JP2004134508A

JP2004134508A - 縦型有機トランジスタ

Info

Publication number: JP2004134508A
Application number: JP2002296227A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Yamamoto; 山本　伸一
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2004-04-30

Abstract

【課題】デバイスの高密化進展、０．１ミクロン以下の微細加工においても結晶性に左右されない有機物を用いたデバイス作製により、高集積化されたデバイスを提供する。また、プラスチック基板に形成することでフレキシビリティに優れた有機デバイスを提供する。
【解決手段】少なくとも、任意の基板上に形成された第１の電極と第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極の間を接続する方向と略平行に配向させた複数の導電性共役結合基と有極性の官能基を含む単分子膜または単分子累積膜と、前記重合した単分子膜または単分子累積膜に直接または間接に接触した第３の電極を備えた縦型電界効果トランジスタ（３端子有機電子デバイス）を製造する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低分子有機膜、高分子有機膜、導電性共役結合基を含む被膜を用いた縦型電界効果トランジスタ（有機電子デバイス）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子デバイスには、シリコン結晶に代表されるように、無機系の半導体材料が用いられている。現在、一般的な金属酸化物半導体（以下、ＭＯＳと略称する）型集積回路においては、半導体基板表面の方向に対して同方向（水平方向）にチャネルを形成した平面型ＭＯＳトランジスタが用いられている。集積回路の集積度を向上させるためには各素子の占有面積を減少させる必要がある。上記平面型ＭＯＳトランジスタにおいて占有面積を減少させるためには、チャネル長を短くしたり、チャネル幅を小さくする必要がある。ところが、そのようにすると短チャネル効果やホットキャリアによる劣化あるいは電流駆動能力の低下など多くの問題が生ずるため、チャネル長やチャネル幅を小さくして占有面積を有効に減少させるには限界がある。
【０００３】
図１１は通常のＬＤＤ構造の平面型トランジスタの製造工程図である。以下、図１１に従って、ＬＤＤ構造の平面型トランジスタの製造方法について述べる。
【０００４】
図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、シリコン基板５１上に通常のＭＯＳＦＥＴ製造工程によって、フィールド酸化膜５３、ゲート絶縁膜５２およびゲート電極５４を形成する。
【０００５】
次に、図１１（ｃ）に示すように、イオン注入によって低濃度拡散層５５を形成する。さらに、シリコン酸化膜でスペーサ５６を形成した後、図１１（ｄ）に示すように、イオン注入によりソース電極５７およびドレイン電極５８を形成する。こうして、ソース端およびドレイン端に低濃度拡散層５５を設けて、ソース／ドレイン間の耐圧の向上が図られるのである。
【０００６】
しかしながら、図１２に示すように上記従来の縦型トランジスタ製造方法においては、シリコン柱６２上に形成したＮ＋ポリシリコン層６４を全面エッチングしてゲート電極６４ａを形成している。したがって、得られる縦型トランジスタにおけるゲート電極６４ａはシリコン柱６２の側壁に非常に簿い膜状に形成される。そのために、ごく薄い膜状のゲート電極６４ａに配線しなければならず、ゲート電極６４ａヘのコンタクトが極めて困難という問題がある。また、上記従来の縦型トランジスタの製造方法によって作成された縦型トランジスタは、チャネル長が短くなるに連れてソース／ドレイン間の耐圧が低下するという問題がある。
【０００７】
ここで、上述の高集積化と完全空乏化デバイスを一挙に実現する物の一つとして、半導体表面に対して垂直方向にチャネルを有する縦型トランジスタがある。この縦型トランジスタは、次のような製造工程によって製造されている。以下、図１２に従って、従来の縦型トランジスタの製造方法について述べる。
【０００８】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィによる微細加工で形成されたエッチングマスク（図示せず）を用いて、シリコン基板６１をエッチングしてシリコン柱６２を形成する。次に、図１２（ｃ）に示すように、上記シリコン柱６２に熱酸化あるいは気相成長法によって酸化膜６３を形成した後、Ｎ＋ポリシリコン層６４を気相成長法によって形成する。
【０００９】
そして、このＮ＋ポリシリコン層６４を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によって全面エッチングすることで、図１２（ｄ）に示すように、シリコン柱６２の周囲にゲート電極６４ａを形成する。
【００１０】
次に、図１２（ｅ）に示すように、イオン注入によりドレイン電極６５およびソース電極６６を形成する。その後は、通常のＭＯＳ型トランジスタの製造工程と同様の工程によって、縦型トランジスタが作成されるのである。こうして製造された縦型トランジスタは、縦型であるため占有面積が小さく、またゲート電極６４ａがシリコン柱６２の周囲を囲んで存在しているために、良好な特性が得られるという特徴を有している（例えば，特許文献１，２，３参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平５−１２９３３５号公報
