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JP2003522419A - Silicon nanoparticle field effect transistor and transistor memory device - Google Patents

Silicon nanoparticle field effect transistor and transistor memory device

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Publication number
JP2003522419A
JP2003522419A JP2001557090A JP2001557090A JP2003522419A JP 2003522419 A JP2003522419 A JP 2003522419A JP 2001557090 A JP2001557090 A JP 2001557090A JP 2001557090 A JP2001557090 A JP 2001557090A JP 2003522419 A JP2003522419 A JP 2003522419A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
transistor
silicon
silicon nanoparticles
gate
particles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2001557090A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
エイチ ネイフィー,ムニア
ザリーン,ジョエル
ベロモイン,ジェナディ
Original Assignee
ザ、ボード、オブ、トラスティーズ、オブ、ザ、ユニバシティー、オブ、イリノイ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US09/496,506 external-priority patent/US6984842B1/en
Application filed by ザ、ボード、オブ、トラスティーズ、オブ、ザ、ユニバシティー、オブ、イリノイ filed Critical ザ、ボード、オブ、トラスティーズ、オブ、ザ、ユニバシティー、オブ、イリノイ
Publication of JP2003522419A publication Critical patent/JP2003522419A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • H10D30/68Floating-gate IGFETs
    • H10D30/6891Floating-gate IGFETs characterised by the shapes, relative sizes or dispositions of the floating gate electrode
    • H10D30/6893Floating-gate IGFETs characterised by the shapes, relative sizes or dispositions of the floating gate electrode wherein the floating gate has multiple non-connected parts, e.g. multi-particle floating gate
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • HELECTRICITY
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Abstract

(57)【要約】 シリコンナノ粒子(18)トランジスタ(30、32、34)およびトランジスタメモリーデバイスである。本発明によるトランジスタは、電界効果トランジスタ(30、32、34)のゲート領域(34)内に1nm程度の大きさのシリコンナノ粒子(18)を有する。結果として得られるトランジスタは、単一電子の流れがトランジスタの動作を制御するトランジスタである。室温動作が、照射の助けによる新しいトランジスタ構造によって可能であり、その照射は、量子構造内で電子が流れるのに必要な正孔を生成するために、シリコンナノ粒子に向けて照射される。また、本発明によるトランジスタは、メモリーデバイスの基礎をなす。そのデバイスは、磁気効果の代わりに、電荷を蓄積するフラッシュメモリーデバイスである。 (57) Abstract: Silicon nanoparticles (18) Transistors (30, 32, 34) and transistor memory devices. The transistor according to the present invention has silicon nanoparticles (18) having a size of about 1 nm in the gate region (34) of the field effect transistor (30, 32, 34). The resulting transistor is a transistor in which a single electron flow controls the operation of the transistor. Room temperature operation is possible with a new transistor structure with the aid of irradiation, which is directed towards silicon nanoparticles to create the holes required for electrons to flow within the quantum structure. Also, the transistor according to the invention forms the basis of a memory device. The device is a flash memory device that stores charge instead of a magnetic effect.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】 (発明の技術分野) 本発明は、トランジスタに関する。より詳細には、本発明は、単一電子技術に
よるトランジスタに関し、それは、電子を1つずつ輸送することによって、デバ
イスの動作を制御するトランジスタである。
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a transistor. More particularly, the present invention relates to single-electron technology transistors, which are transistors that control the operation of the device by transporting electrons one at a time.

【0002】 (従来の技術) トランジスタは、電子デバイスの基本構成要素である。トランジスタの能力は
、主として、それのスイッチング速度およびそれの消費電力によって決まる。よ
り速いスイッチングトランジスタは、性能を改善する。より小さい消費電力を有
するトランジスタは、エネルギーを節約し、発熱を抑制する。後者の効果は、内
蔵型電源に頼るデバイスにおいてはとくに重要である。
BACKGROUND OF THE INVENTION Transistors are the basic building blocks of electronic devices. The ability of a transistor depends mainly on its switching speed and its power consumption. Faster switching transistors improve performance. Transistors with lower power consumption save energy and suppress heat generation. The latter effect is especially important in devices that rely on built-in power supplies.

【0003】 トランジスタをスイッチングさせるのに必要な電力は、デバイスを動作させる
のに必要な電流量の関数である。電流量を減少させるために、多くの研究がなさ
れてきた。最終的な目標は、単一電子によって動作するデバイスを実現すること
である。単一電子エレクトロニクス(単一電子技術)においては、デバイスの動
作は、1ビットの情報につき1つのキャリアという概念に基づくものである。す
なわち、それは、小さな下位構造、より具体的には、トランジスタに流れる電子
を1個単位で操作することに基づいている。
The power required to switch a transistor is a function of the amount of current required to operate the device. Much work has been done to reduce the amount of current. The ultimate goal is to realize a device that operates with a single electron. In single electronic electronics, the operation of the device is based on the concept of one carrier per bit of information. That is, it is based on manipulating the electrons flowing into a small substructure, more specifically, a transistor, into a transistor.

【0004】 まず、米国の研究者が、最先端の半導体チップを製造するのに使用される技術
を用いて、単一電子に基づいたトランジスタを15年ほど前に製造した。また、
彼らは、薄い層の絶縁体によって半導体基板を被覆し、その上に、インジウムの
微小な粒を噴霧した単一電子デバイスを製造した。そして、彼らは、それの上方
に、走査型トンネル顕微鏡の先端を配置した。先端および基板に印加される電圧
を調節することによって、彼らは、単一電子がその粒に出入りするのを制御した
。そのようなデバイスを室温で動作させるための厄介な問題は、熱ゆらぎの問題
である。
First, researchers in the United States manufactured transistors based on single electrons about 15 years ago, using the techniques used to manufacture state-of-the-art semiconductor chips. Also,
They fabricated a single electronic device by coating a semiconductor substrate with a thin layer of insulation, on which fine particles of indium were sprayed. And they placed the tip of the scanning tunneling microscope above it. By adjusting the voltage applied to the tip and substrate, they controlled the entry and exit of single electrons into the grain. A troublesome problem for operating such devices at room temperature is the problem of thermal fluctuations.

【0005】 これまでは、輸送特性に関するかなり長い距離の量子効果は、主として、液体
ヘリウム/液体窒素に近い温度で観測されてきた。したがって、単一電子デバイ
スを実際に開発する際の重要なステップは、より高い温度、例えば、室温での動
作を可能にすることである。そのために、電子の流れによってデバイスの動作を
制御する改善されたデバイスが必要とされている。本発明の目的は、シリコンナ
ノ粒子電界効果トランジスタとして、そのような改善されたデバイスを提供する
ことである。
To date, fairly long-range quantum effects on transport properties have been observed primarily at temperatures close to liquid helium / liquid nitrogen. Therefore, an important step in the actual development of single electronic devices is to allow operation at higher temperatures, eg room temperature. Therefore, there is a need for improved devices that control the operation of the device by the flow of electrons. It is an object of the present invention to provide such an improved device as a silicon nanoparticle field effect transistor.

【0006】 (課題を解決するための手段) 本発明は、シリコンナノ粒子(直径が約1nm)を含むトランジスタに関する
。好ましい実施形態においては、シリコンナノ粒子は、トランジスタのゲート領
域を占有する。結果として得られるトランジスタは、単一電子の流れがトランジ
スタの動作を制御するトランジスタである。室温動作が、照射の助けによる新し
いトランジスタ構造によって可能であり、その照射は、量子構造内で電子が流れ
るのに必要な正孔を生成するために、シリコンナノ粒子に向けて照射される。 また、本発明によるトランジスタは、メモリーデバイスの基礎をなす。そのデ
バイスは、磁気効果の代わりに、電荷を蓄積するフラッシュメモリーデバイスで
ある。 本発明のその他の特徴、目的、および、利点が、詳細な説明および図面を参照
することによって明らかとなる。
(Means for Solving the Problem) The present invention relates to a transistor including silicon nanoparticles (having a diameter of about 1 nm). In a preferred embodiment, the silicon nanoparticles occupy the gate region of the transistor. The resulting transistor is a transistor in which a single electron flow controls the operation of the transistor. Room temperature operation is possible with a new transistor structure with the aid of irradiation, which is directed towards the silicon nanoparticles in order to generate the holes needed for the electrons to flow in the quantum structure. Also, the transistor according to the invention forms the basis of a memory device. The device is a flash memory device that stores charge instead of the magnetic effect. Other features, objects, and advantages of the invention will be apparent with reference to the detailed description and drawings.

