(57)【要約】  本発明は、有機半導体、特に有機電界効果トランジスタ、との静電的相互作用を制御するための層（１０）を備える半導体部品に関するものである。上記半導体部品は、上記化合物が、ａ）基板と結合するために、少なくとも１つのアンカー基（１）を有する化合物を含み、ｂ）当該化合物は、少なくとも１対の自由電子対および／または双極子モーメントを有する少なくとも１つの基（２）をすることを特徴とする。さらに、本発明は、そのような化合物を含む層を形成させるための方法に関するものであり、当該方法によれば、特に、論理関数を付加的に補正（レベルシフト）しなくてもよいＯＦＥＴを製造することができる。
2007507087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機電界効果トランジスタにおける有機半導体との静電的相互作用を制御するための層に化合物を含む、半導体部品であって、
上記化合物は、
ａ）基板と結合するための少なくとも１つのアンカー基と、
ｂ）少なくとも１対の自由電子対および／または双極子モーメントを有する少なくとも１つの基と、
を有することを特徴とする半導体部品。
【請求項２】
上記の少なくとも１つのアンカー基が、誘電性の層と共有結合可能であることを特徴とする請求項１に記載の半導体部品。
【請求項３】
上記の少なくとも１つのアンカー基が、シリコン−ハロゲン基、シリコン−アルコキシ基、アミノ基、アミド基、または、反応性カルボン酸誘導体であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体部品。
【請求項４】
双極子モーメントを生じさせるための基が、極性基を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体部品。
【請求項５】
少なくとも１対の自由電子対を有する基が、酸素、窒素、硫黄および／または燐を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体部品。
【請求項６】
上記化合物が、上記基板上に単分子層を形成する能力を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体部品。
【請求項７】
上記化合物が、本質的に直鎖状構造をなすか、または、化合物の他の基よりも長い軸を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体部品。
【請求項８】
上記アンカー基と、少なくとも１対の自由電子対または双極子モーメントを有する基とが、それぞれ直鎖状の化合物の反対側の末端に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体部品。
【請求項９】
上記化合物の一部は、上記基板の表面に対して高い親和性を有し、
上記化合物の反対側の末端に、上記基板に対して不活性であって、充填密度の高い基が配置されていることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体部品。
【請求項１０】
上記化合物は、下記構造式 
【化１】
2007507087.tif 000005
に示されるいずれか１つの構造を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体部品。
【請求項１１】
上記化合物は、ポリビニルピロリドン、ピリジリノン、または、これらのユニットを含む統計的共重合体もしくはブロック共重合体であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体部品。
【請求項１２】
請求項１〜１１の少なくとも１項に記載の半導体部品に層構造を製造する方法であって、
誘電性の層を有する基板を、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の化合物を少なくとも含む溶液に浸漬させる、または、
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の化合物を少なくとも含む気相を上記基板に蒸着させることを特徴とする方法。
【請求項１３】
上記溶液中の上記化合物の濃度は、０．１〜１％であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の上記化合物を有する層を形成した後、ソース層およびドレイン層と、有機半導体層とを形成することを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に記載の半導体部品、および、請求項１２の前提部分に記載の、基板への層の形成方法に関するものである。
【０００２】
有機半導体層をベースとする有機電界効果トランジスタ（ＯＦＥＴ）は、低い製造コスト、柔軟なもしくは耐砕性のある基板、または、大きな放射面上のトランジスタおよび集積回路の製作を必要とする多数の電子アプリケーションにとっては興味深いものである。例えば、有機電界効果トランジスタは、アクティブマトリックススクリーンにおけるピクセル制御素子として、または、例えば能動的な商品および物品の標識および識別に使用されるような非常にコスト効率のよい集積回路の製造に適している。また、将来的には有機メモリー素子の制御回路にも適している。
