研究成果報告書(基金分)

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きみえおおかわち
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2 様式 C Z-19( 共通 ) 1. 研究開始当初の背景有機薄膜トランジスタは低温プロセスで作製できフレキブルデバイスへの応用が可能であるさらに移動度 5 cm /Vs を超える PMO( 正孔がキャリア ),NMO( 電子がキャリア ) が実現されておりフレキシブル基板上への有機 CMO 回路の実現が期待できるこれまで我々は PMO に pentcene,nmo に C 6 を使用し, 有機 CMO リングオシレータで khz の動作に成功したこれは有機 CMO 回路としては非常に高い周波数であるしかし, この動作周波数は, 有機トランジスタの 1 cm /Vs を超える移動度を十分に発揮した値ではない高速動作に向けた短チャネル高移動度を実現する上での問題は, 短チャネルトランジスタでの移動度の低下, 低電圧領域の低い移動度, 閾値電圧の高さである特に, 有機 PMO ではこの問題が顕著である有機トランジスタ回路のさらなる高速動作のためにはこれらを解決する必要がある. 研究の目的 (1) 短チャネルトランジスタの際に顕著となるコンタクト抵抗を下げるトランジスタ構造を提案すると共に, 作製プロセスを最適化し短チャネル高移動度の有機 PMO を実現する () ゲート絶縁膜表面のプラズマ処理による電流電圧特性の変化を利用し, 閾値電圧制御を試みる (3) コンタクト抵抗を下げるのに有効である金属の表面処理技術を確立するまた, 応用上重要である表面処理電極の仕事関数および高温での安定性について調べる 3. 研究の方法 (1) 短チャネル高移動度トランジスタ高移動度が期待できるアルキル NTT (C1-NTT) をチャネル層とし, 短チャネル構造の作製に有利はボトムコンタクト型のトランジスタについて高移動度化を検討する電極にはベンゼンチオール誘導体で処理した金電極を用い, 使用するベンゼンチオール誘導体に対する移動度の違いを調べるまた, 作製後, アニール処理による移動度の変化から移動度の向上を試みる図 1 は作製したボトムコンタクト型 C1-NTT トランジスタの構造である H 1 C 1 HM-treted surfce C 1 -NTT io (35 nm) n-i (gte) C 1 H 1 PBT NO CH 3 図 1 有機トランジスタの構造 No Au AuNi () 酸素プラズマ処理による閾値電圧制御図に示したチャネル層にペンタセンを有する有機トランジスタについて閾値電圧制御を試みた基板には熱酸化膜付きシリコンを用い, 熱酸化膜表面に酸素プラズマ処理を行ったその条件に対するトランジスタ特性の変化を調べ, その知見をもとに閾値電圧の制御を試みた HM Pentcene io i (gte) Au 1. Exposure of oxygen plsm to io surfce. HM tretment 3. eposition of pentcene. eposition of gold 図作製したトランジスタの構造 (3) 電極表面処理による仕事関数制御図 3 のように金表面を種々のベンゼンチオール誘導体で表面処理し, のような分子の分極による仕事関数の変化を利用し, 仕事関数の制御を試みた () (c) H Au (6 nm)/cr (5 nm).3 (3.5) PBT io n-i H 1.35 (1.91 ) BT CH 3 H.6 (.88 ) Energy ermi energy H 3 C CH NH N 3 H 1 (5. ) Metl Work function H.53 (6.18 ) 図 3 表面処理電極の () 構造とバンド図, (c) 使用したベンゼンチオール誘導体. 研究成果 (1) 短チャネル高移動度トランジスタ図 1 の構造のチャネル長 1μm のトランジスタについて飽和領域での移動度を測定したところ,PBT:.7, : 1.9, : 1.7, 処理無 : 1.6 cm /Vs であったこのように PBT 処理した電極を有するトランジスタで最も高い移動度が得られた PBT 処理電極は (3) で示すように仕事関数が大きいため高い移動度が得られたと考えられるしかし, 次に示すようにアニールによって移動度が変化することから, アニールを行わないトランジスタの移動度の違いは必ずしも電極の仕事関数の違いだけでは説明できないことが分かるそこで各電極のトランジスタについてアニールによる効果を調べた図は処理した電極のトランジスタの電流電圧特性であるアニールをしていないトランジスタおよび 6, 8, 1, 1 で 1 時間アニールをしたトランジスタの特性である図のよう W

