(57)【要約】【課題】  簡単な構成により低コストで、ｐ型としてもｎ型としても構成され、さらに電流駆動能力が高い高分子材料系の有機薄膜、それを用いた半導体装置並びにそれらの製造方法を提供する。【解決手段】  基板１１上に形成したチャネルとなる有機半導体層１６を備えた電界効果トランジスタ１０であって、有機半導体層１６が、ポリフェニレンビニレンの誘導体またはポリチオフェン系高分子材料からなる第１の材料と、Ｃn フラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数）、Ｃn フラーレン誘導体、半導体性を有するＣＮＴｓ（カーボンナノチューブ）、ＣＮＴｓ化合物の少なくとも１種類からなる第２の材料と、の混合体から成る。有機半導体層１６は塗布成膜法により製造でき、しかも、その導電型を制御できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリフェニレンビニレンの誘導体またはポリチオフェン系高分子材料からなる第１の材料と、Ｃn フラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数），Ｃn フラーレン誘導体，半導体性を有するＣＮＴｓ（カーボンナノチューブ），ＣＮＴｓ化合物の少なくとも１種類からなる第２の材料と、の混合体から構成されていることを特徴とする、有機半導体。
【請求項２】
前記第１の材料及び第２の材料の混合体重量比ｘを、ｘ＞１．１乃至１．５とすることで前記有機半導体の導電型をｐ型に設定し、ｘ＜１．１乃至１．５とすることで前記有機半導体の導電型をｎ型に設定することを特徴とする、請求項１に記載の有機半導体。
【請求項３】
基板上に形成されたチャネルとなる有機半導体層を備えた電界効果トランジスタであって、
上記有機半導体層が、ポリフェニレンビニレンの誘導体またはポリチオフェン系高分子材料からなる第１の材料と、Ｃn フラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数）、Ｃn フラーレン誘導体、半導体性を有するＣＮＴｓ（カーボンナノチューブ）、ＣＮＴｓ化合物の少なくとも１種類からなる第２の材料と、の混合体から成ることを特徴とする、電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記第１の材料及び第２の材料の混合体の重量比ｘを、ｘ＞１．１乃至１．５とすることで前記有機半導体の導電型をｐ型に設定し、ｘ＜１．１乃至１．５とすることで前記有機半導体の導電型をｎ型に設定することを特徴とする、請求項３に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記有機半導体層が、前記基板上に塗布成膜法により成膜されることを特徴とする、請求項３又は４に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項６】
前記有機半導体層の少なくとも一部が、真空中または所定のガス雰囲気中において、所定の時間で光照射処理され、電界効果トランジスタの相互コンダクタンスを上昇させたことを特徴とする、請求項３〜５の何れかに記載の電界効果トランジスタ。
【請求項７】
基板上に形成されたチャネルとなる有機半導体層を備えた光電界効果トランジスタであって、
上記有機半導体層が、ポリフェニレンビニレンの誘導体またはポリチオフェン系高分子材料からなる第１の材料と、Ｃn フラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数），Ｃn フラーレン誘導体，半導体性を有するＣＮＴｓ（カーボンナノチューブ），ＣＮＴｓ化合物の少なくとも１種類からなる第２の材料と、の混合体から成り、
上記有機半導体層への光照射に応じて上記光電界効果トランジスタのドレイン及びソース間の電流が変化することを特徴とする、光電界効果トランジスタ。
【請求項８】
前記第１の材料及び第２の材料の混合体の重量比ｘを、ｘ＞１．１乃至１．５とすることで前記有機半導体の導電型をｐ型に設定し、ｘ＜１．１乃至１．５とすることで前記有機半導体の導電型をｎ型に設定することを特徴とする、請求項７に記載の光電界効果トランジスタ。
【請求項９】
基板上に形成された有機半導体層を含む集積回路であって、
上記有機半導体層が、ポリフェニレンビニレンの誘導体またはポリチオフェン系高分子材料からなる第１の材料と、Ｃn フラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数）、Ｃn フラーレン誘導体、半導体性を有するＣＮＴｓ（カーボンナノチューブ）、ＣＮＴｓ化合物の少なくとも１種類からなる第２の材料と、の混合体から成ることを特徴とする集積回路。
【請求項１０】
前記第１の材料及び第２の材料の混合体の重量比ｘを、ｘ＞１．１乃至１．５とすることで前記有機半導体の導電型をｐ型に設定し、ｘ＜１．１乃至１．５とすることで前記有機半導体の導電型をｎ型に設定することを特徴とする、請求項９に記載の集積回路。
【請求項１１】
前記集積回路は、前記有機半導体層の導電型がｐ型であるｐ型電界効果トランジスタと、前記有機半導体層の導電型がｎ型であるｎ型電界効果トランジスタとからなる相補型インバータからなる相補型集積回路であることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の集積回路。
