(57)【要約】高温熱アニール処理方法が、有機半導体デバイスの金属材料と有機材料との間に低抵抗の接触部を生成し、キャリア注入の効率が改善される。本方法はオーム接触及びショットキー接触を形成するものである。更に、本方法は金属イオン又は金属原子を有機材料の中に移動させるか又は拡散させ、該有機材料を結晶化させ、又はその両方を生じさせるようにすることができる。その結果もたらされる有機半導体デバイスは、より速い作動速度といった、増強された作動特性を有する。本方法は熱の代わりに、電圧、電流、局部加熱のための電磁放射ネルギ、赤外線エネルギ、及び紫外線エネルギといった他の形態のエネルギを用いることができる。アルミニウム、炭素Ｃ60、及び銅からなる例示的な増強された有機ダイオードが説明され、並びに例示的な絶縁ゲート型電界効果トランジスタが説明される。
2005520356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機半導体デバイスの金属材料と有機材料との間に低抵抗の接触部を形成する方法であって、以下の工程：
前記有機半導体デバイスを、６０℃より高くかつ前記金属材料と前記有機半導体デバイスの前記有機材料との間に低抵抗の接触部を形成するのに十分な温度にさらす工程、及び
前記有機半導体デバイスを冷却する工程
を含む、前記方法。
【請求項２】
前記有機半導体デバイスを空気の存在下で加熱する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記有機半導体デバイスを真空の下で加熱する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記有機半導体デバイスを気体の存在下で加熱する請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記気体が窒素である請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記気体が酸素である請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記気体が混合気体である請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記冷却する工程が、加熱された有機半導体を放冷させる工程である請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記冷却する工程が、加熱温度より低い温度を有機半導体デバイスに適用する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記温度が、第１の金属材料を前記有機材料の中に拡散させるのに十分である請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
第１の電極材料が銅を含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記有機半導体デバイスが第２の金属材料を含み、前記温度が第２の金属材料を前記有機層の中に拡散させるのに十分である請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２の金属材料がアルミニウムを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の金属材料が、アルミニウム、銅、金、銀、鉄、スズ、亜鉛、ニッケル、コバルト、クロム、マグネシウム、チタン、インジウム、タングステン、プラチナ、カリウム、ヒ素、カルシウム、及びリチウムの少なくとも１つを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記さらす工程が、前記有機材料の結晶化を増加させる請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記有機材料がフラーレンを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記有機材料がＣ60族の１種を含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記有機材料がＣ70族の１種を含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記有機材料がＣ80族の１種を含む請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記有機材料が化合物を含む請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記化合物がＣ60族の１種を含む請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記化合物がＣ70族の１種を含む請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記化合物がＣ80族の１種を含む請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記金属材料及び前記有機材料を有する前記有機半導体デバイスを形成する工程を更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記有機材料が可撓性である請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記金属材料を可撓性となるように形成する工程を更に含む請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記有機半導体デバイスの第２金属を可撓性となるように形成する工程を更に含む請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記有機半導体デバイスの前記有機材料を基板上に印刷する工程を更に含む請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
前記有機半導体デバイスの前記有機材料を基板上に堆積させる工程を更に含む請求項２４に記載の方法。
【請求項３０】
前記有機半導体デバイスを基板上に形成する工程を更に含む請求項２４に記載の方法。
【請求項３１】
前記基板が可撓性である請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記基板がポリエチレンテレフタレートを含む請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記基板が剛直である請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
前記基板がガラス、シリコン、又は酸化シリコンを含む請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記基板が透明である請求項３０に記載の方法。
【請求項３６】
前記基板が金属を含む請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記金属材料が可撓性である請求項２５に記載の方法。
【請求項３８】
前記金属がアルミニウム、銅、金、銀、鉄、スズ、亜鉛、ニッケル、コバルト、クロム、マグネシウム、チタン、インジウム、タングステン、プラチナ、カリウム、ヒ素、カルシウム、及びリチウムの少なくとも１つを含む請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記金属がステンレス鋼を含む請求項３６に記載の方法。
【請求項４０】
前記金属が合金を含む請求項３６に記載の方法。
【請求項４１】
前記基板がドープされたシリコンを含む請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
前記基板が非導電性である請求項３０に記載の方法。
【請求項４３】
前記基板が第２の有機材料を含む請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記基板がゾル−ゲルを含む請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
