(57)【要約】本発明は、特性向上効果実現の確実性を向上された構造の有機薄膜トランジスタを得ることを目的とする。本発明は、有機半導体層（４０）、ソース電極（５０）、ドレイン電極（６０）、ゲート電極（２０）、及びゲート絶縁膜（３０）を備えた有機薄膜トランジスタ（１）において、有機半導体層（４０）内の、ソース電極（５０）のドレイン電極側の端部位置（Ａ）からドレイン電極（６０）側へ距離ｘ１の位置に亘る領域に、領域に隣接するドレイン電極（６０）側の領域の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第１の高濃度部（４３）を有し、ソース電極（５０）とドレイン電極（６０）間の距離をＬとしたとき、ｘ１＜Ｌとする。
2014192282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機半導体層、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、及びゲート絶縁膜を備えた有機薄膜トランジスタであって、
前記ソース電極と前記ドレイン電極が互いに離間して配置され、前記ソース電極と前記ゲート電極との間、及び前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間に前記ゲート絶縁膜が配置され、
前記有機半導体層内の、前記ソース電極の前記ドレイン電極側の端部位置から前記ドレイン電極側へ距離ｘ１の位置に亘る領域に、該領域に隣接する前記ドレイン電極側の領域の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第１の高濃度部を有し、前記ソース電極と前記ドレイン電極間の距離をＬとしたとき、ｘ１＜Ｌであることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記ソース電極および前記ドレイン電極が、前記有機半導体層の一方の面に接して配置されており、
前記ゲート絶縁膜が、前記有機半導体層の前記一方の面に対向する他方の面の少なくとも一部接して配置されており、
前記ゲート電極が、前記ゲート絶縁膜を介して前記有機半導体層に対向配置されていることを特徴とする請求項１記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記ソース電極および前記ドレイン電極が、前記有機半導体層の一方の面に配置されており、
前記ゲート絶縁膜が、前記有機半導体層の前記一方の面の、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の領域に接して配置されており、
前記ゲート電極が、前記ゲート絶縁膜を介して前記有機半導体層に対向配置されていることを特徴とする請求項１記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記距離ｘ１が５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項５】
前記第１の高濃度部が前記ソース電極と接していることを特徴とする請求項２から４いずれか１項記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項６】
前記第１の高濃度部が、前記ソース電極の前記ドレイン電極側の端部位置から前記ソース電極と重なる側に広がっていることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項７】
前記ドレイン電極の、前記有機半導体層と接触し、かつ前記ソース電極側である端部位置から前記ソース電極側に距離ｘ２の領域に亘る前記有機半導体層内の領域に、該領域に隣接する前記ソース電極側の領域の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第２の高濃度部を有し、ｘ１＋ｘ２＜Ｌであることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項８】
前記距離ｘ２が５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項７記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項９】
前記第２の高濃度部が前記ドレイン電極と接していることを特徴とする請求項７または８記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項１０】
前記第２の高濃度部が、前記ドレイン電極の前記ソース電極側の端部位置から前記ドレイン電極と重なる側に広がっていることを特徴とする請求項７から９いずれか１項記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項１１】
前記ゲート絶縁膜の厚みがｔ０xであるとき、Ｌ−（ｘ１＋ｘ２）＞ｔ０x／３であることを特徴とする請求項７から１０いずれか１項記載の有機薄膜トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機半導体層を含む有機薄膜トランジスタに関し、特には、有機半導体層のキャリア濃度に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
有機薄膜トランジスタ（有機ＴＦＴ）はプリンタブルデバイス、フレキシブルデバイス用の主要デバイスとして注目されている。
金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）あるいは多結晶シリコン薄膜トランジスタ（poly-SiＴＦＴ）が半導体中にキャリアの反転層を形成して電流を流すものであるのに対し、有機ＴＦＴはキャリアの蓄積層を形成して電流を流すものである。【０００３】
ＭＯＳＦＥＴおよびpoly-SiＴＦＴではソース・ドレイン領域は通常高濃度にドープされた半導体層が用いられ、チャネル領域はソース・ドレイン領域と逆の導電性を持つ半導体層が用いられる。たとえば、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴでは、ソース・ドレイン領域は高濃度のｐ型半導体層になっており、一方、チャネル領域は比較的低濃度のｎ型半導体層になっている。【０００４】
他方、有機半導体は通常ｐ型であるため、有機ＴＦＴでは有機半導体層は全域で比較的低濃度のｐ型半導体層になっており、正孔がキャリアとなっているため、負のゲート電圧を印加し、ゲート絶縁体側の有機半導体層に正孔を蓄積し、ドレイン電圧を負とすることで正孔がソース・ドレイン間に流れるというメカニズムが一般的である。【０００５】
有機半導体中の正孔の移動度は一般に小さいと言われているが、様々な材料的な探索、改良等により徐々に高い移動度の材料が見出されている。例えば、ペンタセンなどのアセン系の化合物を用いた１〜１０ｃｍ２／Ｖ・ｓ程度の特性を有する有機薄膜トランジスタが実現されている（非特許文献１）。【０００６】
