Organic semiconductor device design considering electrothermal properties toward high current switching

考虑大电流开关电热特性的有机半导体器件设计

基本信息

批准号：
22K18795
负责人：
野田啓
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K18795/
关键词：
有機半導体電熱特性薄膜デバイス

项目摘要

まず、ペンタセンや銅フタロシアニンなどの低分子系の有機半導体薄膜から成るクロスバー構造のダイオードを真空蒸着法によって作製し、その電流電圧特性の評価を行った。ここでは真空下における、電流駆動かつ４端子測定での評価を実施した。その結果、ペンタセン及び銅フタロシアニンのいずれにおいても電流値の増大に伴って、負性微分抵抗（NDR）現象を観測するに至った。また、NDRが発生する電流値付近においてデバイス内部からの発熱が顕著になることをサーモカメラによって確認した。これより、今回観測されたNDR現象は有機半導体薄膜の自己加熱によって生じているものであると推測される。また、ホッピング伝導を基にした理論モデルに基づき、観測された電流電圧特性へのフィッティングを行うことで、NDR現象を特徴付ける熱抵抗や活性化エネルギーなどのパラメータの決定、並びにデバイスの動作温度の推測が可能となることが示唆された。一方、高分子系半導体を対象にして、NDR現象の観測に向けた取り組みも並行して進めた。具体的には、高分子スタンプ法を採用した高分子半導体薄膜の微細パターニングや高分子多層膜の形成、およびそれらの技術を応用した有機ホモ接合薄膜トランジスタ作製を実証した。また、絶縁性ポリマーと分子ドープされたチオフェン系高分子半導体の二層膜試料を対象とし、3ω法による薄膜固有の熱伝導率と界面熱抵抗の分離評価を遂行した。その結果から、分子ドープされた高分子半導体の構造と熱輸送特性の相関を追跡するための新しいアプローチと、その有効性を提示するに至った。以上のように、有機半導体薄膜における電流電圧特性と動作温度の相関（電熱特性）や熱輸送特性の理解と制御に向けて、有益な成果を得ることができた。

首先，采用真空蒸镀法制作由并五苯、铜酞菁等低分子有机半导体薄膜构成的交叉结构的二极管，并评价其电流-电压特性。这里，使用电流驱动和真空下的四端子测量来进行评价。结果，对于并五苯和铜酞菁来说，随着电流值增加，观察到负微分电阻(NDR)现象。此外，我们使用热像仪来确认设备内部产生的热量在接近 NDR 发生的当前值时变得明显。这表明，这次观察到的NDR现象是由有机半导体薄膜的自加热引起的。此外，通过将观察到的电流-电压特性与基于跳跃传导的理论模型进行拟合，我们可以确定表征NDR现象的热阻和活化能等参数，并估计器件的工作温度。这是可能的。同时，还致力于观察聚合物半导体中的NDR现象。具体来说，我们展示了使用聚合物印模方法对聚合物半导体薄膜进行精细图案化、聚合物多层膜的形成以及应用这些技术制造有机同质结薄膜晶体管。此外，我们使用3ω方法对绝缘聚合物和分子掺杂噻吩基聚合物半导体的双层膜样品进行了薄膜固有热导率和界面热阻的单独评估。结果使我们提出了一种新方法及其有效性，用于跟踪分子掺杂聚合物半导体的结构和热传输特性之间的相关性。如上所述，我们能够获得对于理解和控制有机半导体薄膜中的电流-电压特性与工作温度（电热特性）和热传输特性之间的相关性有用的结果。