JP2007073619A - Evaluation device and characteristics measuring method of organic semiconductor field effect transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、有機半導体電界効果トランジスタの評価装置及び特性測定方法に関する。 The present invention relates to an evaluation apparatus and characteristic measurement method for an organic semiconductor field effect transistor.
有機物を用いたトランジスタは、基板上に有機物を蒸着または塗布して作製する。有機物は主に分子間力(ファン・デル・ワールス力)で結合しているため、Si結晶のような原子結合の物質よりも柔軟性に富んでいる。また、プラスチック基板を用いればSi基板やガラス基板に比べて厚さを薄くすることも可能である。 A transistor using an organic material is manufactured by depositing or coating an organic material on a substrate. Since organic substances are bonded mainly by intermolecular forces (Van der Waals forces), they are more flexible than atomic bonds such as Si crystals. In addition, if a plastic substrate is used, the thickness can be reduced as compared with a Si substrate or a glass substrate.
このため有機物を用いたトランジスタを使うことにより軽く,薄く,曲げられる電子デバイスが作製できるようになる。また、材料等のコストが安いというメリットもある。つまり、有機物を用いたトランジスタを用いることによって、形状に柔軟性を有する素子を安く作成することが可能となる。 For this reason, it is possible to produce a light, thin and bent electronic device by using a transistor using an organic material. In addition, there is an advantage that the cost of materials and the like is low. That is, by using a transistor including an organic substance, an element having flexibility in shape can be manufactured at low cost.
この有機物を用いた素子の一例としては、たとえば、電子デバイスとしての有機半導体電界効果トランジスタ(有機半導体FET:Field Effect Transistor)や太陽電池や化学センサ、光デバイスとしてのOLED(Organic Light Emitting Diode)や光検出器などがある。これらの有機物を用いた素子は、有機物に特有の性質を生かした方法を用いて使用されている。 As an example of the element using this organic substance, for example, an organic semiconductor field effect transistor (organic semiconductor FET: Field Effect Transistor) as an electronic device, a solar cell, a chemical sensor, an OLED (Organic Light Emitting Diode) as an optical device, There is a photodetector. Devices using these organic substances are used by using a method that takes advantage of the properties unique to the organic substances.
このようにして、有機半導体FETは将来的に有望なデバイスとして期待されている。しかしながら、有機半導体FETの特性を評価する方法は、いまだにその評価方法が確立していない。そこで、従来においては、有機半導体FETにおいても、無機半導体電界効果トランジスタで用いられているマクロな電気的測定法が利用されてきた。 Thus, the organic semiconductor FET is expected as a promising device in the future. However, a method for evaluating the characteristics of the organic semiconductor FET has not yet been established. Therefore, in the past, macro electrical measurement methods used in inorganic semiconductor field effect transistors have also been used in organic semiconductor FETs.
図10に無機半導体FETを評価する方法の概略説明図を示している。図10に示されるように、無機半導体FET90においては、ソース91とドレイン92を有し、絶縁膜94を介してゲート93が形成されている。ゲート93に電圧が印加されることによって、チャネル層95や空乏層96が形成される。また、ソース91とドレイン92に電位差が印加されることによって、電流が流れる。このような半導体FET90における評価方法としては、電気容量−電圧(C−V)測定97及びコンダクタンス−電圧(G−V)測定98が用いられている。
FIG. 10 shows a schematic explanatory diagram of a method for evaluating an inorganic semiconductor FET. As shown in FIG. 10, the
C−V測定においては電荷の動きを見ることができるため、ゲート−ソース又はドレイン間の電気容量を測定することによって、空乏層の形成や酸化膜中の不純物など固定電荷の影響を調べることができる。また、G−V測定においては可動電荷の動きそのものを直接測定する方法であるから、FETのチャネル層を流れる電子を観測することができ、ソース−ドレイン間のチャネル形成について測定することができる。 In CV measurement, it is possible to see the movement of electric charges, so that the influence of fixed charges such as the formation of a depletion layer and impurities in an oxide film can be examined by measuring the capacitance between the gate and the source or drain. it can. In addition, since the GV measurement is a method of directly measuring the movement of the mobile charge itself, electrons flowing through the channel layer of the FET can be observed, and the channel formation between the source and drain can be measured.
また、無機半導体FETを評価する方法として、第2次高調波を用いる方法がある(例えば非特許文献1)。この方法においては、第2次高調波を用いてFET絶縁層の評価を行っており、絶縁層中の不純物密度やトラップ密度を見積もる手法として提案されている。また、無機物の絶縁層に着目しており、絶縁体において、固定電荷が第2次高調波を発生させている。
しかしながら、有機半導体FET(:Field Effect Transistor)においては、無機半導体FETに用いられているC−V測定やG−V測定を用いた評価方法が適していない。これは、無機半導体FETのチャネルが半導体内部から供給される電荷によって形成されるのに対して、有機半導体FETのチャネルが電極からの注入電荷をキャリア供給源として形成されるからである。また、ソース−ドレイン間に位置する有機半導体の性質が、半導体の性質を持つものではなく誘電体の性質を持つことから、今までのC−V測定やG−V測定が適しているかどうかが明らかではないからである。 However, in an organic semiconductor FET (Field Effect Transistor), an evaluation method using CV measurement or GV measurement used for an inorganic semiconductor FET is not suitable. This is because the channel of the inorganic semiconductor FET is formed by charges supplied from the inside of the semiconductor, whereas the channel of the organic semiconductor FET is formed by using injected charges from the electrodes as a carrier supply source. In addition, since the nature of the organic semiconductor located between the source and the drain is not a semiconductor property but a dielectric property, whether or not conventional CV measurement or GV measurement is suitable. It is not clear.
