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こうごひがき
4 years ago
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1 山形大学主催次世代ライフイノベーションワークショップ 2013 年 2 月 1 日印刷型有機トランジスタの現状とスマートライフケアシステムへの展開山形大学有機エレクトロニクス研究センター時任静士

2 講演概容有機トランジスタの位置づけ印刷法による有機トランジスタの作製と特性有機トランジスタの集積回路応用ヘルスケアセンサーへの応用展開

3 ソースドレイン電流 (A) 有機トランジスタの基本構造有機薄膜トランジスタ :Organic TFT 基本は従来の MOS 構造ゲート電圧で電流を制御変調半導体層は高結晶性の有機半導体薄膜 P-Type 負 0 正ゲート電圧 (V) Pentaecne PB16TTT MOS: metal-oxide-semiconductor TFT: Thin film transistor

4 有機トランジスタの応用分野バイオセンサー RF-ID タグ曲げセンサー次世代産業としての可能性大ワイヤレス給電シートメモリー有機 ELディスプレイ電子ペーパー従来技術では実現できない有機トランジスタの出番

5 印刷法の重要性従来技術フォトリソグラフィプロセス半導体層の微細化真空成膜レジスト塗布露光フォトマスク現像レジスト除去基板半導体薄膜グラビア印刷基板有機半導体版プリンティングプロセスインクジェット印刷有機半導体低コスト環境に優しい低温で必要な箇所に必要なだけ塗る

6 低温焼成銀ナノ粒子インク 110 w/ stirring Kurihara et al. Nanoscience and Nanotechnology 9, 6655(2009). 山形大学独自材料 Ag nano-particle Stabilizer shell Ag thin film RT continuously sintered 20 nm Kurihara-Ink 室温でも焼成が進行 Solvent: Alkane/Alcohol

7 当研究室の印刷技術下地表面状態は細線化に重要銀ナノ粒子インク表面ディスペンサー (Musashi Eng. ) インクジェット装置 (FUJIFILM DMP-2800) スーパーインクジェット装置 (SIJ Technology) フレキソグラビア装置 (KOMURA TECH)

: RT~60 Underlayer: Crosslinked-PVP Drop space Ts = 30, 60 Cross-section 0.6 0.4 0.

8 Height[ m] インクジェット法での微細配線形成 Ag Nanoparticle Ink: (Harima Chem.) Ink-Jet Printer: DMP-2800 Drop space: 5~250 µm Stage Temp.: RT~60 Underlayer: Crosslinked-PVP Drop space Ts = 30, 60 Cross-section Width [ m] Coffee stain effect Drop space Ts =30 Ts = µm bulging uniform 50 µm scalloped uniform 60 µm scalloped uniform Narrow 70 µm 400 µm scalloped 400 µm individual drops

9 Space : 6 µm 短チャネル電極の形成 Printed Silver S/D Electrodes by Ink-Jet Printer (DMP-2800) Space : 9 µm Space : 20 µm Space : 40 µm 架橋 PVP 上で短チャネル電極を再現性良く実現

10 I DS [A] Mobility [cm 2 /Vsec] 短チャネル有機トランジスタ Ag OSC Ag Dielectric Al Substrate Silver S/D Electrodes Harima-Ink Ink-jet Printing Sintering Temp. : W = 1000 m V GS = -20 V L = 5.5 m L = 8.9 m L = 14 m L = 28 m L = 46 m L = 67 m V GS [V] 真空蒸着金電極の場合と同等の性能を実現 Channel length [ m]

11 Resistivity ( Wcm) 微細銀配線の低温形成技術 Ink Jet Printer (FUJIFILM DMP-2800) ダイセルとの共同研究 Head: 10 pl Drop spacing: 40 μm 従来技術配線パターン有機 TFT 本技術 Sintering Temperature ( ) 100 で 8 Wcm の微細配線日刊工業新聞山形新聞等