【0007】 (発明の実施の形態) 本発明は、いくつかの基本単位シリコンナノ粒子に基づいた単一電子トランジ
スタデバイスに関する。シリコンナノ粒子は、電子を捕獲する一組の離散的な準
位を提供し、それらの準位は、熱ゆらぎエネルギーよりもはるかに大きいエネル
ギー間隔を有する。 直径が約1nmのシリコンナノ粒子は、量子力学的な波のような電子の性質か
ら得られる一組の離散的な状態を有し、単一電荷キャリアを捕獲/放出すること
ができ、1eV程度のエネルギー間隔を備え、かつ、間隔が0.24eVの一組
の離散的な帯電ポテンシャルエネルギーを有する。我々は、室温において、粒子
を介した単一電子輸送を実証した。走査型トンネル顕微鏡を用いて得られたI−
Vスペクトルは、約0.26eVの間隔で単一電子帯電効果を示す。さらに、光
を照射し、かつ、帯電共鳴を加えると、ほぼ完全な解像度の単一電子コンダクタ
ンス共鳴が、量子ドット(ナノ粒子)のエネルギー準位の間隔に一致する間隔で
観測された。これを発展させた形態は、照射の助けによって室温で動作する単一
電子トランジスタを可能にする。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a single electron transistor device based on several basic units of silicon nanoparticles. Silicon nanoparticles provide a set of discrete levels that capture electrons, which levels have energy spacings that are much larger than the thermal fluctuation energy. Silicon nanoparticles with a diameter of about 1 nm have a set of discrete states obtained from quantum mechanical wave-like electronic properties, and can capture / emit single charge carriers and have a size of about 1 eV. Energy spacing of 0.24 eV and has a set of discrete charging potential energies of 0.24 eV. We have demonstrated single electron transport through particles at room temperature. I-obtained using a scanning tunneling microscope
The V spectrum shows a single electron charging effect at intervals of about 0.26 eV. Furthermore, when light was irradiated and charge resonance was applied, almost complete single-electron conductance resonances were observed at intervals corresponding to the energy level intervals of quantum dots (nanoparticles). This evolved form allows a single electron transistor operating at room temperature with the aid of irradiation.

【0008】 シリコンナノ粒子における量子力学的な波のような電子の性質から得られる一
組の離散的な状態は、単一の電荷キャリアの捕獲/放出を可能にする。エネルギ
ーは、基本単位E=h/3mdの倍数であり、ここで、mは、電子の質量で
あり、hは、プランク定数であり、dは、粒子の直径である。本発明による粒子
の場合、dは、約1nmであり、1eVのエネルギー間隔を提供し、室温熱エネ
ルギーゆらぎ(0.025eV)よりも50倍だけ大きい。太陽の表面温度の2
倍以上である12,000°Cに近い温度における熱ゆらぎしか、粒子内の単一
電子プロセスを邪魔することができない。したがって、本発明による粒子を利用
したトランジスタデバイスは、室温において、あるいは、実験室または実際の現
場条件下で直面するその他のいかなる温度においても、容易に単一電子プロセス
を維持することができる。そのようなトランジスタデバイスは、まさしく、高温
単一電子デバイスである。
A set of discrete states resulting from quantum-mechanical wave-like electronic properties in silicon nanoparticles allows the capture / emission of single charge carriers. Energy is a multiple of the basic unit E = h 2 / 3md 2 , where m is the mass of the electron, h is the Planck's constant and d is the diameter of the particle. For particles according to the present invention, d is about 1 nm, providing an energy spacing of 1 eV, which is 50 times greater than room temperature thermal energy fluctuations (0.025 eV). 2 of the surface temperature of the sun
Only thermal fluctuations at temperatures close to 12,000 ° C, which is more than double, can interfere with single-electron processes within the particles. Thus, a particle-based transistor device according to the present invention can easily sustain a single-electron process at room temperature, or at any other temperature encountered under laboratory or practical field conditions. Such a transistor device is exactly a high temperature single electron device.

【0009】 エネルギー状態の間隔は、粒子の直径に敏感に影響される(2次従属)。直径
が6nmの粒子の場合、間隔は、0.027eVまで低下する。この寸法の場合
、室温における熱ゆらぎは、単一電子プロセスのエネルギーに等しい。したがっ
て、室温における高品質の動作を保証するためには、6nmよりもかなり小さい
寸法を使用しなければならない。6nmの場合でも、かなり高い解像度の単一電
子プロセスが現れるためには、デバイスは、液体窒素の温度にまで冷却されなけ
ればならない。したがって、本発明によるトランジスタデバイスは、約1nmの
直径を有するシリコンナノ粒子を使用することが好ましい。
The spacing of energy states is sensitive to the diameter of the particles (secondary dependence). For particles with a diameter of 6 nm, the spacing drops to 0.027 eV. For this size, the thermal fluctuation at room temperature is equal to the energy of the single electron process. Therefore, dimensions of much less than 6 nm must be used to ensure high quality operation at room temperature. Even at 6 nm, the device must be cooled to the temperature of liquid nitrogen in order for a fairly high resolution single electron process to appear. Therefore, the transistor device according to the present invention preferably uses silicon nanoparticles having a diameter of about 1 nm.

【0010】 量子力学によって提供されるエネルギー離散に加えて、帯電ポテンシャルエネ
ルギーによるエネルギー離散が存在する。十分に小さい粒子の場合、電気容量C
は、きわめて小さく、そのために、単一電子が、捕獲中に存在することは、熱ゆ
らぎに対応するエネルギーよりも大きい量まで電気ポテンシャルe/Cを増大
させる。この場合に、電気ポテンシャルエネルギーの離散的な値によって、単一
電子プロセスが、現れるかもしれない。単一電子による単位e/Cは、クーロ
ンブロッケードと呼ばれる。
In addition to the energy dispersal provided by quantum mechanics, there is energy dispersal due to charging potential energy. Capacitance C for sufficiently small particles
Is very small, so that the presence of a single electron in the trap increases the electrical potential e 2 / C to an amount greater than the energy corresponding to thermal fluctuations. In this case, the discrete values of electrical potential energy may cause single electron processes to emerge. The unit e 2 / C due to a single electron is called a Coulomb blockade.

【0011】 したがって、単一電子デバイスの概念においては、3つのエネルギー、すなわ
ち、量子エネルギーと、帯電エネルギーと、熱ゆらぎエネルギーとの間に、相互
作用が存在する。それは、基本的には、寸法と温度との間の相互作用である。球
形粒子の容量C=2πεdは、粒子の直径dに比例し(帯電エネルギーは、直径
に反比例する)、それに対して、量子エネルギーは、直径の2乗に反比例する。
したがって、電荷の離散によるポテンシャルエネルギーは、より大きな寸法の場
合には、より重要である。中程度の寸法においては、2つは、同じ程度のものと
なる。しかしながら、本発明によるトランジスタで使用されるシリコンナノ粒子
の場合には、量子エネルギーが、優位を占める。単一電子デバイスは、これらの
2つの離散的なシステムの少なくとも一方が熱ゆらぎのエネルギーよりも優位を
占めれば、所定の温度において動作可能になる。本発明によるトランジスタの場
合、固有帯電単位は、0.24eVであり、量子エネルギー(1eV)よりも小
さい。しかし、これらのいずれもが、室温における熱ゆらぎエネルギー(0.0
25eV)よりもはるかに大きい。離散は、すなわち、単一電子プロセスは、1
2,000°C程度の高い温度においても維持される。
Thus, in the single electron device concept, there is an interaction between the three energies: quantum energy, charging energy, and thermal fluctuation energy. It is basically an interaction between size and temperature. The capacity C = 2πεd of a spherical particle is proportional to the diameter d of the particle (the charging energy is inversely proportional to the diameter), whereas the quantum energy is inversely proportional to the square of the diameter.
Therefore, the potential energy due to the discreteness of charge is more important for larger dimensions. At medium size, the two are comparable. However, in the case of silicon nanoparticles used in transistors according to the invention, quantum energy dominates. Single-electron devices can be operated at a given temperature if at least one of these two discrete systems dominates the energy of thermal fluctuations. For the transistor according to the invention, the intrinsic charging unit is 0.24 eV, which is smaller than the quantum energy (1 eV). However, each of these has a thermal fluctuation energy (0.0
Much larger than 25 eV). Discrete, that is, single-electron process is 1
It is maintained even at a high temperature of about 2,000 ° C.

【0012】 本発明によるトランジスタの動作は、助けを必要とする。直径が約1nmのシ
リコンナノ粒子は、本質的に、非伝導性である。なぜなら、すべての電子エネル
ギー準位が、移動しない電子で満たされているからである。一般的なドーピング
濃度である1015/cmのホウ素原子は、1粒子あたりほんの10−6個の
電子空孔しか配分しない(本質的に1個もない)。濃度が1017/cmの高
濃度ドーピングですら不十分である。しかしながら、非伝導性の欠如は、単一電
子帯電効果に基づく高温デバイスの動作を妨げることはない。さらには、本発明
は、量子エネルギー準位によって電子を捕獲するための空孔を生成する手段を提
供し、エネルギーの離散および単一電子帯電の両方によって、高温における単一
電子エレクトロニクスによる動作を実現する。シリコンナノ粒子に光を照射する
ことによって、単一電子動作のために必要な空孔が生成される。そのような動作
は、実験によって実証されている。
The operation of the transistor according to the invention needs help. Silicon nanoparticles with a diameter of about 1 nm are essentially non-conductive. Because all electron energy levels are filled with non-moving electrons. A typical doping concentration of 10 15 / cm 3 boron atoms distributes only 10 −6 electron vacancies per particle (essentially none). Even high-concentration doping with a concentration of 10 17 / cm 3 is insufficient. However, the lack of non-conductivity does not interfere with the operation of high temperature devices based on the single electron charging effect. Furthermore, the present invention provides a means to create vacancies for trapping electrons by quantum energy levels, both single-electron charging at discrete temperatures and single-electron electronic operation at high temperatures. To do. Irradiating the silicon nanoparticles with light creates the holes necessary for single electron operation. Such behavior has been demonstrated by experiments.

