JP5205670B2 - 固体素子構造とそれを使用した電気・電子素子及び電気・電子機器 - Google Patents

固体素子構造とそれを使用した電気・電子素子及び電気・電子機器 Download PDF

Info

Publication number
JP5205670B2
JP5205670B2 JP2007071067A JP2007071067A JP5205670B2 JP 5205670 B2 JP5205670 B2 JP 5205670B2 JP 2007071067 A JP2007071067 A JP 2007071067A JP 2007071067 A JP2007071067 A JP 2007071067A JP 5205670 B2 JP5205670 B2 JP 5205670B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fullerene
solid
state
electric
structure according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2007071067A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2007288171A (ja
Inventor
知信 中山
真人 中谷
茂 塚本
正和 青野
Original Assignee
独立行政法人物質・材料研究機構
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to JP2006077785 priority Critical
Priority to JP2006077785 priority
Application filed by 独立行政法人物質・材料研究機構 filed Critical 独立行政法人物質・材料研究機構
Priority to JP2007071067A priority patent/JP5205670B2/ja
Publication of JP2007288171A publication Critical patent/JP2007288171A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5205670B2 publication Critical patent/JP5205670B2/ja
Application status is Active legal-status Critical
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Description

本発明は、介在層を電極間に配置してなる固体素子構造とそれを使用した電気・電子素子及び電気・電子機器に関し、詳しくはON−OFF状態の変換を可逆的に可能としたフラーレン分子デバイス構造に関するものである。

フラーレンを相互に架橋する化学結合の形成についての検討が進められている。
たとえば、C60フラーレンについては、これまでに、図1(a)(b)(c)に示したような化学結合の形成が報告されている。
図1(a)では、C60フラーレンの2つの分子が2つの炭素間共有結合によって結合しているものであって、光照射によってC60薄膜が硬化する現象がRaoら(非特許文献1)によって見出された際に、薄膜が硬化する理由を説明するために示唆されたものであって、その後多くの実験的、理論的研究が行われ、広く支持されている化学結合形態(重合形態)である。
図2(b)、(c)の化学結合は、結合形態がさらに進展して融合状態に到達しているものであって、電子線の照射(電子のエネルギー0.1〜2keV程度)によって誘起されるものである(非特許文献2)。
これらのフラーレンの重合薄膜についての電気伝導特性についても報告されており、たとえば、4探針法による計測を行った結果から、電子線照射によって重合したC60薄膜の金属的特性(非特許文献3)が報告され、また、光照射によって重合したC60薄膜の半導体特性(非特許文献4)が報告されている。

このようなフラーレン分子間の結合形成と、その電気伝導特性の検討の進展にともなって、フラーレン分子間の結合の形成とその解消を可逆的に可能とすることで、フラーレン分子を用いた電子デバイスを実現することが期待されている。

しかしながら、これまでのところ、フラーレン分子間の化学結合形成は光照射、電子線照射、高温・高圧印加、アルカリ金属ドープなどの手法によって実現されており、結合解消には結合分子を加熱するしかなく、上記フラーレン分子デバイスの実現のための具体的方策は見出されていない。

このような状況において、本発明者らは、STM探針によってC60フラーレン分子を適切にイオン化することでフラーレン分子間の結合の形成とその解消を選択的に、かつ局所的に誘起できることを見出し、これを報告してきた(非特許文献5)。
A.M.Rao et al., Science 259, 955(1993) T.Hara et al., Jpn. J. Appl. Phys., Part I 39, 1872(2000) J.Onoe et al., Appl. Phys., Lett. 82, 595(2003) J.Onoe et al., J. Appl. Phys., 96, 443(2004) M.Nakaya et al., 13th International Conference on STM/STS and Related Techniques(STM’05), 2005 Sapporo, Japan(2005.7.3−8)

本発明は、以上のとおりの背景から、本発明者らによる新しい知見を踏まえて、フラーレン分子ナノ構造の電気・電子特性を自在に制御するデバイス構造を提供することを課題としている。

本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意検討を進め、以下のようなこれまでに知られていない知見を得ることで本発明を完成した。

フラーレン分子間結合の無い状態に比べて、結合が存在する状態はエネルギーが低く、安定である。
したがって、従来の常識からの単純な考察からは、結合を解消するという化学反応を100%の確率で誘起することは困難だと思われる。
しかし、本発明者らは強電界の印加によって化学反応過程を適切に制御し、結合が存在する状態から結合が無い状態に移行させた後に電界を取り除けば、フラーレン分子間結合のある状態(エネルギーの低い状態)から結合のない状態(エネルギーの高い状態)へと化学反応を誘導することが可能であることを見出している。

