多機能ドープ導電性ポリマー系電界効果デバイス
電界駆動デバイス及び作動方法が提供される。各デバイスは、印加電界に対して多機能の応答を提供するために、一種以上のドープ導電性ポリマーを使用している。デバイスは、デバイス（１０）用のゲートコンタクト（２２）を提供するように作動できる導電層（３０）と、デバイス（１０）用のソース（２４）及びドレイン（２６）コンタクト並びに活性層を提供するように作動できる導電性ポリマー層（１４）と、導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に形成された絶縁性ポリマー層（１６）とを有し、前記層の組合わせにより、複数の応答機能の内の少なくとも２機能を行うようにデバイス（１０）が作動できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００４年３月２５日出願の米国仮出願第６０／５５６，２３２号の優先権及びその利益を主張するものであり、該仮出願の全体を明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、ポリピロール（ＰＰｙ）及びポリアニリン（ＰＡｎｉ）、並びにそれらのコポリマー及びブレンド等の一種以上のドープ導電性ポリマー（doped conducting polymers）を用いて調製された電界駆動デバイスに関するものであり、この導電性ポリマーには、印加された電界に対して多機能応答を提供するために、Ｃｌ−やＣｌＯ４−等の無機ドーパント、及び／又はメタンスルホン酸やカンファースルホン酸等の有機ドーパント、及びそれらの混合物がドープされている。
【０００３】
本発明の例示的実施形態は、反射率／放射率及び導電率の変調、増幅器、電流源、不揮発性メモリ、及びスーパーキャパシタのアプリケーションに関する。しかしながら、本例示的実施形態は、他の同様のアプリケーションにも適用可能である。
【０００４】
電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は、今日最も一般的なトラジスタである。ＦＥＴは、半導体材料を通して流れる電流を電界を使用して制御することにより作動する。近年、電界効果デバイスに活性要素を提供するために、ドープ及びアンドープ半導体ポリマーが提供されている。本発明者Ａｒｔｈｕｒ Ｊ． ＥｐｓｔｅｉｎらによるＥｌｅｃｔｒｉｃ−Ｆｉｅｌｄ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｉｏｎ−Ｌｅｖｅｒａｇｅｄ Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓには、ドープ及びアンドープ半導体ポリマー並びにそれらのＦＥＴへの適用が論じられており、その全体を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
【０００５】
従来、ポリマーＦＥＴは、反転増幅器や電流源等として使用されているが、そのＦＥＴ構成で提供される機能は１種類のみである。本発明は、複数の機能を達成できるポリマーＦＥＴデバイスを提供する。
本開発は、海軍研究事務所の支援を受けている（助成金番号Ｎ０００１４−０１−１−０４２７）。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本例示的実施形態の一アスペクトによれば、デバイス用のゲートコンタクトを提供するように作動できる導電層と、デバイス用のソース及びドレインコンタクト並びに活性層を提供するように作動できる導電性ポリマー層と、導電層と導電性ポリマー層との間に形成された絶縁性ポリマー層とを有する電界効果デバイスが提供され、前記層の組合わせにより、複数の応答機能の内の少なくとも２機能を行うようにデバイスが作動できる。複数の応答機能には、導電層と導電性ポリマー層との間に電圧を印加することにより表面領域上での電磁放射の反射率と放射率を変化させる機能；導電層と導電性ポリマー層との間に電圧を印加することによりソースコンタクトとドレインコンタクトとの間の導電性を変化させる機能；低周波電気信号を増幅する機能；電流源として働く機能；不揮発性で書き換え可能な形態で情報を記憶する機能；絶縁性ポリマー層によって分離されている導電性ポリマー層と導電層との間に電荷及びエネルギーをスーパーキャパシタとして貯蔵する機能；及び有機種、無機種又は生物種（biologic species）の存在を検知する機能が含まれる。
【０００７】
本例示的実施形態の他のアスペクトによれば、デバイス用のゲートコンタクトを提供するように作動できると共に反射面を提供するように作動できる導電層と、デバイス用のソース及びドレインコンタクト並びに活性層を提供するように作動できる導電性ポリマー層と、導電層と導電性ポリマー層との間に形成された絶縁性ポリマー層とを有する電界効果デバイスを作動させる方法が提供される。この方法は、前記層の組合わせにより、複数の応答機能の内の少なくとも２機能を行うようにデバイスが作動できるようにする段階を含む。複数の応答機能には、導電層と導電性ポリマー層との間に電圧を印加することにより表面領域上での電磁放射の反射率と放射率を変化させる機能；導電層と導電性ポリマー層との間に電圧を印加することによりソースコンタクトとドレインコンタクトとの間の導電性を変化させる機能；低周波電気信号を増幅する機能；電流源として働く機能；不揮発性で書き換え可能な形態で情報を記憶する機能；絶縁性ポリマー層によって分離されている導電性ポリマー層と導電層との間に電荷及びエネルギーをスーパーキャパシタとして貯蔵する機能；及び有機種、無機種又は生物種の存在を検知する機能が含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の開示によれば、図１にその概略を示す多機能ドープ導電性ポリマー系電界効果デバイス構造体が提供される。図に示すようにデバイス１０は、導電層１２（例えばアルミニウム層等の金属層）、導電性ポリマー層１４（例えばＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）、金属層１２及び導電性ポリマー層１４の間に配設される絶縁性ポリマー層１６（例えばＰＶＰ、ポリエチレンオキシド又は他の非導電性ポリマー等の絶縁体）を含む。導電性ポリマー層１４は電界効果デバイス１０の活性領域を提供する。また、導電層１２は、金属や非金属の反射性表面等の高反射性表面で被覆されていてもよい導電性ポリマー等、他種の導電性材料（例えばコーティングしたマイラー）で置換することができる。ここで、層１２はデバイス１０のゲートコンタクト２２として機能し、導電性ポリマー層１４はデバイス１０のソースコンタクト２４及びドレインコンタクト２６として機能する。同様に図１には、ゲートコンタクト２２、ソースコンタクト２４及びドレインコンタクト２６に接続されるように適切に設置され、デバイスを作動させる回路を示す。
【０００９】
図１に示されるデバイスは種々の構成を取りうるが、これらは単に例示に過ぎないことが理解されよう。更に、本デバイスは、剛性、半剛性、変形可能（conformable）又は可撓性とすることができる。デバイス１０の各種層は、一部を本明細書に示す他の適切な材料から形成することができると理解されたい。図１のデバイス１０は種々の技法により作成されることが理解されよう。これら技法の例は、上述の参考文献Ｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｆｉｅｌｄ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｉｏｎ−Ｌｅｖｅｒａｇｅｄ Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓに開示されている。
【００１０】
このような技法は、使用される材料及び所望のデバイス構成に従って選択される。また更に、デバイスの多機能特性に応じて本デバイスは種々の環境で作動させることができる。
【００１１】
本デバイス構造体に使用されるドープ導電性及び誘電体ポリマーの例を図２Ａ〜２Ｂ、３Ａ〜３Ｃ及び４Ａ〜４Ｂに示す。本構造体は１μ２未満〜１ｃｍ２超、例えば１ｍ２超の活性領域を有することができる。本構造体には次の多種応答機能の内の少なくとも２種、を取り込むことができる。即ち、
底部金属反射層と頂部導電性ポリマー層との間に小電圧を印加することにより広い表面領域に亘る電磁放射、特に赤外線の反射率と放射率を変化させること（図５Ａ〜９Ｃ）；
