東大ら,パターン電極を有機半導体に移植

東京大学,産業技術総合研究所(産総研),物質・材料研究機構の研究グループは,洗濯のりにヒントを得て,高精細にパターニングされた電極を有機半導体に取り付ける手法を開発した(ニュースリリース)。

電極は通常金属で,高真空下で大きなエネルギーを用いて成膜されることが多く,電極の設置面へのダメージを抑えるとともに,接着力など下地との相性を最適化することも重要な課題となる。

これを解決するため,洗濯のりが乾燥すると固まり,水にあうと簡単に溶けることにヒントを得て,「のり」を使って基板から電極を引き剥がし,後で「のり」を除去するという発想に至った。さらに,電極を薄い保護層で覆えば,半導体と保護層との静電気力を利用して電極を半導体に接触させられるのではないかと考えたという。

この手法では,基板上でパターン化された電極を半導体上に移し取るため,安価で広く用いられている2種類の高分子を使用した。1つ目は,アクリル樹脂の一種であるポリメタクリル酸メチル(PMMA),2つ目は洗濯のりの成分として知られ,水によく溶けるポリビニルアルコール(PVA)。

まず,基板上で電極材料をパターニングし,その上に薄いPMMAを塗布する。これらはいずれも厚さ数10~100nmと薄いため,このまま取り扱うことが難しい。そこで,その上にPVAを20~30μmの厚さに塗って乾かし,その後,電極,PMMAおよびPVAを一括して基板から引き剥がすことで,取り扱いが容易な電極フィルムを得た。

続いて,電極フィルムを半導体上に貼り付け,温水でPVAを溶解して除去すると,薄い電極およびPMMAが静電気力によって半導体上に吸着する。以上の簡便な手法により,1μmという高精細でパターニングされた電極を,プロセス中に伸縮することなく半導体上に移し取ることに成功した。

開発した手法の有用性を確かめるため,1分子層(厚さ4nm)の単結晶からなる有機半導体の上に電極を取り付けてOFETを試作した。従来の真空蒸着法で電極形成したOFETでは,ゲート電圧を変化させてもドレイン電流が殆ど流れないことから,熱的なダメージによって特性が大きく低下している。

一方,開発した手法で作製した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,ゲート電圧とドレイン電流の平方根の関係から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。

この手法を用いることで,積層デバイスの作製が容易となるため,より複雑で高度な機能を実現する集積回路の作製が可能となるとしている。

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