JP6804082B2 - 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 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｄｒｉｖｅｎ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｗｉｔｈ Ｄｉａｒｙｌｅｔｈｅｎｅ Ｐｈｏｔｏｃｈｒｏｍｉｃ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｌａｙｅｒｓ 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。

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^２以上１００ｍＷ／ｃｍ^２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。

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。

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。

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。

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。 （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）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）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）、（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。 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。

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。

＜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。

［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。

基板１１としては、例えば、リン（Ｐ）等の不純物を高濃度（１０^１８ｃｍ^−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。

絶縁膜１２としては、熱酸化によって形成されるＳｉＯ_２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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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_２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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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^２以上５０ｍＷ／ｃｍ^２以下、１０秒以上２００秒以下とすることが好ましい。

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。

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^２以上７００ｍＷ／ｃｍ^２以下、６０秒以上６００秒以下とすることが好ましい。

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。

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。）

○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。

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。

○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。

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。

○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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

（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^２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^２とし、照射時間を１８０秒とした。

基板１１としては、リン（Ｐ）等の不純物を高濃度（１０^１８ｃｍ^−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_２膜などを用いた。絶縁膜１２の厚さは、３００ｎｍとした。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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^２とし、掃引速度を０．２μｍ／ｓとした。

（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^２とし、掃引速度を０．２μｍ／ｓとした。

（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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

（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^２とし、掃引速度を０．２μｍ／ｓとした。

（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^２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。

（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^２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。

（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^２とし、掃引速度を０．２μｍ／ｓとした。

（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。

（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。

（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。

（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。

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。

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。

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

Claims (5)

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、
   前記光学系を前記有機トランジスタに対して相対的に移動させ、前記光学系による照射領域を前記チャネルとする領域に移動させるステップと、
   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^２以上５０ｍＷ／ｃｍ^２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。
3. 前記第２ステップにおける可視光の照射強度を、１００ｍＷ／ｃｍ^２以上７００ｍＷ／ｃｍ^２以下とす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。
4. 前記光異性化分子膜を構成する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１〜３のいずれか一項に記載の有機トランジスタの動作制御方法。
5. 前記チャネルは、ドレイン電極とソース電極間を連結し、
   前記光異性化分子膜の一面側に位置する絶縁層と、前記光異性化分子膜と前記絶縁層との間に位置する樹脂層とが、前記有機トランジスタに備えられている、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の有機トランジスタの動作制御方法。

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