有機強誘電体をゲート絶縁層に用いた不揮発性トランジスターに関する研究

• Project/Area Number: 16686021
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Electronic materials/Electric materials
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 石田 謙司 京都大学, 工学研究科, 講師 (20303860)
• Project Period (FY): 2004 – 2005
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2005)
• Budget Amount: ¥30,420,000 (Direct Cost: ¥23,400,000、Indirect Cost: ¥7,020,000); Fiscal Year 2005: ¥13,000,000 (Direct Cost: ¥10,000,000、Indirect Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2004: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
• Keywords: 強誘電体 / 有機分子 / 不揮発性メモリ / 界面 / トランジスタ型メモリ / ヒステリシス / 空乏層 / 半導体 / MFS-FET / 有機強誘電体 / ダイポール / VDFオリゴマー / 有機メモリ / 有機無機ハイブリッド / ゲート絶縁膜

Research Abstract

本研究では、無機強誘電体によるMFS-FET(Metal Ferroelectric Semiconductor-Feild Effect Transistor)では解決困難な(1)Si/強誘電体の界面での界面準位形成、(2)膜堆積時の不要なSiO_2膜形成、などの諸問題を解決策する方策として、低温条件での成膜が可能な「有機強誘電体」をゲート絶縁膜として用いることを提案し、清浄なSi/強誘電体界面の形成と有機強誘電体の分極挙動がSi半導体特性に及ぼす影響について明らかにすることを目的とした。有機強誘電体として高い残留分極値が期待されるビニリデン・フルオライド(VDF)オリゴマーを用いてSi基板上に積層型のMFS構造を形成し、容量-電圧(C-V)測定、誘電ヒステリシスの測定を行った。金属性Siを基板として用いた実験において、無機強誘電体では難しいDEヒステリシス発現に成功した。Alなど金属電極を用いた実験データと比較しても、その残留分極値、抗電界に変化はなく、Siと有機強誘電体との良好な界面形成が示唆された。一方、半導体性Si基板では、Si空乏層の形成を示唆する特定電圧挿引方向での抗電界上昇が観測された。そこでSi半導体のドープ濃度や測定周波数、印可電圧などをパラメータとしてCV評価を行い、空乏層の形成有無、形成された空乏層の厚み、メモリウインド、ON/OFF容量比など、有機強誘電体のダイポールがSi空乏層に及ぼす影響を検証した。その結果、抗電界近傍での容量の急激な上昇から、分極反転と強く相関したCV特性の明確なヒステリシス特性が観測され、メモリウインド:11.5V、容量ON/OFF比:2:1、空乏層幅500nmなどの特性が概算できた。総じて、本実験の実施により有機強誘電体によるSi半導体特性の変調が十分に可能であることを実証した。また、キャパシタ構造での有機強誘電体の赤外線に対する焦電応答特性の観測にも成功しており、赤外センサーへの展開も可能であることを示唆した。

Research Products

• [Journal Article] Investigation for Crystal Structure of Ferroelectric Oligomer Thin Film by X-ray Pole Figure Method (2005)
  • Author(s): S.Kuwajima
  • Journal Title: 信学技報 OME2005-7 Pages: 37-41
• [Journal Article] Increase in carrier mobility of organic ultrathin-film transistor with increasing molecular layers investigated by Kelvin probe force microscopy (2005)
  • Author(s): T.Miyazaki
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Vol.97,No.12 Pages: 124503-124503
• [Journal Article] 有機強誘電体メモリー (2005)
  • Author(s): 石田 謙司
  • Journal Title: 機能材料 Vol.26 No.2 Pages: 35-42
• [Journal Article] Developments of nonvolatile Memory using well-ordered Ferroelectric Linear Molecules (2005)
  • Author(s): Kenji Ishida
  • Journal Title: Material Research Society Proceedings Vol.830 Pages: 65-170
• [Journal Article] Orientation control of ferroelectric polymer molecules using contact-mode AFM (2004)
  • Author(s): K.Kimura, K.Kobayashi, H.Yamada, T.Horiuchi, K.Ishida, K.Matsushige
  • Journal Title: European Polymer Journal Vol.40 Pages: 933-938
• [Journal Article] Orientation control of Molecular Chains in polymers using atomic force microscopy (2004)
  • Author(s): K.Kimura, K.Kobayashi, H.Yamada, T.Horiuchi, K.Ishida, K.Matsushige
  • Journal Title: Jpn.J.Appl.Phys Vol.43 Pages: 4575-4579
  • NAID: 10013431477
• [Journal Article] Characteristics of organic field effect transistors using simple fabricated nano-gap electrode (2004)
  • Author(s): M.Yahiro, K.Ishida, K.Matsushige
  • Journal Title: IEICE TRANS.FUNDAMENTALS/COMMUN./ELECTRON./INF. & SYST E86-C Pages: 2114-2115
  • NAID: 110006226498
• [Journal Article] Improvement of coupling-out efficiency of organic lightemitting devices by dotarray structures with organic (2004)
  • Author(s): T.Matsumoto, M.Yahiro, K.Ishida, T.Horiuchi, H.Yamada, K.Matsushige
  • Journal Title: IEICE TRANS.FUNDAMENTALS/COMMUN./ELECTRON./INF. & SYST E86-C Pages: 2112-2113
• [Journal Article] 有機不揮発性メモリー開発を目指したフッ素系鎖状分子の強誘電特性評価とその鎖長効果 (2004)
  • Author(s): 桑島 修一郎, 石田 謙司, 望月 和之, 野田 啓, 堀内 俊寿, 山田 啓文, 松重和美
  • Journal Title: 信学技報(電子情報通信学会誌) 104 Pages: 41-44
  • NAID: 110003175655
• [Journal Article] Developments of nonvolatile Memory using well-ordered Ferroelectric Linear Molecules
  • Author(s): K.Ishida, K.Katsumoto, S.Kuwajima, T.Horiuchi, H.Yamada, K.Matsushige
  • Journal Title: Material Research Society Proceedings (in-press)
• [Patent(Industrial Property Rights)] 焦電型赤外線センサ (2006)
  • Inventor(s): 石田謙司, 松本有史, 桑島修一郎, 堀内俊寿, 松重和美, 小谷哲浩, 高明天
  • Industrial Property Rights Holder: 石田謙司, 松本有史, 桑島修一郎, 堀内俊寿, 松重和美, 小谷哲浩, 高明天
  • Industrial Property Number: 2006-077320
  • Filing Date: 2006-03-20
• [Patent(Industrial Property Rights)] 有機単分子膜成膜装置及び該方法 (2005)
  • Inventor(s): 桑島修一郎, 石田謙司, 堀内俊寿, 松重和美
  • Industrial Property Rights Holder: 桑島修一郎, 石田謙司, 堀内俊寿, 松重和美
  • Industrial Property Number: 2005-220458
  • Filing Date: 2005-07-29
• [Patent(Industrial Property Rights)] 強誘電体記憶素子及び強誘電体記憶装置 (2005)
  • Inventor(s): 堀江 聡, 松本 隆, 桑島修一郎, 石田謙司, 松重和美
  • Industrial Property Rights Holder: 堀江 聡, 松本 隆, 桑島修一郎, 石田謙司, 松重和美
  • Industrial Property Number: 2005-331366
  • Filing Date: 2005-11-17