(57)【要約】  半導体構造であって、第１のポリマーで形成された絶縁体層を備える。更にこの構造は、第２のポリマーで構成された有機半導体層を備える。これらのポリマーが、半導体層が絶縁体層に隣接して位置する整列順序付けされたコポリマー構造へと自己集合している。この構造は、これらに限られるわけではないが、トランジスタ、複数ゲートのトランジスタ、サイリスタ、などの有機薄膜半導体デバイスであってよい。この半導体構造の製造プロセスも開示される。
2007531285.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のポリマーで形成された絶縁体層と、
第２のポリマーで形成された有機半導体層と
を有し、
前記第１および第２のポリマーは、前記半導体層が前記絶縁体層に隣接して位置するように整列されたコポリマー構造に自己集合していることを特徴とする半導体構造。
【請求項２】
前記コポリマーはブロック・コポリマーである請求項１に記載の半導体構造。
【請求項３】
前記有機半導体層は、カーボン主体のナノチューブを含む請求項１に記載の半導体構造。
【請求項４】
前記絶縁体層と前記有機半導体層との間の界面には実質的に汚染が存在しない請求項１に記載の半導体構造。
【請求項５】
前記構造は、絶縁体と半導体が平行に積層された薄層構造である請求項１に記載の半導体構造。
【請求項６】
前記構造は、平行に配置された複数の円柱状の有機半導体が絶縁体の母材内に囲まれている平行円柱構造である請求項１に記載の半導体構造。
【請求項７】
前記構造は、複数の円柱状の有機半導体が絶縁体の母材内に囲まれている垂直積層円柱構造である請求項１に記載の半導体構造。
【請求項８】
前記構造体は、前記絶縁体と前記半導体が垂直に積層されるとともに、該絶縁体と半導体の薄層が交互に配置された薄層構造である請求項１に記載の半導体構造。
【請求項９】
第１のポリマーで形成された絶縁体層と、
第２のポリマーで形成された有機半導体層と
を有し、
前記コポリマーは、前記半導体層が前記絶縁体層に隣接して位置するように整列されたコポリマー構造に自己集合していることを特徴とする有機薄膜半導体デバイス。
【請求項１０】
前記デバイスがトランジスタである請求項９に記載の半導体デバイス。
【請求項１１】
前記トランジスタが複数ゲートのトランジスタである請求項１０に記載の半導体デバイス。
【請求項１２】
前記デバイスがサイリスタである請求項９に記載の半導体デバイス。
【請求項１３】
有機薄膜半導体デバイスの製造プロセスであって、
（ａ）基板を設けるステップと、
（ｂ）第１のポリマーで形成された絶縁体層と第２のポリマーで形成された有機半導体層とを前記基板へと適用するステップにおいて、該第１及び第２のポリマーを半導体層が絶縁体層に隣接して位置するように整列されたコポリマー構造に自己集合させるステップと、
（ｃ）前記有機半導体層間に位置する前記絶縁体の部分を取り除くことによって、前記有機半導体層を分離するステップと
を有していることを特徴とするプロセス。
【請求項１４】
前記コポリマーがブロック・コポリマーである請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１５】
前記有機半導体層が、カーボン主体のナノチューブを含んでいる請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記絶縁体層と前記有機半導体層との間の界面には実質的に汚染が存在しない請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１７】
前記絶縁体層の露出面に少なくとも１つのゲート電極を形成するステップを更に有する請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１８】
前記有機半導体層の両端部にソース電極およびドレイン電極を形成するステップを更に有する請求項１７に記載のプロセス。
【請求項１９】
前記絶縁体層の露出面に少なくとも２つのゲート電極を形成するステップを更に有する請求項１３に記載のプロセス。
【請求項２０】
前記少なくとも２つのゲート電極を分離するステップを更に有する請求項１９に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは有機半導体に関し、より詳しくは、ブロック・コポリマーを自己集合（自己組織化）することから形成される絶縁体と有機半導体との結合に関する。更に、本発明は有機薄膜トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
電界効果トランジスタ、即ちＦＥＴには、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、即ちＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート型ＦＥＴ、またはＩＧＦＥＴとも称される）と、接合ゲート型ＦＥＴ、即ちＪＦＥＴという主要な２つの種類が存在する。ＦＥＴでは、制御ゲートならびにソース領域およびドレイン領域が、基板に形成されている。制御ゲートは、ソース領域とドレイン領域との間の領域を覆って形成された誘電性絶縁体上に形成される。制御ゲートに電圧が印加されると、基板内の可動荷電粒子が、ソース領域とドレイン領域間の領域に導通チャネルを形成する。チャネルが形成されると、トランジスタは「オン」になり、電流がソース領域とドレイン領域間に流れることができる。
【０００３】
図１および図２は、従来の２つの主な種類の薄膜トランジスタについて、その構造を示している。図１に示すように、第１の種類は、ボトムコンタクト（下部接触型）構造１０である。構造１０では、制御ゲート電極６が、絶縁体１の上部に形成されている。絶縁体１は、半導体２の上面を覆って形成されている。次に、半導体２は、基板３の上面を覆って形成されている。ソース電極４およびドレイン電極５が、基板３の内部に形成されている。ゲート電極６は、ソース電極４とドレイン電極５間の領域を覆って形成されている。
