JP2015082568A - 薄膜トランジスタおよびその製造方法ならびに画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】優れたパターン形状の半導体層および保護層を形成することが可能な薄膜トランジスタを提供する。【解決手段】薄膜トランジスタにおいて、並列に形成された半導体層は少なくとも一方のストライプ端どうしが連結してなり、並列に形成された保護層は少なくとも一方のストライプ端どうしが連結してなり、半導体層と保護層とにおけるストライプ形状の延伸方向は、チャネル部を流れる電流の方向と直交する方向である。【選択図】図３

Description

本発明は薄膜トランジスタおよびその製造方法ならびに画像表示装置に関する。

情報技術の目覚しい発展により、現在ではノート型パソコンや携帯情報端末などでの情報の送受信が頻繁に行われている。近い将来、場所を選ばずに情報をやり取りできるユビキタス社会が来るであろうことは周知の事実である。そのような社会においては、より軽量、薄型の情報端末が望まれる。

現在半導体材料の主流はシリコン系であり、製造方法としてはフォトリソグラフィーを用いたものが一般的である。

一方で、印刷技術を用いて電子部材を製造するプリンタブルエレクトロニクスが注目されている。印刷技術を用いることで、フォトリソグラフィーよりも装置や製造コストが下がり、また真空や高温を必要としないことからプラスチック基板が利用できるなどのメリットが挙げられる。

例えば、特許文献１では、半導体層をキャピラリーコート法を用いて直接塗布している。

特開２００６−４１３１７号公報

しかし特許文献１の製造方法では、半導体層を全面に形成した後に、パターニングを行い不要な箇所を除去しなければならない。この製造方法では工程数が増え、材料使用効率が低いという問題点がある。

一方、工程数の減少および材料使用効率向上のため、印刷用凸版にキャピラリーコート法を用いてインキを供給することで、それらの解決を図る方法が挙げられる。

しかし、塗布時にパターニングを行うために凸版を使用すると、半導体層および保護層の形成時に凸版へのインキ供給において、版の凹部から凸部にインキの供給が移り変わる際に、凹部と凸部の段差部分の凹部側にインキが溜まってしまう一方、段差部分の凸部側にはインキが供給されず、その結果、基板へパターン通りに転写されないという問題がある。そこで、本発明は、優れたパターン形状の半導体層および保護層を形成することが可能な薄膜トランジスタおよびその製造方法ならびに画像表示装置を提供する。

上述の問題を解決するための第１の発明は、基板と、前記基板上に形成されたゲート電極と、前記基板上と前記ゲート電極上とにわたって、これらの上に形成されたゲート絶縁体層と、前記ゲート絶縁体層上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、前記絶縁体層と前記ソース電極およびドレイン電極上に複数のトランジスタにわたってストライプ形状で並列に形成された半導体層と、前記ゲート絶縁体層と前記ソース電極およびドレイン電極と前記半導体層上とに複数のトランジスタにわたってストライプ形状で並列に形成された保護層を有する薄膜トランジスタであって、前記並列に形成された半導体層は少なくとも一方のストライプ端どうしが連結してなり、前記並列に形成された保護層は少なくとも一方のストライプ端どうしが連結してなり、前記半導体層と前記保護層とにおけるストライプ形状の延伸方向は、チャネル部を流れる電流の方向と直交する方向であることを特徴とする、薄膜トランジスタである。

