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2013 Fiscal Year Research-status Report

高速動作有機CMOS回路の実現に向けた有機トランジスタの基盤技術開発

Research Project

Project/Area Number 24550211
Research InstitutionKobe University

Principal Investigator

北村 雅季  神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10345142)

Keywords有機トランジスタ / 有機半導体 / 単分子膜 / 電極表面修飾 / 界面制御
Research Abstract

平成25年度は,高移動度材料として知られるアルキル鎖を側鎖にもつジナフトチエノチオフェン(Cn-DNTT)を中心に有機PMOSについて,短チャネル高移動度化と閾値電圧制御に取り組んだ.トランジスタ構造は短チャネル化が容易なボトムコンタクト構造とした.電極材料としては,これまで我々が開発してきた表面処理電極を採用した.表面修飾には,ベンゼンチオール誘導体を用いるが,表面処理された電極について特性評価も行った.
ボトムコンタクト構造の有機PMOSの高移動度化については,蒸着条件と作製後アニールの最適化により高移動度化に成功した.特に80℃程度の温度での長時間アニールが移動度の向上に有効であることを示した.結果として,10ミクロンのチャネル長の素子で,移動度3.2 cm2/Vsを達成した.
閾値電圧制御については,ゲート絶縁膜への酸素プラズマにより,精密に閾値電圧を制御することに成功した.特に,論理回路の動作に適した数V程度の範囲での閾値電圧の制御が可能であることを示した.
有機層へのキャリア注入の改善に必要となる,電極の表面修飾技術について,種々のベンゼンチオール誘導体を用い,4.3-5.5程度の範囲で実効的な電極の仕事関数を制御できることを示した.また,反応性および熱安定性について詳細にしらべ,トランジスタへ応用する際の重要な知見を得た.特に,100℃以上の温度では,ベンゼンチオール誘導体が脱離することを見出した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成24年度の開始当時,平成25年度の研究実施計画として,「Cn-DNTTを中心に有機PMOSの移動度向上と閾値制御を目指し,絶縁膜上の自己組織化単分子(SAM)膜の作製技術を確立する.具体的には,①電極表面処理に影響を及ぼさない絶縁膜表面処理法を開発しその有効性を示す.②SAM膜形成の際の溶媒依存性を調べ,平坦かつ緻密な膜が得られる条件を見出す.③分極をもつ分子をSAM膜に用い,各分子に対する閾値電圧変化を明らかにする.」とした.当初,閾値電圧制御の方法として,SAMを利用する予定であったが,絶縁膜への酸素プラズマ処理による閾値電圧の制御方法を見出し,それにより,結果として閾値電圧制御に成功した.閾値電圧制御は回路の高速化にも重要であり,閾値電圧制御の方法を確立したことにより,おおむね順調に進展していると判断した.

Strategy for Future Research Activity

平成26年度は,それぞれのプロセス技術を統合し,短チャネル・高移動度の有機NMOSと有機PMOSとを集積化しCMOS回路の高速動作に取り組む.有機PMOSにはCn-DNTT,有機NMOSにはC60を主に用いる.有機NMOSとPMOSを同一基板上に作製する場合,電極および絶縁膜に
対する表面処理に用いる分子が異なるので,各領域で異なる表面処理を適応するプロセスが必要となる.一つの方法としてインクジェット装置を用い,パターニングされた表面処理を実現する.他の方法として,メタルマスクを使用した,UV/ozone処理による分子膜の
パターニングも検討する.CMOS回路の動特性には,移動度だけでなく,閾値電圧にも大きく依存する.閾値電圧制御には,平成25年度の成果である,酸素プラズマによる方法を応用する.また,簡単なシミュレーションを行い,シミュレーション結果と実験結果との相違について評価する.さらにシミュレーション結果と実験結果との相違を考慮し,シミュレーションにより高速化のための閾値電圧の最適化を行う.さらに,ゲート絶縁膜に高誘電率材料を用いCMOS回路の低電圧動作もこころみる.