【特許文献２】
特開平５−２１７９０号公報
【特許文献３】
特開平９−４５８９９号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
一方、上述のような集積回路の微細化によって発生する問題を解決する方法の一つにＳＯＩ（絶縁体上半導体薄膜）技術がある。すなわち、ＳＯＩ島（パーターニングされたアイランド状のＳＯＩ）の膜厚を非常に薄くして基板部分を完全に空乏化させることによって、短チャネル効果の抑制等が図られて特性の向上が見い出されている。
【００１３】
しかしながら、上記従来の縦型トランジスタの製造方法においては、上記シリコン柱６２の形成はフォトリソグラフィによる微細加工で形成されたエッチングマスクに依存するため、形成される上記シリコン柱６２の厚みはフォトリソグラフィの限界に伴ってある厚み以下にはできない。そのために、上述のようにして形成された縦型トランジスタにおいては、相対向するゲート電極６４ａに電圧が印加された場合にシリコン柱６２の両側に形成された空乏層の間にＰ型シリコン部が残り、シリコン柱６２を完全空乏化できず当初の目的を達成できないという問題がある。
【００１４】
そこで、この発明の目的は、フォトリソグラフィの限界に左右されずに超微細で高特性を有する縦型トランジスタを製造できる縦型トランジスタの製造方法を提供することにある。
【００１５】
本発明では、デバイスの高密度化が進展し、０．１ミクロン以下の微細加工がなされても、結晶性に左右されない有機物を用いたデバイスを作製することで、高集積化されたデバイスを提供することを目的とする。また、プラスチック基板に形成することにより、フレキシビリティに優れた有機デバイスを提供することを主な目的とする。さらに、この有機膜をフレキシブル基板の面内方向に対して垂直に設けることにより、基板が曲げられても活性層に負荷がかからない様になっている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも、絶縁膜を介した第一および第２電極を、基板に垂直方向に形成し、絶縁膜の側壁に有機膜を塗布することによりドーピング工程が特にいらない縦型電界効果トランジスタを提供する。
【００１７】
特に、有機膜に関しては、
重合して導電性の共役結合基を生成する官能基と基材表面の活性水素と反応する官能基を含む分子を用い、表面に活性水素を含む基板の表面に化学吸着法により単分子膜または単分子累積膜を形成する工程と、前記単分子膜を構成する分子を配向させる工程と、前記単分子膜内で重合して導電性の共役結合基を生成する官能基を重合する工程により、特定の方向に配向させた複数の導電性共役結合基を含む単分子膜状または単分子累積膜状の被膜を提供するものである。また、有機膜には低分子系であるペンタセン、ポリアセンなどの一般的な有機膜を用いてもよい。また、高分子系有機材料を用いても何ら問題はない。
【００１８】
このとき、導電性共役結合基がポリアセチレン基、ポリジアセチレン基、ポリアセン基、ポリピロール基、ポリチェニレン基であると導電異方性に優れた単分子膜状または単分子累積膜状の被膜となる。さらにまた、共役結合基を生成する官能基を重合する工程に、触媒重合法、電界重合法、あるいはエネルギービーム照射重合法を用いる。このとき、共役結合基を作製する官能基として、ピロール基、チェニレン基、アセチレン基、ジアセチレン基を含む単分子膜または単分子累積膜を用いると、触媒重合法により導電性の超長共役結合基を生成できる。また、ピロール基、チェニレン基を含む単分子膜または単分子累積膜を用いると、電界重合法により導電性の超長共役結合基を生成できる。さらにまた、共役結合基を作製する官能基として、アセチレン基、またはジアセチレン基を含む単分子膜または単分子累積膜を用いると、Ｘ線、電子線、または紫外線等のエネルギービーム照射重合法により導電性の超長共役結合基を生成できる。
【００１９】
さらに、単分子膜または単分子累積膜の作製に、化学吸着法またはラングミュアーブロジェット法を用いる。特に、化学吸着法を用いた単分子膜または単分子累積膜の作製には、シラン系界面活性剤を用いる。さらにまた、単分子膜または単分子累積膜を重合して導電性の共役結合基を生成する工程の前に、第１及び第２電極を形成する工程を行うと、これら電極を電解重合の電極として利用でき、第１及び第２電極間に電流を流して導電性の共役結合基を生成できる。
【００２０】
電解重合性の官能基としては、ピロール基またはチェニレン基が都合よい。このとき、ピロール基またはチェニレン基を含む単分子膜を形成した後、ピロール基またはチェニレン基を含む物質を溶かした有機溶媒中で、第１及び第２電極と第３の電極の間に電流を流して、前記ポリピロール基またはポリチェニレン基を含む単分子膜表面にポリピロール基またはポリチェニレン基を含む被膜を形成する。また、重合性基としてピロール基、チェニレン基、アセチレン基、ジアセチレン基等の触媒重合性の官能基を含む単分子膜または単分子累積膜を用い、触媒重合にて共役結合基を生成する。一方、エネルギービーム照射により重合する官能基として、アセチレン基、ジアセチレン基、重合性基を含む単分子膜または単分子累積膜を用い、紫外線、遠紫外線、電子線またはＸ線等のエネルギービームを照射して共役結合基を生成する。
【００２１】
