JP2018049931A - Organic transistor, operation control method of the same, and operation control method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organic transistor capable of achieving a various operation by a single unit and an operation control method.SOLUTION: An operation control method of an organic transistor of the present invention is an operation control method of an organic transistor 10 that comprises an optical isomerizaiton molecular film 14 having an opening annular structure as a channel formation semiconductor film. The operation control method includes: a first step of irradiating ultraviolet light to a region as a channel by using a light source 21 of the irradiation light including visible light and the ultraviolet light and an optical system 22 that guides the visible light or the ultraviolet light of the irradiation light to the region as a channel of the optical isomerizaiton molecular film 14 in a state where a drain voltage and a gate voltage are applied to the organic transistor 10; and a second step of irradiating the visible light to at least one part of the region as a channel.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光異性化分子膜をチャネル形成用の半導体膜として備えた有機トランジスタと、その動作制御方法および動作制御装置に関する。   The present invention relates to an organic transistor including a photoisomerized molecular film as a semiconductor film for forming a channel, an operation control method thereof, and an operation control apparatus.

近年、有機エレクトロニクスの分野が注目を集めており、この分野の代表的なデバイスの一つとして、有機半導体膜を用いた有機電界効果トランジスタ(OFET)が知られている。有機半導体膜は、低温での成膜が可能であるため、耐熱性が低いプラスティック基板上に成膜することができ、その技術を利用することにより、軽量でフレキシブルな有機電界効果トランジスタを得ることができる。また、有機半導体膜は塗布法や印刷法で成膜することが可能であるため、これを用いることにより、無機半導体膜を用いる場合に比べて容易に、かつ低コストで電界効果トランジスタを得ることができる。   In recent years, the field of organic electronics has attracted attention, and an organic field effect transistor (OFET) using an organic semiconductor film is known as one of representative devices in this field. The organic semiconductor film can be formed on a plastic substrate with low heat resistance because it can be formed at a low temperature. By using this technology, a lightweight and flexible organic field effect transistor can be obtained. Can do. In addition, since an organic semiconductor film can be formed by a coating method or a printing method, a field effect transistor can be obtained easily and at a lower cost than using an inorganic semiconductor film. Can do.

非特許文献1では、光異性化反応を示す分子(光異性化分子)膜を有機半導体膜として用いた、有機トランジスタの動作について開示されている。光異性化分子は、紫外光が照射されたときには閉環体となって半導体特有の導電性を示し、可視光が照射されたときには開環体となって絶縁性を示す。したがって、紫外光と可視光が交互に照射された場合に、光異性化分子は、可逆的な開環体−閉環体の構造変化を示し、これに伴ってパイ共役系が著しく変化することにより、絶縁体−半導体転移が生じることになる。非特許文献1の有機トランジスタは、このような光異性化分子の性質を利用して電流制御を行うものである。   Non-Patent Document 1 discloses an operation of an organic transistor using a molecule (photoisomerization molecule) film showing a photoisomerization reaction as an organic semiconductor film. The photoisomerized molecule becomes a ring-closed body when irradiated with ultraviolet light and exhibits electrical conductivity peculiar to a semiconductor, and becomes a ring-opened body and exhibits insulating properties when irradiated with visible light. Therefore, when UV light and visible light are irradiated alternately, the photoisomerized molecule shows a reversible ring-opening-closed-ring structural change, and the pi-conjugated system changes significantly accordingly. Insulator-semiconductor transition will occur. The organic transistor of Non-Patent Document 1 performs current control by utilizing such properties of photoisomerized molecules.

ただし、非特許文献1の有機トランジスタは、紫外光または可視光を有機半導体膜全体に同時に照射することにより、有機半導体膜を絶縁体−半導体転移を生じさせるものであり、有機半導体膜全体で一つのチャネルを形成する構成となっている。そのため、デバイスとしての多彩な動作を実現する論理回路を形成する場合には、複数の有機トランジスタを用いる必要がある。   However, the organic transistor of Non-Patent Document 1 causes an insulator-semiconductor transition in the organic semiconductor film by simultaneously irradiating the entire organic semiconductor film with ultraviolet light or visible light. It is configured to form one channel. Therefore, when forming a logic circuit that realizes various operations as a device, it is necessary to use a plurality of organic transistors.

Optically and Electrically Driven Organic Thin Film Transistors with Diarylethene Photochromic Channel Layers ACS Appl.Mater.Interfaces, 5(2013)3625−3630Optically and Electrically Driven Organic Thin Film Transistors with Diarythene Photochromic Channels ACS Appl. Mater. Interfaces, 5 (2013) 3625-3630

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、単体で、多彩な動作を実現することが可能な有機トランジスタと、その動作制御方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an organic transistor capable of realizing various operations by itself and an operation control method thereof.

本発明は、以下の手段を提供する。
[1]開環体構造を有する光異性化分子膜を、チャネル形成用の半導体膜として備えた有機トランジスタの動作制御方法であって、前記有機トランジスタにドレイン電圧およびゲート電圧を印加した状態で、可視光および紫外光を含む照射光の光源と、前記照射光のうち可視光または紫外光を前記光異性化分子膜のチャネルとする領域に導いて照射する光学系と、を用い、前記チャネルとする領域に紫外光を照射する第1ステップと、前記チャネルとする領域の少なくとも一部に可視光を照射する第2ステップと、を有することを特徴とする有機トランジスタの動作制御方法。
[2]前記第1ステップにおける紫外光の照射強度を、5mW/cm以上100mW/cm以下とすることを特徴とする[1]に記載の有機トランジスタの動作制御方法。
[3]前記光異性化分子として、ジアリールエテンを中心骨格とし、その両端にパイ共役系の置換基が取り付けられているものを用いることを特徴とする[1]または[2]のいずれかに記載の有機トランジスタの動作制御方法。
[4]光異性化分子膜をチャネル形成用の半導体膜として備えた有機トランジスタであって、前記光異性化分子膜上に互いに離間して形成された複数の電極を備え、前記光異性化分子が、前記光異性化分子膜のうち、チャネル領域においては閉環体構造を有し、他の領域においては開環体の構造を有しており、前記チャネル領域が、前記電極間を連結していることを特徴とする有機トランジスタ。
[5]前記チャネル領域が、前記電極間を連結して論理回路を形成していることを特徴とする[4]に記載の有機トランジスタ。
[6]前記光異性化分子が、ジアリールエテンを中心骨格とし、その両端にパイ共役系の置換基が取り付けられたものであることを特徴とする[4]または[5]のいずれかに記載の有機トランジスタ。
[7][4]〜[6]のいずれか一つに記載の有機トランジスタと、可視光および紫外光の照射手段とを有する有機トランジスタの動作制御装置であって、前記照射手段は、可視光および紫外光を含む照射光の光源と、前記照射光のうち可視光または紫外光を、前記光異性化分子膜のチャネルとする領域に導いて照射する光学系とを有することを特徴とする有機トランジスタの動作制御装置。
The present invention provides the following means.
[1] An operation control method of an organic transistor provided with a photoisomerized molecular film having a ring-opened structure as a semiconductor film for forming a channel, wherein a drain voltage and a gate voltage are applied to the organic transistor, A light source of irradiation light including visible light and ultraviolet light, and an optical system that guides and irradiates a region of the irradiation light with visible light or ultraviolet light as a channel of the photoisomerized molecular film, and the channel An organic transistor operation control method, comprising: a first step of irradiating a region to be irradiated with ultraviolet light; and a second step of irradiating at least a part of the region to be the channel with visible light.
[2] The organic transistor operation control method according to [1], wherein the irradiation intensity of the ultraviolet light in the first step is 5 mW / cm 2 or more and 100 mW / cm 2 or less.
[3] The photoisomerizable molecule according to any one of [1] or [2], wherein a diarylethene is used as a central skeleton and pi-conjugated substituents are attached to both ends thereof. Method for controlling the operation of organic transistors.
[4] An organic transistor provided with a photoisomerized molecular film as a semiconductor film for channel formation, comprising a plurality of electrodes formed on the photoisomerized molecular film so as to be separated from each other, and the photoisomerized molecule However, in the photoisomerized molecular film, the channel region has a closed ring structure, and the other region has a ring-opened structure, and the channel region connects the electrodes. An organic transistor characterized by comprising:
[5] The organic transistor according to [4], wherein the channel region connects the electrodes to form a logic circuit.
[6] The photoisomerization molecule according to any one of [4] or [5], wherein the photoisomerized molecule has diarylethene as a central skeleton, and pi-conjugated substituents are attached to both ends thereof. Organic transistor.
[7] An operation control device for an organic transistor comprising the organic transistor according to any one of [4] to [6] and an irradiation unit for visible light and ultraviolet light, wherein the irradiation unit includes visible light And an optical system for directing and irradiating visible light or ultraviolet light of the irradiated light to a region of the photoisomerized molecular film as a channel. Transistor operation control device.

