【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャリア移動性の有機化合物を利用し、かかる有機化合物からなる有機半導体層を備えた有機半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイオードや、信号処理に必要なスイッチや増幅機能を行うトランジスタに用いられる半導体には、高いキャリア移動度や、低い暗電流や、低い駆動電圧や、複雑な素子構造など、の性能が要求されるので、シリコンに代表される無機半導体が、半導体素子の主役となっている。
【０００３】
有機半導体では、その電気−光変換特性を利用した有機エレクトロルミネセンス装置が開発されている。さらに、有機半導体薄膜に電界を加えるとキャリア密度が増加するので、有機半導体薄膜上に１対の電極を設けその間に電流を流すことが可能になる。例えば、有機半導体薄膜上にソース電極及びドレイン電極を配置し、その間のゲート電極で薄膜の厚さ方向に電圧を印加し、有機半導体薄膜に沿った方向の電流をスイッチングできる。よって、有機トランジスタの研究もなされ、電気信号を利用して、接合界面（金属−有機半導体、有機半導体−有機半導体）にて、有機半導体中のキャリア（電子及び正孔）を制御する情報の伝達、処理及び記録表示などの技術に有機半導体が利用されつつある。
【０００４】
図１及び図２は有機半導体薄膜を用いた有機ＭＯＳ−ＴＦＴの構造のボトムコンタクト型及びトップコンタクト型の例を示す。有機ＭＯＳ−ＴＦＴは、基板１０上にゲート電極１４、ゲート絶縁膜１２、ソース電極１１及びドレイン電極１５、並びに有機半導体層１３を備えている。ゲート電極１４としてはＮｉ、Ｃｒなどが、ゲート絶縁膜１２にはＳｉＯ２、ＳｉＮなど金属の酸化物や窒化物などの無機物やＰＭＭＡなどの樹脂が、有機半導体層１３にはペンタセンなどが、それぞれ用いられている。また、ソース電極１１及びドレイン電極１５にはＰｄ、Ａｕなどの単層膜が用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、有機半導体素子のＰｄ又はＡｕ単層膜からなるソース電極及びドレイン電極においては、１）Ｐｄ、Ａｕが王水などの非常に強い酸を用いないとウエットエッチングできないので、エッチングの際にゲート電極などの下地を傷めてしまい、電極パターニングが困難である、２）Ｐｄ、Ａｕ薄膜の下地膜への付着力が弱く素子の信頼性が低い、３）Ｐｄ、Ａｕはそのクラーク数が小さく高価である、４）電極材料として一般に用いられるＡｌなどに比べＰｄの抵抗率が高い、など問題がいくつかあり、実用化の障害となっている。
【０００６】
本発明の解決しようとする課題には、電極の付着性、エッチング性、低抵抗性が向上した有機半導体素子を提供することが一例として挙げられる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の有機半導体素子の発明は、対向する１対の電極の間に成膜されたキャリア移動性の有機半導体層を備えた有機半導体素子であって、前記１対の電極の少なくとも一方は、前記有機半導体層に接触しかつ前記有機半導体層のイオン化ポテンシャル近傍の仕事関数を有するキャリア中継膜と、前記キャリア中継膜に積層されかつ前記キャリア中継膜よりも低い抵抗率を有する伝導体膜と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明による有機半導体素子として有機トランジスタの実施例を図面を参照しつつ説明する。
図３は実施形態のボトムコンタクト型有機トランジスタを示す。有機トランジスタは、ガラスなどの絶縁性の基板１０上に形成されたゲート電極１４上に形成されたゲート絶縁膜１２と、この上に形成されたペンタセンなどのキャリア移動性の有機化合物からなる有機半導体層１３と、有機半導体層１３と接触するように形成されたソース電極１１及びドレイン電極１５から構成されている。ソース電極１１及びドレイン電極１５の各々はキャリア中継膜１１ａ及び１５ａと、キャリア中継膜に積層された伝導体膜１１ｂ及び１５ｂとからなる。ゲート電極１４は対向するソース電極１１及びドレイン電極１５の間の有機半導体層１３に電界を印加する。
【０００９】
図４は実施形態のトップコンタクト型有機トランジスタを示す。トップコンタクト型素子は、有機半導体層１３が先に成膜され、その上にソース電極１１及びドレイン電極１５が形成されて、キャリア中継膜１１ａ及び１５ａと伝導体膜１１ｂ及び１５ｂの積層順がキャリア中継膜から伝導体膜の順となる以外、図３のボトムコンタクト型と同じ構成を有する。
【００１０】
有機半導体層１３は電界印加によって正孔又は電子の輸送能力を有する有機化合物からなる。有機半導体層１３は、それぞれキャリア輸送能力を有する有機化合物の薄膜からなる多層構造とすることもできる。有機半導体として、キャリア移動度が大きいペンタセンの他に、アントラセン、テトラセンなどの縮合環類も用いられる。
【００１１】
ゲート電極１４は、ゲート絶縁膜１２を介して電界を印加する場合、電極材料として一般に用いられるＡｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びそれらを含む合金などが用いられる。
ソース電極及びドレイン電極１１、１５の材料には、有機半導体との電荷注入障壁を低くするため、仕事関数が有機半導体のイオン化ポテンシャルに近いことが求められる。例えば、図３に示すように、ソース電極１１及びドレイン電極１５のそれぞれに、仕事関数が有機半導体のイオン化ポテンシャルに近くなる特性とすべく２種類以上の金属膜からなる積層膜１１ａ及び１１ｂ、並びに１５ａ及び１５ｂを用いる。すなわち、ソース電極１１は、有機半導体層１３に接触しかつそのイオン化ポテンシャル近傍の仕事関数を有するキャリア中継膜１１ａと、キャリア中継膜１１ａ上に積層されかつキャリア中継膜よりも低い抵抗率を有する伝導体膜１１ｂと、からなる。また、ドレイン電極１５も、有機半導体層１３に接触しかつそのイオン化ポテンシャル近傍の仕事関数を有するキャリア中継膜１５ａと、キャリア中継膜１５ａ上に積層されかつキャリア中継膜よりも低い抵抗率を有する伝導体膜１５ｂと、からなる。
【００１２】
有機半導体中のキャリア移動のためにキャリア中継膜１１ａ及び１５ａの仕事関数が有機半導体のイオン化ポテンシャルに近い値である特性は特に重要である。よって、仕事関数が有機半導体のイオン化ポテンシャルに近い材料を少なくとも１つ以上含む金属膜をキャリア中継膜とし、伝導体膜１１ｂ及び１５ｂはかかるキャリア中継膜の特性以外を補完するように、これらの積層膜を用いることが好ましい。２種層の金属膜からなる積層膜で特性を十分改善できない場合は、更に特性を改善するために、３種層以上の金属膜からなる積層膜としてもよい。なお、有機半導体層への電荷注入障壁を小さくするために、ソース電極１１及びドレイン電極１５のキャリア中継膜１１ａ及び１５ａを有機半導体に接する側に設けるが、１対の電極の少なくとも一方が、有機半導体層に接触しかつ有機半導体層のイオン化ポテンシャル近傍の仕事関数を有するキャリア中継膜と、キャリア中継膜上に積層されかつキャリア中継膜よりも低い抵抗率を有する伝導体膜と、からなる構成としてもよい。
【００１３】
キャリア中継膜１１ａ及び１５ａには仕事関数が有機半導体のイオン化ポテンシャルに近い材料を少なくとも１以上含む金属、合金などの材料を用いる。キャリア中継膜に含まれる材料の仕事関数は、使用する有機半導体のイオン化ポテンシャルを中心とした±１ｅＶ以内であることが好ましく、さらに好ましくは±０．５ｅＶ以内である。
【００１４】
例えば代表的な有機半導体材料であるペンタセン（イオン化ポテンシャル＝５．０６ｅＶ）を用いた場合、キャリア中継膜に含まれる材料の仕事関数は４．５６〜５．５６ｅＶが好適であり、このような特性を満たす金属の例として、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｔｅなどが挙げられる。キャリア中継膜にはこれらの金属の単体、もしくはこれらの金属を含む合金を用い得る。
