【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機半導体を用いた電界効果トランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電界効果トランジスタは、バイポーラトランジスタと並んで重要なスイッチ、増幅素子として広く利用されている。電界効果トランジスタは、半導体材料にソース電極及びドレイン電極と、絶縁体層を介してゲート電極を設けた構造を有する。電界効果トランジスタの動作特性は、用いられる半導体のキャリア移動度μ、電気伝導度σ、絶縁層の静電容量Ｃｉ、素子の構成（ソース電極−ドレイン電極間距離Ｌ及び幅Ｗ、絶縁層の膜厚ｄ等）により決まるが、この中で、半導体材料の特性としては、高い移動度（μ）を有するものが良好な特性を示すことになる。
【０００３】
現在、半導体材料としてはシリコンが広く用いられている。シリコンに代表される無機半導体は、製造時に３００℃以上の高温で処理する必要があることから、基板にプラスチック基板やフィルムを用いることが難しく、かつ製造に多くのエネルギーを必要とするという欠点がある。また、真空での素子作製プロセスを経るため、製造ラインに高価な設備を必要とし、高コストになるという欠点もある。
【０００４】
これに対して、有機半導体を用いたトランジスタは、その殆どが無機半導体より低温プロセスで製造することができるため、基板としてプラスチック基板やフィルムを用いることができ、軽量で壊れにくい素子を作製することができる。また、溶液の塗布や印刷法を用いた素子作製が可能なものもあり、大面積の素子を低コストで製造することが可能である。更に、材料のバリエーションが豊富であり、分子構造を変化させることにより容易に材料特性を根本的に変化させることが可能であるため、異なる機能を組み合わせることで、無機半導体では不可能な機能、素子を実現することも可能である。
【０００５】
半導体として有機半導体を用いたトランジスタについて、特開昭６１−２０２４６７号公報には、導電性高分子、共役高分子を利用したものが記載され、特許２９８４３７０号公報には、低分子化合物を利用したものが記載されている。
【０００６】
従来の半導体として有機半導体を用いたトランジスタの代表的な構造を図１〜３に示す。
【０００７】
図１の電界効果トランジスタにあっては、絶縁性支持基板１上にゲート電極２が設けられ、更にこの上に絶縁体層３及び有機半導体層４が設けられている。この有機半導体層４に接するように、ソース電極５とドレイン電極６が絶縁体層３上に設けられている。この電界効果トランジスタはボトムゲート・ボトムコンタクト型と称される。
【０００８】
図２の電界効果トランジスタにあっては、絶縁体層３上の有機半導体層４上にソース電極５とドレイン電極６が設けられている点が図１に示す電界効果トランジスタと異なり、その他は同様の構成とされている。この電界効果トランジスタはボトムゲート・トップコンタクト型と称される。
【０００９】
図３に示す電界効果トランジスタにあっては、絶縁性支持基板１上にソース電極５とドレイン電極６が設けられ、絶縁性支持基板１上に有機半導体層４及び絶縁体層３が積層され、絶縁体層３上にゲート電極２が設けられている。この電界効果トランジスタは、トップゲート・ボトムコンタクト型と称される。
【００１０】
このような電界効果トランジスタでは、ゲート電極２に電圧が印加されると、有機半導体層４と絶縁体層３の界面近傍における有機半導体層のキャリア密度を変化させて、ソース−ドレイン電極５，６間に流れる電流量を変化させる。
【００１１】
また、このような有機半導体を用いた電界効果トランジスタの有機半導体層における電荷輸送現象に対する研究も行われている。例えば、チオフェン環が数個連なったオリゴチオフェンにおいては、絶縁体層に対して分子軸が垂直よりやや傾くようにして立ち、またソース電極−ドレイン電極方向に対してオリゴチオフェンのπ軌道が互いに相互作用するように配列し、この配列したオリゴチオフェンの分子の層が絶縁体層に対して垂直方向に積み重なってオリゴチオフェンの有機半導体層を形成する（ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，第１２巻，第１４号，１０４６〜１０５０頁，２０００年）。ゲート電極による誘起電荷はこの相互作用しているπ軌道を通してソース電極−ドレイン電極間を移動するため、高い移動度を得るためにはオリゴチオフェン分子間のπ軌道相互作用を強くすることが望ましい。
【００１２】
更にまた、このオリゴチオフェン半導体層を用いたボトムゲート・ボトムコンタクト型電界効果トランジスタの作動時には、絶縁体層より上の１個分から２、３個分のオリゴチオフェン分子層において誘起電荷が移動していることが示唆されている（ＳＣＩＥＮＣＥ，第２６８巻，第１４号，２７０〜２７１頁，１９９５年）。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、有機トランジスタの有機半導体層における電荷輸送現象については種々検討され、高い移動度が達成されているものもあるが、絶縁体層や基板、或いは有機半導体の種類により、電界効果トランジスタとしての性能（移動度、リーク電流値、ｏｎ／ｏｆｆ比等）が影響を受け、一定しないという問題があった。
【００１４】
本発明者らは、従来の電界効果トランジスタにおけるトランジスタ性能の不安定性について鋭意検討した結果、図１に示すボトムコンタクト型トランジスタ（有機半導体層の下側にソース電極及びドレイン電極が形成された構造）においては、絶縁体層の表面粗さが、この絶縁体層と接する側の有機半導体の分子配列を乱し、更にこの乱れがこの上に積み重なる有機半導体分子各層の配列をも乱すことになること、そして、この配列の乱れは、有機半導体分子間のπ軌道の相互作用を弱くし、誘起電荷移動に悪影響を及ぼす結果となり、トランジスタ性能が損なわれることが判った。
【００１５】
また、図３におけるボトムコンタクト型トランジスタにおいては有機半導体層を先に形成するため、後に形成する絶縁体層と接することになる有機半導体層表面の配列の乱れや、絶縁体層を形成した場合に引き起こされる有機半導体層側の配列の乱れが誘起電荷の移動に悪影響を及ぼす結果、トランジスタ性能を阻害する。
【００１６】
さらにまた、図２に示すトップコンタクト型トランジスタ（有機半導体層上にソース電極及びドレイン電極が形成された構造）においても、ゲート電極による誘起電荷は絶縁体層と有機半導体層との接する有機半導体層側を移動するため、やはりこの界面の粗さは誘起電荷が移動する有機半導体分子の配列を乱し、誘起電荷移動に悪影響を及ぼす結果、トランジスタ性能を阻害する。
【００１７】
なお、支持基板とゲート電極とを兼ねる高濃度ドープシリコン基板上に熱成長によりＳｉＯ２絶縁体層を形成した場合には、高濃度ドープシリコン基板の表面の平坦性から、その上に形成された熱成長ＳｉＯ２絶縁体層の表面粗さは小さいものと考えられるが、従来において、具体的な表面粗さは特定されておらず、表面粗さと誘電電荷移動との関係は何ら検証されていない（ＳＣＩＥＮＣＥ，第２６８巻、第１４号、２７０〜２７１頁、１９９５年）。
【００１８】