【請求項１２】
ポリフェニレンビニレンの誘導体またはポリチオフェン系高分子材料からなる第１の材料と、Ｃn フラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数）、Ｃn フラーレン誘導体、半導体性を有するＣＮＴｓ（カーボンナノチューブ）、ＣＮＴｓ化合物の少なくとも１種類からなる第２の材料と、を混合し、この混合体を、塗布成膜法により基板上に塗布して、有機半導体層を成膜する工程を含んでいることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記有機半導体層を有する前記半導体装置は、電界効果トランジスタ、光電界効果トランジスタ、集積回路、相補型集積回路の何れかであることを特徴とする、請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記第１の材料及び第２の材料の混合体の重量比ｘを、ｘ＞１．１乃至１．５とすることで前記有機半導体の導電型をｐ型に設定し、ｘ＜１．１乃至１．５とすることで前記有機半導体の導電型をｎ型に設定することを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
さらに、前記有機半導体層が真空中または所定のガス雰囲気中において、所定の時間で光照射される、光照射工程を備えていることを特徴とする、請求項１２〜１５の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記有機半導体層への光照射により前記半導体装置に含まれる電界効果トランジスタの特性を調整することを特徴とする、請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子系材料を用いた有機半導体及びそれを用いた半導体装置並びにそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高分子材料系の有機薄膜を使用した電界効果トランジスタは、例えばＳｉ基板表面に形成された酸化膜、または酸化膜を予め堆積したＰＥＴ等のフレキシブル基板上に、高分子材料を、例えば塗布成膜による簡単なインクジェットや輪転機等による印刷によって形成するようにしている。
【０００３】
ところで、このような高分子材料系の有機薄膜を使用した電界効果トランジスタは、多くの場合ｐ型電界効果トランジスタである。
これに対して、ｎ型の電界効果トランジスタを構成するためには、高分子材料として、Ｃn フラーレンまたはその誘導体を使用することが研究されているが、これらの材料を基板上に成膜するための方法として、例えば真空蒸着法が使用されているため、従来の高分子材料系の場合と同様に、簡単な塗布成膜によって電界効果トランジスタを製造することは困難であった。
また、これらの材料は大気中で不安定であることから、成膜後に封止膜により大気から遮断する必要があり、工程数が増えてしまうことになる。
従って、例えば消費電力を低減するために、ｐ型とｎ型が混在するような、所謂相補型集積回路を構成することは不可能であった。
【０００４】
また、電界効果トランジスタ内におけるキャリア移動度を高めるために、チャネル長を短くして電流駆動能力を高めるための研究が広く行なわれている。
キャリア移動度を高めることによって、電流駆動能力やスイッチング速度を高めることは可能ではあるが、高分子材料を用いた電界効果トランジスタの電流駆動能力は、低分子材料を用いた場合と比較して低い。
従来のＬＳＩプロセスでは、成膜過程もしくは成膜後にフォトリソグラフィー法を使用して素子化を行っていた。しかし、高分子膜の成膜後にフォトリソグラフィー法を用いると、それに要する温度工程及び露光に用いる紫外線の影響により高分子の特性が劣化することからその導入ができなかった。
従って、上述した塗布成膜による簡単なインクジェットや輪転機等による印刷により高分子材料の成膜を行なうことになるが、このような方法では、数ミクロンからサブミクロンオーダーの非常に微細な構造を作製することは難しく、従ってチャネル長を高精度で短くすることは困難である。
【０００５】
これに対して特許文献１においては、Ｃn 化合物（ｎは６０以上の整数）と、このＣn とは異なるπ共役系化合物を積層または混合状態で蒸着により堆積させるようにした、ｎ型の電界効果トランジスタが開示されている。
また、特許文献２においては、半導体層として薄膜のフラーレン（例えばＣ60）を超高真空中で基板上に蒸着により堆積させ、その後保護膜により封止するようにしたｎ型の電界効果トランジスタが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平０６−２７３８１１号公報
【特許文献２】特開平０８−２６４８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１における電界効果トランジスタにおいては、Ｃn 化合物とπ共役系化合物をそれぞれ堆積させて積層する場合には、工程数が多くなると共に、それぞれ真空蒸着法により成膜が行なわれることから、コストが高くなってしまうという課題がある。
また、Ｃn 化合物とπ共役系化合物を同時に蒸着させて、混合状態で堆積させる場合には、蒸着の際の熱によってπ共役系化合物の物性が変化してしまい、良好な電界効果トランジスタが得られないという課題がある。