動作機構が異なる有機半導体FETに、無機半導体FETに用いられている評価方法を用いても有機半導体FETの正しい物性評価ができず、その評価結果をそのまま利用したのでは有機半導体FETの大幅な特性改善は望めないため、新たな評価手法が必要になると考えられる。本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、有機半導体FETを評価する有効的な方法や、その方法を用いた評価装置を提供することを目的とする。 Even if the evaluation method used for inorganic semiconductor FETs is used for organic semiconductor FETs with different operating mechanisms, the correct physical properties of organic semiconductor FETs cannot be evaluated. Since improvement cannot be expected, a new evaluation method will be required. The present invention has been made to solve such problems, and an object thereof is to provide an effective method for evaluating an organic semiconductor FET and an evaluation apparatus using the method.
本発明の目的は、有機半導体の本質的特徴である誘電分極と電気伝導に注目し、有機半導体FETの動作特性の改善を目指して、従来のC−V測定やG−V測定に代わる新しい測定手法を提案し、それを用いてデバイス設計に必要なパラメータを抽出した上で、設計にフィードバックできるようにすることである。特に、有機半導体に対しては、素子動作を記述する理想的な理論モデルがないために、従来の測定方法に代わる新しい測定手法の開発が急務となっている。 The object of the present invention is to pay attention to dielectric polarization and electrical conduction, which are essential characteristics of organic semiconductors, and to improve the operating characteristics of organic semiconductor FETs, and to perform new measurements in place of conventional CV measurement and GV measurement. It is to propose a method, extract parameters necessary for device design using it, and feed back to the design. In particular, for organic semiconductors, since there is no ideal theoretical model that describes device operation, it is urgent to develop a new measurement method that replaces the conventional measurement method.
本発明の態様に係る有機半導体FETの評価方法は、有機半導体FETのゲートと、ソース−ドレイン間とに、電圧を印加し、前記電圧が印加された状態の有機半導体FETにおいて、前記ソースと前記ドレインの間に位置する有機物層の内にあって、チャネル層が形成される可能性を有するチャネル形成領域に光を入射し、前記光を入射されたチャネル形成領域から出射される高次高調波光を検出し、前記検出された高次高調波光の強度によって前記チャネル形成領域におけるコンダクタンス及び/又は電界分布を測定する、有機半導体FETの特性測定方法である。高次高調波光を用いることにより、有機半導体FETにおけるチャネル形成やチャネルコンダクタンスやチャネル層の電界分布をモニターすることが可能となる。 In the organic semiconductor FET evaluation method according to the aspect of the present invention, a voltage is applied between the gate of the organic semiconductor FET and between the source and the drain, and the organic semiconductor FET is in a state in which the voltage is applied. High-order harmonic light emitted from the channel formation region where the light is incident on the channel formation region in the organic layer located between the drains and having the possibility of forming the channel layer. And measuring the conductance and / or electric field distribution in the channel formation region based on the intensity of the detected higher-order harmonic light. By using high-order harmonic light, it is possible to monitor channel formation, channel conductance, and channel layer electric field distribution in the organic semiconductor FET.
本発明の他の態様に係る有機半導体FETの評価装置は、光源と、有機半導体FETのゲートと、ソース−ドレイン間とに、電圧を印加する電源と、前記電源によって電圧が印加された状態の有機半導体FETに、前記光源からの光を照射することによって、生成される高次高調波光を検出する検出器と、を有する有機半導体FETの評価装置である。 An organic semiconductor FET evaluation apparatus according to another aspect of the present invention includes: a light source; a gate of the organic semiconductor FET; a power source that applies a voltage between a source and a drain; and a voltage that is applied by the power source. An organic semiconductor FET evaluation apparatus comprising: a detector that detects high-order harmonic light generated by irradiating the organic semiconductor FET with light from the light source.
本発明に係る特性測定方法及び評価装置によれば、高次高調波光の強度変化を測定することにより、チャネル形成やチャネルコンダクタンスやチャネル層の電界分布を非接触にてモニターすることが可能となる。チャネル層の状態を観測できることにより、本発明は有機半導体FETを評価する有効的な新しい方法であり、それをフィードバックすることにより、有機半導体FETにおける素子特性の改善することが可能となる。 According to the characteristic measuring method and the evaluation apparatus according to the present invention, it is possible to monitor the channel formation, the channel conductance, and the electric field distribution of the channel layer in a non-contact manner by measuring the intensity change of the high-order harmonic light. . By observing the state of the channel layer, the present invention is an effective new method for evaluating an organic semiconductor FET, and it is possible to improve the device characteristics of the organic semiconductor FET by feeding back it.
