(57)【要約】【課題】特定のプラスチック基板と特定の樹脂製の絶縁体層とを組み合せることにより、可撓性を有し、簡易なプロセスにより低コストに製造可能な有機電界効果トランジスタであって、高性能な有機電界効果トランジスタを提供する。【解決手段】絶縁体層３と、この絶縁体層３により隔離されたゲート電極２及び有機半導体層４と、この有機半導体層４に接するように設けられたソース電極５及びドレイン電極６を、絶縁性支持基板上１に有する電界効果トランジスタ。絶縁性支持基板１がポリエチレンテレフタレートからなり、絶縁体層３がポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリスルホン、（メタ）アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シアノ基を有する炭化水素樹脂及びフェノール樹脂の１種又は２種以上からなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体層と、該絶縁体層により隔離されたゲート電極及び有機半導体層と、該有機半導体層に接するように設けられたソース電極及びドレイン電極と、絶縁性支持基板とを有する電界効果トランジスタにおいて、
該絶縁性支持基板がポリエチレンテレフタレートからなり、
かつ該絶縁体層が、ポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリスルホン、（メタ）アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シアノ基を有する炭化水素樹脂及びフェノール樹脂、並びにこれらの樹脂を構成する単量体成分を含む共重合樹脂からなる群から選ばれる１種又は２種以上の樹脂を主成分とすることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２】
請求項１において、前記ゲート電極が前記絶縁性支持基板上に設けられており、該ゲート電極上に絶縁体層を介して有機半導体層が設けられていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記ソース電極及びドレイン電極が前記絶縁体層に接していることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項４】
請求項１又は２において、前記ソース電極及びドレイン電極が前記有機半導体層上に設けられていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項５】
請求項１において、前記ソース電極及びドレイン電極が前記絶縁性支持基板上に設けられていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項において、前記有機半導体層におけるソース電極−ドレイン電極方向の電気伝導度が１０−４Ｓ／ｃｍ以下、１０−１２Ｓ／ｃｍ以上であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項において、前記有機半導体層における電界効果移動度、ソース電極−ドレイン電極方向の電気伝導度、及び電荷素量に基いて求められたキャリア密度が１０７ｃｍ−３以上、１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項において、前記有機半導体層における電界効果移動度の室温以下での温度依存性から求められる電荷移動に要する活性化エネルギーが０．２ｅＶ以下であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項において、前記絶縁体層における比誘電率が２．０以上であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項において、前記絶縁体層における電気伝導度が１０−１２Ｓ／ｃｍ以下であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項において、前記ドレイン電極が白金、金、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、チタン、マグネシウム、カルシウム、バリウム及びナトリウムよりなる群から選ばれる金属、ＩｎＯ２又はＳｎＯ２の導電性酸化物、導電性付与成分がドープされてなる導電性高分子、或いは、導電性微粒子がバインダーに分散されてなる導電性複合材料からなることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか１項において、前記ソース電極が白金、金、クロム、ニッケル、銅、チタン、マグネシウム、カルシウム、バリウム及びナトリウムよりなる群から選ばれる金属、ＩｎＯ２又はＳｎＯ２の導電性酸化物、導電性付与成分がドープされてなる導電性高分子、或いは、導電性微粒子がバインダーに分散されてなる導電性複合材料からなることを特徴とする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、有機半導体を用いた電界効果トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
電界効果トランジスタは、バイポーラトランジスタと並んで重要なスイッチ、増幅素子として広く利用されている。電界効果トランジスタは、半導体材料にソース電極及びドレイン電極と、絶縁体層を介してゲート電極を設けた構造を有する。電界効果トランジスタの動作特性は、用いられる半導体のキャリア移動度μ、電気伝導度σ、絶縁層の静電容量Ｃｉ、素子の構成（ソース電極−ドレイン電極間距離Ｌ及び幅Ｗ、絶縁層の膜厚ｄ等）により決まるが、この中で、半導体材料の特性としては、高い移動度（μ）を有するものが良好な特性を示すことになる。
【０００３】
現在、半導体材料としてはシリコンが広く用いられている。シリコンに代表される無機半導体は、製造時に３００℃以上の高温で処理する必要があることから、基板にプラスチック基板やフィルムを用いることが難しく、かつ製造に多くのエネルギーを必要とするという欠点がある。また、真空での素子作製プロセスを経るため、製造ラインに高価な設備を必要とし、高コストになるという欠点もある。
