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有機電界効果トランジスタ（OFET）は、チャネルに有機半導体を用いた電界効果トランジスタです。OFETは、小分子の真空蒸着、ポリマーまたは小分子の溶液キャスティング、または剥離した単結晶有機層を基板上に機械的に転写することによって作製できます。これらのデバイスは、低コストで大面積の電子製品や生分解性エレクトロニクスを実現するために開発されました。OFETは、さまざまなデバイス形状で製造されています。最も一般的に使用されているデバイス形状は、ボトムゲート、トップドレイン、ソース電極です。これは、この形状が、ゲート誘電体として熱成長させたSiO2を使用する薄膜シリコントランジスタ（TFT）に似ているためです。ポリ（メチルメタクリレート）（PMMA）などの有機ポリマーも誘電体として使用できます。[ 1 ] OFETの利点の1つは、特に無機TFTと比較した場合、その比類のない物理的柔軟性です。[ 2 ]これにより、たとえば将来の個別化バイオ医薬品やバイオエレクトロニクスのヘルスケア産業における生体適合性アプリケーションにつながります。[ 3 ]
2007年5月、ソニーは、薄膜トランジスタと発光ピクセルの両方が有機材料で作られた、初のフルカラー、ビデオレート、フレキシブル、オールプラスチックディスプレイを発表しました[ 4 ] [ 5 ] 。
電界効果トランジスタ（FET）の概念は、1930年に特許を取得したジュリアス・エドガー・リリエンフェルドによって初めて提唱されました。 [ 6 ]彼は、電界効果トランジスタはソース電極とドレイン電極の間に導電チャネルを持つコンデンサとして動作すると提唱しました。ゲート電極に印加される電圧によって、システムを流れる電荷キャリアの量が制御されます。
最初の絶縁ゲート電界効果トランジスタは、ベル研究所のモハメド・アタラとダウォン・カンによって金属酸化物半導体を用いて設計・製造されました。これはMOSFET（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）です。1959年に発明され[ 7 ]、1960年に発表されました[ 8 ]。MOSトランジスタとしても知られるMOSFETは、世界で最も広く製造されているデバイスです[ 9 ] [ 10 ]。薄膜トランジスタ（TFT）の概念は、 1957年にゲート誘電体として酸化ゲルマニウムを使用した薄膜MOSFETの特許を出願したジョン・ウォールマークによって初めて提案されました。薄膜トランジスタは、ウォールマークのアイデアを実装したポール・K・ワイマーによって1962年に開発されました[ 11 ] 。TFTはMOSFETの特殊なタイプです[ 12 ] 。
材料費や製造費の高騰、そしてより環境に優しい電子材料に対する世間の関心の高まりにより、近年、有機系エレクトロニクスの開発が促進されている。1986年、三菱電機の研究者である小塚英樹、津村明、安藤恒也は、チオフェン分子のポリマーをベースとした初の有機電界効果トランジスタを報告した。 [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]チオフェンポリマーは電荷を伝導できる共役ポリマーの一種であり、高価な金属酸化物半導体を使用する必要がない。さらに、他の共役ポリマーも半導体特性を持つことが示されている。OFETの設計も過去数十年で改善されてきた。現在、多くのOFETは薄膜トランジスタ（TFT）モデルに基づいて設計されており、デバイスの設計においてより導電性の低い材料を使用できる。過去数年間で、これらのモデルは電界効果移動度とオンオフ電流比に関して改善されている。
OFET材料の共通の特徴の一つは、芳香族またはその他の共役π電子系が含まれていることであり、これにより軌道波動関数の非局在化が促進される。正孔または電子の輸送を促進するために、電子吸引基または供与基を付加することができる。
活性半導体層として多くの芳香族および共役材料を用いたOFETが報告されており、これにはルブレン、テトラセン、ペンタセン、ジインデノペリレン、ペリレンジイミド、テトラシアノキノジメタン（TCNQ）などの小分子や、ポリチオフェン（特にポリ（3-ヘキシルチオフェン）（P3HT））、ポリフルオレン、ポリジアセチレン、ポリ（2,5-チエニレンビニレン）、ポリ（p-フェニレンビニレン）（PPV）などのポリマーが含まれる。
この分野は非常に活発で、新たに合成され試験された化合物が毎週主要な研究誌に報告されています。これらの材料の開発を記録したレビュー記事も多数存在します。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
