(57)【要約】【課題】本発明は、有機半導体材料を用いた電界効果トランジスタにおいて、ソース電極及び／又はドレイン電極から半導体層へのキャリアの流れをスムーズにすることのできる電界効果トランジスタを提供することを主目的とする。【解決手段】本発明は、半導体層として有機半導体材料からなる有機半導体膜を有する電界効果トランジスタであって、前記有機半導体膜において、ソース電極及びドレイン電極の少なくとも一方を構成する領域における酸化型又は還元型のいずれかの導電性付与剤の濃度分布が他の領域におけるものと異なることを特徴とする電界効果トランジスタを提供することにより上記目的を達成するものである。【選択図】      無し【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層として有機半導体材料からなる有機半導体膜を有する電界効果トランジスタであって、前記有機半導体膜において、ソース電極及びドレイン電極の少なくとも一方を構成する領域における酸化型又は還元型のいずれかの導電性付与剤の濃度分布が他の領域におけるものと異なることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記導電性付与剤の濃度分布が、ドーピングにより形成されていることを特徴としている請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項３】
前記有機半導体材料が、分子量２０００以下の化合物であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチングや増幅素子として利用できる電界効果トランジスタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電界効果トランジスタは、二つの電極（ソース、ドレイン）間の電気伝導度をゲート電極に印加する電圧で制御するものであり、基本的には、ｐ型あるいはｎ型のいずれか一方のキャリア（正孔あるいは電子）が電荷を輸送する、ユニポーラ素子の代表的なものである。
【０００３】
特にＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）またはＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ  −  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造と呼ばれる二酸化珪素（ＳｉＯ２）等の絶縁体を用いたものは、メモリー素子、ゲート素子等に広く用いられている。また、半導体にアモルファスシリコンを用いるものは、ガラス等の基板上に半導体層を形成して薄膜トランジスタとして製造することが可能であり、これを各セルのスイッチング素子に利用したアクティブマトリクス液晶ディスプレーに広く利用されている。
【０００４】
このような電界効果トランジスタ素子の一般的な構造例を、図１にＡ〜Ｄとして示す。なお、図中、１が半導体層、２が絶縁体層、３及び４がソース電極及びドレイン電極、５がゲート電極、６が基板である。各層や電極の配置は、素子の用途により適宜選択できる。
【０００５】
電界効果トランジスタの動作特性は、用いられる半導体材料のキャリア移動度（単に移動度と称することもある。）μ、電導度σ、絶縁層の静電容量Ｃｉ、素子の構成（ソース・ドレイン電極間距離Ｌ及び幅Ｗ、絶縁層の膜厚等）により決まるが、この中で、半導体材料の特性としては、高い移動度（μ）を有するものが良好な特性を示すことになる。
【０００６】
これまで半導体材料としては、シリコンに代表される無機半導体が広く用いられてきた。しかしながら、無機半導体は、製造時に３００℃以上の高温で処理する必要があり、基板にプラスチック基板やフィルムを用いることが難しく、しかも製造に多くのエネルギーを必要とする。また、真空での素子作製プロセスは、製造ラインに高価な設備を必要とし高コストになる。
【０００７】
これに対して、有機物を用いたトランジスタは、そのほとんどは無機半導体より低温プロセスで製造できるため、プラスチック基板やフィルムを用いることができ、軽量で壊れにくい素子を作製することができる。また、溶液の塗布や印刷法を用いた素子作製が可能なものもあり、大面積の素子を低コストで製造することが可能である。さらに、材料のバリエーションが豊富であり、分子構造を変化させることにより容易に材料特性を根本的に変化させることが可能であるため、異なる機能を組み合わせることで、無機半導体では不可能な機能、素子を実現することも可能である。
【０００８】
このような有機物を利用したトランジスタとしては、例えば、導電性高分子や共役高分子を利用したものや（特許文献１）、低分子化合物を利用したもの（特許文献２）が挙げられる。これまでの報告では、有機半導体材料としては、低分子半導体が高分子半導体よりも高い性能を示すことが分かっている。有機半導体は、移動度の向上には分子間のπ共役系の重なりが重要であり、構造の欠陥の少ないものが望まれるのであるが、高分子化合物は、精製が難しく、かつ固体膜中の統計的に構造的な欠陥が避けられないのに対し、低分子化合物は精製が容易で、結晶構造を有効に利用できる材料であることが低分子化合物の高い特性に関係していると説明できる。
