(57)【要約】  ３Ｄナノ構造物を含む３Ｄナノ素子を提供する。３Ｄナノ素子は、基板の上に設けられた振動部と振動部の長さ方向の両端部を支持する支持部とを備える１つ以上のナノ構造物と、ナノ構造物の支持部を支持するために基板上に形成される支持台と、基板の上部、下部、又は両方に形成され、ナノ構造物を制御する１つ以上の制御部と、振動部上に形成され、外部から流入される物質を感知する感知部とを含む。これにより一般の平面構造とは異なり、ナノ素子と基板との間に発生する不純物形成を低減し、機械的振動を引き起こすことができる。特に、３Ｄナノ構造物は、機械的及び電気的特性を有するため、新しいナノ構造物を含む３Ｄナノ素子がナノ電気機械特性を用いて提供される。単電子素子、スピン素子、ＳＥＴ−ＦＥＴハイブリッド素子を平面素子とは異なる処理を用いて形成することができる。
2011501702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と空間を隔てて設けられた振動部と、前記振動部の長さ方向の両端部を支持する支持部とを各々が備える、少なくとも１つのナノ構造物と、
前記ナノ構造物の各々の前記支持部を支持するために前記基板上に形成される支持台と、
前記基板の上部、下部、または上下部の両方に形成され、前記ナノ構造物の各々を制御する少なくとも１つの制御部と、
各々の前記振動部上に形成され、外部から流入される吸着物質を感知する感知部と
を含むことを特徴とする３次元ナノ素子。
【請求項２】
前記基板の下部に形成される外部振動部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の３次元ナノ素子。
【請求項３】
前記制御部は、前記ナノ構造物の振動部の上部及び下部のうち少なくとも１つに前記ナノ構造物と交差するように形成され、前記振動部の振動を誘発する圧電物質または金属物質を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の３次元ナノ素子。
【請求項４】
前記制御部は、前記基板の上部において前記振動部の下部に前記ナノ構造物と交差するように形成され、前記振動部の振動を誘発する１つ以上の電極を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の３次元ナノ素子。
【請求項５】
前記振動部の幅は、数ナノメートル乃至１マイクロメートル範囲であり、前記振動部の高さは、数ナノメートル乃至１マイクロメートル範囲であり、前記振動部の長さは、１００ナノメートル乃至１００マイクロメートル範囲であることを特徴とする請求項１に記載の３次元ナノ素子。
【請求項６】
前記振動部及び前記基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｂ−Ｃ、Ｂ−Ｐ（ＢＰ６）、Ｂ−Ｓｉ、Ｓｉ−Ｃ、Ｓｉ−Ｇｅ、Ｓｉ−Ｓｎ及びＧｅ−Ｓｎ、ＳｉＣ、ＢＮ／ＢＰ／ＢＡｓ、ＡｌＮ／ＡｌＰ／ＡｌＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＳｂ、ＩｎＮ／ＩｎＰ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ、ＢＮ／ＢＰ／ＢＡｓ、ＡｌＮ／ＡｌＰ／ＡｌＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＳｂ、ＩｎＮ／ＩｎＰ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ、ＺｎＯ／ＺｎＳ／ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ、ＣｄＳ／ＣｄＳｅ／ＣｄＴｅ、ＨｇＳ／ＨｇＳｅ／ＨｇＴｅ、ＢｅＳ／ＢｅＳｅ／ＢｅＴｅ／ＭｇＳ／ＭｇＳｅ、ＧｅＳ、ＧｅＳｅ、ＧｅＴｅ、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＯ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＣｕＦ、ＣｕＣｌ、ＣｕＢｒ、ＣｕＩ、ＡｇＦ、ＡｇＣｌ、ＡｇＢｒ、ＡｇＩ、ＢｅＳｉＮ2、ＣａＣＮ2ＺｎＧｅＰ2、ＣｄＳｎＡｓ2、ＺｎＳｎＳｂ2、ＣｕＧｅＰ3、ＣｕＳｉ2Ｐ3、（Ｃｕ、Ａｇ）（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｆｅ）（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）2、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、Ｇｅ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）2（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）3、及びＡｌ2ＣＯのうち１つの材料を利用するか、または前記材料のうち少なくとも２個以上を組み合わせた組合物のうち１つの材料を利用することを特徴とする請求項１に記載の３次元ナノ素子。
【請求項７】
前記振動部の長さが同一であるか、異なるナノ構造物が複数個設置されるか、または前記振動部の長さのうち一部は同一であり、一部は異なるナノ構造物が複数個設置されることを特徴とする請求項１に記載の３次元ナノ素子。
【請求項８】
前記振動部は、前記振動部の長さによる基本周波数及び非線形周波数を利用することを特徴とする請求項７に記載の３次元ナノ素子。
【請求項９】
前記感知部は、前記基本周波数の最大振幅領域に形成され、前記最大振幅領域には、物質の吸着のためのプローブが形成されることを特徴とする請求項８に記載の３次元ナノ素子。
【請求項１０】
前記感知部は、金属、シリコンまたは酸化物よりなることを特徴とする請求項９に記載の３次元ナノ素子。
【請求項１１】
前記感知部上には有機物プローブがさらに形成されることを特徴とする請求項１０に記載の３次元ナノ素子。
【請求項１２】
前記有機物プローブは、チオール基、アミン及びシラン基を含む基と、これらと結合するＤＮＡ及び抗体を含むバイオ物質を含み、流入される物質と化学的に結合することを特徴とする請求項１１に記載の３次元ナノ素子。
【請求項１３】
前記基板の周りに沿って形成された側面部と、前記側面部の一領域に形成された流体流入口と、前記側面部の他の一領域に形成された流体流出口と、前記側面部の上部に形成される上面部とを含むことを特徴とする請求項１に記載の３次元ナノ素子。
【請求項１４】
前記ナノ構造物の振動部領域にレーザ光源を提供するレーザと、前記レーザから提供された前記レーザ光源を受光するレーザ感知部とをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の３次元ナノ素子。
【請求項１５】
基板と空間を隔てて設けられた振動部と、前記振動部の長さ方向の両端部を支持する支持部とを備える１つ以上のナノ構造物と、
前記ナノ構造物の支持部を支持するために前記基板上に形成される支持台と、
前記ナノ構造物の振動部の下部に前記ナノ構造物と交差するように形成される１つ以上の電極と、
前記振動部上に形成され、外部から流入及び吸着される物質を感知する感知部と、を含む３次元ナノ素子。
【請求項１６】
前記ナノ構造物は、ゲート電極として機能することを特徴とする請求項１５に記載の３次元ナノ素子。
【請求項１７】
