ニュース

高分子半導体においてバンド伝導を実現 ‐従来の理論限界を打破‐

発表者

松井弘之(東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 助教)
竹谷純一(東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 教授)
山下侑(東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 修士課程大学院生)

 

発表のポイント

◆高分子半導体(注1)において、電子が広がった波として振る舞うバンド伝導(注2)を初めて実現しました。
◆これは、従来の高分子半導体の性能の理論的な限界(数cm2/Vs)を超えられる可能性を示す結果です。
◆更なる高移動度材料の開発を加速することにより、印刷による低コスト・低環境負荷で製造可能な電子デバイスへの応用が期待されます。

発表概要

 高分子半導体(注1)はインクジェット法などの印刷プロセスによる電子回路の作製に利用できることから、超低コスト・低環境負荷での電子デバイス製造が可能であると期待されています。しかしながら、従来の高分子半導体の電気特性はいずれも電子が局在したホッピング伝導(注3)を示すものであったため、高分子半導体の移動度(注4)はせいぜい数cm2/Vs(平方センチメートル毎ボルト秒)程度に留まるとの考えが根付いていました。
 そのような中、東京大学大学院新領域創成科学研究科の松井弘之助教らは、高分子鎖の方向を整列させる新規製膜プロセスと高性能なドナーアクセプター型高分子半導体(注5)の利用により、電子が広がった波として振る舞うバンド伝導(注2)の実現に成功しました(図1)。バンド伝導性の確認は移動度の温度依存性やホール効果(注6)の測定によって行われました。
 これらの結果は高分子半導体の性能の理論的な限界を大きく引き上げるものであり、更なる高移動度化によって高分子半導体を用いた無線通信タグやウェアラブルコンピュータなどへの応用可能性が期待されます。

発表内容

 シリコンを中心とした現代の半導体産業はその微細集積化技術と高速演算性能を生かしこれまでの情報化社会に貢献してきました。しかしながら、それらの技術が限界に近づきつつある現在、半導体産業は新たな方向性へとパラダイムシフトを求められています。その一つがプリンタブルエレクトロニクスと呼ばれる印刷で作る電子デバイスです。そこでは赤・黄・青のようなカラーインクの代わりに金属・半導体・絶縁体からなる電子機能性インクを使用し、それらを印刷することによって電子回路を形成します。従来の真空・高温プロセスを多用した製造ラインと比べ、印刷プロセスを用いた製造ラインでは電子デバイス製造時のコストや環境負荷を大幅に低減することができ、更にはプラスチックフィルム上に印刷することで薄くて軽くて曲げられる電子デバイスを実現することも可能となります。このようなプリンタブルエレクトロニクスは、例えば紙のように薄いディスプレイやバーコードにとって代わる超低コスト無線タグなどへの応用が期待されています。
 インク化が可能な半導体材料としては高分子半導体、低分子半導体、酸化物半導体が知られていますが、中でも高分子半導体は印刷技術に最も適した半導体材料です。一方で、性能面においてはこれまで低分子半導体や酸化物半導体に劣るとされてきました。その理由として、一般に高分子半導体においては構造の欠陥や乱れが多く、これまでには専ら電子が局在したホッピング伝導を示す電気特性しか得られていなかったことが挙げられます。そのために、高分子半導体の移動度はせいぜい数cm2/Vs程度に留まると考えられてきました。
 そのような中、東京大学大学院新領域創成科学研究科の松井助教らは、ドナーアクセプター型高分子半導体を用いてトランジスタ素子を作製し、そのホール効果を測定することにより、高分子半導体において電子が広がった波として振る舞うバンド伝導の実現に初めて成功しました。
 松井助教らはまずシクロペンタジチオフェン‐ベンゾチアジアゾールコポリマー(CDT-BTZ、図2)を有機溶媒に溶解させてインクとし、それをイオン液体上に展開した後にガラスブレードで一方向に圧縮することにより、高分子鎖の方向が整列した半導体薄膜を得ました(図3)。この薄膜を用いて電界効果トランジスタを作製し、超伝導磁石を備えた装置によってホール効果を測定しました(図4)。その結果、磁場の変化と同期した明瞭なホール電圧の観測に成功し、その大きさはバンド伝導の理論と良く一致しました(図5)。加えて、温度の低下とともに移動度が上昇するというバンド伝導特有の現象も観測され、確かにバンド伝導であることが裏付けられました。
 このようなバンド伝導の実現は、高分子半導体における従来の移動度の理論的な限界を大きく引き上げる結果であり、更なる高移動度化が可能であることを示唆しています。今後、十~数十cm2/Vs程度の高分子半導体材料が開発されることにより、高分子半導体を用いた無線通信タグやウェアラブルコンピュータなどへの応用が期待されます。

 

発表雑誌

雑誌名:Advanced Materials
論文タイトル:Transition between band and hopping transport in polymer field-effect transistors
著者:Yu Yamashita, Junto Tsurumi, Felix Hinkel, Yugo Okada, Junshi Soeda, Wojciech Zajączkowski, Martin Baumgarten, Wojciech Pisula, Hiroyuki Matsui*, Klaus Müllen, and Jun Takeya*

DOI番号:10.1002/adma.201403767

アブストラクトURL:http://dx.doi.org/10.1002/adma.201403767

 

問い合わせ先

東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 助教
松井弘之 (まつい ひろゆき)
TEL: 04-7136-3763   FAX: 04-7136-3790
MAIL: h-matsui@k.u-tokyo.ac.jp

 

用語解説

(注1)高分子半導体:ベンゼン環などの分子ユニットが繰返し結合することによって形成される分子量の大きな有機半導体材料。

(注2)バンド伝導:電子が結晶中を広がった波として伝搬する電気伝導機構。

(注3)ホッピング伝導:電子が各分子や原子に局在し、その局在状態を飛び移りながら移動する電気伝導機構。

(注4)移動度:電場によって電子が動くときの動きやすさ。材料の移動度が高いほど、より高速な情報処理や高周波無線通信が可能となる。

(注5)ドナーアクセプター型高分子:電子を与えやすいドナー分子と電子を受け取りやすいアクセプター分子が交互に結合してできる高分子材料。移動度が高く、バンドギャップの小さな材料が多いことから、近年盛んに研究されている。

(注6)ホール効果:半導体に磁場を加えた状態で電流を流すと、ローレンツ力によって電流と垂直に電圧が発生する現象。この電圧の大きさを測定することによって、電子の伝導機構を調べることができる。

 

添付資料

図1. 従来の高分子半導体(ホッピング伝導)と本研究の高分子半導体(バンド伝導)

 

図2. シクロペンタジチオフェン‐ベンゾチアジアゾールコポリマー (CDT-BTZ)の分子構造

 

図3. 圧縮による高分子鎖の整列

 

図4. 実験に用いた高分子半導体トランジスタと測定回路図

 

図5. 得られたホール効果を測定した結果