東京工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)液晶性高性能有機(jī)晶體管材料

近日，東京工業(yè)大學(xué)影像信息工程研究所的半那純一教授和飯野裕明助教等人組成的研究團(tuán)隊(duì)成功地開(kāi)發(fā)出一種高性能液晶性有機(jī)晶體管材料(Ph-BTBT-10)(注1)。該材料的開(kāi)發(fā)可以說(shuō)是實(shí)現(xiàn)有機(jī)薄膜晶體管開(kāi)發(fā)的重要的一步，將來(lái)作為被期待能夠付諸實(shí)際應(yīng)用的印刷電子工藝(注2)的半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)技術(shù)受到了人們的關(guān)注。

研究團(tuán)隊(duì)根據(jù) “如何搖晃結(jié)晶，使其顯現(xiàn)出保持高度有序排列的近晶型液晶相”這一思路首先開(kāi)發(fā)了分子設(shè)計(jì)方案，然后根據(jù)分子設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)了Ph-BTBT-10。

使用這種材料的溶液，在液晶相溫度下制作出均勻、平整的液晶薄膜。然后將其冷卻至室溫，制作成結(jié)晶薄膜后發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)晶薄膜繼續(xù)保持著高平坦度。進(jìn)一步將制成的結(jié)晶薄膜經(jīng)過(guò)5分鐘左右120°C的高溫處理后，還發(fā)現(xiàn)了其遷移率(注3)提高約一位數(shù)。

為了驗(yàn)證此種材料是否可用作晶體管材料，研究人員在5塊基板上形成多結(jié)晶薄膜，利用此薄膜制作了底門(mén)底接觸型薄膜晶體管(注4)。經(jīng)觀察，其遷移率不亞于容易實(shí)現(xiàn)高遷移率的底門(mén)頂接觸型薄膜晶體管(注5)，顯示了超過(guò)相當(dāng)于氧化物半導(dǎo)體(IGZO)的10cm2/Vs的高遷移率，同時(shí)還具備高耐熱性。

用于有機(jī)晶體管的有機(jī)半導(dǎo)體材料大致分為低分子型和高分子型。低分子半導(dǎo)體材料易于精加工，容易得到高質(zhì)量的晶體，但耐熱性低，難以獲得高平坦度的結(jié)晶薄膜。而高分子半導(dǎo)體材料結(jié)晶性低，必須經(jīng)過(guò)超過(guò)200°C的高溫處理才能得到高遷移率的薄膜。而這次新發(fā)現(xiàn)則解決了低分子材料的缺陷。

研究團(tuán)隊(duì)表示：“今后，兼?zhèn)鋵?shí)用性的有機(jī)晶體管材料以及印刷電子技術(shù)的開(kāi)發(fā)如果取得進(jìn)展，使用液晶性有機(jī)半導(dǎo)體材料，生產(chǎn)低價(jià)、薄型、輕量、具有柔韌性的液晶電視以及有機(jī)EL顯示器也并非夢(mèng)想。”

(注1) Ph-BTBT-10的化學(xué)構(gòu)造

(注2)印刷電子工藝

以前在基板上利用CVD法或真空鍍膜法形成真空，為半導(dǎo)體、絕緣膜、電極等鍍膜，然后利用抗蝕劑形成圖案來(lái)制作電子元件?，F(xiàn)在代替這種制作程序，利用能同時(shí)進(jìn)行鍍膜和制作圖案的印刷技術(shù)來(lái)形成半導(dǎo)體、絕緣膜、電極等。而具備這樣的特征的電子工藝叫做印刷電子工藝。人們期待該工藝不僅能降低設(shè)備的制造成本，還能提高電子元件的生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。

(注3)遷移率

遷移率是表示電荷在物質(zhì)之間移動(dòng)時(shí)的移動(dòng)性的一個(gè)尺度，即每單位電場(chǎng)(1V/cm=每厘米1伏特)的電荷(電子或者空穴)的移動(dòng)速度(1cm/s=毎秒1cm)，所以單位用cm2/Vs表示。遷移率是衡量半導(dǎo)體材料電氣特性優(yōu)劣的指標(biāo)。

(注4)底門(mén)底接觸型薄膜晶體管

是電場(chǎng)效應(yīng)薄膜晶體管的元件結(jié)構(gòu)的一種。如圖所示，是一種在底門(mén)絕緣膜上配置源極電極和漏極電極，再在上面配置半導(dǎo)體層的晶體管。因?yàn)樵闹谱鬏^為容易，使用溶液沉積工藝形成源極和漏極時(shí)，可以有效預(yù)防有機(jī)半導(dǎo)體層的損害，被應(yīng)用于制作有機(jī)半導(dǎo)體實(shí)用元件。

(注5)底門(mén)頂接觸型薄膜晶體管

是電場(chǎng)效應(yīng)薄膜晶體管的元件結(jié)構(gòu)的一種。如圖所示，是一種在底門(mén)絕緣膜上配置半導(dǎo)體層，再在上面配置源極電極和漏極電極的晶體管。因?yàn)樵谟袡C(jī)半導(dǎo)體上面通過(guò)真空鍍膜的方法形成金屬電極，有機(jī)半導(dǎo)體層和電極材料的電接觸普遍良好，與底接觸型元件相比，更容易實(shí)現(xiàn)高遷移度。