JP2004158709A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】有機化合物からなる半導体層を備えた電界効果トランジスタとして、高い増幅率を有する電界効果トランジスタを得る。
【解決手段】電界効果トランジスタの半導体層４として、ピレン、ペロピレン、テリレン、アンタンスレン、クオテリレン、オバレン、コロネン、ジベンゾコロネン、テトラベンゾコロネン、ヘキサベンゾコロネン、ベンゾジコロネン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、サーコビフェニル、およびこれらの誘導体から選択された少なくとも１つの化合物からなる薄膜を形成する。
【選択図】 図１
【解決手段】電界効果トランジスタの半導体層４として、ピレン、ペロピレン、テリレン、アンタンスレン、クオテリレン、オバレン、コロネン、ジベンゾコロネン、テトラベンゾコロネン、ヘキサベンゾコロネン、ベンゾジコロネン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、サーコビフェニル、およびこれらの誘導体から選択された少なくとも１つの化合物からなる薄膜を形成する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エレクトロニクス、フォトニクス、バイオエレクトロニクス等の分野で使用される半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有機化合物からなる半導体層を備えた有機薄膜半導体装置は、シリコン等の無機物からなる半導体層を備えた従来の半導体装置と比較して、半導体層をポリマーフィルム上に直接、常温で形成できる等の利点を有している。これにより、半導体装置の低コスト化やフレキシブル化が可能になると期待されている。
【０００３】
従来より研究されている有機半導体材料としては、ポリフェニレンビニレン、ポリピロール、ポリチオフェン、オリゴチオフェン等の共役系高分子と、アントラセン、テトラセン、ペンタセン等のアセン系（ベンゼン環が線状に繋がっているタイプの）縮合多環芳香族化合物（以下、「ポリアセン化合物」と称する。）が挙げられる。
【０００４】
特に、ポリアセン化合物は、分子間凝集力が強いため高い結晶性を有し、これにより高いキャリア移動度が得られることから、半導体として優れた特性を発現することが報告されている。そして、ポリアセン化合物の蒸着膜または単結晶を用いた半導体装置として、トランジスタ、太陽電池、レーザー等への応用が検討されている（例えば、非特許文献１〜５参照）。
【０００５】
縮合多環芳香族化合物を有機半導体材料として使用することに関しては、さらに、アントラセン誘導体薄膜（例えば、非特許文献６参照）、ペリレン誘導体（例えば、非特許文献７参照）等についての報告がある。また、複雑な合成を経て得られるヘキサベンゾコロネン誘導体（例えば、非特許文献８参照）についての報告がある。
【０００６】
さらに、有機薄膜トランジスタの半導体層として、ドーピングが施された縮合ベンゼン環の数が４以上１３以下である縮合多環芳香族化合物薄膜を使用することも報告されている（例えば、特許文献１参照）。
なお、これ以外の本発明に関する公知文献として特許文献２が挙げられる。
一方、半導体層によるキャリア輸送方向が基板と垂直な方向である「縦型」半導体装置は、最近、電極間距離を膜厚程度に狭くできることと、電極間のキャリアパスを面にできることから、高速素子、大電流素子、パワー素子等としての利用が期待されている。この縦型半導体装置としては、ＳＩＴ（スタティックインダクショントランジスタ：静電誘導）やＴＢＣ型（トップ・ボトムコンタクト型）素子が挙げられる。
【０００７】
【非特許文献１】
ショーンら，「サイエンス」，２８９巻，ｐ．５５９，２０００年
【非特許文献２】
ショーンら，「サイエンス」，２８７巻，ｐ．１０２２，２０００年
【非特許文献３】
ジミトラコポウラスら，「ジャーナル・オフ・アプライド・フィジクス」，８０巻，ｐ．２５０１，１９９６年
【非特許文献４】
ショーンら，「ネイチャー」，４０３巻，ｐ．４０８，２０００年
【非特許文献５】
クロークら，「ＩＥＥＥ・トランザクション・オン・エレクトロン・デバイシス」，４６巻，ｐ．１２５８，１９９９年
【非特許文献６】
ローゼイら，「サイエンス」，２９６巻，ｐ．３２８，２００２年
【非特許文献７】
スプリンガー，「オーガニック・エレクトロニック・マテリアルス（ファルチオニ，グロッソ編）」，ｐ．３２０，２００１
【非特許文献８】
イトウら，「ジャーナル・オフ・アメリカン・ケミカル・ソサエティー」，１２２巻，ｐ．７６９８，２０００年
【特許文献１】
特開平５−５５５６８号公報
【特許文献２】
特開平９−２３２５８９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の共役系高分子やポリアセン化合物は、これらの分子と大気中の酸素との間で電荷移動錯体を形成し易い。そのため、特にペンタセン等のポリアセン化合物からなる薄膜を半導体層として用いたトランジスタは、オフ電流が高くなるため、休止状態での消費電力が高くなるという課題がある。また、これらの分子は条件によっては酸化されやすい性質を有し、酸化によって半導体として特性が変化し易いため、特性を安定化させる必要がある。
【０００９】
また、前述の共役系高分子やポリアセン化合物では、縦型半導体装置の半導体層として好適な配向の薄膜（すなわち、化合物の分子面が基板面と平行に配向されている構造の薄膜）を形成することが難しい。
本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、有機化合物からなる半導体層を備えた半導体装置として、良好でしかも安定した特性を有する半導体装置を得ること、および高い増幅率（オフ電流に対するオン電流の比）を有する電界効果トランジスタを得ること、さらにはキャリア移動度の高い縦型半導体装置を容易に得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、互いにパラ位となる配置の二個の水素基を有するベンゼン環が存在しない縮合多環芳香族化合物、またはその誘導体からなる薄膜を半導体層として有する半導体装置を提供する。
この半導体装置としては、薄膜材料をなす前記化合物の分子が平面構造を有し、▲１▼前記薄膜が、前記化合物の分子面が基板面と垂直に配向されている形態、▲２▼前記薄膜が、前記化合物の分子面が基板面と平行に配向されている形態、▲３▼前記薄膜が、前記化合物の分子面が基板面と垂直に配向されている部分と、前記化合物の分子面が基板面と平行に配向されている部分を有する形態が挙げられる。
【００１１】
本発明はまた、ピレン、ペロピレン、テリレン、アンタンスレン、クオテリレン、オバレン、コロネン、ジベンゾコロネン、テトラベンゾコロネン、ヘキサベンゾコロネン、ベンゾジコロネン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、サーコビフェニル、およびこれらの誘導体から選択された少なくとも１つの化合物からなる薄膜を半導体層として有する半導体装置を提供する。
【００１２】
薄膜材料をなす前記化合物の分子は平面構造（ベンゼン環の平面）を有するため、本発明の半導体装置としては、▲１▼前記薄膜が、前記化合物の分子面が基板面と垂直に配向されている形態、▲２▼前記薄膜が、前記化合物の分子面が基板面と平行に配向されている形態、▲３▼前記薄膜が、前記化合物の分子面が基板面と垂直に配向されている部分と、前記化合物の分子面が基板面と平行に配向されている部分を有する形態が挙げられる。
【００１３】
アセン系の縮合多環芳香族化合物は、ベンゼン環が線状に繋がっている分子構造を有するため、少なくとも末端のベンゼン環は、互いにパラ位となる配置の二個の水素基を有する。これに対して、本発明の半導体装置で半導体層を構成する化合物は、縮合多環芳香族化合物であるがアセン系とは異なり、互いにパラ位となる配置の二個の水素基を有するベンゼン環が存在しない。
【００１４】