そしてさらに、本発明者は、金属/絶縁体/フラーレン/金属という積層型分子デバイスを作製し、上記の化学反応制御を固体素子構造の中で実現し、フラーレン薄膜層の導電性制御に基づくスイッチング素子の動作を確認した。
この分子デバイスのOFF状態では分子同志はファンデルワールス力によって結びつけられており、ON状態では炭素原子間の化学結合によって結びつけられている。
ON状態とOFF状態との間での遷移過程(化学反応)における活性化エネルギーがC60フラーレンの場合に1〜2eV程度であるため、デバイスを駆動するための電圧印加を行わない限り、それぞれの状態は室温で不揮発的に保持される。
また、FET構造なしで導電性制御が可能である二端子型のフラーレン分子デバイスは、ナノデバイスとして超高集積化を行う際の配線の複雑化を防ぐためにも有効である。

以上の知見に基づいて完成された本発明の固体素子構造及び電気・電子素子並びに電気・電子機器は次の特徴を有している。

発明1の固体素子構造は、介在層は絶縁性層と複数のフラーレン分子からなるフラーレン層とからなることを特徴とする。

発明2は、発明1の固体素子構造において、前記フラーレン層を構成するフラーレン分子はファンデルワールス力により相互に集合しているものであることを特徴とする。

発明3は、 発明1又は2の固体素子構造において、前記フラーレン分子は、C60フラーレン分子からなることを特徴とする。

発明4は、発明1又は2の固体素子構造において、前記フラーレン分子は、C60フラーレンよりも高次のフラーレンであることを特徴とする。

発明5は、発明3又は4の固体素子構造において、フラーレン分子は、カーボンフラーレンの官能基修飾体であることを特徴とする。

発明6は、発明1から5のいずれかの固体素子構造を用いた電気・電子素子であって、前記固体素子構造をそのスイッチング構造の少くとも一部としていることを特徴とする。

発明7は、発明1から5のいずれかの固体素子構造を用いた電気・電子機器であって、前記固体素子構造をそのスイッチング構造の少くとも一部としていることを特徴とする。

上記のとおりの本発明によれば、フラーレン分子によるナノ構造の固体素子として、電気・電子特性を自在に制御可能としたナノデバイス構造が実現される。
スイッチング素子、メモリー素子等として有用なものとなる。

本発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

本発明の分子デバイス構造においては、フラーレン分子層を電極間に配設した固体素子構造を有しているが、この場合のフラーレン分子層は、フラーレン分子が集合、もしくは凝集して形成される固体状態の層である。
ここで、フラーレン分子とは、C60フラーレンあるいはさらに高次のフラーレンとして知られている籠状構造をもつ閉じた分子である。
また、本発明においては、フラーレン分子は、アルキル基やアリール基等の炭化水素基、水素原子、酸素原子、含酸素基、含窒素基等の官能基を結合している修飾体であってもよく、デバイスの特性は用いる分子によって大きく変化する。

これらのフラーレン分子の1種もしくは2種以上のものをもって構成される本発明のフラーレン分子層では、上記電極間への電圧の印加状態によって導電性が制御可能とされている。
すなわち、電圧印加の状態によって、隣接するフラーレン分子間に形成される化学結合を誘起することによってフラーレン固体の電気伝導特性が絶縁性から導電性へと変換される。
また、既に分子間結合が誘起されている場合には、その化学結合を解消することによって、フラーレン固体の電気伝導特性が導電性から絶縁性へと変換される。

本発明のフラーレン分子デバイス構造によれば、フラーレン分子層を積層型固体デバイスの中に組み込み、フラーレン分子層が導電性である場合をon状態、絶縁性である場合をoff状態と呼ぶ場合、たとえば実際に製作した分子デバイスにおいて、on−off比(off抵抗をon抵抗で除した数)が10から10の良好な特性を得ている。
また、on−offの繰り返し動作(スイッチング動作)においては、40MHzでの動作が可能であることも確認している。
フラーレン分子デバイスでは、エネルギー的に安定な二つの状態(on状態とoff状態)を外部から印加する電圧・電流信号によって選択するため、on状態(あるいはoff状態)の保持性が高く、不揮発性の高いスイッチング素子やメモリー素子として利用することができる。
また動作に必要な電圧がたとえば1〜4V程度と低く、小さな素子になればなるほど電流を流さずにすむため、デバイスの微細化に応じた省エネルギー効果が見込まれる。
なお、このデバイスに於けるフラーレン分子層の最小単位は、フラーレン分子2分子であるが、その場合でも動作安定性は変化せず、微細化による不安定性という問題を抱える従来の半導体デバイスとは本質的に異なる。

