記憶装置及び半導体装置
【課題】書込みの信頼性が高く、安価な記憶装置及び半導体装置を提供する。また、製造時以外にデータの追記が可能であり、書き換えによる偽造等を防止可能な不揮発の記憶素子を有する記憶装置及び半導体装置を提供する。
【解決手段】記憶素子は、第１の導電層と、第２の導電層と、第１の導電層及び第２の導電層の間に形成され、且つ、電子と正孔の再結合エネルギーにより励起状態となりうる光増感酸化還元剤及び光増感酸化還元剤により反応しうる基質を有する有機化合物を含む層とを有する。
【解決手段】記憶素子は、第１の導電層と、第２の導電層と、第１の導電層及び第２の導電層の間に形成され、且つ、電子と正孔の再結合エネルギーにより励起状態となりうる光増感酸化還元剤及び光増感酸化還元剤により反応しうる基質を有する有機化合物を含む層とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機化合物を用いて形成された記憶素子を備えた記憶装置及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置は低コストで作製することが要求されている。このため、制御回路や記憶回路等に有機化合物を用いた電子デバイスの開発が広く行われており、発光素子である有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）、有機半導体レーザ等の開発がなされている。
【０００３】
さらに、有機化合物を用いた記憶素子を有する記憶装置の開発がなされており、記憶素子の内部光の発生により、記憶素子の有機化合物で相互作用が生じ、化学変化を生じさせて記憶素子内の導電性を変化させることにより、データを書込む手法が提案されている。具体的には、内部光の効果による共役分子のチェーン分離、及び光の効果によって添加した化学種の化学的な反応性を高め、セル内の導電性材料を攻撃し、バルクの導電性を低下させることにより、データを書込む例が記載されている（例えば、特許文献１。）。
【特許文献１】特表２００１−５０３１８３号公報（第１０頁、第６図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１で示すような記憶装置において、内部光の発生により共役分子をチェーン分離してデータの書込みを行う場合、チェーン分離により生成される生成物を制御することが困難であり、複数の反応生成物が形成されてしまう。また、内部光の発生によって化学的な反応性が高められた化学種がセル内の導電性材料を攻撃することにより、バルクの導電性を低下させる手法でデータの書込みを行う場合、ラジカルが生成されて反応が進行する。このため、反応の停止を制御することが困難であり、この結果任意の生成物を形成することが困難である。これらの結果、書込み後の記憶素子の導電性を制御できず、書込み結果にばらつきが生じ、書込み成功率が低下するという問題がある。
【０００５】
また、記憶装置としては、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＦｅＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、マスクＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリなどが挙げられる。このうち、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭは揮発性の記憶装置であり、電源をオフするとデータが消去されてしまうため、電源をオンする度にデータを書き込む必要がある。ＦｅＲＡＭは不揮発性の記憶装置であるが、強誘電体層を含む容量素子を用いているため、作製工程が増加してしまう。マスクＲＯＭは、簡単な構造であるが、製造工程でデータを書き込む必要があり、追記することはできない。ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリは、不揮発性の記憶装置ではあるが、２つのゲート電極を含む素子を用いているため、作製工程が増加してしまう。
【０００６】
上記問題を鑑み、本発明は、書込みの信頼性が高く、安価な半導体装置を提供する。また、製造時以外にデータの追記が可能であり、書き換えによる偽造等を防止可能な不揮発の記憶素子を有する半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の記憶装置が有する記憶素子は、第１の導電層と、第２の導電層と、第１の導電層及び第２の導電層の間に形成され、且つ、電子と正孔の再結合エネルギーにより励起状態となりうる光増感酸化還元剤及び光増感酸化還元剤により反応しうる基質を有する有機化合物を含む層とを有する。
【０００８】
なお、有機化合物を含む層において発光性を有する材料を有してもよい。
【０００９】
本発明の記憶装置が有する記憶素子は、第１の導電層及び第２の導電層に電圧を印加して、正孔と電子との再結合による再結合エネルギー、または発光エネルギーを利用して、光増感酸化還元剤を励起状態とし、励起状態の光増感酸化還元剤を用いて基質の少なくとも一部の光増感酸化還元反応を行い、基質と導電率の異なる反応生成物を生成して、データを書き込むことを特徴とする。
【００１０】
記憶素子の第１の導電層及び第２の導電層に電圧を印加することで生じる電子と正孔は、光増感酸化還元剤、基質、又は発光性を有する材料から選ばれる一つ以上において再結合が行われ、当該再結合エネルギーまたは再結合により生じる発光エネルギーにより光増感酸化還元剤が励起状態となり、励起状態となった光増感酸化還元剤により少なくとも一部の基質が光増感酸化還元反応を起こし、生成物が生成される。
【００１１】
なお、有機化合物を含む層は、発光性を有する材料で形成される層と、光増感酸化還元剤および基質で形成される層とを積層して形成してもよい。
【００１２】
更には、発光素子の一方の電極と記憶素子の一方の電極とを共通電極とすると共に、当該共通電極を透光性を有する材料で形成することで、発光素子で発光した光を記憶素子の光増感酸化還元剤に照射して、光増感酸化還元剤を励起状態にすることができる。
【００１３】
また、第１の導電層及び有機化合物を含む層の間に電荷注入層及び電荷輸送層の少なくとも一つを設けてもよい。同様に、第２の導電層及び有機化合物を含む層の間に電荷注入層及び電荷輸送層の少なくとも一つを設けてもよい。第１の導電層が陽極として機能する場合、第１の導電層及び有機化合物を含む層の間に、正孔注入層及び正孔輸送層の少なくとも一つを設けてもよい。また、第２の導電層が陰極として機能する場合、第２の導電層及び有機化合物を含む層の間に、電子注入層及び電子輸送層の少なくとも一つを設けてもよい。
【００１４】
また、上記記憶装置を有する半導体装置において、アンテナとして機能する導電層と、導電層に電気的に接続するトランジスタとを有してもよい。また、第１の導電層又は第２の導電層に接続するダイオードを有してもよい。
【００１５】
上記半導体装置において、メモリセルアレイと書込み回路とは、ガラス基板もしくは可撓性基板上に設けられており、書込み回路は薄膜トランジスタで形成されてもよい。
【００１６】
上記半導体装置において、メモリセルアレイと書込み回路とは、単結晶半導体基板上に設けられており、書込み回路は電界効果トランジスタで形成されてもよい。
【００１７】
更には上記半導体装置において、上記書込み回路のほかに、読出し回路、電源回路、クロック発生回路、データ復調／変調回路、制御回路、及びインターフェイス回路のいずれか一つ以上を有してもよい。
【００１８】
なお、本発明の半導体装置の代表例としては、ＩＤチップ、無線タグ、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグ、ＩＣタグ等に代表される無線チップが挙げられる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の記憶素子は、電子と正孔の再結合エネルギーにより光増感酸化還元剤を励起し、当該励起エネルギーにより基質の光増感酸化還元反応を行い、反応生成物を生成させて記憶素子の電気抵抗を変化させることで、データを書き込む。このため、書込みを制御することが可能であり、この結果書込みのばらつきを低減することが可能となる。また、書込み成功率を高めることが可能となる。
【００２０】
また、外部に書込みを行うための光照射装置を設けなくとも、記憶素子自体で発光し、当該発光を用いてデータを書き込むことが可能であるため、記憶装置及び半導体装置の小型化が可能であり、高集積化が可能である。また、発光材料で発光したエネルギーをロスすることなく光増感酸化還元剤を励起させることが可能であるため、エネルギー効率高く書込みを行うことが可能である。
【００２１】
また、本発明の記憶装置及び半導体装置は、チップ製造時以外にデータの書込み（追記）が可能であり、また書き換えができないため、書き換えによる偽造を防止すること可能な記憶装置及び半導体装置を得ることができる。また、本発明の記憶装置及び半導体装置は、一対の導電層間に有機化合物を含む層が挟まれた単純な構造の記憶素子を有するため、安価な半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同じものを指す符号は異なる図面間で共通して用いる。
【００２３】
また、実施の形態において、記憶素子の構成をモデル図を用いて説明する。このため、記憶素子の各構成要素の大きさや厚さや形状は、実際のとは異なる場合がある。
【００２４】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の記憶装置が有する記憶素子の構成例に関して図面を用いて説明する。
【００２５】
本実施の形態の記憶素子は、図１に示すように、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する有機化合物を含む層１１０と、有機化合物を含む層に接する第２の導電層１０３とで形成される。有機化合物を含む層１１０は、電子と正孔の再結合エネルギーにより励起状態となりうる光増感酸化還元剤１０６ａ、及び光増感酸化還元剤により反応しうる基質１０５を有する。
【００２６】
第１の導電層１０１の電位を第２の導電層１０３よりも高くすることにより電流が流れ、有機化合物を含む層１１０中で正孔と電子が再結合する。したがって、第１の導電層１０１は陽極として作用し、第２の導電層１０３は陰極として作用する。本実施の形態では、有機化合物を含む層１１０の光増感酸化還元剤１０６ａにおいて正孔と電子が再結合する例を示す。
【００２７】
第１の導電層１０１としては、仕事関数が３．５ｅＶ〜５．５ｅＶの範囲にある材料を用いることができる。具体的には、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、珪素を添加したインジウム錫酸化物などの透明電極の他、チタン、モリブデン、タングステン、ニッケル、金、白金、銀、アルミニウム、およびそれらの合金などを用いることができる。特に、チタン、モリブデン、アルミニウム、あるいはそれらの合金は、配線などにもよく用いられる汎用的な金属であり、これらを第１の導電層１０１とすることで安価な記憶素子を提供することができる。
【００２８】
有機化合物を含む層１１０は、基質１０５、光増感酸化還元剤１０６ａを有する。
【００２９】
光増感酸化還元剤１０６ａとしては、アロキサジン環や、クロロフィルなど励起状態で強い酸化還元力を持つ基を構造内に有する化合物が挙げられ、代表的には、ルミクロム、アロキサジン、ルミフラビン、フラビンモノヌクレオチド、テトラメチレンパラフェニレンジアミンなどが挙げられる。光増感酸化還元剤１０６ａは、反応条件や基質１０５との組み合わせにより酸化剤または還元剤になる。
【００３０】
基質１０５は、光増感酸化還元反応により、具体的にいうと、アルコールの酸化、アルケン等の酸化的開裂、環化反応、開環反応などにより分解される化合物または構造が変化する化合物、若しくは、光増感酸化還元反応により、金属を脱ドープすることが可能な化合物等である。光増感酸化還元反応により、アルコールの酸化、アルケン等の酸化的開裂、環化反応や開環反応などにより分解される化合物または構造変化する化合物の代表例としては、アスコルビン酸、グアノシン、ジベンゾフラン、１１−ｃｉｓ−３，４−ジデヒドロレチナール、ウリジンやチミジン等が挙げられる。
【００３１】
基質１０５は、反応条件や光増感酸化還元剤との組み合わせにより、酸化または還元される。
【００３２】
また、光増感酸化還元反応により金属を脱ドープすることが可能な化合物としては、中心金属を有するフラーレン、クロロフィル、フタロシアニン、又はヘミン等が挙げられる。なお、中心金属としては、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム）Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、Ｒｕ（ルテニウム）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、カドミウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、セシウム（Ｃｓ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等が挙げられる。
【００３３】
第２の導電層１０３は、第１の導電層１０１と同様の材料で構成することができる。また、リチウム、マグネシウム、カルシウム、バリウム等の仕事関数の小さい金属またはそれらの合金を用いてもよい。
【００３４】
次に、本実施の形態の記憶素子のデータの書込みに関して説明する。図１（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１、第２の導電層１０３に電圧を印加し、両導電層間に電位差を生じさせると、有機化合物を含む層１１０の光増感酸化還元剤１０６ａにおいて正孔と電子が再結合し、図１（Ｂ）に示すように光増感酸化還元剤が励起状態１０６ｂとなる。
【００３５】
次に、励起状態１０６ｂの光増感酸化還元剤の励起エネルギー１００ａにより基質１０５の少なくとも一部の反応が促進され、図１（Ｃ）に示すように、生成物１０７が生成される。生成物の代表例としては、基質が分解された物質、基質が構造変化した物質、又は金属が脱ドープされた物質等が挙げられる。一方、励起状態１０６ｂの光増感酸化還元剤は、励起状態の前の光増感酸化還元剤１０６ａに戻る。
【００３６】
基質１０５の生成物１０７は、基質が酸化された場合は酸化物となり、基質が還元された場合は還元物であり、基質１０５と比較して導電率が異なる。このため、第１の導電層及び第２の導電層に電圧を印加し、生成物１０７が生成されることにより、記憶素子の電気抵抗が変化する。代表的には、絶縁化をもたらす抵抗の増加、又は短絡化をもたらす抵抗の減少などが挙げられる。即ち、第１の導電層１０１及び第２の導電層１０３に電圧を印加し、有機化合物を含む層の光増感酸化還元剤を励起状態とし、当該励起エネルギーにより基質を酸化反応または還元反応させ、生成物を生成する。この結果生じる記憶素子の電気抵抗の変化により、データを書き込むことが可能である。また、基質の光増感酸化還元反応により発熱し、当該熱による層の形状または膜厚の変化が同時に生じている場合も有る。この変化により、記憶素子の電気抵抗の変化によりデータを書き込むことも可能である。
【００３７】
なお、記憶素子のデータを読出す場合は、書込み前の記憶素子の電気抵抗と書き込後の記憶素子の電気抵抗の差を読み取ることで、データを読出すことが可能である。
【００３８】
本実施の形態の記憶装置は、光増感酸化還元剤における電子と正孔の再結合エネルギーにより光増感酸化還元剤を励起し、当該励起エネルギーにより特定の光増感酸化還元反応を生じさせて記憶素子の電気抵抗を変化させることで、データを書き込む。このとき、反応生成物を制御することが可能である。この結果、書込みのばらつきを低減することが可能となり、書込み成功率を高めることが可能となる。
【００３９】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１と比較して有機化合物を含む層に含まれる基質において正孔及び電子の再結合が生じることを特徴とする記憶素子について、図２を用いて説明する。
【００４０】
本実施の形態の記憶素子は、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する有機化合物を含む層１１０と、有機化合物を含む層に接する第２の導電層１０３で形成される。
【００４１】
本実施の形態において、有機化合物を含む層１１０は、基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａを有する。第１の導電層１０１、第２の導電層１０３、基質１０５、及び光増感酸化還元剤１０６ａは、実施の形態１と同様の材料を用いて形成することが可能である。
【００４２】
次に、本実施の形態の記憶素子のデータ書込みに関して説明する。図２（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１、第２の導電層１０３に電圧を印加し、両導電層間に電位差を生じさせると、有機化合物を含む層１１０の基質１０５において正孔と電子が再結合し、再結合エネルギー１００ｂが生じる。
【００４３】
当該再結合エネルギーが光増感酸化還元剤１０６ａに移動し、図２（Ｂ）に示すように、光増感酸化還元剤は励起状態１０６ｂとなる。
【００４４】
次に、励起状態１０６ｂの光増感酸化還元剤の励起エネルギー１００ａにより基質１０５の少なくとも一部の反応が促進し、図２（Ｃ）に示すように、生成物１０７が生成される。生成物の代表例としては、実施の形態１の生成物１０７と同様である。
【００４５】
基質の生成物１０７は、基質１０８と比較して導電率が異なる。このため、第１の導電層及び第２の導電層に電圧を印加し、生成物１０７が生成されることにより、実施の形態１と同様に、記憶素子の電気抵抗が変化する。代表的には、絶縁化をもたらす電気抵抗の増加、又は電気抵抗の減少などが挙げられる。以上のことから、第１の導電層１０１及び第２の導電層１０３の電圧印加による電気抵抗の変化によりデータを書き込むことが可能である。
【００４６】
なお、記憶素子のデータを読出す場合は、書込み前の記憶素子の電気抵抗と書き込後の記憶素子の電気抵抗の差を読み取ることで、データを読出すことが可能である。
【００４７】
本実施の形態の記憶素子は、光増感酸化還元剤における電子と正孔の再結合エネルギーにより光増感酸化還元剤を励起し、当該励起エネルギーにより特定の光増感酸化還元反応を生じさせて記憶素子の電気抵抗を変化させることで、データを書き込む。このとき、反応生成物を制御することが可能であり、この結果書込みのばらつきを低減することが可能となり、書込み成功率を高めることが可能となる。
【００４８】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１及び２と比較して、有機化合物を含む層に発光材料を有する記憶素子の構成例に関して図面を用いて説明する。
【００４９】
本実施の形態の記憶素子は、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する有機化合物を含む層１０２と、有機化合物を含む層に接する第２の導電層１０３で形成される。
【００５０】
本実施の形態において、有機化合物を含む層１０２は、基質１０５、光増感酸化還元剤１０６ａ、及び発光性を有する材料１０４を有する。第１の導電層１０１、第２の導電層１０３、基質１０５、及び光増感酸化還元剤１０６ａは、実施の形態１と同様の材料を用いて形成することが可能である。
【００５１】
発光性を有する材料１０４としては、発光量子効率に関わらず、光増感酸化還元剤へのエネルギー移動効率のよい有機化合物であれば良い。このため、発光材料、正孔輸送性材料、正孔注入性材料、電子輸送性材料、及び電子注入性材料から選ばれる一つ以上を適宜用いることが出来る。なお、ここでは、発光量子効率が高い材料を発光材料という。
【００５２】
発光材料としては、例えば、９，１０−ジ（２−ナフチル）アントラセン（略称：ＤＮＡ）、２−ｔｅｒｔ−ブチル−９，１０−ジ（２−ナフチル）アントラセン（略称：ｔ−ＢｕＤＮＡ）、４，４’−ビス（２，２−ジフェニルビニル）ビフェニル（略称：ＤＰＶＢｉ）、クマリン３０、クマリン６、クマリン５４５、クマリン５４５Ｔ、ペリレン、ルブレン、ペリフランテン、２，５，８，１１−テトラ（ｔｅｒｔ−ブチル）ペリレン（略称：ＴＢＰ）、９，１０−ジフェニルアントラセン（略称：ＤＰＡ）、５，１２−ジフェニルテトラセン、４−（ジシアノメチレン）−２−メチル−６−［ｐ−（ジメチルアミノ）スチリル］−４Ｈ−ピラン（略称：ＤＣＭ１）、４−（ジシアノメチレン）−２−メチル−６−［２−（ジュロリジン−９−イル）エテニル］−４Ｈ−ピラン（略称：ＤＣＭ２）、４−（ジシアノメチレン）−２，６−ビス［ｐ−（ジメチルアミノ）スチリル］−４Ｈ−ピラン（略称：ＢｉｓＤＣＭ）等が挙げられる。また、ビス［２−（４’，６’−ジフルオロフェニル）ピリジナト−Ｎ，Ｃ２］（ピコリナト）イリジウム（略称：ＦＩｒｐｉｃ）、ビス｛２−［３’，５’−ビス（トリフルオロメチル）フェニル］ピリジナト−Ｎ，Ｃ２｝（ピコリナト）イリジウム（略称：Ｉｒ（ＣＦ３ｐｐｙ）２（ｐｉｃ））、トリス（２−フェニルピリジナト−Ｎ，Ｃ２）イリジウム（略称：Ｉｒ（ｐｐｙ）３）、（アセチルアセトナト）ビス（２−フェニルピリジナト−Ｎ，Ｃ２）イリジウム（略称：Ｉｒ（ｐｐｙ）２（ａｃａｃ））、（アセチルアセトナト）ビス［２−（２’−チエニル）ピリジナト−Ｎ，Ｃ３］イリジウム（略称：Ｉｒ（ｔｈｐ）２（ａｃａｃ））、（アセチルアセトナト）ビス（２−フェニルキノリナト−Ｎ，Ｃ２）イリジウム（略称：Ｉｒ（ｐｑ）２（ａｃａｃ））、（アセチルアセトナト）ビス［２−（２’−ベンゾチエニル）ピリジナト−Ｎ，Ｃ３］イリジウム（略称：Ｉｒ（ｂｔｐ）２（ａｃａｃ））などの燐光を放出できる化合物用いることもできる。
【００５３】
電子輸送性材料としては、トリス（８−キノリノラト）アルミニウム（略称：Ａｌｑ３）、トリス（４−メチル−８−キノリノラト）アルミニウム（略称：Ａｌｍｑ３）、ビス（１０−ヒドロキシベンゾ［ｈ］−キノリナト）ベリリウム（略称：ＢｅＢｑ２）、ビス（２−メチル−８−キノリノラト）（４−フェニルフェノラト）アルミニウム（略称：ＢＡｌｑ）、ビス［２−（２’−ヒドロキシフェニル）ベンズオキサゾラト］亜鉛（略称：Ｚｎ（ＢＯＸ）２）、ビス［２−（２’−ヒドロキシフェニル）ベンゾチアゾラト］亜鉛（略称：Ｚｎ（ＢＴＺ）２）、バソフェナントロリン（略称：ＢＰｈｅｎ）、バソキュプロイン（略称：ＢＣＰ）、２−（４−ビフェニリル）−５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール（略称：ＰＢＤ）、１，３−ビス［５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール−２−イル］ベンゼン（略称：ＯＸＤ−７）、２，２’，２’’−（１，３，５−ベンゼントリイル）−トリス（１−フェニル−１Ｈ−ベンゾイミダゾール）（略称：ＴＰＢＩ）、３−（４−ビフェニリル）−４−フェニル−５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，２，４−トリアゾール（略称：ＴＡＺ）、３−（４−ビフェニリル）−４−（４−エチルフェニル）−５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，２，４−トリアゾール（略称：ｐ−ＥｔＴＡＺ）などが挙げられるが、これらに限定されることはない。
【００５４】
電子注入材料としては、上述した電子輸送性材料の他に、ＬｉＦ、ＣｓＦなどのアルカリ金属ハロゲン化物や、ＣａＦ２のようなアルカリ土類ハロゲン化物、Ｌｉ２Ｏなどのアルカリ金属酸化物のような絶縁体の極めて厚さの薄い層がよく用いられる。また、リチウムアセチルアセトネート（略称：Ｌｉ（ａｃａｃ）や８−キノリノラト−リチウム（略称：Ｌｉｑ）などのアルカリ金属錯体も有効である。さらに、上述した電子輸送性材料と、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｃｓ等の仕事関数の小さい金属とを共蒸着等により混合した材料を使用することもできる。
【００５５】
正孔輸送性材料としては、例えば、フタロシアニン（略称：Ｈ２Ｐｃ）、銅フタロシアニン（略称：ＣｕＰｃ）、バナジルフタロシアニン（略称：ＶＯＰｃ）の他、４，４’，４’’−トリス（Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）トリフェニルアミン（略称：ＴＤＡＴＡ）、４，４’，４’’−トリス［Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］トリフェニルアミン（略称：ＭＴＤＡＴＡ）、１，３，５−トリス［Ｎ，Ｎ−ジ（ｍ−トリル）アミノ］ベンゼン（略称：ｍ−ＭＴＤＡＢ）、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−１，１’−ビフェニル−４，４’−ジアミン（略称：ＴＰＤ）、４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＮＰＢ）、４，４’−ビス｛Ｎ−［４−ジ（ｍ−トリル）アミノ］フェニル−Ｎ−フェニルアミノ｝ビフェニル（略称：ＤＮＴＰＤ）、４，４’−ビス［Ｎ−（４−ビフェニリル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＢＢＰＢ）、４，４’，４’’−トリ（Ｎ−カルバゾリル）トリフェニルアミン（略称：ＴＣＴＡ）などが挙げられるが、これらに限定されることはない。また、上述した化合物の中でも、ＴＤＡＴＡ、ＭＴＤＡＴＡ、ｍ−ＭＴＤＡＢ、ＴＰＤ、ＮＰＢ、ＤＮＴＰＤ、ＢＢＰＢ、ＴＣＴＡなどに代表される芳香族アミン化合物は、正孔を発生しやすく、有機化合物として好適な化合物群である。
【００５６】
正孔注入材料としては、フタロシアニン系の化合物が有効であり、フタロシアニン（略称：Ｈ２−Ｐｃ）、銅フタロシアニン（略称：Ｃｕ−Ｐｃ）、バナジルフタロシアニン（略称：ＶＯＰｃ）等を用いることができる。また、導電性高分子化合物に化学ドーピングを施した材料もあり、ポリスチレンスルホン酸（略称：ＰＳＳ）をドープしたポリエチレンジオキシチオフェン（略称：ＰＥＤＯＴ）やポリアニリン（略称：ＰＡｎｉ）などを用いることもできる。また、酸化モリブデン（ＭｏＯｘ）、酸化バナジウム（ＶＯｘ）、酸化ニッケル（ＮｉＯｘ）などの無機半導体の薄膜や、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの無機絶縁体の超薄膜も有効である。また、４，４’，４’’−トリス（Ｎ，Ｎ−ジフェニル−アミノ）−トリフェニルアミン（略称：ＴＤＡＴＡ）、４，４’，４’’−トリス［Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニル−アミノ］−トリフェニルアミン（略称：ＭＴＤＡＴＡ）、Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−１，１’−ビフェニル−４，４’−ジアミン（略称：ＴＰＤ）、４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニル−アミノ］−ビフェニル（略称：ＮＰＢ）、４，４’−ビス［Ｎ−（４−（Ｎ，Ｎ−ジ−ｍ−トリル）アミノ）フェニル−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＤＮＴＰＤ）などの芳香族アミン系化合物も用いることができる。さらに、それらこれら正孔輸送性材料、及び正孔注入性材料に対してアクセプター性を示す物質を添加してもよく、具体的にはＶＯＰｃにアクセプターである２，３，５，６−テトラフルオロ−７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン（略称：Ｆ４−ＴＣＮＱ）を添加したものや、ＮＰＢにアクセプターであるＭｏＯｘを添加したものを用いてもよい。
【００５７】
次に、本実施の形態の記憶素子のデータ書込みに関して説明する。図３（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１、第２の導電層１０３に電圧を印加し、両導電層間に電位差を生じさせると、有機化合物を含む層の発光性を有する材料１０４において正孔と電子が再結合する。
【００５８】
発光性を有する材料の再結合エネルギー１００ｂが光増感酸化還元剤１０６ａに移動すると、図３（Ｂ）に示すように、当該再結合エネルギーにより光増感酸化還元剤１０６ａは励起状態１０６ｂとなり、励起エネルギーを有する。
【００５９】
次に、励起状態１０６ｂの光増感酸化還元剤の励起エネルギー１００ａにより基質１０５の反応が促進し、図３（Ｃ）に示すように、基質１０５の少なくとも一部の生成物１０７が生成される。生成物の代表例としては、基質が分解された物質、基質が構造変化した物質、又は金属錯体から金属が脱ドープされた物質等が挙げられる。
【００６０】
基質１０５の生成物１０７は、基質１０５と比較して導電率が異なる。このため、第１の導電層及び第２の導電層に電圧を印加し、生成物１０７が生成されることにより、記憶素子の電気抵抗が変化する。代表的には、絶縁化をもたらす抵抗の増加、又は抵抗の減少などが挙げられる。即ち、第１の導電層１０１及び第２の導電層１０３に電圧を印加し、発光性を有する材料において電子及び正孔を再結合し、当該再結合エネルギーを光増感酸化還元剤に移送する。この結果、光増感酸化還元剤が励起状態となり、当該励起エネルギーにより基質を反応させ、生成物を生成することで記憶素子の電気抵抗が変化し、データを書き込むことが可能である。
【００６１】
なお、記憶素子のデータを読出す場合は、書込み前の記憶素子の電気抵抗と書き込後の記憶素子の電気抵抗の差を読み取ることで、データを読出すことが可能である。
【００６２】
本実施の形態で示すような発光性を有する材料、光増感酸化還元剤、及び基質を有する有機化合物を含む層を有する記憶素子は、発光性を有する材料において電子及び正孔の再結合を行うように制御することが可能である。このため、正孔及び電子の再結合確率を高めることが可能である。
【００６３】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１と比較して有機化合物を含む層が、発光材料で形成される第１の層と基質及び光増感酸化還元剤で形成される第２の層とを有することを特徴とする記憶素子について、図４〜７を用いて説明する。
【００６４】
本実施の形態の記憶素子は、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する第１の層１１１と、第１の層１１１に接する第２の層１１２と、第２の層１１２に接する第２の導電層１０３で形成される。ここで、第１の層１１１は、発光性を有する材料１０４で形成される層であり、第２の層１１２は基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａで形成される層である。また、第１の導電層１０１、第２の導電層１０３、発光性を有する材料１０４、基質１０５、光増感酸化還元剤１０６ａは、実施の形態１乃至実施の形態３と同様の材料を用いて形成することが可能である。
【００６５】
ここでは、発光性を有する材料１０４で形成される第１の層１１１と、陰極として機能する第２の導電層１０３との間に、基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａで形成される第２の層１１２を有する。このため、第１の層１１１は正孔輸送・注入層として機能のすることが好ましく、第２の層は電子輸送・注入層として機能することが好ましい。このため、本実施の形態では、発光性を有する材料１０４は、実施の形態３で示す正孔輸送性材料及び正孔注入性材料から選ばれる一つ以上で形成することが好ましい。また、第２の層は、光増感酸化還元剤及び基質の混合比により電子輸送・注入層として機能する。
【００６６】
次に、本実施の形態の記憶素子のデータ書込みに関して説明する。図４（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１、第２の導電層１０３に電圧を印加し、両導電層間に電位差を生じさせると、第１の層１１１において正孔と電子が再結合し再結合エネルギー１００ｂが発生する。該再結合エネルギーを光増感酸化還元剤１０６ａに移動することにより、図４（Ｂ）に示すように、光増感酸化還元剤が励起状態１０６ｂとなる。なお、第１の層において正孔と電子が再結合し発光した場合は、発光エネルギーが光増感酸化還元剤に照射されて、光増感酸化還元剤１０６ａが励起状態となる。
【００６７】
次に、励起状態１０６ｂの光増感酸化還元剤の励起エネルギー１００ａにより基質１０５の反応が促進し、図４（Ｃ）に示すように、生成物１０７が生成される。
【００６８】
基質の生成物１０７は、基質１０５と比較して導電率が異なる。このため、第１の導電層１０１及び第２の導電層１０３に電圧を印加し、生成物１０７が生成されることにより、実施の形態１と同様に、記憶素子の電気抵抗が変化する。代表的には、絶縁化をもたらす抵抗の増加、抵抗の減少などが挙げられる。即ち、第１の導電層１０１及び第２の導電層１０３の電圧印加による電気抵抗の変化によりデータを書込むことが可能である。
【００６９】
なお、記憶素子のデータを読出す場合は、書込み前の記憶素子の電気抵抗と書込み後の記憶素子の電気抵抗の差を読み取ることで、データを読出すことが可能である。
【００７０】
なお、図５（Ａ）に示すように第２の導電層１０３及び第２の層１１２の間に電子注入層１１３を設けてもよい。電子注入層１１３は、上記した電子注入性材料を用いて形成することができる。
【００７１】
さらには、図５（Ｂ）に示すように、第２の導電層１０３及び第２の層１１２の間に電子注入層１１３を設けると共に、第１の導電層１０１と第１の層１１１の間に、正孔注入層１１５及び正孔輸送層１１４を設けてもよい。正孔注入層１１５は、上記した正孔注入性材料を用いて形成することができる。正孔輸送層１１４は、上記した正孔輸送性材料を用いて形成することができる。
【００７２】
また、図６（Ａ）に示すように、記憶素子は、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する第１の層１２１と、第１の層１２１に接する第２の層１２２と、第２の層１２２に接する第２の導電層１０３で形成してもよい。第２の層１２２は発光性を有する材料１０４で形成される。第１の導電層１０１、第２の導電層１０３、発光性を有する材料１０４、基質１０５、光増感酸化還元剤１０６ａは、実施の形態１乃至実施の形態３と同様の材料を用いて形成することが可能である。
【００７３】
ここでは、発光性を有する材料１０４で形成される第２の層１２２と、陽極として機能する第１の導電層１０１との間に、基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａで形成される第１の層１２１を有する。このため、第１の層１２１は正孔輸送・注入層として機能のすることが好ましく、第２の層は電子輸送・注入層として機能することが好ましい。このため、ここでは、発光性を有する材料１０４は、実施の形態３で示す電子輸送性材料及び電子注入性材料から選ばれる一つ以上で形成することが好ましい。なお、第１の層１２１は発光材料を有してもよい。また、第２の層１２２は、光増感酸化還元剤及び基質の混合比により正孔輸送・正孔注入層として機能する。