前記基板がポリエチレン、ポリスチレン、ＰＴＦＥ又はテフロン、ポリエチレンテレフタレート、カプトン、及びポリスチレン被覆されたシリコンの少なくとも１つを含む請求項４２に記載の方法。
【請求項４６】
前記基板が電磁性材料を含む請求項３０に記載の方法。
【請求項４７】
前記基板が強磁性材料を含む請求項３０に記載の方法。
【請求項４８】
前記基板が強誘電性材料を含む請求項３０に記載の方法。
【請求項４９】
前記基板が有機フィルムを含む請求項３０に記載の方法。
【請求項５０】
前記基板がポリマーフィルムを含む請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記有機半導体デバイスが、第１及び第２の電極を有し、前記第１及び第２の電極が同様の仕事関数を有する材料から形成される請求項１に記載の方法。
【請求項５２】
前記有機半導体デバイスが、第１及び第２の電極を有し、前記第１及び第２の電極が実質的に異なる仕事関数を有する材料から形成される請求項１に記載の方法。
【請求項５３】
前記金属材料と前記有機材料との間にショットキー接合を形成する工程を更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項５４】
前記金属材料がアルミニウムである請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記有機材料がフラーレンである請求項５３に記載の方法。
【請求項５６】
前記金属材料と前記有機材料との間にオーム接触を形成する工程を更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項５７】
前記金属材料が銅である請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記有機材料がフラーレンである請求項５６に記載の方法。
【請求項５９】
前記低抵抗の接触部が前記有機材料と前記金属材料との間のオーム接触を含む請求項１に記載の方法。
【請求項６０】
前記低抵抗の接触部が前記有機材料と前記金属材料との間のショットキー接合を含む請求項１に記載の方法。
【請求項６１】
高性能絶縁ゲート型電界効果トランジスタを製造する方法であって、以下の工程：
基板、前記基板上に形成された有機半導体、前記有機半導体上に形成された絶縁体、前記有機半導体上に形成されたソース、前記絶縁体上に形成されたゲート、及び前記有機半導体上に形成されたドレインを含む絶縁ゲート型電界効果トランジスタを準備する工程、及び
前記ソースと前記有機半導体との間にオーム接触を生成するのに十分なエネルギに前記ソースをさらす工程
を含む、前記製造方法。
【請求項６２】
前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタを準備する工程が、
基板を準備する工程、
前記有機半導体を前記基板上に形成する工程、
前記絶縁体を前記有機半導体上に形成する工程、
前記ソースを前記有機半導体上に形成する工程、
前記ゲートを前記絶縁体上に形成する工程、及び
前記ドレインを前記有機半導体上に形成する工程
を更に含む請求項６１に記載の製造方法。
【請求項６３】
前記有機半導体が有機材料を含み、前記有機材料がフラーレンを含む請求項６１に記載の製造方法。
【請求項６４】
前記有機材料がＣ60族の１種を含む請求項６３に記載の製造方法。
【請求項６５】
前記有機材料がＣ70族の１種を含む請求項６３に記載の製造方法。
【請求項６６】
前記有機材料がＣ80族の１種を含む請求項６３に記載の製造方法。
【請求項６７】
前記ゲートが金属を含む請求項６１に記載の製造方法。
【請求項６８】
前記ゲートがアルミニウム又は金を含む請求項６７に記載の製造方法。
【請求項６９】
前記ドレインが金属を含む請求項６１に記載の製造方法。
【請求項７０】
前記ドレインが銅を含む請求項６９に記載の製造方法。
【請求項７１】
前記ソースが金属を含む請求項６１に記載の製造方法。
【請求項７２】
前記ソースが銅を含む請求項７１に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に有機半導体に関し、より具体的には高性能有機半導体デバイス及び高性能半導体デバイスを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、種々の電子デバイスの活性層として用いるために、有機及びポリマー材料が研究されている。有機材料は、費用が少ないこと、可撓性基板との適合性、及び電子デバイスが形成されるように印刷されるか又はスピンコートされる可能性を含み、シリコン材料との対比で利点をもたらす。特定の有機電子デバイスは既に着想され、製造されている。例えば、有機ダイオード、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、及び有機活性層を伴う薄膜トランジスタが知られている。例えば、（１）Ｊｉｅ  Ｌｉｕ、Ｔｚｕｎｇ−Ｆａｎｇ  Ｇｕｏ、及びＹａｎｇ  Ｙａｎｇ、“Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｆ  ｔｈｅｒｍａｌ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ”、Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．、第９１号、１５９５−１６００ページ（２００２年）、（２）Ｊｉｅ  Ｌｉｕ、Ｙｉｊｉａｎ  Ｓｈｉ、及びＹａｎｇ  Ｙａｎｇ、“Ｓｏｌｖａｔｉｏｎ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ  ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ｐｏｌｙｍｅｒ−ｂａｓｅｄ  ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｄｅｖｉｃｅｓ”、Ａｄｖ．  Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、第１１号、４２０−４２４ページ、（２００１年）、（３）Ｊｉｅ  Ｌｉｕ、Ｙｉｊｉａｎ  Ｓｈｉ、及びＹａｎｇ  Ｙａｎｇ、“Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  ｔｈｅ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｓｏｌｉｄ−ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ”、Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．、第８９号、３６６８ページ（２００１年）、（４）Ｊ．  Ｌｉｕ、Ｙ．  Ｓｈｉ、及びＹ．  Ｙａｎｇ；“Ｓｏｌｖａｔｉｏｎ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ  ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｐｏｌｙｍｅｒ／ｍｅｔａｌ  ｃｏｎｔａｃｔｓ”；Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．、第８９号、３６６８ページ（２０００年）、（５）Ｙａｎｇ  Ｙａｎｇ、Ｓｈｕｎ−Ｃｈｉ  Ｃｈａｎｇ、Ｊａｙｅｓｈ  Ｂｈａｒａｔｈａｎ、及びＪｉｅ  Ｌｉｕ、“Ｏｒｇａｎｉｃ／ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  ｄｅｖｉｃｅｓ  ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ  ｂｙ  ｈｙｂｒｉｄ  ｉｎｋ−ｊｅｔ  ｐｒｉｎｔｉｎｇ”、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ：  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｉｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、第１１号（２０００年）、８９−９６ページ、（６）Ｊ．  Ｌｉｕ、Ｙ．  