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溶液から高移動度有機トランジスタ
溶液を垂らして蒸気に曝すだけで世界最高移動度有機結晶トランジスタを作製
平成２２年１１月２９日
独立行政法人物質・材料研究機構
概 要１．独立行政法人物質・材料研究機構（理事長：潮田 資勝）国際ナノアーキテクトニクス研究拠点（拠
点長：青野 正和）の塚越 一仁 主任研究者らは広島大学の瀧宮 和男 教授と共同で、溶液から有機
結晶トランジスタを作る溶液プロセスを開発し、世界最高の電界効果移動度を有する有機トランジ
スタを基板上に直接作ることに成功した。
２．ノート PC や電子書籍などの発展によって、情報･画像メディアの携帯化が進んでいるが、現在主
流である液晶ディスプレイは、トランジスタ作製温度の制限によってガラス基板上に作られている。
携帯化のための軽量化にはガラス基板を薄くしなければならないが、衝撃に弱いガラス基板ディス
プレイは壊れやすいため限界がある。これに対して、有機トランジスタを使えば、軽量かつフレキ
シブルなプラスチック基板上に高性能な画素駆動トランジスタアレイを作ることができる。
３．今回、我々は有機分子同士が自発的に重なって結晶を作る自己組織化を最大限に引き出す方法を
独自に開発した。有機溶媒に溶かした材料を基板上に滴下し、溶媒蒸気を短時間当てるだけで、高
性能の有機結晶トランジスタを作ることができる。通常、有機薄膜デバイスは伝導度を低下させる
結晶粒界が多く含まれるが、本結晶膜には結晶粒界が無く、空気中で作製しても高特性が得られる。
この結晶を用いて作製されたトランジスタは、溶液から作ったトランジスタとして、世界最高の電
界効果移動度(9.1 cm
2/Vs)を達成した。一般的な溶液法で作られた多くの素子の電界効果移動度が 1
cm
2/Vs 程度であることと比較すると、大きな改善である。
４．従来の有機半導体結晶では、電気伝導は素子を冷却するとマイナス 70℃程度まで移動度が上昇す
るが、更なる低温では移動度が低下する。しかし、今回の方法で作った素子では、マイナス 200℃
までの計測で移動度は連続的に上昇し、結晶粒界などによる電気伝導散乱は起こらない。この結果
は、これまで議論されていた有機結晶半導体の伝導機構がバンド状伝導であることを明らかにした。
５．本手法は真空装置などを用いない簡便な方法であり、容易に有機半導体の特性を向上させる方法
である。将来のロール式連続プロセスへの適応も可能であり、フレキシブルな情報・画像メディア
の実現を目指す研究に有効となる。
６．本研究は、独立行政法人科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業 チーム型研究（CREST）
の「ナノ科学を基盤とした革新的製造技術の創成」研究領域（研究総括：堀池 靖浩、独立行政
法人物質・材料研究機構 名誉フェロー）における研究課題「ナノ界面・電子状態制御による高
速動作有機トランジスタ」
（研究代表者：塚越 一仁）の一環として行われた。
2 図１．塗布作製法の第一ステップ。2 種材料を混合し、基 板上に塗布するだけで、絶縁部位と半導体部位が分離する。 図２．第 2 ステップ。ガラス容器に試料と溶媒を簡単に封 じ込めて待つだけで、絶縁ポリマー状の有機半導体膜が分 子レベルで再構成されて結晶化する。 研究の背景 薄型ディスプレイの普及によって、携帯端末や TV などが小型化し、我々の生活が大きく変わった。しかしな がら、薄型ディスプレイはガラス基板を用いていることから、固く軽量化にも限界がある。もともと衝撃に弱い ガラス基板ディスプレイは壊れやすいため、画面を大型化するとガラス厚が厚くなる。ガラスを守るための枠を 強固にする必要もあり、さらに重さが増える。携帯メディア以外にも、A0 の様な大サイズで、動画再生可能なポ スターなどを曲面に自在に掲示するためには、軽量かつフレキシブルな基板上に高性能な画素駆動トランジスタ アレイを作らなければならない。 