【００７４】
なお、図７（Ａ）に示すように第１の導電層１０１及び第１の層１２１の間に正孔注入層１１５を設けてもよい。正孔注入層１１５は、上記した正孔注入性材料を適宜用いて形成することができる。
【００７５】
さらには、図７（Ｂ）に示すように、第１の導電層１０１及び第１の層１２１の間に正孔注入層１１５を設けると共に、第２の導電層１０３と第２の層１２２の間に、電子輸送層１２３及び電子注入層１１３を設けてもよい。電子注入層１１３は、上記した電子注入性材料を適宜用いて形成することができる。電子輸送層１２３は上記した電子輸送材料を用いて形成することができる。
【００７６】
書込み方法及び読出し方法は、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示す記憶素子と同様である。具体的には、図６（Ａ）及び図７（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１、第２の導電層１０３に電圧を印加し、両導電層間に電位差を生じさせると、第２の層１２２において正孔と電子が再結合する。該再結合エネルギーを第１の層１２１の光増感酸化還元剤１０６ａに移動することにより、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）に示すように、光増感酸化還元剤が励起状態１０６ｂとなる。次に、励起状態１０６ｂの光増感酸化還元剤の励起エネルギーにより基質１０５の反応が促進し、図６（Ｃ）及び図７（Ｃ）に示すように、生成物１０７が生成される。
【００７７】
基質の生成物１０７は、基質１０５と比較して導電率が異なる。このため、第１の導電層１０１及び第２の導電層１０３に電圧を印加し、生成物１０７が生成されることにより、実施の形態１と同様に、記憶素子の電気抵抗が変化する。代表的には、絶縁化をもたらす抵抗の増加、抵抗の減少などが挙げられる。即ち、第１の導電層１０１及び第２の導電層１０３の電圧印加による電気抵抗の変化によりデータを書込むことが可能である。
【００７８】
なお、記憶素子のデータを読出す場合は、書込み前の記憶素子の電気抵抗と書込み後の記憶素子の電気抵抗の差を読み取ることで、データを読出すことが可能である。
【００７９】
また、図８に示すように、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する正孔注入層１１５と、正孔注入層１１５に接する第１の層１２１と、第１の層１２１に接する第２の層１２４と、第２の層１２４に接する第３の層１２５と、第３の層に接する電子注入層１１３と、電子注入層１１３に接する第２の導電層１０３で形成されてもよい。ここで、第１の層１２１は、基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａ形成される層であり、ここでは正孔輸送・正孔注入層として機能する。第２の層１２４は、発光性を有する材料１０４で形成される層である。第３の層１２５は、基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａで形成される層であり、ここでは電子輸送・電子注入層として機能する。
【００８０】
本実施の形態のように発光性を有する材料で形成される層と、基質及び光増感酸化還元剤を有する層とを積層させることにより、基質及び光増感酸化還元剤を有する層で再結合せず通過してしまう正孔又は電子を、発光性を有する材料で形成される層において再結合させることが可能である。このため、再結合確率を高めることが可能であり、この結果記憶素子の書込みを行いやすくすることが可能である。
【００８１】
（実施の形態５）
本実施の形態では、発光性を有する材料で形成される有機化合物を含む層を有する発光素子部と、光増感酸化還元剤及び基質で形成される有機化合物を含む層を有する記憶素子部とを共通電極である透光性を有する導電層で接続させた記憶素子について、図１０、１１を用いて説明する。本実施の形態においては、発光素子部の電極の一方と記憶素子部の電極の一方を共通電極とすると共に、透光性を有する材料で形成することで、発光素子で発光した光を記憶素子の光増感酸化還元剤に照射して、光増感酸化還元剤を励起状態にすることができる。
【００８２】
本実施の形態の記憶素子は、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する第１の層１４２と、第１の層１４２に接する透光性を有する導電層１４１と、透光性を有する導電層１４１に接する第２の層１４３と、第２の層１４３に接する第２の導電層１０３で形成される。ここで、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する第１の層１４２と、第１の層１４２に接する透光性を有する導電層１４１とは、発光素子部として機能し、透光性を有する導電層１４１と、透光性を有する導電層１４１に接する第２の層１４３と、第２の層１４３に接する第２の導電層１０３とは記憶素子部として機能する。
【００８３】
発光素子部の第１の層１４２は、発光性を有する材料１０４で形成される層であり、具体的には正孔注入層１４２ａ、正孔輸送層１４２ｂ、発光層１４２ｃ、電子輸送層１４２ｄ、電子注入層１４２ｅで形成されることが好ましい。このような構造をとることにより、第１の導電層１０１乃至第２の導電層１０３に電圧を印加したときに、発光層１４２ｃで電子及び正孔の再結合が生じする。
【００８４】
第２の層１４３は基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａで形成される層である。
【００８５】
透光性を有する導電層１４１は、ＩＴＯ、または珪素を含有したインジウム錫酸化物、２〜２０％の酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含む酸化インジウム等を適宜用いて形成する。また、膜厚の薄く光を透過することが可能な（代表的には、１ｎｍ〜１０ｎｍ）チタン、モリブデン、タングステン、ニッケル、金、白金、銀、アルミニウム、リチウム、マグネシウム、カルシウム、バリウム、およびそれらの合金等を用いて形成される。
【００８６】
次に、本実施の形態の記憶素子のデータ書込みに関して説明する。図１０（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１及び透光性を有する導電層１４１に電圧を印加し、両導電層間に電位差を生じさせると、第１の層１４２において正孔と電子が再結合し、発光性を有する材料１０４が発光し、光エネルギー１００ｃが生じる。
【００８７】
発光性を有する材料１０４から発光された光が第２の層１４３の光増感酸化還元剤１０６ａに照射されると、図１０（Ｂ）に示すように、当該光エネルギーにより光増感酸化還元剤１０６ａは励起状態１０６ｂとなる。
【００８８】
次に、１０６ｂの光増感酸化還元剤の励起エネルギーに１００ａより基質１０５の反応が促進し、図１０（Ｃ）に示すように、生成物１０７が生成される。
【００８９】
基質の生成物１０７は、基質１０５と比較して導電率が異なる。このため、第１の導電層１０１及び第２の導電層１０３に電圧を印加し、生成物１０７が生成されることにより、実施の形態１と同様に、記憶素子の電気抵抗が変化する。代表的には、絶縁化をもたらす抵抗の増加、抵抗の減少などが挙げられる。以上のことから、第１の導電層１０１、透光性を有する導電層１４１、及び第２の導電層１０３の電圧印加による電気抵抗の変化によりデータを書込むことが可能である。
【００９０】
なお、記憶素子のデータを読出す場合は、書込み前の記憶素子の電気抵抗と書込み後の記憶素子の電気抵抗の差を読み取ることで、データを読出すことが可能である。
【００９１】
また、図１１（Ａ）に示すように、記憶素子は、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する第１の層１４４と、第１の層１４４に接する透光性を有する導電層１４１と、透光性を有する導電層１４１に接する第２の層１４５と、第２の層１４５に接する第２の導電層１０３で形成されてもよい。
【００９２】
ここで、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する第１の層１４４と、第１の層１４４に接する透光性を有する導電層１４１とは、記憶素子部として機能し、透光性を有する導電層１４１と、透光性を有する導電層１４１に接する第２の層１４５と、第２の層１４５に接する第２の導電層１０３とは発光素子部として機能する。また、第２の導電層１０３、及び透光性を有する導電層１４１にのみ電圧を印加すればよい。
【００９３】
第１の層１４４は基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａで形成される層である。
【００９４】
発光素子の一部である第１の層１４５は、発光性を有する材料１０４で形成される層であり、具体的には正孔注入層１４５ａ、正孔輸送層１４５ｂ、発光層１４５ｃ、電子輸送層１４５ｄ、電子注入層１４５ｅで形成されることが好ましい。このような構造をとることにより、第１の導電層乃至第２の導電層に電圧を印加したときに、発光層１４５ｃで電子及び正孔の再結合が生じする。
【００９５】
書込み方法及び読出し方法は、図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示す記憶素子と同様である。具体的には、図１１（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１、透光性を有する導電層１４１、及び第２の導電層１０３に電圧を印加し、両導電層間に電位差を生じさせると、第２の層１４５において正孔と電子が再結合し、発光性を有する材料１０４が発光し、光エネルギー１００ｃが生じる。
【００９６】
発光性を有する材料１０４から発光された光が第１の層１４４の光増感酸化還元剤１０６ａに照射されると、図１１（Ｂ）に示すように、当該光エネルギーにより光増感酸化還元剤１０６ａは励起状態１０６ｂとなる。
【００９７】
次に、１０６ｂの光増感酸化還元剤の励起エネルギー１００ａにより基質１０５の反応が促進し、図１１（Ｃ）に示すように、生成物１０７が生成される。
【００９８】
基質の生成物１０７は、基質１０５と比較して導電率が異なる。このため、第１の導電層１０１及び第２の導電層１０３に電圧を印加し、生成物１０７が生成されることにより、実施の形態１と同様に、記憶素子の電気抵抗が変化する。代表的には、絶縁化をもたらす抵抗の増加、抵抗の減少などが挙げられる。以上のことから、第１の導電層１０１、透光性を有する導電層１４１、及び第２の導電層１０３の電圧印加による電気抵抗の変化によりデータを書込むことが可能である。
【００９９】
なお、記憶素子のデータを読出す場合は、書込み前の記憶素子の電気抵抗と書込み後の記憶素子の電気抵抗の差を読み取ることで、データを読出すことが可能である。
【０１００】
本実施の形態の記憶素子は、発光性を有する材料で形成される有機化合物を含む層を有する発光素子部と、光増感酸化還元剤及び基質で形成される有機化合物を含む層を有する記憶素子部とが共通電極である透光性を有する導電層で接続されている。このため、発光素子部及び記憶素子部それぞれに電圧を印加することができる。ここでは、発光素子部において発光するだけの電圧を印加すればよいため、正孔及び電子が再結合するときに発生するエネルギーを生じやすくすることができる。また、発光素子部において、光増感酸化還元剤及び基質を含まない。このことから、実施の形態４と比較して低電圧で記憶素子にデータの書込みを行うことが可能である。さらには、外部に書込みを行うための光照射装置を設けなくとも、記憶素子自体で発光し、当該発光を用いてデータを書込むことが可能であるため、記憶装置及び半導体装置の小型化及び高集積化が可能である。
【０１０１】
（実施の形態６）
本実施の形態では、実施の形態５の図１０に示す基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａで形成される第２の層１４３、ならびに実施の形態５の図１１に示す基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａで形成される第１の層１４４について説明する。
【０１０２】
本実施の形態の記憶素子は、第１の導電層１０１と、第１の導電層１０１に接する第１の層１４２と、第１の層１４２に接する透光性を有する導電層１４１と、透光性を有する導電層１４１に接する第２の層１４６と、第２の層１４６に接する第２の導電層１０３で形成される。ここで、第１の層１４２は、発光性を有する材料１０４で形成される層であり、第２の層１４３は基質１０５、光増感酸化還元剤１０６ａ、及び発光性を有する材料１４７で形成される層である。
【０１０３】
第１の層１４２は、発光性を有する材料１０４で形成される層であり、図１２と同様の構成を有する。
【０１０４】
次に、本実施の形態の記憶素子のデータ書込みに関して説明する。図１２（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１、透光性を有する導電層１４１、及び第２の導電層１０３に電圧を印加し、第１の導電層１０１及び透光性を有する導電層１４１の間、並びに透光性を有する導電層１４１及び第２の導電層１０３に電位差を生じさせると、第１の層１４２の発光性を有する材料１０４において正孔と電子が再結合し、発光性を有する材料１０４が発光すると共に、第２の層１４６の発光性を有する材料１４７においても正孔と電子が再結合し発光し、光エネルギー１００ｃを発生する。
【０１０５】
発光性を有する材料１０４、１４７から発光された光が第２の層１４６の光増感酸化還元剤１０６ａに照射されると、図１２（Ｂ）に示すように、当該光エネルギーにより光増感酸化還元剤１０６ａは励起状態１０６ｂとなり、励起エネルギー１００ａを有する。なお、発光性を有する材料１４７と光増感酸化還元剤１０６ａとが接する場合、発光性を有する材料１４７が発光しなくとも再結合エネルギーは光増感酸化還元剤１０６ａへ移動する。
【０１０６】
次に、励起状態１０６ｂの光増感酸化還元剤の励起エネルギー１００ａにより基質１０５の反応が促進し、図１２（Ｃ）に示すように、生成物１０７が生成される。
【０１０７】
基質の生成物１０７は、基質１０５と比較して導電率が異なる。このため、第１の導電層及び第２の導電層に電圧を印加し、生成物１０７が生成されることにより、実施の形態１と同様に、記憶素子の電気抵抗が変化する。代表的には、絶縁化をもたらす抵抗の増加、抵抗の減少などが挙げられる。以上のことから、第１の導電層１０１、透光性を有する導電層１４１、及び第２の導電層１０３の電圧印加による電気抵抗の変化によりデータを書込むことが可能である。
【０１０８】
なお、記憶素子のデータを読出す場合は、各記憶素子の電気抵抗の差を読み取ることで、データを読み取ることが可能である。
【０１０９】
また、図１３（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１と、第１の導電層１０１に接する第１の層１４８と、第１の層１４８に接する透光性を有する導電層１４１と、透光性を有する導電層１４１に接する第２の層１４５と、第２の層１４５に接する第２の導電層１０３で形成されてもよい。ここで、第１の層１４８は、基質１０５、光増感酸化還元剤１０６ａ、及び発光性を有する材料１４９で形成される層である。また、第２の層１４５は、発光性を有する材料１０４で形成される層である。
【０１１０】
書込み方法及び読出し方法は、図１２（Ａ）〜（Ｃ）に示す記憶素子と同様である。具体的には、図１３（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１、透光性を有する導電層１４１、及び第２の導電層１０３に電圧を印加し、第１の導電層１０１及び透光性を有する導電層１４１の間、並びに透光性を有する導電層１４１及び第２の導電層１０３に電位差を生じさせると、第２の層１４５の発光性を有する材料１０４において正孔と電子が再結合し、発光性を有する材料１０４が発光すると共に、第１の層１４８の発光性を有する材料１４７においても正孔と電子が再結合し発光し、光エネルギー１００ｃが発生する。
【０１１１】
発光性を有する材料１０４、１４７から発光された光が第１の層１４８の光増感酸化還元剤１０６ａに照射されると、図１３（Ｂ）に示すように、当該光エネルギー１００ｃにより光増感酸化還元剤１０６ａは励起状態１０６ｂとなり、励起エネルギー１００ａを有する。なお、発光性を有する材料１４７と光増感酸化還元剤１０６ａとが接する場合、発光性を有する材料１４７が発光しなくとも再結合エネルギーは光増感酸化還元剤１０６ａへ移動する。
【０１１２】
次に、励起状態１０６ｂの光増感酸化還元剤の励起エネルギーにより基質１０５の反応が促進し、図１３（Ｃ）に示すように、生成物１０７が生成される。
【０１１３】
基質の生成物１０７は、基質１０５と比較して導電率が異なる。このため、第１の導電層及び第２の導電層に電圧を印加し、生成物１０７が生成されることにより、実施の形態１と同様に、記憶素子の電気抵抗が変化する。代表的には、絶縁化をもたらす抵抗の増加、抵抗の減少などが挙げられる。以上のことから、第１の導電層１０１、透光性を有する導電層１４１、及び第２の導電層１０３の電圧印加による電気抵抗の変化によりデータを書込むことが可能である。
【０１１４】
なお、記憶素子のデータを読出す場合は、各記憶素子の電気抵抗の差を読み取ることで、データを読み取ることが可能である。
【０１１５】
本実施の形態の記憶素子は、発光性を有する材料で形成される有機化合物を含む層を有する発光素子部と、光増感酸化還元剤及び基質で形成される有機化合物を含む層を有する記憶素子部とが共通電極である透光性を有する導電層で接続されている。また、記憶素子部の基質及び光増感酸化還元剤で形成される層にも発光性を有する材料を有し、当該層においても発光性を有する材料で再結合により生じた再結合エネルギーは光増感酸化還元剤１０６ａへ移動する。このため、より多くの再結合エネルギーで光増感酸化還元剤を励起御状態にすることが可能であり、この結果低電圧でデータの書込みが可能であると共に、書込み成功率を高めることが可能である。さらには、外部に書込みを行うための光照射装置を設けなくとも、記憶素子自体で発光し、当該発光を用いてデータを書込むことが可能であるため、記憶装置及び半導体装置の小型化及び高集積化が可能である。
【０１１６】
（実施の形態７）
実施の形態１乃至６に示す記憶素子において、第１の導電層と有機化合物を含む層との間に、無機化合物及び有機化合物で形成される電荷輸送層を設けてもよい。また、第２の導電層と有機化合物を含む層との間に無機化合物及び有機化合物で形成される電荷輸送層を設けてもよい。更には、第１の導電層と有機化合物を含む層との間、及び第２の導電層と有機化合物を含む層との間それぞれに、無機化合物及び有機化合物で形成される電荷輸送層を設けてもよい。なお、ここでは実施の形態１を用いて説明するが適宜実施の形態２乃至実施の形態６に適応することが可能である。
【０１１７】
図９（Ａ）に示す記憶素子は、陽極として働く第１の導電層１０１と有機化合物を含む層１０２との間に、正孔輸送層１５１を有する。正孔輸送層１５１は、有機化合物と、有機化合物に対して電子受容性を有する無機化合物とを含む構成である。有機化合物に電子受容性を有する無機化合物を混入させることで、有機化合物に多くの正孔が発生し、極めて優れた正孔注入性・輸送性を示す。
【０１１８】
有機化合物には正孔が発生するため、有機化合物としては上記した正孔輸送性の有機化合物を適宜用いて形成する。また、無機化合物としては、有機化合物から電子を受け取りやすいものであれば何であってもよく、種々の金属酸化物または金属窒化物が可能であるが、周期表第４族乃至第１２族のいずれかの遷移金属酸化物が電子受容性を示しやすく好適である。具体的には、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化バナジウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化レニウム、酸化ルテニウム、酸化亜鉛などが挙げられる。また、上述した金属酸化物の中でも、周期表第４族乃至第８族のいずれかの遷移金属酸化物は電子受容性の高いものが多く、好ましい一群である。特に酸化バナジウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化レニウムは真空蒸着が可能で扱いやすいため、好適である。
【０１１９】
図９（Ｂ）に示す記憶素子は、陰極として働く第２の導電層１０３と有機化合物を含む層１０２との間に、電子輸送層１５２を有する。電子輸送層１５２は、有機化合物と、有機化合物に対して電子供与性を有する無機化合物とを含む構成である。有機化合物に電子供与性を有する無機化合物を混入させることで、有機化合物に多くの電子が発生し、極めて優れた電子注入性・輸送性を示す。
【０１２０】
有機化合物には電子が発生するため、有機化合物としては上記した電子輸送性の有機化合物を適宜用いて形成する。また、無機化合物としては、有機化合物から電子を与えやすいものであれば何であってもよく、種々の金属酸化物または金属窒化物が可能であるが、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、希土類金属酸化物、アルカリ金属窒化物、アルカリ土類金属窒化物、希土類金属窒化物が電子供与性を示しやすく好適である。具体的には、酸化リチウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化エルビウム、窒化リチウム、窒化マグネシウム、窒化カルシウム、窒化イットリウム、窒化ランタンなどが挙げられる。特に酸化リチウム、酸化バリウム、窒化リチウム、窒化マグネシウム、窒化カルシウムは真空蒸着が可能で扱いやすいため、好適である。
【０１２１】
図９（Ｃ）に示す記憶素子は、陽極として働く第１の導電層１０１と有機化合物を含む層１０２との間に、正孔輸送層１５１を有し、陰極として働く第２の導電層１０３と有機化合物を含む層１０２との間に、電子輸送層１５２を有する。
【０１２２】
なお、正孔輸送層１５１と有機化合物を含む層１０２との間に更に、上記した正孔輸送性を有する有機化合物を用いて正孔輸送層を形成してもよい。また、電子輸送層１５２と有機化合物を含む層１０２との間に、上記した電子輸送性を有する有機化合物を用いて電子輸送層を形成してもよい。
【０１２３】
以上のように、導電層及び有機化合物を含む層の間に、有機化合物及び無機化合物を用いて形成される電荷輸送層を設けることにより、記憶素子において優れた導電性をも得ることができる。このため、従来よりも低い電圧で電子及び正孔の再結合を行うことが可能であり、低消費電力でデータの書込みを行うことが可能である。
【０１２４】
（実施の形態８）
本実施の形態では、上記実施の形態の記憶素子を有する記憶装置の構成例に関して図面を用いて説明する。より具体的には、記憶装置の構成がパッシブマトリクス型の場合に関して示す。
【０１２５】
図１４（Ａ）に示したのは本実施の形態の記憶装置の一構成例であり、メモリセル２１がマトリクス状に設けられたメモリセルアレイ２２、カラムデコーダ２６ａと読出し回路２６ｂとセレクタ２６ｃを有するビット線駆動回路２６、ローデコーダ２４ａとレベルシフタ２４ｂを有するワード線駆動回路２４、書込み回路等を有し外部とのやりとりを行うインターフェイス２３を有している。なお、ここで示す記憶装置１６の構成はあくまで一例であり、センスアンプ、出力回路、バッファ等の他の回路を有していてもよいし、書込み回路をビット線駆動回路に設けてもよい。
【０１２６】
メモリセル２１は、ビット線Ｂｘ（１≦ｘ≦ｍ）を構成する第１の導電層と、ワード線Ｗｙ（１≦ｙ≦ｎ）を構成する第２の導電層と、有機化合物を含む層とを有する。有機化合物を含む層は、第１の導電層と第２の導電層の間に単層または積層で設けられている。
【０１２７】
メモリセルアレイ２２の上面構造と断面構造の一例に関して図１５に示す。なお、図１５（Ａ）はメモリセルアレイ２２の上面構造を示しており、図１５（Ａ）におけるＡ−Ｂ間の断面構造が図１５（Ｂ）及び（Ｃ）に対応し、図１５（Ａ）におけるＣ−Ｄ間の断面構造が図１５（Ｄ）に対応している。なお、図１５（Ａ）において保護膜として機能する絶縁層２７は省略している。
【０１２８】
メモリセルアレイ２２には、メモリセル２１がマトリクス状に設けられている（図１５（Ａ）参照）。メモリセル２１は、記憶素子８０を有する（図１５（Ｂ）参照。）。記憶素子８０は、基板３０上に、第１の方向に延びた第１の導電層３１と、第１の導電層３１を覆う有機化合物を含む層２９と、第１の方向と９０度に交差する第２の方向に延びた第２の導電層２８とを有する。また、ここでは、第２の導電層２８を覆うように、保護膜として機能する絶縁層２７を設ける。
【０１２９】
上記記憶素子８０に対して実施の形態１乃至実施の形態７に示す記憶素子を適宜用いることができる。
【０１３０】
また、上記記憶素子において、第１の導電層３１を介して有機化合物を含む層２９と反対側に、整流性を有する素子を設けてもよい。整流性を有する素子とは、ゲート電極とドレイン電極を接続したトランジスタ、またはダイオード等である。ダイオードの代表例としては、ＰＮ接合ダイオード、ＰＩＮ接合を有するダイオードやアバランシェダイオード等が挙げられる。また、他の構成のダイオードを用いてもよい。なお、第２の導電層を介して有機化合物を含む層と反対側に整流性を有する素子を設けてもよい。また、整流性を有する素子は、有機化合物を含む層２９と第１の導電層３１との間に設けてもよい。また、有機化合物を含む層２９と第２の導電層２８との間に整流性を有する素子を設けてもよい。このように、整流性がある素子を設けることにより、１つの方向にしか電流が流れないために、読み出し誤差が減少し、読出しマージンが向上する。
【０１３１】
また、絶縁性を有する基板上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を設けてその上に記憶素子８０を設けてもよいし、絶縁性を有する基板の代わりにＳｉ等の半導体基板やＳＯＩ基板を用いて基板上に電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を形成しその上に記憶素子８０を設けてもよい。また、単結晶半導体で形成されるトランジスタは微細加工が可能であるため、高集積化が可能であると共に、半導体装置の小型化が可能である。また、単結晶半導体で形成されるため、高速動作が可能である。なお、ここでは、記憶素子を薄膜トランジスタ上または電界効果トランジスタ上に形成する例を示したが、記憶素子と薄膜トランジスタまたは電界効果トランジスタを貼り合わせることによって設けてもよい。この場合、記憶素子部と薄膜トランジスタまたは電界効果トランジスタは、別工程で作製し、その後、導電性フィルム、異方性導電接着剤等を用いて貼り合わせることによって設けることができる。また、薄膜トランジスタまたは電界効果トランジスタの構成は、公知のものであればどのような構成を用いてもよい。
【０１３２】
また、隣接する各々の記憶素子間において横方向への電界の影響が懸念される場合は、各記憶素子に設けられた有機化合物を含む層を分離するため、各記憶素子に設けられた有機化合物を含む層の間に隔壁（絶縁層）を設けてもよい。つまり、各メモリセルごとに有機化合物を含む層を選択的に設けた構成としてもよい。
【０１３３】
また、第１の導電層３１を覆って有機化合物を含む層２９を設ける際に、第１の導電層３１の段差により生じる有機化合物を含む層２９の段切れや各メモリセル間における横方向への電界の影響を防止するために第１の導電層３１間に隔壁（絶縁層）３９を設けてもよい（図１５（Ｃ））。なお、隔壁（絶縁層）３９の断面において、隔壁（絶縁層）３９の側面は、第１の導電層３１の表面に対して１０度以上６０度未満、好ましくは２５度以上４５度以下の傾斜角度を有することが好ましい。さらには、湾曲していることが好ましい。その後、第１の導電層３１および隔壁（絶縁層）３９を覆うように絶縁層３２、有機化合物を含む層２９及び第２の導電層２８を形成する。
【０１３４】
また、隔壁（絶縁層）３９の代わりに、基板３０上に、第１の方向に延びた第１の導電層３１の一部を覆う層間絶縁層４０ａと、層間絶縁層上に設けられた隔壁（絶縁層）４０ｂを設けてもよい（図１５（Ｄ））。
【０１３５】
第１の導電層３１の一部を覆う層間絶縁層４０ａは、各記憶素子８０ごとに開口部を有する。また、隔壁（絶縁層）４０ｂは層間絶縁層において開口部が形成されない領域に設けられる。また、隔壁（絶縁層）４０ｂは、第２の導電層２８と同様に第２の方向に伸びる。また、隔壁（絶縁層）４０ｂは、層間絶縁層４０ａ表面に対して９５度以上１３５度以下の傾斜角度を有する。
【０１３６】
隔壁（絶縁層）４０ｂはフォトリソグラフィ法に従い、未露光部分が残存するポジ型感光性樹脂を用い、パターンの下部がより多くエッチングされるように露光量または現像時間を調節することによって形成する。また、隔壁（絶縁層）４０ｂの高さは、有機化合物を含む層２９及び第２の導電層２８の厚さより大きく設定する。この結果、基板３０全面に有機化合物を含む層２９及び第２の導電層２８を基板３０上に蒸着する工程のみで、電気的に独立した複数の領域に分離され、且つ第１の導電層３１の第１の方向と交差する方向に伸長するストライプ状の有機化合物を含む層２９及び第２の導電層２８を形成することができる。このため、工程数を削減することが可能である。なお、隔壁（絶縁層）４０ｂ上にも有機化合物を含む層２９ａ及び導電層２８ａが形成されるが、有機化合物を含む層２９及び導電層２８とは分断される。
【０１３７】
次に、記憶装置にデータの書込みを行う際の動作について説明する。ここでは、電圧印加によりデータの書込みを行う場合について説明する（図１４、図１５参照）。
【０１３８】
電圧印加を加えることによりデータの書込みを行う場合、ローデコーダ２４ａ、カラムデコーダ２６ａ、セレクタ２６ｃにより、１つのメモリセル２１を選択し、その後、書込み回路を用いて、当該メモリセル２１にデータを書込む（図１４（Ａ）参照）。メモリセルの第１の導電層３１と第２の導電層２８との間に電圧を印加すると、発光材料で形成される層が発光する。当該発光エネルギーにより有機化合物を含む層中の光増感酸化還元剤が励起状態となる。また、励起された光増感酸化還元剤によって基質が化学反応を起こし、化学生成物を生成する。この結果、記憶素子の電気抵抗が変化する。
【０１３９】
反応生成物を有する記憶素子は、書込み前の記憶素子と比較すると電気抵抗が変化する。このように、電圧印加により、２つの導電層間の電気抵抗の変化を利用してデータの書込みを行う。例えば、電圧印加していない有機化合物を含む層を「０」のデータとする場合、「１」のデータを書込む際は、所望の記憶素子の有機化合物を含む層に選択的に大きい電圧を印加して抵抗を変化させる。
【０１４０】
続いて、有機メモリからデータの読み出しを行う際の動作について説明する（図１４（Ｂ））。データの読み出しは、メモリセルを構成する第１の導電層と第２の導電層の間の電気特性が、データ「０」を有するメモリセルとデータ「１」を有するメモリセルとで異なることを利用して行う。例えば、データ「０」を有するメモリセルを構成する第１の導電層と第２の導電層の間の実効的な電気抵抗（以下、単にメモリセルの電気抵抗と呼ぶ）が、読み出し電圧においてＲ０、データ「１」を有するメモリセルの電気抵抗を、読み出し電圧においてＲ１とし、電気抵抗の差を利用して読み出す方法を説明する。なお、Ｒ１＜Ｒ０とする。ここでは、読み出し回路２６ｂは、抵抗素子４６とセンスアンプ４７を含む構成とし、抵抗素子４６は抵抗値Ｒｒを有し、Ｒ１＜Ｒｒ＜Ｒ０であるとする。但し、読み出し回路２６ｂの構成は上記構成に制約されず、どのような構成を有していてもよい。例えば、抵抗素子４６の代わりにトランジスタ４８を用いても良いし、センスアンプ４７の代わりにクロックドインバータ４９を用いることも可能である（図１４（Ｃ））。クロックドインバータ４９には、読み出しを行うときにＨｉｇｈ、行わないときにＬｏｗとなる、信号φ又は反転信号φが入力される。
【０１４１】
データの読み出しは、ローデコーダ２４ａ、カラムデコーダ２６ａおよびセレクタ２６ｃによってメモリセル２１を選択する。具体的には、ローデコーダ２４ａによって、メモリセル２１に接続されるワード線Ｗｙに所定の電圧Ｖｙを印加する。また、カラムデコーダ２６ａとセレクタ２６ｃによって、メモリセル２１に接続されるビット線Ｂｘを読み出し２６ｂの端子Ｐに接続する。その結果、端子Ｐの電位Ｖｐは、抵抗素子４６（抵抗値Ｒｒ）とメモリセル２１（抵抗値Ｒ０もしくはＲ１）による抵抗分割によって決定される値となる。従って、メモリセル２１がデータ「０」を有する場合には、Ｖｐ０＝Ｖｙ＋（Ｖ０−Ｖｙ）×Ｒ０／（Ｒ０＋Ｒｒ）となる。また、メモリセル２１がデータ「１」を有する場合には、Ｖｐ１＝Ｖｙ＋（Ｖ０−Ｖｙ）×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒｒ）となる。その結果、図１４（Ａ）では、ＶｒｅｆをＶｐ０とＶｐ１の間となるように選択することで、図１４（Ｂ）では、クロックドインバータの変化点をＶｐ０とＶｐ１の間となるように選択することで、出力電位Ｖｏｕｔとして、データ「０」／「１」に応じて、Ｌｏｗ／Ｈｉｇｈ（もしくはＨｉｇｈ／Ｌｏｗ）が出力され、読み出しを行うことができる。
【０１４２】
例えば、センスアンプ４７をＶｄｄ＝３Ｖで動作させ、Ｖｙ＝０Ｖ、Ｖ０＝３Ｖ、Ｖｒｅｆ＝１．５Ｖとする。仮に、Ｒ０／Ｒｒ＝Ｒｒ／Ｒ１＝９とすると、メモリセルのデータが「０」の場合、Ｖｐ０＝２．７ＶとなりＶｏｕｔとしてＨｉｇｈが出力され、メモリセルのデータが「１」の場合、Ｖｐ１＝０．３ＶとなりＶｏｕｔとしてＬｏｗが出力される。こうして、メモリセルの読み出しを行うことができる。
【０１４３】
なお、データの読出しを行う場合、順方向電圧を印加する。また、逆方向電圧を印加してもよい。
【０１４４】
上記の方法によると、有機化合物を含む層２９の電気抵抗の状態は、抵抗値の相違と抵抗分割を利用して、電圧値で読み取っている。しかしながら、電流値を比較する方法でもよい。これは、例えば、有機化合物を含む層に電圧印加していないときの電流値Ｉａ１と、電圧印加して２つの導電膜間をショートしたときの抵抗値Ｉｂ１は、Ｉａ１＜Ｉｂ１を満たすことを利用するものである。
【０１４５】
本実施の形態は記憶素子の抵抗値を電圧の大きさに置き換えて読み取っているが、本発明はこれに限定されずに実施することができる。例えば例えば、電気抵抗の差を利用する以外に、電流値の差を利用して読み出しても構わない。また、メモリセルの電気特性が、データ「０」と「１」とで、しきい値電圧が異なるダイオード特性を有する場合には、しきい値電圧の差を利用して読み出しても構わない。さらには、ビット線をプリチャージする方法を採用することも可能である。
【０１４６】
（実施の形態９）
本実施の形態では、上記実施の形態８とは異なる構成を有する記憶装置について説明する。具体的には、記憶装置の構成がアクティブマトリクス型の場合に関して示す。
