(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、層間絶縁膜として有機材料と微粒子との混合物を採用することにより、有機半導体中に不要なチャネルが形成されにくく、形成工程によりトランジスタを劣化させない、トランジスタ素子を提供する。さらに、本発明の別の目的は、当該トランジスタ素子を用いて、画像表示素子と組み合わせた表示装置およびこれらの製造方法を提供する。【解決手段】  本発明のトランジスタ素子は、基板上に有機半導体を用いたトランジスタと、有機半導体層に接する層間絶縁膜と、層間絶縁膜に設けられたスルーホールを介してトランジスタと電気的に導通する上部電極とが積層された素子において、前記層間絶縁膜が有機材料と微粒子との混合物から構成されるため、有機半導体に不要なチャネルが誘起されにくくオン／オフ比の良好なトランジスタ素子とすることができる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に有機半導体を用いたトランジスタと、有機半導体層に接する層間絶縁膜と、該層間絶縁膜に設けられたスルーホールを介してトランジスタと電気的に導通する上部電極とが積層されたトランジスタ素子において、前記層間絶縁膜が有機材料と微粒子との混合物から構成されることを特徴とするトランジスタ素子。
【請求項２】
前記層間絶縁膜を構成する微粒子の大きさが、該層間絶縁膜の厚みの１／２以下であることを特徴とする請求項１に記載のトランジスタ素子。
【請求項３】
前記層間絶縁膜の体積に対する有機材料の体積比率は３０％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のトランジスタ素子。
【請求項４】
前記層間絶縁膜の厚みが、２μm以上４０μm以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のトランジスタ素子。
【請求項５】
前記層間絶縁膜の単位面積あたりの静電容量に対する、ゲート絶縁膜の単位面積あたりの静電容量の比が３以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のトランジスタ素子。
【請求項６】
前記上部電極が、平面視して前記有機半導体層のチャネル形成部を覆わない位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のトランジスタ素子。
【請求項７】
前記層間絶縁膜を構成する有機材料と微粒子の混合物が、光吸収性の顔料成分を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のトランジスタ素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のトランジスタ素子を各画像表示素子に対応するスイッチング素子として用いることを特徴とする表示装置。
【請求項９】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のトランジスタ素子を格子状に複数設けるアクティブマトリクス基板上の各トランジスタ素子に対応して画像表示素子を積層したことを特徴とする表示装置。
【請求項１０】
前記画像表示素子は、液晶表示素子、電気泳動表示素子、有機ＥＬ素子からなる群から選択されることを特徴とする請求項８または９に記載の表示装置。
【請求項１１】
基板上に有機半導体を用いたトランジスタと、有機半導体層に接する層間絶縁膜と、該層間絶縁膜に設けられたスルーホールを介してトランジスタと電気的に導通する上部電極とが積層されたトランジスタ素子の製造方法であって、有機材料と微粒子との混合物から構成される前記層間絶縁膜をスクリーン印刷法で形成することを特徴とするトランジスタ素子の製造方法。
【請求項１２】
前記層間絶縁膜を構成する微粒子の大きさが、該層間絶縁膜の厚みの１／２以下であることを特徴とする請求項１１記載のトランジスタ素子の製造方法。
【請求項１３】
前記層間絶縁膜の体積に対する有機材料の体積比率は３０％以上であることを特徴とする請求項１１または１２に記載のトランジスタ素子の製造方法。
【請求項１４】
前記層間絶縁膜の厚みが、２μm以上４０μm以下であることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載のトランジスタ素子の製造方法。
【請求項１５】
前記層間絶縁膜の単位面積あたりの静電容量に対する、ゲート絶縁膜の単位面積あたりの静電容量の比が３以上であることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載のトランジスタ素子の製造方法。
【請求項１６】
前記上部電極を、平面視して前記有機半導体層のチャネル形成部を覆わない位置に形成することを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか一項に記載のトランジスタ素子の製造方法。
【請求項１７】
前記層間絶縁膜を構成する有機材料と微粒子の混合物が、光吸収性の顔料成分を含むことを特徴とする請求項１１乃至１６のいずれか一項に記載のトランジスタ素子の製造方法。
【請求項１８】
請求項１１乃至１７のいずれか一項に記載の製造方法を用いて製造したトランジスタ素子を各画像表示素子に対応するスイッチング素子として用いることを特徴とする表示装置の製造方法。
【請求項１９】
請求項１１乃至１７のいずれか一項に記載の製造方法を用いて製造したトランジスタ素子を格子状に複数設けるアクティブマトリクス基板上の各トランジスタ素子に対応して画像表示素子を積層したことを特徴とする表示装置の製造方法。
【請求項２０】
前記画像表示素子は、液晶表示素子、電気泳動表示素子、有機ＥＬ素子からなる群から選択されることを特徴とする請求項１８または１９に記載の表示装置の製造方法。
【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トランジスタ素子に関し、特に、層間絶縁膜を介して有機半導体と導通する上部電極を有するトランジスタ素子が安定に駆動するための素子構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のトランジスタに用いられたシリコン単結晶やアモルファスシリコン等の無機材料に代わり、近年では有機半導体材料を利用したトランジスタの開発が進められている。有機半導体を利用したトランジスタは、無機材料を利用する場合と比較すると、簡便な方式で大面積の低温成膜が可能であることによる低コスト化のメリットに加え、有機材料の柔軟性ゆえにプラスチック等のフレキシブル基板上への形成も可能であるため、表示装置をはじめとした様々な電子装置の駆動素子としての応用展開が期待されている。
【０００３】
このような有機半導体を利用したトランジスタを二次元アレイ状に配列して、表示装置等を駆動するためのアクティブマトリクス基板とするにあたっては、例えば、図１に示すように、有機半導体に対し層間絶縁膜を介して電気的に導通する上部電極を設けた構造を形成する必要がある。この層間絶縁膜としては、従来は、酸化ケイ素、窒化ケイ素などの無機材料をスパッタ法やＣＶＤ（化学気相成長法）で形成する方法が用いられていた。しかし、これらの真空プロセスは工程数が多く、また、スルーホールを形成することによりトランジスタ特性が劣化するという問題がある。
【０００４】
また、図１のような構成のトランジスタ素子においては、有機半導体に対して層間絶縁膜を挟んだもう一方の側に上部電極が配置するために、条件によっては層間絶縁膜がゲート絶縁膜として作用し、有機半導体中に不要なチャネルが形成されてオフ電流が増加するという問題がある。例えば、フレキシブル基板上に有機トランジスタを用いてQVGA電気泳動表示装置を作製した成果が報告されているものがあり、（例えば、非特許文献１参照。）ゲート電圧が正の場合、画素電極の電位を正から負に変化させることによりオフ電流が増加する。本報告のトランジスタ素子を構成する層間絶縁膜の静電容量はゲート絶縁膜の１／２０程度であるにも関わらず、画素電極の影響を受けて有機半導体に第二のチャネルが誘起されていることが示されているが、その解決方法については言及されていない。
【０００５】
一方、上記に示すような構成の有機トランジスタ素子は多数開示されているが、その多くはゲート絶縁膜の改良に関するものであり、その中でも、活性層に対しゲート絶縁膜の無い側に設けられる絶縁膜（層間絶縁膜）に関するものとしては、例えば、層間絶縁膜として芳香族化合物及び／または芳香環含有ポリマーを含む材料を用いることにより、溶液プロセスによる低コスト化が実現され、かつ有機トランジスタの移動度を改良できるという有機電界効果トランジスタが開示されているが（例えば、特許文献１参照。）、スルーホール及び上部電極の形成に関して記載されておらず、上記の問題点を解決するには至るものではない。
