JP2005317923A - 有機アクセプタ膜を備えた有機薄膜トランジスタ - Google Patents
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Abstract
【課題】 有機アクセプタ膜を備えた有機ＴＦＴを提供する。
【解決手段】 有機半導体層と、有機半導体層に電気的に連結されたソース及びドレイン電極と、ソース及びドレイン電極と有機半導体層とにそれぞれ絶縁されるように備えられたゲート電極と、ソース及びドレイン電極と有機半導体層との間に介在された有機アクセプタ膜と、を備えることを特徴とする有機ＴＦＴである。
【選択図】図２Ａ
【解決手段】 有機半導体層と、有機半導体層に電気的に連結されたソース及びドレイン電極と、ソース及びドレイン電極と有機半導体層とにそれぞれ絶縁されるように備えられたゲート電極と、ソース及びドレイン電極と有機半導体層との間に介在された有機アクセプタ膜と、を備えることを特徴とする有機ＴＦＴである。
【選択図】図２Ａ
Description
本発明は、有機薄膜トランジスタに係り、更に詳細には、有機薄膜トランジスタのソース及びドレイン電極と、有機半導体層との間に有機アクセプタ膜を備えることで、ドーピング効果を付与した有機薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：以下、ＴＦＴ）に関する。
有機半導体は、半導体特性を示す共役性有機高分子であるポリアセチレンが開発された以後、有機物の特性である合成方法が多様であり、繊維やフィルム状に成型が容易であり、柔軟性及び伝導性が良く、且つ生産コストが安いため、新たな電気電子材料として、機能性電子素子及び光素子などの広範囲の分野で活発に研究されている。伝導性高分子を利用した素子などで、有機物を活性層として使用するＴＦＴに関する研究は、１９８０年以後から始まり、最近には全世界で多くの研究が進められている。
有機ＴＦＴは、シリコンＴＦＴと構造的には、ほぼ同じ形態を有するが、半導体活性層領域に、シリコンの代りに有機物を使用するという相違点がある。有機ＴＦＴは、製作工程の側面において、シリコンＴＦＴに比べて簡単且つ低コストであり、衝撃により割れず、曲げたり折り畳みうる電子回路基板に適しているという長所である。特に、広い面積上に素子を製作する必要がある時、低い工程温度を必要とする場合と、曲げる製品に対して有効である。
現在有機ＴＦＴは、電子紙、能動型有機電界発光表示装置（Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｔｒｉｘ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｄｅｖｉｃｅ）の駆動素子、スマートカード、商品タグまたはＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）用のプラスチックチップなどに高い活用度が予想されるため、世界の多くの企業、研究所、及び大学で研究されている。有機ＴＦＴの性能は、ソース／ドレイン電極と有機半導体層との界面のキャリア注入能力などにより大きく左右される。
図１は、有機ＴＦＴの構造と動作原理とを示した概念図である。全体構造は、シリコンを基盤としたトランジスタとほぼ変わらない。ゲート１１０に電圧を加える時、半導体活性層１４０に電場（電界）がかかる電界効果トランジスタの原理と同じである。素子に流れる電流は、ソースとドレインとの間に電圧を印加して得り、その時、ソースは接地されており、電子や正孔の供給源の役割を行う。その上に表示された層が有機半導体層（即ち、半導体活性層）である。
素子の動作原理を、ｐ−型半導体を中心に説明すれば、まず、ソースとドレイン１３０、ゲート１１０に電圧を印加せねば、有機物半導体内の電荷は、何れも半導体活性層１４０内に均一に広がる（図１（Ａ））。
その時、ソースとドレイン１３０との間に電圧を印加して電流を流せば、低い電圧下では電圧に比例する電流が流れる。そこで、もしゲート１１０に正の電圧を印加すれば、その印加された電圧による電場によって、正の電荷である正孔は、何れも上方に押し上げられる（図１（Ｂ））。したがって、ゲート絶縁膜１２０に近い部分には、伝導電荷のない空乏層が形成される。その時、ソースとドレイン１３０との間に電圧を印加すれば、伝導可能な電荷キャリアが減っているため、ゲート１１０に電圧を印加していない時より更に少ない電流が流れる。
