(57)【要約】【課題】有機トランジスタを大型化することなく、制御可能な電流値を増大すること。【解決手段】基板と、該基板上に間隔を隔てて設けられたソース電極およびドレイン電極と、該ソース電極およびドレイン電極を接続するように設けられた有機半導体層と、該有機半導体層上に設けられたゲート絶縁層と、該ゲート絶縁層の該有機半導体層とは反対側に設けられたゲート電極とを備え、該有機半導体層が、そのゲート絶縁層側表面に、該ソース電極と該ドレイン電極との間を接続する方向に沿って延びた溝を有する、有機トランジスタ。【選択図】図１
2010205945.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に間隔を隔てて設けられたソース電極およびドレイン電極と、該ソース電極およびドレイン電極を接続するように設けられた有機半導体層と、該有機半導体層上に設けられたゲート絶縁層と、該ゲート絶縁層の該有機半導体層とは反対側に設けられたゲート電極とを備え、
該有機半導体層が、そのゲート絶縁層側表面に、該ソース電極と該ドレイン電極との間を接続する方向に沿って延びた溝を有する、有機トランジスタ。
【請求項２】
前記溝の深さが、１０ｎｍ〜５０ｎｍである、請求項１に記載の有機トランジスタ。
【請求項３】
前記溝の本数が、チャネル幅１μｍあたり５本以上である、請求項１または２に記載の有機トランジスタ。
【請求項４】
基板上に、間隔を隔ててソース電極およびドレイン電極を形成すること、
該ソース電極およびドレイン電極を接続するように有機半導体層を形成すること、
該有機半導体層の表面にモールドを押圧および剥離して、該ソース電極と該ドレイン電極との間を接続する方向に沿って延びた溝を形成すること、および
該有機半導体層の溝を有する表面上に、ゲート絶縁層とゲート電極とをこの順に形成することを含む、有機トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機トランジスタおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、チオフェン、ペンタセン等の有機半導体材料を用いた有機トランジスタが知られている（例えば、特許文献１）。このような有機トランジスタは、可とう性、軽量性、耐衝撃性等に優れるため、電子ペーパー、ロールアップディスプレイ等のアクティブ駆動回路としての実用化が期待されている。
【０００３】
しかしながら、従来の有機トランジスタは、電気特性を向上させるためには大面積化しなければならず、集積化が困難であるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２０４０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、有機トランジスタを大型化することなく、制御可能な電流値を増大することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、有機トランジスタが提供される。該有機トランジスタは、基板と、該基板上に間隔を隔てて設けられたソース電極およびドレイン電極と、該ソース電極およびドレイン電極を接続するように設けられた有機半導体層と、該有機半導体層上に設けられたゲート絶縁層と、該ゲート絶縁層の該有機半導体層とは反対側に設けられたゲート電極とを備え、該有機半導体層が、そのゲート絶縁層側表面に、該ソース電極と該ドレイン電極との間を接続する方向に沿って延びた溝を有する。
好ましい実施形態においては、上記溝の深さが、１０ｎｍ〜５０ｎｍである。
好ましい実施形態においては、上記溝の本数が、チャネル幅１μｍあたり５本以上である。
