JP2010199215A - スイッチング素子及び不揮発性記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】六員環ネットワーク構造を有する炭素材料からなる第1層10と、第1層の第1の部分に接続された第1電極11と、第1層の第2の部分と電気的に接続され第1電極と離間して設けられた第2電極12と、第1層の第1の部分と第2の部分との間の第3の部分に対向して設けられた部分を有する第3電極13と、第1層と第3電極との間に設けられた第2層20と、を備えるスイッチング素子を提供する。第2層は、基部21と官能基部22とを有する。官能基部22は、基部と第1層との間に設けられ、基部と結合され、第1層中の炭素原子との間の距離の変化によって第1層におけるsp2結合炭素とsp3結合炭素との比率を可変とする。
【選択図】図1
Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るスイッチング素子の構成を例示する模式的断面図である。
なお、同図は、後述する本発明の第2の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成も同時に例示している。
図1に表したように、本発明の第1の実施形態に係るスイッチング素子110は、第1層10と、第2層20と、第1電極11と、第2電極12と、第3電極13と、を備える。
第2層20は、基部21と、基部21に結合された官能基部22と、を有する。官能基部22は、第1層10に対向する。すなわち、官能基部22は、基部21と第1層10との間に設けられる。
以下では、第2層20が有機単分子膜である場合として説明する。
すなわち、同図(a)及び(b)は、スイッチング素子110における2つの状態を例示している。すなわち、同図(a)は、第1層10に含まれる炭素原子と第2層20中の官能基部22との間の距離が短い状態を例示しており、同図(b)は、距離が長い状態を例示している。
例えば、官能基部22が、水酸基である場合には、第3電極13に負の印加電圧を印加する(すなわち、第1層10を基準として第3電極13が負の電位となる)ことで、官能基部22は、第1層10の炭素原子10aに対して近接し、官能基部22は、例えば炭素原子10aに吸着する。そして、逆に、第3電極13に正の印加電圧を印加することで、官能基部22は、第1層10の炭素原子10aに対して離間して、官能基部22は炭素原子10aから脱離する。
図3は、比較例のスイッチング素子の構成を例示する模式的断面図である。
図3に表したように、比較例のスイッチング素子119は、第1層10と、第1電極11と、第2電極12と、第3電極13と、を備える。これらの構成は、本実施形態に係るスイッチング素子110と同様なので説明を省略する。
本発明の第2の実施形態に係る不揮発性記憶装置は、第1の実施形態で説明したスイッチング素子110の構造を有する。
以下、第1及び第2の本実施形態に係る第1の実施例のスイッチング素子及び不揮発性記憶装置について説明する。
図4は、本発明の第1の実施例に係るスイッチング素子の構成を例示する模式的断面図である。
なお、同図は、本実施例に係る不揮発性記憶装置の構成も同時に例示している。
図5は、本発明の第1の実施例に係るスイッチング素子の一部の要素に用いられる材料を例示する模式図である。
図4に表したように、本発明の第1の実施例に係るスイッチング素子111及び不揮発性記憶装置211は、第1層10と、第2層20と、第1電極11と、第2電極12と、第3電極13と、を備える。
なお、同図は、本実施例に係る不揮発性記憶装置の製造方法も同時に例示している。 図6(a)に表したように、第3電極13であるシリコン基板の上に、シリコン酸化膜からなる絶縁膜14形成する。
C−O−R + H+ + e− ⇔ C + R−OH (式1)
ここで、Rは、10−ウンデセン−1−オールのうちの水酸基以外の部分を示す。また、Cはグラフェン中の炭素原子である。
図7は、本発明の第2の実施例に係るスイッチング素子の構成を例示する模式的断面図である。
なお、同図は、本実施例に係る不揮発性記憶装置の構成も同時に例示している。
図7に表したように、第2の実施例に係るスイッチング素子112及び不揮発性記憶装置212は、基板5の上に設けられたグラフェンからなる第1層10の上に、第1電極11及び第2電極12が設けられている。そして、第1電極11と第2電極12の間の第1層10の上に第2層20が設けられ、その上に第3電極13が設けられている。なお、第1層10には、単層または多層グラフェンを用いることができる。
官能基部としてニトロ基を用いた場合も、第1層10と第3電極13との間に印加されるゲート電圧によって、官能基部と第1層10の炭素原子10aとの距離が制御でき、官能基部が炭素原子10aに吸着または脱離し、これによって、第1層10の電気伝導度を制御できる。
なお、同図は、本実施例に係る不揮発性記憶装置の製造方法も同時に例示している。 図8(a)に表したように、炭化珪素からなる基板5の上に、第1層10となるグラフェンをエピタキシャル成長させ、後にソース電極が配置されるソース部分11pと、後にドレイン電極が配置されるドレイン部分12pと、後にチャネルとなるチャネル部分13pと、を有する構造にパターニングする。
なお、同図は、本実施例に係る不揮発性記憶装置の特性も同時に例示している。同図において、横軸は第3電極13(ゲート電極)に印加するゲート電圧Vgであり、縦軸は第1層10であるグラフェンの電気伝導率σである。
図10は、本発明の第3の実施例に係るスイッチング素子の構成を例示する模式的断面図である。
なお、同図は、本実施例に係る不揮発性記憶装置の構成も同時に例示している。
図10に表したように、本実施例に係るスイッチング素子113及び不揮発性記憶装置213は、第2層20と第3電極13との間に設けられた絶縁層13iをさらに有する。これ以外は、図1に例示したスイッチング素子110及び不揮発性記憶装置210と同様とすることができるので説明を省略する。
図11は、本発明の第4の実施例に係るスイッチング素子の構成を例示する模式的断面図である。
