(57)【要約】【課題】良好な電気的特性を有する有機トランジスタを製造するために有効な基準を明確にし、電気的特性に優れた有機トランジスタを提供する。【解決手段】有機トランジスタ１００は、絶縁基板１と、この絶縁基板１の上に所定のパターンで形成されたゲート電極３と、このゲート電極３を覆うように設けられたゲート絶縁層５と、このゲート絶縁層５に積層して設けられた有機半導体層７と、有機半導体層７の上に、部分的に形成された一対のソース電極９Ａ及びドレイン電極９Ｂと、を備えている。有機トランジスタ１００は、有機半導体層７との境界部分をなすゲート絶縁層５の上面５ａの表面粗さＲａが０．５ｎｍ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層に接して積層された有機半導体層と、
前記有機半導体層に対し、部分的に接して設けられた一対のソース電極及びドレイン電極と、
前記ゲート絶縁層によって前記有機半導体層から隔てられて設けられたゲート電極と、
を備えた有機トランジスタであって、
前記有機半導体層との界面をなす前記ゲート絶縁層の表面粗さＲａが、少なくとも前記ソース電極とドレイン電極との間に挟まれた領域において、０．５ｎｍ以下であることを特徴とする有機トランジスタ。
【請求項２】
前記有機半導体層の表面粗さＲａが５ｎｍ以下である請求項１に記載の有機トランジスタ。
【請求項３】
前記領域における前記ゲート絶縁層の表面の純水に対する接触角が５０°以上である請求項１又は２に記載の有機トランジスタ。
【請求項４】
前記有機半導体層の構成材料がペンタセンである請求項１から３のいずれか１項に記載の有機トランジスタ。
【請求項５】
前記ゲート絶縁層の構成材料がＳｒＴｉＯ３である請求項１から４のいずれか１項に記載の有機トランジスタ。
【請求項６】
ボトムゲート・ボトムコンタクト型構造である請求項１から５のいずれか１項に記載の有機トランジスタ。
【請求項７】
ボトムゲート・トップコンタクト型構造である請求項１から５のいずれか１項に記載の有機トランジスタ。
【請求項８】
ゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層に接して積層された有機半導体層と、前記有機半導体層に対し、部分的に接して設けられた一対のソース電極及びドレイン電極と、前記ゲート絶縁層によって前記有機半導体層から隔てられて設けられたゲート電極と、を備えた有機トランジスタを製造する有機トランジスタの製造方法であって、
表面粗さＲａが０．５ｎｍ以下であるゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層に有機半導体層を積層形成する工程と、
を含むことを特徴とする有機トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機トランジスタ、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機トランジスタは、有機半導体材料を用いたトランジスタであり、現在では移動度がアモルファスシリコンと同等の１ｃｍ２／Ｖｓｅｃに到達している。有機トランジスタにおける電荷の輸送は、ホッピング電導が有力視されてはいるが、その詳細なメカニズムは不明である。また、電極と半導体の注入障壁やチャネル形成領域での散乱因子等において不明な点が多い。
【０００３】
有機トランジスタの製造工程は、Ｓｉ半導体を用いたＭＯＳトランジスタの製造工程に類似したプロセスが検討されている。しかし、有機トランジスタの製造プロセスの大部分は研究段階であり、例えば、トランジスタ特性を改善するためＳＡＭ(自己形成膜)塗布による半導体材料の配向制御など、技術課題が多々ある。さらに、基板の大面積化、フレキシブル化に伴い、材料選定や製造装置の構成・プロセスを新規に開発する必要もある。
【０００４】
有機トランジスタにおけるゲート絶縁層としては、安定した結晶構造を持ち、容易に入手できるシリコン酸化膜が一般的に検討されている。しかし、ゲート絶縁層としてシリコン酸化膜を用いた場合、しきい値電圧（動作電圧）が比較的高くなるという問題がある。ドレイン電流を取り出すことのできるゲート電圧の最小電圧であるしきい値電圧が高いと、消費電力がかなり大きくなるため、有機トランジスタの実用化への障害になっている。
【０００５】
