高精細にパターニングされた電極を有機半導体などに取り付ける手法を開発  東大、産総研、NIMS

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東京大学は2020年3月13日、産業技術総合研究所および物質・材料研究機構(NIMS)と共同で、高精細にパターニングされた電極を有機半導体などに取り付ける手法を開発したと発表した。

同大学によると、半導体に電極を形成する際の真空蒸着法やスパッタリング法などでは大きなエネルギーを要し、その高エネルギーによって生じる半導体へのダメージを抑える必要があった。また、接着力不足などによる半導体との接触不良を解決することも課題となっていた。さらに、近年RFIDタグやその他のセンサ類などの材料として研究が進む有機半導体は、無機半導体を比較して溶剤や熱によるダメージを受けやすいという課題があった。

今回の研究では、このような課題を解決するため、洗濯のりの主成分で、乾燥すると固まり水に会うと簡単に溶ける性質を持つポリビニルアルコール(PVA)に着目。このPVAの性質を利用して、一旦別の基板上に製作した電極を剥がし、有機半導体に吸着させるという手法を開発した。

具体的には、基板上で電極材料をパターニングした後、その上にアクリル樹脂の一種ポリメタクリル酸メチル(PMMA)を薄く塗布。この状態では厚さ数10~100nmと非常に薄いため取り扱いが困難な状態だが、そこにPVAを20~30µmの厚さに塗って乾燥させる。その後、電極とPMMA、PVAを一緒に基板から引き剥がして、電極フィルムを半導体上に貼り付ける。温水でPVAを溶解して除去すると、薄い電極とPMMAが静電気力によって半導体上に吸着する仕組みだ。

この方法を用いて1µmの高精細でパターニングされた電極を、プロセス中に収縮させることなく半導体上に取り付けることに成功した。また、この方法で1分子層(厚さ4nm)の単結晶からなる有機半導体に電極を取り付けて有機電界効果型トランジスタ(OFET)を試作した。そのOFETは、ゲート電圧を変化させると有機半導体の本来の性能であるドレイン電流値を示した。移動度を算出したところ、実用化の指標となる10cm2/Vs程度を示し、1分子層の有機半導体が持つ性能を引き出せることを実証した。

作製した電極フィルムの写真

半導体膜上への転写前後の電極のSEM像

今回開発した手法によって積層デバイスの作製が容易になり、より複雑で高度な機能を持つ集積回路が作製できるようになるという。また、PMMAやPVAは安価で環境負荷が小さく汎用性も高いために大容量化が容易となる。さらに、さまざまな表面形状にも適用できることから、有機半導体を用いたソフトエレクトロニクスの社会実装やバイオエレクトロニクス分野への貢献が期待できるという。

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