【０００６】
また、層間絶縁膜と半導体膜の界面に５ｎｍ以上４０ｎｍ以下の凹凸を設けることにより、リーク電流を抑制し、安定して動作するトランジスタを提供する技術が開示されているが（例えば、特許文献２参照。）、この技術は、無機材料からなる層間絶縁膜に対し水素プラズマにより凹凸を作り、その上にポリシリコン活性層を形成するというものである。
【０００７】
さらにまた、有機半導体膜からなる活性層の上下に一対のゲート絶縁膜とゲート電極を有する、ダブルゲート構造とすることによって、より多くの電流を制御して流すことが可能な有機薄膜トランジスタを提供する技術が開示されている。（例えば、特許文献３参照。）このような構成のトランジスタにおいては、上部ゲート電極と下部ゲート電極に同期した制御電圧を印加することで、活性層中の上下ゲート電極近傍にそれぞれチャネルが誘起されることになるので、多くの電流を流すことができる。この技術は、活性層に複数のチャネルを形成することを利用するものであるが、一方で、ダブルゲート構造のトランジスタにおける各ゲート電圧を適切に制御できない場合には、非特許文献１に記載のように、不要なチャネルが形成され得ることを示唆している。
【０００８】
また、電気光学装置のＴＦＴが上側遮光層と下側遮光層を備え、チャネル領域がデータ線と走査線の交差領域内に配置されることによって耐光性と表示品質を高める技術である、従来の薄膜トランジスタ構造が開示されている。（例えば、特許文献４参照。）
また、基板上に順次形成されたゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース／ドレイン電極と、ソース／ドレイン電極の間に充填される有機半導体と、その上にソース／ドレイン電極の表面に接するように形成される絶縁膜から構成される半導体装置が開示されており、このような構成にすることによって、ドレイン・オフ電流が抑制され、オン／オフ比が向上する。（例えば、特許文献５参照。）
【特許文献１】特開２００５−１０１５５５号公報
【特許文献２】特開２００４−２４７４３４号公報
【特許文献３】特開２００５−０７９５４９号公報
【特許文献４】特開２００４−１２６５５７号公報
【特許文献５】特開２００５−２２３０４９号公報
【非特許文献１】SID 05 DIGEST 3.1: Invited Paper: Rollable QVGA Active-Matrix Displays Based on Organic Electronics, G.H.Gelinck, H.E.Huitema, M.van Mil, E.van Veenendaal, P.J.G. van Lieshout and F.J.Touwslager, Polymer Vision/Philips Research Laboratories, Eindhoven, The Netherlands
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図１のような構成のトランジスタ素子においては、有機半導体に対して層間絶縁膜を挟んだもう一方の側に上部電極が配置されるために、条件によっては、ソース・ドレイン電圧が印加されたときに上部電極にも電圧がかかることになる。その結果、上記したように、上部電極がゲート電極、層間絶縁膜がゲート絶縁膜として作用することにより、有機半導体中に不要なチャネルが形成されることが問題となる。トランジスタのオフ状態において有機半導体にチャネルが誘起されると、オフ電流が増加することによりオン／オフ比が低下し、トランジスタ特性を悪化させる結果となるため深刻な問題となる。これに対する解決策としては、ゲート絶縁膜として作用しにくい層間絶縁膜を形成することが想定され、すなわち、良好なゲート絶縁膜に要求される性能とは逆に、誘電率を低く、厚みを厚く、有機半導体との界面を平坦でなくすれば良いと考えられる。しかしながら、現実には、このような条件を満たす層間絶縁膜を、トランジスタにダメージを与えることなく、スルーホールとともに形成する方法は未だかつて存在しなかった。
【００１０】
したがって、本発明は、上述に鑑みてなされたものであり、その目的は上記のような問題を解決することを目的する。すなわち、本発明は、有機半導体中に不要なチャネルが誘起されることがなく、形成工程によりトランジスタを劣化させない層間絶縁膜を備えたトランジスタ素子を提供することを目的とする。より詳細には、層間絶縁膜として有機材料と微粒子との混合物を採用することにより、有機半導体中に不要なチャネルが形成されにくいトランジスタ素子を、トランジスタ特性を劣化させない簡便な製造方法にて提供することを目的とし、さらに当該トランジスタ素子を用いた表示装置およびこれらの製造方法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】
【００１１】
本発明者は鋭意検討した結果、基板上に有機半導体を用いたトランジスタと、有機半導体層に接する層間絶縁膜と、層間絶縁膜に設けられたスルーホールを介してトランジスタと電気的に導通する上部電極とが積層された素子において、前記層間絶縁膜が有機材料と微粒子との混合物から構成することによって、上記目的を達成するトランジスタ素子が得られることを発見し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
即ち、上記目的は、請求項１に記載される如く、基板上に有機半導体を用いたトランジスタと、有機半導体層に接する層間絶縁膜と、該層間絶縁膜に設けられたスルーホールを介してトランジスタと電気的に導通する上部電極とが積層されたトランジスタ素子において、前記層間絶縁膜が有機材料と微粒子との混合物から構成されることを特徴とするトランジスタ素子により達成される。
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、基板上に有機半導体を用いたトランジスタと、有機半導体層に接する層間絶縁膜と、層間絶縁膜に設けられたスルーホールを介してトランジスタと電気的に導通する上部電極とが積層されたトランジスタ素子において、前記層間絶縁膜が有機材料と微粒子との混合物から構成されるため、有機半導体に不要なチャネルが誘起されにくくオン／オフ比の良好なトランジスタ素子とすることができる。
【００１４】
また、請求項２に記載される如く、請求項１記載のトランジスタ素子において、前記層間絶縁膜を構成する微粒子の大きさが、該層間絶縁膜の厚みの１／２以下であることを特徴とする。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、層間絶縁膜を構成する微粒子の大きさが、層間絶縁膜の厚みの１／２以下であるので、微粒子が有機材料中に良好に分散し、均一な層間絶縁膜を備えたトランジスタ素子とすることができる。
【００１６】
また、請求項３に記載される如く、請求項１または２に記載のトランジスタ素子において、前記層間絶縁膜の体積に対する有機材料の体積比率は３０％以上であることを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、前記層間絶縁膜の体積に対する有機材料の体積比率が３０％以上であることによって、有機材料の比率のより多いほうが、層間絶縁膜に柔軟性を付与したトランジスタ素子とすることができる。
【００１８】
また、請求項４に記載される如く、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のトランジスタ素子において、前記層間絶縁膜の厚みが、２μm以上４０μm以下であることを特徴とする。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、層間絶縁膜の厚みが、２μm以上４０μm以下であるので、静電容量が小さく、印刷プロセスで形成が可能な層間絶縁膜を備えたトランジスタ素子とすることができる。
【００２０】
また、請求項５に記載される如く、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のトランジスタ素子において、前記層間絶縁膜の単位面積あたりの静電容量に対する、ゲート絶縁膜の単位面積あたりの静電容量の比が３以上であることを特徴とする。
