電晶體的製作方法

2023-08-11 17:25:31

專利名稱：電晶體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電晶體，特別是一種能夠符合於顯著減小電子電路尺寸的極小的電晶體。
其間，脫氧核糖核酸(此後可以稱為「DNA」)的一種功能已經受到關注。脫氧核糖核酸是一種具有雙螺旋結構的並且由從包括腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤和胸腺嘧啶的四種基團中選擇的兩種基團對在磷酸核糖鏈上形成的物質。天然DNA具有大約2nm的直徑和數米的長度。DNA存在於各種生物體的細胞核中。一個DNA序列記錄了全部遺傳信息。Watson和Crick發現了DNA的特殊化學結構。此後，開始通過研究DNA序列來研究人類基因組和酶產生。
已經開始研究用DNA作為電子器件的材料，並且DNA的導電性已經引起特別的注意。
如果能夠在電子電路上使用DNA，那麼可以想到利用DNA作為小電路的組件可以達到超過慣用矽器件電路的集成度。但是，迄今為止，還沒有報導過DNA電晶體的操作實例。

發明內容
本發明的一個目的是要提供一種利用DNA作為結構材料的，能夠符合顯著減小電子電路尺寸的極小的電晶體。
本發明公開了一種電晶體，這種電晶體包括一個源極元件，一個漏極元件，一個柵極元件，和一個脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體，其中所述的源極元件，所述的漏極元件，所述的柵極元件中至少有一個連接所述的脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體。
在本發明的電晶體中，由於使用了一個脫氧核糖核酸分子或一個脫氧核糖核酸分子聚集體作為一部分結構材料，因此電晶體可以極小，並且符合顯著減小的電子電路尺寸。
由於採用脫氧核糖核酸分子(DNA)或脫氧核糖核酸分子聚集體的功能，本發明的電晶體存在著兩個方面的功能(1)一個方面的特徵在於DNA或脫氧核糖核酸分子聚集體起到載荷子傳送材料的作用。
(2)另一個方面的特徵在於DNA或脫氧核糖核酸分子聚集體形成了一個連接柵極元件的團，並且該團具有絕緣材料的功能。
根據方面(1)，所述的電極元件最好是棒狀(rod-like)，並且沿脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體的縱向，以所述的源極、柵極和漏極這樣的排列順序連接脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體。
在方面(1)中，所述柵極元件連接所述脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體的部分的寬度優選是0.1nm到100nm。此外，所述源極元件連接所述脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體的點與所述漏極元件連接所述脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體的點之間的間隙優選是1nm至100nm。所述脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體優選具有2nm至10μm的長度。此外，所述脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體具有10個或更少的分子，並且是線狀(thread-like)或束狀(bundle-like)。
根據方面(1)，本發明的電晶體可通過利用DNA，作為一個單電子隧道效應管操作，或作為一個普通場效應管操作。
根據方面(2)，設置一個脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體，以便與一個載荷子傳送材料接觸，一個柵極元件連接脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體，以便不與載荷子傳送材料接觸，一個源極元件和一個漏極元件連接載荷子傳送材料同時把脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體夾在它們之間。
