JP5590366B2 - アルミニウム含有有機化合物溶液、電界効果型トランジスタ及び電界効果型トランジスタの作製方法 - Google Patents
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(1)ゲート電極と、ソース-ドレイン電極と、チャネル層を構成する半導体層と、前記ゲート電極と前記チャネル層とに挟まれたゲート絶縁膜とを備えた電界効果型トランジスタの作製に使用されるアルミニウム含有有機化合物溶液であって、アルミニウム含有有機化合物を0.5〜2重量%含み前記ゲート絶縁膜を形成させる際、被着体の界面に化成処理被膜であるアルミニウム含有有機化合物層を厚み0.1〜20nmで形成する電界効果型トランジスタの作製用途に使用されるアルミニウム含有有機化合物溶液。
(2)アルミニウム含有有機化合物が、1から3個のアルコキシ、フェノキシ、ハロゲン、アセトアセテート、ヒドロキシキノリナートまたは、これらを組み合わせた有機配位子を含む化合物およびこれらの混合物からなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする前記のアルミニウム含有有機化合物溶液。
(3)ゲート電極と、ソース-ドレイン電極と、チャネル層を構成する半導体層と、前記ゲート電極と前記チャネル層とに挟まれたゲート絶縁膜とを備えた電界効果型トランジスタにおいて、前記ゲート絶縁膜が絶縁性有機高分子からなり、前記ゲート絶縁膜を形成させる際、被着体の界面に、前記のアルミニウム含有有機化合物溶液により化成処理被膜であるアルミニウム含有有機化合物層を形成してなる、電界効果型トランジスタ。
(4)被着体が、ゲート電極、ソース-ドレイン電極、チャネル層を構成する半導体層のいずれかである、前記の電界効果型トランジスタ。
(5)ゲート絶縁膜である絶縁性有機高分子が、熱硬化性樹脂、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、ポリビニルブチラール、ポリアセタール、ポリアリレート、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリフタルアミド、ポリエーテルニトリル、ポリベンズイミダゾール、ポリカルボジイミド、ポリシロキサン、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリルアミド、ニトリルゴム、アクリルゴム、ポリエチレンテトラフルオライド、ポリブテン、ポリペンテン、エチレン-プロピレン共重合体、ポリブタジエン、ポリスチレンおよびこれらの混合物からなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする前記の電界効果型トランジスタ。
(6)熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂、ビストリアジン樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、シリコン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シアン酸エステル樹脂、イソシアネート樹脂、ポリベンズオキサゾール樹脂またはこれらの種々の変性樹脂類から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする前記の電界効果型トランジスタ。
(7)ゲート電極と、ソース-ドレイン電極と、チャネル層を構成する半導体層と、前記ゲート電極と前記チャネル層とに挟まれたゲート絶縁膜とを備えた電界効果型トランジスタの作製方法において、ゲート絶縁膜を形成する際、被着体表面をあらかじめアルミニウム含有有機化合物あるいはアルミニウム含有有機化合物を0.5〜2重量%含むアルミニウム含有有機化合物溶液により表面処理を施すことにより被着体表面に化成処理被膜であるアルミニウム含有有機化合物層を厚み0.1〜20nmで形成することを特徴とする電界効果型トランジスタの作製方法。
(8)被着体が、ゲート電極、ソース-ドレイン電極、チャネル層を構成する半導体層のいずれかである、前記の電界効果型トランジスタの作製方法。
