(57)【要約】  絶縁性の基板（１）と、基板上に設けられたゲート電極（２、４）と、ゲート電極を覆って形成されたゲート絶縁膜（３）と、ゲート絶縁膜上に形成された有機半導体膜（５）と、有機半導体膜に接触させて配置されたソース電極（６）及びドレイン電極（７）とを備える。ゲート電極は、有機半導体膜におけるソース電極とドレイン電極の間のチャネル領域に対向する領域に配置された主ゲート電極（２）と、主ゲート電極の両側でソース電極及びドレイン電極にそれぞれ対向する領域に配置された一対の補助ゲート電極（４）とを含む。主ゲート電極と補助ゲート電極とは互いに電気的に分離されている。低電圧領域の駆動においても、ソース・ドレイン電極と有機半導体膜の間の接触抵抗を低く制御して、短チャネル化により動作周波数を十分に向上させることができる。
2014030613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の基板と、前記基板上に設けられたゲート電極と、前記ゲート電極を覆って形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成された有機半導体膜と、前記有機半導体膜に接触させて配置されたソース電極及びドレイン電極とを備え、
前記ゲート電極は、前記有機半導体膜における前記ソース電極と前記ドレイン電極の間のチャネル領域に対向する領域に配置された主ゲート電極と、前記主ゲート電極の両側で前記ソース電極及び前記ドレイン電極にそれぞれ対向する領域に配置された一対の補助ゲート電極とを含み、
前記主ゲート電極と前記補助ゲート電極とは互いに電気的に分離されていることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記主ゲート電極と前記有機半導体膜との間に介在する前記ゲート絶縁膜の厚さと、前記補助ゲート電極と前記有機半導体膜との間に介在する前記ゲート絶縁膜の厚さが異なり、前記主ゲート電極と前記補助ゲート電極の間に前記ゲート絶縁膜が介在している請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記補助ゲート電極には一定の電圧を印加し、
前記補助ゲート電極と前記有機半導体膜間の電界が、前記主ゲート電極と前記有機半導体膜間の電界よりも強くなるように、前記ゲート絶縁膜の厚さと、前記補助ゲート電極及び前記主ゲート電極に印加する電圧の関係が設定されている請求項１または２に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記主ゲート電極と前記補助ゲート電極は、前記有機半導体膜に直交する方向の射影において、端部間に隙間が存在しないように形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項５】
前記主ゲート電極と前記補助ゲート電極は、前記有機半導体膜に直交する方向の射影において重畳する面積が存在しないように形成されている請求項４に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項６】
請求項１に記載の有機薄膜トランジスタを製造する方法であって、
前記絶縁性の基板上に前記主ゲート電極及び前記補助ゲート電極のうちの一方のゲート電極を形成し、
前記一方のゲート電極を覆って下部ゲート絶縁膜を形成し、
前記下部ゲート絶縁膜上に他方の前記ゲート電極を形成し、
前記他方のゲート電極及び前記下部ゲート絶縁膜を覆って上部ゲート絶縁膜を形成し、
前記上部ゲート絶縁膜上に有機半導体膜を形成するとともに、前記有機半導体膜に接触させてソース電極及びドレイン電極とを形成することを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項７】
前記第２ゲート成膜工程では、前記第１ゲート成膜工程で形成されたゲート電極をマスクとする前記基板の裏面側からの背面露光を含む工程により、前記他方のゲート電極を前記一方の電極に対して自己整合的にパターニングする請求項６に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項８】
前記ゲート絶縁膜を下部絶縁膜と上部絶縁膜に分けて成膜し、
前記第１ゲート成膜工程の後、前記一方のゲート電極を覆って前記下部絶縁膜を形成し、
その後、前記第２ゲート成膜工程により前記下部絶縁膜上に前記他方のゲート電極を形成し、
その後、前記他方のゲート電極を覆って前記上部絶縁膜を形成する請求項６または７に記載の有機薄膜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、有機半導体を活性層に用いた有機薄膜トランジスタに関する。特に、チャネル長を短くして動作周波数を向上させるのに適した素子構造を有する有機薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機半導体は、溶液からの塗布によって薄膜を形成可能である。そのため、有機薄膜トランジスタ（有機ＴＦＴ）は、従来の無機半導体を用いたＴＦＴに比べ、低コスト・低環境負荷であり、かつ大面積の電子素子を作製可能である。さらに、有機ＴＦＴを含む有機デバイスは軽量、かつフレキシブルであるため、ディスプレイ、ＩＣタグなど、様々なデバイスに幅広く適用することができる。【０００３】