有機トランジスタがフレキシブルディスプレイにおけるスイッチング素子として用いられることがＢｅｌｌ Ｌａｂ． Ｌｕｃｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， ＰＮＡＳ．， ９８， ４８３５に開示されている。この有機トランジスタの場合、絶縁性支持基板の表面粗さ、絶縁体層を形成する絶縁体物質やその形成プロセスにより絶縁体層の表面粗さの影響はより重要な問題となると考えられるが、これらについての報告はなされていない。
【００１９】
本発明は上記従来の実状に鑑みてなされたものであって、より高い移動度と、高いｏｎ電流及び低いリーク電流と、高いｏｎ／ｏｆｆ比とを達成することができ、かつこれらのトランジスタ性能が安定した有機トランジスタを提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の電界効果トランジスタは、絶縁体層と、該絶縁体層により隔離されたゲート電極及び有機半導体層と、該有機半導体層に接するように設けられたソース電極及びドレイン電極と、絶縁性支持基板とを有する電界効果トランジスタにおいて、該絶縁体層と該有機半導体層との界面の平均粗さが５０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００２１】
かかる本発明の電界効果トランジスタにあっては、絶縁体層と有機半導体層の接する界面の平均粗さが５０ｎｍ以下であることにより、有機半導体層における該界面近傍、ひいては層全体における有機半導体分子の配列の乱れが抑制され、高い移動度と高いｏｎ電流及び低いリーク電流、高いｏｎ／ｏｆｆ比が達成される。
【００２２】
なお、本発明において、絶縁体層と有機半導体層との界面の平均粗さ（Ｒａ）とは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）のタッピングモードにより測定した値である。また、観察する範囲は２μｍ角の間とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の電界効果トランジスタの実施の形態を詳細に説明する。
【００２４】
本発明の電界効果トランジスタは、絶縁体層と、この絶縁体層により隔離されたゲート電極及び有機半導体層と、この有機半導体層に接するように設けられたソース電極及びドレイン電極とを、絶縁性支持基板上に有するものであり、その構造には特に制限はなく、図１に示すボトムゲート・ボトムコンタクト型、図２に示すボトムゲート・トップコンタクト型、図３に示すトップゲート・ボトムコンタクト型などが挙げられる。
【００２５】
本発明においては、このような電界効果トランジスタにおいて、絶縁体層３と有機半導体層４とが接する界面７の平均粗さ（Ｒａ）を５０ｎｍ以下、好ましくは４０ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以下、特に好ましくは２０ｎｍ以下、とりわけ好ましくは１０ｎｍ以下とする。この界面７の平均粗さは小さい程好ましいが、絶縁体層３と有機半導体層４の成膜方法上の実現性の面からは０．１ｎｍ以上であり、通常０．２ｎｍ以上、一般的には０．５ｎｍ以上である。
【００２６】
なお、本発明においては、このように、絶縁体層３と有機半導体層４との界面７の平均粗さ（Ｒａ）を小さくすることにより、ゲート電極２による誘起電荷が移動する領域の有機半導体分子の配列の乱れを防止する。従って、このような平均粗さは絶縁体層３と有機半導体層４との界面７のうち、少なくともゲート電極２に対応する領域において満足されていれば良く、必ずしも該界面７の全面において平均粗さが５０ｎｍ以下である必要はない。
【００２７】
従って、図１のボトムゲート・ボトムコンタクト型電界効果トランジスタにあっては、絶縁体層３と有機半導体層４との界面７のうち、ゲート電極２をこの界面７に向けて投影した投影面部分、即ち図１のＴの投影面領域のうちの界面７に重なる部分、即ち図１のＳの界面領域が、上述のような平均粗さを満足するものであれば良い。
【００２８】
また、図２のボトムゲート・トップコンタクト型電界効果トランジスタにあっては、絶縁体層３と有機半導体層４との界面７のうち、ゲート電極２をこの界面７に向けて投影した投影面部分、即ち図２のＴの投影面領域のうちの界面７に重なる部分、即ち図２のＳの界面領域が、上述のような平均粗さを満足するものであれば良い。
【００２９】
更に、図３のトップゲート・ボトムコンタクト型電界効果トランジスタにあっては、絶縁体層３と有機半導体層４との界面７のうち、ゲート電極２をこの界面７に向けて投影した投影面部分、即ち図３のＴの投影面領域のうちの界面７に重なる部分、即ち図３のＴの界面領域が、上述のような平均粗さを満足するものであれば良い。
【００３０】
このように、絶縁体層３と有機半導体層４との接する界面の平均粗さを５０ｎｍ以下とするには、例えば、図１，２のように、絶縁体層３上に有機半導体層４が成膜された電界効果トランジスタの場合には、有機半導体層４が積層成膜される絶縁体層３の上面の表面平均粗さが５０ｎｍ以下となるようにした後、有機半導体層４を成膜すれば良い。また、図３のように、有機半導体層４上に絶縁体層３が成膜されている電界効果トランジスタの場合には、絶縁体層３が積層成膜される有機半導体層４の上面の表面平均粗さが５０ｎｍ以下となるようにした後、絶縁体層３を成膜すれば良い。
【００３１】
このように絶縁体層３や有機半導体層４の上面の表面平均粗さを５０ｎｍ以下に制御する方法としては、特に制限はなく、絶縁体層又は有機半導体層の成膜材料、成膜速度等の成膜条件、膜厚等を適宜選択、調整することにより、表面平均粗さの小さい表面平滑な層を形成すれば良い。例えば、後述の実施例に示す如く、絶縁体層の形成材料として光硬化性樹脂を用い、未硬化の塗膜を形成した後、光を照射して光硬化性樹脂を硬化させる方法を採用することができる。また、光を照射する前に、この塗膜上に該光硬化性樹脂との接着性が無く、剥離性が良好な材料よりなる表面平滑な透明板、例えばガラス板を載せ、この状態で塗膜に光を照射して光硬化性樹脂を硬化させる方法を採用すれば、得られる硬化膜の表面には、この板の平滑表面が転写され、更に表面平均粗さの小さい表面平滑な硬化膜を形成することができる。
【００３２】
絶縁体層と有機半導体層との界面の平均粗さが、本発明の範囲内か否かを確認する手段としては、電界効果トランジスタを作製する過程で、絶縁体層又は有機半導体層上の平均粗さが５０ｎｍ以下であることを確認しても良いし、作製されたデバイスから、本発明で着目する界面の上に製膜された上層である絶縁体層又は有機半導体層を、界面の状態を保持しつつ剥離し、その平均粗さを確認しても良い。また、本発明で着目する界面の上に製膜された上層である絶縁体層又は有機半導体層が、例えば１μｍ以下のような薄膜の場合には、その上層の表面粗さが、本発明で着目する界面の平均粗さをほぼ表すため、この上層の平均粗さを本発明の界面の粗さの目安とすることができる。
【００３３】
本発明において、電界効果トランジスタの構成材料自体には特に制限はなく、従来電界効果トランジスタに適用されているものをいずれも好適に用いることができる。
【００３４】
