JP2002198539A - Thin-film field-effect transistor structure using organic/ inorganic hybrid semiconductor and its manufacturing method - Google Patents

Thin-film field-effect transistor structure using organic/ inorganic hybrid semiconductor and its manufacturing method

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JP2002198539A
JP2002198539A JP2001332113A JP2001332113A JP2002198539A JP 2002198539 A JP2002198539 A JP 2002198539A JP 2001332113 A JP2001332113 A JP 2001332113A JP 2001332113 A JP2001332113 A JP 2001332113A JP 2002198539 A JP2002198539 A JP 2002198539A
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inorganic hybrid
gate
gate insulator
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JP2001332113A
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Christos Dimitrios Dimitrakopoulos
クリストス・ディミトリス・ディミトラコポロス
Cherie Renee Kagan
チェリー・リニー・カガン
David Brian Mitzi
デビッド・ブライアン・ミチ
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International Business Machines Corp
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    • H01L21/02197Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material containing at least one metal element, e.g. metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides or metal carbides the material having a perovskite structure, e.g. BaTiO3

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin-film transistor(TFT) device structure that shows high field effect mobility and high current modulation at a lower operating voltage than an organic/inorganic hybrid TFT device with the newest technique, and is based on an organic/inorganic hybrid semiconductor material. SOLUTION: This structure includes a set of conductive gate electrodes covered with a high-permittivity insulator, the layer of the organic/inorganic hybrid semiconductor, a set of electric conductive source electrode corresponding to each gate line and electric conductive drain electrode, and a passivation layer that is optionally selected and covers the device structure for protection. By high-permittivity gate insulator, gate voltage dependency in the organic/ inorganic hybrid semiconductor is utilized, thus achieving the field-effect mobility at a high level in the extremely low operation voltage.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜電界効果トラ
ンジスタ(TFT)の半伝導性チャネルとしての有機無
機混成(hybrid)材料の分野に関し、特に、フラット・
パネル・ディスプレイなどの用途で、高誘電性ゲート絶
縁体を使用する、そのようなトランジスタの低電圧動作
に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the field of organic-inorganic hybrid materials as semiconducting channels in thin film field effect transistors (TFTs), and more particularly to the field of flat-type hybrid materials.
It relates to the low voltage operation of such transistors using high dielectric gate insulators in applications such as panel displays.

【0002】[0002]

【関連出願】この出願は、「Thin-Film Field-Effect
Transistor With Organic Semiconductor Requir
ing Low Operating Voltages(所要動作電圧の低い
有機半導体を用いた薄膜電界効果トランジスタ)」とい
う名称の1999年6月2日に出願された係属中の米国
出願第09/323,804号の一部継続出願である。
この米国出願第09/323,804号は、1997年
3月25日に出願された米国出願第08/827,01
8号の継続出願であり、1999年11月9日に米国特
許第5,981,970号として発行されており、この
教示を、参照して本明細書に組み込む。また、この出願
は、「Product And Process For Forming A Semic
onductor Structure On A Host Substrate(親基
板上に半導体構造を形成する製品およびプロセス)」と
いう名称の1999年2月26日に出願された係属中の
米国出願第09/259,128号の一部継続出願であ
り、2001年4月3日に米国特許第6,210,47
9号として発行されており、対応日本特許出願2000
年第47152号であり、この教示を、参照して本明細
書に組み込む。
[Related Application] This application is based on "Thin-Film Field-Effect
Transistor With Organic Semiconductor Requir
ing Low Operating Voltages (a thin film field effect transistor using an organic semiconductor having a low required operating voltage), which is a continuation of a part of pending US application Ser. No. 09 / 323,804, filed on Jun. 2, 1999. Application.
This U.S. application Ser. No. 09 / 323,804 is disclosed in U.S. application Ser. No. 08 / 827,01, filed Mar. 25, 1997.
No. 8, No. 5,981,970, issued Nov. 9, 1999, the teachings of which are incorporated herein by reference. In addition, this application filed a `` Product And Process For Forming A Semic
Partial continuation of pending US application Ser. No. 09 / 259,128 filed Feb. 26, 1999 entitled "Onductor Structure On A Host Substrate". No. 6,210,47 filed on Apr. 3, 2001.
No. 9 and corresponding Japanese patent application 2000
No. 47152, the teachings of which are incorporated herein by reference.

【0003】[0003]

【従来の技術】液晶表示(LCD)および他のフラット
・パネルの用途で使用される薄膜電界効果トランジスタ
(TFT)は、一般に、半導体としてアモルファス・シ
リコン(aSi:H)または多結晶シリコンを使用し、
ゲート絶縁体として二酸化シリコンおよび/または窒化
シリコンを使用する。最近の材料の開発は、薄膜電界効
果トランジスタの半導体としてアモルファス・シリコン
に代わる可能性のある低コストおよび/または低温の代
替物として、ヘキサチオフェンおよびその誘導体のよう
な有機オリゴマーおよびペンタセンのような有機分子の
探査に至っている(G.Horowitz, D.Fichou, X. Pen
g, Z.Xu, F.Garnier, Solid State Commun. Volu
me72, pg.381, 1989; 米国特許第5,347,1
44号)。SiO2をゲート絶縁体としたペンタセンに
基づいたTFTで、1cm2-1sec -1の範囲の電界
効果移動度が実現され(Y.Y.Lin, D.J.Gundlach, S.
F.Nelson,T.N.Jackson, IEEE Electron Device Let
t. Vol.18 pp. 606-608 1997)、そのような用途の
可能性のある候補となっている。このペンタセンに基づ
いた有機TFTの主要な欠点は、高移動度を実現し、同
時に高電流変調を生成するために、高い動作電圧が必要
なことである(0.4μm厚さのSiO2ゲート絶縁体
が使用された時、一般に、約100V)。ゲート絶縁体
の厚さを薄くすると、上記の特性は改良されるが、この
絶縁体厚さの減少には、製造困難さおよび信頼性の問題
で課せられる限界がある。例えば、現世代のTFTLC
D装置では、TFTゲート絶縁体の厚さは、一般に、
0.3から0.4μmである。最近、高誘電率(ε)ゲ
ート絶縁体を備えるペンタセン・デバイスで、同等の厚
さのSiO2を使用するペンタセンTFTよりも低い電
圧で、高移動度を実現できることが示された(米国特許
第5,981,970号および5,946,551号、
C.D.Dimitrakopoulos, S.Purushothaman, J.Kymissi
s, A.Callegari, J.M.Shaw, Science, 283, 822-8
24(1999);C.D.Dimitrakopoulos, J.Kymissis,S.Pur
ushothaman, D.A.Neumayer, P.R.Duncombe, R.B.Lai
bowitz Advanced Materials, Vol. 11, 1372-137
5,(1999))。
BACKGROUND OF THE INVENTION Liquid crystal displays (LCDs) and other flat displays
・ Thin film field effect transistors used for panel applications
(TFT) is generally an amorphous silicon semiconductor.
Using silicon (aSi: H) or polycrystalline silicon,
Silicon dioxide and / or nitride as gate insulator
Use silicon. Recent development of materials is based on thin film field effect
Amorphous silicon as transistor semiconductor
Low cost and / or low temperature alternatives
As a substitute, such as hexathiophene and its derivatives
Organic oligomers and organic molecules such as pentacene
Exploration (G. Horowitz, D. Fichou, X. Penn)
g, Z. Xu, F. Garnier, Solid State Commun. Volu
me72, pg. 381, 1989; US Patent No. 5,347, 1
No. 44). SiOTwoTo pentacene with gate insulator
1cm with TFT basedTwoV-1sec -1Electric field in the range
Effective mobility is realized (Y.Y.Lin, D.J.Gundlach, S.
F. Nelson, T.N. Jackson, IEEE Electron Device Let
t. Vol.18 pp. 606-608 1997).
It is a potential candidate. Based on this pentacene
The major drawback of the organic TFTs that have been
Sometimes high operating voltages are needed to produce high current modulation
(0.4 μm thick SiOTwoGate insulator
When used, generally about 100 V). Gate insulator
When the thickness of is reduced, the above characteristics are improved.
Insulation thickness reduction is associated with manufacturing difficulties and reliability issues
There are limits imposed by For example, the current generation TFTLC
In device D, the thickness of the TFT gate insulator is generally
0.3 to 0.4 μm. Recently, high dielectric constant (ε)
Pentacene device with heat insulator, equivalent thickness
Sano SiOTwoLower than pentacene TFTs using
Pressure has been shown to achieve high mobility (US Patent
Nos. 5,981,970 and 5,946,551,
C.D.Dimitrakopoulos, S.Purushothaman, J.Kymissi
s, A. Callegari, J.M.Shaw, Science, 283, 822-8
24 (1999); C.D.Dimitrakopoulos, J.Kymissis, S.Pur
ushothaman, D.A.Neumayer, P.R.Duncombe, R.B.Lai
bowitz Advanced Materials, Vol. 11, 1372-137
5, (1999)).

【0004】最近、新しい種類のTFTが明らかにされ
た。すなわち、半導体として、有機無機ペロブスカイト
(perovskite)(C6524NH32SnI4のよう
な有機無機混成材料を備えたものである。この種の有機
無機混成材料は、「分子規模の複合材料(molecular s
cale composites)」と定義することができる(K.Chon
drousdis, C.D.Dimitrakopoulos, C.R.Kagan, I.Kym
issis, D.B.Mitiz,「Thin Film Field Effect Tra
nsistors With Organic-Inorganic HybridMaterials
As Semiconducting Channels」、米国特許出願第0
9/261,515号(1999年3月3日出願)に基
づく米国特許第6,180,956号、対応日本特許出
願2000年第50047号;「Organic-Inorganic Hy
bridMaterials as Semiconducting Channels in T
hin-Film Field-EffectTransistors」, C.R.Kagan,
D.B.Mitiz, C.D.Dimitrakopoulos, Science Vol. 2
86, 945-947, (1999))。これらのトランジスタに
は、ペンタセンに関する上記の問題に似た問題がある。
すなわち、高移動度を実現し、同時に高電流変調を生成
するためには、高い動作電圧が必要になる(0.5μm
の厚さのSiO2絶縁膜が使用される時に、一般に、約
60V)。ゲート絶縁体の厚さを薄くすると、上記の特
性を実現するために必要な動作電圧は低下する。この場
合もまた、特に、ゲート絶縁体が、Si単結晶に熱的に
成長されるのではなくて、ゲート電極の表面に堆積され
るフラット・パネル・ディスプレイのような大面積の用
途では、絶縁体厚さの減少には、製造の制約および信頼
性の問題で課せられる限界がある。有機TFTで示され
たように、低電圧で高移動度を実現するために高誘電率
ゲート絶縁体を使用することは、明らかな解決方法では
ない。その理由は、移動度が一定のパラメータと考えら
れる結晶無機半導体から測定される移動度に、そのよう
な絶縁体が影響を及ぼすとは考えられないからである。
有機無機ペロブスカイト(C6524NH32SnI
4では、伝導は無機成分で起こり、有機成分は絶縁性で
ある(D.B.Mitzi, C.A.Feild, W.T.A. Harrison,
A.M.Guloy, Nature, Vol. 369, 467-469(1994);
前掲米国特許第6,180,956号。このことは(C
6524NH32SnI4に関しては真実である。し
かし、有機部分が、例えばオリゴチオフェン含有分子の
ような共役有機分子から成り、無機部分が、絶縁性で、
共役有機分子の組成をテンプレート(template)するよ
うに使用されて、混成材料の導電率および/または移動
度を増大させるような他の混成材料を設計することがで
きる。
Recently, a new type of TFT has been identified. That is, an organic-inorganic hybrid material such as organic-inorganic perovskite (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 SnI 4 is provided as a semiconductor. This type of organic-inorganic hybrid material is called “molecular-scale composite material (molecular s).
cale composites) "(K. Chon
drousdis, CDDimitrakopoulos, CRKagan, I.Kym
issis, DBMitiz, `` Thin Film Field Effect Tra
nsistors With Organic-Inorganic HybridMaterials
As Semiconducting Channels, US Patent Application No. 0
U.S. Pat. No. 6,180,956, based on Ser. No. 9 / 261,515 (filed Mar. 3, 1999) and corresponding Japanese Patent Application No. 200050047; "Organic-Inorganic Hy
bridMaterials as Semiconducting Channels in T
hin-Film Field-EffectTransistors '', CRKagan,
DBMitiz, CDDimitrakopoulos, Science Vol. 2
86, 945-947, (1999)). These transistors have problems similar to those described above for pentacene.
That is, in order to realize high mobility and simultaneously generate high current modulation, a high operating voltage is required (0.5 μm
Typically, when a SiO 2 insulating film having a thickness of about 60 V is used, about 60 V). As the thickness of the gate insulator is reduced, the operating voltage required to achieve the above characteristics is reduced. Again, especially in large area applications such as flat panel displays where the gate insulator is deposited on the surface of the gate electrode rather than being thermally grown on a Si single crystal, the insulating The reduction in body thickness has limitations imposed by manufacturing constraints and reliability issues. The use of high-k gate insulators to achieve high mobility at low voltages, as shown for organic TFTs, is not an obvious solution. The reason is that such an insulator is not considered to affect the mobility measured from a crystalline inorganic semiconductor whose mobility is considered to be a constant parameter.
Organic-inorganic perovskite (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 SnI
In 4 , conduction occurs in the inorganic component and the organic component is insulating (DBMitzi, CAFeild, WTA Harrison,
AMGuloy, Nature, Vol. 369, 467-469 (1994);
U.S. Patent No. 6,180,956, supra. This means (C
Is true with respect 6 H 5 C 2 H 4 NH 3) 2 SnI 4. However, the organic part consists of conjugated organic molecules, for example oligothiophene containing molecules, the inorganic part is insulating,
Other hybrid materials can be designed to be used to template the composition of the conjugated organic molecule to increase the conductivity and / or mobility of the hybrid material.

