(57)【要約】【課題】全て印刷を使用した製造工程にて、ゲート電極のエッジをテーパ形状とすることで、ゲート絶縁膜を薄くしても良好なステップカバレージが得られ、ゲート電極とソース電極およびドレイン電極間のリーク電流を低減した有機半導体層を有する薄膜トランジスタを提供することを課題とする。【解決手段】絶縁基板１０上にゲート電極１１、ゲート絶縁層１２、ソース電極１３及びドレイン電極１４、有機半導体層１５を備えている薄膜トランジスタ１８において、ゲート電極の周縁部の最も高い部分からゲート電極の内側と外側に向ってテーパ部１７が形成されていることを特徴とする薄膜トランジスタ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上にゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極及びドレイン電極、有機半導体層を備えている薄膜トランジスタにおいて、ゲート電極の周縁部の最も高い部分からゲート電極の内側と外側に向ってテーパ部が形成されていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記薄膜トランジスタが、ボトムゲート・ボトムコンタクト型であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記ゲート電極は、銀、銅、金のうち少なくとも一種類の超微粒子金属材料を含有するインクジェット用インクを用いて形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記ゲート電極を構成する主成分が銀であることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
【請求項５】
絶縁基板上にゲート電極を印刷法にて形成する工程と、
ゲート絶縁膜を印刷法にて形成する工程と、
ソースおよびドレイン電極を印刷法にて形成する工程と、
有機半導体層を印刷法にて形成する工程と、を備えており、
前記ゲート絶縁膜を印刷法にて形成する工程が、インクジェット装置を使用して凹版の凹部にインキングを行う凹版インキング法を使用した凹版印刷法を使用した工程であることを特徴とする薄膜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、有機半導体をチャンネル層とした薄膜トランジスタとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、一般的な平面薄型画像表示装置は非晶質シリコンや多結晶シリコンを半導体層に用いた薄膜トランジスタのアクティブマトリックスにより駆動されている。
【０００３】
一方、近年、平面薄型画像表示装置のさらなる薄型化、軽量化、耐破損性の向上を求めて、ガラス基板の替わりに樹脂基板を用いる試みがなされている。
【０００４】
しかし、上述のシリコンを用いる薄膜トランジスタの製造は、比較的高温の熱工程を要し、一般的に耐熱性の低い樹脂基板上に直接形成することは困難である。
【０００５】
そこで、低温形成が可能な有機半導体を用いた薄膜トランジスタの開発が活発に行われている。
【０００６】
有機半導体は印刷法によってパターニングが可能であるという長所を有する。さらに、有機半導体を用いた薄膜トランジスタは、半導体層だけでなく、電極やゲート絶縁層も印刷法によって形成可能な材料を選択することにより、薄膜トランジスタを構成する層を全て印刷により形成することも可能である。
【０００７】
印刷法を用いて製造した薄膜トランジスタの製造コストは、真空成膜・フォトリソグラフィーにより製造されるシリコン系薄膜を用いた薄膜トランジスタの製造コストより大幅な削減が期待される。
【０００８】
薄膜トランジスタの電極材料としては銀が用いられることが最も一般的である（例えば、非特許文献１、２参照）。そして、平面薄型画像表示装置の更なる高機能化には、薄膜トランジスタの性能を更に向上させる必要がある。高機能化のため、駆動電圧を低減する一方で、更にＯＮ電流を増加させるためには、ゲート絶縁膜の薄膜化が必要である。しかし、ゲート絶縁膜の薄膜化により、図２に示したようにゲート電極の上面のエッジ（周縁端部）にテーパがない場合、ステップカバレッジ性が悪くなる問題があり、ゲート電極とソース電極およびドレイン電極間のリーク電流増大の原因となる、ゲート電極１１の上面の周縁端部の想定されるリーク箇所１６に、欠陥が発生することが問題となっている。
【０００９】
ゲート電極とソース電極およびドレイン電極間のリーク電流増大の原因となる欠陥を抑制しなければ、ゲート絶縁膜の薄膜化は不可能であり、ひいては薄膜トランジスタのオン電流が減少し、デバイスを動作させる上で所望の特性が得られないこととなる。
この問題解決の為に、銀電極、特にゲート電極にテーパ部を設けることは有効な方法であることが知られている。例えば、インクジェット法によりゲート電極を製造する技術が開示されている（特許文献１参照）。
【００１０】
しかしながら、インクジェット法を用いて、ゲート電極のテーパ部を製造する場合、液滴の液だれ（以後、液滴だれ、と称する。）等の問題があり、所望のテーパ形状を製造することが難しいという欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−３０３５０７号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ａｃａｄｅｍｙ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｕｎｉｔｅｄ  Ｓｔａｔｅｓ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ  Ｖｏｌ．１５  Ｎｏ．１３、４９７６（２００８）