また、第２の発明は、前記第１の発明において、前記半導体層が有機物を含む材料からなることを特徴とする薄膜トランジスタである。

また、第３の発明は、前記第１又は第２の発明において、前記保護層が無機化合物を含む材料からなることを特徴とする薄膜トランジスタである。

また、第４の発明は、前記第１乃至第３のいずれかの発明において、前記保護層が有機物を含む材料からなることを特徴とする薄膜トランジスタである。

また、第５の発明は、前記第１乃至第４のいずれかの発明において、前記保護層が無機化合物と有機物との混合物を含む材料からなることを特徴とする薄膜トランジスタである。

また、第６の発明は、薄膜トランジスタの製造方法であって、基板上にゲート電極を形成する工程と、前記基板と前記ゲート電極上とにわたって、これらの上にゲート絶縁体層を形成する工程と、前記ゲート絶縁体層上にソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、前記絶縁体層と前記ソース電極およびドレイン電極上に複数のトランジスタにわたって半導体層を形成する工程と、前記半導体層上に複数のトランジスタにわたって保護層を形成する工程とを有し、前記半導体層を形成する工程では、前記半導体層を前記複数のトランジスタにわたって前記ゲート電極の直上に、かつ水平方向に、かつ前記チャネル部を流れる電流の方向と直交する方向にストライプ状に並列に複数パターンニングし、かつ、少なくとも一方のストライプ端どうしが連結している複数のストライプを有する印刷版を用いて形成し、前記保護層を形成する工程では、前記保護層を前記複数のトランジスタにわたって前記ゲート電極の直上、かつ水平方向、かつ前記チャネル部を流れる電流の方向と直交する方向にストライプ状に並列に複数パターンニングし、かつ、少なくとも一方のストライプ端どうしが連結している複数のストライプを有する印刷版を用いて形成することを特徴とする、薄膜トランジスタの製造方法である。

また、第７の発明は、前記第６の発明において、前記半導体層が塗布法にて形成されることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法である。

また、第８の発明は、前記第６又は第７の発明において、前記保護層が塗布法にて形成されることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法である。

また、第９の発明は、前記第７又は第８の発明において、前記塗布法は、凸版印刷、平版印刷、熱転写印刷、マイクログラビアコートのいずれかであることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法である。

また、第１０の発明は、前記第６乃至第９のいずれかの発明において、前記印刷版へのインキ供給方法は、キャピラリーコート法であることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。である。

また、第１１の発明は、前記第１１乃至第１０のいずれかの発明の薄膜トランジスタと、前記ソース電極と前記ドレイン電極上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成された共通電極と、前記共通電極上に設けられた画像表示媒体とを有する画像表示装置である。

また、第１２の発明は、前記画像表示媒体が、電気泳動型反射表示装置、透過型液晶表示装置、反射型液晶表示装置、半透過型液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置および無機ＥＬ表示装置のいずれか１つに用いられる画像表示媒体であることを特徴とする画像表示装置である。

本発明によれば、半導体層および保護層の形成時に使用する版の形状を、ストライプ凸部の端部の少なくとも一方を連結することで、インキ供給を連結部から開始することができ、凹部と凸部の段差によるインキ供給不良を考慮する必要がなくなる。その結果、ストライプパターン形状の優れた半導体層および保護層を形成することが可能となる。

本発明の半導体層および保護層の印刷を実施するための版の模式図である。 （ａ）は、本発明のゲート電極とゲート絶縁体層とソース電極およびドレイン電極を形成した基板を模式的に示した側断面図であり、（ｂ）は、ゲート電極とゲート絶縁体層とソース電極およびドレイン電極を形成した基板に半導体層を形成した基板を模式的に示した側断面図であり、（ｃ）は、ゲート電極とゲート絶縁体層とソース電極とドレイン電極および半導体層を形成した基板に保護層を形成した基板を模式的に示した側断面図である。 本発明のゲート電極とゲート絶縁体層とソース電極およびドレイン電極を形成した基板に半導体層および保護層を形成した基板を模式的に示した平面図である。

本発明の薄膜トランジスタの製造方法を一実施形態に基づいて以下説明する。

図１は、本発明の薄膜トランジスタの半導体層および保護層を印刷するための版の構成を示す平面図である。当該版は、互いに並列な複数のストライプを有する凸部１と互いに並列な複数のストライプを有する凹部２とを有している。また、当該版は、凸部１の少なくとも一方のストライプ端どうしが連結するとともに、凸部１のストライプと凹部２のストライプとが交互に配置された形状であり、版へインキを供給する際、凹部２から凸部１に移り変わる部分でインキが溜まる現象を回避する形状である。

