(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上に、バッファー層と有機薄膜とが順次積層され、
上記バッファー層は、上記有機薄膜の２次元成長を促進するペンタセン又はフッ素化ペンタセンからなり、
上記有機薄膜は、Ｃnフラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数）又はルブレンからなり、
上記有機薄膜が平坦に配向されている、有機薄膜を有する基板。
【請求項２】
前記絶縁基板と前記バッファー層との間に、さらにＳｉＯ2又はＡｌ2Ｏ3薄膜が挿入されている、請求項１に記載の有機薄膜を有する基板。
【請求項３】
前記絶縁基板は、サファイア基板である、請求項１に記載の有機薄膜を有する基板。
【請求項４】
前記サファイア基板の表面が平坦化処理されている、請求項３に記載の有機薄膜を有する基板。
【請求項５】
前記バッファー層が分子層単位で積層されている、請求項１に記載の有機薄膜を有する基板。
【請求項６】
前記Ｃnフラーレンは、Ｃ60である、請求項１に記載の有機薄膜を有する基板。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載された有機薄膜を有する基板を備えたトランジスタであって、
前記有機薄膜は、電界効果トランジスタのチャネルとなる、トランジスタ。
【請求項８】
絶縁基板上に、バッファー層と有機薄膜とが順次積層される工程を含み、
上記絶縁基板上に上記有機薄膜の２次元成長を促進するバッファー層となるペンタセン又はフッ素化ペンタセンを堆積し、
上記バッファー層上に有機薄膜となるＣnフラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数）又はルブレンを堆積し、
上記有機薄膜を平坦に配向する、有機薄膜を有する基板の製造方法。
【請求項９】
前記絶縁基板と前記バッファー層との間に、さらにＳｉＯ2又はＡｌ2Ｏ3薄膜を挿入する、請求項８に記載の有機薄膜を有する基板の製造方法。
【請求項１０】
前記絶縁基板を、サファイア基板とする、請求項８又は９に記載の有機薄膜を有する基板の製造方法。
【請求項１１】
前記サファイア基板の表面を平坦化処理する、請求項１０に記載の有機薄膜を有する基板の製造方法。
【請求項１２】
前記バッファー層を分子層単位で積層する、請求項８に記載の有機薄膜を有する基板の製造方法。
【請求項１３】
前記Ｃnフラーレンを、Ｃ60とする、請求項８に記載の有機薄膜を有する基板の製造方法。
【請求項１４】
請求項８〜１３の何れかに記載された有機薄膜を有する基板の製造方法を用いたトランジスタの製造方法であって、
前記有機薄膜を、電界効果トランジスタのチャネルとする、トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、有機薄膜を有する基板及びそれを用いたトランジスタ並びにそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
近年、有機半導体を用いたデバイスの進歩は目覚しいものがあり、有機半導体薄膜をチャネルとする電界効果トランジスタ（以下、単にＦＥＴと呼ぶ）の研究が鋭意進められている。これらのＦＥＴは、大部分がｐ型ＦＥＴであり、ｎ型ＦＥＴの報告例は少ない。ｎ型有機半導体として、フラーレン（Ｃ６０）が注目されている。ＦＥＴや超格子構造を有するデバイスでは、原子レベルで、組成や膜厚の異なる薄膜を順次形成するために、２次元的な薄膜を作製する必要がある。
しかしながら、従来の無機半導体であるシリコンや化合物半導体と比べると、その製造レベルは非常に低い。
これらの有機半導体薄膜の製造方法の一つとして真空蒸着法が知られており、金属上には、Ｃ６０薄膜が２次元的に成膜できることが知られている。また、Ｃ６０などのフラーレン系材料による電界効果トランジスタを製造するためには、金属上ではなくＳｉや絶縁物基板上に高品質な薄膜を堆積する必要がある。例えば、非特許文献１には、水素で終端したシリコン（Ｓｉ）基板上へのＣ６０薄膜形成が報告されている。
図１６は、文献１（Ｋ．Ｕｅｎｏ他２名，″Ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａａｌｓ  Ｅｐｉｔａｘｙ  ｏｎ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ−Ｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ  Ｓｉ（ＩＩＩ）Ｓｕｒｆａｃｅｓ  ａｎｄ  Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｉｔｓ  Ｇｒｏｗｔｈ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｂｙ  Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ″，１９９５年  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，Ｖｏｌ．１５０，ｐｐ．１１８０−１１８５）のＳｉ基板上へ堆積したＣ６０の薄膜のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）写真であり、（Ａ）がＡＦＭ像、（Ｂ）がＣ６０薄膜の断面模式図である。なお、ＡＦＭ像の測定領域は４μｍ×４μｍである。図から明らかなように、２次元成長は得られなく、厚さが約１０ｎｍ（１００Å）で、１〜２μｍの大きさの柱状結晶がＳｉ基板上に点在し、所謂３次元成長している。
