(57)【要約】      （修正有）【課題】有機ＦＥＴのソース電極、ドレイン電極におけるコンタクト抵抗を低減する。【解決手段】チャネル領域に隣接したソース電極、ドレイン電極のコンタクト部にアクセプター性材料をドーピングする。これにより、電極と有機半導体界面の空乏層が薄くなり電荷注入障壁抵抗Ｒｉｎｔが低下するだけでなく、コンタクト近傍の電荷輸送にトラップの影響がなくなることによりアクセス抵抗Ｒｂｕｌｋも低下し、その結果、両抵抗の合計であるコンタクト抵抗の大幅な低下が達成される。【選択図】図３−ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース電極と、
ドレイン電極と、
ゲート電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極に接するとともに、前記ゲート電極による電界によって制御されるチャネル領域を有する有機半導体と
を設けた有機電界効果トランジスタにおいて、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の少なくとも一方の前記チャネル領域に隣接する部分と前記有機半導体との界面にアクセプター性材料のドーピングを行う有機電界効果トランジスタ。
【請求項２】
ボトムコンタクト／トップゲート構造を有する、請求項１に記載の有機電界効果トランジスタ。
【請求項３】
トップコンタクト／トップゲート構造を有する、請求項１に記載の有機電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記アクセプター性材料は塩化第２鉄、ＴＣＮＱ、Ｆ４ＴＣＮＱ、フラーレンとその誘導体、ペリレン系のｎ型有機半導体からなる群から選択される、請求項１から３の何れかに記載の有機電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は有機半導体を使用した電界効果トランジスタ（有機ＦＥＴ）に関し、特に有機ＦＥＴのコンタクト抵抗を低減する素子構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
軽量性、柔軟性といった特徴を有する有機電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は、ＲＦ−ＩＤタグや電子ペーパーのバックプレーンといった様々なアプリケーションへの応用が期待されている。一方で、有機ＦＥＴは電極界面にＳｉ−ＭＯＳＦＥＴ等と比較して非常に高いコンタクト抵抗ＲＣを有しており、素子の微細化や高速動作の妨げとなっている。一般的に報告されている有機ＦＥＴのコンタクト抵抗の値は１〜１００ｋΩｃｍ程度となっており、これはＳｉ−ＭＯＳＦＥＴの値と比較して４、５桁以上高くなっている。有機ＦＥＴの実用化には、このコンタクト抵抗を大幅に低減することが不可欠である。バンドギャップが大きな有機半導体を使用した場合の方が、電荷注入障壁が大きくなるためにコンタクト抵抗が高くなるが、バンドギャップが比較的小さな有機半導体を使用した場合でもコンタクト抵抗は依然として大きな問題となる。
【０００３】
コンタクト構造を低減するための有機ＦＥＴの構造については従来から幾つかの提案がなされてきた。非特許文献１には、有機トランジスタの電極界面に酸化モリブデン層を挿入することによってコンタクト抵抗の低減と素子特性向上に成功したことが記載されている。非特許文献２では、有機トランジスタの電極界面にアクセプター性分子であるＦ４ＴＣＮＱを挿入してコンタクト抵抗を低減した（ｐ型半導体の場合）ことが記載されている。また非特許文献２は、コンタクト抵抗が電極／有機半導体界面に生じる電荷注入障壁による抵抗と電極から伝導チャネルまでの間に存在するアクセス抵抗とから成るという概念を提案した。更に、非特許文献３には、ボトムコンタクト（ＢＣ）型有機ＦＥＴの電極表面に自己組織化単分子膜（self-assembled monolayer、ＳＡＭ）を形成して電気特性を向上させたことが記載されている。