【０１４７】
図１６（Ａ）に示したのは本実施の形態で示す記憶装置の一構成例であり、メモリセル２２１がマトリクス状に設けられたメモリセルアレイ２２２、カラムデコーダ２２６ａと読出し回路２２６ｂとセレクタ２２６ｃを有するビット線駆動回路２２６、ローデコーダ２２４ａとレベルシフタ２２４ｂを有するワード線駆動回路２２４、書込み回路等を有し外部とのやりとりを行うインターフェイス２２３を有している。なお、ここで示す記憶装置２１６の構成はあくまで一例であり、センスアンプ、出力回路、バッファ等の他の回路を有していてもよいし、書込み回路をビット線駆動回路に設けてもよい。
【０１４８】
メモリセル２２１は、ビット線Ｂｘ（１≦ｘ≦ｍ）を構成する第１の配線と、ワード線Ｗｙ（１≦ｙ≦ｎ）を構成する第２の配線と、トランジスタ２４０と、記憶素子２４１とを有する。記憶素子２４１は、一対の導電層の間に、有機化合物を含む層が挟まれた構造を有する。
【０１４９】
次に、上記構成を有するメモリセルアレイ２２２の上面図と断面図の一例に関して図１７を用いて説明する。なお、図１７（Ａ）はメモリセルアレイ２２２の上面図の一例を示しており、図１７（Ｂ）は図１７（Ａ）におけるＡ−Ｂ間の断面図を示している。なお、図１７（Ａ）においては、第１の導電層２４３上に形成される、隔壁（絶縁層）２４９、有機化合物を含む層２４４、及び第２の導電層２４５を省略している。
【０１５０】
メモリセルアレイ２２２は、複数のメモリセル２２１がマトリクス状に設けられている。又、メモリセル２２１は、絶縁表面を有する基板２３０上にスイッチング素子として機能するトランジスタ２４０および当該トランジスタ２４０に接続された記憶素子２４１とを有している（図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）参照。）。記憶素子２４１は、絶縁層２４８上に形成される第１の導電層２４３と、第１の導電層２４３及び隔壁（絶縁層）２４９を覆う有機化合物を含む層２４４と、第２の導電層２４５とを有する。なお、第１の導電層の一部を覆う隔壁（絶縁層）２４９が形成される。また、トランジスタ２４０として、薄膜トランジスタを用いている。また、第２の導電層２４５を覆って保護膜として機能する絶縁層２３６を有する。
【０１５１】
トランジスタ２４０に用いることが可能な薄膜トランジスタの一態様について、図２５を参照して説明する。図２５（Ａ）はトップゲート型の薄膜トランジスタを適用する一例を示している。絶縁表面を有する基板２３０上に絶縁層２０５が設けられ、絶縁層２０５上に薄膜トランジスタが設けられている。薄膜トランジスタは、絶縁層２０５上に半導体層１３０２、ゲート絶縁層として機能することができる絶縁層１３０３が設けられている。絶縁層１３０３の上には、半導体層１３０２に対応してゲート電極１３０４が形成され、その上層に保護層として機能する絶縁層１３０５、層間絶縁層として機能する絶縁層２４８が設けられている。また、半導体層のソース領域及びドレイン領域それぞれに接続する第１の導電層２４３が形成される。さらにその上層に、保護層として機能する絶縁層を形成しても良い。
【０１５２】
半導体層１３０２は、結晶構造を有する半導体で形成される層であり、非単結晶半導体若しくは単結晶半導体を用いることができる。特に、非晶質若しくは微結晶質の半導体を、レーザ光の照射により結晶化させた結晶性半導体、加熱処理により結晶化させた結晶性半導体、加熱処理とレーザ光の照射を組み合わせて結晶化させた結晶性半導体を適用することが好ましい。加熱処理においては、シリコン半導体の結晶化を助長する作用のあるニッケルなどの金属元素を用いた結晶化法を適用することができる。
【０１５３】
レーザ光を照射して結晶化する場合には、連続発振レーザ光の照射若しくは繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上であって、パルス幅が１ナノ秒以下、好ましくは１乃至１００ピコ秒である高繰返周波数超短パルス光を照射することによって、結晶性半導体が溶融した溶融帯を、当該レーザ光の照射方向に連続的に移動させながら結晶化を行うことができる。このような結晶化法により、大粒径であって、結晶粒界が一方向に延びる結晶性半導体を得ることができる。キャリアのドリフト方向を、この結晶粒界が延びる方向に合わせることで、トランジスタにおける電界効果移動度を高めることができる。例えば、４００ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以上を実現することができる。
【０１５４】
上記結晶化工程を、ガラス基板の耐熱温度（約６００℃）以下の結晶化プロセスを用いる場合、大面積ガラス基板を用いることが可能である。このため、基板あたり大量の半導体装置を作製することが可能であり、低コスト化が可能である。
【０１５５】
また、ガラス基板の耐熱温度以上の加熱により、結晶化工程を行い、半導体層１３０２を形成してもよい。代表的には、絶縁性基板に石英基板を用い、非晶質若しくは微結晶質の半導体を７００度以上で加熱して半導体層１３０２を形成する。この結果、結晶性の高い半導体を形成することが可能である。このため、応答速度や移動度などの特性が良好で、高速な動作が可能な薄膜トランジスタを提供することができる。
【０１５６】
ゲート電極１３０４は金属又は一導電型の不純物を添加した多結晶半導体で形成することができる。金属を用いる場合は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）などを用いることができる。また、上述した金属を窒化させた金属窒化物を用いることができる。或いは、当該金属窒化物からなる第１層と当該金属から成る第２層とを積層させた構造としても良い。積層構造とする場合には、第１層の端部が第２層の端部より外側に突き出した形状としても良い。このとき第１層を金属窒化物とすることで、バリアメタルとすることができる。すなわち、第２層の金属が、絶縁層１３０３やその下層の半導体層１３０２に拡散することを防ぐことができる。
【０１５７】
ゲート電極１３０４の側面には、サイドウォール（側壁スペーサ）１３０８が形成される。サイドウォールは、基板上にＣＶＤ法により酸化珪素で形成される絶縁層を形成し、該絶縁層をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）法により異方性エッチングすることで形成できる。
【０１５８】
半導体層１３０２、絶縁層１３０３、ゲート電極１３０４などを組み合わせて構成されるトランジスタは、シングルドレイン構造、ＬＤＤ（低濃度ドレイン）構造、ゲートオーバーラップドレイン構造など各種構造を適用することができる。ここでは、サイドウォールが重畳する半導体層において、低濃度不純物領域１３１０が形成されるＬＤＤ構造の薄膜トランジスタを示す。また、シングルゲート構造、等価的には同電位のゲート電圧が印加されるトランジスタが直列に接続された形となるマルチゲート構造、半導体層を上下にゲート電極で挟むデュアルゲート構造を適用することができる。
【０１５９】
絶縁層２４８は、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンなどの無機絶縁材料、又はアクリル樹脂及びポリイミド樹脂などの有機絶縁材料で形成する。スピン塗布やロールコーターなど塗布法を用いる場合には、有機溶媒中に溶かされた絶縁膜材料を塗布した後、熱処理により絶縁層を形成することもできる。例えば、シロキサン結合を含む膜を塗布により形成しておいて、２００乃至４００度での熱処理により絶縁層を形成することができる。絶縁層２４８を、塗布法で形成する絶縁層やリフローにより平坦化した絶縁層を形成することで、その層上に形成する配線の断線を防止することができる。また、多層配線を形成する際にも有効に利用することができる。
【０１６０】
絶縁層２４８の上に形成される第１の２４３は、ゲート電極１３０４と同じ層で形成される配線と交差して設けることが可能であり、多層配線構造を形成している。絶縁層２４８と同様に機能を有する絶縁層を複数積層して、その層上に配線を形成することで多層配線構造を形成することができる。配線として機能する導電層２４３はチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）の積層構造、モリブデン（Ｍｏ）とアルミニウム（Ａｌ）との積層構造など、アルミニウム（Ａｌ）のような低抵抗材料と、チタン（Ｔｉ）やモリブデン（Ｍｏ）などの高融点金属材料を用いたバリアメタルとの組み合わせで形成することが好ましい。
【０１６１】
図２５（Ｂ）は、ボトムゲート型の薄膜トランジスタを適用する一例を示している。絶縁表面を有する基板２３０上に絶縁層２０５が形成され、その上に薄膜トランジスタが設けられている。薄膜トランジスタには、ゲート電極１３０４、ゲート絶縁層として機能する絶縁層１３０３、半導体層１３０２、チャネル保護層１３０９、保護層として機能する絶縁層１３０５、層間絶縁層として機能する絶縁層２４８が設けられている。さらにその上層には、保護層として機能する絶縁層を形成しても良い。配線として機能する導電層２４３は、絶縁層１３０５の層上若しくは絶縁層２４８の層上に形成することができる。なお、ボトムゲート型の薄膜トランジスタの場合は、絶縁層２０５が形成されなくともよい。
【０１６２】
また、絶縁表面を有する基板２３０が可撓性を有する基板である場合、耐熱温度がガラス基板等の非可撓性基板と比較して低い。このため、薄膜トランジスタは、有機半導体を用いて形成することが好ましい。
【０１６３】
ここで、有機半導体を用いる薄膜トランジスタの構造について、図２５（Ｃ）、（Ｄ）を参照して説明する。図２５（Ｃ）は、スタガ型の有機半導体トランジスタを適用する一例を示している。可撓性を有する基板１４０１上に有機半導体トランジスタが設けられている。有機半導体トランジスタは、ゲート電極１４０２、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層１４０３、ゲート電極及びゲート絶縁膜として機能する絶縁層と重畳する半導体層１４０４、半導体層１４０４に接続する配線として機能する導電層２４３が形成されている。なお、半導体層は、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層１４０３と配線として機能する導電層２４３に接する。
【０１６４】
ゲート電極１４０２は、ゲート電極１３０４と同様の材料及び手法により、形成することができる。また、液滴吐出法を用い、乾燥・焼成してゲート電極１４０２を形成することができる。また、可撓性を有する基板上に、微粒子を含むペーストを印刷法により印刷し、乾燥・焼成してゲート電極１４０２を形成することができる。微粒子の代表例としては、金、銅、金と銀の合金、金と銅の合金、銀と銅の合金、金と銀と銅の合金のいずれかを主成分とする微粒子でもよい。また、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの導電性酸化物を主成分とする微粒子でもよい。
【０１６５】
ゲート絶縁膜として機能する絶縁層１４０３は、絶縁層１３０３と同様の材料及び手法により形成することができる。但し、有機溶媒中に溶解する絶縁膜材料を塗布した後、熱処理により絶縁層を形成する場合、熱処理温度が可撓性を有する基板の耐熱温度より低い温度で行う。
【０１６６】
有機半導体トランジスタの半導体層１４０４の材料としては、多環芳香族化合物、共役二重結合系化合物、フタロシアニン、電荷移動型錯体等が挙げられる。例えばアントラセン、テトラセン、ペンタセン、６Ｔ（ヘキサチオフェン）、ＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）、ＰＴＣＤＡ（ペリレンカルボン酸無水化物）、ＮＴＣＤＡ（ナフタレンカルボン酸無水化物）などを用いることができる。また、有機半導体トランジスタの半導体層１４０４の材料としては、有機高分子化合物等のπ共役系高分子、カーボンナノチューブ、ポリビニルピリジン、フタロシアニン金属錯体等が挙げられる。特に骨格が共役二重結合から構成されるπ共役系高分子である、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチエニレン、ポリチオフェン誘導体、ポリ（３アルキルチオフェン）、ポリパラフェニレン誘導体又はポリパラフェニレンビニレン誘導体を用いると好ましい。
【０１６７】
また、有機半導体トランジスタの半導体層の形成方法としては、基板に膜厚の均一な膜が形成できる方法を用いればよい。厚さは１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が望ましい。具体的な方法としては、蒸着法、塗布法、スピンコーティング法、溶液キャスト法、ディップ法、スクリーン印刷法、ロールコーター法又は液滴吐出法を用いることができる。
【０１６８】
図２５（Ｄ）は、コプレナー型の有機半導体トランジスタを適用する一例を示している。可撓性を有する基板１４０１上に有機半導体トランジスタが設けられている。有機半導体トランジスタは、ゲート電極１４０２、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層１４０３、配線として機能する導電層２４３、ゲート電極及びゲート絶縁層として機能する絶縁層に重畳する半導体層１４０４が形成されている。また、配線として機能する導電層２４３は、ゲート絶縁層として機能する絶縁層及び半導体層に接する。
【０１６９】
さらには、薄膜トランジスタや有機半導体トランジスタはスイッチング素子として機能し得るものであれば、どのような構成で設けてもよい。
【０１７０】
また、単結晶基板やＳＯＩ基板を用いて、トランジスタを形成し、その上に記憶素子を設けてもよい。ＳＯＩ基板はウェハの貼り合わせによる方法や酸素イオンをＳｉ基板内に打ち込むことにより内部に絶縁層を形成するＳＩＭＯＸと呼ばれる方法を用いて形成すればよい。ここでは、図１７（Ｃ）に示すように、単結晶半導体基板２６０上に設けられた電界効果トランジスタ２６２に記憶素子２４１が接続されていている。また、電界効果トランジスタ２６２の配線を覆うように絶縁層２５０を設け、当該絶縁層２５０上に記憶素子２４１を設けている。
【０１７１】
このような単結晶半導体で形成されるトランジスタは、応答速度や移動度などの特性が良好なために、高速な動作が可能なトランジスタを提供することができる。また、トランジスタは、その特性のバラツキが少ないために、高い信頼性を実現した半導体装置を提供することができる。
【０１７２】
記憶素子２４１は、絶縁層２５０上に形成される第１の導電層２６４と、第１の導電層２４３及び隔壁（絶縁層）２４９を覆う有機化合物を含む層２４４と、第２の導電層２４５とを有する。なお、第１の導電層の一部を覆う隔壁（絶縁層）２４９が形成される。
【０１７３】
このように、絶縁層２５０を設けて記憶素子２４１を形成することによって第１の導電層２６４を自由に配置することができる。つまり、図１７（Ａ）、（Ｂ）の構成では、トランジスタ２４０の配線を避けた領域に記憶素子２４１を設ける必要があったが、上記構成とすることによって、例えば、トランジスタを有する層２５１に設けられた電界効果トランジスタ２６２の上方に記憶素子２４１を形成することが可能となる。その結果、記憶装置２１６をより高集積化することが可能となる。
【０１７４】
なお、図１７（Ｂ）、（Ｃ）に示す構成において、有機化合物を含む層２４４は基板全面に設けた例を示しているが、各メモリセルのみに有機化合物を含む層２４４を選択的に設けてもよい。この場合、液滴吐出法等を用いて有機化合物を吐出し焼成して選択的に有機化合物を含む層を設けることにより材料の利用効率を向上させることが可能となる。
【０１７５】
第１の導電層２４３、２６４と第２の導電層２４５の材料および形成方法は、上記実施の形態１で示した材料および形成方法のいずれかを用いて同様に行うことができる。
【０１７６】
また、有機化合物を含む層２４４は、上記実施の形態１で示した有機化合物を含む層２９と同様の材料および形成方法を用いて設けることができる。
【０１７７】
また、第１の導電層２４３、２６４はそれぞれ有機化合物を含む層２４４との間に、整流性を有する素子を設けてもよい。整流性を有する素子とは、ゲート電極とドレイン電極を接続したトランジスタ、又はダイオードである。なお、整流性を有する素子は、有機化合物を含む層２４４と第２の導電層２４５との間に設けてもよい。
【０１７８】
また、絶縁表面を有する基板２３０上に剥離層を設け、剥離層上にトランジスタを有する層２５３及び記憶素子２４１を形成した後、トランジスタを有する層２５３及び記憶素子２４１を剥離層から剥離し、基板４６１上に接着層４６２を介してトランジスタを有する層２５３及び記憶素子２４１を貼り合わせても良い（図２０参照）。なお剥離方法としては、（１）絶縁表面を有する基板とトランジスタを有する層の間に剥離層として金属酸化物層を設け、当該金属酸化物層を結晶化により脆弱化して、物理的手段により当該トランジスタを有する層を剥離する方法、（２）絶縁表面を有する基板とトランジスタを有する層の間に剥離層として水素を含む非晶質珪素膜を設け、レーザ光の照射により非晶質珪素膜の水素ガスを放出させて耐熱性の高い基板を剥離する方法、または剥離層に非晶質珪素膜を設け、当該非晶質珪素膜を除去することで、当該トランジスタを有する層を剥離する方法、（３）トランジスタを有する層が形成された耐熱性の高い基板を機械的に削除する、又は溶液やＮＦ３、ＢｒＦ３、ＣｌＦ３等のフッ化ハロゲンガスによるエッチングで除去する方法、（４）絶縁表面を有する基板とトランジスタを有する層の間に剥離層として金属層及び金属酸化物層を設け、当該金属酸化物層を結晶化により脆弱化し、金属層の一部を溶液やＮＦ３、ＢｒＦ３、ＣｌＦ３等のフッ化ハロゲンガスによりエッチングで除去した後、脆弱化された金属酸化物層において物理的に剥離する方法等を用いればよい。
【０１７９】
また、基板４６１としては、実施の形態１で示した基板３０で示した可撓性基板、熱可塑性樹脂層を有するフィルム、繊維質な材料からなる紙等を用いることで、記憶装置の小型、薄型、軽量化を図ることが可能である。
【０１８０】
次に、記憶装置２１６にデータの書込みを行うときの動作について説明する（図１６）。
【０１８１】
電圧印加を加えることによりデータの書込みを行う場合、ローデコーダ２２４ａ、カラムデコーダ２２６ａ、セレクタ２２６ｃにより、１つのメモリセル２２１を選択し、その後、書込み回路を用いて、当該メモリセル２２１にデータを書込む（図１６（Ａ）参照）。メモリセルの第１の導電層２４３と第２の導電層２４５との間に電圧を印加すると、発光材料で形成される層が発光する。当該発光エネルギーにより有機化合物を含む層中の光増感酸化還元剤が励起状態となる。また、励起された光増感酸化還元剤によって基質が化学反応を起こし、化学生成物を生成する。この結果、記憶素子の電気抵抗が変化する。
【０１８２】
反応生成物を有する記憶素子は、書込み前の記憶素子と比較すると電気抵抗が変化する。このように、電圧印加により、２つの導電層間の電気抵抗の変化を利用してデータの書込みを行う。例えば、電圧印加していない有機化合物を含む層を「０」のデータとする場合、「１」のデータを書込む際は、所望の記憶素子の有機化合物を含む層に選択的に大きい電圧を印加して抵抗を変化させる。
【０１８３】
ここでは、ｍ列目ｎ行目のメモリセル２２１にデータの書込みを行う場合について説明する。この場合、ローデコーダ２２４ａ、カラムデコーダ２２６ａ、セレクタ２２６ｃにより、ｍ列目のビット線Ｂｍと、ｎ行目のワード線Ｗｎを選択すると、ｍ列目ｎ行目のメモリセル２２１が含むトランジスタ２４０がオン状態となり、メモリセルの第１の導電層２４３と第２の導電層２４５との間に電圧が印加され、発光材料で形成される層が発光する。なお、記憶素子２４１の第２の導電層２４５は電位Ｖｃｏｍの共通電極に接続されている。当該発光エネルギーにより有機化合物を含む層中の光増感酸化還元剤が励起状態となる。また、励起された光増感酸化還元剤によって基質が化学反応を起こし、化学生成物を生成する。この結果、記憶素子の電気抵抗が変化する。
【０１８４】
次に、電圧印加により、データの読み出しを行う際の動作について説明する（図１６参照。）。データの読み出しは、記憶素子２４１の電気特性が、データ「０」を有するメモリセルとデータ「１」を有するメモリセルとで異なることを利用して行う。例えば、データ「０」を有するメモリセルを構成する記憶素子の電気抵抗が読み出し電圧においてＲ０、データ「１」を有するメモリセルを構成する記憶素子の電気抵抗が読み出し電圧においてＲ１とし、電気抵抗の差を利用して読み出す方法を説明する。なお、Ｒ１＜Ｒ０とする。ここでは、読み出し回路２２６ｂは、読み出し部分の構成として、抵抗素子２４６とセンスアンプ２４７を含む構成とする。抵抗素子は抵抗値Ｒｒを有し、Ｒ１＜Ｒｒ＜Ｒ０であるとする。抵抗素子２４６の代わりに、トランジスタ２５４を用いても良いし、センスアンプの代わりにクロックドインバータ２５５を用いることも可能である（図１６（Ｃ））。勿論、回路構成は図１６（Ｃ）に限定されない。
【０１８５】
データの読み出しは、第１の導電層２４３と第２の導電層２４５の間に電圧を印加して、有機化合物を含む層２４４の電気抵抗を読み取ることにより行う。例えば、メモリセルアレイ２２２が含む複数のメモリセル２２１から、ｍ列目ｎ行目のメモリセル２２１のデータの読み出しを行う場合、まず、ローデコーダ２２４ａ、カラムデコーダ２２６ａ、セレクタ２２６ｃにより、ｍ列目のビット線Ｂｍと、ｎ行目のワード線Ｗｎを選択する。具体的には、ローデコーダ２２４ａによって、メモリセル２２１に接続されるワード線Ｗｙに所定の電圧Ｖ２４を印加し、トランジスタ２４０をオン状態にする。また、カラムデコーダ２２６ａ、セレクタ２２６ｃによって、メモリセル２２１に接続されるビット線Ｂｘを読み出し２２６ｂの端子Ｐに接続する。その結果、端子Ｐの電位Ｖｐは、ＶｃｏｍとＶ０によって求められ、ＶｃｏｍとＶ０は抵抗素子２４６（抵抗値Ｒｒ）と記憶素子２４１（抵抗値Ｒ０もしくはＲ１）による抵抗分割によって決定される値となる。従って、メモリセル２２１がデータ「０」を有する場合には、Ｖｐ０＝Ｖｃｏｍ＋（Ｖ０−Ｖｃｏｍ）×Ｒ０／（Ｒ０＋Ｒｒ）となる。また、メモリセル２２１がデータ「１」を有する場合には、Ｖｐ１＝Ｖｃｏｍ＋（Ｖ０−Ｖｃｏｍ）×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒｒ）となる。その結果、図１６（Ｂ）では、ＶｒｅｆをＶｐ０とＶｐ１の間となるように選択することで、図１６（Ｃ）では、クロックドインバータの変化点をＶｐ０とＶｐ１の間となるように選択することで、出力電位Ｖｏｕｔとして、データ「０」／「１」に応じて、Ｌｏｗ／Ｈｉｇｈ（もしくはＨｉｇｈ／Ｌｏｗ）が出力され、読み出しを行うことができる。
【０１８６】
例えば、センスアンプをＶｄｄ＝３Ｖで動作させ、Ｖｃｏｍ＝０Ｖ、Ｖ０＝３Ｖ、Ｖｒｅｆ＝１．５Ｖとする。仮に、Ｒ０／Ｒｒ＝Ｒｒ／Ｒ１＝９とし、トランジスタ２４０のオン抵抗を無視できるとすると、メモリセルのデータが「０」の場合、Ｖｐ０＝２．７ＶとなりＶｏｕｔはＨｉｇｈが出力され、メモリセルのデータが「１」の場合、Ｖｐ１＝０．３ＶとなりＶｏｕｔはＬｏｗが出力される。こうして、メモリセルの読み出しを行うことができる。
【０１８７】
次に、抵抗素子としてトランジスタを用いた場合において、電圧印加により記憶素子のデータの読出しを行う際の動作について、図２１に具体例を挙げて説明する。
【０１８８】
図２１は、記憶素子に「０」のデータの書込みを行った記憶素子の電流電圧特性９５１と、「１」のデータの書込みを行った記憶素子の電流電圧特性９５２と、抵抗素子２４６の電流電圧特性９５３を示しており、ここでは抵抗素子２４６としてトランジスタを用いた場合を示す。また、データを読み出す際の動作電圧として、第１の導電層２４３と第２の導電層２４５の間に３Ｖを印加した場合について説明する。
【０１８９】
図２１において、「０」のデータの書込みが行われた記憶素子を有するメモリセルでは、記憶素子の電流電圧特性９５１とトランジスタの電流電圧特性９５３との交点９５４が動作点となり、このときのノードＰの電位はＶ２（Ｖ）となる。ノードＰの電位はセンスアンプ２４７に供給され、当該センスアンプ２４７において、上記メモリセルが記憶するデータは、「０」と判別される。
【０１９０】
一方、「１」のデータの書込みが行われた記憶素子を有するメモリセルでは、記憶素子の電流電圧特性９５２とトランジスタの電流電圧特性９５３との交点９５５が動作点となり、このときのノードＰの電位はＶ１（Ｖ）（Ｖ１＜Ｖ２）となる。ノードＰの電位はセンスアンプ２４７に供給され、当該センスアンプ２４７において、上記メモリセルが記憶するデータは、「１」と判別される。
【０１９１】
このように、記憶素子２４１の抵抗値に従って、抵抗分割された電位を読み取ることによって、メモリセルに記憶されたデータを判別することができる。
【０１９２】
上記の方法によると、記憶素子２４１の抵抗値の相違と抵抗分割を利用して、電圧値で読み取っている。しかしながら、記憶素子２４１が有する情報を、電流値により読み取ってもよい。
【０１９３】
なお、本実施の形態は上記実施の形態と自由に組み合わせて行うことができる。
【０１９４】
（実施の形態１０）
本実施の形態では、上記実施の形態で示す記憶装置を有する無線チップに代表される半導体装置の一例に関して図面を用いて説明する。
【０１９５】
本実施の形態で示す半導体装置は、非接触でデータの読出しと書込みが可能であることを特徴としており、データの伝送形式は、一対のコイルを対向に配置して相互誘導によって交信を行う電磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信する電波方式の３つに大別されるが、いずれの方式を用いてもよい。また、データの伝送に用いるアンテナは２通りの設け方があり、１つはトランジスタおよび記憶素子が設けられた基板上にアンテナを設ける場合、もう１つはトランジスタおよび記憶素子が設けられた基板に端子部を設け、当該端子部に別の基板に設けられたアンテナを接続して設ける場合がある。
【０１９６】
まず、複数の素子および記憶素子が設けられた基板上にアンテナを設ける場合の半導体装置の一構成例を図１８を用いて説明する。
【０１９７】
図１８（Ａ）はパッシブマトリクス型で構成される記憶装置を有する半導体装置を示している。半導体装置は、基板３５０上にトランジスタ４５１、４５２を有する層３５１と、トランジスタを有する層３５１の上方に形成される記憶素子部３５２及びアンテナとして機能する導電層３５３とを有する。
【０１９８】
なお、ここではトランジスタを有する層３５１の上方に記憶素子部３５２及びアンテナとして機能する導電層３５３を有する場合を示しているが、この構成に限られず記憶素子部３５２またはアンテナとして機能する導電層３５３を、トランジスタを有する層３５１の下方や同一の層に有してもよい。
【０１９９】
記憶素子部３５２は複数の記憶素子３５２ａ、３５２ｂを有する。また、記憶素子３５２ａは、絶縁層２５２上に形成される第１の導電層３６１と、第１の導電層３６１、及び隔壁（絶縁層）３７４を覆う有機化合物を含む層３６２ａと、第２の導電層３６３ａとを有する。なお、第１の導電層の一部を覆う隔壁（絶縁層）３７４が形成される。また、記憶素子３５２ｂは、絶縁層２５２上に形成される第１の導電層３６１と、第１の導電層３６１、及び隔壁（絶縁層）３７４を覆う有機化合物を含む層３６２ｂと、第２の導電層３６３ｂとを有する。なお、第１の導電層の一部を覆う隔壁（絶縁層）３７４が形成される。
【０２００】
また、第２の導電層３６３ａ、３６３ｂ及びアンテナとして機能する導電層３５３を覆って保護膜として機能する絶縁層３６６が形成されている。また、記憶素子部３５２が形成される第１の導電層３６１は、トランジスタ４５２の配線に接続する。また、記憶素子部３５２は上記実施の形態で示した記憶素子と同様の材料または作製方法を用いて形成することができる。
【０２０１】
また、記憶素子部３５２において、上記実施の形態で示したように、第１の導電層３６１と有機化合物を含む層３６２ａ、３６２ｂとの間、または有機化合物を含む層３６２ａ、３６２ｂと第２の導電層３６３ａ、３６３ｂとの間に整流性を有する素子を設けてもよい。整流性を有する素子は、実施の形態７で上述したものを用いることが可能である。
【０２０２】
ここでは、アンテナとして機能する導電層３５３は第２の導電層３６３ａ、３６３ｂと同一の層で形成された導電層３６０上に設けられている。なお、第２の導電層３６３ａ、３６３ｂと同一の層でアンテナとして機能する導電層を形成してもよい。アンテナとして機能する導電層３５３はトランジスタ４５１のソース配線又はドレイン配線に接続する。
【０２０３】
アンテナとして機能する導電層３５３の材料としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）等から選ばれた一種の元素または当該元素を複数含む合金等を用いることができる。また、アンテナとして機能する導電層３５３の形成方法は、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ法、スクリーン印刷やグラビア印刷等の各種印刷法または液滴吐出法等を用いることができる。
【０２０４】
トランジスタを有する層３５１に含まれるトランジスタ４５１、４５２は、実施の形態８で示すトランジスタ２４０、２６２を適宜用いることができる。
【０２０５】
また、基板上に剥離層、トランジスタを有する層３５１、記憶素子部３５２、及びアンテナとして機能する導電層３５３を形成し、実施の形態８に示す剥離方法を適宜用いてトランジスタを有する層３５１、記憶素子部３５２、及びアンテナとして機能する導電層３５３を剥離し、可撓性を有する基板上に接着層を用いて貼り付けてもよい。可撓性を有する基板としては、実施の形態１の基板３０で示した熱可塑性樹脂層フィルム、繊維質な材料からなる紙、基材フィルム等を用いることで、記憶装置の小型、薄型、軽量化を図ることが可能である。
【０２０６】
図１８（Ｂ）にアクティブマトリクス型の記憶装置を有する半導体装置の一例を示す。なお、図１８（Ｂ）については、図１８（Ａ）と異なる部分に関して説明する。
【０２０７】
図１８（Ｂ）に示す半導体装置は、基板３５０上にトランジスタ４５１、４５２を有する層３５１と、トランジスタを有する層３５１の上方に記憶素子部３５６及びアンテナとして機能する導電層３５３とを有する。なお、ここではトランジスタ４５１と同一の層に記憶素子部３５６のスイッチング素子として機能するトランジスタ４５２を有し、トランジスタを有する層３５１の上方に記憶素子部３５６及びアンテナ機能する導電層３５３を有する場合を示しているが、この構成に限られずトランジスタを有する層３５１の上方や下方に有してもよいし、記憶素子部３５６やアンテナ機能する導電層３５３を、トランジスタを有する層３５１の下方や同一の層に有しても可能である。
【０２０８】
記憶素子部３５６は、記憶素子３５６ａ、３５６ｂで構成される。記憶素子３５６ａは、絶縁層２５２上に形成される第１の導電層３７１ａと、第１の導電層３７１ａ、及び隔壁（絶縁層）３７４を覆う有機化合物を含む層３７２と、第２の導電層３７３とを有する。なお、第１の導電層３７１ａの一部を覆う隔壁（絶縁層）３７４が形成される。記憶素子３５６ｂは、絶縁層２５２上に形成される第１の導電層３７１ｂと、第１の導電層３７１ｂ、及び隔壁（絶縁層）３７４を覆う有機化合物を含む層３７２と、第２の導電層３７３とを有する。なお、第１の導電層３７１ｂの一部を覆う隔壁（絶縁層）３７４が形成される。また、ここでは、トランジスタそれぞれの配線に、第１の導電層３７１ａ、第１の導電層３７１ｂが接続されている。すなわち、記憶素子はそれぞれひとつのトランジスタに接続されている。
【０２０９】
なお、記憶素子３５６ａ、３５６ｂは上記実施の形態１乃至７で示した材料または作製方法を用いて形成することができる。また、記憶素子３５６ａ、３５６ｂにおいても、上述したように、第１の導電層３７１ａ、３７１ｂと有機化合物を含む層３７２との間、または有機化合物を含む層３７２と第２の導電層３７３との間に整流性を有する素子を設けてもよい。
【０２１０】
また、トランジスタを有する層３５１に形成される導電層、記憶素子部３５６に形成される導電層、アンテナとして機能する導電層３５３は、上述したように蒸着、スパッタ法、ＣＶＤ法、印刷法または液滴吐出法等を用いて形成することができる。なお、各場所によって異なる方法を用いて形成してもかまわない。
【０２１１】
基板上に剥離層、トランジスタを有する層３５１、記憶素子部３５６、及びアンテナとして機能する導電層３５３を形成し、実施の形態８に示す剥離方法を適宜用いてトランジスタを有する層３５１、記憶素子部３５６、及びアンテナとして機能する導電層３５３を剥離し、可撓性を有する基板上に接着層を用いて貼り付けてもよい。
【０２１２】
なお、トランジスタに接続するセンサを設けてもよい。センサとしては、温度、湿度、照度、ガス（気体）、重力、圧力、音（振動）、加速度、その他の特性を物理的又は化学的手段により検出する素子が挙げられる。センサは、代表的には抵抗素子、容量結合素子、誘導結合素子、光起電力素子、光電変換素子、熱起電力素子、トランジスタ、サーミスタ、ダイオードなどの素子で形成される。
【０２１３】
次に、トランジスタを有する層、トランジスタに接続する端子部、および記憶素子を有する第１の基板と、当該端子部に接続されるアンテナが形成された第２の基板とを有する半導体装置の一構成例に関して図１９を用いて説明する。なお、図１９に関しては図１８と異なる部分に関して説明を行う。
【０２１４】
図１９（Ａ）はパッシブマトリクス型の記憶装置を有する半導体装置を示している。半導体装置は、基板３５０上に形成されたトランジスタを有する層３５１と、トランジスタを有する層３５１の上方に形成される記憶素子部３５２と、トランジスタ４５１に接続する接続端子３６８と、アンテナとして機能する導電層３５７が形成された基板３６５とを有し、導電層３５７及び接続端子３６８は導電性粒子により接続している。なお、ここではトランジスタを有する層３５１の上方に記憶素子部３５２を設けた場合を示しているが、この構成に限られず記憶素子部３５２を、トランジスタを有する層３５１の下方や同一の層に有してもよい。
【０２１５】
記憶素子部３５２は、図１８（Ａ）に示す構成の記憶素子部３５２で構成することができる。
【０２１６】
また、トランジスタを有する層３５１と記憶素子部３５２とを含む基板と、アンテナとして機能する導電層３５７が設けられた基板３６５は、接着性を有する樹脂３７５により貼り合わされている。そして、トランジスタを有する層３５１と導電層３５７とは樹脂３７５中に含まれる導電性粒子３５９を介して電気的に接続されている。また、銀ペースト、銅ペースト、カーボンペースト等の導電性接着剤や半田接合を行う方法を用いてトランジスタを有する層３５１と記憶素子部３５２を有する基板３５０と、アンテナとして機能する導電層３５７が設けられた基板３６５とを貼り合わせてもよい。
【０２１７】
図１９（Ｂ）は実施の形態９に示した記憶装置が設けられた半導体装置を示しており、基板３５０上に形成されたトランジスタ４５１、４５２を含むトランジスタを有する層３５１と、トランジスタを有する層３５１の上方に形成される記憶素子部３５６と、トランジスタ４５１に接続する接続端子３６８と、アンテナとして機能する導電層３５７が形成された基板３６５とを有し、導電層３５７及び接続端子は導電性粒子により接続している。なお、ここではトランジスタを有する層３５１においてトランジスタ４５１と同一の層にトランジスタ４５２を有し、トランジスタを有する層３５１の上方にアンテナとして機能する導電層３５７を有する場合を示しているが、この構成に限られず記憶素子部３５６をトランジスタを有する層３５１の下方や同一の層に有してもよい。
