JP2003031816A - 装置、有機トランジスタ及び能動有機デバイス - Google Patents
装置、有機トランジスタ及び能動有機デバイスInfo
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- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 無機ＦＥＴと同等の移動度及びドレイン電流
のＯＮ／ＯＦＦ比を有する有機ＦＥＴを提供する。 【解決手段】 ３端子デバイスは、第１の電極と、第２
の電極と、ゲート電極と、第１の電極と第２の電極を結
合する能動チャネルを有する。能動チャネルは共役多重
結合を有する有機分子の層を有する。共役多重結合に関
連する非局在化π−軌道は有機分子層に対して垂直に延
在する。
のＯＮ／ＯＦＦ比を有する有機ＦＥＴを提供する。 【解決手段】 ３端子デバイスは、第１の電極と、第２
の電極と、ゲート電極と、第１の電極と第２の電極を結
合する能動チャネルを有する。能動チャネルは共役多重
結合を有する有機分子の層を有する。共役多重結合に関
連する非局在化π−軌道は有機分子層に対して垂直に延
在する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は能動有機チャネルと
３個以上の端子を有する半導体デバイスに関する。
３個以上の端子を有する半導体デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】有機回路への多大な関心は、望ましい機
械特性を有する有機回路の可用性及びこのような有機回
路の安価な成形加工技術の可用性から生じる。望ましい
機械特性は例えば、プラスチック基板を用いて製造され
た回路に一般的に付随する、機械的柔軟性、軽量性及び
頑丈性などである。安価な成形加工技術は例えば、リー
ル間製造、溶液系堆積、特徴部印刷性及び積層構造など
である。
械特性を有する有機回路の可用性及びこのような有機回
路の安価な成形加工技術の可用性から生じる。望ましい
機械特性は例えば、プラスチック基板を用いて製造され
た回路に一般的に付随する、機械的柔軟性、軽量性及び
頑丈性などである。安価な成形加工技術は例えば、リー
ル間製造、溶液系堆積、特徴部印刷性及び積層構造など
である。
【０００３】能動有機デバイスは有機半導体チャネルと
３個以上の電極を有する。能動有機半導体チャネルは２
個の電極を結合し、３番目の電極に印加される電圧に応
答する導電率を有する。３番目の電極は一般的に、ゲー
ト電極と呼ばれる。端子を３個有する能動有機デバイス
は例えば、有機電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であ
る。
３個以上の電極を有する。能動有機半導体チャネルは２
個の電極を結合し、３番目の電極に印加される電圧に応
答する導電率を有する。３番目の電極は一般的に、ゲー
ト電極と呼ばれる。端子を３個有する能動有機デバイス
は例えば、有機電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】研究目標は有機ＦＥＴ
の動作特性の改善に絞られた。なぜなら、有機ＦＥＴは
通常、無機ＦＥＴの特性よりも遙かに劣る特性を有する
からである。無機ＦＥＴにおけるよりも有機ＦＥＴで一
層劣る値を有する２つの特性は、能動チャネルの移動度
とドレイン電流のＯＮ／ＯＦＦ比である。これら２つの
特性は一般的に、有機ＦＥＴでは少なくとも一桁だけ小
さい。
の動作特性の改善に絞られた。なぜなら、有機ＦＥＴは
通常、無機ＦＥＴの特性よりも遙かに劣る特性を有する
からである。無機ＦＥＴにおけるよりも有機ＦＥＴで一
層劣る値を有する２つの特性は、能動チャネルの移動度
とドレイン電流のＯＮ／ＯＦＦ比である。これら２つの
特性は一般的に、有機ＦＥＴでは少なくとも一桁だけ小
さい。
【０００５】これら２つの特性が無機ＦＥＴの特性に近
い値を有する場合、有機ＦＥＴに基づく回路で生じる幾
つかの問題点は消滅するであろう。このため、能動有機
デバイスが能動無機デバイスの動作特性に近い動作特性
を有していれば、多くの有機デバイスに付随する望まし
い機械特性と費用節約は、有機回路の多大な使用を活気
づけるであろう。
い値を有する場合、有機ＦＥＴに基づく回路で生じる幾
つかの問題点は消滅するであろう。このため、能動有機
デバイスが能動無機デバイスの動作特性に近い動作特性
を有していれば、多くの有機デバイスに付随する望まし
い機械特性と費用節約は、有機回路の多大な使用を活気
づけるであろう。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記課題は、従来の能動
有機デバイスの能動有機チャネルよりも短い能動有機チ
ャネルを有する本発明の様々な能動有機デバイスにより
解決される。チャネル長さは、チャネル内の有機分子の
長さの１倍か又はせいぜい数倍程度である。チャネル内
の有機分子の長軸は、従来の有機ＦＥＴにおけるような
伝導方向に対して垂直ではなく、伝導方向に沿って存在
することができる。能動チャネルの短長及び／又は能動
チャネル内の分子の整列は、有機ＦＥＴのこれら実施態
様の移動度及び／又はＯＮ／ＯＦＦ電流比を、シリコン