本発明の有機トランジスタは、光異性化分子膜を、チャネル形成用の半導体膜として備えている。光異性化分子には、紫外光が照射されたときには閉環体となり、可視光が照射されたときには開環体となる性質がある。閉環体は半導体特有の導電性を有し、開環体は絶縁性を有している。したがって、光異性化分子膜は、紫外線の照射によって半導体とすることができ、また、可視光の照射によって絶縁体とすることができる。   The organic transistor of the present invention includes a photoisomerized molecular film as a semiconductor film for forming a channel. Photoisomerized molecules have the property of becoming ring-closed when irradiated with ultraviolet light and ring-opened when irradiated with visible light. The ring-closed body has electrical conductivity peculiar to semiconductors, and the ring-opened body has insulating properties. Therefore, the photoisomerized molecular film can be made into a semiconductor by irradiation with ultraviolet light, and can be made into an insulator by irradiation with visible light.

本発明の有機トランジスタでは、光異性化分子の性質を利用して、光異性化分子膜の特定の領域のみに紫外光を照射することにより、照射された部分のみを半導体化させ、局所的にチャネルを形成することができる。チャネルの形状は、任意に設計することができ、所望の論理回路を構成する形状とすることができる。   In the organic transistor of the present invention, by utilizing the properties of photoisomerized molecules, only a specific region of the photoisomerized molecular film is irradiated with ultraviolet light, so that only the irradiated portion is made into a semiconductor, and locally. A channel can be formed. The shape of the channel can be arbitrarily designed, and can be a shape constituting a desired logic circuit.

ゲート電圧、ドレイン電圧を印加した場合において、紫外光を照射した領域(チャネル領域)は、導通した状態となるが、その少なくとも一部に可視光を照射することにより、照射された領域が絶縁体化するため、この領域は導通していない状態となる。絶縁体化させた領域に対して、さらに紫外光を照射することにより、この領域は、再び半導体化されて導通した状態となる。このように、本発明の有機トランジスタにおいては、紫外光、可視光を用いて、チャネル領域の導通状態を切り替えることができるため、論理回路を流れる電流を自在に制御することができ、ひいては単体で、トランジスタとして多彩な動作を実現することができる。   When a gate voltage and a drain voltage are applied, the region irradiated with ultraviolet light (channel region) is in a conductive state, but by irradiating at least part of the region with visible light, the irradiated region becomes an insulator. Therefore, this region is not conductive. By further irradiating the insulating region with ultraviolet light, this region is made semiconductor again and becomes conductive. As described above, in the organic transistor of the present invention, since the conduction state of the channel region can be switched using ultraviolet light and visible light, the current flowing through the logic circuit can be freely controlled, and as a result As a transistor, various operations can be realized.

本発明の実施形態に係る有機トランジスタの動作制御装置の構成を、模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the structure of the operation control apparatus of the organic transistor which concerns on embodiment of this invention. (a)〜(c)本発明の実施形態に係る有機トランジスタにおいて、形成可能な論理回路の例を示す図である。(A)-(c) It is a figure which shows the example of the logic circuit which can be formed in the organic transistor which concerns on embodiment of this invention. (a)〜(c)本発明の実施形態に係る有機トランジスタにおいて、形成可能な論理回路の例を示す図である。(A)-(c) It is a figure which shows the example of the logic circuit which can be formed in the organic transistor which concerns on embodiment of this invention. (a)〜(c)本発明の実施例1に係る有機トランジスタの電気特性を示すグラフである。(A)-(c) It is a graph which shows the electrical property of the organic transistor which concerns on Example 1 of this invention. (a)、(b)本発明の実施例2に係る有機トランジスタの電気特性を示すグラフである。(A), (b) It is a graph which shows the electrical property of the organic transistor which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例3に係る有機トランジスタの電気特性を示すグラフである。It is a graph which shows the electrical property of the organic transistor which concerns on Example 3 of this invention.

以下、本発明を適用した実施形態である有機トランジスタとその動作制御方法について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。   Hereinafter, an organic transistor which is an embodiment to which the present invention is applied and an operation control method thereof will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, there are cases where the portions that become the features are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are not always the same as the actual ones. Absent. In addition, the materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited to them, and can be appropriately changed and implemented without changing the gist thereof.

<第一実施形態>
[有機トランジスタの動作制御装置の構成]
図1は、本発明の第一実施形態に係る有機トランジスタの動作制御装置100の構成を模式的に示す斜視図である。動作制御装置100は、光異性化分子膜をチャネル形成用の半導体膜として備えた有機トランジスタ10と、それを動作させるために用いる可視光および紫外光の照射手段(光照射系)20とを有している。
<First embodiment>
[Configuration of organic transistor operation control device]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of an organic transistor operation control apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention. The operation control apparatus 100 includes an organic transistor 10 having a photoisomerized molecular film as a semiconductor film for forming a channel, and a visible light and ultraviolet light irradiation means (light irradiation system) 20 used to operate the transistor. doing.

[有機トランジスタの構成]
まず、有機トランジスタ10の構成について説明する。有機トランジスタ10は、基板11と基板の一方の主面11aに形成された絶縁膜12と、絶縁膜12上に形成された樹脂膜13と、樹脂膜13の上に形成された光異性化分子膜(半導体膜)14と、少なくとも一端が光異性化分子膜14に接するように形成された第1電極15、第2電極16とを備えている。
[Configuration of organic transistor]
First, the configuration of the organic transistor 10 will be described. The organic transistor 10 includes a substrate 11, an insulating film 12 formed on one main surface 11 a of the substrate, a resin film 13 formed on the insulating film 12, and a photoisomerized molecule formed on the resin film 13. A film (semiconductor film) 14, and a first electrode 15 and a second electrode 16 formed so that at least one end is in contact with the photoisomerized molecular film 14 are provided.

基板11としては、例えば、リン(P)等の不純物を高濃度(1018cm−3程度)でドープした、抵抗率0.02Ω・cm程度のシリコン基板(高ドープSi基板)を用いることができる。基板11は、有機トランジスタの動作制御装置100を動作させた際に、ゲート電極として機能する。 As the substrate 11, for example, a silicon substrate (highly doped Si substrate) having a resistivity of about 0.02 Ω · cm doped with an impurity such as phosphorus (P) at a high concentration (about 10 18 cm −3 ) is used. it can. The substrate 11 functions as a gate electrode when the organic transistor operation control device 100 is operated.

絶縁膜12としては、熱酸化によって形成されるSiO膜などを用いる。絶縁膜12の厚さは、100nm以上400nm以下であることが好ましい。絶縁膜12は、有機トランジスタの動作制御装置100を動作させた際に、ゲート絶縁膜として機能する。 As the insulating film 12, a SiO 2 film formed by thermal oxidation is used. The thickness of the insulating film 12 is preferably 100 nm or more and 400 nm or less. The insulating film 12 functions as a gate insulating film when the operation control device 100 of the organic transistor is operated.

樹脂膜13は、絶縁性高分子で構成されるものであって、その材料としてPMMA(アクリル樹脂)を用いることができる。樹脂膜13は必須の構成でなないが、これが備わっていることによって、絶縁膜12上の欠陥の影響が排除され、また、有機トランジスタの動作制御装置100のn型動作(電子電流)が促進される。   The resin film 13 is made of an insulating polymer, and PMMA (acrylic resin) can be used as the material thereof. Although the resin film 13 is not an essential component, the presence of the resin film 13 eliminates the influence of defects on the insulating film 12, and promotes the n-type operation (electronic current) of the operation control device 100 of the organic transistor. Is done.

第1電極105、第2電極106の材料としては、例えばAu、Pt、Pd等の金属が用いられる。有機トランジスタの動作制御装置100を動作させた際に、第1電極105と第2電極106のうち、一方がソース電極として機能し、他方がドレイン電極として機能する。   As a material for the first electrode 105 and the second electrode 106, for example, a metal such as Au, Pt, or Pd is used. When the organic transistor operation control apparatus 100 is operated, one of the first electrode 105 and the second electrode 106 functions as a source electrode, and the other functions as a drain electrode.

