JP2005175386A

JP2005175386A - 有機半導体素子

Info

Publication number: JP2005175386A
Application number: JP2003416782A
Authority: JP
Inventors: Minoru Natsume; 穣夏目
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】高い移動度を発現させつつ、絶縁膜と半導体界面の表面安定性を向上させることが可能となるとともに、高いオン／オフ比を得る。
【解決手段】ゲート電極２、ゲート絶縁膜３、ソース電極５、ドレイン電極６および有機半導体膜７を基板１上に形成し、比誘電率が４以上であるゲート絶縁層３と有機半導体層７の界面に、比誘電率が１．５以上３．５以下である低誘電率層４を形成する。
【選択図】図１

Description

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において有効に用いられる有機半導体材料およびその有機半導体素子に関わる。

近年、薄膜トランジスタなどのアクティブ素子を用いたアクティブマトリクス液晶表示装置は、高画質性、低消費電力および省スペースといった利点から、パソコンモニタや携帯電話の表示画面として使用されている。しかし、従来のＣＲＴに比べると値段が高く、より一層の低価格化が望まれている。その手法の一つとして、現行製品のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）に代わり有機半導体を用いる方法があり、作製プロセスを簡便化して、低コスト化を図ることができる。また、ポリマー基板や織布等への蒸着により、フレキシブル化ならびに軽量化の実現が期待されている。

一般的な有機ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）は、基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース／ドレイン電極および有機半導体薄膜から構成される。そして、ゲート電極に印加するゲート電圧Ｖｇを変化させることにより、ゲート絶縁膜と有機半導体層との界面に電荷を蓄積あるいは不足状態にし、ソース／ドレイン電極間の有機半導体チャネルを流れるドレイン電流Ｉｄを制御することができる。

ここで、トランジスタの性能を示す物理量としては、キャリア移動度、オン／オフ比、ゲート電圧閾値が考えられる。キャリア移動度は、√ＩｄとＶｇが線形関係にある飽和領域における√Ｉｄ−Ｖｇ曲線の勾配に比例し、チャネル間の電流の流れ易さの程度を示す。また、オン／オフ比は、ゲート電圧Ｖｇを変化させた時の最小のドレイン電流Ｉｄと最大のドレイン電流Ｉｄの強度比で表され、スイッチングの効率の良し悪しを示す。ゲート電圧閾値は、飽和領域における、√Ｉｄ−Ｖｇ曲線における直線領域を外挿したＸ切片で定義され、スイッチングが起こるときのゲート電圧を示している。

例えば、半導体材料として現行製品に用いられているａ−Ｓｉの場合、移動度が０．３〜１．０（ｃｍ²／Ｖｓ）、オン／オフ比が１０⁶以上、ゲート電圧閾値が１〜２（Ｖ）である。
一方、有機半導体材料としては、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリフェニレンビニレンなどの共役系高分子や、前記高分子のオリゴマーやアントラセン、テトラセン、ペンタセンなどに代表されるアセン系の化合物、フタロシアニンなどπ共役を有する低分子なども研究されている。

有機半導体材料は、本来そのものが有している格子欠陥や大気中の酸素などの不純物などの影響により、キャリア移動を阻害する要素が強く、無機半導体に見られるような高移動度は本質的に期待できない。しかし、非特許文献１では、近年の成膜技術の発展と成膜条件に対する研究の発展により、ペンタセン蒸着膜のＴＦＴにおいて、移動度がａ−Ｓｉに匹敵するトランジスタが報告されている。

一般的に、有機ＴＦＴの特性は、薄膜の結晶性やグレインサイズと相関があるといわれている。非特許文献２では、アモルファス形状の有機半導体膜を用いた有機ＴＦＴでは、高移動度と高オン／オフ比との両立は不可能であることが論じられている。
一方、非特許文献３に開示されているように、有機半導体層とゲート絶縁膜界面に界面層を設けて、界面層により有機半導体膜の結晶性あるいはグレインサイズを変化させる試みも行なわれている。

