(57)【要約】【課題】現在の技術をもって容易に実現できる方法によって、数Ｖ程度のゲート電圧を印加する事によって室温で動作するモット・トランジスタ、および、その製造方法を提供する。【解決手段】自己組織化ナノ粒子列１５をチャネル部に用いる事で、室温で動作するモット・トランジスタを提供する。我々の用いるナノ粒子は、金属と有機分子とから構成されており、その大きさは数ｎｍ程度と大変小さいため、そのチャージング・エネルギーは熱エネルギーｋＢＴ＝２６ｍｅＶよりも十分大きく、室温で動作が可能である。また、数ｎｍ程度の大きさのナノ粒子が自己組織的に並べられ、面密度１０１２ｃｍ−２程度の電子数の変化でモット転移を引起す事ができるため数Ｖ程度のゲート電圧で動作する。【選択図】図１
2005210063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極と、一対のソース・ドレイン電極と、チャネル部とを有し、
前記チャネル部は、金属または半導体で構成された粒子と前記粒子を覆う有機分子とを含むことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２】
請求項１記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記粒子の粒径が１０ｎｍ以下であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項３】
請求項１記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記粒子は複数存在し、粒子表面間の最短距離が４ｎｍ以下であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項４】
請求項１記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記有機分子はチオール基を有することを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項５】
請求項１記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記粒子は複数存在し、前記粒子の配列は最密充填構造であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項６】
請求項１記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記粒子は金、銀、または、プラチナ、または、これらの複数の元素を含むことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項７】
請求項１記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記粒子は銅、アルミ、スズ、シリコン、カドミウム、または、セレンを含むことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項８】
ゲート電極と、一対のソース・ドレイン電極と、チャネル部とを有し、
前記チャネル部は、金属または半導体で構成された粒子と前記粒子を覆う有機分子とイオン化された分極材料とを含むことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項９】
請求項８記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記粒子の粒径が１０ｎｍ以下であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項１０】
請求項８記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記粒子は複数存在し、粒子表面間の最短距離が４ｎｍ以下であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項１１】
請求項８記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記有機分子はチオール基を有することを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項１２】
請求項８記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記粒子は複数存在し、前記粒子の配列は最密充填構造であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項１３】
請求項８記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記粒子は少なくとも金、銀、または、プラチナの中の１つを含むことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項１４】
請求項８記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記粒子は銅、アルミ、スズ、シリコン、カドミウム、または、セレンを含むことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項１５】
請求項８記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記分極材料は、ＴＴＦ分子、Ｃｅ（ＳＯ４）２、アルカリ金属、アルカリ土類金属、Ｉ２、Ｂｒ２、Ｃｌ２、ＡｓＦ５、ＢＦ３のいずれか、または、これら複数の材料を含むことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項１６】
ゲート電極と、一対のソース・ドレイン電極と、チャネル部とを有し、
前記チャネル部は、金属または半導体で構成された粒子と、前記粒子を覆う有機分子と、有機半導体分子とを含むことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項１７】
請求項１６記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記有機半導体分子は、ポリチオフェン、ペンタセン、ナフタレン、または、銅フタルシアニンであることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項１８】
基板を準備する第１工程と、
有機分子で覆われた金属または半導体の粒子を含むチャネル部を基板上に形成する第２工程とを含むことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の電界効果トランジスタの製造方法において、
前記第２工程は前記粒子を前記チャネル部の一部または全部に自己組織的に並べる工程を含むことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項２０】
請求項１８記載の電界効果トランジスタの製造方法において、
前記第２工程は、有機溶液中に前記粒子が混合された溶液を滴下する工程を含むことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項２１】