【０００８】
また、特許文献２における電界効果トランジスタにおいては、超高真空中での蒸着工程が必要であり、製造コストが高くなってしまうという課題がある。
【０００９】
さらに、上記特許文献１及び特許文献２においては、何れもｎ型のみの半導体層そして電界効果トランジスタが製造され、ｐ型及びｎ型から成る所謂相補型の集積回路を実現するようには構成されていないという課題がある。
【００１０】
本発明は、以上の点に鑑み、簡単な構成により低コストで、ｐ型としてもｎ型としても構成され得、さらに電流駆動能力を高めるようにした、高分子材料系の有機半導体及びそれを用いた半導体装置並びにそれらの製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の有機半導体は、ポリフェニレンビニレンの誘導体またはポリチオフェン系高分子材料からなる第１の材料と、Ｃn フラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数），Ｃn フラーレン誘導体，半導体性を有するＣＮＴｓ（カーボンナノチューブ），ＣＮＴｓ化合物の少なくとも１種類からなる第２の材料と、の混合体から構成されていることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、第１の材料及び第２の材料の混合体重量比ｘを、ｘ＞１．１乃至１．５とすることで有機半導体の導電型をｐ型に設定し、ｘ＜１．１乃至１．５とすることで有機半導体の導電型をｎ型に設定する。
【００１２】
上記構成によれば、第１の材料と第２の材料を混合することにより、ｐ型及びｎ型の半導体を得ることができる。そして、このように製造された半導体は、大気中で安定していると共に、キャリア移動度を高くできる。
【００１３】
さらに、本発明の電界効果トランジスタは、基板上に形成されたチャネルとなる有機半導体層を備え、有機半導体層が、ポリフェニレンビニレンの誘導体またはポリチオフェン系高分子材料からなる第１の材料と、Ｃn フラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数），Ｃn フラーレン誘導体，半導体性を有するＣＮＴｓ（カーボンナノチューブ），ＣＮＴｓ化合物の少なくとも１種類からなる第２の材料と、の混合体から成ることを特徴とする。  上記構成において、好ましくは、第１の材料及び第２の材料の混合体重量比ｘを、ｘ＞１．１乃至１．５とすることで有機半導体の導電型をｐ型に設定し、ｘ＜１．１乃至１．５とすることで有機半導体の導電型をｎ型に設定する。
上記有機半導体層は、好ましくは、基板上に塗布成膜法により成膜される。また、有機半導体層の少なくとも一部が、好ましくは、真空中または所定のガス雰囲気中において、所定の時間で光照射処理され、電界効果トランジスタの相互コンダクタンスを上昇させることができる。
【００１４】
上記構成によれば、特に、従来、塗布成膜法により得ることが困難であった高分子材料系のｎ型電界効果トランジスタを塗布成膜法により容易に実現できる。
従って、従来のような積層工程を必要としないことから工程数が少なくて済むと共に、第１の材料及び第２の材料が大気中で安定していることから、例えば真空蒸着法を利用せずに大気中で成膜することが可能であり、また成膜後に保護膜で気密に封止する必要がない。これにより、低コストで且つ短時間で、しかも第１の材料及び第２の材料の物性を変えることなく、簡単な構成により容易に高分子材料系の有機薄膜を使用した電界効果トランジスタを構成することができる。
さらに、上述した半導体層が、高いキャリア移動度を有していることから、電流駆動能力が高くスイッチング速度の速い電界効果トランジスタが得られる。そして、電界効果トランジスタへの光照射処理を施すことにより、そのｇm を大きくできる。
【００１５】
また、本発明の光電界効果トランジスタは、基板上に形成されたチャネルとなる有機半導体層を備え、有機半導体層が、ポリフェニレンビニレンの誘導体またはポリチオフェン系高分子材料からなる第１の材料と、Ｃn フラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数），Ｃn フラーレン誘導体，半導体性を有するＣＮＴｓ（カーボンナノチューブ），ＣＮＴｓ化合物の少なくとも１種類からなる第２の材料と、の混合体から成り、有機半導体層への光照射に応じて光電界効果トランジスタのドレイン及びソース間の電流が変化することを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、第１の材料及び第２の材料の混合体重量比ｘを、ｘ＞１．１乃至１．５とすることで有機半導体の導電型をｐ型に設定し、ｘ＜１．１乃至１．５とすることで有機半導体の導電型をｎ型に設定する。
【００１６】
上記構成によれば、光感度の高いｎ型又はｐ型の光電界効果トランジスタを実現することができる。
【００１７】