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施の形態においては、本発明を、有機半導体FETの評価方法及び評価装置に適用したものである。本実施の形態に係る有機半導体FETの評価方法では、有機半導体FETのゲート絶縁層とチャネル層の界面に生じる分極に光を照射することによって発生する高次高調波を利用している。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. In the present embodiment, the present invention is applied to an evaluation method and an evaluation apparatus for an organic semiconductor FET. The organic semiconductor FET evaluation method according to the present embodiment uses high-order harmonics generated by irradiating light to the polarization generated at the interface between the gate insulating layer and the channel layer of the organic semiconductor FET.
具体的には、有機半導体FETにおいて、チャネルが形成されることやチャネルのコンダクタンスが変化することによって、有機半導体層に生成される分極の量が変化するため、高次高調波光の強度が変化する。高次高調波光の強度測定を行うことによって、その有機半導体FETにおける特性評価を行うことができる。高次高調波を用いるのは、価電子帯から伝導帯への直接励起プロセスによるキャリア発生を伴わないので、非破壊プロセスによる有機物内の電界分布が観測できるからである。 Specifically, in the organic semiconductor FET, when the channel is formed or the conductance of the channel changes, the amount of polarization generated in the organic semiconductor layer changes, so that the intensity of the higher-order harmonic light changes. . By measuring the intensity of the higher-order harmonic light, the characteristics of the organic semiconductor FET can be evaluated. The reason why high-order harmonics are used is that there is no carrier generation by the direct excitation process from the valence band to the conduction band, so that the electric field distribution in the organic matter can be observed by the non-destructive process.
ここでいう特性とは、その有機半導体FETにおいてチャネル層が形成されるか否かのことや、チャネル層における電界分布である。チャネル層が形成されるときでも、高次高調波光のゲート電圧に対する強度変化を測定することによって、この有機半導体FETのON/OFF比が良い試料であるか否かを判定することが可能となる。 The characteristics here are whether or not a channel layer is formed in the organic semiconductor FET and the electric field distribution in the channel layer. Even when the channel layer is formed, it is possible to determine whether the organic semiconductor FET is a sample having a good ON / OFF ratio by measuring the intensity change with respect to the gate voltage of high-order harmonic light. .
また、この高次高調波光も第2次高調波光(SHG:Second Harmonic Generation)を用いるとよい。これは、SHG光は他の高次高調波よりも強度が強いために測定するのが容易であるからである。 Further, the second harmonic light (SHG: Second Harmonic Generation) may be used as the higher harmonic light. This is because SHG light is easier to measure because it is stronger than other high-order harmonics.
ここで、有機半導体FETについて説明する。ここでいう有機半導体とは、FETのチャネルを構成する可能性を有する有機物質のことであり、必ずしも従来の無機半導体の性質を有する物質ではない。つまり、ドレインとソースの間に形成され、ゲートに電圧が印加されることによってチャネル層が形成される可能性を有する有機物である。 Here, the organic semiconductor FET will be described. The organic semiconductor here is an organic substance having a possibility of constituting a channel of the FET, and is not necessarily a substance having properties of a conventional inorganic semiconductor. That is, it is an organic substance that is formed between the drain and the source and has a possibility of forming a channel layer by applying a voltage to the gate.
