(57)【要約】【課題】比較的構造が簡易であり、製造性が良好で、大気中で比較的安定的に動作可能なアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタを提供すること。【解決手段】ゲート電極を有する基板１と、基板１上にゲート絶縁膜２を介して形成された、アンバイポーラ特性を有するチャネルを形成する半導体層部４と、チャネルに電流を流すためのソース電極８およびドレイン電極９とを有し、半導体層部４は、ｎ型チャネルを形成するｎ型チャネル用有機半導体膜５と、ｎ型チャネル用有機半導体膜５を大気と遮断するように覆い、ｐ型チャネルを形成するｐ型チャネル用有機半導体膜６とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極を有する基板と、前記基板上にゲート絶縁膜を介して形成された、アンバイポーラ特性を有するチャネルを形成する半導体層部と、前記チャネルに電流を流すためのソース電極およびドレイン電極とを有し、
前記半導体層部は、ｎ型チャネルを形成するｎ型チャネル用有機半導体膜と、前記ｎ型チャネル用有機半導体膜を大気と遮断するように覆い、ｐ型チャネルを形成するｐ型チャネル用有機半導体膜とを有することを特徴とするアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記ｐ型チャネル用有機半導体膜は、前記ｎ型チャネル用有機半導体膜の上面と側面とを覆うように設けられ、前記ｎ型チャネル用有機半導体膜は、その下地と前記ｐ型チャネル用有機半導体膜とで囲まれた状態で気密に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタ。
【請求項３】
前記半導体層部は、前記ｎ型チャネル用有機半導体膜の下地として有機材料バッファ層を有することを特徴とする請求項２に記載のアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記有機材料バッファ層は、ペンタセンで形成されていることを特徴とする請求項３に記載のアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記絶縁層と前記半導体部との間に自己組織化単分子膜を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタ。
【請求項６】
前記自己組織化単分子膜は、オクタデシルトリクロロシランまたはヘキサメチルジシラザンで形成されていることを特徴とする請求項５に記載のアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタ。
【請求項７】
前記ｎ型チャネル用有機半導体膜は、フラーレンで形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタ。
【請求項８】
前記フラーレンはＣ６０であることを特徴とする請求項７に記載のアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタ。
【請求項９】
前記ｐ型チャネル用有機半導体膜は、ペンタセンで形成されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタ。
【請求項１０】
前記ソース電極および前記ドレイン電極は、前記ｐ型チャネル用有機半導体膜上に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気中で駆動可能なアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、電界効果型トランジスタとして、有機半導体を用いた有機電界効果トランジスタが注目されている。有機電界効果トランジスタは、薄膜である有機半導体層にチャネルを形成する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）として構成されるが、低温で製造が可能である点、基板の選択が容易でフレキシブル構造への適用が可能である点、塗布やインクジェット等を採用可能であり、それにより大面積の電界効果トランジスタを低コストで製造可能である点等の多くの利点があり、有機ＥＬディスプレイ用のスイッチ素子等への応用が期待されている。
【０００３】
一方、半導体装置としては、ｎ型ＭＯＳ領域とｐＭＯＳ領域を組み合わせて構成されるＣＭＯＳトランジスタが多用されているが、有機電界効果トランジスタによりこのようなＣＭＯＳトランジスタを作成しようとした場合、不純物ドーピングの手法を用いることができないため、ｎ型ＭＯＳ領域とｐ型ＭＯＳ領域を造り分ける必要があり、製造工程が極めて複雑になってしまう。
【０００４】
そこで、同一素子上で、ゲート電圧の極性を変えることにより、ｎ型としてもｐ型としても駆動し、非常に簡単にＣＭＯＳ回路を作製することができるアンバイポーラ型電界効果トランジスタが注目されている。
【０００５】
有機半導体を用いたアンバイポーラ型電界効果トランジスタは、種々検討されており、例えばｐ型チャネルとしてペンタセン、ｎ型チャネルとしてＣ６０が用いられている。
【０００６】