また、本発明の集積回路は、基板上に形成された有機半導体層を含み、有機半導体層が、ポリフェニレンビニレンの誘導体またはポリチオフェン系高分子材料からなる第１の材料と、Ｃn フラーレン（ここで、ｎは６０  以上の整数），Ｃn フラーレン誘導体，半導体性を有するＣＮＴｓ（カーボンナノチューブ），ＣＮＴｓ化合物の少なくとも１種類からなる第２の材料と、の混合体から成ることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、第１の材料及び第２の材料の混合体重量比ｘを、ｘ＞１．１乃至１．５とすることで有機半導体の導電型をｐ型に設定し、ｘ＜１．１乃至１．５とすることで有機半導体の導電型をｎ型に設定する。
また、集積回路は、好ましくは、有機半導体層の導電型がｐ型であるｐ型電界効果トランジスタと、有機半導体層の導電型がｎ型であるｎ型電界効果トランジスタとからなる相補型インバータからなる相補型集積回路である。
【００１８】
上記構成によれば、有機半導体層からなる従来得ることが困難であったｎ型電界効果トランジスタによる集積回路を実現できる。そして、ｎ型電界効果トランジスタとｐ型電界効果トランジスタとの組合わせによる相補型集積回路を容易に実現できる。
【００１９】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、ポリフェニレンビニレンの誘導体またはポリチオフェン系高分子材料からなる第１の材料と、Ｃn フラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数），Ｃn フラーレン誘導体，半導体性を有するＣＮＴｓ（カーボンナノチューブ），ＣＮＴｓ化合物の少なくとも１種類からなる第２の材料と、を混合し、この混合体を、塗布成膜法により基板上に塗布して、有機半導体層を成膜する工程を含んでいることを特徴とする。
上記構成において、有機半導体層を有する半導体装置は、好ましくは、電界効果トランジスタ、光電界効果トランジスタ、集積回路、相補型集積回路の何れかである。
また、好ましくは、第１の材料及び第２の材料の混合体重量比ｘを、ｘ＞１．１乃至１．５とすることで有機半導体の導電型をｐ型に設定し、ｘ＜１．１乃至１．５とすることで有機半導体の導電型をｎ型に設定する。
【００２０】
上記構成によれば、塗布成膜法により有機半導体層を用いたｐ型及びｎ型の電界効果トランジスタやそれを用いた集積回路などを、容易に、かつ、低コストで製造することができる。これにより、例えば基板上にｐ型及びｎ型の半導体層を同時に成膜して、例えば相補型集積回路を容易に構成することが可能になる。
【００２１】
また、上記構成において、さらに好ましくは、有機半導体層が真空中または所定のガス雰囲気中において、所定の時間で光照射される光照射工程を備えている。また、好ましくは、有機半導体層への光照射により半導体装置に含まれる電界効果トランジスタの特性を調整する。
【００２２】
上記構成によれば、この光照射処理によって上記半導体層の移動度が向上するので、短チャネル化によらず、電界効果トランジスタの電流駆動能力を向上することができる。これにより、短チャネル化に必要なフォトリソグラフィ法を利用しないで、スピンキャスト法または印刷プロセス法による塗布成膜法で、電流駆動能力の高い各種の半導体装置を、低コストで製造することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、簡単な構成により低コストで、ｐ型としてもｎ型としても構成され得る高分子材料系の有機半導体薄膜を塗布成膜法により得ることができる。また、この有機半導体を用いた電流駆動能力が大きい半導体装置並びにそれらの製造方法が提供されることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
最初に、本発明による第１の実施形態に係る、高分子材料系の有機薄膜について説明する。
本発明の高分子材料系の有機薄膜から成る半導体は、ポリフェニレンビニレン（Ｐｏｌｙ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ−ｖｉｎｙｌｅｎｅ：ＰＰＶ）の誘導体またはポリチオフェン系（ｐｏｌｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）高分子材料からなる第１の材料と、Ｃn フラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数）、Ｃn フラーレン誘導体、半導体性を有するＣＮＴｓ（カーボンナノチューブ）、ＣＮＴｓ化合物の少なくとも１種類からなる第２の材料と、の混合体から構成されている。
この高分子材料系の有機薄膜から成る有機半導体（以下、適宜、半導体と呼ぶ）の導電型は、第１の材料と第２の材料の混合体の重量比（第１の材料／第２の材料）ｘを、ｘ＞１．１乃至１．５とすることで有機半導体の導電型をｐ型に設定し、ｘ＜１．１乃至１．５とすることで有機半導体の導電型をｎ型に設定することができる。また、混合重量比として１．１〜１．５程度が、ｐ型〜ｎ型の境界であり、ｐ型とｎ型の混在した同時二極型（ａｍｍｂｉｐｏｌａｒ）である。同時二極型の場合には、高抵抗の真性半導体（ｉ）型、高抵抗のｎ型（ｎ- 又はニュウ型）、高抵抗のｐ型（ｐ- 又はパイ型）とすることができる。
【００２５】
上記ポリフェニレンビニレンの誘導体としては、ＭＥＨ−ＰＰＶ（ｐｏｌｙ [２−ｍｅｔｈｏｘｙ，５−（２’−ｅｔｈｙｌ−ｈｅｘｙｌｏｘｙ）−ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ−ｖｉｎｙｌｅｎｅ] ）などを用いることができる。
