(57)【要約】【課題】導電体層／絶縁体層／半導体層構造を有する有機電界効果トランジスターにおいて、半導体層を形成する物質が有機化合物であり、絶縁体層を形成する物質が下記式（１）で示されるモノマー及び／又は下記式（２）で示されるモノマーを重合又は共重合して得られる高分子物質を含んでなることを特徴とする有機電界効果トランジスター。      ＣＨ2＝ＣＨＣＯＯ−（ＣＨ2）2−ＣＮ             −−−  （１）      ＣＨ2＝Ｃ（ＣＨ3）ＣＯＯ−（ＣＨ2）2−ＣＮ      −−−  （２）【解決手段】本発明によれば、導電体層／絶縁体層／半導体層構造を有するＴＦＴにおいて、半導体層及び絶縁体層材料の両者を有機化合物とし、更に絶縁体層を形成する物質として水酸基を有しない高分子物質を用いることにより、ｎ型トランジスター特性を低下させることがなく、更にキャリアー移動度を高めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電体層／絶縁体層／半導体層構造を有する有機電界効果トランジスターにおいて、半導体層を形成する物質が有機化合物であり、絶縁体層を形成する物質が下記式（１）で示されるモノマー及び／又は下記式（２）で示されるモノマーを重合又は共重合して得られる高分子物質を含んでなることを特徴とする有機電界効果トランジスター。
ＣＨ2＝ＣＨＣＯＯ−（ＣＨ2）2−ＣＮ             −−−  （１）
ＣＨ2＝Ｃ（ＣＨ3）ＣＯＯ−（ＣＨ2）2−ＣＮ      −−−  （２）
【請求項２】
前記有機電界効果トランジスターが、ｐ型、ｎ型の両方のトランジスター特性を示す両極性有機電界効果トランジスターであることを特徴とする請求項１記載の有機電界効果トランジスター。
【請求項３】
前記高分子物質における式（１）及び（２）のモル比率が、１００：０〜５０：５０であることを特徴とする請求項１又は２記載の有機電界効果トランジスター。
【請求項４】
前記半導体層を形成する物質が、有機溶剤に溶解可能な重量平均分子量が２，０００を超え１，０００，０００以下の有機化合物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の有機電界効果トランジスター。
【請求項５】
前記半導体層を形成する物質が、ポリチオフェン類であることを特徴とする請求項４記載の有機電界効果トランジスター。
【請求項６】
導電体層からなるゲート電極上に下記式（１）で示されるモノマー及び／又は下記式（２）で示されるモノマーを重合又は共重合して得られる高分子物質を有機溶剤に溶解した高分子溶液を塗着、乾燥させて絶縁体層を形成後、半導体層を積層することを特徴とする有機電界効果トランジスターの製造方法。
ＣＨ2＝ＣＨＣＯＯ−（ＣＨ2）2−ＣＮ             −−−  （１）
ＣＨ2＝Ｃ（ＣＨ3）ＣＯＯ−（ＣＨ2）2−ＣＮ      −−−  （２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電体層／絶縁体層／半導体層構造を有する有機電界効果トランジスター（ＯＦＥＴ）、特に液晶ディスプレイにおけるＯＦＥＴやｐ型及びｎ型の両方のトランジスター特性を示す両極性ＯＦＥＴ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来型のシリコン半導体や化合物半導体を利用した薄層電界効果トランジスター（ＴＦＴ）は、一般的な集積回路のみならずその利用分野は拡大している。特に、液晶ディスプレイにおけるＴＦＴの使用は常識化している。また、近年、液晶ディスプレイは、ディスプレイの大型化と共に精細化も進みつつあり、従来以上に画素数に対応した多数のＴＦＴの組み込みを要求されるようになってきている。
【０００３】
しかし、従来から用いられている通常の金属系半導体では基板上に回路を形成する際、フォトレジスト等によるパターン化及びエッチング等の処理から、画面上に形成されるＴＦＴに僅かの欠陥を生ずることが避けられなかった。しかも、これらの処理によりＴＦＴの製造コストを低減するには一定の限界があった。他の薄型ディスプレイ、即ちプラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイにおいても、ＴＦＴを用いる場合には同様なことがいえる。
【０００４】
また、近年の大面積及び精細化傾向は、作製ＴＦＴ欠陥の確率を高める傾向となっており、このＴＦＴ欠陥を最小限とする方法が強く望まれている。
【０００５】
更に、フォトレジスト等によるパターン化及びエッチング等の処理を行うことから、制作コストを低減することに限界がある。
【０００６】
