(57)【要約】【課題】ゲート絶縁層とゲート電極との密着性が高く、長期安定性に優れた薄膜トランジスタを提供することを目的とする。【解決手段】薄膜トランジスタは、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ボトムゲート型薄膜トランジスタであって、ゲート電極は少なくとも一種以上の金属から構成され、ゲート絶縁層にはゲート電極を構成する金属と結合する化合物とを含有する。【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ボトムゲート型薄膜トランジスタであって、前記ゲート電極は少なくとも一種以上の金属から構成され、前記ゲート絶縁層は前記ゲート電極を構成する金属と結合する化合物を含有する、薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記ゲート電極を構成する金属が銀を含む、請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記ゲート絶縁層に含有される前記ゲート電極を構成する金属と結合する化合物は、ベンゾトリアゾール系、トリアジン系またはベンゾチアジアゾール系である、請求項１または２に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記絶縁基板が樹脂基板である、請求項１乃至３のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜トランジスタに関する。
【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用いて半導体層を形成した薄膜トランジスタからなるアクティブマトリックスにより駆動されている。
【０００３】
一方、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近年なされている。
【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（有機薄膜トランジスタ）の開発が活発に行われている。
【０００６】
さらに、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。有機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】
印刷法を用いることにより、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トランジスタと比較して製造コストの大幅な削減が期待される。
【０００８】
印刷法で作製される有機薄膜トランジスタの構造は、トップゲート型ではなくボトムゲート型であることが一般的である。トップゲート型の場合、有機半導体の上にゲート絶縁層を形成することになるが、その際に、ゲート絶縁層の材料に含まれる溶剤や焼成時の加熱により有機半導体に損傷を与える可能性が高いためである。
【０００９】
また印刷法でゲート電極を形成する場合のゲート電極材料としてはＡｇが用いられることが、一般的である（特許文献１）
【００１０】
しかしながら、有機絶縁層をゲート電極上に形成する場合、ゲート絶縁層とゲート電極との密着性が低いことが問題となる。ゲート電極とゲート絶縁層との密着性を改善する方法として例えば電極表面のオゾン洗浄や酸素プラズマ処理が挙げられるが（非特許文献１）、この方法ではＡｇが酸化してしまい、ゲート電極としての電気特性が低下してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２０１０／１１３９３１号
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】薮田哲史、「液晶ディスプレイにおけるＴＦＴ製造技術について」、シャープ技報、２００７年１１月、第９６号、ｐ．３０−３３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ゲート絶縁層とゲート電極との密着性が低い場合、薄膜トランジスタを繰り返し駆動する際に、ゲート絶縁層とゲート電極間に剥がれが発生し、薄膜トランジスタが動作しなくなる可能性がある。また、例えばフレキシブル基板上に有機薄膜トランジスタを形成し、これを用いたフレキシブルデバイスを作製した場合、使用時の折り曲げにより、ゲート絶縁層とゲート電極間に剥がれが発生し、薄膜トランジスタが動作しなくなる可能性がある。すなわち、ゲート絶縁層とゲート電極との密着性が低い場合、薄膜トランジスタおよびこれを用いたアプリケーションの長期安定性を確保するのは困難である。
【００１４】
そこで本発明は、ゲート絶縁層とゲート電極との密着性が高く、長期安定性に優れた薄膜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】
【００１５】
上記課題を解決するための本発明の一局面は、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・ドレイン電極、有機半導体層を有するボトムゲート型薄膜トランジスタであって、ゲート電極は少なくとも一種以上の金属から構成され、ゲート絶縁層はゲート電極を構成する金属と結合する化合物を含有する。
【００１６】
また、ゲート電極を構成する金属が銀を含んでもよい。
【００１７】
また、ゲート絶縁層に含有されるゲート電極を構成する金属と結合する化合物は、ベンゾトリアール系、トリアジン系またはベンゾチアジアゾール系であってもよい。
【００１８】
また、絶縁基板が樹脂基板であってもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ゲート絶縁層とゲート電極との密着性が高く、長期安定性に優れた薄膜トランジスタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る薄膜トランジスタの断面図
【図２】従来技術に係る薄膜トランジスタの断面図
【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、図面を参照しつつ説明する。実施の形態において、同一または対応する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】
図１に本発明の一実施形態に係る薄膜トランジスタ１００の断面図を示す。薄膜トランジスタ１００は、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およびドレイン電極１４、半導体層１５を備えたボトムゲート−ボトムコンタクト構造の薄膜トランジスタである。ただし、薄膜トランジスタの構造はボトムゲート−トップコンタクト構造等の他の構造でも構わない。
【００２３】
