(57)【要約】【課題】  酸素、水分などの外因によるトランジスターの性能劣化および表示部装着工程中のトランジスターの性能劣化を最小限に抑えることが可能になる有機薄膜トランジスターの提供。【解決手段】  基板、ゲート電極、ゲート絶縁層、有機半導体活性層、ソース−ドレイン電極、および保護層を含み、前記有機半導体活性層と前記保護層との間に緩衝層が介設されていることを特徴とする有機薄膜半導体トランジスター。【選択図】  図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板、ゲート電極、ゲート絶縁層、有機半導体活性層、ソース−ドレーン電極、および保護層を含む有機薄膜トランジスタであって、前記有機半導体活性層と保護層との間に緩衝層が介設されていることを特徴とする有機薄膜トランジスター。
【請求項２】
前記緩衝層が、１０6ohm-cm以上の抵抗値を持つ有機物で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ー。
【請求項３】
前記有機物が、Ａｌｑ３(Tris(8-hydroxyquinoline)aluminum)、ＢＡｌｑ３(Bis(2-methyl-8-quinolato)(p-phenyl-phenolato)aluminum)、ＰＴＣＤＡ(perylenetetracarboxylicdianhydride)、ＤＰＳ(dicyano substituted diphenylsulfone)、ＴＣＮＱ(tetracyano-quinodimethane)、およびＤＣＡＱ(2-tert-butyl-9,10-N、N'-dicyanoanthraquinonediimine)よりなる群から選ばれる少なくとも１種であ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ー。
【請求項４】
前記緩衝層が、真空蒸着、ディップコーティング、スピンコーティング、プリンティング、噴霧コーティング、またはロールコーティングによって形成されることを特徴とする請求項３に記載の有機薄膜トランジスター。
【請求項５】
前記保護層が、水溶性有機物で形成された１次保護層と、紫外線あるいは熱により架橋可能な有機物で形成された２次保護層とからなることを特徴とする請求項１に記載の有機棄薄膜トランジスター。
【請求項６】
前記１次保護層を形成する水溶性有機物が、ＰＶＡ(polyvinyl alcohol)であり、前記２次保護層を形成する、紫外線あるいは熱により架橋可能な有機物が、光活性ポリアクリレートまたは熱活性ポリアクリレートであることを特徴とする請求項５に記載の有機薄膜トランジスター。
【請求項７】
前記ゲート絶縁層が、ポリオレフィン、ポリビニル、ポリアクリレート、ポリスチレン、ポリウレタン、ポリイミド、およびこれらの誘導体よりなる群から選ばれる少なくとも１種で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ー。
【請求項８】
前記有機半導体活性層が、ペンタセン、銅フタロシアニン、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリフェニレンビニレン、およびこれらの誘導体よりなる群から選ばれる少なくとも１種で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ー。
【請求項９】
前記ゲート電極およびソース−ドレーン電極が、金、銀、アルミニウム、ニッケル、インジウムスズ酸化物、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリフェニレンビニレン、およびＰＥＤＯＴ(polyethylenedioxythiophene)/ＰＳＳ(polystyrenesulfonate)混合物よりなる群から選ばれる少なくとも１種で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ー。
【請求項１０】
前記基板が、ガラス、シリコンまたはプラスチックで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ー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、緩衝層を含む有機薄膜トランジスターに関し、より詳細には、基板、ゲート電極、ゲート絶縁層、有機半導体活性層、ソース−ドレイン電極、および保護層を含む有機薄膜トランジスターにおいて、有機半導体活性層と保護層との間に緩衝層を形成し、酸素、水分などの外因によるトランジスターの性能劣化および表示部装着工程中のトランジスターの性能劣化を最小限に抑えた有機薄膜トランジスターに関する。
【背景技術】
【０００２】