さらに、特許文献１には、界面層にフッ素ポリマーをコーティングすると、界面層表面の純水に対する接触角が大きくなり、つまり表面エネルギーが低くなり、ペンタセン蒸着膜の結晶構造が変化して、移動度が向上することが開示されている。
一方、非特許文献４には、有機ＴＦＴのゲート絶縁層において、比誘電率の高い材料を用いることにより、トランジスタの移動度が向上するという報告がなされている。ここで、ゲート絶縁膜としては、無機酸化物でもポリマーでも構わないが、ポリマーである方がより高移動度を発現させることができる。
特開２００１−９４１０７号公報Ｈ．Ｋｌａｕｌ，Ｄ．Ｊ．Ｇｕｎｄｌａｃｈ，Ｊ．Ａ．Ｎｉｃｈｏｌｓ，ａｎｄＴ．Ｎ．Ｊａｃｋｓｏｎ，ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＯＮＥＬＥＣＴＲＯＮＤＥＶＩＣＥＳ，４６，１２５８（１９９９）Ａ．Ｒ．Ｂｒｏｗｎ，Ｃ．Ｐ．Ｊａｒｒｅｔｔ，Ｄ．Ｍ．ｄｅＬｅｅｕｗ，Ｍ．Ｍａｔｔｅｒｓ，ＳＹＮＴＨＥＴＩＣＭＥＴＡＬＳ，８８，３７（１９９７）Ｄ．Ｋｎｉｐｐ，Ｒ．Ａ．Ｓｔｒｅｅｔ，Ａ．Ｖｏｌｋｅｌ，ａｎｄＪ．Ｈｏ，ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳ，９３，３４７（２００３）Ｇ．Ｈｏｒｏｗｉｔｚ，Ｘ−Ｚ．Ｐｅｎｇ，Ｄ．Ｆｉｃｈｏｕ，ａｎｄＦ．Ｇａｒｎｉｅｒ，ＳＹＮＴＨＥＴＩＣＭＥＴＡＬＳ，５１，４１９（１９９２）

しかしながら、有機ＴＦＴの特性を向上させるためには、キャリアをチャネルに蓄積し、ゲート絶縁層などからのリーク電流を抑える、つまりオフ電流を低減させることが必要である。
また、チャネルに蓄積されるキャリアを稼ぐため、高い比誘電率を有する無機酸化物やポリマーなどがゲート絶縁層に用いられてきたが、比誘電率を向上させたことにより移動度が向上した半面、ゲート絶縁膜表面の吸水性も上昇し、大気中において安定なトランジスタ動作ができなくなるという問題もあった。
そこで、本発明の目的は、高い移動度を発現させつつ、絶縁膜と半導体界面の表面安定性を向上させることを可能として、高いオン／オフ比を得ることが可能な有機半導体素子を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の有機半導体素子によれば、有機半導体層と、前記有機半導体層に接触するようにして互いに所定間隔だけ隔てて配置されたソース電／ドレイン電極と、前記有機半導体層に形成されるチャネル領域の位置に対応して配置されたゲート電極と、前記ゲート電極と前記有機半導体層との間に配置され、比誘電率が４以上のゲート絶縁層と、前記有機半導体層と前記ゲート絶縁層との間に配置され、比誘電率が１．５以上３．５以下の低誘電率層とを備えることを特徴とする。

また、請求項２記載の有機半導体素子によれば、前記低誘電率層は、前記有機半導体層と前記ゲート絶縁層との間の少なくとも一部の領域に配置されていることを特徴とする。
また、請求項３記載の有機半導体素子によれば、前記低誘電率層は高分子化合物であることを特徴とする。
また、請求項４記載の有機半導体素子によれば、前記ゲート絶縁層と前記低誘電率層の間に配置された第１ポリマー層をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項５記載の有機半導体素子によれば、前記有機半導体層と前記低誘電率層の間に配置された第２ポリマー層をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項６記載の有機半導体素子によれば、有機半導体層と、前記有機半導体層に接触するようにして互いに所定間隔だけ隔てて配置されたソース電／ドレイン電極と、前記有機半導体層に形成されるチャネル領域の位置に対応して配置されたゲート電極と、前記ゲート電極と前記有機半導体層との間に配置されたゲート絶縁層とを備え、前記ゲート絶縁層は、比誘電率が４以上の高誘電率材料と、比誘電率が１．５以上３．５以下の低誘電率材料とを含む複合体であることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、比誘電率が４以上のゲート絶縁層を用いるととともに、比誘電率が１．５以上３．５以下の低誘電率層を有機半導体層とゲート絶縁層との間に配置することにより、チャネルに蓄積されるキャリアを稼ぐことを可能としつつ、有機半導体層とゲート絶縁層との界面における吸水性を低減させることができる。このため、高い移動度を発現させつつ、ゲート絶縁膜と有機半導体層との界面における表面安定性を向上させることを可能として、オフ電流を低減することが可能となり、高いオン／オフ比を得ることが可能となる。

本実施形態では、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース／ドレイン電極および有機半導体膜が基板上に形成され、比誘電率が４以上であるゲート絶縁層と有機半導体層との界面に、比誘電率が１．５以上３．５以下である低誘電率層が形成されている。
ここで、ゲート絶縁層を高誘電率化することにより、真空中において有機トランジスタの高移動度をもたらすことができる。一方、ゲート絶縁層を高誘電率化すると、大気中においてはゲート絶縁層の吸水性が著しく向上し、それがオフ電流を増大させ、低オン／オフ比の原因となる。そこで、高誘電率ゲート絶縁層の表面に低誘電率層を設けることにより、高誘電率ゲート絶縁層と半有機導体層との界面の吸水性を低減させることができる。この結果、大気中においても、高移動度を維持したままオフ電流を低減させることができ、有機トランジスタのオン／オフ比を向上させることができる。