ペンタセンを用いた有機ＦＥＴの電界効果移動度は、１ｃｍ２・Ｖ−１・ｓ−１程度の値である（例えば、文献２：Ｙ．−Ｙ．Ｌｉｎ  他３名，Ｓｔａｃｋｅｄ  Ｏｅｎｔａｃｅｎｅ  Ｌａｙｅｒ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ″，１９９７年，ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒ．Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔ，．Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．１２，ｐｐ．６０６−６０８を参照）。この値はアモルファスＳｉよりも大きい値である。有機ＦＥＴの場合も半導体によるＦＥＴと同様に、電流駆動力を増すために電界効果移動度が大きい材料が望まれている。
最近、下記文献３及び４において、単結晶のルブレン（５，６，１１，１２−テトラフェニルナフタセン）のａ軸及びｂ軸に沿う電界効果移動度が、それぞれ、４．４ｃｍ２・Ｖ−１・ｓ−１、１５．４ｃｍ２・Ｖ−１・ｓ−１という非常に大きな値を有することが報告されている。
文献３：Ｖ．Ｃ．Ｓｕｎｄａｒ  他７名，″Ｅｌａｓｔｏｍｅｔｒｉｃ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  Ｓｔａｍｐｓ：Ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ  Ｐｒｏｂｉｎｇ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｉｎ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ″，２００４年  Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．３０３，ｐｐ．１６４４−１６４６
文献４：Ｒ．Ｗ．Ｉ．Ｄｅ  Ｂｏｅｒ他  ３名″Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ″２００４年  Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．Ａ，Ｖｏｌ．２０１，Ｎｏ．６，ｐｐ．１３０２−１３３１
しかしながら、分子線蒸着装置により通常用いられる石英、コーニングガラスやサファイア基板上にルブレンを堆積してもアモルファス状の薄膜しか得られない。図１７は、従来のサファイア基板上に堆積したルブレン薄膜の５×５μｍ２の原子間力顕微鏡像を示す図であり、基板温度が、それぞれ（Ａ）室温、（Ｂ）１００℃の場合を示している。図から明らかなように、得られたルブレン膜はアモルファス膜であった。
Ｃ６０などのフラーレン系材料による電界効果トランジスタを実用化するためには、金属上ではなく、Ｓｉや絶縁物基板上に平坦な２次元成長膜を形成することが強く要求されている。しかしながら、Ｃ６０薄膜を絶縁基板上に成長させる場合には、柱状成長をし易く、高品質な薄膜が得られていない。
また、従来のルブレン薄膜は、アモルファス膜しか得られず、殆どＦＥＴ特性などの機能を示さない。さらに、このアモルファス薄膜は非常に酸素と反応しやすいため、真空中では橙色をしていたものが大気に取り出すと透明になる。このように薄膜化が困難であるために、単結晶で非常に大きな電界効果移動度が報告されても、ＦＥＴの実用化に必要な高品質な薄膜が得られていない。
【発明の開示】
本発明者らは、種々検討の結果、Ｃ６０やルブレンなどの有機材料とサファイア基板などとの間に、ペンタセンなどの材料からなるバッファー層を挿入することにより、Ｃ６０やルブレンなどの有機材料を二次元成長できることを見出し、本発明に想到した。
本発明は上記課題に鑑み、Ｃ６０やルブレンなどの有機薄膜を二次元成長できる、有機薄膜を有する基板を提供することを第１の目的とする。
本発明は、上記有機薄膜基板を用いたトランジスタを提供することを第２の目的とする。
さらに本発明は、上記有機薄膜基板及びこれを用いたトランジスタの製造方法を提供することを第３の目的とする。
上記の第１の目的を達成するため、本発明は、基板上に、バッファー層と有機薄膜とを順次積層した有機薄膜基板であって、バッファー層は有機薄膜の２次元成長を促進し、有機薄膜を平坦に配向させることを特徴とする。
本発明は、基板上に、バッファー層と有機薄膜とを順次積層した有機薄膜基板であって、バッファー層はアセン系芳香族またはその誘導体であり、バッファー層が有機薄膜の２次元成長を促進し、有機薄膜を平坦に配向させることを特徴とする。
本発明は、基板上に、バッファー層と有機薄膜とを順次積層した有機薄膜基板であって、バッファー層はアセン系芳香族またはその誘導体であり、有機薄膜はＣｎフラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数）、Ｃｎフラーレン誘導体、ルブレンの何れかであり、バッファー層が有機薄膜の２次元成長を促進し、有機薄膜を平坦に配向させることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、基板とバッファー層との間にバッファー層と配向しやすい層が挿入されている。