一方、金属層／絶縁体層／半導体層構造（ＭＩＳ構造）を有するＴＦＴにおいて、絶縁体及び半導体の材料を有機物とする試みがなされているが、有機絶縁材料に関する内容は少ない。例えば、特表平５−５０８７４５号公報（特許文献１）では、絶縁体層として比誘電率５以上の絶縁性有機高分子を、半導体層として重量平均分子量２，０００以下の多共役有機化合物を用い作製されたデバイスが電界効果を示し、その移動度が１０-2ｃｍ2Ｖ-1ｓ-1程度であることが記載されている。しかし、有機半導体材料としてα−セキシチエニルを用いて、蒸着により半導体層を形成することから、フォトレジスト等によるパターン化及びエッチング等の処理が必要となり、コストの低減が図られない。
【０００７】
また、有機絶縁材料に関して、例えば上記特許文献１及び特開２００５−７２５２８号公報（特許文献２）に、ポリビニルアルコール及びシアノエチルプルランの例示があるが、これらの物質は分子内に水酸基を有する構造である。ゲート絶縁膜材料に水酸基が存在すると、有機半導体層との界面近傍において水酸基が電子をトラップし、ｎ型トランジスター特性を示さないか、あるいは示したとしてもキャリアー移動度が低いという欠点を有するものであった。
【０００８】
従来型のシリコン半導体や化合物半導体を利用したＴＦＴを適用した新しい用途が増え始め、より安価であることや屈曲可能なデバイスの要求が増大している。これに対応すべく、低コスト、柔軟性等多様な機能性をデバイスに応用可能であることから、有機半導体に関する研究が盛んに行われている。この実用化により、プリンタブル集積回路や電子ペーパー等の実現が見込まれているが、ほとんどの有機半導体がｐ型の挙動を示し、ｎ型の挙動を示すものはＣ６０等、極僅かの物質しかない。
【０００９】
ｎ型有機半導体は、ｐ−ｎジャンクションをはじめとする有機電子デバイスの実現に非常に重要な物質である。
【００１０】
有機半導体が、一般的にｐ型からｎ型への極性反転を示さないのは、シリコン半導体に比べてバンドギャップが大きいため、多大なゲート電圧をかけてバンドを曲げても反転層が形成されないからである。反転層を形成するためには、ゲート絶縁膜と有機半導体の界面に多大なキャリアーを誘起させればよいが、従来のゲート絶縁膜を用いる場合は、高ゲート電圧により絶縁破壊を起こしてしまい、極性反転を起こすのに十分なキャリアー量を誘起するのは困難だった。
【００１１】
例えば、絶縁膜として高耐電圧・高誘電率・低リーク電流を有する酸化アルミニウム薄膜を、有機半導体として単結晶を使用することが提案されている（非特許文献１：Ａｐｐｌ，Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，Ｖｏｌ．８５，ｐ３８９９（２００４））。これは、有機半導体として単結晶を用いることで、半導体薄膜におけるグレインやトラップ準位による影響をなくすことができるために、高移動度が得られることが期待できるとしている。しかし、酸化物絶縁体は薄膜化しやすく、誘電率が高いという利点がある反面、酸素欠損が必ず存在し、耐電圧が下がってしまう。
【００１２】
一方、特開２００６−３０３４５３号公報（特許文献３）には、絶縁体層材料として特定の有機高分子、特にはシアノエチルプルランを用いる両極性ＯＦＥＴが示されている。しかし、通常状態でｐ型の挙動を示すものの、ｎ型の挙動を発現させるためには、その高分子化合物の抗電界以上で耐電圧以下の電圧をソース及びゲート電極間に印加するポーリング処理を行う必要があった。
【００１３】
【特許文献１】特表平５−５０８７４５号公報
【特許文献２】特開２００５−７２５２８号公報
【特許文献３】特開２００６−３０３４５３号公報
【非特許文献１】Ａｐｐｌ，Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，Ｖｏｌ．８５，ｐ３８９９（２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、導電体層／絶縁体層／半導体層構造の半導体層及び絶縁体層の材料として有機物材料を用いたＯＦＥＴにおいて、従来よりもキャリアー移動度が高いＯＦＥＴ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
また、特別な処理をすることなくｐ型及びｎ型の両方のトランジスター特性を示す両極性ＯＦＥＴ及びその製造方法を提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、ｎ型トランジスター特性を低下させる原因が絶縁体層を形成する物質中の水酸基であることを見出し、絶縁体層を形成する物質として大きな比誘電率を有し、かつ水酸基を有さない高分子物質を用いることにより、従来よりもキャリアー移動度を高められることを見出し、本発明をなすに至ったものである。