【０００９】
有機半導体材料を用いた電界効果トランジスタのほとんどは、ゲート電圧が印加されていないときはキャリア密度が低く高抵抗状態（オフ状態）で印加された場合にキャリアが蓄積されて低抵抗状態（オン状態）になる蓄積モードで動作する。その場合、半導体層はキャリア密度の低い状態が必要であるので、無ドープあるいは低いドープ状態で電気伝導度の低い状態のものが望ましい。
【００１０】
電界効果トランジスタは、ソース電極とドレイン電極の間のチャネル部分がトランジスタを動作する部分であり、この距離が短いほど電界効果トランジスタの動作特性が向上するため電極間距離は精密に形成される必要がある。また、電極と半導体層のチャネル部分との界面では、スムーズにキャリアが流れることが理想的である。通常、ソース電極及びドレイン電極は半導体層とは異なる材料を成膜してパターニングして作製されている。例えば、半導体層には低分子又は高分子の半導体材料を用い、電極には金属が多く用いられている。また、キャリアの流れを改善するために、電極と半導体に異なるπ共役高分子を用いることも提案されている（特許文献３）。しかしながら、異なる材料を接合した場合には、材料の組合せに加えて、界面の酸化物や汚れの影響もあり、容易に良好な接合を得ることは難しかった。
【００１１】
ところで、導電性高分子にドーピングしてその電気伝導度を増加させる検討が行われている。その素子化への応用は、例えば非特許文献１にイオンインプランテーションによるデバイスが記載されている。この中には、ｐｎ接合を設けたダイオードの例や、電気伝導度を制御してＦＥＴを作製した例が挙げられている。
【００１２】
しかし、有機電界効果トランジスタにおいて、半導体の一部分をドーピングして電極にすることは全く示唆されていなかった。
【００１３】
【特許文献１】
特開昭６１−２０２４６９号公報
【特許文献２】
特許第２９８４３７０号明細書
【特許文献３】
特公平６−３８４９１号公報
【非特許文献１】
Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ  ２版  （Ｓｈｏｃｋｈｅｉｍ編集、Ｍａｒｃｅｌ  Ｄｅｃｋｋｅｒ、１９９８）、２１章
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のことから、有機半導体材料を用いた電界効果トランジスタにおいて、ソース電極及び／又はドレイン電極から半導体層へのキャリアの流れをスムーズにすることのできる電界効果トランジスタの提供が望まれている。
【００１５】
【課題が解決するための手段】
本発明者らは、上記実情に鑑み鋭意検討した結果、半導体層においてソース電極及びドレイン電極の少なくとも一方を構成する領域の導電性付与剤の濃度分布を、他の領域におけるものと異なるものにすることによって、界面を明確に存在させることなく、半導体層の一部にソース電極とドレイン電極とを設けることができ、結果として、電界効果トランジスタの動作特性が向上することを見出して本発明に到達した。
【００１６】
すなわち、本発明においては、請求項１に記載するように、半導体層として有機半導体材料からなる有機半導体膜を有する電界効果トランジスタであって、前記有機半導体膜において、ソース電極及びドレイン電極の少なくとも一方を構成する領域における酸化型又は還元型のいずれかの導電性付与剤の濃度分布が他の領域におけるものと異なることを特徴とする電界効果トランジスタを提供する。
【００１７】
本発明においては、ソース電極及びドレイン電極の少なくとも一方を構成する領域における導電性付与剤の濃度分布が他の領域のものと異なることによって、界面を明確に存在させることなく、有機半導体膜の一部にソース電極とドレイン電極とを設けることができるので、これらの電極と半導体層のチャネル部分との界面の障壁を少なくすることができ、キャリアの流れがスムーズに行われ、動作特性の良好な電界効果トランジスタとなる。
【００１８】
上記請求項１に記載の発明においては、請求項２に記載するように、前記導電性付与剤の濃度分布が、ドーピングにより形成されていることが好ましい。有機半導体膜における導電性付与剤の濃度分布をドーピングにより形成することで、ソース電極及び／又はドレイン電極を高い寸法精度でかつ容易に形成することができ、電極間距離を精密に制御することが可能となるからである。
【００１９】
また、上記請求項１または請求項２に記載の発明においては、請求項３に記載するように、前記有機半導体材料が、分子量２０００以下の化合物であることが好ましい。有機半導体材料として、分子量２０００以下の低分子化合物を用いることにより、ドーパントの保持性が高く、様々な精製法が利用できるため、純度が高く、構造の欠陥が少ない、キャリア移動度の高い半導体層を得ることができるからである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の電界効果トランジスタは、半導体層として有機半導体材料からなる有機半導体膜を有する電界効果トランジスタであって、前記有機半導体膜において、ソース電極及び／又はドレイン電極を構成する領域における酸化型又は還元型のいずれかの導電性付与剤の濃度分布が他の領域におけるものと異なることを特徴とするものであり、ソース電極及び／又はドレイン電極を構成する領域における導電性付与剤の濃度分布が他の領域のものと異なることにより、界面を明確に存在させることなく、有機半導体膜の一部にソース電極とドレイン電極とを設けることができるので、電極と半導体層のチャネル部分との間でのキャリアの流れがスムーズに行われ、動作特性の良好な電界効果トランジスタとなる。