【0005】半導体として有機無機混成ペロブスカイト
(C6524NH32SnI4を有し、ゲート電極と
して高濃度ドープSiウェハーを有し、ゲート絶縁体と
して500nmの熱成長SiO2を有し、さらにPdの
ソースおよびドレイン電極を有するTFTの電気特性
は、以前に示されているような(米国特許第6,18
0,956号;「Organic-Inorganic Hybrid Materia
ls as SemiconductingChannels in Thin-Film Fie
ld-Effect Transistors」, C.R.Kagan, D.B.Mitzi,
C.D.Dimitrakopoulos, Science Vol. 286, 945-9
47, (1999))、標準的な電界効果トランジスタの式
で適切にモデル化することができる(S.M.Sze 「Physic
s of Semiconductor Devices」, Wiley, New yor
k, 1981, pg. 442)。これらのデバイスで使用され
た有機無機混成ペロブスカイト(C6524NH32
SnI4は、p型半導体として振る舞う。「Organic-Ino
rganicHybrid Materials as Semiconducting Chann
els in Thin-Film Field-Effect Transistors」,
C.R.Kagan, D.B.Mitzi, C.D.Dimitrakopoulos, Scie
nce Vol. 286, 945-947,(1999)から引用された図
1は、ゲートに加えられた不連続な電圧(VG)で、ソ
ース電極とドレイン電極の間を流れる電流(ID)のド
レイン電極に印加される電圧(VD)への依存性を示
す。ゲート電極が、接地されたソース電極に対して負に
バイアスされた時に、(C6524NH32SnI4
に基づいたTFTは、蓄積モードで動作し、蓄積キャリ
アはホールである。低いVDの時、IDは、VDとともに
直線的に増大し(直線領域)、次式で近似的に与えられ
る。
[0005] Organic / inorganic hybrid perovskite (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 SnI 4 is used as a semiconductor, a heavily doped Si wafer is used as a gate electrode, and 500 nm thermally grown SiO 2 is used as a gate insulator. And the electrical properties of a TFT having Pd source and drain electrodes as previously shown (US Pat. No. 6,18,18).
No. 0,956; “Organic-Inorganic Hybrid Materia
ls as SemiconductingChannels in Thin-Film Fie
ld-Effect Transistors '', CRKagan, DBMitzi,
CDDimitrakopoulos, Science Vol. 286, 945-9
47, (1999)), which can be properly modeled using the standard field-effect transistor equation (SMSze "Physic
s of Semiconductor Devices '', Wiley, New yor
k, 1981, pg. 442). Organic-inorganic hybrid perovskite (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 used in these devices
SnI 4 behaves as a p-type semiconductor. "Organic-Ino
rganicHybrid Materials as Semiconducting Chann
els in Thin-Film Field-Effect Transistors,
CRKagan, DBMitzi, CDDimitrakopoulos, Scie
nce Vol. 286, 945-947, of Figure 1, which is taken from (1999) is a discrete voltage applied to the gate (V G), the current flowing between the source electrode and the drain electrode (I D) The dependence on the voltage (V D ) applied to the drain electrode is shown. When the gate electrode is negatively biased with respect to the grounded source electrode, (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 SnI 4
Operate in the accumulation mode, and the accumulation carriers are holes. At low V D , I D increases linearly with V D (linear region) and is approximately given by:

【数1】 ここで、Lはチャネル長、Wはチャネル幅、Ciは絶縁
層の単位面積当たりのキャパシタンス、VTは閾値電
圧、さらに、μは電界効果移動度である。一定の小さい
DでID対VGをプロットして、このプロットの傾きの
値をgmに等しいとすることで、μを次式の相互コンダ
クタンスから、直線領域で計算することができる。
(Equation 1) Here, L is the channel length, W is the channel width, the C i the capacitance per unit area of the insulating layer, V T is the threshold voltage, furthermore, mu is a field-effect mobility. By plotting the I D vs. V G at constant small V D, the value of the slope of this plot by equal to g m, the μ from transconductance of the formula can be calculated in the linear region.

【数2】 (Equation 2)

【0006】ソース電極を接地して(すなわち、VS
0)、ドレイン電極をゲート電極よりも負にバイアスす
る時に(すなわち、−VD≧−VG)、ソース電極とドレ
イン電極の間を流れる電流(ID)は、蓄積層内のピン
チ・オフによって飽和し(もうこれ以上増大しない)
(飽和領域)、次式でモデル化することができる。
When the source electrode is grounded (ie, V S =
0), the drain electrode when the negative bias than the gate electrode (i.e., -V D ≧ -V G), a current flowing between the source electrode and the drain electrode (I D) is a pinch-off in the accumulation layer (Saturated no more)
(Saturation region) can be modeled by the following equation.

【数3】 図2(左の縦軸)は、飽和における、IDのVG依存性を
半対数目盛で示す( C.R.Kagan, D.B.Mitzi, C.D.Di
mitrakopoulos, Science Vol. 286, 945-947, (1
999))。電界効果移動度は、
(Equation 3) Figure 2 (left vertical axis) shows the saturation, the V G dependence of I D with a semi-logarithmic scale (CRKagan, DBMitzi, CDDi
mitrakopoulos, Science Vol. 286, 945-947, (1
999)). The field effect mobility is

【数4】 対VGプロットの傾きから計算することができる。図2
(右の縦軸)は、IDの平方根対VGのプロットを示す。
このプロットから、0.55cm2-1sec-1の移動
度が計算される。
(Equation 4) It can be calculated from the slope of the pair V G plot. FIG.
(Right vertical axis) shows a plot of the square root versus V G of I D.
From this plot, a mobility of 0.55 cm 2 V −1 sec −1 is calculated.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、絶縁体の厚
さを薄くする必要なしに、高い動作電圧を使用する必要
性を克服して、高い電界効果移動度と高い電流変調の望
ましい組合せを実現するTFT構造を明らかにする。そ
のような構造は、半導体としての有機無機混成材料(例
えば、有機無機ペロブスカイト(C6524NH32
SnI4)と組み合せた無機高誘電率ゲート絶縁体層
(例えば、ジルコン酸チタン酸バリウム)を含む。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention overcomes the need to use high operating voltages without having to reduce the thickness of the insulator and provides a desirable combination of high field effect mobility and high current modulation. Clarify the TFT structure that realizes the above. Such a structure is based on an organic-inorganic hybrid material (eg, organic-inorganic perovskite (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 ) as a semiconductor.
An inorganic high dielectric constant gate insulator layer (eg, barium zirconate titanate) in combination with SnI 4 ).

【0008】本発明は、有機無機混成TFT構造を製造
する方法を提供する。この方法では、ガラス基板(40
0℃以下)、プラスチック基板全般(400℃以下)、
および透明プラスチック基板(150℃以下)に適合で
きる温度で、高誘電率ゲート絶縁体が付着され処理され
る。この温度は、これらの材料がメモリ用途に使用され
る時の処理温度(最高650℃)よりも実質的に低い。
本発明の有利な点は、高誘電率ゲート絶縁体および他の
すべての材料を100℃より下の温度で付着させ処理す
る、有機無機混成TFT構造を製造する方法である。
The present invention provides a method for fabricating an organic-inorganic hybrid TFT structure. In this method, a glass substrate (40
0 ° C or lower), plastic substrates in general (400 ° C or lower),
A high dielectric constant gate insulator is deposited and processed at a temperature compatible with transparent plastic substrates (150 ° C. or less). This temperature is substantially lower than the processing temperatures (up to 650 ° C.) when these materials are used in memory applications.
An advantage of the present invention is a method of fabricating an organic-inorganic hybrid TFT structure in which a high-k gate insulator and all other materials are deposited and processed at a temperature below 100 ° C.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】請求する発明の広い態様
は、電気伝導性ゲート電極が配置された基板と、このゲ
ート電極に配置されたゲート絶縁体の層と、ゲート絶縁
体の高い層の上に配置された電気伝導性ソース電極およ
び電気伝導性ドレイン電極と、上記のゲート絶縁体およ
び上記のソース電極および上記のドレイン電極の上に配
置された有機無機混成半導体の層とを備えるトランジス
タ・デバイス構造である。
SUMMARY OF THE INVENTION A broad aspect of the claimed invention is directed to a substrate having an electrically conductive gate electrode disposed thereon, a gate insulator layer disposed on the gate electrode, and a gate insulator high layer. A transistor comprising an electrically conductive source electrode and an electrically conductive drain electrode disposed thereon, and a layer of an organic-inorganic hybrid semiconductor disposed on the gate insulator and the source electrode and the drain electrode. Device structure.

【0010】本発明の他の態様は、ソース電極、ドレイ
ン電極、ゲート電極、ゲート絶縁体、および、上記のソ
ース電極と上記のゲート電極の間に配置されかつこれら
の電極と電気的に接触する半導体材料を備え、さらに、
上記のゲート絶縁体が上記のゲート電極と上記の能動領
域の間に配置され、上記の半導体材料が有機無機混成材
料であるトランジスタ・デバイス構造である。
Another aspect of the present invention is a source electrode, a drain electrode, a gate electrode, a gate insulator, and disposed between and in electrical contact with the source electrode and the gate electrode. Comprising a semiconductor material,
A transistor device structure wherein the gate insulator is disposed between the gate electrode and the active region, and the semiconductor material is an organic-inorganic hybrid material.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】提案されたTFT構造は、高誘電
率薄膜ゲート絶縁体と、有機無機ペロブスカイト(C6
524NH32SnI4のような有機無機混成半導体
と、ゲート、ソース、およびドレインの電極としての金
属、導電性重合体、高濃度ドープ高導電率材料またはこ
れらの組合せとを使用する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The proposed TFT structure comprises a high dielectric constant thin film gate insulator and an organic-inorganic perovskite (C 6
And organic-inorganic hybrid semiconductor such as H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 SnI 4, gates, metal as an electrode of a source, and a drain, a conductive polymer, and the high concentration-doped high conductivity material, or a combination thereof Use

