JPH1065145A - 電導性原子サイズ細線および原子サイズスイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の半導体素子を越えた高集積、高密度素
子の実現の上では個々の素子間の信号伝播のための配線
も微細化が要求されるので、電導性と構造安定性を保持
しつつ原子サイズの微細な細線を実現すること。 【解決手段】 原子または分子で未結合ボンドを終端す
ることで不導体化された表面から終端原子を一列ないし
複数列取り除き、そこに金属原子を供給することにより
細線を作製する。終端原子の除去で生じた未結合ボンド
をちょうど終端する数を越える数の金属原子を供給する
ことにより、電導性が得られる。 【効果】 電導性を有し、構造安定な原子サイズ幅の素
子間配線が実現可能であり、これによって超高密度素子
が実現可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子サイズおよび
ナノメータサイズの各種素子やこれらを集積した素子に
おいて、素子間および素子と電極間の配線に必要な、電
導性原子サイズ細線に関するものであり、さらにこの原
子サイズ細線に電気的スイッチング機能を付与した原子
サイズスイッチに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、周知のようにMOSトランジスタを
用いた論理回路の高密度化、高速化が一段と進展してい
る。この高密度化、高速化は集積された個々の素子のサ
イズを微細化することで達成されており、トランジスタ
の最小加工寸法は今や0.1ミクロンのオーダーに達して
いる。このような従来の技術の基本的な原理を変えない
ままに一層の微細化を達成する努力は現在でも精力的に
進められている。しかしながら、同じ基本原理をもちい
たままでは、p-n接合の欠乏層の広がり、統計誤差、消
費電力の増大などの種々の要因により、さらなる微細化
は早晩限界にぶつかると考えられる。

【０００３】このような事情から、従来と異なる原理に
基づく微細素子の検討が進められており、例えば原子ス
イッチ（特開平5-175513号公報参照）のような、原子サ
イズないしナノメータサイズに微細化可能な各種の素子
が提案されている。このように個々の素子については微
細化の道が開かれつつあるが、集積化した素子を微細化
する上では、単に個々の素子だけでなく、素子間の信号
伝播のための配線も微細化することが重要である。微細
加工の技術の進展により、現在では断面1nm角程度の電
導性細線を作製することは既に可能になっており、例え
ば、埋込原子細線（特開平7-30093号公報参照）などの
技術で実現することができる。しかし、原子サイズ素子
を十分生かす上では、電導性を損なわない範囲でより一
層配線を微細化する技術を確立しておくことが望まし
い。

【０００４】走査トンネル顕微鏡を用いて固体表面を微
細加工する技術を用いると、例えばサイエンス、２６８
巻（１９９５年）第１５９０頁から第１５９２頁(Scien
ce,268 (1995), pp1590-1592)に報告されているように
原子サイズの幅の細線構造を作製することが可能であ
る。しかし、構造的に安定でしかも電導性を有する原子
サイズ細線の作製にためにはこれだけでは十分でない。
例えば、水素終端したシリコン表面から水素原子列を取
り除くことによって作製された原子サイズ細線は、フィ
ジカル・レビュー・ビー、第５２巻（１９９５年）第１
０７６８頁から第１０７７１頁(Phys. Rev. B, 52 (199
5),pp10768-10771)に報告されているように電導性を有
するが、周囲の原子・分子を吸着することによって容易
に不導体化してしまうために超高真空環境下でしか使用
できない。これまでに報告されている電導性原子サイズ
細線は、いずれもこの細線と同様の理由か、あるいは室
温程度の熱振動で構成原子が容易に移動してしまうとい
う理由でごく短時間で不導体化してしまい、この意味で
構造的に安定とはいえない。他方、構造的に安定な原子
サイズ細線は、ほとんど非電導性であり、まれに電導性
細線の作製に成功した場合にも、なぜ導電性になった原
因や、作製条件は全く明らかになっていなかった。この
ように、現状では、構造的に安定でしかも電導性を有す
る原子サイズ細線の作製法はまだ明らかでないといえ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明では、導電性を
有し、しかも構造的に安定な原子サイズ細線を実現する
方法を提示する。本発明は、原子サイズないしナノメー
ターサイズ素子間の配線の微細化を可能にし、それによ
ってこれらの微細素子の高密度化を達成するものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記目的の
うち、構造的に安定な原子サイズ細線を実現するために
は、不導体化された表面から原子列を取り除いてできる
未結合ボンド列に他の原子を吸着させる、という方法を
用いる。この方法は例えばアプライド・フィジクス・レ
ター、第６６巻（１９９５年）第９７６頁から第９７９
頁(Appl. Phys.Lett.,66 (1995) pp976-979)などに、既
に報告されているものである。そして、このようにして
実現される構造安定な細線において、吸着させる原子の
数を制御することによって電導性を持つ細線を実現す
る。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下本発明を実施例に基づき詳細
に説明する。