Ｓｈｉ、及びＹ．  Ｙａｎｇ、Ｄｅｖｉｃｅ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ａｎｄ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ  ｉｎ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ：  ｔｈｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ、Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．、第８８号、60５、（２０００年）、（７）Ｙ．  Ｓｈｉ、Ｊ．  Ｌｉｕ、及びＹ．  Ｙａｎｇ、Ｄｅｖｉｃｅ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ａｎｄ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ  ｉｎ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ：  ｔｈｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍ  ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  ｄｅｖｉｃｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．、第８７号、４２５４ページ（２０００年）、（８）Ｓ．  Ｃ．  Ｃｈａｎｇ、Ｊ．  Ｂｈａｒａｔｈａｎ、Ｊ．  Ｌｉｕ、及びＹ．  Ｙａｎｇ、Ｍｕｌｔｉｃｏｌｏｒ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ  ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ  ｂｙ  ｉｎｋ−ｊｅｔ  ｐｒｉｎｔｉｎｇ、Ａｄｖ．  Ｍａｔ．、第１１号、７３４ページ、（１９９９年）、及び（９）Ｓ．  Ｃ．  Ｃｈａｎｇ、Ｊ．  Ｂｈａｒａｔｈａｎ、及びＹ．  Ｙａｎｇ、“Ｄｕａｌ−ｃｏｌｏｒ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ＬＥＤｓ  ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ  ｂｙ  ｈｙｂｒｉｄ  ｉｎｋｊｅｔ  ｐｒｉｎｔｉｎｇ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．、第７３号、２５６１ページ、（１９９８年）に記載されているデバイスを参照。上記の文献は、その全体が引用によりここに組み込まれる。
【０００３】
ここで用いる「有機半導体」という用語は、実質的な量の炭素を他の要素と組み合わせて含むか、又はダイヤモンドを除く炭素元素の同素体からなり、室温（２０°Ｃ）で少なくとも１０-3ｃｍ2／Ｖ−ｓの電荷キャリア移動度を示す材料を指す。しかしながら、有機半導体デバイスにおける相当な研究開発努力にもかかわらず、該有機半導体がシリコン製のものに比べてデバイス特性が劣るということが大きな原因で、これらの有機半導体は未だ広範に商用化されていない。幾つかの有機発光デバイスは無機発光デバイスと同様に作動するようであるが、ダイオードのような他の有機電子デバイスの性能はシリコン製のものに比べると劣っている。例えば、有機ダイオードはシリコン製のダイオードより周波数応答が遥かに低く、より小さい電流密度しか扱うことができない。こうした性能上の欠陥は、主として有機材料のキャリア移動度の低さその他の特性に起因する。有機トランジスタはキャリア移動度が低いために、低い電流密度しか扱えず、例えばディスプレイのための有機発光ダイオードといった電流密度の高い適用例におけるスイッチとして用いるには不適当である。今日、多くのシリコンベースの適用例が存在する１３メガヘルツ（ＭＨｚ）、９００ＭＨｚ、及び２．４ギガヘルツ（ＧＨｚ）といった高周波数で作動することができる有機デバイスは、現在のところない。例えば、無線周波数認識帯域においては、約９００ＭＨｚでパッチアンテナを用いられ、約１３ＭＨｚではコイルアンテナが用いられる。有機半導体部品から電子回路を作り上げるためには、有機半導体デバイスの性能不良問題が克服されねばならない。
【０００４】
共役有機材料は二重結合又は三重結合の近くに電子が寄り集まった有機材料である。共役有機材料は多くの場合、ドープ濃度が非常に低い状態で半導体として取り扱われる。従って、多くの場合、金属層と有機層との間の界面においては剛性エネルギ帯構造が採用される。表面エネルギ準位がないために、障壁高さ及び電荷注入効率を含む金属層と有機層との界面の性質は、接触部の金属の仕事関数に非常に敏感である。これらの現象は、ダングリングボンドによりもたらされた中間ギャップ表面エネルギ準位がフェルミ準位を固定する無機半導体の現象とは著しく異なる。よってシリコンと金属との界面は、微弱にしか金属の仕事関数の違いを反映しない。しかし有機ダイオードにおいては、電流の整流作用が、通常は、陽極と陰極との仕事関数の違いから発生する。効率的な電荷注入と高い整流率のためには、有機ダイオードは金又は酸化インジウムスズのような仕事関数の高い金属を陽極として用い、カルシウムのような仕事関数の低い金属を陰極として用いることを必要とする。しかしながら、過去十年間における有機発光ダイオード及び有機エレクトロルミネセンス・ディスプレイ分野の急激な進歩にもかかわらず、ダイオード及びトランジスタといった一般的な有機半導体デバイスの性能は、無機半導体デバイスに比べて依然として劣っている。上述のように、このことは主としてキャリア移動度の低さ、金属と有機材料との間の接触又は接合の低さ、及び大部分又は全てが有機部品である高速無線認識タグのような他の領域に対する有機電子デバイスの適用例を制限する有機材料の他の特性に起因している。
【０００５】
更に、高性能有機トランジスタを製造するためには、効率的な電荷注入のために、通常、電極と有機材料との間に質の高いオーム接触が必要となる。しかしながら現行の有機電子デバイスには良好なオーム接触がなく、従来の技術はオーム接触を生成するための制御可能な方法を持たない。事実、高性能有機トランジスタを製造するにおける技術上の難点の一つは、有機層に良好なソース及びドレインのオーム接触を形成することであるだろう。ある種の様式のデバイスにおいては、ショットキーバリア接合又はｐ−ｎ接合といった質の高い整流された接合を生成することが重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、高性能有機半導体デバイス及びその製造方法についての必要性がある。そのような高性能デバイスは、例えば金属材料と有機材料との間のより良好な接触及び接合、現在可能であるものよりも高い周波数で作動する能力、及び／又は、より高い電流容量といった、改善された作動特性を有するべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
新規な方法の一実施形態は、有機半導体デバイスの金属材料と有機材料との間に低抵抗の接触部を生成し、この接触部はキャリア注入効率を改善し、作動速度及び電流搬送容量といった有機半導体デバイスの作動特性を増強し、及び／又は、オーム接触及び／又はショットキーバリア接合を生成することができる。更に、本方法は金属イオン又は金属原子を有機材料の中に移動させるか又は拡散させ、該有機材料を結晶化させ、又はその両方を生じさせるようにすることができる。この新規な方法は有機半導体デバイスを、熱エネルギ、又は電圧、電流、局部加熱のための電磁放射線エネルギ（例えばレーザーエネルギ）、赤外線エネルギ及び／又は紫外線エネルギといった他の形態のエネルギにさらすことができる。この新規な方法の例示的な結果は、アルミニウム、炭素Ｃ60、及び銅からなり、高周波数で作動可能な増強された有機ダイオードである。
【０００８】