【０００４】
図２に示されているように、従来の第２の種類のトランジスタは、トップコンタクト（上部接触型）構造２０である。構造２０では、制御ゲート電極６が、基板３の内部または上部に形成されている。絶縁体１が、基板３およびゲート電極６の上面を覆って形成されている。次いで、半導体２が、絶縁体１の上面を覆って形成されている。ソース電極４およびドレイン電極５が、半導体２の上面部に形成されている。ゲート電極６は、ソース電極４とドレイン電極５の間の領域の下方位置に設けられている。
【０００５】
トランジスタは、電子回路において増幅装置またはスイッチング装置として使用される。第１番目の適用においては、トランジスタが小さなＡＣ信号を増幅する機能を有する。２番目の適用においては、小さな電流を用いてトランジスタを「オン」状態と「オフ」状態との間で切り替え動作を行っている。
【０００６】
バイポーラトランジスタは、２つのｐ‐ｎ接合を密に近接させた構成を備える電子デバイスである。バイポーラトランジスタは、エミッタ、コレクタ、およびエミッタとコレクタ間に配置されたベースという３つのデバイス領域を有している。理想的には、２つのｐ‐ｎ接合（エミッタ‐ベース接合およびコレクタ‐ベース接合）が、特定の距離だけ隔てられて半導体材料のただ１つの層内に位置している。一方のｐ‐ｎ接合を流れる電流を、隣の接合のバイアスを変化させて調節することを、「バイポーラトランジスタ作用」と称する。
【０００７】
これら３つの領域のそれぞれに外部リードを取り付けることができ、これらのリードを使用して、当該デバイスに外部の電圧および電流を印加することができる。エミッタおよびコレクタがｎ型にドープされ、ベースがｐ型にドープされている場合、当該デバイスは「ｎｐｎ」トランジスタである。一方、逆のドープ構成が使用されている場合には、当該デバイスは「ｐｎｐ」トランジスタである。ｎｐｎトランジスタのベース領域における少数キャリア（即ち、電子）の移動度は、ｐｎｐトランジスタのベースにおける正孔の移動度よりも大であるため、ｎｐｎデバイスを使用することで、更に高い高周波動作および高速性能を得ることができる。したがって、ｎｐｎトランジスタが、集積回路を構築すべく使用されるバイポーラトランジスタの主流を成している。
【０００８】
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ、即ち「ＩＧＢＴ」は、電力の流れを制御するために使用される。ＩＧＢＴは、導電型が交互に異なる半導体材料の４つの領域を含むとともに、３つの外部端子を有している。このデバイスは、その端子のうちのゲートと呼ばれる１つの端子に印加される信号に応じて、電力の流れを制御する。適切なゲート信号が存在することでデバイスをオンにし、当該デバイスを通して電流を流すことができ、ゲート信号を除くことで当該デバイスをオフにして、電流の流れを遮断することができる。
【０００９】
「サイリスタ」は、ＩＧＢＴによく似た半導体デバイスである。ＩＧＢＴと同様、サイリスタも、導電型が交互に異なる半導体材料の４つの領域を含むとともに、３つの外部端子を有し、その１つの端子がゲートである。ＩＧＢＴと同様、適切なゲート信号を印加することでサイリスタをオンにし、サイリスタを通して電流を流すことができる。しかしながら、ＩＧＢＴと異なり、サイリスタからゲート信号を除いても、当該デバイスを通って流れる電流は遮断されない。ひとたびゲート信号の印加に応じてサイリスタがオンされると、単にゲート信号を除くだけでは、オフにすることはできない。即ち、サイリスタは、「ラッチ」動作を呈する。このデバイスは、適切なゲート信号の印加に応じてオンになり、たとえゲート制御信号が除かれてもオンのままである。サイリスタをオフにするためには、典型的には、当該デバイスを通って流れている電流をしきい値レベル未満まで減少させる必要がある。
【００１０】
サイリスタのラッチ特性は、当該デバイスの構造によるものである。サイリスタにおける４つの交互の半導体領域は、３つの層からなる結合体の２つを、本来的に組み込んでおり、各々が、それぞれσ１およびσ２と称されるフォワード電流ゲインを有している。σ１およびσ２の合計が１未満である場合、サイリスタがラッチを呈さないことは公知である。
【００１１】
ＭＯＳＦＥＴもまた、電力の流れを制御するために使用される３端子のデバイスである。しかしながら、ＩＧＢＴおよびサイリスタと異なり、ＭＯＳＦＥＴは半導体領域を３つしか有していない。ＭＯＳＦＥＴは、ゲート端子に加えられる適切な制御信号に応じて、当該デバイスを通って流れる電力を制御する。ＭＯＳＦＥＴは、適切なゲート信号を選択的に印加および除去することによって電力の流れを制御すべく使用できる点で、ＩＧＢＴと類似している。ＭＯＳＦＥＴはサイリスタの「ラッチ」動作を示さないが、サイリスタは、典型的には、より大量の電力を送電することができる。
【００１２】
ＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴの制御性とサイリスタの大電力送電能力とを組み合わせている。しかしながら、サイリスタに類似する４層構造を取り入れているため、ＩＧＢＴは、導電型が交互に異なる領域からなる３層の結合体を２つ有しており、したがって、高電圧などの或る電気的条件の下では、ラッチ動作を呈する。
【００１３】
上述の半導体主体のデバイスおよびシステムは、従来から、例えばシリコン主体の材料など、無機の半導体材料を取り入れている。有機半導体は、いくつかの用途において従来の無機の半導体と置き換えられる可能性を有しており、更には、無機の半導体がこれまで使用されていない新たな用途を提供すると考えられる。そのような用途としては、例えば、表示システム、可搬型の各種装置、センサ・システム、コンピュータ装置、信号受信装置、信号送信装置、およびメモリ装置等が挙げられる。
【００１４】
