(57)【要約】  本発明の薄膜トランジスタは、半導体層５と、半導体層５に接続されたソース電極３ｓおよびドレイン電極３ｄと、半導体層５に隣接して形成された絶縁層６と、絶縁層６を挟んで半導体層５に対向するゲート電極７とを含む。半導体層５は、複合酸化物からなる半導体微粒子の集合体を含む。複合酸化物は、インジウム、ガリウムおよびロジウムからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素と亜鉛とを含む。
2007148601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、前記半導体層に接続されたソース電極およびドレイン電極と、前記半導体層に隣接して形成された絶縁層と、前記絶縁層を挟んで前記半導体層に対向するゲート電極とを含む薄膜トランジスタであって、
前記半導体層は、複合酸化物からなる半導体微粒子の集合体を含み、
前記複合酸化物は、インジウム、ガリウムおよびロジウムからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素と亜鉛とを含む、薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記複合酸化物の組成が、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）m（ｍは１０以下の自然数）、または、ＺｎＯ・Ｒｈ2Ｏ3で表される請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記半導体微粒子は、前記複合酸化物の結晶からなる請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記半導体微粒子の平均粒径が５０ｎｍ以下である請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項５】
前記半導体微粒子の表面に界面活性剤が吸着している請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項６】
半導体層を含む薄膜トランジスタの製造方法であって、
（ｉ）複合酸化物からなる半導体微粒子を含む液体を用いて前記微粒子の集合体を含む層を形成する工程と、
（ii）前記層を１５０℃以上の温度で熱処理することによって前記半導体層を形成する工程とを含み、
前記複合酸化物は、インジウム、ガリウムおよびロジウムからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素と亜鉛とを含む、薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項７】
前記液体が界面活性剤を含む、請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
電子回路を備える電子機器であって、
前記電子回路が、請求項１に記載の薄膜トランジスタを含む電子機器。
【請求項９】
表示装置である請求項８に記載の電子機器。
【請求項１０】
携帯端末である請求項８に記載の電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜トランジスタおよびその製造方法、ならびに、それを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
アモルファスシリコンやポリシリコンを用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、液晶ディスプレイの駆動素子として実用化されている。一般に、これらのＴＦＴは、ＣＶＤ法、スパッタ法、およびフォトリソグラフィ法などを組み合わせた製造工程によって形成されている。ＣＶＤ法やスパッタ法に用いる真空成膜装置や、フォトリソグラフィの装置は高価であるため、それらの装置コストが、液晶パネルのコストのかなりの部分を占めている。また、アモルファスシリコン膜やポリシリコン膜を作製するときの温度が高いため、プラスチック基板のような耐熱性の低い基板を使用できなかった。【０００３】
プラスチック基板上にＴＦＴを形成する方法として、ＳｉナノワイヤやＺｎＯナノロッドといった半導体ナノ材料を用いて半導体層を形成する方法が提案されている（特開２００５−２４４２４０号公報）。【０００４】
また、有機分子で表面を修飾したＺｎＯ微粒子を用いて、移動度が０．１ｃｍ2／Ｖ・ｓ程度のｎ型半導体膜を形成する方法が提案されている（Electron Devices Meeting, 2004, IEDM Technical Digest. IEEE International、13-15 Dec. 2004, Page(s):769 - 772 ,“A novel transparent air-stable printable n-type semiconductor technology using ZnO nanoparticles”）。この方法では、ＺｎＯ微粒子を塗布したのち、焼成し、さらに表面を水素化処理している。【０００５】
また、ＩｎＧａＯ3・ＺｎＯのアモルファス半導体膜を用いたＴＦＴも開示されている（Nature, Vol 432, 488頁から492頁、2004年11月、“Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors”）。ＩｎＧａＯ3・ＺｎＯのアモルファス半導体膜は、真空成膜法の１つであるパルスレーザーアブレーション法を用いて室温で形成されている。酸化亜鉛にインジウムやガリウムを混ぜることによって、アモルファスＳｉ膜より移動度が高いアモルファス膜が形成されている。また、パルスレーザーアブレーションで成膜したＺｎＯとＩｎＧａＯ3の薄膜を酸化物基板で囲み、密閉状態で１４００℃でアニールするという特殊な手法（反応性固相成長法：Reactive Solid Phase Epitaxy）で、複合酸化物ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）mの単結晶が作製されている（Thin Solid Films, Vol.445, 322頁から326頁、2003年、"Electron transport in InGaO3(ZnO)m (m=integer) stadied using single-crystalline thin films and transparent MISFETs"）。【０００６】
半導体ナノワイヤや半導体ナノロッドといった半導体ナノ材料は、単体では高い移動度を有する。しかし、それらの半導体ナノ材料は、特性の異方性が強い。そのため、半導体ナノ材料を用いて移動度が高い半導体膜を形成するには、半導体ナノ材料を配列させる必要がある。しかし、ナノ材料を配列させることは、現状の技術では容易でない。【０００７】
一方、ＺｎＯ微粒子やＣｄＳｅ微粒子を用いた半導体膜は、容易なプロセスで作製可能である。しかし、それらの半導体膜は、アモルファスシリコン膜よりも移動度が低く、液晶素子や有機ＥＬ素子を駆動するには特性が不十分である。【０００８】
半導体ナノ材料や半導体微粒子を用いた半導体膜は、真空成膜装置が不要であるため低コストで形成できるという利点を有する。また、それらの半導体膜は、低温プロセスで形成できるという利点を有する。そのため、半導体ナノ材料や半導体微粒子を用いたＴＦＴは、有望なＴＦＴとして、１０年以上の研究の歴史がある。しかし、それらのＴＦＴは、プロセスの容易さと充分な特性とを両立できていないため、いまだに実用化には至っていない。
【発明の開示】
【０００９】
このような状況において、本発明の目的の１つは、製造が容易で特性が高い薄膜トランジスタを提供することである。また、本発明の目的の１つは、その薄膜トランジスタの製造方法、およびその薄膜トランジスタを用いた電子機器を提供することである。
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の薄膜トランジスタは、半導体層と、前記半導体層に接続されたソース電極およびドレイン電極と、前記半導体層に隣接して形成された絶縁層と、前記絶縁層を挟んで前記半導体層に対向するゲート電極とを含む薄膜トランジスタであって、前記半導体層は、複合酸化物からなる半導体微粒子の集合体を含み、前記複合酸化物は、インジウム、ガリウムおよびロジウムからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素と亜鉛とを含む。
