(57)【要約】【課題】ソース電極からのホール注入、及び、ドレイン電極からの電子注入の双方に適した構造を容易に得ることができ、かつ、製造プロセスも簡単な有機電界効果トランジスタを提供する。【解決手段】有機電界効果トランジスタは、基板上のドレイン電極１３と、基板上にドレイン電極１３と接触して設けられた、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層１４と、チャネル層１４上にチャネル層１４と接触して設けられたソース電極１５とを有する。ソース電極１５とチャネル層１４との界面のうちのチャネル層１４に形成されるチャネル１６と接触する部分の少なくとも一部とアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度を、ドレイン電極１３とチャネル層１４との界面のうちのチャネル１６と接触する部分の少なくとも一部とアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度より大きくする。【選択図】図１
2009088377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられたドレイン電極と、
上記基板上に上記ドレイン電極と接触して設けられた、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層上に上記チャネル層と接触して設けられたソース電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる
ことを特徴とする有機電界効果トランジスタ。
【請求項２】
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度が、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度より大きいことを特徴とする請求項１記載の有機電界効果トランジスタ。
【請求項３】
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度がほぼ９０°、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度がほぼ０°であることを特徴とする請求項１記載の有機電界効果トランジスタ。
【請求項４】
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記基板とが互いにほぼ平行、かつ、上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部における上記アセンカルコゲン系分子を構成する水素原子の面密度がほぼ最大であり、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記基板とが互いにほぼ垂直、かつ、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部における上記アセンカルコゲン系分子を構成する水素原子の面密度がほぼ最小であることを特徴とする請求項１記載の有機電界効果トランジスタ。
【請求項５】
上記アセンカルコゲン系分子はヘキサチオペンタセンまたはテトラチオテトラセンであることを特徴とする請求項１記載の有機電界効果トランジスタ。
【請求項６】
上記ソース電極及び上記ドレイン電極は互いに同一の種類の金属からなることを特徴とする請求項１記載の有機電界効果トランジスタ。
【請求項７】
上記基板がゲート電極を有することを特徴とする請求項１記載の有機電界効果トランジスタ。
【請求項８】
上記ゲート電極と上記チャネル層との間にゲート絶縁膜を有することを特徴とする請求項７記載の有機電界効果トランジスタ。
【請求項９】
基板上にドレイン電極を形成する工程と、
上記基板上に上記ドレイン電極と接触して、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層を形成する工程と、
上記チャネル層上に上記チャネル層と接触してソース電極を形成する工程とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なるようにする
ことを特徴とする有機電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
基板上に設けられたドレイン電極と、
上記基板上に上記ドレイン電極と接触して設けられた、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層上に上記チャネル層と接触して設けられたソース電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる有機電界効果トランジスタを少なくとも一つ有する
