異種分子組織膜のメモリ機能への応用：シリコンプロセスとの融合を探る

• Project Area: Emergent Chemistry of Nano-scale Molecular System
• Project/Area Number: 23111722
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 若山 裕 独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, 研究員 (00354332)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2012: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2011: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 単一電子トンネリング / トンネル電子 / 単一電子メモリ / 原子層堆積法 / 電子準位

Outline of Annual Research Achievements

本研究では分子機能をSiデバイスに組み込んで分子の特長を最大限に生かした不揮発性メモリを開発することを目指した。この目的のため、素子構成はSi基板上にMetal-Oxide-Semiconductor (MOS)構造をもつトランジスタ構造とする。
ここでは独自の絶縁膜作製技術と分子蒸着装置を駆使してゲート絶縁層に分子を挿入した多層構造を作製した。その分子に電荷を出し入れして記録の書き込み・消去をするメモリ機能を発現させるものである。特に従来の単一電子メモリでは浮遊ゲートの密度を高めることが難しく、充分な電荷を保持できないことが課題とされてきた。それを独自に開発した異種分子が交互に相互配列した分子混晶膜を用いることにより解決し、さらにはその異種分子が異なる電子準位を持つという特長を活かして多値メモリへと発展させることを目的とした。
上記の素子構造で電流ー電圧特性を評価したところ、電荷がトンネリング現象を介して分子に注入されていることを示唆する特性が得られた。詳細な解析結果から、単一電子トンネリングの閾値電圧がそれぞれの分子の電子準位に依存して制御しうることを明らかにすることができた。この結果を受けて、異種分子を同時にゲート絶縁膜中に挿入した素子構造を作製したところ、それぞれの分子に異なる閾値電圧で電荷が注入できることを確認した。これらの成果は異種分子を用いることにより多値メモリが実現できることを現しており、特にSiデバイス構造を基本としているため極めて現実的な素子開発に発展できる。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Single-electron tunneling through molecular quantum dots in metal-insulator-semiconductor structure (2011)
  • Author(s): R.Hayakawa, N.Hiroshiba, Toyohiro Chikyow, Yutaka Wakayama
  • Journal Title: Advanced Functional Materials Volume: 21 Issue: 15 Pages: 2933-2937
  • DOI: 10.1002/adfm.201100220
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Solid-state reactions in binary molecular assemblies of F16CuPc and pentacene (2011)
  • Author(s): Y.Wakayama, D.G.de Oteyza, J.M.Garcia Lastra, D.J.Mowbray
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 5 Issue: 1 Pages: 581-589
  • DOI: 10.1021/nn102887x
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Self-assembled molecular nanowires for multi-channel transistor (2011)
  • Author(s): Yutaka Wakayama
  • Organizer: 24th International Microprocess and Nanotechnology Conference
  • Place of Presentation: 京都全日空ホテル(招待講演)
  • Year and Date: 2011-10-25
• [Presentation] Integration of molecular functions into Si device for single electron memory (2011)
  • Author(s): Yutaka Wakayama
  • Organizer: 1st Annual World Congress of Nano Science and Technology
  • Place of Presentation: 中国大連World EXPO Center(招待講演)
  • Year and Date: 2011-10-23
• [Presentation] Nanostructure designing of self-assembled molecular wire of a pentacene derivative (2011)
  • Author(s): Yutaka Wakayama
  • Organizer: Collaborative Conference on 3D & Materials Science
  • Place of Presentation: 韓国済州島Ramada Hotel(招待講演)
  • Year and Date: 2011-06-29