【００１１】
また、半導体層を含む薄膜トランジスタを製造するための本発明の方法は、（ｉ）複合酸化物からなる半導体微粒子を含む液体を用いて前記微粒子の集合体を含む層を形成する工程と、（ii）前記層を１５０℃以上の温度で熱処理することによって前記半導体層を形成する工程とを含み、前記複合酸化物は、インジウム、ガリウムおよびロジウムからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素と亜鉛とを含む。
【００１２】
また、本発明の電子機器は、電子回路を備える電子機器であって、前記電子回路が、本発明の薄膜トランジスタを含む。
【００１３】
本発明によれば、容易なプロセスによって、安価で性能の高い薄膜トランジスタを実現できる。また、プロセスの低温化が可能であるため、樹脂製の基板上に薄膜トランジスタを形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の薄膜トランジスタの一例の断面図を示す。
【図２】図２は、図１に示した薄膜トランジスタについて、一部の構成を示す平面図である。
【図３】図３は、本発明の薄膜トランジスタの一例の特性を示す。
【図４】図４は、本発明の液晶パネルの一例の断面図を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態および実施例の説明に限定されない。以下の説明では、特定の数値や特定の材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や他の材料を適用してもよい。【００１６】
［薄膜トランジスタ（電界効果トランジスタ）］
本発明の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、半導体層と、半導体層に接続されたソース電極およびドレイン電極と、半導体層に隣接して形成された絶縁層と、絶縁層を挟んで前記半導体層に対向するゲート電極とを含む。半導体層は、複合酸化物からなる半導体微粒子の集合体を含む。複合酸化物は、インジウム、ガリウムおよびロジウムからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素と亜鉛とを含む。すなわち、複合酸化物は、インジウム、ガリウムおよびロジウムからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素の酸化物と亜鉛の酸化物とを含む。以下、この複合酸化物からなる半導体微粒子を、半導体微粒子（Ａ）という場合がある。【００１７】
半導体層以外の部分に特に限定はなく、公知のＴＦＴの構成および材料を適用してもよい。【００１８】
半導体層は、半導体微粒子（Ａ）のみによって構成されてもよい。ただし、本発明の効果が得られる限り、半導体層は、半導体微粒子（Ａ）以外の物質を含んでもよい。通常、半導体層の５０重量％以上（たとえば９０重量％以上）は複合酸化物である。【００１９】
複合酸化物の組成は、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）m（ｍは１０以下の自然数）、または、ＺｎＯ・Ｒｈ2Ｏ3で表されてもよい。これらの複合酸化物を用いることによって、移動度が高い半導体層を実現できる。【００２０】
半導体微粒子（Ａ）は、複合酸化物の結晶からなるものであることが好ましい。たとえば、半導体微粒子（Ａ）は、単結晶からなるものであってもよいし、多結晶からなるものであってもよいし、微結晶からなるものであってもよい。【００２１】
半導体微粒子（Ａ）の平均粒径は、５０ｎｍ以下であってもよい。半導体微粒子（Ａ）の平均粒径を５０ｎｍ以下とすることによって、導電性の低下を抑制できる。半導体微粒子（Ａ）の平均粒径は、１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲にあってもよい。ここで、平均粒径は、以下の方法で測定される。まず、透過型電子顕微鏡で撮影した半導体層の断面の画像から、任意に１０個以上の粒子を選択して各々の最大径と最小径を測定する。そして、最大径と最小径の中間値を平均径として算出し、それら平均径の平均を平均粒径とする。【００２２】
半導体微粒子（Ａ）の表面には、有機物（たとえば界面活性剤）が吸着していてもよい。また、半導体微粒子（Ａ）の表面は、水素で終端されていてもよい。【００２３】
［ＴＦＴの製造方法］
ＴＦＴを製造するための本発明の方法は、以下の工程（ｉ）および（ii）を含む。この製造方法によれば、本発明のＴＦＴを製造できる。なお、本発明の製造方法で製造されるＴＦＴの構成および材料は、上述した本発明のＴＦＴと同じであるため、重複する説明を省略する場合がある。【００２４】
工程（ｉ）では、複合酸化物からなる半導体微粒子（Ａ）を含む液体を用いて、半導体微粒子（Ａ）の集合体を含む層を形成する。半導体微粒子（Ａ）を含む液体は、界面活性剤をさらに含んでもよい。半導体微粒子（Ａ）の凝集を、界面活性剤によって抑制できる。半導体微粒子（Ａ）を含む液体は、所定の部材の上に塗布され、乾燥される。液体を構成する分散媒に特に限定はない。分散媒は、エタノールであってもよい。【００２５】
液体が塗布される部材は、ＴＦＴの構成によって異なる。たとえば、基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁層および半導体層がこの順序で積層されているＴＦＴの場合、液体は、少なくともゲート絶縁層上に塗布される。また、基板上に、半導体層、ゲート絶縁層およびゲート電極がこの順序で積層されているＴＦＴの場合、液体は、少なくとも基板上に塗布される。【００２６】
塗布された液体は、乾燥によって液媒体（liquid medium）が除去される。乾燥の方法に限定はなく、自然乾燥であってもよいし、真空乾燥であってもよいし、加熱による乾燥であってもよい。加熱による乾燥の場合、通常、以下の工程（ii）の熱処理の温度と同程度か、それ以下の温度に加熱される。【００２７】
工程（ii）では、工程（ｉ）で形成された層を、１５０℃以上の温度で熱処理する。この熱処理（焼成）によって、ＴＦＴの半導体層が形成される。熱処理の温度は、２００℃以上であってもよい。熱処理の温度は、基板の耐熱温度以下であることが好ましい。【００２８】
半導体層以外の部分の形成方法に限定はなく、公知の方法で形成できる。ソース電極、ドレイン電極、絶縁層（ゲート絶縁層）、およびゲート電極は、それぞれ、半導体層の形成前に形成してもよいし、半導体層の形成後に形成してもよい。【００２９】
［電子機器］
本発明の電子機器は、電子回路を備える。その電子回路は、本発明のＴＦＴを含む。【００３０】
本発明の電子機器は、表示装置であってもよい。たとえば、本発明の表示装置は、基板と、基板上に配置された本発明のＴＦＴと、そのＴＦＴによって駆動される光変調層とを備えてもよい。光変調層には、発光型の光変調層または受光型の光変調層を用いることができる。発光型の光変調層としては、有機ＥＬ素子に用いられる有機半導体層が挙げられる。また、受光型の光変調層としては、液晶が挙げられる。【００３１】
本発明の電子機器は、携帯端末であってもよい。【００３２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。【００３３】
［実施形態１］
実施形態１では、液晶パネルの基板上に形成されている本発明のＴＦＴの一例について説明する。実施形態１のＴＦＴ１０の断面図を図１に示し、平面図を図２に示す。図１は、図２の線Ｉ−Ｉの部分の断面図である。なお、図２では、理解を容易にするため、半導体層５および絶縁層６の図示を省略している。また、図２では、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極にハッチングを付している。【００３４】
ＴＦＴ１０は、基板１上に形成されている。ＴＦＴ１０は、ソース電極３ｓ、ドレイン電極３ｄ、半導体層５、絶縁層６、およびゲート電極７を含む。【００３５】