なお、同図は、本実施例に係る不揮発性記憶装置の構成も同時に例示している。
図11に表したように、本実施例に係るスイッチング素子114及び不揮発性記憶装置214においては、基板5の上に第1電極11が設けられ、第1電極11の上に、基板5の主面5aに対して垂直方向に延在する第1層10が設けられ、第1層10の上側(第1電極11とは反対の側)に第2電極12が設けられ、第1電極11と第2電極12との間の第1層10の周囲を取り囲むように、第2層20が設けられ、その第2層20を取り囲むように第3電極13が設けられている。なお、第1電極11と、第2層20及び第3電極13との間には、絶縁膜11iが設けられ、第2電極12と、第2層20及び第3電極13との間には、絶縁膜12iが設けられている。
図12は、本発明の第5の実施例に係るスイッチング素子の構成を例示する模式的断面図である。
なお、同図は、本実施例に係る不揮発性記憶装置の構成も同時に例示している。
図12に表したように、本実施例に係るスイッチング素子115及び不揮発性記憶装置215においては、第2層10が、有機分子からなる多層構造を有している。これ以外は、図1に例示したスイッチング素子110及び不揮発性記憶装置210と同様とすることができるので説明を省略する。
図13は、本発明の第6の実施例に係るスイッチング素子の構成を例示する模式的断面図である。
なお、同図は、本実施例に係る不揮発性記憶装置の構成も同時に例示している。
図13に表したように、本実施例に係るスイッチング素子116及び不揮発性記憶装置216においては、第2層20として、有機高分子が用いられ、有機高分子の主鎖が基部21となり、主鎖に官能基部22が結合されている。
5a 主面
10 第1層
10a 炭素原子
11 第1電極
11i 絶縁膜
11p ソース部分
12 第2電極
12i 絶縁膜
12p ドレイン部分
13 第3電極
13i 絶縁層
13p チャネル部分
14 絶縁膜
14h 開口部
15 レジスト
15h 開口部
16 レジスト
16h 開口部
20 第2層
20a 下側層
20b 上側層
21、21a、21b 基部
22、22a、22b 官能基部
29 シリコン酸化膜
29a 水分子
110、111、112、113、114、115、116、119 スイッチング素子
210、211、212、213、214、215、216 不揮発性記憶装置
Claims (10)
- 六員環ネットワーク構造を有する炭素材料からなる第1層と、
前記第1層の第1の部分と電気的に接続された第1電極と、
前記第1層の第2の部分と電気的に接続され、前記第1電極と離間して設けられた第2電極と、
前記第1層の前記第1の部分と前記第2の部分との間の第3の部分に対向して設けられた部分を有する第3電極と、
前記第1層と前記第3電極との間に設けられた第2層であって、基部と、前記基部と前記第1層との間に設けられ前記基部と結合され前記第1層中の炭素原子との間の距離の変化によって前記第1層におけるsp2結合炭素とsp3結合炭素との比率を可変とする官能基部と、を有する第2層と、
を備えたことを特徴とするスイッチング素子。 - 前記第1層におけるsp2結合炭素とsp3結合炭素との比率は、前記第1層と前記第3電極との間に印加される電圧によって、可変とされたことを特徴とする請求項1記載のスイッチング素子。
- 前記第1層におけるsp2結合炭素とsp3結合炭素との比率は、前記第1電極と前記第2電極とを介して前記第1層に通電される電流によって、可変とされたことを特徴とする請求項1または2に記載のスイッチング素子。
- 前記sp2結合炭素とsp3結合炭素との比率は、前記第1層と前記第3電極との間に印加される電圧によって生じる、前記第1層中の炭素原子に対する前記官能基部の吸着反応及び脱離反応の少なくともいずれかによって、可変とされたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のスイッチング素子。
- 前記第1層は、グラファイト及びカーボンナノチューブの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載のスイッチング素子。
- 前記第2層は、有機単分子層であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載のスイッチング素子。
- 前記第1層の電気伝導率は、前記第1層におけるsp2結合炭素とsp3結合炭素との前記比率の変化によって変化することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載スイッチング素子。
- 前記第1層におけるsp2結合炭素とsp3結合炭素との前記比率の変化は、可逆的であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載のスイッチング素子。
- 前記第2層と前記第3電極との間に設けられた絶縁層をさらに有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載のスイッチング素子。
- 六員環ネットワーク構造を有する炭素材料からなる第1層と、
前記第1層の第1の部分と電気的に接続された第1電極と、
前記第1層の第2の部分と電気的に接続され、前記第1電極と離間して設けられた第2電極と、
前記第1層の前記第1の部分と前記第2の部分との間の第3の部分に対向して設けられた部分を有する第3電極と、
前記第1層と前記第3電極との間に設けられた第2層であって、基部と、前記基部と前記第1層との間に設けられ前記基部と結合され前記第1層中の炭素原子との間の距離の変化によって前記第1層におけるsp2結合炭素とsp3結合炭素との比率を可変とする官能基部と、を有する第2層と、
を備え、
前記sp2結合炭素とsp3結合炭素との比率の変化に伴う前記第1層における電気伝導率の変化を記憶データとして保持可能とする不揮発性記憶装置。
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