JP3014519B2 - 有機電界スイッチング素子 - Google Patents

有機電界スイッチング素子

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JP3014519B2 JP3324739A JP32473991A JP3014519B2 JP 3014519 B2 JP3014519 B2 JP 3014519B2 JP 3324739 A JP3324739 A JP 3324739A JP 32473991 A JP32473991 A JP 32473991A JP 3014519 B2 JP3014519 B2 JP 3014519B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、電界によりスイッチ
ングできる素子に関し、特に固体素子化が容易で、しか
も多入力/1出力性という神経情報処理的機能を示す有
機電界スイッチング素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】有機膜に対し、ガスやイオンなどのドー
ピングによりソース電極およびドレイン電極間の導電性
を変化させてスイッチングを行わせる素子としては、導
電性高分子材料を用いた電界効果型トランジスタがあ
る。この場合、ドーピングは電解質溶液や固体電解質を
用いて電気化学的に行うか、あるいは、酸化性のガス雰
囲気化でガス拡散によってドーピングする方法が一般的
に行われている。そして、導電性高分子材料では、この
ドーパントの量が数パーセント変化すると導電性がけた
違いに変わるので、このドーパントの量を電界により制
御することにより電界スイッチング素子が実現できる。
【0003】図3は例えばエリザベス・ダブリュ・ポー
ル(Elizabeth W.Poul)、アントニオ
・ジェイ・リコー(Antonio J.Ricco)
及びマーク・エスライトン(Mark S.Wrig
hton)らがジャーナルオブ フィジカル ケミスト
リー(J.Physical Chemistry),
vol.89,p.1441(1985)で報告した導
電性高分子材料へのキャリヤの電界注入を利用した従来
の有機電界スイッチング素子を示す構成図である。図に
おいて、1は導電性高分子材料であるポリアニリン膜、
2はソース電極、3はドレイン電極、4は硫酸水素ナト
リウム電解質溶液、5はある電解質溶液を内部に含み、
電解質溶液4中に浸漬された参照電極である。
【0004】次に動作について説明する。正のゲート電
極(0〜0.3V)を参照電極5および硫酸水素ナトリ
ウム電解質溶液4を介してポリアニリン膜1に印加する
と、ポリアニリン膜1が電気化学的に酸化され導電性が
変化し、そのときにソース電極2およびドレイン電極3
間の電圧をゆっくり掃引すると(0〜200mV,10
mV/sec)、これらの電極間に流れるドレイン電流
とゲート電圧間には電界効果型トランジスタのような特
性が得られる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来の有機電界スイッ
チング素子は上記のように構成されているので、電気化
学的に導電性高分子材料を酸化還元することでキャリヤ
のドーピングを行い、その導電性の変化を利用してスイ
ッチングを行おうとした場合、電解質溶液や電解質溶液
を内部に含んだ参照電極を使用しなければならず、この
素子を固体素子化するのは困難であり、また、参照電極
は電解質溶液全体に同じ電位を与えてしまうので、複数
の参照電極を用いて導電性高分子材料の所定の複数の場
所のみに選択的にドーピングすることが困難で、多入力
出力に変換できないという問題点があった。
【0006】この発明はこのような問題点を解決するた
めになされたもので、有機膜へのキャリヤのドーピング
が電解質溶液を用いないでできるため固体素子化が可能
になるとともに、入力電極を複数形成することにより、
局所的にドーピングができることにより、多入力/1出
力性という神経情報処理的機能を示す有機電界スイッチ
ング素子を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明に係わる有機電
界スイッチング素子は、下部電極と、この下部電極の上
に部分的に形成された第1の絶縁膜と、この第1の絶縁
膜の上に形成され、酸化還元電位の異なる複数の分子膜
から成るヘテロ接合膜と、このヘテロ接合膜の上に形成
された第2の絶縁膜と、この第2の絶縁膜を貫通して上
記ヘテロ接合膜の上に形成されたソース電極及びドレイ
ン電極と、上記第2の絶縁膜の上に形成された上部電極
とを備えたものである。
【0008】また、上部電極を複数個設けたものであ
る。