逆に、ゲート１１０に負の電圧を印加すれば、その印加された電圧による電場の効果により、有機物とゲート絶縁膜１２０との間に正の電荷が誘導され、ゲート絶縁膜１２０と近い部分に、電荷の量が多く蓄積されて蓄積層が形成される（図１（Ｃ））。その時、ソースとドレイン１３０との間に電圧を印加すれば、伝導可能な電荷運搬者が増えてあるため、ゲート１１０に電圧を印加しない時より更に多くの電流が流れる。
したがって、ソースとドレイン１３０との間に電圧を印加した状態で、ゲート１１０に正の電圧と負の電圧とを交互に印加すれば、ソースとドレイン１３０との間に流れる電流量を制御できる。その電流量の比を点滅比（Ｏｎ／Ｏｆｆ ｒａｔｉｏ）と言い、点滅比が大きいほど優秀な有機ＴＦＴとなる。
一方、有機ＴＦＴの半導体活性層の材料としては、多様な素材が開発されてきた。半導体活性層１４０を形成するには、真空蒸着法、好ましくは熱蒸着法で形成する。半導体活性層１４０は、ペンタセン、オリゴチオフェン、ポリアルキルチオフェンまたはポリチエニレンビニレンのような有機半導体物質を使用して形成する。
有機ＴＦＴは、電荷移動度（即ち、移動度）が低いことが短所として指摘されてきたが、１９９５年にフィリップス（Ｐｈｉｌｉｐｓ）のブラウン等（Ｂｒｏｗｎ ｅｔ ａｌ．）によって、ペンタセン薄膜より製造した電界効果トランジスタが開発された以後、１９９７年ペンシルベニア州立大学のジャクソン等（Ｊａｃｋｓｏｎ ｅｔ ａｌ．）は、結晶化を容易にして、電荷移動度は１．５ｃｍ２／Ｖｓ、点滅率は約１０８に至るトランジスタを開発することで、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）電界効果トランジスタの特性に準ずる性能を実現した。ペンタセンは、五つのベンゼン環が結合された構造を有する物質であって、ＴＦＴで要求される性能を実現させるのに最も有効な物質として考慮されている。
ペンタセン有機ＴＦＴは、ｐ型半導体であって、最も高い移動度を表して、非晶質シリコントランジスタに準ずる性能を具現できる長所を有するが、空気中で酸素と反応してペンタセンキノンを形成すると知られている。そのように、有機半導体活性層が酸化されれば、その結合が破れて電荷移動度が低くなり、結晶の内部に格子の歪み現象が発生して、電荷タラップ（電荷トラップ）を形成し、それらによる電荷散乱が移動度を減少させる原因となる。
一方、電荷移動度を上げるために、フィリップスのブラウン等（Ｂｒｏｗｎ ｅｔ ａｌ．）は、ペンタセン活性層にドーピング物質をドーピングさせる方法を提示した。しかし、ドーピング量が増加するほど電荷の移動度は上昇するが、移動度の上昇より活性層内の伝導度（即ち、導電率）の上昇が更に大きくなって、点滅比が減少するという問題点が指摘された。したがって、ドーピングで有機ＴＦＴの電荷移動度を向上させることは、活性層内の伝導度の上昇及び点滅比の低下という不適切な側面がある。
ジャン ゾウ等（Ｘｉａｎｇ Ｚｈｏｕ ｅｔ ａｌ．）は、２００１年１月２２日付のアプライドフィジックスレターズボリューム７８ナンバー４（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．７８，Ｎｏ．４，２２ Ｊａｎｕａｒｙ ２００１）で、Ｆ４−ＴＣＮＱアクセプタ層と非晶質ＴＤＡＴＡとを共に蒸着して、有機層として使用したＯＬＥＤを提案した。前記論文で提案されたＯＬＥＤは、非晶質ＴＤＡＴＡとＦ４−ＴＣＮＱアクセプタ層を含む二重層または多重層構造を有することで、電流密度上昇、ターンオン電圧の低下及び輝度の上昇などの効果が得られるという実験結果を示した。
本発明では、接触抵抗の減少及び電荷移動度の向上のために、ソース及びドレイン電極と、有機半導体層との間にアクセプタ層を備える有機ＴＦＴを提案する。
本発明は、前記従来技術の問題点、及びその他の問題点を鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、有機ＴＦＴの有機半導体層の電荷移動度を向上させるところにある。
本発明の他の目的は、ドーピングを実施せずとも、ドーピングのような効果を表す有機アクセプタ膜を、ソース及びドレイン電極と有機半導体層との間に挿入して、有機ＴＦＴの有機半導体層の接触抵抗を減少させ、且つ電荷移動度を向上させるところにある。
