(57)【要約】ナノチューブの機械的操作を中心として構成されたナノ電気機械スイッチ・システム（ＮＥＭＳＳ）を提供する。このようなＮＥＭＳＳは、例えば、自動スイッチ、加減ダイオード、アンプ、インバータ、可変抵抗素子、パルス位置モジュレータ（ＰＰＭ）及びトランジスタとしての機能を実現できる。一つの実施形態において、ナノチューブの一端は基底部材に結合される。また、ナノチューブは電圧ソースに結合される。電圧ソースは、ナノチューブの動きの自由な側の先端に、電圧ソースの極性と強度とを表す電荷を生成する。近傍の荷電部材にナノチューブと同一（押しやる）もしくは反対（引き寄せる）極性の電荷を印加することによって、このナノチューブの自由運動端を制御することができる。そこで、コンタクト層をナノチューブの自由運動端の近傍に配置し、ナノチューブに特定の電荷が印加されたとき、ナノチューブがコンタクト層と電気的に結合するようにする。
2006526871.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ電気機械システムであって、
基底部材と、
該基底部材に取り付けられた搭載アセンブリと、
第一電気コンタクトと、
該搭載アセンブリに固定されたナノメータ規模のビームであって、該ビームの第一部分は動きが自由で、該ビームは第一電荷を有し、該第一自由運動部分は、ある接触度合いで該第一電気コンタクトと電気的に結合することができる、ビームと、
第二電荷を有し、該第一自由運動部分に近接する位置にある荷電部材であって、該第二電荷は、該第一電荷と作用して該接触度合いに影響を及ぼす、荷電部材と
を含む、システム。
【請求項２】
前記ナノメータ規模ビームはナノチューブである、請求項１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項３】
前記第一自由運動部分及び前記固定部分は、前記ナノメータ規模ビームの両端に配置されている、請求項１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項４】
前記第一電荷は第一電圧源によって供給される、請求項１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項５】
前記第二電荷は第二電圧源によって供給される、請求項１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項６】
前記熱エネルギーが、前記接触度合いに影響を及ぼす熱エネルギー源をさらに含む、請求項１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項７】
前記接触度合いを判定するセンス回路をさらに含む、請求項１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項８】
前記荷電部材に電圧信号を供給するために、前記荷電部材に結合されている制御回路をさらに含む、請求項１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項９】
該ナノメータ規模ビームに電圧信号を供給するために、該ナノメータ規模ビームに結合されている制御回路をさらに含む、請求項１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項１０】
前記ビームに結合された第二電気コンタクトであって、前記ナノメータ規模ビームが前記第一電気コンタクトに電気的に結合したときに、前記第一及び第二電気コンタクトの間に電流が流れる第二電気コンタクト
をさらに含む、請求項１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項１１】
前記第一電気コンタクトは、前記荷電部材と前記ナノメータ規模ビームとの間に配置される、請求項１記載のナノ電気機械システム。
【請求項１２】
前記接触度合いは、前記第一及び第二コンタクトが同一の極性を持つときよりも、前記第一及び第二電荷が反対の極性を持つときの方が大きい、請求項１１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項１３】
前記第一電荷と第二電荷とは反対の極性であり、前記第一電荷の強度が増大すると前記接触度合いが増加する、請求項１１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項１４】
前記第一電荷と第二電荷とは同じ極性であり、該第一電荷の強度が増大すると前記接触度合いが減少する、請求項１１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項１５】
前記ナノメータ規模ビームは、前記第一電気コンタクトと前記荷電部材との間に配置される、請求項１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項１６】
前記接触度合いは、前記第一及び第二電荷が反対の極性を持つときよりも、前記第一及び第二電荷が同一の極性を持つときの方が大きい、請求項１５に記載のナノ電気機械システム。
【請求項１７】
前記荷電部材と前記第一電気コンタクトとの間に配置された絶縁層をさらに含む、請求項１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項１８】
前記ナノメータ規模ビームに対し前記荷電部材のほぼ反対側に配置され、前記接触度合いに影響を及ぼす第三電荷を有する第二荷電部材
をさらに含む、請求項１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項１９】
第三電気コンタクトであって、該第三電気コンタクトは、前記第二荷電部材と前記ナノメータ規模ビームとの間に配置され、前記第一電気コンタクトは、前記荷電部材と前記ナノメータ規模ビームとの間に配置されている、電気コンタクト
をさらに含む、請求項１８に記載のナノ電気機械システム。
【請求項２０】
前記第一及び第三電気コンタクトは一緒に電気的に結合されている、請求項１９に記載のナノ電気機械システム。
【請求項２１】
前記ナノメータ規模ビームは、両端を前記搭載アセンブリに固定されており、前記第一自由運動部分は、前記両端の間に設けられている、請求項１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項２２】
前記ビームに結合された第二電気コンタクトと、
前記第二電気コンタクトに結合された抵抗素子と
をさらに含む、請求項１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項２３】
前記第二電荷はＡＣ電圧源によって供給される、請求項１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項２４】
前記第二電荷はＤＣ電圧源によって供給される、請求項１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項２５】
基底部材と、
該基底部材に一端を固定され、第一電荷を持ち、自由運動部分を有するナノメータ規模のビームと、
第二電荷を持つ荷電部材と、
該ビームの近傍内に配置された第一電気コンタクトであって、該第一及び第二電荷の間の作用によって、該自由運動部分が該第一電気コンタクトと電気的に結合するかどうかが決まる、第一電気コンタクトと、
該電気的結合を感知するためのセンス回路と
を含む、ナノ電気機械システム。
【請求項２６】
前記センス回路は前記第一電気コンタクトに結合されている、請求項２５に記載のナノ電気機械システム。
【請求項２７】
前記電気的結合は、動電的結合である、請求項２６に記載のナノ電気機械システム。
【請求項２８】
前記ビームに電気信号を供給するために該ビームに結合された制御回路をさらに含む、請求項２５に記載のナノ電気機械システム。
【請求項２９】
前記制御回路は、前記電気信号の極性及び強度を調整することができる、請求項２８に記載のナノ電気機械システム。
【請求項３０】
前記荷電部材の層に電気信号を供給するために、該荷電部材の層に結合された制御回路をさらに含む、請求項２５に記載のナノ電気機械システム。
【請求項３１】
前記制御回路は、前記電気信号の極性及び強度を調整することができる、請求項３０に記載のナノ電気機械システム。
【請求項３２】
前記ビームはナノチューブである、請求項２５に記載のナノ電気機械システム。
【請求項３３】
前記ビームを通って電流が流れた場合に、前記第一電気コンタクトと前記自由運動部分との一時的な接合を生成する磁界をさらに含む、請求項２５のナノ電気機械システム。
【請求項３４】
前記一時的接合は、前記第二電荷の強度を低減させることによって切断される、請求項３３に記載のナノ電気機械システム。
【請求項３５】
前記一時的接合は、前記第二電荷の極性を変化させることによって切断される、請求項３３に記載のナノ電気機械システム。
【請求項３６】
前記一時的接合は、前記ビームの周辺温度を変化させることによって切断される、請求項３３記載のナノ電気機械システム。
【請求項３７】
前記一時的接合が前記ビームに当たる光度を変化させることによって切断される光源をさらに含む、請求項３３記載のナノ電気機械システム。
【請求項３８】
前記一時的接合は、前記第一電荷の強度を変化させることによって切断される、請求項３３に記載のナノ電気機械システム。
【請求項３９】
前記一時的接合は、前記第一電荷の極性を変化させることによって切断される、請求項３３に記載のナノ電気機械システム。
【請求項４０】
前記一時的接合は、前記磁界の強度を変化させることによって切断される、請求項３３に記載のナノ電気機械システム。
【請求項４１】
前記第一電気コンタクトは、少なくともその一部が前記自由運動部分と前記荷電部材との間に配置される、請求項２５に記載のナノ電気機械システム。
【請求項４２】
前記電気的結合は、前記第一電荷と第二電荷とが反対の極性を持つときに生じる、請求項４１に記載のナノ電気機械システム。
【請求項４３】
前記自由運動部分は、少なくともその一部が前記第一電気コンタクトと前記荷電部材との間に配置される、請求項２５に記載のナノ電気機械システム。
【請求項４４】
前記電気的結合は、前記第一電荷と第二電荷とが同種の極性を持つときに生じる、請求項４３に記載のナノ電気機械システム。
【請求項４５】
第一導電コンタクト層と、
第二導電コンタクト層と、
第一端及び第二端を持つナノチューブであって、該第一端は、該第一コンタクト層に固定され、該第二端は該第一コンタクトに対し動きが自由である、ナノチューブと、
荷電部材層であって、該ナノチューブの該第二端は、該荷電部材層に適切な電荷が与えられてこれが該第二端を物理的に動かした場合に、該第二コンタクト層と電気的に結合する、荷電部材層と
を含む、ナノ電気機械トランジスタ。
【請求項４６】
前記電荷は、前記第二端を前記荷電部材層に引き寄せる、請求項４５に記載のナノ電気機械トランジスタ。
【請求項４７】
前記電荷は、前記第二端を前記荷電部材層から追いやる、請求項４５に記載のナノ電気機械トランジスタ。
【請求項４８】
前記ナノチューブの前記第一端の一部は、保持層によって前記第一コンタクト層に固定されている、請求項４５に記載のナノ電気機械トランジスタ。
【請求項４９】
非導電性絶縁層は、前記荷電部材層の少なくとも一部を、前記第二コンタクト層から隔てている、請求項４５に記載のナノ電気機械トランジスタ。
【請求項５０】
前記第二端が前記第二コンタクト層と電気的に結合して電流を流している場合に、前記ナノチューブに対し、前記第二コンタクト層と前記第二端とをともに接合させておくローレンツ力を生成する、磁界
をさらに含む、請求項４５に記載のナノ電気機械トランジスタ。
【請求項５１】