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層と接触して設けられたソース電極及びドレイン電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる
ことを特徴とする有機電界効果トランジスタ。
【請求項１２】
少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層と接触して設けられたソース電極及びドレイン電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる有機電界効果トランジスタを少なくとも一つ有する
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
基板上に設けられたドレイン電極と、
上記基板上に上記ドレイン電極と接触して設けられた、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層上に上記チャネル層と接触して設けられたソース電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる有機電界効果トランジスタを少なくとも一つ用いた
ことを特徴とする電子機器。
【請求項１４】
少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層と接触して設けられたソース電極及びドレイン電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる有機電界効果トランジスタを少なくとも一つ用いた
ことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、有機電界効果トランジスタ、有機電界効果トランジスタの製造方法、半導体装置及び電子機器に関し、特に、ambipolar （同時両極性）有機電界効果トランジスタ及びこれを用いた各種の電子機器に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
ambipolar有機電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は、有機材料からなるチャネル層へ電子とホールとを同時に注入可能であることを特徴とするデバイスであり、それらの注入された電子とホールとがチャネル層内で再結合することによる発光、及び、本来のＦＥＴとしてのスイッチ機能を併せ持つ新規多機能デバイスとして期待されている（例えば、非特許文献１、２参照。）。従来の一般的な ambipolar有機ＦＥＴは、ソース電極及びドレイン電極ともに同じ金属を用い、ソース電極及びドレイン電極とチャネル層との接合部も同じ構造であった。そのため、ソース電極からのホール注入、及び、ドレイン電極からの電子注入の双方に適したデバイス構造になっておらず、デバイスの性能を悪化させる要因となっている。これを改善するために、ソース電極、ドレイン電極のそれぞれに互いに仕事関数の異なる金属を用い、ホール注入と電子注入とのバランスを改善するという方法が検討されている。
【０００３】
【非特許文献１】E. J. Meijer et al., Nature Mater. 2, 678 (2003)
【非特許文献２】坂上、藤原、山田、多田、分子構造総合討論会２００４講演要旨集 1A10
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の方法は、ソース電極、ドレイン電極のそれぞれに互いに異なる種類の金属を用いるというデバイスプロセス上の煩雑さに加えて、金属の種類を変えることによるソース電極及びドレイン電極の仕事関数の調整量にも限界があるため、その改善効果も限定的であった。
【０００５】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、 ambipolar有機電界効果トランジスタにおいて、ソース電極からのホール注入、及び、ドレイン電極からの電子注入の双方に適した構造を容易に得ることができ、かつ、製造プロセスも簡単な有機電界効果トランジスタ及びその製造方法並びにこの有機電界効果トランジスタを有する半導体装置を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記の優れた有機電界効果トランジスタを用いた高性能の電子機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、従来技術が有する上記の課題を解決すべく鋭意検討を行った。以下その概要について説明する。