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、層間絶縁膜の単位面積あたりの静電容量に対する、ゲート絶縁膜の単位面積あたりの静電容量の比が３以上であるので、オン／オフ比の良好なトランジスタ素子とすることができ、より一層有機半導体に不要なチャネルが誘起されにくいトランジスタ素子とすることができる。
【００２２】
また、請求項６に記載される如く、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のトランジスタ素子において、前記上部電極が、平面視して前記有機半導体層のチャネル形成部を覆わない位置に配置されていることを特徴とする。
【００２３】
請求項６に記載の発明によれば、上部電極が、平面視して有機半導体層のチャネル形成部を覆わない位置に配置されているので、オン／オフ比の良好なトランジスタ素子とすることができ、より一層有機半導体に不要なチャネルが誘起されにくいトランジスタ素子とすることができる。
【００２４】
また、請求項７に記載される如く、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のトランジスタ素子において、前記層間絶縁膜を構成する有機材料と微粒子の混合物が、光吸収性の顔料成分を含むことを特徴とする。
【００２５】
請求項７に記載の発明によれば、トランジスタ素子中の層間絶縁膜を構成する有機材料と微粒子との混合物が光吸収性の顔料成分を含むので、光によるリーク電流の発生を抑制するトランジスタ素子とすることができる。
【００２６】
また、請求項８に記載されるが如く、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のトランジスタ素子を各画像表示素子に対応するスイッチング素子として用いることを特徴とする表示装置によって達成される。
【００２７】
請求項８に記載の発明によれば、各画像表示素子に対応するスイッチング素子として請求項１乃至７のいずれか一項に記載のトランジスタ素子を用いる良好に動作する表示装置とすることができる。
【００２８】
また、請求項９に記載されるが如く、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のトランジスタ素子を格子状に複数設けるアクティブマトリクス基板上の各トランジスタ素子に対応して画像表示素子を積層したことを特徴とする表示装置によって達成される。
【００２９】
請求項９に記載の発明によれば、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のトランジスタ素子を格子状に複数設けるアクティブマトリクス基板上の各トランジスタ素子に対応して画像表示素子を積層することによって、動作が良好で薄型、軽量の表示装置を、簡易なプロセスにて低コストで提供することができる。
【００３０】
また、請求項１０に記載されるが如く、請求項８または９に記載の表示装置において、前記画像表示素子は、液晶表示素子、電気泳動表示素子、有機ＥＬ素子からなる群から選択されることを特徴とする。
【００３１】
請求項１０に記載の発明によれば、前記画像表示素子を、液晶表示素子、電気泳動表示素子、有機ＥＬ素子からなる群から選択されることによって、動作が良好で薄型、軽量で、目への負担が少なく、フラットパネルタイプまたはフレキシブルな表示装置を提供することができる。
【００３２】
また、請求項１１に記載されるが如く、基板上に有機半導体を用いたトランジスタと、有機半導体層に接する層間絶縁膜と、該層間絶縁膜に設けられたスルーホールを介してトランジスタと電気的に導通する上部電極とが積層されたトランジスタ素子の製造方法であって、有機材料と微粒子との混合物から構成される前記層間絶縁膜をスクリーン印刷法で形成することを特徴とするトランジスタ素子の製造方法によって達成される。
【００３３】
請求項１１に記載の発明によれば、基板上に有機半導体を用いたトランジスタと、有機半導体層に接する層間絶縁膜と、層間絶縁膜に設けられたスルーホールを介してトランジスタと電気的に導通する上部電極とが積層されたトランジスタ素子の製造方法で、有機材料と微粒子との混合物から構成される前記層間絶縁膜をスクリーン印刷法で形成するので、簡易で生産性が高く低コストな方法で、トランジスタ特性を劣化させること無く、有機半導体に不要なチャネルが誘起されにくいトランジスタ素子を製造することができる。
【００３４】
また、請求項１２に記載されるが如く、請求項１１記載のトランジスタ素子の製造方法において、前記層間絶縁膜を構成する微粒子の大きさが、該層間絶縁膜の厚みの１／２以下であることを特徴とする。
【００３５】
請求項１２に記載の発明によれば、層間絶縁膜を構成する微粒子の大きさが層間絶縁膜の厚みの１／２以下とするので、微粒子が有機材料中に良好に分散し、均一な層間絶縁膜を備えたトランジスタ素子を製造することができる。
【００３６】
また、請求項１３に記載される如く、請求項１１または１２に記載のトランジスタ素子の製造方法において、前記層間絶縁膜の体積に対する有機材料の体積比率は３０％以上であることを特徴とする。
【００３７】
請求項１３に記載の発明によれば、前記層間絶縁膜の体積に対する有機材料の体積比率が３０％以上であることによって、有機材料の比率のより多いほうが、層間絶縁膜に柔軟性を付与したトランジスタ素子を製造することができる。
【００３８】
また、請求項１４に記載される如く、請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載のトランジスタ素子の製造方法において、前記層間絶縁膜の厚みが、２μm以上４０μm以下であることを特徴とする。
【００３９】
請求項１４に記載の発明によれば、層間絶縁膜の厚みが、２μm以上４０μm以下であるので、静電容量が小さく、印刷プロセスで形成が可能な層間絶縁膜を備えたトランジスタ素子を製造することができる。
【００４０】
また、請求項１５に記載される如く、請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載のトランジスタ素子の製造方法において、前記層間絶縁膜の単位面積あたりの静電容量に対する、ゲート絶縁膜の単位面積あたりの静電容量の比が３以上であることを特徴とする。
【００４１】
請求項１５に記載の発明によれば、層間絶縁膜の単位面積あたりの静電容量に対する、ゲート絶縁膜の単位面積あたりの静電容量の比が３以上であるので、オン／オフ比の良好なトランジスタ素子とすることができ、より一層有機半導体に不要なチャネルが誘起されにくいトランジスタ素子を製造することができる。
【００４２】
また、請求項１６に記載される如く、請求項１１乃至１５のいずれか一項に記載のトランジスタ素子の製造方法において、前記上部電極が、平面視して前記有機半導体層のチャネル形成部を覆わない位置に配置されていることを特徴とする。
【００４３】
請求項１６に記載の発明によれば、上部電極が、平面視して有機半導体層のチャネル形成部を覆わない位置に配置されているので、オン／オフ比の良好なトランジスタ素子とすることができ、より一層有機半導体に不要なチャネルが誘起されにくいトランジスタ素子を製造することができる。
【００４４】
また、請求項１７に記載される如く、請求項１１乃至１６のいずれか一項に記載のトランジスタ素子の製造方法において、前記層間絶縁膜を構成する有機材料と微粒子の混合物が、光吸収性の顔料成分を含むことを特徴とする。
【００４５】
請求項１７に記載の発明によれば、トランジスタ素子中の層間絶縁膜を構成する有機材料と微粒子との混合物が光吸収性の顔料成分を含むので、光によるリーク電流の発生を抑制するトランジスタ素子を製造することができる。
【００４６】
また、請求項１８に記載されるが如く、請求項１１乃至１７のいずれか一項に記載の製造方法を用いて製造したトランジスタ素子を各画像表示素子に対応するスイッチング素子として用いることを特徴とする表示装置の製造方法によって達成される。
【００４７】
請求項１８に記載の発明によれば、各画像表示素子に対応するスイッチング素子として、請求項１１乃至１７のいずれか一項に記載の製造方法を用いて製造したトランジスタ素子を用いる良好に動作する表示装置を製造することができる。
【００４８】
また、請求項１９に記載されるが如く、請求項１１乃至１７のいずれか一項に記載の製造方法を用いて製造したトランジスタ素子を格子状に複数設けるアクティブマトリクス基板上の各トランジスタ素子に対応して画像表示素子を積層したことを特徴とする表示装置の製造方法によって達成される。
【００４９】
