材料科学：オーミック接触用の極めて高い仕事関数と極めて低い仕事関数を持つドープ高分子半導体
Nature 539, 7630 doi: 10.1038/nature20133
高性能の半導体デバイスを作製するには、電極と半導体層の間の接触を横切って最大電流密度で電流を注入するために、良好なオーミック（オーム性）接触が必要である。オーミック接触を実現するには、正孔を注入するために高い仕事関数の電極が、電子を注入するために低い仕事関数の電極が必要である。ここで仕事関数とは、電極のフェルミ準位から真空準位へ電子を取り出すのに必要な最小エネルギーである。しかし、仕事関数が十分高い導電膜や、十分低い導電膜を形成することは、とりわけ溶液処理で作製される半導体デバイスでは難しい。正孔ドープ高分子有機半導体は限られた仕事関数範囲で得られているが、仕事関数が極めて高い正孔ドープ材料や、特に、低い仕事関数から極めて低い仕事関数の電子ドープ材料はまだ得られていない。重要な課題は、薄膜を脱ドーピングに対して安定化し、ドーパントの移動を抑制することである。本論文では、共役高分子電解質の電荷ドーピングとその後の内部イオン交換によって、自己補償した高濃度ドープ高分子を得て、こうした限界を克服し、仕事関数が広範囲（3.0～5.8 eV）にわたるドープ膜を溶液処理で作製する一般的な戦略を報告する。こうした材料の高分子骨格上の可動キャリアは、共有結合した対イオンによって補償される。我々の自己補償ドープ高分子は、一見すると自己ドープ高分子に似ているが、電荷キャリアドーピングと補償の別々の段階によって生成され、極めて高い仕事関数を実現するための強いドーパントの使用を可能にする。我々は、高性能の有機発光ダイオード、太陽電池、フォトダイオード、トランジスター向けの溶液処理オーミック接触を実証しており、これには標準的なワイドバンドギャップ青色発光高分子有機半導体であるポリフルオレンへの両キャリア型のオーミック注入も含まれる。さらに我々は、こうしたドープ高分子電解質の自己集合を通して、金属電極が効率の高い正孔注入接触や電子注入接触へ変わり得ることも示す。その結果、両極性電界効果トランジスターを、高性能のpチャネルトランジスターやｎチャネルトランジスターに変えることができるようになった。今回の戦略から、有機半導体にオーミック接触を形成するだけでなく、ペロブスカイト、量子ドット、ナノチューブ、二次元材料を含む他の最先端の半導体にもオーミック接触を形成できる可能性がある方法が得られる。