絶縁性支持基板の材料としては、絶縁性を示し電界効果トランジスタ及びその上に作成される表示素子、表示パネル等を支持できるものであれば良く、公知のもの、例えばガラス、プラスチック、石英等をいずれでも用いることができ、より具体的には、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルスルフォン、アモルファスポリオレフィン、エポキシ樹脂、ガラス等が挙げられる。中でもポリマー基板が好ましく、強度の点ではポリエステル又はポリカーボネートが好ましく、特にはポリエチレンテレフタレート等のポリエステルが好ましい。絶縁性支持基板の厚みは０．０５ ｍｍから２ ｍｍが好ましく、０．１ ｍｍから１ ｍｍが更に好ましい。
【００３５】
ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の構成材料は、導電性を示すものであれば良く、公知のものをいずれでも用いることができ、例えば白金、金、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、チタン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ナトリウム等の金属、ＩｎＯ２、ＳｎＯ２、ＩＴＯ等の導電性酸化物、樟脳スルホン酸がドープされたポリアニリン、パラトルエンスルホン酸がドープされたポリエチレンジオキシチオフェン等のドープされ良好な電気伝導度を示す導電性高分子、カーボンブラック、金属微粒子、グラファイト粉等がバインダーに分散されてなり良好な電気伝導度を示す導電性複合材料などが挙げられる。
【００３６】
ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の形成法としては、真空蒸着法、スパッタ法、塗布法、印刷法、ゾルゲル法等が挙げられ、更にそのパターニング方法としては、フォトレジストのパターニングとエッチング液や反応性のプラズマでのエッチングを組み合わせたフォトリソグラフィー法、インクジェット印刷、スクリーン印刷、オフセット印刷、凸版印刷等の印刷法、マイクロコンタクトプリンティング法等のソフトリソグラフィーの手法及びこれらの手法を複数組み合わせた手法などが挙げられる。また、レーザーや電子線等のエネルギー線を照射して材料を除去することや材料の導電性を変化させることにより、直接パターンを作製することも可能である。
【００３７】
これらゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の厚みは０．０１μｍから２μｍが好ましく、０．０２μｍから１μｍが更に好ましい。
【００３８】
なお、ソース電極−ドレイン電極間距離（チャンネル長さＬ）は通常１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下であり、チャンネル幅Ｗは通常２０００μｍ以下、好ましくは５００μｍ以下であり、Ｌ／Ｗは通常０．１以下、好ましくは０．０５以下である。
【００３９】
絶縁体層の絶縁体としては、ゲート電極への電流の漏れを防ぎかつ低ゲート電圧で電界効果トランジスタを駆動させることができるように絶縁性に優れかつ比較的大きな比誘電率を持つものであれば公知のものをいずれでも用いることができ、例えばポリメチルメタクリレート等のアクリル樹脂、ポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリスルホン、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等のポリマー及びこれらを組み合わせた共重合体、二酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン等の酸化物、窒化珪素等の窒化物、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３等の強誘電性酸化物、あるいは、上記酸化物や窒化物、強誘電性酸化物等の粒子を分散させたポリマー膜等が挙げられる。中でもエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂が好ましい。また、絶縁体の前駆物質としてモノマーを塗布した後、光を照射して硬化させることにより絶縁体を形成する光硬化樹脂を用いると、前述の如く、表面平均粗さを容易に所望の小さな値に調節することができる点において好ましい。
【００４０】
絶縁体層の形成方法としては、スピンコートやブレードコートなどの塗布法、蒸着法、スパッタ法、スクリーン印刷やインクジェット等の印刷法等、材料の特性に合わせた形成方法を採用することができる。
【００４１】
このようにして形成される絶縁体層は、前述の如く、ゲート電極への漏れ電流、電界効果トランジスタの低ゲート電圧駆動に関係することから、室温での電気伝導度が１０−１２ Ｓ／ｃｍ以下、更には１０−１４ Ｓ／ｃｍ以下、比誘電率が２．０以上、更には２．５以上を示すことが好ましい。
【００４２】
このような絶縁体層の厚みは０．１μｍから４μｍが好ましく、０．２μｍから２μｍが更に好ましい。
【００４３】
有機半導体層を形成する有機半導体は特に限定されず、π共役系の低分子及び高分子であれば公知のものをいずれでも用いることができ、例えばペンタセン、オリゴチオフェン、置換基を有するオリゴチオフェン、ビスジチエノチオフェン、置換基を有するジアルキルアントラジチオフェン、金属フタロシアニン、ベンゾポルフィリン、フッ素置換された銅フタロシアニン、Ｎ， Ｎ’−ジアルキル−ナフタレン−１， ４， ５， ８−テトラカルボン酸ジイミド置換体、３， ４， ９， １０−ペリレンテトラカルボン酸ジアンハイドライド、Ｎ， Ｎ’−ジアルキル−３， ４， ９， １０−ペリレンテトラカルボン酸ジイミド、フラーレンなどのπ共役系低分子やレジオレギュラーポリ（３−ヘキシルチオフェン）に代表されるレジオレギュラーポリ（３−アルキルチオフェン）、ポリ−９， ９’−ジアルキルフルオレンコビチオフェンなどのπ共役系共重合体等のπ共役系高分子が挙げられる。
【００４４】
これらπ共役系低分子、高分子のなかでも、有機半導体層を形成した場合、そのソース電極−ドレイン電極方向の電気伝導度が１０−４ Ｓ／ｃｍ以下、１０−１２ Ｓ／ｃｍ以上を示すものが好ましく、特に１０−６ Ｓ／ｃｍ以下、１０−１１ Ｓ／ｃｍ以上、とりわけ１０−７ Ｓ／ｃｍ以下、１０−１０ Ｓ／ｃｍ以上を示すものがより好ましい。更にまた、これらπ共役系低分子、高分子のなかでも、有機半導体層を形成した場合に電界効果移動度とソース電極−ドレイン電極方向の電気伝導度、及び電荷素量から求めたキャリア密度が１０７ ｃｍ−３以上、１０１８ ｃｍ−３以下を示すものが好ましく、特に１０８ ｃｍ−３以上、１０１７ ｃｍ−３以下を示すものがより好ましい。また、これらπ共役系低分子、高分子のなかでも、有機半導体層を形成した場合に電界効果移動度の室温以下での温度依存性から求められる電荷移動に要する活性化エネルギーが０．２ｅＶ以下を示すものが好ましく、特に０．１ｅＶ以下を示すものがより好ましい。
【００４５】
更にまた、これらπ共役系低分子のなかでも分子長が４０Å以下のものにおいては、該電界効果トランジスタに用いた絶縁体層と同じ絶縁体層上に有機半導体層を形成した場合、層表面に対する法線に対して６０°の角度から入射光を入れて測定した偏光吸収において、これらπ共役系低分子の分子軸方向の遷移モーメントに由来する吸収ピーク強度のｐ偏光成分とｓ偏光成分の比であるｐ偏光成分／ｓ偏光成分が１．５以上、更には２．０以上、特には３．０以上を示す特性を持つものが好ましい。
