(57)【要約】  有機半導体層と、互いに離間して有機半導体層とそれぞれ接するソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極の間で有機半導体層に接するゲート絶縁膜と、有機半導体層と対向してゲート絶縁膜に接するゲート電極とを備え、ソース電極の近傍に位置する有機半導体層の高濃度領域の不純物濃度が、ソース電極とドレイン電極間においてゲート電極の有機半導体層の膜厚方向に位置する有機半導体層の低濃度領域の不純物濃度より高く設定されている。
2010116768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機半導体層と
互いに離間して前記有機半導体層とそれぞれ接するソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極の間で前記有機半導体層に接するゲート絶縁膜と、
前記有機半導体層と対向して前記ゲート絶縁膜に接するゲート電極と
を備え、前記ソース電極の近傍に位置する前記有機半導体層の高濃度領域の不純物濃度が、前記ソース電極と前記ドレイン電極間において前記ゲート電極の前記有機半導体層の膜厚方向に位置する前記有機半導体層の低濃度領域の不純物濃度より高いことを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記高濃度領域の膜厚が０．１ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記高濃度領域の不純物濃度が１×１０16ｃｍ-3以上であることを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記高濃度領域が前記ソース電極に接していることを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項５】
前記高濃度領域が前記ゲート絶縁膜に接していることを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項６】
基板と、
有機半導体層、互いに離間して前記有機半導体層とそれぞれ接するソース電極及びドレイン電極、前記ソース電極と前記ドレイン電極の間で前記有機半導体層に接するゲート絶縁膜、及び前記有機半導体層と対向して前記ゲート絶縁膜に接するゲート電極をそれぞれ有し、前記基板上に互いに離間して配置された第１及び第２のトランジスタと
を備え、
前記第１のトランジスタにおいて、前記ソース電極の近傍に位置する前記有機半導体層の第１導電型の高濃度領域の不純物濃度が、前記ソース電極と前記ドレイン電極間において前記ゲート電極の前記有機半導体層の膜厚方向に位置する前記有機半導体層の低濃度領域の不純物濃度より高く、
前記第２のトランジスタにおいて、前記ソース電極の近傍に位置する前記有機半導体層の第２導電型の高濃度領域の不純物濃度が、前記ソース電極と前記ドレイン電極間において前記ゲート電極の前記有機半導体層の膜厚方向に位置する前記有機半導体層の低濃度領域の不純物濃度より高い
ことを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
【請求項７】
前記第１及び第２のトランジスタの前記低濃度領域の不純物濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項６に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項８】
前記第１及び第２のトランジスタの前記高濃度領域の不純物濃度が１×１０16ｃｍ-3以上であることを特徴とする請求項６に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項９】
前記第１及び第２のトランジスタの前記高濃度領域が、前記第１及び第２のトランジスタの前記ソース電極にそれぞれ接していることを特徴とする請求項６に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項１０】
前記第１及び第２のトランジスタの前記高濃度領域が、前記第１及び第２のトランジスタの前記ゲート絶縁膜にそれぞれ接していることを特徴とする請求項６に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項１１】
基板と、有機半導体層、互いに離間して前記有機半導体層とそれぞれ接するソース電極及びドレイン電極、前記ソース電極と前記ドレイン電極の間で前記有機半導体層に接するゲート絶縁膜、及び前記有機半導体層と対向して前記ゲート絶縁膜に接するゲート電極をそれぞれ有し、前記基板上に互いに離間して配置された第１及び第２のトランジスタとを備える有機薄膜トランジスタを備える半導体集積回路であって、
前記第１のトランジスタにおいて、前記ソース電極の近傍に位置する前記有機半導体層の第１導電型の高濃度領域の不純物濃度が、前記ソース電極と前記ドレイン電極間において前記ゲート電極の前記有機半導体層の膜厚方向に位置する前記有機半導体層の低濃度領域の不純物濃度より高く、
前記第２のトランジスタにおいて、前記ソース電極の近傍に位置する前記有機半導体層の第２導電型の高濃度領域の不純物濃度が、前記ソース電極と前記ドレイン電極間において前記ゲート電極の前記有機半導体層の膜厚方向に位置する前記有機半導体層の低濃度領域の不純物濃度より高い
ことを特徴とする半導体集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機半導体層を含む有機薄膜トランジスタ及び半導体集積回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の特性を示す有機材料からなる有機半導体層をチャネル領域として使用する有機薄膜トランジスタ（有機ＴＦＴ）が、プリンタブルデバイス、フレキシブルデバイス用の主要デバイス等として注目されている。金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）や多結晶シリコン薄膜トランジスタ（poly-Si TFT）では、半導体中にキャリアの反転層が形成されてドレイン電流が流れる。これに対し、有機薄膜トランジスタでは、キャリアの蓄積層が形成されてドレイン電流が流れる。【０００３】
有機薄膜トランジスタにおいては、ゲート電極にゲート電圧を印加することで有機半導体層にキャリアが蓄積される。そして、ソース電極とドレイン電極間にドレイン電圧を印加することによって、有機半導体層の一部をチャネル領域としてドレイン電流が流れる。有機薄膜トランジスタの動作は、例えば非特許文献１に記載されたポアソンの式と連続の式に基づいたデバイスシミュレーションによってシミュレートできる。【０００４】
有機半導体がｐ型である場合、キャリアは正孔（ホール）である。有機半導体中の正孔の移動度は一般に小さいとされているが、材料の探索・改良等によって移動度の高い材料が見出されている。例えば、ペンタセン等のアセン系の化合物を用いることによって、移動度に換算して１〜１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ程度の特性を有する有機薄膜トランジスタが実現されている（例えば、非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ナカジマ（Y.Nakajima）、他、「Cofirmation of electric properties of traps at silicon-on-insulator (SOI)/buried oxide (BOX) interface by three-dimensional device simulation」、Physica E、２４、２００４年１月、ｐ．９２−９５
【非特許文献２】和田、外２名、「分子ナノエレクトロニクスの展望」、応用物理、２００１年、第７０巻、第１２号、ｐ．１３９５−１４０６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記程度の特性では、有機薄膜トランジスタを画素トランジスタに使用できる可能性がある一方で、例えばフレキシブルディスプレイの周辺回路等に使用するには不十分である。したがって、有機薄膜トランジスタの特性を更に向上する必要がある。これまで十分な特性が得られなかった原因は、有機半導体層中のキャリアが欠乏して電界降下が生じ、有機薄膜トランジスタの電流増幅率が見かけ上小さかったためである。【０００７】