一般的なボトムコンタクトによるambipolar 有機ＦＥＴの構造を図１１に示す。図１１に示すように、このambipolar 有機ＦＥＴにおいては、ゲート電極１０１上にゲート絶縁膜１０２が設けられ、その上にソース電極１０３及びドレイン電極１０４が設けられ、これらのソース電極１０３及びドレイン電極１０４を覆うように有機材料からなるチャネル層１０５が設けられている。このデバイス構造において、ソース電極１０３及びドレイン電極１０４に同種の金属を用いた場合のエネルギーダイアグラムは図１２Ａ（接合前）及び図１２Ｂ（接合後電圧印加）に示すようになる。ソース電極１０３及びドレイン電極１０４を構成する金属のフェルミ準位（ＥF ）がチャネル層１０５を構成する有機材料のＨＯＭＯ（最高被占軌道）−ＬＵＭＯ（最低空軌道）エネルギーギャップの中央付近にあると仮定すると、図１２Ｂに示すように、ソース電極１０３からのホール注入、及び、ドレイン電極１０４からの電子注入時にソース電極１０３とチャネル層１０５との界面及びドレイン電極１０４とチャネル層１０５との界面にそれぞれＩh 及びＩe で表される注入障壁が存在するため、チャネル層１０５へのホール及び電子の注入が阻害され、デバイスの性能を著しく悪化させる。このデバイス構造において、ソース電極１０３及びドレイン電極１０４の材料に仕事関数がより大きな金属を用いれば、Ｉh は低下させることができるが、逆にＩe は増大するため、 ambipolar有機ＦＥＴに要求される電子とホールとの同時注入という条件を満たせず、デバイスとしての特性の改善は期待できない。そのため、このような ambipolar有機ＦＥＴにおいてチャネル層１０５へのホール及び電子の双方の注入を促進するためには、ソース電極１０３及びドレイン電極１０４の材料に、互いに仕事関数の異なる金属を用いる方法しか対策がないのが現状である。
【０００７】
本発明者は、このような状況の下で鋭意研究を行った結果、チャネル層を構成する有機材料として、ヘキサチオペンタセンなどの、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子を用い、しかも、ソース電極とチャネル層との界面のうちのチャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部とチャネル層を構成するアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度を、ドレイン電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部とアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度より大きくすることにより、 ambipolar有機ＦＥＴにおいて、ソース電極及びドレイン電極の材料に互いに仕事関数の異なる金属を用いないでも、チャネル層へのホール及び電子の双方の注入を最適化することができることを見出し、この知見に基づいてさらに検討を行った結果、この発明を案出するに至った。
【０００８】
すなわち、上記課題を解決するために、第１の発明は、
基板上に設けられたドレイン電極と、
上記基板上に上記ドレイン電極と接触して設けられた、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層上に上記チャネル層と接触して設けられたソース電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる
ことを特徴とする有機電界効果トランジスタである。
【０００９】
第２の発明は、
基板上にドレイン電極を形成する工程と、
上記基板上に上記ドレイン電極と接触して、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層を形成する工程と、
上記チャネル層上に上記チャネル層と接触してソース電極を形成する工程とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なるようにする
ことを特徴とする有機電界効果トランジスタの製造方法である。
【００１０】
第１及び第２の発明において、チャネル層の材料として用いられる、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子は特に限定されないが、具体的には、例えば、ヘキサチオペンタセン（ＨＴＰ）、テトラチオテトラセン（ＴＴＴ）、ヘキサチオアントラセン（ＨＴＡ）、テトラセレノテトラセン（ＴＳｅＴ）、テトラテルルテトラセン（ＴＴｅＴ）などである。このアセンカルコゲン系分子の長軸は、典型的には、ゲート絶縁膜あるいは基板に対してほぼ垂直に配向させるが、必ずしもこれに限定されない。ソース電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部、好適には全部とアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度は、典型的には、ドレイン電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部、好適には全部とアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度より大きく選ばれるが、これに限定されず、ソース電極及びドレイン電極の材料に用いる金属の種類などによっては逆の場合もあり得る。