(57)【要約】【課題】電極材料にかかるコストが低く、かつ充分なトランジスタ特性を有する薄膜トランジスタを提供することを課題とする。特に、有機半導体材料を用いた薄膜トランジスタを提供することを課題とする。【解決手段】少なくとも、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、半導体層を含む薄膜トランジスタにおいて、該ソース電極および該ドレイン電極が、それぞれ少なくとも半導体層と接する接触部とそれ以外の非接触部からなり、該接触部と該非接触部の電極材料が異なることを特徴とする薄膜トランジスタとするものである。【選択図】図１
2006013433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、半導体層を含む薄膜トランジスタにおいて、該ソース電極および該ドレイン電極が、それぞれ少なくとも半導体層と接する接触部とそれ以外の非接触部からなり、該接触部と該非接触部の電極材料が異なることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記ソース電極およびドレイン電極が印刷法により設けられていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記印刷法がスクリーン印刷法またはインクジェット法であることを特徴とする請求項２記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記半導体層が、有機半導体材料もしくは酸化物半導体材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
【請求項５】
前記ソース電極およびドレイン電極の接触部に用いる電極材料の仕事関数が、非接触部に用いる電極材料の仕事関数より高いことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
【請求項６】
前記接触部の電極材料が、金またはポリ（エチレンジオキシチオフェン）／ポリスチレンスルホネートまたはポリアニリンであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
【請求項７】
前記ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極とドレイン電極、有機半導体層が、基材上に設けられてなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項８】
前記ゲート絶縁膜がプラスチック基材からなり、少なくともその一方の面に前記ゲート電極を設け、もう一方の面にソース電極とドレイン電極、有機半導体層を設けてなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
【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ものである。
【背景技術】
【０００２】
情報技術の目覚しい発展により、現在ではノート型パソコンや携帯情報端末などでの情報の送受信が頻繁に行われている。近い将来、場所を選ばずに情報をやり取りできるユビキタス社会が来るであろうことは周知の事実である。そのような社会においては、より軽量、薄型の情報端末が望まれる。
【０００３】
現在半導体の主流はＳｉ系であるが、フレキシブル化、軽量化、低コスト化などの観点から有機半導体を用いたトランジスタ（有機トランジスタ）の研究が盛んになっている。一般に有機半導体を用いる場合、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、プラスチック基板の利用などといった利点が挙げられる（非特許文献１参照）。
【０００４】
またその応用分野は広く、上記のような薄型、軽量のフレキシブルディスプレイに限らず、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグやセンサーなどへの応用も見込まれている。このように、ユビキタス社会に向けて有機トランジスタの研究は必要不可欠である。
【０００５】
このような理由により、現在では印刷を用いた有機半導体の研究が注目されている。
【０００６】
しかしながら、一般的に有機半導体を用いた電界効果トランジスタのキャリヤ移動度は現在では１０−２から１０−４オーダーと低く、実用化するレベルにまで至っていないため、有機半導体材料、電極材料、素子構成、製造プロセスなどの改良が急務となっている。
【０００７】
中でも有機半導体と電極界面の問題は重要であり、いかに効率よく電極から有機半導体にキャリヤを注入できるかによってトランジスタの性能が大きく変わってくる。現在有機半導体として用いられている化合物の多くはキャリヤがホールであるｐ型半導体が多いため、電極材料に仕事関数の大きな白金（５．６５ｅＶ）や金（５．１ｅＶ）等の金属材料や、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）／ポリスチレンスルホネート（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）（５．０ｅＶ）、ポリアニリン（４．９ｅＶ）等の導電性高分子材料を用いることにより、有機半導体／金属界面での障壁が下がり、キャリア注入効率が上がることがわかっている。
【０００８】
例えば、ソースおよびドレイン電極に仕事関数の高い金や白金を用いて薄膜トランジスタを作製している例がある（特許文献１参照）。
【０００９】
ところが、仕事関数の高い金属材料は通常高価であり、低コストな有機トランジスタを作製する上での障壁となっている。また、導電性高分子材料はその溶解度の低さから高粘度化が困難なためインクジェット等でパターニングされるが、その場合膜厚が薄いために抵抗が高くなり、その問題を解決するために何度か重ねてパターンを形成しなければならないなどの問題を抱えている。
【特許文献１】特開２０００−１７４２７７号公報
