(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材（１）と、
前記基材の上に離間して配置されたソース電極（２）およびドレイン電極（３）と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間を連結するように配置された有機半導体薄膜（４）と、
前記有機半導体薄膜のうち前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に配置された部分をチャネル領域として、該チャネル領域に接して設けられたゲート絶縁膜（５）と、
前記ゲート絶縁膜を挟んで前記チャネル領域の反対側に配置されたゲート電極（６）と、を有し、
前記ゲート絶縁膜のうち、少なくとも前記有機半導体薄膜と接している部分は、比誘電率が４〜６の絶縁材料で構成されていると共に、該絶縁材料が有機金属化合物と金属酸化物との混合体からなり、該混合体中の構成材料が化学的に結合しており、
前記有機金属化合物は、トリメチルアルミニウムとエチレングリコールとの反応により生成されたアルコーンであり、前記金属酸化物は、トリメチルアルミニウムと水との反応により生成されたアルミナであることを特徴とする有機半導体トランジスタ。
【請求項２】
前記ゲート絶縁膜は、前記有機半導体薄膜と接している部分を構成している第１層（５ａ）と、該第１層よりも上に形成された第２層（５ｂ）の少なくとも二層を有する複数層構造とされており、
前記第２層は、金属酸化物にて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の有機半導体トランジスタ。
【請求項３】
前記複数層構造とされた前記ゲート絶縁膜のトータルの比誘電率が６以上とされていることを特徴とする請求項２に記載の有機半導体トランジスタ。
【請求項４】
前記ゲート絶縁膜は、前記有機半導体薄膜と接している部分を構成している前記混合体の厚みが３ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の有機半導体トランジスタ。
【請求項５】
前記有機半導体薄膜を構成する有機半導体は、
【化１】
0006515668.tif 000003
で表される材料であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の有機半導体トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トップゲート構造の有機半導体トランジスタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、有機半導体膜を用いた有機半導体トランジスタが知られている。有機半導体トランジスタでは、有機半導体薄膜と接するゲート絶縁膜の比誘電率が高いとトラップが形成されることで移動度が低下する。このため、特許文献１において、ゲート絶縁膜のうち有機半導体薄膜と接する部分を比誘電率が１．５〜３．５の低誘電率ポリマーとし、有機半導体薄膜と接していない部分を比誘電率が４以上のポリマーとする構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１７５３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
有機半導体トランジスタとして、ゲート電極がソース電極やドレイン電極よりも上層に配置されたトップゲート構造の有機半導体トランジスタがある。トップゲート構造の有機半導体トランジスタは、ゲート絶縁膜により有機半導体薄膜が被覆された構造であるため、大気中の酸素や水分から有機半導体薄膜を隔離することができ、耐久性などの面で極めて有利である。
【０００５】
このトップゲート構造の有機半導体トランジスタでは、有機半導体薄膜の上にゲート絶縁膜が配置されることになるが、有機半導体薄膜の上にＳＡＭ（自己組織化単分子層：Self-Assembled Monolayers）を形成できない。有機半導体薄膜の上にＳＡＭを形成してからゲート絶縁膜を形成できれば、有機半導体トランジスタの特性が良好となり、ゲート絶縁膜のうち有機半導体薄膜と接する部分の比誘電率を低くした場合と同様の効果が得られる。しかしながら、有機半導体薄膜の上にＳＡＭを形成できないことから、そのような効果を得ることができない。このため、特許文献１で開示されているように、ゲート絶縁膜のうち有機半導体薄膜に接する部分の比誘電率を低くすることが移動度の低下抑制に有効となる。