具体例を挙げると、ソース電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部とアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度がほぼ９０°、ドレイン電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部とアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度がほぼ０°である。あるいは、ソース電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部と基板とが互いにほぼ平行、ドレイン電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部と基板とが互いにほぼ垂直である。この場合、ソース電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部におけるアセンカルコゲン系分子を構成する水素原子の面密度がほぼ最大、ドレイン電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部におけるアセンカルコゲン系分子を構成する水素原子の面密度がほぼ最小である。ソース電極及びドレイン電極の材料としては、プロセスの簡略化の観点からは、好適には、互いに同一の種類の金属が用いられるが、必ずしもこれに限定されない。また、ゲート電極をチャネル層の両面（上面及び下面）のいずれの側に設けるかは、必要に応じて決められる。いわゆるボトムゲート型の有機電界効果トランジスタでは、基板がゲート電極を有し、特に絶縁ゲート型の有機電界効果トランジスタでは、ゲート電極とチャネル層との間にゲート絶縁膜が設けられるが、ＭＥＳ（金属−半導体）型の有機電界効果トランジスタでは、ゲート絶縁膜は設ける必要がない。いわゆるトップゲート型の有機電界効果トランジスタでは、チャネル層の基板と反対側の面上にゲート電極が設けられる。基板はトランジスタの支持基板を兼用するものであり、透明であっても不透明であってもよく、有機材料からなるものであっても無機材料からなるものであってもよい。場合によっては、基板自身がゲート電極あるいはゲート電極及びゲート絶縁膜からなるものであってもよい。
【００１１】
第３の発明は、
基板上に設けられたドレイン電極と、
上記基板上に上記ドレイン電極と接触して設けられた、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層上に上記チャネル層と接触して設けられたソース電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる有機電界効果トランジスタを少なくとも一つ有する
ことを特徴とする半導体装置である。
この半導体装置は、例えば、上記の有機電界効果トランジスタを同一の基板上に二次元アレイ状に複数配置した半導体集積回路であるが、これに限定されず、各種の用途及び機能を有する各種の半導体装置を含む。
【００１２】
第４の発明は、
少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層と接触して設けられたソース電極及びドレイン電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる
ことを特徴とする有機電界効果トランジスタである。
第４の発明においては、第１及び第２の発明に関連して説明したことが成立する。
【００１３】
第５の発明は、
少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層と接触して設けられたソース電極及びドレイン電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる有機電界効果トランジスタを少なくとも一つ有する
ことを特徴とする半導体装置である。
第５の発明においては、第１〜第３の発明に関連して説明したことが成立する。
【００１４】
第６の発明は、
基板上に設けられたドレイン電極と、
上記基板上に上記ドレイン電極と接触して設けられた、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層上に上記チャネル層と接触して設けられたソース電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる有機電界効果トランジスタを少なくとも一つ用いた
ことを特徴とする電子機器である。
【００１５】
第７の発明は、
