東北大、金属電極の電化注入効率を凌駕する有機半導体を開発

東北大学は、有機半導体デバイスに使用される電極において、これまで報告されている中で最も優れた性能を示す電極を開発する事に成功したと発表した。研究グループは、この新しい電極は基礎科学の観点から重要であるばかりでなく、高性能な電界発光素子などの電極としての利用も期待されると説明している。

同成果は、東北大学の材料科学高等研究所(AIMR)・同 大学院理学研究科のThangavel Kanagasekaran助手、下谷秀和 准教授および谷垣勝己 教授、東京工業大学物質理工学院の清水亮太 特任講師(現 JSTさきがけ専任研究員)、一杉太郎 教授らによるもの。詳細は、英国科学誌「Nature Communications」(オンライン版)に掲載された。

多くの半導体素子はシリコンなどの無機半導体を用いて作製されている。それに対して有機半導体は、柔軟性、軽量、プロセスの容易性など多くの優れた特性を示すことから、次世代の半導体材料として期待されている。しかし、電荷を運ぶ粒子(正孔および電子)の電極からの注入効率が悪く、特に正孔と比較して電子の注入効率が著しく劣っているという問題があった。

今回、研究グループは、金属/有機多結晶半導体/テトラテトラコンタン(鎖状炭化水素分子の1種)という三層構造の電極を設計し、その性能が従来の電極よりも優れていることを実証した。

従来の電極(左)と新しい有機半導体電極(右)の構造 (出所:東北大学Webサイト)

同電極では、テトラテトラコンタン薄膜の効果により結晶性の低い多結晶半導体薄膜が形成され、そ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。まず、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へ近づくと同時に、多結晶半導体の構造の乱れに起因す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正孔と電子が半導体に注入される。そのため、電極に用いる金属の種類によらず正孔、電子ともに低抵抗で注入される。

新しい電極の正孔と電子の注入機構。(a)有機半導体では注入障壁の大きさが電極の仕事関数に依存する(ショットキー極限)傾向にあるが、新しい電極ではギャップ内準位の増加によりフェルミ準位のピン止めが強くなるため、注入障壁が電極材料に依存しないバーディーン極限に近づく。(b) 多結晶有機半導体層中に生じるバンドギャップ内準位を介した注入により、ショットキー障壁を乗り越える熱電子放出機構より注入障壁が小さくなる (出所:東北大学Webサイト)

有機半導体単結晶を用いた電界効果トランジスタにこの電極を応用したところ、従来の金電極からの正孔注入およびカルシウム電極からの電子注入より大きな電流を流した。さらに、従来の電極では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のに対し、新電極は入れ替える前と同等に動作した。また、この結果を踏まえて空気中で不安定なカルシウムなどを用いずに有機単結晶発光トランジスタの作製に成功した。

電界効果トランジスタへの応用(青:従来電極、赤:新しい電極、TTC:テトラテトラコンタン) (出所:東北大学Webサイト)

新しい電極の電界発光素子への応用。上:素子構造、下:上から見た発光の様子 (出所:東北大学Webサイト)

研究グループは、今回の結果は、空気中での安定性など、素子に求められる条件を満たす任意の金属を用いて高性能な電極を作製できることを示すものだと説明している。これにより、有機半導体の基礎研究だけでなく応用においてもさまざまな活用が期待されるという。

関連キーワード


人気記事

一覧

イチオシ記事

新着記事