しかしながら、上記の程度の特性ではディスプレイの画素用のトランジスタには使用できる可能性がある一方で、フレキシブルディスプレイの周辺回路などに用いるには不十分であった。これに対し、本発明者らは、非特許文献２、特許文献１において有機ＴＦＴにおいてもソース・ドレイン領域に高濃度のｐ型領域を形成することにより、有機半導体中のキャリアの欠乏を抑制し、電流増幅率を向上させることができることを明らかにした。非特許文献２においては、絶縁体基板上にゲート電極、ゲート絶縁膜を形成した構造上にｐ型有機半導体膜、ソース・ドレイン電極近傍の高濃度ｐ型有機半導体膜（以下高キャリア濃度層）、ソース・ドレイン電極を順次堆積した構造を開示しており、有機層が一様な低キャリア濃度を有するものであった従来の構造と比較して、高キャリア濃度層を持つ構造にすることにより、格段に高い性能の実現が可能であることが明らかにされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開２０１０／１１６７６８号パンフレット
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「分子ナノエレクトロニクスの展望」和田他、応用物理  70(12), 1395-1406 (2001)
【非特許文献２】Y. Ishikawa, et al., “Origin of Characteristics Differences between Top and Bottom Contact Organic Thin Film Transistors”, J. Appl. Phys., 107, 053709 (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、本発明者らが更に検討を加えた結果、単にソース・ドレイン電極近傍に高キャリア濃度層を設置しただけでは特性向上の効果は確実ではないことが明らかになってきた。【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、電流増幅率の向上（特性向上）の効果を確実に得ることが可能な構造を有する有機薄膜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】
【００１１】
本発明の有機半導体トランジスタは、有機半導体層、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、及びゲート絶縁膜を備えた有機薄膜トランジスタであって、
前記ソース電極と前記ドレイン電極が互いに離間して配置され、前記ソース電極と前記ゲート電極との間、及び前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間に前記ゲート絶縁膜が配置され、
前記有機半導体層内の、前記ソース電極の前記ドレイン電極側の端部位置から前記ドレイン電極側へ距離ｘ１の位置に亘る領域に、該領域に隣接する前記ドレイン電極側の領域の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第１の高濃度部を有し、前記ソース電極と前記ドレイン電極間の距離をＬとしたとき、ｘ１＜Ｌであることを特徴とするものである。【００１２】
すなわち、本発明の有機半導体トランジスタは、有機半導体層内に相対的に高い不純物濃度を有する高濃度部と相対的に低い不純物濃度を有する低濃度部とを備えており、その高濃度部が少なくともソース電極側のチャネル領域（有機半導体層内のソース電極とドレイン電極間の領域）側の端部位置からｘ１の範囲に亘ってチャネル領域内に形成されていることを特徴とするものである。【００１３】
ここで、不純物濃度が高いとは、キャリアを生成する不純物の濃度が高いことを意味するものであり、不純物濃度が高い高濃度部は、高キャリア濃度部であることを意味する。但し、有機半導体層内には、キャリアを生成する不純物の以外の「キャリアを生成しない不純物」を含んでいてもよい。【００１４】
本発明の有機半導体トランジスタは、前記ソース電極および前記ドレイン電極が、前記有機半導体層の一方の面に配置されており、前記ゲート絶縁膜が、前記有機半導体層の前記一方の面に対向する他方の面の少なくとも一部に配置されており、前記ゲート電極が、前記ゲート絶縁膜を介して前記有機半導体層に対向配置されている、所謂トップコンタクト型とすることができる。【００１５】
あるいは、本発明の有機半導体トランジスタは、前記ソース電極および前記ドレイン電極が、前記有機半導体層の一方の面に配置されており、前記ゲート絶縁膜が、前記有機半導体層の前記一方の面の、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の領域に接して配置されており、前記ゲート電極が、前記ゲート絶縁膜を介して前記有機半導体層に対向配置されていることを特徴とする、所謂ボトムコンタクト型とすることができる。【００１６】
前記距離ｘ１は５０ｎｍ以上であることが好ましい。【００１７】
前記第１の高濃度部が前記ソース電極と接していることが好ましい。【００１８】
前記第１の高濃度部が、前記ソース電極の前記ドレイン電極側の端部位置から前記ソース電極と重なる側に広がっていることが好ましい。【００１９】
前記ドレイン電極の、前記有機半導体層と接触し、かつ前記ソース電極側である端部位置から前記ソース電極側に距離ｘ２の領域に亘る前記有機半導体層内の領域に、該領域に隣接する前記ソース電極側の領域の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第２の高濃度部を有し、ｘ１＋ｘ２＜Ｌであることが好ましい。【００２０】
前記距離ｘ２が５０ｎｍ以上であることが好ましい。【００２１】
前記第２の高濃度部が前記ドレイン電極と接していることが好ましい。【００２２】
前記第２の高濃度部が、前記ドレイン電極の前記ソース電極側の端部位置から前記ドレイン電極と重なる側に広がっていることが好ましい。【００２３】
前記ゲート絶縁膜の厚みがｔ０xであるとき、Ｌ−（ｘ１＋ｘ２）＞ｔ０x／３であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の有機薄膜トランジスタは、有機半導体層内に、相対的に不純物濃度が高い高濃度部と、相対的に不純物濃度が低い低濃度部とを備え、その高濃度部が、少なくともソース電極のドレイン電極側の端部位置からドレイン電極側へ距離ｘ１の位置に亘る領域に形成されることにより、不純物濃度が一様であった従来の有機薄膜トランジスタと比較して格段にトランジスタの特性改善の顕著な効果を得ることができる。また、高濃度部位置がソース電極のドレイン電極側の端部位置よりも引っ込んだ領域にのみ形成される場合には特性改善の効果を得ることができない場合があるが、本発明のように高濃度部位置を規定することにより、特性改善の効果を確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの構成を模式的に示す斜視図
【図２】第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの構成を模式的に示す断面図