これに対して、プラスチック基板を用いることで、フレキシブル性を高め、軽量化も実現しようとの研究・開 発が行われている。従来のガラス基板は、500℃程度の加熱にも耐えるために、高温での薄膜作製プロセスによ るアモルファスシリコントランジスタを作ることができた。しかし、多くのプラスチック基板は 150℃程度まで しか加熱できず、また、加熱による形状変化を考慮すると 100℃以下のプロセスが好ましい。これを実現するた めには、低温で自己組織化する特性を活かした有機薄膜トランジスタが最適である。実際に、有機トランジスタ を使ったプラスチック基板上のディスプレイが試作されて動作が確認され、動画情報を高品質で表示できること が実証されている(SONY 発表)。しかし、ディスプレイを駆動するために必要な電界効果移動度を実現するために は、比較的特性が高くなる真空蒸着法でトランジスタを作製する必要があった。この真空蒸着法では、大型ディ スプレイ実現のためのコストメリットが小さい。このため、有機分子の自己組織化を活かした印刷法の実現が熱 望されており、このためには半導体溶液を使った塗布製造法の開発が必要である。しかしながら、塗布法で作製 したトランジスタは移動度が概して低く、安定性に欠け、有機トランジスタの本当の優位性を引き出すには極め て遠く、さらなる研究・開発が必要とされていた。 この様な状況に対して、今回は有機半導体材料を溶液化して基 板上に滴下し、簡単に蒸気アニールすることで高特性トランジス タ用チャネルを作れることを見出した。 研究成果の内容 本研究では、有機分子の自己組織化を引き出すために様々な工 夫を行った。低分子有機半導体材料と絶縁体ポリマーの 2 種類の 分子材料を混合し、溶液に溶かして基板上に滴下しスピンコート する。2 種類の分子は基板上で自然に分離し、ポリマー膜層が基 板直上、その上層に低分子膜層が自己分離して形成する。この自 己分離 2 層膜を、2 種分子混合溶液を作った時に使った溶媒蒸気 に短時間曝すだけで、低分子膜層の有機半導体結晶が基板上で長 さ数 100 ミクロンの大きさまで自己組織化によって成長する。こ の結晶成長法では、真空装置などは不要である。 今回用いた“層分離塗布法”と“溶媒アニール法”は、それぞ れ別個に開発されて他の材料で研究されており、其々効果がある ことは分かっていたが、特別に優れた素子は得られていなかった。 これに対して、我々は 2 つの方法を組み合わせ、さらに其々の方 法の特徴をじっくり見出し、最適化するための材料選択や諸条件 を見つけ出して、有機半導体結晶を基板上で直接作ることに成功 した。 この有機結晶を用いて、トランジスタとして評価したところ、電 界効果移動度が極めて高く、最大で 9.1cm2/Vs に達し、塗布作製 トランジスタとして世界最高となった。従来は、結晶粒界や、絶
3 100 150 200 250 300 0 2 4 6 8 10 T / K FE T / c m 2 V -1 s -1 FET V th -18 -20 -22 -24 -26 V th / V 図 3．有機結晶に端子を形成してトランジスタとして評価 したところ、電界効果移動度が極めて高く、最大で 9.1cm2/Vs に達し、塗布作製トランジスタとして世界最高と なることを見出した。さらに、温度特性において、バンド 状伝導を示し、有機薄膜トランジスタの基礎伝導機構の解 明に成功した。 縁膜と有機薄膜界面の物理的な凹凸や静電気的な乱れを制御で きず、移動度の向上の阻害要因となっていた。しかし、本方法 は、有機分子自体が最も安定的な状態に帰着する自己組織化を 用いたプロセスであり、これらの要因を大きく低減することが できた。また、余計な結晶粒界がないために、素子の空気中で の安定性が格段に向上した。 