【0012】上記の構造でゲート絶縁体層として使用す
ることができる高誘電率を有する多くの候補材料があ
る。この候補材料には、Ta25、Y23、TiO2
Al2 3、Si34、および、PbZrXTi1-X
3(PZT)、Bi4Ti312、BaMgF4、ジルコン
酸チタン酸バリウム(BZT)およびBaXSr1-XTi
3(BST)を含みこれらに限定されない強誘電性絶
縁体のファミリーが含まれるが、これらに限定されな
い。これらの材料は、過去に、主にメモリ・デバイス用
途のために無機半導体と組合せて研究され、また使用さ
れ(P.Balk, Advanced Materials, Volume 7, pg.
703, 1995 およびこの中の参考文献)、さらに、有機
半導体と組合せて研究され、また使用されたが(米国特
許第5,981,970号および第5,946,551
号)、電子デバイス用途のために有機無機混成半導体と
組合せて研究され使用されたことはない。一般に、これ
らの絶縁体は、無機半導体の場合、150を越える誘電
率(ε)を実現するために、600℃以上でアニールさ
れる。有機半導体の場合、一般に、処理温度は400℃
よりも下に保たれる。高誘電率(ε)ゲート絶縁体は、
重合体マトリックス中に埋め込まれた非常に高い誘電率
の無機粒子で構成される複合材料である可能性がある
(S.Liang, S.R.Chong. E.P.Giannelis, 「Electron
ic Components and Technology Conference」, IEE
E, 1998, pp. 171-175)。この種の誘電体は、本明
細書で、複合誘電体と呼ぶ。
The above structure is used as a gate insulator layer.
There are many candidate materials with high dielectric constants that can be
You. The candidate materials include TaTwoOFive, YTwoOThree, TiOTwo,
AlTwoO Three, SiThreeNFour, And PbZrXTi1-XO
Three(PZT), BiFourTiThreeO12, BaMgFFour, Zircon
Barium titanate (BZT) and BaXSr1-XTi
OThree(BST), including but not limited to
Family of analogs, including but not limited to
No. In the past, these materials were mainly used for memory devices
Researched and used in combination with inorganic semiconductors
(P.Balk, Advanced Materials, Volume 7, pg.
703, 1995 and references therein) and organic
Researched and used in combination with semiconductors (US
Nos. 5,981,970 and 5,946,551
No.), with organic-inorganic hybrid semiconductors for electronic device applications
It has never been studied and used in combination. Generally this
These insulators have a dielectric constant exceeding 150 for inorganic semiconductors.
Annealed above 600 ° C to achieve the rate (ε)
It is. In the case of an organic semiconductor, the processing temperature is generally 400 ° C.
Kept below. High dielectric constant (ε) gate insulator
Very high dielectric constant embedded in polymer matrix
May be a composite material composed of inorganic particles
(S.Liang, S.R.Chong. E.P.Giannelis, "Electron
ic Components and Technology Conference '', IEE
E, 1998, pp. 171-175). This type of dielectric is
In the fine text, it is called a composite dielectric.

【0013】一般に、提案された構造は、TFT構造
で、半導体有機無機混成材料(例えば、有機無機ペロブ
スカイト(C6524NH32SnI4)と組合せて
無機高誘電率ゲート絶縁体を使用する。高ε絶縁体は、
真空中で、スパッタリングで、または、電子ビーム蒸
着、レーザ融除、分子線蒸着、化学気相成長法を含みこ
れらに限定されない他の方法で付着され、または、約4
00℃のアニール・ステップが後に続く溶液処理で、ま
たは陽極酸化で付着される。これらの方法のすべてで、
ガラス基板または、例えばポリイミドのような高温に耐
えるプラスチックを使用できるようにするために、処理
温度は400℃より下に保たなければならない。これら
の方法のいくつかは、例えばポリカーボネートのような
透明プラスチック基板に適合する100℃より下の処理
温度で使用することができる。
In general, the proposed structure is a TFT structure, an inorganic high dielectric constant gate in combination with a semiconductor organic-inorganic hybrid material (eg, organic-inorganic perovskite (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 SnI 4 ). Use insulator. High ε insulator
Deposited in vacuum, by sputtering, or by any other method, including but not limited to electron beam evaporation, laser ablation, molecular beam evaporation, chemical vapor deposition, or about 4
A 00 ° C. anneal step is applied in a subsequent solution process or by anodization. In all of these ways,
The processing temperature must be kept below 400 ° C. in order to be able to use glass substrates or high temperature resistant plastics such as, for example, polyimide. Some of these methods can be used at processing temperatures below 100 ° C. that are compatible with transparent plastic substrates such as polycarbonate.

【0014】誘電率ε>3.9である高εの用語は、S
iO2の誘電率を意味する。したがって、この出願で
は、高誘電率ゲート絶縁体は、誘電率ε>3.9である
絶縁体と定義する。室温で処理されスパッタされたBZ
Tは、通常、誘電率ε≒17である。環境安定性、高降
伏電圧、優れた膜形成能力、可動電荷の無いことなどの
他の必要事項もまた満たすε>3.9の高誘電率有機絶
縁体が、前に述べた無機絶縁体の代わりに、提案の構造
に使用される可能性がある。チタン酸バリウム/エポキ
シ複合誘電材料(S.Liang, S.R.Chong. E.P.Gianneli
s, 「ElectronicComponents and Technology Confe
rence」, IEEE, 1998, pp. 171-175)のような高誘
電性複合絶縁体が、また、提案の構造でゲート絶縁体と
して使用される可能性がある。
The term for high ε with a dielectric constant ε> 3.9 is S
It means the dielectric constant of iO 2 . Therefore, in this application, a high dielectric constant gate insulator is defined as an insulator having a dielectric constant ε> 3.9. BZ treated and sputtered at room temperature
T is usually a dielectric constant ε ≒ 17. The high dielectric constant ε> 3.9 organic insulator, which also satisfies other requirements such as environmental stability, high breakdown voltage, excellent film-forming ability, and no mobile charge, is the same as the inorganic insulator described above. Instead, it could be used for the proposed structure. Barium titanate / epoxy composite dielectric material (S. Liang, SRChong. EPGianneli
s, `` ElectronicComponents and Technology Confe
rence ", IEEE, 1998, pp. 171-175) may also be used as the gate insulator in the proposed structure.

【0015】提案のTFT構造の製造に使用される一般
的な順序は、次のステップを含む。すなわち、基板それ
自体か、その場合は高濃度ドープSiであるが、または
基板に付着されパターン形成されたパターン形成金属
(または導電性重合体、または他の導電性材料)ゲート
電極か、いずれかであるゲート電極を作製するステップ
と、溶液からのスピン塗布、スパッタリング、化学気相
成長法(CVD)、レーザ・アブレーティブ付着、物理
蒸着法、および陽極酸化を含みこれらに限定されない様
々な方法の1つで、ゲート電極表面に高誘電率ゲート絶
縁体を付着させるステップと、400℃の上限で制限さ
れる適当な温度で、この膜を随意選択的にアニールして
膜質を改良し誘電率を大きくするステップと、ゲート絶
縁体の表面に電気伝導性ソースおよびドレイン電極を製
造するステップと、気相付着、昇華、溶液からのスピン
塗布、溶液からの浸漬塗布、または溶液からの層の自己
集合を含みこれらに限定されない様々なプロセスの1つ
によって、ゲート絶縁体の表面に有機無機混成半導体
(例えば、有機無機混成ペロブスカイト(C6524
NH32SnI4)を付着させるステップと、さらに、
化学気相成長法(CVD)、物理蒸着法、またはスピン
塗布と硬化、または他の手段によって、絶縁体のパッシ
ベーション被膜を随意選択的に設けるステップとを含
む。
The general sequence used to fabricate the proposed TFT structure includes the following steps. That is, either the substrate itself, in which case heavily doped Si, or a patterned metal (or conductive polymer, or other conductive material) gate electrode deposited and patterned on the substrate. And one of a variety of methods including, but not limited to, spin coating from solution, sputtering, chemical vapor deposition (CVD), laser ablation deposition, physical vapor deposition, and anodization. A step of depositing a high dielectric constant gate insulator on the gate electrode surface and optionally annealing the film at an appropriate temperature limited by the upper limit of 400 ° C. to improve the film quality and increase the dielectric constant. Forming the electrically conductive source and drain electrodes on the surface of the gate insulator; vapor deposition, sublimation, spin from solution Cloth, dip coating from a solution, or comprise a self-assembly of the layer from a solution by one of a variety of processes including, but not limited to, organic-inorganic hybrid semiconductor on the surface of the gate insulator (e.g., organic-inorganic hybrid perovskite (C 6 H 5 C 2 H 4
Depositing NH 3 ) 2 SnI 4 ); and
Providing an optional passivation coating of an insulator by chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition, or spin coating and curing, or other means.

【0016】有機無機混成半導体の付着とソースおよび
ドレイン電極の製造とを含むステップのシーケンスは、
プロセスの互換性および製造の容易さを可能にするよう
に、逆にすることができる。
The sequence of steps including the deposition of the organic-inorganic hybrid semiconductor and the fabrication of the source and drain electrodes comprises:
It can be reversed to allow for process compatibility and ease of manufacture.

【0017】図1は、スピン塗布された半導体層として
有機無機混成ペロブスカイト(C6524NH32
nI4を、ゲート電極として高濃度ドープSiウェハ
を、さらにゲート絶縁体として厚さ500nmの熱成長
SiO2を使用し、さらにPdのソースおよびドレイン
電極を使用するデバイスに対応し、ゲート電極に加えら
れた不連続な電圧(VG)での、ソース電極とドレイン
電極の間を流れる電流(ID)の、ドレイン電極に印加
された電圧(VD)への依存性を示す。プロットの直線
領域(すなわち、小さいVDで)は、前に述べたよう
に、式1でモデル化することができる。L=28μmで
あり、W=1000μmである。
FIG. 1 shows an organic-inorganic hybrid perovskite (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 S as a spin-coated semiconductor layer.
nI 4 is added to the gate electrode corresponding to a device using a heavily doped Si wafer as a gate electrode, a thermally grown SiO 2 film having a thickness of 500 nm as a gate insulator, and further using Pd source and drain electrodes. shown in obtained discrete voltage (V G), the current flowing between the source electrode and the drain electrode of the (I D), the dependence of the voltage applied to the drain electrode (V D). The linear region of the plot (ie, at small V D ) can be modeled with Equation 1 as described above. L = 28 μm and W = 1000 μm.

【0018】図2(左の縦軸)は、上記と同じデバイス
に対応し、飽和領域でのIDのVG依存性を示す。ドレイ
ン電圧を−100ボルトに保ちながら、ゲート電圧の−
50から+50ボルトへの変化に対する電流変調は、約
104である。混成半導体をパターン形成することによ
り、電流変調は約106に増大した。電界効果移動度μ
は、
[0018] Figure 2 (left vertical axis) corresponds to the same device as above, showing the V G dependence of I D in the saturation region. While maintaining the drain voltage at −100 volts, the gate voltage −
The current modulation for a change from 50 to +50 volts is about 10 4 . By patterning the hybrid semiconductor, the current modulation was increased to about 10 6 . Field effect mobility μ
Is

【数5】 対VGプロット(図2(右の縦軸))の傾きから計算さ
れ、0.55cm2-1sec-1であった。これらのデ
ータは、従来技術の概観の一部として初めに述べた同様
なTFT構造のデータに匹敵する。初めに説明したよう
に、移動度は、実際のTFTの用途に許容できるもので
あるが、特にAMLCDで、aSi:H TFTに使用
される駆動回路と比較して、動作電圧が余りにも高すぎ
る。図1および図2に対応するようなTFTデバイスか
ら測定される電界効果移動度は、ゲート電圧依存性を示
す。特に、比較的高いゲート電圧で、高い移動度が得ら
れる。このことにより、今度は、許容可能な移動度を得
るために、これらのデバイスでは、非現実的なほど高い
動作電圧を使用することが必要になる。この問題を解決
するために、我々は、図1および図2に対応するような
TFTデバイスから測定される電界効果移動度μの印加
ゲート電圧VGへの依存性を詳細に調べた。
(Equation 5) Is calculated from the slope of the pair V G plot (FIG. 2 (right vertical axis)), was 0.55cm 2 V -1 sec -1. These data are comparable to those of a similar TFT structure described earlier as part of the prior art overview. As mentioned earlier, the mobility is acceptable for the actual TFT application, but the operating voltage is too high compared to the drive circuit used for aSi: H TFT, especially in AMLCD . The field-effect mobility measured from a TFT device as corresponding to FIGS. 1 and 2 shows a gate voltage dependence. In particular, high mobility can be obtained with a relatively high gate voltage. This in turn requires these devices to use unrealistically high operating voltages in order to obtain acceptable mobility. To solve this problem, we examined the dependence of the applied gate voltage V G of the field-effect mobility μ measured from TFT device to correspond to FIGS. 1 and 2 in detail.