  • Research Products

    (15 results)

All 2014 2013

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (12 results) (of which Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Partially Fluorinated Copper Phthalocyanine toward Band Engineering for High-Efficiency Organic Photovoltaics2014

    • Author(s)
      Yasutaka Kuzumoto, Hirotaka Matsuyama, and Masatoshi Kitamura
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 53 Pages: 01AB03

    • DOI

      10.7567/JJAP.53.01AB03

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Work Function of Gold Surfaces Modified using Substituted Benzenethiols: Reaction Time Dependence and Thermal Stability2014

    • Author(s)
      Yasutaka Kuzumoto, Hirotaka Matsuyama, and Masatoshi Kitamura
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 7 Pages: 035701

    • DOI

      10.7567/APEX.7.035701

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Short-Channel, High-Mobility Organic Thin-Film Transistors with Alkylated Dinaphthothienothiophene2013

    • Author(s)
      Masatoshi Kitamura, Yasutaka Kuzumoto, and Yasuhiko Arakawa
    • Journal Title

      physica status solidi (c)

      Volume: 10 Pages: 1632-1635

    • DOI

      10.1002/pssc.201300245

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 閾値電圧制御された有機トランジスタから成る擬似CMOS回路2014

    • Author(s)
      木村 由斉,北村 雅季,荒川泰彦
    • Organizer
      第61応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      神奈川
    • Year and Date
      20140317-20140320
  • [Presentation] 表面処理電極を有するボトムコンタクト型アルキルDNTTトランジスタ2014

    • Author(s)
      北村 雅季, 木村 由斉, 荒川泰彦
    • Organizer
      第61応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      神奈川
    • Year and Date
      20140317-20140320
  • [Presentation] フッ素化銅フタロシアニンの膜構造および電気的特性へのアニール効果2014

    • Author(s)
      葛本 恭崇,松山 弘賢,北村 雅季
    • Organizer
      第61応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      神奈川
    • Year and Date
      20140317-20140320
  • [Presentation] 擬似CMOS 回路への応用に向けた有機薄膜トランジスタの閾値電圧制御2013

    • Author(s)
      木村 由斉, 北村 雅季, 荒川 泰彦
    • Organizer
      薄膜材料デバイス研究会 第10回研究集会
    • Place of Presentation
      京都
    • Year and Date
      20131031-20131102
  • [Presentation] Structural and Electrical Properties of Fluorinated Copper Phthalocyanine for Organic Photovoltaics2013

    • Author(s)
      Yasutaka Kuzumoto, Hirotaka Matsuyama, and Masatoshi Kitamura
    • Organizer
      International Conference on Solid State Devices and Materials
    • Place of Presentation
      Fukuoka, Japan
    • Year and Date
      20130924-20130927
  • [Presentation] Thermal Stability of Short Channel, High-Mobility Organic Thin-Film Transistors having Bottom-Contact Configuration2013

    • Author(s)
      Masatoshi Kitamura and Yasuhiko Arakawa
    • Organizer
      International Conference on Solid State Devices and Materials
    • Place of Presentation
      Fukuoka, Japan
    • Year and Date
      20130924-20130927
  • [Presentation] ボトムコンタクト型アルキルDNTT 薄膜トランジスタの安定性評価2013

    • Author(s)
      北村雅季,荒川泰彦
    • Organizer
      第74回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      京都
    • Year and Date
      20130916-20130920
  • [Presentation] 酸素プラズマ処理による有機トランジスタの閾値電圧精密制御2013

    • Author(s)
      木村 由斉, 香月 一真, 北村 雅季, 荒川 泰彦
    • Organizer
      第74回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      京都
    • Year and Date
      20130916-20130920
  • [Presentation] 有機トランジスタは実用化されるか ~ 若手研究者に向けて~2013

    • Author(s)
      北村雅季
    • Organizer
      第4回 有機分子・バイオエレクトロニクスの未来を拓く若手研究者討論会
    • Place of Presentation
      京都
    • Year and Date
      20130902-20130904
    • Invited
  • [Presentation] Fine tuning of energy levels in partially fluorinated copper phthalocyanine for organic photovoltaics2013

    • Author(s)
      Yasutaka Kuzumoto, Hirotaka Matsuyama, and Masatoshi Kitamura
    • Organizer
      40th Int. Sym. on Compound Semiconductors
    • Place of Presentation
      Kobe, Japan
    • Year and Date
      20130519-20130523
  • [Presentation] Threshold Voltage Control in Pentacene Thin-Film Transistors by Oxygen Plasma Treatment2013

    • Author(s)
      Yoshinari Kimura, Kazuma Katsuki, Masatoshi Kitamura, and Yasuhiko Arakawa
    • Organizer
      40th Int. Sym. on Compound Semiconductors
    • Place of Presentation
      Kobe, Japan
    • Year and Date
      20130519-20130523
  • [Presentation] Short-Channel, High-Mobility Organic Thin-Film Transistors with Alkylated Dinaphthothienothiophene2013

    • Author(s)
      Masatoshi Kitamura, Yasutaka Kuzumoto, and Yasuhiko Arakawa
    • Organizer
      40th Int. Sym. on Compound Semiconductors
    • Place of Presentation
      Kobe, Japan
    • Year and Date
      20130519-20130523

URL: 

Published: 2015-05-28  

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