導電性ポリマー層と金属層との間に電圧を印加することにより導電性ポリマー層のソースコンタクトとドレインコンタクトとの間のコンダクタンスを変化させること（図１０〜１４Ｂ）；
回路素子として用いられるとき、低周波電気信号を増幅すること（図１５Ａ〜１６Ｃ）；
電流源として働くこと（図１７Ａ〜１７Ｂ）；
不揮発性で書き換え可能な形態で情報を記憶すること（図１８Ａ〜１８Ｃ）；
ポリマー誘電体層（ポリビニルフェノール）（ＰＶＰ）と表わす）によって分離されている頂部導電性ポリマー層（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳと表わす）と下部金属（ゲート）層（Ａｌと表わす）との間の電荷及びエネルギーをスーパーキャパシタとして貯蔵すること（図１）；及び
有機種、無機種又は生物種の存在を検知することである。
【００１２】
作動方法は、導電性ポリマー層の無秩序部分に少量のイオンを挿入することで達成されるものであり、そのようにイオンを導入することでポリマー中の電荷の流れが阻止され多機能応答が可能となることが理解されよう。従って、デバイスを最適化することができ、二種以上の機能が同時に提供される。
【００１３】
以下図面を参照して、本明細書の特徴を更に詳細に説明する。
図１に、エネルギー／パワー貯蔵、コンダクタンス及び反射率／放射率を電圧制御する、多機能ドープポリマー電解効果変調デバイスの概略を示す。
【００１４】
本電界効果デバイスは、活性材料としての導電性ポリマー層１４を含む。導電性ポリマー層１４は、導電性ポリマーであるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ［ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（スチレンスルホン酸）］（化学式を図２Ａに示す）からなる。他に用いることができる典型的な導電性ポリマーを図３Ａ〜３Ｃに示す。図３Ａはポリチオフェンの骨格構造を示し、図３Ｂはポリピロールの骨格構造を示し、図３Ｃはポリアニリンのロイコエメラルディン型（ｙ＝１）、エメラルディン型（０．３５＜ｙ＜０．６５）及びペルニグアニリン（ｙ＝０）型の各骨格構造を示す。図３Ａ〜３Ｃに示される各ポリマー骨格において、一又は全部の炭素及び窒素サイトをアルキル、アルコキシ、アセン、ポリアセン含有単位又はピリジン含有単位の官能基で更に置換することができる。図４Ａ及び図４Ｂは、５０％及び１００％スルホン化ポリアニリン（自己ドープポリマー）をそれぞれ表わす。これらポリマーは、炭素及び窒素サイトにおいてアルキル又はアルコキシ基の官能基で更に置換することができる。スルホン化度は１０％から１００％の間で連続的に変化させることができる。図１に示すデバイス構造体の導電性ポリマー層１４の例においては、Ｃｌ−をドープする。絶縁層１６は、図２Ｂに示すＰＶＰ［ポリ（４−ビニルフェノール）］、ポリエチレンオキシド又は他の非導電性ポリマー等の絶縁体から調製される。導電層１２は、アルミニウム、金、銀、又は反射性表面で被覆された導電性ポリマー等の高反射性材料から調製される。図に示すように、ドープ導電性ポリマー層１４は、ソースコンタクト２４及びドレインコンタクト２６を提供する。ＦＥＴを形成するためのＳｉ等の従来の半導体に比べ非常に低いドーピングレベルではあるものの、本発明のポリマー層１４は、活性領域有する半導体として、印加されたゲート電圧に応答する。反射導電層１２は、デバイス１０のゲートコンタクト２２を提供する。２０で表わされる電圧源によって電圧をゲートコンタクト２２に印加する。ゲート電圧によって発生した電場は絶縁層１６を透過し、ドープ導電性ポリマー層１４に達する。これによって起こる絶縁層及び導電性ポリマー層間のイオンの微小運動により、電流がドレインコンタクト２６からソースコンタクト２４へ流れる。電圧源２８は、電流をデバイス１０へ流通させるのに必要なエネルギーを提供する。
【００１５】
図１は、電界効果デバイスの表面領域３２に印加された電磁放射３０を示す。この電磁放射は、ドープ導電性ポリマー層１４を透過する更なる電界を発生させる。この結果、導電性ポリマー層１４内に更なるイオンの動きがもたらされる。これによって、ソース２４コンタクト、ドレイン２６コンタクト間の導電性に更なる変調がもたらされる。更に、層１２の反射面は、導電性ポリマー層１４と絶縁層１６の両方を透過する電磁放射を反射する手段となる。反射された放射は、デバイス１０の表面３４を透過する。次に説明するように、反射率はデバイス１０のゲート電圧によって制御できる。
【００１６】
図５Ａ、５Ｂは、それぞれ多機能ドープポリマー電界効果変調デバイス７０の上面図と断面図である。このデバイス７０は、ドープ導電性ポリマー７２と、絶縁層７４と、反射導電層７６と、ガラス等の基板７８とを含む。これら各層の配列を図５Ａ、５Ｂに示す。
【００１７】
図６Ａ、６Ｂは、図５Ａ、５Ｂに示すデバイスの性能特性を示すグラフである。デバイス７０の組成は、活性領域が５２ｍｍ２のガラス／Ａｌ（０．３μ）／ＰＶＰ（０．６μ）／Ｂａｙｔｒｏｎ（０．７μ）である。図６Ａは、デバイス７０の、ゲート７６と導電性ポリマー７２間に印加された、経時的に変化するゲート電圧ＶＧ８０を示す。ゲート電圧の値は、矢印８２で示す各時間において０から＋２Ｖ又は−２Ｖの間で変化する。ＶＧの振幅の変化に伴い、時間の関数としてソース−ドレイン電流が変調され（８４）、ゲート−ソース電流も同様に変調される。図６Ｂに示すように、デバイス７０の反射率Ｒと反射率の変化率Ｒ／Ｒ０はＶＧの関数として変化する。Ｒ０は、ＶＧ＝０の時のデバイス７０の反射率を示し、Ｒは、ＶＧが−２Ｖと＋２Ｖ間の値の時のデバイス７０の反射率を示す。反射率比Ｒ／Ｒ０は、ＶＧが印加された時のデバイス７０の反射率の変化を示す。図６Ｂに示すように、反射率比Ｒ／Ｒ０はＶＧが一定の場合、放射周波数（波長）の関数として変化する。図７は図６Ｂの拡大図であり、Ｒ／Ｒ０がＶＧの関数であることをよく示している。これらのグラフは、ゲートバイアスによる反射率の復調可能な変調を示している。更に、約４０％のＩＳＤ変調に対して約３０％のＲ変調を行うことができる。図６Ｂに示すように、透過優位（ＴＤ）領域と反射優位（ＲＤ）領域が得られる。図７に示す結果は、最高２Ｖのゲート電圧を印加した場合のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ電界効果構造のＩＲ反射率の可逆的変化を示す。
【００１８】
図８Ａ、８Ｂは、図５Ａ、５Ｂに示すデバイス７０が受け取った外部電磁波の放射周波数の関数としての反射率と導電率をそれぞれ示すグラフである。図８Ａから分かるように、デバイス７０の反射率は、ＶＧの増加と共に増加し、特に赤外線の場合そうである。更に、また同時に、ドレインソース間のデバイス７０の導電率は、ＶＧの増加と共に増加する。反射／放射制御機能と導電率制御機能を同時に行うことによって、図５Ａ、５Ｂのドープ導電性ポリマー電界効果デバイスは多機能性を提供する。
【００１９】
図９Ａ〜９Ｃは、図５Ａ、５Ｂに示すデバイスの３５００ｃｍ−１〜２８０００ｃｍ−１の可視、近赤外及び近紫外スペクトル領域における透過性を示すグラフである。デバイスは、ガラス／Ａｌ（６ｎｍ）／ＰＶＰ（０．８μ）／ＢＰ（０．２５μ）で構成され、８５．２ｍｍ２の活性領域を有する。これらのグラフは、紫外線及び可視スペクトルの範囲の放射において、約４５％のＩｓｄ変化に対し約３％の透過率変化があることを示している。図９Ｂは図９Ａの断面（Ａ）を示し、図９Ｃは図９Ａの断面（Ｂ）を示す。
【００２０】
図１０は、図１に示すデバイススイッチングスピードを示すグラフである。比較的遅いスイッチングスピードは、イオンの運動が重要であることを示唆している。
【００２１】
図１１は、図１に示すデバイスのコンダクタンスのグラフである。活性ポリマーはＰＥＤＯＴ：ＰＳＳである。本例は２０Ｖのゲート電圧を印加後、コンダクタンスが１／１０５になることを示す。更に、ゲート電圧を取り除くと、コンダクタンスが復帰することが示されている。
【００２２】
図１２は、時間の関数としてのＩＤＳのグラフである。このグラフは、ＰＰｙ／Ｃｌ−（Ｃｌ−ドープポリピロール）の組成を有し、ＶＧが比較的急速に変化する図１に示すデバイスのＩＤＳが時間依存的であることを示している。
【００２３】
図１３Ａ、１３Ｂは、図１のデバイスはスイッチングオフ時間が比較的速いことを示している。本デバイスのスイッチングオフ時間（ＴＳＷ）は、０．５秒未満であり、オン／オフ比は約１０３である。図１３Ｂは、図１３Ａの領域（Ａ）の拡大図を示す。この領域は、スイッチングオフ、スイッチングオン時間を連続的に定量化している。
