(57)【要約】高速かつシンプルな構造のショットキーゲート有機電界効果トランジスタを提供する。ソース、チャネル、およびドレインが一つの有機導電材料によって構成され、かつソース、チャネルおよびドレインが有機導電体内において連続しており、前記有機導電体の一面に金属のゲートとして働くゲート電極が設けられ、該ゲート電極と前記有機導電体とのショットキー接合によりショットキー障壁が形成され、前記ショットキー接合と重なる範囲がチャネル領域であるショットキーゲート有機電界効果トランジスタ。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース、チャネル、およびドレインが一つの有機導電材料によって構成され、かつソース、チャネルおよびドレインが有機導電体内において連続しており、
前記有機導電体の一面に金属のゲートとして働くゲート電極が設けられ、該ゲート電極と前記有機導電体とのショットキー接合によりショットキー障壁が形成され、
前記ショットキー接合と重なる範囲がチャネル領域であるショットキーゲート有機電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記有機導電材料のキャリア密度が1018／cm3以上であることを特徴とする請求項１に記載のショットキーゲート有機電界効果トランジスタ。
【請求項３】
電界移動度が0.1 cm2/Vs以上である請求項１に記載のショットキーゲート有機電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記有機導電材料はポリ（3.4-エチレンジオキシチオフェン）であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のショットキーゲート有機電界効果トランジスタ。
【請求項５】
接合前の前記ゲート電極の接合面及び／又は接合前の前記チャネルの接合面の平均表面粗さＲａは、2.5 nm以下であることを特徴とする請求項４に記載のショットキーゲート有機電界効果トランジスタ。
【請求項６】
前記ソース領域には前記ゲート電極と同一の金属材料からなるソース電極が形成され、前記ドレイン領域には前記ゲート電極と同一の金属材料からなるドレイン電極が形成され、前記ソース電極と前記ドレイン電極とは、前記ゲート電極を夾んで形成され、かつそれぞれ重ならないように形成され、
前記有機導電材料はポリ（3.4-エチレンジオキシチオフェン）であり、
接合前の前記ソースの接合面及び／又は接合前の前記ソース電極の接合面の平均表面粗さＲａと、接合前の前記ドレインの接合面及び／又は接合前の前記ドレイン電極の接合面の平均表面粗さＲａは、いずれも3 nm以上であることを特徴とする請求項１に記載のショットキーゲート有機電界効果トランジスタ。
【請求項７】
少なくとも表面が絶縁性の一つの基板表面上に、ソース、チャネルおよびドレインとして働く部分が連続するような第１のパターンのネガパターンを溶媒に可溶な印刷材料により印刷し、
次に、少なくとも前記第１のパターンを覆うように有機導電材料を塗布した後、溶媒により洗浄し、
次に、ソース、ドレイン領域を覆うような第２のパターンを印刷し、その後、溶媒により前記基板を洗浄し、
次に、ソース領域にソース電極として働く領域、チャネル領域にゲート電極として働く領域、ドレイン領域にドレイン電極として働く領域を特定する第３のパターンのネガパターンを印刷し、少なくとも第３のパターンを覆うように金属材料を蒸着し、
その後、前記基板を洗浄し作成することを特徴とするショットキーゲート有機電界効果トランジスタ。
【請求項８】
少なくとも表面が絶縁性の一つの基板表面上に金属材料からなる金属のソース電極、ゲート電極及びドレイン電極をそれぞれ独立、かつソース電極とドレイン電極とがゲート電極を挟むように形成し、
前記ソース電極、およびドレイン電極を表面粗化し
前記ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極間が連続するように有機導電材料を塗布し作成することを特徴とするショットキーゲート有機電界効果トランジスタ。
【請求項９】
前記印刷はレーザープリンターで行うものであり、前記印刷材料はトナーである請求項７に記載のショットキーゲート有機電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