有機トランジスタのキャリア移動度を向上させたり、しきい値電圧を下げたりする目的で、以下のような提案がなされている。まず、特許文献１では、有機半導体層にペンタセンなどの有機半導体材料を用いる有機トランジスタにおいて、ゲート絶縁層として、シリコン酸化膜の代わりに、チタン酸バリウムストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムなどの金属酸化膜を形成することが提案されている。また、特許文献２では、第１のゲート絶縁層の上に水の接触角が大きい高分子材料により第２のゲート絶縁層を成膜し、有機半導体の配向性を良好にすることが提案されている。さらに、特許文献３では、しきい値電圧が低い有機トランジスタを製造するために、ハフニウムシリケート膜又はハフニウムオキシ窒化シリコン膜によってゲート絶縁層を形成することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２７０７１２号公報
【特許文献２】特開２００６−１７３５３２号公報
【特許文献３】特開２０１０−４０９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のとおり、有機トランジスタの電気的特性を向上させるために、有機半導体層やゲート絶縁層に用いる個々の材料の選定や組み合わせについては、数多くの報告がなされている。しかし、有機トランジスタの電気的特性を向上させる上で、本質的な指標となるような基準については、現在まで報告されていない。
【０００８】
従って、本発明は、良好な電気的特性を有する有機トランジスタを製造するために有効な基準を明確にし、電気的特性に優れた有機トランジスタ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】
【０００９】
上記実情に鑑み、本発明者らは鋭意研究を行った結果、有機トランジスタを構成する有機半導体層とゲート絶縁層との界面状態の物性に着目し、ゲート絶縁層の表面粗さＲａを、ある基準値以下に抑制することによって、良好な電気的特性を有する有機トランジスタを製造できることを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
本発明の有機トランジスタは、ゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層に接して積層された有機半導体層と、前記有機半導体層に対し、部分的に接して設けられた一対のソース電極及びドレイン電極と、前記ゲート絶縁層によって前記有機半導体層から隔てられて設けられたゲート電極と、を備えた有機トランジスタである。この有機トランジスタは、前記有機半導体層との界面をなす前記ゲート絶縁層の表面粗さＲａが、少なくとも前記ソース電極とドレイン電極との間に挟まれた領域において、０．５ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の有機トランジスタは、前記有機半導体層の表面粗さＲａが５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
また、本発明の有機トランジスタは、前記領域における前記ゲート絶縁層の表面の純水に対する接触角が５０°以上であることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の有機トランジスタは、前記有機半導体層の構成材料がペンタセンであることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の有機トランジスタは、前記ゲート絶縁層の構成材料がＳｒＴｉＯ３であることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の有機トランジスタは、ボトムゲート・ボトムコンタクト型構造又はボトムゲート・トップコンタクト型構造であってもよい。
【００１６】
本発明の有機トランジスタの製造方法は、ゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層に接して積層された有機半導体層と、前記有機半導体層に対し、部分的に接して設けられた一対のソース電極及びドレイン電極と、前記ゲート絶縁層によって前記有機半導体層から隔てられて設けられたゲート電極と、を備えた有機トランジスタを製造するものである。この有機トランジスタの製造方法は、表面粗さＲａが０．５ｎｍ以下であるゲート絶縁層を形成する工程と、前記ゲート絶縁層に有機半導体層を積層形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
ゲート絶縁層に接して有機半導体層が積層された構造を有する有機トランジスタにおいて、ゲート絶縁層の表面粗さＲａを０．５ｎｍ以下とすることによって、ゲート絶縁層からの散乱因子を低減することが可能になり、有機半導体層を構成する分子の配向の規則性が向上し、有機トランジスタの電気的特性を改善できる。すなわち、有機トランジスタのオン電流の向上、移動度の増加が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施の形態の有機トランジスタの断面図である。
【図２】有機トランジスタのゲート絶縁層の上面の表面粗さＲａとｏｎ電流の関係を示すグラフである。