少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層と接触して設けられたソース電極及びドレイン電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる有機電界効果トランジスタを少なくとも一つ用いた
ことを特徴とする電子機器である。
【００１６】
第６及び第７の発明において、電子機器は基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含むが、具体例を挙げると、携帯電話、モバイル機器（携帯情報端末機（ＰＤＡ）など）、ロボット、パーソナルコンピュータ（デスクトップ型、ノート型の双方を含む）、ゲーム機器、カメラ一体型ＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）、車載機器、家庭電気製品、工業製品などである。また、電子機器は、有機電界効果トランジスタを二次元アレイ状に配置し、この二次元アレイ上に縦横に設けた配線の各交点の有機電界効果トランジスタを選択して発光を起こさせるようにした自発光型のディスプレイも含む。
第６及び第７の発明においては、第１及び第３の発明に関連して説明したことが成立する。
【００１７】
上述のように構成されたこの発明においては、例えば、ソース電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部とアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度を、ドレイン電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部とアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度より大きくすることにより、後に詳述するように、ソース電極及びドレイン電極に互いに異なる種類の金属を用いないでも、上記の部分のソース電極／チャネル層界面でのホールの注入障壁、及び、上記の部分のドレイン電極／チャネル層界面での電子の注入障壁を同時に低下させることができ、チャネル層へのホール及び電子の注入効率を改善することができる。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、ソース電極からのホール注入、及び、ドレイン電極からの電子注入の双方に適した構造を容易に得ることができ、かつ、ソース電極及びドレイン電極に互いに異なる種類の金属を用いないでも済むので製造プロセスも簡単な有機電界効果トランジスタを得ることができる。そして、この優れた有機電界効果トランジスタを発光機能及びスイッチ機能を有する素子に用いて高性能の各種の電子機器を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１はこの一実施形態による ambipolar有機ＦＥＴを示す。
図１に示すように、この ambipolar有機ＦＥＴにおいては、図示省略した基板上に設けられたゲート電極１１上にゲート絶縁膜１２が設けられ、その上にドレイン電極１３が設けられている。このドレイン電極１３の側面及び上面を覆うようにゲート絶縁膜１２上に少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層１４が設けられている。このチャネル層１４を構成するアセンカルコゲン系分子は、より具体的には、分子末端部が水素で終端された部分を持つπ共役系の平面構造を有し、かつ、製膜時にゲート絶縁膜１２（あるいは基板）に対して分子の長軸がほぼ垂直となるように配向する性質を有するものを用いる。このアセンカルコゲン系分子の配向の様子を図２に示す。図２に示すように、アセンカルコゲン系分子の末端の水素終端された部分がチャネル層１４の表面に露出している。チャネル層１４上の、ドレイン電極１３と異なる位置にソース電極１５が設けられている。すなわち、ソース電極１５はチャネル層１４に対してトップコンタクト構造で接合している。これに対し、ドレイン電極１３はチャネル層１４に対してボトムコンタクト構造で接合している。
【００２０】