図1に有機半導体FET1の構成概略図の一例を示す。有機半導体FET1には、SiO2絶縁層12の上にソース13とドレイン14とが形成されている。また、ソース13とドレイン14を覆うようにして有機半導体層15が形成されている。この有機半導体層15の一例は、ペンタセン、フタロシアニン、及びC60などの低分子量分子、ポリパラフェニレンビニレン、及びポリチオフェンなどの高分子のうちの一つ又はその組み合わせたものである。SiO2絶縁層12のソース13とドレイン14との側と反対側にゲート11が形成されている。なお、この構造は、ボトムコンタクト型と呼ばれるが、トップコンタクト型(図1(b)参照)でもよい。
FIG. 1 shows an example of a schematic configuration diagram of the
図1に示した有機半導体FET1の構成概略図の断面模式図を示したのが図2である。図2に示されるように、有機半導体FET1においては、ゲート電極11に電圧が印加され、ゲート電極11に電圧が印加されることによって、ソース13−ドレイン14間にチャネル層16が形成されることによって、このチャネル層16内を電流が流れることになる。
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the schematic structure of the
無機半導体FETのチャネル層は、ドレインとソースとの間の半導体層が有するキャリアによって形成されるのに対して、有機半導体FETのチャネル層は、ドレインとソースとの電極から注入されたキャリアによって形成されている。このように無機半導体FETのチャネル層と有機半導体FETのチャネル層では発現機構が異なっている。そこで、本実施の形態に係る有機半導体FETの評価方法においては、ドレイン14とソース13との間の有機半導体層15が誘電的であることに注目して、有機半導体層15に生成される誘電分極を検知する高次高調波光の強度を測定している。
The channel layer of the inorganic semiconductor FET is formed by carriers of the semiconductor layer between the drain and the source, whereas the channel layer of the organic semiconductor FET is formed by carriers injected from the drain and source electrodes. Has been. Thus, the expression mechanism is different between the channel layer of the inorganic semiconductor FET and the channel layer of the organic semiconductor FET. Therefore, in the evaluation method of the organic semiconductor FET according to the present embodiment, paying attention to the fact that the
高次高調波光の強度を測定するために、実施の形態に係る検査方法においては、ソース13とドレイン14との間に形成されるチャネル形成領域17に光を入射する(図3参照)。このチャネル形成領域17とは、ゲートに電圧が印加されたときに、ドレイン−ソース間にチャネル層ができる可能性がある領域のことである。このときの入射光は、有機半導体層15の吸収端よりも波長の長い光でなければならない。また、チャネル層16から出射される光は反射光(基本光)と高次高調波光の合成波であるから、これを分離する必要がある。高次高調波光は反射光(基本光)の整数倍の周波数を有する光であるから、ハイパスフィルターを用いることによって、高次高調波光と反射光(基本光)とを分離し、高次高調波光を抽出している。
In order to measure the intensity of high-order harmonic light, in the inspection method according to the embodiment, light is incident on the
図4に、本実施の形態に係る検査装置の構造図を示す。レーザ31の前に、IRパスフィルタ32aが位置し、レーザ31からのレーザ光のみを透過している。その後、ミラー33によって、レーザ31からIRパスフィルタ32aを透過したレーザ光は反射され、偏光板34aに入射される。偏光板34aに入射された光は、偏光子の角度に平行な方向の光のみが透過されることになる。
FIG. 4 shows a structural diagram of the inspection apparatus according to the present embodiment. An
偏光板34aを透過した光は、IRパスフィルタ32bを透過する。ここで、迷い光などの光をカットすることできる。IRパスフィルタ32bを透過した光はレンズ35aによって集光され、レーザ31の出射光の波長の半分の波長の光をカットするローパスフィルタ36を通過させる。ローパスフィルタ36を通過した光は、サンプル38に入射される。
The light that has passed through the
サンプル38から発生した光は、IRカットフィルタ37を通過する。このときに、基本光はカットされることになる。IRカットフィルタ37を透過した光はレンズ35bによって平行光に拡散され、偏光板34bを通過する。その後、レンズ35cによって集光され、モノクロメータ39に入射される。モノクロメータ39に入射された光は波長ごとに光が検出され、フォトマル40によって光強度が増幅された形で計測される。
The light generated from the
以上のようにすることによって、レーザ31が出射した光からある波長領域の光のみをサンプル38に入射し、サンプル38から出射された光の中から高次高調波光のみを抽出されるようにしている。
By doing so, only light in a certain wavelength region from light emitted from the
ここで、一例として、3つの有機半導体FETのサンプル(サンプルA、サンプルB、サンプルC)を用意し、本実施の形態に係る有機半導体FETの評価方法で評価する。この場合においては、高次高調波光として第2次高調波光(SHG光:Second Harmonic Generation)を用いている。サンプルAは、良好な動作をすることが可能な有機半導体FETであり、ゲート電圧が印加されていないときのリーク電流が小さく、ゲート電圧が印加されていないときのドレイン−ソース間電流Idsとゲート電圧が印加されているときのドレイン−ソース間電流Idsとの比が大きいサンプルである。サンプルBは、ゲート電圧が印加されていないときのリーク電流が大きいサンプルである。サンプルCは、ゲート電圧が印加されているときでも電流がほとんど流れないサンプルである。サンプルBとサンプルCは、有機半導体FETとして欠陥があると判定される有機半導体FETである。 Here, as an example, three organic semiconductor FET samples (sample A, sample B, and sample C) are prepared and evaluated by the organic semiconductor FET evaluation method according to the present embodiment. In this case, second harmonic light (SHG light: Second Harmonic Generation) is used as high-order harmonic light. Sample A is an organic semiconductor FET capable of good operation, and has a small leakage current when no gate voltage is applied, and a drain-source current I ds when no gate voltage is applied. This sample has a large ratio to the drain-source current I ds when a gate voltage is applied. Sample B is a sample with a large leakage current when no gate voltage is applied. Sample C is a sample in which almost no current flows even when a gate voltage is applied. Sample B and Sample C are organic semiconductor FETs that are determined to have defects as organic semiconductor FETs.
