(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面（１１）を有する基板（１０）が設けられており、
基板（１０）の主面（１１）の上に、１つの層のなかに並び合って配置された個別要素（１４）を含んでいる層構造（１３）が配置されており、
基板（１０）の主面（１１）の上に、層構造（１３）と電気的に接続されている少なくとも２つの接触構造（１２）が設けられており、
個別要素（１４）および接触構造（１２）が基板（１０）に対して電気的に絶縁されており、
隣接する個別要素（１４）が層構造（１３）の面の方向においてそれぞれ量子力学的接触を介して電気的に接続されており、
個別要素（１４）が多孔性の半導体材料で形成され、該材料は多孔性の半導体材料内で細孔の間に半導体材料のコアが位置するようにエッチングされていて、前記細孔により層構造内に連続的な導電的結合が存在せず、かつ
個別要素（１４）が各々１〜１０ｎｍの直径を有する
ことを特徴とするマイクロ電子デバイス。
【請求項２】
両接触構造（１２）が、層構造（１３）を介して互いに対向するように配置されていることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
層構造（１３）が接触構造（１２）の間隔に対して平行に２０ｎｍと５５０ｎｍとの間の広がりを、またそれに対して垂直に２０ｎｍと１０μｍとの間の広がりを有することを特徴とする請求項２記載のデバイス。
【請求項４】
基板（２０、３０）の主面（２１、３１）に対して平行に向けられている層構造（２３、３３）の表面にゲート誘電体（２５、３５）が設けられており、
ゲート誘電体（２５、３５）の表面上の層構造（２３、３３）と反対の側に、少なくとも１つのゲート電極（２６、３６）が配置されていることを特徴とする請求項２または３記載のデバイス。
【請求項５】
ゲート誘電体（３５）の表面上に少なくとも２つのゲート電極（３６）が配置されていることを特徴とする請求項４記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はマイクロ電子デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
量子力学的効果を利用するマイクロ電子デバイスは高い集積度を有する非常に高速の電子デバイスの開発の点で重要性を増している。その際に関心はなかんずく、リクハレーヴ（K.K.Likharev）著「グラニュラー‐ナノエレクトロニクス」D.K.Ferry ed. Plenum,N.Y. （１９９１年）、第３７１頁以降に記載されているクーロン障壁の効果に向けられている。
【０００３】
クーロン障壁は、トンネル接触を介しての電子のトンネリングの際に全システムのエネルギーが変化する効果に基づいている。トンネル接触とは、絶縁層により隔てられた２つの電極を含んでいる構造を云い、その際に絶縁層は、絶縁層を通じての個々の電子のトンネリングが生ずるように薄い。その際に全システムのエネルギー変化はｑｅ2 ／Ｃのオーダーにあり、ここでｑe は電子の電荷、またＣはトンネル接触のキャパシタンスである。このエネルギー変化がシステムの熱的エネルギーｋB Ｔ（ここでｋB はボルツマン定数、またＴは絶対温度）を明らかに越えるエネルギー上昇であれば、トンネル接触を通じての電子のトンネリングが生ずる。それによってトンネル接触を通る電流が遮断される。それに対してエネルギー変化が熱的エネルギー以下であれば、すなわちｑe 2 ／Ｃ≦ｋB Ｔであれば、トンネル接触を経ての電子のトンネリングが生じ得る。
【０００４】
従って、クーロン障壁の利用は一方ではミリケビン範囲内で作動させられる３０ないし１００ｎｍの範囲内の構造（たとえばグラドウン（A.Gladun）ほか著「現代の物理学」第２３巻（１９９２年）、第１５９頁以降およびギールリグス（L.J.Geerligs）ほか著「Phys.Rev.Lett.」第６５巻（１９９０年）、第３０３７頁以降参照）またはより高い温度で作動させられる明らかに１０ｎｍよりも小さい大きさを有する構造（たとえばシェーネンベルガー（C.Schoenenberger ）ほか著「Europhys.Lett.」第２０巻（１９９２年）第２４９頁以降参照）において可能である。
【０００５】
