(57)【要約】【課題】プラスチック基材からの脱酸素、脱水蒸気をガスバリア層で遮断することにより、特性の安定した、移動度やＯＮ／ＯＦＦ比が高いレベルで維持されたトランジスタを提供すること。【解決手段】プラスチック基材上に設けられた酸化物半導体層と、該酸化物半導体層に電気的に接触して配列されたソース電極と、前記酸化物半導体層に電気的に接触すると共に前記ソース電極に離隔して配列されたドレイン電極と、前記プラスチック基材を真上から見たときに前記ソース電極と前記ドレイン電極の間に位置する前記酸化物半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを備えたトランジスタの、プラスチック基材と酸化物半導体層の間にガスバリア層を設けて、プラスチック基材からの脱酸素、脱水蒸気が酸化物半導体層に行かないようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチック基材の少なくとも一方の面上にガスバリア層を設けたガスバリア材と、前記ガスバリア層の上に設けられた酸化物半導体層と、該酸化物半導体層に電気的に接触して配列されたソース電極と、前記酸化物半導体層に電気的に接触すると共に前記ソース電極に離隔して配列されたドレイン電極と、前記プラスチック基材を真上から見たときに前記ソース電極と前記ドレイン電極の間に位置する前記酸化物半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを備え、該ゲート電極に印加する電圧の有無によって、前記ソース電極と前記ドレイン電極との導通をオン又はオフするトランジスタであって、前記ガスバリア材の酸素透過率が３．５ｃｃ／ｍ２・ｄａｙ・ａｔｍ以下、水蒸気透過率が３ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下であることを特徴とするトランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物半導体層を有するフレキシブルトランジスタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に電子デバイスの駆動用トランジスタとして、アモルファスシリコン半導体や多結晶シリコン半導体等を用いたトランジスタが用いられてきた。
しかしながら、高品質なアモルファスシリコン半導体や多結晶シリコン半導体の作製には２００℃以上の成膜温度を必要とするため、安価なプラスチック基材を用いたフレキシブルトランジスタを実現することは困難であった。
【０００３】
安価なプラスチック基材を用いたフレキシブルトランジスタを実現するために、有機半導体を半導体層に用いたトランジスタが盛んに研究されている。
有機半導体は、低温で作製できるため、プラスチック基材上に形成できるという利点を有する。
しかしながら、有機半導体の移動度は極めて低く、また経時劣化にも弱いという難点があり未だ実用に至っていない。
【０００４】
以上のような状況を受け、低温で作製しても高い移動度を示す酸化物半導体であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏを半導体層に用いたトランジスタが提案されている。（非特許文献１参照）
【０００５】
それによると、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏを半導体層として用いることで、ポリエチレンテレフタレート基材上に、移動度１０ｃｍ２／Ｖｓ前後の優れた半導体を持つ、トランジスタを、室温で作製することが可能になったとされている。
【０００６】
しかしながら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏをスパッタ法で作製する場合、半導体特性は、成膜面の酸素濃度によって極めて敏感に影響されてしまう。
【０００７】
例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏをスパッタ法にて、酸素流量を１％（アルゴン流量１００％）の条件で成膜すると、膜の導電率が１（Ｓ／ｃｍ）を超える導電体となるが、酸素流量を５０％の条件で成膜すると、膜の導電率が１×１０−１３（Ｓ／ｃｍ）以下の絶縁体となる。
【０００８】
半導体成膜面の酸素濃度は、半導体膜中に含まれる酸素欠損の数に極めて大きな影響を与えるため、半導体特性を安定させるためには、半導体成膜面での酸素濃度の制御が極めて重要となってくる。
【０００９】
基材としてガラス等の無機材料を使用した場合には、半導体成膜中の基材からの脱酸素がほとんど無視しうる範囲内であるため、半導体成膜面での酸素濃度の制御は容易だが、基材にプラスチック基材を使用した場合、プラスチック基材からの脱酸素により、半導体成膜面での酸素濃度の制御が非常に困難になる。
