(57)【要約】【課題】両極性縦型有機電界効果トランジスタを提供する。【解決手段】両極性縦型有機電界効果トランジスタは、ドレイン電極と、ドレイン電極から離間したゲート電極と、ドレイン電極とゲート電極との間に配置される電荷注入層と、ゲート電極と電荷注入層との間に配置される誘電層と、ドレイン電極と電荷注入層との間に配置される半導体層とを有する。動作時に、電荷注入層は、正孔及び電子それぞれの注入障壁高さを均衡させて、Ｎ型トランジスタ動作モードとＰ型トランジスタ動作モードの両方を実現する。【選択図】図１ａ
2009513022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドレイン電極と、
前記ドレイン電極から離間したゲート電極と、
前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間に配置されるソース電極と、
前記ゲート電極と前記ソース電極との間に配置される誘電層と、
前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に配置される有機半導体層と、
前記有機半導体層と前記ソース電極との間にこれらに接触して配置される電荷注入層と
を含み、
動作時に、前記電荷注入層が正孔及び電子それぞれの注入障壁高さを均衡させて、Ｎ型トランジスタ動作モードとＰ型トランジスタ動作モードの両方を提供する、
両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記電荷注入層は、遷移金属酸化物材料を含む、
請求項１に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項３】
前記電荷注入層は、基本的にＶ２Ｏ５から成る、
請求項１に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記電荷注入層は、基本的にＭｏＯ３から成る、
請求項１に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記電荷注入層は、基本的にＷＯ３から成る、
請求項１に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項６】
前記電荷注入層は、Ｖ２Ｏ５のＶＯ、ＷＯ３、及びＶ２Ｏ５との混合体、及びＭｏＯ３のＶ２Ｏ５との混合体の少なくとも一つから基本的に成る、
請求項１に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項７】
前記電荷注入層は、遷移金属酸化物材料と金属の混合体を含む、
請求項１に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項８】
前記金属は、アルミニウムである、
請求項７に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項９】
前記有機半導体層は、有機トランジスタ材料、有機発光材料、有機光起電材料、及びこれらの組み合わせからなる材料群から選択される、
請求項１に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項１０】
前記有機半導体層は、基本的にペンタセンから成る、
請求項１に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項１１】
前記有機半導体層と前記ドレイン電極との間にこれらに接触して配置される電荷注入層を更に含む請求項１に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項１２】
両極性縦型電界効果トランジスタを含む電子デバイス又は電気光学デバイスであって、
前記両極性縦型電界効果トランジスタは、
ドレイン電極と、
前記ドレイン電極から離間したゲート電極と、
前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間に配置されるソース電極と、
前記ゲート電極と前記ソース電極との間に配置される誘電層と、
前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に配置される有機半導体層と、
前記有機半導体層と前記ソース電極との間にこれらに接触して配置される電荷注入層と
を含み、
該電子デバイス又は電気光学デバイスは、
前記ドレイン電極と電気的に接続し、該ドレイン電極と前記ソース電極との間にバイアス電圧を供給する電源と、
前記ゲート電極と電気的に接続し、該ゲート電極と前記ソース電極との間にバイアス電圧を供給する電源と