前記ナノチューブは第一電荷を有する、請求項４５に記載のナノ電気機械トランジスタ。
【請求項５２】
抵抗層と、
前記抵抗層によって前記第一コンタクト層から隔てられた第三コンタクト層とをさらに含む、請求項４５に記載のナノ電気機械トランジスタ。
【請求項５３】
第一導電コンタクト層と、
第二導電コンタクト層と、
第一端及び第二端を有するナノチューブであって、該第一端は、該第一コンタクト層に固定され、該第二端は動きが自由である、ナノチューブと、
荷電部材層であって、該第二端は、ある接触度合いで該第二コンタクト層と電気的に結合する、荷電部材層と
を含む、ナノ電気機械トランジスタ。
【請求項５４】
前記接触度合いは、前記荷電部材層に印加される電圧が増大するにつれ増加する、請求項５３に記載のナノ電気機械トランジスタ。
【請求項５５】
熱振動が前記接触度合いに影響を及ぼし、温度が上昇するほど前記接触度合いが増加する、請求項５３に記載のナノ電気機械トランジスタ。
【請求項５６】
前記第二コンタクト部材にゼロ電圧が印加されたときに、前記接触度合いはゼロでない、請求項５３に記載のナノ電気機械トランジスタ。
【請求項５７】
前記接触度合いは、前記荷電部材層に印加されたアナログ信号を表し、前記第一コンタクト層において、前記アナログ信号を表すデジタル信号として、前記接触度合いを用いる、請求項５３に記載のナノ電気機械トランジスタ。
【請求項５８】
前記接触度合いは、前記荷電部材層に印加されたアナログ信号を表し、前記第二コンタクト層において、前記アナログ信号を表すデジタル信号として、前記接触度合いを用いる、請求項５３に記載のナノ電気機械トランジスタ。
【請求項５９】
前記ナノチューブに焦点を合わせ、その光度が前記接触度合いに影響を及ぼす光源をさらに含む、請求項５３に記載のナノ電気機械トランジスタ。
【請求項６０】
第一導電コンタクト層と、
前記第一コンタクト層に固定された第一部分及び動きが自由な第二部分を有するナノチューブと、
前記ナノチューブの前記第二端の近傍に配置された第二コンタクト層であって、前記第二部分は、屈曲して前記第二コンタクト層に物理的に接触するよう動作できる、第二コンタクト層と
前記ナノチューブの少なくとも一部に焦点を合わせた光源と
を含む、ナノ電気機械トランジスタ。
【請求項６１】
前記ナノチューブの前記第二部分は、前記光源の光度が閾値光度を超えたときに、前記第二コンタクト層と電気的に結合する、請求項６０に記載のナノ電気機械トランジスタ。
【請求項６２】
前記光源はレーザである、請求項６０に記載のナノ電気機械トランジスタ。
【請求項６３】
前記光源は発光ダイオードである、請求項６０に記載のナノ電気機械トランジスタ。
【請求項６４】
前記光源は太陽光である、請求項６０に記載のナノ電気機械トランジスタ。
【請求項６５】
基材上に第一導電層を積層することと、
該導電層の上側に絶縁層を形成することと、
該絶縁層の第一部分の上側に第二導電層を積層することと、
ナノチューブの第一端を該第二導電層上に取り付け、該ナノチューブの反対側端の動きを自由にすることと、
該ナノチューブの該自由運動端の近傍に第三導電層を積層して、該自由運動端が特定の量だけ屈曲したときに、該自由運動端が該第三導電層に接触するようにすることと
を含む、ナノ電気機械アセンブリを製作する方法。
【請求項６６】
前記第三導電層を、前記絶縁層の第二部分の上側で、前記ナノチューブの前記反対側端の下方に配置する、請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記特定の量は、前記第二導電層と前記第三導電層との高さの差である、請求項６５に記載の方法。
【請求項６８】
前記第二及び第三導電層の前記形成は、
前記絶縁層上に全体に導電層を形成することと、
前記全体に形成された導電層の一部をエッチング除去して、前記第二及び第三導電層の前記形成を実施することを
さらに含む、請求項６５に記載の方法。
【請求項６９】
前記ナノチューブの前記第一端、及び前記第二導電層の少なくとも一部の上側に、非導電層を形成することをさらに含む、請求項６５に記載の方法。
【請求項７０】
前記第二導電層への前記ナノチューブの前記第一端の前記取り付けは、
前記第二導電層に隣接して補助支持層を形成し、前記自由運動端を前記補助支持層に取付けることと、
前記ナノチューブの前記第一端が前記第二導電層に固定された後に、前記補助支持層を除去することと
をさらに含む、請求項６５に記載の方法。
【請求項７１】
基材上に第一導電層を積層することと、
該導電層の上側に絶縁層を形成することと、
該絶縁層の第一部分の上側に第二導電層を積層することと、
該第二導電層上にナノチューブを成長させ、該ナノチューブの第一端は該第二導電層に自己付着しており、該成長が完了したときには、該ナノチューブの反対側端の動きが自由であるようにすることと、
該ナノチューブの該自由運動端の近傍に第三導電層を積層して、該自由運動端が特定の量だけ屈曲したときに、該自由運動端が該第三導電層に接触するようにすることと
を含む、ナノ電気機械アセンブリを製作する方法。
【請求項７２】
前記第三導電層を、前記絶縁層の第二部分の上側で、前記ナノチューブの前記反対側端の下方に配置する、請求項７１に記載の方法。
【請求項７３】
前記特定の量は、前記第二導電層と前記第三導電層との高さの差である、請求項７１に記載の方法。
【請求項７４】
前記ナノチューブの前記第一端、及び前記第二導電層の少なくとも一部の上側に、非導電層を形成することをさらに含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項７５】
前記第二及び第三導電層の前記形成は、
前記絶縁層上に全体に導電層を形成することと、
該全体に形成された導電層の一部をエッチング除去して、前記第二及び第三導電層の前記形成を実施することを
さらに含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項７６】
基材上に第一導電層を積層することと、
該導電層の上側に絶縁層を形成することと、
該絶縁層の第一部分の上側に第二導電層を積層することと、
該第二導電層からナノチューブを成長させ、該ナノチューブの第一端は該第二導電層に自己付着しており、該ナノチューブの第二端は動きが自由であるようにすることと、
該ナノチューブの該自由運動端の近傍に第三導電層を積層して、該自由運動端が特定の量だけ屈曲したときに、該自由運動端が、該ナノチューブの長手方向軸と平行である該第三導電層に接触するようにすること
を含む、ナノ電気機械アセンブリを製作する方法。
【請求項７７】
基底部材、及び
複数のナノ電気機械トランジスタであって、該ナノ電気機械トランジスタの各々は、
第一導電層と、
機械的な柔軟性及び導電性があるナノメータ規模のビームであって、電界による前記ビームの変位の結果として、該第一導電層に電気的に結合することができるビームと、
該ビームに結合された第二導電層と
を備える、トランジスタを含む、ナノ電気機械システム。
【請求項７８】
前記ナノメータ規模ビームはカーボン・ナノチューブである、請求項７７に記載のナノ電気機械システム。
【請求項７９】
前記ナノメータ規模ビームはナノ線材である、請求項７７に記載のナノ電気機械システム。
【請求項８０】
前記ビームが所定時間の間に前記第一導電層と電気的に接触する度合いを判定するため、前記第一導電層に結合されたセンス回路をさらに含む、請求項７７に記載のナノ電気機械システム。
【請求項８１】
前記第二導電層に電気信号を供給するため、前記第二導電層に結合された制御回路をさらに含む、請求項７７に記載のナノ電気機械システム。
【請求項８２】
搭載アセンブリに固定され、動きの自由な第一部分を持つ該ナノメータ規模ビームに、第一電荷を印加することと、
該第一自由運動部分の近傍に配置された導電性荷電部材層に第二電荷を印加し、該第一及び第二電荷を相互作用させることと、
該第一電荷と及び第二電荷との該相互作用に基づいて、該第一自由運動部分と該導電性の荷電部材層との間に、少なくとも部分的に、発生する電気的結合を感知することとを
含む、ナノ電気機械トランジスタを作動させるための方法。
【請求項８３】
前記ナノメータ規模ビームをナノチューブとして備える、請求項８２に記載の方法。
【請求項８４】
前記ナノメータ規模ビームには、第二自由運動部分が設けられ、前記固定部分は前記第一自由運動部分と第二自由運動部分との間に設けられる、請求項８２に記載の方法。
【請求項８５】
前記第一自由運動部分と前記第一導電層との間の接触度合いを感知することをさらに含む、請求項８２に記載の方法。
【請求項８６】
前記自由運動部分の近傍に第二導電層を設けることと、
前記第二導電層の前記第一電荷を感知することとを
さらに含む、請求項８２に記載の方法。
【請求項８７】
前記第二電荷の極性と反対の極性の前記第一電荷を供給することをさらに含む、請求項８２に記載の方法。
【請求項８８】
前記第二電荷の極性と同じ極性の前記第一電荷を供給することをさらに含む、請求項８２に記載の方法。
【請求項８９】
前記ナノメータ規模ビームと前記第一導電層との間の接触度合いの増大をもたらすように前記第一電荷の強度を調整することをさらに含む、請求項８２に記載の方法。
【請求項９０】
前記ナノメータ規模ビームと前記第一導電層との間の接触度合いの増大をもたらすように前記第二電荷の強度を調整することを
さらに含む、請求項８２に記載の方法。
【請求項９１】
前記ナノメータ規模ビームに光をあてることによって、前記ナノメータ規模ビームと前記第一導電層との間の接触の度合いを調整することを
さらに含む、請求項８２に記載の方法。
【請求項９２】
基底部材と、
第一電気コンタクトと、
第二電気コンタクトと、
該基底部材に固定された第一ナノメータ規模ビームであって、該第一ビームは動きが自由な第一部分を持ち、該第一電気コンタクトに結合している、該第一ビームと、
該基底に固定された第二ナノメータ規模ビームであって、該第二ビームは前記第一ナノメータ規模ビームの近傍に設けられ、該第二ビームは動きが自由な第二部分を有し、該第二電気コンタクトと電気的に結合している該第二ビームとを
含む、ナノ電気機械システム。
【請求項９３】
第二ビームは両端を固定され、前記第二自由運動部分は前記両端の間に置かれている、請求項９２に記載のシステム。
【請求項９４】
前記第一ナノメータ規模ビームはナノチューブであり、前記第二ナノメータ規模ビームはナノチューブである、請求項９２に記載のシステム。
【請求項９５】
前記第一自由運動部分の近傍に配置された荷電部材であって、前記第一ナノメータ規模ビームは第一電荷を有し、前記荷電部材は第二電荷を有し、該第一及び第二電荷は相互作用して前記第一自由運動部分と前記荷電部材との間の距離に影響を及ぼす、荷電部材を
さらに含む、請求項９２に記載のシステム。
【請求項９６】
前記第一自由運動部分の近傍に配置された荷電部材であって、前記第一ナノメータ規模ビームは第一電荷を有し、前記荷電部材は第二電荷を有し、該第一及び第二電荷は相互作用して前記第一自由運動部分と前記第二自由運動部分との間の距離に影響を及ぼす、荷電部材を
さらに含む、請求項９２に記載のシステム。
【請求項９７】
前記第一自由運動部分の近傍に配置された電荷格納層であって、前記第一ナノメータ規模ビームは第一電荷を有し、前記電荷格納層は第二電荷を有し、該第一及び第二電荷は相互作用して前記第一自由運動部分の運動に影響を及ぼす、電荷格納層を
さらに含む、請求項９２に記載のシステム。
【請求項９８】
前記第二自由運動部分は、前記第一自由運動部分に対しほぼ垂直である、請求項９２に記載のシステム。
【請求項９９】
基底部材と、
該基底部材に取り付けられた搭載アセンブリと、
該基底部材に固定され、動きが自由な第一部分を有する第一ナノメータ規模ビームと、
該基底部材に固定され、動きが自由な第二部分を有する第二ナノメータ規模ビームと、
