(57)【要約】【課題】デバイス特性を向上させることができる有機電界効果トランジスタを提供する。【解決手段】本実施形態に係る有機電界効果トランジスタは、有機半導体層１５と、有機半導体層１５の一方の面上に形成されたソース電極１３およびドレイン電極１４と、有機半導体層１５の一方の面上であって、少なくともソース電極１３およびドレイン電極１４間の領域に形成されたゲート絶縁膜１２と、ゲート絶縁膜１２上であって、有機半導体層１５の反対側に形成されたゲート電極１１と、有機半導体層１５とゲート絶縁膜１２の間、又は有機半導体層１５の他方の面上に形成され、有機半導体層１５中にキャリアを補充するキャリア補充層１６と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機半導体層と、
前記有機半導体層の一方の面上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、
前記有機半導体層の一方の面上であって、少なくとも前記ソース電極および前記ドレイン電極間の領域に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上であって、前記有機半導体層の反対側に形成されたゲート電極と、
前記有機半導体層と前記ゲート絶縁膜の間、又は前記有機半導体層の他方の面上に形成され、前記有機半導体層中にキャリアを補充するキャリア補充層と、
を有する有機電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記有機半導体層は、１ｃｍ2／Ｖｓ以上のキャリア移動度をもつ材料からなる、
請求項１記載の有機電界効果トランジスタ。
【請求項３】
前記有機半導体層は、有機半導体単結晶からなる、
請求項１記載の有機電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記キャリア補充層は、極性単分子膜からなる、
請求項１記載の有機電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記極性単分子膜は、分極率０．５以上の分子から形成される、
請求項４記載の有機電界効果トランジスタ。
【請求項６】
前記極性単分子膜は、フッ素を含む、
請求項４記載の有機電界効果トランジスタ。
【請求項７】
前記有機半導体層はｐ型であり、前記キャリア補充層は、前記有機半導体層に対してアクセプター性を有する材料からなる、
請求項１記載の有機電界効果トランジスタ。
【請求項８】
前記有機半導体層はｎ型であり、前記キャリア補充層は、前記有機半導体層に対してドナー性を有する材料からなる、
請求項１記載の有機電界効果トランジスタ。
【請求項９】
有機半導体層と、
前記有機半導体層の一方の面上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、
前記有機半導体層の一方の面上であって、少なくとも前記ソース電極および前記ドレイン電極間の領域に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上であって、前記有機半導体層の反対側に形成されたゲート電極と、
前記有機半導体層と前記ゲート絶縁膜の間に介在し、単官能シラン化合物を用いて形成された単分子膜と、
を有する有機電界効果トランジスタ。
【請求項１０】
前記単官能シラン化合物は、一般式Ｒ1ＳｉＲ22Ｘ（式中、Ｒ1はアルキル基またはその誘導体、Ｒ2は不活性基、Ｘは加水分解する基である）により表される、
請求項９記載の有機電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明のいくつかの態様は、有機電界効果トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、有機半導体材料を用いた活性層（以下、有機半導体層という。）を備えた有機半導体素子に関する研究が盛んに行なわれている（例えば、特許文献１参照）。このような有機半導体素子に用いられる半導体材料は、低環境負荷、低生産性コスト、簡便な製造プロセス及び機械的柔軟性などの特徴を有している。したがって、このような有機半導体素子は、シリコン等の無機半導体材料を用いた活性層（以下、無機半導体層という。）を備えた従来の無機半導体素子と比較して、低温プロセスによる製造が可能であること、大面積素子の大量生産が可能であること、フレキシブルな半導体素子を製造することができること等の特徴を有する。
