日本开发出厚度仅约10nm的超薄×大面积有机半导体

新技术 2018年04月27日

东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业的讲师荒井俊人与产业技术综合研究所柔性电子研究中心的综合研究主任等合作,共同开发出了利用简单的涂布法制作超薄×大面积×高性能有机半导体器件的技术,分子能在手掌大小(10cm×10cm)的整个面积上有序排列,而且厚度仅2个有机分子(约10nm)那么厚。

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图1:超薄半导体的分子结构和制膜方法概念图

(1)采用的棒状有机半导体分子的分子结构(上为短链分子,下为长链分子,环状部分为π电子骨架);(2)分子按同一方向呈之字形有序排列(从分子轴方向看为堆积结构);(3)单层双分子膜的(侧视图)概念图;(4)刮刀涂布法的概念图(左)和溶剂从刀尖蒸发,获得的单层双分子膜(右)。

该研究在具有半导体性能的π电子骨架中加入了有6~14个碳原子的烷基链分子(图1(1))。这些不对称的棒状分子会自主形成双分子膜结构。此时,如果在π电子骨架保持不变的情况下,利用少量混合了长度较长的烷基链分子的溶液成膜,那么随着π电子骨架之间的重合,形成双分子膜的分子横向连接会自组织化,同时由于烷基链的长度各不相同,组织膜的表面会形成微小的凹凸。由于存在这种凹凸的存在,双分子膜无法与其他双分子膜层叠,从而抑制了多层化,可获得单层双分子膜(图1(3))。

研究人员通过刮刀涂布法,利用上述分子混合溶液(0.1重量%)在表层有氧化膜(膜厚100nm)的硅晶圆(6英寸)上进行涂布制膜(图1(4)),在晶圆整面(面积为100cm2)获得了厚度为分子级的均匀薄膜(图2)。用原子力显微镜观测发现,获得了4.4nm膜厚相当于双分子膜单层厚度的极薄半导体(图2右)。这是把碳原子数为6个的烷基链和碳原子数为10个的烷基链按照9:1的比例混合制成溶液,然后形成薄膜后获得的结果。

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图2:在硅晶圆上形成的超薄半导体

左:在6英寸晶圆上成膜的超薄×大面积半导体(晶圆中央纵向延展的深色部分)
右:薄膜边缘的原子力显微镜图像(左下),红线为沿着白线测量的膜厚

文 客观日本编辑部

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