日本制作成功厚度不到15nm的大面积有机单晶纳米膜

新技术 2018年04月03日

日本东京大学研究生院新领域创成科学研究科教授(兼日本产业技术综合研究所 产综研-东大operand尖端技术开发创新实验室客座研究员及日本物质材料研究机构国际纳米结构研究基地超分子部门首席特聘研究员)竹谷纯一的研究小组,通过采用有机半导体墨水的简单印刷方法,成功制作出10cm见方的大面积有机单晶纳米膜,在分子级别控制了膜厚,厚度不到15nm。

近年来,随着材料开发的进步,有关电荷迁移率注1)超出实用化指标10cm2/Vs的有机场效应晶体管注2)的报告越来越多,它在无线标签等需要高速响应的逻辑元件领域的应用备受期待。但此前一直存在一个问题,即有机半导体与硅等无机半导体相比接触电阻注3)非常大,因此短沟道晶体管的电荷迁移率会比单晶本来的值大幅降低,响应速度受限。此次,本研究小组开发的仅由数个分子层厚度构成的二维有机单晶纳米膜可以从电极向电荷传输层顺利注入电荷,因此不但实现了13cm2/Vs的高电荷迁移率,还把接触电阻降到了有机场效应晶体管史上最低的47Ωcm。此外,在短沟道元件中还实现了全球最高水平的20MHz截止频率注4),并且成功制作了能以29MHz的频率进行响应的整流元件,远远高于无线标签的商用频率13.56MHz。

本次研究成果已刊登于美国科学杂志《Science Advances》的2018年2月2日版。

<方法与成果>

(1)采用简单的印刷工艺制作大面积二维有机单晶纳米膜

将本研究小组合成的新型有机半导体材料C8–DNBDT–NW溶入有机溶剂制成墨水,利用该墨水,通过简单的印刷方法成功制作出了可控制分子层数的大面积二维有机单晶纳米膜。

以前要想制作控制层数的有机半导体晶体,需要采用基于石墨烯和氮化硼等层状物质的特殊基板和难以纳入量产流程的涂布技术。而本研究采用通过涂布溶液大面积形成单晶膜的自主方法(图1),制作了厚度不到15nm、仅相当于几个分子层的C8–DNBDT–NW单晶薄膜。通过溶剂的蒸发精确控制有机半导体分子的析出速度和基板的移动速度,由此能获得控制分子层数的二维有机单晶膜。

另外,本方法利用使含有有机半导体的墨水沿单轴方向干燥的简单机制,可用于所有基板,也很容易扩大面积,因此,将来采用印刷方法制作低成本元器件时有望成为基础技术。

(2)双分子层有机单晶晶体管实现高迁移率和低接触电阻

二维有机单晶纳米膜在原理上可以直接从电极向作为沟道的半导体及绝缘层界面注入电荷,因此有望减小造成有机场效应晶体管响应速度降低的接触电阻。不过,关于采用由几个分子层构成的有机半导体单晶薄膜的场效应晶体管的电荷迁移率和接触电阻,此前没有做过充分的调查。

此次对活性层采用分子层数各异的有机单晶纳米膜的场效应晶体管的电荷迁移率和接触电阻进行评测发现,双分子层有机单晶晶体管实现了13cm2/Vs的高迁移率,并在有机半导体中属于全球最低水平的47Ωcm接触电阻(图2)。可以说,同时实现高迁移率和低接触电阻的双分子层有机单晶极有希望成为提高晶体管速度的材料。

(3)双分子层有机单晶晶体管实现高速响应

在采用可同时实现高迁移率和低接触电阻的双分子层有机单晶纳米膜的场效应晶体管中,有机半导体实现了全球最高水平的20MHz截止频率(图3左)。另外还确认,连接该元件栅极和漏极电极的二极管作为可将最大29MHz的交流信号转换为直流电压的整流元件工作(图3右)。这个值比物流管理等广泛使用的RFID标签的通信频率13.56MHz高出2倍以上,因此,可以说此次制作的元件达到了完全能用来为无线标签供电的水平。

<参考图>

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图1

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图2

·(左)双分子层有机单晶晶体管的特性评测。根据蓝线的倾斜度可计算出迁移率。

·(右)接触电阻的评测结果。双分子层单晶可实现50Ω·cm以下的接触电阻。

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图3

·(左)双分子层单晶晶体管的截止频率测量。纵轴表示晶体管的放大系数(增益),增益为零的频率相当于截止频率。

·(右)输入25MHz交流电压时的整流特性。

<用语解说>

注1)电荷迁移率

表示半导体中电荷载流子的易移动性,是显示晶体管开关性能的指标。一般来说,电荷迁移率越高的晶体管运行速度越快。

注2)有机场效应晶体管

采用有机半导体作为活性层的晶体管。加载电压后,从电极注入的电荷存储在有机半导体层和绝缘层的界面,由此实现电流的流动。晶体管是数字运算元件和信号放大电路的最基本元件之一。

注3)接触电阻

从电极向半导体注入电荷后,电荷抵达沟道前的电阻。沟道电阻与接触电阻之和为晶体管电阻。缩短沟道长度的话,沟道电阻会相应减小,但接触电阻不变,因此在短沟道中不能忽视接触电阻的影响,会造成电荷迁移率降低。

注4)截止频率

晶体管不但是开关元件,还具备放大器的功能。增加向栅极电极输入的交流电压的频率时,表示放大特性的上限频率。

文 客观日本编辑部
图 2月3日新闻稿

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