それぞれのサンプルにおけるI−V曲線を図5に示す。図5(a)がサンプルAのI−V曲線であり、図5(b)がサンプルBのI−V曲線であり、図5(c)がサンプルCのI−V曲線である。それぞれのグラフの縦軸はドレイン−ソース間電流Idsであり、横軸はドレイン−ソース間に印加された電位差Vdsである。 The IV curve in each sample is shown in FIG. 5A is an IV curve of sample A, FIG. 5B is an IV curve of sample B, and FIG. 5C is an IV curve of sample C. In each graph, the vertical axis represents the drain-source current I ds , and the horizontal axis represents the potential difference V ds applied between the drain and the source.
図5(a)に示されるように、サンプルAはゲート電圧が印加されていないときのドレイン−ソース間電流Idsがゲート電圧Vg=−70V印加されたときのドレイン−ソース間電流Idsと比較して非常に低く、この2つの電流比が大きいことから、サンプルAがONされた状態とOFFのときの状態において、電流値に大きく差ができることになる。これは、良好な動作をすることが可能であることを示している。 As shown in FIG. 5 (a), sample A drain when the gate voltage is not applied - source current I ds - drain when the source current I ds is the gate voltage V g = -70V applied Since the ratio of these two currents is large, the current value can be greatly different between the state in which the sample A is turned on and the state in which the sample A is turned off. This indicates that it is possible to perform a good operation.
また、サンプルBにおいては、図5(b)に示されるように、ゲート電圧が印加されていない状態においても、ドレイン−ソース間電流Idsが大きく、ゲート電圧Vg=−70V印加されたときのドレイン−ソース間電流Idsとの電流比も小さいため、欠陥のある有機半導体FETと判定される。また、サンプルCにおいては、図5(c)に示されるように、ゲート電圧が印加されていない状態において、ドレイン−ソース間電流Idsが小さいが、ゲート電圧Vg=−70Vが印加された状態においてもドレイン−ソース間電流Idsが小さいため、この二つの電流比が小さいため、欠陥のある有機半導体FETと判定されるものである。 In Sample B, as shown in FIG. 5B, when the gate voltage V g = −70 V is applied even when the gate voltage is not applied, the drain-source current I ds is large. Since the current ratio with the drain-source current I ds is also small, it is determined as a defective organic semiconductor FET. In Sample C, as shown in FIG. 5C, the drain-source current I ds is small in the state where the gate voltage is not applied, but the gate voltage V g = −70 V is applied. Even in the state, since the drain-source current Ids is small, the ratio of the two currents is small, so that the organic semiconductor FET is determined to be defective.
まず、図6にサンプルAのSHG光強度のドレイン−ソース電圧及びゲート電圧依存性を示す。縦軸がSHG光の強度であり、横軸が時間である。このとき、SHG光を測定するのに、500秒ごとにドレイン−ソース電圧Vdsまたはゲート電圧Vgを変化させることによって測定を行っている。また、このSHG光発生に用いた入射光は波長λ=1120nmの光である。 First, FIG. 6 shows the drain-source voltage and gate voltage dependence of the SHG light intensity of Sample A. The vertical axis represents the intensity of SHG light, and the horizontal axis represents time. At this time, in order to measure the SHG light, the measurement is performed by changing the drain-source voltage V ds or the gate voltage V g every 500 seconds. The incident light used for the generation of the SHG light is light having a wavelength λ = 1120 nm.
まず、ドレイン−ソース電圧Vds=0V、ゲート電圧Vg=0VとしてSHG光強度を500秒測定する(図6(a))。次に、ドレイン−ソース電圧Vds=−90Vに変化させて、SHG光強度を500秒測定する(図6(b))。次に、ゲート電圧Vg=−90Vに変化させて、SHG光強度を500秒測定する(図6(c))。次に、ゲート電圧Vg=0Vに変化させて、SHG光強度を500秒測定する(図6(d))。最後にドレイン−ソース電圧Vds=0Vに変化させて、SHG光強度を500秒測定する(図6(e))。 First, the SHG light intensity is measured for 500 seconds with the drain-source voltage V ds = 0 V and the gate voltage V g = 0 V (FIG. 6A). Next, the drain-source voltage V ds is changed to −90 V, and the SHG light intensity is measured for 500 seconds (FIG. 6B). Next, the gate voltage V g is changed to −90 V, and the SHG light intensity is measured for 500 seconds (FIG. 6C). Next, the gate voltage V g is changed to 0 V, and the SHG light intensity is measured for 500 seconds (FIG. 6D). Finally, the drain-source voltage V ds is changed to 0 V, and the SHG light intensity is measured for 500 seconds (FIG. 6E).
まず初期状態である、ドレイン−ソース電圧Vds=0V、ゲート電圧Vg=0Vの状態では、SHG光強度は弱い(図6(a)参照)。その後、ドレイン−ソース電圧Vdsが印加されることによって、SHG光強度が強くなる(図6(b)参照)。これは、ドレイン−ソース間に電位差が印加されることによって、有機半導体層内に誘電分極が生じたためと考えられる。 A first initial state, the drain - source voltage V ds = 0V, the state of the gate voltage V g = 0V, SHG light intensity is weak (see FIG. 6 (a)). Thereafter, the SHG light intensity is increased by applying the drain-source voltage Vds (see FIG. 6B). This is presumably because dielectric polarization occurred in the organic semiconductor layer by applying a potential difference between the drain and the source.