【００２１】
また、本発明の電界効果トランジスタは、半導体層として有機半導体材料からなる有機半導体膜を用いるものである。そのため、比較的低温のプロセスで製造できるので基板にプラスチックフィルムを使用でき、軽量で柔軟性に優れた壊れにくいものとなる。
【００２２】
本発明の電界効果トランジスタは、有機半導体材料からなる有機半導体膜を半導体層として有し、半導体層とソース電極及び／又はドレイン電極とを一体的に形成することを除いては、図１Ａ〜Ｄに例示したものと同様の構造を有する。
【００２３】
まず、本発明の電界効果トランジスタの半導体層として用いられる有機半導体膜について説明する。
【００２４】
１．有機半導体膜
本発明に用いられる有機半導体膜は、酸化型又は還元型のいずれかの導電性付与剤の濃度分布が異なる領域を有するものである。そして、導電性付与剤の濃度分布の異なる領域のうち、濃度分布の高い領域をソース電極及び／又はドレイン電極とするものである。
【００２５】
このように導電性付与剤の濃度分布を変化させることにより、半導体層に一体的に形成されるのは、ソース電極及びドレイン電極の両方であってもよく、いずれか一方であってもよいが、チャネル部分にスムーズにキャリアが注入されることが電界効果トランジスタの動作特性を向上させる上で特に有用であることから、少なくともソース電極が上述のしたように形成されていることが好ましい。
【００２６】
本発明において、上述の方法により形成されるソース電極及びドレイン電極の電極パターンは、ゲート電圧を駆動することによりｐ型又はｎ型の一方のキャリアが電荷を輸送できるものであれば特に限定されない。図４に、Ａ、Ｂとして、構造例を示す。
【００２７】
ソース電極３及びドレイン電極４の電極幅Ｗ及び電極間距離Ｌは要求される電気特性等により適宜決定されるものであるが、一般的には、電極間距離Ｌは、下限が０．１μｍ以上であることが好ましく、特に１μｍ以上とすることが好ましい、一方上限は、５００μｍ以下、特に１００μｍ以下とすることが好ましい。
【００２８】
また、電極幅Ｗは、下限が１μｍ以上、特に１０μｍ以上とすることが好ましい、一方上限は、１０ｍｍ以下、特に１ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００２９】
さらにまた、Ｂのような形状の場合、ソース電極３のドレイン電極４側端部の延べ長さ（ドレイン電極４のソース電極３側端部の延べ長さ）は、下限が１０μｍ以上、特に１００μｍ以上とすることが好ましい、一方上限は、１００ｍｍ以下、特に１０ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００３０】
２．有機半導体膜の製造方法
このように有機半導体膜中に、導電性付与剤の濃度分布の異なる領域を形成する方法としては特に限定されるものではなく、例えば、導電性付与剤の濃度分布の異なる同じ有機半導体材料からなる有機半導体膜を接合する方法や、有機半導体膜を成膜した後、ドーピングにより導電性付与剤の濃度分布の異なる領域を形成する方法などが挙げられるが、本発明においては、移動度の障壁となる電極と半導体層のチャネル部分との界面を明確に存在させない点で、ドーピングにより形成するのが好ましい。また、一般的に、電界効果トランジスタはソース／ドレイン電極間距離を精密に制御する必要があるが、ドーピングによれば、導電性付与剤の濃度分布が異なる領域を高い寸法精度で形成することができるという利点もある。
【００３１】
以下、ドーピングにより、有機半導体膜に導電性付与剤の濃度分布の異なる領域を形成する方法について説明する。
【００３２】
（１）有機半導体材料
本発明において、有機半導体膜に用いられる有機半導体材料としては、酸化型又は還元型のいずれかの導電性付与剤をドーピングすることにより、電気伝導度を向上させるものであれば特に限定されない。
【００３３】
有機半導体材料の電気伝導度は、導電性付与剤をドーピングする前では、１０−６Ｓ／ｃｍ以下であることが好ましく、１０−８Ｓ／ｃｍ以下であることがより好ましい。これに対し、導電性付与剤をドーピングした後では、有機半導体材料の電気伝導度は１０−５Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、１０−３Ｓ／ｃｍであることがより好ましい。
【００３４】
ドーピング前の移動度は、１０−５ｃｍ２／Ｖｓ以上、より好ましくは、１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上が望ましい。
【００３５】