【特許文献１】特開２００５−２６８７１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、現状では、有機半導体素子の性能は無機半導体に及ばず、ディスプレイにおいて画像表示素子としての利用などに応用が限定されると考えられている。有機半導体内をより高速でキャリアが移動できる高移動度の素子や、少ない入力で高い応答性を実現することによって、論理回路素子応用などの幅広い応用に道を拓くことが望まれている。
【０００４】
本発明のいくつかの態様は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、デバイス特性を向上させることができる有機電界効果トランジスタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る有機電界効果トランジスタは、有機半導体層と、前記有機半導体層の一方の面上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、前記有機半導体層の一方の面上であって、少なくとも前記ソース電極および前記ドレイン電極間の領域に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上であって、前記有機半導体層の反対側に形成されたゲート電極と、前記有機半導体層と前記ゲート絶縁膜の間、又は前記有機半導体層の他方の面上に形成され、前記有機半導体層中にキャリアを補充するキャリア補充層と、を有する。
【０００６】
このような構成によれば、キャリア補充層により、通常のキャパシタンスモデルよりも多いキャリアが有機半導体層に供給され、この結果、ドレイン電流および伝導度を増大させることができる。したがって、従来と同じゲート電圧に対する応答性が向上する。
【０００７】
前記有機半導体層は、１ｃｍ2／Ｖｓ以上のキャリア移動度をもつ材料からなることが好ましい。あるいは、前記有機半導体層は、有機半導体単結晶からなることが好ましい。これにより、キャリア移動度の高い有機電界効果トランジスタを実現できる。
【０００８】
例えば、前記キャリア補充層は、極性単分子膜からなる。そして、前記極性単分子膜は、分極率０．５以上の分子から形成されていることが好ましい。これにより、極性単分子膜からの優れたキャリア補充効果が得られる。このような分極率を得るため、好適には、前記極性単分子膜は、フッ素を含む。
【０００９】
また、前記有機半導体層がｐ型の場合、前記キャリア補充層は、前記有機半導体層に対してアクセプター性を有する材料からなる。このような構成では、キャリア補充層により有機半導体層中から電子が吸引され、その結果、有機半導体層中にキャリア（ホール）が供給される。
【００１０】
また、前記有機半導体層がｎ型の場合、前記キャリア補充層は、前記有機半導体層に対してドナー性を有する材料からなる。このような構成では、キャリア補充層により有機半導体層中にキャリアとなる電子が供給される。
【００１１】
さらに、上記の目的を達成するため、本発明に係る有機電界効果トランジスタは、有機半導体層と、前記有機半導体層の一方の面上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、前記有機半導体層の一方の面上であって、少なくとも前記ソース電極および前記ドレイン電極間の領域に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上であって、前記有機半導体層の反対側に形成されたゲート電極と、前記有機半導体層と前記ゲート絶縁膜の間に介在し、単官能シラン化合物を用いて形成された単分子膜と、を有する。
【００１２】
このような構成によれば、有機半導体層とゲート絶縁膜の間に、単官能シラン化合物を用いて形成された単分子膜を設けることにより、ソース電極およびドレイン電極表面へ単分子膜が付着することを防止でき、ゲート絶縁膜上にのみ単分子膜を形成することができる。この結果、単分子膜により閾値電圧を制御しつつ、ピンチオフ領域が形成されやすく、より飽和特性が得られやすい有機電界効果トランジスタを実現できる。
