(57)【要約】【課題】高い性能を示し、かつソース電極−ドレイン電極間に流れるＯＦＦ電流の少ない低消費電力の有機薄膜電界効果トランジスターを提供すること。【解決手段】少なくともソース電極、ドレイン電極、ゲート絶縁膜、及び有機半導体薄膜を含む有機薄膜電界効果トランジスターにおいて、ゲート絶縁膜の上に配置される有機半導体薄膜の表面上に配置されていた前記ソース電極、ドレイン電極を有機半導体薄膜内中央に配置することで、電界効果トランジスター特性を維持しつつ、ＯＦＦ電流が抑制された高性能のトランジスターを提供する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともソース電極、ドレイン電極、ゲート絶縁膜、及び有機半導体薄膜を含む有機薄膜電界効果トランジスターであって、ゲート絶縁膜上に配置される有機半導体薄膜内中央に前記ソース電極、ドレイン電極を配置したことを特徴とする有機薄膜電界効果トランジスター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な電界効果トランジスターに関し、特に非動作時のＯＦＦ電流を少なくした有機薄膜電界効果トランジスターの素子構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報技術の進展により、ノート型パーソナルコンピューターや携帯型情報ツール、携帯電話等を用いた時間と場所に限定されない、ユビキタス情報通信サービスが本格化しつつある。通信速度が高速化するに従い大容量の情報が容易に受信できるようになってきており、静止画、さらには動画などの画像情報の表示を担うディスプレイに関してもその性能の向上が望まれている。
【０００３】
上述した携行可能な端末に適したディスプレイとしては、高い精細性を有し、薄く、軽量であることが好ましく、現在では液晶素子を利用したディスプレイが広く用いられている。液晶素子を利用したディスプレイにおいては、個々の画素を薄膜トランジスターを集積した基板上に形成させ、この薄膜トランジスターによって各画素の階調等を制御し表示を行わせる、いわゆるアクティブマトリックス方式が主流になりつつある。通常はアモルファスシリコンやポリシリコンなどの無機の半導体薄膜電解効果トランジスターを集積させたガラス板が広く用いられている。
【０００４】
この薄膜トランジスターの作製に対して半導体活性層に有機低分子、または高分子性の有機半導体を用いると、比較的低温度での蒸着や、溶液などのキャストなどにより活性層薄膜が作製できるため、製造のコストが低くなるという効果が期待されるほか、ガラス基板のみならずプラスチックなど、無機半導体を堆積させる温度において熱的耐久性が小さい基板上にも原理的には電界効果トランジスターを作製できるという利点がある。
【０００５】
薄膜トランジスターを集積したプラスチック基板上に液晶ディスプレイが作製できれば、上述した携行可能な情報端末により軽量なディスブレイを搭載可能になる。さらに有機薄膜電界効果トランジスターでパターニングした柔軟性を持つプラスチック基板上に、近年その性能が著しく向上した有機電界発光素子を画素として集積させたアクティブマトリックス型ディスプレイが作製できるようになると、薄型、軽量であることに加えて、曲げたり折りたたんだりが可能な柔軟性のあるディスプレイを作製できる可能性も指摘されている。
【０００６】
こうしたことから、近年優れた性能を示す有機薄膜電界効果トランジスターの開発が活発に行われるようになってきており、有機低分子蒸着薄膜〔例えばアイトリプルイー　エレクトロン　デバイス　レターズ（ＩＥＥＥ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ，Ｌｅｔｔｅｒｓ）第１８巻、第６０６頁（１９９７）〕や、立体規則性の高い共役高分子薄膜〔例えばサイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）第２８０巻、第１７４１頁（１９９８）〕を活性層に用いた薄膜電界効果トランジスターが作製され、優れたトランジスター特性を示すことが報告されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