【００２４】
図１４Ａは、各種ゲート電圧における関数であるドレイン電流曲線である。
図１４Ｂは、ゲート−ソース電圧の関数としての飽和電流を示すグラフである。本デバイスの閾電圧Ｖｔｈは３．０Ｖである。
【００２５】
図１５Ａは、図１によるデバイス反転増幅器の構成を示す。図１５Ｂ、１５Ｃに示すように、このデバイスは、ｆ＝０．０２５ＨｚにおいてＶｉｎを２．１増幅し、ｆ＝０．１１ＨｚにおいてＶｉｎを１．６増幅する。入力電圧Ｖｉｎの増加に伴い、波形の歪みと増幅の低下がもたらされる。本デバイス構成のカットオフ周波数は約０．１Ｈｚである。
【００２６】
図１６Ａは、図１によるデバイスの反転増幅器の構成を示す。図１６Ｂ、１６Ｃに示すように、このデバイスは、ｆ＝０．００７ＨｚにおけるΔＶｉｎ＝．５Ｖの場合６．０の増幅を行い、ｆ＝０．００７ＨｚにおけるΔＶｉｎ１．０Ｖの場合６．７の増幅を行う。この構成を用いて、最大２０の増幅を行うことができる。
【００２７】
図１７Ａは、図１に示すデバイスの電流源の構成を示す。図１７Ｂは、ドレイン−ソース電圧の関数としてのドレイン電流の関係をグラフで示す。本実施形態に示す構成と材料を用いることによって、７Ｖを超えるＶＤＳを印加した場合、定電流（constant current）が１１０μＡとなる。活性チャネルの形状（ソースコンタクト、ドレインコンタクト間の導電性ポリマーの長さ、幅及び厚み等）と、ゲート電極と活性チャネルの形状とを調整することによって、数桁に亘る広い範囲で定電流を変化させることができる。同様に、図１７Ａに示すデバイス構造の具体的な形状及び組成によって、それを超えるとＩＤＳが一定となる閾値ＶＤＳが決まる。
【００２８】
図１８Ａ、図１８Ｂ及び図１８Ｃは、図１に示すデバイスの不揮発性ＲＡＭ応答を示す。ＶＧ＝ＶＳＤが０Ｖの場合、不揮発性ＲＡＭ機能が達成される。この場合、データ記憶時間を数時間とすることができる。尚、この例ではＶＧは、このデバイス内の情報を書き込んだり或いは消去する「書き込み」機能である。正のＶＧはソース、ドレイン間の抵抗を増加させる。この増加した抵抗は、この抵抗を低い値にリセットする負のＶＧが印加されるまで、数日間にも亘る長期間保持することができる。ＶＳＤは「読み込み」動作である。この場合のＩＳＤが「読み込み」信号となる。本デバイスは、ソース、ドレイン間に設けられた電流源を用い、所定の電流ＩＳＤを流すことによって「読み込み」動作を行える。この場合、メモリ信号「読み込み」はＶＳＤである。図１８Ａ、図１８Ｂ及び図１８Ｃは、本デバイスが「１」状態「０」状態間のコントラストを１９％、１１％及び２９％有することをそれぞれ示す。デバイス形状、構成ポリマー及び印加されるＶＧを適宜選択することによって、より大きなコントラストを達成できる。
【００２９】
以上のように、上述の各種機能は単一の多機能ドープ導電性ポリマー系電界効果デバイスに集約させることができる（図１及び図５Ａ及び５Ｂに示す）。付加的な機能としては、図１及び図５Ａ及び５Ｂに示されるような、絶縁層により分離されている導電性ポリマー層及び導電層との間に電荷及びエネルギーをスーパーキャパシタとして貯蔵することが挙げられる。上述のように、本電界効果デバイスは、有機種、無機種又は生物種のセンサーとしても機能する。上述の電界効果デバイスに多重ゲート電圧が印加される場合に、あるいは一以上のゲート電圧が印加され、且つ電界効果デバイスの表面に電磁放射が印加される場合に、多機能が提供される。
【００３０】
以上、好ましい実施形態を参照しつつ本発明の例示的実施形態を説明してきたが、本明細書の詳細な説明を読み理解すれば各種修正を想倒しうることは明白であろう。これら例示的な実施形態は、そのような修正及び変更が請求の範囲及びその等価物の範囲に包含される限りにおいて、それら全てを含むと解釈されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は本発明の一実施形態の多機能ドープポリマー電界効果変調デバイスの概略図である。
【図２Ａ】図２Ａは導電性ポリマーを示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは絶縁性ポリマー層材料である。
【図３Ａ】図３Ａは導電性ポリマーを示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは導電性ポリマーを示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは導電性ポリマーを示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは５０％スルホン化ポリアニリンを示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは１００％スルホン化ポリアニリンを示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは本発明の一実施形態における多機能ドープポリマー電界効果変調デバイスの上面概略図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは図５ＡのＡ−Ａ断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは図５Ａ及び図５Ｂに示すデバイスにおけるＩＳＤ、ＩＧＳ、及びＶＧの経時変化を示すグラフである。
【図６Ｂ】図６Ｂは図５Ａ及び図５Ｂに示すデバイスにおいて、３０ｃｍ−１〜６３０ｃｍ−１のスペクトルレンジにおける絶対反射率（Ｒ）と、印加ゲート電圧（Ｒ０）の非存在下における反射率に対して正規化した反射率（Ｒ／Ｒ０）とを示すグラフである。
【図７】図７は図６Ｂの拡大図を示すグラフである。
【図８Ａ】図８Ａは図５Ａ及び図５Ｂのデバイスにおいて、ゲート電圧０Ｖ及び２Ｖを印加した場合に、３０ｃｍ−１〜６３０ｃｍ−１のスペクトルレンジにて測定した反射率を示すグラフである。
【図８Ｂ】図８Ｂは図５Ａ及び図５Ｂのデバイスの導電率を示すグラフである。
【図９Ａ】図９Ａは図５Ａに示すデバイスにおいてＩＳＤ、ＩＧＳ、及びＶＧの経時変化を示すグラフである。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図５Ａ及び図５Ｂのデバイスにおいて、ゲート電圧を−１、０、１Ｖ及び−３、０、３Ｖを印加した場合における３５００ｃｍ−１〜２８０００ｃｍ−１のスペクトルレンジにおいて測定した透過率を示したグラフである。
【図９Ｃ】図９Ｃは、図５Ａ及び図５Ｂのデバイスにおいて、ゲート電圧を−１、０、１Ｖ及び−３、０、３Ｖを印加した場合における３５００ｃｍ−１〜２８０００ｃｍ−１のスペクトルレンジにおいて測定した透過率を示したグラフである。
【図１０】図１０は図１のデバイスにおいて印加ゲート電圧を変化させた場合のスイッチングスピードを示すグラフである。
【図１１】図１１は図１のデバイスにおいて印加ゲート電圧を変化させた場合のコンダクタンスの変化を示すグラフである。尚、図１１のデバイスは、図１０のデバイスの寸法より小さく、デバイスのＩＳＤはゲート電圧を印加すると約２００００倍変化する。
【図１２】図１２は、図１に係る他のデバイスのＩＳＤを示すグラフであって、このデバイスのＩＳＤは、ゲート電圧を印加すると約１０００００倍変化することを示している。
【図１３Ａ】図１３Ａは、図１におけるデバイスのスイッチオフ時間を示すグラフであり、ＶＧが−１．５Ｖから２．５Ｖまで、０．５Ｖきざみで変化する場合におけるＩＳＤの段階的変化を示している。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは図１のデバイスのスイッチオン時間対スイッチオフ時間の比を示すグラフであり、ソースコンタクトとドレインコンタクトが約４０μ離れている構造を持つデバイスの場合、ＩＳＤが約１０００倍の非常に高速なスイッチを示している。
【図１４Ａ】図１４Ａは図１のデバイスにおいて、ゲート電圧を変化させた場合のドレイン電流をドレイン−ソース電圧の関数として示すグラフである。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは図１のデバイスにおいて、飽和電流をゲート−ソース電圧の関数として示すグラフである。
【図１５Ａ】図１５Ａは図１に示すデバイスの反転増幅器構成である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは図１５Ａの反転増幅器の所定の周波数における増幅を示すグラフである。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは図１５Ａの反転増幅器の他の所定の周波数における増幅を示すグラフである。