光異性化分子膜14を構成する光異性化分子は、光異性化反応を示す中心骨格を有し、その両端にパイ共役系の置換基が適宜取り付けられた構造を有している。光異性化分子は、紫外光を照射した場合には、半導体特有の導電性を有する閉環体となり、可視光を照射した場合には、絶縁性を有する開環体となる。つまり、光異性化分子は、可視光を照射した場合と紫外光を照射した場合とで、分子構造が可逆的に変化する性質を有している。   The photoisomerized molecule constituting the photoisomerized molecular film 14 has a central skeleton that exhibits a photoisomerization reaction, and has a structure in which pi-conjugated substituents are appropriately attached to both ends thereof. The photoisomerized molecule becomes a closed ring having conductivity specific to a semiconductor when irradiated with ultraviolet light, and becomes a ring-opened having insulating property when irradiated with visible light. That is, the photoisomerized molecule has a property that the molecular structure is reversibly changed between irradiation with visible light and irradiation with ultraviolet light.

光異性化分子には、開環体−閉環体変化を示すジアリールエテン系分子、cis−trans変化を示すアゾベンゼン系分子、極性−無極性変化を示すスピロピランなどがある。開環体−閉環体変化をするジアリールエテンは、パイ共役系の変化が著しいため、電子準位や電気的特性が大きく変化すること、さらには光異性化反応の繰り返し耐性が他のものと比べて極めて優れていることから、本実施形態の光異性化分子として特に好ましい。   Photoisomerized molecules include diarylethene-based molecules exhibiting a ring-opening-ring-closing change, azobenzene-based molecules exhibiting a cis-trans change, and spiropyran exhibiting a polar-nonpolar change. Diarylethene, which undergoes ring-opening-closed-ring change, has a significant change in the pi-conjugated system, so that the electronic level and electrical properties change greatly, and the repeated resistance of photoisomerization reaction is higher than others. Since it is extremely excellent, it is particularly preferable as the photoisomerization molecule of this embodiment.

パイ共役系の置換基としては、例えば、ビフェニル基、フェニル基、チオフェン環およびそれらの縮合環などが挙げられる。光異性化反応に伴い、ビフェニル基、フェニル基、チオフェン環を置換基として有する光異性化分子が、実際に半導体−絶縁体転移を示した分子構造例を、それぞれ下記の化学式(1)〜(3)に示す。各化学式において、左側が開環体(絶縁体)を示し、右側が閉環体(半導体)を示している。   Examples of the pi-conjugated substituent include a biphenyl group, a phenyl group, a thiophene ring, and a condensed ring thereof. Examples of molecular structures in which a photoisomerization molecule having a biphenyl group, a phenyl group, and a thiophene ring as a substituent in association with the photoisomerization actually showed a semiconductor-insulator transition are represented by the following chemical formulas (1) to ( Shown in 3). In each chemical formula, the left side shows a ring-opened body (insulator), and the right side shows a ring-closed body (semiconductor).

Figure 2018049931
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本実施形態に係る光異性化分子の候補となり得る他の分子構造の例を、下記の化学式(4)〜(9)に示す。   Examples of other molecular structures that can be candidates for the photoisomerization molecule according to the present embodiment are shown in the following chemical formulas (4) to (9).

Figure 2018049931
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化学式(1)〜(9)で示されるいずれの分子構造も、ジアリールエテン中心骨格の両端にパイ共役系置換基が取り付けられた構造、もしくはそれらを連結した構造になっている。   Any of the molecular structures represented by the chemical formulas (1) to (9) has a structure in which pi-conjugated substituents are attached to both ends of the diarylethene central skeleton or a structure in which they are connected.

光異性化分子膜としては、光異性化分子だけからなる膜であってもよいし、光異性化分子以外からなる高分子半導体膜やゲート絶縁膜(母体)に、各種の光異性化分子を添加した膜であってもよい。光異性化分子は、従来用いられている有機半導体膜と絶縁膜との界面に挿入してもよい。光異性化分子は、いずれの構成であっても、光異性化反応によって電荷を捕獲したり散乱したりして、電流量の可逆的な変化を誘起することが知られており、本実施形態に係るチャネル形成技術に応用することができると考えられる。高分子半導体膜を構成する分子の構造例を、下記の化学式(10)、(11)に示し、高分子半導体膜に添加する光異性化分子の構造例を下記の化学式(12)、(13)に示す。   The photoisomerized molecular film may be a film composed only of photoisomerized molecules, or various photoisomerized molecules may be applied to a polymer semiconductor film or a gate insulating film (matrix) composed of other than photoisomerized molecules. An added film may be used. The photoisomerized molecule may be inserted at the interface between the conventionally used organic semiconductor film and the insulating film. Photoisomerized molecules are known to induce reversible changes in the amount of current by capturing or scattering charge by a photoisomerization reaction, regardless of the configuration. It is considered that the present invention can be applied to the channel formation technology according to the above. Structural examples of molecules constituting the polymer semiconductor film are shown in the following chemical formulas (10) and (11), and structural examples of photoisomerized molecules added to the polymer semiconductor film are shown in the following chemical formulas (12) and (13 ).

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なお、本実施形態に係る有機トランジスタ10は、Si基板をゲート電極としたボトムゲート・トップコンタクト型トランジスタ構造となっているが、トランジスタ動作し、かつ光照射できる構造であればよく、例えば、トップゲート・ボトムコンタクト型トランジスタ構造などであってもよい。   The organic transistor 10 according to the present embodiment has a bottom-gate / top-contact transistor structure using a Si substrate as a gate electrode. However, any structure can be used as long as the transistor operates and can be irradiated with light. A gate / bottom contact transistor structure may be used.

[有機トランジスタの製造方法]
本実施形態に係る有機トランジスタ10は、主に次の工程1〜3を経て製造することができる。
[工程1]
熱酸化処理を行い、基板の一方の主面11aに絶縁膜(SiO膜など)12を形成する。
[工程2]
真空蒸着により、シャドーマスクを通して、工程1で形成した絶縁膜12上の一定領域のみに、直接または樹脂膜13を介して、開環体(絶縁体)構造を有する光異性化分子膜14を形成する。
[工程3]
電極用のシャドーマスクを通して真空蒸着法、スパッタリング法等による成膜処理を行い、工程2を経た光異性化分子膜14上に、少なくとも一端が重なるように電極用の金属膜(第1電極15、第2電極16)を形成する。
[Method of manufacturing organic transistor]
The organic transistor 10 according to the present embodiment can be manufactured mainly through the following steps 1 to 3.
[Step 1]
Thermal oxidation is performed to form an insulating film (SiO 2 film or the like) 12 on one main surface 11a of the substrate.
[Step 2]
The photoisomerized molecular film 14 having a ring-opened body (insulator) structure is formed directly or via the resin film 13 only in a certain region on the insulating film 12 formed in Step 1 through a shadow mask by vacuum deposition. To do.
[Step 3]
A film formation process by a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like is performed through a shadow mask for the electrode, and the metal film for the electrode (the first electrode 15, the first electrode 15, A second electrode 16) is formed.

なお、光異性化分子膜、金属電極は、材料が溶融性を有している場合には、スピンコート法、スプレー法、マイクロコンタクトプリント法などの湿式プロセスでも形成することができる。この場合、低温プロセスで形成することが可能となり、例えばポリアクリレートなどのプラスチック基板を用いることにより、本実施形態に係る技術を、フレキシブルエレクトロニクスの分野の技術として発展させることもできる。   Note that the photoisomerizable molecular film and the metal electrode can also be formed by a wet process such as a spin coating method, a spray method, or a micro contact printing method when the material has a meltability. In this case, it can be formed by a low-temperature process, and the technology according to the present embodiment can be developed as a technology in the field of flexible electronics by using a plastic substrate such as polyacrylate.

[照射手段の構成]
次に、照射手段20の構成について説明する。照射手段20は、可視光および紫外光を含む照射光の光源21、照射光のうち可視光または紫外光を半導体膜16のうちチャネルとする領域に導いて照射する光学系22とを備えている。
[Configuration of irradiation means]
Next, the configuration of the irradiation unit 20 will be described. The irradiation unit 20 includes a light source 21 of irradiation light including visible light and ultraviolet light, and an optical system 22 that guides and irradiates the region of the semiconductor film 16 where visible light or ultraviolet light is used as a channel. .

光源21は、紫外光を出射する紫外光源21Aと、可視光を出射する可視光源21Bとを有する。紫外光源21Aと可視光源21Bとは、互いに別体であってもよいし、一体化されたものであってもよい。図1では、2つの光源が、互いに別体である場合の例を示している。   The light source 21 includes an ultraviolet light source 21A that emits ultraviolet light and a visible light source 21B that emits visible light. The ultraviolet light source 21A and the visible light source 21B may be separate from each other or may be integrated. FIG. 1 shows an example in which two light sources are separate from each other.