なお、ゲート絶縁層の材料としては、比誘電率が４以上のポリマーを用いることができ、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、シアノエチルプルラン、ポリクロロピレン、ポリエチレンテレフタレート、あるいはポリメチルメタクリレートなどの有機材料が望ましい。
また、ゲート絶縁層に無機酸化膜を用いた場合も、比誘電率が４以上のものが望ましく、例えば、ＳｉＮｘ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｔａ₂Ｏ₅などを挙げることができる。ただし、より高い比誘電率を必要とする場合は、無機材料よりも有機材料を用いることが望ましい。

さらに、低誘電率層の材料としては、比誘電率が好ましくは、１．５以上３．５以下、より好ましくは２．０以上３．０以下の低誘電率ポリマーを用いることができ、例えば、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリスチレン、あるいは含フッ素ポリマーなどを挙げることができる。また、含フッ素ポリマーとしては、具体的には、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリクロロフルオロエチレンなどを挙げることができる。ただし、これらの材料に限定されるものではない。

また、ゲート絶縁層と有機半導体層の界面に低誘電率ポリマーを形成する場合、低誘電率ポリマーをコーティングすることができ、低誘電率ポリマーのコーティング法としては、スピンコート法、キャスト法、ディップ法などが望ましい。
また、低誘電率層は必ずしも一様な層状構造をとる必要性はなく、ゲート絶縁層と有機半導体層の界面において、少なくともその一部に低誘電率領域を有すればよい。

また、粒子状の高誘電率材料と低誘電率材料からなる複合体を絶縁体層に用いることもできる。この構造例として、無機物または有機物の高誘電率材料粒子が層状に形成され、この粒子の空隙および表面に低誘電率材料を接合した構造の誘電体層を挙げることができる。この構造は、例えば、高誘電体粒子粉末を低誘電率材料の溶液に混合した分散液を塗布し、溶媒を乾燥して形成することができる。

このように、高誘電率ゲート絶縁層と有機半導体層の界面に低誘電率層を有する素子構造を用いることによって、低誘電率層がない場合に比べてオフ電流を小さくすることができ、オン／オフ比を大きくすることができる。また、高誘電率ゲート絶縁層を用いることで、有機トランジスタの移動度は高い値を維持することができる。
また、ゲート絶縁層と低誘電率層あるいは有機半導体層と低誘電率層の密着性をそれぞれ向上させるため、両層の中間の比誘電率を有する密着層を形成することができる。ここで、密着層としてはポリマーを用いることができ、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレートなどを挙げることができる。ただし、これらの材料に限るものではない。

また、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース／ドレイン電極および有機半導体膜が形成される基板としては、絶縁性の材料であればよく、広い範囲から好適に用いることができる。具体的には、ガラス、アルミナ焼結体などの無機材料や、ポリイミドフィルム、ポリエステルフィルム、ポリエチレンフィルムなどの絶縁性プラスティック等を挙げることができる。特に、プラスティック基板を用いた場合は、軽量でフレキシブルな有機トランジスタを作製することが可能となる。

また、有機半導体として、高分子、低分子ともに挙げることができる。高分子としては、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリチエニレンビニレン、ポリフェニレンビニレン、あるいはこれらの誘導体が望ましい。また、低分子では、チオフェンオリゴマ、アセン系化合物、フタロシアニン、アントラジチオフェン、ビスジチエノチオフェン、あるいはこれらの誘導体などが望ましい。

また、有機半導体層の形成方法としては、低分子系については、例えば、真空蒸着、ＭＢＥ法（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）、スパッタリング法、レーザー蒸着法、気相輸送成長法等を挙げることができる。これらの方法によって、基板表面に有機半導体薄膜を成長させることができる。
また、有機半導体層は、ウェットプロセスで形成することも可能である。例えば、有機半導体溶液を基板上に被覆した後、加熱等の方法により溶媒を気化させることにより得ることができる。また、有機半導体溶液を基板上に被覆する方法としては、塗布、噴霧の他、有機半導体溶液に基板を直接接触させる方法等を挙げることができる。具体的な方法としては、スピンコート法、ディップ法、スクリーン印刷、インクジェット印刷、ブレード塗布、印刷（平版印刷、凸版印刷、凹版印刷等）等の方法を挙げることができる。

