(57)【要約】【課題】  フレキシブル化や低コスト化などの課題、廃棄物などの課題の解決のためになされたものであり、生産効率が高く、簡便な工程で安定したゲート絶縁膜を有する薄膜トランジスタを作製でき、かつ基材がゲート絶縁膜を兼ねることで廃棄物を少なくすることができ、かつ、廃棄しても基材となるゲート絶縁膜が微生物などにより分解され、かつゲート絶縁膜として用いる基材に電極材料を含浸させることにより、ゲート絶縁膜としての実効厚を薄くすることが可能な薄膜トランジスタを提供する。【解決手段】  本発明の薄膜トランジスタは、ゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜の一方の面に形成されるソース・ドレイン電極と、ゲート絶縁膜の他方の面に形成されるゲート電極とを有し、ゲート絶縁膜が絶縁性のシート材で形成されている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート絶縁膜と、
該ゲート絶縁膜の一方の面に形成されるソース・ドレイン電極と、
前記ゲート絶縁膜の他方の面に形成されるゲート電極と
を有し、
前記ゲート絶縁膜が絶縁性のシート材で形成されていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記ゲート絶縁膜が紙で形成されていることを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記ゲート電極及びソース・ドレイン電極が前記紙に電極材料を含浸させて形成していることを特徴とする請求項２に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記ゲート絶縁膜がコンデンサペーパーにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタ。
【請求項５】
前記ゲート絶縁膜が生分解性プラスティックにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタ。
【請求項６】
前記生分解性プラスティックが、生分解性の脂肪族ポリエステル、または生分解性のポリ乳酸、あるいはでんぷんに脂肪族ポリエステルをブレンドした樹脂を用いることを特徴とする請求項５に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項７】
前記ゲート絶縁膜のソース・ドレイン電極と同一面に半導体層が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
【請求項８】
前記半導体層が有機半導体または酸化物半導体であることを特徴とする請求項７に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項９】
前記ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極のいずれかまたは全てがゲート絶縁膜への印刷により形成されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
前記各電極の印刷方法がスクリーン印刷法であることを特徴とする請求項９に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１１】
前記各電極の印刷方法がインクジェット法であることを特徴とする請求項９に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１２】
前記半導体層が印刷により形成されることを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１３】
前記半導体層の印刷方法がインクジェット法であることを特徴とする請求項１２に記載の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、薄膜トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子ペーパーやＲＦＩＤタグ等の薄型化された電子機器が多用されるようになってきている。
これらの電子機器には従来と同様に電子回路が設けられており、この電子回路はトランジスタで形成されている。
現在のシリコン等の無機半導体材料を使用したトランジスタの製造には、真空蒸着、不純物のドーピング、パターン形成のためのフォトリソグラフ、エッチングなどの多くの真空系、それも真空度を厳密に調整する真空系が必要であり、装置コスト及びランニングコストにより、トランジスタの製造コストが非常に高くなり、上記電子機器の価格も上昇することになる。
【０００３】
そのため、電子ペーパーやＲＦＩＤタグなどに対応させるため、電子回路をフレキシブル化、低コスト化、さらに軽量化などの観点から、電子回路を形成するトランジスタをフレキシブル基材上に形成する、有機半導体や酸化物半導体を用いたデバイスの開発が行われている。