上記問題点に鑑み、本発明は、有機半導体層中のキャリアの欠乏が抑制された有機薄膜トランジスタ及び半導体集積回路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】
【０００８】
本発明の一態様によれば、有機半導体層と、互いに離間して有機半導体層にそれぞれ接するソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極の間で有機半導体層に接するゲート絶縁膜と、有機半導体層と対向してゲート絶縁膜に接するゲート電極とを備え、ソース電極の近傍に位置する有機半導体層の高濃度領域の不純物濃度が、ソース電極とドレイン電極間においてゲート電極の有機半導体層の膜厚方向に位置する有機半導体層の低濃度領域の不純物濃度より高い有機薄膜トランジスタが提供される。【０００９】
本発明の他の態様によれば、基板と、有機半導体層、互いに離間して有機半導体層とそれぞれ接するソース電極及びドレイン電極、ソース電極とドレイン電極の間で有機半導体層に接するゲート絶縁膜、及び有機半導体層と対向してゲート絶縁膜に接するゲート電極をそれぞれ有し、基板上に互いに離間して配置された第１及び第２のトランジスタとを備え、第１のトランジスタにおいて、ソース電極の近傍に位置する有機半導体層の第１導電型の高濃度領域の不純物濃度が、ソース電極とドレイン電極間においてゲート電極の有機半導体層の膜厚方向に位置する有機半導体層の低濃度領域の不純物濃度より高く、第２のトランジスタにおいて、ソース電極の近傍に位置する有機半導体層の第２導電型の高濃度領域の不純物濃度が、ソース電極とドレイン電極間においてゲート電極の有機半導体層の膜厚方向に位置する有機半導体層の低濃度領域の不純物濃度より高い有機薄膜トランジスタが提供される。【００１０】
本発明の他の態様によれば、上記有機薄膜トランジスタを備える半導体集積回路が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、有機半導体層中のキャリアの欠乏が抑制された有機薄膜トランジスタ及び半導体集積回路を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの構成を示す模式的な断面図である。
【図２】比較例の構成を示す模式的な断面図である。
【図３】図３（ａ）は比較例のデバイスシミュレーション結果を示すグラフであり、図３（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタのデバイスシミュレーション結果を示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの高濃度領域の膜厚を変化させてデバイスシミュレーションを行った結果を示すグラフである。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの高濃度領域の不純物濃度を変化させてデバイスシミュレーションを行った結果を示すグラフである。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの有機半導体層の膜厚を変化させてデバイスシミュレーションを行った結果を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタのゲート絶縁膜の膜厚を変化させてデバイスシミュレーションを行った結果を示すグラフである。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。
【図１０】本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの製造方法を説明するための工程断面図である（その４）。
【図１２】本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの製造方法を説明するための工程断面図である（その５）。
【図１３】本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの他の製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。
【図１４】本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの他の製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。
【図１５】本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの他の製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。
【図１６】本発明の第１の実施形態の変形例に係る有機薄膜トランジスタの構成を示す模式的な断面図である。
【図１７】図１７（ａ）は図１に示した有機薄膜トランジスタのデバイスシミュレーション結果を示すグラフであり、図１７（ｂ）は図１６に示した有機薄膜トランジスタのデバイスシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１８】本発明の第１の実施形態の他の変形例に係る有機薄膜トランジスタの構成を示す模式的な断面図である。
【図１９】本発明の第１の実施形態の他の変形例に係る有機薄膜トランジスタの構成を示す模式的な断面図である。
【図２０】本発明の第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの構成を示す模式的な断面図である。
【図２１】本発明の第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの低濃度領域のキャリア濃度を変化させてデバイスシミュレーションを行った結果を示すグラフである。
【図２２】本発明の第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの低濃度領域のキャリア濃度を変化させてデバイスシミュレーションを行った他の結果を示すグラフである。
【図２３】本発明の第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。
【図２４】本発明の第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。
【図２５】本発明の第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。
【図２６】本発明の第２の実施形態の変形例に係る有機薄膜トランジスタの構成を示す模式的な断面図である。
【図２７】本発明の第２の実施形態の変形例に係る有機薄膜トランジスタの構成を示す模式的な断面図である。
【図２８】本発明の第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタを備える半導体集積回路の構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１４】
又、以下に示す第１及び第２の実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１５】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタ１は、図１に示すように、有機半導体層４０と、互いに離間して有機半導体層４０にそれぞれ接するソース電極５０及びドレイン電極６０と、ソース電極５０とドレイン電極６０の間で有機半導体層４０に接するゲート絶縁膜３０と、有機半導体層４０と対向してゲート絶縁膜３０に接するゲート電極２０とを備え、ソース電極５０の近傍に位置する有機半導体層４０の高濃度領域４１の不純物濃度が、ソース電極５０とドレイン電極６０間においてゲート電極２０の有機半導体層４０の膜厚方向に位置する有機半導体層４０の低濃度領域４２の不純物濃度より高く設定されている。つまり、ソース電極５０及びドレイン電極６０の有機半導体層４０の膜厚方向に配置された高濃度領域４１の不純物濃度が、有機薄膜トランジスタ１のチャネル領域の不純物濃度より高い。図１において、有機半導体層４０の膜厚方向をｙ方向、チャネル長Ｌ方向をｘ方向として示している。
