(57)【要約】【課題】  大面積の単結晶膜を得ることができるルブレン系化合物単結晶の製造方法及び有機半導体素子の製造方法並びに有機半導体素子を提供する。【解決手段】  ルブレン系化合物単結晶膜を基板上に形成する際に、前記基板を１５０℃以上に保持すると共にこの基板上に前記ルブレン系化合物の気体を供給することにより当該基板上にルブレン系化合物の単結晶を成長させて単結晶膜を得る。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ルブレン系化合物単結晶膜を基板上に形成する際に、前記基板を１５０℃以上に保持すると共にこの基板上に前記ルブレン系化合物の気体を供給することにより当該基板上にルブレン系化合物の単結晶を成長させて単結晶膜を得ることを特徴とするルブレン系化合物単結晶膜の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のルブレン系化合物単結晶膜の製造方法において、前記単結晶の成長を減圧状態で行うことを特徴とするルブレン系化合物単結晶膜の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のルブレン系化合物単結晶膜の製造方法において、
前記単結晶膜の形成を不活性ガス雰囲気下で行うことを特徴とするルブレン系化合物単結晶膜の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載のルブレン系化合物単結晶膜の製造方法において、
前記基板が、少なくとも表面にポリイミド系樹脂又はポリビニルフェノール樹脂からなる薄膜を有するものであることを特徴とするルブレン系化合物単結晶膜の製造方法。
【請求項５】
基板上にゲート絶縁層となる有機絶縁体膜を形成する工程と、この基板を１５０℃以上に保持すると共にこの基板上に前記ルブレン系化合物の気体を供給することにより前記有機絶縁体膜上にルブレン系化合物の単結晶を成長させて有機半導体層となる単結晶膜を得る工程とを具備することを特徴とする有機半導体素子の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の有機半導体素子の製造方法において、前記基板上への単結晶の成長を減圧状態で行うことを特徴とすることを特徴とする有機半導体素子の製造方法。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の有機半導体素子の製造方法において、前記単結晶膜の形成を不活性ガス雰囲気下で行うことを特徴とする有機半導体素子の製造方法。
【請求項８】
請求項５〜７の何れかに記載の有機半導体素子の製造方法において、
前記有機絶縁体膜が、ポリイミド系樹脂又はポリビニルフェノール樹脂からなることを特徴とするルブレン系化合物単結晶膜の製造方法。
【請求項９】
有機半導体層と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極と、ゲート絶縁層とを具備する有機半導体素子において、
前記有機半導体層がフレキシブルなベースフィルム上に形成されたルブレン系化合物単結晶膜からなることを特徴とする有機半導体素子。
【請求項１０】
請求項９に記載の有機半導体素子において、
前記有機半導体層は、ルブレン系化合物単結晶膜の単結晶の平均径が１００μｍ以上であることを特徴とする有機半導体素子。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の有機半導体素子において、
前記ベースフィルムが、ポリイミド系樹脂又はポリビニルフェノール樹脂からなることを特徴とする有機半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機半導体を用いた電界効果トランジスタ、あるいはスイッチ素子などのルブレン系化合物単結晶の製造方法及び有機半導体素子の製造方法並びに有機半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、有機半導体材料を用いた活性層（以下、有機半導体層という。）を備えた有機半導体素子に関する研究が盛んに行なわれている（例えば、特許文献１参照）。このような有機半導体素子に用いられる半導体材料は、低環境負荷、低生産性コスト、簡便な製造プロセス及び機械的柔軟性などの特徴を有している。したがって、このような有機半導体素子は、シリコン等の無機半導体材料を用いた活性層（以下、無機半導体層という。）を備えた従来の無機半導体素子と比較して、低温プロセスによる製造が可能であること、大面積素子の大量生産が可能であること、フレキシブルな半導体素子を製造することができること等の特徴を有する。
