(57)【要約】【課題】  真空蒸着などの汎用薄膜プロセスで作製される有機ＦＥＴでは、結晶粒界におけるエネルギー障壁がＦＥＴ特性である移動度を低減させたり、ソース電極／ドレイン電極間のオン電流を低減させたりという問題がある。本発明は前記二点の問題点解決となる手法を提供する。【解決手段】  有機ＦＥＴにおけるゲート絶縁層とは対極側に、電気的に短絡しない量の導電性微粒子分散層を形成したＯＦＥＴの調製方法を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にゲート電極、絶縁層、ソース電極、ドレイン電極、半導体層を有する電界効果型有機半導体トランジスタにおいて、前記有機半導体層を挟んで前記絶縁層と対向し、かつ、導電性微粒子がソース電極／ドレイン電極間を短絡する連続体を形成しない分散層（以下、導電性微粒子分散層）を形成していることを特徴とする有機半導体トランジスタ。
【請求項２】
請求項1記載の導電導電性微粒子の導電性が１０２Ｓｃｍ以上であることを特徴とする有機半導体トランジスタ。
【請求項３】
請求項1記載の導電性微粒子分散層の構成成分が金属または有機導電材料であ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】
本発明は有機半導体トランジスタおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機半導体を活性層とした電界効果型トランジスタ（以下、ＯＦＥＴ）はシリコンを活性層とした電界効果型トランジスタ（以下、ＳｉＦＥＴ）と比較して、製造装置が簡便であり、製造単価が低いことから近年広く研究されている（たとえば非特許文献１）。しかし電荷移動速度（以下、移動度）がＳｉＦＥＴよりも二桁以上低いため、実用化にはその向上が急務である。原因の第一は有機半導体層における多結晶体の形成であるが、その結晶粒界がトランジスタ中での電荷移動を阻害するためである。この問題を解決するためには様々な研究がなされている（たとえば特許文献１）。
【０００３】
また、分子レベルの物理現象を対照とした研究は近年盛んに行われている。たとえば親疎水性相互作用を利用したラングミュアー・ブロジェット膜（通称ＬＢ膜）に関する研究（非特許文献２）やメルカプト基（ＳＨ基）を有したチオール系化合物による金属表面の化学修飾に関する研究（たとえば非特許文献３）、有機シラン系化合物によるさまざまな表面の化学修飾に関する研究（たとえば非特許文献４）、ナノメートル級の大きさの超微粒子（以下、ナノ微粒子）を取り扱った研究（たとえば非特許文献５）などである。
【０００４】
ＬＢ膜は単分子層で規則正しく配向した膜が得られるため様々な分野で研究が行われている。またチオール系化合物による金属表面の化学修飾では、単結晶表面を出している金表面などには最密充填の形で化学結合するため、メルカプト基以外の官能基を導入することにより単分子層の二次元的な機能付加も可能になり、研究対象としては高く評価されている。有機シラン系化合物による表面修飾の研究では、対象物が酸化被膜となることが多いが、チオール系化合物による化学修飾の研究と類似した効果が期待できる。またナノ微粒子に関する研究では、対象物が可視光波長よりも小さいために生起する、巨視的に観測される物性と異なる新しい物理現象が着目され、高い関心が寄せられている。
【０００５】
いずれの研究分野でも分子レベルの物性評価が対象となるため、近年必要とされている、高密度化や高精密化、高機能化などを求める現代社会での注目度は高い。
【０００６】
本発明では、ＯＦＥＴの特性低下の原因となる多結晶体粒界への導電性微粒子分散層の導入による電荷移動阻害の抑制を実現させ、移動度とオン電流のそれぞれを向上させることができる。
【０００７】
本発明と類似の技術として有機ＥＬデバイスにおける電荷移動層への導電性高分子の導入による電荷注入効率の向上がある（たとえば非特許文献６）が、この場合は電荷移動層全面を均一に導電性高分子層（電荷注入促進層）を形成しなければならない。本発明の場合は電荷移動相中のエネルギー障壁を低減させることが目的であり、ソース電極／ドレイン電極間を短絡するような形で導電性微粒子分散層を形成するものではない点が異なる。
【０００８】
また本発明と類似した概念の発明として、有機半導体中への微粒子埋め込みを行った発明がある（特許文献２）。この発明では有機半導体中へ微粒子を埋め込まなくてはならないため、製造工程が煩雑となる。また、本発明の比較例として一部の追試を行ったが、この効果は確認されなかった。
【非特許文献１】Ｗ． Ｐｏｒｚｉｏ， Ｓ． Ｄｅｓｔｒｉ， Ｍ． Ｐａｓｉｎｉ， Ｕ． Ｇｉｏｖａｎｅｌｌａ， Ｔ． Ｍｏｔｔａ， Ｍ．Ｄ． Ｉｏｓｉｐ， Ｄ． Ｎａｔａｌｉ， Ｍ． Ｓａｍｐｉｅｔｒｏ， Ｌ． Ｆｒａｎｃｏ ａｎｄ Ｍ． Ｃａｍｐｉｏｎｅ， “Ｏｒｇａｎｉｃ ＦＥＴ ｄｅｖｉｃｅｓ： ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ−ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｉｎ ｅｖａｐｏｒａｔｅｄ ｆｉｌｍｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｆｌｕｏｒｅｎｏｎｅ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ ”， Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｍｅｔａｌｓ， Ｖｏｌｕｍｅ １４６， Ｉｓｓｕｅ ３，Ｐａｇｅｓ ２５９−２６３(２００４)