【図１６Ａ】図１６Ａは図１に示すデバイスの反転増幅器構成である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは図１６Ａのデバイス構成の入力電圧及び出力電圧を示すグラフである。
【図１６Ｃ】図１６Ｃは図１６Ａのデバイス構成の入力電圧及び出力電圧を示す他のグラフである。
【図１７Ａ】図１７Ａは図１に示すデバイスの電流源の構成である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは図１７Ａのデバイス構成において、ドレイン電流をドレイン−ソース電圧の関数として示すグラフである。
【図１８Ａ】図１８Ａは、図１のデバイスの不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）応答のグラフィック表示である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、図１のデバイスの不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）応答のグラフィック表示である。
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、図１のデバイスの不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）応答のグラフィック表示である。
【符号の説明】
【００３２】
１０ ドープ導電性ポリマー系電界効果デバイス、１２ 導電性層、１４ 導電性ポリマー層、１６ 絶縁ポリマー層、２２ ゲートコンタクト、２４ ソースコンタクト、２６ ドレインコンタクト。
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００４年３月２５日出願の米国仮出願第６０／５５６，２３２号の優先権及びその利益を主張するものであり、該仮出願の全体を明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、ポリピロール（ＰＰｙ）及びポリアニリン（ＰＡｎｉ）、並びにそれらのコポリマー及びブレンド等の一種以上のドープ導電性ポリマー（doped conducting polymers）を用いて調製された電界駆動デバイスに関するものであり、この導電性ポリマーには、印加された電界に対して多機能応答を提供するために、Ｃｌ−やＣｌＯ４−等の無機ドーパント、及び／又はメタンスルホン酸やカンファースルホン酸等の有機ドーパント、及びそれらの混合物がドープされている。
【０００３】
本発明の例示的実施形態は、反射率／放射率及び導電率の変調、増幅器、電流源、不揮発性メモリ、及びスーパーキャパシタのアプリケーションに関する。しかしながら、本例示的実施形態は、他の同様のアプリケーションにも適用可能である。
【０００４】
電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は、今日最も一般的なトラジスタである。ＦＥＴは、半導体材料を通して流れる電流を電界を使用して制御することにより作動する。近年、電界効果デバイスに活性要素を提供するために、ドープ及びアンドープ半導体ポリマーが提供されている。本発明者Ａｒｔｈｕｒ Ｊ． ＥｐｓｔｅｉｎらによるＥｌｅｃｔｒｉｃ−Ｆｉｅｌｄ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｉｏｎ−Ｌｅｖｅｒａｇｅｄ Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓには、ドープ及びアンドープ半導体ポリマー並びにそれらのＦＥＴへの適用が論じられており、その全体を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
【０００５】
従来、ポリマーＦＥＴは、反転増幅器や電流源等として使用されているが、そのＦＥＴ構成で提供される機能は１種類のみである。本発明は、複数の機能を達成できるポリマーＦＥＴデバイスを提供する。
本開発は、海軍研究事務所の支援を受けている（助成金番号Ｎ０００１４−０１−１−０４２７）。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本例示的実施形態の一アスペクトによれば、デバイス用のゲートコンタクトを提供するように作動できる導電層と、デバイス用のソース及びドレインコンタクト並びに活性層を提供するように作動できる導電性ポリマー層と、導電層と導電性ポリマー層との間に形成された絶縁性ポリマー層とを有する電界効果デバイスが提供され、前記層の組合わせにより、複数の応答機能の内の少なくとも２機能を行うようにデバイスが作動できる。複数の応答機能には、導電層と導電性ポリマー層との間に電圧を印加することにより表面領域上での電磁放射の反射率と放射率を変化させる機能；導電層と導電性ポリマー層との間に電圧を印加することによりソースコンタクトとドレインコンタクトとの間の導電性を変化させる機能；低周波電気信号を増幅する機能；電流源として働く機能；不揮発性で書き換え可能な形態で情報を記憶する機能；絶縁性ポリマー層によって分離されている導電性ポリマー層と導電層との間に電荷及びエネルギーをスーパーキャパシタとして貯蔵する機能；及び有機種、無機種又は生物種（biologic species）の存在を検知する機能が含まれる。
【０００７】
本例示的実施形態の他のアスペクトによれば、デバイス用のゲートコンタクトを提供するように作動できると共に反射面を提供するように作動できる導電層と、デバイス用のソース及びドレインコンタクト並びに活性層を提供するように作動できる導電性ポリマー層と、導電層と導電性ポリマー層との間に形成された絶縁性ポリマー層とを有する電界効果デバイスを作動させる方法が提供される。この方法は、前記層の組合わせにより、複数の応答機能の内の少なくとも２機能を行うようにデバイスが作動できるようにする段階を含む。複数の応答機能には、導電層と導電性ポリマー層との間に電圧を印加することにより表面領域上での電磁放射の反射率と放射率を変化させる機能；導電層と導電性ポリマー層との間に電圧を印加することによりソースコンタクトとドレインコンタクトとの間の導電性を変化させる機能；低周波電気信号を増幅する機能；電流源として働く機能；不揮発性で書き換え可能な形態で情報を記憶する機能；絶縁性ポリマー層によって分離されている導電性ポリマー層と導電層との間に電荷及びエネルギーをスーパーキャパシタとして貯蔵する機能；及び有機種、無機種又は生物種の存在を検知する機能が含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の開示によれば、図１にその概略を示す多機能ドープ導電性ポリマー系電界効果デバイス構造体が提供される。図に示すようにデバイス１０は、導電層１２（例えばアルミニウム層等の金属層）、導電性ポリマー層１４（例えばＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）、金属層１２及び導電性ポリマー層１４の間に配設される絶縁性ポリマー層１６（例えばＰＶＰ、ポリエチレンオキシド又は他の非導電性ポリマー等の絶縁体）を含む。導電性ポリマー層１４は電界効果デバイス１０の活性領域を提供する。また、導電層１２は、金属や非金属の反射性表面等の高反射性表面で被覆されていてもよい導電性ポリマー等、他種の導電性材料（例えばコーティングしたマイラー）で置換することができる。ここで、層１２はデバイス１０のゲートコンタクト２２として機能し、導電性ポリマー層１４はデバイス１０のソースコンタクト２４及びドレインコンタクト２６として機能する。同様に図１には、ゲートコンタクト２２、ソースコンタクト２４及びドレインコンタクト２６に接続されるように適切に設置され、デバイスを作動させる回路を示す。
【０００９】
図１に示されるデバイスは種々の構成を取りうるが、これらは単に例示に過ぎないことが理解されよう。更に、本デバイスは、剛性、半剛性、変形可能（conformable）又は可撓性とすることができる。デバイス１０の各種層は、一部を本明細書に示す他の適切な材料から形成することができると理解されたい。図１のデバイス１０は種々の技法により作成されることが理解されよう。これら技法の例は、上述の参考文献Ｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｆｉｅｌｄ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｉｏｎ−Ｌｅｖｅｒａｇｅｄ Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓに開示されている。