(9)アルミニウム含有有機化合物が、1から3個のアルコキシ、フェノキシ、ハロゲン、アセトアセテート、ヒドロキシキノリナートまたは、これらを組み合わせた有機配位子を含む化合物およびこれらの混合物からなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする、前記の電界効果型トランジスタの作製方法。
(10)ゲート絶縁膜および化成処理被膜であるアルミニウム含有有機化合物層が、湿式工程によって形成されることを特徴とする前記の電界効果型トランジスタの作製方法。
(11)湿式工程が、ディップコーティング、スピンコーティング、スプレーコーティング、ロールコーティング、インクジェットコーティング、オフセットコーティング、インクジェット印刷法、転写法、オフセット印刷法、スクリーン印刷法、凸版印刷法、凹版印刷、ソフトリソグラフ、ディスペンサ印刷から選ばれる方法によって行われることを特徴とする前記の電界効果型トランジスタの作製方法。
通常、前記被着体とは、電界効果型トランジスタが形成される基板、半導体層、基板表面処理層、ゲート電極あるいはソース-ドレイン電極を指している。また、使用する材料としては、一般的に、基板が、プラスチック基板、樹脂シート、金属シート、ガラス基板、石英基板またはシリコン基板からなる群より選ばれ、表面処理層が、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化窒化ケイ素、絶縁性有機高分子からなる群より選ばれ、ゲートおよびソース-ドレイン電極が、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、アルミニウム合金、ニッケル、クロム(Cr)、カルシウム、タンタル、白金、パラジウム、チタンの他、インジウム錫酸化物(ITO)、酸化錫(SnO)の透明電極または有機伝導体材料としてポリエチレンジオキシチオフェン-ポリスチレンスルホン酸(PEDOT−PSS)、カーボンナノチューブ、グラフェンシート、テトラチアフルバレン-テトラシアノキノジメタン(TTF−TCNQ)からなる群より選ばれ、また、半導体層が、ペンタセン、ポリチオフェン、銅フタロシアニン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリフェニレンビニレン、ポルフルオレン、カーボンナノチューブ、SnO、酸化亜鉛(ZnO)、シリコン粒子分散液、SnO前駆体溶液、ZnO前駆体溶液またはこれらの誘導体からなる群より選ばれる。
さらに、基板および基板上に先に設けられた電極および半導体層表面にアルミニウム含有有機化合物を塗布あるいは印刷により一層設けた後、ゲート絶縁膜を形成するFETに関する。
本発明に係るFETは、基板上にゲート電極と、ソース-ドレイン電極と、チャネル層を構成する半導体層と、ゲート電極とチャネル層に挟まれたゲート絶縁膜とを備えたFETにおいて、ゲート絶縁膜が絶縁性有機高分子からなり、このゲート絶縁膜を形成させる際、被着体の界面にアルミニウム含有有機化合物層を有することを特徴とするFETである。基本的な素子構造を図1から図5に示すが、本発明はこれらの図で示される素子構成に限定されるものではない。
また、本発明のFETは、前記ゲート絶縁膜を形成させる際、被着体の界面に、アルミニウム含有有機化合物溶液によりアルミニウム含有有機化合物層が形成される。通常、アルミニウム含有有機化合物溶液は、アルミニウム含有有機化合物を適当な溶媒に溶解し、作製される。また、アルミニウム含有有機化合物溶液は、アルミニウム含有有機化合物を0.5〜2重量%含むことが好ましい。
(実施例1)
アルミニウムを100nm蒸着したシリコン基板(水戸精工製)に(エチルアセトアセテート)アルミニウムジイソプロポキシド(和光純薬工業製)の1重量%プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート溶液(東京化成工業製)を1500回転、20秒でスピンコートし、100℃で3分間乾燥することにより、基板表面にアルミニウム含有有機化合物層を空気中で形成した。
セパラブルフラスコに、ビスフェノールF(本州化学工業製)160g(0.80mol)、ジメトキシジフェニルシラン(AZ−6183:東レダウコーニングアジア製)95.3g(0.8mol)、リン触媒(PPQ:北興化学工業製)0.80g(0.5重量%)を仕込み、130℃で溶解させ15時間攪拌した。この時発生するメタノールは系外に除去した。その後、加熱減圧下さらに20時間反応を行うことで、ビスフェノールFのジフェニルシリル化体を270g得た。