図２（ａ）〜（ｃ）に、上記薄膜トランジスタの製造方法を断面図で示す。また、図３に、図２（ｃ）の工程後の薄膜トランジスタの構成を平面図で示す。
まず、図２（ａ）に示すように、基板３にゲート電極４のパターンを形成する。次に、前記基板３上および前記ゲート電極４上にわたってゲート絶縁体層５を形成する。次いで、前記ゲート絶縁体層５の上にソース電極６およびドレイン電極７のパターンを形成する。

次いで、図２（ｂ）に示すように、前記ゲート電極４と前記ゲート絶縁膜５と前記ソース電極６および前記ドレイン電極７を形成した前記基板３の上に、図１の版を用いて半導体層８を前記ゲート電極４の直上に、かつ水平方向に、かつ前記チャネル部を流れる電流の方向と直交する方向にストライプが延伸するよう、ストライプ状に形成する。なお、チャネル部を流れる電流の方向とは、図３において符号１１で示す矢印の方向である。矢印１１の方向は、ゲート電極４の上方にある半導体層８中でソース側とドレイン側とを結ぶ方向である。

次いで、図２（ｃ）では、前記ゲート電極４と前記ゲート絶縁膜５と前記ソース電極６および前記ドレイン電極７を形成し、半導体層８を前記ゲート電極４の直上、かつ水平方向、かつ前記チャネル部を流れる電流の方向と直交する方向にストライプ状に形成した前記基板３の上に、保護層９を前記半導体層８の直上にストライプ状に形成する。図３において、半導体層８の上に保護層９が形成されてなるパターンは符号１０で示され、版の凸部１を用いて形成したことから、互いに並列な複数のストライプのストライプ端どうしが連結されている。

本発明の実施形態における基板３に用いる材料は特に限定されるものではなく、一般に用いられる材料として、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリイミド、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネートなどのフレキシブルなプラスチック材料、石英などのガラス基板やシリコンウェハーなどがある。しかしながら、フレキシブル化や各プロセス温度などを考慮すると、基板としてＰＥＮやポリイミドなどを用いることが望ましい。

本発明の実施形態において、ゲート電極４の電極材料として用いられる材料は特に限定されるものではないが、一般に用いられる材料には金、白金、ニッケル、インジウム錫酸化物などの金属あるいは酸化物の薄膜若しくはポリ（エチレンジオキシチオフェン）／ポリスチレンスルホネート（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）やポリアニリンなどの導電性高分子や金や銀、ニッケルなどの金属コロイド粒子を分散させた溶液若しくは銀など金属粒子を導電材料として用いた厚膜ペーストなどがある。ゲート電極４を形成する方法としては、インクジェット法、フレキソ印刷、スクリーン印刷、ディスペンサなどがある。

本発明の実施形態において、ゲート絶縁膜５として用いられる材料は特に限定されるものではないが、一般に用いられる材料にはポリビニルフェノール、ポリメタクリル酸メチル、ポリイミド、ポリビニルアルコールなどの高分子溶液、アルミナやシリカゲルなどの粒子を分散させた溶液などがある。

本発明の実施形態において、半導体層８の半導体材料として用いられる材料は特に限定されるものではないが、一般に用いられる材料には有機物を含む材料、例えばポリチオフェン、ポリアリルアミン、フルオレンビチオフェン共重合体、およびそれらの誘導体のような高分子有機半導体材料、およびペンタセン、テトラセン、銅フタロシアニン、ペリレン、およびそれらの誘導体のような低分子有機半導体材料を用いることができるが、低コスト化、フレキシブル化、大面積化を考慮すると印刷法が適用できる有機半導体を用いることが望ましい。

本発明の実施形態において、保護層９の封止材料として用いる材料は特に限定されるものではないが、一般的に用いられる材料としては有機物を含む材料、例えばフッ素系樹脂やポリビニルアルコールなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。保護層９の材料として、無機化合物を含む材料を用いることもできるし、無機化合物と有機物との混合物を含む材料を用いることもできる。また、保護層９には必要に応じて遮光性を付与することも出来る。