を含み、
動作時に、前記電荷注入層は、正孔及び電子それぞれの注入障壁高さを均衡させて、Ｎ型トランジスタ動作モードとＰ型トランジスタ動作モードの両方を提供する、
電子デバイス又は電気光学デバイス。
【請求項１３】
ドレイン電極と、
前記ドレイン電極から離間したゲート電極と、
前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間に配置される電荷注入層と、
前記ゲート電極と前記電荷注入層との間に配置される誘電層と、
前記ドレイン電極と前記電荷注入層との間に配置される半導体層と
を含み、
動作時に、前記電荷注入層は、正孔及び電子それぞれの注入障壁高さを均衡させて、Ｎ型トランジスタ動作モードとＰ型トランジスタ動作モードの両方を提供する、
両極性縦型電界効果トランジスタ。
【請求項１４】
前記電荷注入層は、遷移金属酸化物材料を含む、
請求項１３に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項１５】
前記電荷注入層は、基本的にＶ２Ｏ５から成る、
請求項１３に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項１６】
前記電荷注入層は、基本的にＭｏＯ３から成る、
請求項１３に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項１７】
前記電荷注入層は、基本的にＷＯ３から成る、
請求項１３に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項１８】
前記電荷注入層は、Ｖ２Ｏ５のＶＯ、ＷＯ３、及びＶ２Ｏ５との混合体、及びＭｏＯ３のＶ２Ｏ５との混合体の少なくとも一つから基本的に成る、
請求項１３に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項１９】
前記電荷注入層は、遷移金属酸化物材料と金属の混合体を含む、
請求項１３に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項２０】
前記金属は、アルミニウムである、
請求項１９に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項２１】
前記半導体層は、有機半導体材料と無機半導体材料からなる材料群から選択される、
請求項１３に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項２２】
前記半導体層は、有機トランジスタ材料、有機発光材料、及び有機光起電材料からなる材料群から選択される、
請求項１３に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項２３】
前記半導体層は、基本的にペンタセンから成る、
請求項１３に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項２４】
前記有機半導体層と前記ドレイン電極との間にこれらに接触して配置される電荷注入層を更に含む請求項１３に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項２５】
前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間に配置されるソース電極を更に含む、
請求項１３に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【請求項２６】
前記電荷注入層は、無機半導体材料、有機半導体材料、絶縁材料、導電性材料、及びこれらの組み合わせからなる材料群から選択される、
請求項１３に記載の両極性縦型有機電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本発明は、２００６年１０月２１日出願の米国仮出願第６０／７２８，７４２号の優先権を主張し、その全内容を参照により本明細書に取り込むものとする。
【０００２】