その後、ゲート電圧Vgが印加されることによって、有機半導体層にドレイン電極及びソース電極からキャリアが流れ込むことによりチャネル層が形成され、このチャネル層内を電流が流れるようになる(図6(c)参照)。このとき、有機半導体層内に生成された誘電分極の量が減少してしまうために、SHG光強度は著しく減少する。 Thereafter, a gate voltage Vg is applied, whereby carriers flow into the organic semiconductor layer from the drain electrode and the source electrode to form a channel layer, and current flows in the channel layer (FIG. 6C). )reference). At this time, since the amount of dielectric polarization generated in the organic semiconductor layer is reduced, the SHG light intensity is significantly reduced.
そして、ゲート電圧VgをVg=0Vにすると、チャネル層は消滅してしまい、有機半導体層内に生成された誘電分極が再び形成される(図6(d)参照)。このとき、SHG光強度は著しく増加する。その後、ドレイン−ソース電圧VdsをVds=0Vとすると、有機半導体層と絶縁層との間の分極が消滅し、SHG光強度は著しく減少する(図6(e)参照)。図6(b)と図6(d)が略同じSHG光強度であることと、図6(a)と図6(e)が略同じSHG光強度であることから、この結果は再現性が高いものと考えられる。 When the gate voltage V g is set to V g = 0V, the channel layer disappears, and the dielectric polarization generated in the organic semiconductor layer is formed again (see FIG. 6D). At this time, the SHG light intensity significantly increases. Thereafter, when the drain-source voltage Vds is set to Vds = 0V, the polarization between the organic semiconductor layer and the insulating layer disappears, and the SHG light intensity is significantly reduced (see FIG. 6E). 6 (b) and 6 (d) have substantially the same SHG light intensity, and FIGS. 6 (a) and 6 (e) have substantially the same SHG light intensity, this result is reproducible. It is considered expensive.
これらのことは、有機半導体FETにおけるチャネル層形成領域のコンダクタンスの変化によって生じる可動電荷によって、SHG光の強度が変化していることを利用することによって、有機半導体FETにおける特性評価を行うことが有効であることを示している。 It is effective to evaluate the characteristics of the organic semiconductor FET by utilizing the fact that the intensity of the SHG light is changed by the movable charge generated by the change in conductance of the channel layer forming region in the organic semiconductor FET. It is shown that.
次に、サンプルBにおけるSHG光強度のドレイン−ソース電圧及びゲート電圧依存性を図7に示す。測定方法は、サンプルAの場合と同様である。初期状態と、ドレイン−ソース電圧Vdsが印加された状態における結果はサンプルAと同様である(図7(a)、(b)参照)。 Next, the dependence of the SHG light intensity on the drain-source voltage and gate voltage in Sample B is shown in FIG. The measurement method is the same as that for sample A. The results in the initial state and the state in which the drain-source voltage V ds is applied are the same as those of the sample A (see FIGS. 7A and 7B).
しかしながら、図7(c)に示されるように、ゲート電圧が印加された状態においても、SHG光強度は減少することがない。これは、サンプルBの有機半導体FETにおいて、ソース−ドレイン間に電流が流れず誘電分極形成に、ゲート電圧が影響を及ぼさなかったと考えられるためである。つまりは、サンプルBにおいてチャネル層が形成されていないと考えられる。これらのことから、サンプルBにおいては、有機半導体FETは有効に動作をすることができないと考えられる。 However, as shown in FIG. 7C, the SHG light intensity does not decrease even when the gate voltage is applied. This is because in the organic semiconductor FET of Sample B, no current flows between the source and the drain, and it is considered that the gate voltage did not affect the formation of dielectric polarization. That is, it is considered that the channel layer is not formed in the sample B. From these facts, it is considered that in the sample B, the organic semiconductor FET cannot operate effectively.
最後に、サンプルCにおけるSHG光強度のドレイン−ソース電圧及びゲート電圧依存性を図8に示す。測定方法は、サンプルAの場合と同様である。初期状態と、ドレイン−ソース電圧Vdsが印加された状態における結果はサンプルAと同様である(図8(a)、(b)参照)。また、図8(c)においてもサンプルBと同様に減少することがない。つまり、サンプルCにおいてもチャネル層が形成されず、有効に動作することができない有機半導体FETであると考えられる。 Finally, the drain-source voltage and gate voltage dependence of the SHG light intensity in Sample C is shown in FIG. The measurement method is the same as that for sample A. The results in the initial state and the state in which the drain-source voltage V ds is applied are the same as those of the sample A (see FIGS. 8A and 8B). Further, in FIG. 8C as well as the sample B, there is no decrease. That is, it is considered that the sample C is an organic semiconductor FET in which a channel layer is not formed and cannot operate effectively.