【０００８】（実施例１）本実施例では、電導性を有す
る原子サイズ細線の構成の一例とその作製法について開
示する。

【０００９】図１に本発明の電導性原子サイズ細線の基
本構造を示す。同図（ａ）は上から見たところ、（ｂ）
は側面から見たところを示す。基板としては、絶縁体な
いし半導体１の表面未結合ボンドを適当な原子または分
子２で終端して不導体化したものを用いる。本実施例で
は、シリコン(100)基板を超高真空中で原子状水素ガス
に曝し、水素原子で表面の未結合ボンドを終端したもの
を用いたが、１は必ずしもシリコンである必要はなく、
炭化シリコンやガリウムヒ素等、半導体ないし絶縁体で
あれば構わない。また、未結合ボンドを終端する２には
水素がもっとも多く用いられているが、基板の未結合ボ
ンドを終端すること、およびその結果基板を不導体化す
ることの２点を満たすものであれば他の原子・分子であ
っても本発明の目的には使用可能である。また、シリコ
ン(100)基板では最外層のシリコン原子が二量体を形成
する形の表面再構成が生じており、水素終端後もこの再
構成は保持される。本発明はこのような表面再構成の詳
細にはよらないものである。

【００１０】超高真空環境にこの基板をおき、基板表面
に走査トンネル顕微鏡の探針を近付け、適当な電圧パル
スを印加することによって表面から原子２（本実施例の
場合には水素）を一原子ないし数原子ずつ引き抜くこと
が可能である。探針の位置を移動しながらこの操作を繰
り返すこと、あるいは電圧を印加したまま探針を移動さ
せることにより、基板表面から列状に終端原子２を取り
除くことができる。本実施例では、この方法によって水
素原子を一列除去した構造を作製した。なお、印加する
電圧の大きさや探針・基板表面間のトンネル電流の大き
さを変えることにより、複数列の原子を除去した構造の
作製も可能である。複数列の場合にも、以下に述べるの
と全く同じ方法で電導性の細線を作製できる。

【００１１】次に、この基板に金属原子３を少しずつ供
給していく。本実施例では、熱蒸発源を用いてガリウム
原子を供給した。この時、基板表面上で終端原子２を除
去されている部分は未結合ボンドが露出しており、終端
されている部分に比べて化学活性が高いため、供給され
た金属原子３は終端部分よりも未結合ボンドに吸着しや
すい。ガリウム原子の場合、室温では水素終端シリコン
表面上の拡散速度が非常に速いため、供給した原子は未
結合ボンド部分にのみ吸着する。終端部分よりも未結合
ボンド部分に吸着した方がエネルギー的に安定である、
という点はガリウム原子に限らずどんな金属原子にもあ
てはまる。しかし、供給する原子によっては、不導体化
した表面の部分での拡散速度が非常に遅いために未結合
ボンド部分への選択的吸着が見られないことがある。例
えば本実施例の基板を使用した場合、チタン原子がこれ
にあたる。このような場合には、走査トンネル顕微鏡や
原子間力顕微鏡を用いて終端部分に吸着した原子を未結
合ボンド列部分まで移動させることによってガリウムの
場合と同様の効果をあげることができる。したがって、
本発明にはガリウムに限らず任意の金属原子種が利用可
能である。

【００１２】本実施例の未結合ボンド列は、金属原子３
を吸着する前には電導性を有するが、金属原子３をごく
わずか供給すると電導性は失われてしまう。その後、未
結合ボンド部分に供給された原子数が未結合ボンドをち
ょうど終端するまで、電導性は失われたままである。細
線を電導的にするためには、未結合ボンド数と同数の金
属原子３を吸着させた後にさらに金属原子３を供給す
る。本実施例では、未結合ボンドがすべてガリウム原子
で終端されたことを確認した後、さらに１個のガリウム
原子を供給し、ごくわずか（１０mV）の電位差を細線の
両端に与えて電気抵抗値を測定したところ、12.7キロオ
ームとなった。本実施例のように電導経路の一部が細く
(数十nm以下）なっている場合、この形状の効果によっ
て低バイアス電圧時の抵抗値が12.7キロオームとなるこ
とが知られている。したがって本実施例で作製されたガ
リウム原子の細線自体の実質的な電導度はこの抵抗値か
ら算出される値よりずっと良好であるといえる。この
後、さらに少数ずつガリウム原子を供給していったが、
従来から電導性であることが知られている領域（1nm
角）に至るまで、電導性は保たれたままであった。