本発明の更に他の目的は、ペンタセン内の分子を密集させ、且つ界面間の接着力を強化させる表面処理剤を塗布することで、電荷移動度を向上させるところにある。
本発明は、前記目的を達成するためになされたものであって、本発明による有機ＴＦＴは、有機半導体層と、前記有機半導体層に電気的に連結されたソース及びドレイン電極と、前記ソース及びドレイン電極と前記有機半導体層とにそれぞれ絶縁されるように備えられたゲート電極と、前記ソース及びドレイン電極と前記有機半導体層との間に介された有機アクセプタ膜と、を備えることを特徴とする。
その時、前記有機半導体層は、ペンタセンを含む。
そして、前記ソース及びドレイン電極と前記ゲート電極とを絶縁させるゲート絶縁膜を備え、前記有機アクセプタ膜は、前記ソース電極及び前記ドレイン電極と、ゲート絶縁膜に接触されて形成されうる。その時、前記ゲート絶縁膜と前記有機アクセプタ膜との間に、界面間の接着力を強化させる表面処理膜を更に含みうる。
そして、本発明による有機ＴＦＴは、前記ソース及びドレイン電極と前記ゲート電極とを絶縁させるゲート絶縁膜を備え、前記有機アクセプタ膜は、前記ソース及びドレイン電極に接触されて形成されうる。その時、前記ゲート絶縁膜と前記有機半導体層との間に、界面間の接着力を強化させる表面処理膜を更に含みうる。
一方、前記有機アクセプタ膜は、電子受容物質であって、ニトロ基、シアノ基、スルホニル基、スルホキシド基、カルボニル基、カルボキシル基、エステル基、無水物、イミド、イミン、ハロゲン基、フルオロアルキル基、フルオロ芳香族基からなる群から選択される一つ以上を含有する芳香族系、オレフィン系、芳香族−オレフィン共役系、芳香族−芳香族共役系、融合芳香族系、及びヘテロ環化合物系からなる群から選択される一つ以上の物質を含む。
特に、前記有機アクセプタ膜は、電子受容物質であって、２，４，７−トリニトロフルオレノン、４−ニトロアニリン、２，４−ジニトロアニリン、５−ニトロアントラニロニトリル、２，４−ジニトロフェニルアミン、１，５−ジニトロナフタレン、４−ニトロビフェニル、９，１０−ジシアノアントラセン、３，５−ジニトロベンゾニトリル、Ｎ，Ｎ’−ビス（２，５−ジ−ｔ−ブチルフェニル）−３，４，９，１０−ペリレンジカルボキシイミドからなる群から選択される一つ以上の物質を含み得る。
そして、前記有機アクセプタ膜の厚さは、１ないし１００Å以下であることが好ましい。
一方、前記表面処理膜は、トリクロロシリル−（−ＳｉＣｌ３）、トリメトキシシリル−（−Ｓｉ（ＯＭｅ）３）、メルカプト−（−ＳＨ）のモイエティからなるグループの中から選択された何れか一つを含む。
そして、前記有機アクセプタ膜は、前記有機半導体層と前記ソース及びドレイン電極との間の界面の周りで、前記有機半導体層の形成物質と前記有機アクセプタ物質とが共に合成されて介在され得る。製造工程において、有機アクセプタ膜の形成は、有機アクセプタ物質のみからなる独立的な層として蒸着されうる一方、有機半導体層の形成物質と有機アクセプタ物質とが共蒸着されて形成されうる。有機半導体層の形成物質と有機アクセプタ物質とが共蒸着されて形成される場合、有機アクセプタ物質の組成比は、０．１ないし１０％であることが好ましい。
本発明による有機ＴＦＴは、基板上に形成されたものであって、ゲート電極と、前記基板及び前記ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたソース及びドレイン電極と、前記ソース及びドレイン電極上に形成された有機半導体層と、前記ソース及びドレイン電極と前記有機半導体層との間に介された有機アクセプタ膜と、を備える。
本発明による有機ＴＦＴは、基板上に形成されたものであって、ゲート電極と、前記基板及び前記ゲート電極を覆ったゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成された有機半導体層と、前記有機半導体層上に形成されたソース及びドレイン電極と、前記ソース及びドレイン電極と前記有機半導体層との間に介在された有機アクセプタ膜と、を備える。
本発明に係る有機ＴＦＴによれば、キャリア蓄積層の形成に要求されるエネルギー障壁にも拘らず、電荷伝達コンプレックスを形成できる有機アクセプタ膜を塗布することで、チャンネルドーピングの効果を与えて、エネルギー障壁の特性を排除できる効果がある。それにより、活性層のチャンネルに注入されるキャリアの量を増加させることで、結果的に接触抵抗が減少し、電荷移動度が上昇する効果が得られる。
