(57)【要約】【課題】高いＯＮ/ＯＦＦ比を示す有機薄膜トランジスタを提供すること、及び該有機薄膜トランジスタを低温、簡便及び安価なプロセスで製造する方法を提供すること。【解決手段】本発明の有機ＴＦＴ１は、対向するソース電極３及びドレイン電極７と、ソース電極３及びドレイン電極７間に配置される有機半導体層６と、有機半導体層６中に配置されると共に、ソース電極３とドレイン電極７間に流れる電流を制御するゲート電極５と、を備える。ゲート電極５は、複数の開口５ａを有し、ドレイン電極７とゲート電極５の開口５ａとの間には、他の部分より抵抗率が高い高抵抗領域（例えば絶縁物粒子８）が存在する。高抵抗領域は、ゲート電極５に電圧を印加していない時のソース電極３とドレイン電極７間の電流の流れを抑制する。絶縁物粒子８は、有機ＴＦＴ１の製造時に、開口５ａを形成するためのシャドウマスクとしても使用される。【選択図】図１
2008108972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向するソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極及びドレイン電極間に配置される有機半導体層と、
前記有機半導体層中に配置されると共に、前記ソース電極と前記ドレイン電極間に流れる電流を制御するゲート電極と、を備える有機薄膜トランジスタであって、
前記ゲート電極は、複数の開口を有し、
前記ドレイン電極と前記ゲート電極の前記開口との間には、他の部分より抵抗率が高い高抵抗領域が存在することを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記有機半導体層中に配置される複数の絶縁物粒子をさらに備え、
前記高抵抗領域は前記絶縁物粒子によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記絶縁物粒子は、前記開口の中央領域におけるキャリア移動を阻害し、前記開口の外縁領域におけるキャリア移動を確保するように配置されることを特徴とする請求項２に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記絶縁物粒子は、前記ゲート電極に対して前記ドレイン電極側に、前記ゲート電極と接触しないように配置されていることを特徴とする請求項２又は３のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項５】
前記ゲート電極と前記ドレイン電極とを結ぶ方向の前記絶縁物粒子の長さは、前記ゲート電極と前記ドレイン電極間の間隔より長いことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項６】
前記絶縁物粒子における前記ゲート電極面に平行な断面において、最も大きい断面積を有する部分は、前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間にあることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項７】
前記絶縁物粒子は、前記ゲート電極の前記開口を形成するためのシャドウマスクであることを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項８】
前記絶縁物粒子は、球状であることを特徴とする請求項２〜７のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項９】
前記有機半導体層は、第１有機半導体層と第２有機半導体層とを有し、
前記ソース電極上に前記第１有機半導体層が形成され、
前記第１有機半導体層上に、前記ゲート電極及び前記絶縁物粒子が配置され、
前記第１有機半導体層及び前記ゲート電極上に、前記第２有機半導体層が形成され、
前記第２有機半導体層上に前記ドレイン電極が配置されることを特徴とする請求項２〜８のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項１０】
前記高抵抗領域ないし絶縁物粒子の抵抗率は、前記ゲート電極に電圧を印加していない時の前記有機半導体層の抵抗率の１０４倍以上であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項１１】
前記ゲート電極の前記ドレイン電極側を被覆する絶縁層をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項１２】
前記ドレイン電極の前記有機半導体層と接していない側の面に、保護層をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項１３】
支持基板上に第１電極を形成する工程と、
前記第１電極上に第１有機半導体層を形成する工程と、
前記第１有機半導体層上に複数の絶縁物粒子を配置する工程と、
前記複数の絶縁物粒子をシャドウマスクとして、前記第１有機半導体層上に、複数の開口を有するゲート電極を形成する工程と、
前記絶縁物粒子を除去することなく、前記第１有機半導体層及び前記ゲート電極上に第２有機半導体層を形成する工程と、
前記第２有機半導体層上に第２電極を形成する工程と、を含み、
前記絶縁物粒子は、前記第１有機半導体層上に形成された前記ゲート電極と接触しないような形状を有することを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１４】
前記絶縁物粒子は、球状であることを特徴とする請求項１３に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１５】
前記第１電極はソース電極であり、
前記第２電極はドレイン電極であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１６】
前記ゲート電極を形成する工程と前記第２有機半導体層を形成する工程との間に、