有機半導体は従来の半導体にはない利点を有しているため、上記の用途において置き換えられて使用されることが期待されている。重要な利点の１つは、有機半導体の加工が比較的容易である点にある。他の利点は、有機半導体を使用することで可能になる電気的特性の向上が挙げられる。有機半導体の電気的特性は、それらの固有の材料特性、形態、結晶化度、および分子の充填密度に大きく依存する。
【００１５】
更に具体的には、有機薄膜トランジスタにおいては、構成要素間のインターフェース（界面）が重要な役割を果たしている。ゲート絶縁体と有機半導体との間の界面が、トランジスタの安定性を決定しており、界面が清浄であるほど、薄膜トランジスタがより安定する。現在のところ、有機半導体層および絶縁体層は、真空蒸着、スピンコート、インクジェット印刷、などを使用して別々に形成されている。したがって、界面における汚染および欠陥の可能性が高く、現行のプロセスでは、信頼性のあるデバイスを高い歩留まりで生み出す見込みのないものにしている。
【００１６】
更に、トランジスタの構造が、デバイスの電気的特性を決定する上でもう１つの重要な役割を果たしている。従来のトランジスタ構造は、ゲート絶縁体とゲート電極とで構成されるゲートを、半導体の片側にのみ配置している。このことが、トランジスタの特性を制約している。
【００１７】
半導体産業は、複数ゲートの半導体構造（ただし、従来のシリコン主体の材料を使用している）の重要性を最近になって認識し始めている。例えば、Ｍ．  Ｍａｓａｈａｒａ  ａｎｄ  Ｅ．  Ｓｕｚｕｋｉ，  “ＡＩＳＴ  Ａｎｎｏｕｎｃｅｓ  Ｗｏｒｌｄ’ｓ  Ｔｈｉｎｎｅｓｔ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｔｙｐｅ  Ｄｏｕｂｌｅ−Ｇａｔｅ  ＭＯＳＦＥＴ  Ｕｓｉｎｇ  Ｎｅｗｌｙ  Ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄ  Ｐｒｏｃｅｓｓ，”  ＡＩＳＴ  Ｔｏｄａｙ  Ｉｎｔ’ｌ  Ｅｄ．  Ｎｏ．  ８，  ｐａｇｅｓ  １０−１２  （２００３）（ここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする）を参照されたい。複数ゲートの構造は、半導体の周囲に２つ以上のゲートを有している。この構造は、トランジスタの特性、特に、しきい値電圧を最適に制御できるようにし、電力消費の最小化とスイッチエラーの低減の両方を可能にする。更に詳しくは、デバイスをオンするために必要なドレイン電流が少なく、したがってデバイスの動作時に消費される電力が少ない。更に、複数のゲートの各々を、他のゲートのゲートしきい値電圧を制御するために使用でき、しきい値電圧の最適な制御が可能になる。
【００１８】
著者であるＭ．  Ｍａｓａｈａｒａ  ａｎｄ  Ｅ．  Ｓｕｚｕｋｉによって検討された縦型ダブルゲートＭＯＳＦＥＴは、微細化によってソースとドレインとの間の距離が縮小されたときのこれらの構成要素間の相互の干渉であるチャネル短絡作用を、２つのゲート間に薄いチャネルを積層することによって解消すべく設計されている。しかしながら、著者らも認識しているように、複数ゲート構造の製造は困難であることが分かっている。著者らは、従来の相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）製造プロセスを、アルカリ溶液のエッチング速度がイオン照射を受けた表面において遅くなるという新たに発見されたプロセスと組み合わせて使用することによって、世界で最も薄いチャネル（約１５ｎｍ厚）の製造を開示している。
【００１９】
従来の半導体デバイスおよび製造プロセスの欠点を克服するため、新規なデバイスおよび製造プロセスを提供する。本発明の目的は、絶縁体および有機半導体の改良された結合体を提供することにある。関連する目的は、絶縁体と有機半導体との間の界面の欠陥または汚染の可能性を低減することにある。他の目的は、絶縁体と有機半導体の結合体の製造プロセスにおいて、工程数を少なくすることにある。
【００２０】
本発明の更に他の目的は、改良された電気的特性を有する有機薄膜トランジスタを提供することにある。関連する目的は、複数ゲートの有機薄膜トランジスタを提供することにある。更に具体的な目的は、トランジスタの特性、特に、しきい値電圧を最適に制御できるようにするとともに、電力消費の最小化およびスイッチエラーの低減の両者を達成することにある。更に他の目的は、複数ゲートのトランジスタ構造の製造を容易にするプロセスを提供することにある。
【発明の開示】
【００２１】
これらの目的および他の目的を達成するため、ならびにその目的に照らして、本発明は、第１のポリマーで形成された絶縁体層を備える半導体構造を提供する。更にこの構造は、第２のポリマーで構成された有機半導体層を備えている。これら２つのポリマーは、半導体層が絶縁体層に隣接して位置するように整列されたコポリマー構造へと自己集合している。この構造は、限定するものではないが、トランジスタ、複数ゲートのトランジスタ、サイリスタ等の有機薄膜半導体デバイスであってよい。
【００２２】
また、本発明は、有機薄膜半導体デバイスの製造プロセスを提供する。このプロセスは、第１のステップとして、基板を設けるステップを含んでいる。次に、第１のポリマーで形成される絶縁体層と、第２のポリマーで形成される有機半導体層とが、基板に塗布される。これらのポリマーは、半導体層が絶縁体層に隣接して位置するように整列したコポリマー構造へと自己集合する。次いで、有機半導体層の間に位置する絶縁体の部分が取り除かれ、有機半導体層が分離される。
【００２３】
以上の全般的な説明および以下の詳細な説明は、どちらも本発明の例示であり、本発明を限定するものではないことを、理解すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照して検討することで、最もよく理解される。一般的な慣例に従い、図面の種々の特徴が比例した縮尺で図示したものではないことを強調しておく。むしろ、種々の形状の寸法は、分かりやすくするために任意に拡大または縮小されている。