半導体層８および保護層９はそれぞれ、塗布法によって形成することができる。当該塗布法として、例えば、凸版印刷、平版印刷、熱転写印刷、マイクログラビアコートが挙げられる。半導体層８および保護層９を形成する際の印刷版へのインキ供給方法は、例えばキャピラリーコート法によるものとすることができる。

半導体層８の印刷版および保護層９の印刷版は、少なくとも一方のストライプ端どうしが連結している複数のストライプを有するものを用いる。半導体層８と保護層９とで同一の印刷版を用いることも可能ではあるが、半導体層８を保護層９で被覆させる必要があるため、例えば保護層９の印刷版のストライプ幅を半導体層８の印刷版のストライプ幅よりも広くするなど、それぞれ別の印刷版を用いることが望ましい。

本発明者は、図１に示した版を用いて、図２（ａ）〜（ｃ）に示した通り複数のトランジスタにわたってゲート電極４の直上、かつ水平方向、かつチャネル部を流れる電流の方向と直交する方向にストライプ状に半導体層８を形成後、保護層９を半導体層８の直上にストライプ状に形成した薄膜トランジスタアレイを作製した。

図２（ａ）〜（ｃ）を参照して、ボトムゲート・ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタの製造方法について説明する。まず、基板３の材料として、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、厚さ１２５μｍを用いた。

次に、ゲート電極４の材料として、ナノ銀とポリエチレングリコールとの重量比が８：１であるナノ銀インキを用いた。ナノ銀インキを転写印刷法により基板３としてのＰＥＮ基板上に印刷し、１８０℃で１時間ベークしてゲート電極４を形成した。

次に、ゲート絶縁体層５の材料として、ポリビニルフェノールをシクロヘキサノンに１０重量％溶解させた溶液を用いた。ゲート絶縁体層５の溶液をダイコータ法により塗布し、１８０℃で１時間乾燥させて形成した。

次に、ソース電極６およびドレイン電極７の材料として、ナノ銀とポリエチレングリコールとの重量比が８：１であるナノ銀インキを用いた。ナノ銀インキを転写印刷法により印刷し、１８０℃で１時間乾燥させてソース電極６及びドレイン電極７を形成した。

次に、半導体層８の材料として、フルオレン−ビチオフェンコポリマー（Ｆ８Ｔ２）をテトラリンで１．０重量％になるように溶解した溶液を用いた。半導体層８は、塗布法を用いて複数のトランジスタにわたってゲート電極４の直上、かつ水平方向、かつチャネル部を流れる電流の方向と直交する方向に塗布し、１００℃で６０分乾燥させて形成した。

次に、封止材料としてポリビニルアルコールを純水に５重量％で溶解させたインキを用い、半導体層８の直上に保護層９を形成した。

図１に示す版を使用した薄膜トランジスタアレイでは、ストライプの形状を形成できた。

比較例

本発明者は、更に、前記実施例の比較例として、図１に示した版の凸部を凹部に、凹部を凸部にした版を用いて、複数のトランジスタにわたってゲート電極４の直上、かつ水平方向、かつチャネル部を流れる電流の方向と直交する方向にストライプ状に半導体層８を形成後、保護層９を半導体層８の直上にストライプ状に形成した薄膜トランジスタアレイを作製した。図１の版の凹凸を反転させた以外は前記実施例と同じ工程で比較例の薄膜トランジスタアレイを作製した。

上記実施例と比較例との２種類の素子特性の関係について検討した。

図１に示す版を使用した薄膜トランジスタアレイでは、ストライプの形状を形成できた。図１の凹部と凸部を入れ替えた版を使用した薄膜トランジスタアレイでは、版のストライプの端部にインキ供給ができず、ストライプ形状を形成できなかった。

