(57)【要約】【課題】  半導体分子をチャネル材料とするチャネル領域の導電性が分子間電荷移動によって制限されず優れており、しかも、容易かつ確実に作製可能な半導体装置及びその製造方法を提供すること。【解決手段】  ゲート電極を兼ねる基板１にゲート絶縁膜２を設け、その上にソース電極３およびドレイン電極４を対向させて形成する。次に、有機半導体分子５の自己組織化作用を利用して、半導体分子５からなる単分子膜を電極３および４の側面に形成する。次に、電極３と電極４との間隙部に、金などからなる微粒子６を配置した後、隣り合う微粒子６同士をリンカー分子７で連結し、導電性が高く、両端部が半導体分子５に結合した導電体８を形成する。電界効果トランジスタ１０は、実質的には、半導体分子５の単分子膜をチャネル領域９とする半導体素子（電界効果トランジスタ）１０ａと１０ｂが導電体８によって直列に接続されたものであると見なすことができる。【選択図】          図１
2008193009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極が対向して配置され、
これらの対向電極において、半導体分子がその一端部で電極表面に結合するように配  置され、
前記対向電極の一方の電極に配置されている半導体分子の他端部の少なくとも一部と  、前記対向電極の他方の電極に配置されている半導体分子の他端部の少なくとも一部と  を、電気的に接続する導電体が設けられ、
前記対向電極間の導電性が、前記半導体分子のうち、前記対向電極間において前記導  電体に電気的に接続されている半導体分子の導電性によって、実質的に決定される
ように構成されている、半導体装置。
【請求項２】
複数の電極が対向して配置され、
これらの対向電極の一方の電極において、半導体分子がその一端部で電極表面に結合  するように配置され、
この半導体分子の他端部の少なくとも一部と、他方の電極とを電気的に接続する導電  体が設けられ、
前記対向電極間の導電性が、前記半導体分子のうち、前記対向電極間において前記導  電体に電気的に接続されている半導体分子の導電性によって、実質的に決定される
ように構成されている、半導体装置。
【請求項３】
前記対向電極をソース電極及びドレイン電極とし、前記導電体に電気的に接続されている前記半導体分子によってチャネル領域が形成され、前記チャネル領域の導電性を電界制御するゲート電極が設けられ、電界効果トランジスタとして構成されている、請求項１又は２に記載した半導体装置。
【請求項４】
前記ゲート電極がゲート絶縁膜を介して設けられ、ボトムゲート型又はトップゲート型電界効果トランジスタとして構成されている、請求項３に記載した半導体装置。
【請求項５】
導体又は半導体からなる微粒子と、リンカー分子とが交互に結合することによって前記導電体が形成され、隣接し合う前記微粒子同士が前記リンカー分子によって連結されて、ネットワーク型の導電路が形成されている、請求項１又は２に記載した半導体装置。
【請求項６】
前記微粒子は、前記導体として、金Ａu、銀Ａg、白金Ｐt、銅Ｃu、パラジウムＰd、又は鉄Ｆeからなるか、或いは前記半導体として、不純物をドープされたシリコンＳiからなる、請求項５に記載した半導体装置。
【請求項７】
前記微粒子は粒子径１０ｎｍ以下の微粒子である、請求項５に記載した半導体装置。
【請求項８】
前記リンカー分子は、両端に有する官能基で前記微粒子と結合している、請求項５に記載した半導体装置。
【請求項９】
前記官能基が、チオール基−ＳＨ、ジスルフィド基−Ｓ−Ｓ−、アミノ基−ＮＨ2 、シアノ基−ＣＮ、又はイソシアノ基−ＮＣである、請求項８に記載した半導体装置。
【請求項１０】
前記リンカー分子は、分子骨格の少なくとも一部に共役系結合を有する分子である、請求項５に記載した半導体装置。
【請求項１１】
前記リンカー分子の前記分子骨格が、フェニレン基、フェニレンエチニレン基、又はチオフェン骨格を含有する、請求項１０に記載した半導体装置。
【請求項１２】
前記リンカー分子の前記分子骨格が金属錯体部を含有する、請求項１０に記載した半導体装置。
【請求項１３】
前記金属錯体部が共役系配位子を含有する、請求項１２に記載した半導体装置。
【請求項１４】
前記共役系配位子が、フェロセン、ピリジン、ビピリジン、テルピリジン、フェナントロリン、キノリノール、又はキノリンである、請求項１３に記載した半導体装置。
【請求項１５】
前記リンカー分子は、分子長が５ｎｍ以下である、請求項５に記載した半導体装置。
【請求項１６】
前記導電体は、微粒子が融着して形成されている、請求項１又は２に記載した半導体装置。
【請求項１７】
前記微粒子が、金Ａu、銀Ａg、白金Ｐt、銅Ｃu、パラジウムＰd、又は鉄Ｆeからなる、請求項１６に記載した半導体装置。
【請求項１８】
前記微粒子が粒子径１００ｎｍ以下の微粒子である、請求項１６に記載した半導体装置。
【請求項１９】
前記半導体分子は、分子骨格の少なくとも一部に共役系結合を有する分子である、請求項１又は２に記載した半導体装置。
【請求項２０】
前記半導体分子の前記分子骨格が、フェニレン基、フェニレンエチニレン基、又はチオフェン骨格を含有する、請求項１９に記載した半導体装置。
【請求項２１】
前記半導体分子の前記分子骨格が金属錯体部を含有する、請求項１９に記載した半導体装置。
【請求項２２】
前記金属錯体部が共役系配位子を含有する、請求項２１に記載した半導体装置。
【請求項２３】
前記共役系配位子が、フェロセン、ピリジン、ビピリジン、テルピリジン、フェナントロリン、キノリノール、又はキノリンである、請求項２２に記載した半導体装置。
【請求項２４】
前記半導体分子は、前記一端部としての電極結合部と、前記他端部としての導電体結合部とを、分子の両端に有している、請求項５に記載した半導体装置。
【請求項２５】
前記電極結合部が、チオール基−ＳＨ、ジスルフィド基−Ｓ−Ｓ−、アミノ基−ＮＨ2 、シアノ基−ＣＮ、又はイソシアノ基−ＮＣからなる、請求項２４に記載した半導体装置。
【請求項２６】
前記導電体結合部が、チオール基−ＳＨ、ジスルフィド基−Ｓ−Ｓ−、アミノ基−ＮＨ2 、シアノ基−ＣＮ、又はイソシアノ基−ＮＣからなる、請求項２４に記載した半導体装置。
【請求項２７】
請求項１又は２に記載した半導体装置の製造方法であって、
複数の電極を対向させて形成する工程と、
これらの対向電極の一方又は両方の電極の表面に、前記半導体分子を、その一端部で  電極表面に結合するように配置する工程と、
前記一方の電極に配置した半導体分子の他端部の少なくとも一部と、他方の電極に配  置した半導体分子の他端部の少なくとも一部とを、電気的に接続する導電体を形成する  か、又は、前記半導体分子の他端部の少なくとも一部と、他方の電極とを電気的に接続  する導電体を形成する工程と
を有する、半導体装置の製造方法。
【請求項２８】
導体又は半導体からなる微粒子と、リンカー分子とを交互に結合させることによって前記導電体を形成し、隣接し合う前記微粒子同士を前記リンカー分子によって連結することによって、ネットワーク型の導電路を形成する、請求項２７に記載した半導体装置の製造方法。
【請求項２９】
保護膜分子で被覆・保護された前記微粒子を、前記導電体を形成する位置に配置した後、これらの微粒子に前記リンカー分子を接触させ、前記リンカー分子によって前記保護膜分子を置換し、前記リンカー分子が有する官能基によって前記リンカー分子と前記微粒子とを結合させる、請求項２８に記載した半導体装置の製造方法。
【請求項３０】
前駆体分子が結合した前記微粒子を、前記導電体を形成する位置に配置した後、前記微粒子に結合した前記前駆体分子と、隣接する前記微粒子に結合した他の前記前駆体分子とを結合させ、前記微粒子間を連結する前記リンカー分子を生成させる、請求項２８に記載した半導体装置の製造方法
【請求項３１】
前記前駆体分子として、前記微粒子の凝集を防ぐ保護膜を形成する保護膜分子を用いる、請求項３０に記載した半導体装置の製造方法。
【請求項３２】
前記微粒子を、凝集を防ぐための保護膜分子で表面を被覆した状態で形成する工程と  、
前記微粒子と結合できる官能基を有する第１の分子を前記微粒子に作用させ、前記保  護膜分子を置換して、前記微粒子に結合させる工程と、
前記微粒子に結合した前記第１の分子と、１種以上の第２の分子とを重合させ、前記  前駆体分子を生成させる工程と
によって、前駆体分子が結合した前記微粒子を形成する、請求項３０に記載した半導体装置の製造方法。
【請求項３３】
前記前駆体分子と前記他の前駆体分子とを、錯体形成反応、縮合反応、置換反応、カップリング反応、付加反応、水素結合形成反応、及びπ−πスタッキング形成反応からなる群より選ばれた少なくとも一種の反応によって反応させる、請求項３０に記載した半導体装置の製造方法。
【請求項３４】
前記反応を、加熱、光照射、系への反応開始剤や金属イオンの導入、及び溶媒の除去からなる群より選ばれた少なくとも一つの手段によって引き起こす、請求項３３に記載した半導体装置の製造方法。
【請求項３５】
保護膜分子で被覆・保護された前記微粒子を、前記導電体を形成する位置に配置した後、前記保護膜分子を除去し、隣接し合う前記微粒子同士を融着させ、前記導電体を形成する、請求項２７に記載した半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体分子をチャネル材料として用いる半導体装置及びその製造方法であって、詳しくは、電気伝導性に優れたチャネル領域を有し、かつ、作製が容易な半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の有機トランジスタなどの有機半導体装置は、 電極｜分子集合体｜電極 の図式で示される構造をもち、２つの電極間に、分子結晶や凝集した分子集合体などの形で有機半導体分子材料を配置し、電極間にチャネル層を形成する。このような場合、一方の電極から他方の電極に至る電流の通路には複数個の分子が介在しており、チャネル層における電気伝導には、分子内で電荷が移動する分子内電荷移動過程と、１つの分子から次の分子へ分子間で電荷が移動する分子間電荷移動過程が含まれる。一般に、分子間での移動度は分子内の移動度に比べてはるかに小さい。この結果、分子集合体によって構成されるチャネル層の移動度は、分子間電荷移動過程によって制限されることになり、小さい。
【０００３】
一方、大きさが１０ｎｍ（＝１０-8ｍ）程度の微細構造を観察・作製・利用する技術であるナノテクノロジーにおいて、単一分子トランジスタなど、個々の分子に電子部品としての機能を発揮させようとする研究が注目を集めている。
【０００４】
このような分子デバイスは、 電極｜分子｜電極 の図式で示される構造をもち、２つの電極間に挟まれた半導体分子は、その両端で２つの電極のそれぞれに接続されている。単分子デバイスを含めて、このような分子デバイスにおける電極間の電気伝導は、分子内電荷移動過程が支配的となり、分子間電荷移動過程によって律速されないため、速やかな電気伝導が可能となる。