【００２５】
本明細書において使用される用語に関して、ポリマーとは、多数の繰り返し単位が連結されて形成された大小の分子で構成される非金属の天然または合成材料である。コポリマーとは、混合ポリマーであり、２つ以上の物質が同時に重合してなる生成物である。ブロック・コポリマーとは、類似のモノマー単位が重合鎖上に比較的長い交互の並びで存在するコポリマーである。ブロック・コポリマーは、特殊な化学的または動的状態を利用することにより設けられる。これらの材料を幅広くさまざまに合成する能力は、ランダム、交互、またはランダム‐交互型のコポリマーの合成に比べ、より限定されている。しかしながら、用途がより幅広くて、他よりも重要であるいくつかのブロック・コポリマーを合成するために、独創的な技法が考案されている。もっと重要な２つの技法は、アニオン・リビング重合プロセスおよびフリーラジカル・プロセスである。
【００２６】
ブロック・コポリマーをもたらす工程は、通常は、新鮮なモノマーを、前もって用意した親ホモポリマーまたはコポリマーと反応させることを含んでいる。種々の配列は、本質的には、ホモポリマーであってもよいし、またはコポリマーであってもよい。アニオン・リビング重合技法によってブロック・コポリマーを生成する特別な場合には、親ホモポリマーが依然として活性状態である。多くの部分において、ブロック共重合は、親ポリマー分子に結びついた活性点によって重合反応を開始させることを含んでいる。ブロック共重合は、終端の活性点を含んでいる。重合は、通常は、親ポリマー、親ポリマー上に成長させるモノマー、および新鮮な開始剤からなる混合物で行なわれる。
【００２７】
モノマー、開始剤、およびポリマーの混合物において重合が行なわれる場合、生成物の混合物は、（１）新鮮なモノマーからなるホモポリマー、（２）共重合に加わらなかった親分子のホモポリマー、（３）分岐構造間の架橋、および（４）所望のコポリマー、となり得る。システムが所望の生成物を高収率で生み出す能力を有するために、反応条件の制御は、最初の３つの種類の生成物をもたらす反応条件を抑制し、所望のコポリマーをもたらす反応条件を強調するように、制御されなければならない。純粋な生成物を得るために分離のプロセスを適用することができるいくつかの場合があり得る。
【００２８】
本発明の一態様は、ポリマーを使用して、絶縁体と有機半導体（カーボン主体のナノチューブなど）との結合体コポリマーを形成することにある。更なる態様は、このようにして形成される絶縁体と有機半導体との結合体構造を使用して、薄膜トランジスタなどの半導体デバイスを製造することにある。化学的に別個であるポリマーを一体に結合させてなるコポリマーは、Ｍ．  Ｌａｚｚａｒｉ  ａｎｄ  Ｍ．  Ｌｏｐｅｚ−Ｑｕｉｎｔｅｌａ，  “Ｂｌｏｃｋ  Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｓ  ａｓ  ａ  Ｔｏｏｌ  ｆｏｒ  Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，”  １５  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｎｏ．  １９，  ｐａｇｅｓ  １５８３−９４  （Ｏｃｔ．  ２，  ２００３）（ここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする）に記載されているように、薄層、円柱、点、などの整列された構造へと自己集合できる。本発明は、絶縁体と有機半導体とで構成されるコポリマーの自己集合を利用することによって、半導体デバイスの各層の形成を改善し、トランジスタの構造を改善している。
【００２９】
Ａ．自己集合コポリマーによる絶縁体と有機半導体との結合体構造
ここで図面を参照するが、図面を構成している種々の要素は図の全体を通して同様の参照符号により同様の要素を指し示している。図３Ａ（断面図）および３Ｂ（上面図）は、本発明によって形成されたコポリマー薄層構造３０を示す。図３Ａおよび３Ｂは、絶縁体１および有機半導体２で構成されるポリマーから自己集合した薄膜コポリマー薄層構造３０を示している。図３Ａに最もよく示されているように、薄層構造３０の絶縁体１および有機半導体２は、絶縁体１を上部側に、有機半導体２を下部側に配置させて、平行に積層している（即ち、両層が水平を向いている）。
【００３０】
基板３上に薄層構造３０を形成することによって、薄膜トランジスタを比較的簡単なプロセスを使用して製造することができる。更に、このプロセスは、絶縁体１と有機半導体２との間に不完全な界面または汚染された界面が形成される恐れを最小にする。換言すれば、絶縁体１と有機半導体２との間の界面には、実質的に汚染が存在しない。基板３は、、平板、湾曲板、ワイヤ、球、または立方体など、種々の形状であってよいが、必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００３１】
ポリマーからコポリマー薄層構造３０を形成することは、ポリマーがガラス転移温度（Ｔｇ）を超えて加熱されるときに行なわれる。この技術分野においてよく知られているように、ポリマー材料の特性は温度により変化する。充分に低い温度においては、非晶質のポリマーは硬くてガラス状であり、比較的高い機械的強度を有している。この特性の状態は、温度が上昇するときは、臨界の温度領域に達するまで維持される。この領域において、ポリマーは、硬くてガラス状の可塑性（柔軟でない）材料から、より柔らかくてゴム状である柔軟な（非可塑性の）材料へと変化する。この機械的特性の劇的な移行のことを、ガラス転移と呼び、この臨界温度がガラス転移温度と呼ばれる。
【００３２】