上記基板は絶縁基板、好ましくはサファイア基板であり、バッファー層は、アセン系芳香族または誘導体、好ましくはペンタセン又はフッ素化ペンタセンであり、有機薄膜はＣｎフラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数）、Ｃｎフラーレン誘導体、ルブレンの何れかである。好ましくは、サファイア基板の表面は平坦化処理され、ペンタセン又はフッ素化ペンタセンから成るバッファー層が分子層単位で積層されている。
上記構成によれば、Ｃ６０やルブレンなどの有機薄膜の結晶成長が従来困難であった絶縁性の基板との間に特定の材料からなるバッファー層を挿入することにより、非常に平坦な単分子層単位の薄膜を形成できるため、これを成長させてから有機薄膜を成長させることができる。このため、基板とＣ６０やルブレンなどの有機薄膜との間の歪を緩和させて、Ｃ６０やルブレンなどの有機薄膜を二次元成長でき、しかも、その結晶粒径を拡大させることができる。これにより、結晶品質の高い有機薄膜が得られ、有機薄膜の移動度などの諸特性が向上した、有機薄膜を有する基板を提供することができる。
上記の第２の目的を達成するため、本発明のトランジスタは、基板上に形成された有機薄膜を備えたトランジスタであって、有機薄膜が、有機薄膜の２次元成長を促進し、有機薄膜を平坦に配向させるバッファー層を介して基板に積層されていることを特徴とする。
本発明のトランジスタは、基板上に形成された有機薄膜を備えたトランジスタであって、有機薄膜が、有機薄膜の２次元成長を促進し、有機薄膜を平坦に配向させるアセン系芳香族またはその誘導体からなるバッファー層を介して上記基板に積層されていることを特徴とする。
本発明のトランジスタは、基板上に形成された有機薄膜を備えたトランジスタであって、有機薄膜が、有機薄膜の２次元成長を促進し、有機薄膜を平坦に配向させるアセン系芳香族またはその誘導体からなるバッファー層を介して上記基板に積層されており、有機薄膜はＣｎフラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数）、Ｃｎフラーレン誘導体、ルブレンの何れかであることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、基板とバッファー層との間にバッファー層と配向しやすい層が挿入されている。好ましくは、基板はサファイア基板であり、バッファー層はアセン系芳香族または誘導体であり、有機薄膜はＣｎフラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数）、Ｃｎフラーレン誘導体、ルブレンの何れかである。また、好ましくは、バッファー層はペンタセン又はフッ素化ペンタセン、有機薄膜はＣ６０又はルブレンである。
上記構成によれば、Ｃ６０やルブレンなどの有機薄膜と基板との間に、特定の材料からなるバッファー層を挿入することにより基板とＣ６０やルブレンなどの有機薄膜との間の歪を緩和して、Ｃ６０などの有機薄膜を二次元成長でき、その結晶粒径を拡大させることができる。このため、結晶品質の高い有機薄膜が得られる。従って、有機薄膜の移動度が向上することにより性能の高い電界効果トランジスタなどのトランジスタを提供することができる。
さらに、上記の第３の目的を達成するため、本発明の有機薄膜基板の製造方法は、基板上に、バッファー層と有機薄膜とが順次積層される工程を含み、バッファー層が有機薄膜の２次元成長を促進し、有機薄膜を平坦に配向させることを特徴とする。
上記構成において、基板とバッファー層との間にバッファー層と配向しやすい層を挿入してもよい。
好ましくは、基板は絶縁基板、とくにサファイア基板であり、バッファー層はアセン系芳香族または誘導体、好ましくは、ペンタセン又はフッ素化ペンタセンであり、有機薄膜はＣｎフラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数）、Ｃｎフラーレン誘導体、ルブレンの何れかである。また、好ましくは、サファイア基板の表面は平坦化処理され、ペンタセン又はフッ素化ペンタセンから成るバッファー層が分子層単位で積層されている。この発明によれば、基板上に結晶品質の高い有機薄膜を形成することができる。
また、本発明のトランジスタの製造方法は、基板上に有機薄膜を形成し、この有機薄膜が、有機薄膜の２次元成長を促進し、有機薄膜を平坦に配向させるバッファー層を介して基板に積層されていることを特徴とするものである。
上記構成において、基板とバッファー層との間にバッファー層と配向しやすい層を挿入してもよい。好ましくは、基板は絶縁基板、好ましくはサファイア基板であり、バッファー層はアセン系芳香族または誘導体、好ましくは、ペンタセン又はフッ素化ペンタセンであり、有機薄膜はＣｎフラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数）、Ｃｎフラーレン誘導体、ルブレンの何れかである。好ましくは、サファイア基板の表面は平坦化処理され、ペンタセン又はフッ素化ペンタセンから成るバッファー層は分子層単位で積層されている。
