JP2005079549A - 有機薄膜トランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】 ダブルゲート構造にすることにより、より多くの電流を制御して流すことができる有機薄膜トランジスタを提供する。
【解決手段】 絶縁性の基板上に下部ゲート電極１２と、前記下部ゲート電極１２を覆うように形成された第１のゲート絶縁膜１３と、前記第１のゲート絶縁膜１３上にあって、前記下部ゲート電極１２を狭持する位置に成形された一対の電極１４、１５と、前記一対の電極１４、１５を覆うように形成された有機半導体膜からなる活性層１６と、が順次形成された電界効果型の有機薄膜トランジスタにおいて、前記活性層１６上に形成された第２のゲート絶縁膜１７と、前記第２のゲート絶縁膜１７上にあって、前記下部ゲート電極１２に対向するようにして形成された上部ゲート電極１８とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、有機半導体膜を活性層として用いた電界効果型の有機薄膜トランジスタに関する。

従来、電界効果トランジスタに用いられる半導体材料としてはシリコン単結晶やガラス基板上に形成したアモルファスシリコン、ポリシリコンなどの無機材料を用いるのが一般的である（例えば特許文献１）。この場合、半導体材料としてシリコン単結晶を用いたものは、その製造装置による制約からウエハサイズを大きくすることができず、大面積化には不向きである。また半導体材料としてアモルファスシリコンやポリシリコンを用いたものは、高温プロセスを使用することが必須となっている。例えばアモルファスシリコンでは低温プロセスを使用した場合でも２００℃程度の加熱が必要であり、またポリシリコンでは５００℃程度の加熱が最低限必要とされる。

このため、トランジスタの基板としては耐熱性を有する基板が必要であり、このために通常はガラス基板が用いられている。また、絶縁膜や半導体層を作製するためのプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）装置は高額であるため製造コストが高くなってしまっている。以上のように無機半導体を用いた電界効果型トランジスタは製造上の制約から低コスト化は難しくなっている。
これに対して、例えば特許文献２に記載されたような有機半導体を利用した電界効果トランジスタは、前述した無機半導体を利用したものに比べて、低温成膜と大面積化が簡単であり、製造が簡単なことから低コスト化も可能である。しかも、有機物特有の柔軟性に富んだ性質を有するためにプラスチックのようなフレキシブルな基板への応用展開も考えられており、最近は特に開発が進められている。

しかし、この種の有機半導体は有機物であるため、熱に対して耐性が低く、無機半導体と同様のゲート、ゲート酸化膜プロセスは使用できない。そのため有機半導体を形成した後の上部ゲート酸化膜及び上部ゲート電極の製造プロセスでは有機半導体に熱が加わらないようにする必要がある。例えば無機半導体で使用しているゲート酸化膜やゲート膜材を用いても有機物に熱がかからないように成膜するため、無機半導体で用いてきたゲート酸化膜やゲート電極膜材料をそのまま使用しても、所望の膜質とは明らかに異なるものができてしまう。そのため、２００℃以下の低温プロセスでもゲート酸化膜やゲート電極膜の特性が得られるものを選択する必要がある。

ここで一般的なボトムコンタクト型の電界効果型の有機トランジスタの構造について図３を参照して説明する。図３に示すように、基板１は例えばプラスチック製の薄板よりなり、この基板１上にゲート電極２が形成されている。そして、このゲート電極２を含んで全面を覆うようにゲート絶縁膜３が形成される。そして、このゲート絶縁膜３上にソース電極４とドレイン電極５とが、上記ゲート電極２の幅の長さだけ互いに離間させて形成されている。そして、このソース電極４とドレイン電極５とを含んで全面を覆うようにして有機半導体膜よりなる活性層６が形成されて、有機薄膜トランジスタが構成される。尚、実際には、この他に、配線層や保護層等が形成されるが、ここではその記載を省略している。

またこの図３においては、ソース電極４、ドレイン電極５及びゲート電極２が、有機半導体膜である活性層６の下に位置する、いわゆるボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタを示したが、ソース電極、ドレイン電極を活性層６の上に位置する、いわゆるトップコンタクト型の有機薄膜トランジスタも存在する。

特開平０５−１１００９２号公報 特開平０２−０７４０７５号公報

ところで、この種の有機半導体膜よりなる活性層６を用いた有機薄膜トランジスタにあっては、活性層６中における電子やホールの移動度は無機半導体に比べて一般的に小さく、無機半導体の電界効果型トランジスタに比べて制御できる電流は小さくなってしまう。そのために、より多くの電流が流せるような大きな移動度を持つ有機半導体材料の模索検討や構造検討などが進められているが、十分な成果を納めていないのが現状である。
本発明は以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、ダブルゲート構造にすることにより、より多くの電流を制御して流すことができる有機薄膜トランジスタを提供することにある。