この分子構造の違いに起因して、本発明の半導体装置で半導体層を構成する化合物は、アセン系の縮合多環芳香族化合物と比較して、大気中の酸素に対する高い安定性が得られると考えられる。
したがって、本発明によれば、ポリアセン化合物からなる薄膜を半導体層として用いた場合と比較して、良好でしかも安定した特性を有する半導体装置が得られるとともに、オフ電流が低く、高い増幅率（オフ電流に対するオン電流の比）を有する電界効果トランジスタが得られる。
【００１５】
分子構造が平面構造である縮合多環芳香族化合物からなる薄膜においては、化合物の分子面同士が平行に配向した状態で薄膜が形成され、分子面に垂直な方向に高いキャリア移動度と低抵抗が発現する。そのため、化合物の分子面が基板面と垂直に配向されている構造の薄膜は、キャリア輸送方向が基板に平行方向である「横型」半導体装置の半導体層として好ましい。化合物の分子面が基板面と平行に配向されている構造の薄膜は、キャリア輸送方向が基板と垂直な方向である「縦型」半導体装置の半導体層として好ましい。
【００１６】
本発明においては、薄膜の配向状態として前記▲１▼〜▲３▼の形態をとることができるため、半導体装置が「横型」であるか「縦型」であるかに合わせて、好適な形態の半導体層を得ることができる。本発明で使用する化合物によれば、薄膜の形成条件に応じて、前記▲１▼〜▲３▼のいずれかの形態の薄膜が得られる。例えば、真空蒸着法により成膜速度を極めて遅く（例えば、基板温度−５０℃〜８０℃で、０．０１〜１０ｎｍ／分）して成膜した場合に、▲２▼の形態、すなわち、化合物の分子面が基板面と平行に配向されている薄膜を得ることができる。したがって、本発明によれば、前記特定の化合物を使用することで、キャリア移動度の高い縦型半導体装置を容易に得ることができる。
【００１７】
本発明はまた、ピレン、ペロピレン、テリレン、アンタンスレン、クオテリレン、オバレン、コロネン、ジベンゾコロネン、テトラベンゾコロネン、ヘキサベンゾコロネン、ベンゾジコロネン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、サーコビフェニル、およびこれらの誘導体から選択された少なくとも１つの化合物からなる薄膜を半導体層として有し、少なくとも前記薄膜からなるチャネル部にドーパントを含有しない電界効果トランジスタを提供する。
【００１８】
この電界効果トランジスタによれば、前記半導体層にドーパントが含有されている電界効果トランジスタと比較して、オフ電流が低くなって休止状態での消費電力が低くなる。ただし、電極と半導体層との界面には、界面の電気的な接合状態を良好にするためにドーパントが含有されていることが好ましい。したがって、前記界面にドーパントを含有させる際には、チャネル部にドーパントが拡散しないようにする必要がある。これにより、消費電力が低く、増幅率が高い電界効果トランジスタが得られる。
【００１９】
なお、本発明の半導体装置で半導体層を構成する化合物は、アセン系の縮合多環芳香族化合物と比較して、ドーピングされ難い性質がある。
本発明の半導体装置において、前記特定の化合物からなる薄膜の形成方法としては、例えば、真空蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、レーザー蒸着法等のドライ成膜方法と、基板上に溶液や分散液を塗布した後に、溶媒や分散媒を除去することで薄膜を形成するウエット成膜方法が挙げられる。
【００２０】
本発明の半導体装置において、薄膜を形成する基板材料としては、種々の材料が利用可能であり、例えばガラス、石英、酸化アルミニウム、サファイア、窒化珪素、炭化珪素等のセラミックス基板、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、ガリウム燐、ガリウム窒素等半導体基板、ポリエチレンテレフタレート、ポリナフタレンテレフタレート等のポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、エチレンビニルアルコール共重合体、環状ポリオレフィン、ポリイミド、ポリアミド、ポリスチレン等の樹脂基板、紙、不織布等を用いることができる。
【００２１】
本発明の半導体装置の例としては、ダイオード、薄膜トランジスタ、メモリ、フォトダイオード、発光ダイオード、発光トランジスタ、ガスセンサー、バイオセンサー、血液センサー、免疫センサー、人工網膜、味覚センサー等が挙げられる。
本発明の半導体装置は、半導体層として特定の化合物を使用することに特徴があり、本発明の半導体装置の製造方法としては、前記半導体層の形成方法以外の点では全て従来より公知の方法が採用できる。前記半導体層のパターニング方法としても、従来より公知のフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を採用することができる。なお、本発明の半導体装置の製造方法において、溶液を用いた工程を行う場合には、前記半導体層をなす化合物に対して可溶性である溶媒をしないか、使用する場合には、バリア層等を設けて接触しないようにすることが好ましい。
【００２２】
本発明の半導体装置の一例である薄膜トランジスタは、ディスプレイを構成する画素のスイッチング用トランジスタ、信号ドライバー回路素子、メモリ回路素子、信号処理回路素子等として好適に使用できる。ディスプレイの例としては、液晶ディスプレイ、分散型液晶ディスプレイ、電気泳動型ディスプレイ、粒子回転型表示素子、エレクトロクロミックディスプレイ、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ、電子ペーパー等が挙げられる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、具体的な実施例を提示することにより説明する。
［第１実施例］
以下の方法で、電界効果トランジスタを形成した。
【００２４】
先ず、図１（ａ）に示すように、ヘビードーピングされているシリコン基板１の両面に、熱酸化法により、厚さ２００ｎｍで酸化シリコン（ＳｉＯ２ ）膜２を形成した。次に、一方の酸化シリコン膜２上に、リフトオフ法により一対のソース・ドレイン電極３を形成した。この状態を図１（ｂ）に示す。
リフトオフ法による電極形成の際に、レジストとしては、東京応化製の「ＯＦＰＲ−１００」を使用した。ソース・ドレイン電極３用の薄膜としては、チタン薄膜１０ｎｍと金薄膜４０ｎｍを電子線蒸着法でこの順に形成した。また、レジストパターンの剥離後に、酸素プラズマを２分間照射する「デスカム処理」を行うことにより、レジスト残留物を除去した。
【００２５】
次に、Ｄｒ．Ｅｈｒｅｎｓｔｏｒｆｅｒ社製のオバレンを蒸着物質として用い、雰囲気圧力１×１０−７Ｔｏｒｒ（バックプレッシャー１×１０−８Ｔｏｒｒ）、成膜速度１０ｎｍ／ｍｉｎ、基板温度３０℃の条件で、図１（ｂ）の状態のシリコン基板１のソース・ドレイン電極３が形成されている面に、真空蒸着法によりオバレン薄膜４を厚さ１１０ｎｍで形成した。図１（ｃ）はこの状態を示す。
オバレンは、下記の（１）式を構造式とする、平面構造の縮合多環芳香族化合物である。
【００２６】
【化１】
【００２７】
ここで、得られたオバレン薄膜のＸ線回折パターンを測定したところ、面間距離１．１ｎｍの（００ｌ）面（ｌ＝１，２，３）を示すピークが観測された。この面間距離は、オバレン分子面の長軸の長さに相当するため、分子面が基板面と垂直に配向されている構造のオバレン薄膜が得られたことが分かった。
このようにして、図１（ｃ）に示す構造の電界効果トランジスタを作製した。この電界効果トランジスタにおいて、オバレン薄膜４のソース・ドレイン電極３間の部分がチャネル４１となる。
【００２８】
得られた電界効果トランジスタの電流−電圧特性を、シリコン基板１をゲート電極として測定した結果、ゲート電圧を負側とした場合に、ドレイン電流の増幅が認められ（チャネル４１がｐチャネルとして作用し）、トランジスタ作動が確認できた。
また、ドレイン飽和電流から求めたキャリア移動度は０．５ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、電流増幅率（ゲート電圧０Ｖと−５０Ｖでの「ｏｎ電流／ｏｆｆ電流」）は１×１０６ であった。