また、本発明に係る有機ＴＦＴによれば、電荷伝達コンプレックスを形成できる有機アクセプタ膜を薄く塗布することで、ドーピングの効果が得られつつも、従来のドーピングとは違って、活性層内の伝導度に影響を及ぼさないようにして、点滅比が減少するという問題点を解決した。
また、本発明に係る有機ＴＦＴによれば、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜との間で、界面間の接着力を強化させる同時に、ペンタセン内の分子を密集させる表面処理剤を塗布することで、電荷移動度を更に向上させうる。
以下では、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例に係る有機ＴＦＴを説明する。
図２Ａないし図３Ｂは、本発明の好ましい実施例に係る有機ＴＦＴの断面図である。
図２Ａを参照すれば、有機ＴＦＴは、シリコン、プラスチックまたはガラスからなる絶縁基板２００、及び／またはバッファー層２０５上にゲート電極２１０を備えている。バッファー層２０５は、必ずしも必要なものではなく、基板２００の平坦化のためのものであって、ＳｉＯ２より形成でき、ＰＥＣＶＤ−法、ＡＰＣＶＤ−法、ＬＰＣＶＤ−法、ＥＣＲ−法などにより蒸着され得、約３０００Åに蒸着可能である。
ゲート電極２１０用の材料は、ｐチャンネルＴＦＴを具現する場合、仕事関数の低いＡｌ、ＡｌＮｄ、ＭｏＷなどを使用することが好ましい。ゲート電極２１０を形成するには、スパッタリングにより３０００Åゲートメタル膜を積層した後、フォトリソグラフィ工程によりエッチングして完成する。
ゲート電極２１０を形成する他の方法としては、ゲート電極蒸着用の真空チャンバ内に、ゲート電極を定義するシャドーマスクを覆った基板を入れ、金属ボートにゲート電極用の金属を入れる。真空チャンバ内の真空度は、５×１０−４Ｔｏｒｒ以下にする。好ましくは、約５×１０−７Ｔｏｒｒの真空度が適する。秒当たり３〜５Åの蒸着速度で蒸着させて、ゲート電極２１０を形成する。アルミニウムゲート電極の場合、約１７００Åの厚さに形成できる。
前記基板２００及び前記ゲート電極２１０の上には、ゲート絶縁膜２２０が前記基板２００及び前記ゲート電極２１０を覆っている。ゲート絶縁膜２２０は、シリコン酸化膜を使用できる。閾電圧を減らすには、誘電率の高い誘電体、例えばＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３のＢＳＴ（Ｂａｒｉｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｔｉｔａｎａｔｅ）以外にも、Ｔａ２Ｏ５、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＯ２と、強誘電性の絶縁体系列と、ＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３（ＰＺＴ）、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＢａＭｇＦ４、ＳｒＢｉ２（Ｔａ１−ｘＮｂｘ）２Ｏ９、Ｂａ（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）Ｏ３（ＢＺＴ）、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３などを使用できる。
前記ゲート絶縁膜２２０上には、ソース及びドレイン電極２３０が形成されている。ソース及びドレイン電極２３０を形成するために、スパッタリングにより５０００Åソース／ドレインメタル膜を積層した後、フォトリソグラフィ工程によりエッチングして完成する。
ソース及びドレイン電極２３０を形成する他の方法としては、基板２００にソース／ドレイン電極用のシャドーマスクを覆い、仕事関数の高い金属材料を真空蒸着してＴＦＴのソース／ドレイン電極２３０を形成できる。仕事関数の高い金属材料としては、金（Ａｕ）を使用することが好ましい。真空蒸着チャンバ内の真空度を５×１０−４Ｔｏｒｒ以下、好ましくは約５×１０−７Ｔｏｒｒにする。秒当たり３〜５Åの蒸着速度で蒸着させて、約１５００Åの厚さにソース／ドレイン電極２３０を形成する。