前記電極は、ソース電極とドレイン電極を含み、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間には間隙が形成されることを特徴とする請求項１６に記載の３次元ナノ素子。
【請求項１８】
前記ソース電極とドレイン電極との間に形成された間隙の上部領域の前記ナノ構造物には量子ドットが形成されていることを特徴とする請求項１７に記載の３次元ナノ素子。
【請求項１９】
前記ソース電極とドレイン電極との間に形成された間隙の上部領域の前記ナノ構造物には量子ドットが形成されており、前記ソース電極と前記ドレイン電極が磁性物質であることを特徴とする請求項１７に記載の３次元ナノ素子。
【請求項２０】
前記基板の上部に多数個のゲートが形成されていることを特徴とする請求項１７に記載の３次元ナノ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元（３Ｄ）ナノ素子に関し、特に、従来の２次元（２Ｄ）ナノ素子に比べて多様な形態及び分野において応用することができる３Ｄナノ構造物を含む３Ｄナノ素子に関する。
【０００２】
また、本発明は、２Ｄ素子の応用可能性の限界を克服し、光信号の検出により電気信号の感知による雑音を低減して、追加の電気的効果を用いることによって感知信号を高めることができる３次元ナノ素子に関する。
【背景技術】
【０００３】
情報通信技術の発達に伴い、伝送可能な情報の量が幾何級数的に増加しており、データを処理するための半導体素子の集積度も持続的に向上している。
【０００４】
しかしながら、ほとんどの半導体素子の集積度は素子を具体化させる装備に依存し、素子を最小化させる方法も装備が有する特性に依存する。また、小型化された半導体素子をセンサーまたはその他のバイオ物質感知装置などの新しい駆動装置に使用するためには特定の技術的な限界がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、新しい構造を有し、二次元（２Ｄ）ナノ素子よりもよい電気的特性を有し、電気素子及び光学素子は、互いに補完的である三次元（３Ｄ）ナノデバイスに向けられる。
【０００６】
また、本発明は、電気素子のための能動的駆動素子（例えばトランジスタ）としての機能だけでなく、センサーとしての機能を有する３Ｄナノ素子に向けられる。
【０００７】
さらに、本発明は、機械的に振動する量子的振動を提供するための量子素子としての機能を有する３Ｄナノ素子に向けられる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、基板と空間を隔てて設けられた振動部と、前記振動部の長さ方向の両端部を支持する支持部とを備える１つ以上のナノ構造物と、前記ナノ構造物の支持部を支持するために前記基板上に形成される支持台と、前記基板の上部または下部、または上下部の両方に形成され、前記ナノ構造物を制御する１つ以上の制御部と、前記振動部上に形成され、外部から流入される物質を感知する感知部と、を含む３Ｄナノ素子である。
【０００９】
前記３Ｄナノ素子は、前記基板の下部に形成される外部振動部をさらに含む。前記制御部は、前記ナノ構造物の振動部の上部及び下部のうち少なくとも１つに前記ナノ構造物と交差するように形成され、前記振動部の振動を誘発する圧電物質または金属物質を含む。前記制御部は、前記基板の上部において前記振動部の下部に前記ナノ構造物と交差するように形成され、前記振動部の振動を誘発する１つ以上の電極をさらに含む。
【００１０】
前記振動部の幅は、数ナノメートル乃至１マイクロメートル範囲であり、前記振動部の高さは、数ナノメートル乃至１マイクロメートル範囲であり、前記振動部の長さは、１００ナノメートル乃至１００マイクロメートル範囲である。前記振動部及び前記基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｂ−Ｃ、Ｂ−Ｐ（ＢＰ６）、Ｂ−Ｓｉ、Ｓｉ−Ｃ、Ｓｉ−Ｇｅ、Ｓｉ−Ｓｎ及びＧｅ−Ｓｎ、ＳｉＣ、ＢＮ／ＢＰ／ＢＡｓ、ＡｌＮ／ＡｌＰ／ＡｌＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＳｂ、ＩｎＮ／ＩｎＰ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ、ＢＮ／ＢＰ／ＢＡｓ、ＡｌＮ／ＡｌＰ／ＡｌＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＳｂ、ＩｎＮ／ＩｎＰ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ、ＺｎＯ／ＺｎＳ／ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ、ＣｄＳ／ＣｄＳｅ／ＣｄＴｅ、ＨｇＳ／ＨｇＳｅ／ＨｇＴｅ、ＢｅＳ／ＢｅＳｅ／ＢｅＴｅ／ＭｇＳ／ＭｇＳｅ、ＧｅＳ、ＧｅＳｅ、ＧｅＴｅ、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＯ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＣｕＦ、ＣｕＣｌ、ＣｕＢｒ、ＣｕＩ、ＡｇＦ、ＡｇＣｌ、ＡｇＢｒ、ＡｇＩ、ＢｅＳｉＮ2、ＣａＣＮ2ＺｎＧｅＰ2、ＣｄＳｎＡｓ2、ＺｎＳｎＳｂ2、ＣｕＧｅＰ3、ＣｕＳｉ2Ｐ3、（Ｃｕ、Ａｇ）（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｆｅ）（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）2、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、Ｇｅ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）2（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）3、及びＡｌ2ＣＯのうち１つの材料を利用するか、または前記材料のうち少なくとも２個以上を組み合わせた組合物のうち１つの材料を利用する。
【００１１】
複数のナノ構造物を形成することができる。この場合、前記振動部の長さが同一であるか、異なるナノ構造物が複数個設置されるか、または前記振動部の長さのうち一部は同一であり、一部は異なるナノ構造物が複数個設置される。前記振動部は、前記振動部の長さによる共振周波数及び非線形周波数を利用する。前記感知部は、前記共振周波数の最大振幅領域に形成され、前記最大振幅領域には、物質の吸着のためのプローブが形成される。前記感知部は、金属、シリコンまたは酸化物よりなる。前記感知部上には有機物プローブがさらに形成される。前記有機物プローブは、流入される物質と化学的に結合する形態の構成物であって、チオール基、アミン及びシラン基を含む基と、これらと結合するＤＮＡ及び抗体を含むバイオ物質を含む。
【００１２】
前記３Ｄナノ素子は、前記基板の周りに沿って形成された側面部と、前記側面部の一領域に形成された流体流入口と、前記側面部の他の一領域に形成された流体流出口と、前記側面部の上部に形成される上面部とを含む。前記ナノ構造物の振動部領域にレーザ光源を提供するレーザと、前記レーザから提供された前記レーザ光源を受光するレーザ感知部とをさらに含む。
【００１３】
本発明の他の態様は、基板と空間を隔てて設けられた振動部と、前記振動部の長さ方向の両端部を支持する支持部とを備える１つ以上のナノ構造物と、前記ナノ構造物の支持部を支持するために前記基板上に形成される支持台と、前記ナノ構造物の振動部の下部に前記ナノ構造物と交差するように形成される１つ以上の電極と、前記振動部上に形成され、外部から流入及び吸着される物質を感知する感知部とを含む３次元ナノ素子を提供することである。