前記金属材料はアルミニウムである請求項７に記載のショットキーゲート有機電界効果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、ショットキーゲート有機電界効果トランジスタ、及びショットキーゲート有機電界効果トランジスタの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機材料を用いた有機電界効果トランジスタに関する文献としては、たとえば、H. E. Katz and Z. Bao, “The Physical Chemistry of Organic Field-Effect Transistors” J. Phys. Chem. 104, 671 (2000)、C. J. Drury, C. M. Mutsaers, C. M. Hart, M. Matters and D. M. de Leeuw, “Low-cost all-polymer integrated circuits” Appl. Phys. Lett., 73, 108 (1998)、H. Sirringhaus, N. Tesslerand R. H. Friend, “Integrated Optoelectronic Devices Based on Conjugated Polymers” Science, 280, 1741 (1998)などがある。【０００３】
これらの文献において紹介されている有機電界トランジスタは、シリコン等の無機半導体材料をその一部に使用しているか、または全有機型の素子であっても有機半導体材料を用いている。前者においては、従来のシリコン半導体製造プロセスをその一部に用いざるを得ないので有機電子素子およびその製造方法としての特徴を充分に生かしきれない、後者については動作電圧が比較的高いという課題があった。【０００４】
発明者は、これらの課題を解決する新たな構造の有機電界トランジスタを特許出願している。この新構造の有機電界トランジスタは、ソース、チャネルおよびドレインが一つの有機導電体材料によって構成され、かつソース、チャネルおよびドレインが有機導電体内において連続しており、上記有機導電体の一面に絶縁体を介してゲートとして働く導電体が設けられ、上記有機導電体の上記導電体と重なる範囲がチャネル領域になり、一つの基板上に上記有機導電体および上記導電体の一方が設けられている、有機電界効果トランジスタである（特許文献１）。【０００５】
かかる新構造の有機電界トランジスタは、軽量、柔軟かつ安価なプラスチックエレクトロニクスという新しい分野を拓く上で画期的な技術を提供するものである。しかし、望ましくは、よりシンプルな構造であり、製作プロセスがより簡便であり、かつ高速なスイッチングスピードを備えた有機電界効果トランジスタであることが望ましい。【０００６】
ショットキーゲート有機電界効果トランジスタは、ゲートとチャネルとの間に絶縁体を設けないため、通常の有機電界効果トランジスタよりも構造がシンプルである。【０００７】
従来、有機導電材料と金属材料とを接合し、ショットキー障壁をトランジスタのゲートとして形成したショットキーゲート有機電界効果トランジスタに関する文献としては、下記の報告がある（非特許文献１）。この文献では、すだれ状電極を有機導電性材料（Poly(3-alkythionphene)）上に形成し、ゲート電極に数ボルトを印加することにより、ノーマリー・オン型の有機電界効果トランジスタに関する技術を開示している。しかし、ここで報告されているトランジスタ特性は、同文献中のFig.2に示されるように、ソース、ドレイン間の電流（Isd）が数十nAと非常に小さいといった問題がある。【０００８】
有機トランジスタを簡便に作成する技術の一つとして、トランジスタ回路のパターンをプリンターにより印刷し作成する技術（ラインパターニング技術）がある。下記特許文献２はかかるラインパターニング技術を開示している。しかし、特許文献２が開示するラインパターニング技術をショットキーゲート有機電界効果トランジスタに適用するには改良すべき課題、例えばショットキー接合とオーミック接合とをラインパターニング技術によりどのように作成するか等について改良の余地がある。【０００９】
【非特許文献１】「Fabrication and Characteristics Gated Poly(3-alkythionphene) Field Effect Transistors」Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 4A, April, 1991
【特許文献１】特開2004-140333号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第2002／0083858号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明の課題は、高速かつ製造が容易な構造のショットキーゲート有機電界効果トランジスタを提供することを目的とする。【００１１】
また、本発明の他の課題は、上記ショットキーゲート有機電界効果トランジスタを市販のプリンターで簡便に作成する方法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】
【００１２】
この明細書において、電界効果という用語は、ゲート（またはゲートに相当する部分もしくは領域）に加えられる電圧により生じる電界によって、ソースとドレインとの間のチャネル（ゲートとドレインに相当する部分もしくは領域間の電流路）に流れる電流を制御する（電流路を形成する、または消滅させることを含む）という最も広い意味で用いられる。【００１３】