【０００３】
しかしながら、従来の有機半導体素子では、有機半導体材料と、その有機半導体材料の表面に設けられる絶縁材料との間の界面状態が悪いために、無機半導体素子と比較して半導体素子としての性能が低いという問題があった。すなわち、従来の有機半導体素子では、有機半導体材料の表面に凹凸が存在するので、有機半導体材料と絶縁材料との密着性が悪くなるためにキャリア移動度が低くなり、結果として半導体素子としての性能が低くなるという問題があった。また、有機半導体素子は、無機半導体素子と比較して応答性が低いという問題点や、駆動電圧が高いという問題点があった。
【０００４】
一方、このような有機半導体材料としてルブレン系化合物が注目されているが、多結晶膜では性能が十分ではないという問題がある。また、ルブレン系化合物の単結晶も得られているが、大面積化が困難であり、実用化を検討するものではない。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−５５６５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑み、大面積の単結晶膜を得ることができるルブレン系化合物単結晶の製造方法及び有機半導体素子の製造方法並びに有機半導体素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ルブレン系化合物単結晶膜を基板上に形成する際に、前記基板を１５０℃以上に保持すると共にこの基板上に前記ルブレン系化合物の気体を供給することにより当該基板上にルブレン系化合物の単結晶を成長させて単結晶膜を得ることを特徴とするルブレン系化合物単結晶膜の製造方法にある。
【０００８】
かかる第１の態様では、ルブレン系化合物の単結晶の成長を比較的高温状態で行うので、比較的大面積の単結晶が平坦に敷き詰められたルブレン系化合物単結晶膜を比較的容易に形成することができる。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載のルブレン系化合物単結晶膜の製造方法において、前記単結晶の成長を減圧状態で行うことを特徴とするルブレン系化合物単結晶膜の製造方法にある。
【００１０】
かかる第２の態様では、単結晶の成長を比較的高温で且つ減圧下で行うので、比較的大面積の単結晶が平坦に敷き詰められたルブレン系化合物単結晶膜をさらに容易に形成することができる。
【００１１】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様に記載のルブレン系化合物単結晶膜の製造方法において、前記単結晶膜の形成を不活性ガス雰囲気下で行うことを特徴とするルブレン系化合物単結晶膜の製造方法にある。
【００１２】
かかる第３の態様では、単結晶膜の形成を不活性ガス雰囲気下で行うことにより、より質のよい単結晶膜を形成することができる。
【００１３】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様に記載のルブレン系化合物単結晶膜の製造方法において、前記基板が、少なくとも表面にポリイミド系樹脂又はポリビニルフェノール樹脂からなる薄膜を有するものであることを特徴とするルブレン系化合物単結晶膜の製造方法にある。
【００１４】
かかる第４の態様では、ポリイミド系樹脂又はポリビニルフェノール樹脂からなる薄膜上にルブレン系化合物単結晶膜を形成することにより、この薄膜をベースフィルムとするフレキシブルな半導体素子を形成することができる。
【００１５】
本発明の第５の態様は、基板上にゲート絶縁層となる有機絶縁体膜を形成する工程と、この基板を１５０℃以上に保持すると共にこの基板上に前記ルブレン系化合物の気体を供給することにより前記有機絶縁体膜上にルブレン系化合物の単結晶を成長させて有機半導体層となる単結晶膜を得る工程とを具備することを特徴とする有機半導体素子の製造方法にある。
【００１６】
かかる第５の態様では、ルブレン系化合物の単結晶の成長を比較的高温状態で行うので、比較的大面積の単結晶が平坦に敷き詰められたルブレン系化合物単結晶膜を有する有機半導体素子を比較的容易に形成することができる。
【００１７】