ひとたびＴｇを超えて加熱されると、絶縁体ポリマー材料および有機半導体ポリマー材料は、相分離の状態になる。このコポリマーの結合体がＴｇから冷却されるときに薄層構造が残り、図３Ａに示した２層構造が形成される。ブロック・コポリマーの分子の自己集合によって、有用な薄層構造３０が、簡単なプロセスで、人間の直接的な介在を必要とせずに生成される。
【００３３】
図３Ａおよび３Ｂの薄層構造３０は、例えば、図１に示した従来の構造に類似する改良されたボトムコンタクト型薄膜トランジスタ構造を形成するために使用することができる。図１は、ボトムコンタクト構造１０の断面を示している。薄層構造３０がボトムコンタクト構造１０に組み込まれると、有機半導体２は、基板３、ソース電極４およびドレイン電極５のそれぞれに接する。
【００３４】
当然ながら、当業者であれば理解できるように、薄層構造３０の絶縁体１および有機半導体２を、絶縁体１を下側にし、有機半導体２を上側に配置して、平行に、即ち水平向きに積層してもよい。層の並びを図３Ａに示した並びに対して反転させることで、薄層構造３０を、図２に示した従来の構造に類似する改良されたトップコンタクト型薄膜トランジスタ構造を形成するように使用してもよい。図２は、トップコンタクト構造２０の断面を示している。反転させた薄層構造３０がトップコンタクト構造２０に取り入れられると、絶縁体１が、基板３およびゲート電極６のそれぞれと接する。
【００３５】
薄層構造３０を形成するプロセスは、図１のボトムコンタクト構造１０（半導体２が基板３に接している）または図２のトップコンタクト構造２０（絶縁体１が基板３に接している）のいずれかを得るように制御することは、容易にできる。１つのプロセス制御は、おそらくは電極４および５を含む基板３の表面と絶縁体１または有機半導体２のいずれかとの間の化学的親和性を利用しており、ここで化学的親和性は材料の特性によって決定することができるか、または表面処理によって変えることができる。他のプロセス制御は、絶縁体１および有機半導体２をそれぞれ形成する２つのポリマーの異なる密度を利用する。より密度の高いポリマーは溶液において沈む傾向にあるため、より軽いポリマーがより密度の高いポリマーの上に形成される傾向にある。
【００３６】
図４Ａ（断面図）および４Ｂ（上面図）は、本発明によって形成されたコポリマー円柱構造４０を示している。図４Ａおよび４Ｂは、絶縁体１および有機半導体２で構成されるポリマーから自己集合した薄膜コポリマー円柱構造４０を示している。図４Ａに最もよく示されているように、円柱構造４０の絶縁体１および有機半導体２は、有機半導体２の円柱構造を絶縁体１の母材で囲みつつ、両者は平行に積層、即ち水平方向に積層されている。
【００３７】
平行円柱構造４０は、薄層構造３０に関して概ね上述されたプロセス、即ち、著者Ｍ．  Ｌａｚｚａｒｉ  ａｎｄ  Ｍ．  Ｌｏｐｅｚ−Ｑｕｉｎｔｅｌａによって更に詳しく説明されているようなプロセスを使用して、形成することができる。この著者らが述べているように、ポリマーは、それらの固有の寸法、合成および加工の容易さ、構造の厳密な制御、化学的機能性、およびバルクおよび溶液の両者における独特な中間層分離に鑑み、特に、ブロック・コポリマーの場合に、理想的なナノスケールのツールを表している。図４Ａおよび４Ｂの平行円柱構造４０は、例えば、図１０Ａ〜１０Ｅに示して詳しく後述するような改良型の複数ゲート薄膜トランジスタを形成するために使用可能である。
【００３８】
図５Ａ（断面図）および５Ｂ（上面図）は、本発明によって形成されたコポリマー円柱構造５０を示している。図５Ａおよび５Ｂは、絶縁体１および有機半導体２で構成されるポリマーから自己集合した薄膜コポリマー円柱構造５０を示している。図５Ｂに示す直線５Ａ‐５Ａに沿って得た断面図である図５Ａに最もよく示されているように、円柱構造５０の絶縁体１および有機半導体２は垂直に積層されるとともに、有機半導体２の円柱構造は絶縁体１の母材で囲まれている。
【００３９】
垂直円柱構造５０は、薄層構造３０に関して概ね上述されたプロセス、即ち、著者Ｍ．  Ｌａｚｚａｒｉ  ａｎｄ  Ｍ．  Ｌｏｐｅｚ−Ｑｕｉｎｔｅｌａによって更に詳しく説明されているようなプロセスを使用して、形成することができる。形成後に、垂直円柱構造５０を薄膜トランジスタに取り入れることができる。図５Ａおよび５Ｂの垂直円柱構造５０は、例えば、図１１Ａ〜１１Ｆに示して詳しく後述するような改良された複数ゲート薄膜トランジスタを形成するために使用可能である。
【００４０】
図６Ａ（断面図）および６Ｂ（上面図）は、本発明によって形成されたコポリマー薄層構造６０を示している。図６Ａおよび６Ｂは、絶縁体１および有機半導体２で構成されるポリマーから自己集合した薄膜コポリマー薄層構造６０を示している。図６Ａに最もよく示されているように、薄層構造３０の絶縁体１および有機半導体２は垂直に積層され、絶縁体１と有機半導体２の薄層を交互に配置した構成である。
【００４１】
垂直薄層構造６０は、薄層構造３０に関して概ね上述されたプロセス、即ち、著者Ｍ．  Ｌａｚｚａｒｉ  ａｎｄ  Ｍ．  Ｌｏｐｅｚ−Ｑｕｉｎｔｅｌａによって更に詳しく説明されているようなプロセスを使用して、形成することができる。形成後に、垂直薄層構造６０を薄膜トランジスタに取り入れることができる。図６Ａおよび６Ｂの垂直薄層構造６０は、例えば、図１２Ａ〜１２Ｆに示して詳しく後述するような改良された複数ゲート薄膜トランジスタを形成するために使用可能である。
【００４２】
Ｂ．一般的な複数ゲート半導体トランジスタ
すでに述べたように、複数ゲートの半導体構造は、単一ゲートの構造に比べていくつかの利点がある。したがって、本発明の発明者らは、複数ゲートの半導体構造を製造するために、絶縁体と有機半導体とを組み合わせた本発明の自己集合コポリマー構造を使用することが望ましいと考えた。図７Ａ（断面図）および７Ｂ（側面図）は、比較のために単一ゲートのトランジスタ構造を示している。図７Ｂに示す直線７Ａ‐７Ａに沿って得た断面図である図７Ａに最もよく示されているように、円柱形の有機半導体２が、絶縁体１の母材に囲まれている。１つだけのゲート電極６が、絶縁体１の上面に形成されている（ただし、本件出願で指示するように、ゲート電極６は絶縁体１の任意の部分に形成できる）。ソース電極４およびドレイン電極５は各々、円柱形の有機半導体２の両端に形成されている。