一般に、有機半導体をデバイスの構成として用いる場合、液体でのプロセスが可能となるため、大面積化、印刷法の適用、さらに低温で製膜可能な有機半導体や酸化物半導体を用いることでプラスティック基板の利用が可能となり、フレキシブル化、低コスト化及び軽量化の目的を達成できる利点がある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
このため、ロール状に巻き付けられたプラスティック基板を、順次製造装置に供給して上記回路基板の作製を行う、いわゆるロール・トゥ・ロールプロセスでの印刷法による回路基板の製造が可能である。
したがって、回路基板状に所定の回路構成におけるトランジスタを安価にかつ大量に、軽量でかつフレキシブルなプラスティック基板上に製造することができる。
【０００５】
また、半導体材料として有機物を用いた薄膜トランジスタの製法として、半導体基板にシリコン（Ｓi）を用い、その熱酸化膜をゲート絶縁膜として利用した例が多い。
これは、ゲート電極とソース及びドレイン電極との間のリークを防ぐ必要があり、絶縁性に対して高い信頼性を有するシリコン熱酸化膜を利用することができ、かつ容易にトランジスタを作製することが可能であるためである。
しかしながら、基板としてシリコンを用いると、電子ペーパーやＲＦＩＤに必要なフレキシブル性を実現することはほぼ不可能である。
【０００６】
上述した問題点を回避するため、フレキシブル性を有するプラスティックのシート等を基板として用い、低温プロセスによりトランジスタを作製した報告がなされている（非特許文献２参照）。
しかしながら、電極の形成や半導体の製膜に真空装置が用いられており、この装置のランニングコストを考慮すると低コスト化は困難である。
また、ゲート絶縁膜をスピンコート法により製膜しているが、スピンコート法はロール・トゥ・ロールプロセスヘの適用が困難であることや、溶液を用いたプロセスでは大面積にわたりピンホールのない膜を均一に作製するのが困難であるなどの問題点がある。
【０００７】
これを回避するための手段として、ゲート絶縁膜として、絶縁性を有するプラスティックのフィルムを用いることが考えられ、実際にトランジスタの構成が報告されている（非特許文献３および４）。
【非特許文献１】Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｖｏｌ．２６５、１６８４（１９９４）
【非特許文献２】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．８２（２３）４１７５（２００３）
【非特許文献３】Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｖｏｌ．２６５、１８８４（１９９４）
【非特許文献４】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．８２  （２０）３５５０（２００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記非特許文献１及び２におけるトランジスタの構成においても、ゲート電極やソース・ドレイン電極の各電極については、高価なフォトリソグラフィの装置を利用するフォトプロセスが用いられており、結局、高コストのトランジスタ作製プロセスとなっている。
また、上記非特許文献３、４においては、このフォトプロセスを具体的に用いたロール・トゥ・ロールプロセスについての詳細な説明がなされていない。
【０００９】
一方、プラスティック基板を用いたトランジスタの研究においては、主にポリイミドやポリエチレンナフタレートなどが用いられている。
このプラスティック基板を、使用用途がＲＦＩＤなどの使い捨てられる製品に対して用いた場合、廃棄物の増加や廃棄に伴う環境汚染、ダイオキシンの発生などが問題となる。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、フレキシブル化や低コスト化などの課題、廃棄物などの課題の解決のためになされたものであり、生産効率が高く、簡便な工程で安定したゲート絶縁膜を有する薄膜トランジスタを作製でき、かつ基材がゲート絶縁膜を兼ねることで廃棄物を少なくすることが可能な薄膜トランジスタを提供することを目的とする。
また、本発明は、廃棄しても基材となるゲート絶縁膜が微生物などにより分解され、かつゲート絶縁膜として用いる基材に電極材料を含浸させることにより、ゲート絶縁膜としての実効厚を薄くすることが可能な薄膜トランジスタ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】