【００１５】
伝導体膜１１ｂ及び１５ｂとしては、キャリア中継膜より低い比抵抗、微細なパターニング可能なエッチングが良好に行えるエッチング性、付着力の少なくとも一つの特性に優れる金属を用いる。伝導体膜の上に第２、第３、第４、第５金属と、順に金属膜を積層する場合でも、それぞれキャリア中継膜より低い比抵抗、エッチング性、下地（図３の場合、ゲート絶縁膜１２）に対し強く膜付着する高い付着力のうち少なくとも一つの特性に優れる金属を用いる。
【００１６】
比抵抗が低い金属としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｇ、Ｚｎなどが挙げられる。これらの中では、特に比抵抗が低いＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ又はこれらを含む合金が伝導体膜１１ｂ及び１５ｂに好適である。
容易にウエットエッチングが可能であるエッチング性の高い金属としては、りん酸を主成分とする酸に溶解するＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｍｏなどや、硝酸セリウムアンモニウムを主成分とする溶液に溶解するＣｒなどが伝導体膜１１ｂ及び１５ｂに好適である。表１に電極材料、その比抵抗及びその使用可能エッチャントの例を示す。
【００１７】
【表１】
付着性が高い金属としては、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉなどの高融点金属が伝導体膜１１ｂ及び１５ｂに好適である。よって、伝導体膜１１ｂ及び１５ｂにはこれらの金属の単体、もしくはこれらの金属を含む合金を用い得る。
【００１８】
キャリア中継膜１１ａ及び１５ａの膜厚が厚すぎると、低抵抗性、エッチング性が損なわれてしまうため、キャリア中継膜の膜厚は１０００Å以下が好ましく、さらに好ましくは５００Å以下である。一方、キャリア中継膜の膜厚が薄すぎると、有機半導体層への注入障壁を低くする効果がなくなってしまう恐れがあるが、通常ごく薄い膜厚でも効果があり、有機半導体層に接するキャリア中継膜の膜厚は１Å以上、さらに好ましくは１０Å以上である。
【００１９】
これらソース電極１１及びドレイン電極１５の成膜方法としては、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法など、任意の方法を用い得る。材料の使用効率、装置の簡便性を考慮するとスパッタ法が好ましい。
成膜した積層膜は所定の形状にパターニングする。パターン方法は任意の方法で構わないが、フォトエッチング法が好ましく用いられる。フォトエッチング法では、先ず、積層膜上にフォトレジストを所定の形状にパターン形成し、溶液によるエッチング（ウエットエッチング）もしくはガスによるエッチング（ドライエッチング）を行う。その後、フォトレジストを除去すれば所望の積層膜パターンが得られる。
【００２０】
キャリア中継膜及び伝導体膜のエッチング性が異なる場合、積層膜を各々に最適なエッチング液もしくはエッチングガスを用い、２工程に分けてエッチングする。キャリア中継膜及び伝導体膜のエッチング性に共通性があれば、共通するエッチング液もしくはエッチングガスを用いて、１工程でエッチングできるので、好ましい。
【００２１】
本発明を実施する際、ボトムコンタクト型に適用する場合と、トップコンタクト型に適用する際では、伝導体膜の選び方に若干の違いがある。ただし何れの場合にせよ、伝導体膜では比抵抗が低いこと、エッチング性のよいことが共通して必要な特性である。
図３に示すように、ボトムコンタクト型素子に本発明を適用すると、ソース電極１１及びドレイン電極１５の積層順は伝導体膜からキャリア中継膜の順となる。この場合、ゲート絶縁膜１２に対する伝導体膜の付着性が重要となる。一方、図４に示すトップコンタクト型に本発明を適用すると、ソース電極１１及びドレイン電極１５の積層順は伝導体膜からキャリア中継膜の順となるので、ゲート絶縁膜１２に対する伝導体膜の付着性が重要ではないが、キャリア中継膜の付着性が重要となる。
【００２２】
有機半導体層のペンタセンは、高い正孔移動度を示すキャリア輸送性材料である。このペンタセン有機半導体層を用いて、図１に示すボトムコンタクト型素子を作成すると、正孔輸送性（ｐ型）素子が実現できる。
有機半導体層におけるキャリアが正孔の場合には正孔が移動できる正孔輸送性材料または両性輸送性材料が有機半導体として必要になり、キャリアが電子の場合には電子が移動できる電子輸送材料または両性輸送性材料が必要になる。正孔輸送材料又は両性輸送材料としては、銅フタロシアニン（ｃｏｐｐｅｒ−ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ）などが、電子輸送材としてはアルミニウムキノリノール錯体（ｔｒｉｓ−８−ｈｙｄｏｒｏｘｙｑｕｎｏｌｉｎｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ）などがある。
【００２３】
各積層電極の有機半導体層に接するキャリア中継膜には、キャリア輸送性有機薄膜のイオン化ポテンシャルとほぼ同じ仕事関数を有する金属を選択する。キャリアの移動は接触する材料のエネルギー障壁が異なるとその差を埋める電圧印加の必要があり、抵抗なくキャリアが移動するにはエネルギー障壁が小さいほうがよいからである。イオン化ポテンシャルは真空準位から価電子帯上端の最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）準位へと測定したエネルギーである。キャリア中継膜には金属及び金属酸化物材料が使用できるが、これらについての仕事関数は真空準位（０ｅＶ）からフェルミ準位へと測定したエネルギーである。なお、正孔輸送性材料に電界をかけて陽イオン化するのに必要な仕事はイオン化ポテンシャルエネルギー（ｉｏｎｉｚｅｄ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｅｎｅｒｇｙ）で、電子輸送性材料に電界をかけて陰イオン化するのに必要な仕事は電子親和力（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｆｆｉｎｉｔｙ ｅｎｅｒｇｙ）である。
【００２４】
本実施形態の有機トランジスタで使用するキャリア中継膜材料で仕事関数が大きなものには、例えば、４．５１ｅＶを越える金、白金、パラジウム、セレン、ニッケルなどの金属、インジウムすず酸化物（以下、ＩＴＯという）、イリジウム亜鉛酸化物、酸化亜鉛やこれらの合金、あるいは、酸化錫、ヨウ化銅などがある。
【００２５】
一方、仕事関数が小さなキャリア中継膜材料として、例えば、４．５１ｅＶ以下の銀、鉛、錫、アルミニウム、カルシウム、インジウム、クロムなどの金属、リチウムなどのアルカリ金属、マグネシウムなどのアルカリ土類金属、またはこれらの合金、あるいは、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物などが用いられる。表２に選択使用され得る物質の仕事関数の例を示す。表のセル中、上は元素記号、下は仕事関数を示す。
【００２６】
【表２】
［素子の作製］−ボトムコンタクト型素子と比較のため比較素子とを作製した。全ての実施例及び比較例においてソース電極及びドレイン電極それぞれの積層膜の合計膜厚を２０００Åに統一した。
【００２７】
［実施例１］−以下のような手順で、図３に示すようなボトムコンタクト型の有機ＭＯＳ−ＴＦＴを作製した。