ソース及びドレイン電極２３０の上には、有機アクセプタ膜２３５が塗布され、有機アクセプタ膜２３５の上には有機半導体層２４０がある。
一般的に、ＴＦＴのソース／ドレイン電極と有機半導体層との間には、仕事関数の差による電位障壁が形成されてキャリアの注入を妨害することで、接触抵抗が増加する傾向がある。ソース／ドレイン電極に、仕事関数の差が小さい金属を使用して、接触抵抗を低減させ得る。本発明では、ソース／ドレイン電極と有機半導体層との間に、電子受容物質を含む有機アクセプタ膜２３５を形成することで、接触抵抗の減少、キャリア注入の増加及び電荷移動度の上昇という効果をもたらす。
図２Ａに示された有機ＴＦＴでは、有機アクセプタ膜２３５がソース及びドレイン電極２３０に接触されて形成されており、ソース及びドレイン電極２３０の間に露出されたゲート絶縁膜２２０上にも接触されて形成されている。図２Ｂに示された有機ＴＦＴでは、有機アクセプタ膜２３５がソース及びドレイン電極２３０に接触されて形成されている。製造工程において、有機アクセプタ膜２３５の形成は、有機アクセプタ物質のみからなる独立的な層として蒸着されるか、または、有機半導体層２４０と前記ソース及びドレイン電極２３０との間の界面の周りで、有機半導体層の形成物質と有機アクセプタ物質とが共蒸着されて形成されうる。有機半導体層の形成物質と有機アクセプタ物質とが共蒸着されて形成される場合、有機アクセプタ物質の組成比は、０．１ないし１０％であることが好ましい。
有機アクセプタ膜２３５は、ソース／ドレイン電極２３０の表面に電荷伝達コンプレックス（即ち、電荷移動錯体）を形成できる電荷伝達物質を含んで、有機半導体層２４０にチャンネルドーピングの効果を与えてエネルギー障壁の特性を排除でき、チャンネルに注入されるキャリアの量を増加させることで、結果的に接触抵抗の減少、キャリア注入の増加及び電荷移動度の上昇という効果をもたらし得る。
図４Ａは、電場により分子のダイポールモーメント（即ち、双極子モーメント）が変化することを示す図面であり、図４Ｂは、電子供与体と電子受容体との間に電子を授受する電荷伝達コンプレックスを形成する現象を示す図面である。
図４Ａから分かるように、電場がかかる場合、分子のダイポールモーメントが極大化されうる。また、図４Ｂから分かるように、そのようなダイポールモーメントが発生した時に、電子供与体と電子受容体との間で電子を授受する電荷伝達コンプレックスを形成する現像が発生しうる。
有機アクセプタ膜２３５は、ニトロ基、シアノ基、スルホニル基、スルホキシド基、カルボニル基、カルボキシル基、エステル基、無水物、イミド、イミン、ハロゲン基、フルオロアルキル基、フルオロ芳香族基からなる群から選択される一つ以上を含有する芳香族系、オレフィン系、芳香族−オレフィン共役系、芳香族−芳香族共役系、融合芳香族系、及びヘテロ環化合物系からなる群から選択される一つ以上の電子受容物質を蒸着して形成できる。
一実施例において、前記電子受容物質は、２，４，７−トリニトロフルオレノン、４−ニトロアニリン、２，４−ジニトロアニリン、５−ニトロアントラニロニトリル、２，４−ジニトロフェニルアミン、１，５−ジニトロナフタレン、４−ニトロビフェニル、９，１０−ジシアノアントラセン、３，５−ジニトロベンゾニトリル、Ｎ，Ｎ’−ビス（２，５−ジ−ｔ−ブチルフェニル）−３，４，９，１０−ペリレンジカルボキシイミドからなる群から選択される一つ以上の物質である。
前記有機アクセプタ膜２３５上に、図２Ａのように、有機半導体層２４０が備えられる。有機半導体層２４０を形成するには、真空蒸着法、好ましくは熱蒸発法で、電子受容物質層が塗布されたソース及びドレイン電極２３０上に有機半導体層２４０を形成する。有機半導体層２４０は、ペンタセン、オリゴチオフェン、ポリアルキルチオフェンまたはポリチエニレンビニレンのような有機半導体物質を使用して形成でき、好ましくはペンタセンより形成する。有機半導体層２４０は、真空蒸着チャンバ内の真空度を５×１０−４Ｔｏｒｒ以下、好ましくは約５×１０−７Ｔｏｒｒにして、秒当たり０．５Åの蒸着速度で蒸着させて、約１０００Å厚さに形成する。
