塗布で作ったトランジスタがスイッチング特性の理論限界に迫る

東京大学 大学院工学系研究科 物理工学専攻の北原 暁　大学院生、井上 悟　特任研究員、松岡 悟志　助教、荒井 俊人　講師、長谷川 達生　教授らの研究グループは、液滴を強くはじく基材表面に有機半導体結晶薄膜を塗布形成する新技術を開発し、これにより理論限界に迫る高急峻なスイッチング性能を示す塗布型薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の開発と動作確認に成功しました。

塗布型有機半導体は、溶剤に溶かして作ったインクを塗って乾かすことで半導体デバイスを簡易に構築できることから、プリンテッドエレクトロニクスを実現するための有力材料として期待されています。そのデバイス高性能化には、撥液性が極めて高いフッ素樹脂などのゲート絶縁層の上に、均質な半導体薄膜を積層して形成したデバイス構造が有利とされています。しかし、高撥液な表面上では、塗布したインクが強くはじかれ丸くなる傾向が強く、従来の塗布法を用いる限り、均質な塗布製膜に不可欠とされる薄い液膜の形成が困難であり、低分子系有機半導体の均質製膜は不可能でした。

そこで本研究では、シャボン膜メカニズムをヒントに、撥液性の高い表面上でも、薄い液膜がはじかれることなく濡れ広がった状態を維持できる新たな仕掛けを考案し、半導体結晶膜の高均質な塗布形成に初めて成功しました。これを用いて作製した塗布型ＴＦＴは、２ボルト以下の低電圧で駆動し、オンオフによる履歴がなく、かつ室温動作での理論的限界値に迫る極めて高急峻なスイッチング特性を示す、著しい高性能化を達成できました。

本研究成果は、米国科学誌「Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｄｖａｎｃｅｓ」に２０２０年１０月７日（米国東部夏時間）掲載されました。