しかしながら、ｎ型チャネルとして用いられている有機材料はＣ６０に限らず、実際に素子に用いて動作測定をすると、真空中では良好な特性が得られるものの、大気中では急激に特性が低下して素子が動作しない。
【０００７】
このような問題に対して、特許文献１には、ｎ型チャネル用の半導体膜とｐ型チャネル用の半導体膜とを積層した構造のアンバイポーラ型電界効果トランジスタが提案されており、これにより大気中で安定した動作が可能であるとしている。
【特許文献１】特開２００７−２７３５９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１では、ｎ型チャネル用半導体膜とｐ型チャネル用半導体膜との積層構造をとるため、構造が複雑になり、製造性が悪いとともに、ｎ型チャネル用半導体膜の端面は大気と接触するため、大気中で十分に安定に動作することができない可能性がある。また、上記特許文献１では、その積層構造を保護膜で覆う実施形態も開示されているが、保護膜を付加することにより益々構造が複雑になってしまう。
【０００９】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、比較的構造が簡易であり、製造性が良好で、大気中で比較的安定的に動作可能なアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明は、ゲート電極を有する基板と、前記基板上にゲート絶縁膜を介して形成された、アンバイポーラ特性を有するチャネルを形成する半導体層部と、前記チャネルに電流を流すためのソース電極およびドレイン電極とを有し、前記半導体層部は、ｎ型チャネルを形成するｎ型チャネル用有機半導体膜と、前記ｎ型チャネル用有機半導体膜を大気と遮断するように覆い、ｐ型チャネルを形成するｐ型チャネル用有機半導体膜とを有することを特徴とするアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタを提供する。
【００１１】
上記本発明において、前記ｐ型チャネル用有機半導体膜は、前記ｎ型チャネル用有機半導体膜の上面と側面とを覆うように設けられ、前記ｎ型チャネル用有機半導体膜は、その下地と前記ｐ型チャネル用有機半導体膜とで囲まれた状態で気密に設けられている構成とすることができる。
【００１２】
また、前記半導体層部は、前記ｎ型チャネル用有機半導体膜の下地として有機材料バッファ層を有するように構成することができる。前記有機材料バッファ層は、ペンタセンで形成することができる。
【００１３】
さらに、前記絶縁層と前記半導体部との間に自己組織化単分子膜を有する構成とすることができる。前記自己組織化単分子膜は、オクタデシルトリクロロシランまたはヘキサメチルジシラザンで形成することができる。
【００１４】
さらにまた、前記ｎ型チャネル用有機半導体膜は、フラーレンで構成されていることが好ましく、前記フラーレンはＣ６０であることが一層好ましい。そして、前記ｐ型チャネル用有機半導体膜は、ペンタセンで構成されていることが好ましい。さらにまた、前記ソース電極および前記ドレイン電極は、前記ｐ型チャネル用有機半導体膜上に形成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、アンバイポーラ特性を有するチャネルを形成する半導体層部を、ｎ型チャネルを形成するｎ型チャネル用有機半導体膜と、前記ｎ型チャネル用有機半導体膜を大気と遮断するように覆い、ｐ型チャネルを形成するｐ型チャネル用有機半導体膜とを有する構造として、大気中で動作可能なｐ型チャネル用有機半導体膜を、ｎ型チャネル用有機半導体膜を大気から保護する保護層としても機能するようにしたので、比較的簡易な構造であり、良好な製造性で、大気中で比較的安定的に動作可能なアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
（実施形態に係るトランジスタの概略構成）
図１は、本発明の一実施形態に係るアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタの概略構成を示す断面図、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【００１７】
本実施形態のアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタは、ボトムゲート型ＴＦＴ構造を有しており、ゲート電極となる導電性の基板１を有している。基板１の上にはゲート絶縁膜２および自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）３を介してアンバイポーラ特性を有するチャネルを形成する半導体層部４が形成されている。
【００１８】
半導体層部４は、ｎ型チャネルを形成するｎ型チャネル用有機半導体膜５と、ｐ型チャネルを形成するｐ型チャネル用有機半導体膜６と、有機材料バッファ層７を有する。有機材料バッファ層７は、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）３の上に形成されており、ｎ型チャネル用有機半導体膜５は、下地である有機材料バッファ層７の上に設けられている。ｐ型チャネル用有機半導体膜６は、ｎ型チャネル用有機半導体膜５の上面ならびにｎ型チャネル用有機半導体膜５および有機材料バッファ層７の側面を覆うように設けられ、ｎ型チャネル用有機半導体膜５は下地である有機材料バッファ層７とｐ型チャネル用有機半導体膜６とで囲まれた状態で気密に設けられ、これにより、ｎ型チャネル用有機半導体膜５は大気と遮断された状態とされている。すなわち、ｐ型チャネル用有機半導体膜６は、ｎ型チャネル用有機半導体膜５を大気と遮断するように覆っている。
