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JP2005277282A - 有機半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

有機半導体素子及びその製造方法 Download PDF

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匡彦 平井
Mitsumasa Iwamoto
光正 岩本
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Abstract

【課題】 有機半導体材料と導電性電極との間に流れるキャリア密度を増大させる有機半導体素子を提供する。
【解決手段】 有機半導体材料と、前記有機半導体材料と接する導電性電極を含む有機半導体素子において、前記有機半導体材料と前記導電性電極との接合障壁を、前記有機半導体の擬フェルミ準位と前記導電性電極のフェルミ準位とを調整手段を用いて最適化することによって、前記有機半導体材料と前記導電性電極との間に流れるキャリア密度を増大させる有機半導体素子。前記調整手段は、光照射、プラズマ暴露、加熱、液体による洗浄、ラビング処理のいずれかで行う。
【選択図】 なし

Description

本発明は、キャリア注入特性の良好な有機半導体及びその製造方法に関する。
近年、有機化合物を材料としたデバイスの開発が広く行なわれており、有機発光ダイオード、有機薄膜トランジスタ、有機太陽電池等、実用に向けたデバイスの開発が盛んに行なわれている。中でも、有機薄膜トランジスタは有機半導体膜の形成に高温プロセスを必要としない可能性があるため、樹脂基板上に素子形成が可能なローコストプロセス技術として注目されている。
しかしながら、有機半導体は無機系半導体と異なり、結晶系の周期構造から発生するエネルギーバンド構造と電子ガスモデルでは、その振る舞いの説明が困難である。したがって、有機半導体中の電子のフェルミ準位レベルを規定することも難しい。
半導体デバイスを設計する際、電極から有機半導体中にキャリアを効率的に流し込むため、電極・有機半導体間のポテンシャル障壁を極力低く抑えるため、電極のキャリア準位と有機半導体のキャリア準位を精密に制御する必要がある。従来、光電子放出法などにより、電極表面と有機半導体表面の電子放出に必要なエネルギー（仕事関数）を測定し、接合した場合のポテンシャル障壁を予測するしかなかった。（特許文献１、非特許文献１参照）
特開平０９−０６３７７１号公報 「有機薄膜仕事関数データ集」、シーエムシー出版
本発明の目的は、有機半導体材料と前記有機半導体材料と接する導電性電極を含む有機半導体素子における、前記有機半導体材料と前記導電性電極との間に流れるキャリア密度を増大させる有機半導体素子及びその製造方法を提供することである。
即ち、本発明は、有機半導体材料と、前記有機半導体材料と接する導電性電極を含む有機半導体素子において、前記有機半導体材料と前記導電性電極との接合障壁を、前記有機半導体の擬フェルミ準位と前記導電性電極のフェルミ準位とを調整手段を用いて最適化することによって、前記有機半導体材料と前記導電性電極との間に流れるキャリア密度を増大させることを特徴とする有機半導体素子である。
また、本発明は、有機半導体材料と、前記有機半導体材料と接する導電性電極を含む有機半導体素子の製造方法において、前記有機半導体材料と前記導電性電極との接合障壁を、前記有機半導体の擬フェルミ準位と前記導電性電極のフェルミ準位とを調整手段を用いて最適化することによって、前記有機半導体材料と前記導電性電極との間に流れるキャリア密度を増大させることを特徴とする有機半導体素子の製造方法である。
本発明によれば、前記有機半導体材料と前記導電性電極との間に流れるキャリア密度を増大させ、高効率にキャリアを注入することができる、良好なデバイス特性を示す有機半導体素子を得ることができる。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の有機半導体素子は、有機半導体材料と前記有機半導体材料と接する導電性電極を含む有機半導体素子において、前記有機半導体材料と前記導電静電極との接合障壁を、前記有機半導体の擬フェルミ準位と前記導電性電極のフェルミ準位とを調整手段を用いて最適化することによって、前記有機半導体材料と前記導電性電極との間に流れるキャリア密度を増大させることを特徴とする。
本発明にかかる有機半導体素子に用いる有機半導体材料としては、低分子系有機半導体化合物と高分子系有機半導体化合物とがある。具体的には、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、ヘプタセン、チオフェン、フタロシアニン、ポルフィリンなどのπ電子共役結合を含む多共役有機化合物やポリチオフェン、ポリアセン、ポリアセチレン、ポリアニリンなどのπ共役系高分子化合物などが挙げられる。
導電性電極としては、金、銀、白金などの貴金属や銅、アルミニウム、カルシウムなど導電率が高い材料及びこれらを含む導電性ペーストや導電性ポリマーが挙げられる。
接合障壁とは、無機半導体同士の接合、無機半導体と金属材料との接合などにおいて、仕事関数の差を由来とするエネルギー障壁として理解されるが、有機半導体と金属電極との接合に代表される導電性材料との接合においても、同様の考え方で説明しようとする場合が多い。
フェルミ準位とは、電子などのフェルミ統計に従う粒子（フェルミ粒子）がもつ、絶対温度における最高エネルギーと解釈することができる。絶対温度以外の温度では、状態密度が０．５となるエネルギーとして理解される。金属のような導電体材料においては、電子の仕事関数（電子放出に必要なエネルギー）とほぼ同一の値をとると考えられるため、この仕事関数で代用することができる。
擬フェルミ準位は、有機半導体における、キャリアが障壁なしに注入されるエネルギー準位と理解され、必ずしも電子の仕事関数と一致するとは限らない。有機半導体においては、無機半導体のようなエネルギーバンド構造と電子ガスモデルは成立しないと考えられ、有機半導体分子そのものにエネルギーバンド構造に類似した準位が存在すると考えられる。電子のようなキャリアについても、均一な電子ガスのようなモデルは成立せず、有機半導体分子にキャリアが局在する可能性もある。したがって、有機半導体では、キャリアの注入に関して、無機半導体系におけるフェルミ準位に似た振る舞いをする、擬フェルミ準位を定義することになる。