また、少なくとも、絶縁性の基板、あるいは導電性の基板表面に絶縁性の薄膜を介して第３の電極を形成する工程と、重合して導電性の共役結合基を生成する官能基と基材表面の活性水素と反応する官能基と有極性の官能基を含む分子を用い、前記電極を被うように直接あるいは絶縁性の被膜を介して表面に単分子膜または単分子累積膜を形成する工程と、前記単分子膜を構成する分子を配向させる工程と、前記単分子膜内で重合して導電性の共役結合基を生成する官能基を重合する工程と、第１及び第２電極を形成する工程を用いて、少なくとも、任意の基板上に形成された第１の電極と第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極の間を接続する方向と略平行に配向させた複数の導電性共役結合基と有極性の官能基を含む単分子膜または単分子累積膜と、前記重合した単分子膜または単分子累積膜に直接または間接に接触した第３の電極を備えた縦型電界効果トランジスタ（３端子有機電子デバイス）を提供する。
【００２２】
このとき、有極性の官能基として、電界印加により分極するカルボニル基、オキシカルボニル基が良い。さらに、重合形成された単分子膜または単分子累積膜に、電解重合、触媒重合、あるいはエネルギービーム照射により重合形成されたポリアセチレン基、ポリジアセチレン基、ポリアセン基、ポリピロール基、ポリチェニレン基等の導電性の共役結合基を含ませておくと、特性に優れた有機デバイスとなる。
【００２３】
さらに、単分子膜または単分子累積膜の作製に、化学吸着法またはラングミュアーブロジェット法を用いる。特に、化学吸着法を用いた単分子膜または単分子累積膜の作製には、シラン系界面活性剤を用いる。さらにまた、単分子膜または単分子累積膜を重合して導電性の共役結合基を生成する工程の前に、第１及び第２電極を形成する工程を行うと、これら電極を電解重合の電極として利用でき、第１及び第２電極間に電流を流して導電性の共役結合基を生成できる。
【００２４】
電解重合性の官能基としては、ピロール基またはチェニレン基が都合よい。このとき、ピロール基またはチェニレン基を含む単分子膜を形成した後、ピロール基またはチェニレン基を含む物質を溶かした有機溶媒中で、第１及び第２電極と第３の電極の間に電流を流して、前記ポリピロール基またはポリチェニレン基を含む単分子膜表面にポリピロール基またはポリチェニレン基を含む被膜を形成する。また、重合性基としてピロール基、チェニレン基、アセチレン基、ジアセチレン基等の触媒重合性の官能基を含む単分子膜または単分子累積膜を用い、触媒重合にて共役結合基を生成する。一方、エネルギービーム照射により重合する官能基として、アセチレン基、ジアセチレン基、重合性基を含む単分子膜または単分子累積膜を用い、紫外線、遠紫外線、電子線またはＸ線等のエネルギービームを照射して共役結合基を生成する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の実施の形態における縦型電界効果トランジスタについて概要を説明する。
【００２６】
第１に、少なくとも、重合して導電性の共役結合基を生成する官能基と基材表面の活性水素と反応する官能基と光異性化する官能基を含む分子を用い、絶縁性の基板、あるいは導電性の基板表面に絶縁性の薄膜を介して表面に単分子膜または単分子累積膜を形成する工程と、前記単分子膜を構成する分子を配向させる工程と、前記単分子膜または単分子累積膜を重合して導電性の共役結合基を生成する工程と、第１及び第２電極を形成する工程を用いて、少なくとも、任意の基板上に形成された第１の電極と第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極の間を接続する方向と略平行に配向させた複数の導電性共役結合基と光応答性の官能基を含む単分子膜または単分子累積膜を備えた縦型電界効果トランジスタ（３端子有機電子デバイス）を製造した。
【００２７】
このデバイスでは、前記第１の電極と第２の電極間に電圧を印加した状態で、前記重合形成された共役結合基を含む単分子膜または単分子累積膜に紫外線または可視光線を照射することで、前記共役結合の共役度を制御して第１の電極と第２の電極間に流れる電流をスイッチング制御できた。
【００２８】
第２に、少なくとも、絶縁性の基板、あるいは導電性の基板表面に絶縁性の薄膜を介して第３の電極を形成する工程と、重合して導電性の共役結合基を生成する官能基と基材表面の活性水素と反応する官能基と有極性の官能基を含む分子を用い、前記電極を被うように直接あるいは絶縁性の被膜を介して表面に単分子膜または単分子累積膜を形成する工程と、前記単分子膜を構成する分子を配向させる工程と、前記単分子膜内で重合して導電性の共役結合基を生成する官能基を重合する工程と、第１及び第２電極を形成する工程を用いて、少なくとも、任意の基板上に形成された第１の電極と第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極の間を接続する方向と略平行に配向させた複数の導電性共役結合基と有極性の官能基を含む単分子膜または単分子累積膜と、前記重合した単分子膜または単分子累積膜に直接または間接に接触した第３の電極を備えた３端子有機電子デバイスを製造した。
【００２９】
このデバイスでは、前記第１の電極と第２の電極間に電圧を印加した状態で、前記第１の電極と第３の電極間に電圧を印加し前記共役結合の共役度を制御して、前記第１の電極と第２の電極間に流れる電流をスイッチング制御できた。
【００３０】
以下、具体的な実施の形態を図面を用いて説明する。
【００３１】
（実施の形態１）
例えば、予め重合して導電性の共役結合基になるアセチレン基（−Ｃ≡Ｃ−Ｃ≡Ｃ−）と光異性化する官能基であるアゾ基（−Ｎ＝Ｎ−）と基板表面の活性水素（例えば、水酸基（−ＯＨ））と反応するクロロシリル基（−ＳｉＣｌ）を含む物質（化１）を用い、脱水したジメチルシリコーン系の有機溶媒で１％に薄めて化学吸着液を調製した。
【００３２】
【化１】