第１の場合のトンネル接触としてたとえばアルミニウムから成る２つの電極が使用され、それらの間に薄い酸化物層が配置されている（グラドウン（A.Gladun）ほか著「現代の物理学」第２３巻（１９９２年）、第１５９頁以降参照）。このようなクーロン障壁デバイスは非常に低い温度でのみ作動可能である。このトンネル接触の電気的特性は構成要素のスケーリングを介して設定され得る。
【０００６】
室温におけるクーロン障壁効果はエネルギー変化および熱的エネルギーに関する推定に従ってアトファラッド（１０-18Ｆ）またはそれ以下のキャパシタンスを有するトンネル接触を有する要素においてのみ生ずる。このような要素は数ナノメートルのオーダーの広がりを有する。
【０００７】
このように小さい要素の接触は走査トンネル顕微鏡または原子力顕微鏡シェーネンベルガー（C.Schoenenberger ）ほか著「Europhys.Lett.」第20巻（１９９２年）、第２４９頁以降参照）のような走査顕微鏡により行われる。この大きさのオーダーの要素を接触する他の可能性は知られていない。
【０００８】
ナノメートルの大きさのトンネル接触要素として、絶縁性シースにより囲まれている金属クラスターが提案されている（ドイツ特許出願公開第 4212220A1号明細書参照）。このトンネル接触要素の電気的特性は金属クラスターならびに絶縁性シースの大きさおよび形式により予め定められている。
【０００９】
ドイツ特許出願公開第 4212220A1号では個々のトンネル要素の接触のためにマイクロ電極、すなわち走査顕微鏡が使用される。このような接触は確かにこのようなトンネル要素の検査および学術的研究のためには目的にかなっているが、複雑な回路装置内のマイクロ電子デバイスとしてのトンネル要素の使用のためには適していない。
【００１０】
実際的な実施例として、個別要素を積層として受入枠内に受入れ、また受入枠の上に相応に接触し、または接触を設けられるブレス体を高圧のもとでの個別要素の圧縮により形成することはドイツ特許出願公開第 4212220A1号明細書に記載されている。この方法ではデバイスは５ｍｍの直径および０．３７９ｍｍの厚みを有する円板として形成される。直径に対する２ないし１０ｍｍの寸法および厚みに対する０．１ないし１ｍｍの寸法が好ましい。このようなデバイスはキロボルトのオーダーの阻止電圧を有し、このことはマイクロ電子デバイスでの使用のために望ましくない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、スケーリング可能にかつリトグラフィにより製造可能であり、また特に室温で機能可能であるマイクロ電子デバイスを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明によれば、請求項１によるマイクロ電子デバイスにより解決される。本発明の他の実施態様はその他の請求項に記載されている。
【００１３】
本発明によるデバイスでは、基板の主面の上に、１つの層のなかに並び合って１つの層構造を形成する個別要素が配置されている。個別要素は上下に量子力学的接触を介して接続されている。このことは、各個別要素が１つの電気伝導性の範囲を含んでおり、また１つの絶縁層を介して隣接する個別要素の電気伝導性の範囲に対して絶縁されていることを意味する。絶縁層は、隣接する個別要素の伝導性の範囲およびその間に配置されている絶縁層がトンネル接触を形成するようにディメンジョニングされている。
【００１４】
個別要素としては、この条件を満足するすべての構造が考慮に値する。特に個別要素として、伝導性のコアおよび伝導性のコアを囲む絶縁性のシースを含んでいる構造が適している。その際に個別要素の直径は好ましくは１ｎｍと１０ｎｍとの間である。個別要素のキャパシタンスはこの大きさ範囲では、デバイスが室温で機能するように小さい。特に個別要素として、ドイツ特許出願公開第 4212220A1号明細書から公知のように、絶縁性のシースとしての有機リガンドを有する金属クラスターまたは囲まれた金属コアを有するフィラーが適している。
【００１５】
個別要素として適した他の材料はストラヴェレン（M.P.J.van Straveren ）ほか著「Phys.Rep. 」第２０８巻（１９９１年）、第１号に記載されているが、それは層構造としてではなく体積材料として記載されている。