アルミニウム含有有機化合物層を形成する化合物として、トリス(エチルアセトアセテート)アルミニウム(和光純薬工業製)を用いた以外、実施例1と同様の方法でゲート絶縁膜を形成した。
アルミニウム含有有機化合物層を形成する化合物として、トリス(8-ヒドロキシルキノリナート)アルミニウム(和光純薬工業製)を用いた以外、実施例1と同様の方法でゲート絶縁膜を形成した。
アルミニウム含有有機化合物として、アルミニウム(s-ブトキサイド)(和光純薬工業製)を用いて窒素雰囲気中でアルミニウム金属含有有機化合物層を形成した以外、実施例1と同様の方法でゲート絶縁膜を形成した。
実施例1と同様の方法でアルミニウム含有有機化合物層を施した後、N−865;0.50g、ビスフェノールAノボラック樹脂(VH−4170:大日本インキ化学工業製)0.27g、2PZ−CN1重量%0.07gをプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート5.10gに溶解させた樹脂溶液を調整し、実施例1と同様の方法でゲート絶縁膜を形成した。
実施例1と同様の方法でアルミニウム含有有機化合物層を施した後、実施例1のゲート絶縁膜の代りに、ポリメタクリル酸メチル(和光純薬工業製)を75重量%となるようトルエンに溶解させた樹脂溶液を調整し、3000回転30秒の条件でスピンコートし、100℃の下10分乾燥させることによって膜厚300nmのゲート絶縁膜を形成した。
実施例1と同様の方法でアルミニウム含有有機化合物層を施した後、実施例1のゲート絶縁膜の代りに、ポリビニルフェノール(和光純薬工業製)を30mg/mlとなるよう脱水テトラヒドロフラン(和光純薬工業製)に溶解させた樹脂溶液に1,6-ビストリクロロシリルへキサン(Aldrich製)を30mg/mlとなる脱水テトラヒドロフラン溶液を同等量で混合させた溶液を1500回転30秒の条件でスピンコートし、100℃の下10分乾燥させることによって膜厚300nmのゲート絶縁膜を形成した。
Al(91.2重量%)‐Ndをスパッタにより100nm設けたガラス基板を用いた以外は、実施例1と同様の方法でゲート絶縁膜を形成した。
Crを200nm蒸着したシリコン基板(水戸精工製)を用いた以外は、実施例1と同様の方法でゲート絶縁膜を形成した。
高ドープシリコン基板(エレクトロニクス エンド マテリアルズ コーポレイション製)を用いた以外は、実施例1と同様の方法でゲート絶縁膜を形成した。
アルミニウムを100nm蒸着したシリコン基板(水戸精工製)上にAu(高純度化学研究所製)を、真空蒸着装置(トッキ製)を用い、0.05nm/sの速度で50nm蒸着した基板を用いた以外は、実施例1と同様の方法でゲート絶縁膜を形成した。
アルミニウムを100nm蒸着したシリコン基板(水戸精工製)上にAg(和光純薬工業製)を、真空蒸着装置(トッキ製)を用い、0.06nm/sの速度で50nm蒸着した基板を用いた以外は、実施例1と同様の方法でゲート絶縁膜を形成した。
アルミニウムを100nm蒸着したシリコン基板(水戸精工製)上にCu(和光純薬工業製)を、真空蒸着装置(トッキ製)を用い、0.05nm/sの速度で50nm蒸着した基板を用いた以外は、実施例1と同様の方法でゲート絶縁膜を形成した。
アルミニウムを100nm蒸着したシリコン基板(水戸精工製)上に、ホモジナイザーを用いて5分間分散させたPEDOT/PSS水溶液(H.C.Starck製)を1500回転40秒の条件でスピンコートし、200℃の下10分乾燥させることでPEDOT/PSSからなるゲート電極を設けた基板を用いた以外は、実施例1と同様の方法でゲート絶縁膜を形成した。
実施例1におけるアルミニウム含有有機化合物層を施さず、実施例1と同様の方法によってゲート絶縁膜を形成した。
実施例2におけるアルミニウム含有有機化合物層を施さず、実施例5と同様の方法によってゲート絶縁膜を形成した。
実施例3におけるアルミニウム含有有機化合物層を施さず、実施例6と同様の方法によってゲート絶縁膜を形成した。
実施例4におけるアルミニウム含有有機化合物層を施さず、実施例7と同様の方法によってゲート絶縁膜を形成した。
実施例5におけるアルミニウム含有有機化合物層を施さず、実施例8と同様の方法によってゲート絶縁膜を形成した。