（１）［ゲート電極の形成］−ガラス基板上にＣｒを膜厚１０００Åでスパッタ法により成膜した。次に東京応化製フォトレジストＡＺ６１１２のマスクをＣｒ膜上にパターン形成した。この基板を硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸を含む水溶液中に浸漬し、レジストマスクに覆われていない不要な部分のＣｒを溶解除去した。最後に基板をアセトン中に浸漬しレジストマスクを除去、所定のゲート電極パターンを基板上に得た。
【００２８】
（２）［ゲート絶縁膜の形成］−得られた基板のゲート電極パターン上に、ＳｉＯ２を膜厚１０００Åでスパッタ法により成膜した。次に東京応化製フォトレジストＡＺ６１１２のマスクをＳｉＯ２膜上にパターン形成した。この基板をＣＦ４ガスによるドライエッチングにより、レジストマスクに覆われていない不要な部分のＳｉＯ２を除去した。最後にＯ２プラズマによりレジストマスクを除去して、ＳｉＯ２ゲート絶縁膜の所定パターンを基板上に得た。
【００２９】
（３）［ソース電極及びドレイン電極の形成］−得られた基板のゲート絶縁膜パターン上に、日本ゼオン製フォトレジストＺＰＮ１１００のマスクをパターン形成した。次に伝導体膜としてＡｌを膜厚１５００Åで、続いてキャリア中継膜としてＰｄを膜厚５００Åでスパッタ法により成膜した。更にアセトンでマスクとマスク上の金属膜をリフトオフし、ソース電極及びドレイン電極の所定パターンを得た。ソース電極及びドレイン電極のパターンにより確定されるチャネル長は２０μｍ、チャネル幅は１００μｍとした。
【００３０】
（４）［有機半導体層の形成］−得られた基板の電極パターン上に、ペンタセンを膜厚５００Åで、基板を６０℃に加熱し、マスクを用いた所定パターンで抵抗加熱蒸着法により有機半導体層を成膜し、有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子を完成させた。
［実施例２］−実施例１の（３）で伝導体層としてＡｌを膜厚１８００Åで、キャリア中継膜としてＰｄの膜厚を２００Åとしたこと以外は、実施例１と全く同様にして有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子を完成させた。
【００３１】
［実施例３］−実施例１の（３）で付着性を向上させる第３金属膜としてＣｒを膜厚５００Åで、続いて伝導体膜としてＡｌを膜厚１３００Åで、更にキャリア中継膜としてＰｄを膜厚２００Åでスパッタ法により成膜し、３層の積層膜からなるソース電極及びドレイン電極としたこと以外は、実施例１と全く同様にして有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子を完成させた。
【００３２】
［比較例１］−実施例１の（３）でソース電極及びドレイン電極としてＰｄを膜厚２０００Åでスパッタし単層膜で用いたこと以外は、実施例１と全く同様にして有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子を完成させた。
［実施例４］−伝導体膜としてＡｌを膜厚１８００Åで、キャリア中継膜としてＮｉを膜厚２００Åとし、素子を作製した。ＡｌとＮｉはエッチング性に共通点があるため、積層膜はフォトエッチング法でパターニングした。具体的には、実施例１の（３）を以下のようにした以外は、実施例１と全く同様にして有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子を完成させた。
【００３３】
（３）［ソース電極及びドレイン電極の形成］−得られた基板のゲート絶縁膜パターン上に、伝導体膜としてＡｌを膜厚１８００Åで、続いてキャリア中継膜としてＮｉを膜厚２００Åで、スパッタ法により成膜した。次に東京応化製フォトレジストＡＺ６１１２のマスクをＡｌ／Ｎｉの積層膜上にパターン形成した。この基板をリン酸、硝酸からなる混酸中に浸漬し、レジストマスクに覆われていない不要な部分のＡｌ／Ｎｉを溶解除去した。最後に基板をアセトン中に浸漬しレジストマスクを除去、ソース電極及びドレイン電極の所定パターンを得た。ソース電極及びドレイン電極のパターンにより確定されるチャネル長は２０μｍ、チャネル幅は１００μｍとした。
【００３４】
［比較例２］−実施例１の（３）でソース電極及びドレイン電極としてＮｉを膜厚２０００Åでスパッタし単層膜で用いたこと以外は、実施例３と全く同様にして有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子を完成させた。
［実施例５］−以下のような手順で、図４に示すようなトップコンタクト型の有機ＭＯＳ−ＴＦＴを作製した。
【００３５】
（１）［ゲート電極の形成］−ガラス基板上にＣｒを膜厚１０００Åでスパッタ法により成膜した。次に東京応化製フォトレジストＡＺ６１１２のマスクをＣｒ膜上にパターン形成した。この基板を硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸を含む水溶液中に浸漬し、レジストマスクに覆われていない不要な部分のＣｒを溶解除去した。最後に基板をアセトン中に浸漬しレジストマスクを除去、所定のゲート電極パターンを得た。
【００３６】
（２）［ゲート絶縁膜の形成］−得られた基板のゲート電極パターン上に、ＳｉＯ２を膜厚１０００Åでスパッタ法により成膜した。次に東京応化製フォトレジストＡＺ６１１２のマスクをＳｉＯ２膜上にパターン形成した。この基板をＣＦガスによるドライエッチングにより、レジストマスクに覆われていない不要な部分のＳｉＯ２を除去した。最後にＯ２プラズマによりレジストマスクを除去、ＳｉＯ２ゲート絶縁膜の所定パターンを得た。
【００３７】
（３）［有機半導体層の形成］−得られた基板のゲート絶縁膜パターン上に、ペンタセンを膜厚５００Åで、基板を６０℃に加熱し、マスクを用いた抵抗加熱蒸着法により有機半導体層を形成した。
（４）［ソース電極及びドレイン電極の形成］−得られた基板の有機半導体層パターン上に、マスクを用いて、キャリア中継膜としてＰｄを膜厚２００Åで、続いて伝導体膜としてＡｌを膜厚１８００Åで、それぞれ抵抗加熱蒸着法により形成し、ソース電極及びドレイン電極の所定パターンを得た。マスクによりパターニングされたソース電極及びドレイン電極のパターンにより確定されるチャネル長は２０μｍ、チャネル幅は１００μｍとした。以上のようにして、有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子を完成させた。
【００３８】
［実施例６］−実施例５の（４）でキャリア中継膜であるＰｄの膜厚を１０Åで、伝導体膜であるＡｌの膜厚を１９９０Åとしたこと以外は、実施例５と全く同様にして有機ＭＯＳ−ＴＦＴを完成させた。
［比較例３］−実施例５の（４）でソース電極及びドレイン電極としてＰｄを膜厚２０００Åでマスク蒸着し単層膜で用いたこと以外は、実施例５と全く同様にして有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子を完成させた。
【００３９】
［ソース電極及びドレイン電極の付着性］−上記実施例１〜４並びに比較例１及び２で素子を形成する際、ＳｉＯ２ゲート絶縁膜とソース電極及びドレイン電極とのスパッタ成膜のみを行ったサンプルを同時に作製し、下地のＳｉＯ２ゲート絶縁膜に対する膜の付着性を評価した。付着性の評価は以下のように行った。
カッターナイフを用いＳｉＯ２膜に１ｍｍピッチで水平垂直それぞれ１１本の切り込みを入れ、１０×１０＝１００個のマス目を作った。
【００４０】
マス目上に粘着テープを貼り、上から十分に押さえた。
テープを勢いよく剥がし、剥がれずに残ったマス目の数を数えた。表３に付着性評価の結果を示す。（表３中の積層膜材料の欄は、伝導体膜材料／キャリア中継膜材料を示し、付着性欄にて、１００個が満点で、数が大きいほど付着性が高いことになる。）
【００４１】
【表３】
何れも、実施例の付着性は比較例に比べ同等以上であることがわかった。特にＰｄ単層膜の場合（比較例１）と比較して、実施例の付着性の向上が著しかった。
【００４２】