【００１０】
また、プラスチック基材上にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ半導体層を形成したトランジスタは、時間の経過に伴い、プラスチック基材中に含有している水蒸気が半導体層へ拡散し、トランジスタの移動度やＯＮ／ＯＦＦ比を低下させるという問題がおきている。
【００１１】
【非特許文献１】Ｋ．Ｎｏｍｕｒａ  ｅｔ  ａｌ．Ｎａｔｕｒｅ，４３２，４８８（２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、プラスチック基材からの脱酸素、脱水蒸気をガスバリア層で遮断して、酸化物半導体層に行かないようにすることにより、特性の安定した、移動度やＯＮ／ＯＦＦ比が高いレベルで維持されたトランジスタを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に記載の発明は、プラスチック基材の少なくとも一方の面上にガスバリア層を設けたガスバリア材と、前記ガスバリア層の上に設けられた酸化物半導体層と、該酸化物半導体層に電気的に接触して配列されたソース電極と、前記酸化物半導体層に電気的に接触すると共に前記ソース電極に離隔して配列されたドレイン電極と、前記プラスチック基材を真上から見たときに前記ソース電極と前記ドレイン電極の間に位置する前記酸化物半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを備え、該ゲート電極に印加する電圧の有無によって、前記ソース電極と前記ドレイン電極との導通をオン又はオフするトランジスタであって、前記ガスバリア材の酸素透過率が３．５ｃｃ／ｍ２・ｄａｙ・ａｔｍ以下、水蒸気透過率が３ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下であることを特徴とするトランジスタである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、プラスチック基材からの脱酸素、脱水蒸気をガスバリア層で遮断して、酸化物半導体層に行かないようにすることにより、特性の安定した、移動度やＯＮ／ＯＦＦ比が高いレベルで維持された、酸化物半導体を用いたフレキシブルトランジスタを作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
トランジスタの形成例を、図１を基に説明する。
【００１６】
まず、プラスチック基材１上にガスバリア層２を積層する。（図１（ａ））
【００１７】
プラスチック基材の材料は、ポリメチルメタクリレート、ポリアリフレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、シクロオレフィンポリマー、ポリエーテルサルフェン、トリアセチルセルロース、ポリビニルフルオライドフィルム、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合樹脂、耐候性ポリエチレンテレフタレート、耐候性ポリプロピレン、ガラス繊維強化アクリル樹脂フィルム、ガラス繊維強化ポリカーボネート、ポリイミド、透明性ポリイミド、フッ素系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂、ポリアクリル系樹脂などを使用することができるが、これらに限定されるわけではない。
【００１８】
これらは、単独で使用してもよいが、二種以上を積層した複合基材として使用することもできる。
【００１９】
ガスバリア層２の材料としては、無機酸化物、無機窒化物を用いることができる。
具体的には酸化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、フッ化マグネシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウムのいずれかの単独、もしくは二種以上の混合物などを使用できるが、これらに限定されるものではない。
酸化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウムが、ガスバリア性能の良好さ、製造価格の安さ、透明性などの観点から好ましい。
【００２０】
ガスバリア層２の積層方法としては、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ホットワイヤーＣＶＤ法、スピンコート法、ディップコート法、スクリーン印刷法、凸版印刷法、凹版印刷法、平版印刷法、インクジェット法などの方法を用いることができるが、これらに限定されるものではない。
【００２１】
ガスバリア層２は不透明でも透明でもあっても構わないが、プラスチック基材、ガスバリア層、半導体層、ゲート絶縁膜、電極の全てが透明であると透明トランジスタを実現することができる。