【００１７】
また、このような高分子物質を用いることにより、ポーリング処理を行なわなくても動作条件として印加するゲート電圧の極性を変化するのみで特別な処理をすることなく、負のゲート電圧を印加した場合は通常のｐ型トタンジスターの特性を、正のゲート電圧を印加した場合はｎ型トランジスターの特性を示す、ｐ型及びｎ型の両方のトランジスター特性を示す両極性ＯＦＥＴが、比較的簡便な方法で得られることを見出し、本発明をなすに至ったものである。
【００１８】
従って、本発明は、下記に示す有機電界効果トランジスター及びその製造方法を提供する。
請求項１：
導電体層／絶縁体層／半導体層構造を有する有機電界効果トランジスターにおいて、半導体層を形成する物質が有機化合物であり、絶縁体層を形成する物質が下記式（１）で示されるモノマー及び／又は下記式（２）で示されるモノマーを重合又は共重合して得られる高分子物質を含んでなることを特徴とする有機電界効果トランジスター。
ＣＨ2＝ＣＨＣＯＯ−（ＣＨ2）2−ＣＮ             −−−  （１）
ＣＨ2＝Ｃ（ＣＨ3）ＣＯＯ−（ＣＨ2）2−ＣＮ      −−−  （２）
請求項２：
前記有機電界効果トランジスターが、ｐ型、ｎ型の両方のトランジスター特性を示す両極性有機電界効果トランジスターであることを特徴とする請求項１記載の有機電界効果トランジスター。
請求項３：
前記高分子物質における式（１）及び（２）のモル比率が、１００：０〜５０：５０であることを特徴とする請求項１又は２記載の有機電界効果トランジスター。
請求項４：
前記半導体層を形成する物質が、有機溶剤に溶解可能な重量平均分子量が２，０００を超え１，０００，０００以下の有機化合物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の有機電界効果トランジスター。
請求項５：
前記半導体層を形成する物質が、ポリチオフェン類であることを特徴とする請求項４記載の有機電界効果トランジスター。
請求項６：
導電体層からなるゲート電極上に上記式（１）で示されるモノマー及び／又は上記式（２）で示されるモノマーを重合又は共重合して得られる高分子物質を有機溶剤に溶解した高分子溶液を塗着、乾燥させて絶縁体層を形成後、半導体層を積層することを特徴とする有機電界効果トランジスターの製造方法。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、導電体層／絶縁体層／半導体層構造を有するＴＦＴにおいて、半導体層及び絶縁体層材料の両者を有機化合物とし、更に絶縁体層を形成する物質として水酸基を有しない高分子物質を用いることにより、ｎ型トランジスター特性を低下させることがなく、更にキャリアー移動度を高めることができる。
【００２０】
また、従来のシリコン系半導体又は無機系半導体及び絶縁体の使用における回路形成技術ではフォトレジスト等によるパターン化及びエッチング等の処理を必要とするのに対し、主として溶剤プロセスでの作製が可能となるため、インクジェットをはじめとするプリント技術等により容易に作製することができ、回路上の欠陥確率を減少させて、製造コストの低減を図ることが可能となる。
【００２１】
更に、ポーリング処理を行なわなくてもｐ型及びｎ型の両方のトランジスター特性を示す両極性有機電界効果トランジスターを得ることができる。このことから、ｐ−ｎ接合、インバータ回路及びレーザへの応用が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の両極性ＯＦＥＴは、例えば図１に示されるように、ＳｉＯ2等の基板１上にゲート電極となる導電体層２が形成され、その上に絶縁体層３が形成され、更にその上に半導体層４が形成されると共に、この半導体層４上にソース電極５及びドレイン電極６が形成されたものである。なお、基板としては、ガラスやポリマーシート等も用いられる。
【００２３】
この場合、導電体層としては一般的なＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）膜又は物理的気相蒸着法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）や有機金属化学気相蒸着法（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  ＣＶＤ：ＭＯＣＶＤ）によるＡｕ、Ｃｕ、Ａｌ等の単独金属又はＡｕ／Ｔｉ、Ｃｕ／Ｔｉ、Ａｌ／Ｔｉ等の積層金属を使用することができるが、本発明の目的から印刷により作製できることが好ましいので、実用上問題がなければ導電性ペーストの使用が好ましい。なお、導電性ペーストとしては、ケッチェンブラック等の導電性カーボンブラックペースト類、銀ペースト等の導電性金属ペーストが挙げられる。