【００４３】
図８Ａ（断面図）および８Ｂ（側面図）は、デュアル（複）ゲート型トランジスタの構造を示している。やはり、図８Ｂの直線８Ａ‐８Ａに沿って得た断面図である図８Ａに最もよく示されているように、円柱形の有機半導体２は、絶縁体１の母材に囲まれている。図７Ａおよび７Ｂの単一ゲート型トランジスタ構造と同様に、ソース電極４およびドレイン電極５が各々、円柱形の有機半導体２の両端に形成されている。しかしながら、図７Ａおよび７Ｂの単一ゲート型トランジスタ構造と異なり、図８Ａおよび８Ｂのデュアルゲート型トランジスタ構造は、絶縁体１の第１の部位に近接して形成された第１のゲート電極６ａと、絶縁体１の第２の部位に近接して形成された第２のゲート電極６ｂを有している。
【００４４】
図９Ａ（断面図）および９Ｂ（側面図）は、３ゲート型トランジスタの構造を示している。やはり、図９Ｂの直線９Ａ‐９Ａに沿って得た断面図である図９Ａに最もよく示されているように、円柱形の有機半導体２は、絶縁体１の母材に囲まれている。上述の単一ゲート型およびデュアルゲート型トランジスタ構造と同様に、ソース電極４とドレイン電極５は各々、円柱形の有機半導体２の両端に形成されている。しかしながら、前述の構造とは異なり、図９Ａおよび９Ｂの３ゲート型トランジスタ構造は、絶縁体１の第１の部位（例えば、上部）に近接して形成された第１のゲート電極６ａと、絶縁体１の他の部位（例えば、各側部）に近接して形成された更に２つのゲート電極６ｃを有している。
【００４５】
図示はされていないが、４つのゲート電極を有するトランジスタ構造も可能である。即ち、第１のゲート電極が、絶縁体１の上部に形成される。第２のゲート電極が、絶縁体１の下部に形成される。更に２つのゲート電極が、絶縁体１の各側部に形成される。
【００４６】
Ｃ．特有の複数ゲート半導体トランジスタ
絶縁体と有機半導体とを組み合わせた本発明による上述の種々の自己集合コポリマー構造を使用し、複数ゲートの薄膜トランジスタを形成するために使用できるプロセスのいくつかの実施の形態について、以下に詳しく説明する。まず、図４Ａおよび４Ｂに示した平行円柱構造４０に注目すると、そのような構造４０が、図１０Ａ〜１０Ｅに示したプロセスによって複数ゲートの薄膜トランジスタ構造に取り入れられる。このプロセスは、図１０Ａに示すように基板３を用意することで開始される。
【００４７】
次いで、図１０Ｂに示すように、ポリマーが基板３の上面に設けられ、有機半導体２の円柱が、絶縁体１の母材内で薄膜と平行な方向に自己集合する。図１０Ｂを、絶縁体と有機半導体とを組み合わせた図４Ａの自己集合コポリマー構造と比較されたい。次の処理工程は、有機半導体２の円柱間に位置する絶縁体１の部分を除去することによって、個々の円柱を分離する工程である。この工程の後にもたらされる構造が、図１０Ｃに示されている。次いで、ゲート電極６が、図１０Ｄに示すように絶縁体１の周囲に形成される。これにより、ゲート電極６を、個別の制御が必要とされる用途のために分割することができる。最後に、ソース電極４およびドレイン電極５が、図１０Ｅに示すように有機半導体２の両端部に形成される。
【００４８】
他の実施の形態においては、複数ゲートのトランジスタを形成するために使用されるプロセス工程が、図１１Ａ〜１１Ｅに順に示されている。これらのプロセス工程は、図５Ａおよび５Ｂに示した垂直円柱構造５０を取り入れている。このプロセスは、図１１Ａに示すように基板３を設けることによって開始される。
【００４９】
次に、図１１Ｂに示されているように、パターン加工されたソース（または、ドレイン）電極を有している基板３の上部にポリマーが配置され、有機半導体２の円柱が、電極上において、絶縁体１の母材内で薄膜に直交する方向に選択的に自己集合する。図１１Ｂを、絶縁体と有機半導体とを組み合わせた図５Ａの自己集合コポリマー構造と比較されたい。位置の選択性は、自然に生じうる電極と有機半導体２との間の望ましい親和性、電極の表面処理、形状の相違によって生み出される応力場、電極によって加えられる電界、磁界の印加、あるいは当業者にとって公知の他の任意の適切な機構など、さまざまなやり方によって制御することができる。
【００５０】
次の処理工程は、有機半導体２の円柱の間に位置する絶縁体１の部分を除去することによって、個々の円柱を分離する工程である。この工程の後にもたらされる構造が、図１１Ｃに示されている。次いで、ゲート電極６が、図１１Ｄに示すように絶縁体１の周囲に形成される。これにより、ゲート電極６を、個別の制御が必要とされる用途のために分割することができる。最後に、ソース電極４およびドレイン電極５が、図１１Ｅに示すように有機半導体２の両端部に形成される。図１１Ｆは、図１１Ｅに断面で示されている最終構造の上面図である。
【００５１】
更に他の実施の形態においては、複数ゲートのトランジスタを形成するために使用されるプロセス工程が、図１２Ａ〜１２Ｅに順に示されている。これらのプロセス工程は、図６Ａおよび６Ｂに示した垂直薄層構造６０を取り入れている。このプロセスは、図１２Ａに示すように基板３を設けることから開始される。
【００５２】
次に、図１２Ｂに示されているように、基板３の上面部にポリマーが配置され、垂直方向の自己集合による薄層構造が形成される。この構造は、絶縁体１および有機半導体２が垂直向きに積層されるとともに、絶縁体１と有機半導体２とが交互に配置された薄層構造である。図１２Ｂを、絶縁体と有機半導体とを組み合わせた図６Ａの自己集合コポリマー構造と比較されたい。
【００５３】
次の処理工程は、有機半導体２の間に位置する絶縁体１の部分を除去することによって、絶縁体１によって挟まれている個々の有機半導体２を分離する工程である。この工程の後にもたらされる構造が、図１２Ｃに示されている。次いで、ゲート電極６が、図１２Ｄに示すように絶縁体１の周囲に形成される。これにより、ゲート電極６を、個別の制御が必要とされる用途のために分割することができる。最後に、ソース電極４およびドレイン電極５が、図１２Ｅに示すように有機半導体２の両端部に形成される。図１２Ｆは、図１２Ｅに断面で示されている最終構造の上面図である。