上記構成によれば、基板上に結晶品質の高い有機薄膜を形成し、この有機薄膜を用いたトランジスタを製造することができる。
本発明によれば、絶縁基板などの表面にバッファー層を介した結晶品質の高い、有機薄膜を有する基板を得ることができる。また、この有機薄膜を用いたトランジスタ並びにそれらの製造方法が提供されることになる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係る第１の実施形態による有機薄膜を有する基板の断面図である。
図２は、本発明に係る第１の実施形態による有機薄膜を有する基板の変形例の断面図である。
図３は、本発明に係る第２の実施形態による有機薄膜を有する基板を用いたトランジスタの構造を模式的に示す断面図である。
図４は、本発明に係る第２の実施形態による有機薄膜を有する基板を用いたトランジスタの変形例の断面図である。
図５は、本発明の有機薄膜を有する基板の製造に用いる分子線蒸着装置の構成を模式的に示す図である。
図６は、実施例１の有機薄膜を有する基板のＣ６０表面を原子間力顕微鏡で観察した写真である。
図７（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ、実施例２の有機薄膜を有する基板のＸ線回折結果及びＲＨＥＥＤ像を示す図である。
図８は、実施例３のｎ型電界効果トランジスタのゲート電圧とドレイン電流（Ｖｇ−Ｉｄ）特性を示す図である。
図９は、比較例の有機薄膜を有する基板のＣ６０表面を原子間力顕微鏡で観察した写真である。
図１０（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ、比較例の有機薄膜を有する基板のＸ線回折結果及びＲＨＥＥＤ像を示す図である。
図１１は、実施例２及び比較例のＣ６０薄膜の紫外可視吸収スペクトルを示す図である。
図１２（Ａ）は、実施例４の有機薄膜を有する基板の模式的な斜視図、（Ｂ）はルブレン薄膜４の原子間力顕微鏡像を示す図である。
図１３は、実施例４の有機薄膜を有する基板のＸ線回折結果を示す図であり、（Ａ）がバッファー層がない場合、（Ｂ）及び（Ｃ）が、１分子層のペンタセンバッファー層を挿入した場合で、基板温度が、それぞれ、室温及び１００℃の場合を示している。
図１４は、実施例４の１分子層のペンタセンバッファー層上のルブレン薄膜において、（Ａ）が表面の原子間力顕微鏡像を示す写真である、（Ｂ）が表面の高さ分布を示す図である。
図１５は、実施例５の電界効果トランジスタのゲート電圧とドレイン電流（Ｖｇ−Ｉｄ）特性を示す図である。
図１６は、Ｓｉ基板上へ堆積した従来のＣ６０薄膜のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）写真であり、（Ａ）がＡＦＭ像、（Ｂ）がＣ６０薄膜の断面模式図である。
図１７は、従来のサファイア基板上に堆積したルブレン薄膜の５×５μｍ２の原子間力顕微鏡像を示す図であり、基板温度が、それぞれ（Ａ）室温、（Ｂ）１００℃の場合を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
本発明は以下の詳細な説明及び本発明の幾つかの実施の形態を示す添付図面によって、よりよく理解されるものとなろう。なお、添付図面に示す実施例は本発明を特定又は限定するものではなく、本発明の趣旨の説明及び理解を容易とするためだけのものである。
以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
第１の実施の形態
初めに本発明の第１の実施の形態による有機薄膜を有する基板について説明する。
図１は、本発明に係る第１の実施形態による有機薄膜を有する基板の断面図である。図１に示すように、本発明の有機薄膜を有する基板１は、基板２上に、第１の有機材料から成るバッファー層３と、第２の有機材料としてＣ６０などの有機薄膜４と、が順次積層されている構造を有している。
このバッファー層３は有機薄膜４を配向させる機能を有している。このため、従来、膜状ではない柱状結晶やアモルファス薄膜しか得られなかった有機材料において、結晶からなる有機薄膜４を、基板１上に成長させることができる。
ここで、基板２は、六方晶系のサファイア基板、ガラス基板、石英基板及びポリイミドのような有機材料が配向しやすい基板であれば何でもよい。そして、基板２の表面は可能な限り平坦な基板を使用することが望ましいが、基板２の表面荒さがバッファー層３となる材料の分子層程度以下とすることが好適である。例えば、上記バッファー層３が後述するペンタセン薄膜３の場合、表面粗さが約１５Å程度の基板であれば、本発明の手法が適用可能である。また、基板２の上にデバイス構造を形成するのに必要な他の金属や絶縁体の薄膜を積層した基板に成膜を行う場合でも、同様の面粗さが局所的に満たされていればよい。
また、バッファー層３は、三斜晶系のペンタセン又はフッ素化ペンタセンをはじめとするアセン系有機材料とその誘導体を用いることができる。
また、有機薄膜４は、Ｃｎフラーレン（ここで、ｎは６０以上の整数）、Ｃｎフラーレン誘導体、ルブレン（５，６，１１，１２−テトラフェニルナフタセン）の何れかを用いることができる。Ｃｎフラーレンとしては、六方晶系のＣ６０のほかに、Ｃ７０，Ｃ１２０などを用いることができる。
