スプレー塗布TIPS-ペンタセンOFETにおけるインサイチュアニーリングによる移動度向上

概要

ボトムゲート・トップコンタクト型有機電界効果トランジスタ（OFET）をスプレー塗布法で作製し、堆積中のインサイチュアニーリングの影響を調査しました。従来の事後アニーリングと比較して、60℃のインサイチュアニーリングにより電界効果移動度が0.056から0.191 cm²/Vsへと約4倍向上しました。光学顕微鏡、原子間力顕微鏡（AFM）、X線回折（XRD）の結果、この移動度向上は優れた結晶化と高度に秩序立ったTIPS-ペンタセンの充填構造に起因することが明らかになりました。

背景

OFETはフレキシブルエレクトロニクス、ディスプレイ、RFIDタグ、ロジック回路などへの応用が期待されています[1-7]。ブレードコーティング、インクジェット印刷、グラビア印刷、スプレー塗布など、高性能デバイス作製のための多様な堆積手法が検討されてきました[6-16]。特にスプレー塗布は、少量の溶剤で済み、高スループットで、多様な基板に対応できる点で魅力的です[17-19]。

近年の研究では、液滴サイズ[16]、溶媒組成[20]、基板加熱[21-26]などを調整して膜の結晶性を向上させる試みがなされてきました。しかし、スプレー塗布中のインサイチュアニーリングの役割はあまり探究されていません。従来の溶液プロセスでは長時間の焼成工程が必要で生産が中断されがちです。シンプルなインサイチュアニーリングプロトコルを導入すれば、製造を高速化しつつデバイス性能を維持・向上できる可能性があります。

本研究では、PMMA誘電体上へのTIPS-ペンタセンスプレー堆積時に、60℃、90℃、120℃でインサイチュアニーリングを実施しました。60℃処理で最高移動度（0.191 cm²/Vs）が得られ、顕微鏡観察とXRDにより結晶性と分子秩序の改善が確認されました。

実験方法

デバイス構造を図1(a)に示します。PMMA（アニソール中100 mg/mL）をスピンコートして520 nm厚の膜を形成し、150℃で1時間焼成しました。TIPS-ペンタセン層（ジクロロベンゼン中3 mg/mL、30 nm厚）を、ノズル高さ12 cm、流量20 μL/sでスプレー塗布し、基板を所望の温度に保ちました。最後に、シャドウマスクを用いて50 nm厚のAuソース/ドレイン電極を熱蒸着しました（チャネル幅/長さ = 1 cm / 100 μm）。TIPS-ペンタセン厚は、ステッププロファイラで測定した総厚からPMMA厚を差し引いて求めました。電気特性はKeithley 4200で大気中で測定し、飽和領域から標準的な伝達曲線式で移動度を抽出しました。モルフォロジーは光学顕微鏡（U-MSSP4, Olympus）、AFM（MFP-3D-BIO, Asylum Research）、XRD（TD-3500, Dandong, 30 kV, 20 mA）で観察しました。

結果と考察

デバイスAは120℃で20分の事後アニーリング、デバイスB、C、Dはそれぞれ60℃、90℃、120℃でインサイチュアニーリングを行いました。伝達特性と出力特性（図2）は典型的なp型挙動を示し、主要性能指標を表1にまとめました。

60℃インサイチュアニーリング（デバイスB）では移動度が0.191 cm²/Vsに上昇し、閾値電圧が-1.7 Vから-0.9 Vへ正方向にシフトしました。一方、90℃と120℃では性能が劣化：移動度はそれぞれ0.04と0.0005 cm²/Vsに低下し、閾値電圧は+2.0 Vへシフトしました。サブスレッショルドスイングはアニーリング温度上昇とともに増大し、誘電体/半導体界面のトラップ密度増加を示唆しています[27]。

光学顕微鏡観察（図3）では、デバイスBに大型の細長い粒子が見られるのに対し、デバイスCとDでは小さな円形粒子でした。AFM像（図4）は、60℃膜が疎な粒界を持つ整然とした粒子構造を示す一方、高温では密な微小アイランドが形成され電荷輸送を阻害することを確認しました。XRD（図5）ではデバイスBで最も強い(00l)ブラッグピークが観測され、優れた結晶性が裏付けられました。90℃と120℃でのピーク強度低下は性能劣化と相関します。

結論

60℃インサイチュアニーリングを施したスプレー塗布TIPS-ペンタセンOFETは、従来の事後アニーリングと比較して移動度が4倍（0.191 cm²/Vs）向上しました。この改善は、光学顕微鏡、AFM、XRDの解析が示す通り、結晶性の向上と秩序だった粒成長に起因します。インサイチュアニーリングは、フレキシブルエレクトロニクス等の新用途に適した高性能OFETを実現する、スケーラブルで低コストなプロセスを提供します。