【００１３】
前記単官能シラン化合物は、一般式Ｒ1ＳｉＲ22Ｘ（式中、Ｒ1はアルキル基またはその誘導体、Ｒ2は不活性基、Ｘは加水分解する基である）により表される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る有機電界効果トランジスタの断面図である。
有機電界効果トランジスタ１は、ゲート電極１１と、ゲート電極１１上に形成されたゲート絶縁膜１２と、ゲート絶縁膜１２上に形成されたソース電極１３およびドレイン電極１４と、ゲート絶縁膜１２上に形成された有機半導体層１５と、有機半導体層１５およびゲート絶縁膜１２の間に形成されたキャリア補充層１６とを有する。
【００１６】
本実施形態に係る電界効果トランジスタ１は、図示しない基板上に形成されている。基板を構成する材料としては、特に限定されないが、樹脂シート、ガラス、セラミック、金属、合金などを適宜用いることができる。
【００１７】
上記の基板にゲート電極１１が形成されている。本実施形態では、例えば、ゲート電極１１は、図示しないシリコンウェハに不純物を導入することにより形成された導電性領域からなる。
【００１８】
ゲート絶縁膜１２は、例えばポリスチレン、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリウレタン、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などのポリマー；酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜鉛などの酸化物；ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3などの強誘電性酸化物；窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどの窒化物などを用いることができる。
【００１９】
ソース電極１３およびドレイン電極１４は、例えば、金、白金、銅、チタン、クロム、ニッケル、コバルトなどの金属膜からなる。
【００２０】
有機半導体層１５は、好ましくは、有機分子が周期的に配列した有機半導体単結晶、またはキャリア移動度が少なくとも１ｃｍ2／Ｖｓ以上と高い有機半導体材料からなることが好ましい。このような化合物としては、ペンタセン、テトラセン、アントラセン、などオリゴアセン分子、（２）ルブレン、テトラメチルペンタセン、テトラクロロペンタセン、ジフェニルペンタセンなどのオリゴアセン誘導体分子、（３）セクシチオフェンなどオリゴチオフェン分子及びその誘導体分子、（４）ＴＣＮＱ（７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン）及びその誘導体分子、（５）ＴＴＦ（１，４，５，８−テトラチアフルバレン）及びその誘導体分子、（６）ペリレン及びその誘導体分子、（７）ピレン及びその誘導体分子、（８）Ｃ６０などフラーレン分子及びその誘導体分子、（９）フタロシアニン及び銅フタロシアニンなどのメタルフタロシアニン分子及びその誘導体分子、（１０）ポルフィリン及び亜鉛ポルフィリンや鉄ポルフィリンなどのメタルポルフィリン分子及びその誘導体分子、（１１）ＢＥＤＴ−ＴＴＦ（ビスエチレンジチオテトラチオフルバレン）及びその誘導体分子などが挙げられ、特にルブレン、ペンタセンが好ましい。
【００２１】
キャリア補充層１６は、ゲート電極１１に印加される電圧に応じて通常誘起されるキャリアに加えて追加のキャリアを供給するものである。このような作用を奏するためには、ｐ型の有機半導体層１５に対しては、キャリア補充層１６は高い電子受容性（アクセプター性）を有することが好ましい。また、ｎ型の有機半導体層１５に対しては、キャリア補充層１６は高い電子供与性（ドナー性）を有することが好ましい。
【００２２】
本実施形態では、キャリア補充層１６として、極性単分子膜を使用する。極性単分子膜のアクセプター性またはドナー性は、分極率によって評価できる。なお、分極率の代わりに、電気陰性度または電子親和力によりアクセプター性またはドナー性を評価することもできる。