【図３】第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの設計変更例１の模式的断面図
【図４】第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの設計変更例２の模式的断面図
【図５】第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの設計変更例３の模式的断面図
【図６】第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの設計変更例４の模式的断面図
【図７Ａ】第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの設計変更例４の高濃度部を有機半導体層中央部に形成した例を示す一部拡大図
【図７Ｂ】第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの設計変更例４の高濃度部を有機半導体層ゲート絶縁膜側に形成した例を示す一部拡大図
【図８】有機薄膜トランジスタの製造方法の一例を示す模式的断面図
【図９】第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの構成を模式的に示す断面図
【図１０】第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの設計変更例１の模式的断面図
【図１１】第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの設計変更例２の模式的断面図
【図１２Ａ】第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの設計変更例２の高濃度部を有機半導体層中央部に形成した例を示す一部拡大図
【図１２Ｂ】第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの設計変更例２の高濃度部を有機半導体層上層領域形成した例を示す一部拡大図
【図１３】第１および第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタについてのドレイン電流値の高濃度部とソース電極およびドレイン電極との相対位置との関係をミュレーションした結果を示す図
【図１４】図６に示す有機薄膜トランジスタ５のトップコンタクト型構造における高濃度部のキャリア濃度ならびにソース・ドレイン電極との相対位置依存性をミュレーションした結果を示す図
【図１５】図１１に示す有機薄膜トランジスタ８のボトムコンタクト型構造における高濃度部の不純物濃度ならびにソース・ドレイン電極との相対位置依存性をシミュレーションした結果を示す図
【図１６Ａ】図１２Ａの場合について、高濃度部の不純物濃度ならびにソース・ドレイン電極との相対位置依存性をシミュレーションした結果を示す図
【図１６Ｂ】図１２Ｂの場合について、高濃度部の不純物濃度ならびにソース・ドレイン電極との相対位置依存性をシミュレーションした結果を示す図
【図１７】高濃度部の厚みｄ１を変化させた場合のドレイン電流とドレイン電圧の関係をシミュレーションした結果を示す図
【図１８】有機半導体層のチャネル方向におけるキャリア濃度分布をシミュレーションした結果を示す図
【図１９】チャネル長を変化させた場合におけるドレイン電流のドレイン電圧依存性をシミュレーションした結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る有機薄膜トランジスタについて説明する。各図において、同一又は類似の機能を有し得る部分には同一又は類似の符号を付している。
【００２７】
（第１の実施形態）
図１、図２は、本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタ１の構成を模式的に示す斜視図および断面図である。以下の図においては、トランジスタ１のチャネル長方向をｘ、奥行き（チャネル幅）方向をｙ、各層の積層方向をｚとして定義している。
【００２８】
本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタ１は、図１、図２に示すように、基板１０上にゲート電極２０と、ゲート絶縁膜３０と、有機半導体層４０と、ソース電極５０と、ドレイン電極６０とを備えてなる。
【００２９】
ゲート絶縁膜３０は、基板１０上に形成されているゲート電極２０を覆うように形成され、ゲート絶縁膜３０上に有機半導体層４０が積層され、さらにその有機半導体層４０上（有機半導体の一方の面）に互いに離間してソース電極５０およびドレイン電極６０が形成されている。すなわち、ゲート絶縁膜３０は、ソース電極５０とゲート電極２０との間、及びドレイン電極６０とゲート電極２０との間に配置され、さらに、有機半導体層４０の他方の面に接して配置されている。
【００３０】
有機半導体層４０は、相対的に不純物濃度が低い低濃度部４２と、相対的に不純物濃度が高い高濃度部４３、４４とを備えている。本実施形態においては、有機半導体層４０内の、ソース電極５０のドレイン電極６０側の端部位置Ａからドレイン電極６０側へ距離ｘ１の位置に亘る領域に、その領域に隣接するドレイン電極側の領域４２の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第１の高濃度部４３を有し、ドレイン電極６０のソース電極５０側の端部位置Ｂからソース電極５０側へ端部位置Ｂから距離ｘ２の位置に亘る領域に、その領域に隣接するソース電極側の領域４２の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第２の高濃度部４４を有している。これら第１及び第２の高濃度部４３、４４の間の領域が低濃度部４２である。
【００３１】
図１、図２に示す有機薄膜トランジスタ１では、ゲート電極２０に所定のゲート電圧Ｖｇが印加されると、ゲート絶縁膜３０側の有機半導体層４０中にキャリアが蓄積される。有機半導体層４０中にキャリアが蓄積された状態で、ソース電極５０とドレイン電極６０間にドレイン電圧Ｖｄを印加することによって、ソース電極５０とドレイン電極６０間にドレイン電流が流れる。すなわち、ゲート電極２０上方の有機半導体層４０のソース電極とドレイン電極間（Ａ−Ｂ間）となる領域がチャネル領域として機能するものである。
【００３２】
既述の通り、本実施形態のトランジスタ１においては、有機半導体層４０のソース電極５０及びドレイン電極６０に接している領域は全て高濃度部４３もしくは４４であり、その間に低濃度部４２が形成されている。
このように、有機半導体層４０中に不純物濃度すなわちキャリア濃度の高い領域（高濃度部）を設けることにより、チャネル領域中のキャリアの欠乏が解消されて電界降下が抑制されるため、高濃度部が無い場合と比較して電流増幅率を向上させることができる。さらに、本発明においては、ソース電極およびドレイン電極のチャネル領域側端部位置に高濃度部を設けることを規定しているので、より安定的に電流増幅率向上効果を得ることができる。
