NECとTASC、印刷CNTトランジスタで世界最高の動作速度500kHzを実証

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NECとTASC(技術研究組合 単層CNT融合新材料研究開発機構)が、印刷カーボンナノチューブ(CNT)薄膜トランジスタにおいて、高速動作させた際の寄生成分の低減と出力電流の向上に成功し、電子機器の制御回路への応用が可能な動作速度500kHzを実現した。

印刷CNTトランジスタの製造方法と開発課題 (出所:NEC)

印刷技術を用いて、あらゆる物の上に電子回路を形成するプリンテッドエレクトロニクスは、電子機器の製造を低価格かつ手軽に行えるとともに、薄いシート状や変形できる電子機器などを可能にする技術として注目されている。これらの電子機器を実現するためには、演算・スイッチングなどを行うための制御回路が必要であり、印刷で製造可能なTFTの開発が求められている。

NECとTASCが開発を進めている印刷CNT-TFTは、CNTの持つ導電性などの特徴を活かした低電力で高速動作が可能な素子。これまでNECは、CNTを使用しない一般的な印刷トランジスタの10倍以上の移動度を有する印刷CNT-TFTを実現しているが、電子機器の制御回路に応用するためには高速動作時の寄生成分の抑制や出力電流の向上が課題となっていた。

今回開発した印刷CNT-TFTでは、高速動作時の寄生成分を一般的な印刷トランジスタの1/10以下に抑えるとともに、数十倍の出力電流を実現した。これにより、一般的な印刷トランジスタの10~50倍の500kHzという動作速度を実現した。制御回路に必要な性能を得ることができ、今後曲げられる大型ディスプレイや、多数のセンサを搭載したシートなど新しいデバイスへの応用が期待される。この技術をさらに高めることにより、数MHzを超える速度で動作する印刷CNT-TFTも期待でき、将来的には薄型の無線通信機器や紙のようなコンピュータへの応用が可能になるとしている。

寄生成分の低減は、スーパーインクジェット(SIJ)印刷法での微細電極を用いることで可能となった。SIJ印刷法は、一般的なインクジェット印刷法の1000分の1の体積を噴射させることができ、直径1μmのパターンを描画できる。これまでのTFTでは、電極同士の重なりが生じてしまい、その部分での寄生成分がトランジスタの出力電流を大きく上回ってしまうため、数10kHzを超える高速動作は困難だった。NECでは、極細印刷が可能なSIJ印刷法を用いて、極細の電極を形成することで電極同士の重なりを極限まで小さくし、寄生成分を一般的な印刷トランジスタの1/10以下に低減させた。これにより、出力電流に対する寄生成分の割合を低減させることができた。

高い出力電流は、高純度なCNTインクの採用によって実現した。CNTインクを製造するため、半導体と金属で出来ているCNTの中から半導体成分のみを取り出す「半導体金属分離」を行う際に、CNT純度を98%(従来は95%)に向上させることに成功した。また、分離に使用した溶液中に含まれる添加剤(CNTの分散安定剤)の除去手法を開発し、CNTインクにおける添加剤の含有量を1/50に低減させた。この高純度・低添加剤CNTインクを用いることにより、従来よりも高い導電率を示すCNT薄膜を実現することができ、大きな出力電流を示す印刷CNT-TFTを作製することが可能となった。

今後は、これらの技術を複数のトランジスタ素子を組み合わせた論理回路に応用し、さらに複数の論理回路を組み合わせた印刷制御回路に応用していく予定。NECは今回の成果を、2013年9月25日~9月27日に福岡市で開催される「SSDM 2013」で発表する。


NECの発表資料

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