3 にアニール温度に依存して電流電圧特性が変化している 1 までは電流が増加し, 1 の温度では減少することが分かったアニールを行わなかったトランジスタの特性では,-1 V 付近で上に凸になるような特性となっているアニールによりこの特性が改善されていることが分かる rin current I ( A ) ºC 1 ºC 8 ºC 6 ºC As-fbricted Gte voltge V G L = 1 m V = -1 V 図処理電極を有するトランジスタの電流電圧特性図 5 にアニール温度に対する各トランジスタの飽和領域の移動度を示した PBT のトランジスタは 8 程度までわずかに移動度が増加し,1, 1 とアニール温度を高くすると移動度が減少することが分かった他の電極のトランジスタについては,1 まで移動度が増加し,1 では減少しているこれらの結果から 8~1 程度のアニールにより, どの電極についても移動度が増加し, それ以上の温度では移動度が減少することが分かった図 5 は 1 時間のアニールによる結果であるが, さらに移動度の向上を期待して, 長時間のアニールによる変化を調べた Mobility ( cm /Vs ) 3. Anneling time 1 hour PBT V = -1 V Anneling temperture T ( ) ºC I 1/ (1 - A 1/ ) 図 5 アニール温度による移動度の変化図 6 は各温度で 1, 1,, 時間アニールを行った場合の移動度である図のように長時間のアニールではさらに移動度が向上する移動度はほぼ時間のアニールで飽和しており, 時間のアニールでは移動度は PBT: 3.3, : 3.1, :.3, 処理無 :.6 cm /Vs であった処理したトランジスタの移動度は,PBT 処理したトランジスタの移動度に近い値を示している (3) で示すように PBT 処理した金電極の仕事関数は約 5.5 ev である他方, 処理した金電極の仕事関数は約.3 ev であるこのように PBT 処理した金と, 処理した金では仕事関数に大きな差があるこれより, 飽和領域の移動度に対しては仕事関数の違いの影響が少ないか, もしくは, アニールにより実効的な仕事関数が変化している可能性がある Mobility ( cm /Vs ) 3. t 8 ºC Anneling time (hours) PBT 図 6 アニール時間による移動度の変化間接的であるがアニールによる移動度の変化の原因を調べるためコンタクト抵抗を評価した図 7 はチャネル長 ~μm のトランジスタの特性からトランスファライン法により算出したコンタクト抵抗であるここではドレイン電圧 -1 V, ゲート電圧から閾値電圧を引いた値が -8 V のときについて算出した図 7 のようにアニール温度によってコンタクト抵抗が大きく変わることが分かるコンタクト抵抗の低下はほぼ移動度の増加と対応しており, 移動度の増加はコンタクト抵抗の低下による結果であることが分かった特におよび PBT の 1 のアニールのトランジスタでは 35 Ωcm 程度のコンタクト抵抗が得られた R c W ( k cm ) PBT V = -1 V V - V = -8 V G T Anneling temperture T ( ) ºC 図 7 コンタクト抵抗の変化 () 酸素プラズマ処理による閾値電圧制御図 8 は酸素プラズマ処理に時間を変えた場合のペンタセントランジスタの電流電圧特性である図のように処理時間の増加と共に電流電圧特性はゲート電圧の正の方向にシフトすることが分かった他方, I 1/ -V G の傾きはほぼ一定であるこれより移動度についてはほとんど処理時間に依存しないこ

4 とが分かる実際, 移動度は.63 から.8 cm /Vs の間の値であった図 8 の特性より閾値電圧を求め, まとめたのが図 9 である図のように閾値電圧は処理時間に対してほぼ線形に変化していることが分かる閾値電圧の正方向へのシフトから, プラズマ処理により絶縁膜表面もしくは表面近くに負の固定電荷が生じたためと考えられるまた, 閾値電圧の変化が線形であることから, その固定電荷はプラズマ処理時間に対して比例して増加すると考えられるこの知見をもとに, プラズマ処理時間により閾値電圧制御が可能となる rin current I (A) s 1 s 5 s V =- V s 6 s Gte voltge V G 図 8 プラズマ処理時間を変えた場合の電流電圧特性の変化 Threshold Voltge V T tretment time t P (s) 図 9 プラズマ処理時間による閾値電圧の変化閾値電圧制御の応用としてペンタセントランジスタを使ってインバータ回路を構成したインバータは図 1 のようにつのトランジスタからなり,PMO