【図３】有機トランジスタの有機半導体層の上面の表面粗さＲａとｏｎ電流の関係を示すグラフである。
【図４】有機トランジスタの有機半導体層の上面の表面粗さＲａとゲート絶縁層の上面の表面粗さＲａとの関係を示すグラフである。
【図５】有機トランジスタの有機半導体層の上面の表面粗さＲａとゲート絶縁層の上面の表面粗さＲａとの関係を示す別のグラフである。
【図６】有機トランジスタの有機半導体層の表面粗さＲａとゲート絶縁層の表面の純水に対する接触角との関係を示すグラフである。
【図７】純水に対する接触角及び表面粗さＲａを変化させた有機トランジスタの有機半導体層の結晶性を評価したＸＲＤのチャートである。
【図８】本発明の第２の実施の形態の有機トランジスタの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態の有機トランジスタ１００の概略構成を説明する断面図である。この有機トランジスタ１００は、絶縁基板１と、この絶縁基板１の上に所定のパターンで形成されたゲート電極３と、このゲート電極３を覆うように設けられたゲート絶縁層５と、このゲート絶縁層５に積層して設けられた有機半導体層７と、有機半導体層７の上に、部分的に形成された一対のソース電極９Ａ及びドレイン電極９Ｂと、を備えている。この有機トランジスタ１００は、いわゆるボトムゲート・トップコンタクト型構造をしている。
【００２０】
＜絶縁基板＞
絶縁基板１の材質は、例えば、ガラス、石英、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、合成樹脂などを用いることができる。ここで、合成樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリイミド、ボリカーボネートなどを挙げることができる。なお、絶縁基板１として、上記材料を組み合わせた複合基板を用いることもできる。また、絶縁基板１は、多層構造であってもよい。
【００２１】
＜ゲート電極＞
ゲート電極３を構成する材料は、導電性材料であれば特に限定されるものではなく、有機トランジスタに一般的に用いられる導電性材料を使用できる。このような導電性材料としては、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｍｏ、これらの合金、酸化インジウムスズ合金（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）等の金属材料や、シリコン単結晶、多結晶シリコン、アモルファスシリコン等のシリコン系材料、カーボンブラック、グラファイト等の炭素材料、さらに例えば、導電性高分子材料などを挙げることができる。
【００２２】
＜ゲート絶縁層＞
ゲート絶縁層５を構成する絶縁材料としては、有機トランジスタに一般的に用いられる絶縁材料を使用ができる。このような絶縁材料としては、無機絶縁材料あるいは有機絶縁材料を用いることができる。
【００２３】
無機絶縁材料としては、例えばガラス、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどのほか、金属酸化物である酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化スズ、酸化バナジウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウムストロンチウム、ジルコニウム酸チタン酸バリウム、ジルコニウム酸チタン酸鉛、チタン酸鉛ランタン、チタン酸バリウム、フッ化バリウムマグネシウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ストロンチウムビスマス、タンタル酸ストロンチウムビスマス、タンタル酸ニオブ酸ビスマス、トリオキサイドイットリウム、酸化ハフニウムなどを挙げることができる。これらの中でも、薄膜の状態でも比較的比誘電率が高く、アモルファス構造を有しており、絶縁耐圧が高いチタン酸ストロンチウムなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
【００２４】
また、有機絶縁材料としては、例えばポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリレート、フェノール系樹脂、フッ素系樹脂、エポキシ系樹脂、ノボラック系樹脂、ビニル系樹脂などの高分子材料を用いることができる。
【００２５】
ゲート絶縁層５の厚みは、絶縁材料の種類等に応じて適宜設定できるが、例えば５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内、好ましくは、１００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内とすることができる。