このように高い移動度を有することにより、動作特性の良好な電界効果トランジスタを得ることができるからである。
【００３６】
本発明に用いられる有機半導体材料としては、α−セキシチオフェン、ジアルキルセキシチオフェンに代表される、チオフェン環を４個以上含むオリゴチオフェン類、あるいは、チオフェン環、ベンゼン環、フルオレン環、ナフタレン環、アントラセン環、チアゾール環、チアジアゾール環、ベンゾチアゾール環を合計４個以上連結したもの、ナフタレン、ペンタセン、ピレン、ペリレン、フラーレン等の縮合芳香族炭化水素、アントラジチオフェン、ジベンゾチエノビスチオフェン、α、α´−ビス（ジチエノ［３，２−ｂ´：２´，３´−ｄ］チオフェン）等の縮合チオフェン及びその誘導体、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボンサンジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボンサンジイミド等の、芳香族カルボン酸無水物やそのイミド化物、銅フタロシアニン、パーフルオロ銅フタロシアニン、テトラベンゾポルフィリン及びその金属塩等の大環状化合物、ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリチエニレンビニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリフェニレン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン等の共役高分子及びそれらの共重合体、その中でも特に、レジオレギュラーポリチオフェンのような自己組織化を示すものや、ポリフルオレンやその共重合体に代表される液晶性を示す共役高分子、ポルフィリン骨格を有するポルフィリン化合物等が挙げられる。
【００３７】
これらの有機半導体材料の中でも、本発明に用いられる有機半導体材料としては、分子量２０００以下、特に分子量１０００以下の化合物であることが好ましい。
【００３８】
分子量が上記範囲を超える化合物では、高分子であることに由来する問題点、すなわち成膜時に構造の不完全部分に由来する欠陥が生じてしまうこと、精製が困難なこと、酸化電位が下がり酸化されやすくなりやすいこと等の問題がある。
また、フィブリル構造を有するためドーピングされやすいものの、逆にドーパントが抜けやすかったり、拡散しやすかったりすることがあり、ドーピング部分の安定性が良くないという問題がある。
【００３９】
これに対し、分子量が上記範囲の化合物は、ドーパントの保持性が高く、合成の結果得られる化合物の構造がほぼ定まっており、かつ昇華精製や再結晶、カラムクロマトグラフィー等の様々な精製法が利用できるため、純度が高く、欠陥が少ないため高い移動度の半導体層が得られやすいからである。
【００４０】
なお、本発明に用いられる有機半導体材料の下限としては、特に制限はないが、分子量２００以上のものが好適に用いられる。
【００４１】
これらの有機半導体材料の中でも、本発明においては、特にポルフィリン骨格を有するポルフィリン化合物が好ましい。低分子材料であって、塗布により膜が形成できるので、欠陥の少ない良質の膜が形成できるためである。
【００４２】
ここで、ポルフィリン化合物とは、ポルフィリン骨格を有するものであれば特に限定されるものではないが、具体的には、下記の一般式（１）又は（２）で表される化合物である。
【００４３】
【化１】
2004228371.tif 000002
【００４４】
上記式（１）及び（２）中、Ｚｉａ及びＺｉｂ（ｉ＝１〜４）は１価の有機基を表し、ＺｉａとＺｉｂが結合して環を形成していてもよい。１価の有機基の例としては、水素原子、水酸基、炭素数１〜１０の置換されていてもよいアルキル基、アルコキシ基、メルカプト基、アシル基、さらには、カルボキシル基とその炭素数１〜１０のアルコールとのエステル、ホルミル基、カルバモイル基、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素等のハロゲン原子、炭素数１〜１０のアルキル基で置換されていてもよいアミノ基、ニトロ基が挙げられ、これらは更に置換基を有していてもよい。また、ＺｉａとＺｉｂが結合して環を形成する有機基の例としては、Ｚｉａ−ＣＨ＝ＣＨ−Ｚｉｂの構造して形成される環が、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環等の芳香族炭化水素、ピリジン環、キノリン環、フラン環、チオフェン環等の複素環、シクロヘキセン等の非芳香族環状炭化水素等が挙げられる。また、Ｒ１〜Ｒ４は水素原子又は１価の有機基を表す。この有機基としては、置換してもよいアルキル基、アリール基、アルコキシ基、メルカプト基、カルボキシル基と炭素数１〜１０のアルコールとのエステル、ハロゲン原子が挙げられる。
【００４５】