【０２１８】
記憶素子部３５６は、図１８（Ｂ）に示す構成の記憶素子３５６ａ、３５６ｂで構成することができる。
【０２１９】
また、図１９（Ｂ）においてもトランジスタを有する層３５１と記憶素子部３５６を有する基板３５０と、アンテナとして機能する導電層３５７が設けられた基板３６５は、導電性粒子３５９を含む樹脂３７５により貼り合わせられる。また、導電層３５７及び接続端子は導電性粒子により接続している。
【０２２０】
また、基板上に剥離層、トランジスタを有する層３５１、記憶素子部３５６を形成し、実施の形態９に示す剥離方法を適宜用いてトランジスタを有する層３５１、記憶素子部３５６を剥離し、可撓性を有する基板４６１上に接着層を用いて貼り付けてもよい。
【０２２１】
さらには、記憶素子部３５２、３５６を、アンテナとして機能する導電層が設けられた基板３６５に設けてもよい。すなわち、トランジスタを有する層が形成される第１の基板と、記憶素子部及びアンテナとして機能する導電層が形成される第２の基板とを、導電性粒子を含む樹脂により貼り合わせてもよい。また、図１８（Ａ）及び（Ｂ）に示す半導体装置と同様に、トランジスタに接続するセンサを設けてもよい。
【０２２２】
なお、本実施の形態は、上記実施の形態と自由に組み合わせて行うことができる。
【０２２３】
（実施の形態１１）
本実施の形態では、実施の形態１乃至６に示す記憶素子、実施の形態８及び９に示す記憶装置、及び実施の形態１０に示す半導体装置に用いることが可能な発光材料について、以下に示す。
【０２２４】
実施の形態５及び６に示す発光素子部に、発光材料として無機化合物を用いた発光素子を用いることができる。代表的には、エレクトロルミネッセンスを利用した無機ＥＬ素子がある。
【０２２５】
無機ＥＬ素子は、その素子構成により、分散型無機ＥＬ素子と薄膜型無機ＥＬ素子とに分類される。前者は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた電界発光層を有し、後者は、発光材料の薄膜からなる電界発光層を有している点に違いはあるが、高電界で加速された電子を必要とする点では共通である。なお、得られる発光のメカニズムとしては、ドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−アクセプター再結合型発光と、金属イオンの内殻電子遷移を利用する局在型発光とがある。一般的に、分散型無機ＥＬではドナー−アクセプター再結合型発光、薄膜型無機ＥＬ素子では局在型発光である場合が多い。
【０２２６】
本実施の形態で用いることのできる発光材料は、母体材料と発光中心となる不純物元素とで構成される。含有させる不純物元素を変化させることで、様々な色の発光を得ることができる。発光材料の作製方法としては、固相法や液相法（共沈法）などの様々な方法を用いることができる。また、噴霧熱分解法、複分解法、プレカーサーの熱分解反応による方法、逆ミセル法やこれらの方法と高温焼成を組み合わせた方法、凍結乾燥法などの液相法なども用いることができる。
【０２２７】
固相法は、母体材料と、不純物元素又は不純物元素を含む化合物を秤量し、乳鉢で混合、電気炉で加熱、焼成を行い反応させ、母体材料に不純物元素を含有させる方法である。焼成温度は、７００〜１５００℃が好ましい。温度が低すぎる場合は固相反応が進まず、温度が高すぎる場合は母体材料が分解してしまうからである。なお、粉末状態で焼成を行ってもよいが、ペレット状態で焼成を行うことが好ましい。比較的高温での焼成を必要とするが、簡単な方法であるため、生産性がよく大量生産に適している。
【０２２８】
液相法（共沈法）は、母体材料又は母体材料を含む化合物と、不純物元素又は不純物元素を含む化合物を溶液中で反応させ、乾燥させた後、焼成を行う方法である。発光材料の粒子が均一に分布し、粒径が小さく低い焼成温度でも反応が進むことができる。
【０２２９】
発光材料に用いる母体材料としては、硫化物、酸化物、窒化物を用いることができる。硫化物としては、例えば、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、硫化カルシウム（ＣａＳ）、硫化イットリウム（Ｙ２Ｓ３）、硫化ガリウム（Ｇａ２Ｓ３）、硫化ストロンチウム（ＳｒＳ）、硫化バリウム（ＢａＳ）等を用いることができる。また、酸化物としては、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）等を用いることができる。また、窒化物としては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）等を用いることができる。さらに、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）等も用いることができ、硫化カルシウム−ガリウム（ＣａＧａ２Ｓ４）、硫化ストロンチウム−ガリウム（ＳｒＧａ２Ｓ４）、硫化バリウム−ガリウム（ＢａＧａ２Ｓ４）、等の３元系の混晶であってもよい。
【０２３０】
局在型発光の発光中心として、マンガン（Ｍｎ）、銅（Ｃｕ）、サマリウム（Ｓｍ）、テルビウム（Ｔｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジウム（Ｐｒ）などを用いることができる。なお、電荷補償として、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）などのハロゲン元素が添加されていてもよい。
【０２３１】
一方、ドナー−アクセプター再結合型発光の発光中心として、ドナー準位を形成する第１の不純物元素及びアクセプター準位を形成する第２の不純物元素を含む発光材料を用いることができる。第１の不純物元素は、例えば、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、タリウム（Ｔｌ）等を用いることができる。第２の不純物元素としては、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）などの金属元素、珪素（Ｓｉ）等を用いることができる。
【０２３２】
ドナー−アクセプター再結合型発光の発光材料を固相法を用いて合成する場合、母体材料と、第１の不純物元素又は第１の不純物元素を含む化合物と、第２の不純物元素又は第２の不純物元素を含む化合物をそれぞれ秤量し、乳鉢で混合した後、電気炉で加熱、焼成を行う。母体材料としては、上述した母体材料を用いることができ、第１の不純物元素又は第１の不純物元素を含む化合物としては、例えば、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、硫化アルミニウム（Ａｌ２Ｓ３）等を用いることができ、第２の不純物元素又は第２の不純物元素を含む化合物としては、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、硫化銅（Ｃｕ２Ｓ）、硫化銀（Ａｇ２Ｓ）等を用いることができる。焼成温度は、７００〜１５００℃が好ましい。温度が低すぎる場合は固相反応が進まず、温度が高すぎる場合は母体材料が分解してしまうからである。なお、粉末状態で焼成を行ってもよいが、ペレット状態で焼成を行うことが好ましい。
【０２３３】
また、固相反応を利用する場合の不純物元素として、第１の不純物元素と第２の不純物元素で構成される化合物を組み合わせて用いてもよい。この場合、不純物元素が拡散されやすく、固相反応が進みやすくなるため、均一な発光材料を得ることができる。さらに、余分な不純物元素が入らないため、純度の高い発光材料が得ることができる。第１の不純物元素と第２の不純物元素で構成される化合物としては、例えば、フッ化銅（ＣｕＦ２）、塩化銅（ＣｕＣｌ）、ヨウ化銅（ＣｕＩ）、臭化銅（ＣｕＢｒ）、窒化銅（Ｃｕ３Ｎ）、リン化銅（Ｃｕ３Ｐ）、フッ化銀（ＡｇＦ）、塩化銀（ＡｇＣｌ）、ヨウ化銀（ＡｇＩ）、臭化銀（ＡｇＢｒ）、塩化金（ＡｕＣｌ３）、臭化金（ＡｕＢｒ３）、塩化白金（ＰｔＣｌ２）等を用いることができる。
【０２３４】
なお、これらの不純物元素の濃度は、母体材料に対して０．０１〜１０ａｔｏｍ％であればよく、好ましくは０．０５〜５ａｔｏｍ％の範囲である。
【０２３５】
また、ドナー−アクセプター再結合型発光の発光中心を有する発光材料に、第３の不純物元素を含む発光材料を用いてもよい。第３の不純物元素は、例えば、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）などを用いることができる。この場合、第３の不純物元素の濃度は、母体材料に対して０．０５〜５ａｔｏｍ％であることが好ましい。このような構成の発光材料では、低電圧での発光が可能となる。よって、低駆動電圧で発光可能な発光素子を得ることができ、消費電力が低減された発光素子を得ることができる。また、さらに上述した局在型発光の発光中心となる不純物元素が含まれていてもよい。
【０２３６】
このような発光材料として、例えば、母体材料としてＺｎＳ、第１の不純物元素としてＣｌ、第２の不純物元素としてＣｕ、第３の不純物元素してＧａ及びＡｓを含み、さらに局在型発光の発光中心としてＭｎを含む発光材料を用いることも可能である。このような発光材料を形成するには、以下に示す方法を用いることができる。発光材料（ＺｎＳ：Ｃｕ，Ｃｌ）にＭｎを加え、真空中で２〜４時間程度焼成する。焼成温度は７００〜１５００℃であることが好ましい。この焼成したものを粉砕して粒径５〜２０μｍにし、粒径１〜３μｍのＧａＡｓを加え撹拌する。この混合物を硫黄ガスを含む窒素気流中で約５００〜８００℃で２〜４時間焼成することにより、発光材料を得ることができる。この発光材料を用いて、蒸着法などにより薄膜を形成することにより、発光素子の発光層として用いることができる。
【０２３７】
母体材料として、上述した材料を用い、上述した第一の不純物元素及び第二の不純物元素及び第三の不純物元素を含む発光材料を用いた発光層は、高電界により加速されたホットエレクトロンを必要とすることなく、発光することが可能である。つまり、発光素子に高電圧を印加する必要がなくなるため、低駆動電圧で動作可能な発光素子を得ることができる。また、低駆動電圧で発光可能であるため、消費電力も低減された発光素子を得ることができる。また、さらに他の発光中心となる元素が含まれていてもよい。
【０２３８】
また、無機ＥＬ素子は、母体材料として上述した材料を用い、第二の不純物元素及び第三の不純物元素及び上述した金属イオンの内殻電子遷移を利用した発光中心を含む発光材料を用いることができる。この場合、発光中心となる金属イオンは、母体材料に対して０．０５〜５ａｔｏｍｉｃ％であることが好ましい。また、第二の不純物元素の濃度は、母体材料に対して０．０５〜５ａｔｏｍｉｃ％であることが好ましい。また、第三の不純物元素の濃度は、母体材料に対して０．０５〜５ａｔｏｍｉｃ％であることが好ましい。このような構成の発光材料は、低電圧で発光可能である。よって、低駆動電圧で発光可能な発光素子を得ることができるため、消費電力が低減された発光素子を得ることができる。また、さらに他の発光中心となる元素が含まれていてもよい。
【０２３９】
薄膜型無機ＥＬの場合、電界発光層は、上記発光材料を含む層であり、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着（ＥＢ蒸着）法等の真空蒸着法、スパッタリング法等の物理気相成長法（ＰＶＤ）、有機金属ＣＶＤ法、ハイドライド輸送減圧ＣＶＤ法等の化学気相成長法（ＣＶＤ）、原子エピタキシ法（ＡＬＥ）等を用いて形成することができる。
【０２４０】
図２６（Ａ）乃至（Ｃ）に発光素子として用いることのできる薄膜型無機ＥＬ素子の一例を示す。図２６（Ａ）乃至（Ｃ）において、発光素子は、第１の導電層５０、電界発光層５２、透光性を有する導電層５３を含む。
【０２４１】
図２６（Ｂ）及び図２６（Ｃ）に示す発光素子は、図２６（Ａ）の発光素子において、電極層と電界発光層間に絶縁層を設ける構造である。図２６（Ｂ）に示す発光素子は、第１の導電層５０と電界発光層５２との間に絶縁層５４を有し、図２６（Ｃ）に示す発光素子は、第１の導電層５０と電界発光層５２との間に絶縁層５４ａ、透光性を有する導電層５３と電界発光層５２との間に絶縁層５４ｂとを有している。このように絶縁層は電界発光層を狭持する一対の電極層のうち一方の間にのみ設けてもよいし、両方の間に設けてもよい。また絶縁層は単層でもよいし複数層からなる積層でもよい。
【０２４２】
また、図２６（Ｂ）では第１の導電層５０に接するように絶縁層５４が設けられているが、絶縁層と電界発光層の順番を逆にして、透光性を有する導電層５３に接するように絶縁層５４を設けてもよい。
【０２４３】
分散型無機ＥＬの場合、粒子状の発光材料をバインダ中に分散させ膜状の電界発光層を形成する。発光材料の作製方法によって、十分に所望の大きさの粒子が得られない場合は、乳鉢等で粉砕などによって粒子状に加工すればよい。バインダとは、粒状の発光材料を分散した状態で固定し、電界発光層としての形状に保持するための物質である。発光材料は、バインダによって電界発光層中に均一に分散し固定される。
【０２４４】
分散型無機ＥＬの場合、電界発光層の形成方法は、選択的に電界発光層を形成できる液滴吐出法や、印刷法（スクリーン印刷やオフセット印刷など）、スピンコート法などの塗布法、ディッピング法、ディスペンサ法などを用いることもできる。膜厚は特に限定されることはないが、好ましくは、１０〜１０００ｎｍの範囲である。また、発光材料及びバインダを含む電界発光層において、発光材料の割合は５０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下とするよい。
【０２４５】
図２７（Ａ）乃至（Ｃ）に発光素子として用いることのできる分散型無機ＥＬ素子の一例を示す。図２７（Ａ）における発光素子は、第１の導電層６０、電界発光層６２、透光性を有する導電層６３の積層構造を有し、電界発光層６２中にバインダによって保持された発光材料６１を含む。
【０２４６】
本実施の形態に用いることのできるバインダとしては、絶縁材料を用いることができ、有機材料や無機材料を用いることができ、有機材料及び無機材料の混合材料を用いてもよい。有機絶縁材料としては、シアノエチルセルロース系樹脂のように、比較的誘電率の高いポリマーや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン系樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フッ化ビニリデンなどの樹脂を用いることができる。また、芳香族ポリアミド、ポリベンゾイミダゾール（ｐｏｌｙｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ）などの耐熱性高分子、又はシロキサン樹脂を用いてもよい。なお、シロキサン樹脂とは、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサンは、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）との結合で骨格構造が構成される。置換基として、少なくとも水素を含む有機基（例えばアルキル基、芳香族炭化水素）が用いられる。置換基として、フルオロ基を用いてもよい。または置換基として、少なくとも水素を含む有機基と、フルオロ基とを用いてもよい。また、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールなどのビニル樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、オキサゾール樹脂（ポリベンゾオキサゾール）等の樹脂材料を用いてもよい。また光硬化型樹脂材料などを用いることができる。これらの樹脂に、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）やチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）などの高誘電率の微粒子を適度に混合して誘電率を調整することもできる。
【０２４７】
バインダに含まれる無機絶縁材料としては、酸化珪素（ＳｉＯｘ）、窒化珪素（ＳｉＮｘ）、酸素及び窒素を含む珪素、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸素及び窒素を含むアルミニウムまたは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、ニオブ酸鉛（ＰｂＮｂＯ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、タンタル酸バリウム（ＢａＴａ２Ｏ６）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、ＺｎＳその他の無機絶縁性材料を含む物質から選ばれた材料で形成することができる。有機材料に、誘電率の高い無機材料を含ませる（添加等によって）ことによって、発光材料及びバインダよりなる電界発光層の誘電率をより制御することができ、より誘電率を大きくすることができる。
【０２４８】
作製工程において、発光材料はバインダを含む溶液中に分散されるが本実施の形態に用いることのできるバインダを含む溶液の溶媒としては、バインダ材料が溶解し、電界発光層を形成する方法（各種ウエットプロセス）及び所望の膜厚に適した粘度の溶液を作製できるような溶媒を適宜選択すればよい。有機溶媒等を用いることができ、例えばバインダとしてシロキサン樹脂を用いる場合は、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡともいう）、３−メトシキ−３メチル−１−ブタノール（ＭＭＢともいう）などを用いることができる。
【０２４９】
図２７（Ｂ）及び図２７（Ｃ）に示す発光素子は、図２７（Ａ）の発光素子において、電極層と電界発光層間に絶縁層を設ける構造である。図２７（Ｂ）に示す発光素子は、第１の導電層６０と電界発光層６２との間に絶縁層６４を有し、図２７（Ｃ）に示す発光素子は、第１の導電層６０と電界発光層６２との間に絶縁層６４ａ、透光性を有する導電層６３と電界発光層６２との間に絶縁層６４ｂとを有している。このように絶縁層は電界発光層を狭持する一対の電極層のうち一方の間にのみ設けてもよいし、両方の間に設けてもよい。また絶縁層は単層でもよいし複数層からなる積層でもよい。
【０２５０】
また、図２７（Ｂ）では第１の導電層６０に接するように絶縁層６４が設けられているが、絶縁層と電界発光層の順番を逆にして、透光性を有する導電層６３に接するように絶縁層６４を設けてもよい。
【０２５１】
図２６における第１の導電層５０、透光性を有する導電層５３、図２７における第１の導電層６０、透光性を有する導電層６３は、実施の形態５及び６に示す第１の導電層１０１、透光性を有する導電層１４１を適宜用いることができる。
【０２５２】
図２６における絶縁層５４、図２７における絶縁層６４のような絶縁層は、特に限定されることはないが、絶縁耐性が高く、緻密な膜質であることが好ましく、さらには、誘電率が高いことが好ましい。例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等やこれらの混合膜又は２種以上の積層膜を用いることができる。これらの絶縁膜は、スパッタリング、蒸着、ＣＶＤ等により成膜することができる。また、絶縁層はこれら絶縁材料の粒子をバインダ中に分散して成膜してもよい。バインダ材料は、電界発光層に含まれるバインダと同様な材料、方法を用いて形成すればよい。膜厚は特に限定されることはないが、好ましくは１０〜１０００ｎｍの範囲である。
【０２５３】
さらには、実施の形態１乃至４に示す発光材料として、上記母体材料及び発光中心となる不純物元素適宜を用いることができる。
【０２５４】
本実施の形態で示す発光素子は、電界発光層を狭持する一対の電極層間に電圧を印加することで発光が得られるが、直流駆動又は交流駆動のいずれにおいても動作することができる。
【実施例１】
【０２５５】
ここで、本実施例の半導体装置の構成について、図２２を参照して説明する。図２２（Ａ）に示すように、本実施例の半導体装置２０は、非接触でデータを交信する機能を有し、電源回路１１、クロック発生回路１２、データ復調／変調回路１３、他の回路を制御する制御回路１４、インターフェイス回路１５、記憶装置１６、バス１７、アンテナ１８を有する。
【０２５６】
また、図２２（Ｂ）に示すように、本実施例の半導体装置２０は、非接触でデータを交信する機能を有し、電源回路１１、クロック発生回路１２、データ復調／変調回路１３、他の回路を制御する制御回路１４、インターフェイス回路１５、記憶装置１６、バス１７、アンテナ１８の他、中央処理ユニット７１を有しても良い。
【０２５７】
また、図２２（Ｃ）に示すように、本実施例の半導体装置２０は、非接触でデータを交信する機能を有し、電源回路１１、クロック発生回路１２、データ復調／変調回路１３、他の回路を制御する制御回路１４、インターフェイス回路１５、記憶装置１６、バス１７、アンテナ１８、中央処理ユニット７１の他、検出素子７３、検出制御回路７４からなる検出部７２を有しても良い。
【０２５８】
本実施例の半導体装置は、トランジスタを有する層のトランジスタにより、電源回路１１、クロック発生回路１２、データ復調／変調回路１３、他の回路を制御する制御回路１４、インターフェイス回路１５、記憶装置１６、バス１７、アンテナ１８、中央処理ユニット７１の他、検出素子７３、検出制御回路７４からなる検出部７２等を構成することで、小型で多機能を有する半導体装置を形成することが可能である。
【０２５９】
電源回路１１は、アンテナ１８から入力された交流信号を基に、半導体装置２０の内部の各回路に供給する各種電源を生成する回路である。クロック発生回路１２は、アンテナ１８から入力された交流信号を基に、半導体装置２０の内部の各回路に供給する各種クロック信号を生成する回路である。データ復調／変調回路１３は、リーダライタ１９と交信するデータを復調／変調する機能を有する。制御回路１４は、記憶装置１６を制御する機能を有する。アンテナ１８は、電磁波或いは電波の送受信を行う機能を有する。リーダライタ１９は、半導体装置との交信、制御及びそのデータに関する処理を制御する。なお、半導体装置は上記構成に制約されず、例えば、電源電圧のリミッタ回路や暗号処理専用ハードウエアといった他の要素を追加した構成であってもよい。
【０２６０】
記憶装置１６は、実施の形態８または実施の形態９に示す記憶装置から選択される１つ又は複数を有する。有機化合物を含む層を有する記憶素子は、小型化、薄膜化および大容量化を同時に実現することができるため、記憶装置１６を有機化合物を含む層を有する記憶素子で設けることにより、半導体装置の小型化、軽量化を達成することができる。
【０２６１】
検出部７２は、温度、圧力、流量、光、磁気、音波、加速度、湿度、気体成分、液体成分、その他の特性を物理的又は化学的手段により検出することができる。また、検出部７２は、物理量または化学量を検出する検出素子７３と当該検出素子７３で検出された物理量または化学量を電気信号等の適切な信号に変換する検出制御回路７４とを有している。検出素子７３としては、抵抗素子、容量結合素子、誘導結合素子、光起電力素子、光電変換素子、熱起電力素子、トランジスタ、サーミスタ、ダイオード等で形成することができる。なお、検出部７２は複数設けてもよく、この場合、複数の物理量または化学量を同時に検出することが可能である。
【０２６２】
また、ここでいう物理量とは、温度、圧力、流量、光、磁気、音波、加速度、湿度等を指し、化学量とは、ガス等の気体成分やイオン等の液体に含まれる成分等の化学物質等を指す。化学量としては、他にも、血液、汗、尿等に含まれる特定の生体物質（例えば、血液中に含まれる血糖値等）等の有機化合物も含まれる。特に、化学量を検出しようとする場合には、必然的にある特定の物質を選択的に検出することになるため、あらかじめ検出素子７３に検出したい物質と選択的に反応する物質を設けておく。例えば、生体物質の検出を行う場合には、検出素子７３に検出させたい生体物質と選択的に反応する酵素、抗体分子または微生物細胞等を高分子等に固定化して設けておくことが好ましい。
【実施例２】
【０２６３】
本実施例により無線チップとして機能する半導体装置２０を形成することができる。無線チップの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類（運転免許証や住民票等、図２４（Ａ）参照）、包装用容器類（包装紙やボトル等、図２４（Ｃ）参照）、記録媒体（ＤＶＤソフトやビデオテープ等、図２４（Ｂ）参照）、乗物類（自転車等、図２４（Ｄ）参照）、身の回り品（鞄や眼鏡等）、食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、電子機器等の商品や荷物の荷札（図２４（Ｅ）、図２４（Ｆ）参照）等の物品に設けて使用することができる。電子機器とは、液晶表示装置、ＥＬ表示装置、テレビジョン装置（単にテレビ、テレビ受像機、テレビジョン受像機とも呼ぶ）及び携帯電話等を指す。
【０２６４】
本実施例の半導体装置２０は、プリント基板に実装したり、表面に貼ったり、埋め込んだりして、物品に固定される。例えば、本なら紙に埋め込んだり、有機樹脂からなるパッケージなら当該有機樹脂に埋め込んだりして、各物品に固定される。本実施例の半導体装置２０は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後も、その物品自体のデザイン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類等に本実施例の半導体装置２０を設けることにより、認証機能を設けることができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、電子機器等に本実施例の半導体装置を設けることにより、検品システム等のシステムの効率化を図ることができる。
【０２６５】
次に、本実施例の半導体装置を実装した電子機器の一態様について図面を参照して説明する。ここで例示する電子機器は携帯電話機であり、筐体２７００、２７０６、パネル２７０１、ハウジング２７０２、プリント配線基板２７０３、操作ボタン２７０４、バッテリ２７０５を有する（図２３参照）。パネル２７０１はハウジング２７０２に脱着自在に組み込まれ、ハウジング２７０２はプリント配線基板２７０３に嵌着される。ハウジング２７０２はパネル２７０１が組み込まれる電子機器に合わせて、形状や寸法が適宜変更される。プリント配線基板２７０３には、パッケージングされた複数の半導体装置が実装されており、このうちの１つとして、本実施例の半導体装置２０を用いることができる。プリント配線基板２７０３に実装される複数の半導体装置は、コントローラ、中央処理ユニット（ＣＰＵ、Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリ、電源回路、音声処理回路、送受信回路等のいずれかの機能を有する。
【０２６６】
パネル２７０１は、接続フィルム２７０８を介して、プリント配線基板２７０３と接続される。上記のパネル２７０１、ハウジング２７０２、プリント配線基板２７０３は、操作ボタン２７０４やバッテリ２７０５と共に、筐体２７００、２７０６の内部に収納される。パネル２７０１が含む画素領域２７０９は、筐体２７００に設けられた開口窓から視認できるように配置されている。
【０２６７】
上記の通り、本実施例の半導体装置は、小型、薄型、軽量であることを特徴としており、上記特徴により、電子機器の筐体２７００、２７０６内部の限られた空間を有効に利用することができる。
【０２６８】
また、本実施例の半導体装置は、外部からの電圧印加により変化する有機化合物を含む層が一対の導電層間に挟まれた単純な構造の記憶素子を有するため、安価な半導体装置を用いた電子機器を提供することができる。また、本実施例の半導体装置は高集積化が容易なため、大容量の記憶装置を有する半導体装置を用いた電子機器を提供することができる。
【０２６９】
また、本実施例の半導体装置が有する記憶装置は、外部からの電圧印加によりデータの書込みを行うものであり、不揮発性であって、データの追記が可能であることを特徴とする。上記特徴により、書き換えによる偽造を防止することができ、新たなデータを追加して書込むことができる。従って、高機能化と高付加価値化を実現した半導体装置を用いた電子機器を提供することができる。
【０２７０】
なお、筐体２７００、２７０６は、携帯電話機の外観形状を一例として示したものであり、本実施例に係る電子機器は、その機能や用途に応じて様々な態様に変容しうる。
【図面の簡単な説明】
【０２７１】
【図１】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図２】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図３】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図４】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図５】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図６】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図７】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図８】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図９】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図１０】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図１１】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図１２】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図１３】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図１４】本発明の記憶装置を説明する図。
【図１５】本発明の記憶装置を説明する上面図及び断面図。
【図１６】本発明の記憶装置を説明する図。
【図１７】本発明の記憶装置を説明する上面図及び断面図。
【図１８】本発明の半導体装置を説明する断面図。
【図１９】本発明の半導体装置を説明する断面図。
【図２０】本発明の半導体装置を説明する断面図。
【図２１】記憶素子、抵抗素子の電流電圧特性を説明する図。
【図２２】本発明の半導体装置の構成例を説明する図。
【図２３】本発明の半導体装置を有する電子機器を説明する図。
【図２４】本発明の半導体装置の使用形態について説明する図。
【図２５】本発明に適応可能な薄膜トランジスタを説明する断面図。
【図２６】本発明に適応可能な発光素子を説明する断面図。
【図２７】本発明に適応可能な発光素子を説明する断面図。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機化合物を用いて形成された記憶素子を備えた記憶装置及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置は低コストで作製することが要求されている。このため、制御回路や記憶回路等に有機化合物を用いた電子デバイスの開発が広く行われており、発光素子である有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）、有機半導体レーザ等の開発がなされている。
【０００３】
さらに、有機化合物を用いた記憶素子を有する記憶装置の開発がなされており、記憶素子の内部光の発生により、記憶素子の有機化合物で相互作用が生じ、化学変化を生じさせて記憶素子内の導電性を変化させることにより、データを書込む手法が提案されている。具体的には、内部光の効果による共役分子のチェーン分離、及び光の効果によって添加した化学種の化学的な反応性を高め、セル内の導電性材料を攻撃し、バルクの導電性を低下させることにより、データを書込む例が記載されている（例えば、特許文献１。）。
【特許文献１】特表２００１−５０３１８３号公報（第１０頁、第６図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１で示すような記憶装置において、内部光の発生により共役分子をチェーン分離してデータの書込みを行う場合、チェーン分離により生成される生成物を制御することが困難であり、複数の反応生成物が形成されてしまう。また、内部光の発生によって化学的な反応性が高められた化学種がセル内の導電性材料を攻撃することにより、バルクの導電性を低下させる手法でデータの書込みを行う場合、ラジカルが生成されて反応が進行する。このため、反応の停止を制御することが困難であり、この結果任意の生成物を形成することが困難である。これらの結果、書込み後の記憶素子の導電性を制御できず、書込み結果にばらつきが生じ、書込み成功率が低下するという問題がある。
【０００５】
また、記憶装置としては、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＦｅＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、マスクＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリなどが挙げられる。このうち、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭは揮発性の記憶装置であり、電源をオフするとデータが消去されてしまうため、電源をオンする度にデータを書き込む必要がある。ＦｅＲＡＭは不揮発性の記憶装置であるが、強誘電体層を含む容量素子を用いているため、作製工程が増加してしまう。マスクＲＯＭは、簡単な構造であるが、製造工程でデータを書き込む必要があり、追記することはできない。ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリは、不揮発性の記憶装置ではあるが、２つのゲート電極を含む素子を用いているため、作製工程が増加してしまう。
【０００６】
上記問題を鑑み、本発明は、書込みの信頼性が高く、安価な半導体装置を提供する。また、製造時以外にデータの追記が可能であり、書き換えによる偽造等を防止可能な不揮発の記憶素子を有する半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の記憶装置が有する記憶素子は、第１の導電層と、第２の導電層と、第１の導電層及び第２の導電層の間に形成され、且つ、電子と正孔の再結合エネルギーにより励起状態となりうる光増感酸化還元剤及び光増感酸化還元剤により反応しうる基質を有する有機化合物を含む層とを有する。
【０００８】
なお、有機化合物を含む層において発光性を有する材料を有してもよい。
