東工大、高耐熱性と酸化物半導体並みの移動度を実現した有機半導体材料を開発

東京工業大学(東工大)は4月10日、液晶性を付与した高性能な有機トランジスタ材料の開発に成功し、酸化物半導体(IGZO)並みの高い移動度を実用度の高いボトムゲート・ボトムコンタクト型トランジスタで実現できることを確認したと発表した。

同成果は、同大学 像情報工学研究所の半那純一教授、飯野裕明准教授らによるもの。詳細は4月10日発行(日本時間)の英国科学誌「Nature Communications」オンライン版に掲載された。

有機トランジスタ用半導体材料の多くは、トランジスタの信頼性や素子間のバラつきの抑制に不可欠な、均一性に優れた結晶薄膜の作製が困難であること、またデバイス作製に不可欠な熱プロセスに対する耐熱性が100℃程度という問題のほか、移動度も3cm²/Vs程度にとどまり、実用的に必要なプロセス適正と高移動度を兼ね備えた材料は実現できていなかった。

一般的に有機トランジスタに用いる有機半導体材料は、低分子系材料と高分子系材料に分けられるが、低分子系材料は精製が容易で、高品質の結晶を得やすい半面、 均一で表面平坦性に優れた結晶薄膜を得ることが困難かつ耐熱性が低いという問題がある。一方、高分子系材料は成膜性、耐熱性に優れる半面、結晶性が低く、高い移動度を示す薄膜を得るためには200℃を超える高温での熱処理が必要となるほか、材料の精製、分子量分布の制御、合成の信頼性などの問題点がある。

今回、研究グループは液晶性をトランジスタ材料に付与することで、低分子系材料の課題であった成膜性、耐熱性の改善を実現したほか、酸化物半導体に匹敵する10cm²/Vsを超す高移動度を実現する高性能な液晶性有機トランジスタ材料「Ph-BTBT-10」を開発したという。

具体的には、トランジスタを作製後、配線や素子の保護層の形成などに必要な熱処理プロセスに200℃まで耐えることが可能であることを確認したほか、平坦な結晶膜を容易に得られることも確認したとする。また、作製された結晶薄膜は120℃、5分程度の短時間の熱処理で移動度が約1桁向上することも確認したという。

さらに、同材料のトランジスタ材料としての可能性の実証に向け、5枚の基板に多結晶薄膜を形成し、ボトムゲート・ボトムコンタクト型トランジスタを作製、特性を評価したところ、平均移動度は11.2cm²/Vs(標準偏差1.17、最大移動度13.6cm²/Vs)と高い値を示すことを確認したとする。

研究グループは、今回の液晶性を発現させるという手法について、ほかの低分子系有機トランジスタ材料にも応用可能であり、材料の1つの基盤技術として材料開発に活かすことが可能だと説明する。また、多結晶膜による高移動度の実現により、素子の応用範囲を広げることにつながるとするほか、新しい材料設計の可能性が示されたとしており、今後、これらの知見を活用した高移動度有機トランジスタ材料の開発が期待されるとコメントしている。