JP2004047977A - Organic field-effect transistor - Google Patents
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- H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
- H10K10/481—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the gate conductors
- H10K10/482—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the gate conductors the IGFET comprising multiple separately-addressable gate electrodes
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Abstract
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機半導体材料を用いた有機電界効果トランジスタ（以下、「有機ＦＥＴ」と記す）に関する。特に、有機半導体材料の薄膜を用いた有機薄膜トランジスタ（以下、「有機ＴＦＴ」と記す）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
テレビ受像器、パーソナルコンピュータ、携帯電話など、半導体素子を内蔵した様々な半導体装置において、文字や画像を表示するためのディスプレイは人間が情報を認識する手段として必要不可欠なものとなっている。特に最近は、液晶の電気光学特性を利用した液晶ディスプレイや、有機物の電界発光を利用した有機ＥＬディスプレイに代表される、平板型のディスプレイ（フラットパネルディスプレイ）が積極的に用いられている。
【０００３】
フラットパネルディスプレイの一つの形態として、画素毎に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を設け、データ信号を順次書き込むことにより映像表示を行うアクティブマトリクス駆動方式が知られている。ＴＦＴはアクティブマトリクス駆動方式を実現する上で必須の素子であると言える。
【０００４】
ところで、このようなＴＦＴに代表される電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は、これまで非晶質シリコンや結晶質シリコンなどの無機半導体材料を用いて作製されるものがほとんどであった。しかしながら、これら無機半導体材料を用いてＦＥＴを形成する場合には、半導体層などの製造プロセスにおける基板処理温度が３５０℃を越えるため、有用な多くの基板物質（例えばプラスチックなど）が使用できなくなるといった問題を抱えている。
【０００５】
また、現行の無機半導体材料を用いたＦＥＴを作製する場合、絶縁層や半導体層はプラズマＣＶＤ装置を、電極はスパッタ装置を用いて形成するが、これらＣＶＤ装置やスパッタ装置は比較的高額であり、メンテナンスなどにも時間を要する。
【０００６】
これに対して、有機半導体材料でＦＥＴを作製する方法も提案されている。有機化合物はそれ自身キャリアを持たない材料であるため、本質的には優れた絶縁性を有するが、有機半導体材料（一般的にはπ共役系有機化合物）と呼ばれる一連の材料を用いることで電流を流すことは可能である。
【０００７】
例えば、導電性高分子に代表されるように、π共役系有機化合物にアクセプタ（電子受容体）またはドナー（電子供与体）をドープすることにより、そのπ共役系有機化合物に不純物由来のキャリアを持たせ、導電性を発現させることが可能となる（非特許文献１参照）。ドープ量を増やすことによってキャリアはある程度の領域まで増加していくため、暗導電率もそれに伴い上昇し、多くの電流が流れるようになる。
【０００８】
【非特許文献１】
ヒデキ シラカワ、外４名、ケミストリー コミュニケーション、ｖｏｌ．１６、５７８−５８０（１９７７）
【０００９】
このように、不純物（アクセプタやドナー）をドープすることによって暗導電率を向上させ、有機半導体材料に電流を流す手段は、一部では既にエレクトロニクスの分野で応用されている。例えば、ポリアニリンやポリアセンを用いた充電可能な二次電池や、ポリピロールを用いた電界コンデンサなどがある。
【００１０】
そして、このような手段を有機半導体材料に適用することで、有機ＦＥＴとして動作させることができる。構造としては、活性層として無機半導体材料の替わりに有機半導体材料を導入する点を除き、基本的には従来の無機半導体材料を用いたＦＥＴと同様である（なお、以下では、有機半導体材料を用いて形成された活性層を「有機半導体膜」と記す）。このような有機ＦＥＴに関しては、既に多数の報告がなされている。
【００１１】
例えば、導電性高分子材料の一種であるポリ（２，５−チエニレンビニレン）（以下、「ＰＴＶ」と記す）を活性層として用いた有機ＴＦＴの報告がある（非特許文献２参照）。非特許文献２で用いられたＰＴＶは、弱いアクセプタである空気中の酸素によりわずかにｐ型にドープされた状態となっており、活性層として適度な導電性を示す。このように、導電性高分子材料はドーピングによって導電性を容易に制御できるため、有機ＦＥＴに用いる材料として着目されている。
【００１２】
【非特許文献２】
Ｈ．フチガミ、外２名、アプライド フィジクス レターズ、ｖｏｌ．６３、１３７２−１３７４（１９９３）
【００１３】
上記の非特許文献２は、有機半導体膜に不純物をドープしてキャリアを持たせる手法を適用することにより、適度な電流をソース−ドレイン間に流しているものであると言える（以下では、「ドープ型有機ＦＥＴ」と記す）。
【００１４】
一方で、有機半導体膜に不純物をドープするのではなく、低分子系の有機半導体材料の微結晶薄膜を用いて有機ＦＥＴを作製した例もある（非特許文献３参照）。非特許文献３では、ハイドープシリコンウェハー上にシリコン酸化膜を絶縁膜として形成し、その上に有機半導体材料であるペンタセンの微結晶を真空蒸着により積層させ、さらにその上に金のソース電極及びドレイン電極を形成することにより、有機ＦＥＴを作成している。
【００１５】
【非特許文献３】
Ｄ．Ｊ．ガンドランチ、外４名、ＩＥＥＥ エレクトロン デバイス レターズ、ｖｏｌ．１８、８７−８９（１９９７）
【００１６】
上記の非特許文献３では、不純物由来のキャリアは有機半導体膜中に存在しないが、移動度の高い微結晶薄膜を用いているため、ソースおよびドレインから注入されたキャリアが移動することができ、ＦＥＴとして動作していると言われている（以下では、「キャリア注入型有機ＦＥＴ」と記す）。
【００１７】
これらのような有機ＦＥＴは、低い基板温度での成膜が可能であり、そのためプラスチック等のフレキシブルな基板を適用することもできる。また、単結晶薄膜や微結晶薄膜を形成するのでなければ、通常の蒸着法やスピンコート法により容易に成膜できるため、作製プロセスも簡便で、省エネルギーである。これらのメリットから、無機半導体材料を用いたＦＥＴに替わる新たなＦＥＴとして、有機ＦＥＴが注目を浴びている。
【００１８】
しかしながら、上述したような従来の有機ＦＥＴは、不純物（アクセプタやドナー）あるいは有機半導体膜そのものの性質に由来する問題も抱えている。
【００１９】
まず、非特許文献２で示されたように、有機半導体材料にアクセプタやドナーをドープすることによってキャリアを持たせる場合（すなわち、ドープ型有機ＦＥＴの場合）、アクセプタやドナー自体が化学的に不安定なものが多く、作製が容易ではない。例えば、アルカリ金属やアルカリ土類金属はドナーとして有効であるが、そのドナー自体が水・酸素等に対して極めて活性であるため、使用が困難である。
【００２０】
また、有機半導体材料に不純物がドープされた状態では、有機半導体材料と不純物との間で電子のやりとりが行われている、つまり一種の化学反応が起こっているため、ドープされた状態自体も不安定である場合が多い。
【００２１】
一方で、非特許文献３で示されたようなキャリア注入型有機ＦＥＴの場合、有機半導体材料にキャリアを持たせる必要がないため、アクセプタやドナーに由来する不安定さに関しては問題ない。しかしながら、注入されたキャリアがソース−ドレイン間に流れるためには、現状のソース−ドレイン間の距離を考慮すると、移動度が従来よりも高い有機半導体膜が必要であり、現状、単結晶もしくは微結晶に頼らざるを得ない。有機半導体材料の単結晶薄膜や微結晶薄膜はその作製が容易ではなく、現実的ではないことが問題である。
【００２２】
さらに、単結晶薄膜や微結晶薄膜が形成できることを前提とすると、根本的に高分子材料を用いることが困難であり、湿式塗布による薄膜形成が容易でないことも問題である。このような問題から、キャリア注入型有機ＦＥＴにおいては、材料の選択幅が狭いことは明らかである。
【００２３】
以上の問題点から、アクセプタやドナーを添加することなく、かつ、単結晶や微結晶ではなくごく通常の蒸着膜や塗布膜で作製した有機半導体膜を用い、ＦＥＴを動作させることが望まれている。
【００２４】
その一案としては、有機半導体膜を光励起することによりキャリアを発生させ、そのキャリア由来の電流をソース−ドレイン間に流すことによって、ＦＥＴ動作をさせる試みがなされている（非特許文献４参照）。
【００２５】
【非特許文献４】
Ｋ．Ｓ．ナラヤン、外１名、アプライド フィジクス レターズ、ｖｏｌ．７９、Ｎｏ．１２、１８９１−１８９３（２００１）
【００２６】
このように、光照射によって有機半導体膜にキャリアを発生させることができれば、ＦＥＴとしての動作機能は向上することが実証されている。しかしながら、非特許文献４の方法では、ＦＥＴの動作に対し、適切な光照射という手順をさらに必要とする。したがって、電気的な手段のみで動作させようとする場合には不適切であり、実際のデバイスとしては現実的ではない。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のことから、本発明では、不純物がドープされた有機半導体膜を用いなくても、十分に動作できる新規な有機ＦＥＴ構造を提案することで、薄膜の状態が安定な有機ＦＥＴを提供することを課題とする。
【００２８】
また、単結晶や微結晶の有機半導体膜を適用することなく、通常の蒸着膜や塗布膜を用いても十分に動作できる新規な有機ＦＥＴ構造を提供することで、材料の選択幅が広く、なおかつ簡便に作製できる有機ＦＥＴを提供することを課題とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、キャリアを注入できる電極をフローティング電極として有機半導体膜の中に埋め込むことにより、上記課題が解決できることを発案した（以下では、このフローティング電極を「キャリア発生電極」と記す）。すなわち、ゲート電極に電圧を印加することにより、有機半導体膜の中に埋め込まれたフローティング電極であるキャリア発生電極から有機半導体膜にキャリアが注入されるような設計である。
【００３０】
この場合、ゲートに電圧を印加したときのみキャリアが活性層に存在することになるため、ゲート電圧によるＯＮ・ＯＦＦによりソース−ドレイン間に流れる電流が制御できる。このような構成であれば、有機半導体膜に不純物をドープしてキャリアを持たせる必要はない。また、フローティング電極であるキャリア発生電極からのキャリア注入を利用しているため、移動度の高い単結晶や微結晶を用いる必要もなく、容易に有機ＦＥＴが作製できる。
【００３１】
したがって本発明では、少なくとも、ゲート電極と、前記ゲート電極に接して形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜に接して形成された有機半導体膜と、前記有機半導体膜に接して形成された少なくとも一対のソース−ドレイン電極とが、絶縁表面を有する基板上に設けられた有機電界効果トランジスタにおいて、前記有機半導体膜の中にキャリア発生電極が埋め込まれていることを特徴とする。