【0009】
【作用】この発明においては、酸化還元電位の違う複数
の分子膜から成るヘテロ接合膜の接合面に対して垂直方
向に絶縁膜を介して下部電極および上部電極を配置し、
これらの電極間に電圧を印加することにより、下部電極
あるいはソース電極側からヘテロ接合膜内にキャリヤ
(電子あるいは正孔)をドーピングするようにする。こ
れにより、キャリヤのドーピング速度が速く、また、ド
ーパントが電解質溶液を必要とするイオンではなく、固
体素子の一般的なキャリヤである電子あるいは正孔であ
るので、イオンに比べて動作速度が速く、しかも固体素
子として動作できる有機電界スイッチング素子ができ
る。この素子はシリコンなどの半導体上に容易に形成で
きることから多層構造により、素子の集積度を飛躍的に
増加させることができる。
【0010】また、上部電極を複数個配置する。これに
より、各上部電極に夫々印加される複数の入力信号でソ
ース電極及びドレイン電極間の導電性を制御することに
より、複数の入力信号を一つの出力信号に変換するとい
う神経情報処理(ニューラルネットワーク)に不可欠な
多入力/1出力機能を持たせることもできる。
【0011】
【実施例】実施例1.以下、この発明の一実施例を図に
ついて説明する。図1はこの発明の一実施例を示すもの
で、図1(a)はその断面図、図1(b)は上面図であ
る。図において、11は金属などの導電性材料で形成さ
れた下部電極、12は下部電極1の上に部分的に設けら
れた第1の絶縁膜、13は下部電極11および絶縁層1
2上に形成された酸化還元電位の異なる分子膜の接合を
持つヘテロ接合膜で、このヘテロ接合膜13はある酸化
還元電位を持つ分子膜13aと、この分子膜13aと異
なる酸化還元電位を持つ分子膜13bとから成る。14
はヘテロ接合膜13上に形成された第2の絶縁膜、15
は絶縁膜14を一部貫通してヘテロ接合膜13上に設け
られた金属などの導電性材料で形成されたソース電極、
16は絶縁膜14を一部貫通してヘテロ接合膜13上に
設けられた金属などの導電性材料で形成されたドレイン
電極、17は絶縁膜14上に形成された金属などの導電
性材料で形成された上部電極である。
【0012】次に、その製造方法について説明する。ま
ず、真空蒸着法により、基板(図示せず)上に下部電極
11として例えばアルミニウム蒸着膜を50〜100n
m程度形成し、その上に絶縁膜12として例えばSiO
2 膜を真空蒸着やスパッタ蒸着法で50〜100nm程
度形成した後半導体の微細加工技術を利用して部分的な
パターニングを行う。その上に、酸化還元電位を持つ分
子膜13aとして例えばヘマトポルフィリンIX−ビス
(トリデカノイルエーテル)ルテニウムジフォスフィン
鎖体臭素塩(hematoporphyrin(IX)
−bis(tridecanoylether)Ru
(P(OCH332 Br:RuHP(PH)2 と略
す)を9層ラングミュアープロジェツト(Langmu
ir−Blodgett:LB)法で積層し、その上に
分子膜13aと異なる酸化還元電位を持つ分子膜13b
として例えば7,8ージメチルー3,10ージノニルイ
ソアロキサジン(7,8−dimethyl−3,10
−dinonyl isoalloxiazine:D
NIと略す)をLB法で10層積層してヘテロ接合膜1
3を形成する。この上に例えばアラキジン酸やステアリ
ン酸などの長鎖脂肪酸でできた絶縁膜14をLB法で数
10層形成する。そして、この絶縁膜14を部分的にエ
ッチングし、例えばアルミニウムの蒸着膜で絶縁膜14
を貫通して分子膜13bに接触するソース電極15及び
ドレイン電極16を形成すると共に上部電極17を絶縁
膜14上に形成する。
【0013】次に動作について説明する。上部電極17
および下部電極11間に電圧を印加しない状態でソース
電極15およびドレイン電極16間に電圧を印加する
と、ヘテロ接合膜13内にはキャリアが少なく、ほぼ絶
縁膜12,14と同じレベルのリーク電流が観測され
る。次に上部電極17および下部電極11間に電圧を印
加した状態でソース電極15およびドレイン電極16間
に電圧を印加すると、下部電極11あるいはソース電極
15側からキャリアがドーピングされ、そのキャリアが
ヘテロ接合膜13の接合面付近に蓄積し、その結果、キ
ャリアの数が多くなるのでソース電極15およびドレイ
ン電極16間の導電率が良くなり、ソース電極15およ
びドレイン電極16間に流れる電流が増加する。このキ
ャリア数は上部電極17および下部電極11間に印加さ
れる電圧すなわち電界強度に依存するので、この印加電
圧によりソース電極15およびドレイン電極16間の電
流値を制御することができる。
【0014】実施例2. 図2はこの発明の他の実施例を示す上面図である。本実