【００１０】
このような技法は、使用される材料及び所望のデバイス構成に従って選択される。また更に、デバイスの多機能特性に応じて本デバイスは種々の環境で作動させることができる。
【００１１】
本デバイス構造体に使用されるドープ導電性及び誘電体ポリマーの例を図２Ａ〜２Ｂ、３Ａ〜３Ｃ及び４Ａ〜４Ｂに示す。本構造体は１μ２未満〜１ｃｍ２超、例えば１ｍ２超の活性領域を有することができる。本構造体には次の多種応答機能の内の少なくとも２種、を取り込むことができる。即ち、
底部金属反射層と頂部導電性ポリマー層との間に小電圧を印加することにより広い表面領域に亘る電磁放射、特に赤外線の反射率と放射率を変化させること（図５Ａ〜９Ｃ）；
導電性ポリマー層と金属層との間に電圧を印加することにより導電性ポリマー層のソースコンタクトとドレインコンタクトとの間のコンダクタンスを変化させること（図１０〜１４Ｂ）；
回路素子として用いられるとき、低周波電気信号を増幅すること（図１５Ａ〜１６Ｃ）；
電流源として働くこと（図１７Ａ〜１７Ｂ）；
不揮発性で書き換え可能な形態で情報を記憶すること（図１８Ａ〜１８Ｃ）；
ポリマー誘電体層（ポリビニルフェノール）（ＰＶＰ）と表わす）によって分離されている頂部導電性ポリマー層（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳと表わす）と下部金属（ゲート）層（Ａｌと表わす）との間の電荷及びエネルギーをスーパーキャパシタとして貯蔵すること（図１）；及び
有機種、無機種又は生物種の存在を検知することである。
【００１２】
作動方法は、導電性ポリマー層の無秩序部分に少量のイオンを挿入することで達成されるものであり、そのようにイオンを導入することでポリマー中の電荷の流れが阻止され多機能応答が可能となることが理解されよう。従って、デバイスを最適化することができ、二種以上の機能が同時に提供される。
【００１３】
以下図面を参照して、本明細書の特徴を更に詳細に説明する。
図１に、エネルギー／パワー貯蔵、コンダクタンス及び反射率／放射率を電圧制御する、多機能ドープポリマー電解効果変調デバイスの概略を示す。
【００１４】
本電界効果デバイスは、活性材料としての導電性ポリマー層１４を含む。導電性ポリマー層１４は、導電性ポリマーであるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ［ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（スチレンスルホン酸）］（化学式を図２Ａに示す）からなる。他に用いることができる典型的な導電性ポリマーを図３Ａ〜３Ｃに示す。図３Ａはポリチオフェンの骨格構造を示し、図３Ｂはポリピロールの骨格構造を示し、図３Ｃはポリアニリンのロイコエメラルディン型（ｙ＝１）、エメラルディン型（０．３５＜ｙ＜０．６５）及びペルニグアニリン（ｙ＝０）型の各骨格構造を示す。図３Ａ〜３Ｃに示される各ポリマー骨格において、一又は全部の炭素及び窒素サイトをアルキル、アルコキシ、アセン、ポリアセン含有単位又はピリジン含有単位の官能基で更に置換することができる。図４Ａ及び図４Ｂは、５０％及び１００％スルホン化ポリアニリン（自己ドープポリマー）をそれぞれ表わす。これらポリマーは、炭素及び窒素サイトにおいてアルキル又はアルコキシ基の官能基で更に置換することができる。スルホン化度は１０％から１００％の間で連続的に変化させることができる。図１に示すデバイス構造体の導電性ポリマー層１４の例においては、Ｃｌ−をドープする。絶縁層１６は、図２Ｂに示すＰＶＰ［ポリ（４−ビニルフェノール）］、ポリエチレンオキシド又は他の非導電性ポリマー等の絶縁体から調製される。導電層１２は、アルミニウム、金、銀、又は反射性表面で被覆された導電性ポリマー等の高反射性材料から調製される。図に示すように、ドープ導電性ポリマー層１４は、ソースコンタクト２４及びドレインコンタクト２６を提供する。ＦＥＴを形成するためのＳｉ等の従来の半導体に比べ非常に低いドーピングレベルではあるものの、本発明のポリマー層１４は、活性領域有する半導体として、印加されたゲート電圧に応答する。反射導電層１２は、デバイス１０のゲートコンタクト２２を提供する。２０で表わされる電圧源によって電圧をゲートコンタクト２２に印加する。ゲート電圧によって発生した電場は絶縁層１６を透過し、ドープ導電性ポリマー層１４に達する。これによって起こる絶縁層及び導電性ポリマー層間のイオンの微小運動により、電流がドレインコンタクト２６からソースコンタクト２４へ流れる。電圧源２８は、電流をデバイス１０へ流通させるのに必要なエネルギーを提供する。
【００１５】
図１は、電界効果デバイスの表面領域３２に印加された電磁放射３０を示す。この電磁放射は、ドープ導電性ポリマー層１４を透過する更なる電界を発生させる。この結果、導電性ポリマー層１４内に更なるイオンの動きがもたらされる。これによって、ソース２４コンタクト、ドレイン２６コンタクト間の導電性に更なる変調がもたらされる。更に、層１２の反射面は、導電性ポリマー層１４と絶縁層１６の両方を透過する電磁放射を反射する手段となる。反射された放射は、デバイス１０の表面３４を透過する。次に説明するように、反射率はデバイス１０のゲート電圧によって制御できる。
【００１６】
図５Ａ、５Ｂは、それぞれ多機能ドープポリマー電界効果変調デバイス７０の上面図と断面図である。このデバイス７０は、ドープ導電性ポリマー７２と、絶縁層７４と、反射導電層７６と、ガラス等の基板７８とを含む。これら各層の配列を図５Ａ、５Ｂに示す。
【００１７】
図６Ａ、６Ｂは、図５Ａ、５Ｂに示すデバイスの性能特性を示すグラフである。デバイス７０の組成は、活性領域が５２ｍｍ２のガラス／Ａｌ（０．３μ）／ＰＶＰ（０．６μ）／Ｂａｙｔｒｏｎ（０．７μ）である。図６Ａは、デバイス７０の、ゲート７６と導電性ポリマー７２間に印加された、経時的に変化するゲート電圧ＶＧ８０を示す。ゲート電圧の値は、矢印８２で示す各時間において０から＋２Ｖ又は−２Ｖの間で変化する。ＶＧの振幅の変化に伴い、時間の関数としてソース−ドレイン電流が変調され（８４）、ゲート−ソース電流も同様に変調される。図６Ｂに示すように、デバイス７０の反射率Ｒと反射率の変化率Ｒ／Ｒ０はＶＧの関数として変化する。Ｒ０は、ＶＧ＝０の時のデバイス７０の反射率を示し、Ｒは、ＶＧが−２Ｖと＋２Ｖ間の値の時のデバイス７０の反射率を示す。反射率比Ｒ／Ｒ０は、ＶＧが印加された時のデバイス７０の反射率の変化を示す。図６Ｂに示すように、反射率比Ｒ／Ｒ０はＶＧが一定の場合、放射周波数（波長）の関数として変化する。図７は図６Ｂの拡大図であり、Ｒ／Ｒ０がＶＧの関数であることをよく示している。これらのグラフは、ゲートバイアスによる反射率の復調可能な変調を示している。更に、約４０％のＩＳＤ変調に対して約３０％のＲ変調を行うことができる。図６Ｂに示すように、透過優位（ＴＤ）領域と反射優位（ＲＤ）領域が得られる。図７に示す結果は、最高２Ｖのゲート電圧を印加した場合のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ電界効果構造のＩＲ反射率の可逆的変化を示す。
【００１８】
図８Ａ、８Ｂは、図５Ａ、５Ｂに示すデバイス７０が受け取った外部電磁波の放射周波数の関数としての反射率と導電率をそれぞれ示すグラフである。図８Ａから分かるように、デバイス７０の反射率は、ＶＧの増加と共に増加し、特に赤外線の場合そうである。更に、また同時に、ドレインソース間のデバイス７０の導電率は、ＶＧの増加と共に増加する。反射／放射制御機能と導電率制御機能を同時に行うことによって、図５Ａ、５Ｂのドープ導電性ポリマー電界効果デバイスは多機能性を提供する。
【００１９】
図９Ａ〜９Ｃは、図５Ａ、５Ｂに示すデバイスの３５００ｃｍ−１〜２８０００ｃｍ−１の可視、近赤外及び近紫外スペクトル領域における透過性を示すグラフである。デバイスは、ガラス／Ａｌ（６ｎｍ）／ＰＶＰ（０．８μ）／ＢＰ（０．２５μ）で構成され、８５．２ｍｍ２の活性領域を有する。これらのグラフは、紫外線及び可視スペクトルの範囲の放射において、約４５％のＩｓｄ変化に対し約３％の透過率変化があることを示している。図９Ｂは図９Ａの断面（Ａ）を示し、図９Ｃは図９Ａの断面（Ｂ）を示す。