しかしながら、現在の有機ＴＦＴの動作周波数は、無機ＴＦＴに比べて未だ十分に高くはなく、動作周波数の向上が求められている。トランジスタの動作周波数の向上のためには、短いチャネル長Ｌ、及び高い移動度を実現する必要がある。しかし、実際にはチャネル長Ｌが短いほど電極と有機半導体界面の接触抵抗の影響が大きくなり、実効的な移動度が低下することが知られている。【０００４】
電極と有機半導体界面の接触抵抗を低減するために、例えば、特許文献１には、金からなるソース、ドレイン電極と絶縁性基板との間に設ける密着層として、金を主成分とした合金を用いることが開示されている。すなわち、金の含有量が、６７原子％以上９７原子％以下の範囲内である合金を用いる。【０００５】
ｐ型動作の有機トランジスタのソース、ドレイン電極を形成する材料としては、金からなる電極が用いられることが多いが、金は他の材料に対する密着力が低い。このため、金電極と基板との間に密着層を形成する対策が一般に行われている。ところが、この密着層が、ソース、ドレイン電極と有機半導体層との間の寄生抵抗の原因となることが指摘されている。【０００６】
これに対して、特許文献１には、上述のような金を含む合金により密着層を形成することにより、有機半導体層と電極間の寄生抵抗を低減させることが可能とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１３５５４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に開示された有機ＴＦＴにおいても、その実効移動度は、０．４〜２．２ｃｍ2／Ｖｓ程度にとどまっており、無機ＴＦＴに比べて動作周波数を十分に向上させることは困難である。【０００９】
一方、通常の有機ＴＦＴでは、ゲート電圧の上昇と共に接触抵抗が減少する特性を有することが知られている。しかし、低いゲート電圧においては接触抵抗が高く、動作周波数は低くなってしまう。【００１０】
そこで、本発明は、低電圧領域での駆動においても、ソース・ドレイン電極と有機半導体膜の間の接触抵抗を低く制御して、短チャネル化により動作周波数を十分に向上させることが可能な有機薄膜トランジスタを提供することを目的とする。また、そのような有機薄膜トランジスタを精度良く作製可能な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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の有機薄膜トランジスタは、絶縁性の基板と、前記基板上に設けられたゲート電極と、前記ゲート電極を覆って形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成された有機半導体膜と、前記有機半導体膜に接触させて配置されたソース電極及びドレイン電極とを備え、前記ゲート電極は、前記有機半導体膜における前記ソース電極と前記ドレイン電極の間のチャネル領域に対向する領域に配置された主ゲート電極と、前記主ゲート電極の両側で前記ソース電極及び前記ドレイン電極にそれぞれ対向する領域に配置された一対の補助ゲート電極とを含み、前記主ゲート電極と前記補助ゲート電極とは互いに電気的に分離されていることを特徴とする。【００１２】
本発明の製造方法は、上記構成の有機薄膜トランジスタを製造するための方法であって、前記絶縁性の基板上に前記主ゲート電極及び前記補助ゲート電極のうちの一方のゲート電極を形成し、前記一方のゲート電極を覆って下部ゲート絶縁膜を形成し、前記下部ゲート絶縁膜上に他方の前記ゲート電極を形成し、前記他方のゲート電極及び前記下部ゲート絶縁膜を覆って上部ゲート絶縁膜を形成し、前記上部ゲート絶縁膜上に有機半導体膜を形成するとともに、前記有機半導体膜に接触させてソース電極及びドレイン電極とを形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成の有機薄膜トランジスタによれば、チャネル抵抗と接触抵抗をそれぞれ独立した主ゲート電極と補助ゲート電極で制御することにより、低電圧領域の駆動においても、接触抵抗を低く抑制した状態での動作が可能である。このため、実効的な移動度を高くすることができ、短チャネル化により十分に高い動作周波数での駆動が可能である。【００１４】