【００３２】
また、キャリア発生電極は通常、電子とホールの両方をそれぞれ逆方向に放出することになるため、図１および図２に示した構成が好ましい。
【００３３】
すなわち、本発明の有機電界効果トランジスタでは、図１（ａ）のように、基板１０１上の絶縁表面に接して形成された第１ゲート電極１０２と、第１ゲート電極１０２に接して形成された第１ゲート絶縁膜１０３と、第１ゲート絶縁膜１０３に接して形成された第１ソース電極１０４ａおよび第１ドレイン電極１０４ｂと、第１ソース電極１０４ａおよび第１ドレイン電極１０４ｂおよび第１ゲート絶縁膜１０３に接して形成された有機半導体膜１０５と、有機半導体膜１０５の中に埋め込まれたキャリア発生電極１０６と、有機半導体膜１０５に接して形成された第２ソース電極１０７ｂおよび第２ドレイン電極１０７ａと、有機半導体膜１０５に接して形成された第２ゲート絶縁膜１０８と、第２ゲート絶縁膜１０８に接して形成された第２ゲート電極１０９と、を有することを特徴とする。
【００３４】
また、図１（ｂ）に示すように、有機半導体膜を、第１有機半導体膜１０５ａと第２有機半導体膜１０５ｂで構成し、その間にキャリア発生電極１０６を設けてもよい。したがって、本発明の有機電界効果トランジスタでは、図１（ｂ）のように、基板１０１上の絶縁表面に接して形成された第１ゲート電極１０２と、第１ゲート電極１０２に接して形成された第１ゲート絶縁膜１０３と、第１ゲート絶縁膜１０３に接して形成された第１ソース電極１０４ａおよび第１ドレイン電極１０４ｂと、第１ソース電極１０４ａおよび第１ドレイン電極１０４ｂおよび第１ゲート絶縁膜１０３に接して形成された第１有機半導体膜１０５ａと、第１有機半導体膜１０５ａに接して形成されたキャリア発生電極１０６と、キャリア発生電極１０６に接して形成された第２有機半導体膜１０５ｂと、第２有機半導体膜１０５ｂに接して形成された第２ソース電極１０７ｂおよび第２ドレイン電極１０７ａと、第２有機半導体膜１０５ｂに接して形成された第２ゲート絶縁膜１０８と、第２ゲート絶縁膜１０８に接して形成された第２ゲート電極１０９と、を有することを特徴とする。
【００３５】
この場合、第１有機半導体膜１０５ａをホール輸送性材料で構成し、かつ、第２有機半導体膜１０５ｂを電子輸送性材料で構成することが好ましい。また逆に、第１有機半導体膜１０５ａを電子輸送性材料で構成し、かつ、第２有機半導体膜１０５ｂをホール輸送性材料で構成してもよい。
【００３６】
また、図１に示したいずれの有機電界効果トランジスタにおいても、キャリア発生電極１０６を電子注入電極およびホール注入電極の少なくとも二層で構成することが好ましい。
【００３７】
さらに、本発明の有機電界効果トランジスタにおいては、第１ソース電極１０４ａと第２ソース電極１０７ｂとが接続されていてもよい。あるいは、第１ドレイン電極１０４ｂと第２ドレイン電極１０７ａとが接続されていてもよい。
【００３８】
ところで、本発明では、図２のような構成でも動作するため、さらに好適である。すなわち、本発明の有機電界効果トランジスタは、図２（ａ）に示すように、基板２０１上の絶縁表面に接して形成された第１ゲート電極２０２と、第１ゲート電極２０２に接して形成された第１ゲート絶縁膜２０３と、第１ゲート絶縁膜２０３に接して形成された第１電極２０４と、第１電極２０４および第１ゲート絶縁膜２０３に接して形成された有機半導体膜２０５と、有機半導体膜２０５の中に埋め込まれたキャリア発生電極２０６と、有機半導体膜２０５に接して形成された第２電極２０７と、有機半導体膜２０５に接して形成された第２ゲート絶縁膜２０８と、第２ゲート絶縁膜２０８に接して形成された第２ゲート電極２０９と、を有することを特徴とする。なお、第１電極−第２電極間がソース−ドレイン間として作用する。
【００３９】
また、図２（ｂ）に示すように、有機半導体膜を、第１有機半導体膜２０５ａと第２有機半導体膜２０５ｂで構成し、その間にキャリア発生電極２０６を設けてもよい。したがって、本発明の有機電界効果トランジスタでは、基板２０１上の絶縁表面に接して形成された第１ゲート電極２０２と、第１ゲート電極２０２に接して形成された第１ゲート絶縁膜２０３と、第１ゲート絶縁膜２０３に接して形成された第１電極２０４と、第１電極２０４および第１ゲート絶縁膜２０３に接して形成された第１有機半導体膜２０５ａと、第１有機半導体膜２０５ａに接して形成されたキャリア発生電極２０６と、キャリア発生電極２０６に接して形成された第２有機半導体膜２０５ｂと、第２有機半導体膜２０５ｂに接して形成された第２電極２０７と、第２有機半導体膜２０５ｂに接して形成された第２ゲート絶縁膜２０８と、第２ゲート絶縁膜２０８に接して形成された第２ゲート電極２０９と、を有することを特徴とする。なお、第１電極−第２電極間がソース−ドレイン間として作用する。
【００４０】
この場合、第１有機半導体膜２０５ａをホール輸送性材料で構成し、かつ、第２有機半導体膜２０５ｂを電子輸送性材料で構成することが好ましい。また逆に、第１有機半導体膜２０５ａを電子輸送性材料で構成し、かつ、第２有機半導体膜２０５ｂをホール輸送性材料で構成してもよい。
【００４１】
また、図２に示したいずれの有機電界効果トランジスタにおいても、キャリア発生電極２０６を電子注入電極およびホール注入電極の少なくとも二層で構成することが好ましい。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明の実施形態について、動作原理および具体的な構成例を挙げて詳細に説明する。
【００４３】
まず、本発明者は、有機エレクトロルミネッセント素子（以下、「有機ＥＬ素子」と記す）の分野において発案されている電荷発生層の概念に着目した。有機ＥＬ素子の分野においては、電荷発生層は既に公知の技術である（例えば、非特許文献５：城戸淳二、外５名、第４９回応用物理学会関係連合講演会 講演予稿集（２００２．３．）、ｐ．１３０８、２７ｐ−ＹＬ−３、を参照）。
【００４４】
電荷発生層の概念は、図３のように説明される。図３は、陽極、第１の有機ＥＬ層、電荷発生層、第２の有機ＥＬ層、陰極を順次積層した非特許文献５の有機ＥＬ素子の模式図である。なお、有機ＥＬ層とは、電界発光できる有機材料を含む層のことであり、有機半導体材料を含む構成となっている。また、電荷発生層は外部回路と接続しておらず、フローティング電極となっている。
【００４５】
このような有機ＥＬ素子において、陽極と陰極との間に電圧Ｖを印加した場合、電荷発生層から第１の有機ＥＬ層に対しては電子が、電荷発生層から第２の有機ＥＬ層に対してはホールが、それぞれ注入される。外部回路から見れば、陽極から陰極に向かってホールが、陰極から陽極に向かって電子が流れている（図３（ａ））わけだが、電荷発生層から電子とホールの両方が逆方向へ向けて流れ出ている現象も生じている（図３（ｂ））ため、第１の有機ＥＬ層および第２の有機ＥＬ層の両方でキャリアの再結合が起こり、発光に至る。この時、電流Ｉが流れているとすると、第１の有機ＥＬ層および第２の有機ＥＬ層共に、電流Ｉに対応する分のフォトンを放出することができるので、一層だけの有機ＥＬ素子に比べ、同じ電流で二倍の量の光を放出できるというメリットがある（ただし、電圧はその分、一層だけの有機ＥＬ素子に比べて二倍程度必要である）。
【００４６】
この時有機ＥＬ素子に流れている電流は、空間電荷制限電流（ＳＣＬＣ；Ｓｐａｃｅ Ｃｈａｒｇｅ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｕｒｒｅｎｔ）と呼ばれる薄膜特有の電流である。ＳＣＬＣとは、空間電荷を注入して移動させることにより流れる電流であり、その電流密度はチャイルド則、すなわち下記式（１）で表される。Ｊは電流密度、εは比誘電率、ε０は真空誘電率、μはキャリア移動度、Ｖは電圧、ｄはＶが印加される間隔である。
【００４７】
【数１】
Ｊ＝９／８・εε０μ・Ｖ２／ｄ３ （１）
【００４８】
なお、上記式（１）で表されるＳＣＬＣは、ＳＣＬＣが流れる際のキャリアのトラップを一切仮定しない式である。キャリアのトラップによって制限される電流はＴＣＬＣ（Ｔｒａｐ Ｃｈａｒｇｅ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｕｒｒｅｎｔ）と呼ばれ、電圧のべき乗に比例するが、これらはどちらもバルク律速の電流であるので以下では同様の扱いとする。
【００４９】
ここで、対比のために、オーム則に従うオーム電流が流れる際の電流密度を表す式を、下記式（２）に示す。σは導電率、Ｅは電界強度である。
【００５０】
【数２】
Ｊ＝σＥ＝σ・Ｖ／ｄ （２）
【００５１】
式（２）中の導電率σは、σ＝ｎｅμ（ｎはキャリア密度、ｅは電荷）で表されるため、キャリア密度が流れる電流量の支配因子に含まれる。したがって、ある程度のキャリア移動度を持つ有機材料に対し、先に述べたようなドーピングによるキャリア密度の増大を図らない限り、通常キャリアがほとんど存在しない有機材料にはオーム電流は流れない。
【００５２】
ところが、式（１）を見てわかるとおり、ＳＣＬＣを決定する因子は、誘電率、キャリア移動度、電圧、および電圧が印加される間隔であり、キャリア密度は関係ない。すなわち、キャリアを持たない絶縁体である有機材料であっても、電圧が印加される間隔ｄを十分薄くし、キャリア移動度μが大きい材料を選ぶことにより、キャリアを注入して電流を流すことができるのである。
【００５３】
つまり、図３においては、各有機ＥＬ層の膜厚ｄ１およびｄ２をせいぜい１００ｎｍ〜２００ｎｍ、あるいはそれ以下とすることにより、電極あるいは電荷発生層から注入されたキャリアはＳＣＬＣとして流れることができるのである。言い換えれば、サブミクロンオーダーの有機半導体膜に適切な電極を取り付け、十分な電界（あるいは電位差）を印加することにより、キャリアを注入することができるのである。
【００５４】
本発明者は、電荷発生層（本明細書中では、同様のフローティング電極を「キャリア発生電極」と呼んでいる）をキャリアの発生源（あるいは注入源と言ってもよい）とすることで、有機ＦＥＴを動作させる手法を考案した。
【００５５】
まず、キャリア発生電極から発生させたキャリアを蓄積させるためには、例えば、図４（ａ）に示した模式図のような構成とすればよい。すなわち、第１の絶縁膜、第１の有機半導体膜、キャリア発生電極、第２の有機半導体膜、第２の絶縁膜を順次積層した構造を、外部電極間に設けた構成である。図３は有機ＥＬ素子であるため、キャリアを再結合させるような設計となっているが、図４（ａ）ではキャリアを蓄積させるために、外部電極と有機半導体膜との間に絶縁膜を設けてあることが相違点であると言える。
【００５６】
この構造において、外部電極間に電位差Ｖを設けた場合（図４（ｂ））、各有機半導体膜ｄ１およびｄ２がサブミクロン程度のオーダーであれば、図３と同様に電界によってキャリア発生電極から多量のキャリアが注入されるが、図４（ｂ）に示したとおり、電子およびホールは絶縁膜と有機半導体膜との界面に蓄積される。
【００５７】
この原理から、キャリア発生電極が埋め込まれた有機半導体膜の上下をゲート絶縁膜で挟み込み、電位差を生じさせることで、有機半導体膜中の上下のゲート絶縁膜付近に大量の正負のキャリアを蓄積させることができる。表現を変えれば、ゲート絶縁膜近傍の有機半導体膜界面近傍に、正負の電荷蓄積チャネルを形成できたことに相当する。したがって、図４の構成を利用し、有機半導体膜の水平方向にソース−ドレイン電極を形成し、ソース−ドレイン電極間に電圧を加えれば、この電荷蓄積チャネルを通して上部チャネルをホール電流が、下部チャネルを電子電流が流れることになる。すなわち、上下のゲート電極に加えるゲート電圧により、ソース−ドレイン電流を制御できるＦＥＴが実現できる。
【００５８】