本発明は、縦型電界効果トランジスタ、縦型電界効果トランジスタを含むデバイス、及びそれらの製造・使用方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、電界効果トランジスタ、メモリ装置等の有機半導体デバイスは、低価格であり、柔軟かつ広範囲の用途が可能である等の利点により大規模に研究されてきた。（Ｃ．Ｗ．Ｔａｎｇ及びＳ．Ａ．ＶａｎＳｌｙｋｅによるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５１、９１３−９１５（１９８７）；Ｊ．Ｈ．Ｂｕｒｒｏｕｇｈｅｓ、Ｄ．Ｄ．Ｃ．Ｂｒａｄｌｅｙ、Ａ．Ｒ．Ｂｒｏｗｎ、Ｒ．Ｎ．Ｍａｒｋｓ、Ｋ．Ｍａｃｋａｙ、Ｒ．Ｈ．Ｆｒｉｅｎｄ、Ｐ．Ｌ．Ｂｕｒｎｓ、及びＡ．Ｂ．ＨｏｌｍｅｓによるＮａｔｕｒｅ３４７、５３９−５４１（１９９０）；Ｇ．ＨｏｒｏｗｉｔｚによるＡｄｖ．Ｍａｔｅｒ．（Ｗｅｉｎｈｅｉｍ、Ｇｅｒ．）、１０、３６５−３７７（１９９８）；及びＬ．Ｐ．Ｍａ、Ｊ．Ｌｉｕ、及びＹ．ＹａｎｇによるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８０、２９９７−２９９９（２００２）を参照されたい。）本明細書の所々に引用する文献の全てを本明細書に参照により取り込むものとする。有機電界効果トランジスタ（ＯＦＥＴ）からは、アクティブマトリクス型ＯＬＥＤディスプレイ、ローエンドのスマートカード、及びＩＤタグ用のスイッチング装置が製造される高い可能性がある。しかし、横型構造のＯＦＥＴには、二つの大きな制約があり、それらは、（１）低電流出力、高使用電圧等のデバイス性能、及び（２）単極性である。チャネル長を減少させたり、ゲート材料を誘電率の高いものにして使用電圧を減少させる等のいくつかの方法においては、電流出力は依然として低くても、（Ｃ．Ｄ．Ｄｉｍｉｔｒａｋｏｐｏｕｌｏｓ、Ｓ．Ｐｕｒｕｓｈｏｔｈａｍａｎ、Ｊ．Ｋｙｍｉｓｓｉｓ、Ａ．Ｃａｌｌｅｇａｒｉ、及びＪ．Ｍ．ＳｈａｗによるＳｃｉｅｎｃｅ２８３、８２２−８２４（１９９９）；Ｍａｔｔｈｅｗ  Ｊ．Ｐａｎｚｅｒ、Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ  Ｒ．Ｎｅｗｍａｎ、及びＣ．Ｄａｎｉｅｌ  ＦｒｉｓｂｉｅによるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６、１０３５０３（２００５））。Ｍａらにより、有機アクティブセルが積層されたキャパシタセルから構成される縦型有機電界効果トランジスタ（ＶＯＦＥＴ）が報告されている（Ｌ．Ｐ．Ｍａ及びＹ．ＹａｎｇによるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８５、５０８４−５０８６（２００４））。キャパシタセルは共通電極をアクティブセルと共有しており、これはソース電極と定義された。ＶＯＦＥＴは、使用電圧が低く、電流出力が高い。この新たな型のトランジスタにより、低電流出力問題は解決することができるであろう。
【０００４】
更なる課題として、単極性がある。大抵のＯＦＥＴは、ＮチャネルとＰチャネルのいずれかの挙動を示す。集積回路システム、特に相補型酸化金属半導体（ＣＭＯＳ）回路においては、通常、Ｎ型トランジスタとＰ型トランジスタの両方が動作する必要がある。いくつかの方法においては多数の有機ユニポーラデバイスを用いてＣＭＯＳ設計を実現しているが、両極性のＯＦＥＴを用いることによりＣＭＯＳの設計と製造を簡易化することができる。混合物（Ｊ．Ｍｅｉｊｅｒ、Ｄ．Ｍ．ｄｅ  Ｌｅｅｕｗ、Ｓ．Ｓｅｔａｙｅｓｈ、Ｅ．ｖａｎ  Ｖｅｅｎｅｎｄａａｌ、Ｂ．−Ｈ．Ｈｕｉｓｍａｎ、Ｐ．Ｗ．Ｍ．Ｂｌｏｍ、Ｊ．Ｃ．Ｈｕｍｍｅｌｅｎ、Ｕ．Ｓｃｈｅｒｆ、及びＴ．Ｍ．ＫｌａｐｗｉｊｋによるＮａｔ．Ｍａｔｅｒ．２、６７８−６８２（２００３））、キャリア運搬物質の二重層（Ａ．Ｄｏｄａｂａｌａｐｕｒ、Ｈ．Ｅ．Ｋａｔｚ、Ｌ．Ｔｏｒｓｉ、及びＲ．Ｃ．ＨａｄｄｏｎによるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６８、１１０８−１１１０（１９９６））、及び電子注入電極（Ｔａｋｅｓｈｉ  Ｙａｓｕｄａ、Ｔａｋｅｓｈｉ  Ｇｏｔｏ、Ｋａｔｓｕｈｉｋｏ  Ｆｕｊｉｔａ、及びＴｅｔｓｕｏ  ＴｓｕｔｓｕｉａによるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８５、２０９８−２１００（２００４））を用いて、両極性ＯＦＥＴは製造されてきた。しかし、これらの技術における動作電圧は、やはり十分に低くない。
【発明の開示】
【０００５】
両極性縦型有機電界効果トランジスタは、ドレイン電極と、ドレイン電極から離間したゲート電極と、ドレイン電極とゲート電極との間に配置される電荷注入層と、ゲート電極と電荷注入層との間に配置される誘電層と、前記ドレイン電極と前記電荷注入層との間に配置される半導体層とを有する。動作時に、電荷注入層は、正孔及び電子それぞれの注入障壁高さを均衡させて、Ｎ型トランジスタ動作モードとＰ型トランジスタ動作モードの両方を実現する。電子デバイス及び／又は電気光学デバイスは、このような両極性縦型電界効果トランジスタを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本発明のより良い理解は、添付の図面を参照して以下の詳細な記載を読むことにより得られる。