また、上記構成の有機薄膜トランジスタの製造方法によれば、主ゲート電極と補助ゲート電極を別工程で形成し、両成膜工程間に下部ゲート絶縁膜を形成する工程を介在させる。これにより、主ゲート電極と補助ゲート電極とを適切な状態に互いに分離させた構造を、容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、実施の形態１における有機ＴＦＴの構造を示す断面図である。
【図２】図２は、同有機ＴＦＴの駆動方法の一例を示す回路図である。
【図３】図３は、同有機ＴＦＴの変形例を示す断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、同有機ＴＦＴの製造方法の工程の一部を示す断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、同製造方法の図４Ａに続く工程を示す断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、同製造方法の図４Ｂに続く工程を示す断面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、同製造方法の図４Ｃに続く工程を示す断面図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、同製造方法の図４Ｄに続く工程を示す断面図である。
【図４Ｆ】図４Ｆは、同製造方法の図４Ｅに続く工程を示す断面図である。
【図５】図５は、同有機ＴＦＴのカットオフ周波数特性の実測例を示す図である。
【図６】図６は、同有機ＴＦＴの構造の他の態様を示す断面図である。
【図７】図７は、実施の形態２における有機ＴＦＴの構造を示す断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、同有機ＴＦＴの製造方法の工程の一部を示す断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、同製造方法の図８Ａに続く工程を示す断面図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、同製造方法の図８Ｂに続く工程を示す断面図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、同製造方法の図８Ｃに続く工程を示す断面図である。
【図８Ｅ】図８Ｅは、同製造方法の図８Ｄに続く工程を示す断面図である。
【図８Ｆ】図８Ｆは、同製造方法の図８Ｅに続く工程を示す断面図である。
【図９】図９は、同有機ＴＦＴの構造の他の態様を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の有機薄膜トランジスタは、上記構成を基本として以下のような態様をとることができる。
【００１７】
すなわち、前記主ゲート電極と前記有機半導体膜との間に介在する前記ゲート絶縁膜の厚さと、前記補助ゲート電極と前記有機半導体膜との間に介在する前記ゲート絶縁膜の厚さが異なり、前記主ゲート電極と前記補助ゲート電極の間に前記ゲート絶縁膜が介在している構成とすることができる。
【００１８】
また、前記補助ゲート電極には一定の電圧を印加し、前記補助ゲート電極と前記有機半導体膜間の電界が、前記主ゲート電極と前記有機半導体膜間の電界よりも強くなるように、前記ゲート絶縁膜の厚さと、前記補助ゲート電極及び前記主ゲート電極に印加する電圧の関係が設定されている構成とすることができる。
【００１９】
また、前記主ゲート電極と前記補助ゲート電極は、前記有機半導体膜に直交する方向の射影において、端部間に隙間が存在しないように形成されていることが好ましい。言い換えれば、主ゲート電極と前記補助ゲート電極は、端部間に若干の重なりが存在する状態であってもよい。特に好ましくは、前記主ゲート電極と前記補助ゲート電極は、前記有機半導体膜に直交する方向の射影において重畳する面積が存在しないように形成する。この構成により、ゲート電極での寄生容量を低く抑制して、短チャネル化により十分に高い動作周波数での駆動が可能な有機薄膜トランジスタが得られる。
【００２０】
本発明の有機薄膜トランジスタの製造方法は、上記構成を基本として以下のような態様をとることができる。
【００２１】
すなわち、前記第２ゲート成膜工程では、前記第１ゲート成膜工程で形成されたゲート電極をマスクとする前記基板の裏面側からの背面露光を含む工程により、前記他方のゲート電極を前記一方の電極に対して自己整合的にパターニングする。これにより、両ゲート間に重畳領域も隙間もない最適な状態が容易に得られる。
【００２２】
また、前記ゲート絶縁膜を下部絶縁膜と上部絶縁膜に分けて成膜し、前記第１ゲート成膜工程の後、前記一方のゲート電極を覆って前記下部絶縁膜を形成し、その後、前記第２ゲート成膜工程により前記下部絶縁膜上に前記他方のゲート電極を形成し、その後、前記他方のゲート電極を覆って前記上部絶縁膜を形成することができる。
【００２３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２４】