前記ゲート電極上に絶縁層を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１７】
前記第２有機半導体層を形成する工程において、
前記第２有機半導体層が、前記絶縁物粒子の高さより低く、前記絶縁物粒子の最も幅広の部分より高くなるように前記第２有機半導体層を形成することを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１８】
前記第１有機半導体層上に保護膜を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機半導体材料を活性層に用いた有機薄膜トランジスタ及びその製造方法に関し、特に静電誘導型トランジスタ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ；Thin Film Transistor）は、液晶ディスプレイやＥＬディスプレイなどの表示装置用の画素スイッチング素子として広く用いられている。また、近年では同一基板上で画素アレイのドライバ回路もＴＦＴによって形成されている例が増えている。
【０００３】
従来、こうしたＴＦＴは、ガラス基板上に、アモルファスや多結晶のシリコンを用いて作成されていた。しかし、このようなＴＦＴの作成に用いられるＣＶＤ装置は非常に高額であり、ＴＦＴを用いた表示装置などの大面積化は製造コストの大幅な増加を伴うという問題点があった。またアモルファスや多結晶のシリコンを成膜するプロセスは極めて高い温度で行われるため、基板として使用可能な材料が限られており、軽量な樹脂基板等が使用できないといった制限があった。
【０００４】
こうした問題点を解決する手段として、半導体材料として有機半導体を用いたＴＦＴ（以下「有機ＴＦＴ」）が提唱されている。有機ＴＦＴを形成する際に用いられる真空蒸着法や塗布法等による成膜方法は、大面積化が安価に実現可能であると共に、そのプロセス温度が低いことから基板材料を選択する際の制限が少ないといった利点を有している。そのため、有機ＴＦＴの実用化開発が進められている。
【０００５】
しかしながら、有機ＴＦＴは、活性層となる有機半導体の移動度が無機半導体に比べて小さいので、高速駆動ができないという欠点を有している。また、有機半導体は無機半導体に比べてキャリア濃度が小さい。これは低い移動度と相まって小さいＯＮ電流しか得られない原因となっている。
【０００６】
従来の無機半導体で多く用いられているようなＭＯＳ型構造を有する有機ＴＦＴにおいては、低駆動速度の問題はチャネル長を数百ｎｍ以下に短くすること、ＯＮ電流の不足の問題はゲート幅を広くすることで改善が見込まれる。しかしながら、極端な短チャネル構造を精度良く広いゲート幅で実現するためには、極めて高度なフォトリソグラフィー技術を用いたプロセスが必要となり、その結果ディスプレイデバイスへ適用する場合には非常にコスト高になってしまう。
【０００７】
そこで、有機半導体薄膜の膜厚がチャネル長となる静電誘導型トランジスタ（ＳＩＴ；Static Induction Transistor）構造が提案されている（特許文献１〜４及び非特許文献１）。ＳＩＴの一般的構造を図７に示す。ＳＩＴ２１においては、支持基板２２上においてソース電極２３とドレイン電極２７に有機半導体層２６が挟持されており、その有機半導体層２６中にソース電極２３及びドレイン電極２７のいずれにも接することなくゲート電極２５が埋め込まれている。ゲート電極２５には、キャリアの通り道となる複数の開口２５ａが形成されている。
【０００８】
チャネル長となる有機半導体層の膜厚は成膜条件により数Å単位での制御が可能であると共に、ＳＩＴ構造では素子面積がチャネル幅に相当することから、ＳＩＴは、高精度な短チャネル構造を容易に幅広く作製することが可能な素子として開発が進められている。
【０００９】
【特許文献１】特開平１-２０９７６７号公報
【特許文献２】特開２００１−１８９４６６号公報
【特許文献３】特開２００５−０７９３５２号公報
【特許文献４】特開２００４−０２３０７１号公報
【非特許文献１】K. Kudo ら著、シンセティック  メタルズ（Synthetic Metals）１０２巻，９００頁，１９９９年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＳＩＴ素子においては、ＯＮ時に大きな電流量が得られるが、同時にＯＦＦ電流の低減が難しく十分なＯＮ/ＯＦＦ比が得られないという問題点を有している。これは、ＯＦＦ時に電流を遮断できる領域はゲート電極近傍に限られてしまうために、ゲート電極から離れた領域ではＯＦＦ時においても電流が流れ続けてしまうためである。
【００１１】
特許文献２及び３によれば、この原因は高いドーパント濃度にあると考えられている。すなわち、有機半導体層ではキャリアの移動度が低いので、十分なＯＮ電流値を得るにはドーパント濃度を高くする必要があるが、ドーパント濃度が高いと同じ電圧でも形成される空乏層の空乏長が短くなると考えられている。そこで、この解決手段として、電荷の移動するチャネルをゲート電極に形成された貫通孔内に制限し、その貫通孔の径を十分小さなものとすることが行われている。例えば、特許文献２〜４では、層状のゲート電極に設けた貫通孔をチャネルとして形成し、その平均半径を１〜１０μｍ以下とすることでＯＦＦ電流値の低減を図っている。特に特許文献２では、ゲート電極の開口部はそれぞれ平均回転半径で３０〜５０ｎｍが最も望ましいとしている。しかしながら、実際には、有機半導体層に一切ドーピング処理を行っていない場合にもＯＦＦ時の導通現象が見られる。
【００１２】
また、特許文献２においては、ゲート孔が十分小さくかつゲート孔を均一に形成したゲート電極を作製するために、エッチングマスクとして、ミクロ相分離構造を有する高分子膜を用いている。しかしながら、プロセスに適したミクロ相分離構造を有する高分子膜を調製することは難しく、また工程数も多く安価なプロセスにすることも難しい。また、有機半導体層上でゲート電極のエッチングプロセスを実施する場合、有機半導体層へのダメージ付与は避けられず、良好な性能の素子を安定して得ることは困難である。さらにミクロ相分離構造によって形成される貫通孔の径は分布を有するために、素子サイズが小さくなると径分布による特性バラつきが顕著となることから、ディスプレイのドライバ回路などの高速かつ均一な性能が求められる集積素子に用いるには制御性が低いという問題がある。