【００１９】
ｐ型チャネル用有機半導体膜６の上面には、ソース電極８およびドレイン電極９が形成されている。
【００２０】
（実施形態に係るトランジスタの各要素の説明）
基板１としては、ゲート電極の機能を持てば特に限定されるものではない。また、全体が導電性でゲート電極として機能するものであっても、その表面にゲート電極として機能する導電性部分を有していてもよい。全体が導電性のものとしてはシリコン（ｎ型またはｐ型）、金属、合金を用いることができる。一部に導電性部分を形成する場合には、樹脂板、樹脂フィルム、ガラス、セラミックス等の絶縁材料を用いることができる。基板１として樹脂フィルムを用いるとフレキシブルな素子を実現することができる。この場合のゲート電極として機能する導電性部分としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）等の安定性の高い貴金属類や、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）等の半導体分野で一般的に用いられている電極・配線材料、および導電性酸化物や導電性樹脂を用いることができる。
【００２１】
ゲート絶縁膜２としては、その機能を発揮できる程度の絶縁性を有しているものであればよく、酸化物材料、例えば、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３や、ＨｆＯ２、ＨｆＳｉＯｘ（ｘは正の数）等の高誘電率酸化物、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド等の樹脂材料を用いることができる。
【００２２】
自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）３は、電界効果トランジスタの特性を向上させるためのものであり、例えばオクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）やヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）を用いることができる。なお、この膜は必須ではない。
【００２３】
ｎ型チャネル用有機半導体膜５としては、ｎ型チャネルを形成することができる有機材料であればよく、ナフタレン誘導体、銅フタロシアニン誘導体、フッ素化ペンタセン誘導体、チアゾール誘導体、フラーレン等を挙げることができる。この中ではフラーレンが好ましく、特にＣ６０が好ましい。
【００２４】
ｐ型チャネル用有機半導体膜６としては、ｐ型チャネルを形成することができる有機材料であればよく、ペンタセンおよびその誘導体、アントラセン誘導体、フタロシアニン誘導体、トリフェニルアミン誘導体、オリゴチオフェン誘導体等を挙げることができる。この中ではペンタセンが好ましい。
【００２５】
有機材料バッファ層７は、ｎ型チャネル用有機半導体膜５の濡れ性が良好になるように挿入され、有機材料で形成される。この有機材料バッファ層７は、ｐ型チャネル用有機半導体膜６と同じ材料が好ましく、例えば、ｐ型チャネル用有機半導体膜６がペンタセンで形成された場合には、この有機材料バッファ層７もペンタセンで形成される。なお、この膜は必須ではない。
【００２６】
ソース電極８およびドレイン電極９は、導電性を有する材料であれば用いることができ、安定性の高い金属である金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）等を好適に用いることができる。銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）等の半導体分野で一般的に用いられている電極・配線材料も用いることができるし、導電性酸化物や導電性樹脂を用いることもできる。
【００２７】
（実施形態に係るトランジスタの製造方法）
次に、以上のような構造を有するアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタの製造方法について説明する。
まず、基板１を準備する。上述したように、基板１は全体が導電性でゲート電極として機能するものであっても、その表面にゲート電極として機能する導電性部分を有していてもよい。導電性部分は、例えばｎ型低抵抗Ｓｉウエハにより形成することができる。基板１の厚さは１００ｎｍ〜１μｍとすることが好ましい。また、導電性部分の厚さは１００ｎｍ〜１μｍとすることが好ましい。
【００２８】
次に、基板１の全面にゲート絶縁膜２を形成する。ゲート絶縁膜２は、酸化物の場合には、ＣＶＤ法、スパッタリング等のＰＶＤ法等の公知の薄膜形成技術で好適に形成することができ、樹脂材料の場合には、塗布法、印刷法等により好適に形成することができる。基板１がシリコンの場合には、常法に従って熱酸化によりＳｉＯ２絶縁膜を簡易に形成することができる。ゲート絶縁膜２の厚さは、