＜実施の形態１＞
実施の形態１における有機ＴＦＴの構造を、図１に断面図で示す。絶縁性の基板１の上に、主ゲート電極２が設けられ、主ゲート電極２を覆って下部絶縁膜３ａが形成されている。下部絶縁膜３ａの上面に補助ゲート電極４が形成され、補助ゲート電極４の上面を覆って上部絶縁膜３ｂが形成されている。下部絶縁膜３ａと上部絶縁膜３ｂによりゲート絶縁膜３が構成される。この構成により、ゲート絶縁膜３中に互いに電気的に分離させて、主ゲート電極２と補助ゲート電極４が配置された状態が得られる。補助ゲート電極４を覆った上部絶縁膜３ｂの上面に、有機半導体膜５が形成され、有機半導体膜５に接触させてソース電極６及びドレイン電極７が設けられている。
【００２５】
この有機ＴＦＴは、有機半導体膜５の上部にソース電極６及びドレイン電極７が形成されたトップコンタクト型の構造を有する。有機ＴＦＴの素子構造は、一般的にトップコンタクト型とボトムコンタクト型の２種類に大別される。本実施の形態の有機ＴＦＴの特徴は、後述するように、ボトムコンタクト型、すなわち有機半導体膜の下部にソース電極及びドレイン電極が形成された構造にも同様に適用できる。
【００２６】
主ゲート電極２は、有機半導体膜５におけるソース電極６とドレイン電極７の間のチャネル領域に対向する領域に配置されている。一方、補助ゲート電極４は、主ゲート電極２の両側でソース電極６及びドレイン電極７にそれぞれ対向する領域に配置された、一対の要素となっている。
【００２７】
主ゲート電極２と補助ゲート電極４とは、互いに電気的に分離されている。すなわち、補助ゲート電極４は、基板１の上面からの高さが主ゲート電極２よりも高い位置に配置され、主ゲート電極２と補助ゲート電極４の間にはゲート絶縁膜３が介在している。言い換えれば、主ゲート電極２と有機半導体膜５との間に介在するゲート絶縁膜３の厚さ、すなわち主ゲート絶縁膜厚dmain1は、補助ゲート電極４と有機半導体膜５との間に介在するゲート絶縁膜３の厚さ、すなわち補助ゲート絶縁膜厚dsub1よりも厚い。
【００２８】
この有機ＴＦＴを駆動するための回路の一例を、図２に示す。すなわち、主ゲート電極２には、一定の直流電圧である主ゲート電圧VGmain、及び変調駆動部８からの変調電圧VGsigを印加する。但し、主ゲート電圧VGmainと変調電圧VGsigは、必ずしも別箇に供給する必要はなく、最初から直流成分と変調成分を含んだ信号を生成して供給してもよい。補助ゲート電極４には、主ゲート電極２の電圧とは独立に、一定の直流電圧である補助ゲート電圧VGsubを印加する。ドレイン電極７にはドレイン電圧VDを印加する。なお、電流計９は、後述するカットオフ周波数特性の実測を行った際の測定箇所を示したものである。チャネル長Ｌは、有機半導体膜５のチャネル領域の長さを示す。
【００２９】
この構成の有機ＴＦＴによれば、有機半導体膜５のチャネル抵抗は、主ゲート電極２に印加する主ゲート電圧VGmain、及び変調電圧VGsigにより制御される。一方、有機半導体膜５とソース電極６及びドレイン電極７の界面領域には、補助ゲート電圧VGsubにより、常時、高電位の電界が形成されている。これにより、有機半導体膜５とソース電極６及びドレイン電極７の間の接触抵抗が低い状態に制御される。
【００３０】
このように、接触抵抗とチャネル抵抗をそれぞれ別のゲート電極２、４で制御することにより、接触抵抗の影響を十分に小さく抑制した状態でチャネル抵抗を制御することが可能になる。すなわち、低電圧領域の駆動においても、接触抵抗が十分に低い状態の動作が原理的に可能となる。従って、高速動作に必要なチャネル長Ｌの短いデバイスにおいて、トランジスタの実効的な移動度を高くすることができ、飛躍的に高い動作周波数で駆動可能な有機ＴＦＴが得られる。
【００３１】
有機半導体膜５と、ソース電極６及びドレイン電極７の間の接触抵抗を低減する効果を十分に得るためには、補助ゲート電極４と有機半導体膜５間の電界が、主ゲート電極２と有機半導体膜５間の電界よりも強くなるように設定することが望ましい。すなわち、補助ゲート電圧VGsub、主ゲート電圧VGmain、主ゲート絶縁膜厚dmain1、補助ゲート絶縁膜厚dsub1の大きさを、VGsub/dsub1がVGmain/dmain1よりも十分に大きい関係が成立するように設定することが望ましい。この条件を満たすことにより、有機半導体膜５とソース電極６及びドレイン電極７の間の接触抵抗を十分に小さくして、小さなゲート電圧によって高いトランスコンダクタンスが得られるので、高速動作にとって極めて有効である。
【００３２】
すなわち、上述のように設定すれば、VGmain（VGmain/dmain1の電界）を大きくすることなく、VGsub（VGsub/dsub1の電界）によって接触抵抗を十分に小さくして、高い移動度が得られる。これにより、VGmainが小さな値であってもトランジスタ駆動の高速動作が可能となり、論理演算素子の高速動作に有効である。
【００３３】
