(57)【要約】      （修正有）【課題】有機半導体層及び圧電材料を主成分とするゲート絶縁層を備え、ゲート絶縁層に印加する圧力により電流増幅率等の特性を制御することができる電界効果トランジスタ及びその製造方法を提供する。【解決手段】電界効果トランジスタは、ゲート絶縁層１にその面方向（水平方向）に作用する圧力を印加することによりゲート絶縁層１と有機半導体層２との界面に電荷を注入することができるので、これによってドレイン電極３及びソース電極４間の電流が制御される。すなわち、トランジスタ作用による高感度の増幅を行うことができる。しかも、このときゲート絶縁層１に印加される圧力に応じて、ゲート絶縁層１と有機半導体層２との界面に注入される電荷の量が変化するため、ゲート絶縁層１に印加される圧力に応じてドレイン電極３及びソース電極４間の電流が変化する。したがって圧力センサーとしても好適なものとなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機半導体層及びゲート絶縁層を備えた電界効果トランジスタにおいて、
前記ゲート絶縁層が圧電材料を主要成分として含むもの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】
請求項１に記載する電界効果トランジスタにおいて、
前記ゲート絶縁層の表面には研磨面を構成し、該研磨面に前記有機半導体層を接触させることで両者を接合した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又は請求項２に記載する電界効果トランジスタにおいて、
前記圧電材料は、前記有機半導体層及びゲート絶縁層の積層方向と直交する方向の表面に、より多くの電荷を蓄えられるものであ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乃至請求項３の何れか一つに記載する電界効果トランジスタにおいて、
前記圧電材料が、チタン酸バリウムを含む化合物であ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乃至請求項３の何れか一つに記載する電界効果トランジスタにおいて、
前記圧電材料が、ＰＺＴを含む化合物であ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乃至請求項３の何れか一つに記載する電界効果トランジスタにおいて、
前記圧電材料が、ランガサイト(LaGaSiO)系を含む化合物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乃至請求項３の何れか一つに記載する電界効果トランジスタにおいて、
前記圧電材料が、ニオブ酸リチウムを含む化合物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乃至請求項３の何れか一つに記載する電界効果トランジスタにおいて、
前記圧電材料が、リン酸ガリウムを含む化合物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乃至請求項３の何れか一つに記載する電界効果トランジスタにおいて、
前記圧電材料が、水晶を含む化合物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乃至請求項３の何れか一つに記載する電界効果トランジスタにおいて、
前記圧電材料が、(1-x)[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 - x[PbTiO3] (PMN-PT)を含む化合物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】
圧電材料を主成分とするゲート絶縁層の表面を研磨して鏡面に仕上げる工程と、
前記ゲート絶縁層の表面にドレイン電極及びソース電極を作成する工程と、
前記ドレイン電極及びソース電極の間より大きい有機半導体層を前記ドレイン電極及びソース電極を覆うように前記ゲート絶縁層の表面に密着させて載置する工程とを有することを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電界効果トランジスタ及びその製造方法に関し、特に有機半導体層及び圧電材料を主成分とするゲート絶縁層を備え、ゲート絶縁層に印加する圧力により電流増幅率等の特性を制御することができる電界効果トランジスタとして有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