【００３３】
次に、単分子膜を形成する部分を残してレジストパターンでカバー形成した絶縁性のガラス基板１を前記吸着液に浸漬して前記レジストパターン開口部に選択的に化学吸着を行い、さらに表面に残った未反応の前記物質をクロロフォルムで洗浄除去し、続いて前記レジストパターンを除去して、前記物質よりなる単分子膜２を選択的に形成した。このとき、レジスト開口部のガラス基板表面には活性水素を含む水酸基が多数存在するので、前記物質の−ＳｉＣｌ基が水酸基と脱塩酸反応を生じて基板表面に共有結合した（化２）で構成される単分子膜２が形成された（図２）。
【００３４】
【化２】

【００３５】
次に、液晶配向膜作製に使用するラビング装置３を使用し、レーヨン製ラビング布４（吉川加工（株）製：ＹＡ−２０−Ｒ）で、押し込み深さ０．３ｍｍ、ニップ幅１１．７ｍｍ、回転数１２００回転、テーブルスピード４０ｍｍ／ｓｅｃの条件で第１電極から第２電極に向かう方向と平行に縦方向にラビングした（図３）。このことにより、前記単分子膜を構成する化学吸着された分子（化２）は、ラビング方向に沿って配向された。
【００３６】
なお、ここでのラビング処理は単分子膜形成後に行ったが、単分子膜形成前、すなわち、基板表面を予め同様の条件でラビングし、その後、その表面に単分子膜を形成しても同様に配向した単分子膜が得られた。ただしこの場合、レジスト除去後、もう一度単分子膜形成後と同様にクロロフォルム洗浄を行い、さらにラビング方向と略平行に基板を立てながら引き上げて液切りを行うと、液切り方向と反対方向に配向し、より配向性に優れた単分子膜が得られた。
【００３７】
次に、基板の配向処理された化学吸着単分子膜２ａ上全面にニッケル薄膜を蒸着形成し、ホトリソ法を用いてギャップ間距離が１０ミクロンで長さが３０ミクロンの第１電極８を形成し、その後、ゲート絶縁膜を成膜して再度ニッケル薄膜を第２電極９として成膜し、最後にこれらの堆積した膜をドライエッチングでエッチングして形成した。このように、任意の基板上に形成された第１の電極と第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極の間を接続する方向と略平行に配向させた複数の導電性共役結合基と光応答性の官能基を含む単分子膜または単分子累積膜を備えた３端子有機電子デバイスを製造した（図４）。
【００３８】
このデバイスでは、前記第１の電極と第２の電極間は、導電性のポリアセチレン結合基で接続されているので、電極間に数Ｖ電圧を印加すると、数ｍＡ電流（１Ｖで１００ｎＡ程度）が流れた。この値は、無配向で重合した場合のおよそ５０倍であった。
【００３９】
次に、前記状態で、前記電極間の単分子膜に紫外線（光１０）を照射すると、前記アゾ基がシス転移して、電流がほぼ０となった。またその後、可視光線（光１０）を照射すると、前記アゾ基がトランス転移して元の導電性が再現された（図５）。このような電極間の導電性の低下は、アゾ基の光異性化（トランス型からシス型への転移）により、単分子膜内の分子配向がひずみ、ポリアセチレン結合基の共役度が低下することにより生じるものと考えられる。
【００４０】
このように、光照射により、前記共役結合の共役度を制御して第１の電極と第２の電極間に流れる電流をスイッチング制御できた。
【００４１】
なお、ポリアセチレン基を導電性基として用いる場合、重合度が低いと抵抗が高くなる。すなわち、オン電流が低くなるが、その場合には電荷移動性の官能基を有するドーパント物質（例えば、アクセプタ分子としてハロゲンガスやルイス酸、ドナー分子としてアルカリ金属やアンモニウム塩）を表面に拡散する、すなわちドーピングすることで、オン電流を大きくできた。ちなみに、この被膜にヨウ素をドープした場合、１Ｖの電圧印加で０．２ｍＡの電流が流れた。
【００４２】
ここで、基板として金属などの導電性の基板を用いる場合には、導電性の基板表面に絶縁性の薄膜を介して単分子膜を形成しておけばよい。なお、このような構造では基板自体が帯電することがないので、デバイスの動作安定性が向上した。
【００４３】
また、より大きなオン電流を必要とする場合には、電極間距離を小さくするか、電極幅を広げればよい。さらに大きなオン電流を必要とする場合には、単分子膜を累積しておけばよい。
【００４４】
上記実施の形態１では、導電性の共役結合基の作製に触媒重合法を用いたが、電解重合、あるいは光や電子線、Ｘ線などのエネルギービーム照射により、同様の導電性の共役結合基を作製できた。また、導電性の共役結合基としてポリアセチレン基以外に、ポリジアセチレン基、ポリアセン基、ポリピロール基、ポリチェニレン基が利用できた。なお、触媒重合法には、重合性基として前記アセチレン基以外にピロール基、チェニレン基、ジアセチレン基等が適していた。
【００４５】
さらに、単分子膜または単分子累積膜の作製には、化学吸着法以外に、ラングミュアーブロジェット法を使用できた。また、単分子膜または単分子累積膜を重合して導電性の共役結合基を生成する工程の前に、第１及び第２電極を形成する工程を行うと、共役結合基の作製に際して、第１及び第２電極を電解重合に利用できた。すなわち、電解重合性の官能基としてピロール基またはチェニレン基を含む単分子膜または単分子累積膜を用い、第１及び第２電極の間に電流を流して第１及び第２電極間の薄膜を選択的に電解重合できた。さらにまた、ポリピロール基またはポリチェニレン基を含む単分子膜を形成した後、あるいは、ピロール基またはチェニレン基を含む単分子膜を形成した後、ピロール基またはチェニレン基を含む物質を溶かした有機溶媒中で、第１及び第２電極間に電流を流して、ポリピロール基またはポリチェニレン基を含む単分子膜表面にポリピロール基またはポリチェニレン基を含む被膜を形成すると導電領域の厚さを厚くできた。
【００４６】
また、重合性基としてエネルギービームにより重合する官能基であるアセチレン基やジアセチレン基等を含む単分子膜または単分子累積膜を用い、紫外線、遠紫外線、電子線またはＸ線等のエネルギービームを照射することで共役結合基を生成できた。
【００４７】
なお、使用する物質は、一般に（化３）で示される物質なら、本実施の形態１において同様に使用できた。
【００４８】
【化３】

【００４９】
ここで、
Ａは重合して導電性の共役結合基になる官能基
Ｂは光応答性の官能基
Ｄは基板表面の活性水素と反応する官能基
Ｅは水素、メチル基、エチル基、メトキシ基、エトキシ基、アルキル基等の他の官能基
ｍ、ｎは整数であり、ｍ＋ｎは２以上２５以下、特に１０〜２０が良かった。
【００５０】
ｐは１、２、または３である。
【００５１】
さらに詳しくは、（化４）〜（化７）で表される物質等が使用できた。
【００５２】
【化４】

【００５３】
【化５】

【００５４】
【化６】

【００５５】
【化７】

【００５６】
ここで、ｍ、ｎは整数であり、ｍ＋ｎは２以上２５以下である。
【００５７】
（実施の形態２）
例えば、予め、電解重合して導電性の共役結合基になるピロール基（Ｃ_４Ｈ_４Ｎ−）と有極性の官能基であるオキシカルボニル基（−ＯＣＯ−）と基板表面の活性水素（例えば、水酸基（−ＯＨ））と反応するクロロシリル基（−ＳｉＣｌ）を含む物質（化８）を用い、脱水したジメチルシリコーン系の有機溶媒で１％に薄めて化学吸着液を調製した。
【００５８】
【化８】