VGsub/dsub1＞k×(VGmain/dmain1)と記述したとき、理論的にはkの値は大きければ大きいほど望ましい。但し、実際には、VGsigの駆動範囲と、ゲート絶縁膜３の耐電圧特性によってｋの値が決まり、現状では、実用的なｋの値は３〜６程度である。
【００３４】
しかも、上記構成によれば、主ゲート電極２はチャネル領域に対向し、一方補助ゲート電極４は、チャネル領域の両側でソース電極６及びドレイン電極７に対向するように配置されて、互いに異なる領域に対向しているので、主ゲート電極２と補助ゲート電極４間の寄生容量は小さく、高速応答性に対する影響は少ない。このような効果を最大限に得るためには、主ゲート電極２と補助ゲート電極４を、有機半導体膜５に直交する方向（膜面直交方向）の射影において重畳する面積が存在しないように形成する。
【００３５】
但し、主ゲート電極２と補助ゲート電極４は、図３に示すように、膜面直交方向の射影において重畳する面積Ｐが多少存在してもよい。その場合でも、上述の作用効果は、実質的な影響を受けることはない。従って、電極パターンの形成における多少の誤差は許容できる。しかし、膜面直交方向の射影において、主ゲート電極２と補助ゲート電極４間に隙間が存在する状態は、極力避けることが望ましい。
【００３６】
次に、図１に示した構成の有機ＴＦＴを作製する方法の一例について、図４Ａ〜４Ｆに示す工程の断面図を参照して説明する。先ず、図４Ａに示すように、基板１上に主ゲート電極２を形成する。主ゲート電極２は、例えばAu、Al、Cr、Cu、Moなどの金属膜を、フォトリソグラフィ等によってパターニングすることにより作製する。
【００３７】
次に、図４Ｂに示すように、主ゲート電極２を覆って下部絶縁膜３ａを成膜する。下部絶縁膜３ａは、ゲート絶縁膜３を構成する１層目の膜であり、例えばCytop（アモルファスフッ素樹脂、登録商標）、BCB（ベンゾシクロブテン）などのポリマー絶縁膜、またはAl2O3、SiO2などの無機絶縁膜を用いることができる。更に、下部絶縁膜３ａ上に、フォトレジスト層１０を形成する。
【００３８】
次に、主ゲート電極２をフォトマスクとして、基板１の裏面側から露光光１１を照射する背面露光プロセスを行う。その後、現像処理を行い、フォトレジスト層１０をパターニングして、図４Ｃに示すように、レジストパターン１０ａを形成する。この背面露光プロセスによれば、レジストパターン１０ａを主ゲート電極２に対して自己整合的に形成することができる。次に、図４Ｄに示すように、レジストパターン１０ａを含む全面を覆って、Au、Al、Cr、Cu、Moなどの金属膜４ａ（補助ゲート電極４用の膜）を形成する。
【００３９】
次に、レジストパターン１０ａをレジスト剥離液によって除去する。これにより、図４Ｅに示すように、金属膜４ａのうちレジストパターン１０ａ上の部分がリフトオフにより除去されて、補助ゲート電極４がパターニングされる。この結果、主ゲート電極２と補助ゲート電極４は、自己整合的に形成される。
【００４０】
次に、図４Ｆに示すように、補助ゲート電極４を覆って上部絶縁膜３ｂを成膜する。上部絶縁膜３ｂは、ゲート絶縁膜３を構成する２層目の膜であり、例えばCytop、BCBなどのポリマー絶縁膜、またはAl2O3、SiO2などの無機絶縁膜からなる。更に、上部絶縁膜３ｂ上に、有機半導体膜５（例えばペンタセン、DNTT（ジナフトチエノチオフェン）、アルキルDNTTなど）を成膜する。最後に、有機半導体膜５の端部上面に、例えばAuなどを用い、シャドウマスク、またはフォトリソグラフィによって、図１に示したように、ソース電極６及びドレイン電極７を作製する。
【００４１】
以上のとおり、この製造方法によれば、補助ゲート電極４を主ゲート電極２に対して自己整合的に形成して、ゲート電極による寄生容量を容易に低減可能である。これにより、従来に比べて、低い駆動電圧領域においても、飛躍的に高い周波数で動作可能な高速動作有機ＴＦＴの作製が可能となる。但し、補助ゲート電極４を主ゲート電極２に対して自己整合的に形成する方法としては、他の周知の方法を用いることもできる。
【００４２】
次に、上記構成を有する有機ＴＦＴのカットオフ周波数特性の実測例について、図５を参照して説明する。
［１］測定に供した有機ＴＦＴの素子構成
主ゲート電極２：Au
下部絶縁膜３ａ：Al2O3、２００ｎｍ
補助ゲート電極４：Au
上部絶縁膜３ｂ：Al2O3、１００ｎｍ
有機半導体膜５：C10-DNTTの塗布結晶膜
ソース電極６、ドレイン電極７：Au
チャネル長Ｌ：〜２μｍ
［２］測定条件
補助ゲート電極４の電圧：VGsub＝−２０Ｖ
ドレイン電極７の電圧：VD＝−１０Ｖ
主ゲート電極２の電圧：主ゲート電圧VGmain＝−５Ｖ、変調電圧VGsig＝１ＶP-Pの正弦波電圧
以上のとおりの設定により、主ゲート電極２への入力電流（Iin）とトランジスタ出力電流（ドレイン電流、Iout）を同時計測した結果を、図５に示す。図５において、横軸は変調電圧VGsigの周波数（Ｈｚ）、縦軸は電流（ｍＡP-P）である。
