極薄有機半導体単結晶トランジスタを用いた高速整流素子の開発

• 研究課題/領域番号: 18J12930
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 応用物性
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 山村 祥史 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2018-04-25 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 1,500千円 (直接経費: 1,500千円); 2019年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2018年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
• キーワード: 有機トランジスタ / 遮断周波数 / 接触抵抗 / 単結晶 / 高速動作

研究実績の概要

研究は有機電界効果トランジスタの応答速度を向上させ、920 MHzのUHF帯で通信可能な有機整流素子を実現することを目標としている。昨年度までの成果として、種々のドーパント材料を電極界面のみに選択的に形成する新たなプロセスを開発し、2分子層有機単結晶を活性層に用いた短チャネル素子を作製することで、38 MHzという有機トランジスタとしては最高の遮断周波数の値を達成している。本年度は有機トランジスタの遮断周波数の更なる向上を目指し、コンタクト電極と有機半導体のヘテロ界面のSchottky障壁の制御に取り組んだ。
当該年度において我々は、有機半導体と電極の界面における空乏層形成が有機トランジスタの高速化を達成するうえで大きな障壁となっていることを新たに見出し、デバイス構造をわずかに改良することで短チャネル素子の特性が大きく改善できることを明らかにした。また、ネットワークアナライザおよび高周波用プローブを用いた新たな測定環境を構築し、作製した短チャネル素子の遮断周波数をScattering Parameterから算出したところ、45 MHzという値が得られた。このときの駆動電圧は8 Vであり、昨年度38 MHzの遮断周波数を達成したときのおよそ半分程度の印加電圧にもかかわらず、これを上回る遮断周波数が得られていることは特筆すべき点であり、今回新たに採用した素子構造が有機トランジスタの高速化により適していることを示している。本研究で得られた有機半導体/電極界面におけるSchottky障壁の制御に関する知見は、今後高移動度の有機半導体を用いたトランジスタの開発を進めていくうえで重要な示唆を与えるものであり、有機トランジスタ動作周波数についての新たなベンチマークとなる成果であると考えている。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] SLAC(米国)
• [国際共同研究] Stanford Linear Acceleration Center(米国)
• [雑誌論文] Sub-molecular structural relaxation at a physisorbed interface with monolayer organic single-crystal semiconductors (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamura Akifumi、Fujii Hiromasa、Ogasawara Hirohito、Nordlund Dennis、Takahashi Osamu、Kishi Yuutaro、Ishii Hiroyuki、Kobayashi Nobuhiko、Niitsu Naoyuki、Blulle Balthasar、Okamoto Toshihiro、Wakabayashi Yusuke、Watanabe Shun、Takeya Jun
  • 雑誌名: Communications Physics 巻: 3 号: 1 ページ: 20-20
  • DOI: 10.1038/s42005-020-0285-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High‐Speed Organic Single‐Crystal Transistor Responding to Very High Frequency Band (2020)
  • 著者名/発表者名: Akifumi Yamamura, Takaaki Sakon, Kayo Takahira, Takahiro Wakimoto, Mari Sasaki, Toshihiro Okamoto Shun Watanabe, and Jun Takeya
  • 雑誌名: Advanced Functional Materials 巻: 30 号: 11 ページ: 1909501-1909501
  • DOI: 10.1002/adfm.201909501
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Solution-processed exible metal-oxide thin-lm transistors operating beyond 20MHz (2020)
  • 著者名/発表者名: Xiaozhu Wei, Shohei Kumagai*, Kotaro Tsuzuku, Akifumi Yamamura, Tatsuyuki Makita, Mari Sasaki, Shun Watanabe*, and Jun Takeya
  • 雑誌名: Flexible and Printed Electronics 巻: 5 号: 1 ページ: 015003-015003
  • DOI: 10.1088/2058-8585/ab603b
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Damage-free Metal Electrode Transfer to Monolayer Organic Single Crystalline Thin Films (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Makita, A. Yamamura, J. Tsurumi, S. Kumagai, T. Kurosawa, T. Okamoto, M. Sasaki, S. Watanabe, and J. Takeya
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 10 号: 1 ページ: 4702-4702
  • DOI: 10.1038/s41598-020-61536-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Scalable Fabrication of Organic Single-Crystalline Wafers for Reproducible TFT Arrays (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Kumagai＊, A. Yamamura, T. Makita, J. Tsurumi, Y. Y. Lim, T. Wakimoto, N. Isahaya, H. Nozawa, K. Sato, M. Mitani, T. Okamoto, S. Watanabe＊, and J. Takeya＊
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 15897-15897
  • DOI: 10.1038/s41598-019-50294-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Patterned Quantum Dot Photosensitive FETs for Medium Frequency Optoelectronics (2019)
  • 著者名/発表者名: Shulga Artem G.、Yamamura Akifumi、Tsuzuku Kotaro、Dragoman Ryan M.、Dirin Dmitry N.、Watanabe Shun、Kovalenko Maksym V.、Takeya Jun、Loi Maria A.
  • 雑誌名: Advanced Materials Technologies 巻: 4 号: 9 ページ: 1900054-1900054
  • DOI: 10.1002/admt.201900054
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Remarkably low flicker noise in solution-processed organic single crystal transistors (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Watanabe, H. Sugawaram, R. Hausermann, B. Blulle, A. Yamamura, T. Okamoto, and J. Takeya
  • 雑誌名: Communications Physics 巻: 1 号: 1 ページ: 37-37
  • DOI: 10.1038/s42005-018-0037-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 単分子層有機半導体単結晶の構造変化とキャリア輸送特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山村祥史, 藤井宏昌, 小笠原寛人, Dennis Nordlund, 高橋修, 季子祐太郎, 石井宏幸, 小林伸彦, 新津直幸, 岡本敏宏, 若林裕助, 渡邉峻一郎, 竹谷純一
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ダメージフリーリソグラフィを用いた高速有機単結晶トランジスタ (2019)
  • 著者名/発表者名: 山村祥史, 左近崇晃, 佐々木真理, 渡邉峻一郎, 岡本敏宏, 竹谷純一
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] ダメージフリーリソグラフィを用いた高速有機単結晶トランジスタ (2019)
  • 著者名/発表者名: 山村 祥史、左近 崇晃、佐々木 真理、渡邉 峻一郎、岡本 敏宏、竹谷 純一
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Band-like transport in two-dimensional monolayer organic field-effect transistors (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Yamamura、H. Fujii、B. Bluelle、H. Ogasawara、D. Nordlund、T. Okamoto、Y. Wakabayashi、S. Watanabe、J. Takeya
  • 学会等名: 2018 MRS Spring Meeting and Exhibit
  • 国際学会
• [学会発表] 塗布型有機半導体単分子層単結晶の構造変化とキャリア伝導 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山村祥史、藤井宏昌、小笠原寛人、Dennis Nordlund、高橋修、季子祐太郎、石井宏幸、小林伸彦、新津直幸、Balthasar Blulle、岡本敏宏、若林裕助、渡邉峻一郎、竹谷純一
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [備考] 1,600個以上の超高移動度印刷有機トランジスタアレイ、実用レベルの均一性と信頼性を達成
  • URL: http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry777/
• [備考] 基板に吸着するだけで、100兆個以上の分子の「形状」が一斉に変化
  • URL: http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry814/
• [備考] 世界最速トランジスタを実現 ― 短チャネルと高移動度を両立する微細加工技術を開発 ―
  • URL: http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry819/