有機アクセプタ膜２３５は、有機アクセプタ物質のみからなる独立的な層として蒸着されることもあり、有機半導体層形成物質（例えば、ペンタセン）と有機アクセプタ物質とが共蒸着されて形成されることもある。後者は、有機半導体層２４０と前記ソース及びドレイン電極２３０との間の界面の周りで、有機半導体層２４０の形成物質と有機アクセプタ物質とが共蒸着されて形成されることを言う。図２Ａ及び図２Ｂの構造を有する有機ＴＦＴでは、有機半導体層２４０の下部にソース及びドレイン電極２３０があるため、有機半導体層２４０を形成し始める時点で、ソース及びドレイン電極２３０との接触界面の周囲に、０．１ないし１０％組成比の有機アクセプタ物質を共蒸着することで、有機アクセプタ層２３５を形成できる。
図５は、本発明の好ましい実施例に係る有機ＴＦＴの電流密度及び電圧の特性を示したグラフである。グラフで、ひし形（◆）で示された曲線は、有機アクセプタ層２３５が塗布されていない場合の特性曲線であり、＋で示された曲線は、有機アクセプタ層２３５が塗布されている場合の特性曲線である。
グラフを説明すれば、同じ条件下で有機アクセプタ層２３５が塗布されれば、ターンオン電圧は、４Ｖから３．２Ｖに低くなる。そして、有機アクセプタ層２３５が塗布されれば、５Ｖでの電流密度が、０．１ｍＡ／ｃｍ２から１ｍＡ／ｃｍ２に大幅に上昇する。それにより、チャンネルに注入されるキャリアの量が著しく増加し、電荷移動度の上昇という効果をもたらし得ることが分かる。
一方、図３Ａ及び図３Ｂは、有機半導体層２４０がゲート電極２１０とソース及びドレイン電極２３０との間に配置された場合を示す。
図３Ａを参照すれば、有機ＴＦＴは、シリコン、プラスチックまたはガラスからなる絶縁基板２００、及び／またはバッファー層２０５上にゲート電極２１０を備えている。バッファー層２０５は、必ずしも必要なものではなく、基板２００の平坦化のためのものであって、ＳｉＯ２より形成でき、ＰＥＣＶＤ法、ＡＰＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法、ＥＣＲ法などにより蒸着でき、約３０００Åに蒸着できる。
ゲート電極２１０用の材料は、ｐチャンネルＴＦＴを具現するために、仕事関数の低いＡｌ、ＡｌＮｄ、ＭｏＷなどを使用することが好ましい。前記基板２００及び前記ゲート電極２１０の上には、ゲート絶縁膜２２０が前記基板２００及び前記ゲート電極２１０を覆っている。ゲート絶縁膜２２０は、シリコン酸化膜を使用できる。
ゲート絶縁膜２２０上には、有機半導体層２４０が形成される。
有機半導体層２４０を形成するには、真空蒸着法、好ましくは熱蒸発法で、電子受容物質層が塗布されたソース及びドレイン電極２３０上に有機半導体層２４０を形成する。有機半導体層２４０は、ペンタセン、オリゴチオフェン、ポリアルキルチオフェンまたはポリチエニレンビニレンのような有機半導体物質を使用して形成でき、好ましくはペンタセンより形成する。真空蒸着チャンバ内の真空度を、５×１０−４Ｔｏｒｒ以下、好ましくは約５×１０−７Ｔｏｒｒにして、秒当たり０．５Åの蒸着速度で蒸着させて、約１０００Å厚さに形成する。
図３Ａ及び図３Ｂに開示されたように、有機半導体層２４０上には、ソース及びドレイン電極２３０が形成されており、ソース及びドレイン電極２３０と有機半導体層２４０との間には、有機アクセプタ膜２３５が介在されている。有機アクセプタ膜は、有機アクセプタ物質のみからなる独立的な層として蒸着されて形成されることもあり、有機半導体層２４０と前記ソース及びドレイン電極２３０との間の界面の周りで、有機半導体層２４０の形成物質と有機アクセプタ物質とが共蒸着されて形成されることもある。図３Ａ及び図３Ｂの構造を有する有機ＴＦＴでは、有機半導体層２４０の上部にソース及びドレイン電極２３０があるため、有機半導体層２４０の蒸着が終了する時に、ソース及びドレイン電極２３０との接触界面の周りに、０．１ないし１０％組成比の有機アクセプタ物質を共蒸着することで、有機アクセプタ層２３５を形成できる。
有機アクセプタ膜２３５は、ソース／ドレイン電極２３０の表面に電荷伝達コンプレックスを形成できる電荷伝達物質を含んで、有機半導体層２４０にチャンネルドーピングの効果を与えてエネルギー障壁の特性を排除でき、チャンネルに注入されるキャリアの量を増加させることで、結果的に接触抵抗の減少、キャリア注入の増加及び電荷移動度の上昇という効果をもたらし得る。有機アクセプタ膜２３５の厚さは、活性層（即ち、有機半導体層２４０）内の伝導度を上げずとも、キャリアの注入を増加させる効果をもたらすように薄く設定せねばならず、その厚さは、１００Å以下であることが好ましい。