この発明は、導電体よりなるソースとドレインとの間にチャネルが設けられ、チャネルに流れる電流を制御する電圧を印加するゲートが金属であり、上記ソース、ドレイン、チャネルが有機導電体材料であり、上記チャネルの有機導電材料と上記金属との接合によりチャネル領域にショットキー障壁が形成されているショットキーゲート電界効果トランジスタであることを特徴とする。【００１４】
上記ソース、ドレイン、チャネルの有機導電材料のキャリア密度が1018／cm3以上であることは好適である。なお、キャリア密度の上限はドーパントの分子サイズにより異なり、またドープしたドーパントのキャリア発生寄与率により異なるが、概ねその限界は1023／cm3である。更に、このトランジスタを移動度から規定すると0.1 cm2／Vsから10 cm2／Vsである。【００１５】
チャネルはソースとドレインとの間に電流路が形成可能な形態で設けられていればよい。【００１６】
ソース、ドレイン、チャネルおよびゲートは、場合によっては、ソース領域またはソース部分、ドレイン領域またはドレイン部分、チャネル領域またはチャネル部分、およびゲート領域またはゲート部分とそれぞれ表現されることもある。【００１７】
有機導電体は、最も一般的には、有機半導体にドーパント（電子吸引性または電子供与性物質）をドープすることにより得られる（ドーパントをドープした有機半導体である）。有機半導体にはポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリフェニレン、ポリフラン、ポリセレノフェン、ポリテルロフェン、ポリイソチアナフテン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンビニレン、ポリチエニレンビニレン、ポリナフタレン、ポリアントラセン、ポリピレン、ポリアズレン、ポリフルオレン、ポリピリジン、ポリキノリン、ポリキノキサリン、ポリエチレンジオキシチオフェンおよびこれらの誘導体から選択された少なくとも１つが挙げられる。中でも、安定性や信頼性が高いポリエチレンジオキシチオフェンが好ましい。【００１８】
ドーパントには、ヨウ素、過塩素酸、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、四フッ化硼酸、五フッ化ヒ素、六フッ化リン酸、アルキルスルホン酸、パーフルオロアルキルスルホン酸、ポリアクリル酸、ポリスチレンスルホン酸などがある。これらの有機半導体とドーパントは任意に組み合わせることができる。ドーパントをドープすることにより、キャリア密度を制御することができる。【００１９】
有機導電体とは有機導電体層および有機導電体膜を含む。n型有機導電体、p型有機導電体のいずれであってもよい。チャネルをn型の有機導電体として調製するには、ドーパントとしてリチウム、ナトリウム、カリウム、セシウム、ルビジウムなどのアルカリ金属、テトラメチルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラブチルアンモニウムイオンなどのアンモニウムイオンが用いられる。【００２０】
一方、チャネルをp型の有機導電体として調製するには、ドーパントとして、例えば硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、ヨウ素、臭素、フッ化ヒ素、過塩素酸、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸、アルキルベンゼンスルホン酸、アルキルスルホン酸、パーフルオロスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリアクリル酸、メタクリル酸およびこれらの誘導体から選択された少なくとも１つが挙げられる。中でも、安定性と再現性に優れたポリスチレンスルホン酸が望ましい。【００２１】
ショットキー接合によりチャネル領域にショットキー障壁を形成するには、ゲートに使用する金属材料の仕事関数がn型有機導電体の仕事関数より大きいか、あるいはp型有機導電性の仕事関数より小さいことが要件となる。また、有機導電材料としてPEDOT/PSSを用いた場合には、チャネル領域とゲート電極との界面の平均表面粗さＲａが2.5 nm以下であることが好ましい。【００２２】
ゲートに使用する金属としては、アルミニウム、金、銀、カルシウム、セシウム、カリウム、ナトリウム、ルビジウム、銅、鉄、ニッケル、チタン、マグネシウム、スカンジウム、バナジウム、マンガン、コバルト、ルテニウム、カドミウム、インジウム、スカンジウム、タングステン、パラジウム、亜鉛、鉛、クロム、白金およびこれらの合金から選択された少なくとも一つが挙げられる。【００２３】
これらの金属を、真空蒸着や電解メッキ、無電解メッキ等の手法で、チャネルに相当する有機導電体材料の上に直接接触させることで、金属-有機導電体接合によるショットキー接合を形成させる。中でも、汎用性や素子作製時の容易さなどから、真空蒸着法により作製したアルミニウム薄膜がより好ましい。【００２４】