【０００３】
有機半導体層をベースとするトランジスタおよび集積回路（ＩＣ）は、現在では、ｐ−ＭＯＳ技術を用いる分野の考えうる最も広い範囲に影響を及ぼしている。なぜなら、基本的に、寿命の長いデバイスを製造するのに充分な安定性をもつのは有機ｐ型半導体だけだからである。
【０００４】
これまでに知られている大抵の有機半導体（例えば、ペンタセン、テトラセン、オリゴチオフェン、および、ポリチオフェン）は、その電荷キャリア移動度の観点からみた利用を考慮したものである。そして、それらは通常、トランジスタにおいては、やや正の閾値電圧を有している。すなわち、上記トランジスタは、ゲート電極の電位が０Ｖであるとき、完全にスイッチオフとはならない。その結果、単純なインバータ（２つのトランジスタ）は正しい論理関数を示さず、上記単純なインバータをベースとする環状発振器は発振しない。
【０００５】
従来、この問題は、インバータおよびインバータに起因する回路を、集積された「レベルシフト」を用いて製造するといった方法で、回路構成の観点から解決されている。論理関数をこのように付加的に「補正」することにより、機能インバータに必要なトランジスタの数が２個から４個に２倍となる（H. Klauk, D. J. Gundlach, T. N. Jackson IEEE Electron Device Letters, 1999,20, 289-291）。
【０００６】
また、レベルシフタのためのさらなる供給電圧が必要となる。
【０００７】
さらに、適切なゲート誘電体（無機または有機）の選択により閾値電圧を設定することにより上記問題を解決する方法がある（H. Klauk, M. Halik, U. Zschieschang, G. Schmid, W. Radlik, W. Weber Journal of Applied Physics, 2002,92, 5259-5263を参照）。しかしながら、この方法では、負の領域における値（約−８Ｖ）は達成されたが、この値の変動は比較的大きい（＋／−１０Ｖ）ので、現時点ではＩＣ用の信頼できる回路設計は無理であることが分かっている。また、ＳｉＯ２をペンタセントランジスタにおけるゲート誘電体として使用する場合のオクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）の単分子層は、バルクＳｉＯ２をゲート誘電体として使用する場合と比較して、少しの電位で閾値電圧のシフトが起こることは記載されているが、最初に定義された閾値電圧を機械的に設定するような方法では、このような効果は得られない。
【０００８】
第３の可能性は、回路の動態的作用にある。この場合、回路システムは、外部からパルス電圧を印加することにより起動される（W. Fix, A. Ullmann, J. Ficker,W. Clemens Applied Physics Letters, 2002,81, 1735-1737）。これは、単純なデモンストレーター回路では原理的に可能であるが、より複雑な論理回路では、非常に困難である。
【０００９】
本発明の目的は、論理関数を付加的に補正（レベルシフト）しなくてもよいような方法で、ＯＦＥＴを補正することである。
【００１０】
本目的は、請求項１の特徴を有する半導体部品により、本発明に基づいて達成される。
【００１１】
本発明の半導体部品は、基板と結合するための少なくとも１つのアンカー基と、少なくとも１対の自由電子対および／または双極子モーメントを有する少なくとも１つの基と、を有する化合物を含む層を備えている。上記アンカー基は、固定された層の形成を可能とするために必要不可欠なものである。
【００１２】
本発明の効果は、以下の事実に基づくものである。具体的には、まず、使用される化合物が、電荷キャリアシンク（トラップ）を閉鎖する。それと同時に、その分子の高次の分子特性（双極子モーメント）の結果として、巨視的な効果が現れる。当該巨視的な効果は、例えば有機半導体層を覆う特性のような電気機械的なで電気的な特性と形態とに好適な影響を及ぼすものである。
【００１３】
このことにより、論理回路のトランジスタの数がほぼ半分になり、それに伴い、さらに、必要な相互接続部およびヴィアがより少なくなる。そして、結果的に、回路の所要面積がより小さくなるという効果を奏する。さらに、収率が高くなり、レベルシフタための第２の供給電圧も不要となる。この補正は、有機半導体の蒸着の前に、トランジスタのチャネル（ソース電極とドレイン電極との間の誘電体上の経路）に化学物質を導入／適用するといった方法で、化学的に行われる。なお、上記化学物質は、電圧が印加されると、有機半導体の電気的な特性に影響を及ぼすものである。
【００１４】
ある好ましい形態では、少なくとも１つのアンカー基は、誘電性の層に共有結合可能である。少なくとも１つのアンカー基が、シリコン−ハロゲン基、シリコン−アルコキシ基、アミノ基、アミド基、または、反応性カルボン酸誘導体、特に塩化物もしくはオルトエステルであれば特に好ましい。
