有機半導体単結晶電界効果トランジスタの低温キャリア伝導度測定

• Project/Area Number: 18028029
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 竹谷 純一 Osaka University, 理学研究科, 准教授 (20371289)
• Project Period (FY): 2006 – 2007
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2007)
• Budget Amount: ¥3,700,000 (Direct Cost: ¥3,700,000); Fiscal Year 2007: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000); Fiscal Year 2006: ¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: 有機電界効果トランジスタ / 電子輸送特性 / 有機単結晶トランジスタ / 微小単結晶 / 電界効果 / ホール効果

Research Abstract

本研究は、有機電界効果トランジスタの最大限の性能を実現する有機単結晶トランジスタを構成し、有機半導体に電界効果注入したキャリアの伝導機構を明らかにするとともに、新物性を発現させるために必須な低温キャリア伝導度測定の手法を開発することを目的とした。18年度には、現在最高移動度の有機単結晶トランジスタを実現したのに続いて、19年度は、キャリアの伝導するチャンネル部分におけるキャリアとラップ準位を更に低減し、これまで150K程度で伝導度が失われていたのに対して、さらに低温でキャリア伝導を可能にすることを計画した。具体的にはキャリア伝導層である有機単半導体とキャリア注入のために加える電界を保持するゲート絶縁層にどちらにも有機単結晶を用いたうえで、有機半導体をゲート絶縁層で上下から挟み込む、ダブルゲート構造の作製を試みた。その結果、ダブルゲートトランジスタの2つゲート電界を調節、結晶表面よりキャリアの散乱が少ない結晶中央部にキャリアを分布させた場合、これまで異常の高移動度が実現することを明らかにした。また、低温伝導度測定を可能にするよう、有機単結晶と同程度の熱収縮率を有するプラスティック基板を用いて、低温において有機単結晶に加わるストレスを最小限にし、さらに、有機単結晶トランジスタ上にアクセプタ分子膜を構成して低温で有効になる低エネルギートラップ準位密度を補完するキャリアを供給する工夫を加えた。その結果、最終的に10Kにおいても導電性が得られた。本研究では、有機単結晶を用いることによって、有機半導体本来のキャリア伝導性能が一般的な有機薄膜多結晶トランジスタよりはるかに高く、その伝導は低温でも本質的には失われないことが明らかになった。有機トランジスタの2次元電子系において、こうしたバンド的な伝導が得られたことは、今後新奇な低次元電子系物質界面に構築する研究の基盤となる。