【００３３】
高濃度部４３、４４は、それぞれソース電極５０、ドレイン電極６０の間のチャネル領域中心側にｘ１、ｘ２の距離張り出すように形成されている。なお、この張出距離ｘ１、ｘ２の和は、ソース電極５０とドレイン電極６０間の距離（所謂、チャネル長）をＬとしたとき、チャネル長より短い（ｘ１＋ｘ２＜Ｌ）。すなわち第１の高濃度部４３と第２の高濃度部４４との間には必ず低濃度部４２が位置している。ここで、ｘ１とｘ２は同じ長さであってもよいし、異なっていてもよい。
【００３４】
チャネル長Ｌは、２０ｎｍ以上、１００μｍ以下（２０ｎｍ≦Ｌ≦１００μｍ）であることが好ましく、より好ましくは３０μｍ以下、さらには５μｍ以下、特には１μｍ以下であることが好ましいが、用途により適宜設定すればよい。
チャネル幅Ｗは、所望のドレイン電流に応じて適宜決定すればよい。
【００３５】
また、ソース電極５０側の高濃度部４３の張出距離ｘ１は、トランジスタがロジック型、メモリ型のどちらであっても、０より大きければ（ｘ１＞０）よいが、５０ｎｍ以上（ｘ１≧５０ｎｍ）であることが好ましい。ｘ１が大きくなるほど実効的にチャネル長が短くなるため見かけの性能が向上し、５０ｎｍ以上であれば性能向上の効果が確実なものとなるからである。一方張出距離ｘ１は大きすぎると性能にばらつきを生じる場合があるため、チャネル長の１／４程度以下とすることが好ましい。
他方、ドレイン電極６０側の高濃度部４４の張出距離ｘ２は、トランジスタがロジック型である場合には０以上（ｘ２≧０）であればよいが、メモリ型である場合には５０ｎｍ以上（ｘ２≧５０ｎｍ）であることが好ましい。
【００３６】
図３は、設計変更例１の有機薄膜トランジスタ２についての模式断面図である。有機半導体層において、高濃度部は図１に示すようにソース電極５０側及びドレイン電極６０側の両方に存在することが好ましいが、図３に示すように、有機半導体層４０において、少なくともソース電極５０側の高濃度部４３があればよく、ドレイン電極６０側の高濃度部４４は必ずしも形成されていなくてもよい。なお、高濃度部がソース電極側のみに形成されている場合には、高濃度部４３の張出距離ｘ１は０より大きく、かつチャネル長Ｌよりも小さければよい。
【００３７】
また、低濃度部４２がｐ型半導体からなり、キャリアとしてホールを形成する不純物を添加した高濃度部４３、４４を備えたｐｐ＋型の有機半導体層４０である場合には、高濃度部４３，４４は、ソース電極５０、ドレイン電極６０の下方の全域に亘って形成されている必要はない。図４、図５は、設計変更例２、３の有機薄膜トランジスタ３、４の夫々についての模式断面図である。第１の高濃度部４３はソース電極５０の端部位置Ａから、第２の高濃度部４４はドレイン電極６０の端部位置Ｂからチャネル領域内側にそれぞれｘ１、ｘ２の範囲に形成されていればよく、図４に示すように、ソース電極５０及びドレイン電極６０の一部にだけ形成されていてもよいし、図５に示すように、ソース電極５０ドレイン電極６０の下方には全く形成されていなくてもよい。
【００３８】
一方、低濃度部４２がｎ型半導体からなり、キャリアとして電子を形成する不純物を添加した高濃度部４３、４４を備えたｎｎ＋型の有機半導体層４０である場合には、高濃度部４３，４４は、図１（または図３）に示すように、ソース電極５０、ドレイン電極６０の下方に全域に亘って形成されている必要がある。
【００３９】
さらに、図６は、設計変更例４の有機薄膜トランジスタ５の模式断面図である。図６に示すトランジスタ５は、図１、図２に示すトランジスタ１と比較して、高濃度部４３、４４が有機半導体層４０において、厚み方向（ｚ方向）に薄く、ソース電極５０及びドレイン電極６０に接触する位置に形成されている。このように、高濃度部の厚みｄ１は、有機半導体内において有機半導体層厚みｄ０と同等でなく、半導体層厚みよりも薄く（ｄ１＜ｄ０）形成されていてもよい。高濃度部の厚みｄ１は０．１ｎｍ以上であればよい。
【００４０】
ゲート絶縁膜３０の厚みｔ０xは、１ｎｍより大きく、１μｍ未満（１ｎｍ＜ｔ０x＜１μｍ）の範囲、かつ、チャネル長と高濃度部の張出距離ｘ１、ｘ２との関係が
Ｌ−（ｘ１＋ｘ２）＞ｔ０x／３
であることが好ましい。
さらには、１０ｎｍ＜ｔ０x＜３００ｎｍであることが好ましい。
【００４１】
一般に有機薄膜トランジスタにおいては、ゲート電極に印加した電界によりゲート絶縁膜を介して有機半導体層中に電荷（キャリア）を誘起し、その電荷がトランジスタの電導に寄与する。従って、上述のトップコンタクト型のみならず、後述のボトムコンタクト型においては特に、基板１０上に形成されたゲート電極２０を覆うように形成されたゲート絶縁膜３０の厚さを、有機半導体膜４０に接して形成するソース・ドレイン電極５０、６０の間隔であるチャネル長Ｌと同程度まで厚くしてしまうと、ゲート電極２０に印加した電界は、ソース・ドレイン電極によってシールドされるため有機半導体層４０内に十分な電荷を誘起出来なくなる。これに対し、ゲート絶縁体膜厚ｔ０xに対するチャネル長Ｌから張出長ｘ１、ｘ２を引いた実際のチャネル長の比は、３倍程度以上あればこのようなシールド効果による性能の低下が起らなくなる。
ここで、上記厚みの範囲及び関係式は、ゲート絶縁膜がＳｉＯ２である場合の値である。ＳｉＯ２以外の他の材料によりゲート絶縁膜を構成する場合には、ＳｉＯ２相当に換算した上で上記範囲及び関係式を満たすようにすればよい。
【００４２】
図１〜７に示した有機ＴＦＴ構造をソース電極５０、ドレイン電極６０が有機半導体層４０より上にあるので、この構造をトップコンタクト型と呼ぶ。
【００４３】
本発明の有機薄膜トランジスタを構成する各層の具体的な例を説明する。
基板１０には、例えば、石英ウエハを用いることができる。
石英ウエハ上に同時に複数の有機薄膜トランジスタを形成し、チップ化することにより個々のトランジスタを得ることができる。
【００４４】
ゲート電極２０には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等の金属、あるいはポリシリコン等からなる膜が用いられ、導電性の膜であれば特に制限はない。
【００４５】
ゲート絶縁膜３０としては、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜等の高誘電率の膜を用いることができる。
【００４６】
有機半導体層４０は、半導体の特性を示す有機材料からなる。例えば、ｐ型材料として有機半導体層４０にペンタセン等を採用し、高濃度部に適用するｐ型不純物にヨウ素やイオン性分子、例えばテトラチオフルバレン（ＴＦＴ）、テトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）等が採用可能である。あるいは、ｎ型材料として有機半導体層４０にＣ６0等を用いることができる。ｎ型不純物としては、例えばリチウムのようなアルカリ金属元素、ベリリウムのようなアルカリ土類元素、ＴＴＦ(テトラチアフルバレン）あるいは ＴＤＡＰ （テトラキスジメチルアミノペリレン） のような有機化合物などを用いることが出来る。  
