JP4194436B2 - 電界効果型有機トランジスタ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電界効果型有機トランジスタに関して、特に表示デバイス、情報タグ、ＩＣ等のエレクトロ分野に有用な有機半導体層を有する電界効果型有機トランジスタに関するものである。
【０００２】
【背景技術】
結晶シリコンテクノロジーを基盤としたシリコントランジスタに対抗すべく、有機半導体を利用したトランジスタの開発が盛んに行われている。有機半導体は有機材料の特徴である、軽量、柔軟性、多様性、堅牢性を備え、また、１００℃前後の低温プロセスで形成できるほか、印刷、スピンコート等の液相プロセスによる製造方法が可能である。その為、結晶シリコン半導体ではなし得なかったプラスチック基板上への製造や大画面化が可能であり、フレキシブルな電子ペーパー、情報タグ等の新しいデバイスへの適用の期待が高まっている。
【０００３】
しかしながら、通常の有機半導体は移動度が１０-5〜１０-2ｃｍ2／Ｖｓレベルとシリコン半導体に比べて一桁以上低く、高抵抗である為に、大電流が得られにくく、また動作周波数が低い等の問題点を抱えている。
【０００４】
電界効果有機トランジスタで得られる移動度は飽和領域のドレイン電流の式（Ｉ）から求められる。
【０００５】
【数１】
【０００６】
（式中、Ｉｄはドレイン電流（Ａ）、μは移動度（ｃｍ2／Ｖｓ）、Ｗはチャネル幅（ｃｍ）、Ｌはチャネル長（ｃｍ）、Ｃｉはゲート絶縁層の容量（Ｆ／ｃｍ2）、Ｖｇはゲート電圧（Ｖ）、Ｖｔｈはトランジスタの閾値電圧（Ｖ）を示し、ドレイン電流の平方根とゲート電圧の関係からドレイン電流Ｉｄ＝０に外挿することにより求めることができる。）
【０００７】
また、スイッチングデバイスとして利用する場合、トランジスタがオンした時のソースドレイン両電極間を流れる電流と、オフした時のソースドレイン両電極間を流れる電流の比（オンオフ比）が少なくとも１０4 以上、望ましくは１０6 以上が必要となる。しかしながら、有機半導体の場合、前述したように低移動度の為にオン電流が小さく、また有機半導体に含まれる不純物の影響で、オフ電流が大きい為に十分なオンオフ比が得られていない。特に高分子化合物の場合が顕著である。
【０００８】
オンオフ比を改善する手法としては、特許文献１において、移動度を１０-3ｃｍ2／Ｖｓ以上、伝導度を１０-5Ｓ／ｃｍ以下にすることで１０3 程度の改善は図られているがまだ十分ではない。従って実用特性を満足できる有機半導体を利用した電界効果型有機トランジスタは存在していないのが現状である。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−１９０００１号公報（第５頁）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、この様な従来技術に鑑みてなされたものであり、前記課題を解決した、移動度が大きく、しかもオンオフ比の高い電界効果型有機トランジスタ素子を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は有機半導体層中に移動度の異なる領域を形成することで、高移動度でしかもオンオフ比の改善された電界効果型有機トランジスタを提供するものである。
【００１２】
即ち、本発明は、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極と、ゲート絶縁層と、有機半導体層と、を有する電界効果型有機トランジスタであって、前記有機半導体層が、チャネル領域を構成する第１の領域と、前記第１の領域に接触して存在する第２の領域と、を有し、前記第１の領域の移動度が前記第２の領域の移動度より高く、前記第１の領域がペンタセンからなり、前記第２の領域が銅フタロシアニンからなることを特徴とする電界効果型有機トランジスタである。
【００１３】
特に移動度の高い領域がチャネル領域である有機半導体層を有する電界効果型有機トランジスタが好ましい。
また、前記有機半導体層は製造に液相プロセスを利用できる共役高分子化合物であることが好ましく、その重量平均分子量が、５，０００から５００，０００であることが望ましい。
さらに前記ゲート絶縁層が有機化合物からなっているが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の電界効果型有機トランジスタの構造は、プレーナー型、スタガー型または逆スタガー型、何れにおいても有効であるが、プレーナー型を一例に図１を用いて本発明を詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の電界効果型有機トランジスタの一例を示す断面模式図である。同図において、本発明の電界効果型有機トランジスタは、絶縁性基板１１上にゲート電極１２を配置し、その上にゲート絶縁層１３を配置し、更にその上にソース電極１５およびドレイン電極１４を配置し、その上に有機半導体層１６，１７、そして最上部に保護膜１８を配置して構成されている。
【００１６】
本発明の特徴は、有機半導体層１６，１７の移動度が異なることにある。特に電荷移動のチャネル領域１９となる有機半導体層１６が、チャネル領域とならない有機半導体層１７よりも移動度が高いものが好ましい。本発明で用いるチャネル領域とはチャネル長によっても異なるが、おおむねゲート絶縁層１３との界面から有機半導体層５０ｎｍ以下までの領域を示している。
【００１７】
有機半導体層に異なる移動度の領域を形成する方法としては、１種の有機半導体を用いて、その配向状態を変化させることで移動度の異なる領域を形成させる方法、また異なる移動度を持つ２種以上の有機半導体を堆積することで異なる移動度の領域を形成する方法が挙げられる。前者の場合、配向状態を変える方法として有機半導体層を気相法で堆積する場合、蒸着速度、基板温度を変化させて堆積することで達成できる。液相法で堆積する場合は乾燥温度、環境ガスの種類を変化させて堆積することで達成できる。
【００１８】