携帯型情報端末のディスプレイ等に利用する有機薄膜電界効果トランジスターとしては、端末の低消費電力を考慮し、ゲート電極に電圧を印加した場合にのみソース−ドレイン電極間に電流が流れる、いわゆるエンハンスメント型の電界効果トランジスターが有望とされている。
【０００８】
エンハンスメント型有機薄膜電界効果トランジスターで高い動作特性を実現させるためには、比較的低いゲート電圧で大きな電流の変調を可能にする有機半導体、ソース電極、ドレイン電極、及びゲート絶縁体材料の選択とトランジスターの素子構造の最適化を行う必要があるほか、ゲート電圧を印加しない場合、すなわち非動作時のＯＦＦ電流を抑制することも、非動作時と動作時の電流値の比（ＯＮ／ＯＦＦ比）の向上、及び前述した低消費電力化の観点から重要となっている。
【０００９】
一般には、有機半導体薄膜（層）中のドナー性、アクセプター性、イオン性などの不純物の混入を避けることによって、ソース電極、ドレイン電極間に流れるＯＦＦ電流の低減が試みられているが、有機薄膜電界効果トランジスターにおいて、ソース電極、ドレイン電極が通常形成されるゲート絶縁膜（層）界面、もしくは有機半導体薄膜表面近傍は、有機半導体膜の不連続性などの影響から、電子や正孔などのキャリアが誘起されやすい可能性があり、このキャリア生成機構に起因するＯＦＦ電流を抑制する必要がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために、少なくともソース電極、ドレイン電極、ゲート絶縁膜（層）、及び有機半導体薄膜（層）を含む有機薄膜電界効果トランジスターにおいて、ゲート絶縁膜膜の上に配置される有機半導体薄膜の表面上に配置されていた前記ソース電極、ドレイン電極を有機半導体薄膜内中央に配置した構造の有機薄膜電界効果トランジスターを提供する。この構造により、非動作時のＯＦＦ電流が少ない有機薄膜電界効果トランジスターを提供することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を詳細に説明する。チャンネルエンハンスメント型有機薄膜電界効果トランジスターの非動作時におけるＯＦＦ電流の主な原因としては、ゲート絶縁膜の不完全性に基づく、ゲート電極−ソース電極間、もしくはゲート電極−ドレイン電極間に流れる電流や、有機半導体中の不純物によって生成する電子や正孔、もしくはイオン等をキャリアとする電流の他に、前述したようにゲート絶縁膜−有機半導体薄膜界面、もしくは有機半導体薄膜表面近傍において、有機半導体薄膜の不連続性に起因するキャリア生成に基づき、ソース電極、ドレイン電極間を流れるＯＦＦ電流の存在が指摘されている。
【００１２】
本発明者らは、有機半導体層に対するソース電極、ドレイン電極の位置と有機薄膜電界トランジスターの特性との関係を詳細に検討した結果、有機半導体薄膜層を薄くすることによりＯＦＦ電流を減少できるものの、同時にトランジスターの特性が低下するという不具合の発生を確認した。そこで、ソース電極、ドレイン電極をゲート絶縁体界面、及び有機半導体薄膜（層）表面から離した有機半導体薄膜層中に配置することにより、有機半導体薄膜層を薄くした場合と同様にＯＦＦ電流が著しく低減するとともに、半導体層を厚くした場合と同様の良好なトランジスター特性を示すチャンネルエンハンスメント型有機薄膜電界効果トランジスターを作製した。
【００１３】
以下、本発明を図面を参照しつつ具体的に説明する。図１は、本発明の有機薄膜電界効果トランジスターの構造を概念的に示す図を表す。
【００１４】
図（ａ）中、１は導電性基板のゲート電極、１ａはゲート電極（導電性基板）１上に形成されたゲート絶縁膜（層）、２は電子ないしは正孔輸送性を示し、かつ電子もしくは正孔密度が電界効果によって変調を受ける性質を持つ有機半導体薄膜（層）、３はソース電極、４はドレイン電極を表す。ソース電極３、ドレイン電極４は、ゲート絶縁膜１ａと有機半導体薄膜２との界面、薄膜２の表面からそれぞれ離れた有機半導体薄膜２中に所定の間隔を持って形成される。
【００１５】
ゲート絶縁膜１ａを形成させたゲート電極１の導電性基板としては、導電性があり、かつ電気抵抗の小さい基板上に誘電体等の絶縁性の高い膜を形成させたもので、表面酸化膜を形成させた高ドープ結晶シリコン、絶縁性高分子でコートした金属基板等を使用することができる。絶縁膜１ａの厚さはいくらでも構わないが、好ましくは１０ｎｍから３００ｎｍ程度の範囲で選ばれる。