【００５９】
次に、絶縁性のポリイミド基板１１（あるいは導電性のメタル基板表面に絶縁性の薄膜、例えばシリカ被膜１２を介してでも良い）を用いて、その上に横方向選択線１３（第２電極にもなる）にゲート絶縁膜６のゲート長が１００ｎｍ（厚み）で幅が４０ミクロンになるようなスイッチング素子をドライエッチングで形成し、さらに前記Ａｌパターン（第１電極：ソース部、縦方向選択線１４）を形成し、７つの有機トランジスタを並べた（図６）。
【００６０】
次に、単分子膜を形成するために、前記吸着液に浸漬して前記絶縁膜に選択的に化学吸着を行い、さらに表面に残った未反応の前記物質をクロロフォルムで洗浄除去し、続いて前記レジストパターンを除去して、前記物質よりなる単分子膜１５を選択的に形成した（図７）。
【００６１】
このとき、用いた絶縁膜の側壁表面（シリカ被膜およびＡｌ_２Ｏ_３表面）には活性水素を含む水酸基が多数存在するので、前記物質の−ＳｉＣｌ基が水酸基と脱塩酸反応を生じて基板表面に共有結合した（化９）で示される分子で構成された単分子膜１５が形成された。
【００６２】
【化９】

【００６３】
その後、もう一度単分子膜形成後と同様にクロロフォルム洗浄を行い、さらに第１電極から第２電極に向かう方向と平行に基板を立てながら引き上げて液切りを行うと、第１電極から第２電極に向かって一次配向した単分子膜１５ａが得られた。
【００６４】
次に、アセトニトリル中で第１及び第２電極間に５Ｖ／ｃｍ程度の電界を印加し、電流を流して電解重合することで、導電性の共役結合基で第１電極１４及び第２電極１６間を接続するように生成した。このとき、重合された共役結合基は、電界方向に沿ってつながって行くので、完全に重合が終われば、第１及び第２電極は導電性の共役結合基１８で自己組織的に接続される（図１）。
【００６５】
最後に、第３の電極を基板側から取り出して、任意の基板上に形成された第１の電極と第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極の間を接続する方向と略平行に配向させた複数の導電性共役結合基と有極性の官能基を含む単分子膜または単分子累積膜と、前記重合した単分子膜または単分子累積膜に直接または間接に接触した第３の電極を備えた３端子有機電子デバイスを製造した。
【００６６】
このデバイスでは、前記第１の電極と第２の電極間は、導電性のポリピロール結合基で接続されているので、ＢＦ⁻イオンをドープすると電極間に１Ｖの電圧を印加して１ｍＡ程度の電流が流れた。
【００６７】
次に、前記状態で、前記第３電極と第１電極の間に５Ｖの電圧を印加すると第１及び第２の電極間の電流がほぼ０となった。またその後、５Ｖの印加電圧を０Ｖにもどすと元の導電性が再現された。このような電極間の導電性の低下は、第３電極と第１電極の間に５Ｖの電圧を印加した際、有極性の官能基であるオキシカルボニル基（−ＯＣＯ−）の分極が進むことにより、単分子膜がひずみ、ポリピロール結合基の共役度が低下することにより生じるものと考えられる。
【００６８】
このように、第３の電極に電圧を印加することで、前記共役結合の共役度を制御して第１の電極と第２の電極間に流れる電流をスイッチング制御できた。
【００６９】
本実施の形態２において、第１電極から第２電極に向かう方向と平行に基板を立てながら引き上げて液切りを行った後、さらに第１電極から第２電極に向かう方向と平行方向に偏光した可視光１９を５００ｍＪ／ｃｍ^２程度照射すると、立てながら引き上げて液切りを行うだけに比べてさらに配向性に優れた単分子膜が得られた。また、このとき、偏光方向を第１電極から第２電極に向かう方向と４５°で交差する方向に設定して同様の照射を行うと、前記単分子膜を構成する分子は、当初の引き上げ方向から動き、前記偏光照射方向と略平行方向に配向した。すなわち、偏光照射を行うと、単分子膜を構成する分子が偏光方向に配向することが確認できた（図８）。
【００７０】
さらに、このように配向した状態で重合して共役結合基を生成すると、より導電性に優れた被膜を形成できた。
【００７１】
ここで、有極性の官能基が電界印加により分極するオキシカルボニル基であると、スイッチングを極めて高速で行えた。オキシカルボニル基以外に、カルボニル基等の官能基が使用できた。
【００７２】
さらにまた、導電性の共役結合基としてポリアセチレン基、ポリジアセチレン基、ポリアセン基、ポリピロール基、ポリチェニレン基が使用でき、導電度が高かった。
【００７３】
また、導電性の共役結合基を生成する物質として、電解重合性の官能基であるピロール基以外に、チェニレン基が利用できた。なお、重合方法を変えれば、アセチレン基、ジアセチレン基を含む物質も利用できた。
【００７４】
また、単分子膜または単分子累積膜の作製には、化学吸着法以外に、ラングミュアーブロジェット法が使用できた。
【００７５】
また、重合性基としてピロール基、チェニレン基、アセチレン基、ジアセチレン基等の触媒重合性の官能基を含む単分子膜または単分子累積膜を用いれば、触媒重合にて共役結合基を生成できた。また、重合性基としてアセチレン基、ジアセチレン基等のエネルギービームにより重合する官能基を含む単分子膜または単分子累積膜を用い、紫外線、遠紫外線、電子線またはＸ線等のエネルギービームを照射して共役結合基を生成することで有機電子デバイスを製造できた。
【００７６】
（実施の形態３）
従来の半導体装置に形成される薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、非晶質シリコンを活性層とする構造が一般的であったが、非晶質シリコンＴＦＴはキャリア移動度が低く十分な動作特性を備えていないため、最近では有機ＴＦＴが注目されている。有機ＴＦＴは、非晶質シリコンＴＦＴに比べて製造コストが安く、動作特性にも優れており、画素スイッチング用としてだけでなく、周辺駆動回路のデバイスとして使用することも将来可能になると考えられている。そこで、今回発明した有機ＴＦＴの製造においては、室温プロセスで製造出来るので、基板に温度に弱いプラスティックを用いても問題ない。
【００７７】
