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本申請課題では、孤立分散した磁性分子を量子ドットとして用いた縦型スピントランジスタを実証することを目的としている。本年度においては、上記課題を達成する上でもっとも重要なトンネル絶縁膜に内包した分子の分子軌道をゲート電圧で制御することによりトランジスタ動作を実現することに取り組んだ。これまで、トンネル絶縁膜に内包した分子の帯電エネルギーにより単電子トンネル電流を誘起することに成功しているが、分子とゲート電極との静電カップリングが小さいさいため、ゲート電圧による分子軌道制御には到達していない。そのため、代替策としてシリコン基板をソース電極として用い、ゲート電圧によりシリコン基板の空乏層幅を制御することで疑似的にトランジスタとして機能させてきた。しかしながら、本課題では強磁性電極をソースおよびドレイン電極として用いるため、ゲート電圧による分子軌道変調を実現することが必須となる。
上記課題に対し、ゲート絶縁膜に酸化アルミニウムを用い、膜厚を30 nmから5 nmまで段階的に薄膜化した。酸化アルミニウムの膜厚が30 nmのときには、ゲート電圧を印加してもドレイン電流は変化しなかったが、10 nm、5 nmと薄膜化するにつれて、ドレイン電流が効率的に変調できることが分かった。この結果は、縦型トランジスタの中でゲート電圧による分子軌道制御が実現できたことを示しており重要な成果となる。さらに特筆すべき点は、膜厚を5 nmまで薄膜化することで、室温においても3 V程度のゲート電圧で分子トランジスタとして動作することに成功した。今後、高集積可能な分子トランジスタの実現に繋がる成果となる。
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