【００２９】
また、このトランジスタを、大気中の、蛍光灯からの光が照射されている、照度約１０００ｌｕｘ 、紫外線（波長３６５ｎｍ）強度０．０５ｍＷ／ｃｍ２ の場所に、１ヶ月放置し、その後に再度、前記と同じ方法でトランジスタ特性を調べたところ、キャリア移動度は０．５ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、性能低下は認められなかった。
［第２実施例］
オバレン薄膜４に代えてヘキサベンゾコロネン薄膜４を形成した以外は前記第１実施例と同じ方法で、図１（ｃ）に示す構造の電界効果トランジスタを形成した。
【００３０】
ヘキサベンゾコロネン薄膜４の形成は、以下のようにして行った。Ｄｒ．Ｅｈｒｅｎｓｔｏｒｆｅｒ社製のヘキサベンゾコロネンを蒸着物質として用い、雰囲気圧力５×１０−７Ｔｏｒｒ（バックプレッシャー１×１０−８Ｔｏｒｒ）、成膜速度５０ｎｍ／ｍｉｎ、基板温度３０℃の条件で、図１（ｂ）の状態のシリコン基板１のソース・ドレイン電極３が形成されている面に、真空蒸着法によりヘキサベンゾコロネン薄膜４を厚さ１１０ｎｍで形成した。
ヘキサベンゾコロネンは、下記の（２）式を構造式とする、平面構造の縮合多環芳香族化合物である。
【００３１】
【化２】
【００３２】
ここで、得られたヘキサベンゾコロネン薄膜のＸ線回折パターンを測定したところ、面間距離１．０ｎｍの（００ｌ）面（ｌ＝１，２，３）を示すピークが観測された。この面間距離は、ヘキサベンゾコロネン分子面の長軸の長さに相当するため、分子面が基板面と垂直に配向されている構造のヘキサベンゾコロネン薄膜が得られたことが分かった。
【００３３】
得られた電界効果トランジスタの電流−電圧特性を、シリコン基板１をゲート電極として測定した結果、ゲート電圧を負側とした場合に、ドレイン電流の増幅が認められ（チャネル４１がｐチャネルとして作用し）、トランジスタ作動が確認できた。
また、ドレイン飽和電流から求めたキャリア移動度は０．１ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、電流増幅率（ゲート電圧０Ｖと−５０Ｖでの「ｏｎ電流／ｏｆｆ電流」）は１×１０５ であった。
【００３４】
また、このトランジスタを、実施例１と同じ場所に、１ヶ月放置し、その後に再度、前記と同じ方法でトランジスタ特性を調べたところ、キャリア移動度は０．１１ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、性能低下は認められなかった。
したがって、この第２実施例の方法でヘキサベンゾコロネン薄膜を形成した場合には、良好な特性の横型の電界効果トランジスタが得られる。
［第３実施例］
オバレン薄膜４に代えてヘキサベンゾコロネン薄膜４を形成した以外は前記第１実施例と同じ方法で、図１（ｃ）に示す構造の電界効果トランジスタを形成した。
【００３５】
ヘキサベンゾコロネン薄膜４の形成は、以下のようにして行った。Ｄｒ．Ｅｈｒｅｎｓｔｏｒｆｅｒ社製のヘキサベンゾコロネンを蒸着物質として用い、雰囲気圧力１×１０−８Ｔｏｒｒ（バックプレッシャー５×１０−９Ｔｏｒｒ）、成膜速度１ｎｍ／ｍｉｎ、基板温度３０℃の条件で、図１（ｂ）の状態のシリコン基板１のソース・ドレイン電極３が形成されている面に、真空蒸着法によりヘキサベンゾコロネン薄膜４を厚さ１００ｎｍで形成した。
【００３６】
ここで、得られたヘキサベンゾコロネン薄膜のＸ線回折パターンを測定したところ、面間距離０．３７ｎｍの回折面を示すピークが観測された。この面間距離はヘキサベンゾコロネン単結晶の分子間距離に対応するため、分子面が基板面と平行に配向されている構造のヘキサベンゾコロネン薄膜が得られたことが分かった。
【００３７】
得られた電界効果トランジスタの電流−電圧特性を、シリコン基板１をゲート電極として測定した結果、ゲート電圧を負側とした場合に、ドレイン電流の増幅が認められ（チャネル４１がｐチャネルとして作用し）、トランジスタ作動が確認できた。
また、ドレイン飽和電流から求めたキャリア移動度は０．００２ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、電流増幅率（ゲート電圧０Ｖと−５０Ｖでの「ｏｎ電流／ｏｆｆ電流」）は１×１０４ であった。
【００３８】
次に、図１（ｃ）およびその平面図に相当する図２に想像線（２点鎖線）で示すように、一方のソース・ドレイン電極３の上側に金薄膜からなる電極５を形成した。これにより、図１（ｂ）で形成した２つの電極３のうちの一方の電極３Ａと、ヘキサベンゾコロネン薄膜４の上に形成された電極５と、ヘキサベンゾコロネン薄膜４の両電極３Ａ，５の間の部分４２と、シリコン基板１とにより、縦型の電界効果トランジスタが構成される。
【００３９】
この両電極３Ａ，５の間の抵抗測定により求めた電導度は１×１０−７Ｓ／ｃｍであった。また、２つの電極３の間の抵抗測定により求めた電導度は１×１０−９Ｓ／ｃｍであった。これらの結果から、キャリア濃度が一様と仮定した場合、この縦型の電界効果トランジスタのキャリア移動度は０．２ｃｍ２ ／Ｖ・ｓと推定される。
【００４０】
したがって、この第３実施例の方法でヘキサベンゾコロネン薄膜を形成した場合には、良好な特性の縦型の電界効果トランジスタが得られる。
［第４実施例］
オバレン薄膜４に代えてヘキサベンゾコロネン薄膜４を形成した以外は前記第１実施例と同じ方法で、図１（ｃ）に示す構造の電界効果トランジスタを形成した。
【００４１】
ヘキサベンゾコロネン薄膜４の形成は、以下のようにして行った。Ｄｒ．Ｅｈｒｅｎｓｔｏｒｆｅｒ社製のヘキサベンゾコロネンを蒸着物質として用い、雰囲気圧力８×１０−８Ｔｏｒｒ（バックプレッシャー６×１０−９Ｔｏｒｒ）、成膜速度１０ｎｍ／ｍｉｎ、基板温度３０℃の条件で、図１（ｂ）の状態のシリコン基板１のソース・ドレイン電極３が形成されている面に、真空蒸着法によりヘキサベンゾコロネン薄膜４を厚さ１１０ｎｍで形成した。
【００４２】
ここで、得られたヘキサベンゾコロネン薄膜のＸ線回折パターンを測定したところ、面間距離０．３７ｎｍの回折面を示すやや幅広のピークと、１．０ｎｍの回折面を示すピークが観測された。また、この薄膜の組織を偏光顕微鏡で観察したところ、結晶配向の違いによる海島構造が形成されていた。これにより、分子面が基板面と平行に配向されている部分と、分子面が基板面と垂直に配向されている部分と、を有する構造のヘキサベンゾコロネン薄膜が得られたことが分かった。
【００４３】
得られた電界効果トランジスタの電流−電圧特性を、シリコン基板１をゲート電極として測定した結果、ゲート電圧を負側とした場合に、ドレイン電流の増幅が認められ（チャネル４１がｐチャネルとして作用し）、トランジスタ作動が確認できた。
また、ドレイン飽和電流から求めたキャリア移動度は０．０４ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、電流増幅率（ゲート電圧０Ｖと−５０Ｖでの「ｏｎ電流／ｏｆｆ電流」）は１×１０４ であった。
【００４４】
次に、図１（ｃ）およびその平面図に相当する図２に想像線（２点鎖線）で示すように、一方のソース・ドレイン電極３の上側に金薄膜からなる電極５を形成した。これにより、図１（ｂ）で形成した２つの電極３のうちの一方の電極３Ａと、ヘキサベンゾコロネン薄膜４の上に形成された電極５と、ヘキサベンゾコロネン薄膜４の両電極３Ａ，５の間の部分４２と、シリコン基板１とにより、縦型の電界効果トランジスタが構成される。
【００４５】
この両電極３Ａ，５の間の抵抗測定により求めた電導度は１×１０−８Ｓ／ｃｍであった。また、２つの電極３の間の抵抗測定により求めた電導度は１×１０−８Ｓ／ｃｍであった。これらの結果から、キャリア濃度が一様と仮定した場合、この縦型の電界効果トランジスタのキャリア移動度は０．０４ｃｍ２ ／Ｖ・ｓと推定される。
【００４６】
したがって、この第４実施例の方法でヘキサベンゾコロネン薄膜を形成した場合には、縦型の場合でも横型の場合でも同等な特性の電界効果トランジスタが得られる。
［第５実施例］