【００１４】
前記電極は、ソース電極とドレイン電極とを含み、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間には間隙が形成される。前記ソース電極とドレイン電極との間に形成された間隙の上部領域の前記ナノ構造物には量子ドットが形成される。前記ソース電極とドレイン電極との間に形成された間隙の上部領域の前記ナノ構造物には量子ドットが形成されており、前記ソース電極と前記ドレイン電極が磁性物質である。前記基板の上部に多数個のゲートが形成されている。
【発明の効果】
【００１５】
上記されたように、本発明によると、三次元構造物を形成することによって、質量分析機及び電子素子などのような三次元ナノ素子を容易に製作することができる。三次元構造物を利用して製作されたナノ素子は、高い感度を有する振動部を含むため、微細な質量（例えば、生体分子の質量）を測定するセンサーとして使用することができる。さらに、本発明によると、様々な形態を有する３Ｄ電気素子は、単純なプロセスを用いるゲート電極を形成することによって製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の例示的な実施形態によるナノ構造物を含む質量分析機の部分斜視図である。
【図２Ａ】基板の下部に配置された外部振動子を含む質量分析機の側端面を示す図である。
【図２Ｂ】基板の下部に外部振動子が備えられていない質量分析機の側端面を示す図である。
【図３】図１に示される質量分析機の断面図であって、振動部が振動モードを入力して質量変化を感知する図である。
【図４】図１に示される質量分析機の断面図であって、振動部が振動モードを入力して質量変化を感知する図である。
【図５】図１に示される質量分析機の断面図であって、振動部が振動モードを入力して質量変化を感知する図である。
【図６Ａ】本発明の他の実施形態による多数のナノ構造物とレーザ感知部とを含む３次元センサーを示す概略図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示された３次元センサーの部分的な走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す図である。
【図７】振動部の長さが各々異なる多数のナノ構造物を概略的に示す図である。
【図８Ａ】本発明の例示的な実施形態によるナノ構造物を利用した分子センサーの概略図である。
【図８Ｂ】図８ＡのＡ領域を拡大した図である。
【図９】各々異なる長さの振動部を有する複数のナノ構造物の配置を例示する図である。
【図１０】図９の複数のナノ構造物を利用する、流体におけるセンサーの構造を示す図である。
【図１１】図１０のＢ領域を拡大した図である。
【図１２】本実施例の他の例示的な実施形態によるナノ構造物を利用する単電子トランジスタ（ＳＥＴ）を示す図である。
【図１３】図１２に開示されたＳＥＴより能動的に動作する、本発明の他の例示的な実施形態による３次元電子素子の構造を示す図である。
【図１４Ａ】本発明の他の実施形態による３Ｄ電子素子の構造を示す図であって、分子絶縁層又は有機絶縁層が図１２及び図１３で提示されるトンネリングポテンシャルとして空気及び真空を使用せずに配置されることを示す図である。
【図１４Ｂ】本発明の他の実施形態による３Ｄ電子素子の構造を示す図であって、トランジスタがソース電極とドレイン電極との間に形成された間隙の少なくとも一領域に分子及び有機物またはナノドット物質を付着されることによって駆動されることを示す図である。
【図１５】本発明の例示的な実施形態による、ナノ構造物を含む、ＳＥＴ、スピン素子、又は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の構造を示す図である。
【図１６】本発明の例示的な実施形態による、ナノ構造物を含む、ＳＥＴ、スピン素子、又は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の構造を示す図である。
【図１７Ａ】本発明の他の例示的な実施形態による、空気または真空状態を絶縁層として使用するＦＥＴを示す図である。
【図１７Ｂ】図１７ＡでＣ領域を拡大した図である。
【図１８】本発明の例示的な実施形態による分子スピン素子に関するＦＥＴの構造を示す図であり、絶縁層を無機物で形成した、図である。
【図１９】電場を利用する多数のゲートを含むＳＥＴの構造を示す図である。
【図２０】図１９に示されたＳＥＴの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、各々のナノ素子がナノ素子及び３Ｄナノ構造物を支持する基板を含む３次元ナノ素子を提供する。また、基板は、誘電体物質層により、活性素子から隔離されている。３Ｄナノ素子の構造は、目的によって変化する場合があるが、一般に３Ｄナノ構造物は二次元（２Ｄ）基板に三次元的に設けられる。３Ｄナノ素子の変形は、本発明の例示的な実施形態を示す添付の図面を参照して以下により十分に記載されるであろう。
【００１８】
実施例１：質量分析機及びセンサー
図１は、本発明の例示的な実施形態によるナノ構造物を含む質量分析機の部分斜視図であり、図２Ａは、基板の下部に配置された外部振動子を含む質量分析機の側端面を示す図であり、図２Ｂは、基板の下部に外部振動子が備えられていない質量分析機の側端面を示す図である。
【００１９】
図１、図２Ａ及び図２Ｂを参照すれば、このナノ構造物を含む質量分析機１００は、基板２２０と、基板２２０上に形成される絶縁層１３０と、基板２２０と空間を隔てて設けられるように設置されるナノ構造物１１０と、基板２２０上に設けられ、ナノ構造物１１０の長さ方向の両端部を支持する支持台１２０と、ナノ構造物１１０上に設けられ、質量分析機１００に流入される物質を吸着し、吸着された物質２１０の質量、電場及び磁場などの変化を感知する感知部１５０と、絶縁層１３０上に設けられ、感知部１５０を制御する制御部１４０とを含む。
【００２０】
ナノ構造物１１０は、基板上の絶縁層１３０から三次元的に設けられた線状の振動部１１１と、振動部１１１の両端部に形成された支持部１１２とを含む。感知部１５０は、ナノ構造物１１０を構成する振動部１１１に設置され、振動部１１１の振幅が最大になる位置に設けることができる。ナノ構造物１１０を構成する振動部１１１は、外部振動によって振動し、振動部１１１の幅はＷ、高さはｔ、長さはｌで表示される。振動部１１１の幅Ｗ及び高さｔは、数ナノメートル乃至１マイクロメートル範囲で形成することができ、長さｌは、１００ナノメートル乃至１００マイクロメートル範囲で形成することができる。
【００２１】