紫外光源21Aとしては、光異性化反応を誘起する、波長200〜350nmの紫外光を出射する光源を用いることができ、その一例として、波長325nmの紫外光を出射するHe−Cdレーザー光源を挙げることができる。可視光源21Bとしては、光異性化反応を誘起する、波長500〜650nmの可視光を出射する光源を用いることができ、その一例として、波長633nmの可視光を出射するHe−Neレーザー光源を挙げることができる。   As the ultraviolet light source 21A, a light source that induces a photoisomerization reaction and that emits ultraviolet light with a wavelength of 200 to 350 nm can be used. As an example, a He—Cd laser light source that emits ultraviolet light with a wavelength of 325 nm is given. be able to. As the visible light source 21B, a light source that induces a photoisomerization reaction and that emits visible light with a wavelength of 500 to 650 nm can be used. As an example, a He—Ne laser light source that emits visible light with a wavelength of 633 nm is given. be able to.

2つの光源が一体化されている場合としては、光源が、200〜350nm、500〜650nmを包含する波長範囲の光を出射するもの(例えばXeランプ)である場合などが挙げられる。この場合には、例えば、バンドパスフィルターを用いて、上記紫外光または可視光の波長範囲外の光を遮ることによって、光源が別体である場合と同等の照射を行うことができる。ただし、この場合には、レーザー光源を用いた場合のように照射スポット径を極小化することが困難であるため、光異性化反応を誘起させて行う光加工の分解能が劣ることになる。   Examples of the case where the two light sources are integrated include a case where the light source emits light in a wavelength range including 200 to 350 nm and 500 to 650 nm (for example, an Xe lamp). In this case, for example, by using a band-pass filter to block light outside the wavelength range of the ultraviolet light or visible light, irradiation equivalent to that when the light source is a separate body can be performed. However, in this case, since it is difficult to minimize the irradiation spot diameter as in the case of using a laser light source, the resolution of optical processing performed by inducing a photoisomerization reaction is inferior.

光学系22は、光源21から出射された光(照射光)のうち可視光または紫外光を、光異性化分子膜のチャネルとする領域に導いて照射することができるように、シャッター、ミラー、フィルター(ビームスプリッター)、レンズなどが適宜配置されてなる。   The optical system 22 has a shutter, a mirror, a mirror, so that visible light or ultraviolet light out of light (irradiated light) emitted from the light source 21 can be guided and irradiated to a region serving as a channel of the photoisomerized molecular film. A filter (beam splitter), a lens, and the like are appropriately arranged.

図1では、光学系22が、次の手順で照射光を導くように構成されている例を示している。まず、シャッター23において、2つの光源21A、21Bから出射される光のうち一方が選択される。次に、選択された光が、ミラー24によって、有機トランジスタ10が配置されている方向に反射される。次に、反射された光のうち不要な成分が、フィルター25によって除かれる。そして、不要な成分が除かれた光が、レンズ(対物レンズ)26によって収束されて、有機トランジスタ10中の光異性化分子膜14に照射される。   FIG. 1 shows an example in which the optical system 22 is configured to guide irradiation light in the following procedure. First, in the shutter 23, one of the lights emitted from the two light sources 21A and 21B is selected. Next, the selected light is reflected by the mirror 24 in the direction in which the organic transistor 10 is disposed. Next, unnecessary components of the reflected light are removed by the filter 25. Then, the light from which unnecessary components have been removed is converged by a lens (objective lens) 26 and applied to the photoisomerized molecular film 14 in the organic transistor 10.

照射スポット径は、レンズ26の倍率と、レーザー光を導入する光ファイバー(不図示)のコア系とによって、2〜100μmの範囲で制御することが可能であり、ここでは1μm以上10μm以下とすることが好ましい。   The irradiation spot diameter can be controlled in the range of 2 to 100 μm depending on the magnification of the lens 26 and the core system of an optical fiber (not shown) for introducing laser light. Is preferred.

なお、光照射位置の制御は、光学系と有機トランジスタのうち一方または両方を、相対的に移動させて行う。この移動は、例えば、アクチュエータ型移動機構、ピエゾ機構などによる移動ステージを用いて行うことができる。   The light irradiation position is controlled by relatively moving one or both of the optical system and the organic transistor. This movement can be performed using, for example, a moving stage such as an actuator type moving mechanism or a piezo mechanism.

アクチュエータ型移動機構は、油圧や電圧によって回転運動や並進運動といった機械的な動きを誘起する駆動装置である。例えば、油圧シリンダーや電動モータなどが挙げられる。ピエゾ機構は、物質に圧力をかけて変形させると、その物質が分極して電圧を発生する現象(圧電効果)、電圧を印加することによって物質が変形する(伸び縮みする)現象(逆電圧効果)を利用したものである。特に、逆電圧効果を利用して、電圧を印加することによって物質にわずかな伸び縮みを誘発し、微少な位置決めを行うことができる素子を、ピエゾ素子という。   The actuator type moving mechanism is a drive device that induces mechanical movement such as rotational movement or translational movement by hydraulic pressure or voltage. For example, a hydraulic cylinder, an electric motor, etc. are mentioned. The piezo mechanism is a phenomenon in which when a substance is deformed by applying pressure, the substance is polarized to generate a voltage (piezoelectric effect), and a substance is deformed (expanded / contracted) by applying a voltage (inverse voltage effect). ). In particular, an element that can be slightly positioned by inducing a slight expansion and contraction in a substance by applying a voltage by utilizing a reverse voltage effect is called a piezoelectric element.

ピエゾ機構を用いた移動ステージであれば、位置精度をより向上させることができる。ただし、この場合には、可動距離が100μm程度に制限される。そこで、粗動をステッピングモーターのような機械的移動機構で行い、微動をピエゾ機構で行い、さらに精密移動をピエゾ機構など複数の移動機構の組み合わせで行うことにより、広範囲の位置制御と高分解能の加工を両立することができる。   If the moving stage uses a piezo mechanism, the positional accuracy can be further improved. However, in this case, the movable distance is limited to about 100 μm. Therefore, by performing coarse movement with a mechanical movement mechanism such as a stepping motor, fine movement with a piezo mechanism, and precise movement with a combination of multiple movement mechanisms such as a piezo mechanism, a wide range of position control and high resolution can be achieved. Processing can be compatible.

[有機トランジスタの動作制御方法]
上述した有機トランジスタの動作制御装置100を用いて、有機トランジスタ10の動作を制御する方法について説明する。
[Operation control method of organic transistor]
A method for controlling the operation of the organic transistor 10 using the above-described organic transistor operation control apparatus 100 will be described.

まず、有機トランジスタ10に対して、ドレイン電圧およびゲート電圧を印加し、この状態で、開環体(絶縁体)構造を有する光異性化分子膜14のチャネルとする領域(チャネル領域)に、紫外光を照射する(第1ステップ)。紫外光の照射は、上述した光学系20を用いて行う。これにより、照射された部分のみが閉環体(半導体)構造に転移し、チャネル領域は導電性を有する状態(オン状態)となる。このとき、チャネル領域は、ゲート電圧でドレイン電流を変調できるトランジスタチャネルとして機能する。   First, a drain voltage and a gate voltage are applied to the organic transistor 10, and in this state, an ultraviolet region is applied to a region (channel region) serving as a channel of the photoisomerized molecular film 14 having an open ring (insulator) structure. Irradiate light (first step). Irradiation with ultraviolet light is performed using the optical system 20 described above. As a result, only the irradiated portion is transferred to the closed ring (semiconductor) structure, and the channel region is in a conductive state (ON state). At this time, the channel region functions as a transistor channel capable of modulating the drain current with the gate voltage.

第1ステップの紫外光の照射強度、照射時間は、それぞれ、5mW/cm以上50mW/cm以下、10秒以上200秒以下とすることが好ましい。 The irradiation intensity and irradiation time of the ultraviolet light in the first step are preferably 5 mW / cm 2 or more and 50 mW / cm 2 or less and 10 seconds or more and 200 seconds or less, respectively.

次に、閉環体構造を有するチャネル領域の少なくとも一部に、可視光を照射する(第2ステップ)。可視光の照射も、上述した光学系20を用いて行う。これにより、照射された部分のみが開環体構造に転移し、チャネル領域は導電性を失った状態(オフ状態)となる。このとき、ゲート電圧、ドレイン電圧を印加した状態であっても、ドレイン電流は流れない。   Next, visible light is irradiated to at least a part of the channel region having a closed ring structure (second step). Irradiation with visible light is also performed using the optical system 20 described above. As a result, only the irradiated portion is transferred to the ring-opened structure, and the channel region is in a state of loss of conductivity (off state). At this time, the drain current does not flow even when the gate voltage and the drain voltage are applied.

第2ステップの可視光の照射強度、照射時間は、それぞれ、100mW/cm以上700mW/cm以下、60秒以上600秒以下とすることが好ましい。 Irradiation intensity of the visible light of the second step, the irradiation time, respectively, 100 mW / cm 2 or more 700 mW / cm 2 or less, it is preferably not more than 600 seconds 60 seconds.