基板は有機材料、無機材料のいずれにより形成してもよいし、ショットキーゲート有機電界効果トランジスタの態様に応じて絶縁体または導電体（もしくは半導体）が用いられる。たとえば基板上に有機導電体を支持する場合には基板は絶縁体（または、少なくとも表面に絶縁層が形成されているもの）である。もっとも、導電性基板上に絶縁層を形成し、この絶縁層上に有機導電体層を設けることもできる。有機導電体そのものを基板として用いることもできる（有機導電体と基板との兼用）。この態様も、有機導電体を支持する基板、または基板上に有機導電体が設けられている規定に含まれる）。【００２５】
金属電極を基板上に支持し、その上に有機導電体を形成してもよい。最も一般的には、有機導電体および金属電極は、層状に、または膜状に形成され、これらが基板上に積層される。【００２６】
金属電極（ゲート）に電圧を印加しない状態において有機導電体のチャネルに電流が流れるもの（ノーマリー・オン）がこの発明のショットキーゲート有機電界トランジスタに最も一般的な特性である。しかし、ゲート電極に電圧を印加しない状態のおけるショットキー障壁の深さ（厚み）をチャネルの深さ（厚み）と同等以上にすることにより、電圧を印加しない状態において有機導電体のチャネルに電流が流れない（ノーマリー・オフ）ショットキーゲート有機電界トランジスタを作成することもできる。【００２７】
いずれにしても、ゲートに印加する電圧によってチャネルに流れる電流（導電率）を制御することができるので、この発明によるショットキーゲート有機電界トランジスタはスイッチング素子、増幅素子等として働く。【００２８】
このようにして、この発明によると、ソース、チャネルおよびドレインを一つの有機導電体により連続的に形成できるので、そして一つの基板上に有機導電体、金属電極が支持されているから、構造が簡素であり、その製造も容易である。  【００２９】
一実施態様ではこの発明によるショットキーゲート有機電界効果トランジスタは動作電圧が低く、ゲートとして働く導電体に印加する電圧が-5V〜5Vの範囲でスイッチング機能を示す。また、オン／オフ比が100以上を確保することができる。【００３０】
典型的には、特殊な形態を除けば、大別して２種類の製造方法がある。その第１は、基板上に、有機導電体層、金属電極層をこの順に積層する方法であり、第２は基板上に金属電極層、および有機導電体層をこの順に積層する方法である。【００３１】
第１の製造方法を具体的に規定すると、この製造方法は、一つの絶縁体基板上に、ソース、チャネルおよびドレインとして働く部分が連続するように有機導電体層を形成し、上記有機導電体層上に、少なくとも上記チャネルとして働く部分を覆うように（ソースおよびドレインとして働く部分の少なくとも一部を除いて）、ゲートとなる金属電極層を形成する。ソースとして働く部分、及びドレインとして働く部分に、ゲートとなる金属電極層と同一の金属により、ソース電極、ドレイン電極を形成する。有機導電材料としてポリ（3.4-エチレンジオキシチオフェン：PEDOT/PSS）を用いてゲート電極の接合面をショットキー接合とするには、チャネル領域の接合面の平均表面粗さ及び／又はゲート電極の接合面の平均表面粗さＲａを2.5 nm以下とすればよい。また、ソース領域の接合面の平均表面粗さ及び／又はソース電極の接合面を平均表面粗さ、ドレイン領域の接合面の平均表面粗さ及び／又はドレイン電極の接合面を平均表面粗さ、Ｒａを3 nm以上とすれば、接合面はそれぞれオーミック接合となる。【００３２】
上記製造方法をより具体的に説明すると、例えば、表面が絶縁性である一つの基板上に、溶媒に可溶な印刷材料により、ソース、チャネル及びドレインとして働く部分以外に印刷材料が印刷されるような第１のパターンを作成し印刷する。【００３３】
次に、有機導電性材料が溶解した溶液を少なくとも前記基板の前記第１のパターンが印刷された面全体に塗布し、前記基板を溶媒により洗浄し、印刷材料および不要な有機導電性材料（ソース、チャネル及びドレイン領域の有機導電性材料以外の材料）を剥離する。印刷材料の上に塗布された有機導電性材料は基板に付着しないので洗浄により容易に剥離する。【００３４】
次に、前記印刷材料により前記チャネル領域として働く領域以外の領域に前記印刷材料が印刷されるような第２のパターンを作成し、該パターンを印刷する。そして、前記基板を溶媒により洗浄することにより、前記印刷材料を剥離する。これにより、ソース、ドレイン領域の平均表面粗さＲａが3 nm以上となる。【００３５】
次に、ソース領域上にソース電極、チャネル領域上にゲートとして働くゲート電極、ドレイン領域上にドレイン電極を特定する第３のパターンのネガパターンを印刷し、少なくとも第３のパターンを覆うように金属材料を蒸着し、その後、前記基板を洗浄する。これにより、ソース領域上にソース電極、チャネル領域上にゲート電極、ドレイン領域上のドレイン電極が形成され、かつソース領域とソース電極との接合面、及びドレイン領域とドレイン電極との接合面はオーミック接合となる。また、チャネル領域とゲート電極との接合面はショットキー接合であるショットキーゲート電界効果トランジスタを作成することができる。【００３６】
