JP2004507096A - 有機電界効果トランジスタ(ofet),該有機電界効果トランジスタの製造方法、前記有機電界効果トランジスタから形成される集積回路、及び該集積回路の使用 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、性能の改善された有機電界効果トランジスタ(OFET)に関する。
【0002】
OFETに基づいた有機集積回路(plastic integrated circuits PIC)は、超小形電子工学の一般的用途ならびに無接触可読式識別タグ及び製品タグのような使い捨て製品向けに使用される(RFIDタグ:radio frequency identification−tags)。この場合、シリコン技術の優れた動作特性は無しで済ませることもできるが、そのためには、非常に低い製造コストと機械的柔軟性が保証されなければならない。例えば電子式バーコードのような構成要素は典型的な使い捨て製品である。
【0003】
今までのところ、OFETの性能は限られている。というのも、この構成素子のために使用される有機半導体材料の電荷担体移動度は低いからである。このことは、とりわけ、OFETの出力電流が比較的小さいことに現れている。OFETの出力電流が大きいほど、OFETから形成される電気回路はより迅速に動作する。別の利点は、出力電流が大きければ、例えばアクティブディスプレイ用の有機発光ダイオード(OLED)のような、大電流を必要とする素子を直接制御することができることである。
【0004】
OFETの重要な用途は有機トランスポンダである(RFIDタグ)。このトランスポンダが迅速に動作するほど、物体/商品/アイテムを識別するのに要する時間が短縮される。今のところ、OFETに基づいた公知の有機回路は最高で100ビット/秒のスイッチング速度を有している(Philips:Gelinck et al.,APL 77,S.1487−89,9/2000)。これは商品/アイテムの迅速な把握にはあまりに緩慢すぎる。というのも、一般的には128ビットを伝送できなければならないからである。およそ0.1〜0.05sの読み取り時間が達成されなければならない。そのためには非常に速いOFETが使用される。
【0005】
OFETのスイッチング速度は、ソース電極からドレイン電極への電荷担体の遷移時間により決定され、したがって半導体材料内での移動度及び電流チャネルのチャネル長にも依存しており、電流チャネルが比較的長い場合はスイッチング頻度が比較的低く、逆の場合は逆になる。原則的に高いスイッチング頻度を達成すべきである。というのも、OFETの幾つかの用途はOFETのスイッチング速度に依存しており、また今のところOFETの用途は低いスイッチング頻度ゆえに制限されているからである。その理由は、一般に情報処理においては、使用可能な伝送に必要とされるビット速度が少なくともKBit/sの範囲にあるからである。
【0006】
従来、例えばDE 10040441.3から、横方向に、つまり水平方向に且つ基板表面に対して平行に延びる電流チャネルを備えたOFETが公知である。ただ1つの電流チャネルがソース電極とドレイン電極との間に形成される。ソース電極とドレイン電極は、従来公知のシステムでは基板表面の平面内及びこの平面と平行に配置されている。ソースとドレインとの間の距離が電流チャネルの長さを決定する。その際、構造化法により、従来は少なくとも1μmの最短の電流チャネル長が達成される。これにより、およそ10KHz領域のトランジスタスイッチング頻度が達成される。しかし、このスイッチング頻度は多くの用途にとってはまだ低すぎる。
【0007】
本発明の課題は、OFETの性能、とりわけ出力電流とスイッチング頻度を、OFETの「レイアウト」及びこれにより形成される回路の改善によって向上させることである。
【0008】
本発明の対象は基板上の有機電界効果トランジスタであり、少なくとも1つのドレイン電極とソース電極とを接続する少なくとも1つの半導体層、少なくとも2つの絶縁層、及び前記基板上にゲート電極を有する少なくとも1つの導体層が、前記ゲート電極への電圧の印加後に、電界効果により少なくとも2つの電流チャネル及び/又は垂直な電流チャネル、つまり前記基板の表面を横断して延びる電流チャネルが形成されるように構成されている。