第1ステップにおいて紫外光を照射するチャネル領域は、ソース電極とドレイン電極とを連結するものであるが、その形状は、用途に応じて自由に設計することができる。例えば、1本または複数本の直線的な形状であってもよいし、途中で枝分かれした形状であってもよい。また、チャネル領域の形状は、図2(a)〜(c)に示すように、論理回路を構成するものであってもよい。   In the first step, the channel region to which the ultraviolet light is irradiated connects the source electrode and the drain electrode, but its shape can be freely designed according to the application. For example, one or a plurality of linear shapes may be used, or a shape branched in the middle may be used. Moreover, the shape of the channel region may constitute a logic circuit as shown in FIGS.

図2(a)は、チャネル領域が、OR回路を構成する場合の回路図(左側)および真理値表(右側)を示している。ここでは、2つのソース電極S1、S2と1つのドレイン電極Dとが、トランジスタワイヤで接続されている。ドレイン電極Dから延びるトランジスタワイヤは2本に分岐しており、分岐した2本のそれぞれに○印が付されている。この○印の位置は、スポット光(紫外光、可視光)の照射位置を示している。(○印に関しては、以下でも同様とする。)   FIG. 2A shows a circuit diagram (left side) and a truth table (right side) when the channel region constitutes an OR circuit. Here, two source electrodes S1, S2 and one drain electrode D are connected by a transistor wire. The transistor wire extending from the drain electrode D is branched into two, and each of the branched two is marked with a circle. The position of this circle mark indicates the irradiation position of spot light (ultraviolet light, visible light). (The same applies to the circles below.)

○印の位置は、可視光が照射されて絶縁体化し、電流パスが遮断されているため、この○印を含む経路はオフ状態となっている。ここでのOR回路は、ソース電極S1、S2のうち少なくとも一方から延びる経路において、○印の位置に紫外光を照射して、この経路がオン状態となれば、ドレイン電流が流れるように構成されている。   Since the position of the mark ○ is irradiated with visible light to form an insulator and the current path is interrupted, the path including the mark ○ is in an off state. The OR circuit here is configured such that drain current flows when the path extending from at least one of the source electrodes S1 and S2 is irradiated with ultraviolet light and the path is turned on. ing.

図2(b)は、チャネル領域が、AND回路を構成する場合の回路図(左側)および真理値表(右側)を示している。ここでも、2つのソース電極S1、S2と1つのドレイン電極Dとが、トランジスタワイヤで接続されている。ドレイン電極Dから延びるトランジスタワイヤは2本に分岐しており、分岐点の手前およびソース電極S1側に分岐した1本に、それぞれ○印が付されている。   FIG. 2B shows a circuit diagram (left side) and a truth table (right side) when the channel region constitutes an AND circuit. Again, the two source electrodes S1, S2 and one drain electrode D are connected by a transistor wire. The transistor wire extending from the drain electrode D is branched into two, and a circle mark is given to the branch before the branch point and the one branched toward the source electrode S1.

○印の位置は、可視光が照射されて絶縁体化し、電流パスが遮断されているため、この○印を含む経路はオフ状態となっている。ここでのAND回路は、分岐点を境にして、ソース電極S1まで延びる経路と、ドレイン電極まで延びる経路との両方において、○印の位置に紫外光を照射して、これらの経路がオン状態となった場合のみに、ドレイン電流が流れるように構成されている。   Since the position of the mark ○ is irradiated with visible light to form an insulator and the current path is interrupted, the path including the mark ○ is in an off state. The AND circuit here irradiates ultraviolet light at the position marked with ○ in both the path extending to the source electrode S1 and the path extending to the drain electrode at the branch point, and these paths are turned on. Only when this occurs, the drain current flows.

図2(c)は、チャネル領域が、NOT回路を構成する場合の回路図(左側)および真理値表(右側)を示している。ここでは、1つのソース電極Sと1つのドレイン電極Dとが、トランジスタワイヤで接続されている。ソース電極Sとドレイン電極Dとを結ぶ1本のトランジスタワイヤ中に、○印が付されている。   FIG. 2C shows a circuit diagram (left side) and a truth table (right side) when the channel region constitutes a NOT circuit. Here, one source electrode S and one drain electrode D are connected by a transistor wire. A circle is given in one transistor wire connecting the source electrode S and the drain electrode D.

○印の位置は、紫外光が照射されて半導体化し、電流パスが形成されているため、この○印を含む経路はオン状態となっている。ここでのNOT回路は、○印の位置に可視光を照射した場合には、オフ状態となるため、ドレイン電流が流れず、可視光を照射していない場合には、オン状態であるため、ドレイン電流が流れるように構成されている。   Since the position of the circle mark is irradiated with ultraviolet light to form a semiconductor and a current path is formed, the path including the circle mark is in an ON state. Since the NOT circuit here is in an off state when visible light is irradiated to the position of the circle, the drain current does not flow and is in an on state when no visible light is irradiated. A drain current is configured to flow.

有機半導体自体はキャリアを有していないため、ソース・ドレイン電極に用いる材料の仕事関数によって、トランジスタの極性を制御することができる。例えば、ソース・ドレイン電極として、光異性化分子の最高被占軌道(HOMO)に近い仕事関数を有する金などの電極を用いる場合には、p型トランジスタとして動作する。また、ソース・ドレイン電極として、光異性化分子の最低空軌道(LUMO)に近い仕事関数を有するマグネシウム、カルシウムなどの電極を用いる場合には、n型トランジスタとして動作する。   Since the organic semiconductor itself has no carriers, the polarity of the transistor can be controlled by the work function of the material used for the source / drain electrodes. For example, when an electrode such as gold having a work function close to the highest occupied orbit (HOMO) of the photoisomerized molecule is used as the source / drain electrode, it operates as a p-type transistor. Further, when an electrode such as magnesium or calcium having a work function close to the lowest empty orbit (LUMO) of the photoisomerization molecule is used as the source / drain electrode, it operates as an n-type transistor.

所望の極性を有するように、電極材料を適宜選択して形成したトランジスタに、上述したチャネルの構成を適用することにより、光照射によって再構成可能なCMOS論理回路を実現することができる。   A CMOS logic circuit that can be reconfigured by light irradiation can be realized by applying the above-described channel configuration to a transistor formed by appropriately selecting an electrode material so as to have a desired polarity.

まず、図3(a)に示すように、複数のp型トランジスタT1、n型トランジスタT2を設置する。各トランジスタは、基板および半導体膜(光異性化分子膜)を共有しているが、電気的に分離されているものとする。   First, as shown in FIG. 3A, a plurality of p-type transistors T1 and n-type transistors T2 are provided. Each transistor shares a substrate and a semiconductor film (photoisomerized molecular film) but is electrically separated.

次に、上述したように局所的な紫外光照射を行うことにより、光配線によって、各トランジスタのソース・ドレイン電極を、他のトランジスタのソース・ドレイン電極、外付けの電源回路Vdd、接地回路(GND)などに接続して論理回路を構築する。   Next, by performing local ultraviolet light irradiation as described above, the source / drain electrodes of each transistor are connected to the source / drain electrodes of the other transistors, the external power supply circuit Vdd, the ground circuit (by the optical wiring). GND) or the like to construct a logic circuit.

一例として、図3(b)に、光配線(波線で表示)による接続を行って構築されたNAND回路を示す。このNAND回路に対し、可視光照射を行って不要な光配線を消去するなどして、再度図3(c)に示すように、NOR回路を構築することができる。このように電極配置を変えることなく、光照射を行うことによって、消去・書き換え可能な論理回路を実現することができる。   As an example, FIG. 3B shows a NAND circuit constructed by connecting with an optical wiring (indicated by a wavy line). By irradiating the NAND circuit with visible light to eliminate unnecessary optical wiring, a NOR circuit can be constructed again as shown in FIG. In this way, an erasable / rewritable logic circuit can be realized by irradiating light without changing the electrode arrangement.

以上のように、本実施形態に係る有機トランジスタ10は、光異性化分子膜14を、チャネル形成用の半導体膜として備えている。光異性化分子には、紫外光が照射されたときには閉環体となり、可視光が照射されたときには開環体となる性質がある。閉環体は半導体特有の導電性を有し、開環体は絶縁性を有している。したがって、光異性化分子膜14は、紫外線の照射によって半導体とすることができ、また、可視光の照射によって絶縁体とすることができる。   As described above, the organic transistor 10 according to this embodiment includes the photoisomerized molecular film 14 as a semiconductor film for forming a channel. Photoisomerized molecules have the property of becoming ring-closed when irradiated with ultraviolet light and ring-opened when irradiated with visible light. The ring-closed body has electrical conductivity peculiar to semiconductors, and the ring-opened body has insulating properties. Therefore, the photoisomerizable molecular film 14 can be made into a semiconductor by irradiation with ultraviolet rays, and can be made into an insulator by irradiation with visible light.