根據方面(2)，所述源極元件連接所述載荷子傳送材料的點與所述漏極元件連接所述載荷子傳送材料的點之間的間隙優選是1nm至1μm。此外，在方面(2)中，載荷子傳送材料優選是一個納米管。根據方面(2)，一個脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體團的厚度優選是2nm至100nm。
在方面(1)和(2)中，脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體中構成脫氧核糖核酸分子基團的數量優選是2至100,000個。
在方面(1)和(2)中，由於DNA極細微，因而很難對其進行有效的電布線。但是，如果用碳納米管作為電極元件，那麼就很容易對DNA進行電布線。也就是說，優選用碳納米管作為源極、柵極和/或漏極。
圖7顯示關於示例1的電晶體的源極和漏極之間的電流-電壓特性的曲線圖；圖8是在製造示例2的電晶體的過程中將一個源極和一個漏極敷設在一個納米管上觀察到的AFM圖像(照片)；圖9是代表圖8的AFM圖像(照片)，圖8的典型說明圖；

圖10是顯示關於示例2的電晶體，柵極電壓在-1V至-5V的範圍內變化時的源極與漏極之間的電流-電壓特性的曲線圖；圖11是顯示關於對比例1的電晶體，柵極電壓在-1V至-5V範圍內變化時，源極和漏極之間的電流-電壓特性的曲線圖。
實施例(1)本發明的實施例(1)的特徵在於脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體起到載荷子傳送材料的作用。
圖1是本發明的實施例(1)的典型結構圖。在圖1中，標號2代表脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體(此後可以把脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體簡稱為「DNA」)。三個電極元件，即，源極元件4，柵極元件6，和漏極元件8(在圖1中，從左側開始)按這種順序連接在DNA上。以這種方式形成了一個電晶體。
脫氧核糖核酸分子(DNA)2可以是由一個DNA形成的，或可以是由兩個或更多的DNA的聚集體形成的。當DNA 2是由一個DNA形成的時候，優選將它形成纖維形。當DNA 2是兩個或更多的DNA的聚集體的時候，優選形成一個線狀(thread-like)或束狀(bundle-like)。DAN 2分子的數量優選是10個或少於10個，更好是5個或少於5個。
DNA 2的長度優選是在2nm至10μm範圍，更好是在3nm至50nm的範圍。特別是，如果所得的電晶體是要發揮單電子隧道效應管的功能，那麼DNA 2的長度希望在4nm至10nm的範圍。
如上所述，DNA是一種具有雙螺旋結構，並且是由從包括腺嘌呤，胞嘧啶，鳥嘌呤和胸腺嘧啶的四種基團中選擇的兩種基團對以及磷酸核糖鏈形成的物質。在實施例(1)中，這些基團的順序沒有限制。在DNA 2中，構成DNA的基團的數量優選是2至100,000個，更好是10至300個。
DNA 2可以是從各種天然生物源提取的天然DNA，或化學合成的人造DNA。此外，DNA2可以是通過切斷、粘合、修改、重排、和重組天然DNA獲得的DNA。
如果使用天然DNA，那麼最好要提純天然DNA，因為天然DNA中通常包含蛋白質之類的雜質。以下說明一個特殊的DNA提純方法。以下的方法僅是示例，各種條件(特別是特定的數值)和過程可以適當地改變。
首先，用乙醇從DNA中除去雜質蛋白質。
接下來，用緩衝溶液(氯化鈉300mmol/L，碳酸鈉10mmol/L，EDTA(乙二胺四乙酸)5mmol/L)洗滌DNA，以除去雜質。如果希望獲得具有更高純度的DNA，那麼最好是用電泳離析DNA。
在用緩衝溶液洗滌DNA之後，將DNA分散在乙醇和水的混合溶液(乙醇20％重量，水80％重量)中，以便除去鹽類。優選使用蒸餾後用具有0.1μm孔直徑的過濾器過濾的乙醇。此外，優選使用(具有18MΩ或更大電阻值的)超純水。用乙醇和水的混合溶液從DNA除去不必要的鹽類兩或三次，從而把DNA的密度調整到0.01％至0.1％。
在上述除去雜質的過程中，DNA分子會粘附在一起，成為一塊。因此，最好把得到的DNA在乙醇和水的混合溶液中保存1到10天，以便使DNA分子膨脹。保存DNA的溫度優選是2℃至10℃。例如，如果將DNA保存在7℃，那麼在7天左右DNA將完全膨脹成纖維形。