本発明の別の局面によれば、有機トランジスタの製造方法が提供される。該製造方法は、基板上に、間隔を隔ててソース電極およびドレイン電極を形成すること、該ソース電極およびドレイン電極を接続するように有機半導体層を形成すること、該有機半導体層の表面にモールドを押圧および剥離して、該ソース電極と該ドレイン電極との間を接続する方向に沿って延びた溝を形成すること、および該有機半導体層の溝を有する表面上に、ゲート絶縁層とゲート電極とをこの順に形成することを含む。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、有機半導体層のゲート絶縁層側表面に溝を設けて実効チャネル領域を増大させることにより、有機トランジスタを大型化することなく、制御可能な電流値を増大させ得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の好ましい実施形態による有機トランジスタの概略斜視図である。
【図２】（ａ）図１のＡ−Ａ線で切断した概略縦断面図であり、（ｂ）図１のＢ−Ｂ線で切断した概略縦断面図とその部分拡大図である。
【図３】本発明の製造方法を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．有機トランジスタの全体構成
図１は、本発明の好ましい実施形態による有機トランジスタの概略斜視図であり、図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ線で切断した概略縦断面図であり、図２（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ線で切断した概略縦断面図とその部分拡大図である。有機トランジスタ１０は、基板１１と、該基板１１上に間隔を隔てて設けられたソース電極１２およびドレイン電極１３と、該ソース電極１２およびドレイン電極１３を接続するように設けられた有機半導体層１４と、該有機半導体層１４上に設けられたゲート絶縁層１５と、該ゲート絶縁層１５の該有機半導体層１４とは反対側に設けられたゲート電極１６とを備える。図２（ｂ）に示すように、有機半導体層１４は、そのゲート絶縁層側表面に、該ソース電極１２と該ドレイン電極１３との間を接続する方向に沿って延びた溝１７を有する。
【００１０】
図示しないが、本発明の有機トランジスタは、任意の部材をさらに備えてもよい。例えば、有機トランジスタ１０は、ゲート電極１６を他の素子と接続するコンタクトパッドをさらに備え得る。
【００１１】
Ａ−１．基板
基板１１としては、ソース電極、ドレイン電極および有機半導体層を支持し得る範囲において、任意の適切な基板が採用され得る。例えば、ガラス板、シリコンウエハ、ポリマーフィルムが挙げられる。基板は、表面が平滑であることが好ましい。均一な有機半導体層を形成し得るからである。基板の厚みは、通常５０μｍ〜１０００μｍである。
【００１２】
Ａ−２．ソース電極およびドレイン電極
ソース電極１２およびドレイン電極１３は、上記基板上に間隔を隔てて設けられる。代表的には、ソース電極およびドレイン電極は、上記基板上に間隔を隔てて互いに実質的に平行な方向に延びるように設けられる。後述する有機半導体層中のソース電極からドレイン電極へ向かってキャリアが流れる領域、いわゆるチャネル領域において、通常、チャネル長はソース電極とドレイン電極との間隔に対応し、チャネル幅はチャネル長方向と直交する方向の電極の長さに対応する。チャネル長は、好ましくは１０μｍ〜２０００μｍ、さらに好ましくは１０μｍ〜１０００μｍ、特に好ましくは１０μｍ〜５００μｍである。チャネル幅は、好ましくは１ｍｍ〜３０ｍｍ、さらに好ましくは１ｍｍ〜２０ｍｍ、特に好ましくは１ｍｍ〜１０ｍｍである。
【００１３】
ソース電極およびドレイン電極はそれぞれ、任意の適切な導電性材料から形成され得る。該導電性材料としては、例えば、金、クロム、銅、インジウム、酸化インジウムスズ等の金属材料、ポリアニリン、ポリチオフィン等の導電性ポリマー材料、カーボン材料が挙げられる。ソース電極とドレイン電極とは、それぞれ同一の材料から形成されてもよく、異なる材料から形成されてもよい。また、これらの電極はそれぞれ、単層で形成されてもよく、複数の層から形成されてもよい。例えば、複数の層から形成される場合、電極と基板との密着性を向上させられるという効果が得られ得る。
【００１４】
ソース電極およびドレイン電極の厚みはそれぞれ、通常１０ｎｍ〜５００ｎｍ、好ましくは２０ｎｍ〜４００ｎｍ、さらに好ましくは３０ｎｍ〜３００ｎｍである。
【００１５】
Ａ−３．有機半導体層