【００２３】
分極率で評価する場合には、極性単分子膜は、好ましくは０．５以上の分極率を有し、さらに好ましくは２．０以上の分極率を有することが好ましい。０．５以上の分極率を有する極性単分子膜としては、パーフルオロアルキルシラン化合物から形成されることが好ましい。
【００２４】
ｐ型の有機半導体層１５の場合には、極性単分子膜は、高い電気陰性度をもつ元素や置換基を含むことが好ましい。電気陰性度は、分子内の原子が電子を引き寄せる能力を規定するものであり、この値が高ければそれだけキャリア補充層１６のアクセプター性が高まるからである。このような元素や置換基として、メトキシ基、アルコキシ基、ハロゲン、１４族元素、１５族元素が挙げられる。
【００２５】
次に、上記の本実施形態に係る有機電界効果トランジスタの製造方法の一例について、図２〜図５を参照して説明する。
【００２６】
＜有機半導体単結晶の作製＞
まず、有機半導体層１５の形成方法について説明する。例えば、ルブレン、ペンタセン、テトラセンなどの昇華性有機化合物の単結晶は、フィジカルベーパートランスポートと呼ばれる手法で作製することができる。以下では、ルブレン単結晶を用いた電界効果トランジスタの作製方法について説明する。
【００２７】
図２は、フィジカルベーパートランスポート法を説明するための図である。この方法は、まず、図２に示すように、温度勾配がつけられる管状電気炉９にアルゴンなどの不活性ガスを流し、管状電気炉９の上流側がより高温となるようにする。次に、この高温部に粉末状の有機半導体原料７、例えばルブレンを載置し、高温部が２２０℃となるように温度設定し、ゆっくり昇華させて下流の低温部で結晶化させる。さらに、得られた結晶８を再度上流部に載置し、結晶化を数回（例えば３回）繰り返すことで、純度の高い有機半導体結晶を得ることができる。このようにして、表面が平坦で正常なルブレン単結晶（典型的な大きさは０．５ｍｍ角程度、厚みが５μｍ以下）が得られる。
【００２８】
＜基板の作製＞
図３に示すように、導電性シリコンウェハをゲート電極１１とし、当該導電性シリコンウェハの表面を酸化処理することにより酸化シリコンからなる５００ｎｍ程度のゲート絶縁膜１２を形成する。続いて、ゲート絶縁膜１２上に、金を１０ｎｍ程度の厚さで真空蒸着し、リソグラフィおよびエッチングによりパターニングして、ソース電極１３およびドレイン電極１４を形成する。ソース電極１３およびドレイン電極１４間の距離は、例えば５μｍ程度とする。
【００２９】
図４に示すように、ゲート絶縁膜１２上にキャリア補充層１６を形成する。キャリア補充層１６の形成方法としては、ＣＶＤ法等の薄膜形成方法が用いられる。例えば、パーフルオロデシルシラン化合物を用いて、極性単分子膜を形成する。
【００３０】
図５に示すように、図２に示す工程で得られた単結晶からなる有機半導体層１５を、キャリア補充層１６上に自然な静電引力によって貼り合わせることによって、有機電界効果トランジスタ１が作製される。この方法によると、結晶の粒界がなく、ゲート絶縁膜１２との接触面が分子スケールで平坦なトランジスタが構成される。
【００３１】
次に、上記の本実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１について、伝達特性とホール効果を測定した。測定対象となる有機電界効果トランジスタ１は、キャリア補充層１６としてパーフルオロデシルシラン化合物からなる極性単分子膜（F-SAMs）を備え、有機半導体層１５としてルブレン単結晶を備えたものを使用した。
【００３２】
図６は、有機電界効果トランジスタ１の伝達特性（ゲート電圧ＶGに対するドレイン電流ＩDおよび伝導度σの変化）を示す図である。図６に示すように、閾値（ドレイン電流ＩD−ゲート電圧ＶG曲線の直線部の延長線と横軸の交点であり、本例では約１Ｖ）を越えるとドレイン電流ＩDおよび伝導度σが急激に増大していることがわかる。
【００３３】
図７は、本実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１のホール効果の測定結果を示す図である。ホール効果測定では、磁場を伝導面と垂直にかけ、横電圧成分を計測して、ホール係数を求めた。図７の上図にホール係数ＲHの逆数のゲート電圧ＶG（Ｖ）に対する変化の結果を示し、図７の下図にホール移動度μHのゲート電圧に対する変化の図を示す。図７の上図には、通常のキャパシタンスモデルにより得られる値を併記している。