【００４６】
また一方で、分子長が４０Åより大きいπ共役系高分子においては、該電界効果トランジスタに用いた絶縁体層と同じ絶縁体層上に有機半導体層を形成した場合、層表面に垂直方向から入射光を入れて測定した偏光吸収において、これらπ共役系高分子の主鎖方向の遷移モーメントに由来する吸収ピーク強度のソース電極−ドレイン電極方向成分とそれに垂直方向成分の比であるソース電極−ドレイン電極方向成分／垂直方向成分が３．５以上、更には４．５以上、特には５．０以上を示す特性を持つものが好ましい。
【００４７】
更にまた、これらπ共役系低分子、高分子のなかでも、該電界効果トランジスタに用いた絶縁体層と同じ絶縁体層上に有機半導体層を形成した場合、最隣接分子或いは高分子間の距離が３．９Å以下、更には３．８５Å以下、特には３．８Å以下である特性を示すものが好ましい。
【００４８】
このような有機半導体層の膜厚は１ ｎｍから１０ μｍが好ましく、１０ ｎｍから５００ｎｍが更に好ましい。
【００４９】
これらの有機半導体を用いた有機半導体層を形成する方法としては、低分子有機半導体の場合には、真空蒸着により絶縁体層又は絶縁性支持基板上に蒸着して形成する方法、溶媒に溶解してキャスト、ディップ、スピンコートなどにより塗布して形成する方法などが挙げられる。高分子有機半導体の場合は、溶媒に溶解してキャスト、ディップ、スピンコートなどにより塗布して形成する方法などが挙げられる。また、目的とする低分子前駆体或いは目的とする高分子前駆体を用いて前述の適切な方法により層形成し、その後に加熱処理等により目的とする有機半導体層に変換する方法も挙げられる。またさらに、図３に示すトップゲート・ボトムコンタクト型電界効果トランジスタにおいては前述したように有機半導体層上面の表面平滑性を必要とするため、この場合は特に真空蒸着法においては高真空下で蒸着速度を極力遅くし蒸着する、塗布法においては適宜粘度を調節後に高速回転におけるスピンコート法にて製膜する方法が効果的である。
【００５０】
本発明の電界効果トランジスタの基本的な構造は、絶縁体層と、この絶縁体層により隔離されたゲート電極及び有機半導体層と、この有機半導体層に接するように設けられたソース電極及びドレイン電極とを絶縁性支持基板上に有するものであり、その具体的な構造としては図１〜３に示すようなものが挙げられるが、本発明の電界効果トランジスタは、何ら図１〜３に示す構造の電界効果トランジスタに限定されず、更に図１〜３に示される層以外の層が形成されていても良い。
【００５１】
例えば、図１，２に示す電界効果トランジスタのように、有機半導体層が表出している電界効果トランジスタにあっては、有機半導体に対する外気の影響を最小限にするために、更にこの上に保護膜を形成しても良く、この場合、保護膜の材料としてはエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン、ポリイミド、ポリビニルアルコール等のポリマーや酸化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム等の無機酸化物や窒化物等が挙げられる。保護膜の形成方法としては塗布法や真空蒸着法などが挙げられる。
【００５２】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００５３】
実施例１
図１に示す構造の電界効果トランジスタを以下の方法により製造する。
【００５４】
ＩＴＯがコートされたポリエチレンテレフタレートシート（ポリエチレンテレフタレート厚み：約０．１ ｍｍ、ＩＴＯ厚み：約１００ ｎｍ、Ｓｏｕｔｈｗａｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製）を絶縁性支持基板及びゲート電極として用い、ＩＴＯ膜上に光硬化性芳香族アクリレートモノマーをキャスト法により塗布する。この塗布膜上にガラス基板を載せて不活性ガス中で光を照射して光硬化させた後、ガラス板を取り去ることにより、膜厚約１μｍの光硬化性樹脂よりなる絶縁体層を形成する。この光硬化性樹脂はガラス板との接着性が悪いため、ガラス板との接触界面を荒らすことなくガラス板を剥離することができ、ガラス鏡面に近い表面平滑な絶縁体層を形成することができる。この絶縁体層の表面平均粗さをＡＦＭにより測定したところ６ｎｍ程度であり、表面平滑性が著しく良好である。
【００５５】
次に、この絶縁体層上に線状マスクを用いてＡｕを真空蒸着することによりソース電極及びドレイン電極を形成する。形成されたソース電極及びドレイン電極の膜厚は約１５００Åであり、ソース電極−ドレイン電極間距離（チャンネル長Ｌ）は約２５μｍ、チャンネル幅Ｗは５ｍｍ、Ｌ／Ｗは０．００５である。
【００５６】
このソース電極−ドレイン電極間の絶縁体層上に、チオフェン６量体（ｓｅｘｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）を蒸着速度４〜５Å／ｓの条件で真空蒸着して膜厚約２０００Åの有機半導体層を形成する。
【００５７】
このようにして作製されたボトムゲート・ボトムコンタクト型電界効果トランジスタに、空気中、室温で各々電圧を変えてゲート電圧（Ｖｇ）を印加し、各ゲート電圧（Ｖｇ）下でソース電極−ドレイン電極間の電流（ＩＤ）−電圧（ＶＤ）特性を測定する。ゲート電圧０ Ｖの時のＩＤ−ＶＤ特性の線形応答部分から求めた有機半導体（ｓｅｘｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）の電気伝導度は約１０−５〜１０−９Ｓ／ｃｍである。ＩＤ−ＶＤ特性における線形応答領域内のあるＶＤにおける各ＶｇでのＩＤの値をプロットし、ＩＤ−Ｖｇ特性の線形応答部分から求める電界効果移動度μは約０．０２〜０．０５ ｃｍ２／Ｖｓである。
【００５８】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の電界効果トランジスタによれば、絶縁体層と有機半導体層との接する界面の平均粗さを小さなものとすることにより、誘起電荷が移動する該界面近傍の有機半導体分子の配列の乱れを効果的に抑制し、より高い移動度と、高いｏｎ電流及び低いリーク電流と、高いｏｎ／ｏｆｆ比とを有する電界効果トランジスタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電界効果トランジスタの構造例を示す断面図である。
【図２】電界効果トランジスタの構造例を示す断面図である。
【図３】電界効果トランジスタの構造例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 絶縁性支持基板
２ ゲート電極
３ 絶縁体層
４ 有機半導体層
５ ソース電極
６ ドレイン電極
７ 界面[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a field effect transistor using an organic semiconductor.