また、ポリチオフェン系高分子材料としては、Ｐ３ＨＴ（ｐｏｌｙ（３−ｈｅｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ），ｐｏｌｙ（３−ａｌｋｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅｓ），Ｆ８Ｔ２（ｄｉｏｃｔｙｌｆｌｕｏｒｅｎｅｎｅ−ｂｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ  ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ），ＰＥＤＯＴ（３，４−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）などを用いることができる。
【００２６】
また、Ｃn フラーレン誘導体としては、ＰＣＢＭ（ [６，６] −ｐｈｅｎｙｌＣ61−ｂｕｔｙｒｉｃ  ａｃｉｄ  ｍｅｔｈｙｌ  ｅｓｔｅｒ）などを用いることができる。また、フラーレンの２量体、または、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属などを導入したフラーレン化合物なども用いることができる。
さらに、ＣＮＴｓとしては、フラーレンもしくは金属内包フラーレンを内包したカーボンナノチューブなどを用いることができる。また、ＣＮＴｓの側壁や先端に、種々の分子を付加した化合物なども用いることができる。
【００２７】
例えば、上記のＰＰＶ誘導体材料とｎ型フラーレン（Ｃn ）系材料との混合比ｘ（ＰＰＶ誘導体／ｎ型フラーレン（Ｃn ））を変えることで、半導体の導電型を変えることができる。このように、導電型を制御できる理由は、以下のように推定できる。
ｎ型フラーレン（Ｃn ）系材料を増やした混合材料（ｘ＜１．１〜１．５）においては、全体としてｎ型フラーレン（Ｃn ）系材料の特性がｐ型材料であるＰＰＶ誘導体材料より強く影響しｎ型となる。また、逆に、ｎ型フラーレン（Ｃn ）系材料を減らした場合（ｘ＞１．１〜１．５）には、ＰＰＶ誘導体系材料の特性がｎ型フラーレン（Ｃn ）系材料より強く影響しｐ型となる。
また、ｎ型フラーレン（Ｃn ）系材料を増やした混合材料（ｘ＜１．１〜１．５）においては、ＰＰＶ誘導体系材料とｎ型フラーレン（Ｃn ）系材料との混合材料が化合物を作り、その化合物がｎ型を示す可能性も考えられる。但し、この場合には、混合材料の重量比ｘがある値以上にならなければ、導電型の変化は起きないと考えられる。
【００２８】
本発明の高分子材料系の有機薄膜から成る半導体の薄膜は、上記高分子材料を含有させたジクロロベンゼンなどの有機溶媒液を、基板上にスピンコート法やスピンキャスト法により塗布して成膜することができる。他の成膜方法としては、印刷法やインクジェット法を用いることができる。本発明においては、上記成膜方法を総称して、塗布成膜方法と呼ぶ。
【００２９】
本発明の有機半導体層によれば、第１の材料と第２の材料を混合することにより、半導体層を構成することができる。その際、単に混合するだけで積層工程が不要であることから、容易に製造することができる。そして、このように製造された半導体は、大気中で安定していると共に、キャリア移動度を高くできる。
また、半導体層の導電型が、その第１の材料及び第２の材料の混合体の重量比を、適宜に選定することにより、ｐ型又はｎ型に制御できる。
【００３０】
次に、本発明の第２の実施形態に係る電界効果トランジスタについて説明する。
図１は、本発明による電界効果トランジスタの第２の実施形態の構成を示す概略断面図である。図１において、電界効果トランジスタ１０は、基板を使用した電界効果トランジスタであって、下方から順に、ゲート電極１１，基板１２，絶縁層１３，ソース電極１４及びドレイン電極１５，半導体層１６，封止薄膜層１７から構成されている。
【００３１】
上記半導体層１６は、本発明による第１の実施形態に係る、高分子材料系の有機薄膜から成るｎ型又はｐ型の半導体層で成り、電界効果トランジスタ１０のチャネル層となる。     
【００３２】
基板１２は、抵抗率が、例えば０．００１〜０．００５Ωｃｍの高濃度のＳｉ基板などから構成されている。さらに、上記絶縁層１３は、例えばＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，Ｔａ2 Ｏ5 等から構成されるゲート絶縁膜である。ゲート電極１１は、例えば金等の金属から構成されている。また、ソース電極１４及びドレイン電極１５は、それぞれ例えばＴｉ／Ａｕ，Ｃｒ／Ａｕ等の電極から構成されており、絶縁層１３上にて、チャネルを画成するように互いに対向して配置されている。さらに、封止薄膜層１７は、例えばＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＳｉＯＮ等から構成され、電界効果トランジスタ１０の保護膜となる。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施形態に係る電界効果トランジスタの変形例について説明する。図２は、本発明による電界効果トランジスタの第２の実施形態の変形例の構成を示す概略断面図である。