ソース電極３ｓおよびドレイン電極３ｄは、基板１上に、距離をおいて配置されている。半導体層５は、基板１、ソース電極３ｓおよびドレイン電極３ｄ上に形成されている。半導体層５は、土手４の内部に形成される。絶縁層６は、半導体層５上に形成されている。ゲート電極７は、絶縁層６上に形成されている。ゲート電極７は、絶縁層６を挟んで半導体層５と対向している。ドレイン電極３ｄは、画素電極２に接続されている。また、ソース電極３ｓおよびドレイン電極３ｄは、半導体層５に電気的に接続されている。【００３６】
以下に、ＴＦＴ１０の製造方法の一例について説明する。まず、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）からなるプラスチック基板１を用意する。この基板１上に、透明導電膜であるＩＴＯ膜（厚さ１３０ｎｍ）を、スパッタ法によって基板温度１８０℃で形成する。次に、フォトリソグラフィとエッチングによってＩＴＯ膜をパターニングし、画素電極２を形成する。【００３７】
次に、チタン層（厚さ５０ｎｍ）／アルミ層（厚さ２００ｎｍ）／チタン層（厚さ５０ｎｍ）の積層構造を有する金属膜を、常温のスパッタ法で形成する。この金属膜をエッチングによってパターンニングして、ソース電極３ｓおよびドレイン電極３ｄを形成する。ソース電極３ｓは、基板１の端まで伸びており、駆動回路（図示せず）と接続されている。ドレイン電極３ｄの一部は、画素電極２の上に重なっている。【００３８】
次に、高さ２μｍで幅が５μｍの土手４を、図２の平面図に示すように形成する。土手４は、ポリイミド樹脂をインクジェット描画装置で塗布することによって形成する。土手４は、図２に示すように、ソース電極３ｓとドレイン電極３ｄ間の活性領域を含む領域９を囲むように形成される。【００３９】
次に、土手４に囲まれた領域９の内部に、半導体微粒子の分散液を、インクジェット描画装置によって配置する。そして、空気中において、ホットプレートを用いて、基板を２００℃で１時間熱処理することによって、ｎ型の半導体層５（厚さ膜厚５００ｎｍ）を形成する。【００４０】
次に、半導体層５の上に感光性ポリイミドを塗布することによって絶縁層６（厚さ２００ｎｍ）を形成する。次に、露光および現像によって絶縁層６の一部を除去し、図２の開口部１０の部分の画素電極２を露出させる。【００４１】
次に、ソース電極３ｓおよびドレイン電極３ｄと同じ材料で同じ厚さのゲート電極７を形成する。ゲート電極７の一部７ｃは、次の段の画素電極２と絶縁層６を挟んで重なっており、補助容量を形成する。【００４２】
発明者らは、半導体層５を構成する半導体微粒子の合成方法について鋭意検討した。その結果、以下の方法で合成できることを見出した。半導体微粒子を合成した一例について、以下に説明する。なお、以下の説明において、「Ａｃ」はアセテート（ＣＨ3ＣＯＯ）を意味する。【００４３】
以下の合成では、酢酸亜鉛無水物（Ｚｎ（Ａｃ）2）、酢酸インジウム（Ｉｎ（Ａｃ）3）、水酸化リチウム一水和物（ＬｉＯＨ・Ｈ2Ｏ）、エタノール（アブソリュートエタノール）、ドデカンチオール、およびヘキサンを用いた。これらには、和光純薬工業株式会社製のものを用いた。また、以下の合成では、酢酸ガリウム（Ｇａ（Ａｃ）3）（米国のグレート・ウェスタン・インオーガニクス社製）を用いた。【００４４】
まず、窒素雰囲気中で、酢酸亜鉛２．５ミリｍｏｌ、酢酸インジウム０．５ミリｍｏｌ、および酢酸ガリウム０．５ミリｍｏｌを、エタノール１００ｍｌ中に溶かし、酢酸塩溶液を調製した。この酢酸塩溶液を０℃に冷やした。別のビーカーで、１０ミリｍｏｌのＬｉＯＨ・Ｈ2Ｏを、エタノール５０ｍｌに超音波バス中で溶かした。得られた水酸化リチウム溶液を、酢酸塩溶液中に滴下し、酢酸塩溶液のにごりがなくなって透明になったところで滴下を止めた。このとき、水酸化リチウム溶液の約１／２が滴下されていた。この段階で、亜鉛、インジウムおよびガリウムの複合酸化物の微粒子が溶液中に分散されていた。しかし、液体をそのまま数日間放置すると、微粒子が凝集して沈殿してしまった。そこで、微粒子の表面に吸着する界面活性剤（ドデカンチオール）５ミリｍｏｌを液体に加えて、２時間攪拌した。この処理によって、微粒子の凝集が生じなくなった。【００４５】
次に、微粒子の分散液にヘキサンを４０ｍｌ加えて攪拌したのち、遠心分離機にかけ、沈殿物のみを取り出した。次に、沈殿物をエタノール１００ｍｌに分散させ、ヘキサンを加えて遠心分離し、沈殿物を抽出する、というサイクルを行った。このサイクルを１０回繰り返した。最後に、６０℃の真空乾燥機中で、１時間、沈殿物を乾燥させた。【００４６】
得られた粉末について、蛍光Ｘ線分光分析による組成分析、およびＸ線回折のパターン分析を行った。その結果、粉末は、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）5の結晶（微結晶）であった。さらに、透過型電子顕微鏡で微粒子を観察すると、微粒子の直径はおよそ３ｎｍ〜５ｎｍの範囲にあった。高倍率の観察では結晶格子が見え、微粒子はナノ結晶であることが確認された。また、微粒子同士は概ね等間隔に距離を保っていたため、ドデカンチオールが微粒子の表面に吸着していると考えられる。【００４７】
次に、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）5の粉末を、エタノールに分散させて分散液を作製した。この分散液を基板上に塗布し、２００℃で１時間熱処理することによって、薄膜（厚さ２００ｎｍ）を形成した。この薄膜の４辺に金からなる端子を形成して、ホール効果による移動度を測定した。その結果、薄膜はｎ型の導電性を示し、移動度は約８ｃｍ2／Ｖ・ｓであった。この数値は、上述した文献（Nature, Vol 432, 488頁から492頁、2004年11月）に開示されている、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）のアモルファス薄膜の移動度と近い数値である。これに対して、同様の方法で作製したＺｎＯナノ結晶からなる薄膜の移動度は、０．２ｃｍ2／Ｖ・ｓ程度にすぎなかった。ＺｎＯナノ結晶に限らず、ナノ結晶では、表面欠陥が増え、かつ、真空成膜の薄膜に比べて粒子間の抵抗値が高くなる。このため、ナノ結晶の移動度は、通常、非常に小さい。ところが、本発明者らは、ＺｎＯとＩｎＧａＯ3との複合酸化物は、ナノ結晶であっても、移動度が高いことを見出した。【００４８】
上述した文献（Nature, Vol 432, 488頁から492頁、2004年11月）に記載されている、真空成膜法で形成されたアモルファス薄膜（ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）薄膜）は、構成原子間の化学結合がネットワーク状に張り巡らされた連続膜であり、膜の内部に界面は存在しない。一方、半導体微粒子からなる膜では、粒子間に界面が存在する。そのため、従来の半導体膜（たとえば、ＺｎＯ微粒子からなる膜）では、界面抵抗が非常に高いため移動度が低い。ところが、本発明者らは、ＺｎＯにＩｎＧａＯ3を加えて複合酸化物の微粒子とすることによって、粒子間の界面抵抗を低減して移動度を向上できることを見出した。このように、本発明は、上記文献（Nature, Vol 432, 488頁から492頁、2004年11月）に記載された発明（アモルファス内部における移動度を向上させる発明）とは、膜の構造が異なり、ＩｎＧａＯ3の作用も異なる。【００４９】
ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）5のエタノール分散液を用いて、上述した方法によって、図１および図２に示す構造を有するＴＦＴを作製した。そして、そのＴＦＴの特性を測定した。具体的には、半導体パラメータアナライザを用い、ソース−ドレイン間の電圧を３ボルトに固定し、ゲート電圧を変えたときの、ソース−ドレイン間電流Ｉｄｓを測定した。測定結果を図３に示す。図３において、横軸はゲート電圧Ｖｇを示し、縦軸は、ソース−ドレイン間電流Ｉｄｓを示している。【００５０】
ゲート電圧Ｖｇが約０．８ボルトで電流が増加し始めた。また、ゲート電圧Ｖｇが５ボルトのときにおけるオン／オフ比は、１０5を超えていた。このように、ＴＦＴは、液晶や有機ＥＬパネルを駆動できる性能を有していた。【００５１】