本発明の他のシステム、方法、特徴、及び利点は、以下の図面及び詳細な説明を調べることにより、当業者には明らかであるか又は後に明らかとなるであろう。そうした付加的なシステム、方法、特徴、及び利点の全てはこの説明の中に含まれ、本発明の範囲内にあり、特許請求の範囲により保護されることが意図されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図面における部品は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに本発明の原則を図示することに重点が置かれている。更に図面においては、同じ参照番号は異なる図全体を通して対応する部分を示す。しかしながら、同じ部分は常に同じ参照番号を有するとは限らない。更に全ての図は概念を伝えることを意図しており、相対的な寸法、形状その他の詳細な属性は、厳密に又は正確にではなく概略的に図示されていることがある。
【００１０】
有機及びポリマー半導体を製造する新規な方法は、性能特性の改善をもたらす。有機材料とは、炭素を含有するか、含むか、又は炭素に関係する材料である。「ポリマー」という用語は、反復的な構造単位を有する天然化合物又は合成化合物といった有機材料のサブセットを指す。便宜上及び単純性のために、本開示は「有機」という用語にポリマーを含めて用いる。
【００１１】
図１は高性能有機半導体デバイス１０のデバイス構造の例示的な実施形態である。有機半導体デバイス１０は有機層又は有機多層２０と、第１の電極２２及び第２の電極２４とからなる。便宜上、参照番号２０は有機層か又は有機多層のいずれかを指し、「有機層」という用語は有機層及び有機多層の両方を含むものとする。図１には示されていないが、有機半導体デバイス１０は、所望であれば、基板上に支持することができる。有機半導体デバイス１０がダイオード又は電荷整流デバイスである場合には、例えば第１の電極２２を陽極とし、第２の電極２４を陰極とすることができる。或いは、第１の電極２２を陰極とし、第２の電極２４を陽極とすることもできる。電極２２及び２４は純金属、金属合金、多層金属、金属化合物、又は導電性の非金属を含む何らかの他の導電性材料とすることができる。図１は第１の電極２２及び第２の電極２４が互いに同じ寸法を有し、かつ有機層２０と同じ寸法を持つものとして図示しているが、この図は本質的に概略的なものに過ぎない。もちろん、有機層２０、第１の電極２２、及び第２の電極２４の寸法を互いに変化させることができる。所望のデバイス特性に従い、例えば第１の電極２２及び第２の電極２４を有機層２０より薄く、小さくすることができる。
【００１２】
図１の有機半導体デバイス１０がダイオードとして構成される場合には、図２は、正端及び負端並びに電流の流れＩと併せて、そこに描かれたようなダイオードについての電子回路記号を示す。
【００１３】
新規な有機半導体デバイス１０の好ましい実施形態は、口語的に「バッキーボール」構造として知られる「バックミンスターフラーレン」又は「フラーレン」構造に基づくものであるが、この構造はジオデシックドームを設計したＲ．バックミンスター・フラーに因んで名づけられたものである。フラーレンはＣ60分子（炭素６０としても知られる）、Ｃ60化合物、その他の有機分子を含む。Ｃ60化合物はＣ60分子と別の材料との配合物であり、例えばそれらを互いに蒸着させることにより生成することができる。Ｃ60は、高いキャリア移動度（−２ｃｍ2／ｖｓ）を持つ安定した材料であり、高品質のフィルムを形成できるため、幾つかの利点を有する。更に、以下に述べられる熱アニール処理が用いられる場合には、Ｃ60は空気中で熱アニール可能であるという付加的な利点を提供する。図３はＣ60の分子構造２５を示す。純度９８％のＣ60はアルドリッチ・ケミカル社から購入することができる。
【００１４】
結果として、好ましい実施形態はＣ60を有機層として用いるが、他の実施形態は他の有機材料を代わりに用いることができる。有機層は例えばＣ60、Ｃ70、及びＣ80族の材料のいずれか、他のフラーレン、及び上記の誘導体及び変形体からなることができる。更に、有機層はポリマー形態のフラーレンからなることができる。ポリマー形態は、例えばＣ60をポリマーバックボーン上の様々な位置に取り付けることにより生成することができる。ポリマーはより容易な処理が可能でありかつ印刷可能であるという利点を提供する。
【００１５】
更に任意に、有機層はカーボンナノチューブといったナノチューブを含むことができる。ナノチューブは、もちろん、長さ、直径、電気特性、及び材料の点で異なる。ナノチューブは、例えば直径が１００原子という小ささであることがあり、自己組織化してオングストローム規模の回路素子となることもできる。例えば“Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ  ＳＥｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅ  ｉｎｔｏ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｅｌｅｍｅｎｔｓ”、２００２年３月２８日付ＥＥ  Ｔｉｍｅｓ；“ＩＢＭ  ｓａｙｓ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  ｂｅａｔｓ  ｓｉｌｉｃｏｎ”、２００２年５月２０日付ＥＥ  Ｔｉｍｅｓを参照のこと。
【００１６】
有機材料についての他の代替物は以下の表１に示すような有機ホール及び電子移送材料である。
【００１７】
【表１】
2005520356.tif 000003
2005520356.tif 000004
【００１８】
有機材料についての更に他の代替物は以下の表２に示すような有機化合物である。
【００１９】
【表２】
2005520356.tif 000005
【００２０】
有機材料についての更に別の代替物は、表３に示すもののような、典型的には小型分子材料を含む有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）のための化合物である。
【００２１】
【表３】
2005520356.tif 000006
【００２２】
有機材料についての更に他の代替物は、表４に挙げるもののようなポリマー発光ダイオード（ＰＬＥＤ）のための化合物である。
【００２３】
【表４】
2005520356.tif 000007
2005520356.tif 000008
【００２４】
このように、有機層２０は様々な種類の有機材料を含むことができる。有機材料は例えば融点、フィルムを如何に良く形成するか、電気陰性度、及び電荷移動度に基づいて選択できる。差動走査熱量分析（ＤＳＣ）を用いて、有機材料の融点を測定することができる。
【００２５】
高性能有機半導体デバイスを製造するための新規な方法の例示的な実施形態が次に説明される。本方法のこの例示的な実施形態は、高性能有機ダイオードを製造することに関して説明されるが、本方法は他の種類の有機デバイスを形成するように容易に適応させることができる。この具体的な例はダイオードであるため、デバイスは２つの電極即ち陽極と陰極とを有する。高性能半導体デバイスが何らかの他のデバイスである場合には、「電極」についての言及はデバイスに対する電気接触部を指すものとなる。従って、「電極」に関する全ての言及はデバイスへの又はデバイスからの導電性電気接続部を指す。形成される有機半導体デバイス１０は、所望であれば、基板上に支持することができる。第一に、基板を用いることが好ましいので、銅（Ｃｕ）のような第１の電極材料２２を熱蒸着により基板上に付着させることが好ましい。基板は剛性、可撓性、又は半剛性、並びに、透明、半透明、又は不透明とすることができる。基板は例えば前処理済ガラス、シリコン（Ｓｉ）層、酸化シリコン（ＳｉＯ）層、石英、又は何らかの他の基板とすることができる。或いは、第１の電極材料はガラス、シリコン、又は酸化シリコンの層の上に付着させるか、成長させるか、印刷するか、型打ちするか、或いは他の方法により形成することができる。更に、或いは、第１の電極材料は、可撓性のある構造がもたらされるように、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような可撓性基板の上に付着させるか、成長させるか、印刷するか、型打ちするか、或いは他の方法により形成することができる。導線、半導体、及び絶縁体の材料は、インクジェット印刷方法によるものを含み、基板の上に印刷することができる。例えば、背景技術部分に挙げられ、引用により組み込まれた文献を参照のこと。材料は、もちろん、種々のパターンで付着させるか、成長させるか、印刷するか、型打ちするか、或いは他の方法により形成することができる。例えば、バイオセンサその他の用途において潜在的な適用例を有する材料を、インターディジタルパターンで形成することができる。次いで付着或いは他の方法により第１の電極２２を基板上に形成した後で、有機層２０を該第１の電極２２の上に付着させるか又は形成することができる。次いで第２の電極２４が有機層２０の上に付着されるか或いは他の方法により形成される。