【００２６】
＜有機半導体層＞
有機半導体材料の選択には、ソース電極９Ａ・ドレイン電極９Ｂとの注入障壁を低減するため、有機半導体材料のＨＯＭＯ（Ｈｉｇｈｅｓｔ  Ｏｃｃｕｐｉｅｄ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｏｒｂｉｔａｌ）レベルと金属材料の仕事関数の差分を考慮しなくてはならない。例えば、ソース電極９Ａ・ドレイン電極９Ｂの電極材料としてＡｕを用いる場合、Ａｕの仕事関数が４．８〜５．１ｅＶ程度、ペンタセンのＨＯＭＯレベルは４．５〜５．１ｅＶであるため、それぞれの成膜手法やトランジスタ構造を適性化させることによって注入障壁を最少に抑制することが可能である。ただし、ＨＯＭＯレベルの上昇は、材料の耐酸化性を劣化させるため、注意を要する。
【００２７】
以上のように、有機半導体材料は、ソース電極９Ａ・ドレイン電極９Ｂを構成する金属材料の種類を考慮して選択することが好ましい。このような前提を踏まえ、有機半導体層７を形成するための有機半導体材料としては、所望の半導体特性を備えた有機半導体層７を形成できる材料、例えば、芳香族化合物、鎖式化合物、有機顔料、有機ケイ素化合物等を挙げることができる。より具体的には、例えばペンタセン等の低分子有機化合物、ポリピロール類、ポリチオフェン類、ポリイソチアナフテン類、ポリチェニレンビニレン類、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）類、ポリアニリン類、ポリアセチレン類、ポリアズレン類等の高分子有機化合物を挙げることができる。これらの中でも、移動度が高く、簡便に膜厚制御が可能であるペンタセンなどの縮合多環芳香族の使用が望ましい。ペンタセンのようなアセン系の縮合多環芳香族化合物では、ベンゼン環の増加によるπ電子系の拡張による分子間の重なりが大きくなるので、移動度の向上が期待できる。
【００２８】
有機半導体層７の厚みは、有機半導体材料の種類等に応じて適宜設定できるが、例えば１ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内、好ましくは、１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内とすることができる。
【００２９】
＜ソース・ドレイン電極＞
ソース電極９Ａ及びドレイン電極９Ｂの材料（電極材料）としては、上記のとおり、有機半導体材料のＨＯＭＯレベルと電極材料の仕事関数の差分を考慮して選択することが好ましい。このような前提を踏まえた上で、有機トランジスタに一般的に用いられる導電性材料から選択することができる。このような導電性材料としては、上記ゲート電極３において例示した材料を用いることができる。
【００３０】
＜表面粗さ・濡れ性＞
本実施の形態の有機トランジスタ１００は、良好な電気的特性を得るために、有機半導体層７との境界部分をなすゲート絶縁層５の界面、すなわちゲート絶縁層５の上面５ａの表面粗さＲａを０．５ｎｍ以下とする。ゲート絶縁層５の上面５ａの表面粗さＲａが０．５ｎｍを超えると、トランジスタのｏｎ電流が小さくなる。ゲート絶縁層５の上面５ａの表面粗さＲａを０．５ｎｍ以下に抑えることにより、有機半導体層７とゲート絶縁層５との界面の平坦性が高まり、有機トランジスタ１００において、大きなｏｎ電流、大きなｏｎ／ｏｆｆ比、高いキャリア移動度が得られる。有機半導体層７とゲート絶縁層５との界面の平坦性が高いことにより、ゲート絶縁層５上に積層形成される有機半導体層７を構成する有機半導体材料の分子配向の乱れが生じにくくなり、界面準位が低下して、有機半導体層７とゲート絶縁層５との界面において、誘起電荷がスムーズに移動できるためであると考えられる。特に、有機トランジスタにおいて、有機半導体材料として代表的な材質であるペンタセンは、低分子化合物であり、かつ粒状の多結晶構造を形成するため、ゲート絶縁層５の表面粗さＲａによって、結晶粒の大きさや配向性が影響を受けやすいものと考えられる。つまり、ゲート絶縁層５の上面５ａの表面粗さＲａが大きいことによるｏｎ電流の減少は、有機トランジスタに固有の課題であり、上記表面粗さＲａを０．５ｎｍ以下とすることによる電気的特性の改善は、本発明により始めて見出された有機トランジスタに本質的な固有の基準である。
【００３１】
ゲート絶縁層５の表面粗さＲａは、少なくとも有機トランジスタのチャネルが形成されるソース電極９Ａ及びドレイン電極９Ｂの間に挟まれた領域Ｒにおいて０．５ｎｍ以下であればよく、ゲート絶縁層５の全体において０．５ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００３２】
