(57)【要約】  本発明はオフセット閾値電圧を有する有機電界効果トランジスタに関する。有機電界効果トランジスタＯＦＥＴは絶縁層と半導体層とのあいだの空間電荷領域を形成する中間層を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性の半導体層に接してこの活性の半導体層内に空間電荷領域を形成する中間層が設けられており、
該中間層により有機電界効果トランジスタの閾値電圧がオフセットされる
ことを特徴とする有機電界効果トランジスタ。
【請求項２】
中間層は基板と活性の半導体層とのあいだに設けられる、請求項１記載のトランジスタ。
【請求項３】
中間層は活性の半導体層とゲート絶縁体層とのあいだに設けられる、請求項１記載のトランジスタ。
【請求項４】
中間層は内部に双極子モーメントを有する分極性の小さい分子（例えばジスルフィド双極子分子）から成っているか、またはシラン、フラーレンまたはペリレンから成る、請求項１から３までのいずれか１項記載のトランジスタ。
【請求項５】
閾値電圧は−１Ｖ〜−１０Ｖの範囲にある、請求項１から４までのいずれか１項記載のトランジスタ。
【請求項６】
半導体材料はポリアルキルチオフェンである、請求項１から５までのいずれか１項記載のトランジスタ。
【請求項７】
中間層の厚さは１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲にある、請求項１から６までのいずれか１項記載のトランジスタ。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項記載の有機電界効果トランジスタをＲＦＩＤタグ、センサアレイ、光起電力セル、ウェアラブルエレクトロニクス、アクティブディスプレイ、消費物品用の電子バーコード、電子透かし、電子切手、電子荷札および／または電子チケットに用いることを特徴とする有機電界効果トランジスタの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
有機電界効果トランジスタＯＦＥＴの鍵となるパラメータは閾値電圧の位置である。この電圧はどれだけのゲート電圧でトランジスタの電流路が発生するか、またはトランジスタが導通するか否かを示す。この電圧が０Ｖの近傍にあるとき、ＯＦＥＴから成る集積回路の作成に２つの問題が生じる。すなわち１つではなく２つの給電電圧が必要となることと、論理素子を駆動可能にするために論理素子の出力電圧をオフセットしなければならないのでトランジスタの必要数がほぼ倍となることとの２つである。これらの問題点のために電力消費量がきわめて大きくなり、ＲＦＩＤタグ（無線周波数ＩＤタグ）などへ適用する際にもポリマー電子回路の使用すなわち有機材料をベースとした電子回路の使用が困難になってしまう。
【０００２】
将来の応用が最も有望視されているポリアルキルチオフェンをベースとしたＯＦＥＴは例えばH.Sirringhaus, N.Tessler et al., Elsevier Synthetic Metals 102, 1999 の857頁〜860頁に記載されているが、これはその閾値電圧が０Ｖの近傍にある。また半導体としてペンタセンを用いるＯＦＥＴ、例えばC.D.Sheraw, J.A.Nichols et al., IEDM2000, 2000 の619頁〜622頁に記載されているＯＦＥＴでは、この閾値電圧は正の値となっている。したがってこれらのＯＦＥＴでは上述の問題が生じる。ＯＦＥＴは電荷担体の蓄積の原理に基づいているので、Ｓｉ‐ＭＯＳ‐ＦＥＴ（シリコン金属酸化物電界効果トランジスタ）での場合のようにチャネル厚さによって閾値電圧の位置を調整することができない。厚い絶縁体層を設けても閾値電圧はさほど変化しない。しかもこのようにするとＯＦＥＴのオンオフ比が著しく悪化することがある。閾値電圧のオフセット手段としては低い仕事関数を有するゲート電極を用いることが考えられるが、導電性の有機材料が実用的には存在しないためにこれは不可能である。
【０００３】
本発明の課題は、特に０Ｖから正の値の閾値電圧をオフセットすることのできるＯＦＥＴを提供することである。さらに本発明の課題はオフセットされた閾値電圧を有するＯＦＥＴの使用を提案することである。
【０００４】
本発明の対象となるのは、少なくとも１つの基板と、有機半導体層に埋め込まれているパターニングされたソース／ドレイン電極と、これに接する絶縁体層と、ゲート電極とを含むＯＦＥＴにおいて、活性の半導体層に接して空間電荷領域となる中間層が設けられているＯＦＥＴである。空間電荷領域とは自由電荷担体が存在しない領域のことである。
【０００５】
中間層はゲート電圧が小さいとき導電性の電流路の形成を阻害する空間電荷領域をなしており、大きなゲート電圧がかかってはじめて通常の電流路が生じる。これによりオンオフ比の低下や出力電流の低下などの欠点を甘受することなしに閾値電圧をオフセットすることができる。閾値電圧のオフセットが２Ｖ，５Ｖとなるかまたは１０Ｖ以上となるかは中間層の厚さおよびドナー濃度に依存して定まり、これらを適切に選定することにより必要に応じて調整することができる。このことは本発明の重要な利点である。