【００１６】
図１に示した第１の実施形態では、ゲート電極２０の上方に有機半導体層４０が配置され、有機半導体層４０上にソース電極５０とドレイン電極６０が配置されている。即ち、図１に示した有機薄膜トランジスタ１は、基板１０上に配置されたゲート電極２０と、ゲート電極２０上に配置されたゲート絶縁膜３０と、ゲート絶縁膜３０上に配置された有機半導体層４０と、有機半導体層４０上に互いに離間して配置されたソース電極５０及びドレイン電極６０とを備える。そして、ソース電極５０の下方及びドレイン電極６０の下方にそれぞれ位置する有機半導体層４０の高濃度領域４１の不純物濃度が、ソース電極５０とドレイン電極６０間においてゲート電極２０の上方に位置する有機半導体層４０の低濃度領域４２の不純物濃度より高く設定されている。
【００１７】
図１に示した有機薄膜トランジスタ１では、ゲート電極２０に所定のゲート電圧Ｖｇを印加すると、ゲート絶縁膜３０側の有機半導体層４０中にキャリアが蓄積される。有機半導体層４０中にキャリアが蓄積された状態で、ソース電極５０とドレイン電極６０間にドレイン電圧を印加することによって、ソース電極５０とドレイン電極６０間にドレイン電流が流れる。即ち、ゲート電極２０上方の有機半導体層４０をチャネル領域として有機薄膜トランジスタ１は動作する。チャネル長Ｌは、ソース電極５０とドレイン電極６０間の距離である。
【００１８】
基板１０には、絶縁体基板が採用可能である。例えば、石英ウェハ上に複数の有機薄膜トランジスタ１を形成し、この石英ウェハをチップ化して個々の有機薄膜トランジスタ１が得られる。
【００１９】
ゲート電極２０には、例えばアルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等の金属、或いはポリシリコン膜等、導電性の膜であればいずれも採用可能である。また、ゲート絶縁膜３０には、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜、高誘電率のハイ−ｋ膜等が採用可能である。
【００２０】
有機半導体層４０は、半導体の特性を示す有機材料からなる。例えば、ｐ型材料として有機半導体層４０にペンタセン等を採用し、高濃度領域４１に適用するｐ型不純物にヨウ素や、イオン性分子、例えばテトラチオフルバレン（ＴＴＦ）、テトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）等が採用可能である。以下では、有機半導体層４０がｐ型半導体である場合、即ちチャネル領域を移動するキャリアが正孔である場合について説明する。図１に示した例では、ソース電極５０及びドレイン電極６０に接する有機半導体層４０の上部の一部が高濃度領域４１であり、他の領域が高濃度領域４１より不純物濃度の低い低濃度領域４２である。
【００２１】
ソース電極５０及びドレイン電極６０には、例えばカルシウム（Ｃａ）、Ａｌ、金（Ａｕ）等が採用可能である。
【００２２】
図２に、本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタ１との特性比較を行なう比較例の有機薄膜トランジスタを示す。図２に示した比較例は、有機半導体層４０が低濃度領域のみからなり、高濃度領域が形成されていない点が、図１に示した有機薄膜トランジスタ１と異なる。
【００２３】
なお、以下に結果を示すデバイスシミュレーションにおいては、有機薄膜トランジスタ１及び比較例のいずれにおいても、チャネル長Ｌが５μｍ、チャネル幅が１０μｍ、有機半導体層４０の膜厚ｄ２が５０ｎｍ、低濃度領域４２の不純物濃度Ｎ２が１×１０15ｃｍ-3、ゲート絶縁膜３０の膜厚ｄｇが３００ｎｍであるとした。また、有機薄膜トランジスタ１の高濃度領域４１の膜厚ｄ１を５ｎｍ、不純物濃度Ｎ１を１×１０20ｃｍ-3とした。
【００２４】
図３（ａ）及び図３（ｂ）に、図２に示した比較例及び図１に示した有機薄膜トランジスタ１の電気的特性をデバイスシミュレーションによって算出した結果を示す。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示した電気的特性は、ゲート電圧Ｖｇが０Ｖ、−１０Ｖ、−２０Ｖ、−３０Ｖ、−４０Ｖの場合におけるドレイン電圧Ｖｄ＝０Ｖ〜−５０Ｖでのドレイン電流Ｉｄを算出して得られた電流電圧特性である。
【００２５】
図３（ａ）と図３（ｂ）との比較から、本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタ１の電流増幅率は、図２に示した比較例に対して約３倍であることがわかる。
【００２６】
これは、有機薄膜トランジスタ１においては、ゲート電極２０上方のチャネル領域に高濃度領域４１からキャリアである正孔が供給されるためである。正孔が供給されることによってチャネル領域中のキャリアの欠乏が解消され、電界降下は発生しない。このため、高濃度領域４１の無い比較例に対して、有機薄膜トランジスタ１の電流増幅率は向上する。なお、ソース電極５０の近傍にのみ高濃度領域４１を形成しても、チャネル領域中のキャリアの欠乏は解消され、有機薄膜トランジスタ１の電流増幅率は向上する。
【００２７】
以下に、図１に示した有機薄膜トランジスタ１の構造を変化させた場合について、デバイスシミュレーションによって特性を検討した結果を示す。
【００２８】
（検討例１）
図４に、有機薄膜トランジスタ１の高濃度領域４１の膜厚ｄ１を０．１ｎｍ〜３０ｎｍの間で変化させた場合についてデバイスシミュレーションを行って得られた、ドレイン電流Ｉｄとドレイン電圧Ｖｄの電流電圧特性を示す。ここで、有機半導体層４０の膜厚ｄ２は３０ｎｍ、低濃度領域４２の不純物濃度Ｎ２は１×１０15ｃｍ-3、高濃度領域４１の不純物濃度Ｎ１は１×１０20ｃｍ-3である。また、ゲート絶縁膜３０の膜厚ｄｇは３００ｎｍ、チャネル長Ｌは５μｍ、ゲート電圧Ｖｇは−３０Ｖ、ドレイン電圧Ｖｄは０〜−５０Ｖである。
【００２９】
図４に示したように、高濃度領域４１の膜厚ｄ１＝０．１ｎｍの場合から、ソース電極５０及びドレイン電極６０下方の有機半導体層４０の厚さ方向すべてが高濃度領域４１である膜厚ｄ１＝３０ｎｍの場合まで、電流電圧特性はほぼ同一である。したがって、高濃度領域４１の膜厚ｄ１が少なくとも０．１ｎｍ以上であれば、有機薄膜トランジスタ１の特性を向上させる効果があることが確認された。
【００３０】
（検討例２）
図５に、有機薄膜トランジスタ１の高濃度領域４１の不純物濃度Ｎ１を１×１０16ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3の間で変化させた場合についてデバイスシミュレーションを行って得られた、ドレイン電流Ｉｄとドレイン電圧Ｖｄの電流電圧特性を示す。ここで、有機半導体層４０の膜厚ｄ２は３０ｎｍ、高濃度領域４１の膜厚ｄ１は５ｎｍ、低濃度領域４２の不純物濃度Ｎ２は１×１０15ｃｍ-3である。また、ゲート絶縁膜３０の膜厚ｄｇは３００ｎｍ、チャネル長Ｌは５μｍ、ゲート電圧Ｖｇは−３０Ｖ、ドレイン電圧Ｖｄは０〜−５０Ｖである。
【００３１】
図５に示したように、高濃度領域４１の不純物濃度Ｎ１が１×１０17ｃｍ-3以上の場合には、不純物濃度Ｎ１に関わらずほぼ同程度の電流電圧特性を示す。したがって、有機薄膜トランジスタ１の特性を向上させる効果を得るためには、高濃度領域４１の不純物濃度Ｎ１を１×１０17ｃｍ-3以上にすることが有効である。
【００３２】
ただし、図５に示したように、高濃度領域４１の不純物濃度Ｎ１が１×１０16ｃｍ-3以上の場合でも特性向上の効果が得られる。これは、低濃度領域４２の不純物濃度Ｎ２を１×１０15ｃｍ-3としたためである。つまり、不純物濃度Ｎ１が１×１０16ｃｍ-3以上の場合に限らず、高濃度領域４１の不純物濃度Ｎ１が低濃度領域４２の不純物濃度Ｎ２よりも高い場合には、不純物濃度Ｎ１、Ｎ２の値に関わらず、有機薄膜トランジスタ１の特性向上効果が得られる。
【００３３】
（検討例３）