図２において、電界効果トランジスタ２０は、基板２１を使用した電界効果トランジスタであって、下方から順に、基板２１，ゲート電極１１，絶縁層１３，ソース電極１４及びドレイン電極１５，半導体層１６，封止薄膜層１７から構成されている。
【００３４】
上記ゲート電極１１は、基板２１の表面に形成されており、例えば金等の金属から構成されている。ここで、基板２１は、例えば絶縁物又は絶縁物でフレキシブルなＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）基板などを用いることができる。
【００３５】
上記絶縁層１３，ソース電極１４，ドレイン電極１５，半導体層１６及び封止薄膜層１７は、図１に示した電界効果トランジスタ１０における対応する部位と同じ構成であり、詳細な説明は省略する。
【００３６】
本発明の電界効果トランジスタの構成によれば、そのチャネルとなる有機半導体層は、大気中で塗布成膜法により基板上に成膜することができる。このため、従来の蒸着法などによる積層工程が必要ないことから、工程数が少なくて済む。また、有機半導体層の第１の材料及び第２の材料が大気中で安定していることから、電界効果トランジスタが長期間安定に動作し、その信頼性が向上する。さらに、有機半導体層の導電型を変えることが可能であるので、特に、ｎ型電界効果トランジスタを容易に実現することができる。
これにより、低コストで且つ短時間で、しかも第１の材料及び第２の材料の物性を変えることなく、簡単な構成により容易に高分子材料系の有機薄膜を使用した電界効果トランジスタを構成することができる。さらに、上述した半導体層が、高いキャリア移動度を有していることから、電流駆動能力が高くスイッチング速度の速い電界効果トランジスタが得られることになる。
【００３７】
次に、本発明の第３の実施形態に係る光電界効果トランジスタについて説明する。
本発明の光電界効果トランジスタは、本発明の第２の実施形態に係る電界効果トランジスタ１０，２０を用い、その最上層１７を半導体層１６から成るチャネルへの励起光が透過できる保護膜とすればよい。
【００３８】
本発明の光電界効果トランジスタによれば、外部からの光照射に応じて、チャネルとなる半導体層のキャリア増大によって、電界効果トランジスタのドレイン及びソース間の電流が変化し、大きな光電流利得を得ることができる。
【００３９】
次に、本発明の第４の実施形態に係る集積回路について説明する。
本発明の集積回路は、本発明の第２の実施形態に係る電界効果トランジスタ１０，２０を用いて構成できる。例えば、絶縁性の基板２１上にｎ型又はｐ型電界効果トランジスタ２０を多数形成し、それらにより論理回路を構成して集積回路を実現できる。さらに、基板２１上に、半導体層の導電型がｐ型であるｐ型電界効果トランジスタと、半導体層の導電型がｎ型であるｎ型電界効果トランジスタとからなる相補型インバータからなる相補型集積回路（ＣＭＯＳ集積回路）を形成できる。
【００４０】
本発明の集積回路によれば、相補型集積回路構造を構成する場合には、同じ材料を使用して、その混合比を変更するだけで、簡単な工程で容易に相補型集積回路構造を構成することができ、ｐ型及びｎ型の高分子材料系の有機薄膜から成る消費電力の少ない相補型集積回路を実現することができる。
【００４１】
次に、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
本発明の有機半導体層を用いた半導体装置は、上記の電界効果トランジスタ、光電界効果トランジスタ、集積回路などである。例えば、電界効果トランジスタ１０は、以下のようにして製造される。
即ち、まず高濃度のＳｉ基板１２の表面を洗浄した後、基板表面酸化法，スパッタリング法または真空蒸着法などの方法によって、基板１２の表面に絶縁膜１３として酸化膜を形成する。
【００４２】
次に、真空蒸着法，スパッタリング法などの方法によって、基板１２の裏面に対してゲート電極１１を形成する。
【００４３】
続いて、絶縁膜１３の表面に、フォトリソグラフィ法により、ソース電極１４及びドレイン電極１５をパターン形成する。このとき、ソース・ドレイン間距離を任意に設定し、フォトリソグラフィ法の微細化精度により、超微細構造を形成することができる。
【００４４】
その後、絶縁膜１３，ソース電極１４及びドレイン電極１５の上に、半導体層１６を塗布成膜法により形成する工程を実施する。
この工程は、最初に、第１の材料及び第２の材料を所定混合比で混合して、クロロベンゼンまたはジクロロベンゼン溶媒などの有機溶媒に溶解させて、十分に撹拌して均１に溶解させ、高分子溶液の混合物を作製する。
このとき、上記混合比ｘを適宜に調整することにより、半導体層の導電型をｐ型又はｎ型などに制御することができる。
【００４５】
そして、このように混合された高分子溶液の混合体を、絶縁膜１３，ソース電極１４及びドレイン電極１５の上に、例えば、スピンキャスト法で塗布して、半導体層１６を成膜する。
【００４６】
最後に、半導体層１６の表面に、真空蒸着法などにより絶縁薄膜を蒸着して、封止薄膜層１７を形成する。なお、高分子材料の場合、大気中で安定しているので、封止薄膜層１７は省略してもよいが、より安定し再現性の良好な電気的特性を得るために、封止薄膜層１７を形成している。このようにして、電界効果トランジスタ１０が完成する。
【００４７】
また、電界効果トランジスタ２０は、以下のようにして製造される。