即ち、有機導電体層のパターニング、ショットキー接合とするかオーミック接合とするかのパターニング、金属電極層のパターニングの少なくとも３回のパターニング・プロセスによりショットキーゲート有機電界効果トランジスタを製造することが可能である。【００３７】
第２の製造方法を具体的に説明すると、この製造方法は、少なくとも表面が絶縁性である一つの基板上に、ソース、ゲート、ドレインとして働く金属電極層をそれぞれが重ならないように形成する。ソース、チャネル、ドレインを形成する金属は同一の金属であってよく、金属はチャネル領域にショットキー接合を形成させるのに必要な仕事関数を持つ金属を選択すればよい。【００３８】
ソース、ゲート、ドレイン金属電極層を覆い、かつソース、チャネル、ドレインとして働く部分が連続するように金属電極層上に、PEDOT/PSSの塗布等により有機導電体層を形成する。ここで、ゲート電極の接合面をショットキー接合とするには、ゲート電極の接合面及び／又はチャネルの接合面の平均表面粗さＲａを2.5 nm以下とすればよい。ソース電極及びドレイン電極の接合面をオーミック接合面とするには、ソース電極の接合面及び／又はソース領域、ドレイン電極の接合面及び／又はドレイ領域の接合面のＲａを3 nm以上とすればよい。ドレイン電極についても同様にその界面の平均表面粗さＲａを3 nm以上とすればよい。【００３９】
上記第２の製造方法をより具体的に説明すると、表面が絶縁性である一つの基板上に、溶媒に可溶な印刷材料により、ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極として働く部分以外に印刷材料が印刷されるようなパターンを作成し印刷する。【００４０】
次に、パターンが印刷された面全体に金属を蒸着した後、基板を溶媒により洗浄し、ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極を形成する。次に、ソース電極及びドレイン電極の表面をプラズマ処理、又はエッチング処理により粗化する。有機導電材料としてPEDOT/PSSを用いる場合には、ソース電極、ドレイン電極の接合面の平均表面粗さを3 nm以上とし、ゲート電極の接合面の平均表面粗さを2.5 nm以下にすればよい。【００４１】
次に、有機導電性材料が溶解した溶液を、電極層が形成された面にソース、チャネル、ゲートとして働く領域が連続するように塗布する。以上により、チャネル領域上にはショットキー接合の電極が形成され、前記ソース領域上及び前記ドレイン領域上にはオーミック接合の電極が形成されたショットキーゲート有機電界効果トランジスタを製造することができる。【００４２】
上記印刷はレーザープリンターで行い、トナーが印刷材料であるのは好適である。また、上記金属材料がアルミニウムであるのは好ましい。  
【発明の効果】
【００４３】
この発明によれば、従来の金属-絶縁体-有機導電体接合からなる有機電界効果トランジスタと比べ、絶縁層が無いことから、構造が単純で、製造が容易である。このため、例えば市販のレーザープリンター等により簡単にショットキーゲート有機電界効果トランジスタを作成できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施例によるトップゲート型、ショットキー有機電界効果トランジスタの構造図である。
【図２】実施例によるボトムゲート型、ショットキー有機電界効果トランジスタの構造図である。
【図３】実施例によるショットキーゲート有機電界効果トランジスタの作成プロセスを示した図である。
【図４】ショットキーゲート有機電界効果トランジスタのドレイン電圧／電流特性を示すグラフである。
【図５】ゲート電圧が０Vの場合の実施例によるショットキーゲート有機トランジスタの動作原理を推測した図である。
【図６】ゲート電圧を正に印加して行った場合の実施例によるショットキーゲート有機トランジスタの動作原理を推測した図である。
【図７】ゲート電圧を負に印加して行った場合の実施例によるショットキーゲート有機トランジスタの動作原理を推測した図である。
【図８】平均表面粗さＲａと界面の接合状況との関係を示した図である。
【図９】キャリア密度（NA）のゲート電圧（VG）依存性を示した図である。
【図１０】キャリア移動度（μ）のゲート電圧依存性を次に示した図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０    基板
２０    有機導電体層
２１  ２１Ａ  ソース
２２  ２２Ａ  チャネル
２３  ２３Ａ  ドレイン
３０  ３０Ａ  ゲート・ゲート電極
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
図１（ａ）は、ショットキーゲート有機電界効果トランジスタのうち、トップゲート型（ゲートとした働く電極がチャネルの上にある）の構造を示したものである。少なくとも表面が絶縁性である基板１０上にソース２１、チャネル２２およびドレイン２３を作製する。ここで、ソース２１、チャネル２２およびドレイン２３が同一の有機導電体材料を使用しており、かつこれらは連続した構造となっている。ここで使用した基板１０は厚さが100 μmのPET（poly（ethyleneterephthalate ））フィルム、ソース２１、チャネル２２、ドレイン２３がポリスチレンスルホン酸をドープしたポリ（3.4-エチレンジオキシチオフェン）（poly（3.4-ethylenedioxythiophene）doped with poly （4-styrenesulfonate））（以下、PEDOT／PSSという。）（厚さ25〜40 nm）、である。【００４７】
