トップゲ ート型単一有機半導体CMOSに関する研究

Siでは実現が困難なフレキシブルデバイスなどの次世代デバイスへの応用が期待されている有機半導体を用いた集積回路の実現には、有機半導体トランジスタ(OFET)の高移動度化とともに、微細化・高集積化による高速化・低消費電力化が必要となる。本研究では、代表的なp型有機半導体であるペンタセンを用いて、大気中動作可能な単一有機半導体相補型トランジスタ(CMOS)の実現および特性向上を目的として、低仕事関数を有し、大気中で安定な窒素添加LaB6によるペンタセンデバイスの電気特性向上に関する検討を行った。まず、窒素添加LaB6ボトムコンタクト電極を用いたバックゲート型のn型ペンタセンOFETについて検討した。改良した電極形成プロセスを用いてチャネル長6.4 μmを有するOFETを作製し、大気中においてペンタセン薄膜への電子注入の実現に初めて成功した。さらに、先行研究において絶縁膜としての特性が示されている非晶質ルブレン薄膜20 nmをペンタセン薄膜10 nm上に連続堆積して形成したOFETにおいても、ペンタセン薄膜へ電子を注入できることが分かった。今回の検討により、トップゲート型のOFETにも適用可能な成膜プロセスであることを明らかにした。次に、窒素添加LaB6界面制御層によるp型ペンタセンOFETのしきい値電圧制御を用いた擬似CMOSに関する検討を行った。窒素添加LaB6界面制御層により、しきい値電圧を-2.6 Vにシフトさせた駆動OFETと、しきい値電圧2.1 Vの負荷OFETを組み合わせて、単一ゲート構造の擬似CMOSを作製した。新たに設計したステンシルマスクにより、デバイス面積を4.7 mm2まで縮小した擬似CMOSは、大気中において動作電圧-5 Vでロジックスイング4.3 Vを有するインバータ特性を示し、ペンタセンデバイスの微細化および低電圧動作化に向けた指針を示した。

Siでは実現が困難なフレキシブルデバイスなどの次世代デバイスへの応用が期待されている有機半導体を用いた集積回路の実現には、有機半導体トランジスタ(OFET)の高移動度化とともに、微細化・高集積化による高速化・低消費電力化が必要となる。本研究では、代表的なp型有機半導体であるペンタセンを用いて、大気中動作可能な単一有機半導体相補型トランジスタ(CMOS)の実現および特性向上を目的として、低仕事関数を有し、大気中で安定な窒素添加LaB6によるペンタセンデバイスの電気特性向上に関する検討を行った。まず、窒素添加LaB6ボトムコンタクト電極を用いたバックゲート型のn型ペンタセンOFETについて検討した。改良した電極形成プロセスを用いてチャネル長6.4 μmを有するOFETを作製し、大気中においてペンタセン薄膜への電子注入の実現に初めて成功した。さらに、先行研究において絶縁膜としての特性が示されている非晶質ルブレン薄膜20 nmをペンタセン薄膜10 nm上に連続堆積して形成したOFETにおいても、ペンタセン薄膜へ電子を注入できることが分かった。今回の検討により、トップゲート型のOFETにも適用可能な成膜プロセスであることを明らかにした。次に、窒素添加LaB6界面制御層によるp型ペンタセンOFETのしきい値電圧制御を用いた擬似CMOSに関する検討を行った。窒素添加LaB6界面制御層により、しきい値電圧を-2.6 Vにシフトさせた駆動OFETと、しきい値電圧2.1 Vの負荷OFETを組み合わせて、単一ゲート構造の擬似CMOSを作製した。新たに設計したステンシルマスクにより、デバイス面積を4.7 mm2まで縮小した擬似CMOSは、大気中において動作電圧-5 Vでロジックスイング4.3 Vを有するインバータ特性を示し、ペンタセンデバイスの微細化および低電圧動作化に向けた指針を示した。