図６に、有機薄膜トランジスタ１の有機半導体層４０の膜厚ｄ２を１０ｎｍ〜１００ｎｍの間で変化させた場合についてデバイスシミュレーションを行って得られた、ドレイン電流Ｉｄとドレイン電圧Ｖｄの電流電圧特性を示す。ここで、低濃度領域４２の不純物濃度Ｎ２は１×１０15ｃｍ-3、高濃度領域４１の膜厚ｄ１は５ｎｍ、高濃度領域４１の不純物濃度Ｎ１は１×１０20ｃｍ-3である。また、ゲート絶縁膜３０の膜厚ｄｇは３００ｎｍ、チャネル長Ｌは５μｍ、ゲート電圧Ｖｇは−３０Ｖ、ドレイン電圧Ｖｄは０〜−５０Ｖである。
【００３４】
図６に示したように、有機半導体層４０の膜厚ｄ２に関わらず、電流電圧特性はほぼ同じである。つまり、有機半導体層４０の膜厚ｄ２は、有機薄膜トランジスタ１の電流電圧特性にほとんど影響を与えない。したがって、有機薄膜トランジスタ１の特性を向上させる効果を得る上では、有機半導体層４０の膜厚ｄ２を任意に設定することができる。
【００３５】
（検討例４）
図７に、有機薄膜トランジスタ１のゲート絶縁膜３０の膜厚ｄｇを５０ｎｍ〜２００ｎｍの間で変化させた場合についてデバイスシミュレーションを行って得られた、ドレイン電流Ｉｄとドレイン電圧Ｖｄの電流電圧特性を示す。ここで、有機半導体層４０の膜厚ｄ２は３０ｎｍ、低濃度領域４２の不純物濃度Ｎ２は１×１０15ｃｍ-3、高濃度領域４１の膜厚ｄ１は５ｎｍ、高濃度領域４１の不純物濃度Ｎ１は１×１０20ｃｍ-3である。また、チャネル長Ｌは５μｍ、ゲート電圧Ｖｇは−３０Ｖ、ドレイン電圧Ｖｄは０〜−５０Ｖである。
【００３６】
図７等に示したように、ゲート絶縁膜３０の膜厚ｄｇが５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲において、ドレイン電流Ｉｄの大きさはゲート絶縁膜３０の膜厚ｄｇに反比例している。このような電流電圧特性は、ＭＯＳＦＥＴ等のシリコン半導体を用いた半導体デバイスと同様の特性である。したがって、例えばゲート絶縁膜３０を非常に薄くした場合や、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜以外の誘電率の高い絶縁膜をゲート絶縁膜３０に用いる場合についても、有機薄膜トランジスタ１の特性改善効果が得られることは明らかである。一般に、ゲート絶縁膜３０の膜厚ｄｇは薄いほど有機薄膜トランジスタ１の特性は向上する。
【００３７】
以上に説明したように、本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタ１によれば、有機半導体層４０の構造や不純物濃度を最適化することにより、電気的特性が向上された有機薄膜トランジスタを提供することができる。具体的には、ソース電極５０の下方及びドレイン電極６０の下方にそれぞれ位置する有機半導体層４０の高濃度領域４１の不純物濃度Ｎ１を、ソース電極５０とドレイン電極６０間においてゲート電極２０の上方に位置する有機半導体層４０の低濃度領域４２の不純物濃度Ｎ２より高く設定する。これにより、高濃度領域４１からキャリアが供給されて有機半導体層４０のキャリア濃度が高くなり、有機半導体層４０中のキャリアの欠乏が抑制される。その結果、有機薄膜トランジスタ１の電流増幅率が増大し、電気的特性が向上された有機薄膜トランジスタ１を用いて高性能回路を構成できる。例えば、画素トランジスタや周辺回路に有機薄膜トランジスタ１を使用することによって、フレキシブルデバイスやプリンタブルデバイス等を有機薄膜トランジスタのみで実現することできる。
【００３８】
図８〜図１２を参照して、本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタ１の製造方法を説明する。なお、以下に述べる有機薄膜トランジスタ１の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【００３９】
（イ）絶縁体基板である基板１０上の全面にリフトオフ用薄膜１００を形成した後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング法を用いて、基板１０表面のゲート電極２０を配置する領域が露出するまでリフトオフ用薄膜１００一部を除去し、図８に示すように開口部１０１を形成する。リフトオフ用薄膜１００にはフォトレジスト膜等が採用可能である。
【００４０】
（ロ）図９に示すように、開口部１０１を埋め込むようにして、基板１０及びリフトオフ用薄膜１００上に所定の膜厚でゲート電極層２００を形成する。例えば、ゲート電極層２００として膜厚０．３μｍ程度のアルミニウム膜を形成する。ゲート電極層２００の材料や膜厚は任意に選択可能である。
【００４１】
（ハ）リフトオフ用薄膜１００を除去することにより、図１０に示すようにゲート電極２０をリフトオフ法で形成する。
【００４２】
（ニ）基板１０及びゲート電極２０上に、例えば膜厚３００ｎｍの酸化シリコン膜をゲート絶縁膜３０として形成する。更に、ゲート絶縁膜３０上に、例えば膜厚３０ｎｍのペンタセンを有機半導体層４０として形成する。そして、図１１に示すように有機半導体層４０の所定の位置、即ちソース電極５０及びドレイン電極６０の下方に位置するように、高濃度領域４１を形成する。例えば、塗布により高濃度領域４１を形成する。
【００４３】
（ホ）図１２に示すように、有機半導体層４０上に、例えばＡｌやＣａ等からなる膜厚１０〜１００ｎｍの電極膜５００を形成する。次いで、電極膜５００をパターニングしてソース電極５０及びドレイン電極６０を形成する。以上により、本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタ１が完成する。
【００４４】
ゲート絶縁膜３０、有機半導体層４０、及び電極膜５００の形成には、スパッタ法や蒸着法等が採用可能である。また、ソース電極５０及びドレイン電極６０は、フォトリソグラフィ技術とリフトオフ法、又はフォトリソグラフィ技術とエッチング法を用いて形成可能である。
【００４５】
なお、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングしたフォトレジスト膜をマスクにして、有機半導体層４０の所定の領域において上部の一部或いは膜厚方向の全部をエッチングし、エッチング除去した領域に高濃度領域４１を形成してもよい。或いは、有機半導体層４０の所定の領域にｐ型不純物をドープして高濃度領域４１を形成してもよい。
【００４６】
また、上記ではリフトオフ法を用いてゲート電極２０を形成する例を説明したが、エッチング法を用いてゲート電極２０を形成してもよい。或いは、２層レジスト法を適用したリフトオフ法を用いてゲート電極２０を形成してもよい。以下に、図１３〜図１５を参照して、２層レジスト法を適用して有機薄膜トランジスタ１を製造する例を説明する。
【００４７】
（イ）図１３に示すように、基板１０上に下層レジスト膜１１１としてポリジメチルグルタルイミド（ＰＭＧＩ）をスピン塗布法によって厚さ２００ｎｍで塗布し、下層レジスト膜１１１上に上層レジスト膜１１２としてポジ型フォトレジスト（ＯＦＰＲ）を５００ｎｍの厚さでスピン塗布する。これにより、２層レジスト膜１１０が基板１０上に形成される。
【００４８】
（ロ）紫外線露光法によって所望のパターンを２層レジスト膜１１０に転写し、現像することで、ゲート電極２０を配置する基板１０表面の領域を露出させ、図１４に示す断面構造が得られる。この時、上層レジスト膜１１２のエッチング速度よりも下層レジスト膜１１１のエッチング速度が速いため、基板１０の表面が露出した領域の上方の空間に上層レジスト膜１１２がせり出したオーバーハング構造が形成される。オーバーハング量は、ＯＦＰＲとＰＭＧＩの現像液に対する溶解速度の差で決定される。
【００４９】
（ハ）図１５に示すように、基板１０及び２層レジスト膜１１０上にゲート電極層２００を蒸着法によって形成する。その後、２層レジスト膜１１０を除去することにより、図１０を参照して説明した方法と同様にゲート電極２０をリフトオフ法で形成する。これ以降の工程は、図１０〜図１２を参照して既に説明した工程と同様である。
【００５０】
以上に説明した２層レジスト法によれば、下層レジスト膜１１１よりも上層レジスト膜１１２が空間にせり出したオーバーハング構造が形成されるため、図１５に示したように、ゲート電極２０の端部がなだらかな傾斜構造になる。このため、ゲート電極２０上に堆積されるゲート絶縁膜３０や有機半導体層４０がゲート電極２０の端部で不連続になる、所謂段切れ現象を防ぐことができる。
【００５１】
