27p-p3-20 基板表面エネルギー変調による有機半導体薄膜の …surface-27p-p3-20...
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選択成長機構の考察 まとめ
基板表面エネルギーの比較
PMMA成膜基板上の水滴 SiOx基板上の水滴
→PMMA成膜基板とSiOx基板の表面エネルギーの違い
PMMA成膜基板とSiOx基板の「濡れ性」の違い
「濡れ性」悪い 「濡れ性」良い
CuPc蒸着
C60蒸着
PMMA成膜基板上 SiOx基板上
いずれも(2µm × 2µm)
0 13nm 0 9nm
0 20nm 0 27nm
基板温度：170 ℃蒸着時間：2時間
基板温度：100 ℃蒸着時間：1時間
基板表面によるドメイン形状の違い
27p-P3-20 基板表面エネルギー変調による有機半導体薄膜の縞状位置選択成長 埼玉大院理工１，東大院新領域２ 川端ちひろ１，斉木幸一朗２，○上野啓司１
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位置選択成長による有機面内ヘテロ接合の形成
有機半導体デバイス
不純物ドープ，リソグラフィー法の適用が困難
→「接合」形成は，薄膜積層方向に限られている
有機EL構造
陰極
電子輸送層
陽極
正孔輸送層
発光層
有機太陽電池構造
ITO
Al
p層
n層
i層負荷
有機半導体素子における面内ヘテロ接合の必要性
ソース ドレイン
有機半導体
絶縁体
ゲート
有機FET構造
薄膜成長方向ではなく，面内で接合形成できれば・・・
電荷移動が有利な有機垂直配向薄膜の面内でヘテロ接合
新奇素子作製へ応用
同一基板上への異種有機半導体分子蒸着
基板温度：170 ℃蒸着時間：2時間
CuPc蒸着
C60蒸着
基板温度：100 ℃蒸着時間：0.5時間
CuPcの帯状ドメインの隙間を埋めるようにC60ドメインが形成!
3µm
5.4nm
400nm
0 24nm
0 30nm
PMMA洗浄後ステップバンチSi基板
C60蒸着
基板温度：100 ℃蒸着時間：2.5時間
CuPcのドメイン間隙を埋めるようにC60ドメインが成長
長時間C60を蒸着することにより，面内ヘテロ接合の形成!?
3µm
0 30nm 0 42nm
同一基板上への異種有機半導体分子蒸着ステップバンチSi基板を用いた表面エネルギーの縞状変調
ステップバンチ基板上への縞状変調構造形成
ステップバンチSi基板を作製
PMMA膜を成膜
紫外線照射
PMMAがステップバンチ基板の凹部にのみ残存
ステップバンチ基板
PMMA膜
スピンコート処理
PMMA
SiOx
現像処理
PMMA膜の表面を露光
UV露光PMMAステップバンチSi基板上へのC60蒸着
基板温度：140 ℃→210 ℃蒸着時間:0.5時間→1時間
基板温度：140 ℃→210 ℃蒸着時間:0.5時間→2時間
C60ドメインがステップバンチの凹部に選択的に成長
3µm
3µm
0 28nm
0 48nm
1µm1µm
UV露光PMMAステップバンチSi基板へのCuPc蒸着
基板温度：140 ℃蒸着時間：1時間
基板温度：170 ℃蒸着時間：1時間
基板温度：170℃蒸着時間：2時間
CuPcドメインがステップバンチの凸部（SiOx部分）に選択成長
0 16nm
1µm
0 16nm 0 20nm
Si基板 PMMA薄膜＜断面図＞
＜表面図＞
残存したPMMA
有機薄膜の縞状選択成長と面内ヘテロ接合形成
ステップバンチSi基板の作製 PMMA膜を成膜
C60紫外線露光によりPMMAを位置選択的に除去
CuPc
C60ドメイン
CuPcドメインSiOx
面内へテロ構造の形成！
研究目的
１．[112]方向に微傾斜したSi(111)基板を5 mm×10 mmの大きさに切り出し洗浄
２．真空装置内において650 ℃程度で通電加熱
３．超高真空下(3×10-8 Pa)で基板を1250 ℃まで瞬間的に加熱（フラッシュ）
４．930 ℃で基板をアニール後，一定のレートで基板温度を降下
→Si表面は1×1テラスと等間隔なステップ
→Si表面の再構成→平坦な7×7テラスとバンチしたステップからなる周期構造（ステップバンチ構造）の形成
ステップバンチSi基板の作製方法
微傾斜角度
ステップバンチ
(7 × 7)テラス[112]
[110]
基板温度降下
ステップバンチ構造
8.0nm
400nm400nm1.6nm
3 ℃/分30 ℃/分150 ℃/秒
基板温度の降下速度が速い：ステップバンチは起こりにくい
5.2nm400nm
Si(111)4°off基板をフラッシュ後，異なる速さで基板温度を降下
基板温度の降下速度による形状の違い
1µm
PMMAが縞状に被覆したステップバンチSi表面で，CuPcドメインとC60ドメインを位置選択的に縞状成長させることに成功した。
単一面内での有機薄膜ヘテロ接合形成
PMMA上とSiOx上の表面エネルギーの違い
配向有機薄膜で超格子構造を作製
垂直配向膜の面内でpn接合を形成すれば，電荷がより円滑に移動できる！
より効率の高い有機太陽電池デバイス
<M.Hiramoto et al, Appl.Phys.Lett.2006,88,213105>
p-i-n型：高効率だが，ｉ層内で電荷移動が阻害
超格子型：光照射により生成した正孔・電子がp層，n層内を円滑に移動
面内有機へテロ接合の応用例
Metal electrode
Metal electrode
h＋ h＋e- e-
i層
従来の有機太陽電池構造
超格子構造の有機太陽電池構造
ITO
Al
p層
n層負荷
基板の微傾斜角度による形状の違い
Si(111) 1.5°off Si(111) 7°offSi(111) 4°off
400nm4.5nm
8.0nm 9.4nm
微傾斜角度の大きい基板ほど幅の狭いテラスが形成
微傾斜角度の異なるSi(111)基板を用いてステップバンチ基板を作製
400nm 400nm
1µm
紫外線照射によるPMMAの選択的除去
8.0
400nm
1µm
0 2nm
PMMA成膜基板ステップバンチSi基板
（Si(111) 4°off使用）
スピンコート
重量％濃度：1 %回転数[rpm]：8000回転時間[s]：30
nm
現像処理紫外線照射
紫外線2分間照射
露光時間により表面構造が変化
1µm
7.7nm
400nm
7.8
400nm
紫外線5分間照射紫外線1分間照射
1 µm
nm
5µm
10.1nm
1µm紫外線照射によるPMMAの選択的除去
垂直配向膜
垂直配向膜による
面内ヘテロ接合