东京大学先端科学研究生院、材料创新研究中心、产业技术综合研究所、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（注1），国家材料科学研究所国际材料纳米结构中心（WPI-MANA）的联合研究小组开发了通道长度（注2) 我们开发了一种新的 1 微米级微加工方法。结果，10厘米2/Vs 高迁移率 (注3)和短沟道，研究小组将之前的世界纪录翻了一番，并实现了世界最快的截止频率38 MHz(注4）已实现。此外，该有机晶体管具有将交流信号转换为直流信号的整流特性(注5）并证明即使在 100 MHz 时其整流性能也不会损失。近年来，随着有机晶体管在世界各地变得越来越快，研究小组已经注6) 运行的有机晶体管。
这项研究成果发表在德国科学杂志《先进功能材料》2020年2月5日版。这项研究是作为日本学术振兴会（JSPS）科学研究补助金的一部分进行的，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”（研究代表：竹谷淳一）。
[研究背景/前期研究中存在的问题]
有机半导体有望成为下一代半导体材料，因为可以使用溶解在有机溶剂中的墨水通过印刷工艺制造柔性器件。我们的研究小组迄今为止已开发出一种印刷方法，可以在大面积上涂覆只有几个分子层厚（约10纳米）的超薄有机半导体单晶薄膜（J Takeya，等人，《科学进展》2018 年 http://wwwku-tokyoacjp/info/entry/22_entry625/、 2019 年科学报告 http://wwwku-tokyoacjp/info/entry/22_entry777/）。对于这样高质量的有机单晶薄膜，10 cm2/Vs的高迁移率，使其对于提高有机晶体管的速度非常有希望。
半导体集成器件的响应频率取决于负责逻辑运算的晶体管的迁移率及其沟道长度。使用光刻胶作为微加工方法的光刻 (注释 7)被广泛使用，但已知许多光刻胶会损坏有机半导体薄膜，并且在有机晶体管中使用光刻很难同时实现高迁移率和短沟道。
[研究内容]
此次，我们课题组开发了一种新型有机半导体无损伤光刻方法，通过在有机半导体单晶薄膜上涂覆氟基聚合物薄膜，实现了1微米尺度的微加工（图1）。 10厘米2/Vs的高迁移率和短沟道长度，该研究小组几乎将之前的截止频率世界纪录提高了一倍，实现了38 MHz的世界最快频率。另一方面，通过研究该有机晶体管将交流信号转换为直流信号的整流特性，我们证明即使在 100 MHz 下，整流特性也不会丧失（图 2）。
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| 图1 (a) 开发的无损伤光刻方法。通过将氟基聚合物涂层直接涂覆在有机半导体上，可以最大限度地减少光致抗蚀剂造成的损坏。 (b)(c) 所制造的有机晶体管的示意图和显微图像。 |
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| 图2 所制造的有机晶体管的响应特性。 (a) 输出电流的放大系数相对于输入电流的频率依赖性。将无法获得放大系数的频率定义为截止频率。 (b) 输入电压信号和输出电压信号。 100 MHz 交流输入信号可以转换为直流输出信号。 |
[社会意义]
近年来，世界范围内有机晶体管的速度不断提高，该研究小组在世界上第一个成功开发出工作在超高频段的有机晶体管。该值充分高于广泛用于物流管理等的RFID标签的1356 MHz通信频率，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。此外，极短波段被用作调频广播和业余无线电的无线电波。未来，随着响应频率进一步提高，有望实现能够利用超高频带进行远距离无线通信的有机集成电路。由于它可以通过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通过电磁波供电的无线供电系统。
Yoshifumi Yamamura（东京大学前沿科学研究生院材料科学系博士生三年级）
Shunichiro Watanabe（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）
竹谷纯一（东京大学先端科学研究生院材料科学系教授/东京大学材料创新研究中心（MIRC）/米乐m6官方网站特聘教授）兼任边缘操作数测量技术开放创新实验室/国立材料科学研究所国际纳米结构中心（WPI-MANA）客座研究员MANA 首席研究员（交叉任命））
杂志名称：“先进功能材料” （网络版：2月5日）
论文标题：响应甚高频的高速有机单晶晶体管
作者：Akifumi Yamamura、Takaaki Sakon、Kayo Takahira、Takahiro Wakimoto、Mari Sasaki、Toshihiro Okamoto、Shun Watanabe* 和 Jun Takeya*
DOI 号：101002/adfm201909501