図２は、本発明に係る第１の実施形態による有機薄膜を有する基板の変形例の断面図である。図２に示すように、本発明の有機薄膜を有する基板１０が、図１の有機薄膜を有する基板１の構造と異なるのは、基板２とバッファー層３との間に、さらに、基板２及び／又はバッファー層３と配向しやすい層５が挿入されている点である。この基板２及び／又はバッファー層３と配向しやすい層５は、絶縁層を用いることができる。ここで、絶縁層５は、基板２上に堆積したＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３薄膜などでもよい。
このようにして、本発明の有機薄膜を有する基板１，１０においては、バッファー層３の厚さを１分子層から１０分子層程度挿入することにより、Ｃ６０やルブレンなどの有機薄膜４自体の配向性をよくすることができ、また、有機薄膜４と基板２との格子歪が緩和できる。なお、本発明においては、上記の１分子層から１０分子層程度のバッファー層３の膜厚を分子層単位のバッファー層３と呼ぶ。
ここで、バッファー層３の挿入により有機薄膜４の２次元成長が得られ易くなる理由について説明する。ペンタセン又はフッ素化ペンタセン薄膜から成るバッファー層３及びＣ６０薄膜４の場合について推察する。ペンタセン自体は、π電子がベンゼン環に垂直に飛び出しており、それらの方向が重要となる。一般に有機薄膜のπ電子は、金属には配向の相性がよいが、絶縁物とは反発し易い。しかしながら、ペンタセン又はフッ素化ペンタセン薄膜３が基板２に堆積した後には、ペンタセン薄膜３のπ電子が歪んでいると推定される。このため、ペンタセン薄膜３上にＣ６０を堆積した場合には、Ｃ６０の２次元成長が得られ易くなると考えられる。これにより、バッファー層３の挿入によってＣ６０などの有機薄膜４の２次元成長が促進され、著しく平坦性が改善された有機薄膜４を有する基板１，１０が得られる。
第２の実施の形態
次に、本発明の有機薄膜を有する基板を用いたトランジスタに係る第２の実施形態を説明する。
図３は、本発明に係る第２の実施形態による有機薄膜を有する基板を用いたトランジスタの構造を模式的に示す断面図である。トランジスタとして、電界効果トランジスタの場合を示している。図に示すように、電界効果トランジスタ２０は、絶縁性の基板２５上に、バッファー層３と有機薄膜４とが順次積層され、有機薄膜４上にゲート絶縁膜２１が堆積された構造を有している。そして、ゲート絶縁膜２１上にはゲート電極２２が、チャネルとなる有機薄膜４上には、ソース電極２３及びドレイン電極２４が配設されている。
図４は、本発明に係る第２の実施形態による有機薄膜を有する基板を用いたトランジスタの変形例の断面図である。トランジスタは電界効果トランジスタの場合を示している。図に示すように、電界効果トランジスタ３０は、ゲート電極２２とゲート絶縁膜２１が堆積された基板２５上に、バッファー層３と有機薄膜４とが順次積層された構造を有し、ゲート絶縁膜２１内にゲート電極２２が、チャネルとなる有機薄膜４上には、ソース電極２３及びドレイン電極２４が、それぞれ配設されている。最上層には、保護膜２６が堆積されていてもよい。
なお、ゲート電極２２、ソース電極２３及びドレイン電極２４は、図示しない領域で、ボンディング領域が形成されている。
ゲート絶縁膜２１の材料としては、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、窒化シリコン、誘電性ポリマーなどの酸化物、硫化物、有機物などを用いることができる。これらの材料のうちで、特に、リーク電流が少なく、絶縁破壊電圧が高く、誘電率の大きい材料が、電界を印加し易いという点で好ましい。
また、ゲート電極２２の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）又はこれらの材料を添加したシリコン（Ｓｉ）などを用いることができる。有機薄膜４の仕事関数やＦＥＴの動作方法によって、これらの材料の適切なものを用いればよい。また、ソース電極２３及びドレイン電極２４の材料としては、アルミニウムや金などが挙げられる。これらの材料は電気伝導度が高く、有機薄膜４との仕事関数の整合性がよいものを選択するのが好ましいが、ＦＥＴの目的とする出力によって選択すればよい。さらに、保護膜２６の材料としては、アルミナや窒化シリコンのような絶縁物などが挙げられる。
また、上記有機薄膜を有する基板を用いたトランジスタ２０，３０の各層は、蒸着法、分子線エピタキシー法、高周波スパッタ法などの各種薄膜堆積法やフォトリソグラフィー法やシャドーマスクなどを用いて製造することができる。
本発明の有機薄膜を有する基板を用いたトランジスタ２０，３０においては、そのチャネルとなる有機薄膜４がバッファー層３上に形成されているため、その結晶品質が高い。このため、有機薄膜４の電界移動度が向上し、非常に大きな相互コンダクタンス（ｇｍ）が得られることになる。これにより、本発明のトランジスタ２０，３０によれば、性能の高いトランジスタが得られる。
第３の実施の形態
次に、本発明の有機薄膜を有する基板の製造方法に係る第３の実施形態を説明する。
本発明の有機薄膜を有する基板１は、基板２上に分子層単位でバッファー層３の厚みを制御できる薄膜堆積法によりバッファー層３を堆積し、次に、バッファー層３上に、六方晶系のＣ６０薄膜４などを所望の厚さに堆積することにより製造されることができる。
