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高性能な液晶性半導体材料：Ph-BTBT-10
No.178(2018/07発行)
液晶性半導体材料Ph-BTBT-10（1）は，近年報告された有機半導体材料の中でも特に優れたキャリア輸送特性を示すp型半導体材料です（図1）。半那らはスピンコート法で作製したFET素子において，酸化物半導体（IGZO）と同等の移動度（μmax = 14.7 cm2/Vs）と大気安定性を有することを報告しています1)。そこで，このような特性をもつ液晶性半導体材料である1について，蒸着法によるOFET素子の作製および評価検討を行いました。また，1の蒸着膜の構造解析とアニール処理後の結晶構造の変化について2D-GIXD による調査・解析も実施しています2,3)。
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図1. OFET素子構造
図2. 蒸着型OFET素子の伝達特性
(a) w/o annealing (ODTS) (b) annealing 120 °C, 5 min (ODTS)
表1. Ph-BTBT-10を用いた蒸着型OFET素子特性
蒸着法によりトップコンタクト型のFET素子を作製しました（図1）。素子のFET特性を図2および表1に示します。全ての素子において安定なp型半導体特性が得られ，かつ，Self-assemble-monolayer （SAM）の有無に関わらず，アニーリング処理（120 °C，5 min）を行うことでFET性能の大幅な向上が見られました。bare基板における素子性能はホール移動度μmax = 4.86 cm2/Vs，Vth = ‒8 Vの良好な値が得られ，ODTS処理基板では閾値電圧は大きい（Vth = ‒22 V）もののIDSが大幅に増加し，ホール移動度μmax = 14.0 cm2/Vsの良好な値が得られました。
図3. 2D-GIXD解析（加熱in-situ測定）
図4. 2D-GIXD解析（Out-of-plane，bare基板）
図5. 1の相転移イメージ
Ph-BTBT-10薄膜の加熱in situ 2D-GIXD測定データを図3，4に示します2,3)。室温および60 °Cにて単分子層に起因するピークが得られ，その層間距離（d）は27 Å程度であることがわかりました。一方，120 °Cまで昇温した場合，回折ピークに明確な変化が現れることから，単分子層（d = 27 Å）から2分子層（d = 54 Å）への転移が起こったと考えられます（図4，5）。液晶相（SmE）への相転移温度は144 °Cであり1)，180 °Cの加熱条件下ではSmEに由来する回折ピークが観測されています（図4）。また，180 °C（SmE）から室温へ急冷却すると，単分子層と2分子層の混合層を発現することが示唆され，本系において冷却速度は均一な結晶膜を得るために極めて重要なファクターであると推測されます。
以上の結果から，蒸着法により成膜したPh-BTBT-10膜においても，単分子層から2分子層へ転移することがわかりました。本解析結果は，実際のFET特性の大幅な変動と一致します。1は既に報告されている塗布法に加えて，蒸着法でも使用可能な高い実用的有機半導体材料であることが見出されました。
文献
- 1)Liquid crystals for organic thin-film transistors
- 2)2D-GIXD experiments were performed at the BL46XU and BL19B2 of SPring-8 with the approval of the Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) (Proposal No. 2017B1817 and 2017B1629).
We acknowledge Prof. Noriyuki Yoshimoto, Assist. Prof. Daiki Kuzuhara and Mr. Shimpei Miura (Iwate Univ.), Assist. Prof. Mitsuharu Suzuki (NAIST) and Dr. Tomoyuki Koganezawa (JASRI) for technical support in GIXD. - 3)三浦他，第65回応用物理学会春季学術講演会 20a-P7-1.
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