【００１５】
他の好ましい形態では、双極子モーメントを生じさせるための基は、極性基、特にアミノ基、シアノ基、ニトロ基またはフェロセニル基を有している。さらに、自由電子対を有する基が、酸素、窒素、硫黄および／または燐を有していれば好ましい。
【００１６】
上記化合物が、基板上に（特に、誘電性の層上に）、単分子層を形成する能力を有していれば、単純な方法で、層から半導体部品を構築することができる。
【００１７】
上記化合物が、特に、本質的に、直鎖状構造をなすか、または、当該化合物の他の基よりも長い軸を有していれば、単分子層の形成は促進される。さらに、特に単分子層からいえば、アンカー基と、双極子モーメントを有する基もしくは自由電子対を有する基とが、それぞれ直鎖状の化合物の反対側の末端に配置されていれば好ましい。上記化合物の一部が、基板の表面、特に、誘電性の層に対して高い親和性を有し、そのとき、当該化合物の反対側の末端には、基板に対して不活性であって、充填密度の高い基が配置されていれば特に好ましい。
【００１８】
上記化合物が下記構造式
【００１９】
【化１】
2007507087.tif 000003
【００２０】
に示されるいずれか１つの構造を有していれば、とりわけ目標とする程度に、閾値電圧を抑制することができる。
【００２１】
さらに、上記化合物が、ポリビニルピロリドン、ピリジリノン、または、これらのユニットを含む統計的共重合体もしくはブロック共重合体であれば好ましい。
【００２２】
上記目的は、さらに、請求項１２に記載の特徴を有する半導体部品の製造方法によって達成される。
【００２３】
この製造方法では、基板、特に、誘電性の層を有する部品基板を、溶液に浸漬する、または、気相を上記基板に蒸着させる。なお、上記溶液または気相は、請求項１〜１１に記載の少なくとも１つの化合物を含むものである。
【００２４】
この場合、化学物質は、できる限り薄く、好ましくは、単分子層として、コスト効率よくなるように供される。上記化合物は、拡散過程を回避するために、チャネルにおいて出来る限り化学的に固定（誘電体と共有結合）されている。各用途において閾値電圧の最適な／設定可能な値を得るために、化学的な化合物の種類に応じて閾値電圧の値は調整できることがよい。
【００２５】
溶液からの沈着では、溶液中の上記化合物の濃度が０．１〜１％であれば好ましい。
【００２６】
請求項１〜１１の少なくとも１項に記載の化合物を有する層を形成させた後、ソース層およびドレイン層と、有機半導体層とを形成させれば、半導体部品、特に、ＯＦＥＴを好都合な方法で製造することができる。
【００２７】
本発明について、図面の図を参照しながら複数の実施形態を用いて、以下、より詳細に説明する。
【００２８】
図１は、有機電界効果トランジスタの概略的な断面図である。図２は、本発明の化合物を含む層を有する層構造を概略的に示す図である。図３Ａ〜Ｃは、本発明の化合物の実施形態の構造式を示す図である。図４Ａは、選択された化合物の機能として、閾値電圧を測定した結果を示す図である。図４Ｂは、双極子モーメントと測定された閾値電圧との相関を示す図である。表１は、さまざまな物質を有するＯＦＥＴの閾値電圧を示す図である。
【００２９】
本発明の半導体部品の代表的な実施形態について説明する前に、図１および図２を参照しながら半導体部品としての有機電界効果トランジスタの構造について説明する。
【００３０】
ここで、図１は、有機電界効果トランジスタ（ＯＦＥＴ）の概略的な断面図である。
【００３１】
有機電界効果トランジスタは、複数の層（フィルム）で構成される電子部品であり、複数の層は、個々の層の接続により集積回路が生成されるように、全てパターン化されている。この場合、図１は、このようなトランジスタの基本的な構造をボトムコンタクト構造で示す。
【００３２】
ベースとなる基板２０上に、ゲート電極２１が配置される。ゲート電極２１は、ゲート誘電体層２２（誘電性の層）によって覆われる。このような誘電体の層厚は、５ｎｍ未満である（ボトムアップ）。
【００３３】
ゲート誘電体層２２上の一領域には、閾値電圧を設定するための層１０が配置される。つまり、ゲート誘電体層２２は、閾値電圧を設定するための層１０のための下地を形成する。閾値電圧を設定するための層１０は、上側で能動半導体層２４（有機半導体層、ここでは、ペンタセン）に接続される。閾値電圧を設定するための層１０の側部には、ソース層２３ａおよびドレイン層２３ｂが配置される。さらに、ソース層２３ａおよびドレイン層２３ｂは、その上に配置される能動半導体層２４に接続される。能動半導体層２４の上に、パッシベーション層２５が配置される。
【００３４】
図２には、図１のＯＦＥＴの電荷キャリアチャネルの領域が拡大して示されている。菱形１１は、閾値電圧を設定するための層１０とその上に配置される能動半導体層２４との間の静電的相互作用を表すことを意図するものである。
【００３５】