また、有機半導体層７を構成する分子の結晶性と配向の規則性を向上させる観点から、下地となるゲート絶縁層５の表面粗さＲａは、有機半導体層７を構成する材料の結晶格子の長手方向の長さの１／３以下であることが好ましい。例えば、有機半導体材料であるペンタセンの結晶格子の長手方向（ｃ軸）の長さは、約１．５ｎｍである。また、ペンタセン以外に、縮合多環芳香族で単斜晶形あるアントラセン（ｃ軸；１．１１ｎｍ）、ナフタセン（ｃ軸；１．３０ｎｍ）等があり、チャネル形成領域が１層程度であると仮定すれば、下地となるゲート絶縁層５の表面粗さＲａは長手方向（ｃ軸）の１／３以下に抑制することが望ましい。さらに、このような観点からも、ゲート絶縁層５の表面粗さＲａを０．５ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００３３】
図２は、実験的に作製した図１と同様の構成の有機トランジスタについて、ゲート絶縁層５の上面５ａの表面粗さＲａとｏｎ電流を測定し、それらの関係を示したものである。この実験では、シリコン基板上に、ゲート絶縁層５としてスパッタ法によりＳｒＴｉＯ３膜を形成し、その上に有機半導体層７として蒸着法により厚さ３０ｎｍのペンタセン膜を形成した試験用有機トランジスタを使用した。この試験用有機トランジスタでは、ソース電極９Ａ及びドレイン電極９ＢとしてはＡｕ膜を、ゲート電極３の材料としてはｎ型Ｓｉ基板を、それぞれ用いた（図３〜図６の実験も同様の構造の試験用有機トランジスタを用いた）。
【００３４】
図２に示したように、ＳｒＴｉＯ３膜の表面粗さＲａと有機トランジスタのｏｎ電流との間には、ほぼ直線的な相関関係が認められ、ＳｒＴｉＯ３膜の表面粗さＲａが小さくなるほどｏｎ電流が大きくなっている。そして、図２から、例えば１０μＡ以上のｏｎ電流を得るには、ゲート絶縁層５であるＳｒＴｉＯ３膜の表面粗さＲａを０．５ｎｍ以下にすればよいことが容易に類推される。
【００３５】
また、ゲート絶縁層５の上面５ａの表面粗さＲａを０．５ｎｍ以下にすることに加えて、良好な電気的特性を得るために、有機半導体層７の上面７ａの表面粗さＲａが５ｎｍ以下であることが好ましく、３ｎｍ以下であることがより好ましい。有機半導体層７の上面７ａの表面粗さＲａが５ｎｍを超えると、トランジスタのｏｎ電流が小さくなる。これに対し、有機半導体層７の上面７ａの表面粗さＲａを５ｎｍ以下に抑えることにより、大きなｏｎ電流、さらには大きなｏｎ／ｏｆｆ比が得られる。有機半導体層７の上面７ａの表面粗さＲａは、有機半導体層７を形成する方法にもよるが、多くの場合、下地であるゲート絶縁層５の表面粗さＲａを小さく抑えることによってコントロールできる。
【００３６】
図３は、上記試験用有機トランジスタについて測定された、有機半導体層７の上面７ａの表面粗さＲａとｏｎ電流との関係を示したものである。この図３より、有機半導体層７の表面粗さＲａが小さくなると、ｏｎ電流も増加する傾向を読み取ることができる。そして、特に、有機半導体層７の表面粗さＲａを５ｎｍ以下にすることで１μＡを上回るｏｎ電流が得られ、さらに３ｎｍ以下にすることで概ね１０μＡ以上のｏｎ電流が得られることが類推される。なお、図２の縦軸の「１．０Ｅ＋０１」、「１．０Ｅ−０１」等の表記は、それぞれ「１×１０１」、「１×１０−１」等を意味する（図３、図７において同様である）。
【００３７】
図４は、上記試験用有機トランジスタについて、有機半導体層７の上面７ａの表面粗さＲａとゲート絶縁層５の上面５ａの表面粗さＲａの関係を示すグラフである。図４において、縦軸は有機半導体層７（ペンタセン膜）の表面粗さＲａであり、横軸はゲート絶縁層５（ＳｒＴｉＯ３膜）の表面粗さＲａを示している。図４より、有機半導体層７の表面粗さＲａとゲート絶縁層５の表面粗さＲａには、ほぼ相関関係があり、ゲート絶縁層５の表面粗さＲａが小さくなるに従い、有機半導体層７の表面粗さＲａも小さくなる傾向がある。これは、有機半導体層７の表面粗さＲａを決定する因子の一つが、下地のゲート絶縁層５の表面粗さＲａであることを意味している。そして、この実験の場合、有機半導体層７の膜厚にもよるが、ゲート絶縁層５（ＳｒＴｉＯ３膜）の表面粗さＲａが０．５ｎｍ以下であれば、有機半導体層７（ペンタセン膜）の表面粗さＲａを概ね５ｎｍ以下にすることができた。
【００３８】
以上のように、ゲート絶縁層５の表面粗さＲａと有機トランジスタ１００の電気的特性とは密接な関連性があり、さらに有機半導体層７の表面粗さＲａも補助的に有機トランジスタ１００の電気的特性に影響することがわかる。そして、下地であるゲート絶縁層５の表面粗さＲａが小さければ、有機半導体層７の表面粗さＲａも小さくなる傾向がある。しかし、ゲート絶縁層５の表面粗さＲａが同程度の場合でも、有機半導体層７の表面粗さＲａに変動が生じることがある。図５は、上記試験用有機トランジスタにおいて、図４と異なるレンジであるが、有機半導体層７の上面７ａの表面粗さＲａとゲート絶縁層５の上面５ａの表面粗さＲａの関係を測定したグラフである。図５において、縦軸は有機半導体層７（ペンタセン膜）の表面粗さＲａであり、横軸はゲート絶縁層５（ＳｒＴｉＯ３膜）の表面粗さＲａを示している。この図５から、下地であるゲート絶縁層５の表面粗さＲａがほぼ同じでも、有機半導体層７の表面粗さが大きく変化していることが読み取れる。このような現象が測定される原因について、本発明者らはゲート絶縁層５の表面粗さＲａとは別の因子が関与していると考えた。そして、ゲート絶縁層５の表面粗さＲａとは無関係に、有機半導体層７の表面粗さＲａを変動させる要因として、下地であるゲート絶縁層５の表面の濡れ性に着目した。