なお、このＦＥＴにおいて重要なことは、不純物がドープされていない有機半導体膜を用いていても、電荷蓄積チャネルを流れる電流量は、もはや前述のＳＣＬＣの式（１）に従うものではないということである。すなわち、電荷蓄積チャネルに蓄積された正または負の電荷を中和するための強い電界が存在する下では、空間電荷制限の条件はないため、数十ナノメートル程度の薄いチャネル層中で数ミクロン以上の長さのチャネル幅に印加されたソース−ドレイン電圧による比較的低い電位勾配下であっても、蓄積された電荷は見かけ上オーム則（前述の式（２））に従い、電位勾配と移動度のみで規定される速さで移動できるのである。その結果、ＳＣＬＣで規定されるより桁外れに大きなソース−ドレイン電流が流れることになり、大きな電流量を高速に制御可能な、実用的なＦＥＴが実現できる。
【００５９】
なお、第１の有機半導体膜と第２の有機半導体膜を同じ材料で構成してもよいが、好ましくは、異なる極性の材料で構成した方がよい。例えば図４（ｂ）では、図面下側の外部電極が図面上側の外部電極よりも高い電位となっているため、第１の有機半導体膜には電子が、第２の有機半導体膜にはホールが注入されるようになっている。したがって、第１の有機半導体膜を電子輸送性材料で、第２の有機半導体膜をホール輸送性材料で構成することが好ましい。
【００６０】
次に、具体的な本発明の有機ＦＥＴの構成および動作について例示する。まず、図１で述べたような、ソース−ドレイン電極を二対設ける場合について、図１（ｂ）を例に説明する。その構成例を図５に示す。なお、図１の符号を引用する。
【００６１】
図５では、第１有機半導体膜１０５ａとして電子輸送性材料を用い、第２有機半導体膜１０５ｂとしてホール輸送性材料を用いたものである。この構造において、第１ゲート電極１０２にＶｇ１（＞０）を、第２ゲート電極１０９にＶｇ２（＜０）を印加すると、図５（ａ）に示すように、キャリア発生電極１０６から第１有機半導体膜１０５ａ（電子輸送性）に電子が、第２有機半導体膜１０５ａ（ホール輸送性）にホールが、それぞれ注入され、第１ゲート絶縁膜１０３表面近傍および第２ゲート絶縁膜１０８表面近傍の有機半導体膜中にそれぞれ蓄積されることにより、電子とホールそれぞれの電荷蓄積チャネル層を形成する。
【００６２】
この時、第１ソース電極１０４ａと第１ドレイン電極１０４ｂとの間にＶｓｄ１（＞０）を、第２ソース電極１０７ｂと第２ドレイン電極１０７ａとの間にＶｓｄ２（＜０）を印加する。すると、第１ゲート絶縁膜１０３近傍の電子蓄積チャネル層の電子と、第２ゲート絶縁膜１０８近傍のホール蓄積チャネル層のホールが、それぞれのソース−ドレイン回路に電流を流す（図５（ｂ））。
【００６３】
このような、二つのゲート電極と二対のソース−ドレイン電極対とを備えたトランジスタでは、二つの独立したソース−ドレイン電流を制御する対のトランジスタとして利用することも想定される。その場合、二つのトランジスタは共通のキャリア発生電極で連結されているので、Ｖｇ１およびＶｓｄ１と、Ｖｇ２およびＶｓｄ２とが、それぞれ独立の動作をする保証はなく、動作特性の吟味と動作条件の最適化が必要である。
【００６４】
この回路上・動作特性上での複雑さを回避するには、ゲート電圧およびソース−ドレイン電圧の印加方式を工夫すればよい。すなわち、上下それぞれのゲート電位を設定するのではなく、上下のゲート電極間に電位を加え、一方では、上下のソース−ドレイン電極を直列に結合すればよい。
【００６５】
図６はその一例であり、第１ソース電極１０４ａと第２ソース電極１０７ｂを結線し、第２ドレイン電極１０７ａを接地しているものである。また、第１ゲート電極１０２にＶｇ（＞０）を印加し、第２ゲート電極１０９を接地する。このゲート電圧印加により、図６（ａ）に示すように、第１ゲート絶縁膜１０３の界面近傍に電子の蓄積が、第２ゲート絶縁膜１０８の界面近傍にホールの蓄積が起こる。この時、第１ドレイン電極１０４ｂにＶｓｄ（＞０）を印加して、流れる電流をソース−ドレイン電流として利用する（図６（ｂ））。
【００６６】
このような結線にすれば、二つのゲート電極と二対のソース−ドレイン電極を有してはいるが、実質的には一つのゲート電極と一対のソース−ドレイン電極を有するＦＥＴと同様の回路で動作させることができる。
【００６７】
なお、図５および図６では、第１有機半導体膜１０５ａとして電子輸送性材料を用い、第２有機半導体膜１０５ｂとしてホール輸送性材料を用いているが、逆に第１有機半導体膜１０５ａとしてホール輸送性材料を用い、第２有機半導体膜１０５ｂとして電子輸送性材料を用いてもよい。この場合、図５においてはＶｇ１＜０、Ｖｇ２＞０とすればよい。また図６においては、Ｖｇ＜０とすればよい。
【００６８】
また、図１（ａ）のように、ある有機半導体膜の中にキャリア発生電極が埋め込まれた構成の場合でも、動作原理は同様である。この場合は、有機半導体膜をバイポーラ性材料とすることで、電子もホールも注入してソース−ドレイン電流として流すことができる。さらにこの場合は、キャリア発生電極を最適なものとすることにより、第１ゲート電極と第２ゲート電極の印加電圧の正負を逆転させても動作する。
【００６９】
次に、図２で述べたような、ソース−ドレイン電極を一対設ける場合について、図２（ｂ）を例に説明する。その構成例を図７に示す。なお、図２の符号を引用する。
【００７０】
図７は、第１有機半導体膜２０５ａとして電子輸送性材料を用い、第２有機半導体膜２０５ｂとしてホール輸送性材料を用いたものである。構造的には、図６から第１ソース電極１０４ａと第２ソース電極１０７ｂを取り去った構造であるとも言える。この構造において、第１ゲート電極２０２にＶｇ（＞０）を印加すると、図７（ａ）に示すように、キャリア発生電極２０６から第１有機半導体膜２０５ａ（電子輸送性）に電子が、第２有機半導体膜２０５ｂ（ホール輸送性）にホールが、それぞれ注入され、第１ゲート絶縁膜２０３表面近傍および第２ゲート絶縁膜２０８表面近傍の有機半導体膜中にそれぞれ蓄積されることにより、電子とホールそれぞれの電荷蓄積チャネル層を形成する。なお、図７では、第１ゲート電極２０２の電位をＶｇ（＞０）、第２ゲート電極２０９の電位を接地電位として電位差を形成しているが、第２ゲート電極２０９に負の電位を設けてもよい。
【００７１】
この時、第１電極２０４と第２電極２０７の間にＶｓｄ（＞０）を印加する。すると、第１ゲート絶縁膜２０３近傍の電子蓄積チャネル層の電子と、第２ゲート絶縁膜２０８近傍のホール蓄積チャネル層のホールが、第１電極２０４と第２電極２０７の間に電流を流す（図７（ｂ））。この場合、一つのゲート信号に対し、直列に接続されたｎ型のトランジスタとｐ型のトランジスタが動作することになる。
【００７２】
なお、図７では第１有機半導体膜２０５ａとして電子輸送性材料を用い、第２有機半導体膜２０５ｂとしてホール輸送性材料を用いているが、逆に第１有機半導体膜２０５ａとしてホール輸送性材料を用い、第２有機半導体膜２０５ｂとして電子輸送性材料を用いてもよい。この場合は、Ｖｇ＜０とすればよい。なおこの場合、第２ゲート電極２０９は接地電位でもよいし、正の電位を設けてもよい。
【００７３】
また、図２（ａ）のように、ある有機半導体膜の中にキャリア発生電極が埋め込まれた構成の場合でも、動作原理は同様である。この場合は、有機半導体膜をバイポーラ性材料とすることで、電子もホールも注入して第１電極と第２電極の間に電流を流すことができる。さらにこの場合は、キャリア発生電極を最適なものとすることにより、第１ゲート電極と第２ゲート電極の印加電圧の正負を逆転させても動作する。
【００７４】
ところで、本発明におけるキャリア発生電極は、一種類の材料からなる電極ではなく、複数の材料から構成してもよい。例えば、図５〜図７においては、図面下方向に電子を、図面上方向にホールを注入するため、まず電子を注入しやすい電極（例えば仕事関数の小さい金属を含む膜）を成膜し、その上にホールを注入しやすい電極（例えば仕事関数の大きい金属を含む膜）を積層するなどの手法である。このように、複数の材料（電子を注入しやすい材料とホールを注入しやすい材料）を用いる場合は、その複数の材料それぞれがオーム接触していることが好ましい。
【００７５】
さらに、複数の材料でキャリア発生電極を構成する場合、電子注入電極と正孔注入バッファ層、もしくは正孔注入電極と電子注入バッファ層、を組合せとする構成も可能である。ここで用いられる正孔注入バッファ層および電子注入バッファ層は、必ずしも電極として機能する必要はなく、電子注入電極もしくは正孔注入電極からのキャリア注入を促進させる事ができればよい。例えば、図５〜図７においては、図面下方向に電子を、図面上方向に正孔を注入するため、まず電子を注入しやすい電極（例えば、仕事関数の低い金属を含む膜）を成膜し、その上に正孔を注入しやすい正孔注入バッファ層（例えば、アクセプタ型の有機半導体材料と正孔輸送性の有機半導体材料との混合膜）を積層するなどの手法である。
【００７６】
また、キャリア発生電極を単一の材料で構成する場合は、電子とホールの両方を注入できる材料でなければならない。この場合は、ホールを価電子帯に、電子を伝導体に有する真性半導体や、あるいは酸化・還元の両方を行えるレドックスポリマーなどが考えられる。
【００７７】
以上では、本発明の基本的な動作原理および構成を述べた。以下では、本発明の有機薄膜トランジスタに用いる材料として好ましいものを列挙する。ただし、本発明はこれらに限定されない。
【００７８】
基板の材質は、シリコンウェハ、ガラス、インジウム錫酸化物、雲母、グラファイト、硫化モリブデンの他、銅、亜鉛、アルミニウム、ステンレス、マグネシウム、鉄、ニッケル、金、銀等の金属、ポリイミド、ポリエステル、ポリカーボネート、アクリル樹脂等のプラスチックフィルム等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００７９】
ゲート絶縁膜の材質としては、ポリビニルフェノール、ポリパラキシリレンやその誘導体、ポリイミドやその誘導体、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン、ポリフェノール誘導体、ポリ尿素、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、アセチルセルロースやその誘導体等のポリマー薄膜、アルミナなどの金属酸化物薄膜、シリカなどの無機酸化物薄膜、シリコン窒化物薄膜等が用いられ、スピンコートにより形成する湿式法、パリレン薄膜を真空蒸着で形成する乾式法、電解酸化による薄膜形成法、電解重合法、シリカやアルミナの薄膜をスパッタで形成する方法等が用いられるが、これらに限定されるものではない。
【００８０】
有機半導体膜の材質としては、共役ポリマーで代表されるポリマーないしはオリゴマー、例えば、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリフルオレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリフェニレン誘導体およびこれらの共重合体、オリゴフェニレン、オリゴチオフェン、オリゴフェニレンビニレン等の芳香族炭化水素オリゴマー等が挙げられ、この場合にはスピンコート法、ディップコーティング法、インクジェットプリント法、スクリーンプリント法、スプレイコーティング法等の湿式法が用いられる。また、低分子物質、例えば、ペンタセン、テトラセン、銅フタロシアニン、フッ素置換フタロシアニン、ペリレン誘導体等の場合には主に真空蒸着法が用いられるが、電解重合法、電解析出法等の手法も用いることができる。
【００８１】
キャリア発生電極としては、金属薄膜、金属酸化物薄膜、有機導電体薄膜、有機半導体膜ないしはそれらの組み合わせ、などが利用できる。キャリア発生電極の両側には、陰極側バッファ層としてＬｉＦ等の無機誘電体薄膜、Ｌｉ酸化物等の金属酸化物、アルカリ金属やアルカリ土類金属イオンを含む有機物薄膜層等が挿入される場合があり、陽極側バッファ層として、ＴＣＮＱやＦ４−ＴＣＮＱ等のアクセプタ型有機半導体材料、ＶＯｘ等のアクセプタ型無機半導体材料、銅フタロシアニンなどを用いる場合もある。本明細書中では、キャリア発生電極として用いる電極には、このようなバッファ層を付加した場合を含むものとする。