図３Ａ〜図３Ｃに、本発明の化合物の３つの実施形態を示す。３つの化合物、すなわち、ＫＢＭ、ＡＰＴＳ、およびＡＰＰＴＳは、全て、シラン基として形成されたアンカー基１を有している。当該化合物は、このアンカー基１を介して、基板（例えば、図２のゲート誘電体層２２など）と結合できる。上記３つの化合物は、本質的に直鎖状である特性を有しているので、単分子層を形成できる。単分子層の場合、上記化合物の縦軸は、それぞれ互いに平行であり、ゲート誘電体層２２に対しては垂直であるように配置される。さらに、３つの化合物は、全て、アンカー基１とは反対側の化合物の末端に、極性基２を有している。
【００３６】
図２に記載のこれら化合物の１つからなる単分子層１０は、その上に配置される能動半導体層２４（例えば、ペンタセン）と電気的に相互作用し、その過程で、半導体特性を変化させるように作用する。より具体的には、閾値電圧に対して目標とする程度に影響を与える、特に、閾値電圧を下げるように半導体特性を変化させる。
【００３７】
このことについて、図４Ａおよび図４Ｂ、並びに表１と関連付けてさらに説明する。
【００３８】
例えば、図３に記載のような本発明の化合物を含むこのような単分子層１０の利点は、（有機半導体層の蒸着前に）トランジスタ構造上に安価に形成できるということである。
【００３９】
この目的を達成するための方法は、単純な浸漬法であってもよい。上記浸漬法では、希釈した溶液（約０．１〜１％の物質を含む溶媒）に基板を浸漬する。この場合、分子は、当該分子がもつアンカー基１を介して、ゲート誘電体層２２に結合する。例えば、クロロシランまたはアルコキシシランは、ＯＨ基をもつ機能表面に選択的に結合し、Ｓｉ−Ｏ結合を形成する。その後、余分な材料は、純粋な溶媒によって洗い落とされる。
【００４０】
別の方法として、気相蒸着法を用いることも可能である。この場合、図３Ａ〜３Ｃに記載の化合物は、高度にドープされ、熱によって酸化されたシリコンウエハー（１００ｎｍのＳｉＯ２）上に、気相から単分子層としてそれぞれ供せられる。続いて、３０ｎｍの厚みのペンタセンの能動半導体層２４（有機半導体）を蒸着させる。トランジスタ構造を完成するため、３０ｎｍの厚みの金の層を蒸着する（シャドウマスクを形成することによってパターン化を行う）ことによって、ソース層２３ａおよびドレイン層２３ｂの接触面を明確にする。その後、トランジスタは、電気的に特徴付けられる。
【００４１】
比較のため、対照として、このような単分子層を有さないＯＦＥＴを同じ方法で製造し、測定した。ＯＴＳによる被覆も比較のために行った。
【００４２】
測定した閾値電圧の結果を、表１および図４Ａに示す。測定された閾値電圧と、各化合物の双極子モーメントとの相関を、図４Ｂに示す。この場合、閾値電圧は、化合物に応じて、目標とする程度に設定できることが明らかに示されている。この場合、閾値電圧は、分子特性（例えば、双極子モーメント）および層特性（例えば、自由表面エネルギー）と相関性を有している。対照のＯＦＥＴ（特別な層の無いもの）およびＯＴＳと比較することによって、閾値電圧は、著しく低下することがはっきりと分かる。
【００４３】
本発明の主要な利点は、ここに記載したような誘電体表面や電荷キャリアチャネルの簡単な化学的修飾方法によって、レベルシフトを用いたＯＦＥＴにおける正の閾値電圧という問題に対してこれまで必要であった処理を完全に無用化することができ、その結果、１回路につき必要なトランジスタの５０％を節約できる点である。
【００４４】
本発明の実施形態は、上記の通り明記した好ましい代表的な実施形態に制限されない。むしろ、本質的に異なる構成の実施形態であっても、本発明の半導体素子および本発明の方法を用いる多く変形の実施形態が考えられる。
【００４５】
【表１】
2007507087.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】有機電界効果トランジスタの概略的な断面図である。
【図２】本発明の化合物を含む層を有する層構造を概略的に示す図である。
【図３Ａ】本発明の化合物の実施形態の構造式を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の化合物の実施形態の構造式を示す図である。
【図３Ｃ】本発明の化合物の実施形態の構造式を示す図である。
【図４Ａ】選択された化合物の機能として、閾値電圧を測定した結果を示す図である。
【図４Ｂ】双極子モーメントと、測定された閾値電圧との相関を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１      アンカー基
２      極性基
１０    閾値電圧を設定するための層（単分子層）
２０    基板
２１    ゲート電極
２２    ゲート誘電体層（誘電性の層）
２３ａ  ソース層（ソース電極）
２３ｂ  ドレイン層（ドレイン電極）
２４    能動半導体層（有機半導体層）
２５    パッシベーション層
【図１】
2007507087.tif 000006
【図２】
2007507087.tif 000007
2007507087.tif 000008