半導体素子において、多くの場合、導電性電極と有機半導体との間で電流を流すことになるが、界面にポテンシャル障壁が発生し、キャリアの移動が妨げられ、半導体素子の特性を大きく制限する。導電性電極のフェルミ準位と有機半導体材料の擬フェルミ準位を、「調整手段」によって最適化することによって、高効率に高密度のキャリアを注入させることが可能になる。
前記調整手段として、光照射、プラズマ暴露、加熱、液体による洗浄、ラビング処理など のいずれかを含むことが好ましい。光照射としては、赤外、可視、紫外などの光のことで、特に紫外光を照射することにより、導電性電極表面のフェルミ準位を調節することができる。同様の効果は、アルゴンプラズマに曝す、強酸などの液体による洗浄、フエルトなどで表面をこするラビング処理などでも得ることが可能である。
前記調整手段を前記有機半導体材料表面、前記導電性電極表面の少なくとも一方に施すことが好ましい。
前記導電性電極としては、金及び、銀、白金、銅、アルミニウム、カルシウムで表される金属物質の少なくとも１つを含有することが好ましい。
前記接合障壁を、前記導電性電極上に形成された前記有機半導体材料の表面静電電位を測定することによって決定することができる。導電体と有機半導体の接合界面にポテンシャル障壁があると、界面においてキャリアが移動し、導電性電極を一定電圧に保持し、有半導体をフローティングにすると、有機半導体側がポテンシャル障壁高さ分だけチャージアップして、平衡に達する。これは、現実にポテンシャル障壁をドライビングフォースとして、キャリアが移動し平衡に達した結果であるので、導電性電極のフェルミ準位を基準として、有機半導体の擬フェルミ準位を直接測定したことになる。
前記接合障壁の高さが０．５ｅＶ以下であることにより、効率的にキャリアを注入することができる。
前記有機半導体素子としては、ダイオードまたは薄膜トランジスタまたは接合型トランジスタまたは太陽電池などが挙げられる。いずれも、導電性電極と有機半導体間の高効率なキャリア注入を必要とするものである。
また、本発明により、有機半導体材料と前記有機半導体材料と接する導電性電極を含む有機半導体素子において、前記有機半導体材料と前記導電静電極との接合障壁を、前記有機半導体の擬フェルミ準位と前記導電性電極のフェルミ準位とを調整手段を用いて最適化することによって、前記有機半導体材料と前記導電性電極との間に流れるキャリア密度を増大させる有機半導体素子の製造方法も提供することが可能である
以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する。
実施例１
図１〜５を用いて、本発明の概念および実施形態の一例を示す。
図１は、導電性電極上と有機半導体材料の接合サンプルにおいて、有機半導体表面に発生する静電電位を測定する様子を示した概念図である。導電性電極として金属薄膜を用い接地した上で、ケルビンプローブディテクタ（測定子）を金属表面から有機半導体材料表面までスキャンし、表面電位の変化を測定する。
図２は、表面電位測定の結果の一例を示すものである。導電性電極材料として金薄膜、有機半導体材料として真空蒸着したペンタセンを使用し、調整手段として紫外線（ＵＶ）照射と熱処理を使用した。ペンタセンの膜厚、金電極表面の紫外線照射（ＵＶ洗浄）の有無、熱処理の有無とペンタセン表面静電電位量の関係を測定した。静電電位とペンタセン膜厚には有意な関係はないと見られるが、金電極表面の紫外線照射の有無には、強い影響を受けた。
図３は、光電子分光測定法による仕事関数測定の概略を示したものである。金属、有機半導体とも、光電子電流の立ち上がり位置のエネルギーを読むことにより、その仕事関数を測定することができる。
図４は、金表面紫外線照射（ＵＶ洗浄）後に大気放置して、放置時間と仕事関数の関係を示したものである。放置時間に依存して、仕事関数が連続的に変化しており、放置時間を任意に設定することによって、仕事関数値を調整することができる。このことは、導電性電極と有機半導体材料との接合障壁を任意に調整できることを示すものである。また、紫外線照射時間、紫外線照度を任意に調整することによっても、仕事関数値を調整することができる。
図５は、図１〜４の測定結果をまとめたものである。この結果から、有機半導体（ペンタセン）中でキャリアが移動するエネルギー準位は、ペンタセンのＬＵＭＯ準位（仕事関数）より、０．２０ｅＶ程度浅い４．８ｅＶ付近に存在することがわかる。
この知見を利用し、シリコン基板上にゲート絶縁膜として酸化シリコン（膜厚５００ｎｍ）を形成した後、金のソース・ドレイン電極を形成し（ゲート長５０ミクロン、ゲート幅３ｍｍ）、電気特性を評価した結果、紫外線照射により金ソース・ドレイン電極の表面を処理したものは、コンダクタンスが５．６Ｅ−３［１／Ω］であったのに対し、処理をしなかったものは７．５Ｅ−６［１／Ω］であった。これは、キャリアの注入密度が大きく増大した結果がコンダクタンスに現れているのであり、紫外線照射により、導電性電極と有機半導体との接合障壁を最適化することができたためと考えられる。
実施例２
調整手段として、０．５Ｐａのアルゴン雰囲気ＤＣプラズマに暴露することによっても、同様の効果が得られた。
実施例３
調整手段として、前記金表面紫外線照射（ＵＶ洗浄）を用い、金電極表面に処理を施した後ペンタセン蒸着膜（厚さ１００ナノメートル）を形成し、ペンタセン蒸着膜表面に金属電極を形成して電流−電圧特性を評価した結果、金属表面を処理したものでは正の整流特性を示した。これは、キャリアの注入の様子が大きく異なった結果から現れたものであり、紫外線照射により、導電性電極と有機半導体との接合障壁を最適化することができたためと考えられる。
本発明の有機半導体素子は、有機半導体材料と導電性電極との間に流れるキャリア密度を増大させ、高効率にキャリアを注入することができる、良好なデバイス特性を示す有機半導体素子であるので、ダイオードまたは薄膜トランジスタまたは接合型トランジスタまたは太陽電池などに利用することができる。
本発明における表面電位測定の様子を示す概略図である。 本発明における表面電位測定結果を示すグラフである。 本発明における仕事関数測定の原理を示す概略図である。 本発明における仕事関数の放置時間依存性を示す概略図である。 本発明におけるエネルギー準位の関係を示すグラフである。