【０００７】
【図１（ａ）−１（ｂ）】図１（ａ）は、本発明に係るデバイス構造の実施形態の概略断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のデバイスの両極性動作モードを示す。
【０００８】
【図２（ａ）−２（ｃ）】異なるデバイス構造の、多様な動作条件下での出力特性を示している。図２（ａ）は、電荷注入層としてＶ２Ｏ５を有し、Ｐ型動作を行うＶＯＦＥＴ（トランジスタ１）を示している。ゲート電圧は、０乃至−５Ｖの範囲で１Ｖずつ段階的に変化させる。差し込み図は、対数尺度で同一データを示しており、オン／オフ比率を導出するべく用いた。図２（ｂ）は、Ｎ型動作時のトランジスタ１を示す。図２（ｃ）は、Ｐ型動作時における、Ａｌ単層電極を有するＶＯＦＥＴ（トランジスタ２）を示す。図２（ｄ）は、Ｎ型動作時のトランジスタ２を示す。
【０００９】
【図３（ａ）】異なる厚さのＡｌで被覆したペンタセンのＣ  ｌｓ  ＸＰＳスペクトルを示す。内殻準位シフトは、バンド曲がりＶｂ、Ｖｂ＝０．３３ｅＶの結果として処理できる。
【００１０】
【図３（ｂ）】金属膜の厚さを増大させていく場合のＵＰＳスペクトル（Ｈｅ  Ｉ）を示す。仕事関数差△Φは、０．３４ｅＶである。
【００１１】
【図３（ｃ）】Ａｌとペンタセンの界面のバンド図である。電子注入障壁は、０．７６ｅＶである。正孔注入障壁は、１．０４ｅＶである。
【００１２】
【図３（ｄ）】Ａｌ、Ｖ２Ｏ５、及びペンタセンのエネルギー準位図である。
【００１３】
【図４】Ｐ型挙動とＮ型挙動について、酸化物の厚さに関してデバイスの出力電流をプロットしたものである。鎖線は、Ｎ型挙動を示す。実線は、Ｐ型挙動を示す。
【００１４】
【図５】本発明の実施形態に係る両極性縦型ＯＦＥＴインバータの伝達特性を示す。各等価回路と微分曲線を差し込み図示する。
【００１５】
【図６】電荷注入層として酸化モリブデン（ＭｏＯ３）を有し、Ｐ型動作を行うＶＯＦＥＴを示す。
【００１６】
【図７】電荷注入層として酸化モリブデン（ＭｏＯ３）を有し、Ｎ型動作を行う図６のＶＯＦＥＴを示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図面に示す本発明の実施形態を記載するにあたり、明瞭性を期して特定の用語を用いる。しかし、このように選んだ特定の用語に本発明を限定することを意図したものでない。特定の要素のそれぞれが、同様の目的を達するべく同様の態様にて動作する技術的均等物の全てを含むことは理解されよう。
【００１８】
有機電界効果トランジスタは、その固有の特性により近年、多くの研究の主題となっている。しかし、動作電圧が高く、電流出力が低く、かつ単極性挙動を示すことは、多くの用途において大きな制約である。ここでは、両極性縦型有機電界効果トランジスタを開示する。本発明の実施形態に係る両極性縦型有機電界効果トランジスタは、有機アクティブセルが垂直方向に積層されたキャパシタセルを含む。（ＶＯＦＥＴ構造についてのいくつかの詳細については、２００５年３月１７日にＷＯ２００５／０２４９０７  Ａ２として公開されたＰＣＴ／ＵＳ２００４／０２７５７９号を参照されたい。その全内容を、本明細書に参照により取り込むものとする。）ソースと有機物の界面における遷移金属酸化物層を、電荷注入層として設ける。このような構造により、動作電圧が低く、電流出力が高いのみならず両極性挙動を示す有機トランジスタが得られる。デバイスの両極性メカニズムを説明するモデルも提示する。極薄の遷移金属酸化物層は、本発明の実施形態において、ソースと有機物の接触面における正孔と電子の注入障壁の高さを均衡させることにより、デバイスの動作において役割を果たす。本発明に係る有機相補型酸化金属半導体インバータの実施形態を、ゲインが６．７である実施例においても開示する。本発明に係る両極性縦型有機トランジスタにより、有機トランジスタの多くの新たな用途が導き出されることが期待される。
【００１９】
本発明によると、両極性ＶＯＦＥＴは、ソースと有機物の界面に遷移金属酸化物層を備えており、それは電荷注入層として機能し、Ｎ型とＰ型の両方の動作モードにおいて高出力電流を実現する。遷移金属酸化物は、遷移金属の酸化生成物であると定義される。遷移金属は、周期表において「Ｂ系列」元素に属しており、最外から二番目の電子殻と最外電子殻とを用いて他の物質と結合することができる元素群である。これらは、遷移金属酸化物の異なる状態を異なる「ｄ」電子により形成することができる。たとえば、酸化バナジウムは、バナジウム（ＩＩ）モノオキサイド（ＶＯ）、バナジウム（ＩＶ）オキサイド（ＶＯ２）、バナジウム（ＩＩＩ）オキサイド（Ｖ２Ｏ３）、及びバナジウムペントオキサイド（Ｖ２Ｏ５）になることができる。遷移金属酸化物バッファ層は、たとえば：