［ソース電極及びドレイン電極の積層膜の抵抗率］−上記実施例、比較例で素子を形成する際、ＳｉＯ２ゲート絶縁膜とソース電極及びドレイン電極のスパッタ形成のみを行ったサンプルを同時に作製し、膜の比抵抗を評価した。比抵抗測定は、厚さ２０００Åにおけるシート抵抗（Ω／□）を四探針法にて行った。表３に比抵抗の測定結果を示す。何れも、金属単層膜に比べ、本発明による積層膜の方が低抵抗であることがわかった。
【００４３】
［有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子の電気特性］−各実施例、比較例で作製した有機ＭＯＳ−ＴＦＴについて、ゲート電極電圧一定のもと、ソース電極１１及びドレイン電極１５間の電圧を変化させてソース電極及びドレイン電極間の電流を測定した。測定結果を表３、図５、図６及び図７に示す。
表３、図５、図６及び図７に示すように、ソース電極１１及びドレイン電極１５にＡｌ／Ｐｄ積層膜とＣｒ／Ａｌ／Ｐｄ積層膜を用いた素子は、Ｐｄ単層膜を用いた素子に比べほぼ同等な特性を示すことがわかった。また、ソース電極及びドレイン電極にＡｌ／Ｎｉ積層膜を用いた素子は、Ｎｉ単層膜を用いた素子に比べほぼ同等な特性を示すことがわかった。
【００４４】
本発明による素子は、従来の有機半導体に仕事関数が近い金属単体をソース電極及びドレイン電極に用いた素子に比べ素子特性はほぼ同等であるにもかかわらず、ソース電極及びドレイン電極の低抵抗性、付着性の少なくとも１つ以上の特性が向上することがわかった。
図８は他の実施形態のボトムコンタクト型有機トランジスタを示す。本発明をボトムコンタクト型の素子に適用する際、図８のようにソース電極１１及びドレイン電極１５のキャリア中継膜１１ａ及び１５ａを極薄の島状の状態にし、伝導体膜１１ｂ及び１５ｂをエッチング性のよいものにすれば、ソース電極及びドレイン電極のパターニングを容易に行える。キャリア中継膜１１ａ及び１５ａが島状になる膜厚は、材料、成膜法により異なるが、２００Å以下が好ましい。
【００４５】
キャリア中継膜１１ａ及び１５ａが島状構造である場合、各々伝導体膜／キャリア中継膜からなるソース電極１１及びドレイン電極１５のエッチングは、伝導体膜のエッチング液又はエッチングガスのみで行える。キャリア中継膜が島状構造であるため、島状キャリア中継膜の隙間からエッチング液（エッチングガス）が浸入し、伝導体膜をエッチングするからである。その結果、キャリア中継膜は下地から浮いた状態となり、剥離してしまう。このように一工程でエッチングが完了する。
【００４６】
上記実施例では、本発明をソース電極及びドレイン電極の両電極に適用したが、ソース電極とドレイン電極の何れか一方の電極のみに適用することもでき、３極の有機トランジスタの他に２極の有機ダイオードの電極にも適応でき、さらに図３及び図４に示す以外にも、ソース電極から有機半導体、ドレイン電極の経路で電流を流す、任意の構造の有機半導体素子に適用できる。
【００４７】
例えば、上記実施例ではＴＦＴ単体の作製における実施例を示したが、本発明によるＴＦＴをＬＣＤ、ＥＬなど表示装置の画素の駆動に用いることもできる。具体的には、少なくとも本発明による有機トランジスタを１つ以上、コンデンサなど必要な素子、画素電極などを共通の基板上に作製すれば、本発明による有機ＭＯＳ−ＴＦＴを用いたアクティブ駆動型の表示装置を実現できる。例として、図９は本発明をＴＦＴ−ＬＣＤ表示装置に適用した場合の表示装置の基板構造を示す。表示装置において、キャリア中継膜１１ａ及び伝導体膜１１ｂからなるソース電極１１がＬＣＤの画素電極２０に接続され、有機半導体層１３が保護膜２１で被覆されている。
【００４８】
さらに、図１０に示すように、本発明を有機トランジスタとして縦型構造のＳＩＴ（静電誘導形トランジスタ）に適用できる。積層膜厚方向の電流をスイッチングできるＳＩＴは、各々がキャリア中継膜及び伝導体膜の積層膜からなるソース電極１１及びドレイン電極１５のキャリア中継膜１１ａ及び１５ａで有機半導体層１３を挟み、有機半導体層１３の厚さ方向の中間に包埋された多孔性のゲート電極１４を有した３端子構造を有する。そのゲート電極１４に電圧を印加したとき、ゲート電極周りの有機半導体に生じる空乏層によってドレイン及びソース間の電流を制御できる。
【００４９】
またさらに、図１１に示すように、有機トランジスタは、互いに積層されたゲート電極１４、ソース電極１１及びドレイン電極１５から構成されていればよく、図３とは逆の順序すなわち、基板１０上に、伝導体膜１１ｂ及び１５ｂ並びにキャリア中継膜１１ａ及び１５ａからなるソース電極１１及びドレイン電極１５を形成し、有機半導体層１３、ゲート絶縁膜１２、並びにゲート電極１４の順で積層して形成されてもよい。
【００５０】
同様に、図１２に示すように、有機トランジスタは、有機半導体層１３を挟んで、伝導体膜１１ｂ及び１５ｂ並びにキャリア中継膜１１ａ及び１５ａからなるソース電極１１及びドレイン電極１５を形成し、ゲート絶縁膜１２を介してゲート電極１４を離間させるように形成されてもよい。
このように本実施形態による有機半導体素子においては、キャリア移動にかかわる電極を、有機半導体のイオン化ポテンシャルに近い仕事関数を持つキャリア中継膜とキャリア中継膜よりも付着性、エッチング性、抵抗の低さのうち少なくとも一つの特性が優れた少なくとも１つの伝導体膜とからなる積層膜で構成したことにより、有機半導体への電荷の注入は障壁の小さいキャリア中継膜から行われるので、金属単体層を用いた場合と同等で素子特性がよく、さらに、金属単体層で電極を形成した場合に比べ、付着性、エッチング性、比抵抗の低さのうち少なくとも一つの特性に優れる有機半導体が実現できる。よって、電極材料の組み合わせの多様化を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】有機トランジスタを示す断面図。
【図２】有機トランジスタを示す断面図。
【図３】本発明による実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【図４】本発明による他の実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【図５】本発明による有機トランジスタのソースドレイン電極間電流電圧特性を示すグラフ。
【図６】本発明による有機トランジスタのソースドレイン電極間電流電圧特性を示すグラフ。
【図７】本発明による有機トランジスタのソースドレイン電極間電流電圧特性を示すグラフ。
【図８】本発明による他の実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【図９】本発明による他の実施形態の有機トランジスタ発明をＴＦＴ−ＬＣＤ表示装置に適用した場合の表示装置の基板構造を示す断面図。
【図１０】本発明による他の実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【図１１】本発明による他の実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【図１２】本発明による他の実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【符号の説明】
１０ 基板
１１ ソース電極
１１ａ キャリア中継膜
１１ｂ 伝導体膜
１２ ゲート絶縁膜
１３ 有機半導体層
１４ ゲート電極
１５ ドレイン電極
１５ａ キャリア中継膜
１５ｂ 伝導体膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an organic semiconductor device using an organic compound having carrier mobility and including an organic semiconductor layer made of such an organic compound.
