2020 Fiscal Year Research-status Report
変形下での有機半導体デバイスの電気的性能劣化を引き起こす機械的要因の解明
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19K04093
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| Research Institution | Kagoshima University |
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Principal Investigator |
小金丸 正明 鹿児島大学, 理工学域工学系, 准教授 (20416506)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 有機半導体の機械的応力効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
p型印刷有機薄膜トランジスタ（Organic Thin-film Transistor：OTFT）を対象とし、機械的負荷に起因する電気特性変動（機械的負荷が比較的小さな領域）および電気的破壊（機械的負荷が大きな領域）を実験的に評価した。
機械的負荷が比較的小さな領域での電気特性変動評価では、一般的に評価されている曲げ負荷に加え、面外圧縮負荷下での評価を行った。具体的には、p型有機半導体であるdiF-TES-ADT（2,8-difluoro-5,11-bis (triethylsilyl-ethynyl) anthradithiophene）の伝達特性変化を評価し、異なる負荷様式間での電気特性変動の相関について考察した。
機械的負荷が大きな領域での電気的破壊の評価では、有機エレクトロニクス用印刷Ag配線に対する繰り返し曲げ強度及び寿命の評価を行った。具体的には、有機エレクトロニクス用印刷Ag配線に対し、極限曲げ疲労試験により曲げ幅及び繰り返し数と配線のコンダクタンス変化の関係を評価した。また、レーザー顕微鏡で試験後の配線曲げ部を観察し、コンダクタンス変化と配線に生じる機械的損傷の増加の相関を調べた。次に、機械的負荷がOTFT用ゲート絶縁層の絶縁性能へ及ぼす影響とその要因を実験的に評価した。その際、ゲート絶縁層の絶縁性能にフォーカスするため、ボトムゲート型OTFT構造から半導体層を取り除いた新たな試験体構造を考案した。考案した試験体に1軸引張り荷重を負荷した状態で電気的境界条件を与え、試験体の応力－ひずみ特性とゲート絶縁層の絶縁性能（リーク電流）の関係を評価した。また、負荷試験前後の絶縁層をレーザー顕微鏡で観察し、機械的損傷の有無を調べた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
機械的負荷に起因する電気特性変動評価（機械的負荷が比較的小さな領域）では、曲げ負荷（引張り応力）および面外圧縮負荷のいずれの場合でも、ドレイン電流値が減少することが分かった。面外圧縮負荷においては、曲げ負荷に比較して小さな負荷においても不可逆的な電気特性変動が生じた。この場合、OTFT構造に不可逆的な破壊が生じていることが推察されるが、治具と半導体層の接触状態変化の影響も含め、今後詳細に調査する必要がある。
電気的破壊の評価（機械的負荷が大きな領域）において、有機エレクトロニクス用印刷Ag配線に対する繰り返し曲げ強度及び寿命の評価では、合掌曲げ疲労試験機により繰り返し極限曲げによるコンダクタンス変化を評価した。その結果、配線が曲げの内側となる繰り返し極限曲げでは、曲げのストローク幅が短い方が、導通が取れなくなるまでのサイクル数が長いことが分かった。また、試験片に対する顕微鏡観察の結果、ある繰り返し数で配線幅方向に急激にき裂が増加することにより、コンダクタンスの急激な減少が引き起こされることを明らかにした。次に、機械的負荷がOTFT用ゲート絶縁層の絶縁性能へ及ぼす影響とその要因の評価では、試験体の応力－ひずみ特性とゲート絶縁層の絶縁性能（リーク電流）変化の関係を評価した。また、機械的負荷によるゲート絶縁層の変化（損傷等の有無）を確認するため、負荷試験前後の絶縁層をレーザー顕微鏡で観察した。その結果、機械的負荷によってソース電極－ゲート電極間およびドレイン電極－ゲート電極間の双方の絶縁層で絶縁性能の劣化が生じた際に、OTFT駆動条件下でリーク電流が検出されることが分かった。さらに、レーザー顕微鏡を用いて機械的負荷前後のゲート絶縁層表面を観察した結果、ゲート絶縁層に帯状の塑性変形が生じるひずみ領域において、リーク電流が増加して絶縁性能が劣化することを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
機械的負荷に起因する電気特性変動評価（機械的負荷が比較的小さな領域）については、OTFTの機械的応力による電気特性変化のメカニズム解明のため、単結晶有機半導体を用いた実験を行う予定である。この単結晶有機半導体を用いたOTFT試験片の作製は、物質材料研究機構と連携して行う。単結晶有機半導体を用いたOTFTに対する評価では、粒界等の影響を排除することができ、結晶のひずみがキャリア輸送に及ぼす本来の影響を考察することが可能となる。さらに、半導体層と接する電極の構造（大きさや配置）が異なるOTFT試験片を用いた評価を検討する。これにより、電気特性変動における接触抵抗の影響を評価することができる。以上の結果を踏まえ、最終的にはOTFTの機械的負荷に起因する電気特性変動を引き起こす物理的要因（現象）を明らかにし、電気特性変動（量）をひずみ・応力などの機械工学的指標で整理することを目指す。
電気的破壊の評価（機械的負荷が大きな領域）について、配線材料の信頼性評価では金属配線だけではなく、有機配線やストレッチャブル配線の信頼性評価も実施する。これにより、OTFT用配線の最適設計に供するデータを収集する。また、ゲート絶縁層の絶縁性能評価では、電気的破壊が生じた試験片に対してConductive-AFM観察を実施し、機械的損傷箇所・様相を同定する。さらに、基板材料や絶縁膜材料が異なる試験片で試験を実施し、最終的にはOTFTの絶縁破壊による不可逆な電気的破壊が生じるしきい値を、ひずみ・応力などの機械工学的指標を用いて示すことを目指す。
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