2007507087.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成17年4月18日(2005.4.18)
【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】
ベースとなる基板と、ゲート電極と、ゲート誘電体層と、ソース電極と、ドレイン電極と、有機半導体層と、パッシベーション層と、を備える半導体部品であって、
有機半導体との静電的相互作用を制御するためにソース電極とドレイン電極との間のチャネルに配置される層を備え、
当該層は、
ａ）基板と結合するための少なくとも１つのアンカー基と、
ｂ）少なくとも１対の自由電子対および／または双極子モーメントを有する少なくとも１つの基と、を有する化合物を含むことを特徴とする半導体部品。
【請求項２】
有機電界効果トランジスタとして形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体部品。
【請求項３】
上記の少なくとも１つのアンカー基が、誘電性の層と共有結合可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体部品。
【請求項４】
上記の少なくとも１つのアンカー基が、シリコン−ハロゲン基、シリコン−アルコキシ基、アミノ基、アミド基、または、反応性カルボン酸誘導体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体部品。
【請求項５】
双極子モーメントを生じさせるための基が、極性基を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体部品。
【請求項６】
少なくとも１対の自由電子対を有する基が、酸素、窒素、硫黄および／または燐を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体部品。
【請求項７】
上記化合物が、上記基板上に単分子層を形成する能力を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体部品。
【請求項８】
上記化合物が、本質的に直鎖状構造をなすか、または、化合物の他の基よりも長い軸を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体部品。
【請求項９】
上記アンカー基と、少なくとも１対の自由電子対または双極子モーメントを有する基とが、それぞれ直鎖状の化合物の反対側の末端に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体部品。
【請求項１０】
上記化合物の一部は、上記基板の表面に対して高い親和性を有し、
上記化合物の反対側の末端に、上記基板に対して不活性であって、充填密度の高い基が配置されていることを特徴とする請求項８または９に記載の半導体部品。
【請求項１１】
上記化合物は、下記構造式 
【化１】
2007507087.tif 000010
に示されるいずれか１つの構造を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体部品。
【請求項１２】
上記化合物は、ポリビニルピロリドン、ピリジリノン、または、これらのユニットを含む統計的共重合体もしくはブロック共重合体であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体部品。
【請求項１３】
請求項１〜１２の少なくとも１項に記載の半導体部品に層構造を製造する方法であって、
誘電性の層を有する基板を、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の化合物を少なくとも含む溶液に浸漬させる、または、
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の化合物を少なくとも含む気相を上記基板に蒸着させることを特徴とする方法。
【請求項１４】
上記溶液中の上記化合物の濃度は、０．１〜１％であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の上記化合物を有する層を形成した後、ソース層およびドレイン層と、有機半導体層とを形成することを特徴とする請求項１３または１４に記載の方法。
【国際調査報告】
2007507087.tif 000011
2007507087.tif 000012
2007507087.tif 000013
2007507087.tif 000014
2007507087.tif 000015
2007507087.tif 000016
2007507087.tif 000017
2007507087.tif 000018
2007507087.tif 000019
2007507087.tif 000020
2007507087.tif 000021
2007507087.tif 000022
2007507087.tif 000023
2007507087.tif 000024