Research Products

• [Journal Article] High mobility organic single-crystal transistors (2008)
  • Author(s): M., Yamagishi, et. al.
  • Journal Title: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 6 Pages: 21-24
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In-crystal and surface charge transport of electric-field induced carriers in organic semiconductors (2007)
  • Author(s): J., Takeya, et. al.
  • Journal Title: Physical Review Letters 98 Pages: 196804-196804
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Very high mobility organic single crystal transistors with in-crystal conduction channels (2007)
  • Author(s): J., Takeya, et. al.
  • Journal Title: Applied Physics Letters 90 Pages: 102120-102120
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-mobility double-gate organic single-crystal transistors with organic crystal gate insulators (2007)
  • Author(s): M., Yamagishi, et. al.
  • Journal Title: Applied Physics Letters 90 Pages: 182117-182117
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gate dielectric materials for high-mobility organic transistors of molecular semiconductor crystals (2007)
  • Author(s): J., Takeya, et. al.
  • Journal Title: Solid-State Electronics 51 Pages: 1338-1343
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ambipolar light-emitting transistors of a tetracene single crystal (2007)
  • Author(s): T., Takahashi, et. al.
  • Journal Title: Advanced Functional Materials 17 Pages: 1623-1628
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electric-field effects of very high mobility organic single-crystal transistors (2007)
  • Author(s): J., Takeya, et. al.
  • Journal Title: Matereial Research Society Symposium Proceedings 1003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Organic crystal gate insulators for high-mobility organic single-crystal transistors (2007)
  • Author(s): M., Yamagishi, et. al.
  • Journal Title: Matereial Research Society Symposium Proceedings 1003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Field effect transistors of single crystal benzo-annulated fused oligothiop henes and oligoselenophenes (2007)
  • Author(s): Y., Tominari, et. al.
  • Journal Title: Matereial Research Society Symposium Proceedings 1003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Very high mobility organic single crystal transistors with in-crystal conduction channels (2007)
  • Author(s): J.Takeya et al.
  • Journal Title: Applied Physics Letters 90巻9号(in press)
• [Journal Article] Single-crystal field-effect transistors of benzoannulated fused oligothiophenes and oligoselenophenes (2007)
  • Author(s): K.Yamada et al.
  • Journal Title: Applied Physics Letters 90巻7号 Pages: 72102-72102
• [Journal Article] Effect of metal electrodes on rubrene single-crystal transistors (2007)
  • Author(s): T.Takenobu et al.
  • Journal Title: Applied Physics Letters 90巻1号 Pages: 13507-13507
• [Journal Article] Electrolyte-gated charge accumulation in organic single crystals (2006)
  • Author(s): H.Shimotani et al.
  • Journal Title: Applied Physics Letters 89巻20号 Pages: 203501-203501
• [Journal Article] Hall effect in organic single-crystal field-effect transistors (2006)
  • Author(s): J.Takeya et al.
  • Journal Title: Material Research Society Symposium Proceedings 937巻
• [Journal Article] Copper phthalocyanine single-crystal field-effect transistors stable above 100℃ (2006)
  • Author(s): K.Yamada et al.
  • Journal Title: Material Research Society Symposium Proceedings 937巻
• [Journal Article] Organic single crystal transistors : Interface modification with SAMs and double gate structure (2006)
  • Author(s): Y.Iwasa et al.
  • Journal Title: Molecular Crystals ans Liquid Crystals 455巻 Pages: 277-277
• [Presentation] In-crystal and surface carrier transport in organic single crystal transistors (2007)
  • Author(s): J., Takeya
  • Organizer: Alpine Workshop on Organic FET
  • Place of Presentation: Braunwald, Switzerland
  • Year and Date: 2007-12-17
• [Presentation] 有機単結晶トランジスタの高移動度キャリア伝導 (2007)
  • Author(s): 竹谷純一
  • Organizer: 物性研究所短期研究会:物性化学のフロンティア2007
  • Place of Presentation: 東京大学物性研究所
  • Year and Date: 2007-11-20
• [Presentation] High mobility organic single-crystal transistors (2007)
  • Author(s): J., Takeya
  • Organizer: The 9th China-Japan Joint Symposium on Couduction and Photo-conduction in Organic Solids and Related Phenomena
  • Place of Presentation: Beijing, China
  • Year and Date: 2007-10-27
• [Presentation] 微小有機単結晶のための熱伝導率測定用MEMSデバイスの開発 (2007)
  • Author(s): 宇野真由美, 他
  • Organizer: Sensor Symposium
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2007-10-16
