包括纳米结构的三维纳米器件的制作方法

专利名称：包括纳米结构的三维纳米器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种三维(3D)纳米器件，并尤其涉及包括3D结构的三维纳米器件，与传统的二维(2D)纳米器件相比，该纳米器件可以应用于更多种形状和场合。而且，本发明涉及一种三维纳米器件，该三维纳米器件克服了二维器件的可应用局限，减少了通过探测光信号来检测电信号所致的噪声，并且检测信号可以利用额外的电 效应予以增强。技术领域随着信息和通信技术的发展，可以被传输的数据量以几何级数增长，并且用于处理数据的半导体器件的集成密度也逐渐增加。但是，大多数半导体器件的集成密度取决于制造这些半导体器件的设备，并且使得半导体器件微型化的方法也取决于设备的特性。而且，对于将微型化的半导体器件应用 到新的驱动装置，如传感器和其他生物材料检测装置上存在特定的技术限制。

发明内容
本发明旨在具有新的结构并且与二维(2D)纳米器件相比具有更好点特性的三维 (3D)纳米器件，其中，电子器件和光学器件彼此互补。而且，本发明旨在一种三维纳米器件，其不仅作用为用于电子装置的有源驱动器 (例如晶体管)，而且作为传感器。此外，本发明旨在一种三维纳米器件，其功能为用于提供量子机械振动的量子器 件。本发明的一个方面提供了一种三维纳米器件，其包括至少一个纳米结构，每个纳 米结构包括浮在衬底之上的振荡部分和用于支撑振荡部分的两个长度方向端部的支撑部 分；支撑件，该支撑件设置在衬底上以支撑每个纳米结构的支撑部分；至少一个控制器，其 控制器设置在衬底的上部、衬底的下部、或者衬底的上部和下部，以控制每个纳米结构；以 及检测单元，该检测单元设置在每个振荡部分上，以检测外部施加的吸附材料。三维纳米器件还包括外部振荡部分，该外部振荡部分设置在衬底之下。控制器还 包括压电材料或金属材料，其设置在纳米结构的振荡部分的下部和/或上部，以与纳米结 构相交并且导致振荡部分振荡。而且，控制器可以包括至少一个电极，该至少一个电极设置 在振荡部分之下、衬底之上，以与纳米结构相交并且导致振荡部分振荡。 振荡部分可以为几nm到1微米的宽度、几nm到1微米的高度以及IOOnm到100微 米的长度。每个振荡部分和衬底可以由从以下构成的组中选出的一种材料形成Si、Ge、Sn、 Se、Te、B、C、P、B_C、B_P (ΒΡ6)、B-Si、Si-C, Si-Ge, Si_Sn、Ge_Sn、SiC、BN/BP/BAs、A1N/A1P/ AlAs/AlSb、GaN/GaP/GaAs/GaSb、InN/InP/InAs/InSb、BN/BP/BAs、AIN/AlP/AlAs/AlSb、 GaN/GaP/GaAs/GaSb、InN/InP/InAs/InSb、ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe、CdS/CdSe/CdTe、HgS/HgSe/ HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe、GeS、GeSe、GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO、PbS、PbSe、PbTe, CuF, CuCl、CuBr、CuI、AgF、AgCl、AgBr、AgI、BeSiN2、CaCN2ZnGeP2、CdSnAs2、ZnSnSb2、CuGeP3、CuSi2P3、(Cu, Ag) (Al, Ga, In, Ti, Fe) (S, Se, Te)SiO2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se，Te) 3、Al2CO 及其组合。可以形成多个纳米结构。在这种情况下，纳米结构的振荡部分可以具有相同的长度。替代地，至少一些纳米结构的振荡部分可以具有不同的长度。振荡部分可以根据其长 度使用共振和非线性频率。检测单元可以形成在振荡频率的最大振幅区域内，并且用于吸 附材料的探针可以形成在最大振幅区域内。检测单元可以由金属、硅、或氧化物形成。有机 探针可以设置在检测单元上。该有机探针可以与所提供的材料化学结合，并且可以由从下 面构成的组中选出至少一种形成硫醇组、胺组、硅烷组、与硫醇组、胺组和硅烷组中至少一 个相结合的DNA、以及包含抗体的生物材料。三维纳米器件还包括沿着衬底的周边形成的横向部分、设置在横向部分的第一 区域内的流体入口、设置在横向部分的第二区域内的流体出口、以及设置在横向部分上的 顶部。三维纳米器件还可以包括用于将激光束照射到纳米结构的振荡部分上的激光器 单元、以及用于从激光器单元接收激光束的激光检测单元。本发明的另一方面提供了 一种三维纳米器件，其包括至少一个纳米结构，每个纳 米结构包括浮在衬底之上的振荡部分以及用于支撑振荡部分的两个长度方向端部的支撑 部分；设置在衬底上以支撑所述纳米结构的支撑部分的支撑件；至少一个电极，所述至少 一个电极设置在纳米结构的振荡部分之下以与纳米结构相交；以及检测单元，所述检测单 元设置在振荡部分上，以检测外部施加的吸附材料。电极可以包括源电极和漏电极，且在所述源电极和漏电极之间形成有间隙。量子 点形成在纳米结构内、所述源电极和漏电极之间的间隙之上。而且，所述源电极和漏电极可 以由磁性材料形成，且多个栅可以设置在衬底之上。根据如上所述的本发明，通过形成三维纳米结构，可以容易制造诸如质谱仪和电 子器件的三维器件。由于利用三维纳米结构制造的纳米器件包括具有高灵敏度的振荡器， 它们可以用作测量微小分子量(例如生物分子量)的传感器。此外，根据本发明，通过利用 简单过程形成栅电极，可以制造具有各种形状的三维电子器件。