有機半導体層１４は、上記ソース電極とドレイン電極とを接続するように設けられる。代表的には、これら２つの電極の少なくとも一部を覆うように設けられる。有機半導体層は、そのゲート絶縁層側表面に、上記ソース電極とドレイン電極との間を接続する方向、すなわち、チャネル長方向に沿って延びた溝１７を有する。チャネル領域は有機半導体層のゲート絶縁層側表面から数ｎｍ程度の薄い領域であるが、溝を設けてゲート絶縁層側の表面積を増大することにより、チャネル幅を拡大することなく、実効チャネル領域を増大することができる。その結果、有機トランジスタの集積化が可能となる。
【００１６】
上記有機半導体層は、任意の適切な有機半導体材料から形成され得る。有機半導体材料としては、例えば、ポリ（３−へキシルチオフェン）、ペンタセン、ポリフルオレン−チオフェン共重合体等のπ共役系材料が挙げられる。
【００１７】
上記有機半導体層の厚みは、通常、２０ｎｍ〜５００ｎｍであり、好ましくは３０ｎｍ〜４００ｎｍであり、さらに好ましくは５０ｎｍ〜３００ｎｍである。ここで、「有機半導体層の厚み」とは、基板上に並設されたソース電極およびドレイン電極の上面と接する面からゲート絶縁層側表面までの厚みをいう。
【００１８】
溝１７は、チャネル長方向に沿って延びる。ここで、「チャネル長方向に沿って」とは、チャネル長方向と実質的に平行な方向であることをいう。具体的には、チャネル長方向を０°とした場合に、０°±５°であり得、好ましくは０°±３°であり得る。上記方向はキャリアの移動方向に一致するので、該方向に沿って設けられた溝は、キャリアの移動を妨げることなく実効チャネル領域を増大し得る。代表的には、溝はチャネル領域の全長にわたって設けられる。
【００１９】
上記溝は、任意の適切な形状であり得る。例えば、溝の断面形状は、矩形状であってもよく、Ｖ字状であってもよく、Ｕ字状であってもよく、波状であってもよい。好ましくは、溝の断面形状は矩形状である。チャネル領域を効率的に増加し得るからである。
【００２０】
上記溝の深さは、好ましくは１０ｎｍ〜５０ｎｍであり、さらに好ましくは１０ｎｍ〜４０ｎｍであり、特に好ましくは１０ｎｍ〜３０ｎｍである。溝が、上記のようにナノサイズの深さであれば、有機半導体層の厚みを薄く設定することができる。その結果、キャリアが移動する際の抵抗値が小さくなり、制御可能な電流値が増大するので、優れた電気特性を有する有機トランジスタが得られ得る。
【００２１】
好ましい実施形態においては、［溝の深さ／有機半導体層の厚み］が０．１〜０．９５であり、さらに好ましくは０．１５〜０．８であり、特に好ましくは０．２〜０．５であり得る。このような範囲であれば、チャネル領域が十分に増大され得、かつ、キャリアの移動の際の抵抗値が抑制され得るので、電気特性に優れた有機トランジスタが得られ得る。
【００２２】
隣り合う２つの溝の中心間の距離（溝のピッチ）は、好ましくは１０ｎｍ〜１００ｎｍであり、さらに好ましくは１５ｎｍ〜９０ｎｍであり、特に好ましくは２０ｎｍ〜８０ｎｍである。このように非常に微細な間隔で実際に溝を設けることにより、チャネル幅を変えることなくチャネル領域を大幅に増大し得る。
【００２３】
上記溝の本数は、チャネル幅１μｍあたり、好ましくは５本以上であり、さらに好ましくは１０本以上であり、特に好ましくは１０本〜５０本である。溝の本数がこのような範囲であれば、チャネル領域を十分に増大することができる。
【００２４】
本願発明の有機トランジスタのチャネル領域Ｗ’の従来構造のチャネル領域Ｗに対する増大量（ΔＷ）は、例えば、溝が矩形である場合、式：ΔＷ＝Ｗ’−Ｗ＝（２×溝の深さ×溝の本数）で表わされ得る。ΔＷは、好ましくは０．０１ｍｍ２以上、さらに好ましくは０．０２ｍｍ２以上である。
【００２５】
Ａ−４．ゲート絶縁層
ゲート絶縁層１５は、上記有機半導体層上に設けられる。具体的には、上記有機半導体層と後述するゲート電極との間に、有機半導体層と接するように設けられる。ゲート絶縁層は任意の適切な絶縁性材料から形成され得る。絶縁性材料としては、例えば、二酸化ケイ素等の無機酸化物、窒化ケイ素等の無機窒化物、ポリイミド、ポリパラキシリレン等の高分子化合物が挙げられる。なかでも、ポリパラキシリレンが好ましい。気相重合法による成膜に適しており、凹凸を有する表面に対しても均一な成膜が可能だからである。ゲート絶縁層の厚みは、通常、１０ｎｍ〜１０００ｎｍである。
