東大,理論限界に迫る塗布型TFTを実現

東京大学の研究グループは,液滴を強くはじく基材表面に有機半導体結晶薄膜を塗布形成する新技術を開発し,これにより理論限界に迫る高急峻なスイッチング性能を示す塗布型薄膜トランジスタ(TFT)の開発と動作確認に成功した(ニュースリリース)。

塗布型有機半導体は,プリンテッドエレクトロニクスを実現するための有力材料として期待されている。そのデバイス高性能化には,撥液性がきわめて高いフッ素樹脂などのゲート絶縁層の上に,均質な半導体薄膜を積層して形成したデバイス構造が有利とされている。

しかし,高撥液な表面上では,塗布したインクが強くはじかれ丸くなる傾向が強く,従来の塗布法を用いる限り,均質な塗布製膜に不可欠とされる薄い液膜の形成が困難であり,低分子系有機半導体の均質製膜は不可能だった。

そこで今回,高撥液な絶縁層上に均質性の高い半導体結晶膜を塗布形成できる新たな製膜法を開発した。そこでは,「分子膜が気液表面に形成されると,表面張力が効きにくくなって薄い液膜の状態が安定して維持される」というシャボン膜メカニズムを開発のヒントにした。

具体的には,半導体溶液が電極上で濡れ広がることで形成された薄い液膜を,シャボン膜メカニズムを活用して高撥液な絶縁層表面上にも引き延ばし維持することができれば,高撥液な絶縁層表面上に高均質な半導体層の塗布製膜が可能になると考えた。

結果,高撥液な絶縁層表面でも半導体液滴が丸くなることなく,まるで親液性表面上であるかのように濡れ広がった状態を保持できることが分かった。これにより高撥液な絶縁層表面上での均質性の高い半導体結晶膜の製膜に成功した。

また,これを用いて作製した塗布型TFTは,2V以下の低電圧で駆動し,オンオフによる履歴がなく,かつ室温動作での理論的限界値に迫るきわめて高急峻なスイッチング特性を示す,著しい高性能化を達成した。

開発した高撥液な絶縁層上への半導体塗布製膜手法は,従来にないクリーンな半導体/絶縁層界面の構築が可能であり,プリンテッドエレクトロニクスの革新技術になると期待できるという。

とりわけ近年,高い層状結晶性を示す高性能な塗布型半導体の材料開発が著しく進捗しつつあり,まずはこれら多数の材料に新しい塗布製膜法を適用し,半導体固有の性能を発揮させることが重要だとする。

研究グループは,特に実用化に有利なボトムコンタクト素子で高い性能を発揮するため有利な材料要件の探索と,これらにもとづく材料・プロセスの一体的な開発を進めていくとしている。

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