液晶性半導体を用いたフレキシブルデバイスの作製と評価

　これまで、トランジスターなどの電子素子にはシリコンなどの無機半導体が用いられてきました。最近、ペンタセンなどの有機結晶薄膜を用いた電界効果型トランジスターが報告されています。しかし、無機半導体も有機半導体も研究されているのは結晶性の固体であり、曲げたり伸ばしたりできるものではありません。
　ポリチオフェンなどの共役高分子は柔軟で曲げたりすることができますが、特性の向上にはナノメータースケールの構造制御が必要です。高分子は構造が複雑であるため、ナノ構造の制御には工夫が必要です。我々が開発した液晶性半導体は、分子構造を工夫することにより、分子凝集構造をナノメータスケールで制御できます。しかも、固体材料にない柔軟性を持つため、従来の半導体では困難であったフレキシブルデバイスへの展開が可能です。

１　液晶性半導体を用いた電界効果型トランジスターの開発

　液晶性半導体を用いた薄膜トランジスタを実現するため，図1に示すような，非対称構造を有するフェニルターチオフェン誘導体を合成した.この化合物は室温で高次のスメクティック相を示し，-50^{^o}Cまで冷却しても結品化しなかった。この材料はトルエン，THF，クロロベンゼンなどの有機溶媒に可溶であり，スピンコート法による薄膜形成が可能であった。熱酸化膜付きのシリコン基板上にスピンコート法によって，厚さ50nmの液晶性薄膜を作製することができた。X線回折より，薄膜においてもバルクの液晶相と同様に，液晶分子は層状構造を形成し，層内で分子の位置の長距離秩序が存在した。液晶分子は基板に対してほぼ垂直に配向していた.この液晶性薄膜を105℃で5分間熱処理することにより，液晶分子の再配列が起こり，欠陥密度の低い液晶性薄膜を得ることができた.この液晶性薄膜にシャドウマスクを介してソース・ドレイン電極を蒸着することにより，p型特性を示す薄膜トランジスタを作製することができた。SiO₂膜表面をオクチルトリクロロシランによって疎水処理することにより，デバイス特性が向上し，図2に示すように，そのキャリア移動度は0.04 cm²/Vsに達した。

図1(a) 液晶性フェニルターチオフェンの分子構造 (b) シリコン基板上に作製した液晶性トランジスター　(c) 電界効果型トランジスターのoutput特性 (d) transfer特性

２　液晶性半導体を用いたフレキシブルトランジスターの開発

　この液晶性半導体は，図2に示すように，高分子基板上にも製膜可能であった。金電極を蒸着したボリイミドフィルム上にポリピニルアルコールからなる絶縁層をスピンコート法により製膜した.その上にこの液晶性半導体をスピンコートし，ソースおよびドレイン電極を蒸着することにより，フレキシブルな薄膜トランジスタを作製できる。このトランジスタは，図3に示すように、3%以上の変形を加えても安定に動作し，電子ペーパなどのフレキシブルデバイスへの応用が期待される。
　以上に示したように，液晶性半導体は良好なキャリア移動度と柔軟性を兼ね備えた材料であり，溶液プロセスによるデバイス作製が可能である.液晶性半導体の研究を推進することにより，従来の無機半導体や分子性結品にはない特徴のある電子デバイスの実現が可能になるものと期待される.

図2　(a) 液晶性半導体を用いて作製したフレキシブルトランジスターのtransfer特性　(b) フレキシブルトランジスターのoutput特性 (c) ポリイミド基板上に作成した液晶性フレキシブルトランジスター　(d) フレキシブルトランジスターの移動度・閾値電圧の歪依存性

本研究は、NEDO産業技術研究助成の支援を受けて行われた。
また、本研究成果は、高分子学会日立化成賞を受賞した。
Polymer Journal, 41, 459-469 (2009). は、2011年度上半期Poymer Journal最多引用論文に採択された。
研究を進めるにあたり、産業技術総合研究所GL玉置信之博士（現北大電子研教授）、および、張発倍博士（現中国科学院強磁場研究所）のご指導、ご支援を受けました。

参考文献
1) M. Funahashi^*, F. Zhang, and N. Tamaoki^*, “High ambipolar mobility in highly ordered smectic phase of dialkylphenylterthiophene
derivative that can be applied to solution-processed organic field effect transistors”, Adv. Mater., 19, 353-358 (2007).
2) F. Zhang, M. Funahashi^*, and N. Tamaoki, “High-performance thin-film transistors from semiconducting liquid crystalline phases
by solution processes”, Appl. Phys. Lett., 91, 063515 (2007).
3) F. Zhang, M. Funahashi^*, and N. Tamaoki^*, “Liquid crystalline semiconductors with tetrafluorophenyl group: thin film structure
and carrier transport”, Org. Electronics, 10, 73-84 (2009).
4) M. Funahashi, “Development of liquid crystalline semiconductors with high carrier mobility and their application to thin-film
transistors”, Polymer Journal, 41, 459-469 (2009). Adopted as a Journal Cover、高分子学会日立化成賞受賞記念論文
5) F. Zhang, M. Funahashi^*, N. Tamaoki^*, “Highly mechanically flexible thin film transistors from liquid crystalline semiconductors by
solution processing”, Organic Electronics, 11, 363-368 (2010).
6) M. Funahashi^*, F. Zhang, and N. Tamaoki, “Temperature-Independent Hole Mobility in Field-Effect Transistors Based on
Liquid-Crystalline Semiconductors”, IEICE Transactions, Electronics: C, E94C(11), 1720-1726 (2011). 招待論文