【０００５】
図１４は、非特許文献１に示されている分子トランジスタ１００の構造を示す概略図（ａ）と、半導体分子の構造を示す構造式（ｂ）である。図１４（ａ）に示すように、この分子トランジスタ１００は、ボトムゲート型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして構成されている。基板１０１は、ゲート電極を兼ねており、例えば、ｎ型の不純物のドーピングによってｎ型の導電性を有するシリコン基板である。基板１０１の表面には、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜１０２が、基板１０１の熱酸化によって形成され、その上に、金からなるソース電極１０３およびドレイン電極１０４が対向して設けられている。そして、半導体分子１０５が、ゲート絶縁膜１０２上でソース電極１０３とドレイン電極１０４とを連結するように配置されている。
【０００６】
図１４（ｂ）に示すように、半導体分子１０５は、２個のテルピリジル基を配位子とするコバルト(III)錯体であり、その両端に、アルキレン鎖−(ＣＨ2)n−を介して、金などに吸着されやすいチオール基−ＳＨを有している。半導体分子１０５は、このチオール基によってソース電極１０３およびドレイン電極１０４のそれぞれに結合している。半導体分子１０５における２個のチオール基間の距離は、アルキレン鎖−(ＣＨ2)n−の長さによって多少変化するが、２〜３ｎｍ程度である。
【０００７】
分子トランジスタ１００では、半導体分子１０５の分子内伝導によってソース電極１０３とドレイン電極１０４との間に流れる電流が、ゲート電極に印加されるゲート電圧によって変調され、絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして機能する。図１４（ａ）から容易に推察されるように、半導体分子１０５が、その両端のチオール基で電極１０３および１０４のそれぞれと良好な接合（ジャンクション）を形成し、分子デバイスとして信頼性の高い動作をするには、半導体分子１０５の長さと同程度の間隙部をもつ対向電極が再現性よく形成されていることが重要である。
【０００８】
非特許文献１には、分子トランジスタ１００は、電子ビームリソグラフィによるパターニングによって細い帯状の連結部で連結されたソース電極１０３およびドレイン電極１０４を一体で形成し、この表面に半導体分子１０５を吸着させた後、エレクトロマイグレーションによって連結部を切断して、ソース電極１０３とドレイン電極１０４とに分離することによって作製されたと記載されている。
【０００９】
また、後述の非特許文献２には、両端にチオール基を有するフェニレンビニレンオリゴマーを半導体分子として用いて、分子トランジスタ１００と同様の構造をもつ単分子トタンジスタを作製した例が示されている。この場合には、シャドウマスクを用いた「斜め蒸着」によって、２〜３ｎｍの間隙部をもつ対向電極を形成した例が報告されている。なお、非特許文献１および２では、いずれも、トランジスタ動作はクーロンブロッケードを利用しており、その測定は極低温で行われている。
【００１０】
以上の例で示したように、分子デバイスで用いられる半導体分子の自然長は、長くとも数ｎｍである場合が多いため、 電極｜分子｜電極 の図式で示される構造をもち、分子内伝導を利用する分子デバイスは、数ｎｍの長さの半導体分子が、数ｎｍの間隙部をもつ対向電極間に配置され、両端で各電極に接続された構造にならざるを得ない。
【００１１】
このような分子デバイスの製造方法として、これまでに様々な方法が提案されているが、大別すると、（方法１）まず、数ｎｍの間隙部をもつ対向電極を作製し、その後、間隙部に半導体分子を配置する方法（後述の非特許文献３参照。）と、（方法２）まず、一方の電極を作製し、次に、その上に半導体分子を配置し、その後、他方の電極を作製する方法（後述の非特許文献４参照。）とに分けることができる。
【００１２】
また、後述の非特許文献５には、1,6−ヘキサンジチオールによって連結された金の微粒子鎖によって、ソース電極とドレイン電極との間を接続した電界効果トランジスタが報告されている。このトランジスタでは、構造は上述の 電極｜分子｜電極 で示される分子デバイスとは少し異なるが、導電路に分子間の電荷移動が含まれず、移動度が分子間の電荷移動によって制限されることがないため、速やかな電気伝導が可能となる。また、ソース電極とドレイン電極との間隙部の長さは３０ｎｍで、電子線リソグラフィを用いて作製可能である利点がある。
【００１３】
【非特許文献１】J. Park, A. N. Pasupathy, J. I. Goldsmith, C. Chang, Y. Yaish, J. R. Petta, M. Rinkoski, J. P. Sethna, H. D. Abruna, P. L. McEuen, D. C. Ralph, Nature, 417, 722 (2002)
【非特許文献２】S. Kubatkin, A. Danilov, M. Hjort, J. Cornil, J. Bredas, N. Stuhr-Hansen, P. Hedegard, T. Bjornholm, Nature, 425, 698 (2003)
【非特許文献３】C. Kergueris, K. P. Bourgoin, S. Palacin, D. Esteve, C. Urbina, M. Magoga, and C. Joachim, Phys. Rev. B, 59, 12505-12513 (1999)
【非特許文献４】Adi Salomon, David Cahen, Stuart Lindsay, John Tomfohr, Vincent B. Engelkes, and C. Daniel Frisbie, Adv. Mater., 15, 1881-1890 (2003)
【非特許文献５】T. Sato, H. Ahmed, D. Brown, B. F. G. Johnson, J. Appl. Phys., 82, 696 (1997)
【非特許文献６】Amy V. Walker, Timothy B. Tighe, Orlando M. Cabarcos, Michael D. Reinard, Brendan C. Haynie, Sundararajan Uppili, Nicholas Winograd, and David L. Allara, J. Am. Chem. Soc., 126, 3954-3963 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
非特許文献３に示されている方法１は、製造工程の最後に半導体分子を導入するため、半導体分子にダメージを与えることがない反面、長さ数ｎｍの間隙部を有する２つの電極を高い精度で、かつ、高い再現性で作製することは容易ではなく、期待した通りの半導体分子と電極の接合を形成することが困難である場合が多い。このため、信頼性の高い分子デバイスを再現性よく作製できるまでには至っていない。
【００１５】
一方、非特許文献４に示されている方法２は、あらかじめ半導体分子の長さに合わせた間隙部をもつ対向電極を作製する必要がないため、半導体分子と電極との接合の形成に関しては有利である。しかし、第２の電極を半導体分子膜上に形成する際に、半導体分子膜にダメージを与えたり、半導体分子膜に存在する欠陥中に電極材料が入り込み（Amy V. Walker, Timothy B. Tighe, Orlando M. Cabarcos, Michael D. Reinard, Brendan C. Haynie, Sundararajan Uppili, Nicholas Winograd, and David L. Allara, J. Am. Chem. Soc., 126, 3954-3963 (2004)参照。）、デバイス特性に想定外の影響を与えたりすることがある問題点が存在する。従って、半導体分子膜へのダメージの少ない第２の電極の形成方法が必要とされる。
【００１６】
また、方法２では、多くの場合、第１の電極の上に半導体分子膜を形成し、さらにその上に第２の電極を形成するというように、縦方向に構成物を積み上げていくように分子デバイスを作製する。このような縦型のデバイスでは、ゲート電極を半導体分子膜の側方に配置せざるを得ず、ゲート絶縁膜の形成やその厚みの制御が一般的な横型のデバイスに比べて困難である。
【００１７】
また、非特許文献５に報告されている電界効果トランジスタでは、約３０ｎｍの間隙部を有する２つの電極間に、約１０ｎｍの粒径の金微粒子を数個配置し、電極と金微粒子との間、および金微粒子同士の間を、1,6−ヘキサンジチオールによって連結する。この方法では、1,6−ヘキサンジチオール分子にダメージを与えることなく、電極間を 分子｜金微粒子｜分子｜・・・｜金微粒子｜分子 の繰り返し構造で連結することができる。しかも、縦型デバイスのように、ゲート電極を配置する上での問題もない。しかしながら、非特許文献５に報告されている方法では、電極間における金微粒子の配置は偶然にまかされているため、電極のどの部分に何個の繰り返し構造を形成するか、制御することができない。また、電極周辺に吸着された金微粒子が想定外の導電路を形成してしまう可能性もある。
【００１８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、半導体分子をチャネル材料として用い、かつ、チャネル領域の導電性が分子間電荷移動によって制限されず優れており、しかも、容易かつ確実に作製可能な半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
即ち、本発明は、
複数の電極が対向して配置され、
これらの対向電極において、半導体分子がその一端部で電極表面に結合するように配  置され、
前記対向電極の一方の電極に配置されている半導体分子の他端部の少なくとも一部と  、前記対向電極の他方の電極に配置されている半導体分子の他端部の少なくとも一部と  を、電気的に接続する導電体が設けられ、
前記対向電極間の導電性が、前記半導体分子のうち、前記対向電極間において前記導  電体に電気的に接続されている半導体分子の導電性によって、実質的に決定される
ように構成されている、第１の半導体装置に係わり、また、
複数の電極が対向して配置され、
これらの対向電極の一方の電極において、半導体分子がその一端部で電極表面に結合  するように配置され、
この半導体分子の他端部の少なくとも一部と、他方の電極とを電気的に接続する導電  体が設けられ、
前記対向電極間の導電性が、前記半導体分子のうち、前記対向電極間において前記導  電体に電気的に接続されている半導体分子の導電性によって、実質的に決定される
ように構成されている、第２の半導体装置に係わるものである。
【００２０】