また、ゲート電極としては、電極形成プロセスにおいてより簡便なウェットプロセスを用いることが可能なポリアニリン、ポリチオフェン等の有機材料あるいは導電性インクが望ましい。また、従来法のフォトリソグラフィー法を用いて電極形成が可能な金、白金、銀、銅、アルミニウム、パラジウム、モリブデン、ニッケル、タングステン等の金属や、これらの金属を用いた合金や、ポリシリコン、アモルファスシリコン、酸化インジウム、インジウム錫酸化物等の無機材料が望ましい。もちろんこれらの材料に限られるものではない。

また、ソース電極およびドレイン電極の材料としては、有機半導体材料の殆どが、輸送キャリアが正孔であるｐ型半導体であることから、半導体層とのオーム性接触をとるため、仕事関数の大きな金属が望ましい。ここでいう仕事関数とは、固体中の電子を外部に取り出すのに要するエネルギーであり、真空準位と固体のフェルミエネルギー差を電荷量で割った値となる。具体的には、金、白金などがあるが、これらの材料に限られるものではない。

さらに、本発明の半導体素子を表示素子として用いる場合は、表示素子の各画素に配置され、各画素の表示をスイッチングするトランジスタ素子（ディスプレイＴＦＴ）として利用できる。このようなアクティブ駆動表示素子は対向する導電性基板のパターニングが不要なため、回路構成によっては画素をスイッチングするトランジスタを持たないパッシブ駆動表示素子と比べて、画素配線を簡素化できる。通常は１画素当たり１個から数個のスイッチング用トランジスタが配置される。このような表示素子は、基板面に二次元的に形成されたデータラインとゲートラインを分割することや、電流供給ライン、信号ラインを追加することも可能である。

以下、本発明の実施形態に係る有機半導体素子について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る有機半導体素子の概略構成を示す断面図である。
図１において、基板１上には、ゲート電極２が形成されるとともに、ゲート電極２を覆うようにゲート絶縁層３が形成されている。そして、ゲート絶縁層３上には、ゲート電極２を間にして互いに所定間隔だけ隔てて配置されたソース電極５およびドレイン電極６が形成されるとともに、ソース電極５とドレイン電極６との間に配置された低誘電率層４が形成されている。そして、低誘電率層４上には、ソース電極５とドレイン電極６に接触するようにして、有機半導体層７が形成されている。

ここで、ゲート絶縁層３の比誘電率が４以上、低誘電率層４の比誘電率が１．５以上３．５以下とすることができる。これにより、高誘電率化されたゲート絶縁層３の表面に低誘電率層４を配置することが可能となり、高い移動度を発現させつつ、ゲート絶縁膜３と有機半導体層７との界面における表面安定性を向上させることを可能として、高いオン／オフ比を得ることが可能となる。
なお、ゲート絶縁層３と低誘電率層４あるいは有機半導体層７と低誘電率層４との間には、これらの層間の密着性を向上させるためのポリマー層を設けるようにしてもよい。また、ソース電極５、ドレイン電極６およびゲート電極２は、それぞれ複数設けてもよい。また、有機半導体層７を同一平面内に複数設けてもよい。

図２は、本発明の第２実施形態に係る有機半導体素子の概略構成を示す断面図である。
図２において、基板１１上には、ゲート電極１２が形成されるとともに、ゲート電極１２を覆うようにゲート絶縁層１３が形成されている。そして、ゲート絶縁層１３上には、低誘電率層１４が積層され、低誘電率層１４上には、有機半導体層１７が積層されている。そして、有機半導体層１７上には、ゲート電極１２を間にして互いに所定間隔だけ隔てて配置されたソース電極１５およびドレイン電極１６が形成されている。

ここで、ゲート絶縁層１３の比誘電率が４以上、低誘電率層１４の比誘電率が１．５以上３．５以下とすることができる。これにより、高誘電率化されたゲート絶縁層１３の表面に低誘電率層１４を配置することが可能となり、高い移動度を発現させつつ、ゲート絶縁膜３と有機半導体層１７との界面における表面安定性を向上させることを可能として、高いオン／オフ比を得ることが可能となる。
なお、ゲート絶縁層１３と低誘電率層１４あるいは有機半導体層１７と低誘電率層１４との間には、これらの層間の密着性を向上させるためのポリマー層を設けるようにしてもよい。

図３は、本発明の第３実施形態に係る有機半導体素子の概略構成を示す断面図である。
図３において、基板２１上には、有機半導体層２７が形成されている。そして、有機半導体層２７上には、互いに所定間隔だけ隔てて配置されたソース電極２５およびドレイン電極２６が形成されるとともに、ソース電極２５およびドレイン電極２６が露出するように配置された低誘電率層２４が形成されている。そして、低誘電率層２４、ソース電極２５およびドレイン電極２６上には、ゲート絶縁層２３が形成され、ゲート絶縁層２３上には、ソース電極２５とドレイン電極２６との間に配置されたゲート電極２２が形成されている。

