JP2812656B2 - One-electron transistor - Google Patents
One-electron transistorInfo
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、一電子トランジスタ
ーに関するものである。さらに詳しくは、この発明は、
室温においても形成可能な新しい一電子トンネリングト
ランジスターに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a one-electron transistor. More specifically, the present invention
The present invention relates to a new one-electron tunneling transistor that can be formed even at room temperature.
【０００２】[0002]
【従来の技術とその課題】走査トンネル顕微鏡（ＳＴ
Ｍ）技術の発展は、物質表面の微細構造を観察するため
の手段として新しい技術地平を切拓いてきている。そし
て、この技術の発展にともなって、一電子トンネリング
の現象と、その応用の検討が進められてきており、特に
トランジスター等への応用は、注目を集めている。2. Description of the Related Art A scanning tunneling microscope (ST)
M) The development of technology has opened up new technological horizons as a means for observing the fine structure of the material surface. With the development of this technology, the phenomenon of one-electron tunneling and its application have been studied, and its application to transistors and the like has attracted attention.
【０００３】この一電子トランジスター(Single Electr
on Tunneling：ＳＥＴ）は、従来、たとえば図１に例示
したように、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）微細探針
（１）と、微小空隙を介して配置した金属粒子（２）、
金属酸化膜（３）および金属基板（４）という系におい
て実現されていた。この一電子トンネリング（ＳＥＴ）
は、金属粒子（２）としての中央電極の化学ポテンシャ
ルの離散化によって生起させるものであって、この系に
より、特有のｉ−ｖカーブが形成されることになる。こ
のカーブを模式的に示すと図２のようになり、中央電極
の余剰電荷が増減する毎に電流の変化が起きることを示
している。The single electron transistor (Single Electr)
Conventionally, on Tunneling (SET) is, for example, as shown in FIG. 1, for example, a scanning tunneling microscope (STM) fine probe (1), metal particles (2) arranged via fine voids,
This has been realized in a system of a metal oxide film (3) and a metal substrate (4). This one-electron tunneling (SET)
Is caused by discretization of the chemical potential of the central electrode as the metal particles (2), and a unique iv curve is formed by this system. This curve is schematically shown in FIG. 2, which shows that a change in current occurs each time the surplus charge of the center electrode increases or decreases.
【０００４】このｉ−ｖカーブは、中央電極に加える電
圧の変化により、それぞれ異なるカーブが得られるの
で、一電子トンネリング現象は、新しいトランジスター
等として応用できることが期待されていた。しかしなが
ら、これまでの知見と技術によっては、たとえば図１に
例示した一電子トンネリング構造は、４Ｋ以下という極
低温下でなければ実現できないという欠点があった。こ
のため、新しいトランジスター等への応用を図るには、
実用上の大きな障害があった。[0004] Since different curves can be obtained from the iv curve depending on the change in the voltage applied to the center electrode, it has been expected that the one-electron tunneling phenomenon can be applied as a new transistor or the like. However, there is a drawback that, for example, the one-electron tunneling structure illustrated in FIG. 1 cannot be realized unless the temperature is extremely low, that is, 4 K or less, depending on the knowledge and technology so far. Therefore, in order to apply it to new transistors, etc.,
There were major practical obstacles.
【０００５】そこで、この発明は、以上の通りの従来技
術の欠点を解消し、４Ｋ以下という極低温条件に制約さ
れることなく、室温もしくはその近傍の、より高温域に
おいて起こる一電子トンネリング現象を利用した全く新
しいトランジスターを提供することを目的としている。The present invention solves the above-mentioned drawbacks of the prior art, and eliminates the one-electron tunneling phenomenon that occurs in a higher temperature region at or near room temperature without being limited to the extremely low temperature condition of 4 K or less. The purpose is to provide a completely new transistor that uses it.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、基板上に配置された複数の電極
部の間に分子が介在配置されるとともに、電極部の間に
介在配置された分子の少なくとも一つには微細探針が対
向され、室温もしくはその近傍においても微細探針に加
える電圧の変化でトンネル電流が制御されることを特徴
とする一電子トランジスターを提供する。さらにまた、
この発明は、分子として、室温近傍において転移配向す
る液晶等の分子を配設することをその好ましい態様とし
てもいる。The present invention solves the above-mentioned problems by interposing molecules between a plurality of electrode portions arranged on a substrate and disposing molecules between the electrode portions.