【０００４】
これに対して、有機半導体を用いたトランジスタは、その殆どが無機半導体より低温プロセスで製造することができるため、基板としてプラスチック基板やフィルムを用いることができ、軽量で壊れにくい素子を作製することができる。また、近年、このようなプラスチック基板上に形成する絶縁体層としても樹脂を使用して、素子全体としての可撓性を持たせる試みがなされており、この場合には、プラスチック基板や樹脂製絶縁膜の種類によっては、溶液の塗布や印刷法を用いた素子作製が可能なものもあり、大面積の素子を低コストで製造することが可能である。更に、材料のバリエーションが豊富であり、分子構造を変化させることにより容易に材料特性を根本的に変化させることが可能であるため、異なる機能を組み合わせることで、無機半導体では不可能な機能、素子を実現することも可能である。
【０００５】
半導体として有機半導体を用いたトランジスタについて、特許文献１には、導電性高分子、共役高分子を利用したものが記載され、特許文献２には、低分子化合物を利用したものが記載されている。
【０００６】
従来の半導体として有機半導体を用いたトランジスタの代表的な構造を図１〜３に示す。
【０００７】
図１の電界効果トランジスタにあっては、絶縁性支持基板１上にゲート電極２が設けられ、更にこの上に絶縁体層３及び有機半導体層４が設けられている。この有機半導体層４に接するように、ソース電極５とドレイン電極６が絶縁体層３上に設けられている。この電界効果トランジスタはボトムゲート・ボトムコンタクト型と称される。
【０００８】
図２の電界効果トランジスタにあっては、絶縁体層３上の有機半導体層４上にソース電極５とドレイン電極６が設けられている点が図１に示す電界効果トランジスタと異なり、その他は同様の構成とされている。この電界効果トランジスタはボトムゲート・トップコンタクト型と称される。
【０００９】
図３に示す電界効果トランジスタにあっては、絶縁性支持基板１上にソース電極５とドレイン電極６が設けられ、絶縁性支持基板１上に有機半導体層４及び絶縁体層３が積層され、絶縁体層３上にゲート電極２が設けられている。この電界効果トランジスタは、トップゲート・ボトムコンタクト型と称される。
【００１０】
このような電界効果トランジスタでは、ゲート電極２に電圧が印加されると、有機半導体層４と絶縁体層３の界面近傍における有機半導体層のキャリア密度を変化させて、ソース−ドレイン電極５，６間に流れる電流量を変化させる。
【００１１】
また、このような有機半導体を用いた電界効果トランジスタの有機半導体層における電荷輸送現象に対する研究も行われている。例えば、チオフェン環が数個連なったオリゴチオフェンにおいては、絶縁体層に対して分子軸が垂直よりやや傾くようにして立ち、またソース電極−ドレイン電極方向に対してオリゴチオフェンのπ軌道が互いに相互作用するように配列し、この配列したオリゴチオフェンの分子の層が絶縁体層に対して垂直方向に積み重なってオリゴチオフェンの有機半導体層を形成する（非特許文献１）。ゲート電極による誘起電荷はこの相互作用しているπ軌道を通してソース電極−ドレイン電極間を移動するため、高い移動度を得るためにはオリゴチオフェン分子間のπ軌道相互作用を強くすることが望ましい。
【００１２】
更にまた、このオリゴチオフェン半導体層を用いたボトムコンタクト型電界効果トランジスタの作動時には、絶縁体層より上の１個分から２、３個分のオリゴチオフェン分子層において誘起電荷が移動していることが示唆されている（非特許文献２）。
【００１３】
ところで、従来、このような有機電界効果トランジスタのプラスチック基板上に樹脂製絶縁体層を形成したものとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる基板に、絶縁体層としてポリイミドを使用した例が特許文献３に開示されている。しかしながら、ポリイミドは一般に耐熱性、可撓性に優れるものの、絶縁膜に形成した際に平坦性をとり難い、透明性が劣る、絶縁膜を形成するときに高温のプロセスが必要になる等の欠点があり、ＰＥＴ基板の特性を損ねたり、製造条件が厳しく工業的に適さないなどの課題を有している。
【００１４】
一方、非特許文献３には、ＰＥＴからなる基板にポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を絶縁膜として形成するトランジスタが開示されているが、ＰＶＡは吸湿性が高く、空気中での製造やトランジスタ性能の安定性には問題がある。
【００１５】
このように、現状では、ＰＥＴ基板上に形成する適切な樹脂系絶縁体層が未だ提案されていない。
【００１６】
更にまた、プラスチック基板や樹脂製絶縁膜の種類によっては、配線、電極の材料も有機電界効果トランジスタあるいはそれらを用いたディスプレイの駆動回路の構成材料として重要であるが、低コストで可撓性に優れた有機電界効果トランジスタに適した配線・電極材料やその形成プロセスについては充分な検討はなされていない。
【００１７】
例えばＩＴＯの場合はスパッタのような真空プロセスでの形成では前述したような高コストとなってしまい、ＩＴＯ微粒子を用いた印刷法での配線・電極形成では、充分な電気伝導度を得るためには印刷後に高温での処理が必要であるために、プラスチック基板を用いることができないといったような欠点が存在する。また、アルミニウムのような仕事関数の小さな金属は、空気中で酸化されやすいために酸素の影響がないような環境で形成し、形成後も素子全体を封止しなければならないといったような欠点が存在する。
【００１８】
更にまた、可撓性に優れた有機電界効果トランジスタとして機能させる場合には、プラスチック基板のみが可撓性に優れていても、絶縁層や有機半導体層の可撓性が悪い場合には素子全体としての可撓性は悪く、可撓性に優れた有機電界効果トランジスタとしては機能しないと思われるが、従来においては、これらのことに関する検討も未だ充分には行われてはいない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開昭６１−２０２４６９号公報