【００８２】
ゲート電極や、ソース電極およびドレイン電極（あるいは第１電極および第２電極）の材料としては、金、銅、アルミニウム、白金、クロム、パラジウム、インジウム、ニッケル、マグネシウム、銀、ガリウム等の金属やこれらの合金、スズ・インジウム酸化物、ポリシリコン、アモルファスシリコン、スズ酸化物、酸化インジウム、酸化チタン等の酸化物半導体、ガリウム砒素、窒化ガリウム等の化合物半導体等の１種又は２種以上が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００８３】
【実施例】
［実施例１］
本実施例では、図１（ｂ）で示した有機ＦＥＴを具体的に例示する。まず、ガラス基板上に、第１ゲート電極のパターンを有するマスクを介して、金を真空蒸着法により厚さ５０ｎｍに成膜し、一辺の長さが５００μｍの第１ゲート電極を形成する。
【００８４】
このガラス基板を化学蒸着装置へ移す。減圧下でキシリレンダイマー（商品名：パリレン、日本パリレン（株）製）を加熱させ、６８０℃に過熱した加熱管を通して熱分解して、ラジカルモノマーを発生させる。室温に保持した当該基板上へ、発生させたラジカルモノマーを導入し、厚さ３００ｎｍのポリパラキシリレン薄膜を形成する。これが第１ゲート絶縁膜となる。
【００８５】
次に、第１ソース電極と第１ドレイン電極を形成するため、ソース−ドレイン長が５０μｍとなるようなマスクパターンを設けて、厚さ５０ｎｍの金薄膜を形成する。
【００８６】
この上に、基板全体を覆うように、電子輸送性材料であるトリス（８−キノリノラト）アルミニウム錯体（Ａｌｑ３）を真空蒸着法により、５０ｎｍの膜厚で形成する。これが第１有機半導体膜となる。
【００８７】
この上面に、フローティング電極であるキャリア発生電極として、マスクパターンを介して、マグネシウムとＡｌｑ３との混合層を１０ｎｍ、Ｖ２Ｏ５バッファ層を１０ｎｍ、逐次真空蒸着により形成する。これがバッファ層付きのキャリア発生電極として機能する。
【００８８】
この上部に、基板全体を覆うように、正孔輸送性材料であるＮ，Ｎ‘−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−（ビス−３−メチルフェニル）−１，１‘−ジフェニル−４，４’−ジアミン（ＴＰＤ）を５０ｎｍの厚さで形成する。これが第２有機半導体膜となる。
【００８９】
さらに、第２ソース電極と第２ドレイン電極を形成するため、ソース−ドレイン長が５０μｍとなるようなマスクパターンを設けて、厚さ５０ｎｍの金薄膜を形成する。このマスクパターンは、第１ソース電極と第１ドレイン電極を形成する際のマスクパターンと同様でよい。
【００９０】
次に、このガラス基板を化学蒸着装置へ移す。減圧下でキシリレンダイマー（商品名：パリレン、日本パリレン（株）製）を加熱させ、６８０℃に過熱した加熱管を通して熱分解して、ラジカルモノマーを発生させる。室温に保持した当該基板上へ、発生させたラジカルモノマーを導入し、厚さ３００ｎｍのポリパラキシリレン薄膜を形成する。これが第２ゲート絶縁膜となる。
【００９１】
最後に、第２ゲート電極のパターンを有するマスクを介して、金を真空蒸着法により厚さ５０ｎｍに成膜し、一辺の長さが５００μｍの第１ゲート電極を形成する。このマスクパターンは、第１ゲート電極を形成する際のマスクパターンと同様でよい。作成した有機ＦＥＴは測定容器に打ちし、容器を真空にした後、素子特性の測定を行う。
【００９２】
［実施例２］
本実施例では、図１（ｂ）で示した有機ＦＥＴを具体的に例示する。まず、ガラス基板上に、第１ゲート電極のパターンを有するマスクを介して、金を真空蒸着法により厚さ５０ｎｍに成膜し、一辺の長さが５００μｍの第１ゲート電極を形成する。
【００９３】
このガラス基板を化学蒸着装置へ移す。減圧下でキシリレンダイマー（商品名：パリレン、日本パリレン（株）製）を加熱させ、６８０℃に過熱した加熱管を通して熱分解して、ラジカルモノマーを発生させる。室温に保持した当該基板上へ、発生させたラジカルモノマーを導入し、厚さ３００ｎｍのポリパラキシリレン薄膜を形成する。これが第１ゲート絶縁膜となる。
【００９４】
次に、第１ソース電極と第１ドレイン電極を形成するため、ソース−ドレイン長が５０μｍとなるようなマスクパターンを設けて、厚さ５０ｎｍの金薄膜を形成する。
【００９５】
この上に、基板全体を覆うように、ｎ型有機半導体材料である銅（ＩＩ）１，２，３，４，８，９，１０，１１，１５，１６，１７，１８，２２，２３，２４，２５−ヘキサデカフルオロフタロシアニン（Ｆ１６−ＣｕＰＣ）を真空蒸着法により、５０ｎｍの膜厚で形成する。これが第１有機半導体膜となる。
【００９６】
この上面に、フローティング電極であるキャリア発生電極として、マスクパターンを介して、マグネシウムとＦ１６−ＣｕＰＣの混合層を１０ｎｍ、Ｖ２Ｏ５バッファ層を１０ｎｍ、逐次真空蒸着により形成する。これがバッファ層付きのキャリア発生電極として機能する。
【００９７】
この上部に、基板全体を覆うように、ｐ型有機半導体材料であるペンタセンを５０ｎｍの厚さで形成する。これが第２有機半導体膜となる。
【００９８】
さらに、第２ソース電極と第２ドレイン電極を形成するため、ソース−ドレイン長が５０μｍとなるようなマスクパターンを設けて、厚さ５０ｎｍの金薄膜を形成する。このマスクパターンは、第１ソース電極と第１ドレイン電極を形成する際のマスクパターンと同様でよい。
【００９９】
次に、このガラス基板を化学蒸着装置へ移す。減圧下でキシリレンダイマー（商品名：パリレン、日本パリレン（株）製）を加熱させ、６８０℃に過熱した加熱管を通して熱分解して、ラジカルモノマーを発生させる。室温に保持した当該基板上へ、発生させたラジカルモノマーを導入し、厚さ３００ｎｍのポリパラキシリレン薄膜を形成する。これが第２ゲート絶縁膜となる。
【０１００】
最後に、第２ゲート電極のパターンを有するマスクを介して、金を真空蒸着法により厚さ５０ｎｍに成膜し、一辺の長さが５００μｍの第１ゲート電極を形成する。このマスクパターンは、第１ゲート電極を形成する際のマスクパターンと同様でよい。作成した有機ＦＥＴは測定容器に打ちし、容器を真空にした後、素子特性の測定を行う。
【０１０１】
［実施例３］
本実施例では、図１（ｂ）で示した有機ＦＥＴを具体的に例示する。まず、ガラス基板上に、第１ゲート電極のパターンを有するマスクを介して、金を真空蒸着法により厚さ５０ｎｍに成膜し、一辺の長さが５００μｍの第１ゲート電極を形成する。
【０１０２】
このガラス基板を化学蒸着装置へ移す。減圧下でキシリレンダイマー（商品名：パリレン、日本パリレン（株）製）を加熱蒸発させ、６８０℃に加熱した加熱管を通して熱分解して、ジラジカルモノマーを発生させる。室温に保持した当該基板上へ、発生させたジラジカルモノマーを導入し、厚さ３００ｎｍのポリパラキシリレン薄膜を形成する。これが第１ゲート絶縁膜となる。
【０１０３】
次に、第１ソース電極と第１ドレイン電極を形成するため、ソース−ドレイン長が５０μｍとなるようなマスクパターンを設けて、厚さ５０ｎｍの金薄膜を形成する。
【０１０４】
この上に、基板全面を覆うように、電子輸送性材料であるトリス（８−キノリノラト）アルミニウム錯体（Ａｌｑ３）を真空蒸着により、５０ｎｍの膜厚で形成する。これが第１有機半導体膜となる。
【０１０５】
この上面に、フローティング電極であるキャリア発生電極のパターンのマスクを介して、ＬｉＦバッファ層を５ｎｍ、アルミニウム薄膜層を１００ｎｍ、銅フタロシアニンバッファ層を５ｎｍ、逐次真空蒸着により形成する。これがバッファ層付きのキャリア発生電極として機能する。
【０１０６】
この上部に、基板全面を覆うように、正孔輸送性材料であるＮ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−（ビス−３−メチルフェニル）−１，１’−ジフェニル−４，４’−ジアミン（ＴＰＤ）を５０ｎｍの厚さで形成する。これが第２有機半導体膜となる。
【０１０７】
さらに、第２ソース電極と第２ドレイン電極を形成するため、ソース−ドレイン長が５０μｍとなるようなマスクパターンを設けて、厚さ５０ｎｍの金薄膜を形成する。このマスクパターンは、第１ソース電極と第１ドレイン電極を形成する際のマスクパターンと同様でよい。
【０１０８】
次に、このガラス基板を化学蒸着装置へ移す。減圧下でキシリレンダイマー（商品名：パリレン、日本パリレン（株）製）を加熱蒸発させ、６８０℃に加熱した加熱管を通して熱分解して、ジラジカルモノマーを発生させる。室温に保持した当該基板上へ、発生させたジラジカルモノマーを導入し、厚さ３００ｎｍのポリパラキシリレン薄膜を作製する。これが第２ゲート絶縁膜となる。
【０１０９】
最後に、第２ゲート電極のパターンを有するマスクを介して、金を真空蒸着法により厚さ５０ｎｍに成膜し、一辺の長さが５００μｍの第２ゲート電極を形成する。このマスクパターンは、第１ゲート電極を形成する際のマスクパターンと同様でよい。作製した有機ＦＥＴは測定容器に移し、容器を真空にした後、素子特性の測定を行う。
【０１１０】
［実施例４］
本実施例では、図１（ａ）で示した有機ＦＥＴを具体的に例示する。まず、ガラス基板上に、第１ゲート電極のパターンを有するマスクを介して、金を真空蒸着法により厚さ５０ｎｍに成膜し、一辺の長さが５００μｍの第１ゲート電極を形成する。
【０１１１】
さらに、このガラス基板上にポリビニルフェノールの水溶液をスピンコート法により塗布し、第１ゲート絶縁膜を形成する。
【０１１２】
次に、第１ソース電極と第１ドレイン電極を形成するため、ソース−ドレイン長が５０μｍとなるようなマスクパターンを設けて、厚さ５０ｎｍの金薄膜を形成する。
【０１１３】
この上に、基板全面を覆うように、レジオレギュラーポリ（３−オクチルチオフェン−２，５−ジイル）（Ｐ３０Ｔ）のクロロフォルム溶液をスピンコート法により成膜し、５０ｎｍの膜厚の有機半導体膜を形成する。
【０１１４】
次に、水溶液からのスピンコート法により、バッファ層としてのポリエチレンジオキシチオフェン／ポリスチレンスルフォン酸（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）薄膜を５０ｎｍ形成する。この上面に、フローティング電極となるパターンのマスクを介して、金薄膜層１００ｎｍを真空蒸着により形成する。この上面に、スピンコート法により、バッファ層としてのポリエチレンジオキシチオフェン／ポリスチレンスルフォン酸（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）薄膜を再度５０ｎｍ形成する。これがバッファ層付きのキャリア発生電極として機能する。
【０１１５】
この上部に、基板全面を覆うように、スピンコート法によりレジオレギュラーポリ（３−オクチルチオフェン−２，５−ジイル）（Ｐ３０Ｔ）のクロロフォルム溶液をスピンコート法により成膜し、５０ｎｍの膜厚の有機半導体膜を形成する。これにより、同一の有機半導体膜の中にキャリア発生電極が埋め込まれた構造を形成できる。
【０１１６】
さらに、第２ソース電極と第２ドレイン電極を形成するため、ソース−ドレイン長が５０μｍとなるようなマスクパターンを設けて、厚さ５０ｎｍの金薄膜を形成する。このマスクパターンは、第１ソース電極と第１ドレイン電極を形成する際のマスクパターンと同様でよい。
【０１１７】
この基板上にポリビニルフェノール溶液をスピンコート法により塗布し、第２ゲート絶縁膜を形成する。
【０１１８】
最後に、第２ゲート電極のパターンのマスクを介して金を真空蒸着法により厚さ５０ｎｍに成膜し、一辺の長さが５００μｍの第２ゲート電極を形成する。このマスクパターンは、第１ゲート電極を形成する際のマスクパターンと同様でよい。作製した有機ＦＥＴは測定容器に移し、容器を真空にした後、素子特性の測定を行う。
【０１１９】
【発明の効果】