源極元件4、柵極元件6、和漏極元件8連接在DNA 2上的順序可以從右到左顛倒。也就是說，在本發明中，短語「在DNA的縱向的源極元件、柵極元件和漏極元件的這種排列順序」表示源極元件、柵極元件和漏極元件的這種順序與把DNA的哪一端作為DNA縱向的參考端無關。
柵極元件6與DNA 2接觸部分的寬度優選是0.1nm至100nm，更好是0.5nm至20nm，最好是1nm至15nm。由於可以使柵極元件6的接觸部分很窄，因此也可以使源極元件4連接DNA 2的點與漏極元件8連接DNA 2的點之間的間隙很窄(柵極元件6設置在源極元件4和漏極元件8之間)。以下說明優選使間隔很窄的原因。
在本發明的實施例(1)中，當把電極線設置到DNA 2上時，如圖1所示，希望把導電細線(針形線)獨立地連接到DNA 2。下面說明獨立地連接導電細線的原因。
當把DNA用作電子器件時，存在著三點問題。
(1)由於DNA的直徑很小，例如，2.3nm，因而電流難於流過DNA。因此，電阻增大。如果源極與漏極之間的間隔較大，那麼不能期望DNA作為電晶體器件操作。因此，為了實現一種利用DNA作為載荷子傳送材料的電晶體，最好是使源極和漏極之間的間隔儘可能地小。根據本發明人的研究，如果源極與漏極之間的間隙窄於50nm，可以將0.1nA至10nA的電流施加到DNA。
(2)在用於連接到DNA的電極元件(特別是源極元件和漏極元件)的材料中，沒有一種無機材料能夠實現對DNA的電阻連接。因此，在源極元件和漏極元件連接DNA的部分上，電極元件連接DNA部分的寬度需要相同，並且需要用兩個實際上相等的肖特基勢壘來實現肖特基連接。
(3)如(1)中所述，最好使源極與漏極之間的間隙儘可能地窄(例如，如上所述，小於50nm)。因此，必須使設置在源極元件和漏極元件之間的柵極元件的寬度窄於源極與漏極之間的間隔。
作為布微小電極的布線方法，一般是用光曝光法或電子束曝光法給DNA曝光，並且抗蝕顯影。然後，在其上敷設金屬線。但是，在使用DNA之類的有機材料的情況下，在抗蝕顯影中不能使用有機溶劑。在光曝光法中，不能敷設具有紫外光的衍射極限的100nm或更小直徑的電極線。在電子束曝光法中，由於電子線路的幹涉效應，在技術上很難敷設具有10nm或更小直徑的電極線。
如上所述，憑藉用曝光技術在基底上進行布線不太容易在具有2.3nm直徑的DNA分子上布電極線。因此，為了在DNA分子上布電極線，如上所述，希望將獨立導電細線(針形線)連接到DNA。
可以使用諸如普通的金屬線，金、鉑、銅、鉻、鈦之類的任何材料作為源極元件4、柵極元件6和漏極元件8(以後可稱為「電極元件」)的材料。為了實施在DNA這樣的極小材料上布線，優選使用碳納米管(此後簡稱為「納米管」)。
納米管是一種碳材料，並且是一種具有形成閉合圓柱形石墨結構的棒狀(rod-like)物質。存在著兩種納米管結構，即，一種多壁結構和一種單壁結構。具有任何一種結構的納米管可以是一個顯示出半導體特性的納米管，或是一個顯示出導體特性的納米管。具有多壁結構的納米管或是具有單壁結構的納米管都可以用於電極元件。由於納米管的直徑極小，因而優選使用納米管連接到DNA之類的細線。納米管一般是用電弧放電法、雷射消融法、或化學汽相生長法等方法製造的。
用作電極元件的納米管的直徑優選是0.1nm至100nm，更好是0.5nm至20nm，最好是1nm至15nm。特別是，如上所述，柵極元件6的寬度要理想的窄。因此，優選使用具有較小直徑的納米管。更具體地講，理想地納米管直徑要小於源極元件4與漏極元件8之間的間隔。例如，如果間隔是10nm或更小，那麼適合使用具有單壁結構的和0.5nm至2nm直徑的納米管。
源極元件4連接DNA 2的點與漏極元件8連接DNA 2的點之間的間隙(此後可以稱之為「源極-漏極距離」)優選是100nm或更小，更好是50nm或更小。間隔優選是儘可能的窄，以便在電極間施加大的電流量。當把極微小的單壁納米管用作柵極元件6時，納米管具有0.5nm至2nm的直徑，而DNA具有2.3nm的直徑。因此，源極-漏極距離優選是1nm或更大，更好是2nm或更大。
源極-漏極距離一般希望是5nm至20nm。為了實現場效應管，15nm至20nm的距離是最理想的。