請求項１９に記載の発明によれば、請求項１１乃至１７のいずれか一項に記載の製造方法によって製造したトランジスタ素子を格子状に複数設けるアクティブマトリクス基板上の各トランジスタ素子に対応して画像表示素子を積層することによって、動作が良好で薄型、軽量の表示装置を、簡易なプロセスにて低コストで製造することができる。
【００５０】
また、請求項２０に記載されるが如く、請求項１８または１９に記載の表示装置の製造方法において、前記画像表示素子は、液晶表示素子、電気泳動表示素子、有機ＥＬ素子からなる群から選択されることを特徴とする。
【００５１】
請求項２０に記載の発明によれば、前記画像表示素子を、液晶表示素子、電気泳動表示素子、有機ＥＬ素子からなる群から選択されることによって、動作が良好で薄型、軽量で、目への負担が少なく、フラットパネルタイプまたはフレキシブルな表示装置を製造することができる。
【発明の効果】
【００５２】
したがって、本発明によれば、基板上に有機半導体を用いたトランジスタと、有機半導体層に接する層間絶縁膜と、層間絶縁膜に設けられたスルーホールを介してトランジスタと電気的に導通する上部電極とが積層された素子において、前記層間絶縁膜が有機材料と微粒子との混合物から構成されることによって、有機半導体に不要なチャネルが誘起されにくくオン／オフ比の良好なトランジスタ素子とすることが可能となる。さらに、当該トランジスタ素子を用いて、液晶表示素子、電気泳動表示素子、有機ＥＬ素子からなる群から選択される画像表示素子と組み合わせることによって、動作が良好で薄型、軽量で、目への負担が少なく、フラットパネルタイプまたはフレキシブルな表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。なお、いわゆる当業者は特許請求の範囲内における本発明を変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、これらの変更・修正はこの特許請求の範囲に含まれるものであり、以下の説明はこの発明の最良の形態の例であって、この特許請求の範囲を限定するものではない。
【００５４】
本発明は、基板上に有機半導体を用いたトランジスタと、有機半導体層に接する層間絶縁膜と、層間絶縁膜に設けられたスルーホールを介してトランジスタと電気的に導通する上部電極とが積層された素子において、前記層間絶縁膜が有機材料と微粒子の混合物から構成することによって、有機半導体に不要なチャネルが誘起されにくくオン／オフ比の良好なトランジスタ素子とすることができることを特徴とするものである。
【００５５】
まず、本発明の特徴とする有機材料と微粒子の混合物よりなる層間絶縁膜の構成を説明する。
【００５６】
本発明のトランジスタ素子の層間絶縁膜を構成する混合物に含有される微粒子は、層間絶縁膜が形成された後に、粒子として存在することができる材料であれば、有機粒子、無機粒子のいずれでも良いが、現実的には、粒度制御がし易く、溶媒中で溶けずに分散させることが可能な無機粒子を用いることが好ましい。以下、微粒子として無機粒子を用いて説明する。
【００５７】
本発明のトランジスタ素子の基本構成を図１に示す。絶縁性の基板上にゲート電極、ゲート絶縁膜およびソース／ドレイン電極が順次形成され、ソース／ドレイン電極間に有機半導体が充填されている。さらに、有機半導体およびソース／ドレイン電極を覆う層間絶縁膜と上部電極が形成され、トランジスタ部と上部電極は層間絶縁膜に設けられたスルーホールを介して電気的に導通している。
【００５８】
このような構成のトランジスタの層間絶縁膜として、有機材料と無機粒子との混合物を用いることで、有機半導体中に不要なチャネルが誘起されることを抑制することが可能である。これは、有機材料中に無機粒子が分散した状態の層間絶縁膜を用いると下地の有機半導体との界面が粗くなることに起因する。有機半導体との界面が粗いために、上部電極の電位による電界効果を受けにくくなり、層間絶縁膜がゲート絶縁膜として作用しにくくなる。本発明の層間絶縁膜と有機半導体との粗い界面は、層間絶縁膜中に含まれる微粒子により形成されていると考えられ、その凹凸の大きさは概ね２０nm乃至１μmである。
【００５９】
また、層間絶縁膜として前記材料を用いることの更なる効果としては、膜厚及び誘電率の制御がし易いことが挙げられる。溶媒に溶解させた有機材料中に無機粒子を分散させた材料を用いれば、例えばスクリーン印刷法などの印刷プロセスを利用した成膜が可能になるので、従来の材料を用いた場合よりも厚みのある層間絶縁膜を形成することができる。また、材料種の選択によって誘電率の制御も容易である。
【００６０】
本発明で用いる有機材料の例としては、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、アクリル系樹脂、エチルセルロース樹脂などを含む材料が挙げられる。また、無機粒子の例としては、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）等が挙げられる。中でもシリカ、アルミナ、酸化亜鉛などの比較的比誘電率の低い材料が好ましい。また、例えばメソポーラスシリカのように、構造中にメソ孔あるいはマイクロ孔を有する無機多孔質粒子であっても良い。
【００６１】
本発明で用いられる無機粒子の粒径は、２０nm以上２μm以下であることが望ましい。図２に、本発明で用いられる無機粒子の粒度分布の例を示し、粒度分布は、動的光散乱法、レーザー光回折法などの手法を用いて測定される。一般に微粒子状の材料は粒径分布を有するものであるが、「粒径」は材料の平均径（d50）を意味するものであり、すなわち、ここで言う「粒径」とは、得られた粒度分布のうち、累積の体積頻度が５０％となる径（平均径、ｄ50）を示すものとする。粒径が小さすぎる場合には有機材料中に分散させることが困難になるため、少なくとも２０nm以上、より好ましくは４０nm以上である。また、大きすぎる場合には絶縁膜が不均質になるため、膜厚の半分以下、より好ましくは１／５以下であることが望ましい。粒径としては、２μm以下、より好ましくは１μm以下である。無機粒子としては、一種類の材料を用いても、組成あるいは粒径分布の異なる複数の材料を必要に応じ混合しても良い。
【００６２】
また、有機材料と無機材料の混合比率としては特に制限を設けないが、有機材料の比率のより多いほうが、層間絶縁膜に柔軟性が付与されるので好ましい。層間絶縁膜の体積に対する有機材料の体積比率としては、３０％以上が好ましく、５０％あればなお好ましい。有機半導体と層間絶縁膜の界面の粗さは、使用する無機粒子の粒径や配合比によって決定されるので、想定する形成方法、膜厚などに応じ適切な材料と配合比を選択することができる。
【００６３】
本発明で用いる層間絶縁膜の厚みは２μm以上４０μm以下である。層間絶縁膜に厚みを持たせることにより静電容量を小さくする効果があるので、少なくとも２μm、より望ましくは４μm以上の厚みが好ましい。また、本発明の層間絶縁膜の形成手段としてはスクリーン印刷、凹版印刷などの印刷プロセスが適しており、本発明の層間絶縁膜の膜厚範囲は印刷の手法を用いて好適に形成できる範囲にあたる。例えば、スクリーン印刷を用いて、本発明にて想定するような精細度のパターンを形成する場合においては、線径が１５乃至５０μm、開口率が４０乃至６０%のメッシュ中に充填されたペースト状材料を転写することで膜を形成することになるため、上記範囲の厚みの層間絶縁膜を安定に、スルーホールとともに形成することができる。
【００６４】
本発明で用いる層間絶縁膜の単位面積あたりの静電容量に対する、ゲート絶縁膜の単位面積あたりの静電容量の比は３以上である。これにより、より確実に有機半導体の不要なチャネル誘起を防止することができる。
【００６５】
一般に、絶縁体薄膜の静電容量は下記のように定義されるものであり、薄膜状の試料を上下に電極を形成し、一般的なＬＣＲメータを用いて測定可能である。
【００６６】
Ｃ＝ε０εｒＳ／ｄ
Ｃ：静電容量[F]，ε０：真空の誘電率[F/m]，εｒ：比誘電率[-]，Ｓ：面積[m2]，ｄ：膜厚[m]
従って、単位面積あたりの静電容量は、Ｃ＝ε０εｒ／ｄ  となり、比誘電率と膜厚の関数となる。ここで、層間絶縁膜の単位面積あたりの静電容量に対する、ゲート絶縁膜の単位面積あたりの静電容量の比（Ｃｒ）を定義すると、下記のようになる。
【００６７】
Ｃｒ＝ＣＧ／ＣＩ
ＣＩ：層間絶縁膜の単位面積あたり静電容量，ＣＧ：ゲート絶縁膜の単位面積あたり静電容量
先述の非特許文献１においては、層間絶縁膜の静電容量はゲート絶縁膜の１／２０程度、すなわち上で定義したＣｒの値は２０程度であるにも関わらず、画素電極の影響によりオフ電流が増加している。
【００６８】