チャネル２２の領域上にアルミのゲート電極３０を真空蒸着により形成する。電極３０はチャネル２２の領域上に帯状に形成されている。チャネル２２の幅は1 nm、長さは100 μm、高さは25〜40 nmである。図１（ｂ）はこのトランジスタの平面図を示したものである。【００４８】
この実施例においては、基板としてポリエチレンテレフタレート（PET、厚さ100 μm、ＯＨＰフィルム、十千万株式会社）を用いたが、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ナイロン６やナイロン６６などのポリアミド、ポリエチレンテレフタレートやポリエチレンナフタレートなどのポリエステル、ポリメタクリル酸メチルなどのアクリル樹脂、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ガラス、ＳｉＯ２など絶縁性の表面を有する金属や無機半導体などのうち、少なくとも１つが使用可能である。【００４９】
チャネル２２にはPEDOT／PSSを使用し、ソース、ドレインも同じPEDOT／PSSを使用しているが、ソース、ドレインに金属や異なる有機導電体を使用してもよく、本発明はこれに限定されるものではない。【００５０】
また、基板１０を用いたが、有機導電体であるPEDOT／PSSそのものを基板１０として使用してもよく、あるいはソース、チャネル、ドレイン層をそのまま基板として使用してもよい。この明細書でいう基板には、上記態様も、有機導電体を支持する基板、又は基板上に有機導電体が設けられているという規定に含まれる。【００５１】
図２（ａ）は、ショットキーゲート有機電界効果トランジスタのうち、ボトムゲート型の構造を示したものである。少なくとも表面が絶縁性である基板１０上にソース２１Ａ、ゲート電極３０Ａ及びドレイン２３Ａを作製する。ここで、ソース２１Ａ、チャネル２２Ａおよびドレイン２３ＡはPEDOT／PSSであり、蒸着法により形成されたアルミゲート電極３０Ａ上にチャネル２２Ａが形成されている。チャネル２２Ａの幅は1 mm、長さは約100 μmであり、ゲート電極３０Ａの幅は100 μm、長さは3 mm、高さは約100 nmである。図２（ｂ）はこのトランジスタの平面図を示したものである。【００５２】
図３は、レーザープリンターを用いて図１に示したトップゲート型のショットキーゲート有機電界効果トランジスタの作成プロセスを示したものである。基板１０は、ポリエチレンテレフタレート（PET）、厚さ100 μm、ＯＨＰフィルム、十千万株式会社）を用いた。【００５３】
パーソナルコンピュータ（iMac、 Apple Inc.）上で、描画ソフト（Illustrator、 Adobe Inc.）により、幅1 mm、長さ3 mmのソース、チャネル、ドレインを基板１０上に形成するため、図３（ｂ）のようなマスクをデザインし、市販のレーザープリンター（LBP-1310、 Canon Inc.，分解能1200 dpi）を用いてPET基板上に印刷した。図３（ｂ）上のハッチの部分がレーザープリンターのトナーが印刷された領域である。なお、レーザープリンターに替えて、事務用複写機でも使用可能であり、手書きの文字デザインを拡大・縮小することによってマスクを作成してもよい。【００５４】
ソース、チャネル、ドレインの有機導電体として、PEDOT/PSS（Baytron P，約1.3%水溶液、スタルク・ヴイテック株式会社）を用いた。ガラス製のパスツールピペット（IK-PAS-5P、 IWAKI Inc.）でPEDOT/PSS溶液を約0.1 ml取り、これを図３（ｃ）に示すソース、チャネル、ドレインのマスクが印刷されたPETフィルムの一端に滴下する。これをガラス製試験管（外径20 mm、長さ170 mm）でもう一端へのばすようにバーコーティングし、ヘアドライヤー（YD-L12、Yamada D.K.K）の熱風で約30秒間乾燥した。なお、有機導電体としてはPEDOT/PSSの他に、前出の有機半導体とドーパントの任意の組み合わせが利用可能である。【００５５】
次に、500 mlのビーカーにトルエン（一級、WAKO Inc.）を入れ、超音波洗浄機（EC-511、ツインバード工業株式会社）中に設置する。これにPEDOT/PSSをコートしたPETフィルムを浸し、約30秒間超音波洗浄することで、トナーおよびトナー上に付着したPEDOT/PSSを除去する。その際、超音波洗浄によりトナーが完全に抜けることと、PEDOT/PSSが剥離すること無く基板に付着している点が重要である。図３（ｄ）はかかる超音波洗浄によりトナー部分が剥離されるとともに、ソース、チャネル、ドレイン領域となる部分には、PEDOT/PSSが固着されている様子を示したものである。【００５６】