在實施例(1)中，通過把源極-漏極距離製造得儘可能的短，可以製造一個不是普通場效應管，而是一個利用庫侖阻塞現象的具有單電子隧道效應管功能的電晶體。在這裡單電子隧道效應管是指一種由於庫侖阻塞現象而能夠實施開關操作的電晶體。圖2示出了一個單電子隧道效應管的等效電路。
單電子隧道效應管是這樣構造的，使得三個小電容器10a，10b和10c能夠積累電荷並引起隧道效應。也就是說，由於貫穿電流是由積累的每個小電容器10a，10b和10c中的一個電荷(one electric charge)控制的庫侖阻塞現象，源極S與漏極D之間流過的電流在載荷子傳送材料12中受到經過一個庫侖島從柵極G施加的柵極電壓的控制。結果，單電子隧道效應管具有開關操作。
為了使實施例(1)中的電晶體具有單電子隧道效應管的功能，源極-漏極距離優選是1nm至50nm，更好是2nm至10nm，最好是4nm至8nm。
由於熱起伏效應，一般很難使單電子隧道效應管在室溫下操作。但是，由於本發明的單電子隧道效應管具有由一個大約1 aF(a＝10-18)的DNA結構形成的小電容器，因而可以在室溫下操作。
各電極元件連接DNA 2的角度沒有特別的限制。如圖1中所示，電極元件可以這樣與DNA 2連接，使得電極元件能夠在DNA 2的縱向與DNA 2相交。(電極元件可以與DNA 2垂直相交，或可以以預定的角度相交。)此外，電極元件可以這樣連接DNA 2，使得電極元件的末端與DNA 2接觸。作為選擇，電極元件可以沿DNA 2的縱向連接DNA 2。在這裡，由於柵極元件6必須設置在源極元件4連接DNA 2的點與漏極元件8連接DNA 2的點之間的間隙中，因此，柵極元件6連接DNA 2，使得在DNA 2的縱向上柵極元件與DNA 2相互交叉，或是柵極元件6的末端與DNA 2接觸。
用適當的措施結合各電極元件連接DNA 2的部位，或不用任何特殊的措施。特別是當把納米管用作電極元件時，應當考慮到在納米管和DNA 2接觸時DNA 2的表麵條件可能改變。因此，納米管與DNA 2不需要粘合或焊接便可牢固地結合。為了使電極布線更容易，因而用納米管作為電極元件是理想的。
可以用在把DNA 2固定在適當的保持基底上的同時將各電極元件在DNA 2上布線的方式，製造上述圖1中所示的本發明實施例(1)的電晶體。
使用具有比DNA更高電阻的絕緣基底作為固定DNA的保持基底。保持基底的例子包括超薄氧化矽膜矽基底，藍寶石單晶基底，或雲母基底。在這些基底中，較好的是具有相對於原子排列來說平坦表面的藍寶石基底或雲母基底。
作為一個示例，以下對製造本發明的實施例(1)的電晶體的例子進行說明，電晶體帶有一個用在單晶矽基底(100)上生長一層3.5nm厚度的氧化矽薄膜的方式獲得的固定DNA的保持基底。這個製造例子只是一個示例，本發明不限於此。
利用超高真空化學汽相法進行在一個單晶矽(100)基底上氧化矽膜的生長，以形成一個超薄膜層。生長所用的材料是甲矽烷和氧基團。生長期間的真空度是2.66×10-6Pa(2×10-8Torr)。生長的溫度設定在420℃，生長的速度是0.12nm/sec。
將一個經過如上所述膨脹的DNA分子放置在保持基底的氧化矽膜上。把納米管之類的針形材料連接到DNA分子的兩端，作為一個源極元件和一個漏極元件。然後在源極元件和漏極元件之間連接納米管之類的針形材料作為柵極。結果，可以製造出本發明的實施例(1)的電晶體。
實施例(2)在實施例(2)中，脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體形成一個團，以連接柵極元件，並且起絕緣材料的作用。
圖3示出了本發明的實施例(2)的一個典型結構圖。在圖3中，標號20代表載荷子傳送材料。將一個脫氧核糖核酸分子(DNA)22的塊放置在載荷子傳送材料20上，並與之接觸。一個柵極元件26連接DNA 22，以便不與載荷子傳送材料20接觸。將源極元件24和漏極元件28放置在DNA 22的兩端，使柵極元件26處於它們之間。以這種方式，形成了一個電晶體。由於DNA 22的存在，在載荷子傳送材料20中形成了一個強耗盡層，從而該電晶體起了一個場效應管的作用。
使用與本發明的實施例(1)相同的DNA作為DNA 22。DNA 22是由大量排列成行的基團形成的，或DNA聚集體形成的。作為一個整體，DNA22被形成一個塊。優選將DNA 22形成一個團，以便連接柵極元件26，使其不接觸載荷子傳送材料20。DNA 22的厚度優選是2nm至100nm，更好是5nm至30nm。