【特許文献２】特許２９８４３７０号公報
【特許文献３】特開２００１−２３０４２１号公報
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】ＡＤＶＡＮＣＥＤ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，第１２巻，第１４号，１０４６〜１０５０頁，２０００年
【非特許文献２】ＳＣＩＥＮＣＥ，第２６８巻，第１４号，２７０〜２７１頁，１９９５年
【非特許文献３】ＳＩＤ  ０１  ＤＩＧＥＳＴ  ５７頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
有機電界効果トランジスタの有機半導体における電荷輸送現象については前述の如く種々検討され、高い移動度が達成されているものもあるが、低コストで可撓性に優れた有機電界効果トランジスタにおいては基板、絶縁体層、電極、配線、或いは有機半導体の種類、それら種々物性により、電界効果トランジスタとしての性能（移動度、リーク電流値、ｏｎ／ｏｆｆ比等）が影響を受け、一定しないという問題があった。
【００２２】
また、絶縁性支持基板に対して樹脂製絶縁体層を採用することにより、電界効果トランジスタに可撓性を付与することができ、素子の低コスト化、多様化、多機能化を図ることも可能であるが、前述の如く、従来において、透明性、耐熱性、平坦性、その他の特性に優れる樹脂製絶縁体層は提供されていないのが現状である。
【００２３】
本発明は上記従来の実状に鑑みてなされたものであって、絶縁性支持基板と樹脂製絶縁体層との組合せを最適化することにより、可撓性を有し、簡易なプロセスにより低コストに製造可能な有機電界効果トランジスタであって、より高い移動度と、高いｏｎ／ｏｆｆ比とを達成することができ、かつこれらのトランジスタ性能が安定した有機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】
【００２４】
本発明の電界効果トランジスタは、絶縁体層と、該絶縁体層により隔離されたゲート電極及び有機半導体層と、該有機半導体層に接するように設けられたソース電極及びドレイン電極と、絶縁性支持基板とを有する電界効果トランジスタにおいて、該絶縁性支持基板がポリエチレンテレフタレートからなり、かつ該絶縁体層が、ポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリスルホン、（メタ）アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シアノ基を有する炭化水素樹脂及びフェノール樹脂、並びにこれらの樹脂を構成する単量体成分を含む共重合樹脂からなる群から選ばれる１種又は２種以上の樹脂を主成分とすることを特徴とする。
【００２５】
本発明者らは、従来の電界効果トランジスタにおけるトランジスタ性能の不安定性について鋭意検討した結果、絶縁体層としてポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリスルホン、（メタ）アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シアノ基を有する炭化水素樹脂及びフェノール樹脂並びにこれらの樹脂を構成する単量体成分を含む共重合樹脂の１種又は２種以上を使用するならば、透明性、耐熱性、絶縁膜として形成したときの平坦性、製造プロセスの低温化、ＩＴＯ電極などの導電性酸化物電極との親和性等の課題がバランスよく解決されることを見出して本発明に到達した。更に、絶縁膜として形成した際のキャパシタンス、絶縁性を損なうことなく可撓性を最適化することで有機電界効果トランジスタを屈曲させた場合に絶縁体層にクラック等が入ることを抑制し、それによりリーク電流が増加することを抑制することができ、ひいてはｏｎ／ｏｆｆ比の低減を抑制することができることを見出して本発明に到達した。
【００２６】
そして、このような材料を用いて製膜された絶縁体層の表面が平坦であることにより、この絶縁体層と接する側の有機半導体の分子配列の乱れが防止され、この乱れに起因する、この上に積み重なる有機半導体分子各層の配列の乱れや、この乱れによる、有機半導体分子間のπ軌道の相互作用の劣化、誘起電荷の移動への悪影響等がない、良好なトランジスタ性能が発現できる素子を構成できることを見出した。
【００２７】
即ち、本発明の有機電界効果トランジスタでは、絶縁性支持基板と絶縁体層との組合せで、絶縁性支持基板と絶縁体層とが共に樹脂製であることにより、フレキシブルディスプレーにおける可撓性という物理的要求特性を満たすと共に、作製時のプロセスを簡易かつ低コストなものとした上で、絶縁体層表面の平坦性により、前述の有機半導体への悪影響を改善して、高い移動度と高いｏｎ電流及び低いリーク電流、高いｏｎ／ｏｆｆ比が達成される。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の電界効果トランジスタによれば、特定のプラスチック基板と特定の樹脂製の絶縁体層とを組み合せることにより、可撓性を有し、簡易なプロセスにより低コストに製造可能な有機電界効果トランジスタが提供される。本発明の電界効果トランジスタでは、絶縁体層の表面の平坦性により、誘起電荷が移動する有機半導体分子の配列の乱れを効果的に抑制し、より高い移動度と、高いｏｎ電流及び低いリーク電流と、高いｏｎ／ｏｆｆ比とを有する電界効果トランジスタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】電界効果トランジスタの構造例を示す断面図である。
【図２】電界効果トランジスタの構造例を示す断面図である。
【図３】電界効果トランジスタの構造例を示す断面図である。
【図４】実施例１で製造されたトランジスタ素子のトランジスタ特性（電圧−電流曲線）を示すグラフである。