本発明の第６の態様は、第５の態様に記載の有機半導体素子の製造方法において、前記基板上への単結晶の成長を減圧状態で行うことを特徴とすることを特徴とする有機半導体素子の製造方法にある。
【００１８】
かかる第６の態様では、単結晶の成長を比較的高温で且つ減圧下で行うので、比較的大面積の単結晶が平坦に敷き詰められたルブレン系化合物単結晶膜を有する有機半導体素子をさらに容易に形成することができる。
【００１９】
本発明の第７の態様は、第５又は６の態様に記載の有機半導体素子の製造方法において、前記単結晶膜の形成を不活性ガス雰囲気下で行うことを特徴とする有機半導体素子の製造方法にある。
【００２０】
かかる第７の態様では、単結晶膜の形成を不活性ガス雰囲気下で行うことにより、より質のよい単結晶膜を有する有機半導体素子を製造することができる。
【００２１】
本発明の第８の態様は、第５〜７の何れかの態様に記載の有機半導体素子の製造方法において、前記有機絶縁体膜が、ポリイミド系樹脂又はポリビニルフェノール樹脂からなることを特徴とするルブレン系化合物単結晶膜の製造方法にある。
【００２２】
かかる第８の態様では、ポリイミド系樹脂又はポリビニルフェノール樹脂からなる薄膜上にルブレン系化合物単結晶膜を形成することにより、この薄膜をベースフィルムとするフレキシブルな有機半導体素子を形成することができる。
【００２３】
本発明の第９の態様は、有機半導体層と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極と、ゲート絶縁層とを具備する有機半導体素子において、前記有機半導体層がフレキシブルなベースフィルム上に形成されたルブレン系化合物単結晶膜からなることを特徴とする有機半導体素子にある。
【００２４】
かかる第９の態様では、ルブレン系化合物の単結晶からなるルブレン系化合物単結晶膜を有機半導体層とするので、キャリア移動度及び応答性がより高い有機半導体素子を提供できる。
【００２５】
本発明の第１０の態様は、第９の態様に記載の有機半導体素子において、前記有機半導体層は、ルブレン系化合物単結晶膜の単結晶の平均径が１００μｍ以上であることを特徴とする有機半導体素子にある。
【００２６】
かかる第１０の態様では、平均径が１００μｍ以上の単結晶を有機半導体層とすることにより、キャリア移動度及び応答性がより高い有機半導体素子を提供できる。
【００２７】
本発明の第１１の態様は、第９又は１０の態様に記載の有機半導体素子において、前記ベースフィルムが、ポリイミド系樹脂又はポリビニルフェノール樹脂からなることを特徴とする有機半導体素子にある。
【００２８】
かかる第１１の態様では、ポリイミド系樹脂又はポリビニルフェノール樹脂からなるベースフィルム上に形成されたルブレン系化合物の単結晶からなるルブレン系化合物単結晶膜を有機半導体層とするので、キャリア移動度及び応答性がより高い有機半導体素子を提供できる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によると、ルブレン系化合物単結晶膜を大面積に成長させると共にこの単結晶を平坦に敷き詰めた膜を形成できるので、有機半導体素子の有機半導体層として用いて好適なものであり、有機半導体素子及びその製造方法として有用なものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。
【００３１】
（実施形態１）
図１は、本発明のルブレン系化合物単結晶膜の製造方法を模式的に示す図である。図１に示すように、チャンバ１０は、減圧状態とすることが可能なチャンバ１０であり、基台１１上には基板１が載置されている。基台１１にはヒータ１２が設けられ、基板１はヒータ１２により所定の温度に加熱されるようになっている。また、チャンバ１０内の雰囲気は加熱手段１３により所定の温度に加熱されている。なお、基台１１に設けたヒータ１２及びチャンバ１０の雰囲気を加熱する加熱手段１３は何れか一方でもよい。
【００３２】
チャンバ１０には原料導入口１４と、排気口１５とが設けられ、この原料導入口１４は原料供給部２０に連通しており、一方、排気口１５は減圧手段３０に連結されている。
【００３３】
原料供給部２０はルブレン系化合物の気体を原料導入口１４へ供給するものであり、例えば、ルブレン系化合物の原料を加熱することにより気体として供給する機能を有するものである。
【００３４】
