(57)【要約】【課題】  有機半導体材料層を簡易にかつ安定して形成することができる、半導体装置及びその製造方法、光学装置並びにセンサ装置を提供すること。【解決手段】  ソース電極５と、ドレイン電極６と、少なくともこれらの電極間に設けられた有機半導体材料層７とを有し、有機半導体材料層７を介してソース電極５とドレイン電極６との間で電荷を移動させるように構成された有機電界効果トランジスタ１Ａ及びその製造方法であって、有機半導体材料溶液１７中にソース電極５及びドレイン電極６を配置し、電気めっき法により、ソース電極５又は／及びドレイン電極６の表面上に有機半導体材料を堆積させて、有機半導体材料層７を形成することを特徴とする有機電界効果トランジスタ１Ａ及びその製造方法。【選択図】          図１
2006203004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、第２電極と、少なくともこれらの電極間に設けられた有機半導体材料層とを有し、前記有機半導体材料層を介して前記第１電極と前記第２電極との間で電荷を移動させるように構成された半導体装置の製造方法において、
前記有機半導体材料からなる電解液中に前記第１電極及び前記第２電極を配置する工  程と、
電気化学的方法により、前記第１電極又は／及び前記第２電極の表面上に前記有機半  導体材料を堆積させて、前記有機半導体材料層を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１電極を正極又は負極とし、前記第２電極を前記第１電極の極性とは異なる極性とし、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して、前記第１電極の表面上に前記有機半導体材料を堆積した後に、前記第２電極の表面上に前記有機半導体材料を堆積する、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１電極及び前記第２電極を正極又は負極とし、前記第１及び第２電極の極性とは異なる極性を有する第３の電極を配置し、前記第１電極及び前記第２電極と前記第３電極との間に電圧を印加して、前記第１電極及び前記第２電極の表面上に前記有機半導体材料を堆積する、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記有機半導体材料として、正電荷又は負電荷に解離性のある官能基又は原子を有する有機半導体分子を用いる、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、ソース電極としての前記第１電極と、ドレイン電極としての前記第２電極と、チャンネル領域としての前記有機半導体材料層とからなる有機電界効果トランジスタを製造する、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
第１電極と、第２電極と、少なくともこれらの電極間に設けられた有機半導体材料層とを有し、前記有機半導体材料層を介して前記第１電極と前記第２電極との間で電荷を移動させるように構成された半導体装置において、前記第１電極及び前記第２電極の表面上に電気化学的方法により堆積した前記有機半導体材料によって、前記有機半導体材料層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
前記有機半導体材料が、正電荷又は負電荷に解離性のある官能基又は原子を有する有機半導体分子からなる、請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、ソース電極としての前記第１電極と、ドレイン電極としての前記第２電極と、チャンネル領域としての前記有機半導体材料層とからなる有機電界効果トランジスタとして構成された、請求項６に記載の半導体装置。
【請求項９】
請求項６〜請求項８の何れか１項に記載の半導体装置を駆動素子として具備する光学装置。
【請求項１０】
電界発光装置、液晶表示装置又は太陽電池である、請求項９に記載の光学装置。
【請求項１１】
請求項６〜請求項８の何れか１項に記載の半導体装置によって構成されたセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、電界効果トランジスタに好適な半導体装置及びその製造方法、光学装置並びにセンサ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field effect transistor）においては、チャンネル領域を構成する半導体材料層として、Ｓｉ、ＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓ等の無機半導体材料が用いられているが、これ等の無機半導体材料を用いた薄膜トランジスタの製造工程では、４００℃以上の高温のプロセスが必要とされる。そのために、無機半導体材料を用いた薄膜トランジスタを、プラスチックス等のように、柔らかく、割れにくく、かつ軽い支持体（基板）上に作製することはきわめて困難である。
【０００３】