この ambipolar有機ＦＥＴにおいては、ソース電極１５とチャネル層１４との界面のうちのチャネル層１４に形成されるチャネル１６（点描を付した領域）と接触する部分１７の少なくとも一部、好適には全部とチャネル層１４を構成するアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度θ1 と、ドレイン電極１３とチャネル層１４との界面のうちのチャネル１６と接触する部分１８の少なくとも一部、好適には全部とアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度θ2 とが互いに異なっており、典型的にはθ1 ＞θ2 である。この場合、ソース電極１５とチャネル層１４との界面のうちのチャネル１６と接触する部分１７はソース電極１５の下面とチャネル層１４との界面であり、ドレイン電極１３とチャネル層１４との界面のうちのチャネル１６と接触する部分１８はドレイン電極１３の、ソース電極１５側の側面とチャネル層１４との界面である。具体的には、例えばθ1 ≒９０°、θ2 ≒０°であり、この場合、ソース電極１５とチャネル層１４との界面のうちのチャネル１６と接触する部分１７は基板とほぼ平行、ドレイン電極１３とチャネル層１４との界面のうちのチャネル１６と接触する部分１８は基板に対してほぼ垂直である。また、この場合、ソース電極１５とチャネル層１４との界面のうちのチャネル１６と接触する部分１７の少なくとも一部におけるアセンカルコゲン系分子を構成する水素原子の面密度がほぼ最大、ドレイン電極１３とチャネル層１４との界面のうちのチャネル１６と接触する部分１８の少なくとも一部におけるアセンカルコゲン系分子を構成する水素原子の面密度がほぼ最小である（図２参照）。
【００２１】
チャネル層１４を構成するアセンカルコゲン系分子は、例えば、ＨＴＰ、ＴＴＴ、ＨＴＡ、ＴＳｅＴ、ＴＴｅＴなどであり、それらの化学構造をそれぞれ図３Ａ〜Ｅに示す。チャネル層１４の厚さは適宜選ばれるが、一般的には例えば１００ｎｍ程度である。ゲート電極１１の材料としては例えばＡｕなどが用いられる。ゲート電極１１は、必要に応じてＴｉなどからなる密着層を介して基板上に形成してもよい。ゲート絶縁膜１２の材料としては例えばＳｉＯ2 膜が用いられる。また、ソース電極１５及びドレイン電極１３の材料としては例えばＡｕが用いられる。ドレイン電極１３は、必要に応じてＴｉなどからなる密着層を介してゲート絶縁膜１２上に形成してもよい。同様に、ソース電極１５は、必要に応じてＴｉなどからなる密着層を介してチャネル層１４上に形成してもよい。基板としては、例えば、表面にＳｉＯ2 膜が形成されたガラス基板や各種のプラスチック基板（ＰＥＴなど）などが用いられる。
【００２２】
図４はチャネル層１４を構成するアセンカルコゲン系分子の分子構造の一例（ヘキサチオペンタセンの例）を示す。この分子周辺の静電ポテンシャル分布について考察するために多重極展開を行うと、これは中性分子であることから点電荷成分＝０、分子の対称性から双極子成分＝０となり、周辺電場の形成に最も影響のある最低次の項は４重極成分となる。表１はこの分子の４重極モーメントのテンソルの対角成分を第一原理電子状態計算により解析したものである。
【００２３】
【表１】
2009088377.tif 000003
【００２４】
表１の各軸方向は図４に示すように定義され、この場合非対角成分はゼロとなる。Ｚ方向のプラス成分は、分子末端のＣ−Ｈ結合の影響により分子中心部（図４中Ｏ点）から見て外向きの局所的な電気双極子または電気２重層が形成されたことによる。また、Ｘ方向成分はアセン骨格のπ電子雲の拡がり、Ｙ方向成分はカルコゲン原子（ヘキサチオペンタセンでは硫黄）の負電荷の影響によりそれぞれの４重極成分はマイナスとなっている。従って、４重極モーメントから分子近傍の電位分布を考察すると、Ｚ方向にのみプラス、それ以外のＸ方向及びＹ方向はマイナス側に変位することが容易に推測される。すなわち、分子末端の水素原子近傍がプラス側、カルコゲン原子及びπ電子雲の拡がる方向がマイナス側という性質があり、このことはヘキサチオペンタセン以外の他のアセンカルコゲン系分子についても同様な傾向を示すことが理論計算により確認されている。
【００２５】
上述のような特徴を持ったアセンカルコゲン系分子により構成されるチャネル層１４とソース電極１５及びドレイン電極１３との界面では、接合の形態によって異なる次のような現象が起こる。まず、チャネル層１４とソース電極１５との界面では、既に述べたように、チャネル層１４を構成するアセンカルコゲン系分子の分子末端のＣ−Ｈ結合の影響により、ＨＯＭＯ準位と真空準位とのエネルギー差を低下させる働きを持つ。一方、チャネル層１４とドレイン電極１３との界面では、π電子雲、及び、カルコゲン原子の負電荷の影響により、チャネル層１４とソース電極１５との界面の場合とは逆に、ＨＯＭＯ準位と真空準位とのエネルギー差を増大させる働きを持つ。そのような界面の状況下におけるこのデバイス構造のエネルギーダイヤグラムを図５Ａ（接合前）及び図５Ｂ（接合後電圧印加）に示す。ソース電極１５側は、電気２重層の影響により真空準位が低下するため、ソース電極１５のフェルミ準位を低エネルギー側にシフトさせる効果があるのに対して、ドレイン電極１３側は、ソース電極１５とは逆向きの電気２重層の影響によりドレイン電極１３のフェルミ準位を高エネルギー側へシフトするように作用する。従ってデバイス全体のエネルギーダイヤグラムは、ドレイン電極１３のフェルミ準位が、ソース電極１５のフェルミ準位に比べて高くなる。これは、既に述べたソース電極１５及びドレイン電極１３に互いに仕事関数の異なる金属を用いた場合と同様の効果であるが、この一実施形態においては、ソース電極１５及びドレイン電極１３の材料として一種類の金属を用いても実現可能である。また、ソース電極１５及びドレイン電極１３に用いる金属の種類の変更のみでは、チャネル層１４とソース電極１５及びドレイン電極１３との界面でのキャリヤ注入障壁の低下が十分でない場合に、このデバイス構造を併用することによりキャリヤ注入障壁をより一層低下させることができ、デバイス特性の更なる向上を図ることができる。