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。特に有機薄膜トランジスタの利点を活かしたフレキシブルなデバイスを形成する場合は、樹脂基板を用いることが好ましい。樹脂基板の材質としては、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、２種以上を積層した複合基板を使用することもできる。
【００２４】
ゲート電極１１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スクリーン印刷、転写印刷、凸版印刷、インクジェット法等で塗布し、焼成することにより形成することができる。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。またゲート電極１１はスパッタ法等の真空成膜法により成膜したＡｌ、Ｍｏ、Ａｇ等の金属材料を、フォトリソグラフィー法等を用いてパターニングすることにより得ることもできるが、これらに限定されるものではない。
【００２５】
ゲート絶縁層１２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。
【００２６】
ゲート絶縁層１２は金属と結合する化合物１６を含有する。化合物１６としては、例えばベンゾトリアール系またはトリアジン系またはベンゾチアジアゾール系の化合物が挙げられる。
【００２７】
ベンゾトリアゾール系は（化学式１）に示されるベンゾトリア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（化学式２）や、トリアゾール側にアルキル基を付加したもの（化学式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（化学式４）。
【００２８】
トリアジンの基本骨格は（化学式５）に示されるものであり、例えば（化学式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。
【００２９】
ベンゾチアジアゾールの基本骨格は（化学式７）に示されるものであり、例えば（化学式８）に示される４−アミノ−２、１、３−ベンゾチアジアゾール等が挙げられる。
【００３０】
【化１】
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【００３１】
ソース電極１３及びドレイン電極１４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スクリーン印刷、転写印刷、凸版印刷、インクジェット法等で塗布し、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。またソース電極１３及びドレイン電極１４はスパッタ法等の真空成膜法により成膜したＡｌ、Ｍｏ、Ａｇ等の金属材料を、フォトリソグラフィー法等でパターニングすることにより得ることもできるが、これらに限定されるものではない。
【００３２】
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。
【００３３】
有機半導体層１５は上述の有機半導体材料を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、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を用いて形成することができる。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。また有機半導体層１５は、蒸着法等の真空成膜法により有機半導体材料を全面形成した後、レジスト印刷等によりパターニングを行うという方法を用いて形成することもできるし、メタルマスクを用いて真空成膜することによりパターンを形成することもできるが、これらに限定されるものではない。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明に係る薄膜トランジスタの具体的な実施例及び比較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。
【００３５】
（実施例１）
実施例１では、ゲート絶縁層１２にベンゾトリアゾール系化合物を含有させ、図１に示すような薄膜トランジスタ１００素子を作製した。
【００３６】
初めに、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［帝人デュポン製］上に、ナノ銀インキ［ハリマ化成製］のパターンを、転写法を用いて形成し、１８０℃で１時間焼成して、膜厚１００ｎｍのゲート電極１１を作製した。次に、ゲート絶縁層１２となるベンゾトリアール化合物を含有させた樹脂を、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時間焼成後、膜厚１μｍのゲート絶縁層１２を得た。続いて、ゲート絶縁層１２上に、ナノ銀インキ［ハリマ化成製］のパターンを、転写法を用いて形成し、１８０℃で１時間焼成して、膜厚１００ｎｍのソース電極１３及びドレイン電極１４を得た。次にソース電極１３及びドレイン電極１４を、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１ｗｔ％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。次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［Ａｒｄｒｉｃｈ製］をテトラリンで２ｗｔ％になるように溶解させた溶液を、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１００のチャネル長は１０μｍ、チャネル幅は１８０μｍである。
【００３７】
以上のようにして作製した薄膜トランジスタ１００の作製直後の素子特性はオン電流２．３Ｅ−６Ａ、移動度０．３ｃｍ２／Ｖｓであった。作製した薄膜トランジスタ１００に対し曲率半径を１０ｍｍとして曲げ試験を１万回行った後の素子特性は２．３Ｅ−６Ａ、移動度０．３ｃｍ２／Ｖｓであり、曲げ試験前後での素子特性の変動は１０％以下であった。
【００３８】
（実施例２）
実施例２では、ゲート絶縁層１２にトリアジン系化合物を含有させ、図１に示すような薄膜トランジスタ１００素子を作製した。
【００３９】
初めに、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［帝人デュポン製］上に、ナノ銀インキ［ハリマ化成製］のパターンを、転写法を用いて形成し、１８０℃で１時間焼成して、膜厚１００ｎｍのゲート電極１１を作製した。次に、ゲート絶縁層１２となるトリアジン系化合物を含有させた樹脂を、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、２００℃で１時間焼成後、膜厚１μｍのゲート絶縁層１２を得た。続いて、ゲート絶縁層１２上に、ナノ銀インキ［ハリマ化成製］のパターンを、転写法を用いて形成し、１８０℃で１時間焼成して、膜厚１００ｎｍのソース電極１３及びドレイン電極１４を得た。次にソース電極１３及びドレイン電極１４を、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１ｗｔ％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。次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［Ａｒｄｒｉｃｈ製］をテトラリンで２ｗｔ％になるように溶解させた溶液を、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１００のチャネル長は１０μｍ、チャネル幅は１８０μｍである。