ナノ構造物１１０は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｂ−Ｃ、Ｂ−Ｐ（ＢＰ６）、Ｂ−Ｓｉ、Ｓｉ−Ｃ、Ｓｉ−Ｇｅ、Ｓｉ−Ｓｎ及びＧｅ−Ｓｎ、ＳｉＣ、ＢＮ／ＢＰ／ＢＡｓ、ＡｌＮ／ＡｌＰ／ＡｌＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＳｂ、ＩｎＮ／ＩｎＰ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ、ＢＮ／ＢＰ／ＢＡｓ、ＡｌＮ／ＡｌＰ／ＡｌＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＳｂ、ＩｎＮ／ＩｎＰ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ、ＺｎＯ／ＺｎＳ／ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ、ＣｄＳ／ＣｄＳｅ／ＣｄＴｅ、ＨｇＳ／ＨｇＳｅ／ＨｇＴｅ、ＢｅＳ／ＢｅＳｅ／ＢｅＴｅ／ＭｇＳ／ＭｇＳｅ、ＧｅＳ、ＧｅＳｅ、ＧｅＴｅ、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＯ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＣｕＦ、ＣｕＣｌ、ＣｕＢｒ、ＣｕＩ、ＡｇＦ、ＡｇＣｌ、ＡｇＢｒ、ＡｇＩ、ＢｅＳｉＮ2、ＣａＣＮ2ＺｎＧｅＰ2、ＣｄＳｎＡｓ2、ＺｎＳｎＳｂ2、ＣｕＧｅＰ3、ＣｕＳｉ2Ｐ3、（Ｃｕ、Ａｇ）（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｆｅ）（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）2、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、Ｇｅ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）2（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）3、及びＡｌ2ＣＯなどのような１つの材料と、これら材料のうち少なくとも２つ以上が適切に組合された組合物のうち選択されたいずれか１つの材料で形成する。ナノ構造物１１０の振動部１１１を振動するために、振動部１１１の上部及び下部を振動することができる圧電物質または金属物質を蒸着またはスパッタリングすることによって圧電素子が形成される。振動部１１１の上部及び下部に形成された圧電素子に電圧を加えると、振動部１１１の上部及び下部に形成された圧電物質の長さが伸びることによって、振動部１１１が縦方向に振動し、振動子としての役目をするようになる。また、前記振動部１１１は、圧電物質によってのみならず、制御部１４０によって振動が誘発される。具体的に、制御部１４０に交流（ＡＣ）電圧を印加し、ＡＣ電場が制御部１４０の周りに加えられれば、制御部１４０及び振動部１１１が対の極を有し、感知部及び振動部１１１の内部に存在する電荷がＡＣ電場の方向に移動して制御部１４０の電荷を引き付ける。また、制御部１４０に印加されるＡＣ電場の極が反対になり、相互間の引力が弱くなると、振動部１１１は、弾性によって元の場所に戻る。したがって、ＡＣ振動が繰り返されれば、振動部１１１は、振動し続ける。この時、印加する電場の周期がナノ構造物１１０の力学的共振周波数と一致すると、共振が起き、振動部１１１の振幅が最大化される。その結果、制御部１４０は、電極を通じて印加される電圧を利用して振動部１１１の振動を誘発する。
【００２２】
図２Ａに示されるように、質量分析機１００は、基板２２０の下部に外部振動部２３０をさらに含むことができる。この場合、外部振動部２３０を利用して基板全体を振動させることができる。外部振動部２３０は、ＰＺＴ、石英（Ｑｕａｒｔz）など圧電物質を利用して形成することができる。あるいは、図２Ｂに示されるように、外部振動部２３０は省くことができる。この場合、振動部１１１の振動は、振動部１１１の上部及び下部に形成された圧電素子を利用して引き起こされる。また、図２Ａに示されるように、外部振動部２３０がさらに設けられている場合には、振動部１１１の上部及び下部に形成される圧電素子を利用して振動部１１１の振動を引き起こすか、外部振動部２３０を利用して基板２２０全体の振動を誘発して、振動部１１１の振動を引き起こすことができる。さらに、図２Ａ及び図２Ｂに示される両方の場合において、振動部１１１の振動は制御部１４０を利用して誘発することができる。
【００２３】
前述の質量分析機１００は、次のような原理に基づいてその機能を実行することができる。質量分析機１００において、ナノ構造物１１０の振動部１１１の下部及び上部にＰＺＴのような振動を誘発する物質が設けられているので、振動を誘発する物質によって振動部１１１を振動することにより質量の変化を感知することができる。図２Ａ及び図２Ｂに示されたように、振動部１１１の振動は、制御部１４０、振動部１１１の上部又は下部に設けられた圧電物質、及び外部振動部２３０の様々な結合によって様々なモードにおいて引き起こすことができることは明らかである。図２Ａ及び図２Ｂに示された質量分析機１００のナノ構造物１１０の振動部１１１の共振周波数は、振動部１１１の長さｌ、幅Ｗ、高さｔ及びナノ構造物１１０の密度及びヤング率によって決定される。
【００２４】
すなわち、ナノ構造物１１０の共振周波数は、（式１）として示されるように、
【００２５】
【数１】
2011501702.tif 000003
【００２６】
である。
【００２７】
ここで、εは、ナノ構造物１１０のヤング率を意味し、ρは、ナノ構造物１１０の密度を意味し、ｔは、振動部１１１の高さを意味し、ｌは、振動部１１１の長さを意味する。一般的に、質量の変化は、（式２）で示されるように、周波数の変化と密接な関連がある。
【００２８】
【数２】
2011501702.tif 000004
【００２９】
ここで、Ｍeff＝０．７３５ｌｔｗｐである。言い換えれば、本実施例に係る質量分析機１００は、（式２）に基づいて、設けられたナノ構造物１１０を利用して質量を分析することができる。
【００３０】
（式１）に示されたように、共振周波数ω0は、振動部１１１の長さｌの二乗に反比例して増加する。従って、ナノ構造物１１０の振動部１１１の長さｌが長くなるにつれて、共振周波数ω0は小さくなることが分かる。例えば、振動部１１１の長さｌが数μｍの場合、ナノ構造物１１０は数ＭＨｚの共振周波数ω0を有する。ナノ構造物１１０が数ＭＨｚの共振周波数ω0を有する場合、質量分析機１００は、数アトグラム（ａｇ＝１０−１８ｇ）以上の感度を有する。したがって、本実施例による質量分析機１００は、共振周波数の変化にしたがって一本鎖ＤＮＡなどの小さな質量の物質でさえ測定することができる。その結果、質量分析機１００は、ＤＮＡ、タンパク質を含むバイオ物質及びガスなどの質量が微細な物質を感知することができる素子として応用可能である。
【００３１】
図３乃至図５は、図１に示される質量分析機１００の断面図であり、質量の変化を感知するための振動部１１１の振動モードを示す図である。
【００３２】
図３乃至図５を参照すると、設けられた振動部１１１は基本的な振動モードにおけるものであるとき、物質２１０は振動部１１１の位置領域に設けられた感知部１５０に吸着される。一般的に、振動部１１１は、両端部が固定されている線と同じように振動する。勿論、振動部１１１は、図３乃至図５に示された振動モードとは異なるように、さらに複雑で且つ多様な振動モードまたは非線形的な振動モードで振動することが可能である。
【００３３】