【００２６】
次に、この ambipolar有機ＦＥＴの製造方法について説明する。
まず、例えば表面にＳｉＯ2 膜が形成されたガラス基板などの基板上にゲート電極１１を形成する。具体的には、基板上に、形成しようとするゲート電極１１に対応する部分に開口を有するレジストパターンをリソグラフィーにより形成した後、例えば真空蒸着法などにより全面にＡｕ膜を形成し、あるいはＴｉからなる密着層を用いる場合には全面にＴｉ膜及びＡｕ膜を順次形成する。次に、レジストパターンを除去することにより、このレジストパターン上に形成されたＡｕ膜あるいはＴｉ膜及びＡｕ膜を除去する（リフトオフ）。こうしてゲート電極１１が形成される。
【００２７】
次に、ゲート電極１１上に例えばスパッタリング法などによりＳｉＯ2 膜を形成し、ゲート絶縁膜１２を形成する。このゲート絶縁膜１２を形成する際に、ゲート電極１１の一部をハードマスクで覆うことによって、ゲート電極１１の取り出し部（図示せず）をリソグラフィープロセスを用いることなく形成することができる。
次に、ゲート絶縁膜１２上に、形成しようとするドレイン電極１３に対応する部分に開口を有するレジストパターンをリソグラフィーにより形成した後、例えば真空蒸着法などにより全面にＡｕ膜を形成し、あるいはＴｉからなる密着層を用いる場合には全面にＴｉ膜及びＡｕ膜を順次形成する。この後、レジストパターンを除去することにより、このレジストパターン上に形成されたＡｕ膜あるいはＴｉ膜及びＡｕ膜を除去する。こうしてドレイン電極１３が形成される。
【００２８】
次に、こうしてドレイン電極１３が形成されたゲート絶縁膜１２上に、例えば真空蒸着法などにより、アセンカルコゲン系分子からなるチャネル層１４を形成する。この際、このチャネル層１４を構成するアセンカルコゲン系分子の長軸がゲート絶縁膜１２に対して垂直に配向する（図２参照）。
次に、チャネル層１４上に、形成しようとするソース電極１５に対応する部分に開口を有するレジストパターンをリソグラフィーにより形成した後、例えば真空蒸着法などにより全面にＡｕ膜を形成し、あるいはＴｉからなる密着層を用いる場合には全面にＴｉ膜及びＡｕ膜を順次形成する。この後、レジストパターンを除去することにより、このレジストパターン上に形成されたＡｕ膜あるいはＴｉ膜及びＡｕ膜を除去する。こうしてソース電極１５が形成される。
以上の工程により、図１に示す目的とする ambipolar有機ＦＥＴが製造される。
【００２９】
実施例について説明する。
〈実施例１〉
チャネル層１４を構成するアセンカルコゲン系分子としてヘキサチオペンタセンを用いた。ヘキサチオペンタセンは、図４に示すように、ペンタセンの６つの水素原子が硫黄原子で置換された分子で、Ｘ線単結晶構造解析から図６及び図７（ｃ軸投影）に示すように各々の分子の長軸方向がほぼ平行となるように配列することが確認されており、更に、ＸＲＤ解析により分子の長軸が、基板に対してほぼ垂直（言い換えれば図中（１１０）面が基板と平行）となるように配向することが確認されている。
【００３０】
ヘキサチオペンタセンの面方位による真空準位シフトの解析結果について説明する。このヘキサチオペンタセンによりチャネル層１４を構成した場合、このチャネル層１４のソース電極１５との界面を形成する（１１０）面、及び、このチャネル層１４のドレイン電極１３の側面との界面となる（００１）面について、固体内部のＨＯＭＯ準位から見た各々の表面の真空準位の高さ（図５ＡのφT org 、φB org に相当）を第一原理電子状態計算により求め、本発明の効果の検証を行った。その結果を図８に示す。これは、各々の表面について、ヘキサチオペンタセン結晶内部から真空領域へ向けて静電ポテンシャルエネルギーの面平均値をプロットしたものである。いずれも固体のＨＯＭＯ準位を基準（０ｅＶ）に揃えてある。両者の表面近傍の真空準位を比較すると、水素で終端された（１１０）面に比べて、固体表面と分子面とがほぼ平行となる（００１）面の真空準位の方が高エネルギー側にシフトしていることが判る。このように、この一実施形態によるデバイス構造を用いることで、チャネル層１４とソース電極１５及びドレイン電極１３との界面のキャリヤ注入障壁をホール及び電子ともに有利となるよう制御することが可能であることが確認できた。
【００３１】
〈実施例２〉