ａ．Ｖ２Ｏ５、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化モリブデン（ＭｏＯ３）等の単一種の遷移金属酸化物から構成することができ；
ｂ．Ｖ２Ｏ５のＶＯ、ＷＯ３、及びＶ２Ｏ５との混合体、ＭｏＯ３のＶ２Ｏ５との混合体等の、異種の遷移金属酸化物の混合体から構成することができ；及び／又は
ｃ．バナジウムペントオキサイドとアルミニウム等の、遷移金属酸化物と金属との混合層から構成することができるが、
これらに限定されない。
【００２０】
本発明の実施形態に係る、（図１（ａ））に概略を示すデバイス構造は、キャパシタセルを積層したアクティブセルを有する。中央の電極は、共通−ソース電極と定義され、極薄であり、粗い。上部の電極と底部の電極は、それぞれドレイン電極、ゲート電極と定義される。電荷注入層が有機層と各電極との間に挿入される。デバイス面積は２．４ｍｍ２であり、ドレイン電極とソース電極とのクロスオーバにより画定される。このデバイスは、ソース電極から有機層への電荷注入を制御することにより動作させることができる。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すデバイスの動作モードを概略的に示す。ソース電極は接地されている。異なる極性の電圧バイアスをゲート電極とドレイン電極に印加することにより、両極性挙動が得られる。負のバイアスをドレイン電極とゲート電極に印加した場合、Ｐ型導電が得られる。（図１（ｂ）の左側参照。）これら電極に正のバイアスを印加すると、Ｎ型導電が得られる。（図１（ｂ）の右側参照。）
【００２１】
図１（ａ）の実施形態の構造に係る両極性トランジスタの例を、本明細書においてはトランジスタ１と呼ぶ。この例のトランジスタは、基本的に、（底部から上方向に）ガラス／アルミニウム（Ａｌ）（３５ｎｍ）／フッ化リチウム（ＬｉＦ）（３５０ｎｍ）／Ａｌ（１８ｎｍ）／バナジウムペントオキサイド（Ｖ２Ｏ５）（７．５ｎｍ）／ペンタセン（２３０ｎｍ）／Ｖ２Ｏ５（７．５ｎｍ）／Ａｌ（３５ｎｍ）から成る。しかし、本発明の全般的な構想は、これらの特定的材料と特定的寸法に限定されないことに注意すべきである。図２（ａ）と２（ｂ）において、バイアス電圧（ＶＳＤ）に関してトランジスタ１のソース−ドレイン電流（ＩＳＤ）を、異なる動作条件下でのＰ型挙動とＮ型挙動について、プロットする。Ｐ型デバイスとして動作させた場合、ＶＳＤとゲート電圧（ＶＧ）がともにマイナス５ボルトであるときに出力電流は１．８ｍＡであった。オン／オフ比率は１０４に近接していた。Ｎ型デバイスとして動作させた場合、ＶＳＤとＶＧがともに５ボルトであるときにトランジスタ１の出力電流は約３００μＡであった。オン／オフ比率は１０２に近接していた。ゲート電極からソース電極への電流であるリーク電流は、５μＡ未満であった。これは、本発明のある実施形態に対応する一例である。本発明の広範なコンセプトは、この特定的例に限定されない。さらに、本明細書に提示する特定の例においては、アクティブセルとして有機半導体が備えられるが、全般的な構想においては、無機半導体を含むあらゆる種類の半導体が含められていることが意図される。
【００２２】
Ｖ２Ｏ５電荷注入層を備えないデバイス（トランジスタ２）も製造した。図２Ｉと２（ｄ）は、異なる動作条件下におけるトランジスタ２の出力特性を示す。明らかに、トランジスタ２にＰ型挙動は観察できなかった。Ｎ型の用途においては、出力電流は２７１μＡであり、オン／オフ比率は１８に近接していた。トランジスタ１とトランジスタ２の両デバイスは、トランジスタ２のオン／オフ比率が低いことを除いては、類似したＮ型出力特性を有する。デバイスのＰ型挙動を比較してみると、Ｖ２Ｏ５層を追加することで、Ｐ型動作メカニズムにおいて非常に重要な役割が果たされることが期待できる。
【００２３】
