研究要点

● 为了使电子元件工作，需要在半导体上安装可以输入和输出电压及电流的电极，但是需始终考虑电极成形期间半导体受到的损伤和电极与半导体之间的接触不良等。

● 本研究开发出一种从基板上剥离高精度图案化电极，并将其转印到有机半导体上的方法。通过该方法，证明了即使是单分子层有机半导体也能发挥半导体原本的功能。

● 本方法使用价格低廉、应用广泛、且环境负荷小的材料，容易实现大面积化，而且能够适用于各种表面形状，因此有望在软电子设备的实用化方面和生物电子领域做出贡献。

研究概要

由东京大学大学院新领域创成科学研究科、东京大学材料创新研究中心、产综研（产业技术综合研究所）东大先端OPERANDO计测技术开放创新实验室^（注1）、物质与材料研究机构国际纳米结构设计研究基地（WPI-MANA）组成的共同研究小组受洗涤浆的启发，开发出一种将高精度图案化电极安装到有机半导体的方法。

为了驱动具有各种功能的电子元件工作，输入和输出电压及电流的电极必不可少。

电极通常是金属，一般在高真空环境下通过巨大的能量制成薄膜，因此，抑制对电极设置面的损伤，并优化与基底的附着力等结合性是一项重要课题。

洗涤浆的成分聚乙烯醇具有在干燥后凝固，遇水后易溶解的特性，而本研究小组利用该特性开发出一种将在基板上高精度图案化的电极与聚乙烯醇一起作为电极片剥离，并转印到半导体上的方法。而且，通过该方法证实，即使将金属电极安装在单分子层（厚度为4纳米）有机半导体上，也可以充分发挥半导体的功能。对于安装面的限制非常少，因此有望应用在曲面和生物体上。本次研究成果可以应用于各种叠层设备，且将来有望在工业应用方面用于低成本的柔性电子器件工艺。

本研究成果已于今年3月13日发表于英国科学杂志《Scientific Reports》。

本研究作为日本学术振兴会（JSPS）科学基金资助项目“单晶有机半导体中电子传导的巨大应力应变效果和柔性机械电子”和“实现利用有机单晶半导体的自旋晶体管”（研究人员代表：竹谷纯一）的一部分被实施。

研究内容

【背景】

半导体在各种电子设备中发挥重要作用，现在以硅为代表的无机半导体被广泛使用。为了将半导体用作传感器和逻辑运算等功能元件，需要在半导体上形成可以输入和输出电压及电流的电极。电极通常是金属材料，一般通过真空蒸镀法^（注2）或溅镀法^(注3)等需要巨大能量的工艺将其附着到半导体上，因此需要抑制高能量对半导体造成的损伤。另外，解决由附着力不足等造成的与半导体接触不良问题也是一项重要课题。形成这样的金属电极时存在的问题在作为柔性电子器件基础材料的有机半导体领域更加凸显。

有机半导体仅通过涂覆干燥就能以低成本获得高质量的结晶性薄膜，因此在需要大量RFID标签^（注4）和各种传感器等设备的IoT时代，有机半导体作为一种基础材料得到广泛研究。但是，与通过原子之间的共价键紧密结合而成的无机半导体相比，通过分子之间较弱的分子间力结合而成的有机半导体存在着容易被溶剂和热量损坏的问题。例如，有机场效应晶体管（OFET）^（注5）通过层叠有机半导体和电极等组件制成，因此在有机半导体上形成电极时，需要抑制因热量或图案化所需溶剂造成的损伤。

【方法和成果】

为了解决上述课题，本研究小组采取的办法是预先在其他基板上制作电极，并将其转印到半导体上。而将在基板上制作的电极直接转印到半导体表面需要从基板上剥离电极，所以电极必须拥有足够的强度粘合在半导体上。但是，半导体和电极需要直接接触并通电，且中间不能插入粘接层，因此难以牢固接合。

于是，本研究小组对各种基板和制作工艺进行了研究。其中，受到洗涤浆干燥后凝固，遇水易溶解这一特性的启发，提出了先通过洗涤浆将电极从基板上剥离，之后再除去洗涤浆的想法。另外，本研究小组认为，如果用薄的保护层覆盖电极，则可以利用半导体和保护层之间的静电力使电极与半导体接触。

图1示出将电极安装到半导体上的方法。在本方法中，为了将在基板上图案化的电极转印到半导体上，使用廉价且应用广泛的两种高分子。第一种是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），属于丙烯酸树脂，第二种是作为洗涤浆的成分而被熟知的聚乙烯醇（PVA），易溶于水。

