科学研究 - 日本制出全球噪声最低的有机晶体管

日本东京大学成功制作出了全球噪声最低的有机晶体管。有机晶体管可以利用印刷技术，将有机半导体制成墨水来制作，噪声降低后，有望为实现IoT社会所需的低成本、高灵敏度传感器件。

相关研究论文已于2018年7月18日发表在英国科学杂志《Communications Physics》上。

【研究方法】

为精确测量有机晶体管电流值的微弱波动，研发小组构筑了可排除测量仪器布线带来的影响以及环境干扰等的测量系统。另外，还能连接可调节温度的低温恒温器，进行最低200K（约-70℃）的低温测量，能精确调查电荷传导机构与噪声水平的关系。

采用的有机半导体是该研发小组开发的C8-DNBDT-NW。研发小组制作出杂质极少的C8-DNBDT-NW，将其溶于有机溶剂制成墨水并进行调整，将墨水涂覆在基板上形成二维有机单晶薄膜。然后在上面配置源电极和漏电极，制作出迁移率超过10cm2/Vs的有机晶体管（图1a、b）。利用前文提到的测量系统对该晶体管的性能进行测量，转换成频率噪声后，精确地进行了评估（图1c、d）。

图1：该研究中采用的有机半导体单晶晶体管

【研究成果】

此前就有很多研究人员一直在研究有机晶体管的噪声成因。这些研究大多采用未控制杂质含量、包含大量结构缺陷的非晶材料有机晶体管，或是汇聚小晶体形成的多晶材料有机晶体管。这些有机晶体管的噪声，被认为是由杂质、结构缺陷和晶界引起的能障较深的势阱所致（图2）。此次，研发小组利用非晶及单晶等结晶性各异的材料制作了有机晶体管，系统调查了结晶性与噪声的关系。尤其是对于几乎没有杂质、结构缺陷和晶界这些影响的有机单晶材料，全球首次实施了噪声的精密测量。测量发现，不仅是以前提出的能障较深的势阱，存在于有机半导体与栅极绝缘体的界面的微弱势能的混乱等导致的较浅势阱也会产生噪声。

图2：有机半导体的结晶性与电荷的流动概略图

另外，通过改良解析方法，还成功实现了势阱分布（势阱密度）的定量化（图3）。以前，势阱密度的定量化需要特殊的分光方法，而利用此次开发的噪声测量系统和解析方法，仅需10秒左右就能以高灵敏度测量有机晶体管的品质指标——势阱密度。

图3：通过噪声解析明确势阱密度的能量依赖性

此前由该研发小组在全球率先报告的、具备波段电导率的C8-DNBDT-NW单晶体，不但能获得源自电子波动性的高迁移率，结构缺陷和杂质少也是一大优点。利用该材料成功实现了噪声水平远远低于以往的有机晶体管（图4）。另外，研发小组同时还评估了可通过印刷法制作的氧化物半导体晶体管的噪声水平，结果显示，此次获得的有机晶体管的噪声水平超过了拥有同等迁移率（5cm2/Vs）的Indium Zinc Oxide。