【図５】実施例２で製造されたトランジスタ素子のトランジスタ特性（電圧−電流曲線）を示すグラフである。
【図６】実施例３で製造されたトランジスタ素子のトランジスタ特性（電圧−電流曲線）を示すグラフである。
【図７】実施例４で製造されたトランジスタ素子のトランジスタ特性（電圧−電流曲線）を示すグラフである。
【図８】実施例５で製造されたトランジスタ素子のトランジスタ特性（電圧−電流曲線）を示すグラフである。
【図９】比較例１で製造されたトランジスタ素子のトランジスタ特性（電圧−電流曲線）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に図面を参照して本発明の電界効果トランジスタの実施の形態を詳細に説明する。
【００３１】
本発明の電界効果トランジスタは、絶縁体層と、この絶縁体層により隔離されたゲート電極及び有機半導体層と、この有機半導体層に接するように設けられたソース電極及びドレイン電極とを、絶縁性支持基板上に有するものであり、その構造には特に制限はなく、図１に示すボトムゲート・ボトムコンタクト型、図２に示すボトムゲート・トップコンタクト型、図３に示すトップゲート・ボトムコンタクト型などが挙げられる。
【００３２】
本発明においては、このような電界効果トランジスタにおいて、絶縁性支持基板１としてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）基板を用い、絶縁体層３は、ポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリスルホン、（メタ）アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シアノ基を有する炭化水素樹脂及びフェノール樹脂、並びにこれらの樹脂を構成する単量体成分を含む共重合樹脂からなる群から選ばれる１種又は２種以上の樹脂を主成分とする樹脂組成物で構成する。
【００３３】
ＰＥＴ基板としては、ＭＹＬＡＲ（Ｄｕｐｏｎｔ社製）等の公知の樹脂製品が使用できる。ＰＥＴ基板の厚みは０．０５ｍｍから２ｍｍが好ましく、０．１ｍｍから１ｍｍが更に好ましい。
【００３４】
絶縁体層を構成するポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリスルホン、（メタ）アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シアノ基を有する炭化水素樹脂及びフェノール樹脂は公知のものを使用することができる。シアノ基を有する炭化水素樹脂としては、シアノプルラン等のシアノ基を有する多糖類が挙げられる。また、これらの樹脂を構成する単量体成分の２種以上からなる共重合体であってもよい。また、これらの樹脂の２種以上を組み合わせて使用することもできる。
【００３５】
絶縁体層を構成する材料として好ましいのは、ポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリカーボネート、（メタ）アクリル樹脂（アクリル樹脂、メタクリル樹脂）、エポキシ樹脂、シアノ基を有する炭化水素樹脂及びフェノール樹脂である。さらに、電気抵抗が高い、ポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリカーボネート、（メタ）アクリル樹脂、シアノ基を有する炭化水素樹脂及びフェノール樹脂が好ましく、特に高誘電率絶縁材料という観点からシアノ基を有する炭化水素樹脂が好ましく、トランジスタ積層の塗布工程で基板や有機半導体層を侵したり、基板や有機半導体層によって絶縁体層が侵されることなく積層できる観点からポリビニルフェノール、及びフェノール樹脂が好ましい。
【００３６】
絶縁体層の形成方法としては、スピンコートやブレードコートなどの塗布法、蒸着法、スパッタ法、スクリーン印刷やインクジェット、静電荷像現像方法等の印刷法等、材料の特性に合わせた形成方法を採用することができる。
【００３７】
また、絶縁体の前駆物質としてモノマーを塗布した後、光を照射して硬化させることにより絶縁体を形成する光硬化樹脂を用いると、表面平均粗さを容易に所望の小さな値に調節することができる点において好ましい。
【００３８】
このようにして形成される絶縁体層は、ゲート電極への漏れ電流、電界効果トランジスタの低ゲート電圧駆動に関係することから、室温での電気伝導度が１０−１２Ｓ／ｃｍ以下、更には１０−１４Ｓ／ｃｍ以下、比誘電率が２．０以上、更には２．５以上を示すことが好ましい。
【００３９】
このような絶縁体層の厚みは０．１μｍから４μｍが好ましく、０．２μｍから２μｍが更に好ましい。
【００４０】
本発明においては、このような絶縁体層３と有機半導体層４とが接する界面の平均粗さ（Ｒａ）を好ましくは５０ｎｍ以下、より好ましくは４０ｎｍ以下、更に好ましくは３０ｎｍ以下、特に好ましくは２０ｎｍ以下、とりわけ好ましくは１０ｎｍ以下とすることが望ましい。この界面の平均粗さは小さい程好ましいが、絶縁体層３と有機半導体層４の成膜方法上の実現性の面からは０．１ｎｍ以上であり、通常０．２ｎｍ以上、一般的には０．５ｎｍ以上である。
【００４１】
なお、本発明においては、このように、絶縁体層３と有機半導体層４との界面の平均粗さ（Ｒａ）を小さくすることにより、ゲート電極２による誘起電荷が移動する領域の有機半導体分子の配列の乱れを防止する。従って、このような平均粗さは絶縁体層３と有機半導体層４との界面のうち、少なくともゲート電極２に対応する領域において満足されていれば良く、必ずしも該界面の全面において平均粗さが５０ｎｍ以下である必要はない。
【００４２】
このように、絶縁体層３と有機半導体層４との接する界面の平均粗さを５０ｎｍ以下とするには、例えば、図１，２のように、絶縁体層３上に有機半導体層４が成膜された電界効果トランジスタの場合には、有機半導体層４が積層成膜される絶縁体層３の上面の表面平均粗さが５０ｎｍ以下となるようにした後、有機半導体層４を成膜すれば良い。また、図３のように、有機半導体層４上に絶縁体層３が成膜されている電界効果トランジスタの場合には、絶縁体層３が積層成膜される有機半導体層４の上面の表面平均粗さが５０ｎｍ以下となるようにした後、絶縁体層３を成膜すれば良い。