【００２０】
図１０は、図１に示すデバイススイッチングスピードを示すグラフである。比較的遅いスイッチングスピードは、イオンの運動が重要であることを示唆している。
【００２１】
図１１は、図１に示すデバイスのコンダクタンスのグラフである。活性ポリマーはＰＥＤＯＴ：ＰＳＳである。本例は２０Ｖのゲート電圧を印加後、コンダクタンスが１／１０５になることを示す。更に、ゲート電圧を取り除くと、コンダクタンスが復帰することが示されている。
【００２２】
図１２は、時間の関数としてのＩＤＳのグラフである。このグラフは、ＰＰｙ／Ｃｌ−（Ｃｌ−ドープポリピロール）の組成を有し、ＶＧが比較的急速に変化する図１に示すデバイスのＩＤＳが時間依存的であることを示している。
【００２３】
図１３Ａ、１３Ｂは、図１のデバイスはスイッチングオフ時間が比較的速いことを示している。本デバイスのスイッチングオフ時間（ＴＳＷ）は、０．５秒未満であり、オン／オフ比は約１０３である。図１３Ｂは、図１３Ａの領域（Ａ）の拡大図を示す。この領域は、スイッチングオフ、スイッチングオン時間を連続的に定量化している。
【００２４】
図１４Ａは、各種ゲート電圧における関数であるドレイン電流曲線である。
図１４Ｂは、ゲート−ソース電圧の関数としての飽和電流を示すグラフである。本デバイスの閾電圧Ｖｔｈは３．０Ｖである。
【００２５】
図１５Ａは、図１によるデバイス反転増幅器の構成を示す。図１５Ｂ、１５Ｃに示すように、このデバイスは、ｆ＝０．０２５ＨｚにおいてＶｉｎを２．１増幅し、ｆ＝０．１１ＨｚにおいてＶｉｎを１．６増幅する。入力電圧Ｖｉｎの増加に伴い、波形の歪みと増幅の低下がもたらされる。本デバイス構成のカットオフ周波数は約０．１Ｈｚである。
【００２６】
図１６Ａは、図１によるデバイスの反転増幅器の構成を示す。図１６Ｂ、１６Ｃに示すように、このデバイスは、ｆ＝０．００７ＨｚにおけるΔＶｉｎ＝．５Ｖの場合６．０の増幅を行い、ｆ＝０．００７ＨｚにおけるΔＶｉｎ１．０Ｖの場合６．７の増幅を行う。この構成を用いて、最大２０の増幅を行うことができる。
【００２７】
図１７Ａは、図１に示すデバイスの電流源の構成を示す。図１７Ｂは、ドレイン−ソース電圧の関数としてのドレイン電流の関係をグラフで示す。本実施形態に示す構成と材料を用いることによって、７Ｖを超えるＶＤＳを印加した場合、定電流（constant current）が１１０μＡとなる。活性チャネルの形状（ソースコンタクト、ドレインコンタクト間の導電性ポリマーの長さ、幅及び厚み等）と、ゲート電極と活性チャネルの形状とを調整することによって、数桁に亘る広い範囲で定電流を変化させることができる。同様に、図１７Ａに示すデバイス構造の具体的な形状及び組成によって、それを超えるとＩＤＳが一定となる閾値ＶＤＳが決まる。
【００２８】
図１８Ａ、図１８Ｂ及び図１８Ｃは、図１に示すデバイスの不揮発性ＲＡＭ応答を示す。ＶＧ＝ＶＳＤが０Ｖの場合、不揮発性ＲＡＭ機能が達成される。この場合、データ記憶時間を数時間とすることができる。尚、この例ではＶＧは、このデバイス内の情報を書き込んだり或いは消去する「書き込み」機能である。正のＶＧはソース、ドレイン間の抵抗を増加させる。この増加した抵抗は、この抵抗を低い値にリセットする負のＶＧが印加されるまで、数日間にも亘る長期間保持することができる。ＶＳＤは「読み込み」動作である。この場合のＩＳＤが「読み込み」信号となる。本デバイスは、ソース、ドレイン間に設けられた電流源を用い、所定の電流ＩＳＤを流すことによって「読み込み」動作を行える。この場合、メモリ信号「読み込み」はＶＳＤである。図１８Ａ、図１８Ｂ及び図１８Ｃは、本デバイスが「１」状態「０」状態間のコントラストを１９％、１１％及び２９％有することをそれぞれ示す。デバイス形状、構成ポリマー及び印加されるＶＧを適宜選択することによって、より大きなコントラストを達成できる。
【００２９】
以上のように、上述の各種機能は単一の多機能ドープ導電性ポリマー系電界効果デバイスに集約させることができる（図１及び図５Ａ及び５Ｂに示す）。付加的な機能としては、図１及び図５Ａ及び５Ｂに示されるような、絶縁層により分離されている導電性ポリマー層及び導電層との間に電荷及びエネルギーをスーパーキャパシタとして貯蔵することが挙げられる。上述のように、本電界効果デバイスは、有機種、無機種又は生物種のセンサーとしても機能する。上述の電界効果デバイスに多重ゲート電圧が印加される場合に、あるいは一以上のゲート電圧が印加され、且つ電界効果デバイスの表面に電磁放射が印加される場合に、多機能が提供される。
【００３０】
以上、好ましい実施形態を参照しつつ本発明の例示的実施形態を説明してきたが、本明細書の詳細な説明を読み理解すれば各種修正を想倒しうることは明白であろう。これら例示的な実施形態は、そのような修正及び変更が請求の範囲及びその等価物の範囲に包含される限りにおいて、それら全てを含むと解釈されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は本発明の一実施形態の多機能ドープポリマー電界効果変調デバイスの概略図である。
【図２Ａ】図２Ａは導電性ポリマーを示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは絶縁性ポリマー層材料である。
【図３Ａ】図３Ａは導電性ポリマーを示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは導電性ポリマーを示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは導電性ポリマーを示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは５０％スルホン化ポリアニリンを示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは１００％スルホン化ポリアニリンを示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは本発明の一実施形態における多機能ドープポリマー電界効果変調デバイスの上面概略図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは図５ＡのＡ−Ａ断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは図５Ａ及び図５Ｂに示すデバイスにおけるＩＳＤ、ＩＧＳ、及びＶＧの経時変化を示すグラフである。
【図６Ｂ】図６Ｂは図５Ａ及び図５Ｂに示すデバイスにおいて、３０ｃｍ−１〜６３０ｃｍ−１のスペクトルレンジにおける絶対反射率（Ｒ）と、印加ゲート電圧（Ｒ０）の非存在下における反射率に対して正規化した反射率（Ｒ／Ｒ０）とを示すグラフである。
【図７】図７は図６Ｂの拡大図を示すグラフである。
【図８Ａ】図８Ａは図５Ａ及び図５Ｂのデバイスにおいて、ゲート電圧０Ｖ及び２Ｖを印加した場合に、３０ｃｍ−１〜６３０ｃｍ−１のスペクトルレンジにて測定した反射率を示すグラフである。
【図８Ｂ】図８Ｂは図５Ａ及び図５Ｂのデバイスの導電率を示すグラフである。
【図９Ａ】図９Ａは図５Ａに示すデバイスにおいてＩＳＤ、ＩＧＳ、及びＶＧの経時変化を示すグラフである。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図５Ａ及び図５Ｂのデバイスにおいて、ゲート電圧を−１、０、１Ｖ及び−３、０、３Ｖを印加した場合における３５００ｃｍ−１〜２８０００ｃｍ−１のスペクトルレンジにおいて測定した透過率を示したグラフである。
【図９Ｃ】図９Ｃは、図５Ａ及び図５Ｂのデバイスにおいて、ゲート電圧を−１、０、１Ｖ及び−３、０、３Ｖを印加した場合における３５００ｃｍ−１〜２８０００ｃｍ−１のスペクトルレンジにおいて測定した透過率を示したグラフである。
【図１０】図１０は図１のデバイスにおいて印加ゲート電圧を変化させた場合のスイッチングスピードを示すグラフである。
【図１１】図１１は図１のデバイスにおいて印加ゲート電圧を変化させた場合のコンダクタンスの変化を示すグラフである。尚、図１１のデバイスは、図１０のデバイスの寸法より小さく、デバイスのＩＳＤはゲート電圧を印加すると約２００００倍変化する。
【図１２】図１２は、図１に係る他のデバイスのＩＳＤを示すグラフであって、このデバイスのＩＳＤは、ゲート電圧を印加すると約１０００００倍変化することを示している。