12 有機半導体の微細形成 Bank ( 隔壁 ) OSC S D Dielectric G Substrate C-PVP OSC Bank Table 1: Materials and Processes Material Process Gate DIC-Ink Ink-Jet 隔壁形成 : ディスペンサー使用ステージ温度 :60 Dielectric C-PVP Spin-Coating Source Drain Harima-Ink Ink-Jet Bank Teflon Dispenser OSC PB16TTT L1200 Drop-Casting

capacitance 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 0-20 -10

I DS, I GS [A] IDS [ A] L = 20 µm W = 1520 m -8-6 -4-2 -15

13 Process Temp. < 140 印刷型有機トランジスタ Source 1000 µm Reduction of parasitic capacitance V GS [V] Gate 80 µm Drain IDS 1/2 [10-3 A 1/2 ] I DS, I GS [A] IDS [ A] L = 20 µm W = 1520 m V -10 V VGS = -20 V -5 V VDS [V] PB16TTT (Merck) Mobility = 0.03 cm 2 /Vs On/off ratio ~10 4

14 高性能印刷型有機トランジスタ OSC: S1200 (Merck) P-type Contacts SAM: M001(Merck) Process Temp. = 100 S/D (Harima Chem.), G( DIC Co.) PEN (125 m) W = 1400 µm L = 40 µm Mobility = 1.2 cm 2 /Vs On/off ratio = 2 x 10 7

印刷型擬 CMOS インバータ回路 V DD Gain OSC: PB16TTT M 1 M UP V IN M 1 M 2 M UP VOUT 2000 µm M 2 M DP V SS M DP Pseudo-CMOS Inverter Huang et al., Trans. Electron Devices, 58, 141 (2011).

15 印刷型擬 CMOS インバータ回路 V DD Gain OSC: PB16TTT M 1 M UP V IN M 1 M 2 M UP VOUT 2000 µm M 2 M DP V SS M DP Pseudo-CMOS Inverter Huang et al., Trans. Electron Devices, 58, 141 (2011). Vout [V] V 7.5 V 5 V 15 V V DD =20 V V in [V] V 5 V V SS = - V DD 10 V 15 V Vin [V] V DD =20 V 良好なスイッチング特性と高いゲインを実現 Gain = 35 (@20V)

16 3-Stage Ring-Oscillator 印刷型有機リングオシレータ回路 OSC: S1200 (Merck) PEN (125 m) f = 294 Hz f = 394 Hz Stage delay = 0.4 ms 良好な発振特性を実現

17 ヘルスケアセンサーへの展開酵素センサー ( 日立 ) 汗 ( 電解質 ) センサー (CEA) 曲げセンサー ( 産総研 ) 呼吸センサー ( 産総研 ) 運動情報位置情報生体情報有機トランジスタ型センサーの利点物理的化学的反応を電気信号で直接検出印刷法で低コストでプラスチックフィルム上に作製可能

18 印刷型曲げセンサー Pentacene Current decreases with applying tensile stress

19 センシング特性チャネル長依存性再現性 : 繰り返し特性チャネル長が短いほど感度が高い半径が 4mm までは再現性の良い特性

20 バイオセンサー応用 FET Type EC Type 対象物質 ( 生体物質 ) S Dielectric G OSC D Bank S G OSC D Substrate Substrate 生体物質 : 電解質尿酸尿素グルコースコレステロールガンマーカ等 OTFT 単純マトリックス構造多品種一括検出高感度検出

21 印刷型センサーチップの試作例 Substrate: PEN (125mm) 10x10=100 * 各 TFT はバンク構造を有する Teflon 使用歩留まり : 99% 平均移動度 : 0.8 cm 2 /Vs

22 スマートライフケアシステムのイメージリアルタイム健康監視ビッグデータソフトデバイス機能回復補助デバイス機能性食材離島医療独居老人慢性疾患者運動情報生体情報技術融合 RFID + センサー

23 研究室メンバー Tokito-Kumaki-Fukuda Laboratory

24 ご静聴ありがとうございました

untitled

untitled 20101221JST (SiC - Buried Gate Static Induction Transistor: SiC-BGSIT) SOURCE GATE N source layer p + n p + n p + n p+ n drift layer n + substrate DRAIN SiC-BGSIT (mωcm 2 ) 200 100 40 10 4 1 Si limit