【００３９】
図６は、上記試験用有機トランジスタにおいて測定された、有機半導体層７の表面粗さＲａとゲート絶縁層５の表面の純水に対する接触角との関係を示すグラフである。図６において、縦軸は有機半導体層７（ペンタセン膜）の表面粗さＲａであり、横軸はゲート絶縁層５（ＳｒＴｉＯ３膜）の表面の純水に対する接触角を示している。有機半導体層７の表面粗さＲａは、ゲート絶縁層５の表面の純水に対する接触角が５０°より小さい場合には、かなり大きいが、ゲート絶縁層５の表面の純水に対する接触角が５０°以上になると、抑制されることが理解される。この図６から、有機半導体層７の表面粗さＲａは、下地のゲート絶縁層５の表面粗さＲａだけでなく、その濡れ性によっても大きな影響を受けていることがわかる。
【００４０】
図７は、純水に対する接触角及び表面粗さＲａが異なる複数のゲート絶縁層５（ＳｒＴｉＯ３膜）上に、蒸着法により、それぞれ３０ｎｍの厚みで形成した有機半導体層７（ペンタセン膜）の結晶性を評価したＸＲＤのチャートである。ここでは、ゲート絶縁層５の純水に対する接触角が１３°、表面粗さＲａが０．５６であるサンプルＡ、同接触角が５８°、表面粗さＲａが０．５５であるサンプルＢ、同接触角が８５°、表面粗さＲａが１．１であるサンプルＣ、について評価を行った。図７より、下地であるゲート絶縁層５の表面粗さＲａがほぼ同程度であるサンプルＡとサンプルＢとの比較では、ゲート絶縁層５（ＳｒＴｉＯ３膜）の純水に対する接触角が大きなサンプルＢのピーク強度が圧倒的に大きく、ペンタセンの結晶成長が進んでいることがわかる。従って、下地のゲート絶縁層５の表面粗さＲａだけでなく、ゲート絶縁層５の表面の有機半導体材料に対する濡れ性も、有機半導体層７を構成する分子の結晶性や配向の規則性を向上させ、有機トランジスタの電気的特性を改善する上で重要な因子であると考えられる。なお、図７におけるサンプルＢとサンプルＣとの比較では、サンプルＣの方が純水に対する接触角が大きいにも係わらず、ゲート絶縁層５（ＳｒＴｉＯ３膜）の表面粗さＲａが大きいため、ペンタセンの結晶性、配向性が低下していた。
【００４１】
以上の結果から、本実施の形態の有機トランジスタ１００は、上記ゲート絶縁層５の上面５ａの表面粗さＲａが０．５ｎｍ以下であることに加え、上面５ａの純水に対する接触角を好ましくは５０°以上、より好ましくは５０°以上８０°以下の範囲内、最も好ましくは６０°以上７０°以下の範囲内とする。ゲート絶縁層５の上面５ａの接触角を５０°以上とすることによって、ゲート絶縁層５の表面が疎水性に近づく。このため、有機半導体層７を形成する場合に、有機半導体材料の濡れ性が向上し、下地であるゲート絶縁層５との界面の平坦化、平滑化に寄与する。その結果、形成される有機半導体層７の半導体特性を向上させ、トランジスタの電気的特性を向上させることができる。なお、接触角は、ＤＭ−３０１（協和界面化学株式会社製）を用いて常温において測定した値を用いる。
【００４２】
［有機トランジスタの製造方法］
本実施の形態の有機トランジスタの製造方法は、少なくとも、絶縁基材１上にゲート電極３を形成する工程と、ゲート絶縁層５を形成する工程と、有機半導体層７を形成する工程と、ソース・ドレイン電極９Ａ，９Ｂを形成する工程と、を有するものであり、必要に応じて他の工程を有してもよい。
【００４３】
＜ゲート電極の形成工程＞
本工程では、絶縁基板１上にゲート電極３を形成する。絶縁基板１に上記ゲート電極３を形成する方法は、特に限定されるものではなく、例えばゲート電極３の材質に応じて決定できる。絶縁基板１上にパターン状にゲート電極３を形成する方法としては、絶縁基板１の全面に導電性層を形成した後、これをフォトリソグラフィー技術によりパターニングしてゲート電極３としてもよいし、スクリーン印刷法、インクジェット法、蒸着法等によって絶縁基板１上に直接パターン状にゲート電極３を形成してもよい。
【００４４】
＜ゲート絶縁層の形成工程＞