図２のＴＦＴを用いた液晶パネルの一例の断面図を、図４に示す。図４の液晶パネル４０は、一般的な方法で作製した。まず、対向基板１１上に、ＩＴＯからなる共通電極１２を形成した。次に、ポリイミドからなる配向膜１３を、共通電極１２および画素電極２の上に、印刷によって形成した。次に、両側の基板をラビングし、基板上にスペーサーを散布してから、２つの基板を貼り合わせた。次に、２つの基板の間に液晶１４を注入し、液晶１４をＴＮ配向させた。このようにして、液晶パネルを作製した。この液晶パネルを、一般的な方法で駆動したところ、コントラストは１００以上であり、透過率は２０％以上であった。このように、液晶パネル４０は、良好な特性を示した。【００５２】
次に、半導体微粒子の原料に占めるＺｎＯの割合を減らして、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）m（ｍは４以下の自然数）の式で示される微粒子を作製した。ｍが４以下の自然数の場合、微粒子は、アモルファスの微粒子となったが、特性はｍ＝５のときとあまり差はなかった。ｍが５より大きい場合、微粒子は単結晶であったが、ｍが大きくなるほど移動度が低下した。そのため、表示素子を駆動するには、ｍは１０以下であることが好ましい。なお、複合化合物ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）mにおけるｍは、通常自然数である。しかし、生成物をＸ線などで分析した場合に、計測上の誤差、不純物、結晶欠陥などの影響によって、計測結果から算出したｍが、自然数から若干ずれることも当然ある。【００５３】
上述した文献（Thin Solid Films, Vol.445, 322頁から326頁、2003年）では、ｍが５より大きいＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）mからなる単結晶膜を、大型化には適さないエピタキシャル成長で作製していた。これに対して、本発明では、インクジェット法などの低コストの印刷法を用いて半導体微粒子を塗布することによって半導体層を形成できる。そのため、本発明によれば、大型ディスプレイを実現できる。【００５４】
また、半導体微粒子の表面に有機分子を吸着させるか、または、半導体微粒子の表面を水素化することが好ましい。そのようにすることによって、分散液中での半導体微粒子の凝集を抑制でき、また、半導体層の移動度を高めることができる。ただし、塗布された半導体微粒子の熱処理温度が１５０℃未満の場合には、移動度は極端に低下した。熱処理温度が高いほど半導体層の特性は向上する。熱処理温度は、１５０℃以上（たとえば２００℃以上）で、且つ、基板の耐熱温度以下であることが好ましい。１５０℃以上の温度で熱処理した半導体層の断面を電子顕微鏡で観察したところ、半導体層の中央では、微粒子間の隙間はほとんど無くなっていた。一方、半導体層の表面では微粒子間の距離が大きく、有機分子が残っていた。このことから、１５０℃の熱処理では有機分子は蒸発しないが、微粒子間から有機分子が移動することによって、半導体層の移動度が向上するものと考えられる。【００５５】
ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）5以外に、ＺｎＯ・Ｒｈ2Ｏ3からなるｐ型の半導体微粒子の合成について検討した。その結果、以下の方法で合成することができた。【００５６】
以下の合成では、酢酸亜鉛無水物（Ｚｎ（Ａｃ）2）、酢酸ロジウム二量体（Ｒｈ（Ａｃ）2）、水酸化リチウム一水和物（ＬｉＯＨ・Ｈ2Ｏ）、エタノール（アブソリュートエタノール）、ドデカンチオール、およびヘキサンを用いた。これらは、和光純薬工業株式会社製のものを用いた。【００５７】
まず、窒素雰囲気中で、酢酸亜鉛１ミリｍｏｌと酢酸ロジウム２ミリｍｏｌとを、沸騰させたエタノール１００ｍｌ中に溶かし、酢酸塩溶液を作製した。そして、この酢酸塩溶液を０℃に冷やした。また、別のビーカーで、１０ミリｍｏｌのＬｉＯＨ・Ｈ2Ｏをエタノール５０ｍｌに超音波バス中で溶かした。次に、酢酸塩溶液を攪拌しながら、その中にＬｉＯＨ溶液を滴下し、酢酸塩溶液のにごりがなくなって透明になったところで滴下を止めた。このとき、ＬｉＯＨ溶液の約１／２が滴下されていた。この段階で、亜鉛とロジウムの複合酸化物からなる微粒子が液体中に分散されていた。しかし、液体をそのまま数日間放置すると、微粒子が凝集して沈殿してしまった。そこで、微粒子の表面に吸着する界面活性剤（ドデカンチオール）５ミリｍｏｌを液体に加えて、２時間攪拌した。この処理によって、凝集が生じなくなった。【００５８】
次に、微粒子の分散液にヘキサン４０ｍｌを加えて攪拌したのち、遠心分離機にかけ、沈殿物のみを取り出した。この工程によって、液体中の余分な成分である、酢酸リチウム、水およびドデカンチオールなどを取り除いた。次に、沈殿物をエタノール１００ｍｌに分散させ、ヘキサンを加えて遠心分離し、沈殿物を抽出する、というサイクルを行った。このサイクルを１０回繰り返した。最後に、６０℃の真空乾燥機中で、１時間、沈殿物を乾燥させた。【００５９】
得られた粉末について、蛍光Ｘ線分光分析による組成分析、およびＸ線回折のパターン分析を行った。その結果、粉末は、ＺｎＲｈ2Ｏ4（すなわちＺｎＯ・Ｒｈ2Ｏ3）の微結晶であった。さらに、透過型電子顕微鏡で微粒子を観察すると、微粒子の直径はおよそ２ｎｍ〜５ｎｍの範囲にあった。高倍率の観察では結晶格子が見え、微粒子は単結晶の微粒子であることが確認された。また、微粒子同士は概ね等間隔に距離を保っていたため、ドデカンチオールが微粒子の表面に吸着していると考えられる。【００６０】
次に、ＺｎＲｈ2Ｏ4微粒子のエタノール分散液を用いて基板上に薄膜を形成した。そして、その薄膜の４辺に、金からなる電極を形成して、ホール効果の測定を行った。その結果、薄膜はｐ型の導電性を示し、移動度は約０．３ｃｍ2／Ｖ・ｓであった。また、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）5からなる微粒子と同様に、図１および図２に示すＴＦＴ１０を作製したところ、オン／オフ比が１０4であった。このように、ＴＦＴは、比較的良好な特性を示した。【００６１】
また、半導体微粒子の直径が大きすぎると、微粒子間の隙間が増えて、導電性が下がる。そのため、半導体微粒子の直径は、５０ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ以下であることがより好ましい。一方、半導体微粒子の直径が１ｎｍ未満であると、有機分子が粒径に比べて長くなり、表面の欠陥を塞ぎにくくなる。そのため、半導体微粒子の直径は、１ｎｍ以上であることが好ましい。【００６２】
また、図４では、本発明の表示素子の例として、液晶パネルについて説明した。しかし、本発明の電子機器は、有機ＥＬ表示装置や無機ＥＬ表示装置などであってもよい。受光型または発光型の光変調層を本発明のＴＦＴを用いて駆動することによって、安価で薄型で軽量の表示素子を実現することが可能である。【００６３】
本発明によれば、従来よりも移動度が高く大面積の半導体層を、印刷法によって安価に形成できる。また、その半導体層は、低温プロセスでプラスチック基板上に形成できる。そのため、本発明によれば、フィルム基板を用いた薄型で軽量の表示素子を、低コストで製造できる。また、本発明のＴＦＴを用いて、ＲＦタグなどの電子回路をプラスチック基板上に形成することが可能である。そのため、本発明は、フレキシブルな携帯端末などにも利用できる。【００６４】
本発明は、その意図および本質的な特徴から逸脱しない限り、他の実施形態に適用しうる。この明細書に開示されている実施形態は、あらゆる点で説明的なものであってこれに限定されない。本発明の範囲は、上記説明ではなく添付した請求の範囲によって示されており、請求の範囲と均等な意味および範囲にあるすべての変更はそれに含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、薄膜トランジスタに利用できる。また、本発明は、表示素子や携帯端末といった電子機器に利用できる。
【図１】
2007148601.tif 000003
【図２】
2007148601.tif 000004
【図３】
2007148601.tif 000005
【図４】
