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【総説】有機半導体について

本記事は、東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 工学部応用化学科 岡本 敏宏准教授に執筆いただいたものです。

有機半導体は半導体の特性を示す有機材料のことである。有機半導体は、シリコンに代表される無機半導体材料と比べて、安価、軽量、低環境負荷、機械的に柔軟であり、塗布プロセスおよび大面積化が可能なユニークな半導体であり、有機電界効果トランジスタ(Organic Field-effect Transistor, OFET)1)-3)、有機発光ダイオード(Organic Light Emitting Diode, OLED)4)、有機薄膜太陽電池(Organic Photovoltaic Cell, OPV)5)-8)、有機熱電素子(Organic Thermoelectric Cell)9)-11)などのいわゆる有機エレクトロニクスへの応用の期待が益々高まってきている。

有機半導体は、正孔を輸送するp型半導体と電子を輸送するn型半導体があり、また、分子サイズによって低分子系半導体と高分子系半導体に大別される(図1参照)。一般的に、低分子系半導体は再結晶や昇華などで比較的容易に高純度化が可能であり、高品質な結晶を得やすい一方で、均一な結晶性薄膜を得ることが困難であり、また薄膜での耐熱性が低いという問題がある。これに対して、高分子系半導体は塗布プロセスによって再現性よく均質な薄膜が作製可能で、耐熱性にも優れる半面、結晶性が低く、結晶性の向上のためには高温熱処理が必要である。

また、通常、高分子系半導体の合成に使用されるパラジウムやニッケルなどの金属触媒が反応終了後、不溶化するため完全に取り除くことは容易ではないため12)-13)高純度化が困難である。これに加えて、分子量分布の制御や合成の信頼性など高分子材料特有の問題がある。

以上の理由で、低分子系半導体は高分子系半導体よりも、伝導電荷の移動のしやすさを表すキャリア移動度が1桁程度高い。ごく最近、高分子系半導体の結晶性を高くするための配向技術が新たに開発され、移動度の向上が報告されるようになってきている14)。このように、有機半導体として重要な性能指標であるキャリア移動度は、低分子系半導体が勝っているのが現状である。

以下に、これまでの低分子系および高分子系半導体材料について、それぞれの歴史をまとめる。

図1. 有機半導体:低分子系と高分子系半導体

用語説明

電界効果トランジスタ

電界効果トランジスタ(field-effect transistor)はFETと呼ばれ、電気を蓄えたり放出したりする電気部品であるコンデンサの原理で半導体中の電荷(キャリア)の量を調整して、電気の流れる状態と流れない状態を切り替える素子(デバイス)。FETは、ディスプレイの画素の切り替えや、複数のFETを組み合わせることで演算回路としても利用できる。

発光ダイオード

電流を光に変換する電流を一定方向にしか流さない作用(整流作用)を持つ電子デバイスであるダイオード、いわゆる発光ダイオード(light-emitting diode, LED)のこと。有機半導体を用いたLEDを有機発光ダイオード(organic light-emitting diode, OLED)と呼ぶが、日本においては有機エレクトロルミネッセンス(organic electroluminescence, OEL)の方が一般的に用いられている。

太陽電池

材料に光を照射することで得られる起電力(光起電力)を利用して、光エネルギーを電気エネルギーに変換するデバイス。現在商用展開されている太陽電池には主にシリコンが用いられおり、有機薄膜を用いた太陽電池を有機薄膜太陽電池と呼ぶ。

熱電素子

熱エネルギーを電気エネルギーに、または、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するデバイスの総称。有機半導体を用いた熱電素子としては、材料両端の温度差から発生する起電力(熱起電力)を利用して発電する熱電変換素子が特によく研究されている。

キャリア移動度

FETや半導体の性能指標となる値。単位電界あたりのキャリアの速度に対応し、キャリアの動きやすさを表している。各アプリケーションに必要なFETのキャリア移動度は以下の通りである。

  • 0.1~1 cm2/Vs : E-inkやディスプレイ
  • ~10 cm2/Vs : 電子タグやICカード
  • >100 cm2/Vs : CPU等の論理演算
図2. 正孔&電子移動度 vs. 応用例と市場規模
参考文献
  1. Bao, Z. and Locklin, J.: "Organic Field-Effect Transistors,". 1st ed. CRC Press: Florida (2007).
  2. Mei, J., Diao, Y., Appleton, A. L., Fang, L. and Bao, Z.: J. Am. Chem. Soc., 135, 6724 (2013).
  3. Root, S. E., Savagatrup, S., Printz, A. D., Rodriquez, D. and Lipomi, D. J.: Chem. Rev., 117, 6467 (2017).
  4. Müllen, K. and Scherf, U.: "Organic Light-Emitting Devices: Synthesis, Properties and Applications,". Wiley-VCH (2006).
  5. Ostroverkhova, O.: Chem. Rev., 116, 13279 (2016).
  6. Günes, S., Neugebauer, H. and Sariciftci, N. S.: Chem. Rev., 107, 1324 (2007).
  7. Thompson, B. C. and Fréchet, J. M. J.: Angew. Chem. Int. Ed., 47, 58 (2008).
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  9. Park, T., Park, C., Kim, B., Shin, H. and Kim, E.: Energ. Environ. Sci., 6, 788 (2013).
  10. Schlitz, R. A., Brunetti, F. G., Glaudell, A. M., Miller, P. L., Brady, M. A., Takacs, C. J., Hawker, C. J. and Chabinyc, M. L.: Adv. Mater., 26, 2825 (2014).
  11. Chen, Y., Zhao, Y. and Liang, Z.: Energ. Environ. Sci., 8, 401 (2015).
  12. Nielsen, K. T., Bechgaard, K. and Krebs, F. C.: Macromolecules, 38, 658 (2005).
  13. Nielsen, K. T., Bechgaard, K. and Krebs, F. C.: Synthesis, 2006, 1639 (2006).
  14. Yamashita, Y., Tsurumi, J., Hinkel, F., Okada, Y., Soeda, J., Zajaczkowski, W., Baumgarten, M., Pisula, W., Matsui, H., Mullen, K. and Takeya, J.: Adv. Mater., 26, 8169 (2014).

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