【００４３】
このように絶縁体層３や有機半導体層４の上面の表面平均粗さを５０ｎｍ以下に制御する方法としては、特に制限はなく、絶縁体層又は有機半導体層の成膜材料、成膜速度等の成膜条件、膜厚等を適宜選択、調整することにより、表面平均粗さの小さい表面平滑な層を形成すれば良い。例えば、絶縁体層の形成材料として光硬化性樹脂を用い、未硬化の塗膜を形成した後、光を照射して光硬化性樹脂を硬化させる方法を採用することができる。また、光を照射する前に、この塗膜上に該光硬化性樹脂との接着性が無く、剥離性が良好な材料よりなる表面平滑な透明板、例えばガラス板を載せ、この状態で塗膜に光を照射して光硬化性樹脂を硬化させる方法を採用すれば、得られる硬化膜の表面には、この板の平滑表面が転写され、更に表面平均粗さの小さい表面平滑な硬化膜を形成することができる。
【００４４】
絶縁体層と有機半導体層との界面の平均粗さが、上記範囲内か否かを確認する手段としては、電界効果トランジスタを作製する過程で、絶縁体層又は有機半導体層上の平均粗さが５０ｎｍ以下であることを確認しても良いし、作製されたデバイスから、本発明で着目する界面の上に製膜された上層である絶縁体層又は有機半導体層を、界面の状態を保持しつつ剥離し、その平均粗さを確認しても良い。また、本発明で着目する界面の上に製膜された上層である絶縁体層又は有機半導体層が、例えば１μｍ以下のような薄膜の場合には、その上層の表面粗さが、本発明で着目する界面の平均粗さをほぼ表すため、この上層の平均粗さを界面の粗さの目安とすることができる。
【００４５】
なお、絶縁体層と有機半導体層との界面の平均粗さ（Ｒａ）とは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）のタッピングモードにより測定した値である。また、観察する範囲は２μｍ角の間とする。
【００４６】
本発明において、電界効果トランジスタの絶縁性支持基板と絶縁体層以外の構成材料には特に制限はなく、従来電界効果トランジスタに適用されているものをいずれも好適に用いることができる。
【００４７】
ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の構成材料は、導電性を示すものであれば良く、公知のものをいずれでも用いることができ、例えば白金、金、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、チタン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ナトリウム等の金属、ＩｎＯ２、ＳｎＯ２、ＩＴＯ等の導電性酸化物、樟脳スルホン酸がドープされたポリアニリン、パラトルエンスルホン酸がドープされたポリエチレンジオキシチオフェン等のように導電性付与部分がドープされ良好な電気伝導度を示す導電性高分子、カーボンブラック、金属微粒子、グラファイト粉等の導電性微粒子がバインダーに分散されてなり良好な電気伝導度を示す導電性複合材料などが挙げられる。
【００４８】
ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の形成法としては、真空蒸着法、スパッタ法、塗布法、印刷法、ゾルゲル法等が挙げられ、更にそのパターニング方法としては、フォトレジストのパターニングとエッチング液や反応性のプラズマでのエッチングを組み合わせたフォトリソグラフィー法、インクジェット印刷、スクリーン印刷、オフセット印刷、凸版印刷等の印刷法、マイクロコンタクトプリンティング法等のソフトリソグラフィーの手法及びこれらの手法を複数組み合わせた手法などが挙げられる。また、レーザーや電子線等のエネルギー線を照射して材料を除去することや材料の導電性を変化させることにより、直接パターンを作製することも可能である。
【００４９】
これらゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の厚みは０．０１μｍから２μｍが好ましく、０．０２μｍから１μｍが更に好ましい。
【００５０】
なお、ソース電極−ドレイン電極間距離（チャンネル長さＬ）は通常１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下であり、チャンネル幅Ｗは通常２０００μｍ以下、好ましくは５００μｍ以下であり、Ｌ／Ｗは通常０．１以下、好ましくは０．０５以下である。
【００５１】
有機半導体層を形成する有機半導体は特に限定されず、π共役系の低分子及び高分子であれば公知のものをいずれでも用いることができ、例えばペンタセン、オリゴチオフェン、置換基を有するオリゴチオフェン、ビスジチエノチオフェン、置換基を有するジアルキルアントラジチオフェン、金属フタロシアニン、ベンゾポルフィリン、フッ素置換された銅フタロシアニン、Ｎ，Ｎ’−ジアルキル−ナフタレン−１，４，５，８−テトラカルボン酸ジイミド置換体、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸ジアンハイドライド、Ｎ，Ｎ’−ジアルキル−３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸ジイミド、フラーレンなどのπ共役系低分子やレジオレギュラーポリ（３−ヘキシルチオフェン）に代表されるレジオレギュラーポリ（３−アルキルチオフェン）、ポリ−９，９’−ジアルキルフルオレンコビチオフェンなどのπ共役系共重合体等のπ共役系高分子が挙げられる。
【００５２】
これらπ共役系低分子、高分子のなかでも、有機半導体層を形成した場合、そのソース電極−ドレイン電極方向の電気伝導度が１０−４Ｓ／ｃｍ以下、１０−１２Ｓ／ｃｍ以上を示すものが好ましく、特に１０−６Ｓ／ｃｍ以下、１０−１１Ｓ／ｃｍ以上、とりわけ１０−７Ｓ／ｃｍ以下、１０−１０Ｓ／ｃｍ以上を示すものがより好ましい。更にまた、これらπ共役系低分子、高分子のなかでも、有機半導体層を形成した場合に電界効果移動度とソース電極−ドレイン電極方向の電気伝導度、及び電荷素量から求めたキャリア密度が１０７ｃｍ−３以上、１０１８ｃｍ−３以下を示すものが好ましく、特に１０８ｃｍ−３以上、１０１７ｃｍ−３以下を示すものがより好ましい。また、これらπ共役系低分子、高分子のなかでも、有機半導体層を形成した場合に電界効果移動度の室温以下での温度依存性から求められる電荷移動に要する活性化エネルギーが０．２ｅＶ以下を示すものが好ましく、特に０．１ｅＶ以下を示すものがより好ましい。