本工程では、ゲート電極３を覆うように、ゲート絶縁層５を形成する。ゲート絶縁層５を形成する方法としては、表面粗さＲａが０．５ｎｍ以下となるようにゲート絶縁層５を形成できる方法であれば特に限定されるものでない。ゲート絶縁層５の材質に無機絶縁材料を用いる場合は、ドライプロセス又はウェットプロセスによりゲート絶縁層５を形成することができる。ドライプロセスとしては、例えば、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、大気圧プラズマ法などを挙げることができる。また、ウェットプロセスとしては、例えば、スピンコート法、ダイコート法、ロールコート法、バーコート法、ＬＢ法、ディップコート法、スプレーコート法、ブレードコート法、キャスト法等の塗布方法や、インクジェット法、スクリーン印刷法、パッド印刷法、フレキソ印刷法、マイクロコンタクトプリンティング法、グラビア印刷法、オフセット印刷法、グラビア・オフセット印刷法等を挙げることができる。なお、ゲート絶縁層５の材質に有機絶縁材料を用いる場合は、ウェットプロセスによりゲート絶縁層５を形成することが好ましい。
【００４５】
ゲート絶縁層５を形成する場合に、その表面粗さＲａを０．５ｎｍ以下とするには、例えばゲート絶縁層５が積層される下地層の表面粗さ、ゲート絶縁層５の成膜条件等を考慮することが重要である。より具体的には、下地層（特に、ゲート電極３）の表面粗さＲａを０．５ｎｍ以下とすること、及び、ゲート絶縁層５の成膜時の基板面内温度のばらつきを１℃程度に抑制し、成膜速度を１ｎｍ／ｍｉｎ程度で成膜することが望ましい。
【００４６】
また、ゲート絶縁層５を形成する場合に、その表面（上面５ａ）の純水に対する接触角を５０°以上とするには、例えばゲート絶縁層５の構成材料を疎水性の材質で形成するとともに、該表面を親水性に近づけるような工程を避けることが好ましい。ここで、比較的表面が疎水的な材質としては、例えば、ＳｒＴｉＯ３、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮ等を挙げることができる。また、ゲート絶縁層５の表面を親水性に近づける処理（親水化処理）とは、ゲート絶縁層５を形成した後、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）や硫酸過酸化水素水による洗浄、ＵＶ処理、プラズマ処理などを挙げることができる。ゲート絶縁層５の表面の接触角を５０°以上にするためには、これらの親水化処理を極力排除したプロセス設計を行うことが好ましい。また、ゲート絶縁層５の表面の純水に対する接触角を５０°以上とする別の方法として、ゲート絶縁層５の表面に疎水化処理をしてもよい。疎水化処理は、例えばゲート絶縁層５の表面を例えばヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、メチルメトキシシラン（ＭＴＭＳ）、オクチルトリクロロシラン（ＯＴＳ）などのシランカップリング剤で処理する方法を挙げることができる。また、ゲート絶縁層５の表面を水素もしくはメチル基にて終端させることで疎水化し、それによって有機半導体材料のゲート絶縁層５に対する濡れ性を向上させることができる。有機半導体材料に対する濡れ性が向上することにより、有機半導体材料の粒界が減少し、粒界によるキャリア散乱が減少し、移動度の向上が期待できる。さらに、ゲート絶縁層５を形成後、大気暴露等によって、その表面への酸素等の吸着により疎水性が劣化するため、成膜後の時間管理する必要がある。
【００４７】
＜有機半導体層７の形成工程＞
有機半導体層７は、上記ゲート絶縁層５の形成と同様のドライプロセス又はウェットプロセスにより形成することができる。有機半導体層７の表面粗さＲａを５ｎｍ以下とするには、上述のようにゲート絶縁層５の表面粗さＲａを小さくコントロールすることに加え、成膜時の基板面内温度のばらつきを１℃程度に抑制し、成膜速度を１ｎｍ／ｍｉｎ程度で成膜することが好ましい。
【００４８】
＜ソース・ドレイン電極の形成工程＞
ソース電極９Ａ及びドレイン電極９Ｂは、有機半導体層７上に、チャネルに対応する所定の間隔でソース電極９Ａおよびドレイン電極９Ｂを形成できる方法であれば特に限定されるものではない。
【００４９】
以上のような工程により、図１に示した有機トランジスタ１００を製造することができる。本実施の形態の有機トランジスタ１００は、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などの有機電界効果トランジスタとして、液晶ディスプレイ装置、有機ＥＬディスプレイ装置、電気泳動ディスプレイ装置等に好ましく利用できる。
【００５０】
以上詳述したように、本実施の形態の有機トランジスタ１００では、ゲート絶縁層５の上に接して有機半導体層７が積層された構造を有するゲート絶縁層５の表面粗さＲａを０．５ｎｍ以下とすることによって、ゲート絶縁層５からの散乱因子を低減することが可能になり、有機半導体層７を構成する分子の配向の規則性が向上し、電気的特性を改善できる。すなわち、有機トランジスタ１００におけるｏｎ電流の向上、移動度の増加が期待できる。