また、Ｍは２価の金属原子であり、例えば、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、さらには、３価以上の金属と他の原子の結合した原子団、例えばＦｅ−Ｘ、Ａｌ−Ｘ、Ｔｉ＝Ｏ、Ｓｉ−Ｘ１Ｘ２、等が挙げられる。ここで、Ｘ、Ｘ１、Ｘ２はハロゲン原子、アルキル基、アルコキシ基等の１価の基を表す。その例は、ＫＡＲＬ  Ｍ．  ＫＡＤＩＳＨ  ＫＥＶＩＮ  Ｍ．ＳＭＩＴＨ  ＲＯＧＥＲ  ＧＵＩＬＡＲＤ著、ＴＨＥ  ＰＯＲＰＨＹＲＩＮ  ＨＡＮＤＢＯＯＫ  ＶＯＬ．１〜１０、ＡＣＡＤＥＭＩＣ  ＰＲＥＳＳ（２０００）等に例を挙げることができる。また、１個の原子を２つポルフィリン環が共有して配位しているものや、２個のポルフィリン環が１個以上の原子あるいは原子団を共有して結合したもの、あるいはそれらが３個以上結合して長鎖上につながったものも挙げることができる。
【００４６】
また、１分子中に上記ポルフィリン骨格を２個以上含有するものも挙げられる。これは、上記Ｚｉａ、Ｚｉｂ、Ｒ１〜Ｒ４を介して別のポルフィリン環と結合したものである。この複数のポルフィリン環は同じでも異なっていてもよい。
【００４７】
本発明のポルフィリン骨格を有する化合物は、室温で固体状態のものがデバイスへの応用には都合がよい。一般式（１）又は（２）中の置換基によっては、液晶性を示すものが得られるが、液晶性状態でも有機半導体として用いることができる。特に本発明のポルフィリン化合物は平面性の良好な構造をしているため、ディスコチック液晶が得られることが期待されるが、そのような構造はキャリアの輸送に都合がよい。動作する温度範囲で大きな特性の変化を生じるのは好ましくないので、融点や凝固点等の相転移温度が５℃〜４０℃の範囲内の化合物が好ましい。室温で固体状態をとる化合物は、融点やガラス転移温度が５０℃以上であることが好ましく、１００℃以上がより好ましい。
【００４８】
また、高い移動度を有するためには、固体状態で隣り合う分子間が良好に重なりあうことが望ましい。これは、キャリア、すなわち電子あるいは正孔が分子間を伝達して行く際に、π電子軌道間の相互作用が重要であるためである。そのためには、分子の平面性が高いものが望ましい。平面性の尺度としては、分子平面からの各原子のずれを参考にすることができる。分子平面は、すべての原子の中心からの距離の２乗の和が最少になるような平面として定義できる。この平面からの各原子の中心までの距離が１Å以内であれば、高い平面性を有し、移動度が高くなる条件を満たす事ができる。従って、上記一般式（１）又は（２）中のＺｉａ、Ｚｉｂとしては、水素原子、ハロゲン原子等の単原子が好ましい。また、置換基を有しない平面性の高い環を形成する基、中でもＺｉａ−ＣＨ＝ＣＨ−Ｚｉｂ（ｉ＝１〜４）の少なくとも一つがベンゼン、ナフタレン、アントラセン等の芳香環を形成する基であるもの、更には、Ｚｉａ−ＣＨ＝ＣＨ−Ｚｉｂ（ｉ＝１〜４）のすべてが芳香環であるものが好ましい。また、Ｒ１〜Ｒ４も、水素原子やハロゲン原子等の単原子が好ましい。
【００４９】
以下に、好ましいポルフィリン化合物の例を挙げる。ここでは、無金属体の構造を例示しているが、以下の例に対応する金属塩や、置換基を有する分子であっても同様に好ましい例として使用することができる。また、対称性のよい分子構造を主に例示しているが、部分的な構造の組合せによる非対称構造であっても使用できる。もちろん本発明のポルフィリン化合物はこれらの例示化合物に限定されるわけではない。
【００５０】
【化２】
2004228371.tif 000003
【００５１】
【化３】
2004228371.tif 000004
【００５２】
【化４】
2004228371.tif 000005
【００５３】
このようなポルフィルン化合物は、対応するピロール化合物を出発原料として合成することができる。ポルフィリン化合物の合成法については、例えば、ＫＡＲＬ  Ｍ．  ＫＡＤＩＳ  Ｈ  ＫＥＶＩＮ  Ｍ．  ＳＭＩＴＨ  ＲＯＧＥＲ  ＧＵＩＬＡＲＤ著、ＴＨＥ  ＰＯＲＰＨＹＲＩＮ  ＨＡＮＤＢＯＯＫ  ＶＯＬ．１、ＡＣＡＤＥＭＩＣ  ＰＲＥＳＳ（２０００）に記述されている方法を用いることができる。
【００５４】
なお、ドーピング以外の手法により、導電性付与剤の濃度分布が異なる領域を形成する場合にも、上述の有機半導体材料を好ましく使用することができる。
【００５５】
（２）ドーピングのためのパターニング方法
ドーピングによる導電性付与剤の濃度分布の異なる領域を形成する際に、より高い寸法精度で行うために、その前段階として有機半導体膜上にパターニングを行うのが好ましい。
【００５６】
パターニングの方法には有機半導体膜上にマスクを形成し、そのマスクの窓の部分を通してドーパントと接触させることにより部分的にパターニングする方法がある。このマスクの形成には、フォトレジストをパターニングして電極のパターン状にフォトレジストを除去したものが用いられる。また、印刷やスタンプ法を利用してマスク部分を形成することも可能である。さらに、マスクの形状の粘着テープを貼り付けることも利用できる。即ち、有機半導体膜上にドーパントを通さない別の材料をパターニングできる方法であればいかなる方法を用いることも可能である。
【００５７】
また、ドーパントを含む膜を有機半導体膜上に形成し、それを電極パターン状に有機半導体膜に転写してパターニングすることも可能である。例えば、ドーパントを含むフォトレジストを塗布し、それを電極のパターンで残すようにパターニングした後で、ドーパントを有機半導体膜に転写することでドーピングによる電極を形成することが可能である。