なお、上記「実質的に決定される」とは、前記導電体に電気的に接続されている半導体分子の抵抗が、前記導電体の抵抗に比べてはるかに大きく、例えば１０倍以上で、前記対向電極間の導電性は、上記半導体分子によってほとんど決定され、前記導電体の抵抗が多少変化してもほとんど変化しない、ということを意味する。
【００２１】
また、前記第１および前記第２の半導体装置の製造方法であって、
複数の電極を対向させて形成する工程と、
これらの対向電極の一方又は両方の電極の表面に、前記半導体分子を、その一端部で  電極表面に結合するように配置する工程と、
前記一方の電極に配置した半導体分子の他端部の少なくとも一部と、他方の電極に配  置した半導体分子の他端部の少なくとも一部とを、電気的に接続する導電体を形成する  か、又は、前記半導体分子の他端部の少なくとも一部と、他方の電極とを電気的に接続  する導電体を形成する工程と
を有する、半導体装置の製造方法に係わるものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の第１の半導体装置によれば、前記半導体分子は前記一端部で前記対向電極の表面に結合しており、また、少なくとも一部の分子では、前記他端部が前記導電体に電気的に接続されており、この導電体は前記対向電極間を電気的に接続するように設けられている。従って、前記対向電極間に電圧が印加されると、電流は、前記一方の電極から、前記一方の電極に前記一端部で結合し、前記他端部で前記導電体に結合している前記半導体分子中を通って、前記導電体に入り、前記導電体内を通過後、前記導電体に前記他端部で結合し、前記一端部で前記他方の電極に結合している前記半導体分子中を通って、前記他方の電極へ流れる。すなわち、前記対向電極のそれぞれと前記導電体とによって挟まれる２箇所の領域に前記半導体分子によるチャネル領域が形成される。
【００２３】
一般に半導体分子中の導電性は比較的低いので、前記導電体の材料や構造を適切に選択することによって、前記導電体の導電性を上記チャネル領域の導電性よりはるかに高くすることができる。このような場合、前記対向電極間の導電性は、上記チャネル領域の半導体分子の導電性によって、実質的に決定されるので、前記導電体は、前記対向電極間の間隙部において前記対向電極を補完する電極代替物とみなすことができる。すなわち、前記対向電極のそれぞれと前記導電体とによって挟まれる２箇所の領域に、前記対向電極の１つと前記導電体とを実質的な対向電極とし、前記半導体分子をチャネル材料とする半導体素子が実効的に形成されており、本発明の第１の半導体装置は、これら２つの半導体素子が前記導電体によって直列に接続されたものであると見なすことができる。
【００２４】
上記の実効的に形成されている半導体素子において、前記半導体分子は前記対向電極の１つに前記一端部で結合し、かつ、少なくとも一部の分子では、前記他端部で前記導電体に電気的に接続されているので、上記チャネル領域における電荷移動は主として分子内電荷移動によって行われ、移動度の遅い分子間電荷移動によって移動度などが制限されることがない。従って、本発明の第１の半導体装置は、導電性に関しては、先述した非特許文献１または２に示されている分子トランジスタと同等の性能を実現できると考えられる。
【００２５】
一方、製造に関しては、本発明の第１の半導体装置は、非特許文献１または２に示されている分子トランジスタに比べて、はるかに作製が容易である。先述したように、従来の分子トランジスタは、対向電極間の距離を半導体分子の長さとほぼ同程度の大きさに整合させる必要があり、その実現にはナノメートルレベルの加工技術が必要である。それに対し、本発明の第１の半導体装置では、前記対向電極間の距離は、数μｍ〜数十μｍ程度、最小で１００ｎｍ程度であり、この間隙部の大部分は前記導電体によって占められ、高い加工精度を必要としないので、従来の半導体技術で作製可能である。本発明の第１の半導体装置においてナノメートルレベルの精度が必要になるのは、実効的な上記半導体素子において対向電極として機能する、前記対向電極の１つと、それに対向している前記導電体との距離である。本発明の第１の半導体装置の製造方法では、次に説明するように、この距離は自己組織化的な方法によって容易にナノメートルレベルの精度で制御することができる。
【００２６】
すなわち、前記半導体分子として適切な分子を選択し、前記対向電極を前記半導体分子の溶液や蒸気に曝すことにより、前記半導体分子自身の自己組織化作用によって、前記対向電極の表面に前記半導体分子からなる単分子膜を自発的に形成させる。この単分子膜では、各分子は電極表面に前記一端部で結合し、分子の長さ方向を電極表面に直交させ、分子同士が分子間相互作用により分子の側面で互いに接触するように集合する。この結果、単分子膜の厚さは分子の長さと等しくほぼ一定で、表面（電極とは反対側の面）には、前記半導体分子の前記他端部が一面にびっしりと並ぶことになる（自己組織化的に形成された単分子膜によって半導体層を形成した例としては、ソース電極又はドレイン電極表面に形成した例として、K. Sasao et al., Jpn. J. Appl. Phys., 43 (2004), L337、及び、G. Hwang et al., Appl. Phys. Lett., 89 (2006), 133120、また、ゲート絶縁膜表面に形成し、チャネル層とした例として、G. S. Tulevski et al., J. Am. Chem. Soc., 126 (2004), 15048などを参照。）。
【００２７】
従って、この表面に、例えば、前記他端部と結合しやすい材料からなる金属微粒子などを付着させ、この金属微粒子で前記導電体を形成すれば、前記対向電極とそれに対向している前記導電体との距離は、自動的に前記半導体分子の長さと等しくなる。以上のように、既に形成されている上記単分子膜に「合わせ」で前記導電体を形成するので、ナノメートルレベルの精度を容易に実現することができる。
【００２８】
本発明の第２の半導体装置およびその製造方法は、前記対向電極の両方ではなく、前記一方の電極にのみ前記半導体分子が設けられ、実効的な半導体素子がこの側に１個だけ形成されている点が、本発明の第１の半導体装置と異なっているだけである。従って、本発明の第１の半導体装置と本質的な違いはなく、同様の特徴を有する。
【００２９】
ただし、実際的には両者の違いが重要になる場合もある。まず、製造方法としては、第２の半導体装置では、前記一方の電極のみに選択的に前記半導体分子を配置する際、それを可能にするために、前記他方の電極をマスクする必要があり、第１の半導体装置に比べ煩雑になる。一方、前記半導体分子の両端にはゲート電極による電界効果ができるだけ大きく得られるような最適な電圧を印加する必要がある。第１の半導体装置では、前記対向電極の両方に前記半導体分子が設けられているため、前記導電体の抵抗による電圧降下によって制限されて、両方の前記半導体分子に最適な電圧を印加することが困難になる場合がある。或いは、最適な電圧を印加できるように、前記導電体の抵抗が制限される場合がある。これに対し、第２の半導体装置では、前記半導体分子が前記対向電極の一方にだけ設けられているので、ソース−ドレイン間の電圧を簡単に調整して前記半導体分子に最適電圧を印加することができ、また、第１の半導体装置に比べてより低い電圧で動作させることができるという特徴がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の第１および第２の半導体装置は、前記対向電極をソース電極及びドレイン電極とし、前記導電体に電気的に接続されている前記半導体分子によってチャネル領域が形成され、前記チャネル領域の導電性を電界制御するゲート電極が設けられ、電界効果トランジスタとして構成されているのがよい。例えば、前記ゲート電極がゲート絶縁膜を介して設けられ、ボトムゲート型又はトップゲート型電界効果トランジスタとして構成されているのがよい。
【００３１】
また、前記導電体が、導体又は半導体からなる微粒子と、リンカー分子とが交互に結合することによって形成され、隣接し合う前記微粒子同士が前記リンカー分子によって連結されて、ネットワーク型の導電路が形成されているのがよい。これによって、電気伝導性の高い前記導電体が形成される。
【００３２】
この際、前記微粒子は、前記導体として、金Ａu、銀Ａg、白金Ｐt、銅Ｃu、パラジウムＰd、又は鉄Ｆeからなるか、或いは前記半導体として、不純物をドープされたシリコンＳiからなる微粒子で、その粒子径は１０ｎｍ以下であるのがよい。粒子径が１０ｎｍ以下であれば、前記リンカー分子による前記微粒子間の連結が確実に行われる。
【００３３】
そして、前記リンカー分子は、両端に有する官能基で前記微粒子と結合しているのがよく、この官能基が、チオール基−ＳＨ、ジスルフィド基−Ｓ−Ｓ−、アミノ基−ＮＨ2 、シアノ基−ＣＮ、又はイソシアノ基−ＮＣであるのがよい。
【００３４】
また、前記リンカー分子は、分子骨格の少なくとも一部に共役系結合を有する分子であり、例えば、その分子骨格が、フェニレン基、フェニレンエチニレン基、又はチオフェン骨格を含有するのがよい。
【００３５】
また、前記分子骨格が金属錯体部を含有しているのもよい。この金属錯体部は共役系配位子を含有するのがよく、例えば、前記共役系配位子が、フェロセン、ピリジン、ビピリジン、テルピリジン、フェナントロリン、キノリノール、又はキノリンであるのがよい。
【００３６】
前記リンカー分子は、微粒子間に効率よくトンネル電流が流れるように、分子長が５ｎｍ以下であるのがよい。分子長が十分に短ければ（１ｎｍ以下）、トンネル電流が増加して共役系かどうかに関係なく低抵抗になるので、分子骨格はアルキレン基やシクロアルキレン基など、共役系結合を全く含まなくてもよい。このような前記リンカー分子の例として、１，３−プロパンジチオールなどが挙げられる。このような非共役系分子は、通常、共役系分子に比べてＨＯＭＯ（最高被占分子軌道）−ＬＵＭＯ（最低空分子軌道）間のエネルギーギャップが大きいため、適当なソース−ドレイン電圧を選択すれば、ほとんどゲート電極の電場による変調効果を示さないと考えられる。この場合、前記半導体分子に対する変調効果が相対的に強調されるという利点がある。また、非共役系部位が、例えばエーテル、チオエーテル、ケトン、エステルなどでつながっていてもよい。
【００３７】
また、前記導電体は、前記微粒子同士が融着することによって形成されていてもよい。前記微粒子同士を融着させて薄膜状の前記導電体を形成する方法としては、光照射による加熱や通常の方法による加熱がある。また、前記微粒子に付着している保護膜分子を化学的に除去した後、前記微粒子同士を自発的に融着させる方法や、めっき法によって前記微粒子同士を連結する方法もある。
【００３８】
