Development of high-precision threshold voltage control technology for organic thin-film transistors

• Project/Area Number: 22K18975
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 植村 隆文 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (30448097)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: フレキシブルセンサ / 有機トランジスタ / しきい値電圧制御 / フレキシブルエレクトロニクス / 相補型回路技術

Outline of Research at the Start

本研究では、フレキシブル有機電子回路における高精度の特性制御技術を確立し、次世代センサ回路技術に求められる「高精度アナログ信号処理」と「超低消費電力駆動」を両立する事を目的としている。具体的な研究方法としては、独自に開発した光制御によって同一基板上のp/nトランジスタを高精度に制御する「しきい値電圧制御技術」を応用することによって研究目的を達成する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、フレキシブル有機電子回路における高精度の特性制御技術を確立し、次世代センサ技術に求められる高精度アナログ信号処理と超低消費電力駆動を両立する事を目的として研究を実施した。
初年度は、紫外光照射によって分子構造が変化する塗布型・光応答性高分子薄膜をトランジスタの絶縁層として活用し、フレキシブル有機トランジスタのしきい値電圧を「0.1 Vレベルの高い精度」で任意に制御する技術の開発を行い、n型の有機トランジスタにおいて、0.1 Vレベルでのしきい値電圧制御を実現した。実際にその有用性を実証するために研究提案にも掲げた「サブスレッショルド領域スイッチングによるnW級・超低消費電力回路駆動」を実証するための回路設計、試作と評価までを行った。その結果、サブスレッショルド領域スイッチングを実現したpWレベルの超低消費電力CMOSインバーターの作製に成功している。以上の成果をもって、今年度の研究実績として、ACS Applied Electronic Materials（IF：4.494（2021））に報告を行った（掲載済み）。
最終年度の2023年度には、この光照射による閾値電圧制御技術を有機トランジスタにおける金属半導体接合部の絶縁膜部分にも適応することにより、その接触抵抗を69％にまで低減できることを見出した。トランジスタの物性パラメータである閾値電圧の制御だけではなく、有機トランジスタの短チャネル化、ひいては高速動作にも本技術が有効であることが示された。本研究の成果は、ACS Applied Electronic Materials（IF：4.7（2022））に掲載された。

Research Products

• [Int'l Joint Research] JOANNEUM RESEARCH(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] JOANNEUM RESEARCH(オーストリア)
• [Journal Article] Mid-Infrared Photothermal Imaging of Photochemically Patterned Polymer Gate Dielectrics for Organic Thin-Film Transistors (2024)
  • Author(s): Kato Ryo、Taguchi Koki、Uemura Takafumi、Yano Taka-aki、Petritz Andreas、Stadlober Barbara、Sekitani Tsuyoshi、Tanaka Takuo
  • Journal Title: ACS Applied Electronic Materials Volume: 6 Issue: 4 Pages: 2584-2593
  • DOI: 10.1021/acsaelm.4c00161
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ultraflexible Wireless Imager Integrated with Organic Circuits for Broadband Infrared Thermal Analysis (2024)
  • Author(s): Rei Kawabata, Kou Li, Teppei Araki, Mihoko Akiyama, Kaho Sugimachi, Nozomi Matsuoka, Norika Takahashi, Daiki Sakai, Yuto Matsuzaki, Ryo Koshimizu, Minami Yamamoto, Leo Takai, Ryoga Odawara, Takaaki Abe, Shintaro Izumi, Naoko Kurihira, Takafumi Uemura, Yukio Kawano, Tsuyoshi Sekitani
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: 36 Issue: 15 Pages: 2309864-2309864
  • DOI: 10.1002/adma.202309864
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ultraflexible Organic Active Matrix Sensor Sheet for Tactile and Biosignal Monitoring (2023)
  • Author(s): Karner‐Petritz Esther、Petritz Andreas、Uemura Takafumi、Namba Naoko、Araki Teppei、Sekitani Tsuyoshi、Stadlober Barbara
  • Journal Title: Advanced Electronic Materials Volume: 9 Issue: 9 Pages: 2201333-2201333
  • DOI: 10.1002/aelm.202201333
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Biosignal Amplifiers Based on Low‐Noise Organic Transistors with Printed Electrodes (2023)
  • Author(s): Kimura Tomoharu、Uemura Takafumi、Shibafuji Yayoi、Suyama Takeshi、Ueno Hiroyuki、Sekitani Tsuyoshi