Intervening at least one the arrangement molecules are oppositely fine probe, to provide a room temperature or one-electron transistors, characterized in that the tunnel current is controlled by changing the voltage applied to the fine probe also in the vicinity thereof You. In addition to is, et al.,
In a preferred embodiment of the present invention, a molecule such as a liquid crystal that undergoes transition alignment near room temperature is provided as the molecule.
【０００７】[0007]
【作用】この発明のトランジスターとしての構造は、た
とえば図３で示すことができ、その回路図はたとえば図
４で例示することができる。これは一般的な電界効果的
トランジスター（ＦＥＴ）（図５）と同じように考える
ことができる。この構造によって、４Ｋ以下という従来
の極低温の条件に拘束されることなく、より高温度で
の、たとえば室温近傍での一電子トンネリングを利用し
たトランジスターを実現することが可能となる。The structure of the transistor according to the present invention can be shown, for example, in FIG. 3, and its circuit diagram can be shown, for example, in FIG. This can be thought of in the same way as a general field effect transistor (FET) (FIG. 5). With this structure, it is possible to realize a transistor using one-electron tunneling at a higher temperature, for example, near room temperature, without being restricted by the conventional extremely low temperature condition of 4K or less.
【０００８】さらに詳しく説明すると、一電子トンネリ
ング（ＳＥＴ）が実現するかどうかは、静電エネルギー
（ｅ2 ／２Ｃ）と、熱エネルギー（ｋＴ）との大小関係
で決まるが、ここでｅは物理基礎定数であって、静電エ
ネルギーは中央電極の静電容量（Ｃ）で決定され、しか
もこの静電容量（Ｃ）は、中央電極の面積で決まること
から、中央電極構成物質をより静電容量の小さな物質に
することができれば、室温の熱エネルギーより大きな静
電エネルギーが形成されて一電子トンネリングが室温で
も生起することになる。More specifically, whether or not one-electron tunneling (SET) is realized is determined by the magnitude relationship between the electrostatic energy (e 2 / 2C) and the thermal energy (kT), where e is a physical value. This is a fundamental constant, and the electrostatic energy is determined by the capacitance (C) of the center electrode. Further, since the capacitance (C) is determined by the area of the center electrode, the material constituting the center electrode becomes more electrostatic. If a small-capacity substance can be used, electrostatic energy greater than the thermal energy at room temperature will be formed, and one-electron tunneling will occur even at room temperature.
【０００９】このため、この発明では、従来の金属粒子
に代えて、室温で一電子トンネリングを実現するための
物質分子を配置する。この分子は、一電子の投入によっ
て極めて大きな静電エネルギーを生じるものとして選択
することができる。その代表例としては、液晶分子を例
示することができる。もちろん、液晶分子に限定される
ことはなく、前記の通りの特性を備えた分子を選択使用
すればよい。Therefore, in the present invention, instead of the conventional metal particles, material molecules for realizing one-electron tunneling at room temperature are arranged. This molecule can be selected as one that produces a very large electrostatic energy upon injection of one electron. As a typical example, liquid crystal molecules can be exemplified. Of course, the present invention is not limited to liquid crystal molecules, and molecules having the above-mentioned characteristics may be selected and used.
【００１０】液晶分子の場合には、その配向構造の形成
によって、一電子トンネリングの制御に極めて有用な物
質となる。たとえば図３においては、外部電極が少くと
も５ｍｍ間隔で配置され、図４において有効なバイアス
電流が与えられることにより、室温近傍での一電子トン
ネリングを利用したトランジスターが実現される。In the case of liquid crystal molecules, the formation of the alignment structure makes the material extremely useful for controlling one-electron tunneling. For example, in FIG. 3, the external electrodes are arranged at least at a distance of 5 mm, and an effective bias current is applied in FIG. 4, whereby a transistor utilizing one-electron tunneling near room temperature is realized.
