NIMSなど、印刷薄膜トランジスタと素子をつなぐ3次元印刷配線の形成に成功

物質・材料研究機構(NIMS)、C-INK、プリウェイズの3者は5月27日、「低温焼結塗布型シリカ(LCSS)」を開発し、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可能にしたと発表した。

今回の研究は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、同成果は、NIMS 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、同・孫晴晴ポスドク研究員(現・鄭州大学准教授)、同・分子機能化学グループの坂本謙二主席研究員、中国・鄭州大の刘旭影教授、中国科学院の趙建文教授、C-INKの金原正幸代表取締役社長、プリウェイズらの国際共同研究チームによるもの。詳細は、独・学術誌「Small Methods」にオンラインに掲載された。

「プリンテッドエレクトロニクス」は、金属ナノ粒子や半導体分子をインク中に分散させ、塗布・印刷プロセスによってパターニングを行い、電子回路や半導体デバイスを製造する技術で、その電子回路を形成するために必要不可欠なのが、演算を行うスイッチング素子である「薄膜トランジスタ」(TFT)と、素子間をつなぐ3次元印刷技術だが、現状、課題となっているのは、主に以下の3点だという。

多層の印刷を正確に行う技術が要求されること
TFTのすべての層を印刷で形成することが難しいこと
印刷で作製したTFT素子の性能が低いこと

またNIMSではこれまで、全印刷プロセスによる有機トランジスタ素子の開発を行ってきた経緯があるが、動作電圧が10V以上あり、その低減も課題であったという。

そこで研究チームは今回着目したのが、低温焼結塗布型シリカ(Low-temperature Catalyzed Solution-processed SiO₂:LCSS)だという。LCSSは焼結温度が90℃という低温のため、ガラスやシリコンウェハはもちろんのこと、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することができるという特徴を持つ。

LCSSがさまざまな基板上に成膜されたところ。(a)ガラス基板、(b)セルロースナノペーパー、(c)シリコンウェハ、(d)プラスチックフィルム (出所:共同プレスリリースPDF)

今回は、NIMSが開発している微細印刷技術を応用し、LCSSが絶縁層として用いられた。そして、印刷による3次元的な多層配線を形成することに成功。結果、これまでになく高い性能の全印刷TFT素子の製造することができたとした。

層間はビアホールによって電気的な接続が可能で、NIMSでは1MHzまでの信号が、層間をロスすることなく伝達可能であることが検証済みであるという。

(a)LCSS絶縁層を用いた多層印刷配線プロセスの模式図。(b)LCSSを絶縁層として、線幅15μmの印刷配線が4層形成されたところ。(c)ビアホールを介した電流値の測定。0.2Vの印可で10mAを超える電流を流すことが可能。(d)ビアホールを介した電圧パルスの伝達特性 (出所:共同プレスリリースPDF)

今回の印刷TFT素子では、ソース・ドレイン、ゲート電極は金属ナノインクによって印刷された。また半導体層は、高純度半導体単層カーボンナノチューブ(sc-SWCNT)が印刷されている。すべての層を印刷でパターニングしたことで、素子間を分離しクロストークが抑制される仕組みだという。

すべての層を印刷・溶液プロセスで形成されたTFT素子としては、今回のものはこれまでで最高の「電界効果移動度」となる～70cm²V^-1s^-1を、そして1Vの低電圧駆動が実現されることとなった。これは、LCSS内部には絶縁性能に影響しない微量の不純物が存在し、電荷の蓄積能力を高めているためと考えられるとしている。