【0019】図3は、VDを−100V一定に保ち、VS
を常に0ボルトに設定した時の、様々なゲート電圧掃引
実験で使用された最大VGへのμの依存性を示す。観察
された挙動は、移動度のゲート電界Eへの依存性による
ものとすることができる。ここで、
FIG. 3 shows that V D is kept constant at −100 V and V S
Always when set to 0 volts, shows the dependence of μ on the maximum V G used in a variety of gate voltage sweep experiments. The observed behavior may be due to the dependence of the mobility on the gate electric field E. here,

【数6】 であり、yは絶縁体の厚さ、または半導体/絶縁体界面
の蓄積キャリア濃度である。ゲート電界と半導体/絶縁
体界面の蓄積キャリア濃度との両方が、ゲート電圧の増
大とともに、または絶縁体厚さの減少とともに、直線的
に増大する。ゲート絶縁体(厚さ150nm)として熱
成長SiO2の比較的薄い層を使用することで、ドレイ
ン電圧を−20ボルトに保った時、ゲート電圧の−10
から+10ボルトへの変化に対し、0.5cm2-1
ec-1の移動度および104より大きいオン/オフ比を
実現することができた。図4および5は、そのようなデ
バイスの動作特性を示す。ゲート電圧の増大で、したが
って高ゲート電界で、移動度が大きくならないシリコン
のような単結晶無機半導体では、特定のオン電流および
特定の電流を実現するために必要な電圧を減らすよう
に、比較的薄いゲート誘電体層が一般に使用される。し
たがって、より薄い誘電体層を使用することで、シリコ
ンTFTデバイスの動作電圧を減少させることができ
る。しかし、この方法には、薄い誘電体は、より厚いゲ
ート誘電体よりも、ピン・ホール欠陥による破壊を受け
易くなり、また、誘電体破壊電圧が低くなり、漏れ電流
が大きくなるという限界の問題がある。ガラスまたはプ
ラスチックのような基板の大面積用途の場合、これらの
制限はいっそう顕著で、深刻な問題となる可能性があ
る。したがって、ゲート誘電体の厚さを薄くすること
は、有機無機混成に基づいたTFTのゲート電圧依存移
動度を利用する最良の方法ではない。
(Equation 6) Where y is the insulator thickness or the accumulated carrier concentration at the semiconductor / insulator interface. Both the gate field and the accumulated carrier concentration at the semiconductor / insulator interface increase linearly with increasing gate voltage or with decreasing insulator thickness. By using a relatively thin layer of thermally grown SiO 2 as a gate insulator (thickness 150 nm), when keeping the drain voltage to -20 volts, the gate voltage -10
0.5 cm 2 V -1 s for the change from
A mobility of ec -1 and an on / off ratio greater than 10 4 could be achieved. Figures 4 and 5 show the operating characteristics of such a device. In single-crystalline inorganic semiconductors, such as silicon, whose mobility is not increased by increasing the gate voltage, and thus at high gate electric fields, the relative voltage required to achieve a specific on-current and a specific current is relatively small. Thin gate dielectric layers are commonly used. Thus, by using a thinner dielectric layer, the operating voltage of a silicon TFT device can be reduced. However, this approach suffers from the limitations of thinner dielectrics being more susceptible to pin-hole defect than thicker gate dielectrics, and having a lower dielectric breakdown voltage and higher leakage current. There is. For large area applications of substrates such as glass or plastic, these limitations are even more pronounced and can be serious. Therefore, reducing the thickness of the gate dielectric is not the best way to take advantage of the gate voltage dependent mobility of TFTs based on organic-inorganic hybrids.

【0020】図3に示すゲート電圧依存性の他の原因
は、印加ゲート電圧の変化に起因する半導体/絶縁体界
面の蓄積キャリア濃度の変化である可能性がある。有機
無機混成半導体TFTでは、余分な電荷キャリアの蓄積
で捕獲状態は満たされ易くなり、それによって、余分な
キャリアが捕獲プロセスに邪魔されることなく、容易に
動くことができるようになる。従来技術で示されている
ように、有機半導体TFTの場合がそうである(特許第
5,981,970号および第5,946,551号、
およびScience Vol. 283, pp. 822-824,(199
9))。我々は、SiO 2を、同様な厚さでより大きい誘
電率の絶縁体で置き換えることによって、有機無機混成
半導体/絶縁体界面で電荷蓄積を容易にすること提案す
る。この場合、SiO2の場合と同様な蓄積キャリア濃
度が得られるが、他のパラメータすべてを同じにして、
より低いゲート電界で、したがってより低いゲート電圧
で得られる。
Another cause of gate voltage dependence shown in FIG.
Is the semiconductor / insulator interface due to the change in applied gate voltage
It may be a change in the accumulated carrier concentration on the surface. Organic
Inorganic hybrid semiconductor TFTs accumulate extra charge carriers
Makes it easier to fill the capture condition,
Easy carrier without disturbing the capture process
You will be able to move. Shown in the prior art
As in the case of the organic semiconductor TFT (see Patent No.
5,981,970 and 5,946,551,
And Science Vol. 283, pp. 822-824, (199
9)). We use SiO TwoTo a larger thickness with similar thickness
Organic-inorganic hybrid by replacing with electrical insulator
We propose to facilitate charge storage at the semiconductor / insulator interface.
You. In this case, SiOTwoAccumulation carrier concentration similar to
Degree, but with all other parameters the same,
Lower gate field and therefore lower gate voltage
Is obtained.

【0021】この仮説が正しいければ、このデバイスで
は、同等な厚さのSiO2を使用するTFTに比べてよ
り低い電圧で、高移動度が実現される筈である。逆の場
合は、言いかえると、移動度が電界に依存するがキャリ
ア濃度に無関係であれば、後者のサンプルの場合に使用
されるより低いゲート電圧で、比較的小さい移動度が観
測される筈である。次に示すように、同等な厚さである
が誘電率が異なる2つの異なる絶縁体に基づいたデバイ
スから測定された電界効果移動度は、我々の仮説を支持
している。次の例は、ゲート絶縁体として高誘電率無機
膜を使用する有機無機混成ペロブスカイト(C652
4NH32SnI4に基づいたTFTの製造、および低
動作電圧で結果として得られる高い電界効果移動度につ
いて詳しく述べる。
If this hypothesis is correct, the device should achieve high mobility at lower voltages than TFTs using equivalent thicknesses of SiO 2 . Conversely, in other words, if the mobility depends on the electric field but is independent of the carrier concentration, a relatively small mobility should be observed at a lower gate voltage used in the latter sample. It is. As shown below, the field-effect mobilities measured from two different insulator-based devices of equal thickness but different dielectric constants support our hypothesis. The following example shows an organic-inorganic hybrid perovskite (C 6 H 5 C 2) using a high dielectric constant inorganic film as a gate insulator.
The fabrication of TFTs based on H 4 NH 3 ) 2 SnI 4 and the resulting high field-effect mobility at low operating voltages are described in detail.

【0022】例1 我々は、半導体として有機無機ペロブスカイト(C65
24NH32SnI 4、およびゲート絶縁体としてジ
ルコン酸チタン酸バリウム(BZT)を有するTFTを
製造した。酸化シリコン基板または石英基板を、超音波
攪拌を使用するイソプロパノール浴で洗浄し窒素で乾燥
した。それから、これをゲート線に対応する開口のある
金属マスクと組み立て、電子ビーム蒸着装置内に設置し
ポンプで高真空に排気した。15nmのチタンに続く3
0nmのPtの2層のゲート金属化を、電子ビーム蒸着
で、基板に付着させた。サンプルを組み立て体から取り
外し、BZTの層で覆った。BZT層は、BZTの粉末
焼付けターゲットのRFマグネトロン・スパッタリング
を使用して、Ar/O2混合ガス中で、付着させた。基
板は、スパッタリング中は室温に保ち、チャンバー圧力
は約2.5×10-3Torrであった。電力密度は0.
8Wcm-2であった。このBZT膜の誘電率εは、通常
約17である。Ptのソースおよびドレイン電極を、シ
ャドウ・マスクを通して、BZTゲート絶縁体層の表面
に気相付着させた。10μm程度のチャネル長(L)の
デバイスを作るために、シリコン薄膜マスクを製作し使
用した。有機無機混成ペロブスカイト(C6524
32SnI4の層は、1ミリリットル当たり20ミリ
グラムの濃度の無水メタノール溶液からスピン塗布で付
着させた。この溶液は、0.2μmポリテトラフルオロ
エチレンWhatman洗浄器フィルタを通して濾過
し、不活性雰囲気中で2500rpmで2分間基板上で
回転させた。結果として得られた厚さ30nmの膜を、
80℃で10分間乾燥させた(米国特許第6,180,
956号)。
Example 1 We use organic-inorganic perovskite (C6HFive
CTwoHFourNHThree)TwoSnI FourAnd as gate insulator
TFTs with barium ruconate titanate (BZT)
Manufactured. Ultrasonic wave of silicon oxide substrate or quartz substrate
Wash in isopropanol bath using agitation and dry with nitrogen
did. Then, insert this with the opening corresponding to the gate line
Assemble with metal mask and install in electron beam evaporation equipment
Pumped down to high vacuum. 3 following 15nm titanium
Two-layer gate metallization of 0 nm Pt, e-beam evaporation
To adhere to the substrate. Take the sample from the assembly
Removed and covered with a layer of BZT. The BZT layer is made of BZT powder
RF magnetron sputtering of baking target
Using Ar / OTwoIt was deposited in a mixed gas. Base
The plate is kept at room temperature during sputtering and the chamber pressure
Is about 2.5 × 10-3Torr. The power density is 0.
8Wcm-2Met. The dielectric constant ε of this BZT film is usually
It is about 17. Pt source and drain electrodes
Through the shadow mask, the surface of the BZT gate insulator layer
To a gas phase. With a channel length (L) of about 10 μm
Fabricate and use silicon thin film masks to make devices
Used. Organic-inorganic hybrid perovskite (C6HFiveCTwoHFourN
HThree)TwoSnIFourLayer is 20 millimeters per milliliter
Gram of anhydrous methanol solution by spin coating
I wore it. This solution is 0.2 μm polytetrafluoro
Filtration through ethylene Whatman washer filter
And on the substrate for 2 minutes at 2500 rpm in an inert atmosphere
Rotated. The resulting 30 nm thick film was
Dried at 80 ° C. for 10 minutes (US Pat. No. 6,180,
No. 956).

【0023】すぐに理解できるように、SiO2の代わ
りに、このアモルファスBZTゲート絶縁体を使用して
得られる誘電率の比較的小さい増大は、有機無機混成ペ
ロブスカイト半導体TFTの用途の目的に適している。
しかし、本発明の範囲は、そのような付着プロセスのみ
に限定されない。BZT膜と前に言及した高誘電率ゲー
ト絶縁体の大部分の膜を、他の方法を使用して交互に付
着させることができる。特定の高誘電率ゲート絶縁体に
依存して、次の方法の1つまたは複数を適用することが
できる。すなわち、酸化物成分の有機金属前駆物質の溶
液からの付着(米国特許第5,946,551号)、レ
ーザ・アブレーション、陽極酸化、CVD堆積であり、
これらの方法は本発明の精神から逸脱することなく使用
できる。
As can be readily appreciated, the relatively small increase in dielectric constant obtained using this amorphous BZT gate insulator instead of SiO 2 is suitable for the purpose of organic-inorganic hybrid perovskite semiconductor TFT applications. I have.
However, the scope of the present invention is not limited to only such deposition processes. Most films of the BZT film and the previously mentioned high-k gate insulator can be alternately deposited using other methods. Depending on the particular high-k gate insulator, one or more of the following methods can be applied. Deposition of the organometallic precursor of the oxide component from a solution (US Pat. No. 5,946,551), laser ablation, anodization, CVD deposition;
These methods can be used without departing from the spirit of the invention.