ここで、ゲート絶縁層２３の比誘電率が４以上、低誘電率層２４の比誘電率が１．５以上３．５以下とすることができる。これにより、高誘電率化されたゲート絶縁層２３の表面に低誘電率層２４を配置することが可能となり、高い移動度を発現させつつ、ゲート絶縁膜２３と有機半導体層２７との界面における表面安定性を向上させることを可能として、高いオン／オフ比を得ることが可能となる。
なお、ゲート絶縁層２３と低誘電率層２４あるいは有機半導体層２７と低誘電率層２４との間には、これらの層間の密着性を向上させるためのポリマー層を設けるようにしてもよい。

図４は、本発明の第４実施形態に係る有機半導体素子の概略構成を示す断面図である。
図４において、基板３１上には、ソース電極３５とドレイン電極３６が形成されるとともに、ソース電極３５とドレイン電極３６を覆うように有機半導体層３７が形成されている。そして、有機半導体層３７上には、低誘電率層３４が積層され、低誘電率層３４上には、ゲート絶縁層３３が積層されている。そして、ゲート絶縁層３３上には、ソース電極３５とドレイン電極３６との間に配置されたゲート電極３２が形成されている。

ここで、ゲート絶縁層３３の比誘電率が４以上、低誘電率層３４の比誘電率が１．５以上３．５以下とすることができる。これにより、高誘電率化されたゲート絶縁層３３の表面に低誘電率層３４を配置することが可能となり、高い移動度を発現させつつ、ゲート絶縁膜３３と有機半導体層３７との界面における表面安定性を向上させることを可能として、高いオン／オフ比を得ることが可能となる。
なお、ゲート絶縁層３３と低誘電率層３４あるいは有機半導体層３７と低誘電率層３４との間には、これらの層間の密着性を向上させるためのポリマー層を設けるようにしてもよい。

図５は、本発明の第５実施形態に係る有機半導体素子の概略構成を示す断面図である。
図５において、基板４１上には、ゲート電極４２が形成されるとともに、ゲート電極４２を覆うようにゲート絶縁層４３が形成されている。そして、ゲート絶縁層４３上には、ゲート電極４２の一端に配置されたドレイン電極４６が形成されるとともに、ドレイン電極４６が露出するように配置された低誘電率層４４が形成されている。そして、低誘電率層４４およびドレイン電極４６上には、有機半導体層４７が形成され、有機半導体層４７上には、ゲート電極４２の他端に配置されたソース電極４５が形成されている。これにより、斜め型トランジスタ構造を基板４１上に形成することができる。

ここで、ゲート絶縁層４３の比誘電率が４以上、低誘電率層４４の比誘電率が１．５以上３．５以下とすることができる。これにより、高誘電率化されたゲート絶縁層４３の表面に低誘電率層４４を配置することが可能となり、高い移動度を発現させつつ、ゲート絶縁膜４３と有機半導体層４７との界面における表面安定性を向上させることを可能として、高いオン／オフ比を得ることが可能となる。
なお、ゲート絶縁層４３と低誘電率層４４あるいは有機半導体層４７と低誘電率層４４との間には、これらの層間の密着性を向上させるためのポリマー層を設けるようにしてもよい。

図６は、本発明の第６実施形態に係る有機半導体素子の概略構成を示す断面図である。
図６において、基板５１上には、ドレイン電極５６が形成されるとともに、ドレイン電極５６を覆うように有機半導体層５７が形成されている。そして、有機半導体層５７上には、ドレイン電極５６と所定間隔だけ隔てて配置されたソース電極５５が埋め込まれている。そして、ソース電極５５が埋め込まれた有機半導体層５７上には、低誘電率層５４が積層され、低誘電率層５４上には、ゲート絶縁層５３が積層されている。そして、ゲート絶縁層５３上には、ソース電極５５とドレイン電極５６との間に配置されたゲート電極５２が形成されている。これにより、斜め型トランジスタ構造を基板５１上に形成することができる。

ここで、ゲート絶縁層５３の比誘電率が４以上、低誘電率層５４の比誘電率が１．５以上３．５以下とすることができる。これにより、高誘電率化されたゲート絶縁層５３の表面に低誘電率層５４を配置することが可能となり、高い移動度を発現させつつ、ゲート絶縁膜５３と有機半導体層５７との界面における表面安定性を向上させることを可能として、高いオン／オフ比を得ることが可能となる。
なお、ゲート絶縁層５３と低誘電率層５４あるいは有機半導体層５７と低誘電率層５４との間には、これらの層間の密着性を向上させるためのポリマー層を設けるようにしてもよい。