【0013】 図1に示されるような実験のためのデバイスが、本発明の原理を検査するため
に使用された。図1の実験用デバイスは、走査型トンネル顕微鏡10を用いて、
FETトランジスタの動作をモデル化したものである。図1は、実験のための構
成を示し、走査型トンネル顕微鏡10の先端12は、一定の高さで、基板16上
のシリコンナノ粒子膜材料14の上方に配置される。膜14に含まれるシリコン
ナノ粒子18は、図1における粒子18によって、誇張した大きさで表現されて
いる。この2端子構成において、先端12は、ソースとして動作し、基板16は
、ドレインとして動作する。我々は、膜14のI−Vスペクトルを記録すること
によって、粒子のコンダクタンスを探針で測定した。
An experimental device as shown in FIG. 1 was used to test the principles of the invention. The experimental device of FIG. 1 uses a scanning tunneling microscope 10 to
This is a model of the operation of the FET transistor. FIG. 1 shows the setup for the experiment, in which the tip 12 of the scanning tunneling microscope 10 is arranged at a constant height above the silicon nanoparticle film material 14 on the substrate 16. The silicon nanoparticles 18 contained in the film 14 are represented in an exaggerated size by the particles 18 in FIG. In this two terminal configuration, the tip 12 acts as the source and the substrate 16 acts as the drain. We probed the conductance of the particles by recording the IV spectrum of membrane 14.

【0014】 図1の構成は、二重障壁モデルによって表現することができる。粒子18は、
粒子と先端12との間の間隙による真空障壁および粒子18と基板16との間の
間隙による障壁を備えた量子井戸を表現する。実験による測定においては、トン
ネル電流は、1nAに設定され、バイアス電圧は、定電流モードにおいて3Vに
設定され、先端の高さは、数オングストロームにされた。そして、フィードバッ
クループが、切り離され、I−Vスペクトルの測定中に、先端12を一定の高さ
にするモードに保持された。(接地された)基板16に対して、先端の電圧を−
6から+3Vまで変化させて、トンネル電流を記録した。
The configuration of FIG. 1 can be represented by a double barrier model. Particle 18 is
A quantum well with a vacuum barrier due to the gap between the particles and the tip 12 and a barrier due to the gap between the particles 18 and the substrate 16 is represented. In experimental measurements, the tunnel current was set to 1 nA, the bias voltage was set to 3 V in constant current mode, and the tip height was set to several angstroms. The feedback loop was then disconnected and held in a mode where tip 12 was at a constant height during the IV spectrum measurement. For the substrate 16 (grounded), the voltage at the tip is
The tunnel current was recorded varying from 6 to + 3V.

【0015】 測定結果が、図2から図5に示される。図2は、I−V応答であり、光刺激の
ない状態で、(接地された)基板に対して、先端の電圧を−6から+3eVの範
囲で変化させながら、トンネル電流を記録した。帯電による階段が、認められる
が、はっきりとした解像度ではない。図2は、16の個々のスペクトルの平均値
を示す。より多い数の平均値は、先端を一定の高さに維持するのが難しいことに
よるドリフトを有する傾向があり、それは、この構造をぼやけさせることがある
。図2に示されるI−V曲線の導関数である図3は、基板を基準にした正および
負いずれの先端バイアスに対しても、一連の共鳴を0.26eVの間隔ではっき
りと示している。
The measurement results are shown in FIGS. 2 to 5. FIG. 2 is an IV response, in the absence of photostimulation, the tunneling current was recorded for a (grounded) substrate while varying the tip voltage in the range of −6 to +3 eV. Stairs due to electrification are visible, but not clearly resolved. FIG. 2 shows the average value of 16 individual spectra. Higher average numbers tend to have drift due to the difficulty of maintaining the tip at a constant height, which can blur this structure. FIG. 3, which is the derivative of the IV curve shown in FIG. 2, clearly shows a series of resonances at 0.26 eV intervals for both positive and negative tip bias with respect to the substrate. .

【0016】 超微小シリコンナノ粒子の場合、箱の中にある粒子の一般的な理論に基づいた
エネルギー準位の間隔は、E=h/3mdであり、これは、d=1.1nm
であり、かつ、m=電子の質量である場合、Δ=1.03eVのエネルギー間隔
を与える。また、粒子の容量は、C=2πεdであり、ここで、εは、シリコン
の誘電率であり、それは、d=1nmであり、かつ、ε=12εである場合、
6.7×10−19Fの容量を与える。電荷eの単一電子による固有帯電は、δ
=e/C=0.24eVである。理論によれば、温度が、kT<<δ,Δの程度
であれば、この実験の場合と同様に、電荷の離散(帯電効果)およびエネルギー
スペクトルの離散(準位間隔)による作用が、室温またはそれよりも高い温度に
おいて、共存すべきである。Δ≧δであるので、Δ系列が、より小さな周期δに
よる変調として現れるべきである。しかしながら、我々は、Δにおいて、または
、Δの近傍において、いかなる変調をも観察しておらず、そして、階段の測定間
隔である0.26eVは、固有単一電子帯電と一致することがわかり、そのため
に、我々は、観測された共鳴構造を帯電によるものと考えている。したがって、
単一電子デバイスは、帯電効果に基づいて動作する。
In the case of ultra-fine silicon nanoparticles, the energy level spacing based on the general theory of particles in a box is E = h 2 / 3md 2 , which is d = 1. 1 nm
And m = electron mass gives an energy interval of Δ = 1.03 eV. Also, the capacity of the particle is C = 2πεd, where ε is the dielectric constant of silicon, which is d = 1 nm and ε = 12ε 0 ,
This gives a capacity of 6.7 × 10 −19 F. The intrinsic charge due to a single electron of charge e is δ
= A e 2 /C=0.24eV. According to theory, as long as the temperature is in the order of kT << δ, Δ, as in the case of this experiment, the action due to the discrete charge (charging effect) and the discrete energy spectrum (level interval) is the Or it should coexist at a higher temperature. Since Δ ≧ δ, the Δ sequence should appear as a modulation with a smaller period δ. However, we have not observed any modulation at or near Δ, and we find that the staircase measurement interval of 0.26 eV is consistent with intrinsic single-electron charging, Therefore, we consider the observed resonance structure to be due to charging. Therefore,
Single electronic devices operate on the basis of charging effects.

【0017】 光刺激の効果を調査するために、さらに、図1に示される実験のための構成に
よって、データが取られ、ナノ粒子18を含む膜14は、水銀ランプからの光に
よって刺激された。照射スペクトル幅は、300nmから600nmの範囲にわ
たるものであり、350nmにおいて最大である。パイレックス(登録商標)ガ
ラスポートは、それを介して水銀刺激光が真空システムに結合されるが、270
nmにおいて、透過率カットオフを有する。ここで、図4に示されるI−V応答
は、図2および図3に示されるような光刺激のない暗い条件下で得られたスペク
トルに重ね合わせられた第2の規則的な階段構造をきわめてはっきりと示してい
る。図4に示されるI−V曲線の導関数が、図5に示され、基板を基準にした大
きな負のバイアスから−1eVの先端バイアスまでにおいて、粒子の量子準位間
隔に等しい1.0eVの周期で一連の共鳴をはっきりと示している。
In order to investigate the effect of light stimulation, further data were taken by means of the experimental setup shown in FIG. 1, the membrane 14 containing nanoparticles 18 was stimulated by light from a mercury lamp. . The irradiation spectral width ranges from 300 nm to 600 nm, with a maximum at 350 nm. The Pyrex glass port, through which mercury stimulating light is coupled to the vacuum system, is 270
In nm, it has a transmittance cutoff. Here, the IV response shown in FIG. 4 shows a second regular staircase structure superimposed on the spectra obtained under dark conditions without photostimulation as shown in FIGS. 2 and 3. It is very clear. The derivative of the IV curve shown in FIG. 4 is shown in FIG. 5 at 1.0 eV equal to the quantum level spacing of particles from a large negative bias relative to the substrate to a tip bias of −1 eV. The series clearly shows a series of resonances.