【0009】
さらに、本発明の対象は、構造化された有機層(例えばポリマー層)を基板上に積層することにより多重チャネルOFETを製造する方法及び/又は基板表面を横断して延びる電流チャネルを有するOFETを製造する方法である。
【0010】
さらに、本発明の対象は、積み重ねて配置された少なくとも2つのトランジスタを有する集積回路である。
【0011】
最後に、本発明の対象は、論理回路形成における、少なくとも2つ電流チャネル及び/又は1つの垂直電流チャネルを有するOFETの使用、及び/又は有機ディスプレイの制御部での使用、ならびに、迅速なトランスポンダ内及び/又はRFIDタグ内での使用である。
【0012】
1つの実施形態によれば、OFETを製造する方法は、以下の作業ステップを有する:
下側電極を基板上に積層するステップ、
絶縁体から成る第1の層を前記下側電極上に積層するステップ、
上側電極を第1の絶縁体上に積層するステップ、
前記上側電極と前記第1の絶縁体層を構造化する際に、前記第1の絶縁体層の構造化を必ずドレイン/ソースの構造化とともに1つの作業ステップで行い、すくなくとも垂直電流チャネルが形成される稜においては構造が必ず等しくなるようにするステップ、
前記2つの電極を半導体材料によるコーティングにより接続するステップと、
前記半導体層を第2の絶縁体で覆うステップ、
前記第2の絶縁体上で少なくとも前記半導体により他の2つの電極が接続されている箇所にゲート電極を積層するステップ。
【0013】
有利には、少なくとも2つの電流チャネル及び/又は垂直に延びる電流チャネルを有するOFETの有機集積回路内で使用することにより、少なくとも10KBit/sの速度で情報を処理することができる。
【0014】
OFETの公知のレイアウトでは、ソース電極とドレイン電極は、基板表面の平面に対してほぼ平行な平面上にある。これら2つの電極の間の距離はできるだけ小さく保持され、実質的には、構造化法の細かさ又は解像度に依存しており、したがってOFETの製造の際の決定的なコスト要因である。というのも、構造化法が細かいほど、コストがかかるからである。
【0015】
今までのところ、コストのかかる構造化法によってしか、ソースとドレインとの間の距離が1μm未満の製造は成功していない。
【0016】
ここで初めて提案される垂直電流チャネルを有するOFETにより、層の厚さを選択することで、非常にコスト安に、ドレインとソースとの間の距離を実質的に例えばおよそ100nm〜およそ1μmくらいに短くすることができる。
【0017】
これは、ソース電極とドレイン電極との間の距離を反映するチャネル長が、高価でコスト高なフォトリソグラフィ構造化法の解像度には依存しておらず、非常に単純にソースとドレインとの間に積層される絶縁体層の層の厚さに依存しているからである。
【0018】
このレイアウトを、有利には10−2cm2/Vsの移動度を有する有機材料から成る半導体と組合せれば、トランスポンダでの使用に有利なスイッチング速度を有するOFETが得られる。
【0019】
有利には、OFETの2つ又はそれ以上の電流チャネルは、少なくとも2つのゲート電極により形成される。
【0020】
OFETの1つの実施形態によれば、ゲート電極の両面が電流チャネルの形成に使用される。
【0021】
別の実施形態によれば、OFETは異なるジオメトリの少なくとも2つの電流チャネルを有している。
【0022】
2つ又はそれ以上の電流チャネルの配置構成及び/又は電流チャネルの長さの短縮ないし垂直な配置構成によって、出力電流及び/又はスイッチング頻度を使用されている材料に関係なく上昇させることができる。
【0023】
付加的な電流チャネルは、複数のゲート電極によって又は1つのゲート電極の両面を使用して形成される。2つ又はそれ以上のゲート電極を使用する場合は、これらのゲート電極は有利には短絡される。これにより、様々な電流チャネルをゲート電位だけで制御することができる。そのうえ、ゲート電極を結合すれば、さらにトランジスタを接続しなくてもよい。これにより、多重チャネルOFETが簡単に既存の回路コンセプトに統合される。