ＶＯＦＥＴ動作メカニズムは、ゲート電界により障壁を修正してソース電極から有機層へと電荷を注入することである。Ｖ２Ｏ５膜を備えないデバイスにはＮ型モードしか存在しない理由を理解するべく、Ｘ線と紫外線による光電子分光法（ＸＰＳとＵＰＳ）を用いてペンタセンとＡｌ、つまり有機層とソース電極との間の界面形成を研究した。ＵＰＳ計測と併用したＸＰＳ計測により、金属と半導体の界面あるいは半導体と半導体の界面におけるエネルギー準位のアライメントを測定することができた。ＸＰＳとＵＰＳを用いてこれら界面におけるエネルギー準位アライメントを測定する手順の詳細は、他において記載されている（Ｌｉ  Ｙａｎ、Ｍ．Ｇ．Ｍａｓｏｎ、Ｃ．Ｗ．Ｔａｎｇ、及びＹｏｎｇｌｉ  ＧａｏによるＡｐｐｌ．Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．１７５−１７６、４１２−４１８（２００１）；Ｐ．Ｇ．Ｓｃｈｒｏｅｄｅｒ、Ｃ．Ｂ．Ｆｒａｎｃｅ、Ｊ．Ｂ．Ｐａｒｋ、及びＢ．Ａ．ＰａｒｋｉｎｓｏｎａによるＪ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９１、３０１０−３０１４（２００２））。図３（ａ）において、ペンタセン膜の上面のＡｌカバレッジを変化させつつＸＰＳにより測定したペンタセンのＣ  １ｓ内殻準位の推移を示す。これらＣ  １ｓピークは、単により高準位の結合エネルギーへのシフトを示すのであり、エネルギー幅の拡大を示すのではない。内殻準位結合エネルギーの変化は、バンド曲がりＶｂの結果であると見ることができる（Ｌｉ  Ｙａｎ、Ｍ．Ｇ．Ｍａｓｏｎ、Ｃ．Ｗ．Ｔａｎｇ、及びＹｏｎｇｌｉ  ＧａｏによるＡｐｐｌ．Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．１７５−１７６、４１２−４１８（２００１））。ＵＰＳの結果により、図３（ｂ）に示す０．３３ｅＶの強度のシフトが、むき出しのペンタセン膜と１．４ｎｍ厚のＡｌ膜との第二のカットオフエッジに生じたことが明らかになり、これは、顕著な表面双極子が存在することを示す。ＵＰＳにおける第二のカットオフ差は、仕事関数変化△Φと定義することができる。最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）位置は、ＸＰＳあるいはＵＰＳにより測定することはできない。ここで、光バンドギャップがＬＵＭＯと最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）との差に等しいと想定すると、ＬＵＭＯ位置を推定することができる（Ｐ．Ｇ．Ｓｃｈｒｏｅｄｅｒ、Ｃ．Ｂ．Ｆｒａｎｃｅ、Ｊ．Ｂ．Ｐａｒｋ、及びＢ．Ａ．ＰａｒｋｉｎｓｏｎａによるＪ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９１、３０１０−３０１４（２００２））。
【００２４】
Ｖｂ、△Φ、及びＨＯＭＯとＬＵＭＯの推定位置がわかると、図３Ｉに示すエネルギー図をプロットすることができる。ＸＰＳで測定したＣ  １ｓ内殻準位エネルギーシフトのみならず、電子と正孔それぞれの注入障壁の大きさも測定する。界面の電子注入障壁（Ｅｂ）は、等式Ｅｂ＝ＥＬＵＭＯ−Ｖｂを用いて算出することができ、ＥＬＵＭＯは、電極のフェルミ準位を基準としたペンタセンのＬＵＭＯのエネルギー準位である。同様に正孔注入障壁を算出することができるが、有機材料のＬＵＭＯエネルギー準位でなくＨＯＭＯエネルギー準位を用いる。ペンタセンとＡｌの界面における電荷注入エネルギー障壁は、電子と正孔に対してそれぞれ０．７６ｅＶと１．０４ｅＶと算出された。ＬｉＦを誘電層として用いたＶＯＦＥＴにおいて、ゲートにより修正できる最大の障壁高さは１．０ｅＶ未満である。しかし、正孔注入障壁は１．０４ｅＶであり、したがって注入障壁が高いことによりＡｌ電極デバイスにおいてはＰ型挙動を観察することができない。Ａｌ、Ｖ２Ｏ５、及びペンタセンのエネルギー準位図を図３（ｄ）に示す。ＵＰＳによりＶ２Ｏ５の価電子帯は４．７ｅＶと推定された。ある文献によると、Ｖ２Ｏ５のバンドギャップは２．２ｅＶである（Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ；Ａｎ  Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  ｔｈｅｉｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ、Ｐ．Ａ．Ｃｏｘ、（Ｃｌａｒｅｎｄｏｎ  Ｐｒｅｓｓ、Ｏｘｆｏｒｄ、１９９２））。等式Ｅｃ＝Ｅｖ−Ｅｇから、伝導帯は２．５ｅＶと算出でき、ここでＥｃとＥｖはそれぞれＶ２Ｏ５の伝導帯と価電子帯であり、Ｅｇはバンドギャップである。トランジスタ１において、遷移金属酸化物と有機物の界面に正孔注入障壁が存在するはずである。簡易なバンドモデルを適用することにより、トランジスタ１においては、ソースと有機物の界面を修正するべく電荷注入層を用いると正孔注入障壁は０．３ｅＶとなる。この障壁高さは、ゲートバイアスを印加することにより調節できる。Ｎ型動作においては、ソース電極の電子は、有機膜中へ向けて遷移金属酸化物の薄層をトンネルすることができるので、注入障壁はまだＡｌ電極より制御される。Ａｌとペンタセンにおける電子注入障壁高さとＡｌ、Ｖ２Ｏ５、及びペンタセンにおける電子注入障壁高さは、トンネル効果によりほぼ等しいはずである。
