印刷电子有机半导体或无机半导体上采用涂布工艺

工作速度追赶现有技术，颠覆“虽可弯曲但动作迟缓”的定论

        印刷电子多要对有机半导体或无机半导体上采用涂布工艺，但其动作性能和耐久性大多不如原有技术。最近有可能颠覆这种看法的，是正在开发的数GHz以上高速驱动的晶体管实现技术。而且大多与喷墨技术有关。墨粉为采用了有机半导体、碳纳米管和石墨烯等的物质。

        除晶体管外，在存储器、压电元件以及透明导电薄膜等领域，也可得到不逊于采用原技术开发的元件的特性。

    有机半导体在微细化和结晶性方面寻找出路

    决定晶体管等电路元件工作速度的因素大致有两个。即晶体管采用的半导体的载流子迁移率和栅极长度等尺寸。

决定驱动频率的载流子迁移率与制造工艺的组合

   晶体管的截止频率一般与载流子迁移率的值成正比，与栅极长度的平方成反比。

    电子元器件的驱动频率不仅为载流子迁移率，还为晶体管栅极长度所左右。因此，即使是载流子迁移率不如CNT和石墨烯的有机半导体，随着喷墨技术的进步也有望开发出具备高驱动频率的元件。

    有机半导体载流子迁移率的优异数据本身最近数年没有太大变化。仍是并五苯等普通材料为1cm2/Vs以下，稍微特殊一些的材料也只有30～40cm2/Vs。而涂布技术有了大幅发展。成膜均匀性、品质偏差以及结晶性得到改善，平均载流子迁移率有了大幅提高。有机半导体以前最多用于电子纸的TFT，但最近还用在了电子纸的驱动电路上。

   以喷墨将布线宽度缩小至1μm

    涂布技术得到提高的理由主要有两个。一是，以喷墨制作微细形状的技术提高了。另一个是，涂布后成膜的均匀性和结晶性提高了。

    微细化技术方面，用于液晶面板等的工业用喷墨装置一般喷射数十pL的液滴，而最近缩小到了1pL。并且，产业技术综合研究所开发的“Super Ink Jet”技术将液滴缩小到了1pL的1/1000、即1fL。此时，以直接绘图实现的布线宽度就能缩小到1μm左右。

以喷墨实现1μm的线宽

    喷墨技术的开发在迅速发展。通常为数十pL的工业用喷墨装置也可实现1pL的液滴。最尖端装置可将液滴缩小至其1/1000的1fL。采用该装置，可形成线宽为1μm的布线及立体布线。

    将液滴缩小到1fL，超越以往喷墨技术常识之点也将增加。如可以形成立体布线。这是因为，液滴能在极短的时间内干燥。从喷头射出液滴后，在到达基板前就已经开始干燥，到达基板后立即完全干燥。利用这种性质在同一位置反复喷射液滴，布线会像钟乳洞的石笋那样生长形成立体布线。“能直接形成以往在硅晶圆上开孔制作的纵式贯通电极”。

    改善“咖啡渍”成膜均匀性和结晶性最近约1年有了大幅进展通过“应用了很久以前就广为人知的贫溶剂添加法的‘Double Short InkJet’方法，大幅改善了咖啡渍问题，还提高了半导体的单晶性”。贫溶剂添加法＝在溶解了某种溶质的溶剂中，通过添加使该溶质难以溶解的溶剂，促使溶质析出的方法。咖啡渍问题＝指溶质溶解或者使分散的溶剂液滴干燥时，溶质浓度高的部分形成环状的课题。也称为咖啡圈。采用喷墨技术的涂布工艺无论是哪种墨水都会出现这个问题。

    在喷墨技术中，“咖啡渍问题”成为一项重要课题。产综研的长谷川达生的研发小组通过将喷墨液滴以半导体墨水和半导体材料难溶的“结晶墨水”的Double Short方式射出，解决了该问题。

    结果是，“有机半导体的涂布工艺也有望实现与蒸镀法相同或者更高的特性，比如有望实现10cm2/Vs的载流子迁移率。设计自由度也能提高”。

    今后的课题，是以n型半导体实现高载流子迁移率的材料开发及微细化技术开发。比如，还将在半导体上采用此前主要用于形成布线的SIJ等。

   如果载流子迁移率为数十cm2/Vs就行，那么除了有机半导体外，IGZO*等氧化物半导体也可用于印刷技术。但以印刷电子不容易使载流子迁移率超过100cm2/Vs。目前有望克服该障碍的，是采用CNT和石墨烯等碳材料的晶体管。

CNT晶体管的涂布法和干式转印法各有长短

IGZO＝由铟、镓、锌构成的氧化物半导体。

    CNT晶体管的制作方法大致可分为两种。涂布法可以解决CNT的一大课题——易于将金属型和半导体型分离，但目前载流子迁移率较低。而干式转印法虽然容易获得高载流子迁移率，但无法去除金属型，因而微细化受限。

    潜力较高的是涂布工艺

    另一方面，利用技术研究联盟单层CNT融合新材料研究开发机构推进的全印刷技术制作的CNT晶体管，据称通过去除金属型CNT可获得纯度为95～99％的半导体型CNT。但由于溶液中混有表面活性剂等杂质，因此目前的载流子迁移率尚只有3.6cm2/Vs。但随着杂质去除技术的不断进步，今后有望迅速接近用干式转印法获得的载流子迁移率。

    技术研究联盟单层CNT融合新材料研究开发机构＝NEC与产业技术综合研究所从2009年起共同扩大单层CNT的研究，并于2010年5月成立了技术研究联盟。除了NEC和产业技术综合研究所之外，加盟企业还有KANEKA、大日本印刷、东丽及日本瑞翁该联盟不但研究单层CNT作为功能性材料和构造材料的可能性，还研究石墨烯等。

   涂布工艺还具有微细化无极限的优势。如果能用涂布工艺把载流子迁移率提高至1000cm2/Vs，那么CNT晶体管将凌驾于低温多晶硅TFT等之上，届时电子世界将发生巨大的变化。