ルブレンをベースとしたOFETは、20～40 cm 2 /(V·s)という最高のキャリア移動度を示します。もう1つの一般的なOFET材料はペンタセンで、1980年代から使用されていますが、移動度は（基板によって異なりますが）ルブレンよりも10～100倍低くなっています。 [ 20 ]ペンタセン、および他の多くの有機導体の主な問題は、空気中で急速に酸化されてペンタセンキノンを形成することです。しかし、ペンタセンを前酸化し、このようにして形成されたペンタセンキノンをゲート絶縁体として使用すると、移動度はルブレンの値に近づくことができます。このペンタセン酸化技術は、シリコンエレクトロニクスで使用されるシリコン酸化に似ています。[ 16 ]
多結晶テトラチアフルバレンとその類縁体では、移動度は 0.1～1.4 cm 2 /(V·s) の範囲になります。しかし、溶液成長または気相輸送成長させた単結晶ヘキサメチレンテトラチアフルバレン (HMTTF) では、移動度は 10 cm 2 /(V·s) を超えます。これらの 2 つの手法で成長させたデバイスの ON/OFF 電圧は異なりますが、これはおそらく気相輸送成長で使用される処理温度が高いためと考えられます。[ 16 ]
上記のデバイスはすべてp型伝導性に基づいています。N型OFETはまだ十分に開発されていません。通常、ペリレンジイミドまたはフラーレンまたはそれらの誘導体に基づいており、電子移動度は2 cm 2 /(V·s)未満です。[ 17 ]
電界効果トランジスタの3つの主要構成要素は、ソース、ドレイン、ゲートです。電界効果トランジスタは通常、コンデンサとして動作します。これらは2枚のプレートで構成されています。1枚のプレートは、ソースとドレインと呼ばれる2つのオーミック接点間の導電チャネルとして機能します。もう1枚のプレートは、チャネルに誘起される電荷を制御する役割を果たし、ゲートと呼ばれます。チャネル内のキャリアの移動方向は、ソースからドレインです。したがって、これら3つの構成要素の関係は、ゲートがソースからドレインへのキャリアの移動を制御するということです。[ 21 ]
このコンデンサの概念をデバイス設計に適用すると、コントローラ（すなわちゲート）の違いに基づいて様々なデバイスを構築できます。これは、ゲート材料、チャネルに対するゲートの位置、ゲートとチャネルの分離方法、およびゲート電圧によってチャネルに誘起されるキャリアの種類（nチャネルデバイスでは電子、pチャネルデバイスでは正孔、二重注入デバイスでは電子と正孔の両方など）によって決まります。
キャリアの特性によって分類された3種類のFETが図1に模式的に示されています。[ 22 ]これらはMOSFET（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）、MESFET（金属半導体電界効果トランジスタ）、TFT（薄膜トランジスタ）です。
現代のマイクロエレクトロニクスにおいて最も代表的で広く使用されているFETはMOSFET（金属酸化物半導体FET）です。このカテゴリには、MISFET（金属絶縁体半導体電界効果トランジスタ）やIGFET（絶縁ゲートFET）など、さまざまな種類があります。MISFETの概略図を図1aに示します。ソースとドレインは半導体で接続され、ゲートは絶縁体の層によってチャネルから分離されています。ゲートにバイアス（電位差）が印加されていない場合、金属伝導帯と半導体フェルミ準位のエネルギー差によりバンドの曲がりが生じます。そのため、半導体と絶縁体の界面に高濃度の正孔が形成されます。ゲート電極に十分な正のバイアスを印加すると、曲がったバンドは平坦になります。より大きな正のバイアスを印加すると、逆方向にバンドが曲がり、絶縁体-半導体界面に近い領域から正孔が枯渇します。さらに大きな正のバイアスでは、バンドの曲がりが非常に大きくなり、半導体と絶縁体の界面におけるフェルミ準位が価電子帯の上端よりも伝導帯の下端に近くなるため、電子の反転層が形成され、伝導チャネルが提供される。最終的に、デバイスがオンになる。[ 23 ]
図1bに、2番目のタイプのデバイスを示します。このデバイスとMISFETとの唯一の違いは、n型ソースとドレインがn型領域で接続されている点です。この場合、ノーマリー「オフ」デバイスでは、ゲート電圧がゼロのときに、空乏層がn型チャネル全体に広がります（これはMISFETの場合の大きな正バイアスに似ています）。ノーマリー「オン」デバイスでは、チャネルの一部が空乏化されないため、ゲート電圧がゼロのときに電流が流れます。