【０００６】
ところが、特許文献１の有機半導体トランジスタでは、ゲート絶縁膜にポリマーを用いていることから、耐圧が低くなる。一般的に、ポリマー材料の耐圧は低く、特にパイ電子や非共有電子対を有するポリマー材料では耐圧が低下するとされている。このため、耐圧の低下を補償するためにはポリマー材料を厚膜化しなければならず、ゲート絶縁膜のトータルの比誘電率を大きくできなくなり、ゲート絶縁膜の容量が低下する。このゲート絶縁膜の容量の低下がゲート駆動電圧に影響し、有機半導体トランジスタを駆動するのにより高いゲート駆動電圧が必要になる。このため、トータルの比誘電率を高くしてゲート絶縁膜の容量を大きくすることでゲート駆動電圧の上昇を抑制しつつ、移動度の低下抑制を図れるようにすることが望まれる。
【０００７】
本発明は上記点に鑑みて、ゲート駆動電圧の上昇を抑制しつつ、移動度の向上を図ることが可能なトップゲート構造の有機半導体トランジスタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１ないし５に記載の発明では、基材（１）と、基材の上に離間して配置されたソース電極（２）およびドレイン電極（３）と、ソース電極とドレイン電極との間を連結するように配置された有機半導体薄膜（４）と、有機半導体薄膜のうちソース電極およびドレイン電極の間に配置された部分をチャネル領域として、該チャネル領域に接して設けられたゲート絶縁膜（５）と、ゲート絶縁膜を挟んでチャネル領域の反対側に配置されたゲート電極（６）と、を有し、ゲート絶縁膜のうち、少なくとも有機半導体薄膜と接している部分は、比誘電率が４〜６の絶縁材料で構成されていると共に、該絶縁材料が有機金属化合物と金属酸化物との混合体からなり、該混合体中の構成材料が化学的に結合していることを特徴としている。
【０００９】
このように、ゲート絶縁膜のうち少なくとも有機半導体薄膜と接している部分を有機金属化合物もしくは有機化合物と金属酸化物との混合体としている。これにより、ゲート絶縁膜の少なくとも有機半導体薄膜と接している部分にトラップが形成されることによる移動度の低下を抑制できる。そして、その混合体の比誘電率を４〜６と有機金属化合物のみで構成する場合よりも高くできることから、ゲート駆動電圧の上昇を抑制することも可能となる。よって、移動度の低下を抑制しつつ、ゲート駆動電圧の上昇を抑制することが可能となる。
【００１０】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるトップゲート構造の有機半導体トランジスタの断面構成を示す図である。
【図２】本発明の第２実施形態にかかるトップゲート構造の有機半導体トランジスタの断面構成を示す図である。
【図３】有機半導体とアルミナとの間に挿入された混合体の膜厚と内部応力との関係を示した図である。
【図４】金属酸化物をアルミナで構成した場合におけるブレイクダウン耐圧を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１３】
（第１実施形態）
本発明の一実施形態にかかるトップゲート構造の有機半導体トランジスタについて説明する。本実施形態で説明する有機半導体トランジスタは、例えば有機ＥＬ素子の駆動用トランジスタなどに適用される。
【００１４】
まず、図１を参照して、本実施形態にかかる有機半導体トランジスタの構成について説明する。
【００１５】
本実施形態にかかるトップゲート構造の有機半導体トランジスタは、絶縁性の基材１の上に有機半導体トランジスタの各構成要素を備えることで形成されている。例えば、基材１としては、ガラス基板やフィルム（エチレンナフタレート（ＰＥＮ）もしくはポリイミド（ＰＩ））などが用いられている。
【００１６】
基材１上の所望位置には、ソース電極２およびドレイン電極３が互いに離間して配置されている。ソース電極２やドレイン電極３は、例えば金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）もしくは銅（Ｃｕ）などの電極材料によって構成された金属により形成されている。
【００１７】
