塗布型半導体で超高速動作する相補型発振回路を開発東大

東京大学は2023年1月26日、同大大学院新領域創成科学研究科などの研究グループが、塗れる半導体を使い、世界最高クラスの超高速で動作する相補型発振回路を開発することに成功したと発表した。この研究成果は同日、英国科学雑誌「Communications Materials」に掲載された。

溶液を塗ることで形成できる半導体は、従来の半導体に比べて安価な装置で大面積の半導体を形成できる。このため、さまざまな製品への応用が期待され、なかでもパイ電子系分子の集合体である有機半導体の研究が進んでいる。しかし、p型有機半導体の高性能化が進む一方で、p型と組み合わせ可能で同等の性能を示すn型有機半導体の開発が進まず、高速動作と集積化に向けた障害となっていた。

研究グループでは、n型半導体として機能し、最先端のp型有機半導体と相補的と考えられる酸化インジウムなどの無機半導体（酸化物半導体）に着目。しかし、塗れる酸化物半導体は、形成後も環境因子によって特性が大きく変化するため、塗れる有機半導体と酸化物半導体を組み合わせた有機無機ハイブリッド相補型集積回路の開発は難しいと考えられてきた。

こうした課題を克服するため研究グループは、最初に酸化物半導体の形成とTFTのパターニングを行った。酸化物半導体には酸化インジウム-酸化亜鉛（IZO）を採用し、前駆体溶液を塗った後、大気下での焼結とフォトリソグラフィーによってn型TFTとした。

そのうえでIZOの封止層兼有機半導体の下地層となる絶縁層を形成し、C₉-DNBDT-NWを積層した。積層の際、C₉-DNBDT-NWをいったん超親水性処理ガラス上に塗って単結晶薄膜とし、水を駆動力とした温和な転写手法を用いることでIZO TFTの特性への影響を抑えた。同様にフォトリソグラフィーを用いてC₉-DNBDT-NW TFTを形成することで、有機無機ハイブリッド相補型発振回路を作製した。

研究では、相補型回路として発振回路の一つであるリングオシレータを作製。フォトリソグラフィーでミクロンオーダーの解像度によるTFTパターニングを行い、5段相補型リングオシレータを77kHzの周波数で動作させることに成功した。駆動電圧から考えると、このC₉-DNBDT-NW /IZO相補型回路は、塗れる半導体による最高クラスの高速動作を示したことになる。

今回、研究グループが作製した素子はフレキシブルなプラスチック基板上に作製することも可能で、さまざまな応用が期待できる。また、各半導体の成膜やTFTのパターニングなどを改良して高解像度化や高集積化を図ることで、さらなる高速化や実用性も見込まれる。

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