2019 Fiscal Year Research-status Report
Control of energy levels of semiconductor colloidal nano-dots for high-speed organic memory transistors
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18K04237
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| Research Institution | Wakayama University |
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Principal Investigator |
田中 一郎 和歌山大学, システム工学部, 教授 (60294302)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 半導体コロイダルナノドット / 有機メモリトランジスタ / ペンタセン / 配位子交換 / 記録時間 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
半導体コロイダルナノドット(CND)は直径数nmの半導体結晶の表面に有機分子が配位したナノ材料である。本研究では、有機薄膜トランジスタのゲート絶縁層と有機半導体層の間に形成した半導体CND単粒子層をフローティングゲート層に用いた有機メモリトランジスタの開発を行う。先行研究では、ペンタセンを有機半導体層に用いたメモリトランジスタを作製し、コントロールゲートに正電圧を一定時間（記録時間）印加することによって、その伝達特性において最大ゲート電圧の20%程度の大きな閾値電圧シフトを得ることができた。しかし、閾値電圧シフト量が飽和するまでには数百秒の記録時間を要したため、記録時間の大幅な短縮が課題であった。
このメモリ効果が得られたのは、コントロールゲートへ印加した電圧によって生じた電界によりペンタセンの最高被占軌道(HOMO)からCNDの伝導帯底(Ec)に電子がトンネルして閉じ込められたことによると考えている。ここで、CNDのEcはペンタセンのHOMOよりエネルギーが高いため、CND層とペンタセン層の界面より遠方の両者のエネルギーが揃うところから電子がトンネルする。したがって、トンネル距離が長くなるためその確率が低く、記録時間が長くなったと推定している。このモデルに従えば、CNDのEcを下げてペンタセンのHOMOに近づけることによって記録時間を短縮できると考えられる。
本研究では、CNDの配位子を極性を有する分子に交換することによって、そのEcを低下させて記録時間を短縮することを検討している。令和1年度はPbS CNDの配位子をオレイン酸からトリブチルアンモニウムブロミドに交換することによって記録時間を約17%に短縮することに成功した。また、配位子を除去した場合に比べてメモリ効果の保持特性が大きく改善されており、Ecが低下したことを強く示唆している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初計画した提案のように、極性を持つ配位子に交換することによってPbSコロイダルナノドットをフローティングゲート層に用いたペンタセンメモリトランジスタの記録時間を短縮できることが確認された。加えて、ナノドット中の伝導帯底のエネルギーが、当初の予想通りに配位子を交換しない状態に比べて低下していることを強く示唆する結果も得られており、概ね順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
半導体コロイダルナノドットの配位子を交換する条件は概ね明らかになって、メモリ特性の再現性も得られている。今後は、さらに記録時間を短縮するための検討を行う。
具体的には、(1)ナノ結晶のサイズが異なるPbSコロイダルドットを用いて記録時間の評価を行う。ドット中のエネルギー準位はその大きさに依存するため、大きくすればさらにエネルギー準位が低下して記録時間が短くなり、小さくすれば逆にエネルギー準位が上がって記録時間が長くなりと予想される。(2)記録時に印加する電界を強くすることによっても記録時間の短縮を検討する。現在、ゲート絶縁膜には厚さ300nmの二酸化ケイ素膜を用いているが、その厚さを100nmにすることで電界強度を２倍以上に強くすることができると見込んでいる。
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| Causes of Carryover |
研究成果を発表するため、2020年3月に開催が予定されていた応用物理学会への出張旅費を予算計上していた。しかし、新型コロナウィルスの感染が拡がったために同学会の開催が中止となり、その分が執行できなかったために次年度使用額が生じた。
次年度使用額となった分は研究材料を購入する費用として使用する。特に、従来より電界強度を高めた記録条件を検討する必要が生じた。そのために、厚さ100nmの熱酸化膜が形成されたシリコン基板を購入する費用に充当する。
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Research Products
(3 results)