納米管、矽、砷化鎵、磷化銦、硝酸鎵等可以用作載荷子傳送材料20。出於由於DNA 22的存在形成了一個強耗盡層的事實，使用納米管是理想的。用作載荷子傳送材料20的納米管的大小沒有特別的限制，但是，納米管的長度一般在5nm與10μm之間，其直徑一般在0.5nm和30nm之間。具有多壁結構的納米管或具有單壁結構的納米管都可以使用。
納米管可以令人滿意地用作柵極元件26、源極元件24和漏極元件28。如實施例(1)中所述，利用納米管作為電極元件，可以精確和容易地在包括作為結構材料一部分的DNA的實施例(2)的電晶體上進行電極布線。可以使用與實施例(1)相同的納米管。
柵極元件26連接DNA 22的接觸部分的寬度優選是0.1nm至100nm，更好是1nm至10nm。由於具有上述範圍的柵極元件26的寬度，提高了柵極的場強，在載荷子傳送部分(納米管)中形成了一個反型層，並因此可以實現開關操作。
源極元件24連接載荷子傳送材料20與漏極元件連接載荷子傳送材料20之間的間隙(即，源極-漏極距離)優選是1nm至1μm，更好是5nm至100nm。由於源極-漏極距離在上述範圍中，提高了源極與漏極之間的電流值，並且也提高了電晶體操作中的SN比。
電極元件連接載荷子傳送材料20的角度，或電極元件連接DNA 22的角度與實施例(1)中的相同。連接部分的結合也與實施例(1)中的相同。
可以用把納米管之類的載荷子傳送材料20固定在一個適當的保持基底的表面上，將一個DNA 22的塊放置到載荷子傳送材料20上，以便與其接觸，並且在其上布電極元件線的方式，製造上述圖3中所示的本發明實施例(2)的電晶體。
示例以下說明本發明的示例，但本發明不限於這些示例。
示例1在示例1中，使用了從天然鮭魚的精液取得的DNA。為了從DNA中除去蛋白質之類的雜質，將10mg的粗提DNA分散在10ml的乙醇(99.9％重量)中。將所得混合物在室溫下攪拌30分鐘，並且用具有1μm孔直徑的PTFE(聚四氟乙烯)過濾器過濾。將這種操作重複進行三次。然後，除去了蛋白質所得的DNA分散在100ml的緩衝溶液(氯化鈉300mmol/L，碳酸鈉10mmol/L，EDTA(乙二胺四乙酸)5mmol/L)中。使用超純水(電阻值1.83MΩ)製備緩衝溶液。將所得的混合物在室溫下攪拌30分鐘，並用具有1μm孔直徑的聚四氟乙烯(PTFE)過濾器過濾。因而，從DNA中除去雜質。
接下來，為了從DNA中除去鹽類，將DNA分散在乙醇和水的混合溶液(乙醇20％重量，水80％重量)中。在用具有0.1μm孔直徑的過濾器過濾之前，蒸餾乙醇。使用超純水(電阻值18.3MΩ)。在分散之後，搖動所得材料10分鐘，並用離心法分離(轉數300rpm，旋轉時間1小時)。這種過程重複三次，最後使DNA密度調整到0.02％重量。
最後，為了分散DNA分子聚集體，將DNA分子在乙醇和水的混合溶液(乙醇20％重量，水80％重量)中保存7天(膨脹處理)。在進行了膨脹處理後，確認DNA分子已經膨脹為纖維形。從獲得的纖維形DNA提取一個DNA分子，並用於製造以下的電晶體。具有200個形成DNA分子的基團。DNA分子具有2.3nm的直徑和65nm的長度。
使用一個保持基底來固定DNA，保持基底是用在一個單晶矽(100)基底上生長3.5nm厚度的氧化矽膜的方式製造的。製造保持基底的特殊方法如上所述。在把DNA分子固定於保持基底表面的氧化矽膜上的同時，使用納米管作為電極元件進行布線。下述納米管是用電弧放電法製造的。
為了把納米管制造的導線連接到DNA分子，使用了一個三探針原子力顯微鏡(triple-probe atomic force microscope)(以下稱為「T-AFM」)。T-AFM是一個實際上周作AFM的，具有三個電獨立探針的，並且能夠以納米級精度處理樣本和進行電測量的裝置。在示例1中，將納米管構成的探針(納米管探針)連接到DNA，並且同T-AFM測量電流-電壓特性。專用的處理過程如下。