有機アクセプタ膜２３５は、ニトロ基、シアノ基、スルホニル基、スルホキシド基、カルボニル基、カルボキシル基、エステル基、無水物、イミド、イミン、ハロゲン基、フルオロアルキル基、フルオロ芳香族基からなる群から選択される一つ以上を含有する芳香族系、オレフィン系、芳香族−オレフィン共役系、芳香族−芳香族共役系、融合芳香族系、及びヘテロ環化合物系からなる群から選択される一つ以上の電子受容物質を蒸着して形成できる。
一実施例において、前記電子受容物質は、２，４，７−トリニトロフルオレノン、４−ニトロアニリン、２，４−ジニトロアニリン、５−ニトロアントラニロニトリル、２，４−ジニトロフェニルアミン、１，５−ジニトロナフタレン、４−ニトロビフェニル、９，１０−ジシアノアントラセン、３，５−ジニトロベンゾニトリル、Ｎ，Ｎ’−ビス（２，５−ジ−ｔ−ブチルフェニル）−３，４，９，１０−ペリレンジカルボキシイミドからなる群から選択される一つ以上の物質である。
前記有機アクセプタ膜２３５上には、ソース及びドレイン電極２３０が形成されている。ソース及びドレイン電極２３０を形成するために、スパッタリングにより５０００Åソース／ドレインメタル膜を積層した後、フォトリソグラフィ工程によりエッチングして完成する。ソース及びドレイン電極２３０を形成する他の方法としては、基板２００にソース／ドレイン電極用のシャドーマスクを覆い、仕事関数の高い金属材料を真空蒸着してＴＦＴのソース／ドレイン電極２３０を形成する。仕事関数の高い金属材料としては、金（Ａｕ）を使用することが好ましい。
一方、他の実施例において、図６Ａないし図７Ｂに示されたように、界面との接着力を増加させるために、有機半導体層２４０を蒸着する以前または以後において、ＯＴＳのような表面処理剤をゲート絶縁膜上に塗布して表面処理膜２３２を形成できる。
表面処理膜２３２は、界面間の接着力を強化させ、且つ有機分子を密集させるためのものであって、ゲート絶縁膜２２０と前記有機アクセプタ膜２３０との間（図６Ａ。図６Ｂ）、またはゲート絶縁膜２２０と有機半導体層２４０との間（図７Ａ、図７Ｂ）に塗布されうる。
表面処理膜２３２は、−ＳｉＣｌ３、−Ｓｉ（ＯＭｅ）３、−ＳＨのモイエティからなるグループ（即ち、これらの構成のうち、何れかをその一部として含むグループ）の中から選択された何れか一つを含み得る。
ＯＴＳで処理した有機ＴＦＴの場合、図８のＯＴＳで処理された酸化膜（即ち、ゲート絶縁膜２２０）表面の結合構造のように、酸化膜に向けた親水性の終端は、酸化膜の表面と強く相互結合し、疎水性の長い終端は、有機半導体層２４０のペンタセン分子と相互作用して強く結合される。
それにより、電界効果移動度（即ち、移動度）は、大幅に向上して〜０．３ｃｍ２／Ｖ．ｓｅｃと表され、スイッチング素子の特性を決定するオン／オフ電流比も、１０６に大幅に向上し、オフ状態の漏洩電流も、〜１０−１１Ａに減少した。それらのパラメータ値は、スイッチング素子に要求される電界効果移動度である０．１ｃｍ２／Ｖ．ｓｅｃと、オン／オフ電流比も１０６〜１０８間の性能を満足させる。向上した原因は、ペンタセン膜の分子構造の密集、及びペンタセンとＯＴＳ分子との間の強い結合力のためである。
前記したように、本発明は、最も好ましい実施例に基づいて説明されたが、前記実施例は、本発明の理解を助けるためのものであり、本発明の内容がそれに限定されるものではない。本発明の構成において、一部構成要素の付加、削減、変更、修正などがあっても、特許請求の範囲によって定義される本発明の技術的思想に属するかぎり、本発明の範囲に該当される。
例えば、実施例についての説明及び図面において、有機半導体層の位置は、ソース及びドレイン電極の上部または下部に配置されると表現されたが、本発明の範囲は、コプラナー型、インバースコプラナー型、スタッガード型、インバーススタッガード型を問わず適用されうる。また、有機半導体層の一部が、ソース及びドレイン電極側に延長されることもあるように、その他構成要素の位置変移は、本発明の要旨を外れない限り、当業者が容易に設計及び変更できる程度のものであり、本発明の均等な範囲に属すると理解せねばならない。
本発明に係る有機薄膜トランジスタは、電子紙、能動型有機電界発光表示装置の駆動素子、スマートカード、商品タグ及びＲＦＩＤ用のプラスチックチップなどに適用できる。