有機薄膜デバイスは水蒸気や酸素によって容易に特性が変化す るために、空気に触れ無いようなシステム(アルゴンガスもしく は窒素ガス中など)にて素子を作らなければならないが、本方法 は通常の空気中にて作製できるため、成膜システムが非常に簡 略化出来る。 さらに、学術的な点でも大きな進展を見出した。温度特性を測 定したところ、冷却に伴って移動度は低下することなく上昇し、 結晶粒界や不純物散乱などの影響が小さいことを示した。これ は、この有機結晶トランジスタの伝導機構がバンド状伝導であ ることを明瞭に示しているものであり、本研究の有機半導体結 晶は、有機半導体の本質を研究する上でも高い評価を受けてい る。 従来、有機トランジスタはバンド伝導を示す結晶トランジスタ を基板上に作製することは難しいと考えられていたが、今回の 研究成果で従来の限界が超えられ、今後も更なる発展の可能性があることを示すことができた。本研究により、 有機トランジスタの研究と開発について、今後さらなる加速が期待される。 波及効果と今後 有機半導体素子の作製方法として、塗布法の開発が熱望されている。これに対して、特別な装置を用いずに、特 性を向上させたことが極めて有効である。今回の“従来法での限界”の突破によって、高特性素子の実用可能性 の検討が可能となり、有機エレクトロニクスの展開が大きく拓ける。 問い合わせ先： 報道担当： 独立行政法人物質・材料研究機構 広報室 〒305-0047 茨城県つくば市千現１－２－１ TEL：029-859-2026 FAX：029-859-2017 研究内容に関すること： 独立行政法人物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 主任研究者 塚越 一仁（つかごし かずひと） TEL：029-860-4894 FAX：029-860-4706 E-Mail：[email protected]
4 【用語説明】 （１）有機結晶トランジスタ 有機半導体分子の伝導チャネルを、結晶材料で作製したトランジスタ。一般的には、多結晶膜やポリマ ー膜が使われるが、移動度が低く改善が必要であった。これに対して、有機半導体結晶を用いると、トラ ンジスタの特性が大幅に向上する。 （２）電界効果移動度 ゲート電界を印加することでスイッチングするトランジスタの電気の流れやすさの指標。大きな値を示 すほど、電界を印加したときに大きな電流を流すことが出来る。 （３）画素駆動トランジスタアレイ 液晶ディスプレイなどは、１つ１つのピクセルが明滅して画像が表示される。この個々のピクセルの明 滅をスイッチするために、ピクセル毎にトランジスタが必要となる。最近のディスプレイの多くは、この トランジスタが縦横に整然と並べられている。 （４）電気伝導散乱 固体中を電子が移動して電気を流すときに、固体中の不純物や欠陥ならびに多結晶粒界によって散乱が 起こる。 （５）バンド状伝導 電子もしくはホールが、固体中を伝導する場合、固体を形成する原子群もしくは分子群が整然と並んで 個体中に広がった伝導状態を作る。この状態を伝わって流れる伝導をバンド状伝導と称する。 （６）アモルファスシリコントランジスタ シリコン原子の薄膜を低温で成長すると、結晶を作らずに非晶質状の膜となる。この薄膜を使って作っ たトランジスタ。結晶シリコントランジスタよりも素子特性は数桁も低いが、ガラス上にも作れるメリッ トがあり、現在の液晶テレビやノート PC のディスプレイの画素駆動トランジスタとして使われている。 しかしながら、さらに低温成長を必要とするプラスチック基板上に直接成長することは現在の技術では出 来ない。一方で、有機系トランジスタはプラスチック基板上にも作製でき、次世代のフレキシブルディス プレイを実現するための重要要素となっている。 （７）蒸気アニール ガラス製密封容器の中の蓋に試料を貼り付け、化学溶媒液を尐量いれると、容器内部は溶媒のごく一部 が気化して内部を充満する。このままそっと放置することで、試料の有機半導体分子が基板上で動き、結 晶を作る。