オバレン薄膜４に代えてサーカムアントラセン薄膜４を形成した以外は前記第１実施例と同じ方法で、図１（ｃ）に示す構造の電界効果トランジスタを形成した。
【００４７】
サーカムアントラセン薄膜４の形成は、以下のようにして行った。ピッチから抽出した針状結晶のサーカムアントラセンを蒸着物質として用い、雰囲気圧力５×１０−９Ｔｏｒｒ（バックプレッシャー５×１０−９Ｔｏｒｒ）、成膜速度３０ｎｍ／ｍｉｎ、基板温度３０℃の条件で、図１（ｂ）の状態のシリコン基板１のソース・ドレイン電極３が形成されている面に、真空蒸着法によりサーカムアントラセン薄膜４を厚さ９０ｎｍで形成した。
サーカムアントラセンは、下記の（３）式を構造式とする、平面構造の縮合多環芳香族化合物である。
【００４８】
【化３】
【００４９】
ここで、得られたサーカムアントラセン薄膜のＸ線回折パターンを測定したところ、面間距離１．４ｎｍの（００ｌ）面（ｌ＝１，２，３）を示すピークが観測された。この面間距離は、サーカムアントラセン分子面の長軸の長さに相当するため、分子面が基板面と垂直に配向されている構造のサーカムアントラセン薄膜が得られたことが分かった。
【００５０】
得られた電界効果トランジスタの電流−電圧特性を、シリコン基板１をゲート電極として測定した結果、ゲート電圧を負側とした場合に、ドレイン電流の増幅が認められ（チャネル４１がｐチャネルとして作用し）、トランジスタ作動が確認できた。
また、ドレイン飽和電流から求めたキャリア移動度は０．１８ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、電流増幅率（ゲート電圧０Ｖと−５０Ｖでの「ｏｎ電流／ｏｆｆ電流」）は１×１０５ であった。
【００５１】
また、このトランジスタを、実施例１と同じ場所に、１ヶ月放置し、その後に再度、前記と同じ方法でトランジスタ特性を調べたところ、キャリア移動度は０．１８ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、性能低下は認められなかった。
したがって、この第５実施例の方法でサーカムアントラセン薄膜を形成した場合には、良好な特性の横型の電界効果トランジスタが得られる。
［比較例１］
オバレン薄膜４に代えてペンタセン薄膜４を形成した以外は前記第１実施例と同じ方法で、図１（ｃ）に示す構造の電界効果トランジスタを形成した。
【００５２】
ペンタセン薄膜４の形成は、以下のようにして行った。アルドリッチ社製のペンタセンを蒸着物質として用い、雰囲気圧力２×１０−８Ｔｏｒｒ（バックプレッシャー５×１０−９Ｔｏｒｒ）、成膜速度１０ｎｍ／ｍｉｎ、基板温度３０℃の条件で、図１（ｂ）の状態のシリコン基板１のソース・ドレイン電極３が形成されている面に、真空蒸着法によりペンタセン薄膜４を厚さ１００ｎｍで形成した。
【００５３】
ペンタセンは、下記の（４）式を構造式とする、平面構造の縮合多環芳香族化合物である。
【００５４】
【化４】
【００５５】
ここで、得られたペンタセン薄膜のＸ線回折パターンを測定したところ、面間距離１．５ｎｍの（００ｌ）面（ｌ＝１，２，３）を示すピークが観測された。この面間距離は、ペンタセン分子面の長軸の長さに相当するため、分子面が基板面と垂直に配向されている構造のペンタセン薄膜が得られたことが分かった。
得られた電界効果トランジスタの電流−電圧特性を、シリコン基板１をゲート電極として測定した結果、ゲート電圧を負側とした場合に、ドレイン電流の増幅が認められ（チャネル４１がｐチャネルとして作用し）、トランジスタ作動が確認できた。
【００５６】
また、ドレイン飽和電流から求めたキャリア移動度は０．２ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、電流増幅率（ゲート電圧０Ｖと−５０Ｖでの「ｏｎ電流／ｏｆｆ電流」）は１×１０３ であった。
また、このトランジスタを、実施例１と同じ場所に、１ヶ月放置し、その後に再度、前記と同じ方法でトランジスタ特性を調べたところ、キャリア移動度は０．１３ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、性能低下が認められた。
【００５７】
次に、図１（ｃ）およびその平面図に相当する図２に想像線（２点鎖線）で示すように、一方のソース・ドレイン電極３の上側に金薄膜からなる電極５を形成した。これにより、図１（ｂ）で形成した２つの電極３のうちの一方の電極３Ａと、ペンタセン薄膜４の上に形成された電極５と、ペンタセン薄膜４の両電極３Ａ，５の間の部分４２と、シリコン基板１とにより、縦型の電界効果トランジスタが構成される。
【００５８】
この両電極３Ａ，５の間の抵抗測定により求めた電導度は１×１０−９Ｓ／ｃｍであった。また、２つの電極３の間の抵抗測定により求めた電導度は１×１０−６Ｓ／ｃｍであった。これらの結果から、キャリア濃度が一様と仮定した場合、この縦型の電界効果トランジスタのキャリア移動度は２×１０−４ｃｍ２ ／Ｖ・ｓと推定される。
［比較例２］
ペンタセン薄膜４にドーピングを施した以外は前記第１比較例と同じ方法で、図１（ｃ）に示す構造の電界効果トランジスタを形成した。
【００５９】
ペンタセン薄膜４に対するドーピングは、ペンタセン薄膜４の形成後のシリコン基板１をガラス容器内に入れ、この容器内にヨウ素を入れて蓋をし、１０分間保持することにより行った。これにより、ペンタセン薄膜４は茶色に変色したため、ドーピングが行われたことが確認できた。
ここで、得られたヨウ素ドーピング後のペンタセン薄膜のＸ線回折パターンを測定したところ、面間距離１．８ｎｍの（００ｌ）面（ｌ＝１〜８）を示すピークが観測された。この結果からもヨウ素がドーピングされたことが確認できた。
【００６０】
得られた電界効果トランジスタの電流−電圧特性を、シリコン基板１をゲート電極として測定した結果、ゲート電圧を印加してもドレイン電流−電圧曲線の変化は認められず、トランジスタとして作動しないことが分かった。また、２つの電極３の間の抵抗測定により求めた電導度は１０Ｓ／ｃｍであった。
以上のように、比較例１の方法で得られた横型の電界効果トランジスタは、第１〜第５実施例で得られた横型の電界効果トランジスタよりも電流増幅比が小さいとともに、同一条件での蛍光灯耐性が低いことが分かる。また、比較例１の方法では、良好な特性の縦型の電界効果トランジスタが得られない。
【００６１】
したがって、第１〜第５実施形態の電界効果トランジスタは、比較例１の電界効果トランジスタよりも、良好でしかも安定した特性を有し、高い増幅率を有する電界効果トランジスタとなっている。また、第３実施例の方法により、キャリア移動度の高い縦型半導体装置を容易に得ることができる。
なお、比較例１と比較例２との比較から、ペンタセン薄膜にドーパント（ヨウ素）を含有することにより、電界効果トランジスタとしての特性は低下するが、電極間の導電度は高くなることが分かる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、有機化合物からなる半導体層を備えた半導体装置として、良好でしかも安定した特性を有する半導体装置が得られる。また、高い増幅率を有する電界効果トランジスタが得られる。さらに、キャリア移動度の高い縦型半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態において、電界効果トランジスタの形成方法を説明するための断面図である。
【図２】実施形態において、縦型の電界効果トランジスタとしての特性を調べる方法を説明するための平面図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板
２ 酸化シリコン膜
３ ソース・ドレイン電極
４ 半導体層
４１ チャネル
４２ チャネル
５ 電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、エレクトロニクス、フォトニクス、バイオエレクトロニクス等の分野で使用される半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有機化合物からなる半導体層を備えた有機薄膜半導体装置は、シリコン等の無機物からなる半導体層を備えた従来の半導体装置と比較して、半導体層をポリマーフィルム上に直接、常温で形成できる等の利点を有している。これにより、半導体装置の低コスト化やフレキシブル化が可能になると期待されている。
