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A study on current modulation mechanism of surface-chemical-reaction associated thin film transistor under UV exposure

Research Project

Project/Area Number 22K18787
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
Research InstitutionYamagata University

Principal Investigator

廣瀬 文彦  山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (50372339)

Project Period (FY) 2022-06-30 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Keywords酸化チタン / 薄膜トランジスタ / センサー / UV / 原子層堆積法 / 吸着 / 赤外吸収分光 / 光触媒 / 原子層 / 堆積 / 表面反応
Outline of Research at the Start

これまでトランジスタや電界効果トランジスタなどの電子デバイスは、半導体チャネルに外部から電界や光などの物理的な作用で材料の導電率を変調させることで電気信号を増幅することを原理としてきた。本研究では、新しい概念として、物理的な作用に加えて、半導体チャネル表面での化学反応を連動させた、超高感度UVセンサーとしての機構解明を狙う。研究成果として、従来光電子増倍管をはるかに凌ぐUVセンサー感度の実現を狙う。

Outline of Annual Research Achievements

従来、トランジスタや電界効果トランジスタなどの電子デバイスは、半導体チャネルに物理的な外因で材料の導電率を変調させることにより電気信号を増幅することを原理としてきたが、本研究では、新しい概念として、半導体チャネル表面での光触媒化学反応を連動させた新概念のデバイスを提案する。そこで薄膜トランジスタ型UVセンサーを実現し、その機構解明を狙う。具体的には、ナノメートルまで薄くした酸化チタンをチャネルにもつ薄膜トランジスタに、UV光を照射することでチャネル表面にて連動的に起きる光触媒反応による強い伝導変調効果を活用した薄膜トランジスタを扱う。UVセンサーとしての動作機構解明と、10000 A/Wを超える世界最高感度の紫外線センサーの実現を狙うものである。
本年度では、前年度に引き続き、様々な構造の薄膜トランジスタを試作し、UV光に対する電気伝導の応答メカニズムを調べ、様々なガス環境下で278nmの紫外光を照射した結果、大気中で数千A/W、真空中で1万A/Wを超える高い紫外線応答を確認しており、高感度化のためのサンプルの環境条件を明らかにすることができた。表面反応の評価として、多重内部反射赤外吸収分光を用いた光触媒反応の観測をした結果、紫外光照射で、表面の吸着水密度は増加し、表面残留炭化水素濃度に変動は見られたものの、変化量が紫外光照射によるチャネル電流の変化を説明できるほどは見られず、当初予想していた光触媒が連携した表面反応モデルについては見直しが必要となった。引き続き、解析を続け実験結果を説明できる表面反応モデルの構築を目指す。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

紫外線センサーの高感度化については、いくつかのサンプルにおいて10000A/Wを超えるものもの見出しており、その見通しがつきつつある。残る研究期間をもって、表面反応を明らかにして、動作機構のモデルを提案したい。

Strategy for Future Research Activity

化学反応連動型薄膜トランジスタ型紫外線センサーについては、引き続き表面反応のモニタリングを通して、表面反応モデルを明らかにしていく。電子デバイスシミュレータを活用した、吸着物の電気伝導に与える影響をモデル化していく。また、得られたモデルを基に、最適なセンサー構造を考え、さらなる高感度化を図る。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2024 2023

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 2 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Sodium adsorption on nanometer-thick TiO2 channel thin film transistors for enhanced drain currents2024

    • Author(s)
      R. Miyazawa, H. Suzuki, H. Takeda, M. Miura, B. Ahmmad, F. Hirose
    • Journal Title

      J. Vac. Sci. Technology

      Volume: B 42 Issue: 2 Pages: 022213-022213

    • DOI

      10.1116/6.0003217

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Room temperature atomic layer deposition of zinc titanium oxide using sequential adsorption of dimethyl zinc and tetrakis(dimethylamino)titanium2024

    • Author(s)
      Haruto Suzuki, Ryo Miyazawa, Masanori Miura, Bashir Ahmmad, Fumihiko Hirose
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 63 Issue: 4 Pages: 04SP49-04SP49

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ad33f1

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Nanothick metal oxide channel thin film transistors and their application as gas and UV sensing2024

    • Author(s)
      Fumihiko Hirose
    • Organizer
      14th International Workshop on Nanostructures & Nanoelectronics
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Aluminum-silicate coated titanium-oxide-channel-thin-film transistors as cation sensors2024

    • Author(s)
      Ryo Miyazawa, Hibiki Takeda, Ryusei Sato, Haruto Suzuki, Masanori Miura, Bashir Ahmmad and Fumihiko Hirose
    • Organizer
      MNC 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Competitive adsorption of DMZ and TDMAT in composite oxide atomic layer deposition observed by IR absorption spectroscopy2024

    • Author(s)
      Haruto Suzuki, Ryo Miyazawa, Masanori Miura and Fumihiko Hirose
    • Organizer
      MNC2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 酸化チタン薄膜トランジスタにおけるアルカリ金属ドーピングによるドレイン電流の増強効果2024

    • Author(s)
      宮澤 諒、鈴木 晴登、竹田 響綺、三浦 正範、廣瀬 文彦
    • Organizer
      第71回春季応用物理学会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 酸化チタン薄膜トランジスタUVセンサのチャネル表面反応の観察2024

    • Author(s)
      山野 航平, 三浦 正範, 有馬 ボシール アハンマド, 廣瀬 文彦
    • Organizer
      電子情報通信学会 電子部品材料研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Nanothick metal oxide channel thin film transistors and their applications as gas and UV sensing2023

    • Author(s)
      Fumihiko Hirose
    • Organizer
      13th International Workshop on Nanostructures & Nanoelectronics
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 室温原子層堆積によるアルミニウムシリケートの紙繊維上形成2023

    • Author(s)
      廣瀬文彦
    • Organizer
      応用物理学会
    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2022-07-05   Modified: 2024-12-25  

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