本実施形態に係る有機トランジスタでは、光異性化分子の性質を利用して、光異性化分子膜14の特定の領域のみに紫外光を照射することにより、照射された部分のみを半導体化させ、局所的にチャネルを形成することができる。チャネルの形状は、任意に設計することができ、所望の論理回路を構成する形状とすることができる。   In the organic transistor according to the present embodiment, by utilizing the property of the photoisomerized molecule, by irradiating only a specific region of the photoisomerized molecular film 14 with ultraviolet light, only the irradiated portion is made into a semiconductor, A channel can be formed locally. The shape of the channel can be arbitrarily designed, and can be a shape constituting a desired logic circuit.

ゲート電圧、ドレイン電圧を印加した場合において、紫外光を照射した領域(チャネル領域)は、導通した状態となるが、その少なくとも一部に可視光を照射することにより、照射された領域が絶縁体化するため、この領域は導通していない状態となる。絶縁体化させた領域に対して、さらに紫外光を照射することにより、この領域は、再び半導体化されて導通した状態となる。このように、本実施形態に係る有機トランジスタ10によれば、紫外光、可視光を用いて、チャネル領域の導通状態を切り替えることができるため、論理回路を流れる電流を自在に制御することができ、ひいては単体で、トランジスタとして多彩な動作を実現することができる。   When a gate voltage and a drain voltage are applied, the region irradiated with ultraviolet light (channel region) is in a conductive state, but by irradiating at least part of the region with visible light, the irradiated region becomes an insulator. Therefore, this region is not conductive. By further irradiating the insulating region with ultraviolet light, this region is made semiconductor again and becomes conductive. Thus, according to the organic transistor 10 according to the present embodiment, the conduction state of the channel region can be switched using ultraviolet light and visible light, so that the current flowing through the logic circuit can be freely controlled. As a result, a single transistor can realize various operations as a transistor.

<第二実施形態>
本発明の第二実施形態に係る、有機トランジスタおよび照射手段を有する有機トランジスタの動作制御装置の構成について説明する。本実施形態に係る有機トランジスタは、それを構成する光異性化分子膜に、予め論理回路が形成されている点で、第一実施形態に係る有機トランジスタと異なっている。その他の点においては、第一実施形態に係る有機トランジスタと同様である。
<Second embodiment>
The structure of the operation control apparatus of the organic transistor which has an organic transistor and irradiation means based on 2nd embodiment of this invention is demonstrated. The organic transistor according to this embodiment is different from the organic transistor according to the first embodiment in that a logic circuit is formed in advance in a photoisomerizable molecular film constituting the organic transistor. Other points are the same as those of the organic transistor according to the first embodiment.

この場合にも、論理回路を構成するチャネル領域は、その少なくとも一部に可視光を照射することにより、導電性を失った状態(オフ状態)とすることができ、また、可視光を照射した部分に紫外光を照射することにより、導電性を有する状態(オン状態)とすることができる。つまり、本実施形態に係る有機トランジスタも、第一実施形態に係る有機トランジスタと同様に、紫外光を照射するステップ(第1ステップ)と、可視光を照射するステップ(第2ステップ)とを繰り返すことによって、動作制御することができる。   Also in this case, the channel region constituting the logic circuit can be brought into a state in which the conductivity is lost (off state) by irradiating at least a part of the channel region with visible light. By irradiating the portion with ultraviolet light, a conductive state (on state) can be obtained. That is, the organic transistor according to the present embodiment also repeats the step of irradiating ultraviolet light (first step) and the step of irradiating visible light (second step), similarly to the organic transistor according to the first embodiment. Therefore, the operation can be controlled.

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。   Hereinafter, the effects of the present invention will be made clearer by examples. In addition, this invention is not limited to a following example, In the range which does not change the summary, it can change suitably and can implement.

(実施例1)
本発明の有機トランジスタの基本動作について、図4(a)〜(c)を用いて説明する。第一実施形態に係る有機トランジスタ10に対して、次の2つのステップを交互に繰り返して行った。
(第1ステップ)
有機トランジスタに対して、ドレイン電圧−60V(一定)およびゲート電圧0〜80Vを印加し、この状態で、開環体(絶縁体)構造を有する光異性化分子膜のチャネルとする一定領域に対し、レンズを走査して波長325nmの紫外光を照射する。ここでは、紫外光の照射強度を25mW/cmとし、照射時間を180秒とした。
(第2ステップ)
上記電圧を印加したまま、紫外光の照射によって、閉環体構造を有するチャネル領域の少なくとも一部に対し、波長633nmの可視光を照射する。ここでは、可視光の照射強度を700mW/cmとし、照射時間を180秒とした。
Example 1
The basic operation of the organic transistor of the present invention will be described with reference to FIGS. The following two steps were alternately repeated for the organic transistor 10 according to the first embodiment.
(First step)
A drain voltage of −60 V (constant) and a gate voltage of 0 to 80 V are applied to the organic transistor, and in this state, a constant region serving as a channel of a photoisomerized molecular film having a ring-opened (insulator) structure is applied. The lens is scanned and irradiated with ultraviolet light having a wavelength of 325 nm. Here, the irradiation intensity of ultraviolet light was 25 mW / cm 2 and the irradiation time was 180 seconds.
(Second step)
With the voltage applied, visible light having a wavelength of 633 nm is irradiated onto at least a part of the channel region having a closed ring structure by irradiation with ultraviolet light. Here, the irradiation intensity of visible light was 700 mW / cm 2 and the irradiation time was 180 seconds.

基板11としては、リン(P)等の不純物を高濃度(1018cm−3程度)でドープした、抵抗率0.02Ω・cmのシリコン基板(高ドープSi基板)を用いた。絶縁膜12としては、熱酸化によって形成されるSiO膜などを用いた。絶縁膜12の厚さは、300nmとした。 As the substrate 11, a silicon substrate (highly doped Si substrate) having a resistivity of 0.02 Ω · cm doped with an impurity such as phosphorus (P) at a high concentration (about 10 18 cm −3 ) was used. As the insulating film 12, a SiO 2 film formed by thermal oxidation was used. The thickness of the insulating film 12 was 300 nm.

光異性化分子膜14の材料としては、上記化学式(1)の分子構造を有するものを用いた。第1電極105、第2電極106の材料としては、いずれも金を用いた。   As a material for the photoisomerized molecular film 14, a material having the molecular structure of the chemical formula (1) was used. As the material for the first electrode 105 and the second electrode 106, gold was used.

実施例1の有機トランジスタ10で得られた電気特性について、図4(a)〜(c)を用いて説明する。図4(a)は、有機トランジスタ10で流れるドレイン電流のゲート電圧依存性を示すグラフである。グラフの横軸はゲート電圧[V]を示し、縦軸はドレイン電流[pA]を示している。このグラフでは、初期、1回目の紫外光照射時、2回目の紫外光照射時、3回目の紫外光照射時、・・・を、それぞれ、0、2、4、6、・・・で表示し、1回目可視光照射時、2回目の可視光照射時、3回目の可視光照射時、・・・を、それぞれ、1、3、5で表示している。後述する図4(b)のグラフでも同様とする。   The electrical characteristics obtained with the organic transistor 10 of Example 1 will be described with reference to FIGS. FIG. 4A is a graph showing the gate voltage dependence of the drain current flowing in the organic transistor 10. The horizontal axis of the graph indicates the gate voltage [V], and the vertical axis indicates the drain current [pA]. In this graph, initial, first ultraviolet light irradiation, second ultraviolet light irradiation, third ultraviolet light irradiation,... Are displayed as 0, 2, 4, 6,. In the first visible light irradiation, the second visible light irradiation, the third visible light irradiation,... Are displayed as 1, 3, and 5, respectively. The same applies to the graph of FIG.

デバイスとして使用する電圧範囲(−30V〜―60V)では、可視光を照射した場合(2、4、6)のドレイン電流は、ゲート電圧によらずにほとんど流れていないのに対し、紫外光を照射した場合(1、3、5)のドレイン電流は、ゲート電圧に比例して増加している。   In the voltage range (-30V to -60V) used as a device, the drain current when irradiated with visible light (2, 4, 6) hardly flows regardless of the gate voltage, whereas ultraviolet light is applied. In the case of irradiation (1, 3, 5), the drain current increases in proportion to the gate voltage.

