2020 Fiscal Year Research-status Report
有機薄膜トランジスタにおける絶縁膜界面トラップのキャリアイメージング解析
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19K15432
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
松岡 悟志 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (60826535)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 有機電界効果トランジスタ / キャリアイメージング / トラップ密度 / 有機半導体 / 二硫化モリブデン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機電界効果トランジスタ（OFET）は、次世代電子デバイスへの応用が期待され盛んに研究開発が行われている。金属－絶縁体－半導体の積層構造を持つOFETは、有機半導体層内の絶縁層界面近傍に形成されたチャネル領域を電荷キャリアが伝導することで動作する。そのため、有機半導体材料のみならず、絶縁層に用いる誘電体材料または表面に露出する化学官能基に、その電気伝導特性が大きく影響される。特に高撥水・低誘電率のフッ素系ポリマーCytopはキャリアトラップの極小化が可能で、低電圧で高急峻に駆動するOFETが報告されている。本研究では独自の光学評価手法である顕微ゲート変調イメージング（GMI）法による電荷キャリア可視化技術を用いて、OFETの半導体－絶縁層界面状態を系統的に評価し、特性向上や伝導機構に関する新たな知見を得ることを目的としている。
2020年度は、前年度に引き続いて、絶縁層に4種類のポリマー誘電体材料（Cytop、パリレン、PMMA、PVP）や、真空紫外光照射により改質した高撥水性Cytop膜を用いたOFET素子について、電気伝導特性やGMI信号の測定を行い、それらが絶縁層の表面状態に依存し、かつ互いに相関することを明らかにした。
また、近年開発が進められる高性能な有機半導体材料や、層状遷移金属ダイカルコゲナイトである二硫化モリブデン（MoS2）を半導体層に用いたFET素子について新たにGMI測定を行った。前者は比較的広いバンドギャップを持つ透明材料で、紫外光に対応した光学系を準備する必要があり、後者は、グラフェンでよく知られる、機械的剥離による薄層化が容易で、高移動度かつユニークな光物性を示す無機材料である。これらの半導体材料のGMI測定を通して、FETの半導体層内のキャリア挙動についての包括的な理解と、本測定手法の適用可能範囲の模索に取り組んだ。
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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
本年度（2020年度）は、2019年度に引き続きOFETの絶縁層の表面状態に依存したキャリア蓄積状態の観測をGMI法で行うとともに、半導体層として、近年開発された高移動度な有機半導体材料であるベンゾチエノベンゾチオフェン（BTBT）誘導体、ベンゾチエノナフトチオフェン（BTNT）誘導体や、無機材料で遷移金属ダイカルコゲナイトの1種である二硫化モリブデンを用いた素子の測定を行った。本手法が、幅広い波長域で利用可能なことと、有機材料に限らず適用可能であることの実証に取り組んだ。
まず、紫外域に光吸収帯を持つ、透明なBTBTおよびBTNT誘導体を半導体層に用いたOFETについてGMI測定を行った。紫外光に対応した光学系を新たに立ち上げ、これを用いて測定を行った結果、信号強度が想定よりも大幅に小さくなることが分かった。良好な移動度（1 cm2/Vs以上）を示すOFETにおいて、従来の可視域測定ではキャリア輸送特性に伴い信号強度が増加する傾向にあったが、紫外域での測定結果は、従来のものと相反する結果になった。この原因については今後検討する予定である。
次に、無機材料の遷移金属ダイカルコゲナイトの1種であるMoS2を半導体層に用いたFETについてGMI法を適用し、その層数と電荷状態に依存した光学応答変化の測定を行った。MoS2は積層方向の弱い相互作用により機械的剥離法による層数制御が可能であり、これを用いて薄膜FETを作製した。層数に依存したバンド構造変調と光吸収帯の変化、および積層方向の励起子閉じ込め効果による巨大な光学応答を観測した。さらに、異なる層状材料を積層すると、光学応答がエネルギーシフトすることが明らかとなり、積層による電子状態の変化を示唆する結果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度までに、OFETの絶縁層および半導体層に用いる材料およびその界面状態に着目し、GMI法を用いた半導体層内の蓄積キャリアの観測を行った。その中で、高移動度かつ紫外域に吸収帯を持つ有機半導体材料について、光学応答が想定より小さく、従来と異なる結果が得られた。次年度では、これまでの知見をもとに、この原因の解明に取り組む。具体的には、GMI信号が半導体－絶縁層界面状態に大きく依存することを利用し、有機半導体層の成膜手法や形成時の条件、または絶縁層に用いる誘電体材料などを変化させ、光学信号の変動からその原因を検討する予定である。同時に、低温での測定を行い、温度に依存した高移動度有機半導体の伝導メカニズムが、光学応答に及ぼす影響について検討する。
有機半導体材料の多くがp型動作を示し、その一方で、高性能なn型材料はその数が非常に少なく、伝導性の評価がほとんど進んでいない。近年、p型有機半導体分子と強い電子受容性のアクセプター分子を組み合わせた、ドナー－アクセプター型電荷移動錯体が良好なn型伝導を有することを明らかにし、室温で塗布製膜が可能であり、分子の組み合わせ自由度の高さから分子軌道エネルギーの調整が容易であるため、デバイス応用が期待される。このような電荷移動錯体を用いたOFETについてGMI測定を行い、半導体層内のキャリア挙動観察からデバイス高性能化につながる知見を獲得する。また、新しいn型材料の開発に向けた指針の確立を目指す。
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Research Products
(4 results)
