走査型プローブ顕微鏡を用いた有機ナノトランジスタの作製と評価

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本研究では、ナノメートルスケールの有機トランジスタに関する基礎的な知見を得るため、導電性AFM探針を用いて有機薄膜の局所電気物性の評価や試作トランジスタの動作特性等を調べることを目的としている。まず、導電性探針および高感度AFM電流像測定を行うための装置改良を行った。これを用いて、マイカ上およびSiO_2上に成長させた針状結晶について結晶の厚みと導電率の関係を調べた結果、薄くなるほど導電率が高く、また、SiO_2上のほうがその傾向がより顕著であることが見いだされた。これは、基板表面によるキャリアドーピングが起こっていることを示唆するものであり、有機半導体ナノ構造の電子応用に関する重要な知見である。さらに、探針を特定の位置に固定してトランジスタ特性を測定できる3端子測定系(AFM-FET)の最適化を行い、探針をキャリア注入(ソース)電極とするナノスケールの電界効果トランジスタ測定を行った。これを用いたSiO_2上のCuPc結晶粒に対するAFM-FET測定から、CuPc単結晶粒では電界効果移動度が約10^<-2>cm^2/Vsと多結晶薄膜のものより2〜3桁高くなることを実証した。高移動度材料としてよく知られているペンタセンについても同様の測定を行ったところ、トラップへの充電電流と考えられる電流成分が大部分を占めるという結果となった。そこで、構造と物性の対応を知るための基礎実験として、分子線蒸着法によって成長条件による結晶型、結晶粒形、粒径の相図を得る実験を行い、通常のFET測定および25μm間隔のマイクロ4探針FET測定からキャリア輸送の阻害要因の候補を明らかにした。また、微細孔を多数有するAl膜をCuPc膜で挟んだ積層構造に対して、縦型のAFM-FET測定を行い、素子構造の最適化によって10^3程度の電流on/off比を示す100nmサイズのトランジスタが出来ることを明らかにした。