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(In Japanese)単分子トランジスタ meetings

Patent code P200017363
File No. J1035-02WO
Posted date Dec 22, 2020
Application number P2020-503630
Patent number P6799880
Date of filing Feb 28, 2019
Date of registration Nov 26, 2020
International application number JP2019007941
International publication number WO2019168124
Date of international filing Feb 28, 2019
Date of international publication Sep 6, 2019
Priority data
  • P2018-038093 (Mar 2, 2018) JP
Inventor
  • (In Japanese)真島 豊
  • (In Japanese)中村 栄一
  • (In Japanese)辻 勇人
  • (In Japanese)野崎 京子
  • (In Japanese)新谷 亮
  • (In Japanese)オオヤン チュン
  • (In Japanese)居藤 悠馬
  • (In Japanese)イ スンジュ
Applicant
  • (In Japanese)国立研究開発法人科学技術振興機構
Title (In Japanese)単分子トランジスタ meetings
Abstract (In Japanese)単分子トランジスタは、第1電極層と第1電極層の一端部に配置された第1金属粒子とを有する第1電極と、第2電極層と第2電極層の一端部に配置された第2金属粒子を有する第2電極と、第1電極及び第2電極から絶縁された第3電極と、π共役骨格を有するπ共役分子とを含み、第1電極と第2電極とは、第1金属粒子と第2金属粒子とが対向し間隙をもって配置され、第1金属粒子及び第2金属粒子の一端から他端までの幅が10nm以下であり、第3電極は第1金属粒子と第2金属粒子とが対向する間隙に隣接し、第1金属粒子及び第2金属粒子と離隔して配置され、π共役分子は第1金属粒子と第2金属粒子との間隙に配置されている。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

半導体集積回路は、微細化技術の進歩に伴って著しい発展を遂げている。しかし、微細化に伴って幾つかの問題も顕在化している。例えば、トランジスタの短チャネル効果によるオフリーク電流の増大、ゲート絶縁膜の薄膜化によるゲートリーク電流の増大、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)構造における動作速度の向上限界、消費電力の増大、配線の高密度化による寄生容量増大といった様々な問題が指摘されている。

このような技術的進歩の限界に直面し、材料を加工し微細化するトップダウン的手法ではなく、物質の最小単位である原子や構造が定義されている分子からデバイスを構成するボトムアップ的な手法、又はボトムアップ手法とトップダウン手法を組み合わせることによる新しい電子デバイスを実現する研究が進められている。例えば、数ナノメートルのギャップ長を有すナノギャップ電極を用い、ギャップ間に単一のナノ粒子や単分子を配置したナノデバイスの研究が進められている(非特許文献1乃至9参照。)。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は分子デバイスに係り、チャネルに相当する領域が分子で構成され、量子効果により電子又は正孔が流れるトランジスタに関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
第1電極層と、前記第1電極層の先端部に配置された第1金属粒子とを有する第1電極と、
第2電極層と、前記第2電極層の先端部に配置された第2金属粒子を有する第2電極と、
前記第1電極及び前記第2電極から絶縁された第3電極と、
π共役骨格を有するπ共役分子と、を含み、
前記第1電極と前記第2電極とは、前記第1金属粒子と前記第2金属粒子とが対向し、間隙をもって配置され、
前記第1電極層及び前記第2電極層は前記先端まで20nm以下の均一の幅を有し、膜厚が20nm以下であり、
前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子の一端から他端までの幅が20nm以下であり、
前記第3電極は前記第1金属粒子と前記第2金属粒子とが対向する間隙に隣接し、前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子と離隔して配置され、
前記第1電極層及び前記第2電極層の表面に、前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子に加え、複数の他の金属粒子を含み、
前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子、並びに前記複数の他の金属粒子は、それぞれが前記第1電極層及び前記第2電極層の表面において相互に接触せず、離間して配置され、
前記π共役分子は前記第1金属粒子と前記第2金属粒子との間隙に配置され
前記第1電極層及び前記第2電極層が白金で形成され、前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子並びに前記他の金属粒子が金であることを特徴とする単分子トランジスタ。

【請求項2】
 
前記第1電極層及び前記第2電極層は上面及び側面を有し、
記第1金属粒子及び前記第2金属粒子は、それぞれ前記上面及び前記側面に接する、請求項1に記載の単分子トランジスタ。

【請求項3】
 
前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子が半球状である、請求項1又は2に記載の単分子トランジスタ。

【請求項4】
 
前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子の曲率半径が12nm以下である、請求項3に記載の単分子トランジスタ。

【請求項5】
 
前記第1金属粒子が前記第1電極層の先端部分からせり出して配置され、前記第2金属粒子が前記第2電極層の先端部分からせり出して配置されている、請求項4に記載の単分子トランジスタ。