実施例6におけるアルミニウム含有有機化合物層を施さず、実施例9と同様の方法によってゲート絶縁膜を形成した。
実施例7におけるアルミニウム含有有機化合物層を施さず、実施例10と同様の方法によってゲート絶縁膜を形成した。
実施例8におけるアルミニウム含有有機化合物層を施さず、実施例11と同様の方法によってゲート絶縁膜を形成した。
実施例9におけるアルミニウム含有有機化合物層を施さず、実施例12と同様の方法によってゲート絶縁膜を形成した。
実施例10におけるアルミニウム含有有機化合物層を施さず、実施例13と同様の方法によってゲート絶縁膜を形成した。
実施例11におけるアルミニウム含有有機化合物層を施さず、実施例14と同様の方法によってゲート絶縁膜を形成した。
これらのゲート絶縁膜において、1cm2当たりに存在するピンホールを顕微鏡(×500)により拡大して数えた。結果を表1、表2に示した。
ついで、このゲート絶縁膜に半導体層としてペンタセン(Aldrich製)を真空蒸着装置(トッキ製)によりチャンバー圧力10-5Pa、基板温度25℃、成膜速度0.02〜0.04nm/sの条件でメタルマスクを用いて50nm成膜した後、ソース-ドレイン電極として、Au(高純度化学研究所製)を真空蒸着装置(トッキ製)によりメタルマスクを用いて30nm成膜することによってFETを作製した。このときチャネル幅(W)は1nm、チャネル長(L)は200μmとした。得られたFETの電気特性はpA METER/DC VOLTAGE SOURCE(4140B:YOKOGAWA Hewlet−Packard製)、エレクトロメータ(TR8654:アドバンテスト製)、ポジショナ、ペルチェ素子を用いた温度可変ステージを組み合わせた装置を用いた。以下、装置の詳細について述べる。
電荷移動度は、下記飽和領域における電流式から求められる。下記式(1)に基づき、(IDS)1/2とゲート電圧VGを変数とした電流伝達特性のグラフを得、その傾きから電荷移動度を求めた(図7、図8参照)。電流伝達特性評価は、乾燥窒素雰囲気下、室温(25℃)において、ゲート-ソース間に一定電圧(-10V)をかけながら、ソース-ドレイン間の電圧値を-20Vから30Vまで変化させ、これに対応して変化するソース-ドレイン間電流を測定した。結果を表1、表2に示した。
(IDS)1/2=(μ・Ci・W/(2L))1/2・(VG−Vth)(1)
(式中、IDSはソース-ドレイン間電流、μは電荷移動度、Ciはゲート絶縁膜の静電容量、Wはチャネル幅、Lはチャネル長、VGはゲート電圧、Vthは閾値電圧である)
閾値電圧は(IDS)1/2とゲート電圧VGのグラフの線形部分の延長線とVG軸との交点から求めた。結果を表1、表2に示した。
ION/IOFF比はオン状態での最大電流値とオフ状態での最小電流値との比から求めた。結果を表1、表2に示した。
デバイスエラー率はVGとゲート電流IGを変数としたグラフを得、20Vから-30Vの測定範囲内でIGが2.3×10-10A/cm2を超える電流値を示すデバイスをエラーと見なした。結果を表1、表2に示した。
12、22、32、42、52、62、72、82、82’、92、92’:ゲート電極
13、23、33、43、53、63、73、83、83’、93、93’:アルミニウム含有有機化合物層
14、24、34、44、54、64、74、84、84’、94、94’:ゲート絶縁膜
15、25、35、45、55、65、75、85、95:半導体層
16、17、26、27、36、37、46、47、56、57、66、67、76、77、86、87、96、97:ソース-ドレイン電極
Claims (11)
- ゲート電極と、ソース-ドレイン電極と、チャネル層を構成する半導体層と、前記ゲート電極と前記チャネル層とに挟まれたゲート絶縁膜とを備えた電界効果型トランジスタの作製に使用されるアルミニウム含有有機化合物溶液であって、アルミニウム含有有機化合物を0.5〜2重量%含み前記ゲート絶縁膜を形成させる際、被着体の界面に化成処理被膜であるアルミニウム含有有機化合物層を厚み0.1〜20nmで形成する電界効果型トランジスタの作製用途に使用されるアルミニウム含有有機化合物溶液。
- アルミニウム含有有機化合物が、1から3個のアルコキシ、フェノキシ、ハロゲン、アセトアセテート、ヒドロキシキノリナートまたは、これらを組み合わせた有機配位子を含む化合物およびこれらの混合物からなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項1に記載のアルミニウム含有有機化合物溶液。