５０〜５００ｎｍであることが好ましい。
【００２９】
次に、ゲート絶縁膜２の全面に、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）３を形成する。この膜は、ＵＶオゾン処理された基板に浸漬法により形成することができる。この膜の厚さは、１〜１０ｎｍであることが好ましい。
【００３０】
次に、所定のマスクを用い、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）３の上の素子形成予定領域に有機材料バッファ層７を形成し、引き続き同じマスクを用いてその上にｎ型チャネル用有機半導体膜５を形成する。その後、より広い開口部を有するマスクを用いて、ｎ型チャネル用有機半導体膜５を覆うようにｐ型チャネル用有機半導体膜６を形成する。このとき、ｎ型チャネル用有機半導体膜５は下地である有機材料バッファ層７とｐ型チャネル用有機半導体膜６とで囲まれた状態で気密に形成され、外気と遮断された状態とされる。これらｎ型チャネル用有機半導体膜５、ｐ型チャネル用有機半導体膜６、有機材料バッファ層７は、真空蒸着法により成膜することができる。有機材料バッファ層７の厚さは、５〜５０ｎｍであることが好ましい。また、ｎ型チャネル用有機半導体膜５の厚さは、５〜１００ｎｍであることが好ましい。さらに、ｐ型チャネル用有機半導体膜６の厚さは、５〜１００ｎｍであることが好ましい。
【００３１】
その後、ｐ型チャネル用有機半導体膜６の上に、ソース電極８およびドレイン電極９を形成する。これらソース電極８およびドレイン電極９は、ＣＶＤ方やＰＶＤ法等の公知の薄膜形成技術や、塗布法、印刷法等により好適に形成することができる。
【００３２】
（実施形態に係るトランジスタの動作および作用効果）
以上のようにして構成されたアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタにおいて、ソース電極８およびドレイン電極９の間に正のドレイン電圧を印加すると、所定のゲート電圧において、ｎチャネル用有機半導体膜５に電子の移動が生じ、正のドレイン電流が流れてｎ型動作がなされる。
【００３３】
一方、ソース電極８およびドレイン電極９の間に負のドレイン電圧を印加すると、所定のゲート電圧において、ｐチャネル用有機半導体膜６にホールの移動が生じ、負のドレイン電流が流れてｐ型動作がなされる。
【００３４】
ところで、従来のｎチャネル用有機半導体膜５は、代表的な材料であるＣ６０に限らず、実際に素子に用いて動作測定をすると、低真空中では良好な特性が得られるものの、大気中では急激に特性が低下して素子が動作しないという問題があった。これに対して、ペンタセンに代表されるｐチャネル用有機半導体膜６は、大気中でも問題なく動作することが可能である。
【００３５】
本実施形態では、このようなｎチャネル用有機半導体膜５が大気中で動作しないという問題を解決するため、大気中で問題なく動作可能なｐ型チャネル用有機半導体膜６を、ｎ型チャネル用有機半導体膜５の上面および側面を覆うように設け、ｎ型チャネル用有機半導体膜５を、下地である有機材料バッファ層７とｐ型チャネル用有機半導体膜６とで囲まれた状態で気密に設け、大気と遮断した状態としている。つまり、ｐ型チャネル用有機半導体膜６は、ｐ型チャネルとして機能するほか、ｎ型チャネル用有機半導体膜５を大気から保護する保護層としても機能するようにしている。このため、素子の構造を複雑化することなく、比較的簡易な構造で、製造性良く、大気中で比較的安定的に動作可能なアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタを得ることができる。特に、ｎ型チャネル用有機半導体膜５にＣ６０を用い、ｐ型チャネル用有機半導体膜６にペンタセンを用いることにより、従来の有機半導体電界効果トランジスタの中では最も良好なトランジスタ特性を得ることができる。
【００３６】
本実施形態では、このように、ＣＭＯＳ的なインバーター動作を大気中で安定的に行うことが可能なアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタを比較的簡易な構造で簡易な工程で得ることができる。
【００３７】
（具体例）
次に、本発明の素子を実際に作製してトランジスタ特性を測定した結果について説明する。
まず、ゲート電極として機能する基板１として、ｎ型低抵抗Ｓｉ基板を用い、その上に、ゲート絶縁層２としてＳｉＯ２膜を熱酸化により３５０ｎｍの厚さで形成し、さらにその上面に自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）としてオクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）を浸漬法により成膜した。その上に、有機材料バッファ層７としてペンタセン膜を真空蒸着法により５ｎｍの厚さで成膜し、その上に、ｎ型チャネル用有機半導体膜５としてＣ６０膜を真空蒸着法により３０ｎｍの厚さで成膜し、さらに、Ｃ６０膜を覆って大気と遮断するように、ｐ型チャネル用有機半導体膜６としてペンタセン膜を真空蒸着法により３０ｎｍの厚さで成膜した。そして、ペンタセン膜の上にソース電極８およびドレイン電極９としてＡｕ層を真空蒸着法により３０ｎｍの厚さで成膜し、デバイスを製造した。