該第二ナノメータ規模ビームと結合され、該第一自由運動部分の近傍に配置された第一電気コンタクトとを
含む、ナノ電気機械システム。
【請求項１００】
基底部材と、
該基底部材に取り付けられた搭載アセンブリと、
該基底部材に固定され、動きが自由な第一部分を有する第一ナノメータ規模ビームと、
該基底部材に固定され、動きが自由な第二部分を有する第二ナノメータ規模ビームと、
該第一自由運動部分及び前記第二自由運動部分、双方の近傍に配置された第一電気コンタクトとを
含む、ナノ電気機械システム。
【請求項１０１】
基底部材と、
該基底部材に取り付けられた第一導電搭載アセンブリと、
該基底部材に取り付けられた第二搭載アセンブリと、
第一端、第二端、及び動きが自由な第一部分を有する第一ナノメータ規模ビームであって、該第一端は該第一導電搭載アセンブリに結合され、該第二端は前記第二搭載アセンブリに結合されている、第一ビームと、
該第一自由運動部分の近傍に配置された感知コンタクトとを
含む、ナノ電気機械システム。
【請求項１０２】
前記第二搭載アセンブリは非導電性である、請求項１０１に記載の電気機械システム。
【請求項１０３】
前記第一自由運動部分の近傍に配置された荷電部材層であって、該荷電部材層は、第一電荷を供給され、前記第一ビームは第二電荷を供給され、該第一及び第二電荷は電気的に相互作用する、荷電部材
をさらに含む、請求項１０１に記載の電気機械システム。
【請求項１０４】
前記第一ビームはナノチューブである、請求項１０３に記載の電気機械システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ電気機械（ＮＥＭ）スイッチ・システム及びトランジスタに関する。詳細には、本発明は、例えば、トランジスタ、アンプ、加減ダイオード、インバータ、メモリセル、パルス位置モジュレータ（ＰＰＭ）、可変抵抗素子、及びスイッチングシステムのような従来型の電子部品として利用可能なＮＥＭＳＳに関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の設計が、ますます小型化され、ＭＯＳＦＥＴとして理論的に最小限度であるサイズに近づくにつれ、より小型のトランジスタ構造を生成できる技術が必要なことが明らかである。従って、ＭＯＳＦＥＴの最小理論サイズよりも小さなサイズにできるトランジスタを製作することが望まれている。トランジスタのサイズを小さくすることにより、一つの集積回路に収納可能なトランジスタの数が増加する。結果として、回路はさらに複合化され、速度は増加し、回路の動作電力は低減される。
【０００３】
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）及びＮＥＭＳは、ナノチューブの周辺に構築されている。このようなシステムは、例えば、ピンカートンの、２００１年６月２０日出願、同一出願人による同時係属米国特許出願第０９／８８５，３６７号に記載されている。前記出願の図１１を見ると、作用流体に浸漬したナノチューブを用いて、作用物質の運動及び熱特性から電力を発生させる新しい種類の発電装置が図示されている。この出願に示されるように、ナノチューブは、極度に小さなサイズ（例、１ナノメータ）に加工することができ、その特性（例、弾力性及び導電性）を、いろいろ多くの方途で活用することができる。従って、一個のナノチューブとほぼ同等サイズのサイズ限界を持つように製作可能な、ナノチューブ・ベースのトランジスタを実現することが望まれる。
【０００４】
従来型のＭＯＳＦＥＴの性能特性及び実用性に影響を及ぼす制限は、サイズだけではない。例えば、従来型のＭＯＳＦＥＴには、最小ターンオン電圧（例、０．７ボルト）がある。従って、非常に小さい電圧信号（例、０．００００１ボルト）を用いて、従来型のＭＯＳＦＥＴを作動することはできない。小さなターンオン電圧を持つトランジスタが必要な応用分野は非常に多い。例えば、温度的あるいは電磁気的ノイズ信号のような、かすかな信号を認知する必要がある応用分野は、極めて低いターンオンを持つトランジスタがあれば益を受けることになろう。従って、非常に低いターンオン電圧を持つトランジスタ構造を実現することが望まれる。
【０００５】
加えて、従来型のＭＯＳＦＥＴは、リニア出力特性を示す。さらに詳しくは、従来型のＭＯＳＦＥＴは、連続的で、入力（例、ベース電流）に依存するリニアな利得を持つ出力（例、エミッタ電流）を供給するように構成される。パルス位置変調のように、連続信号をデジタル信号に変換できるデバイスが必要な応用分野がある。しかしながら、従来型のパルス位置モジュレータは、従来型ＭＯＳＦＥＴトランジスタの多数のインスタンスを包含する回路を必要とするので、今のところサイズが大きい。従って、単一で、パルス位置モジュレータとして機能できるＮＥＭトランジスタを製作することが望まれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、例えば、ナノチューブ又はナノ線材のような、導電性及び機械的柔軟性があるナノメータ規模のビームの操作に基づいてＮＥＭＳＳを製作することである。これらのＮＥＭＳＳを、例えば、トランジスタ、アンプ、可変抵抗素子、加減ダイオード、インバータ、メモリセル、ＰＰＭ、及び自動スイッチに使用することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一つの実施形態において、カーボン・ナノチューブを電気コンタクトの一端に固定する。但し、このナノチューブの反対端は、結合されておらず、自由に動く。ナノチューブが帯電しているときに、電界をかけることによって、ナノチューブの自由運動端の位置と振動とを制御することができる（例、ナノチューブを押しやり、又は引き寄せることによって）。
【０００８】
このようなナノチューブの自由運動端の位置を操作することによって、多くの電気部品を実現することができる。例えば、適切な電界が加えられたとき（例、最小ベース又はゲート閾値電圧）、ナノチューブの自由運動端が電気コンタクト（例、エミッタ又はドレイン端子）と連結するようにナノチューブを構成することによって、トランジスタを実現することができる。このように、ナノチューブの固定端も電気コンタクト（例、コレクタ又はソース端子）に結合しておけば、閾値電圧が満たされればナノチューブを通して電流を流すことができる。
【０００９】
また、本発明の部分固定されたナノチューブに、適切な磁界をかけることができる。そうすることで、ナノチューブに電流が流れているとき、磁界の影響によって、チューブと電気コンタクト（エミッタ又はドレイン・コンタクト）との接触を保持することができる。また、本発明のＮＥＭトランジスタの基本的構造を構成、利用、又は調整して、例えば、アンプ、加減ダイオード、メモリセル、ＰＰＭ、及び自動スイッチの機能を実現することができる。
【００１０】
さらに、本発明のナノチューブベースのＮＥＭトランジスタは、非常に低い最小ターンオン電圧を持つ。これにより、例えば、ジョンソン・ノイズ信号のような非常に小さい電圧の信号を感知し、操作できる。例えば、ナノチューブの電荷、長さ、幅、温度及び仰角を調整することによる、最小ターンオン電圧を、本発明の特定の実施形態に含めることができる。
【００１１】
また、本発明のナノチューブベースのＮＥＭトランジスタは、パルス位置モジュレータとして機能することができる。さらに詳しくは、本発明のＮＥＭトランジスタに強い磁界がかかっていなければ、ナノチューブの自由運動端は、ベース端子により生成される電界強度とナノチューブの電荷密度との組み合わせに依存する度合いで、エミッタ端子と結合することになる。ベース端子に生成される電界強度が増大するにつれ、ナノチューブとエミッタ・コンタクトとの間に起こる時間あたりの接触回数も増加する。このように、本発明のＮＥＭトランジスタのベース端子に加えられた任意のアナログ信号は、コレクタ端子において、ベース端子に加えられた元の信号を表すデジタル信号に変換され、ＰＰＭを実現できる。
【００１２】
添付の図面と併せ、以下の詳細説明を考察すれば、本発明の前記及び他の課題及び利点が明らかになろう。図面中の同一参照文字は、全体を通して同一部分を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
まず図１を参照すると、ＮＥＭシステム１００が図示されている。システム１００は、荷電部材層１２２、ならびにコンタクト１４１及び１４２で特徴づけられる。一般に、ナノメータ規模のビーム１１１は、荷電部材１２２から与えられる信号に従って、コンタクト１４１とコンタクト１４２とを結合する。さらに詳しくは、ナノメータ規模ビーム１１１は、コンタクト１４１及び１２１に印加される電圧に依存する度合いで、機械的に屈曲してコンタクト１４２と電気的に結合することができる。
【００１４】
システム１００を、例えば、荷電部材１２２がベース端子であり、コンタクト１４１がコレクタ端子、コンタクト１４２がエミッタであるトランジスタとすることができる。さらに、コンタクト１４２のエミッタ端子としての機能と、コンタクト１４１のコレクタ端子としての機能とを容易に入れ替えることができる。このように、コンタクト１４１をＮＥＭシステム１００のエミッタ端子にすることができ、コンタクト１４２を、ＮＥＭシステム１００のコレクタ端子とすることができる。さらに、コレクタ、エミッタ、及びベース端子という用語を使っているが、これらの用語は、本発明の原理によって構成されるＮＥＭトランジスタをバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）の構築にのみ限定するものではない。ＮＥＭシステム１００のコレクタ、エミッタ及びベース端子を、ソース、ドレイン、及びゲート端子としても使用することができる。このような用語は、一般に、ＭＯＳＦＥＴの機能を構築するために用いられている。しかしながら、本発明の原理により構成されるＮＥＭトランジスタは、ＢＪＴ又はＭＯＳＦＥＴに明らかに備わっている機能だけに限定されない。しかして、本発明の原理により構成されるＮＥＭトランジスタは、ＢＪＴ又はＭＯＳＦＥＴに含まれていない機能を実現し、用いることができる。以降の詳細説明において、このような別の機能、及びそのような機能を実現するため必要な変更例のいくつかを明らかにする。
【００１５】
詳しくは、ナノメータ規模のビーム１１１は、望ましくは、正又は負の電荷を帯びており、ナノメータ規模ビーム１１１は、荷電部材１２２が供給する信号によって、位置１１２に押しやられるか、あるいは、位置１１３に引き寄せられる。これらの例では、ナノメータ規模ビーム１１１が、荷電部材１２２からの引寄せ信号によって位置１１３に引き寄せられたとき、ナノメータ規模ビーム１１１は、コンタクト１４２と電気的に結合する。
【００１６】
一つの好適な実施形態において、ナノメータ規模ビーム１１１は正に帯電したナノチューブであり、荷電部材１２２にかかる電圧増大の結果、荷電部材１２２の負の電荷強度が増大したときに、コンタクト１４２と結合する。こういった実施形態において、荷電部材１２２は、コンタクト１４２の下側に配置された負に帯電した誘電体で、荷電部材１２２に、より高い電圧が供給されるとより大きな負の電荷強度をもたらす。ナノチューブ・ベースのトランジスタの詳細説明を、図３のトランジスタ３００の説明とともに後記で提示する。
【００１７】
ナノメータ規模ビーム１１１を、カーボン・ナノチューブ以外の構造とすることが可能なのは、当業者には自明であろう。しかして、機械的な柔軟性があり導電性がある任意の部材によって、ナノメータ規模ビーム１１１を具現化することができる。例えば、ナノメータ規模ビーム１１１を、ナノメータ規模の線材とすることもできる。
【００１８】