图1是根据本发明示例性实施方式的包括纳米结构的质谱仪的局部透视图；图2A是包括设置在衬底之下的外部振荡部分的质谱仪的横截面图；图2B是其中外部振荡部分未设置在衬底之下的质谱仪的横截面图；图3到图5是图1所示的质谱仪的横截面图，其中，振荡部分进入振荡模式以检测 质量变化；图6A是根据本发明另一示例性实施方式的包括多个纳米结构和激光检测单元的 三维(3D)传感器的透视图；图6B是图6A所示的3D传感器的局部扫描电子显微镜(SEM)图像；图7是包括不同长度的振荡部分的多个纳米结构的示意图；图8A是利用根据本发明示例性实施方式的纳米结构的分子传感器的示意图；图8B是图9A中所示的区域“A”的放大图9示出包括不同长度的振荡部分的多个纳米结构的布局；图10是示出利用图9所示的纳米结构的在流体中的传感器构造的视图；图11是图10所示的区域“B”的放大图；图12是根据本发明另一示例性实施方式的利用纳米结构的单个电子晶体管 (SET)的示意图；图13是根据本发明另一示例性实施方式的三维电子器件的视图，与图12所示的 SET相比，它执行更主动(more actively)的操作；图14A是根据本发明另一示例性实施方式的三维电子器件的结构的视图，其中， 设置分子绝缘层或有机绝缘层，而未如图12和13所示那样利用空气和真空作为隧道电 势；图14B是示出根据本发明另一实施方式的三维电子器件的结构的视图，其中，通 过将分子和有机材料或纳米点材料附着到源电极和漏电极之间形成的间隙的至少一个区 域上而驱动晶体管；图15和16是示出根据本发明示例性实施方式的包括纳米结构的SET、自旋电子器 件(spin device)、或场效应晶体管(FET)的结构的视图；图17A是示出根据本发明另一示例性实施方式、利用空气或真空状态作为绝缘层 的FET的结构的视图；图17B是图17A中所示的区域“C”的放大图；图18是示出根据本发明示例性实施方式的用于分子旋转装置的FET的结构的视 图，其中绝缘层形成在无机材料上；图19是示出利用电场包括多个栅电极的SET的结构的视图；以及图20是图19所示的SET的电路图。上述图中附图标记的描述110:纳米结构111 振荡部分112:支撑部分120 纳米结构的支撑件130 绝缘层140 控制器150 检测单元210 吸附材料220 衬底230 外部振荡部分(PZT)310a、310b 振幅位移410a,410b 振幅位移510a,510b 振幅位移610 激光源620 激光检测单元630 激光器
710、720、730、740、750 具有不同长度的振荡部分的纳米结构810a 探针810b 生物材料探针
1010 底部IO2O:横向部分1030 顶部1040 激光器1050 激光检测单元1060 流体入口1070 流体出 口1110:激光源1120:吸附材料Il3O:检测单元1210:源电极1220:漏电极1230 间隙IMO 量子点(纳米点)1250 纳米结构(顶部栅)1310 支撑件1320 栅绝缘层1330 沟道1340:电极1410 有机或分子栅绝缘层1420 有机材料或金属纳米颗粒或有机沟道1510:绝缘层1520 栅绝缘层1610 栅绝缘层1910、1920、1930、1940、1950 栅
具体实施例方式本发明提供了一种三维(3D)纳米器件，每个纳米器件包括用于支撑纳米器件的 衬底和三维纳米结构。而且，该衬底通过绝缘材料层与有源器件隔离。三维纳米器件的结 构可以根据目的而变化，但是总地来说三维纳米结构浮在二维衬底之上。下面，参照附图更 全面描述三维纳米器件的各种变型。在附图中示出本发明的示例性实施方式。实施方式1 质谱仪和传感器图1是根据本发明的示例性实施方式的包括纳米结构的质谱仪的局部透视图。图 2A是包括设置在衬底下的外部振荡部分的质谱仪的横截面图。图2B是质谱仪的横截面图， 其中振荡部分未设置在衬底之下。参照图1、2A、2B，质谱仪100包括衬底220、设置在衬底220上的绝缘层130、安装成浮在衬底220上的纳米结构110、在衬底220上制备以支撑纳米结构110的两个长度方向 端部的支撑件120、检测单元150和控制器140，其中检测单元150在纳米结构110上制备 以吸附流入质谱仪100的材料210，从而检测质量以及吸附材料210的电磁场的变化，而控 制器140在绝缘层130上制备以控制检测单元150。纳米结构110包括线性振荡部分111，该线性振荡结构111三维浮置于绝缘层130 上，而绝缘层130设置在衬底220上，还包括支撑部分112，该支撑部分设置在振荡部分111 的两个端部上。检测单元150可以安装在纳米结构110的振荡部分111上在振荡部分111 的振幅最大的位置处。纳米结构110的振荡部分111由于外部振荡而振荡，且振荡部分111 的宽度、高度和长度分别由“w”、“t”、和“1”标识。振荡部分111的宽度“W”和高度“t”可 以在几纳米到1微米的范围内，而长度“1”在100纳米到100微米的范围内。