【０００９】
本発明の記憶装置が有する記憶素子は、第１の導電層及び第２の導電層に電圧を印加して、正孔と電子との再結合による再結合エネルギー、または発光エネルギーを利用して、光増感酸化還元剤を励起状態とし、励起状態の光増感酸化還元剤を用いて基質の少なくとも一部の光増感酸化還元反応を行い、基質と導電率の異なる反応生成物を生成して、データを書き込むことを特徴とする。
【００１０】
記憶素子の第１の導電層及び第２の導電層に電圧を印加することで生じる電子と正孔は、光増感酸化還元剤、基質、又は発光性を有する材料から選ばれる一つ以上において再結合が行われ、当該再結合エネルギーまたは再結合により生じる発光エネルギーにより光増感酸化還元剤が励起状態となり、励起状態となった光増感酸化還元剤により少なくとも一部の基質が光増感酸化還元反応を起こし、生成物が生成される。
【００１１】
なお、有機化合物を含む層は、発光性を有する材料で形成される層と、光増感酸化還元剤および基質で形成される層とを積層して形成してもよい。
【００１２】
更には、発光素子の一方の電極と記憶素子の一方の電極とを共通電極とすると共に、当該共通電極を透光性を有する材料で形成することで、発光素子で発光した光を記憶素子の光増感酸化還元剤に照射して、光増感酸化還元剤を励起状態にすることができる。
【００１３】
また、第１の導電層及び有機化合物を含む層の間に電荷注入層及び電荷輸送層の少なくとも一つを設けてもよい。同様に、第２の導電層及び有機化合物を含む層の間に電荷注入層及び電荷輸送層の少なくとも一つを設けてもよい。第１の導電層が陽極として機能する場合、第１の導電層及び有機化合物を含む層の間に、正孔注入層及び正孔輸送層の少なくとも一つを設けてもよい。また、第２の導電層が陰極として機能する場合、第２の導電層及び有機化合物を含む層の間に、電子注入層及び電子輸送層の少なくとも一つを設けてもよい。
【００１４】
また、上記記憶装置を有する半導体装置において、アンテナとして機能する導電層と、導電層に電気的に接続するトランジスタとを有してもよい。また、第１の導電層又は第２の導電層に接続するダイオードを有してもよい。
【００１５】
上記半導体装置において、メモリセルアレイと書込み回路とは、ガラス基板もしくは可撓性基板上に設けられており、書込み回路は薄膜トランジスタで形成されてもよい。
【００１６】
上記半導体装置において、メモリセルアレイと書込み回路とは、単結晶半導体基板上に設けられており、書込み回路は電界効果トランジスタで形成されてもよい。
【００１７】
更には上記半導体装置において、上記書込み回路のほかに、読出し回路、電源回路、クロック発生回路、データ復調／変調回路、制御回路、及びインターフェイス回路のいずれか一つ以上を有してもよい。
【００１８】
なお、本発明の半導体装置の代表例としては、ＩＤチップ、無線タグ、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグ、ＩＣタグ等に代表される無線チップが挙げられる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の記憶素子は、電子と正孔の再結合エネルギーにより光増感酸化還元剤を励起し、当該励起エネルギーにより基質の光増感酸化還元反応を行い、反応生成物を生成させて記憶素子の電気抵抗を変化させることで、データを書き込む。このため、書込みを制御することが可能であり、この結果書込みのばらつきを低減することが可能となる。また、書込み成功率を高めることが可能となる。
【００２０】
また、外部に書込みを行うための光照射装置を設けなくとも、記憶素子自体で発光し、当該発光を用いてデータを書き込むことが可能であるため、記憶装置及び半導体装置の小型化が可能であり、高集積化が可能である。また、発光材料で発光したエネルギーをロスすることなく光増感酸化還元剤を励起させることが可能であるため、エネルギー効率高く書込みを行うことが可能である。
【００２１】
また、本発明の記憶装置及び半導体装置は、チップ製造時以外にデータの書込み（追記）が可能であり、また書き換えができないため、書き換えによる偽造を防止すること可能な記憶装置及び半導体装置を得ることができる。また、本発明の記憶装置及び半導体装置は、一対の導電層間に有機化合物を含む層が挟まれた単純な構造の記憶素子を有するため、安価な半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同じものを指す符号は異なる図面間で共通して用いる。
【００２３】
また、実施の形態において、記憶素子の構成をモデル図を用いて説明する。このため、記憶素子の各構成要素の大きさや厚さや形状は、実際のとは異なる場合がある。
【００２４】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の記憶装置が有する記憶素子の構成例に関して図面を用いて説明する。
【００２５】
本実施の形態の記憶素子は、図１に示すように、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する有機化合物を含む層１１０と、有機化合物を含む層に接する第２の導電層１０３とで形成される。有機化合物を含む層１１０は、電子と正孔の再結合エネルギーにより励起状態となりうる光増感酸化還元剤１０６ａ、及び光増感酸化還元剤により反応しうる基質１０５を有する。
【００２６】
第１の導電層１０１の電位を第２の導電層１０３よりも高くすることにより電流が流れ、有機化合物を含む層１１０中で正孔と電子が再結合する。したがって、第１の導電層１０１は陽極として作用し、第２の導電層１０３は陰極として作用する。本実施の形態では、有機化合物を含む層１１０の光増感酸化還元剤１０６ａにおいて正孔と電子が再結合する例を示す。
【００２７】
第１の導電層１０１としては、仕事関数が３．５ｅＶ〜５．５ｅＶの範囲にある材料を用いることができる。具体的には、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、珪素を添加したインジウム錫酸化物などの透明電極の他、チタン、モリブデン、タングステン、ニッケル、金、白金、銀、アルミニウム、およびそれらの合金などを用いることができる。特に、チタン、モリブデン、アルミニウム、あるいはそれらの合金は、配線などにもよく用いられる汎用的な金属であり、これらを第１の導電層１０１とすることで安価な記憶素子を提供することができる。
【００２８】
有機化合物を含む層１１０は、基質１０５、光増感酸化還元剤１０６ａを有する。
【００２９】
光増感酸化還元剤１０６ａとしては、アロキサジン環や、クロロフィルなど励起状態で強い酸化還元力を持つ基を構造内に有する化合物が挙げられ、代表的には、ルミクロム、アロキサジン、ルミフラビン、フラビンモノヌクレオチド、テトラメチレンパラフェニレンジアミンなどが挙げられる。光増感酸化還元剤１０６ａは、反応条件や基質１０５との組み合わせにより酸化剤または還元剤になる。
【００３０】
基質１０５は、光増感酸化還元反応により、具体的にいうと、アルコールの酸化、アルケン等の酸化的開裂、環化反応、開環反応などにより分解される化合物または構造が変化する化合物、若しくは、光増感酸化還元反応により、金属を脱ドープすることが可能な化合物等である。光増感酸化還元反応により、アルコールの酸化、アルケン等の酸化的開裂、環化反応や開環反応などにより分解される化合物または構造変化する化合物の代表例としては、アスコルビン酸、グアノシン、ジベンゾフラン、１１−ｃｉｓ−３，４−ジデヒドロレチナール、ウリジンやチミジン等が挙げられる。
【００３１】
基質１０５は、反応条件や光増感酸化還元剤との組み合わせにより、酸化または還元される。
【００３２】
また、光増感酸化還元反応により金属を脱ドープすることが可能な化合物としては、中心金属を有するフラーレン、クロロフィル、フタロシアニン、又はヘミン等が挙げられる。なお、中心金属としては、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム）Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、Ｒｕ（ルテニウム）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、カドミウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、セシウム（Ｃｓ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等が挙げられる。
【００３３】
第２の導電層１０３は、第１の導電層１０１と同様の材料で構成することができる。また、リチウム、マグネシウム、カルシウム、バリウム等の仕事関数の小さい金属またはそれらの合金を用いてもよい。
【００３４】
次に、本実施の形態の記憶素子のデータの書込みに関して説明する。図１（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１、第２の導電層１０３に電圧を印加し、両導電層間に電位差を生じさせると、有機化合物を含む層１１０の光増感酸化還元剤１０６ａにおいて正孔と電子が再結合し、図１（Ｂ）に示すように光増感酸化還元剤が励起状態１０６ｂとなる。
【００３５】
次に、励起状態１０６ｂの光増感酸化還元剤の励起エネルギー１００ａにより基質１０５の少なくとも一部の反応が促進され、図１（Ｃ）に示すように、生成物１０７が生成される。生成物の代表例としては、基質が分解された物質、基質が構造変化した物質、又は金属が脱ドープされた物質等が挙げられる。一方、励起状態１０６ｂの光増感酸化還元剤は、励起状態の前の光増感酸化還元剤１０６ａに戻る。
【００３６】
基質１０５の生成物１０７は、基質が酸化された場合は酸化物となり、基質が還元された場合は還元物であり、基質１０５と比較して導電率が異なる。このため、第１の導電層及び第２の導電層に電圧を印加し、生成物１０７が生成されることにより、記憶素子の電気抵抗が変化する。代表的には、絶縁化をもたらす抵抗の増加、又は短絡化をもたらす抵抗の減少などが挙げられる。即ち、第１の導電層１０１及び第２の導電層１０３に電圧を印加し、有機化合物を含む層の光増感酸化還元剤を励起状態とし、当該励起エネルギーにより基質を酸化反応または還元反応させ、生成物を生成する。この結果生じる記憶素子の電気抵抗の変化により、データを書き込むことが可能である。また、基質の光増感酸化還元反応により発熱し、当該熱による層の形状または膜厚の変化が同時に生じている場合も有る。この変化により、記憶素子の電気抵抗の変化によりデータを書き込むことも可能である。
【００３７】
なお、記憶素子のデータを読出す場合は、書込み前の記憶素子の電気抵抗と書き込後の記憶素子の電気抵抗の差を読み取ることで、データを読出すことが可能である。
【００３８】
本実施の形態の記憶装置は、光増感酸化還元剤における電子と正孔の再結合エネルギーにより光増感酸化還元剤を励起し、当該励起エネルギーにより特定の光増感酸化還元反応を生じさせて記憶素子の電気抵抗を変化させることで、データを書き込む。このとき、反応生成物を制御することが可能である。この結果、書込みのばらつきを低減することが可能となり、書込み成功率を高めることが可能となる。
【００３９】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１と比較して有機化合物を含む層に含まれる基質において正孔及び電子の再結合が生じることを特徴とする記憶素子について、図２を用いて説明する。
【００４０】
本実施の形態の記憶素子は、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する有機化合物を含む層１１０と、有機化合物を含む層に接する第２の導電層１０３で形成される。
【００４１】
本実施の形態において、有機化合物を含む層１１０は、基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａを有する。第１の導電層１０１、第２の導電層１０３、基質１０５、及び光増感酸化還元剤１０６ａは、実施の形態１と同様の材料を用いて形成することが可能である。
【００４２】
次に、本実施の形態の記憶素子のデータ書込みに関して説明する。図２（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１、第２の導電層１０３に電圧を印加し、両導電層間に電位差を生じさせると、有機化合物を含む層１１０の基質１０５において正孔と電子が再結合し、再結合エネルギー１００ｂが生じる。
【００４３】
当該再結合エネルギーが光増感酸化還元剤１０６ａに移動し、図２（Ｂ）に示すように、光増感酸化還元剤は励起状態１０６ｂとなる。
【００４４】
次に、励起状態１０６ｂの光増感酸化還元剤の励起エネルギー１００ａにより基質１０５の少なくとも一部の反応が促進し、図２（Ｃ）に示すように、生成物１０７が生成される。生成物の代表例としては、実施の形態１の生成物１０７と同様である。
【００４５】
基質の生成物１０７は、基質１０８と比較して導電率が異なる。このため、第１の導電層及び第２の導電層に電圧を印加し、生成物１０７が生成されることにより、実施の形態１と同様に、記憶素子の電気抵抗が変化する。代表的には、絶縁化をもたらす電気抵抗の増加、又は電気抵抗の減少などが挙げられる。以上のことから、第１の導電層１０１及び第２の導電層１０３の電圧印加による電気抵抗の変化によりデータを書き込むことが可能である。
【００４６】
なお、記憶素子のデータを読出す場合は、書込み前の記憶素子の電気抵抗と書き込後の記憶素子の電気抵抗の差を読み取ることで、データを読出すことが可能である。
【００４７】
本実施の形態の記憶素子は、光増感酸化還元剤における電子と正孔の再結合エネルギーにより光増感酸化還元剤を励起し、当該励起エネルギーにより特定の光増感酸化還元反応を生じさせて記憶素子の電気抵抗を変化させることで、データを書き込む。このとき、反応生成物を制御することが可能であり、この結果書込みのばらつきを低減することが可能となり、書込み成功率を高めることが可能となる。
【００４８】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１及び２と比較して、有機化合物を含む層に発光材料を有する記憶素子の構成例に関して図面を用いて説明する。
【００４９】
本実施の形態の記憶素子は、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する有機化合物を含む層１０２と、有機化合物を含む層に接する第２の導電層１０３で形成される。
【００５０】
本実施の形態において、有機化合物を含む層１０２は、基質１０５、光増感酸化還元剤１０６ａ、及び発光性を有する材料１０４を有する。第１の導電層１０１、第２の導電層１０３、基質１０５、及び光増感酸化還元剤１０６ａは、実施の形態１と同様の材料を用いて形成することが可能である。
【００５１】
発光性を有する材料１０４としては、発光量子効率に関わらず、光増感酸化還元剤へのエネルギー移動効率のよい有機化合物であれば良い。このため、発光材料、正孔輸送性材料、正孔注入性材料、電子輸送性材料、及び電子注入性材料から選ばれる一つ以上を適宜用いることが出来る。なお、ここでは、発光量子効率が高い材料を発光材料という。
【００５２】
発光材料としては、例えば、９，１０−ジ（２−ナフチル）アントラセン（略称：ＤＮＡ）、２−ｔｅｒｔ−ブチル−９，１０−ジ（２−ナフチル）アントラセン（略称：ｔ−ＢｕＤＮＡ）、４，４’−ビス（２，２−ジフェニルビニル）ビフェニル（略称：ＤＰＶＢｉ）、クマリン３０、クマリン６、クマリン５４５、クマリン５４５Ｔ、ペリレン、ルブレン、ペリフランテン、２，５，８，１１−テトラ（ｔｅｒｔ−ブチル）ペリレン（略称：ＴＢＰ）、９，１０−ジフェニルアントラセン（略称：ＤＰＡ）、５，１２−ジフェニルテトラセン、４−（ジシアノメチレン）−２−メチル−６−［ｐ−（ジメチルアミノ）スチリル］−４Ｈ−ピラン（略称：ＤＣＭ１）、４−（ジシアノメチレン）−２−メチル−６−［２−（ジュロリジン−９−イル）エテニル］−４Ｈ−ピラン（略称：ＤＣＭ２）、４−（ジシアノメチレン）−２，６−ビス［ｐ−（ジメチルアミノ）スチリル］−４Ｈ−ピラン（略称：ＢｉｓＤＣＭ）等が挙げられる。また、ビス［２−（４’，６’−ジフルオロフェニル）ピリジナト−Ｎ，Ｃ２］（ピコリナト）イリジウム（略称：ＦＩｒｐｉｃ）、ビス｛２−［３’，５’−ビス（トリフルオロメチル）フェニル］ピリジナト−Ｎ，Ｃ２｝（ピコリナト）イリジウム（略称：Ｉｒ（ＣＦ３ｐｐｙ）２（ｐｉｃ））、トリス（２−フェニルピリジナト−Ｎ，Ｃ２）イリジウム（略称：Ｉｒ（ｐｐｙ）３）、（アセチルアセトナト）ビス（２−フェニルピリジナト−Ｎ，Ｃ２）イリジウム（略称：Ｉｒ（ｐｐｙ）２（ａｃａｃ））、（アセチルアセトナト）ビス［２−（２’−チエニル）ピリジナト−Ｎ，Ｃ３］イリジウム（略称：Ｉｒ（ｔｈｐ）２（ａｃａｃ））、（アセチルアセトナト）ビス（２−フェニルキノリナト−Ｎ，Ｃ２）イリジウム（略称：Ｉｒ（ｐｑ）２（ａｃａｃ））、（アセチルアセトナト）ビス［２−（２’−ベンゾチエニル）ピリジナト−Ｎ，Ｃ３］イリジウム（略称：Ｉｒ（ｂｔｐ）２（ａｃａｃ））などの燐光を放出できる化合物用いることもできる。
【００５３】
電子輸送性材料としては、トリス（８−キノリノラト）アルミニウム（略称：Ａｌｑ３）、トリス（４−メチル−８−キノリノラト）アルミニウム（略称：Ａｌｍｑ３）、ビス（１０−ヒドロキシベンゾ［ｈ］−キノリナト）ベリリウム（略称：ＢｅＢｑ２）、ビス（２−メチル−８−キノリノラト）（４−フェニルフェノラト）アルミニウム（略称：ＢＡｌｑ）、ビス［２−（２’−ヒドロキシフェニル）ベンズオキサゾラト］亜鉛（略称：Ｚｎ（ＢＯＸ）２）、ビス［２−（２’−ヒドロキシフェニル）ベンゾチアゾラト］亜鉛（略称：Ｚｎ（ＢＴＺ）２）、バソフェナントロリン（略称：ＢＰｈｅｎ）、バソキュプロイン（略称：ＢＣＰ）、２−（４−ビフェニリル）−５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール（略称：ＰＢＤ）、１，３−ビス［５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール−２−イル］ベンゼン（略称：ＯＸＤ−７）、２，２’，２’’−（１，３，５−ベンゼントリイル）−トリス（１−フェニル−１Ｈ−ベンゾイミダゾール）（略称：ＴＰＢＩ）、３−（４−ビフェニリル）−４−フェニル−５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，２，４−トリアゾール（略称：ＴＡＺ）、３−（４−ビフェニリル）−４−（４−エチルフェニル）−５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，２，４−トリアゾール（略称：ｐ−ＥｔＴＡＺ）などが挙げられるが、これらに限定されることはない。
【００５４】
電子注入材料としては、上述した電子輸送性材料の他に、ＬｉＦ、ＣｓＦなどのアルカリ金属ハロゲン化物や、ＣａＦ２のようなアルカリ土類ハロゲン化物、Ｌｉ２Ｏなどのアルカリ金属酸化物のような絶縁体の極めて厚さの薄い層がよく用いられる。また、リチウムアセチルアセトネート（略称：Ｌｉ（ａｃａｃ）や８−キノリノラト−リチウム（略称：Ｌｉｑ）などのアルカリ金属錯体も有効である。さらに、上述した電子輸送性材料と、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｃｓ等の仕事関数の小さい金属とを共蒸着等により混合した材料を使用することもできる。
【００５５】
正孔輸送性材料としては、例えば、フタロシアニン（略称：Ｈ２Ｐｃ）、銅フタロシアニン（略称：ＣｕＰｃ）、バナジルフタロシアニン（略称：ＶＯＰｃ）の他、４，４’，４’’−トリス（Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）トリフェニルアミン（略称：ＴＤＡＴＡ）、４，４’，４’’−トリス［Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］トリフェニルアミン（略称：ＭＴＤＡＴＡ）、１，３，５−トリス［Ｎ，Ｎ−ジ（ｍ−トリル）アミノ］ベンゼン（略称：ｍ−ＭＴＤＡＢ）、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−１，１’−ビフェニル−４，４’−ジアミン（略称：ＴＰＤ）、４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＮＰＢ）、４，４’−ビス｛Ｎ−［４−ジ（ｍ−トリル）アミノ］フェニル−Ｎ−フェニルアミノ｝ビフェニル（略称：ＤＮＴＰＤ）、４，４’−ビス［Ｎ−（４−ビフェニリル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＢＢＰＢ）、４，４’，４’’−トリ（Ｎ−カルバゾリル）トリフェニルアミン（略称：ＴＣＴＡ）などが挙げられるが、これらに限定されることはない。また、上述した化合物の中でも、ＴＤＡＴＡ、ＭＴＤＡＴＡ、ｍ−ＭＴＤＡＢ、ＴＰＤ、ＮＰＢ、ＤＮＴＰＤ、ＢＢＰＢ、ＴＣＴＡなどに代表される芳香族アミン化合物は、正孔を発生しやすく、有機化合物として好適な化合物群である。
【００５６】
正孔注入材料としては、フタロシアニン系の化合物が有効であり、フタロシアニン（略称：Ｈ２−Ｐｃ）、銅フタロシアニン（略称：Ｃｕ−Ｐｃ）、バナジルフタロシアニン（略称：ＶＯＰｃ）等を用いることができる。また、導電性高分子化合物に化学ドーピングを施した材料もあり、ポリスチレンスルホン酸（略称：ＰＳＳ）をドープしたポリエチレンジオキシチオフェン（略称：ＰＥＤＯＴ）やポリアニリン（略称：ＰＡｎｉ）などを用いることもできる。また、酸化モリブデン（ＭｏＯｘ）、酸化バナジウム（ＶＯｘ）、酸化ニッケル（ＮｉＯｘ）などの無機半導体の薄膜や、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの無機絶縁体の超薄膜も有効である。また、４，４’，４’’−トリス（Ｎ，Ｎ−ジフェニル−アミノ）−トリフェニルアミン（略称：ＴＤＡＴＡ）、４，４’，４’’−トリス［Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニル−アミノ］−トリフェニルアミン（略称：ＭＴＤＡＴＡ）、Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−１，１’−ビフェニル−４，４’−ジアミン（略称：ＴＰＤ）、４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニル−アミノ］−ビフェニル（略称：ＮＰＢ）、４，４’−ビス［Ｎ−（４−（Ｎ，Ｎ−ジ−ｍ−トリル）アミノ）フェニル−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＤＮＴＰＤ）などの芳香族アミン系化合物も用いることができる。さらに、それらこれら正孔輸送性材料、及び正孔注入性材料に対してアクセプター性を示す物質を添加してもよく、具体的にはＶＯＰｃにアクセプターである２，３，５，６−テトラフルオロ−７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン（略称：Ｆ４−ＴＣＮＱ）を添加したものや、ＮＰＢにアクセプターであるＭｏＯｘを添加したものを用いてもよい。
【００５７】
次に、本実施の形態の記憶素子のデータ書込みに関して説明する。図３（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１、第２の導電層１０３に電圧を印加し、両導電層間に電位差を生じさせると、有機化合物を含む層の発光性を有する材料１０４において正孔と電子が再結合する。
【００５８】
発光性を有する材料の再結合エネルギー１００ｂが光増感酸化還元剤１０６ａに移動すると、図３（Ｂ）に示すように、当該再結合エネルギーにより光増感酸化還元剤１０６ａは励起状態１０６ｂとなり、励起エネルギーを有する。
【００５９】
次に、励起状態１０６ｂの光増感酸化還元剤の励起エネルギー１００ａにより基質１０５の反応が促進し、図３（Ｃ）に示すように、基質１０５の少なくとも一部の生成物１０７が生成される。生成物の代表例としては、基質が分解された物質、基質が構造変化した物質、又は金属錯体から金属が脱ドープされた物質等が挙げられる。
【００６０】
基質１０５の生成物１０７は、基質１０５と比較して導電率が異なる。このため、第１の導電層及び第２の導電層に電圧を印加し、生成物１０７が生成されることにより、記憶素子の電気抵抗が変化する。代表的には、絶縁化をもたらす抵抗の増加、又は抵抗の減少などが挙げられる。即ち、第１の導電層１０１及び第２の導電層１０３に電圧を印加し、発光性を有する材料において電子及び正孔を再結合し、当該再結合エネルギーを光増感酸化還元剤に移送する。この結果、光増感酸化還元剤が励起状態となり、当該励起エネルギーにより基質を反応させ、生成物を生成することで記憶素子の電気抵抗が変化し、データを書き込むことが可能である。
【００６１】
なお、記憶素子のデータを読出す場合は、書込み前の記憶素子の電気抵抗と書き込後の記憶素子の電気抵抗の差を読み取ることで、データを読出すことが可能である。
【００６２】
本実施の形態で示すような発光性を有する材料、光増感酸化還元剤、及び基質を有する有機化合物を含む層を有する記憶素子は、発光性を有する材料において電子及び正孔の再結合を行うように制御することが可能である。このため、正孔及び電子の再結合確率を高めることが可能である。
【００６３】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１と比較して有機化合物を含む層が、発光材料で形成される第１の層と基質及び光増感酸化還元剤で形成される第２の層とを有することを特徴とする記憶素子について、図４〜７を用いて説明する。
【００６４】
本実施の形態の記憶素子は、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する第１の層１１１と、第１の層１１１に接する第２の層１１２と、第２の層１１２に接する第２の導電層１０３で形成される。ここで、第１の層１１１は、発光性を有する材料１０４で形成される層であり、第２の層１１２は基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａで形成される層である。また、第１の導電層１０１、第２の導電層１０３、発光性を有する材料１０４、基質１０５、光増感酸化還元剤１０６ａは、実施の形態１乃至実施の形態３と同様の材料を用いて形成することが可能である。
【００６５】
ここでは、発光性を有する材料１０４で形成される第１の層１１１と、陰極として機能する第２の導電層１０３との間に、基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａで形成される第２の層１１２を有する。このため、第１の層１１１は正孔輸送・注入層として機能のすることが好ましく、第２の層は電子輸送・注入層として機能することが好ましい。このため、本実施の形態では、発光性を有する材料１０４は、実施の形態３で示す正孔輸送性材料及び正孔注入性材料から選ばれる一つ以上で形成することが好ましい。また、第２の層は、光増感酸化還元剤及び基質の混合比により電子輸送・注入層として機能する。
【００６６】
次に、本実施の形態の記憶素子のデータ書込みに関して説明する。図４（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１、第２の導電層１０３に電圧を印加し、両導電層間に電位差を生じさせると、第１の層１１１において正孔と電子が再結合し再結合エネルギー１００ｂが発生する。該再結合エネルギーを光増感酸化還元剤１０６ａに移動することにより、図４（Ｂ）に示すように、光増感酸化還元剤が励起状態１０６ｂとなる。なお、第１の層において正孔と電子が再結合し発光した場合は、発光エネルギーが光増感酸化還元剤に照射されて、光増感酸化還元剤１０６ａが励起状態となる。
【００６７】
次に、励起状態１０６ｂの光増感酸化還元剤の励起エネルギー１００ａにより基質１０５の反応が促進し、図４（Ｃ）に示すように、生成物１０７が生成される。
【００６８】
基質の生成物１０７は、基質１０５と比較して導電率が異なる。このため、第１の導電層１０１及び第２の導電層１０３に電圧を印加し、生成物１０７が生成されることにより、実施の形態１と同様に、記憶素子の電気抵抗が変化する。代表的には、絶縁化をもたらす抵抗の増加、抵抗の減少などが挙げられる。即ち、第１の導電層１０１及び第２の導電層１０３の電圧印加による電気抵抗の変化によりデータを書込むことが可能である。
【００６９】
なお、記憶素子のデータを読出す場合は、書込み前の記憶素子の電気抵抗と書込み後の記憶素子の電気抵抗の差を読み取ることで、データを読出すことが可能である。
【００７０】
なお、図５（Ａ）に示すように第２の導電層１０３及び第２の層１１２の間に電子注入層１１３を設けてもよい。電子注入層１１３は、上記した電子注入性材料を用いて形成することができる。
【００７１】
さらには、図５（Ｂ）に示すように、第２の導電層１０３及び第２の層１１２の間に電子注入層１１３を設けると共に、第１の導電層１０１と第１の層１１１の間に、正孔注入層１１５及び正孔輸送層１１４を設けてもよい。正孔注入層１１５は、上記した正孔注入性材料を用いて形成することができる。正孔輸送層１１４は、上記した正孔輸送性材料を用いて形成することができる。
【００７２】
また、図６（Ａ）に示すように、記憶素子は、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する第１の層１２１と、第１の層１２１に接する第２の層１２２と、第２の層１２２に接する第２の導電層１０３で形成してもよい。第２の層１２２は発光性を有する材料１０４で形成される。第１の導電層１０１、第２の導電層１０３、発光性を有する材料１０４、基質１０５、光増感酸化還元剤１０６ａは、実施の形態１乃至実施の形態３と同様の材料を用いて形成することが可能である。
【００７３】
ここでは、発光性を有する材料１０４で形成される第２の層１２２と、陽極として機能する第１の導電層１０１との間に、基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａで形成される第１の層１２１を有する。このため、第１の層１２１は正孔輸送・注入層として機能のすることが好ましく、第２の層は電子輸送・注入層として機能することが好ましい。このため、ここでは、発光性を有する材料１０４は、実施の形態３で示す電子輸送性材料及び電子注入性材料から選ばれる一つ以上で形成することが好ましい。なお、第１の層１２１は発光材料を有してもよい。また、第２の層１２２は、光増感酸化還元剤及び基質の混合比により正孔輸送・正孔注入層として機能する。
【００７４】
なお、図７（Ａ）に示すように第１の導電層１０１及び第１の層１２１の間に正孔注入層１１５を設けてもよい。正孔注入層１１５は、上記した正孔注入性材料を適宜用いて形成することができる。
【００７５】
さらには、図７（Ｂ）に示すように、第１の導電層１０１及び第１の層１２１の間に正孔注入層１１５を設けると共に、第２の導電層１０３と第２の層１２２の間に、電子輸送層１２３及び電子注入層１１３を設けてもよい。電子注入層１１３は、上記した電子注入性材料を適宜用いて形成することができる。電子輸送層１２３は上記した電子輸送材料を用いて形成することができる。
【００７６】
書込み方法及び読出し方法は、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示す記憶素子と同様である。具体的には、図６（Ａ）及び図７（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１、第２の導電層１０３に電圧を印加し、両導電層間に電位差を生じさせると、第２の層１２２において正孔と電子が再結合する。該再結合エネルギーを第１の層１２１の光増感酸化還元剤１０６ａに移動することにより、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）に示すように、光増感酸化還元剤が励起状態１０６ｂとなる。次に、励起状態１０６ｂの光増感酸化還元剤の励起エネルギーにより基質１０５の反応が促進し、図６（Ｃ）及び図７（Ｃ）に示すように、生成物１０７が生成される。
【００７７】
基質の生成物１０７は、基質１０５と比較して導電率が異なる。このため、第１の導電層１０１及び第２の導電層１０３に電圧を印加し、生成物１０７が生成されることにより、実施の形態１と同様に、記憶素子の電気抵抗が変化する。代表的には、絶縁化をもたらす抵抗の増加、抵抗の減少などが挙げられる。即ち、第１の導電層１０１及び第２の導電層１０３の電圧印加による電気抵抗の変化によりデータを書込むことが可能である。
【００７８】
なお、記憶素子のデータを読出す場合は、書込み前の記憶素子の電気抵抗と書込み後の記憶素子の電気抵抗の差を読み取ることで、データを読出すことが可能である。
【００７９】
また、図８に示すように、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する正孔注入層１１５と、正孔注入層１１５に接する第１の層１２１と、第１の層１２１に接する第２の層１２４と、第２の層１２４に接する第３の層１２５と、第３の層に接する電子注入層１１３と、電子注入層１１３に接する第２の導電層１０３で形成されてもよい。ここで、第１の層１２１は、基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａ形成される層であり、ここでは正孔輸送・正孔注入層として機能する。第２の層１２４は、発光性を有する材料１０４で形成される層である。第３の層１２５は、基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａで形成される層であり、ここでは電子輸送・電子注入層として機能する。
【００８０】
本実施の形態のように発光性を有する材料で形成される層と、基質及び光増感酸化還元剤を有する層とを積層させることにより、基質及び光増感酸化還元剤を有する層で再結合せず通過してしまう正孔又は電子を、発光性を有する材料で形成される層において再結合させることが可能である。このため、再結合確率を高めることが可能であり、この結果記憶素子の書込みを行いやすくすることが可能である。
【００８１】
（実施の形態５）
本実施の形態では、発光性を有する材料で形成される有機化合物を含む層を有する発光素子部と、光増感酸化還元剤及び基質で形成される有機化合物を含む層を有する記憶素子部とを共通電極である透光性を有する導電層で接続させた記憶素子について、図１０、１１を用いて説明する。本実施の形態においては、発光素子部の電極の一方と記憶素子部の電極の一方を共通電極とすると共に、透光性を有する材料で形成することで、発光素子で発光した光を記憶素子の光増感酸化還元剤に照射して、光増感酸化還元剤を励起状態にすることができる。
【００８２】
