(57)【要約】【課題】大きな移動度、例えば０．３ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上の移動度が得られる有機薄膜トランジスタを提供する。【解決手段】絶縁性を有する基板１と、この基板１の表面上の所定範囲に形成されたゲート電極２と、このゲート電極２を覆って基板１の表面上に形成されたゲート絶縁膜３と、ゲート電極２の近傍におけるゲート絶縁膜３上に互いに離隔して形成されたソース電極７及びドレイン電極８と、このソース電極７及びドレイン電極８の各表面の一部と接してゲート絶縁膜３上に形成された有機半導体膜１０とを有し、ソース電極７及びドレイン電極８の少なくとも各表面の一部における自乗平均面粗さを０．１〜２ｎｍの範囲内とする。【選択図】図７
2007115944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性を有する基板と、
前記基板の表面上の所定範囲に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を覆って前記基板の表面上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート電極の近傍における前記ゲート絶縁膜上に、互いに離隔して形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の各表面の一部と接して前記ゲート絶縁膜上に形成された有機半導体膜と、
を有し、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の少なくとも前記各表面の一部における自乗平均面粗さを、０．１〜２ｎｍの範囲内とすることを特徴とする有機半導体トランジスタ。
【請求項２】
絶縁性を有する基板と、
前記基板の表面上の所定範囲に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を覆って前記基板の表面上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート電極の近傍における前記ゲート絶縁膜上に、互いに離隔して形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の各表面の一部と接して前記ゲート絶縁膜上に形成された有機半導体膜と、
を有し、
少なくとも前記有機半導体膜と前記ソース電極及び前記ドレイン電極とが接する範囲であって、前記ゲート絶縁膜の表面に対する前記ソース電極及び前記ドレイン電極の各端面の角度をそれぞれ３０〜８０°の範囲内とすることを特徴とする有機半導体トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果トランジスタの一形態である有機薄膜トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
電界効果トランジスタは、バイポーラトランジスタと並んで、スイッチや増幅素子として広く利用されている。
電界効果トランジスタは、大別すると、無機半導体材料を用いたものと、有機半導体材料を用いたものとがある。一般的に、有機半導体材料を用いた電界効果トランジスタ、即ち有機薄膜トランジスタは、無機半導体材料を用いたものに比べて、低温成膜と大面積化が可能であり、製造が簡単なことから低コスト化に有利である。
【０００３】
ここで、例えば、特許文献１に記載されているようなボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタ及びその製造方法について、図１３を用いて説明する。図１３は、従来例の有機薄膜トランジスタを説明するための模式的断面図である。
図１３に示すように、絶縁性基板５１の表面にゲート電極５２を形成し、絶縁性基板５１及びゲート電極５２の表面にゲート絶縁層５３を形成する。次に、このゲート絶縁層５３の表面にソース電極５４及びドレイン電極５５を形成する。さらに、ソース電極５４及びドレイン電極５５と接してゲート絶縁層５３の表面に有機半導体膜５６を成膜することで、有機薄膜トランジスタ６０を得る。
この有機薄膜トランジスタ６０は、ゲート電極５２に印加する電圧を制御することで、有機半導体膜５６とゲート絶縁層５３との界面近傍における有機半導体膜５６のキャリア密度を変化させて、ソース−ドレイン電極５４，５５間に流れる電流量を制御するものである。
【０００４】
また、特許文献１の記載によれば、上述したゲート絶縁層５３と有機半導体膜５６との界面の平均粗さを５０ｎｍ以下とすることにより、より高い移動度が得られるとしている。