の入力は出力側に接続し, 不可として使用する通常, このような回路でインバータを構成するためには PMO は正の閾値電圧をもつ必要がある図 1 は異なる閾値電圧のペンタセントランジスタからなるインバータ回路の入出力特性である図には 3 つのインバータ回路の特性を示したが, それぞれの回路の PMO1 と PMO の閾値電圧 VT1,VT は,INV1: -.7 V, 1.5 V,INV: -1.6 V, 3. V,INV3: -. V, 5.8 V である図のように INV1 および INV ではインバータ動作が得られている理論式より予想されるスイッチング電圧は INV1: 7.8 V, INV: 5. V であり, ほぼ測定結果と一致する結果として, 制御された閾値電圧のペンタセントランジスタからなるインバータ回路の動作に成功した I 1/ (1 A 1/ ) () V IN V PMO1 V OUT PMO GN V OUT INV3 INV INV V IN V = 1 V 図 1 ペンタセントランジスタからなる () インバータ回路と入出力特性 (3) 電極表面処理による仕事関数制御図 11 は各ベンゼンチオール誘導体で表面処理した金の仕事関数である図のように分極の増加と共に仕事関数が低下することが分かる仕事関数はおよそ.3~5.5 ev の範囲で得られている表面処理電極を有機デバイスに応用する場合, ホールの注入には PBT 処理, 電子の注入には処理が適していると言える図 1 に 1 分間各温度でアニールした場合の表面処理電極の仕事関数を示すすべての表面処理電極について, アニール温度が高くなるに従い, その仕事関数は表面処理を行わなかった金の仕事関数の値に近づくことが分かるこれは, アニールによりベンゼンチオール誘導体が離脱したためと考えられる図から K 程度より離脱が始まると言えるこの結果より, 表面処理電極をデバイスへ応用する場合, プロセス温度に注意する必要があることが分かった Work function W (ev) Work function W T (ev) PBT BT Ref Positive direction of dipoles metl ipole moment d (debye) -Au 図 11 表面処理電極の仕事関数 PBT BT Anneling temperture T (K) 図 1 アニールによる仕事関数の変化 ref

5 5. 主な発表論文等雑誌論文 ( 計件 ) 1. Ttr, Y. Kuzumoto, nd M. Kitmur: Wettbility control of gold surfces modified with benzenethiol derivtives: Wter contct ngle nd therml stbility, Journl of Nscience nd Ntechlogy ( 印刷中 ), 査読有 Y. Kuzumoto, H. Mtsuym, nd M. Kitmur, tructurl nd electricl properties of fluorinted copper phthlocynine towrd orgnic photovoltics: post-nneling effect under pressure, Jpnese Journl of Applied Physics, vol. 53, pp. ER16-1-5, 1, OI: /JJAP.53.ER16, 査読有 3 Y. Kuzumoto nd M. Kitmur, Work function of gold surfces modified using substituted benzenethiols: Rection time dependence nd therml stbility, Applied Physics Express, vol. 7, pp , 1, OI: /APE , 査読有 M. Kitmur, Y. Kuzumoto, nd Y. Arkw, hort-chnnel, high-mobility orgnic thin-film trnsistors with lkylted dinphthothiethiophene, Physic ttus olidi (c), vol. 1, pp , 13, OI: 1.1/pssc.135, 査読有学会発表 ( 計 3 件 ) 1 北村雅季, 有機薄膜トランジスタの研究開発と実用化に向けた展望, 電子情報通信学会総合大会, , 立命館大学 ( 滋賀県 )( 依頼講演 ). Ttr nd M. Kitmur, Wettbility control of gold surfces modified with benzenethiol