东京大学前沿科学研究生院材料创新研究中心AIST/东京大学先进操作数测量技术开放创新实验室的联合研究小组（注1）、国立材料科学研究所国际材料纳米结构中心（WPI-MANA）和Picrystal公司通过简单的印刷方法制造了一种可用作高性能晶体管的有机半导体晶片。
有机半导体因其重量轻、柔性和可印刷性而有望取代当前的硅半导体，成为可以低成本批量生产的下一代电子材料。从这个角度来看，可用于实际设备的有机半导体和印刷方法的开发已经取得了很长一段时间。
该研究小组证明，通过使用独特的有机半导体材料和印刷技术，可以制造厚度约为三个分子层的超薄有机半导体单晶薄膜的4英寸晶圆。由该单片晶圆制造的 1,600 个晶体管运行无缺陷，平均电荷为移动性(注2)为10cm，为实用指标2/Vs。
与传统的有机半导体印刷相比，这种印刷方法消耗的材料显着减少，并且在大规模印刷时被认为可以缩短处理时间，因此未来工业应用的成本有望大幅降低。
这项研究成果发表在英国科学杂志《科学报告”将于2019年11月4日版出版。这项研究得到了日本学术振兴会（JSPS）科学研究资助金的支持，题为“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“使用有机单晶半导体实现自旋晶体管”。研究员代表：竹谷淳一）和日本科学技术振兴机构（JST）战略基础研究推进项目（PRESTO）研究领域“利用微小能量创造创新能量收集技术”（研究主管：谷口健二，副研究主管：秋永博之）这是研究项目“利用有机半导体结构控制技术创造创新热电材料”（研究员：材料系副教授冈本敏博）的一部分理学，东京大学前沿科学研究生院）。
[背景]
在构成电子电路的晶体管中，与传统使用的硅半导体相比，有机半导体由于低温印刷工艺而有望降低成本，因此它们作为下一代电子材料正在被积极研究。对于物联网社会尤其必要RFID标签（注3）和万亿传感器宇宙（注4）中将做出重大贡献。然而，大多数有机半导体很少同时具备低温印刷性能和优异的半导体性能，并且全球范围内实用电子器件的研发尚未取得太大进展。建立具有优异均匀性和再现性的工艺技术也是实现有机晶体管高性能的关键关键。
作为该问题的一种解决方案，使用可印刷有机半导体的单晶薄膜最近引起了人们的关注。尽管目前有用的有机半导体有限，但印刷技术和理论的进步使得在小规模研究水平上印刷相对高性能的单晶有机半导体薄膜成为可能。为了为未来的量产做好准备，有必要改进有机半导体材料并找到可以量产的方法。
[方法]
该研究小组此前利用独特的高性能有机半导体材料的印刷技术，成功制备出厚度仅为两个分子层、迁移率达到15cm的超薄有机半导体单晶薄膜。2/Vs 的高性能 p 型有机半导体晶体管（J Takeya，等人，科学进展 2018 http://wwwku-tokyoacjp/info/entry/22_entry625/）。在印刷这种超薄单晶薄膜时，采用同一团队开发的“连续边缘铸造”方法，仅在喷射有机半导体墨水的喷嘴扫描的区域生长单晶薄膜。此时，通过精确控制有机半导体墨水的浓度和印刷温度，可以形成在分子水平上控制层数的单晶薄膜。单晶薄膜非常薄，约为10纳米，可与最薄的导电层相媲美，从而带来极高的材料利用率。由于打印是在间歇性地供给墨水的同时进行的，因此期望通过扩大喷嘴来实现大面积打印。原则上，这种方法可以通过增加喷嘴宽度来减少单位面积的打印时间。在这方面，它优于喷墨法等打印方法，后者的打印时间与打印面积成正比。
[成就]
10765_110792/Vs（图2）。
[未来展望]
未来，通过开发更高性能的有机半导体材料和印刷设备，我们的目标是建立更大面积的印刷技术，包括引入卷对卷印刷方法。同时，我们与Pycrystal Co, Ltd共同研究，正在开发利用这种印刷技术的高性能集成电路，预计很快就会实现商业化。这一成果预计将加速可低成本批量生产的物联网设备的开发。
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图1左) 超薄有机半导体单晶薄膜晶圆印刷在4英寸方形硅晶圆上。
右) 所使用的有机半导体分子的化学结构和单晶膜中的聚集结构的示意图。 |
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| 图 2 左）由有机半导体单晶晶片制成的 1600 个晶体管阵列的照片。中）全晶体管传输曲线，右）迁移率映射。红色所示区域可移动 10 厘米2/Vs 已实现。 |
Shohei Kumagai（东京大学前沿科学研究生院材料科学系特聘助理教授）
Yoshifumi Yamamura（东京大学前沿科学研究生院材料科学系博士生）
渡边俊一郎（东京大学前沿科学研究生院材料科学系特聘副教授/东京大学产业技术综合研究所先进操作数测量技术开放创新实验室客座研究员）
Toshihiro Okamoto（东京大学前沿科学研究生院材料科学系副教授/兼任 JST PRESTO 研究员/兼任东京大学产业技术综合研究所先进操作数测量技术开放创新实验室客座研究员）
伊藤洋介（Pi Crystal 有限公司首席执行官）
竹谷淳一（东京大学研究生院前沿科学研究生院材料学系教授/材料创新研究中心（MIRC）特聘教授，兼任/客座研究员，国立先进工业技术研究所，AIST，东京大学，兼任/国立材料科学研究所）国际纳米建筑中心(WPI-MANA) MANA 首席研究员（交叉任命）
杂志名称：“科学报告” （网络版：11 月 4 日）
论文标题：用于可复制 TFT 阵列的有机单晶晶圆的可扩展制造
作者：Shohei Kumagai*、Akifumi Yamamura、Tatsuyuki Makita、Junto Tsurumi、Takahiro Wakimoto、Nobuaki Isahaya、Han Nozawa、Kayoko Sato、Masato Mitani、Toshihiro Okamoto、Shun Watanabe* 和 Jun Takeya*
DOI 号：101038/s41598-019-50294-x
摘要网址：http://wwwnaturecom/articles/s41598-019-50294-x