そして、これらソース電極２やドレイン電極３を覆うように基材１の上に、例えば高分子有機半導体材料や低分子有機半導体材料にて構成される有機半導体薄膜４が形成されている。有機半導体材料としては、低熱膨張係数で構成される耐熱性の材料であるのが好ましく、例えば化学式１で示される低分子有機半導体や、ペンタセン系やチオフェン系材料などを用いている。そして、有機溶媒に有機半導体材料を溶かすことで有機半導体材料を含むインクを形成し、これを塗布したのち乾燥させることによって有機半導体薄膜４を形成している。ここでは、例えば化学式１で示される低分子有機半導体としてｎ＝１とした材料を用いて有機半導体薄膜４を形成しており、２０ｎｍの厚みとしている。
【００１８】
【化１】
0006515668.tif 000002
このような構成とされることで、有機半導体薄膜４はソース電極２とドレイン電極３との間を連結するように配置されている。
【００１９】
さらに、有機半導体薄膜４の表面を覆うように、ゲート絶縁膜５が形成されている。ゲート絶縁膜５は、原子層堆積法（以下、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法という）によって形成されている。ＡＬＤ法によれば極めて緻密な膜が形成されることから、耐圧を向上させる点において特に好ましい。
【００２０】
ゲート絶縁膜５の少なくとも有機半導体薄膜４と接している部分、つまりゲート絶縁膜５の全部もしくは一部は、ポリマーではない比誘電率が４〜６の絶縁材料で構成されており、本実施形態の場合、その部分を有機金属化合物と金属酸化物との混合体によって構成している。ゲート絶縁膜５のうち有機金属化合物と金属酸化物との混合体によって構成されている部分の膜厚を３ｎｍ未満とされている。この混合体は、混合体の構成材料、すなわち有機金属化合物と金属酸化物とが化学的に結合されており、両者の領域を物理構造的に区分けできない状態になっている。例えば、電子顕微鏡を用いて混合体を解析しても、混合体の各材料を区別できない状態となっている。
【００２１】
例えば、ゲート絶縁膜５のうちの有機半導体薄膜４と接している部分を構成している混合体の分子構造を確認すると、有機金属化合物と金属酸化物とが化学的に結合した状態になっていた。
【００２２】
有機金属化合物は、比誘電率が金属酸化物と比較して低い材料であり、トラップが形成され難い材料である。金属酸化物は、比誘電率が有機金属化合物と比較して高い材料であり、金属酸化物のみでゲート絶縁膜５を形成するとトラップが形成されて移動度の低下を招くが、有機金属化合物と化学的に結合することで、トラップが形成され難くなる。また、金属酸化物のうち有機金属化合物と未反応のものも存在する可能性があり、その部分においてトラップが形成され得るが、未反応のものは多くはなく、トラップが形成されたとしても多くは形成されない。少なくとも、金属酸化物のみでゲート絶縁膜５を形成する場合と比較すると、本実施形態の構造であれば大幅にトラップを低減できる。
【００２３】
このような有機金属化合物としては、例えばアルコーン（Alucone）を用いることができ、金属酸化物としては、アルミナを用いることができる。アルコーンは、例えばトリメチルアルミニウム（ＡｌＣＨ3、以下、ＴＭＡ（Trimethylaluminium）という）とエチレングリコール（Ｃ2Ｈ2（ＯＨ）2）との反応によって形成可能である。アルミナをＴＭＡと水（Ｈ2Ｏ）との反応によって形成する場合には、アルコーンとアルミナの製造においてＴＭＡを共通材料として用いることができる。
【００２４】
ただし、アルコーンは、凝集性があり、平坦性・密着性に乏しく移動度を低下させることから、ゲート絶縁膜５としてアルコーンのみを用いることは好ましくない。また、アルコーンのみでは比誘電率が低く、アルミナとの混合体とすることで比誘電率を向上させられる。このため、アルコーンとアルミナとの混合体を用いてゲート絶縁膜５の少なくとも有機半導体薄膜４と接している部分を構成している。
【００２５】
これにより、ゲート絶縁膜５の少なくとも有機半導体薄膜４と接している部分にトラップが形成されることによる移動度の低下を抑制できる。そして、その混合体の比誘電率を４〜６と有機金属化合物のみで構成する場合よりも高くできることから、ゲート駆動電圧の上昇を抑制することも可能となる。
【００２６】
さらに、このように構成されたゲート絶縁膜５の上にはゲート電極６が形成されている。具体的には、有機半導体薄膜４のうちソース電極２とドレイン電極３との間に位置する部分をチャネル領域として、チャネル領域と接するようにゲート絶縁膜５が配置されており、このゲート絶縁膜５を挟んでチャネル領域と対向する位置にゲート電極６が形成されている。ゲート電極６は、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）やモリブデン（Ｍｏ）などの電極材料によって構成されている。