また、本発明の効果を有効にする為にはチャネル領域となる有機半導体層１６の移動度μ1 は、１０-3ｃｍ2／Ｖｓ以上、好ましくは１０-2ｃｍ2／Ｖｓ以上の範囲が望ましい。
【００１９】
また、チャネル領域とならない有機半導体層１７の移動度μ2 は、１０-4ｃｍ2／Ｖｓ以下、好ましくは１０-5ｃｍ2／Ｖｓ以下の範囲が望ましい。
【００２０】
また、本発明の効果を有効にする為には、有機半導体層１６，１７の２つの移動度はμ1 ＞μ2 であり、かつ移動度の比（μ1 ／μ2 ）は１０以上が好ましく、更に好ましくは１００以上である。
【００２１】
有機半導体層１６，１７の移動度の値は、電界効果有機トランジスタで得られる前記式（Ｉ）から求められる値を示す。
また、有機半導体層１６の膜厚は５〜１００ｎｍで、有機半導体層１７の膜厚は１００〜１０００ｎｍが好ましい。
【００２２】
本発明で用いられる有機半導体層は、共役二重結合を有する共役化合物であれば特に限定されない。例えば以下に示す化合物が好適である。
ポリアセチレン誘導体、チオフェン環を有するポリチオフェン誘導体、ポリ（３−アルキルチオフェン）誘導体、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）誘導体、ポリチエニレンビニレン誘導体、ベンゼン環を有するポリフェニレン誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、窒素原子を有するポリピリジン誘導体、ポリピロール誘導体、ポリアニリン誘導体、ポリキノリン誘導体等の共役高分子化合物：
ジメチルセクシチオフェン、クオータチオフェンに代表されるオリゴマー：
ペリレン、テトラセン、ペンタセンに代表されるアセン類、銅フタロシアニン誘導体に代表される堆積有機分子、トリフェニレン誘導体に代表されるディスコチック液晶、フェニルナフタレン誘導体、ベンゾチアゾール誘導体に代表されるスメクチック液晶、ポリ（９，９−ジアルキルフルオレン−ビチオフェン）共重合体に代表される液晶ポリマー：
等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２３】
また、好ましくは液相プロセスを利用できるという観点から、上記の共役構造を有する高分子化合物が好適である。例えば以下に示す構造の化合物が挙げられる。
【００２４】
【化１】
【００２５】
（式中、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3 、Ｒ4 はＨ、Ｆまたは炭素原子数が１から２０のアルキル基またはアルコキシ基を示す。ｎは正の整数を示す。）
【００２６】
これらの共役高分子化合物の重量平均分子量は特に限定はされないが、溶媒に対する可溶性、成膜性等を考慮すると、５，０００〜５００，０００、好ましくは１０，０００〜１００，０００が望ましい。
【００２７】
また、本発明で用いられる有機半導体層はその電気伝導度を調整する為に適当なドーパントを含有していても良い。ドーパントの種類として、アクセプター性のＩ2 、Ｂｒ2 、Ｃｌ2 、ＢＦ3 、ＰＦ5 、Ｈ2 ＳＯ4 、ＦｅＣｌ3 、ＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）、ドナー性のＬｉ、Ｋ、Ｎａ、Ｅｕ、界面活性剤であるアルキルスルホン酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩等があげられる。
【００２８】
本発明で用いられるゲート絶縁層は特に限定はされないが、ＳｉＯ2 、ＳｉＮx 、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｔａ2 Ｏ5 等の無機材料、ポリイミド、ポリアクリロニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン等の有機材料および有機無機ハイブリッド材料を用いることができる。好ましくは、低コストにつながる液相プロセスを利用できるという観点から有機化合物が好ましい。
【００２９】
絶縁性基板としては特に限定されないが、例えばガラス、石英等の無機材料のほかアクリル系、ビニル系、エステル系、イミド系、ウレタン系、ジアゾ系、シンナモイル系等の感光性高分子化合物、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン等の有機材料、有機無機ハイブリッド材料を用いることができる。また、これらの材料を２層以上積層させて用いることもでき、絶縁耐圧を上げる目的で効果がある。
【００３０】
さらに本発明で用いられるゲート電極、ソース電極およびドレイン電極は導電体であれば特に限定はされないが、例えばＡｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｒ等の金属材料、ポリシリコン、シリサイド、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＳｎＯ2 等の無機材料も好適であるが、ハイドープされたポリピリジン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンに代表される導電性高分子および炭素粒子、銀粒子等を分散した導電性インク等を用いることができる。特にフレキシブル電子ペーパー等に用いる場合、各電極は導電性高分子および炭素粒子、銀粒子等を分散した導電性インク等であるものが基板との熱膨張をそろえ易く好ましい。
【００３１】
これら各電極、ゲート絶縁層、有機半導体層の形成方法は特に限定はされないが有機材料の場合、電解重合法、キャスティング法、スピンコート法、浸漬コート法、スクリーン印刷法、マイクロモールド法、マイクロコンタクト法、ロール塗布法、インクジェット法、ＬＢ法等で形成することができる。また、用いる材料により真空蒸着法、ＣＶＤ法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、スパッタ法等も有効な形成方法である。また、これらはフォトリソグラフおよびエッチング処理により所望の形状にパターニングすることができる。その他、ソフトリソグラフ、インクジェット法も有効なパターニング方法である。また、必要に応じて各電極からの引出し電極や保護膜等を形成することができる。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例により本発明について更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３３】
