东京大学前沿科学研究生院特聘副教授渡边淳一郎（JST PRESTO 研究员、米乐m6官方网站、日本产业技术研究所、东京大学先端运算测量技术开放创新实验室客座研究员）和东京大学尖端科学研究生院（米乐m6官方网站、日本产业技术研究所、东京大学）特聘副教授 Junichi Takeya 教授（米乐m6官方网站、日本产业技术研究所、东京大学）Junichi Takeya 教授先进操作测量技术开放创新实验室和国家材料科学研究所国际纳米结构中心超分子组的首席客座研究员，正在研究世界上最低噪音的技术。有机晶体管（注1）已成功创建。
有机晶体管即使在稳定状态下也始终存在“轻微的电流波动=噪声”，而这种噪声是降低可靠性和稳定性等运行性能的大敌。首先，我们需要准确测量噪声并确定引起噪声的电荷。陷阱（注2）我们开发了一种能够精确评估密度的技术。然后我们仔细研究了有机晶体管的陷阱密度。结果，我们发现，即使是有机半导体中存在的能垒中的浅陷阱（由构成有机晶体管的有机半导体和栅极绝缘体之间的界面处存在的轻微电位波动引起的）也会引起噪声。因此，为了抑制陷阱，我们提高了放置在界面处的分子膜的质量，并控制界面以创建不会被陷阱捕获的电荷传导机制。带传导8923_8993|
有机晶体管可以通过使用有机半导体作为墨水进行印刷来制造，预计将为物联网 (IoT) 社会所必需的廉价、高灵敏度传感器设备的实现做出巨大贡献，因为它们实现了更低的噪声。
这项研究结果将发表在2018年7月18日版的英国科学杂志《通讯物理学》上。
这项研究是日本学术振兴会 (JSPS) 科学研究资助金“单晶有机半导体和柔性机械电子学中电子传导的巨大应力应变效应”和“利用有机单晶半导体实现自旋晶体管”（研究代表：竹谷淳一）资助的研究的一部分。
[背景]
电子器件（例如晶体管和使用它们的传感器器件）可以通过将含有溶解在有机溶剂中的有机半导体的墨水涂敷到基材上来制造。换句话说，与目前广泛用作半导体的硅不同，有机半导体作为支持物联网社会的下一代电子材料而受到关注，因为电子设备可以使用现有的印刷工艺以低成本大量制造。近年来材料发展进步很快，10cm2V-1s-1移动性（注4）有机晶体管已被开发出来，并且先前有机材料的最大弱点正在被克服。以开发物联网应用为目标，集成1,000至10,000个有机晶体管的逻辑运算电路以及使用有机晶体管的温度、湿度、应变和振动等各种传感器的实证研究正在快速进展。
这些有机晶体管总是有噪声，这是电流的轻微波动。如果电流值随时间波动，这将导致传感器设备的测量精度下降，并且在最坏的情况下，逻辑运算电路将错误地将0计算为1。特别是，噪声的大小是频率f10017_100251/f噪音（注5）被认为是有机晶体管的大敌，因为当许多晶体管以高密度集成时，这一点就变得显而易见。
虽然有机分子的结晶度与有机晶体管的电荷传导机制之间的相关性逐渐变得清晰，并且使用有机单晶半导体的晶体管和传感器器件的研发取得了令人瞩目的进展，但噪声的基础研究却相对被忽视，部分原因是它很少受到社会的关注。例如，关于噪声产生的机制以及噪声水平可以降低到什么程度，存在许多未知数。因此，我们致力于阐明有机晶体管噪声的原因并对其进行抑制。
[方法]
为了精确测量有机晶体管电流值的微小波动，我们构建了一个测量系统，可以消除测量设备接线和环境干扰的影响。此外，它可以连接到变温低温恒温器，允许进行高达 200 K（约 -70°C）的低温测量，以研究电荷传导机制和噪声水平之间的相关性。
该研究小组针对有机半导体开发的C8-DNBDT-NW。 C8-DNBDT-NW，并通过制备溶解在有机溶剂中的墨水并将其涂覆在基板上来形成二维有机单晶薄膜。将源极和漏极放在其顶部，以实现 10 cm 的迁移率2V-1s-1我们使用上述测量系统测量了其性能，并将其转换为噪声与频率的关系，以进行精确评估（图 1c、d）。
[成就]
过去已经研究了有机晶体管中噪声的原因。这些研究大多数涉及由杂质水平不受控制和许多结构缺陷的非晶材料制成的有机晶体管，或由小晶体制成的多晶材料。在这些有机晶体管中，噪声被认为是由杂质、结构缺陷和晶界引起的能垒中的深陷阱引起的（图 2）。这次，我们使用不同结晶度的材料（从非晶到单晶）制造了有机晶体管，并系统地研究了结晶度与噪声之间的相关性。特别是，我们在世界上首次对有机单晶材料进行了精确的噪声测量，可以说几乎不受杂质、结构缺陷和晶界的影响。结果，我们发现噪声不仅来自先前提出的具有深能垒的陷阱，而且还来自由于有机半导体和栅极绝缘体之间的界面处存在的电位的轻微扰动而引起的浅能垒陷阱。
此外，我们改进了分析方法，成功量化了陷阱分布（陷阱密度）（图3）。传统上，需要特殊的光谱技术来量化陷阱密度，但通过使用新开发的噪声测量系统和分析方法，可以在大约10秒的测量时间内以高灵敏度测量陷阱密度，这是有机晶体管质量的指标。我们预计该技术将成为一项基础技术，可有效评估未来开发的更高迁移率的有机晶体管的噪声。
基于这一结果，我们尝试通过控制界面和增加能带电导率来提高有效迁移率并进一步降低噪声，这是一种防止电荷被陷阱捕获的电荷传导机制。我们的研究小组在世界上第一个报道了C8-DNBDT-NW单晶不仅具有源于电子波动性的高迁移率，而且具有结构缺陷和杂质少的特点。通过使用这种材料，我们成功实现了比传统有机晶体管低得多的噪声水平（图 4）。此外，作为对可以通过印刷制造的氧化物半导体晶体管的噪声水平进行并行评估的结果，这次获得的有机晶体管的噪声水平与具有相似迁移率（5cm2V-1s-1)。
[未来展望]
据信物联网社会将需要大量传感器设备。通过用可通过印刷制造的有机晶体管取代传感器设备所必需的晶体管，可以降低成本。这项研究中获得的低噪声有机晶体管有望为实现支持物联网技术的廉价且高灵敏度的传感器设备做出巨大贡献。
杂志名称：《通信物理》（7 月 18 日在线版）
论文标题：溶液处理有机单晶晶体管中的闪烁噪声非常低
作者：Shun Watanabe、Hirotaka Sukawara、Roger Hausermann、Balthasar Bluelle、Akifumi Yamamura、Toshihiro Okamoto 和 Jun Takeya
DOI 号：101038/s42005-018-0037-0