系ＦＥＴの移動度及び／又はＯＮ／ＯＦＦ電流比と概ね
同じ値にする。
有機デバイスの能動有機チャネルよりも短い能動有機チ
ャネルを有する本発明の様々な能動有機デバイスにより
解決される。チャネル長さは、チャネル内の有機分子の
長さの１倍か又はせいぜい数倍程度である。チャネル内
の有機分子の長軸は、従来の有機ＦＥＴにおけるような
伝導方向に対して垂直ではなく、伝導方向に沿って存在
することができる。能動チャネルの短長及び／又は能動
チャネル内の分子の整列は、有機ＦＥＴのこれら実施態
様の移動度及び／又はＯＮ／ＯＦＦ電流比を、シリコン
系ＦＥＴの移動度及び／又はＯＮ／ＯＦＦ電流比と概ね
同じ値にする。
【０００７】本発明による別の能動有機デバイスは、共
役多重結合を有する有機分子の層を含有する能動有機チ
ャネルを有する。共役多重結合に関連する非局在化π−
軌道は前記有機分子層に対して垂直に延在する。
役多重結合を有する有機分子の層を含有する能動有機チ
ャネルを有する。共役多重結合に関連する非局在化π−
軌道は前記有機分子層に対して垂直に延在する。
【０００８】本発明による別の能動有機デバイスは、有
機分子を含有する能動有機チャネルを有する。有機分子
の一部はデバイスの少なくとも１個の電極に対して化学
結合されている。
機分子を含有する能動有機チャネルを有する。有機分子
の一部はデバイスの少なくとも１個の電極に対して化学
結合されている。
【０００９】本発明による別の実施態様は、有機トラン
ジスタの製造方法を特徴とする。本発明の方法は、ソー
ス電極又はドレイン電極を供給するステップと、該ソー
ス電極又はドレイン電極上に有機分子層を形成するステ
ップを包含する。電極及び有機分子層を形成した後、本
発明の方法は、層の自由表面上に残りのソース電極及び
ドレイン電極を形成するステップを包含する。
ジスタの製造方法を特徴とする。本発明の方法は、ソー
ス電極又はドレイン電極を供給するステップと、該ソー
ス電極又はドレイン電極上に有機分子層を形成するステ
ップを包含する。電極及び有機分子層を形成した後、本
発明の方法は、層の自由表面上に残りのソース電極及び
ドレイン電極を形成するステップを包含する。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は、導電性基板１２上に階段
状構造を形成する有機電界効果トランジスタ（ＯＦＥ
Ｔ）１０の部分概要断面図である。階段状構造は、基板
１２上の階段を覆う誘電体層１４を有する。基板１２及
び誘電体層１４はＯＦＥＴ１０のゲート構造を形成す
る。基板１２は例えば、有機及び無機導体（例えば、金
属又は導体と同様に機能する高ドーピングシリコン）な
どである。誘電体層１４は無機及び有機層（例えば、Ｓ
ｉＯ２又はＳｉＯ２（ＣＨ２）ＮＣＯ２）などである。
状構造を形成する有機電界効果トランジスタ（ＯＦＥ
Ｔ）１０の部分概要断面図である。階段状構造は、基板
１２上の階段を覆う誘電体層１４を有する。基板１２及
び誘電体層１４はＯＦＥＴ１０のゲート構造を形成す
る。基板１２は例えば、有機及び無機導体（例えば、金
属又は導体と同様に機能する高ドーピングシリコン）な
どである。誘電体層１４は無機及び有機層（例えば、Ｓ
ｉＯ２又はＳｉＯ２（ＣＨ２）ＮＣＯ２）などである。
【００１１】階段状構造は積層状チャネル構造により覆
われる水平領域１６を有する。水平領域１６から外側に
向かって、チャネル構造の積層順序は、誘電体層１４，
金ソース電極１８、能動チャネル層２０及び金ドレイン
電極２２の順である。能動チャネル層２０は整列された
整合有機分子を１層以上有する。能動チャネル層２０の
導電率は、従来のＦＥＴ（図示されていない）の導電性
チャネルの導電率と同様な方法で隣接ゲート電極２２に
印加される電圧に応じる。
われる水平領域１６を有する。水平領域１６から外側に
向かって、チャネル構造の積層順序は、誘電体層１４，
金ソース電極１８、能動チャネル層２０及び金ドレイン
電極２２の順である。能動チャネル層２０は整列された
整合有機分子を１層以上有する。能動チャネル層２０の
導電率は、従来のＦＥＴ（図示されていない）の導電性
チャネルの導電率と同様な方法で隣接ゲート電極２２に
印加される電圧に応じる。
【００１２】図２は、図１に示されたＯＦＥＴ１０のチ
ャネル層２０の部分拡大図である。チャネル層２０は有
機分子の自己堆積単分子層である。この単分子層におい
て、長分子軸は、チャネル層２０の表面に対して垂直な
“ｚ”方向に沿って、かつ、チャネルの伝導方向に沿っ
て整列される。分子は共役多重結合を有し、そのπ−軌
道は、チャネル層２０に対して垂直に延在する非局在化
雲を生成する。分子π−軌道雲は、ソース電極１８とド
レイン電極２２の各隣接面２６，２８間の空間に概ね架
橋する伝導路を形成する。チャネル層２０において、分
子整列は、従来のＯＦＥＴにおけるような隣接分子のπ
−軌道間を部分的に覆うことによる分子間伝導ではな
く、共役多重結合による分子間伝導を助長する。チャネ
ル層２０の分子は、スルフィド結合により隣接金属面２
６，２８に分子的に結合する。トランジスタ１０の能動
チャネルは、３０ナノメータ（ｎｍ）未満の短長ｄを有
する。なぜなら、チャネルは分子１個分の幅を有する単
分子層だからである。代表的なチャネル長さｄは、自己