【００４０】
以上のようにして作製した薄膜トランジスタ１００の作製直後の素子特性はオン電流２．２Ｅ−６Ａ、移動度０．３ｃｍ２／Ｖｓであった。作製した薄膜トランジスタ１００に対し曲率半径を１０ｍｍとして曲げ試験を１万回行った後の素子特性は２．１Ｅ−６Ａ、移動度０．３ｃｍ２／Ｖｓであり、曲げ試験前後での素子特性の変動は１０％以下であった。
【００４１】
（実施例３）
実施例３では、ゲート絶縁層１２にベンゾチアジアゾール系化合物を含有し、図１に示すような薄膜トランジスタ素子を作製した。
【００４２】
初めに、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［帝人デュポン製］上に、ナノ銀インキ［ハリマ化成製］のパターンを、転写法を用いて形成し、１８０℃で１時間焼成して、膜厚１００ｎｍのゲート電極１１を作製した。次に、ゲート絶縁層１２となるベンゾチアジアゾール系化合物を含有させた樹脂を、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時間焼成後、膜厚１μｍのゲート絶縁層１２を得た。続いて、ゲート絶縁層１２上に、ナノ銀インキ［ハリマ化成製］のパターンを、転写法を用いて形成し、１８０℃で１時間ベークして、膜厚１００ｎｍのソース電極１３及びドレイン電極１４を得た。次にソース電極１３及びドレイン電極１４を、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１ｗｔ％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。次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［Ａｒｄｒｉｃｈ製］をテトラリンで２ｗｔ％になるように溶解させた溶液を、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１００のチャネル長は１０μｍ、チャネル幅は１８０μｍである。
【００４３】
以上のようにして作製した薄膜トランジスタ１００の作製直後の素子特性はオン電流２．３Ｅ−６Ａ、移動度０．３ｃｍ２／Ｖｓであった。作製した薄膜トランジスタに対し曲率半径を１０ｍｍとして曲げ試験を１万回行った後の素子特性は２．４Ｅ−６Ａ、移動度０．３ｃｍ２／Ｖｓであり、曲げ試験前後での素子特性の変動は１０％以下であった。
【００４４】
（比較例１）
比較例では、ゲート絶縁層１２にベンゾトリアゾール系やトリアジン系化合物、ベンゾチアジアゾール系化合物を含有させず、図２に示すような従来技術に係る薄膜トランジスタ素子を作製した。
【００４５】
初めに、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［帝人デュポン製］上に、ナノ銀インキ［ハリマ化成製］のパターンを、転写法を用いて形成し、１８０℃で１時間焼成して、膜厚１００ｎｍのゲート電極１１を作製した。次に、ゲート絶縁層１２となるポリイミド［三菱ガス化学製］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、２００℃で１時間焼成後、膜厚１μｍのゲート絶縁層１２を得た。続いて、ゲート絶縁層１２上に、ナノ銀インキ［ハリマ化成製］のパターンを、転写法を用いて形成し、１８０℃で１時間焼成して、膜厚１００ｎｍのソース電極１３及びドレイン電極１４を得た。次にソース電極１３及びドレイン電極１４を、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１ｗｔ％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。次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［Ａｒｄｒｉｃｈ製］をテトラリンで２ｗｔ％になるように溶解させた溶液を、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のチャネル長は１０μｍ、チャネル幅は１８０μｍである。
【００４６】
以上のようにして作製した薄膜トランジスタの作製直後の素子特性はオン電流２．１Ｅ−６Ａ、移動度０．３ｃｍ２／Ｖｓであった。作製した薄膜トランジスタに対し曲率半径を１０ｍｍとして曲げ試験を１万回行った後の素子特性は２．１Ｅ−７Ａ、移動度０．０２ｃｍ２／Ｖｓであり、曲げ試験前後で素子特性が１０％以上（９０％）減少した。素子の顕微鏡観察を行った結果、ゲート絶縁層の一部がゲート電極から剥離していた。
【００４７】
以上の評価結果から、ゲート絶縁層がゲート電極を構成する金属と結合する化合物を含有するように構成することで、ゲート絶縁層とゲート電極の密着性を向上させ、長期安定性に優れた薄膜トランジスタを提供できることが確認できた。
【００４８】
以上、説明したように、本発明によれば、ゲート絶縁層中に含まれる化合物がゲート電極と結合することにより、ゲート絶縁層とゲート電極の密着性を向上させることができる。
【００４９】
また、ゲート電極の主金属を銀とすることで、高い導電率を有することが可能となる。さらに原料として銀ナノインク等を用いれば、印刷法を用いて高精細なゲート電極のパターンを低コストで形成することも可能である。
【００５０】
また、ゲート絶縁層にベンゾトリアゾール系またはトリアジン系またはベンゾチアジアゾール系化合物を含有させることで、化合物とゲート電極との結合が強固となり、ゲート絶縁層とゲート電極の密着性が高くなるため、長期安定性に優れた薄膜トランジスタを形成することが可能となる。
【００５１】
また、絶縁基板を樹脂基板とすることで、ゲート絶縁層とゲート電極の密着性が高いフレキシブルなデバイスを作製することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、ディスプレイや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】
【００５３】
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    金属と結合する化合物
１００    薄膜トランジスタ
【図１】
2017195315.tif 000004
【図２】
2017195315.tif 000005