【００１６】
さらに、層構造を、細孔を経ての通しの伝導性接続がもはや存在しないように強くエッチングされている多孔性の半導体材料、好ましくはシリコンにより形成することは本発明の範囲内にある。伝導可能な範囲としてはこのような多孔性の半導体材料内で細孔の間に位置する半導体材料のコアが作用する。多孔性の半導体材料としては、特にフッ化物を含有する電解液内での陽極エッチングにより形成される多孔性のシリコンが適している。
【００１７】
マイクロ電子デバイスには、層構造と電気的に接続されている少なくとも２つの接触構造が設けられている。２つの接触構造は好ましくは層構造の向かい合う側に配置されている。その際に接触構造は、層構造の縁に位置する個別要素がそのつどの接触構造と接触しているように基板の主面の上に配置されている。向かい合う接触構造は好ましくは２０ｎｍと５００ｎｍとの間の間隔を有する。それに対して垂直に層構造は２０ｎｍと１０μｍとの間の広がりを有する。このような寸法は電子線リトグラフィまたは深‐ＵＶ‐リトグラフィにより製造可能である。
【００１８】
接触構造はドープされたポリシリコンまたは金属から形成されると良い。
【００１９】
層構造および接触構造は基板に対して電気的に絶縁されている。基板としてたとえばガラスまたはサファイアのような絶縁材料が使用されると、絶縁のために追加的な措置は必要でない。基板としてシリコンが使用されると、絶縁は、表面に接触構造および層構造が配置されている絶縁層により保証される。
【００２０】
両接触構造の間の間隔がＬ、また個別要素の大きさがａであれば、両接触構造の間に電圧Ｕを印加する際に、Ｌの方向に隣接している２つの個別要素の間に電圧Ｕ／（Ｌ／ａ）が降下する。その際に均等な電荷分布が仮定されている。個別要素ごとのこの電圧部分がクーロン障壁のしきい電圧よりも小さいならば、マイクロ電子デバイスは遮断する。それに対してこの電圧部分がクーロン障壁のしきい電圧よりも大きいならば、マイクロ電子デバイスは導通する。部品のしきい電圧は、各個別要素が６つの隣接個別要素を有するならば、Ｕth＝ｑe Ｌ／６Ｃａにより与えられている。ここでＣは２つの隣接する個別要素の間のキャパシタンスである。たとえば個別要素の広がりが２ｎｍ、キャパシタンスが０．５ａＦ、また接触構造の間の間隔が５０ｎｍであれば、すべてのマイクロ電子デバイスに対するしきい電圧は１．３Ｖである。すなわち、接触構造の間に１．３Ｖよりも小さい電圧が与えられると、デバイスは遮断し、それに対して１．３Ｖよりも大きい電圧が与えられると、デバイスは導通する。このしきい電圧は集積回路に対して利用可能な大きさの範囲内にある。
【００２１】
基板の主面に対して平行に向けられている層構造の表面にゲート誘電体を設けることは本発明の範囲内にある。ゲート誘電体の表面の上に、ゲート誘電体により層構造および接触構造に対して絶縁されているゲート電極が配置されている。ゲート電極に制御電圧を与えることによりクーロン障壁に対するしきい電圧が影響される。本発明によるマイクロ電子デバイスのこの実施例は制御可能なクーロン障壁デバイスをなす。
【００２２】
本発明によるデバイスのこの実施例がシリコンから成る基板により実現されると、基板の上に先ずゲート電極を、その上にゲート誘電体を、またその上に接触構造および層構造を施すと有利である。接触構造および層構造はこの場合にゲート誘電体により基板に対して電気的に絶縁されている。このようにして、接触構造の間に層構造が析出される前に、先ずシリコンプロセスが実行される。特にゲート電極をこの場合に植え込まれた拡散領域として基板の表面内に実現することは本発明の範囲内にある。
【００２３】
この実施態様の１つの形態によれば、ゲート誘電体の表面の上に少なくとも２つのゲート電極が配置される。それにより本発明によるデバイスは、たとえばアービナ（C.Urbina）ほか著「米国電気電子学会論文集・磁気工学編」第２７巻（１９９１年）、第２５７８頁以降から公知のような電子ポンプとして使用され得る。このような電子ポンプではゲート電極への適当な交流電圧の印加により周期あたりそれぞれ特定の電荷量が装置を通って流れ得る。それにより、交流電圧の大きさにより大きさを制御される直流電流が発生され得る。
【００２４】
【実施例】
以下、実施例および図面により本発明を一層詳細に説明する。
【００２５】