【００２５】
Ｖ２Ｏ５を膜積層体に含めた場合のデバイスの動作メカニズムは以下の通りに記載できる。ＩＳＤは、ソース電極から有機膜へのキャリアの注入により制御されるはずである。ゲートバイアスがゼロであるとき、注入障壁は、ソースから有機物へと注入されるキャリアを閉じ込める十分な高さがあり、したがってＩＳＤはゲートバイアスがゼロのとき極めて小さい。しかし、ゲートが正または負にバイアスされると、キャパシタの全容量が帯電する。これらの電荷は、ソース電極内にその粗く部分的に酸化した界面により蓄積される（Ｌ．Ｐ．Ｍａ及びＹ．ＹａｎｇによるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８７、１２３５０３（２００５））。ゲートバイアスにより電荷の蓄積を変調する。すると、注入障壁高さも同様に修正され、ゲートバイアスを増加させるにともない注入障壁高さは減少する。したがって、実効の注入障壁高さがゲートバイアスの印加により減少し、ＩＳＤが増加する。トランジスタ２においては、正孔注入障壁高さ１．０４ｅＶは、負のゲートバイアス下であってさえも電流の流れを止めさせる大きさである。これが、Ｎ型挙動だけが観察される理由である。極薄のＶ２Ｏ５電荷注入層を導入することにより、電子注入特性にほぼ影響を与えることなく正孔注入障壁高さを０．３ｅＶへと減少させることができる。したがって、トランジスタはＮ型モードとＰ型モードの両方で動作する。Ｖ２Ｏ５層の影響を検証するべく、最大ＩＳＤに関してソースと遷移金属酸化物の厚さを（ＶＳＤとＶＧの両方を５ボルトとして）プロットした図４を参照されたい。
【００２６】
トランジスタをＰ型デバイスとして動作させたとき、ソース電極から有機層への正孔注入によりソース−ドレイン電流が決定される。図４に示すように、実線の曲線に示すＩＳＤは、Ｖ２Ｏ５電荷注入層の厚さを増加させるにつれ５０ｎＡから２ｍＡへと増加している。この結果により、電荷注入層はデバイス性能を決定することも示される。Ｖ２Ｏ５層がなければ、注入障壁が高すぎてキャパシタを修正できない。Ｖ２Ｏ５層の厚さが２．５ｎｍしかなければ、ソース電極の表面はＶ２Ｏ５により完全に被覆されず、結果として正孔注入の実効面積（Ｖ２Ｏ５により被覆される面積）は小さい。Ｖ２Ｏ５層の厚さを増大させるにしたがい、正孔注入の実効面積もデバイスの幾何学的面積に達するまで増大し、デバイスの幾何学的面積に達すると、ＡｌとＶ２Ｏ５との接触が正孔に関してオーム接触となると考えられるがゆえに、ＩＳＤはＶ２Ｏ５とペンタセンとの間の注入障壁により制御されるようになる（Ｃ．Ｗ．Ｃｈｕ、Ｓ．Ｈ．Ｌｉ、Ｃ．Ｗ．Ｃｈｅｎ、Ｖ．Ｓｈｒｏｔｒｉｙａ、及びＹ．ＹａｎｇによるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．（Ａｃｃｅｐｔｅｄ））。図４の実線曲線から、Ｖ２Ｏ５の厚さが５ｎｍを超えた後、ＩＳＤは飽和傾向を示すことがわかる。Ｖ２Ｏ５が１０ｎｍを超えたところでＩｓｄが僅かに減少するのは、Ｖ２Ｏ５層の抵抗が増大したものと理解できる。
【００２７】
トランジスタのＮ型動作においては、ソース電極から有機層への電子注入によりソース−ドレイン電流が決定される。図４の鎖線の曲線に示すように、Ｎ型モードとＰ型モードとの間には完全に異なる傾向が観察された。Ｖ２Ｏ５層の厚さを増大させるにつれ、ＩＳＤは減少する。図３（ｄ）からわかるように、ＡｌからＶ２Ｏ５の伝導帯への電子注入に対しては大きなエネルギー障壁が存在する。したがって、Ｎ型動作の最中、電子はトンネリングによりＶ２Ｏ５層を通過する。酸化層が極薄あるいは不連続である場合、電子注入障壁高さは、Ａｌとペンタセンとの接触により決定される。酸化物の厚さが増大すると、トンネル電流と、Ａｌとペンタセンとの接触面積とは減少するはずであり、全出力電流は減少する。Ｖ２Ｏ５層の厚さが２０ｎｍを超えると、Ｎ型挙動は観察されない。遷移金属酸化物ＶＯＦＥＴにおいては、デバイスの製造と動作を決定する要因は、ソース電極と有機層との界面をいかに制御するかである。
【００２８】
ＯＦＥＴ回路設計においては、ＣＭＯＳ技術が非常に電力消費が低く、デバイス許容誤差を補償する効果があるので推奨されている。最高度の性能を達成するには、同一の半導体層を用いてＮ型とＰ型のＯＦＥＴを一体化することが重要な要件である。新規な本両極性ＶＯＦＥＴにより、この基本的要請を満たす優秀な基礎的要素（ｂｕｉｌｄｉｎｇ  ｂｌｏｃｋ）が提供される。図５に、相補型インバータの伝達特性を示す。等価回路も図５に差し込み図示する。インバータの動作電圧は、明らかに５Ｖ未満である。