【００３４】
ホール係数ＲHの逆数は、キャリア密度に対応している。このため、図７の上図に示す結果から、電界印加に従って、キャリア密度が１０倍に増大していることがわかる。図７の下図に示す結果から、ホール移動度は５〜２５ｃｍ2／Ｖｓ程度で、電界を加えるに従って小さくなっている。
【００３５】
図６および図７に示す結果から、キャリア補充層１６として極性単分子膜を設けることにより、通常のキャパシタンスモデルよりも多いキャリアが有機半導体層１５に供給され、この結果、ドレイン電流および伝導度を増大させることができる。以下に、単分子膜の極性による伝導度の増幅効果について調べた結果を示す。
【００３６】
図８に、キャリア補充層１６として極性の弱いメチル基終端単分子膜（with Me-SAMs）と極性の強いフッ素終端単分子膜（with F-SAMs）をそれぞれ用いた場合における、有機電界効果トランジスタ１の伝達特性（ゲート電圧ＶGに対するドレイン電流ＩDの変化）を示し、図９にこのときのホール効果の測定結果を示す。
【００３７】
図８および図９に示す結果から、単分子膜の極性が大きければそれだけ、キャリア注入効果が大きいことがわかる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１によれば、有機半導体層１５のゲート絶縁膜１２側にキャリア補充層１６を設けることにより、通常のキャパシタンスモデルよりも多いキャリアが有機半導体層１５に供給され、この結果、ドレイン電流および伝導度を増大させることができる。したがって、従来と同じゲート電圧に対する応答性が向上する。このため、有機半導体層１５としてキャリア移動度が高いものを選定することにより、高移動度と高応答性を両立させることができる。本実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１は、論理回路素子などの低電力素子応用に望ましい特徴を備える。
【００３９】
（第２実施形態）
図１０は、第２実施形態に係る有機電界効果トランジスタの断面図である。
有機電界効果トランジスタ１は、ゲート電極１１と、ゲート電極１１上に形成されたゲート絶縁膜１２と、ゲート絶縁膜１２上に形成されたソース電極１３およびドレイン電極１４と、ゲート絶縁膜１２上に形成された有機半導体層１５と、有機半導体層１５上に形成されたキャリア補充層１７とを有する。
【００４０】
本実施形態に係る電界効果トランジスタ１では、キャリア補充層１７が、ゲート絶縁膜１２とは反対側における有機半導体層１５上に形成されている点が第１実施形態と異なる。ゲート電極１１、ゲート絶縁膜１２、ソース電極１３、ドレイン電極１４、有機半導体層１５の構成については、第１実施形態と同様であるため、その説明は省略する。
【００４１】
キャリア補充層１７は、ゲート電極１１に印加される電圧に応じて通常誘起されるキャリアに加えて追加のキャリアを供給するものである。このような作用を奏するためには、ｐ型の有機半導体層１５に対しては、キャリア補充層１７は電子受容性（アクセプター性）が高いことが好ましい。また、ｎ型の有機半導体層１５に対しては、キャリア補充層１７は電子供与性（ドナー性）が高いことが好ましい。
【００４２】
アクセプター性のキャリア補充層１７として、Ｆ4−ＴＣＮＱ、ＴＣＮＱなどを用いることができる。また、ドナー性のキャリア補充層１７として、ＴＴＦ、ＢＥＤＴ−ＴＴＦ、ＢＥＴＳ、ＭＤＴ−ＴＴＦ、ＤＭＥＴ、ＯＭＴＴＦ、ＯＭＴＳＦ、ＨＭＴＴＦ、ＨＭＴＳＦ、ＴＭＴＴＦ、ＴＭＴＳＦなどのＴＴＦ系分子、ＴＭＰＤ、ＤＡＰ，ＴＤＡＰ、ＴＤＡＥなどのアミン系ドナー分子などを用いることができる。なお、キャリア補充層１７として、第１実施形態と同様に、極性単分子膜を使用してもよい。
【００４３】
次に、上記の本実施形態に係る有機電界効果トランジスタの製造方法の一例について、図１１〜図１３を参照して説明する。
【００４４】
＜有機半導体単結晶の作製＞
まず、第１実施形態と同様にして、フィジカルベーパートランスポート法により、単結晶の有機半導体層１５を形成する（図２参照）。
【００４５】
＜基板の作製＞