参考例１
図２は、本発明の実施例および参考例に使用した電界効果型有機トランジスタの構成図を示す。
図２において、ゲート電極２１としてｎ型に高ドープされたシリコン基板、ゲート絶縁層２２としてＳｉＯ２、ソース電極２３およびドレイン電極２４としてクロム／金の堆積物、有機半導体層２５、２６として以下に示すジメチルセクシチオフェンを用いた。
【００３４】
【化２】
【００３５】
また、ジメチルセクシチオフェンの合成は、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，５，８９６，（１９９３）に記載の合成法に従って合成したものを使用した。
【００３６】
以下に作製手順を示す。シリコン基板上に熱酸化膜ＳｉＯ2 （膜厚３００ｎｍ）を形成した。その上にリフトオフ法によりチャネル長５０μｍ、チャネル幅５０ｍｍのクロム（５ｎｍ）／金（１００ｎｍ）ソースドレイン両電極を作製した。その上にジメチルセクシチオフェンを５×１０-6ｔｏｒｒの圧力下で蒸着基板から１０ｃｍ離した昇華金属用ボードから平均昇華速度０．０５ｎｍ／ｓ、基板温度２５℃で膜厚１０ｎｍになるまで堆積し有機半導体層２５を形成した。
【００３７】
その後、平均昇華速度１ｎｍ／ｓ、基板温度２５℃で膜厚３００ｎｍまで堆積し有機半導体層２６を形成した。ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極の各電極に０．１ｍｍφの金線を銀ペーストで配線し、電界効果型有機トランジスタ素子を作製した。
【００３８】
次に、ゲート電圧を０Ｖ〜５０Ｖ、ソース−ドレイン電極間の電圧０Ｖ〜５０Ｖでのドレイン電流を測定し、移動度μを式（Ｉ）に従って算出した。
また、オンオフ比はソース−ドレイン電極間の電圧が３０Ｖ印加時のゲート電圧Ｖｇ＝３０Ｖのドレイン電流と、Ｖｇ＝０のドレイン電流の比で算出した。結果を以下に示す。
移動度μ＝２．１×１０-2ｃｍ2／Ｖｓ
オンオフ比＝１０7
【００３９】
次に、以下の比較例１、２により、参考例１の有機半導体層２５、２６の各々の移動度を測定した結果を示す。
【００４０】
比較例１
有機半導体層２５，２６を以下の条件で形成する以外は参考例１と同様の方法で電界効果型有機トランジスタを作製した。
ジメチルセクシチオフェンを５×１０−６ｔｏｒｒの圧力下で蒸着基板から１０ｃｍ離した昇華金属用ボードから平均昇華速度１ｎｍ／ｓ、基板温度２５℃で膜厚３００ｎｍになるまで堆積し有機半導体層２５，２６を形成した。
【００４１】
次に、参考例１と同様の方法で評価を行い移動度とオンオフ比を算出した。結果を以下に示す。
【００４２】
移動度μ＝８．１×１０-6ｃｍ2／Ｖｓ
オンオフ比＝１０3
【００４３】
比較例２
有機半導体層２５，２６を以下の条件で形成する以外は参考例１と同様の方法で電界効果型有機トランジスタを作製した。
ジメチルセクシチオフェンを５×１０−６ｔｏｒｒの圧力下で蒸着基板から１０ｃｍ離した昇華金属用ボードから平均昇華速度０．０５ｎｍ／ｓ、基板温度２５℃で膜厚３００ｎｍになるまで堆積し有機半導体層２５，２６を形成した。
【００４４】
次に、参考例１と同様の方法で評価を行い移動度とオンオフ比を算出した。結果を以下に示す。
移動度μ＝２．５×１０−２ｃｍ２／Ｖｓ
オンオフ比＝１０５
【００４５】
参考例２
図２は、本発明の実施例および参考例に使用した電界効果型有機トランジスタの構成図を示す。
ゲート電極２１としてｎ型に高ドープされたシリコン基板、ゲート絶縁層２２としてＳｉＯ２、ソース電極２３およびドレイン電極２４としてクロム／金の堆積物、有機半導体層２５、２６として以下に示す銅フタロシアニンを用いた。
【００４６】
【化３】
【００４７】
以下に作製手順を示す。シリコン基板上に熱酸化膜ＳｉＯ2 （３００ｎｍ）を形成した。その上にリフトオフ法によりチャネル長２０μｍ、チャネル幅５０ｍｍのクロム（５ｎｍ）／金（１００ｎｍ）ソースドレイン両電極を作製した。その上に銅フタロシアニンを３×１０-6ｔｏｒｒの圧力下で蒸着基板から１０ｃｍ離した昇華金属用ボードから平均昇華速度０．１ｎｍ／ｓ、基板温度１２０℃で膜厚２０ｎｍになるまで堆積し有機半導体層２５を形成した。
【００４８】
その後、平均昇華速度１ｎｍ／ｓ、基板温度−５０℃に冷却し、膜厚５００ｎｍまで堆積し有機半導体層２６を形成した。ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極の各電極に０．１ｍｍφの金線を銀ペーストで配線し、電界効果型有機トランジスタ素子を作製した。
【００４９】
次に、参考例１と同様の方法で評価を行い、移動度とオンオフ比を算出した。
その結果を以下に示す。
移動μ＝９．１×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ
オンオフ比＝１０６
【００５０】
次に、以下の比較例３、４により、参考例２の有機半導体層２５、２６の各々の移動度を測定した結果を示す。
【００５１】
比較例３
有機半導体層２５，２６を以下の条件で形成する以外は実施例１と同様の方法で電界効果型有機トランジスタを作製した。
銅フタロシアニンを昇華金属用ボードから平均昇華速度１ｎｍ／ｓ、基板温度−５０℃で膜厚５００ｎｍになるまで堆積し有機半導体層２５，２６を形成した。
【００５２】
次に、参考例１と同様の方法で評価を行い移動度とオンオフ比を算出した。その結果を以下に示す。
移動度μ＝４．６×１０−８ｃｍ２／Ｖｓ
オンオフ比＝１０２
【００５３】
比較例４