基板１０は主面１１を有する（図１および図２参照）。基板１０は少なくとも主面１１の範囲内で絶縁されている。基板はたとえば主面１１の範囲内にＳｉＯ2 層を有するシリコンから成っている。代替的に基板はガラスまたはサファイアから成っている。
【００２６】
基板１０の主面１１の上に２つの接触構造１２が配置されている。接触構造１２はたとえばドープされたポリシリコンまたは金属、好ましくはアルミニウムまたはチタンから成っている。主面１１に対して平行に接触構造１２はたとえば１μｍの幅を有する。接触構造１２は導線の一部として構成されていてよく、または接触孔を経て外方に接触され得る。両接触構造１２の間の間隔はたとえば５０ｎｍである。両接触構造１２の間に層構造１３が配置されている。層構造１３は、一層の層として主面１１の上に配置されている個別要素を含んでいる。その際に隣接する個別要素１４は互に接触する。層構造１３の縁に配置されており接触構造１２に境を接する個別要素１４はそのつどの接触構造１２と接触している。接触構造１２の間の接続線に対して垂直に層構造はたとえば１μｍの広がりを有する。
【００２７】
個別要素１４はたとえば金属クラスターのまわりに絶縁性シースを形成する有機リガンドを有する金属クラスター、または囲まれた金属コアを有するフィラー、または通しの伝導性接続がもはや存在しないようにまた半導体材料が主として細孔および半導体コアから成るように強くエッチングされている多孔性の半導体材料である。好ましくは個別要素１４として有機リガンドから成るシースを有する金属クラスターが使用され、その際に金属クラスターは５５金原子を含んでいる。このような個別要素１４は約２ｎｍの直径を有する。隣接する個別要素の間のキャパシタンスは約０．２ａＦである。
【００２８】
隣接する個別要素１４はトンネル接触を介して互いに接続されている。接触構造１２の間に、個別要素１４の両端の電圧降下がトンネル接触のしきい電圧ｕthよりも小さいような大きさの電圧が与えられると、電流が層構造１３を通って流れ得ない。それに対して接触構造１２の間の電圧が、各個別要素１４の両端の電圧降下がトンネル接触に対するしきい電圧ｕthよりも大きいような大きさの電圧であれば、電子はトンネル接触を経てトンネリングをし、また層構造１３を通って接触構造１２の間に電流が流れる。
【００２９】
図３には、図１および図２により説明したダイオード構造の電流（Ｉ）‐電圧（Ｕ）特性が示されている。電流Ｉは単位ＩO ＝（Ｗ・Ｕth）／（Ｌ・ＲT ）で示されている。その際にＲT はトンネル接触の抵抗、またＷは接触構造１２の間隔に対して垂直な接触構造１２の広がりである。Ｕthはたとえば１．３Ｖ、ＲT はたとえば１００ｋΩ、Ｗはたとえば１μｍ、Ｌはたとえば５０ｎｍである。Ｕは全デバイスのしきい電圧Ｕthの単位で示されている。
【００３０】
基板２０は主面２１を含んでいる（図４および図５参照）。基板２０は主面２１において絶縁されている。基板２０は好ましくはＳｉＯ2 層を有するシリコンから成っている。代替的に基板２０は一貫して絶縁材料、たとえばガラスまたはサファイアから成っている。
【００３１】
主面２１の上に２つの接触構造２２、個別要素２４の一層の層から成る層構造２３とならんで、ゲート誘電体２５およびゲート電極２６が配置されている。主面２１の上にゲート電極２６が配置されている。ゲート電極２６はたとえばドープされたポリシリコンまたは金属、好ましくはアルミニウムまたはチタンから成っている。ゲート電極２６はたとえば５０ｎｍの厚みを有する。
【００３２】
ゲート電極２６の表面にゲート誘電体２５が配置されている。ゲート誘電体２５はたとえばＳｉＯ2 を含んでおり、またたとえば１０ｎｍの厚みを有する。
【００３３】
接触構造２２はゲート電極２６の向かい合う側に配置されている。好ましくは接触構造２２はゲート誘電体２５の縁を覆っている。接触構造２２はたとえば５０ｎｍの間隔を有する。接触構造２２は主面２１に対して平行にたとえば１μｍの幅を有する。接触構造２２の厚みはたとえば５０ｎｍである。
【００３４】
層構造２３はゲート誘電体２５の表面の上に接触構造２２の間に配置されている。層構造２３は１つの層のなかに配置されている個別要素２４を含んでいる。その際に隣接する個別要素２４は接触する。接触構造２２に境を接する層構造２３の側に配置されている個別要素２４はそのつどの接触構造２２と接触する。