【００２４】
なお、半導体の極性反転という現象は、半導体と絶縁体のバンドアライメントと界面に蓄積される電荷量に大きく依存するため、極性反転という観点では、絶縁体の特性がより重要なポイントになる。従って、トランジスター動作を示し、界面に巨大な電荷を蓄積することのできる薄膜が、極性反転をする上で望まれていた。
【００２５】
そこで、本発明者らは、有機絶縁体が一般に高い耐電圧を持ち、低リーク電流を示すことに着目し、検討を行った。絶縁膜としての酸化アルミニウム薄膜において酸素欠損が避けられないことは上述した通りである。有機化合物にも分子の欠損が存在するが、酸化物の酸素欠損が絶縁体の電子状態を変えてしまうのに対して、有機化合物では分子上における欠損が電子状態に関与しないため低リーク電流を示す。しかし、有機絶縁体は誘電率が低いために界面に多数の電荷を蓄積することができない。そこで、本発明者らは、更に検討を進めた結果、絶縁体層を形成する物質として高耐電圧と高誘電率を有する水酸基を持たない特定の高分子化合物を用いることにより、ｐ型及びｎ型の両方のトランジスター特性を示す両極性ＯＦＥＴが得られることを見出したものである。
【００２６】
本発明のＯＦＥＴにおいて、絶縁体層を形成する物質は、下記式（１）で示されるモノマー及び／又は下記式（２）で示されるモノマーを重合又は共重合して得られる高分子化合物を含むものである。また、この高分子化合物は、有機溶剤に溶解可能で、好ましくはジメチルホルムアミドを溶媒とする２０℃における２０質量％濃度の粘度が３０〜８，０００ｍＰａ・ｓである。なお、この粘度は、回転式粘度計を用いた測定法によるものである。
ＣＨ2＝ＣＨＣＯＯ−（ＣＨ2）2−ＣＮ             −−−  （１）
ＣＨ2＝Ｃ（ＣＨ3）ＣＯＯ−（ＣＨ2）2−ＣＮ      −−−  （２）
【００２７】
具体的には、ジメチルホルムアミド等の溶媒に溶解する上記式（１）で示されるモノマー、即ち２−シアノエチルアクリレート及び上記式（２）示されるモノマー、即ち２−シアノエチルメタクリレートの各単独重合物及びこれら２種のモノマーの共重合物である。
【００２８】
これら高分子物質は、上記モノマーをラジカル重合開始剤を用いて、ラジカル重合することにより製造される。ここで、ラジカル重合開始剤としては通常用いられるもので良いが、例えば２，２’−アゾビスイソブチロニトリル、２，２’−アゾビス（２，４−ジメチルバレロニトリル）、２，２’−アゾビス−２−メチルブチロニトリル等のアゾ系や、ベンゾイルパーオキサイド等の過酸化物系触媒等が挙げられる。本発明に係る高分子物質は、その分子構造中にシアノ基を有することが必須であることから、特にラジカル重合開始剤としてはニトリル基を有するアゾ系重合開始剤が好ましい。重合開始剤の添加量は、モノマー全量のモル数に対するモル数比として、０．００５〜０．０２が好ましい。重合開始剤の添加量がこれより少なすぎると、ラジカルの失活等により重合が十分進まない場合があり、多すぎると重合反応の制御が困難となる他、得られる高分子物質の重合度が非常に大きく溶剤に不溶になる等、その後の使用に供することが難しい場合がある。
【００２９】
また、重合反応を制御するために、ラウリルメルカプタン等の連鎖移動剤を用いることも可能である。この場合、連鎖移動剤の添加量は、重合開始剤のモル数に対するモル数比として、０．０５〜１．０である。連鎖移動剤の添加量がこれより少ないと、開始剤添加量によっては重合反応の制御が困難になる等の不都合を生じる場合があり、これより多いと重合反応が十分に進まない場合がある。
【００３０】
重合方法としては、塊状重合、溶液重合、懸濁重合、乳化重合等、通常一般的に知られている方法を用いることができる。溶液重合の場合の重合溶媒としては、アセトン、Ｎ，Ｎ’−ジメチルホルムアミド、エステル類、エーテル類等が例示されるが、モノマーを溶解することができる溶媒で、重合反応を阻害しない溶媒であれば、特に限定されない。重合反応後の精製工程を考慮すると、晶出溶剤との混和性及び水との混和性がある溶媒が好ましく、この点においてアセトン、Ｎ，Ｎ’−ジメチルホルムアミド等が好ましい。
【００３１】
また、重合溶媒中のモノマー濃度も特に制限されないものの、重合反応を溶液重合として行う場合、重合溶媒中のモノマー濃度があまり希薄であると、重合反応が十分に進まないことがあるため、１０質量％以上が好ましい。なお、重合溶媒を使用しない場合は、塊状重合となる。
【００３２】
