2021 Fiscal Year Annual Research Report
Interface structure control for developing extremely sharp-switching organic semiconductors
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21H04651
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
長谷川 達生 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (00242016)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井上 悟 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任研究員 (00799562)
東野 寿樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究員 (30761324)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | 有機半導体 / 薄膜トランジスタ / 半導体界面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、高移動度・低電圧駆動・高急峻スイッチングを同時に示す実用的な塗布型薄膜トランジスタの実現を目指し、有機半導体と絶縁層／電極との界面における高効率なキャリア輸送／注入が両立する機構の解明と、これに適した新規層状有機半導体開発、及びこれらにおける構造-物性相関の解明を行った。初年度である本年度はまず、①高急峻スイッチングと高移動度を同時に示すPh-BTNT-Cn系と、高急峻スイッチングを示しながら低移動度のPh-BTBT-Cn系を比較対象とし、それらを用いた薄膜トランジスタのデバイス特性と、その経時依存性の詳細な測定を行った。結果、Ph-BTBT-Cn系では、単層２分子膜をチャネルとして用いた場合に、時間経過とともにデバイス性能が大きく劣化する挙動が観測された。さらにKPFM測定から、以上の性能劣化が電極界面近傍の接触抵抗増大に由来することが明らかになった。そこでデバイス特性の経時劣化の起因を明らかにするため、AFM測定と放射光X線回折測定により電極上の半導体層の膜質を詳細に調べた。また、②分子の多彩な設計自由度を活かした新規層状有機半導体の開発を進め、新たなπ電子骨格であるBTBTTが、長鎖アルキル基による片側置換によって２分子膜構造を構築し、高い層状結晶性にもとづく10 cm2/Vsを越える優れた半導体特性を示すことを見出した。さらに、③構造物性相関の解明では、BTBTに回転・変形自由度を持つフェニルエチニル（PE）基とアルキル（Cn）基を付与したPE-BTBT-Cn（n=6, 8, 10, 12）を開発し、二種の置換基の長さが同程度となるPE-BTBT-C6において、電子回折を用いた結晶構造解析・熱的特性・偏光光スペクトル測定等により、分子配列の秩序と乱れが共存し、液晶状態が凍結したと見なせる分子配列構造を取る液晶性有機半導体となることを見出した。
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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
従来、ボトムゲート・ボトムコンタクト型（逆コプラナー型）の有機薄膜トランジスタは、実用的に最も有望でありながら、これを動作させることは非常に困難であり、かつ動作しない理由もよく分かっていなかった。本研究により、これらデバイスが動作しない原因の一つが、電極上の半導体層の膜質の変性にあることが初めて明らかになった。また10 cm2/Vsを越える優れた特性を示すBTBTT系新規有機半導体の開発、及び分子配列の秩序と乱れが共存した液晶性有機半導体の開発に成功するなど、研究は概ね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究推進に関し、本年度見出した金属電極上における極薄半導体層の経時に伴う構造変性について、半導体の種類や層数・電極の種類・電極の表面修飾の有無・封止膜の有無等による挙動を、長期安定性を含め検討し、有機半導体と絶縁層／電極との界面における高効率なキャリア輸送／注入が両立する機構の解明をさらに進展させる。またこれに加えて、高急峻スイッチングを示す有機TFT開発を目指した半導体材料開発と革新製膜プロセス開発をさらに進展させる。
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[Presentation] BTNT 系有機半導体における極性型層間積層様式の発現と制御2022
Author(s)
井上悟, 二階堂圭, 宮田稜, 東野寿樹, 田中睦生, 松岡悟志, 荒井俊人, 都築誠二, 熊井玲児, 堀内佐智雄, 長谷川達生
Organizer
2022年 第69回応用物理学会春季学術講演会
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[Presentation] 新規有機半導体・pTol-BTBT-Cnにおける層状構造のCn偶奇効果2021
Author(s)
井上悟, 二階堂圭, 宮田稜, 東野寿樹, 田中睦生, 松岡悟志, 荒井俊人, 都築誠二, 熊井玲児, 堀内佐智雄, 長谷川達生
Organizer
2021年 第82回応用物理学会秋季学術講演会
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