【００５８】
マスクを用いない方法も可能である。これは後述するイオンインプランテーションや光によるドーピングでイオンビームや光を電極パターンで照射したり、熱ヘッドを用いて部分的に加熱することにより、直接電極パターン状にドーピングすることができる。
【００５９】
（３）ドーパントの種類
本発明に用いることのできるドーパントは、酸化型又は還元型のいずれか一方の導電性付与剤であってもよく、その両方であってもよい。両方を用いる場合には、ソース電極とドレイン電極は同じタイプの導電性付与剤により形成されていることが好ましい。
【００６０】
ここで、酸化型の導電性付与剤とは、有機半導体膜に作用させることにより有機半導体膜を酸化させて電気伝導度を向上させる効果を有するものであり、ｐ型の導電性付与剤ということもある。一方、還元型の導電性付与剤とは、有機半導体膜を還元させて電気伝導度を向上させるものであり、ｎ型の導電性付与剤ということもある。
【００６１】
本発明に用いられる酸化型の導電性付与剤としては、酸素、塩酸、硫酸、スルホン酸等の酸、ＰＦ６、ＡｓＦ５、ＦｅＣｌ３、ＳｂＦ５等のルイス酸、ヨウ素、塩素、臭素、ＩＣｌ、ＩＣｌ３、ＩＢｒ、ＩＦ３等のハロゲンなどが挙げられる。
【００６２】
一方、還元型の導電性付与剤としては、水素、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属、バリウム、カルシウム、マグネシウム、銀、ユーロピウム、ベリリウム等の金属原子、原子団などが挙げられる。
【００６３】
（４）ドーピングの方法
ドーピングの方法としては、上述のドーパントを有機半導体膜の表面に付着又は化学結合させることのできるものであれば特に限定されるものではない。ドーピングの方法は、ドーパントの種類により適宜選択することができる。
【００６４】
例えば、ヨウ素や臭素等のハロゲンや酸素、塩酸等の蒸気圧の高いものはその蒸気に接触させることによりドーピングすることができる。具体的には、上述のようにパターニングされたマスクを有する有機半導体膜に、密閉した容器中でヨウ素と共存させることにより、ヨウ素がマスクを通して有機半導体膜にドーピングされる。蒸気圧やドーピング速度を制御するために、ドーパントや有機半導体膜の温度を制御することもできる。
【００６５】
また、ドーパントの溶液に接触させることもできる。例えば、酸やアルカリ、酸化剤や還元剤の溶液に有機半導体膜を浸漬させる方法が挙げられる。
【００６６】
さらに、ドーパントを含む膜を、マスクを有する有機半導体膜に接触させて塗布することによってもドーピング処理が可能である。例えば、ドーパントとＰＭＭＡやポリスチレン等のポリマーを溶媒に溶解しておき、これを塗布することによって、ドーピングすることが可能である。また、スルホン化ポリスチレンのような高分子ドーパントを塗布することも可能である。ドーピングを推進するための加熱処理あるいは光照射を行ってもよい。
【００６７】
真空を用いたイオンインプランテーション法も用いることができる。これは、ドーピングしたい原子あるいは原子団のイオンビームを加速して有機半導体膜に照射するものである。イオンビームを収束させて描画することが可能なので、マスクを用いずに、直接ドーパントを電極パターンにドーピングすることも可能である。高いパターニングの精度やドーパント以外の物質の汚染を低くできることに特徴がある。
【００６８】
マスクを用いない方法としては、光によるドーパントの発生も可能である。例えば、光酸発生材を半導体膜に接して形成しておき、光照射により光のあたった部分にドーパント（この場合は酸）を発生させてドーピングすることが可能である。
【００６９】
（５）ドーピング領域
有機半導体膜において導電性付与剤をドーピングする領域（ドーピング領域）は、主としてソース電極及び／又はドレイン電極を構成する領域であり、電極パターン状にドーピングする。また、より高いキャリア移動度を得る目的で、ソース電極又はドレイン電極以外の他の領域にドーピングすることもできる。例えば、チャネル部分に導電性付与剤をドーピングし、電気伝導度を段階的にすることも可能である。この場合には、ソース電極及び／又はドレイン電極を構成する領域における導電性付与剤の濃度分布は、他の領域におけるものと異なることが必要であるが、他の領域におけるものよりも高くなることが好ましい。
【００７０】
電極パターンは、それぞれの素子の動作に必要なもので決まる。特に、電界効果トランジスタの場合には、ソース電極とドレイン電極間チャネルの長さ（Ｌ）と幅（Ｗ）で電気特性が決まる。また、それらの電極間を結ぶ配線もドーピングにより形成することができる。
【００７１】
また、ソース、ドレイン電極部分のみドーピングを用いる本手法で形成し、その電極間は印刷等の精度の高くない手法を用いる等、本発明と他の手法を組み合わせることも可能である。
【００７２】
３．電界効果トランジスタの製造方法
次に、本発明の電界効果トランジスタを製造する方法について説明する。図２は、本発明の電界効果トランジスタの製造方法の一例を模式的に示した説明図である。以下、図２を用いて説明する。