次に、幅100 μm、長さ10 mmのギャップを有するゲート用のマスクパターンを同様の方法でデザインし、上述の方法で作製したソース、チャネル、ドレイン上に印刷した。この様子を示したのが図３（ｅ）である。【００５７】
ここで、PEDOT/PSS中に残存している水などの溶媒を除去するために、真空中オーブンで１時間以上加熱する必要があるが、レーザープリンターによる２回目の印刷時に、プリンター中のヒートローラーを通過する際の熱により脱溶媒が起こる。この結果、真空オーブン用いた熱処理が不要となり、製造プロセスを簡略化することができる。これにより、発明者による従来の有機電界トランジスタの作製に比べ素子の作製時間を１００分の１以下に短縮することに成功した。【００５８】
このように、複数回レーザープリンターを使い素子の回路パターンを作成する手法（以下、マルチラインパターニングという。）は、有機導電体のみならず、絶縁体や金属などのパターン形成に応用可能であるとともに、それらを積層化できるという利点がある。【００５９】
次に、図３（ｅ）の示されるようにソース、ドレイン領域上のトナーを超音波洗浄により除去すると、図３（ｆ）に示すようにソース、ドレイン領域の表面は、平均表面粗さＲａが３ｎｍ以上となる。一方、チャネル領域の表面は平均表面粗さＲａが２．５ｎｍ以下となる。【００６０】
次に、ソース領域の一部であってチャネル領域と接する部分を全部含む領域、及び前記ドレイン領域の一部であって前記チャネル領域と接する部分を全部含む領域にトナーを印刷する。この様子を示したのが図３（ｇ）である。【００６１】
次に、真空蒸着装置（VPC-260、 ULVAC KIKO Inc.）を用い、ゲートのアルミニウムを製膜した（膜厚約100 nm）。この様子を示したのが図３（ｈ）である。これを、超音波洗浄機（EC-511、ツインバード工業株式会社）を用いて、トルエン中で超音波洗浄することにより、トナーおよびトナー上に付着したアルミニウムを除去した。この様子を示したのが図３（ｉ）である。【００６２】
図４は、このようにして得られたショットキーゲート有機トランジスタの電圧-電流特性を示したものである。図５から図７はこの実施例で作成したショットキーゲート有機トランジスタの動作原理を推測したものである。なお、ドーパントをドープしたショットキーゲート有機電界効果トランジスタ、及びその動作原理を説明した事例はこれまでない。【００６３】
電流-電圧特性の測定は、２台のピコアンメータ・ソース（6487、 KeithleyInstruments KK）をそれぞれ、ソース-ドレイン回路、ソース-ゲート回路に用い、シールドボックス内（HS-101、北斗電工株式会社）、室温大気圧中で行った。【００６４】
このショットキーゲート有機電界効果トランジスタは、電圧を印加しない場合（0V）であっても約4 μA流れる。また、ドレイン電流はドレイン電圧とともに増加する。
かかる特性を示すのは、図５（ａ）に示すように、PEDOT/PSSとアルミニウムを接触させると、アルミニウムの仕事関数とPEDOT/PSSの電子親和力の差に相当するショットキーバリア４０が形成されてはいるが、ソース、ドレイン間にPEDOT/PSSからなる導電チャネルが、ショットキー接合により形成された空乏層４０に比べ厚いためと考えられる。【００６５】
図４に示すとおり、ゲート電圧として2.0 V印加するとドレイン電流は約-0.07 μAとなる。ドレイン電圧の増大とともにドレイン電流がピンチオフするのは、ドレイン、ゲート間に逆バイアスが印加され、空乏層が広がるためである。図６（ａ）はその様子を示したものであり、図６（ｂ）は、逆バイアスに相当するゲート電圧印加により、p型有機導電体であるPEDOT/PSSのフェルミレベルが上昇し、電位障壁が高くなるために空乏層が広がり、ソース、ドレイン間のキャリア（ホール）の移動が妨げられ、この結果、ドレイン電流がピンチオフするとの推論を模式図で示したものである。【００６６】
これに対し、図４に示す通り、順バイアスに相当する負のゲート電圧を印加すると、ドレイン電流は増大し、-1Vで約-8μAの電流が流れる（ドレイン電圧-5V）。これは、図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、PEDOT/PSSのフェルミレベルが低下し、電位障壁が低くなるために空乏層４０が狭くなる。これにより、ソース、ドレイン間のキャリア（ホール）の移動が容易になり、ドレイン電流が増加すると考えられる。このように、正および負のゲート電圧印加により、それぞれディプリーション・エンハンスメント型応答を示すことがわかった。ドレイン電流のオン・オフ比はゲート電圧とともに増大し、100程度であった。【００６７】
（検討例１：界面の接合状況の検討）
図８は平均表面粗さＲａと界面の接合状況との関係を示した図である。基板としてポリエチレンテレフタレート（PET、厚さ100 μm、ＯＨＰフィルム、十千万株式会社）を用い、その基板上に有機導電体としてPEDOT／PSSを塗布し、その表面の平均表面粗さＲａが2.5 nm以下となるように処理し、その表面上に蒸着法によりアルミゲート電極を形成した。図８（ａ）に示す電圧、電流特性から、有機導電体とＡｌ電極との接合はショットキー接合であることが確認できた。【００６８】