薄膜トランジスタ（ TFT）を図1cに示します。ここでは、ソース電極とドレイン電極が導電チャネル（薄い半導体層）上に直接形成され、その後、半導体と金属ゲート電極の間に薄い絶縁体が堆積されます。この構造は、デバイスと基板を分離する空乏層が存在しないことを示しています。バイアスがゼロの場合、半導体と金属のフェルミ準位のエネルギー差により、電子は表面から放出されます。これにより、半導体のバンドが曲がります。この場合、ソースとドレインの間でキャリアの移動はありません。正電荷が印加されると、界面に電子が蓄積され、半導体が逆方向に曲がり、半導体のフェルミ準位に対して伝導帯が低下します。すると、界面に高導電性のチャネルが形成されます（図2参照）。
OFETはTFTのアーキテクチャを採用しています。導電性ポリマーの開発により、小さな共役分子の半導体特性が認識されるようになりました。OFETへの関心は過去10年間で飛躍的に高まっています。この関心の高まりの理由は多岐にわたります。電界効果移動度が0.5～1 cm 2 V −1 s −1、ON/OFF電流比（デバイスのシャットダウン能力を示す）が10 6～10 8であるアモルファスシリコン（a-Si）TFTに匹敵するOFETの性能が大幅に向上しました。現在、真空蒸着された小分子の場合5 cm 2 V −1 s −1 [ 24 ] 、溶液プロセスポリマーの場合 0.6 cm 2 V −1 s −1 [ 25 ]の薄膜OFET移動度値が報告されています。その結果、現在ではa-Siやその他の無機トランジスタ技術の使用と互換性のない用途にOFETを使用することに対する産業界の関心が高まっている。OFETの主な技術的魅力の1つは、低コストの溶液プロセスと直接描画印刷を組み合わせることで、OFETのすべての層を室温で堆積およびパターン形成できることであり、これにより、フレキシブル基板上に低コストで大面積の電子機能を実現するのに理想的である。[ 26 ]
熱酸化シリコンは、OFETの従来の基板であり、二酸化ケイ素がゲート絶縁体として機能します。FETの活性層は通常、(i)熱蒸着、(ii)有機溶液からのコーティング、または(iii)静電ラミネーションのいずれかを使用してこの基板上に堆積されます。最初の2つの技術では多結晶活性層が得られます。これらは製造がはるかに容易ですが、トランジスタの性能は比較的劣ります。溶液コーティング技術(ii)には、ディップコーティング、スピンコーティング、インクジェット印刷、スクリーン印刷など、数多くのバリエーションが知られています。静電ラミネーション技術は、単一の有機結晶から薄い層を手動で剥離することに基づいています。これにより優れた単結晶活性層が得られますが、より手間がかかります。ゲート酸化膜と活性層の厚さは1マイクロメートル未満です。[ 16 ]
OFETにおけるキャリア輸送は、デバイスを介した2次元（2D）キャリア伝搬に特有のものである。この研究では、注入されたキャリアの通過時間に関するヘインズ・ショックレー実験、キャリア移動度を決定するための飛行時間（TOF）実験[ 27 ]、絶縁体中の電界分布を調べるための圧力波伝搬実験、配向双極子変化を調べるための有機単分子膜実験、光時間分解第二高調波発生（TRM-SHG）など、さまざまな実験手法が用いられた。多結晶OFETではキャリアは拡散のような（トラップ制限）方法で伝搬するが[ 28 ] 、最良の単結晶OFETでは伝導帯を通過する[ 16 ] 。
OFETのキャリア輸送において最も重要なパラメータはキャリア移動度です。OFET研究の長年にわたるその進化は、多結晶OFETと単結晶OFETのグラフに示されています。水平線は、主なOFET競合製品であるアモルファス（a-Si）と多結晶シリコンとの比較ガイドを示しています。グラフから、多結晶OFETの移動度はa-Siの移動度と同程度であるのに対し、ルブレンベースのOFETの移動度（20～40 cm 2 /(V·s)）は最高の多結晶シリコンデバイスの移動度に近づいていることがわかります。[ 16 ]
OFETにおける電荷キャリア移動度の正確なモデルの開発は、活発な研究分野である。Fishchukらは、キャリア密度とポーラロン効果を考慮したOFETにおけるキャリア移動度の解析モデルを開発した。[ 29 ]
キャリア移動度モデルの入力として使用される平均キャリア密度は通常ゲート電圧の関数として計算されますが、[ 30 ]変調振幅反射分光法（MARS）はOFETチャネル全体のキャリア密度の空間マップを提供することが示されています。[ 31 ]
このようなトランジスタには電流が流れるため、発光デバイスとして使用でき、電流変調と発光を統合できます。2003年、ドイツのグループが最初の有機発光電界効果トランジスタ（OLET）を報告しました。[ 32 ]デバイス構造は、櫛形金ソース電極とドレイン電極、および多結晶テトラセン薄膜で構成されています。金接点からこの層に正電荷（正孔）と負電荷（電子）の両方が注入され、テトラセンからのエレクトロルミネセンスにつながります。