ここで、本発明の層間絶縁膜の膜厚および比誘電率を変えることによりＣＩを変化させたトランジスタのＣｒと、そのオン／オフ比（ソース・ドレイン電極間を流れる電流値のオン時とオフ時の比）を図３に示す。Ｃｒが３．１の場合（下記に示す実施例１に記載の素子）のオン／オフ比が4.5×104であるが、これよりも小さい場合には急激にオン／オフ比が低くなり、Ｃｒ=２．５においてはオン／オフ比は7.2×103と一桁近く低下して良好なトランジスタ特性が得られていない。すなわち、有機半導体中の不要なチャネル誘起によりオフ電流が増加していると言える。したがって、本発明の層間絶縁膜を用いたトランジスタ素子においては、Ｃｒの値が少なくとも３以上であれば有機半導体中に不要なチャネルが誘起されにくくオフ電流の増加を防止することが可能であり、より好ましいＣｒの値は１０以上である。
【００６９】
なお本発明の実施例においては、ヒューレットパッカード製のインピーダンスアナライザ4194Aを用い、１ｋＨｚでの電圧印加時の静電容量を測定し、比誘電率等の計算を行った。
【００７０】
また、図４に示されるように、上部電極を、平面視して有機半導体層のチャネル形成部を覆わない位置に配置することも、本発明の目的を達成する効果的な手段である。（特に、図４（Ｂ）の平面図を参照。）チャネル形成部とは、図５に示されるように、有機半導体層のソース・ドレインの間の部分を意味している。ゲート電極に電圧を印加することにより、チャネル形成部のゲート絶縁膜近傍にチャネルが誘起されてソース・ドレイン電極間に電流が流れる。一方で、上部電極に電圧が印加されたときには、チャネル形成部の層間絶縁膜近傍にチャネルが誘起されて、不要な電流が流れる場合がある。
【００７１】
本発明の意味するところは、上部電極が、電圧が印加された時においても層間絶縁膜を介して有機半導体チャネル形成部に電界効果が及びにくい位置に配置しているということであり、平面視した場合に隣り合う上部電極間部分の下に有機半導体が配置されていることである。したがって、上部電極の一部が有機半導体を覆っていてもよい。
【００７２】
従来のトランジスタにおいても（例えば、特許文献４参照。）、上部電極の真下を避けてチャネル部が配置される構成は存在し、光が活性層に入射して光リーク電流が発生することを防止するために活性層の上下に遮光膜が設けられた複雑な構造を持っていた。しかし、本発明においては、層間絶縁膜が有機材料と無機粒子の混合物からなるため、有機材料と無機粒子の界面で光が散乱されることに加え、膜厚が厚いため、光が有機半導体層に入射しにくい。したがって、遮光膜の無い単純な構成のトランジスタにおいても、上部電極を有機半導体層のチャネル形成部を覆わない位置に配置することによって、本発明の目的を達成することが可能である。
【００７３】
さらに、層間絶縁膜材料が光吸収性の顔料成分を含むことによって、層間絶縁膜に入った光を吸収し、有機半導体層に入射することを防止できるので、より効果的に光リーク電流の発生を抑えることが可能である。使用する顔料の種類としては、絶縁性の材料でその粒径が２０nmから２μｍ程度であれば特に制限は無く、従来公知の天然顔料あるいは合成顔料を利用することができる。
【００７４】
次に、本発明のトランジスタ素子の一般的な構成を説明する。
【００７５】
絶縁性の基板は、絶縁性の樹脂基板、ガラス基板、半導体基板、およびセラミックス基板等、特に限定されないが、本発明のトランジスタ素子が適用される表示装置の場合は樹脂基板が好ましく、その樹脂材料としては例えば、スチレン系重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、スチレン−アクリロニトリル共重合体、スチレン−マレイン酸共重合体、アクリル共重合体、スチレン−アクリル酸共重合体、ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、塩素化ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、ポリエステルアルキド樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリスルホン、ジアリルフタレート樹脂、ケトン樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリエステル樹脂等の熱可塑性樹脂や、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、その他架橋性の熱硬化性樹脂、さらにエポキシアクリレート、ウレタン−アクリレート等の光硬化性樹脂等があげられる。耐熱性、防湿性の点からポリイミドが好ましく、例えば市販品としてＳＥ−１１８０（日産化学社製商品名）、ＡＬ３０４６（ＪＳＲ社製商品名）が挙げられる。
【００７６】
ゲート電極は、導電性材料であれば特に限定されないが、例えば、白金、金、銀、ニッケル、クロム、銅、鉄、錫、アンチモン、鉛、タンタル、インジウム、パラジウム、テルル、レニウム、イリジウム、アルミニウム、ルテニウム、ゲルマニウム、モリブデン、タングステン、およびこれらの金属の合金や、酸化スズ・アンチモン、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム・酸化亜鉛（ＩＺＯ）、フッ素ドープ酸化亜鉛、亜鉛、炭素、グラファイト、グラッシーカーボン、銀ペーストおよびカーボンペースト、リチウム、フッ化リチウム、ベリリウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、チタン、マンガン、ジルコニウム、ガリウム、ニオブ、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、マグネシウム、マグネシウム／銅混合物、マグネシウム／銀混合物、マグネシウム／アルミニウム混合物、マグネシウム／インジウム混合物、アルミニウム／酸化アルミニウム混合物、リチウム／アルミニウム混合物、あるいはこれらの積層体を用いることができる。これらのうち、大気中での安定性の点で、白金、金、銀、銅、アルミニウム、インジウム、ＩＴＯ、ＩＺＯおよび炭素が好適である。
【００７７】
また、ゲート電極は、導電性微粒子の加熱融着体を用いることができる。導電性微粒子としては、平均粒子径（直径）が１乃至５０ｎｍ、好ましくは１乃至１０ｎｍの白金、金、銀、銅、コバルト、クロム、イリジウム、ニッケル、パラジウム、モリブデン、タングステンなどの金属微粒子が挙げられる。
【００７８】
さらに、導電性のカーボンブラック、カーボンナノチューブ、およびフラーレン（Ｃ６０、Ｃ７０）などのカーボン材料を用いることができる。
【００７９】
ゲート絶縁膜は、例えば膜厚が１０ｎｍ乃至１０００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ乃至１０００ｎｍの範囲に設定され、絶縁性材料であれば有機材料、無機材料の何れの材料でも用いることができる。有機材料としては、例えば、ポリクロロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリオキシメチレン、ポリビニルクロライド、ポリフッ化ビニリデン、シアノエチルプルラン、ポリメチルメタクリレート、ポリサルフォン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエチレン、ポリエステル、ポリビニルフェノール、メラミン樹脂、フェノール樹脂、フッ素樹脂、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラキシレン、ポリアクリロニトリルなどが挙げられる。また、無機材料としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化チタン、および窒素酸化シリコンなどが挙げられる。さらにゲート絶縁膜には各種絶縁性Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ膜等を用いることができる。もちろんこれらの材料に限られるわけではなく、また、これらの材料を２種類以上用いてもよく、異なる材料からなる絶縁膜を２層以上積層してもよい。
【００８０】
これらの絶縁性材料のうち、比誘電率の点で、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化チタン、窒素酸化シリコンが好ましい。ゲート絶縁膜全体の比誘電率を向上すると共にゲートリーク電流を一層抑制することができる。また、ゲート電極との接着強度の向上を図る絶縁性材料を適宜選択することができる。
【００８１】