この際、前記微粒子が、金Ａu、銀Ａg、白金Ｐt、銅Ｃu、パラジウムＰd、アルミニウムＡl、鉄Ｆe、又はこれらの合金からなるのがよい。前記微粒子同士を融着させる場合には、前記リンカー分子で連結する必要がないので、これによって前記微粒子の粒子径が制限されることはない。加熱による融着を行う場合には、前記微粒子の粒子径は１００ｎｍ以下の微粒子であるのがよい。融着温度は前記微粒子のサイズが小さいほど低下するが、金の場合、粒子径が５０ｎｍ程度以下に小さくなると、通常、２００℃以下の温度で融着が可能になる。
【００３９】
また、前記半導体分子は、分子骨格の少なくとも一部に共役系結合を有する分子であり、例えば、その分子骨格が、フェニレン基、フェニレンエチニレン基、又はチオフェン骨格を含有するのがよい。また、前記分子骨格が金属錯体部を含有しているのもよい。この金属錯体部は共役系配位子を含有するのがよく、例えば、前記共役系配位子が、フェロセン、ピリジン、ビピリジン、テルピリジン、フェナントロリン、キノリノール、又はキノリンであるのがよい。
【００４０】
また、前記半導体分子は、前記一端部としての電極結合部と、前記他端部としての導電体結合部とを、分子の両端に有しており、前記電極結合部が、チオール基−ＳＨ（電極がＡu、Ａg、Ｐt、Ｐd、Ｃu、Ｆeの場合）、ジスルフィド基−Ｓ−Ｓ−（電極がＡu、Ａg、Ｐt、Ｐd、Ｃu、Ｆeの場合）、セレノール基−ＳeＨ（電極がＡu、Ａgの場合）、テルロール基−ＴeＨ（電極がＡu、Ａgの場合）、アミノ基−ＮＨ2（電極がＡu、Ａgの場合）、シアノ基−ＣＮ（電極がＡuの場合）、チオイソシアニド基−ＳＣＮ（電極がＡu、Ａg、Ｐt、Ｐd、Ｃu、Ｆeの場合）、又はイソシアノ基−ＮＣ（電極がＡu、Ａg、Ｐt、Ｐdの場合）からなり、前記導電体結合部が、チオール基−ＳＨ、ジスルフィド基−Ｓ−Ｓ−、セレノール基−ＳeＨ、テルロール基−ＴeＨ、アミノ基−ＮＨ2、シアノ基−ＣＮ、チオイソシアニド基−ＳＣＮ、又はイソシアノ基−ＮＣからなるのがよい。
【００４１】
前記電極結合部と前記導電体結合部は、同じ官能基からなっていても、異なる官能基からなっていてもよい。ただし、前記電極結合部と前記導電体結合部とが異なる官能基で構成される場合、前記導電体結合部として、前記電極結合部に比べて前記電極に結合する力が弱いものを選択する必要がある。例えば、前記電極結合部がチオール基またはジスルフィド基である場合、前記導電体結合部として、アミノ基、シアノ基、チオイソシアニド基、又はイソシアノ基を選択することが可能である。
【００４２】
また、前記分子骨格部が左右非対称であり、前記分子骨格部の、前記電極あるいは前記導電体に対する向きを制御することがデバイスの特性を左右する場合、前記電極結合部と前記導電体結合部との前記電極に対する結合力の差を利用して、前記半導体分子の向きを一方向にそろえることが可能である。有機半導体分子の向きの制御が必要であり、かつ前記電極結合部と前記導電体結合部が同じ官能基で構成されている場合は、一方の官能基を保護基で保護しておき、電極に結合させた後に保護基を除去することによって、向きの制御が可能である（S. K. Pollack et al., Langmuir, 20 (2004), 1838参照。）。
【００４３】
本発明の第１および第２の半導体装置の製造方法において、導体又は半導体からなる微粒子と、リンカー分子とを交互に結合させることによって前記導電体を形成し、隣接し合う前記微粒子同士を前記リンカー分子によって連結することによって、ネットワーク型の導電路を形成するのがよい。
【００４４】
このような前記導電体を形成する方法としては、保護膜分子で被覆・保護された前記微粒子を、前記導電体を形成する位置に配置した後、これらの微粒子に前記リンカー分子を接触させ、前記リンカー分子によって前記保護膜分子を置換し、前記リンカー分子が有する官能基によって前記リンカー分子と前記微粒子とを結合させるのがよい。
【００４５】
或いは、前駆体分子が結合した前記微粒子を、前記導電体を形成する位置に配置した後、前記微粒子に結合した前記前駆体分子と、隣接する前記微粒子に結合した他の前記前駆体分子とを結合させ、前記微粒子間を連結する前記リンカー分子を生成させるのがよい。
【００４６】
この前記前駆体分子を用いる一つの方法として、前記前駆体分子として、前記微粒子の凝集を防ぐ保護膜を形成する保護膜分子を用いる方法がある。この際、前記保護膜が前記保護膜分子のみで形成されていてもよいし、前記保護膜が前記保護膜分子と他の保護膜分子とで形成されていてもよい。例えば、他の保護膜分子が主に前記微粒子に対する保護作用を担い、前記保護膜分子が前記微粒子に対する保護作用を補完するようにすれば、より広い選択肢の中から前記保護膜分子を選ぶことができる。また、前記保護膜分子として、電気伝導性の高い分子を用いるのがよい。
【００４７】
前記前駆体分子を用いる別の方法として、
前記微粒子を、凝集を防ぐための保護膜分子で表面を被覆した状態で形成する工程と  、
前記微粒子と結合できる官能基を有する前記第１の分子を前記微粒子に作用させ、前  記保護膜分子を置換して、前記微粒子に結合させる工程と、
前記微粒子に結合した前記第１の分子と、１種以上の第２の分子とを重合させ、前記  前駆体分子を生成させる工程と
によって、前記前駆体分子が結合した前記微粒子を形成する方法がある。
【００４８】
前記前駆体分子を用いる方法では、前記微粒子の保護膜分子を前記リンカー分子で置換して、同時に前記微粒子間を前記リンカー分子で連結する工程が不要になり、隣接し合う前記前駆体分子同士を反応させるだけでよいので、前記導電体の形成が容易になる利点がある。
【００４９】
前記前駆体分子を用いる方法では、前記前駆体分子と前記他の前駆体分子とを反応させるのに、錯体形成反応、縮合反応、置換反応、カップリング反応、付加反応、水素結合形成反応、及びπ−πスタッキング形成反応からなる群より選ばれた少なくとも一種の反応を用いることができる。
【００５０】
この際、前記反応を、加熱、光照射、系への反応開始剤や金属イオンの導入、及び溶媒の除去からなる群より選ばれた少なくとも一つの手段によって引き起こすのがよい。光による化学反応を用いる場合、光を当てる領域を光学的に絞り込むことで、特定の領域に存在する前記微粒子のみを反応させることができ、必要であれば、その後に未反応の微粒子を洗い流すこともできる。
【００５１】
また、本発明の第１および第２の半導体装置の製造方法において、保護膜分子で被覆・保護された前記微粒子を、前記導電体を形成する位置に配置した後、前記保護膜分子を除去し、隣接し合う前記微粒子同士を融着させ、前記導電体を形成するのもよい。
【００５２】
次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的かつ詳細に説明する。
【００５３】
実施の形態１
実施の形態１では、主として、請求項１〜５および１５に記載した半導体装置、並びに、請求項２６〜２８および３４に記載した半導体装置の製造方法に関わる例として、絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして構成された半導体装置およびその製造方法について説明する。
【００５４】
図１（ａ）は、請求項１および３〜５に対応する、実施の形態１に基づく絶縁ゲート型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１０の構造を示す概略断面図である。図１（ａ）に示すように、トランジスタ１０はボトムゲート・ボトムコンタクト型構造のＦＥＴとして構成されている。
【００５５】
基板１は、ゲート電極を兼ねており、例えば、ｎ型の不純物がドープされ、導電性を有するシリコン基板などである。基板１の表面には、酸化シリコンなどからなるゲート絶縁膜２が設けられ、その上に金などからなるソース電極３およびドレイン電極４が対向して設けられている。ソース電極３およびドレイン電極４には、その上面を被覆するように絶縁膜１１が設けられている。
【００５６】
ソース電極３およびドレイン電極４の側面には、有機半導体分子５からなる単分子膜が形成されている。図１（ｂ）に示すように、有機半導体分子５は、電極３または４に結合可能な電極結合部５ａ、分子骨格部５ｂ、および後述する微粒子６に結合可能な導電体結合部５ｃからなる。単分子膜が再現性よく形成させるためには、有機半導体分子５は細長い形状をもち、分子骨格部５ｂの長さは適当な長さを有するのがよい。
【００５７】
この単分子膜では、各有機半導体分子５は、前記一端部である電極結合部５ａによって電極側面に結合し、分子の長さ方向を電極側面に直交させ、分子同士が分子の側面で互いに接するように分子間力で集合する。この結果、単分子膜の厚さは分子の長さと等しく一定になり、単分子膜の表面（電極とは反対側の面）には、前記半導体分子の前記他端部である導電体結合部５ｃが、一面にびっしりと並ぶことになる。図１（ａ）に示すように、導電体結合部５ｃは、電極と結合せず、電極から遠ざかるように配向しているのが望ましく、少なくともその一部が微粒子６と結合しており、できるだけ多くが微粒子６と結合しているのが望ましい。
【００５８】
電極３または４に結合可能な電極結合部５ａとして、例えば、電極が金Ａuである場合には、チオール基−ＳＨ、ジスルフィド基−Ｓ−Ｓ−、アミノ基−ＮＨ2、シアノ基−ＣＮ、イソシアノ基−ＮＣなどが挙げられる。また、微粒子６に結合可能な導電体結合部５ｃとして、例えば、微粒子が金Ａｕである場合には、チオール基−ＳＨ、ジスルフィド基−Ｓ−Ｓ−、アミノ基−ＮＨ2、シアノ基−ＣＮ、イソシアノ基−ＮＣなどが挙げられる。電極結合部５ａとなる官能基と、導電体結合部５ｃとなる官能基とは、異なっていてもよい。
【００５９】
有機半導体分子５は、共役系を有することが望ましく、分子全体にわたる共役系を有することがより望ましい。必要な電気伝導性が保たれるのであれば、オリゴマーやポリマーであってもよい。例えば、分子骨格５ｂとしてフェニレン基、フェニレンエチニレン基、チオフェン骨格などをもつ分子が挙げられる。有機半導体分子５はポリアセン系分子であってもよい。ゲート電極１からの電界が微粒子６によって遮蔽されずに有効に有機半導体分子５に作用するには、電極３または４と微粒子６との距離が大きくなるように、有機半導体分子５の分子長は長い方がよく、例えば、５〜１００ｎｍであるのがよい。
【００６０】
ソース電極３に形成された有機半導体分子５の単分子膜と、ドレイン電極４に形成された有機半導体分子５の単分子膜との間には、導電体８が配置されている。図１（ｃ）に示すように、導電体８は、微粒子６とそれらをつなぐリンカー分子７とによって構成されており、両端の微粒子６によって、有機半導体分子５の導電体結合部５ｃと結合している。微粒子６は、粒子径１０ｎｍ以下の微粒子で、その材料としては、例えば、金Ａu、銀Ａg、白金Ｐt、銅Ｃu、パラジウムＰd、鉄Ｆeなどの金属などの導体や、ドープされたシリコンＳiなどの半導体など、電気伝導性の高い材料が用いられる。
【００６１】