【００２７】
以上のようにして、本実施形態にかかるトップゲート構造の有機半導体トランジスタが構成されている。
【００２８】
このように構成された有機半導体トランジスタでは、ゲート絶縁膜５のうち少なくとも有機半導体薄膜４と接している部分を有機金属化合物と金属酸化物との混合体としている。これにより、移動度の低下を抑制しつつ、ゲート駆動電圧の上昇を抑制することが可能となる。
【００２９】
また、ゲート絶縁膜５のうち有機金属化合物と金属酸化物との混合体によって構成されている部分の膜厚を３ｎｍ未満としている。これは、混合体の熱膨張係数が混合体の接している有機半導体薄膜４の熱膨張係数よりも小さいためである。混合体と有機半導体薄膜４との間の熱膨張係数に差が有る場合、温度変化に応じた応力が発生する。このため、混合体が厚いと、応力の影響でゲート絶縁膜５と有機半導体薄膜４との間に亀裂が入ったり、混合体の部分にクラックが入り、ゲートリークが発生して耐久性が得られなくなる可能性がある。
【００３０】
本発明者らが調査したところ、ゲート絶縁膜５のうち有機金属化合物と金属酸化物との混合体によって構成されている部分の膜厚が３ｎｍ以上になると耐久性が低下し、その膜厚は３ｎｍ未満になると耐久性が得られることが確認された。このため、本実施形態ではゲート絶縁膜５のうち有機金属化合物と金属酸化物との混合体によって構成されている部分の膜厚は３ｎｍ未満としている。これにより、ゲート絶縁膜５の少なくとも一部を有機金属化合物と金属酸化物との混合体によって構成しても、有機半導体トランジスタの耐久性を確保することが可能となる。
【００３１】
さらに、トップゲート型の有機半導体トランジスタの場合、ＳＡＭを用いることができないため、有機半導体材料としては末端に側鎖を有し、かつ、結晶性を有する低分子有機半導体が好ましい。また、ＡＬＤ法によってゲート絶縁膜５を形成する場合には、より高温で成膜した方が良質なゲート絶縁膜５を得ることができるため、より高耐熱な有機半導体材料を用いるのが好ましい。
【００３２】
有機半導体薄膜４を上記した化学式１で示される低分子有機半導体によって構成した場合、耐熱性に優れているし、末端に側鎖を有していることから、下地となる基材１との界面にＳＡＭと同様の構造を生成することも可能となる。このようなＳＡＭと同様の構造を生成できる場合、ゲート絶縁膜５のうち有機半導体薄膜４との界面の部分の比誘電率を低くした場合と同様にトラップが形成され難くなるようにできる。したがって、化学式１で示される低分子有機半導体を用いることで、耐熱性を向上させられると共に、さらに移動度の向上を図ることも可能となる。
【００３３】
比誘電率が大きいゲート絶縁膜の場合には双極子モーメントが大きいため、有機半導体分子、特に電子密度の高いπ電子雲部分との相互作用によりトラップが形成されやすくなる。このため、ゲート絶縁膜と有機半導体の界面に該相互作用を妨げるＳＡＭを挿入することで特性が改善される。側鎖にアルキル鎖を有するチオフェン系有機半導体は、へリングボーン型の結晶構造をとることが一般的に知られている。この場合、有機半導体分子はゲート絶縁膜に対して長軸方向に立った構造をとるため、ＳＡＭと同様にアルキル鎖が上記相互作用を妨げる効果を発現する。
【００３４】
続いて、本実施形態にかかるトップゲート構造の有機半導体トランジスタの製造方法について説明する。
【００３５】
まず、基材１の表面にソース電極２およびドレイン電極３を形成する。例えば、印刷や蒸着などによる成膜法、および、フォトリソグラフィなどによるパターニング法などを用いて、ソース電極２およびドレイン電極３を形成している。具体的には、ソース電極２およびドレイン電極３の形成予定位置以外の部分をレジストやマスクなどでマスキングし、この状態で印刷や蒸着による成膜を行う。その後、マスキングを解除すれば、ソース電極２およびドレイン電極３が形成される。ここでは、例えば蒸着によって金を５０ｎｍ形成することで、ソース電極２およびドレイン電極３を形成している。
【００３６】