請求項１８記載の電界効果トランジスタの製造方法において、
前記第２工程は、有機溶液中に前記粒子が混合された溶液を回転塗布する工程を含むことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項２２】
請求項１８記載の電界効果トランジスタの製造方法において、
前記第２工程は、Ｌａｎｇｍｕｉｒ  Ｂｌｏｄｇｅｔｔ膜形成方法を用いる工程を含む電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項２３】
請求項１８記載の電界効果トランジスタの製造方法において、
前記基板は曲げられることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電界効果トランジスタ及びその製造方法に関し、特に、チャネル部に用いる材料として、自己組織化したナノ粒子列を用いて、その動作原理として金属・絶縁体転移（モット転移）を用いる事で、低オフ電流と高オン電流を同時に達成する新型電界効果トランジスタ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコンを用いた集積回路技術は驚くべき速度で発展を続けている。微細化技術の進歩に伴って素子の寸法が縮小され、より多くの素子を１つのチップ内に集積することが可能となり、その結果、より多くの機能が実現されてきた。同時に、素子の微細化に伴う、電流駆動能力の向上と負荷容量の減少により、高速化が達成されてきた。現在のシリコン素子の主流はＣＭＯＳＦＥＴ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、そのチャネル長が０．１μｍを切る製品がすでに出荷されるに至っている。
【０００３】
しかしながら、ＣＭＯＳＦＥＴの更なる微細化は、限界に近づいている。実際、２００２年  インターナショナル  テクノロジー  ロードマップ  フォー  セミコンダクタ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｒｏａｄｍａｐ  ｆｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（ＩＴＲＳ），Ｓｅｍａｔｅｃｈ（２００２））（非特許文献１）を参照すると、２００５年から２０１０年頃に要求されるテクノロジーの多くは、解決する事が困難とされており、歩留まりやコストなどによる経済的な問題に加えて、ＣＭＯＳそのものの物理的な限界が近づいていることが示されている。その結果、２０１０年頃に実用化が期待されている４５ｎｍテクノロジー・ノード以降の世代を実現する事は困難だと考えられている。
【０００４】
その原因のひとつが短チャネル効果と呼ばれるものである。短チャネル効果とは、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）チャネル長が短くなることによって顕著になる物理現象である。すなわち、チャネル長が短くなるにつれて、ソース拡散層とドレイン拡散層が近づく。ソース・ドレイン拡散層の境界部にはｐｎ接合が存在するため、それぞれの境界部には空乏層が生じている。チャネル長が短くなると、この空乏層も近づき、最悪の場合、空乏層がつながりパンチ・スルーと呼ばれる現象が起こり、ＭＯＳＦＥＴがオフ状態でもソースとドレイン間にリーク電流が流れてしまう。ソースの空乏層がドレインの空乏層と完全につながっていないとしても、チャネル長が短い場合には、このようなリーク電流は無視できない。このリーク電流は、不純物のプロファイルを制御したり、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることで、多少抑制する事ができるが、その様な対策にも限界がある。短チャネル効果としては、リーク電流の増大に加えて、電流のＯｎ／Ｏｆｆ比の減少やしきい値の上昇など、ゲート電極によるＭＩＳＦＥＴの制御性が低下することによる様々な弊害が現れる。
【０００５】
このようなＣＭＯＳの限界を打開するため、ナノ・テクノロジーを駆使した様々な試みがある。たとえば、単電子トランジスタ・共鳴トンネルトランジスタ・単分子トランジスタなどを挙げることができる。このうち単電子トランジスタや単分子トランジスタは、電子一個あるいは、数個をゲート電圧で制御するという究極の低電力デバイスであるため、Ｏｆｆ状態のリーク電流を小さくできる一方、Ｏｎ状態の駆動電流も小さくなってしまい、十分なＯｎ／Ｏｆｆ比を確保できないという問題がある。また、共鳴トンネルトランジスタは、絶縁膜を流れるトンネル電流を利用するため、十分なＯｎ／Ｏｆｆ比を確保できないという問題が生じるばかりでなく、絶縁膜の膜厚が０．数ｎｍ程度の極めてわずかに異なっているだけでも、電流値が指数関数的に変化してしまうため、デバイス間での素子特性のバラツキが大きくなるという問題も生じる。従って、これらの量子効果を利用した新規デバイスで、ＣＭＯＳＦＥＴを置き換えるためには、更なるデバイス特性の向上が望まれている。
【０００６】
また、最近、注目されているデバイスとして、有機トランジスタも研究されている。有機トランジスタは、チャネル材料として、ポリチオフェンやペンタセンなどをはじめとする有機半導体を用いている事を特徴とした電界効果型のトランジスタである。近年、有機半導体の合成技術が飛躍的に進歩したため、有機トランジスタの性能も向上した。有機トランジスタはフレキシブルなプラスチック基板上に作成することも可能であるため、基板を曲げる事も可能である。従って、発光素子である有機ＥＬ（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）と組み合わせる事ができれば、紙のように薄い曲げる事のできるプラスチック基板を用いたディスプレイ、すなわち、電子ペーパーが実現できる可能性が期待されている。ところが、有機ＥＬを駆動するためには、アモルファス・シリコンと同程度の移動度１．０ｃｍ2／Ｖｓ程度が要求されるが、現状の有機半導体では、これより1-２桁以上小さい。従って、現状の有機半導体では、有機ＥＬを駆動させる事は困難である。このように有機半導体の移動度は小さいため、ポストＣＭＯＳＦＥＴとしては、残念ながら有機トランジスタの性能は未だ十分なものとは言えない。
【０００７】
ポストＣＭＯＳＦＥＴを目指す別のデバイスとして、モット・トランジスタと呼ばれるデバイスが考えられている。これは、電界効果型のトランジスタで、チャネル材料として、モット転移と呼ばれる金属・絶縁体転移を引起す材料を用いることで、絶縁体状態における低いＯｆｆリーク電流と金属状態における高いＯｎ駆動電流を実現させようというものである。例えば、特開平１１−１６３３６５（特許文献１）には、チャネル材料として、有機分子であるＢＥＤＴ−ＴＴＦや高温超伝導になるＬａ２−ｘＳｒｘＣｕＯ４などを用いてモット・トランジスタを作成する方法が開示されている。
【０００８】