【００２２】
次に、ガスバリア層２上に半導体層３を積層する。
【００２３】
半導体層３の材料としては、亜鉛、インジウム、スズ、タングステン、マグネシウム、ガリウムのうち一種類以上の元素を含む酸化物である酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、酸化タングステン、酸化亜鉛ガリウムインジウム等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。
これら材料の構造は単結晶、多結晶、微結晶、結晶／アモルファスの混晶、ナノ結晶散在アモルファス、アモルファスのいずれであってもかまわない。
半導体層の膜厚は少なくとも２０ｎｍ以上が望ましい。
【００２４】
半導体層３の積層方法としては、スパッタ法、パルスレーザー堆積法、真空蒸着法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、スピンコート法、ディップコート法、スクリーン印刷法、凸版印刷法、凹版印刷法、平版印刷法、インクジェット法などの方法を用いることができるがスパッタ法、パルスレーザー堆積法、真空蒸着法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が好ましい。
【００２５】
スパッタ法としてはＲＦマグネトロンスパッタ法、ＤＣスパッタ法、真空蒸着法としては加熱蒸着、電子ビーム蒸着、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法としてはホットワイヤーＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２６】
次に、半導体層３上にゲート絶縁膜４を積層する。
【００２７】
ゲート絶縁膜４の材料としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネート、酸化ジルコニア、酸化チタン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリプロビレン、シクロオレフィンポリマー、ポリアミド、ポリエーテルサルフェン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリアリルレート、ポリエチレン、ポリスチロール、テフロン(登録商標)、エボナイト、エポキシ、漆などを用いることができる。
【００２８】
ゲート絶縁膜４の製造方法としては、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、光ＣＶＤ法、ホットワイヤーＣＶＤ法、スピンコート法、ディップコート法、スクリーン印刷法、凸版印刷法、凹版印刷法、平版印刷法、インクジェット法などの方法を用いることができる。
【００２９】
金属電極（ゲート電極５、ソース電極６、ドレイン電極７）間のリーク電流を抑えるためには、ゲート絶縁膜４の導電率は１０−１２Ｓ／ｃｍ以下であることが好ましい。
また、ゲート絶縁膜４の厚さは５０ｎｍ〜２mｍであることが望ましい。
【００３０】
また、ゲート絶縁膜４とガスバリア層２が同一材料であれば、安価にトランジスタを作製することも可能である。
【００３１】
次に、金属電極（ゲート電極５、ソース電極６、ドレイン電極７）を形成し、トランジスタを得た。（図１（ｄ））
【００３２】
金属電極（ゲート電極５、ソース電極６、ドレイン電極７）の材料としては、金、白金、銀、パラジウム、銅、アルミニウム、ニクロム、クロム、チタン、インジウム、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化カドミウム、酸化ガリウム等を用いることができる。
【００３３】
酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ等の透明導電性酸化物を使用する場合はドーパントを混入させることで金属電極の導電率を上げることが望ましい。
例えば、酸化亜鉛ではガリウム、アルミニウム、ボロンなど、酸化スズではフッ素、アンチモンなど、酸化インジウムではスズ、亜鉛、チタン、セリウム、ハフニウム、ジルコニアなど混入させ縮退させることが好ましい。
また、電極材料に酸化物半導体と同じ母材料を用い、ドーパント濃度だけを高くすることが、生産効率増加のために好ましい。
金属電極の膜厚は少なくとも１５ｎｍ以上である必要がある。
また、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極の材料は、全て同じものとしてもよく、異なるものとしても良い。
【００３４】