上記結果から、光異性化分子膜のうち、紫外光を照射した部分だけが閉環体に転移すること、閉環体は半導体材料として機能するため、紫外光を照射した部分が、ゲート電圧でドレイン電流を変調できるトランジスタチャネルとして機能することが分かる。また、上記結果から、同位置に可視光を走査すると開環体すなわち絶縁体に転移するため、ゲート電圧およびドレイン電圧を印加しても、ドレイン電流は流れないことが分かる。   From the above results, only the portion irradiated with ultraviolet light in the photoisomerized molecular film is transferred to a closed ring, and the closed ring functions as a semiconductor material. It can be seen that it functions as a transistor channel that can modulate. From the above results, it can be seen that when visible light is scanned at the same position, a transition is made to an open ring body, that is, an insulator, so that a drain current does not flow even when a gate voltage and a drain voltage are applied.

図4(b)は、一定のゲート電圧とドレイン電圧を印加した状態で、光照射により,ドレイン電流が変化する様子を示すグラフである。グラフの横軸は時間[min]を示し、縦軸はドレイン電流[pA]を示している。このグラフから、可視光と紫外光を交互に照射することにより、絶縁体−半導体転移が繰り返し起きており、そのスイッチング動作を確認することができる。   FIG. 4B is a graph showing how the drain current changes due to light irradiation in a state where a constant gate voltage and drain voltage are applied. The horizontal axis of the graph represents time [min], and the vertical axis represents the drain current [pA]. From this graph, by alternately irradiating visible light and ultraviolet light, the insulator-semiconductor transition occurs repeatedly, and the switching operation can be confirmed.

図4(c)は、一定のゲート電圧とドレイン電圧を印加した状態での光スイッチング動作を示すグラフである。グラフの横軸はサイクル数(Drawing Cycle)を示し、縦軸はドレイン電流[pA]を示している。このグラフから、紫外光照射によるオン状態と可視光照射によるオフ状態とを、繰り返し可逆的にスイッチングし得ることが分かる。   FIG. 4C is a graph showing an optical switching operation in a state where a constant gate voltage and drain voltage are applied. The horizontal axis of the graph indicates the number of cycles (Drawing Cycle), and the vertical axis indicates the drain current [pA]. From this graph, it can be seen that the ON state by ultraviolet light irradiation and the OFF state by visible light irradiation can be repeatedly switched reversibly.

(実施例2)
チャネル数増減に伴う有機トランジスタの動作の変化について、図5(a)、(b)を用いて説明する。有機トランジスタのサンプルとしては、実施例1の有機トランジスタと同じ構成のものを用いた。
(Example 2)
Changes in the operation of the organic transistor due to the increase or decrease in the number of channels will be described with reference to FIGS. As a sample of the organic transistor, one having the same configuration as the organic transistor of Example 1 was used.

(ステップA)
まず、サンプルの光異性化分子膜に、チャネルが形成されていない(書き込まれていない)状態で、ドレイン電圧−60V(一定)およびゲート電圧0〜60Vを印加し、このとき流れる電流(ドレイン電流)を測定した。
(Step A)
First, a drain voltage of −60 V (constant) and a gate voltage of 0 to 60 V are applied to a sample photoisomerization molecular film in a state where a channel is not formed (not written), and a current flowing at this time (drain current) ) Was measured.

(ステップB、C、D)
次に、同じサンプルの光異性化分子膜に、波長325nmの紫外光照射によって、光異性化分子膜にチャネルが1本形成されている状態で、上記電圧を印加し、このとき流れるドレイン電流を測定した。同様にして、紫外光照射により、光異性化分子膜にチャネルが2本形成されている状態、3本形成されている状態で、それぞれ上記電圧を印加し、このとき流れるドレイン電流をそれぞれ測定した。ここでは、紫外光の照射強度を25mW/cmとし、掃引速度を0.2μm/sとした。
(Steps B, C, D)
Next, the above voltage is applied to the photoisomerized molecular film of the same sample by irradiating ultraviolet light having a wavelength of 325 nm with one channel formed in the photoisomerized molecular film. It was measured. Similarly, by applying ultraviolet light, the above voltages were applied in the state where two channels were formed in the photoisomerized molecular film and the state where three channels were formed, and the drain current flowing at this time was measured. . Here, the irradiation intensity of ultraviolet light was 25 mW / cm 2 and the sweep rate was 0.2 μm / s.

(ステップE)
次に、同じサンプルの光異性化分子膜に、波長633nmの可視光照射によって、光異性化分子膜中のチャネル3本のうち1本を消去し、チャネルが2本残っている状態で上記電圧を印加し、このとき流れるドレイン電流を測定した。ここでは、可視光の照射強度を700mW/cmとし、掃引速度を0.2μm/sとした。
(Step E)
Next, by irradiating the photoisomerized molecular film of the same sample with visible light having a wavelength of 633 nm, one of the three channels in the photoisomerized molecular film is erased, and the above voltage is maintained with two channels remaining. The drain current flowing at this time was measured. Here, the irradiation intensity of visible light was 700 mW / cm 2 and the sweep rate was 0.2 μm / s.

(ステップF、G)
同様にして、可視光照射により、光異性化分子膜中のチャネルを1本ずつ消去し、チャネルが1本残っている状態、1本も残っていない状態で、それぞれ上記電圧を印加し、このとき流れるドレイン電流をそれぞれ測定した。
(Steps F and G)
Similarly, the channels in the photoisomerization molecular film are erased one by one by irradiation with visible light, and the above voltage is applied in a state where one channel remains and one channel does not remain. Each drain current was measured.

上記ステップA〜Dの測定結果、上記ステップD〜Gの測定結果を、それぞれ図5(a)、(b)のグラフに示す。グラフの横軸はゲート電圧[V]を示し、縦軸はドレイン電流[pA]を示している。なお、ステップA〜Gは、それぞれ、チャネル数が0本、1本、2本、3本、2本、1本、0本の場合に対応している。   The measurement results of Steps A to D and the measurement results of Steps D to G are shown in the graphs of FIGS. 5A and 5B, respectively. The horizontal axis of the graph indicates the gate voltage [V], and the vertical axis indicates the drain current [pA]. Steps A to G correspond to cases where the number of channels is 0, 1, 2, 3, 2, 1, 1, and 0, respectively.

図5(a)のグラフから、デバイスとして使用する電圧範囲(−30V〜―60V)では、チャネル数の増加に伴って、ドレイン電流の総和が増加していることが分かる。また、図5(b)のグラフから、デバイスとして使用する電圧範囲では、チャネル数の減少に伴って、ドレイン電流の総和が減少していることが分かる。   From the graph of FIG. 5A, it can be seen that in the voltage range (−30 V to −60 V) used as the device, the sum of the drain currents increases as the number of channels increases. Further, from the graph of FIG. 5B, it can be seen that in the voltage range used as the device, the total drain current decreases as the number of channels decreases.

(実施例3)
チャネルに枝分かれ構造を有する有機トランジスタの動作について、図6を用いて説明する。有機トランジスタのサンプルとしては、実施例1の有機トランジスタと同じ構成のものを用いた。
(Example 3)
The operation of the organic transistor having a branched structure in the channel will be described with reference to FIG. As a sample of the organic transistor, one having the same configuration as the organic transistor of Example 1 was used.

図6は、有機トランジスタを構成するチャネル領域の9種類の状態(a)〜(i)と、それぞれの状態において、有機トランジスタを動作させた際に、得られるドレイン電流値との対応関係を示す図である。(a)〜(i)について、以下に説明する。   FIG. 6 shows the correspondence between nine types of states (a) to (i) of the channel region constituting the organic transistor and the drain current value obtained when the organic transistor is operated in each state. FIG. (A) to (i) will be described below.

(a)は、開環体(絶縁体)のみからなる初期状態に対応しており、チャネルは形成されていない。   (A) corresponds to the initial state consisting only of the ring-opened body (insulator), and no channel is formed.

(b)は、波長325nmの紫外光によって、一本のチャネルが書き込まれた状態に対応している。紫外光の照射強度を5mW/cmとし、掃引速度を0.2μm/sとした。 (B) corresponds to a state in which one channel is written by ultraviolet light having a wavelength of 325 nm. The irradiation intensity of ultraviolet light was 5 mW / cm 2 and the sweep rate was 0.2 μm / s.

(c)は、(b)に対して、波長325nmの紫外光によってさらにもう一本のチャネルが書き込まれた状態に対応している。これによって、枝分かれ構造が形成され、電流パスが増加した。紫外光の照射強度を10mW/cmとし、掃引速度を0.2μm/sとした。ここでは、照射強度を、(b)を形成する際の照射強度の約2倍としたことにより、追加されたチャネルの光異性化率が高められた。チャネルの一部の光異性化率が高められたことと、電流パスが増加したことにより、得られるドレイン電流が増加した。 (C) corresponds to a state in which another channel is written by ultraviolet light having a wavelength of 325 nm with respect to (b). As a result, a branched structure was formed and the current path increased. The irradiation intensity of ultraviolet light was 10 mW / cm 2 and the sweep rate was 0.2 μm / s. Here, by setting the irradiation intensity to about twice the irradiation intensity when forming (b), the photoisomerization rate of the added channel was increased. The resulting drain current increased due to the increased photoisomerization rate of some of the channels and increased current paths.