【００３８】
このデバイスの平面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図３に示す。図３からチャネル長が１．２μｍであることが確認される。また、チャネル幅は１．０ｍｍであった。
【００３９】
このようにして得られたデバイスのＶｄ−Ｉｄ特性を図４、５に示す。図４に示すように、ゲート電圧が０〜−５０Ｖの範囲でホールドレイン電流の飽和が見られｐ型動作が確認された。また、図５に示すように、ゲート電圧が４０〜１００Ｖの範囲で電子ドレイン電流の飽和が見られｎ型動作が確認された。このようにｐ型動作およびｎ型動作の両方を示すアンバイポーラ特性が発現し、ホール移動度μｈ＝０．２ｃｍ２／Ｖｓ、電子移動度μｅ＝０．０４ｃｍ２／Ｖｓであった。これらの値は、既存のペンタセンおよびＣ６０を用いたアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタの中では大気中の測定値として最も高い値である。
【００４０】
次に、作製したデバイスの大気下での耐性を確認するため、このデバイスをデシケータに入れて６日間放置した後に同様に測定を行った。その際のデバイスのＶｄ−Ｉｄ特性を図６、７に示す。図６、７に示すように、大気に６日間放置した後も、ｐ型動作およびｎ型動作の両方を示すアンバイポーラ特性が引き続き現れており、ホール移動度μｈ＝０．２ｃｍ２／Ｖｓ、電子移動度μｅ＝０．０１ｃｍ２／Ｖｓであった。この値から、このデバイスが大気下で比較的安定であることが確認された。
【００４１】
次に、ｐ型チャネルを形成するペンタセンを設けずに、ｎ型チャネルを構成するＣ６０の大気中での動作を確認したところ、ｎ型動作しなかった。このことから、ｐ型チャネルを形成するペンタセンはｐ型チャネルとして機能するだけでなく、大気に敏感なＣ６０を保護する機能を有し、その保護機能がＣ６０のｎ型動作に必要であることが確認された。
【００４２】
次に、半導体層部４のペンタセン／Ｃ６０／ペンタセン構造部分の断面を走査透過顕微鏡（ＳＴＥＭ）により観察した。その際の断面ＳＴＥＭ写真を図８に示す。この図に示すように、下層のペンタセン層、中間のＣ６０層、上層のペンタセン層が明確に確認された。
【００４３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなくさらに種々の変形が可能である。例えば、図１に示したデバイス構造は、単なる例示であり、実際の適用に際しては、種々の構造を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態に係るアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタの概略構成を示す断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図３】実際に作製した本発明のアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタの平面の走査型電子顕微鏡写真。
【図４】実際に作製した本発明のアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタにおけるｐ型チャネルのＶｄ−Ｉｄ特性を示す図。
【図５】実際に作製した本発明のアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタにおけるｎ型チャネルのＶｄ−Ｉｄ特性を示す図。
【図６】実際に作製した本発明のアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタを６日間大気下に放置した後におけるｐ型チャネルのＶｄ−Ｉｄ特性を示す図。
【図７】実際に作製した本発明のアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタを６日間大気下に放置した後におけるｎ型チャネルのＶｄ−Ｉｄ特性を示す図。
【図８】実際に作製した本発明のアンバイポーラ型有機電界効果トランジスタの半導体層部のペンタセン／Ｃ６０／ペンタセン構造部分の断面を示す走査透過顕微鏡写真。
【符号の説明】
【００４５】
１；基板
２；ゲート絶縁膜
３；自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）
４；半導体層部
５；ｎ型チャネル用有機半導体膜
６；ｐ型チャネル用有機半導体膜
７；有機材料バッファ層
８；ソース電極
９；ドレイン電極
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010114184.tif 000007
【図７】
2010114184.tif 000008
【図３】
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【図８】
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