【００５３】
更にまた、これらπ共役系低分子のなかでも分子長が４０Å以下のものにおいては、該電界効果トランジスタに用いた絶縁体層と同じ絶縁体層上に有機半導体層を形成した場合、層表面に対する法線に対して６０°の角度から入射光を入れて測定した偏光吸収において、これらπ共役系低分子の分子軸方向の遷移モーメントに由来する吸収ピーク強度のｐ偏光成分とｓ偏光成分の比であるｐ偏光成分／ｓ偏光成分が１．５以上、更には２．０以上、特には３．０以上を示す特性を持つものが好ましい。
【００５４】
また一方で、分子長が４０Åより大きいπ共役系高分子においては、該電界効果トランジスタに用いた絶縁体層と同じ絶縁体層上に有機半導体層を形成した場合、層表面に垂直方向から入射光を入れて測定した偏光吸収において、これらπ共役系高分子の主鎖方向の遷移モーメントに由来する吸収ピーク強度のソース電極−ドレイン電極方向成分とそれに垂直方向成分の比であるソース電極−ドレイン電極方向成分／垂直方向成分が３．５以上、更には４．５以上、特には５．０以上を示す特性を持つものが好ましい。
【００５５】
更にまた、これらπ共役系低分子、高分子のなかでも、該電界効果トランジスタに用いた絶縁体層と同じ絶縁体層上に有機半導体層を形成した場合、最隣接分子或いは高分子間の距離が３．９Å以下、更には３．８５Å以下、特には３．８Å以下である特性を示すものが好ましい。
【００５６】
このような有機半導体層の膜厚は１ｎｍから１０μｍが好ましく、１０ｎｍから５００ｎｍが更に好ましい。
【００５７】
これらの有機半導体を用いた有機半導体層を形成する方法としては、低分子有機半導体の場合には、真空蒸着により絶縁体層又は絶縁性支持基板上に蒸着して形成する方法、溶媒に溶解してキャスト、ディップ、スピンコートなどにより塗布して形成する方法などが挙げられる。高分子有機半導体の場合は、溶媒に溶解してキャスト、ディップ、スピンコートなどにより塗布して形成する方法などが挙げられる。また、目的とする低分子前駆体或いは目的とする高分子前駆体を用いて前述の適切な方法により層形成し、その後に加熱処理等により目的とする有機半導体層に変換する方法も挙げられる。またさらに、図３に示すトップゲート・ボトムコンタクト型電界効果トランジスタにおいては前述したように有機半導体層上面の表面平滑性を必要とするため、この場合は特に真空蒸着法においては高真空下で蒸着速度を極力遅くし蒸着する、塗布法においては適宜粘度を調節後に高速回転におけるスピンコート法にて製膜する方法が効果的である。
【００５８】
本発明の電界効果トランジスタの基本的な構造は、絶縁体層と、この絶縁体層により隔離されたゲート電極及び有機半導体層と、この有機半導体層に接するように設けられたソース電極及びドレイン電極とを絶縁性支持基板上に有するものであり、その具体的な構造としては図１〜３に示すようなものが挙げられるが、本発明の電界効果トランジスタは、何ら図１〜３に示す構造の電界効果トランジスタに限定されず、更に図１〜３に示される層以外の層が形成されていても良い。
【００５９】
例えば、図１，２に示す電界効果トランジスタのように、有機半導体層が表出している電界効果トランジスタにあっては、有機半導体に対する外気の影響を最小限にするために、更にこの上に保護膜を形成しても良く、この場合、保護膜の材料としてはエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン、ポリイミド、ポリビニルアルコール等のポリマーや酸化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム等の無機酸化物や窒化物等が挙げられる。保護膜の形成方法としては塗布法や真空蒸着法などが挙げられる。
【実施例】
【００６０】
以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００６１】
実施例１
厚さ２００μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム（三菱化成製「ＳＰ−９７６−３」表面粗さ１０ｎｍ以下）を２．５×２．５ｃｍ２に切り出した。このＰＥＴフィルムを支持基板として、この上を幅１ｍｍのシャドーマスクで覆い、ウルバック社製真空蒸着機「ＥＸ−４００」（真空度：１．３×１０−４Ｐａ）を用いて、アルミニウムを１０００Åの厚さに蒸着して、ゲート電極を形成した。
【００６２】
ポリスチレン（ＰＳ）：Ａｌｄｒｉｃｈ製（Ｍｗ＝２８００００（ＧＰＣ法））を５重量％濃度でクロロホルムに溶解させ、０．４５μｍのフィルターで濾過を行った。このＰＳ溶液を、上記の通り作製したゲート電極付きＰＥＴフィルム上に１ｍＬ展開し、３０００ｒｐｍで１２０ｓｅｃの間スピンコートを行って絶縁体層を積層成膜した。膜厚計（Ａｌｐｈａ−Ｓｔｅｐ５００：Ｔｅｎｃｏｒ社製）でこのＰＳ絶縁体層の膜厚を測定した結果、３０００Åであった。
【００６３】
この絶縁体層付き支持基板に対して、有機半導体層としてペンタセンを、ウルバック社製真空蒸着機「ＥＸ−４００」（真空度：１．３×１０−４Ｐａ）を用いて、るつぼから１Å／ｓｅｃの速度で１０００Åの厚さに蒸着した。この有機半導体層上にソース・ドレイン電極を作製するため、チャンネル（Ｌ：１０００μｍ，Ｗ：５０μｍ）のシャドーマスクを用いて金を１０００Åの厚さで蒸着し、トップコンタクト型有機トランジスタを作製した。
【００６４】
このトランジスタ素子について、Ａｇｉｌｅｎｔ社製の「半導体パラメーターアナライザー４１５５」を用いて測定することにより、電圧−電流曲線を求めてそのトランジスタ特性を評価した。
【００６５】