チャネル層１４を構成するアセンカルコゲン系分子としてテトラチオテトラセンを用いた。テトラチオテトラセンは、テトラセンの４つの水素原子が硫黄原子で置換された分子で、Ｘ線単結晶構造解析から図９（ａ軸投影）に示すような結晶構造を有することが確認されており、更に、ＸＲＤ解析により（００１）面が基板と平行となるように配向することが確認されている。
【００３２】
このテトラチオテトラセンの面方位による真空準位シフトの解析結果について示す。このテトラチオテトラセンによりチャネル層１４を構成した場合、このチャネル層１４のソース電極１５との界面を形成する（００１）面、及び、このチャネル層１４のドレイン電極１３との界面となる（１００）面について、固体内部のＨＯＭＯ準位から見た各々の表面の真空準位の高さ（図５ＡのφT org 、φB org に相当）を第一原理電子状態計算により求め、本発明の効果の検証を行った。その結果を図１０に示す。これは、各々の表面について、テトラチオテトラセン結晶内部から真空領域へ向けて静電ポテンシャルエネルギーの面平均値をプロットしたものである。いずれも固体のＨＯＭＯ準位を基準（０ｅＶ）に揃えてある。両者の表面近傍の真空準位を比較すると、水素で終端された（００１）面に比べて、固体表面と分子面とがほぼ平行となる（１００）面の真空準位の方が高エネルギー側にシフトしていることが判る。この場合も、チャネル層１４とソース電極１５及びドレイン電極１３との界面のキャリヤ注入障壁をホール及び電子ともに有利となるよう制御することが可能である。
【００３３】
以上のように、この一実施形態による ambipolar有機ＦＥＴによれば、チャネル層１４に対する、ソース電極１５からのホール注入、及び、ドレイン電極１３からの電子注入の双方に適した構造を容易に得ることができ、ホール及び電子の注入効率の大幅な向上を図ることができ、ひいてはホール及び電子の再結合による発光を効率良く行うことができ、スイッチング速度の向上によりスイッチ機能の向上を図ることもでき、高性能の ambipolar有機ＦＥＴを得ることができる。しかも、ソース電極１５及びドレイン電極１３の材料に互いに同一の種類の金属を用いることができるため、製造プロセスも簡単である。
【００３４】
以上この発明の一実施形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態および実施例において挙げた数値、構成、配置、形状などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構成、配置、形状などを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明の一実施形態による ambipolar有機ＦＥＴを示す断面図である。
【図２】この発明の一実施形態による ambipolar有機ＦＥＴにおけるチャネル層を構成するアセンカルコゲン系分子を示す略線図である。
【図３】この発明の一実施形態による ambipolar有機ＦＥＴにおけるチャネル層を構成するアセンカルコゲン系分子の具体例を示す略線図である。
【図４】この発明の一実施形態による ambipolar有機ＦＥＴにおけるチャネル層を構成するアセンカルコゲン系分子の分子構造を示す略線図である。
【図５】アセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と電極金属との接合前及び接合後電圧を印加した状態におけるエネルギーダイヤグラムを示す略線図である。
【図６】ヘキサチオペンタセン結晶を示す略線図である。
【図７】ヘキサチオペンタセン結晶を示す略線図である。
【図８】ヘキサチオペンタセンの面方位による真空準位シフトの解析結果を示す略線図である。
【図９】テトラチオテトラセン結晶を示す略線図である。
【図１０】テトラチオテトラセンの面方位による真空準位シフトの解析結果を示す略線図である。
【図１１】一般的なボトムコンタクトによるambipolar 有機ＦＥＴを示す断面図である。
【図１２】図１１に示すambipolar 有機ＦＥＴにおいてチャネル層と電極金属との接合前及び接合後電圧を印加した状態におけるエネルギーダイヤグラムを示す略線図である。
【符号の説明】
【００３６】
１１…ゲート電極、１２…ゲート絶縁膜、１３…ドレイン電極、１４…チャネル層、１５…ソース電極、１６…チャネル
【図１】
2009088377.tif 000004
【図２】
2009088377.tif 000005
【図３】
2009088377.tif 000006
【図４】
2009088377.tif 000007
【図５】
2009088377.tif 000008
【図６】
2009088377.tif 000009
【図７】
2009088377.tif 000010
【図８】
2009088377.tif 000011
【図９】
2009088377.tif 000012
【図１０】
2009088377.tif 000013
【図１１】
2009088377.tif 000014
【図１２】
2009088377.tif 000015