１．５ｎｍ程度であり、
ＳＡＭ膜２４が金微粒子に及ぼす力よりも大きな力を金
微粒子同士に働かせることができ、金微粒子を再配列さ
せることができる。これにより、図１（ｄ）、図２
（ｄ）のように、ＭＢＴＳ上にある濃度で分散よく吸着
した金微粒子は、ジチオール２６（結合分子１６）によ
り再配列し、お互いが結合し秩序構造を形成することが
できる。ジチオール２６は金電極表面にも吸着し、金電
極近傍の金微粒子は金電極と結合し、最終的には、ジチ
オール２６により二つの金電極の間が金微粒子で結合し
た構造を形成することができた。この方法で得られた単
一電子素子は、金微粒子の大きさが均一であり、また、
トンネル接合が均一な値を有し、室温においてクーロン
ブロッケイド現象を観察した。この作製方法により大き
なウェハ上に、難しいリソグラフィ技術を用いずに、多
数の素子を形成することができた。
【００２６】（第２の具体例）第２の具体例は、結合分
子１６の処理をする時に、基板温度を制御するようにし
たものである。以下に、第２の具体例について説明す
る。
子１６の処理をする時に、基板温度を制御するようにし
たものである。以下に、第２の具体例について説明す
る。
【００２７】トンネル接合の距離を小さくするために、
結合分子の長さが短いヘキサンジチオールを用いる。ヘ
キサンジチオールは、Ｃが６個のアルキル鎖の両端にチ
オール基が付いている有機分子で、分子の長さは０．６
ｎｍ程度である。室温における、このジチオール処理で
は、金微粒子２５とＳＡＭ膜２４に働く力よりも弱い力
が働き、金微粒子を再配列させることができない。この
ため基板温度を７０℃に加熱することにより、金微粒子
２５はＳＡＭ膜２４の表面を動き、金微粒子を再配列さ
せることができる。これにより、図１（ｄ）、図２
（ｄ）のように、ＭＢＴＳ上にある濃度で分散よく吸着
した金微粒子は、ジチオール２６（結合分子１６）によ
り再配列し、お互いが結合し、秩序構造を形成すること
ができる。
結合分子の長さが短いヘキサンジチオールを用いる。ヘ
キサンジチオールは、Ｃが６個のアルキル鎖の両端にチ
オール基が付いている有機分子で、分子の長さは０．６
ｎｍ程度である。室温における、このジチオール処理で
は、金微粒子２５とＳＡＭ膜２４に働く力よりも弱い力
が働き、金微粒子を再配列させることができない。この
ため基板温度を７０℃に加熱することにより、金微粒子
２５はＳＡＭ膜２４の表面を動き、金微粒子を再配列さ
せることができる。これにより、図１（ｄ）、図２
（ｄ）のように、ＭＢＴＳ上にある濃度で分散よく吸着
した金微粒子は、ジチオール２６（結合分子１６）によ
り再配列し、お互いが結合し、秩序構造を形成すること
ができる。
【００２８】ジチオール２６は、金電極表面にも吸着
し、金電極近傍の金微粒子は金電極と結合し、最終的に
は、ジチオール２６により二つの金電極の間が金微粒子
で結合した構造を形成することができた。この方法で得
られた単一電子素子は、金微粒子の大きさが均一であ
り、また、トンネル接合が均一な値を有し、室温におい
てクーロンブロッケイド現象を観察した。この作製方法
により大きなウェハ上に、難しいリソグラフィ技術を用
いずに、多数の素子を形成することができた。
し、金電極近傍の金微粒子は金電極と結合し、最終的に
は、ジチオール２６により二つの金電極の間が金微粒子
で結合した構造を形成することができた。この方法で得
られた単一電子素子は、金微粒子の大きさが均一であ
り、また、トンネル接合が均一な値を有し、室温におい
てクーロンブロッケイド現象を観察した。この作製方法
により大きなウェハ上に、難しいリソグラフィ技術を用
いずに、多数の素子を形成することができた。
【００２９】
【発明の効果】本発明は、上述のように構成したので、
動作温度が高く、室温でも動作し均一な特性を持つ単一
電子素子を集積化できる程度に大量に、しかも簡便に作
製し、更にトンネル接合構造の制御も可能な単一電子素
子とその製造方法を提供することができる。
動作温度が高く、室温でも動作し均一な特性を持つ単一
電子素子を集積化できる程度に大量に、しかも簡便に作
製し、更にトンネル接合構造の制御も可能な単一電子素
子とその製造方法を提供することができる。
【図１】本発明による微小トンネル接合構造を作製する
ための模式図である。
ための模式図である。
【図２】本発明による微小トンネル接合構造を作製する
時の分子の吸着を示す図である。
時の分子の吸着を示す図である。
【図３】従来の微小トンネル接合構造を作製するための
模式図である。
模式図である。