請求項１記載の発明は、薄膜トランジスタにおいて、ゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜の一方の面に形成されるソース・ドレイン電極と、前記ゲート絶縁膜の他方の面に形成されるゲート電極とを有し、前記ゲート絶縁膜が絶縁性のシート材で形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の薄膜トランジスタにおいて、前記ゲート絶縁膜が紙で形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項２に記載の薄膜トランジスタにおいて、前記ゲート電極及びソース・ドレイン電極が前記紙に電極材料を含浸させて形成していることを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の薄膜トランジスタにおいて、前記ゲート絶縁膜がコンデンサペーパーにより形成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の薄膜トランジスタにおいて、前記ゲート絶縁膜が生分解性プラスティックにより形成されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項６記載の発明は、請求項５に記載の薄膜トランジスタにおいて、前記生分解性プラスティックが、生分解性の脂肪族ポリエステル、または生分解性のポリ乳酸、あるいはでんぷんに脂肪族ポリエステルをブレンドした樹脂を用いることを特徴とする。
【００１７】
請求項７記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の薄膜トランジスタにおいて、前記ゲート絶縁膜のソース・ドレイン電極と同一面に半導体層が形成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項８記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の薄膜トランジスタにおいて、前記半導体層が有機半導体または酸化物半導体であることを特徴とする。
【００１９】
請求項９記載の発明は、前記請求項１から請求項７のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法であって、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極のいずれかまたは全てがゲート絶縁膜への印刷により形成することを特徴とする。
【００２０】
請求項１０記載の発明は、請求項９に記載の薄膜トランジスタの製造方法において、前記各電極の印刷方法がスクリーン印刷法であることを特徴とする。
【００２１】
請求項１１記載の発明は、請求項９に記載の薄膜トランジスタの製造方法において、前記各電極の印刷方法がインクジェット法であることを特徴とする。
【００２２】
請求項１２記載の発明は、請求項９から請求項１１のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法において、半導体層が印刷により形成されることを特徴とする。
【００２３】
請求項１３記載の発明は、請求項１２に記載の薄膜トランジスタの製造方法において、前記半導体の印刷方法がインクジェット法であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明によれば、従来の基材上にゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、半導体層を設けるのではなく、ゲート絶縁膜に絶縁フィルム基材を用い、すなわちゲート絶縁膜を基板として用い、一方の面にソース電極およびドレイン電極、他方の面にゲート電極を設け、ソース電極とドレイン電極との間（対向部分）に半導体層を形成することにより、安価に製造できる印刷法などを用いて薄膜トランジスタを製造することが出来る。
また、本発明によれば、ゲート絶縁膜に生分解性の物質を用いることにより、環境を汚染することがなくなるので、容易に規定された方法により廃棄することが可能となる。
さらに、本発明によれば、ゲート絶縁膜に電極材料を含浸させることにより、ゲート絶縁膜としての実効厚を薄くすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の薄膜トランジスタは、絶縁性を有するシート材をゲート絶縁膜とし、このゲート絶縁膜を基板として用いて、一方の面にソース電極およびドレイン電極、他方の面にゲート電極を設け、ソース電極とドレイン電極との間（対向部分）に、すなわち上記ゲート絶縁膜においてソース電極及びドレイン電極と同一面に半導体層を形成することにより構成されている。
【００２６】
上記ゲート絶縁膜は、生分解性物質で形成されたシート材が用いられており、このシート材の膜厚が０．１〜５０μｍの範囲であれば良く、さらに好ましくは１〜２０μｍの範囲内とする。
上記生分解性物質（生分解性プラスティック）としては、脂肪族ポリエステル、または生分解性のポリ乳酸、あるいはでんぷんに脂肪族ポリエステルをブレンドした樹脂等を用いる。
ここで、上記シート材の厚さが０．１μｍ以下であると基材としての強度が保つことができず、一方、５０μｍ以上であるとトランジスタとして用いる際にゲート電圧を高電圧にしなければ動作しなくなり、形成した薄膜トランジスタが事実上デバイスとしての使用が困難となる。
【００２７】
また、本発明の実施形態におけるゲート電極、ソース電極及びドレイン電極の材料としては、公知の材料を用いることが出来る。