【請求項6】
 
前記第1電極層前記第1金属粒子、及び前記第2電極層前記第2金属粒子は、それぞれが前記接する界面で、前記白金と前記とが金属結合を形成している、請求項2に記載の単分子トランジスタ。

【請求項7】
 
前記第1金属粒子と前記第2金属粒子との間隙の長さが5nm以下である、請求項1に記載の単分子トランジスタ。

【請求項8】
 
前記π共役分子の長さは5nm未満である、請求項1に記載の単分子トランジスタ。

【請求項9】
 
前記π共役分子は、剛直な骨格で構成されたπ共役分子である、請求項1に記載の単分子トランジスタ。

【請求項10】
 
前記π共役分子は、炭素(C)架橋を有するπ共役骨格を有する、請求項1に記載の単分子トランジスタ。

【請求項11】
 
前記π共役分子は、π共役骨格の一端と他端に、前記第1金属粒子又は前記第2金属粒子と化学結合する元素を含む、請求項1に記載の単分子トランジスタ。

【請求項12】
 
前記π共役分子は、π共役骨格と前記元素との間にアルキレン基、パーフロロアルキレン基(-(CF2n-)、オキシアルキレン基(-O-(CH2n-)、又はアザアルキレン基(-NH-(CH2n-)を含む、請求項11に記載の単分子トランジスタ。

【請求項13】
 
前記π共役分子が、末端がチオール基で置換された炭素架橋オリゴフェニレンビニレン(COPVn(SH)2)である、請求項1に記載の単分子トランジスタ。

【請求項14】
 
前記末端がチオール基で置換された炭素架橋オリゴフェニレンビニレンのユニット数が1~10である、請求項13に記載の単分子トランジスタ。

【請求項15】
 
前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子の一方と、前記π共役分子の一端とが化学吸着している、請求項1に記載の単分子トランジスタ。

【請求項16】
 
前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子は金(Au)を含み、前記π共役分子の一端で硫黄(S)と金(Au)とが化学吸着している、請求項1に記載の単分子トランジスタ。

【請求項17】
 
前記π共役分子の他端は、硫黄(S)と水素(H)とが結合している、請求項16に記載の単分子トランジスタ。

【請求項18】
 
前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子は金(Au)を含み、前記π共役分子の両端で硫黄(S)と金(Au)とが化学吸着している、請求項1に記載の単分子トランジスタ。

【請求項19】
 
前記第1電極と前記第2電極との間に共鳴トンネル電流が流れる、請求項1に記載の単分子トランジスタ。

【請求項20】
 
前記π共役分子の骨格部分と前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子とが、トンネル電流が流れる長さで離隔されている、請求項18に記載の単分子トランジスタ。

【請求項21】
 
前記π共役分子の骨格部分と前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子とが、トンネル電流が流れる長さで離間する部分において、前記骨格部分前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子と化学吸着する元素の間に、アルキレン基、パーフロロアルキレン基(-(CF2n-)、オキシアルキレン基(-O-(CH2n-)、又はアザアルキレン基(-NH-(CH2n-)を含む請求項18に記載の単分子トランジスタ。

【請求項22】
 
前記アルキレン基、パーフロロアルキレン基(-(CF2n-)、オキシアルキレン基(-O-(CH2n-)、又はアザアルキレン基(-NH-(CH2n)が前記骨格部分と前記化学吸着する元素との間で直線状に伸張している請求項21に記載の単分子トランジスタ。

【請求項23】
 
前記第3電極に一定電圧を印加し、前記第1電極及び前記第2電極の一方をソース、他方をドレインとしたときの電流電圧特性が温度の上昇に伴いオンオフ比が大きくなるように変化する、請求項1に記載の単分子トランジスタ。

【請求項24】
 
前記π共役分子が、末端がオキシアルカンチオール基(-O-(CH2n-SH)で置換されたSi架橋キノイド型縮合オリゴシロール誘導体(Si-2×2)である、請求項1に記載の単分子トランジスタ。

【請求項25】
 
オン状態におけるコンダクタンスが1μS以上である、請求項1に記載の単分子トランジスタ。

【請求項26】
 
単電子トランジスタから共鳴トンネルトランジスタに動作機構が遷移する、請求項1に記載の単分子トランジスタ。

【請求項27】
 
前記第1電極及び前記第2電極が絶縁表面を有する基板上に設けられ、前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子が前記第1電極と前記第2電極との前記間隙に突出し、かつ前記絶縁表面から離れて設けられている、請求項1乃至26のいずれか一項に記載の単分子トランジスタ。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2020503630thum.jpg
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