以上のような装置を用いて本発明方法を実施するには、チャンバ１０内を減圧状態、例えば、２０〜３０ｋＰａ程度に減圧した状態で、基板１を１５０℃以上、例えば、２００℃程度に加熱した状態で、原料供給部２０よりルブレン系化合物の気体を導入する。原料供給部２０からルブレン系化合物の気体を供給する場合、例えば、ルブレン系化合物を昇華又は蒸発する温度以上、例えば、３００℃程度に加熱することにより、ルブレン系化合物の気体を得、これをチャンバ１０内に供給するようにすればよい。なお、このとき、キャリアガスとしてアルゴン等の不活性ガスを用いるのが好ましい。これにより、チャンバ１０内の雰囲気もアルゴンなどの不活性ガスの雰囲気となる。なお、チャンバ１０に不活性ガスの導入口を別途設けてもよい。
【００３５】
本発明方法では、ルブレン系化合物の単結晶を成長させる基板１を比較的高温、例えば、１５０℃以上、好ましくは１８０℃〜２５０℃とすることにより、ルブレン系化合物の単結晶の成長が制御され、基板１の表面に交差する方向への成長が抑えられると共に表面に沿った方向に優先して成長するようになり、比較的大面積、例えば、平均径が１００μｍ以上の単結晶が敷き詰められた単結晶膜を得ることができる。
【００３６】
ここで、基板１は特に限定されないが、１５０℃以上、好ましくは、１８０℃〜２５０℃の熱に耐えるものであり、表面が平滑なものであれば、特に限定されない。例えば、一般的な半導体素子に用いられるシリコン単結晶基板を用いてもよいし、フレキシブルな有機半導体素子を目的とする場合などには、耐熱性樹脂からなるベースフィルムとしてもよい。勿論、取り扱いを容易にするために、シリコン単結晶基板上にベースフィルムを設けたものを基板としてもよい。なお、このような用途で用いることができる耐熱性樹脂としては、ポリイミド系樹脂又はポリビニルフェノール樹脂などを挙げることができる。
【００３７】
このようなルブレン系化合物単結晶膜を有機半導体とした有機半導体素子の一例を図２に示す。図２は、本発明の実施形態１に係る有機半導体素子を示す概略断面図である。図２に示すように、この有機半導体素子１００は、絶縁体であるベースフィルム１１０上に所定の間隔を隔てて設けられたソース電極１２０及びドレイン電極１３０と、それらを覆うように設けられたルブレン系化合物単結晶膜からなる有機半導体層１４０と、有機半導体層１４０のチャネル領域の位置に対応して有機半導体層１４０上に設けられたゲート絶縁層１５０と、ゲート絶縁層１５０上に設けられたゲート電極１６０とから構成されている。
【００３８】
そして、ゲート電極１６０、ソース電極１２０及びドレイン電極１３０はそれぞれ電源１８０に接続されており、ゲート電極１６０、ソース電極１２０及びドレイン電極１３０に電界を印加することができるようになっている。
【００３９】
このように構成された有機半導体素子１００は、ルブレン系化合物単結晶膜からなる有機半導体層１４０を有するので、従来の多結晶のルブレン膜等と比較して、キャリア移動度及び応答性が高いものである。また、ルブレン系化合物単結晶膜が単結晶を敷き詰めた状態である場合、各単結晶毎に１つの有機半導体素子１００を形成するようにすることにより、さらにキャリア移動度及び応答性が高いものとすることができる。
【００４０】
なお、有機半導体層１４０以外の構成要素を形成する物質は特に限定されないが、ベースフィルム１１０としては、耐熱性樹脂であるポリイミド系樹脂又はポリビニルフェノール樹脂などを用いることができる。ゲート絶縁層１５０は、同様な耐熱性樹脂を用いることができ、また、二酸化珪素や酸化ジルコニウムなどの膜を用いてもよい。
【００４１】
なお、ゲート電極１６０、ソース電極１２０及びドレイン電極１３０を構成する物質は特に限定されず、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｇ、Ｚｎなどの金属が挙げられ、特に比抵抗が低いＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ又はこれらを含む合金が好ましい。
【００４２】
電源１８０は、有機半導体素子１００に所定の電圧を印加することができるものであれば特に限定されない。
【００４３】
有機半導体素子の構成は図２に示した例に限定されず、例えば、図３のような有機半導体素子としてもよい。
【００４４】
図３に示すように、本実施形態に係る有機半導体素子１００Ａは、絶縁体からなるベースフィルム１１０Ａ上に設けられたルブレン系化合物単結晶膜からなる有機半導体層１４０Ａと、有機半導体層１４０Ａ上に所定の間隔を隔てて設けられたソース電極１２０Ａ及びドレイン電極１３０Ａと、有機半導体層１４０Ａのチャネル領域の位置に対応して設けられたゲート絶縁層１５０Ａと、ゲート絶縁層１５０Ａ上に設けられたゲート電極１６０Ａとから構成されている。