本発明を実施することで、不純物がドープされた有機半導体膜を用いなくても十分に動作できる有機ＦＥＴを作製できるため、薄膜の状態が安定な有機ＦＥＴを提供することができる。また、単結晶や微結晶の有機半導体膜を適用することなく、通常の蒸着膜や塗布膜を用いても十分に動作できる有機ＦＥＴを作製できるため、材料の選択幅が広く、なおかつ簡便に作製できる有機ＦＥＴを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的構成を示す図。
【図２】本発明の基本的構成を示す図。
【図３】電荷発生層を有する有機ＥＬ素子を示す図。
【図４】キャリア発生電極からの電荷を蓄積する原理を示す図。
【図５】本発明の有機電界効果トランジスタを示す図。
【図６】本発明の有機電界効果トランジスタを示す図。
【図７】本発明の有機電界効果トランジスタを示す図。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an organic field effect transistor (hereinafter, referred to as “organic FET”) using an organic semiconductor material. In particular, the present invention relates to an organic thin film transistor (hereinafter, referred to as “organic TFT”) using a thin film of an organic semiconductor material.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In various semiconductor devices including a semiconductor element, such as a television receiver, a personal computer, and a mobile phone, a display for displaying characters and images is indispensable as a means for humans to recognize information. In particular, recently, a flat panel display (flat panel display) represented by a liquid crystal display utilizing electro-optical characteristics of liquid crystal and an organic EL display utilizing electroluminescence of an organic substance has been actively used.
[0003]
As one form of the flat panel display, there is known an active matrix drive system in which a thin film transistor (TFT) is provided for each pixel and a video signal is displayed by sequentially writing data signals. It can be said that the TFT is an essential element for realizing the active matrix driving method.
[0004]
By the way, most of field effect transistors (FETs) represented by such a TFT have been manufactured using an inorganic semiconductor material such as amorphous silicon or crystalline silicon. However, when an FET is formed using these inorganic semiconductor materials, since a substrate processing temperature in a manufacturing process of a semiconductor layer or the like exceeds 350 ° C., many useful substrate materials (eg, plastics) cannot be used. Have a problem.
[0005]
In addition, when fabricating an FET using a current inorganic semiconductor material, the insulating layer and the semiconductor layer are formed by using a plasma CVD device, and the electrodes are formed by using a sputtering device. However, these CVD devices and sputtering devices are relatively expensive. It also takes time for maintenance.
[0006]
On the other hand, a method of manufacturing an FET using an organic semiconductor material has been proposed. An organic compound is a material that does not have a carrier itself, and therefore has essentially excellent insulating properties. However, by using a series of materials called organic semiconductor materials (generally π-conjugated organic compounds), current is reduced. It is possible to shed.
[0007]
For example, by doping an π-conjugated organic compound with an acceptor (electron acceptor) or a donor (electron donor), as represented by a conductive polymer, the π-conjugated organic compound is converted into a carrier derived from impurities. It is possible to make it conductive and to exhibit conductivity (see Non-Patent Document 1). By increasing the doping amount, carriers increase to a certain region, so that the dark conductivity also increases and a large amount of current flows.
[0008]
[Non-patent document 1]
Hideki Shirakawa, 4 others, Chemistry Communication, vol. 16, 578-580 (1977)
[0009]
As described above, the means for increasing the dark conductivity by doping impurities (acceptors and donors) and flowing a current to the organic semiconductor material is already partially applied in the field of electronics. For example, there are a rechargeable secondary battery using polyaniline or polyacene, and an electric field capacitor using polypyrrole.
[0010]
By applying such means to an organic semiconductor material, the device can be operated as an organic FET. The structure is basically the same as that of a conventional FET using an inorganic semiconductor material, except that an organic semiconductor material is introduced instead of an inorganic semiconductor material as an active layer. The active layer formed by using this is referred to as “organic semiconductor film”). Many reports have been made on such organic FETs.
[0011]
For example, there is a report on an organic TFT using poly (2,5-thienylenevinylene) (hereinafter, referred to as “PTV”), which is a kind of conductive polymer material, as an active layer (see Non-Patent Document 2). The PTV used in Non-Patent Document 2 is slightly p-type doped with oxygen in the air, which is a weak acceptor, and exhibits appropriate conductivity as an active layer. As described above, the conductive polymer material can be easily controlled in conductivity by doping, and thus has attracted attention as a material used for an organic FET.
[0012]
[Non-patent document 2]
H. Fuchigami, 2 others, Applied Physics Letters, vol. 63, 1372-1374 (1993)
[0013]
Non-Patent Document 2 described above applies an appropriate current between a source and a drain by applying a method of doping impurities into an organic semiconductor film to have carriers (hereinafter, "Non-patent document 2" Doped organic FET ").