上記のような有機薄膜トランジスタ１の製造方法によれば、ソース電極５０及びドレイン電極６０の下方に位置する高濃度領域４１の不純物濃度Ｎ１を、ゲート電極２０の上方に位置する低濃度領域４２の不純物濃度Ｎ２より高くすることにより、有機半導体層４０中のキャリアの欠乏が抑制された有機薄膜トランジスタを提供することができる。
【００５２】
＜変形例＞
図１６に本発明の第１の実施形態の変形例に係る有機薄膜トランジスタ１を示す。図１６に示した有機薄膜トランジスタ１は、高濃度領域４１が有機半導体層４０のゲート絶縁膜３０側に配置されていることが図１と異なる点である。図１に示した有機薄膜トランジスタ１では、高濃度領域４１がソース電極５０及びドレイン電極６０と接している。一方、図１６に示した有機薄膜トランジスタ１では、ソース電極５０及びドレイン電極６０とは離間し、且つゲート絶縁膜３０と接して、高濃度領域４１が配置されている。その他の構成については、図１に示した有機薄膜トランジスタ１と同様である。
【００５３】
図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は、図１に示した有機薄膜トランジスタ１及び図１６に示した有機薄膜トランジスタ１の、チャネル長Ｌを５μｍ〜２０μｍで変化させた場合についてデバイスシミュレーションを行って得られたドレイン電流Ｉｄとドレイン電圧Ｖｄの電流電圧特性をそれぞれ示す。なお、有機半導体層４０の膜厚ｄ２は３０ｎｍ、低濃度領域４２の不純物濃度Ｎ２は１×１０15ｃｍ-3、高濃度領域４１の膜厚ｄ１は５ｎｍ、高濃度領域４１の不純物濃度Ｎ１は１×１０20ｃｍ-3である。また、ゲート絶縁膜３０の膜厚ｄｇは３００ｎｍ、ゲート電圧Ｖｇは−３０Ｖ、ドレイン電圧Ｖｄは０Ｖ〜−５０Ｖである。
【００５４】
図１７（ａ）と図１７（ｂ）を比較すると、同様の電流電圧特性が得られている。つまり、ソース電極５０の下方及びドレイン電極６０の近傍に高濃度領域４１が配置されていれば、有機半導体層４０中における膜厚方向の高濃度領域４１の位置に関わらず性能向上効果が得られる。
【００５５】
図１６に示した有機薄膜トランジスタ１は、例えばゲート絶縁膜３０上の所定の領域に塗布等によって高濃度領域４１を形成し、その上に蒸着法等によってペンタセンを有機半導体層４０として形成することによって製造される。
【００５６】
図１では高濃度領域４１がソース電極５０及びドレイン電極６０と接している例を示し、図１６では高濃度領域４１がゲート絶縁膜３０と接している例を示した。しかし、高濃度領域４１が有機半導体層４０中に蓄積されるキャリアを供給するためには、高濃度領域４１はソース電極５０の近傍及びドレイン電極６０の近傍に配置されてさえいればよい。このため、高濃度領域４１が低濃度領域４２に周囲を囲まれて配置されていてもよい。
【００５７】
或いは、ソース電極５０及びドレイン電極６０の下方において、有機半導体層４０の全体が高濃度領域４１であってもよい。この場合、高濃度領域４１はソース電極５０及びドレイン電極６０に接すると共に、ゲート絶縁膜３０にも接する。また、有機半導体層４０がソース電極５０、ドレイン電極６０とそれぞれ接している部分の、平面方向及び膜厚方向の一部に高濃度領域４１を形成してもよい。
【００５８】
なお、ゲート電極２０、有機半導体層４０、及びソース電極５０とドレイン電極６０の位置関係は図１に示した第１の実施形態に限定されず、有機薄膜トランジスタ１はソース電極５０の近傍に高濃度領域４１が配置された有機ＴＦＴ構造を有すればよい。図１に示した第１の実施形態では、ゲート電極２０の上方でゲート絶縁膜３０上に有機半導体層４０が配置され、有機半導体層４０上にソース電極５０とドレイン電極６０が配置されている。しかし、例えば図１８に示すように、有機薄膜トランジスタ１が、ソース電極５０とドレイン電極６０上に有機半導体層４０が配置された構造であってもよい。即ち、図１８に示した有機薄膜トランジスタ１は、基板１０上に配置されたゲート電極２０と、ゲート電極２０上に配置されたゲート絶縁膜３０と、ゲート絶縁膜３０上に互いに離間して配置されたソース電極５０及びドレイン電極６０と、ソース電極５０及びドレイン電極６０上に連続的に配置された有機半導体層４０とを備える。そして、ソース電極５０の上方及びドレイン電極６０の上方にそれぞれ位置する有機半導体層４０の高濃度領域４１の不純物濃度Ｎ１が、ソース電極５０とドレイン電極６０間においてゲート電極２０の上方に位置する有機半導体層４０の低濃度領域４２の不純物濃度Ｎ２より高く設定される。
【００５９】
或いは、図１９に示すように、有機薄膜トランジスタ１が、ソース電極５０とドレイン電極６０上に有機半導体層４０が配置され、有機半導体層４０上にゲート絶縁膜３０とゲート電極２０が配置された構造であってもよい。図１９に示した有機薄膜トランジスタ１は、基板１０上に互いに離間して配置されたソース電極５０及びドレイン電極６０と、ソース電極５０及びドレイン電極６０上に連続的に配置された有機半導体層４０と、有機半導体層４０上に配置されたゲート絶縁膜３０と、ゲート絶縁膜３０上に配置されたゲート電極２０とを備える。そして、ソース電極５０の上方及びドレイン電極６０の上方にそれぞれ位置する有機半導体層４０の高濃度領域４１の不純物濃度Ｎ１が、ソース電極５０とドレイン電極６０間においてゲート電極２０の下方に位置する有機半導体層４０の低濃度領域４２の不純物濃度Ｎ２より高く設定される。
【００６０】
図１８及び図１９では、高濃度領域４１がソース電極５０及びドレイン電極６０に接している例を示した。しかし、既に説明したように、高濃度領域４１は、ソース電極５０及びドレイン電極６０の近傍に位置していればよい。
【００６１】
図１８及び図１９に示した第１の実施形態の変形例においても、ソース電極５０及びドレイン電極６０の近傍に位置する高濃度領域４１の不純物濃度Ｎ１を、チャネル領域が形成される低濃度領域４２の不純物濃度Ｎ２より高くできる。その結果、チャネル領域に高濃度領域４１からキャリアが供給され、有機半導体層４０中のキャリアの欠乏が抑制された有機薄膜トランジスタ１を実現できる。
【００６２】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタは、第１導電型の多数キャリアを主電流とする有機薄膜トランジスタと、第２導電型の多数キャリアを主電流とする有機薄膜トランジスタとを備える相補型有機薄膜トランジスタである。第１導電型と第２導電型とは互いに反対導電型であり、第１導電型がｎ型であれば第２導電型はｐ型であり、第１導電型がｐ型であれば第２導電型はｎ型である。正孔を多数キャリアとしてｐチャネル動作する有機薄膜トランジスタ（以下において、「ｐチャネル有機薄膜トランジスタ」という。）と、電子を多数キャリアとしてｎチャネル動作する有機薄膜トランジスタ（以下において、「ｎチャネル有機薄膜トランジスタ」という。）とを同一基板上に形成した相補型有機薄膜トランジスタによれば、シリコン相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ）回路と同様に、高性能回路を実現できる。
【００６３】
図２０に、ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎとｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐとを、同一の基板１０に形成した相補型有機薄膜トランジスタ１Ａの例を示す。ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎの構造及びｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐの構造は、図１に示した有機薄膜トランジスタ１と同様である。ただし、ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎの有機半導体層４１０の高濃度領域４１ｎはｎ型導電体であり、ｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐの有機半導体層４２０の高濃度領域４２ｐはｐ型導電体である。つまり、ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎとｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐとでは、高濃度領域４１ｎと高濃度領域４２ｐの導電型のみ異なる。
