東京大学、産業技術総合研究所（産総研）

高精細にパターニングされた電極を有期半導体に取り付ける手法開発

　東京大学、産業技術総合研究所（産総研）、物質・材料研究機構の共同研究グループは、〝洗濯のり〟にヒントを得て、高精細にパターニングされた電極を有機半導体に取り付ける手法を開発した。

　分子同士が弱い分子間力により集合している有機半導体には、溶剤や熱によるダメージを受けやすいという課題があった。例えば、有機電界効果トランジスタ（ＯＦＥＴ）は、有機半導体や電極といった構成要素を積層して作製するが、有機半導体上への電極形成時に、熱によるダメージや、パターニングに必要な溶剤によるダメージを抑える必要がある。

　この課題を解決するため研究グループは、電極をあらかじめ別の基板上に作製し、半導体上に移し取るというアプローチに取り組んできた。

　基板上に作製した電極を直接、半導体表面に移し取るには、基板から電極を引き剥がすため、電極を半導体に十分な強度で接合することが欠かせない。しかし、半導体と電極は直接触れて電気的につながっている必要があり、間に接着層を挟むことができず、強く接合することは困難だった。

　そこで、様々な基板や作製プロセスを検討。そのうち、洗濯のりは乾燥すると固まり、水に簡単に溶けることにヒントを得て、のりを使って基板から電極を引き剥がし、後でのりを除去するとの発想に至った。さらに、電極を薄い保護層で覆えば、半導体と保護層との静電気力を利用して電極を半導体に接触させられるのではないかと考えた。

　基板上でパターン化された電極を半導体上に移し取るため、安価で広く用いられている２種類の高分子を使用した。一つは、アクリル樹脂の一種であるポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、二つ目は洗濯のりの成分として知られ、水によく溶けるポリビニルアルコール（ＰＶＡ）。

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　まず、基板上で電極材料をパターニングし、その上に薄いＰＭＭＡを塗布したが、いずれも厚さ数十―１００ｎｍと薄く、このまま取り扱うことが困難だった。そこで、その上にＰＶＡを２０―３０μｍの厚さに塗って乾かした後、電極とＰＭＭＡおよびＰＶＡを一括して基板から引き剥がし、取り扱いが容易な電極フィルムを得た。

　続いて、電極フィルムを半導体上に貼り付け、温水でＰＶＡを溶解して除去すると、薄い電極およびＰＭＭＡが静電気力によって半導体上に吸着する。これにより、１μｍという高精細でパターニングされた電極を、プロセス中に伸縮することなく半導体上に移し取ることに成功した。

　開発した手法の有用性を確かめるため、１分子層（厚さ４ｎｍ）の単結晶からなる有機半導体の上に電極を取り付けてＯＦＥＴを試作した。従来の真空蒸着法で電極形成したＯＦＥＴでは、ゲート電圧を変化させてもドレイン電流がほとんど流れないことから、熱的なダメージによって特性が大きく低下。

　一方、開発した手法で作製したＯＦＥＴは、ゲート電圧を変化させると有機半導体の本来の性能であるドレイン電流値を示した。ゲート電圧とドレイン電流の平方根の関係から移動度を求めたところ、実用化の指標となる１０平方ｃｍ／Ｖｓ程度を示し、１分子層の有機半導体が持つ性能を引き出せることが実証できた。