続いて、ソース電極２およびドレイン電極３を形成した基材１の上に有機半導体薄膜４を配置する。例えば、高分子有機半導体材料や低分子有機半導体材料にて有機半導体薄膜４を形成しており、有機半導体材料を溶媒に溶かした溶液からなるインクを用いた印刷や、蒸着によって有機半導体薄膜４を形成している。ここでは、上記した化学式１に示される低分子有機半導体としてｎ＝１０とした化合物を印刷により２０ｎｍ形成した。
【００３７】
さらに、ソース電極２およびドレイン電極３や有機半導体薄膜４を覆うように、ＡＬＤ法によってゲート絶縁膜５を成膜する。このとき、チャンバー内の雰囲気を有機金属酸化物の成膜雰囲気と金属酸化物の成膜雰囲気とを交互に繰り返して切替えていくことで、有機金属酸化物と金属酸化物の混合体が形成されるようにする。
【００３８】
例えば、有機金属酸化物をアルコーンで構成する場合には、ＴＭＡをチャンバー内に導入し、余剰なＴＭＡを排気することで、基板上に１分子相当のＴＭＡを吸着させる。その後、エチレングリコールを同様にチャンバー内に導入し余剰分を排気することで、ＴＭＡ１分子上にエチレングリコール１分子が吸着され、両分子の化学反応により基板上に１分子相当のアルコーンが形成される。このサイクルを繰り返すことで、分子層レベルに膜厚を制御しながら、所望の膜厚のアルコーンを形成することができる。
【００３９】
また、金属酸化物をアルミナで構成する場合には、ＴＭＡをチャンバー内に導入し、余剰なＴＭＡを排気することで、基板上に１分子相当のＴＭＡを吸着させる。その後、水を同様にチャンバー内に導入し余剰分を排気することで、ＴＭＡ１分子上に水１分子が吸着され、両分子の化学反応により基板上に１分子相当のアルミナが形成される。このサイクルを繰り返すことで、分子層レベルに膜厚を制御しながら、所望の膜厚のアルミナを形成することができる。
【００４０】
このとき、有機金属酸化物と金属酸化物のそれぞれが膜状になる前、例えば平均１ｎｍ未満の厚みとなるよう、具体的には基板上にガス分子が均一に吸着しないようにガス導入時間を短く制御しながらチャンバー内の雰囲気を切替えていくことで、有機金属酸化物と金属酸化物とが交互に膜状となるバイレイヤーとはならず、これらが化学的に結合した混合体を作り出すことができる。これらアルコーンとアルミナをそれぞれ平均２ｎｍ以上形成すると、明確なバイレイヤー構造になる。比誘電率の制御という観点では、混合体であってもバイレイヤー構造であってもよいが、混合体の方が密着性が著しく向上することを実験的に見出している。これは、バイレイヤー構造では明確な界面が存在し、界面を起点とした剥離が発生しやすいためである。したがって、本実施形態のように、バイレイヤー構造ではない混合体とすることで、高い密着性が得られるようにしている。
【００４１】
また、このときの混合体の比誘電率の制御は、有機金属酸化物と金属酸化物の混合比率によって決定され、具体的にはこれらの厚みを制御することによって行っている。ここでは、アルコーンとアルミナの比率を１：１に制御し、比誘電率が４となる混合体を３ｎｍ形成した。
【００４２】
このように、チャンバー内の雰囲気を有機金属酸化物の成膜雰囲気と金属酸化物の成膜雰囲気とを交互に繰り返して切替えていくことで、有機金属酸化物と金属酸化物とが化学的に結合した混合体を形成できる。そして、有機金属酸化物をアルコーンで構成し、金属酸化物をアルミナで構成する場合、共通材料としてＴＭＡを用いることができることから、エチレングリコールと水を切替えるだけで済み、製造工程の簡素化を図ることもできる。
【００４３】
この後、ゲート絶縁膜５の上にゲート電極６の構成材料として、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）やモリブデン（Ｍｏ）などを成膜する。例えば、印刷や蒸着などによる成膜法、または、フォトリソグラフィ等によるパターニング法を採用することで、ゲート電極６を形成する。具体的には、レジストやマスクなどでマスキングし、この状態で印刷や蒸着による成膜を行う。その後、マスキングを解除すれば、ゲート電極６が形成される。ここでは、例えば蒸着によって金を５０ｎｍ形成することで、ゲート電極６を形成している。これにより、本実施形態にかかる有機半導体トランジスタが完成する。
【００４４】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してゲート絶縁膜５の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００４５】