【００４３】
Iin＝Ioutとなる周波数により、電流利得遮断周波数（ｆT）が定義される。測定の結果、ｆT〜１０ＭＨｚの高い動作周波数が得られた。これは、塗布型の有機ＴＦＴとしては、従来例の２ＭＨｚ程度と比べて、飛躍的に高い動作周波数である。
【００４４】
次に、上記構成の有機ＴＦＴの特徴を、ボトムコンタクト型の有機ＴＦＴに適用した例について、図６を参照して説明する。この有機ＴＦＴは、絶縁性の基板１の上に、主ゲート電極２、補助ゲート電極４、及びゲート絶縁膜３が形成された構成については、図１に示したトップコンタクト型の有機ＴＦＴの場合と同様である。
【００４５】
図６の例では、ゲート絶縁膜３の上面に、チャネル領域に対応する範囲に間隙を設けてソース電極６及びドレイン電極７が形成されている。そして、有機半導体膜５が、端部をソース電極６及びドレイン電極７の上面に配置して形成されている。
【００４６】
以上のとおり、主ゲート電極２と補助ゲート電極４の相互関係は、図１に示した構成と全く同様であり、図２を参照して説明した上述の駆動方法を適用して、同様の効果を得ることができる。
【００４７】
＜実施の形態２＞
実施の形態２における有機ＴＦＴの構造を、図７に断面図で示す。この素子構造は、素子の厚み方向における主ゲート電極２と補助ゲート電極４の位置関係が、実施の形態１の場合と異なる以外は、実施の形態１と同様である。従って、実施の形態１の場合と同様の構成要素については、同一の参照符号を付して、説明を簡略化する。
【００４８】
絶縁性の基板１の上に、先ず、補助ゲート電極４が配置され、補助ゲート電極４を覆って下部絶縁膜３ａが形成されている。下部絶縁膜３ａの上面に主ゲート電極２が形成され、主ゲート電極２の上面を覆って上部絶縁膜３ｂが形成されている。この構成により、ゲート絶縁膜３中に互いに分離させて、主ゲート電極２と補助ゲート電極４を配置した状態が得られる。上部絶縁膜３ｂの上部に、有機半導体膜５、ソース電極６及びドレイン電極７が設けられている。
【００４９】
この構成においても、主ゲート電極２は、有機半導体膜５におけるソース電極６とドレイン電極７の間のチャネル領域に対向する領域に配置されている。一方、補助ゲート電極４は、主ゲート電極２の両側でソース電極６及びドレイン電極７にそれぞれ対向する領域に配置されており、補助ゲート電極４と主ゲート電極２とは、互いに電気的に分離されている。主ゲート電極２と有機半導体膜５との間に介在するゲート絶縁膜３の厚さ、すなわち主ゲート絶縁膜厚dmain2は、補助ゲート電極４と有機半導体膜５との間に介在するゲート絶縁膜３の厚さ、すなわち補助ゲート絶縁膜厚dsub2よりも薄い。
【００５０】
この有機ＴＦＴを駆動するための回路は、基本的には、図２に示したものと同様に構成することができる。有機半導体膜５のチャネル抵抗は、主ゲート電極２に印加する主ゲート電圧VGmain、及び変調電圧VGsigにより制御され、補助ゲート電圧VGsubにより、有機半導体膜５とソース電極６及びドレイン電極７の間の接触抵抗が低い状態に制御される。これにより、実施の形態１と同様、低電圧領域の駆動においても、接触抵抗が十分に低い状態の動作が原理的に可能となり、チャネル長Ｌの短いデバイスにおいて、トランジスタの実効的な移動度を高くすることができ、飛躍的に高い動作周波数で駆動可能である。
【００５１】
有機半導体膜５とソース電極６及びドレイン電極７の間の接触抵抗を低減する効果を十分に得るためには、補助ゲート電極４と有機半導体膜５間の電界が、主ゲート電極２と有機半導体膜５間の電界よりも強くなるように設定することが望ましい。すなわち、補助ゲート電圧VGsub、主ゲート電圧VGmain、主ゲート絶縁膜厚dmain2、補助ゲート絶縁膜厚dsub2の大きさを、VGsub/dsub2がVGmain/dmain2よりも十分に大きい関係が成立するように設定することが望ましい。この条件を満たすことにより、有機半導体膜５とソース電極６及びドレイン電極７の間の接触抵抗を十分に小さくして、小さなゲート電圧によって高いトランスコンダクタンスが得られるので、高速動作にとって極めて有効である。
【００５２】
しかも、主ゲート電極２と補助ゲート電極４は、互いに異なる領域に対向しているので、主ゲート電極２と補助ゲート電極４間の寄生容量は小さく、高速応答性に対する影響は少ない。このような効果を最大限に得るためには、主ゲート電極２と補助ゲート電極４を、膜面直交方向の射影において重畳する面積が存在しないように形成する。但し、実施の形態１と同様、主ゲート電極２と補助ゲート電極４は、膜面直交方向の射影において重畳する面積が多少存在してもよい。また、膜面直交方向の射影において、主ゲート電極２と補助ゲート電極４間に隙間が存在する状態は、極力避けることが望ましい。
【００５３】
次に図７に示した構成の有機ＴＦＴの製造方法の一例について、図８Ａ〜８Ｆに示す工程断面図を参照して説明する。
【００５４】
