2020 Fiscal Year Research-status Report

ポリマーを用いた環境調和型プリンテッドエレクトロニクスの構築

Research Project

Project/Area Number	19K04511
Research Institution	University of Yamanashi
Principal Investigator	小野島紀夫山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (40500195)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	有機トランジスタ / 静電スプレー堆積法 / 低分子/ポリマーブレンド / 自己組織化相分離 / 両極性動作 / 相補型回路
Outline of Annual Research Achievements	我々は，食品添加物に使用されるグリーン溶媒を用いて静電スプレー堆積(Electrostatic Spray Deposition: ESD)という印刷技術により低分子/ポリマーブレンドを成膜し，大面積有機結晶の作製に成功している．また，グリーン溶媒を用いて作製したブレンド溶液をESD法により堆積することで，従来のハロゲン化芳香族溶媒を用いた場合とは異なるメカニズムで低分子/ポリマーの高速相分離が起きることを発見している．さらに，分子レベルで平坦な相分離界面を利用することで，トランジスタ移動度の大幅な向上およびフレキシブルデバイスの作製に成功している．本課題では，グリーン溶媒を用いた環境調和型プリンテッドエレクトロニクスを構築することを目指している．これまでに我々が開発した技術である「グリーン溶媒を用いた高性能ポリマーブレンドトランジスタの作製」および「有機エピタキシーによる低分子半導体結晶のπスタック方向制御」を融合し，ポリマーの化学的性質を利用してIoT素子の作製に向けた革新的な有機半導体技術を開拓することを目的としている． 2020年度の研究実績として「ポリマーブレンドトランジスタの両極性動作」を挙げる．成熟したシリコン半導体のデバイス技術を応用してプリンテッドエレクトロニクスを構築するためには，低消費電力の相補型回路を作製する必要がある．しかし，有機トランジスタのnチャネル動作に重要な最低空分子軌道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital: LUMO)のエネルギー準位は真空準位と近いため，大気中での安定動作を実現することは難しい．この問題に対し，電気的特性に優れた低分子半導体と絶縁性ポリマーをブレンドし，垂直方向相分離により大気に触れずに1ステップの印刷プロセスでチャネルを形成することで，両極性のトランジスタ動作を実現した．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 低分子/ポリマーブレンドの垂直方向相分離により，大気に触れずにチャネルを形成することで両極性動作を実現した．これまで，低分子半導体を上層，ポリマー絶縁膜を下層に垂直方向相分離させて，ボトムゲート・トップコンタクト型トランジスタを作製してきた．しかし，この構造では低分子半導体が大気の影響を受けやすく，経年劣化や不安定なnチャネル動作を引き起こすことがわかった．そこで，低分子半導体を下層，ポリマー絶縁膜を上層に垂直方向相分離させてトップゲート・ボトムコンタクト構造を作製し，デバイス動作の経時変化を防ぐことを次年度の目標とする．一方，昨年度，グリーン溶媒を用いたESD法による保護膜の形成，および静電スプレーによる低分子半導体の選択エッチング技術を開発した．これらを利用して，ボトムゲート・トップコンタクト型トランジスタの安定な両極性動作を実現する．また，ディスペンサ塗布装置で電極配線をパターニングして相補型回路を作製する．その他に得られた成果を以下に述べる： (1)Ph-BTBT-10を用いたポリマーブレンドトランジスタの作製 (2)強誘電体ポリマーを用いた不揮発性メモリの開発 (1)に関して，これまで低分子半導体としてTIPS pentaceneを用いていたが，電気的特性に優れ，TIPS pentaceneとは異なる結晶構造をもつPh-BTBT-10を絶縁性ポリマーとブレンドして，大面積かつ高均一な薄膜の作製に成功した．さらに，TIPS pentaceneと同様の垂直方向相分離により，Ph-BTBT-10の大面積結晶を得ることができ，高性能なポリマーブレンドトランジスタを作製した． (2)に関して，ポリフッ化ビニリデン系強誘電体バッファ層上に低分子/ポリマーブレンドを成膜し，MFIS型の有機強誘電体メモリを作製した．その結果，分極反転に起因する反時計回りのヒステリシスループを確認できた．
Strategy for Future Research Activity	ポリマーブレンドトランジスタの安定な両極性動作を実現し，ディスペンサ塗布装置で電極配線をパターニングしてNOTゲートやNANDゲートなど相補型の論理回路やフリップフロップのようなレジスタを作製する．また，有機不揮発性メモリの開発を行う．IoT社会に向けて，待機電力が不要な不揮発性ロジック回路の実現は重要である．今年度の研究において，ポリフッ化ビニリデン系強誘電体バッファ層上に低分子/ポリマーブレンドを成膜し，MFIS型の有機強誘電体メモリを作製した．その結果，分極反転に起因する反時計回りのヒステリシスループを確認できた．さらなる性能向上に向けて，デバイス構造の検討や非破壊読み出し特性や記憶保持特性などの評価を行う必要がある．最近，低分子半導体(TIPS pentacene)と強誘電体ポリマーをブレンドしてグリーン溶媒を用いたESD法により堆積した結果，大面積かつ高均一な薄膜の作製に成功した．今後，相分離界面のモフォロジーや電気的特性を調べ，不揮発性メモリ特性を明らかにする．また，次年度の研究では，エレクトロクロミック特性を有するポリマーを用いた抵抗変化型メモリの開発に取り組む．抵抗変化型メモリでは，エレクトロクロミズムと同様，電気化学的な酸化/還元反応を利用するため，強誘電体メモリと動作原理が異なり，より低電圧駆動の不揮発性メモリを実現できる可能性がある．現在，新型コロナウイルスの感染拡大によって，非接触で人やモノを検知するセンサや無線情報タグが注目されている．また，環境負荷の小さいグリーン溶媒を用いたプリンテッドエレクトロニクスの構築は，未来世代を思いやる持続可能な研究開発(Sustainable Development Goals: SDGs)の社会的要請から期待されている．最終年度では，このような地球規模での課題解決に向けた研究に取り組みたい．