【００５４】
絶縁体および有機半導体のポリマーをコポリマー構造へと自己集合させることによって、薄膜トランジスタ内の両方の層を同時に形成することができる。更に、絶縁体と半導体との間の界面に、欠陥または汚染が実質的に存在しない。更に、薄膜トランジスタを製造するために必要とされるプロセス工程が、従来の製造プロセスに比べて低減および簡素化される。最後に、複数ゲートの薄膜トランジスタを製造する試みがこれまで直面していた障害の多くが、本発明による自己集合コポリマーを使用することによって克服される。
【００５５】
すでに述べたように、有機半導体の中でも、本発明における使用に適しているのはカーボンナノチューブである。本発明は、多層および単層の両方のカーボンナノチューブを包含するが、以下の説明は後者に焦点を置く。単層ナノチューブ、即ち、ＳＷＡＴ（「バッキーチューブ」と称されることもある）は、中空のポリマー円筒を形成すべく六方晶に結合した網目へとつながった純粋な炭素の中空分子である。このチューブは継ぎ目がなく、端部が開放または閉鎖されており、ナノチューブ内に特性を損なう欠陥がない。個々のＳＷＮＴの直径は、０．７〜２ｎｍ、典型的には約１．０ｎｍであり、人間の髪よりも約１００，０００倍も細く、ＤＮＡの直径の約半分であり、グラファイト繊維の直径の約１０，０００分の１である。個々のチューブの長さは約１００〜１，０００ｎｍであって、それらの直径の数百倍であり、ＳＷＮＴにきわめて大きなアスペクト比を与えている。具体的には、ＳＷＮＴのアスペクト比は、カーボンブラック粒子が約１であるのに対し、約１００〜１，０００である。炭素の特有の性質がＳＷＮＴの分子構造と組み合わさって、ＳＷＮＴに電気および熱の伝導、強度、剛性、および強靭性など、並外れて高い材料特性を与えている。
【００５６】
ＳＷＮＴに、炭素のさまざまな化学的性質を使用して、反応または操作を加えることができる。即ち、ＳＷＮＴは、構造の改変ならびに溶解および分散の最適化の機会をユーザに提供する。ＳＷＮＴの材料特性が、熱可塑性または熱硬化性物質におけるフィラーとしての使用など、ＳＷＮＴに多数の用途における潜在能力をもたらしている。実際、ＳＷＮＴは、導電性フィラーとしての適用に理想的である形態を自然に形成する。ＳＷＮＴは、横並びで延びて分岐および再合流する数十〜数百のチューブが整列した「ロープ」へと自己集合する。電子顕微鏡によって調べると、これらのロープの端部を見つけることは非常に困難である。即ち、ロープが、自然に生じる長い導電経路を形成しており、この経路は電気導電性の充填複合材料を製作する際に利用することができる。
【００５７】
ＳＷＮＴについてのさらなる情報は、テキサス州ヒューストンのＣａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ（ｗｗｗ．ｃｎａｎｏｔｅｃｈ．ｃｏｍ）から得ることができる。更に一般的には、合衆国政府が、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ（「ＮＮＩ」）の一部として情報を提供している。ナノテクノロジーという新興の分野、ならびに原子または分子スケールの材料の操作の科学についての検討を、ｗｗｗ．ｎａｎｏ．ｇｏｖに見つけることができる。
【００５８】
以上、特定の実施の形態を参照して本発明を図示および説明したが、本発明をここに詳述した内容に限定しようとするものではない。むしろ、請求項の技術的範囲および均等の範囲において、本発明から離れることなく、詳細についてさまざまな変更を行なうことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】従来のボトムコンタクト型トランジスタの構造を断面で示している。
【図２】従来のトップコンタクト型トランジスタの構造を断面で示している。
【図３Ａ】本発明によるコポリマー薄層構造の断面図であり、絶縁体および有機半導体が、絶縁体を上に、有機半導体を下に位置させつつ、平行に、即ち水平向きに積層されている。
【図３Ｂ】図３Ａに示した薄層構造の上面図である。
【図４Ａ】本発明によるコポリマー円柱構造の断面図であり、絶縁体および有機半導体が、有機半導体からなる円柱構造を絶縁体からなる母材で囲みつつ、平行に、即ち水平向きに積層されている。
【図４Ｂ】図４Ａに示した平行円柱構造の上面図である。
【図５Ａ】本発明によるコポリマー円柱構造の断面図であり、絶縁体および有機半導体が、有機半導体からなる円柱構造を絶縁体からなる母材で囲みつつ、垂直に積層されている。
【図５Ｂ】図５Ａに示した垂直円柱構造の上面図である。
【図６Ａ】本発明によるコポリマー薄層構造の断面図であり、絶縁体および有機半導体が、絶縁体および有機半導体からなる交互の薄層にて、垂直に積層されている。
【図６Ｂ】図６Ａに示した垂直薄層構造の上面図である。
【図７Ａ】本発明によって形成された単一ゲート型トランジスタ構造の断面図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示した単一ゲート型トランジスタ構造の側面図である。
【図８Ａ】本発明によって形成されたデュアルゲート型トランジスタ構造の断面図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示したデュアルゲート型トランジスタ構造の側面図である。
【図９Ａ】本発明によって形成された３ゲート型トランジスタ構造の断面図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示した３ゲート型トランジスタ構造の側面図である。
【図１０Ａ】図４Ａおよび４Ｂに示した平行円柱構造を複数ゲートの薄膜トランジスタ構造に取り入れるために使用される本発明によるプロセスについて、各工程において形成される種々の構造を断面で示している。