- ゲート電極と、ソース-ドレイン電極と、チャネル層を構成する半導体層と、前記ゲート電極と前記チャネル層とに挟まれたゲート絶縁膜とを備えた電界効果型トランジスタにおいて、前記ゲート絶縁膜が絶縁性有機高分子からなり、前記ゲート絶縁膜を形成させる際、被着体の界面に、請求項1または請求項2に記載のアルミニウム含有有機化合物溶液により化成処理被膜であるアルミニウム含有有機化合物層を形成してなる、電界効果型トランジスタ。
- 被着体が、ゲート電極、ソース-ドレイン電極、チャネル層を構成する半導体層のいずれかである、請求項3に記載の電界効果型トランジスタ。
- ゲート絶縁膜である絶縁性有機高分子が、熱硬化性樹脂、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、ポリビニルブチラール、ポリアセタール、ポリアリレート、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリフタルアミド、ポリエーテルニトリル、ポリベンズイミダゾール、ポリカルボジイミド、ポリシロキサン、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリルアミド、ニトリルゴム、アクリルゴム、ポリエチレンテトラフルオライド、ポリブテン、ポリペンテン、エチレン-プロピレン共重合体、ポリブタジエン、ポリスチレンおよびこれらの混合物からなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の電界効果型トランジスタ。
- 熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂、ビストリアジン樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、シリコン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シアン酸エステル樹脂、イソシアネート樹脂、ポリベンズオキサゾール樹脂またはこれらの種々の変性樹脂類から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項5に記載の電界効果型トランジスタ。
- ゲート電極と、ソース-ドレイン電極と、チャネル層を構成する半導体層と、前記ゲート電極と前記チャネル層とに挟まれたゲート絶縁膜とを備えた電界効果型トランジスタの作製方法において、ゲート絶縁膜を形成する際、被着体表面をあらかじめアルミニウム含有有機化合物あるいはアルミニウム含有有機化合物を0.5〜2重量%含むアルミニウム含有有機化合物溶液により表面処理を施すことにより被着体表面に化成処理被膜であるアルミニウム含有有機化合物層を厚み0.1〜20nmで形成することを特徴とする電界効果型トランジスタの作製方法。
- 被着体が、ゲート電極、ソース-ドレイン電極、チャネル層を構成する半導体層のいずれかである、請求項7に記載の電界効果型トランジスタの作製方法。
- アルミニウム含有有機化合物が、1から3個のアルコキシ、フェノキシ、ハロゲン、アセトアセテート、ヒドロキシキノリナートまたは、これらを組み合わせた有機配位子を含む化合物およびこれらの混合物からなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする、請求項7または請求項8に記載の電界効果型トランジスタの作製方法。
- ゲート絶縁膜および化成処理被膜であるアルミニウム含有有機化合物層が、湿式工程によって形成されることを特徴とする請求項7〜請求項9いずれかに記載の電界効果型トランジスタの作製方法。
- 湿式工程が、ディップコーティング、スピンコーティング、スプレーコーティング、ロールコーティング、インクジェットコーティング、オフセットコーティング、インクジェット印刷法、転写法、オフセット印刷法、スクリーン印刷法、凸版印刷法、凹版印刷、ソフトリソグラフ、ディスペンサ印刷から選ばれる方法によって行われることを特徴とする請求項10に記載の電界効果型トランジスタの作製方法。
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