JP2017126773A

JP2017126773A - 有機半導体素子

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Publication number: JP2017126773A
Application number: JP2017050785A
Authority: JP
Inventors: 松井　弘之; Hiroyuki Matsui; 弘之松井; 純一竹谷; Junichi Takeya
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2017-03-16
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2017-07-20
Anticipated expiration: 2035-01-29
Also published as: JP6635466B2

Abstract

【課題】均一な特性を有する有機半導体素子を提供する。【解決手段】有機半導体素子２０は、基板２２と、４環以上の多環芳香族化合物や１つの或いは複数の不飽和の五員複素環式化合物と複数のベンゼン環とによる４環以上の多環化合物である有機半導体の単結晶の薄膜として基板２２上に形成された有機半導体層３０とを備える。有機半導体層３０は、単結晶の薄膜として形成されており、形成手法を問わずに同一の結晶構造となる。このため、同一の歪みを与えると、同一のキャリアの移動度となり、歪みに対して均一な特性を有し、均一な特性を有する歪みセンサとして機能する。【選択図】図１

Description

本発明は、有機半導体素子に関する。

従来、この種の有機半導体素子としては、多結晶や非晶質体の有機半導体に圧縮応力を作用させたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この素子では、湾曲した状態の基板に有機半導体を蒸着法やスピンコート法により薄膜として形成し、湾曲した基板を平板となるまで引っ張ることにより、有機半導体に圧縮応力を作用させている。そして、有機半導体に圧縮応力を作用させることにより、有機半導体のキャリアの移動度を高くしている。

特開２００５−１６６７４２号公報

しかしながら、上述の有機半導体素子では、多結晶や非晶質体の有機半導体を用いるため、同一の多結晶構造や同一の非晶質体構造の有機半導体を得るのは困難となり、構造の相違により同一手法により製造し、同一の圧縮応力を作用させて同一の歪みを与えても、有機半導体のキャリアの移動度が異なる場合も多く、均一な特性の有機半導体素子を得ることは困難となる。

本発明の有機半導体素子は、均一な特性を有する有機半導体素子を提供することを主目的とする。

本発明の有機半導体素子は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の有機半導体素子は、
有機半導体を用いた有機半導体素子であって、
前記有機半導体は、単結晶の薄膜として形成されており、
少なくとも前記有機半導体に歪みを与えたときのキャリアの移動度に基づいて作動する、
ことを特徴とする。

本発明の有機半導体素子では、有機半導体は単結晶の薄膜として形成されている。単結晶の結晶構造は分子により定まるから、基本的には製造手法を問わず、同一の結晶構造となる。このため、同一の歪みを与えると、同一のキャリアの移動度とすることができる。したがって、均一な特性を有する有機半導体素子とすることができる。

ここで、有機半導体としては、厚さが２００ｎｍ以下、例えば１００ｎｍや５０ｎｍの薄膜として形成することができる。有機半導体に与える歪みは、圧縮方向として１０％以下の範囲内が好適である。また、有機半導体としては、４環以上の多環芳香族化合物や、少なくとも１つの不飽和の五員複素環式化合物と複数のベンゼン環とによる４環以上の多環化合物を用いることができる。

こうした本発明の有機半導体素子において、前記有機半導体はキャリアの移動方向に所定の歪みを作用させた状態が保持されているものとすることもできる。即ち、所定の歪みを作用させた状態としてキャリアの移動度を固定して用いるのである。こうした有機半導体を用いることにより、各種半導体素子を得ることができる。

また、本発明の有機半導体素子において、前記有機半導体に対して、基準となる所定の歪みを与えたときのキャリアの移動度と前記所定の歪みとは異なる歪みを与えたときのキャリアの移動度に基づいて作動するものとすることもできる。こうすれば、有機半導体素子をセンサ素子として用いることができる。

本発明の第１実施例としての有機半導体素子２０の構成の一例を示す説明図である。有機半導体層３０を形成する様子の一例を示す説明図である。有機半導体層３０の結晶構造をｂ軸方向から視た様子を模式的に示す模式図である。有機半導体層３０の結晶構造をａ軸方向から視た様子を模式的に示す模式図である。有機半導体層３０におけるキャリアの移動度と歪みの大きさとの関係を示す説明図である。単結晶の有機半導体に圧縮応力を作用させる前後における分子の振動の様子を模式的に示す模式図である。本発明の第２実施例としての有機半導体素子１２０の構成の一例を示す説明図である。有機半導体層１３０の形成方法の一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の第１実施例としての歪みセンサとして機能する有機半導体素子２０の構成の一例を示す説明図である。有機半導体素子２０は、基板２２と、基板２２上に形成された有機半導体層３０と、有機半導体層３０上に形成された２つのゲージリード３２（２つのゲージリード３２のうちの１つは図示せず）と、を備える。