上記式（１）の２−シアノエチルアクリレートの単独重合物は、比誘電率が高く軟化温度が低い傾向を示す。一方、上記式（２）の２−シアノエチルメタクリレートの単独重合物は、上記式（１）の２−シアノエチルアクリレートの単独重合物に比較して、比誘電率が低く、軟化温度が高い傾向を示す。比誘電率に関しては、モノマーとして、上記式（１）の２−シアノエチルアクリレートと上記式（２）の２−シアノエチルメタクリレートを比較した場合、双極子基であるシアノエチル基の分子内含量は２−シアノエチルアクリレートの方が２−シアノエチルメタクリレートより高いことによる。一方、軟化温度に関しては、アクリレート単独重合物とメタクリレート単独重合物を比較した場合、一般にメタクリレート単独重合物の方が高いことは周知の事実であり、このことはシアノエチル系モノマーの重合物であっても同様である。
【００３３】
本発明のＯＦＥＴの動作は、ゲートに電位が印加された時に絶縁体層−半導体層の界面に、本発明の絶縁体層を形成する高分子化合物が有する双極子基であるシアノエチル基が配向することにより、チャンネルの形成が増長されることによると考えられる。このことから、比誘電率が高い方が移動度等の性能が高くなると考えられる。また、軟化温度が低すぎると、駆動中の温度上昇で絶縁体層が柔らかくなることにより安定した性能を示さない場合があることから、絶縁体層を形成する物質が上記式（１）及び（２）のモノマーの共重合体の場合、上記式（１）と（２）のモノマーのモル比率は、１００：０〜５０：５０、特に９０：１０〜５０：５０が好ましい。式（２）のモノマーのモル比率がこれより多いと、軟化温度が高くなり、界面の柔軟性が損なわれたり比誘電率が低下する場合がある。
【００３４】
本発明のＯＦＥＴにおいて、半導体層を形成する物質は有機化合物であり、具体的には、ペンタセン、銅フタロシアニン、鉄フタロシアニン等の金属フタロシアニン、α−セキシチエニル等の低分子化合物、ポリチオフェン類、ポリピロール類、ポリアニリン類、ポリアセチレン類、ポリチエニレンビニレン類、ポリフェニレンビニレン類等の高分子化合物が挙げられる。一方、高分子化合物の場合には、有機溶剤に溶解可能なＧＰＣによるポリスチレン換算重量平均分子量が２，０００を超え、１，０００，０００以下の高分子化合物が好ましく、具体的にはポリチオフェン類、ポリピロール類、ポリアニリン類、ポリアセチレン類、ポリチエニレンビニレン類、ポリフェニレンビニレン類等が挙げられる。有機溶剤への可溶性、良好な加工性等の点を考慮すると、特にポリ（３−ヘキシルチオフェン）等のポリチオフェン類が特に好ましい。
【００３５】
絶縁体層上に半導体層を形成する場合、半導体層を形成する物質が低分子化合物では真空蒸着等の一般的な方法が用いられる。半導体層を形成する有機化合物が、低分子化合物でも高分子化合物でも有機溶剤に溶解する性質を有する場合は、絶縁体層上に溶液塗布・乾燥による積層を行うことができるが、この場合は、絶縁体層が溶解しない有機溶媒に溶解する必要がある。これは、積層により半導体層及び絶縁体層を形成しようとすると、一般的には界面状態が均一にならないと考えられているからである。
【００３６】
本発明の有機電界効果トランジスターの製造方法には、有機絶縁膜上に有機半導体層を蒸着により形成する方法や、有機半導体材料及び有機絶縁材料のそれぞれを有機溶剤に溶解して、塗着、乾燥する方法が挙げられるが、特に後者の方法が簡便であることから好ましい。この場合、絶縁体層を構成する化合物を溶解する有機溶媒としては、例えばＮ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ’−ジメチルホルムアミド、アセトン、アセトニトリル、γ−ブチルラクトン等が使用される。一方、半導体層を構成する高分子化合物を溶解する有機溶媒としては、例えばクロロホルム、トルエン、ヘキサン、アルコール類等が使用される。いずれの場合も１種又は２種以上を混合して用いることができる。
【００３７】
具体的には、導電体層からなるゲート電極上に上記式（１）で示されるモノマー及び／又は上記式（２）で示されるモノマーを重合又は共重合して得られる高分子物質を有機溶剤に溶解した高分子溶液を塗着、乾燥させて絶縁体層を形成後、絶縁体層が溶解しない有機溶媒に半導体層を形成する有機化合物を溶解した溶液を塗着、乾燥させて半導体層を形成する。例えば、ガラス又は一般的なポリマーシート等から選択された基板上にゲート電極となる導電体層をスパッタリングで形成するか、あるいは導電性ペーストや導電性高分子等をスピンコート、スクリーン印刷、インクジェット印刷により塗布、乾燥して形成する。なお、一般的に入手可能なＩＴＯ膜付きガラスを用いてもよい。
【００３８】
