n型ポリマー半導体薄膜を作製、FETの動作を確認：フレキシブルCMOS回路の実現へ

奈良先端科学技術大学院大学は、一方向性フローティングフィルム・トランスファー法（UFTM）を用い、n型ポリマー半導体分子が一定方向に並んだ薄膜を作製することに成功した。液体表面に形成したこの薄膜を基板上に転写して、実用レベルの性能を持つnチャネル型FET（電界効果トランジスタ）を作製、その動作を確認した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

ドナー・アクセプター型ポリマーの導電性高分子を採用

　奈良先端科学技術大学院大学先端科学技術研究科物質創成科学領域有機エレクトロニクス研究室のPandey Manish助教と中村雅一教授らによる研究グループは2022年12月、一方向性フローティングフィルム・トランスファー法（UFTM）を用い、n型ポリマー半導体分子が一定方向に並んだ薄膜を作製することに成功したと発表した。液体表面に形成したこの薄膜を基板上に転写して、実用レベルの性能を持つnチャネル型FET（電界効果トランジスタ）を作製、その動作を確認した。

　ポリマー半導体は、フレキシブル電子回路への応用が期待されている。このためには、特性のそろった「pチャネル型FET」と「nチャネル型FET」を同じ基板上に作り込み、CMOS回路を形成する必要がある。だがこれまでは、nチャネル型FETの性能がpチャネル型FETと同等レベルに達していなかったという。

　ポリマー半導体は、電流の方向に主鎖を並べることで、高いキャリア移動度を得られることが知られている。Pandey助教らは、この特性を大面積かつ均一に実現する方法として、UFTMを開発してきた。ただ、この方法は主にp型ポリマー半導体薄膜やこれを用いたFETの作製に限られ、n型ポリマー半導体に用いられる例はほとんどなかった。その理由として、「自己凝集力が高いために、溶媒が蒸発する過程で多結晶的な凝集体が自発的に形成されやすい」ことなどを挙げる。

UFTM機構の模式図 出所：奈良先端科学技術大学院大学

　今回は、ドナー・アクセプター型の高性能n型ポリマー半導体である導電性高分子「P（NDI2OD-T2）」を用いた。そして、溶媒のクロロフォルムに対し、より蒸発速度が遅いクロロベンゼンを少量添加して、ポリマー鎖の流動性を調節した。この結果、エッジオン配向（π共役面が基板に対して垂直）したポリマーフローティング薄膜の形成に成功した。光学吸収の二色比は3.5〜4.0で、均一性にも優れている。

　こうして作製した薄膜を、ゲート電極とゲート絶縁膜（誘電体）が形成された基板に転写し、その上にソースおよびドレイン電極パターンを真空蒸着してFETを作製した。しかし、このままだと電極からポリマー半導体への電子注入障壁が大きく、良好なnチャネル型FET特性が得られなかったという。

　そこで研究グループは、電極に仕事関数が比較的小さい「銀」を用いるとともに、注入障壁を低減させるための界面電気二重層として、有機化合物の「ヘキサ（エチレングリコール）ジチオール」を挿入した。これによって、優れた特性を持つnチャネル型FETの開発に成功した。特に、電流と高分子の配向方向が水平になると、垂直の場合に比べキャリア移動度に約3倍の異方性が見られたという。

トランジスタの構造と電流電圧特性 出所：奈良先端科学技術大学院大学

　研究グループは今回の研究成果について、「フレキシブルCMOS回路を実現する第一段階の要素技術がそろった」とみている。今後は、CMOSインバーター回路が作製できることを実証していく。さらに、新しいデバイス構造と配線接続方法などを開発していく計画である。また、演算機能や通信機能を内蔵し、皮膚の表面に転写できる「電子タトゥー」などへの応用も視野に入れる。

電子タトゥーのイメージ図 出所：奈良先端科学技術大学院大学