荷電部材１２２の電荷の量を、例えばＡＣ又はＤＣ電圧源１２１によって制御することができる。さらに、コンタクト１４１をソース電圧１３１に結合してナノメータ規模ビーム１１１に電圧を印加し、ナノメータ規模ビーム１１１が閉じたとき（例、電気的にコンタクト１４２と接合する）、ナノメータ規模ビーム１１１を通って電流が流れるようにすることができる。ＮＥＭＳシステム１００の回路を形成するため、状況に応じて抵抗素子１３２を挿入して、コンタクト１４２をソース電圧１３１から分離する。
【００１９】
ＮＥＭシステム１００の好適実施形態において、電圧源１２１が荷電部材１２２における電界を生成し、荷電部材がナノメータ規模ビーム１１１を機械的に操作することは、当業者には自明であろう。この電界の極性と強度とを、ナノメータ規模ビーム１１１の電荷プロフィール及び極性とともに調整し、ＮＥＭＳシステム１００の機能を操作することができる。
【００２０】
ベース荷電部材１２２が静電気を帯びていない（例、ナノメータ規模ビーム１１１の近辺に電界がない）ときであっても、ナノメータ規模ビーム１１１は、望ましくは、熱振動により、位置１１２と位置１１３との間の中でＭＨｚ単位の機械的周波数で振動している。これらの振動により、ナノメータ規模ビーム１１１は、時々コンタクト１４２に触れることになる（例、１時間に１回）。前に説明したように、荷電部材１２２が負の静電気を帯び、ナノメータ規模ビーム１１１が、例えば電圧ソース１３１によって正の電荷を得ると、ナノメータ規模ビーム１１１は、エミッタ・コンタクト１４２にもっと頻繁に接触することになる（例、ミリ秒に１回）。
【００２１】
しかしながら、コンタクト１４１の電圧が正であれば、ナノメータ規模ビーム１１１は正電荷を帯びることになり、電圧１２１も正電圧であれば、ナノチューブ１１１は、まれにしかコンタクト１４２と接触しないことになる（例、１年に１回）。一つの実施形態では、コンタクト１４２に印加される信号を一定の経過時間において平均し、これによって実用可能なトランジスタを実現することができる。
【００２２】
用途によっては、コンタクト１４２における信号が強度を失わないように、ナノメータ規模ビーム１１１とコンタクト１４２との電気的接触を維持しておくのが（例、信号は平均されない）有用なことがある。そこで、ＮＥＭＳシステム１００を、磁界（
【００２３】
【数１】
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Ｂ）１７１のような磁界中にセットすることができる。磁界１７１を使って、ナノメータ規模ビーム１１１の周辺にローレンツ力を生成し、ナノメータ規模ビーム１１１を通して電流が流れている間は、コンタクト１４２との結合を保持するようにできる。
【００２４】
電圧ソース１３１が熱誘起電圧であってもよいのは、当業者には自明のことであろう。例えば、電圧ソース１３１は、抵抗素子１３２のジョンソン・ノイズであってもよい。また、インダクタ１３３をＮＥＭＳシステム１００に含め、抵抗素子１３２と直列接続を構成することができる。この結果、インダクタ１３３を通って流れる電流が変化した場合、インダクタ１３３は、逆向きの起電フィールド電圧を生成して、電流変化に「対抗」することができる。このように、インダクタ１３３を使用して、ナノメータ規模ビーム１１１がコンタクト１４２と結合したときに発生する電流パルスを平滑にすることができる。
【００２５】
さらに、ＮＥＭＳシステム１００の多数のインスタンスを、並列構成に作られた共通ベース・アレイのような、列組みに配置することができる。このようなアレイの例が、図４のアレイ４００に含まれている。このアレイの出力信号の安定性及び強度は、アレイに含まれるナノチューブが多くなるほど増大する、というのは、単一ナノメータ規模ビーム及びコンタクト１４２間の接触の組数が増加するからである。
【００２６】
ＮＥＭＳシステム１００において、温度及び熱振動を利用できることは、当業者にとって自明であろう。例えば、ナノメータ規模ビーム１１１がカーボン・ナノチューブ（ＣＮＴ）である場合、ナノメータ規模ビーム１１１の自由運動端は、温度によって異なる周波数で振動することになる。これにより、実際には、電界と併せ、温度によってＮＥＭＳ１００システムを制御することができる。同様に、ナノメータ規模ビーム１１１が、単位時間内にエミッタ・コンタクト１４２と接触する回数を測定することによって、ＮＥＭＳシステム１００を温度感知デバイスとして用いることができる。ナノメータ規模ビーム１１１が温度だけで操作された場合、時間当たりの多数回の接触は、望ましくは、その期間、ナノメータ規模ビーム１１１が高い温度に曝されていたことを示す。また、熱振動を利用すれば、ＮＥＭＳシステム１００がゼロ・ボルトの最小ターンオン電圧を持てるようになる。例えば、電圧源１２１の電圧がゼロの場合であってもなお、ナノメータ規模ビーム１１１は、ＮＥＭＳシステム１００の熱振動によって、コンタクト１４２と電気的に結合することがある。
【００２７】
ＮＥＭＳシステム１００の温度特性を利用するのと同様に、光デバイスも有益に用いることができる。例えば、荷電部材１２２及び電圧源１２１を、レンズ及び／又は光源で置き換えることができる。ナノメータ規模ビーム１１１の上に光の焦点を合わせるか、又は光を導くことによって、ナノメータ規模ビーム１１１を屈曲させ、ナノメータ規模ビーム１１１とコンタクト１４２との間の接触の度合いを変えることができる。前記と同様に、このようなトランジスタに磁界１７１を導入することによって、ナノメータ規模ビーム１１１を通って電流が流れている間、ナノメータ規模ビーム１１１がコンタクト１４２との接触を維持することができるようにする。このように、ナノメータ規模ビーム１１１の接触度合いをいろいろな手段で操作することができる。前に示したように、光及び温度は、ナノメータ規模ビーム１１１のコンタクト１４２への接触度合いを制御、操作するため利用可能な条件の２つである。同様に、磁界及び電界のような他の条件を、ナノメータ規模ビーム１１１に加えて、この接触度合いに影響を与えることができる。さらに、接触度合いを算定し、それを特定条件の強度と関連付けることによって、ＮＥＭシステム１００を、例えば、温度、光、磁界、又は電界のセンサとして用いることができる。特定の条件（例、光）を他の条件（例、温度）から独立したものにするため、追加のセンサを利用して、好ましからざる状態を感知するための校正を行うことができる。
【００２８】
ナノメータ規模ビーム１１１とコンタクト１４２との接触を維持するため用いることのできる技法が、磁界１７１だけでないことは、当業者には自明であろう。例えば、ＮＥＭＳシステム１００の中で、ファン・デル・ワールス力を利用して、ナノメータ規模ビーム１１１とコンタクト１４２との間に一時的な接合を生成することができる。
【００２９】
ナノメータ規模ビーム１１１とコンタクト１４２との間に生成された一時的な接合を、ナノメータ規模ビーム１１１を通って流れる電流を停止すること以外の手順で切断することができる。例えば、ナノメータ規模ビーム１１１の電荷と同じ極性の電圧を荷電部材１２２に印加して、磁界１７１が生成するローレンツ力に打ち勝つようにすることができる。さらに、単に、磁界１７１をオフにするか又は調整することもできる。望ましくは、荷電部材１２２を介してナノメータ規模ビーム１１１の近傍に加えられ、ナノメータ規模ビーム１１１を電気的にコンタクト１４２に結合させている元の電界を単にオフにして（例、電圧をゼロにする）、ナノメータ規模ビーム１１１の自然なバネ力（又はナノチューブ１１１の熱振動）が、磁界１７１が引き起こすローレンツ力に打ち勝つようにすることができる。ナノメータ規模ビーム１１１にナノチューブが使われている場合には、そのナノチューブを異なる材料で満たして、ナノチューブの特性を操作することができよう。例えば、カーボン・ナノチューブに、例えば、ナトリウム、リチウム、又はカリウムのようなアルカリ金属を満たして、その電気抵抗を低下させることができよう。
【００３０】
図２は、ナノメータ規模ビーム２１１を含むＮＥＭＳシステム２００を示す。望ましくは、ナノメータ規模ビーム２１１は、機械的な柔軟性と導電性とを兼ね備えている。ＮＥＭＳシステム２００をマイクロメータ規模で実施し、これにより、マイクロ電気機械（ＭＥＭ）システムを構成できることは、当業者には自明であろう。
【００３１】
ナノメータ規模ビーム２１１を、例えば、ナノチューブ、ナノメータ規模のチューブ、結合された分子のグループ、ナノ線材、又は導電性のあるフィラメントとすることができる。図のように、ナノメータ規模ビーム２１１は、固定点２１５に固定されている。これにより、固定点２１５がナノメータ規模ビーム２１１の一端を安定させ、ナノメータ規模ビーム２１１は、位置２１２と２１３との間で屈曲することができる。
【００３２】
望ましくは、以下のように、ナノメータ規模ビーム２１１に機械的応力が加わる。電圧ソース２２０は、ナノチューブ２１１に電気的に結合されており、例えば、これをＡＣ又はＤＣ信号とすることができる。こうして、電荷２１４が、ナノメータ規模ビーム２１１に印加され、これは電圧ソース２２０に比例する。そこで、静電気力は、ナノメータ規模ビーム２１１中に機械的応力を誘起し、ナノメータ規模ビーム２１１を屈曲させる。さらに詳しくは、「電荷」２３１はナノメータ規模ビーム２１１の近傍内に配置され、「電荷」２３１が電荷２１４と同一の極性を持つ場合には、ナノメータ規模ビーム２１１は、望ましくは、「電荷」２３１から追いやられる。同様に、「電荷」２３１はナノメータ規模ビーム２１１の近傍内に配置され、「電荷」２３１が電荷２１４の極性と反対の極性を持つ場合には、静電気力により、ナノチューブ２１１は「電荷」２３１に引き寄せられる。
【００３３】
「電荷」２３１を電圧源２３０が供給することができ、例えば、これをＡＣ又はＤＣ信号とすることができる。電気コンタクト２４３及び２４２を、ナノメータ規模ビーム２１１が変位できる範囲内に配置することができる。このように、電圧源２３０及び電圧ソース２２０によって、ナノメータ規模ビーム２２１が電気コンタクト２４３及び２４２と結合する度合いを操作することができる。
【００３４】
また、電圧源２３０（又は電圧ソース２２０）は、ナノメータ規模ビーム２１１が電気コンタクト（例、電気コンタクト２４３及び／又は２４２）と接触する周波数を操作することもできる。出力信号２５３及び２５２を、それぞれコンタクト２４３及び２４２から取得することができる。
【００３５】
光源２７１をＮＥＭＳシステム２００に採用して、ナノメータ規模ビーム２１１と電気コンタクト（例、電気コンタクト２４３及び／又は２４２）との間の接触度合いを操作することができる。これにより、ＮＥＭＳシステム２００は、光信号を電気信号に変換するシステムを具備することができる。さらに、ナノメータ規模ビーム２１１と電気コンタクトとの間の接触度合いは、ナノメータ規模ビーム２１１の温度が上昇するにつれ増大することになる。こうして、光源２７１を熱源とつないで機能させることができる。グレードの低い熱源（例、体温）であっても、ナノメータ規模ビーム２１１に有効な量の熱を供給するには十分である。このように、ナノメータ規模ビーム２１１の熱運動によって、スイッチとしての切り換え動作が自然に生じる。ナノメータ規模ビーム２１１の機械的振動数を、従来型スイッチング回路のスイッチング周波数に類似させて構成することができる。光／熱源、電荷プロフィール２１４、ナノメータ規模ビーム２１１の機械的属性、又は「電荷」２３１を変更することで、望ましくは、スイッチング特性を変更できる。
【００３６】
ＮＥＭＳシステム２００に光源を含める場合、ＮＥＭＳシステム２００に電圧源２３０を含める必要がないことは、当業者には自明であろう。例えば、電圧源２３０を除去し、光源２７１で代替することができる。そこで、光信号を入力信号として印加することができる。これらの信号いかんによって、ナノメータ規模ビーム２１１を、電気コンタクト（例、電気コンタクト２４３及び／又は２４２）と様々に接触させることができる。かくのごとく、このような実施形態の出力信号（例、出力信号２５３及び２５２）は、光源２７１からの入力信号を表している。電圧ソース２２０が十分に大きい場合には、これらの出力は、光信号を表すばかりでなく、その増幅信号でもある。