本実施形態において、感知部１５０に物質が吸着され、感知部１５０によって振動部１１１の質量の変化が感知されると、振動部１１１の振動モードが変化する。すなわち、振動する振動部１１１の共振周波数が変化する。振動部１１１の最大振幅、図３に示された振動モード３１０ａ、３１０ｂにおいて、感知部１５０の感度は、振動部１１１の最大振幅部分（すなわち、物質２１０）で最大化することができる。具体的には、所望の物質に吸着するための電極が形成されるとき、又は特定の物質で反応することができる反応領域が化学的表面処理あるいは感知部１５０の最大振幅部分（すなわち、物質２１０）で特定の反応物質を用いて形成されるとき、感知部１５０は電極又は反応領域で反応して、感知部１５０の感度を最大化することができる。物質２１０の一部分の質量が最大振幅部分（すなわち、物質２１０）で変化するとき、共振周波数、Ｑ値（Ｑ−ｆａｃｔｏｒ）、及び位相シフトの変化は最大化される。これは、雑音なしで共振周波数及びＱ値の変化を感知するために、周波数及びＱ値が非常に大きくなければならないからである。また、正確な質量を分析するために、最大振幅部分（すなわち、物質２１０）で共振周波数及びＱ値の変化を読むことが最も好ましい方法である。すなわち、物質が低振幅部分に吸着されたとしても、物質は全体の振幅に影響を与えるわけではないため、共振周波数の変化を感知することによって振動部１１１の質量変化を感知することは困難になる。
【００３４】
例えば、白金（Ｐｔ）で形成される感知部１５０が水素添加されるとき、水素（Ｈ）は感知部１５０の表面に吸着される。これにより、振動部１１１の共振周波数及びＱ値は水素が吸着されたかどうかに依存する。すなわち、本実施形態において、振動部１１１の共振周波数及びＱ値の変化は、感知部１５０に吸着されるＨの量を利用して感知することができる。
【００３５】
他の一例として、感知部１５０が金（Ａｕ）で形成され、チオール物質と結合されたＤＮＡによって得られる物質で形成されるとき、チオールが金と結合して一本鎖ＤＮＡプローブを形成する。この場合、質量は、前述の方法によって測定される。アンカー一本鎖ＤＮＡと結合するターゲットＤＮＡが供給され、一本鎖ＤＮＡプローブと相補的に結合をすれば、その質量も変わる。上述の原理に基づいて、質量分析機１００は、バイオ物質センサーとして機能するだけでなく、タンパク質の抗原−抗体相互作用を利用するバイオセンサーとして機能することもできる。
【００３６】
最大感度を有するデバイスを製造するために、図３乃至図５に示されたような、バイオ物質センサー及びバイオセンサーなどの物質２１０が吸着される感知部１５０は、振動部１１１の最大振幅部分で形成することができ、感知部１５０は、ターゲット物質と反応する物質で形成することができる。加えて、図３乃至図５に示されたように、振動部１１１は、多様な振動モード３１０ａ、３１０ｂ、４１０ａ、４１０ｂ、５１０ａ、５１０ｂを利用することができる。一方、物質２１０は、例えば蒸着処理またはスパッタリング処理、電気化学的吸着処理、単純な化学的反応などの様々な方法を用いて感知部１５０に吸着させることができる。
【００３７】
図６Ａは、本発明の他の実施形態に係る多数のナノ構造物とレーザ感知部とを含む３Ｄセンサーの概略図であり、図６Ｂは、図６Ａに示された３Ｄセンサーの走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像の一領域である。
【００３８】
図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、多数のナノ構造物１１０を含む３Ｄセンサー６００は、レーザ光源６１０と、レーザ光６３０を感知するレーザ感知部６２０を利用して物質の感度を測定することができる。３Ｄセンサー６００は、基板２２０と、絶縁層１３０と、多数の電極１４１と、多数のナノ構造物１１０と、少なくとも１つの感知部１５０と、レーザ光源部６１０と、レーザ感知部６２０とを含む。絶縁層１３０は、基板２２０上に形成される。多数の電極１４１は絶縁層１３０上に互いに平行に形成される。多数のナノ構造物１１０は、電極１４１と交差するようにマトリックス形態で形成され、基板２２０から離れて設けられている。少なくとも１つの感知部１５０は、各々のナノ構造物１１０上に形成される。レーザ光源部６１０は、ナノ構造物１１０の共振周波数の変化を測定するためにレーザ光６３０を照射する。また、レーザ感知部６２０は、レーザ光源部６１０から入射され、ナノ構造物１１０から反射されたレーザ光６３０を感知する。レーザ光源部６１０によって振動部に照射されたレーザ光６３０が反射されてレーザ感知部６１０によって感知されるとき、３Ｄセンサー６００は、レーザ感知部６２０で感知されたレーザ光６３０の光強度の変化を感知し、物質の質量を分析する。したがって、３Ｄセンサー６００は、光強度の変化を、周波数の変化、位相変化、Ｑ値の変化を感知することによって感知する。換言すると、予め定められた質量を有する物質が感知部１５０に吸着されるとき、共振周波数が変化し、それにより、感知部６２０に入射するレーザ光６３０の光強度も変化する。具体的には、入射されたレーザ光６３０の周波数をスキャンすることができる。この場合、射されたレーザ光６３０の周波数が共振周波数と同一であるとき、最大値の光電流が供給され、位相変化が最大化される。結果として、共振周波数を得ることができ、質量を有する物質が吸着されるときの共振周波数と質量を有する物質が吸着されていないときの共振周波数との間の差によって質量の変化を決定することができる。言い換えれば、質量の変化は、位相変化、Ｑ値の変化、及び共振周波数を感知することにより決定することもできる。
【００３９】
より具体的には、ナノ構造物１１０の各々は、基板２２０から三次元的に設けられた線形状の振動部１１１と、振動部１１１の両端部に形成された支持部１１２とを含む。少なくとも１つの感知部１５０は、ナノ構造物１１０の振動部１１１に設置可能である。ナノ構造物１１０の振動部１１１は、外部の振動によって振動し、振動部１１１の幅Ｗ、高さｔ、長さｌを有する。振動部１１１は、約１００ｎｍ乃至１００μｍの長さｌで形成することができる。
【００４０】
ナノ構造物１１０は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｂ−Ｃ、Ｂ−Ｐ（６）、Ｂ−Ｓｉ、Ｓｉ−Ｃ、Ｓｉ−Ｇｅ、Ｓｉ−Ｓｎ及びＧｅ−Ｓｎ、ＳｉＣ、ＢＮ／ＢＰ／ＢＡｓ、ＡｌＮ／ＡｌＰ／ＡｌＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＳｂ、ＩｎＮ／ＩｎＰ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ、ＢＮ／ＢＰ／ＢＡｓ、ＡｌＮ／ＡｌＰ／ＡｌＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＳｂ、ＩｎＮ／ＩｎＰ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ、ＺｎＯ／ＺｎＳ／ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ、ＣｄＳ／ＣｄＳｅ／ＣｄＴｅ、ＨｇＳ／ＨｇＳｅ／ＨｇＴｅ、ＢｅＳ／ＢｅＳｅ／ＢｅＴｅ／ＭｇＳ／ＭｇＳｅ、ＧｅＳ、ＧｅＳｅ、ＧｅＴｅ、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＯ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＣｕＦ、ＣｕＣｌ、ＣｕＢｒ、ＣｕＩ、ＡｇＦ、ＡｇＣｌ、ＡｇＢｒ、ＡｇＩ、ＢｅＳｉＮ2、ＣａＣＮ2ＺｎＧｅＰ2、ＣｄＳｎＡｓ2、ＺｎＳｎＳｂ2、ＣｕＧｅＰ3、ＣｕＳｉ2Ｐ3、（Ｃｕ、Ａｇ）（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｆｅ）（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）2、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、Ｇｅ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）2（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）3、Ａｌ2ＣＯ、及びそれらの組み合わせとからなるグループから選択された１つで形成することができる。