[0002]
[Prior art]
Field effect transistors are widely used as important switches and amplifying elements alongside bipolar transistors. A field-effect transistor has a structure in which a semiconductor material is provided with a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode with an insulator layer interposed therebetween. The operating characteristics of the field-effect transistor include the carrier mobility μ of the semiconductor used, the electric conductivity σ, the capacitance Ci of the insulating layer, the configuration of the element (the distance L and the width W between the source electrode and the drain electrode, the film of the insulating layer). The thickness of the semiconductor material is determined by the thickness d or the like. Among them, the semiconductor material having high mobility (μ) shows good characteristics.
[0003]
At present, silicon is widely used as a semiconductor material. Inorganic semiconductors represented by silicon must be processed at a high temperature of 300 ° C. or more during production, so that it is difficult to use a plastic substrate or film as a substrate, and the production requires a lot of energy. is there. In addition, since a device manufacturing process is performed in a vacuum, expensive equipment is required in a manufacturing line, and there is a disadvantage that the cost is high.
[0004]
On the other hand, most of transistors using an organic semiconductor can be manufactured by a lower temperature process than an inorganic semiconductor, so that a plastic substrate or a film can be used as a substrate, and a lightweight and hard-to-break element can be manufactured. Can be. Some devices can be manufactured by applying a solution or using a printing method, and thus a large-area device can be manufactured at low cost. Furthermore, since there is a wide variety of materials, and it is possible to fundamentally change the material properties easily by changing the molecular structure, functions and elements that cannot be achieved with inorganic semiconductors by combining different functions It is also possible to realize.
[0005]
As for a transistor using an organic semiconductor as a semiconductor, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-202467 discloses a transistor using a conductive polymer and a conjugated polymer, and Japanese Patent No. 2984370 uses a low molecular compound. Things are listed.
[0006]
A typical structure of a transistor using an organic semiconductor as a conventional semiconductor is shown in FIGS.
[0007]
In the field-effect transistor of FIG. 1, a gate electrode 2 is provided on an insulating support substrate 1, and an insulator layer 3 and an organic semiconductor layer 4 are further provided thereon. A source electrode 5 and a drain electrode 6 are provided on the insulator layer 3 so as to be in contact with the organic semiconductor layer 4. This field effect transistor is called a bottom gate / bottom contact type.
[0008]
The field effect transistor of FIG. 2 is different from the field effect transistor shown in FIG. 1 in that a source electrode 5 and a drain electrode 6 are provided on an organic semiconductor layer 4 on an insulator layer 3, and the others are the same. The configuration is as follows. This field effect transistor is called a bottom gate / top contact type.
[0009]
In the field-effect transistor shown in FIG. 3, a source electrode 5 and a drain electrode 6 are provided on an insulating support substrate 1, an organic semiconductor layer 4 and an insulator layer 3 are stacked on the insulating support substrate 1, The gate electrode 2 is provided on the insulator layer 3. This field effect transistor is called a top gate / bottom contact type.
[0010]
In such a field-effect transistor, when a voltage is applied to the gate electrode 2, the carrier density of the organic semiconductor layer near the interface between the organic semiconductor layer 4 and the insulator layer 3 is changed to change the source-drain electrodes 5, 6 The amount of current flowing between them is changed.
[0011]
Also, research has been conducted on the charge transport phenomenon in the organic semiconductor layer of a field-effect transistor using such an organic semiconductor. For example, in the case of an oligothiophene having several thiophene rings, the molecular axis of the oligothiophene stands slightly inclined with respect to the insulator layer, and the π orbitals of the oligothiophene mutually intersect with respect to the source electrode-drain electrode direction. The layers of oligothiophene molecules arranged so as to function are stacked vertically in relation to the insulator layer to form an organic semiconductor layer of oligothiophene (ADVANCED MATERIALS, Vol. 12, No. 14, 1046). -1050, 2000). Since the charge induced by the gate electrode moves between the source electrode and the drain electrode through the interacting π orbital, it is desirable to strengthen the π orbital interaction between the oligothiophene molecules in order to obtain high mobility.
[0012]
Furthermore, during the operation of the bottom-gate / bottom-contact field-effect transistor using the oligothiophene semiconductor layer, the induced charge moves in one to a few oligothiophene molecular layers above the insulator layer. (SCIENCE, Vol. 268, No. 14, pp. 270-271, 1995).
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, various studies have been made on the charge transport phenomenon in the organic semiconductor layer of the organic transistor, and some have achieved high mobility.However, depending on the type of the insulator layer, the substrate, or the organic semiconductor, the field effect transistor is (Mobility, leak current value, on / off ratio, etc.) are affected and are not constant.
[0014]
The present inventors have conducted intensive studies on the instability of transistor performance in a conventional field-effect transistor, and as a result, have found that a bottom-contact transistor shown in FIG. 1 (a structure in which a source electrode and a drain electrode are formed below an organic semiconductor layer). In, the surface roughness of the insulator layer disturbs the molecular arrangement of the organic semiconductor on the side in contact with the insulator layer, and this disturbance also disturbs the arrangement of the organic semiconductor molecule layers stacked thereon. It has been found that this arrangement disorder weakens the interaction of π orbitals between organic semiconductor molecules, adversely affects the induced charge transfer, and impairs transistor performance.
[0015]
In the bottom-contact transistor shown in FIG. 3, since the organic semiconductor layer is formed first, the arrangement of the surface of the organic semiconductor layer which comes into contact with an insulator layer to be formed later is disturbed or the insulator layer is formed. The resulting disorder of the arrangement on the organic semiconductor layer side adversely affects the transfer of the induced charges, thereby impairing transistor performance.