電界効果トランジスタは、ソース電極、ドレイン電極、これらの電極に接触している半導体層、該半導体層に隣り合ったゲート絶縁層及び該ゲート絶縁層に接触しているゲート電極からなる。かかる電界効果トランジスタの一種として、有機半導体を利用した有機電界効果トランジスタが提案されている。有機電界効果トランジスタは、一般にプラスチック基板の上に有機物を蒸着又は塗布して作製するものであるため、軽くて薄いだけでなく、可撓性を有するため曲げることができるという利点を有している。このため、従来のトランジスタの用途をさらに広げるものとして期待されている。
【０００３】
かかる有機電界効果トランジスタは、通常ゲート電極とソース電極またはドレイン電極とを介してゲート絶縁層に電圧を印加することによりゲート絶縁層に接している有機半導体層にキャリアが注入されることで、ソース電極とドレイン電極との間に電流が流れる（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００４−５２７１３１号公報
【特許文献２】特開２００６−２０２８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、圧電材料を使用することで圧力の大きさに応じて表面に電荷が蓄えられ、内部に電界が生じることが知られている。かかる現象と有機半導体を利用したトランジスタの原理とを組み合わせれば、ゲート電極を利用せず、ゲート電圧を印加しなくても、圧電材料を利用することで、圧力の大きさに応じて表面に蓄えられる電荷を利用した全く新しいトランジスタが考えられる。
【０００６】
本発明は、上述の点に鑑み、圧電材料の表面に蓄えた電荷を利用した新規な電界効果トランジスタ及びその製造方法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】
【０００７】
本発明者等は、鋭意研究の結果、有機材料の軟らかさを利用して有機半導体層を、圧電材料を主成分とするゲート絶縁層に貼り合わせることで、上述の如き目的を達成することができる電界効果トランジスタが得られることを見いだした。本発明は、かかる知見を基礎とするものである。
【０００８】
かかる、知見を基礎とする本発明の第１の態様は、有機半導体層及びゲート絶縁層を備えた電界効果トランジスタにおいて、前記ゲート絶縁層が圧電材料を主要成分として含むものであることを特徴とする電界効果トランジスタにある。
【０００９】
本態様によれば、ゲート絶縁層に作用する圧力に応じて、電流が増加する一方、駆動電圧が低く、電流増幅率が高く、かつ応答性が高い電界効果トランジスタを構成することができる。すなわち、圧電材料をゲート絶縁層に使用することにより、高い電流増幅率がトランジスタにもたらされる。
【００１０】
本発明の第２の態様は、第１の態様の電界効果トランジスタにおいて、前記ゲート絶縁層の表面には研磨面を構成し、該研磨面に前記有機半導体層を接触させることで両者を接合したことを特徴とする電界効果トランジスタにある。
【００１１】
本態様によれば、ゲート絶縁層と有機半導体層とが良好に密着されるので、圧力の印加によりゲート絶縁層と有機半導体層との界面に発生した電荷を良好に有機半導体層に注入することができ、電界効果トランジスタとしての高い電流増幅率と、応答性とを得ることができる。
【００１２】
本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載する電界効果トランジスタにおいて、前記圧電材料が、前記有機半導体層及びゲート絶縁層の積層方向と直交する方向の表面に、より多くの電荷を蓄えられるものであることを特徴とする電界効果トランジスタにある。
【００１３】
本態様によれば、圧力印加方向と有機半導体層及びゲート絶縁層の積層方向とが直交しているので、軟らかい有機半導体層に大きな圧力を印加することなく所定のトランジスタ動作を発揮させることができ、有機半導体層に機械的な損傷を与えることがない。
【００１４】