ここで、モット転移について簡単に説明する。ＮｉＯなどの遷移金属酸化物が、通常のバンド理論では金属になるにも関わらず、絶縁体となっている。遷移金属酸化物では、最外殻の電子がｄ軌道に属しているため、電子が強く各原子に局在化している結果、電子間に働く相互作用が強くなっている。図２では、サイト１間を電子２がホッピングする様子が示されている。ここで、サイト１とは、モット転移材料が遷移金属酸化物の場合にはひとつの原子殻の事を表しており、有機分子の場合にはひとつの有機分子を表す。簡単のため軌道の縮退は無視すると、電子にはスピン縮退の自由度があるため、各サイト１には、最大２ヶの電子が入る。電子間に働くクーロン相互作用は、同じサイトに電子が２ヶ入った場合に最も強く働く。クーロン斥力が働くとその分エネルギーが上昇してしまうため、電子はなるべくお互いを避けあい、同じサイトに入らないように動き回る。図２のように、電子数がサイト数に比べて少ない場合には、電子はお互いにうまく避けあう事ができるため、電子間に強い相互作用が働いていても、電子間相互作用の影響は少なく、電子は原子間を比較的自由にホッピングする事ができる。この場合は、系は金属として振舞う。ところが、図３のように電子数がサイト数と丁度同じ程度である場合には、電子間相互作用の影響が非常に強くなり、電子は自由に動けなくなる。この場合は、キャリアである電子が存在するにも関わらず、系は絶縁体として振舞う。このように、電子間に働く強い相互作用のために、電子がもはや周りの他の電子の影響を強くうける系は、強相関電子系と呼ばれている。電子数をゲート電圧によって変化させる事で、図３の絶縁体状態から図２の金属状態へ変化させようというのが、先ほど述べたモット・トランジスタの基本コンセプトである。
【０００９】
モット転移という概念は、極めて一般的であり、自然界に存在する一部の遷移金属酸化物や有機物に限らず、ＳｉやＧａＡｓなどの半導体を微細加工した人工的な格子にも表れるのではないかという提案が２００１年  アプライド  フィジックス  レター  ボリューム７８  ３７０２−３７０４頁（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．７８，ｐ．３７０２−３７０４（２００１））（非特許文献２）でされた。人工的に形成されたひとつの量子ドットが大きな人工的な原子のように振舞う事や、二つの量子ドットを近づけると人工的な分子のように振舞う事は良く知られている。このような量子ドットを微細加工技術を用いて多数周期的に形成することで、人工的な分子をつくりだそうという提案が本文献ではなされている。これは、周期律表に表れている原子の組み合わせから結晶をつくり出すように、人工的な結晶をつくり出すことに相当する。Ｉｎ０．７２Ｇａ０．２８Ａｓにサブ・ミクロンの微細加工を施して、カゴメ状の人工格子を形成することで、強相関電子系を出現させる事ができ、強磁性に相転移させる事ができることが記載されている。
【００１０】
また、金属のナノ粒子を用いても金属・絶縁体転移が引起せることが、１９９７年  サイエンス、ボリューム２７７、１９７８頁（Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．２７７，ｐ．１９７８（１９９７））（非特許文献３）で報告されている。それによると、銀のナノ粒子から作られた単層膜において、ナノ粒子と隣接するナノ粒子の間の距離が短い時には、金属的に振る舞い、該距離が遠い時には絶縁体として振舞う事が示されている。その変化を水の上に浮かべた金属ナノ粒子に圧力を加えて粒子間の距離を変化させる事によって確認した。しかしながら、ナノ粒子をシリコンやプラスチックなどの基板の上に形成すると、ナノ粒子の距離を変化させる事は困難になるため、デバイスとして実際に応用する方法までは記載されていない。
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−１６３３６５
【００１２】
【非特許文献１】２００２年  インターナショナル  テクノロジー  ロードマップ  フォー  セミコンダクタ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｒｏａｄｍａｐ  ｆｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（ＩＴＲＳ），Ｓｅｍａｔｅｃｈ（２００２））
【非特許文献２】２００１年  アプライド  フィジックス  レター  ボリューム７８  ３７０２−３７０４頁（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．７８，ｐ．３７０２−３７０４）
【非特許文献３】１９９７年  サイエンス、ボリューム２７７、１９７８頁（Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．２７７，ｐ．１９７８）
【非特許文献４】２００３年  ネイチャー、ヴォリューム４２４、１０１５頁（Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．４２４，ｐ．１０１５（２００３））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
先に述べたように、モット・トランジスタは、ポストＣＭＯＳＦＥＴとして、期待されているが、その実現には様々な問題がある。
たとえば、２００３年  ネイチャー、ヴォリューム４２４、１０１５頁（Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．４２４，ｐ．１０１５（２００３））（非特許文献４）には、遷移金属酸化物などの強相関電子系において、電界効果によって相転移を引起すための種々の試みが記載されている。ここでは、電界効果を用いれば、超伝導や巨大磁気抵抗の変化など、電子状態を大幅に変化させる事ができる可能性がある事が指摘されている。しかしながら、現実のバルクの物性を電界効果によって変化させる事は大変難しく、これまでのところモット・トランジスタを用いて明瞭な相転移現象を観測したという報告は存在しない事が記載されている。
【００１４】
我々は、何故、遷移金属酸化物や有機分子結晶などのモット転移材料を用いた従来のモット・トランジスタが動作しないのかを検討した。その結果、モット転移を引起すために要求される電子密度の変化が大きすぎる事が最大の問題である事を見出した。原子間の距離は０．数ｎｍの程度であるから、単位面積当たりの原子密度は１０１５ｃｍ−２の程度である。モット転移を引起し、図３から図２の状態に変化させるためには、サイト１当たりの電子密度を最低でも１０％程度変化させる必要がある。つまり、サイト１がひとつの原子あるいはひとつの分子を表す従来のモット・トランジスタを動作させる場合、１０１４ｃｍ−２程度という極めて大きな電子密度の変化が必要となる。これは、現在の技術で最も優れたゲート絶縁膜を用いたとしても、ゲート電圧で制御できる電子数１０１３ｃｍ−２程度より一桁以上大きい。従って、系をモット転移させるためには１００Ｖ程度の非常に大きいゲート電圧を印加する必要があり、モット転移させる前にゲート絶縁膜が絶縁破壊を引起すという問題が生じる。
【００１５】