即ち、まず基板２１の表面に、真空蒸着法，スパッタリング法の何れかの方法によってゲート電極１１を形成する。
【００４８】
次に、ゲート電極１１の表面を洗浄した後、スパッタリング法などによって、ゲート電極１１の表面に絶縁膜１３を形成する。
【００４９】
その後は、前述した電界効果トランジスタ１０と同様にしてソース電極１４，ドレイン電極１５，半導体層１６及び封止薄膜層１７を形成する。このとき、半導体層１６は、その材料の上記混合比を適宜に調整することにより、その導電型をｐ型又はｎ型などに制御することができる。このようにして、電界効果トランジスタ２０が完成する。
【００５０】
上述した実施形態においては、本発明による第１の材料及び第２の材料の混合体によるｎ型又はｐ型の半導体層を備えた電界効果トランジスタの製造方法について説明した。さらに、一つの基板上にｐ型及び／又はｎ型の半導体層を形成することが可能であるので、例えば、同一基板上にｐ型及びｎ型の半導体層を備えた、所謂相補型集積回路を製造することができる。
【００５１】
これにより、塗布成膜法により、有機半導体層の第１の材料及び第２の材料の重量比を変更するだけで、ｐ型からｎ型まで連続的に半導体層の導電型を変えることが可能で、特にｎ型電界効果トランジスタを容易に実現することができる。
また、基板上にｐ型及びｎ型の半導体層を同時に成膜して、例えば、相補型集積回路などの半導体集積回路を容易に構成することが可能になる。
【００５２】
次に、本発明による第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法の変形例について説明する。
上記した電界効果トランジスタの製造方法において、さらに、光照射処理工程を追加することが、電界効果トランジスタの駆動能力を大きくするのに、好適である。この光照射処理工程は、電界効果トランジスタの半導体層１６の全体に対して、真空中または窒素雰囲気中で、可視から紫外の波長領域の光源を所定の時間行う。次に、上記の光照射処理の後、光照射された電界効果トランジスタを大気中または窒素雰囲気中にて、所定の時間、無光状態で保持する。ここで、光源としては、例えば、波長３００ｎｍ乃至８００ｎｍのキセノンランプを用いることができる。
【００５３】
電界効果トランジスタへ上記の光照射処理工程を施した場合には、その電流電圧特性が改善され、大きな相互コンダクタンス（ｇm ）を呈し、そのｇm が保持される。このｇm 改善の詳細なメカニズムは不明であるが、光照射により有機半導体層の移動度が大きくなることによると推定される。
【００５４】
上記製造工程によれば、光照射処理によって半導体層の移動度が向上するので、短チャネル化によらず、電界効果トランジスタの電流駆動能力を向上できる。これにより、短チャネル化に必要なフォトリソグラフィ法を利用しないで、スピンキャスト法または印刷プロセス法による塗布成膜法で、電流駆動能力の高い各種の半導体装置を、低コストで製造することができる。
【実施例１】
【００５５】
第１の材料としてＭＥＨ−ＰＰＶ及び第２の材料としてＣ60を用い、これらの混合体を、ジクロロベンゼンに溶解させ、２４時間以上撹拌した。
このとき、上記混合体の重量比ｘを、０．１＜ｘ＜９程度の範囲で適宜に調整し、上記材料の混合体を含む有機溶媒液を調製した。この有機溶媒液を、スピンキャスト法により、ＳｉＯ2 被覆Ｓｉ基板に高分子材料系の有機薄膜からなる半導体を成膜した。上記混合体の重量比ｘ＝０．３３（ＭＥＨ−ＰＰＶ／Ｃ60＝１／３）のときには、ｎ型半導体が得られ、その移動度は２×１０-3ｃｍ2 ／Ｖ・ｓであった。
【実施例２】
【００５６】
実施例１と同じ材料で、上記重量比ｘ＝４（ＭＥＨ−ＰＰＶ／Ｃ60＝４／１）のとき、ｐ型半導体が得られた。このｐ型半導体の移動度は５×１０-5ｃｍ2 ／Ｖ・ｓであった。このように、ＭＥＨ−ＰＰＶ及びＣ60の混合体の重量比ｘを変えることにより、ｎ型及びｐ型の導電型を制御できた。
図３は、ＭＥＨ−ＰＰＶ及びＣ60の混合体の重量比ｘに対する半導体の移動度を示す図である。図において、横軸は混合体の重量比ｘであり、縦軸は移動度（ｃｍ2 ／Ｖ・ｓ）を示している。
図から明らかなように、混合体の重量比ｘとして、ｘ＞１．１乃至１．５とすることで半導体の導電型がｐ型になり、ｘ＜１．１乃至１．５とすることで半導体の導電型をｎ型に設定できた。ｘ＝１．１乃至１．５の領域は、ｐ型、ｎ型の混在領域である。本発明で得られている移動度の最高値は、ｎ型半導体による０．０１ｃｍ2 ／Ｖ・ｓであった。
【実施例３】
【００５７】
実施例３のｎ型電界効果トランジスタ１０を、以下のようにして製造した。まず高濃度のＳｉ基板１２の表面を洗浄した後、熱酸化法により膜厚５００ｎｍのＳｉＯ2 膜１３を形成した。次に、真空蒸着法により、上記Ｓｉ基板１２の裏面にゲート電極１１となる膜厚１００ｎｍの金薄膜を形成した。続いて、酸化膜１３の表面に、フォトリソグラフィ法により、ソース・ドレイン間距離５０μｍで、フィンガー数が３２本のインターデジタル構造、所謂櫛形対向電極のソース電極１４及びドレイン電極１５を形成した。電極金属としては、Ｔｉ／Ａｕを用いた。その後、絶縁膜１３，ソース電極１４及びドレイン電極１５の上に、実施例１と同様にしてｎ型半導体層１６をスピンキャスト法により成膜した。これは例えば、２０００回転，１０秒のスピンキャストの後、４０００回転，１秒のスピンキャストを三回繰り返す。これにより、膜厚１００ｎｍ乃至１５０ｎｍのｎ型半導体層１６を形成した。最後に、ｎ型半導体層１６の表面に、真空蒸着法により膜厚１０ｎｍのＳｉＯ2 薄膜を蒸着して、封止薄膜層１７を形成し、実施例３のｎ型電界効果トランジスタ１０を製造した。