これらの改良によってコンタクト抵抗はある程度低減できるが、有機ＦＥＴの応用を進めるためにはまだ十分なものではなかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、有機ＦＥＴのコンタクト抵抗を従来技術で達成できていた水準を超えて大幅に低減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一側面によれば、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極と、前記ソース電極および前記ドレイン電極に接するとともに、前記ゲート電極による電界によって制御されるチャネル領域を有する有機半導体とを設け、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の少なくとも一方の前記チャネル領域に隣接する部分と前記有機半導体との界面にアクセプター性材料のドーピングを行う有機ＦＥＴが与えられる。
ここで、前記有機ＦＥＴはボトムコンタクト／トップゲート構造を有してよく、あるいは、トップコンタクト／トップゲート構造を有してよい。
前記アクセプター性材料は塩化第２鉄、ＴＣＮＱ、Ｆ４ＴＣＮＱ、フラーレンとその誘導体、ペリレン系のｎ型有機半導体からなる群から選択されてよい。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、有機ＦＥＴのコンタクト抵抗を大幅に低減することにより、素子の移動度や動作安定性の向上、しきい電圧の制御、素子サイズのさらなる縮小、高速動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の比較例であるトップコンタクト／ボトムゲート（ＴＣ／ＢＧ）構造の有機ＦＥＴにおけるコンタクト構造ＲＣの成分を示す概念図。
【図２】本発明の原理を説明するコンタクト近傍の概念的断面図。
【図３−ａ】本発明の一実施例のボトムコンタクト／トップゲート（ＢＣ／ＴＧ）構造の有機ＦＥＴにおけるコンタクト抵抗ＲＣの成分を示す概念的断面図。
【図３−ｂ】本発明の一実施例のトップコンタクト／トップゲート（ＴＣ／ＴＧ）構造の有機ＦＥＴにおけるコンタクト抵抗ＲＣの成分を示す概念的断面図。
【図４】ゲート電圧−４０Ｖにおける本発明の実施例及び比較例の有機ＦＥＴのオン抵抗のチャネル長依存性を示す図。
【図５】本発明の実施例の有機ＦＥＴの伝達特性を示す図。
【図６−ａ】本発明の一実施例のＢＣ／ＴＧ構造の有機ＦＥＴの出力特性を示す図。
【図６−ｂ】本発明の一実施例のＴＣ／ＴＧ構造の有機ＦＥＴの出力特性を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明では、コンタクト抵抗ＲＣは、電極／有機半導体界面に生じる電荷注入障壁による抵抗Ｒｉｎｔと、電極から伝導チャネルまでの間に存在するアクセス抵抗Ｒｂｕｌｋとから成るという概念に基づいて、各抵抗要因を直接低減できる新しい有機ＦＥＴの素子構造を与える。具体的には、電荷注入障壁による抵抗Ｒｉｎｔは主にコンタクト界面にドーピングを行うことによって低減し、電極から伝導チャネルまでのアクセス抵抗Ｒｂｕｌｋの低減は、上記ドーピングを行ったことによってＲｉｎｔが小さくなった界面をＦＥＴのチャネル領域に隣接させることにより達成される。
【０００９】
ただし、有機トランジスタのＯＦＦ電流を低い値に保つために、上記ドーピングはコンタクト部分だけに行い、チャネル部分には行わない。そのため、従来用いられているトップコンタクト／ボトムゲート（ＴＣ／ＢＧ）構造においてコンタクト界面にドーピングを行った場合のようなドーピング箇所とチャネル領域が隣接しない素子構造（図１）では、バルク領域中でドーピングによるＲｂｕｌｋ低減が起こっていない部分の抵抗成分がＲｂｕｌｋで支配的になる。本発明は、ドーピングされている界面をチャネル領域に隣接させるようにすることで、コンタクトへのドーピングがＲｉｎｔとＲｂｕｌｋの両方を大きく減少させるようにし、結果としてコンタクト抵抗ＲＣを大幅に低減させるものである。