先ず、図８Ａに示すように、基板１上に補助ゲート電極４を形成する。補助ゲート電極４は、例えばAu、Al、Cr、Cu、Moなどの金属膜を、フォトリソグラフィ等によってパターニングすることにより作製する。次に、図８Ｂに示すように、補助ゲート電極４を覆って下部絶縁膜３ａを成膜する。下部絶縁膜３ａは、例えばCytop（登録商標）、BCBなどのポリマー絶縁膜、またはAl2O3、SiO2などの無機絶縁膜を用いることができる。更に、下部絶縁膜３ａ上に、フォトレジスト層１０を形成する。
【００５５】
次に、補助ゲート電極４をフォトマスクとして、基板１の裏面側からの背面露光プロセスを行う。その後、現像を行い、フォトレジスト層１０をパターニングして、図８Ｃに示すように、レジストパターン１０ｂを形成する。この背面露光プロセスにより、レジストパターン１０ｂを補助ゲート電極４に対して自己整合的にパターニングすることができる。次に、図８Ｄに示すように、レジストパターン１０ｂを含む全面を覆って、主ゲート電極２を形成するためのAu、Al、Cr、Cu、Moなどの金属膜２ａを形成する。
【００５６】
次に、レジストパターン１０ｂをレジスト剥離液によって除去する。これにより、図８Ｅに示すように、金属膜２ａのうちレジストパターン１０ｂ上の部分がリフトオフにより除去されて、主ゲート電極２がパターニングされる。これにより、主ゲート電極２と補助ゲート電極４は、自己整合的に形成される。
【００５７】
次に、図８Ｆに示すように、主ゲート電極２を覆って上部絶縁膜３ｂを成膜する。上部絶縁膜３ｂは、例えばCytop、BCBなどのポリマー絶縁膜、またはAl2O3、SiO2などの無機絶縁膜からなる。更に、上部絶縁膜３ｂ上に、有機半導体膜５（例えばペンタセン、DNTT、アルキルDNTTなど）を成膜する。最後に、有機半導体膜５の端部上面に、例えばAuなどを用い、シャドウマスク、またはフォトリソグラフィによってソース電極６及びドレイン電極７を作製する（図７参照）。
【００５８】
以上のとおり、この製造方法によれば、主ゲート電極２を補助ゲート電極４に対して自己整合的に形成して、ゲート電極による寄生容量を容易に低減可能である。これにより、本実施の形態の場合も、低い駆動電圧領域において、飛躍的に高い周波数で動作可能な高速動作有機ＴＦＴの作製が可能となる。
【００５９】
次に、上記構成の有機ＴＦＴの特徴を、ボトムコンタクト型の有機ＴＦＴに適用した例について、図９を参照して説明する。この有機ＴＦＴは、絶縁性の基板１の上に、補助ゲート電極４、主ゲート電極２、及びゲート絶縁膜３が形成された構成については、図７に示したトップコンタクト型の有機ＴＦＴの場合と同様である。
【００６０】
図９の例では、ゲート絶縁膜３の上面に、チャネル領域に対応する範囲に間隙を設けてソース電極６及びドレイン電極７が形成されている。そして、有機半導体膜５が、端部をソース電極６及びドレイン電極７の上面に配置して形成されている。
【００６１】
以上のとおり、主ゲート電極２と補助ゲート電極４の相互関係は、図７に示した構成と全く同様であり、また、図２を参照して説明した上述の駆動方法を適用して、同様の効果を得ることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の有機薄膜トランジスタは、チャネル長の短縮化により高速応答性能を十分に向上させることが可能であり、ｅ−ｐａｐｅｒ、液晶、有機ＥＬディスプレイなどの駆動に必要なアクティブマトリクスバックプレーンや、画素駆動のためのゲート、ソースドライバ回路、あるいはＲＦＩＤタグなど、高速動作が求められる論理回路素子全般に有用である。
【符号の説明】
【００６３】
１  基板
２  主ゲート電極
３  ゲート絶縁膜
３ａ  下部絶縁膜
３ｂ  上部絶縁膜
４  補助ゲート電極
５  有機半導体膜
６  ソース電極
７  ドレイン電極
８  変調駆動部
９  電流計
１０  フォトレジスト層
１０ａ、１０ｂ  レジストパターン
１１  露光光
【図１】
2014030613.tif 000003
【図２】
2014030613.tif 000004
【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2014030613.tif 000007
【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
2014030613.tif 000016
【図８Ｃ】
2014030613.tif 000017
【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図９】
2014030613.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成27年9月3日(2015.9.3)
【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】