2007148601.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成20年11月10日(2008.11.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、前記半導体層に接続されたソース電極およびドレイン電極と、前記半導体層に隣接して形成された絶縁層と、前記絶縁層を挟んで前記半導体層に対向するゲート電極とを含む薄膜トランジスタであって、
前記半導体層は、複合酸化物からなる半導体微粒子の集合体を含み、
前記複合酸化物は、インジウム、ガリウムおよびロジウムからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素と亜鉛とを含む、薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記複合酸化物の組成が、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）m（ｍは１０以下の自然数）、または、ＺｎＯ・Ｒｈ2Ｏ3で表される請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記半導体微粒子は、前記複合酸化物の結晶からなる請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記半導体微粒子の平均粒径が５０ｎｍ以下である請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項５】
前記半導体微粒子の表面に界面活性剤が吸着している請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項６】
半導体層を含む薄膜トランジスタの製造方法であって、
（ｉ）複合酸化物からなる半導体微粒子を含む液体を用いて前記微粒子の集合体を含む層を形成する工程と、
（ii）前記層を１５０℃以上の温度で熱処理することによって前記半導体層を形成する工程とを含み、
前記複合酸化物は、インジウム、ガリウムおよびロジウムからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素と亜鉛とを含む、薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項７】
前記液体が界面活性剤を含む、請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
電子回路を備える電子機器であって、
前記電子回路が、請求項１に記載の薄膜トランジスタを含む電子機器。
【請求項９】
表示装置である請求項８に記載の電子機器。
【請求項１０】
携帯端末である請求項８に記載の電子機器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜トランジスタおよびその製造方法、ならびに、それを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
アモルファスシリコンやポリシリコンを用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、液晶ディスプレイの駆動素子として実用化されている。一般に、これらのＴＦＴは、ＣＶＤ法、スパッタ法、およびフォトリソグラフィ法などを組み合わせた製造工程によって形成されている。ＣＶＤ法やスパッタ法に用いる真空成膜装置や、フォトリソグラフィの装置は高価であるため、それらの装置コストが、液晶パネルのコストのかなりの部分を占めている。また、アモルファスシリコン膜やポリシリコン膜を作製するときの温度が高いため、プラスチック基板のような耐熱性の低い基板を使用できなかった。
【０００３】
プラスチック基板上にＴＦＴを形成する方法として、ＳｉナノワイヤやＺｎＯナノロッドといった半導体ナノ材料を用いて半導体層を形成する方法が提案されている（特開２００５−２４４２４０号公報）。
【０００４】
また、有機分子で表面を修飾したＺｎＯ微粒子を用いて、移動度が０．１ｃｍ2／Ｖ・ｓ程度のｎ型半導体膜を形成する方法が提案されている（Electron Devices Meeting, 2004, IEDM Technical Digest. IEEE International、13-15 Dec. 2004, Page(s):769 - 772 ,“A novel transparent air-stable printable n-type semiconductor technology using ZnO nanoparticles”）。この方法では、ＺｎＯ微粒子を塗布したのち、焼成し、さらに表面を水素化処理している。
【０００５】
また、ＩｎＧａＯ3・ＺｎＯのアモルファス半導体膜を用いたＴＦＴも開示されている（Nature, Vol 432, 488頁から492頁、2004年11月、“Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors”）。ＩｎＧａＯ3・ＺｎＯのアモルファス半導体膜は、真空成膜法の１つであるパルスレーザーアブレーション法を用いて室温で形成されている。酸化亜鉛にインジウムやガリウムを混ぜることによって、アモルファスＳｉ膜より移動度が高いアモルファス膜が形成されている。また、パルスレーザーアブレーションで成膜したＺｎＯとＩｎＧａＯ3の薄膜を酸化物基板で囲み、密閉状態で１４００℃でアニールするという特殊な手法（反応性固相成長法：Reactive Solid Phase Epitaxy）で、複合酸化物ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）mの単結晶が作製されている（Thin Solid Films, Vol.445, 322頁から326頁、2003年、"Electron transport in InGaO3(ZnO)m(m=integer) stadied using single-crystalline thin films and transparent MISFETs"）。
【０００６】
半導体ナノワイヤや半導体ナノロッドといった半導体ナノ材料は、単体では高い移動度を有する。しかし、それらの半導体ナノ材料は、特性の異方性が強い。そのため、半導体ナノ材料を用いて移動度が高い半導体膜を形成するには、半導体ナノ材料を配列させる必要がある。しかし、ナノ材料を配列させることは、現状の技術では容易でない。
【０００７】
一方、ＺｎＯ微粒子やＣｄＳｅ微粒子を用いた半導体膜は、容易なプロセスで作製可能である。しかし、それらの半導体膜は、アモルファスシリコン膜よりも移動度が低く、液晶素子や有機ＥＬ素子を駆動するには特性が不十分である。
【０００８】
半導体ナノ材料や半導体微粒子を用いた半導体膜は、真空成膜装置が不要であるため低コストで形成できるという利点を有する。また、それらの半導体膜は、低温プロセスで形成できるという利点を有する。そのため、半導体ナノ材料や半導体微粒子を用いたＴＦＴは、有望なＴＦＴとして、１０年以上の研究の歴史がある。しかし、それらのＴＦＴは、プロセスの容易さと充分な特性とを両立できていないため、いまだに実用化には至っていない。
【発明の開示】
【０００９】
このような状況において、本発明の目的の１つは、製造が容易で特性が高い薄膜トランジスタを提供することである。また、本発明の目的の１つは、その薄膜トランジスタの製造方法、およびその薄膜トランジスタを用いた電子機器を提供することである。
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の薄膜トランジスタは、半導体層と、前記半導体層に接続されたソース電極およびドレイン電極と、前記半導体層に隣接して形成された絶縁層と、前記絶縁層を挟んで前記半導体層に対向するゲート電極とを含む薄膜トランジスタであって、前記半導体層は、複合酸化物からなる半導体微粒子の集合体を含み、前記複合酸化物は、インジウム、ガリウムおよびロジウムからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素と亜鉛とを含む。
【００１１】