１１、３１ ゲート電極 １２、３２ リード電極 １３、３３ 絶縁性基板 １４、３４ 有機分子 １５、３５ 微粒子 １６、３６ 結合分子 ２１ 金電極 ２２ 表面終端基 ２３ シリコン酸化膜 ２４ ＳＡＭ膜 ２５ 金微粒子 ２６ ジチオール ３７ 2回目の微粒子
Claims (14)
- 【請求項１】 微小トンネル接合を形成した単一電子素
子であって、 基板上の電極間に、微粒子を堆積し配列させるための自
己組織化膜を形成すると共に、前記自己組織化膜の一端
はシラン基、他端はチオール基であることを特徴とする
単一電子素子。 - 【請求項２】 前記自己組織化膜は、メルカプトブチル
トリエトキシシラン（ＭＢＴＳ）であることを特徴とす
る請求項１記載の単一電子素子。 - 【請求項３】 前記自己組織化膜上には、チオール分子
が吸着した層が形成されていることを特徴とする請求項
１又は２記載の単一電子素子。 - 【請求項４】 微小トンネル接合を形成した単一電子素
子の製造方法であって、 基板上の電極間に、微粒子を堆積し配列させるための下
地膜として自己組織化膜を形成する工程を含み、前記自
己組織化膜の一端はシラン基、他端はチオール基である
ことを特徴とする単一電子素子の製造方法。 - 【請求項５】 前記自己組織化膜は、メルカプトブチル
トリエトキシシラン（ＭＢＴＳ）であることを特徴とす
る請求項４記載の単一電子素子の製造方法。 - 【請求項６】前記自己組織化膜に前記微粒子を吸着させ
て堆積させた後、微粒子をジチオールに接触させ、ジチ
オール分子長によって、微粒子間のトンネル構造を制御
する工程を含むことを特徴とする請求項４又は５記載の
単一電子素子の製造方法。 - 【請求項７】 前記ジチオール分子は、デカンジチオー
ルであることを特徴とする請求項６記載の単一電子素子
の製造方法。 - 【請求項８】 前記デカンジチオールは、デカンジチオ
ールアルコール溶液であることを特徴とする請求項７記
載の単一電子素子の製造方法。 - 【請求項９】 前記デカンジチオールアルコール溶液濃
度は、１乃至７ｍｌ／Ｍであることを特徴とする請求項
８記載の単一電子素子の製造方法。 - 【請求項１０】 前記微粒子とデカンジチオールアルコ
ール溶液との接触時間は略２４時間程度であることを特
徴とする請求項８又は９記載の単一電子素子の製造方
法。 - 【請求項１１】 前記デカンジチオールに代えてヘキサ
ンジチオールを接触せしめることを特徴とする請求項７
乃至１０の何れかに記載の単一電子素子の製造方法。 - 【請求項１２】 前記電極間に微粒子堆積後、微粒子と
ジチオール類を接触させる工程で、基板温度を制御する
ことを特徴とする請求項６乃至１１の何れかに記載の単
一電子素子の製造方法。 - 【請求項１３】 前記基板温度を室温から８０℃の間の
温度に加熱することを特徴とする請求項１２記載の単一
電子素子の製造方法。 - 【請求項１４】 前記微粒子は金であることを特徴とす
る請求項４乃至１３の何れかに記載の単一電子素子の製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11154041A JP2000349275A (ja) | 1999-06-01 | 1999-06-01 | 単一電子素子とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11154041A JP2000349275A (ja) | 1999-06-01 | 1999-06-01 | 単一電子素子とその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000349275A true JP2000349275A (ja) | 2000-12-15 |
Family
ID=15575637
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11154041A Pending JP2000349275A (ja) | 1999-06-01 | 1999-06-01 | 単一電子素子とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000349275A (ja) |
Cited By (16)
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-
1999
- 1999-06-01 JP JP11154041A patent/JP2000349275A/ja active Pending
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