有機半導体層２５，２６を以下の条件で形成する以外は参考例１と同様の方法で電界効果型有機トランジスタを作製した。
銅フタロシアニンを昇華金属用ボードから平均昇華速度０．１ｎｍ／ｓ、基板温度１２０℃で膜厚５００ｎｍになるまで堆積し有機半導体層２５，２６を形成した。
【００５４】
次に、参考例１と同様の方法で評価を行い移動度とオンオフ比を算出した。その結果を以下に示す。
移動度μ＝９．３×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ
オンオフ比＝１０４
【００５５】
実施例１
図２は、本発明の実施例および参考例に使用した電界効果型有機トランジスタの構成図を示す。
ゲート電極２１としてｎ型に高ドープされたシリコン基板、ゲート絶縁層２２としてポリアクリロニトリル（重量平均分子量１５０，０００）、ソース電極２３およびドレイン電極２４として金、有機半導体層２５としてペンタセン、有機半導体層２６として銅フタロシアニンを用いた。
【００５６】
以下に作成手順を示す。シリコン基板上にポリアクリロニトリルのジメチルスルフォキシド溶液（０．１ｇ／ｍｌ）をスピンコート法により塗布し、７０℃で６時間乾燥しゲート絶縁層を形成した。その上に金（５０ｎｍ）を真空蒸着し、チャネル長５０μｍ、チャネル幅１０ｍｍのソースドレイン両電極を作製した。その上にペンタセンを１×１０-6ｔｏｒｒの圧力下で蒸着基板から１０ｃｍ離した昇華金属用ボードから平均昇華速度０．０５ｎｍ／ｓ、基板温度２５℃で膜厚１０ｎｍになるまで堆積し有機半導体層２５を形成した。
【００５７】
その上に、銅フタロシアニンを平均昇華速度１ｎｍ／ｓ、基板温度−５０℃で膜厚３００ｎｍまで昇華し有機半導体層２６を形成した。ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極の各電極に０．１ｍｍφの金線を銀ペーストで配線し、電界効果型有機トランジスタ素子を作製した。
【００５８】
次に、参考例１と同様の方法で評価を行い移動度とオンオフ比を算出した。結果を以下に示す。
移動度μ＝８．４×１０−１ｃｍ２／Ｖｓ
オンオフ比＝１０８
【００５９】
なお、ペンタセンの有機半導体層２５の移動度は１．４×１０-1ｃｍ2／Ｖｓ、銅フタロシアニンの有機半導体層２６の移動度は４．６×１０-8ｃｍ2／Ｖｓである。
【００６０】
参考例３
図２は、本発明の実施例および参考例に使用した電界効果型有機トランジスタの構成図を示す。
ゲート電極２１としてｎ型に高ドープされたシリコン基板、ゲート絶縁層２２としてＳｉＯ２、ソース電極２３およびドレイン電極２４としてクロム／金の堆積物、有機半導体層２５として以下に示すポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン（重量平均分子量：１００００）を用いた。
【００６１】
【化４】
【００６２】
また、有機半導体層２６として位置不規則ポリ３−ヘキシルチオフェン（重量平均分子量：１２０００）を用いた。
【００６３】
以下に作製手順を示す。シリコン基板２１上に熱酸化膜ＳｉＯ2 （３００ｎｍ）を形成した。その上にリフトオフ法によりチャネル長５０μｍ、チャネル幅５０ｍｍのクロム（５ｎｍ）／金（１００ｎｍ）ソースドレイン両電極を作製した。その上にポリ３，４−エチレンジオキシチオフェンのテトラヒドロフラン溶液（０．００１ｇ／ｍｌ）をスピンコート法により塗布し、１５０℃で１２時間乾燥し、膜厚５０ｎｍの有機半導体層２５を形成した。
【００６４】
そしてその上に位置不規則ポリ３−ヘキシルチオフェンのクロロホルム溶液（０．０１ｇ／ｍｌ）をスピンコート法により塗布し、１２０℃で６時間乾燥し、膜厚５００ｎｍの有機半導体層２６を形成した。ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極の各電極に０．１ｍｍφの金線を銀ペーストで配線し、電界効果型有機トランジスタ素子を作製した。
【００６５】
次に、参考例１と同様の方法で評価を行い移動度とオンオフ比を算出した。結果を以下に示す。
移動度μ＝１．１×１０−１ｃｍ２／Ｖｓ
オンオフ比＝１０６
【００６６】
参考例４
有機半導体層２５として位置規則ポリ３−ヘキシルチオフェン（重量平均分子量）を用いる以外は参考例３と同様の方法で電界効果型有機トランジスタを作製した。
【００６７】
次に、参考例１と同様の方法で評価を行い移動度とオンオフ比を算出した。結果を以下に示す。
移動度μ＝４．２×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ
オンオフ比＝１０５
【００６８】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば、表示デバイス、情報タグ、ＩＣ等のエレクトロ分野において、移動度が大きくしかもオンオフ比の高い電界効果型有機トランジスタ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の電界効果型有機トランジスタの一例を示す断面模式図である。
【図２】 本発明の実施例および参考例で用いた電界効果型有機トランジスタを示す断面模式図である。
【符号の説明】
１１ 絶縁性基板
１２ ゲート電極
１３ ゲート絶縁層
１４ ドレイン電極
１５ ソース電極
１６，１７ 有機半導体層
１８ 保護膜
１９ チャネル領域
２１ ゲート電極
２２ ゲート絶縁層
２３ ソース電極
２４ ドレイン電極
２５，２６ 有機半導体層
【発明の属する技術分野】
本発明は電界効果型有機トランジスタに関して、特に表示デバイス、情報タグ、ＩＣ等のエレクトロ分野に有用な有機半導体層を有する電界効果型有機トランジスタに関するものである。
【０００２】
【背景技術】
結晶シリコンテクノロジーを基盤としたシリコントランジスタに対抗すべく、有機半導体を利用したトランジスタの開発が盛んに行われている。有機半導体は有機材料の特徴である、軽量、柔軟性、多様性、堅牢性を備え、また、１００℃前後の低温プロセスで形成できるほか、印刷、スピンコート等の液相プロセスによる製造方法が可能である。その為、結晶シリコン半導体ではなし得なかったプラスチック基板上への製造や大画面化が可能であり、フレキシブルな電子ペーパー、情報タグ等の新しいデバイスへの適用の期待が高まっている。