【００２６】
有機デバイスが発光ダイオード（ＬＥＤ）のような発光デバイスである場合には、光が該デバイスの外側に透過できるように、基板は透明であるか又は少なくとも半透明であることが好ましい。そうした透明状の基板はＰＥＴ及びポリイミド（ＰＩ）を含む。一方、有機デバイスが発光デバイスではない場合には、基板は機能的なポリマー又は金属のいずれであってもよい。基板は、例えばポリマーフィルム、ポリマー基板、金属箔、又は金属層とすることができる。
【００２７】
基板は種々の所望の特性を有することができる。基板は、例えば、導電性、非導電性、電磁性、強磁性、又は強誘電性とすることができる。導電性基板材料には、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、インジウム（Ｉｎ）、タングステン（Ｗ）、プラチナ（Ｐｔ）、カリウム（Ｋ）、ヒ素（Ａｓ）、カルシウム（Ｃａ）、リチウム（Ｌｉ）、適切にドープしたシリコン（Ｓｉ）、ステンレススチール、他の導電性材料、及び例えば上記の要素の合金を含む金属合金が含まれる。もちろん、基板材料は特性に基づいて選択されねばならない。マグネシウム、カリウム、及びリチウム−アルミニウム（Ｌｉ−Ａｌ）は反応性があり、故に特定の用途にのみ適している。ステンレス鋼は導電性ではあるが、さほど導電性は高くなく、特定の用途に適している。非導電性基板材料は、ポリマー、有機材料、ゾル−ゲル、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））、ＰＥＴ、カプトン（登録商標）、ガラス、シリコン、及びＰＳ被覆されたシリコンを含む。ゾル−ゲルは公知の材料分類であり、気泡、セラミック材料、及び他の粒子でドープすることができる。ポリマーは薄膜フィルムとして入手可能なため、基板として好ましい場合がある。電磁性、強磁性、及び強誘電性の基板材料は、導電性材料のサブセットである。選択された基板の特性により、該基板を用いて接地平面、アンテナその他の機能的構造を形成することができる。
【００２８】
新規な方法の例示的な実施形態の説明を続けると、基板の上に付着されるか或いは他の方法により形成された銅層が第１の電極２２を形成する。Ｃ60のような有機材料が、第１の電極２２の上に付着されるか、成長されるか、印刷されるか、型打ちされるか、或いは他の方法により形成されて、有機層２０が生成される。次いで、アルミニウム（Ａｌ）のような第２の電極材料が有機層２０の上に付着されるか、或いは他の方法により形成されて第２の電極２４が生成される。或いは、当業者に公知のいずれかの方法を用いて有機半導体デバイス１０の部品を形成することができる。
【００２９】
銅及びアルミニウムを電極２２及び２４として用いる代わりに、他の導電性材料、更に導電性の非金属を用いて第１の電極２２及び第２の電極２４を形成することができる。例えば、上に挙げられた導電性基板のための導電性材料のいずれか１つ又はその組み合わせを、いずれかの電極として用いることができる。これらその他の導電性材料の種々の組み合わせを用いて、電極を形成することができる。電極を形成するための材料は、例えば材料の金属仕事関数、拡散係数、及び有機化合物との電荷移動能力に基づいて選択することができる。
【００３０】
Ｃ60を有機層として、該有機層がアルミニウム電極と銅電極との間に挟まれている状態で有機ダイオードが生成された（以降、「Ｃｕ／Ｃ60／Ａｌ」と呼ぶ）。付着されたままのＣｕ／Ｃ60／Ａｌダイオードは低い注入電流及び低い整流率をもった不良な性能を示した。
【００３１】
有機材料は環境の影響を受けやすいために、シリコン技術に用いられる多くの方法を直接有機デバイスに適用することはできない。例えば、従来の知識は、有機材料は熱の影響を受けやすいものであるため、熱にさらすべきではないと指示している。しかしながら、新規な方法の好ましい実施形態においては、有機半導体デバイス（例えばＣｕ／Ｃ60／Ａｌダイオード）が製造され又は準備され、この製造されたデバイスに熱アニール処理が施され、所望であれば、加熱された材料を冷却することができる。冷却工程は、加熱されたデバイスを例えば冷却空気にさらすことによって、加熱されたデバイスを積極的に冷却することができる。或いは、冷却工程は、加熱されたデバイスを単にそのまま冷えるに任せることによる消極的なものとすることもできる。この新規な方法は、有機半導体デバイスを増強された性能特性を有するものに変換する。増強された性能特性によって、例えば、デバイスがより高速に、及びより高い電流密度で作動するという能力を含むことができる。
【００３２】
有機半導体デバイス１０に熱を加えること即ち熱アニール処理は、より効率的な電荷注入のために、有機半導体デバイス１０の有機材料と金属材料との間に低抵抗の接触部を生成すると考えられている。こうして生成される金属と有機材料との接触部は、順方向のオーム接触及び／又はショットキーバリア接合を含むことができる。更に、熱アニール処理は、イオン又は原子（ここでは金属原子）を第１の電極２２及び第２の電極２４から有機層２０の中に移動させるか又は拡散させ、該有機層２０を結晶化させ、又はその両方を生じさせるようにすることができる。アニール処理中に、電極イオン／原子が第１の電極２２及び第２の電極２４から有機層２０の中に移動又は拡散することは、該有機層２０と電極２２又は電極２４との間の界面において、該有機層２０をドープすることになる。金属電極と有機層との界面において幾らかの電荷移動が生じる可能性が高い。更に、熱アニール処理方法は、有機層２０に形態変化を生じさせることになる。例えば、熱アニール処理の下で、有機層が結晶化し、キャリア移動度が著しく増強されるようになる。フィルム成形性及び形態といった有機材料の特性は、有機材料の表面形態及び結晶化を明らかにする光学顕微鏡、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、及び／又はＸ線回折により評価することができる。
【００３３】
図４は熱アニールされたＣｕ／Ｃ60／Ａｌ有機半導体のアルミニウムとＣ60との接触部の極めて概略的な図を示す。この図は伝導帯３０及び価電子帯３２を含む。電荷３２は、金属（例えばアルミニウム）から有機層（例えばＣ60）に、容易に流れるべきではないが、電荷３３は有機層（例えばＣ60）から金属材料（例えばアルミニウム）に容易に流れるべきである。
【００３４】
図５は、熱アニールされたＣｕ／Ｃ60／Ａｌ有機半導体の銅とＣ60との接触部の極めて概略的な図を示す。この図は伝導帯３５及び価電子帯３６を含む。金属銅と有機材料との間の接触部が高温の熱アニール処理を受けた時には、銅原子が金属（例えば銅）から有機層２０（例えばＣ60）に拡散し、これにより有機層界面がドープされ、該金属銅と該有機層との間にオーム接触が形成される。電荷３７は、両方向、即ち金属（例えば銅）から有機層（例えばＣ60）に、及び、該有機層（例えばＣ60）から該金属（例えば銅）に容易に流れるように見える。帯における一時的な低下は、有機層２０がドープされたことを示している。
【００３５】
或いは、有機半導体デバイス１０は、より効率的な電荷注入のために、該有機半導体デバイス１０の有機材料と金属材料との間に低抵抗の接触部を生成するか又は確立するいずれかの方法を受けることができる。代替的な方法もまた、順方向にオーム接触及び／又はショットキー接合を生成することができる。更に、代替的な方法は、電極イオン／原子を第１の電極２２及び第２の電極２４から有機層２０中に移動させ、該有機層２０を結晶化させ、又はその両方を生じさせることができる。例えば、代替的な方法は、一方の電極から他方の電極に通る電流、第１の電極２２と第２の電極２４との間の電圧バイアス、一方の電極と有機層２０との間の電圧バイアス、局部加熱を与えるレーザーエネルギ、赤外線エネルギ、及び紫外線エネルギのうちのいずれか１つ、又はその組み合わせを含むものとすることができる。電流及び／又は電圧バイアスは、如何なる所望の極性又は方向であってもよい。更に、電流は、交流（ａｃ）、直流（ｄｃ）、又は何らかの組み合わせとすることができる。例えば、図１１及び図１２に関して以下で説明するように、８ボルトの交流電圧が実験的なダイオードに印加され、作動特性の増強をもたらした。更に他の可能性としては、放射線エネルギ及び音響エネルギといった他の形態のいずれかのエネルギを有機半導体又は有機半導体の一部に向けることを含むものがある。アニール処理（又は他の形態のエネルギの適用）中に、電極イオン／原子を第１の電極２２及び第２の電極２４から有機層２０の中に移動させるか又は拡散させることは、該有機層２０と該電極２２又は該電極２４との間の界面において、該有機層２０をドープすると考えられる。