[0002]
[Prior art]
Semiconductors used for diodes and transistors for performing switches and amplification functions required for signal processing require performance such as high carrier mobility, low dark current, low drive voltage, and complicated element structures. Therefore, an inorganic semiconductor represented by silicon plays a leading role in a semiconductor element.
[0003]
With respect to organic semiconductors, organic electroluminescent devices utilizing their electro-optical conversion characteristics have been developed. Further, when an electric field is applied to the organic semiconductor thin film, the carrier density increases, so that it becomes possible to provide a pair of electrodes on the organic semiconductor thin film and allow a current to flow between them. For example, a source electrode and a drain electrode are arranged on an organic semiconductor thin film, and a voltage is applied in a thickness direction of the thin film by a gate electrode between the source electrode and the drain electrode, so that a current along the organic semiconductor thin film can be switched. Therefore, research on organic transistors has also been conducted, and transmission of information for controlling carriers (electrons and holes) in an organic semiconductor at a junction interface (metal-organic semiconductor, organic semiconductor-organic semiconductor) using electric signals. Organic semiconductors are being used for technologies such as processing, recording and display.
[0004]
1 and 2 show examples of a bottom contact type and a top contact type of an organic MOS-TFT structure using an organic semiconductor thin film. The organic MOS-TFT includes a gate electrode 14, a gate insulating film 12, a source electrode 11 and a drain electrode 15, and an organic semiconductor layer 13 on a substrate 10. The gate electrode 14 is made of Ni, Cr, or the like, and the gate insulating film 12 is made of SiO. 2 Inorganic substances such as metal oxides and nitrides such as SiN and resins such as PMMA, and pentacene and the like for the organic semiconductor layer 13 are used. In addition, a single layer film of Pd, Au, or the like is used for the source electrode 11 and the drain electrode 15.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of a source electrode and a drain electrode composed of a Pd or Au single layer film of an organic semiconductor element, 1) Pd and Au cannot be wet-etched unless a very strong acid such as aqua regia is used. Electrode patterning is difficult due to damage to the base such as electrodes. 2) Adhesion of Pd and Au thin films to the base film is weak and device reliability is low. 3) Pd and Au have small Clark numbers and are expensive. 4) Pd has a higher resistivity than Al or the like generally used as an electrode material, which is an obstacle to practical application.
[0006]
One of the problems to be solved by the present invention is to provide an organic semiconductor element having improved electrode adhesion, etching properties, and low resistance.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The invention of an organic semiconductor device according to claim 1 is an organic semiconductor device comprising a carrier-movable organic semiconductor layer formed between a pair of opposed electrodes, wherein at least one of the pair of electrodes is provided. A carrier relay film in contact with the organic semiconductor layer and having a work function near the ionization potential of the organic semiconductor layer, and a conductor film laminated on the carrier relay film and having a lower resistivity than the carrier relay film And characterized in that:
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of an organic transistor as an organic semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 3 shows a bottom-contact type organic transistor according to the embodiment. The organic transistor is an organic semiconductor comprising a gate insulating film 12 formed on a gate electrode 14 formed on an insulating substrate 10 such as glass, and a carrier-mobile organic compound such as pentacene formed thereon. It comprises a layer 13, a source electrode 11 and a drain electrode 15 formed so as to be in contact with the organic semiconductor layer 13. Each of the source electrode 11 and the drain electrode 15 is composed of carrier relay films 11a and 15a, and conductor films 11b and 15b laminated on the carrier relay films. The gate electrode 14 applies an electric field to the organic semiconductor layer 13 between the opposed source electrode 11 and drain electrode 15.
[0009]
FIG. 4 shows a top-contact type organic transistor of the embodiment. In the top contact type element, the organic semiconductor layer 13 is formed first, the source electrode 11 and the drain electrode 15 are formed thereon, and the carrier relay films 11a and 15a and the conductor films 11b and 15b are stacked in the order of carrier. It has the same configuration as the bottom contact type of FIG. 3 except that the order is from the relay film to the conductor film.
[0010]
The organic semiconductor layer 13 is made of an organic compound having a hole or electron transport ability by applying an electric field. The organic semiconductor layer 13 may have a multilayer structure composed of a thin film of an organic compound having a carrier transporting ability. As an organic semiconductor, condensed rings such as anthracene and tetracene are used in addition to pentacene having high carrier mobility.
[0011]
When an electric field is applied to the gate electrode 14 through the gate insulating film 12, Al, Cu, Ni, Cr generally used as an electrode material, an alloy containing them, or the like is used.
The material of the source and drain electrodes 11 and 15 is required to have a work function close to the ionization potential of the organic semiconductor in order to lower the charge injection barrier with the organic semiconductor. For example, as shown in FIG. 3, each of the source electrode 11 and the drain electrode 15 has laminated films 11a and 11b made of two or more types of metal films so that the work function is close to the ionization potential of the organic semiconductor, and 15a and 15b are used. In other words, the source electrode 11 is in contact with the organic semiconductor layer 13 and has a work function near the ionization potential of the carrier relay film 11a, and a conductive film laminated on the carrier relay film 11a and having a lower resistivity than the carrier relay film. And a body film 11b. Also, the drain electrode 15 is in contact with the organic semiconductor layer 13 and has a work function near the ionization potential of the carrier relay film 15a, and a conductive film laminated on the carrier relay film 15a and having a lower resistivity than the carrier relay film. And a body film 15b.