図１１に示すように、導電性シリコンウェハをゲート電極１１とし、当該導電性シリコンウェハの表面を酸化処理することにより酸化シリコンからなる５００ｎｍ程度のゲート絶縁膜１２を形成する。続いて、ゲート絶縁膜１２上に、金を１０ｎｍ程度の厚さで真空蒸着し、リソグラフィおよびエッチングによりパターニングして、ソース電極１３およびドレイン電極１４を形成する。ソース電極１３およびドレイン電極１４間の距離は、例えば５μｍ程度とする。
【００４６】
図１２に示すように、先の工程で得られた単結晶からなる有機半導体層１５を、ゲート絶縁膜１２上に自然な静電引力によって貼り合わせる。この方法によると、結晶の粒界がなく、ゲート絶縁膜１２との接触面が分子スケールで平坦なものとなる。
【００４７】
図１３に示すように、有機半導体層１５上にキャリア補充層１７を形成する。キャリア補充層１７として、例えば真空蒸着により、Ｆ4−ＴＣＮＱ膜を形成する。
【００４８】
次に、上記の本実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１について、伝達特性とホール効果を測定した。測定対象となる有機電界効果トランジスタ１は、キャリア補充層１７としてＦ4−ＴＣＮＱ膜を備え、有機半導体層１５としてルブレン単結晶を備えたものを使用した。
【００４９】
図１４は、第２実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１の伝達特性（ゲート電圧ＶGに対するドレイン電流ＩDおよび伝導度σの変化）を示す。図１４に示すように、閾値（ドレイン電流ＩD−ゲート電圧ＶG曲線の直線部の延長線と横軸の交点であり、本例では約１Ｖ）を越えると、ドレイン電流ＩDおよび伝導度σが急激に増大していることがわかる。
【００５０】
図１５は、本実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１のホール効果の測定結果を示す図である。ホール効果測定では、磁場を伝導面と垂直にかけ、横電圧成分を計測して、ホール係数を求めた。図１５の上図にホール係数ＲHの逆数のゲート電圧ＶG（Ｖ）に対する変化の結果を示し、図１５の下図にホール移動度μHのゲート電圧に対する変化の図を示す。図１５の上図には、通常のキャパシタンスモデルにより得られる値を併記している。
【００５１】
ホール係数ＲHの逆数は、キャリア密度に対応している。このため、図１５の上図に示す結果から、電界印加に従って、キャリア密度が２〜３倍に増大していることがわかる。図１５の下図に示す結果から、ホール移動度は２ｃｍ2／Ｖｓに維持されている。また、第１実施形態と比べて、−２０Ｖ程度と高いゲート電圧（負）の領域にまでキャリア増大効果が持続していることも特徴的である。
【００５２】
以上の図１４および図１５に示す結果から、ｐ型の有機半導体層１５を用いる場合に、キャリア補充層１７としてＦ4−ＴＣＮＱ膜等のアクセプター性の膜を設けることにより、通常のキャパシタンスモデルよりも多いキャリアが有機半導体層１５に供給され、この結果、ドレイン電流および伝導度を増大させることができる。なお、ｎ型の有機半導体層１５については、ドナー性のキャリア補充層１７を設けることにより、同様の効果が期待できる。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１によれば、ゲート絶縁膜１２とは反対側における有機半導体層１５上にキャリア補充層１７を設けることにより、通常のキャパシタンスモデルよりも多いキャリアが有機半導体層１５に供給され、この結果、ドレイン電流および伝導度を増大させることができる。したがって、従来と同じゲート電圧に対する応答性が向上する。このため、有機半導体層１５としてキャリア移動度が高いものを選定することにより、高移動度と高応答性を両立させることができる。本実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１は、論理回路素子などの低電力素子応用に望ましい特徴を備える。
【００５４】
（第３実施形態）
図１６は、本実施形態に係る有機電界効果トランジスタの断面図である。