結果は、図４に示す通りであった。また、このトランジスタ素子の諸特性は表１に示す通りであった。
【００６６】
表１中、絶縁体層の有機半導体層側界面の平均粗さ（Ｒａ）及び電気伝導度の測定方法は次の通りである。
＜有機半導体層側界面の平均粗さ（Ｒａ）測定＞
絶縁体層を形成した支持基板について、絶縁体層の表面形状を、Ｓｅｉｋｏ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）にて観察し、表面粗さを測定し、平均粗さ（Ｒａ）を求めた。  
＜電気伝導度測定＞
絶縁体層を形成した支持基板について、ゲート電極に対してクロスになるように幅１ｍｍのシャドーマスクを用いて、厚さ１０００Åのアルミニウム電極をウルバック社製真空蒸着機ＥＸ−４００（真空度：１．３×１０−４Ｐａ）を用いて蒸着し、電極間をＡｇｉｌｅｎｔ社製の半導体パラメーターアナライザー４１５５で測定し、電圧−電流曲線を求めて、その電気伝導度を算出した。
【００６７】
実施例２
実施例１において、絶縁体層の形成に、ＰＳ溶液の代りに、シアノプルラン（ＣＹＥＰＬ）：Ｓｈｉｎｅｔｓｕ  ｃｏ．製「シアノレジン  ＣＲ−Ｓ」をジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）：アセトニトリル（１：１重量比）に溶解させて濾過したＣＹＥＰＬ溶液を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてトランジスタ素子を作製し、同様に評価を行って、結果を図５及び表１に示した。
【００６８】
実施例３
実施例１において、絶縁体層の形成に、ＰＳの代りに、ポリカーボネート（ＰＣ）：Ａｌｄｒｉｃｈ製（Ｍｗ＝６４０００（ＧＰＣ法））を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてトランジスタ素子を作製し、同様に評価を行って、結果を図６及び表１に示した。
【００６９】
実施例４
実施例１において、絶縁体層の形成に、ＰＳの代りに、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）：Ａｌｄｒｉｃｈ製（Ｍｗ＝９９６０００（ＧＰＣ法））を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてトランジスタ素子を作製し、同様に評価を行って、結果を図７及び表１に示した。
【００７０】
実施例５
ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）：Ａｌｄｒｉｃｈ製（Ｍｗ＝２００００（ＧＰＣ法））と架橋剤としてポリ（メラミン−ｃｏ−ホルムアルデヒド）メタクリレート（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）とを、４：１（重量比）の割合で混合し、この混合物を５重量％濃度でテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）に溶解させた後、０．４５μｍのフィルターで濾過を行った。このＰＶＰ溶液を、実施例１と同様にして作製したゲート電極付きＰＥＴフィルム上に１ｍＬ展開し、３０００ｒｐｍで１２０ｓｅｃの間スピンコートを行った。その後、１２０℃にて熱処理を３ｍｉｎ行い、熱架橋ＰＶＰ膜を作製して絶縁体層としたこと以外は、実施例１と同様にしてトランジスタ素子を作製し、同様に評価を行って、結果を図８及び表１に示した。
【００７１】
比較例１
実施例１において、絶縁体層の形成に、ＰＳの代りに、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）：Ａｌｄｒｉｃｈ製（Ｍｗ＝３１０００〜５００００（ＧＰＣ法））を用い、ＰＶＡを純水に溶解し、スピンコート後に８０℃、０．１３Ｐａで７２時間減圧乾燥して絶縁体層としたこと以外は、実施例１と同様にしてトランジスタ素子を作製し、同様に評価を行って、結果を図９及び表１に示した。
【００７２】
【表１】
2010074188.tif 000003
【００７３】
以上の結果から明らかなように、実施例１〜５では、良好なトランジスタ性能を得ることができたが、比較例１では、ＰＶＡの吸湿のためにペンタセンとの界面が侵され、トランジスタ性能を得ることができなかった。
【符号の説明】
【００７４】
１  絶縁性支持基板
２  ゲート電極
３  絶縁体層
４  有機半導体層
５  ソース電極
６  ドレイン電極
７  界面
【図１】
2010074188.tif 000004
【図２】
2010074188.tif 000005
【図３】
2010074188.tif 000006
【図４】
2010074188.tif 000007
【図５】
2010074188.tif 000008
【図６】
2010074188.tif 000009
【図７】
2010074188.tif 000010
【図８】
2010074188.tif 000011
【図９】
2010074188.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成21年12月25日(2009.12.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体層と、該絶縁体層により隔離されたゲート電極及び有機半導体層と、該有機半導体層に接するように設けられたソース電極及びドレイン電極と、絶縁性支持基板とを有する電界効果トランジスタにおいて、
該絶縁性支持基板がポリエチレンテレフタレートからなり、
かつ該絶縁体層が、ポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリスルホン、（メタ）アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シアノ基を有する炭化水素樹脂及びフェノール樹脂、並びにこれらの樹脂を構成する単量体成分を含む共重合樹脂からなる群から選ばれる１種又は２種以上の樹脂を主成分とし、かつ、該絶縁体層と有機半導体層との接する界面の平均粗さ（Ｒａ）が５０ｎｍ以下であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２】