【０００３】
従来より研究されている有機半導体材料としては、ポリフェニレンビニレン、ポリピロール、ポリチオフェン、オリゴチオフェン等の共役系高分子と、アントラセン、テトラセン、ペンタセン等のアセン系（ベンゼン環が線状に繋がっているタイプの）縮合多環芳香族化合物（以下、「ポリアセン化合物」と称する。）が挙げられる。
【０００４】
特に、ポリアセン化合物は、分子間凝集力が強いため高い結晶性を有し、これにより高いキャリア移動度が得られることから、半導体として優れた特性を発現することが報告されている。そして、ポリアセン化合物の蒸着膜または単結晶を用いた半導体装置として、トランジスタ、太陽電池、レーザー等への応用が検討されている（例えば、非特許文献１〜５参照）。
【０００５】
縮合多環芳香族化合物を有機半導体材料として使用することに関しては、さらに、アントラセン誘導体薄膜（例えば、非特許文献６参照）、ペリレン誘導体（例えば、非特許文献７参照）等についての報告がある。また、複雑な合成を経て得られるヘキサベンゾコロネン誘導体（例えば、非特許文献８参照）についての報告がある。
【０００６】
さらに、有機薄膜トランジスタの半導体層として、ドーピングが施された縮合ベンゼン環の数が４以上１３以下である縮合多環芳香族化合物薄膜を使用することも報告されている（例えば、特許文献１参照）。
なお、これ以外の本発明に関する公知文献として特許文献２が挙げられる。
一方、半導体層によるキャリア輸送方向が基板と垂直な方向である「縦型」半導体装置は、最近、電極間距離を膜厚程度に狭くできることと、電極間のキャリアパスを面にできることから、高速素子、大電流素子、パワー素子等としての利用が期待されている。この縦型半導体装置としては、ＳＩＴ（スタティックインダクショントランジスタ：静電誘導）やＴＢＣ型（トップ・ボトムコンタクト型）素子が挙げられる。
【０００７】
【非特許文献１】
ショーンら，「サイエンス」，２８９巻，ｐ．５５９，２０００年
【非特許文献２】
ショーンら，「サイエンス」，２８７巻，ｐ．１０２２，２０００年
【非特許文献３】
ジミトラコポウラスら，「ジャーナル・オフ・アプライド・フィジクス」，８０巻，ｐ．２５０１，１９９６年
【非特許文献４】
ショーンら，「ネイチャー」，４０３巻，ｐ．４０８，２０００年
【非特許文献５】
クロークら，「ＩＥＥＥ・トランザクション・オン・エレクトロン・デバイシス」，４６巻，ｐ．１２５８，１９９９年
【非特許文献６】
ローゼイら，「サイエンス」，２９６巻，ｐ．３２８，２００２年
【非特許文献７】
スプリンガー，「オーガニック・エレクトロニック・マテリアルス（ファルチオニ，グロッソ編）」，ｐ．３２０，２００１
【非特許文献８】
イトウら，「ジャーナル・オフ・アメリカン・ケミカル・ソサエティー」，１２２巻，ｐ．７６９８，２０００年
【特許文献１】
特開平５−５５５６８号公報
【特許文献２】
特開平９−２３２５８９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の共役系高分子やポリアセン化合物は、これらの分子と大気中の酸素との間で電荷移動錯体を形成し易い。そのため、特にペンタセン等のポリアセン化合物からなる薄膜を半導体層として用いたトランジスタは、オフ電流が高くなるため、休止状態での消費電力が高くなるという課題がある。また、これらの分子は条件によっては酸化されやすい性質を有し、酸化によって半導体として特性が変化し易いため、特性を安定化させる必要がある。
【０００９】
また、前述の共役系高分子やポリアセン化合物では、縦型半導体装置の半導体層として好適な配向の薄膜（すなわち、化合物の分子面が基板面と平行に配向されている構造の薄膜）を形成することが難しい。
本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、有機化合物からなる半導体層を備えた半導体装置として、良好でしかも安定した特性を有する半導体装置を得ること、および高い増幅率（オフ電流に対するオン電流の比）を有する電界効果トランジスタを得ること、さらにはキャリア移動度の高い縦型半導体装置を容易に得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、互いにパラ位となる配置の二個の水素基を有するベンゼン環が存在しない縮合多環芳香族化合物、またはその誘導体からなる薄膜を半導体層として有する半導体装置を提供する。
この半導体装置としては、薄膜材料をなす前記化合物の分子が平面構造を有し、▲１▼前記薄膜が、前記化合物の分子面が基板面と垂直に配向されている形態、▲２▼前記薄膜が、前記化合物の分子面が基板面と平行に配向されている形態、▲３▼前記薄膜が、前記化合物の分子面が基板面と垂直に配向されている部分と、前記化合物の分子面が基板面と平行に配向されている部分を有する形態が挙げられる。
【００１１】
本発明はまた、ピレン、ペロピレン、テリレン、アンタンスレン、クオテリレン、オバレン、コロネン、ジベンゾコロネン、テトラベンゾコロネン、ヘキサベンゾコロネン、ベンゾジコロネン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、サーコビフェニル、およびこれらの誘導体から選択された少なくとも１つの化合物からなる薄膜を半導体層として有する半導体装置を提供する。
【００１２】
薄膜材料をなす前記化合物の分子は平面構造（ベンゼン環の平面）を有するため、本発明の半導体装置としては、▲１▼前記薄膜が、前記化合物の分子面が基板面と垂直に配向されている形態、▲２▼前記薄膜が、前記化合物の分子面が基板面と平行に配向されている形態、▲３▼前記薄膜が、前記化合物の分子面が基板面と垂直に配向されている部分と、前記化合物の分子面が基板面と平行に配向されている部分を有する形態が挙げられる。
【００１３】
アセン系の縮合多環芳香族化合物は、ベンゼン環が線状に繋がっている分子構造を有するため、少なくとも末端のベンゼン環は、互いにパラ位となる配置の二個の水素基を有する。これに対して、本発明の半導体装置で半導体層を構成する化合物は、縮合多環芳香族化合物であるがアセン系とは異なり、互いにパラ位となる配置の二個の水素基を有するベンゼン環が存在しない。
【００１４】
この分子構造の違いに起因して、本発明の半導体装置で半導体層を構成する化合物は、アセン系の縮合多環芳香族化合物と比較して、大気中の酸素に対する高い安定性が得られると考えられる。
したがって、本発明によれば、ポリアセン化合物からなる薄膜を半導体層として用いた場合と比較して、良好でしかも安定した特性を有する半導体装置が得られるとともに、オフ電流が低く、高い増幅率（オフ電流に対するオン電流の比）を有する電界効果トランジスタが得られる。
【００１５】
分子構造が平面構造である縮合多環芳香族化合物からなる薄膜においては、化合物の分子面同士が平行に配向した状態で薄膜が形成され、分子面に垂直な方向に高いキャリア移動度と低抵抗が発現する。そのため、化合物の分子面が基板面と垂直に配向されている構造の薄膜は、キャリア輸送方向が基板に平行方向である「横型」半導体装置の半導体層として好ましい。化合物の分子面が基板面と平行に配向されている構造の薄膜は、キャリア輸送方向が基板と垂直な方向である「縦型」半導体装置の半導体層として好ましい。
【００１６】
本発明においては、薄膜の配向状態として前記▲１▼〜▲３▼の形態をとることができるため、半導体装置が「横型」であるか「縦型」であるかに合わせて、好適な形態の半導体層を得ることができる。本発明で使用する化合物によれば、薄膜の形成条件に応じて、前記▲１▼〜▲３▼のいずれかの形態の薄膜が得られる。例えば、真空蒸着法により成膜速度を極めて遅く（例えば、基板温度−５０℃〜８０℃で、０．０１〜１０ｎｍ／分）して成膜した場合に、▲２▼の形態、すなわち、化合物の分子面が基板面と平行に配向されている薄膜を得ることができる。したがって、本発明によれば、前記特定の化合物を使用することで、キャリア移動度の高い縦型半導体装置を容易に得ることができる。