【特許文献１】特開２００４−６３９７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的に、電界効果トランジスタに対して、有機ＥＬなどの素子を駆動するための大きな電流を制御するためには、大きな移動度を有する有機半導体膜が必要となる。例えば、４０インチのＸＧＡディスプレイを駆動する場合、５００カンデラの発光に対して、ｏｎ電流は３×１０−５Ａ以上が必要であり、このｏｎ電流を制御するためには、有機半導体膜の移動度は０．３ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上が必要である。
しかしながら、有機半導体膜は無機半導体膜に比べて移動度が小さく、有機半導体膜を用いた有機薄膜トランジスタは無機半導体膜を用いたものに比べて制御できる電流が小さくなってしまう。
そのため、上述した従来の有機薄膜トランジスタよりもより大きな移動度を有し、より大きな電流が流せる有機薄膜トランジスタが要求されている。
【０００６】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、大きな移動度、例えば０．３ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上の移動度が得られる有機薄膜トランジスタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本願各発明は次の手段を有する。
１）絶縁性を有する基板（１）と、前記基板（１）の表面上の所定範囲に形成されたゲート電極（２）と、前記ゲート電極（２）を覆って前記基板（１）の表面上に形成されたゲート絶縁膜（３）と、前記ゲート電極（２）の近傍における前記ゲート絶縁膜（３）上に、互いに離隔して形成されたソース電極（７）及びドレイン電極（８）と、前記ソース電極（７）及び前記ドレイン電極（８）の各表面の一部と接して前記ゲート絶縁膜（３）上に形成された有機半導体膜（１０）と、を有し、前記ソース電極（７）及び前記ドレイン電極（８）の少なくとも前記各表面の一部における自乗平均面粗さを、０．１〜２ｎｍの範囲内とすることを特徴とする有機半導体トランジスタ（２０）である。
２）絶縁性を有する基板（１）と、前記基板（１）の表面上に形成されたゲート電極（２）と、前記ゲート電極（２）を覆って前記基板（１）の表面上に形成されたゲート絶縁膜（３）と、前記ゲート電極（２）の近傍における前記ゲート絶縁膜（３）上に、互いに離隔して形成されたソース電極（７）及びドレイン電極（８）と、前記ソース電極（７）及び前記ドレイン電極（８）の各表面の一部と接して前記ゲート絶縁膜（３）上に形成された有機半導体膜（１０）と、を有し、少なくとも前記有機半導体膜（１０）と前記ソース電極（７）及び前記ドレイン電極（８）とが接する範囲であって、前記ゲート絶縁膜（３）の表面に対する前記ソース電極（７）及び前記ドレイン電極（８）の各端面の角度をそれぞれ３０〜８０°の範囲内とすることを特徴とする有機半導体トランジスタ（２０）である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、絶縁性を有する基板１と、この基板１の表面上の所定範囲に形成されたゲート電極２と、このゲート電極２を覆って基板１の表面上に形成されたゲート絶縁膜３と、ゲート電極２の近傍におけるゲート絶縁膜３上に互いに離隔して形成されたソース電極７及びドレイン電極８と、このソース電極７及びドレイン電極８の各表面の一部と接してゲート絶縁膜３上に形成された有機半導体膜１０とを有し、ソース電極７及びドレイン電極８の各表面の一部における自乗平均面粗さを０．１〜２ｎｍの範囲内とする構成を有するようにしたので、大きな移動度、例えば０．３ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上の移動度が得られるという効果を奏する。
【０００９】
また、本発明によれば、絶縁性を有する基板１と、この基板１の表面上の所定範囲に形成されたゲート電極２と、このゲート電極２を覆って基板１の表面上に形成されたゲート絶縁膜３と、ゲート電極２の近傍におけるゲート絶縁膜３上に互いに離隔して形成されたソース電極７及びドレイン電極８と、このソース電極７及びドレイン電極８の各表面の一部と接してゲート絶縁膜３上に形成された有機半導体膜１０とを有し、少なくとも有機半導体膜１０とソース電極７及びドレイン電極８とが接する範囲であって、ゲート絶縁膜３の表面に対するソース電極７及びドレイン電極８の各端面の角度をそれぞれ３０〜８０°の範囲内とする構成を有するようにしたので、分断されることなく有機半導体膜を成膜することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施の形態を、好ましい実施例により図１〜図１１を用いて説明する。
以下に、第１実施例及び第２実施例について、それぞれ順を追って説明する。
各実施例の各工程をわかりやすく区別するために、各工程名に、第１実施例ではＡを、第２実施例ではＢを付している。
図１は、ソース電極及びドレイン電極の表面粗さと、このソース電極及びドレイン電極の表面に形成された有機半導体膜の移動度との関係を示す図である。