【００１０】
コンタクトへのドーピング（以下ではこれに限定する意図はないが、ドーパントとして塩化第二鉄（ＦｅＣｌ３）を例として説明する）によってコンタクト抵抗ＲＣが減少することについての要因としては、電極／有機半導体界面の電荷注入障壁が減少しＲｉｎｔが低減されること、および電荷の生成によってデバイスのアクセス領域中の電荷密度が増大してトラップ準位が占拠されＲｂｕｌｋが減少することが挙げられる。従来用いられている構造であるＴＣ／ＢＧ構造を例にして説明すれば、コンタクト界面の抵抗Ｒｉｎｔとコンタクトからチャネルへのアクセス抵抗Ｒｂｕｌｋは、図１に等価回路を示したように直列接続になっている（非特許文献１、２）。このコンタクト界面のエネルギー状態を模式的に表したものを図２に示す。コンタクト界面に存在する電荷注入障壁は、主に電極のフェルミレベルとｐ型有機半導体のＨＯＭＯレベルのエネルギー差によって生じるショットキー障壁として説明される。金属とｐ型有機半導体が接触した場合に、コンタクト界面の電荷移動によって、有機半導体中の界面近傍には空乏層が形成される（図２(ａ)）。この空乏層が、有機半導体への電荷注入障壁として働く。コンタクト界面にドープを施すことで、生成したキャリアは空乏層の幅を減少させる。結果として、減少した空乏層をキャリアがトンネル注入を行うことによって、電荷注入障壁による抵抗Ｒｉｎｔは大幅に低減される（図２(ｂ)）。
【００１１】
また、上記ドーピングによって生成した電荷はアクセス領域にも影響し、この領域に存在するトラップ準位を占有することによって、コンタクト近傍においてはＲｂｕｌｋを減少させる効果もある（図２(ｂ)参照）。コンタクトドーピングのＲｂｕｌｋへの影響は、コンタクト抵抗ＲＣのゲート電圧ＶＧへの依存性に見ることができる。ＴＣ／ＢＧ有機ＦＥＴでは、ＲＣのＶＧへの依存性は、トラップに富んでいる領域を通した電荷輸送の結果としてしばしば説明される（非特許文献２、４）。本願発明者らの知見によれば、未ドープのデバイスについてのコンタクト抵抗ＲＣはゲート電圧ＶＧへの強い依存性を示すことがわかったが、これは以前に報告された傾向に対応する。一方、ＦｅＣｌ３ドーピング有りのデバイスの場合のコンタクト抵抗ＲＣはゲート電圧ＶＧにほとんど依存しないこともわかった。コンタクト抵抗ＲＣがゲート電圧ＶＧに対して一定であるのは、ＦｅＣｌ３ドーピングによってアクセス領域中で電荷キャリアが発生することによるものである。すなわち、ＦｅＣｌ３をドープすることで禁制帯中にアクセプターレベルが形成され、ＨＯＭＯレベル端に正孔が生成される。この誘起された正孔により、アクセス領域中の電荷密度が大きく増大してその活性トラップを占拠し、その結果、この領域を通る電荷輸送は電荷トラップの影響を受けなくなる（図１（ｂ））。従って、アクセス領域中のバルク導電性が大きく改善されて、コンタクト抵抗ＲＣのゲート電圧ＶＧへの依存性が低下する。従って、ＲｂｕｌｋもまたＦｅＣｌ３ドーピングによって大きく低下する。結局、ＦｅＣｌ３をコンタクトにドープすることによるコンタクト抵抗ＲＣの低下は、コンタクト界面中の薄くなった空乏領域を通過するトンネル注入によるＲｉｎｔの低下と、アクセス領域中の活性トラップの減少によるＲｂｕｌｋの低下とによるものであると結論付けられる。
【００１２】
従来のＴＣ／ＢＧ構造を有する有機ＦＥＴでは、コンタクト界面へのドーピングによって電極近傍のＲｂｕｌｋは低減できるが、コンタクトから離れた領域では依然として高いバルク抵抗を有していたため、ドーピングによるＲＣの低減効果は限定的であった。本発明では、ドーピングの効果が及ぶ領域をチャネル領域に隣接させることによって、Ｒｂｕｌｋを一層低減させることで、極めて低いＲＣを実現することができる。このような有機ＦＥＴの具体的な断面構造の例を図３−ａ及び図３−ｂに示す。
【００１３】