【００３６】
図６は有機半導体デバイスの局部領域１６４を加熱するように適応されたレーザーのブロック図である。レーザー１６０は電磁放射線ビーム１６２を有機半導体デバイス１０の局部化された部分に放出する。ビーム１６２は、鏡、レンズ、グレーティング、及びビームスプリッタといった種々の公知の要素を用いて方向付けするか、合焦するか、或いは他の方法により調整することができる。
【００３７】
デバイスが製造された後にエネルギを該デバイスに適用することに対する代替技術として、ここに説明したいずれのエネルギも、製造又は付着行程中にその場で適用することができる。例えば、有機層２０が熱にさらされている間に、付着行程を行うことができる。
【００３８】
各材料のエネルギ帯構造のみにより電極２２（又は電極２４）と有機層２０との間の接合の性質を判断するのではなく、電極材料と有機層材料との間に起こり得る化学反応も関連することがある。拡散深さの特性は、アルゴンイオン・スパッタリング・システムと併せてオージェ分光器を用いることにより確認することができる。更に、紫外線光電子分光法（ＵＰＳ）及びＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）を用いて、有機層２０と電極２２及び２４との間の界面特性を特徴付けることができる。
【００３９】
実験的な有機ダイオードが、厚さが１００ｎｍより少ないＣ60フィルムの有機層と、銅から形成された第１の電極２２と、アルミニウムから形成された第２の電極２４とから製造された。２つの電極２２、２４の重なりにより定められたこのサンドイッチ型ダイオードのデバイス面積は０．２５ｍｍ2であった。全ての付着は、約１×１０-6トールの真空中で行われた。もちろん、デバイス面積、層の厚さ、層の方位、及びデバイスの幾何学的形状は、必要に応じて変えることができる。例えば、デバイス厚さは１０ナノメートルから１００ナノメートル（ｎｍ）までの範囲とすることができ、デバイス面積は５０×５０ｎｍ2といったほど小さいものから、ｃｍ2の範囲又はそれ以上まで大きくすることができる。もちろん、これらの範囲を本開示に含めることは、新規な方法をこの範囲に限定することを意図するものではなく、更に他の範囲も、新規な方法が教示する同様な原理の下で有効である。ダイオードの場合には、より小さい面積のデバイスは、所定の誘電体厚さについて、ダイオードを横切る固有寄生容量がより小さくなるために、より高い周波数で作動するが、少ない電流しか運ばない。別の例として、材料の厚さは５ミクロンか、又は更にサブミクロン（例えば１ミクロンより小さい）にすることもできる。更に別の例として、ダイオードの有機層２０としてのＣ60の厚さは数百オングストロームから数千オングストロームまでの範囲とすることができ、陽極材料及び陰極材料に関しても同様のことが当てはまる。しかしながら、有機層２０の厚さがより厚い場合には、ピンホール又は短絡なしで該有機層を製造することがより容易になる。更に、有機半導体デバイスとの連結のためのワイヤ又は導電面積は、１ミクロンより少ないクロスポイント寸法を含む如何なる寸法であってもよい。或いは、ワイヤ又は導電面積は、より多くの電流を流さなければならない場合には、ミリメートル範囲のように、より大きくすることができる。
【００４０】
付着されたままのアニールされていない有機ダイオードは低いキャリア注入を示し、電流の整流は不良である。有機ダイオードデバイス、Ｃｕ／Ｃ60／Ａｌが空気中で５分間、１２０°Ｃで処理された後、アニールされた有機ダイオードは高性能有機ダイオードとなり、整流率は１０4ないし１０6の範囲となった。例えば２００°Ｃのようなより高い温度は、更に高い性能のデバイスをもたらすようである。実験データに基づき、図７は、アニールされていない有機ダイオードと比較したアニールされた有機ダイオードについての電流対電圧（Ｉ−Ｖ）曲線を示す。図７に示すように、Ｉ−Ｖ曲線４６は付着されたままの（例えばアニールされていない）有機ダイオードについての検査値に基づくものであり、Ｉ−Ｖ曲線４８はアニールされた有機ダイオードの検査値に基づくものである。印加された電圧がゼロより高い（例えば正電圧）場合には、電流は可能な限り高く、同様に、印加された電圧がゼロより少ない（例えば負電圧）場合には、電流は可能な限り小さいことが好ましい。このようにして、Ｉ−Ｖ曲線４６及び４８は、ダイオードによって取り扱うことができる電流密度の量に関して、アニールされた有機ダイオードがアニールされていない有機ダイオードより性能が優れていることを示す。熱アニール処理工程及びＩ−Ｖ測定は全て空気中で行われたが、このことはアニールされた有機ダイオードが空気中で安定していることを示す。或いは、有機半導体を真空、気体、混合気体、流体、混合流体、又は他の環境においてアニールして、所望の性能特性を得ることができる。
【００４１】
更に、製造されたデバイスを１２０°Ｃと２００°Ｃとの間の温度でアニール処理する場合には、アニール処理温度が上昇するにつれて、該デバイスの性能特性が進歩的に向上した。図８は、酸化シリコンの基板上で、空気中で１２０°Ｃ、１４０°Ｃ、１６０°Ｃ、１８０°Ｃに１０分間さらされた５つのＣｕ／Ｃ60／ＡｌダイオードそれぞれについてのＩ−Ｖ曲線を示す。図８が明らかに示すように、有機ダイオードの性能特性は、アニール処理温度が上昇するにつれて向上した。このことは、熱アニール処理中に、２つの界面の一方においては整流された接合が、並びに、他方の界面においてはオーム接触が徐々に形成されることを示唆する。「接合」とは、界面における２つの異なる半導体の接合、又は半導体と金属との接合のことである。例えば、接合は、これらに限定されないが、ヘテロ接合、ショットキーバリア接合、及びｐ−ｎ接合を含む。結果として得られる有機デバイスは空気中で非常に安定しており、少なくとも２週間は、性能が劣化することなく空気中で作動することができる。更に、この有機デバイスは６ボルトで４００Ａ／ｃｍ2の電流密度において作動することができ、これは報告された他の如何なる有機デバイスの性能をもしのぐものである。
【００４２】
有機ダイオードの性能を更に改善するために、有機層２０における有機材料の純度を増加させることができる。印加された電圧がゼロより小さい場合の漏電即ち暗電流は、有機層２０における有機材料の純度がより高ければ、低減させることができる。純化された有機材料を、異なる蒸発速度で基板の上に熱被覆し、次に温度を高めて熱アニールすることができる。更に、デバイス性能を更に変えるために、蒸着中に基板の温度を制御即ち調整することができる。
【００４３】
図９は、空気中において１２０°Ｃで５分間処理することによって得られた実験的なアニールされた有機ダイオード、Ｃｕ／Ｃ60／Ａｌの高周波数性能応答を示す。周波数１ＭＨｚのＡＣ電圧信号５６がアニールされた有機ダイオードに適用された場合には、信号５８がアニールされた有機ダイオードの周波数応答である。この例においては、アニールされた有機ダイオードは周波数１ＭＨｚで作動されたが、該ダイオードは遥かに高い周波数においても容易に作動できるに違いない。
【００４４】
アニールされた有機ダイオードは、容易に、同様のデバイス面積をもつ従来のＡｌｑ3型の有機ＬＥＤの約１００倍速い、１ＭＨｚを超えるスイッチング速度で１００Ａ／ｃｍ2の電流密度に達することができる。実験において、アニールされた有機ダイオードについて、４００Ａ／ｃｍ2まで高い電流密度が達成された。電流密度が十分に高ければ、ダイオードはＯＬＥＤディスプレイのような種々の電子部品を駆動することができる。
【００４５】