【００３７】
また、電圧ソース２２０を比較的「高圧」（例、約１−５ボルト）のＤＣ電源とし、電圧源２３０を比較的「低圧」（例、１−５マイクロボルト）  の入力信号にできることは、当業者にとって自明のことであろう。逆に、電圧ソース２２０を比較的「低圧」の入力信号とし、電圧源２３０を比較的「高圧」のＤＣ電源とすることができる。このように、弱い入力信号を増幅し、増幅された信号を、例えば、電気コンタクト２４３及び２４２に生成することができる。
【００３８】
ＮＥＭＳシステム２００の多数のインスタンスを連ねて配列できることは、当業者には自明であろう。例えば、このようなシステムを１０億、一平方センチ内に並列に配置することができる。各ナノメータ規模ビームが１０００オームであるとすれば、最小オン抵抗は（ナノメータ規模ビームとコンタクト２４２及び／又は２４３と間の抵抗を無視すると）おおむね１マイクロオームとなる。このように、１０００アンペアの電流を流した場合の抵抗損失が一桁ワットで済むことになろう（従来型最新技術の絶縁ゲート形バイポーラ・トランジスタは、１０００ワットの電流を流した場合、少なくとも数百ワットを浪費する）。これより、上記のアレイを高電力応用分野に用いることができよう。このようなスイッチの半分をオンにすると抵抗は倍になり、スイッチの４分の１をオンにすれば抵抗は４倍になろう（以下同様）。これによって、このアレイを、ほとんど完全にリニアで、前記説明の様に、１０億ステップに調整可能な、可変抵抗器として動作させることができよう。また、このようなアレイの速度は、有益に、わずかマイクロ秒でのオン、オフが可能となろう。
【００３９】
図３に、スイッチング・メカニズムとしてナノチューブ３１１を含めるよう構成されたＮＥＭトランジスタ３００を示す。トランジスタ３００は、図１のＮＥＭＳシステム１００と類似しており、トランジスタ３００の構成要素は、図１のＮＥＭＳシステム１００の構成要素の一般的機能におおむね倣っている。例えば、図１のナノメータ規模ビーム１００は、トランジスタ３００のナノチューブ３１１として具現されている。図１の荷電部材１２２は、トランジスタ３００では荷電部材層３２２として具現されている。さらに、図１のエミッタ・コンタクト１４２及びコレクタ・コンタクト１４１は、それぞれ、トランジスタ３００のエミッタ・コンタクト層３４２及びコレクタ・コンタクト層３４１として具現されている。
【００４０】
ナノチューブ３１１が、コレクタ・コンタクト層３４１をエミッタ・コンタクト層３４２に電気的に結合しているとき（例、位置３１３）、ナノチューブ３１１は「閉位置」にある、ということができる。ナノチューブ３１１は、ナノチューブ３１１が、エミッタ・コンタクト層３４２に近接はしているが物理的に接触していないときであっても、エミッタ・コンタクト層３４２と電気的な相互作用を持てることは、当業者には自明であろう。ナノチューブ３１１が、コレクタ・コンタクト層３４１をエミッタ・コンタクト層３４２に電気的に結合していないとき（例、位置３１２）、ナノチューブ３１１は「開位置」にある、ということができる。
【００４１】
望ましくは、荷電部材３２２の負の電荷が十分に高くなり、正に帯電したナノチューブ３１１が、荷電部材３２２の方向に、コレクタ・コンタクト層３４１がエミッタ端子３４２と電気的に結合される点まで、引き寄せられたときに、ナノチューブ３１１は閉位置にある。ナノチューブ３１１の電荷が、コレクタ・コンタクト層３４１の電圧の作用を受け、その作用は、コレクタ・コンタクト層３４１に印加された電圧の変化によって、ナノチューブ３１１がエミッタ・コンタクト層３４２と電気的に結合する程度であることは、当業者にとっては自明であろう。そこで、特定のスイッチング特性を満たすようにトランジスタ３００を設計する場合、荷電部材層３２２及びコレクタ・コンタクト層３４１に印加される電圧双方の値を検討する必要がある。荷電部材３２２の電圧がエミッタ・コンタクト層３４２中にリークしないように、絶縁層３５２が設けられている。
【００４２】
荷電部材層３２２（トランジスタ３００のベース又はゲート端子）に印加する電圧は、必ずしもＤＣ電圧である必要がないことは、当業者にとっては自明であろう。このように、ＡＣ電圧源を使って荷電部材層３２２に電圧を供給し、トランジスタ３００の動作を制御することができる。
【００４３】
さらに、ナノチューブ保持部材３６１を使って、ナノチューブ３１１の一端をコレクタ・コンタクト層３４１に取り付けることができる。これに換えて、オプション構成３８１で示すように、ナノチューブ３１１をコレクタ・コンタクト層３４１の上に成長させることができ、この構成においては、ナノチューブ３８３を導電層３８２の上に選択的に成長させる。オプション構成３８１において、望ましくは、ナノチューブ３８３は導電層３８２に自己付着している。
【００４４】
ＮＥＭトランジスタ３００を外部磁界（Ｂ）３７１によって操作することが可能なのは、当業者にとっては自明であろう。トランジスタ３００に磁界を導入することによって、例えば、コレクタ端子３４１からエミッタ・コンタクト３４２に電流が流れているときは、ナノチューブ３１１を閉位置に留めておくことができる。磁界３７１が存在する中でのナノチューブ３１１の運動がナノチューブ３１１の長さ方向に沿った電界を誘起することは、当業者にとって自明であろう。この電界は、ナノチューブ３１１が運動しているとき、ナノチューブ３１１を通る電流の流れに影響を与える。こうして、磁界（Ｂ）３７１は、トランジスタ３００に利得ファクターをもたらす。
【００４５】
磁界３７１が、ナノチューブ３１１とエミッタ・コンタクト層３４２との間の一時的接合を生成することによって、ＮＥＭトランジスタ３００がむしろ従来のＭＯＳＦＥＴに近い機能をすることは、当業者には自明であろう。磁界３７１又は他の接合手段が存在しない場合、通常、ナノチューブ３１１は、荷電部材層３２２が生成する電界の強度、ナノチューブ３１１の温度、及びトランジスタ３００の他のファクターに応じた度合いで、間欠的にエミッタ・コンタクト層３４２に接触する。前述のように、この接触度合い、すなわち接触頻度を、ＰＰＭ及びアナログ・デジタル変換器の機能を実現するために利用することができる。トランジスタ３００に接合手段を含めることで（例、磁界発生器により生成される磁界３７１）、荷電部材層３２２が連続的に電界を供給すれば、望ましくは、連続的な出力がエミッタ・コンタクト層３４２に供給されることになり、トランジスタ３００を従来のＭＯＳＦＥＴとして利用することができるのは、当業者には自明であろう。
【００４６】
ナノチューブ３１１を通って電流が流れているときにナノチューブ３１１にかかるローレンツ力を十分に強くして、端子３２１から、対応する引き寄せ電圧が除去された後においても、ナノチューブ３１１を位置３１３に保持することが可能なのは、当業者には自明であろう。前に記載したように、ナノチューブ３１１を、エミッタ・コンタクト層３４２から「飛んで離れる」（例、静止位置近くに戻ること）ように作ることができる。繰り返すが、このような手段は、例えば、荷電部材層３２２が生成する電界の極性反転、又はトランジスタ３００への磁界３７１の除去／低減を必要とすることがある。しかしながら、設計を考案して、ナノチューブ３１１が、エミッタ・コンタクト層３４２から自然に「飛んで離れる］ようにナノチューブ３１１を構成することができる。例えば、エミッタ・コンタクト層３２２から対応する引き寄せ電界が除去されたとき、ナノチューブ３１１の弾性及びバネ性定数が、磁界３７１の生成するローレンツ力に自然に打ち勝つように、エミッタ・コンタクト層３４２上側の特定の距離にナノチューブ３１１を配置することができる。さらに、エミッタ・コンタクト層３４２を、実際には、トランジスタ３００のコレクタとし、コレクタ端子３４１にエミッタ端子の機能を持たせることができる。
【００４７】
トランジスタ３００は、システム又はデバイス特性を用いて、弱い信号を昇圧することができる。一つの例によれば、回路のジョンソン・ノイズを除いてコレクタ端子３４１に信号が存在しないとき、荷電部材層３２２に印加される電圧を調整して、ナノチューブ３１１とエミッタ端子３４２との間に所定回数の接触が生じるようにすることができる。弱い信号をこの熱電圧に重畳し、これにより、ナノチューブ３１１とエミッタ端子３４２との間の単位時間当たり接触回数を測定可能レベルに増加させることができる。回路のジョンソン・ノイズは平均化され信号から除去され、「弱い信号」だけを残すことができる。具体的には、共通ベースによって並列に構成されたナノチューブ３１１増幅素子群のアレイが、ジョンソン・ノイズを平均化して信号から除去することになる。結果として、弱い信号を検出することができ、トランジスタ３００をアンプとして用いることができる。
【００４８】
説明を変えれば、弱い信号を荷電部材層３２２に印加することができる。コレクタ・コンタクト層３４１に、相対的に「高圧」な電源（例、３ボルト）を印加し、荷電部材層３２２に印加された弱い信号に反応して、ナノチューブ３１１がエミッタ・コンタクト層３４２に結合したとき、コレクタ端子３４１の電圧をエミッタ端子３４２に印加するようにできる。エミッタ・コンタクト層３４２がトランジスタ３００の増幅動作の出力信号であれば、ナノチューブ３１１が閉位置にあるとき、増幅利得は約Ｖ３４１／Ｖ３２２に等しくなろう。エミッタ・コンタクト層３４１の電圧値を時間推移の中で全体的に平均化し、荷電部材層３２２に加えられた別の入力信号を、閉回路が形成された回数によって識別することができる（というのは、荷電部材層３２２の電圧が高いほど、所定時間内における閉回路インスタンスの数が増えるからである）。前記の増幅方法において、エミッタ・コンタクト層３４２における増幅信号によって入力信号を表す場合、閉回路コンタクトの数と、荷電部材層３２２に印加された入力信号の強度との間のリニアリティが重要であることは、当業者には自明であろう。これに換えて、荷電部材層３２２を帯電させ、弱い信号をコレクタ・コンタクト層３４１で検出することができる。ＮＥＭトランジスタ３００の磨耗特性を改善するため、ナノチューブをＮＥＭトランジスタ３００のコンタクト層として（例えば、コンタクト層３４２の代わりに）用いることが可能なことは、当業者には自明であろう。
【００４９】
さらに、所定時間内にＮＥＭトランジスタ３００に生じる閉回路の回数が多くなるほど、コレクタ・コンタクト層３４１における設定電圧に対するエミッタ・コンタクト層３４２の平均電圧が高くなることになる。このように、エミッタ・コンタクト層３４２の一定期間の平均電圧を、荷電部材層３２２に加えられた弱い入力信号を表す値として利用することができる。このような設計における最大増幅出力電圧は、コレクタ・コンタクト層３４１に印加された電圧とおおよそ等しいものとなろう。これに換えて、接触の数（例、接触の度合い又は頻度）を測定し、荷電部材層３２２に加えられた入力信号を決定することができる。
【００５０】
また、トランジスタ３００を加減ダイオードとして用いることもできる。この実施形態においては、磁界（Ｂ）３７１が必要である。電圧ソース３３１が交互性の極性を持つ電圧信号であって、荷電部材層３２２に供給される電圧が一定に保持されている場合、トランジスタ３００は、ナノチューブ３１１が特定の極性にあるときにしか電流を流さないことになる。特定方向にナノチューブ３１１を通って電流が流れると、磁界３７１は、ローレンツ力を生成し、この力が電流を導くナノチューブ３１１を閉位置に保持する（例、ナノチューブ３１１はエミッタ・コンタクト層３４２と結合することになる）。次に、ナノチューブ３１１を通る電流の極性が反転すると、磁界３７１は、ナノチューブ３１１の反転した電流と共作用して、ナノチューブ３１１を開状態の位置にする（例、ナノチューブ３１１がエミッタ端子３４２と結合していない状態）。結果として、ダイオードの機能が実現される。さらに具体的には、トランジスタ３００中に半波整流素子が実現される。トランジスタ３００のこの半波整流機能を利用して、全波整流器及び他の多様なダイオード回路を生成することが可能なのは、当業者には自明であろう。