【0024】一方、有機無機混成ペロブスカイト半導体
層は、真空中での昇華を使用して付着させることができ
(Mitzi, Prikas and Chondroudis Chem. Mater.
Vol. 11, 542, (1999))、または浸漬塗布(Lia
ng, Mitzi, and Prikas Chem. Mater. Vol. 10,
304, (1998))、スタンピング、スクリーニング、
溶射(spraying)、インクジェット印刷、および他の溶
液処理方法を使用して付着させることができる。
On the other hand, organic-inorganic hybrid perovskite semiconductor layers can be deposited using sublimation in vacuum (Mitzi, Prikas and Chondroudis Chem. Mater.
Vol. 11, 542, (1999)) or dip coating (Lia
ng, Mitzi, and Prikas Chem. Mater. Vol. 10,
304, (1998)), stamping, screening,
Spraying, inkjet printing, and other solution processing methods can be used to apply.

【0025】金、白金、およびパラジウムのような高仕
事関数金属は、ソースおよびドレイン電極を製造するの
に好ましいが、クロム、チタン、銅、アルミニウム、モ
リブデン、タングステン、ニッケル、導電性重合体、導
電性オリゴマー、および導電性有機分子などの他のソー
ス、ドレイン用コンタクト材料を、本発明の精神から逸
脱することなしに使用することができる。
High work function metals such as gold, platinum, and palladium are preferred for making the source and drain electrodes, but include chromium, titanium, copper, aluminum, molybdenum, tungsten, nickel, conductive polymers, conductive polymers. Other source and drain contact materials, such as conductive oligomers and conductive organic molecules, can be used without departing from the spirit of the invention.

【0026】次に、完成したTFTのサンプルを、Hewl
ett Packard Model 4145A 半導体パラメータ解析装
置を使用して、不活性雰囲気中で電気的に試験して、動
作特性を決定した。
Next, a sample of the completed TFT is
Using an ett Packard Model 4145A semiconductor parameter analyzer, it was electrically tested in an inert atmosphere to determine operating characteristics.

【0027】図8(左の縦軸)は、図6および7に概略
図で表す有機無機混成ペロブスカイト(C6524
32SnI4に基づいたTFTの代表的なデバイス特
性を示す。ここで、BZTゲート絶縁体の厚さは約17
7.5nmであり、これの誘電率は、ε≒17である。
BZTゲート絶縁体は、前に述べたように、スパッタリ
ングで堆積させた。ソース・ドレイン間隔(チャネル
長、L)は15.8μmであり、チャネル幅Wは100
0μmである。図8(左の縦軸)は、飽和におけるID
のVG依存性を半対数プロットで示す。図8(右の縦
軸)は、IDの平方根対VGのプロットを示す。電界効果
移動度μは、
FIG. 8 (left vertical axis) shows an organic-inorganic hybrid perovskite (C 6 H 5 C 2 H 4 N) schematically shown in FIGS.
Representative device characteristics of a TFT based on H 3 ) 2 SnI 4 are shown. Here, the thickness of the BZT gate insulator is about 17
7.5 nm, the dielectric constant of which is ε ≒ 17.
The BZT gate insulator was sputter deposited as previously described. The source-drain interval (channel length, L) is 15.8 μm, and the channel width W is 100
0 μm. FIG. 8 (left vertical axis) shows ID at saturation.
Shows the V G-dependent in the semi-log plot. Figure 8 (right vertical axis) shows a plot of the square root versus V G of I D. The field effect mobility μ is

【数7】 対VGプロットの傾きから計算して、0.3cm2-1
ec-1である。電流変調は、4ボルトのゲート電圧変化
に対して約105である。
(Equation 7) Calculated from the slope of the pair V G plot, 0.3cm 2 V -1 s
ec -1 . The current modulation is about 10 5 for a 4 volt gate voltage change.

【0028】図9は、半導体として有機無機混成ペロブ
スカイト(C6524NH32SnI4を使用し、ゲ
ート絶縁体として、層厚さ約177.5nmのジルコン
酸チタン酸バリウム膜(基板を室温に保ちながら、スパ
ッタリングで堆積された)を使用するTFTデバイスの
測定された動作特性である。ドレイン電流のソース・ド
レイン電圧への依存性を、様々なゲート電圧レベルで示
す。図9は、前のパラグラフで説明したデバイスについ
て、ゲート電極に加えられた不連続な電圧(V G)で、
ソース電極とドレイン電極の間を流れる電流(ID)の
ドレイン電極に加えられた電圧(VD)への依存性を示
す。
FIG. 9 shows an organic-inorganic hybrid perov as a semiconductor.
Skye (C6HFiveCTwoHFourNHThree)TwoSnIFourUse
Zircon with a layer thickness of about 177.5 nm
Barium titanate film (while keeping the substrate at room temperature,
TFT device using (deposited by
It is a measured operating characteristic. Source current of drain current
Dependence on rain voltage is shown at various gate voltage levels
You. FIG. 9 shows the device described in the previous paragraph.
And the discontinuous voltage (V G)so,
The current flowing between the source and drain electrodes (ID)of
The voltage applied to the drain electrode (VD)
You.

【0029】図8および9のデバイスでは、かなり小さ
い最大動作電圧を使用して(最高4ボルト)、同様な厚
さのSiO2ゲート絶縁体のデバイスから測定された移
動度およびオン・オフ比に匹敵する移動度およびオン・
オフ比が実現された。ただし、ここで、この同様な厚さ
のSiO2ゲート絶縁体のデバイスは、このような移動
度およびオン・オフ比を生成するのにもっと高い動作電
圧を必要とした。図8および9に対応するデバイスのB
ZTゲート絶縁体の厚さは、図4および5に対応するデ
バイスのSiO2ゲート絶縁体よりも15%厚いという
ことに留意すべきである。このことは、図8および9に
対応するデバイスの動作電圧を、4Vよりも15%低く
できることを意味している。
The devices of FIGS. 8 and 9 use a much smaller maximum operating voltage (up to 4 volts) to reduce the mobility and on / off ratio measured from devices of similar thickness of SiO 2 gate insulator. Comparable mobility and on-
An off ratio has been achieved. However, here, devices of this similar thickness of SiO 2 gate insulator required higher operating voltages to produce such mobilities and on / off ratios. B of the device corresponding to FIGS. 8 and 9
It should be noted that the thickness of the ZT gate insulator is 15% thicker than the SiO 2 gate insulator of the device corresponding to FIGS. This means that the operating voltage of the device corresponding to FIGS. 8 and 9 can be 15% lower than 4V.

【0030】したがって、ゲート絶縁体として高誘電率
の膜を使用する時に、有機無機混成に基づいたTFTデ
バイスで、低電圧で高移動度を実現できることが明らか
である。このことは、印加ゲート電界が非常に小さく保
たれているので、このデバイスでのゲート電圧依存性
は、これらの絶縁体で実現される比較的高濃度の電荷キ
ャリアに起因するものであるという我々の仮説を実証し
ている。
Therefore, when a film having a high dielectric constant is used as a gate insulator, it is clear that a TFT device based on an organic-inorganic hybrid can realize high mobility at a low voltage. This implies that the gate voltage dependence in this device is due to the relatively high concentration of charge carriers realized in these insulators, since the applied gate field is kept very small. Demonstrate the hypothesis.

【0031】本発明を実施するために有用な例示的な有
機無機混成半導体材料は、ヨウ化ブチルアンモニウム・
メチルアンモニウム・スズ[(C49NH32CH3
3Sn27]、ヨウ化フェネチルアンモニウム・メチ
ルアンモニウム・スズ[(C6524NH32CH3
NH3Sn27]、ヨウ化ブタンジアンモニウム・スズ
[(H3NC48NH3)SnI4]、ヨウ化ブチルアン
モニウム・スズ、ヨウ化ヘキシルアンモニウム・スズ、
ヨウ化ノニルアンモニウム・スズ、およびヨウ化ドデシ
ルアンモニウム・スズおよびそれらの誘導体のぺロブス
カイト(C65 24NH32SnI4の1つまたは複
数である。
Illustrative examples useful for practicing the present invention are provided.
Inorganic hybrid semiconductor material is butyl ammonium iodide
Methyl ammonium tin [(CFourH9NHThree)TwoCHThreeN
HThreeSnTwoI7], Phenethyl ammonium iodide meth
Luammonium tin [(C6HFiveCTwoHFourNHThree)TwoCHThree
NHThreeSnTwoI7], Butane diammonium tin iodide
[(HThreeNCFourH8NHThree) SnIFour], Butyl iodide
Monium tin, hexyl ammonium tin iodide,
Nonylammonium tin iodide and dodeci iodide
Perovs of luammonium tin and their derivatives
Kite (C6HFiveC TwoHFourNHThree)TwoSnIFourOne or more of
Is a number.

【0032】特性を実現する方法の特定のメカニズムで
あるにもかかわらず、我々は、有機無機混成ペロブスカ
イトに基づいたTFTで高い電界効果移動度および高い
電流変調を実現する構造、およびこの構造を製造するプ
ロセスを明らかにしたと、我々は主張する。本発明は、
好ましい実施形態に関して説明したが、本発明の精神お
よび範囲から逸脱することなく、数多くの変更物、変化
物、および改良物が当業者には生じるであろう。本明細
書で引用したすべての参考文献は、参照して本明細書に
組み込み、さらに本明細書で引用した参考文献で引用さ
れる参考文献すべてを、参照して本明細書に組み込む。
Despite the specific mechanism of how to achieve the properties, we have fabricated a structure that achieves high field-effect mobility and high current modulation in a TFT based on an organic-inorganic hybrid perovskite, and fabricated this structure. We argue that it has revealed the process of doing so. The present invention
Although described with reference to the preferred embodiment, numerous modifications, changes, and improvements will occur to those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention. All references cited herein are hereby incorporated by reference, and all references cited in the references cited herein are hereby incorporated by reference.

【0033】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
In summary, the following items are disclosed regarding the configuration of the present invention.