微粒子６同士を連結するリンカー分子７は、両端に微粒子６に結合可能な官能基を有する。例えば、微粒子が金Ａuからなる場合、リンカー分子７が両端に有する官能基として、チオール基−ＳＨ、ジスルフィド基−Ｓ−Ｓ−、アミノ基−ＮＨ2、シアノ基−ＣＮ、イソシアノ基−ＮＣなどが挙げられる。リンカー分子７は、優れた導電性を示せるように共役系を有することが望ましく、分子全体にわたる共役系を有することがより望ましい。例えば、リンカー分子７として、フェニレン基、フェニレンエチニレン基、チオフェン骨格などをもつ分子を挙げることができる。リンカー分子７の分子長は、微粒子６同士を連結させることのできる十分な長さであり、かつ、リンカー分子７の電気伝導性を高めるために、できるだけ短い方がよい。
【００６２】
導電体８では、リンカー分子７が両端にある官能基によって微粒子６と結合し、微粒子６とリンカー分子７とが交互に連結され、微粒子６内の導電路とリンカー分子７内の導電路とが接続された導電路が形成される。この導電路では、リンカー分子７内の電荷移動がその主鎖に沿った分子軸方向で支配的に起こるため、分子の軸方向の移動度、例えば非局在化したπ電子による高い分子内移動度などを最大限に利用することができる。さらに、微粒子６には多数のリンカー分子７が結合できるので、全体としては二次元または三次元網目状に連結されたネットワーク型の導電路が形成され、導電体８における電気伝導は、このネットワーク型の導電路を通じて行われる。以上の結果、導電体８では高い移動度および高い電気伝導性が得られる。
【００６３】
絶縁ゲート型の電界効果トランジスタ１０では、前記対向電極であるソース電極３とドレイン電極４との間に電圧が印加されると、電子は、ソース電極３から、ソース電極３の側面に結合した有機半導体分子５中を通って、導電体８に入り、導電体８を通過後、ドレイン電極４の側面に結合した有機半導体分子５中を通って、ドレイン電極４へ流れる。この結果、ソース電極３およびドレイン電極４のそれぞれと導電体８とによって挟まれた２つの領域に、半導体分子５によるチャネル領域９が形成される。次に述べるように、電界効果トランジスタ１０の特性は、２つのチャネル領域９を形成している有機半導体分子５の特性によって決まる。
【００６４】
すなわち、有機半導体分子５中の導電性は比較的低く、かつ、導電体８の導電性は高いため、対向電極３および４間の導電性は、実質的に、２つのチャネル領域９を占める有機半導体分子５の導電性によって決定される。導電体８は、電界効果トランジスタ１０の特性にはほとんど影響を与えず、２つのチャネル領域９の間を電気的に接続し、有機半導体分子５と電子の授受を行う実効的な電極として機能する。このように、電界効果トランジスタ１０では、ソース電極３と導電体８とを実質的な対向電極とし有機半導体分子５をチャネル材料とする半導体素子（電界効果トランジスタ）１０ａと、導電体８とドレイン電極４とを実質的な対向電極とし有機半導体分子５をチャネル材料とする半導体素子（電界効果トランジスタ）１０ｂとが実効的に形成されており、電界効果トランジスタ１０は、これら２つの半導体素子１０ａと１０ｂとが導電体８によって直列に接続されたものと見なすことができる。
【００６５】
図１（ａ）に示すように、２つの半導体素子１０ａと１０ｂにおいて、有機半導体分子５は、対向電極の１つであるソース電極３またはドレイン電極４に電極結合部５ａで結合し、かつ、対向電極の他の１つである導電体８に導電体結合部５ｃで結合しているので、チャネル領域９における電荷移動は主として分子内電荷移動によって行われ、分子間電荷移動によって移動度などが制限されることがない。従って、電界効果トランジスタ１０は、導電性に関して、先述した非特許文献１または２に示されている分子トランジスタと同等の性能を実現できると考えられる。そして、ゲート絶縁膜２を介してゲート電極１が設けられているので、そのチャネル領域９における導電性が効果的に電界制御される。
【００６６】
図１（ａ）から明らかなように、ゲート電極は、チャネル領域９にゲート電界を作用させることができる、チャネル領域９の近傍にあれば十分であるので、ゲート電極をそのようにパターニングして設けてもよい。
【００６７】
なお、ゲート絶縁膜２は、通常用いられる酸化シリコンなどの無機酸化物や、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）などの有機絶縁性高分子などによって構成されているのがよい。
【００６８】
また、ソース電極３およびドレイン電極４は、例えば、金Ａu、銀Ａg、白金Ｐt、クロムＣr、銅Ｃu、パラジウムＰd、アルミニウムＡl、およびチタンＴiなどの金属、不純物がドープされ導電性が高められたシリコンなどの無機半導体、グラファイト（黒鉛）、および、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)／ポリスチレンスルホン酸（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）などの有機導電性材料、またはこれらを組み合わせた材料によって構成されているのがよい。
【００６９】
基板１上に形成されたトランジスタは、ディスプレイ装置として応用する場合のように、基板１ごと多数のトランジスタを集積したモノリシック集積回路として利用してもよいし、各トランジスタを切断して個別化し、ディスクリート部品として利用してもよい。
【００７０】
電界効果トランジスタ１０では、ソース電極３とドレイン電極４との間の距離は、通常、５〜５０μｍ程度、最小で１００ｎｍ程度である。この間隙部の大部分は導電体８によって占められ、マイクロメートルレベルの加工精度があれば十分であるので、従来の半導体技術で容易に作製可能である。（なお、ソース電極３およびドレイン電極４の高さは２０〜５０ｎｍ程度であり、長さは５〜１０μｍ程度である。）。電界効果トランジスタ１０においてナノメートルレベルの精度が必要になるのは、実効的な半導体素子１０ａまたは１０ｂにおいて対向電極として機能する、ソース電極３またはドレイン電極４と、それに対向している導電体８との距離である。次に説明するように、この距離は自己組織化的な方法によって容易にナノメートルレベルの精度で制御することができる。
【００７１】
図２は、請求項２６〜２８に対応する、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ１０の作製工程のフローを示す断面図である。以下、基板１として不純物がドープされたシリコン基板を用い、ソース電極３、ドレイン電極４、および微粒子６の材料として金を用いることを想定して、その作製工程を説明する。
【００７２】
まず、図２（ａ）に示すように、基板１の表面に熱酸化法などによって酸化シリコンからなるゲート絶縁膜２を形成する。次に、リフトオフ法などの公知の方法によって、ソース電極３、ドレイン電極４、および絶縁膜１１を形成する。
【００７３】
例えば、まず、ゲート絶縁膜２上の全面に塗布法などによってフォトレジスト層を形成した後、フォトリソグラフィによってパターニングして、ソース電極３およびドレイン電極４を形成する領域以外を被覆するマスク層を形成する。次に、蒸着法などによって全面に金などからなる電極材料層を形成し、さらにその上に、スパッタリング法や真空蒸着法などの物理的気相成長法、または化学的気相成長法によって、酸化シリコンや酸化アルミニウムなどの無機酸化物からなる絶縁材料層を５ｎｍ程度の厚さに形成する。次に、マスク層を溶解除去することにより、その上に堆積した電極材料層および絶縁材料層を除去し、ソース電極３、ドレイン電極４、および絶縁膜１１のみを残す。
【００７４】
次に、図２（ｂ）に示すように、基板１を有機半導体分子５を含む溶液に浸漬するか、あるいは、基板１を有機半導体分子５の蒸気に曝すことによって、半導体分子５自身の自己組織化作用によって、ソース電極３およびドレイン電極４の側面に半導体分子５からなる単分子膜を形成させる。この単分子膜では、各分子５は電極側面に電極結合部５ａで結合し、分子５の長さ方向を電極側面に直交させ、分子同士が分子の側面で互いに接するように分子間力で集合する。この結果、単分子膜の厚さは分子５の長さと等しく一定となり、単分子膜の表面（電極とは反対側の面）には、半導体分子５の導電体結合部５ｃが一面にびっしりと並ぶことになる。この際、有機半導体分子５は、導電体結合部５ｃが電極と結合しないように、導電体結合部５ｃを電極表面から遠ざけるように配向するのが望ましい。
【００７５】
次に、図２（ｃ）に示すように、凝集を防ぐための保護膜分子１２で表面が覆われた微粒子６を、浸漬法、キャスト法、ラングミュア−ブロジェット（ＬＢ）法、インクジェット法、またはスタンプ法などにより、有機半導体分子５が結合しているソース電極３とドレイン電極４との間のゲート絶縁膜２の上に配置する。この際、微粒子６は両電極を橋渡しするのに十分な面積で配置する。ただし、ゲートリーク電流を低減させるため、電極間距離より無意味に広い面積で形成することは避けるようにする。
【００７６】
例えば、浸漬法によって微粒子６を配置する場合には、金微粒子６をトルエンやクロロフォルム等の溶媒に分散させた分散液（濃度数ｍＭ）に基板１を数分間〜数時間浸漬した後、溶媒を蒸発させる。これにより、基板１の表面に金微粒子６を配置する。
【００７７】
キャスト法では、金微粒子６をトルエンやクロロフォルム等の溶媒に分散させた分散液を基板上に滴下し、徐々に溶媒を蒸発させる。これにより、基板１の表面に金微粒子６を配置する。
【００７８】
ＬＢ法では、静置した水面上に金微粒子６をトルエンやクロロフォルム等の溶媒に分散させた分散液を展開し、金微粒子層を形成させる。次に、水面下降法などにより基板１の上に金微粒子層を転写し、基板１の表面に金微粒子６を配置する。
【００７９】
スタンプ法では、固体表面や水面にキャスト法やＬＢ法で形成した金微粒子層を一度ポリジメチルシロキサンなどの表面に転写し、それをスタンプのように基板１の上に押しつけて、基板１の表面に金微粒子６を配置する。
【００８０】
なお、金微粒子６は、その粒子径が１０ｎｍまたはそれ以下のコロイド粒子である。この金微粒子６をトルエンやクロロフォルム等の溶媒に安定に分散させるためには、金微粒子６同士が凝集して沈殿してしまうのを防止する保護膜分子１２を付着させ、保護膜分子１２で被覆した状態にしておく必要があり、基板１の上にはこの状態で導入する。なお、有機半導体分子５に接する位置に配置された金微粒子６では、保護膜分子１２の一部が有機半導体分子５の導電体結合部５ｃによって置換され、有機半導体分子５の導電体結合部５ｃと金微粒子６との結合が形成される。
【００８１】
次に、リンカー分子７を含む溶液に基板１を浸漬し、保護膜分子１２をリンカー分子７で置換し、図２（ｄ）に示すように、隣接する微粒子６の間をリンカー分子７によって連結して、導電体８を形成する。この後、有機半導体分子５に連結されていない不要な微粒子６は溶媒などに分散させ、溶媒とともに除去する。
【００８２】