【００６４】
即ち、ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎは、有機半導体層４１０と、互いに離間して有機半導体層４１０にそれぞれ接するソース電極５１０及びドレイン電極６１０と、ソース電極５１０とドレイン電極６１０の間で有機半導体層４１０に接するゲート絶縁膜３１０と、有機半導体層４１０と対向してゲート絶縁膜３１０に接するゲート電極２１０とを備える。ソース電極５１０及びドレイン電極６１０の近傍にそれぞれ位置する有機半導体層４１０のｎ型導電体の高濃度領域４１ｎの不純物濃度は、ソース電極５１０とドレイン電極６１０間においてゲート電極２１０の有機半導体層４１０の膜厚方向に位置する有機半導体層４１０の低濃度領域４１２の不純物濃度より高く設定されている。つまり、ソース電極５１０及びドレイン電極６１０の有機半導体層４１０の膜厚方向に配置された高濃度領域４１ｎの不純物濃度は、ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎのチャネル領域の不純物濃度より高い。低濃度領域４１２は、ｐ型導電体であってもｎ型導電体であってもよい。
【００６５】
一方、ｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐは、有機半導体層４２０と、互いに離間して有機半導体層４２０にそれぞれ接するソース電極５２０及びドレイン電極６２０と、ソース電極５２０とドレイン電極６２０の間で有機半導体層４２０に接するゲート絶縁膜３２０と、有機半導体層４２０と対向してゲート絶縁膜３２０に接するゲート電極２２０とを備える。ソース電極５２０及びドレイン電極６２０の近傍にそれぞれ位置する有機半導体層４２０のｐ型導電体の高濃度領域４２ｐの不純物濃度は、ソース電極５２０とドレイン電極６２０間においてゲート電極２２０の有機半導体層４２０の膜厚方向に位置する有機半導体層４２０の低濃度領域４２２の不純物濃度より高く設定されている。つまり、ソース電極５２０及びドレイン電極６２０の有機半導体層４２０の膜厚方向に配置された高濃度領域４２ｐの不純物濃度は、ｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐのチャネル領域の不純物濃度より高い。低濃度領域４２２は、ｐ型導電体であってもｎ型導電体であってもよい。
【００６６】
より詳細には、図２０に示した相補型有機薄膜トランジスタ１Ａでは、基板１０上にゲート電極２１０、２２０が配置され、ゲート絶縁膜３１０、３２０上に低濃度領域４１２、４２２がそれぞれ配置されている。そして、有機半導体層４１０、４２０にソース電極５１０、５２０、ドレイン電極６１０、６２０が配置されている。ソース電極５１０及びドレイン電極６１０にそれぞれ接して、ｎ型高キャリア濃度領域である高濃度領域４１ｎが配置されている。また、ソース電極５２０及びドレイン電極６２０にそれぞれ接して、ｐ型高キャリア濃度領域である高濃度領域４２ｐが配置されている。
【００６７】
ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎ、及びｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐのそれぞれについて、デバイスシミュレーションをした結果を図２１（ａ）、図２１（ｂ）に示す。図２１（ａ）は、高濃度領域４１ｎのｎ型キャリア濃度を１×１０20ｃｍ-3とした場合におけるｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎのドレイン電流−ドレイン電圧特性のデバイスシミュレーション結果である。なお、チャネル領域を形成する低濃度領域４１２をｐ型導電体とし、そのｐ型キャリア濃度を１×１０10、１０11、１０15、１０16、１０17ｃｍ-3に変化させて、デバイスシミュレーションを行なった。図２１（ｂ）は、高濃度領域４２ｐのｐ型キャリア濃度を１×１０20ｃｍ-3とした場合におけるｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐのドレイン電流−ドレイン電圧特性のシミュレーション結果である。なお、チャネル領域を形成する低濃度領域４２２をｐ型導電体とし、そのｐ型キャリア濃度を１×１０12、１０13、１０13、１０16、１０17ｃｍ-3に変化させて、デバイスシミュレーションを行なった。図２１（ａ）におけるゲート電圧を５０Ｖ、図２１（ｂ）におけるゲート電圧を−５０Ｖとし、キャリア移動度を共に０．３ｃｍ2／Ｖｓとした。
【００６８】
図２１（ａ）、図２１（ｂ）から明らかなように、高濃度領域４１ｎ、４２ｐの濃度を１×１０20ｃｍ-3にすると、低濃度領域４１２、４２２のキャリア濃度を１×１０10〜１０16ｃｍ-3の間で変化させた場合において、ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎ及びｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐのいずれにおいても、ほぼ同様なドレイン電流−ドレイン電圧特性を示す。
【００６９】
しかし、キャリア濃度を１×１０17ｃｍ-3まで高くすると、ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎではキャリアの再結合が起こり始めるために電流が減少し、ｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐではリーク電流が流れ始めるため、電流が増大する。
【００７０】
図２１（ａ）、図２１（ｂ）に示したデバイスシミュレーション結果から、チャネル領域を形成する有機半導体層がｐ型導電体であっても、ソース電極とドレイン電極の近傍にｎ型とｐ型の高濃度領域を配置することによって、相補型有機薄膜トランジスタ動作を実現できる。ただし、高濃度領域４１ｎ、４２ｐのキャリア濃度が１×１０20ｃｍ-3程度の場合には、低濃度領域４１２、４２２のキャリア濃度を１×１０17ｃｍ-3以下にすることが好ましい。つまり、低濃度領域４１２、４２２のキャリア濃度は低い方が好ましい。同様に、チャネル領域を形成する有機半導体層がｎ型導電体であっても、ソース電極とドレイン電極の近傍にｎ型とｐ型の高濃度領域を配置することによって、相補型有機薄膜トランジスタ動作を実現できる。
【００７１】
図２２（ａ）に、高濃度領域４１ｎのｎ型キャリア濃度を１×１０17ｃｍ-3にした場合におけるｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎのドレイン電流−ドレイン電圧特性のデバイスシミュレーション結果、図２２（ｂ）に、高濃度領域４２ｐのｐ型キャリア濃度を１×１０17ｃｍ-3にした場合におけるｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐのドレイン電流−ドレイン電圧特性のデバイスシミュレーション結果を、それぞれ示す。図２２（ａ）のグラフは、低濃度領域４１２をｐ型導電体とし、そのｐ型キャリア濃度を１×１０10、１０11、１０15、１０16ｃｍ-3に変化させてデバイスシミュレーションを行なった結果である。図２２（ｂ）のグラフは、低濃度領域４２２をｐ型導電体とし、そのｐ型キャリア濃度を１×１０12、１０13、１０13、１０16、１０17ｃｍ-3に変化させてデバイスシミュレーションを行なった結果である。
【００７２】
図２１（ａ）及び図２１（ｂ）に示したように、高濃度領域４１ｎ、４２ｐのキャリア濃度を１×１０２０ｃｍ−３にした場合には、ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎとｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐの特性はほぼ同じである。しかし、図２２（ａ）及び図２２（ｂ）に示したように、高濃度領域４１ｎ、４２ｐのキャリア濃度を１×１０１７ｃｍ−３にした場合には、ｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐの方がｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎよりドレイン電流が約３倍大きく、特性が良い。これは、低濃度領域４１２、４２２にｐ型の材料を用いた場合は、低濃度領域４１２中でのキャリアの再結合等の影響で、高濃度領域４１ｎのキャリア濃度を十分に高くしないとｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎの特性は低下するためである。