【0034】(1)電気伝導性ゲート電極が配置されて
いる基板と、前記ゲート電極上に配置されたゲート絶縁
体の層と、ゲート絶縁体の前記層の上に配置されたソー
ス電極およびドレイン電極と、前記ゲート絶縁体および
前記ソース電極および前記ドレイン電極の上に配置され
た有機無機混成半導体の層とを備えるトランジスタ・デ
バイス構造。 (2)前記ゲート絶縁体が、高誘電率を有する上記
(1)に記載のトランジスタ・デバイス構造。 (3)前記基板が、ガラス、プラスチック、石英、非ド
ープ・シリコン、および高濃度ドープ・シリコンから成
るグループから選択される上記(1)に記載の構造。 (4)前記プラスチック基板が、ポリカーボネート、マ
イラー、ポリイミド、およびポリエチレン・テレフタラ
ートから成るグループから選択される上記(3)に記載
の構造。 (5)前記ゲート電極材料が、クロム、チタン、銅、ア
ルミニウム、モリブデン、タングステン、ニッケル、
金、白金、パラジウム、導電性ポリアニリン、導電性ポ
リピロール、またはこれらの組合せから成るグループか
ら選択される上記(1)に記載の構造。 (6)前記ゲート電極が、30nmから500nmの厚
さであり、さらに、蒸着、スパッタリング、化学気相成
長法、電着、スピン塗布、および無電解めっきから成る
グループから選択されたプロセスで生成される上記
(1)に記載の構造。 (7)前記ゲート絶縁体が、チタン酸バリウム・ストロ
ンチウム、ジルコン酸チタン酸バリウム、ジルコン酸チ
タン酸鉛、チタン酸鉛ランタン、チタン酸ストロンチウ
ム、チタン酸ビスマス、フッ化バリウム・マグネシウ
ム、五酸化タンタル、二酸化チタンおよび三酸化イット
リウム、三酸化アルミニウム、および室化ケイ素から成
るグループから選択される上記(1)に記載の構造。 (8)前記ゲート絶縁体が80nmから1000nmの
範囲の厚さである上記(7)に記載の構造。 (9)前記ゲート絶縁体が、スパッタリング、化学気相
成長法、ゾル−ゲル塗布、浸漬塗布、蒸着、レーザ・ア
ブレーティブ付着および陽極酸化から成るグループから
選択されたプロセスで生成される上記(7)に記載の構
造。 (10)前記ゲート絶縁体が有機材料である上記(7)
に記載の構造。 (11)前記有機無機混成半導体が、ゲート電圧の増大
とともに電界効果移動度の増大を示す任意の有機無機混
成半導体である上記(1)に記載の構造。 (12)前記有機無機混成半導体がペロブスカイト材料
である上記(1)に記載のトランジスタ・デバイス。 (13)前記有機無機混成半導体が、ペロブスカイト
(C6524NH32SnI4である上記(12)に
記載の構造。 (14)前記有機無機混成半導体が、ヨウ化ブチルアン
モニウム・メチルアンモニウム・スズ、ヨウ化フェネチ
ルアンモニウム・メチルアンモニウム・スズ、ヨウ化ブ
タンジアンモニウム・スズ、ヨウ化ブチルアンモニウム
・スズ、ヨウ化ヘキシルアンモニウム・スズ、ヨウ化ノ
ニルアンモニウム・スズ、およびヨウ化ドデシルアンモ
ニウム・スズおよびそれらの誘導体の1つまたは複数か
ら成るグループから選ばれた上記(12)に記載の構
造。 (15)前記有機無機混成半導体層が、2単分子層から
400nmの範囲の厚さである上記(11)に記載の構
造。 (16)他の処理にさらされることおよび外部環境から
前記構造を保護する、絶縁パッシベーション層をさらに
含む上記(1)に記載の構造。 (17)前記パッシベーション層が、ポリイミド、パリ
レン、および非ドープ・ポリアニリンから成るグループ
から選択された重合体のパッシベーション膜を含む、上
記(16)に記載の構造。 (18)前記ゲート絶縁体が、低誘電率を示すマトリッ
クス材料中に含まれた高誘電率粒子から成る複合材料層
である上記(1)に記載の構造。 (19)ゲート電極が配置されている基板を供給するス
テップと、前記ゲート電極上にゲート絶縁体の層を配置
するステップと、ゲート絶縁体の前記層の上にソース電
極とドレイン電極を配置するステップと、前記ゲート絶
縁体および前記ソース電極および前記ドレイン電極の上
に有機無機混成半導体の層を配置するステップとを備え
るトランジスタ・デバイス構造を製作する方法。 (20)前記有機無機混成半導体層が、昇華、蒸着、分
子線蒸着、またはこれらの組合せから成るグループから
選択されたプロセスで付着される上記(19)に記載の
方法。 (21)前記有機無機混成半導体層が、スピン塗布、浸
漬塗布、溶液からの自己集合、スタンピング、スクリー
ニング、溶射、インクジェット印刷、またはこれらの組
合せから成るグループから選択された溶液ベースのプロ
セスで付着される上記(19)に記載の方法。 (22)TFTデバイス内の漏れ電流および迷走電流を
最小にするために、前記有機無機混成半導体層が、マス
クを介した付着、スクリーン印刷、スタンピング、およ
び一面を覆う膜のリソグラフィによるパターン形成から
成るグループから選択されたプロセスで、随意選択的に
分割される上記(19)に記載の方法。 (23)前記ソース電極および前記ドレイン電極が、ク
ロム、チタン、銅、アルミニウム、モリブデン、タング
ステン、ニッケル、金、パラジウム、白金、導電性重合
体、導電性オリゴマー、および導電性小規模有機分子、
およびこれらの組合せから成るグループから選択された
材料で作られる上記(19)に記載の方法。 (24)、白金、パラジウム、導電性重合体、導電性オ
リゴマー、半導体性重合体、半導体性オリゴマー、およ
びこれらの組合せから成るグループから選択された材料
で作られた随意選択のオーム接触層が、前記ソース/ド
レイン電極と前記半導体層の間に配置される上記(2
3)に記載の方法。 (25)前記ソース電極および前記ドレイン電極の厚さ
が、30nmから500nmの範囲である上記(23)
に記載の方法。 (26)前記ソース電極および前記ドレイン電極が、シ
ャドウ・マスクを介した付着法およびリソグラフィ・パ
ターン形成法から成るグループから選択された方法でパ
ターン形成される上記(19)に記載の方法。 (27)前記有機無機混成半導体が、ゲート電圧の増大
とともに電界効果移動度の増大を示す任意の有機無機混
成半導体である上記(19)に記載の方法。 (28)前記有機無機混成半導体が、ペロブスカイト
(C6524NH32SnI4である上記(19)に
記載の方法。 (29)前記有機無機混成半導体が、ヨウ化ブチルアン
モニウム・メチルアンモニウム・スズ、ヨウ化フェネチ
ルアンモニウム・メチルアンモニウム・スズ、ヨウ化ブ
タンジアンモニウム・スズ、ヨウ化ブチルアンモニウム
・スズ、ヨウ化ヘキシルアンモニウム・スズ、ヨウ化ノ
ニルアンモニウム・スズ、およびヨウ化ドデシルアンモ
ニウム・スズおよびそれらの誘導体の1つまたは複数か
ら成るグループから選択される上記(19)に記載の方
法。 (30)前記ゲート絶縁体が、低誘電率を示すマトリッ
クス材料中に含まれた高誘電率粒子から成る複合材料層
である上記(19)に記載の方法。 (31)複数のゲート電極が配置されている基板と、前
記ゲート電極上に配置されたゲート絶縁体の層と、前記
ゲート絶縁体の上に配置され、かつ前記ゲート電極の各
々と実質的に一部重なり合う有機無機混成半導体の層
と、前記ゲート電極の各々と位置合わせして、前記有機
無機混成半導体および前記高誘電率ゲート絶縁体の上に
配置されたソース電極とドレイン電極の複数の組とを備
える薄膜トランジスタ・デバイス構造。 (32)ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、ゲー
ト絶縁体、および、前記ソース電極と前記ゲート電極の
間に配置され、かつこれらと電気接触している半導体材
料とを備えるトランジスタ・デバイス構造であって、前
記ゲート絶縁体が前記ゲート電極と前記能動領域の間に
配置され、前記半導体材料が有機無機混成材料であるト
ランジスタ・デバイス構造。
(1) A substrate on which an electrically conductive gate electrode is disposed, a layer of a gate insulator disposed on the gate electrode, and a source electrode and a drain disposed on the layer of the gate insulator A transistor device structure comprising: an electrode; and a layer of an organic-inorganic hybrid semiconductor disposed on the gate insulator, the source electrode, and the drain electrode. (2) The transistor device structure according to (1), wherein the gate insulator has a high dielectric constant. (3) The structure according to (1), wherein said substrate is selected from the group consisting of glass, plastic, quartz, undoped silicon, and heavily doped silicon. (4) The structure according to (3), wherein the plastic substrate is selected from the group consisting of polycarbonate, mylar, polyimide, and polyethylene terephthalate. (5) The gate electrode material is chromium, titanium, copper, aluminum, molybdenum, tungsten, nickel,
The structure according to (1), wherein the structure is selected from the group consisting of gold, platinum, palladium, conductive polyaniline, conductive polypyrrole, or a combination thereof. (6) the gate electrode has a thickness of 30 nm to 500 nm and is formed by a process selected from the group consisting of vapor deposition, sputtering, chemical vapor deposition, electrodeposition, spin coating, and electroless plating; The structure according to the above (1). (7) The gate insulator is made of barium strontium titanate, barium zirconate titanate, lead zirconate titanate, lanthanum lead titanate, strontium titanate, bismuth titanate, barium magnesium fluoride, tantalum pentoxide, The structure according to (1), wherein the structure is selected from the group consisting of titanium dioxide and yttrium trioxide, aluminum trioxide, and silicon nitride. (8) The structure according to (7), wherein the gate insulator has a thickness in the range of 80 nm to 1000 nm. (9) wherein said gate insulator is produced by a process selected from the group consisting of sputtering, chemical vapor deposition, sol-gel coating, dip coating, vapor deposition, laser ablative deposition and anodizing. Structure described in. (10) The above (7), wherein the gate insulator is an organic material.
Structure described in. (11) The structure according to (1), wherein the organic-inorganic hybrid semiconductor is any organic-inorganic hybrid semiconductor that exhibits an increase in field-effect mobility with an increase in gate voltage. (12) The transistor device according to (1), wherein the organic-inorganic hybrid semiconductor is a perovskite material. (13) The structure according to the above (12), wherein the organic-inorganic hybrid semiconductor is perovskite (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 SnI 4 . (14) The organic-inorganic hybrid semiconductor includes butylammonium / methylammonium / tin, phenethylammonium / methylammonium / tin, butanediammonium / tin, butylammonium / tin, hexylammonium iodide, The structure according to (12), selected from the group consisting of tin, nonylammonium tin iodide, and one or more of tin dodecylammonium tin iodide and derivatives thereof. (15) The structure according to the above (11), wherein the organic-inorganic hybrid semiconductor layer has a thickness ranging from two monomolecular layers to 400 nm. (16) The structure according to (1), further comprising an insulating passivation layer that protects the structure from exposure to other processes and an external environment. (17) The structure according to (16), wherein the passivation layer includes a polymer passivation film selected from the group consisting of polyimide, parylene, and undoped polyaniline. (18) The structure according to the above (1), wherein the gate insulator is a composite material layer composed of high dielectric constant particles contained in a matrix material exhibiting a low dielectric constant. (19) providing a substrate on which a gate electrode is disposed, arranging a layer of a gate insulator on the gate electrode, and arranging a source electrode and a drain electrode on the layer of the gate insulator; A method for fabricating a transistor device structure comprising the steps of: placing an organic-inorganic hybrid semiconductor layer over the gate insulator and the source and drain electrodes. (20) The method according to (19), wherein the organic-inorganic hybrid semiconductor layer is deposited by a process selected from the group consisting of sublimation, vapor deposition, molecular beam deposition, or a combination thereof. (21) said organic-inorganic hybrid semiconductor layer is deposited by a solution-based process selected from the group consisting of spin coating, dip coating, self-assembly from solution, stamping, screening, thermal spraying, inkjet printing, or a combination thereof. The method according to (19) above. (22) The organic-inorganic hybrid semiconductor layer consists of deposition through a mask, screen printing, stamping, and lithographic patterning of a blanket film to minimize leakage and stray currents in the TFT device. The method of (19) above, which is optionally divided in a process selected from the group. (23) the source electrode and the drain electrode are chromium, titanium, copper, aluminum, molybdenum, tungsten, nickel, gold, palladium, platinum, a conductive polymer, a conductive oligomer, and a conductive small organic molecule;
And a method selected from the group consisting of and combinations thereof. (24) an optional ohmic contact layer made of a material selected from the group consisting of platinum, palladium, conductive polymers, conductive oligomers, semiconductive polymers, semiconductive oligomers, and combinations thereof; The above (2) disposed between the source / drain electrode and the semiconductor layer
The method according to 3). (25) The above (23), wherein the thickness of the source electrode and the drain electrode is in the range of 30 nm to 500 nm.
The method described in. (26) The method according to (19), wherein the source electrode and the drain electrode are patterned by a method selected from the group consisting of a deposition method via a shadow mask and a lithography patterning method. (27) The method according to the above (19), wherein the organic-inorganic hybrid semiconductor is any organic-inorganic hybrid semiconductor exhibiting an increase in field-effect mobility with an increase in gate voltage. (28) The method according to the above (19), wherein the organic-inorganic hybrid semiconductor is perovskite (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 SnI 4 . (29) The organic-inorganic hybrid semiconductor includes butylammonium / methylammonium / tin, phenethylammonium / methylammonium / tin, butanediammonium / tin, butylammonium / tin, butylammonium / tin, and hexylammonium / iodide. (19) The method according to (19) above, wherein the method is selected from the group consisting of tin, nonylammonium tin iodide, and one or more of tin dodecylammonium tin iodide and derivatives thereof. (30) The method according to the above (19), wherein the gate insulator is a composite material layer composed of high dielectric constant particles contained in a matrix material exhibiting a low dielectric constant. (31) a substrate on which a plurality of gate electrodes are arranged, a layer of a gate insulator arranged on the gate electrode, and substantially each of the gate electrodes arranged on the gate insulator. A partially overlapping organic-inorganic hybrid semiconductor layer and a plurality of sets of source and drain electrodes positioned on the organic-inorganic hybrid semiconductor and the high dielectric constant gate insulator in alignment with each of the gate electrodes; A thin film transistor device structure comprising: (32) A transistor device structure including a source electrode, a drain electrode, a gate electrode, a gate insulator, and a semiconductor material disposed between the source electrode and the gate electrode and in electrical contact with the source and drain electrodes. Wherein the gate insulator is disposed between the gate electrode and the active region, and the semiconductor material is an organic-inorganic hybrid material.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】厚さ500nmのSiO2ゲート絶縁体ととも
に、半導体として有機無機混成ペロブスカイト(C65
24NH32SnI4を使用するTFTデバイスの測
定された動作特性を示す図である。ゲート電圧の異なる
不連続な値に対して、ソース・ドレイン電圧の関数とし
て、ドレイン電流の依存性を示す(Kagan, Mitzi, an
d Dimitrakopoulos, Science Vol. 286, pp. 945
-947,(1999)から引用した)。このデバイスでは、L
=28μmでW=1000μmである。
FIG. 1 shows an organic / inorganic hybrid perovskite (C 6 H 5) as a semiconductor together with a 500 nm thick SiO 2 gate insulator.
FIG. 4 shows measured operating characteristics of a TFT device using C 2 H 4 NH 3 ) 2 SnI 4 . It shows the dependence of drain current as a function of source-drain voltage for different discontinuous values of gate voltage (Kagan, Mitzi, an
d Dimitrakopoulos, Science Vol. 286, pp. 945
-947, (1999)). In this device, L
= 28 μm and W = 1000 μm.

