大阪大学(阪大)は、マイクロ波を用いた測定装置を設計し、半導体と絶縁体の界面における電荷移動度を非接触で測定できる技術を開発したと発表した。

同成果は、同大大学院 工学研究科の本庄義人博士(当時:日本学術振興会特別研究員)、前期課程2年の宮階智代博士、櫻井庸明博士(日本学術振興会特別研究員)、佐伯昭紀助教、関修平教授らによるもの。詳細は、英国Nature Publishing Groupの「Scientific Reports」に掲載された。

有機半導体材料は、軽量、大面積、フレキシブル、印刷が可能などの特徴から電子ペーパーやフレキシブルディスプレイなど、ユニークな用途が考えられると期待されている。有機半導体材料を応用した電界効果トランジスタ(FET)や、有機太陽電池、有機ELなどの電子デバイスでは、半導体材料の間、あるいは半導体と電極、絶縁体といった材料が相互に接触している界面で、電子が輸送されている。このため、界面において、どれくらい電子が移動しやすいかが、その素子の性能を決定しているといっても過言ではない。しかし、界面だけに限定した電子の輸送状態を正確に捉える技術はこれまでほとんど存在しなかった。

今回の研究では、素子全体として電極間を移動する電荷の移動度を測るのではなく、より微視的な界面付近の電荷輸送現象を捉えるために、マイクロ波による電荷キャリアの共振現象に着目した。半導体と絶縁体の界面に電荷キャリアを生じさせるためには、金属電極が必須となる。しかし、金属はマイクロ波を吸収してしまうため、従来のマイクロ波測定法を適用することができなかった。そこで今回、電極と絶縁体、半導体からなるシンプルな素子(MIS素子)を位置・方向を工夫して空洞共振器内に導入することにより、マイクロ波による局所電場が電荷キャリアの移動のみを捉えることが可能な測定装置を開発した。

実際に、代表的な有機半導体としてペンタセン、絶縁体としてポリメチルメタクリレートを用いたMIS素子の測定を行い、ゲート電圧に応答して電荷が蓄積されていく様子を反射マイクロ波変化量の時間変化および電流の時間変化としてモニタリングすることに成功した。さらに、ゲート電圧の極性と大きさを変化させ、得られた反射マイクロ波変化量の強度を調べたところ、作成したMIS素子におけるペンタセンのホール移動度は6cm2Vs–1、電子移動度は0.3cm2V–1s–1と見積もることができた。

FET素子の特性を調べる一般的な方法では、ソース・ドレインといった電極から半導体材料への電荷注入など複数の素過程を含んだ全体としての特性のみしか評価できない。それに対し、今回の方法では、半導体と絶縁体の界面の電荷移動度のみを非接触・非破壊で評価することができるため、純粋に素子内部の界面の状態と、材料としての性能評価が同時に可能となる。さらに、絶縁体や電極など、様々な材料を適用した素子を評価することにより、あらゆる界面での電子輸送を、迅速・定量的に、触らずに測定できる可能性を示している。

有機半導体と絶縁体の界面における電荷移動度定量を行う測定装置の模式図

今回の研究により、代表的なp型有機半導体の1つであるペンタセンが絶縁体との界面において、電荷移動度～6cm2V–1s–1を示していることを、非接触測定法により評価した。また、今回の測定法により、ペンタセンも微視的な領域であればホールだけでなく電子輸送も示すことが示唆された。今後は、有機半導体材料に対して接触させる絶縁体の種類を変化させた際に、電荷移動度が受ける影響を詳細に調べることで、高い性能を示すFET素子を実現するための指針が得られることが期待される。さらに、今回の測定法は、半導体材料の微視的な領域において正孔と電子の寄与を分離して、電荷移動度を測定できる現状唯一の方法でもあり、様々な材料の潜在的な電荷移動度の評価法としてもさらなる展開が期待されるとコメントしている。