  • Journal Title: Advanced Electronic Materials Volume: 9 Issue: 9 Pages: 2201279-2201279
  • DOI: 10.1002/aelm.202201279
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Broadband Photodetectors and Imagers in Stretchable Electronics Packaging (2023)
  • Author(s): Araki Teppei、Li Kou、Suzuki Daichi、Abe Takaaki、Kawabata Rei、Uemura Takafumi、Izumi Shintaro、Tsuruta Shuichi、Terasaki Nao、Kawano Yukio、Sekitani Tsuyoshi
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: - Issue: 20 Pages: 2304048-2304048
  • DOI: 10.1002/adma.202304048
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Carrier-Type Switching with Gas Detection Using a Low-Impedance Hybrid Sensor of 2D Graphene Layer and MoOx Nanorod 3D Network (2023)
  • Author(s): Sugahara Tohru、Hirose Yukiko、Nakamura Jun-ichi、Ono Takao、Uemura Takafumi、Karakawa Makoto、Itoh Toshio、Shin Woosuck、Yang Yang、Harada Nobuyuki、Suganuma Katsuaki
  • Journal Title: ACS Applied Engineering Materials Volume: 1 Issue: 4 Pages: 1086-1092
  • DOI: 10.1021/acsaenm.2c00178
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Stretchable printed circuit board integrated with Ag-nanowire-based electrodes and organic transistors toward imperceptible electrophysiological sensing (2022)
  • Author(s): Kawabata Rei、Araki Teppei、Akiyama Mihoko、Uemura Takafumi、Wu Tianxu、Koga Hirotaka、Okabe Yusuke、Noda Yuki、Tsuruta Shuichi、Izumi Shintaro、Nogi Masaya、Suganuma Katsuaki、Sekitani Tsuyoshi
  • Journal Title: Flexible and Printed Electronics Volume: 7 Issue: 4 Pages: 044002-044002
  • DOI: 10.1088/2058-8585/ac968c
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fine-Tuning the Performance of Ultraflexible Organic Complementary Circuits on a Single Substrate via a Nanoscale Interfacial Photochemical Reaction (2022)
  • Author(s): Taguchi Koki、Uemura Takafumi、Petritz Andreas、Namba Naoko、Akiyama Mihoko、Sugiyama Masahiro、Araki Teppei、Stadlober Barbara、Sekitani Tsuyoshi
  • Journal Title: ACS Applied Electronic Materials Volume: 4 Issue: 12 Pages: 6308-6321
  • DOI: 10.1021/acsaelm.2c01444
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fully Transparent, Ultrathin Flexible Organic Electrochemical Transistors with Additive Integration for Bioelectronic Applications (2022)
  • Author(s): Takemoto Ashuya、Araki Teppei、Nishimura Kazuya、Akiyama Mihoko、Uemura Takafumi、Kiriyama Kazuki、Koot Johan M.、Kasai Yuko、Kurihira Naoko、Osaki Shuto、Wakida Shin‐ichi、den Toonder Jaap M.J.、Sekitani Tsuyoshi
  • Journal Title: Advanced Science Volume: 10 Issue: 2 Pages: 2204746-2204746
  • DOI: 10.1002/advs.202204746
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Skin‐Like Transparent Sensor Sheet for Remote Healthcare Using Electroencephalography and Photoplethysmography (2022)
  • Author(s): Araki Teppei、Yoshimoto Shusuke、Uemura Takafumi、Miyazaki Aiko、Kurihira Naoko、Kasai Yuko、Harada Yoshiko、Nezu Toshikazu、Iida Hirokazu、Sandbrook Junko、Izumi Shintaro、Sekitani Tsuyoshi
  • Journal Title: Advanced Materials Technologies Volume: 7 Issue: 11 Pages: 2200362-2200362
  • DOI: 10.1002/admt.202200362
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] フレキシブルエレクトロニクスを活用した生体計測システムの研究開発と将来展望 (2024)
  • Author(s): 植村隆文, 関谷毅