図２〜７は、本発明の有機半導体トランジスタの第１実施例におけるＡ１工程〜Ａ６工程をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
図８〜１１は、本発明の有機半導体トランジスタの第２実施例におけるＢ１工程〜Ｂ４工程をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
【００１１】
発明者は、まず、有機半導体膜と接する面となる、ソース電極及びドレイン電極の表面及びゲート絶縁層の表面の表面粗さに着目した。
そこで、図１３に示すような有機薄膜トランジスタを作製し、そのソース電極及びドレイン電極の表面及びゲート絶縁層の表面の表面粗さをそれぞれ測定したところ、ソース電極及びドレイン電極の表面粗さ（ＲＭＳ：自乗平均面粗さ）はそれぞれ約５ｎｍであり、ゲート絶縁層の表面粗さ（ＲＭＳ）は約０．４ｎｍであった。即ち、ソース電極及びドレイン電極の表面は、ゲート絶縁層の表面よりも表面粗さが大きいことを確認した。
【００１２】
そこで、発明者は、ソース電極及びドレイン電極の各表面粗さと、このソース電極及びドレイン電極の表面上に形成された有機半導体膜の移動度との関係について調べた。その結果を図１に示す。図１は、ソース電極及びドレイン電極の各表面の表面粗さと、このソース電極及びドレイン電極の表面上に形成された有機半導体膜の移動度との関係を示す図である。
【００１３】
図１から、有機半導体膜の移動度を０．３ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上とするためには、ソース電極及びドレイン電極の各表面粗さ（ＲＭＳ）を２ｎｍ以下にすればよいことを確認した。
また、ソース電極及びドレイン電極の各表面粗さ（ＲＭＳ）を０．１ｎｍ以下にすることは、成膜装置の性能上、及び、生産管理上困難である。
以上の理由により、有機半導体膜の移動度を０．３ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上とするためには、ソース電極及びドレイン電極の各表面粗さ（ＲＭＳ）を、０．１〜２ｎｍの範囲にすることが必要である。
【００１４】
ここで、ソース電極及びドレイン電極の各表面粗さが大きくなるとこのソース電極及びドレイン電極上に形成された有機半導体膜の移動度が小さくなる理由について説明する。
一般的に、成膜される膜は、下地膜の影響を受ける。即ち、下地膜の表面粗さが大きいと、この表面上の有機半導体分子の配列に乱れが生じて、ソース電極及びドレイン電極と有機半導体膜との接触抵抗が増加するので、この接触抵抗の増加が原因と考えられる。
【００１５】
次に、表面粗さの異なるソース電極及びドレイン電極を形成する方法について、説明する。
発明者が鋭意実験した結果、ソース電極及びドレイン電極を成膜する際、基板の加熱温度が低いほど、あるいは、成膜圧力が低いほど、表面粗さが小さい緻密な膜が得られることを見出した。
そこで、図１に示す実験では、基板温度を室温一定とし、成膜圧力を変えてソース電極及びドレイン電極を形成した。即ち、成膜圧力を低くするほど形成されたソース電極及びドレイン電極の各表面粗さを小さくすることができ、高くするほどその表面粗さを大きくすることができる。
【００１６】
上述した結果に基づいて、第１実施例及び第２実施例として有機薄膜トランジスタの作製を行う。
以下に、第１実施例及び第２実施例について、順を追って説明する。
【００１７】
＜第１実施例＞
（Ａ１工程）［図２参照］
まず、絶縁性を有する基板であるガラス基板１の表面上に、スパッタ法を用いて、タンタル（Ｔａ）をその厚さが約２００ｎｍとなるように成膜する。
次に、この成膜されたタンタルを、フォトリソ法を用いて選択的にエッチングすることにより、タンタルからなるゲート電極２を得る。
【００１８】
（Ａ２工程）［図３参照］
ガラス基板１及びゲート電極２の表面上に、スパッタ法を用いて、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなるゲート絶縁膜３をその厚さが約２００ｎｍとなるように成膜する。このゲート絶縁膜３の表面粗さ（ＲＭＳ）は、約０．４ｎｍである。
【００１９】
（Ａ３工程）［図４参照］
ゲート絶縁膜３上に、フォトリソ法を用いて、所定のパターンの開口部４を有し厚さが約３００ｎｍであるレジストマスク５を形成する。
【００２０】
（Ａ４工程）［図５参照］
ゲート絶縁膜３及びレジストマスク５上に、スパッタ法を用いて、例えば金（Ａｕ）からなる金属膜６をその厚さが約１００ｎｍとなるように成膜する。この金属膜６は、後述するソース電極７及びドレイン電極８となる。
また、スパッタ条件として、ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用い、アルゴン（Ａｒ）ガスを導入して、成膜圧力を約１Ｐａ、印加電力を約１００Ｗ、成膜時間を約２分とした。