[0012]
It is particularly important that the work function of the carrier relay films 11a and 15a is close to the ionization potential of the organic semiconductor due to carrier movement in the organic semiconductor. Therefore, a metal film containing at least one material having a work function close to the ionization potential of the organic semiconductor is used as the carrier relay film, and the conductor films 11b and 15b are stacked so as to complement characteristics other than the characteristics of the carrier relay film. Preferably, a membrane is used. If the characteristics cannot be sufficiently improved with a laminated film composed of two types of metal films, a laminated film composed of three or more types of metal films may be used in order to further improve the characteristics. Note that, in order to reduce the barrier against charge injection into the organic semiconductor layer, the carrier relay films 11a and 15a of the source electrode 11 and the drain electrode 15 are provided on the side in contact with the organic semiconductor. A carrier relay film that is in contact with the semiconductor layer and has a work function near the ionization potential of the organic semiconductor layer, and a conductor film that is stacked on the carrier relay film and has a lower resistivity than the carrier relay film. Is also good.
[0013]
For the carrier relay films 11a and 15a, a material such as a metal or an alloy containing at least one material having a work function close to the ionization potential of the organic semiconductor is used. The work function of the material contained in the carrier relay film is preferably within ± 1 eV around the ionization potential of the organic semiconductor used, and more preferably within ± 0.5 eV.
[0014]
For example, when pentacene (ionization potential = 5.06 eV), which is a typical organic semiconductor material, is used, the work function of the material included in the carrier relay film is preferably 4.56 to 5.56 eV. Examples of metals satisfying the conditions include Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Au, As, Se, and Te. A simple substance of these metals or an alloy containing these metals can be used for the carrier relay film.
[0015]
As the conductor films 11b and 15b, use is made of a metal which has at least one of the following properties: specific resistance lower than that of the carrier relay film; Even when the second, third, fourth, and fifth metal films are sequentially laminated on the conductor film, the specific resistance, the etching property, and the base (lower than the gate insulating film in FIG. A metal excellent in at least one of the high adhesive forces that strongly adheres to the film 12) is used.
[0016]
Examples of the metal having a low specific resistance include Al, Cu, Ag, Mo, W, Mg, and Zn. Among these, Al, Cu, Ag, or an alloy containing them, which has particularly low specific resistance, is suitable for the conductor films 11b and 15b.
Metals with high etching properties that can be easily wet-etched include Al, Cu, Ag, Ni, Mo, etc., which dissolve in acids containing phosphoric acid as a main component, and metals that dissolve in cerium ammonium nitrate as a main component. Cr or the like is suitable for the conductor films 11b and 15b. Table 1 shows examples of electrode materials, their specific resistances, and their usable etchants.
[0017]
[Table 1]
As the metal having high adhesiveness, a high melting point metal such as Cr, Mo, Ta, W, and Ti is suitable for the conductor films 11b and 15b. Therefore, the conductor films 11b and 15b may be made of a simple substance of these metals or an alloy containing these metals.
[0018]
If the thickness of the carrier relay films 11a and 15a is too large, low resistance and etching properties are impaired. Therefore, the thickness of the carrier relay film is preferably 1000 ° or less, more preferably 500 ° or less. On the other hand, if the thickness of the carrier relay film is too thin, the effect of lowering the injection barrier into the organic semiconductor layer may be lost. The thickness of the film is 1 ° or more, more preferably 10 ° or more.
[0019]
As a method of forming the source electrode 11 and the drain electrode 15, any method such as an evaporation method, a sputtering method, and a CVD method can be used. The sputtering method is preferable in consideration of the material use efficiency and the simplicity of the apparatus.
The formed laminated film is patterned into a predetermined shape. The patterning method may be any method, but a photo-etching method is preferably used. In the photo-etching method, first, a photoresist is patterned into a predetermined shape on a laminated film, and etching with a solution (wet etching) or etching with a gas (dry etching) is performed. After that, if the photoresist is removed, a desired laminated film pattern can be obtained.
[0020]
When the etching properties of the carrier relay film and the conductor film are different, the laminated film is etched in two steps by using an optimum etching solution or etching gas. It is preferable that the carrier relay film and the conductor film have a common etching property because they can be etched in one step using a common etching solution or etching gas.
[0021]
When the present invention is implemented, there is a slight difference in the method of selecting a conductor film between the case of applying to the bottom contact type and the case of applying to the top contact type. However, in any case, the conductor film must have low specific resistance and good etching properties.
As shown in FIG. 3, when the present invention is applied to the bottom contact type device, the stacking order of the source electrode 11 and the drain electrode 15 is from the conductor film to the carrier relay film. In this case, the adhesion of the conductor film to the gate insulating film 12 is important. On the other hand, when the present invention is applied to the top contact type shown in FIG. 4, the order of lamination of the source electrode 11 and the drain electrode 15 is from the conductor film to the carrier relay film. Although the property is not important, the adhesion of the carrier relay film is important.
[0022]
Pentacene of the organic semiconductor layer is a carrier-transporting material exhibiting high hole mobility. When the bottom contact type element shown in FIG. 1 is formed using this pentacene organic semiconductor layer, a hole transporting (p-type) element can be realized.
When the carrier in the organic semiconductor layer is a hole, a hole transporting material or an amphoteric transporting material capable of moving holes is required as an organic semiconductor, and when the carrier is an electron, an electron transporting material capable of moving electrons or An amphoteric transportable material is required. Examples of the hole transporting material or amphoteric transporting material include copper phthalocyanine and the like, and examples of the electron transporting material include aluminum quinolinol complex (tris-8-hydroxyquinoline aluminum).
[0023]
For the carrier relay film in contact with the organic semiconductor layer of each laminated electrode, a metal having a work function substantially equal to the ionization potential of the carrier transporting organic thin film is selected. If carriers have different energy barriers to move, it is necessary to apply a voltage to fill the difference, and the smaller the energy barrier is, the better the carriers move without resistance. The ionization potential is the energy measured from the vacuum level to the highest occupied molecular orbital (HOMO) level at the top of the valence band. Metal and metal oxide materials can be used for the carrier relay film, and the work function of these materials is the energy measured from the vacuum level (0 eV) to the Fermi level. The work required to apply an electric field to the hole transporting material to cationize is ionized potential energy, and the work required to apply an electric field to the electron transporting material to anionize is electron. Affinity (electron affinity energy).
[0024]
The carrier relay film material having a large work function used in the organic transistor of the present embodiment includes, for example, metals such as gold, platinum, palladium, selenium, and nickel exceeding 4.51 eV, and indium tin oxide (hereinafter, ITO) Iridium zinc oxide, zinc oxide and alloys thereof, or tin oxide and copper iodide.
[0025]
On the other hand, as a carrier relay film material having a small work function, for example, metals such as silver, lead, tin, aluminum, calcium, indium and chromium of 4.51 eV or less, alkali metals such as lithium, alkaline earth metals such as magnesium, Alternatively, an alloy thereof, an alkali metal compound, an alkaline earth metal compound, or the like is used. Table 2 shows examples of work functions of substances that can be selectively used. In the cells of the table, the upper part shows the element symbol and the lower part shows the work function.
[0026]
[Table 2]
[Production of Element]-A comparative element was produced for comparison with a bottom contact type element. In all of the examples and comparative examples, the total thickness of the stacked films of the source electrode and the drain electrode was unified to 2000 °.
[0027]
Example 1 A bottom-contact type organic MOS-TFT as shown in FIG. 3 was manufactured by the following procedure.