[0014]
On the other hand, there is an example in which an organic FET is manufactured using a microcrystalline thin film of a low-molecular organic semiconductor material instead of doping an organic semiconductor film with an impurity (see Non-Patent Document 3). In Non-Patent Document 3, a silicon oxide film is formed as an insulating film on a high-doped silicon wafer, microcrystals of pentacene, which is an organic semiconductor material, are stacked thereon by vacuum evaporation, and a gold source electrode and An organic FET is created by forming a drain electrode.
[0015]
[Non-Patent Document 3]
D. J. Gand Lunch, 4 students, IEEE Electron Device Letters, vol. 18, 87-89 (1997)
[0016]
In Non-Patent Document 3 described above, although carriers derived from impurities do not exist in the organic semiconductor film, carriers injected from the source and the drain can move since a microcrystalline thin film having high mobility is used, It is said that it operates as an FET (hereinafter, referred to as a “carrier injection type organic FET”).
[0017]
Organic FETs such as these can be formed at a low substrate temperature, and therefore a flexible substrate such as plastic can be applied. Unless a single-crystal thin film or a microcrystalline thin film is formed, a film can be easily formed by a normal evaporation method or a spin coating method, so that the manufacturing process is simple and energy is saved. Due to these merits, an organic FET has attracted attention as a new FET replacing the FET using an inorganic semiconductor material.
[0018]
However, the conventional organic FET as described above also has a problem derived from impurities (acceptors and donors) or properties of the organic semiconductor film itself.
[0019]
First, as shown in Non-Patent Document 2, when an organic semiconductor material is provided with carriers by doping an acceptor or a donor (that is, in the case of a doped organic FET), the acceptor or the donor itself is chemically improper. Many are stable and are not easy to manufacture. For example, alkali metals and alkaline earth metals are effective as donors, but are difficult to use because the donors themselves are extremely active against water, oxygen and the like.
[0020]
In addition, in the state in which the organic semiconductor material is doped with impurities, electrons are exchanged between the organic semiconductor material and the impurity, that is, a kind of chemical reaction occurs, so that the doped state itself is not allowed. Often stable.
[0021]
On the other hand, in the case of a carrier-injection type organic FET as described in Non-Patent Document 3, there is no need to provide a carrier to the organic semiconductor material, and thus there is no problem regarding instability due to acceptors and donors. However, in order for the injected carriers to flow between the source and the drain, an organic semiconductor film having a higher mobility than before is necessary in consideration of the current distance between the source and the drain. I have to rely on crystals. The problem is that the production of a single crystal thin film or a microcrystalline thin film of an organic semiconductor material is not easy and is not practical.
[0022]
Furthermore, assuming that a single crystal thin film or a microcrystalline thin film can be formed, it is fundamentally difficult to use a polymer material, and there is also a problem that formation of a thin film by wet coating is not easy. From such a problem, it is clear that the material selection range is narrow in the carrier injection type organic FET.
[0023]
From the above problems, it is desired to operate an FET without adding an acceptor or a donor, and using an organic semiconductor film made of a very ordinary vapor-deposited film or coating film instead of a single crystal or microcrystal. I have.
[0024]
As one proposal, an attempt has been made to perform FET operation by generating carriers by optically exciting an organic semiconductor film and flowing a current derived from the carriers between a source and a drain (see Non-Patent Document 4). .
[0025]
[Non-patent document 4]
K. S. Narayan, 1 other, Applied Physics Letters, vol. 79, no. 12, 1891-1893 (2001)
[0026]
As described above, it has been demonstrated that if carriers can be generated in an organic semiconductor film by light irradiation, the operation function as an FET is improved. However, the method of Non-Patent Document 4 further requires an appropriate light irradiation procedure for the operation of the FET. Therefore, it is inappropriate to operate only by electric means, and is not realistic as an actual device.
[0027]
[Problems to be solved by the invention]
From the above, the present invention provides an organic FET in which the state of a thin film is stable by proposing a novel organic FET structure that can operate sufficiently without using an organic semiconductor film doped with impurities. As an issue.
[0028]
In addition, by providing a novel organic FET structure that can operate satisfactorily even using a normal vapor-deposited film or a coating film without using a single-crystal or microcrystalline organic semiconductor film, a wide range of materials can be selected, An object of the present invention is to provide an organic FET that can be easily manufactured.
[0029]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies, the present inventor has proposed that the above problem can be solved by embedding an electrode into which carriers can be injected as a floating electrode in an organic semiconductor film. Electrode "). That is, the design is such that by applying a voltage to the gate electrode, carriers are injected into the organic semiconductor film from the carrier generation electrode, which is a floating electrode embedded in the organic semiconductor film.
[0030]
In this case, since carriers exist in the active layer only when a voltage is applied to the gate, the current flowing between the source and the drain can be controlled by ON / OFF by the gate voltage. With such a structure, it is not necessary to dope impurities into the organic semiconductor film to have carriers. In addition, since carrier injection from a carrier generation electrode which is a floating electrode is used, an organic FET can be easily manufactured without using a single crystal or a microcrystal having high mobility.
[0031]
Therefore, in the present invention, at least the gate electrode, the gate insulating film formed in contact with the gate electrode, the organic semiconductor film formed in contact with the gate insulating film, and the organic semiconductor film formed in contact with the organic semiconductor film An organic field effect transistor in which at least a pair of source-drain electrodes is provided on a substrate having an insulating surface, wherein a carrier generation electrode is embedded in the organic semiconductor film.
[0032]
In addition, since the carrier generation electrode normally emits both electrons and holes in opposite directions, the configuration shown in FIGS. 1 and 2 is preferable.
[0033]
That is, in the organic field effect transistor of the present invention, as shown in FIG. 1A, the
[0034]
Further, as shown in FIG. 1B, the organic semiconductor film may be composed of a first
[0035]
In this case, it is preferable that the first
[0036]
Further, in any of the organic field effect transistors shown in FIG. 1, it is preferable that the
[0037]
Further, in the organic field effect transistor of the present invention, the
[0038]
By the way, the present invention is more preferable because it operates even with the configuration as shown in FIG. That is, as shown in FIG. 2A, the organic field-effect transistor of the present invention is formed with a
[0039]
Further, as shown in FIG. 2B, the organic semiconductor film may be composed of a first
[0040]
In this case, it is preferable that the first
[0041]
Further, in any of the organic field effect transistors shown in FIG. 2, it is preferable that the
[0042]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to an operation principle and a specific configuration example.
[0043]
First, the present inventor focused on the concept of a charge generation layer proposed in the field of an organic electroluminescent device (hereinafter, referred to as an “organic EL device”). In the field of organic EL devices, the charge generation layer is a known technology (for example, Non-Patent Document 5: Junji Kido, five others, 49th JSAP Related Conference, Preliminary Proceedings (2002.3) .), P.1308, 27p-YL-3).
[0044]
The concept of the charge generation layer is described as shown in FIG. FIG. 3 is a schematic view of the organic EL device of Non-Patent Document 5 in which an anode, a first organic EL layer, a charge generation layer, a second organic EL layer, and a cathode are sequentially laminated. Note that the organic EL layer is a layer containing an organic material capable of electroluminescence, and has a structure containing an organic semiconductor material. In addition, the charge generation layer is not connected to an external circuit and serves as a floating electrode.
[0045]
In such an organic EL device, when a voltage V is applied between the anode and the cathode, electrons are transferred from the charge generation layer to the first organic EL layer, and electrons are transferred from the charge generation layer to the second organic EL layer. In contrast, holes are respectively injected. According to the external circuit, holes flow from the anode to the cathode, and electrons flow from the cathode to the anode (Fig. 3 (a)). Both electrons and holes flow in the opposite direction from the charge generation layer. 3B, carrier recombination occurs in both the first organic EL layer and the second organic EL layer, leading to light emission. At this time, if a current I is flowing, both the first organic EL layer and the second organic EL layer can emit photons corresponding to the current I, so that only one organic EL element can be used. In comparison, there is an advantage that twice the amount of light can be emitted with the same current (however, the voltage is required to be about twice as much as that of a single organic EL element).
[0046]
At this time, the current flowing in the organic EL element is a current unique to the thin film called a space charge limited current (SCLC). The SCLC is a current flowing by injecting and moving space charge, and its current density is represented by the child rule, that is, the following equation (1). J is the current density, ε is the relative permittivity, ε 0 Is the vacuum dielectric constant, μ is the carrier mobility, V is the voltage, and d is the interval at which V is applied.
[0047]
(Equation 1)
J = 9/8 · εε 0 μ · V 2 / D 3 (1)
[0048]
The SCLC expressed by the above equation (1) is an equation that does not assume any carrier trap when the SCLC flows. The current limited by the carrier trap is called TCLC (Trap Charge Limited Current) and is proportional to the power of the voltage. However, since these are both bulk-limited currents, the same treatment will be applied hereinafter.
[0049]
Here, for the sake of comparison, the following equation (2) shows an equation representing the current density when an ohmic current flows according to the Ohm rule. σ is conductivity, and E is electric field strength.
[0050]
(Equation 2)
J = σE = σ · V / d (2)
[0051]
Since the conductivity σ in the equation (2) is represented by σ = neμ (n is the carrier density and e is the electric charge), it is included in the controlling factor of the amount of current flowing through the carrier density. Therefore, unless an organic material having a certain degree of carrier mobility is used to increase the carrier density by doping as described above, an ohmic current does not normally flow through an organic material having almost no carriers.
[0052]
However, as can be seen from equation (1), the factors that determine SCLC are the dielectric constant, carrier mobility, voltage, and the interval at which the voltage is applied, regardless of the carrier density. That is, even if the organic material is an insulator having no carrier, the distance d to which a voltage is applied is made sufficiently thin and a material having a large carrier mobility μ is selected so that a carrier is injected and a current flows. You can do it.
[0053]
That is, in FIG. 3, by setting the thickness d1 and d2 of each organic EL layer to 100 nm to 200 nm or less at most, the carriers injected from the electrode or the charge generation layer can flow as SCLC. . In other words, carriers can be injected by attaching an appropriate electrode to a submicron-order organic semiconductor film and applying a sufficient electric field (or potential difference).
[0054]
The inventor uses a charge generation layer (a similar floating electrode is referred to as a “carrier generation electrode” in this specification) as a carrier generation source (or may be referred to as an injection source). A method for operating an organic FET has been devised.