有機電界効果トランジスタ１は、ゲート電極１１と、ゲート電極１１上に形成されたゲート絶縁膜１２と、ゲート絶縁膜１２上に形成されたソース電極１３およびドレイン電極１４と、ゲート絶縁膜１２上に形成された有機半導体層１５と、有機半導体層１５およびゲート絶縁膜１２の間に形成された単分子膜１８とを有する。
【００５５】
本実施形態に係る電界効果トランジスタ１は、有機半導体層１５とゲート絶縁膜１２の間に単分子膜１８が形成されているものである。ゲート電極１１、ゲート絶縁膜１２、ソース電極１３、ドレイン電極１４、有機半導体層１５の構成については、第１実施形態と同様であるため、その説明は省略する。
【００５６】
単分子膜１８は、有機半導体層１５の閾値電圧（Ｖth）を所望の値に制御するものである。本実施形態では、単分子膜１８は、単官能シラン化合物を用いて形成される。ゲート絶縁膜１２上に吸着した状態において、単分子膜１８は、単官能シラン化合物の単官能基が加水分解された構造となっている。
【００５７】
具体的には、単官能シラン化合物として、Ｒ1ＳｉＲ22Ｘの一般式で表される単官能シラン化合物を利用できる。Ｒ1を変えることにより、有機半導体層１５の閾値電圧特性を制御することができる。Ｒ1は、例えば、トリフルオロメチル基（−ＣＦ3）、アミノ基（−ＮＨ2）等を含むアルキル基である。Ｒ2は、アルキル基等の不活性基である。ここで不活性基とは、単分子膜を形成する反応において基板表面または分子間で結合を形成ししないものをいう。単官能シラン化合物の立体障害を少なくして、多くの単分子膜１８をゲート絶縁膜１２上に吸着させる観点からは、Ｒ2はメチル基などの小さい基であることが好ましい。また、シリコン原子に結合する二つのＲ2は、異なったものでも良い。Ｘは、ゲート絶縁膜１２上への化学吸着に寄与する基であり、ハロゲン、アルコキシ基等の加水分解性の基からなる。Ｘが加水分解することにより、単分子膜１８がゲート絶縁膜１２上に吸着する。
【００５８】
単官能シラン化合物は、２官能シラン化合物（Ｒ1ＳｉＲ2Ｘ2）や３官能シラン化合物（Ｒ1ＳｉＸ3）に比べて吸着性が低くなる。このため、単分子膜１８が、ソース電極１３およびドレイン電極１４に吸着するのを抑制することができ、ゲート絶縁膜１２上にのみ単分子膜１８を吸着させることができる。
【００５９】
次に、上記の本実施形態に係る有機電界効果トランジスタの製造方法の一例について、図１７〜図１９を参照して説明する。
【００６０】
＜有機半導体単結晶の作製＞
まず、第１実施形態と同様にして、フィジカルベーパートランスポート法により、単結晶の有機半導体層１５を形成する（図２参照）。
【００６１】
＜基板の作製＞
図１７に示すように、導電性シリコンウェハをゲート電極１１とし、当該導電性シリコンウェハの表面を酸化処理することにより酸化シリコンからなる５００ｎｍ程度のゲート絶縁膜１２を形成する。続いて、ゲート絶縁膜１２上に、金を１０ｎｍ程度の厚さで真空蒸着し、リソグラフィおよびエッチングによりパターニングして、ソース電極１３およびドレイン電極１４を形成する。ソース電極１３およびドレイン電極１４間の距離は、例えば５μ程度とする。
【００６２】
図１８に示すように、ゲート絶縁膜１２上に単分子膜１８を形成する。単分子膜１８の形成方法としては、ＣＶＤ法等の気相法や、スピンコート法やディッピング法などの液相を用いた方法によって形成してもよい。
【００６３】
図１９に示すように、先の工程で得られた単結晶からなる有機半導体層１５を、単分子膜１８上に自然な静電引力によって貼り合わせることによって、有機電界効果トランジスタ１が作製される。この方法によると、結晶の粒界がなく、ゲート絶縁膜１２との接触面が分子スケールで平坦なトランジスタが構成される。
【００６４】
次に、上記の本実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１の効果について説明する。
【００６５】
図２０に、本実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１の電流―電圧特性（ドレイン電圧ＶDに対するドレイン電流ＩDの変化）を示す。本実施形態として、ゲート絶縁膜１２の表面に単官能シラン化合物ＣＦ3（ＣＦ2）7（ＣＨ2）2Ｓｉ（ＣＨ3）2Ｃｌを用いて単分子膜１８を形成した有機電界効果トランジスタ１を用いた。
【００６６】
