東大ら,実用レベルの有機トランジスタアレーを作製


東京大学,産業技術総合研究所(産総研),物質・材料研究機構,パイクリスタルの研究グループは,高性能トランジスタとして利用可能な有機半導体ウエハーを簡便な印刷法により作製した(プレスリリース)。

有機半導体は軽量性,柔軟性,印刷適合性などの観点から,現状のシリコン半導体に置き換わり,安価に大量生産可能な次世代の電子材料として期待されてきた。

研究グループは以前,独自の高性能有機半導体材料を用いた印刷技術により,わずか分子2層分程度の厚みの極薄有機半導体単結晶膜の作成に成功し,移動度15cm2/Vs以上を示す高性能p型有機半導体トランジスタを作製できることを報告していた。

この極薄単結晶膜を印刷する際,同グループが開発した「連続エッジキャスト」法を用いると,有機半導体インクを吐出するノズルのスキャン箇所にだけ単結晶薄膜が成長する。

この時,有機半導体インクの濃度や印刷温度などの精密な制御により,分子レベルで層数制御された単結晶薄膜の製膜が可能になる。単結晶膜はおよそ10nmと非常に薄く,電気伝導層として最薄レベルに匹敵するため,極めて高い材料利用効率になる。断続的にインクを供給しながら印刷を行なうため,ノズルの拡張により大面積印刷が可能であると予期されていた。

原理的に,この手法はノズル幅を拡げることで単位面積当たりの印刷時間を削減することが可能。この点で,インクジェット法など印刷時間が印刷面積に比例する印刷方法に比べて優れているという。

今回,ノズル幅を従来の4倍以上となる9cmに拡大し,周辺装置および印刷条件を改良することで,およそ3分子層(12nm)からなる均一な有機半導体単結晶膜印刷の大面積化を実証した。

9cm幅のノズルから得られる極薄有機単結晶ウエハーは4インチ級の大きさであり,市販のシリコンウエハーに匹敵する。また,用いた有機半導体は化学的に安定であるため,単結晶薄膜上でフォトリソグラフィーによる電極パターニングが可能。

この4インチ有機半導体ウエハーに1,600個のトランジスタを作製したところ,欠陥なく全てが駆動するだけでなく,得られた平均の移動度は,現状の有機トランジスタにおいて最高クラスである10cm2/Vsに達した。

パイクリスタルは,この印刷技術を活用した高性能集積回路の開発を進めており,近く事業化される見込みだという。今回の成果により,安価に大量生産可能なIoTデバイスの開発が促進されるとしている。

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