東大ら,光を用いためっきで有機トランジスタ作製

東京大学,産業技術総合研究所,物質・材料研究機構の研究グループは,「無電解めっき」を用いて高精細にパターニングされた金電極を有機半導体に貼り付け,高性能を有する有機トランジスタを製造した(ニュースリリース)。

有機半導体はIoT時代の基盤材料として盛んに研究されており,移動度も実用化の指標が達成されている。有機半導体では貴金属薄膜が電極として使用されているが,高温プロセスやプラズマプロセス,リソグラフィーに必要な設備投資を極力抑え,低コストかつ低環境負荷プロセスを実現することが課題だった。

このような課題を解決するため,研究グループはめっきを用いた有機デバイスの製造に取り組んできた。めっきの手法には,外部電源を用いて金属イオンの還元反応を促進する「電解めっき」と,化学薬品の還元作用を駆動力として外部電源なしに還元反応を生じさせる「無電解めっき」がある。今回,無電解めっきを用いて,高真空プロセスなしに金電極を作製した。

無電解めっきを用いて金電極のパターンを形成するために,まず親液・撥液パターニングを用いて銀微粒子層の微細なパターニングを行なった。銀は無電解めっき過程で触媒となる。フッ素系高分子薄膜に真空紫外光LEDを部分的に照射することで,銀微粒子インクをはじく領域と濡れる領域を選択的に表面改質することができる。

この親液・撥液パターニングを実施した後に,銀微粒子インクを塗布することで,銀微粒子層のパターンを形成した。その後,基板を金めっき液に浸すだけで,銀微粒子層上に金の薄膜が被膜される。今回,リソグラフィープロセスなしで10μm程度の高精細パターニングを実現した。この金電極は,研究グループが開発した電極転写法にて半導体に取り付けられる。

これにより,1分子層(厚さ4nm)の単結晶からなる有機半導体の上に金めっき電極を取り付けて有機トランジスタを試作した。移動度を求めたところ,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が実証できた。

また,金属−有機半導体界面の接触抵抗は十分に小さい120Ωcm程度であることから,有機半導体の本来の性質も損なわないことが実証された。

この手法を用いることで,高額な設備投資を必要とするプロセスを排除できる。また,めっき液は再利用が可能なため,低環境負荷であるという。大型の真空チャンバーなどを必要とせずに大面積化が容易で,電極を取り付ける半導体側の制約も少ないとしている。

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