【非特許文献２】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ９５、２５３３０２（２００９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで本発明は、上記問題点を鑑みて、全て印刷を使用した製造工程にて、ゲート電極のエッジをテーパ形状とすることで、ゲート絶縁膜を薄くしても良好なステップカバレージが得られ、ゲート電極とソース電極およびドレイン電極間のリーク電流を低減した有機半導体層を有する薄膜トランジスタを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決する手段として、請求項１に記載の発明は、絶縁基板上にゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極及びドレイン電極、有機半導体層を備えている薄膜トランジスタにおいて、ゲート電極の上面の周縁部の最も高い部分からゲート電極の内側と外側に向ってテーパ部が形成されていることを特徴とする薄膜トランジスタである。
【００１５】
また請求項２に記載の発明は、前記薄膜トランジスタが、ボトムゲート・ボトムコンタクト型であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタである。
【００１６】
また請求項３に記載の発明は、前記ゲート電極は、銀、銅、金のうち少なくとも一種類の超微粒子金属材料を含有するインクジェット用インクを用いて形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜トランジスタである。
【００１７】
また請求項４に記載の発明は、前記ゲート電極を構成する主成分が銀であることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の薄膜トランジスタである。
【００１８】
また請求項５に記載の発明は、絶縁基板上にゲート電極を印刷法にて形成する工程と、
ゲート絶縁膜を印刷法にて形成する工程と、
ソースおよびドレイン電極を印刷法にて形成する工程と、
有機半導体層を印刷法にて形成する工程と、を備えており、
前記ゲート絶縁膜を印刷法にて形成する工程が、インクジェット装置を使用して凹版の凹部にインキングを行う凹版インキング法を使用した凹版印刷法を使用した工程であることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
ゲート電極に液滴だれのないコーヒーステイン形状のテーパ部を設けることにより想定されるオン電流が変化する例を示す。図５にゲート電極に液滴だれのないコーヒーステイン形状のテーパ部を設けないでＴＦＴを作製した場合のトランジスタのゲート電圧Ｖｇsとソースドレイン電流Ｉｄsの特性を示す。図４にゲート電極に液滴だれのないコーヒーステイン形状のテーパ部を設けたＴＦＴを作製した場合のトランジスタのゲート電圧Ｖｇsとソースドレイン電流Ｉｄsの特性を示す。ゲート電圧は−４０Ｖから＋２０Ｖ、ソースドレイン電圧−１５Ｖで測定を行っている。前者は立上りが悪く、オン電流も低い特性を示す。後者は立上りが良く、オン電流も高い良好な特性を示す。これは、ゲート電極に対
するゲート絶縁膜のステップカバレッジ性が向上し、ゲート電極とソース電極およびドレイン電極間のリーク電流の原因となる欠陥を抑制し、ゲート絶縁膜のさらなる薄膜化が可能になったことを示している。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態を示す実施例１に対応する薄膜トランジスタの断面構造を表す概略断面図。
【図２】従来の薄膜トランジスタのゲート電極におけるステップカバレージ性の問題点を模式的に示した概略断面図。
【図３】凹版インキング法における印刷方法を模式的に示した概略説明図。
【図４】本発明のゲート電極に液滴だれのないコーヒーステイン形状のテーパ部を設けることで特性が良好な場合の薄膜トランジスタのＶｇs−Ｉｄs特性の一例を示すグラフ。
【図５】従来のゲート電極に液滴だれのないコーヒーステイン形状のテーパ部を設けず特性が良好でない場合の薄膜トランジスタのＶｇs−Ｉｄs特性の一例を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。実施の形態において、同一構成要素には同一符号を付け、実施の形態の間において重複する説明は省略する。
【００２２】
本発明は、ゲート電極に液滴だれの無いコーヒーステイン形状のテーパ部を設け、その層は、ゲート電極に対するゲート絶縁膜のステップカバレッジ性を向上させ、ゲート電極とソース電極およびドレイン電極間のリークの原因となる欠陥を抑制し、ゲート絶縁膜のさらなる薄膜化が可能な層であることを特徴とする。本発明の薄膜トランジスタの形態は図１に示すように、以下のようなものとなる。
【００２３】
絶縁基板１０上に、ゲート電極１１と、ゲート電極上にゲート電極を覆うように形成されたゲート絶縁層１２と、ゲート絶縁層１２上のソース電極１３及びドレイン電極１４と、ソース電極１３及びドレイン電極１４に接続された半導体層１５とを備えた、ボトムゲート・ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタである。そしてゲート電極１１は、凹版インキング法により液滴だれのないコーヒーステイン形状のテーパ部を形成する。そのテーパ部の所望の形状は、凹版インキング法で用いる版の深さと幅で調整することができる。