【００７３】
まず、基板６上にゲート電極５と絶縁膜２を設けたものの上に、有機半導体膜１を形成し、その上にマスクになる層（マスク層）７を形成する。図２ではマスク層７を設けた後で部分的に除くフォトリソグラフィーを用いる例を示しているが、パターンをスタンプや印刷で直接半導体層１上に形成することもできる。この際に、マスクの２つの開口部分に挟まれる、いわゆる電界効果トランジスタのチャネルに当たる部分がゲート電極５の上になるように位置あわせが必要である。その後でドーピングすることにより開口部分のみの電気伝導度を上昇させたドーピング領域８を形成し、本発明の電界効果トランジスタを製造することができる。
【００７４】
図２では、ドーピング領域８を２箇所設けることにより、一方をソース電極とし、他方をドレイン電極とするものであるが、このようなドーピング領域を１箇所のみ設ける場合には、後述するような導電性を有する材料を用いてソース電極又はドレイン電極を別途設けることも可能である。
【００７５】
次に、本発明の電界効果トランジスタを構成するそれぞれの層について説明する。
【００７６】
まず、基板は、上に形成される各層が剥離することなく保持できる必要がある。このような材料としては、例えば、樹脂からなる板やフィルム、紙、ガラス、セラミックなどの絶縁性材料、金属や合金などの導電性基板上にコーティング等により絶縁層を形成したもの、樹脂と無機材料など各種組合せからなる複合材、等が挙げられる。樹脂フィルムや紙を用いると、素子に可撓性を持たせることができ、好ましい。
【００７７】
ゲート電極、有機半導体膜上に一体的に形成しないソース電極又はドレイン電極は、導電性を有する材料を用いうる。例えば、白金、金、アルミニウム、クロム、ニッケル、コバルト、銅、チタン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ナトリウム等の金属及びそれらを含む合金、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリジアセチレン等の導電性高分子化合物、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素等の無機半導体、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト等の炭素材料等が挙げられる。また、導電性高分子化合物や無機半導体にはドーピングが行われていてもよい。ドーパントとしては、例えば、塩酸、硫酸、スルホン酸等の酸、ＰＦ５、ＡｓＦ５、ＦｅＣｌ３等のルイス酸、ヨウ素等のハロゲン原子、ナトリウム、カリウム等の金属原子等が挙げられる。また、上記材料にカーボンブラックや金属粒子などを分散した導電性の複合材料も用いうる。
【００７８】
また、これらの電極には配線が連結されているが、配線も電極とほぼ同様の材料により作製できる。
【００７９】
絶縁体層は絶縁性を有する材料を用いうる。例えば、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリビニルフェノール、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、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン等のポリマー及びこれらを組み合わせた共重合体、二酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン等の酸化物、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３等の強誘電性酸化物、窒化珪素等の窒化物、硫化物、フッ化物などの誘電体、あるいは、これら誘電体の粒子を分散させたポリマー等が挙げられる。
【００８０】
一般に、絶縁体層の静電容量が大きいほど、ゲート電圧を低電圧で駆動できることになるので有利である。このためには、誘電率の大きな絶縁材料を用いるか、絶縁体層の厚さを薄くすることが望ましい。
【００８１】
絶縁体層の膜厚は、上記の通り、必要な機能を果たせる範囲で、薄いほど好ましい。通常、膜厚は１ｎｍ以上であり、好ましくは５ｎｍ以上であり、より好ましくは１０ｎｍ以上である。但し、通常、膜厚は１０μｍ以下であり、好ましくは１μｍ以下であり、より好ましくは５００ｎｍ以下である。
【００８２】
半導体層の材料としては、上述の有機半導体材料を主成分として含む有機半導体膜が好ましく用いられる。主成分とは５０重量％以上含むことをいう。より好ましくは８０重量％以上を含む。特性を改善したり他の特性を付与するために、必要に応じて他の有機半導体材料と混合して用いたり、各種添加剤を添加してもよい。また、半導体層は複数の層から成ってもよい。
【００８３】
半導体層の膜厚は、必要な機能を果たせる範囲で、薄いほど好ましい。ソース電極とドレイン電極とがほぼ水平に配置された横型の電界効果トランジスタ素子においては、所定以上の膜厚があれば素子の特性は膜厚に依存しない一方、膜厚が厚くなると漏れ電流が増加してくることが多いためである。必要な機能を果たすために、通常、膜厚は１ｎｍ以上であり、好ましくは５ｎｍ以上であり、より好ましくは１０ｎｍ以上である。但し、通常、膜厚は１０μｍ以下であり、好ましくは１μｍ以下であり、より好ましくは５００ｎｍ以下である。