さらに具体的には本発明のフラーレン分子デバイス構造は、たとえば金属等の電極/絶縁層/フラーレン分子層/金属等の電極の構成として実現される。
たとえばBi/CaF絶縁層/C60フラーレン分子層/Auのヘテロ構造である。
この場合のCaF絶縁層は厚みは10nm以下、たとえば1〜3nmであり、C60フラーレン分子層の厚みは100nm以下、たとえば30〜80nmである。
もちろん以上の例示に限定されることはない。
たとえば、金属電極としてAl、Cu、Ag等や、絶縁層としてAl等の適宜なものが考慮される。

本発明のフラーレン分子層とその固体素子構造については各種の方法によって製造することができる。
たとえば真空蒸着による気相成膜の方法である。
フラーレンそのものの製造も従来公知の方法をはじめとして各種であってよい。

そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。
もちろん以下の例により発明が限定されることはない。

試作デバイスには、図2のようなクロスバー構造の、図3に示したアーキテクチャーを採用し、以下の手順で作製した。
まず、室温に保持したガラス基板上へBiを真空蒸着することで下部電極を形成し、その後、厚さ1−2nmのCaF薄膜を真空蒸着によって形成し絶縁層とした。
蒸着速度は形成した薄膜表面が平坦になるように調整する。
本実施例では平坦性を原子間力顕微鏡によって検査した。
さらに、厚さ70nmのC60薄膜、Au電極を順に形成した。
最下部のBiおよび最上部のAu電極は、互いに直交するワイヤ形状となるようにシャドウマスクを利用して作成した。
したがって全体構造は、クロスバー型となり、図3に示したように2種類の金属電極の交差点にBi/CaF/C60/Auのヘテロ構造が形成されている。

Au電極へ印加した電圧値に対するヘテロ構造のコンダクタンスを図4に示した。
この図4より、ヘテロ構造にはコンダクタンスの高い状態および低い状態が存在し、正負の適切な電圧値を印加することで相互の状態間を不連続的に遷移する。
コンダクタンスを遷移させるための電圧未満の領域を利用する限り、本デバイスのON−OFF状態を変えずに電流を流すことができるので、例えば本デバイスをメモリセルとして利用した際には不揮発性メモリセルとなることがわかる。
このようなスイッチング現象は1MHzの高周波電圧を印加した場合においても観測された。

図5は、10KHzと1MHzの場合のスイッチング動作を例示した図であり、図6は、1MHzの場合のスイッチングスピードを例示した図である。
ここで計測されているスイッチングスピードは、2つの金属電極間の静電容量効果によって制限されているので、デバイスの微細化は動作の高速化に直結する。

これらより、フラーレン分子デバイス構造が顕著な電気・電子特性の制御を可能としたナノ構造体であることが確認された。

60フラーレン分子の結合形成について示した概要図である。 実施例のクロスバー構造の概要図である。 クロスバーアーキテクチュアを示した平面図である。 実施例構造の電圧値に対するコンダクタンスの変化を例示した図である。 実施例構造のスイッチング動作の結果を例示した図である。 実施例構造のスイッチングスピードをレジした図である。

Claims (8)

  1. Au電極層と、
    前記Au電極層に隣接し、フラーレン分子からなるフラーレン層と、
    前記フラーレン層に隣接した絶縁性層と、
    前記絶縁性層と隣接した金属電極層と
    が積層構造をなし、
    前記Au電極層と前記金属電極層との間に印加する電圧により前記フラーレン層中の前記フラーレン分子間結合を不揮発的に誘起または解消させ、以て前記Au電極層と前記金属電極層との間の導電性を制御する固体素子構造
  2. 前記絶縁性層はCaF からなる、請求項1に記載の固体素子構造
  3. 前記フラーレン分子はファンデルワールス力により相互に集合している、請求項1または2に記載の固体素子構造
  4. 前記フラーレン分子はC 60 フラーレン分子である、請求項1から3の何れかに記載の固体素子構造
  5. 前記フラーレン分子は、C 60 フラーレンよりも高次のフラーレンである、請求項1からの3の何れかに記載の固体素子構造
  6. 前記フラーレン分子はカーボンフラーレンの官能基修飾体である、請求項4または5に記載の固体素子構造
  7. 請求項1から6に記載の固体素子構造をスイッチング機構又はメモリー機構として用いた電気・電子素子。
  8. 請求項1から6に記載の固体素子構造をスイッチング機構又はメモリー機構として用いた電気・電子機器。
JP2007071067A 2006-03-20 2007-03-19 固体素子構造とそれを使用した電気・電子素子及び電気・電子機器 Active JP5205670B2 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006077785 2006-03-20
JP2006077785 2006-03-20
JP2007071067A JP5205670B2 (ja) 2006-03-20 2007-03-19 固体素子構造とそれを使用した電気・電子素子及び電気・電子機器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007071067A JP5205670B2 (ja) 2006-03-20 2007-03-19 固体素子構造とそれを使用した電気・電子素子及び電気・電子機器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007288171A JP2007288171A (ja) 2007-11-01
JP5205670B2 true JP5205670B2 (ja) 2013-06-05