【００４７】
ソース電極５０及びドレイン電極６０には、例えばカルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）等が採用可能である。
【００４８】
次に、第１の実施形態の有機ＴＦＴ１の製造方法を具体的に説明する。
基板１０として、例えば、厚さ８００μｍ、直径１００ｍｍの石英ウエハを用い、このウエハ上に、紫外線リソグラフィー技術と金属薄膜のリフトオフ技術あるいはエッチング技術を用いて、金属薄膜層からなるゲート電極２０を形成する。例えば、ゲート電極２０をリフトオフ技術で形成する時、２層レジスト法を適用して下層のレジストに対し上層のレジストがせり出している、いわゆるオーバーハング構造を形成すれば、ゲート電極２０の端部がなだらかな構造に形成できるため、その上に堆積するゲート絶縁膜や有機半導体膜が、該ゲート電極２０端部で不連続になる、いわゆる段切れ現象を防ぐことができる。このため、まず基板１０上に下層レジストとしてＰＭＧＩ（ポリメチルグルタイミド）をスピン塗布法によって厚さ２００ｎｍに塗布し、さらにその上に上層レジストとしてＯＦＰＲ（東京応化工業製ポジ型フォトレジスト）を５００ｎｍの厚さにスピン塗布した後、紫外線露光法によってパターンを転写する。その後に現像すると、ＰＭＧＩのエッチング速度が露光されないＯＦＰＲよりも速いため、上層のＯＦＰＲレジストが突きだしたオーバーハング構造にすることができる。このようなオーバーハング構造が形成できれば、ゲート電極となるべき金属層、例えばアルミニウムを真空蒸着法で蒸着した時に、レジスト上に堆積される金属層と、基板１０上に形成されるゲート電極２０が形成され、その後該下層レジストと該上層レジストを有機溶媒などで除去するリフトオフ工程により、基板１０上にゲート電極２０のみを良好な形状で形成できる。
【００４９】
次に、基板１０及び基板１０上に形成されたゲート電極２０上にスパッタ法、蒸着法、あるいは酸化法等により所定の厚さのゲート絶縁膜３０を成長させたのち、さらに、ゲート絶縁膜３０上に有機半導体層４０を所定の厚さに堆積する。
まず、ゲート電極２０上方の低濃度部４２の形成領域のみ開口したマスクを用い、スクリーン印刷により低不純物濃度材料を堆積して低濃度部４２を形成した後、高濃度部４３、４４の形成領域のみ開口したマスクを用い、スクリーン印刷により高濃度部を堆積させて高濃度部４３、４４を形成することにより有機半導体層４０を形成することができる。
【００５０】
次に、有機半導体層４０の上にソース電極５０及びドレイン電極６０を、ゲート電極２０と同様にリソグラフィーとリフトオフ、あるいはリソグラフィーとエッチングによって形成する。例えば、有機半導体層４０上に、ＡｌやＣａ等からなる膜厚１０〜１００ｎｍの電極膜を形成し、パターニングしてソース電極５０及びドレイン電極６０を形成する。
【００５１】
以上のようにして、第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタ１を得ることができる。
【００５２】
有機半導体層４０中の高濃度部と低濃度部とは、上述のように順次堆積させて形成してもよいが、ゲート絶縁膜上の高濃度部を形成すべき領域の下地層に不純物を含む下地層を塗布しておき、その後有機半導体層４０をゲート絶縁膜上に一様に形成することにより、下地層から不純物を有機半導体層４０中に拡散させて高濃度部を形成してもよい。
【００５３】
また、有機半導体層４０において、図５に示すようにソース電極及びドレイン電極の端部位置近傍にのみ高濃度部を形成する場合には、図８に示すように、ゲート絶縁膜３０上に一様に有機半導体層４０を形成し、さらにソース電極５０及びドレイン電極６０を形成した後に、ソース電極５０及びドレイン電極６０のチャネル領域側端部に不純物を含む塗布液４５を塗り、この塗布液４５から有機半導体層４０に不純物を拡散させて高濃度部４３、４４を形成するようにしてもよい。
【００５４】
（第２の実施形態の有機薄膜トランジスタ）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタ６の構成を模式的に示す断面図である。
本発明の第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタ６は、図９に示すように、基板１０上にゲート電極２０と、ゲート絶縁膜３０と、有機半導体層４０と、ソース電極５０と、ドレイン電極６０とを備えてなる。
【００５５】
第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタ１とは各層の積層の順序が異なる。本実施例のトランジスタ６は、ゲート絶縁膜３０が、基板１０上に形成されているゲート電極２０を覆うように形成され、ゲート絶縁膜３０上に互いに離間してソース電極５０及びドレイン電極６０が形成されており、ソース電極５０、ドレイン電極６０及びそれらの間に露出されているゲート絶縁膜３０上に有機半導体層４０が積層されている。すなわち、ゲート絶縁膜３０は、ソース電極５０とゲート電極２０との間、及びドレイン電極６０とゲート電極２０との間に配置され、さらに、有機半導体層４０の一方の面に、ソース電極５０、ドレイン電極６０及びゲート絶縁膜３０が接して配置されている。
【００５６】
ソース電極５０及びドレイン電極６０が有機半導体層４０よりも下にあるので、この構造をボトムコンタクト型と呼ぶ。この場合も、第１の実施形態のトランジスタ１と同様に、ゲート電極２０に所定のゲート電圧Ｖｇが印加されると、ゲート絶縁膜３０側の有機半導体層４０中にキャリアが蓄積される。有機半導体層４０中にキャリアが蓄積された状態で、ソース電極５０とドレイン電極６０間にドレイン電圧を印加することによって、ソース電極５０とドレイン電極６０間にドレイン電流が流れる。すなわち、ゲート電極２０上方の有機半導体層４０のソース電極とドレイン電極間（Ａ−Ｂ間）となる領域がチャネル領域として機能する。
【００５７】
各層の詳細は第１の実施形態の場合と同様である。そして、高濃度部４３、４４のソース電極５０、ドレイン電極６０の間のチャネル領域中心側への張出距離ｘ１、ｘ２の好ましい大きさ、チャネル長Ｌとの関係、ゲート絶縁膜の厚さなど、いずれについても第１の実施形態の場合と同様である。
【００５８】
図１０に、第２の実施形態の変更例１の有機薄膜トランジスタ７の模式的断面図を示す。図１０に示すように、ボトムコンタクト型のトランジスタの場合にも、有機半導体層４０において、高濃度部は、ソース電極５０、ドレイン電極６０のチャネル領域側の端部Ａ，Ｂからチャネル領域中央部に張出した部分に形成されていればよい。また、第１の実施形態の場合と同様に、少なくともソース電極側に高濃度部が備えられていればよい。
【００５９】
図１１に、第２の実施形態の変更例２の有機薄膜トランジスタ８の模式的断面図を示す。図１１のトランジスタ８は、図９に示すトランジスタ６と比較して、高濃度部４３、４４が有機半導体層４０において、厚み方向（ｚ方向）に薄く、ソース電極５０及びドレイン電極６０に接触する位置に形成されている。このように、高濃度部の厚みｄ２は、有機半導体層４０内において有機半導体層厚みｄ０と同等でなく、半導体層厚みよりも薄く（ｄ２＜ｄ０）形成されていてもよい。