(d)は、最初に形成したチャネル上の一点に波長633nmの可視光を照射して、局所的に絶縁化させた状態に対応している。最初に形成したチャネルが絶縁化した分、ドレイン電流が減少した。可視光の照射強度を700mW/cmとし、掃引速度を0.2μm/sとした。可視光の照射に関しては、以下でも同様とする。 (D) corresponds to a state in which visible light having a wavelength of 633 nm is irradiated to one point on the channel formed first to be locally insulated. The drain current decreased as the channel formed first was insulated. The irradiation intensity of visible light was 700 mW / cm 2 and the sweep rate was 0.2 μm / s. The same applies to visible light irradiation.

(e)は、(d)において可視光を照射した箇所に、再度紫外光を照射した状態に対応している。紫外光の照射により、可視光の照射で減少した分のドレイン電流が回復した。紫外光の照射強度を5mW/cmとし、掃引速度を0.2μm/sとした。 (E) corresponds to a state in which the portion irradiated with visible light in (d) is irradiated with ultraviolet light again. The drain current reduced by the irradiation with visible light was recovered by the irradiation with ultraviolet light. The irradiation intensity of ultraviolet light was 5 mW / cm 2 and the sweep rate was 0.2 μm / s.

(f)は、(d)において可視光を照射した箇所に、再度可視光を照射した状態に対応しており、(d)と同じ状態になった。可視光の照射による効果については、再現性を確認することができた。   (F) corresponds to the state in which the portion irradiated with visible light in (d) is irradiated with visible light again, and is in the same state as (d). Reproducibility was confirmed for the effect of irradiation with visible light.

(g)は、(f)に対し、(c)で形成したチャネル上の一点に波長633nmの可視光を照射して、局所的に絶縁化させた状態に対応している。この場合、導通した電流パスが全くないため、初期状態(a)の構成と同様になる。   (G) corresponds to a state in which visible light having a wavelength of 633 nm is irradiated to one point on the channel formed in (c) and locally insulated with respect to (f). In this case, since there is no conducting current path, the configuration is the same as in the initial state (a).

(h)は、(g)で可視光を照射した部分を、紫外光の照射によって、半導体化させた状態に対応している。この状態は(d)、(f)に類似しており、得られるドレイン電流も、(d)、(f)で得られるのと同じ程度に回復している。   (H) corresponds to a state in which the portion irradiated with visible light in (g) is made into a semiconductor by irradiation with ultraviolet light. This state is similar to (d) and (f), and the obtained drain current is recovered to the same extent as obtained in (d) and (f).

(i)は、(f)で可視光を照射した部分を、紫外光の照射によって、半導体化させた状態に対応している。この状態は(c)、(e)に類似しており、得られるドレイン電流も、(c)、(e)で得られるのと同じ程度に回復している。   (I) corresponds to a state in which the portion irradiated with visible light in (f) is made into a semiconductor by irradiation with ultraviolet light. This state is similar to (c) and (e), and the obtained drain current is recovered to the same extent as obtained in (c) and (e).

これらの一連のデータは、本発明の有機トランジスタが、光で電流値をON/OFFできる「光バルブ」型のトランジスタとして、動作し得るものであることを実証している。   These series of data demonstrate that the organic transistor of the present invention can operate as a “light valve” type transistor capable of turning on and off a current value with light.

本発明の有機トランジスタは、小型化、多機能化が求められる近年のLSIおいて、広く活用することができる。   The organic transistor of the present invention can be widely used in recent LSIs that are required to be downsized and multifunctional.

100 有機トランジスタの動作制御装置
10 有機トランジスタ
11 基板
11a 基板の一方の主面
12 絶縁膜
13 樹脂膜
14 光異性化分子膜
15 第1電極
16 第2電極
20 照射手段
21 光源
21A 紫外光源
21B 可視光源
22 光学系
23 シャッター
24 ミラー
25 フィルター
26 レンズ
100 Organic Transistor Operation Control Device 10 Organic Transistor 11 Substrate 11a One Main Surface 12 of Substrate Insulating Film 13 Resin Film 14 Photoisomerization Molecular Film 15 First Electrode 16 Second Electrode 20 Irradiation Means 21 Light Source 21A Ultraviolet Light Source 21B Visible Light Source 22 Optical system 23 Shutter 24 Mirror 25 Filter 26 Lens

Claims (7)

開環体構造を有する光異性化分子膜を、チャネル形成用の半導体膜として備えた有機トランジスタの動作制御方法であって、
前記有機トランジスタにドレイン電圧およびゲート電圧を印加した状態で、可視光および紫外光を含む照射光の光源と、前記照射光のうち可視光または紫外光を前記光異性化分子膜のチャネルとする領域に導いて照射する光学系と、を用い、
前記チャネルとする領域に紫外光を照射する第1ステップと、
前記チャネルとする領域の少なくとも一部に可視光を照射する第2ステップと、を有することを特徴とする有機トランジスタの動作制御方法。
An organic transistor operation control method comprising a photoisomerized molecular film having a ring-opened structure as a semiconductor film for channel formation,
In a state where a drain voltage and a gate voltage are applied to the organic transistor, a light source of irradiation light including visible light and ultraviolet light, and a region where visible light or ultraviolet light of the irradiation light is used as a channel of the photoisomerization molecular film An optical system that guides and irradiates
A first step of irradiating the region to be the channel with ultraviolet light;
And a second step of irradiating at least part of the region to be the channel with visible light.
前記第1ステップにおける紫外光の照射強度を、5mW/cm以上100mW/cm以下とすることを特徴とする請求項1に記載の有機トランジスタの動作制御方法。 2. The method for controlling the operation of an organic transistor according to claim 1, wherein the irradiation intensity of the ultraviolet light in the first step is 5 mW / cm 2 or more and 100 mW / cm 2 or less. 前記光異性化分子として、ジアリールエテンを中心骨格とし、その両端にパイ共役系の置換基が取り付けられているものを用いることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の有機トランジスタの動作制御方法。   The operation of the organic transistor according to claim 1 or 2, wherein the photoisomerized molecule is one having diarylethene as a central skeleton and having pi-conjugated substituents attached to both ends thereof. Control method. 光異性化分子膜をチャネル形成用の半導体膜として備えた有機トランジスタであって、
前記光異性化分子膜上に互いに離間して形成された複数の電極を備え、
前記光異性化分子が、前記光異性化分子膜のうち、チャネル領域においては閉環体構造を有し、他の領域においては開環体の構造を有しており、
前記チャネル領域が、前記電極間を連結していることを特徴とする有機トランジスタ。
An organic transistor provided with a photoisomerized molecular film as a semiconductor film for channel formation,
A plurality of electrodes formed on the photoisomerized molecular film so as to be spaced apart from each other;
The photoisomerizable molecule has a ring-closed structure in the channel region and a ring-opened structure in the other region of the photoisomerized molecular film,
An organic transistor, wherein the channel region connects the electrodes.
前記チャネル領域が、前記電極間を連結して論理回路を形成していることを特徴とする請求項4に記載の有機トランジスタ。   The organic transistor according to claim 4, wherein the channel region connects the electrodes to form a logic circuit. 前記光異性化分子が、ジアリールエテンを中心骨格とし、その両端にパイ共役系の置換基が取り付けられたものであることを特徴とする請求項4または5のいずれかに記載の有機トランジスタ。   6. The organic transistor according to claim 4, wherein the photoisomerized molecule has diarylethene as a central skeleton, and pi-conjugated substituents are attached to both ends thereof. 請求項4〜6のいずれか一項に記載の有機トランジスタと、可視光および紫外光の照射手段とを有する有機トランジスタの動作制御装置であって、
前記照射手段は、可視光および紫外光を含む照射光の光源と、前記照射光のうち可視光または紫外光を、前記光異性化分子膜のチャネルとする領域に導いて照射する光学系とを有することを特徴とする有機トランジスタの動作制御装置。
An organic transistor operation control device comprising: the organic transistor according to any one of claims 4 to 6; and irradiation means for visible light and ultraviolet light.
The irradiation means includes a light source of irradiation light including visible light and ultraviolet light, and an optical system that guides and irradiates visible light or ultraviolet light of the irradiation light to a region of the photoisomerized molecular film. An operation control apparatus for an organic transistor, comprising:
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