施例では上部電極がソース電極、ドレイン電極に対して
並列に複数個配列される。すなわち、図2において、1
7a〜17dはソース電極15およびドレイン電極16
間に配置された複数の上部電極である。複数の入力信号
を電圧として夫々上部電極17a〜17dに印加する
と、これらの複数の入力電圧の和に応じた電流がソース
電極15およびドレイン電極16間に流れ、複数の入力
信号(電圧)を一つの出力信号(電流)に変換できるニ
ューラルネットワークの一つの重要な構成要素である多
入力/1出力性機能が得られる。また、ソース電極15
およびドレイン電極16間の距離、各上部電極17a〜
17d間の距離をサブミクロン領域まで縮小すると、上
部電極17a〜17dと下部電極11に電圧が印加され
る場合にキャリアが上部電極17a〜17dの下のヘテ
ロ接合膜13にドーピングされるようになるが、時間と
ともにキャリアがドーピングされる領域が上部電極17
a〜17dの下部のヘテロ接合膜13の部分からしみだ
しにより広がることにより、時間とともに多入力/1出
力性変換特性が非線形な特性に変化し、ニューラルネッ
トワークの要素機能である可塑性機能も得られる。
【0015】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、下部
電極と、この下部電極の上に部分的に形成された第1の
絶縁膜と、この第1の絶縁膜の上に形成され、酸化還元
電位の異なる複数の分子膜から成るヘテロ接合膜と、こ
のヘテロ接合膜の上に形成された第2の絶縁膜と、この
第2の絶縁膜を貫通して上記ヘテロ接合膜の上に形成さ
れたソース電極及びドレイン電極と、上記第2の絶縁膜
の上に形成された上部電極とを備えたので、キャリアの
ドーピング速度が速く、また、ドーパントが電解質溶液
を必要とするイオンではなく、固体素子の一般的なキャ
リアである電子あるいは正孔であるため、イオンに比べ
て動作速度が速く、しかも固体素子として動作できる有
機電界スイッチング素子が得られ、この素子はシリコン
などの半導体上に容易に形成できることから多層構造に
より、素子の集積度を飛躍的に増加させることができる
という効果を奏する。
【0016】また、上部電極を複数個配置したので、複
数の入力信号を一つの出力信号に変換するという神経情
報処理(ニューラルネットワーク)に不可欠な多入力/
1出力機能を得ることができると共に、ニューラルネッ
トワークの要素機能である可塑性機能も得られという効
果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による有機電界スイッチング素子の一
実施例を示す断面図及び上面図である。
【図2】この発明による有機電界スイッチング素子の他
の実施例を示す上面図である。
【図3】従来の有機電界スイッチング素子を示す断面構
造図である。
【符号の説明】
11 下部電極 12,14 絶縁膜 13 ヘテロ接合膜 13a,13b 分子膜 15 ソース電極 16 ドレイン電極 17,17a〜17d 上部電極
フロントページの続き (72)発明者 西川 智志 尼崎市塚口本町8丁目1番1号 三菱電 機株式会社 中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−237563(JP,A) 特開 平2−257682(JP,A) 特開 平4−225567(JP,A) 特開 平4−129272(JP,A) EXTENDED ABSTRACT S OF 9TH SYNPOSIUM ON FUTURE ELECTOR ON DEVICES(1990)p.195 −201 Electronics Lette rs,Vol.24,No.11,p674− 675 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78 H01L 21/336 H01L 51/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下部電極と、 この下部電極の上に部分的に形成された第1の絶縁膜
    と、 この第1の絶縁膜及び上記下部電極の上に形成され、酸
    化還元電位の異なる複数の分子膜から成るヘテロ接合膜
    と、 このヘテロ接合膜の上に形成された第2の絶縁膜と、 この第2の絶縁膜を貫通して上記ヘテロ接合膜の上に形
    成されたソース電極及びドレイン電極と、 上記第2の絶縁膜の上に形成された上部電極とを備えた
    ことを特徴とする有機電界スイッチング素子。
  2. 【請求項2】 上部電極を複数個設けた請求項1記載の
    有機電界スイッチング素子。
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