【００２４】
ゲート電極に凹版インキング法（後述）による液滴だれの無いコーヒーステイン形状のテーパ部を設け、ゲート電極に対するゲート絶縁膜のステップカバレッジ性を向上させることで、ゲート電極とソース電極およびドレイン電極間のリーク電流の原因となるクラックなどの欠陥を抑制し、ゲート絶縁膜の薄膜化が可能になり、高いオン電流が得られる良好な特性のトランジスタを提供することが可能となる。図３に示すように、凹版インキング法は、インクジェットヘッド１から吐出したインク２を、版胴５上に設けられた凹版４の溝８にインキング３をして、凹版４の溝８からコーヒーステイン形状パターン９を基材７に転写６する印刷方法である。凹版インキング法は、通常の印刷法に比べて、版洗浄を必要としないことから、インク等の材料利用効率が格段に向上するという利点がある。
【００２５】
（絶縁基板）
本発明の薄膜トランジスタ１８を形成するための絶縁基板１０として、ガラス基板または樹脂基板を用いることができる。樹脂基板の場合、例えば、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレンサルファイド、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリオレフィン、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（ＰＥＮ）、シクロオレフィンポリマー、ポリエーテルサルフェン、トリアセチルセルロース、ポリビニルフルオライドフィルム、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合樹脂、ガラス繊維強化アクリル樹脂フィルム、ガラス繊維強化ポリカーボネート、フッ素系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂等を使用することができる。これらの基板は単独で使用することもでき、二種以上を積層した複合基板を使用することもできる。
【００２６】
（ゲート電極）
本発明のゲート電極１１には、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）などの低抵抗金属材料のうち、少なくとも一種類の金属の超微粒子を含有するインクジェット用のインク２をインクジェット装置を用いて版胴５の凹版４の凹部（溝部８）にインキングしたものを基材７に印刷（凹版インキング法）し、焼成することにより形成することができる。
【００２７】
また金属の超微粒子は、出発材料としてこれらの金属材料の合金を使用して作製された超微粒子であっても良い。上記の三種類の金属は、それらを合計した量が主成分として含有されていれば良く、その他の成分を含有していても構わない。とりわけ低抵抗なゲート電極を形成するためには、Ａｇ（銀）を主成分としたインクジェット用インクを用いて形成することが好ましい。また、低抵抗であることと併せて、その他の特性を付加する場合は、Ａｇ（銀）あるいはＡｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）などのいずれかまたはそれらを組合せた材料に、他の材料を添加しても良い。
【００２８】
液滴だれの無いコーヒーステイン形状のテーパ部１７は、凹版インキング法により形成することができる。ここで、液滴だれの無いコーヒーシテイン形状とは、直方体状の印刷物の上面部の周縁端部が中央部に比べて緩やかに高くなり、ピーク高さを過ぎてから印刷物の中央部と端部の両側に向けて低くなり、印刷物の端部側には、基板表面に至る切り立った側面を形成する形状を指している（図１のゲート電極１１の形状を参照）。従って、ゲート電極１１の周縁部の最も高い部分からゲート電極１１の内側と外側に向ってテーパ部１７が形成されている。テーパ部１７の所望の形状は、凹版インキング法で用いる版の深さと幅で調整することができる。ＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）等の導電性有機材料を用いることもできる。ゲート電極１１の膜厚としては、０．０１μｍ以上１μｍ以下が好ましい。また、コーヒーステイン形状の中央部（凹部）と端部（凸部）の膜厚の比としては、９：１０程度が好ましい。
【００２９】
（ゲート絶縁層）
本発明のゲート絶縁層１２としては、例えば、ポリビニルフェノール、ポリメタクリル酸メチル、ポリイミド、ポリビニルアルコール、パリレン、フッ素樹脂、エポキシ樹脂などの高分子溶液、アルミナやシリカゲル等の粒子を分散させた溶液、または酸化シリコン、窒化シリコン、シリコンオキシナイトライド、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン等の無機材料の前駆体溶液を、スピンコート法やスリットダイコート法等を用いて塗布し、焼成することにより形成することができる。
【００３０】
（ソース電極、ドレイン電極）
本発明のソース電極１３及びドレイン電極１４としては、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕなどの低抵抗金属材料をインキ状、ペースト状にしたものを転写法で印刷し、焼成することにより形成することができるが、特にＡｇをインキ状またはペースト状にしたものが、低抵抗および低コストという観点から好ましい。
【００３１】
（有機半導体層）
本発明の有機半導体層１５の材料としては、ポリチオフェン、フルオレンビチオフェン共重合体、およびそれらの誘導体のような高分子有機半導体材料、およびペンタセン、テトラセン、銅フタロシアニン、およびそれらの誘導体のような低分子有機半導体材料を用いることができる。また、カーボンナノチューブあるいはフラーレンなどの炭素化合物や