形成されたゲート電極上に、絶縁体層を形成する物質を有機溶媒に溶解した溶液をスピンコート、スクリーン印刷、インクジェット印刷により塗布、乾燥して絶縁体層を形成する。
【００３９】
その後、上記絶縁性高分子化合物が溶解しない有機溶媒に半導体層を形成する物質を溶解した溶液を、絶縁体層上にスピンコート、スクリーン印刷、インクジェット印刷により塗布、乾燥して半導体層を作製する。なお、この際に絶縁体層−半導体層間の界面で半導体分子を配向させるために、絶縁体層表面に公知のラビング処理等、物理的処理を行ってもよい。
【００４０】
最後に、半導体層上にソース及びドレイン電極をスパッタリングで形成するか、導電性ペーストや導電性高分子等をスクリーン印刷、インクジェット印刷により塗布、乾燥する。
【００４１】
本発明のＯＦＥＴは、導電体層からなるゲート電極上に絶縁体層を設け、その上に半導体層を形成し、更に半導体層上にソース及びドレイン電極を形成した構造である。ゲートに電位が付加されることにより電場を形成し、電界効果により絶縁体層近傍の半導体中に電荷を生じ、半導体層中に導電性領域、いわゆるチャネルを形成するものである。これは、絶縁体層と半導体層の界面状態が非常に重要であり、その界面が平坦である程、好ましいことを意味している。
【００４２】
なお、絶縁体層の厚さは、０．２〜１０μｍ、特に０．５〜３μｍであることが好ましく、半導体層の厚さは、５０〜３００ｎｍ、特に５０〜１００ｎｍであることが好ましく、導電体層の厚さは、３０〜５０ｎｍであることが好ましいが、これに限定されるものではない。
【００４３】
本発明の有機電界効果薄層トランジスターが両極性有機電界効果トランジスターである場合には、正のゲート電圧を印加したときｎ型のトランジスターの特性を示し、負のゲート電圧を印加したとき、ｐ型のトランジスターの特性を示すものである。
【実施例】
【００４４】
以下、実施例及び比較例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４５】
［実施例１］
冷却管及び攪拌機を持つ３口フラスコ（５００ｍｌ）を窒素置換した後、通常の減圧蒸留法で蒸留した２−シアノエチルアクリレートモノマーを７０ｇ加えた。次いで、重合溶媒として脱水処理を行ったアセトンを１６３ｇ、モノマーに対するモル数比が０．０１となるようラジカル開始剤として２，２’−アゾビスイソブチロニトリルを加え、更に連鎖移動剤として０．００１モルのラウリルメルカプタンを加えた。窒素導入管を接続し、反応温度６０℃で反応時間３００分の条件で反応を行った。終了後、室温まで冷却し、過剰量のメタノールへ反応液を析出させ、更に析出物をアセトンに溶解し過剰量のメタノールで析出することを数回繰り返した。その後、精製された析出物を乾燥し、ジメチルホルムアミドを溶媒とする２０℃における２０質量％の粘度が３０５ｍＰａ・ｓ、４０℃／１ｋＨｚの比誘電率が約１１、軟化温度が約３０℃のポリ（２−シアノエチルアクリレート）約６３ｇを得た。
絶縁体層を形成する物質として、ポリ（２−シアノエチルアクリレート）を、半導体層を形成する物質として、銅フタロシアニン（ＡＬＤＲＩＣＨ社製）を用いて、下記に示す方法で有機電界効果トランジスターを作製し、評価した。
熱酸化シリコン基板上に、室温、背圧１０-4Ｐａの条件でＲＦスパッタ法によりＴｉを２０ｎｍ蒸着し、次いでＡｕを６０ｎｍ蒸着することでゲート電極を作製した。
【００４６】
次に、ゲート電極Ａｕ表面上に、ポリ（２−シアノエチルアクリレート）のＮ−メチル−２−ピロリドン２０質量％溶液を０．２μｍメンブランフィルターで濾過後、スピンコートして６０℃で２４時間真空加熱乾燥し、２μｍの絶縁体層を形成した。この絶縁膜の１ｋＨｚにおける静電容量は、６ｎＦ／ｃｍ2であった。
次に、銅フタロシアニンを用いて真空蒸着法により膜厚が７０ｎｍの半導体層を作製した。Ｘ線回折測定したところ、２θ＝６．８°にピークが観測され、銅フタロシアニン薄膜がα構造であることが分かった。
基板を−２０℃に冷却し、半導体層にメタルマスクを介して、背圧１０-5Ｐａ以下の条件でＲＦスパッタ法により、Ａｕを２０ｎｍ蒸着した。ソース・ドレイン間の距離と電極幅は、それぞれ５０μｍの間隔（図１においてＬ＝５０μｍ）、４．０ｍｍ幅（図１においてＷ＝４．０ｍｍ）であった。
【００４７】
作製した電界効果トランジスターの電気特性評価は、１．３×１０-3Ｐａ以下の真空・遮光下で行った。