【図１０Ｂ】図４Ａおよび４Ｂに示した平行円柱構造を複数ゲートの薄膜トランジスタ構造に取り入れるために使用される本発明によるプロセスについて、各工程において形成される種々の構造を断面で示している。
【図１０Ｃ】図４Ａおよび４Ｂに示した平行円柱構造を複数ゲートの薄膜トランジスタ構造に取り入れるために使用される本発明によるプロセスについて、各工程において形成される種々の構造を断面で示している。
【図１０Ｄ】図４Ａおよび４Ｂに示した平行円柱構造を複数ゲートの薄膜トランジスタ構造に取り入れるために使用される本発明によるプロセスについて、各工程において形成される種々の構造を断面で示している。
【図１０Ｅ】図４Ａおよび４Ｂに示した平行円柱構造を複数ゲートの薄膜トランジスタ構造に取り入れるために使用される本発明によるプロセスについて、各工程において形成される種々の構造を断面で示している。
【図１１Ａ】図５Ａおよび５Ｂに示した垂直円柱構造を複数ゲートの薄膜トランジスタ構造に取り入れるために使用される本発明によるプロセスについて、各工程において形成される種々の構造を断面で示している。
【図１１Ｂ】図５Ａおよび５Ｂに示した垂直円柱構造を複数ゲートの薄膜トランジスタ構造に取り入れるために使用される本発明によるプロセスについて、各工程において形成される種々の構造を断面で示している。
【図１１Ｃ】図５Ａおよび５Ｂに示した垂直円柱構造を複数ゲートの薄膜トランジスタ構造に取り入れるために使用される本発明によるプロセスについて、各工程において形成される種々の構造を断面で示している。
【図１１Ｄ】図５Ａおよび５Ｂに示した垂直円柱構造を複数ゲートの薄膜トランジスタ構造に取り入れるために使用される本発明によるプロセスについて、各工程において形成される種々の構造を断面で示している。
【図１１Ｅ】図５Ａおよび５Ｂに示した垂直円柱構造を複数ゲートの薄膜トランジスタ構造に取り入れるために使用される本発明によるプロセスについて、各工程において形成される種々の構造を断面で示している。
【図１１Ｆ】図１１Ｅに示した構造の上面図である。
【図１２Ａ】図６Ａおよび６Ｂに示した垂直薄層構造を複数ゲートの薄膜トランジスタ構造に取り入れるために使用される本発明によるプロセスについて、各工程において形成される種々の構造を断面で示している。
【図１２Ｂ】図６Ａおよび６Ｂに示した垂直薄層構造を複数ゲートの薄膜トランジスタ構造に取り入れるために使用される本発明によるプロセスについて、各工程において形成される種々の構造を断面で示している。
【図１２Ｃ】図６Ａおよび６Ｂに示した垂直薄層構造を複数ゲートの薄膜トランジスタ構造に取り入れるために使用される本発明によるプロセスについて、各工程において形成される種々の構造を断面で示している。
【図１２Ｄ】図６Ａおよび６Ｂに示した垂直薄層構造を複数ゲートの薄膜トランジスタ構造に取り入れるために使用される本発明によるプロセスについて、各工程において形成される種々の構造を断面で示している。
【図１２Ｅ】図６Ａおよび６Ｂに示した垂直薄層構造を複数ゲートの薄膜トランジスタ構造に取り入れるために使用される本発明によるプロセスについて、各工程において形成される種々の構造を断面で示している。
【図１２Ｆ】図１２Ｅに示した構造の上面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  絶縁体、    ２  有機半導体、    ３  基板、    ４  ソース電極、  
５  ドレイン電極、    ６  ゲート電極、    ３０，６０  コポリマー薄層構造、  
４０，５０  コポリマー円柱構造
【図１】
2007531285.tif 000003
【図２】
2007531285.tif 000004
【図３Ａ】
2007531285.tif 000005
【図３Ｂ】
2007531285.tif 000006
【図４Ａ】
2007531285.tif 000007
【図４Ｂ】
2007531285.tif 000008
【図５Ａ】
2007531285.tif 000009
【図５Ｂ】
2007531285.tif 000010
【図６Ａ】
2007531285.tif 000011
【図６Ｂ】
2007531285.tif 000012
【図７Ａ】
2007531285.tif 000013
【図７Ｂ】
2007531285.tif 000014
【図８Ａ】
2007531285.tif 000015
【図８Ｂ】
2007531285.tif 000016
【図９Ａ】
2007531285.tif 000017
【図９Ｂ】
2007531285.tif 000018
【図１０Ａ】
2007531285.tif 000019
【図１０Ｂ】
2007531285.tif 000020
【図１０Ｃ】
2007531285.tif 000021
【図１０Ｄ】
2007531285.tif 000022
【図１０Ｅ】
2007531285.tif 000023
【図１１Ａ】
2007531285.tif 000024
【図１１Ｂ】
2007531285.tif 000025
【図１１Ｃ】
2007531285.tif 000026
【図１１Ｄ】
2007531285.tif 000027
【図１１Ｅ】
2007531285.tif 000028
【図１１Ｆ】
2007531285.tif 000029
【図１２Ａ】
2007531285.tif 000030
【図１２Ｂ】
2007531285.tif 000031
【図１２Ｃ】
2007531285.tif 000032
【図１２Ｄ】
2007531285.tif 000033
【図１２Ｅ】
2007531285.tif 000034
【図１２Ｆ】
2007531285.tif 000035
【国際調査報告】
2007531285.tif 000036
2007531285.tif 000037
2007531285.tif 000038