【0018】 両方の系列が共存するバイアス領域(≦−1V)においては、直流電圧レベル
における電流階段は、きわめて簡単な規則に従う。すなわち、eη(Vn,k
)=δn+ε、ここで、n=0,1,2,...は、ドットにすでに存在
している電子の数であり、k=1,2,...は、ドットのエネルギー準位を表
し、ηは、全体に対するコレクタ容量の割合であり、εは、粒子のk番目の準
位のエネルギーである。この簡単な式を導き出すことは、最初は空の粒子に適用
され、kT<<δ,Δ、および、E>εである。階段は、すでにそこに存在して
いるn個の電子によって帯電したドットを考慮することによって、電圧が、粒子
のk番目のエネルギー準位でもって、エミッタのフェルミ準位に整列した場合に
現れる。この条件は、Δ>>δの場合に、Δによって大きく影響される一定の変調
周期を与える。したがって、先端のフェルミエネルギー準位が、粒子のエネルギ
ー準位を横切って走査されるとき、我々は、観測されるさらなる変調共鳴を、ト
ンネリングチャネルの間隔に関係させる。
In the bias region (≦ −1V) where both series coexist, the current step at the DC voltage level follows a very simple rule. That is, eη (V n, k
V t ) = δn + ε k , where n = 0, 1, 2 ,. . . Is the number of electrons already present in the dot, k = 1, 2 ,. . . Represents the energy level of the dot, η is the ratio of the collector capacitance to the whole, and ε k is the energy of the kth level of the particle. The derivation of this simple equation applies initially to empty particles, where kT << δ, Δ, and E> ε f . The staircase appears when the voltage is aligned with the Fermi level of the emitter, with the kth energy level of the particle, by considering the dots charged by n electrons already present there. This condition gives a constant modulation period that is greatly affected by Δ when Δ >> δ. Therefore, as the Fermi energy level at the tip is scanned across the energy level of the particle, we relate the additional modulation resonance observed to the spacing of the tunneling channels.

【0019】 光効果は、正孔の生成によって容易に理解できる。1015/cmのホウ素
原子による一般的なドーピング濃度においては、これは、ここで説明される実験
のためのナノ粒子を生成するのに使用されるようなウェーハの場合、典型的なも
のであるが、直径が1nmの粒子は、正孔を100万分の1も含んでおらず、そ
のために、注入された電子のための空の準位が存在しない。実際の実験室の温度
は、正孔を発生させるほど高いものではない。しかしながら、光の照射は、プロ
セスを進行させるのに必要な正孔を生成する。
The light effect is easily understood by the generation of holes. At typical doping concentrations with 10 15 / cm 3 boron atoms, this is typical for wafers such as those used to generate nanoparticles for the experiments described herein. However, particles with a diameter of 1 nm do not contain even one millionth of holes, so there are no empty levels for injected electrons. The actual laboratory temperature is not high enough to generate holes. However, irradiation with light produces the holes necessary to drive the process.

【0020】 この観測結果は、シリコンナノ粒子に出入りする相対的なトンネリング率に関
するいくつかの興味深い暗示を含んでいる。電荷蓄積が、観測されるので、先端
から粒子へのトンネリング率Γは、粒子から基板へのトンネリング率Γより
はるかに小さいものであってはならない。Γ<<Γである場合、電荷は、粒子
内に蓄積されず、視覚的な構造だけが、エネルギー量子化に関係するものである
。さらに、理論によれば、この場合のように、エネルギー離散Δが、優位を占め
、かつ、Γ/Γ≦1であれば、2つの微細構造を容易に見分けることができ
る。すなわち、より大きい周期を備えたエネルギー量子化構造が、帯電に関係す
るより小さい周期を備えた超微細構造を変調する。Γ/Γ≧1の場合、変調
周期は、電荷蓄積のために増大し、Δ+2δに等しい。エネルギーの離散に関し
て測定された周期は、原子遷移に等しいので、ΓとΓとは、同じ程度のもの
であると推論される。
This observation contains some interesting implications for the relative tunneling rates in and out of silicon nanoparticles. Since charge accumulation is observed, the tip-to-particle tunneling rate Γ e should not be much less than the particle-to-substrate tunneling rate Γ c . If Γ e << Γ c , no charge is stored in the particles and only the visual structure is concerned with energy quantization. Further, according to theory, as in this case, if the energy discrete Δ is dominant and Γ e / Γ c ≦ 1, two fine structures can be easily distinguished. That is, an energy-quantized structure with a larger period modulates a hyperfine structure with a smaller period associated with charging. If Γ e / Γ c ≧ 1, the modulation period increases due to charge storage and is equal to Δ + 2δ. It can be inferred that Γ e and Γ c are of similar order because the period measured for the discrete energy is equal to an atomic transition.

【0021】 データは、図6に示されるトランジスタのようなシリコンナノ粒子に基づいた
照射の助けによる単一電子トランジスタを動作させる潜在能力を実証している。
図6は、埋め込みゲートとしてゲート酸化物内に打ち込まれたナノ粒子を備えた
電界効果トランジスタの概略図を示す。それは、ソース電極17a、ドレイン電
極17b、および、ゲート電極17cを示し、そのそれぞれが、電圧バイアスを
かけるための電気的なリードを備え、さらに、それは、ナノ粒子フローティング
埋め込みゲートを示す(わかりやすいようにゲート領域の外側を示す)。埋め込
みナノ粒子ゲート18aは、電圧源に接続され、したがって、ソース−ドレイン
外部ゲートに関係なく、それをバイアスすることができ、あるいは、バイアスさ
れないフローティングゲートとして、それを使用してもよい。ソース−ドレイン
コンダクタンスは、精密半導体パラメータ分析器を用いて測定されたI−V特性
から直接に得ることもできる。特性は、ソースを接地し、かつ、ドレイン電圧を
1mVに固定して測定される。粒子の大きさが、単一電子帯電または量子エネル
ギー間隔が、熱エネルギーよりも優位を占めるようなものである場合に、ゲート
電圧が、変化すると、ソース−ドレインコンダクタンスは、振動する。振動周期
は、単一電子帯電または量子エネルギー間隔である。図6に示されるデバイスに
おいては、シリコンナノ粒子18は、埋め込みゲート層として、SiMOSFE
Tのゲート領域20内に打ち込まれる。トランジスタのソース−ドレインチャネ
ル間における粒子を介しての横方向輸送は、ゲートバイアスに応じて、単一電子
効果を呈する。UV照射が、単一電子動作を切り換えるのに使用されてもよい。
このデバイスは、電気/光による複式デバイスとして動作してもよい。ナノ粒子
は、トランジスタの本体内で青色レーザビームを生成するために、光学的または
電気的に刺激されてもよい。他方において、それは、単一電子エレクトロニクス
デバイスとして動作する。さらに、Γ<<Γとなるような十分な絶縁物を提供
することによって、粒子ゲートから基板またはドレインへのトンネリングが、低
下すれば、トランジスタは、メモリーデバイスとして動作する。
The data demonstrate the potential to operate single electron transistors with the aid of irradiation based on silicon nanoparticles such as the transistor shown in FIG.
FIG. 6 shows a schematic of a field effect transistor with nanoparticles implanted in the gate oxide as a buried gate. It shows a source electrode 17a, a drain electrode 17b, and a gate electrode 17c, each with electrical leads for applying a voltage bias, which, in addition, shows a nanoparticle floating buried gate (for clarity). Outside the gate area). The embedded nanoparticle gate 18a is connected to a voltage source and can therefore be biased regardless of the source-drain external gate, or it may be used as an unbiased floating gate. Source-drain conductance can also be obtained directly from IV characteristics measured using a precision semiconductor parameter analyzer. The characteristics are measured with the source grounded and the drain voltage fixed at 1 mV. The source-drain conductance oscillates when the gate voltage changes when the particle size is such that single electron charging or quantum energy spacing dominates thermal energy. The vibration period is a single electron charging or quantum energy interval. In the device shown in FIG. 6, the silicon nanoparticles 18 are used as the buried gate layer in SiMOSFE.
Implanted in the T gate region 20. Lateral transport through particles between the source-drain channel of a transistor exhibits a single-electron effect, depending on the gate bias. UV irradiation may be used to switch single electron operation.
The device may operate as a dual electrical / optical device. The nanoparticles may be optically or electrically stimulated to produce a blue laser beam within the body of the transistor. On the other hand, it operates as a single electronic electronic device. In addition, the transistor behaves as a memory device if tunneling from the particle gate to the substrate or drain is reduced by providing sufficient insulation such that Γ c << Γ e .