【００４１】
前述の構造を有する３Dセンサーは、次のような処理を通じて製作可能である。図６Ｂは、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板（図示せず）を例示する。絶縁層１３０は、シリコン酸化物で基板上に形成されており、支持台１２０もシリコン酸化物で絶縁層１３０上に形成されている。基板上に形成される所望の形態を有する最上部のシリコン層がエッチングされ、それによって、シリコンで形成され、基板と空間を隔てて設けられている振動部１１１と振動部の両端に設けられる支持部１１２とを含むナノ構造物１１０を形成する。その後、ナノ構造物１１０の下部に形成されるシリコン酸化物をエッチングによって除去し、ナノ構造物１１０の支持部１１２と同じ構造の支持台１２０を形成する。その後、感知部１５０が形成され、所望の化学的又は生化学的物質を設けられたナノ構造物１１１と接合する。次に、金属物質が絶縁層１３０を有する基板上に蒸着され、それによって感知部１５０とともに振動部１１１の信号を引き起こす複数の電極１４１を形成する。その結果、３Ｄセンサーの製造を完了することができる。
【００４２】
前述の製作工程を通じて製作された３Ｄセンサー６００において、レーザ光源部６１０から出たレーザ光６３０は、振動部１１１に設けられた感知部１５０によって反射されて、レーザ感知部６２０に移送される。この場合、レーザ光６３０の光強度は、振動部１１１の共振によって変化し、レーザ感知部６２０の信号の増幅に影響を及ぼす。このように、振動部１１１の共振は、レーザ感知部６２０の信号の増幅を感知することによって感知される。感知するターゲット物質が流体を取り囲むマイクロカプセルに含まれるとき、感知するターゲット物質の感度は電極１４１を用いる電気泳動によって高めることができる。具体的には、ＡＣ又はＤＣ電場を電極１４１にかけて、流体内に含まれる感知するターゲット物質は電場により感知部に引き寄せられ、密度が感知部１５０付近でより高くなる。その結果、流体内に含まれる感知するターゲット物質の感度を高めることができる。
【００４３】
図７は、振動部の長さが各々異なる多数のナノ構造物を概略的に示す図である。
【００４４】
図７を参照すれば、本実施形態に係る３Ｄセンサーは、絶縁層１３０を含む基板（図示せず）と、基板上に形成された複数の電極１４１と、基板上にナノ構造物７１０、７２０、７３０、７４０、７５０を支持するために形成された支持台１２０と、支持台１２０に支持されて設けられたナノ構造物７１０、７２０、７３０、７４０、７５０と、各々のナノ構造物７１０、７２０、７３０、７４０、７５０に形成された感知部１５０とを含む。振動部７１１、７２１、７３１、７４１、７５１は長さが異なり、その結果、振動部７１１、７２１、７３１、７４１、７５１は各々異なる共振周波数を有する。
【００４５】
異なる共振周波数を有する振動部７１１、７２１、７３１、７４１、７５１は、周波数を変化することによって共振周波数を求めるとき、共振がいくつかの部位で生じるため、様々な質量分析機及びセンサーとして利用することができる。また、振動部７１１、７２１、７３１、７４１、７５１が異なる共振周波数を有するとき、異なるセンサーを異なる物質で形成されたプローブを用いて異なる部位に各々取り付けて、センサーアレイを形成することができる。
【００４６】
図８Ａは、本発明の例示的な実施形態に係るナノ構造物を利用した分子センサーの概略図であり、図８Ｂは、図８ＡのＡ領域を拡大した図である。
【００４７】
図８Ａを参照すれば、本発明の例示的な実施形態に係るナノ構造物を利用した分子センサーは、基板上に形成された制御部１４０と、制御部１４０上に設けられたナノ構造物１１０とを含む。ナノ構造物１１０は、直線状の振動部１１１と、振動部１１１の両端部で振動部１１１を支持する支持部１１２とを含む。ナノ構造物１１０の支持部１１２の下部には、ナノ構造物１１０を支持する支持台１２０が設けられている。図８Ｂを参照すれば、最大振幅部に供給される物質を感知するための感知部１５０が振動部１１１上に形成されている。感知部１５０上には、少なくとも１つのプローブ８１０ａが設けられ、供給される物質はプローブ８１０ａに吸着される。プローブ８１０ａ上には、外部流体などのターゲット物質８１０ｂが吸着される。前述の構造のナノ構造物１１０は、プローブ８１０ａに吸着された物質８１０ｂの質量変化を感知するためのセンサーとして活用することができる。感知部１５０は、金属、シリコン、酸化物、又はそれらの結晶で形成することができる。金属は、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、又は銀（Ａｇ）とすることができ、酸化物は、シリコン酸化物、亜鉛酸化物、ルミニウム酸化物、チタン酸化物とすることができる。ここで、結晶は、シリコン結晶又はチタン結晶などの酸化物結晶、あるいは非晶質ではない酸化物結晶に限定される。また、有機物プローブ（図示せず）は、プローブ８１０ａに設けられる。プローブ８１０ａ上に形成される有機物プローブは、チオール基、アミン基、シラン基、チオール基あるいはアミン基あるいはシラン基と結合するＤＮＡ、又は抗体で形成される。有機物プローブは、それらに吸着される物質と化学的に結合することができる。
【００４８】
図９は、異なる長さを有する振動部を含む複数のナノ構造物の設計を例示し、図１０は、バイオセンサー、化学センサー又はガスセンサーとして図９に示すナノ構造物を利用する装置の構成を示す図であり、活用するときの装置構造図であり、図１１は、図１０のＢ領域を拡大した図である。
【００４９】
図１０に示された装置は、全体的に内部の物質が外部から分離される構造を有する。装置は、底面１０１０と、複数のナノ構造物１１０と、複数の支持台１２０と、側面部１０２０と、上部面１０３０と、流体流入口１０６０と、流体流出口１０７０とを含む。底面１０１０は、装置を支持及び密封する。ナノ構造物１１０は、底面１０１０上に形成され、センサーとして作動する。支持台１２０は、ナノ構造物１１０を支持する。側面部１０２０は、底面１０１０の外周方向に沿って形成される。上部面１０３０は、側面部１０２０上に形成され、ナノ構造物１１０を覆う。流体流入口１０６０は、側面部１０２０の一領域に形成され、流体流出口１０７０は、側面部１０２０の他の一領域に形成される。レーザ１０４０及びレーザ感知部は、上部面１０３０の上に設置される。レーザ１０４０は、レーザ光をナノ構造物１１０に照射し、レーザ感知部１０５０は、ナノ構造物１１０によって反射されたレーザ光を感知する。レーザ１０４０は、半導体レーザである。
【００５０】
図１０のＢ領域を拡大した図１１を参照すれば、センサー作動部として使用する複数のナノ構造物１１０は、異なる長さの振動部１１１を有する。少なくとも１つの感知部１１３０は、振動部１１１の各々に設けられ、装置の内部に流入される流体を感知する。各振動部１１１に設けられた感知部１１３０は、多様な形態及び多様な個数を備えることができる。流体が図１０の流体流入口１０６０に流入され、ナノ構造物１１０の振動部１１１に設けられた感知部１１３０と接触するとき、レーザ光源１１１０を用いて振動部１１１の共振周波数が測定される。また、感知するターゲット物質１１２０が感知部１１３０で反応するとき、振動部１１１の共振周波数の変化が測定される。すなわち、異なる共振周波数を有する振動部１１１の最大振幅部分に形成された感知部１１３０に物質１１２０が吸着されるとき、振動部１１１の共振周波数が変化する。このように、レーザ光源１１１０を利用して共振周波数及びＱ値の変化を得ることができ、物質１１２０の質量を共振周波数の変化、Ｑ値の変化、及び位相変化に基づいて検出することができる。