【００２６】
Ａ−５．ゲート電極
ゲート電極１６は、上記ゲート絶縁層の該有機半導体層とは反対側に設けられる。ゲート電極については、上記Ａ−２項に記載のソース電極およびドレイン電極についての説明と同様の説明が適用され得る。
【００２７】
Ｂ．有機トランジスタの製造方法
上記有機トランジスタの製造方法としては、任意の適切な方法が採用され得る。好ましい実施形態において、上記有機トランジスタの製造方法は、
基板上に、間隔を隔ててソース電極およびドレイン電極を形成すること、
該ソース電極およびドレイン電極を接続するように有機半導体層を形成すること、
該有機半導体層の表面にモールドを押圧および剥離して、該ソース電極と該ドレイン電極との間を接続する方向に沿って延びた溝を形成すること、および
該有機半導体層の溝を有する表面上に、ゲート絶縁層とゲート電極とをこの順に形成することを含む。このような製造方法によれば、インプリント技術を用いるので、微細な溝を有する有機トランジスタを、簡便に、かつ、優れた生産性で得ることができる。なお、上記製造方法は、必要に応じて、さらに他の任意の工程を含んでもよい。以下、図３を参考にして、本発明の製造方法について説明する。
【００２８】
図３（ａ）に例示されるとおり、本発明の製造方法においては、基板１１上に、間隔を隔ててソース電極１２およびドレイン電極１３を形成する。ソース電極およびドレイン電極の形成方法としては、任意の適切な方法が採用され得る。該形成方法としては、例えば、スパッタ法、蒸着法、フォトリソグラフィー法が挙げられる。なかでも、蒸着法が好ましく、真空蒸着法がさらに好ましい。様々な種類の基板に対して電極を成膜し得、基板の選択性に優れるからである。上記のとおり、チャネル長およびチャネル幅はそれぞれ、ソース電極とドレイン電極との間隔および両電極の幅に対応して決定される。例えば、ソース電極およびドレイン電極が真空蒸着法によって形成される場合、チャネル長およびチャネル幅は、シャドウマスク等を用いることにより、厳密に制御され得る。
【００２９】
次いで、図３（ｂ）に例示されるとおり、上記ソース電極１２およびドレイン電極１３を接続するように、該電極間に有機半導体層１４を形成する。有機半導体層の形成方法としては、任意の適切な方法が採用され得る。該形成方法としては、例えば、溶液塗布法、蒸着法が挙げられる。好ましくは溶液塗布法である。簡便で、生産性に優れるからである。
【００３０】
溶液塗布法においては、有機半導体材料を溶媒に溶解して得られる塗工液を、上記電極が形成された基板上に塗工する。塗工方法としては、任意の適切な方法が採用され得る。具体例としては、ロールコート法、スピンコート法、ワイヤーバーコート法、ディップコート法、エクストルージョン法、カーテンコート法、スプレコート法が挙げられる。
【００３１】
上記溶媒は、有機半導体材料の種類に応じて適切に選択され得る。例えば、有機半導体材料がポリ（３−へキシルチオフェン）である場合、オルトジクロロベンゼンが溶媒として好ましく用いられ得る。塗工溶液中における有機半導体材料の含有量は、好ましくは０．５重量％〜１５重量％である。塗工による成膜後、溶媒は必要に応じて、加熱乾燥または自然乾燥により有機半導体層から除去され得る。
【００３２】
次いで、図３（ｃ１）とその右側面である図３（ｃ２）に例示されるとおり、上記有機半導体層１４の表面にモールド１８を押圧および剥離して、上記ソース電極１２とドレイン電極１３との間を接続する方向、すなわち、チャネル長方向に沿って延びた溝１７を形成する。該工程は、いわゆる、インプリント工程である。従来の無機半導体材料にナノサイズの溝を形成することは非常に困難であり、例え、形成し得るとしても、１０００℃近い高温プロセスが必要になる等の理由により生産性が低い。これに対し、本発明の製造方法によれば、有機半導体層へインプリント加工を行うので、低温プロセス（例えば、２００℃以下）でナノサイズの溝を微細なピッチで形成し得る。その結果、優れた電気特性の有機トランジスタを高い生産性で得ることができる。このように、ナノサイズで微細なピッチの溝を実用的なプロセスで形成し得ることは、本発明の製造方法の大きな効果の１つである。