【００１７】
本発明はまた、ピレン、ペロピレン、テリレン、アンタンスレン、クオテリレン、オバレン、コロネン、ジベンゾコロネン、テトラベンゾコロネン、ヘキサベンゾコロネン、ベンゾジコロネン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、サーコビフェニル、およびこれらの誘導体から選択された少なくとも１つの化合物からなる薄膜を半導体層として有し、少なくとも前記薄膜からなるチャネル部にドーパントを含有しない電界効果トランジスタを提供する。
【００１８】
この電界効果トランジスタによれば、前記半導体層にドーパントが含有されている電界効果トランジスタと比較して、オフ電流が低くなって休止状態での消費電力が低くなる。ただし、電極と半導体層との界面には、界面の電気的な接合状態を良好にするためにドーパントが含有されていることが好ましい。したがって、前記界面にドーパントを含有させる際には、チャネル部にドーパントが拡散しないようにする必要がある。これにより、消費電力が低く、増幅率が高い電界効果トランジスタが得られる。
【００１９】
なお、本発明の半導体装置で半導体層を構成する化合物は、アセン系の縮合多環芳香族化合物と比較して、ドーピングされ難い性質がある。
本発明の半導体装置において、前記特定の化合物からなる薄膜の形成方法としては、例えば、真空蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、レーザー蒸着法等のドライ成膜方法と、基板上に溶液や分散液を塗布した後に、溶媒や分散媒を除去することで薄膜を形成するウエット成膜方法が挙げられる。
【００２０】
本発明の半導体装置において、薄膜を形成する基板材料としては、種々の材料が利用可能であり、例えばガラス、石英、酸化アルミニウム、サファイア、窒化珪素、炭化珪素等のセラミックス基板、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、ガリウム燐、ガリウム窒素等半導体基板、ポリエチレンテレフタレート、ポリナフタレンテレフタレート等のポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、エチレンビニルアルコール共重合体、環状ポリオレフィン、ポリイミド、ポリアミド、ポリスチレン等の樹脂基板、紙、不織布等を用いることができる。
【００２１】
本発明の半導体装置の例としては、ダイオード、薄膜トランジスタ、メモリ、フォトダイオード、発光ダイオード、発光トランジスタ、ガスセンサー、バイオセンサー、血液センサー、免疫センサー、人工網膜、味覚センサー等が挙げられる。
本発明の半導体装置は、半導体層として特定の化合物を使用することに特徴があり、本発明の半導体装置の製造方法としては、前記半導体層の形成方法以外の点では全て従来より公知の方法が採用できる。前記半導体層のパターニング方法としても、従来より公知のフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を採用することができる。なお、本発明の半導体装置の製造方法において、溶液を用いた工程を行う場合には、前記半導体層をなす化合物に対して可溶性である溶媒をしないか、使用する場合には、バリア層等を設けて接触しないようにすることが好ましい。
【００２２】
本発明の半導体装置の一例である薄膜トランジスタは、ディスプレイを構成する画素のスイッチング用トランジスタ、信号ドライバー回路素子、メモリ回路素子、信号処理回路素子等として好適に使用できる。ディスプレイの例としては、液晶ディスプレイ、分散型液晶ディスプレイ、電気泳動型ディスプレイ、粒子回転型表示素子、エレクトロクロミックディスプレイ、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ、電子ペーパー等が挙げられる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、具体的な実施例を提示することにより説明する。
［第１実施例］
以下の方法で、電界効果トランジスタを形成した。
【００２４】
先ず、図１（ａ）に示すように、ヘビードーピングされているシリコン基板１の両面に、熱酸化法により、厚さ２００ｎｍで酸化シリコン（ＳｉＯ２ ）膜２を形成した。次に、一方の酸化シリコン膜２上に、リフトオフ法により一対のソース・ドレイン電極３を形成した。この状態を図１（ｂ）に示す。
リフトオフ法による電極形成の際に、レジストとしては、東京応化製の「ＯＦＰＲ−１００」を使用した。ソース・ドレイン電極３用の薄膜としては、チタン薄膜１０ｎｍと金薄膜４０ｎｍを電子線蒸着法でこの順に形成した。また、レジストパターンの剥離後に、酸素プラズマを２分間照射する「デスカム処理」を行うことにより、レジスト残留物を除去した。
【００２５】
次に、Ｄｒ．Ｅｈｒｅｎｓｔｏｒｆｅｒ社製のオバレンを蒸着物質として用い、雰囲気圧力１×１０−７Ｔｏｒｒ（バックプレッシャー１×１０−８Ｔｏｒｒ）、成膜速度１０ｎｍ／ｍｉｎ、基板温度３０℃の条件で、図１（ｂ）の状態のシリコン基板１のソース・ドレイン電極３が形成されている面に、真空蒸着法によりオバレン薄膜４を厚さ１１０ｎｍで形成した。図１（ｃ）はこの状態を示す。
オバレンは、下記の（１）式を構造式とする、平面構造の縮合多環芳香族化合物である。
【００２６】
【化１】
ここで、得られたオバレン薄膜のＸ線回折パターンを測定したところ、面間距離１．１ｎｍの（００ｌ）面（ｌ＝１，２，３）を示すピークが観測された。この面間距離は、オバレン分子面の長軸の長さに相当するため、分子面が基板面と垂直に配向されている構造のオバレン薄膜が得られたことが分かった。
このようにして、図１（ｃ）に示す構造の電界効果トランジスタを作製した。この電界効果トランジスタにおいて、オバレン薄膜４のソース・ドレイン電極３間の部分がチャネル４１となる。
【００２８】
得られた電界効果トランジスタの電流−電圧特性を、シリコン基板１をゲート電極として測定した結果、ゲート電圧を負側とした場合に、ドレイン電流の増幅が認められ（チャネル４１がｐチャネルとして作用し）、トランジスタ作動が確認できた。
また、ドレイン飽和電流から求めたキャリア移動度は０．５ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、電流増幅率（ゲート電圧０Ｖと−５０Ｖでの「ｏｎ電流／ｏｆｆ電流」）は１×１０６ であった。
【００２９】
また、このトランジスタを、大気中の、蛍光灯からの光が照射されている、照度約１０００ｌｕｘ 、紫外線（波長３６５ｎｍ）強度０．０５ｍＷ／ｃｍ２ の場所に、１ヶ月放置し、その後に再度、前記と同じ方法でトランジスタ特性を調べたところ、キャリア移動度は０．５ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、性能低下は認められなかった。
［第２実施例］
オバレン薄膜４に代えてヘキサベンゾコロネン薄膜４を形成した以外は前記第１実施例と同じ方法で、図１（ｃ）に示す構造の電界効果トランジスタを形成した。
【００３０】
ヘキサベンゾコロネン薄膜４の形成は、以下のようにして行った。Ｄｒ．Ｅｈｒｅｎｓｔｏｒｆｅｒ社製のヘキサベンゾコロネンを蒸着物質として用い、雰囲気圧力５×１０−７Ｔｏｒｒ（バックプレッシャー１×１０−８Ｔｏｒｒ）、成膜速度５０ｎｍ／ｍｉｎ、基板温度３０℃の条件で、図１（ｂ）の状態のシリコン基板１のソース・ドレイン電極３が形成されている面に、真空蒸着法によりヘキサベンゾコロネン薄膜４を厚さ１１０ｎｍで形成した。
ヘキサベンゾコロネンは、下記の（２）式を構造式とする、平面構造の縮合多環芳香族化合物である。
【００３１】
【化２】
ここで、得られたヘキサベンゾコロネン薄膜のＸ線回折パターンを測定したところ、面間距離１．０ｎｍの（００ｌ）面（ｌ＝１，２，３）を示すピークが観測された。この面間距離は、ヘキサベンゾコロネン分子面の長軸の長さに相当するため、分子面が基板面と垂直に配向されている構造のヘキサベンゾコロネン薄膜が得られたことが分かった。