纳米结构110可以从由下面构成的组中选出的一个来形成，这些为Si、Ge、Sn、 Se、Te、B、C、P、B_C、B_P (ΒΡ6)、B_Si、Si_C、Si-Ge、Si-Sn、Ge-Sn、SiC、BN/BP/BAs、A1N/A1P/ AlAs/AlSb、GaN/GaP/GaAs/GaSb、InN/InP/InAs/InSb、BN/BP/BAs、AIN/AlP/AlAs/AlSb、 GaN/GaP/GaAs/GaSb、InN/InP/InAs/InSb、ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe、CdS/CdSe/CdTe、HgS/HgSe/ HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe、GeS、GeSe、GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO、PbS、PbSe、PbTe, CuF, CuCl、CuBr、CuI、AgF、AgCl、AgBr、AgI、BeSiN2、CaCN2ZnGeP2、CdSnAs2、ZnSnSb2、CuGeP3、 CuSi2P3, (Cu, Ag) (Al, Ga, In, Ti, Fe) (S, Se, Te)SiO2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3、Al2C0及其组合。为了使纳米结构110的振荡部分111振荡，通过在振荡部分111 之上和之下沉积或溅射能够使振荡部分11振荡的压电材料或金属材料而形成压电装置。 当电压施加到形成于振荡部分111之上和之下的压电装置时，振荡部分111根据形成在其 上的压电材料的延伸长度而在垂直方向上振荡，使得振荡部分111功能为一振荡器。而且， 振荡部分111不仅由于压电材料而振荡，而且由于控制器140而振荡。具体地说，当交变电 流(AC)电压施加到控制器140上以围绕控制器140施加一个AC电场时，检测单元150和 振荡部分111的电荷在AC电场的方向移动并且吸引控制器140的电荷，控制器140的电荷 与检测单元150和振荡部分111的电荷极性相反。而且，当施加到控制器140的AC电场的 极性反转时，检测单元150和振荡部分111对控制器140的吸引变弱，使得振荡部分111由 于弹性恢复到其原始位置。于是，由于反复AC振荡，振荡部分111开始振荡。在这种情况 下，施加到控制器140的电场的周期等于纳米结构110的机械共振频率，发生共振，使得振 荡部分111的振幅最大。结果，控制器140利用通过电极施加的电压导致振荡部分111振 荡。如图2所示，质谱仪100还可以包括外部振荡部分230，该外部振荡部分230设置 在衬底220之下。在这种情况下，整个衬底220可以利用外部振荡部分230而振荡。外部 振荡部分230可以由压电材料，如铅-锆酸盐-钛酸盐(PZT)或石英形成。可替代的是，如 图2B所示，可以省略外部振荡部分230。在这种情况下，振荡部分111的振荡是利用形成在 振荡部分111之上和之下的压电装置引起的。当外部振荡部分230进一步如图2A所示设 置时，振荡部分111的振荡可以利用形成在振荡部分111之上和之下的压电装置或者通过 利用外部振荡部分230激励整个衬底220的振荡而引起。此外，在图2A和2B所示的情况 中，振荡部分111的振荡可以利用控制器140引发。上述质谱仪100可以基于以下原则执行其功能。在质谱仪100中，由于振荡导致材料，如PZT设置在纳米结构110的振荡部分111之上和之下，通过振荡导致材料引起振荡部分111振荡而检测质量变化。如图2A和2B所示，明显的是振荡部分111的振荡可以通 过将控制器140、形成在振荡部分111之上和之下的压电装置以及外部振荡部分230各种 各样结合而以各种模式来引发。如图2A和2B所示的质谱仪100的纳米结构110的振荡部 分111的共振频率由振荡部分111的长度“1”、宽度“W”、高度“t”以及纳米结构110的密 度和杨氏模量来确定。即纳米结构110的共振频率如方程1所示方程1 <formula>formula see original document page 9</formula>其中ε表示纳米结构110的杨氏模量，P表示纳米结构110的密度，“t”表示振 荡部分111的高度，“1”表示振荡部分111的长度。通常，质量变化与频率变化紧密相关联， 如方程2所示<formula>formula see original document page 9</formula>其中Mrff = 0. 735Itw P。换句话说，根据本实施方式的质谱仪基于方程2能够利 用浮动的纳米结构110进行质量分析。如方程1所示，共振频率(Oci与振荡部分111的长度1的平方成反比。从而，可以 看出随着纳米结构110的振荡部分111的长度“1”增加，共振频率Oci减小。例如，当振荡 部分111的长度“1”是几微米时，纳米结构110的共振频率COci为几MHz。当纳米结构110 的共振频率Qci是几MHz时，质谱仪100具有若干渺克(attogram)或更大的灵敏度。于是， 基于共振频率变化，根据本实施方式的质谱仪100可以测量少量的材料，甚至单串DNA。结 果，质谱仪100可以应用于探测微小质量材料，如DNA、包含蛋白质的生物材料和气体的装 置。图3到5是图1所示的质谱仪100的横截面图，其中振荡部分111进入振荡模式 来检测质量变化。参照图3到5，当浮动的振荡部分111处于基本振荡模式时，材料210被吸附到振 荡部分111的区域中制备的检测单元150。通常，振荡部分111以与两端固定的绳相同的方 式振荡。当然，振荡部分111也有可能以更复杂和各种振荡模式或者非线性振荡模式振荡， 与图3到5中所示的相反。在本实施方式中，当材料210被吸附到检测单元150上且振荡部分111的质量变 化被检测单元150检测到时，振荡部分111的振荡模式变化。