図２に示すように、本実施形態の有機半導体トランジスタでは、ゲート絶縁膜５を二層構造としている。具体的には、有機半導体薄膜４に接している第１層５ａを上記第１実施形態で説明した有機金属化合物と金属酸化物との混合体によって構成し、その上の第２層５ｂを金属酸化物によって構成している。第２層５ｂを構成している金属酸化物としてはアルミナを用いている。
【００４６】
第２層５ｂを構成しているアルミナなどの金属酸化物は、第１層５ａを構成している混合体と比較して、比誘電率が高い。このため、ゲート絶縁膜５のトータルの比誘電率を高くすることができる。特に、第１層５ａを構成している混合体の比誘電率も、第１層５ａをポリマーなどで構成する場合と比較して高い値となっていることから、第１層５ａと第２層５ｂの比誘電率を合算したトータルの比誘電率は高い値となる。例えば、本実施形態の場合、ゲート絶縁膜５のトータルの比誘電率を６以上とすることが可能となる。したがって、よりゲート駆動電圧の上昇を抑制することが可能になる。
【００４７】
また、第２層５ｂを構成する金属酸化物は、第１層５ａを構成する混合体と比較して熱膨張係数が高い。このため、熱膨張係数の低い第１層５ａを構成する混合体を熱膨張係数の高い有機半導体薄膜４と第２層５ｂを構成する金属酸化物とによって挟み込んだ構造にでき、有機半導体薄膜４と第１層５ａとの熱膨張係数の差に起因する応力を低減することが可能となる。
【００４８】
したがって、応力の影響でゲート絶縁膜５と有機半導体薄膜４との間に亀裂が入ったり、混合体で構成された第１層５ａの部分にクラックが入ることでゲートリークが生じることを抑制でき、より耐久性に優れた有機半導体トランジスタにできる。さらに、第１実施形態で説明したように第１層５ａの厚みを３ｎｍ未満にすると、特に第１層５ａの低い熱膨張係数の影響を抑制でき、より耐久性に優れた有機半導体トランジスタにできる。
【００４９】
実験として、石英基板上に有機金属酸化物と金属酸化物との混合体や金属酸化物であるアルミナを成膜した膜サンプルについて反り量測定を行った。当該測定から算出される内部応力は混合体とアルミナとで符号が反転していた。具体的には、アルミナは正であるため引っ張り応力、混合体は負であるため圧縮応力となった。このことから、少なくとも熱膨張係数の関係は、混合層＜石英基板＜アルミナであると解釈される。
【００５０】
本実施形態で示したようなトップゲート型構造においては、熱膨張係数の大きい有機半導体上に、熱膨張係数の小さい混合体を形成するため、混合体が無い場合と比較して内部応力が大きくなるためクラックが発生しやすい。
【００５１】
実際に、有機半導体に有機金属酸化物と金属酸化物の混合体と金属酸化物であるアルミナとを積層したトップゲート型構造において、有機半導体とアルミナとの間に挿入された混合体の膜厚と内部応力との関係を調べた。その関係を図３に示す。この図から判るように、混合体の膜厚が３ｎｍよりも大きくなると応力に変化が見られ、実際に１０ｎｍ程度ではクラックが発生することが確認された。ゲート絶縁膜にクラックが発生すると、上下電極間がショートしトランジスタが動作しなくなる。よって、クラック抑止の観点から、混合体の膜厚は３ｎｍ以下が好ましい。
【００５２】
さらに、実験として、上記第１実施形態と同様の製造方法を用いて、本実施形態にかかる有機半導体トランジスタを製造した。ただし、有機半導体薄膜４については、アルコーンとアルミナの比率を１：１に制御して、比誘電率が４となる混合体を厚さ３ｎｍ形成することで第１層５ａを成膜したのち、さらに比誘電率が８のアルミナを厚さ１００ｎｍ形成することで第２層５ｂを成膜した。これによる第１層５ａと第２層５ｂとによるゲート絶縁膜５の全比誘電率は７．８であった。また、絶縁耐圧は４．５ＭＶ／ｃｍであった。また、このように形成した有機半導体トランジスタの伝達特性を評価したところ、ゲート電圧１０Ｖ、ソース−ドレイン間電圧１５Ｖにおける移動度が３．０ｃｍ2／Ｖｓであった。これらの結果からも、高い耐圧が得られ、かつ、高い移動度が得られていることが判る。
【００５３】
より具体的に、金属酸化物をアルミナで構成した場合におけるブレイクダウン耐圧について調べたところ、図４に示す結果が得られた。この図から判るように、４ＭＶ／ｃｍ以上という高い絶縁耐圧が得られている。このため、ゲート絶縁膜５を厚膜化することによる耐圧の補償は必要とされない。
【００５４】