本実施の形態の記憶素子は、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する第１の層１４２と、第１の層１４２に接する透光性を有する導電層１４１と、透光性を有する導電層１４１に接する第２の層１４３と、第２の層１４３に接する第２の導電層１０３で形成される。ここで、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する第１の層１４２と、第１の層１４２に接する透光性を有する導電層１４１とは、発光素子部として機能し、透光性を有する導電層１４１と、透光性を有する導電層１４１に接する第２の層１４３と、第２の層１４３に接する第２の導電層１０３とは記憶素子部として機能する。
【００８３】
発光素子部の第１の層１４２は、発光性を有する材料１０４で形成される層であり、具体的には正孔注入層１４２ａ、正孔輸送層１４２ｂ、発光層１４２ｃ、電子輸送層１４２ｄ、電子注入層１４２ｅで形成されることが好ましい。このような構造をとることにより、第１の導電層１０１乃至第２の導電層１０３に電圧を印加したときに、発光層１４２ｃで電子及び正孔の再結合が生じする。
【００８４】
第２の層１４３は基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａで形成される層である。
【００８５】
透光性を有する導電層１４１は、ＩＴＯ、または珪素を含有したインジウム錫酸化物、２〜２０％の酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含む酸化インジウム等を適宜用いて形成する。また、膜厚の薄く光を透過することが可能な（代表的には、１ｎｍ〜１０ｎｍ）チタン、モリブデン、タングステン、ニッケル、金、白金、銀、アルミニウム、リチウム、マグネシウム、カルシウム、バリウム、およびそれらの合金等を用いて形成される。
【００８６】
次に、本実施の形態の記憶素子のデータ書込みに関して説明する。図１０（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１及び透光性を有する導電層１４１に電圧を印加し、両導電層間に電位差を生じさせると、第１の層１４２において正孔と電子が再結合し、発光性を有する材料１０４が発光し、光エネルギー１００ｃが生じる。
【００８７】
発光性を有する材料１０４から発光された光が第２の層１４３の光増感酸化還元剤１０６ａに照射されると、図１０（Ｂ）に示すように、当該光エネルギーにより光増感酸化還元剤１０６ａは励起状態１０６ｂとなる。
【００８８】
次に、１０６ｂの光増感酸化還元剤の励起エネルギーに１００ａより基質１０５の反応が促進し、図１０（Ｃ）に示すように、生成物１０７が生成される。
【００８９】
基質の生成物１０７は、基質１０５と比較して導電率が異なる。このため、第１の導電層１０１及び第２の導電層１０３に電圧を印加し、生成物１０７が生成されることにより、実施の形態１と同様に、記憶素子の電気抵抗が変化する。代表的には、絶縁化をもたらす抵抗の増加、抵抗の減少などが挙げられる。以上のことから、第１の導電層１０１、透光性を有する導電層１４１、及び第２の導電層１０３の電圧印加による電気抵抗の変化によりデータを書込むことが可能である。
【００９０】
なお、記憶素子のデータを読出す場合は、書込み前の記憶素子の電気抵抗と書込み後の記憶素子の電気抵抗の差を読み取ることで、データを読出すことが可能である。
【００９１】
また、図１１（Ａ）に示すように、記憶素子は、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する第１の層１４４と、第１の層１４４に接する透光性を有する導電層１４１と、透光性を有する導電層１４１に接する第２の層１４５と、第２の層１４５に接する第２の導電層１０３で形成されてもよい。
【００９２】
ここで、第１の導電層１０１と、第１の導電層に接する第１の層１４４と、第１の層１４４に接する透光性を有する導電層１４１とは、記憶素子部として機能し、透光性を有する導電層１４１と、透光性を有する導電層１４１に接する第２の層１４５と、第２の層１４５に接する第２の導電層１０３とは発光素子部として機能する。また、第２の導電層１０３、及び透光性を有する導電層１４１にのみ電圧を印加すればよい。
【００９３】
第１の層１４４は基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａで形成される層である。
【００９４】
発光素子の一部である第１の層１４５は、発光性を有する材料１０４で形成される層であり、具体的には正孔注入層１４５ａ、正孔輸送層１４５ｂ、発光層１４５ｃ、電子輸送層１４５ｄ、電子注入層１４５ｅで形成されることが好ましい。このような構造をとることにより、第１の導電層乃至第２の導電層に電圧を印加したときに、発光層１４５ｃで電子及び正孔の再結合が生じする。
【００９５】
書込み方法及び読出し方法は、図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示す記憶素子と同様である。具体的には、図１１（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１、透光性を有する導電層１４１、及び第２の導電層１０３に電圧を印加し、両導電層間に電位差を生じさせると、第２の層１４５において正孔と電子が再結合し、発光性を有する材料１０４が発光し、光エネルギー１００ｃが生じる。
【００９６】
発光性を有する材料１０４から発光された光が第１の層１４４の光増感酸化還元剤１０６ａに照射されると、図１１（Ｂ）に示すように、当該光エネルギーにより光増感酸化還元剤１０６ａは励起状態１０６ｂとなる。
【００９７】
次に、１０６ｂの光増感酸化還元剤の励起エネルギー１００ａにより基質１０５の反応が促進し、図１１（Ｃ）に示すように、生成物１０７が生成される。
【００９８】
基質の生成物１０７は、基質１０５と比較して導電率が異なる。このため、第１の導電層１０１及び第２の導電層１０３に電圧を印加し、生成物１０７が生成されることにより、実施の形態１と同様に、記憶素子の電気抵抗が変化する。代表的には、絶縁化をもたらす抵抗の増加、抵抗の減少などが挙げられる。以上のことから、第１の導電層１０１、透光性を有する導電層１４１、及び第２の導電層１０３の電圧印加による電気抵抗の変化によりデータを書込むことが可能である。
【００９９】
なお、記憶素子のデータを読出す場合は、書込み前の記憶素子の電気抵抗と書込み後の記憶素子の電気抵抗の差を読み取ることで、データを読出すことが可能である。
【０１００】
本実施の形態の記憶素子は、発光性を有する材料で形成される有機化合物を含む層を有する発光素子部と、光増感酸化還元剤及び基質で形成される有機化合物を含む層を有する記憶素子部とが共通電極である透光性を有する導電層で接続されている。このため、発光素子部及び記憶素子部それぞれに電圧を印加することができる。ここでは、発光素子部において発光するだけの電圧を印加すればよいため、正孔及び電子が再結合するときに発生するエネルギーを生じやすくすることができる。また、発光素子部において、光増感酸化還元剤及び基質を含まない。このことから、実施の形態４と比較して低電圧で記憶素子にデータの書込みを行うことが可能である。さらには、外部に書込みを行うための光照射装置を設けなくとも、記憶素子自体で発光し、当該発光を用いてデータを書込むことが可能であるため、記憶装置及び半導体装置の小型化及び高集積化が可能である。
【０１０１】
（実施の形態６）
本実施の形態では、実施の形態５の図１０に示す基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａで形成される第２の層１４３、ならびに実施の形態５の図１１に示す基質１０５及び光増感酸化還元剤１０６ａで形成される第１の層１４４について説明する。
【０１０２】
本実施の形態の記憶素子は、第１の導電層１０１と、第１の導電層１０１に接する第１の層１４２と、第１の層１４２に接する透光性を有する導電層１４１と、透光性を有する導電層１４１に接する第２の層１４６と、第２の層１４６に接する第２の導電層１０３で形成される。ここで、第１の層１４２は、発光性を有する材料１０４で形成される層であり、第２の層１４３は基質１０５、光増感酸化還元剤１０６ａ、及び発光性を有する材料１４７で形成される層である。
【０１０３】
第１の層１４２は、発光性を有する材料１０４で形成される層であり、図１２と同様の構成を有する。
【０１０４】
次に、本実施の形態の記憶素子のデータ書込みに関して説明する。図１２（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１、透光性を有する導電層１４１、及び第２の導電層１０３に電圧を印加し、第１の導電層１０１及び透光性を有する導電層１４１の間、並びに透光性を有する導電層１４１及び第２の導電層１０３に電位差を生じさせると、第１の層１４２の発光性を有する材料１０４において正孔と電子が再結合し、発光性を有する材料１０４が発光すると共に、第２の層１４６の発光性を有する材料１４７においても正孔と電子が再結合し発光し、光エネルギー１００ｃを発生する。
【０１０５】
発光性を有する材料１０４、１４７から発光された光が第２の層１４６の光増感酸化還元剤１０６ａに照射されると、図１２（Ｂ）に示すように、当該光エネルギーにより光増感酸化還元剤１０６ａは励起状態１０６ｂとなり、励起エネルギー１００ａを有する。なお、発光性を有する材料１４７と光増感酸化還元剤１０６ａとが接する場合、発光性を有する材料１４７が発光しなくとも再結合エネルギーは光増感酸化還元剤１０６ａへ移動する。
【０１０６】
次に、励起状態１０６ｂの光増感酸化還元剤の励起エネルギー１００ａにより基質１０５の反応が促進し、図１２（Ｃ）に示すように、生成物１０７が生成される。
【０１０７】
基質の生成物１０７は、基質１０５と比較して導電率が異なる。このため、第１の導電層及び第２の導電層に電圧を印加し、生成物１０７が生成されることにより、実施の形態１と同様に、記憶素子の電気抵抗が変化する。代表的には、絶縁化をもたらす抵抗の増加、抵抗の減少などが挙げられる。以上のことから、第１の導電層１０１、透光性を有する導電層１４１、及び第２の導電層１０３の電圧印加による電気抵抗の変化によりデータを書込むことが可能である。
【０１０８】
なお、記憶素子のデータを読出す場合は、各記憶素子の電気抵抗の差を読み取ることで、データを読み取ることが可能である。
【０１０９】
また、図１３（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１と、第１の導電層１０１に接する第１の層１４８と、第１の層１４８に接する透光性を有する導電層１４１と、透光性を有する導電層１４１に接する第２の層１４５と、第２の層１４５に接する第２の導電層１０３で形成されてもよい。ここで、第１の層１４８は、基質１０５、光増感酸化還元剤１０６ａ、及び発光性を有する材料１４９で形成される層である。また、第２の層１４５は、発光性を有する材料１０４で形成される層である。
【０１１０】
書込み方法及び読出し方法は、図１２（Ａ）〜（Ｃ）に示す記憶素子と同様である。具体的には、図１３（Ａ）に示すように、第１の導電層１０１、透光性を有する導電層１４１、及び第２の導電層１０３に電圧を印加し、第１の導電層１０１及び透光性を有する導電層１４１の間、並びに透光性を有する導電層１４１及び第２の導電層１０３に電位差を生じさせると、第２の層１４５の発光性を有する材料１０４において正孔と電子が再結合し、発光性を有する材料１０４が発光すると共に、第１の層１４８の発光性を有する材料１４７においても正孔と電子が再結合し発光し、光エネルギー１００ｃが発生する。
【０１１１】
発光性を有する材料１０４、１４７から発光された光が第１の層１４８の光増感酸化還元剤１０６ａに照射されると、図１３（Ｂ）に示すように、当該光エネルギー１００ｃにより光増感酸化還元剤１０６ａは励起状態１０６ｂとなり、励起エネルギー１００ａを有する。なお、発光性を有する材料１４７と光増感酸化還元剤１０６ａとが接する場合、発光性を有する材料１４７が発光しなくとも再結合エネルギーは光増感酸化還元剤１０６ａへ移動する。
【０１１２】
次に、励起状態１０６ｂの光増感酸化還元剤の励起エネルギーにより基質１０５の反応が促進し、図１３（Ｃ）に示すように、生成物１０７が生成される。
【０１１３】
基質の生成物１０７は、基質１０５と比較して導電率が異なる。このため、第１の導電層及び第２の導電層に電圧を印加し、生成物１０７が生成されることにより、実施の形態１と同様に、記憶素子の電気抵抗が変化する。代表的には、絶縁化をもたらす抵抗の増加、抵抗の減少などが挙げられる。以上のことから、第１の導電層１０１、透光性を有する導電層１４１、及び第２の導電層１０３の電圧印加による電気抵抗の変化によりデータを書込むことが可能である。
【０１１４】
なお、記憶素子のデータを読出す場合は、各記憶素子の電気抵抗の差を読み取ることで、データを読み取ることが可能である。
【０１１５】
本実施の形態の記憶素子は、発光性を有する材料で形成される有機化合物を含む層を有する発光素子部と、光増感酸化還元剤及び基質で形成される有機化合物を含む層を有する記憶素子部とが共通電極である透光性を有する導電層で接続されている。また、記憶素子部の基質及び光増感酸化還元剤で形成される層にも発光性を有する材料を有し、当該層においても発光性を有する材料で再結合により生じた再結合エネルギーは光増感酸化還元剤１０６ａへ移動する。このため、より多くの再結合エネルギーで光増感酸化還元剤を励起御状態にすることが可能であり、この結果低電圧でデータの書込みが可能であると共に、書込み成功率を高めることが可能である。さらには、外部に書込みを行うための光照射装置を設けなくとも、記憶素子自体で発光し、当該発光を用いてデータを書込むことが可能であるため、記憶装置及び半導体装置の小型化及び高集積化が可能である。
【０１１６】
（実施の形態７）
実施の形態１乃至６に示す記憶素子において、第１の導電層と有機化合物を含む層との間に、無機化合物及び有機化合物で形成される電荷輸送層を設けてもよい。また、第２の導電層と有機化合物を含む層との間に無機化合物及び有機化合物で形成される電荷輸送層を設けてもよい。更には、第１の導電層と有機化合物を含む層との間、及び第２の導電層と有機化合物を含む層との間それぞれに、無機化合物及び有機化合物で形成される電荷輸送層を設けてもよい。なお、ここでは実施の形態１を用いて説明するが適宜実施の形態２乃至実施の形態６に適応することが可能である。
【０１１７】
図９（Ａ）に示す記憶素子は、陽極として働く第１の導電層１０１と有機化合物を含む層１０２との間に、正孔輸送層１５１を有する。正孔輸送層１５１は、有機化合物と、有機化合物に対して電子受容性を有する無機化合物とを含む構成である。有機化合物に電子受容性を有する無機化合物を混入させることで、有機化合物に多くの正孔が発生し、極めて優れた正孔注入性・輸送性を示す。
【０１１８】
有機化合物には正孔が発生するため、有機化合物としては上記した正孔輸送性の有機化合物を適宜用いて形成する。また、無機化合物としては、有機化合物から電子を受け取りやすいものであれば何であってもよく、種々の金属酸化物または金属窒化物が可能であるが、周期表第４族乃至第１２族のいずれかの遷移金属酸化物が電子受容性を示しやすく好適である。具体的には、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化バナジウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化レニウム、酸化ルテニウム、酸化亜鉛などが挙げられる。また、上述した金属酸化物の中でも、周期表第４族乃至第８族のいずれかの遷移金属酸化物は電子受容性の高いものが多く、好ましい一群である。特に酸化バナジウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化レニウムは真空蒸着が可能で扱いやすいため、好適である。
【０１１９】
図９（Ｂ）に示す記憶素子は、陰極として働く第２の導電層１０３と有機化合物を含む層１０２との間に、電子輸送層１５２を有する。電子輸送層１５２は、有機化合物と、有機化合物に対して電子供与性を有する無機化合物とを含む構成である。有機化合物に電子供与性を有する無機化合物を混入させることで、有機化合物に多くの電子が発生し、極めて優れた電子注入性・輸送性を示す。
【０１２０】
有機化合物には電子が発生するため、有機化合物としては上記した電子輸送性の有機化合物を適宜用いて形成する。また、無機化合物としては、有機化合物から電子を与えやすいものであれば何であってもよく、種々の金属酸化物または金属窒化物が可能であるが、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、希土類金属酸化物、アルカリ金属窒化物、アルカリ土類金属窒化物、希土類金属窒化物が電子供与性を示しやすく好適である。具体的には、酸化リチウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化エルビウム、窒化リチウム、窒化マグネシウム、窒化カルシウム、窒化イットリウム、窒化ランタンなどが挙げられる。特に酸化リチウム、酸化バリウム、窒化リチウム、窒化マグネシウム、窒化カルシウムは真空蒸着が可能で扱いやすいため、好適である。
【０１２１】
図９（Ｃ）に示す記憶素子は、陽極として働く第１の導電層１０１と有機化合物を含む層１０２との間に、正孔輸送層１５１を有し、陰極として働く第２の導電層１０３と有機化合物を含む層１０２との間に、電子輸送層１５２を有する。
【０１２２】
なお、正孔輸送層１５１と有機化合物を含む層１０２との間に更に、上記した正孔輸送性を有する有機化合物を用いて正孔輸送層を形成してもよい。また、電子輸送層１５２と有機化合物を含む層１０２との間に、上記した電子輸送性を有する有機化合物を用いて電子輸送層を形成してもよい。
【０１２３】
以上のように、導電層及び有機化合物を含む層の間に、有機化合物及び無機化合物を用いて形成される電荷輸送層を設けることにより、記憶素子において優れた導電性をも得ることができる。このため、従来よりも低い電圧で電子及び正孔の再結合を行うことが可能であり、低消費電力でデータの書込みを行うことが可能である。
【０１２４】
（実施の形態８）
本実施の形態では、上記実施の形態の記憶素子を有する記憶装置の構成例に関して図面を用いて説明する。より具体的には、記憶装置の構成がパッシブマトリクス型の場合に関して示す。
【０１２５】
図１４（Ａ）に示したのは本実施の形態の記憶装置の一構成例であり、メモリセル２１がマトリクス状に設けられたメモリセルアレイ２２、カラムデコーダ２６ａと読出し回路２６ｂとセレクタ２６ｃを有するビット線駆動回路２６、ローデコーダ２４ａとレベルシフタ２４ｂを有するワード線駆動回路２４、書込み回路等を有し外部とのやりとりを行うインターフェイス２３を有している。なお、ここで示す記憶装置１６の構成はあくまで一例であり、センスアンプ、出力回路、バッファ等の他の回路を有していてもよいし、書込み回路をビット線駆動回路に設けてもよい。
【０１２６】
メモリセル２１は、ビット線Ｂｘ（１≦ｘ≦ｍ）を構成する第１の導電層と、ワード線Ｗｙ（１≦ｙ≦ｎ）を構成する第２の導電層と、有機化合物を含む層とを有する。有機化合物を含む層は、第１の導電層と第２の導電層の間に単層または積層で設けられている。
【０１２７】
メモリセルアレイ２２の上面構造と断面構造の一例に関して図１５に示す。なお、図１５（Ａ）はメモリセルアレイ２２の上面構造を示しており、図１５（Ａ）におけるＡ−Ｂ間の断面構造が図１５（Ｂ）及び（Ｃ）に対応し、図１５（Ａ）におけるＣ−Ｄ間の断面構造が図１５（Ｄ）に対応している。なお、図１５（Ａ）において保護膜として機能する絶縁層２７は省略している。
【０１２８】
メモリセルアレイ２２には、メモリセル２１がマトリクス状に設けられている（図１５（Ａ）参照）。メモリセル２１は、記憶素子８０を有する（図１５（Ｂ）参照。）。記憶素子８０は、基板３０上に、第１の方向に延びた第１の導電層３１と、第１の導電層３１を覆う有機化合物を含む層２９と、第１の方向と９０度に交差する第２の方向に延びた第２の導電層２８とを有する。また、ここでは、第２の導電層２８を覆うように、保護膜として機能する絶縁層２７を設ける。
【０１２９】
上記記憶素子８０に対して実施の形態１乃至実施の形態７に示す記憶素子を適宜用いることができる。
【０１３０】
また、上記記憶素子において、第１の導電層３１を介して有機化合物を含む層２９と反対側に、整流性を有する素子を設けてもよい。整流性を有する素子とは、ゲート電極とドレイン電極を接続したトランジスタ、またはダイオード等である。ダイオードの代表例としては、ＰＮ接合ダイオード、ＰＩＮ接合を有するダイオードやアバランシェダイオード等が挙げられる。また、他の構成のダイオードを用いてもよい。なお、第２の導電層を介して有機化合物を含む層と反対側に整流性を有する素子を設けてもよい。また、整流性を有する素子は、有機化合物を含む層２９と第１の導電層３１との間に設けてもよい。また、有機化合物を含む層２９と第２の導電層２８との間に整流性を有する素子を設けてもよい。このように、整流性がある素子を設けることにより、１つの方向にしか電流が流れないために、読み出し誤差が減少し、読出しマージンが向上する。
【０１３１】
また、絶縁性を有する基板上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を設けてその上に記憶素子８０を設けてもよいし、絶縁性を有する基板の代わりにＳｉ等の半導体基板やＳＯＩ基板を用いて基板上に電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を形成しその上に記憶素子８０を設けてもよい。また、単結晶半導体で形成されるトランジスタは微細加工が可能であるため、高集積化が可能であると共に、半導体装置の小型化が可能である。また、単結晶半導体で形成されるため、高速動作が可能である。なお、ここでは、記憶素子を薄膜トランジスタ上または電界効果トランジスタ上に形成する例を示したが、記憶素子と薄膜トランジスタまたは電界効果トランジスタを貼り合わせることによって設けてもよい。この場合、記憶素子部と薄膜トランジスタまたは電界効果トランジスタは、別工程で作製し、その後、導電性フィルム、異方性導電接着剤等を用いて貼り合わせることによって設けることができる。また、薄膜トランジスタまたは電界効果トランジスタの構成は、公知のものであればどのような構成を用いてもよい。
【０１３２】
また、隣接する各々の記憶素子間において横方向への電界の影響が懸念される場合は、各記憶素子に設けられた有機化合物を含む層を分離するため、各記憶素子に設けられた有機化合物を含む層の間に隔壁（絶縁層）を設けてもよい。つまり、各メモリセルごとに有機化合物を含む層を選択的に設けた構成としてもよい。
【０１３３】
また、第１の導電層３１を覆って有機化合物を含む層２９を設ける際に、第１の導電層３１の段差により生じる有機化合物を含む層２９の段切れや各メモリセル間における横方向への電界の影響を防止するために第１の導電層３１間に隔壁（絶縁層）３９を設けてもよい（図１５（Ｃ））。なお、隔壁（絶縁層）３９の断面において、隔壁（絶縁層）３９の側面は、第１の導電層３１の表面に対して１０度以上６０度未満、好ましくは２５度以上４５度以下の傾斜角度を有することが好ましい。さらには、湾曲していることが好ましい。その後、第１の導電層３１および隔壁（絶縁層）３９を覆うように絶縁層３２、有機化合物を含む層２９及び第２の導電層２８を形成する。
【０１３４】
また、隔壁（絶縁層）３９の代わりに、基板３０上に、第１の方向に延びた第１の導電層３１の一部を覆う層間絶縁層４０ａと、層間絶縁層上に設けられた隔壁（絶縁層）４０ｂを設けてもよい（図１５（Ｄ））。
【０１３５】
第１の導電層３１の一部を覆う層間絶縁層４０ａは、各記憶素子８０ごとに開口部を有する。また、隔壁（絶縁層）４０ｂは層間絶縁層において開口部が形成されない領域に設けられる。また、隔壁（絶縁層）４０ｂは、第２の導電層２８と同様に第２の方向に伸びる。また、隔壁（絶縁層）４０ｂは、層間絶縁層４０ａ表面に対して９５度以上１３５度以下の傾斜角度を有する。
【０１３６】
隔壁（絶縁層）４０ｂはフォトリソグラフィ法に従い、未露光部分が残存するポジ型感光性樹脂を用い、パターンの下部がより多くエッチングされるように露光量または現像時間を調節することによって形成する。また、隔壁（絶縁層）４０ｂの高さは、有機化合物を含む層２９及び第２の導電層２８の厚さより大きく設定する。この結果、基板３０全面に有機化合物を含む層２９及び第２の導電層２８を基板３０上に蒸着する工程のみで、電気的に独立した複数の領域に分離され、且つ第１の導電層３１の第１の方向と交差する方向に伸長するストライプ状の有機化合物を含む層２９及び第２の導電層２８を形成することができる。このため、工程数を削減することが可能である。なお、隔壁（絶縁層）４０ｂ上にも有機化合物を含む層２９ａ及び導電層２８ａが形成されるが、有機化合物を含む層２９及び導電層２８とは分断される。
【０１３７】
次に、記憶装置にデータの書込みを行う際の動作について説明する。ここでは、電圧印加によりデータの書込みを行う場合について説明する（図１４、図１５参照）。
【０１３８】
電圧印加を加えることによりデータの書込みを行う場合、ローデコーダ２４ａ、カラムデコーダ２６ａ、セレクタ２６ｃにより、１つのメモリセル２１を選択し、その後、書込み回路を用いて、当該メモリセル２１にデータを書込む（図１４（Ａ）参照）。メモリセルの第１の導電層３１と第２の導電層２８との間に電圧を印加すると、発光材料で形成される層が発光する。当該発光エネルギーにより有機化合物を含む層中の光増感酸化還元剤が励起状態となる。また、励起された光増感酸化還元剤によって基質が化学反応を起こし、化学生成物を生成する。この結果、記憶素子の電気抵抗が変化する。
【０１３９】
反応生成物を有する記憶素子は、書込み前の記憶素子と比較すると電気抵抗が変化する。このように、電圧印加により、２つの導電層間の電気抵抗の変化を利用してデータの書込みを行う。例えば、電圧印加していない有機化合物を含む層を「０」のデータとする場合、「１」のデータを書込む際は、所望の記憶素子の有機化合物を含む層に選択的に大きい電圧を印加して抵抗を変化させる。
【０１４０】
続いて、有機メモリからデータの読み出しを行う際の動作について説明する（図１４（Ｂ））。データの読み出しは、メモリセルを構成する第１の導電層と第２の導電層の間の電気特性が、データ「０」を有するメモリセルとデータ「１」を有するメモリセルとで異なることを利用して行う。例えば、データ「０」を有するメモリセルを構成する第１の導電層と第２の導電層の間の実効的な電気抵抗（以下、単にメモリセルの電気抵抗と呼ぶ）が、読み出し電圧においてＲ０、データ「１」を有するメモリセルの電気抵抗を、読み出し電圧においてＲ１とし、電気抵抗の差を利用して読み出す方法を説明する。なお、Ｒ１＜Ｒ０とする。ここでは、読み出し回路２６ｂは、抵抗素子４６とセンスアンプ４７を含む構成とし、抵抗素子４６は抵抗値Ｒｒを有し、Ｒ１＜Ｒｒ＜Ｒ０であるとする。但し、読み出し回路２６ｂの構成は上記構成に制約されず、どのような構成を有していてもよい。例えば、抵抗素子４６の代わりにトランジスタ４８を用いても良いし、センスアンプ４７の代わりにクロックドインバータ４９を用いることも可能である（図１４（Ｃ））。クロックドインバータ４９には、読み出しを行うときにＨｉｇｈ、行わないときにＬｏｗとなる、信号φ又は反転信号φが入力される。
【０１４１】
データの読み出しは、ローデコーダ２４ａ、カラムデコーダ２６ａおよびセレクタ２６ｃによってメモリセル２１を選択する。具体的には、ローデコーダ２４ａによって、メモリセル２１に接続されるワード線Ｗｙに所定の電圧Ｖｙを印加する。また、カラムデコーダ２６ａとセレクタ２６ｃによって、メモリセル２１に接続されるビット線Ｂｘを読み出し２６ｂの端子Ｐに接続する。その結果、端子Ｐの電位Ｖｐは、抵抗素子４６（抵抗値Ｒｒ）とメモリセル２１（抵抗値Ｒ０もしくはＲ１）による抵抗分割によって決定される値となる。従って、メモリセル２１がデータ「０」を有する場合には、Ｖｐ０＝Ｖｙ＋（Ｖ０−Ｖｙ）×Ｒ０／（Ｒ０＋Ｒｒ）となる。また、メモリセル２１がデータ「１」を有する場合には、Ｖｐ１＝Ｖｙ＋（Ｖ０−Ｖｙ）×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒｒ）となる。その結果、図１４（Ａ）では、ＶｒｅｆをＶｐ０とＶｐ１の間となるように選択することで、図１４（Ｂ）では、クロックドインバータの変化点をＶｐ０とＶｐ１の間となるように選択することで、出力電位Ｖｏｕｔとして、データ「０」／「１」に応じて、Ｌｏｗ／Ｈｉｇｈ（もしくはＨｉｇｈ／Ｌｏｗ）が出力され、読み出しを行うことができる。
【０１４２】
例えば、センスアンプ４７をＶｄｄ＝３Ｖで動作させ、Ｖｙ＝０Ｖ、Ｖ０＝３Ｖ、Ｖｒｅｆ＝１．５Ｖとする。仮に、Ｒ０／Ｒｒ＝Ｒｒ／Ｒ１＝９とすると、メモリセルのデータが「０」の場合、Ｖｐ０＝２．７ＶとなりＶｏｕｔとしてＨｉｇｈが出力され、メモリセルのデータが「１」の場合、Ｖｐ１＝０．３ＶとなりＶｏｕｔとしてＬｏｗが出力される。こうして、メモリセルの読み出しを行うことができる。
【０１４３】
なお、データの読出しを行う場合、順方向電圧を印加する。また、逆方向電圧を印加してもよい。
【０１４４】
上記の方法によると、有機化合物を含む層２９の電気抵抗の状態は、抵抗値の相違と抵抗分割を利用して、電圧値で読み取っている。しかしながら、電流値を比較する方法でもよい。これは、例えば、有機化合物を含む層に電圧印加していないときの電流値Ｉａ１と、電圧印加して２つの導電膜間をショートしたときの抵抗値Ｉｂ１は、Ｉａ１＜Ｉｂ１を満たすことを利用するものである。
【０１４５】
本実施の形態は記憶素子の抵抗値を電圧の大きさに置き換えて読み取っているが、本発明はこれに限定されずに実施することができる。例えば例えば、電気抵抗の差を利用する以外に、電流値の差を利用して読み出しても構わない。また、メモリセルの電気特性が、データ「０」と「１」とで、しきい値電圧が異なるダイオード特性を有する場合には、しきい値電圧の差を利用して読み出しても構わない。さらには、ビット線をプリチャージする方法を採用することも可能である。
【０１４６】
（実施の形態９）
本実施の形態では、上記実施の形態８とは異なる構成を有する記憶装置について説明する。具体的には、記憶装置の構成がアクティブマトリクス型の場合に関して示す。
【０１４７】
図１６（Ａ）に示したのは本実施の形態で示す記憶装置の一構成例であり、メモリセル２２１がマトリクス状に設けられたメモリセルアレイ２２２、カラムデコーダ２２６ａと読出し回路２２６ｂとセレクタ２２６ｃを有するビット線駆動回路２２６、ローデコーダ２２４ａとレベルシフタ２２４ｂを有するワード線駆動回路２２４、書込み回路等を有し外部とのやりとりを行うインターフェイス２２３を有している。なお、ここで示す記憶装置２１６の構成はあくまで一例であり、センスアンプ、出力回路、バッファ等の他の回路を有していてもよいし、書込み回路をビット線駆動回路に設けてもよい。
【０１４８】
メモリセル２２１は、ビット線Ｂｘ（１≦ｘ≦ｍ）を構成する第１の配線と、ワード線Ｗｙ（１≦ｙ≦ｎ）を構成する第２の配線と、トランジスタ２４０と、記憶素子２４１とを有する。記憶素子２４１は、一対の導電層の間に、有機化合物を含む層が挟まれた構造を有する。
【０１４９】
次に、上記構成を有するメモリセルアレイ２２２の上面図と断面図の一例に関して図１７を用いて説明する。なお、図１７（Ａ）はメモリセルアレイ２２２の上面図の一例を示しており、図１７（Ｂ）は図１７（Ａ）におけるＡ−Ｂ間の断面図を示している。なお、図１７（Ａ）においては、第１の導電層２４３上に形成される、隔壁（絶縁層）２４９、有機化合物を含む層２４４、及び第２の導電層２４５を省略している。
【０１５０】
メモリセルアレイ２２２は、複数のメモリセル２２１がマトリクス状に設けられている。又、メモリセル２２１は、絶縁表面を有する基板２３０上にスイッチング素子として機能するトランジスタ２４０および当該トランジスタ２４０に接続された記憶素子２４１とを有している（図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）参照。）。記憶素子２４１は、絶縁層２４８上に形成される第１の導電層２４３と、第１の導電層２４３及び隔壁（絶縁層）２４９を覆う有機化合物を含む層２４４と、第２の導電層２４５とを有する。なお、第１の導電層の一部を覆う隔壁（絶縁層）２４９が形成される。また、トランジスタ２４０として、薄膜トランジスタを用いている。また、第２の導電層２４５を覆って保護膜として機能する絶縁層２３６を有する。
【０１５１】
トランジスタ２４０に用いることが可能な薄膜トランジスタの一態様について、図２５を参照して説明する。図２５（Ａ）はトップゲート型の薄膜トランジスタを適用する一例を示している。絶縁表面を有する基板２３０上に絶縁層２０５が設けられ、絶縁層２０５上に薄膜トランジスタが設けられている。薄膜トランジスタは、絶縁層２０５上に半導体層１３０２、ゲート絶縁層として機能することができる絶縁層１３０３が設けられている。絶縁層１３０３の上には、半導体層１３０２に対応してゲート電極１３０４が形成され、その上層に保護層として機能する絶縁層１３０５、層間絶縁層として機能する絶縁層２４８が設けられている。また、半導体層のソース領域及びドレイン領域それぞれに接続する第１の導電層２４３が形成される。さらにその上層に、保護層として機能する絶縁層を形成しても良い。
【０１５２】
半導体層１３０２は、結晶構造を有する半導体で形成される層であり、非単結晶半導体若しくは単結晶半導体を用いることができる。特に、非晶質若しくは微結晶質の半導体を、レーザ光の照射により結晶化させた結晶性半導体、加熱処理により結晶化させた結晶性半導体、加熱処理とレーザ光の照射を組み合わせて結晶化させた結晶性半導体を適用することが好ましい。加熱処理においては、シリコン半導体の結晶化を助長する作用のあるニッケルなどの金属元素を用いた結晶化法を適用することができる。
【０１５３】
レーザ光を照射して結晶化する場合には、連続発振レーザ光の照射若しくは繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上であって、パルス幅が１ナノ秒以下、好ましくは１乃至１００ピコ秒である高繰返周波数超短パルス光を照射することによって、結晶性半導体が溶融した溶融帯を、当該レーザ光の照射方向に連続的に移動させながら結晶化を行うことができる。このような結晶化法により、大粒径であって、結晶粒界が一方向に延びる結晶性半導体を得ることができる。キャリアのドリフト方向を、この結晶粒界が延びる方向に合わせることで、トランジスタにおける電界効果移動度を高めることができる。例えば、４００ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以上を実現することができる。
【０１５４】
上記結晶化工程を、ガラス基板の耐熱温度（約６００℃）以下の結晶化プロセスを用いる場合、大面積ガラス基板を用いることが可能である。このため、基板あたり大量の半導体装置を作製することが可能であり、低コスト化が可能である。
【０１５５】
また、ガラス基板の耐熱温度以上の加熱により、結晶化工程を行い、半導体層１３０２を形成してもよい。代表的には、絶縁性基板に石英基板を用い、非晶質若しくは微結晶質の半導体を７００度以上で加熱して半導体層１３０２を形成する。この結果、結晶性の高い半導体を形成することが可能である。このため、応答速度や移動度などの特性が良好で、高速な動作が可能な薄膜トランジスタを提供することができる。