近来、機能性電子素子および光素子などの広範囲な分野において、新しい電気電子材料として、繊維やフィルム形態への成形が容易で、柔軟で、かつ、高い伝導性と低コストを達成するために、高分子材料についての研究が盛んに行われつつある。この種の伝導性高分子を用いた素子のうち、有機物を半導体活性層に使用する有機薄膜トランジスターに関する研究は、１９８０年頃から始まり、近年、全世界で多くの研究が進行している。現在、有機薄膜トランジスターは、能動型ティスプレイの駆動素子、スマートカード(smart card)、インベントリタグ(inventory tag)向けプラスチックチップに活用されると予想される。かかる有機薄膜トランジスターを用いた素子は、酸素や水分のような外因からの保護機能を担う保護層が必要とされており、特に、ティスプレイでは、表示部を装着できる支持層が必須とされている。しかしながら、有機薄膜トランジスターの保護層や支持層に使用可能な膜を形成する効果的な方法はないのが現状である。ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘなどの無機物質膜をＣＶＤやスパッタリング法で成膜する試みはあったが、この方法では、活性ガスやプラズマにより有機半導体活性層が深刻に劣化し、有機薄膜トランジスターの性能が急激に低下してしまう問題がある。
【０００３】
また、ポリイミド、ＢＣＢ(benzocyclobutene)、フォトアクリル(Photoacryl)などの有機膜を保護層に使用する試みがあったが、この場合、熱処理温度が１５０℃以上であるので、有機活性層が温度により急激に劣化するため、有機薄膜トランジスターの保護膜としては効果的な方法ではなかった。特に、有機膜を用いた有機薄膜トランジスターの保護層の成膜時における最大の問題点は、成膜しようとする物質が有機活性層上に直接的に接触して、有機溶媒によって有機半導体活性層の劣化が促進されるということである。有機膜を使用して有効に保護層を形成した例もあり、ペンシルバニア州立大学のJackson教授のチームによるＰＶＡ(polyvinyl alcohol)を使用した例がそれである(非特許文献１)。しかしながら、この例における主な目的は、有機半導体活性層として使用されるペンタセンをパタニングすることであり、工程後の電荷移動度が１／３に急激に減少する結果を示した。
【０００４】
このように、有機膜および無機膜を保護層として形成する場合、有機薄膜トランジスターの初期性能を保持できる方法はないのが現状であり、したがって、有機薄膜トランジスターを使用した応用製品を完成する上で保護層の開発および工程の開発が至急望まれている。
【非特許文献１】Jackson et.al; Solid−State Electronics 47(2003) 297-301
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前記事情に鑑みて、有機半導体活性層と保護層との間に、保護層を形成する物質による有機半導体活性層の劣化を防ぐための緩衝層を介設することによって、保護層形成後の特性低下を最小限に抑えることができる有機薄膜トランジスターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明の有機薄膜トランジスターは、基板、ゲート電極、ゲート絶縁層、有機半導体活性層、ソース−ドレイン電極、および保護層を含む有機薄膜トランジスターであって、前記有機半導体活性層と保護層との間に緩衝層が介設されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の有機薄膜トランジスターは、有機半導体活性層と保護層との間に緩衝層が介設されているため、酸素、水分などの外因によるトランジスターの性能劣化および表示部装着工程中のトランジスターの性能劣化を最小限に抑えることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の有機薄膜トランジスターの構造の一例を示す断面図である。
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、本発明の有機薄膜トランジスターは、基板１と、ゲート電極２と、ゲート絶縁膜３と、ソース−ドレイン電極４と、有機半導体活性層５と、緩衝層６と、１次保護層７と、２次保護層８とを備え、有機半導体活性層５と１次保護層との間に、緩衝層６が介設されている構造を有する。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、本発明の有機薄膜トランジスターは、有機半導体活性層と保護層との間に緩衝層を介設した多層構造とすることに特徴がある。しかし、この図示例は、望ましい一具体例に過ぎず、本発明の目的を阻害しない範囲内で緩衝層および保護層を使用した様々な有機薄膜トランジスターの具現が可能であることはもちろんである。
【０００９】
緩衝層は、１０6ｏｈｍ−ｃｍ以上の高い抵抗値を持つ有機物で形成され、この有機物としては、例えば、Ａｌｑ３(Tris(8-hydroxyquinoline)aluminum)、ＢＡｌｑ３(Bis(2-methyl-8-quinolato)(p-phenyl-phenolato)aluminum)、ＰＴＣＤＡ(perylenetetracarboxylicdianhydride)、ＤＰＳ(dicyano substituted diphenylsulfone)、ＴＣＮＱ(tetracyano-quinodimethane)、ＤＣＡＱ(2-tert-butyl-9,10-N、N'-dicyanoanthraquinonediimine)などが挙げられるが、これらに限定されない。また、この緩衝層は、真空蒸着、ディップコーティング、スピンコーティング、プリンティング、噴霧コーティング、ロールコーティングなどの方法によって形成することができる。