【００７３】
このため、例えば、高濃度領域４１ｎのキャリア濃度を低濃度領域４１２のキャリア濃度より２桁程度以上大きくすることが好ましい。一方、低濃度領域４１２、４２２にｎ型の材料を用いた場合は、高濃度領域４２ｐのキャリア濃度を十分に高くしないとｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐの特性は低下する。したがって、低濃度領域４１２、４２２がｎ型導電体かｐ型導電体かにより、回路構成、高濃度領域４１ｎ、４２ｐのキャリア濃度等のパラメータを適切なものに選択する必要がある。
【００７４】
図２０に示したｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎ及びｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐは、第１の実施形態において図８〜図１２及び図１３〜図１５を参照して説明した有機薄膜トランジスタ１の製造方法と同様にして製造される。例えば以下のように、相補型有機薄膜トランジスタ１Ａは製造される。
【００７５】
図２３に示すように、絶縁体の基板１０上に導電体層を成膜し、この導電体層をパターニングしてゲート電極２１０、２２０を形成する。ゲート電極２０上に絶縁膜３００を形成する。その後、絶縁膜３００上に有機半導体膜４００を形成する。
【００７６】
基板１０は、シリコンウェハ上に熱酸化膜等を成長させた基板でも、ガラス或いは結晶の酸化物、例えば石英ガラスやサファイア基板、プラスチックシート等などでも良い。つまり、絶縁体であればどのような基板も基板１０に使用できる。
【００７７】
所望のトランジスタ特性や、ゲート電極２１０、２２０の構造が有機半導体膜４００を形成しやすい構造であること等を考慮して、ゲート電極２１０、２２０の材料・膜厚は決定される。例えば、Ａｌ、ニッケル（Ｎｉ）等の金属を蒸着法によって形成すること、銀（Ａｇ）等の微粒子を塗布すること、ポリアセチレン等の有機導電体を用いること、によってゲート電極２１０、２２０を形成できる。
【００７８】
絶縁膜３００は、ピンホール等の欠陥が生じないように、所定の膜厚に形成する。例えば、スパッタ法、蒸着法、塗布法等の方法を用いて絶縁膜３００を形成できる。絶縁膜３００の材料には、シリコン酸化膜等の無機絶縁体、タンタル酸化膜等の高誘電率材料、或いは有機絶縁体等の、一般にゲート酸化膜として使用されている絶縁体材料を採用できる。
【００７９】
有機半導体膜４００の成長方法には特に制限は無く、ほぼ均一に有機半導体膜４００が形成される方法であればよい。例えば、スパッタ法、レーザー堆積法、ＣＶＤ法、塗布法等を使用できる。ｐ型導電体の材料にはペンタセン、ルブレン等、ｎ型導電体の材料にはＣ６０等が採用可能であり、一般に有機半導体として用いられているものであれば、有機半導体膜４００に使用できる。なお、従来はキャリア濃度が低いために殆ど使用されていない有機半導体も、チャネル領域を形成する有機半導体膜４００に使用できることが本発明の実施形態の特長である。これは、チャネル領域のキャリアが、高濃度領域４１ｎ、４２ｐから供給されるためである。
【００８０】
図２４に示すように、ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎとｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐの位置に対応させて、絶縁膜３００及び有機半導体膜４００を分離する。これにより、ゲート絶縁膜３１０、３２０、有機半導体層４１０、４２０が形成される。
【００８１】
その後、ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎのソース電極５１０とドレイン電極６１０を配置する領域の近傍にｎ型の高濃度領域４１ｎを形成し、ｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐのソース電極５２０とドレイン電極６２０を配置する領域の近傍にｐ型の高濃度領域４２ｐを形成する。高濃度領域４１ｎ、４２ｐは、例えばキャリア誘起剤の添加、高キャリア濃度材料の堆積、等により形成する。ｎ型の高濃度領域４１ｎの材料には、セシウム等のアルカリ金属が採用可能であり、ｐ型の高濃度領域４２ｐの材料には、臭素等のハロゲン、酸化バナジウム等の酸化物等が採用可能である。つまり、高濃度領域４１ｎ、４２ｐを、元素、化合物材料、或いは有機材料等の、有機半導体層４１０、４２０中においてｎ型或いはｐ型のキャリアを生ずる材料を用いて形成することであれば、本発明の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの範疇に入る。
【００８２】
ただし、ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎの高濃度領域４１ｎと、ｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐの高濃度領域４２ｐとでは、異なる種類の不純物を高濃度にする必要がある。このため、例えば、図２５に示すように、高濃度領域４１ｎを形成する位置以外をマスク７００で覆って、スクリーン印刷法等により高濃度領域４１ｎを形成する。同様にして、高濃度領域４２ｐを形成する位置以外をマスクで覆って、高濃度領域４２ｐを形成する。
【００８３】
その後、所定の位置にソース電極５１０、５２０、及びドレイン電極６１０、６２０を形成する。以上により、図２０に示した相補型有機薄膜トランジスタ１Ａが完成する。なお、上記では絶縁膜３００及び有機半導体膜４００を分離した後に高濃度領域４１ｎ、４２ｐを形成する方法を説明したが、高濃度領域４１ｎ、４２ｐを形成した後に、絶縁膜３００及び有機半導体膜４００を分離してもよい。
【００８４】
以上に説明したように、電子を供給する材料をｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎの高濃度領域４１ｎが配置されるべき領域に、正孔を供給する材料をｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐの高濃度領域４２ｐが配置されるべき領域に、それぞれ選択的に形成することが、本発明の第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの特徴である。これにより、同一導電型の有機半導体層４１０、４２０を用いて相補型有機薄膜トランジスタ１Ａを製造でき、高性能な相補型有機薄膜トランジスタを実現できると共に、製造コストを大幅に低下できる。
【００８５】
図２０に示した相補型有機薄膜トランジスタ１Ａでは、有機半導体層４１０、４２０の膜厚方向の一部に高濃度領域４１ｎ、４２ｐがそれぞれ形成されているが、高濃度領域４１ｎ、４２ｐが形成される領域は図２０に示した例に限定されない。高濃度領域４１ｎ、４２ｐはソース電極５１０、５２０やドレイン電極６１０、６２０に接触していなくても、ソース電極５１０、５２０の近傍、及びドレイン電極６１０、６２０の近傍に配置されていればよい。このため、高濃度領域４１ｎ、４２ｐがそれぞれ低濃度領域４１２、４２２に周囲を囲まれて配置されていてもよく、有機半導体層４１０、４２０とゲート絶縁膜３１０、３２０との界面近傍等に配置されていてもよい。また、有機半導体層４１０、４２０の膜厚方向の全体に、高濃度領域４１ｎ、４２ｐを形成してもよい。或いは、ソース電極５１０及びドレイン電極６１０と有機半導体層４１０との界面に、高濃度領域４１ｎを極薄く形成し、ソース電極５２０及びドレイン電極６２０と有機半導体層４２０との界面に、高濃度領域４２ｐを極薄く形成してもよい。例えば、高濃度領域４１ｎ、４２ｐを０．１ｎｍの膜厚で形成する。