また、半導体層を含む薄膜トランジスタを製造するための本発明の方法は、（ｉ）複合酸化物からなる半導体微粒子を含む液体を用いて前記微粒子の集合体を含む層を形成する工程と、（ii）前記層を１５０℃以上の温度で熱処理することによって前記半導体層を形成する工程とを含み、前記複合酸化物は、インジウム、ガリウムおよびロジウムからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素と亜鉛とを含む。
【００１２】
また、本発明の電子機器は、電子回路を備える電子機器であって、前記電子回路が、本発明の薄膜トランジスタを含む。
【００１３】
本発明によれば、容易なプロセスによって、安価で性能の高い薄膜トランジスタを実現できる。また、プロセスの低温化が可能であるため、樹脂製の基板上に薄膜トランジスタを形成することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態および実施例の説明に限定されない。以下の説明では、特定の数値や特定の材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や他の材料を適用してもよい。
【００１５】
［薄膜トランジスタ（電界効果トランジスタ）］
本発明の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、半導体層と、半導体層に接続されたソース電極およびドレイン電極と、半導体層に隣接して形成された絶縁層と、絶縁層を挟んで前記半導体層に対向するゲート電極とを含む。半導体層は、複合酸化物からなる半導体微粒子の集合体を含む。複合酸化物は、インジウム、ガリウムおよびロジウムからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素と亜鉛とを含む。すなわち、複合酸化物は、インジウム、ガリウムおよびロジウムからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素の酸化物と亜鉛の酸化物とを含む。以下、この複合酸化物からなる半導体微粒子を、半導体微粒子（Ａ）という場合がある。
【００１６】
半導体層以外の部分に特に限定はなく、公知のＴＦＴの構成および材料を適用してもよい。
【００１７】
半導体層は、半導体微粒子（Ａ）のみによって構成されてもよい。ただし、本発明の効果が得られる限り、半導体層は、半導体微粒子（Ａ）以外の物質を含んでもよい。通常、半導体層の５０重量％以上（たとえば９０重量％以上）は複合酸化物である。
【００１８】
複合酸化物の組成は、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）m（ｍは１０以下の自然数）、または、ＺｎＯ・Ｒｈ2Ｏ3で表されてもよい。これらの複合酸化物を用いることによって、移動度が高い半導体層を実現できる。
【００１９】
半導体微粒子（Ａ）は、複合酸化物の結晶からなるものであることが好ましい。たとえば、半導体微粒子（Ａ）は、単結晶からなるものであってもよいし、多結晶からなるものであってもよいし、微結晶からなるものであってもよい。
【００２０】
半導体微粒子（Ａ）の平均粒径は、５０ｎｍ以下であってもよい。半導体微粒子（Ａ）の平均粒径を５０ｎｍ以下とすることによって、導電性の低下を抑制できる。半導体微粒子（Ａ）の平均粒径は、１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲にあってもよい。ここで、平均粒径は、以下の方法で測定される。まず、透過型電子顕微鏡で撮影した半導体層の断面の画像から、任意に１０個以上の粒子を選択して各々の最大径と最小径を測定する。そして、最大径と最小径の中間値を平均径として算出し、それら平均径の平均を平均粒径とする。
【００２１】
半導体微粒子（Ａ）の表面には、有機物（たとえば界面活性剤）が吸着していてもよい。また、半導体微粒子（Ａ）の表面は、水素で終端されていてもよい。
【００２２】
［ＴＦＴの製造方法］
ＴＦＴを製造するための本発明の方法は、以下の工程（ｉ）および（ii）を含む。この製造方法によれば、本発明のＴＦＴを製造できる。なお、本発明の製造方法で製造されるＴＦＴの構成および材料は、上述した本発明のＴＦＴと同じであるため、重複する説明を省略する場合がある。
【００２３】
工程（ｉ）では、複合酸化物からなる半導体微粒子（Ａ）を含む液体を用いて、半導体微粒子（Ａ）の集合体を含む層を形成する。半導体微粒子（Ａ）を含む液体は、界面活性剤をさらに含んでもよい。半導体微粒子（Ａ）の凝集を、界面活性剤によって抑制できる。半導体微粒子（Ａ）を含む液体は、所定の部材の上に塗布され、乾燥される。液体を構成する分散媒に特に限定はない。分散媒は、エタノールであってもよい。
【００２４】
液体が塗布される部材は、ＴＦＴの構成によって異なる。たとえば、基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁層および半導体層がこの順序で積層されているＴＦＴの場合、液体は、少なくともゲート絶縁層上に塗布される。また、基板上に、半導体層、ゲート絶縁層およびゲート電極がこの順序で積層されているＴＦＴの場合、液体は、少なくとも基板上に塗布される。
【００２５】
塗布された液体は、乾燥によって液媒体（liquid medium）が除去される。乾燥の方法に限定はなく、自然乾燥であってもよいし、真空乾燥であってもよいし、加熱による乾燥であってもよい。加熱による乾燥の場合、通常、以下の工程（ii）の熱処理の温度と同程度か、それ以下の温度に加熱される。
【００２６】
工程（ii）では、工程（ｉ）で形成された層を、１５０℃以上の温度で熱処理する。この熱処理（焼成）によって、ＴＦＴの半導体層が形成される。熱処理の温度は、２００℃以上であってもよい。熱処理の温度は、基板の耐熱温度以下であることが好ましい。
【００２７】
半導体層以外の部分の形成方法に限定はなく、公知の方法で形成できる。ソース電極、ドレイン電極、絶縁層（ゲート絶縁層）、およびゲート電極は、それぞれ、半導体層の形成前に形成してもよいし、半導体層の形成後に形成してもよい。
【００２８】
［電子機器］
本発明の電子機器は、電子回路を備える。その電子回路は、本発明のＴＦＴを含む。
【００２９】
本発明の電子機器は、表示装置であってもよい。たとえば、本発明の表示装置は、基板と、基板上に配置された本発明のＴＦＴと、そのＴＦＴによって駆動される光変調層とを備えてもよい。光変調層には、発光型の光変調層または受光型の光変調層を用いることができる。発光型の光変調層としては、有機ＥＬ素子に用いられる有機半導体層が挙げられる。また、受光型の光変調層としては、液晶が挙げられる。
【００３０】
本発明の電子機器は、携帯端末であってもよい。
【００３１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３２】
［実施形態１］
実施形態１では、液晶パネルの基板上に形成されている本発明のＴＦＴの一例について説明する。実施形態１のＴＦＴ１０の断面図を図１に示し、平面図を図２に示す。図１は、図２の線Ｉ−Ｉの部分の断面図である。なお、図２では、理解を容易にするため、半導体層５および絶縁層６の図示を省略している。また、図２では、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極にハッチングを付している。
【００３３】
ＴＦＴ１０は、基板１上に形成されている。ＴＦＴ１０は、ソース電極３ｓ、ドレイン電極３ｄ、半導体層５、絶縁層６、およびゲート電極７を含む。
【００３４】
ソース電極３ｓおよびドレイン電極３ｄは、基板１上に、距離をおいて配置されている。半導体層５は、基板１、ソース電極３ｓおよびドレイン電極３ｄ上に形成されている。半導体層５は、土手４の内部に形成される。絶縁層６は、半導体層５上に形成されている。ゲート電極７は、絶縁層６上に形成されている。ゲート電極７は、絶縁層６を挟んで半導体層５と対向している。ドレイン電極３ｄは、画素電極２に接続されている。また、ソース電極３ｓおよびドレイン電極３ｄは、半導体層５に電気的に接続されている。
【００３５】