【００１０】
保護層は、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、１次保護層と２次保護層の二重層構造を持つことが望ましい。１次保護層は、ＰＶＡ(polyvinylalcohol)などの水溶性有機物で形成され、２次保護層は、光活性ポリアクリレート(photo active polyacrylate)、熱活性ポリアクリレート(thermal active polyacrylate)などの、紫外線あるいは熱により架橋可能な有機物で形成される。しかしながら、これらの保護層の構造に限定されず、本発明においては、従来の技術から予測可能な様々な構造の保護層構造が適用可能である。
【００１１】
本発明の有機薄膜トランジスターにおいて、ゲート絶縁膜として使用される物質としては、例えば、ポリオレフィン、ポリビニル、ポリアクリレート、ポリスチレン、ポリウレタン、ポリイミド、これらの誘導体などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１２】
また、有機半導体活性層を形成する物質としては、一般に使用される物質を使用することができ、その具体例としては、ペンタセン(pentacene)類、銅フタロシアニン(copper phthalocyanine)類、ポリチオフェン(polythiophene)類、ポリアニリン(polyaniline)類、ポリアセチレン(polyacetylene)類、ポリピロール(polypyrrole)類、ポリフェニレンビニレン(polyphenylene vinylene)類、これらの誘導体などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１３】
ゲート電極およびソース−ドレイン電極を形成する材料としては、一般に使用される金属または伝導性高分子を使用することができ、具体例としては、金(Ａｕ)、銀(Ａｇ)、アルミニウム(Ａｌ)、ニッケル(Ｎｉ)、インジウムスズ酸化物(ＩＴＯ)、ポリチオフェン(polythiophene)、ポリアニリン(polyaniline)類、ポリアセチレン(polyacetylene)類、ポリピロール(polypyrrole)類、ポリフェニレンビニレン(polyphenylenevinylene)類、ポリエチレンジオキシチオフェン（polyethylenedioxythiophene：ＰＥＤＯＴ)／ポリスチレンスルフォネート(polystyrenesulfonate：ＰＳＳ)混合物などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１４】
本発明の有機薄膜トランジスターが形成される基板としては、ガラス、シリコン、プラスチックなどからなるものを使用することができるが、これらに限定されるのではない。
【実施例】
【００１５】
以下、具体的な実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明するが、下記の実施例は、説明の便宜を図るためのもので、本発明はこれらの実施例に限定されない。
【００１６】
実施例：緩衝層および保護層を形成した有機薄膜トランジスターの作製
本実施例では、図１Ａに示した構造の有機薄膜トランジスターを作製した。まず、洗浄されたガラス基板に、真空蒸着法でＡｌを蒸着して１５００Å厚のゲート電極を形成した。このゲート電極の上に、ポリイミド系物質とポリアクリル系物質の混合物をスピンコーティング法によって２０００ｒｐｍで７０００Åの厚さにコーティングした後に、１００℃で１０分、１５０℃で２時間ベーキングして、有機ゲート絶縁膜を形成した。続いて、ペンタセンを、有機分子線蒸着（Organic molecular beam deposition：ＯＭＢＤ）法によって、真空度２×１０-7Ｔｏｒｒ、基板温度５０℃、蒸着速度０．８５Å／ｓｅｃの条件で蒸着して、厚さ１０００Åの有機半導体層を形成した。その後、有機半導体層の上に、チャンネル長１００μｍ、チャンネル幅０．５ｍｍであるシャドーマスクを用いて金を蒸着して、厚さ１５０ｎｍのソース−ドレイン電極を形成した。緩衝層を形成するために、Ａｌｑ３を基板温度３０℃、蒸着速度１Å／ｓｅｃの条件で１０００Å蒸着した。緩衝層の上に、ＰＶＡをスピンコーティング法で３００Å蒸着した後に、１００℃のコンベクションオーブンで１０分間乾燥して、１次保護層を形成した。次に、ＰＲ(ＰＣ−４０３、ＪＳＲ)をスピンコーティング法で２μｍ蒸着し、１００℃のコンベクションオーブンで２分間ソフトベーキングした後、２０秒間全面露光して、１００℃のホットプレートで１時間ハードベーキングすることで、２次保護層を形成して、素子の作製を完了した。
【００１７】
この作製された素子において、緩衝層の形成の後に保護層を形成するに先立って、素子の電流伝達特性曲線および電荷移動度曲線を半導体特性評価システム（ケースレー（KEITHLEY）社、Semiconductor characterization system４２００−ＳＣＳ)を使って測定し、これを図２Ａおよび図２Ｂに示し、保護層が形成された後の素子の電流伝達曲線および電荷移動度曲線を測定し、これを図３Ａおよび図３Ｂに示した。
【００１８】