【００８６】
図２６に示すように、有機半導体層４１０、４２０がソース電極５１０、５２０、ドレイン電極６１０、６２０とそれぞれ接している部分の、平面方向及び膜厚方向の一部に高濃度領域４１ｎ、４２ｐを形成してもよい。或いは、図２７に示すように、ソース電極５１０及びソース電極５２０の近傍にのみ高濃度領域４１ｎ、４２ｐを形成してもよい。
【００８７】
一般に、有機半導体はｐ型になるといわれており、シリコンのように不純物のドーピングを制御することによって、同一の有機半導体材料からｎ型とｐ型の有機半導体層を形成することは一般には非常に困難である。また、技術的にも有機半導体を平面上でｎ型領域部分とｐ型領域部分に作り分けることは困難である。
【００８８】
しかし、本発明の第２の実施形態に係る相補型有機薄膜トランジスタ１Ａでは、同一の導電型の有機半導体層４１０と有機半導体層４２０に高濃度領域４１ｎ、４２ｐをそれぞれ形成することによって、平面上でｎ型領域部分とｐ型領域部分に作り分けることができる。このため、ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎとｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐとが同一基板上に形成された相補型有機薄膜トランジスタ１Ａを、容易に実現できる。
【００８９】
更に、複数の相補型有機薄膜トランジスタ１Ａを有し、相補型有機薄膜トランジスタ１Ａを組み合わせてることにより種々の機能を実行する半導体集積回路を実現することができる。
【００９０】
例えば、相補型有機薄膜トランジスタ１Ａをインバータとして使用する例を図２８に示す。ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎのソース電極５１０を接地線ＧＮＤ、ｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐのソース電極５２０を電源線ＶDDにそれぞれ接続し、ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎのドレイン電極６１０とｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐのドレイン電極６２０を出力端子Ｐに接続する。ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎのゲート電極２１０とｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐのゲート電極２２０に信号を入力すると、出力端子Ｐに入力信号の反転信号が出力される。
【００９１】
上記のように、相補型トランジスタを組み合わせれば、メモリ装置、論理回路等を構成でき、種々の用途に適用できることは周知のとおりである。
【００９２】
なお、図２８では、ロードトランジスタにｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐを、ドライブトランジスタにｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎを使用する例を示したが、図２８に示した構成例に限定されないのはもちろんである。既に説明したように、有機薄膜トランジスタの特性は高濃度領域と低濃度領域とのキャリア濃度の差等に依存する。このため、ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎとｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐのうち、ドレイン電流が大きく特性のよいトランジスタをドライブトランジスタに使用すればよい。即ち、ロードトランジスタにｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎを、ドライブトランジスタにｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐを使用することも、本発明の第２の実施形態に含まれる。
【００９３】
上記のように、相補型有機薄膜トランジスタ１Ａを備える半導体集積回路によって、シリコン集積回路技術で蓄積されてきたＣＭＯＳ回路設計の財産をすべて利用することができるようになり、相補型有機薄膜トランジスタ１Ａの利用範囲が格段に広がる。更に、スクリーン印刷法等の安価な技術で相補型有機薄膜トランジスタ１Ａを製造できるため、高性能なシステムに、安価にしかも折り畳むことができる形態で相補型の有機薄膜トランジスタを実現できる。このため、プリンタブル・フレキシブルシステムが実現可能になる。
【００９４】
以上に説明したように、本発明の第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタは、低キャリア濃度の有機半導体である低濃度領域４１２、４２２をチャネル領域に用い、ソース電極の近傍に高キャリア濃度のｎ型導電体の高濃度領域４１ｎ及びｐ型導電体の高濃度領域４２ｐを形成することによって、ｎチャネル有機薄膜トランジスタ１ｎとｐチャネル有機薄膜トランジスタ１ｐとを同一の基板１０上に形成した相補型有機薄膜トランジスタ１Ａを実現できる。このとき、高濃度領域４１ｎ、４２ｐは、少なくともソース電極の近傍に配置されていればよく、図２０に示したような、ソース・ドレイン電極が有機半導体層の上方に配置されたトップコンタクト型に限定されない。即ち、例えば図１８や図１９に示したような、ソース・ドレイン電極が有機半導体層の下方に配置されたボトムコンタクト型の相補型有機薄膜トランジスタであっても、上記に説明した相補型有機薄膜トランジスタ１Ａの特性を得ることができる。このように、本発明の第２の実施形態に係る相補型有機薄膜トランジスタ１Ａは、デバイス製造上でも非常にフレキシビリティが高く、工業的にも実現しやすい構造である。
【００９５】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は第１及び第２の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００９６】
既に述べた第１の実施形態の説明においては有機半導体層４１０、４２０がｐ型導電体であったが、有機半導体層４１０、４２０がｎ型導電体であってもよい。例えば、フラーレン（Ｃ６０）からなる有機半導体層４１０、４２０の所定の領域に、ｎ型の高濃度領域４１ｎ及びｐ型の高濃度領域４２ｐを形成してもよい。または、高濃度領域４１ｎと低濃度領域４１２を異なる導電型にし、且つ高濃度領域４２ｐと低濃度領域４２２を異なる導電型にしてもよい。或いは、高濃度領域４１ｎと低濃度領域４１２を同一導電型にし、且つ高濃度領域４２ｐと低濃度領域４２２を同一導電型にしてもよい。
【００９７】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明の有機薄膜トランジスタは、フレキシブルデバイスやプリンタブルデバイス等の有機薄膜トランジスタを使用する電子機器を製造する製造業を含む電子機器産業に利用可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１…有機薄膜トランジスタ
１Ａ…相補型有機薄膜トランジスタ
１ｎ…ｎチャネル有機薄膜トランジスタ
１ｐ…ｐチャネル有機薄膜トランジスタ
１０…基板
２０…ゲート電極
３０…ゲート絶縁膜
４０…有機半導体層
４１…高濃度領域
４２…低濃度領域
５０…ソース電極
６０…ドレイン電極
１００…リフトオフ用薄膜
１０１…開口部
１１０…２層レジスト膜
１１１…下層レジスト膜
１１２…上層レジスト膜
２００…ゲート電極層
２１０、２２０…ゲート電極
３００…絶縁膜
３１０、３２０…ゲート絶縁膜
４００…有機半導体膜
４１０、４２０…有機半導体層
４１ｎ…ｎ型高濃度領域
４２ｐ…ｐ型高濃度領域
４１２、４２２…低濃度領域
５００…電極膜
５１０、５２０…ソース電極
６１０、６２０…ドレイン電極
７００…マスク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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