堆積単分子層について約１ｎｍ〜約３ｎｍの範囲内の値
を有する。
ャネル層２０の部分拡大図である。チャネル層２０は有
機分子の自己堆積単分子層である。この単分子層におい
て、長分子軸は、チャネル層２０の表面に対して垂直な
“ｚ”方向に沿って、かつ、チャネルの伝導方向に沿っ
て整列される。分子は共役多重結合を有し、そのπ−軌
道は、チャネル層２０に対して垂直に延在する非局在化
雲を生成する。分子π−軌道雲は、ソース電極１８とド
レイン電極２２の各隣接面２６，２８間の空間に概ね架
橋する伝導路を形成する。チャネル層２０において、分
子整列は、従来のＯＦＥＴにおけるような隣接分子のπ
−軌道間を部分的に覆うことによる分子間伝導ではな
く、共役多重結合による分子間伝導を助長する。チャネ
ル層２０の分子は、スルフィド結合により隣接金属面２
６，２８に分子的に結合する。トランジスタ１０の能動
チャネルは、３０ナノメータ（ｎｍ）未満の短長ｄを有
する。なぜなら、チャネルは分子１個分の幅を有する単
分子層だからである。代表的なチャネル長さｄは、自己
堆積単分子層について約１ｎｍ〜約３ｎｍの範囲内の値
を有する。
【００１３】チャネル層２０はゲート電極層１４との界
面２９に隣接する薄い領域を包含する。この領域は数分
子の厚さであり、基板１２、すなわちゲート電極に印加
される電圧に応答する電流導電率をチャネルに与える。
面２９に隣接する薄い領域を包含する。この領域は数分
子の厚さであり、基板１２、すなわちゲート電極に印加
される電圧に応答する電流導電率をチャネルに与える。
【００１４】図３は、図１に示されたトポロジーを有す
るＯＦＥＴ１０の能動チャネルで使用される共役多重結
合を有する分子３０の具体例である。能動チャネルにお
いて、分子３０は単分子層状に整列される。単分子層に
おいて、分子３０の長軸の方向ＬＡは、図２に示された
ようなチャネル伝導方向ｚに沿って整列される。従っ
て、ＯＦＥＴ１０のこれらの実施態様は、チャネルを生
成する分子３０の長さによって確定される長さｄの短い
チャネルを有する。チャネル長さｄの値は例えば、３０
ｎｍ未満であり、好ましくは約１５ｎｍ未満である。
るＯＦＥＴ１０の能動チャネルで使用される共役多重結
合を有する分子３０の具体例である。能動チャネルにお
いて、分子３０は単分子層状に整列される。単分子層に
おいて、分子３０の長軸の方向ＬＡは、図２に示された
ようなチャネル伝導方向ｚに沿って整列される。従っ
て、ＯＦＥＴ１０のこれらの実施態様は、チャネルを生
成する分子３０の長さによって確定される長さｄの短い
チャネルを有する。チャネル長さｄの値は例えば、３０
ｎｍ未満であり、好ましくは約１５ｎｍ未満である。
【００１５】ＯＦＥＴ１０の別の実施態様は、共役多重
結合を有する分子の層を２層以上有する能動チャネル
（図示されていない）を有する。能動チャネルの長さは
３０ｎｍ未満のままであり、好ましくは約１５ｎｍ未満
である。能動チャネル長さは３分子長未満であるか又は
３分子長と同一であることが好ましい。
結合を有する分子の層を２層以上有する能動チャネル
（図示されていない）を有する。能動チャネルの長さは
３０ｎｍ未満のままであり、好ましくは約１５ｎｍ未満
である。能動チャネル長さは３分子長未満であるか又は
３分子長と同一であることが好ましい。
【００１６】図４は、図２のトランジスタ１０の室温に
おけるドレイン電流／ドレイン電圧特性３２を示す特性
図である。ドレイン電流／ドレイン電圧特性３２は、典
型的なＦＥＴ挙動を示す、オーミック領域３４と飽和領
域３６の両方を有する。また、ドレイン電流／ドレイン
電圧特性３２は、ｐ−形ＦＥＴを示す態様でゲート電圧
に左右される。
おけるドレイン電流／ドレイン電圧特性３２を示す特性
図である。ドレイン電流／ドレイン電圧特性３２は、典
型的なＦＥＴ挙動を示す、オーミック領域３４と飽和領
域３６の両方を有する。また、ドレイン電流／ドレイン
電圧特性３２は、ｐ−形ＦＥＴを示す態様でゲート電圧
に左右される。
【００１７】図５は、図２に示されたＯＦＥＴ１０のチ
ャネル電流が室温でオーミック領域におけるゲート電圧
にどれだけ左右されるかを示すデータ３８の特性図であ
る。データ３８は、ＯＦＥＴ１０がｐ−形導電率を有す
ることを示す。ゲート電圧が０．４ボルト（Ｖ）だけ変
化されると、チャネル電流は、約１０５倍まで変化す
る。
ャネル電流が室温でオーミック領域におけるゲート電圧
にどれだけ左右されるかを示すデータ３８の特性図であ
る。データ３８は、ＯＦＥＴ１０がｐ−形導電率を有す
ることを示す。ゲート電圧が０．４ボルト（Ｖ）だけ変
化されると、チャネル電流は、約１０５倍まで変化す
る。
【００１８】図１のＯＦＥＴ１０の測定特性は、室温
で、約２５０ｃｍ２／ボルト・秒〜３００ｃｍ２／ボル
ト・秒の移動度に相当する。これら大きな移動度値は、
シリコンＦＥＴにおけるホール運動により利用可能な移
動度値に概ね等しい。
で、約２５０ｃｍ２／ボルト・秒〜３００ｃｍ２／ボル
ト・秒の移動度に相当する。これら大きな移動度値は、
シリコンＦＥＴにおけるホール運動により利用可能な移
動度値に概ね等しい。
【００１９】図６は、ＯＦＥＴ１０の同じ実施態様に関
するゲート電圧に応じたチャネル電流の温度依存性を示
す特性図である。
するゲート電圧に応じたチャネル電流の温度依存性を示