【００２９】
まとめると、電荷注入材料としてＶ２Ｏ５をペンタセンとともに用いた縦型有機電界効果トランジスタの両極特性を研究した。遷移金属酸化物を加えることの格別な意義は、それにより有機物界面における正孔注入障壁が低下することである。電子注入障壁はやはり、Ａｌとペンタセンとの接触、あるいはソースから有機層へのトンネル電流により制御される。酸化物の厚さ、デバイスの構造等の多様な要因の効果についても検査し、本発明の実施形態において最大電流出力を得るためのＶ２Ｏ５の最適厚さを示した。デバイス性能を検証するべく、対称的なソース電極及びドレイン電極を有する単一の半導体層を用いて縦型有機ＣＭＯＳインバータを製造した。この両極性挙動により、記載のデバイスは、有機電界効果トランジスタの新たな用途の方向性を開く可能性がある。
【００３０】
実施例
電荷注入層としてＶ２Ｏ５を含む両極性縦型有機トランジスタ
本発明の特定の実施形態に係るデバイス製造に真空熱蒸着法を用いた。堆積処理（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）における圧力は、４×１０−６ｔｏｒｒ未満に維持した。ペンタセンとＶ２Ｏ５は、ＡＬＤＲＩＣＨ社から購入し、受け取った状態で用いた。予め洗浄したガラス基板上に、まず底部のゲート電極として、アルミニウムを堆積した。次に、ゲート誘電層として３５０ｎｍ厚さのフッ化リチウム層が続き、その後、アルミニウムのソース電極の堆積を実行した。ソース電極の表面上に電荷注入層であるバナジウムペントオキサイドを堆積し、次にペンタセン層の堆積を行った。最後に、上部電極、つまりドレイン電極を堆積してデバイスの製造を完了した。キャパシタの容量を大きくするには、デバイスを湿潤環境で試験すべきである。４５％の大気相対湿度において、ＡＧＩＬＥＮＴ社の４１５６Ｃ精密半導体パラメータ分析器（ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｐａｒａｍｅｔｅｒ  ａｎａｌｙｚｅｒ）を用いて本明細書で述べたデバイスサンプルの全てを検査した。
【００３１】
界面におけるバンド曲がりのＸＰＳ／ＵＰＳによる分光分析
ＯＭＩＣＲＯＮ社のナノテクノロジー（ＮａｎｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）システムを用い、ＸＰＳスペクトルにおいてはＡｌのＫ励起（１４８６．６ｅＶ）により、ＵＰＳスペクトルにおいてはＨｅのＩ励起（２１．２ｅＶ）により表面状態を測定した。銀をコーティングした１００ｎｍのシリコン基板にペンタセン膜を堆積した。次に、内部で種々のＡｌ薄層を超高真空環境で堆積させることができる前処理チャンバにサンプルを移した。前処理チャンバと分析器チャンバにおけるベース圧力は、それぞれ６×１０−１０ｍｂａｒと２×１０−１０ｍｂａｒであった。サンプルバイアスを−５ＶとしてＵＰＳスペクトルを記録した。
【００３２】
別の例においては、本発明の実施形態に係る両極性縦型有機電界効果トランジスタのバッファ層として酸化モリブデンを用いる。この場合のデータを図６と図７に示す。出力性能は、以下の通りに要約できる：
Ｐ型：０．１２Ａ／ｃｍ２（ＶＧ＝−５Ｖのとき）
Ｎ型：０．０７Ａ／ｃｍ２（ＶＧ＝５Ｖのとき）
【００３３】
上記のようなバナジウムペントオキサイドのサンプルと比較すると、このデバイスはより高い性能を有している。このデバイスは、電流出力、オン／オフ比率、及び飽和領域が高い。
【００３４】
また、無機半導体材料、有機半導体材料、絶縁材料、導電性材料、及びこれらの組み合わせから、電荷注入層を選択してよい。
【００３５】
本発明は、本明細書に例として説明した本発明の特定の実施形態に限定されず、請求項によって定義される。本発明の範囲と趣旨から逸脱することなく、本明細書に記載した例に対して多様な修正と代替が可能であることは当業者には理解されよう。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
2009513022.tif 000007
【図２ｄ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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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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【国際調査報告】
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