derivtives, 11th Interntionl Conference on N-Moleculr Electronics, , 神戸国際会議場 ( 兵庫県 ) 3 M. Kitmur, Y. Kuzumoto, nd Y. Arkw, Anneling effect on field-effect mobilities in bottom-contct lkylted dinphthothiethiophene trnsistors, Interntionl Conference on olid tte evices nd Mterils, , つくば国際会議場 ( 茨城県 ) Y. Kimur, M. Kitmur, nd Y. Arkw, Pentcene thin-film trnsistors with controlled threshold voltges nd their ppliction to pseudo CMO inverters, Interntionl Conference on olid tte evices nd Mterils, , つくば国際会議場 ( 茨城県 ) 5 M. Kitmur, olution-processed orgnic thin-film trnsistors, 6th Asin Coting Workshop, , 神戸大学 ( 兵庫県 )( 招待講演 ) 6 M. Kitmur nd Y. Arkw, Therml stbility of short chnnel, high-mobility orgnic thin-film trnsistors hving bottom-contct configurtion, Interntionl Conference on olid tte evices nd Mterils, , ヒルトン福岡シーホーク ( 福岡県 ) 7 M. Kitmur, Y. Kuzumoto, nd Y. Arkw, hort-chnnel, high-mobility orgnic thin-film trnsistors with lkylted dinphthothiethiophene, th Interntionl ymposium on Compound emiconductors, , 神戸国際会議場 ( 兵庫県 ) 8 Y. Kimur, K. Ktsuki, M. Kitmur, nd Y. Arkw, Threshold voltge control in pentcene thin-film trnsistors by oxygen plsm tretment, th Interntionl ymposium on Compound emiconductors, , 神戸国際会議場 ( 兵庫県 ) 9 M. Kitmur nd Y. Arkw, inphthothiethiophene thin-film trnsistors with luminum/molybdenum oxide electrodes, 7th Interntionl Conference Moleculr Electronics nd Bioelectronics, , 福岡国際会議場 ( 福岡県 ) 1 北村雅季, 荒川泰彦, 高性能有機 CMO 回路 - 高速動作はどこまで可能か-, 薄膜材料デバイス研究会第 9 回研究集会, , 奈良 1 年会館 ( 奈良県 ) ( 招待講演 ) 11 M. Kitmur, Y. Tnk, W. Kng, nd Y. Arkw, inphtho thie thiophene thin-film trnsistors with modified pltinum electrodes in bottom-contct configurtion, Interntionl Conference on olid tte evices nd Mterils, , 京都国際会議場 ( 京都府 ) その他ホームページ等 6. 研究組織 (1) 研究代表者北村雅季 (KITAMURA, Moshi) 神戸大学大学院工学研究科准教授研究者番号 :1351

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Microsoft PowerPoint - semi_ppt07.ppt 半導体工学第 9 回目 / OKM 1 MOSFET の動作原理しきい電圧 (V( TH) と制御 E 型と D 型 0 次近似によるドレイン電流解析半導体工学第 9 回目 / OKM 2 電子のエネルギーバンド図での考察金属 (M) 酸化膜 (O) シリコン (S) 熱平衡でフラットバンド伝導帯 E c 電子エネルギシリコンと金属の仕事関数が等しい界面を含む酸化膜中に余分な電荷がない