即，振荡部分111的共振频率 变化。在图3所示的振荡模式310a和310b中，检测单元150的灵敏度在振荡部分111的 振幅最大部分(即材料210)处最高。具体地说，当在检测单元150的振幅最大部分(即材 料210)处形成用于沉积理想材料的电极或利用化学表面处理或特定反应物形成能够与特 定材料反应的反应区域时，检测单元150与电极或反应区域起作用，使得检测单元150的灵 敏度最大。当在振幅最大部分(即材料210)处的一部分材料210的质量变化时，共振频率、 Q因数和相移的变化被最大化。这是由于频率和Q因数必须非常高，以便检测共振频率和Q 因数中的变化，而没有噪声。而且，最好的方式是在振幅最大部分(即，材料210)处读取共振频率和Q因数的变化，以便准确分析质量。即，即使材料被吸附到小振幅部分，由于该材料并不影响整个振幅，通过检测共振频率中的变化来检测振荡部分111的质量变化变得困难。例如，当由钼(Pt)形成的检测单元150是氢化的，氢(H)被吸附到检测单元150 的表面上。因此，振荡部分111的共振频率和Q因数取决于是否吸附了氢(H)。即，在本实 施方式中，振荡部分111的共振频率和Q因数的变化可以利用吸附到检测单元150上的氢 (H)的量来检测。作为另一个例子，当检测单元150是由金(Au)和由与DNA链接的硫醇获得的材料 形成，硫醇与金结合而形成单串DNA探针。在这种情况下，利用上述方法测量质量。如果与 锚定的单串DNA相结合的目标DNA被提供并且与单串DNA探针互补的结合，杂交的DNA的 质量也变化。基于上述原理，质谱仪100可以不仅作为生物材料探针，而且作为利用蛋白质 抗原_抗体交互作用的生物传感器。为了制造具有最大灵敏度的装置，如生物材料传感器和生物传感器，如图3到5所 示，吸附材料210的检测单元150可以形成在振荡部分111的振幅最大部分处，且检测单元 150可以由与目标材料反应的材料形成。另外，如图3到5所示，振荡部分111可以进入各 种振荡模式310a、310b、410a、410b、510a、510b。同时，材料210可以利用各种方法被吸附到 检测单元150上，例如，沉积过程、溅射过程、电化学吸附过程和简单化学反应。图6A是根据本发明另一示例性实施方式的包括多个纳米结构和激光检测单元的 三维传感器的透视图，而图6B是如图6A所示的三维传感器的局部扫描电子显微镜(SEM) 图像。参照图6A和6B，包括多个纳米结构110的三维传感器600可以利用激光源610和 用于检测激光束630的激光检测单元620来测量材料的灵敏度。三维传感器600包括衬底 220、绝缘层130、多个电极141、多个纳米结构110、检测单元150、激光源610、和激光检测 单元620。绝缘层130设置在衬底220上。多个电极141设置在绝缘层130上，彼此平行。 多个纳米结构110以矩阵形状与电极141相交，并且浮在衬底220上。至少一个检测单元 150设置在每个纳米结构110上。激光源610照射激光束，以便测量纳米结构110的共振 频率的变化。而且激光检测单元620检测从激光源610入射且从纳米结构110反射的激光 束630。当从激光源610照射到振荡部分的激光束630被反射并由激光检测单元620检测 时，三维传感器600检测由激光检测单元620检测到的激光束630的光强度变化，来分析材 料的质量。因此，三维传感器600通过检测频率、相变和Q因数中的变动来检测光强度的变 化。换句话说，当预定质量的材料被吸附到检测单元150上时，共振频率变化，且因此入射 到激光检测单元620上的激光束630的光强度也变化。具体地说，入射激光束630的频率 可以被扫描。在这种情况下，当入射激光束630的频率等于共振频率时，提供最大光电流， 且相变最大。结果，可以获得共振频率，且通过吸附具有该质量的材料时获得的共振频率与 未吸附具有该质量的材料时获得的共振频率之间的差来确定质量变化。换句话说，通过检 测相变和Q因数中的变化以及共振频率来确定质量变化。更具体地说，每个纳米结构110包括三维地浮在衬底220之上的线性振荡部分111 和设置在振荡部分111的两个端部处的支撑部分112。至少一个检测单元150可以安装在 纳米结构110的振荡部分111上。纳米结构110的振荡部分111由于外部振动而振荡，并且具有宽度“W”、高度“t”和长度“1”。振荡部分111可以形成为长度“1”大约100纳米到 100微米。纳米结构110可以由从下面构成的组中选出的一种形成，它们是Si、Ge、Sn、Se、 Te、B、C、P、B-C、B-P (BP6)、B-Si、Si-C, Si-Ge, Si-Sn, Ge-Sn, SiC、BN/BP/BAs、A1N/A1P/ AlAs/AlSb、GaN/GaP/GaAs/GaSb、InN/InP/InAs/InSb、BN/BP/BAs、AIN/AlP/AlAs/AlSb、 GaN/GaP/GaAs/GaSb、InN/InP/InAs/InSb、ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe、CdS/CdSe/CdTe、HgS/HgSe/ HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe、GeS、GeSe、GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO、PbS、PbSe、PbTe, CuF, CuCl、CuBr、CuI、AgF、AgCl、AgBr、AgI、BeSiN2、CaCN2ZnGeP2、CdSnAs2、ZnSnSb2、CuGeP3、 CuSi2P3, (Cu, Ag) (Al, Ga, In, Ti, Fe) (S, Se, Te)SiO2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se，Te) 3、Al2CO 及其组合。