ゲート絶縁膜の形成方法は特に制限はなく、例えばＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、プラズマ重合法、真空蒸着法、スパッタ法、スピンコーティング法、ディッピング法、クラスタイオンビーム蒸着法およびＬａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ法などが挙げられ、何れも使用可能である。
【００８２】
ソース／ドレイン電極は、ゲート絶縁膜上にゲート電極と対向するように互いに離隔して、例えばゲート長方向が長さ１μｍ乃至１０００μｍ、ゲート幅方向が長さ５μｍ乃至４０００μｍ、２つのソース／ドレイン電極のゲート長方向の間隙０．０１μｍ乃至１０００μｍの範囲に設定されるが、トランジスタの構成に応じて適宜設定することができる。
【００８３】
また、ソース／ドレイン電極の膜厚は、例えば１０ｎｍ乃至２００ｎｍの範囲に設定されることが好ましいが、適宜設定することができる。
【００８４】
ソース／ドレイン電極の材料は、上述したゲート電極と同様の材料を用いることができる。さらに、有機溶媒または水に溶解あるいは分散する導電性材料を用いることができる。このような導電性材料は塗布可能であるので、真空蒸着法等の真空プロセスに比べ製造コストを低減できる。
【００８５】
ソース／ドレイン電極に用いられる、有機溶媒または水に溶解あるいは分散する導電性材料としては、例えば、銀ペースト、金ペーストや銅ペースト、グラファイトインクのように導電性微粒子を有機溶媒中に分散させたポリマー混合物や導電性有機材料が挙げられる。
【００８６】
ソース／ドレイン電極に用いられる導電性有機材料は以下の点で金属材料よりも好ましい。すなわち、電極材料が金属の場合は、金属と有機半導体層の有機物との界面張力が大きいため、界面近傍の有機分子の配列が乱れキャリアのトラップサイトが形成され、素子特性が悪化することが報告されている（J. Wang, D. J. Gundlach, C. C. Kuo, and T. N. Jackson, 41st Electronic Materials Conference Digest, p. 16, June 1999）。そこで、電極材料に導電性有機材料を用いることで界面張力を低減し素子特性の悪化を防止することができる。
【００８７】
このような導電性有機材料としては、例えば、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリチエニレンビニレン、ポリフルオレン、ポリアニリン、ポリアセン、ポリフランなどの共役系高分子やその誘導体が挙げられる。さらに、適当なドーパントをドーピングすることにより導電率を高くして用いてもよい。ドーパントとしては、溶液状態での分散安定性の点でポリスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸、アルキルナフタレンスルホン酸などの蒸気圧の低いものを用いるのが好ましい。なお、これらの有機溶媒または水に溶解あるいは分散する導電性材料をゲート電極に用いてもよい。
【００８８】
なお、有機溶媒または水に溶解あるいは分散する導電性材料の市販品の例としては、パーフェクトゴールド（登録商標）（金ペースト、真空冶金社製商品名）、パーフェクトカッパー（銅ペースト、真空冶金社製商品名）、Ｏｒｇａｃｏｎ Ｐａｓｔｅ ｖａｒｉａｎｔ １／４、Ｐａｓｔｅ ｖａｒｉａｎｔ １／３（以上、印刷用透明ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳインク、日本アグファ・ゲバルト社製商品名）、Ｏｒｇａｃｏｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｐａｓｔｅ ｖａｒｉａｎｔ ２／２（カーボン電極ペースト、日本アグファ・ゲバルト社製商品名）、ＢＡＹＴＲＯＮ（登録商標） Ｐ（ＰＥＤＴ／ＰＳＳ水溶液、日本スタルクヴィテック社製商品名）などが挙げられる。
【００８９】
また、ソース／ドレイン電極の材料は、有機半導体層とオーミック接触を形成する電極材料を用いることが好ましい。ソース／ドレイン電極と有機半導体層とのエネルギー障壁を低減することができる。具体的には有機半導体層に、キャリアがホールであるｐ型半導体を用いた場合は、電極材料の仕事関数（真空準位からフェルミ準位までのエネルギー差）が有機半導体層の仕事関数よりも大きい電極材料が好ましく、例えば、金（５．１ｅＶ）、白金（５．６５ｅＶ）、イリジウム（５．２７ｅＶ）、パラジウム（５．１２ｅＶ）、ニッケル（５．１５ｅＶ）やスズ・インジウム酸化物（ＩＴＯ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）などが挙げられる。また、ｎ型半導体を用いた場合は、電極材料の仕事関数が有機半導体層の仕事関数よりも小さい電極材料が好ましく、例えば、マグネシウム（３．６６ｅＶ）やバリウム（２．７ｅＶ）などのアルカリ土類金属、ガリウム（４．２ｅＶ）、インジウム（４．１２ｅＶ）、アルミニウム（４．２８ｅＶ）、銀（４．２６ｅＶ）などが挙げられる。なお、かっこ内の数値は仕事関数を示している。なお、ソース／ドレイン電極材料と有機半導体層材料の組み合わせは、具体的には、本発明のトランジスタ素子を用いる表示装置の電流―電圧特性を調べることにより、これらの接触面において電気抵抗がより低下するように選択してもよい。
【００９０】
さらに、２つのソース／ドレイン電極を互いに異なる仕事関数を有する材料より構成してもよい。有機半導体層にキャリアがホールであるｐ型半導体を用いた場合は、２つのソース／ドレイン電極のうち、ソース電極の材料に対してドレイン電極の材料の仕事関数を小さくなるように選択する。このように選択することにより、負のソース・ドレイン間電圧を印加した際と同じ方向に電位差が生じ、ソース・ドレイン間電圧として印加する電圧を低減することができる。例えばソース電極に金、ドレイン電極に銀を用いる。なお、ｎ型半導体を用いた場合は、ソース電極とドレイン電極の材料を入れ換えればよい。
【００９１】
ゲート電極およびソース／ドレイン電極の形成方法としては、公知のフォトリソグラフィ法やリフトオフ法を用いてこれらの電極のパターンを形成し、上記の導電性材料を蒸着法、スパッタ法によりパターニングされた導電膜を形成する方法や、アルミニウムや銅などの金属箔上に熱転写あるいはインクジェット等によりレジストのパターンを形成し、エッチングにより電極を形成してもよい。また、導電性ポリマーの溶液あるいは分散液、導電性微粒子分散液を直接インクジェット装置により噴射して電極を形成してもよく、カーボンブラックや導電性ポリマー、導電性微粒子を含む導電性インクや導電性ペーストなどを塗布した塗工膜をリソグラフィ法やレーザーアブレーション法などによりパターニングして形成してもよく、かかる導電性インクや導電性ペーストを凸版、凹版、平版、スクリーン印刷などの印刷法でパターニングされた電極を形成してもよい。
【００９２】
ソース／ドレイン電極は、断面形状が図１や４に示すような形状の他、テーパー形状等、任意の形状であってもよい。
【００９３】
有機半導体層の材料としては、公知の有機半導体材料を用いることができ、特に塗布可能な有機低分子や有機高分子、有機オリゴマー等の有機半導体材料を用いることが製造容易、低製造コストの点で好ましい。有機低分子および有機オリゴマー材料としては、例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセンやそれらの置換誘導体を含むアセン分子材料、金属フタロシアニン、チオフェンオリゴマーやその誘導体、フラーレンＣ６０やカーボンナノチューブとその誘導体などが挙げられる。ペンタセンのような低分子系材料は真空蒸着法により成膜することが一般的であるが、J. E. Anthonyra et al, Org. Lett. vol. 4 p15 (2002)や、P. T. Herwig et al, Adv. Mater. vol.11, p480 (1999)に記載されるペンタセンの前駆体を用いて塗布した後に化学変化させることによりペンタセン膜を形成する方法を用いることができる。
【００９４】