【００２１】
（Ａ５工程）［図６参照］
レジストマスク５を除去する。このとき、レジストマスク５上の金属膜６部もレジストマスク５と共に除去され、レジストマスク５の開口部４に形成されている金属膜６部のみが残る。この開口部４に形成されている金属膜６部が、ソース電極７及びドレイン電極８となる。
このソース電極７及びドレイン電極８の表面粗さ（ＲＭＳ）は、約０．５ｎｍである。
また、Ａ３工程乃至Ａ５工程のように、予め所定のパターンを有するレジストマスクを形成した後、例えば、有機半導体膜等の膜を成膜し、レジストマスク及びレジストマスク上に形成された膜を除去する方法を、リフトオフ法という。
【００２２】
（Ａ６工程）［図７参照］
ソース電極７及びドレイン電極８の各表面の一部と接してゲート絶縁膜３上に、蒸着法を用いて、例えばペンタセンからなる有機半導体膜１０を成膜する。この有機半導体膜１０は、蒸着の際、所定の開口部を有する蒸着用マスク（図示せず）を用いることにより、この所定の開口部に対応する範囲に選択的に成膜される。
【００２３】
上述したＡ１工程〜Ａ６工程により、有機薄膜トランジスタ２０を得る。
この有機薄膜トランジスタ２０の有機半導体膜１０の移動度を測定したところ、約０．５５ｃｍ２／Ｖ・ｓと良好な結果を得た。
【００２４】
＜第２実施例＞
（Ｂ１工程）［図８参照］
まず、絶縁性を有する基板であるガラス基板２１の所定の位置に、インクジェット装置または精密ディスペンサを用いて、液状の導電性高分子材料２２を塗布する。そして、この導電性高分子材料２２を硬化して固化させ、ゲート電極２３とする。このゲート電極２３の表面粗さ（ＲＭＳ）は、約０．５ｎｍである。
また、導電性高分子材料２２の硬化条件は、硬化温度が１２０℃、硬化時間が３０分であり、その硬化を窒素雰囲気中で行った。
【００２５】
（Ｂ２工程）［図９参照］
ガラス基板２１及びゲート電極２３上に、スパッタ法を用いて、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）からなるゲート絶縁膜２４をその厚さが約２００ｎｍとなるように成膜する。このゲート絶縁膜２４の表面粗さ（ＲＭＳ）は、約０．８ｎｍである。
【００２６】
（Ｂ３工程）［図１０参照］
ゲート電極２３の近傍におけるゲート絶縁膜２４上の所定の２箇所に、インクジェット装置または精密ディスペンサを用いて、液状の導電性高分子材料２２を塗布する。そして、この導電性高分子材料２２を硬化して固化させ、それぞれソース電極２５及びドレイン電極２６とする。このソース電極２５及びドレイン電極２６の表面粗さ（ＲＭＳ）は、約０．５ｎｍである。
Ｂ３工程で用いた導電性高分子材料は、Ｂ１工程で用いた導電性高分子材料と同じである。
また、導電性高分子材料２２の硬化条件は、硬化温度が１２０℃、硬化時間が３０分であり、その硬化を窒素雰囲気中で行った。
【００２７】
（Ｂ４工程）［図１１参照］
ソース電極２５及びドレイン電極２６の各表面の一部と接してゲート絶縁膜２４上に、蒸着法を用いて、例えばペンタセンからなる有機半導体膜３０を成膜する。この有機半導体膜３０は、蒸着の際、所定の開口部を有する蒸着用マスク（図示せず）を用いることにより、この所定の開口部に対応する範囲に選択的に成膜される。
【００２８】
上述したＢ１工程〜Ｂ４工程により、有機薄膜トランジスタ４０を得る。
この有機薄膜トランジスタ４０の有機半導体膜３０の移動度を測定したところ、約０．５０ｃｍ２／Ｖ・ｓと良好な結果を得た。
【００２９】
ここで、第１実施例及び第２実施例の有機薄膜トランジスタ２０，４０におけるゲート絶縁膜の表面に対するソース電極及びドレイン電極の各端面の角度について、図１２を用いて説明する。図１２は、ゲート絶縁膜の表面に対するソース電極及びドレイン電極の各端面の角度を説明するための模式的断面図である。
【００３０】
図１２（ａ）に示すように、有機半導体膜４１をソース電極４３及びドレイン電極４４と接してゲート絶縁膜４２上に成膜する際、ゲート絶縁膜４２の表面に対するソース電極４３及びドレイン電極４４の各端面の角度θが９０°の場合、有機半導体膜４１とソース電極４３及びドレイン電極４４との厚さの比率やソース電極４３とドレイン電極４４との距離によっては、有機半導体膜４１が、ゲート絶縁膜４２、ソース電極４３、及びドレイン電極４４上にそれぞれ分断して形成される可能性がある。
有機半導体膜が分断された有機薄膜トランジスタは、十分な移動度が得られない。
【００３１】
そこで、発明者が鋭意実験した結果、ゲート絶縁膜４２の表面に対するソース電極４３及びドレイン電極４４の各端面の角度θを８０°以下にすることよって、分断されることなく有機半導体膜４１を形成できることがわかった。
また、この角度θが３０°未満の場合、ゲート絶縁膜４２に接する部分のソース電極４３及びドレイン電極４４の厚さが薄くなり、この部分の抵抗値が大きくなるため、十分な電流を流すことが困難になる。
【００３２】