【０００３】
しかしながら、通常の有機半導体は移動度が１０-5〜１０-2ｃｍ2／Ｖｓレベルとシリコン半導体に比べて一桁以上低く、高抵抗である為に、大電流が得られにくく、また動作周波数が低い等の問題点を抱えている。
【０００４】
電界効果有機トランジスタで得られる移動度は飽和領域のドレイン電流の式（Ｉ）から求められる。
【０００５】
【数１】
（式中、Ｉｄはドレイン電流（Ａ）、μは移動度（ｃｍ2／Ｖｓ）、Ｗはチャネル幅（ｃｍ）、Ｌはチャネル長（ｃｍ）、Ｃｉはゲート絶縁層の容量（Ｆ／ｃｍ2）、Ｖｇはゲート電圧（Ｖ）、Ｖｔｈはトランジスタの閾値電圧（Ｖ）を示し、ドレイン電流の平方根とゲート電圧の関係からドレイン電流Ｉｄ＝０に外挿することにより求めることができる。）
【０００７】
また、スイッチングデバイスとして利用する場合、トランジスタがオンした時のソースドレイン両電極間を流れる電流と、オフした時のソースドレイン両電極間を流れる電流の比（オンオフ比）が少なくとも１０4 以上、望ましくは１０6 以上が必要となる。しかしながら、有機半導体の場合、前述したように低移動度の為にオン電流が小さく、また有機半導体に含まれる不純物の影響で、オフ電流が大きい為に十分なオンオフ比が得られていない。特に高分子化合物の場合が顕著である。
【０００８】
オンオフ比を改善する手法としては、特許文献１において、移動度を１０-3ｃｍ2／Ｖｓ以上、伝導度を１０-5Ｓ／ｃｍ以下にすることで１０3 程度の改善は図られているがまだ十分ではない。従って実用特性を満足できる有機半導体を利用した電界効果型有機トランジスタは存在していないのが現状である。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−１９０００１号公報（第５頁）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、この様な従来技術に鑑みてなされたものであり、前記課題を解決した、移動度が大きく、しかもオンオフ比の高い電界効果型有機トランジスタ素子を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は有機半導体層中に移動度の異なる領域を形成することで、高移動度でしかもオンオフ比の改善された電界効果型有機トランジスタを提供するものである。
【００１２】
即ち、本発明は、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極と、ゲート絶縁層と、有機半導体層と、を有する電界効果型有機トランジスタであって、前記有機半導体層が、チャネル領域を構成する第１の領域と、前記第１の領域に接触して存在する第２の領域と、を有し、前記第１の領域の移動度が前記第２の領域の移動度より高く、前記第１の領域がペンタセンからなり、前記第２の領域が銅フタロシアニンからなることを特徴とする電界効果型有機トランジスタである。
【００１３】
特に移動度の高い領域がチャネル領域である有機半導体層を有する電界効果型有機トランジスタが好ましい。
また、前記有機半導体層は製造に液相プロセスを利用できる共役高分子化合物であることが好ましく、その重量平均分子量が、５，０００から５００，０００であることが望ましい。
さらに前記ゲート絶縁層が有機化合物からなっているが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の電界効果型有機トランジスタの構造は、プレーナー型、スタガー型または逆スタガー型、何れにおいても有効であるが、プレーナー型を一例に図１を用いて本発明を詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の電界効果型有機トランジスタの一例を示す断面模式図である。同図において、本発明の電界効果型有機トランジスタは、絶縁性基板１１上にゲート電極１２を配置し、その上にゲート絶縁層１３を配置し、更にその上にソース電極１５およびドレイン電極１４を配置し、その上に有機半導体層１６，１７、そして最上部に保護膜１８を配置して構成されている。
【００１６】
本発明の特徴は、有機半導体層１６，１７の移動度が異なることにある。特に電荷移動のチャネル領域１９となる有機半導体層１６が、チャネル領域とならない有機半導体層１７よりも移動度が高いものが好ましい。本発明で用いるチャネル領域とはチャネル長によっても異なるが、おおむねゲート絶縁層１３との界面から有機半導体層５０ｎｍ以下までの領域を示している。
【００１７】
有機半導体層に異なる移動度の領域を形成する方法としては、１種の有機半導体を用いて、その配向状態を変化させることで移動度の異なる領域を形成させる方法、また異なる移動度を持つ２種以上の有機半導体を堆積することで異なる移動度の領域を形成する方法が挙げられる。前者の場合、配向状態を変える方法として有機半導体層を気相法で堆積する場合、蒸着速度、基板温度を変化させて堆積することで達成できる。液相法で堆積する場合は乾燥温度、環境ガスの種類を変化させて堆積することで達成できる。
【００１８】
また、本発明の効果を有効にする為にはチャネル領域となる有機半導体層１６の移動度μ1 は、１０-3ｃｍ2／Ｖｓ以上、好ましくは１０-2ｃｍ2／Ｖｓ以上の範囲が望ましい。
【００１９】
また、チャネル領域とならない有機半導体層１７の移動度μ2 は、１０-4ｃｍ2／Ｖｓ以下、好ましくは１０-5ｃｍ2／Ｖｓ以下の範囲が望ましい。
【００２０】
また、本発明の効果を有効にする為には、有機半導体層１６，１７の２つの移動度はμ1 ＞μ2 であり、かつ移動度の比（μ1 ／μ2 ）は１０以上が好ましく、更に好ましくは１００以上である。
【００２１】
有機半導体層１６，１７の移動度の値は、電界効果有機トランジスタで得られる前記式（Ｉ）から求められる値を示す。