一方、チャンネル領域を有機半導体材料によって構成する有機電界効果トランジスタ（有機ＦＥＴ）は、プラスチックスの耐熱温度よりも低い温度で製造が可能である。また、塗布可能な材料を用いて製造可能であることから、低コスト及び大面積の半導体素子として期待されている。
【０００４】
ところで、従来の有機ＦＥＴでは、有機半導体材料層と良好なオーミックコンタクトを形成するために、ソース電極及びドレイン電極は、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）といった金属材料から構成されているか、或いは、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリスチレンスルホン酸[ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ]や、ドーピング材料をドーピングしたポリアニリン、カーボンナノチューブ等から構成されている。
【０００５】
このような有機ＦＥＴの構造としては、図８（ｄ）に示すように、金（Ａｕ）等からなるソース電極５５とドレイン電極５６との間にチャンネル領域５８を有する有機半導体材料層５７に対向して、ゲート絶縁膜５３を介してゲート電極５４が基板５２上に設けられた例えば、ボトムコンタクト型ボトムゲート構造の有機ＦＥＴ５１が知られている。
【０００６】
この有機ＦＥＴを製造するには、図８（ａ）に示すように、例えば、シリコン、ガラス又はプラスチックフィルムからなる基板５２上に、リソグラフィー法又はリフトオフ法により、Ａｕ等のゲート電極５４を形成し、更に例えば、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）やＳｉＯ2等のゲート絶縁膜５３をスピンコート法等により形成する。
【０００７】
次に、図８（ｂ）に示すように、例えば、リソグラフィー法又はリフトオフ法により、ソース電極５５及びドレイン電極５６を形成する。
【０００８】
次に、図８（ｃ）に示すように、ソース電極５５、ドレイン電極５６及びゲート絶縁膜５３上に、チャンネル領域５８を有する有機半導体材料層５７を形成する。この有機半導体材料層５７は、例えば、ポリ３ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）を蒸着法等により成膜する（後記の非特許文献１参照）。この有機半導体材料をスピンコート法等で成膜する方法も知られている（後記の非特許文献２参照）。
【０００９】
次に、図８（ｄ）に示すように、有機半導体材料層５７を所定の形状にパターニングして素子分離（アイソレーション）することにより、ボトムコンタクト型ボトムゲート構造の有機ＦＥＴ５１の作製工程を終了する。なお、図中、ソース電極５５、ドレイン電極５６及びゲート電極５４には、それぞれ、端子Ｓ、端子Ｄ及び端子Ｇが接続されている。
【００１０】
【非特許文献１】ADVANCED MATERIALS, 2003,15,No.24,December 17,P2066-2069
【非特許文献２】APPLIED PHYSICS LETTERS, Volume 85, Number 20, November 15, 2004,P4663-4665
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
こうした有機ＦＥＴにおいては、チャンネル領域の形成に次のような問題点がある。
【００１２】
まず、チャンネル領域８を形成する際に、上記の非特許文献１に示された蒸着法として、例えばエレクトロンビーム（ＥＢ）蒸着法を適用した場合、或いはＣＶＤ（Chemical vapor deposition）法を適用した場合には、チャネル領域８の材料（有機半導体材料）を溶液にして成膜できないという問題があり、また成膜するには大幅な装置の改造が必要になる。
【００１３】
また、粉末状の有機半導体材料では、この方法でしか成膜できず、大面積基板に成膜するには装置が大型化し過ぎて場所もコストも必要となる。その上、チャネル領域８以外の全面に有機半導体材料が堆積するために、成膜後にアイソレーション等が必要となり、プロセス工程が増えてしまい、それらが特性劣化の要因の一つになってしまう。
【００１４】
また、メタルマスクを用いればチャネル領域８のパターニングはできるが、メタルマスクのアライメントの問題や、構造上の解像度の問題から、微細なパターニングは行い難い。
【００１５】
他方、上記の非特許文献２のように、スピンコート法を用いた方法では、有機半導体材料を塗布した場合に、大面積基板や角型基板には対応しきれず、チャンネルの厚みの制御性やプロセス自体の安定性が低く、また蒸着法に比べるとキャリア移動度も低く、窒素雰囲気下で行わないと特性劣化が早くなるという問題もある。
【００１６】
また、ＥＢ蒸着法やＣＶＤ法と同じように、全面に塗布するために、塗布後にアイソレーション等が必要となってプロセス工程が増えてしまい、それらが特性劣化の要因の一つになってしまう。
【００１７】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、有機半導体材料層を簡易にかつ安定して形成することができる、半導体装置及びその製造方法、光学装置並びにセンサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