首先，觀察目標DNA分子，並且確定在DNA分子上的位置。然後，在用T-AFM移動將要成為一個柵極元件的單壁納米管(具有1.5nm的直徑，即，柵極元件的寬度是1.5nm)時，使單壁納米管與DNA分子交叉，並且連接DNA分子，從而形成一個柵極。接下來，將兩個將要分別成為源極元件和漏極元件的多壁納米管(具有8nm的直徑)靠近DNA分子連接柵極元件的位置，使將要分別成為源極元件和漏極元件的兩個納米管之間保持一個預定的距離。兩個多壁納米管之間的距離成為源極和漏極之間的距離。在示例1中，間隙是20nm，10nm，和5nm。最後，使兩個納米管連接DNA分子，以便把柵極元件連接DNA分子的位置夾在中間。結果，形成了一個源極和一個漏極。此後，從T-AFM切下成為源極元件和漏極元件的兩個多壁納米管。從而製造出了一個示例1的電晶體。
圖4示出了觀察的示例1的電晶體的AFM圖像(照片)。圖5示出了一個代表的圖4的視圖。如圖4和5中所示，一個源極，一個漏極和一個柵極連接到DNA。圖4和5示出了一個具有20nm的源極和漏極間距離的電晶體。
對於得到的電晶體，將電壓施加到柵極，並測量源極和漏極間的電流-電壓特性。圖6示出了使柵極電壓在0V至4V的範圍中變化時的源極與漏極間的電流-電壓特性的曲線圖。使用了一個具有20nm的源極與漏極間距離的電晶體。測量是在室溫和乾燥氮氣環境下進行的。如果柵極電壓變化，電流-電壓特性也改變。因此，發現製造出了一個具有開關功能的電晶體。
對於得到的具有不同的源極和漏極間間隙的三個電晶體，測量源極與漏極間電流-電壓特性。圖7示出了有關各電晶體的源極與漏極間電流-電壓特性的曲線圖。柵極電壓固定在2V，測量是在室溫和乾燥氮氣環境下進行的。
如從圖7中所見，發現隨源極和漏極間的間隙變短，即，20nm，10nm和5nm，電流值增大。此外，在電晶體源極和漏極間距離為5nm時，如從圖7的曲線圖中所示的電流-電壓特性所見，在0.26V，0.34V，0.42V，和0.50V的源極和漏極間電壓VDS確認了可以被庫侖阻塞現象引起的臺階。結果，可以確認示例1的電晶體可以作為一個單電子隧道效應管操作。
示例2和對比例1
在本示例中，使用了與示例1中相同的DNA，並且對DNA進行了與示例1相同的純化處理，只是取消了最後的膨脹處理。使用了由一個DNA分子塊形成的聚集體來製造電晶體。一個DNA分子平均具有12,000個形成DNA分子的基團。製造一個其中用DNA作為連接柵極元件的絕緣材料的電晶體。將納米管用作載荷子傳送材料。
使用了一個用電弧放電法製造的多壁納米管(具有3μm的長度，和10nm的直徑)。將納米管固定在如示例1中的保持基底表面的氧化矽膜上。將一個DNA分子塊結合到納米管。
如示例1中那樣，利用T-AFM布電極元件線。更具體地講，使兩個由多壁納米管構成的將要成為一個源極元件和一個漏極元件的探針(納米管探針具有15nm的直徑)連接在一個納米管的兩端，從而形成了源極和漏極。然後，將兩個成為源極元件和漏極元件的多壁納米管從T-AFM切下。源極和漏極把DNA塊夾在中間。圖8示出了觀察AFM圖像(照片)，其中在一個納米管上布設了源極和漏極線。圖9示出了代表圖8的視圖。如圖8和9中所示，源極和漏極連接到一個納米管，並且一個DNA團連接在用作載荷子傳送材料的納米管上。
利用T-AFM的一個納米AFM探針，通過把一個納米管連接到DNA團上進行柵極布線。把稱為柵極元件的納米管從AFM探針上切下。用這種方式，製造了示例2的電晶體。用把一個納米管在一個不是DNA團的位置上連接到一個作為載荷子傳送材料的納米管上的方式製造一個用於對比的對比例1的電晶體。
對於得到的電晶體，向柵極施加電壓，並且測量源極和漏極間的電流-電壓特性。圖10是顯示當柵極電壓在0V至-5V範圍內變化時的示例2的電晶體的源極與漏極間電流-電壓特性的曲線圖。圖11是顯示當柵極電壓在0V和-5V範圍內變化時的對比例1的電晶體的源極與漏極間電流-電壓特性的曲線圖。
如圖11中所示，在柵極電壓直接施加到一個納米管的對比例1的電晶體的情況下，電流洩露，電流-電壓特性顯示出一個三極體的特性，並且不產生源極-漏極電流值的飽和。相反，在柵極電壓施加到DNA的示例2的電晶體的情況下，存在一個源極-漏極電流值的飽和區，並且可以形成一個實際上完美的場效應管。此時，通過從AFM圖像計算，發現DNA的厚度是15nm。
如上所述，根據本發明，通過使用DNA作為結構材料，可以獲得一個符合於顯著地減小電子電路尺寸的極小的電晶體。
權利要求
1.一種電晶體包括一個源極元件；一個漏極元件一個柵極元件；和一個脫氧核糖核酸分子或一個脫氧核糖核酸分子聚集體；其中所述的源極元件，所述的漏極元件和所述的柵極元件至少有一個連接所述的脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體。