本発明の第４の態様は、第１乃至第３の態様に記載する電界効果トランジスタにおいて、前記圧電材料が、チタン酸バリウムを含む化合物であることを特徴とする電界効果トランジスタにある。
【００１５】
本発明の第５の態様は、第１乃至第３の態様に記載する電界効果トランジスタにおいて、前記圧電材料が、ＰＺＴを含む化合物であることを特徴とする電界効果トランジスタにある。
【００１６】
本発明の第６の態様は、第１乃至第３の態様に記載する電界効果トランジスタにおいて、前記圧電材料が、ランガサイト(LaGaSiO)系を含む化合物であることを特徴とする電界効果トランジスタにある。
【００１７】
本発明の第７の態様は、第１乃至第３の態様に記載する電界効果トランジスタにおいて、前記圧電材料が、ニオブ酸リチウムを含む化合物であることを特徴とする電界効果トランジスタにある。
【００１８】
本発明の第８の態様は、第１乃至第３の態様に記載する電界効果トランジスタにおいて、前記圧電材料が、リン酸ガリウムを含む化合物であることを特徴とする電界効果トランジスタにある。
【００１９】
本発明の第９の態様は、第１乃至第３の態様に記載する電界効果トランジスタにおいて、前記圧電材料が、水晶を含む化合物であることを特徴とする電界効果トランジスタにある。
【００２０】
本発明の第１０の態様は、第１乃至第３の態様に記載する電界効果トランジスタにおいて、前記圧電材料が、(1-x)[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 - x[PbTiO3] (PMN-PT)を含む化合物であることを特徴とする電界効果トランジスタにある。
【００２１】
これら第４乃至第１０の態様によれば、圧電材料の電気機械結合係数（k31,kr,k12）が大きいので、それだけより小さい圧力で、より多くの電荷を誘起し、有機半導体層に電荷を多く注入することができる。この結果、圧力印加方向に対して垂直方向に電荷を貯めることができることとも相俟って当該電界効果トランジスタの低電圧駆動を実現でき、同時に十分に高い電流増幅率及び高い応答性も実現できる。
【００２２】
本発明の第１１の態様は、圧電材料を主成分とするゲート絶縁層の表面を研磨して鏡面に仕上げる工程と、前記ゲート絶縁層の表面にドレイン電極及びソース電極を作成する工程と、前記ドレイン電極及びソース電極の間より大きい有機半導体層を前記ドレイン電極及びソース電極を覆うように前記ゲート絶縁層の表面に密着させて載置する工程とを有することを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法にある。
【００２３】
本態様によれば、ゲート絶縁層に作用する圧力に応じて、電流が増加する一方、駆動電圧が低く、電流増幅率が高く、かつ応答性が高い電界効果トランジスタを容易に製造することができる。ここで、ゲート絶縁層の鏡面加工された表面に接合される有機半導体層は前記ゲート絶縁層に良好に密着されるので、圧力の印加によりゲート絶縁層と有機半導体層との界面に発生した電荷を良好に有機半導体層に注入することができ、電界効果トランジスタとしての高い電流増幅率と、応答性とを得ることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、ゲート絶縁層の圧電材料に圧力を印加することで有機半導体層に電荷を注入することができる。すなわち、本発明は圧電材料表面に有機電界効果トランジスタを作製しているため、電荷を溜める能力が高い圧電材料の特性を利用して、ゲート電極を必要としない、駆動電圧が低く、電流増幅率が十分に高く、かつ応答性が高いトランジスタを実現することが可能になる。また、ゲート絶縁層に印加される圧力に応じて、ソース電極、ドレイン電極間に流れる電流量が変化するので、その電流量を介して前記圧力の正確な値を検出することができる。したがって、本発明に係る電界効果トランジスタは、圧力に応じてソース電極−ドレイン電極間を流れる電流を増幅する増幅素子やその電流変化を利用した圧力センサーに好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態に係る電界効果トランジスタの構造を示す概念的に示す説明図である。
【図２】ランガサイトの結晶軸のうちｙ軸方向に圧力を印加した時の、ドレイン電圧ＶＤＳに対するドレイン電流ＩＤＳの変化を示すグラフである。