請求項１に係る発明は、絶縁性の基板上に下部ゲート電極と、前記下部ゲート電極を覆うように形成された第１のゲート絶縁膜と、前記第１のゲート絶縁膜上にあって、前記下部ゲート電極を狭持する位置に成形された一対の電極と、前記一対の電極を覆うように形成された有機半導体膜からなる活性層と、が順次形成された電界効果型の有機薄膜トランジスタにおいて、前記活性層上に形成された第２のゲート絶縁膜と、前記第２のゲート絶縁膜上にあって、前記下部ゲート電極に対向するようにして形成された上部ゲート電極と、からなることを特徴とする有機薄膜トランジスタである。

本発明の有機薄膜トランジスタによれば、２つのゲート電極を設けて２つのチャネルを形成できるようにしたので、大きな電流を流すことができ、しかも、無機半導体の薄膜トランジスタに比べると低温プロセスだけで作製できるので従来使用できなかった耐熱性の低いプラスチック基板等を用いることができ、低コスト化も図ることができる。

以下に、本発明に係る有機薄膜トランジスタの一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る有機薄膜トランジスタの一例を示す断面構成図である。図示するように、この電界効果型の有機薄膜トランジスタ１０は、基板１１上に、下部ゲート電極１２、第１のゲート絶縁膜１３、有機半導体膜よりなる活性層１６、第２のゲート絶縁膜１７及び上部ゲート電極１８をこの順序で積層すると共に、上記活性層１６に接するように一対の電極、すなわちソース電極１４とドレイン電極１５とを設けるように構成している。
具体的には、絶縁性の基板上に下部ゲート電極１２と、前記下部ゲート電極１２を覆うように形成された第１のゲート絶縁膜１３と、前記第１のゲート絶縁膜１３上にあって、前記下部ゲート電極１２を狭持する位置に成形された一対の電極１４、１５と、前記一対の電極１４、１５を覆うように形成された有機半導体膜からなる活性層１６と、が順次形成された電界効果型の有機薄膜トランジスタにおいて、前記活性層１６上に形成された第２のゲート絶縁膜１７と、前記第２のゲート絶縁膜１７上にあって、前記下部ゲート電極１２に対向するようにして形成された上部ゲート電極１８と、からなることを特徴とする有機薄膜トランジスタである。

このように、この有機薄膜トランジスタ１０は、上記活性層１６を、この上下に位置された第１及び第２のゲート絶縁膜１３、１７で挟み込んだ、いわゆるダブルゲート構造となっている。具体的には、まず上記基板１１上に上記下部ゲート電極１２を形成し、このゲート電極１２を含んで全面を覆うように上記第１のゲート絶縁膜１３を形成する。次に、この第１のゲート絶縁膜１３上に、上記下部ゲート電極１４の幅とほぼ同じ距離だけ離間させて上記ソース電極１４とドレイン電極１５とを形成する。次に、このソース電極１４とドレイン電極１５とを含んで全面を覆うように有機半導体膜よりなる上記活性層１６を形成し、更にこの活性層１６の表面全体に上記第２のゲート酸化膜１７を形成する。そして、最後に、上記第２のゲート酸化膜１７上に、上記下部ゲート電極１２に位置的に対応させて上記上部ゲート電極１８を形成し、これによりダブルゲート構造の有機薄膜トランジスタ１０を形成する。尚、実際には、これ以外に配線層や保護層等が必要に応じて形成される。

ここで基板１１は、絶縁性の基板であれば、いずれの材料も使用可能であり、具体的にはガラス、酸化物焼結体等の無機材料からなる基板や、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂等の有機材料から作られるプラスチック基板でも良い。上記下部及び上部ゲート電極１２、１８、上記ソース電極１４、上記ドレイン電極１５は、それぞれ導電性がある材料であれば良く、例えば金、白金、クロム、アルミニウム等の金属や錫酸化物（ＩＴＯ）、導電性高分子材（ＰＥＤＯＴ，ＰＳＳ）等を用いることができる。また、これらの導電性膜を複数積層して形成しても良い。これらの導電性膜は蒸着法、スパッタ法、メッキ法などで形成され、その膜厚は１０ｎｍ〜５００ｎｍ程度の範囲であり、電気抵抗があまり高くならないように設定すれば良い。この下部及び上部ゲート電極１２、１８はソース電極１４とドレイン電極１５との間のチャネルが形成される所のみ形成することが必要であり、ソース電極１４とドレイン電極１５とのオーバーラップ分（厚さ方向へ投影した時）は極力小さくする必要がある。