す特性図である。
【００２０】図７は、図１に示されたＯＦＥＴ１０のチ
ャネル部分の製造プロセス４０の流れ図である。製造プ
ロセス４０は、ステップ４２において、基板上に金属電
極（すなわち、ソース電極１８又はドレイン電極２２）
を堆積させる。堆積は金を蒸着させ、堆積層を形成す
る。電極を形成した後、ステップ４４において、例え
ば、湿式法により、被着電極面上に共役多重結合を有す
る有機分子の自己堆積単分子層（例えば、層２０）を形
成する。単分子層の分子は、該単分子層の面に対して垂
直な方向に向かう分子長軸を有し、その結果、非局在化
π−軌道は単分子層と概ね交差する単分子層に対して垂
直に延在する。単分子層の分子は、電極と結合を形成す
る末端反応基も有し、これにより、単分子層が安定化さ
れる。次いで、ステップ４６において、形成単分子層上
に、別の金属電極、例えば、残りのソース電極１８又は
ドレイン電極２２を形成する。新たに堆積される金属原
子が単分子層内の分子配列を粉砕しないようにするた
め、残りの電極の形成は、形成単分子層を冷却してから
行う。
ャネル部分の製造プロセス４０の流れ図である。製造プ
ロセス４０は、ステップ４２において、基板上に金属電
極（すなわち、ソース電極１８又はドレイン電極２２）
を堆積させる。堆積は金を蒸着させ、堆積層を形成す
る。電極を形成した後、ステップ４４において、例え
ば、湿式法により、被着電極面上に共役多重結合を有す
る有機分子の自己堆積単分子層（例えば、層２０）を形
成する。単分子層の分子は、該単分子層の面に対して垂
直な方向に向かう分子長軸を有し、その結果、非局在化
π−軌道は単分子層と概ね交差する単分子層に対して垂
直に延在する。単分子層の分子は、電極と結合を形成す
る末端反応基も有し、これにより、単分子層が安定化さ
れる。次いで、ステップ４６において、形成単分子層上
に、別の金属電極、例えば、残りのソース電極１８又は
ドレイン電極２２を形成する。新たに堆積される金属原
子が単分子層内の分子配列を粉砕しないようにするた
め、残りの電極の形成は、形成単分子層を冷却してから
行う。
【００２１】図８は、図１のＯＦＥＴ１０の製造プロセ
スを示す流れ図である。ステップ５２において、標準的
なリソグラフ法により、基板（例えば、ドープされたシ
リコン基板）１２の表面上に垂直な階段を形成する。ス
テップ５４において、この階段上に酸化物層（例えば、
膜厚が約３０ｎｍのＳｉＯ２）を熱成長させ、ゲート誘
電体層１４を形成する。ステップ５６において、階段の
水平領域１６を覆うゲート誘電体層１４の一部分の上に
金ソース電極１８を堆積させる。電極堆積は金を熱蒸着
させることにより行われる。次に、ステップ５８におい
て、ソース電極１８上に、分子の自己堆積単分子層２０
を形成する。分子の自己堆積単分子層２０は非局在化π
−軌道を有する。この非局在化π−軌道は、自己堆積単
分子層２０に対して垂直に、かつ、概ね交差して延在し
ている。また、自己堆積単分子層２０は、金ソース電極
１８に結合するチオール末端基又はイソシアン化物末端
基を有し、この単分子層２０を安定化させる。ステップ
６０において、構造体を冷却しながら、自己堆積単分子
層２０上に金を浅角蒸着することによりドレイン電極２
２を形成する。この場合も、自己堆積単分子層２０の分
子上のチオール末端基又はイソシアン化物末端基が金ド
レイン電極２２と結合し、最終のチャネル構造自体を安
定化させる。
スを示す流れ図である。ステップ５２において、標準的
なリソグラフ法により、基板（例えば、ドープされたシ
リコン基板）１２の表面上に垂直な階段を形成する。ス
テップ５４において、この階段上に酸化物層（例えば、
膜厚が約３０ｎｍのＳｉＯ２）を熱成長させ、ゲート誘
電体層１４を形成する。ステップ５６において、階段の
水平領域１６を覆うゲート誘電体層１４の一部分の上に
金ソース電極１８を堆積させる。電極堆積は金を熱蒸着
させることにより行われる。次に、ステップ５８におい
て、ソース電極１８上に、分子の自己堆積単分子層２０
を形成する。分子の自己堆積単分子層２０は非局在化π
−軌道を有する。この非局在化π−軌道は、自己堆積単
分子層２０に対して垂直に、かつ、概ね交差して延在し
ている。また、自己堆積単分子層２０は、金ソース電極
１８に結合するチオール末端基又はイソシアン化物末端
基を有し、この単分子層２０を安定化させる。ステップ
６０において、構造体を冷却しながら、自己堆積単分子
層２０上に金を浅角蒸着することによりドレイン電極２
２を形成する。この場合も、自己堆積単分子層２０の分
子上のチオール末端基又はイソシアン化物末端基が金ド
レイン電極２２と結合し、最終のチャネル構造自体を安
定化させる。
【００２２】図１〜２のＯＦＥＴ１０は様々な回路及び
デバイスで有用である。
デバイスで有用である。
【００２３】図９は、図１及び図２に示されたトポロジ
ーの２個のＯＦＥＴ６４，６６を用いたインバータ６２
を示すブロック図である。２個のＯＦＥＴ６４，６６は
４，４’−ビフェニルジチオールの能動チャネル層２０
を有する。ＯＦＥＴ６４，６６は、パワーゲートＶｓと
グラウンドとの間に直列に接続されている。ＯＦＥＴ６
４は短絡されたソース電極とゲート電極を有するので、
ロードとして機能する。ＯＦＥＴ６６のゲート電極はイ