[0016]
Furthermore, in the top-contact transistor (the structure in which the source electrode and the drain electrode are formed on the organic semiconductor layer) shown in FIG. 2, the charge induced by the gate electrode is the organic semiconductor layer in contact with the insulator layer and the organic semiconductor layer. Again, the roughness of the interface disturbs the arrangement of the organic semiconductor molecules to which the induced charge moves, adversely affecting the transfer of the induced charge, and thus hinders the transistor performance.
[0017]
It should be noted that SiO 2 is thermally grown on a heavily doped silicon substrate also serving as a support substrate and a gate electrode. 2 In the case where an insulator layer is formed, the thermally grown SiO 2 Although the surface roughness of the insulator layer is considered to be small, no specific surface roughness has been specified in the past, and the relationship between the surface roughness and the dielectric charge transfer has not been verified at all (SCIENCE, No. 268, No. 14, 270-271, 1995).
[0018]
The use of organic transistors as switching elements in flexible displays is described in Bell Lab. Lucent Technologies, PNAS. , 98, 4835. In the case of this organic transistor, the surface roughness of the insulating support substrate, the influence of the surface roughness of the insulator layer due to the insulator material forming the insulator layer and the formation process thereof are considered to be more important issues. Has not been reported.
[0019]
The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional situation, and can achieve higher mobility, higher on-current and lower leakage current, and higher on / off ratio, and can improve the transistor performance of these transistors. It is an object of the present invention to provide a stable organic transistor.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The field effect transistor of the present invention includes an insulator layer, a gate electrode and an organic semiconductor layer separated by the insulator layer, a source electrode and a drain electrode provided to be in contact with the organic semiconductor layer, In a field effect transistor having a substrate, an average roughness of an interface between the insulator layer and the organic semiconductor layer is 50 nm or less.
[0021]
In such a field-effect transistor of the present invention, the average roughness of the interface where the insulator layer and the organic semiconductor layer are in contact with each other is 50 nm or less, so that the organic semiconductor molecules in the vicinity of the interface in the organic semiconductor layer, and thus in the entire layer, Arrangement disorder is suppressed, and high mobility, high on-current and low leak current, and high on / off ratio are achieved.
[0022]
In the present invention, the average roughness (Ra) of the interface between the insulator layer and the organic semiconductor layer is a value measured by an AFM (atomic force microscope) tapping mode. The observation range is between 2 μm squares.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the field effect transistor of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
[0024]
The field effect transistor of the present invention includes an insulator layer, a gate electrode and an organic semiconductor layer separated by the insulator layer, and a source electrode and a drain electrode provided in contact with the organic semiconductor layer. It is provided on a support substrate, and its structure is not particularly limited. The bottom gate / bottom contact type shown in FIG. 1, the bottom gate / top contact type shown in FIG. 2, and the top gate / bottom contact type shown in FIG. And the like.
[0025]
In the present invention, in such a field-effect transistor, the average roughness (Ra) of the interface 7 where the insulator layer 3 and the organic semiconductor layer 4 are in contact with each other is 50 nm or less, preferably 40 nm or less, more preferably 30 nm or less, particularly 30 nm or less. It is preferably at most 20 nm, particularly preferably at most 10 nm. The average roughness of the interface 7 is preferably as small as possible. However, from the viewpoint of the feasibility of the method for forming the insulator layer 3 and the organic semiconductor layer 4, the average roughness is 0.1 nm or more, usually 0.2 nm or more, and generally 0.2 nm or more. Is 0.5 nm or more.
[0026]
In the present invention, by reducing the average roughness (Ra) of the interface 7 between the insulator layer 3 and the organic semiconductor layer 4 as described above, the organic semiconductor in the region where the charge induced by the gate electrode 2 moves is formed. Prevents disorder of molecular arrangement. Therefore, such an average roughness only needs to be satisfied at least in a region corresponding to the gate electrode 2 in the interface 7 between the insulator layer 3 and the organic semiconductor layer 4. Need not be less than 50 nm.
[0027]
Therefore, in the bottom-gate / bottom-contact field-effect transistor shown in FIG. 1, of the interface 7 between the insulator layer 3 and the organic semiconductor layer 4, a projection surface portion where the gate electrode 2 is projected toward the interface 7 That is, any portion of the projection plane region T in FIG. 1 that overlaps the interface 7, that is, the interface region S in FIG. 1 satisfies the above average roughness.
[0028]
In the bottom-gate / top-contact field-effect transistor shown in FIG. 2, a portion of the interface 7 between the insulator layer 3 and the organic semiconductor layer 4 where the gate electrode 2 is projected toward the interface 7 is projected. That is, any portion of the projection plane region T in FIG. 2 that overlaps the interface 7, that is, the interface region S in FIG. 2 satisfies the above average roughness.
[0029]
Further, in the top-gate / bottom-contact field-effect transistor of FIG. 3, of the interface 7 between the insulator layer 3 and the organic semiconductor layer 4, a projection surface portion where the gate electrode 2 is projected toward the interface 7 That is, any portion of the projection surface area T of FIG. 3 that overlaps the interface 7, that is, the interface area T of FIG. 3 satisfies the above average roughness.
[0030]
As described above, in order to make the average roughness of the interface where the insulator layer 3 and the organic semiconductor layer 4 are in contact with each other 50 nm or less, for example, the organic semiconductor layer 4 is formed on the insulator layer 3 as shown in FIGS. In the case of a field-effect transistor that has been formed, the organic semiconductor layer 4 is formed after the surface average roughness of the upper surface of the insulator layer 3 on which the organic semiconductor layer 4 is formed is 50 nm or less. Just do it. In the case of a field-effect transistor in which the insulator layer 3 is formed on the organic semiconductor layer 4 as shown in FIG. 3, the surface of the upper surface of the organic semiconductor layer 4 on which the insulator layer 3 is formed by lamination. After the average roughness is set to 50 nm or less, the insulator layer 3 may be formed.
[0031]
The method for controlling the surface average roughness of the upper surface of the insulator layer 3 or the organic semiconductor layer 4 to 50 nm or less is not particularly limited, and a material for forming the insulator layer or the organic semiconductor layer, a film formation rate, and the like are not limited. By appropriately selecting and adjusting the film formation conditions, film thickness, and the like, a layer having a small surface average roughness and a smooth surface may be formed. For example, as shown in Examples described later, a method of using a photocurable resin as a material for forming an insulator layer, forming an uncured coating film, and irradiating light to cure the photocurable resin is adopted. be able to. Before irradiation with light, a transparent plate having a smooth surface, such as a glass plate, made of a material having no adhesion to the photocurable resin and having good releasability, is placed on the coating film, and the coating is performed in this state. If the method of irradiating the film with light to cure the photocurable resin is adopted, the smooth surface of this plate is transferred to the surface of the obtained cured film, and the cured film having a smooth surface with a small average surface roughness is further obtained. Can be formed.