【００８４】
また、各層の間や素子の外面には、必要に応じて他の層を設けてもよい。例えば、外気の影響を最小限にするために、素子にはさらに保護層を形成することができる。保護層の材料は特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン、ポリイミド、ポリビニルアルコール等の各種樹脂からなる膜や、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素等、無機酸化膜や窒化膜等の誘電体からなる膜が好ましく挙げられる。
【００８５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００８６】
【実施例】
以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
３００ｎｍの酸化膜を形成したＮ型のシリコン基板（Ｓｂドープ、抵抗率０．０２Ωｃｍ以下、住友金属工業社製）を、フォトリソグラフィーを用いて酸化膜の一部分のみをフッ酸／フッ化アンムニウム液でエッチングし、むき出しになったＳｉ部分に金を蒸着し、これをシリコン基板に電圧を印加するための電極（ゲート電極）とした。
【００８７】
次に示すビシクロ化合物２ｍｇをクロロホルム１ｍＬに溶解し、これを上記基板上にスピンコートすることにより良好な膜を得た。この膜を２１０℃で１０分間加熱することにより脱エチレン反応が起こり、テトラベンゾポルフィリンの膜が得られた。
【００８８】
【化５】
2004228371.tif 000006
【００８９】
この膜にネガレジストを塗布し、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のソース電極とドレイン電極の形状のマスクを通して露光現像した。この電極の形状は、図３に示すように、２．５μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、５０μｍの長さ（Ｌ）で２５０μｍ、１０００μｍの幅（Ｗ）のチャネルを形成するものである。
【００９０】
これを少量のヨウ素を入れたガラス容器に室温で１時間入れ、ドーピング操作を行った。このドーピングによるソース電極及びドレイン電極と、基板をゲート電極として、アジレントテクノロジー社製半導体パラメータアナライザー４１５５Ｃを用いてＦＥＴの特性を測定した。するとゲート電極の電圧印加により明確なソース−ドレイン間の電流の上昇が認められ、ＦＥＴ特性が見られた。この特性から移動度を見積もると、５×１０−３ｃｍ２／Ｖｓであった。
【００９１】
（比較例１）
実施例１と同じシリコン基板上にフォトリソグラフィーで長さ（Ｌ）１０μｍ、幅（Ｗ）２５０μｍのギャップを有する金電極（ソース、ドレイン電極）を形成した。また、この電極と異なる位置の酸化膜をフッ酸／フッ化アンモニウム溶液でエッチングし、むき出しになったＳｉ部分に金を蒸着し、これをシリコン基板（ゲート電極）に電圧を印加するための電極とした。
【００９２】
ビシクロ化合物２ｍｇをクロロホルム１ｍＬに溶解し、これをスピンコート法により、ソースドレイン間に良好な膜を得た。この基板を、２１０℃で１０分間加熱してベンゾポルフィリンの膜を得た。
【００９３】
こうして得られた電界効果トランジスタの特性を、アジレントテクノロジー社製半導体パラメータアナライザー４１５５Ｃを用いて測定し、移動度を計算すると、１×１０−３ｃｍ２／Ｖｓであった。
【００９４】
【発明の効果】
本発明は、ソース電極及び／又はドレイン電極を構成する領域における導電性付与剤の濃度分布が他の領域のものと異なることによって、界面を明確に存在させることなく、有機半導体膜の一部にソース電極とドレイン電極とを設けることができるので、これらの電極と半導体層のチャネル部分との界面の障壁を少なくすることができ、キャリアの流れがスムーズに行われ、動作特性の良好な電界効果トランジスタを得ることができるといった効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な電界効果トランジスタの構造例の模式図である。
【図２】本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法を説明するための説明図である。
【図３】実施例１における電極の形状を説明するための説明図である。
【図４】本発明に係る電界効果トランジスタの電極パターンの構造例の模式図である。
【符号の説明】
１  …  半導体層
２  …  絶縁体層
３  …  ソース電極
４  …  ドレイン電極
５  …  ゲート電極
６  …  基板
７  …  マスク層
８  …  ドーピング領域
Ｗ  …  電極幅
Ｌ  …  電極間距離
【図１】
2004228371.tif 000007
【図２】
2004228371.tif 000008
【図３】
2004228371.tif 000009
【図４】
2004228371.tif 000010