電流−電圧（ＩSD−ＶSD）特性を室温（２５℃）で測定したところ、図２のように、正のゲート電圧を印加すると、空乏層が形成されるため、低ゲート電圧では電流値が減少するが、高ゲート電圧では反転層が形成され、電流値が増加していくｎ型の特性を示した（図２）。ソース・ドレイン電流−ソース・ドレイン電圧曲線のチャネルコンダクタンスから移動度を見積もったところ、電界効果移動度は、１．０×１０-4ｃｍ2／Ｖｓであった。ゲート絶縁膜にシアノエチルプルランを用いた比較例１に示す素子では、単に電圧を印加しただけでは、ｎ型のトランジスター特性を示さない。そのためポーリング処理が必要であり、ポーリング処理後の移動度と比較しても、本発明に示す電界効果移動度は、約１００倍近く早い移動度が得られ、電子移動度の劇的な向上が見られた。
【００４８】
［実施例２］
実施例１で作製した電界効果トランジスターに負のゲート電圧を印加して、電流−電圧（ＩSD−ＶSD）特性を室温（２５℃）で測定したところ、図３のように、ゲート電圧の増加と共に電流値が増加していく、典型的なｐ型のトランジスター特性を示した（図３（Ａ））。一方、正のゲート電圧を印加した場合では、空乏層が形成されるため、低ゲート電圧では電流値が減少するが、高ゲート電圧では反転層が形成され、電流値が増加していくｎ型の特性を示した（図３（Ｂ））。銅フタロシアニン層がｐ型であり、更にバンドギャップが１．５ｅＶと大きいために、多量の電荷を蓄積しているにも拘わらず、弱い反転状態であると考えられる。そのため、ｎ型のソース・ドレイン電流値は、ｐ型のソース・ドレイン電流値に比べて１０分の１（｜Ｖg｜＝５０Ｖの時）と小さな値を示す。
次に、ソース・ドレイン電流−ソース・ドレイン電圧曲線のチャネルコンダクタンスから移動度（μ）を見積もった。ｐ型の移動度は１．０×１０-3ｃｍ2／Ｖｓであり、酸化シリコンをゲート絶縁膜にした電界効果トランジスターにおいて得られる値とほぼ同程度であった。一方、ｎ型における電界効果移動度は、ｐ型の約１０分の１の１．０×１０-4ｃｍ2／Ｖｓであった。
ゲート絶縁膜にシアノエチルプルランを用いた比較例１に示す素子ではｎ型のトランジスター特性を得るためにポーリング処理が必要であり、ポーリング処理後の移動度と比較しても、本発明に示すｎ型における電界効果移動度は、約１００倍近く早い移動度が得られ、電子移動度の劇的な向上が見られた。また、｜ＶSD｜＝５０Ｖにおけるｐ型、ｎ型のＯｎ／Ｏｆｆ比は、ともに１００程度であり、ＶTはそれぞれ−４４Ｖ、７３Ｖであった。
【００４９】
［実施例３］
２−シアノエチルアクリレートモノマーを単独使用する代わりに、２−シアノエチルアクリレートモノマーと２−シアノエチルメタクリレートモノマーとを用いて実施例１と同様に操作し、絶縁体層を形成する物質として、２−シアノエチルアクリレートモノマーと２−シアノエチルメタクリレートモノマーのモル比が５０：５０の共重合体を得た。この共重合体は、ジメチルホルムアミドを溶媒とする２０℃における２０質量％の粘度が３３２ｍＰａ・ｓ、４０℃／１ｋＨｚの比誘電率が約１０、軟化温度が約６０℃であった。
得られた共重合体を用いて、実施例１及び実施例２に示す方法と同様の方法で電界効果トランジスターを作製して特性評価を行ったところ、実施例１及び実施例２同様、優れたトランジスター特性を示した。
【００５０】
［実施例４］
２−シアノエチルアクリレートモノマーを単独使用する代わりに、２−シアノエチルアクリレートモノマーと２−シアノエチルメタクリレートモノマーとを用いて実施例１と同様に操作し、絶縁体層を形成する物質として、２−シアノエチルアクリレートモノマーと２−シアノエチルメタクリレートモノマーのモル比が９０：１０の共重合体を得た。この共重合体は、ジメチルホルムアミドを溶媒とする２０℃における２０質量％の粘度が３２１ｍＰａ・ｓ、４０℃／１ｋＨｚの比誘電率が約１１、軟化温度が約４０℃であった。
得られた共重合体を用いて、実施例１及び実施例２に示す方法と同様の方法で電界効果トランジスターを作製して特性評価を行ったところ、実施例１及び実施例２同様、優れたトランジスター特性を示した。
【００５１】
［比較例１］
絶縁体層を形成する物質として、シアノエチル基置換率が８５．２モル％であるシアノエチルプルラン（ＣｙＥＰＬ、信越化学工業（株）製、ＣＲ−Ｓ、重量平均分子量：４９，０００）を、半導体層を形成する物質として、銅フタロシアニン（ＡＬＤＲＩＣＨ社製）を用いて、下記に示す方法で有機電界効果トランジスターを作製し、評価した。熱酸化シリコン基板上に、室温、背圧１０-4Ｐａの条件でＲＦスパッタ法によりＴｉを２０ｎｍ蒸着し、次いでＡｕを６０ｎｍ蒸着することでゲート電極を作製した。
次に、ゲート電極Ａｕ表面上に、シアノエチルプルランのＮ−メチル−２−ピロリドン１５質量％溶液を０．２μｍメンブランフィルターで濾過後、スピンコートして１００℃で１時間乾燥し、２μｍの絶縁体層を形成した。この絶縁膜の１ｋＨｚにおける静電容量は、１７．７ｎＦ／ｃｍ2であった。