【００３５】
個別要素２４は好ましくは、有機リガンドから成るシースにより囲まれている５５金原子から成る金属クラスターである。代替的に個別要素２４は有機リガンドシースを有する他の金属クラスター、囲まれた金属コアを有するフィラー、または多孔性の半導体材料であってよい。
【００３６】
ゲート電極２６への制御電圧の印加により、隣接する個別要素２４の間に存在するトンネル接触の電位障壁の高さが変化する。従って、接触構造２２の間の与えられた電圧に対してゲート電極２６における制御電圧の変化により接触構造２２の間の電流が影響され得る。
【００３７】
基板３０は主面３１を有する（図１および図７参照）。主面３１の上に接触構造３２、１つの層のなかに配置された個別要素３４を含んでいる層構造３３とならんで、ゲート誘電体３５が配置されている。基板３０は主面３１に境を接する２つのゲート電極３６を含んでいる。
【００３８】
基板３０はたとえば単結晶シリコンから成っている。ゲート電極３６は植え込まれた拡散領域として基板内に実現されており、またｐｎ接合により基板３０に対して絶縁されている。
【００３９】
ゲート誘電体３５の表面に２つの接触構造３２が配置されている。接触構造３２はたとえばドープされたポリシリコンまたは金属、好ましくはアルミニウムまたはチタンから成っている。接触構造３２はたとえば５０ｎｍの厚みを有する。接触構造３２の間にはたとえば１５０ｎｍの間隔が存在する。
【００４０】
ゲート電極３６は、それが接触構造３２の間に位置するように基板３０内に配置されている。
【００４１】
層構造３３はゲート誘電体３５の表面に接触構造３２の間に配置されている。層構造３３は一層の層として接触構造３２の間に配置されている個別要素３４から形成される。その際に直接に隣接する個別要素３４は接触する。接触構造３２と隣接する層構造３３の１つの縁に配置されている個別要素３４は接触構造３２と接触する。
【００４２】
個別要素３４は好ましくは、絶縁性の有機リガンドシースにより囲まれている５５金原子を有する金属クラスターである。隣接する金属クラスターの間の絶縁性のシースはクーロン障壁を形成する。個別要素３４は約２ｎｍの寸法を有する。代替的に個別要素は絶縁性のシースにより囲まれている他の大きさの金属クラスター、または囲まれた金属コアを有するフィラーであってよく、または多孔性の半導体材料から成っていてよい。
【００４３】
接触構造３２および層構造３３はゲート誘電体３５により基板３０に対して絶縁されている。接触構造３２、層構造３３、ゲート誘電体３５および両ゲート電極３６は、ゲート電極３６への相応の制御電圧の印加により電荷がリズミカルに一方の接触構造から他方にシフトされ得るデバイスを形成する。それはアービナ（C.Urbina）ほか著「米国電気電子学会論文集・磁気工学編」第２７巻（１９９１年）、第２５７８頁以降に記載されているものと類似の原理による電子ポンプである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるダイオード構造の正面図。
【図２】図１中のＩＩ‐ＩＩを付されているダイオード構造の断面図。
【図３】図１および図２に示されているダイオード構造の特性曲線。
【図４】ゲート電極を有する本発明によるデバイスの正面図。
【図５】図４中のＶ‐Ｖを付されている断面図。
【図６】回転ドア装置として使用可能な２つのゲート電極を有するデバイスの正面図。
【図７】図６中のＶＩＩ‐ＶＩＩを付されている断面図。
【符号の説明】
１０    基板
１１    主面
１２    接触構造
１３    層構造
１４    個別要素
２０    基板
２１    主面
２２    接触構造
２３    層構造
２５    ゲート誘電体
２６    ゲート電極
３０    基板
３１    主面
３２    接触構造
３３    層構造
３５    ゲート誘電体
３６    ゲート電極
【図１】
0003852963.tif 000002
【図２】
0003852963.tif 000003
【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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