【００１３】以上の結果の妥当性は第一原理計算を併用
した詳細な検討でも裏付けられた。走査トンネル顕微鏡
による観察結果と第一原理計算とを併用して未結合ボン
ドと同数のガリウム原子が吸着した場合の表面構造を解
析した結果、表面構造は図２のようになることがわかっ
た。同図（ａ）は上から見たところ、（ｂ）は横から見
たところを示す。この場合のエネルギーバンド構造の計
算結果は図３のようになる。水素終端シリコン表面のエ
ネルギーギャップ中に未結合ボンド列と吸着ガリウム原
子に由来するエネルギーバンドが現れるものの、依然エ
ネルギーギャップがある半導体的な電子状態となってい
る。これが細線が非電導性となる原因である。ガリウム
原子が図２の場合より少ない時には、局所的に図２と同
様の構造が形成されるために非電導性になってしまうの
である。

【００１４】これに対し、供給するガリウム原子数を５
割増やした場合のガリウム原子吸着位置とその場合のエ
ネルギーバンド構造は、それぞれ図４、図５のようにな
った。図４（ａ）は上から見たところ、（ｂ）は横から
見たところを示す。図５は細線が金属的に振舞うことを
示していると共に、エネルギーギャップ中に現れたエネ
ルギーバンドの形状が図３の場合とほとんど同じであ
り、エネルギー位置のみ変化している点が顕著な特徴で
ある。これは、図２の構造に後から供給したガリウム原
子がこのエネルギーバンドを乱すことなく、単にこのバ
ンドに電荷を供給する役割を果たしているということを
示している。このことは、５割という特定の値で電導的
になるではなく、図２の状態に原子を加えれば必ず電導
性を示すことを意味しており、前記の結果と良く一致し
ている。

【００１５】図２および図４に示したガリウム原子の配
置は本実施例の基板とガリウム原子の組み合わせに特有
のものであり、基板、終端原子、供給金属原子の種類に
よって変化する。また、表面から除去する終端原子の幅
によっても変化する。これに伴い、図３および図５に示
したエネルギーバンド構造も変化する。しかし、エネル
ギーギャップ中に未結合ボンド列と供給した金属原子に
由来するエネルギーバンドが現れること、未結合ボンド
をちょうど終端する数の金属原子を供給した後にさらに
原子を供給してもエネルギーギャップ中のバンドの形状
は変化せず、そのエネルギー位置のみ変化する、という
特徴は基板、終端原子、供給金属原子によらずに成立す
るものである。本実施例では、基板をシリコンからダイ
ヤモンドに変えた場合、および供給原子をガリウムから
チタンに変えた場合についてこの点を確認した。

【００１６】なお、本実施例で作製された原子サイズ細
線は超高真空環境から大気中に搬出した後にも安定であ
り、電導性を保つことが確認されたが、安定性を一層高
めるために細線形成後に基板表面に絶縁物質を堆積させ
ることは大変有効である。また、終端原子を除去して形
成する未結合ボンド列数は一列から２０列まで、供給す
る金属原子数は未結合ボンド数の１００倍まで試み、本
発明の方法が有効であることを確認した。原子数制御の
容易さの点から、列数については５列まで、供給原子数
では未結合ボンド数の１０倍までで本発明は特に有効で
あった。

【００１７】（実施例２）本実施例では、原子サイズ細
線の電導性を変化させることによって実現したスイッチ
ング素子の構造を開示する。スイッチング素子の概略を
図６に示す。スイッチング素子は３本の原子サイズ細線
４、５、６から構成される。ここで、細線４では吸着さ
せる原子数を未結合ボンド数より１個だけ多くしてお
く。実施例１にも述べたように、未結合ボンド数と吸着
原子数が同数になるまでの吸着原子の位置と、その後に
供給した原子とでは吸着位置が異なる。細線４の場合、
原子７のみがこの後者にあたる。以下、原子７をスイッ
チング原子と呼ぶ。細線５および６は、スイッチング原
子７をはさんで向かい合うように配置する。細線４とは
異なり、細線５および６では吸着原子数は未結合ボンド
の数より何個多くても良い。