(1) [Formation of gate electrode]-A Cr film was formed on a glass substrate to a thickness of 1000 mm by a sputtering method. Next, a mask of a photoresist AZ6112 manufactured by Tokyo Ohka was patterned on the Cr film. This substrate was immersed in an aqueous solution containing cerium ammonium nitrate and perchloric acid to dissolve and remove unnecessary portions of Cr not covered with the resist mask. Finally, the substrate was immersed in acetone to remove the resist mask, and a predetermined gate electrode pattern was obtained on the substrate.
[0028]
(2) [Formation of gate insulating film]-SiO 2 was formed on the gate electrode pattern of the obtained substrate. 2 Was formed to a thickness of 1000 ° by a sputtering method. Next, the mask of the photoresist AZ6112 manufactured by Tokyo Ohka was changed to SiO 2 2 A pattern was formed on the film. Unnecessary portions of the substrate which are not covered with the resist mask are subjected to dry etching using CF4 gas. 2 Was removed. Finally, the resist mask is removed by O2 plasma and SiO 2 is removed. 2 A predetermined pattern of the gate insulating film was obtained on the substrate.
[0029]
(3) [Formation of source electrode and drain electrode]-A mask of a photoresist ZPN1100 manufactured by Zeon Corporation was pattern-formed on the gate insulating film pattern of the obtained substrate. Next, an Al film having a thickness of 1500 ° was formed as a conductor film, and a Pd film having a thickness of 500 ° was formed as a carrier relay film by sputtering. Further, the mask and the metal film on the mask were lifted off with acetone to obtain predetermined patterns of a source electrode and a drain electrode. The channel length determined by the pattern of the source electrode and the drain electrode was 20 μm, and the channel width was 100 μm.
[0030]
(4) [Formation of organic semiconductor layer] -On the electrode pattern of the obtained substrate, pentacene was heated to 60 ° C. with a film thickness of 500 ° C., and the organic semiconductor was formed by a resistance heating evaporation method in a predetermined pattern using a mask. Layers were formed to complete an organic MOS-TFT device.
[Example 2]-The organic layer was formed in exactly the same manner as in Example 1 except that the thickness of the conductor layer was changed to 1800 伝 導 and the thickness of the carrier relay film was changed to 200Å in (3) of Example 1. The MOS-TFT device was completed.
[0031]
[Embodiment 3]-The third metal film for improving the adhesion in the embodiment (3) is made of Cr with a thickness of 500 °, followed by Al as a conductor film with a thickness of 1300 °, and Pd as a carrier relay film. Was formed in a thickness of 200 ° by a sputtering method, and an organic MOS-TFT device was completed in exactly the same manner as in Example 1 except that the source electrode and the drain electrode were formed of a three-layered film.
[0032]
[Comparative Example 1]-Organic MOS-TFT was performed in exactly the same manner as in Example 1 except that Pd was used as a source electrode and a drain electrode in a thickness of 2000 ° and used as a single layer film in (3) of Example 1. The device was completed.
[Example 4]-An element was manufactured by forming Al as a conductor film with a thickness of 1800Å and Ni as a carrier relay film with a thickness of 200Å. Since Al and Ni have a common etching property, the laminated film was patterned by photoetching. Specifically, an organic MOS-TFT device was completed in exactly the same manner as in Example 1 except that (3) of Example 1 was changed as follows.
[0033]
(3) [Formation of source electrode and drain electrode]-Sputtering Al on the gate insulating film pattern of the obtained substrate at a thickness of 1800 と し て as a conductor film, followed by Ni at a thickness of 200Å as a carrier relay film. The film was formed by the method. Next, a mask of a photoresist AZ6112 manufactured by Tokyo Ohka was patterned on the Al / Ni laminated film. This substrate was immersed in a mixed acid composed of phosphoric acid and nitric acid to dissolve and remove unnecessary portions of Al / Ni not covered with the resist mask. Finally, the substrate was immersed in acetone to remove the resist mask, and a predetermined pattern of a source electrode and a drain electrode was obtained. The channel length determined by the pattern of the source electrode and the drain electrode was 20 μm, and the channel width was 100 μm.
[0034]
[Comparative Example 2]-Organic MOS-TFT was performed in exactly the same manner as in Example 3 except that Ni was sputtered to a thickness of 2000 ° as a source electrode and a drain electrode and used as a single layer film in (3) of Example 1. The device was completed.
Example 5 A top-contact type organic MOS-TFT as shown in FIG. 4 was manufactured by the following procedure.
[0035]
(1) [Formation of gate electrode]-A Cr film was formed on a glass substrate to a thickness of 1000 mm by a sputtering method. Next, a mask of a photoresist AZ6112 manufactured by Tokyo Ohka was patterned on the Cr film. This substrate was immersed in an aqueous solution containing cerium ammonium nitrate and perchloric acid to dissolve and remove unnecessary portions of Cr not covered with the resist mask. Finally, the substrate was immersed in acetone to remove the resist mask, thereby obtaining a predetermined gate electrode pattern.
[0036]
(2) [Formation of gate insulating film]-SiO 2 was formed on the gate electrode pattern of the obtained substrate. 2 Was formed to a thickness of 1000 ° by a sputtering method. Next, the mask of the photoresist AZ6112 manufactured by Tokyo Ohka was changed to SiO 2 2 A pattern was formed on the film. Unnecessary portions of the substrate which are not covered with the resist mask are subjected to dry etching using CF gas. 2 Was removed. Finally, the resist mask is removed by O2 plasma, SiO 2 2 A predetermined pattern of the gate insulating film was obtained.
[0037]
(3) [Formation of organic semiconductor layer]-On the gate insulating film pattern of the obtained substrate, pentacene is heated to a temperature of 60 ° C at a thickness of 500 ° C, and the organic semiconductor layer is formed by resistance heating evaporation using a mask. Was formed.
(4) [Formation of source electrode and drain electrode] -Pd having a thickness of 200 mm as a carrier relay film and a film of Al as a conductor film were formed on the organic semiconductor layer pattern of the obtained substrate using a mask. Each was formed by a resistance heating evaporation method at a thickness of 1800 ° to obtain a predetermined pattern of a source electrode and a drain electrode. The channel length determined by the pattern of the source electrode and the drain electrode patterned by the mask was 20 μm, and the channel width was 100 μm. As described above, the organic MOS-TFT device was completed.
[0038]
[Example 6]-Exactly the same as Example 5 except that in (4) of Example 5, the thickness of Pd as the carrier relay film was set to 10 ° and the thickness of Al as the conductor film was set to 1990 °. Thus, an organic MOS-TFT was completed.
[Comparative Example 3]-An organic MOS transistor was manufactured in exactly the same manner as in Example 5 except that Pd was used as a source electrode and a drain electrode in a thickness of 2000 mm and used as a single layer film in (4) of Example 5- The TFT element was completed.
[0039]
[Adhesiveness of Source Electrode and Drain Electrode] When forming devices in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, the SiO 2 A sample in which only a gate insulating film and a source electrode and a drain electrode were formed by sputtering was simultaneously produced, and a SiO 2 underlayer was formed. 2 The adhesion of the film to the gate insulating film was evaluated. The evaluation of adhesion was performed as follows.
SiO using a cutter knife 2 Eleven horizontal and vertical cuts were made in the film at a pitch of 1 mm to make 10 × 10 = 100 squares.