【００６０】
また、図１２Ａ、１２Ｂに、図１１中破線Ｆで囲まれたソース電極端部近傍に対応する拡大模式図を示す。高濃度部４３、４４は、図１２Ａに示すように、有機半導体層４０中のｚ方向中央に形成されていてもよいし、図１２Ｂに示すように、有機半導体層４０中のｚ方向のソース電極５０（及びドレイン電極６０）から最も離間した位置に形成されていてもよい。即ち、高濃度部４３、４４は、ソース電極５０、ドレイン電極６０のチャネル領域側の端部Ａ，Ｂからチャネル領域中央部に張出した部分に形成されていれば、ソース電極５０及び／又はドレイン電極６０に接していなくてもよい。
【００６１】
上記のように、本発明はトップコンタクト型の有機ＴＦＴにおいても、ボトムコンタクト型の有機ＴＦＴにおいても適用することができるものであり、有機半導体層において、ソース電極およびドレイン電極のチャネル領域側端部位置Ａ、Ｂに高濃度部を設けることにより、トランジスタの特性向上の効果をより安定的に得ることができる。
【００６２】
なお、高濃度部４３、４４は、有機半導体層４０の他の領域である低濃度部４２と比較してキャリアを生成する不純物の濃度が高ければ、キャリアの欠乏を抑制する効果を得ることができるが、トップコンタクト型の場合には、不純物濃度は低濃度部の濃度と比較して、１桁以上、さらには、２桁以上大きければ、より安定的に特性向上の効果を得ることができるので好ましく、ボトムコンタクト型の場合には、不純物濃度は低濃度部の濃度と比較して、２桁以上、さらには、３桁以上大きければ、より安定的に特性向上の効果を得ることができるので好ましい。
例えば、トップコンタクト型有機ＴＦＴにおいては、低濃度部の不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３であるとき、高濃度部の不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３以上であることが好ましく、１×１０１７ｃｍ−３以上であることがより好ましい。また、ボトムコンタクト型有機ＴＦＴにおいては、低濃度部の不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３であるとき、高濃度部の不純物濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上であることが好ましく、１×１０１８ｃｍ−３以上であることがより好ましい。
なお、低濃度部の不純物濃度は、１×１０１０〜１×１０１６ｃｍ−３程度とすることが好ましい。
【００６３】
（シミュレーション）
以下、本発明の有機薄膜トランジスタの構成による効果を示すシミュレーションの結果を説明する。
本発明者らは、Y. Ishikawa, et al., “Origin of Characteristics Differences between Top and Bottom Contact Organic Thin Film Transistors”, J. Appl. Phys., 107, 053709 (2010)、に詳述されているポアソンの式と電流連続の式に基づいたデバイスシミュレータを用いてシミュレーションを行った。
【００６４】
図１３に、図１に示す第１の実施形態のトップコンタクト型の有機薄膜トランジスタ１、図９に示す第２の実施形態のボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタ６について、高濃度部４３、４４とソース電極５０、ドレイン電極６０との相対位置の必要条件をシミュレーションした結果を示す。
【００６５】
シミュレーションにおいて、チャネル長Ｌが５μｍ、チャネル幅Ｗが１０μｍ、有機半導体層４０の膜厚が５０ｎｍ、低濃度部４２の不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３、高濃度部４３、４４の不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３、ゲート絶縁膜３０の膜厚ｔ０xが３００ｎｍであり、移動度が０．３ｃｍ２／Ｖ・ｓであるとした。また、ゲート電圧を−２５Ｖ、ドレイン電圧を−５０Ｖとした。
【００６６】
図１３は、ドレイン電流の、ソース・ドレイン電極と高濃度部との相対位置ｘとの関係を示すものである。ｘは、高濃度部がソース・ドレイン電極の端部からチャネル側に出ている場合をプラス（＋）、逆に高濃度部がソース・ドレイン電極の端部から引っ込んでいる場合をマイナス（−）としている。なお、以下のシミュレーションにおいてはｘ１＝ｘ２＝ｘとしている。
【００６７】
図１３から明らかなように、トップコンタクト及びボトムコンタクト両方の構造共に、ｘが−５０ｎｍで高濃度部の効果が無くなり、０超えでドレイン電流の大幅な向上を達成することができる。さらには、ｘは５０ｎｍ以上とすることによりドレイン電流の向上効果はほぼ飽和することが分かった。
【００６８】
従来技術において挙げた非特許文献２、特許文献１には、高濃度部がソース電極、あるいはソース電極とドレイン電極の近傍に形成されていればよいと開示されているにすぎず、この距離ｘについては何ら言及されていない。この距離ｘを０より大きくすること、好ましくは、５０ｎｍ以上とすることにより、特性向上効果達成の確実性を向上できることを本発明者らは初めて明らかにした。
この値は、具体的なデバイス構造設計時に非常に重要なものであり、その工学的意味は大きい。本発明により、有機ＴＦＴデバイスの性能が一層向上すると共に、性能のばらつきを低減することが可能になり、それにより、従来技術では困難であった有機ＴＦＴによる高性能・高信頼性回路を実現することが可能になる。
【００６９】
さらに、図６に示すトップコンタクト型の有機薄膜トランジスタ５のように、有機半導体層４０において厚み方向に薄く高濃度部を形成した場合についてのシミュレーションを行った。
このシミュレーションにおいて、チャネル長Ｌが５μｍ、チャネル幅Ｗが１０μｍ、有機半導体層４０の膜厚が５０ｎｍ、低濃度部４２の不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３、ゲート絶縁膜３０の膜厚ｔ０xが３００ｎｍで、高濃度部の厚さは５ｎｍ、ゲート電圧−５０Ｖ、ドレイン電圧−５０Ｖとした。
【００７０】
図１４は図６に示すトップコンタクト型有機薄膜トランジスタ５において、高濃度部４３、４４とソース・ドレイン電極との相対位置ｘ（＝ｘ１＝ｘ２）を、それぞれ−１００ｎｍ、−５０ｎｍ、０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍとした場合について、高濃度部４３、４４の不純物濃度を１０１８ｃｍ−３〜１０２０ｃｍ−３の間で変化させた場合のドレイン電流の変化を示したものである。
【００７１】