一方、作製された素子の電流伝達特性曲線を、半導体特性評価システム（ケースレー（KEITHLEY）社、Semiconductor characterization system４２００−ＳＣＳ）を使って測定し、これから電気的特性を下記の方法で求め、結果を表１に示した。
【００１９】
電荷移動度は、下記の飽和領域(saturation region)電流式から(ＩSD)1/2とＶGを変数としたグラフを得て、その勾配（ｓｌｏｐｅ）から求めた。
【数１】
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【００２０】
上記の式において、ＩSDはソース−ドレイン電流を、μまたはμFETは電荷移動度を、Ｃ0は絶縁膜の静電容量を、Ｗはチャンネル幅を、Ｌはチャンネル長を、ＶGはゲート電圧を、ＶTはしきい電圧をそれぞれ表す。
【００２１】
しきい電圧(Threshold Voltage：ＶT)は、(ＩSD)1/2とＶGの関係を示すグラフにおける線形部分の延長線とＶG軸との交点から求めた。しきい電圧は、絶対値が０に近づくほど電力消費が減少する。
【００２２】
遮断漏洩電流は、オフ状態の時に流れる電流であって、電流比においてオフ状態での最小電流とした。
【００２３】
Ｉon／Ｉoff電流比は、オフ状態の最小電流値に対するオン状態の最大電流値の比である。すなわち、Ｉon／Ｉoff電流比は、下記の式で示される。
【数２】
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【００２４】
上記の式において、Ｉonは最大電流値を、Ｉoffは遮断漏洩電流(off-state leakage current)を、μは電荷移動度を、σは薄膜の伝導度を、ｑは電荷量を、ＮAは電荷密度を、ｔは絶縁膜の厚さを、Ｃ0は絶縁膜の静電容量を、ＶDはドレーン電圧をそれぞれ表す。
【００２５】
上記の式において、電流比Ｉon／Ｉoffの値は、誘電膜の誘電率が大きく、かつ、厚さが小さいほど大きくなるので、誘電膜の種類と厚さは電流比を決定する上で重要な要因となる。この場合、遮断漏洩電流は、小さくなる。
【００２６】
比較例：緩衝層を設けないで保護層を形成した有機薄膜トランジスターの作製
緩衝層を形成しない以外は、実施例と同一にして有機薄膜トランジスターを作製した。
【００２７】
比較例で作製された素子において、活性層形成の後に保護層を形成する前に、素子の電流伝達特性曲線および電荷移動度曲線を測定し、これを図４Ａおよび図４Ｂに示し、保護層が形成された後の素子の電流伝達特性曲線および電荷移動度曲線を測定し、これを図５Ａおよび図５Ｂに示した。
【表１】
2005159360.tif 000005
【００２８】
表１からわかるように、有機半導体活性層を成膜してから緩衝層を設けないで保護層を形成した場合に、素子の特性が約７０％低下した。これに対して、緩衝層を設けた場合には、性能の低下が１０％以下と初期の状態を保つことができた。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】本発明の有機薄膜トランジスターの構造の一例を示す断面図である。
【図１Ｂ】本発明の有機薄膜トランジスターの構造の一例を示す断面図である。
【図２Ａ】実施例において、緩衝層の形成の後に保護層を形成する前の有機薄膜トランジスターについて測定された電流伝達特性曲線である。
【図２Ｂ】実施例において、緩衝層の形成の後に保護層を形成する前の有機薄膜トランジスターについて測定された電荷移動度曲線である。
【図３Ａ】実施例において、緩衝層の形成の後に、１次保護層と２次保護層を形成した有機薄膜トランジスターについて測定された電流伝達特性曲線である。
【図３Ｂ】実施例において、緩衝層の形成の後に、１次保護層と２次保護層を形成した有機薄膜トランジスターについて測定された電荷移動度曲線である。
【図４Ａ】比較例において、活性層の形成の後に保護層を形成する前の有機薄膜トランジスターについて測定された電流伝達特性曲線である。
【図４Ｂ】比較例において、活性層の形成の後に保護層を形成する前の有機薄膜トランジスターについて測定された電荷移動度曲線である。
【図５Ａ】比較例において、活性層形成の後に、１次保護層と２次保護層を形成した有機薄膜トランジスターについて測定された電流伝達特性曲線である。
【図５Ｂ】比較例において、活性層形成の後に、１次保護層と２次保護層を形成した有機薄膜トランジスターについて測定された電荷移動度曲線である。
【符号の説明】
【００３０】
１      基板
２      ゲート電極
３      ゲート絶縁膜
４      ソース−ドレイン電極
５      有機半導体活性層
６      緩衝層
７      １次保護層
８      ２次保護層
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2005159360.tif 000007
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2005159360.tif 000009
【図３Ａ】
2005159360.tif 000010
【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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