ンバータ６２の入力として機能し、ＯＦＥＴ６６のソー
ス電極はインバータ６２の出力として機能する。
ーの２個のＯＦＥＴ６４，６６を用いたインバータ６２
を示すブロック図である。２個のＯＦＥＴ６４，６６は
４，４’−ビフェニルジチオールの能動チャネル層２０
を有する。ＯＦＥＴ６４，６６は、パワーゲートＶｓと
グラウンドとの間に直列に接続されている。ＯＦＥＴ６
４は短絡されたソース電極とゲート電極を有するので、
ロードとして機能する。ＯＦＥＴ６６のゲート電極はイ
ンバータ６２の入力として機能し、ＯＦＥＴ６６のソー
ス電極はインバータ６２の出力として機能する。
【００２４】図１０は、図９に示されたインバータ６２
の利得特性６８を示す特性図である。インバータ６２
は、出力電圧Ｖｏｕｔが概ね−２ボルト（即ち、Ｖｓ）
であるチャネル−オフ状態と、Ｖｏｕｔが概ね０ボルト
（即ち、グラウンド電圧）であるチャネル−オン状態を
有する。チャネル−オン状態では、Ｖｏｕｔの値は約６
の電圧利得に相当する。
の利得特性６８を示す特性図である。インバータ６２
は、出力電圧Ｖｏｕｔが概ね−２ボルト（即ち、Ｖｓ）
であるチャネル−オフ状態と、Ｖｏｕｔが概ね０ボルト
（即ち、グラウンド電圧）であるチャネル−オン状態を
有する。チャネル−オン状態では、Ｖｏｕｔの値は約６
の電圧利得に相当する。
【００２５】例えば、デジタル論理回路では、インバー
タ６２はビルディング・ブロックとして機能する。この
ような回路では、出力電圧Ｖｏｕｔ＝−２及びＶｏｕｔ
＝０は、論理１及び論理０をそれぞれ示す電圧値であ
る。
タ６２はビルディング・ブロックとして機能する。この
ような回路では、出力電圧Ｖｏｕｔ＝−２及びＶｏｕｔ
＝０は、論理１及び論理０をそれぞれ示す電圧値であ
る。
【００２６】短い有機能動チャネルを有するＯＦＥＴに
ついて、その他のトポロジーが存在する。
ついて、その他のトポロジーが存在する。
【００２７】図１１は、有機ＦＥＴ８０の薄膜トポロジ
ーを示す。ＦＥＴ８０は、平坦な導電性基板８２（例え
ば、高度にドーピングされたシリコン又は有機導体）を
有する。この導電性基板８２はゲート電極として機能す
る。ゲート誘電体層８４が基板８２の平坦面を被覆して
いる。誘電体は例えば、酸化物類、有機誘電体類及び単
分子層に自己堆積する有機誘電体類などである。ゲート
誘電体層８４の表面上には、ソース電極８６及びドレイ
ン電極８８が配置されている。ゲート誘電体層８４は、
基板８２から電極８６，８８を絶縁する。ソース電極８
６及びドレイン電極８８はチャネル９０により分離され
ている。チャネル９０は共役二重結合を有する有機分子
の単分子層から形成されている。
ーを示す。ＦＥＴ８０は、平坦な導電性基板８２（例え
ば、高度にドーピングされたシリコン又は有機導体）を
有する。この導電性基板８２はゲート電極として機能す
る。ゲート誘電体層８４が基板８２の平坦面を被覆して
いる。誘電体は例えば、酸化物類、有機誘電体類及び単
分子層に自己堆積する有機誘電体類などである。ゲート
誘電体層８４の表面上には、ソース電極８６及びドレイ
ン電極８８が配置されている。ゲート誘電体層８４は、
基板８２から電極８６，８８を絶縁する。ソース電極８
６及びドレイン電極８８はチャネル９０により分離され
ている。チャネル９０は共役二重結合を有する有機分子
の単分子層から形成されている。
【００２８】単分子層９０は、有機分子を層内に固定す
る組織化構造を有する。この有機分子は、単分子層９０
に対して垂直な方向に向かう長軸を有し、このため非局
在化π−軌道も単分子層９０に対して垂直に延在する。
有機分子上の硫化物末端基又はシアン化物末端基は単分
子層９０とその層内の分子の配向性を安定化させる。末
端基はソース電極８６及びドレイン電極８８に結合す
る。
る組織化構造を有する。この有機分子は、単分子層９０
に対して垂直な方向に向かう長軸を有し、このため非局
在化π−軌道も単分子層９０に対して垂直に延在する。
有機分子上の硫化物末端基又はシアン化物末端基は単分
子層９０とその層内の分子の配向性を安定化させる。末
端基はソース電極８６及びドレイン電極８８に結合す
る。
【００２９】チャネル９０の様々な実施態様は、様々な
分子を使用し、ＯＦＥＴ８０内でｎ−形又はｐ−形挙動
を生成する。図１２は、例えば、ＯＦＥＴ８０内でｎ−
形挙動を生成するために、チャネル９０において使用す
る分子９２を示す。図１３は、例えば、ＯＦＥＴ８０内
でｐ−形挙動を生成するために、チャネル９０において
使用する分子９４を示す。図１２及び図１３は、分子９
２，９４の長軸の方向Ｌも示す。
分子を使用し、ＯＦＥＴ８０内でｎ−形又はｐ−形挙動
を生成する。図１２は、例えば、ＯＦＥＴ８０内でｎ−
形挙動を生成するために、チャネル９０において使用す
る分子９２を示す。図１３は、例えば、ＯＦＥＴ８０内
でｐ−形挙動を生成するために、チャネル９０において
使用する分子９４を示す。図１２及び図１３は、分子９
２，９４の長軸の方向Ｌも示す。
【００３０】図１４及び図１５は、図１１に示されたト
ポロジーと、４，４’−ビフェニルジチオールから生成
されたチャネル９０を有するＯＦＥＴ８０のドレイン電
流／ドレイン電圧特性９６，９７を示す。特性９６，９
７はＦＥＴを代表する方法で負のゲート電圧に応答す