【０１５６】
ゲート電極１３０４は金属又は一導電型の不純物を添加した多結晶半導体で形成することができる。金属を用いる場合は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）などを用いることができる。また、上述した金属を窒化させた金属窒化物を用いることができる。或いは、当該金属窒化物からなる第１層と当該金属から成る第２層とを積層させた構造としても良い。積層構造とする場合には、第１層の端部が第２層の端部より外側に突き出した形状としても良い。このとき第１層を金属窒化物とすることで、バリアメタルとすることができる。すなわち、第２層の金属が、絶縁層１３０３やその下層の半導体層１３０２に拡散することを防ぐことができる。
【０１５７】
ゲート電極１３０４の側面には、サイドウォール（側壁スペーサ）１３０８が形成される。サイドウォールは、基板上にＣＶＤ法により酸化珪素で形成される絶縁層を形成し、該絶縁層をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）法により異方性エッチングすることで形成できる。
【０１５８】
半導体層１３０２、絶縁層１３０３、ゲート電極１３０４などを組み合わせて構成されるトランジスタは、シングルドレイン構造、ＬＤＤ（低濃度ドレイン）構造、ゲートオーバーラップドレイン構造など各種構造を適用することができる。ここでは、サイドウォールが重畳する半導体層において、低濃度不純物領域１３１０が形成されるＬＤＤ構造の薄膜トランジスタを示す。また、シングルゲート構造、等価的には同電位のゲート電圧が印加されるトランジスタが直列に接続された形となるマルチゲート構造、半導体層を上下にゲート電極で挟むデュアルゲート構造を適用することができる。
【０１５９】
絶縁層２４８は、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンなどの無機絶縁材料、又はアクリル樹脂及びポリイミド樹脂などの有機絶縁材料で形成する。スピン塗布やロールコーターなど塗布法を用いる場合には、有機溶媒中に溶かされた絶縁膜材料を塗布した後、熱処理により絶縁層を形成することもできる。例えば、シロキサン結合を含む膜を塗布により形成しておいて、２００乃至４００度での熱処理により絶縁層を形成することができる。絶縁層２４８を、塗布法で形成する絶縁層やリフローにより平坦化した絶縁層を形成することで、その層上に形成する配線の断線を防止することができる。また、多層配線を形成する際にも有効に利用することができる。
【０１６０】
絶縁層２４８の上に形成される第１の２４３は、ゲート電極１３０４と同じ層で形成される配線と交差して設けることが可能であり、多層配線構造を形成している。絶縁層２４８と同様に機能を有する絶縁層を複数積層して、その層上に配線を形成することで多層配線構造を形成することができる。配線として機能する導電層２４３はチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）の積層構造、モリブデン（Ｍｏ）とアルミニウム（Ａｌ）との積層構造など、アルミニウム（Ａｌ）のような低抵抗材料と、チタン（Ｔｉ）やモリブデン（Ｍｏ）などの高融点金属材料を用いたバリアメタルとの組み合わせで形成することが好ましい。
【０１６１】
図２５（Ｂ）は、ボトムゲート型の薄膜トランジスタを適用する一例を示している。絶縁表面を有する基板２３０上に絶縁層２０５が形成され、その上に薄膜トランジスタが設けられている。薄膜トランジスタには、ゲート電極１３０４、ゲート絶縁層として機能する絶縁層１３０３、半導体層１３０２、チャネル保護層１３０９、保護層として機能する絶縁層１３０５、層間絶縁層として機能する絶縁層２４８が設けられている。さらにその上層には、保護層として機能する絶縁層を形成しても良い。配線として機能する導電層２４３は、絶縁層１３０５の層上若しくは絶縁層２４８の層上に形成することができる。なお、ボトムゲート型の薄膜トランジスタの場合は、絶縁層２０５が形成されなくともよい。
【０１６２】
また、絶縁表面を有する基板２３０が可撓性を有する基板である場合、耐熱温度がガラス基板等の非可撓性基板と比較して低い。このため、薄膜トランジスタは、有機半導体を用いて形成することが好ましい。
【０１６３】
ここで、有機半導体を用いる薄膜トランジスタの構造について、図２５（Ｃ）、（Ｄ）を参照して説明する。図２５（Ｃ）は、スタガ型の有機半導体トランジスタを適用する一例を示している。可撓性を有する基板１４０１上に有機半導体トランジスタが設けられている。有機半導体トランジスタは、ゲート電極１４０２、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層１４０３、ゲート電極及びゲート絶縁膜として機能する絶縁層と重畳する半導体層１４０４、半導体層１４０４に接続する配線として機能する導電層２４３が形成されている。なお、半導体層は、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層１４０３と配線として機能する導電層２４３に接する。
【０１６４】
ゲート電極１４０２は、ゲート電極１３０４と同様の材料及び手法により、形成することができる。また、液滴吐出法を用い、乾燥・焼成してゲート電極１４０２を形成することができる。また、可撓性を有する基板上に、微粒子を含むペーストを印刷法により印刷し、乾燥・焼成してゲート電極１４０２を形成することができる。微粒子の代表例としては、金、銅、金と銀の合金、金と銅の合金、銀と銅の合金、金と銀と銅の合金のいずれかを主成分とする微粒子でもよい。また、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの導電性酸化物を主成分とする微粒子でもよい。
【０１６５】
ゲート絶縁膜として機能する絶縁層１４０３は、絶縁層１３０３と同様の材料及び手法により形成することができる。但し、有機溶媒中に溶解する絶縁膜材料を塗布した後、熱処理により絶縁層を形成する場合、熱処理温度が可撓性を有する基板の耐熱温度より低い温度で行う。
【０１６６】
有機半導体トランジスタの半導体層１４０４の材料としては、多環芳香族化合物、共役二重結合系化合物、フタロシアニン、電荷移動型錯体等が挙げられる。例えばアントラセン、テトラセン、ペンタセン、６Ｔ（ヘキサチオフェン）、ＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）、ＰＴＣＤＡ（ペリレンカルボン酸無水化物）、ＮＴＣＤＡ（ナフタレンカルボン酸無水化物）などを用いることができる。また、有機半導体トランジスタの半導体層１４０４の材料としては、有機高分子化合物等のπ共役系高分子、カーボンナノチューブ、ポリビニルピリジン、フタロシアニン金属錯体等が挙げられる。特に骨格が共役二重結合から構成されるπ共役系高分子である、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチエニレン、ポリチオフェン誘導体、ポリ（３アルキルチオフェン）、ポリパラフェニレン誘導体又はポリパラフェニレンビニレン誘導体を用いると好ましい。
【０１６７】
また、有機半導体トランジスタの半導体層の形成方法としては、基板に膜厚の均一な膜が形成できる方法を用いればよい。厚さは１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が望ましい。具体的な方法としては、蒸着法、塗布法、スピンコーティング法、溶液キャスト法、ディップ法、スクリーン印刷法、ロールコーター法又は液滴吐出法を用いることができる。
【０１６８】
図２５（Ｄ）は、コプレナー型の有機半導体トランジスタを適用する一例を示している。可撓性を有する基板１４０１上に有機半導体トランジスタが設けられている。有機半導体トランジスタは、ゲート電極１４０２、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層１４０３、配線として機能する導電層２４３、ゲート電極及びゲート絶縁層として機能する絶縁層に重畳する半導体層１４０４が形成されている。また、配線として機能する導電層２４３は、ゲート絶縁層として機能する絶縁層及び半導体層に接する。
【０１６９】
さらには、薄膜トランジスタや有機半導体トランジスタはスイッチング素子として機能し得るものであれば、どのような構成で設けてもよい。
【０１７０】
また、単結晶基板やＳＯＩ基板を用いて、トランジスタを形成し、その上に記憶素子を設けてもよい。ＳＯＩ基板はウェハの貼り合わせによる方法や酸素イオンをＳｉ基板内に打ち込むことにより内部に絶縁層を形成するＳＩＭＯＸと呼ばれる方法を用いて形成すればよい。ここでは、図１７（Ｃ）に示すように、単結晶半導体基板２６０上に設けられた電界効果トランジスタ２６２に記憶素子２４１が接続されていている。また、電界効果トランジスタ２６２の配線を覆うように絶縁層２５０を設け、当該絶縁層２５０上に記憶素子２４１を設けている。
【０１７１】
このような単結晶半導体で形成されるトランジスタは、応答速度や移動度などの特性が良好なために、高速な動作が可能なトランジスタを提供することができる。また、トランジスタは、その特性のバラツキが少ないために、高い信頼性を実現した半導体装置を提供することができる。
【０１７２】
記憶素子２４１は、絶縁層２５０上に形成される第１の導電層２６４と、第１の導電層２４３及び隔壁（絶縁層）２４９を覆う有機化合物を含む層２４４と、第２の導電層２４５とを有する。なお、第１の導電層の一部を覆う隔壁（絶縁層）２４９が形成される。
【０１７３】
このように、絶縁層２５０を設けて記憶素子２４１を形成することによって第１の導電層２６４を自由に配置することができる。つまり、図１７（Ａ）、（Ｂ）の構成では、トランジスタ２４０の配線を避けた領域に記憶素子２４１を設ける必要があったが、上記構成とすることによって、例えば、トランジスタを有する層２５１に設けられた電界効果トランジスタ２６２の上方に記憶素子２４１を形成することが可能となる。その結果、記憶装置２１６をより高集積化することが可能となる。
【０１７４】
なお、図１７（Ｂ）、（Ｃ）に示す構成において、有機化合物を含む層２４４は基板全面に設けた例を示しているが、各メモリセルのみに有機化合物を含む層２４４を選択的に設けてもよい。この場合、液滴吐出法等を用いて有機化合物を吐出し焼成して選択的に有機化合物を含む層を設けることにより材料の利用効率を向上させることが可能となる。
【０１７５】
第１の導電層２４３、２６４と第２の導電層２４５の材料および形成方法は、上記実施の形態１で示した材料および形成方法のいずれかを用いて同様に行うことができる。
【０１７６】
また、有機化合物を含む層２４４は、上記実施の形態１で示した有機化合物を含む層２９と同様の材料および形成方法を用いて設けることができる。
【０１７７】
また、第１の導電層２４３、２６４はそれぞれ有機化合物を含む層２４４との間に、整流性を有する素子を設けてもよい。整流性を有する素子とは、ゲート電極とドレイン電極を接続したトランジスタ、又はダイオードである。なお、整流性を有する素子は、有機化合物を含む層２４４と第２の導電層２４５との間に設けてもよい。
【０１７８】
また、絶縁表面を有する基板２３０上に剥離層を設け、剥離層上にトランジスタを有する層２５３及び記憶素子２４１を形成した後、トランジスタを有する層２５３及び記憶素子２４１を剥離層から剥離し、基板４６１上に接着層４６２を介してトランジスタを有する層２５３及び記憶素子２４１を貼り合わせても良い（図２０参照）。なお剥離方法としては、（１）絶縁表面を有する基板とトランジスタを有する層の間に剥離層として金属酸化物層を設け、当該金属酸化物層を結晶化により脆弱化して、物理的手段により当該トランジスタを有する層を剥離する方法、（２）絶縁表面を有する基板とトランジスタを有する層の間に剥離層として水素を含む非晶質珪素膜を設け、レーザ光の照射により非晶質珪素膜の水素ガスを放出させて耐熱性の高い基板を剥離する方法、または剥離層に非晶質珪素膜を設け、当該非晶質珪素膜を除去することで、当該トランジスタを有する層を剥離する方法、（３）トランジスタを有する層が形成された耐熱性の高い基板を機械的に削除する、又は溶液やＮＦ３、ＢｒＦ３、ＣｌＦ３等のフッ化ハロゲンガスによるエッチングで除去する方法、（４）絶縁表面を有する基板とトランジスタを有する層の間に剥離層として金属層及び金属酸化物層を設け、当該金属酸化物層を結晶化により脆弱化し、金属層の一部を溶液やＮＦ３、ＢｒＦ３、ＣｌＦ３等のフッ化ハロゲンガスによりエッチングで除去した後、脆弱化された金属酸化物層において物理的に剥離する方法等を用いればよい。
【０１７９】
また、基板４６１としては、実施の形態１で示した基板３０で示した可撓性基板、熱可塑性樹脂層を有するフィルム、繊維質な材料からなる紙等を用いることで、記憶装置の小型、薄型、軽量化を図ることが可能である。
【０１８０】
次に、記憶装置２１６にデータの書込みを行うときの動作について説明する（図１６）。
【０１８１】
電圧印加を加えることによりデータの書込みを行う場合、ローデコーダ２２４ａ、カラムデコーダ２２６ａ、セレクタ２２６ｃにより、１つのメモリセル２２１を選択し、その後、書込み回路を用いて、当該メモリセル２２１にデータを書込む（図１６（Ａ）参照）。メモリセルの第１の導電層２４３と第２の導電層２４５との間に電圧を印加すると、発光材料で形成される層が発光する。当該発光エネルギーにより有機化合物を含む層中の光増感酸化還元剤が励起状態となる。また、励起された光増感酸化還元剤によって基質が化学反応を起こし、化学生成物を生成する。この結果、記憶素子の電気抵抗が変化する。
【０１８２】
反応生成物を有する記憶素子は、書込み前の記憶素子と比較すると電気抵抗が変化する。このように、電圧印加により、２つの導電層間の電気抵抗の変化を利用してデータの書込みを行う。例えば、電圧印加していない有機化合物を含む層を「０」のデータとする場合、「１」のデータを書込む際は、所望の記憶素子の有機化合物を含む層に選択的に大きい電圧を印加して抵抗を変化させる。
【０１８３】
ここでは、ｍ列目ｎ行目のメモリセル２２１にデータの書込みを行う場合について説明する。この場合、ローデコーダ２２４ａ、カラムデコーダ２２６ａ、セレクタ２２６ｃにより、ｍ列目のビット線Ｂｍと、ｎ行目のワード線Ｗｎを選択すると、ｍ列目ｎ行目のメモリセル２２１が含むトランジスタ２４０がオン状態となり、メモリセルの第１の導電層２４３と第２の導電層２４５との間に電圧が印加され、発光材料で形成される層が発光する。なお、記憶素子２４１の第２の導電層２４５は電位Ｖｃｏｍの共通電極に接続されている。当該発光エネルギーにより有機化合物を含む層中の光増感酸化還元剤が励起状態となる。また、励起された光増感酸化還元剤によって基質が化学反応を起こし、化学生成物を生成する。この結果、記憶素子の電気抵抗が変化する。
【０１８４】
次に、電圧印加により、データの読み出しを行う際の動作について説明する（図１６参照。）。データの読み出しは、記憶素子２４１の電気特性が、データ「０」を有するメモリセルとデータ「１」を有するメモリセルとで異なることを利用して行う。例えば、データ「０」を有するメモリセルを構成する記憶素子の電気抵抗が読み出し電圧においてＲ０、データ「１」を有するメモリセルを構成する記憶素子の電気抵抗が読み出し電圧においてＲ１とし、電気抵抗の差を利用して読み出す方法を説明する。なお、Ｒ１＜Ｒ０とする。ここでは、読み出し回路２２６ｂは、読み出し部分の構成として、抵抗素子２４６とセンスアンプ２４７を含む構成とする。抵抗素子は抵抗値Ｒｒを有し、Ｒ１＜Ｒｒ＜Ｒ０であるとする。抵抗素子２４６の代わりに、トランジスタ２５４を用いても良いし、センスアンプの代わりにクロックドインバータ２５５を用いることも可能である（図１６（Ｃ））。勿論、回路構成は図１６（Ｃ）に限定されない。
【０１８５】
データの読み出しは、第１の導電層２４３と第２の導電層２４５の間に電圧を印加して、有機化合物を含む層２４４の電気抵抗を読み取ることにより行う。例えば、メモリセルアレイ２２２が含む複数のメモリセル２２１から、ｍ列目ｎ行目のメモリセル２２１のデータの読み出しを行う場合、まず、ローデコーダ２２４ａ、カラムデコーダ２２６ａ、セレクタ２２６ｃにより、ｍ列目のビット線Ｂｍと、ｎ行目のワード線Ｗｎを選択する。具体的には、ローデコーダ２２４ａによって、メモリセル２２１に接続されるワード線Ｗｙに所定の電圧Ｖ２４を印加し、トランジスタ２４０をオン状態にする。また、カラムデコーダ２２６ａ、セレクタ２２６ｃによって、メモリセル２２１に接続されるビット線Ｂｘを読み出し２２６ｂの端子Ｐに接続する。その結果、端子Ｐの電位Ｖｐは、ＶｃｏｍとＶ０によって求められ、ＶｃｏｍとＶ０は抵抗素子２４６（抵抗値Ｒｒ）と記憶素子２４１（抵抗値Ｒ０もしくはＲ１）による抵抗分割によって決定される値となる。従って、メモリセル２２１がデータ「０」を有する場合には、Ｖｐ０＝Ｖｃｏｍ＋（Ｖ０−Ｖｃｏｍ）×Ｒ０／（Ｒ０＋Ｒｒ）となる。また、メモリセル２２１がデータ「１」を有する場合には、Ｖｐ１＝Ｖｃｏｍ＋（Ｖ０−Ｖｃｏｍ）×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒｒ）となる。その結果、図１６（Ｂ）では、ＶｒｅｆをＶｐ０とＶｐ１の間となるように選択することで、図１６（Ｃ）では、クロックドインバータの変化点をＶｐ０とＶｐ１の間となるように選択することで、出力電位Ｖｏｕｔとして、データ「０」／「１」に応じて、Ｌｏｗ／Ｈｉｇｈ（もしくはＨｉｇｈ／Ｌｏｗ）が出力され、読み出しを行うことができる。
【０１８６】
例えば、センスアンプをＶｄｄ＝３Ｖで動作させ、Ｖｃｏｍ＝０Ｖ、Ｖ０＝３Ｖ、Ｖｒｅｆ＝１．５Ｖとする。仮に、Ｒ０／Ｒｒ＝Ｒｒ／Ｒ１＝９とし、トランジスタ２４０のオン抵抗を無視できるとすると、メモリセルのデータが「０」の場合、Ｖｐ０＝２．７ＶとなりＶｏｕｔはＨｉｇｈが出力され、メモリセルのデータが「１」の場合、Ｖｐ１＝０．３ＶとなりＶｏｕｔはＬｏｗが出力される。こうして、メモリセルの読み出しを行うことができる。
【０１８７】
次に、抵抗素子としてトランジスタを用いた場合において、電圧印加により記憶素子のデータの読出しを行う際の動作について、図２１に具体例を挙げて説明する。
【０１８８】
図２１は、記憶素子に「０」のデータの書込みを行った記憶素子の電流電圧特性９５１と、「１」のデータの書込みを行った記憶素子の電流電圧特性９５２と、抵抗素子２４６の電流電圧特性９５３を示しており、ここでは抵抗素子２４６としてトランジスタを用いた場合を示す。また、データを読み出す際の動作電圧として、第１の導電層２４３と第２の導電層２４５の間に３Ｖを印加した場合について説明する。
【０１８９】
図２１において、「０」のデータの書込みが行われた記憶素子を有するメモリセルでは、記憶素子の電流電圧特性９５１とトランジスタの電流電圧特性９５３との交点９５４が動作点となり、このときのノードＰの電位はＶ２（Ｖ）となる。ノードＰの電位はセンスアンプ２４７に供給され、当該センスアンプ２４７において、上記メモリセルが記憶するデータは、「０」と判別される。
【０１９０】
一方、「１」のデータの書込みが行われた記憶素子を有するメモリセルでは、記憶素子の電流電圧特性９５２とトランジスタの電流電圧特性９５３との交点９５５が動作点となり、このときのノードＰの電位はＶ１（Ｖ）（Ｖ１＜Ｖ２）となる。ノードＰの電位はセンスアンプ２４７に供給され、当該センスアンプ２４７において、上記メモリセルが記憶するデータは、「１」と判別される。
【０１９１】
このように、記憶素子２４１の抵抗値に従って、抵抗分割された電位を読み取ることによって、メモリセルに記憶されたデータを判別することができる。
【０１９２】
上記の方法によると、記憶素子２４１の抵抗値の相違と抵抗分割を利用して、電圧値で読み取っている。しかしながら、記憶素子２４１が有する情報を、電流値により読み取ってもよい。
【０１９３】
なお、本実施の形態は上記実施の形態と自由に組み合わせて行うことができる。
【０１９４】
（実施の形態１０）
本実施の形態では、上記実施の形態で示す記憶装置を有する無線チップに代表される半導体装置の一例に関して図面を用いて説明する。
【０１９５】
本実施の形態で示す半導体装置は、非接触でデータの読出しと書込みが可能であることを特徴としており、データの伝送形式は、一対のコイルを対向に配置して相互誘導によって交信を行う電磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信する電波方式の３つに大別されるが、いずれの方式を用いてもよい。また、データの伝送に用いるアンテナは２通りの設け方があり、１つはトランジスタおよび記憶素子が設けられた基板上にアンテナを設ける場合、もう１つはトランジスタおよび記憶素子が設けられた基板に端子部を設け、当該端子部に別の基板に設けられたアンテナを接続して設ける場合がある。
【０１９６】
まず、複数の素子および記憶素子が設けられた基板上にアンテナを設ける場合の半導体装置の一構成例を図１８を用いて説明する。
【０１９７】
図１８（Ａ）はパッシブマトリクス型で構成される記憶装置を有する半導体装置を示している。半導体装置は、基板３５０上にトランジスタ４５１、４５２を有する層３５１と、トランジスタを有する層３５１の上方に形成される記憶素子部３５２及びアンテナとして機能する導電層３５３とを有する。
【０１９８】
なお、ここではトランジスタを有する層３５１の上方に記憶素子部３５２及びアンテナとして機能する導電層３５３を有する場合を示しているが、この構成に限られず記憶素子部３５２またはアンテナとして機能する導電層３５３を、トランジスタを有する層３５１の下方や同一の層に有してもよい。
【０１９９】
記憶素子部３５２は複数の記憶素子３５２ａ、３５２ｂを有する。また、記憶素子３５２ａは、絶縁層２５２上に形成される第１の導電層３６１と、第１の導電層３６１、及び隔壁（絶縁層）３７４を覆う有機化合物を含む層３６２ａと、第２の導電層３６３ａとを有する。なお、第１の導電層の一部を覆う隔壁（絶縁層）３７４が形成される。また、記憶素子３５２ｂは、絶縁層２５２上に形成される第１の導電層３６１と、第１の導電層３６１、及び隔壁（絶縁層）３７４を覆う有機化合物を含む層３６２ｂと、第２の導電層３６３ｂとを有する。なお、第１の導電層の一部を覆う隔壁（絶縁層）３７４が形成される。
【０２００】
また、第２の導電層３６３ａ、３６３ｂ及びアンテナとして機能する導電層３５３を覆って保護膜として機能する絶縁層３６６が形成されている。また、記憶素子部３５２が形成される第１の導電層３６１は、トランジスタ４５２の配線に接続する。また、記憶素子部３５２は上記実施の形態で示した記憶素子と同様の材料または作製方法を用いて形成することができる。
【０２０１】
また、記憶素子部３５２において、上記実施の形態で示したように、第１の導電層３６１と有機化合物を含む層３６２ａ、３６２ｂとの間、または有機化合物を含む層３６２ａ、３６２ｂと第２の導電層３６３ａ、３６３ｂとの間に整流性を有する素子を設けてもよい。整流性を有する素子は、実施の形態７で上述したものを用いることが可能である。
【０２０２】
ここでは、アンテナとして機能する導電層３５３は第２の導電層３６３ａ、３６３ｂと同一の層で形成された導電層３６０上に設けられている。なお、第２の導電層３６３ａ、３６３ｂと同一の層でアンテナとして機能する導電層を形成してもよい。アンテナとして機能する導電層３５３はトランジスタ４５１のソース配線又はドレイン配線に接続する。
【０２０３】
アンテナとして機能する導電層３５３の材料としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）等から選ばれた一種の元素または当該元素を複数含む合金等を用いることができる。また、アンテナとして機能する導電層３５３の形成方法は、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ法、スクリーン印刷やグラビア印刷等の各種印刷法または液滴吐出法等を用いることができる。
【０２０４】
トランジスタを有する層３５１に含まれるトランジスタ４５１、４５２は、実施の形態８で示すトランジスタ２４０、２６２を適宜用いることができる。
【０２０５】
また、基板上に剥離層、トランジスタを有する層３５１、記憶素子部３５２、及びアンテナとして機能する導電層３５３を形成し、実施の形態８に示す剥離方法を適宜用いてトランジスタを有する層３５１、記憶素子部３５２、及びアンテナとして機能する導電層３５３を剥離し、可撓性を有する基板上に接着層を用いて貼り付けてもよい。可撓性を有する基板としては、実施の形態１の基板３０で示した熱可塑性樹脂層フィルム、繊維質な材料からなる紙、基材フィルム等を用いることで、記憶装置の小型、薄型、軽量化を図ることが可能である。
【０２０６】
図１８（Ｂ）にアクティブマトリクス型の記憶装置を有する半導体装置の一例を示す。なお、図１８（Ｂ）については、図１８（Ａ）と異なる部分に関して説明する。
【０２０７】
図１８（Ｂ）に示す半導体装置は、基板３５０上にトランジスタ４５１、４５２を有する層３５１と、トランジスタを有する層３５１の上方に記憶素子部３５６及びアンテナとして機能する導電層３５３とを有する。なお、ここではトランジスタ４５１と同一の層に記憶素子部３５６のスイッチング素子として機能するトランジスタ４５２を有し、トランジスタを有する層３５１の上方に記憶素子部３５６及びアンテナ機能する導電層３５３を有する場合を示しているが、この構成に限られずトランジスタを有する層３５１の上方や下方に有してもよいし、記憶素子部３５６やアンテナ機能する導電層３５３を、トランジスタを有する層３５１の下方や同一の層に有しても可能である。
【０２０８】
記憶素子部３５６は、記憶素子３５６ａ、３５６ｂで構成される。記憶素子３５６ａは、絶縁層２５２上に形成される第１の導電層３７１ａと、第１の導電層３７１ａ、及び隔壁（絶縁層）３７４を覆う有機化合物を含む層３７２と、第２の導電層３７３とを有する。なお、第１の導電層３７１ａの一部を覆う隔壁（絶縁層）３７４が形成される。記憶素子３５６ｂは、絶縁層２５２上に形成される第１の導電層３７１ｂと、第１の導電層３７１ｂ、及び隔壁（絶縁層）３７４を覆う有機化合物を含む層３７２と、第２の導電層３７３とを有する。なお、第１の導電層３７１ｂの一部を覆う隔壁（絶縁層）３７４が形成される。また、ここでは、トランジスタそれぞれの配線に、第１の導電層３７１ａ、第１の導電層３７１ｂが接続されている。すなわち、記憶素子はそれぞれひとつのトランジスタに接続されている。
【０２０９】
なお、記憶素子３５６ａ、３５６ｂは上記実施の形態１乃至７で示した材料または作製方法を用いて形成することができる。また、記憶素子３５６ａ、３５６ｂにおいても、上述したように、第１の導電層３７１ａ、３７１ｂと有機化合物を含む層３７２との間、または有機化合物を含む層３７２と第２の導電層３７３との間に整流性を有する素子を設けてもよい。
【０２１０】
また、トランジスタを有する層３５１に形成される導電層、記憶素子部３５６に形成される導電層、アンテナとして機能する導電層３５３は、上述したように蒸着、スパッタ法、ＣＶＤ法、印刷法または液滴吐出法等を用いて形成することができる。なお、各場所によって異なる方法を用いて形成してもかまわない。
【０２１１】
基板上に剥離層、トランジスタを有する層３５１、記憶素子部３５６、及びアンテナとして機能する導電層３５３を形成し、実施の形態８に示す剥離方法を適宜用いてトランジスタを有する層３５１、記憶素子部３５６、及びアンテナとして機能する導電層３５３を剥離し、可撓性を有する基板上に接着層を用いて貼り付けてもよい。
【０２１２】
なお、トランジスタに接続するセンサを設けてもよい。センサとしては、温度、湿度、照度、ガス（気体）、重力、圧力、音（振動）、加速度、その他の特性を物理的又は化学的手段により検出する素子が挙げられる。センサは、代表的には抵抗素子、容量結合素子、誘導結合素子、光起電力素子、光電変換素子、熱起電力素子、トランジスタ、サーミスタ、ダイオードなどの素子で形成される。
【０２１３】
次に、トランジスタを有する層、トランジスタに接続する端子部、および記憶素子を有する第１の基板と、当該端子部に接続されるアンテナが形成された第２の基板とを有する半導体装置の一構成例に関して図１９を用いて説明する。なお、図１９に関しては図１８と異なる部分に関して説明を行う。
【０２１４】
図１９（Ａ）はパッシブマトリクス型の記憶装置を有する半導体装置を示している。半導体装置は、基板３５０上に形成されたトランジスタを有する層３５１と、トランジスタを有する層３５１の上方に形成される記憶素子部３５２と、トランジスタ４５１に接続する接続端子３６８と、アンテナとして機能する導電層３５７が形成された基板３６５とを有し、導電層３５７及び接続端子３６８は導電性粒子により接続している。なお、ここではトランジスタを有する層３５１の上方に記憶素子部３５２を設けた場合を示しているが、この構成に限られず記憶素子部３５２を、トランジスタを有する層３５１の下方や同一の層に有してもよい。
【０２１５】
記憶素子部３５２は、図１８（Ａ）に示す構成の記憶素子部３５２で構成することができる。
【０２１６】
また、トランジスタを有する層３５１と記憶素子部３５２とを含む基板と、アンテナとして機能する導電層３５７が設けられた基板３６５は、接着性を有する樹脂３７５により貼り合わされている。そして、トランジスタを有する層３５１と導電層３５７とは樹脂３７５中に含まれる導電性粒子３５９を介して電気的に接続されている。また、銀ペースト、銅ペースト、カーボンペースト等の導電性接着剤や半田接合を行う方法を用いてトランジスタを有する層３５１と記憶素子部３５２を有する基板３５０と、アンテナとして機能する導電層３５７が設けられた基板３６５とを貼り合わせてもよい。
【０２１７】
図１９（Ｂ）は実施の形態９に示した記憶装置が設けられた半導体装置を示しており、基板３５０上に形成されたトランジスタ４５１、４５２を含むトランジスタを有する層３５１と、トランジスタを有する層３５１の上方に形成される記憶素子部３５６と、トランジスタ４５１に接続する接続端子３６８と、アンテナとして機能する導電層３５７が形成された基板３６５とを有し、導電層３５７及び接続端子は導電性粒子により接続している。なお、ここではトランジスタを有する層３５１においてトランジスタ４５１と同一の層にトランジスタ４５２を有し、トランジスタを有する層３５１の上方にアンテナとして機能する導電層３５７を有する場合を示しているが、この構成に限られず記憶素子部３５６をトランジスタを有する層３５１の下方や同一の層に有してもよい。
【０２１８】
記憶素子部３５６は、図１８（Ｂ）に示す構成の記憶素子３５６ａ、３５６ｂで構成することができる。
【０２１９】
また、図１９（Ｂ）においてもトランジスタを有する層３５１と記憶素子部３５６を有する基板３５０と、アンテナとして機能する導電層３５７が設けられた基板３６５は、導電性粒子３５９を含む樹脂３７５により貼り合わせられる。また、導電層３５７及び接続端子は導電性粒子により接続している。
【０２２０】
また、基板上に剥離層、トランジスタを有する層３５１、記憶素子部３５６を形成し、実施の形態９に示す剥離方法を適宜用いてトランジスタを有する層３５１、記憶素子部３５６を剥離し、可撓性を有する基板４６１上に接着層を用いて貼り付けてもよい。
【０２２１】
さらには、記憶素子部３５２、３５６を、アンテナとして機能する導電層が設けられた基板３６５に設けてもよい。すなわち、トランジスタを有する層が形成される第１の基板と、記憶素子部及びアンテナとして機能する導電層が形成される第２の基板とを、導電性粒子を含む樹脂により貼り合わせてもよい。また、図１８（Ａ）及び（Ｂ）に示す半導体装置と同様に、トランジスタに接続するセンサを設けてもよい。
【０２２２】
なお、本実施の形態は、上記実施の形態と自由に組み合わせて行うことができる。
【０２２３】
（実施の形態１１）
本実施の形態では、実施の形態１乃至６に示す記憶素子、実施の形態８及び９に示す記憶装置、及び実施の形態１０に示す半導体装置に用いることが可能な発光材料について、以下に示す。
【０２２４】
実施の形態５及び６に示す発光素子部に、発光材料として無機化合物を用いた発光素子を用いることができる。代表的には、エレクトロルミネッセンスを利用した無機ＥＬ素子がある。
【０２２５】
無機ＥＬ素子は、その素子構成により、分散型無機ＥＬ素子と薄膜型無機ＥＬ素子とに分類される。前者は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた電界発光層を有し、後者は、発光材料の薄膜からなる電界発光層を有している点に違いはあるが、高電界で加速された電子を必要とする点では共通である。なお、得られる発光のメカニズムとしては、ドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−アクセプター再結合型発光と、金属イオンの内殻電子遷移を利用する局在型発光とがある。一般的に、分散型無機ＥＬではドナー−アクセプター再結合型発光、薄膜型無機ＥＬ素子では局在型発光である場合が多い。
【０２２６】
本実施の形態で用いることのできる発光材料は、母体材料と発光中心となる不純物元素とで構成される。含有させる不純物元素を変化させることで、様々な色の発光を得ることができる。発光材料の作製方法としては、固相法や液相法（共沈法）などの様々な方法を用いることができる。また、噴霧熱分解法、複分解法、プレカーサーの熱分解反応による方法、逆ミセル法やこれらの方法と高温焼成を組み合わせた方法、凍結乾燥法などの液相法なども用いることができる。
【０２２７】
固相法は、母体材料と、不純物元素又は不純物元素を含む化合物を秤量し、乳鉢で混合、電気炉で加熱、焼成を行い反応させ、母体材料に不純物元素を含有させる方法である。焼成温度は、７００〜１５００℃が好ましい。温度が低すぎる場合は固相反応が進まず、温度が高すぎる場合は母体材料が分解してしまうからである。なお、粉末状態で焼成を行ってもよいが、ペレット状態で焼成を行うことが好ましい。比較的高温での焼成を必要とするが、簡単な方法であるため、生産性がよく大量生産に適している。
【０２２８】
液相法（共沈法）は、母体材料又は母体材料を含む化合物と、不純物元素又は不純物元素を含む化合物を溶液中で反応させ、乾燥させた後、焼成を行う方法である。発光材料の粒子が均一に分布し、粒径が小さく低い焼成温度でも反応が進むことができる。
【０２２９】
発光材料に用いる母体材料としては、硫化物、酸化物、窒化物を用いることができる。硫化物としては、例えば、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、硫化カルシウム（ＣａＳ）、硫化イットリウム（Ｙ２Ｓ３）、硫化ガリウム（Ｇａ２Ｓ３）、硫化ストロンチウム（ＳｒＳ）、硫化バリウム（ＢａＳ）等を用いることができる。また、酸化物としては、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）等を用いることができる。また、窒化物としては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）等を用いることができる。さらに、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）等も用いることができ、硫化カルシウム−ガリウム（ＣａＧａ２Ｓ４）、硫化ストロンチウム−ガリウム（ＳｒＧａ２Ｓ４）、硫化バリウム−ガリウム（ＢａＧａ２Ｓ４）、等の３元系の混晶であってもよい。