上記実施例のようにして作製した薄膜トランジスタを有する基板において、ソース電極６およびドレイン電極７上に層間絶縁膜を、当該層間絶縁膜上に共通電極をそれぞれ形成し、当該共通電極上に画像表示媒体を設けることにより、画像表示装置を構成することができる。画像表示媒体として、例えば、電気泳動型反射表示装置、透過型液晶表示装置、反射型液晶表示装置、半透過型液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置、および、無機ＥＬ表示装置のいずれかに用いられる画像表示媒体を採用することが可能である。

パソコンや映像機器、情報端末、電子ペーパーに搭載される各種ディスプレイ等に適用可能である。

１…版の凸部
２…版の凹部
３…基板
４…ゲート電極
５…ゲート絶縁膜
６…ソース電極
７…ドレイン電極
８…半導体層
９…保護層
１０…半導体層および保護層
１１…チャネル部を流れる電流の向き

Claims (12)

1. 基板と、前記基板上に形成されたゲート電極と、前記基板上と前記ゲート電極上とにわたって、これらの上に形成されたゲート絶縁体層と、前記ゲート絶縁体層上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、前記絶縁体層と前記ソース電極およびドレイン電極上に複数のトランジスタにわたってストライプ形状で並列に形成された半導体層と、前記ゲート絶縁体層と前記ソース電極およびドレイン電極と前記半導体層上とに複数のトランジスタにわたってストライプ形状で並列に形成された保護層を有する薄膜トランジスタであって、
   前記並列に形成された半導体層は少なくとも一方のストライプ端どうしが連結してなり、前記並列に形成された保護層は少なくとも一方のストライプ端どうしが連結してなり、前記半導体層と前記保護層とにおけるストライプ形状の延伸方向は、チャネル部を流れる電流の方向と直交する方向であることを特徴とする、薄膜トランジスタ。
2. 前記半導体層が有機物を含む材料からなることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
3. 前記保護層が無機化合物を含む材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜トランジスタ。
4. 前記保護層が有機物を含む材料からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ。
5. 前記保護層が無機化合物と有機物との混合物を含む材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ。
6. 薄膜トランジスタの製造方法であって、
   基板上にゲート電極を形成する工程と、前記基板と前記ゲート電極上とにわたって、これらの上にゲート絶縁体層を形成する工程と、前記ゲート絶縁体層上にソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、前記絶縁体層と前記ソース電極およびドレイン電極上に複数のトランジスタにわたって半導体層を形成する工程と、前記半導体層上に複数のトランジスタにわたって保護層を形成する工程とを有し、
   前記半導体層を形成する工程では、前記半導体層を前記複数のトランジスタにわたって前記ゲート電極の直上に、かつ水平方向に、かつ前記チャネル部を流れる電流の方向と直交する方向にストライプが延伸するようストライプ状に並列に複数パターンニングし、かつ、少なくとも一方のストライプ端どうしが連結している複数のストライプを有する印刷版を用いて形成し、
   前記保護層を形成する工程では、前記保護層を前記複数のトランジスタにわたって前記ゲート電極の直上に、かつ水平方向に、かつ前記チャネル部を流れる電流の方向と直交する方向にストライプが延伸するようストライプ状に並列に複数パターンニングし、かつ、少なくとも一方のストライプ端どうしが連結している複数のストライプを有する印刷版を用いて形成することを特徴とする、薄膜トランジスタの製造方法。
7. 前記半導体層が塗布法にて形成されることを特徴とする請求項６に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
8. 前記保護層が塗布法にて形成されることを特徴とする請求項６又は７に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
9. 前記塗布法は、凸版印刷、平版印刷、熱転写印刷、マイクログラビアコートのいずれかであることを特徴とする請求項７又は８に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
10. 前記印刷版へのインキ供給方法は、キャピラリーコート法であることを特徴とする、請求項６乃至９のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタと、前記ソース電極およびドレイン電極上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成された共通電極と、前記共通電極上に設けられた画像表示媒体とを有する画像表示装置。
12. 前記画像表示媒体は、電気泳動型反射表示装置、透過型液晶表示装置、反射型液晶表示装置、半透過型液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置および無機ＥＬ表示装置のいずれか１つに用いられる画像表示媒体であることを特徴とする画像表示装置。