また、本発明の有機薄膜を有する基板１０は、基板２上にＳｉＯ２などの絶縁膜５を堆積し、次に、絶縁膜５上に分子層単位でバッファー層３の厚みを制御できる薄膜堆積法によりバッファー層３を堆積し、最後に、バッファー層３上に、Ｃ６０薄膜４を所望の厚さに堆積することにより製造することができる。ここで、基板２に予めＳｉＯ２などの絶縁膜５を堆積しておいて、バッファー層３及びＣ６０薄膜４だけを連続的に堆積してもよい。
上記の薄膜堆積方法としては、基板上に分子層単位で少なくともバッファー層３の厚みを制御できる薄膜堆積法であれば、どの方法を用いて製造してもよい。もちろん、バッファー層３と共に、Ｃ６０薄膜４の厚みを分子層単位で制御してもよい。このような、薄膜堆積方法としては、各種真空蒸着法、真空蒸着法の一種である分子線蒸着法及びレーザーアプレーション法等が挙げられる。
上記堆積法に用いることができる堆積装置の一例を示す。
図５は、本発明の有機薄膜を有する基板の製造に用いる分子線蒸着装置の構成を模式的に示す図である。分子線蒸着装置４０は、超高真空チャンバ４１内に、基板４２を保持するホルダー４３と、ヒーターなどの基板加熱手段４５とが設けられ、さらに、超高真空チャンバ４１の下部に、バッファー層３及び有機薄膜４の蒸発源としての分子線源るつぼ４４（４４Ａ，４４Ｂ）及びルツボ加熱用電源４４Ｃが配設されている。
超高真空チャンバ４１は、真空排気装置４６により排気される。分子線源るつぼ４４は、所謂クヌーセンセルであり、るつぼ４４の中に入れた個別の蒸発源を加熱して蒸発させる。出てくる蒸気を分子線の形で加熱されている基板４２に当て、基板４２上に、バッファー層３及び有機薄膜４を堆積させる。分子線源るつぼ４４の上部には、シャッタ４７が設けられ、基板４２への分子線の照射の有無を制御している。
また、超高真空チャンバ４１には、堆積させるバッファー層３及び有機薄膜４の膜厚を測定するための膜厚測定手段４８が配設されている。この膜厚測定手段４８は、堆積させる層の膜厚を分子層単位で制御するために、分解層単位の分解能を備えていればよく、水晶振動子膜厚計や光反射による膜厚計などを用いることができる。
さらに、超高真空チャンバ４１には、基板への堆積膜厚など基板面内で変化さるためのマスク機構４９が備えられてよい。このマスク機構４９は、１回の成膜で、基板４２へ堆積させる薄膜の面内厚さを連続的に変化させることができる、所謂コンビナトリアルマスクが好適である。
上述した実施形態においては、本発明による有機薄膜を有する基板、それを用いたトランジスタ、有機薄膜を有する基板の製造方法について説明した。
上記有機薄膜を有する基板に、さらに、トランジスタ構造に必要なゲート絶縁膜や電極は、ゲート絶縁膜や電極層を各種の堆積方法で行い、さらにマスク工程などを用いることによりトランジスタを製造することができる。また、同一基板上に電界効果トランジスタから成る集積回路を製造することもできる。
【実施例１】
実施例１として、表面が［１１２０］面のサファイア基板２上に、ペンタセン薄膜を用いたバッファー層３とＣ６０薄膜４とを堆積した有機薄膜を有する基板１を製造した。
最初に、サファイヤ基板２を大気中において、１０００℃で３時間及び７５０℃で３時間のアニール処理を施し、原子レベルで平坦なステップテラス構造を有する表面とした。このサファイア基板２を５×１０−８Ｔｏｒｒよりも高い真空度にした分子線蒸着装置４０（図５参照）内に設置した。また、ルツボ４４Ａ及び４４Ｂの蒸着源としては、それぞれ、ペンタセン及びＣ６０を用いた。
次に、サファイア基板２の温度を室温とし、ルツボ４４Ａの温度を２００℃〜３００℃に設定し、ルツボ４４Ａ内のペンタセンを蒸発させて、１分子層（約１５Å）のペンタセンから成るバッファー層３をサファイア基板２上に堆積した。このときのペンタセン薄膜４の成膜速度は、３〜４Å／分であった。次に、サファイア基板２の温度を１５０℃に設定した後、ルツボ４４Ｂの温度を３００℃〜４００℃に設定し、ルツボ４４Ｂ内のＣ６０を蒸発させて、膜厚約１５０Å（約２０分子層）のＣ６０薄膜４をバッファー層３上に堆積した。このときのＣ６０薄膜４の成膜速度は５Å／分であった。
上記有機薄膜を有する基板１の表面を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて観察した。図６は、実施例１の有機薄膜を有する基板１のＣ６０表面を原子間力顕微鏡で観察した写真である。ここで、観察範囲は１μｍ×１μｍである。図から明らかなように、後述するバッファー層３のない比較例においては多数の結晶粒界が観察されるのに対して、実施例１のＣ６０薄膜４においては結晶粒径が著しく増大し、さらに、ファセット面が観察され、２次元成長が得られていることが分かった。そして、実施例１の基板１は、その平坦性及び結晶性が高く、電界効果トランジスタなどのデバイス化ができた。
ここで、上記有機薄膜を有する基板１の各格子定数について説明する。
サファイア基板２は六方晶系であり、その格子定数は、ａ＝４．７６５Å，ｃ＝１３．００１Åである（文献５：信光社カタログ、２００２年、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｈｉｎｋｏｓｈａ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｒｕｔｉｌｅ／ｎｍ０４．ｈｔｍｌを参照）。また、バッファー層３のペンタセンは三斜晶系であり、その薄膜の格子定数はバルクとは異なり、ａ＝６．１１Å，ｂ＝７．６１Å，ｃ＝１５．３３Åである（文献６：Ｊ．Ｓ．Ｗｕ他１名″Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  ｐｅｎｔａｃｅｎｅ″２００４年  Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｃｒｙｓｔ．，Ｖｏｌ．３７，ｐ．７８参照）。さらに、実施例１のＣ６０薄膜４は六方晶系であり、その格子定数は実測したところ、ａ＝１０．０８Å，ｃ＝１６．３１Åであった。また、Ｃ６０薄膜の格子定数は、例えば、ａ＝１０．０２Å，ｃ＝１６．３６Åと報告されている（文献７：「化学」化学同人社発行、１９９１年１２月、Ｖｏｌ．４６，ｐ．８５７を参照）。