【非特許文献１】Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｖｏｌ．２６５，１６８４（１９９４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明では上記のような問題を解決するため、電極材料にかかるコストが低く、かつ充分なトランジスタ特性を有する薄膜トランジスタを提供することを課題とする。特に、有機半導体材料を用いた薄膜トランジスタを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、少なくとも、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、半導体層を含む薄膜トランジスタにおいて、該ソース電極および該ドレイン電極が、それぞれ少なくとも半導体層と接する接触部とそれ以外の非接触部からなり、該接触部と該非接触部の電極材料が異なることを特徴とする薄膜トランジスタである。
【００１２】
請求項２の発明は、前記ソース電極およびドレイン電極が印刷法により設けられていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタである。
【００１３】
請求項３の発明は、前記印刷法がスクリーン印刷法またはインクジェット法であることを特徴とする請求項２記載の薄膜トランジスタである。
【００１４】
請求項４の発明は、前記半導体層が、有機半導体材料もしくは酸化物半導体材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜トランジスタである。
【００１５】
請求項５の発明は、前記ソース電極およびドレイン電極の接触部に用いる電極材料の仕事関数が、非接触部に用いる電極材料の仕事関数より高いことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜トランジスタである。
【００１６】
請求項６の発明は、前記接触部の電極材料が、金またはポリ（エチレンジオキシチオフェン）／ポリスチレンスルホネートまたはポリアニリンであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の薄膜トランジスタである。
【００１７】
請求項７の発明は、前記ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極とドレイン電極、有機半導体層が、基材上に設けられてなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタである。
【００１８】
請求項８の発明は、前記ゲート絶縁膜がプラスチック基材からなり、少なくともその一方の面に前記ゲート電極を設け、もう一方の面にソース電極とドレイン電極、有機半導体層を設けてなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の薄膜トランジスタである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、キャリヤ注入効率の高い、高価な材料を半導体層との接触部にのみ用い、それ以外の非接触部を安価な導電材料を用いることで低コスト且つ高性能な薄膜トランジスタを作製することができる。また、半導体層の材料として有機半導体材料を用いることにより、フレキシブルな薄膜トランジスタとすることができ、印刷法を用いることで大量にトランジスタを作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明は、少なくとも、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、半導体層を含む薄膜トランジスタにおいて、該ソース電極および該ドレイン電極が、それぞれ少なくとも半導体層と接する接触部とそれ以外の非接触部から成り、該接触部と該非接触部が異なる電極材料を用いて形成することにより、低コストで薄膜トランジスタを製造できるものである。
【００２１】
本発明では、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、半導体層を設けることができる。
【００２２】
基材としては、特に限定されるものではないが、ガラス基板やプラスチックフィルムを用いることができる。具体的には、石英などのガラス基板、シリコンウェハーや、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリイミド、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネートなどのプラスチックフィルムを用いることが出来る。プラスチックフィルムであれば、可撓性であり、フレキシブルな薄膜トランジスタとすることができ、好ましい。また、乾燥工程での熱処理を考慮すると熱安定性の高いガラスや石英ガラス、プラスチックフィルムではＰＥＳが好ましい。
【００２３】
非接触部に用いる電極材料としては、公知の材料を用いることが出来る。例えば、銀、カーボン、アルミニウム等の導電性材料、導電性の有機金属化合物などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２４】
また、これらの電極材料は蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などの気相法や塗布法などにより設けることができる。好ましくはこれら電極材料のペースト化したものを印刷法などの塗布法により設けることが好ましい。
【００２５】
また、コストを考慮すると低価格な銀・カーボン（仕事関数４．９ｅＶ）やアルミニウム（仕事関数４．３ｅＶ）を導電材料とした厚膜ペーストを用いることが好ましい。
【００２６】
有機半導体層との接触部に用いる電極材料も公知の材料を用いることが出来る。すなわち、金、白金やポリ（エチレンジオキシチオフェン）／ポリスチレンスルホネート（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）などの有機導電性材料などであるが、これらに限定されるものではない。
【００２７】