【特許文献１】特開２００３−２８２８８３号公報
【特許文献２】特開２００４−００６８２７号公報
【特許文献３】特開２００２−２０４０１２号公報
【非特許文献２】市村國宏監修, 光機能性高分子材料の新展開, 1996年、シーエムシー
【非特許文献３】Ｔ． Ｎａｋａｍｕｒａ ｅｔ ａｌ，“Ｎａｎｏ−Ｄｏｔｓ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ３−Ｍｅｒｃａｐｔｏｐｒｏｐｉｏｎｉｃ Ａｃｉｄ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ Ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ Ｆａｃｉｌｅ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ−Ｖａｐｏｒ−Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ−Ｍｅｔｈｏｄ ｏｎ Ａｕ（１１１）”，Ａｐｐｌ． Ｓｕｒｆ． Ｓｃｉ． ２０２， ２４１ （２００２）．
【非特許文献４】水町浩, 鳥羽山  満, “表面処理技術ハンドブック” (株)エヌ・ティー・エス（２０００）
【非特許文献５】Ｎｉｋｈｉｌ Ｒ． Ｊａｎａ ａｎｄ Ｘｉａｏｇａｎｇ Ｐｅｎｇ，“Ｓｉｎｇｌｅ−Ｐｈａｓｅ ａｎｄ Ｇｒａｍ−Ｓｃａｌｅ Ｒｏｕｔｅｓ ｔｏｗａｒｄ Ｎｅａｒｌｙ Ｍｏｎｏｄｉｓｐｅｒｓｅ Ａｕ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｎｏｂｌｅ Ｍｅｔａｌ Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ”， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， １２５巻， ｐ１４２８０−１４２８１（２００３）
【非特許文献６】日経産業新聞, 2002年8月9日  住ベテクノリサーチ（株）, 進化する有機薄膜  [用途編], 2004年8月, 住ベテクノリサーチ（株）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
真空蒸着などの汎用薄膜プロセスで作製される有機ＦＥＴでは、有機半導体層が多結晶体の状態で形成されることから、結晶粒界におけるエネルギー障壁がＦＥＴ特性である移動度を低減させたり、ソース電極／ドレイン電極間のオン電流を低減させたりという問題がある。
【００１０】
本発明は前記二点の問題点解決となる手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】
有機ＦＥＴのオン電流を向上させるためには、有機半導体層中の結晶粒界で生じる抵抗、すなわち電荷移動を阻害する電気的障壁を低減させることが必要であり、そのためには、結晶粒界の界面への導電材料導入が有効と考えられる。
【００１２】
この手法として本発明では、ゲート絶縁層とは対極側に、電気的に短絡しない量の導電性微粒子分散層を形成したＯＦＥＴの調製方法を提供する。
【００１３】
本発明において適用可能な導電材料は、導電性が１０２Ｓｃｍ以上であれば有機／無機を問わず、導電性高分子粒子や炭素微粒子、酸化スズ微粒子等が該当する。
【００１４】
導電性微粒子分散層の形成方法は、電荷移動層を機械的に破壊しない方法であればどのような手段をとってもかまわない。たとえば、真空蒸着による分散層形成や導電性材料の液体分散層の塗布による分散層形成、導電性材料溶液のミスト吹付けでもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の手法を導入することにより、ＯＦＥＴの移動度が向上し、ソース電極／ドレイン電極間のオン電流が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明について、実施の形態（実施例）とともに図面を参照して詳細に説明する。なお、発明の実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一の記号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００１７】
図１は本発明の実施例で使用したＯＦＥＴの概略構成を説明するための図である。
【００１８】
図１において、１は基板、２はゲート電極、３はゲート絶縁層、４はソース電極、５はドレイン電極、６は有機半導体層、７は導電性微粒子分散層を示す。
【００１９】