一方、微細加工技術を用いて作製した人工的な格子でモット転移をおこすという提案がなされているが、微細加工技術を用いた加工では、最小加工寸法が１００ｎｍ程度と大きくなるため、量子ドットのサイズが大きくなり、チャージングなどに伴うエネルギー・スケールが小さくなるという問題がある。その結果、強磁性転移や金属・絶縁体転移の起こる相転移温度が数ｋ（−２７０℃）程度と非常に低くなってしまうため、実際のデバイス応用は困難である。つまり、サイト１を微細加工技術で形成するモット・トランジスタの場合、きわめて低温でしか動作させる事ができない。Ｓｉの最先端の微細加工技術を用いると、その最小加工寸法を２０ｎｍの程度のサイトを形成する事はできるが、それでも、室温で動作させることは難しい。室温で動作させるためには、熱的な揺らぎにともなう熱エネルギーｋＢＴ（ｋＢはボルツマン係数、Ｔは温度）よりもチャージング・エネルギーを大きくする必要がある。室温ではｋＢＴ＝２６ｍｅＶ程度であるので、これよりもチャージング・エネルギーを大きくするためには、量子ドットの粒径を１０ｎｍ程度以下、より好ましくは５ｎｍ程度以下にする必要がある。微細加工技術を用いてこのように小さな構造を作製することは非常に困難である。
【００１６】
従って、ポストＣＭＯＳＦＥＴの有力候補のひとつであるモット・トランジスタの室温動作を実現するために有効な方法は知られていない。
係る問題に鑑み、本発明の目的は、現在の技術をもって容易に実現できる方法によって、数Ｖ程度のゲート電圧を印加する事によって室温で動作するモット・トランジスタ、および、その製造方法を提供する事にある。本発明の別の目的は、フレキシブル基板上に作製することのできるモット・トランジスタ、およびその製造方法を安価に提供する事にある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明は、ナノ粒子列（ｎａｎｏ−ｐａｒｔｉｃｌｅ  ａｒｒａｙ）をチャネルに用いる事で、室温で動作するモット・トランジスタ、および、その製造方法を提供する。ナノ粒子列を形成する製法としては、自己組織化（ｓｅｌｆ−ｏｒｇａｎｉｚｅｄ）という現象を利用する。自己組織化とは整然とした秩序構造が自発的に形成される現象を表し、ナノ粒子列とは数ナノメートル程度の大きさの粒子が整然と並んだものを表す。我々の用いるナノ粒子は、中心部の金属と中心部を覆う有機分子とから構成されており、金属の中心部が有機分子によって覆われている。この有機分子は隣接するナノ粒子内の金属が凝集して，金属部分が大きくなる事を防いでいる。中心部の金属としては，金，銀，銅，プラチナ等の貴金属や，アルミ，錫，シリコン，カドミウム，セレンなども有用である。また，中心部を覆う有機分子としては，化１や化２に示すチオール基を持つ有機化合物が有効である。
【００１８】
【化１】
2005210063.tif 000003
【００１９】
（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｙ１，Ｙ２：水素，水酸基，チオール基，アミノ基等であり，それぞれ同一のものでも異なったものでもよい。
【００２０】
【化２】
2005210063.tif 000004
【００２１】
(Ｚ：ベンゼン等の芳香環もしくは多環化合物であり，置換基を有しても良い。)
このナノ粒子を基板上に成膜すると，ナノ粒子は最密充填構造をとり、自己組織化している。また、ナノ粒子の中心部の粒径は１０ｎｍ以下と大変小さいため、チャージング・エネルギーが大きく室温でも十分、ナノ粒子への単一電子の帯電効果を観測することが可能である。さらに、チャネル材料として自己組織化ナノ粒子列を用いる事で、従来の有機トランジスタより大きい実効移動度を示し、フレキシブル基板上に作製することのできるトランジスタ、およびその製造方法を安価に提供する事にある。
【００２２】
先に述べたように、モット・トランジスタを実用化するためには、数Ｖ程度のゲート電圧を印加する事でモット転移を引起す事が要求される。このためには、１０１２から１０１３ｃｍ−２程度の電子密度の変化によってモット転移を起こせばよい。その為には、数ｎｍ程度の大きさのナノ粒子を自己組織的に並べれば良いという着想に到った。数ｎｍ程度の大きさのナノ粒子を自己組織的に並べると、面密度は１０１３ｃｍ−２程度になるため、その１０％となる１０１２ｃｍ−２程度の電子数の変化でモット転移を引起す事ができる。また、ナノ粒子の帯電エネルギーは数十から数百ｍｅＶ程度となるため、熱的な揺らぎにともなうエネルギーｋＢＴ＝２６ｍｅＶよりも十分大きく、室温で動作が可能となる。つまり、サイト１として化学的に合成したナノ粒子を用いる事で、低電圧動作と室温動作という従来のモット・トランジスタでは実現できなかった２つの課題がはじめて実現できるようになる。加えて、ナノ粒子間の距離を変化させなくても、ゲート電圧によりキャリア数を制御するだけで金属・絶縁体転移を引起すことができるため、いかなる基板の上でも動作させる事ができる。
【００２３】
また、本発明に基づくモット・トランジスタは、デバイス動作原理上の利点ばかりでなく、作製方法に関しても利点がある。つまり、このように微細なナノ構造は、リソグラフィーを用いた微細加工技術では形成できない。しかしながら、近年、進歩している化学的なナノ粒子の形成方法を用いれば、大量につくる事が可能であり、また、整然と自己組織的に並べることが可能である。
【００２４】
本発明に基づくモット・トランジスタは、この自己組織化したナノ粒子列をチャネルに用いて、そのキャリア密度をゲート電圧によって変調させる事によって、金属状態と絶縁体状態を相転移する。その結果、高いＯｎ駆動電流と低いＯｆｆリーク電流を実現させる事ができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明による自己組織化ナノ粒子列を用いた電界効果型のモット・トランジスタは、金属状態における高い駆動電流と絶縁体状態における低いオフ・リーク電流を両立することができる。ソース・ドレイン電極とチャネルとなる自己組織化ナノ粒子列の間にｐｎ接合が用いられていないため、短チャネル効果が起こらず、従来のＣＭＯＳＦＥＴの限界を超えて微細化を推し進める事が可能となる。フレキシブルなプラスチック基板上に高性能のモット・トランジスタを集積化することが可能であるため、従来の有機トランジスタの性能では不可能であった有機ＥＬの駆動が可能となる。従って、ユビキタス社会の基盤技術となりうる任意の基板に形成可能なトランジスタを提供する事が可能となった。また、単結晶シリコン基板を用いないため安価にデバイスを作製できるという効果もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。理解を容易にするため、図面を用いて説明し、要部は他の部分よりも拡大して示されている。各部の材質、導電型、及び製造条件等は本実施例の記載に限定されるものではなく、各々多くの変形が可能であることは言うまでもない。
【実施例１】
【００２７】
まず、本発明に基づくモット・トランジスタのチャネル部に用いるナノ粒子の合成方法を開示する。最初に、テトラクロロ金（III）酸四水和物０．３１ｇを３０ｍｌの水に溶解させる。上記水溶液にトルエン８０ｍｌを加え、臭化テトラ−ｎ−オクチルアンモニウム２．２ｇを加え室温で１時間攪拌した。溶液に１−ドデカンチオール１７０ｍｇをゆっくりと滴下し、さらに１時間攪拌した。水素化ホウ素ナトリウム０．３８ｇを水２５ｍｌに溶解させ、上記溶液に３０分掛けて滴下し４時間攪拌した。溶液を分液し、有機層を１０ｍｌに濃縮し、４００ｍｌのエタノールを加え、−１８℃で５０時間静置し、上澄み液を捨て減圧乾燥させることにより、黒褐色のドデカンチオールにより表面を保護された金ナノ粒子０．２１ｇを得た。このナノ微粒子の中心部の平均粒径は、３．６ｎｍであった。