有機半導体デバイスに適用される温度の範囲は、約６０°Ｃから約３００°Ｃまでとすることができる。有機デバイスに熱を加える時間は、約数秒から数時間までの範囲とすることができる。本開示に含まれる全ての範囲と同様に、この範囲を含めることはこの新規な方法をこの範囲に限定することを意図するものではなく、他の範囲も更に、新規な方法が教示する同様な原理の下で有効である。
【００４６】
或いは、熱、電気、光、及び／又は、放射線のエネルギ形態における高強度のエネルギが有機デバイスに加えられる場合には、露出時間を著しく減らすことができる。例えば、実験的な有機ダイオード、Ｃｕ／Ｃ60／Ａｌが、アニール処理の代わりにＡＣ電圧にさらされた時に、同様の結果が見出された。有機デバイスに印加されたＡＣ電圧の振幅は、該デバイスの厚さに依存し、例えば約数ボルトから数十ボルトまでの範囲とすることができる。ＡＣ電圧の周波数も更に、例えば、ヘルツからメガヘルツまで又はそれ以上とすることができる。実験は、高性能有機ダイオードを製造するためには、ＡＣ電圧を有機デバイスに数秒から数分間だけ印加すれば十分であることを示している。図１０は、例示的なアニールされたＣｕ／Ｃ60／Ａｌダイオードが、９３°Ｋから３４０°Ｋまでの異なる温度でどのように作動するかを示すＩ−Ｖ曲線のグラフである。Ｉ−Ｖ曲線は、電流がオーム接触から整流された接合の方向に流れていることを示唆している。
【００４７】
したがって、有機ダイオードが新規な方法で処理される場合には、電極接触部の一方がオーム性となり、他方の接触部が整流されるように見える。整流された接合は、例えばショットキーバリア接合か又は狭いｐ−ｎ接合とすることができる。電荷移動行程のために、ショットキー接合はＣ60／Ａｌ界面に形成され、オーム接触は銅／Ｃ60界面に形成される。図１０に示すように、低温における反応は、ショットキー接合及びオーム接触の両方の機構の存在を示すものである。本明細書において全体を引用によりここに組み入れる三洋電機株式会社に譲渡された「有機エレクトロルミネセンス素子上に積層された有機半導体のトランジスタを有するディスプレイユニット」という名称の米国特許第６，０３７，７１８号は、ｐ−ｎ接合、ｎ−ｐ接合、ｎ−ｐ−ｎ接合、及びｐ−ｎ−ｐ接合を有することを権利内容とするものであるが、‘７２８特許は異なる方法を用いている。
【００４８】
高性能有機トランジスタを製造するためには、通常は、効率的な電荷注入のために電極と有機層２０との間に高品質のオーム接触及び／又は接合が必要とされる。ここに説明された新規な方法は、制御可能な方法でオーム接触を形成するものであるため、この方法を用いて有機トランジスタその他の有機半導体デバイスといった他の有機デバイスの性能を改善することができる。例えば、新規な方法を用いて有機トランジスタの有機層に対してより良いソース及びドレインのオーム接触を生成することができる。更に、新規な方法によりもたらされるキャリア移動度の改善を、有機トランジスタのような他の有機半導体デバイスに適用することができる。例えば結晶性Ｃ60の移動度は少なくとも２ｃｍ2／ｖｓまで高くなることができ、これにより有機トランジスタにおける使用に適するようになる。
【００４９】
図１１は、実験的な有機半導体に交流（ＡＣ）電圧を印加した結果を示すグラフである。Ａｌ電極（１００ｎｍ）−Ｃ60（１１５ｎｍ）−Ｃｕ電極（８２ｎｍ）のサンドウィッチ形有機ダイオードについて、縦軸は電流をアンペアで示し、横軸は印加されたＤＣ電圧をボルトで示す。曲線７０は、有機ダイオードが電気的電圧処理行程を受ける前の電流対電圧特性を表す。曲線７２は、８ボルトのＡＣ電圧が有機ダイオードに通された後の該有機ダイオードについての電流対電圧特性を表す。明らかなように、電気電圧処理は、有機ダイオードの作動特性を改善する。
【００５０】
図１２は、ＡＣ電圧によって処理された図１１の有機ダイオードの入力電源信号に対する応答８０のグラフを表す。簡単に分かるように、改善された有機ダイオードは周波数１ＭＨｚで作動することができ、これは従来技術の有機ダイオードの速度に対して著しい改善である。
【００５１】
この新規な方法を用いることにより他の利点ももたらされる。一般に、従来技術のダイオードは、特に該ダイオードが２つのショットキー接合を背中合わせで有する場合、異なる仕事関数を有する金属から形成された電極を用いて生成される。従来の単層有機ダイオードにおいては、２つの金属電極の仕事関数の違いにより整流反応がもたらされる。仕事関数が異なる金属電極は、一方のバイアス方向に効率的な電荷キャリア注入を可能にし、他方のバイアス方向には可能にしないという障壁高さを生成する。従って、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）においては、カルシウム、マグネシウム又はリチウムといった仕事関数の低い金属が陰極の形成に用いられ、金又は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）といった仕事関数の高い金属が陽極の形成に用いられる。
【００５２】
対照的に、本開示の中で説明される有機半導体は、同様の仕事関数を有する金属電極を用いてダイオードに形成することができる。従来技術では、ダイオードの整流反応を生み出すのに異なる仕事関数を必要とするため、このことは注目に値する。一例として、陰極電極２４が銅製であり、陽極電極２２がアルミニウム製である場合、有機ダイオードを銅／Ｃ60／アルミニウム（Ｃｕ／Ｃ60／Ａｌ）から形成することができる。アルミニウム及び銅の仕事関数は、それぞれ約４．２ｅＶ及び約４．７ｅＶである。同様の仕事関数を持つ材料を用いることができるが、ダイオードの製造を望む場合には、有機層２０の両側に異なる接合を生成するために、第１の電極２２と第２の電極２４について異なる材料を用いることが好ましい。もちろん、新規な方法を受ける有機ダイオードは、所望であれば、異なる仕事関数を有する金属電極２２及び２４を用いることができる。異なる仕事関数の一例として、電極２２及び電極２４は、金（５．２ｅＶ）及びカルシウム（２．９ｅＶ）から形成することができる。
【００５３】
本開示の中で説明される新規な方法は、ダイオードの製造に限定されるものではない。代わりに、この新規な方法を用いて有機トランジスタのような他の有機デバイスを製造することができ、更には集積回路及び完成品といった他のより複雑な電子部品を製造することもできる。製造することができる電子部品は、半導体ｐ−ｎ、ｎ−ｐ、ショットキー接合、これらの組み合わせのいずれか、又は絶縁体、誘電体、及び／又は、導線をもったこれらの組み合わせのいずれかを実装するあらゆる部品を含む。部品の幾何学的構造は、垂直構造、水平構造、層状垂直構造、層状水平構造、垂直構造及び水平構造の組み合わせのいずれか、又はその他の三次元構造のいずれかとすることができる。例えば、図１３は、基板１２上の有機半導体デバイス１０の分解部品図であり、電極２２、２４が、表面セル又は水平パターンで有機層２０に対して垂直方向に向けられている。更に、図１４は、行列型電極２２、２４がクロスバー又は垂直に構成された、基板１２上の有機半導体デバイス１０の分解部品図である。
【００５４】
新規な方法は、これらに限定されるものではないが、ダイオード、トンネルダイオード、ショットキーダイオード、バリキャップダイオード、バラクタ、接合トランジスタ（ｐ−ｎ−ｐ及び／又はｎ−ｐ−ｎ）、絶縁ゲート型ＦＥＴ、単接合トランジスタ、プログラム可能な単接合トランジスタ、サイリスタ、２０００年１１月２８日付で出願された「電荷整流格納要素」という名称の係属中の米国特許出願番号第０９／７２３，８９７号に記載されているような電荷整流格納要素、有機発光ダイオード、ポリマー発光ダイオード、光ダイオード、抵抗器、コンデンサ、インダクタ、絶縁体、及び相補的なトランジスタの対を含む有機ベースの半導体に適用することができるであろう。本開示の新規な方法を用いて、未だ着想されていないか又は説明されていない他の新しい種類のデバイスを構成することができるであろう。これらの新規なデバイス及びそれらが形成される基板との相互連結に基づいて、種々の機能集積回路を製造することができる。可能性のある機能回路の様式の数は、新しい方法を用いて作ることができる異なる種類の部品の数に伴い、等比級数的に増加する。
【００５５】