また、有機半導体層１６の膜厚は５〜１００ｎｍで、有機半導体層１７の膜厚は１００〜１０００ｎｍが好ましい。
【００２２】
本発明で用いられる有機半導体層は、共役二重結合を有する共役化合物であれば特に限定されない。例えば以下に示す化合物が好適である。
ポリアセチレン誘導体、チオフェン環を有するポリチオフェン誘導体、ポリ（３−アルキルチオフェン）誘導体、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）誘導体、ポリチエニレンビニレン誘導体、ベンゼン環を有するポリフェニレン誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、窒素原子を有するポリピリジン誘導体、ポリピロール誘導体、ポリアニリン誘導体、ポリキノリン誘導体等の共役高分子化合物：
ジメチルセクシチオフェン、クオータチオフェンに代表されるオリゴマー：
ペリレン、テトラセン、ペンタセンに代表されるアセン類、銅フタロシアニン誘導体に代表される堆積有機分子、トリフェニレン誘導体に代表されるディスコチック液晶、フェニルナフタレン誘導体、ベンゾチアゾール誘導体に代表されるスメクチック液晶、ポリ（９，９−ジアルキルフルオレン−ビチオフェン）共重合体に代表される液晶ポリマー：
等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２３】
また、好ましくは液相プロセスを利用できるという観点から、上記の共役構造を有する高分子化合物が好適である。例えば以下に示す構造の化合物が挙げられる。
【００２４】
【化１】
（式中、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3 、Ｒ4 はＨ、Ｆまたは炭素原子数が１から２０のアルキル基またはアルコキシ基を示す。ｎは正の整数を示す。）
【００２６】
これらの共役高分子化合物の重量平均分子量は特に限定はされないが、溶媒に対する可溶性、成膜性等を考慮すると、５，０００〜５００，０００、好ましくは１０，０００〜１００，０００が望ましい。
【００２７】
また、本発明で用いられる有機半導体層はその電気伝導度を調整する為に適当なドーパントを含有していても良い。ドーパントの種類として、アクセプター性のＩ2 、Ｂｒ2 、Ｃｌ2 、ＢＦ3 、ＰＦ5 、Ｈ2 ＳＯ4 、ＦｅＣｌ3 、ＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）、ドナー性のＬｉ、Ｋ、Ｎａ、Ｅｕ、界面活性剤であるアルキルスルホン酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩等があげられる。
【００２８】
本発明で用いられるゲート絶縁層は特に限定はされないが、ＳｉＯ2 、ＳｉＮx 、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｔａ2 Ｏ5 等の無機材料、ポリイミド、ポリアクリロニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン等の有機材料および有機無機ハイブリッド材料を用いることができる。好ましくは、低コストにつながる液相プロセスを利用できるという観点から有機化合物が好ましい。
【００２９】
絶縁性基板としては特に限定されないが、例えばガラス、石英等の無機材料のほかアクリル系、ビニル系、エステル系、イミド系、ウレタン系、ジアゾ系、シンナモイル系等の感光性高分子化合物、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン等の有機材料、有機無機ハイブリッド材料を用いることができる。また、これらの材料を２層以上積層させて用いることもでき、絶縁耐圧を上げる目的で効果がある。
【００３０】
さらに本発明で用いられるゲート電極、ソース電極およびドレイン電極は導電体であれば特に限定はされないが、例えばＡｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｒ等の金属材料、ポリシリコン、シリサイド、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＳｎＯ2 等の無機材料も好適であるが、ハイドープされたポリピリジン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンに代表される導電性高分子および炭素粒子、銀粒子等を分散した導電性インク等を用いることができる。特にフレキシブル電子ペーパー等に用いる場合、各電極は導電性高分子および炭素粒子、銀粒子等を分散した導電性インク等であるものが基板との熱膨張をそろえ易く好ましい。
【００３１】
これら各電極、ゲート絶縁層、有機半導体層の形成方法は特に限定はされないが有機材料の場合、電解重合法、キャスティング法、スピンコート法、浸漬コート法、スクリーン印刷法、マイクロモールド法、マイクロコンタクト法、ロール塗布法、インクジェット法、ＬＢ法等で形成することができる。また、用いる材料により真空蒸着法、ＣＶＤ法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、スパッタ法等も有効な形成方法である。また、これらはフォトリソグラフおよびエッチング処理により所望の形状にパターニングすることができる。その他、ソフトリソグラフ、インクジェット法も有効なパターニング方法である。また、必要に応じて各電極からの引出し電極や保護膜等を形成することができる。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例により本発明について更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３３】
参考例１
図２は、本発明の実施例および参考例に使用した電界効果型有機トランジスタの構成図を示す。