【００１６】
有機半導体薄膜２は電子輸送性があり、かつ電界効果により電子密度の変調が起こりうる有機材料、もしくは正孔輸送性があり、かつ電界効果によって正孔密度の変調が起こり得る有機材料の薄膜であれば何でもよく、前者の例としてはペリレンテトラカルボン酸無水物及びその誘導体、ペリレンテトラカルボキシジイミド誘導体、金属フタロシニアン誘導体、フラーレン類の蒸着薄膜、後者の例としては、ペンタセンを始めとする多環芳香族単化水素、フタロシアニン誘導体、ポリチオフェン誘導体や、ポリパラフェニレンビニレン誘導体などのπ共役高分子などが挙げられる。有機薄膜２の厚みはいくらでも構わないが、好ましくは５０ｎｍ以上１μｍ以下の厚みで形成される。
【００１７】
ソース電極３、ドレイン電極４としては、抵抗の小さく導電性を有するものであれば何でも良く、金やアルミニウム、銅などの金属類や、インジウム錫酸化物やグラファイトなどの導電体を真空蒸着やスパッタ蒸着した薄膜、もしくはドープした導電性高分子の薄膜などが挙げられる。各電極はシャドウマスク等を介して、または通常のリソグラフィー技術等を用いて任意の線形状に形成する。
【００１８】
各電極の厚みは、有機半導体薄膜２の全厚を越えない範囲で選ばれ、好ましくは２０ｎｍから１００ｎｍの範囲で形成する。なお、ソース電極３とドレイン電極４の間隔はできるだけ短い方がトランジスターの動作上好ましく０．１μｍから１００μｍ以下の範囲で選ばれる。
【００１９】
このソース電極３、ドレイン電極４の作製に際して、事前に有機半導体薄膜２の一部を予め形成した後に、その上に、上記の方法に従いソース電極３、ドレイン電極４を作製し、さらに有機半導体薄膜２の残りの一部をソース電極３、ドレイン電極４上に形成することによって、ソース電極３、ドレイン電極４を有機半導体薄膜２中間に埋め込んだ構造を有する有機薄膜電界効果トランジスターを作製する。
【００２０】
なお、ソース電極３、ドレイン電極４を形成させる位置は、有機半導体薄膜２の全膜厚にもよるが、ゲート絶縁膜表面上、及び有機半導体薄膜２表面から下に、有機半導体薄膜２を形成する有機分子に対して数分子程度の範囲内で選ばれるか、好ましくは有機半導体薄膜２の厚みの半分以下程度以下の位置に形成されることで相対的に高いＯＦＦ電流の抑制効果が得られる。
【００２１】
本発明の有機薄膜電界効果トランジスターを実施例及び参照例により更に具体的に説明するが、本発明は実施例に何ら限定されるものではない。
【００２２】
参照例１
片側に酸化絶縁膜（３００ｎｍ）を形成させ、りんドープのシリコン基板をゲート絶縁膜付のゲート電極とした。この基板のシリコン酸化膜上に幅１００μｍ、長さ５ｍｍ、間隔２０μｍの形状にパターンを切ったメタルマスクを配し、金を真空度２×１０−６トールで３０ｎｍの厚みになるように加熱真空蒸着を行い、ソース電極、ドレイン電極を形成した。このソース電極、ドレイン電極上にフタロシアニン銅（ＩＩ）（以下ＣｕＰｃと略す）を真空度１×１０−６トールで水晶振動子式の膜厚計で膜厚をモニターしつつ加熱真空蒸着を行い、１００ｎｍの厚さのＣｕＰｃ薄膜を形成し、ＣｕＰｃ膜厚１００ｎｍのボトムコンタクト型トランジスターを作製した。（図２の下図の構造概念図参照）
【００２３】
図２は、参照例１の有機薄膜電界効果トランジスターのゲート電極に負の電圧（ＶＧＳ）を印加し、電圧を段階的に上昇させ、それぞれのゲート電極電圧において、ソース電極を接地、ドレイン電極を負になるようにソース電極−ドレイン電極間に電圧（ＶＤＳ）を印加、掃引して得られたドレイン電流−電圧（ＩＤ−ＶＤＳ）特性を示す。ここで、参照例１の、ＣｕＰｃ膜厚１００ｎｍのボトムコンタクト型トランジスターのシリコン基板に対して、金配線でオーム性接触させゲート電極として作用させた。図２より、参照例１の有機薄膜電界効果トランジスターは、あるゲート電圧以上で、典型的なｐチャンネルエンハンスメント型の電界効果トランジスター特性を示すことが分かる。飽和領域の正孔移動度は５．３×１０−２（ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ）、伝達コンダクタンスは３．５×１０−７（Ω−１）の値が得られた。
【００２４】
参照例２