【００２８】
このようにして形成された金ナノ粒子５を模式的に図４に示す。金ナノ粒子５は、金原子３が数十から数百個程度中心部に集まっており、その外周部に有機化合物４が化学的に結合している構造をしている。金粒子の大きさは、チャージング・エネルギーを熱エネルギーよりも十分大きくするために、１０ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以下にする必要がある。本実施例に基づく合成方法を用いるとこの条件を十分に満たす程小さい粒径のナノ粒子を合成できる事が確認された。本実施例では、ドデカンチオールが有するチオール基によって、チオール基の硫黄原子と金原子が結合しており、金原子の表面をドデカンチオールが一分子層覆っている。
【００２９】
前記合成例では、ナノ粒子の中心物質として金を用いているが、その他の銀・プラチナなどの貴金属や銅・アルミ・スズなどの金属、シリコンやゲルマニウムやカドミウム・セレンなどの半導体を構成原子としても差し支えない。中心物質として金を用いたのは、他の材料よりもチオール基との結合が相対的に強く、金原子表面をチオール基を有するドデカンチオールが覆い易い。そのため、金ナノ粒子が再現性良く作成でき、作り易いためである。
【００３０】
たとえば、前記テトラクロロ金（III）酸四水和物０．３１ｇを過塩素酸銀（I）０．１９ｇに変える以外は前記合成例と同様の手順において合成しナノ粒子を形成することより、ドデカンチオールにより表面を保護された黒褐色の銀ナノ粒子０．１５ｇを得ることができた。この銀ナノ粒子の中心部の平均粒径は、４．０ｎｍであった。後に述べるデバイス特性は、銀ナノ粒子を用いても金ナノ粒子と顕著な違いは観測されなかった。中心材料に銀を用いた場合には、金よりも安価なために、材料コストが抑えられ大量生産に適している。
【００３１】
あるいは、前記１−ドデカンチオール１７０ｍｇの代わりに２、５−ジメチルチオフェノール２３２ｍｇを使う以外は前記合成例と同様の手順において合成しナノ粒子を形成することより、２、５−ジメチルチオフェノールに表面を保護された黒褐色の金ナノ微粒子２．３ｇを得た。この金ナノ微粒子の中心部の平均粒径は、３．３ｎｍであった。ジメチルチオフェノールをドデカンチオールの代わりに使った場合は金ナノ粒子の中心部の表面間の距離を短くすることが可能となり、金ナノ粒子間を電荷が移動し易くなる。
【００３２】
あるいは、２種類以上の金属原子を用いて金属ナノ粒子を形成してもよい。この場合、まず、最初に、テトラクロロ金（III）酸四水和物０．１５ｇとヘキサクロロ白金(IV)水和物０．１５ｇを３０ｍｌの水に溶解させる。上記水溶液にトルエン８０ｍｌを加え、臭化テトラ−ｎ−オクチルアンモニウム２．２ｇを加え室温で１時間攪拌した。溶液に１−ドデカンチオール１７０ｍｇをゆっくりと滴下し、さらに１時間攪拌した。水素化ホウ素ナトリウム０．３８ｇを水２５ｍｌに溶解させ、上記溶液に３０分掛けて滴下し４時間攪拌した。溶液を分液し、有機層を１０ｍｌに濃縮し、４００ｍｌのエタノールを加え、−１８℃で５０時間静置し、上澄み液を捨て減圧乾燥させることにより、黒褐色のドデカンチオールにより表面を保護された中心核が金コートされた白金ナノ微粒子０．２１ｇを得た。このナノ粒子の中心部の平均粒径は、１．８ｎｍであった。本実施例では、ドデカンチオールが有するチオール基によって、チオール基の硫黄原子と金原子が結合しており、金原子の表面をドデカンチオールが一分子層覆っている。２種類以上の金属原子を混合した場合は、金や銀等の単体の材料よりも小さい粒径のナノ粒子が形成できるので、ナノ粒子のチャージング・エネルギーをより大きくすることができる。そのため、モット・トランジスタのチャネル部に２種類以上の金属原子を混合した材料を用いると、室温やそれ以上の温度環境でのモット・トランジスタの動作が可能となる。
【００３３】
次に、モット・トランジスタを作製するための基板を用意する。本実施例では、素子作成の簡単化のため、シリコン基板を用いているが、基板としてプラスチックなどを用いれば、図２６に示すように、曲げる事のできるフレキシブルな基板２６にモット・トランジスタを含む集積回路２７を作製する事ができる。先に述べたように、紙のように曲げられる集積回路基板は、ユビキタス社会の実現を支えるための基盤技術となる。本実施例のように、基板としてシリコン基板を用いる事の利点は、後述するように従来のＣＭＯＳ素子とモット・トランジスタを同一チップ上に集積化できる点である。このため、モット・トランジスタは、従来のシリコン・テクノロジーで養われたプロセス・デザイン・レイアウト・回路などの技術を継承することができる。また、ＳＯＩ基板を用いれば、ＳＯＩ素子とモット・トランジスタを同一チップ上に集積化する事も可能である。
【００３４】
次に、図５に示すように、本実施例で用いたシリコン基板６の表面を酸化させることで、素子分離のための２００ｎｍの膜厚を有する二酸化シリコン絶縁膜７を形成した。
引き続き、ｎ＋導電型にドープされたポリシリコンを膜厚２００ｎｍ程、全面に堆積した後、ホト・リソグラフィーとドライ・エッチング技術を用いて、所望の形に加工したｎ型ゲート電極８を形成した図６の状態にした。ゲート電極としては、この他に導電型をｐ型にしてしきい値電圧を変えたものも作製した。この場合、モット・トランジスタのしきい値電圧を１Ｖ程度低下させる事ができる。また、仕事関数の異なる金やアルミなどの金属をゲート電極として用いる事もできる。しきい値電圧を何処に設計したいかによって、自由にゲート電極を選ぶ事ができる。
【００３５】
次に、全面に膜厚２０ｎｍの二酸化シリコンゲート絶縁膜９を堆積させて図7の状態にした。引き続き、膜厚１μｍのレジストを全面に塗布した後、ホト・リソグラフィーを用いてレジストを所望の形に加工した。その後、前面に膜厚１００ｎｍの金を全面に蒸着させた。その後、試料をアセトン中に入れて超音波でかくはんさせることで、レジストを剥離する事で金をリフト・オフし、金ソース電極１０と金ドレイン電極１１を形成した図８の状態にした。本実施例で作成したモット・トランジスタのチャネル長Ｌは２０μｍであり、幅Ｗは２０μｍである。
【００３６】
次に、前記金ナノ粒子を、有機溶媒（トルエン）に溶かし、スピン塗布機を用いて、全面に膜厚１００ｎｍほどに塗布することで図９に示すように自己組織化ナノ粒子列１２を形成してモット・トランジスタを完成させた。オフ状態のリーク電流を小さくするためには、自己組織化ナノ粒子列１２の膜厚は薄い方が望ましく、最も理想的には、一層のみ（モノ・レイヤー）である事が望ましい。実際、自己組織化ナノ粒子列１２をＬａｎｇｍｕｉｒ  Ｂｌｏｄｇｅｔｔ膜（ＬＢ膜）として形成するとモノ・レイヤーにする事が可能であり、この時、モット・トランジスタのオフ・リーク電流が最も小さかった。図１０に，ここで示したＬＢ膜の形成方法を図示する。まず，図１０（ａ）に示したように，水槽２１を超純水１９で満たし，その上にマイクロシリンジを使い，クロロフォルムやに溶解させた金ナノ粒子２を滴下し，水の表面を覆うようにする。
【００３７】