【図１３Ａ】図１３Ａは、図１におけるデバイスのスイッチオフ時間を示すグラフであり、ＶＧが−１．５Ｖから２．５Ｖまで、０．５Ｖきざみで変化する場合におけるＩＳＤの段階的変化を示している。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは図１のデバイスのスイッチオン時間対スイッチオフ時間の比を示すグラフであり、ソースコンタクトとドレインコンタクトが約４０μ離れている構造を持つデバイスの場合、ＩＳＤが約１０００倍の非常に高速なスイッチを示している。
【図１４Ａ】図１４Ａは図１のデバイスにおいて、ゲート電圧を変化させた場合のドレイン電流をドレイン−ソース電圧の関数として示すグラフである。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは図１のデバイスにおいて、飽和電流をゲート−ソース電圧の関数として示すグラフである。
【図１５Ａ】図１５Ａは図１に示すデバイスの反転増幅器構成である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは図１５Ａの反転増幅器の所定の周波数における増幅を示すグラフである。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは図１５Ａの反転増幅器の他の所定の周波数における増幅を示すグラフである。
【図１６Ａ】図１６Ａは図１に示すデバイスの反転増幅器構成である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは図１６Ａのデバイス構成の入力電圧及び出力電圧を示すグラフである。
【図１６Ｃ】図１６Ｃは図１６Ａのデバイス構成の入力電圧及び出力電圧を示す他のグラフである。
【図１７Ａ】図１７Ａは図１に示すデバイスの電流源の構成である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは図１７Ａのデバイス構成において、ドレイン電流をドレイン−ソース電圧の関数として示すグラフである。
【図１８Ａ】図１８Ａは、図１のデバイスの不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）応答のグラフィック表示である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、図１のデバイスの不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）応答のグラフィック表示である。
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、図１のデバイスの不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）応答のグラフィック表示である。
【符号の説明】
【００３２】
１０ ドープ導電性ポリマー系電界効果デバイス、１２ 導電性層、１４ 導電性ポリマー層、１６ 絶縁ポリマー層、２２ ゲートコンタクト、２４ ソースコンタクト、２６ ドレインコンタクト。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界効果デバイスであって、
デバイス（１０）用のゲートコンタクト（２２）を提供するように作動できる導電層（１２）と、
デバイス（１０）用のソース（２４）及びドレイン（２６）コンタクト並びに活性層を提供するように作動できる導電性ポリマー層（１４）と、
導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に形成された絶縁性ポリマー層（１６）とを有し、
前記層の組合わせによりデバイス（１０）が次の複数の応答機能：
導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に電圧を印加することにより表面領域上での電磁放射（３０）の反射率と放射率を変化させる、
導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に第２電圧を印加することによりソースコンタクト（２４）とドレインコンタクト（２６）との間の導電性を変化させる、
低周波電気信号を増幅する、
電流源として働く、
不揮発性で書き換え可能な形態で情報を記憶する、
絶縁性ポリマー層によって分離されている導電性ポリマー層と導電層との間に電荷及びエネルギーをスーパーキャパシタとして貯蔵する、及び
有機種、無機種又は生物種の存在を検知する、
の内の少なくとも２機能を行うように作動できるようにしたデバイス。
【請求項２】
導電層（１２）は金属である、請求項１のデバイス。
【請求項３】
導電層（１２）は、高反射面を有する導電性ポリマーである、請求項１のデバイス。
【請求項４】
導電性ポリマー層（１４）はＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（４０、４２）を含む、請求項１のデバイス。
【請求項５】
導電性ポリマー層（１４）は、ポリチオフェン（５０）、ポリピロール（５２）、ロイコエメラルディン又はペルニグアニリン型ポリアニリン（５４）、スルホン化ポリアニリン及びそれらの誘導体、オリゴマー、コポリマー、並びにブレンドを含み、これらの導電性ポリマーのためのドーパントは無機又は有機種である、請求項１のデバイス。
【請求項６】
前記ポリアニリン（５４）は１０％〜１００％の連続する範囲でスルホン化されている、請求項５のデバイス。
【請求項７】
絶縁性ポリマー層（１６）はＰＶＰを含む、請求項１のデバイス。
【請求項８】
導電性ポリマー層（１４）の厚さは１０μ以下である、請求項１のデバイス。
【請求項９】
導電性ポリマー層（１４）の厚さは４００ｎｍ以下である、請求項１のデバイス。
【請求項１０】
絶縁性ポリマー層（１６）の厚さは１０μ以下である、請求項１のデバイス。
【請求項１１】
絶縁性ポリマー層（１６）の厚さは４００ｎｍ以下である、請求項１のデバイス。
【請求項１２】
導電層（１２）は３０ｎｍ未満であり、電磁放射を部分的に透過させる、請求項１のデバイス。
【請求項１３】
ゲートコンタクトとソースコンタクトとの間に接続されたゲート電圧ソース（２０）を更に有し、ゲート電圧ソース（２０）は、前記少なくとも２機能を行うために作動可能となるようにデバイスを制御する、請求項１のデバイス。
【請求項１４】
前記複数の応答機能は、
導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に第１電圧を印加することにより表面上での電磁放射の反射率と放射率を変化させること、及び
導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に第１電圧又は第２電圧を印加することによりソースコンタクト（２４）とドレインコンタクト（２６）との間の導電性を変化させることである、請求項１のデバイス。
【請求項１５】
デバイス用のゲートコンタクト（２２）を提供するように作動可能であると共に反射面を提供するように作動できる導電層（１２）と、デバイス用のソース（２４）及びドレイン（２６）コンタクト並びに活性層を提供するように作動可能な導電性ポリマー層（１４）と、導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に形成された絶縁性ポリマー層（１６）とを有する電界効果デバイスの作動方法であって、
前記層を組み合わせることによりデバイスが次の複数の応答機能：
導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に電圧を印加することにより表面領域上での電磁放射の反射率と放射率を変化させる、
導電性ポリマー層（１４）と導電層（１２）との間に第２電圧を印加することによりソースコンタクト（２４）とドレインコンタクト（２６）との間の導電性を変化させる、
低周波電気信号を増幅する、
電流源として働く、
不揮発性で書き換え可能な形態で情報を記憶する、
絶縁性ポリマー層（１６）によって分離されている導電性ポリマー層（１４）と導電層（１２）との間に電荷及びエネルギーをスーパーキャパシタとして貯蔵する、及び
有機種、無機種又は生物種の存在を検知する、
の内の少なくとも２機能を行うように作動できるようにした方法。
【請求項１６】
ゲート電圧ソース（２０）をゲートコンタクト（２２）とソースコンタクト（２４）との間に接続する段階と、
前記複数の応答機能の内の少なくとも２機能を行うように作動できるようにデバイスを制御すべくゲート電圧ソース（２０）を制御する段階とをさらに含む、請求項１５の方法。
【請求項１７】
