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日本利用喷墨技术开发出通道长为1μm的有机晶体管

http://cn.newmaker.com 3/28/2008 6:28:00 PM 日经BP社

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东京大学副教授染谷隆夫研究小组与德国马普固体研究所（Max Planck Institute for Solid State Research）合作，使用印刷技术成功开发出了通道长仅为1μm的有机晶体管。使用的有机半导体材料方面，p型晶体管为并五苯，n型晶体管为酞菁类F16CuPc，载流子迁移率和开/关比方面，p型为0.3cm2/Vs和106，N型为0.02cm2和104。驱动电压也比较低，通常为数十V的位置此次降低到了2～3V。利用这些晶体管的CMOS转换器电路也在试制之中，并且已经确认动作良好。底板使用玻璃和柔性塑料。所有底板均得到了上述良好的晶体管特性。

此次试制的有机晶体管采用称为顶电极型的结构，在有机半导体层上形成源电极和漏电极，栅电极配置在有机半导体层下部，以栅绝缘层隔开。与形成源-漏电极后再形成有机半导体层的构造（底电极型）相比，顶电极型能够表现出稳定的优良晶体管特性，并且有望获得较高的载流子迁移率。但是，源电极和漏电极的间隔——通道长“最小只能达到10μ～20μm”（东京大学染谷）。无法使用光刻技术，只能采用基于荫罩的蒸镀。因此，即使晶体管特性稳定，利用顶电极型实现高速工作的晶体管——微细晶体管仍然非常困难。

图1：晶体管结构

为了解决这一问题，东大此次决定利用喷墨技术形成源电极和漏电极。喷墨装置使用的是SIJTechnology开发的“超级喷墨”装置。该装置的喷头可喷出的液滴尺寸为1fl（飞升）以下，不及一般喷头的1/1000，能够形成微细图案。东大使用该装置，在有机半导体层上形成了源电极和漏电极。电极为Ag（银），宽2μm，厚25nm。

可在+130℃下烧制，也可使用柔性底板

通过使用超级喷墨装置，东大成功降低了布线的电阻率，并且降低了电极与有机半导体层的接触电阻。此次的布线形成使用的是粒子直径为纳米等级的Ag微粒子分散在有机溶剂中形成的墨水。通常，利用Ag墨水进行布线时，在形成Ag布线后，需要以+220℃左右的温度进行烧制，去除有机溶剂和Ag微粒子周围的有机物，使Ag微粒子互相连接。通过这种方式，使电阻率降低至与Ag块体近似的值（4μΩ·cm）。但是，这次为了使用不耐热的塑料底板，制造工艺的温度需要降低至+130℃以下。如果是一般喷墨装置形成的布线，那么电阻值将大幅高于+220℃烧制时，但是，通过使用超级喷墨装置，电阻成功降低到了10μΩ·cm，是Ag块体的2.5倍左右。由于布线宽度仅为2μm，因此表面积与体积之比较高，烧制效率较高。

得到的接触电阻为5kΩ·cm。该数值仅为使用通常喷墨装置时的几百分之一，与利用高质量的蒸镀形成的Ag电极相同。根据蒸镀条件，“使用超级喷墨装置时，接触电阻有时还会低于蒸镀”（东京大学染谷）。这是因为该装置1个液滴的直径不到1μm，小于16μm左右（2pl时）的普通喷墨装置。东京大学推测，从喷头喷出后，Ag墨水中的有机物立即蒸发，抵达底板时基本仅为Ag微粒子，因此避免了有机半导体表面质量随Ag墨水有机溶剂劣化的问题。

低压驱动的关键，氧化铝膜与SAM膜的双层结构

驱动电压的降低和高开/关比是通过使用氧化铝膜和SAM膜（自组装膜）重叠的栅绝缘膜实现的。该技术为此次的合作开发成员——马普固体研究所于2007年发表的。由于氧化铝膜的厚度为3.6nm，SAM膜为2.1nm，都比较薄。而且氧化铝的相对介电常数也比较高，阈值电压可以降低，因此驱动电压有所下降。

通过组合氧化铝膜和SAM膜，可以提高开/关比。氧化铝膜和SAM膜都含有诱使栅电极发出漏电流（栅极漏电流）的针孔，单独使用氧化铝膜或SAM膜作为栅绝缘膜无法提高开/关比。而将二者重叠，各个膜的针孔可以互相封堵。

仅在希望高速工作的位置进行微细布线，还可应用于大面积电子线路

喷墨装置虽然能够直接描绘布线，但是与利用光刻技术和荫罩技术的布线形成相比，存在吞吐率低的问题。超级喷墨装置也同样存在这一问题。因此，全部利用超级喷墨装置形成大规模电路布线并非上策。特别是对于此次的开发者——东京大学染谷着手的层状大面积电子线路，整体进行微细布线的直接描绘极难实现。

但染谷表示，层状大面积电子线路也完全可以使用超级喷墨装置。只需在希望高速工作的位置使用超级喷墨装置，就可以在不降低吞吐率的情况下，制作高速工作电路。

此次的研究成果得到了作为东京大学平成18年度科学技术振兴调整费尖端融合领域创新创出基地计划之一被采纳的“纳米量子信息电子合作研究基地”项目，以及新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的支持。另外，喷墨技术和Ag墨水分别得到了SIJ Technology和播磨化成的协助。（记者：大久保聪）

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