即ち、本発明は、第１電極（例えばソース電極：以下、同様）と、第２電極（例えばドレイン電極：以下、同様）と、少なくともこれらの電極間に設けられた有機半導体材料層とを有し、前記有機半導体材料層を介して前記第１電極と前記第２電極との間で電荷を移動させるように構成された半導体装置、特に有機ＦＥＴの製造方法において、
前記有機半導体材料からなる電解液中に前記第１電極及び前記第２電極を配置する工  程と、
電気化学的方法（例えば電解めっき法）により、前記第１電極又は／及び前記第２電  極の表面上に前記有機半導体材料を堆積させて、前記有機半導体材料層を形成する工程  と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法に係わるものである。
【００１９】
本発明は又、第１電極と、第２電極と、少なくともこれらの電極間に設けられた有機半導体材料層とを有し、前記有機半導体材料層を介して前記第１電極と前記第２電極との間で電荷を移動させるように構成された半導体装置において、前記第１電極及び前記第２電極の表面上に電気化学的方法により堆積した前記有機半導体材料によって、前記有機半導体材料層が形成されていることを特徴とする半導体装置、特に有機ＦＥＴに係わるものである。
【００２０】
本発明は又、本発明の半導体装置を駆動素子として具備する光学装置、例えば電界発光装置、液晶表示装置又は太陽電池に係わるものである。
【００２１】
本発明は又、本発明の半導体装置によって構成されたセンサ装置、例えば光センサに係わるものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、電気化学的方法により、前記第１電極又は／及び前記第２電極の表面上に前記有機半導体材料を堆積させて前記有機半導体材料層を形成するので、所望の位置、即ち前記第１電極及び前記第２電極の表面及びその近傍にのみ選択的に前記有機半導体材料層を形成することができ、従って成膜後にパターニングを行う必要なしに前記有機半導体材料層を微細な所定のパターンに簡易かつ高精度に安定して形成することが可能である。
【００２３】
また、前記有機半導体材料の持つ電荷が正か負のどちらの場合でも、前記第１電極又は前記第２電極を正極か負極に選択する（或いは入れ替える）だけで、前記有機半導体材料層を形成することができるために、前記有機半導体材料の材料としての選択の自由度を高めることが可能である。
【００２４】
また、前記有機半導体材料層を電気化学的方法により形成するので、大面積の基板に対して前記有機半導体材料層を形成することができ、溶液状態の前記有機半導体材料を用いた場合にも、前記有機半導体材料層を安定して形成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】
本発明においては、前記第１電極を正極又は負極とし、前記第２電極を前記第１電極の極性とは異なる極性とし、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して、前記第１電極の表面上に前記有機半導体材料を堆積した後に、前記第２電極の表面上に前記有機半導体材料を堆積することにより、前記第１及び第２電極の表面上に前記有機半導体材料を順次堆積することができる。
【００２６】
また、前記第１電極及び前記第２電極を正極又は負極とし、前記第１及び第２電極の極性にとは異なる極性を有する第３の電極を配置し、前記第１電極及び前記第２電極と前記第３電極との間に電圧を印加して、前記第１電極及び前記第２電極の表面上に前記有機半導体材料を堆積することにより、前記第１及び第２電極の表面上に前記有機半導体材料を同時に堆積することができる。
【００２７】
また、前記有機半導体材料として、正電荷又は負電荷に解離性のある官能基又は原子を有する有機半導体分子を用いるのが望ましい。
【００２８】
また、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、ソース電極としての前記第１電極と、ドレイン電極としての前記第２電極と、チャンネル領域としての前記有機半導体材料層とからなる有機電界効果トランジスタ（有機ＦＥＴ）として本発明の半導体装置を製造することができる。
【００２９】
次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に詳細に説明する。
【００３０】
第１の実施の形態
図１〜図４は、本発明の第１の実施の形態を示すものである。
【００３１】
本実施の形態による例えばボトムコンタクト型ボトムゲート構造の有機電界効果トランジスタ（有機ＦＥＴ）１Ａは、図２（ｂ）に示すように、常法に従って、基板２上にＡｕ等のゲート電極及びＰＶＰ等のゲート絶縁膜３が形成され、ゲート絶縁膜３上にＡｕ等のソース電極５（第１電極）及びドレイン電極６（第２電極）が形成され、これらの両電極間にチャンネル領域となる有機半導体材料層７が後述のめっき法によって形成された構造を有している。この有機ＦＥＴ１Ａの作製方法について説明する。
【００３２】