図７は、本発明の第７実施形態に係る有機半導体素子の概略構成を示す断面図である。
図７において、基板６１上には、ドレイン電極６６が積層され、ドレイン電極６６上には、有機半導体層６７が積層され、有機半導体層６７上には、ソース電極６５が積層されている。そして、有機半導体層６７には、互いに所定間隔だけ隔てて配置されたゲート電極６２が埋め込まれている。また、ゲート電極６２の周囲には、ゲート絶縁層６３が形成され、さらに、ゲート絶縁層６３の周囲には、低誘電率層６４が形成されている。これにより、縦型トランジスタ構造を基板６１上に形成することができる。

ここで、ゲート絶縁層６３の比誘電率が４以上、低誘電率層６４の比誘電率が１．５以上３．５以下とすることができる。これにより、高誘電率化されたゲート絶縁層６３の表面に低誘電率層６４を配置することが可能となり、高い移動度を発現させつつ、ゲート絶縁膜６３と有機半導体層６７との界面における表面安定性を向上させることを可能として、高いオン／オフ比を得ることが可能となる。
なお、ゲート絶縁層６３と低誘電率層６４あるいは有機半導体層６７と低誘電率層６４との間には、これらの層間の密着性を向上させるためのポリマー層を設けるようにしてもよい。
以下、本発明の実施例について説明する。

ガラス基板表面にゲート電極パターンを形成した後、ＲＦスパッタリングにより、ゲート絶縁膜として４００ｎｍの膜厚のシリコンナイトライド薄膜をガラス基板表面に均一に形成した。次いで、このガラス基板表面にソース／ドレイン電極パターンを形成した。このソース／ドレイン電極とゲート電極の重なり合った領域のキャパシタンス測定により、シリコンナイトライドの誘電率は９であることがわかった。このソース／ドレイン電極パターンが形成されたガラス基板表面にポリ（ヘキサフルオロプロピレンオキシド）（誘電率２．１）の０．１重量％溶液を塗布することにより、低誘電率層として膜厚１ｎｍの均一なポリ（ヘキサフルオロプロピレンオキシド）薄膜を形成した。

ここで、別に金属薄膜表面に誘電体薄膜（ポリ（ヘキサフルオロプロピレンオキシド））を形成しさらに金属薄膜を堆積させ、これらの金属薄膜間のキャパシタンスを交流インピーダンス法により測定周波数１００ＫＨｚで測定（キャパシタンス測定）し、誘電体薄膜の誘電率を求めた。以降、実施例および比較例における誘電体薄膜の誘電率は、すべてこの方法を用いて求めた。

そして、ポリ（ヘキサフルオロプロピレンオキシド）薄膜が形成された基板上に、有機半導体層として膜厚５０ｎｍのペンタセン薄膜を真空蒸着により形成した。
ここで形成した電界効果トランジスタの特性を評価した結果、ペンタセン薄膜の移動度は０．１５ｃｍ²／Ｖｓであった。また、このトランジスタのｏｆｆ電流は１０ｐＡ、ｏｎ電流は２００μＡとなり、ｏｎ／ｏｆｆ比として２×１０⁷が得られた。

次に、比較例１として、ポリ（ヘキサフルオロプロピレンオキシド）薄膜を形成しないこと以外は実施例１と同様にして、ペンタセン薄膜を有機半導体とする電界効果トランジスタを形成した。
そして、この電界効果トランジスタの特性を評価した結果、ペンタセン薄膜の移動度は０．０５ｃｍ²／Ｖｓとなり、ポリ（ヘキサフルオロプロピレンオキシド）薄膜を形成した場合に比べてペンタセン薄膜の移動度は１／３に劣化した。また、このトランジスタのｏｆｆ電流は２０ｎＡ、ｏｎ電流は６０μＡとなり、ポリ（ヘキサフルオロプロピレンオキシド）薄膜を形成した場合に比べてｏｆｆ電流が大幅に上昇したため、ｏｎ／ｏｆｆ比は３×１０³と４桁程度劣化した。
この結果、ゲート絶縁膜と有機半導体層との間にポリ（ヘキサフルオロプロピレンオキシド）薄膜を形成することにより、高い移動度を発現させつつ、ゲート絶縁膜と有機半導体層との界面の表面安定性を向上させることを可能として、高いオン／オフ比を得られることがわかった。

実施例１で作成したゲート電極パターンが形成されたガラス基板上にポリアクリロニトリルの１重量％ジメチルアセトアミド溶液を塗布乾燥して、ゲート絶縁膜として膜厚５００ｎｍのポリアクリロニトリル薄膜を形成した。次いで、このポリアクリロニトリル薄膜表面に環状ポリオレフィン（日本ゼオン、ゼオノア）の０．１重量％トルエン溶液を塗布、乾燥して、低誘電率層として膜厚３ｎｍの環状ポリオレフィン溶液を形成した。そして、この環状ポリオレフィン薄膜上に金電極パターンを形成した後、有機半導体層としてペンタセン薄膜を膜厚５０ｎｍで真空蒸着して電界効果トランジスタを形成した。