【００１１】以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発
明のトランジスターについて説明する。Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
【００１２】[0012]
【実施例】４′−ｎ−アルキル−４−シアノビフェニル
（ｍＣＢ）のアルキル鎖の長さの異なるそれぞれの液晶
化合物を配置分子として使用した。この分子化合物は、
室温近傍においてスメクチック液晶（ＬＣ）層を形成す
る。この液晶分子としての７ＣＢ（アルキル鎖の炭素数
ｍ＝７）をグラファイト表面に配設した。この場合、グ
ラファイトの最外表面は使用前に剥離処理し、新しい表
面を露出させた。EXAMPLES Liquid crystal compounds having different alkyl chain lengths of 4'-n-alkyl-4-cyanobiphenyl (mCB) were used as arrangement molecules. This molecular compound is
A smectic liquid crystal (LC) layer is formed near room temperature. 7CB (the number of carbon atoms in the alkyl chain, m = 7) as this liquid crystal molecule was disposed on the graphite surface. In this case, the outermost surface of graphite was stripped before use to expose a new surface.
【００１３】ＳＴＭ探針としては、そのネマチック相転
移温度よりもわずかに低い温度にあるように、常温、常
圧の条件に維持し、ＳＴＭ像を観察し、かつ、ｉ−ｖカ
ーブを測定した。ｉ−ｖ特性は、−２００ｍＶ〜２００
ｍＶのバイアス電圧の範囲において測定した。ｍＣＢと
して、前記のものよりも炭素数の多い８ＣＢ、１０Ｃ
Ｂ、１２ＣＢを用いる場合には、２層構造が観察される
が、７ＣＢについては、異った構造がＳＴＭ像として観
察された。[0013] As STM probe, as is the temperature slightly lower than its nematic phase transition temperature, and maintained normal temperature, the atmospheric pressure conditions, to observe the STM image, and was measured i-v curve . The iv characteristic is -200 mV to 200
The measurement was performed in a range of a bias voltage of mV. As mCB, 8CB, 10C having more carbon atoms than those described above
When B and 12CB were used, a two-layer structure was observed, but for 7CB, a different structure was observed as an STM image.
【００１４】図６は、７ＣＢの場合のｉ−ｖカーブを示
したものであり、多段ステップ状カーブが観測される。
また、基板を白金に代え、この白金結晶表面に液晶分子
を配設した。この場合には、より明瞭な階段ステップ状
のｉ−ｖカーブ特性が得られた。さらに、基板をＡｕ等
の金属に変更して同様のＳＴＭ観察及びｉ−ｖカーブの
測定を行なった。探針素材との各種組合せによって、そ
れらの結果には差異が見られたが、液晶分子を用いるこ
とによる有効性については上記と同様にして確認され
た。FIG. 6 shows an iv curve in the case of 7CB, and a multi-step curve is observed.
Further, the substrate was replaced with platinum, and liquid crystal molecules were provided on the surface of the platinum crystal. In this case, a clearer step-shaped iv curve characteristic was obtained. Furthermore, the same STM observation and measurement of an iv curve were performed by changing the substrate to a metal such as Au. Although there were differences in the results depending on various combinations with the probe material, the effectiveness of using liquid crystal molecules was confirmed in the same manner as described above.
【００１５】次に、液晶分子（４′−ｎ−heptyl−４−
cyanobiphenyl ，７ＣＢ）と白金結晶を用いて、実際に
一電子トンネリングを利用したトランジスターを作成
し、その特性を調べた。図７は電流特性例を示したもの
である。まず、図３において白金結晶を石英基盤上にお
き、その結晶間の距離は、液晶分子と同様の大きさとし
た。図８は、この白金結晶の電子顕微鏡像図である。Next, the liquid crystal molecules (4'-n-heptyl-4-)
Using cyanobiphenyl (7CB) and a platinum crystal, a transistor using one-electron tunneling was actually fabricated, and its characteristics were examined. FIG. 7 shows an example of current characteristics. First, in FIG. 3, a platinum crystal was placed on a quartz substrate, and the distance between the crystals was set to the same size as liquid crystal molecules. FIG. 8 is an electron microscope image of this platinum crystal.
