公大ら,大気下でホールと電子を流す半導体材料開発

大阪公立大学,東京大学,産業技術総合研究所は,分子量のそろった低分子材料を用いて大気下で安定な,ホールと電子の双方を流すことのできるアンバイポーラ型半導体材料の開発に成功した(ニュースリリース)。

有機エレクトロニクスデバイスの発展を担う新しい半導体材料として,p型半導体とn型半導体の両方の性質を兼ね備えたアンバイポーラ型半導体が注目されている。

しかし,大気中での安定な材料の実現が難しく,別々のp型半導体とn型半導体を複合させた材料や一部のポリマー型材料などでこうした特性が見出されてきたが,複合材料では接触界面における伝導効率の低下や,特性の制御に重要な構造情報がポリマーにおいては入手困難である点が問題となっていた。

研究グループは,d電子をもつニッケル元素を中心に据えたd/π共役系分子の示す電子構造が,アンバイポーラ型の電荷輸送特性を発現させるのに理想的であることに着目。これらの分子は,高安定で水・酸素と反応しにくいうえ,金属材料としては比較的安価なニッケルを用いて簡便に合成できる。

こうした分子自体の示す電子構造・特性に加えて,優れたキャリア輸送特性を示す半導体材料を実現するには,高秩序かつ高次元性の積層状態を可能にする高い結晶性と,優れた薄膜加工性を実現させる高い溶解性という,一見矛盾する性質を両立させる必要がある。

研究グループは,こうした条件を満たす新材料をd/π共役系骨格と側鎖の組み合わせの中から探索し,両者を両立させるd/π共役系分子群を見いだした。

また予想外に,側鎖上の炭素の数のわずかな違いによって,単結晶中での積層構造が劇的に変化することを発見した。炭素数が1の置換基を導入したものは1次元的な積層様式をとり,炭素数が2もしくは3の置換基を導入したものはデバイスの安定駆動に有利な2次元的な電子構造を持つヘリングボーン型の積層様式を示した。

後者の積層様式は,溶液塗布により構成した数十ナノメートルの厚みの薄膜においても再現され,高秩序な結晶性薄膜の実現に成功した。得られた薄膜を半導体層として挿入した電界効果トランジスタデバイスは,アンバイポーラ型の電荷輸送特性を示し,その性能の指標となるキャリア移動度とオン・オフ比のどちらにおいても高い水準を示した。

これらの性能は,水や酸素を厳しく排除することのない開放環境において示されたものであり,高安定・溶液塗布可能・高移動度の新しいアンバイポーラ型半導体材料を実現させることができたという。

研究グループは,こうした分子性材料を用いた精細な材料設計戦略は,磁性材料,光機能性材料などの多様な用途に拡張可能だとしている。

その他関連ニュース

  • AnsysとTSMC,最先端半導体向けソフトで協業 2024年05月14日
  • 東大ら,交互積層型の電荷移動錯体の高伝導化に成功 2024年04月17日
  • 理研ら,全塗布で3層構造の有機光電子デバイス集積 2024年04月11日
  • 日清紡マイクロ,琵琶湖半導体構想に参画 2024年03月29日
  • SSS,タイの事業所で光半導体製造を開始 2024年03月29日
  • NVIDIA,計算機リソグラフィを生成AIで大幅高速化 2024年03月21日
  • ブイテク,半導体フォトマスク検査装置を初出荷 2024年02月09日
  • トッパンフォトマスクとIBM,2nm向けマスク開発へ 2024年02月09日