有機ＴＦＴの一例を図４に示す。同図に示すように、絶縁性のガラス基板１に単分子膜２ａが形成され、この単分子膜２ａの上にドレイン電極９、ゲート絶縁膜６、ソース電極８が形成され、ゲート絶縁膜６の側壁に主になる有機半導体薄膜（活性層）２０が形成されている。この有機半導体薄膜２０とは、チャネル領域であり、ソース領域（第１電極８）・ドレイン領域（第２電極９）とを有している。
【００７８】
有機半導体薄膜２０はゲート絶縁膜６の側壁を覆ってチャネル領域となっているので、有機膜を用いたトランジスタの場合、特にソース・ドレイン領域に接続させるためのコンタクトホールを形成する必要もない。つまり、通常のトランジスタと違い、ソース、ドレイン電極と直接コンタクト（接触）できるようになっている。
【００７９】
ところが、多結晶シリコンＴＦＴなどを用いたＴＦＴでは、半導体薄膜中の結晶粒界に高密度のトラップ準位が存在し、このトラップを介してキャリアが移動する。このため、ゲート電圧Ｖ_ＧＳが負の領域においても、ゲート電圧Ｖ_ＧＳの絶対値の増加と共にドレイン電流Ｉ_Ｄが増加する。この現象は、オフ状態でのリーク電流であるオフ電流がゲート電圧依存性を有することを意味するものであり、トランジスタの特性としては好ましくない。また、オフ電流自体を更に低減させることも必要である。例えば、アクティブマトリックス型の液晶表示装置に使用される多結晶シリコンＴＦＴはゲート逆バイアス下で用いられるため、オフ電流が大きくなるとデータの保持特性が悪化するという問題が生じる。即ち、コンデンサに書き込まれたデータは、書き込み時間よりもはるかに長時間保持される必要があるが、コンデンサの静電容量が小さいため、ＴＦＴのオフ状態におけるオフ電流により、ドレインの電位（すなわち、コンデンサの電位）は急激にソースの電位に近づき、書き込まれたデータが正しく保持されなくなる。オフ電流の増大に伴う問題は、液晶表示装置だけの問題ではなく他の半導体装置においても生じ、例えば、通常のロジック回路においては静止電流の増加を招き、メモリ回路の場合は誤動作の原因となる。
【００８０】
そこで、オフ電流を低減するため、チャネル領域に不純物を導入してｐ⁻にすることも知られている。しかし、打ち込まれた不純物は比較的低濃度であることが要求されるのに対し、従来の低温プロセスにおいてはこのような濃度調整が難しく、実現は困難であった。また、同様の理由から閾値電圧Ｖｔｈの制御が十分に行われず、更には半導体薄膜が初期から不純物により汚染されている場合もあるため、大面積の絶縁基板上におけるＴＦＴの動作特性が不均一であるという問題を有していた。例えば、液晶表示装置の場合、閾値電圧Ｖｔｈがデプレッション側に振れるとオフ電流が増大して、画素の輝点欠陥になるという問題が生じる。
【００８１】
このような課題を解決した有機ＴＦＴの代表的な特性を図９に示す。同図は、ドレイン電圧Ｖ_ＤＳが４Ｖにおけるゲート電圧Ｖ_ＧＳに対するドレイン電流Ｉ_Ｄの関係を示すグラフである。ドレイン電流Ｉ_Ｄは、ゲート電圧Ｖ_ＧＳが０Ｖの近傍で最小値となり、ゲート電圧Ｖ_ＧＳが増加するにつれてドレイン電流Ｉ_Ｄも増加する。ゲート電圧Ｖ_ＧＳの値が正の領域におけるドレイン電流Ｉ_Ｄの増加は、トランジスタのオフ状態からオン状態への変化を意味するものであるから、電流の増加率はできる限り大きいことが望ましい。例えば、液晶表示装置に使用する場合、液晶の表示はコンデンサの電位により決定されるため、短時間にデータを書き込むことができるようにＴＦＴには十分な電流（オン電流）を流す必要がある。今回発明した縦型有機ＴＦＴの場合、半導体薄膜におけるキャリア移動度が大きくなっているため、十分なオン電流を供給できる点については特に問題がない。
【００８２】
このように、今回発明した縦型電界効果トランジスタである有機ＴＦＴは上記に示した多結晶シリコンＴＦＴでの問題を発生することなくよい動作を示した。
【００８３】
（実施の形態４）
近年において、有機ＥＬ素子を用いた表示装置が開発されている。有機ＥＬ素子を多数使用した有機ＥＬ素子装置をアクティブマトリックス回路により駆動する場合、各ＥＬのピクセル（画素）には、このピクセルに対して供給する電流を制御するための薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の如きＦＥＴ（電界効果トランジスタ）が一組ずつ接続されている。すなわち、有機ＥＬ素子に駆動電流を流すバイアス用のＴＦＴと、そのバイアス用ＴＦＴを選択すべきかを示すスイッチ用のＴＦＴが一組ずつ接続されている。
【００８４】
従来のアクティブマトリックス型の有機ＥＬ表示装置の回路図の一例を図１０に示す。この有機ＥＬ表示装置は、Ｘ方向信号線３０１−１、３０１−２・・・、Ｙ方向信号線３０２−１、３０２−２・・・電源Ｖｄｄ線３０３−１、３０３−２・・・、スイッチ用ＴＦＴトランジスタ３０４−１、３０４−２・・・、電流制御用ＴＦＴトランジスタ３０５−１、３０５−２・・・、有機ＥＬ素子３０６−１、３０６−２・・・、コンデンサ３０７−１、３０７−２・・・、Ｘ方向周辺駆動回路３０８、Ｙ方向周辺駆動回路３０９等により構成される。
【００８５】
Ｘ方向信号線３０１、Ｙ方向信号線３０２により画素が特定され、その画素においてスイッチ用ＴＦＴトランジスタ３０４がオンされてその信号保持用コンデンサ３０７に画像データが保持される。これにより、電流制御用のＴＦＴトランジスタ３０５がオンされ、電源Ｖｄｄ線３０３より有機ＥＬ素子３０６に画像データに応じたバイアス用の電流が流れ、これが発光する。
【００８６】
例えば、Ｘ方向信号線３０１−１に画像データに応じた信号が出力され、Ｙ方向信号線３０２−１にＹ方向走査信号が出力されると、これにより特定された画素のスイッチ用ＴＦＴトランジスタ３０４−１がオンになり、画像データに応じた信号により電流制御用ＴＦＴトランジスタ３０５−１が導通されて有機ＥＬ素子３０６−１に、この画像データに応じた発光電流が流れ、発光制御する。
【００８７】