る。特性９７はオーミック領域９８と飽和領域９９を示
す。ＯＦＥＴ８０はＦＥＴの代表的な特性を有する。
ポロジーと、４，４’−ビフェニルジチオールから生成
されたチャネル９０を有するＯＦＥＴ８０のドレイン電
流／ドレイン電圧特性９６，９７を示す。特性９６，９
７はＦＥＴを代表する方法で負のゲート電圧に応答す
る。特性９７はオーミック領域９８と飽和領域９９を示
す。ＯＦＥＴ８０はＦＥＴの代表的な特性を有する。
【００３１】図１６は、垂直トポロジーを有するＯＦＥ
Ｔ１１０の断面図である。ＯＦＥＴ１１０は半導体基板
８２と、ゲート構造として機能する誘電体層８４を有す
る。ゲート構造は垂直チャネル構造１２０を支持する。
垂直チャネル構造１２０は、誘電体側面サポート１１
２、金ソース電極１１４、金ドレイン電極１１６、及び
有機分子の自己堆積層１１８を有する。側面サポートは
例えば、プラスチックなどのような誘電体である。層１
１８の分子は共役二重結合を有し、電極１１４，１１６
の隣接面に対して横向きの長軸を有し、このため、分子
のπ−軌道は層１１８に対して垂直に延在する。
Ｔ１１０の断面図である。ＯＦＥＴ１１０は半導体基板
８２と、ゲート構造として機能する誘電体層８４を有す
る。ゲート構造は垂直チャネル構造１２０を支持する。
垂直チャネル構造１２０は、誘電体側面サポート１１
２、金ソース電極１１４、金ドレイン電極１１６、及び
有機分子の自己堆積層１１８を有する。側面サポートは
例えば、プラスチックなどのような誘電体である。層１
１８の分子は共役二重結合を有し、電極１１４，１１６
の隣接面に対して横向きの長軸を有し、このため、分子
のπ−軌道は層１１８に対して垂直に延在する。
【００３２】１個のＯＦＥＴ１１０は、有機分子の自己
堆積単分子層からゲート誘電体層８４と、シリコンエラ
ストマーから側面サポート１１２を構成する。ゲート誘
電体層８４及び側面サポート１１２の組成により、垂直
チャネル構造１２０をゲート誘電体層８４の表面に押し
付けると、側面サポート１１２はゲート誘電体層８４に
物理的に接合される。
堆積単分子層からゲート誘電体層８４と、シリコンエラ
ストマーから側面サポート１１２を構成する。ゲート誘
電体層８４及び側面サポート１１２の組成により、垂直
チャネル構造１２０をゲート誘電体層８４の表面に押し
付けると、側面サポート１１２はゲート誘電体層８４に
物理的に接合される。
【００３３】図１７は、図１６のＯＦＥＴ１１０を製造
するための貼合系プロセス１３０の流れ図である。ステ
ップ１３２において、貼合法によりサンドイッチ構造を
形成する。貼合法は、シリコンゴムの薄いシート上に金
を蒸着することにより、２枚の多層構造シートを形成す
ることを包含する。一方のシート上に、共役二重結合を
有する分子の単分子層を堆積させる。この分子はチオー
ル末端基又はイソシアン化物末端基を有する。これらの
末端基は金蒸着層と結合し、単分子層を安定化させる。
サンドイッチ構造を形成するために、単分子層が２枚の
金層に隣接するように、２枚のシートを貼り合わせる。
単分子層の分子上のチオール末端基又はイソシアン化物
末端基は金の第２の層に結合し、これにより、サンドイ
ッチ構造を一緒に保持する。ステップ１３４において、
サンドイッチ構造を離層させ、図１８に示されるような
チャネル構造１２０を形成する。次いで、チャネル構造
１２０を誘電体層８４に垂直に圧締めし、チャネル構造
１２０とゲート誘電体層８４との間で相似形接点を形成
する。ゲート誘電体層８４がシリコンゴム製で或る場
合、チャネル構造１２０をゲート誘電体層８４に圧締め
することにより、チャネル構造１２０とゲート誘電体層
８４との間を物理的関係に固定する。そうでなければ、
一枚の層（図示されていない）をＯＦＥＴ１１０上に堆
積させ、チャネル構造１２０とゲート構造８２，８４と
の間を物理的関係に永久的に固定する。
するための貼合系プロセス１３０の流れ図である。ステ
ップ１３２において、貼合法によりサンドイッチ構造を
形成する。貼合法は、シリコンゴムの薄いシート上に金
を蒸着することにより、２枚の多層構造シートを形成す
ることを包含する。一方のシート上に、共役二重結合を
有する分子の単分子層を堆積させる。この分子はチオー
ル末端基又はイソシアン化物末端基を有する。これらの
末端基は金蒸着層と結合し、単分子層を安定化させる。
サンドイッチ構造を形成するために、単分子層が２枚の
金層に隣接するように、２枚のシートを貼り合わせる。
単分子層の分子上のチオール末端基又はイソシアン化物
末端基は金の第２の層に結合し、これにより、サンドイ
ッチ構造を一緒に保持する。ステップ１３４において、
サンドイッチ構造を離層させ、図１８に示されるような
チャネル構造１２０を形成する。次いで、チャネル構造
１２０を誘電体層８４に垂直に圧締めし、チャネル構造
１２０とゲート誘電体層８４との間で相似形接点を形成
する。ゲート誘電体層８４がシリコンゴム製で或る場
合、チャネル構造１２０をゲート誘電体層８４に圧締め
することにより、チャネル構造１２０とゲート誘電体層
８４との間を物理的関係に固定する。そうでなければ、
一枚の層（図示されていない）をＯＦＥＴ１１０上に堆
積させ、チャネル構造１２０とゲート構造８２，８４と
の間を物理的関係に永久的に固定する。
【００３４】その他の実施態様では、図１、図１１及び