基板２２は、プラスチック（例えば、ポリエチレンナフタレートなど）により、厚さが５０μｍ〜１０ｍｍ、例えば、１００μｍ〜２００μｍとなるよう形成されている。

有機半導体層３０は、有機半導体（例えば、次式（１）で示される構造の3,11-ジデシルジナフト[2,3-d:2',3'-d']ベンゾ[1,2-b:4,5-b']ジチオフェン（Ｃ１０−ＤＮＢＤＴ））の単結晶の薄膜として、厚さが２００ｎｍ以下、例えば、１００ｎｍや５０ｎｍとなるよう形成されている。

ここで、有機半導体層３０の形成方法について説明する。図２は、有機半導体層３０を形成する様子の一例を示す説明図である。まず、基板２２の上方に、基板２２に対して略垂直になるようブレード５０を配置する。このとき、基板２２とブレード５０の先端５０ａとの距離が、形成しようとしている有機半導体層３０の厚さより大きい所定距離（例えば、２００μｍなど）となるようにブレード５０を配置する。そして、基板２２とブレード５０の先端５０ａとの間に溶液供給管５２を用いて図２における左側から芳香族化合物（例えば、o-ジクロロベンゼンなど）の溶剤に有機半導体を溶解させた溶液５４を供給しながら、基板２２を図における右方向へゆっくりと移動させると、ブレード５０の先端５０ａから離れた部分の溶液５４の溶剤が蒸発して有機半導体層３０が単結晶の薄膜として形成される。このとき、基板２２の移動速度と単結晶の成長速度とを同一にすることにより、単結晶を図２における成長点５６から均一な厚さに成長させることができる。なお、実施例では、基板２２を図における右方向へ移動させるものとしたが、基板２２を移動させずにブレード５０と溶液供給管５２とを移動させるものとしてもよい。

図３は有機半導体層３０の結晶構造をｂ軸方向から視た様子を模式的に示す模式図であり、図４は有機半導体層３０の結晶構造をａ軸方向から視た様子を模式的に示す模式図であり、図５は、有機半導体層３０におけるキャリアの移動度と歪みの大きさとの関係を示す説明図である。図３，４において、３つの結晶軸（ａ軸、ｂ軸、ｃ軸）を矢印で示し、単位格子を四角で囲んでいる。有機半導体層３０は、例えば、有機半導体の結晶構造においてｃ軸に平行な方向（図３における太線矢印に示す方向）に圧縮応力が作用して歪みが与えられると、図５に示すように、与えられた歪みの大きさに応じてキャリアの移動度が変化する。キャリアの移動度は、与えられる歪みの大きさに応じて定まり、与えられる歪みが大きくなるほど大きくなる。例えば、歪みが３％のときのキャリアの移動度は、歪みが０％のときの１．７倍の１６．５［ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）］となる。一般に、多結晶の有機半導体は、形成手法によって異なる結晶構造となるため、同一の圧縮応力を作用させて同一の歪みを与えても同一のキャリアの移動度を得ることができない。これに対して、単結晶の有機半導体は、結晶構造が分子により定まるから、基本的には形成手法を問わず、同一の結晶構造となり、同一の圧縮応力を作用させて同一の歪みを与えると、同一のキャリアの移動度を得ることができる。そのため、単結晶の有機半導体は歪みに対して均一な特性を有するものとなる。キャリアの移動度が大きくなる理由は以下のように考えられる。図６は、単結晶の有機半導体に圧縮応力を作用させる前後における分子の振動の様子を模式的に示す模式図である。単結晶の有機半導体に圧縮応力を作用させると、結晶に歪みが生じて分子同士が近づき、キャリアが有機半導体内を移動しやすくなり、キャリアの移動度が大きくなると考えられる。また、分子同士が近づくと分子の振動が小さくなることから、図示するように、圧縮応力を作用させる前より作用させた後のほうが分子の振動が小さくなり、キャリアが有機半導体内を移動しやすくなり、キャリアの移動度が大きくなると考えられる。さらに、結晶に与えられる歪みが大きくなるほど分子同士の距離がより近くなるから、キャリアの移動度は結晶に与えられる歪みが大きくなるほど大きくなる。このように、単結晶の有機半導体は、与えられる歪みが大きくなるほどキャリアの移動度が大きくなる特性を有し、この特性は、有機半導体の形成手法に拘わらず、均一なものとなる。実施例では、有機半導体層３０を単結晶の薄膜として形成したから、有機半導体層３０を歪みに対して均一な特性（与えられる歪みが大きくなるほどキャリアの移動度が大きくなる特性）を有するものとすることができる。