【図2】図1に対応するTFTデバイスについて、固定
ソース・ドレイン電圧でのドレイン電流のゲート電圧依
存性を左の縦軸に半対数目盛で示すグラフ、および飽和
領域におけるドレイン電流の平方根を、ゲート電圧の関
数として、右の縦軸に線形目盛プロットで示すグラフで
ある。
FIG. 2 is a graph showing the dependence of the drain current on the gate voltage at a fixed source-drain voltage on a semi-log scale on the left vertical axis, and the square root of the drain current in the saturation region for the TFT device corresponding to FIG. FIG. 4 is a graph showing a linear scale plot on the right vertical axis as a function of gate voltage.

【図3】図2で特徴づけられるデバイスについて、異な
るゲート電圧で、かつ同じソース・ドレイン電圧(−1
00V)で計算された電界効果移動度のプロットであ
り、移動度の強いゲート電圧依存性を示す図である。
FIG. 3 shows different gate voltages and the same source-drain voltage (−1) for the device characterized in FIG.
FIG. 4 is a plot of the field-effect mobility calculated at (00V), and shows a strong gate voltage dependence of the mobility.

【図4】厚さ150nmのSiO2ゲート絶縁体ととも
に、半導体として有機無機混成ペロブスカイト(C65
24NH32SnI4を使用するTFTデバイスの測
定された動作特性を示す図である。ゲート電圧の異なる
不連続な値に対して、ソース・ドレイン電圧の関数とし
てドレイン電流の依存性を示す。このデバイスでは、L
=28μmであり、W=1000μmである。
FIG. 4 shows an organic-inorganic hybrid perovskite (C 6 H 5) as a semiconductor together with a 150 nm thick SiO 2 gate insulator.
FIG. 4 shows measured operating characteristics of a TFT device using C 2 H 4 NH 3 ) 2 SnI 4 . It shows the dependence of drain current as a function of source-drain voltage for different discontinuous values of gate voltage. In this device, L
= 28 μm and W = 1000 μm.

【図5】図4に対応するTFTデバイスについて、固定
ソース・ドレイン電圧でのドレイン電流のゲート電圧依
存性を左の縦軸に半対数目盛で示すグラフ、および飽和
領域におけるドレイン電流の平方根を、ゲート電圧の関
数として、右の縦軸に線形目盛プロットで示すグラフで
ある。
FIG. 5 is a graph showing the gate voltage dependence of the drain current at a fixed source-drain voltage on a semi-log scale on the left vertical axis, and the square root of the drain current in the saturation region for the TFT device corresponding to FIG. FIG. 4 is a graph showing a linear scale plot on the right vertical axis as a function of gate voltage.

【図6】本発明による高誘電率ゲート絶縁体を有する、
有機無機混成に基づいたTFTデバイスの概略図であ
る。
FIG. 6 has a high dielectric constant gate insulator according to the present invention;
1 is a schematic diagram of a TFT device based on an organic-inorganic hybrid.

【図7】本発明による高誘電率ゲート絶縁体を有する、
有機無機混成に基づいたTFTデバイスの概略図であ
る。
FIG. 7 has a high dielectric constant gate insulator according to the present invention;
1 is a schematic diagram of a TFT device based on an organic-inorganic hybrid.

【図8】半導体として、有機無機混成ペロブスカイト
(C6524NH32SnI4を使用し、さらにゲー
ト絶縁体として、層厚さ約177.5nmのジルコン酸
チタン酸バリウム膜(基板を室温に保ちながら、スパッ
タリングで堆積された)を使用するTFTデバイスの測
定された動作特性を示す。固定ソース・ドレイン電圧で
のドレイン電流のゲート電圧依存性を左の縦軸に半対数
目盛で示し、電界移動度を計算するために使用される、
飽和領域におけるドレイン電流の平方根を右の縦軸に、
ゲート電圧の関数としてのプロットを示すグラフであ
る。
FIG. 8 shows an organic-inorganic hybrid perovskite (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 SnI 4 used as a semiconductor, and a barium zirconate titanate film having a thickness of about 177.5 nm as a gate insulator. Figure 3 shows the measured operating characteristics of a TFT device using (sputter deposited while keeping the substrate at room temperature). The gate voltage dependence of the drain current at a fixed source-drain voltage is shown on a semi-log scale on the left vertical axis, and is used to calculate the electric field mobility.
The square root of the drain current in the saturation region is on the right vertical axis,
5 is a graph showing a plot as a function of gate voltage.

【図9】半導体として、有機無機混成ペロブスカイト
(C6524NH32SnI4を使用し、さらにゲー
ト絶縁体として、層厚さ約177.5nmのジルコン酸
チタン酸バリウム膜(基板を室温に保ちながら、スパッ
タリングで堆積された)を使用するTFTデバイスの測
定された動作特性を示す。異なるゲート電圧レベルで、
ドレイン電流のソース・ドレイン電圧依存性を示す図で
ある。
FIG. 9: A barium zirconate titanate film having a layer thickness of about 177.5 nm is used as a semiconductor, using an organic-inorganic hybrid perovskite (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 SnI 4 as a semiconductor and a gate insulator. Figure 3 shows the measured operating characteristics of a TFT device using (sputter deposited while keeping the substrate at room temperature). At different gate voltage levels,
FIG. 6 is a diagram illustrating the source / drain voltage dependence of the drain current.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 29/78 617J 617V 619A 618A 616V 616K 29/28 (72)発明者 クリストス・ディミトリス・ディミトラコ ポロス アメリカ合衆国10604 ニューヨーク州ウ エスト・ハリソン レーク・ストリート 791 (72)発明者 チェリー・リニー・カガン アメリカ合衆国10562 ニューヨーク州オ ッシニング ウォータービュー・ドライブ 43 (72)発明者 デビッド・ブライアン・ミチ アメリカ合衆国10541 ニューヨーク州マ ホパック フレンドリー・ロード 33 Fターム(参考) 4M104 AA10 BB02 BB04 BB05 BB06 BB07 BB09 BB13 BB14 BB16 BB18 BB36 CC01 CC05 DD34 DD37 DD43 DD51 DD53 GG09 5F110 AA01 AA17 BB01 CC03 CC07 DD01 DD02 DD03 DD05 EE01 EE02 EE03 EE04 EE08 EE14 EE41 EE42 EE43 EE44 EE45 FF01 FF02 FF03 FF09 FF21 FF23 FF24 FF27 FF28 FF29 FF36 GG01 GG05 GG25 GG28 GG29 GG41 GG42 GG44 HK01 HK02 HK03 HK04 HK21 NN02 NN27 NN33 NN35 NN36 QQ06──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification FI theme coat テ ー マ (Reference) H01L 29/78 617J 617V 619A 618A 616V 616K 29/28 (72) Inventor Christos Dimitris Dimitraco Poros United States 10604 West Harrison, New York 791 Lake Street 791 (72) Inventor Cherry Linney Kagan United States 10562 Ossining Waterview Drive, New York 43 (72) Inventor David Brian Michi United States 10541 Ma Hopac Friendly Road, New York 33 F term (reference) 4M104 AA10 BB02 BB04 BB05 BB06 BB07 BB09 BB13 BB14 BB16 BB18 BB36 CC01 CC05 DD34 DD37 DD43 DD51 DD53 GG09 5F110 AA01 AA17 BB01 CC03 CC07 DD01 DD02 DD03 DD05 EE01 EE02 EE03 EE04 EE08 EE14 EE41 EE42 EE43 EE44 EE45 FF01 FF02 FF03 FF09 FF21 FF23 NN24 FF27 FF28 FF29 FF36 GG02 GG05 GG02 GG05 GG02