【００３３】
上記モールドの形成材料としては、任意の適切な材料が選択され得る。該材料としては、例えば、石英、単結晶シリコン、ニッケル合金、グラシーカーボンが挙げられる。モールドの表面形状は、上記Ａ−３項に記載の溝を形成し得る形状であればよい。
【００３４】
上記モールドを押圧する際の圧力および温度はそれぞれ、有機半導体材料の種類、インプリントの形式（熱式、光式）等に応じて適切に設定され得る。該圧力は、通常、１気圧〜１００気圧である。また、該温度は、通常、２０℃〜２００℃である。
【００３５】
モールドの押圧は、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気下で行うことが好ましい。
【００３６】
次いで、図３（ｄ）に例示されるとおり、上記有機半導体層１４の溝を有する表面に、ゲート絶縁層１５とゲート電極１６とをこの順に形成する。ゲート絶縁層の形成方法としては、任意の適切な方法が採用され得る。該方法としては、例えば、気相重合法、プラズマ成膜処理法が好ましく例示され得る。溝を有する有機半導体層表面にも均一に成膜し得るからである。ゲート電極の形成方法としては、上記ソース電極およびドレイン電極の形成方法と同様の方法を採用し得る。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。
［実施例１］
基板としてガラス板（厚み１０００μｍ）を用いた。該ガラス板上に真空蒸着法によって厚み１ｎｍのクロム（Ｃｒ）層を、間隔を隔てて２つ並設した。次いで、該クロム層の上に真空蒸着法によって厚み５０ｎｍの金（Ａｕ）層を成膜して、ソース電極およびドレイン電極を形成した。電極形成時においては、ステンレス製のシャドウマスクを用いて、チャネル長およびチャネル幅がそれぞれ、３０μｍおよび２ｍｍとなるように調整した。
【００３８】
ポリ（３−ヘキシルチオフェン）をオルトジクロロベンゼンに溶解することにより、固形分濃度が１重量％である塗工溶液を得た。該塗工溶液を、上記ソース電極およびドレイン電極を並設したガラス基板上にスピンコート法によって塗工して成膜することにより、有機半導体層を形成した。該有機半導体層の厚みは１００ｎｍであった。
【００３９】
上記有機半導体層の表面にアルゴン雰囲気下で、高さ２５ｎｍ、ピッチ５０ｎｍに加工した凸型モールドを１２５℃、１０気圧で押圧し、徐冷後、モールドを剥離した。これにより、有機半導体層表面に深さ２５ｎｍの矩形の溝を５０ｎｍのピッチで形成した。このとき、溝がチャネル長方向に沿って延びるようにモールドの向きを調整して押圧した。
【００４０】
次いで、上記有機半導体層の溝が形成された表面上に、気相重合法によって厚み２０ｎｍのポリパラキシリレンからなるゲート絶縁層を形成した。さらに、該ゲート絶縁層上に、真空蒸着法によって厚み１ｎｍのクロム層と厚み５０ｎｍの金層とを順次成膜して、ゲート電極を形成した。
【００４１】
次いで、上記ゲート電極上に銀ペーストを塗工して、厚み１０μｍのコンタクトパッドを形成した。これにより、有機トランジスタを得た。該有機トランジスタは、溝を有さない従来構造の有機トランジスタに比べて、実効チャネル領域が１５０％に増大し、制御可能な電流値も１５０％に増大した。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の有機トランジスタは、電子ペーパー、ロールアップディスプレイ等のアクティブ駆動回路として利用され得る。
【符号の説明】
【００４３】
１０        有機トランジスタ
１１        基板
１２        ソース電極
１３        ドレイン電極
１４        有機半導体層
１５        ゲート絶縁層
１６        ゲート電極
１７        溝
１８        モールド
【図１】
2010205945.tif 000003
【図２】
2010205945.tif 000004
【図３】
2010205945.tif 000005