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有機トランジスタ(OFET)材料 / Organic Transistor (OFET) Materials

 軽量・柔軟性に富む有機半導体材料は,折り曲げ可能な電子回路1)や埋め込み可能な生体センサー2)等,シリコン半導体では実現困難な有機半導体ならではの応用が期待できます。また有機半導体材料の大きな特徴である可溶性を活かし,紙やフィルムといったフレキシブル基板上に印刷で大面積・高密度なデバイスを作成できるプリンテッドエレクトロニクスは,有機半導体デバイスの大量生産・低価格化を実現する技術であり,活発に研究が行われています3)。有機物の特徴としてその構造的多様性があり,様々な化学修飾を施すことにより,電気特性や加工特性を精密に制御できることも利点です。

 

 有機半導体材料の性能を示すパラメータとして,半導体層中での正孔(ホール)や電子といったキャリアの移動度速度を示す(μ)が挙げられます。高速で動作する回路の作成には,高い移動度を示す材料が必要です。移動度を測定する方法としてTOF法,TRMC法などがありますが,有機電界効果トランジスタ(Organic Field-Effect Transistor:OFET)を作成し移動度を測定する方法がよく用いられています。有機半導体層,絶縁層,ソース・ドレイン・ゲート電極から構成されるOFETは移動度のほかに,最低駆動電圧や駆動安定性といったデバイスの基本的な特性を知るのに適しています。OFETにはトップコンタクト型やボトムコンタクト型等、またキャリアが基板に対して縦に移動する縦型トランジスタ等様々な素子構造があります。

 有機半導体には正孔が半導体層中を移動するp型半導体,電子が移動するn型半導体,正孔・電子両方が移動可能なアンビポーラー(両極性)型半導体があります。有機トランジスタに使われる代表的な材料として,低分子p型半導体についてルブレン・ペンタセンなどのアセン類の他,ジナフトチエノチオフェン(DNTT)・ベンゾチエノベンゾチオフェン(BTBT)のようなヘテロアセン類,オリゴチオフェン,ポルフィリン等が挙げられます。低分子n型半導体としてはペリレンジイミド(PTCDI),テトラシアノキノジメタン(TCNQ),フラーレン類などが挙げられます。高分子を用いた有機トランジスタに関しても数多く報告されており,ポリチオフェンやポリフルオレン,ドナーアクセプター型ポリマーなどが挙げられます。従来,溶液プロセスで作成する素子は真空蒸着で作成する素子に比べ移動度が低く,高移動度と高溶解性は両立しないと考えられてきました。しかし最近は高い移動度を示す可溶性材料が報告されており4-6),溶液プロセスの素子開発も進んでいます7)。有機物ならではの材料開発と作成プロセスの進化により,溶液プロセスで十分な駆動速度を有するデバイスの作成が可能になってきています。

 有機半導体の特徴として柔らかさを挙げることができますが,通常の結晶性あるいはアモルファス有機半導体よりも柔らかい液晶性有機半導体も注目されています8,9)。液晶性有機半導体はキャリア移動と液晶の自己組織化能を兼ね備えた優れた材料であり,塗布した基板上で分子が自発的に配向する特徴があります。また,液晶相の柔らかさを活かし,電場などの外部刺激により分子配向を制御できるという利点もあります。

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