例えば、上記各電極の材料としては、金、銀、カーボン、ニッケル、銅などを導電性材料として用いた厚膜ペースト、または有機金属化合物をペースト化したもの、あるいは金や銀などのナノ金属粒子をインキ化したものなどがあるが、これらに限定されるものではない。
【００２８】
また、本発明の実施形態における薄膜トランジスタの半導体層の材料としては、有機半導体や酸化物半導体などの公知の材料を用いることが出来る。
例えば、有機半導体材料としては、ポリチオフェン、ポリアリルアミン、フルオレンビチオフェン共重合体、または、それらの誘導体のような高分子有機半導体材料、または、ペンタセン、テトラセン、銅フタロシアニン、ペリレン、またはそれらの誘導体のような低分子有機半導体材料を用いることが出来る。
加えて、有機半導体材料としては、カーボンナノチューブあるいはフラーレンなどの炭素化合物や半導体ナノ粒子分散液なども用いることが出来る。
また、酸化物半導体としては、ＩｎＧａＺｎＯ系、ＩｎＧａＯ系、ＺｎＧａＯ系、ＩｎＺｎＯ系、ＺｎＯ系、ＳｎＯ系などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２９】
本発明においては、ゲート絶縁膜上にゲート電極、ソース電極、ドレイン電極及び半導体層を形成する際、これら電極及び半導体層の一部または全てを印刷法により、ゲート絶縁膜上にそれぞれの形状のパターンとして形成することが好ましい。
そして、上記パターンの印刷法としては、グラビア印刷、オフセット印刷、スクリーン印刷、平板印刷及びインクジェット法などの公知の手法を用いることができる。
【００３０】
各電極のパターンを印刷法により形成する場合、グラビア印刷、オフセット印刷、スクリーン印刷、平板印刷及びインクジェット法などが適用できる。
しかしながら、形成された電極のパターンの膜厚が薄いと配線抵抗が増加し、トランジスタの電気特性が低下するため、所定の膜厚のパターンを得るため、電極の形成に対しては厚膜を形成しやすいスクリーン印刷を用いることが好ましい。
【００３１】
また、有機半導体及び酸化物半導体の印刷法としては、グラビア印刷、オフセット印刷、スクリーン印刷、平板印刷及びインクジェット法などの公知の手法を適用することができる。
一般的に、有機半導体材料は溶剤に対する溶解度が低いため、有機半導体層の形成に対しては、低粘度溶液の印刷に適したインクジェット法またはグラビア印刷法を用いることが好ましい。
これらの半導体材料は溶媒に可溶な場合は溶媒に溶解して、インクジェット、スタンプ法等の印刷方法で製膜できる。また、溶媒に溶解しない場合でも、スパッタやレーザアブレーション、有機金属化学気相成長等の低温での製膜が可能な真空プロセスで製膜できる。
【００３２】
＜第１の実施形態＞
次に、図１を参照して、本発明の第１の実施形態による薄膜型の電界効果トランジスタを説明する。図１は、上記第１の実施形態による電界効果トランジスタの断面を示す概念図である。
この図において、ゲート電極２０は、ゲート絶縁膜１０の一方の面に形成されている。
また、ソース電極３０及びドレイン電極３１は、ゲート絶縁膜１０の他方の面に、上記ゲート電極２０に対向する位置に形成されている。
有機半導体層４０は、ソース電極３０及びドレイン電極３１の上部、ソース電極３０とドレイン電極３１との間のゲート絶縁膜１０上に、ゲート電極２０に対向する位置に形成されている。
【００３３】
次に、図２を参照して、図１に示す第１の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明する。図２は、本発明の製造工程において、各工程における薄膜トランジスタの断面の構造を示す概念図である。
まず、ゲート絶縁膜１０としては、厚さ６μｍのコンデンサ薄紙（コンデンサペーパー、巴川製紙所製）を用いた（図２（ａ））。
【００３４】
次に、銀およびカーボンを導電材料とするポリマー厚膜ペースト（製品名；ＳＷ１１００-１、アサヒ化学研究所製）を用いてスクリーン印刷によりゲート電極２０のパターンを印刷し、１５０℃で３０分の間乾燥させて、ゲート電極２０を形成した（図２（ｂ））。
【００３５】
そして、ゲート絶縁膜１０を裏返して、ゲート電極２０が下面となるよう配置する（図２（ｃ））。
次に、銀およびカーボンを導電材料とする厚膜の導電性ペースト（製品名；ＳＷ１１００-１、アサヒ化学研究所製）をインクとして用い、スクリーン印刷によりソース電極３０及びドレイン電極３１のパターンを、１８μｍの厚さにて印刷した後、１５０℃で３０分の間乾燥させて、ソース電極３０及びドレイン電極３１を形成した（図２（ｄ））。
【００３６】
そして、ポリ（３-ヘキシルチオフェン）（シグマアルドリッチジャパン株式会社製）のアニソール溶液を、ソース電極３０及びドレイン電極３１上、及びソース電極３０及びドレイン電極３１の間に、有機半導体層４０のパターンとしてインクジェット装置により、５０ｎｍの厚さにて印刷し、１００℃で６０分の間乾燥させて、有機半導体層４０を形成した。
この半導体層を有機半導体層４０でなく、酸化物半導体層により形成しても良い。
【００３７】
上述した様に、薄膜トランジスタの基板となるゲート絶縁膜１０に紙を用いることにより、印刷法を用いて簡易に、有機半導体を用いた薄膜トランジスタ（薄膜型の電界効果トランジスタ）を作製することが出来た。