図１４から明らかなように、本シミュレーションの高濃度部４３、４４の不純物濃度の範囲では、ドレイン電流は殆ど一定で、ｘの値のみに依存し、ｘが０以上のとき、０未満と比較して大幅に大きくなる。すなわち、図１３に示したものと同様に、本例においても高濃度部とソース・ドレイン電極の相対位置（ｘ）は、０ないし正であることが電流増大の効果を得るための必要条件であることが明らかである。
【００７２】
なお、さらに詳細に検討したところ、高濃度部の不純物濃度は１０１６ｃｍ−３以上であれば電流増大の効果があり、１０１７ｃｍ−３以上であれば、ほぼ１０２０ｃｍ−３の示す場合と同程度の高い効果が得られることが分かった。すなわち、本シミュレーションの条件においてはトップコンタクト型高性能有機ＴＦＴを実現するためには、高濃度部の不純物濃度は少なくとも１０１６ｃｍ−３以上必要であることが分かった。尚、本実施例では低濃度部の不純物濃度を１０１５ｃｍ−３としたため、高濃度部の不純物濃度が１０１６ｃｍ−３以上のときに顕著な特性改善効果が得られたが、高濃度部の不純物濃度が相対的に低濃度部の不純物濃度よりも高い場合には特性改善効果が得られることが分かっている。
但し、トップコンタクト型のトランジスタの場合には、高濃度部の不純物濃度が低濃度部の不純物濃度よりも一桁以上、好ましくは二桁以上大きいことが十分な特性改善効果を得るために好ましい。
【００７３】
なお、本発明者らのさらなるシミュレーションによる検討により、高濃度部４３、４４の有機半導体層４０中での厚さ方向の位置は特性に影響を及ぼさないことも分かった。高濃度部４３、４４が有機半導体層４０においてソース電極５０、ドレイン電極６０に接して形成されている場合（図６）、ゲート絶縁膜３０に接して設置した場合（図７Ｂ）、あるいはその間に設置した場合（図７Ａ）のいずれにおいても図１３に示したシミュレーション結果とほぼ同様の結果が得られた。すなわち、高濃度部４３の半導体層４０中での厚さ方向の厚み及び位置が変化しても特性の向上効果に影響しないことが明らかになった。
【００７４】
すなわち、高濃度部の張出距離ｘが０超であれば、高濃度部４３、４４が半導体層４０中のｚ方向位置が変化しても同様な特性向上効果が得られるため、ｘを０超とすることにより有機半導体としての動作の高信頼、高歩留まりを実現できることが明らかになった。
【００７５】
次に、図１１に示すボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタ８のように、有機半導体層４０において厚み方向に薄く高濃度部４３、４４を形成した場合についてのシミュレーションを行った。
このシミュレーションにおいて、チャネル長Ｌが５μｍ、チャネル幅Ｗが１０μｍ、有機半導体層４０の膜厚が５０ｎｍ、低濃度部４２の不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３、ゲート絶縁膜３０の膜厚ｔ０xが３００ｎｍで、高濃度部の厚さは５ｎｍ、ゲート電圧−３０Ｖ、ドレイン電圧−５０Ｖとした。
【００７６】
図１５は図１１に示すボトムコンタクト型有機薄膜トランジスタ８において、高濃度部４３、４４とソース・ドレイン電極との相対位置ｘ（＝ｘ１＝ｘ２）を、それぞれ−１００ｎｍ、−５０ｎｍ、０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍとした場合について、高濃度部４３、４４の不純物濃度を０．５×１０１９ｃｍ−３〜４×１０１９ｃｍ−３の間で変化させた場合のドレイン電流の変化を示したものである。
【００７７】
図１５から明らかなように、この高濃度部の不純物濃度の範囲では、ドレイン電流は殆ど一定で、ｘの値のみに依存し、ｘが０以上のとき、０未満と比較して大幅に大きい。すなわち、図１３に示したものと同様に、本例においても高濃度部とソース・ドレイン電極の相対位置（ｘ）は、０ないし正であることが電流増大の効果を得るための必要条件であることが明らかである。
【００７８】
なお、さらに詳細に検討したところ、該高濃度部の不純物濃度は、１０１７ｃｍ−３以上であれば電流増大の効果があり、１０１８ｃｍ−３以上であれば、ほぼ１０２０ｃｍ−３の示す場合と同程度の高い効果が得られることが分かった。すなわち、本シミュレーションの条件においてはボトムコンタクト型高性能有機ＴＦＴを実現するためには、高濃度部の不純物濃度は少なくとも１０１７ｃｍ−３以上必要であることが分かった。尚、本実施例では半導体層の不純物濃度を１０１５ｃｍ−３としたため、高濃度部の不純物濃度が１０１７ｃｍ−３以上で顕著な特性改善効果が得られたが、高濃度部の不純物濃度が半導体層の不純物濃度よりも高い場合には特性改善効果が得られることが分かっている。但し、ボトムコンタクト型のトランジスタの場合には、高濃度部の不純物濃度が低濃度部の不純物濃度よりも二桁以上大きいことが十分な特性改善効果を得るために好ましい。
【００７９】
さらに、ボトムコンタクト型の場合について、高濃度部の半導体層中での厚さ方向の位置による特性への影響についてシミュレーションを行った。既述の通り、図１１に示すように、高濃度部４３、４４が有機半導体層４０においてソース電極５０、ドレイン電極６０に接するように形成されているとき、図１５に示したシミュレーション結果が得られた。他方、図１２Ａに示すように、高濃度部が有機半導体層４０の厚み方向中央に形成されている場合、図１２Ｂに示すように、高濃度部が有機半導体層４０の最もソース、ドレイン電極と離間した側に形成されている場合についてのシミュレーション結果を図１６Ａ、図１６Ｂにそれぞれ示す。図１６Ａは、図１２Ａに模式的に示した高濃度部が有機半導体層４０の厚み方向中央に形成されている場合の有機ＴＦＴ特性であり、３×１０１９ｃｍ−３未満の不純物濃度では急激に特性が劣化することが分かる。また、図１６Ｂは、図１２Ｂに模式的に示した構造の高濃度部が有機半導体層４０の最も上部に形成されている場合の有機ＴＦＴ特性であり、１．５×１０１９ｃｍ−３未満の不純物濃度では急激に特性が劣化することが分かる。
【００８０】
以上の通り、ボトムコンタクト型有機ＴＦＴにおいては、高濃度部がソース電極、ドレイン電極と接する領域に形成されていれば、高濃度部の不純物濃度の制限が小さく、上述の通り低濃度部よりも濃度が高ければ、より好ましくは１桁程度濃度が大きければ、十分なドレイン電流の増加の効果を得ることができるため、特に好ましい。一方、高濃度部がソース、ドレイン電極と接していない場合であっても、低濃度部と比較して４桁程度以上不純物濃度を高くするとドレイン電流の増加の効果を十分得ることができることが分かった。
【００８１】
次に、図６のトップコンタクト型のトランジスタ１の構造において、高濃度部４３、４４の厚さｄ１を０．１ｎｍから３０ｎｍの間で変化させた時のドレイン電流とドレイン電圧の関係についてシミュレーションを行った結果を図１７に示す。本シミュレーションにおいては、有機半導体層の不純物濃度は１０１５ｃｍ−３、高濃度部の不純物濃度は１０２０ｃｍ−３、また、半導体層の厚さｄ０は３０ｎｍ、ゲート酸化膜厚は３００ｎｍ、チャネル長は５μｍ、ゲート電圧は−３０Ｖ、ドレイン電圧は−５０Ｖ、ｘ１及びｘ２は０とした。なお、高濃度部４３、４４の厚さが３０ｎｍのとき、すなわちｄ１＝ｄ０のとき図１の構造と同等となる。
【００８２】
