日本開發出厚度僅約10nm的超薄×大面積有機半導體

東京大學研究生院工學系研究科物理工學專業的講師荒井俊人與產業技術綜合研究所柔性電子研究中心的綜合研究主任等合作，共同開發出了利用簡單的塗布法製作超薄×大面積×高性能有機半導體器件的技術，分子能在手掌大小（10cm×10cm）的整個面積上有序排列，而且厚度僅2個有機分子（約10nm）厚。

圖1：超薄半導體的分子結構和制膜方法概念圖

（1）採用的棒狀有機半導體分子的分子結構（上為短鏈分子，下為長鏈分子，環狀部分為π電子骨架）；（2）分子按同一方向呈之字形有序排列（從分子軸方向看為堆積結構）；（3）單層雙分子膜的（側視圖）概念圖；（4）刮刀塗布法的概念圖（左）和溶劑從刀尖蒸發，獲得的單層雙分子膜（右）。

該研究在具有半導體性能的π電子骨架中加入了有6～14個碳原子的烷基鏈分子（圖1（1））。這些不對稱的棒狀分子會自主形成雙分子膜結構。此時，如果在π電子骨架保持不變的情況下，利用少量混合了長度較長的烷基鏈分子的溶液成膜，那麼隨著π電子骨架之間的重合，形成雙分子膜的分子橫向連接會自組織化，同時由於烷基鏈的長度各不相同，組織膜的表面會形成微小的凹凸。由於存在這種凹凸的存在，雙分子膜無法與其他雙分子膜層疊，從而抑制了多層化，可獲得單層雙分子膜（圖1（3））。

研究人員通過刮刀塗布法，利用上述分子混合溶液（0.1重量％）在表層有氧化膜（膜厚100nm）的硅晶圓（6英寸）上進行塗布制膜（圖1（4）），在晶圓整面（面積為100cm2）獲得了厚度為分子級的均勻薄膜（圖2）。用原子力顯微鏡觀測發現，獲得了4.4nm膜厚相當於雙分子膜單層厚度的極薄半導體（圖2右）。這是把碳原子數為6個的烷基鏈和碳原子數為10個的烷基鏈按照9:1的比例混合製成溶液，然後形成薄膜後獲得的結果。

圖2：在硅晶圓上形成的超薄半導體

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  左：在6英寸晶圓上成膜的超薄×大面積半導體（晶圓中央縱向延展的深色部分）



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  右：薄膜邊緣的原子力顯微鏡圖像（左下），紅線為沿著白線測量的膜厚

文 客觀日本編輯部

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