大阪大学の竹谷純一教授、広島大学の瀧宮和男教授および大阪府立産業技術総合研究所の宇野真由美主任研究員らのグループは、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)のナノテク先端部材・部材実用化研究開発プロジェクトの一環として、溶液を塗る簡便なプロセスで高い移動を実現した有機トランジスタを開発した。同成果は、ドイツの科学雑誌「Advanced Materials」(電子版)に公開された。

有機物半導体材料は、シリコンなどの現在の主流の無機半導体材料と比べて作製が容易かつ安価で、さらに曲げることが可能なため、次世代トランジスタなど基本エレクトロニクス素子への応用開発研究が進められている。しかし、実際に薄型ディスプレイ(FPD)を高速で制御する性能(移動度)と塗布法・印刷法といった簡便・低コストの製膜方法を両立することは難しく、塗布法や印刷法で高移動度を実現する技術の開発が求められていた。

今回、研究グループでは、典型的な塗布型有機トランジスタの性能(0.1-1cm2/Vs)を1桁以上、上回る10cm2/Vsのキャリア移動度を有する有機トランジスタを開発した。

具体的には、大阪大学の竹谷純一教授らが溶液から有機半導体膜を形成する際に、有機半導体分子が規則正しく配列した結晶構造を実現する新しい成膜プロセス「塗布結晶化法」を開発。また、広島大学の瀧宮和男教授らが、溶液から有機半導体分子を析出する際に、分子が配列しやすいように分子の設計を行い、新規有機半導体材料「アルキルDNTT」を開発。これらの新規技術を融合させることで、高い移動度を実現する有機トランジスタを開発することができたという。

今回の研究で開発した「塗布結晶化法」を用いて作製した高性能有機トランジスタ。両側の金属電極の間に、均質な有機結晶薄膜が形成されている

さらに、大阪大学の竹谷純一教授らならびに大阪府立産業技術総合研究所の宇野真由美主任研究員が、「塗布結晶化法」を発展させ、高性能の有機半導体を成膜すると同時に位置制御してアレイ状に配列する印刷の技術を開発した。実際にこれらの技術を用いて、4×4トランジスタのマトリックスアレイを作製したところ、平均移動度7cm2/Vsを得られたとしており、ディスプレイパネルに利用した場合、素子をパターン化する工程が半導体成膜と同時に行えるため、さらなる低コスト化が実現できるという。

「塗布結晶化法」を発展させて、高性能の有機半導体を成膜すると同時に位置制御してアレイ状に配列する印刷の技術を開発、4×4トランジスタのマトリックスアレイを実際に作製した。ディスプレイパネルに利用した場合、素子をパターン化する工程が半導体成膜と同時に行えるため、さらなる低コスト化が実現できるという

これらの技術により作製された有機トランジスタの性能は、現在の液晶ディスプレイに用いられるアモルファスシリコン(a-Si)の性能を10倍程度上回っていることに加え、印刷法などの大面積低コストの生産が可能となるため、次世代のFPDやフレキシブルディスプレイのアクティブマトリックスとして応用することが期待できると研究グループでは説明している。

また、有機EL素子との組み合わせにより、大画面の高性能フレキシブルディスプレイの早期実現にもつながる可能性が出てきたとも説明しているほか、最近、瀧宮和男教授らが、アルキルDNTTの大量合成が可能となる技術の開発に成功したこともあり、高速有機エレクトロニクス素子の実用化が実現可能となったとしている。