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Ultraflexible Low-Noise Organic Circuits for Wearable Sensors (2023)
  • Author(s): Takafumi Uemura
  • Organizer: 12th imec Handai International Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ultraflexible Low-Noise Organic Circuits for Wearable Soft Sensors (2023)
  • Author(s): Takafumi Uemura
  • Organizer: 7th International Conference on Advanced Electromaterials (ICAE 2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ultraflexible Active-Matrix Sensor System and Low-Noise Circuits for Biosignal Monitoring (2023)
  • Author(s): Takafumi Uemura
  • Organizer: The 23rd International Meeting on Information Display (IMID2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 超軽量・超薄型の生体センシングデバイスの研究開発 (2023)
  • Author(s): 植村隆文
  • Organizer: フレキシブルエネルギーデバイスコンソーシアム, 2023年度 第3回講演会
  • Invited
• [Presentation] ウェアラブルバイオセンシングデバイスのためのフレキシブル信号処理回路 (2023)
  • Author(s): 植村隆文
  • Organizer: 第33回 日本MRS年次大会
  • Invited
• [Presentation] Environmentally Friendly Flexible-Sensor System with Organic Thin-Film Transistors (2023)
  • Author(s): Mihoko AKIYAMA, Takafumi UEMURA, Teppei ARAKI, Shusuke YOSHIMOTO, Naoko NAMBA, Yuko KASAI, Toshikazu NEZU, and Tsuyoshi SEKITANI
  • Organizer: The 26th SANKEN International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thin-Film Organic Amplifiers for Stretchable Light Sensor Sheet (2023)
  • Author(s): Rei KAWABATA, Teppei ARAKI, Mihoko AKIYAMA, Kou LI, Norika TAKAHASHI, Naoko KURIHIRA, Takafumi UEMURA, Yukio KAWANO, and Tsuyoshi SEKITANI
  • Organizer: The 26th SANKEN International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Organic Electrochemical Devices with Sub-1V Operation for Electrophysiological Monitoring (2023)
  • Author(s): Shohya MATSUDA, Teppei ARAKI, Kazuki KIRIYAMA, Mihoko AKIYAMA, Takafumi UEMURA, Naoko KURIHIRA, Yumi HIROSE, and Tsuyoshi SEKITANI
  • Organizer: The 26th SANKEN International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] フレキシブルエレクトロニクスによる微小信号計測IoTプラットフォームの構築 (2023)
  • Author(s): 住野稜太, 植村隆文, 荒木徹平, 関谷毅
  • Organizer: 令和4年度ライフォミクス融合研究推進グラント報告会
• [Presentation] ウェアラブル汗センサ実現に向けたNa,Kイオン選択電極の構築 (2023)
  • Author(s): 碇本修佑, 植村隆文, 脇田慎一, 井波敬, 秋山実邦子, 箕嶋朋子, 原友輝, 住野稜太, 笠井夕子, 荒木徹平, 関谷毅
  • Organizer: 令和4年度ライフォミクス融合研究推進グラント報告会
• [Presentation] Ultraflexible Organic Circuits for Low Noise Wearable Sensors (2022)
  • Author(s): Takafumi Uemura and Tsuyoshi Sekitani
  • Organizer: 12th International Conference on Flexible and Printed Electronics (ICFPE2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Stretchable Printed Circuit Board and Organic Circuit for Ultra-Flexible Biosignal Sensor (2022)
  • Author(s): Rei Kawabata, Teppei Araki, Mihoko Akiyama, Tianxu Wu, Yusuke Okabe, Hirotaka Koga, Takafumi Uemura, Masaya Nogi, Katsuaki Suganuma, and Tsuyoshi Sekitani
  • Organizer: 2022 MRS Fall Meeting & Exhibit
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultra-Stretchable and Transparent Biocompatible Electrodes Toward Remote Acquisition of Multimodal Physiological Signals (2022)