【0022】 シリコン粒子フローティングフラッシュメモリーデバイスは、磁気効果を記憶
する媒体を使用する代わりに、電荷を蓄積する媒体を使用するのに有効である。
これは、媒体の下位要素を、お互いから、また、電源要素への接続(ソース−ド
レイン)から電気的に絶縁しなければならない。電界効果トランジスタのゲート
の絶縁酸化物からなる空間内で電気的にフローティング状態(他のすべての要素
から絶縁されている)にあるシリコンのアイランド(粒子またはいわゆる量子ド
ット)が、図7に示されるこのデバイスの根幹をなす。図7は、ナノ粒子メモリ
ーデバイスの概略断面図であり、デバイスのソース30、ドレイン32、および
、ゲート34を示す。シリコンナノ粒子18は、チャネル面上に成長させた厚さ
が1から2nmの薄い酸化物(トンネル酸化物)36と、粒子を覆うように成長
させたそれよりもいくぶん厚い制御酸化物(約5から10nm)との間にサンド
イッチ状に挟み込まれる。図7に示されるデバイスは、高速アクセス、低消費電
力、および、最大限の超小型化を可能にする。より高速かつ効率的なデバイスお
よび高密度集積化を実現するために、デバイスの大きさを超小型化する競争が、
続けられているので、ゲート酸化物内に収容することのできる十分に小さいシリ
コンフローティングゲート(粒子)を合成する方法を開発することは重要なこと
である。実質的に量子ドットのように振る舞うナノメートルの程度にまでフラッ
シュメモリー内のフローティングゲートを小さくすることが可能となるように、
加工技術は、小型化を追求しなければならない。もしそうなれば、それは、従来
のシリコン技術の最小限の混乱でもって加工され、かつ、室温またはそれよりも
高い温度で動作する。本発明による超微小シリコンナノ粒子は、そのような技術
を実現するのを可能にする。
Silicon particle floating flash memory devices are effective in using a medium for storing electric charges instead of using a medium for storing magnetic effects.
It must electrically insulate the subelements of the medium from each other and from the connections to the power supply elements (source-drain). The islands (particles or so-called quantum dots) of silicon that are electrically floating (insulated from all other elements) in the space of the insulating oxide of the gate of the field effect transistor are shown in FIG. It forms the basis of this device. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a nanoparticle memory device, showing the source 30, drain 32, and gate 34 of the device. The silicon nanoparticles 18 consist of a thin oxide (tunnel oxide) 36 grown on the channel surface and having a thickness of 1 to 2 nm, and a control oxide (around 5 nm thicker than that grown to cover the particles). To 10 nm). The device shown in FIG. 7 enables fast access, low power consumption, and maximum miniaturization. In order to realize faster and more efficient devices and higher density integration, the competition to miniaturize the device size is
As it continues, it is important to develop methods to synthesize silicon floating gates (particles) that are small enough to fit in the gate oxide. In order to be able to reduce the floating gate in flash memory to the order of a nanometer, which behaves substantially like a quantum dot,
Processing technology must pursue miniaturization. If so, it is processed with minimal disruption to conventional silicon technology and operates at or above room temperature. The ultrafine silicon nanoparticles according to the invention make it possible to implement such a technique.

【0023】 ゲート酸化物内への粒子のデポジション(サンドイッチ状の挟み込み)は、S
iナノ粒子ガンを用いてなされる。ガンは、堆積した制御酸化物とともに、ゲー
ト領域に粒子を放出する。粒子ガンの概念は、イオン注入に使用されるイオンビ
ームガンに類似している。しかしながら、粒子エネルギーは、それと同じくらい
に大きいものでなくてもよい。なぜなら、粒子は、堆積されるものであり、打ち
込まれるものではないからである。粒子ガンにおいては、揮発性液体(アセトン
またはアルコールのような)内のコロイド状態の粒子が、使用される。コロイド
のジェットまたはストリームが、システムの中へリークされる。プラズマ源また
は放射源のような機構が、粒子を帯電させるのに使用される。そして、粒子は、
要求されるエネルギーにまで加速される。質量フィルターが、大きさを選択し、
溶媒からあらゆる残留物を除去するのに使用される。
The deposition of particles (sandwich-like entrapment) into the gate oxide is S
i Nanoparticle gun is used. The gun emits particles to the gate region along with the deposited control oxide. The concept of particle gun is similar to the ion beam gun used for ion implantation. However, the particle energy need not be as great. This is because the particles are deposited, not driven. In particle guns, particles in a colloidal state in a volatile liquid (such as acetone or alcohol) are used. A jet or stream of colloid leaks into the system. Mechanisms such as plasma or radiation sources are used to charge the particles. And the particles are
It is accelerated to the required energy. The mass filter selects the size,
Used to remove any residue from the solvent.

【0024】 粒子ガンは、図8に示されるように構成されてもよい。このガンは、粒子を供
給するためのSiナノ粒子の入口38を含む。噴霧器であってもよい入口38は
、揮発性液体(アセトン、水、または、アルコールのような)内のコロイド状態
のSiナノ粒子を利用する。コロイドのジェットまたはストリームが、ガンのS
i粒子イオン源40の中へ放射あるいはリークされる。ほとんどの揮発性溶媒の
液滴は、Si粒子を飛んでいる状態にしたまま蒸発する。イオン源40において
、粒子は、それらが飛んでいるときに帯電する。生成された粒子イオンは、フィ
ードスルー電気接続44によって電力を供給される集束レンズ42の中へ加速(
推進)され、そこで、それらの粒子イオンは、集束され、平行にされ、そして、
加速される。加速された粒子は、質量(寸法)を選択し、残留溶媒物質のような
非シリコン種を除去するために速度フィルター46の中へ入る。速度フィルター
46は、フィードスルー47を介して電力を供給される(わかりやすいように、
入口38のためのフィードスルーのようなフィードスルーのうち、図8には示さ
れないものもある)。溶媒からの材料がSiナノ粒子ビーム中に存在しないこと
を保証するために、質量の選択は、重要なことである。約2/1000の質量選
択度が、達成されてもよい。速度フィルター46の出口における粒子エネルギー
は、500eVから10keVの範囲にある。最後に、粒子ビームは、減速器4
8に入り、それは、粒子のエネルギーを減少させることができ、500eV(1
eVほど小さい)以下のエネルギーを有する質量(寸法)を選択された粒子を放
出するが、出口の速度が、重要でなければ、減速器48は、省略されてもよい。
図8に示されるガン内の真空度は、真空ポート50を介して、監視および制御さ
れる。
The particle gun may be configured as shown in FIG. The gun includes a Si nanoparticle inlet 38 for supplying particles. The inlet 38, which may be a nebulizer, utilizes Si nanoparticles in a colloidal state in a volatile liquid (such as acetone, water or alcohol). The colloid jet or stream is the gun's S
Radiated or leaked into the i-particle ion source 40. Most volatile solvent droplets evaporate leaving the Si particles flying. In the ion source 40, the particles become charged as they fly. The generated particle ions are accelerated (into a focusing lens 42 powered by a feedthrough electrical connection 44 (
Propulsion), where the particle ions are focused, collimated, and
Be accelerated. The accelerated particles select mass (size) and enter into velocity filter 46 to remove non-silicon species such as residual solvent material. Velocity filter 46 is powered via feedthrough 47 (for clarity,
Some feedthroughs, such as the feedthrough for inlet 38, are not shown in FIG. 8). The choice of mass is important to ensure that no material from the solvent is present in the Si nanoparticle beam. A mass selectivity of about 2/1000 may be achieved. The particle energy at the outlet of velocity filter 46 is in the range of 500 eV to 10 keV. Finally, the particle beam is transmitted to the decelerator 4
8 which can reduce the energy of the particles, 500 eV (1
The decelerator 48 may be omitted if it emits particles with a selected mass (dimension) having an energy of less than or equal to eV), but the speed of the outlet is not critical.
The degree of vacuum in the gun shown in FIG. 8 is monitored and controlled via vacuum port 50.

【0025】 図7に示されるメモリーデバイスは、NチャネルまたはpチャネルのSi材料
を用いるような技術によって組み立てられてもよい。図9aから図9bに示され
るように、チャネルが過剰電子に富むNチャネルメモリーにおいては、ソース(
接地される)およびドレイン(約0.1Vにバイアスされる)に対してゲートを
正にバイアスすれば、チャネルから電子を引きつけ、薄い酸化物をトンネリング
させ、シリコンナノ粒子を帯電させる(書き込みステップ)。図9cに示される
ように、ゲートバイアスの極性を反転することによって、電荷をシリコンナノ粒
子からチャネルへ逆戻りさせることができる(消去ステップ)。シリコンナノ粒
子間における横方向リークおよびソース−ドレインにおいて発生するかもしれな
い損失が、無視できる程度のものであれば、電荷の長期間の蓄積を達成すること
ができ、得られるメモリーは、頑丈なものである。それぞれのシリコンナノ粒子
に収容することのできる電荷の数は、シリコンナノ粒子の寸法と、ソース−ドレ
インに対するゲートバイアスとに依存する。大きなゲート電圧は、蓄積される電
子の数を増加させる。より小さいシリコンナノ粒子の寸法は、大きな単一電子帯
電をもたらし、したがって、電子の数を制限する。
The memory device shown in FIG. 7 may be fabricated by such techniques as using N-channel or p-channel Si material. As shown in FIGS. 9a to 9b, in the N-channel memory where the channel is rich in excess electrons, the source (
Positive biasing of the gate with respect to (grounded) and drain (biased to about 0.1V) will attract electrons from the channel, tunnel a thin oxide and charge the silicon nanoparticles (writing step). . By reversing the polarity of the gate bias, as shown in FIG. 9c, charge can be transferred back from the silicon nanoparticles to the channel (erase step). If the lateral leakage between silicon nanoparticles and the losses that may occur in the source-drain are negligible, long-term storage of charges can be achieved and the resulting memory is robust. It is a thing. The number of charges that can be accommodated in each silicon nanoparticle depends on the size of the silicon nanoparticle and the gate bias on the source-drain. A large gate voltage increases the number of stored electrons. The smaller silicon nanoparticle size results in a large single-electron charge, thus limiting the number of electrons.

