Organic semiconductor device design considering electrothermal properties toward high current switching

まず、ペンタセンや銅フタロシアニンなどの低分子系の有機半導体薄膜から成るクロスバー構造のダイオードを真空蒸着法によって作製し、その電流電圧特性の評価を行った。ここでは真空下における、電流駆動かつ４端子測定での評価を実施した。その結果、ペンタセン及び銅フタロシアニンのいずれにおいても電流値の増大に伴って、負性微分抵抗（NDR）現象を観測するに至った。また、NDRが発生する電流値付近においてデバイス内部からの発熱が顕著になることをサーモカメラによって確認した。これより、今回観測されたNDR現象は有機半導体薄膜の自己加熱によって生じているものであると推測される。また、ホッピング伝導を基にした理論モデルに基づき、観測された電流電圧特性へのフィッティングを行うことで、NDR現象を特徴付ける熱抵抗や活性化エネルギーなどのパラメータの決定、並びにデバイスの動作温度の推測が可能となることが示唆された。一方、高分子系半導体を対象にして、NDR現象の観測に向けた取り組みも並行して進めた。具体的には、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や高分子多層膜の形成、およびそれらの技術を応用した有機ホモ接合薄膜トランジスタ作製を実証した。また、絶縁性ポリマーと分子ドープされたチオフェン系高分子半導体の二層膜試料を対象とし、3ω法による薄膜固有の熱伝導率と界面熱抵抗の分離評価を遂行した。その結果から、分子ドープされた高分子半導体の構造と熱輸送特性の相関を追跡するための新しいアプローチと、その有効性を提示するに至った。以上のように、有機半導体薄膜における電流電圧特性と動作温度の相関（電熱特性）や熱輸送特性の理解と制御に向けて、有益な成果を得ることができた。

まず、ペンタセンや銅フタロシアニンなどの低分子系の有機半導体薄膜から成るクロスバー構造のダイオードを真空蒸着法によって作製し、その電流電圧特性の評価を行った。ここでは真空下における、電流駆動かつ４端子測定での評価を実施した。その結果、ペンタセン及び銅フタロシアニンのいずれにおいても電流値の増大に伴って、負性微分抵抗（NDR）現象を観測するに至った。また、NDRが発生する電流値付近においてデバイス内部からの発熱が顕著になることをサーモカメラによって確認した。これより、今回観測されたNDR現象は有機半導体薄膜の自己加熱によって生じているものであると推測される。また、ホッピング伝導を基にした理論モデルに基づき、観測された電流電圧特性へのフィッティングを行うことで、NDR現象を特徴付ける熱抵抗や活性化エネルギーなどのパラメータの決定、並びにデバイスの動作温度の推測が可能となることが示唆された。一方、高分子系半導体を対象にして、NDR現象の観測に向けた取り組みも並行して進めた。具体的には、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や高分子多層膜の形成、およびそれらの技術を応用した有機ホモ接合薄膜トランジスタ作製を実証した。また、絶縁性ポリマーと分子ドープされたチオフェン系高分子半導体の二層膜試料を対象とし、3ω法による薄膜固有の熱伝導率と界面熱抵抗の分離評価を遂行した。その結果から、分子ドープされた高分子半導体の構造と熱輸送特性の相関を追跡するための新しいアプローチと、その有効性を提示するに至った。以上のように、有機半導体薄膜における電流電圧特性と動作温度の相関（電熱特性）や熱輸送特性の理解と制御に向けて、有益な成果を得ることができた。