以上のことから、SHG光強度を測定することによって、有機半導体におけるチャネル層が形成されているか否かを判定することができ、その有機半導体FETの動作評価をすることが可能となる。また、SHG光の発生と消滅は、チャネルコンダクタンスのON−OFFと連動していることから、SHG光の検出により、有機FETのON−OFF状態を光学的に検出できる。 From the above, by measuring the SHG light intensity, it can be determined whether or not the channel layer in the organic semiconductor is formed, and the operation of the organic semiconductor FET can be evaluated. In addition, since the generation and extinction of SHG light is linked with the ON / OFF of channel conductance, the ON / OFF state of the organic FET can be optically detected by detecting the SHG light.
次に、ドレイン−ソース電圧Vdsを一定とし、ゲート電圧を変化させたときのSHG光強度を示したのが図9である。縦軸はSHG光強度であり、横軸は時間である。このとき、SHG光を発生させるのに、400秒ごとにドレイン−ソース電圧Vdsまたはゲート電圧Vgを変化させている。また、このSHG光発生に用いた入射光は波長λ=1120nmの光である。さらに、このときの用いられた試料は、上記の実験のときに使用されたサンプルAを用いている。 Next, FIG. 9 shows the SHG light intensity when the drain-source voltage Vds is constant and the gate voltage is changed. The vertical axis represents SHG light intensity, and the horizontal axis represents time. At this time, in order to generate SHG light, the drain-source voltage Vds or the gate voltage Vg is changed every 400 seconds. The incident light used for the generation of the SHG light is light having a wavelength λ = 1120 nm. Furthermore, the sample used at this time is the sample A used in the above experiment.
まず、ドレイン−ソース電圧Vds=0V、ゲート電圧Vg=0VとしてSHG光強度を400秒測定する(図9(a))。次に、ドレイン−ソース電圧Vds=−90Vに変化させて、SHG光強度を400秒測定する(図9(b))。次に、ゲート電圧Vg=−30Vに変化させて、SHG光強度を400秒測定する(図9(c))。次に、ゲート電圧Vg=−60Vに変化させて、SHG光強度を400秒測定する(図9(d))。次に、ゲート電圧Vg=−90Vに変化させて、SHG光強度を400秒測定する(図9(e))。次に、ゲート電圧Vg=0Vに変化させて、SHG光強度を400秒測定する(図9(f))。最後にドレイン−ソース電圧Vds=0Vに変化させて、SHG光強度を400秒測定する(図9(g))。 First, the SHG light intensity is measured for 400 seconds with the drain-source voltage V ds = 0 V and the gate voltage V g = 0 V (FIG. 9A). Next, the drain-source voltage V ds is changed to −90 V, and the SHG light intensity is measured for 400 seconds (FIG. 9B). Next, the gate voltage V g is changed to −30 V, and the SHG light intensity is measured for 400 seconds (FIG. 9C). Next, the gate voltage V g is changed to −60 V, and the SHG light intensity is measured for 400 seconds (FIG. 9D). Next, the gate voltage V g is changed to −90 V, and the SHG light intensity is measured for 400 seconds (FIG. 9E). Next, the gate voltage V g is changed to 0 V, and the SHG light intensity is measured for 400 seconds (FIG. 9F). Finally, the drain-source voltage Vds = 0V is changed, and the SHG light intensity is measured for 400 seconds (FIG. 9 (g)).
図9(b)から図9(f)にかけてドレイン−ソース電圧を−90Vに一定とし、ゲート電圧を0Vから−30V、−60V、−90Vと変化させている。図9(b)から図9(e)に示されるように、ゲート電圧が増加していくに従って、SHG光強度が減少しているのがわかる。これらのことから、ドレイン−ソース間に流れる電流値に対応してSHG光強度が変化すると考えられるため、SHG光強度を測定することによって、チャネル層の導電性評価が可能であると考えられる。 From FIG. 9B to FIG. 9F, the drain-source voltage is kept constant at -90V, and the gate voltage is changed from 0V to -30V, -60V, and -90V. As shown in FIGS. 9B to 9E, it can be seen that the SHG light intensity decreases as the gate voltage increases. From these facts, it is considered that the SHG light intensity changes corresponding to the value of the current flowing between the drain and the source. Therefore, it is considered that the conductivity of the channel layer can be evaluated by measuring the SHG light intensity.
以上のことから、高次高調波光の強度変化を測定することにより、チャネルの形成やチャネルコンダクタンスをモニターできる。このことによって、有機半導体FETにおけるキャリアの伝導についての評価を高次高調波光の強度を測定することによって行うことができる。つまり、チャネル層の状態を観測することが可能となり、有機半導体FETを評価する新しい方法となりうる。 From the above, it is possible to monitor channel formation and channel conductance by measuring a change in the intensity of high-order harmonic light. This makes it possible to evaluate the conduction of carriers in the organic semiconductor FET by measuring the intensity of high-order harmonic light. That is, the state of the channel layer can be observed, which can be a new method for evaluating the organic semiconductor FET.