[0055]
First, in order to accumulate the carriers generated from the carrier generation electrode, for example, the configuration shown in the schematic diagram of FIG. That is, a structure in which a first insulating film, a first organic semiconductor film, a carrier generation electrode, a second organic semiconductor film, and a second insulating film are sequentially stacked is provided between external electrodes. Since FIG. 3 is an organic EL element, the carrier is designed to recombine with the carrier. In FIG. 4A, however, an insulating film is provided between the external electrode and the organic semiconductor film in order to accumulate the carrier. It can be said that there is a difference.
[0056]
In this structure, when a potential difference V is provided between the external electrodes (FIG. 4B), if each of the organic semiconductor films d1 and d2 is on the order of sub-micron, the electric field from the carrier generation electrode is generated as in FIG. Although a large amount of carriers are injected, electrons and holes are accumulated at the interface between the insulating film and the organic semiconductor film as shown in FIG.
[0057]
From this principle, a large amount of positive and negative carriers are accumulated near the upper and lower gate insulating films in the organic semiconductor film by sandwiching the upper and lower portions of the organic semiconductor film in which the carrier generating electrodes are embedded with the gate insulating film and generating a potential difference. be able to. In other words, this corresponds to the formation of positive and negative charge storage channels near the interface of the organic semiconductor film near the gate insulating film. Therefore, when the source-drain electrodes are formed in the horizontal direction of the organic semiconductor film using the configuration shown in FIG. 4 and a voltage is applied between the source-drain electrodes, a hole current flows through the upper channel through the charge storage channel and a lower channel flows through the charge storage channel. Through which the electron current flows. That is, an FET in which the source-drain current can be controlled by the gate voltages applied to the upper and lower gate electrodes can be realized.
[0058]
What is important in this FET is that even if an organic semiconductor film not doped with impurities is used, the amount of current flowing through the charge storage channel no longer follows the SCLC equation (1) described above. is there. That is, in the presence of a strong electric field for neutralizing the positive or negative charge stored in the charge storage channel, there is no space charge limitation condition, and therefore, a few microns in a thin channel layer of about tens of nanometers. Even under a relatively low potential gradient due to the source-drain voltage applied to the above-described channel width, the accumulated charge apparently follows the potential gradient and shifts according to the Ohm's law (formula (2)). It can move at a speed specified only by degrees. As a result, an extraordinarily large source-drain current flows than specified by the SCLC, and a practical FET capable of controlling a large amount of current at high speed can be realized.
[0059]
Note that the first organic semiconductor film and the second organic semiconductor film may be made of the same material, but are preferably made of materials having different polarities. For example, in FIG. 4B, since the lower external electrode has a higher potential than the upper external electrode, electrons are present in the first organic semiconductor film and holes are present in the second organic semiconductor film. Is to be injected. Therefore, it is preferable that the first organic semiconductor film is formed of an electron transporting material and the second organic semiconductor film is formed of a hole transporting material.
[0060]
Next, a specific configuration and operation of the organic FET of the present invention will be described. First, a case where two pairs of source-drain electrodes are provided as described in FIG. 1 will be described with reference to FIG. 1B as an example. An example of the configuration is shown in FIG. In addition, the code | symbol of FIG. 1 is quoted.
[0061]
In FIG. 5, an electron transporting material is used as the first
[0062]
At this time, Vsd1 (> 0) is applied between the
[0063]
Such a transistor including two gate electrodes and two pairs of source-drain electrodes may be used as a pair of transistors for controlling two independent source-drain currents. In this case, since the two transistors are connected by a common carrier generation electrode, there is no guarantee that Vg1 and Vsd1 and Vg2 and Vsd2 operate independently of each other. Examination of operation characteristics and optimization of operation conditions is necessary.
[0064]
In order to avoid the complexity in terms of the circuit and operating characteristics, a method of applying the gate voltage and the source-drain voltage may be devised. That is, instead of setting the upper and lower gate potentials, a potential may be applied between the upper and lower gate electrodes, and the upper and lower source-drain electrodes may be coupled in series.
[0065]
FIG. 6 shows an example in which the
[0066]
With such a connection, although it has two gate electrodes and two pairs of source-drain electrodes, it is substantially the same circuit as an FET having one gate electrode and a pair of source-drain electrodes. Can be operated.
[0067]
In FIGS. 5 and 6, an electron transporting material is used as the first
[0068]
Also, as in FIG. 1A, the operation principle is the same in the case of a configuration in which a carrier generation electrode is embedded in a certain organic semiconductor film. In this case, when the organic semiconductor film is made of a bipolar material, electrons and holes can be injected and flow as a source-drain current. Further, in this case, by optimizing the carrier generation electrode, the operation can be performed even if the polarity of the applied voltage of the first gate electrode and the second gate electrode is reversed.
[0069]
Next, the case of providing a pair of source-drain electrodes as described with reference to FIG. 2 will be described with reference to FIG. 2B. FIG. 7 shows an example of the configuration. In addition, the code | symbol of FIG. 2 is quoted.
[0070]
FIG. 7 illustrates an example in which an electron transporting material is used for the first
[0071]
At this time, Vsd (> 0) is applied between the
[0072]
Note that in FIG. 7, an electron transporting material is used for the first
[0073]
Also, as shown in FIG. 2A, the operation principle is the same in the case of a configuration in which a carrier generation electrode is embedded in a certain organic semiconductor film. In this case, by using an organic semiconductor film of a bipolar material, electrons and holes can be injected to allow current to flow between the first electrode and the second electrode. Further, in this case, by optimizing the carrier generation electrode, the operation can be performed even if the polarity of the applied voltage of the first gate electrode and the second gate electrode is reversed.
[0074]
By the way, the carrier generation electrode in the present invention may be made of a plurality of materials instead of an electrode made of one kind of material. For example, in FIGS. 5 to 7, in order to inject electrons downward in the drawing and holes upward in the drawing, first, an electrode (e.g., a film containing a metal having a small work function) that can easily inject electrons is formed. A method of laminating an electrode (for example, a film containing a metal having a large work function) on which holes can be easily injected is used. As described above, when a plurality of materials (a material that easily injects electrons and a material that easily injects holes) are used, it is preferable that each of the plurality of materials be in ohmic contact.
[0075]
Further, when the carrier generation electrode is formed of a plurality of materials, a configuration in which the electron injection electrode and the hole injection buffer layer or the hole injection electrode and the electron injection buffer layer are combined is also possible. The hole-injection buffer layer and the electron-injection buffer layer used here do not necessarily have to function as electrodes, as long as they can promote carrier injection from the electron-injection electrode or the hole-injection electrode. For example, in FIGS. 5 to 7, in order to inject electrons in the downward direction of the drawing and holes in the upward direction of the drawing, first, an electrode (for example, a film containing a metal having a low work function) that easily injects an electron is formed. Then, a hole injection buffer layer (for example, a mixed film of an acceptor-type organic semiconductor material and a hole-transport organic semiconductor material) into which holes can be easily injected is stacked thereon.
[0076]
When the carrier generating electrode is formed of a single material, the material must be capable of injecting both electrons and holes. In this case, an intrinsic semiconductor having holes in the valence band and electrons in the conductor, or a redox polymer capable of performing both oxidation and reduction can be considered.
[0077]
The basic operation principle and configuration of the present invention have been described above. Preferred materials for the organic thin film transistor of the present invention are listed below. However, the present invention is not limited to these.
[0078]
Substrate materials include silicon wafer, glass, indium tin oxide, mica, graphite, molybdenum sulfide, metals such as copper, zinc, aluminum, stainless steel, magnesium, iron, nickel, gold, silver, polyimide, polyester, and polycarbonate. And a plastic film such as an acrylic resin, but are not limited thereto.
[0079]
Materials for the gate insulating film include polyvinyl phenol, polyparaxylylene and its derivatives, polyimide and its derivatives, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polystyrene, polyphenol derivatives, polyurea, polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, and polyvinyl chloride. Polymer thin films such as vinylidene, polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, acetylcellulose and derivatives thereof, metal oxide thin films such as alumina, inorganic oxide thin films such as silica, and silicon nitride thin films are used and formed by spin coating. Examples include, but are not limited to, a wet method, a dry method of forming a parylene thin film by vacuum evaporation, a thin film forming method by electrolytic oxidation, an electrolytic polymerization method, and a method of forming a thin film of silica or alumina by sputtering. .
[0080]
Examples of the material of the organic semiconductor film include polymers or oligomers represented by conjugated polymers, for example, polyphenylenevinylene derivatives, polyfluorene derivatives, polythiophene derivatives, polyphenylene derivatives and copolymers thereof, oligophenylene, oligothiophene, oligophenylenevinylene, and the like. In this case, a wet method such as a spin coating method, a dip coating method, an ink jet printing method, a screen printing method, and a spray coating method is used. In addition, in the case of low molecular weight substances, for example, pentacene, tetracene, copper phthalocyanine, fluorine-substituted phthalocyanine, perylene derivative, etc., mainly a vacuum deposition method is used. Can be.
[0081]
As the carrier generation electrode, a metal thin film, a metal oxide thin film, an organic conductor thin film, an organic semiconductor film, or a combination thereof can be used. On both sides of the carrier generation electrode, an inorganic dielectric thin film such as LiF, a metal oxide such as Li oxide, an organic thin film layer containing an alkali metal or alkaline earth metal ion or the like may be inserted as a cathode-side buffer layer. Yes, acceptor-type organic semiconductor materials such as TCNQ and F4-TCNQ, VO x In some cases, an acceptor-type inorganic semiconductor material such as copper phthalocyanine or the like may be used. In this specification, an electrode used as a carrier generation electrode includes a case where such a buffer layer is added.
[0082]
Materials for the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode (or the first electrode and the second electrode) include metals such as gold, copper, aluminum, platinum, chromium, palladium, indium, nickel, magnesium, silver, and gallium. Alloy, tin-indium oxide, polysilicon, amorphous silicon, tin oxide, oxide semiconductors such as indium oxide and titanium oxide, and compound semiconductors such as gallium arsenide and gallium nitride. However, the present invention is not limited to these.
[0083]
【Example】
[Example 1]
In this embodiment, the organic FET shown in FIG. 1B is specifically exemplified. First, gold is deposited to a thickness of 50 nm by a vacuum evaporation method over a glass substrate with a mask having a pattern of the first gate electrode, thereby forming a first gate electrode having a side length of 500 μm.
[0084]
This glass substrate is transferred to a chemical vapor deposition apparatus. A xylylene dimer (trade name: Parylene, manufactured by Nippon Parylene Co., Ltd.) is heated under reduced pressure, and thermally decomposed through a heating tube heated to 680 ° C. to generate a radical monomer. The generated radical monomer is introduced onto the substrate kept at room temperature to form a 300 nm-thick polyparaxylylene thin film. This becomes the first gate insulating film.
[0085]
Next, in order to form a first source electrode and a first drain electrode, a mask pattern having a source-drain length of 50 μm is provided, and a 50 nm-thick gold thin film is formed.