リンカー分子７による連結によって、導電体８の良好な電気伝導性が実現する。このリンカー分子７による連結は、ＷＯ２００４／００６３３７（または、特開２００４−８８０９０号公報）で述べられている方法に準ずる。また、特開２００６−１００５１９号公報で述べられているように、有機金属錯体の配位子となり得る分子を、ソース・ドレイン電極パターン上に固定化された微粒子層表面に結合させ、次に金属イオンを導入することによって微粒子間が錯体分子で連結された構造を形成させることも可能である。
【００８３】
図２（ｃ）および（ｄ）に示したように、既に形成されている有機半導体分子５の単分子膜の表面に、この表面を形成している導電体結合部５ｃと結合しやすい材料からなる微粒子６を付着させることによって導電体８を「後付け」で形成するので、ソース電極３およびドレイン電極４のそれぞれと、それに対向している導電体８との距離を、自動的に半導体分子５の長さと等しくすることができる。この方法によれば、間隙の大きさがナノメートルレベルの精度を有する実効的な対向電極を、既に形成されている単分子膜に対する「合わせ」で形成することができるので、ナノメートルレベルの精度を容易に実現することができる。
【００８４】
図３は、実施の形態１の変形例に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタの構造を示す概略断面図である。
【００８５】
図３（ａ）は、請求項２に対応する絶縁ゲート型電界効果トランジスタの例を示している。このトランジスタでは、有機半導体分子５をソース電極３およびドレイン電極４のどちらかの前記一方の電極（図３（ａ）ではソース電極３）にのみ配置している。有機半導体分子５が配置されていない前記他方の電極（図３（ａ）ではドレイン電極４）の上では、導電体８ａの微粒子６は、リンカー分子７を介してドレイン電極４に連結されている。
【００８６】
この場合、実効的な半導体素子１０ａがソース電極３側にだけ形成され、両電極に有機半導体分子５を配置している絶縁ゲート型電界効果トランジスタ１０に比べるとチャネル領域の全長が半分になる。有機半導体分子５の１分子の長さで十分なチャネル長を実現できない場合には、この構造をとることはできないが、有機半導体分子５の１分子の長さで十分なチャネル長を実現できる場合には、この構造をとることができる。その場合には、有機半導体分子５がソース電極３およびドレイン電極４の一方（図３（ａ）ではソース電極３）にだけ設けられているので、ソース−ドレイン間の電圧の設定がより単純になり、半導体分子５に最適電圧を印加することができ、また、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ１０に比べてより低い電圧で動作させることができるという利点がある。なお、この電界効果トランジスタでは、有機半導体分子５を配置する際に、有機半導体分子５を配置しない電極（図３（ａ）ではドレイン電極４）をマスクしておく必要がある。
【００８７】
図３（ｂ）は、請求項１５〜１７に対応する絶縁ゲート型電界効果トランジスタの例を示している。このトランジスタでは、微粒子６をリンカー分子７で連結するのではなく、隣り合う微粒子６同士を融着させて、薄膜状の導電体８ｂを形成する。この場合、導電体８ｂの電気伝導性は、リンカー分子７の電気伝導性に制限されることがないので、高くできる利点がある。
【００８８】
微粒子６同士を融着させて薄膜状の導電体８ｂを形成する方法としては、光照射や加熱などのほかに、微粒子６に付着している保護膜を化学的に除去する方法も可能である。この場合、微粒子６を所定の領域に配置した後、保護膜のみを溶解する溶媒に浸漬し、保護膜を除去すると、微粒子６同士が融着し、電気伝導性の高い薄膜状の導電体８ｂが形成される。微粒子６の粒径は１０ｎｍ以下であるのがよい。
【００８９】
実施の形態２
実施の形態２では、トップゲート型構造の絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして構成された半導体装置およびその製造方法について説明する。
【００９０】
図４は、実施の形態２に基づく絶縁ゲート型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）２０の構造を示す概略断面図である。トランジスタ２０は、トップゲート型構造である点のみが絶縁ゲート型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１０と異なっているので、相違点に重点をおいて説明する。
【００９１】
基板２１は絶縁性基板で、例えば、ポリイミドやポリカーボネートやポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）などのプラスチック基板や、ガラス基板や、石英基板、マイカ（雲母）などである。プラスチック基板を用いると、例えば曲面形状をもつディスプレイのように、フレキシブルな形状の半導体装置を製造することができる。
【００９２】
基板２１の表面には、金などからなるソース電極３およびドレイン電極４が対向して設けられている。ソース電極３およびドレイン電極４の側面には、有機半導体分子５が電極結合部５ａを介して結合している。有機半導体分子５の導電体結合部５ｃは、電極と結合せず、電極から遠ざかるように配向しているのが望ましく、少なくともその一部が微粒子６と結合しており、できるだけ多くが微粒子６と結合しているのが望ましい。導電体８は、実施の形態１と同様、微粒子６とそれらをつなぐリンカー分子７とによって形成されている。
【００９３】
導電体８の上部には、ソース電極３とドレイン電極４との間隙部を埋め込むようにゲート絶縁膜２２が形成され、それを介してゲート電極２３が設けられている。ゲート絶縁膜２２の材料としては、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウムなどの無機酸化物や、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）、ポリイミドなどの有機絶縁性高分子などを用いることができる。また、ゲート電極２３の材料としては、例えば、金Ａu、銀Ａg、白金Ｐt、クロムＣr、銅Ｃu、パラジウムＰd、アルミニウムＡl、およびチタンＴiなどの金属、不純物がドープされ導電性が高められたシリコン、インジウムスズ酸化物などの無機半導体、グラファイト（黒鉛）、および、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)／ポリスチレンスルホン酸（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）などの有機導電性材料、またはこれらを組み合わせた材料を用いることができる。
【００９４】
図５および図６は、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ２０の作製工程のフローを示す断面図である。以下、ソース電極３、ドレイン電極４、および微粒子６の材料として金を用いることを想定して、その作製工程を説明する。
【００９５】
まず、図５（ａ）に示すように、基板２１の表面にリフトオフ法などの公知の方法によって、ソース電極３、ドレイン電極４、および絶縁膜１１を形成する。
【００９６】
次に、図５（ｂ）に示すように、基板２１を有機半導体分子５を含む溶液に浸漬するか、あるいは、基板２１を有機半導体分子５の蒸気に曝すことによって、ソース電極３およびドレイン電極４の側面に有機半導体分子５を自己組織化的に結合させる。この際、有機半導体分子５は、電極結合部５ａで電極表面に結合し、導電体結合部５ｃを電極表面から遠ざけるように配向させるのが望ましい。
【００９７】
次に、図５（ｃ）に示すように、凝集を防ぐために保護膜分子１２で表面が覆われた微粒子６を、浸漬法、キャスト法、ラングミュア−ブロジェット（ＬＢ）法、インクジェット法、またはスタンプ法などにより、有機半導体分子５が結合しているソース電極３とドレイン電極４との間のゲート絶縁膜２の上に配置する。
【００９８】
次に、リンカー分子７を含む溶液に基板２１を浸漬し、保護膜分子１２をリンカー分子７で置換し、図５（ｄ）に示すように、隣接する微粒子６の間をリンカー分子７によって連結して、導電体８を形成する。
【００９９】
次に、図６（ｅ）に示すように、真空蒸着法やスパッタリング法などの物理的気相成長法、化学的気相成長法、キャストコーター法やスプレーコーター法やスピンコート法などのコーティング法、インクジェット法やスクリーン印刷法やオフセット印刷法やグラビア印刷法などの印刷法、スタンプ法、リフトオフ法、浸漬法、あるいはキャスティング法などによりゲート絶縁膜を形成する。
【０１００】
次に、図６（ｆ）に示すように、真空蒸着法やスパッタリング法などの物理的気相成長法、化学的気相成長法、キャストコーター法やスプレーコーター法やスピンコート法などのコーティング法、インクジェット法やスクリーン印刷法やオフセット印刷法やグラビア印刷法などの印刷法、スタンプ法、リフトオフ法、シャドウマスク法、あるいはめっき法などによりゲート電極を形成する。
【０１０１】
本実施の形態によれば、作製工程における処理温度を２００℃以下に抑えることができるので、上記の材料をすべて有機化合物で構成することもできる。
【０１０２】
実施の形態３
実施の形態３では、主として、請求項１２および２０に記載した、前記リンカー分子および前記半導体分子が要部に電気伝導性の高い前記金属錯体部を有する半導体装置に関わる例として、絶縁ゲート型電界効果トランジスタについて説明する。また、請求項２９および３１に記載した半導体装置の製造方法に関わる例として、前記微粒子に結合している前記保護膜分子を前記第１の分子で置換し、この第１の分子に前記第２の分子を重合させて、前記微粒子に結合した前記前駆体分子を形成した後、前記微粒子を所定の位置に配置し、隣接する前駆体分子同士を結合させて前記リンカー分子を形成する例について説明する。
【０１０３】
図７（ａ）は、実施の形態３に基づく絶縁ゲート型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）３０の構造を示す概略断面図である。図７（ａ）に示すように、電界効果トランジスタ３０は実施の形態１で説明した電界効果トランジスタ１０と同様に構成されており、半導体分子３１およびリンカー分子３２が、電気伝導性の高い金属錯体部をもつ点のみが異なっている。以下、相違点に重点をおいて説明する。
【０１０４】
基板１は、ゲート電極を兼ねており、例えば、ｎ型の不純物がドープされ、導電性を有するシリコン基板などである。基板１の表面には、酸化シリコンなどからなるゲート絶縁膜２が設けられ、その上に金などからなるソース電極３およびドレイン電極４が対向して設けられている。
【０１０５】