また、有機高分子材料としては、π電子共役系高分子やσ電子共役系高分子またはこれらの誘導体が用いられる。π電子共役系高分子としては、例えば、ポリパラフェニレン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、ポリセレノフェン、ポリアニリン、ポリアズレン、ポリピレン、ポリフルオレン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリチエニレンビニレン、ポリベンゾフラン、ポリベンゾチオフェン、ポリインドール、ポリカルバゾール、ポリジベンゾフラン、ポリイソチアナフテン、ポリイソナフトチオフェン、ポリジアセチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシドなどが挙げられる。また生体材料としてデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）を使用することも可能である。さらに、電子受容体と電子供与体からなる電荷移動錯体を使用することもできる。電子受容体の例としては、２，３−ジクロロ−５，６−ジシアノ−ｐ−ベンゾキノン、２，５−ジメチルテトラシアノキノジメタン、テトラシアノキノジメタンなどが挙げられる。電子供与体の例としては、ジベンゾテトラチアフルバレン、テトラセレナフルバレン、テトラチアフルバレン、テトラチアテトラセン、テトラメチルテトラチアフルバレンなどが挙げられる。上記の有機半導体材料は、複数を混合して用いてもよく、バインダ樹脂に分散して用いてもよい。
【００９５】
有機半導体層の材料として、キャリア密度の高い高分子有機半導体材料とキャリア密度の低い低分子有機半導体材料を混合して用いてもよい。ドレイン・オフ電流を低減すると共にキャリア移動度の低下を回避することができる。例えば、キャリア密度の高い高分子有機半導体材料としてはポリフルオレン誘導体が挙げられ、キャリア密度の低い低分子有機半導体材料としては電荷発生材料として用いられるブタジエン誘導体や芳香族第三級アミン誘導体が挙げられる。
【００９６】
有機半導体層の形成方法としては、スプレーコート法、スピンコート法、ブレードコート法、ディップコート法、キャスト法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法、スクリーン法およびＬＢ法等の塗布方法や、真空蒸着法、分子線エピタキシャル成長法、イオンクラスタービーム法、低エネルギーイオンビーム法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、プラズマ重合法、電解重合法、化学重合法等が挙げられ、有機半導体層の材料に応じて使用することができる。
【００９７】
有機半導体層の表面形状は、図４や図５に示す凸状表面に限定されないが、層間絶縁膜との密着性および層間絶縁膜の被覆性に優れた形状であれば、適宜設定してよい。
【００９８】
図４、５で示されるように、２つのソース／ドレイン電極は、その表面が有機半導体層とわずか一部だけ接するが、ほとんどが露出している。したがって、本発明のトランジスタ素子は、有機半導体層とそのソース／ドレイン電極の露出した表面上に層間絶縁膜が接して形成された構成となっている。この構成とすることにより、その電極表面から有機半導体層を介して電流が流れることを防止してドレイン・オフ電流を抑制し、オン／オフ比を向上することに寄与することもできる。
【００９９】
なお、本発明のトランジスタ素子の効果を奏する層間絶縁膜は、有機半導体に不要なチャネルが誘起されることを抑制するという特徴を有して、上述したように構成される。
【０１００】
また、図４に示したような本発明のトランジスタ素子を利用した表示装置の一例を図６に示す。本発明のトランジスタ素子は、画像表示素子の表示状態を制御するスイッチング素子（または制御素子と呼ぶ場合もある）として用いられる。例えば、本発明のトランジスタ素子が基板上に格子状に複数形成され（アクティブマトリックス基板）、さらに当該画像表示素子に対応してスイッチング素子となるトランジスタ素子が複数形成された表示装置を構成することができる。このように、本発明のトランジスタ素子を具備するアクティブマトリックス基板に積層する画像表示素子としては液晶、電気泳動、有機ＥＬ等の方式を用いることができる。
【０１０１】
図６を参照するに、典型的な表示装置の構成として、図４（Ａ）に示す本発明のトランジスタ素子上に画像表示素子と第二の基板が順次積層された構成となっている。第二の基板としては、ガラスやポリエステル、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエーテルスルフォン等のプラスチックを用いることができる。
【０１０２】
画像表示素子として液晶を用いた液晶表示素子は電界駆動であることから消費電力が小さく、また駆動電圧が低いことからＴＦＴの駆動周波数を高くすることができ、大容量表示に適している。液晶表示素子の表示方式として、ＴＮ、ＳＴＮ、ゲスト・ホスト型、高分子分散液晶（Polymer-dispersed Liquid Crystal＝ＰＤＬＣ）等が挙げられるが、反射型で明るい白色表示が得られる点ではＰＤＬＣが好ましい。液晶表示素子を本発明のトランジスタと組み合わせることにより、動作が良好で薄型、軽量のフラットパネルタイプの表示装置を提供することができる。
【０１０３】
また、絶縁性液体と該絶縁性液体中に帯電粒子を分散させた電気泳動表示素子を画像表示素子として使用できる。電気泳動表示素子は第１の色（例えば白色）を呈する粒子を第２の色を呈する着色分散媒中に分散した分散液からなるもので、第１の色を呈する粒子は着色分散媒中で帯電することにより、電界の作用で分散媒中における存在位置を変えることができ、それによって呈する色が変化する。この表示方式によれば明るく、視野角の広い表示ができ、また表示メモリー性があるため特に消費電力の観点から好ましく使用される。
【０１０４】
上記分散液を高分子膜で包んだマイクロカプセルとすることにより、表示動作が安定化するとともに、表示装置の製造が容易になる。マイクロカプセルはコアセルベーション法、Ｉｎ−Ｓｉｔｕ重合法、界面重合法、等公知の方法で作製することができる。白色粒子としては、酸化チタンが特に好適に用いられ、必要に応じて表面処理或いは他の材料との複合化等が施される。分散媒としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフテン系炭化水素等の芳香族炭化水素類、ヘキサン、シクロヘキサン、ケロシン、パラフィン系炭化水素等の脂肪族炭化水素類、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、トリクロロフルオロエチレン、臭化エチル等のハロゲン化炭（化水）素類、含フッ素エーテル化合物、含フッ素エステル化合物、シリコーンオイル等の抵抗率の高い有機溶媒を使用するのが好ましい。分散媒を着色するためには所望の吸収特性を有するアントラキノン類やアゾ化合物類等の油溶性染料が用いられる。分散液中には分散安定化のために界面活性剤等を添加してもよい。
【０１０５】
電気泳動表示素子を本発明のトランジスタ素子と組合せることにより、目への負担が少なく動作の良好な表示装置とすることができる。電気泳動表示素子は低駆動電力、高コントラストの画像表示素子であり、本発明のトランジスタとの組み合わせにより、動作が良好で薄型、軽量のフラットパネルタイプの表示装置を提供することができる。
【０１０６】
有機ＥＬ素子は自発光型であるため鮮やかなフルカラー表示を行うことができる。また、有機ＥＬ層は非常に薄い有機薄膜であるので、柔軟性に富み、特にフレキシブルな基板上に形成するのに適しており、本発明のトランジスタ素子との組合せにより、動作が良好で薄型、軽量のフレキシブルな表示装置を提供することができる。
【０１０７】
また、本発明のトランジスタ素子および当該トランジスタ素子を用いる表示装置においては、それらの公知の製造方法と同様であるので、それら製造方法の説明を省略するが、本発明のトランジスタ素子の特徴とするところの有機材料と微粒子との混合物から構成される層間絶縁膜は、従来の製造方法とは異なり、スクリーン印刷法で形成することが望ましい。層間絶縁膜を形成した後にスルーホールを形成するという従来の方法においては、スルーホールを開孔するためのエッチングプロセスによるトランジスタが劣化するという問題がある。しかし、スクリーン印刷法を用いれば、あらかじめスルーホール部以外の領域のみに膜を形成することが可能なので、トランジスタへの劣化はほとんど生じない。また、材料の使用効率が高く、簡易なプロセスを実現しながら、本発明の目的を達成することが可能である。
【実施例】
【０１０８】
以下、本発明を下記の実施例によってさらに具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、部数はすべて重量部である。
（実施例１）