【００５１】
トランジスタ３００をダイオードとして用いる場合、ダイオードの順方向電圧低下を、従来型のダイオードよりも小さくできる。これは、トランジスタ３００により構成されるダイオードの順方向電圧の低下が、ナノチューブ３１１とエミッタ・コンタクト層３４２との間の接触抵抗に、ほぼ見合うものであることによる。また、トランジスタ３００により構成されるダイオードは、このダイオードがオン又はオフどちらかの状態なので、非常に高い効率を有する。多数のトランジスタ３００インスタンスを並列構成に配置することによって、トランジスタ３００の順方向電圧の低下を削減できることは、当業者には自明であろう。荷電部材層３２２及び磁界３７１の極性を反転させることにより、ダイオードの極性を変化させることができることを利用して、トランジスタ３００により実現されるダイオードを加減ダイオードとすることができる。さらに、ベース電圧を変更することによって、ソース電圧３３１の最小必要電圧を調整し、ナノチューブ３３１を通る電流の流れを制御することができる。同様に、磁界３７１を調整して行うこともできる。
【００５２】
前に説明したように、ナノチューブ３１１のエミッタ・コンタクト層３４２との接触頻度を、例えば、荷電部材３２２及びナノチューブ３１１上の電荷密度の強さによって変調される任意の熱誘起接触頻度とすることができる。さらに、この接触頻度を、他の種々の手段及びメカニズムによって変調することができる。例えば、この接触頻度を光学的に変調することができる。例として、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザ、又は太陽からの光の焦点を、ナノチューブ３１１上に合わせることができる。ナノチューブ３１１にあたる光度を調整することによって、コレクタ・コンタクト層３４１に印加された所定電圧に対し、ナノチューブ３１１を通る電流を増加、又は低減できる、というのは、光は、エミッタ・コンタクト３４２の方向、又はその反対方向にナノチューブ３１１を屈曲させるからである。光源を特定の角度でナノチューブ３１１にあてると、ナノチューブ３１１に投射される光度が増大するにつれ、ナノチューブ３１１がエミッタ端子３４１に結合する回数が増加するので、ナノチューブ３１１を通る電流が増加することになる。
【００５３】
荷電部材層３２２が負に帯電されており、コレクタ・コンタクト層３４１の電圧がナノチューブ３１１上に負の電荷を生成すると、ナノチューブ３１１は、望ましくは決して、あるいは少なくとも稀にしか、エミッタ端子３４２と接触しないことは、当業者には自明であろう。このように、ナノチューブ３１１と荷電部材層３２２との間で電荷が同一の場合（例、両方ともが負又は正）、ナノチューブ３１１は荷電部材層３２２に対し反発する。ナノチューブ３１１と荷電部材層３２２との電荷プロフィール極性が反対であれば、望ましくは、ナノチューブ３１１は荷電部材層３２２に引き寄せられることになる。このように、ナノチューブ３１１は、負あるいは正の電荷いずれかを持ちながら、トランジスタの動作を遂行することができる。
【００５４】
トランジスタ３００のコンタクト層は、望ましくは、金属層のような導電性材料で形成されることは、当業者には自明であろう。但し、磨耗を最小化するために、これらのコンタクト層に、例えば、固定したナノチューブを含めることができる。また、トランジスタ３００の絶縁層は、望ましくは、酸化物レイヤーのような非伝導性材料で形成されることも当業者には自明であろう。
【００５５】
トランジスタ３９３に基底３９３を含めて、その上に、トランジスタ３００の他の構成要素を、例えば、成長させ、積層し、スパッタし、エッチングし、配置することが可能な構造を備えることができる。基底３９３を、例えば、シリコン層とすることができる。一般に、搭載アセンブリは、ナノチューブ３１１の一部分を基底３９３に固定する。この搭載アセンブリに、トランジスタ３００の複数の構成要素、及びトランジスタ３００中に示されていない構成要素を含めることができる。例えば、搭載アセンブリに、コンタクト層３４１及び絶縁層３５２を含めることができる。これに換えて、基底３９３から絶縁層３５２を拡張して搭載アセンブリを形成したり、あるいは、コンタクト層３４１は、ナノチューブ３１１を直接に基底３９３に固定することができる。このように、搭載アセンブリは、ナノチューブ３１１の一部分を固定し、固定部分が基底３９３に連動してだけ動くようにするという原則を保持しながら、数多くの形状を取ることができる。
【００５６】
センス回路３９１を設けて、コンタクト３４２における電気信号を感知することができる。センス回路３９１は、例えば、ナノチューブ３１１とコンタクト３４２との間の接触度合いを判定することができる。制御回路３９２を設けて、荷電部材層３２２又はコンタクト３４１に電気信号を送信することができる。例えば、制御回路３９２は、コンタクト３４１に対し電圧ソース３３１を、コンタクト荷電部材層３２２に対し電圧源３２１を、選択的に供給することができる。また、制御回路３９２は、任意の送信信号の極性と強度とを制御することができる。制御回路３９２及びセンス回路３９１を、トランジスタ３００の他の構成要素に結合することが可能なことは、当業者には自明であろう。例えば、センス回路３９１をコンタクト３４１に結合してコンタクト３４１への電気信号を感知しながら、制御回路３９２をコンタクト３４２に結合し、コンタクト３４２に電気信号を送信することができる。このような構成を、例えば、ナノチューブ３１１とコンタクト３４２との間の接触度合いを、光を使って変化させる場合にも用いることができる。光を使って接触度合いを変化させれば、荷電部材層３２２は必要がない。それだけでなく、ダイオード構成においても、荷電部材層３２２を不必要にすることができる。例えば、十分に大きな電荷がコンタクト３４２に印加されると、反対極性に帯電したナノチューブ３１１は、荷電部材層３２２が供給する静電気力なしに、コンタクト３４２と電気的に結合することができる。このダイオード実施形態において、ターンオン電圧は、ナノチューブ３１１をコンタクト３４２と電気的に結合するため必要な電圧とほぼ等しいものとなろう。
【００５７】
図４は、２つのトランジスタ、トランジスタ４０１及び４０２を含み、直列構成に組み立てられたトランジスタ・アレイ４００を図示している。この直列構成実現において、トランジスタ４０２のエミッタ・コンタクト層４４６は、トランジスタ４０１のコレクタ・コンタクト層４４１に結合されている。
【００５８】
トランジスタ４０１及び４０２のベース端子は、それぞれ別個の荷電部材層４２２及び４２６によって制御されていることは、当業者には自明であろう。荷電部材層４２２及び４２６は、絶縁層４５２によって相互に絶縁されている。したがって、トランジスタ４０１及び４０２を別々に制御することができる。ナノチューブ４１１及び４１５は、望ましくは、それぞれコレクタ・コンタクト層４４１及び４４５に取付けられている。
【００５９】
トランジスタ・アレイ４００に印加された信号は、荷電部材層４２２及び４２６の双方の電荷が、ナノチューブ４１１及び４１５を、それぞれナノチューブコンタクト層４４２及び４４６へ引き寄せるのに適切な強度及びタイプである場合にのみ、トランジスタ４０２のコレクタ・コンタクト層４４５から、エミッタ・コンタクト層４４２に通過することになる。このように、本発明による原理によって構成されたトランジスタを、論理素子として用いることができる。例えば、コレクタ端子４４５からエミッタ端子４４２まで信号を通過させるためには、荷電部材４２２及び４２６の双方が、トランジスタ４０１及び４０２をそれぞれ「閉」にしなければならないという点から、トランジスタ・アレイ４００をＡＮＤ論理ゲートとして見ることができる。
【００６０】
磁界４７１をトランジスタ・アレイ４００に含め、閉位置になっているトランジスタ４０１及び４０２（例、ナノチューブ４１１及び４１５が、それぞれエミッタ・コンタクト層４４２及び４４６と電気的に結合している）に対してローレンツ力を生成することができる。前記のように、磁界４７１によって生成されたローレンツ力は、望ましくは、一つ極性の電流が、ナノチューブ４１１及び４１５を通って流れている間は、トランジスタ４０１及び４０２をそれぞれ閉状態に保持することができる。磁界４７１を２つの別個の磁界とすることができるのは、当業者には自明であろう。このような実施形態において、トランジスタ４０１及び４０２において別個の磁界を使うことができる。
【００６１】
図５を参照すると、並列構成に組み立てられた３つのトランジスタを含むトランジスタ・アレイ５００が示されている。さらに詳しくは、ナノチューブ５１１−５１３で定義されたトランジスタは、共通のコレクタ・コンタクト層５４１に一端を結合されている。ナノチューブ５１１−５１３の動きの自由な端は、トランジスタ・アレイ５００のトランジスタの状態によって、共通のエミッタ・コンタクト層５４２に結合することができる。このように、トランジスタ・アレイ５００のトランジスタは、同一のコレクタ端子（例、コレクタ・コンタクト層５４１）とエミッタ端子（例、エミッタ・コンタクト層５４２）とを共有している。また、トランジスタ・アレイ５００のトランジスタは、共通ベース端子として、絶縁層５５２によって絶縁された荷電部材層５２６を共用している。
【００６２】
トランジスタ・アレイ５００のトランジスタ構成から、トランジスタ・アレイ５００を単一のトランジスタとして用いることが可能なのは、当業者には自明であろう。さらに、トランジスタ・アレイ５００に、追加のナノチューブを共通ベースの並列構成で加えることにより、トランジスタ・アレイ５００でかたどられた単一トランジスタの安定性が増加する。言い方を換えれば、トランジスタ・アレイ５００にナノチューブを追加することは、共通の荷電部材層５２６に印加された任意の所定電圧に対し、トランジスタ・アレイ５００の少なくとも一つのナノチューブが、共通コレクタ・コンタクト層５４１と共通エミッタ・コンタクト層５４２との間に電気的結合を生成する頻度を増大させる。トランジスタの安定性を増大することに加え、トランジスタ・アレイ５００は他の利点を持っている。例えば、荷電部材層５２６に供給される信号のわずかの違いは、共通エミッタ・コンタクト層５４２において、ずっと際立った出力信号をもたらす。トランジスタ・アレイ５００をアンプとして用いた場合に、この特質はより良好なリニアリティを提供する。
【００６３】
トランジスタ・アレイ５００の各ナノチューブは、かなりの内部抵抗（例、１，０００−１０，０００オーム）を有することがある。しかしながら、ナノチューブ５１１−５１３が、同時にエミッタ・コンタクト層５４２に接触すると、この３つの並列ナノチューブに見られる内部抵抗は、個別のナノチューブ５１１−５１３の抵抗の約１／３となろう。アレイ５００の一つの実施形態は、数千、又は数十億のナノチューブを並列構成で包含することができる。そこで、アレイの高いリニアリティを保持しながら、そのようなアレイの最小オン抵抗を非常に低くできる。このように、トランジスタ・アレイ５００は、トランジスタ・アレイ５００を可変抵抗器として使用できるという点において、リニア・トランジスタと類似している。
【００６４】
