世界で初めてプラスチック基板上でカーボンナノチューブ集積回路の動作に成功

簡単なプ 高性能な キシブ デバイ 作製が 能－簡単なプロセスで高性能なフレキシブルデバイスの作製が可能に－

NEDO産業技術研究助成事業（平成20年度採択課題、プロジェクトID: :08E51005a）

大野 雄高

名古屋大学大学院 工学研究科 量子工学専攻量子ナノデバイス工学研究グループ

http://qed63.qd.nuqe.nagoya‐u.ac.jp/public‐j/

研究開発の成果1. プラスチック基板上にカーボンナノチューブ薄膜を簡単

かつ高速に作製する技術を開発かつ高速に作製する技術を開発

2. 世界最高性能のカーボンナノチューブ薄膜トランジスタを実現を実現

3. 世界で初めて透明で柔軟なプラスチック基板上でカーボンナノチューブ集積回路の動作に成功ボンナノチュ ブ集積回路の動作に成功

研究チーム

名古屋大学フィンランド

アールト大学

大野 雄高（准教授） エスコ・カウピネン（教授）

名古屋大学 アールト大学

孫 東明（博士研究員） アルバート・ナシブリン（講師）

カーボンナノチューブの成長トランジスタ・集積回路の作製・評価 ボンナ チ 成長ランジ タ 集積回路 作製 評価

新エネルギー・産業技術総合開発機構新エネルギ ・産業技術総合開発機構平成20年度産業技術研究助成事業

研究開発の成果

この成果は2月6日付の英国の科学雑誌ネイチャーナノテクノロジー誌（注１）（電子版）に掲載されました。

（注1）ナノテクノロジー分野の専門誌として国際的にトップクラスの学術誌（インパクト・ファクター＝26 3）（インパクト ファクタ ＝26.3）http://www.nature.com/nnano/index.html

フレキシブルエレクトロニクスよりスマ トなユビキタス情報社会へ‐よりスマートなユビキタス情報社会へ‐

シリコン：硬い・脆い プラスチック：柔らかい・弾性的シリコン：硬い 脆い プラスチック：柔らかい 弾性的

kHewlett‐Packard

Nokia

極限的に安く作製できれば大規模導入が可能

⇒ 紙ベースの媒体（新聞、雑誌、本、広告） から 電子媒体へ

ギ⇒ 製造や搬送にかかるエネルギーや二酸化炭素排出量の削減にも貢献

フレキシブルエレクトロニクスに向けた材料・デバイスへの要求

プラスチック基板上に作製できること

低温プロセス

大面積に低コストで作製できること

大気圧プロセス高速印刷法高速印刷法ロール・ツー・ロール法

各種薄膜トランジスタ（TFT）の比較各種薄膜 ラ ジ タ（ ） 比較

材料移動度( 2/V )

製膜方法（温度）

柔軟性 大面積 製造コスト化学的安定性

材料(cm2/Vs) （温度）

柔軟性 大面積 製造コスト安定性

多結晶シリコン 30~300化学気相成長法

(500°C) ☓ △ ☓ ◎(500°C)

非晶質シリコン 0.5~1化学気相成長法

(> 200°C) △ △ ☓ ◎(> 200 C)

酸化物（InGaZnO）

1~10スパッタ法

(室温～200°C) ○ △ △ ◎（InGaZnO） (室温 200 C)

有機半導体 0.01~10溶液法、昇華法等

（室温）○ ◎ ◎ ☓

カーボンナノチューブ薄膜

1 ~200溶液法、転写法等

（室温）◎ ◎ ◎ ◎

カーボンナノチューブ薄膜の特徴カーボンナノチューブ薄膜の特徴

• 高い伝導度

• 柔軟・強靱

透明• 透明

• 簡単・高速に形成可能簡単 高速に形成可能

（工夫次第）

これまでの溶液プロセスでは期待される性能は得られていない期待される性能は得られていない

• 分散プロセスにより短尺化表面張力で凝集（バンドル化 不均 化）• 表面張力で凝集（バンドル化、不均一化）

• 残留分散剤

• 接合抵抗が増大• オフ電流が増加• しきい値の制御が不能

本研究の方針本研究の方針

• 分散剤を用いない

• 表面張力のない環境で薄膜を作る

• 成長した状態の長尺で清浄なCNTを使う

• 溶液プロセスより更に簡単で高速なプロセス

気相ろ過・転写によるカーボンナノチューブ薄膜形成簡単 高速に高性能薄膜を実現‐簡単・高速に高性能薄膜を実現 ‐

１ 浮遊触媒・化学気相成長法１．浮遊触媒 化学気相成長法触媒ガスと原料ガスを供給

大気圧・連続成長

２．気相ろ過・薄膜形成フィルタによりCNTをろ過・薄膜形成

プ気相プロセス

堆積時間は数秒： 高速長尺で清浄なCNT

３．転写予め電極を形成した基板にCNT薄膜を転写を転写

室温プロセス

⇒ 任意の基板に転写可能任意の基板に転写可能

アールト大学 名古屋大学

世界最高性能のカーボンナノチューブTFT高移動度と高オン/オフ比を同時に実現‐高移動度と高オン/オフ比を同時に実現 ‐

移動度: 35 cm2/Vsオン/オフ 6 106オン/オフ: 6x106

ノーマリーオフ型リ オフ型⇒ しきい値はドーピングにより制御可能

透明で柔軟なプラスチック基板上にナ ブ集積回路を作製ナノチューブ集積回路を作製

＊高速な印刷技術との親和性を考慮し 素子サイズを100ミクロンとして設計＊高速な印刷技術との親和性を考慮し、素子サイズを100ミクロンとして設計

機能集積回路に必要な基本論理素子の動作を実現

NOR NAND

現在の集積回路はNORとNANDの組み合わせで構成されている。

NOR NAND

世界で初めてカーボンナノチューブを用いた順序回路の動作に成功順序回路の動作に成功D‐フリップ・フロップ： 1ビットの情報を保持する論理回路：計算機に必須の基本回路

’ * hX: Don’t care,  *: No change

Master latch Slave latch

組合せ回路：現在の入力のみで出力が決まる組合せ回路：現在の入力のみで出力が決まる順序回路： 現在の入力と回路に記憶した過去の

入力で出力が決まる

動作速度：100kHz級動作に目処

リング発振器： 反転器をリング状に接続した発振器

信号の伝播遅延により発振周波数が決まる信号の伝播遅延により発振周波数が決まる

⇒ 論理ゲートの動作速度を評価

反転器21段と出力バッファ：TFT 44個を集積反転器1段あたりの遅延時間：

12 マイクロ秒⇒ 83 キロヘルツ

印刷可能な100ミクロンの大きさのTFTにおいて、100kHz級の回路動作に目処

ロール・ツー・ロール法への展開が可能

今回開発した技術大気圧・連続成長大気圧 連続成長高速成膜

室温プロセス任意の基板

高性能フレキシ高性能フレキシブル集積回路

今後導入する技術