【００３３】
得られた電界効果トランジスタの電流−電圧特性を、シリコン基板１をゲート電極として測定した結果、ゲート電圧を負側とした場合に、ドレイン電流の増幅が認められ（チャネル４１がｐチャネルとして作用し）、トランジスタ作動が確認できた。
また、ドレイン飽和電流から求めたキャリア移動度は０．１ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、電流増幅率（ゲート電圧０Ｖと−５０Ｖでの「ｏｎ電流／ｏｆｆ電流」）は１×１０５ であった。
【００３４】
また、このトランジスタを、実施例１と同じ場所に、１ヶ月放置し、その後に再度、前記と同じ方法でトランジスタ特性を調べたところ、キャリア移動度は０．１１ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、性能低下は認められなかった。
したがって、この第２実施例の方法でヘキサベンゾコロネン薄膜を形成した場合には、良好な特性の横型の電界効果トランジスタが得られる。
［第３実施例］
オバレン薄膜４に代えてヘキサベンゾコロネン薄膜４を形成した以外は前記第１実施例と同じ方法で、図１（ｃ）に示す構造の電界効果トランジスタを形成した。
【００３５】
ヘキサベンゾコロネン薄膜４の形成は、以下のようにして行った。Ｄｒ．Ｅｈｒｅｎｓｔｏｒｆｅｒ社製のヘキサベンゾコロネンを蒸着物質として用い、雰囲気圧力１×１０−８Ｔｏｒｒ（バックプレッシャー５×１０−９Ｔｏｒｒ）、成膜速度１ｎｍ／ｍｉｎ、基板温度３０℃の条件で、図１（ｂ）の状態のシリコン基板１のソース・ドレイン電極３が形成されている面に、真空蒸着法によりヘキサベンゾコロネン薄膜４を厚さ１００ｎｍで形成した。
【００３６】
ここで、得られたヘキサベンゾコロネン薄膜のＸ線回折パターンを測定したところ、面間距離０．３７ｎｍの回折面を示すピークが観測された。この面間距離はヘキサベンゾコロネン単結晶の分子間距離に対応するため、分子面が基板面と平行に配向されている構造のヘキサベンゾコロネン薄膜が得られたことが分かった。
【００３７】
得られた電界効果トランジスタの電流−電圧特性を、シリコン基板１をゲート電極として測定した結果、ゲート電圧を負側とした場合に、ドレイン電流の増幅が認められ（チャネル４１がｐチャネルとして作用し）、トランジスタ作動が確認できた。
また、ドレイン飽和電流から求めたキャリア移動度は０．００２ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、電流増幅率（ゲート電圧０Ｖと−５０Ｖでの「ｏｎ電流／ｏｆｆ電流」）は１×１０４ であった。
【００３８】
次に、図１（ｃ）およびその平面図に相当する図２に想像線（２点鎖線）で示すように、一方のソース・ドレイン電極３の上側に金薄膜からなる電極５を形成した。これにより、図１（ｂ）で形成した２つの電極３のうちの一方の電極３Ａと、ヘキサベンゾコロネン薄膜４の上に形成された電極５と、ヘキサベンゾコロネン薄膜４の両電極３Ａ，５の間の部分４２と、シリコン基板１とにより、縦型の電界効果トランジスタが構成される。
【００３９】
この両電極３Ａ，５の間の抵抗測定により求めた電導度は１×１０−７Ｓ／ｃｍであった。また、２つの電極３の間の抵抗測定により求めた電導度は１×１０−９Ｓ／ｃｍであった。これらの結果から、キャリア濃度が一様と仮定した場合、この縦型の電界効果トランジスタのキャリア移動度は０．２ｃｍ２ ／Ｖ・ｓと推定される。
【００４０】
したがって、この第３実施例の方法でヘキサベンゾコロネン薄膜を形成した場合には、良好な特性の縦型の電界効果トランジスタが得られる。
［第４実施例］
オバレン薄膜４に代えてヘキサベンゾコロネン薄膜４を形成した以外は前記第１実施例と同じ方法で、図１（ｃ）に示す構造の電界効果トランジスタを形成した。
【００４１】
ヘキサベンゾコロネン薄膜４の形成は、以下のようにして行った。Ｄｒ．Ｅｈｒｅｎｓｔｏｒｆｅｒ社製のヘキサベンゾコロネンを蒸着物質として用い、雰囲気圧力８×１０−８Ｔｏｒｒ（バックプレッシャー６×１０−９Ｔｏｒｒ）、成膜速度１０ｎｍ／ｍｉｎ、基板温度３０℃の条件で、図１（ｂ）の状態のシリコン基板１のソース・ドレイン電極３が形成されている面に、真空蒸着法によりヘキサベンゾコロネン薄膜４を厚さ１１０ｎｍで形成した。
【００４２】
ここで、得られたヘキサベンゾコロネン薄膜のＸ線回折パターンを測定したところ、面間距離０．３７ｎｍの回折面を示すやや幅広のピークと、１．０ｎｍの回折面を示すピークが観測された。また、この薄膜の組織を偏光顕微鏡で観察したところ、結晶配向の違いによる海島構造が形成されていた。これにより、分子面が基板面と平行に配向されている部分と、分子面が基板面と垂直に配向されている部分と、を有する構造のヘキサベンゾコロネン薄膜が得られたことが分かった。
【００４３】
得られた電界効果トランジスタの電流−電圧特性を、シリコン基板１をゲート電極として測定した結果、ゲート電圧を負側とした場合に、ドレイン電流の増幅が認められ（チャネル４１がｐチャネルとして作用し）、トランジスタ作動が確認できた。
また、ドレイン飽和電流から求めたキャリア移動度は０．０４ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、電流増幅率（ゲート電圧０Ｖと−５０Ｖでの「ｏｎ電流／ｏｆｆ電流」）は１×１０４ であった。
【００４４】
次に、図１（ｃ）およびその平面図に相当する図２に想像線（２点鎖線）で示すように、一方のソース・ドレイン電極３の上側に金薄膜からなる電極５を形成した。これにより、図１（ｂ）で形成した２つの電極３のうちの一方の電極３Ａと、ヘキサベンゾコロネン薄膜４の上に形成された電極５と、ヘキサベンゾコロネン薄膜４の両電極３Ａ，５の間の部分４２と、シリコン基板１とにより、縦型の電界効果トランジスタが構成される。
【００４５】
この両電極３Ａ，５の間の抵抗測定により求めた電導度は１×１０−８Ｓ／ｃｍであった。また、２つの電極３の間の抵抗測定により求めた電導度は１×１０−８Ｓ／ｃｍであった。これらの結果から、キャリア濃度が一様と仮定した場合、この縦型の電界効果トランジスタのキャリア移動度は０．０４ｃｍ２ ／Ｖ・ｓと推定される。
【００４６】
したがって、この第４実施例の方法でヘキサベンゾコロネン薄膜を形成した場合には、縦型の場合でも横型の場合でも同等な特性の電界効果トランジスタが得られる。
［第５実施例］
オバレン薄膜４に代えてサーカムアントラセン薄膜４を形成した以外は前記第１実施例と同じ方法で、図１（ｃ）に示す構造の電界効果トランジスタを形成した。
【００４７】
サーカムアントラセン薄膜４の形成は、以下のようにして行った。ピッチから抽出した針状結晶のサーカムアントラセンを蒸着物質として用い、雰囲気圧力５×１０−９Ｔｏｒｒ（バックプレッシャー５×１０−９Ｔｏｒｒ）、成膜速度３０ｎｍ／ｍｉｎ、基板温度３０℃の条件で、図１（ｂ）の状態のシリコン基板１のソース・ドレイン電極３が形成されている面に、真空蒸着法によりサーカムアントラセン薄膜４を厚さ９０ｎｍで形成した。
サーカムアントラセンは、下記の（３）式を構造式とする、平面構造の縮合多環芳香族化合物である。
【００４８】
【化３】
ここで、得られたサーカムアントラセン薄膜のＸ線回折パターンを測定したところ、面間距離１．４ｎｍの（００ｌ）面（ｌ＝１，２，３）を示すピークが観測された。この面間距離は、サーカムアントラセン分子面の長軸の長さに相当するため、分子面が基板面と垂直に配向されている構造のサーカムアントラセン薄膜が得られたことが分かった。
【００５０】
得られた電界効果トランジスタの電流−電圧特性を、シリコン基板１をゲート電極として測定した結果、ゲート電圧を負側とした場合に、ドレイン電流の増幅が認められ（チャネル４１がｐチャネルとして作用し）、トランジスタ作動が確認できた。
また、ドレイン飽和電流から求めたキャリア移動度は０．１８ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、電流増幅率（ゲート電圧０Ｖと−５０Ｖでの「ｏｎ電流／ｏｆｆ電流」）は１×１０５ であった。
