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1Vで動作する高性能薄膜トランジスタを印刷のみで作製 ~「低温焼結塗布型シリカ」による多層印刷を確立~

 国立研究開発法人 物質・材料研究機構(NIMS),株式会社C-INK,株式会社プリウェイズは2021年5月27日,NIMSの機能性材料拠点プリンテッドエレクトロニクスグループの三成剛生グループリーダーら,鄭州大学 の刘旭影教授,中国科学院の趙建文教授,株式会社C-INKの金原正幸代表取締役社長,株式会社プリウェイズ(代表:川島勇人)らの研究グループが新規開発の低温焼結塗布型シリカ(LCSS)を絶縁層とし,高性能な印刷薄膜トランジスタ(TFT)と,素子をつなぐ3次元印刷配線の形成をすべて印刷で作製し,TFT素子は,1V以下の動作電圧で移動度70cm2 V-1 s-1という世界最高レベルの特性を実現したことを発表した.本研究はNIMSセンサ・アクチュエータ研究開発プロジェクトの一環として行われ,また,科研費基盤研究(B)の支援を受けた.本研究成果は独科学誌Small Methodsに掲載された(注1).

 「プリンテッドエレクトロニクス」は従来の半導体集積回路製造技術に比べて簡便・低コストであり, フレキシブル化も容易なため,次世代の製造技術として注目されている.印刷技術で電子回路を形成するための問題は,①薄膜トランジスタ(TFT)のすべての層を印刷で形成することが難しく,素子の性能が低いことと,②素子間をつなぐ多層配線を含む多層の印刷を正確に行う技術が要求されることである.

 今回,研究チームは,プリンテッドエレクトロニクス向け層間絶縁材料として新規開発した,塗布プロセスによる成膜が可能で,90℃で焼結できる低温焼結塗布型シリカ(LCSS: Low-temperature Catalyzed Solution-processed SiO2)を,多層配線用絶縁膜,TFTのゲート酸化膜に用いた.LCSSは焼結温度が低いので,ガラスやシリコンウェハの他,プラスチックフィルムやセルロースナノペーパーの表面にまで絶縁層を形成可能である.

 多層配線層形成には,NIMS開発の微細印刷技術「2元表面アーキテクトニクス」(注2;プレスリリース)を適用した.サブミクロンスケールの任意の領域を選択的に極性化し,金属ナノ粒子の選択吸着により 微細な電子配線を形成する印刷技術であり,線幅6μmの微細化が可能である.層間の電気的接続はビアホールによって行う.TFTは,プラスチック等の基板上にゲート金電極,LCSSゲート絶縁膜,ソース/ドレーン金電極,高純度カーボンナノチューブによる半導体層を積層した構造で,これら全ての層を印刷・溶液プロセスで形成した,ドレーン電圧0.2Vでゲート電圧0.4Vを印加すると4μAの電流が流れ,オンオフ比107が得られた. TFT素子としては,これまでで最高の移動度(~70cmV-1 s-1)と低電圧駆動(1V)を実現した.

 本成果は,電子ペーパやフレキシブルディスプレイへの応用も期待され,モバイル式バッテリーでも無理なく駆動が可能となる.

(注1)Qingqing Sun, Tianqi Gao, Xiaomeng Li, Wanli Li, Xiaoqian Li, Kenji Sakamoto, Yong Wang, Lingying Li, Masayuki Kanehara, Chuan Liu, Xinchang Pang, Xuying Liu, Jianwen Zhao, and Takeo Minari, "Layer-By-Layer Printing Strategy for High-Performance Flexible Electronic Devices with Low-Temperature Catalyzed Solution-Processed SiO2", Small Methods, Early View, DOI: 10.1002/smtd.202100263; First published: 21 May 2021

(注2)https://www.nims.go.jp/news/press/2021/05/202105270.html