このように、一画素毎に、薄膜型のＥＬ素子と、前記ＥＬ素子の発光制御用の電流制御用ＴＦＴトランジスタと、前記電流制御用ＴＦＴトランジスタのゲート電極に接続された信号保持用のコンデンサと、前記コンデンサへのデータ書き込み用のスイッチ用ＴＦＴトランジスタ等を有するアクティブマトリックス型ＥＬ画像表示装置において、ＥＬ素子の発光強度は、信号保持用のコンデンサに蓄積された電圧によって制御された発光電流制御用の非線形素子であるＴＦＴトランジスタに流れる電流で決定される（Ａ６６−ｉｎ　２０１ｐｉ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ　Ｄｉｓｐｌａｙ　Ｔ．ｐ．Ｂｒｏｄｙ、Ｆ．Ｃ．Ｌｕｏ、ｅｔ．ａｌ．、ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ、Ｖｏｌ．ＥＤ−２２、Ｎｏ．９、Ｓｅｐ．１９７５、ｐ７３９〜ｐ７４９参照）。
【００８８】
このとき使用される信号保持用のコンデンサの容量は微少な選択時間内で画素スイッチ用ＴＦＴトランジスタが十分に電荷を充電できる容量以下であり、またこの画素スイッチ用ＴＦＴトランジスタの非選択時のリーク電流が次の書き込み時間まで失わせる電荷により発生するコンデンサの保持電圧の低下が表示パネルの画像に悪影響を与えない容量以上であることが求められる。
【００８９】
アクティブマトリックスの表示装置は、その視認性から拡大投影を行う光学系を用いない場合は、４インチ以上の画角が要求される。このサイズの表示面をシリコン単結晶基板上に構成することは、現在の単結晶Ｓｉ基板の製作技術では１枚の単結晶基板から得られる枚数が非常に少ないため大変なコストがかかってしまう。
【００９０】
そこで、アクティブマトリックスの表示装置に、フレキシブル基板等の平面基板上に作成した有機膜半導体層を用いた本発明の縦型有機薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を使用することで上記のような問題が解決され、低コストで製作できるようになる。
【００９１】
また、平面基板上に形成される半導体層は大面積のものが比較的容易に成膜できることから、アモルファスＳｉ膜（以下、ａ−Ｓｉ膜という）を用いることが一般的である。しかし、ａ−Ｓｉ膜で形成されたＴＦＴは一方向に定常的に電流を流し続けると、閾値がドリフトして電流値が変わり、画質に変動が生ずる。しかも、ａ−Ｓｉ膜では移動度が小さいため高速応答でドライブできる電流にも限界があり、またＰチャネルの形成が困難なところより、小規模なＣＭＯＳ回路の構成さえも困難である。
【００９２】
そこで、本発明によれば平面基板上に形成される大面積の縦型有機半導体層を比較的容易に成膜できることから、アクティブマトリックス型有機ＥＬ画像表示装置の半導体層としては、比較的大面積化が容易でかつ高信頼性で移動度も高く、ＣＭＯＳ回路の形成も可能な有機膜を活性層として、かつ活性層に流れる電流を基板に垂直に流すように設計してあるため、基板面積に対して縦型電界効果トランジスタの占める割合が小さく済むために大面積に高解像度画素を持つ有機ＥＬディスプレイを作製することが可能となる。
【００９３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、
任意の基板上に形成された第１の電極と第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極の間を接続する方向と略平行に配向させた複数の導電性共役結合基と有極性の官能基を含む単分子膜または単分子累積膜と、前記重合した単分子膜または単分子累積膜に直接または間接に接触した高性能な第３の電極を備えた高性能な縦型電界効果トランジスタ（３端子有機電子デバイス）を提供できる。また、単分子膜以外に低分子有機薄膜や高分子有機薄膜も提供できる。
【００９４】
これにより、低コストでかつ大面積に高解像度画素を持つ有機ＥＬディスプレイを作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態２における重合方法の一例図
【図２】本発明の実施の形態１において単分子膜を形成した状態を分子レベルまで拡大した断面概念図
【図３】本発明の実施の形態１においてラビングにより単分子膜を構成する分子を配向させる工程を説明する概念図
【図４】本発明の実施の形態１において完成されたデバイスを分子レベルまで拡大した断面概念図
【図５】本発明の実施の形態１における紫外線や可視光線をあてて有機膜を重合する工程図
【図６】本発明の実施の形態２において第３の電極を形成した状態を拡大した断面概念図（有機膜なし）
【図７】本発明の実施の形態２において第３の電極を形成した状態を拡大した断面概念図（有機膜あり）
【図８】本発明の実施の形態２において偏光照射により、単分子膜を構成する分子を配向させる工程を説明する断面概念図
【図９】従来の薄膜トランジスタのゲート電圧Ｖ_ＧＳとドレイン電流Ｉ_Ｄとの関係を示す図
【図１０】従来のアクティブマトリックス型の有機ＥＬ表示装置の回路図
【図１１】Ｓｉ系トランジスタを用いた従来例を示す図
【図１２】縦型Ｓｉ系トランジスタを用いた従来例を示す図
【符号の説明】
１　ガラス基板
２　アセチレン基とアゾ基を含む化学吸着単分子膜
２ａ　配向処理された化学吸着単分子膜
３　ラビング装置
４　ラビング布
５　導電性のポリアセチレン型共役結合基
６　ゲート絶縁膜
７　アゾ基
８　第１電極（ソース電極）
９　第２電極（ドレイン電極）
１０　スイッチング用に集光された光（紫外線、可視光線）
１１　ポリイミド基板
１２　シリカ被膜
１３　横方向選択線（第２電極）
１４　縦方向選択線（第１電極）
１５　ピロール基とオキシカルボニル基を含む単分子膜
１５ａ　配向処理された単分子膜
１６　第１電極
１７　第２電極
１８　導電性のポリピロール型共役結合基
１９　可視光
２０　活性層（有機半導体薄膜）
５１　シリコン基板
５２　ゲート絶縁膜
５３　フィールド酸化膜
５４　ゲート電極
５５　低濃度拡散層
５６　スペーサ
５７　ソース電極
５８　ドレイン電極
６１　シリコン基板
６２　シリコン柱
６３　酸化膜
６４　Ｎ＋ポリシリコン層
６４ａ　ゲート電極
６５　ドレイン電極
６６　ソース電極
３０１　Ｘ方向信号線
３０２　Ｙ方向信号線
３０３　電源Ｖｄｄ線
３０４　スイッチ用ＴＦＴトランジスタ
３０５　電流制御用ＴＦＴトランジスタ
３０６　有機ＥＬ素子
３０７　コンデンサ
３０８　Ｘ方向周辺駆動回路
３０９　Ｙ方向周辺駆動回路