こうして構成された有機半導体素子２０では、被検出物の歪みの量を以下の手順で検出する。最初に、被検出物に基板２２を接着した状態でゲージリード３２に所定の電圧を印加する。被検出部の歪みが変化すると、基板２２と共に有機半導体層３０に作用する応力が変化して有機半導体層３０に与えられる歪みが変化する。有機半導体層３０に与えられる歪みが変化すると、歪みの大きさに応じて有機半導体層３０のキャリアの移動度が変化し、ゲージリード３２に流れるゲージ電流が変化する。有機半導体素子２０では、こうしたゲージ電流の変化を測定することにより、被検出物の歪みの量を測定することができる。そして、有機半導体層３０が、単結晶の薄膜として形成されており、歪みに対して均一な特性を有するから、均一な特性を有する歪みセンサを提供することができる。

以上説明した第１実施例の歪みセンサ素子として機能する有機半導体素子２０によれば、有機半導体層３０を単結晶の薄膜として形成することにより、被検出物の歪みの量を測定することができる。また、有機半導体層３０を単結晶の薄膜として形成することにより、同一の歪みを与えると、同一のキャリアの移動度とすることができ、均一な特性を有する歪みセンサを提供することができる。

第１実施例では、有機半導体素子２０を歪みセンサとして機能するものとしたが、こうした歪みセンサとして機能するものに限定されるものではなく、例えば、感圧部に与えられた圧力を検出する感圧センサや温度を検出する温度センサなど、歪みが変化したとき（基準となる所定の歪みを与えたときのキャリアの移動度と所定の歪みと異なる歪みを与えたとき）のキャリアの移動度に基づいて作動するものなら如何なるものに用いても構わない。例えば、感圧センサとして用いる場合には、有機半導体素子をシートに貼り付け、シートが押圧されて有機半導体素子の歪みが変化したときに流れる電流（キャリアの移動度）に基づいてシートに加えられた圧力を検出するものとしてもよい。また、温度センサとして用いる場合には、バイメタルと同様に、有機半導体素子を熱膨張率が異なる金属に接着して、温度の変化による熱膨張率の差で有機半導体素子の歪みが変化したときに流れる電流（キャリアの移動度）に基づいて温度を検出するものとしてもよい。

続いて、第２実施例のトランジスタとして機能する有機半導体素子１２０について説明する。図７は、本発明の第２実施例としての有機半導体素子１２０の構成の一例を示す説明図である。有機半導体素子１２０は、トップコンタクト−ボトムゲート型の電界効果トランジスタとして構成されており、基板１２２と、基板１２２の所定の領域上に形成されたゲート電極１２４と、基板１２２上およびゲート電極１２４上に形成されたゲート絶縁膜１２６と、ゲート電極１２４の上方に位置するようゲート絶縁膜１２６上に形成された有機半導体層１３０と、有機半導体層１３０の両側に位置するようゲート絶縁膜の上に形成されたソース電極１３２およびドレイン電極１３４と、を備える。

基板１２２は、プラスチック（例えば、ポリエチレンナフタレートなど）により、厚さが５０μｍ〜１０ｍｍ、例えば、１００μｍ〜２００μｍとなるよう形成されている。

ゲート電極１２４，ソース電極１３２，ドレイン電極１３４は、金などの金属材料により形成されている。ゲート電極１２４は、厚さが５０ｎｍ以下、例えば、４０ｎｍや３０ｎｍとなるよう形成されている。ソース電極１３２，ドレイン電極１３４は、厚さが５０ｎｍ以下、例えば、４０ｎｍや３０ｎｍとなるよう形成されている。

ゲート絶縁膜１２６は、絶縁物（例えば、ポリメチルメタクリレートなど）により、厚さが２００ｎｍ以下、例えば、１５０ｎｍや１００ｎｍとなるよう形成されている。

有機半導体層１３０は、上述した式（１）で示される構造の有機半導体の単結晶の薄膜として、厚さが２００ｎｍ以下、例えば、１００ｎｍや５０ｎｍとなるよう形成されている。有機半導体層１３０は、図３に示した結晶構造における結晶軸のｃ軸が形成されるチャネルの向きと平行になるよう形成されており、ｃ軸方向で圧縮応力を作用させることによって所定の歪みを作用させた状態で保持されている。ここで、「所定の歪み」としては、有機半導体層１３０や基板１２２やゲート絶縁膜１２６を破損しない程度の歪みであればよく、実施例では、圧縮方向で１０％以下、例えば、圧縮方向に３％の歪みを用いることができる。

