厚みわずか2分子の超極薄、大面積、高性能有機半導体を開発 東大など

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超極薄半導体の結晶性 左:薄膜X線回折、右:6インチウエハー上の大面積薄膜の偏光顕微鏡(クロスニコル)観察。

東京大学、産業技術総合研究所などによる研究グループは2018年4月25日、簡易な塗布法を用いて、手のひらサイズの面積全体にわたって分子が規則正しく整列し、かつ有機分子2分子分(約10nm)の厚みをたもつ、超極薄で大面積、高性能な有機半導体デバイスを構築する技術を開発したと発表した。

印刷や塗布により電子機器を製造するプリンテッドエレクトロニクス技術は、半導体製造技術を簡易化できる技術として期待されている。基本素子であるTFT(薄膜トランジスタ)向け半導体を塗布や印刷で形成するには、常温で溶解するπ(パイ)電子系と呼ばれる有機分子からなる有機半導体が適している。有機TFTは高性能化が進んできたが、得られる薄膜の厚みや広がりを分子レベルで制御することはいまだ困難で、新たな製膜技術の開発が求められていた。

同研究グループでは、π電子骨格とアルキル鎖(メタン系炭化水素から水素1原子を除いた残りの原子団からなる鎖)を連結した非対称なある種の棒状の有機分子が、2分子膜構造を形成することを見出していた。しかし2分子膜どうしがさらに積み重なる多層化の抑制は難しく、厚みが2分子膜1層から数十層に至るランダムな膜厚分布の半導体が得られていたが、デバイス特性がばらつく原因になっていた。

今回の研究では、π電子骨格に炭素数6〜14のアルキル鎖を連結した分子を用いた。π電子骨格は同じままアルキル鎖長のより長い分子を少量混合した溶液を用いて膜形成することで、自己組織化がたもたれながら、アルキル鎖の長さのばらつきにより、自己組織化膜の表面にわずかな凹凸が生じると予想。この凹凸により多層化が抑えられ、単層2分子膜が得られると考えた。

この分子混合溶液を、酸化被膜(膜厚100nm)を表面層に持つ6インチサイズのシリコンウエハー上にブレードコート法(塗布による薄膜形成法の一種)を用いて製膜したところ、ウエハー全面(面積100cm2)にわたって膜厚が分子レベルで均質な薄膜が形成された。測定により、その膜厚は2分子膜1層のみの厚みに相当する4.4nmの極薄半導体であることがわかった。

また、KEK放射光科学研究施設(フォトンファクトリー)のシンクロトロン放射光を用いた薄膜X線回折の実験では、この極薄半導体による明瞭な回折スポットが観測された。これは、半導体の高い結晶性を示している。さらにシリコンウエハー上の超極薄半導体をクロスニコル配置で偏光観察した結果、ウエハー全面(面積100cm2)にわたって結晶薄膜が形成されていること、及び単一ドメインの大きさは10cm×1cmに及ぶことがわかった。

さらに、アルキル鎖の長い分子と短い分子の混合比を変えて製膜を行った結果、分子のアルキル鎖長の違いによる凹凸が2分子膜どうしの積層を抑える働きをし、2分子膜の単層化が実現していることが明らかになった。

形成した超極薄半導体によるTFTの特性を評価したところ、伝達特性には、負のゲート電圧を加えることによりドレイン電流が増加するp型特性が見られた。また各ゲート電圧のもとでの電流-電圧特性(出力特性)には、一定以上のドレイン電圧を加えることでドレイン電流値が一定となる典型的なTFTの挙動が見られた。伝達特性の測定結果の解析でも良好な性能を持つことが確認された。さらに、これら超極薄TFTは外部からの刺激に対し電流値が敏感に応答することを確認。高感度な分子センサーとしての応用も期待できる。

今後同研究グループでは、フレキシブルな電子機器や超高感度分子センサーの実用化に必要な仕様を満たす超極薄TFTの開発を進めていく。

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