図２において、ゲート電極２１としてｎ型に高ドープされたシリコン基板、ゲート絶縁層２２としてＳｉＯ２、ソース電極２３およびドレイン電極２４としてクロム／金の堆積物、有機半導体層２５、２６として以下に示すジメチルセクシチオフェンを用いた。
【００３４】
【化２】
また、ジメチルセクシチオフェンの合成は、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，５，８９６，（１９９３）に記載の合成法に従って合成したものを使用した。
【００３６】
以下に作製手順を示す。シリコン基板上に熱酸化膜ＳｉＯ2 （膜厚３００ｎｍ）を形成した。その上にリフトオフ法によりチャネル長５０μｍ、チャネル幅５０ｍｍのクロム（５ｎｍ）／金（１００ｎｍ）ソースドレイン両電極を作製した。その上にジメチルセクシチオフェンを５×１０-6ｔｏｒｒの圧力下で蒸着基板から１０ｃｍ離した昇華金属用ボードから平均昇華速度０．０５ｎｍ／ｓ、基板温度２５℃で膜厚１０ｎｍになるまで堆積し有機半導体層２５を形成した。
【００３７】
その後、平均昇華速度１ｎｍ／ｓ、基板温度２５℃で膜厚３００ｎｍまで堆積し有機半導体層２６を形成した。ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極の各電極に０．１ｍｍφの金線を銀ペーストで配線し、電界効果型有機トランジスタ素子を作製した。
【００３８】
次に、ゲート電圧を０Ｖ〜５０Ｖ、ソース−ドレイン電極間の電圧０Ｖ〜５０Ｖでのドレイン電流を測定し、移動度μを式（Ｉ）に従って算出した。
また、オンオフ比はソース−ドレイン電極間の電圧が３０Ｖ印加時のゲート電圧Ｖｇ＝３０Ｖのドレイン電流と、Ｖｇ＝０のドレイン電流の比で算出した。結果を以下に示す。
移動度μ＝２．１×１０-2ｃｍ2／Ｖｓ
オンオフ比＝１０7
【００３９】
次に、以下の比較例１、２により、参考例１の有機半導体層２５、２６の各々の移動度を測定した結果を示す。
【００４０】
比較例１
有機半導体層２５，２６を以下の条件で形成する以外は参考例１と同様の方法で電界効果型有機トランジスタを作製した。
ジメチルセクシチオフェンを５×１０−６ｔｏｒｒの圧力下で蒸着基板から１０ｃｍ離した昇華金属用ボードから平均昇華速度１ｎｍ／ｓ、基板温度２５℃で膜厚３００ｎｍになるまで堆積し有機半導体層２５，２６を形成した。
【００４１】
次に、参考例１と同様の方法で評価を行い移動度とオンオフ比を算出した。結果を以下に示す。
【００４２】
移動度μ＝８．１×１０-6ｃｍ2／Ｖｓ
オンオフ比＝１０3
【００４３】
比較例２
有機半導体層２５，２６を以下の条件で形成する以外は参考例１と同様の方法で電界効果型有機トランジスタを作製した。
ジメチルセクシチオフェンを５×１０−６ｔｏｒｒの圧力下で蒸着基板から１０ｃｍ離した昇華金属用ボードから平均昇華速度０．０５ｎｍ／ｓ、基板温度２５℃で膜厚３００ｎｍになるまで堆積し有機半導体層２５，２６を形成した。
【００４４】
次に、参考例１と同様の方法で評価を行い移動度とオンオフ比を算出した。結果を以下に示す。
移動度μ＝２．５×１０−２ｃｍ２／Ｖｓ
オンオフ比＝１０５
【００４５】
参考例２
図２は、本発明の実施例および参考例に使用した電界効果型有機トランジスタの構成図を示す。
ゲート電極２１としてｎ型に高ドープされたシリコン基板、ゲート絶縁層２２としてＳｉＯ２、ソース電極２３およびドレイン電極２４としてクロム／金の堆積物、有機半導体層２５、２６として以下に示す銅フタロシアニンを用いた。
【００４６】
【化３】
以下に作製手順を示す。シリコン基板上に熱酸化膜ＳｉＯ2 （３００ｎｍ）を形成した。その上にリフトオフ法によりチャネル長２０μｍ、チャネル幅５０ｍｍのクロム（５ｎｍ）／金（１００ｎｍ）ソースドレイン両電極を作製した。その上に銅フタロシアニンを３×１０-6ｔｏｒｒの圧力下で蒸着基板から１０ｃｍ離した昇華金属用ボードから平均昇華速度０．１ｎｍ／ｓ、基板温度１２０℃で膜厚２０ｎｍになるまで堆積し有機半導体層２５を形成した。
【００４８】
その後、平均昇華速度１ｎｍ／ｓ、基板温度−５０℃に冷却し、膜厚５００ｎｍまで堆積し有機半導体層２６を形成した。ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極の各電極に０．１ｍｍφの金線を銀ペーストで配線し、電界効果型有機トランジスタ素子を作製した。
【００４９】
次に、参考例１と同様の方法で評価を行い、移動度とオンオフ比を算出した。
その結果を以下に示す。
移動μ＝９．１×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ
オンオフ比＝１０６
【００５０】
次に、以下の比較例３、４により、参考例２の有機半導体層２５、２６の各々の移動度を測定した結果を示す。
【００５１】
比較例３
有機半導体層２５，２６を以下の条件で形成する以外は実施例１と同様の方法で電界効果型有機トランジスタを作製した。
銅フタロシアニンを昇華金属用ボードから平均昇華速度１ｎｍ／ｓ、基板温度−５０℃で膜厚５００ｎｍになるまで堆積し有機半導体層２５，２６を形成した。
【００５２】
次に、参考例１と同様の方法で評価を行い移動度とオンオフ比を算出した。その結果を以下に示す。
移動度μ＝４．６×１０−８ｃｍ２／Ｖｓ
オンオフ比＝１０２
【００５３】
比較例４
有機半導体層２５，２６を以下の条件で形成する以外は参考例１と同様の方法で電界効果型有機トランジスタを作製した。
銅フタロシアニンを昇華金属用ボードから平均昇華速度０．１ｎｍ／ｓ、基板温度１２０℃で膜厚５００ｎｍになるまで堆積し有機半導体層２５，２６を形成した。
【００５４】
次に、参考例１と同様の方法で評価を行い移動度とオンオフ比を算出した。その結果を以下に示す。
移動度μ＝９．３×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ
オンオフ比＝１０４
【００５５】
実施例１
図２は、本発明の実施例および参考例に使用した電界効果型有機トランジスタの構成図を示す。