Claims (32)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】電気伝導性ゲート電極が配置されている基
板と、 前記ゲート電極上に配置されたゲート絶縁体の層と、 ゲート絶縁体の前記層の上に配置されたソース電極およ
びドレイン電極と、 前記ゲート絶縁体および前記ソース電極および前記ドレ
イン電極の上に配置された有機無機混成半導体の層とを
備えるトランジスタ・デバイス構造。
A substrate on which an electrically conductive gate electrode is disposed; a layer of a gate insulator disposed on the gate electrode; a source electrode and a drain electrode disposed on the layer of the gate insulator. And a layer of an organic-inorganic hybrid semiconductor disposed on the gate insulator and the source electrode and the drain electrode.
【請求項2】前記ゲート絶縁体が、高誘電率を有する請
求項1に記載のトランジスタ・デバイス構造。
2. The transistor device structure according to claim 1, wherein said gate insulator has a high dielectric constant.
【請求項3】前記基板が、ガラス、プラスチック、石
英、非ドープ・シリコン、および高濃度ドープ・シリコ
ンから成るグループから選択される請求項1に記載の構
造。
3. The structure of claim 1, wherein said substrate is selected from the group consisting of glass, plastic, quartz, undoped silicon, and heavily doped silicon.
【請求項4】前記プラスチック基板が、ポリカーボネー
ト、マイラー、ポリイミド、およびポリエチレン・テレ
フタラートから成るグループから選択される請求項3に
記載の構造。
4. The structure of claim 3, wherein said plastic substrate is selected from the group consisting of polycarbonate, mylar, polyimide, and polyethylene terephthalate.
【請求項5】前記ゲート電極材料が、クロム、チタン、
銅、アルミニウム、モリブデン、タングステン、ニッケ
ル、金、白金、パラジウム、導電性ポリアニリン、導電
性ポリピロール、またはこれらの組合せから成るグルー
プから選択される請求項1に記載の構造。
5. The method according to claim 1, wherein the gate electrode material is chromium, titanium,
The structure of claim 1, wherein the structure is selected from the group consisting of copper, aluminum, molybdenum, tungsten, nickel, gold, platinum, palladium, conductive polyaniline, conductive polypyrrole, or a combination thereof.
【請求項6】前記ゲート電極が、30nmから500n
mの厚さであり、さらに、蒸着、スパッタリング、化学
気相成長法、電着、スピン塗布、および無電解めっきか
ら成るグループから選択されたプロセスで生成される請
求項1に記載の構造。
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein said gate electrode has a thickness of 30 nm to 500 n.
2. The structure of claim 1, wherein the structure is m in thickness and further produced by a process selected from the group consisting of vapor deposition, sputtering, chemical vapor deposition, electrodeposition, spin coating, and electroless plating.
【請求項7】前記ゲート絶縁体が、チタン酸バリウム・
ストロンチウム、ジルコン酸チタン酸バリウム、ジルコ
ン酸チタン酸鉛、チタン酸鉛ランタン、チタン酸ストロ
ンチウム、チタン酸ビスマス、フッ化バリウム・マグネ
シウム、五酸化タンタル、二酸化チタンおよび三酸化イ
ットリウム、三酸化アルミニウム、および室化ケイ素か
ら成るグループから選択される請求項1に記載の構造。
7. The method according to claim 7, wherein the gate insulator is made of barium titanate.
Strontium, barium zirconate titanate, lead zirconate titanate, lanthanum lead titanate, strontium titanate, bismuth titanate, barium / magnesium fluoride, tantalum pentoxide, titanium dioxide and yttrium trioxide, aluminum trioxide, and chamber The structure of claim 1, wherein the structure is selected from the group consisting of silicon halides.
【請求項8】前記ゲート絶縁体が80nmから1000
nmの範囲の厚さである請求項7に記載の構造。
8. The method according to claim 1, wherein said gate insulator has a thickness of
The structure of claim 7, wherein the thickness is in the range of nm.
【請求項9】前記ゲート絶縁体が、スパッタリング、化
学気相成長法、ゾル−ゲル塗布、浸漬塗布、蒸着、レー
ザ・アブレーティブ付着および陽極酸化から成るグルー
プから選択されたプロセスで生成される請求項7に記載
の構造。
9. The gate insulator is formed by a process selected from the group consisting of sputtering, chemical vapor deposition, sol-gel coating, dip coating, vapor deposition, laser ablative deposition, and anodizing. 7. The structure according to 7.
【請求項10】前記ゲート絶縁体が有機材料である請求
項7に記載の構造。
10. The structure according to claim 7, wherein said gate insulator is an organic material.
【請求項11】前記有機無機混成半導体が、ゲート電圧
の増大とともに電界効果移動度の増大を示す任意の有機
無機混成半導体である請求項1に記載の構造。
11. The structure according to claim 1, wherein said organic-inorganic hybrid semiconductor is any organic-inorganic hybrid semiconductor exhibiting an increase in field-effect mobility with an increase in gate voltage.
【請求項12】前記有機無機混成半導体がペロブスカイ
ト材料である請求項1に記載のトランジスタ・デバイ
ス。
12. The transistor device according to claim 1, wherein the organic-inorganic hybrid semiconductor is a perovskite material.
【請求項13】前記有機無機混成半導体が、ペロブスカ
イト(C6524NH32SnI4である請求項12
に記載の構造。
13. The organic-inorganic hybrid semiconductor is perovskite (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 SnI 4.
Structure described in.
【請求項14】前記有機無機混成半導体が、ヨウ化ブチ
ルアンモニウム・メチルアンモニウム・スズ、ヨウ化フ
ェネチルアンモニウム・メチルアンモニウム・スズ、ヨ
ウ化ブタンジアンモニウム・スズ、ヨウ化ブチルアンモ
ニウム・スズ、ヨウ化ヘキシルアンモニウム・スズ、ヨ
ウ化ノニルアンモニウム・スズ、およびヨウ化ドデシル
アンモニウム・スズおよびそれらの誘導体の1つまたは
複数から成るグループから選ばれた請求項12に記載の
構造。
14. An organic-inorganic hybrid semiconductor comprising: butylammonium / methylammonium / tin, phenethylammonium / methylammonium / tin, butanediammonium / tin, butylammonium / tin / iodide, hexyl iodide 13. The structure of claim 12, wherein the structure is selected from the group consisting of one or more of ammonium tin, nonylammonium tin iodide, and dodecylammonium tin iodide and derivatives thereof.
【請求項15】前記有機無機混成半導体層が、2単分子
層から400nmの範囲の厚さである請求項11に記載
の構造。
15. The structure according to claim 11, wherein said organic-inorganic hybrid semiconductor layer has a thickness in a range from two monolayers to 400 nm.
【請求項16】他の処理にさらされることおよび外部環
境から前記構造を保護する、絶縁パッシベーション層を
さらに含む請求項1に記載の構造。
16. The structure of claim 1, further comprising an insulating passivation layer that protects the structure from being exposed to other processing and from an external environment.
【請求項17】前記パッシベーション層が、ポリイミ
ド、パリレン、および非ドープ・ポリアニリンから成る
グループから選択された重合体のパッシベーション膜を
含む、請求項16に記載の構造。
17. The structure of claim 16, wherein said passivation layer comprises a polymer passivation film selected from the group consisting of polyimide, parylene, and undoped polyaniline.
【請求項18】前記ゲート絶縁体が、低誘電率を示すマ
トリックス材料中に含まれた高誘電率粒子から成る複合
材料層である請求項1に記載の構造。
18. The structure of claim 1, wherein said gate insulator is a composite layer of high dielectric constant particles contained in a low dielectric constant matrix material.
【請求項19】ゲート電極が配置されている基板を供給
するステップと、 前記ゲート電極上にゲート絶縁体の層を配置するステッ
プと、 ゲート絶縁体の前記層の上にソース電極とドレイン電極
を配置するステップと、 前記ゲート絶縁体および前記ソース電極および前記ドレ
イン電極の上に有機無機混成半導体の層を配置するステ
ップとを備えるトランジスタ・デバイス構造を製作する
方法。
19. A method comprising: providing a substrate on which a gate electrode is disposed; arranging a layer of a gate insulator on the gate electrode; and forming a source electrode and a drain electrode on the layer of the gate insulator. A method of fabricating a transistor device structure comprising: arranging; and arranging a layer of an organic-inorganic hybrid semiconductor over the gate insulator and the source and drain electrodes.
【請求項20】前記有機無機混成半導体層が、昇華、蒸
着、分子線蒸着、またはこれらの組合せから成るグルー
プから選択されたプロセスで付着される請求項19に記
載の方法。
20. The method of claim 19, wherein the organic-inorganic hybrid semiconductor layer is deposited by a process selected from the group consisting of sublimation, evaporation, molecular beam evaporation, or a combination thereof.
【請求項21】前記有機無機混成半導体層が、スピン塗
布、浸漬塗布、溶液からの自己集合、スタンピング、ス
クリーニング、溶射、インクジェット印刷、またはこれ
らの組合せから成るグループから選択された溶液ベース
のプロセスで付着される請求項19に記載の方法。
21. The organic-inorganic hybrid semiconductor layer is formed by a solution-based process selected from the group consisting of spin coating, dip coating, self-assembly from solution, stamping, screening, thermal spraying, inkjet printing, or a combination thereof. 20. The method of claim 19, wherein said method is applied.
【請求項22】TFTデバイス内の漏れ電流および迷走
電流を最小にするために、前記有機無機混成半導体層
が、マスクを介した付着、スクリーン印刷、スタンピン
グ、および一面を覆う膜のリソグラフィによるパターン
形成から成るグループから選択されたプロセスで、随意
選択的に分割される請求項19に記載の方法。
22. The organic-inorganic hybrid semiconductor layer is deposited via a mask, screen printed, stamped, and lithographically patterned over the surface to minimize leakage and stray currents in the TFT device. 20. The method of claim 19, wherein the method is optionally divided in a process selected from the group consisting of:
【請求項23】前記ソース電極および前記ドレイン電極
が、クロム、チタン、銅、アルミニウム、モリブデン、
タングステン、ニッケル、金、パラジウム、白金、導電
性重合体、導電性オリゴマー、および導電性小規模有機
分子、およびこれらの組合せから成るグループから選択
された材料で作られる請求項19に記載の方法。
23. The method according to claim 23, wherein the source electrode and the drain electrode are formed of chromium, titanium, copper, aluminum, molybdenum,
20. The method of claim 19, wherein the method is made from a material selected from the group consisting of tungsten, nickel, gold, palladium, platinum, conductive polymers, conductive oligomers, and conductive small organic molecules, and combinations thereof.
【請求項24】金、白金、パラジウム、導電性重合体、
導電性オリゴマー、半導体性重合体、半導体性オリゴマ
ー、およびこれらの組合せから成るグループから選択さ
れた材料で作られた随意選択のオーム接触層が、前記ソ
ース/ドレイン電極と前記半導体層の間に配置される請
求項23に記載の方法。
24. Gold, platinum, palladium, conductive polymer,
An optional ohmic contact layer made of a material selected from the group consisting of conductive oligomers, semiconducting polymers, semiconducting oligomers, and combinations thereof is disposed between the source / drain electrodes and the semiconductor layer 24. The method of claim 23, wherein the method is performed.
【請求項25】前記ソース電極および前記ドレイン電極
の厚さが、30nmから500nmの範囲である請求項
23に記載の方法。
25. The method according to claim 23, wherein the thickness of the source electrode and the drain electrode ranges from 30 nm to 500 nm.
【請求項26】前記ソース電極および前記ドレイン電極
が、シャドウ・マスクを介した付着法およびリソグラフ
ィ・パターン形成法から成るグループから選択された方
法でパターン形成される請求項19に記載の方法。
26. The method of claim 19, wherein said source electrode and said drain electrode are patterned by a method selected from the group consisting of deposition via a shadow mask and lithographic patterning.
【請求項27】前記有機無機混成半導体が、ゲート電圧
の増大とともに電界効果移動度の増大を示す任意の有機
無機混成半導体である請求項19に記載の方法。
27. The method of claim 19, wherein said organic-inorganic hybrid semiconductor is any organic-inorganic hybrid semiconductor that exhibits an increase in field effect mobility with increasing gate voltage.
【請求項28】前記有機無機混成半導体が、ペロブスカ
イト(C6524NH32SnI4である請求項19
に記載の方法。
28. The organic-inorganic hybrid semiconductor is perovskite (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 SnI 4.
The method described in.
【請求項29】前記有機無機混成半導体が、ヨウ化ブチ
ルアンモニウム・メチルアンモニウム・スズ、ヨウ化フ
ェネチルアンモニウム・メチルアンモニウム・スズ、ヨ
ウ化ブタンジアンモニウム・スズ、ヨウ化ブチルアンモ
ニウム・スズ、ヨウ化ヘキシルアンモニウム・スズ、ヨ
ウ化ノニルアンモニウム・スズ、およびヨウ化ドデシル
アンモニウム・スズおよびそれらの誘導体の1つまたは
複数から成るグループから選択される請求項19に記載
の方法。
29. The organic-inorganic hybrid semiconductor comprises butylammonium / methylammonium / tin, phenethylammonium / methylammonium / tin, butanediammonium / tin, butylammonium / tin, hexyl iodide, and hexyl iodide. 20. The method of claim 19, wherein the method is selected from the group consisting of one or more of ammonium tin, nonylammonium tin iodide, and dodecylammonium tin iodide and derivatives thereof.
【請求項30】前記ゲート絶縁体が、低誘電率を示すマ
トリックス材料中に含まれた高誘電率粒子から成る複合
材料層である請求項19に記載の方法。
30. The method of claim 19, wherein said gate insulator is a composite layer of high dielectric constant particles contained in a matrix material exhibiting a low dielectric constant.
【請求項31】複数のゲート電極が配置されている基板
と、前記ゲート電極上に配置されたゲート絶縁体の層
と、前記ゲート絶縁体の上に配置され、かつ前記ゲート
電極の各々と実質的に一部重なり合う有機無機混成半導
体の層と、 前記ゲート電極の各々と位置合わせして、前記有機無機
混成半導体および前記高誘電率ゲート絶縁体の上に配置
されたソース電極とドレイン電極の複数の組とを備える
薄膜トランジスタ・デバイス構造。
31. A substrate on which a plurality of gate electrodes are disposed, a layer of a gate insulator disposed on the gate electrode, and substantially each of the gate electrodes disposed on the gate insulator. A layer of an organic-inorganic hybrid semiconductor that partially overlaps, and a plurality of source and drain electrodes positioned on the organic-inorganic hybrid semiconductor and the high dielectric constant gate insulator in alignment with each of the gate electrodes And a thin film transistor device structure comprising:
【請求項32】ソース電極、ドレイン電極、ゲート電
極、ゲート絶縁体、および、前記ソース電極と前記ゲー
ト電極の間に配置され、かつこれらと電気接触している
半導体材料とを備えるトランジスタ・デバイス構造であ
って、前記ゲート絶縁体が前記ゲート電極と前記能動領
域の間に配置され、前記半導体材料が有機無機混成材料
であるトランジスタ・デバイス構造。
32. A transistor device structure comprising a source electrode, a drain electrode, a gate electrode, a gate insulator, and a semiconductor material disposed between said source electrode and said gate electrode and in electrical contact therewith. Wherein the gate insulator is disposed between the gate electrode and the active region, and the semiconductor material is an organic-inorganic hybrid material.
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