  • Author(s): Teppei Araki, Shusuke Yoshimoto, Takafumi Uemura, Naoko Kurihira, Yuko Kasai, Toshikazu Nezu, Hirokazu Iida, Junko Sandbrook, Shintaro Izumi, and Tsuyoshi Sekitani
  • Organizer: 2022 MRS Spring Meeting & Exhibit
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photopatternable Control of Threshold Voltage in Organic Transistors for Complementary Ultraflexible Circuits (2022)
  • Author(s): Koki Taguchi, Takafumi Uemura, Andreas Petritz, Naoko Namba, Teppei Araki, Masahiro Sugiyama, Barbala Stadlober, and Tsuyoshi Sekitani
  • Organizer: 2022 MRS Spring Meeting & Exhibit
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultraflexible and Bio Conformable Organic Circuits for Healthcare Applications (2022)
  • Author(s): Takafumi Uemura, Naoko Namba, Masahiro Sugiyama, Koki Taguchi, Mihoko Akiyama, Teppei Araki, and Tsuyoshi Sekitani
  • Organizer: 2022 MRS Spring Meeting & Exhibit
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Imperceptible Strain Sensors Based on Ultraflexible Or Stretchable Ferroelectric Polymer Transducers (2022)
  • Author(s): Barbara Stadlober, Andreas Petritz, Philipp Schaffner, Krzysztof Krawzcyk, Esther Karner-Petritz, Jonas Groten, Markus Selig, Manfred Adler, Takafumi Uemura, Teppei Araki, Tsuyoshi Sekitani, Sandra Schlogl,Inge Muhlbacher
  • Organizer: 2022 MRS Spring Meeting & Exhibit
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] フレキシブルエレクトロニクスの研究開発とシート型 IoT センサへの応用 (2022)
  • Author(s): 植村隆文
  • Organizer: センサ＆ IoT コンソーシアムセミナー
  • Invited
• [Presentation] 超柔軟な生体電位センサ創出にむけたストレッチャブル配線板の開発 (2022)
  • Author(s): 川端玲, 荒木徹平, 秋山実邦子, 呉天旭, 岡部祐輔, 古賀大尚, 植村隆文, 能木雅也, 菅沼克昭, 関谷毅
  • Organizer: 第32回マイクロエレクトロニクスシンポジウム
• [Presentation] フレキシブル有機回路のセンサー実装に向けて (2022)
  • Author(s): 田口剛輝, 植村隆文, Andreas Petritz, 難波直子, 秋山実邦子, 杉山真弘, 荒木徹平, Barbala Stadlober, 関谷毅
  • Organizer: 2022年度第1回大阪大学JSAP学生チャプター講演会
• [Presentation] 単一基板内フレキシブル有機相補型回路の性能変調:光化学反応を利用した有機薄膜トランジスタの開発 (2022)
  • Author(s): 田口剛輝, 植村隆文, Andreas Petritz, 難波直子, 秋山実邦子, 杉山真弘, 荒木徹平, Barbala Stadlober, 関谷毅
  • Organizer: 第17回有機デバイス・物性院生研究会
• [Presentation] ウェアラブル生体信号計測に向けた伸縮配線・回路の開発と評価 (2022)
  • Author(s): 坂東勇希，植村隆文，難波直子，井上由美，荒木徹平，関谷毅
  • Organizer: 第20回 産総研・産技連LS-BT合同研究発表会
• [Presentation] ウェアラブル汗センサ実現に向けたNa, Kイオン選択電極の構築 (2022)
  • Author(s): 原友輝, 植村隆文, 脇田慎一, 井波敬, 秋山実邦子, 箕嶋朋子, 住野稜太, 笠井夕子, 荒木徹平, 関谷毅
  • Organizer: 2022年度第一回大阪大学JSAP学生チャプター講演会
• [Presentation] 運動時の汗中電解質を連続計測するウェアラブルイオンセンサの開発 (2022)
  • Author(s): 原友輝, 植村隆文, 脇田慎一, 井波敬, 秋山実邦子, 箕嶋朋子, 住野稜太, 笠井夕子, 荒木徹平, 関谷毅
  • Organizer: 産業科学研究所第78回学術講演会・第7回ホームカミングデイ
• [Presentation] フレキシブル光センサにむけた有機増幅回路の周波数特性とノイズの評価 (2022)
  • Author(s): 川端玲, 荒木徹平, 秋山実邦子, 栗平 直子, 植村隆文, 関谷毅
  • Organizer: 2022年度第一回大阪大学JSAP学生チャプター講演会
• [Book] フレキシブルエレクトロニクスを開拓するシート型センサ (2023)
  • Author(s): 荒木徹平, 植村隆文, 関谷毅
  • Total Pages: 6
  • Publisher: 設計工学, 日本設計工学会
• [Book] 第3章・第2節・生体情報計測向け自己発電・蓄電機能付きシート型センサの開発, スマートヘルスケア：生体情報の計測・評価・活用とウェアラブルデバイスの開発・製品事例 (2023)
  • Author(s): 植村 隆文, Andreas Petritz, Esther Karner-Petritz, Philipp Schaffner, 荒木 徹平, Barbara Stadlober, 関谷 毅
  • Total Pages: 9
  • Publisher: 株式会社 エヌ・ティー・エス
• [Book] 柔軟・透明な導電性材料の開発と生体信号計測センサシートへの応用 (2022)
  • Author(s): 荒木徹平, 植村隆文, 関谷毅
  • Total Pages: 10
  • Publisher: CMC出版