次に、真空蒸着法により膜厚が７０ｎｍの銅フタロシアニン膜を作製した。Ｘ線回折測定したところ、２θ＝６．８°にピークが観測され、銅フタロシアニン薄膜がα構造であることが分かった。
次に、基板を−２０℃に冷却し、半導体層にメタルマスクを介して、背圧１０-5Ｐａ以下の条件でＲＦスパッタ法により、Ａｕを３００ｎｍ蒸着した。ソース・ドレイン間の距離と電極幅は、それぞれ３８μｍの間隔（図１においてＬ＝３８μｍ）、３．９ｍｍ幅（図１においてＷ＝３．９ｍｍ）であった。
【００５２】
作製した電界効果トランジスターの電気特性評価は、１．３×１０-3Ｐａ以下の真空・遮光下で行った。
絶縁膜にポーリング処理を行わないで、電流−電圧（ＩSD−ＶSD）特性を室温（２５℃）で測定したところ、図４のように、正のゲート電圧を印加すると、ゲート電圧の増加と共に、ソース・ドレイン電流は小さくなり、空乏層が形成されていくだけであった。
次に、大きな蓄積電荷量を得るために、抗電界以上のソース・ゲート電圧（｜ＶSG｜＝２０Ｖ）を２，０００秒間以上印加してポーリング処理を行った後、デバイスの電流−電圧（ＩSD−ＶSD）特性を室温で測定した。正のゲート電圧を印加すると、空乏層が形成されるため、低ゲート電圧では電流値が減少するが、高ゲート電圧では反転層が形成され、電流値が増加していくｎ型の特性を示した。実施例１と同様に求めた電界効果移動度は、３．５×１０-6ｃｍ2／Ｖｓであった。
【００５３】
［比較例２］
比較例１で作製した電界効果トランジスターの絶縁膜にポーリング処理を行わないで、電流−電圧（ＩSD−ＶSD）特性を室温（２５℃）で測定したところ、負のゲート電圧のときには典型的なｐ型の性質を示した。一方、正のゲート電圧のときには、ゲート電圧の増加と共に、ソース・ドレイン電流は小さくなり、空乏層が形成されていくだけであった。
次に、大きな蓄積電荷量を得るために、抗電界以上のソース・ゲート電圧（｜ＶSG｜＝２０Ｖ）を２，０００秒間以上印加してポーリング処理を行った後、デバイスの電流−電圧（ＩSD−ＶSD）特性を室温で測定した。図５のように、負のゲート電圧を印加した揚合は、ゲート電圧の増加と共に電流値が増加していく、典型的なｐ型のトランジスター特性を示した（図５（Ａ））。一方、正のゲート電圧を印加した場合は、ゲート電圧を印加すると空乏化が進み、電流値が減少して行ったが、２０Ｖ以上では、反転層が形成され、電流値が増加していくｎ型の特性を示した（図５（Ｂ））。銅フタロシアニン層がｐ型であり、更にバンドギャップが１．５ｅＶと大きいために、多量の電荷を蓄積しているにも拘わらず、弱い反転状態であると考えられる。そのため、ｎ型のソース・ドレイン電流値は、ｐ型のソース・ドレイン電流値に比べて２，０００分の１（｜Ｖg｜＝５０Ｖの時）と小さな値を示す。電界効果移動度は、通常、飽和電流値から求められるが、このデバイスでは静電容量がＱ＝ＣＶで決められないため、ソース・ドレイン電流−ソース・ドレイン電圧曲線のチャネルコンダクタンスから移動度（∫）を見積もった。ＶTはソース・ドレイン電流が立ち上がる閾値電圧であり、ＩSD＝（Ｗ／Ｌ）μ［Ｐ＋Ｃ（ＶSG−ＶT）］ＶSDの式を用いた。ｐ型の移動度は４．１×１０-3ｃｍ2／Ｖｓであり、酸化シリコンをゲート絶縁膜にした電界効果トランジスターにおいて得られる値とほぼ同程度であった。
一方、ｎ型における電界効果移動度は、ｐ型の約１，０００分の１の３．５×１０-6ｃｍ2／Ｖｓであった。また、｜ＶSD｜＝１０Ｖにおけるｐ型、ｎ型のｏｎ／ｏｆｆ比は、それぞれ６×１０4、７０であり、ＶTはそれぞれ−０．１Ｖ、０．９Ｖであった。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明のＯＦＥＴの一態様を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施例１のＯＦＥＴのＩSD−ＶSD特性を示すグラフである。
【図３】本発明の実施例２のＯＦＥＴのＩSD−ＶSD特性を示すグラフである。
【図４】本発明の比較例１のＯＦＥＴのＩSD−ＶSD特性を示すグラフである。
【図５】本発明の比較例２のＯＦＥＴのＩSD−ＶSD特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５５】
１    基板
２    導電体層（ゲート電極）
３    絶縁体層
４    半導体層
５    ソース電極
６    ドレイン電極
【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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