【００１３】
この他にも、非特許文献１では、有機半導体を活性層に用いるＳＩＴにおいて、薄く蒸着したアルミニウムの不連続膜がゲート電極として用いられている。しかし、形成される多孔質構造が均一でないため、良好なスイッチング特性を得るのが難しく、さらに蒸着条件によってゲート電極の多孔質構造が大きく変化するため、各素子の特性を一定に保つことも難しい。
【００１４】
本発明の目的は、高いＯＮ/ＯＦＦ比を示す有機薄膜トランジスタを提供することである。また本発明の目的は、該有機薄膜トランジスタを低温、簡便及び安価なプロセスで製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１視点によれば、対向するソース電極及びドレイン電極と、ソース電極及びドレイン電極間に配置される有機半導体層と、有機半導体層中に配置されると共に、ソース電極とドレイン電極間に流れる電流を制御するゲート電極と、を備える有機薄膜トランジスタであって、ゲート電極は、複数の開口を有し、ドレイン電極とゲート電極の開口との間には、他の部分より抵抗率が高い高抵抗領域が存在する有機薄膜トランジスタを提供する。
【００１６】
上記第１視点の好ましい形態１によれば、本発明の有機薄膜トランジスタは、有機半導体層中に配置される複数の絶縁物粒子をさらに備え、高抵抗領域は絶縁物粒子によって形成される。
【００１７】
上記形態１の好ましい形態によれば、絶縁物粒子は、開口の中央領域におけるキャリア移動を阻害し、開口の外縁領域におけるキャリア移動を確保するように配置される。
【００１８】
上記形態１の好ましい形態によれば、絶縁物粒子は、ゲート電極に対してドレイン電極側に、ゲート電極と接触しないように配置されている。
【００１９】
上記形態１の好ましい形態によれば、ゲート電極とドレイン電極とを結ぶ方向の絶縁物粒子の長さは、ゲート電極とドレイン電極間の間隔より長い。
【００２０】
上記形態１の好ましい形態によれば、絶縁物粒子におけるゲート電極面に平行な断面において、最も大きい断面積を有する部分は、ドレイン電極とゲート電極との間にある。
【００２１】
上記形態１の好ましい形態によれば、絶縁物粒子は、ゲート電極の開口を形成するためのシャドウマスクである。
【００２２】
上記形態１の好ましい形態によれば、絶縁物粒子は、球状である。
【００２３】
上記形態１の好ましい形態によれば、有機半導体層は、第１有機半導体層と第２有機半導体層とを有し、ソース電極上に第１有機半導体層が形成され、第１有機半導体層上に、ゲート電極及び絶縁物粒子が配置され、第１有機半導体層及びゲート電極上に、第２有機半導体層が形成され、第２有機半導体層上にドレイン電極が配置される。
【００２４】
上記第１視点の好ましい形態によれば、高抵抗領域ないし絶縁物粒子の抵抗率は、ゲート電極に電圧を印加していない時の有機半導体層の抵抗率の１０４倍以上である。
【００２５】
上記第１視点の好ましい形態によれば、本発明の有機薄膜トランジスタは、ゲート電極のドレイン電極側を被覆する絶縁層をさらに備える。
【００２６】
上記第１視点の好ましい形態によれば、本発明の有機薄膜トランジスタは、ドレイン電極の有機半導体層と接していない側の面に、保護層をさらに備える。
【００２７】
本発明の第２視点によれば、支持基板上に第１電極を形成する工程と、第１電極上に第１有機半導体層を形成する工程と、第１有機半導体層上に複数の絶縁物粒子を配置する工程と、複数の絶縁物粒子をシャドウマスクとして、第１有機半導体層上に、複数の開口を有するゲート電極を形成する工程と、絶縁物粒子を除去することなく、第１有機半導体層及びゲート電極上に第２有機半導体層を形成する工程と、第２有機半導体層上に第２電極を形成する工程と、を含み、絶縁物粒子は、第１有機半導体層上に形成されたゲート電極と接触しないような形状を有する有機薄膜トランジスタの製造方法を提供する。
【００２８】
上記第２視点の好ましい形態によれば、絶縁物粒子は、球状である。
【００２９】
上記第２視点の好ましい形態によれば、第１電極はソース電極であり、第２電極はドレイン電極である。
【００３０】
上記第２視点の好ましい形態によれば、本発明の有機薄膜トランジスタの製造方法は、ゲート電極を形成する工程と第２有機半導体層を形成する工程との間に、ゲート電極上に絶縁層を形成する工程をさらに含む。
【００３１】
上記第２視点の好ましい形態によれば、第２有機半導体層を形成する工程において、第２有機半導体層が、絶縁物粒子の高さより低く、絶縁物粒子の最も幅広の部分より高くなるように第２有機半導体層を形成する。
【００３２】
上記第２視点の好ましい形態によれば、本発明の有機薄膜トランジスタの製造方法は、第１有機半導体層上に保護膜を形成する工程をさらに含む。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の有機薄膜トランジスタにおいては、キャリアの経路に絶縁物粒子を配置することにより、微小開口を形成する必要なく、ＯＦＦ時のソース電極とドレイン電極間のキャリア移動を抑制している。これにより、本発明の有機薄膜トランジスタによれば、高いＯＮ／ＯＦＦ比を得ることができる。したがって、静電誘導型トランジスタ（ＳＩＴ）の効果と組み合わせれば、高速駆動性、小ＯＦＦ電流、及び高ＯＮ/ＯＦＦ比を同時に実現することができる。また、本発明の有機薄膜トランジスタは、有機半導体層の膜厚がチャネル長となりデバイス面積によりチャネル幅を増やすことが出来るため、高速大電流駆動可能であるというＳＩＴの利点もさらに有している。
【００３４】