このとき、ゲート電極２０、ソース電極３０及びドレイン電極３１のいずれかまたは全てを形成する導電性ペーストが、ゲート絶縁膜１０の紙に対して含浸する材料であれば実質的なゲート絶縁膜１０の厚さが薄くなり、薄膜トランジスタの動作特性を向上させることができる。
【００３８】
＜第２の実施形態＞
次に、図１を参照して、本発明による第２の実施形態による薄膜トランジスタの説明を行う。図２は、本発明の製造工程において、各工程における薄膜トランジスタの断面の構造を示す概念図である。
まず、ゲート絶縁膜１０としては、厚さ３０μｍのポリ乳酸フィルム（製品名；レイシア（登録商標）、三井化学製）を用いた（図２（ａ））。
【００３９】
次に、銀およびカーボンを導電材料とするポリマー厚膜ペースト（製品名；ＳＷ１１００-１、アサヒ化学研究所製）を用いてスクリーン印刷によりゲート電極２０のパターンを印刷し、１５０℃で３０分の間乾燥させて、ゲート電極２０を形成した（図２（ｂ））。
【００４０】
そして、ゲート絶縁膜１０を裏返して、ゲート電極２０が下面となるよう配置する（図２（ｃ））。
次に、銀およびカーボンを導電材料とする厚膜の導電性ペースト（製品名；ＳＷ１１００-１（登録商標）、アサヒ化学研究所製）をインクとして用い、スクリーン印刷によりソース電極３０及びドレイン電極３１のパターンを、６０μｍの厚さにて印刷した後、１５０℃で３０分の間乾燥させて、ソース電極３０及びドレイン電極３１を形成した（図２（ｄ））。
【００４１】
そして、ポリ（３-ヘキシルチオフェン）（シグマアルドリッチジャパン株式会社製）のアニソール溶液を、ソース電極３０及びドレイン電極３１上、及びソース電極３０及びドレイン電極３１の間に、有機半導体層４０のパターンとしてインクジェット装置により、５０μｍの厚さにて印刷し、１００℃で６０分の間乾燥させて、有機半導体層４０を形成した。
この半導体層を有機半導体層４０でなく、酸化物半導体層により形成しても良い。
上述した様に、薄膜トランジスタの基板となるゲート絶縁膜１０に生分解性のポリ乳酸を用いたことにより、印刷法によって簡易に、環境破壊の防止に対応した有機半導体を用いた薄膜トランジスタ（薄膜型の電界効果トランジスタ）を作製することが出来た。
【００４２】
＜第３の実施形態＞
次に、図１を参照して、本発明による第３の実施形態による薄膜トランジスタの説明を行う。図２は、本発明の製造工程において、各工程における薄膜トランジスタの断面の構造を示す概念図である。
まず、ゲート絶縁膜１０としては、厚さ３０μｍのポリ乳酸フィルム（製品名；レイシア（登録商標）、三井化学製）を用いた（図２（ａ））。
【００４３】
次に、銀およびカーボンを導電材料とするポリマー厚膜ペースト（製品名；ＳＷ１１００-１、アサヒ化学研究所製）を用いてスクリーン印刷によりゲート電極２０のパターンを印刷し、１５０℃で３０分の間乾燥させて、ゲート電極２０を形成した（図２（ｂ））。
【００４４】
そして、ゲート絶縁膜１０を裏返して、ゲート電極２０が下面となるよう配置する（図２（ｃ））。
次に、銀およびカーボンを導電材料とする厚膜の導電性ペースト（製品名；ＳＷ１１００-１、アサヒ化学研究所製）をインクとして用い、スクリーン印刷によりソース電極３０及びドレイン電極３１のパターンを、１８μｍの厚さにて印刷した後、１５０℃で３０分の間乾燥させて、ソース電極３０及びドレイン電極３１を形成した（図２（ｄ））。
【００４５】
そして、ペンタセン（シグマアルドリッチジャパン株式会社製）を、真空中においてソース電極３０及びドレイン電極３１上に５０ｎｍの厚さにて蒸着させ、ソース電極３０及びドレイン電極３１上、及びソース電極３０及びドレイン電極３１の間に、有機半導体層４０の形状となるようパターンニングし、有機半導体層４０を形成した。
上述した様に、薄膜トランジスタの基板となるゲート絶縁膜１０に生分解性のポリ乳酸を用いたことにより、印刷法によって簡易に、環境破壊の防止に対応した有機半導体を用いた薄膜トランジスタ（薄膜型の電界効果トランジスタ）を作製することが出来た。
【００４６】
第１から第３の実施形態による薄膜トランジスタにおいて、ゲート電極２０、ソース電極３０、ドレイン電極３１及び半導体層４０を所定の材料を用いて、それぞれの形成を説明したが、「発明を実施するための最良の形態」の初めの部分において説明した材料を使用しても良いことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１、第２及び第３の実施形態による有機半導体を用いた薄膜トランジスタの断面構造を示す概念図である。
【図２】本発明の製造方法を説明する図であり、製造の各工程毎における薄膜トランジスタの断面構造を示す概念図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０…ゲート絶縁膜
２０…ゲート電極
３０…ソース電極
３１…ドレイン電極
４０…有機半導体層
【図１】
2006186294.tif 000003
【図２】
2006186294.tif 000004