以上の理由により、ゲート絶縁膜の表面に対するソース電極及びドレイン電極の各端面の角度θを３０〜８０°の範囲とすることが望ましい。
【００３３】
ゲート絶縁膜の表面に対するソース電極及びドレイン電極の各端面の角度θを３０〜８０°の範囲とする方法を、図１２（ｂ）を用いて説明する。
例えば、第１実施例のようにリフトオフ法を用いる場合、図１２（ｂ）に示すように、ゲート絶縁膜４２及びレジストマスク４５上に、ソース電極４３及びドレイン電極４４となる金属膜４６を成膜する際、レジストマスク４５を上面よりも底面が小さい逆台形状（または逆テーパ状ともいう）にすることによって、ゲート絶縁膜４２の表面に対するソース電極４３及びドレイン電極４４の各端面の角度θを３０〜８０°の範囲とすることができる。
【００３４】
また、第２実施例のように導電性高分子材料を用いる場合、形成されたソース電極２５及びドレイン電極２６は略半球状になるので、ゲート絶縁膜２４の表面に対するソース電極２５及びドレイン電極２６の各端面の角度θを３０〜８０°の範囲とすることができる。
【００３５】
本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。
【００３６】
例えば、第１実施例では、金属膜６の材料として、金（Ａｕ）を用いたが、これに限定されるものではない。他の材料として、金と略同じ仕事関数を有するニッケル（Ｎｉ）やクロム（Ｃｒ）等を用いることもできる。
【００３７】
また、第１実施例及び第２実施例におけるゲート絶縁膜は、陽極酸化法を用いて、ゲート電極の表面近傍部を酸化させることにより形成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ソース電極及びドレイン電極の表面の表面粗さと、このソース電極及びドレイン電極の表面に形成された有機半導体膜の移動度との関係を示す図である。
【図２】本発明の有機半導体トランジスタの第１実施例におけるＡ１工程をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
【図３】本発明の有機半導体トランジスタの第１実施例におけるＡ２工程をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
【図４】本発明の有機半導体トランジスタの第１実施例におけるＡ３工程をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
【図５】本発明の有機半導体トランジスタの第１実施例におけるＡ４工程をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
【図６】本発明の有機半導体トランジスタの第１実施例におけるＡ５工程をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
【図７】本発明の有機半導体トランジスタの第１実施例におけるＡ６工程をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
【図８】本発明の有機半導体トランジスタの第２実施例におけるＢ１工程をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
【図９】本発明の有機半導体トランジスタの第２実施例におけるＢ２工程をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
【図１０】本発明の有機半導体トランジスタの第２実施例におけるＢ３工程をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
【図１１】本発明の有機半導体トランジスタの第２実施例におけるＢ４工程をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
【図１２】ゲート絶縁膜の表面に対するソース電極及びドレイン電極の各端面の角度を説明するための模式的断面図である。
【図１３】従来例の有機薄膜トランジスタを説明するための模式的断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１，２１  ガラス基板、  ２，２３  ゲート電極、  ３，２４，４２  ゲート絶縁膜、  ４  開口部、  ５，４５  レジストマスク、  ６，４６  金属膜、  ７，２５，４３  ソース電極、  ８，２６，４４  ドレイン電極、  １０，３０，４１  有機半導体膜、  ２０，４０  有機薄膜トランジスタ、  ２２  導電性高分子材料、  θ  角度
【図１】
2007115944.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2007115944.tif 000014
【図１３】
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