図１６の複数個の端子を有するデバイス１０，８０，１
２０は４個以上の電極を有する。例えば、幾つかの実施
態様では、能動チャネルの異なる部分を制御するために
２個以上のゲート電極を有する。
図１６の複数個の端子を有するデバイス１０，８０，１
２０は４個以上の電極を有する。例えば、幾つかの実施
態様では、能動チャネルの異なる部分を制御するために
２個以上のゲート電極を有する。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
無機ＦＥＴの移動度及びドレイン電流のＯＮ／ＯＦＦ比
とほぼ同等の移動度及びドレイン電流のＯＮ／ＯＦＦ比
を有する有機ＦＥＴが得られる。
無機ＦＥＴの移動度及びドレイン電流のＯＮ／ＯＦＦ比
とほぼ同等の移動度及びドレイン電流のＯＮ／ＯＦＦ比
を有する有機ＦＥＴが得られる。
【００３６】特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で
記載した番号がある場合は、本発明の一実施例の対応関
係を示すものであって、本発明の範囲を限定するものと
解釈すべきではない。
記載した番号がある場合は、本発明の一実施例の対応関
係を示すものであって、本発明の範囲を限定するものと
解釈すべきではない。
【図１】本発明による階段状トポロジーを有する有機電
界効果トランジスタ（ＯＦＥＴ）の部分概要断面図であ
る。
界効果トランジスタ（ＯＦＥＴ）の部分概要断面図であ
る。
【図２】図１に示されたタイプのＯＦＥＴの能動チャネ
ルの模式的部分拡大断面図である。
ルの模式的部分拡大断面図である。
【図３】図１に示されたタイプのＯＦＥＴの能動チャネ
ル用の有機分子の一例の構造式図である。
ル用の有機分子の一例の構造式図である。
【図４】図２に示されたＯＦＥＴのドレイン電流／ドレ
イン電圧特性を示す特性図である。
イン電圧特性を示す特性図である。
【図５】同じＯＦＥＴのドレイン電流がゲート電圧に応
じてどのように変化するかを示す特性図である。
じてどのように変化するかを示す特性図である。
【図６】同じＯＦＥＴに関するドレイン電流／ゲート電
圧の温度依存性を示す特性図である。
圧の温度依存性を示す特性図である。
【図７】ＯＦＥＴの能動チャネルの製造方法の一例を示
す流れ図である。
す流れ図である。
【図８】図１及び図２に示されたタイプのＯＦＥＴの製
造方法の一例を示す流れ図である。
造方法の一例を示す流れ図である。
【図９】図１及び図２に示されたタイプのＯＦＥＴを有
するインバータ回路のブロック図である。
するインバータ回路のブロック図である。
【図１０】図９のインバータ回路の電圧利得特性を示す
特性図である。
特性図である。
【図１１】平坦トポロジーを有する本発明によるＯＦＥ
Ｔの部分概要断面図である。
Ｔの部分概要断面図である。
【図１２】図１１のＯＦＥＴのｎ−形体の能動チャネル
用の有機分子の一例の構造式図である。
用の有機分子の一例の構造式図である。
【図１３】図１１のＯＦＥＴのｐ−形体の能動チャネル
用の有機分子の一例の構造式図である。
用の有機分子の一例の構造式図である。
【図１４】４，４’−ビフェニルジチオールの能動チャ
ネルと図１１のトポロジーを有するＯＦＥＴのドレイン
電流／ドレイン電圧特性を示す特性図である。
ネルと図１１のトポロジーを有するＯＦＥＴのドレイン
電流／ドレイン電圧特性を示す特性図である。
【図１５】４，４’−ビフェニルジチオールの能動チャ
ネルと図１１のトポロジーを有するＯＦＥＴのドレイン
電流／ドレイン電圧特性を示す特性図である。
ネルと図１１のトポロジーを有するＯＦＥＴのドレイン
電流／ドレイン電圧特性を示す特性図である。
【図１６】垂直トポロジーを有する本発明によるＯＦＥ
Ｔの部分概要断面図である。
Ｔの部分概要断面図である。
【図１７】図１６に示される本発明によるＯＦＥＴの製
造方法の一例を示す流れ図である。
造方法の一例を示す流れ図である。
【図１８】貼合せにより製造された図１７のＯＦＥＴの
構造の部分概要断面図である。
構造の部分概要断面図である。
１０ 有機電界効果トランジスタ（ＯＦＥＴ）
１２ 導電性基板
１４ 誘電体層
１６ 水平領域
１８ 金ソース電極
２０ 能動チャネル層
２２ 金ドレイン電極
２６，２８ 隣接面
２９ 界面
６２ インバータ
８０ 有機ＦＥＴ
８２ 平坦状導電性基板
８４ ゲート誘電体層
８６ ソース電極
８８ ドレイン電極
９０ 能動チャネル
１１０ ＯＦＥＴ
１１２ 誘電体側面サポート
１１４ 金ソース電極
１１６ 金ドレイン電極
１１８ 自己堆積単分子層
１２０ 垂直チャネル構造
─────────────────────────────────────────────────────
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 51/00
(71)出願人 596077259
600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ,
Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ
ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ.