絶縁体層と、該絶縁体層により隔離されたゲート電極及び有機半導体層と、該有機半導体層に接するように設けられたソース電極及びドレイン電極と、絶縁性支持基板とを有する電界効果トランジスタにおいて、
該絶縁性支持基板がポリエチレンテレフタレートからなり、
かつ該絶縁体層が、ポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリスルホン、（メタ）アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シアノ基を有する炭化水素樹脂及びフェノール樹脂、並びにこれらの樹脂を構成する単量体成分を含む共重合樹脂からなる群から選ばれる２種以上の樹脂を主成分とし、かつ、絶縁体層と有機半導体層との接する界面の平均粗さ（Ｒａ）が５０ｎｍ以下であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記ゲート電極が前記絶縁性支持基板上に設けられており、該ゲート電極上に絶縁体層を介して有機半導体層が設けられていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、前記ソース電極及びドレイン電極が前記絶縁体層に接していることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか１項において、前記ソース電極及びドレイン電極が前記有機半導体層上に設けられていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項６】
請求項１又は２において、前記ソース電極及びドレイン電極が前記絶縁性支持基板上に設けられていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項において、前記有機半導体層におけるソース電極−ドレイン電極方向の電気伝導度が１０−４Ｓ／ｃｍ以下、１０−１２Ｓ／ｃｍ以上であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項において、前記有機半導体層における電界効果移動度、ソース電極−ドレイン電極方向の電気伝導度、及び電荷素量に基いて求められたキャリア密度が１０７ｃｍ−３以上、１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項において、前記有機半導体層における電界効果移動度の室温以下での温度依存性から求められる電荷移動に要する活性化エネルギーが０．２ｅＶ以下であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項において、前記絶縁体層における比誘電率が２．０以上であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項において、前記絶縁体層における電気伝導度が１０−１２Ｓ／ｃｍ以下であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか１項において、前記ドレイン電極が白金、金、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、チタン、マグネシウム、カルシウム、バリウム及びナトリウムよりなる群から選ばれる金属、ＩｎＯ２又はＳｎＯ２の導電性酸化物、導電性付与成分がドープされてなる導電性高分子、或いは、導電性微粒子がバインダーに分散されてなる導電性複合材料からなることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれか１項において、前記ソース電極が白金、金、クロム、ニッケル、銅、チタン、マグネシウム、カルシウム、バリウム及びナトリウムよりなる群から選ばれる金属、ＩｎＯ２又はＳｎＯ２の導電性酸化物、導電性付与成分がドープされてなる導電性高分子、或いは、導電性微粒子がバインダーに分散されてなる導電性複合材料からなることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
本発明（請求項１）の電界効果トランジスタは、絶縁体層と、該絶縁体層により隔離されたゲート電極及び有機半導体層と、該有機半導体層に接するように設けられたソース電極及びドレイン電極と、絶縁性支持基板とを有する電界効果トランジスタにおいて、該絶縁性支持基板がポリエチレンテレフタレートからなり、かつ該絶縁体層が、ポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリスルホン、（メタ）アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シアノ基を有する炭化水素樹脂及びフェノール樹脂、並びにこれらの樹脂を構成する単量体成分を含む共重合樹脂からなる群から選ばれる１種又は２種以上の樹脂を主成分とし、かつ、該絶縁体層と有機半導体層との接する界面の平均粗さ（Ｒａ）が５０ｎｍ以下であることを特徴とする。
本発明（請求項２）の電界効果トランジスタは、絶縁体層と、該絶縁体層により隔離されたゲート電極及び有機半導体層と、該有機半導体層に接するように設けられたソース電極及びドレイン電極と、絶縁性支持基板とを有する電界効果トランジスタにおいて、該絶縁性支持基板がポリエチレンテレフタレートからなり、かつ該絶縁体層が、ポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリスルホン、（メタ）アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シアノ基を有する炭化水素樹脂及びフェノール樹脂、並びにこれらの樹脂を構成する単量体成分を含む共重合樹脂からなる群から選ばれる２種以上の樹脂を主成分とし、かつ、絶縁体層と有機半導体層との接する界面の平均粗さ（Ｒａ）が５０ｎｍ以下であることを特徴とする。