[0040]
Adhesive tape was stuck on the cells and pressed down from above.
The tape was vigorously peeled off, and the number of squares remaining without peeling was counted. Table 3 shows the results of the adhesion evaluation. (In the column of the laminated film material in Table 3, the conductor film material / the carrier relay film material is shown. In the adhesiveness column, 100 is a perfect score, and the larger the number, the higher the adhesiveness.)
[0041]
[Table 3]
In each case, it was found that the adhesiveness of the example was equal to or higher than that of the comparative example. In particular, as compared with the case of the Pd single layer film (Comparative Example 1), the improvement of the adhesion of the example was remarkable.
[0042]
[Resistance of Stacked Film of Source Electrode and Drain Electrode] In forming an element in the above Examples and Comparative Examples, 2 A sample in which only the gate insulating film and the source electrode and the drain electrode were formed by sputtering was simultaneously manufactured, and the specific resistance of the film was evaluated. The specific resistance was measured by a four-probe method using a sheet resistance (Ω / □) at a thickness of 2000 mm. Table 3 shows the measurement results of the specific resistance. In each case, it was found that the laminated film according to the present invention had lower resistance than the metal single layer film.
[0043]
[Electrical characteristics of organic MOS-TFT element]-With respect to the organic MOS-TFT manufactured in each of Examples and Comparative Examples, the voltage between the source electrode 11 and the drain electrode 15 was changed while the gate electrode voltage was constant. And the current between the drain electrodes was measured. The measurement results are shown in Table 3, FIG. 5, FIG. 6, and FIG.
As shown in Table 3, FIG. 5, FIG. 6, and FIG. 7, the element using the Al / Pd laminated film and the Cr / Al / Pd laminated film for the source electrode 11 and the drain electrode 15 used the Pd single layer film. It was found that the device exhibited almost the same characteristics as the device. In addition, it was found that the element using the Al / Ni laminated film for the source electrode and the drain electrode exhibited almost the same characteristics as the element using the Ni single layer film.
[0044]
The device according to the present invention has low resistance of the source electrode and the drain electrode, although the device characteristics are almost the same as those of a device using a single metal having a work function close to that of a conventional organic semiconductor for the source electrode and the drain electrode. It has been found that at least one or more of the adhesive properties are improved.
FIG. 8 shows a bottom-contact type organic transistor according to another embodiment. When the present invention is applied to a bottom contact type device, the carrier relay films 11a and 15a of the source electrode 11 and the drain electrode 15 are made into an extremely thin island shape as shown in FIG. 8, and the conductor films 11b and 15b are etched. With good properties, patterning of the source electrode and the drain electrode can be easily performed. The film thickness at which the carrier relay films 11a and 15a become island-shaped differs depending on the material and the film forming method, but is preferably 200 ° or less.
[0045]
When the carrier relay films 11a and 15a have an island structure, the etching of the source electrode 11 and the drain electrode 15 each composed of a conductor film / carrier relay film can be performed using only an etching solution or an etching gas for the conductor film. This is because, since the carrier relay film has an island structure, an etching solution (etching gas) intrudes from a gap between the island carrier relay films and etches the conductor film. As a result, the carrier relay film floats from the base and peels off. Thus, the etching is completed in one step.
[0046]
In the above embodiment, the present invention is applied to both the source electrode and the drain electrode. However, the present invention can be applied to only one of the source electrode and the drain electrode. 3 and 4, and can be applied to an organic semiconductor element having an arbitrary structure in which a current flows from a source electrode to an organic semiconductor and a drain electrode.
[0047]
For example, in the above embodiment, the embodiment in which a TFT alone is manufactured is shown. However, the TFT according to the present invention can be used for driving pixels of a display device such as an LCD and an EL. Specifically, if at least one or more organic transistors according to the present invention, necessary elements such as capacitors, pixel electrodes, and the like are manufactured on a common substrate, an active drive type display using an organic MOS-TFT according to the present invention can be obtained. The device can be realized. As an example, FIG. 9 shows a substrate structure of a display device when the present invention is applied to a TFT-LCD display device. In the display device, a source electrode 11 composed of a carrier relay film 11a and a conductor film 11b is connected to a pixel electrode 20 of an LCD, and an organic semiconductor layer 13 is covered with a protective film 21.
[0048]
Further, as shown in FIG. 10, the present invention can be applied to a vertical structure SIT (static induction transistor) as an organic transistor. The SIT capable of switching the current in the thickness direction of the laminated film includes an organic semiconductor layer 13 sandwiched between carrier relay films 11a and 15a of a source electrode 11 and a drain electrode 15 each composed of a laminated film of a carrier relay film and a conductor film. It has a three-terminal structure having a porous gate electrode 14 embedded in the middle of the layer 13 in the thickness direction. When a voltage is applied to the gate electrode 14, a current between the drain and the source can be controlled by a depletion layer generated in the organic semiconductor around the gate electrode.
[0049]
Further, as shown in FIG. 11, the organic transistor only needs to be composed of the gate electrode 14, the source electrode 11 and the drain electrode 15 stacked on each other, and the order is opposite to that of FIG. The source electrode 11 and the drain electrode 15 are formed of the conductor films 11b and 15b and the carrier relay films 11a and 15a, and are formed by stacking the organic semiconductor layer 13, the gate insulating film 12, and the gate electrode 14 in this order. Is also good.
[0050]
Similarly, as shown in FIG. 12, in the organic transistor, the source electrode 11 and the drain electrode 15 including the conductor films 11b and 15b and the carrier relay films 11a and 15a are formed with the organic semiconductor layer 13 interposed therebetween. The gate electrode 14 may be formed so as to be separated from the gate electrode 14 via the film 12.
As described above, in the organic semiconductor device according to the present embodiment, the electrodes involved in carrier transfer are provided with a carrier relay film having a work function close to the ionization potential of the organic semiconductor and a lower adhesion, etching property, and lower resistance than the carrier relay film. The charge injection into the organic semiconductor is performed from the carrier relay film having a small barrier by using a laminated film composed of at least one conductive film having at least one of the excellent characteristics. As a result, it is possible to realize an organic semiconductor which is excellent in element characteristics as in the case of the above, and which is excellent in at least one of adhesion, etching, and low specific resistance as compared with the case where an electrode is formed of a single metal layer. Therefore, diversification of combinations of electrode materials can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an organic transistor.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an organic transistor.
FIG. 3 is a sectional view showing an organic transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view showing an organic transistor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing current-voltage characteristics between source and drain electrodes of an organic transistor according to the present invention.
FIG. 6 is a graph showing current-voltage characteristics between source and drain electrodes of an organic transistor according to the present invention.
FIG. 7 is a graph showing current-voltage characteristics between source and drain electrodes of an organic transistor according to the present invention.
FIG. 8 is a sectional view showing an organic transistor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a substrate structure of a display device when an organic transistor invention of another embodiment according to the present invention is applied to a TFT-LCD display device.
FIG. 10 is a sectional view showing an organic transistor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a sectional view showing an organic transistor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a sectional view showing an organic transistor according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Substrate
11 Source electrode
11a Carrier relay film
11b Conductor film
12 Gate insulating film
13 Organic semiconductor layer
14 Gate electrode
15 Drain electrode
15a Carrier relay film
15b Conductor film