図１７から明らかなように、高濃度部の厚さが０．１ｎｍから有機導体層厚みと同等の厚みとなる３０ｎｍまで、ほぼ同一の特性であった。即ち、高濃度部の厚さは０．１ｎｍ以上であれば特性向上の効果があることが明らかにできた。
【００８３】
図１８は、図２の構成の有機薄膜トランジスタにおいて、ソース・ドレイン電極部に所定のキャリア濃度を持つ高濃度部を形成した場合の有機半導体層４０中のソース、チャネル、ドレイン領域に対応するチャネル方向位置におけるキャリア濃度分布をシミュレーションにより求めたものである。本シミュレーションにおいて、チャネル長Ｌが５μｍ、チャネル幅Ｗが１０μｍ、有機半導体層４０の膜厚が５０ｎｍ、低濃度部４２の不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３、ゲート絶縁膜３０の膜厚ｔ０xが３００ｎｍであり、移動度が０．３ｃｍ２／Ｖ・ｓであるとした。また、ゲート電圧を−２５Ｖ、ドレイン電圧を−５０Ｖとし、高濃度部４３、４４の不純物濃度（キャリア濃度）を、１×１０１２ｃｍ−３から１×１０１６ｃｍ−３の間で変化させてそれぞれの場合についてのキャリア濃度分布を求めた。
【００８４】
図１８から明らかなように、有機半導体層の高濃度部４３、４４のキャリア濃度に関係なくほぼ同一のキャリア濃度分布となっている。また、ソース電極５０側の領域全般でほぼ同一の約１．７×１０２０ｃｍ−３、ドレイン電極６０部分では約０．０ｃｍ−３のほぼ均一の値となっており、チャネルから流入したキャリアはほぼ完全にドレイン電極に流れ込んでいる。
ドレイン電極６０部分に高濃度部が無い場合でも同様にドレイン電極部分では約０．０ｃｍ−３のほぼ均一の値となって、チャネルから流入したキャリアはほぼ完全にドレイン電極に流れ込んで消滅しているため（ドレイン側ではポテンシャルの低下が起らないから）、ドレイン電極部分の高キャリア濃度層は不要であることが分かる。従って、高キャリア濃度部がソース電極側のみでも効果がある。
【００８５】
一方、ソース電極部分のキャリア濃度は約１．７×１０２０ｃｍ−３と、高濃度部のキャリア濃度よりも高くなっており、これは電界効果によって誘起されたキャリアの寄与によるものと考えられる。また、ソース電極端部近傍の電流の流れ方を調べたところ、ソース電極のチャネル端部に電流が集中していることが分かった。その結果高濃度部がソース電極の端部に部分的に形成されている場合でも効果があると結論づけられる。電流注入が主に起こっているのは、ソース電極近傍に形成された高濃度部のチャネル側であり、他の部分は実質上高性能化の効果を及ぼさない。
【００８６】
実際の作製プロセス上、ソース電極、ドレイン電極の下部を含め有機半導体層全体に高濃度部を形成した方が作製し易い場合もあるが、以上のように、ソース電極からチャネルへの電流注入の大部分がソース電極端部で行われるため、ソース電極端部の高キャリア濃度層によって実質的にキャリア注入が決まり、図４、図５に示す構造においても、図２に示す構造とほぼ同様の特性向上効果が得られる。
【００８７】
上述の通り、ソース電極からのキャリアの注入はほぼソース電極のチャネル端から行われており、この部分を最適制御することにより適切な有機薄膜トランジスタ性能を実現できる。従って、高キャリア濃度層がソース電極端よりもチャネル側に出て形成されており、既述のチャネル長とゲート絶縁膜厚との関係が満たされている限り、本発明による有機薄膜トランジスタの高性能化は実現できる。
【００８８】
図１９は、図２の構成の有機薄膜トランジスタにおいて、チャネル長Ｌを変化させた場合における、ドレイン電圧とドレイン電流の関係をシミュレーションにより求めたものである。ここでは、チャネル幅Ｗが１０μｍ、有機半導体層４０の膜厚が５０ｎｍ、低濃度部４２の不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３、高濃度部４３、４４の不純物濃度が１×１０20ｃｍ−３、ゲート絶縁膜３０の膜厚ｔ０xが３００ｎｍであり、移動度が０．３ｃｍ２／Ｖ・ｓであるとした。図１９は、ゲート電圧を−５０Ｖに固定し、ドレイン電圧を０〜−５０Ｖの範囲で変化させた場合のドレイン電流の変化を示している。
【００８９】
図１９に示すように、チャネル長を５μｍから２０μｍの間で変化させたとき、同一ドレイン、及びゲート電圧条件で流れるドレイン電流は、ｘ１、ｘ２によるチャネル長の短縮効果を考慮した値（Ｌ−（ｘ１＋ｘ２））に反比例する。例えば、チャネル長が５μｍの場合は、ドレイン電圧―５０Ｖ、ゲート電圧―５０Ｖの電圧条件で、ドレイン電流は約９μＡ流れるが、チャネル長を１０μｍにするとドレイン電流は半分の４．５μＡ，２０μｍにすれば１／４の２.２５μＡに減少する。これは、本発明の効果がチャネル長によらず一般的に成り立つことを示すものである。チャネル長が１００μｍよりも長い場合でもトランジスタ特性を向上させる面では有効であるが、得られるドレイン電流が小さくなるため１００μｍ程度が実用的な最大値になる。また、実用的に作製、及び使用できる寸法がとして、チャネル長は２０ｎｍ程度が下限となる。
【００９０】
なお、本発明者らは、高濃度部を具備する有機ＴＦＴ構造においては、有機半導体層４０の厚さを５〜１０００ｎｍの間で変えてもほぼ特性に影響することはなく、特に良好な特性が得られる１０〜１００ｎｍの厚さの間では有機半導体膜４０厚さの変化が特性に影響することは全くないことをシミュレーションにより確認している。さらに、ゲート絶縁膜３０の厚さを変化させても、１〜１０００ｎｍの範囲ではほぼ誤差範囲で、特に良好な特性が得られる１０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲ではほぼ完全にドレイン電流値がゲート絶縁膜厚に反比例することも確認している。すなわち、たとえば非常に薄いゲート絶縁膜を用いる場合や、高い誘電率のゲート絶縁膜など、シリコン酸化膜以外の絶縁膜をゲート絶縁体として用いても、本発明は有効であることを確認している。
【００９１】
なお、以上のシミュレーションにおいて、有機半導体層４０のうち低濃度部はｐ型半導体であるとしたが、ｎ型半導体でも全く同様な特性向上効果が得られる。また、高濃度部４３、４４は同様にｐ型高不純物濃度層として実施例を示したが、ｎ型高不純物濃度層でもｐチャネル有機ＴＦＴとｎチャネル有機ＴＦＴの動作特性が変わるだけで、ほぼ同様な特性向上効果が得られる。したがって、本発明は相補型有機薄膜トランジスタ（Complementary Organic Thin Film Transistor：ＣＯＴＦＴ）構造にも適用可能である。
【００９２】
また、上記実施形態及びシミュレーションにおいては、有機半導体層よりもゲート電極が基板側に形成されたいずれもボトムゲート構造のトランジスタについて説明したが、有機半導体層がゲート電極よりも基板側に形成されたトップゲート構造のトランジスタにも本発明は適用可能である。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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