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電子/正孔両方の注入が可能に:

東北大学ら、有機半導体デバイス用電極を開発

東北大学材料科学高等研究所(AIMR)/同大学院理学研究科のタンガベル カナガセカラン助手らは、従来の性能を超える有機半導体デバイス用電極を開発した。電極材料によらず、電子/正孔両方の注入が低抵抗で行えるという。

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金属/有機多結晶半導体/テトラテトラコンタンの三層構造

 東北大学材料科学高等研究所(AIMR)/同大学院理学研究科のタンガベル カナガセカラン助手と下谷秀和准教授および、谷垣勝己教授は2017年10月16日、東京工業大学物質理工学院の清水亮太特任講師(現在はJSTさきがけ専任研究員)や一杉太郎教授と共同で、従来の性能を超える有機半導体デバイス用電極を開発したと発表した。

 有機半導体デバイスは、柔軟性や軽量、プロセスの容易性といった特長がある半面、実用化に向けては、電子の電極からの注入効率が極めて悪い、などの課題があった。このため半導体素子の多くは現在、シリコンなど無機半導体を用いて作製されている。

 研究グループは今回、有機半導体デバイス向けに金属/有機多結晶半導体/テトラテトラコンタンという三層構造の電極を新たに設計した。新構造の電極は、テトラテトラコンタン薄膜の効果によって、結晶性の低い多結晶半導体薄膜が形成される。このバンドギャップ内に生じる電子準位が重要な役割を果たすという。


左が従来の電極、右は新しい有機半導体の電極構造 出典:東北大学

 具体的には、金属と多結晶半導体の接合界面に形成されるバンドギャップ内準位のために、金属−半導体接合が従来のショットキー極限から離れてバーディーン極限に近づく。同時に、多結晶半導体構造の乱れによるバンドギャップ内準位を介して、小さい活性化エネルギーで半導体に正孔と電子が低抵抗で注入される。これは電極に用いる金属の種類には依存しないという。


新しい電極の正孔と電子の注入機構 出典:東北大学

 研究グループは、有機半導体単結晶を用いたFETに、開発した電極構造を応用して検証した。この結果、新開発の電極は、従来の金電極からの正孔注入やカルシウム電極からの電子注入に比べて、大きな電流が流れることが分かった。しかも、電子と正孔の注入の向きを入れ替えても、同じように動作した。従来の電極だと、電子と正孔の注入の向きを入れ替えるとトランジスタとして動作しないという。


青線が従来電極、赤色が新しい電極を応用したFETの特性 出典:東北大学

 研究グループは、開発した電極を用いて電界発光素子を作製した。カルシウムなど不安定な材料を用いないため、空気中でも動作が安定しているという。


新しい電極の電界発光素子に応用した例 出典:東北大学

 今回の研究成果は、英国科学誌「Nature Communications」オンライン版で2017年10月17日に公開された。

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