具有上述结构的三维传感器可以利用以下过程制造。图6B示出绝缘体上硅(SOI) 衬底(未示出)。绝缘层130由硅氧化物形成在SOI衬底上，且支撑件120也由硅氧化物形 成在绝缘层130上。蚀刻在衬底上形成的具有理想形状的最上面硅层，由此形成纳米结构 110，该纳米结构110包括由硅形成并且浮在衬底上的振荡部分111以及在振荡部分两个端 部上制备的支撑部分112。此后，形成在纳米结构110之下的硅氧化物通过蚀刻被去除，以 形成与纳米结构110的支撑部分112相同结构的支撑件120。此后，检测单元150被形成以 将理想的化学或生物化学材料结合到浮动的纳米结构111上。接着，金属材料被沉积到具 有绝缘层130的衬底上，由此形成多个电极141，该电极导致振荡部分111与检测单元150 一起振荡。结果，完成了三维传感器600的制造。在利用上述过程获得的三维传感器600中，由激光源610入射的激光束630被制 备于振荡部分111上的检测单元150反射，并且朝向激光检测单元620行进。在这种情况 下，激光束630的光强度根据振荡部分111的共振而变化，并且影响激光检测单元620的信 号。从而，通过检测激光检测单元620的信号的振幅，振荡部分111的共振被检测到。当检 测目标材料被包含在包围流体的微囊体中时，可以借助于电泳利用电极141来提高检测目 标材料的灵敏度。具体地说，当AC或DC电场施加到电极141时，包含在流体中的检测目标 材料由于电场而被拉向检测单元150，使得在检测单元150附近密度变高，结果，可以提高 包含在流体中的检测目标材料的灵敏度。图7是包括具有不同长度的振荡部分的多个纳米结构的示意图。参照图7，根据本实施方式的三维传感器包括衬底(未示出)，该衬底包括绝缘 层130、设置在衬底上的多个电极141、设置在衬底上以支撑纳米结构710、720、730、740和 750的支撑件120、被支撑件120支撑并浮在衬底上的纳米结构710、720、730、740和750、以 及设置在各个纳米结构710、720、730、740和750上的检测单元150。在本实施方式中，纳 米结构710、720、730、740和750分别包括振荡部分711、721、731、741和751以及支撑部分 712、722、732、742和752。振荡部分711、721、731、741和751具有不同的长度，以便振荡部 分711、721、731、741和751具有分别不同的共振频率。具有不同共振频率的振荡部分711、721、731、741和751可以用于各种质谱仪和传 感器，这是由于当通过改变频率来搜索共振频率时，在几个部分发生共振。而且，当振荡部 分711、721、731、741和751具有不同共振频率时，利用不同材料形成的探针，不同传感器可 以附着到分别不同的部分以形成传感器阵列。
图8A是根据本发明示例性实施方式的利用纳米结构的分子传感器的示意图，而 图8B是图8A中所示的区域“A”的放大图。参照图8A，分子传感器包括设置在衬底上的控制器140和浮在控制器140之上的纳米结构110。纳米结构110包括线性振荡部分111和在振荡部分111两个端部制备以支 撑振荡部分111的支撑部分112。支撑件120设置在每个纳米结构111的支撑部分112之 下，并且支撑纳米结构110。参照图8B，用于检测施加到振幅最大部分的材料的检测单元 150设置在振荡部分111上。在检测单元150上制备至少一个探针810a，以便所提供的材 料可以被吸附到探针810a上。目标材料810b，如外部流体，被吸附到探针810a上。通过 检测被吸附到探针810a上的材料810b的质量变化，具有上述结构的纳米结构110可以被 用作传感器。检测单元150可以由金属、硅、氧化物或其晶体形成。金属可以是金(Au)、钼 (Pt)、或者银(Ag)，且氧化物可以是硅氧化物、锌氧化物、铝氧化物或钛氧化物。晶体局限 于非氧化物晶体、如硅晶体、钛晶体或者非无定形氧化物晶体。而且，可以在探针810a上制 备有机探针(未示出)。形成在探针810a上的有机探针可以由硫醇组、胺组、硅烷组、与硫 醇组、胺组或硅烷组相结合的DNA、或抗体制成。有机探针可以与吸附到其上的材料化学结
I=I O图9示出包括具有不同长度的振荡部分的多个纳米结构的布局。图10是示出利用 图9所示的纳米结构作为生物传感器、化学传感器或者气体传感器的设备的结构的视图， 而图11是图10中所示的区域“B”的放大图。图10所示的设备具有大致将内部材料与外侧隔离的结构。该设备包括底部1010、 多个纳米结构110、多个支撑件120、横向部分1020、顶部1030、流体入口 1060和流体出口 1070。底部1010制成并气密密封设备。纳米结构110形成在底部1010上并且作为传感器。 支撑件120支撑纳米结构110。横向部分1020形成在底部1010的外周方向上。顶部1030 设置在横向部分1020上并且覆盖纳米结构110。流体入口 1060形成在横向部分1020的区 域内，且流体出口 1070形成在横向部分1020的另一区域内。激光器单元1040和激光检测 单元安装在顶部1030上。激光器单元1040将激光束照射到纳米结构110上，且激光检测 单元1050检测由纳米结构110反射的激光束。