半導体ナノ粒子分散液なども半導体層の材料として用いることができるが、これらに限定されるものではない。これらの有機半導体材料はトルエンなどの芳香族系の溶媒に溶解又は分散させてインキ状の溶液又は分散液として用いることができる。溶媒に適当な分散剤や安定剤等の添加剤を加えてもよい。
【００３２】
本発明の有機半導体層１５には金属イオンと結合する化合物を含有する。例えばベンゾトリアール系またはトリアジン系の化合物が挙げられる。
【００３３】
ベンゾトリアゾール系は下記の式（１）に示されるベンゾトリアゾールが基本形であり、他にメタノールの付加物である１Ｈ−ベンゾトリアゾール−１−メタノール（式（２））や、トリアゾール側にアルキル基を付加したもの（式（３））や、ベンゼン側にアルキル基を付加したものが挙げられる（式（４））。
【００３４】
トリアジンの基本骨格は式（５）に示されるものであり、例えば式（６）に示される２、４−ジアミノ−６−ビニル−Ｓ−トリアジン等が挙げられる。
【化１】
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【化２】
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【化３】
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【化４】
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【化５】
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【化６】
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Ｒ：アルキル
【００３５】
有機半導体層１５の形成方法としては、グラビア印刷、オフセット印刷、スクリーン印刷およびインクジェット法など、公知の印刷法を用いることができる。一般に、上記の有機半導体に関しては、溶剤に対する溶解度が低いため、低粘度溶液の印刷に適したフレキソ印刷、転写印刷、インクジェット法、ディスペンサを用いることが望ましい。
【実施例】
【００３６】
以下、本発明に係る薄膜トランジスタの具体的な実施例について説明する。なお、本発明は各実施例に限るものではない。
【００３７】
＜実施例１＞
実施例１では図１に示すような薄膜トランジスタ素子１８を作製する。
絶縁基板１０となるポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルム上に、凹版インキング法により、ナノ銀インキを用いて液滴だれの無いコーヒーステイン形状のテーパ部１８を設けたゲート電極１１を形成した。テーパ部１７の所望の形状は、凹版インキング法で用いる凹版の深さと幅で調整した。１８０℃で１時間ベーク後、膜厚２００ｎｍのゲート電極１１を作製した。次に、ゲート絶縁層１２となるポリビニルフェノールを、ゲート電極１１を含む絶縁基板１０上にスピンコート法により成膜し、１８０℃で1時間ベーク後、膜厚１μｍのゲート絶縁層１２を得た。続いて、ゲート絶縁膜１２上に、ソース電極１３及びドレイン電極１４としてナノ銀インキを、転写法を用いて形成した。１８０℃で１時間ベーク後、膜厚２００ｎｍのソース電極１３及びドレイン電極１４を得た。さらにソース電極１３及びドレイン電極１４上にペンタフルオロチオフェノールをイソプロピルアルコールで１重量％に希釈した溶液に３０分浸漬させ、自己組織化単分子膜を形成した。最後に有機半導体材料である６，１３−ビス（トリイソプロピルシリルエチニル）ペンタセンをテトラリンで２重量％になるように溶解させた溶液に、ベンゾトリアゾール系化合物を半導体材料（固形分）と重量比１．５：１として添加し、凸版印刷法を用いて、ソース電極１３及びドレイン電極１４上の一部を覆うようにしてソース・ドレイン電極間に印刷し、１００℃で６０分乾燥させて、膜厚５０ｎｍの有機半導体層１５を形成した。
作製した薄膜トランジスタ１８のチャネル長は２０μｍ、チャネル幅は１８０μｍであった。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
絶縁基板上に少なくともゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極及びドレイン電極、有機半導体層を有する薄膜トランジスタであって、該ゲート電極は少なくとも一種以上の金属から構成され、該ゲート電極のエッジが液滴だれの無いコーヒーステイン形状のテーパ部になることで、ゲート電極に対するゲート絶縁膜のステップカバレッジ性が良く、ゲート絶縁膜がさらなる薄膜化することで、高いオン電流が得られる良好な特性の薄膜トランジスタを提供することができる。このような薄膜トランジスタは、フレキシブル電子ペーパー、圧力センサ等のスイッチング素子として利用できる。
【符号の説明】
【００３９】
１  インクジェットヘッド
２  インク
３  インキング
４  凹版
５  版胴
６  転写
７  基材
８  溝
９  コーヒーステイン形状パターン
１０  絶縁基板
１１  ゲート電極
１２  ゲート絶縁層
１３  ソース電極
１４  ドレイン電極
１５  半導体層
１６  想定されるリーク箇所
１７  テーパ部
１８  薄膜トランジスタ
【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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