また、ナノチューブ５１１−５１３の各々が、別個の荷電部材５２６を備えるように、絶縁層５５２を加工することができることは、当業者には自明であろう。これにより、個別ベースの並列構成が実現でき、多くの応用に活用できる。例えば、個別ベースで並列構成のトランジスタ・アレイ５００は、荷電部材５２６及びナノチューブ５１１−５１３がどのように荷電されるかによって、これを「ＯＲ」論理回路として用いることができる。同様にして、直列構成の独立したトランジスタ（例、図３のトランジスタ・アレイ３００）を、荷電部材５２６及びナノチューブ５１１−５１３をどのように荷電するかによって、「ＡＮＤ」論理回路として用いることができる。
【００６５】
図６は、ナノチューブ６１１を制御し位置決めする２つの荷電部材、荷電部材層６０１及び６０６を用いるＮＥＭアセンブリ６００を図示している。荷電部材６０１及び６０６をいろいろな方法で利用し、ＮＥＭアセンブリ６００に多くの異なった機能を持たせることができる。
【００６６】
一つの実施形態において、例えば、荷電部材層６０１及び６０６をナノチューブ６１１をはさむ反対側に配置することができる。さらに、荷電部材層６０１を、常時、ナノチューブ６１１に反対の電荷をかけるようにすることができる。この実施形態の結果として、これをトランジスタとして用いた場合、ＮＥＭアセンブリ６００の安定性が増す。これは、荷電部材の一つはナノチューブは６１１を「押しやり」し、反対側の荷電部材層はナノチューブ６１１を「引き寄せ」ていることによる。結果として、ナノチューブ６１１の接触頻度が増加する。さらに、エミッタ・コンタクト６０３と６０４とを一緒に結合すると、単位時間あたりの接触回数は（例えば、荷電部材層６０１をトランジスタ６００から取り去ったとしても）増加する。接触回数の増加が有用な可能性のある応用として、増幅において弱い信号をより容易に相互識別できることがあろう。
【００６７】
別の実施形態によれば、荷電部材層６０１及び６０６は、同様にナノチューブ６１１をはさんで反対側に配置されている。但し、この実施形態においては、荷電部材層６０１及び６０６の一つだけが、任意の所定時において荷電される。結果として、この実施形態をトランジスタとして用いて、共通コレクタ・コンタクト層（例、層６０７）と別々のエミッタ・コンタクト層（層６０３及び６０４）とを持つよう構成された２つのトランジスタと、同じ論理を提供することができる。また、絶縁層６０２及び６０５をＮＥＭアセンブリ６００に含めることができる。この実施形態において、エミッタ・コンタクト層６０３とエミッタ・コンタクト層６０４とを結合し、コレクタ・コンタクト層６０７を、小さな絶縁域でナノチューブ６０７回りの２つの部分に分割して、共通のエミッタ層と、別々のコレクタ層とを持つように容易に再構成できることは、当業者には自明であろう。
【００６８】
ＮＥＭアセンブリ６００に追加の荷電部材を含めて、ナノチューブ６１１の制御を強化することが可能なのは、当業者には自明であろう。例えば、荷電部材層６０１はナノチューブ６１１の上側にあり、荷電部材層６０６はナノチューブ６１１の下側にあるとすれば、荷電部材層をナノチューブ６１１の前側及び後ろ側にも配置することができる。追加の荷電部材層でナノチューブ６１１を取り囲むことによって、ナノチューブ６１１の位置を三次元環境の中で制御することができる。ＮＥＭ及びＭＥＭのロボット構成要素（例、推進力及びモータ構成要素）、センサ、及びスイッチは、すべて、このような実施形態から益を得ることができる。さらに、この三次元環境周りに、追加の電気コンタクトを配置し、これにより、ナノチューブ６１１に複雑なスイッチ機能を持たせることができる。本発明のすべての実施形態におけるように、一つ以上の磁界６７１を用いて、ＮＥＭアセンブリ６００を制御、操作できる。
【００６９】
本発明の原理を用いて、ナノチューブ・ベースのインバータからメモリ構成要素（例、メモリ・ラッチ）を構築することができる。ナノチューブ・ベースのインバータの一つの例が、図７のインバータ７００である。
【００７０】
インバータ７００において、システムの「高圧」供給電圧（例、３Ｖ）は、コンタクト７４１に供給され、システムの「低圧」供給電圧（例、接地レベル７９９）は、コンタクト７４２に供給される。一般に、インバータ７００は、出力コンタクト７５１に出力信号を出す。この出力信号は、入力コンタクト７２１に印加されるシステム「高圧」供給電圧の反転信号である。従って、システム「高圧」供給電圧が入力コンタクト７２１に印加されると、システム「低圧」供給電圧が出力コンタクト７５１に印加される。同様に、システム「低圧」供給電圧が入力コンタクト７２１に印加されると、システム「高圧」供給電圧が出力コンタクト７５１に印加される。インバータを生成することによって、メモリ構成要素だけでなく論理回路の基本構成要素が実現される。
【００７１】
インバータ７００は、入力電圧源７２１から「高圧」信号が供給されると次のように作動する。ナノメータ規模ビーム７１１は、望ましくは、ノード７４１に供給される電圧の極性に対して固有の極性の電荷を有する。例えば、ナノメータ規模ビーム７１１は正の電荷を持つことができる。このように、入力電圧源７２１によって、荷電部材７２２に「高圧」の負の電荷が印加されると、荷電部材７２２は、ナノメータ規模ビーム７１１を、ナノメータ規模ビーム７１１が「低圧」コンタクト７４２に結合する位置（例、位置７１３）に引き寄せる。コンタクト７４２は、望ましくは、接地レベル７９９に結合されている。従って、「高圧」電圧が入力コンタクト７２１に加えられると、接地レベル信号（例、「低圧」信号）が出力コンタクト７５１に印加されることになる。ナノチューブ７１１がコンタクト７４２と電気的に結合しているとき、抵抗素子７３２をまたぐ電位差は（ナノメータ規模ビーム７１１の内部抵抗を無視すると）Ｖ７４１−Ｖ７９９に等しいことは、当業者には自明であろう
インバータ７００は、入力電圧源７２１が「低圧」信号（例、ゼロ・ボルト）を供給しているとき、以下のように作動する。荷電部材７２２は、ナノメータ規模ビーム７１１が「低圧」コンタクト７４２と結合する位置（例、位置７１３）に、ナノメータ規模ビーム７１１を引き寄せない、というのは、荷電部材７２２に印加された「低圧」は、ナノチューブ７１１をコンタクト７４２に引き寄せないからである。結果として、抵抗素子７３２をまたぐ電位差はなく、「高圧」電圧コンタクト７４１に印加された電圧が出力コンタクト７５１に印加されることになる。望ましくは、ナノチューブ７１１の電荷と同種の、「高圧」又はどのようなレベルの電荷も、ナノチューブ７１１がコンタクト７４２から押し離されるので、出力ノード７５１へ「高圧」出力を供給することになることは、当業者には自明であろう。磁界３７１が図３のトランジスタ３００に含まれているのと同じ理由によって、磁界７７１がインバータ７００にも含まれている。
【００７２】
図８には、ナノチューブ８１１を、ナノメータ規模ビームとして含むインバータ８００が図示されている。インバータ８００の動作は、図７のインバータ７００の動作と同様である。構造斜視図を見ると、ナノチューブ８１１は出力コンタクト層８４３に結合されている。出力コンタクト層８４３は、抵抗層８３２によって電圧ソース・コンタクト層８４１と分離されている。コンタクト層８４２は、絶縁層８５２によって荷電部材層８２２から絶縁されている。一般に、コンタクト層８４２は、荷電部材層８２２に供給された電圧がナノチューブ８１１を位置８１３に引き寄せたときに、ナノチューブ８１１と電気的に結合する。
【００７３】
インバータ８００は、望ましくは、コンタクト層８４２は「低圧」電圧信号（例、接地レベル）及び電力コンタクト層８４１は「高圧」電圧信号（例、３ボルト）に結合されるよう構成される。そうすることによって、インバータ７００は、荷電部材８２２に印加された入力電圧が「高圧」になり、これによりナノチューブ８１１を、位置８１３に引き寄せたときに、接地レベルにほぼ等しい出力電圧を出力コンタクト層８４３に出力する。荷電部材層８２２に印加された入力電圧が「低圧」（例、接地レベル）、又はナノチューブ８１１が、位置８１２に押しやられるようなときは、出力コンタクト８４３に印加される出力電圧は、電力コンタクト層８４１に加えられた「高圧」電圧信号の近辺となる。磁界３７１が図３のトランジスタ３００に含まれているのと同じ理由によって、磁界８７１がインバータ８００にも含まれている。
【００７４】
図９Ａ−９Ｈは、ナノメータ規模電気機械システムを加工するため使われる工程ステップの断面図である。さらに詳しくは、図９Ａ−９Ｈは、図３のトランジスタ３００を生成するための加工工程の一つの実施形態である。
【００７５】
まず図９Ａを参照すると、基底層９０１の上に導電層９０２を設けるステップ９５１が示されている。導電層９０２を、例えば、アルミニウム、すず、銅、又はタングステンのような金属層、もしくは、多結晶シリコンのような誘電体層とすることができる。基底層９０１を、例えば、半導体とすることができる。例えば、選択付着、スパッタ付着、プラズマ蒸着、又は化学蒸着（ＣＶＤ）によって、基底層９０１上に導電層９０２を設けることができる。次に、非導電層９０３を、導電層９０２の上面に設けることができる。非導電層９０３を、例えば、酸化物層又は二酸化珪素とすることができる。本発明の原理によってトランジスタを構成する場合、導電層９０２を荷電部材層とし、非導電層９０３を荷電部材層とエミッタ・コンタクト層との間の絶縁層とするのが望ましかろう。
【００７６】
図９Ｂの、ステップ９５２において、非導電層９０３の上に導電層９０４が設けられる。導電層９０３を含め、本発明の原理によって形成される導電層を、導電層９０２と同一の方法で基底部材の上に形成し積層できることは、当業者には自明であろう。本発明の原理によってトランジスタを構成する場合、導電層９０４をエミッタ・コンタクト層とするのが望ましかろう。
【００７７】
用途によって、導電層９０４を成形することが必要なことがある。図９Ｃのステップ９５３に、最初の成形ステップが図示されている。さらに詳しくは、フォトレジスト層９０５を導電層９０４の上に付着させることができる。そこで、マスク９１１を介して、光をフォトレジスト層９０５にあてることができる。光９１２がマスク９１１の特定の部分だけを通過し、結果としてフォトレジスト９０５の各対応部分をエッチングするように、マスク９１１を構成することができる。ステップ９５３の結果として、図９Ｄのステップ９５４に示す構造が形成される。ステップ９５４において、フォトレジスト９０５で覆われていなかった導電層９０４の部分に対し、エッチング工程９２１を施す。結果として、導電層９０４は、図９Ｅのステップ９５５に示すように成形される。そこでステップ９５５において、残ったフォトレジスト９０５を洗浄除去又はエッチング除去することができる。
【００７８】
図９Ｅのステップ９５６には、導電層９０６が含まれる。本発明の原理によってトランジスタを構成する場合、導電層９０６を荷電部材層として使用することができる。導電層９０４で用いたのと同様な工程によって、導電層９０６を形成し、形作ることができる。また、導電層９０６を、図９Ｃ−９Ｅのステップ９５３−９５５において、導電層９０４と同時に形成し、形作ることもできる。
【００７９】
そこで、図９のステップ９５７に図示するように、ナノチューブ９３０を導電層９０６の上に配置することができる。本発明の原理によってトランジスタを構成する場合、適切な信号が導電層９０２とナノチューブ９３０に印加されたとき導電層９０６を導電層９０４に電気的に結合させるビームとして、ナノチューブ９３０を用いることができる。
【００８０】
様々な多くの手段によって、ナノチューブ９３０を導電層９０６上に取り付けることができる。例えば、９３１の領域に補助支持層を設けることができる。そこで、ナノチューブ９３０の、一部を補助支持層９３１の上部に、一部を導電層９０６上部に結合することができる。そこで、ナノチューブ９３０の、導電層９０６より上の部分に非導電層（例、図９Ｈの層９０７）を付着させる。層９０７を、導電層とすることも可能なことは、当業者には自明であろう。補助支持層９３１を除去した後、導電層９０６に固定されたナノチューブ９３０の部分を除き、ナノチューブ９３０の動きは自由である。