図３−ａ及び図３−ｂは夫々ＢＣ／ＴＧ構造及びＴＣ／ＴＧ構造の有機ＦＥＴの概念的構造を示す断面図である。これらの断面図には、コンタクト抵抗ＲＣが電極と有機半導体との間の界面に生じる電荷注入障壁による抵抗Ｒｉｎｔと、電極から伝導チャネルまでの間に存在するアクセス抵抗Ｒｂｕｌｋとから成るという上述のモデルに基いたソース−ドレイン間の抵抗の等価回路も示されている。すなわち、ソース−ドレイン間の抵抗は理想的にはチャネル領域の抵抗Ｒｃｈであるが、実際にはソース電極と有機半導体との界面、及びドレイン電極と有機半導体の界面に夫々コンタクト抵抗ＲＣが現れる。ここでコンタクト抵抗ＲＣは電荷注入障壁抵抗Ｒｉｎｔとアクセス抵抗Ｒｂｕｌｋとの直列接続として現れ、それにチャネル領域の抵抗Ｒｃｈが直列に入るので、結局、ソース−ドレイン間の抵抗全体は以下のように表される。
Ｒｉｎｔ＋Ｒｂｕｌｋ＋Ｒｃｈ＋Ｒｂｕｌｋ＋Ｒｉｎｔ
【００１４】
ここで、図３-ａのＢＣ／ＴＧ構造を見るに、電極が設けられた基板上に被せるような形で有機半導体の薄膜が形成されるため、有機半導体薄膜は図に示すような階段状の形状で基板及び電極表面を覆う。電極の高さと半導体層の膜厚はほぼ同程度となっているため、この構造により、ソース電極とドレイン電極との間に存在する有機半導体薄膜のゲート絶縁層側表面に形成されるチャネルはドープ領域に非常に近接することになり、チャネルに隣接していると見ることができる。ここで、電流は抵抗が最小となる経路を流れるため、ここで電流に実質的に寄与するドープ領域は図中のソース電極の右上隅及びドレイン電極の左上隅部分であることに注意されたい。これにより、上式中の電荷注入障壁抵抗Ｒｉｎｔとアクセス抵抗Ｒｂｕｌｋの両者が極めて小さくなるため、非常に小さなコンタクト抵抗ＲＣが得られる。これに対して図１に示す従来構造では、半導体層の膜厚がそのまま抵抗として作用する。従って、電荷注入障壁抵抗Ｒｉｎｔだけではなくアクセス抵抗Ｒｂｕｌｋも大きなものとなる。
【００１５】
また、図３-ｂのＴＣ／ＴＧ構造では、ソース、ドレイン電極と有機半導体との界面とチャネル領域とが有機半導体膜の同じ側の面上に存在するため、これらの界面がほぼ直接チャネル領域に接するように構成することができる。従って、有機ＦＥＴに流れる電流がアクセス抵抗Ｒｂｕｌｋに寄与する領域を通過する距離はきわめて短くなり、これによってアクセス抵抗Ｒｂｕｌｋが極めて小さくなるか、あるいは実質的にゼロとなる。従って、図３-ｂではソース−ドレイン間の抵抗全体を以下のように表している。
Ｒｉｎｔ＋Ｒｃｈ＋Ｒｉｎｔ
【００１６】
なお、ボトムコンタクト／ボトムゲート（ＢＣ／ＢＧ）構造とした場合にも電極の下端がチャネルに接していると考えられる。しかし、この構造で問題な点は、電極の下層には一般的に密着性を向上させるための接着層が用いられるため、電極から直接電荷を注入できないことである（非特許文献５）。更には、ＢＣ／ＢＧ構造では実際には電極下部にドーピングを施すことが難しく、従ってドープ領域とチャネルが接した構造を作成することが困難であることも問題である。
【００１７】
以上説明したように、本発明においては、図３-ａの構造でもまた図３-ｂの構造でも、コンタクト抵抗ＲＣを構成する抵抗成分である電荷注入障壁抵抗Ｒｉｎｔとアクセス抵抗Ｒｂｕｌｋの両方が上述したように著しく低減され、従ってコンタクト抵抗ＲＣも大きく低下する。なお、アクセス抵抗Ｒｂｕｌｋについては、単に界面からチャネル領域の距離を短くしたことがそれに貢献するだけではない。この距離の短縮によりアクセス抵抗に寄与する有機半導体の領域がドーピングした界面のごく近傍に限られるので、単位長当りの抵抗も大きく低下し、両者の乗算によってアクセス抵抗Ｒｂｕｌｋの一層の低減が実現される。
【００１８】
なお、以下の実施例では有機半導体としてＣ８−ＢＴＢＴを用いているが、本発明の効果はすべての有機半導体に対して有効でありＣ８−ＢＴＢＴに限定されるものではない。また、ドーピング材料としてＦｅＣｌ３を用いたが、有機半導体との電荷移動によってキャリアを発生させる材料であれば、その種類は問わない。ドーピング材料として使用可能な物質の一部を例示すれば、ＴＣＮＱ、Ｆ４ＴＣＮＱ、フラーレンとその誘導体、ペリレン系のｎ型有機半導体等が挙げられる。同様に、絶縁層材料の種類も問わない。さらに、実施例では電極、有機半導体層を成膜するために真空蒸着法を用いているが、成膜方法の種類も問わない。真空蒸着法以外の成膜方法として、例えばスクリーン印刷、グラビア印刷、インクジェット印刷等が考えられる。
