有機半導體因其能以低成本製造元件而備受關注。東京大學等近日開發出了突破有機半導體難以實現高性能和大面積化極限的新材料。通過使用有機半導體，能以印刷方式且每件1日元的超低價格製造無線射頻識別（RFID）標籤。到2050年前後，目前的電子產品有很多都有望利用有機半導體來製造。
有機半導體可以利用墨水印刷技術等製造，並具有以低成本製造元件的優勢。利用有機半導體實現高性能器件的關鍵是有機CMOS（互補型金屬氧化物半導體）積體電路。
CMOS一般是組合「n型」和「p型」兩種半導體製造的。n型為電子移動，p型為電洞（電子留下的孔）移動。p型半導體的性能指數——電洞遷移率與硅等無機半導體基本相同，相對而言可以實現大面積。而n型半導體的開發一直沒有取得進展。
東京大學、筑波大學、北里大學和產業技術綜合研究所組成的研究團隊2020年開發出了電子移動性高、可以塗布製膜的n型有機半導體材料。該材料已開始由富士膠片和光純藥作為試劑銷售。
這種半導體材料具有類似於磚牆狀的晶體結構。然而，還存在構成晶體的分子位置會偏移，導致有些位置的電子移動性產生偏差的課題，所以很難在維持性能的同時擴大面積。
此次，研究團隊開發了在維持高電子移動性的同時，進一步改善晶體結構的技術。分子兩端的取代基採用了名為「環己基」的結構。
由此，分子中體現半導體特性部分被均勻排列，即使擴大面積，也能消除性能上的不均勻。東京大學的岡本敏宏副教授表示，有望形成尺寸達到以前100多倍的「2平方釐米以上的薄膜」。
有機半導體的實用化需要滿足幾個條件。包括便於合成、化學性質穩定、能用印刷法制造、可以承受150℃以上的高溫等。塗布製作的膜是否具有足夠的性能也很重要。
此次的n型有機半導體的電子移動性還沒有達到無機半導體的水平。岡本副教授表示：「目標是實現與n型有機半導體相同水平的遷移率。」
RFID標籤被廣泛用於服裝等零售店的商品管理。然而，由於成本問題，很難用於便利店等價格為數十～數百日元的商品上。
有機半導體具有可利用印刷技術低成本製造的優點。岡本副教授表示，如果實現實用化，「便宜的商品也可以貼上標簽進行管理。」他預測說，到2030年代「RFID標籤將實現每個約1日元的單價，有望廣泛普及。」
「感測器社會」正在到來
| 有機半導體的動向與未來展望 | |
| 2005年 | 日美確認紅熒烯的高電子移動性源於電子以波的形式在晶體中傳播的“頻波傳導” |
| 2010年 | 以頻波傳導為基礎的物質設計取得進展 |
| 2021年 | 可靠性和大面積化取得眉目 |
| 2025年 | n型半導體也能實現與目前的無機半導體相同的性能 |
| 2030年代 | RFID標籤的成本低於1日元 |
| 2040年代 | 隨著通信技術的發展等，實現萬億感測器 為減輕環境負荷，幾乎所有的感測器都利用有機材料製作 |
| 2050年代 | 平時使用的電子產品幾乎全部是利用有機材料製造的 |
採用有機材料的器件中目前已經普及的是有機EL顯示螢幕，並且已經被應用於智慧型手機。有機EL顯示螢幕的發光部分使用有機物質，信號控制等使用無機半導體。如果能將其換成有機半導體，還有望實現帶顯示螢幕的可以自由彎曲的多功能板材。
組合使用測量溫度、濕度和振動等的感測器及無線通信模組的感測器標籤也很有應用前景。物聯網（IoT）中有一個名為「萬億感測器」的構想。該構想的目標是每年使用1萬億個感測器在社會上建立起巨大的網路來解決各種社會問題。在日本，三井不動產和日立物流公司與東京大學和從事感測器標籤業務的初創企業PI CRYSTAL（千葉縣柏市）利用有機半導體感測器共同實施了監測物流的驗證實驗。
有機半導體比無機半導體更輕，還可以減少高溫處理工序。製造時的環境負荷小也是一個優點。針對目前正在普及的高速通信規格「5G」的下一代標準「6G」，以及持續發展的人工智慧（AI），有望誕生出全新的產品和服務。
日文：松元則雄、《日經產業新聞》，2021/12/24
中文：JST客觀日本編輯部