本発明の有機薄膜トランジスタの製造方法においては、ゲート電極に開口を形成するために使用したシャドウマスクを、キャリア移動を制御するための絶縁物粒子としてそのまま利用している。また、ゲート電極に微小な開口を形成するための困難な工程を必要としない。これにより、本発明の有機薄膜トランジスタの製造方法によれば、上記効果が得られる有機薄膜トランジスタを、工程数を増やすことなく安価に製造することができる。したがって、ＳＩＴの製造方法の効果と組み合わせれば、低温条件で、安価かつ簡便に有機薄膜トランジスタを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明の第１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。図１に、本発明の第１実施形態に係る有機薄膜トランジスタ（有機ＴＦＴ）の部分断面図を示す。有機ＴＦＴ１は、支持基板２と、支持基板２上に形成されたソース電極３と、ソース電極３上に形成された第１有機半導体層４と、第１有機半導体層４上に形成された第２有機半導体層６と、第２有機半導体層６上に形成されたドレイン電極７と、ソース電極３及びドレイン電極７との間で第１有機半導体層４上に形成されたゲート電極５とを備える。ゲート電極５は、複数の開口（貫通孔）５ａを有し、有機ＴＦＴ１は静電誘導型トランジスタ（ＳＩＴ）を形成している。
【００３６】
各開口５ａにおける第１有機半導体層４上には、高抵抗領域として絶縁物粒子８が配設されている。絶縁物粒子８は、下記で説明するように、ゲート電極５の開口５ａの形成の際にシャドウマスクとして利用される。したがって、開口５ａは、絶縁物粒子８下の領域に、すなわち絶縁物粒子８と第１有機半導体層４との接触箇所近傍に形成されている。絶縁物粒子８は、ゲート電極５に適当な大きさの開口５ａを形成するための幅（ゲート電極５面に沿った方向の断面積）をその一部に有すると共に、ゲート電極５との間には少なくとも一部に間隙を形成する。このため、絶縁物粒子８の形状は、例えば球状が好ましい。また、絶縁物粒子８の上には、ゲート電極５を形成するときに付着した金属層９が存在する。
【００３７】
第１実施形態においては、絶縁物粒子８の高さ（直径、厚さ）は、第２有機半導体層６より高くなっている。絶縁物粒子８の高さが第２有機半導体層６より低い場合、金属層９が第２有機半導体層６中においてフロート状態になり、電荷蓄積による素子の劣化及び破壊を引き起こしたり、チャネル長が長くなることにより有機ＴＦＴ１の高速駆動性の障害が生じたりすることがある。その場合、絶縁物粒子８の高さ（直径、厚さ）は、第２有機半導体層６の膜厚より高くすると好ましい。
【００３８】
また、第２有機半導体層６の膜厚が、ゲート電極５の開口５ａのマスクとなる絶縁物粒子８部分（横断面積が最も大きい部分）の高さ（厚さ）より薄い場合（例えば、絶縁物粒子８が球状のとき、第２有機半導体層６の膜厚が絶縁物粒子８の直径位置より薄い場合）、ドレイン電極７はゲート電極５と同様にシャドウマスク効果を受けながら形成されることになる。このとき、ゲート電極５の開口５ａの周縁とドレイン電極７との距離が小さくなることからキャリア移動を制御できる領域狭くなり、ＯＮ／ＯＦＦ比の低下の原因となり、また、絶縁物粒子８と第２有機半導体層６との剥離が発生する確率が高くなる。そのため、第２有機半導体層６の膜厚は、絶縁物粒子８のマスクとなる部分の高さより大きいほうが好ましい。
【００３９】
次に、図１に示す有機ＴＦＴ１の動作について説明する。図２に、ゲート電極５の開口５ａと絶縁物粒子８部分をさらに拡大した拡大部分断面図を示す。ゲート電極５に電圧が印加されると、ゲート電極５の開口５ａの周縁領域１０においてはキャリアの移動が効果的に制御される（矢印１２ａ）。一方、ゲート電極５の開口５ａの周縁から離れた中央領域１１（例えば両矢印で示されるような領域）では、通常、ゲート電極５への電圧の印加により電流の制御を十分に行うことができない。しかしながら、本発明においては、絶縁物粒子８がこの中央領域１１におけるキャリアの移動を阻害するので、領域１１にはＯＮ時、ＯＦＦ時を問わず電流が流れない（矢印１２ｂ）。したがって、本発明の有機ＴＦＴによれば、直径数十ｎｍといった極めて微小な開口を必要とすることなく、抑制されたＯＦＦ電流と高いＯＮ／ＯＦＦ比が得られる。
【００４０】
次に、本発明の第２実施形態に係る有機ＴＦＴについて説明する。図３に、本発明の第２実施形態に係る有機ＴＦＴの部分断面図を示す。第１実施形態においては、絶縁物粒子８の高さを第２有機半導体層６の膜厚より高くしたが、第２実施形態においては、絶縁物粒子８の高さを第２有機半導体層６の膜厚より低くしてある。第２実施形態に係る有機ＴＦＴ１の構造は、上述のような悪影響が出ない又は小さい場合に採用することができる。一方で、第２実施形態においては、第２有機半導体層６形成時の表面清浄性の管理や膜厚コントロールを、第１実施形態ほど厳密に行う必要がない。そのため、製造設備コストや製造コストを第１実施形態より抑えることができる。また、絶縁物粒子８が完全に埋没しているので、第４実施形態に示すような保護膜がなくても、絶縁物粒子８の脱離や絶縁物粒子８（又は金属層９）からの第２有機半導体層６の剥離を防止することができる。
【００４１】
次に、本発明の第３実施形態に係る有機ＴＦＴについて説明する。図４に、本発明の第３実施形態に係る有機ＴＦＴの部分断面図を示す。第３実施形態に係る有機ＴＦＴにおいては、ゲート電極５と第２有機半導体層６との間に絶縁層１３を形成している。例えば、図４に示すように、ゲート電極５上に絶縁層１３を形成し、その上に第２有機半導体層６を形成する。これにより、ゲート電極５からのリーク電流を抑制することができる。
【００４２】
次に、本発明の第４実施形態に係る有機ＴＦＴについて説明する。図５に、本発明の第４実施形態に係る有機ＴＦＴの部分断面図を示す。本発明の第４実施形態に係る有機ＴＦＴにおいては、ドレイン電極７上に保護膜１４を配している。例えば、図５に示すように、第１実施形態のような、絶縁物粒子８の高さが第２有機半導体層６の膜厚よりも高い形態において、ドレイン電極７上に保護層１４を形成している。これにより、第２有機半導体層６や第１有機半導体層４からの絶縁物粒子８の脱離、絶縁物粒子８（又は金属層９）からのドレイン電極７及び第２有機半導体層６の剥離、及び有機ＴＦＴ１の素子構造そのものの破壊を防止することができる。