１００、２００ 絶縁基板
１１０、２１０ ゲート電極
１２０、２２０ ゲート絶縁膜
１３０、２３０ ソース及びドレイン電極
１４０、２４０ 有機半導体層
２０５ バッファー層
２３５ 有機アクセプタ膜
２３２ 表面処理膜
１１０、２１０ ゲート電極
１２０、２２０ ゲート絶縁膜
１３０、２３０ ソース及びドレイン電極
１４０、２４０ 有機半導体層
２０５ バッファー層
２３５ 有機アクセプタ膜
２３２ 表面処理膜
Claims (11)
- 有機半導体層と、
前記有機半導体層に電気的に連結されたソース及びドレイン電極と、
前記ソース及びドレイン電極と、前記有機半導体層とにそれぞれ絶縁されるように備えられたゲート電極と、
前記ソース及びドレイン電極と、前記有機半導体層との間に介された有機アクセプタ膜と、を備えることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。 - 前記有機半導体層は、ペンタセンを含むことを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記ソース及びドレイン電極と前記ゲート電極とを絶縁させるゲート絶縁膜を備え、
前記有機アクセプタ膜は、前記ソース電極及び前記ドレイン電極と、ゲート絶縁膜とに接触されて形成されることを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。 - 前記ゲート絶縁膜と前記有機アクセプタ膜との間に、界面間の接着力を強化させる表面処理膜を更に含むことを特徴とする請求項３に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記ソース及びドレイン電極と前記ゲート電極とを絶縁させるゲート絶縁膜を備え、
前記有機アクセプタ膜は、前記ソース及びドレイン電極に接触されて形成されることを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。 - 前記ゲート絶縁膜と前記有機半導体層との間に、界面間の接着力を強化させる表面処理膜を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記有機アクセプタ膜は、電子受容物質であって、ニトロ基、シアノ基、スルホニル基、スルホキシド基、カルボニル基、カルボキシル基、エステル基、無水物、イミド、イミン、ハロゲン基、フルオロアルキル基、フルオロ芳香族基からなる群から選択される一つ以上を含有する芳香族系、オレフィン系、芳香族−オレフィン共役系、芳香族−芳香族共役系、融合芳香族系、及びヘテロ環化合物系からなる群から選択される一つ以上の物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記有機アクセプタ膜は、電子受容物質であって、２，４，７−トリニトロフルオレノン、４−ニトロアニリン、２，４−ジニトロアニリン、５−ニトロアントラニロニトリル、２，４−ジニトロフェニルアミン、１，５−ジニトロナフタレン、４−ニトロビフェニル、９，１０−ジシアノアントラセン、３，５−ジニトロベンゾニトリル、Ｎ，Ｎ’−ビス（２，５−ジ−ｔ−ブチルフェニル）−３，４，９，１０−ペリレンジカルボキシイミドからなる群から選択される一つ以上の物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記有機アクセプタ膜の厚さは、１ないし１００Åであることを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記表面処理膜は、−ＳｉＣｌ３、−Ｓｉ（ＯＭｅ）３及び−ＳＨのモイエティからなるグループの中から選択された何れか一つを含むことを特徴とする請求項４または６に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記有機アクセプタ膜は、前記有機半導体層と前記ソース及びドレイン電極との間の界面の周りで、前記有機半導体層の形成物質と、前記有機アクセプタ物質とが共に合成されて介在され、前記有機アクセプタ物質の組成比は、０．１ないし１０％であることを特徴とする請求項７または８に記載の有機薄膜トランジスタ。
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