ゲート電極２１としてｎ型に高ドープされたシリコン基板、ゲート絶縁層２２としてポリアクリロニトリル（重量平均分子量１５０，０００）、ソース電極２３およびドレイン電極２４として金、有機半導体層２５としてペンタセン、有機半導体層２６として銅フタロシアニンを用いた。
【００５６】
以下に作成手順を示す。シリコン基板上にポリアクリロニトリルのジメチルスルフォキシド溶液（０．１ｇ／ｍｌ）をスピンコート法により塗布し、７０℃で６時間乾燥しゲート絶縁層を形成した。その上に金（５０ｎｍ）を真空蒸着し、チャネル長５０μｍ、チャネル幅１０ｍｍのソースドレイン両電極を作製した。その上にペンタセンを１×１０-6ｔｏｒｒの圧力下で蒸着基板から１０ｃｍ離した昇華金属用ボードから平均昇華速度０．０５ｎｍ／ｓ、基板温度２５℃で膜厚１０ｎｍになるまで堆積し有機半導体層２５を形成した。
【００５７】
その上に、銅フタロシアニンを平均昇華速度１ｎｍ／ｓ、基板温度−５０℃で膜厚３００ｎｍまで昇華し有機半導体層２６を形成した。ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極の各電極に０．１ｍｍφの金線を銀ペーストで配線し、電界効果型有機トランジスタ素子を作製した。
【００５８】
次に、参考例１と同様の方法で評価を行い移動度とオンオフ比を算出した。結果を以下に示す。
移動度μ＝８．４×１０−１ｃｍ２／Ｖｓ
オンオフ比＝１０８
【００５９】
なお、ペンタセンの有機半導体層２５の移動度は１．４×１０-1ｃｍ2／Ｖｓ、銅フタロシアニンの有機半導体層２６の移動度は４．６×１０-8ｃｍ2／Ｖｓである。
【００６０】
参考例３
図２は、本発明の実施例および参考例に使用した電界効果型有機トランジスタの構成図を示す。
ゲート電極２１としてｎ型に高ドープされたシリコン基板、ゲート絶縁層２２としてＳｉＯ２、ソース電極２３およびドレイン電極２４としてクロム／金の堆積物、有機半導体層２５として以下に示すポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン（重量平均分子量：１００００）を用いた。
【００６１】
【化４】
また、有機半導体層２６として位置不規則ポリ３−ヘキシルチオフェン（重量平均分子量：１２０００）を用いた。
【００６３】
以下に作製手順を示す。シリコン基板２１上に熱酸化膜ＳｉＯ2 （３００ｎｍ）を形成した。その上にリフトオフ法によりチャネル長５０μｍ、チャネル幅５０ｍｍのクロム（５ｎｍ）／金（１００ｎｍ）ソースドレイン両電極を作製した。その上にポリ３，４−エチレンジオキシチオフェンのテトラヒドロフラン溶液（０．００１ｇ／ｍｌ）をスピンコート法により塗布し、１５０℃で１２時間乾燥し、膜厚５０ｎｍの有機半導体層２５を形成した。
【００６４】
そしてその上に位置不規則ポリ３−ヘキシルチオフェンのクロロホルム溶液（０．０１ｇ／ｍｌ）をスピンコート法により塗布し、１２０℃で６時間乾燥し、膜厚５００ｎｍの有機半導体層２６を形成した。ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極の各電極に０．１ｍｍφの金線を銀ペーストで配線し、電界効果型有機トランジスタ素子を作製した。
【００６５】
次に、参考例１と同様の方法で評価を行い移動度とオンオフ比を算出した。結果を以下に示す。
移動度μ＝１．１×１０−１ｃｍ２／Ｖｓ
オンオフ比＝１０６
【００６６】
参考例４
有機半導体層２５として位置規則ポリ３−ヘキシルチオフェン（重量平均分子量）を用いる以外は参考例３と同様の方法で電界効果型有機トランジスタを作製した。
【００６７】
次に、参考例１と同様の方法で評価を行い移動度とオンオフ比を算出した。結果を以下に示す。
移動度μ＝４．２×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ
オンオフ比＝１０５
【００６８】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば、表示デバイス、情報タグ、ＩＣ等のエレクトロ分野において、移動度が大きくしかもオンオフ比の高い電界効果型有機トランジスタ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の電界効果型有機トランジスタの一例を示す断面模式図である。
【図２】 本発明の実施例および参考例で用いた電界効果型有機トランジスタを示す断面模式図である。
【符号の説明】
１１ 絶縁性基板
１２ ゲート電極
１３ ゲート絶縁層
１４ ドレイン電極
１５ ソース電極
１６，１７ 有機半導体層
１８ 保護膜
１９ チャネル領域
２１ ゲート電極
２２ ゲート絶縁層
２３ ソース電極
２４ ドレイン電極
２５，２６ 有機半導体層
Claims (4)
- ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極と、ゲート絶縁層と、有機半導体層と、を有する電界効果型有機トランジスタであって、前記有機半導体層が、チャネル領域を構成する第１の領域と、前記第１の領域に接触して存在する第２の領域と、を有し、前記第１の領域の移動度が前記第２の領域の移動度より高く、前記第１の領域がペンタセンからなり、前記第２の領域が銅フタロシアニンからなることを特徴とする電界効果型有機トランジスタ。
- 前記第１の領域の厚みが５ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の電界効果型有機トランジスタ。
- 前記第２の領域の厚みが１００〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の電界効果型有機トランジスタ。
- 前記第１の領域の移動度μ １ と、第２の領域の移動度μ ２ との比（μ １ ／μ ２ ）が１０以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載の電界効果型有機トランジスタ。
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