【図３】ＳｉＯ２にゲート電圧ＶＧを印加した時の、ドレイン電圧ＶＤＳに対するドレイン電流ＩＤＳの変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、本発明は当該実施の形態に限定されるものではない。
【００２７】
図１は本発明の実施の形態に係る電界効果トランジスタの構造を概念的に示す説明図である。同図に示すように、本形態に係る電界効果トランジスタは、圧電材料の一種であるランガサイトを主成分として含むゲート絶縁層１、ゲート絶縁層１の上に形成された有機ルブレン単結晶で形成した有機半導体層２、ゲート絶縁層１の上に形成された金のドレイン電極３及びソース電極４で構成してある。ここで、ゲート絶縁層１及び有機半導体層２の積層方向（図の上下方向）は圧電材料であるランガサイトの結晶軸のｘ軸方向に一致させてある。このように、圧電材料であるランガサイトをゲート絶縁層１の主要成分として用いるとともにその結晶軸のｘ軸方向をゲート絶縁層１と有機半導体層２との積層方向に一致させることによって、ゲート絶縁層１の面方向（ランガサイトの結晶軸のｙ軸方向）に印加した圧力により、その大きさに応じた電荷がランガサイトの結晶軸のｘ軸方向誘起され、圧電材料（ゲート絶縁層１）と半導体（有機半導体層２）との界面に電荷が注入される。
【００２８】
かかる本形態の電界効果トランジスタによればゲート絶縁層１にその面方向（図１中の水平方向）に作用する圧力を印加することによりゲート絶縁層１と有機半導体層２との界面に電荷を注入することができるので、これによってドレイン電極３及びソース電極４間の電流が制御される。すなわち、トランジスタ作用による高感度の増幅を行うことができる。しかも、このときゲート絶縁層１に印加される圧力に応じて、ゲート絶縁層１と有機半導体層２との界面に注入される電荷の量が変化するため、ゲート絶縁層１に印加される圧力に応じてドレイン電極３及びソース電極４間の電流が変化する。したがって圧力センサーとしても好適なものとなる。
【００２９】
さらに、ゲート絶縁層１と有機半導体層２との界面に電荷を発生させるための圧力は、ゲート絶縁層１の面方向で、ゲート絶縁層１と有機半導体層２との積層方向に直交する方向に印加するようになっているので、この圧力の印加により有機半導体層２を損傷する心配もない。
【００３０】
図２は本形態に係る電界効果トランジスタのドレイン−ソース電圧ＶＤＳに対するドレイン−ソース電流ＩＤＳ特性を示すグラフである。当該特性は、ゲート絶縁層１の主成分であるランガサイトの結晶のｙ軸方向に印加する圧力をパラメータとしたものである。同図を参照すれば、低い駆動電圧（ＶＤＳ）で十分大きな電流（ＩＤＳ）が得られていることが分かる。すなわち、大きな電流増幅率が得られている。これは、図３に示す従来技術に係る電界効果トランジスタの同様のドレイン−ソース電流ＩＤＳ特性と比較すれば明らかである。すなわち、図２に示す本形態に係る電界効果トランジスタの場合、例えばゲート絶縁層１に８（Ｍｐａ）の圧力を印加した状態でＶＤＳ＝１（Ｖ）を印加した場合、ＩＤＳ＝６×１０−１０（Ａ）が得られているが、図３に示す従来技術の電界効果トランジスタではＶＤＳ＝１（Ｖ）ではＶＧ＝−２０（Ｖ）でもＩＤＳ≒０である。
【００３１】
このように、ゲート絶縁層１として圧電材料を主要成分とすることによって、当該電界効果トランジスタは、圧電材料であるランガサイトの結晶軸のｙ軸方向の圧力が印加されると、圧力の大きさに応じて結晶軸のx軸方向に電荷が誘起され、圧電材料（ゲート絶縁層１）−半導体（有機半導体層２）界面に電荷が注入される。そのため、圧力の変化に応じて、圧電材料-半導体界面に注入される電荷の量が変化する結果、図２に示すように、ドレイン電極３及びソース電極４の間を流れる電流ＩＤＳが変化し、当該電界効果トランジスタを低電圧で駆動させることができる。
【００３２】
かかる構造の電界効果トランジスタは、例えば以下の手順で好適に作製することができる。まず、ゲート絶縁層１となる圧電材料からなる基板を用意する。次に、圧電材料の表面を研磨することで、表面の凹凸が数十ナノメートルオーダーの鏡面に仕上げ、所定のマスクを介して紫外線を照射することにより、フォトレジストを所定パターンに露光する。これにより露光された部分のフォトレジストが硬化する。次いで、露光されなかった部分のフォトレジストを溶剤で溶解して除去する。これにより、フォトレジストに所定の孔が形成される。このとき、底面にはゲート絶縁層１の基板が露出している。
