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印刷電子有機半導體或無機半導體上采用涂布工藝

工作速度追趕現有技術，顛覆“雖可彎曲但動作遲緩”的定論

        印刷電子多要對有機半導體或無機半導體上采用涂布工藝，但其動作性能和耐久性大多不如原有技術。最近有可能顛覆這種看法的，是正在開發的數GHz以上高速驅動的晶體管實現技術。而且大多與噴墨技術有關。墨粉為采用了有機半導體、碳納米管和石墨烯等的物質。

        除晶體管外，在存儲器、壓電元件以及透明導電薄膜等領域，也可得到不遜于采用原技術開發的元件的特性。

    有機半導體在微細化和結晶性方面尋找出路

    決定晶體管等電路元件工作速度的因素大致有兩個。即晶體管采用的半導體的載流子遷移率和柵極長度等尺寸。

決定驅動頻率的載流子遷移率與制造工藝的組合

   晶體管的截止頻率一般與載流子遷移率的值成正比，與柵極長度的平方成反比。

    電子元器件的驅動頻率不僅為載流子遷移率，還為晶體管柵極長度所左右。因此，即使是載流子遷移率不如CNT和石墨烯的有機半導體，隨著噴墨技術的進步也有望開發出具備高驅動頻率的元件。

    有機半導體載流子遷移率的優異數據本身最近數年沒有太大變化。仍是并五苯等普通材料為1cm2/Vs以下，稍微特殊一些的材料也只有30～40cm2/Vs。而涂布技術有了大幅發展。成膜均勻性、品質偏差以及結晶性得到改善，平均載流子遷移率有了大幅提高。有機半導體以前最多用于電子紙的TFT，但最近還用在了電子紙的驅動電路上。

   以噴墨將布線寬度縮小至1μm

    涂布技術得到提高的理由主要有兩個。一是，以噴墨制作微細形狀的技術提高了。另一個是，涂布后成膜的均勻性和結晶性提高了。

    微細化技術方面，用于液晶面板等的工業用噴墨裝置一般噴射數十pL的液滴，而最近縮小到了1pL。并且，產業技術綜合研究所開發的“Super Ink Jet”技術將液滴縮小到了1pL的1/1000、即1fL。此時，以直接繪圖實現的布線寬度就能縮小到1μm左右。

以噴墨實現1μm的線寬

    噴墨技術的開發在迅速發展。通常為數十pL的工業用噴墨裝置也可實現1pL的液滴。最尖端裝置可將液滴縮小至其1/1000的1fL。采用該裝置，可形成線寬為1μm的布線及立體布線。

    將液滴縮小到1fL，超越以往噴墨技術常識之點也將增加。如可以形成立體布線。這是因為，液滴能在極短的時間內干燥。從噴頭射出液滴后，在到達基板前就已經開始干燥，到達基板后立即完全干燥。利用這種性質在同一位置反復噴射液滴，布線會像鐘乳洞的石筍那樣生長形成立體布線。“能直接形成以往在硅晶圓上開孔制作的縱式貫通電極”。

    改善“咖啡漬”成膜均勻性和結晶性最近約1年有了大幅進展通過“應用了很久以前就廣為人知的貧溶劑添加法的‘Double Short InkJet’方法，大幅改善了咖啡漬問題，還提高了半導體的單晶性”。貧溶劑添加法＝在溶解了某種溶質的溶劑中，通過添加使該溶質難以溶解的溶劑，促使溶質析出的方法。咖啡漬問題＝指溶質溶解或者使分散的溶劑液滴干燥時，溶質濃度高的部分形成環狀的課題。也稱為咖啡圈。采用噴墨技術的涂布工藝無論是哪種墨水都會出現這個問題。

    在噴墨技術中，“咖啡漬問題”成為一項重要課題。產綜研的長谷川達生的研發小組通過將噴墨液滴以半導體墨水和半導體材料難溶的“結晶墨水”的Double Short方式射出，解決了該問題。

    結果是，“有機半導體的涂布工藝也有望實現與蒸鍍法相同或者更高的特性，比如有望實現10cm2/Vs的載流子遷移率。設計自由度也能提高”。

    今后的課題，是以n型半導體實現高載流子遷移率的材料開發及微細化技術開發。比如，還將在半導體上采用此前主要用于形成布線的SIJ等。

   如果載流子遷移率為數十cm2/Vs就行，那么除了有機半導體外，IGZO*等氧化物半導體也可用于印刷技術。但以印刷電子不容易使載流子遷移率超過100cm2/Vs。目前有望克服該障礙的，是采用CNT和石墨烯等碳材料的晶體管。

CNT晶體管的涂布法和干式轉印法各有長短

IGZO＝由銦、鎵、鋅構成的氧化物半導體。

    CNT晶體管的制作方法大致可分為兩種。涂布法可以解決CNT的一大課題——易于將金屬型和半導體型分離，但目前載流子遷移率較低。而干式轉印法雖然容易獲得高載流子遷移率，但無法去除金屬型，因而微細化受限。

    潛力較高的是涂布工藝

    另一方面，利用技術研究聯盟單層CNT融合新材料研究開發機構推進的全印刷技術制作的CNT晶體管，據稱通過去除金屬型CNT可獲得純度為95～99％的半導體型CNT。但由于溶液中混有表面活性劑等雜質，因此目前的載流子遷移率尚只有3.6cm2/Vs。但隨著雜質去除技術的不斷進步，今后有望迅速接近用干式轉印法獲得的載流子遷移率。

    技術研究聯盟單層CNT融合新材料研究開發機構＝NEC與產業技術綜合研究所從2009年起共同擴大單層CNT的研究，并于2010年5月成立了技術研究聯盟。除了NEC和產業技術綜合研究所之外，加盟企業還有KANEKA、大日本印刷、東麗及日本瑞翁該聯盟不但研究單層CNT作為功能性材料和構造材料的可能性，還研究石墨烯等。

   涂布工藝還具有微細化無極限的優勢。如果能用涂布工藝把載流子遷移率提高至1000cm2/Vs，那么CNT晶體管將凌駕于低溫多晶硅TFT等之上，屆時電子世界將發生巨大的變化。