【００４３】
次に、本発明の第５実施形態に係る有機ＴＦＴについて説明する。図６に、本発明の第５実施形態に係る有機ＴＦＴの部分断面図を示す。本発明の第５実施形態に係る有機ＴＦＴは、ソースないしドレイン電極３，７と第１ないし第２有機半導体層４，６との間に、正孔もしくは電子の移動を補助するための層（正孔注入層又は電子注入層）１５を有している。本発明における第１有機半導体層４及び第２有機半導体層６は、少なくとも１種の有機半導体材料からなる層を含むが、第５実施形態においては、正孔注入層又は電子注入層１５との積層構造を形成している。これにより、より高い駆動速度を実現することができる。
【００４４】
以下に、本発明の有機ＴＦＴにおける各要素の好適な形態について説明する。
【００４５】
絶縁物粒子８は、ゲート電極５とドレイン電極７間における高抵抗領域を形成して、ゲート電極５への電圧無印加時におけるソース電極３とドレイン電極７間の電流の流れを抑制するものである。したがって、絶縁物粒子８の抵抗率は、第２有機半導体層６の抵抗率より高くなるように設定する。本発明の有機ＴＦＴ１に用いられる絶縁物粒子８の材料としては、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミドなどの高分子材料、及びシリコン酸化物、チタン酸化物、アルミナなどの無機系の絶縁材料等が挙げられるが、十分な絶縁性を有し、任意の形状に成型可能な材料であればこれらに限定されるものではない。例えば、好ましい絶縁物粒子８としては、ゲート電極５への電圧無印加時に、第２有機半導体層６の抵抗率に対して１０４倍以上高い抵抗率を有するものがある。
【００４６】
絶縁物粒子８の形状は、第１に、シャドウマスクとしてゲート電極５に開口５ａを形成可能であり、第２に、第１有機半導体層４上に安定して（倒れずに）配置可能であり、第３に、ゲート電極５の開口５ａとの間に、詳細には絶縁物粒子８と第１有機半導体層４との接触点の周囲に、キャリアの移動経路（間隙）を確保可能な形状であればよい。例えば、絶縁物粒子８は、球体（例えば真球形）、回転楕円体、サッカーボール様の多面体、凹凸のある球体等、種々の形態のものを使用することができる。また、絶縁物粒子８の縦方向の長さ（高さ、直径）は特に制限を受けないが、極端に小さい絶縁物粒子８では取り扱いに困難を伴うことから、好ましくは０．３μｍ以上２μｍ以下である。特に、絶縁物粒子８の縦方向の長さは、第２有機半導体層６の膜厚に応じて設定する。例えば、第１実施形態であれば、第２有機半導体層６の上面が絶縁物粒子８の高さより低く、最も幅広の部分より高くなるように、また、第２実施形態であれば、第２有機半導体層６の上面が絶縁物粒子８の高さより高くなるように、絶縁物粒子８の縦方向の長さを設定する。絶縁物粒子８の縦方向の長さ（高さ）と横方向の長さ（幅）が回転楕円体のように異なる場合には、倒れたり傾いたりしないように、横方向の長さは、縦方向の長さの１〜２倍であると好ましい。
【００４７】
絶縁物粒子８の量は、ゲート電極５の開口５ａの面積比率（開口率）が所望の値となるように設定する。開口率が低すぎると、ゲート電極５−ソース電極３間に生じる寄生容量が大きくなるので、駆動速度が低下することになる。一方で、開口率が高すぎると、ゲート電極５の抵抗が大きくなり、ゲート電極５面内での断線が起こりやすくなる。したがって、開口率は５％〜９５％が好ましく、特に高速駆動と製造時の安定性を重視する場合には４０％〜９０％がより好ましい。
【００４８】
支持基板２の材料は、その上にトランジスタ素子を形成可能なものであればいかなるものでも用いることができる。例えば、ガラス、石英、シリコンウェハなどの無機材料、ポリエチレンスルフィド、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエチレン系樹脂、及びポリアミド系、ポリカーボネート系などの高分子材料などが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００４９】
ソース電極３及びドレイン電極７の材料は、十分な導電性を有するものであれば特に制限はないが、電荷注入電極として作用する電極は有機半導体への電荷注入特性に優れたものがより望ましい。例えば、酸化インジウム錫合金（ＩＴＯ）、酸化錫（ＮＥＳＡ）、金、銀、白金、銅、インジウム、アルミニウム、マグネシウム、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、アルミニウム−リチウム合金、アルミニウム−スカンジウム−リチウム合金、マグネシウム−銀合金等の金属や合金、あるいはこれらの酸化物の他、導電性ポリマーなどの有機材料が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００５０】
ゲート電極５は、第３実施形態のように第２有機半導体層６との間に絶縁層１３を設ける場合には、前述のソース、ドレイン電極に用いられる材料をはじめとして十分な導電性を有するものであれば特に使用する材料に制限は無い。しかし、第１実施形態のように第２有機半導体層６との間に絶縁層１３を設けない場合、ゲート電極５からのリーク電流を十分に低減するにはゲート電極５と第２有機半導体層６との間で十分な大きさのショットキー電荷注入障壁が存在する必要がある。そのため、この場合、ゲート電極５の材料は、トランジスタ素子の用途に応じて、第２有機半導体層６に用いられる材料に対して適切な仕事関数差あるいはイオン化ポテンシャル差を有する材料を適宜選択する。例えば、第２有機半導体層６がα−ＮＰＤの場合、ゲート電極５としてアルミニウムを選択することができる。
【００５１】