金属電極（ゲート電極５、ソース電極６、ドレイン電極７）の製造方法としては、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ホットワイヤーＣＶＤ法、スピンコート法、ディップコート法、スクリーン印刷法、凸版印刷法、凹版印刷法、平版印刷法、インクジェット法などの方法を用いることができる。
【００３５】
なお、プラスチック基材１の両面にガスバリア層２を形成してもよい。（図２（ｄ））
【実施例１】
【００３６】
まず、厚さ１００mｍのポリエチレンテレフタレート（以下ＰＥＴと記述する）上に、電子線加熱方式による連続巻取蒸着法を用いて、酸化アルミニウムを１００ｎｍ蒸着した。
【００３７】
次に、酸化アルミニウムを蒸着したＰＥＴ上に、スパッタターゲットとしてＩｎＧａＺｎＯ４を用い、ＲＦマグネトロンスパッタ法［スパッタガスはＡｒ１９．４ＳＣＣＭ、酸素０．６ＳＣＣＭ（酸素流量比３％）］によって、４０ｎｍの膜厚を有する半導体層を作製した。
【００３８】
この半導体層上の一部に、スパッタターゲットとしてＹ２Ｏ３を用い、ＲＦマグネトロンスパッタ法［スパッタガスはＡｒ１ＳＣＣＭ、酸素２０ＳＣＣＭ］によってＹ２Ｏ３からなる１７０ｎｍの膜厚を有するゲート絶縁膜を作製した。
【００３９】
続いてこのゲート絶縁膜および半導体層の上に、スパッタターゲットとしてＳｎを１０％ドープしたＩｎ２Ｏ３を用い、スパッタガスとしてはＡｒ２０ＳＣＣＭ、酸素０．１ＳＣＣＭを用いてスパッタを行った後、フォトリソグラフィー法を用いてソース電極、ドレイン電極、そしてゲート電極の３領域を分離して、トランジスタを得た。
【００４０】
トランジスタのチャネル長は５０mｍ、チャネル幅は２００mｍであった。
表１に作製条件をまとめた。
【００４１】
【表１】
2007115735.tif 000003
【００４２】
＜比較例１＞
ＰＥＴ基材上に、酸化アルミニウムからなるガスバリア層を設けなかったこと以外は実施例１と同様の方法でトランジスタを作製した。
【００４３】
効果を確認するため、作製したトランジスタの特性評価を行った。
結果を図３、図４に示す。
【００４４】
トランジスタのガスバリア材の酸素透過率が３．５ｃｃ／ｍ２・ｄａｙ・ａｔｍ以下、水蒸気透過率が３ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下の時、ＯＮ／ＯＦＦ比は１０７以上、移動度４ｃｍ２／Ｖｓ以上の良好な特性を示した。
また、ガスバリア層を設けなかったトランジスタのＯＮ／ＯＦＦ比は１０７未満、移動度は３ｃｍ２／Ｖｓ未満と低く、トランジスタの使用に適さないレベルであった。
【００４５】
なお、酸化アルミニウムを蒸着したＰＥＴの酸素透過率は、米国モコン（Ｍｏｃｏｎ）社製の酸素透過率測定器（機種名：オキシトランＯＸＴＲＡＮ）を使用して、温度３０℃、湿度７０％ＲＨの条件下で測定した。
【００４６】
また、酸化アルミニウムを蒸着したＰＥＴの水蒸気透過率は、米国モコン（Ｍｏｃｏｎ）社製の水蒸気透過率測定器（機種名：パーマトランＰＥＲＭＡＴＲＡＮ）を使用して、温度４０℃、湿度９０％ＲＨの条件下で測定した。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明のトランジスタは、液晶ディスプレー、有機ＥＬディスプレー、マイクロカプセル型電気泳動式ディスプレー、光書き込み型コレステリック液晶型ディスプレー、Ｔｗｉｓｔｉｎｇ  Ｂａｌｌ  方式ディスプレー、トナー方式ディスプレー、可動フィルム方式ディスプレー、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）センサーなどのデバイスに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明のトランジスタの一例の断面構造を示す説明図である。
【図２】本発明のトランジスタの一例の断面構造を示す説明図である。
【図３】本発明のトランジスタの、ガスバリア材の酸素透過率と、移動度およびＯＮ／ＯＦＦ比の関係を示す説明図である。
【図４】本発明のトランジスタの、ガスバリア材の水蒸気透過率と、移動度およびＯＮ／ＯＦＦ比の関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１・・・プラスチック基材
２・・・ガスバリア層
３・・・半導体層
４・・・ゲート絶縁膜
５・・・ゲート電極
６・・・ソース電極
７・・・ドレイン電極
【図３】
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【図４】
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【図１】
2007115735.tif 000006
【図２】
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