まず、図１及び図２（ａ）に示すように、上記のソース電極５及びドレイン電極６を形成した基板２を有機半導体材料溶液１７（電解液）を収容しためっき槽１０内に浸漬する。
【００３３】
この場合、ソース電極５を正極とし、ドレイン電極６を負極として両電極間に電圧を印加すると、ソース電極５の表面及びその近傍にのみ、チャンネル領域８を形成するための有機半導体材料７ａが電気めっきにより選択的に堆積する。
【００３４】
次いで、図２（ｂ）に示すように、ソース電極５を負極に、ドレイン電極６を正極に切り換え、両電極間に電圧を印加すると、ドレイン電極６の表面及びその近傍にのみ、チャンネル領域８を形成するための有機半導体材料７ｂが既に堆積している有機半導体材料７ａに一部オーバーラップして電気めっきされる。これによって、チャンネル領域８を有する有機半導体材料層７を形成する。
【００３５】
ここで、めっき液１７として有機半導体材料の溶液、又は、有機半導体材料の分散液を用いるが、この有機半導体材料は、＋（プラス）の電荷を持つものでも、−（マイナス）の電荷を持つものでもよい。
【００３６】
上記した例では、−（マイナス）の電荷を持った有機半導体材料を正極のソース電極５側の表面及びその近傍にのみ有機半導体材料７ａを選択的に堆積させる。そして更に、電極の極性の切り換えによって、ドレイン電極６の表面及びその近傍に有機半導体材料７ｂを選択的に堆積させる。
【００３７】
なお、有機半導体材料として＋（プラス）の電荷を持つ材料を用いると、上記と逆に、まずドレイン電極６側に有機半導体材料７ｂが堆積し、電極の極性の切り換えによってソース電極５側に有機半導体材料７ａを堆積させる。要は、有機半導体材料が持つ電荷がプラスかマイナスかによっていずれの電極側に電気めっきされるかが変わるため、途中でソース電極５とドレイン電極６との電圧の極性を入れ替える必要がある。
【００３８】
こうした有機半導体材料としては、各電極にめっき法により堆積可能とするために、正電荷又は負電荷に解離性のある官能基又は原子を有する有機半導体材料を用いる。
【００３９】
図３は、電離可能な官能基を有する有機半導体材料を例示するが、これは、電解液のｐＨをコントロールすることによって電気めっきが可能であれば、幅広い材料から選択することができる。例えば、図３（ａ）に示すポリチオフェン系の有機半導体材料を用いることができるが、その分子中に官能基Ｒ1及びＲ2として、ＣＯＯＨ、ＮＨ2及びＳＯ3Ｈのように、カルボキシル基、アミノ基及びスルホニル基のようなマイナス又はプラスに電離可能な官能基を導入することができる。
【００４０】
また、図３（ｂ）に示す有機半導体材料も使用可能であり、その分子中の官能基Ｒ3、Ｒ4がプラスに電離可能なＭ（銅、鉄等の金属原子）を取り込んでキレート（錯化合物）を形成する構造にすることができる。こうしたキレートとしては、上記以外にも銅フタロシアニンなども使用できる。
【００４１】
次に、図４について、上記しためっき法（電気化学的方法）の原理をより詳細に説明する。
【００４２】
例えば、めっき槽１０に収容された有機半導体材料溶液１７としてのＭ（メタル）ＰｔＰ（ポリチオフェン錯化合物）の溶液（又は分散液）１７の中に、負極となる陰極１３及び正極となる陽極１２をそれぞれ配置する。
【００４３】
そして、有機半導体材料溶液１７中に＋（プラス）の電荷を持ったＭＰｔＰ（ポリチオフェン）を分散させ、陰極１３に−（マイナス）の電圧をかけ、陽極１２側に＋（プラス）の電圧を印加することにより、陽イオンに電離させて陰極１３（ソース電極）上に集めて、ＭＰｔＰ（ポリチオフェン錯化合物）からなる薄膜１４（上記の例における有機半導体材料７ａに対応）を電気めっきにより堆積させる。しかる後、電極の極性を切り換えれば、今度は他方の電極（ドレイン電極）に薄膜１４を堆積させる。
【００４４】
上述した本実施の形態によれば、ソース電極５及びドレイン電極６の表面及びその近傍においてチャンネル領域８を含む領域のみに有機半導体材料層７を選択的に形成することができるため、微細なチャンネル領域８のパターニングを省くことが可能となり、容易かつ高精度に安定してチャンネル領域８を形成することができる。
【００４５】
また、チャンネル領域８の構成材料の持つ電荷がプラスかマイナスのどちらの場合でも、ソース電極５及びドレイン電極６のプラス（正極）とマイナス（負極）とを入れ替えるだけで、チャンネル領域８を電気めっきにより形成できるので、チャンネル領域８の構成材料の選択の幅を広げることが可能となる。
【００４６】
また、チャンネル領域８を電気めっきにより形成するので、大面積の基板を使用でき、溶液状態のチャンネル領域構成材料を用いた場合にも、安定してチャンネル領域８を形成することが可能となる。
【００４７】
第２の実施の形態
図５は、本発明の第２の実施の形態を示すものである。
【００４８】
本実施の形態では、ソース電極５及びドレイン電極６を正極とし、負の極性を有する電極１１（第３電極）をめっき層１０内に配置し、ソース電極５及びドレイン電極６と電極１１との間に電圧を印加して、ソース電極５及びドレイン電極６の表面上に同時に有機半導体材料７を電気めっきにより堆積して、有機電界効果トランジスタ１Ｂを作製すること以外は、上述の第１の実施の形態と同様である。