[0086]
On top of this, a tris (8-quinolinolato) aluminum complex (Alq 3 ) Is formed with a thickness of 50 nm by a vacuum evaporation method. This becomes the first organic semiconductor film.
[0087]
On this upper surface, as a carrier generating electrode which is a floating electrode, magnesium and Alq are interposed via a mask pattern. 3 10 nm, V 2 O 5 A buffer layer is formed to a thickness of 10 nm by sequential vacuum deposition. This functions as a carrier generation electrode with a buffer layer.
[0088]
A hole transporting material, N, N′-diphenyl-N, N ′-(bis-3-methylphenyl) -1,1′-diphenyl-4,4 ′, which is a hole-transporting material, is provided on this upper portion so as to cover the entire substrate. Forming diamine (TPD) with a thickness of 50 nm; This becomes the second organic semiconductor film.
[0089]
Further, in order to form the second source electrode and the second drain electrode, a mask pattern having a source-drain length of 50 μm is provided, and a 50 nm-thick gold thin film is formed. This mask pattern may be the same as the mask pattern used when forming the first source electrode and the first drain electrode.
[0090]
Next, the glass substrate is transferred to a chemical vapor deposition apparatus. A xylylene dimer (trade name: Parylene, manufactured by Nippon Parylene Co., Ltd.) is heated under reduced pressure, and thermally decomposed through a heating tube heated to 680 ° C. to generate a radical monomer. The generated radical monomer is introduced onto the substrate kept at room temperature to form a 300 nm-thick polyparaxylylene thin film. This becomes the second gate insulating film.
[0091]
Finally, gold is deposited to a thickness of 50 nm by a vacuum deposition method through a mask having a pattern of the second gate electrode, thereby forming a first gate electrode having a side length of 500 μm. This mask pattern may be the same as the mask pattern used when forming the first gate electrode. The prepared organic FET is shot into a measurement container, and after evacuating the container, the device characteristics are measured.
[0092]
[Example 2]
In this embodiment, the organic FET shown in FIG. 1B is specifically exemplified. First, gold is deposited to a thickness of 50 nm by a vacuum evaporation method over a glass substrate with a mask having a pattern of the first gate electrode, thereby forming a first gate electrode having a side length of 500 μm.
[0093]
This glass substrate is transferred to a chemical vapor deposition apparatus. A xylylene dimer (trade name: Parylene, manufactured by Nippon Parylene Co., Ltd.) is heated under reduced pressure, and thermally decomposed through a heating tube heated to 680 ° C. to generate a radical monomer. The generated radical monomer is introduced onto the substrate kept at room temperature to form a 300 nm-thick polyparaxylylene thin film. This becomes the first gate insulating film.
[0094]
Next, in order to form a first source electrode and a first drain electrode, a mask pattern having a source-drain length of 50 μm is provided, and a 50 nm-thick gold thin film is formed.
[0095]
On top of this, copper (II) 1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,23 is an n-type organic semiconductor material so as to cover the entire substrate. 24,25-hexadecafluorophthalocyanine (F16-CuPC) is formed to a thickness of 50 nm by a vacuum evaporation method. This becomes the first organic semiconductor film.
[0096]
On this upper surface, a mixed layer of magnesium and F16-CuPC was formed to a thickness of 10 nm through a mask pattern as a carrier generation electrode as a floating electrode. 2 O 5 A buffer layer is formed to a thickness of 10 nm by sequential vacuum deposition. This functions as a carrier generation electrode with a buffer layer.
[0097]
On top of this, pentacene, which is a p-type organic semiconductor material, is formed with a thickness of 50 nm so as to cover the entire substrate. This becomes the second organic semiconductor film.
[0098]
Further, in order to form the second source electrode and the second drain electrode, a mask pattern having a source-drain length of 50 μm is provided, and a 50 nm-thick gold thin film is formed. This mask pattern may be the same as the mask pattern used when forming the first source electrode and the first drain electrode.
[0099]
Next, the glass substrate is transferred to a chemical vapor deposition apparatus. A xylylene dimer (trade name: Parylene, manufactured by Nippon Parylene Co., Ltd.) is heated under reduced pressure, and thermally decomposed through a heating tube heated to 680 ° C. to generate a radical monomer. The generated radical monomer is introduced onto the substrate kept at room temperature to form a 300 nm-thick polyparaxylylene thin film. This becomes the second gate insulating film.
[0100]
Finally, gold is deposited to a thickness of 50 nm by a vacuum deposition method through a mask having a pattern of the second gate electrode, thereby forming a first gate electrode having a side length of 500 μm. This mask pattern may be the same as the mask pattern used when forming the first gate electrode. The prepared organic FET is shot into a measurement container, and after evacuating the container, the device characteristics are measured.
[0101]
[Example 3]
In this embodiment, the organic FET shown in FIG. 1B is specifically exemplified. First, gold is deposited to a thickness of 50 nm by a vacuum evaporation method over a glass substrate with a mask having a pattern of the first gate electrode, thereby forming a first gate electrode having a side length of 500 μm.
[0102]
This glass substrate is transferred to a chemical vapor deposition apparatus. A xylylene dimer (trade name: Parylene, manufactured by Parylene Japan Ltd.) is heated and evaporated under reduced pressure, and thermally decomposed through a heating tube heated to 680 ° C. to generate a diradical monomer. The generated diradical monomer is introduced onto the substrate kept at room temperature to form a 300 nm-thick polyparaxylylene thin film. This becomes the first gate insulating film.
[0103]
Next, in order to form a first source electrode and a first drain electrode, a mask pattern having a source-drain length of 50 μm is provided, and a 50 nm-thick gold thin film is formed.
[0104]
On top of this, a tris (8-quinolinolato) aluminum complex (Alq 3 ) Is formed with a thickness of 50 nm by vacuum evaporation. This becomes the first organic semiconductor film.
[0105]
On this upper surface, a LiF buffer layer of 5 nm, an aluminum thin film layer of 100 nm, and a copper phthalocyanine buffer layer of 5 nm are sequentially formed by vacuum evaporation through a mask of a pattern of a carrier generation electrode as a floating electrode. This functions as a carrier generation electrode with a buffer layer.
[0106]
A hole transporting material, N, N'-diphenyl-N, N '-(bis-3-methylphenyl) -1,1'-diphenyl-4,4', which is a hole-transporting material, is provided on this upper surface so as to cover the entire surface of the substrate. Forming diamine (TPD) with a thickness of 50 nm; This becomes the second organic semiconductor film.
[0107]
Further, in order to form the second source electrode and the second drain electrode, a mask pattern having a source-drain length of 50 μm is provided, and a 50 nm-thick gold thin film is formed. This mask pattern may be the same as the mask pattern used when forming the first source electrode and the first drain electrode.
[0108]
Next, the glass substrate is transferred to a chemical vapor deposition apparatus. The xylylene dimer (trade name: Parylene, manufactured by Parylene Japan Co., Ltd.) is heated and evaporated under reduced pressure, and thermally decomposed through a heating tube heated to 680 ° C. to generate a diradical monomer. The generated diradical monomer is introduced onto the substrate kept at room temperature to produce a polyparaxylylene thin film having a thickness of 300 nm. This becomes the second gate insulating film.
[0109]
Finally, gold is deposited to a thickness of 50 nm by a vacuum evaporation method through a mask having a pattern of the second gate electrode, thereby forming a second gate electrode having a side length of 500 μm. This mask pattern may be the same as the mask pattern used when forming the first gate electrode. The produced organic FET is transferred to a measurement container, and after the container is evacuated, the device characteristics are measured.
[0110]
[Example 4]
In the present embodiment, the organic FET shown in FIG. First, gold is deposited to a thickness of 50 nm by a vacuum evaporation method over a glass substrate with a mask having a pattern of the first gate electrode, thereby forming a first gate electrode having a side length of 500 μm.
[0111]
Further, an aqueous solution of polyvinyl phenol is applied on the glass substrate by spin coating to form a first gate insulating film.
[0112]
Next, in order to form a first source electrode and a first drain electrode, a mask pattern having a source-drain length of 50 μm is provided, and a 50 nm-thick gold thin film is formed.
[0113]
A chloroform solution of regioregular poly (3-octylthiophene-2,5-diyl) (P30T) is formed thereon by spin coating so as to cover the entire surface of the substrate, and an organic semiconductor film having a thickness of 50 nm is formed. Form.
[0114]
Next, a polyethylene dioxythiophene / polystyrene sulfonic acid (PEDOT / PSS) thin film having a thickness of 50 nm is formed as a buffer layer by spin coating from an aqueous solution. On this upper surface, a gold thin film layer of 100 nm is formed by vacuum evaporation via a mask having a pattern to be a floating electrode. On this upper surface, a polyethylene dioxythiophene / polystyrene sulfonic acid (PEDOT / PSS) thin film having a thickness of 50 nm is again formed as a buffer layer by spin coating. This functions as a carrier generation electrode with a buffer layer.
[0115]
On top of this, a chloroform solution of regioregular poly (3-octylthiophene-2,5-diyl) (P30T) was formed by a spin coat method so as to cover the entire surface of the substrate by a spin coat method. An organic semiconductor film is formed. Thus, a structure in which the carrier generation electrode is embedded in the same organic semiconductor film can be formed.
[0116]
Further, in order to form the second source electrode and the second drain electrode, a mask pattern having a source-drain length of 50 μm is provided, and a 50 nm-thick gold thin film is formed. This mask pattern may be the same as the mask pattern used when forming the first source electrode and the first drain electrode.
[0117]
On this substrate, a polyvinyl phenol solution is applied by a spin coating method to form a second gate insulating film.
[0118]
Finally, gold is deposited to a thickness of 50 nm by a vacuum deposition method through a mask of the pattern of the second gate electrode, thereby forming a second gate electrode having a side length of 500 μm. This mask pattern may be the same as the mask pattern used when forming the first gate electrode. The produced organic FET is transferred to a measurement container, and after the container is evacuated, the device characteristics are measured.
[0119]
【The invention's effect】
By implementing the present invention, an organic FET that can operate sufficiently without using an organic semiconductor film doped with an impurity can be manufactured, so that an organic FET with a stable thin film can be provided. In addition, an organic FET that can operate satisfactorily even using a normal vapor-deposited film or a coated film can be manufactured without using a single-crystal or microcrystalline organic semiconductor film, so that a wide range of materials can be selected and the manufacture is simple. An organic FET that can be provided can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a basic configuration of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an organic EL element having a charge generation layer.
FIG. 4 is a diagram showing a principle of accumulating charges from a carrier generation electrode.
FIG. 5 is a diagram showing an organic field effect transistor of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing an organic field effect transistor of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing an organic field effect transistor of the present invention.
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