【００３３】
次に、所定の孔の周辺にクロム、その上に金を順にマスク蒸着することにより、ドレイン電極３及びソース電極４を作成する。続いて、ドレイン電極３及びソース電極４の間より大きい有機半導体層（有機ルブレン単結晶）２をドレイン電極３及びソース電極４を覆うように載置する。
【００３４】
このようにして得られた電界効果トランジスタでは、ゲート絶縁層１と有機半導体層２とがゲート絶縁層１の鏡面を介して接合されるので、きわめて良好な密着性が確保されており、したがってゲート絶縁層１に対する圧力の印加によりゲート絶縁層１と有機半導体層２との界面に発生する電荷を高効率で有機半導体層２に注入することができ、その分良好な電流増幅率を得る等、トランジスタとしての性能の向上に資することができる。
【００３５】
なお、上記実施の形態においては、圧電材料としてランガサイトを使用した場合を示したが、勿論これに限定するものではない。ただ、本発明に使用する圧電材料は、電気機械結合係数（k31,kr,k12）が大きいものが望ましい。より小さい圧力で、より多くの電荷を誘起し、有機半導体層にキャリアが多く注入することができ、低電圧駆動及び十分に高い電流増幅率、高い応答性が実現できるからである。また、圧力印加方向に対して垂直方向表面に電荷を多く蓄えられるものの方が、軟らかい有機半導体層２に圧力を加えることで、有機半導体層２に機械的な損傷を与えることがないので望ましい。
【００３６】
かかる観点からランガサイト以外の圧電材料としては、以下材料が好適である。
（１）チタン酸バリウム
（２）ジルコン酸チタン酸鉛（PZT）
（３） (1-x)[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3- x[PbTiO3] (PMN-PT) 
（４）ランガサイト(LaGaSiO)系化合物
（５）ニオブ酸リチウム化合物
（６）リン酸ガリウム
（７）水晶
【００３７】
なお、圧電材料には、圧力を印加することで、電圧が生じるという性質を損なわない範囲で、性能（低い駆動電圧、十分に高い電流増幅率、高い応答性）を高める添加剤を添加又は溶解することは可能である。
【００３８】
また、上記実施の形態においては、有機半導体層２を形成する有機半導体材料として有機ルブレン単結晶を使用した場合を示したが、勿論これに限定するものではない。例えば以下に示すものも使用することができる。
（１）ペンタセン、テトラセン、アントラセンなどのオリゴアセン分子；
（２）ルブレン、テトラメチルペンタセン、テトラクロロペンタセン、ジフェニルペンタセンなどのオリゴアセン誘導体分子；
（３）セクシチオフェンなどオリゴチオフェン分子及びその誘導体分子；
（４）ＴＣＮＱ（７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン）及びその誘導体分子；
（５）ＴＴＦ（１，４，５，８−テトラチアフルバレン）及びその誘導体分子；
（６）ペリレン及びその誘導体分子；
（７）ピレン及びその誘導体分子；
（８）Ｃ６０などフラーレン分子及びその誘導体分子；
（９）フタロシアニン及び銅フタロシアニンなどのメタルフタロシアニン分子及びその誘導体分子；
（１０）ポルフィリン及び亜鉛ポルフィリンや鉄ポルフィリンなどのメタルポルフィリン分子及びその誘導体分子；
（１１）ＢＥＤＴ−ＴＴＦ（ビスエチレンジチオテトラチオフルバレン）及びその誘導体分子；
ただ、これらの中でも、有機トランジスタとして電流の増幅率が大きいルブレン、ペンタセンが最適である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は圧力センサや有機トランジスタを製造販売乃至利用する産業分野において利用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１    ゲート絶縁層
２    有機半導体層
３    ドレイン電極
４    ソース電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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