• [Presentation] MEMSデバイスを用いた微小な有機単結晶の熱伝導率の測定 (2007)
  • Author(s): 岡田悠悟, 他
  • Organizer: 2007年熱測定学会
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2007-10-02
• [Presentation] 有機半導体単結晶トランジスタの進化 (2007)
  • Author(s): 竹谷純一
  • Organizer: 日本物理学会シンポジウム:有機トランジスタの進化
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2007-09-23
• [Presentation] 高移動度有機単結晶トランジスタ (2007)
  • Author(s): 竹谷純一
  • Organizer: 日本応用物理学会シンポジウム:有機デバイスの物性評価と有機FETの新展開
  • Place of Presentation: 北海道工業大学
  • Year and Date: 2007-09-07
• [Presentation] 日本応用物理学会論文賞受賞記念講演: 有機単結晶トランジスタのホール効果 (2007)
  • Author(s): 竹谷純一
  • Organizer: 2007年秋期 第68回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道工業大学
  • Year and Date: 2007-09-05
• [Presentation] 弾性樹脂を用いた有機半導体単結晶/イオン液体界面の作製と電気二重層トランジスタ (2007)
  • Author(s): 平原律雄, 他
  • Organizer: 2007年秋季 第68回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道工業大学
  • Year and Date: 2007-09-04
• [Presentation] 高移動度有機単結晶トランジスタ特性のホール効果 (2007)
  • Author(s): 西川尚男, 他
  • Organizer: 2007年秋季 第68回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道工業大学
  • Year and Date: 2007-09-04
• [Presentation] 有機結晶フィルムトランジスタ (2007)
  • Author(s): 富成征弘, 他
  • Organizer: 2007年秋季 第68回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道工業大学
  • Year and Date: 2007-09-04
• [Presentation] フッ素系樹脂をゲート絶縁膜に用いた有機単結晶トランジスタの出力特性 (2007)
  • Author(s): 宇野真由美, 他
  • Organizer: 2007年秋季 第68回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道工業大学
  • Year and Date: 2007-09-04
• [Presentation] 有機単結晶トランジスタの半導体結晶表面への化学ドーピング (2007)
  • Author(s): 山岸正和, 他
  • Organizer: 2007年秋季 第68回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道工業大学
  • Year and Date: 2007-09-04
• [Presentation] High mobility organic single-crystal transistors (2007)
  • Author(s): J., Takeya
  • Organizer: International Workshop on Electron Transport through a Linked Molecule in Nano-scale
  • Place of Presentation: Tokyo Univ. Hongo
  • Year and Date: 2007-08-18
• [Presentation] 有機単結晶トランジスタの高移動度キャリア伝導 (2007)
  • Author(s): 竹谷純一
  • Organizer: 東北大学金研研究会:有機トランジスタの学理と応用
  • Place of Presentation: 東北大学金属材料研究所
  • Year and Date: 2007-06-29
• [Presentation] High mobility organic single-crystal transistors (2007)
  • Author(s): J., Takeya, et. al.
  • Organizer: International Workshop, CERC
  • Place of Presentation: Akihabara Convention Center
  • Year and Date: 2007-05-22
• [Presentation] 有機単結晶トランジスタの高移動度キャリア伝導 (2007)
  • Author(s): 竹谷純一
  • Organizer: 電力中央研究所研究会:先端技術の最近のトピックス新しいデバイスの創成へ向けて
  • Place of Presentation: 電力中央研究所
  • Year and Date: 2007-05-18
• [Presentation] 薄膜状有機単結晶の高移動度トランジスタ (2007)
  • Author(s): 竹谷純一
  • Organizer: 高エネルギー加速器研究機構PF研究会
  • Place of Presentation: 高エネルギー加速器研究機構
  • Year and Date: 2007-05-08
• [Presentation] Electric-field effects of high-mobility organic single-crystal transistors (2007)
  • Author(s): J., Takeya, et. al.
  • Organizer: Matereial Research Society, Spring Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco Convention Center
  • Year and Date: 2007-04-09
• [Presentation] Organic crystal gate insulators for high-mobility organic single-crystal transistors (2007)
  • Author(s): M., Yamagishi, et. al.
  • Organizer: Matereial Research Society, Spring Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco Convention Center
  • Year and Date: 2007-04-09
• [Presentation] Field effect transistors of single crystal benzo-annulated fused oligothiophenes and oligoselenophenes (2007)
  • Author(s): Y., Tominari, et. al.
  • Organizer: Matereial Research Society, Spring Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco Convention Center
  • Year and Date: 2007-04-09
• [Presentation] High-mobility organic single-crystal transistors with secondary gates on the source and drain electrodes (2007)
  • Author(s): K., Hara, et. al.
  • Organizer: Matereial Research Society, Spring Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco Convention Center
  • Year and Date: 2007-04-09
• [Remarks] 1
  • URL: http://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/nakazawa/takeya/Top.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 電界効果トランジスタおよび電界効果トランジスタの製造方法 (2008)
  • Inventor(s): 竹谷純一、小野新平
  • Industrial Property Rights Holder: 竹谷純一、小野新平
  • Industrial Property Number: 2008-004630
  • Filing Date: 2008-01-11
• [Patent(Industrial Property Rights)] イオン液体電解質を用いた電界効果トランジスタ (2008)
  • Inventor(s): 竹谷純一、小野新平、関志朗
  • Industrial Property Rights Holder: 竹谷純一、小野新平、関志朗
  • Industrial Property Number: 2008-004629
  • Filing Date: 2008-01-11
• [Patent(Industrial Property Rights)] 有機半導体を用いたホール素子 (2006)
  • Inventor(s): 竹谷純一他
  • Industrial Property Rights Holder: 電力中央研究所
  • Industrial Property Number: 2006-104451
  • Filing Date: 2006-04-05