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摘要：研究小组通过将涂布式有机半导体与不会因环境因素损坏的氧化物半导体集成，开发了一种可超高速运行的有机无机混合互补型振荡电路，采用氧化铟-氧化锌（IZO）作为氧化物半导体，实现了涂布式半导体的最高级别的高速运行。

关键词：涂布式半导体、有机半导体、氧化物半导体、氧化铟-氧化锌（IZO）、电荷迁移率

要点

◆研究小组建立了一种工艺，将可通过涂布溶液形成的有机半导体和无机半导体（氧化物半导体）亲和地集成，成功开发了一种在大气条件下具有世界最高运行速度的互补型振荡电路。

◆通过在温和条件下转移可涂布制造的有机半导体单晶，可显着抑制由溶剂和热引起的氧化物半导体的化学劣化。

◆由于该技术也可应用于塑料基板上，因此也是一种有用的高性能柔性设备的基础技术。

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研究概要

研究小组通过无损伤地集成可涂布的p型有机半导体和n型无机半导体（氧化物半导体），开发了一种超高速运行的有机无机混合互补型振荡电路。基于溶液涂布技术的设备有望以低成本大量生产电子产品。这项研究开发了一种克服了有机材料与无机材料（金属氧化物）之间固有的化学性质障碍的集成技术，并成功实现了振荡电路的世界最高运行速度。同时，利用该技术可以在柔性塑料基板上制造元件，实用化的涂布式半导体器件有望取得显著发展。

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研究内容

[研究背景]

与需要高真空的传统半导体相比，可通过涂布溶液形成的半导体可以利用廉价设备大面积生产，因此有望应用于物联网的RFID标签和多功能传感器等多种设备。作为“可涂布”半导体的代表，π电子分子集合体的有机半导体得到了积极的研究。对于p型有机半导体，研究小组主导了面向实用化的材料和技术的开发，例如电荷迁移率（以下简称迁移率）为10cm²V^-1s^-1的单晶晶片涂层技术的开发（J.Takeya, et al., Scientific Reports 2019;https://www.k.u-tokyo.ac.jp/information/category/press/8160.html）。

半导体器件的一个重要应用是逻辑电路，其使用了将同样用于RFID标签的p型薄膜晶体管（TFT）和n型TFT进行配对的互补型反相器等。但是，p型有机半导体因高速运行和集成化实现高性能的同时，缺乏可以用相同技术组合、且具有相同性能的n型有机半导体，这成为了一个弊端。

[研究内容和成果]

在涂布式半导体中，除了有机半导体，氧化铟等无机半导体（氧化物半导体）也进行了长期研究。通常，氧化物半导体起到n型半导体的作用，并具有大约10cm²V^-1s^-1的迁移率，因此被认为可以与最先进的p型有机半导体互补。然而，由于涂布式氧化物半导体的特性，其在形成后会因环境因素（如溶剂、蒸汽和热量等）而发生很大变化，因此由涂布式有机半导体和氧化物半导体组成的有机无机混合互补型集成电路尚未得到充分开发。

研究小组通过将涂布式有机半导体与不会因环境因素损坏的氧化物半导体集成，开发了一种可超高速运行的有机无机混合互补型振荡电路。

在制造集成电路时，首先形成氧化物半导体并图案化了TFT。采用氧化铟-氧化锌（IZO）作为氧化物半导体，涂布前驱体溶液后，通过大气环境下的烧结和光刻，制成n型TFT。接着，在形成用作IZO的密封层和有机半导体的底层的绝缘层后，层压C₉-DNBDT-NW。在此处，首先将C₉-DNBDT-NW涂布在经过超亲水处理的玻璃上以形成单晶薄膜，并通过使用以水为驱动力的温和转移方法（J.Takeya et al.,Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2020; https://www.k.u-tokyo.ac.jp/information/category/press/8139.html），可以在不影响IZO TFT特性的情况下进行层压。同样，通过使用光刻法形成C₉-DNBDT-NW TFT，制造出所需的有机无机混合互补型振荡电路（图1）。

图1 使用涂布式半导体的有机无机混合互补型振荡电路的制造概念。

作为互补型电路的例子，本研究制造了一个振荡电路——环形振荡器。通过使用光刻技术，以微米级分辨率进行TFT图案化，成功地在空气中以77kHz的频率运行了这个五级互补型环形振荡器（图2a、2b）。一般情况下，由于运行速度取决于驱动电压，基于驱动电压，该C₉-DNBDT-NW/IZO互补型电路显示了涂布式半导体的最高级别的高速运行。此外，由于该设备可以在柔性塑料基板上制造（图2c），因此有望获得广泛的应用。

图2(a) 互补型5级环形振荡器的电路图和光学显微镜图像；

(b)驱动电压为10V时的振荡波形；

(c)胶片设备的图像。

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未来展望

未来，通过改良各半导体的成膜和TFT的图案化等技术，实现更高的分辨率和更高的集成度，有望实现更高的速度和实用性。与此同时，涂布式半导体器件的社会应用有望实现。

翻译：王宁愿

审校：刘翔

李涵

通稿：李涵

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利用涂布式半导体开发世界最高运行速度的互补型振荡电路