【0026】 チャネルが正孔に富むpチャネルメモリーにおいては、ソースおよびドレイン
に対してゲートを負にバイアスすれば、チャネルから正孔を引きつけ、薄い酸化
物をトンネリングさせ、書き込みステップにおいて、粒子を帯電させる。ゲート
電圧の極性を反転することによって、消去することができる。 粒子に電荷を保持する有効メモリーしきい値電圧のシフトは、簡単な式、V =(qnt/ε)+(1/2)(qnd/ε)によって与えられ、ここで
、nは、ナノ粒子の表面密度であり、qは、電子の電荷であり、tは、制御酸
化物の厚さであり、dは、ナノ粒子の直径であり、εおよびεは、それぞれ
、酸化物および粒子の誘電率である。粒子密度が1012/cmであり、t =7nm、粒子直径が1nmである場合、約0.35eV/1電子/1粒子のシ
フトが、達成される。このシフトは、優れたシフトである。なぜなら、それは、
トランジスタのサブスレショルド電流を5桁も変化させるからである。
In a p-channel memory where the channel is rich in holes, negative biasing the gate with respect to the source and drain attracts holes from the channel, tunneling a thin oxide and charging the particles during the writing step. Let It can be erased by reversing the polarity of the gate voltage. The shift of the effective memory threshold voltage that holds the charge on the particles is given by the simple equation, V T = (qnt 0 / ε o ) + (1/2) (qnd / ε p ), where n Is the surface density of the nanoparticles, q is the charge of the electrons, t 0 is the thickness of the control oxide, d is the diameter of the nanoparticles, and ε 0 and ε p are respectively , The dielectric constant of oxides and particles. Particle density is the 10 12 / cm 2, when t 0 = 7 nm, a particle diameter of 1 nm, a shift of about 0.35 eV / 1 Electronic / 1 particles is achieved. This shift is an excellent shift. Because it is
This is because the subthreshold current of the transistor is changed by five digits.

【0027】 本発明による超微小粒子は、いくつかの利点をトランジスタ技術に提供する。
まず第1に、それらの超微小粒子は、著しく小型化されたトランジスタ内に収容
することができる。第2に、我々の製法およびコロイド濾過は、粒子ガン供給シ
ステムによって提供される質量分析とともに、高い品質で寸法の限定および選択
を制御する。幅の狭い質量分布(<0.25%)は、離散的なエネルギーシステ
ムが、良好に定義され、かつ、デバイスしきい値が、鋭いことを保証する。全体
的にとらえたときの粒子の寸法のさまざまな変化は、離散的なスペクトルを擬似
連続スペクトルに変え、デバイスしきい値を消し去る。これまでは、5nmより
も小さい寸法は、実現することができず、寸法のばらつきは、5から10%を超
えていた。第3に、粒子が、きわめて小さいので、単一電子帯電および量子エネ
ルギー間隔が、熱エネルギーよりも大きく、それによって、単一電子プロセスは
、室温またはそれよりも高い温度において動作状態にある。さらに、離散的な準
位は、大きな間隔を置いて配置されるので、粒子の1つよりも多い準位が、利用
でき、言い換えれば、複数準位メモリーシステムとして、粒子を動作させてもよ
い。第4に、単一電子固有帯電エネルギーは、十分に高いので、それは、それぞ
れの粒子に収容することのできる電子の数を1個に制限する。第5に、超微小粒
子を使用することによって、同じ粒子密度において、より厚い厚さの内部粒子酸
化物を達成することができる。より厚い酸化物は、粒子の絶縁を向上させ、した
がって、それが、横方向リークをさらに制限し、それによって、デバイスのメモ
リーを改善する。さらに、薄いトンネル酸化物が、使用されるので、ナノ粒子メ
モリーは、従来のフラッシュメモリーと比較して低い電圧で動作することができ
る。粒子とシリコンチャネルとの間に薄い酸化物を使用することによって、より
高い電圧でホットキャリアを注入する代わりに、量子トンネリングによって、帯
電させることができる。したがって、ホットキャリア劣化を防止するために、S
i粒子の帯電および放電においては、直接のトンネリングが、望ましい。最後に
、より低い電圧は、より少ない電子が粒子に収容されることを意味する。
The ultrafine particles according to the invention offer several advantages for transistor technology.
First of all, these ultrafine particles can be housed in significantly miniaturized transistors. Second, our process and colloidal filtration, together with the mass spectrometry provided by the particle gun delivery system, control dimensional limitations and selection with high quality. The narrow mass distribution (<0.25%) ensures that the discrete energy system is well defined and the device threshold is sharp. Various changes in the size of the particles when taken as a whole change the discrete spectrum into a quasi-continuous spectrum, obliterating the device threshold. So far, dimensions smaller than 5 nm have not been achievable, with dimensional variations exceeding 5 to 10%. Third, the particles are so small that the single-electron charging and quantum energy spacing is larger than the thermal energy, so that the single-electron process is operational at room temperature or higher. Furthermore, the discrete levels are spaced so that more than one level of the particle is available, in other words the particles may operate as a multi-level memory system. . Fourth, the single electron intrinsic charging energy is high enough that it limits the number of electrons that can be accommodated in each particle to one. Fifth, by using ultrafine particles, at the same particle density, thicker internal particle oxides can be achieved. The thicker oxide improves the insulation of the particles, thus it further limits lateral leakage and thereby improves the memory of the device. Furthermore, because thin tunnel oxides are used, nanoparticle memory can operate at lower voltage compared to conventional flash memory. By using a thin oxide between the particles and the silicon channel, instead of injecting hot carriers at higher voltage, they can be charged by quantum tunneling. Therefore, in order to prevent hot carrier deterioration, S
Direct tunneling is desirable in charging and discharging i-particles. Finally, a lower voltage means that fewer electrons are contained in the particle.

【0028】 本発明は、シリコンバルク結晶を個々のシリコンナノ粒子に転換する方法を含
む。シリコンナノ粒子は、結晶、固形体、膜などに合体または再構成されてもよ
い。本発明によるナノ粒子を生成する方法は、バルクシリコン、例えば、ウェー
ハを化学エッチング槽の中へ徐々にゆっくりと送り込みながら、エッチングが、
外部電流が存在する中でなされるむことを含む電気化学的な処理である。メニス
カスが、シリコンのきわめて薄いスライスとして現れ、それは、エッチング剤溶
液と空気の界面で発生する。シリコンをゆっくりと送り込むことによって、メニ
スカス状の大きな断片が生成される。要するに、電流を流しながら、シリコン材
料をエッチング槽の中へ徐々に送り込むと、移動するメニスカスが生成される。
このプロセスは、その材料からなる超微小下位構造に富むものにする。さらに、
このプロセスは、シリコン材料の表皮をきわめて脆いものにする。そして、その
超微小構造は、それはシリコンナノ粒子であるが、材料から分離され、回収され
る。
The present invention includes a method of converting silicon bulk crystals into individual silicon nanoparticles. Silicon nanoparticles may be coalesced or reconstituted into crystals, solids, films and the like. The method of producing nanoparticles according to the present invention is such that etching is performed while slowly and slowly feeding bulk silicon, for example, a wafer into a chemical etching bath.
An electrochemical treatment that involves what is done in the presence of an external electrical current. The meniscus appears as a very thin slice of silicon, which occurs at the etchant solution-air interface. By slowly pumping silicon, large meniscus fragments are produced. In short, when a silicon material is gradually fed into the etching bath while passing an electric current, a moving meniscus is generated.
This process enriches the microstructures of the material. further,
This process makes the skin of silicon material very brittle. The ultra-fine structure, which is a silicon nanoparticle, is separated from the material and recovered.

【0029】 本発明による方法の好ましい実施形態が、図10に示される。この好ましい実
施形態は、シリコン単結晶ウェーハ100と、板または針金の形態によるプラチ
ナカソード120と、フッ酸と、H液と、エッチング槽140に使用する
ためのメタノールまたは水を含むかもしれないその他の化学薬品とを使用する。
好ましいシリコンウェーハは、方位が(100)または(111)であり、抵抗
率が1から10Ωcmであり、p型ホウ素ドーピングシリコンである。
A preferred embodiment of the method according to the invention is shown in FIG. This preferred embodiment may include a silicon single crystal wafer 100, a platinum cathode 120 in the form of a plate or wire, hydrofluoric acid, H 2 O 2 solution, and methanol or water for use in the etching bath 140. Use with no other chemicals.
A preferred silicon wafer has a (100) or (111) orientation, a resistivity of 1 to 10 Ωcm, and is p-type boron-doped silicon.