絶縁性の基板と、前記基板上に設けられたゲート電極と、前記ゲート電極を覆って形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成された有機半導体膜と、前記有機半導体膜に接触させて配置されたソース電極及びドレイン電極とを備え、
前記ゲート電極は、前記有機半導体膜における前記ソース電極と前記ドレイン電極の間のチャネル領域に対向する領域に配置された主ゲート電極と、前記主ゲート電極の両側で前記ソース電極及び前記ドレイン電極にそれぞれ対向する領域に配置された一対の補助ゲート電極とを含み、
前記主ゲート電極と前記補助ゲート電極とは互いに電気的に分離され、
前記補助ゲート電極には一定の電圧を印加し、
前記補助ゲート電極と前記有機半導体膜間の電界が、前記主ゲート電極と前記有機半導体膜間の電界よりも強くなるように、前記ゲート絶縁膜の厚さと、前記補助ゲート電極及び前記主ゲート電極に印加する電圧の関係が設定されていることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記主ゲート電極と前記有機半導体膜との間に介在する前記ゲート絶縁膜の厚さと、前記補助ゲート電極と前記有機半導体膜との間に介在する前記ゲート絶縁膜の厚さが異なり、前記主ゲート電極と前記補助ゲート電極の間に前記ゲート絶縁膜が介在している請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記主ゲート電極と前記補助ゲート電極は、前記有機半導体膜に直交する方向の射影において、端部間に隙間が存在しないように形成されている請求項１または２に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記主ゲート電極と前記補助ゲート電極は、前記有機半導体膜に直交する方向の射影において重畳する面積が存在しないように形成されている請求項３に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項５】
請求項１に記載の有機薄膜トランジスタを製造する方法であって、
前記絶縁性の基板上に前記主ゲート電極及び前記補助ゲート電極のうちの一方のゲート電極を形成し、
前記一方のゲート電極を覆って前記ゲート絶縁膜を構成する下部絶縁膜を形成し、
前記下部絶縁膜上に他方のゲート電極を形成し、
前記他方のゲート電極及び前記下部絶縁膜を覆って前記ゲート絶縁膜を構成する上部絶縁膜を形成し、
前記上部絶縁膜上に有機半導体膜を形成するとともに、前記有機半導体膜に接触させてソース電極及びドレイン電極とを形成することを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項６】
前記基板上に形成された前記一方のゲート電極をマスクとする前記基板の裏面側からの背面露光を含む工程により、前記他方のゲート電極を前記一方のゲート電極に対して自己整合的にパターニングする請求項５に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の有機薄膜トランジスタは、絶縁性の基板と、前記基板上に設けられたゲート電極と、前記ゲート電極を覆って形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成された有機半導体膜と、前記有機半導体膜に接触させて配置されたソース電極及びドレイン電極とを備え、前記ゲート電極は、前記有機半導体膜における前記ソース電極と前記ドレイン電極の間のチャネル領域に対向する領域に配置された主ゲート電極と、前記主ゲート電極の両側で前記ソース電極及び前記ドレイン電極にそれぞれ対向する領域に配置された一対の補助ゲート電極とを含み、前記主ゲート電極と前記補助ゲート電極とは互いに電気的に分離され、前記補助ゲート電極には一定の電圧を印加し、前記補助ゲート電極と前記有機半導体膜間の電界が、前記主ゲート電極と前記有機半導体膜間の電界よりも強くなるように、前記ゲート絶縁膜の厚さと、前記補助ゲート電極及び前記主ゲート電極に印加する電圧の関係が設定されていることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明の製造方法は、上記構成の有機薄膜トランジスタを製造するための方法であって、前記絶縁性の基板上に前記主ゲート電極及び前記補助ゲート電極のうちの一方のゲート電極を形成し、前記一方のゲート電極を覆って前記ゲート絶縁膜を構成する下部絶縁膜を形成し、前記下部絶縁膜上に他方のゲート電極を形成し、前記他方のゲート電極及び前記下部絶縁膜を覆って前記ゲート絶縁膜を構成する上部絶縁膜を形成し、前記上部絶縁膜上に有機半導体膜を形成するとともに、前記有機半導体膜に接触させてソース電極及びドレイン電極とを形成することを特徴とする。
【国際調査報告】
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