この電界効果トランジスタの特性評価より、ペンタセン薄膜の移動度は０．２０ｃｍ²／Ｖｓであった。また、このトランジスタのｏｎ電流は３２０μＡ、ｏｆｆ電流は１０ｐＡとなり、ｏｎ／ｏｆｆ比として３×１０⁷が得られた。
なお、別に金薄膜上に形成した環状ポリオレフィン薄膜上にさらに金薄膜をマスク蒸着して形成し、環状ポリオレフィン薄膜間のキャパシタンス測定より、この環状ポリオレフィンの誘電率は２．４であることがわかった。また、ポリアクリロニトリル薄膜も同様にして求めた誘電率は８．５であった。

次に、比較例２として、環状ポリオレフィン薄膜を形成せず、ポリアクリロニトリル薄膜上に金電極パターンとペンタセン薄膜を順次形成することにより、電界効果トランジスタを作製した。
そして、この電界効果トランジスタの特性評価より、ペンタセン薄膜の移動度は０．１１ｃｍ²／Ｖｓとなり、環状ポリオレフィン薄膜を形成した場合に比べてペンタセン薄膜の移動度は約１／２に劣化した。また、このトランジスタのｏｎ電流は１６０μＡ、ｏｆｆ電流は１２０ｎＡとなり、環状ポリオレフィン薄膜を形成した場合に比べてｏｆｆ電流が大幅に上昇したため、ｏｎ／ｏｆｆ比は１×１０³と４桁程度劣化した。
この結果、ゲート絶縁膜と有機半導体層との間に環状ポリオレフィン薄膜を形成することにより、高い移動度を発現させつつ、ゲート絶縁膜と有機半導体層との界面の表面安定性を向上させることを可能として、高いオン／オフ比を得られることがわかった。

ガラス基板上にゲート電極パターンを形成した後、スパッタリングにより、ゲート絶縁膜として膜厚３００ｎｍのチタン酸ストロンチウム薄膜（ターゲットはＳｒＴｉＯ３焼結体）を形成した。次いで、このチタン酸ストロンチウム薄膜表面にポリスチレン（旭化成、スタイロン）の０．２重量％トルエン溶液を塗布乾燥して、低誘電率層として膜厚５ｎｍのポリスチレン薄膜層を形成した。さらに、このポリスチレン薄膜層表面に金電極パターンを形成後、ペンタセン薄膜を５０ｎｍの膜厚で形成し、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の特性評価により、ペンタセン薄膜の移動度は０．１５ｃｍ²／Ｖｓであった。また、このトランジスタのｏｎ電流は２５０μＡ、ｏｆｆ電流は５０ｐＡとなり、ｏｎ／ｏｆｆ比として５×１０⁶が得られた。
なお、別に金薄膜上にそれぞれ形成したチタン酸ストロンチウム薄膜とポリスチレン薄膜に金電極を蒸着し、チタン酸ストロンチウム薄膜とポリスチレン薄膜のキャパシタンス測定より求めた誘電率は、それぞれ４２、２．６であった。

次に、比較例３として、ポリスチレン薄膜を形成しないこと以外は実施例３と同様にして電界効果トランジスタを作製した。
そして、この電界効果トランジスタの特性評価により、ペンタセン薄膜の移動度は０．１３ｃｍ²／Ｖｓとなり、ポリスチレン薄膜を形成した場合に比べてペンタセン薄膜の移動度は若干劣化した。また、このトランジスタのｏｎ電流は２１０μＡ、ｏｆｆ電流は５０ｎＡとなり、ポリスチレン薄膜を形成した場合に比べてｏｆｆ電流が大幅に上昇したため、ｏｎ／ｏｆｆ比は４×１０³と３桁程度劣化した。
この結果、ゲート絶縁膜と有機半導体層との間にポリスチレン薄膜を形成することにより、高い移動度を発現させつつ、ゲート絶縁膜と有機半導体層との界面の表面安定性を向上させることを可能として、高いオン／オフ比を得られることがわかった。

チタン酸バリウム粉末（富士チタン）５０ｇを水素添加ポリスチレン（ポリ（シクロへキシル）エチレン）の５重量％トルエン溶液１００ｇに添加し均一に混合した。そして、この分散液をゲート電極パターン形成したガラス基板上に塗布乾燥することにより、ゲート絶縁膜としてチタン酸バリウム粉末が添加された膜厚５００ｎｍの水素添加ポリスチレン薄膜を形成した。次いで、このチタン酸バリウム粉末が添加された水素添加ポリスチレン薄膜表面に銀電極を印刷形成し、テトラメチルペンタセン薄膜を形成して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の特性評価により、テトラメチルペンタセン薄膜の移動度は０．４８ｃｍ²／Ｖｓであった。また、このトランジスタのｏｎ電流は５６０μＡ、ｏｆｆ電流は５０ｐＡとなり、ｏｎ／ｏｆｆ比として１×１０⁷が得られた。
なお、別に形成した水素添加ポリスチレン薄膜とチタン酸バリウムの塗布膜のキャパシタンス測定より、水素添加ポリスチレンとチタン酸バリウムの塗布膜の誘電率はそれぞれ、２．４、６０であった。