【００５８】
図４は実施例３のｎ型電界効果トランジスタの電流電圧（ＩＶ）特性を示す図である。図において、横軸はドレイン電圧（Ｖ）、縦軸はドレイン電流（μＡ）を示している。
図から明らかなように、ドレイン・ソース電極間に０乃至５０Ｖまでの電圧を印加して、ゲート電極１１に対して、１０〜６０Ｖのゲート電圧Ｖｇを印加すると、Ｖｇ＞２０Ｖでは、Ｖｇの変化に対応して、ドレイン電流Ｉｄが変化していることが確認でき、所謂エンハンスメント型のＩＶ特性となっていることが分かる。この実施例３のｎ型電界効果トランジスタのｇm は、０．０２ｍＳ／ｍｍであった。
【実施例４】
【００５９】
実施例２と同様の方法によるｐ型半導体層をチャネルとした以外は、実施例３と同様に、ｐ型電界効果トランジスタ１０を製造した。
図５は実施例４のｐ型電界効果トランジスタの電流電圧（ＩＶ）特性を示す図である。図において、横軸はドレイン電圧（Ｖ）、縦軸はドレイン電流（μＡ）を示している。
図から明らかなように、ドレイン・ソース電極間に０乃至−５０Ｖまでの電圧を印加して、ゲート電極１１に対して、−１０〜−６０Ｖのゲート電圧Ｖｇを印加すると、Ｖｇ＜−２０Ｖでは、Ｖｇの変化に対応して、ドレイン電流Ｉｄが変化していることが分かる。この実施例４のｐ型電界効果トランジスタによりエンハンスメント型のＩＶ特性が得られ、そのｇm は、１．２×１０-5ｍＳ／ｍｍであった。
【実施例５】
【００６０】
実施例３のｎ型電界効果トランジスタの製造工程において、その工程の最後に光照射工程を、さらに追加して、ｎ型電界効果トランジスタ１０を製造した。この実施例５のｎ型電界効果トランジスタは、実施例３のｎ型電界効果トランジスタの半導体層１６の全体に対して、真空中または窒素雰囲気中で波長３００ｎｍ乃至８００ｎｍのキセノンランプによる２４時間の光照射処理を行ない、その後、大気中または窒素雰囲気中にて２４時間無光状態で保持した。
【００６１】
図６は、実施例５によるｎ型電界効果トランジスタのＩＶ特性を示す図である。図において、横軸はドレイン電圧（Ｖ）、縦軸は対数目盛りでのドレイン電流（μＡ）を示し、比較のために実施例３のＩＶ特性も示している。
図から明らかなように、光照射工程を施していない実施例３と比較して、実施例５におけるドレイン電流Ｉｄが１００倍以上大きくなり、電流駆動能力が大幅に向上することが分かる。
【００６２】
図７は、実施例５によるｎ型電界効果トランジスタの室温におけるドレイン電流の時間依存性を示す図である。図において、縦軸は対数目盛りでのドレイン電流（μＡ）、横軸は時間経過（分）を示し、比較のために光照射工程を施していない実施例３の特性も示している。各ドレイン電流のバイアス条件は、Ｖｄｓ＝４０Ｖ、Ｖｇ＝６０Ｖである。
図から明らかなように、実施例５によるｎ型電界効果トランジスタのドレイン電流は、最初の２分程度以内の短時間に増加し、最大値となった以降では減少し（図７の点線で囲んだ拡大図を参照）、約１０００分経過後は、ほぼ一定の２０μＡ程度に保持されることが分かる。光照射工程を施していない実施例３と比較して、実施例５におけるドレイン電流Ｉｄが約１０倍程度になり、電流駆動能力が大幅に向上することが分かる。
【実施例６】
【００６３】
実施例３のｎ型電界効果トランジスタに光照射を行い、光電界効果トランジスタのＩＶ特性を測定した。光照射時のＩＶ特性は、実施例５のＩＶ特性（図６参照）と類似であった。すなわち、光照射によりドレイン電流Ｉｄが１００倍以上大きくなり、電流駆動能力が大幅に向上することが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明による電界効果トランジスタの第２の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【図２】本発明による電界効果トランジスタの第２の実施形態の変形例の構成を示す概略断面図である。
【図３】ＭＥＨ−ＰＰＶ及びＣ60の混合体の重量比ｘに対する半導体の移動度を示す図である。
【図４】実施例３のｎ型電界効果トランジスタの電流電圧（ＩＶ）特性を示す図である。
【図５】実施例４のｐ型電界効果トランジスタの電流電圧（ＩＶ）特性を示す図である。
【図６】実施例５によるｎ電界効果トランジスタのＩＶ特性を示す図である。
【図７】実施例５によるｎ電界効果トランジスタの室温におけるドレイン電流の時間依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０，２０：電界効果トランジスタ
１１：ゲート電極
１２：基板（Ｓｉ基板）
１３：絶縁層
１４：ソース電極
１５：ドレイン電極
１６：半導体層
１７：封止薄膜層
２１：基板（フレキシブル基板）
【図１】
2005268550.tif 000003
【図２】
2005268550.tif 000004
【図３】
2005268550.tif 000005
【図４】
2005268550.tif 000006
【図５】
2005268550.tif 000007
【図６】
2005268550.tif 000008
【図７】
2005268550.tif 000009