一方から水面を押していきナノ微粒子２０を超純水１９表面に細密充填しＬＢ膜を形成する図１０（ｂ）。図１０（ｃ）に示したように，ナノ微粒子２０のＬＢ膜を転写したい基板２２を水面と平行に密着させて金ナノ微粒子２０のＬＢ膜を基板２２上に得た。ここで，金ナノ微粒子をクロロフォルムに溶解させてＬＢ膜を形成したが，この溶液に，アルコールを加えることや，溶剤をキシレンやトルエン等に変えることも可能である。ここで、デバイス作製に関して注意した点を述べる。金ナノ粒子は、有機物を含んでいるため、空気中では酸素や水分などが吸着してデバイス特性が劣化しやすいので、酸素や水分を透過し難いパッシベーション膜を形成した方が望ましい。その際、パッシベーション膜を形成する前に、吸着している酸素や水分を飛ばすために、デバイスを真空中で１００℃程度に加熱する，もしくは４日間加熱なしで放置すると素子特性が改善した。
【００３８】
図１１にモット・トランジスタを上部から見た図を模式的に示す。ナノ粒子５は自己組織的に整然と並んでいる。ただし、自己組織化ナノ粒子列１２は人工的な結晶のように振舞うといっても、厳密な意味で文字通り長距離秩序が保たれているわけではない。つまり、ナノ粒子の大きさやナノ粒子間の距離には、バラツキがある。バラツキに伴うランダムネスの発生は、電子の散乱を引き起こしオン電流に繋がるため、バラツキが少ない方が望ましい事は言うまでもない。しかし、ナノ粒子の大きさが十分小さく、バラツキの大きさが数１０％程度におさまっていれば、室温においても十分ナノ粒子への帯電効果を観測する事が可能であり、モット・トランジスタの動作には差し支えない。また、自己組織化ナノ粒子列は欠陥が無いことが望ましい。欠陥とは主に、一部の粒子同士が接触していたり、一部の粒子が最密充填構造の存在すべき場所に配置されなかったりすることを指す。多少このような欠陥があったとしてもモット・トランジスタのソース電極とドレイン電極間の電流経路は無数にあるので動作には差し支えない。本明細書内での最密充填構造という表現は実質的な最密充填構造を意味するものであって、多少の欠陥があったとしても、最密充填構造と表現している。
【００３９】
引き続き、モット・トランジスタを集積化させるためのプロセスを述べる。図６の工程で複数のゲート電極８を形成する工程以外、図５から図９までの工程は同一なので省略する。図９の状態から、前面にＳｉＯ２を２００ｎｍ堆積させた後、ホト・リソグラフィを用いたレジストパタンをマスクに、フッ酸によってＳｉＯ２の一部を除去し自己組織化ナノ粒子列を露出させる。その後、自己組織化ナノ粒子列１２の露出させた部分をアセトンで除去した状態に加工することで、図１２のような複数のモット・トランジスタを形成することができた。図１３のＡ−Ｂ点線における断面図が図１２であり、図１２では図１３で記載されている銅配線２４は省略した。金ソース電極１０と金ドレイン電極１１の表面を露出させることにより金ソース電極１０または金ドレイン電極１１と配線とのコンタクト領域を形成することができる。また、図１２における集積化されたモット・トランジスタは電流が基板内を通らないので、従来のＣＭＯＳでシリコン基板内に形成されていた素子分離を形成する必要がない。そのため、高集積化が可能である。モットトランジスタを集積化した回路を上部から見た図を図１３に示す。  配線２３は銅配線２４を介してゲート電極８と金ソース電極１０と金ドレイン電極１１と電気的に接続されている。
【００４０】
また、別の回路を形成する方法として、図１２の状態から、更に前面にＳｉＯ２を２００ｎｍ 堆積させた後、表面をＣＭＰ（化学的機械的研磨）によって平坦化した後、図１２の回路を形成したのと同一のプロセスを行うことによって、図１４のようなモット・トランジスタによる回路を集積化させた回路を形成することができた。モット・トランジスタがシリコン基板６の厚さ方向に対して複数配置できるので高集積化が可能となる。
【００４１】
さらに、シリコン基板６を用いる代わりに、シリコン基板上にＣＭＯＳ回路２５がすでに形成されている基板を用い、その配線層上に、図１２の回路を形成するプロセスと全く同一のプロセスにより、ＣＭＯＳ回路とモット・トランジスタによる回路が同一基板上に形成された図１５のような回路を形成することもできた。モット・トランジスタをＣＭＯＳ回路２５上に形成できるのでＣＭＯＳ回路とモット・トランジスタで構成された回路とを同一の基板に混載することができ、集積化が可能となる。ＣＭＯＳ回路は、バルクのシリコン上に形成された回路のみならず、ＳＯＩ基板上に形成された回路をも含む。
【００４２】
本実施例では、スピン塗布機を用いた方法やＬＢ膜の形成方法により、基板の上方の一面に自己組織化ナノ粒子列１２を形成した後、不要な部分の自己組織化ナノ粒子列を除去する方法について説明した。しかし、図１２における自己組織化ナノ粒子列１２を例えば、印刷分野で用いられるインクジェットのような手法により、モット・トランジスタのチャネル部を含む領域に滴下することでモット・トランジスタのチャネル部を作成しても良い。本方法によれば、基板の上方の一面に自己組織化ナノ粒子列が形成されないので、チャネル部を構成しない自己組織化ナノ粒子列を除去する工程等が省略できる。よって、モット・トランジスタの集積回路を作成するプロセスが容易になる。
【００４３】
今回合成した金ナノ粒子の平均粒径は、３．６ｎｍであり、分散が０．６ｎｍで、有機分子を除いた最近接の金ナノ粒子間の距離の平均が２．０ｎｍであった。このように小さなナノ粒子であれば、室温でも十分に帯電効果が確認される。また、金ナノ粒子間はトンネリングで伝導するため、金ナノ粒子表面間の距離は、少なくとも４．０ｎｍ以下である事が望まれ、好ましくは２．０ｎｍ以下である。我々の作製した金ナノ粒子において、金ナノ粒子を構成する外周部は一分子層の有機分子であるためこの条件を満たしていた。
【００４４】
図１６に本実施例に基づくモット・トランジスタのデバイス特性を示す。ここで、ソース・ドレイン間には、２０Ｖの電位差がかけられている。本発明の実施例における電気測定は、すべて室温で行った。（１）の領域から、ゲート電圧を大きくするにつれて、ドレイン電流が大きくなり、（２）において極大を示した後に減少に転じて、（３）で極小を生じ、さらに電圧を大きくすると再び増大に転じて（４）で再び極大を示し、周期的に電流が変化する事が観測された。（１）の領域で、ゲートに電圧が印加されていない時には、ナノ粒子に帯電している電子がいないため、バンド絶縁体に対応するのに対して、（２）の領域にかけてゲート電圧を印加していくと電子数が増えていく事に対応して電流が増大している事がわかる。このように、低電圧部分でドレイン電流が増大するのは、電子数が増えて伝導に寄与するキャリア数が増えるためである。このドレイン電流が、減少に転じるのが、強相関の効果である。
【００４５】
すなわち、図２の金属状態から図３の絶縁体状態に近づくにつれて電流が減少していく。これは、電圧を印加しキャリア数が増大した結果、キャリア同士のクーロン反発力が働くようになるためである。そして、ナノ粒子当たりに丁度一ヶの電子が詰まった時が、モット絶縁体に対応しており（３）のように電流値が極小になる。極小を与える電圧Ｖｍｉｎは、ゲート絶縁膜の誘電率や膜厚、及び、ナノ粒子の密度などで決まっており、本実施例では、１０Ｖ程度であった。さらに電圧を印加すると今度は、すべてのナノ粒子に存在する平均電子数が一ヶ以上になり、キャリア数の増大とともに電流値が再び増大に転じる。ナノ粒子あたり奇数個のキャリアが存在する場合がモット絶縁体に対応し、ナノ粒子あたり偶数個のキャリアが存在する場合がバンド絶縁体に対応する。従って、ナノ粒子あたりのキャリア数が整数個の時に電流が極小になるため、ゲート電圧の増大に伴い電流値が周期的に変化する。