【００５１】
また、このトランジスタを、実施例１と同じ場所に、１ヶ月放置し、その後に再度、前記と同じ方法でトランジスタ特性を調べたところ、キャリア移動度は０．１８ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、性能低下は認められなかった。
したがって、この第５実施例の方法でサーカムアントラセン薄膜を形成した場合には、良好な特性の横型の電界効果トランジスタが得られる。
［比較例１］
オバレン薄膜４に代えてペンタセン薄膜４を形成した以外は前記第１実施例と同じ方法で、図１（ｃ）に示す構造の電界効果トランジスタを形成した。
【００５２】
ペンタセン薄膜４の形成は、以下のようにして行った。アルドリッチ社製のペンタセンを蒸着物質として用い、雰囲気圧力２×１０−８Ｔｏｒｒ（バックプレッシャー５×１０−９Ｔｏｒｒ）、成膜速度１０ｎｍ／ｍｉｎ、基板温度３０℃の条件で、図１（ｂ）の状態のシリコン基板１のソース・ドレイン電極３が形成されている面に、真空蒸着法によりペンタセン薄膜４を厚さ１００ｎｍで形成した。
【００５３】
ペンタセンは、下記の（４）式を構造式とする、平面構造の縮合多環芳香族化合物である。
【００５４】
【化４】
ここで、得られたペンタセン薄膜のＸ線回折パターンを測定したところ、面間距離１．５ｎｍの（００ｌ）面（ｌ＝１，２，３）を示すピークが観測された。この面間距離は、ペンタセン分子面の長軸の長さに相当するため、分子面が基板面と垂直に配向されている構造のペンタセン薄膜が得られたことが分かった。
得られた電界効果トランジスタの電流−電圧特性を、シリコン基板１をゲート電極として測定した結果、ゲート電圧を負側とした場合に、ドレイン電流の増幅が認められ（チャネル４１がｐチャネルとして作用し）、トランジスタ作動が確認できた。
【００５６】
また、ドレイン飽和電流から求めたキャリア移動度は０．２ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、電流増幅率（ゲート電圧０Ｖと−５０Ｖでの「ｏｎ電流／ｏｆｆ電流」）は１×１０３ であった。
また、このトランジスタを、実施例１と同じ場所に、１ヶ月放置し、その後に再度、前記と同じ方法でトランジスタ特性を調べたところ、キャリア移動度は０．１３ｃｍ２ ／Ｖ・ｓであり、性能低下が認められた。
【００５７】
次に、図１（ｃ）およびその平面図に相当する図２に想像線（２点鎖線）で示すように、一方のソース・ドレイン電極３の上側に金薄膜からなる電極５を形成した。これにより、図１（ｂ）で形成した２つの電極３のうちの一方の電極３Ａと、ペンタセン薄膜４の上に形成された電極５と、ペンタセン薄膜４の両電極３Ａ，５の間の部分４２と、シリコン基板１とにより、縦型の電界効果トランジスタが構成される。
【００５８】
この両電極３Ａ，５の間の抵抗測定により求めた電導度は１×１０−９Ｓ／ｃｍであった。また、２つの電極３の間の抵抗測定により求めた電導度は１×１０−６Ｓ／ｃｍであった。これらの結果から、キャリア濃度が一様と仮定した場合、この縦型の電界効果トランジスタのキャリア移動度は２×１０−４ｃｍ２ ／Ｖ・ｓと推定される。
［比較例２］
ペンタセン薄膜４にドーピングを施した以外は前記第１比較例と同じ方法で、図１（ｃ）に示す構造の電界効果トランジスタを形成した。
【００５９】
ペンタセン薄膜４に対するドーピングは、ペンタセン薄膜４の形成後のシリコン基板１をガラス容器内に入れ、この容器内にヨウ素を入れて蓋をし、１０分間保持することにより行った。これにより、ペンタセン薄膜４は茶色に変色したため、ドーピングが行われたことが確認できた。
ここで、得られたヨウ素ドーピング後のペンタセン薄膜のＸ線回折パターンを測定したところ、面間距離１．８ｎｍの（００ｌ）面（ｌ＝１〜８）を示すピークが観測された。この結果からもヨウ素がドーピングされたことが確認できた。
【００６０】
得られた電界効果トランジスタの電流−電圧特性を、シリコン基板１をゲート電極として測定した結果、ゲート電圧を印加してもドレイン電流−電圧曲線の変化は認められず、トランジスタとして作動しないことが分かった。また、２つの電極３の間の抵抗測定により求めた電導度は１０Ｓ／ｃｍであった。
以上のように、比較例１の方法で得られた横型の電界効果トランジスタは、第１〜第５実施例で得られた横型の電界効果トランジスタよりも電流増幅比が小さいとともに、同一条件での蛍光灯耐性が低いことが分かる。また、比較例１の方法では、良好な特性の縦型の電界効果トランジスタが得られない。
【００６１】
したがって、第１〜第５実施形態の電界効果トランジスタは、比較例１の電界効果トランジスタよりも、良好でしかも安定した特性を有し、高い増幅率を有する電界効果トランジスタとなっている。また、第３実施例の方法により、キャリア移動度の高い縦型半導体装置を容易に得ることができる。
なお、比較例１と比較例２との比較から、ペンタセン薄膜にドーパント（ヨウ素）を含有することにより、電界効果トランジスタとしての特性は低下するが、電極間の導電度は高くなることが分かる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、有機化合物からなる半導体層を備えた半導体装置として、良好でしかも安定した特性を有する半導体装置が得られる。また、高い増幅率を有する電界効果トランジスタが得られる。さらに、キャリア移動度の高い縦型半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態において、電界効果トランジスタの形成方法を説明するための断面図である。
【図２】実施形態において、縦型の電界効果トランジスタとしての特性を調べる方法を説明するための平面図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板
２ 酸化シリコン膜
３ ソース・ドレイン電極
４ 半導体層
４１ チャネル
４２ チャネル
５ 電極
Claims (9)
- 互いにパラ位となる配置の二個の水素基を有するベンゼン環が存在しない縮合多環芳香族化合物、またはその誘導体からなる薄膜を半導体層として有する半導体装置。
- 前記化合物の分子は平面構造を有し、前記薄膜は、前記化合物の分子面が基板面と垂直に配向されている請求項１記載の半導体装置。
- 前記化合物の分子は平面構造を有し、前記薄膜は、前記化合物の分子面が基板面と平行に配向されている請求項１記載の半導体装置。
- 前記化合物の分子は平面構造を有し、前記薄膜は、前記化合物の分子面が基板面と垂直に配向されている部分と、前記化合物の分子面が基板面と平行に配向されている部分を有する請求項１記載の半導体装置。
- ピレン、ペロピレン、テリレン、アンタンスレン、クオテリレン、オバレン、コロネン、ジベンゾコロネン、テトラベンゾコロネン、ヘキサベンゾコロネン、ベンゾジコロネン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、サーコビフェニル、およびこれらの誘導体から選択された少なくとも１つの化合物からなる薄膜を半導体層として有する半導体装置。
- 前記薄膜は、前記化合物の分子面が基板面と垂直に配向されている請求項５記載の半導体装置。
- 前記薄膜は、前記化合物の分子面が基板面と平行に配向されている請求項５記載の半導体装置。
- 前記薄膜は、前記化合物の分子面が基板面と垂直に配向されている部分と、前記化合物の分子面が基板面と平行に配向されている部分を有する請求項５記載の半導体装置。
- ピレン、ペロピレン、テリレン、アンタンスレン、クオテリレン、オバレン、コロネン、ジベンゾコロネン、テトラベンゾコロネン、ヘキサベンゾコロネン、ベンゾジコロネン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、サーコビフェニル、およびこれらの誘導体から選択された少なくとも１つの化合物からなる薄膜を半導体層として有し、少なくとも前記薄膜からなるチャネル部にドーパントを含有しない電界効果トランジスタ。
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