参照例１の有機薄膜電界効果トランジスターで用いたものと同じく、片側に酸化絶縁膜（３００ｎｍ）を形成させたりんドープのシリコン基板をゲート絶縁膜付のゲート電極とした。この基板のシリコン酸化膜上にＣｕＰｃを真空度１×１０−６トールで水晶振動子式の膜厚計で膜厚をモニターしつつ加熱真空蒸着を行い、１００ｎｍの厚さのＣｕＰｃ薄膜を形成した。このＣｕＰｃ膜上に、幅１００μｍ、長さ５ｍｍ、間隔２０μｍの形状にパターンを切ったメタルマスクを配し、金を真空度２×１０−６トールで３０ｎｍの厚みになるように加熱真空蒸着を行い、ソース電極、ドレイン電極を形成し、ＣｕＰｃ膜厚１００ｎｍのトップコンタクト型トランジスターを作製した。（図３の下図の構造概念図参照。なお、有機薄膜電界効果トランジスターでは、「トップコンタクト型」とはソース電極、ドレイン電極が有機半導体薄膜層表面に配置された構造、「ボトムコンタクト型」とはソース電極、ドレイン電極がゲート絶縁膜層表面に配置された構造を有するものを表す。）
【００２５】
図３は、参照例２で作製した有機薄膜電界効果トランジスターのゲート電極に負の電圧を印加し、段階的に上昇させ、それぞれのゲート電極電圧でソース電極、ドレイン電極問の電圧を掃引して得られた電流−電圧特性を示す。ここで、参照例２におけるＣｕＰｃ膜厚１００ｎｍのトップコンタクト型トランジスターのシリコン基板に対して、金配線でオーム性接触させゲート電極として作用させた。図３から、参照例３の有機薄膜電界効果トランジスターは、あるゲート電圧以上で、典型的なｐチャンネルエンハンスメント型の電界効果トランジスター特性を示すことが分かる。飽和領域の正孔移動度は７．６×１０−２（ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ）、伝達コンダクタンスは６．１×１０−７（Ω−１）の値が得られた。
【００２６】
参照例３
参照例２の有機薄膜電界効果トランジスターで用いたものと同じく、片側に酸化絶縁膜（３００ｎｍ）を形成させ、りんドープのシリコン基板をゲート絶縁膜付のゲート電極とした。この基板のシリコン酸化膜上に幅１００μｍ、長さ５ｍｍ、間隔２０μｍの形体にパターンを切ったメタルマスクを配し、金を真空度２×１０−６トールで３０ｎｍの厚みになるように加熱真空蒸着を行い、ソース電極、ドレイン電極を形成した。このソース電極、ドレイン電極上にフタロシアニン銅（ＩＩ）（以下ＣｕＰｃと略す）を真空度１×１０−６トールで水晶振動子式の膜厚計で膜厚をモニターしつつ加熱真空蒸着を行い、５０ｎｍの厚さのＣｕＰｃ薄膜を形成し、ＣｕＰｃ膜厚５０ｎｍのボトムコンタクト型トランジスターを作製した。
【００２７】
図４は、参照例３の有機薄膜電界効果トランジスターのゲート電極に負の電圧を印加し、段階的に上昇させ、それぞれのゲート電極電圧でソース電極、ドレイン電極間の電圧を掃引して得られた電流−電圧特性図である。ここで、参照例３の有機薄膜電界効果トランジスターの、ＣｕＰｃ膜厚５０ｎｍのボトムコンタクト型トランジスターのシリコン基板に対して、金配線でオーム性接触させゲート電極として作用させた。図４から参照例３の有機薄膜電界効果トランジスターは、負のゲート電圧を印加することで、典型的なｐチャンネルエンハンスメント型の電界効果トランジスター特性を示すことが分かる。飽和領域における正孔移動度は、３．９×１０−２（ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ）、伝達コンダクタスは１．７×１０−７（Ω−１）の値が得られた。図２〜図４から、有機薄膜電界効果トランジスターの有機半導体薄膜厚を薄くすると有機薄膜電界効果トランジスターの性能は悪くなることが分かる。ただし、ここでトランジスターの性能は同じゲート電圧、ソース電極−ドレイン電極間電圧で比較した場合におけるドレイン電流の大きさを指標とするものである。
【００２８】
実施例
参照例１の有機薄膜電界効果トランジスターで用いたものと同じ、片側に酸化絶縁膜（３００ｎｍ）を形成させたりんドープのシリコン基板をゲート絶縁膜付のゲート電極とした。この基板のシリコン酸化膜上にＣｕＰｃを真空度１×１０−６トールで水晶振動子式の膜厚計で膜厚をモニターしつつ加熱真空蒸着を行い、５０ｎｍの厚さのＣｕＰｃ薄膜を形成した。
【００２９】