ソース電極３およびドレイン電極４の側面には、半導体分子３１からなる単分子膜が形成されている。図７（ｂ）に示すように、半導体分子３１は、電極３または４に結合可能な電極結合部３１ａと配位子部３１ｂとをそれぞれ分子の両端に有する配位子分子５１、２つの配位子部３１ｃを分子の両端に有する配位子分子５２、前記他端部に形成された導電体結合部３１ｄ、および、配位子部３１ｂ及び／又は３１ｃと金属錯体部３１ｆを形成することによって配位子分子５１と５２又は配位子分子５２同士を結合させる金属イオン３１ｅからなる。ｘは、なくてもよいが、例えば、単数または複数のエチニレン基−Ｃ≡Ｃ−基、ビニレン基−ＣＨ＝ＣＨ−、フェニレン基などである。単分子膜が再現性よく形成させるためには、有機半導体分子５は細長い形状をもち、分子骨格部５ｂの長さは適当な長さ、例えば、５〜１００ｎｍであるのがよい。
【０１０６】
この単分子膜では、各半導体分子３１は、前記一端部である電極結合部３１ａによって電極側面に結合し、分子の長さ方向を電極側面に直交させ、分子同士が分子の側面で互いに接するように分子間力で集合する。この結果、単分子膜の厚さは分子の長さと等しく一定になり、単分子膜の表面（電極とは反対側の面）には、前記半導体分子の前記他端部である導電体結合部３１ｄが、一面にびっしりと並ぶことになる。図７（ａ）に示すように、導電体結合部３１ｄは、電極と結合せず、電極から遠ざかるように配向しているのが望ましく、少なくともその一部が微粒子６に結合した前駆体分子４１の連結部４３と結合しており、できるだけ多くが前駆体分子４１の連結部４３と結合しているのが望ましい。前駆体分子４１については後に詳述する。
【０１０７】
電極３または４に結合可能な電極結合部３１ａとして、例えば、電極が金Ａｕである場合には、チオール基−ＳＨ、ジスルフィド基−Ｓ−Ｓ−、アミノ基−ＮＨ２、シアノ基−ＣＮ、イソシアノ基−ＮＣなどが挙げられる。また、前駆体分子４１の連結部４３に結合可能な導電体結合部３１ｄは、連結部４３がフェロセン、ピリジン、ビピリジン、テルピリジン、フェナントロリン、キノリノール、およびキノリンなどの共役系配位子である場合には、例えばＲu3+などの中心金属イオンを有する共役系配位子であるのがよい。
【０１０８】
有機半導体分子５は、共役系を有することが望ましく、分子全体にわたる共役系を有することがより望ましい。加えて、本実施の形態の特徴として、請求項２０に記載した半導体装置に対応して、有機半導体分子３１には、導電性の高い金属錯体部３１ｆが含まれる。このような金属錯体部３１ｆの例として、フェロセン、ピリジン、ビピリジン、テルピリジン、フェナントロリン、キノリノール、およびキノリンなどの共役系配位子からなる配位子部３１ｂおよび３１ｃが、Ｒu3+などの金属イオン３１ｅに配位した錯体部や、この錯体部の複数ユニットが連結された構造などを挙げることができる。ゲート電極１からの電界が微粒子６によって遮蔽されずに有効に半導体分子３１に作用するには、電極３または４と、微粒子６との距離が大きくなるように、半導体分子３１の分子長は長い方がよい。
【０１０９】
ソース電極３に形成された半導体分子３１の単分子膜と、ドレイン電極４に形成された半導体分子３１の単分子膜との間には、導電体３３が配置されている。図７（ｃ）に示すように、導電体３３は、微粒子６とそれらをつなぐリンカー分子３２とによって構成されており、両端の微粒子６に結合した前駆体分子４１の連結部４３によって、半導体分子３１の導電体結合部３１ｄと結合している。微粒子６は、粒子径１０ｎｍ以下の微粒子で、その材料としては、例えば、金Ａu、銀Ａg、白金Ｐt、銅Ｃu、パラジウムＰd、鉄Ｆeなどの金属などの導体や、不純物がドープされて導電性が高められたシリコンＳiなどの半導体など、電気伝導性の高い材料が用いられる。
【０１１０】
微粒子６同士を連結するリンカー分子３２は、微粒子６に結合可能な官能基を両端の結合部４２に有する。例えば、微粒子が金Ａuからなる場合、リンカー分子７が両端に有する官能基として、チオール基−ＳＨ、ジスルフィド基−Ｓ−Ｓ−、アミノ基−ＮＨ2、シアノ基−ＣＮ、イソシアノ基−ＮＣなどが挙げられる。リンカー分子３２は、優れた導電性を示せるように共役系を有することが望ましく、分子全体にわたる共役系を有することがより望ましい。
【０１１１】
本実施の形態の特徴として、請求項２９に記載した製造方法に対応して、リンカー分子３２は、微粒子６に結合した前駆体分子４１と、その微粒子６に隣接する微粒子６に結合した他の前駆体分子４１とが、連結部４３で結合することによって形成される。また、請求項３１に記載した製造方法に対応して、前駆体分子４１は、微粒子６に結合した前記第１の分子に、前記第２の分子が重合することによって形成される。
【０１１２】
結合部４２と連結部４３との間には、優れた導電性を示し得るように、分子骨格に共役系を有する導電部４４が配置されている。この導電部４４の主要部は、通常、同一構造単位４５の繰り返しによって形成される。さらに、本実施の形態の特徴として、請求項１２に記載した半導体装置に対応して、導電部４４には導電性の高い金属錯体部が含まれる。この金属錯体部の例として、半導体分子３１に関して説明したと同様に、フェロセン、ピリジン、ビピリジン、テルピリジン、フェナントロリン、キノリノール、およびキノリンなどの共役系配位子と金属イオンとの錯体部や、この錯体部の複数ユニットが連結された構造などを挙げることができる。リンカー分子３２の分子長は、微粒子６同士を連結させることのできる十分な長さであり、かつ、リンカー分子３２の電気伝導性を高めるために、できるだけ短い方がよい。
【０１１３】
導電体３３では、リンカー分子３２が両端の官能基によって微粒子６と結合することによって、微粒子６とリンカー分子７とが交互に連結され、微粒子６内の導電路とリンカー分子３２内の導電路とが接続された導電路３４が形成される。この導電路では、リンカー分子３２内の電荷移動がその主鎖に沿った分子軸方向で支配的に起こるため、分子の軸方向の移動度、例えば非局在化したπ電子による高い分子内移動度などを最大限に利用することができる。さらに、微粒子６には多数のリンカー分子３２が結合できるので、全体としては二次元または三次元網目状に連結されたネットワーク型の導電路が形成され、導電体３３における電気伝導は、このネットワーク型の導電路を通じて行われる。以上の結果、導電体３３では高い移動度および高い電気伝導性が得られる。
【０１１４】
電界効果トランジスタ３０では、電界効果トランジスタ１０と同様、前記対向電極であるソース電極３とドレイン電極４との間に電圧が印加されると、電子は、ソース電極３から、ソース電極３の側面に結合した有機半導体分子３１中を通って、導電体３３に入り、導電体３３を通過後、ドレイン電極４の側面に結合した半導体分子３１中を通って、ドレイン電極４へ流れる。この結果、ソース電極３およびドレイン電極４のそれぞれと導電体３３とによって挟まれた２つの領域に、半導体分子３１によるチャネル領域が形成される。電界効果トランジスタ１０と同様、電界効果トランジスタ３０の特性は、２つのチャネル領域を形成している半導体分子３１の特性によって決まる。
【０１１５】
すなわち、半導体分子３１中の導電性は比較的低く、かつ、導電体３３の導電性は高いため、対向電極３および４間の導電性は、実質的に、２つのチャネル領域を占める半導体分子３１の導電性によって決定される。導電体３３は、電界効果トランジスタ３０の特性にはほとんど影響を与えず、２つのチャネル領域の間を電気的に接続し、半導体分子３１と電子の授受を行う実効的な電極として機能する。このように、電界効果トランジスタ３０では、ソース電極３と導電体３３とを実質的な対向電極とし有機半導体分子３１をチャネル材料とする半導体素子（電界効果トランジスタ）３０ａと、導電体３３とドレイン電極４とを実質的な対向電極とし有機半導体分子３１をチャネル材料とする半導体素子（電界効果トランジスタ）３０ｂとが実効的に形成されており、電界効果トランジスタ３０は、これら２つの半導体素子３０ａと３０ｂとが導電体３３によって直列に接続されたものと見なすことができる。
【０１１６】
図７（ａ）に示すように、２つの半導体素子３０ａと３０ｂにおいて、半導体分子３１は、対向電極の１つであるソース電極３またはドレイン電極４に電極結合部３１ａで結合し、かつ、対向電極の他の１つである導電体３３に導電体結合部３１ｄで結合しているので、チャネル領域における電荷移動は主として分子内電荷移動によって行われ、分子間電荷移動によって移動度などが制限されることがない。従って、電界効果トランジスタ３０は、導電性に関して、先述した非特許文献１または２に示されている分子トランジスタと同等の性能を実現できると考えられる。そして、ゲート絶縁膜２を介してゲート電極１が設けられているので、そのチャネル領域における導電性が効果的に電界制御される。
【０１１７】
加えて、リンカー分子３２に高い導電性を有する金属錯体部が含まれており、より高い導電性をもつ導電体３３が形成可能である。また、金属錯体部３１ｆを有する有機半導体分子３１を用いることによって、金属錯体の構造および性質の多様性を利用して、より高い変調効果や新たな機能の発現を期待することができる。
【０１１８】
図８および図９は、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ３０の作製工程のフローを示す断面図である。以下、基板１として不純物がドープされたシリコン基板を用い、ソース電極３、ドレイン電極４、および微粒子６の材料として金を用いることを想定し、その作製工程を説明する。また、有機半導体分子３１と前駆体分子４１とを、同種の材料を用いて同種の反応で合成すれば、前駆体分子４１同士を連結してリンカー分子３２を形成する反応と、有機半導体分子３１と前駆体分子４１とを連結して、有機半導体分子３１を導電体３３に結合させる反応を同時に行えるので好都合であるので、そのような例を説明する。
【０１１９】
まず、図８（ａ）に示すように、基板１の表面に熱酸化などによって酸化シリコンからなるゲート絶縁膜２を形成する。次に、ゲート絶縁膜２の上にリフトオフ法などの公知の方法によって、ソース電極３、ドレイン電極４、および絶縁膜１１を形成する。
【０１２０】
次に、図８（ｂ）に示すように、基板１を配位子分子５１を含む溶液に浸漬するか、あるいは、基板１を配位子分子５１の蒸気に曝すことによって、ソース電極３およびドレイン電極４の側面に配位子分子５１を自己組織化的に結合させる。配位子分子５１は、例えば、図１０に示す構造式で表される分子であり、（反応１）によって電極結合部３１ａによって電極表面に結合する。この際、配位子分子５１は、配位子部３１ｂを電極表面から遠ざけるように配向するのが望ましい。
【０１２１】
次に、図８（ｃ）に示すように、金属イオン３１ｅを含む溶液に基板１を浸漬することによって、図１０に示す（反応２）によって配位子部３１ｂに金属イオン３１ｅを結合させる。
【０１２２】