【００４９】
なお、図５では、ソース電極５及びドレイン電極６を正極とし、電極１１を負極として有機半導体材料層７を形成しているが、有機半導体材料溶液１７を変更することにより、ソース電極５及びドレイン電極６を負極とし、電極１１を正極として有機半導体材料層７を形成することも可能である。
【００５０】
本実施の形態によれば、有機半導体材料７をソース電極５からドレイン電極６に亘って同時に堆積させているので、各電極の極性の切り換えを行う必要がなく、少ない工程で有機半導体材料層７を形成することができる。
【００５１】
その他、本実施の形態においては、上述した第１の実施の形態で述べたのと同様の作用及び効果が得られる。
【００５２】
第３の実施の形態
図６は、本発明の第３の実施の形態を示すものである。
【００５３】
本実施の形態は有機電界発光表示装置２５（光学装置）に係るものであって、上述したボトムコンタクト型ボトムゲート構造の有機電界効果トランジスタ１Ａ（駆動素子）のドレイン電極６に画素側のアノード電極２４を延設し、有機半導体材料層７を貫通して、ドレイン電極６とアノード電極２４とを電気的に接続している。このアノード電極２４上には、正孔輸送層２３、発光層２２、電子輸送層２１及びカソード電極２０を順次形成し、全体を絶縁膜１６で覆っている。
【００５４】
この表示装置２５の駆動時には、トランジスタ１Ａのオンによりチャンネル領域８からドレイン電極６を通して供給される電流と、カソード電極２０からの電子との再結合によって、発光層２２から光が放射され、正孔輸送層２３、アノード電極２４、ゲート絶縁膜３及び基板２を通して光が導出される。この光は、カソード電極２０を薄くすれば、カソード電極側から導出することもできる。
【００５５】
本実施の形態においては、上述した第１の実施の形態で述べたのと同様の作用及び効果を有するトランジスタ１Ａを駆動素子とする表示装置２５を提供することができる。
【００５６】
第４の実施の形態
図７は、本発明の第４の実施の形態を示すものである。
【００５７】
本実施の形態はセンサ１５に係るものであって、ゲート絶縁膜３及びゲート電極４はあえて設ける必要がなく、ゲート絶縁膜３の替わりに絶縁膜１６が設けられていてよい。
【００５８】
このセンサ１５の駆動時には、外部から有機半導体材料層７に作用する作用物質（例えば光）によって、端子Ｔ1、ソース電極５、有機半導体材料層７、ドレイン電極６及び端子Ｔ2を順次移動する電荷量を変化させ、これによって入射光量、その波長などを検出することができる。
【００５９】
本実施の形態においては、上述した第１の実施の形態で述べたのと同様の作用及び効果を有する構造を用いて、光センサなどのセンサ装置を構成することができる。
【００６０】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。
【００６１】
例えば、上述した有機半導体材料の種類やめっき条件等は種々変更してよい。
【００６２】
また、本発明を液晶表示装置や、光センサ以外のガスセンサ等、色素増感型等の太陽電池に適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明による半導体装置は、有機ＦＥＴ、及びこれを用いる電界発光装置、液晶表示装置又は太陽電池等に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１の実施の形態による半導体装置の主要な作製工程を示す断面図である。
【図２】同、作製工程を順次示す断面図である。
【図３】同、有機半導体材料の化学構造図である。
【図４】同、めっき法の原理を示す概略断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態による半導体装置の作製工程を示す断面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態による有機電界発光表示装置を示す断面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態によるセンサを示す断面図である。
【図８】従来例による半導体装置の作製工程を順次示す断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１Ａ、１Ｂ…有機電界効果トランジスタ、２…基板、３…ゲート絶縁膜、
４…ゲート電極、５…ソース電極、６…ドレイン電極、７ａ、７ｂ…有機半導体材料、
７…有機半導体材料層、８…チャンネル領域、１０…めっき槽、
１７…有機半導体材料溶液
【図１】
2006203004.tif 000003
【図２】
2006203004.tif 000004
【図３】
2006203004.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006203004.tif 000007
【図６】
2006203004.tif 000008
【図７】
2006203004.tif 000009
【図８】
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