図１から明らかなように、本発明のＯＦＥＴは、本発明で記載された特徴を有した導電性微粒子分散層７が有機半導体層６の上部に分布し、ソース電極４とドレイン電極５とがそれぞれ所定の距離だけ離れて形成されている。また、有機半導体層６の下部には、ゲート絶縁膜３が形成され、このゲート絶縁膜３の下部にゲート電極２が形成されている。すなわち、実施の形態のＯＦＥＴは、ソース電極４とドレイン電極５との間の電流通路である有機半導体層６の導電性を、絶縁層であるゲート絶縁層３を介して設けられたゲート電極２によって制御する電界効果型のＯＦＥＴである。
【００２０】
基板1には絶縁性の材料であれば有機／無機のいずれも使用可能であり、具体的には、ポリイミドフィルム、ポリエステルフィルム、ポリエチレンフィルム、ポリフェニレンスルフィド膜、ポリパラキシレン膜などの各種絶縁性プラスチックやガラス、アルミナ焼結体などが使用可能である。
【００２１】
ただし、ゲート電極２およびソース電極４、ドレイン電極５としては、金、白金、クロム、パラジウム、アルミニウム、インジウム、モリブデン、低抵抗ポリシリコン、低抵抗アモルファスシリコン等の金属や、スズ酸化物、酸化インジウムおよびインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）等を用いるのが一般的であるが、PEDOT（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン））のような導電性高分子でも良い。しかしながら、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種以上使用しても差し支えない。ゲート電極２等の導電膜を設ける方法としては蒸着あるいはスパッタリング、メッキ、各種ＣＶＤ成長等の方法がある。また、本発明の有機トランジスタの使用目的に応じては、ゲート電極２と有機トランジスタ形成する図示しない基板とを兼ね、この基板としてシリコンウエハー、ステンレス板、銅版等の導電性の板を用いることも可能である。
【００２２】
また、ゲート絶縁膜３としては、絶縁性のものであれば有機／無機のいずれの材料でもよく、一般的にはポリエチレン、ポリエステル、ポリイミド、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および各種絶縁性ＬＢ膜、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、酸化チタン等を用いるが、これらの材料を２つ以上併せて用いてもよい。これらの絶縁膜の作製法としては、特に制限はなく、例えば周知のＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、プラズマ重合法、蒸着法、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ＬＢ法などがあり、いずれの作製法でも適用可能である。また、シリコンウエハーがゲート電極２と基板とを兼ねて構成されている場合には、ゲート絶縁膜３としてはシリコンの熱酸化法等によって得られる酸化シリコン膜が好適である。
【００２３】
また、有機半導体層６の調製法としては、周知の真空蒸着法、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等が挙げられ、材料に応じて使用できる。ただし、これら有機半導体材料からなる薄膜の膜厚としては、特に制限はないが、得られた有機トランジスタの特性は、有機半導体材料からなる活性層の膜厚に大きく左右される場合が多く、その膜厚は、有機半導体材料により異なるが、一般に３００ｎｍ以下が好ましい。
【００２４】
以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する。
【実施例１】
【００２５】
本実施例では図１Ａの構成となるようにＯＦＥＴを調製した。
【００２６】
使用した基板は、ゲート絶縁膜３として熱酸化ＳｉＯ２が５００ｎｍで被覆されたｎ型ヘビードープのシリコン基板を、ゲート電極２を兼ねた基板１（以下、Ｓｉ基板）として使用した。
【００２７】
ソース電極４及びドレイン電極５はメタルマスクを使用して金を蒸着成膜して調製した。ゲート長は５０μｍ、ゲート幅は３０００μｍとした。
【００２８】
つぎに有機半導体層６としてペンタセンを真空蒸着法によりシリコン基板上へ５０ｎｍ調製し、最後に有機半導体層６上に金を、約２ｎｍ（約５原子程度）の厚みになるように蒸着して導電性微粒子分散層７を調製してＯＦＥＴを調製した。なお導電性微粒子分散層７の厚みは、ソース電極４およびドレイン電極５を短絡させないことを事前に確認した厚みである。
【実施例２】
【００２９】
本実施例では図１Ｂの構成となるようにＯＦＥＴを調製した。
【００３０】
ここでは実施例１と比較して、ソース電極４およびドレイン電極５と有機半導体層６、導電性微粒子分散層７の素子構造が異なるだけで、ほかはまったく同一の条件で実施した。すなわち、Ｓｉ基板上に有機半導体層６（ペンタセン）を真空蒸着法により調製した後、真空蒸着法により金のソース電極４およびドレイン電極５を形成した。この上へ同じく真空蒸着法により有機半導体層６を形成させ、最後に金を約２ｎｍ（約５原子程度）の厚みになるように蒸着した。なおソース電極４及びドレイン電極５間のゲート長は５０μｍ、ゲート幅は３０００μｍとした。