Claims

基板上に第１の電極と第２の電極と、前記第１と前記第２の電極を絶縁するための絶縁膜と、前記絶縁膜内の第３の電極と、を有する電界効果トランジスタにおいて、
前記第１の電極と、前記第２の電極と、前記第１と前記第２の電極を絶縁するための絶縁膜が、前記基板に対して厚み方向に配列され、
前記絶縁膜側壁の一部に少なくとも活性層である有機膜が具備されたことを特徴とする縦型電界効果トランジスタ。
前記縦型電界効果トランジスタのチャネル長が前記絶縁膜の膜厚であることを特徴とする請求項１に記載の縦型電界効果トランジスタ。
前記絶縁膜の少なくとも一部に前記有機膜があることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の縦型電界効果トランジスタ。
前記活性層である有機膜が、低分子系材料であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の縦型電界効果トランジスタ。
前記活性層である有機膜の部分が、ペンタセン、アントラセン、ポリアセンなどのアセン系材料であることを特徴とする請求項４に記載の縦型電界効果トランジスタ。
前記活性層である有機膜が、高分子系材料であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の縦型電界効果トランジスタ。
前記活性層である有機膜が、導電性共役結合基を持ち、ポリアセチレン基、ポリジアセチレン基、ポリアセン基、ポリピロール基、ポリチェニレン基であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の単分子膜状または単分子累積膜状の被膜。
共役結合基を生成する官能基を重合する工程に、触媒重合法、電界重合法、あるいはエネルギービーム照射重合法を用いることを特徴とする請求項７に記載の被膜の製造方法。
エネルギービーム照射重合法に、Ｘ線、電子線、または紫外線を用いることを特徴とする請求項８に記載の被膜の製造方法。
基板上に第１の電極と第２の電極と、前記第１と前記第２の電極を絶縁するための絶縁膜と、前記絶縁膜内の第３の電極と、を有する電界効果トランジスタにおいて、
前記第１の電極と前記第２の電極間に設置された活性層である前記有機膜を流れる電流の方向と、前記基板の平面とが垂直方向であることを特徴とする縦型電界効果トランジスタの動作方法。
基板上に配列された複数の第１の選択線と、複数の第２の選択線と、前記第１の選択線と前記第２の選択線の交点に、縦型電界効果トランジスタを複数設け、前記縦型電界効果トランジスタは少なくとも第１の電極、第２の電極、第３の電極を持ち、前記第２の電極、前記第３の電極が、前記第１の選択線、前記第２の選択線にそれぞれ接続されたアレイ基板において、
前記第１の電極と、前記第２の電極と、前記第１と前記第２の電極を絶縁するための絶縁膜が、前記基板に対して縦方向にならび、
前記絶縁膜側壁の一部に少なくとも有機膜が具備された縦型電界効果トランジスタをマトリックス状に複数個配列配置したことを特徴とするアレイ基板。
基板上に配列された複数の第１の選択線と、複数の第２の選択線と、前記第１の選択線と前記第２の選択線の交点に、縦型電界効果トランジスタを複数設け、前記縦型電界効果トランジスタは少なくとも第１の電極、第２の電極、第３の電極を持ち、前記第２の電極、前記第３の電極が、前記第１の選択線、前記第２の選択線にそれぞれ接続されたアレイ基板において、
前記第１の電極と、前記第２の電極と、前記第１と前記第２の電極を絶縁するための絶縁膜が、前記基板に対して縦方向にならび、
前記絶縁膜側壁の一部に具備された有機膜の縦方向に電流を流す縦型電界効果トランジスタをマトリックス状に複数個配列配置したことを特徴とする縦型電界効果トランジスタ付きアレイ基板の動作方法。