また、これらの電極材料も蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などの気相法や塗布法などにより設けることができる。好ましくは電極材料のペースト化したものを印刷法などの塗布法により設けることが好ましい。
【００２８】
また、多くの有機半導体が電荷を輸送するキャリヤがホールであるｐ型半導体であることから、半導体層とオーミック接触をとるためには仕事関数の高い材料が好ましく、中でも仕事関数の高い金や白金が望ましい。
【００２９】
半導体との接触部に仕事関数の高い材料を用いたトランジスタでは、オン電流が増加するため、キャリヤ移動度や電流値のオン／オフ比が増加する。
【００３０】
また有機導電性材料を接触部に用いる場合、非接触部で膜厚をかせぐことができるため、有機導電性材料の膜厚が薄いことによる抵抗増加を回避することが出来る。
【００３１】
ゲート絶縁膜に用いる材料としては、公知の材料を用いることが出来る。例えば、ポリエステル／メラミン樹脂ペーストやエポキシ樹脂ペースト、フェノール樹脂ペーストなどの絶縁ペースト、チタン酸バリウムなどを樹脂に分散させた誘電体ペーストなどであるが、これらに限定されるものではない。
【００３２】
また、ＰＥＴやＰＥＮ、ＰＥＳなどの薄膜をゲート絶縁膜として用いることも出来る。この場合、ゲート絶縁膜が基材を兼ねることができ、ゲート絶縁膜の片面にゲート電極、反対の面にソース電極およびドレイン電極を設ける。
【００３３】
半導体層の材料としては、公知の材料を用いることができる。例えば、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およびそれらの誘導体のような高分子有機半導体材料を用いることが出来る。
【００３４】
また、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半導体材料として用いることが出来る。また、ＩｎＧａＺｎＯ系、ＩｎＧａＯ系、ＺｎＧａＯ系、ＩｎＺｎＯ系、ＺｎＯ系、ＳｎＯ系などの酸化物半導体も半導体材料として用いることができる。
【００３５】
本発明では、電界効果トランジスタの構造として、ボトムゲート・ボトムコンタクト（プレーナー）型、ボトムゲート・トップコンタクト（逆スタガー）型、トップゲートボトムコンタクト（スタガー）型などの全ての基本構造に用いることが出来る。
【００３６】
本発明では、前記ゲート電極、ソース・ドレイン電極、ゲート絶縁膜、有機半導体材料の一部もしくは全部を基板上に印刷法でパターン形成することが好ましい。
【００３７】
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、インクジェット法など公知の手法を用いることができる。
【００３８】
電極の非接触部を印刷で形成する場合、グラビア印刷やオフセット印刷、スクリーン印刷などが適用できるが、膜厚が薄いと配線抵抗が増すため、厚膜を形成しやすいスクリーン印刷が好ましい。
【００３９】
電極の接触部を印刷で形成する場合、トランジスタの特性を上げるためには狭いギャップ（チャネル）を形成することが要求される。狭ギャップを形成できる印刷法であれば適宜利用することが出来るが、用いる電極材料によって印刷法が異なる。すなわち、金のナノペーストのように粘度が５００ｍＰａｓ前後と高い材料の場合スクリーン印刷が、また金のナノペーストでも１０ｍＰａｓ前後と低い材料や導電性高分子の溶液を用いる場合はその粘度特性からインクジェット法が適している。以下、実施例を元に説明する。
【実施例１】
【００４０】
図１に示すプレーナー型電界効果トランジスタを図３に示す製造工程図の要領で作製した。ガラス基板上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（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を印刷後、１５０℃で乾燥して形成した。ゲート電極上にポリエステル／メラミン樹脂の絶縁ペースト（アサヒ化学研究所製）を用いてスクリーン印刷でゲート絶縁膜を印刷後、１３０℃で乾燥して形成した。ゲート絶縁膜上に、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（アサヒ化学研究所製）を用いてスクリーン印刷によりソース・ドレイン電極の非接触部を印刷後、１５０℃で乾燥して形成した。金のナノ粒子を分散させたペースト（ハリマ化成株式会社製）を用いてスクリーン印刷で有機半導体層との接触部を印刷後、１５０℃で乾燥して形成した。しかる後、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インクジェット装置で印刷、１００℃で乾燥して形成した。
【００４１】
この結果、ガラス基板上にプレーナー型有機電界効果トランジスタを作製することができた。
【実施例２】
【００４２】
図１に示すプレーナー型電界効果トランジスタを図３に示す製造工程図の要領で作製した。ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）基板（東レ株式会社製）上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（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を印刷後、１５０℃で乾燥して形成した。ゲート電極上にポリエステル／メラミン樹脂の絶縁ペースト（アサヒ化学研究所製）を用いてスクリーン印刷でゲート絶縁膜を印刷後、１３０℃で乾燥して形成した。ゲート絶縁膜上に、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（アサヒ化学研究所製）を用いてスクリーン印刷によりソース・ドレイン電極の非接触部を印刷後、１５０℃で乾燥して形成した。金のナノ粒子を分散させたペースト（ハリマ化成株式会社製）を用いてスクリーン印刷で有機半導体層との接触部を印刷後、１５０℃で乾燥して形成した。しかる後、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インクジェット装置で印刷、１００℃で乾燥して形成した。
【００４３】
この結果、ＰＥＴ基板上にプレーナー型有機電界効果トランジスタを作製することができた。