【００５１】
実施形態２：３Ｄ電子素子
本実施形態では、３Ｄ電子素子を具体的に説明することになる。３Ｄ電子素子は、３Ｄ空間を占有する電子素子であり、３Ｄ構造を有する。具体的には、本実施形態に係る３Ｄ電子素子は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、単電子トランジスタ（ＳＥＴ）、又は分子トランジスタを含む従来の分子素子及び従来の有機電子素子の特性を改善することによって得ることができる。
【００５２】
本実施形態において、３Ｄ電子素子は、実施形態１で提示したような基板と空間を隔てて設けられているナノ構造物と、ナノ構造物の付近又は下部に配置され、ナノ構造物と電気的に接続されているソース及びドレイン電極とを含む。あるいは、ＳＥＴの形成中に、チャネルに放出される電化の量をゲート電極を用いて制御し、ＳＥＴのエネルギー順位を他のゲートを用いて制御する。あるいは、単一電子トランジスタを追加の処理を用いて製造されるＦＲＴと結合して、それによってＳＥＴ−ＦＥＴハイブリッド素子を形成する。
【００５３】
図１２は、本発明の他の例示的な実施形態に係るナノ構造物を利用するＳＥＴを示す図である。
【００５４】
図１２を参照すれば、本実施形態に係るＳＥＴは、基板上に形成され、それらの間の間隙１２３０を有するソース電極１２１０及びドレイン電極１２２０と、ソース及びドレイン電極１２１０、１２２０上に設けられ、ゲート電極として機能するナノ構造物１２５０とを含む。ＳＥＴは、設けられたナノ構造物１２５０の一領域、具体的には、ソース及びドレイン電極１２１０、１２２０の間に形成された間隙１２３０と、ソース−ドレイン電極１２１０、１２２０と量子ドット１２４０との間の間隙と、間隙の上に形成された量子ドット１２４０を含む。本実施形態において、ソース及びドレイン電極１２１０、１２２０上に形成されたナノ構造物１２５０は、ゲート電極として機能する。
【００５５】
前述の構成よりなるＳＥＴにおいて、量子ドット１２４０がゲート電極として機能するナノ構造物１２５０に配置されているとき、ゲート電極、すなわちナノ構造物１２５０を利用して量子ドット１２４０のエネルギー準位の位置を制御し、それによって、ソース電極１２１０から放出される電荷の量を変化させ、トランジスタ現象を生じさせることができる。前述のＳＥＴが最も簡単なＳＥＴの一例である。本実施形態において、真空状態又は空気がトンネル障壁（ソース電極とドレイン電極との間の間隙１２３０）として用いられる。すなわち、ソース電極１２１０と量子ドット１２４０とを接続する導線がなく、空気中の抵抗をトンネル障壁（すなわちポテンシャル）として認識する。
【００５６】
図１３は、本発明の他の例示的な実施形態に係る３Ｄ電子素子の図であり、図１２に示されたＳＥＴより能動的に動作を行うことができる素子を示す。具体的には、図１２に示されたＳＥＴは、量子ドット１２４０とナノ構造物１２５０との間に配置される固有の（ｎａｔｉｖｅ）酸化物を用いて動作する一方で、図１３の３Ｄ電子素子は、ゲート電極として機能するナノ構造物１２５０上に配置された絶縁層１３２０をさらに含む。
【００５７】
図１３を参照すれば、３Ｄ電子素子は、ソース電極１２１０及びドレイン電極１２２０と、ナノ構造物１２５０と、支持台１３１０と、電極対１３４０とを含む。ソース電極１２１０及びドレイン電極１２２０は、基板（図示せず）上に配置され、それらの間に間隙１２３０を有する。ナノ構造物１２５０は、基板と空間を隔てて設けられている。支持台１３１０は、ナノ構造物１２５０の両端部の下部に配置され、ナノ構造物１２５０を支持する。電極対１３４０は、ナノ構造物１２５０の両端部上に配置され、外部回路と接続される。また、３Ｄ電子素子は、ナノ構造物１２５０を取り囲む絶縁層１３２０と、設けられたナノ構造物１２５０の振動部上に形成された感知部１２４０とをさらに含む。一例として、設けられたナノ構造物１２５０がシリコンであると仮定すれば、絶縁層１３２０は熱処理を用いて得られる酸化膜とすることができる。
【００５８】
上述の方法を利用してゲート電極として機能するナノ構造物１２５０を製作するとき、ナノ構造物１２５０の周りに絶縁層１３２０が位置する形態になるので、電極１３４０は、３Ｄ電子素子と外部回路とを接続するために、絶縁層１３２０の上に電極１３４０をさらに形成する。
【００５９】
図１３の構造は、図１３に示されたＳＥＴだけでなく、スピン素子でも適用可能である。例えば、ソース及びドレイン電極１２１０、１２２０と量子ドット１２４０とが磁性物質で形成されると仮定すれば、量子ドット１２４０上に配置された磁性物質のスピンの型は、ゲート電極として機能するナノ構造物１２５０を利用して変えることができる。具体的には、ナノ構造物１２５０にＡＣ又はＤＣ電流を流す場合、量子ドット１２４０上に配置された磁性物質のスピンの方向は、ナノ構造物１２５０に供給される電流によって引き起こされる磁場によって変わり、ソース電極１２１０からの電子の磁性を弱める。結果として、スピン方向が同じであるとき、３Ｄ電子素子の伝導率は増加し、スピン方向が異なる場合、３Ｄ電子素子の伝導性は減少する。従って、３Ｄ電子素子はスピン素子として機能することができる。
【００６０】
図１４ａは、本発明の他の実施形態に係る３次元電子素子の構成を示す図であり、図１２及び図１３のようなトンネリングポテンシャルとしての空気又は真空状態を用いずに分子絶縁層又は有機絶縁層を配置する、図である。
【００６１】
図１４ａを参照すれば、３Ｄ電子素子は、ソース電極１２１０と、ドレイン電極１２２０と、ソース電極１２１０及びドレイン電極１２２０の間に形成された間隙１２３０と、間隙１２３０の上に設けられ、ゲート電極として機能し、ゲート絶縁層１３２０で取り囲まれたナノ構造物１２５０とを含む。ナノ構造物１２５０は、絶縁層１３２０で取り囲まれており、絶縁層１３２０で取り囲まれたナノ構造物１２５０の一領域には、量子ドット１２４０が形成されている。有機物絶縁層１４１０は、ソース電極１２１０及びドレイン電極１２２０の間に形成された間隙１２３０と量子ドット１２４０との間の有機物で形成される。有機物絶縁層１４１０は、蒸着処理及び自己組立（self-assembly）処理、又はスピンコーティング処理を用いて形成可能である。
【００６２】
一般的に、有機物又は他の無機物が真空より誘電定数が高いため、有機物絶縁層１４１０は又は分子絶縁層は量子ドット１２４０と図１４Ａで示されるような間隙１２３０との間に形成され、それによりゲート効果を高める。
【００６３】
図１４Ｂは、本発明の他の実施形態に係る３Ｄ電子素子を示す図であり、ソース電極１２１０とドレイン電極１２２０との間に形成された間隙１２３０の少なくとも一領域に分子又は有機物質あるいはナノドット物質１４２０を付着することにより、トランジスタを駆動することを示す、図である。
【００６４】