第３実施形態における絶縁層１３の材料としては、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、アルミナ等の無機絶縁体や絶縁性ポリマー等を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。特に、絶縁層１３の材料は、ゲート電極５への電圧無印加時に、第２有機半導体層６の抵抗率よりも十分に高い（例えば１０４倍以上）抵抗率を有するものが好ましい。絶縁層１３の膜厚は、１０ｎｍ以上で、絶縁物粒子８の最も幅広の部分より薄いことが好ましい。絶縁層１３の膜厚が１０ｎｍ未満であるとピンホールが生じるおそれがあり、絶縁物粒子８の最も幅広の部分より厚いとキャリアの移動経路が塞がれるおそれがあるからである。
【００５２】
第１有機半導体層４と第２有機半導体層６の膜厚は、有機薄膜トランジスタの目的とする性能に応じて設定する。例えば、ＳＩＴ構造の利点である短チャネル構造を生かした素子構造とするためには、第１有機半導体層４と第２有機半導体層６の膜厚の合計が１μｍ以下であることが好ましい。
【００５３】
本発明の活性層に用いられる有機半導体材料は、有機薄膜トランジスタに通常用いられる材料であれば、どのようなものでも用いることができる。例えば、低分子材料としては８−キノリノール誘導体を少なくとも１つ配位子として有する金属錯体類及び複核金属錯体類、フタロシアニン誘導体の無金属体あるいは金属錯体、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド誘導体、キナクリドン誘導体、アントラキノン誘導体などの多環キノン類、フラーレン誘導体、半導体性カーボンナノチューブ類、ジフェニルビニルアリーレン誘導体を連結基で二量化した化合物類、９，９’−スピロビフルオレン誘導体、さらにオキサジアゾール誘導体やトリアゾール誘導体などの含窒素複素環式化合物誘導体、トリフェニルメタン誘導体、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ−Ｎ−ビス（１−ナフチル）−１，１’−ビフェニル）−４，４’−ジアミン（ＮＰＤ）等のトリフェニルアミン誘導体やこれを連結基で複数結合した多量体、シロール誘導体、９，９−ジフェニルフルオレン誘導体、以下の化１で示されるスターバーストアミン化合物、アントラセン、ペリレン、ペンタセン、ピレン等炭素数１４〜３４の芳香族炭化水素化合物のハロゲン化物等の誘導体などが例として挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００５４】
【化１】
2008108972.tif 000003
【００５５】
化１において、Ａｒ１〜Ａｒ２はそれぞれ独立に炭素数６から２０の置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基あるいは置換もしくは無置換の芳香族複素環基である。また、Ａｒ１〜Ａｒ２が有する置換基は互いに結合して環を形成してもよい。またＸは炭素数６から３４の置換もしくは無置換の芳香族炭化水素からなる１〜４価の基、あるいはトリフェニルアミン誘導体骨格からなる１〜４価の基である。ｎは１〜４の整数を表す。
【００５６】
Ｘにおける無置換の芳香族炭化水素基の例としては、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、ビフェニレン、フルオレン、フェナンスレン、ナフタセン、トリフェニレン、ピレン、ジベンゾ［ｃｄ，ｊｋ］ピレン、ペリレン、ベンゾ［ａ］ペリレン、ジベンゾ［ａ,ｊ］ペリレン、ジベンゾ［ａ，ｏ］ペリレン、ペンタセン、テトラベンゾ［ｄｅ，ｈｉ，ｏｐ，ｓｔ］ペンタセン、テトラフェニレン、テリレン、ビスアンスレン、９，９’−スピロビフルオレンが挙げられる。また、置換芳香族炭化水素が有する置換基の例としては、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、置換もしくは無置換のアミノ基、ニトロ基、シアノ基、置換もしくは無置換のアルキル基、置換もしくは無置換のアルケニル基、置換もしくは無置換のシクロアルキル基、置換もしくは無置換のアルコキシ基、置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基、置換もしくは無置換の芳香族複素環基、置換もしくは無置換のアラルキル基、置換もしくは無置換のアリールオキシ基、置換もしくは無置換のアルコキシカルボニル基、カルボキシル基が挙げられる。
【００５７】
上記金属錯体に用いられる金属原子の例としてはアルミニウム、ベリリウム、ビスマス、カドミウム、セリウム、コバルト、銅、鉄、ガリウム、ゲルマニウム、水銀、インジウム、ランタン、マグネシウム、モリブデン、ニオブ、アンチモン、スカンジウム、スズ、タンタル、トリウム、チタニウム、ウラン、タングステン、ジルコニウム、バナジウム、亜鉛、チタンオキサイド、ナトリウム、カリウム、リチウム等の他これらの金属の酸化物も用いることができる。
【００５８】
また、高分子材料としては、例えば、ポリチオフェン誘導体やポリピロール誘導体のような複素環式共役高分子や、ポリパラフェニレンなどのポリフェニレン誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体などの芳香族炭化水素系の共役高分子などのような共役型高分子の他、前述した低分子材料分子骨格をポリエチレン、ポリエーテル、ポリエステル、ポリアミド等の主鎖にエステル結合やアミド結合を有する連結基を介して、あるいは直接単結合で側鎖として結合したペンダント型高分子等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００５９】
本発明の第１有機半導体層４及び第２有機半導体層６は、同種の材料で形成されても異種の材料で形成されてもいずれでも良い。異種の材料で形成される場合には、第１有機半導体層４及び第２有機半導体層６の界面におけるキャリアの注入がスムーズに進行するように、適切な仕事関数の関係となるような材料が選択されると好ましい。