図８（ｂ）は同様に基板と有機導電体を用い、有機導電体の表面の平均表面粗さＲａが3 nm以上となるように処理し、その表面上に蒸着法によりアルミゲート電極を形成したものである。図８（ｂ）に示す電圧、電流特性から、有機導電体とＡｌ電極との界面はオーミック接合であることが確認できた。【００６９】
（検討例２：電界移動度μ、キャリア密度の（NA）の検討）
実施例１で作成したトップゲート型のショットキーゲート有機電界効果トランジスタのソース、チャネル、ドレインのキャリア密度（NA）について検討した。アモルファス有機半導体をチャネルに用いた従来の有機電界効果トランジスタにおいて、電導度（σ）とキャリアの電界移動度（μ）との間には、式１の関係が成立することが知られている。【００７０】
【数１】
2005122233.tif 000002
【００７１】
即ち、電界移動度（μ）は電導度(σ)が10-7〜10-1 S/cmの幅広い電導度領域において，電導度(σ)に比例して増加する関係が成立することである。【００７２】
更に、電導度（σ）とドーパント密度（Nd）との間には、式２に示す関係が成立し、バルクの有機半導体の電導度（σ）、キャリア密度（NA）およびキャリア移動度（μ）の間には式３に示す関係が成立することが知られている。【００７３】
【数２】
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【００７４】
【数３】
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【００７５】
以上から、有機半導体の電導度（σ）および移動度（μ）とも、ドーパント密度（Nd）あるいはキャリア密度（NA）の増加とともに増加することになる。なお、加えたドーパントの約１％程度がキャリア発生に寄与しているものと考えられる（Synthetic Metals, 68, 65-70 (1994）。【００７６】
ショットキーゲート型電界効果トランジスタにおいて、飽和ドレイン電流（IDsat）とキャリア移動度（μ）およびゲート電圧（VG）の間には式４の関係があることから、キャリア移動度の増大が、電界効果トランジスタの大電流化、高速応答、低電圧駆動などの特性向上の要件になる。【００７７】
【数４】
2005122233.tif 000006
L:ゲート長、W:ゲート幅、d:チャネルの厚さ、εs:チャネル（有機半導体）の誘電率【００７８】
図９は、実施例１で作成したショットキーゲート有機電界効果トランジスタの電流電圧曲線（図４に示す特性曲線）におけるピンチオフ電圧（VP）を用い、式５より算出したキャリア密度（NA）のゲート電圧（VG）依存性を示した図である。ここで、qは電気素量（1.602 × 10-19C）、εsはチャネルの誘電率（3 × 8.854 × 10-14 F/cm）、dはチャネル厚さ（34 nm）である。【００７９】
【数５】
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【００８０】
図９に示す通り、NAはゲート電圧によらず1018 cm-3でほぼ一定であった。この値は，一般的なシリコン半導体（1015 cm-3）に比べ約1000倍高い値である。図１０はピンチオフ電流（IP）を用い，式６より算出したキャリア移動度（μ）のゲート電圧依存性を示した図である。ここで、qは電気素量（1.602 × 10-19 C）、εsはチャネルの誘電率（3 × 8.854 × 10-14 F/cm）、dはチャネル厚さ（34 nm）、Lはゲート長（1 mm）、Wはゲート幅（135 μm）である。【００８１】
【数６】
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【００８２】
図１０に示す通り、μはゲート電圧により多少幅はあるが、0.1〜1 cm2/Vsであった。この値は，図４においてPEDOT/PSSの電導度（σ = 3.5 S/cm）より予想される移動度（μ=1 cm2/Vs）とほぼ一致し、従来の高分子半導体（10-8〜10-2 cm2/Vs）に比べ10〜108倍大きい。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
この発明によるショットキーゲート有機電界トランジスタを例えば、ディスプレイの駆動回路に使用すれば、軽量かつ柔軟な全有機型ディスプレイを作成することができる。また、ICタグの集積回路や既存液晶ディスプレイの駆動回路として用いることもできる。
【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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【国際調査報告】
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