以下に、ＴＦＴ１０の製造方法の一例について説明する。まず、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）からなるプラスチック基板１を用意する。この基板１上に、透明導電膜であるＩＴＯ膜（厚さ１３０ｎｍ）を、スパッタ法によって基板温度１８０℃で形成する。次に、フォトリソグラフィとエッチングによってＩＴＯ膜をパターニングし、画素電極２を形成する。
【００３６】
次に、チタン層（厚さ５０ｎｍ）／アルミ層（厚さ２００ｎｍ）／チタン層（厚さ５０ｎｍ）の積層構造を有する金属膜を、常温のスパッタ法で形成する。この金属膜をエッチングによってパターンニングして、ソース電極３ｓおよびドレイン電極３ｄを形成する。ソース電極３ｓは、基板１の端まで伸びており、駆動回路（図示せず）と接続されている。ドレイン電極３ｄの一部は、画素電極２の上に重なっている。
【００３７】
次に、高さ２μｍで幅が５μｍの土手４を、図２の平面図に示すように形成する。土手４は、ポリイミド樹脂をインクジェット描画装置で塗布することによって形成する。土手４は、図２に示すように、ソース電極３ｓとドレイン電極３ｄ間の活性領域を含む領域９を囲むように形成される。
【００３８】
次に、土手４に囲まれた領域９の内部に、半導体微粒子の分散液を、インクジェット描画装置によって配置する。そして、空気中において、ホットプレートを用いて、基板を２００℃で１時間熱処理することによって、ｎ型の半導体層５（厚さ膜厚５００ｎｍ）を形成する。
【００３９】
次に、半導体層５の上に感光性ポリイミドを塗布することによって絶縁層６（厚さ２００ｎｍ）を形成する。次に、露光および現像によって絶縁層６の一部を除去し、図２の開口部１０の部分の画素電極２を露出させる。
【００４０】
次に、ソース電極３ｓおよびドレイン電極３ｄと同じ材料で同じ厚さのゲート電極７を形成する。ゲート電極７の一部７ｃは、次の段の画素電極２と絶縁層６を挟んで重なっており、補助容量を形成する。
【００４１】
発明者らは、半導体層５を構成する半導体微粒子の合成方法について鋭意検討した。その結果、以下の方法で合成できることを見出した。半導体微粒子を合成した一例について、以下に説明する。なお、以下の説明において、「Ａｃ」はアセテート（ＣＨ3ＣＯＯ）を意味する。
【００４２】
以下の合成では、酢酸亜鉛無水物（Ｚｎ（Ａｃ）2）、酢酸インジウム（Ｉｎ（Ａｃ）3）、水酸化リチウム一水和物（ＬｉＯＨ・Ｈ2Ｏ）、エタノール（アブソリュートエタノール）、ドデカンチオール、およびヘキサンを用いた。これらには、和光純薬工業株式会社製のものを用いた。また、以下の合成では、酢酸ガリウム（Ｇａ（Ａｃ）3）（米国のグレート・ウェスタン・インオーガニクス社製）を用いた。
【００４３】
まず、窒素雰囲気中で、酢酸亜鉛２．５ミリｍｏｌ、酢酸インジウム０．５ミリｍｏｌ、および酢酸ガリウム０．５ミリｍｏｌを、エタノール１００ｍｌ中に溶かし、酢酸塩溶液を調製した。この酢酸塩溶液を０℃に冷やした。別のビーカーで、１０ミリｍｏｌのＬｉＯＨ・Ｈ2Ｏを、エタノール５０ｍｌに超音波バス中で溶かした。得られた水酸化リチウム溶液を、酢酸塩溶液中に滴下し、酢酸塩溶液のにごりがなくなって透明になったところで滴下を止めた。このとき、水酸化リチウム溶液の約１／２が滴下されていた。この段階で、亜鉛、インジウムおよびガリウムの複合酸化物の微粒子が溶液中に分散されていた。しかし、液体をそのまま数日間放置すると、微粒子が凝集して沈殿してしまった。そこで、微粒子の表面に吸着する界面活性剤（ドデカンチオール）５ミリｍｏｌを液体に加えて、２時間攪拌した。この処理によって、微粒子の凝集が生じなくなった。
【００４４】
次に、微粒子の分散液にヘキサンを４０ｍｌ加えて攪拌したのち、遠心分離機にかけ、沈殿物のみを取り出した。次に、沈殿物をエタノール１００ｍｌに分散させ、ヘキサンを加えて遠心分離し、沈殿物を抽出する、というサイクルを行った。このサイクルを１０回繰り返した。最後に、６０℃の真空乾燥機中で、１時間、沈殿物を乾燥させた。
【００４５】
得られた粉末について、蛍光Ｘ線分光分析による組成分析、およびＸ線回折のパターン分析を行った。その結果、粉末は、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）5の結晶（微結晶）であった。さらに、透過型電子顕微鏡で微粒子を観察すると、微粒子の直径はおよそ３ｎｍ〜５ｎｍの範囲にあった。高倍率の観察では結晶格子が見え、微粒子はナノ結晶であることが確認された。また、微粒子同士は概ね等間隔に距離を保っていたため、ドデカンチオールが微粒子の表面に吸着していると考えられる。
【００４６】
次に、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）5の粉末を、エタノールに分散させて分散液を作製した。この分散液を基板上に塗布し、２００℃で１時間熱処理することによって、薄膜（厚さ２００ｎｍ）を形成した。この薄膜の４辺に金からなる端子を形成して、ホール効果による移動度を測定した。その結果、薄膜はｎ型の導電性を示し、移動度は約８ｃｍ2／Ｖ・ｓであった。この数値は、上述した文献（Nature, Vol 432, 488頁から492頁、2004年11月）に開示されている、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）のアモルファス薄膜の移動度と近い数値である。これに対して、同様の方法で作製したＺｎＯナノ結晶からなる薄膜の移動度は、０．２ｃｍ2／Ｖ・ｓ程度にすぎなかった。ＺｎＯナノ結晶に限らず、ナノ結晶では、表面欠陥が増え、かつ、真空成膜の薄膜に比べて粒子間の抵抗値が高くなる。このため、ナノ結晶の移動度は、通常、非常に小さい。ところが、本発明者らは、ＺｎＯとＩｎＧａＯ3との複合酸化物は、ナノ結晶であっても、移動度が高いことを見出した。
【００４７】
上述した文献（Nature, Vol 432, 488頁から492頁、2004年11月）に記載されている、真空成膜法で形成されたアモルファス薄膜（ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）薄膜）は、構成原子間の化学結合がネットワーク状に張り巡らされた連続膜であり、膜の内部に界面は存在しない。一方、半導体微粒子からなる膜では、粒子間に界面が存在する。そのため、従来の半導体膜（たとえば、ＺｎＯ微粒子からなる膜）では、界面抵抗が非常に高いため移動度が低い。ところが、本発明者らは、ＺｎＯにＩｎＧａＯ3を加えて複合酸化物の微粒子とすることによって、粒子間の界面抵抗を低減して移動度を向上できることを見出した。このように、本発明は、上記文献（Nature, Vol 432, 488頁から492頁、2004年11月）に記載された発明（アモルファス内部における移動度を向上させる発明）とは、膜の構造が異なり、ＩｎＧａＯ3の作用も異なる。
【００４８】
ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）5のエタノール分散液を用いて、上述した方法によって、図１および図２に示す構造を有するＴＦＴを作製した。そして、そのＴＦＴの特性を測定した。具体的には、半導体パラメータアナライザを用い、ソース−ドレイン間の電圧を３ボルトに固定し、ゲート電圧を変えたときの、ソース−ドレイン間電流Ｉｄｓを測定した。測定結果を図３に示す。図３において、横軸はゲート電圧Ｖｇを示し、縦軸は、ソース−ドレイン間電流Ｉｄｓを示している。
【００４９】
ゲート電圧Ｖｇが約０．８ボルトで電流が増加し始めた。また、ゲート電圧Ｖｇが５ボルトのときにおけるオン／オフ比は、１０5を超えていた。このように、ＴＦＴは、液晶や有機ＥＬパネルを駆動できる性能を有していた。
【００５０】
図２のＴＦＴを用いた液晶パネルの一例の断面図を、図４に示す。図４の液晶パネル４０は、一般的な方法で作製した。まず、対向基板１１上に、ＩＴＯからなる共通電極１２を形成した。次に、ポリイミドからなる配向膜１３を、共通電極１２および画素電極２の上に、印刷によって形成した。次に、両側の基板をラビングし、基板上にスペーサーを散布してから、２つの基板を貼り合わせた。次に、２つの基板の間に液晶１４を注入し、液晶１４をＴＮ配向させた。このようにして、液晶パネルを作製した。この液晶パネルを、一般的な方法で駆動したところ、コントラストは１００以上であり、透過率は２０％以上であった。このように、液晶パネル４０は、良好な特性を示した。
【００５１】