図１５は、ここに説明した新規な方法を用いて作ることができる上部接触部絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）の例示的な実施形態を示す。シリコン、ガラス、プラスチック、又は他の材料で形成された基板１００は、該基板１００上に形成された有機又はポリマー半導体１０２を有する。有機半導体１０２はＣ60であるのが好ましい。絶縁体１０４は、有機半導体１０２上に形成される。ソース及びドレインの接触部１０６及び１１０は、同じ材料で作られるのが好ましく、銅であることが好ましいが、別の導電性材料であってもよい。ゲート接触部１０８は如何なる導電性材料で作ってもよく、金で作られるのが好ましい。新規な方法をＩＧＦＥＴに適用した後で、良好なオーム接触１１５が形成される。
【００５６】
図１５のＩＧＦＥＴを製造する方法の一例は以下の通りである。有機半導体１０２を基板１００の上に付着或いは他の方法により形成する。絶縁体１０４を有機半導体１０２の上に付着或いは他の方法により形成する。絶縁体１０４の一部をエッチングにより除去する。金属を、有機半導体１０２の上に、好ましくは付着或いは他の方法により形成して、ソース１０６及びドレイン１１０を生成する一方で、金属を、絶縁体１０４の上に好ましくは付着或いは他の方法により形成して、ゲート１０８を生成する。デバイスを６０°Ｃより高く３００°Ｃより低い高温でアニールして、オーム接触１１５を生成するのが好ましい。
【００５７】
図１６は、ここに説明した新規な方法を用いて作ることができる「底部接触部」ＩＧＦＥＴの例示的な実施形態を示す。シリコンウェーハ１２２上に有機又はポリマー半導体１２０がある。有機半導体１２０はＣ60であるのが好ましい。図１６に示すように、絶縁体１２４が有機半導体１２０とシリコンウェーハ１２２との間に形成される。ソース及びドレインの接触部１２６及び１３０は同じ材料で作られるのが好ましく、好ましい材料は銅であるが、別の導電性材料であってもよい。ゲート接触部１２８は如何なる導電性材料で作ってもよく、金で作るのが好ましい。新規な方法をＩＧＦＥＴに適用した後で、良好なオーム接触１１５が形成される。
【００５８】
図１６のＩＧＦＥＴを製造する方法の一例は以下の通りである。金属を有機半導体１２２の上に好ましくは付着により、或いは他の方法により形成して、ソース１２６、ゲート１２８、及びドレイン１３０を生成する。絶縁体１２４を基板１２２、ソース１２６、ゲート１２８、及びドレイン１３０の上に付着或いは他の方法により形成する。絶縁体１２４の一部をエッチングにより除去して、ソース１２６、ゲート１２８、及びドレイン１３０を露出させることができる。有機半導体１２０を絶縁体１２４及び基板１２２の上に付着或いは他の方法により形成する。デバイスを６０°Ｃより高く３００°Ｃより低い高温でアニールして、オーム接触１１５を生成するのが好ましい。
【００５９】
図１７は新規な方法により有機Ｃｕ／Ｃ60／Ａｌダイオードデバイス上に形成された接触部及び接合部の極めて概略的な図である。図１７の有機ダイオードは、Ｃ60からなる有機層２０と、銅からなる第１の電極２２と、アルミニウムからなる第２の電極２４を有する。新規な方法の適用は、銅電極２２と有機層２０との間にオーム接触１５０を生成し、アルミニウム電極２４と該有機層２０との間にショットキーバリア接合１５２を生成すると考えられている。
【００６０】
改善された有機デバイスを用いることができるであろう例示的な回路及びデバイスの例は、整流器、論理ゲート、電源装置、クロック回路、カウンタ、メモリ、同調アンテナコイル、変調装置、無線周波数認識（ＲＦＩＧ）タグ、光学式ＩＤタグ、ディスプレイ、可撓性ディスプレイ、高性能可撓性ディスプレイ、光起電力セル、音声変換器、無線周波数（ＲＦ）中継器、スマートカード、コンピュータ、テレビ、データ記録装置、その他の回路及び装置を含む。
【００６１】
上記の説明において、本発明がその特定の実施形態を参照して説明された。しかしながら、本発明のより広範な精神と範囲から逸脱することなく種々の修正及び変更を行うことができることは明らかであろう。例えば、ここに説明したプロセス流れ図に示すプロセスの作動における特定の順序及び組み合わせは単に例示的なものであり、異なる又は付加的なプロセス作動、又はプロセス作動の異なる組み合わせ又は順序を用いて本発明を行うことができることを読者は理解するはずである。更に、例示的な実施形態において説明された金属及び有機材料を他の金属及び／又は有機材料に変更することができる。別の例として、一実施形態の各々の特徴は、他の実施形態において示された他の特徴と組み合わせて適合させることができる。必要に応じて、物性物理学、有機材料、電子工学、及び半導体処理の分野における当業者に公知の特徴及び方法を、同様に組み込むことができる。更に、及び明らかに、これらの特徴は必要に応じて加えるか又は省くことができる。従って本発明は、特許請求の範囲及びその均等物に照らした場合を除き、制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】高性能有機ダイオードの例示的な実施形態の側面図の高レベルの図である。
【図２】図１の高性能有機ダイオードにおける電子回路記号及び電流の流れを示す図である。
【図３】炭素Ｃ60の高レベルの図である。
【図４】新規な方法の一例が接合に適用されたときのアルミニウム電極とＣ60有機層との間の接合の極めて概略的な図である。
【図５】新規な方法の一例が接合に適用されたときの銅電極とＣ60有機層との間の接合の極めて概略的な図である。
【図６】有機半導体デバイスの局部領域を加熱するように適応されたレーザーのブロック図である。
【図７】処理されていない実験的な有機ダイオード及びアニールされた実験的な有機ダイオードの電流対電圧特性を示すグラフである。
【図８】各々が異なる温度でアニールされた、５個の実験的な有機ダイオードの電流対電圧特性を示すグラフである。
【図９】１メガヘルツのＡＣ電圧信号を持ったアニールされた実験的な有機ダイオードの入力電圧対出力電流の特性を示すグラフである。
【図１０】異なる温度において作動されるアニールされた実験的な有機ダイオードの電流対電圧特性を示すグラフである。
【図１１】８ＡＣボルトで処理されたアニールされた実験的な有機ダイオードの電流対電圧特性を示すグラフである。
【図１２】１メガヘルツのＡＣ電圧信号に対するアニールされた実験的な有機ダイオードの高周波数性能応答特性を示すグラフである。
【図１３】基板上で表面セル構成をとる有機半導体デバイスの分解部品図である。
【図１４】基板上でクロスバー構成をとる有機半導体デバイスの分解部品図である。
【図１５】有機半導体絶縁ゲート型電界効果トランジスタの第１の例示的な実施形態を示す。
【図１６】有機半導体絶縁ゲート型電界効果トランジスタの第２の例示的な実施形態を示す。
【図１７】新規な方法により有機Ｃｕ／Ｃ60／Ａｌダイオードデバイス上に形成された接触部及び接合部の図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０：有機半導体デバイス
２０：有機層
２２：第１の電極
２４：第２の電極
【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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【手続補正書】
【提出日】平成16年7月9日(2004.7.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機半導体デバイスの金属材料と有機材料との間に低抵抗の接触部を形成する方法であって、以下の工程：
前記有機半導体デバイスを、６０℃より高くかつ前記金属材料と前記有機半導体デバイスの前記有機材料との間に低抵抗の接触部を形成するのに十分な温度にさらす工程、及び
前記有機半導体デバイスを冷却する工程
を含む、前記方法。
【請求項２】
高性能絶縁ゲート型電界効果トランジスタを製造する方法であって、以下の工程：
基板、前記基板上に形成された有機半導体、前記有機半導体上に形成された絶縁体、前記有機半導体上に形成されたソース、前記絶縁体上に形成されたゲート、及び前記有機半導体上に形成されたドレインを含む絶縁ゲート型電界効果トランジスタを準備する工程、及び
前記ソースと前記有機半導体との間にオーム接触を生成するのに十分なエネルギに前記ソースをさらす工程
を含む、前記製造方法。
【国際調査報告】
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