図２１に、比較例の有機電界効果トランジスタの電流―電圧特性を示す。比較例では、ゲート絶縁膜１２の表面に３官能シラン化合物ＣＦ3（ＣＦ2）7（ＣＨ2）2Ｓｉ（ＯＣ2Ｈ5）3を用いて単分子膜１８を形成した有機電界効果トランジスタを用いた。
【００６７】
図２０および図２１より、２種類のシラン化合物から形成した単分子膜上のデバイスの特性を比較すると、ドレイン電極１４上のシラン化合物の付着を排除した本実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１において、よりピンチオフ領域が形成されやすく、その結果、より飽和特性が得られやすい傾向が現れた。
【００６８】
以上説明したように、本実施形態に係る有機電界効果トランジスタによれば、有機半導体層１５とゲート絶縁膜１２の間に、単官能シラン化合物の単官能基が加水分解された状態にある単分子膜１８を設けることにより、ゲート絶縁膜１２上にのみ単分子膜１８を形成することができる。この結果、単分子膜１８により閾値電圧を制御しつつ、ピンチオフ領域が形成されやすく、より飽和特性が得られやすい有機電界効果トランジスタを実現することができる。
【００６９】
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】第１実施形態に係る有機電界効果トランジスタの概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係る有機電界効果トランジスタを形成している状態を示す図である。
【図３】第１実施形態に係る有機電界トランジスタを形成している状態を示す図である。
【図４】第１実施形態に係る有機電界トランジスタを形成している状態を示す図である。
【図５】第１実施形態に係る有機電界トランジスタを形成している状態を示す図である。
【図６】第１実施形態に係る有機電界効果トランジスタの伝達特性を示す図である。
【図７】第１実施形態に係る有機電界効果トランジスタのホール効果測定の結果を示す図である。
【図８】種々のキャリア補充層についての有機電界効果トランジスタの伝達特性を示す図である。
【図９】種々のキャリア補充層についてのホール効果測定の結果を示す図である。
【図１０】第２実施形態に係る有機電界効果トランジスタの概略構成図である。
【図１１】第２実施形態に係る有機電界効果トランジスタを形成している状態を示す図である。
【図１２】第２実施形態に係る有機電界効果トランジスタを形成している状態を示す図である。
【図１３】第２実施形態に係る有機電界効果トランジスタを形成している状態を示す図である。
【図１４】第２実施形態に係る有機電界効果トランジスタの伝達特性を示す図である。
【図１５】第２実施形態に係る有機電界効果トランジスタのホール効果測定の結果を示す図である。
【図１６】第３実施形態に係る有機電界効果トランジスタの概略構成図である。
【図１７】第３実施形態に係る有機電界効果トランジスタを形成している状態を示す図である。
【図１８】第３実施形態に係る有機電界効果トランジスタを形成している状態を示す図である。
【図１９】第３実施形態に係る有機電界効果トランジスタを形成している状態を示す図である。
【図２０】第３実施形態に係る有機電界効果トランジスタの伝達特性を示す図である。
【図２１】比較例の電界効果トランジスタの伝達特性を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１…有機電界効果トランジスタ、１１…ゲート電極、１２…ゲート絶縁膜、１３…ソース電極、１４…ドレイン電極、１５…有機半導体層、１６…キャリア補充層、１７…キャリア補充層、１８…単分子膜
【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７】
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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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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