厚さ10nmの極薄有機半導体結晶膜ウェハーを簡便な印刷法により作製――実用レベルの均一性と信頼性を達成 東京大学

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有機半導体単結晶ウエハーから作製された1600トランジスタアレイの写真

東京大学大学院新領域創成科学研究科は2019年11月5日、簡便な印刷法を用いて、厚さ10nmの極薄有機半導体単結晶膜ウエハーを作製したと発表した。今回の成果により、安価に大量生産可能なIoTデバイスの開発が期待されるという。

今回の研究は、東京大学大学院新領域創成科学研究科、同マテリアルイノベーション研究センター、産総研・東大先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ、物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点、パイクリスタルの共同研究グループによるものだ。

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、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していた。

この極薄単結晶膜を印刷するために、同グループは「連続エッジキャスト法」という手法を開発した。これを用いると、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を製膜できる。製膜された単結晶膜はおよそ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ことから、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する連続エッジキャスト法は、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できる。この点で、インクジェット法など印刷時間が印刷面積に匹敵する印刷方法に比べて優れている。

そこで今回、ノズル幅を従来の4倍以上となる9cmに拡大し、周辺装置や印刷条件を改良。それにより、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、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のため、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。4インチ有機半導体ウエハーに1600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しただけでなく、平均の移動度が現状の有機トランジスタにおいて最高クラスの10cm2/Vsに達したという。

今後は、より高性能な有機半導体材料や印刷装置の開発を進めることにより、ロールtoロール印刷方式の導入を含めてさらなる大面積印刷技術の確立を目指す。また、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を開発中で、近く事業化される見込みだという。

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