次に、半導体微粒子の原料に占めるＺｎＯの割合を減らして、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）m（ｍは４以下の自然数）の式で示される微粒子を作製した。ｍが４以下の自然数の場合、微粒子は、アモルファスの微粒子となったが、特性はｍ＝５のときとあまり差はなかった。ｍが５より大きい場合、微粒子は単結晶であったが、ｍが大きくなるほど移動度が低下した。そのため、表示素子を駆動するには、ｍは１０以下であることが好ましい。なお、複合化合物ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）mにおけるｍは、通常自然数である。しかし、生成物をＸ線などで分析した場合に、計測上の誤差、不純物、結晶欠陥などの影響によって、計測結果から算出したｍが、自然数から若干ずれることも当然ある。
【００５２】
上述した文献（Thin Solid Films, Vol.445, 322頁から326頁、2003年）では、ｍが５より大きいＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）mからなる単結晶膜を、大型化には適さないエピタキシャル成長で作製していた。これに対して、本発明では、インクジェット法などの低コストの印刷法を用いて半導体微粒子を塗布することによって半導体層を形成できる。そのため、本発明によれば、大型ディスプレイを実現できる。
【００５３】
また、半導体微粒子の表面に有機分子を吸着させるか、または、半導体微粒子の表面を水素化することが好ましい。そのようにすることによって、分散液中での半導体微粒子の凝集を抑制でき、また、半導体層の移動度を高めることができる。ただし、塗布された半導体微粒子の熱処理温度が１５０℃未満の場合には、移動度は極端に低下した。熱処理温度が高いほど半導体層の特性は向上する。熱処理温度は、１５０℃以上（たとえば２００℃以上）で、且つ、基板の耐熱温度以下であることが好ましい。１５０℃以上の温度で熱処理した半導体層の断面を電子顕微鏡で観察したところ、半導体層の中央では、微粒子間の隙間はほとんど無くなっていた。一方、半導体層の表面では微粒子間の距離が大きく、有機分子が残っていた。このことから、１５０℃の熱処理では有機分子は蒸発しないが、微粒子間から有機分子が移動することによって、半導体層の移動度が向上するものと考えられる。
【００５４】
ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）5以外に、ＺｎＯ・Ｒｈ2Ｏ3からなるｐ型の半導体微粒子の合成について検討した。その結果、以下の方法で合成することができた。
【００５５】
以下の合成では、酢酸亜鉛無水物（Ｚｎ（Ａｃ）2）、酢酸ロジウム二量体（Ｒｈ（Ａｃ）2）、水酸化リチウム一水和物（ＬｉＯＨ・Ｈ2Ｏ）、エタノール（アブソリュートエタノール）、ドデカンチオール、およびヘキサンを用いた。これらは、和光純薬工業株式会社製のものを用いた。
【００５６】
まず、窒素雰囲気中で、酢酸亜鉛１ミリｍｏｌと酢酸ロジウム２ミリｍｏｌとを、沸騰させたエタノール１００ｍｌ中に溶かし、酢酸塩溶液を作製した。そして、この酢酸塩溶液を０℃に冷やした。また、別のビーカーで、１０ミリｍｏｌのＬｉＯＨ・Ｈ2Ｏをエタノール５０ｍｌに超音波バス中で溶かした。次に、酢酸塩溶液を攪拌しながら、その中にＬｉＯＨ溶液を滴下し、酢酸塩溶液のにごりがなくなって透明になったところで滴下を止めた。このとき、ＬｉＯＨ溶液の約１／２が滴下されていた。この段階で、亜鉛とロジウムの複合酸化物からなる微粒子が液体中に分散されていた。しかし、液体をそのまま数日間放置すると、微粒子が凝集して沈殿してしまった。そこで、微粒子の表面に吸着する界面活性剤（ドデカンチオール）５ミリｍｏｌを液体に加えて、２時間攪拌した。この処理によって、凝集が生じなくなった。
【００５７】
次に、微粒子の分散液にヘキサン４０ｍｌを加えて攪拌したのち、遠心分離機にかけ、沈殿物のみを取り出した。この工程によって、液体中の余分な成分である、酢酸リチウム、水およびドデカンチオールなどを取り除いた。次に、沈殿物をエタノール１００ｍｌに分散させ、ヘキサンを加えて遠心分離し、沈殿物を抽出する、というサイクルを行った。このサイクルを１０回繰り返した。最後に、６０℃の真空乾燥機中で、１時間、沈殿物を乾燥させた。
【００５８】
得られた粉末について、蛍光Ｘ線分光分析による組成分析、およびＸ線回折のパターン分析を行った。その結果、粉末は、ＺｎＲｈ2Ｏ4（すなわちＺｎＯ・Ｒｈ2Ｏ3）の微結晶であった。さらに、透過型電子顕微鏡で微粒子を観察すると、微粒子の直径はおよそ２ｎｍ〜５ｎｍの範囲にあった。高倍率の観察では結晶格子が見え、微粒子は単結晶の微粒子であることが確認された。また、微粒子同士は概ね等間隔に距離を保っていたため、ドデカンチオールが微粒子の表面に吸着していると考えられる。
【００５９】
次に、ＺｎＲｈ2Ｏ4微粒子のエタノール分散液を用いて基板上に薄膜を形成した。そして、その薄膜の４辺に、金からなる電極を形成して、ホール効果の測定を行った。その結果、薄膜はｐ型の導電性を示し、移動度は約０．３ｃｍ2／Ｖ・ｓであった。また、ＩｎＧａＯ3（ＺｎＯ）5からなる微粒子と同様に、図１および図２に示すＴＦＴ１０を作製したところ、オン／オフ比が１０4であった。このように、ＴＦＴは、比較的良好な特性を示した。
【００６０】
また、半導体微粒子の直径が大きすぎると、微粒子間の隙間が増えて、導電性が下がる。そのため、半導体微粒子の直径は、５０ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ以下であることがより好ましい。一方、半導体微粒子の直径が１ｎｍ未満であると、有機分子が粒径に比べて長くなり、表面の欠陥を塞ぎにくくなる。そのため、半導体微粒子の直径は、１ｎｍ以上であることが好ましい。
【００６１】
また、図４では、本発明の表示素子の例として、液晶パネルについて説明した。しかし、本発明の電子機器は、有機ＥＬ表示装置や無機ＥＬ表示装置などであってもよい。受光型または発光型の光変調層を本発明のＴＦＴを用いて駆動することによって、安価で薄型で軽量の表示素子を実現することが可能である。
【００６２】
本発明によれば、従来よりも移動度が高く大面積の半導体層を、印刷法によって安価に形成できる。また、その半導体層は、低温プロセスでプラスチック基板上に形成できる。そのため、本発明によれば、フィルム基板を用いた薄型で軽量の表示素子を、低コストで製造できる。また、本発明のＴＦＴを用いて、ＲＦタグなどの電子回路をプラスチック基板上に形成することが可能である。そのため、本発明は、フレキシブルな携帯端末などにも利用できる。
【００６３】
本発明は、その意図および本質的な特徴から逸脱しない限り、他の実施形態に適用しうる。この明細書に開示されている実施形態は、あらゆる点で説明的なものであってこれに限定されない。本発明の範囲は、上記説明ではなく添付した請求の範囲によって示されており、請求の範囲と均等な意味および範囲にあるすべての変更はそれに含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、薄膜トランジスタに利用できる。また、本発明は、表示素子や携帯端末といった電子機器に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】図１は、本発明の薄膜トランジスタの一例の断面図を示す。
【図２】図２は、図１に示した薄膜トランジスタについて、一部の構成を示す平面図である。
【図３】図３は、本発明の薄膜トランジスタの一例の特性を示す。
【図４】図４は、本発明の液晶パネルの一例の断面図を示す。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2007148601.tif 000007
【図２】
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【図３】
2007148601.tif 000009
【図４】
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【国際調査報告】
2007148601.tif 000011
2007148601.tif 000012