ここで、有機半導体層１３０に形成方法について説明する。図８は、有機半導体層１３０の形成方法の一例を示す説明図である。最初に、図示するように、ゲート絶縁膜１２６が形成された基板１２２を湾曲させた状態で有機半導体の単結晶の薄膜（有機半導体層３０）を図中左右方向になるよう形成する。そして、その後、基板１２２を平板となるまで引っ張って薄膜に圧縮応力を作用させることにより、所定の歪みを作用させた状態で保持された有機半導体層１３０を形成する。なお、有機半導体層１３０に所定の歪みを作用させた状態を保持させる方法としては、図８に例示した方法の他に、基板１２２を加熱して熱膨張させた状態で有機半導体の単結晶の薄膜を形成し、その後基板１２２を常温に戻して熱収縮させる方法など他の方法を用いてもよい。

このように有機半導体層１３０を単結晶の薄膜として形成したから、有機半導体層１３０に同一の圧縮応力を作用させて同一の歪みを与えると、同一のキャリアの移動度を得ることができる。したがって、有機半導体層１３０を歪みに対して均一な特性を有するものとすることができる。

こうして構成された有機半導体素子１２０は、ゲート電極１２４，ソース電極１３２，ドレイン電極１３４のそれぞれに作動用の電圧を印加することにより有機半導体層１３０内にチャネルが形成されてトランジスタとして作動する。有機半導体層１３０が、単結晶の薄膜として形成されており、歪みに対して均一な特性を有するから、均一の特性のトランジスタを提供することができる。また、有機半導体層１３０に歪みを作用させた状態で保持させることにより、歪みを作用させない場合と比較するとキャリアの移動度が高くなるから、ソース電極１３２とドレイン電極１３４との間により多くの電流を流すことができ、より駆動力の高いトランジスタを提供することができる。

以上説明した第２実施例のトランジスタとして機能する有機半導体素子１２０によれば、有機半導体層１３０を単結晶の薄膜として形成することにより、駆動力の高いトランジスタを提供することができる。また、有機半導体層１３０を単結晶の薄膜として形成することにより、同一の歪みを与えると、同一のキャリアの移動度とすることができ、均一な特性を有するトランジスタを提供することができる。

第２実施例では、有機半導体素子２０をトップコンタクト−ボトムゲート型の電界効果トランジスタとして構成するものとしたが、トップコンタクト−トップゲート型の電界効果トランジスタなど、シリコンや窒化ガリウムなどの無機半導体に形成可能なタイプのトランジスタであれば如何なるタイプのトランジスタとして構成してもよい。また、こうしたトランジスタに限定されるものではなく、キャリアの移動方向に所定の歪みを作用させた状態が保持されるものであれば如何なるものとしても構わない。

第１，第２実施例の有機半導体素子２０，１２０では、有機半導体層３０，１３０を上述した式（１）の構造の有機半導体により形成するものとしたが、有機半導体としては、例えば、４環以上の多環芳香族化合物や、１つの或いは複数の不飽和の五員複素環式化合物と複数のベンゼン環とによる４環以上の多環化合物を用いることができる。例えば、次式（２）〜次式（１４）のいずれかの構造であるものとしてもよい。なお、式（２）〜式（１４）中、Ｒは、直鎖アルキル、分岐アルキル、フッ素化直鎖・分岐アルキル、トリイソプロピルシリルエチニル、フェニルなどを用いることができる。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、有機半導体素子の製造産業などに利用可能である。

２０，１２０有機半導体素子、２２，１２２基板、３０，１３０有機半導体層、３２ゲージリード、５０ブレード、５０ａ先端、５２溶液供給管、５４溶液、５６成長点、１２４ゲート電極、１２６ゲート絶縁膜、１３２ソース電極、１３４ドレイン電極。

Claims

有機半導体を用いた有機半導体素子であって、
前記有機半導体は、単結晶の薄膜として形成されており、
少なくとも前記有機半導体に歪みを与えたときのキャリアの移動度に基づいて作動する、
ことを特徴とする有機半導体素子。
請求項１記載の有機半導体素子であって、
前記有機半導体は、キャリアの移動方向に所定の歪みを作用させた状態が保持されている、
有機半導体素子。
請求項１記載の有機半導体素子であって、
前記有機半導体に対して、基準となる所定の歪みを与えたときのキャリアの移動度と前記所定の歪みとは異なる歪みを与えたときのキャリアの移動度に基づいて作動する、
有機半導体素子。
請求項１ないし３のうちのいずれか１つの請求項に記載の有機半導体素子であって、
前記有機半導体は、４環以上の多環芳香族化合物、または、少なくとも１つの不飽和の五員複素環式化合物と複数のベンゼン環とによる４環以上の多環化合物である、
有機半導体素子。
請求項１ないし４のうちのいずれか１つの請求項に記載の有機半導体素子であって、
前記有機半導体は、厚さが２００ｎｍ以下の薄膜として形成されている、
有機半導体素子。
請求項１ないし５のうちのいずれか１つの請求項に記載の有機半導体素子であって、
前記有機半導体に与える歪みは、圧縮方向で１０％以下の範囲内である、
有機半導体素子。