激光器单元1040是半导体激光器。参照图11，该图放大了图10所示的区域“B”，多个纳米结构110作为传感器，并且 具有不同长度的振荡部分111。至少一个检测单元1130在每个振荡部分111上制备，以检 测提供到设备的流体或材料。安装在每个振荡部分111上的检测单元1130可以以各种形 状和数量提供。当流体经由图10的流体入1060提供并与在纳米结构110的振荡部分111 上制备的检测单元1130相接触时，利用激光源1110测量振荡部分111的共振频率。而且， 当检测目标材料1120与检测单元1130反应时，测量振荡部分111的共振频率的变化。艮口， 当材料1120被吸附到在具有不同共振频率的振荡部分111的振幅最大部分处形成的检测 单元1130上时，振荡部分111的振荡频率变化。从而，在共振频率和Q因数中的变化可以 利用激光源1110获得，且基于共振频率和Q因数中的变化、相移探测材料1120的质量。实施方式2:三维电子器件 在本实施方式中，将详细描述三维电子器件。三维电子器件是设计为占据三维空 间并且具有三维结构的电子器件。具体地说，根据本实施方式的三维电子器件可以通过 改善传统分子器件或传统有机电子器件的特性来获得，所述电子器件包括场效应晶体管(FET)、单电子晶体管(SET)或分子晶体管。在本实施方式中，三维电子器件包括纳米结构，该纳米结构如实施方式1那样浮 在衬底上，并且包括设置在纳米结构附近或之下并且电连接到纳米结构的源电极和漏电 极。替代的是，在形成SET的过程中，利用栅电极控制发射到沟道中的电荷量，且SET的能 级被利用另一栅电极控制。替代地是，单电子晶体管与FET结合，该FET是利用另一过程制 造，由此形成SET-FET混合器件。图12是根据本发明另一示例性实施方式的利用纳米结构的SET的视图。参照图12，根据本实施方式的SET包括源电极1210和漏电极1220，它们设置在衬 底上并且在二者之间具有间隙，还包括纳米结构1250，该纳米结构1250浮在源电极1210和 漏电极1220之上，并且作为栅电极。SET包括间隙1230，该间隙1230形成在浮动的纳米 结构1250的区域内，具体地说，形成在源电极1210和漏电极1220之间；形成在源电极1210 和漏电极1220与量子点1240之间的间隙；以及形成在间隙上的量子点1240。在本实施方 式中，形成在源电极1210和漏电极1220之上的纳米结构1250作用为栅电极。在具有上述结构的SET中，当量子点1240设置在作为栅电极的纳米结构1250上 时，在量子点1240中能级的位置利用栅电极，即纳米结构1250控制，由此改变从源电极 1210发射的电荷量，以产生晶体管现象。上述SET是最简单的SET的一个例子。在本实 施方式中，真空态或空气被用作隧道势垒(tunneling barrier)(在源电极1210和漏电极 1220之间的间隙1230)。即，不存在将源电极1210与量子点1240相连接的线，且气阻(air resistance)被认为是隧道势垒(即，电势)。图13是根据本发明另一示例性实施方式的三维电子器件的视图，该电子器件与 图12所示的SET相比执行更主动(active)的操作。具体地说，图12的SET利用设置在量 子点1240和纳米结构1250之间的本征(native)氧化物层，而图13的三维电子器件还包 括设置在作为栅电极的纳米结构1250上的绝缘层1320。参照图13，三维电子器件包括源电极1210和漏电极1220、纳米结构1250、支撑件 1310和一对电极1340。源电极和漏电极1210和1220设置在衬底(未示出)上，并且在二 者之间具有间隙1230。纳米结构1250浮在衬底上。支撑件1310设置在纳米结构1250的 两个端部之下并支撑纳米结构1250。所述一对电极1340形成在纳米结构1250的两个端部 处，并连接到外部电路。而且，三维电子器件还包括绝缘层1320，该绝缘层1320围绕纳米结 构1250，并包括形成在浮动的纳米结构1250的振荡部分上的探测单元1240。例如，假设浮 动的纳米结构1250由硅形成，则绝缘层1320可以是利用热处理获得的氧化物层。当作为栅电极的纳米结构1250利用上述方法被制造时，由于绝缘层1320围绕纳 米结构1250，因此电极1350被进一步形成在绝缘层1320上，以便连接三维电子器件和外部 电路。图13所示的结构不仅可以应用于图13的SET，而且可以应用于自旋电子器件(spin device)。例如，假设源电极1210和漏电极1220以及量子点1240由磁性材料形成， 设置在量子点1240上的磁性材料的自旋类型可以利用作用为栅电极的纳米结构来偏移。 具体地说，当AC或DC电流被提供到纳米结构1250时，设置在量子点1240上的磁性材料的 自旋方向由于提供到纳米结构1250上的电流所造成的磁场而偏移，并且与从源电极1210 发出的电子的磁力相抵消。结果，当自旋方向相同时，三维电子器件的导电性增加，而当自旋方向不同时，三维电子器件的导电性减小。从而三维电子器件可以作为自旋电子器件。
图14A是示出根据本发明示例性实施方式的三维电子器件的结构的视图，其中沉 积分子绝缘层或有机绝缘层，而空气和真空不再如图12和13所示作为隧道电势。