ポリカーボネート基板上に、インクジェット法にてナノ銀インクを所定のパターンに形成、乾燥処理によって、ゲート電極を形成した。次に、ゲート絶縁膜として、熱重合型ポリイミドをスピンコートにより塗布し、１９０℃で熱処理した。形成されたゲート絶縁膜の比誘電率は３．６、膜厚は０．４μmであった。フォトマスクを介して、ソース／ドレイン電極形成部位に紫外線照射を行い、表面改質を実施した。さらにナノ銀インクをインクジェット法でパターン状に形成してソース／ドレイン電極を得た。
【０１０９】
活性層としては、下記式１に示す構造の有機半導体材料をキシレンに溶解し、インク化した後、インクジェット法にて所望する部位に膜形成することで、有機トランジスタを得た。トランジスタのチャネル長は５μm、チャネル幅は２０００μmであった。
【０１１０】
【化１】
2007103584.tif 000003
層間絶縁膜材料として、ポリビニルアセタール樹脂を溶媒に溶かした溶液に対して、平均粒径が０．１６μm、比表面積１３ｍ２／ｇのチタン酸バリウム（図２中のＡ）を重量比１：２となるように加え、ローラーミルを用いて混合しペースト化したものを準備した。この絶縁ペーストを、スクリーン印刷法を用いてスルーホール部を残してトランジスタ上に転写し、溶媒を乾燥させることで層間絶縁膜を形成した。形成された層間絶縁膜のポリビニルアセタール体積分率は３０％、厚みは１１μｍ、比誘電率は３２であった。
【０１１１】
本実施例における、層間絶縁膜の単位面積あたりの静電容量に対する、ゲート絶縁膜の単位面積あたりの静電容量の比は下式で計算されるとおり３．１である。
【０１１２】
ＣＧ／ＣＩ  ＝（εｒＧ/ｄＧ）／（εｒＩ/ｄＩ）＝（3.6/0.4）／（32/11）＝３．１
最後に上部電極材料としてAg粒子、アクリル樹脂、溶媒からなる銀ペーストを、スクリーン印刷法を用いて形成し、溶媒を乾燥させることにより画素電極を形成した。ゲート電極のパッド部、およびドレイン電極のパッド部には層間絶縁膜の開口部上に画素電極材料が存在する形状で印刷を行った。
【０１１３】
トランジスタ性能を半導体パラメータアナライザにて評価した。
【０１１４】
測定条件：VDS=-20Vとし、上部電極が0V（ソース電極と接続）とした場合、-20V（ドレイン電極と接続）とした場合の結果を表１と図７に示す。図７の縦軸Idはソース・ドレイン間を流れる電流値、横軸Vgはゲート電圧を示す。また、オン電流、オフ電流は、それぞれVg=−20V、+20Vにおける電流値をとって表１に記載している。図７より、上部電極が0V、-20Vいずれの場合でもオフ電流に大きな変化は認められず、トランジスタ特性が上部電極の電位に受ける影響は小さいことが確認された。
【０１１５】
【表１】
2007103584.tif 000004
結果として、トランジスタ特性は、上部電極の電位に大きくは影響されないことが確認された。
（比較例１）
実施例１と同様の有機トランジスタを準備した。
【０１１６】
層間絶縁膜としては、パラキシリレンダイマーを蒸着によって１μｍの厚みに形成した後、Arエッチングによりスルーホールを開孔した。後に同様に上部電極を形成した。
【０１１７】
実施例１同様に、上部電極が0V（ソース電極と接続）とした場合、-10V（ドレイン電極と接続）とした場合のトランジスタ性能評価結果を表２と図８に示す。図７同様、図８の縦軸Idはソース・ドレイン間を流れる電流値、横軸Vgはゲート電圧を示す。また、オン電流、オフ電流は、それぞれVg=−１５V、+１５Vにおける電流値をとって表２に記載している。比較例１の結果として、上部電極をドレイン電極に接続した場合には、オフ領域においても有機半導体にチャネルが誘起されてオフ電流が増加する結果となった。
【０１１８】
【表２】
2007103584.tif 000005
（実施例２）
実施例１と同様の有機トランジスタを準備した。
【０１１９】
層間絶縁膜材料として、ポリビニルアセタール樹脂を溶媒に溶かした溶液に対して、平均粒径が４０nm、比表面積８０ｍ２／ｇのシリカ（図２中のＢ）を重量比２：１で加え、ローラーミルを用いて混合しペースト化したものを準備した。この絶縁ペーストを、スクリーン印刷法を用いてスルーホール部を残してトランジスタ上に転写し、溶媒を乾燥させることで層間絶縁膜を形成した。形成された層間絶縁膜のポリビニルアセタールの体積分率は５１％、厚みは４μm、比誘電率は３．６であった。
【０１２０】
本実施例における、層間絶縁膜の単位面積あたりの静電容量に対する、ゲート絶縁膜の単位面積あたりの静電容量の比は下式で計算されるとおり１０である。
【０１２１】
ＣＧ／ＣＩ  ＝（εｒＧ/ｄＧ）／（εｒＩ/ｄＩ）＝（3.6/0.4）／（3.6/4）＝１０
上部電極材料としてAg粒子、アクリル樹脂、溶媒からなる銀ペーストを、上部電極間の隙間の下部に有機半導体のチャネル形成部が配置するようにスクリーン印刷法を用いて形成し、溶媒を乾燥させることにより画素電極を形成した。
【０１２２】
実施例１同様に、トランジスタ性能を半導体パラメータアナライザにて評価した結果を表３と図９に示す。図７、８同様、図９の縦軸Idはソース・ドレイン間を流れる電流値、横軸Vgはゲート電圧を示す。また、オン電流、オフ電流は、それぞれVg=−２０V、+２０Vにおける電流値をとって表３に記載している。実施例２の結果として、トランジスタ特性が上部電極の電位により受ける影響は小さく、オフ電流の上昇もほとんど見られないことが確認された。
【０１２３】
【表３】
2007103584.tif 000006
上述したように、基板上に有機半導体を用いたトランジスタと、有機半導体層に接する層間絶縁膜と、層間絶縁膜に設けられたスルーホールを介してトランジスタと電気的に導通する上部電極とが積層された素子において、前記層間絶縁膜が有機材料と微粒子との混合物から構成されることによって、有機半導体に不要なチャネルが誘起されにくくオン／オフ比の良好なトランジスタ素子とすることが可能となる。
【０１２４】
以上、本発明の実施例を具体的に説明してきたが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、これら本発明の実施例を、本発明の主旨及び範囲を逸脱することなく、変更又は変形することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】有機トランジスタ素子の基本構造を示す図である。
【図２】無機粒子の粒度分布を示す図である。
【図３】本発明のトランジスタ素子の層間絶縁膜の膜圧および比誘電率を変えることによりＣＩを変化させたトランジスタのＣｒと、そのオン／オフ比を示す図である。
【図４】本発明のトランジスタ素子の構造を示す図であり、（Ａ）はその断面図であり、（Ｂ）はその平面図である。
【図５】本発明のトランジスタ素子のチャネル形成部を示す図である。
【図６】本発明の表示装置を示す図である。
【図７】実施例１のトランジスタ性能評価結果を示す図である。
【図８】比較例１のトランジスタ性能評価結果を示す図である。
【図９】実施例２のトランジスタ性能評価結果を示す図である。
【図１】
2007103584.tif 000007
【図２】
2007103584.tif 000008
【図３】
2007103584.tif 000009
【図４】
2007103584.tif 000010
【図５】
2007103584.tif 000011
【図６】
2007103584.tif 000012
【図７】
2007103584.tif 000013
【図８】
2007103584.tif 000014
【図９】
2007103584.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成18年10月11日(2006.10.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２５】
【図１】有機トランジスタ素子の基本構造を示す図である。
【図２】無機粒子の粒度分布を示す図である。
【図３】本発明のトランジスタ素子の層間絶縁膜の膜厚および比誘電率を変えることによりＣＩを変化させたトランジスタのＣｒと、そのオン／オフ比を示す図である。
【図４】本発明のトランジスタ素子の構造を示す図であり、（Ａ）はその断面図であり、（Ｂ）はその平面図である。
【図５】本発明のトランジスタ素子のチャネル形成部を示す図である。
【図６】本発明の表示装置を示す図である。
【図７】実施例１のトランジスタ性能評価結果を示す図である。
【図８】比較例１のトランジスタ性能評価結果を示す図である。
【図９】実施例２のトランジスタ性能評価結果を示す図である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2007103584.tif 000016