【００６０】
本発明の第４実施形態における保護層１４の材料は特に限定されず、有機ＴＦＴ１の上部を被覆でき、有機ＴＦＴ１に悪影響を与えないものであればいずれの材料でも使用することができる。例えば、保護層１４の材料の例としては、ポリ−ｐ−キシリデン、可溶性ポリアミド樹脂などが挙げられる。
【００６１】
本発明の第５実施形態における正孔注入層１５の材料は特に限定されず、正孔注入材料として通常使用されている化合物であれば何を使用してもよい。例えば、銅フタロシアニンなどのフタロシアニン誘導体、ビス（ジ（ｐ−トリル）アミノフェニル）−１，１−シクロヘキサン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラアミノ−４，４’−ジアミノビフェニル、前述のＮＰＤ等のトリフェニルジアミン類や、トリス（４−（Ｎ，Ｎ−ジ−ｍ−トリルアミノ）フェニル）アミン等のスターバースト型分子等が挙げられる。
【００６２】
また、本発明の第５実施形態における電子注入層１５の材料は特に限定されず、電子注入材として通常使用されている化合物であれば何を使用してもよい。例えば、２−（４−ビフェニリル）−５−（４−ｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール、ＯＸＤ−７等のオキサジアゾール誘導体、３−（４−ビフェニリル）−５−（４−ｔ−ブチルフェニル）−１，２，４−トリアゾール等のトリアゾール誘導体、トリス−８−キノリノールアルミニウム錯体等のキノリノール系の金属錯体が挙げられる。
【００６３】
次に、本発明の第６実施形態として、図１に示す本発明の有機ＴＦＴの製造方法について説明する。まず、支持基板２上にソース電極３を形成し、さらにその上に第１有機半導体層４を形成する。次に、第１有機半導体層４上に、絶縁物粒子８を配置する。
【００６４】
絶縁物粒子８を第１有機半導体層４上に配置させる手法としては、絶縁物粒子８を溶媒中に分散させた後に、分散液を第１有機半導体層４上に塗布あるいは散布する湿式法、及び静電気で凝集を解いた絶縁物粒子８を担体ガスの気流で運搬し、第１有機半導体層４上に散布する乾式法などが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。また、前述の湿式法で絶縁物粒子８を分散させる液体分散媒の例としては、水の他、アルコール、エーテル、エステル、アルキルアミド、脂肪族炭化水素、芳香族化合物等の一般的な有機溶媒が挙げられるが、これらに限定されるものではない。絶縁物粒子８の分散法としては攪拌、ミリング等の混練法の他、超音波照射など一般的な顔料等の分散工程に用いられる手法であればいかなる手法でも用いることができる。分散の促進、保持のために適切な界面活性剤を添加しても良い。絶縁物粒子８の分散液を塗布、散布する手法としてはスピンコート、ブレードコートなどの成膜法のほかインクジェット法等の印刷法も用いることができる。このとき配置される絶縁物粒子８の分布密度は、分散液中の絶縁物粒子８の濃度や分散媒除去の速度などに影響されるが、一回の塗布工程で所望の分布密度が得られない場合には分散液の絶縁物粒子８の濃度を高くする、塗布膜厚を厚くする、複数回重ねて分散液を塗布乾燥させる等の調整により所望の分布密度を得ることができる。
【００６５】
次に、絶縁物粒子８をシャドウマスクとして、第１有機半導体層４上にゲート電極５を形成する。これにより、開口５ａが絶縁物粒子８の下に形成される。次に、絶縁物粒子８を除去することなく、第２有機半導体層６及びドレイン電極７を順次積層し、有機ＴＦＴ１を作製する。
【００６６】
本発明の有機ＴＦＴ１のソース電極３及びドレイン電極７の形成方法は特に限定されない。公知の真空蒸着法、スピンコーティング法、スパッタリング法、ＣＶＤ法の他、塗布法や塗布焼結法等、一般的な薄膜形成法を用いることが可能である。
【００６７】
また、ゲート電極５の形成方法としては、絶縁物粒子８のシャドウ効果により開口５ａが形成されるものであればどのようなものでも用いることができる。例えば、例としては真空蒸着法やスパッタリング法などが挙げられる。本発明の絶縁層１３の形成方法としては前述のゲート電極５の形成方法と同様の手法のほか、ゲート電極金属の陽極酸化法や自然酸化法なども用いることができる。しかしながら、これらの製膜方法のうち有機半導体層形成後に適用されるプロセスは有機半導体薄膜の界面及び膜中に対しダメージを与え、トランジスタ特性を劣化させることの無い方法を選択する必要がある。
【００６８】
本発明の有機ＴＦＴ１に用いる有機半導体層４，６の形成方法は、特に限定されず公知の一般的な有機薄膜形成法を用いることができる。例えば、溶媒に溶かした溶液のディッピング法、スピンコーティング法、キャスティング法、バーコート法、ロールコート法、インクジェット法等の湿式法の他、真空蒸着法、分子線蒸着法（ＭＢＥ法）等の方法で形成することができるが、これらに限定されるものではない。しかしながら、第２有機半導体層６の形成方法としては、絶縁物粒子８とゲート電極５との隙間を十分に充填できることが必要となるため湿式法がより好ましい。
【００６９】
本発明の有機ＴＦＴの製造方法によれば、高速駆動可能で、ＯＮ電流及びＯＦＦ電流の制御性に優れ、かつ高いＯＮ／ＯＦＦ比を有する有機ＴＦＴ素子を、低温プロセスで、簡便かつ安価に製造することができる。
【実施例１】
【００７０】
実施例１においては、図１に示すような第１実施形態に係る有機ＴＦＴを作製した。以下、有機ＴＦＴの製造工程について述べる。支持基板としてのガラス基板上に、スパッタリング法により第１の電極であるソース電極としてＩＴＯを１００ｎｍ厚で成膜した。この基板に、第１有機半導体層としてポリ−３−n−ヘキシルチオフェンの０．５重量％ジクロロベンゼン溶液をスピンコート法により塗布後、１２０℃で乾燥し、膜厚６０ｎｍの第１有機半導体層を製膜した。これに絶縁物粒子として直径０．５μｍの球状シリカ球をイソプロピルアルコール中に分散させた溶液をスピンコート法により塗布し乾燥させた。その後、真空蒸着法によりアルミニウムを３０ｎｍの膜厚で成膜しゲート電極とした。さらに、この上にポリ−３−ｎ−ヘキシルチオフェンの１重量％キシレン溶液をスピンコート法により塗布後、１２０℃にて乾燥し膜厚３００ｎｍの第２の有機半導体層を形成した。これにドレイン電極としてアルミニウムを真空蒸着法によって１０００ｎｍ厚で形成して有機ＴＦＴ素子を作製した。