【００１９】
また、ドーピングは最低限電極と有機半導体の界面のうちのチャネル領域の近傍部分だけに行うことで本発明の作用・効果を達成することが出来るが、もちろんこの界面全体などのもっと広い範囲に対して行っても良い。
【実施例】
【００２０】
１．素子の作製
図３-ａ及び図３-ｂに示す構造の素子を以下のようにして作製した。ガラス基板をアセトン、イソプロパノールによって洗浄し、表面を疎水化するためにパリレン薄膜を３００ｎｍ程度形成したものを基板として用いた。ＢＣ／ＴＧ構造（図３-ａ）の場合は、基板上にメタルマスクを通してＴｉ（３ｎｍ）／Ａｕ（３７ｎｍ）電極を真空蒸着し、マスクを外すことなく電極表面に塩化第二鉄（ＦｅＣｌ３）をドーパントとして０．３ｎｍ蒸着した。さらに、有機半導体としてＣ８−ＢＴＢＴ（日本化薬株式会社）を４０ｎｍの膜厚で真空蒸着した。ＴＣ／ＴＧ（図３-ｂ）構造の場合は、先に有機半導体としてＣ８−ＢＴＢＴを４０ｎｍの膜厚で真空蒸着し、その後にメタルマスクを通してドーパントであるＦｅＣｌ３を０．３ｎｍ蒸着し、さらにＡｕを４０ｎｍ蒸着して電極とした。両者ともに、ゲート絶縁層としてＣｙｔｏｐ（旭硝子株式会社）を５００ｎｍの膜厚でスピンコートし、大気下で自然乾燥させて用いた。最後に、トップゲート電極としてＴｉ（３ｎｍ）／Ａｕ（３７ｎｍ）電極を真空蒸着し、有機ＦＥＴを形成した。リファレンス素子として、ＴＣ／ＢＧ構造でコンタクト界面にドーピング層を持つものと持たないもの（図１）を以下の様に作製した。ガラス基板をアセトン、イソプロパノールによって洗浄し、ボトムゲート電極としてＴｉ（３ｎｍ）／Ａｕ（３７ｎｍ）を真空蒸着した。ゲート絶縁層としてパリレン薄膜を３００ｎｍ程度の膜厚で化学的気相蒸着法によって形成した。さらに、有機半導体としてＣ８−ＢＴＢＴ（日本化薬）を４０ｎｍの膜厚で真空蒸着した。ドーパント層を有する素子については、メタルマスクを通してドーパントであるＦｅＣｌ３を０．３ｎｍ蒸着し、さらにＡｕを４０ｎｍ蒸着してソース／ドレイン電極を形成した。ドーパント層を持たない素子については、メタルマスクを通してＡｕを４０ｎｍ蒸着して電極とした。
【００２１】
２．コンタクト抵抗の評価
コンタクト抵抗ＲＣの評価はＴＬＭ法（Transfer Line Method）を用いて行った。図４にゲート電圧-４０Ｖにおける各素子のオン抵抗のチャネル長依存性を示す。このプロットのｙ切片よりコンタクト抵抗ＲＣを算出することができる。ここでは、リファレンス素子に対してドーピングを行ったＴＣ／ＢＧ素子のオン抵抗と、ＢＣ／ＴＧおよびＴＣ／ＴＧ素子のオン抵抗を示す。リファレンス素子に対して、ＢＣ／ＴＧおよびＴＣ／ＴＧ素子のコンタクト抵抗ＲＣは大幅に低減していることが分かる。リファレンス素子として作製した未ドープのＴＣ／ＢＧ素子と電極界面ドーピングを施したＴＣ／ＢＧ素子、電極界面ドーピングを施したＢＣ／ＴＧおよびＴＣ／ＴＧ素子のゲート電圧-４０Ｖにおけるコンタクト抵抗は、それぞれ２００，０００、８，８００、２２０、および１００Ωｃｍであった。これらの結果をまとめたものを表１に示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
３．電気特性の評価
作製した素子について、遮光・真空下で電気特性の評価を行った。作製した素子の伝達特性を図５に示す。電極界面にドーピングを行ったＢＣ／ＴＧおよびＴＣ／ＴＧ素子のドレイン電流値はサブスレッショルド領域で急峻に上昇し、電流のヒステリシスもほぼ解消することができた。この特性より各素子の移動度の平均値を算出すると、電極界面ドーピングを施したＢＣ／ＴＧおよびＴＣ／ＴＧ素子で、それぞれ５．５、５．７ｃｍ２／Ｖｓであった。図６-ａおよび図６-ｂに各素子の出力特性の比較を示す。ここでもドーピングを行ったＢＣ／ＴＧおよびＴＣ／ＴＧ素子のドレイン電流値は低ドレイン電圧領域でも完全に線形に上昇し、コンタクト抵抗の影響が見られない理想的な電流電圧特性が得られている。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明によれば、有機ＦＥＴにおける電極のコンタクト抵抗の目覚しい低減が達成できるので、本発明はこれまで多くの分野への応用が記載されてきた有機半導体デバイスの実用化に大きく貢献することが期待される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２５】