[0032]
As means for confirming whether or not the average roughness of the interface between the insulator layer and the organic semiconductor layer is within the range of the present invention, in the process of manufacturing the field-effect transistor, the average roughness on the insulator layer or the organic semiconductor layer It may be confirmed that the roughness is 50 nm or less, and from the manufactured device, the insulator layer or the organic semiconductor layer, which is the upper layer formed on the interface of interest in the present invention, is changed to the state of the interface. And the average roughness may be confirmed. Further, when the insulator layer or the organic semiconductor layer, which is the upper layer formed on the interface of interest in the present invention, is a thin film having a thickness of, for example, 1 μm or less, the surface roughness of the upper layer is reduced in the present invention. Since the average roughness of the interface of interest is substantially represented, the average roughness of the upper layer can be used as a measure of the roughness of the interface of the present invention.
[0033]
In the present invention, the constituent materials of the field-effect transistor are not particularly limited, and any of the materials conventionally applied to the field-effect transistor can be suitably used.
[0034]
The material of the insulating support substrate may be any material that has an insulating property and can support a field-effect transistor and a display element formed thereon, a display panel, and the like. Known materials such as glass, plastic, and quartz may be used. Any of them can be used, and more specifically, polyester, polycarbonate, polyimide, polyethersulfone, amorphous polyolefin, epoxy resin, glass and the like can be mentioned. Among them, a polymer substrate is preferable, and polyester or polycarbonate is preferable in terms of strength, and particularly, polyester such as polyethylene terephthalate is preferable. The thickness of the insulating support substrate is preferably from 0.05 mm to 2 mm, more preferably from 0.1 mm to 1 mm.
[0035]
The constituent materials of the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode are not particularly limited as long as they show conductivity, and any known materials can be used, for example, platinum, gold, aluminum, chromium, nickel, copper, titanium, and magnesium. , Calcium, barium, sodium and other metals, InO 2 , SnO 2 , Conductive oxides such as ITO, camphorsulfonic acid-doped polyaniline, paratoluenesulfonic acid-doped polyethylenedioxythiophene, and other conductive polymers that exhibit good electrical conductivity, carbon black, metal Examples of the conductive composite material include fine particles, graphite powder, and the like dispersed in a binder and exhibit good electric conductivity.
[0036]
Examples of a method for forming the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode include a vacuum deposition method, a sputtering method, a coating method, a printing method, and a sol-gel method. Methods such as photolithography combined with etching with an inactive plasma, printing methods such as inkjet printing, screen printing, offset printing, letterpress printing, soft lithography methods such as microcontact printing, and methods combining a plurality of these methods. No. Further, it is also possible to directly form a pattern by irradiating an energy beam such as a laser or an electron beam to remove the material, or by changing the conductivity of the material.
[0037]
The thickness of the gate electrode, source electrode, and drain electrode is preferably 0.01 μm to 2 μm, more preferably 0.02 μm to 1 μm.
[0038]
The distance between the source electrode and the drain electrode (channel length L) is usually 100 μm or less, preferably 50 μm or less, the channel width W is usually 2000 μm or less, preferably 500 μm or less, and L / W is usually 0.1 μm or less. Or less, preferably 0.05 or less.
[0039]
As the insulator of the insulator layer, any insulator having an excellent insulating property and a relatively large relative permittivity so as to prevent current leakage to the gate electrode and to drive the field effect transistor at a low gate voltage can be used. Any known one can be used, for example, acrylic resin such as polymethyl methacrylate, polystyrene, polyvinyl phenol, polyimide, polycarbonate, polyester, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyurethane, polysulfone, epoxy resin, phenol resin and the like. Polymers and copolymers combining them, oxides such as silicon dioxide, aluminum oxide and titanium oxide, nitrides such as silicon nitride, SrTiO 3 , BaTiO 3 And a polymer film in which particles of the above oxide, nitride, ferroelectric oxide and the like are dispersed. Among them, epoxy resin, polyimide resin and acrylic resin are preferable. In addition, when a photocurable resin that forms an insulator by applying a monomer as a precursor of the insulator and then irradiating with light to cure the resin is used, as described above, the surface average roughness can be easily reduced to a desired small value. It is preferable in that it can be adjusted.
[0040]
As a method for forming the insulator layer, a formation method suitable for the characteristics of the material, such as a coating method such as spin coating or blade coating, a vapor deposition method, a sputtering method, a printing method such as screen printing or inkjet printing, can be employed.
[0041]
As described above, the insulator layer formed in this manner has an electric conductivity of 10 at room temperature because it is related to the leakage current to the gate electrode and the low gate voltage driving of the field effect transistor. -12 S / cm or less, and 10 -14 S / cm or less, and a relative dielectric constant of preferably 2.0 or more, more preferably 2.5 or more.
[0042]
The thickness of such an insulator layer is preferably from 0.1 μm to 4 μm, more preferably from 0.2 μm to 2 μm.
[0043]
The organic semiconductor for forming the organic semiconductor layer is not particularly limited, and any known low-molecular and high-molecular π-conjugated system can be used.For example, pentacene, oligothiophene, oligothiophene having a substituent, Bisdithienothiophene, substituted dialkylanthradithiophene, metal phthalocyanine, benzoporphyrin, fluorine-substituted copper phthalocyanine, N, N′-dialkyl-naphthalene-1,4,5,8-tetracarboxylic acid diimide substituted product Π-conjugated small molecules such as, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic acid dianhydride, N, N′-dialkyl-3,4,9,10-perylenetetracarboxylic acid diimide, fullerene and regioregular poly ( Regioregular po represented by 3-hexylthiophene) (3-alkylthiophene), poly -9, 9'include π-conjugated polymer of the π-conjugated copolymers of dialkyl fluorene Cobi thiophene.
[0044]
Among these π-conjugated low-molecular and high-molecular compounds, when an organic semiconductor layer is formed, the electric conductivity in the source electrode-drain electrode direction is 10%. -4 S / cm or less, 10 -12 Those exhibiting S / cm or more are preferred, and particularly those exhibiting 10 -6 S / cm or less, 10 -11 S / cm or more, especially 10 -7 S / cm or less, 10 -10 Those showing S / cm or more are more preferable. Furthermore, among these π-conjugated low-molecular and high-molecular compounds, when an organic semiconductor layer is formed, the electric field effect mobility, the electric conductivity in the direction from the source electrode to the drain electrode, and the carrier density obtained from the charge element amount are higher. 10 7 cm -3 Above 18 cm -3 It is preferable to show the following, especially 10 8 cm -3 Above 17 cm -3 The following are more preferred. Among these π-conjugated low-molecular and high-molecular compounds, the activation energy required for charge transfer determined from the temperature dependence of the field-effect mobility at room temperature or lower when an organic semiconductor layer is formed is 0.2 eV or less. Are preferable, and those showing 0.1 eV or less are more preferable.