【００７１】
この有機ＴＦＴを２０個作製し、各有機ＴＦＴについてトランジスタ特性を測定したところ、遮断周波数は１ｋＨｚ、ＯＮ／ＯＦＦ比（ＯＮ時：ゲート電圧＝−５Ｖ、ＯＦＦ時：ゲート電圧＝＋５Ｖでのソースドレインバイアス−４Ｖの際のソース−ドレイン間電流の比とする。以下同様）はおよそ９７００〜１０５００、ＯＦＦ時の電流密度は６〜１２ｎＡ/ｃｍ２であった。
【実施例２】
【００７２】
実施例２においては、図３に示すような本発明の第２実施形態に係る有機ＴＦＴを作製した。第２有機半導体層を６００ｎｍの膜厚に形成する以外は実施例１と同様にして有機ＴＦＴを２０個作製し、これらのトランジスタ特性を測定した。その結果、遮断周波数は４００Ｈｚ、ＯＮ／ＯＦＦ比は８９００〜１０２００、ＯＦＦ時の電流密度は２〜８ｎＡ/ｃｍ２であった。
【実施例３】
【００７３】
実施例３においては、図４に示すような本発明の第３実施形態に係る有機ＴＦＴを作製した。アルミニウムに換えて金を用いてゲート電極を形成し、その後ゲート電極上に絶縁層として膜厚５０ｎｍのＳｉＯを真空蒸着法により成膜した以外は実施例１と同様にして有機ＴＦＴを２０個作製した。これらのトランジスタ特性を測定したところ、遮断周波数は１ｋＨｚ、ＯＮ／ＯＦＦ比は９２００〜１０１００、ＯＦＦ時の電流密度は８〜１２ｎＡ/ｃｍ２であった。
【実施例４】
【００７４】
実施例４においては、図５に示すような本発明の第４実施形態に係る有機ＴＦＴを作製した。ドレイン電極形成後、日本パリレン社製ラボコーターＰＤＳ２０１０を用いて保護層として膜厚８００ｎｍのパリレンＣ膜を形成した以外は実施例１と同様にして有機ＴＦＴを２０個作製した。これらのトランジスタ特性を測定したところ、遮断周波数は１ｋＨｚ、ＯＮ／ＯＦＦ比は９７００〜１００５０、ＯＦＦ時の電流密度は６〜９ｎＡ/ｃｍ２であった。
【実施例５】
【００７５】
実施例５においては、第１有機半導体層として膜厚６０ｎｍのペンタセンを真空蒸着法で形成した以外は実施例１と同様にして有機ＴＦＴを２０個作製した。これらのトランジスタ特性を測定したところ、遮断周波数は８００Ｈｚ、ＯＮ／ＯＦＦ比は１００００〜１０８００、ＯＦＦ時の電流密度は６〜１０ｎＡ/ｃｍ２であった。
【実施例６】
【００７６】
実施例６においては、図６に示すような本発明の第５実施形態に係る有機ＴＦＴを作製した。ソース電極上に電荷注入層として膜厚１０ｎｍのフタロシアニン銅錯体を真空蒸着法で形成し、その上にポリ−３−ｎ−ヘキシルチオフェンの０．５重量％ジクロロベンゼン溶液をスピンコート法により塗布して膜厚５０ｎｍの第１有機半導体層を形成した以外は実施例１と同様にして有機ＴＦＴを２０個作製した。これらのトランジスタ特性を測定したところ、遮断周波数は１．１ｋＨｚ、ＯＮ／ＯＦＦ比は９８００〜１０３００、ＯＦＦ時の電流密度は９〜１５ｎＡ/ｃｍ２であった。
【実施例７】
【００７７】
［比較例１］
実施例７においては、比較例として、絶縁物粒子を有しない有機ＴＦＴを作製した。ゲート電極形成後、シリコン粘着テープを圧着させて剥離することで球状絶縁物粒子を除去したこと以外は実施例１と同様にして有機ＴＦＴを２０個作成した。これらのトランジスタ特性を測定したところ、遮断周波数は５００Ｈｚ、ＯＮ／ＯＦＦ比は１．５〜２．３、ＯＦＦ時の電流密度は８０〜１５０μＡ/ｃｍ２であった。
【００７８】
比較例１における有機ＴＦＴのＯＮ／ＯＦＦ比は、実施例１〜６に比べて小さく、ＯＦＦ時の電流密度は高い。これより、本発明の有機ＴＦＴにおいて、ゲート電極の開口に絶縁物粒子を配置することにより、有機ＴＦＴが高性能化されることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る有機薄膜トランジスタの部分断面図。
【図２】本発明の有機薄膜トランジスタの動作を説明するための、有機薄膜トランジスタの概念図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る有機薄膜トランジスタの部分断面図。
【図４】本発明の第３実施形態に係る有機薄膜トランジスタの部分断面図。
【図５】本発明の第４実施形態に係る有機薄膜トランジスタの部分断面図。
【図６】本発明の第５実施形態に係る有機薄膜トランジスタの部分断面図。
【図７】背景技術に係る有機薄膜トランジスタの部分断面図。
【符号の説明】
【００８０】
１        有機ＴＦＴ
２        支持基板
３        ソース電極
４        第１有機半導体層
５        ゲート電極
５ａ      開口
６        第２有機半導体層
７        ドレイン電極
８        絶縁物粒子
９        金属層
１０      キャリア移動が制御可能な領域
１１      キャリア移動が制御不可能な領域
１２ａ    キャリアが移動可能な経路
１２ｂ    キャリアが移動不可能な経路
１３      絶縁層
１４      保護膜
１５      正孔注入層又は電子注入層
２１      ＳＩＴ
２２      支持基板
２３      ソース電極
２５      ゲート電極
２５ａ    開口
２６      有機半導体層
２７      ドレイン電極
【図１】
2008108972.tif 000004
【図２】
2008108972.tif 000005
【図３】
2008108972.tif 000006
【図４】
2008108972.tif 000007
【図５】
2008108972.tif 000008
【図６】
2008108972.tif 000009
【図７】
2008108972.tif 000010