【0030】 ウェーハ100およびカソード120は、電源180によって駆動される定電
流源160に接続される。カソード120は、エッチング液の中へ垂直方向また
は水平方向に浸けられる。シリコンウェーハ100が、徐々に送り込まれる。例
として、約1mm/時の速度によって、良好な結果が得られることが知られてい
る。シリコンウェーハ100が、カソード120からある距離をおいて、溶液の
中へ徐々に浸けられるとき、メニスカスは、シリコンウェーハ100がエッチン
グ槽140の表面200と接触する位置に現れる。ウェーハを送り込んでいると
き、電流は、一定に維持される。例として、15mAの電流によって、良い結果
が得られることが知られている。磁気攪拌器220が、エッチング液に含まれる
化学薬品が均一に混ぜられた状態であることを保証する。メニスカスは、徐々に
浸けられるために、シリコンウェーハ100に沿って移動し、かつ、エッチング
して、シリコン材料の表皮上にシリコンナノ粒子構造を生成する。H(触
媒として)および大きな電流を使用することによって、大きなエッチング速度が
、達成され、それが、大きさの限界に近いきわめて小さい寸法を有するお互いに
接続された下位構造を有する膜を生成する。さらに、横方向の陽極処理は、シリ
コンウェーハ100の表皮に高い電流濃度を形成し、そのために、大きなエッチ
ング速度が、とりわけ、メニスカス(空気−液体界面)において、超微小ナノ粒
子構造をもたらす。エッチング液の中へ試料をゆっくりと一定の速度で送り込む
ことによって、試料のメニスカス状の大きな領域が得られ、それによって、超微
小ナノ下位構造に富むものにする。
The wafer 100 and the cathode 120 are connected to a constant current source 160 driven by a power supply 180. The cathode 120 is vertically or horizontally immersed in the etching solution. The silicon wafer 100 is gradually fed. By way of example, it is known that a speed of about 1 mm / h gives good results. When the silicon wafer 100 is gradually dipped into the solution at a distance from the cathode 120, a meniscus appears where the silicon wafer 100 contacts the surface 200 of the etching bath 140. When pumping the wafer, the current is kept constant. As an example, it is known that a current of 15 mA gives good results. The magnetic stirrer 220 ensures that the chemicals contained in the etchant are uniformly mixed. The meniscus migrates along the silicon wafer 100 as it is gradually submerged and etches to create silicon nanoparticle structures on the epidermis of the silicon material. By using H 2 O 2 (as a catalyst) and a large current, a large etching rate is achieved, which results in a film with interconnected substructures having very small dimensions close to the size limit. To generate. Moreover, lateral anodization creates a high current concentration in the skin of the silicon wafer 100, so that a high etching rate leads to ultrafine nanoparticle structures, especially at the meniscus (air-liquid interface). By slowly pumping the sample into the etchant at a constant rate, a large meniscus-like region of the sample is obtained, thereby enriching the ultrafine nanosubstructure.

【0031】 そして、シリコンウェーハ100をエッチング槽140から引き抜き、シリコ
ンナノ粒子をシリコンウェーハ100の表面から分離することによって、ナノ粒
子が得られる。好ましい方法においては、最初に、シリコンウェーハ100が、
エッチング槽140から取り出され、メタノールで洗浄される。ナノ粒子を大規
模に生産する場合には、エッチング槽140とシリコンウェーハ100とを分離
するような形で、エッチング槽を空にし、あるいは、移動するのが好ましいかも
しれない。そして、シリコンウェーハ100は、好ましくは、超音波アセトン(
エタノール、メタノール、または、その他のなんらかの溶媒)槽の中へしばらく
のあいだ浸けられる。超音波処理の作用によって、ウェーハ100上のシリコン
膜のまさに表面の層は、それは、お互いに弱く結合されたルミネセンスナノ構造
網であるが、ぼろぼろに崩れて、超微小シリコンナノ粒子となり、濃い赤のルミ
ネセンスシリコンナノ粒子材料からなる最下層を残す。このコロイドを沈殿させ
る。より大きな黄ばんだ/オレンジがかったルミネセンス粒子が、数時間のうち
に沈殿し、青みを帯びたルミネセンスコロイドを残す。きわめて低い存在比(1
/1000)で残ったより大きなクラスターが、コロイド中に残留するかもしれ
ない。これらは、市販されている200nmのフィルターを用いてコロイドを濾
過することによって、分離することができ、それによって、均一性の高い粒度分
布が得られる。コロイドは、数週間にわたって固有発光を持続することからわか
るように、安定したものであり、シリコンナノ粒子が、懸濁状態のままであるほ
どに十分に小さいことを示している。一般的には、シリコンナノ粒子をエッチン
グされたアノードから分離するいかなる方法も適切ではあるが、超音波によって
破断力を提供されるような溶媒が、好ましい。振り混ぜ、削り落とし、または、
衝撃を与えることが、粒子をばらばらにするのに使用されてもよい別の技術とし
て、それらに限定されるものではない例としてあげられる。とは言っても、超音
波が、もっとも良好に作用するように思える。
Then, the silicon wafer 100 is pulled out from the etching bath 140, and the silicon nanoparticles are separated from the surface of the silicon wafer 100 to obtain nanoparticles. In the preferred method, first the silicon wafer 100 is
It is taken out of the etching bath 140 and washed with methanol. For large-scale production of nanoparticles, it may be preferable to empty or move the etching bath in such a manner that the etching bath 140 and the silicon wafer 100 are separated. Then, the silicon wafer 100 is preferably ultrasonic acetone (
Immerse in a tank of ethanol, methanol, or some other solvent for a while. By the action of sonication, the very surface layer of the silicon film on the wafer 100, which is a luminescent nanostructured network weakly bound to each other, crumbles into ultrafine silicon nanoparticles, Leave a bottom layer of dark red luminescent silicon nanoparticle material. The colloid is allowed to settle. Larger yellowed / orange luminescent particles settle within a few hours, leaving a bluish luminescent colloid. Very low abundance ratio (1
Larger clusters left over at / 1000) may remain in the colloid. These can be separated by filtering the colloid using a commercially available 200 nm filter, which results in a highly uniform particle size distribution. The colloids are stable, indicating that the silicon nanoparticles are small enough that they remain in suspension, as evidenced by their persistence of intrinsic emission over several weeks. In general, any method that separates the silicon nanoparticles from the etched anode is suitable, but a solvent that is ultrasonically provided with a breaking force is preferred. Shake, scrape off, or
Impacting is another technique that may be used to break the particles apart, by way of non-limiting example. That said, ultrasound seems to work best.

【0032】 シリコンウェーハ100の残ったものは、2から3回、または、それの厚さに
応じて何度でも、再利用されてもよい(さらなるナノ粒子を生成するための発生
源として使用される)。これは、原料のコストを削減する。 本発明によるシリコンナノ粒子は、電子的、化学的、および、構造的に優れた
品質を有する。シリコンナノ粒子を製造するために、エッチング剤溶液の一部と
して、Hを好んで使用することは、非発光電子トラップとして作用する二
水素化物または三水素化物なしで理想的な伸縮モードに支配される品質の高い水
素被膜(停止反応または不動態化)を提供する。高品質被膜は、非発光トラップ
を発生させる雰囲気における制御できない品質の低い事後相互作用からシリコン
粒子を完全に保護する。さらに、好ましいエッチング液は、粒子上に酸素を残さ
ない。しかしながら、電気化学的エッチングプロセスが完了すれば、H
中への事後浸漬によって、水素被膜を品質の高い酸素被膜に置き換えてもよい。
これは、水素停止反応の高品質性が、きわめて薄い高品質の酸素の停止反応が水
素に取って代わるのを可能にするという事実によるものである。これは、1/1
14以下のトラップ濃度で、バルクSi上に4Åの厚さの酸化物層をもたらす
自己制御プロセスである。酸化物被覆は、レーザ損傷に対してのさらなる保護お
よび硬化を提供する。シリコンナノ粒子の光学的特性が、そのような高品質の酸
化物停止反応(不動態化)によって損なわれることはない。化学的な性質につい
ては、Hは、酸化溶解および錯形成反応によって、ほぼすべての種類の汚
染物質(有機物質、金属、アルカリ性物質、金属水酸化物)をシリコン表面から
除去する酸化剤である。
The remainder of the silicon wafer 100 may be reused 2-3 times, or any number of times depending on its thickness (used as a source to generate additional nanoparticles). ). This reduces raw material costs. The silicon nanoparticles according to the present invention have excellent electronic, chemical and structural qualities. The preferred use of H 2 O 2 as part of the etchant solution for producing silicon nanoparticles is that it is ideal for stretching modes without di- or tri-hydrides acting as non-emissive electron traps. Provide a high quality hydrogen film (termination reaction or passivation) dominated by. The high quality coating completely protects the silicon particles from uncontrolled poor quality post-interactions in the atmosphere that causes the non-emissive traps. Moreover, the preferred etchant leaves no oxygen on the particles. However, once the electrochemical etching process is complete, the hydrogen film may be replaced by a high quality oxygen film by post-dip in H 2 O 2 .
This is due to the fact that the high quality of the hydrogen termination reaction allows hydrogen to be terminated by a very thin, high quality oxygen termination reaction. This is 1/1
It is a self-regulating process that yields a 4Å thick oxide layer on bulk Si at trap concentrations below 0 14 . The oxide coating provides additional protection and hardening against laser damage. The optical properties of the silicon nanoparticles are not compromised by such high quality oxide termination reactions (passivation). In terms of chemistry, H 2 O 2 is an oxidant that removes almost all types of contaminants (organic substances, metals, alkaline substances, metal hydroxides) from silicon surfaces by oxidative dissolution and complex formation reactions. Is.