さらに、高次高調波のような分光学的手法を用いることで、測定波長を広範囲に変化させることが可能となり、測定対象が関与しているエネルギーが異なれば、それらを区別して観測できることになる。また、光学的に検査することが可能であるため、非接触で有機半導体FETの評価を行うことができる。さらに、偏光波入出力が可能であるため、入出力波の偏光方向を適切に制御することにより、有機物内の電界分布についての情報が得ることができる。このことは、有機物内におけるソース−ドレインを結ぶ方向だけでなく、ソース−ドレインを結ぶ方向に対して垂直な方向に対する電界分布を測定することが可能となる。これらによって、空間的に異方性をもつコンダクタンス又は電界分布の測定をすることも可能となる。 Furthermore, by using spectroscopic techniques such as higher harmonics, it is possible to change the measurement wavelength over a wide range, and if the energy involved in the measurement object is different, they can be observed separately. . Moreover, since it can be optically inspected, the organic semiconductor FET can be evaluated in a non-contact manner. Furthermore, since polarized wave input / output is possible, information on the electric field distribution in the organic matter can be obtained by appropriately controlling the polarization direction of the input / output wave. This makes it possible to measure the electric field distribution in the direction perpendicular to the source-drain connection direction as well as the source-drain connection direction in the organic substance. These also make it possible to measure conductance or electric field distribution having spatial anisotropy.
さらにまた、顕微鏡と組み合わせることで微小領域測定も可能となり、チャネル間横方向の電位分布のマッピング等が可能となる。また、他のレーザをアタッチメントとして用いることで、電界だけでなく電荷分布などデバイス動作に欠かせない情報を得ることが可能となると考えられる。また、本発明の方法においては、電場印加による光吸収計測による有機半導体FETの測定を行うときに発生するような光キャリアの発生がないため、非破壊の測定を行うことができる。 Furthermore, when combined with a microscope, it is possible to measure a minute region, and to map a potential distribution in the horizontal direction between channels. Further, by using other lasers as attachments, it is considered possible to obtain not only the electric field but also information essential to device operation such as charge distribution. Further, in the method of the present invention, since there is no generation of optical carriers that occur when measuring an organic semiconductor FET by optical absorption measurement by applying an electric field, nondestructive measurement can be performed.
これらのことから、評価によって得られる素子パラメータをフィードバックさせることによる、素子特性の改善が望まれるだけでなく、実際に作成した素子に関しても、非接触で評価可能であるため、製造ライン等に導入することも可能となる。 From these, not only improvement of element characteristics by feeding back element parameters obtained by evaluation is desired, but it is also possible to evaluate the actually created elements in a non-contact manner. It is also possible to do.
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。また、本実施の形態においては、赤外光によるSHG光発生をした結果を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. Moreover, in this Embodiment, although the result of having produced | generated SHG light by infrared light was shown, this invention is not limited to this.
11 ゲート 12 絶縁層 13 ソース 14 ドレイン
15 有機半導体層 16 チャネル層 17 チャネル形成領域
31 レーザ 32 IRパスフィルタ 33 ミラー 34 偏光板
35 レンズ 36 ローパスフィルタ 37 IRカットフィルタ
38 サンプル 39 モノクロメータ 40 フォトマル
91 ソース 92 ドレイン 93 ゲート 94 絶縁層
95 チャネル層 96 空乏層 97 C−V測定 98 G−V測定
11
Claims (9)
前記電圧が印加された状態の有機半導体電界効果トランジスタにおいて、前記ソースと前記ドレインの間に位置する有機物層の内にあって、チャネル層が形成される可能性を有するチャネル形成領域に光を入射し、
前記光を入射されたチャネル形成領域から出射される高次高調波光を検出し、
前記検出された高次高調波光の強度によって前記チャネル形成領域におけるコンダクタンス及び/又は電界分布を測定する、
有機半導体電界効果トランジスタの特性測定方法。 A voltage is applied between the gate of the organic semiconductor field effect transistor and between the source and drain,
In the organic semiconductor field effect transistor in a state where the voltage is applied, light is incident on a channel formation region in the organic material layer located between the source and the drain and in which a channel layer may be formed. And
Detecting high-order harmonic light emitted from the channel forming region where the light is incident;
Measuring conductance and / or electric field distribution in the channel formation region according to the intensity of the detected higher harmonic light;
Method for measuring characteristics of organic semiconductor field effect transistor.
有機半導体電界効果トランジスタのゲートと、ソース−ドレイン間とに、電圧を印加する電源と、
前記電源によって電圧が印加された状態の有機半導体電界効果トランジスタに、前記光源からの光を照射することによって、生成される高次高調波光を検出する検出器と、を有する有機半導体電界効果トランジスタの評価装置。 A light source;
A power source for applying a voltage between the gate of the organic semiconductor field effect transistor and between the source and drain;
An organic semiconductor field effect transistor having a detector for detecting high-order harmonic light generated by irradiating light from the light source to the organic semiconductor field effect transistor in a state where a voltage is applied by the power source. Evaluation device.
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