Family

ID=38759597

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007071067A Active JP5205670B2 (ja) 2006-03-20 2007-03-19 固体素子構造とそれを使用した電気・電子素子及び電気・電子機器

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5205670B2 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8110476B2 (en) * 2008-04-11 2012-02-07 Sandisk 3D Llc Memory cell that includes a carbon-based memory element and methods of forming the same

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3199430B2 (ja) * 1992-01-13 2001-08-20 財団法人川村理化学研究所 半導体素子
JPH1140767A (ja) * 1997-07-16 1999-02-12 Sanyo Electric Co Ltd 誘電体素子及びその製造方法
JP2003258146A (ja) * 2002-02-27 2003-09-12 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体集積装置
JP2004172270A (ja) * 2002-11-19 2004-06-17 Sony Corp 内包フラーレンによる分子及び薄膜トランジスタ
JP2004288930A (ja) * 2003-03-24 2004-10-14 Sony Corp メモリ素子およびその製造方法、ならびに電子素子
WO2005060005A1 (ja) * 2003-12-18 2005-06-30 Fuji Electric Holdings Co., Ltd. スイッチング素子
JP2006032794A (ja) * 2004-07-20 2006-02-02 Fuji Electric Holdings Co Ltd 整流素子
JP2006060169A (ja) * 2004-08-24 2006-03-02 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 電界効果型トランジスタ及びその製造方法
KR100718142B1 (ko) * 2005-12-02 2007-05-08 삼성전자주식회사 금속층-절연층-금속층 구조의 스토리지 노드를 구비하는불휘발성 메모리 소자 및 그 동작 방법

Also Published As

Publication number Publication date
JP2007288171A (ja) 2007-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lee et al. Transparent flexible organic transistors based on monolayer graphene electrodes on plastic
Kim et al. Electrical memory devices based on inorganic/organic nanocomposites
Okimoto et al. Tunable carbon nanotube thin‐film transistors produced exclusively via inkjet printing
Liu et al. Fabrication of Flexible, All‐Reduced Graphene Oxide Non‐Volatile Memory Devices
Greiner et al. Transition metal oxide work functions: the influence of cation oxidation state and oxygen vacancies
Park et al. Single‐Gate Bandgap Opening of Bilayer Graphene by Dual Molecular Doping
Bessonov et al. Layered memristive and memcapacitive switches for printable electronics
Wang et al. A Platform for Large‐Scale Graphene Electronics–CVD Growth of Single‐Layer Graphene on CVD‐Grown Hexagonal Boron Nitride
US8450198B2 (en) Graphene based switching device having a tunable bandgap
US8168964B2 (en) Semiconductor device using graphene and method of manufacturing the same
Lee et al. Enhanced Charge Injection in Pentacene Field‐Effect Transistors with Graphene Electrodes
EP1636829B1 (en) Patterned thin film graphite devices
Sun et al. A review of carbon nanotube‐and graphene‐based flexible thin‐film transistors
Liu et al. Large scale pattern graphene electrode for high performance in transparent organic single crystal field-effect transistors
Hwang et al. Workfunction-tunable, N-doped reduced graphene transparent electrodes for high-performance polymer light-emitting diodes
Nagashima et al. Resistive switching multistate nonvolatile memory effects in a single cobalt oxide nanowire
Cheng et al. Memristive behavior and ideal memristor of 1T phase MoS2 nanosheets
Lafkioti et al. Graphene on a hydrophobic substrate: doping reduction and hysteresis suppression under ambient conditions
US7186380B2 (en) Transistor and sensors made from molecular materials with electric dipoles
JP2004351602A (ja) カーボンナノチューブデバイスおよびその製造方法、並びに、カーボンナノチューブ転写体
Myung et al. Ambipolar memory devices based on reduced graphene oxide and nanoparticles
JP5353009B2 (ja) 半導体装置の製造方法および半導体装置
CN100459147C (zh) 产生高性能有机半导体器件的方法
Yu et al. Small hysteresis nanocarbon-based integrated circuits on flexible and transparent plastic substrate
Zhang et al. Opening an electrical band gap of bilayer graphene with molecular doping

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20100224

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20121113

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130111

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130129

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130201

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160301

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5205670

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160301

Year of fee payment: 3

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250