首先，在基板上对电极材料进行图案化，然后在电极上面涂上一层薄薄的PMMA。由于PMMA的厚度仅有10~100纳米（1纳米等于10亿分之1米），难以直接剥离，因此，需要在PMMA上面再涂覆一层厚度为20~30微米（1微米等于100万分之1米）的PVA，并晾干，最后将电极、PMMA以及PVA一并从基板上剥离，从而获得易处理的电极片（图2左）。接着，将电极片粘贴在半导体上，用温水溶解PVA将其除去，从而将薄电极和PMMA通过静电吸附在半导体上。通过以上简单方法，本研究小组成功地将1微米厚的高精度图案化电极转印到半导体上，过程中没有伸缩（图2右）。

为了确认所开发方法的有效性，本研究小组通过在单分子层（厚度为4纳米）单晶体构成的有机半导体上安装电极，试制了OFET。在电极采用现有真空蒸镀法制作的OFET中，即使改变栅极电压，漏极电流也几乎不会流动，因此其性能由于热损伤而大幅降低（如图3橙色虚线所示）。

另一方面，电极采用本研究所开发方法制作的OFET中，改变栅极电压后即可显示出代表有机半导体原本性能的漏极电流值（如图3红色实线所示），并且根据栅极电压和漏极电流的平方根（如图3蓝色实线所示）关系求出移动度^（注6）后，表明实用化的指标约为10cm²/Vs，且证实单分子层有机半导体能发挥出半导体原本的性能。

图1：上）将电极转印至有机半导体膜的方法示意图；

下）设备的横截面。

图2：左）所制作电极片的照片

右）将电极转印至半导体膜前后的扫描型电子显微镜（SEM）图像

图3：所制作单分子层OFET的饱和区域传输特性(实线)和电极通过现有真空蒸镀法制作的OFET的传输特性(橙色虚线)。图中的VD表示漏极电压。

未来展望

本方法使叠层设备的制作变得容易，因此通过本方法可以制作出能够实现更复杂且更高级功能的集成电路。

另外，本方法具有很有优点，例如，所使用材料PMMA和PVA价格低廉、应用广泛且环境负荷小，而且对于安装有电极的半导体限制较少，容易实现大面积化，适用于曲面等各种表面形状的半导体。今后，有望在使用具备以上优点的有机半导体的软电子器件方面和生物电子领域做出贡献。

术语解释

（注1）产综研・东大先端OPERANDO计测技术开放创新实验室：

2016年6月1日，在东大柏校区内设置的产总研和东大的研究基地。通过结合产总研和东大的种子技术和构建校企产网络，以加强校企产协作的基础研究，并运用先端OPERANDO计测技术进行生物功能材料、新材料、创新设备等产业化与实用化的研发。

（注2）真空蒸镀法：

通过在真空中加热金属等材料，使其蒸发或升华，并沉积在基板表面。

（注3）溅射法：

通过在真空中使离子化后的稀有气体元素撞击金属等靶材料，使飞溅的原子堆积在基板表面。

（注4）RFID标签：

使用无线电通信交换个人识别码信息（ID）的标签。Suica等交通卡也属于RFID标签。

（注5）有机场效应晶体管：

以有机半导体为活性层的场效应晶体管。场效应晶体管被用作开关元件和增强元件，是集成电路中不可或缺的电子元件。与普通晶体管一样，通过在源极和漏极之间施加漏极电压（VD）产生漏极电流（ID），并通过施加在栅极电极的栅极电压来控制该电流。

（注6）移动度：

表示电荷通过电场移动时的容易程度。IoT设备中的理想移动度为10cm²/Vs以上。

发表者：

牧田龙幸（东京大学大学院新领域创成科学研究科物质系专业博士课程二年级学生）

渡边峻一郎（东京大学大学院新领域创成科学研究科物质系专业特聘副教授，兼任产综研・东大OPERANDO计测技术开放创新实验室客座研究员）

竹谷纯一（东京大学研究生院新领域创成科学研究科物质系专业教授，材料创新研究中心（MIRC）特聘教授，兼任产综研・东大OPERANDO计测技术开放创新实验室客座研究员，物质与材料研究机构国际纳米结构设计研究基地（WPI-MANA）主任研究员（交叉任职）。

发表杂志：

杂志名：《Scientific Reports》（在线版：3月13日）

论文标题：Damage-free Metal Electrode Transfer to Monolayer Organic Single Crystalline Thin Films

作者：Tatsuyuki Makita, Akifumi Yamamura, Junto Tsurumi, Shohei Kumagai, Tadanori Kurosawa, Toshihiro Okamoto, Mari Sasaki, Shun Watanabe, and Jun Takeya

DOI号：10.1038/s41598-020-61536-8

将高精度图案化电极安装到各种表面的方法的开发