【００４５】
そして、ゲート電極１６０Ａ、ソース電極１２０Ａ及びドレイン電極１３０Ａはそれぞれ電源１８０に接続されており、ゲート電極１６０Ａ、ソース電極１２０Ａ及びドレイン電極１３０Ａに電界を印加することができるようになっている。
【００４６】
このように有機半導体素子１００Ａを形成しても、上述した実施形態に係る有機半導体素子と同様の効果が得られる。
【００４７】
以上説明した有機半導体素子の製造方法は、ルブレン系化合物からなる有機半導体層１４０、１４０Ａを上述した本発明に係る製造方法で形成する以外は、特に限定されず、従来から公知のプロセスを用いればよい。すなわち、本発明の有機半導体素子の製造方法は、ルブレン系化合物の単結晶を成長させる際に基板を比較的高温、例えば、１５０℃以上、好ましくは１８０℃〜２５０℃とすることにより、ルブレン系化合物の単結晶の成長が制御され、基板の表面に交差する方向への成長が抑えられると共に表面に沿った方向に優先して成長させるものであり、これにより、比較的大面積、例えば、平均径が１００μｍ以上の単結晶が敷き詰められた単結晶膜を得ることができるという効果を奏するものである。
【実施例】
【００４８】
（実施例１）
＜ベースフィルムの形成＞
シリコン単結晶基板上にスピンコートによりポリイミド膜を形成した。具体的には、ポリイミド（京セラケミカル製ＣＴ４１５０）の溶液を４０００回転／分の回転数で６０秒間スピンコートし、３００℃で２時間乾燥して常温に戻し、厚さ約２μｍのポリイミド膜を形成した。
【００４９】
＜ルブレン単結晶膜の作製＞
異なる温度の２つのチャンバを有する管状電気炉（２ゾーン電気炉）を用意し、一方にルブレンの粉末原料（Aldrich社製，sublimed grade）を載置すると共に、他方に上述したポリイミド膜を形成したシリコン基板を載置した。チャンバ内を油回転式ポンプを用いて約２６ｋＰａ程度に減圧すると共にアルゴン雰囲気とし、ルブレンの粉末原料を入れたチャンバを約３００℃とすると共に、基板をいれたチャンバを２００℃とし、一方のゾーンで昇華したルブレン分子（気体）を他方のゾーンで結晶化させる物理蒸着法（ＰＶＤ）により、ルブレン単結晶を成長させ、ルブレン単結晶膜を得た。
【００５０】
＜実施例２＞
（有機半導体素子の製造）
実施例１で得たルブレン単結晶膜の中から実体顕微鏡下で観察しながら大きめのルブレン単結晶を選び出して、ソース電極及びドレイン電極が設けられた酸化シリコン絶縁膜をゲート絶縁層、この下の導電性シリコン膜をゲート電極とした基板上に、静電気力により接着させ、有機半導体素子とした。
【００５１】
＜比較例＞
基板の温度を２００℃とした以外は実施例１と同様に成膜してルブレン単結晶膜を成膜した。
【００５２】
＜試験例＞
実施例１及び比較例のルブレン単結晶膜をレーザー顕微鏡で観察した。実施例１の結果を図４（ａ）に、比較例の結果を図４（ｂ）にそれぞれ示す。
【００５３】
この結果、比較例では単結晶が基板に交差する方向に、すなわち、基板から立ち上がるように成長している様子が観察されるが、実施例１の単結晶は、基板表面方向に成長しており、大きさが１００μｍ程度の単結晶が基板表面に敷き詰められている状態が観察された。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明方法を模式的に示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る有機半導体素子の概略断面図である。
【図３】他の実施形態に係る有機半導体素子の概略断面図である。
【図４】実施例１及び比較例にかかるレーザー顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００５５】
１００、１００Ａ  有機半導体素子
１１０、１１０Ａ  ベースフィルム
１２０、１２０Ａ  ソース電極
１３０、１３０Ａ  ドレイン電極
１４０、１４０Ａ  有機半導体層
１５０、１５０Ａ  ゲート絶縁層
１６０、１６０Ａ  ゲート電極
【図１】
2007266142.tif 000002
【図２】
2007266142.tif 000003
【図３】
2007266142.tif 000004
【図４】
2007266142.tif 000005