【０００６】
さらに本発明の重要な利点として、このような中間層を有するＯＦＥＴが半導体の意図しないバックグラウンドドープに対して不感であるということが挙げられる。これはバックグラウンドドープが本発明の中間層によりアクティブに補償されるからである。これにより例えば製造の際に酸素の排出コントロールを考慮せずに済むので、ＯＦＥＴの製造が簡単化される。
【０００７】
本発明の１つの実施形態では、中間層は基板と活性の半導体層とのあいだに設けられる。また別の実施形態として、中間層を活性の半導体層とゲート絶縁体層とのあいだに設けてもよい。
【０００８】
さらに別の実施形態では、中間層は内部に双極子モーメントを有する分極性の小さな分子（例えばジスルフィド双極子分子）から製造されるか、シラン、フラーレンまたはペリレンから製造される。
【０００９】
さらに別の実施形態では、閾値電圧は−１Ｖ〜−１０Ｖの範囲にある。半導体材料にはポリアルキルチオフェンを使用すると特に有利である。
【００１０】
さらに別の実施形態では中間層は数ｎｍ〜数１０ｎｍの厚さを有する。
【００１１】
有機トランジスタまたは有機集積回路を製造する際には中間層は半導体層（ＯＦＥＴのトップゲート）に被着されるか、または絶縁体層（ＯＦＥＴのボトムゲート）に被着される。こうした被着はスピンコーティング、浸出、プリント、蒸着、溶液への浸漬またはその他の堆積プロセスにより行われる。
【００１２】
本発明の有機電界効果トランジスタは、特に有利には、ＲＦＩＤタグ、センサアレイ、光起電力セル、ウェアラブルエレクトロニクス、アクティブディスプレイ、消費物品用の電子バーコード、電子透かし、電子切手、電子荷札および／または電子チケットに用いられる。
【００１３】
本発明はｐ導電型のＯＦＥＴにもｎ導電型のＯＦＥＴにも適用可能である。ただしｎ導電型のＯＦＥＴは目下のところ関心の外のことであるので、以下では本発明の図示の実施例に則してｐ導電型のＯＦＥＴについてのみ説明する。
【００１４】
図１のＡ〜Ｃには比較のために従来技術が示されており、図２のａ〜ｃには本発明の実施例が示されている。
【００１５】
図１のＡには従来のＯＦＥＴの断面図が示されている。このＯＦＥＴは基板８（例えばプラスティックシート）、パターニングされたソース／ドレイン電極７、有機半導体層６、絶縁体層２、およびゲート電極１から成る。図１のＢにはこのＯＦＥＴの層列、すなわちゲート電極、絶縁体層、半導体層に対する各エネルギの状態とフェルミレベルとが示されている。すなわち伝導帯のレベルに相応するＬＵＭＯエネルギ３と、価電子帯のレベルに相応するＨＯＭＯエネルギ５と、フェルミレベル４とが示されている。ゲート電圧がΔＵ１だけ上昇すると、図１のＣに示されているように電荷担体が絶縁体層と半導体層との界面に蓄積される。これによりエネルギレベルは有機半導体層６の界面近傍で上昇する。ゲート電圧の上昇により直接にＯＦＥＴ内で電流路９が形成される。
【００１６】
図２のＡには本発明の実施例のＯＦＥＴの構造が示されている。絶縁体層２と半導体層６とのあいだに空間電荷領域１０が存在する。この層の主な特性は、仕事関数が小さいこと、フェルミレベルがＬＵＭＯ３の近傍にあること、およびドナーが多数となることである。これらの特性に基づいて半導体層の電荷担体がドナーに結合される。これにより空間電荷領域、すなわち自由電荷担体が存在する領域が生じる。図２のＢにはこの空間電荷領域は半導体層と絶縁体層との界面の近傍で下へ向かって曲がったＬＵＭＯレベル３およびＨＯＭＯレベル５により表されている。ＯＦＥＴでゲート電圧が上昇すると、電圧が小さいときには電流路は形成されない。なぜならまず全てのドナーをホールが充填しなければならないからである。電圧がΔＵ２に達してドナーが補償されてはじめて、図２のＣに示されているように電流路９がＯＦＥＴに形成される。図１のＣの電圧ΔＵ１と図２のＣの電圧ΔＵ２との差が閾値電圧のオフセット分に相応する。
【００１７】
本発明のコンセプトはきわめて薄い不導層をＯＦＥＴの半導体材料と絶縁体とのあいだに挿入するということである。本発明によればＯＦＥＴの閾値電圧がオフセットされ、しかもＯＦＥＴの製造が簡単化される。なぜなら製造の際に酸素の排出コントロールを行わなくて済むからである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来技術のＯＦＥＴの断面図である。
【図２】本発明の実施例のＯＦＥＴの断面図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【国際調査報告】
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