参照图14A，三维电子器件包括源电极1210、漏电极1220、形成在源电极1210和漏 电极1220之间的间隙1230、和纳米结构1250，该纳米结构浮在间隙1230上，作为漏电极， 并且由栅绝缘层1320围绕。纳米结构1250被绝缘层1320围绕，并且量子点1240形成在 纳米结构1250的由绝缘层1320围绕的区域中。有机绝缘层1410由有机材料形成在量子 点1240和间隙1230之间，所述间隙1230形成在源电极1210和漏电极1220之间。有机绝 缘层1410可以利用沉积过程、自组装过程或旋涂过程。通常，由于有机材料或其他无机材料具有比真空更高的介电常数如图14A所示在 量子点1240和间隙1230之间形成有机绝缘层1410或分子绝缘层，由此提升栅极效应。图14B是示出根据本发明另一示例性实施方式的三维电子器件的结构的视图，其 中通过将分子和有机材料或纳米点材料1420附着到源电极1210和漏电极1220之间形成 的间隙1230的至少一个区域上来驱动晶体管。参照图14B，经过源电极1210传输到漏电极1220的电荷穿过在间隙1230的一个 区域中制备的分子或有机材料或纳米点材料1420，并到达分子或有机材料或纳米点材料 1420的能级。在这种情况下，分子或有机材料或纳米点材料1420的能级利用纳米结构1250 来控制，从而驱动晶体管。即，分子或有机材料或纳米点材料1420允许电荷穿过，并且纳米 结构1250控制分子或有机材料或纳米点材料1420的电荷量。上量子点1240可以被去除， 以增加电场并有效去除能级。即使提供了上量子点1240，也可以控制能级。在这种情况下， 形成在作为栅电极的纳米结构1250上的栅绝缘层1320可以是无机绝缘层、有机绝缘层、空 气或真空。图15和16是示出根据本发明示例性实施方式的包括纳米结构的SET、自旋电子器 件或FET的结构的视图。具体地说，图15示出利用无机绝缘层的SET、自旋电子器件或FET 的结构，而图16示出利用空气和真空作为绝缘层的SET、自旋电子器件或FET的结构。参照图15，SET、自旋电子器件或FET被绝缘层1320围绕，并且包括作为栅电极 的纳米结构1250、设置在衬底上的绝缘层1510、设置在纳米结构1250之下并具有与纳米结 构1250相同形状的栅绝缘层1520、以及形成在栅绝缘层1520两侧的源电极和漏电极1210 和1220。由于图15的结构除了栅绝缘层1520之外具有与图13相同的部件，因此，在此省 略对它的描述。图15所示的栅绝缘层1520由无机材料形成，具体地说，由与绝缘层1510相 同的材料或者与绝缘层1510不同的材料形成。尤其是，先前为制造衬底样本而形成的绝缘 材料可以用作栅绝缘层1520。由于除了栅绝缘层1610之外图16的结构也具有与图13中 相同的部件，在此省略对它的描述。在图16所示的结构中，空气和真空作为栅绝缘层1610。图17A是示出根据本发明另一实施方式的利用空气或真空态作为绝缘层的FET结 构的视图，而图17B是图17A中所示的区域“C”的放大图。参照图17A和17B，FET利用参照图16描述的空气或真空态作为栅绝缘层，且栅 1740形成在源电极1720和漏电极1730的两侧。栅1740可以在制造作为栅电极的纳米结 构的过程中形成。换句话说，当栅1740形成为与浮动的纳米结构1250高度相同时，FET可 以利用围绕纳米结构的绝缘层1750驱动，而不会造成电短路。在这种结构中，栅1740可以控制发生导通的FET的沟道的周边。图18是示出根据本发明示例性实施方式的自旋电子器件、FET或分子器件的视 图，其中绝缘层由无机材料形成。参照图18，根据本实施方式的FET包括在浮动的纳米结构之下支撑纳米结构并与 纳米结构形状相同的栅绝缘层1810。图18所示的结构防止上沟道由于重力和张力之间的 不平衡而向下弯曲，由此阻止电子态变化。图19是示出利用电场的包括多个栅的SET结构的视图，而图20是图19所示的 SET的电路图。
在SET中，在设置于源电极和漏电极之间并包括由栅绝缘层围绕的纳米结构的沟 道1330中的电子流动利用图19所示的栅电极1910、1920、1930、1940和1950来控制。例 如，假设沟道1330是ρ型沟道，当正电压施加到栅电极1910、1930和1950上时，由于三个 电压而没有电流流动。在这种状态下，设置在栅电极1920和1940之下的沟道1330的部分 作用为两个量子点，它们都具有隔离部分。在上述结构中，可以形成具有两个量子点的SET。 而且，当制备多个栅电极时，多个SET可以以与栅电极相等的数量制造。另外，当每个栅电 极由半导体材料形成时，每个栅电极可以作为FET的漏极。结果，SET可以利用FET制造。 相反，通过在SET的漏电极或源电极中形成FET，可以制造SET-FET混合器件。参照图20， 电容器C 1、C2、C3、C4和C5可以分别在栅电极1910、1920、1930、1940和1950与沟道1330 之间制备，且电源电压和接地电压分别连接到沟道1330的两端。通过控制电容器Cl、C2、 C3、C4和C5的电容，可以改变FET和SET的驱动。虽然已经图示并参照特定示例性实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员可 以理解到在不背离所附的权利要求书限定的本发明的精髓和范围的前提下可以在形式和 细节上作出各种变化。
权利要求
一种三维纳米器件，包括至少一个纳米结构，每个纳米结构包括浮在衬底之上的振荡部分和用于支撑振荡部分的两个长度方向端部的支撑部分；支撑件，该支撑件设置在衬底上以支撑每个纳米结构的支撑部分；至少一个控制器，其控制器设置在衬底的上部、衬底的下部、或者衬底的上部和下部，以控制每个纳米结构；以及检测单元，该检测单元设置在每个振荡部分上，以检测外部施加的吸附材料。
2.如权利要求1所述的三维纳米器件，还包括设置在衬底之下的外部振荡部分。