【実施例２】
Ｃ６０薄膜４をコンビナトリアルマスクにより、その膜厚を面内で変化させた以外は、実施例１と同様にして基板１を製造した。ペンタセン薄膜のバッファー層３の厚みは１分子層であり、Ｃ６０薄膜４の膜厚は面内で、ほぼ０〜５００Åの厚み傾斜分布が得られた。
図７（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ実施例２の有機薄膜を有する基板１のＸ線回折結果及びＲＨＥＥＤ像を示す図である。図７（Ａ）の横軸は角度２θ（度）を示し、縦軸は回折Ｘ線強度（任意目盛り）を示している。ここで、Ｃ６０薄膜４の膜厚は５００Åである。図から明らかなように、各回折面からの強度の強い回折が得られた（図６の（００２）面など参照）。同様に、図７（Ｂ）に示すＲＨＥＥＤ像からも明瞭な電子線回折像（白い線状部分）が得られた。これによりＣ６０薄膜４の結晶品質が優れていることが分かった。
実施例２で得られた有機薄膜４において、Ｃ６０の膜厚が異なる種々の有機薄膜４の結晶粒径及び移動度を測定した。その結果、Ｃ６０薄膜４の結晶粒径が大きくなるにつれて、移動度が増大することが分かった。
【実施例３】
Ｃ６０薄膜４をチャネルとする電界効果トランジスタ３０を製造した（図４参照）。平坦化したサファイア基板２上に、真空蒸着法を用いてゲート電極２２となるアルミニウムを２００〜４００Å蒸着し、引き続き、ＲＦマグネトロンスパッタ法によりゲート絶縁膜２１となる酸化アルミニウムを約２０００Å堆積した。次に、実施例１と同様の方法で、酸化アルミニウムから成るゲート絶縁膜２１上に、１分子層から３分子層程度のフッ素化ペンタセンバッファー層３と約５００ÅのＣ６０薄膜４とを順次堆積した。堆積には、クヌーセンセルを有する分子線蒸着装置４０を使用した。次に、ソース電極２３及びドレイン電極２４として、マグネシウム（Ｍｇ）を、パルスレーザー堆積法を用いて堆積した。この際、メタルシャドーマスクを用いて素子形成を行った。最後に、素子最上層に保護膜２６となるアルミナ薄膜を約５０００Å堆積し、実施例３のｎ型電界効果トランジスタ３０を製造した。
この実施例３のｎ型電界効果トランジスタのチャネルの電界移動度は、０．０１〜０．１ｃｍ２・Ｖ−１・ｓ−１であった。
図８は、実施例３のｎ型電界効果トランジスタのゲート電圧とドレイン電流（Ｖｇ−Ｉｄ）特性を示す図である。図において、横軸はゲート電圧（Ｖ）、縦軸はドレイン電流（Ａ）を示している。ドレイン電圧は６０Ｖである。
図から明らかなように、ゲート電極２２に対して、約−２０〜６０Ｖのゲート電圧Ｖｇを印加すると、Ｖｇ＞２０Ｖでは、Ｖｇの変化に対応して、ドレイン電流Ｉｄが変化していることが確認でき、所謂エンハンスメント型のＩＶ特性が得られた。
比較例
比較例として、実施例１においてバッファー層３を挿入しない基板、即ちサファイア基板２上に直接Ｃ６０薄膜４を設けた有機薄膜を有する基板を、実施例１と同様に製造した。Ｃ６０薄膜の厚さは、約１５０Åであった。
図９は、比較例のＣ６０表面を原子間力顕微鏡で観察した写真である。ここで、観察範囲は１μｍ×１μｍである。図から明らかなように、多数の結晶粒界が観察され、２次元成長ではなく従来の３次元成長であることが分かる。この比較例は、非常に深い結晶粒界が存在し、その後で、電界効果トランジスタなどのデバイス化が困難であった。
また、図１０（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ比較例の有機薄膜を有する基板のＸ線回折結果及びＲＨＥＥＤ像を示す図である。図１０（Ａ）の横軸は角度２θ（度）を示し、縦軸は回折Ｘ線強度（任意目盛り）を示している。ここで、Ｃ６０薄膜の膜厚は５００Åである。図から明らかなように、殆どＸ線回折が得られなかった。また、図１０（Ｂ）のＲＨＥＥＤ像においても、明瞭な電子線回折像が得られなかった。これにより比較例のＣ６０薄膜の結晶性が悪いことが分かった。
次に、実施例２及び比較例のＣ６０薄膜の紫外可視吸収スペクトルについて対比した。
図１１は、実施例２及び比較例のＣ６０薄膜の紫外可視吸収スペクトルを示す図である。図の縦軸は吸光度（任意目盛り）を示し、横軸は波長（ｎｍ）を示している。ここで、実施例２及び比較例のＣ６０薄膜の膜厚は何れも５００Åである。図から明らかなように、比較例に対して実施例２では強度の強い明暸な吸収が生じた。特に、実施例２では２２０ｎｍの吸収ピークが観測されるのに対して、比較例では観測されなかった。これにより、実施例２のＣ６０薄膜４の結晶品質が高いことが明らかになった。
【実施例４】