【実施例３】
【００４４】
図１に示すプレーナー型電界効果トランジスタを図４に示す製造工程図の要領で作製した。ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）基板（帝人デュポン株式会社製）上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（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を印刷後、１５０℃で乾燥して形成した。ゲート電極上にポリエステル／メラミン樹脂の絶縁ペースト（アサヒ化学研究所製）を用いてスクリーン印刷でゲート絶縁膜を印刷後、１３０℃で乾燥して形成した。ゲート絶縁膜上に、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（アサヒ化学研究所製）を用いてスクリーン印刷によりソース・ドレイン電極の非接触部を印刷後、１５０℃で乾燥して形成した。ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳの水溶液（スタルクヴィテック株式会社製）を用いて有機半導体層との接触部をインクジェット装置で印刷、１３０℃で乾燥させて形成した。しかる後、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インクジェット装置で印刷、１００℃で乾燥して形成した。
【００４５】
この結果、ＰＥＮ基板上にプレーナー型有機電界効果トランジスタを作製することができた。
【実施例４】
【００４６】
図２に示すスタガー型有機電界効果トランジスタを図５に示す製造工程図の要領で作製した。ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）基板（東レ株式会社製）上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（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を印刷後、１５０℃で乾燥して形成した。ゲート電極上にポリエステル／メラミン樹脂の絶縁ペースト（アサヒ化学研究所製）を用いてスクリーン印刷でゲート絶縁膜を印刷後、１３０℃で乾燥して形成した。ゲート絶縁膜上に、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インクジェット装置で印刷、１００℃で乾燥して形成した。有機半導体上に金のナノ粒子を分散させたペースト（ハリマ化成株式会社製）を用いてスクリーン印刷で有機半導体層との接触部を印刷後、１５０℃で乾燥して形成した。しかる後、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（アサヒ化学研究所製）を用いてスクリーン印刷によりソース・ドレイン電極の非接触部を印刷後、１５０℃で乾燥して形成した。
【００４７】
この結果、ＰＥＴ基板上にスタガー型有機電界効果トランジスタを作製することができた。
【実施例５】
【００４８】
図１に示すプレーナー型有機電界効果トランジスタを図６に示す製造工程図の要領で作製した。ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜（東レ株式会社製）からなるゲート絶縁膜を基板として用い、ロール状で印刷装置に供給し、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（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を印刷後、１５０℃で乾燥して形成した。ＰＥＴ薄膜を裏側にし、ゲート電極の反対側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（アサヒ化学研究所製）を用いてスクリーン印刷によりソース・ドレイン電極の非接触部を印刷後、１５０℃で乾燥して形成した。金のナノ粒子を分散させたペースト（ハリマ化成株式会社製）を用いてスクリーン印刷で有機半導体層との接触部を印刷後、１５０℃で乾燥して形成した。しかる後、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インクジェット装置で印刷、１００℃で乾燥して形成した。
【００４９】
この結果、ＰＥＴ薄膜をゲート絶縁膜兼基板としたプレーナー型有機電界効果トランジスタを作製することができた。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明のプレーナー型電解効果トランジスタの一例を示す断面図である。
【図２】本発明のスタガー型電解効果トランジスタの一例を示す断面図である。
【図３】本発明のプレーナー型電解効果トランジスタの製造工程の一例を示す工程図である。
【図４】本発明のプレーナー型電解効果トランジスタの製造工程の一例を示す工程図である。
【図５】本発明のスタガー型電解効果トランジスタの製造工程の一例を示す工程図である。
【図６】本発明のプレーナー型電解効果トランジスタの製造工程の一例を示す工程図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０・・・基板
２０・・・ゲート電極
２１・・・ゲート電極材料
３０・・・ゲート絶縁膜
３１・・・ゲート絶縁膜材料
４０・・・ソース電極（非接触部）
４１・・・ドレイン電極（非接触部）
４２・・・ソース・ドレイン電極非接触部材料
５０・・・ソース電極（接触部）
５１・・・ドレイン電極（接触部）
５２・・・ソース・ドレイン電極接触部材料
６０・・・半導体層
６１・・・有機半導体材料
７０・・・スクリーン板
７１・・・スキージ
７２・・・インクジェット装置
【図１】
2006013433.tif 000003
【図２】
2006013433.tif 000004
【図３】
2006013433.tif 000005
【図４】
2006013433.tif 000006
【図５】
2006013433.tif 000007
【図６】
2006013433.tif 000008