【００５１】
また、本実施の形態によれば、良好な電気的特性を有する有機トランジスタを製造するために有効な基準が提供されるので、該基準に沿ったプロセス設計を行うことにより、例えば該基準にそぐわない不要な工程が削減でき、有機トランジスタの製造工程の最適化、簡略化が期待できる。
【００５２】
［第２の実施の形態］
図８は、本発明の第２の実施の形態にかかる有機トランジスタの概略構成を説明する図面である。この有機トランジスタ１０１は、絶縁基板１と、この絶縁基板１の上に所定のパターンで形成されたゲート電極３と、このゲート電極３を覆うように設けられたゲート絶縁層５と、ゲート絶縁層５の上に部分的に積層して設けられた一対のソース電極９Ａ及びドレイン電極９Ｂと、ソース電極９Ａ及びドレイン電極９Ｂの間において、ゲート絶縁層５に部分的に積層して設けられた有機半導体層７と、を備えている。有機トランジスタ１０１は、いわゆるボトムゲート・ボトムコンタクト型構造をしている。本実施の形態の有機トランジスタ１０１は、ボトムゲート・ボトムコンタクト型構造である点を除き、第１の実施の形態の有機トランジスタ１００と同様の特徴を備えている。従って、同じ構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５３】
本実施の形態の有機トランジスタ１０１においても、ゲート絶縁層５の上面５ａの表面粗さＲａを０．５ｎｍ以下とする。これにより、有機半導体層７とゲート絶縁層５との界面の平坦性が高まり、大きなｏｎ電流、大きなｏｎ／ｏｆｆ比、高いキャリア移動度が得られる。ゲート絶縁層５の表面粗さＲａは、少なくともトランジスタのチャネルが形成されるソース電極９Ａ及びドレイン電極９Ｂの間に挟まれた領域Ｒにおいて０．５ｎｍ以下であればよく、ゲート絶縁層５の全体において０．５ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００５４】
また、本実施の形態の有機トランジスタ１０１は、ゲート絶縁層５の表面粗さＲａが０．５ｎｍ以下であることに加えて、電気的特性をさらに向上させるために、有機半導体層７の上面７ａの表面粗さＲａが５ｎｍ以下であることが好ましく、３ｎｍ以下であることがより好ましい。これにより、有機トランジスタ１０１において、大きなｏｎ電流、さらには大きなｏｎ／ｏｆｆ比が得られる。
【００５５】
さらに、本実施の形態の有機トランジスタ１０１は、ゲート絶縁層５の上面５ａの表面粗さＲａが０．５ｎｍ以下であることに加え、上面５ａの純水に対する接触角を好ましくは５０°以上、より好ましくは５０°以上８０°以下の範囲内、最も好ましくは６０°以上７０°以下の範囲内とする。ゲート絶縁層５の上面５ａの接触角を５０°以上とすることによって、ゲート絶縁層５の表面が疎水性に近づく。このため、有機半導体層７を形成する場合に、有機半導体材料を含む塗布液をゲート絶縁層５上に塗布する際の塗布液の濡れ性が向上し、下地であるゲート絶縁層５との界面の平坦化、平滑化に寄与する。その結果、形成される有機半導体層７の半導体特性を向上させ、トランジスタの電気的特性を向上させることができる。
【００５６】
本実施の形態の有機トランジスタ１０１の製造方法は、絶縁基板１上に少なくともゲート電極３を形成する工程と、このゲート電極３を覆うゲート絶縁層５を形成する工程と、ゲート絶縁層５上に、ソース電極９Ａ及びドレイン電極９Ｂを所定のパターンで形成する工程と、ソース電極９Ａ及びドレイン電極９Ｂの間に、有機半導体層７を形成する工程と、を有するものであり、必要に応じて他の工程を有してもよい。有機トランジスタ１０１の製造方法は、ゲート絶縁層５上にソース電極９Ａ及びドレイン電極９Ｂを形成した後、有機半導体層７を形成する点以外は、第１の実施の形態の有機トランジスタ１００の製造と同様に実施できる。
【００５７】
本実施の形態の有機トランジスタ１０１における他の構成及び効果は、第１の実施の形態の有機トランジスタと同様である。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態を例示の目的で詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に制約されることはない。
【符号の説明】
【００５９】
１…絶縁基板、３…ゲート電極、５…ゲート絶縁層、５ａ…上面、７…有機半導体層、７ａ…上面、９Ａ…ソース電極、９Ｂ…ドレイン電極、１００，１０１…有機トランジスタ
【図１】
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【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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