【0024】
OFETの製造は、有機層(例えばポリマー層及び/又はオリゴマー層)を構造化して積層することにより、ないしは一般的に絶縁半導体層及び/又は導電性プラスチック層を用いたコーティングにより行われる。これは、有利には印刷技術を介して、又は、スピンオンデポジション、蒸着、キャスト、スピンコーティング又はスパッタリングによる積層と後続のフォトリソグラフィとにより達成される。
【0025】
OFETの実施形態を多重チャネルOFETとして製造する場合、構造化される層は例えば以下のシーケンスで積層される。
【0026】
まず、ゲート電極を基板上に積層する。そして、ゲート電極上に絶縁体層を積層する。ただし、この絶縁体層はある方向ではゲート電極よりも大きく、この方向に対して垂直方向ではゲート電極よりも小さい。絶縁体層上には、少なくとも1つのソース電極と少なくとも1つのドレイン電極を、下側ゲート電極がほぼソース電極とゲート電極との間の中央に位置するように積層する。
【0027】
電極の構造化は、例えばフォトリソグラフィ、印刷及び/又はドクタにより行ってもよい。
【0028】
つぎに、半導体層をソース電極とドレイン電極との間に積層する。その際、半導体層は数μmだけソース電極及びドレイン電極とオーバーラップする。別の上側絶縁体層は半導体層上に積層する。
【0029】
第1の絶縁体は、例えばスピンオンデポジション又はドクタにより下側電極上に積層させ、同様に構造化する。第1の絶縁体の層の厚さは、垂直電流チャネルを有するOFETにおいてチャネル長を決定する。第1の絶縁体は、分割された作業ステップで構造化してもよいし、隣接するドレイン電極層とともに構造化してもよい。
【0030】
第1の絶縁体は例えば印刷により積層することができる。
【0031】
半導体層は例えばスピンオンデポジション又はドクタにより積層し、フォトリソグラフィにより構造化することができる。
【0032】
第2の絶縁体層も同様にスピンオンデポジション又はドクタにより積層することができる。
【0033】
最後に、ゲート電極はスパッタリング、蒸着、又は印刷により積層することができる。
【0034】
ソース電極/ドレイン電極は、導電性の有機材料及び/又は金属導体を含んでいてもよい。
【0035】
絶縁体としては、ポリイミド、ポリエステル及び/又はポリメタクリル酸メチルが使用される。
【0036】
ゲートとしては、金属か又は導電性プラスチックが使用される。
【0037】
半導体層としては、有利には電荷担体の移動度の高い有機材料が使用される。
【0038】
導体層としては、有利にはポリアニリンが使用される。
【0039】
本明細書では「有機材料」なる概念は、例えば英語で「プラスチック」と呼ばれるすべての種類の有機的、有機金属的及び/又は無機的合成物質を含んでいる。それは、古典的なダイオードを形成する半導体(ゲルマニウム、ケイ素)と典型的な金属導体とを除いたすべての種類の物質である。それゆえ、ドグマ的に有機材料を炭素が含まれた材料に限定することは意図しておらず、むしろ、例えばシリコンの大幅な使用も考えられている。さらに、この用語は、分子の大きさに関する制限、とりわけポリマー材料及び/又はオリゴマー材料への制限には服してはおらず、完全に“small molecules”の使用も可能である。
【0040】
集積回路の場合、基板の表面が、ともに集積回路を形成するトランジスタの個数を限定する。というのも、トランジスタは並列して又は、あるトランジスタの電界効果が隣りのトランジスタを妨害すること及びその逆もないように最小限の間隔で配置されているからである。これに関して不利な点は、集積回路の2次元的、つまり平面的所要面積が比較的大きいことである。
【0041】
トランジスタを積み重ねることにより、基板の使用可能面積が2倍ないし数倍にもなる。というのも、トランジスタは並列して配置されるだけでなく、上下にも配置することができるからである。ここで、「数倍」とは整数倍だけを指しているのではない。
【0042】