なお、ここでいう耐圧とは、リーク電流の傾きが変化する電界点を意味している。金属酸化物で構成される第２層５ｂをアルミナとした場合、膜厚が７０ｎｍ未満になるとブレイクダウン耐圧の低下が顕著に見られることから、好ましくは７０ｎｍ以上の膜厚にすると良い。
【００５５】
（第２実施形態の変形例）
上記した第２実施形態の構造の有機半導体トランジスタにおいて、第１層５ａと第２層５ｂの構成を変更したものを作成した。
【００５６】
具体的には、有機半導体薄膜４について、アルコーンとアルミナの比率を１：２に制御して、比誘電率が５．１となる混合体を厚さ３ｎｍ形成することで第１層５ａを成膜したのち、さらに比誘電率が８のアルミナを厚さ１００ｎｍ形成することで第２層５ｂを成膜した。これによる第１層５ａと第２層５ｂとによるゲート絶縁膜５の全比誘電率は７．９であった。また、絶縁耐圧は４．５ＭＶ／ｃｍであった。これ以外については、第２実施形態で示した構造とした。
【００５７】
このように形成した有機半導体トランジスタの伝達特性を評価したところ、ゲート電圧１０Ｖ、ソース−ドレイン間電圧１５Ｖにおける移動度が２．８ｃｍ2／Ｖｓであった。これらの結果からも、高い耐圧が得られ、かつ、高い移動度が得られていることが判る。
【００５８】
（比較例）
上記した第２実施形態の構造の有機半導体トランジスタにおいて、ゲート絶縁膜５に混合体からなる第１層５ａを備えていないものを作成した。これ以外については、第２実施形態で示した構造とした。
【００５９】
このように形成した有機半導体トランジスタの伝達特性を評価したところ、ゲート電圧１０Ｖ、ソース−ドレイン間電圧１５Ｖにおける移動度が１．２ｃｍ2／Ｖｓであった。この結果からも、第１層５ａを備えていないと、高い移動度が得られないことが判る。
【００６０】
（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００６１】
例えば、トップゲート構造と呼ばれる有機半導体トランジスタの構造は、図１や図２に示した構造以外にもあり、いずれの構造のものに対しても本発明を適用できる。具体的には、基材１の上に離間して配置されたソース電極２およびドレイン電極３の間にのみ有機半導体薄膜４が配置され、これらソース電極２およびドレイン電極３と有機半導体薄膜４の上にゲート絶縁膜５を介してゲート電極６が備えられた構造であっても良い。また、基材１の上に配置した有機半導体薄膜４の上にソース電極２およびドレイン電極３を離間して配置し、さらにソース電極２およびドレイン電極３や有機半導体薄膜４の上にゲート絶縁膜５を介してゲート電極６が備えられた構造であっても良い。
【００６２】
また、上記各実施形態では、ゲート絶縁膜５のうちの有機半導体薄膜４と接する部分を構成する混合体を有機金属化合物と金属酸化物とによって構成する場合について説明した。これに限らず、その部分を有機化合物と金属酸化物との混合体によって構成しても良い。例えば、有機化合物としては、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）などを用いることができ、金属酸化物としてはアルミナなどを用いることができる。
【００６３】
さらに、上記第２実施形態では、ゲート絶縁膜５を第１層５ａと第２層５ｂの二層構造とする場合について説明したが、これ以上の複数層としても良い。すなわち、二層以上の複数層とする場合、ゲート絶縁膜５のうち有機半導体薄膜４と接する第１層５ａを有機金属化合物または有機化合物と金属酸化物との混合体で構成し、それよりも上層に金属酸化物で構成された層を少なくとも１層有していれば、上記第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６４】
また、有機半導体トランジスタを構成する各部の材質や寸法などについては一例を示したに過ぎない。さらに、基材１の上に直接有機半導体トランジスタを構成する各部を形成するようにしたが、必要に応じて基材１の上に絶縁膜などを形成してから有機半導体トランジスタを構成する各部を形成するようにしても良い。
【符号の説明】
【００６５】
１  基材
２  ソース電極
３  ドレイン電極
４  有機半導体薄膜
５  ゲート絶縁膜
５ａ  第１層
５ｂ  第２層
６  ゲート電極
【図１】
0006515668.tif 000004
【図２】
0006515668.tif 000005
【図３】
0006515668.tif 000006
【図４】
0006515668.tif 000007