mile米乐集团 成功大面积沉积厚度仅为几个分子的二维有机单晶纳米片

东京大学大学院前沿科学研究生院（国立先进产业技术研究所、产业技术综合研究所、东京大学、先进操作测量技术开放创新实验室、客座研究员、国立材料科学研究所、国际纳米结构学中心、超分子组）Junichi Takeya教授（首席客座研究员）和他的同事们利用有机半导体墨水的简单印刷方法，成功生产了厚度小于15 nm，覆盖 10 cm 见方或更大的大面积，膜厚控制在分子级别。 10 cm²高于/Vs电荷移动性（注2）逐渐增加，预计应用于无线标签等需要高速响应的逻辑元件。然而，有机半导体比硅等无机半导体大得多接触电阻（注3），短沟道晶体管的电荷迁移率明显低于单晶的原始值，这限制了响应速度。该课题组开发的二维有机单晶纳米片，厚度只有几个分子层，可以顺利地将电荷从电极注入到电荷传输层，厚度为13 cm²/Vs的高电荷迁移率之外，还发现其接触电阻为47Ωcm，是有机场效应晶体管中最低的。此外，短通道设备的全球最高水平20 MHz截止频率（注4）），并成功制造出能够以29 MHz响应的整流器，该频率远高于无线标签的商用频率1356 MHz。

　该研究成果发表在美国科学杂志《科学进步''将在2018年2月2日版中发布。

　这项研究是日本科学技术振兴机构（JST）战略基础研究计划（PRESTO）研究领域“分子技术和新功能创造”（研究导师：加藤隆）研究课题“创新有机半导体分子系统的创造”（研究员：东京大学前沿科学研究生院材料科学系副教授冈本敏宏）的一部分进行的。

[背景]

　有机半导体具有优异的机械柔韧性，可以使用简单的印刷工艺以低成本形成薄膜。物联网) 作为在社会中发挥作用的下一代电子材料而备受瞩目。

　近年来材料发展进步很快，10cm²/Vs的高迁移率的报道逐渐增多，人们对其在需要高速运行的设备（例如无线标签的逻辑电路）中的应用的期望越来越高。另一方面，有机半导体的接触电阻比硅等无机半导体高得多，因此存在短沟道由于接触电阻的影响而导致电荷迁移率显着下降的问题。

　有机半导体表现出较大接触电阻的原因是半导体的膜厚访问阻力（注 5）的存在。在这项研究中，作为最小化访问电阻的方法，我们通过使用有机半导体墨水的印刷工艺在分子层尺度上控制有机半导体的膜厚度，并致力于开发厚度仅为几个分子层的二维有机单晶纳米片。
 

[方法和结果]

(1) 利用简单印刷工艺制备大面积二维有机单晶纳米片的薄膜

本课题组合成的新型有机半导体材料C₈-DNBDT-NW溶解在墨水中的有机溶剂中，利用简单的印刷方法成功地在大面积上形成具有受控分子层数的二维有机单晶纳米片。过去，为了获得层数受控的有机半导体晶体，需要使用石墨烯或氮化硼等层状材料的特殊基板，以及难以融入大规模生产工艺的涂层技术。相比之下，在这项研究中，我们采用了一种独特的方法（图1），通过溶液涂覆在大面积上形成单晶薄膜，并创建了厚度小于15 nm的C₈-DNBDT-NW单晶薄膜制备完成。通过精确控制溶剂蒸发沉积有机半导体分子的速率和基板移动的速度，可以获得具有受控分子层数的二维有机单晶薄膜。此外，该方法采用简单的机制，在单轴方向上干燥含有溶解的有机半导体的墨水，并且可以应用于任何基板，并且可以容易地扩大规模，因此有望成为未来使用印刷方法实现低成本器件的基础技术。

