有機電界効果トランジスタにおけるトラップ制御技術の開発

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有機半導体デバイスにおいて、電極から有機半導体へのキャリア注入はデバイス特性に大きな影響を与える重要な物理的なプロセスであり、キャリア注入特性の制御手法およびそのメカニズムを明らかにすることは大変重要である。今年度、有機半導体/電極界面への絶縁体層の挿入によるキャリア注入特性の制御性の向上のメカニズム解明を目的とした研究を実施した。絶縁体層がないルブレン/金属電極界面(電極:Ag、Au、Pt)と絶縁体層があるルブレン/自己組織化単分子膜(SAM)で修飾したAu電極界面(SAM:1-decanethiol、1H,1H,2H,2H-perfluorodecanethiol)それぞれにおいて電極の仕事関数を変化させた場合のルブレン単結晶トランジスタの接触抵抗を測定し、比較した。その結果、ルブレン/電極界面に比ベルブレン/SAM修飾Au電極界面の方が仕事関数を変化させたときの接触抵抗の変化率が大きいことが分かり、SAMの挿入によりキャリア注入特性の制御が容易になっていることが確認された。データの解析を行った結果、ルブレン/SAM修飾Au電極界面の方がS=-dΦ_b/dΦ_m(Φ_b:キャリア注入障壁の高さ、Φ_m、:電極の仕事関数)で定義されるスロープパラメータが大きいことが分かった。このスロープパラメータは、有機半導体/電極界面の界面トラップ準位の密度と関係していることが知られており、解析結果はルブレン/SAM修飾Au電極界面の界面トラップ準位の密度がルブレン/電極界面よりも小さいことを表している。ルブレン/電極界面にSAMを挿入することによるキャリア注入特性の制御性の向上は、SAMが持つ絶縁性によりルブレンと電極との相互作用が弱められ、その結果ルブレンと電極の相互作用により誘起される界面トラップ準位の密度が小さくなり、ルブレンと電極とのエネルギー準位のアライメントの制御性が向上するというメカニズムにより生じていると考えられる。今年度の研究により、キャリア注入と有機半導体/電極界面のトラップ準位密度の相関関係を明らかにした。