東京大学大学院新領域創成科学研究科、同マテリアルイノベーション研究センター、産総研・東大先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ（注1）、物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点（WPI-MANA）、パイクリスタル株式会社の共同研究グループは、高性能トランジスタとして利用可能な有機半導体ウエハーを簡便な印刷法により作製しました。
有機半導体は軽量性、柔軟性、印刷適合性などの観点から、現状のシリコン半導体に置き換わり、安価に大量生産可能な次世代の電子材料として期待されてきました。この点から、実デバイスに利用できる有機半導体や印刷手法の開発が、長い間進められてきました。
今回、本研究グループは、独自の有機半導体材料と印刷技術を用いることで、分子3層分程度の厚みを有する極薄有機半導体単結晶膜の4インチ級ウエハーを作製できることを実証しました。このウエハー1枚から作製された1,600個のトランジスタは欠陥なく動作し、平均の電荷の移動度（注2）は実用化の指標となる10cm2/Vs以上を示すことを明らかにしました。
従来の有機半導体印刷に比べて、今回の印刷方法では材料消費が極めて少なく、また印刷面積の大規模化においてプロセス時間短縮につながると考えられるため、将来の産業応用を見据える上で大きなコストダウンが見込まれます。
本研究成果は、英国科学雑誌「Scientific Reports」2019年11月4日版に掲載されます。本研究は、日本学術振興会（JSPS）科学研究費補助金「単結晶有機半導体中電子伝導の巨大応力歪効果とフレキシブルメカノエレクトロニクス」「有機単結晶半導体を用いたスピントランジスタの実現」（研究者代表者：竹谷 純一）及び、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業（さきがけ）研究領域「微小エネルギーを利用した革新的な環境発電技術の創出」（研究総括：谷口 研二、副研究総括：秋永 広幸）研究課題「有機半導体の構造制御技術による革新的熱電材料の創製」（研究者：岡本 敏宏 東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 准教授）の一環として行われました。
[背景]
電子回路を構成するトランジスタにおいて、従来用いられるシリコン半導体に比べて、有機半導体は印刷による低温プロセスによりコストダウンが期待できるため、次世代の電子材料として盛んに研究がなされています。特に、IoT社会に必要なRFIDタグ（注3）やトリリオンセンサーユニバース（注4）における大きな貢献が期待されます。ところが、有機半導体の多くは、低温での印刷性能と優れた半導体特性とを併せ持つことが少なく、世界でも実用的な電子デバイスの研究開発がなかなか進んでいませんでした。また、高い有機トランジスタ性能を引き出すための均一性や再現性に優れたプロセス技術の確立も大きなカギとなります。
この解決案の一つとして、最近では、印刷可能な有機半導体を用いた単結晶膜が注目されています。現状は有用な有機半導体は限られるものの、印刷技術や理論の発展により、小規模研究レベルで比較的高性能な有機半導体単結晶膜が印刷可能となってきました。今後大量生産に向けて、有機半導体材料の改良と共に、大量生産が可能な手法を見極める必要があります。
[手法]
本研究グループは以前に、独自の高性能有機半導体材料を用いた印刷技術により、わずか分子2層分程度の厚みの極薄有機半導体単結晶膜の作成に成功し、移動度15cm2/Vs以上を示す高性能p型有機半導体トランジスタを作製できることを報告していました（J. Takeya, et al., Science Advances 2018 http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry625/）。この極薄単結晶膜を印刷する際、同グループが開発した「連続エッジキャスト」法を用いると、有機半導体インクを吐出するノズルのスキャン箇所にだけ単結晶薄膜が成長します。この時、有機半導体インクの濃度や印刷温度などの精密な制御により、分子レベルで層数制御された単結晶薄膜の製膜が可能になります。単結晶膜はおよそ10ナノメートルと非常に薄く、電気伝導層として最薄レベルに匹敵するため、極めて高い材料利用効率になります。断続的にインクを供給しながら印刷を行うため、ノズルの拡張により大面積印刷が可能であると予期されていました。原理的に、この手法はノズル幅を拡げることで単位面積当たりの印刷時間を削減することが可能です。この点で、インクジェット法など印刷時間が印刷面積に比例する印刷方法に比べて優れています。
[成果]
今回、ノズル幅を従来の4倍以上となる9 cmに拡大し、周辺装置および印刷条件を改良することで、およそ3分子層（12ナノメートル）からなる均一な有機半導体単結晶膜印刷の大面積化を実証しました（図1）。9 cm幅のノズルから得られる極薄有機単結晶ウエハーは4インチ級の大きさであり、市販のシリコンウエハーに匹敵します。また、用いた有機半導体は化学的に安定であるため、単結晶薄膜上でフォトリソグラフィーによる電極パターニングが可能です。4インチ有機半導体ウエハーに1,600個のトランジスタを作製したところ、欠陥なく全てが駆動するだけでなく、得られた平均の移動度は、現状の有機トランジスタにおいて最高クラスである10 cm2/Vsに達することを明らかにしました（図2）。
[今後の展望]
今後は、より高性能な有機半導体材料や印刷装置の開発を進めることで、ロールtoロール印刷方式の導入を含めてさらなる大面積印刷技術の確立を目指します。また同時に、共同研究を実施したパイクリスタル株式会社は、本印刷技術を活用した高性能集積回路の開発を進めており、近く事業化される見込みです。今回の成果により、安価に大量生産可能なIoTデバイスの開発が促進されると期待されます。
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図1 左）4インチ角のシリコンウエハー上に印刷された極薄有機半導体単結晶膜ウエハー。
右）用いられた有機半導体分子の化学構造と、単結晶膜中の集合構造の模式図。 |
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図2 左）有機半導体単結晶ウエハーから作製された1600トランジスタアレイの写真。中央）全トランジスタの伝達曲線、および右）移動度マッピング。赤で示される領域で移動度10 cm2/Vsが達成されている。 |
熊谷 翔平（東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 特任助教）
山村 祥史（東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 博士課程学生）
渡邉 峻一郎（東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 特任准教授／産業技術総合研究所 産総研・東大 先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ 客員研究員 兼務）
岡本 敏宏（東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 准教授／JSTさきがけ研究員 兼務／産業技術総合研究所 産総研・東大 先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ 客員研究員 兼務）
伊藤 陽介（パイクリスタル株式会社 CEO）
竹谷 純一（東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 教授／マテリアルイノベーション研究センター（MIRC） 特任教授 兼務／産業技術総合研究所 産総研・東大 先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ 客員研究員 兼務／物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点（WPI-MANA）MANA主任研究者（クロスアポイントメント））
雑誌名：「Scientific Reports」（オンライン版：11月4日）
論文タイトル：Scalable Fabrication of Organic Single-Crystalline Wafers for Reproducible TFT Arrays
著者：Shohei Kumagai*, Akifumi Yamamura, Tatsuyuki Makita, Junto Tsurumi, Takahiro Wakimoto, Nobuaki Isahaya, Han Nozawa, Kayoko Sato, Masato Mitani, Toshihiro Okamoto, Shun Watanabe*, and Jun Takeya*
DOI番号：10.1038/s41598-019-50294-x
アブストラクトURL：http://www.nature.com/articles/s41598-019-50294-x