【非特許文献１】Improvement of subthreshold current transport by contact interface modification in p-type organic field-effect transistors, M. Kano, T. Minari, and K. Tsukagoshi, Applied Physics Letters, 94 143304 (2009).
【非特許文献２】Charge injection process in organic field-effect transistors, T. Minari, T. Miyadera, K. Tsukagoshi, Y. Aoyagi, and H. Ito, Applied Physics Letters, 91, 053508 (2007).
【非特許文献３】Pentacene TFT with improved linear region characteristics using chemically modified source and drain electrodes, D. J. Gundlach, L. L. Jia, and T. N. Jackson, IEEE Electron Device Lett. 22, 571 (2001).
【非特許文献４】Gated four-probe measurements on pentacene thin-film transistors: Contact resistance as a function of gate voltage and temperature, P. V. Pesavento, R. J. Chesterfield, C. R. Newman, and C. D. Frisbie, Journal of Applied Physics, 96, 7312 (2004).
【非特許文献５】Reduction of contact resistance in pentacene thin-film transistors by direct carrier injection into a-few-molecular-layer channel, N. Yoneya, M. Noda, N. Hirai, K. Nomoto, M. Wada, and J. Kasahara, Applied Physics Letters, 85, 4663 (2004).
【図１】
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【図２】
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【図３−ａ】
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【図３−ｂ】
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【図４】
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【図５】
2013175571.tif 000009
【図６−ａ】
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【図６−ｂ】
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