実施例４として、有機薄膜をルブレンとした以外は、実施例１と同じ方法で、［１１２０］面のサファイア基板２上に、ペンタセン薄膜を用いたバッファー層３とルブレン薄膜４とを堆積した基板１を製造した。原子レベルで平坦なステップテラス構造を有する表面処理を施したサファイア基板２を１×１０−９Ｔｏｒｒ（約１×１０−７Ｐａ）の真空度にした分子線蒸着装置４内に設置した。また、ルツボ４４Ａ及び４４Ｂの蒸着源としては、それぞれ、ペンタセン及びルブレンを用いた。
次に、ペンタセンを蒸発させて、コンビナトリアル法によりその膜厚を０〜１分子層（約１５Å）の膜厚分布となるように、ペンタセンから成るバッファー層３をサファイア基板２上に堆積した。このときのペンタセン薄膜３の成膜速度は、３〜４Å／分であった。次に、サファイア基板２の温度を室温又は１００℃に設定した後、ルツボ４４Ｂの温度を３００℃〜４００℃に設定し、ルツボ４４Ｂ内のルブレンを蒸発させて、平均膜厚として、約２３０Å（約９分子層）のルブレン薄膜４をバッファー層３上に堆積した。このときのルブレン薄膜４の成膜速度は、６〜１８Å（０．６〜１．８ｎｍ）／分であった。
図１２（Ａ）は実施例４の有機薄膜を有する基板１の模式的な斜視図、（Ｂ）はルブレン薄膜４の原子間力顕微鏡像を示す図である。図１２（Ａ）に示すように、ペンタセンバッファー層３は、左側より右側に行くにしたがって厚さが厚くなり、右端側（ｄ）の厚さが１分子層となっている。原子間力顕微鏡による測定は、図１２（Ａ）の（ａ）〜（ｄ）の領域で行い、観察範囲は５μｍ×５μｍである。その結果を、それぞれ図１２（Ｂ）の（ｉ）〜（ｉｖ）に示している。
図１２（Ｂ）から明らかなように、（ｉ）〜（ｉｖ）とペンタセンバッファー層３が厚くなると共に、ルブレンの成長様式が大きく変化することが分かった。図１２（Ｂ）（ｉｖ）に示すように、基板２がペンタセンのバッファー層３により、その厚さが１分子層で覆われることによって、ルブレン薄膜４の結晶粒径が著しく増大し、平坦性が著しく増大しファセット面が観察され、２次元成長が得られていることが分かった。
図１３は、実施例４の有機薄膜を有する基板１のＸ線回折結果を示す図であり、（Ａ）がバッファー層がない場合、（Ｂ）及び（Ｃ）が、１分子層のペンタセンバッファー層３を挿入した場合で、基板温度が、それぞれ、室温及び１００℃の場合を示している。図の横軸は角度２θ（度）を示し、縦軸は回折Ｘ線強度（任意目盛り）を示している。ここで、ルブレン薄膜４の膜厚は、５０ｎｍ（５００Å）である。
図から明らかなように、１分子層のペンタセンバッファー層３を挿入した場合には、各回折面からの強度の強い回折が得られた（図１３の黒丸（●）参照）。これに対して、バッファー層がない場合にはルブレンからの回折は観測されず、基板２からの回折しか観測されなかった。
図１４は、実施例４の１分子層のペンタセンバッファー層３上のルブレン薄膜４において、（Ａ）が表面の原子間力顕微鏡像を示す写真である、（Ｂ）が表面の高さ分布を示す図である。ここで、観察範囲は２μｍ×２μｍである。図１４（Ｂ）において、縦軸は厚さ（ｎｍ）を示し、横軸は距離（ｎｍ）を示している。
図１４（Ａ）から明らかなように、実施例４のルブレン薄膜４においては結晶粒径が０．１〜０．５μｍと著しく増大し、２次元成長が得られていることが分かった。そして、その断面の形状測定からは、ステップが約１．３ｎｍであることが分かり、ルブレン薄膜４がｃ軸方向に配向していることが判明した。
以上のことから、サファイア基板２上に１分子層のペンタセンバッファー層３を設け、その表面に結晶性のあるルブレン薄膜４を形成することができた。さらに、このルブレン薄膜４は平坦性及び結晶性が高く、電界効果トランジスタなどのデバイス化ができた。
【実施例５】
実施例５として、ｐ型ルブレン薄膜４をチャネルとする電界効果トランジスタ３０を製造した（図４参照）。この電界効果トランジスタ３０は、ゲート電極２２を膜厚３０ｎｍのＡｌとし、ゲート絶縁膜２１を３００ｎｍの酸化アルミニウムとし、さらに、ソース電極２３及びドレイン電極２４として、膜厚１０ｎｍのＮｉと３０ｎｍのＡｕを順に堆積した以外は、実施例３と同様にして製造した。
具体的には、実施例３と同じ表面処理を施したサファイア基板２２上に、ゲート電極２２及びゲート絶縁膜２１を形成した後に、２ｎｍのペンタセンバッファー層３を堆積し、チャンネルとなる膜厚５０ｎｍのルブレン薄膜４を成長した。この表面にソース電極２３及びドレイン電極２４を形成し、最後に、素子最上層に保護膜２６となるアルミナ薄膜を堆積し、実施例５の電界効果トランジスタ３０を製造した。
この実施例５の電界効果トランジスタのチャネルの電界移動度は、０．０５ｃｍ２・Ｖ−１・ｓ−１であった。
図１５は実施例５の電界効果トランジスタのゲート電圧とドレイン電流（Ｖｇ−Ｉｄ）特性を示す図である。図において、横軸はゲート電圧（Ｖ）、縦軸はドレイン電流（Ａ）を示している。図において、ドレイン電圧は７０Ｖである。
図から明らかなように、ゲート電極２２に対して、約−７０〜７０Ｖのゲート電圧Ｖｇを印加すると、Ｖｇ＜４０Ｖでは、Ｖｇの低下に対応して、ドレイン電流Ｉｄが増大するＩＶ特性が得られた。
本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば、上記実施の形態で説明したトランジスタは電界効果トランジスタに限らず、他のトランジスタにも適用し得ることは勿論である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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