このＣｕＰｃ膜上に、幅１００μｍ、長さ５ｍｍ、間隔２０μｍの形状にパターンを切ったメタルマスクを配し、金を真空度２×１０−６トールで３０ｎｍの厚みになるように加熱真空蒸着を行い、ソース電極、ドレイン電極を形成した。引き続き、ソース電極、ドレイン電極上にＣｕＰｃを真空度１×１０−６トールで水晶振動子式の膜厚計で膜厚をモニターしつつ加熱真空蒸着を行い５０ｎｍの厚さのＣｕＰｃ薄膜を形成し、ソース電極、ドレイン電極をＣｕＰｃ膜のほぼ中央部に埋め込んだ、ＣｕＰｃ全厚１００ｎｍの有機薄膜電界効果トランジスターを作製した。（図１の構造概念図参照）
【００３０】
図５は、実施例の有機薄膜電界効果トランジスターのゲート電極に負の電圧を印加し、段階的に上昇させ、それぞれのゲート電極電圧でソース電極、ドレイン電極間の電圧を走引して得られた電流−電圧特性を示す。ソース電極、ドレイン電極をＣｕＰｃ膜中央部に埋め込んだ、ＣｕＰｃ全厚１００ｎｍのトランジスターのシリコン基板に対して、金配線でオーム性接触させゲート電極として作用させた。図５より、本実施例の有機薄膜電界効果トランジスターは、あるゲート電圧以上で、典型的なｐチャンネルエンハンスメンド電界効果トランジスター特性を示すことが分かる。飽和領域の正孔移動度は６．２×１０−２（ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ）、伝達コンダクタンスは３．９×１０−７（Ω−１）の値が得られ、参照例１の有機薄膜電界効果トランジスターと同程度の性能を有することが確認された。
【００３１】
図６は、参照例１〜参照例３及び実施例の各有機薄膜電界効果トランジスターに対して、それぞれのゲート電極に電圧を全く印加しない状態で（ＶＧＳ＝０）ソース電極、ドレイン電極間の電圧ＶＳＤを掃引することによりＯＦＦ電流を評価した結果を示す。
【００３２】
実施例と参照例との比較
図６に示すように参照例１〜参照例３の有機薄膜電界トランジスターのＯＦＦ電流は、有機半導体薄膜層の膜厚が増すにつれて上昇した。一方、実施例のＯＦＦ電流は、参照例１及び参照例２のＯＦＦ電流に比べて１桁程度小さく、参照例１のＯＦＦ電流とほぼ同程度となることを確認した。一方、図５，図２の特性から実施例と参照例１とは同程度のトランジスター動作特性を有している。
【００３３】
このことから、ソース電極、ドレイン電極を有機半導体薄膜内中間に埋め込むことにより、十分な膜厚を有する有機薄膜電界効果トランジスターと同程度の動作特性を維持し（図２参照）、かつ膜厚が薄い場合と同程度にＯＦＦ電流を抑える効果が得られることが分かる。
【００３４】
なお、本発明は、上記実施例に限定されることなく、本発明の技術範囲にしたがって種々の設計変更をすることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、チャンネルエンハンスメント型有機薄膜電界効果トランジスターにおいて、ソース電極、ドレイン電極を活性層となる有機薄膜内中央部に埋め込むことにより、電界効果トランジスター動作特性を維持しつつ、有機薄膜層の厚さを十分に薄くした場合と同等のＯＦＦ電流の低減を達成させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の有機薄膜電界効果トランジスターの概念的構造図である。
【図２】参照例１の有機薄膜電界効果トランジスターの、種々の負のゲート電圧を印加した場合の電流−電圧特性を示す図である。
【図３】参照例２の有機薄膜電界効果トランジスターの、種々の負のゲート電圧を印加した場合の電流−電圧特性を示す図である。
【図４】参照例３の有機薄膜電界効果トランジスターの、種々の負のゲート電圧を印加した場合の電流−電圧特性を示す図である。
【図５】実施例の有機薄膜電界効果トランジスターの、種々の負のゲート電圧を印加した場合の電流−電圧特性を示す図である。
【図６】参照例１〜参照例３及び実施例１の有機薄膜電界効果トランジスターの、ゲート電圧を印加しない場合の電流−電圧特性を比較した図である。
【符号の説明】
１　　ゲート電極（導電性基板）
１ａ　ゲート絶縁膜（層）
２　　有機半導体薄膜（層）
３　　ソース電極
４　　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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【図６】
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