Claims (8)

  1. 有機半導体材料と、前記有機半導体材料と接する導電性電極を含む有機半導体素子において、前記有機半導体材料と前記導電性電極との接合障壁を、前記有機半導体の擬フェルミ準位と前記導電性電極のフェルミ準位とを調整手段を用いて最適化することによって、前記有機半導体材料と前記導電性電極との間に流れるキャリア密度を増大させることを特徴とする有機半導体素子。
  2. 前記調整手段として、光照射、プラズマ暴露、加熱、液体による洗浄、ラビング処理のいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載の有機半導体素子。
  3. 前記調整手段を前記有機半導体材料の表面および前記導電性電極の表面の少なくとも一方に施すことを特徴とする請求項１または２に記載の有機半導体素子。
  4. 前記導電性電極が金、銀、白金、銅、アルミニウムおよびカルシウムから選ばれる金属物質の少なくとも１つを含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載の有機半導体素子。
  5. 前記接合障壁の高さを、前記導電性電極上に形成された前記有機半導体材料の表面静電電位を測定することによって決定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の有機半導体素子。
  6. 前記接合障壁の高さが０．５ｅＶ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの項に記載の有機半導体素子。
  7. 前記有機半導体素子が、ダイオード、薄膜トランジスタ、接合型トランジスタまたは太陽電池であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの項に記載の有機半導体素子。
  8. 有機半導体材料と、前記有機半導体材料と接する導電性電極を含む有機半導体素子の製造方法において、前記有機半導体材料と前記導電性電極との接合障壁を、前記有機半導体の擬フェルミ準位と前記導電性電極のフェルミ準位とを調整手段を用いて最適化することによって、前記有機半導体材料と前記導電性電極との間に流れるキャリア密度を増大させることを特徴とする有機半導体素子の製造方法。
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