[0045]
Furthermore, among these π-conjugated small molecules, those having a molecular length of 40 ° or less, when the organic semiconductor layer is formed on the same insulator layer as the insulator layer used in the field-effect transistor, the The ratio of the p-polarized component to the s-polarized component of the absorption peak intensity derived from the transition moment in the direction of the molecular axis of these π-conjugated small molecules in the polarized light absorption measured by entering the incident light at an angle of 60 ° with respect to the normal. It is preferable that the p-polarized light component / s-polarized light component has a characteristic of 1.5 or more, more preferably 2.0 or more, and especially 3.0 or more.
[0046]
On the other hand, in the case of a π-conjugated polymer having a molecular length of greater than 40 °, when an organic semiconductor layer is formed on the same insulator layer as the insulator layer used for the field-effect transistor, light is incident on the layer surface in a vertical direction. In polarized light absorption measured with light, the ratio between the source-drain electrode direction component and the vertical direction component of the absorption peak intensity derived from the transition moment in the main chain direction of these π-conjugated polymers is measured. It is preferable to use a material having a property of exhibiting an electrode direction component / vertical direction component of 3.5 or more, more preferably 4.5 or more, and especially 5.0 or more.
[0047]
Further, among these π-conjugated low-molecular and high-molecular compounds, when an organic semiconductor layer is formed on the same insulator layer as the insulator layer used in the field-effect transistor, the distance between the nearest molecule or the polymer is reduced. Is preferably 3.9 ° or less, more preferably 3.85 ° or less, and particularly preferably 3.8 ° or less.
[0048]
The thickness of such an organic semiconductor layer is preferably from 1 nm to 10 μm, more preferably from 10 nm to 500 nm.
[0049]
As a method of forming an organic semiconductor layer using these organic semiconductors, in the case of a low molecular weight organic semiconductor, a method of forming by vapor deposition on an insulator layer or an insulating support substrate by vacuum vapor deposition, dissolving in a solvent Cast, dipping, spin coating, etc. In the case of a polymer organic semiconductor, a method of dissolving in a solvent and applying by casting, dipping, spin coating, or the like may be used. Further, there is also a method in which a layer is formed by a suitable method as described above using a target low molecular precursor or a target polymer precursor, and then converted into a target organic semiconductor layer by heat treatment or the like. Further, the top-gate / bottom-contact field-effect transistor shown in FIG. 3 requires the surface smoothness of the upper surface of the organic semiconductor layer as described above. In a coating method in which vapor deposition is performed with the speed reduced as much as possible, a method of forming a film by a spin coating method in high-speed rotation after appropriately adjusting the viscosity is effective.
[0050]
The basic structure of the field-effect transistor of the present invention includes an insulator layer, a gate electrode and an organic semiconductor layer separated by the insulator layer, and a source electrode and a drain electrode provided in contact with the organic semiconductor layer. Are provided on an insulating support substrate, and specific examples thereof include those shown in FIGS. 1 to 3. The field-effect transistor of the present invention has a structure shown in FIGS. Not limited to the field effect transistor described above, a layer other than the layers shown in FIGS. 1 to 3 may be further formed.
[0051]
For example, in a field-effect transistor in which an organic semiconductor layer is exposed as in the field-effect transistors shown in FIGS. 1 and 2, further protection is performed on the organic semiconductor to minimize the influence of the outside air on the organic semiconductor. A film may be formed. In this case, as a material of the protective film, a polymer such as an epoxy resin, an acrylic resin, polyurethane, polyimide, or polyvinyl alcohol, or an inorganic oxide or a nitride such as silicon oxide, silicon nitride, or aluminum oxide is used. Is mentioned. Examples of a method for forming the protective film include a coating method and a vacuum evaporation method.
[0052]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist.
[0053]
Example 1
The field effect transistor having the structure shown in FIG. 1 is manufactured by the following method.
[0054]
A polyethylene terephthalate sheet coated with ITO (polyethylene terephthalate thickness: about 0.1 mm, ITO thickness: about 100 nm, manufactured by Southwall Technologies) is used as an insulating support substrate and a gate electrode, and a photocurable aromatic film is formed on the ITO film. Group acrylate monomer is applied by a casting method. After placing a glass substrate on the coating film and irradiating it with light in an inert gas to cure the light, the glass plate is removed to form an insulating layer made of a photocurable resin having a thickness of about 1 μm. . Since this photocurable resin has poor adhesion to the glass plate, the glass plate can be peeled off without deteriorating the contact interface with the glass plate, and a surface smooth insulator layer close to the glass mirror surface can be formed. it can. The surface average roughness of this insulator layer measured by AFM was about 6 nm, and the surface smoothness was remarkably good.
[0055]
Next, a source electrode and a drain electrode are formed by vacuum-depositing Au on the insulator layer using a linear mask. The thickness of the formed source electrode and drain electrode is about 1500 °, the distance between the source electrode and the drain electrode (channel length L) is about 25 μm, the channel width W is 5 mm, and L / W is 0.005.
[0056]
On the insulator layer between the source electrode and the drain electrode, thiophene hexamer (sexthiophene) is vacuum-deposited at a deposition rate of 4 to 5 ° / s to form an organic semiconductor layer having a thickness of about 2000 °.
[0057]
A gate voltage (Vg) is applied to the bottom-gate / bottom-contact field-effect transistor manufactured in this manner at room temperature in air at different voltages, and a source electrode-drain electrode is applied under each gate voltage (Vg). Current (I D ) -Voltage (V D ) Measure the properties. I at a gate voltage of 0 V D -V D The electric conductivity of the organic semiconductor (sextiophene) determined from the linear response portion of the characteristic is about 10 -5 -10 -9 S / cm. I D -V D Some V in the linear response region in the characteristic D I at each Vg in D Is plotted and I D The field effect mobility μ determined from the linear response portion of the −Vg characteristic is about 0.02 to 0.05 cm. 2 / Vs.
[0058]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the field-effect transistor of the present invention, by reducing the average roughness of the interface between the insulator layer and the organic semiconductor layer, the organic semiconductor near the interface where induced charge moves It is possible to provide a field-effect transistor having a higher mobility, a higher on-current and a lower leak current, and a higher on / off ratio by effectively suppressing the disorder of the arrangement of molecules.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structural example of a field-effect transistor.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a structural example of a field-effect transistor.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a structural example of a field-effect transistor.
[Explanation of symbols]
1 insulating support substrate
2 Gate electrode
3 Insulator layer
4 Organic semiconductor layer
5 Source electrode
6 Drain electrode
7 Interface