また、上記第１及び第２のゲート絶縁膜１３、１７の材料は無機絶縁膜、有機絶縁膜のどちらでも可能である。具体的には蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などにより酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化ジルコン等の薄膜を形成する。また、スピンコート法、ＬＢ（レーザビーム）単分子累積法等によりポリエチレン、ポリビニールカルバゾール、ポリイミドポリパラキシレンなどの薄膜も形成することができる。これらの第１及び第２のゲート絶縁膜１３、１７の膜厚は１０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の範囲に設定するのがよい。ここで第２のゲート絶縁膜１７は有機半導体膜よりなる活性層１６上に形成するため、その成膜プロセスは活性層１６にダメージを与えないようにする必要がある。そのため、蒸着法やスパッタ法を用いる場合には、基板１１と蒸発源との間の距離を長く設定し、熱やプラズマによるダメージを活性層１６に与えないようにする必要がある。この第１及び第２のゲート絶縁膜１３、１７は、製造工程上同じ材料であれば、製造コストが低く抑えられるので同じ材料であることが望ましい。

また有機半導体膜よりなる上記活性層１６の材料としては、ペンタセン、テトラセン、ペリレン等の縮合芳香族炭化水素、及びこれらの縮合芳香族炭化水素の誘導体と高分子系材料、例えばポリアセチレン、ポリアセンなどの共役炭化水素ポリマー、ポリアニリン、ポリピロル、ポリチオフェン等の共役複素環式ポリマーなどを用いることができる。これらの材料を、例えば蒸着法、スピンコート法、インクジェット法などを用いて薄膜を形成することにより、上記活性層１６を形成する。

このように構成した有機薄膜トランジスタ１０では、下部及び上部ゲート電極１２、１８の同期した制御電圧を印加すると、第１及び第２のゲート絶縁膜１３、１７の近傍にそれぞれチャネルが誘起されることになる。すなわち、ここで誘起されるチャネルが図３において説明したような従来の単ゲート型の有機薄膜トランジスタに比較して多くなり、このため制御されて流れる電流が、単ゲート型の有機薄膜トランジスタに比べると多くすることができる。尚、理想的には電流は２倍にすることが可能である。

尚、図１においては、第１のゲート絶縁膜１３を形成した後に、ソース電極１４及びドレイン電極１５を形成し、この上に活性層１６を形成することにより、いわゆるボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタを形成する場合を例にとって説明したが、これに限定されず、例えば図２に示すように構成してもよい。この図２に示す場合には、ソース電極１４及びドレイン電極１５を、活性層１６の上に形成している。すなわち、第１のゲート酸化膜１３を形成した後に、活性層１６を形成し、この活性層１６上に上記ソース電極１４及びドレイン電極１５を形成し、その後、全面に亘って第２のゲート絶縁膜１７を形成するような構造となっており、いわゆるトップコンタクト型の有機薄膜トランジスタが形成されている。尚、図２中において、図１中の構成部分と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略している。

上記したような、いわゆるトップコンタクト型のダブルゲート構造の有機薄膜トランジスタの場合でも、図１に示した、いわゆるボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタと同様な作用効果を発揮することができる。

本発明に係る有機薄膜トランジスタの一例を示す断面構成図である。 本発明に係る有機薄膜トランジスタの他の一例を示す断面構成図である。 従来の有機薄膜トランジスタの一例を示す断面構成図である。

符号の説明

１０…有機薄膜トランジスタ，１１…基板，１２…下部ゲート電極，１３…第１のゲート絶縁膜，１４…ソース電極，１５…ドレイン電極，１６…活性層（有機半導体膜），１７…第２のゲート絶縁膜、１８…上部ゲート電極。

Claims (1)

1. 絶縁性の基板上に下部ゲート電極と、前記下部ゲート電極を覆うように形成された第１のゲート絶縁膜と、前記第１のゲート絶縁膜上にあって、前記下部ゲート電極を狭持する位置に成形された一対の電極と、前記一対の電極を覆うように形成された有機半導体膜からなる活性層と、が順次形成された電界効果型の有機薄膜トランジスタにおいて、
   前記活性層上に形成された第２のゲート絶縁膜と、前記第２のゲート絶縁膜上にあって、前記下部ゲート電極に対向するようにして形成された上部ゲート電極と、
   からなることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
   
   

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