【００８１】
別の例によれば、成長矢印９５７で示すように、ナノチューブ９３０を、導電層９０６から外側に向け成長させることができる。この成長の間、導電層９０６の上部にあるナノチューブ９３０の部分を別の層（例、図９Ｈの層９０７）で固定しておく必要がないことは、当業者には自明であろう。そうしなくても、ナノチューブ９３０は導電層９０６に自己固着していることができる。他の実施形態において、ナノチューブ９３０を、それが形成される間、電磁界によって保持しておくことができる。
【００８２】
さらに別の例によれば、基底９０１上のナノメータ規模の電気機械システムの形成と別個に、ステップ９５７の外部でナノチューブ９３０を形成してから導電層９０６上に設置することができる。ナノチューブ９３０を、例えば電磁界を使って、導電層９０６の上に置くことができる。また、ナノチューブ９５７の設置中の追加支持材として、補助支持層９０６を利用することもできる。
【００８３】
図９Ｈのステップ９５８において、望ましくは、ナノチューブ９３０及び導電層９０６の上に非導電層９０７を形成する。前記のように、ナノチューブ９３０の特定の部分を導電層９０６に固定するために、層９０７を利用することができる。本発明の原理によってトランジスタを構成する場合、ナノチューブ９３０の取り付け端を、望ましくは、部分的に導電層９０６を超えるように取り付ける。結果として、非導電層９０７も、ナノチューブ９３０の端部９３３との接合を形成する。非導電層９３３が必須でないことは、当業者には自明であろう。例えば、ナノチューブ９３０を導電層９０６中に固定することができる。この実施形態において、非導電層９０７は導電層９０６の一部である。
【００８４】
図１０は、本発明の原理によって構成されたＮＥＭＳシステム１０００を示す。ＮＥＭＳシステム１０００は、ナノチューブ１０１１の両端が固定され、ナノチューブ１０１１の自由運動部分が、ナノチューブ１０１１の中央部分であることを除けば、図３のトランジスタ３００と同様である。ナノチューブ１０１１の両端を固定することによって、ナノチューブ１０１１のどの部分の応力も、図３のナノチューブ３００に比較して低減されている。しかしながら、ナノチューブ１０１１を曲げるのは、一端だけを固定されたナノチューブよりも困難なことは、当業者には自明であろう。
【００８５】
ＮＥＭＳシステム１０００は、好ましくは、以下のように動作する。ナノチューブ１０１１は特定のタイプの電荷を有する。反対電荷が、基底部材１０２２に荷電されると、ナノチューブ１０１１は基底部材１０２２に引き寄せられる。基底部材１０２２上の反対電荷が十分に大きい場合、ナノチューブ１０１１は位置１０１３に動かされ、エミッタ・コンタクト層１０４２とコレクタ・コンタクト層１０４１との間の電気的接続を生成することになる。ナノチューブ１０１１の一端は、コレクタ・コンタクト層１０４１と保持材１０６１とにより固定されている。ナノチューブ１０１１の反対側端部は非導電層１０６３と保持材１０６２とに固定されている。非導電層１０６３又は保持材１０６２を導電層とし、結果として、ある種の用途で役立つことのできる追加の機能を実現することが可能なことは、当業者には自明であろう。ＮＥＭＳシステム１０００を他の電気部品として利用することができる。例えば、ＮＥＭＳシステム１０００を、メモリセルとして用いることができる。
【００８６】
さらに、ナノチューブ１０１１を保持材０６１及び１０６２を越えて伸長することができるのは、当業者には自明であろう。追加の荷電部材及びエミッタ・コンタクトをこれら伸長した部分の下部に配置して、単一のナノチューブからさらなる機能を実現することができる。
【００８７】
図１１は、懸架されたナノチューブ１１１５を電気コンタクトとして含むナノ電気機械システム１１００を示す。さらに詳しくは、システム１１００は、図３のシステム３００に類似しているが、ナノチューブ１１１１による物理的衝撃により生成されるシステム１１００の磨耗を低減するために、懸架されたナノチューブ１１１５を電気コンタクトとして含む。図３のシステム３００において、感知コンタクトは導電層である。ナノチューブの衝撃によりこの導電層が摩滅する可能性がある。さらに、懸架されていないナノチューブによる導電層を設ける場合、２つのナノチューブは磨耗しないであろうが、衝突しあうナノチューブからのエネルギーがシステム１１００の他の構成要素に伝わる可能性がある。これにより、何らかの衝突エネルギーが、結果として、基底、基底に結合されている他の構成要素、又は懸架されないナノチューブに結合されている他の構成要素を摩滅させる可能性がある。
【００８８】
図３のシステム３００と同様に、層１１４１及び荷電部材１１２２に印加された電荷によって、ナノチューブ１１１１を、定位置１１１３（又は位置１１１２）から、感知コンタクト（例、ナノチューブ１１１５）と物理的に接触、あるいは電気的に結合する位置に動かすことができる。システム１１００において物理的接触が生じても、一方で、ナノチューブ１１１５が屈曲し、結果として、制御しなければシステム１１００の磨耗をもたらすエネルギーを開放することができる。
【００８９】
ナノチューブ１１１５は、望ましくは、マウント１１９１から１１９２へ懸架される。マウント１１９１及びマウント１１９２のいずれか、又は双方を導電性とし、感知コンタクト１１４２と結合することができる。また、ナノチューブ１１１５の両端を、固着部材１１６２及び１１６１と同様な固着部材によってマウント１１９１及び１１９２に固定することができる。また、荷電部材層１１２２を、電荷を保存できる電荷格納層とすることも可能なのは、当業者には自明であろう。こうして、システム１１００をメモリセルとして用いることができる。このような電荷格納層を、荷電部材層１１２２と同様に、非導電層１１５２によって、感知コンタクト１１４２から絶縁することができる。また、ナノチューブ１１１５は、ナノチューブの使用に限定されるものでなく、もっと一般的に、機械的柔軟性があり、導電性があり、良好な（例、低い）磨耗特性を示す任意のナノメータ規模ビームであることも、当業者には自明であろう。ナノチューブ１１１５の両端を、基底１１９３に固定する必要がないことは、当業者には自明であろう。代わりに、ナノチューブ１１１５の一端だけを基底１１９３に固定することができる。
【００９０】
２つの構成要素が相互に電気的作用を及ぼすために、必ずしもそれら２つの構成要素が、一体的に接触又は結合する必要がないことは、当業者には自明であろう。前記のように、少なくとも本出願において、一つの構成要素がもう一方の構成要素に電気的影響を及ぼすとき、２つの構成要素はともに電気的に結合していることは、当業者には自明であろう。電気的結合には、例えば、一つの構成要素が他方に電気的影響を及ぼすような２つの構成要素間の物理的接続及び結合、静電結合、電磁気結合、ギャップで分離された２つの導電体間の遊離電荷流（例、真空管）及び誘導結合を含めることができる。
【００９１】
さらなる有益なナノメータ規模電気機械アセンブリが、ピンカートン他の、同一出願人による同時係属出願の米国特許出願第１０／４５３，１９９号、（代理人明細書、ＡＭＢ／００４号）、名称「ナノ電気機械メモリセル及びデータ記憶装置（Ｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ｃｅｌｌｓ  ａｎｄ  Ｄａｔａ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｄｅｖｉｃｅｓ）」、ピンカートン他の、同一出願人による同時係属出願の米国特許出願第１０／４５３，３２６号、（代理人明細書、ＡＭＢ／００２号）、名称「電気的に導電性で機械的に柔軟な分子規模ビームを用いた電気機械アセンブリ、及びその応用方法（Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ−Ｓｃａｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ａｎｄ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ  Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｂｅａｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  Ｆｏｒ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓａｍｅ）」、及び、ピンカートン他の、同一出願人による同時係属出願の米国特許出願第１０／４５３，３７３号、（代理人明細書、ＡＭＢ／００５号）、名称「自動スイッチ及び発信素子の並列アレイを用いたエネルギー変換システム（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  Ｐａｒａｌｌｅｌ  Ａｒｒａｙ  ｏｆ  Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｓｗｉｔｃｈｅｓ  ａｎｄ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ）」に記載されており、これらは、すべて、参考のため全体として本明細書に組み込まれ、本明細書と同日に出願される。
【００９２】
前記の説明から、本発明は、トランジスタ、アンプ、メモリセル、自動スイッチ、ダイオード、可変抵抗器、磁界センサ、温度センサ、電界センサ、及び論理素子として使用可能な、ナノメータ規模の電気機械アセンブリ及びシステムを提供するものであることを当業者は認識するであろう。さらに、本発明から逸脱することなく、本明細書に記載された各種の構成を組み合わせることが可能なのは、当業者には自明であろう。例えば、図１０のナノメータ規模アセンブリに磁界を含めることができる。また、本発明が、本明細書に開示された以外の多くの形態を取れることも認識されるであろう。従って、本発明は、開示された方法、システム及び装置に限定されるものでなく、その変形案及び変更案をも包含することが意図されており、これらは添付請求項の精神の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】図１は、本発明の原理により構成されたナノメータ規模のトランジスタの回路図である。
【図２】図２は、本発明の原理により構成されたナノメータ規模トランジスタの別の回路図である。
【図３】図３は、図１のナノメータ規模トランジスタの一つの実施形態の斜視図である。
【図４】図４は、図１のナノメータ規模トランジスタの一つの実施形態の別の斜視図である。
【図５】図５は、図１のナノメータ規模トランジスタの一つの実施形態のさらに別の斜視図である。
【図６】図６は、本発明の原理により構成されたナノメータ規模デュアルゲート型トランジスタの斜視図である。
【図７】図７は、本発明の原理により構成されたナノメータ規模のインバータの回路図である。
【図８】図８は、図７のナノメータ規模インバータの一つの実施形態の別の斜視図である。
【図９】図９Ａ−９Ｆは、本発明の原理により構成されるナノメータ規模の電気機械システムの加工に用いられる工程ステップの断面図である。
【図１０】図１０は、図１のナノメータ規模トランジスタの一つの実施形態の斜視図である。
【図１１】図１１は、図１のナノメータ規模トランジスタの一つの実施形態の斜視図である。
【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１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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