導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に第１電圧を印加することにより表面上での電磁放射の反射率と放射率を変化させる段階、及び
導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に第１電圧又は第２電圧を印加することによりソースコンタクト（２４）とドレインコンタクト（２６）との間の導電性を変化させる段階とをさらに含む、請求項１５の方法。
【請求項１】
電界効果デバイスであって、
デバイス（１０）用のゲートコンタクト（２２）を提供するように作動できる導電層（１２）と、
デバイス（１０）用のソース（２４）及びドレイン（２６）コンタクト並びに活性層を提供するように作動できる導電性ポリマー層（１４）と、
導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に形成された絶縁性ポリマー層（１６）とを有し、
前記層の組合わせによりデバイス（１０）が次の複数の応答機能：
導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に電圧を印加することにより表面領域上での電磁放射（３０）の反射率と放射率を変化させる、
導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に第２電圧を印加することによりソースコンタクト（２４）とドレインコンタクト（２６）との間の導電性を変化させる、
低周波電気信号を増幅する、
電流源として働く、
不揮発性で書き換え可能な形態で情報を記憶する、
絶縁性ポリマー層によって分離されている導電性ポリマー層と導電層との間に電荷及びエネルギーをスーパーキャパシタとして貯蔵する、及び
有機種、無機種又は生物種の存在を検知する、
の内の少なくとも２機能を行うように作動できるようにしたデバイス。
【請求項２】
導電層（１２）は金属である、請求項１のデバイス。
【請求項３】
導電層（１２）は、高反射面を有する導電性ポリマーである、請求項１のデバイス。
【請求項４】
導電性ポリマー層（１４）はＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（４０、４２）を含む、請求項１のデバイス。
【請求項５】
導電性ポリマー層（１４）は、ポリチオフェン（５０）、ポリピロール（５２）、ロイコエメラルディン又はペルニグアニリン型ポリアニリン（５４）、スルホン化ポリアニリン及びそれらの誘導体、オリゴマー、コポリマー、並びにブレンドを含み、これらの導電性ポリマーのためのドーパントは無機又は有機種である、請求項１のデバイス。
【請求項６】
前記ポリアニリン（５４）は１０％〜１００％の連続する範囲でスルホン化されている、請求項５のデバイス。
【請求項７】
絶縁性ポリマー層（１６）はＰＶＰを含む、請求項１のデバイス。
【請求項８】
導電性ポリマー層（１４）の厚さは１０μ以下である、請求項１のデバイス。
【請求項９】
導電性ポリマー層（１４）の厚さは４００ｎｍ以下である、請求項１のデバイス。
【請求項１０】
絶縁性ポリマー層（１６）の厚さは１０μ以下である、請求項１のデバイス。
【請求項１１】
絶縁性ポリマー層（１６）の厚さは４００ｎｍ以下である、請求項１のデバイス。
【請求項１２】
導電層（１２）は３０ｎｍ未満であり、電磁放射を部分的に透過させる、請求項１のデバイス。
【請求項１３】
ゲートコンタクトとソースコンタクトとの間に接続されたゲート電圧ソース（２０）を更に有し、ゲート電圧ソース（２０）は、前記少なくとも２機能を行うために作動可能となるようにデバイスを制御する、請求項１のデバイス。
【請求項１４】
前記複数の応答機能は、
導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に第１電圧を印加することにより表面上での電磁放射の反射率と放射率を変化させること、及び
導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に第１電圧又は第２電圧を印加することによりソースコンタクト（２４）とドレインコンタクト（２６）との間の導電性を変化させることである、請求項１のデバイス。
【請求項１５】
デバイス用のゲートコンタクト（２２）を提供するように作動可能であると共に反射面を提供するように作動できる導電層（１２）と、デバイス用のソース（２４）及びドレイン（２６）コンタクト並びに活性層を提供するように作動可能な導電性ポリマー層（１４）と、導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に形成された絶縁性ポリマー層（１６）とを有する電界効果デバイスの作動方法であって、
前記層を組み合わせることによりデバイスが次の複数の応答機能：
導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に電圧を印加することにより表面領域上での電磁放射の反射率と放射率を変化させる、
導電性ポリマー層（１４）と導電層（１２）との間に第２電圧を印加することによりソースコンタクト（２４）とドレインコンタクト（２６）との間の導電性を変化させる、
低周波電気信号を増幅する、
電流源として働く、
不揮発性で書き換え可能な形態で情報を記憶する、
絶縁性ポリマー層（１６）によって分離されている導電性ポリマー層（１４）と導電層（１２）との間に電荷及びエネルギーをスーパーキャパシタとして貯蔵する、及び
有機種、無機種又は生物種の存在を検知する、
の内の少なくとも２機能を行うように作動できるようにした方法。
【請求項１６】
ゲート電圧ソース（２０）をゲートコンタクト（２２）とソースコンタクト（２４）との間に接続する段階と、
前記複数の応答機能の内の少なくとも２機能を行うように作動できるようにデバイスを制御すべくゲート電圧ソース（２０）を制御する段階とをさらに含む、請求項１５の方法。
【請求項１７】
導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に第１電圧を印加することにより表面上での電磁放射の反射率と放射率を変化させる段階、及び
導電層（１２）と導電性ポリマー層（１４）との間に第１電圧又は第２電圧を印加することによりソースコンタクト（２４）とドレインコンタクト（２６）との間の導電性を変化させる段階とをさらに含む、請求項１５の方法。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１５Ｃ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１６Ｃ】
【図１７Ａ】
【図１７Ｂ】
【図１８Ａ】
【図１８Ｂ】
【図１８Ｃ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１５Ｃ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１６Ｃ】
【図１７Ａ】
【図１７Ｂ】
【図１８Ａ】
【図１８Ｂ】
【図１８Ｃ】
【公表番号】特表２００７−５３１２８７（Ｐ２００７−５３１２８７Ａ）
【公表日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５０５２５２（Ｐ２００７−５０５２５２）
【出願日】平成１７年３月２５日（２００５．３．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０１０２３２
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０９４２８７
【国際公開日】平成１７年１０月１３日（２００５．１０．１３）
【出願人】（５０２０７１０２３）ジ・オハイオ・ステート・ユニバーシティ (12)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２５日（２００５．３．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０１０２３２
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０９４２８７
【国際公開日】平成１７年１０月１３日（２００５．１０．１３）
【出願人】（５０２０７１０２３）ジ・オハイオ・ステート・ユニバーシティ (12)
【Ｆターム（参考）】
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