OFETを積み重ねる場合、例えば下側のOFETのカプセル及び/又はカバーを上側のOFETの基板及び/又は支持体として使用することができる。その際、カプセルの厚さ及び材料は、下側トランジスタのゲート電極から上側トランジスタのドレイン電極又はソース電極に電界効果が及ばないように選定される。これに応じて、カプセルで包まれた且つ/又は絶縁された層の厚さは、OFETのゲート電極とソース/ドレイン電極との間の絶縁体層の厚さよりも格段に厚くなるように選定される。積み重ねられた2つのトランジスタの間の層の厚さは、有利には200nmをはるかに越し、例えば400nmと800nmの間の範囲内にあり、とりわけおよそ600nmである。
【0043】
カプセルの材料としては、有利には絶縁体層が使用される。絶縁体層の材料は、例えばポリビニルフェノール(PVP)のような有機半導体技術において広く使用されている絶縁体である。
【0044】
以下では、実施例を基に本発明をより詳細に説明する。
【0045】
図1〜3には、多重チャネルOFETの構造及びレイアウトが2重チャネルOFETの例として示されており、図4〜6には、少なくとも1つの垂直電流チャネルを有するOFETが示されており、最後に図7には、積み重ねて配置された少なくとも2つのトランジスタを有する集積回路が示されている。
【0046】
図1には、2重チャネルOFETが示されている。
【0047】
図2には、ラインA−Aに沿ってOFETの断面が示されている。
【0048】
図3には、ラインB−Bに沿ってOFETの断面が示されている。
【0049】
図4には、垂直電流チャネルを有するOFETの層構造が示されている。
【0050】
図5には、2つの垂直電流チャネルを有するOFETのレイアウトの実施例が示されている。
【0051】
図6には、2つの垂直電流チャネルを有するOFETの別の変形が示されている。
【0052】
最後に図7には、積み重ねられた2つの有機電界効果トランジスタの断面が示されている。
【0053】
図1には、トランジスタの3つの電極、すなわち、ソース電極4、ドレイン電極5及びゲート電極8が示されている。ゲート電極8は、例えばゲート電極2と短絡している(図3参照)。さらに、上側絶縁体層7も示されており、これは、ゲート電極8と半導体6との間の電気的接触を防ぐものである。
【0054】
図2には、2重チャネルOFETのレイアウトが図1のラインA−Aに沿った断面で示されている。最も下には基板1があり、この基板は、例えばガラス、セラミック、Siウェーハ、又は例えばポリイミド箔もしくはポリエチレンテレフタレート(PET)箔のような有機材料であってもよい。基板1上には、下側絶縁体層3があり、この絶縁体層は例えばポリビニルフェノールから成っていてもよい。下側及び上側のゲート電極は、OFET電極一般においてそうであるように、例えばポリアニリン(PAni)のような導電性ポリマーから成っていてもよい。2つのゲート電極を通って、電界効果により2つの電流チャネルが生じる。一方は半導体層6の上面に、他方は半導体層6の下面に生じる。これにより、出力電流の増大が本発明に従って生じる。下側ゲート電極は、この断面図では、下側絶縁体3と基板1とにより完全に包囲されている。下側絶縁体層の上には、2つの電極4及び5(ソース及びドレイン)を有する半導体6(例えばポリ−3−チオフェン)があり、隣り合う層として上側絶縁層7があり、その上には上側ゲート電極8がある。
【0055】
図3には、図1の2重チャネルOFETのラインB−Bに沿った断面が示されている。見て分かるように、また最も下に(フレキシブルな)基板1があり、その上に下側ゲート電極2があり、この下側ゲート電極に上側ゲート電極8が接続されている。下側及び上側の絶縁層3及び7は、ゲート電極により包み込まれており、(断面図において)半導体6を完全に包囲している。
【0056】
図4では、下から上へ向かって下記の層構造が識別できる。
【0057】
基板1上には、ソース電極4が積層されている。この層の上でソース電極4と接触しているのが、第1の絶縁体層3と半導体層6である。
【0058】