次に、比較例４として、チタン酸バリウム粉末（富士チタン）５０ｇをポリアクリロニトリルの５重量％のＮ−メチルピロリドン溶液１００ｇに添加し、均一に混合した。そして、この分散液をゲート電極パターン形成したガラス基板上に塗布乾燥することにより、ゲート絶縁膜としてチタン酸バリウム粉末が添加された膜厚５００ｎｍのポリアクリロニトリル薄膜を形成した。次いで、このチタン酸バリウム粉末が添加されたポリアクリロニトリル薄膜表面に銀電極を印刷形成し、テトラメチルペンタセン薄膜を形成して電界効果トランジスタを作製した。

そして、この電界効果トランジスタの特性評価により、テトラメチルペンタセン薄膜の移動度は０．４７ｃｍ²／Ｖｓとなった。また、ｏｎ電流は５５０μＡ、ｏｆｆ電流は８０ｎＡとなり、チタン酸バリウム粉末が添加された水素添加ポリスチレン薄膜でゲート絶縁膜を形成した場合に比べて、ｏｎ／ｏｆｆ比は７×１０³と３桁程度劣化した。
この結果、チタン酸バリウム粉末が添加された水素添加ポリスチレン薄膜でゲート絶縁膜を形成することにより、高い移動度を発現させつつ、ゲート絶縁膜と有機半導体層との界面の表面安定性を向上させることを可能として、高いオン／オフ比を得られることがわかった。

本発明の有機半導体素子は、ダイオード、トランジスタ、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、センサ等に利用することができ、高移動度と高オン／オフ比との両立を可能とすることができる。また、アクティブマトリクス液晶表示装置に利用することにより、高画質化、低消費電力化および省スペース化を図りつつ、フレキシブル化ならびに軽量化を実現することができる。

本発明の第１実施形態に係る有機半導体素子の概略構成を示す断面図である。本発明の第２実施形態に係る有機半導体素子の概略構成を示す断面図である。本発明の第３実施形態に係る有機半導体素子の概略構成を示す断面図である。本発明の第４実施形態に係る有機半導体素子の概略構成を示す断面図である。本発明の第５実施形態に係る有機半導体素子の概略構成を示す断面図である。本発明の第６実施形態に係る有機半導体素子の概略構成を示す断面図である。本発明の第７実施形態に係る有機半導体素子の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１、１１、２１、３１、４１、５１、６１基板
２、１２、２２、３２、４２、５２、６２ゲート電極
３、１３、２３、３３、４３、５３、６３ゲート絶縁層
４、１４、２４、３４、４４、５４、６４低誘電率層
５、１５、２５、３５、４５、５５、６５ソース電極
６、１６、２６、３６、４６、５６、６６ドレイン電極
７、１７、２７、３７、４７、５７、６７有機半導体層

Claims

有機半導体層と、
前記有機半導体層に接触するようにして互いに所定間隔だけ隔てて配置されたソース電／ドレイン電極と、
前記有機半導体層に形成されるチャネル領域の位置に対応して配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極と前記有機半導体層との間に配置され、比誘電率が４以上のゲート絶縁層と、
前記有機半導体層と前記ゲート絶縁層との間に配置され、比誘電率が１．５以上３．５以下の低誘電率層とを備えることを特徴とする有機半導体素子。
前記低誘電率層は、前記有機半導体層と前記ゲート絶縁層との間の少なくとも一部の領域に配置されていることを特徴とする請求項１記載の有機半導体素子。
前記低誘電率層は高分子化合物であることを特徴とする請求項１または２記載の有機半導体素子。
前記ゲート絶縁層と前記低誘電率層の間に配置された第１ポリマー層をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の有機半導体素子。
前記有機半導体層と前記低誘電率層の間に配置された第２ポリマー層をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の有機半導体素子。
有機半導体層と、
前記有機半導体層に接触するようにして互いに所定間隔だけ隔てて配置されたソース電／ドレイン電極と、
前記有機半導体層に形成されるチャネル領域の位置に対応して配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極と前記有機半導体層との間に配置されたゲート絶縁層とを備え、
前記ゲート絶縁層は、比誘電率が４以上の高誘電率材料と、比誘電率が１．５以上３．５以下の低誘電率材料とを含む複合体であることを特徴とする有機半導体素子。