Organic semiconductor device design considering electrothermal properties toward high current switching
| Project/Area Number |
22K18795
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
野田 啓 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30372569)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
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| Keywords | 有機半導体 / 電熱特性 / 薄膜デバイス |
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| Outline of Research at the Start |
ダイオードやトランジスタなどの有機半導体デバイスにおいて、デバイス動作中の発熱挙動の理解および熱の散逸技術（サーマルマネージメント）の創出が必要とされている。この背景の下、本研究では、有機デバイスの電流電圧特性と動作温度との相関（電熱特性）や熱輸送特性を追跡するための実験的及び理論的研究を実施する。その成果を基に、有機デバイスの電熱特性や熱輸送の詳細を明らかにするとともに、自己加熱の影響を考慮したデバイス設計や高電流密度化への指針の確立を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
まず、低分子半導体薄膜から成るクロスバー構造のダイオードに対して、電流電圧特性と動作温度の相関（電熱特性）の理解を進めるべく、負性微分抵抗（NDR）現象のより詳細な評価を行った。ペンタセン薄膜ダイオードでは、電流駆動かつ4端子測定条件下においてNDRが比較的低い温度（約40℃）で発生することが、サーモカメラによる測定から判明した。また、NDR現象の観測前後で、測定領域周辺部のペンタセン薄膜表面の形状観察を原子間力顕微鏡により行った結果、表面形状や表面粗さに明確な変化が見られず、ペンタセン薄膜の場合にはNDR発生前後で構造変化は生じないことを示す結果が得られた。
また、高分子スタンプ法を採用した高分子半導体薄膜の微細パターニングを行い、チオフェン系高分子半導体（P3HTやPBTTT-C14）から成るクロスバー構造ダイオードを作製し、電流駆動かつ4端子測定条件下においてNDR現象が発生することを確認した。その際、NDR開始温度が50～70℃の範囲内であり、ペンタセンよりも高い温度を示す結果となった。結晶性に優れた低分子系と比較して、高分子系では分子配列の無秩序さや成膜プロセス中の不純物混入などの影響により膜中に欠陥が生じやすい。すなわち、薄膜の構造不均一性が大きい高分子においては、より深い準位に電荷トラップが形成され、それが NDR 開始温度の上昇に寄与したものと考えられる。さらに、高分子スタンプ法の技術を応用し、撥水性表面を有するゲート絶縁膜上への有機ホモ接合薄膜トランジスタ作製を実証した。これにより、ゲートヒステリシスが抑制された、電荷トラップの少ないトランジスタの作製が可能となった。将来的にトランジスタにおける電熱特性評価への適用が期待される。
以上の通り、有機半導体薄膜における電熱特性の理解と制御につながる有用な成果を得るに至った。
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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
有機半導体薄膜の電熱特性に関しては、低分子材料であるペンタセンだけでなくチオフェン系高分子でもNDR現象が観測されたことから、本現象が材料には依らない普遍的な性質であることを改めて確認できた。また、NDR現象が比較的低い温度で生じること、低分子系と高分子系とでNDR開始温度が異なることなどが新たに見いだされた。本NDR現象が薄膜の自己加熱と深く関わっており、かつ薄膜の構造や電荷トラップの有無などと密接な関係があることが示唆されるなど、ダイオードにおけるNDR現象の理解に向けた知見もある程度得られている。これらは概ね研究計画に沿った成果であると言える。
上記と並行して、高分子半導体を用いた多層膜形成プロセス開発も着実に進展しており、高電流スイッチングに適用し得るデバイス作製も現実味を帯びてきている。さらに、2022年度の成果として記した、熱輸送特性評価による高分子半導体薄膜内でのドーパント分子の挙動の追跡についても追加実験を実施し、一連の成果を基にした学術論文が国際的な学術誌に掲載されるに至った。
以上の事由により、本研究課題は概ね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
現時点ではNDR現象は電流駆動による4端子測定でのみ観測できているが、デバイス中に存在する接触抵抗の低減への取り組みを継続することで、電圧駆動による2端子測定でのNDR現象の観測を目指す。また、耐熱性の高い高分子系材料を用いたデバイス作製やNDR現象の観測が可能となったので、今後は分子ドーピングされた高分子半導体から成るダイオードやトランジスタにおける電熱特性、素子温度、環境温度との関係について体系的な調査を実施する。さらに、これらの取り組みの成果を基にNDR現象に伴う電流スイッチングを能動的に制御、あるいは抑制する手法について、引き続き検討を進める。
また、デバイス動作中に生じるジュール熱を熱源とした、有機半導体薄膜デバイス中の電熱特性や熱輸送特性の数値解析を行う。実験結果との比較検討を行うことで、ホッピング伝導を基にした理論モデルの妥当性を検証する。それらの結果を基に、NDR現象の観測が有機半導体デバイスにおける自己加熱の影響を議論する上での有効なアプローチとなることを実証したい。
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Report
(2 results)
Research Products
(6 results)