次に、図８（ｄ）に示すように、配位子分子５２を含む溶液に基板１を浸漬することによって、図１０に示す（反応３）によって配位子分子５２の配位子部３１ｃが金属イオン３１ｅに結合し、配位子部３１ｂおよび配位子部３１ｃと金属イオン３１ｅとからなる電気伝導性の高い金属錯体部３１ｆが形成される。この後、必要な回数だけ（反応２）と（反応３）とを繰り返し、所定の長さの半導体分子３１を得る。
【０１２３】
次に、図９（ｅ）に示すように、前駆体分子４１が結合した微粒子６からなる単粒子膜を、浸漬法、キャスト法、ラングミュアーブロジェット（ＬＢ）法、インクジェット法、またはスタンプ法などにより作製し、ソース電極３およびドレイン電極４が形成された基板１の表面に配置する。このとき、微粒子６は六方最密充填に基づく二次元の規則的配列を形成していることが望ましい。
【０１２４】
＜微粒子に結合した前駆体分子の合成＞
図１２は、微粒子６に結合した前駆体分子４１の合成経路を示す説明図である。以下、前駆体分子４１の合成方法について説明する。
【０１２５】
まず、公知の方法によって、表面が、微粒子同士の融合を防ぐための保護膜で覆われた微粒子６を合成する。この微粒子６が分散した溶液中に、前記第１の分子に相当する反応分子６１を導入し、（反応１１）によって保護膜分子を置換する。反応分子６１は、例えば共役系のように電気伝導性が高い構造単位４５をもち、一方の端部に、微粒子６と結合する結合部（微粒子６と結合可能な官能基）４２を有し、他の端部に、後述する反応分子６２との重合の際、反応分子６２の反応部位ｂとの反応部位として働く反応部位ａを有する分子である。反応１の結果、反応分子６１は物理的かつ電気的に微粒子６と結合する。その後、限外ろ過、溶媒抽出、サイズ排除クロマトグラフィー、電気泳動などの方法によって、微粒子６に結合していない分子６１を溶液中から除去する。
【０１２６】
次に、構造単位４５をもち、その両端に反応部位ａおよび反応部位ｂをもち、そのうち反応部位ａが保護基ｃによって不活化されている反応分子６２を導入する。反応分子６２は、（反応１２）により反応部位ｂによって反応分子６１の反応部位ａと反応し、反応分子６２と反応分子６１とが重合する。この後、限外ろ過、溶媒抽出、サイズ排除クロマトグラフィー、電気泳動などの方法によって、未反応の分子６２を溶液中から除去する。
【０１２７】
次に、（反応１３）によって、反応分子６２の反応部位ａに結びついている保護基ｃを取り除き、反応部位ａを反応活性の状態にする。
【０１２８】
この後、（反応１２）と（反応１３）とを繰り返し行い、構造単位４５の繰り返しによって導電部４４が所定の長さを有する重合体分子を形成する。
【０１２９】
次に、必要なら、分子の両端に反応部位ｂと、連結部４３を有する反応分子６３を重合させ、重合体分子に連結部４３を導入する（反応１４）。図１０には、反応分子６３が反応部位ｂおよび連結部４３のみからなる例を示したが、中間に構造単位４５などが含まれていてもよい。以上によって、微粒子６に結合した前駆体分子４１の合成が終了する。
【０１３０】
反応分子としては種々の分子を用いることができるが、半導体分子３１の合成に用いた配位子分子５１および５２を、それぞれ、反応分子６１および６２として用いることができる。その場合、（反応１）〜（反応３）が（反応１１）〜（反応１３）に相当する。すなわち、反応分子６１は、電気伝導性が高い構造単位４５としてフェニレン基などであるＸをもち、一方の端部に結合部４２としてチオール基を有し、他の端部に反応部位ａとしてテルピリジル基を有する。反応分子６２は、電気伝導性が高い構造単位４５としてフェニレン基などであるＸをもち、分子の両端部にそれぞれ反応部位ｂおよびａとしてテルピリジル基を有する。テルピリジル基はルテニウム(III)イオンＲu3+に配位しやすいので、（反応２）および（反応３）に示すように、Ｒu3+との錯体形成反応によって反応分子同士を連結することができる。このＲu3+との錯体形成反応は、後述する前駆体分子４１同士を連結して、リンカー分子３２を形成する際にも用いられる。なお、図中、ＤＭＦはジメチルホルムアミドである。この例の場合、反応分子６２が連結部４３を有するので、連結部４３を導入する（反応１４）は不要である。
【０１３１】
次に、図９（ｆ）に示すように、微粒子６に結合した前駆体分子４１と、隣接する他の微粒子６に結合した前駆体分子４１とを結合させ、微粒子６間を連結するリンカー分子３２を生成させることによって、微粒子６をネットワーク状に連結する導電路３３を形成する。このとき、同様の反応によって、半導体分子３１と前駆体分子４１との結合も形成される。
【０１３２】
図１３は、前駆体分子４１間の連結工程を説明する説明図である。この連結工程には、特開２００６−１００５１９号公報に報告した方法を用いることができる。例えば、連結部４３が金属錯体の配位子となりうるような原子団で構成されている場合には、金属イオンを含む溶液に微粒子６層が形成された基板１を浸漬することによって、図１３（ａ）に示すように、金属イオンを連結部４３間に導入し、錯体形成反応によって前駆体分子４１間を連結する（J. Park, A. N. Pasupathy, J. I. Goldsmith, C. Chang, Y. Yaish, J. R. Petta, M. Rinkoski, J. P. Sethna, H. D. Abruna, P. L. McEuen, and D. C. Ralph, Nature（2002）, 417, 722-725参照。）。
【０１３３】
一方、連結部４３同士が反応して結合を形成できる場合には、図１３（ｂ）に示すように、加熱、光照射、反応開始剤や触媒の導入などによって反応させ、前駆体分子４１間を連結する。また、連結部４３が隣接する連結部４３と静電引力、ファンデルワールス力、水素結合、π-πスタッキングなどにより相互作用する場合には、これらの作用で前駆体分子４１間を連結することも可能である。
【０１３４】
図１１は、半導体分子３１と前駆体分子４１との連結反応、または前駆体分子４１間の連結反応を、錯体形成反応によって行う例を示す説明図である。半導体分子３１と前駆体分子４１との連結反応の場合は、まず、（反応４）によって半導体分子３１の配位子部３１ｃにＲu3+が導入されて導電体結合部３１ｄが形成され、続いて、このＲu3+に前駆体分子４１の連結部４３が結合して、両者が連結される。前駆体分子４１間の連結反応の場合は、まず、（反応４）によって一方の前駆体分子４１の連結部４３にＲu3+が導入され、続いて、このＲu3+に他方の前駆体分子４１の連結部４３が結合して、両者が連結される。
【０１３５】
上記のように、配位子分子５１および５２、並びに反応分子６１および６２として、同じ官能基を有する分子を用いると、同じ型の反応によって、半導体分子３１と前駆体分子４１との連結反応、および前駆体分子４１間の連結反応を同時に行うことができ、好都合である。
【０１３６】
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。例えば、実施の形態１〜３では微粒子層を単層で設ける例を示したが、複数層の微粒子層を積層して前記導電体を形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３７】
本発明の半導体装置及びその製造方法は、将来、無機半導体装置に代わって、種々の電子回路に用いられることが期待されている有機半導体装置及びその製造方法として用いられ、その実現に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１】本発明の実施の形態１に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタの構造を示す概略断面図（ａ）、並びに、半導体分子および導電体の構造を示す概略説明図（ｂ）および（ｃ）である。
【図２】同、絶縁ゲート型電界効果トランジスタの作製工程のフローを示す断面図である。
【図３】同、変形例による絶縁ゲート型電界効果トランジスタの構造を示す概略断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタの構造を示す概略断面図（ａ）、半導体分子および導電体の構造を示す概略説明図（ｂ）および（ｃ）である。
【図５】同、絶縁ゲート型電界効果トランジスタの作製工程のフローを示す断面図である。
【図６】同、絶縁ゲート型電界効果トランジスタの作製工程のフローを示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタの構造を示す概略断面図（ａ）、半導体分子および導電体の構造を示す概略説明図（ｂ）および（ｃ）である。
【図８】同、絶縁ゲート型電界効果トランジスタの作製工程のフローを示す断面図である。
【図９】同、絶縁ゲート型電界効果トランジスタの作製工程のフローを示す断面図である。
【図１０】同、半導体分子および前駆体分子の合成反応の例を示す説明図である。
【図１１】同、連結反応の例を示す説明図である。
【図１２】同、前駆体分子の合成経路を示す説明図である。
【図１３】同、前駆体分子間の連結工程を示す説明図である。
【図１４】非特許文献１に示されている分子トランジスタの構造を示す概略図（ａ）と、半導体分子の構造を示す構造式（ｂ）である。
【符号の説明】
【０１３９】
１…基板（不純物がドープされたシリコン基板などで、ゲート電極を兼ねる。）、
２…ゲート絶縁膜、３…ソース電極（金など）、４…ドレイン電極（金など）、
５…有機半導体分子、５ａ…電極結合部、５ｂ…分子骨格部、５ｃ…導電体結合部、
６…微粒子（金など）、７…リンカー分子、８…導電体、９…チャネル領域、
１０…絶縁ゲート型電界効果トランジスタ、
１０ａ、１０ｂ…実効的な半導体素子（電界効果トランジスタ）、１１…絶縁膜、
１２…保護膜分子、２０…絶縁ゲート型電界効果トランジスタ、２１…基板、
２２…ゲート絶縁膜、２３…ゲート電極、３０…絶縁ゲート型電界効果トランジスタ、
３０ａ、３０ｂ…実効的な半導体素子（電界効果トランジスタ）、３１…半導体分子、
３１ａ…電極結合部、３１ｂ、３１ｃ…配位子部、３１ｄ…導電体結合部、
３１ｅ…金属イオン、３１ｆ…金属錯体部、３２…リンカー分子、３３…導電体、
３４…導電路、４１…前駆体分子、４２…結合部、４３…連結部、４４…導電部、
４５…構造単位、５１、５２…配位子分子、６１〜６３…反応分子、
１０１…基板（不純物がドープされたシリコン基板などで、ゲート電極を兼ねる。）、
１０２…ゲート絶縁膜、１０３…ソース電極（金など）、
１０４…ドレイン電極（金など）、１０５…半導体分子、ａ，ｂ…反応部位、ｃ…保護基
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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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１４】
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