【００４６】
この様子を、シミュレーションを使って計算した状態密度、図１７と図１８を用いて説明する。図２の金属状態では電子数が十分あるため、図１７に示したようにフェルミ・エネルギー付近の状態密度が有限であり、金属的な電気伝導を示す。この状態が図１６における（２）の金属状態に対応する。ところが、ゲート電圧によって、図３の状態に近づけると、電子間の強い斥力相互作用の結果、電子が動きにくくなり、図１８に示したようにフェルミ・エネルギー付近の状態密度がなくなり、絶縁体的な電気伝導を示す。この状態が図１６における（３）のモット絶縁体状態に対応する。この金属から絶縁体への相転移に伴うドレイン電流の変化は図１６に示したドレイン電流の極大から極小へ変化に対応する。この変化は、単にキャリア数の変化だけでなく状態密度の変化も伴っているため従来のＣＭＯＳと比べて、より急峻になっている。
【００４７】
このように、自己組織化ナノ粒子列をチャネル部に用いた電界効果トランジスタは、負性抵抗を示すようになるため、ＳＲＡＭなどの回路を組む事に適している。また、ゲート電圧の増大に対してドレイン電流が増大したり減少したりと全く逆に変えることができるため、同じ自己組織化ナノ粒子列を用いてもゲートの仕事関数の調整次第で、ｎＭＯＳにもｐＭＯＳ対応できる。加えて、本実施例に基づくモット・トランジスタは、ソース電極やドレイン電極とチャネルの境界部にｐｎ接合を用いていないため、短チャネル効果が起こらない。従って、従来のＣＭＯＳと比較してより小さなサイズまでデバイスをスケールしても電気特性が劣化しない。加えて、金属状態から絶縁体状態への相転移を動作原理としているため、１０４以上の極めて大きいＯｎ／Ｏｆｆ比と、金属状態における大きな駆動電流とを両立することができる。
【実施例２】
【００４８】
前記実施例１では、ゲート電圧を印加する前には、ナノ粒子にキャリアがドープされていないため、ゲート電圧の増大に際して、金属から絶縁体へ変化する挙動を観測した。本実施例２では、あらかじめ自己組織化ナノ粒子列にドーピングを施す事でノーマリー・オフを実現し、フレキシブル基板上にモット・トランジスタを集積する方法を開示する。
まず、フレキシブルなプラスチック基板１３を用意し、その上に、リフト・オフ・プロセスを用いて金ゲート電極１４を加工した図１９の状態にする。フレキシブル基板はプラスチックでできており、単結晶のシリコン基板と異なり安価であるため、デバイス作製に伴うコストを大幅に低減できる。
【００４９】
引き続き、二酸化シリコンゲート絶縁膜９を２０ｎｍほど堆積させた図２０の状態にする。次に、前記実施例１と同様の製法によってナノ粒子を作製する。ナノ粒子は溶媒中に溶かされているが、この中にＴＴＦ（ｔｅｔｒａ−ｔｈｉａｆｕｌｖａｌｅｎｅ）分子をナノ粒子の数と同程度になる様に溶解させた。この溶液を用いて、ナノ粒子列を形成すると、ＴＴＦ分子が、ナノ粒子と隣接するナノ粒子の隙間に入る。すると、ＴＴＦ分子から金ナノ粒子に電荷移動が起こり、ＴＴＦ分子はプラスに帯電し、金ナノ粒子には電子がドープされる。これは、ＴＴＦ分子のＨＯＭＯ（ｈｉｇｈｅｓｔ  ｏｃｃｕｐｉｅｄ  ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｏｒｂｉｔａｌ）は、金のフェルミ・エネルギーよりも高いところに位置しているためである。このように、イオン化することでキャリアを注入できる材料をドーパント、または、分極材料と呼ぶ。分極材料をナノ粒子と同程度注入した結果、ゲート電極に電圧をかけない状態においても、図１６における（３）の状態に対応する状態、すなわち、図３のモット絶縁体状態を実現する事ができるため、ノーマリー・オフを実現することができる。
【００５０】
電子を注入するためのドーパントとしては、ＴＴＦ分子に限らず、有機分子のＨＯＭＯがナノ粒子を形成している物質のフェルミ・エネルギーよりも大きい物質であれば用いることができる。また、Ｃｅ（ＳＯ４）２などのイオン化し易い非有機分子をナノ粒子の入っている溶媒中に溶解させたものを用いることもできる。この場合、イオン化し易いのでドーパントとして有効に働き、電子をドープすることができる。加えて、アルカリ金属やアルカリ土類金属をドープすることもできる。この場合でも、イオン化し易いドーパントとして有効に働き、電子をドープすることができる。また、ドーピング量はナノ粒子１個当たり、１個と限らず奇数個であれば差し支えない。
【００５１】
ゲート電圧を印加しない状態で、ナノ粒子列をモット絶縁体とする別の方法としては、電子をドープするかわりにホールをナノ粒子当たり奇数個入れる方法がある。この場合は、注入する分極材料である有機分子のＨＯＭＯがナノ粒子を形成している物質のフェルミ・エネルギーよりも小さい物質であれば、特に材料は限定されない。あるいは、ホールをドープする場合には、真空準位からナノ粒子を形成している物質のフェルミ・エネルギーまで測ったエネルギーよりも仕事関数が大きい材料を選べば良い。例えば、ナノ粒子に金を用いた場合に、分極材料に白金イオンを用いることでナノ粒子にホールがドープされる。ホールをドープするための別の材料としては、Ｉ２、Ｂｒ２、Ｃｌ２、ＡｓＦ５、ＢＦ３などを挙げることができる。ホールをドープすることで、ホールをキャリアとしたモット・トランジスタを作成することができる。
【００５２】
つまり、ノーマリー・オフにするために重要なのは、ゲート電圧をかける以前に、ナノ粒子ひとつあたり奇数個のキャリアがあらかじめドープされていることであり、ドーパントの種類やキャリアの極性に限定されるものではない。また、ＴＴＦの数は厳密にナノ粒子の数と一致していなくとも、その濃度の誤差が数％であれば問題ない。
【００５３】
次に、二酸化シリコンゲート絶縁膜９上に、ＴＴＦとナノ粒子が溶解している溶液を用いて、ドープされた自己組織化ナノ粒子列１５を形成した図２１の状態にした。自己組織化ナノ粒子列１５の中には、金ナノ粒子５ばかりでなく、ＴＴＦ分子が含まれており、ナノ粒子の数とＴＴＦ分子の数は、ほぼ一致するようにＴＴＦ分子の量を調整した。
引き続き、ホト・リソグラフィーとリフト・オフ・プロセスを用いて、自己組織化ナノ粒子列１５の上に金ソース電極１０と金ドレイン電極１１を形成して、トップ・コンタクト型のモット・トランジスターを完成させた。ソース・ドレイン電極の材料としては、金以外の材料を用いても差し支えない。しかし、金は他の材料よりもコンタクトが取り易いという利点がある。
【００５４】
このようにして作製したモット・トランジスタのデバイス特性を図２３に示す。ソース・ドレイン間には２０Ｖの電圧が印加されている。ゲート電圧が小さい（５）の領域では、ドレイン電流が小さく、ノーマリー・オフが実現されている事がわかる。この状態が図３のモット絶縁体状態で、図１６では（３）の状態に対応する。ここで、ゲート電圧を負側に印加していくにつれて、ドレイン電流が大きくなっていき、（６）で極大を示すことが確認された。この状態が図２の金属状態で、図１６では（２）の状態に対応する。従って、ＴＴＦ分子をドーピングする事によって、図１６におけるＶｍｉｎの値を図２３では０Ｖ付近に平行シフトできた事が判る。したがって、ドーピングによってしきい値が制御できる事が明らかになった。モット転移が相転移現象である事を反映して、電流値の変化は極めて急峻である。本実施例ではナノ粒子の数とＴＴＦ分子の数をほぼ一致するように調整したが、ＴＴＦ分子の数を変化させることによって、デバイス特性のしきい値を任意に制御できる。