(2)同时实现双分子层有机单晶晶体管的高迁移率和低接触电阻

二维有机单晶纳米片理论上能够将电荷从电极直接注入到充当沟道的半导体/绝缘层界面，因此有望降低接触电阻，而接触电阻是降低有机场效应晶体管响应速度的因素。然而，对于使用由多个分子层组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尚未进行充分的研究。这次，我们评估了使用不同分子层数的有机单晶纳米片作为有源层的场效应晶体管的电荷迁移率和接触电阻，发现在双分子层有机单晶晶体管中，电荷迁移率和接触电阻为13 cm²/Vs的高迁移率和47Ωcm的接触电阻，这是有机半导体的世界最低水平（图2）。双层有机单晶兼具高迁移率和低接触电阻，是非常有前途的提高晶体管速度的材料。

(3)双分子层有机单晶晶体管的高速响应的实现

　我们使用双分子层有机单晶纳米片，在场效应晶体管中的有机半导体实现了 20 MHz 的世界级截止频率，可以实现高迁移率和低接触电阻（图 3 左）。我们还确认，连接到该器件栅极和漏极的二极管可作为整流器运行，可将高达 29 MHz 的交流信号转换为直流电压（图 3，右）。这是广泛应用于物流管理等的RFID标签的通信频率1356 MHz的两倍以上，因此可以说，新创建的设备已经达到了可以应用于无线标签供电的水平。
 

[未来展望]

　新开发的大面积二维有机单晶纳米片可以显着降低接触电阻，这是提高有机场效应晶体管速度的瓶颈，同时又不牺牲单晶固有的高电荷迁移率，因此有望应用于需要高速运算处理的逻辑元件，而这在以前被认为很难应用于有机半导体。此外，由于它可以使用简单的印刷工艺进行批量生产，因此可以广泛应用于支持未来物联网社会的物流管理中使用的低成本无线标签以及监测生物信号的医疗设备等应用。此外，由于电荷传导层暴露在表面，并有望对外部刺激做出灵敏的响应，因此也有望应用于以高灵敏度检测气体和生物细胞吸附的传感器。
 

杂志名称：“科学进步” （2 月 2 日在线版本）
论文标题：用于高速电路运行的晶圆级、层控制的有机单晶
作者：Akifumi Yamamura、Shun Watanabe、Mayumi Uno、Masato Mitani、Chikahiko Mitsui、Junto Tsurumi、Nobuaki Isahaya、Yusuke Kanaoka、Toshihiro Okamoto 和 Jun Takeya
 

图1有机半导体油墨涂覆形成大面积单晶薄膜的方法示意图。 （左） 高迁移率有机半导体材料的结构式及二维单晶区域的偏光显微照片。 （右）

图2 双层有机单晶晶体管的表征。可以根据蓝线的斜率计算迁移率。 （左） 接触电阻评估结果。双分子层单晶接触电阻达到50Ω·cm以下。 （右）

图 3 双层单晶晶体管的截止频率测量。纵轴表示晶体管的放大率（增益），增益变为零的频率对应于截止频率。 （左） 输入25MHz交流电压时的整流特性。 （右）

(注1)有机场效应晶体管

使用有机半导体作为有源层的晶体管。当施加电压时，从电极注入的电荷在有机半导体层和绝缘层之间的界面处累积，从而允许电流流动。晶体管是数字运算元件和信号放大电路中最基本的元件之一。[返回来源]

（注2）电荷迁移率

它代表半导体中电荷载流子移动的难易程度，是晶体管开关性能的指标。一般来说，具有较高电荷迁移率的晶体管可以以较高的速度运行。[返回参考源]

(注3)接触电阻

电荷从电极注入半导体到沟道时的电阻。沟道电阻和接触电阻之和就是晶体管的电阻。当沟道长度缩短时，沟道电阻成比例减小，但由于接触电阻保持不变，因此在短沟道中接触电阻的影响不可忽视，导致电荷迁移率下降。[返回来源]

(注4)截止频率

晶体管不仅用作开关元件，还用作放大器。当输入到栅电极的交流电压的频率增加时表现出放大特性的上限频率。[返回参考源]

(注5)访问阻力

接触电阻因素大致可分为由电极与有机半导体之间的异质结界面处的载流子注入势垒引起的电阻，以及由注入半导体直到到达沟道的电荷引起的存取电阻。在高迁移率有机场效应晶体管中常用的顶接触/底栅结构中，沟道形成在与源极和漏极接触的界面的相对侧，由于半导体的厚度而导致存取电阻。[返回来源]