図１４Ｂを参照すると、ソース電極１２１０を通じてドレイン電極１２２０に伝達される電荷が間隙１２３０の一領域に設けられた分子又は有機物質あるいはナノドット物質１４２０を通過し、分子又は有機物質あるいはナノドット物質１４２０のエネルギー準位に到達する。この場合、分子又は有機物質あるいはナノドット物質１４２０のエネルギー準位は、トランジスタを駆動するためにナノ構造物１２５０を用いて制御される。すなわち、分子又は有機物質あるいはナノドット物質１４２０は、電荷がそれらを通ることを許容し、ナノ構造物１２５０は分子又は有機物質あるいはナノドット物質１４２０の電荷の量を制御する。
上部の量子ドット１２４０を除去して電場を増加し、効率的にエネルギーを除去することができる。上部の量子ドット１２４０が提供されたとしても、エネルギー準位を制御することができる。この場合、ゲート電極として機能するナノ構造物１２５０上に形成されたゲート絶縁層１３２０は、無機物絶縁層、有機物絶縁層、空気または真空とすることができる。
【００６５】
図１５及び図１６は、本発明の例示的な実施形態に係る、ナノ構造物を含むＳＥＴ、スピン素子、又はＦＥＴの構造を示す図である。具体的には、図１５は無機物を利用するＳＥＴ、スピン素子、又はＦＥＴの構造を例示する一方で、図１６は絶縁層として空気及び真空を利用するＳＥＴ、スピン素子、又はＦＥＴの構造を例示する。
【００６６】
図１５を参照すれば、ＳＥＴ、スピン素子、又はＦＥＴは、絶縁層１３２０で取り囲まれており、ゲート電極として機能するナノ構造物１２５０と、基板上に形成された絶縁層１５１０と、ナノ構造物１２５０の下にナノ構造物１２５０と同一の形を有するゲート絶縁層１５２０と、ゲート絶縁層１５２０と交差して形成されたソース／ドレイン電極１２１０、１２２０とを含む。図１５の構造がゲート絶縁層１５２０を除いて図１３に示されるような同様の構成要素を含んでいるので、それらの説明はここでは省略する。図１５に示されたゲート絶縁層１５２０は無機物で形成され、具体的には、絶縁層１５１０と同一の絶縁物質または絶縁層１５１０とは異なる物質で形成される。特に、基板試料を製作するために事前に形成された絶縁物質をゲート絶縁層１５２０として利用することができる。図１６の構造も、ゲート絶縁層１６１０を除いて図１３に示されるような同様の構成要素を含んでいるので、それらの説明はここでは省略する。図１６に示される構造では、空気及び真空状態をゲート絶縁層１６１０として使用する。
【００６７】
図１７Ａは、本発明の他の例示的な実施形態に係る、空気または真空状態を絶縁層として使用するＦＥＴの構成を示す図であり、図１７Ｂは、図１７ＡのＣ領域を拡大した図である。
【００６８】
図１７Ａ及び図１７Ｂを参照すると、ＦＥＴは、図１６を参照して説明される、空気または真空状態をゲート絶縁層として使用し、ゲート１７４０がソース電極１７２０及びドレイン電極１７３０と交差するように形成されている。ゲート１７４０は、ゲート電極として機能するナノ構造物を形成する間に製造することができる。言い換えれば、ゲート１７４０を設けられたナノ構造物１２５０と同じ高さで形成すれば、ＦＥＴはナノ構造物を取り囲む絶縁層１７５０を用いて、電気的な短絡なしに駆動することができる。この構造において、ゲート１７４０は、伝導が生じるＦＥＴのチャネルの周囲を制御することができる。
【００６９】
図１８は、本発明の例示的な実施形態に係る、スピン素子、ＦＥＴ、又は分子素子の構造を示す図であり、絶縁層を無機物で形成することを示す図である。
【００７０】
図１８を参照すれば、本実施形態に係るＦＥＴは、設けられたナノ構造物の下にナノ構造物と同一の形態でナノ構造物を支持するゲート絶縁層１８１０を含む。図１８に示される構造は、重力と張力との間の不均衡によって上部チャネルが下方に曲げられることを防止し、それにより、電気状態の変化を抑制する。
【００７１】
図１９は、電場を利用する多数のゲートを含むＳＥＴの構造を示す図であり、図２０は、図１９に示されたＳＥＴの回路図を示す図である。
【００７２】
ＳＥＴにおいて、ソース−ドレイン電極間に配置され、ゲート絶縁層で取り囲まれたナノ構造物を含むチャネル１３３０内の電子のフローを、図１９に示されたゲート電極１９１０、１９２０、１９２０、１９４０、１９５０を利用して制御することができる。例えば、チャネル１３３０がＰ型のチャネルであると仮定すると、ゲート電極１９１０、１９３０、１９５０に正の電圧を印加するとき、３つの電圧によって電流が流れない。この場合、ゲート電極１９２０、１９４０の下に配置されたチャネル１３３０の一部分は、両方が分離された部分を有する２つの量子ドットとして機能する。前述の構造において、２つの量子ドットを有するＳＥＴを形成することができる。また、多数のゲート電極が設けられたとき、複数のＳＥＴをゲート電極と同数製造することができる。加えて、ゲート電極の各々が半導体物質で形成されるとき、ゲート電極の各々は、ＦＥＴのドレインとして機能することができる。結果として、ＳＥＴは、ＦＥＴを用いて製造することができる。反対に、ＳＥＴのドレイン又はソース電極においてＦＥＴを形成することにより、ＳＥＴ−ＦＥＴハイブリッド素子を製造することができる。図２０を参照すると、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５が各々、ゲート電極１９１０、１９２０、１９３０、１９４０、１９５０とチャネル１３３０との間に設けられ、電源電圧及び接地電圧が各々、チャネル１３３０の両端部に接続されている。キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５のキャパシタンスを調整することにより、ＦＥＴ及びＳＥＴの駆動を変化することができる。
【００７３】
以上、好ましい実施例によって本発明を詳細に記述したが、前述の実施例は、その説明のためのものであって、その制限のためのものではないので、本発明は、前記実施例に限定されない。また、本発明の技術的思想の範囲内で当分野における通常の知識を有する者なら多様な実施例が可能であることを理解することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１１０  ナノ構造物
１１１  振動部
１１２  支持部
１２０  ナノ構造物の支持台
１３０  絶縁層
１４０  制御部
１５０  感知部
２１０  吸着物質
２２０  基板
２３０  外部振動部（ＰＺＴ）
３１０ａ、３１０ｂ  振幅変位
４１０ａ、４１０ｂ  振幅変位
５１０ａ、５１０ｂ  振幅変位
６１０  レーザ光源
６２０  レーザ感知部
６３０  レーザ
７１０、７２０、７３０、７４０、７５０  異なる長さの振動部を有するナノ構造物
８１０ａ  プローブ
８１０ｂ  バイオ物質プローブ
１０１０  底面
１０２０  側面部
１０３０  上部面
１０４０  レーザ
１０５０  レーザ感知部
１０６０  流体流入口
１０７０  流体流出口
１１１０  レーザ光源
１１２０  吸着物質
１１３０  感知部
１２１０  ソース電極
１２２０  ドレイン電極
１２３０  間隙
１２４０  量子ドット（ナノドット）
１２５０  ナノ構造物（上部ゲート）
１３１０  支持台
１３２０  ゲート絶縁層
１３３０  ソース−ドレインチャネル
１３４０  電極
１４１０  有機物または分子ゲート絶縁層
１４２０  有機物または金属ナノ粒子または有機物チャネル
１５１０  絶縁層
１５２０  ゲート絶縁層
１６１０  ゲート絶縁層
１９１０、１９２０、１９３０、１９４０、１９５０  ゲート
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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