(72)発明者 ゼナン バオー
アメリカ合衆国、07041 ニュージャージ
ー州、ミルバーン、クリントン プレース
６
(72)発明者 ジョン エー ロジャース
アメリカ合衆国、07974 ニュージャージ
ー州、ニュー プロヴィンス、アパートメ
ント１シー、スプリングフィールド アベ
ニュー 1200
(72)発明者 ジャン ヘンドリック シェーン
アメリカ合衆国、07901 ニュージャージ
ー州、サミット、パーク アベニュー 21
Ｆターム(参考） 5F048 AA08 AB04 AC02 BD00 BD07
5F110 AA01 BB03 CC09 DD05 DD30
EE08 FF01 FF02 FF22 GG05
GG22 GG41 HK02 HK32
5F140 AA01 AC33 BA01 BA18 BB04
BD04 BD05 BE07 BJ05 BK29
Claims (10)
- 【請求項１】 (a)第１の電極と、 (b)第２の電極と、 (c)第３の電極と、 (d)前記第２の電極と前記第３の電極との間に配置され
た能動チャネルとからなり、 前記能動チャネルは、共役多重結合を有する有機分子の
層と、該層に対して垂直に延在する非局在化π−軌道を
有し、かつ、前記能動チャネルは、前記第１の電極に印
加された電圧に応じた導電率を有する、ことを特徴とす
る装置。 - 【請求項２】 (a)ドレイン電極と、 (b)ソース電極と、 (c)前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置さ
れた有機分子の能動チャネルと、 ここで、前記能動チャネルは前記有機分子のうちの或る
分子の長さの３倍未満の長さを有する、 (d)前記能動チャネルの縁端に隣接して配置された絶縁
層と、 (e)前記絶縁層に隣接して配置され、かつ、前記能動チ
ャネルの導電率を変化させる電圧を印加することができ
るゲートとからなる、ことを特徴とする有機トランジス
タ。 - 【請求項３】 前記有機分子は、前記ソース電極及び前
記ドレイン電極のうちの一方に隣接面に対して垂直に配
向された長軸を有する、ことを特徴とする請求項２に記
載のトランジスタ。 - 【請求項４】 (a)ドレイン電極と、 (b)ソース電極と、 (c)前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置さ
れた有機分子の長さが約３０ｎｍ未満の能動チャネル
と、 (d)前記能動チャネルの縁端に隣接して配置された絶縁
層と、 (e)前記絶縁層に隣接して配置され、かつ、前記能動チ
ャネルの導電率を変化させることができるゲートとから
なる、ことを特徴とする有機トランジスタ。 - 【請求項５】 前記有機分子は、前記ソース電極又は前
記ドレイン電極の隣接面に対して垂直に配向された長軸
を有する、ことを特徴とする請求項４に記載のトランジ
スタ。 - 【請求項６】 (a)第１の電極と、 (b)第２の電極と、 (c)前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置され
た有機分子の能動チャネルと、 ここで、前記有機分子の一部は前記第１の電極及び前記
第２の電極のうちの少なくとも一方に化学的に結合して
いる、 (d)前記能動チャネルの縁端に隣接して配置された絶縁
層と、 (e)前記絶縁層に隣接して配置され、かつ、前記能動チ
ャネルの導電率を変化させることができるゲートとから
なる、ことを特徴とする能動有機デバイス。 - 【請求項７】 (a)ドレイン電極と、 (b)ソース電極と、 (c)前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置さ
れた有機分子の能動チャネルと、 ここで、前記有機分子は前記電極の隣接面に対して垂直
に配向された分子長軸を有する、 (d)前記能動チャネルの縁端に隣接して配置された絶縁
層と、 (e)前記絶縁層に隣接して配置され、かつ、前記能動チ
ャネルの導電率を変化させることができるゲートとから
なる、ことを特徴とする有機トランジスタ。 - 【請求項８】 (a)ソース電極及びドレイン電極のうち
の一方を形成するステップと、 (b)ソース電極及びドレイン電極のうちの一方の電極上
に有機分子の層を形成するステップと、 (c)前記有機分子層の自由面上に、ソース電極及びドレ
イン電極のうちの他方を形成するステップとからなる、
ことを特徴とする有機トランジスタの製造方法。 - 【請求項９】 前記有機分子層は単分子層である、こと
を特徴とする請求項８に記載の方法。 - 【請求項１０】 前記有機分子層の形成ステップにおい
て、前記有機分子の長軸をソース電極及びドレイン電極
のうちの一方の表面に対して垂直に配置する、ことを特
徴とする請求項８に記載の方法。
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