2022 Fiscal Year Research-status Report
Development of quality N-channel organic transistor using calamitic liquid crystals
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20K05644
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
飯野 裕明 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (50432000)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | Nチャネル有機トランジスタ / 液晶性有機半導体 / 液晶性IQIQ誘導体 / 液晶性DBN誘導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
深いLUMOレベルを有する棒状分子として期待されるクリセン構造に窒素原子を複数導入したイソキノイソキノリン（IQIQ）骨格やジベンゾナフチリジン（DBN）骨格にアルキル鎖を置換した液晶性有機半導体材料を検討した。両材料とも液晶相温度でスピンコートを行うことで、平坦な結晶薄膜を容易に作製できることが明らかになった。そこで、熱酸化膜付きシリコンウエハー上に、液晶性IQIQおよび液晶性DBN誘導体を製膜後、ソース・ドレイン電極としてAu電極やCa電極を蒸着しボトムゲート・トップコンタクト構造の電界効果トランジスタを形成した。しかしながら、明確なON電流は流れず、Nチャネル動作には至らなかった。この原因として、空気中の水分や酸素が混入し-3.8eV付近に電子トラップとなる準位が形成されることや、Au電極では仕事関数とIQIQ骨格やDBN骨格のLUMOレベルの差が大きいこと、Ca電極では大気に曝露した際に容易に酸化され低仕事関数の電極として働かないことが考えられた。そこで、製膜中から酸素や水が入り込まないように酸素や水が10ppm以下となるグローブボックス中にて製膜および低仕事関数であるMgAg電極を製膜し、有機電界トランジスタを作製した。しかしながら、グローブボックス中で作製した薄膜においても、Nチャネル動作の実現には至らなかった。MgAg電極の仕事関数(-3.7eV)と有機半導体のLUMOレベル（-3.3eV）には0.4eVの障壁があり、LUMOレベルとのオーミックコンタクトの実現には、さらに低仕事関数の利用が必要であることが示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2022年度は目的であるLUMOレベルの深い棒状液晶材料のNチャネルトランジスタの実験を行った。液晶性を利用することで、これまでのＰチャネル材料と同様に平坦な薄膜が容易に作製できることが明らかになった。しかしながら、LUMOレベルが-3.3eVと浅く電子注入が困難な点と、大気中の酸素や水の影響により電子がトラップされやすいことが示唆された。これを解決する手段として、グローブボックスと真空蒸着器を連結させることで、グローブボックス中で有機半導体を製膜後、大気に出すことなく低仕事関数の電極を形成する必要があり、この装置の組み立ても併せて行い、2022年度後半に完成した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は、グローブボックスと連結した真空蒸着器を利用することで、大気に曝露することなく、液晶性IQIQ誘導体や液晶性DBN誘導体を製膜し、低仕事関数として期待されるCa電極を製膜し、ボトムゲート・トップコンタクト型の有機電界効果トランジスタを評価する。Ca電極でも動作しない場合は、LiF/Al電極の利用も検討する。これらの低仕事関数の電極でも動作しない場合、注入側ではなく輸送側の問題も考えられ、ゲート絶縁膜界面のトラップを減少させるために、絶縁性の高分子をゲート絶縁膜の間に挿入することも検討する。
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| Causes of Carryover |
研究目的の棒状材料を用いたNチャネルトランジスタがなかなか動作せず、低仕事関数を有するソースドレイン電極が必要であることが分かった。しかしながら、低仕事関数の電極材料は不安定な材料であるため、グローブボックスと接続する真空蒸着器を長らく作製していたが、機材調達に時間がかかり、1年間の延期と、それに伴い2023年度使用額が残った。
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