【００１８】図６のスイッチング素子において、細線５
または６に正の電圧を印加すると、スイッチング原子７
に比べて細線４を構成する他の金属原子の吸着エネルギ
ーが高いため、スイッチング原子７のみ細線５または６
の方向に移動する。スイッチング原子７が細線から離れ
る際に細線４からスイッチング原子７に電荷が移動する
ため、スイッチング原子７が細線から離れることによっ
て細線４は非電導状態となる。このようにして細線４を
電導状態から非電導状態に切替えることが可能である。
逆に非電導状態にあるときには、スイッチング原子７が
細線５の方向に移動している時には細線６に、原子７が
細線６方向に移動している時には細線５に、正の電圧を
印加すると、スイッチング原子７がもとの位置に戻り、
細線４は電導状態となる。本実施例では、実施例１と同
様、水素終端したシリコン基板とガリウム原子を用いて
細線４、５、６を作製した。細線５ないし６に0.1Vの電
圧を印加することにより、スイッチング原子の移動が確
認された。

【００１９】本発明のように原子サイズ細線の電導性を
切替えるスイッチング素子としては既に原子スイッチ
（特開平5-175513号公報参照）があるが、本発明はこの
原子スイッチとは本質的に異なる点を有する。すなわ
ち、従来の原子スイッチではスイッチング原子自身が電
気伝導の経路の一部をなしており、スイッチング原子の
移動によって電導の経路が連結されるかまたは分断され
る、ということによってスイッチングが達成されるのに
対し、本発明ではスイッチング原子自身は電導の経路に
は含まれていない。スイッチング原子の移動によって電
導経路の電子状態を電子状態を変化させ、したがって細
線全体の電導度を変化させてスイッチングが達成される
のである。

【００２０】このように本発明は先行発明に対して独自
の点を有するが、スイッチング素子として機能するとい
う点は同じであるため、特開平5-175513号公報に開示さ
れているものと同様にして論理回路を構成することが可
能である。

【００２１】

【発明の効果】本発明により、電導性を有し、構造安定
な原子サイズの細線が作製可能となる。このことによ
り、原子サイズ幅の素子間配線が可能となるため、原子
サイズないしナノメーターサイズ素子の高集積化、高密
度化が可能となる。また、本発明では、スイッチング素
子としても既存の原子サイズスイッチより構造安定なも
のが実現可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電導性原子サイズ細線の構成の一
例の(a)上から見たところおよび(b)側面から見たところ
を示した図。

【図２】本発明において、未結合ボンドをちょうど終端
する数の金属原子を供給した場合の細線の原子配置の一
例の(a)上から見たところおよび(b)横から見たところを
示した図。

【図３】図２に対応する細線のエネルギーバンド構造を
示した図。

【図４】本発明による電導性原子サイズ細線の原子配置
の一例の(a)上から見たところおよび(b)横から見たとこ
ろを示した図。

【図５】図４に対応する細線のエネルギーバンド構造を
示した図。

【図６】本発明による原子サイズスイッチング素子の構
成の一例を示した図。

【符号の説明】

１；半導体ないし絶縁体基板の構成原子、２；未結合ボ
ンドを終端する原子または分子、３；金属原子、４、
５、６；電導性原子細線、７；スイッチング原子。

フロントページの続き (72)発明者 橋詰 富博 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会 社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者 和田 恭雄 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会 社日立製作所基礎研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体あるいは絶縁体結晶面上の未結合ボ
   ンドを原子または分子で終端することによって不導体化
   された表面上から終端原子の列を取り除き、これによっ
   て生じた未結合ボンド列に金属原子を吸着させることに
   よって形成された電導性原子サイズ細線。
2. 【請求項２】吸着させる原子数を、表面上の未結合ボン
   ド数より多く、その１０倍よりは少なくした請求項１記
   載の電導性原子サイズ細線。
3. 【請求項３】表面上から原子列を取り除いて形成する未
   結合ボンド列の幅を１列以上５列以下とする請求項１記
   載の電導性原子サイズ細線。
4. 【請求項４】吸着させる原子数を表面上の未結合ボンド
   数より１個多くした請求項１記載の電導性原子サイズ細
   線において、その中の１個の原子の位置を移動させるこ
   とによって電導性を変化させる原子サイズスイッチ。