【００５５】
このような優れたデバイス特性に加えて、本実施例ではプラスチック基板上にモット・トランジスタを作製したため、基板自体を曲げることが可能である。また、駆動電流としても、通常の有機半導体から有機トランジスタと比較しても大きな電流値を確保する事ができるため、ディスプレイ等の表示部を曲げることが可能な、いわゆる電子ペーパーを実現するための有機ＥＬ駆動用トランジスタとして最適である。
【実施例３】
【００５６】
本実施例では、金属ナノ粒子の外周部に有機半導体を結合させる事で、有機半導体で結合された自己組織化ナノ粒子列をチャネルに用いた電界効果トランジスタの実効移動度を一桁程度上昇させる技術を開示する。
最初に、本実施例で用いるナノ粒子を形成する。まず、テトラクロロ金（III）酸四水和物０．３７ｇを３０ｍｌの水に溶解させる。上記水溶液にクロロホルム８０ｍｌを加え、臭化テトラ−ｎ−オクチルアンモニウム２．２ｇを加え室温で１時間攪拌した。溶液にポリ（３−ヘキシルポリチオフェン）０．２８ｇを添加し、さらに１時間攪拌した。水素化ホウ素ナトリウム０．３８ｇを水２５ｍｌに溶解させ、上記溶液に３０分掛けて滴下し５時間攪拌した。溶液を分液し、有機層を１０ｍｌに濃縮し、４００ｍｌのエタノールを加え、−１８℃で５０時間静置し、上澄み液を捨て減圧乾燥させることにより、黒褐色のポリチオフェンにより表面を保護された金ナノ粒子０．２５ｇを得た。このナノ微粒子の平均粒径は、３．８ｎｍであった。ポリチオフェンが有する硫黄原子と金原子が結合したために、中心部はポリチオフェンに覆われている。
【００５７】
次に、実施例１記載の方法と全く同じ方法で、シリコン基板上にゲート電極８、二酸化シリコンゲート絶縁膜９、金ソース電極１０、及び、金ドレイン電極１１を形成した図８の状態にする。基板としては、デバイスの作成が簡単であるため本実施例ではシリコン基板を用いたが、実施例２で用いたようにフレキシブルなプラスチック基板を用いても問題ない。
引き続き、上記ポリチオフェンにより表面を保護された金ナノ微粒子１６をＬＢ膜としてモノ・レイヤーを形成した図２４の状態にした。
【００５８】
次に、チップ全体を０．４ ｍｏｌ／ｌの水素化ホウ素ナトリウム水溶液中に２４時間浸した。その結果、図２５に示したように、ポリチオフェン１７によって複数の金ナノ粒子の間が網の目状に結合した自己組織化ナノ粒子列１８が生成した。これによって、有機半導体で結合された自己組織化ナノ粒子列をチャネルに用いた電界効果トランジスタを完成させた。回路を形成する際には、この後、所望の配線を施せばよい。
有機半導体分子としては、ポリチオフェンのほかに、ペンタセン・ナフタレン・銅フタロシアニンなどを用いることも可能である。
【００５９】
このようにして作製した電界効果トランジスタは蓄積側で動作するｐＭＯＳである。ポリチオフェンは意図的にドーピングを行わなくともフェルミレベルが価電子帯付近に存在する事が知られており、ノーマリー・オフとする事ができる。本実施例のように金ナノ粒子を結合させた場合にもｐＭＯＳとして動作しノーマリー・オフとする事ができる。
このデバイスに関して、実効移動度を求めると１．０ｃｍ2／Ｖｓ程度であった。これは、金属ナノ粒子を用いないでポリチオフェンのみでチャネル部を形成した従来の有機トランジスタと比較して、一桁以上大きかった。これは、金属ナノ粒子でポリチオフェン分子間を結合させる事により、ポリチオフェン分子間をホールがホッピングしやすくなったためであると考えられる。従って、有機半導体に金属ナノ粒子を結合させると、電界効果トランジスタの移動度を実効的に大きくできる。
【００６０】
実施例１から実施例３のトランジスタは、ゲート電極の上方にチャネル部が形成された例を示したが、必ずしもゲート電極の上方にチャネル部がなくても良い。例えば、ゲートの下方にあっても良いし、チャネル部が基板に対して垂直に形成されていても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１の実施例による半導体装置の完成断面図。
【図２】モット（金属・絶縁体）転移材料が金属状態になっている様子の模式図。
【図３】モット（金属・絶縁体）転移材料が絶縁体状態になっている様子の模式図。
【図４】本発明に用いる金ナノ粒子の断面図。
【図５】本発明の第１の実施例によるモット・トランジスタの製造工程順を示す断面図。
【図６】本発明の第１の実施例によるモット・トランジスタの製造工程順を示す断面図。
【図７】本発明の第１の実施例によるモット・トランジスタの製造工程順を示す断面図。
【図８】本発明の第１の実施例によるモット・トランジスタの製造工程順を示す断面図。
【図９】本発明の第１の実施例によるモット・トランジスタの完成断面図。
【図１０】ＬＢ膜形成方法。
【図１１】上部から見た本発明の第１の実施例によるモット・トランジスタの完成図。
【図１２】第１の実施例によるモット・トランジスタを用いたＣＭＯＳ回路。
【図１３】上部から見た本発明の第１の実施例によるモットトランジスタ配線図。
【図１４】本発明の第１の実施例によるモット・トランジスタの積層回路図。
【図１５】本発明の第１の実施例によるＣＭＯＳ回路上に形成したモット・トランジスタ。
【図１６】本発明の第1の実施例によるモット・トランジスタの電気特性。
【図１７】自己組織化ナノ粒子列の金属状態。
【図１８】自己組織化ナノ粒子列の絶縁体状態。
【図１９】本発明の第２の実施例によるモット・トランジスタの製造工程順を示す断面図。
【図２０】本発明の第２の実施例によるモット・トランジスタの製造工程順を示す断面図。
【図２１】本発明の第２の実施例によるモット・トランジスタの製造工程順を示す断面図。
【図２２】本発明の第２の実施例によるモット・トランジスタの完成断面図。
【図２３】本発明の第２の実施例によるモット・トランジスタの電気特性。
【図２４】本発明の第３の実施例による電界効果トランジスタの製造工程順を示す断面図。
【図２５】上部から見た本発明の第３の実施例による電界効果トランジスタの完成図。
【図２６】フレキシブルな基板に形成された集積回路の断面図。
【符号の説明】
【００６２】
１…サイト
２…電子
３…金原子
４…有機化合物
５…金ナノ粒子
６…シリコン基板
７…二酸化シリコン絶縁膜
８…ｎ型ゲート電極
９…二酸化シリコンゲート絶縁膜
１０…金ソース電極
１１…金ドレイン電極
１２…自己組織化ナノ粒子列
１３…フレキシブルなプラスチック基板
１４…金ゲート電極
１５…ドープされた自己組織化ナノ粒子列
１６…ポリチオフェンにより表面を保護された金ナノ微粒子
１７…ポリチオフェン
１８…結合した自己組織化ナノ粒子列
１９…超純水
２０…ナノ微粒子
２１…ＬＢ膜形成用水槽
２２…基板
２３…配線
２４…銅配線
２５…ＣＭＯＳ回路
２６…フレキシブルな基板
２７…モット・トランジスタを含む集積回路。
【図１】
2005210063.tif 000005
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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