【００３１】
（比較例１）
実施例１で行った導電性微粒子分散層７の効果を検証するため、図２Ａの構成となるようにＯＦＥＴを調製した。すなわち実施例１と同一の条件でＯＦＥＴを調製したが、ここでは導電性微粒子分散層７は形成させなかった。
【００３２】
（比較例２）
実施例２で行った導電性微粒子分散層７の効果を検証するため、図２Ｂの構成となるようにＯＦＥＴを調製した。すなわち実施例２と同一の条件でＯＦＥＴを調製した。ここでは導電性微粒子分散層７は形成させなかった。
【００３３】
（比較例３）
実施例１で行った導電性微粒子分散層７の効果を検証するため、図３Ａの構成となるようにＯＦＥＴを調製した。すなわち実施例１と同一の条件でＯＦＥＴを調製したが、ここでは導電性微粒子分散層７をゲート絶縁膜３Ａ上に形成させた。
【００３４】
（比較例４）
実施例２で行った導電性微粒子分散層７の効果を検証するため、図３Ｂの構成となるようにＯＦＥＴを調製した。すなわち実施例２と同一の条件でＯＦＥＴを調製したが、ここでは導電性微粒子分散層７をゲート絶縁膜３Ａ上に形成させた。
【００３５】
以上、合計６の実施例および比較例で調製したＯＦＥＴ素子について半導体パラメータアナライザーで解析した結果の移動度（μ）を表１にまとめた。なお実施例１および実施例２、比較例１のＯＦＥＴについて、ゲート電圧（Ｖｇ）とドレイン電流（Ｉｄ）との関係、および、所定のＶｇにおけるドレイン電圧（Ｖｄ）とドレイン電流（Ｉｄ）の関係を図３に示した。なお、移動度は以下の計算式（１）を用いて算出した。
【００３６】
【数１】
2007110028.tif 000003
【００３７】
ここで、Ｖｇはゲート電圧、Ｉｄはドレイン電流、ｌはゲート長、ｃｉはゲート絶縁膜の１×１ｃｍ２の静電容量である。Ｗ、Ｌはそれぞれチャネル長およびチャネル幅である。
【００３８】
【表１】
2007110028.tif 000004
【００３９】
表１の結果より、図１に示したように有機半導体層を挟んで絶縁層と対向した導電性微粒子分散層を形成することにより、１．５倍から２倍程度向上し、ゲート電圧およびドレイン電圧がそれぞれ−８０Ｖのとき、オン電流が１０倍以上に向上した。
【００４０】
また、前記導電性微粒子分散層が絶縁層上に直接形成している場合にはトランジスタ特性はまったく示さなかった。すなわち、特許文献２の追試は不成功に終わった。
【００４１】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることはもちろんである。
【００４２】
なお、図４は実施例１および実施例２で調製したＯＦＥＴのトランジスタ特性（１）である。
【００４３】
図５は、実施例２で調製したＯＦＥＴのトランジスタ特性（２）である（ドレイン電圧８０Ｖ）。
【００４４】
図６は、比較例１および比較例２で調製したＯＦＥＴのトランジスタ特性（１）である。
【００４５】
図７は、比較例２で調製したＯＦＥＴのトランジスタ特性（２）である（ドレイン電圧８０Ｖ）。
【００４６】
図８は、比較例３および比較例４で調製したＯＦＥＴのトランジスタ特性（１）である。
【００４７】
図９は、比較例４で調製したＯＦＥＴのトランジスタ特性（２）である（ドレイン電圧８０Ｖ）。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】Ａは実施例１で用いたＯＦＥＴの断面である。Ｂは実施例２で用いたＯＦＥＴの断面である。
【図２】Ａは比較例１で用いたＯＦＥＴの断面である。Ｂは比較例２で用いたＯＦＥＴの断面である。
【図３】Ａは比較例３で用いたＯＦＥＴの断面である。Ｂは比較例４で用いたＯＦＥＴの断面である。
【図４】実施例１および実施例２で調製したＯＦＥＴのトランジスタ特性（１）である
【図５】実施例２で調製したＯＦＥＴのトランジスタ特性（２）である（ドレイン電圧８０Ｖ）。
【図６】比較例１および比較例２で調製したＯＦＥＴのトランジスタ特性（１）である
【図７】比較例２で調製したＯＦＥＴのトランジスタ特性（２）である（ドレイン電圧８０Ｖ）。
【図８】比較例３および比較例４で調製したＯＦＥＴのトランジスタ特性（１）である
【図９】比較例４で調製したＯＦＥＴのトランジスタ特性（２）である（ドレイン電圧８０Ｖ）。
【符号の説明】
【００４９】
１  基板
２  ゲート電極
３  ゲート絶縁層
４  ソース電極
５  ドレイン電極
６  有機半導体層
７  導電性微粒子分散層
【図１】
2007110028.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
2007110028.tif 000008
【図５】
2007110028.tif 000009
【図６】
2007110028.tif 000010
【図７】
2007110028.tif 000011
【図８】
2007110028.tif 000012
【図９】
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