【００１６】次に液晶分子（７ＣＢ）を配置した。これ
らの液晶分子と白金結晶は、液晶分子の大きさと白金結
晶間の距離が同じなので、トンネルジャンクションアレ
イを形成することになる。この構成において、ＳＴＭ探
針の先端を液晶分子の上に固定し、外部電極を一つの白
金結晶に接続した。図４の回路図においてゲート電圧Ｖ
G の変化にともなうトンネル電流の変化をみると、図７
のｉ−ｖカーブに示したように、ゲート電圧ＶG ：０．
５Ｖ−０．５Ｖ（１Ｖ変化）でｉ−ｖカーブ上にステッ
プが２つ、ＶG ：０．５Ｖ−２Ｖ（２Ｖ変化）でステッ
プが５つそれぞれみられる。このステップの数は生起し
た一電子トンネリングの数に対応しているので、ＶG の
変化に伴う一電子トンネリング電流の変化が確認でき
る。つまり、ＶG によるトンネル電流の制御ができてい
ると考えられる。Next, liquid crystal molecules (7CB) were arranged. Since these liquid crystal molecules and the platinum crystal have the same size of the liquid crystal molecule and the distance between the platinum crystals, a tunnel junction array is formed. In this configuration, the tip of the STM probe was fixed on the liquid crystal molecules, and the external electrode was connected to one platinum crystal. In the circuit diagram of FIG.
Fig. 7 shows the change in tunnel current with the change in G.
I-v, as shown in curve, the gate voltage V G: 0.
Two steps on i-v curves 5V-0.5V (1V change), V G: Step 0.5V-2V (2V change) is observed five respectively. Since this number of steps corresponds to the number of occurrence was single-electron tunneling, a change in one-electron tunneling current due to the change in V G can be confirmed. That is, it is considered that it is the control of the tunneling current by V G.
【００１７】[0017]
【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、室温またはその近傍の高温状態態における一電子
トンネリングを利用することによる全く新しいトランジ
スターが提供される。As described in detail above, the present invention provides an entirely new transistor by utilizing one-electron tunneling in a high temperature state at or near room temperature.
【図１】従来のトンネリング構造を示した模式図であ
る。FIG. 1 is a schematic view showing a conventional tunneling structure.
【図２】一電子トンネリング現象におけるｉ−ｖカーブ
を示した概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing an iv curve in a one-electron tunneling phenomenon.
【図３】一電子トンネリングトランジスターの構造を示
した模式図である。FIG. 3 is a schematic view showing the structure of a one-electron tunneling transistor.
【図４】一電子トンネリングトランジスターの電流特性
を得るための回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram for obtaining a current characteristic of a one-electron tunneling transistor.
【図５】一般的な従来のトランジスターの模式図であ
る。FIG. 5 is a schematic view of a general conventional transistor.
【図６】液晶分子７ＣＢの場合のｉ−ｖ特性図である。FIG. 6 is an iv characteristic diagram in the case of liquid crystal molecules 7CB.
【図７】一電子トンネリングトランジスターの電流特性
を示した図である。FIG. 7 is a diagram showing current characteristics of a one-electron tunneling transistor.
【図８】白金結晶の電子顕微鏡像を示した図面代用の写
真である。FIG. 8 is a drawing substitute photograph showing an electron microscope image of a platinum crystal.
Claims (1)
分子が介在配置されるとともに、電極部の間に介在配置
された分子の少なくとも一つには微細探針が対向され、
室温もしくはその近傍においても微細探針に加える電圧
の変化でトンネル電流が制御されることを特徴とする一
電子トランジスター。1. A method according to claim 1, wherein molecules are interposed between the plurality of electrode portions disposed on the substrate, and interposed between the electrode portions.
Has been reduced as one thing fine probe also molecules are opposed,
A one-electron transistor in which a tunnel current is controlled by a change in voltage applied to a fine probe even at or near room temperature.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6125421A JP2812656B2 (en) | 1993-08-13 | 1994-06-07 | One-electron transistor |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20161193 | 1993-08-13 | ||
| JP5-201611 | 1993-08-13 | ||
| JP6125421A JP2812656B2 (en) | 1993-08-13 | 1994-06-07 | One-electron transistor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07106549A JPH07106549A (en) | 1995-04-21 |
| JP2812656B2 true JP2812656B2 (en) | 1998-10-22 |
Family
ID=26461864
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6125421A Expired - Fee Related JP2812656B2 (en) | 1993-08-13 | 1994-06-07 | One-electron transistor |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| US5731598A (en) * | 1995-06-23 | 1998-03-24 | Matsushita Electric Industrial Co. Ltd. | Single electron tunnel device and method for fabricating the same |
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-
1994
- 1994-06-07 JP JP6125421A patent/JP2812656B2/en not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH07106549A (en) | 1995-04-21 |
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