【0033】 本発明の様々な実施形態が、図示され、説明されたが、この分野に通常の知識
を有する者にとっては、その他の変更、置換、変形を容易に想到できることを理
解されたい。そのような変更、置換、変形は、請求の範囲に規定されるべき本発
明の精神および範囲を逸脱することなく実施することができる。 本発明の様々な特徴は、請求の範囲に記載される。
While various embodiments of the present invention have been illustrated and described, it should be understood that other modifications, substitutions and variations are readily apparent to those of ordinary skill in the art. Such changes, substitutions and variations can be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the claims. Various features of the invention are set forth in the appended claims.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 図1は実験のための構成を示す図であり、走査型トンネル顕微鏡の先端は、一
定の高さで膜材料の上方に配置され、2端子デバイスをシュミレーションする。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration for an experiment, in which a tip of a scanning tunneling microscope is placed above a film material at a constant height to simulate a two-terminal device.

【図2】 図2はI−V応答を示す図であり、(接地された)基板に対して、先端の電圧
を−6から+3eVの範囲で変化させながら、トンネル電流を記録した。
FIG. 2 is a diagram showing an IV response, in which a tunnel current was recorded with respect to a (grounded) substrate while changing a tip voltage in a range of −6 to +3 eV.

【図3】 図3は図2に示されるI−V曲線の導関数である。[Figure 3]   FIG. 3 is the derivative of the IV curve shown in FIG.

【図4】 図4は水銀ランプからの照射によって得られた、図1に示される実験のための
構成のI−V応答を示す図である。
FIG. 4 shows the IV response of the experimental setup shown in FIG. 1 obtained by irradiation from a mercury lamp.

【図5】 図5は図4に示されるI−V曲線の導関数である。[Figure 5]   FIG. 5 is the derivative of the IV curve shown in FIG.

【図6】 図6は本発明による例としての単一電子シリコンナノ粒子トランジスタを示す
図である。
FIG. 6 shows an exemplary single electron silicon nanoparticle transistor according to the present invention.

【図7】 図7は本発明による例としてのフラッシュメモリーデバイスを示す断面図であ
る。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an exemplary flash memory device according to the present invention.

【図8】 図8はシリコンナノ粒子ガンを説明する図である。[Figure 8]   FIG. 8 is a diagram illustrating a silicon nanoparticle gun.

【図9】 図9aから図9cは図7に示されるメモリーデバイスの動作を示す図である。[Figure 9]   9a to 9c are diagrams showing the operation of the memory device shown in FIG.

【図10】 図10はシリコンナノ粒子を製造するための方法を説明する図である。[Figure 10]   FIG. 10 is a diagram illustrating a method for producing silicon nanoparticles.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 29/06 601 H01L 27/10 434 29/78 29/78 371 29/788 29/792 (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE,TR),OA(BF ,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW, ML,MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,G M,KE,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ, MD,RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM, AU,BB,BG,BR,BY,BZ,CA,CN,C R,CU,CZ,DE,DM,DZ,EE,GD,GE ,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,KP, KR,LC,LK,LR,LT,LV,MA,MG,M K,MN,MX,MZ,NO,NZ,PL,RO,SG ,SI,SK,SL,TT,UA,UZ,VN,YU, ZA (72)発明者 ザリーン,ジョエル アメリカ合衆国イリノイ州 61801 アー バナ イー ミシガン アベニュー 508 アパートメント 34 (72)発明者 ベロモイン,ジェナディ アメリカ合衆国イリノイ州 61801 アー バナ イー フロリダ アベニュー 1209 ビー33 Fターム(参考) 5F083 EP02 EP07 EP09 EP17 EP23 EP42 ER03 ER14 ER22 ER30 FZ01 GA01 GA05 GA09 JA32 PR05 5F101 BA07 BA12 BA54 BB05 BE07 BH13 5F140 AA34 AC20 AC32 BA01 BB19─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01L 29/06 601 H01L 27/10 434 29/78 29/78 371 29/788 29/792 (81) designation Country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE, TR), OA (BF, BJ, CF) , CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, MZ, SD, SL, SZ, TZ, UG) , ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AG, AL, AM, AU, BB, BG, BR, BY, BZ, CA, N, CR, CU, CZ, DE, DM, DZ, EE, GD, GE, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KP, KR, LC, LK, LR, LT, LV, MA , MG, MK, MN, MX, MZ, NO, NZ, PL, RO, SG, SI, SK, SL, TT, UA, UZ, VN, YU, ZA (72) Inventor Zarine, Joel United States Illinois 61801 Urbana E Michigan Avenue 508 Apartment 34 (72) Inventor Belomoin, Jenadi Illinois, USA 61801 Urbana E Florida Avenue 1209 Bee 33 F Term (Reference) 5F083 EP02 EP07 EP09 EP17 EP23 EP42 ER03 ER14 ER22 ER30 FZ01 GA01 GA05 GA09 GA09 GA09 GA09 GA09 GA09 PR05 5F101 BA07 BA12 BA54 BB05 BE07 BH13 5F140 AA34 AC20 AC32 BA01 BB19

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 単一電子トランジスタデバイスであって、 ソース(17a)と、 ドレイン(17b)と、 ゲート領域(20)を有するゲート(17c)と、 前記ゲート領域内に打ち込まれたシリコンナノ粒子と、 を備えた単一電子トランジスタデバイス。1. A single electron transistor device, comprising:   Source (17a),   Drain (17b),   A gate (17c) having a gate region (20),   Silicon nanoparticles implanted in the gate region,   Single-electron transistor device with. 【請求項2】 前記ゲートへのコンタクトとは別に、前記シリコンナノ粒子
を電気的に刺激するための埋め込みゲートコンタクトをさらに備えた請求項1に
記載の単一電子トランジスタデバイス。
2. The single electron transistor device of claim 1, further comprising a buried gate contact for electrically stimulating the silicon nanoparticles, separate from the contact to the gate.
【請求項3】 前記シリコンナノ粒子が、約1nmの直径を有する請求項1
に記載の単一電子トランジスタデバイス。
3. The silicon nanoparticles have a diameter of about 1 nm.
Single electron transistor device according to.
【請求項4】 前記シリコンナノ粒子が、約1eVのエネルギー間隔を有す
る請求項1に記載の単一電子トランジスタデバイス。
4. The single electron transistor device of claim 1, wherein the silicon nanoparticles have an energy spacing of about 1 eV.
【請求項5】 ソースと、ドレインと、ゲート領域を有するゲートと、ゲー
ト領域(20)内に打ち込まれた少なくともいくつかのシリコンナノ粒子(18
)とを有する単一電子デバイスを動作させる方法であって、 シリコンナノ粒子が、室温において、ソースとドレインとの間で単一電子を伝
導するのを可能にするために、シリコンナノ粒子内に少なくとも1つの正孔を生
成する段階と、 ドレインとソースとの間に電圧を印加する段階と、 を備えた単一電子デバイスを動作させる方法。
5. A source, a drain, a gate having a gate region, and at least some silicon nanoparticles (18) implanted in the gate region (20).
) And a single-electron device having a silicon nanoparticle within the silicon nanoparticle to allow single electrons to conduct between the source and drain at room temperature. A method of operating a single electronic device comprising: generating at least one hole; and applying a voltage between a drain and a source.
【請求項6】 前記シリコンナノ粒子内に正孔を生成する前記段階が、前記
シリコンナノ粒子に照射することによって達成される請求項4に記載の単一電子
デバイスを動作させる方法。
6. The method of operating a single electronic device as claimed in claim 4, wherein the step of generating holes in the silicon nanoparticles is accomplished by irradiating the silicon nanoparticles.
【請求項7】 正孔を生成する前記段階が、300から600nmのスペク
トル幅を有する光を使用する請求項5に記載の単一電子デバイスを動作させる方
法。
7. The method of operating a single electronic device according to claim 5, wherein the step of generating holes uses light having a spectral width of 300 to 600 nm.
【請求項8】 トランジスタメモリーデバイスであって、 ソース(30)と、 ドレイン(32)と、 制御酸化物(36)内に含まれるシリコンナノ粒子を備えたゲート領域(20
)を有し、かつ、前記ソースとドレインとの間に配置されたトンネル酸化物から
離れているゲート(34)と、 を備えたトランジスタメモリーデバイス。
8. A transistor memory device comprising a source (30), a drain (32), and a gate region (20) comprising silicon nanoparticles contained within a control oxide (36).
) And a gate (34) remote from the tunnel oxide disposed between the source and the drain.
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