第1の絶縁体層3には、ドレイン電極5が隣接している。ドレイン電極5はまた半導体層6とも接触している。つまり、半導体層6は2つの電極4及び5と接触しており、またこの半導体層6を分離する第1の絶縁体層3とも接触している。ただし、ソース4とドレイン5は互いに接触してはおらず、第1の絶縁体層3によって互いに電気的に絶縁されている。これら2つの電極は半導体層6によってのみ結合されている。第1の絶縁体層3の厚さlは電流チャネル9の長さに相応している。電流チャネル9は、ゲート電極8に電圧が印加された後、ソース電極4とドレイン電極5との間の電界効果により半導体材料6内に形成される。
【0059】
半導体層6の上には、半導体層6をゲート電極8から絶縁する第2の絶縁体層7がある。
【0060】
図5には、2つの垂直電流チャネルを有するOFETのレイアウトの実施例が示されている。
【0061】
層構造において下から上へ向かって、再び基板1,その上に隣接してソース電極4、その上に第1の絶縁体層3及びドレイン電極5が構造化されて積層されている。層3,4及び5は半導体材料6で被覆されている。半導体6は第2の絶縁体7で被覆されている。第2の絶縁体層7上には、2つのゲート電極8が構造化されて積層されており、これにより2つの垂直電流チャネル9が形成される。
【0062】
図6に示されている変形では、同様に2つの垂直電流チャネルが生じるが、ただし2つのゲート電極8によってではなく、2つのドレイン電極5によってである。
【0063】
図7には、積み重ねられた2つの有機電界効果トランジスタの断面が示されている。
【0064】
この構造は下から上に向かって集積回路の下記の層を示している。
【0065】
見て分かるように、下には基板1があり、その上にはドレイン電極とソース電極4,5が左右外側にあり、これらの電極を囲むように半導体層6が積層されている。半導体層6上には第1の絶縁体層3がある。この上にはゲート電極8が位置しており、コンタクトラグ10を介して下側トランジスタのソース電極及び/又はドレイン電極4,5と結合されており、それにより、ドレイン電極とソース電極4,5の間に半導体層6を通って電流が流れるとすぐに、これらの電極が接続され、ドミノ効果の遅延によって、積み重ねトランジスタが一番下のゲート電極8への電流の印加によって相応してオン状態に切り替わるようになっている。ゲート電極8の上方には、第2の絶縁体層7があり、トランジスタの積み重ね構造はこの絶縁体層7により可能となる。
【0066】
本発明は性能が改善された有機電界効果トランジスタに関する。出力電流は、OFET上の複数の電流チャネルの構造により増大させられる。なお、これら複数の電流チャネルはすべて出力電流に寄与するものである。ソース電極及びドレイン電極を、基板表面に対して平行な平面上に配置しないことにより、ソースとドレインとの間の距離を従来可能であったよりも短くすることが可能である。これにより、より短い電流チャネルとより速いスイッチング速度が得られる。最後に、本発明は、基板上に省面積でトランジスタが配置された集積回路に関する。
【図面の簡単な説明】
【図1】2重チャネルOFETを示す。
【図2】ラインA−Aに沿ってOFETの断面を示す。
【図3】ラインB−Bに沿ってOFETの断面を示す。
【図4】垂直電流チャネルを有するOFETの層構造を示す。
【図5】2つの垂直電流チャネルを有するOFETのレイアウトの実施例を示す。
【図6】2つの垂直電流チャネルを有するOFETの別の変形を示す。
【図7】積み重ねられた2つの有機電界効果トランジスタの断面を示す。
Claims (25)
- 少なくとも1つのドレイン電極とソース電極とを接続する少なくとも1つの半導体層、少なくとも2つの絶縁層、及び前記基板上にゲート電極を有する少なくとも1つの導体層が、前記ゲート電極への電圧の印加後に、電界効果により少なくとも2つの電流チャネル、及び/又は垂直な電流チャネル、つまり前記基板の表面を横断して延びる電流チャネルが形成されるように構成されている、ことを特徴とする、基板上の有機電界効果トランジスタ。
- 少なくとも2つのゲート電極を有する請求項1記載の有機電界効果トランジスタ。
- ゲート電極の両面が2つの電流チャネルの形成に使用される、請求項1又は2に記載の有機電界効果トランジスタ。