2.根據權利要求1所述的電晶體，其特徵在於，其中所述脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體用作載荷子傳送材料。
3.根據權利要求2所述的電晶體，其特徵在於，其中所述的電極元件為棒狀(rod-like)，其中，所述源極元件，所述柵極元件，和所述漏極元件以這種排列順序沿所述脫氧核糖核酸分子和脫氧核糖核酸分子聚集體的縱向接觸。
4.根據權利要求3所述的電晶體，其特徵在於，其中所述柵極元件連接所述脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體的部分的寬度是0.1nm至100nm。
5.根據權利要求3或4中任何一個所述的電晶體，其特徵在於，其中所述源極元件連接所述脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體的點與所述漏極元件連接所述脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體的點之間的間隙是1nm至100nm。
6.根據權利要求2至5中任何一個所述的電晶體，其特徵在於，其中所述脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體具有2nm至10μm的長度。
7.根據權利要求2至6中任何一個所述的電晶體，其特徵在於，其中所述脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體具有10個或更少的分子，並且形成為線狀(thread-like)或束狀(bundle-like)。
8.根據權利要求2至7中任何一個所述的電晶體，其特徵在於，進一步具有單電子隧道效應管的功能。
9.根據權利要求1所述的電晶體，其特徵在於，其中所述脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體形成團形並且連接所述柵極元件，且作為絕緣材料使用。
10.根據權利要求9所述的電晶體，其特徵在於，其中放置所述脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體，以便接觸一個載荷子傳送材料，所述柵極元件連接所述脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體，但不接觸所述載荷子傳送材料，所述源極元件和所述漏極元件把所述脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體夾在中間並且連接所述載荷子傳送材料。
11.根據權利要求10所述的電晶體，其特徵在於，其中所述源極元件連接所述載荷子傳送材料的點與所述漏極元件連接所述載荷子傳送材料的點之間的間隙是1nm至1μm。
12.根據權利要求10或11中任何一個所述的電晶體，其特徵在於，其中所述載荷子傳送材料是一個碳納米管。
13.根據權利要求9至11中任何一個所述的電晶體，其特徵在於，其中所述脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體的團的厚度是2nm至100nm。
14.根據權利要求1至13中任何一個所述的電晶體，其特徵在於，其中在所述脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體中構成一個脫氧核糖核酸分子基團的數量是2至100,000個。
15.根據權利要求1至14中任何一個所述的電晶體，其特徵在於，其中所述柵極是一個碳納米管。
16.根據權利要求1至15中任何一個所述的電晶體，其特徵在於，其中所述源極和/或所述漏極是一個碳納米管。
全文摘要
提供了一種電晶體,電晶體包括一個脫氧核糖核酸分子或一個脫氧核糖核酸分子聚集體作為一部分結構材料,具有一個源極元件,一個漏極元件,和一個柵極元件,其中三個電極元件中的至少一個連接脫氧核糖核酸分子或脫氧核糖核酸分子聚集體。
文檔編號H01L29/78GK1375878SQ0113617
公開日2002年10月23日 申請日期2001年11月19日 優先權日2001年3月16日
發明者渡邊浩之, 真鍋力, 重松大志, 下谷啟, 清水正昭 申請人:富士施樂株式會社