3.如权利要求1所述的三维纳米器件，其中，所述控制器包括压电材料或金属材料，其 设置在纳米结构的振荡部分的上部、下部或上部和下部，以与纳米结构相交并且导致振荡 部分振荡。
4.如权利要求1所述的三维纳米器件，其中，所述控制器包括至少一个电极，该至少一 个电极设置在振荡部分之下、衬底之上，以与纳米结构相交并且导致振荡部分振荡。
5.如权利要求1所述的三维纳米器件，其中，振荡部分为几nm到1微米的宽度、几nm 到1微米的高度以及IOOnm到100微米的长度。
6.如权利要求1所述的三维纳米器件，其中，每个振荡部分和衬底可以由从以下构成 的组中选出的一种材料形成Si、Ge、Sn、Se、Te、B、C、P、B_C、B-P (BP6)、B_Si、Si_C、Si-Ge、 Si-Sn、Ge-Sn, SiC、BN/BP/BAs、AIN/AlP/AlAs/AlSb、GaN/GaP/GaAs/GaSb、InN/InP/InAs/ InSb、BN/BP/BAs,AIN/AlP/AlAs/AlSb、GaN/GaP/GaAs/GaSb、InN/InP/InAs/InSb、ZnO/ZnS/ ZnSe/ZnTe、CdS/CdSe/CdTe、HgS/HgSe/HgTe、BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe、GeS、GeSe、GeTe, SnS, SnSe, SnTe、PbO、PbS、PbSe、PbTe、CuF、CuCl、CuBr、CuI、AgF、AgCl、AgBr、AgI、BeSiN2, CaCN2ZnGeP2> CdSnAs2> ZnSnSb2> CuGeP3> CuSi2P3、(Cu, Ag) (Al, Ga, In, Ti, Fe) (S, Se, Te)2、 SiO2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al，Ga，In)2(S，Se，Te) 3、Al2CO 及其组合。
7.如权利要求1所述的三维纳米器件，其中，形成多个纳米结构，其中振荡部分的长度 彼此相同或彼此不同；或者形成多个纳米结构，其中振荡部分的长度部分彼此相同。
8.如权利要求7所述的三维纳米器件，其中，振荡部分根据其长度使用共振和非线性 频率。
9.如权利要求8所述的三维纳米器件，其中，检测单元形成在振荡频率的最大振幅区 域内，并且用于吸附材料的探针形成在最大振幅区域内。
10.如权利要求9所述的三维纳米器件，其中，检测单元可以由从金属、硅、和氧化物构 成的组中选出的一种材料形成。
11.如权利要求10所述的三维纳米器件，还包括设置在检测单元上的有机探针。
12.如权利要求11所述的三维纳米器件，其中，该有机探针由从下面构成的组中选出 至少一种形成硫醇组、胺组、硅烷组、与硫醇组、胺组和硅烷组中至少一个相结合的DNA、 以及包含抗体的生物材料；并且该有机探针与所提供的材料化学结合。
13.如权利要求1所述的三维纳米器件，还包括沿着衬底的周边形成的横向部分；设置在横向部分的第一区域内的流体入口；设置在横向部分的第二区域内的流体出口 ；以及设置在横向部分上的顶部。
14.如权利要求13所述的三维纳米器件，还包括用于将激光束照射到纳米结构的振荡部分上的激光器单元；以及 用于从激光器单元接收激光束的激光检测单元。
15.一种三维纳米器件，包括至少一个纳米结构，每个纳米结构包括浮在衬底之上的振荡部分以及用于支撑振荡部 分的两个长度方向端部的支撑部分；设置在衬底上以支撑所述纳米结构的支撑部分的支撑件；至少一个电极，所述至少一个电极设置在纳米结构的振荡部分之下以与纳米结构相 交；以及检测单元，所述检测单元设置在振荡部分上，以检测外部施加的吸附材料。
16.如权利要求15所述的三维纳米器件，其中，所述纳米结构功能为栅电极。
17.如权利要求16所述的三维纳米器件，其中，所述电极包括源电极和漏电极，且在所 述源电极和漏电极之间形成有间隙。
18.如权利要求17所述的三维纳米器件，其中，量子点形成在纳米结构内、所述源电极 和漏电极之间的间隙之上。
19.如权利要求17所述的三维纳米器件，其中，量子点形成在纳米结构内、所述源电极 和漏电极之间的间隙之上，且所述源电极和漏电极由磁性材料形成。
20.如权利要求17所述的三维纳米器件，其中，多个栅设置在衬底之上。
全文摘要
本发明提供了一种包括三维纳米结构的三维(3D)纳米器件。三维纳米器件包括至少一个纳米结构，每个纳米结构包括浮在衬底之上的振荡部分和用于支撑振荡部分的两个长度方向端部的支撑部分；支撑件，该支撑件设置在衬底上以支撑每个纳米结构的支撑部分；至少一个控制器，其控制器设置在衬底的上部、衬底的下部、或者衬底的上部和下部，以控制每个纳米结构；以及检测单元，该检测单元设置在每个振荡部分上，以检测外部施加的吸附材料。由此，不同于典型的平面器件，可以减少在纳米器件和衬底之间产生的杂质并可以导致机械振动。尤其是，由于三维纳米器件具有机械和电特性，包括新的三维纳米结构的三维纳米器件可以利用纳米-电-机械系统(NEMS)提供。而且，不同于平面器件，利用简单过程可以形成单电子器件、自旋电子器件、或单电子晶体管-场效应晶体管(FET)混合器件。
文档编号B82B1/00GK101821195SQ200880110362
公开日2010年9月1日 申请日期2008年5月19日 优先权日2007年10月5日
发明者刘汉泳, 安昌根, 朴赞佑, 梁钟宪, 白寅福, 金安顺, 金炳勋, 阿七成 申请人:韩国电子通信研究院