- 前記少なくとも2つの電流チャネルは異なる形状寸法を有している、請求項1から3のいずれか1項に記載の有機電界効果トランジスタ。
- 前記少なくとも2つのゲート電極の間に1つの短絡回路が存在する、請求項1から4のいずれか1項に記載の有機電界効果トランジスタ。
- 第1の絶縁層及び/又はドレイン電極は構造化して積層されている、請求項1から5のいずれか1項に記載の有機電界効果トランジスタ。
- 前記第1の絶縁層の構造化と前記ドレイン電極の構造化は同じである、請求項1から6のいずれか1項に記載の有機電界効果トランジスタ。
- 前記ゲート電極は構造化して積層されている、請求項1から7のいずれか1項に記載の有機電界効果トランジスタ。
- 少なくともある箇所ではソース電極とドレイン電極との間の距離が1μm未満である、請求項1から8のいずれか1項に記載の有機電界効果トランジスタ。
- 請求項1から9までのいずれか1項に記載の電界効果トランジスタを少なくとも1つ有することを特徴とする集積回路。
- 少なくとも2つのトランジスタが積み重ねられていることを特徴とする集積回路。
- 基板の使用可能面積が集積回路の実際の面積の数倍かであることを特徴とする集積回路。
- 少なくとも2つの有機電界効果トランジスタを有する、請求項10から12のいずれか1項に記載の集積回路。
- 前記積み重ね構造において、下側トランジスタのカバー及び/又はカプセルが上側トランジスタの基板及び/又は支持体として使用される、請求項10から13のいずれか1項に記載の集積回路。
- 前記下側トランジスタのカプセルは前記積み重ね構造において200nmよりも大きい厚さを有する、請求項10から14のいずれか1項に記載の集積回路。
- 少なくとも2つのトランジスタを積み重ね及び/又は隣接して配置することにより集積回路を製造する方法。
- 少なくとも2つの有機電界効果トランジスタを積み重ねる、請求項16記載の方法。
- 積み重ねて配置された少なくとも2つのトランジスタを有する集積回路の、論理回路形成における使用。
- OFETを製造する方法において、
下側電極を基板上に積層するステップと、
絶縁体から成る第1の層を前記下側電極上に積層するステップと、
上側電極を前記第1の絶縁体上に積層するステップと、
前記上側電極と前記第1の絶縁体層を構造化する際に、前記第1の絶縁体層の構造化を必ずドレイン/ソースの構造化とともに1つの作業ステップで行い、すくなくとも垂直電流チャネルが形成される稜においては構造が必ず等しくなるようにするステップと、
前記2つの電極を半導体材料によるコーティングにより接続するステップと、
前記半導体層を第2の絶縁体で覆うステップと、
前記第2の絶縁体上で少なくとも前記半導体により他の2つの電極が接続されている箇所にゲート電極を積層し、構造化するステップとを有する
ことを特徴とするOFETを製造する方法。 - 前記下側電極も同様に構造化する、請求項19記載の方法。
- 構造化された有機層、例えばポリマー層を基板上に積層することにより多重チャネルOFETを製造する方法。
- 前記構造化された有機層を少なくとも部分的に基板上への印刷により積層する、請求項21記載の方法。
- 前記構造化されたポリマー層を、少なくとも部分的にスピンオンデポジション、蒸着及び/又はスパッタリングと後続のリソグラフィとにより前記基板上に積層する、請求項21又は22に記載の方法。
- 200ビットを越えるデータ速度、有利には毎秒1000ビット(kBit)のデータ速度で情報処理を行う有機集積回路(少なくとも1つのOFETを有する集積回路)内の、有機ディスプレイの制御部。
- 積み重ねて配置された少なくとも2つのトランジスタが内蔵された少なくとも1つの集積回路を有することを特徴とする、RFIDタッグ。
Applications Claiming Priority (4)
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---|---|---|---|
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