【０２３０】
局在型発光の発光中心として、マンガン（Ｍｎ）、銅（Ｃｕ）、サマリウム（Ｓｍ）、テルビウム（Ｔｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジウム（Ｐｒ）などを用いることができる。なお、電荷補償として、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）などのハロゲン元素が添加されていてもよい。
【０２３１】
一方、ドナー−アクセプター再結合型発光の発光中心として、ドナー準位を形成する第１の不純物元素及びアクセプター準位を形成する第２の不純物元素を含む発光材料を用いることができる。第１の不純物元素は、例えば、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、タリウム（Ｔｌ）等を用いることができる。第２の不純物元素としては、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）などの金属元素、珪素（Ｓｉ）等を用いることができる。
【０２３２】
ドナー−アクセプター再結合型発光の発光材料を固相法を用いて合成する場合、母体材料と、第１の不純物元素又は第１の不純物元素を含む化合物と、第２の不純物元素又は第２の不純物元素を含む化合物をそれぞれ秤量し、乳鉢で混合した後、電気炉で加熱、焼成を行う。母体材料としては、上述した母体材料を用いることができ、第１の不純物元素又は第１の不純物元素を含む化合物としては、例えば、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、硫化アルミニウム（Ａｌ２Ｓ３）等を用いることができ、第２の不純物元素又は第２の不純物元素を含む化合物としては、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、硫化銅（Ｃｕ２Ｓ）、硫化銀（Ａｇ２Ｓ）等を用いることができる。焼成温度は、７００〜１５００℃が好ましい。温度が低すぎる場合は固相反応が進まず、温度が高すぎる場合は母体材料が分解してしまうからである。なお、粉末状態で焼成を行ってもよいが、ペレット状態で焼成を行うことが好ましい。
【０２３３】
また、固相反応を利用する場合の不純物元素として、第１の不純物元素と第２の不純物元素で構成される化合物を組み合わせて用いてもよい。この場合、不純物元素が拡散されやすく、固相反応が進みやすくなるため、均一な発光材料を得ることができる。さらに、余分な不純物元素が入らないため、純度の高い発光材料が得ることができる。第１の不純物元素と第２の不純物元素で構成される化合物としては、例えば、フッ化銅（ＣｕＦ２）、塩化銅（ＣｕＣｌ）、ヨウ化銅（ＣｕＩ）、臭化銅（ＣｕＢｒ）、窒化銅（Ｃｕ３Ｎ）、リン化銅（Ｃｕ３Ｐ）、フッ化銀（ＡｇＦ）、塩化銀（ＡｇＣｌ）、ヨウ化銀（ＡｇＩ）、臭化銀（ＡｇＢｒ）、塩化金（ＡｕＣｌ３）、臭化金（ＡｕＢｒ３）、塩化白金（ＰｔＣｌ２）等を用いることができる。
【０２３４】
なお、これらの不純物元素の濃度は、母体材料に対して０．０１〜１０ａｔｏｍ％であればよく、好ましくは０．０５〜５ａｔｏｍ％の範囲である。
【０２３５】
また、ドナー−アクセプター再結合型発光の発光中心を有する発光材料に、第３の不純物元素を含む発光材料を用いてもよい。第３の不純物元素は、例えば、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）などを用いることができる。この場合、第３の不純物元素の濃度は、母体材料に対して０．０５〜５ａｔｏｍ％であることが好ましい。このような構成の発光材料では、低電圧での発光が可能となる。よって、低駆動電圧で発光可能な発光素子を得ることができ、消費電力が低減された発光素子を得ることができる。また、さらに上述した局在型発光の発光中心となる不純物元素が含まれていてもよい。
【０２３６】
このような発光材料として、例えば、母体材料としてＺｎＳ、第１の不純物元素としてＣｌ、第２の不純物元素としてＣｕ、第３の不純物元素してＧａ及びＡｓを含み、さらに局在型発光の発光中心としてＭｎを含む発光材料を用いることも可能である。このような発光材料を形成するには、以下に示す方法を用いることができる。発光材料（ＺｎＳ：Ｃｕ，Ｃｌ）にＭｎを加え、真空中で２〜４時間程度焼成する。焼成温度は７００〜１５００℃であることが好ましい。この焼成したものを粉砕して粒径５〜２０μｍにし、粒径１〜３μｍのＧａＡｓを加え撹拌する。この混合物を硫黄ガスを含む窒素気流中で約５００〜８００℃で２〜４時間焼成することにより、発光材料を得ることができる。この発光材料を用いて、蒸着法などにより薄膜を形成することにより、発光素子の発光層として用いることができる。
【０２３７】
母体材料として、上述した材料を用い、上述した第一の不純物元素及び第二の不純物元素及び第三の不純物元素を含む発光材料を用いた発光層は、高電界により加速されたホットエレクトロンを必要とすることなく、発光することが可能である。つまり、発光素子に高電圧を印加する必要がなくなるため、低駆動電圧で動作可能な発光素子を得ることができる。また、低駆動電圧で発光可能であるため、消費電力も低減された発光素子を得ることができる。また、さらに他の発光中心となる元素が含まれていてもよい。
【０２３８】
また、無機ＥＬ素子は、母体材料として上述した材料を用い、第二の不純物元素及び第三の不純物元素及び上述した金属イオンの内殻電子遷移を利用した発光中心を含む発光材料を用いることができる。この場合、発光中心となる金属イオンは、母体材料に対して０．０５〜５ａｔｏｍｉｃ％であることが好ましい。また、第二の不純物元素の濃度は、母体材料に対して０．０５〜５ａｔｏｍｉｃ％であることが好ましい。また、第三の不純物元素の濃度は、母体材料に対して０．０５〜５ａｔｏｍｉｃ％であることが好ましい。このような構成の発光材料は、低電圧で発光可能である。よって、低駆動電圧で発光可能な発光素子を得ることができるため、消費電力が低減された発光素子を得ることができる。また、さらに他の発光中心となる元素が含まれていてもよい。
【０２３９】
薄膜型無機ＥＬの場合、電界発光層は、上記発光材料を含む層であり、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着（ＥＢ蒸着）法等の真空蒸着法、スパッタリング法等の物理気相成長法（ＰＶＤ）、有機金属ＣＶＤ法、ハイドライド輸送減圧ＣＶＤ法等の化学気相成長法（ＣＶＤ）、原子エピタキシ法（ＡＬＥ）等を用いて形成することができる。
【０２４０】
図２６（Ａ）乃至（Ｃ）に発光素子として用いることのできる薄膜型無機ＥＬ素子の一例を示す。図２６（Ａ）乃至（Ｃ）において、発光素子は、第１の導電層５０、電界発光層５２、透光性を有する導電層５３を含む。
【０２４１】
図２６（Ｂ）及び図２６（Ｃ）に示す発光素子は、図２６（Ａ）の発光素子において、電極層と電界発光層間に絶縁層を設ける構造である。図２６（Ｂ）に示す発光素子は、第１の導電層５０と電界発光層５２との間に絶縁層５４を有し、図２６（Ｃ）に示す発光素子は、第１の導電層５０と電界発光層５２との間に絶縁層５４ａ、透光性を有する導電層５３と電界発光層５２との間に絶縁層５４ｂとを有している。このように絶縁層は電界発光層を狭持する一対の電極層のうち一方の間にのみ設けてもよいし、両方の間に設けてもよい。また絶縁層は単層でもよいし複数層からなる積層でもよい。
【０２４２】
また、図２６（Ｂ）では第１の導電層５０に接するように絶縁層５４が設けられているが、絶縁層と電界発光層の順番を逆にして、透光性を有する導電層５３に接するように絶縁層５４を設けてもよい。
【０２４３】
分散型無機ＥＬの場合、粒子状の発光材料をバインダ中に分散させ膜状の電界発光層を形成する。発光材料の作製方法によって、十分に所望の大きさの粒子が得られない場合は、乳鉢等で粉砕などによって粒子状に加工すればよい。バインダとは、粒状の発光材料を分散した状態で固定し、電界発光層としての形状に保持するための物質である。発光材料は、バインダによって電界発光層中に均一に分散し固定される。
【０２４４】
分散型無機ＥＬの場合、電界発光層の形成方法は、選択的に電界発光層を形成できる液滴吐出法や、印刷法（スクリーン印刷やオフセット印刷など）、スピンコート法などの塗布法、ディッピング法、ディスペンサ法などを用いることもできる。膜厚は特に限定されることはないが、好ましくは、１０〜１０００ｎｍの範囲である。また、発光材料及びバインダを含む電界発光層において、発光材料の割合は５０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下とするよい。
【０２４５】
図２７（Ａ）乃至（Ｃ）に発光素子として用いることのできる分散型無機ＥＬ素子の一例を示す。図２７（Ａ）における発光素子は、第１の導電層６０、電界発光層６２、透光性を有する導電層６３の積層構造を有し、電界発光層６２中にバインダによって保持された発光材料６１を含む。
【０２４６】
本実施の形態に用いることのできるバインダとしては、絶縁材料を用いることができ、有機材料や無機材料を用いることができ、有機材料及び無機材料の混合材料を用いてもよい。有機絶縁材料としては、シアノエチルセルロース系樹脂のように、比較的誘電率の高いポリマーや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン系樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フッ化ビニリデンなどの樹脂を用いることができる。また、芳香族ポリアミド、ポリベンゾイミダゾール（ｐｏｌｙｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ）などの耐熱性高分子、又はシロキサン樹脂を用いてもよい。なお、シロキサン樹脂とは、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサンは、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）との結合で骨格構造が構成される。置換基として、少なくとも水素を含む有機基（例えばアルキル基、芳香族炭化水素）が用いられる。置換基として、フルオロ基を用いてもよい。または置換基として、少なくとも水素を含む有機基と、フルオロ基とを用いてもよい。また、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールなどのビニル樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、オキサゾール樹脂（ポリベンゾオキサゾール）等の樹脂材料を用いてもよい。また光硬化型樹脂材料などを用いることができる。これらの樹脂に、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）やチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）などの高誘電率の微粒子を適度に混合して誘電率を調整することもできる。
【０２４７】
バインダに含まれる無機絶縁材料としては、酸化珪素（ＳｉＯｘ）、窒化珪素（ＳｉＮｘ）、酸素及び窒素を含む珪素、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸素及び窒素を含むアルミニウムまたは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、ニオブ酸鉛（ＰｂＮｂＯ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、タンタル酸バリウム（ＢａＴａ２Ｏ６）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、ＺｎＳその他の無機絶縁性材料を含む物質から選ばれた材料で形成することができる。有機材料に、誘電率の高い無機材料を含ませる（添加等によって）ことによって、発光材料及びバインダよりなる電界発光層の誘電率をより制御することができ、より誘電率を大きくすることができる。
【０２４８】
作製工程において、発光材料はバインダを含む溶液中に分散されるが本実施の形態に用いることのできるバインダを含む溶液の溶媒としては、バインダ材料が溶解し、電界発光層を形成する方法（各種ウエットプロセス）及び所望の膜厚に適した粘度の溶液を作製できるような溶媒を適宜選択すればよい。有機溶媒等を用いることができ、例えばバインダとしてシロキサン樹脂を用いる場合は、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡともいう）、３−メトシキ−３メチル−１−ブタノール（ＭＭＢともいう）などを用いることができる。
【０２４９】
図２７（Ｂ）及び図２７（Ｃ）に示す発光素子は、図２７（Ａ）の発光素子において、電極層と電界発光層間に絶縁層を設ける構造である。図２７（Ｂ）に示す発光素子は、第１の導電層６０と電界発光層６２との間に絶縁層６４を有し、図２７（Ｃ）に示す発光素子は、第１の導電層６０と電界発光層６２との間に絶縁層６４ａ、透光性を有する導電層６３と電界発光層６２との間に絶縁層６４ｂとを有している。このように絶縁層は電界発光層を狭持する一対の電極層のうち一方の間にのみ設けてもよいし、両方の間に設けてもよい。また絶縁層は単層でもよいし複数層からなる積層でもよい。
【０２５０】
また、図２７（Ｂ）では第１の導電層６０に接するように絶縁層６４が設けられているが、絶縁層と電界発光層の順番を逆にして、透光性を有する導電層６３に接するように絶縁層６４を設けてもよい。
【０２５１】
図２６における第１の導電層５０、透光性を有する導電層５３、図２７における第１の導電層６０、透光性を有する導電層６３は、実施の形態５及び６に示す第１の導電層１０１、透光性を有する導電層１４１を適宜用いることができる。
【０２５２】
図２６における絶縁層５４、図２７における絶縁層６４のような絶縁層は、特に限定されることはないが、絶縁耐性が高く、緻密な膜質であることが好ましく、さらには、誘電率が高いことが好ましい。例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等やこれらの混合膜又は２種以上の積層膜を用いることができる。これらの絶縁膜は、スパッタリング、蒸着、ＣＶＤ等により成膜することができる。また、絶縁層はこれら絶縁材料の粒子をバインダ中に分散して成膜してもよい。バインダ材料は、電界発光層に含まれるバインダと同様な材料、方法を用いて形成すればよい。膜厚は特に限定されることはないが、好ましくは１０〜１０００ｎｍの範囲である。
【０２５３】
さらには、実施の形態１乃至４に示す発光材料として、上記母体材料及び発光中心となる不純物元素適宜を用いることができる。
【０２５４】
本実施の形態で示す発光素子は、電界発光層を狭持する一対の電極層間に電圧を印加することで発光が得られるが、直流駆動又は交流駆動のいずれにおいても動作することができる。
【実施例１】
【０２５５】
ここで、本実施例の半導体装置の構成について、図２２を参照して説明する。図２２（Ａ）に示すように、本実施例の半導体装置２０は、非接触でデータを交信する機能を有し、電源回路１１、クロック発生回路１２、データ復調／変調回路１３、他の回路を制御する制御回路１４、インターフェイス回路１５、記憶装置１６、バス１７、アンテナ１８を有する。
【０２５６】
また、図２２（Ｂ）に示すように、本実施例の半導体装置２０は、非接触でデータを交信する機能を有し、電源回路１１、クロック発生回路１２、データ復調／変調回路１３、他の回路を制御する制御回路１４、インターフェイス回路１５、記憶装置１６、バス１７、アンテナ１８の他、中央処理ユニット７１を有しても良い。
【０２５７】
また、図２２（Ｃ）に示すように、本実施例の半導体装置２０は、非接触でデータを交信する機能を有し、電源回路１１、クロック発生回路１２、データ復調／変調回路１３、他の回路を制御する制御回路１４、インターフェイス回路１５、記憶装置１６、バス１７、アンテナ１８、中央処理ユニット７１の他、検出素子７３、検出制御回路７４からなる検出部７２を有しても良い。
【０２５８】
本実施例の半導体装置は、トランジスタを有する層のトランジスタにより、電源回路１１、クロック発生回路１２、データ復調／変調回路１３、他の回路を制御する制御回路１４、インターフェイス回路１５、記憶装置１６、バス１７、アンテナ１８、中央処理ユニット７１の他、検出素子７３、検出制御回路７４からなる検出部７２等を構成することで、小型で多機能を有する半導体装置を形成することが可能である。
【０２５９】
電源回路１１は、アンテナ１８から入力された交流信号を基に、半導体装置２０の内部の各回路に供給する各種電源を生成する回路である。クロック発生回路１２は、アンテナ１８から入力された交流信号を基に、半導体装置２０の内部の各回路に供給する各種クロック信号を生成する回路である。データ復調／変調回路１３は、リーダライタ１９と交信するデータを復調／変調する機能を有する。制御回路１４は、記憶装置１６を制御する機能を有する。アンテナ１８は、電磁波或いは電波の送受信を行う機能を有する。リーダライタ１９は、半導体装置との交信、制御及びそのデータに関する処理を制御する。なお、半導体装置は上記構成に制約されず、例えば、電源電圧のリミッタ回路や暗号処理専用ハードウエアといった他の要素を追加した構成であってもよい。
【０２６０】
記憶装置１６は、実施の形態８または実施の形態９に示す記憶装置から選択される１つ又は複数を有する。有機化合物を含む層を有する記憶素子は、小型化、薄膜化および大容量化を同時に実現することができるため、記憶装置１６を有機化合物を含む層を有する記憶素子で設けることにより、半導体装置の小型化、軽量化を達成することができる。
【０２６１】
検出部７２は、温度、圧力、流量、光、磁気、音波、加速度、湿度、気体成分、液体成分、その他の特性を物理的又は化学的手段により検出することができる。また、検出部７２は、物理量または化学量を検出する検出素子７３と当該検出素子７３で検出された物理量または化学量を電気信号等の適切な信号に変換する検出制御回路７４とを有している。検出素子７３としては、抵抗素子、容量結合素子、誘導結合素子、光起電力素子、光電変換素子、熱起電力素子、トランジスタ、サーミスタ、ダイオード等で形成することができる。なお、検出部７２は複数設けてもよく、この場合、複数の物理量または化学量を同時に検出することが可能である。
【０２６２】
また、ここでいう物理量とは、温度、圧力、流量、光、磁気、音波、加速度、湿度等を指し、化学量とは、ガス等の気体成分やイオン等の液体に含まれる成分等の化学物質等を指す。化学量としては、他にも、血液、汗、尿等に含まれる特定の生体物質（例えば、血液中に含まれる血糖値等）等の有機化合物も含まれる。特に、化学量を検出しようとする場合には、必然的にある特定の物質を選択的に検出することになるため、あらかじめ検出素子７３に検出したい物質と選択的に反応する物質を設けておく。例えば、生体物質の検出を行う場合には、検出素子７３に検出させたい生体物質と選択的に反応する酵素、抗体分子または微生物細胞等を高分子等に固定化して設けておくことが好ましい。
【実施例２】
【０２６３】
本実施例により無線チップとして機能する半導体装置２０を形成することができる。無線チップの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類（運転免許証や住民票等、図２４（Ａ）参照）、包装用容器類（包装紙やボトル等、図２４（Ｃ）参照）、記録媒体（ＤＶＤソフトやビデオテープ等、図２４（Ｂ）参照）、乗物類（自転車等、図２４（Ｄ）参照）、身の回り品（鞄や眼鏡等）、食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、電子機器等の商品や荷物の荷札（図２４（Ｅ）、図２４（Ｆ）参照）等の物品に設けて使用することができる。電子機器とは、液晶表示装置、ＥＬ表示装置、テレビジョン装置（単にテレビ、テレビ受像機、テレビジョン受像機とも呼ぶ）及び携帯電話等を指す。
【０２６４】
本実施例の半導体装置２０は、プリント基板に実装したり、表面に貼ったり、埋め込んだりして、物品に固定される。例えば、本なら紙に埋め込んだり、有機樹脂からなるパッケージなら当該有機樹脂に埋め込んだりして、各物品に固定される。本実施例の半導体装置２０は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後も、その物品自体のデザイン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類等に本実施例の半導体装置２０を設けることにより、認証機能を設けることができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、電子機器等に本実施例の半導体装置を設けることにより、検品システム等のシステムの効率化を図ることができる。
【０２６５】
次に、本実施例の半導体装置を実装した電子機器の一態様について図面を参照して説明する。ここで例示する電子機器は携帯電話機であり、筐体２７００、２７０６、パネル２７０１、ハウジング２７０２、プリント配線基板２７０３、操作ボタン２７０４、バッテリ２７０５を有する（図２３参照）。パネル２７０１はハウジング２７０２に脱着自在に組み込まれ、ハウジング２７０２はプリント配線基板２７０３に嵌着される。ハウジング２７０２はパネル２７０１が組み込まれる電子機器に合わせて、形状や寸法が適宜変更される。プリント配線基板２７０３には、パッケージングされた複数の半導体装置が実装されており、このうちの１つとして、本実施例の半導体装置２０を用いることができる。プリント配線基板２７０３に実装される複数の半導体装置は、コントローラ、中央処理ユニット（ＣＰＵ、Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリ、電源回路、音声処理回路、送受信回路等のいずれかの機能を有する。
【０２６６】
パネル２７０１は、接続フィルム２７０８を介して、プリント配線基板２７０３と接続される。上記のパネル２７０１、ハウジング２７０２、プリント配線基板２７０３は、操作ボタン２７０４やバッテリ２７０５と共に、筐体２７００、２７０６の内部に収納される。パネル２７０１が含む画素領域２７０９は、筐体２７００に設けられた開口窓から視認できるように配置されている。
【０２６７】
上記の通り、本実施例の半導体装置は、小型、薄型、軽量であることを特徴としており、上記特徴により、電子機器の筐体２７００、２７０６内部の限られた空間を有効に利用することができる。
【０２６８】
また、本実施例の半導体装置は、外部からの電圧印加により変化する有機化合物を含む層が一対の導電層間に挟まれた単純な構造の記憶素子を有するため、安価な半導体装置を用いた電子機器を提供することができる。また、本実施例の半導体装置は高集積化が容易なため、大容量の記憶装置を有する半導体装置を用いた電子機器を提供することができる。
【０２６９】
また、本実施例の半導体装置が有する記憶装置は、外部からの電圧印加によりデータの書込みを行うものであり、不揮発性であって、データの追記が可能であることを特徴とする。上記特徴により、書き換えによる偽造を防止することができ、新たなデータを追加して書込むことができる。従って、高機能化と高付加価値化を実現した半導体装置を用いた電子機器を提供することができる。
【０２７０】
なお、筐体２７００、２７０６は、携帯電話機の外観形状を一例として示したものであり、本実施例に係る電子機器は、その機能や用途に応じて様々な態様に変容しうる。
【図面の簡単な説明】
【０２７１】
【図１】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図２】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図３】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図４】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図５】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図６】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図７】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図８】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図９】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図１０】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図１１】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図１２】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図１３】本発明の記憶素子を説明する断面図。
【図１４】本発明の記憶装置を説明する図。
【図１５】本発明の記憶装置を説明する上面図及び断面図。
【図１６】本発明の記憶装置を説明する図。
【図１７】本発明の記憶装置を説明する上面図及び断面図。
【図１８】本発明の半導体装置を説明する断面図。
【図１９】本発明の半導体装置を説明する断面図。
【図２０】本発明の半導体装置を説明する断面図。
【図２１】記憶素子、抵抗素子の電流電圧特性を説明する図。
【図２２】本発明の半導体装置の構成例を説明する図。
【図２３】本発明の半導体装置を有する電子機器を説明する図。
【図２４】本発明の半導体装置の使用形態について説明する図。
【図２５】本発明に適応可能な薄膜トランジスタを説明する断面図。
【図２６】本発明に適応可能な発光素子を説明する断面図。
【図２７】本発明に適応可能な発光素子を説明する断面図。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電層と、第２の導電層と、前記第１の導電層及び前記第２の導電層の間に形成され、且つ、光増感酸化還元剤、及び前記光増感酸化還元剤により光増感酸化還元反応する基質を有する有機化合物を含む層とを有する記憶素子を有することを特徴とする記憶装置。
【請求項２】
請求項１において、前記光増感酸化還元剤は、前記第１の導電層及び前記第２の導電層に電圧を印加して発生する正孔と電子との再結合によるエネルギーにより励起状態となり、前記励起状態の光増感酸化還元剤により、前記基質の少なくとも一部の光増感酸化還元反応が生じ、前記基質と導電率の異なる反応生成物が生成されることを特徴とする記憶装置。
【請求項３】
第１の導電層と、第２の導電層と、前記第１の導電層及び前記第２の導電層の間に形成され、且つ、発光性を有する材料、光増感酸化還元剤、及び前記光増感酸化還元剤により少なくとも一部が光増感酸化還元反応する基質を有する有機化合物を含む層とを有する記憶素子を有することを特徴とする記憶装置。
【請求項４】
請求項３において、前記有機化合物を含む層は、発光性を有する材料で形成される層と、光増感酸化還元剤および基質で形成される層とを積層して形成されることを特徴とする記憶装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４において、前記光増感酸化還元剤は、前記第１の導電層及び前記第２の導電層に電圧を印加して発生する正孔及び電子が、前記発光性を有する材料において再結合することにより生じる発光エネルギーにより励起状態となり、前記励起状態の光増感酸化還元剤により前記基質の少なくとも一部の光増感酸化還元反応が生じ、前記基質と導電率の異なる反応生成物が生成されることを特徴とする記憶装置。
【請求項６】
第１の導電層、透光性を有する第２の導電層、及び第３の導電層と、
前記第１の導電層及び透光性を有する前記第２の導電層の間において、発光性を有する材料で形成される第１の有機化合物を含む層と、
前記透光性を有する第２の導電層及び前記第３の導電層の間において、光増感酸化還元剤及び前記光増感酸化還元剤により少なくとも一部が光増感酸化還元反応する基質を有する第２の有機化合物を含む層とを有する記憶素子を有することを特徴とする記憶装置。
【請求項７】
請求項６において、前記光増感酸化還元剤は、前記第１の導電層及び前記透光性を有する第２の導電層に電圧を印加して発生する正孔と電子との再結合によるエネルギーにより励起状態となり、前記励起状態の光増感酸化還元剤により、前記基質の少なくとも一部の光増感酸化還元反応が生じ、前記基質と導電率の異なる反応生成物が生成されることを特徴とする記憶装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、前記第１の導電層又は前記第２の導電層に接続するダイオードを有することを特徴とする記憶装置。
【請求項９】
請求項６乃至請求項８のいずれか一項において、前記第１の導電層又は前記第３の導電層に接続するダイオードを有することを特徴とする記憶装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の記憶素子がマトリクス状に配置されたメモリセルアレイと、書込み回路とを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の記憶素子及びトランジスタで構成されるメモリセルがマトリクス状に配置されたメモリセルアレイと、書込み回路とを有する半導体装置。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれか一項において、
アンテナとして機能する導電層と、前記アンテナとして機能する導電層に電気的に接続するトランジスタとを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
請求項１２において、読出し回路、電源回路、クロック発生回路、データ復調／変調回路、制御回路、及びインターフェイス回路のいずれか一つ以上を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１】
第１の導電層と、第２の導電層と、前記第１の導電層及び前記第２の導電層の間に形成され、且つ、光増感酸化還元剤、及び前記光増感酸化還元剤により光増感酸化還元反応する基質を有する有機化合物を含む層とを有する記憶素子を有することを特徴とする記憶装置。
【請求項２】
請求項１において、前記光増感酸化還元剤は、前記第１の導電層及び前記第２の導電層に電圧を印加して発生する正孔と電子との再結合によるエネルギーにより励起状態となり、前記励起状態の光増感酸化還元剤により、前記基質の少なくとも一部の光増感酸化還元反応が生じ、前記基質と導電率の異なる反応生成物が生成されることを特徴とする記憶装置。
【請求項３】
第１の導電層と、第２の導電層と、前記第１の導電層及び前記第２の導電層の間に形成され、且つ、発光性を有する材料、光増感酸化還元剤、及び前記光増感酸化還元剤により少なくとも一部が光増感酸化還元反応する基質を有する有機化合物を含む層とを有する記憶素子を有することを特徴とする記憶装置。
【請求項４】
請求項３において、前記有機化合物を含む層は、発光性を有する材料で形成される層と、光増感酸化還元剤および基質で形成される層とを積層して形成されることを特徴とする記憶装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４において、前記光増感酸化還元剤は、前記第１の導電層及び前記第２の導電層に電圧を印加して発生する正孔及び電子が、前記発光性を有する材料において再結合することにより生じる発光エネルギーにより励起状態となり、前記励起状態の光増感酸化還元剤により前記基質の少なくとも一部の光増感酸化還元反応が生じ、前記基質と導電率の異なる反応生成物が生成されることを特徴とする記憶装置。
【請求項６】
第１の導電層、透光性を有する第２の導電層、及び第３の導電層と、
前記第１の導電層及び透光性を有する前記第２の導電層の間において、発光性を有する材料で形成される第１の有機化合物を含む層と、
前記透光性を有する第２の導電層及び前記第３の導電層の間において、光増感酸化還元剤及び前記光増感酸化還元剤により少なくとも一部が光増感酸化還元反応する基質を有する第２の有機化合物を含む層とを有する記憶素子を有することを特徴とする記憶装置。
【請求項７】
請求項６において、前記光増感酸化還元剤は、前記第１の導電層及び前記透光性を有する第２の導電層に電圧を印加して発生する正孔と電子との再結合によるエネルギーにより励起状態となり、前記励起状態の光増感酸化還元剤により、前記基質の少なくとも一部の光増感酸化還元反応が生じ、前記基質と導電率の異なる反応生成物が生成されることを特徴とする記憶装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、前記第１の導電層又は前記第２の導電層に接続するダイオードを有することを特徴とする記憶装置。
【請求項９】
請求項６乃至請求項８のいずれか一項において、前記第１の導電層又は前記第３の導電層に接続するダイオードを有することを特徴とする記憶装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の記憶素子がマトリクス状に配置されたメモリセルアレイと、書込み回路とを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の記憶素子及びトランジスタで構成されるメモリセルがマトリクス状に配置されたメモリセルアレイと、書込み回路とを有する半導体装置。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれか一項において、
アンテナとして機能する導電層と、前記アンテナとして機能する導電層に電気的に接続するトランジスタとを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
請求項１２において、読出し回路、電源回路、クロック発生回路、データ復調／変調回路、制御回路、及びインターフェイス回路のいずれか一つ以上を有することを特徴とする半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【公開番号】特開２００７−７３９４３（Ｐ２００７−７３９４３Ａ）
【公開日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１５８１６（Ｐ２００６−２１５８１６）
【出願日】平成１８年８月８日（２００６．８．８）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月８日（２００６．８．８）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
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