JP2005327797A - 有機電界効果トランジスタおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
本発明の有機電界効果トランジスタは、有機半導体材料からなる有機半導体膜2にゲート絶縁膜3を介して設けられたゲート電極8と、前記ゲート電極8をはさんで前記有機半導体膜に当接するように設けられたソース電極6およびドレイン電極7とを備えた有機電界効果トランジスタにおいて、前記ソース電極6および前記ドレイン電極7の少なくとも1方が、無機物からなる電荷注入層4、5を介して前記有機半導体膜2と当接していることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
また、電荷の授受によりソースおよびドレイン電極は有機半導体層との界面で酸化還元を繰り返すことになり、劣化を生じ易かったのに対し、無機物からなる電荷注入層が電極と有機半導体層との界面に介在しているこの構成では、電荷注入層の存在により密着性が向上するとともに電極が劣化しにくくなり、素子作製後の特性変化が少なく安定かつ長寿命の有機電界効果トランジスタを実現することができるものと考えられる。有機半導体は還元に弱いという特徴がある点に着目し、有機半導体が還元されにくいように、無機物からなる電荷注入層を有機半導体層と電極との間に介在させたところ、劣化の進行を大幅に抑制することができた。これは、安定な無機物(例えば窒化物)あるいは酸素リッチな無機物(例えば酸化物)を電極と有機半導体との間に介在させることによって有機半導体が還元されにくい状態となることも一つの理由と考えられる。これは、還元反応の生じ易い、ホールの流出側電極であるドレイン電極側で特に、有効であることもわかった。
また、電荷注入層の存在によりキャリアの集中を防止することができ、劣化を防止することができるものと考えられる。
さらにまた、電極として白金や金などを用いた場合には、有機半導体層に対して触媒として作用し、有機半導体層の反応を促進し、劣化を生じることがあるが、電荷注入層を介在させることにより、界面の劣化を防止することができるものとも考えられる。
有機半導体は酸化には強いが還元には弱いという特性をもつが、酸化物を介して電極に接続されているため、有機半導体膜は還元されにくく、より長寿命化をはかることができる。
例えば遷移金属の化合物は、複数の酸化数をとるため、これにより、複数の電位レベルをとることができ、有機半導体層に形成されるチャネルへのキャリアの注入が容易となり、駆動電圧を低減することができるものと考えられる。
窒化物は安定であり、酸化防止機能をもつため、密着性の向上効果に加え、電極金属を酸化することなく安定に維持することができ、その結果有機半導体が劣化することもない。
酸窒化物は、耐酸素性が強く、緻密で信頼性の高い膜となるため、界面を安定に維持することができる。
例えば、ルテニウム(Ru)の酸窒化物結晶Ru4Si2O7N2等も極めて耐熱性(1500℃)が高く安定な物質であることから薄く成膜することにより、電荷注入層として適用可能である。この場合はゾルゲル法で成膜した後、熱処理を行なうことにより成膜することができる。
理由は明らかではないが、遷移金属の複合酸化物を電荷注入層に用いた場合、安定な特性をもつことができる。
この構成により、有機半導体層を塗布法で形成することができるため、真空工程を経ることなく形成することができる。
電荷注入層の存在により、ソースおよびドレイン電極の成膜時に有機半導体層が劣化するのを防止することができる。
この構成により、電荷注入層のパターニングが不要となる上、有機半導体層表面全体を覆っているため、水分の浸入経路を断つことが出来、信頼性の向上をはかることができる。
この構成により、ゲート絶縁膜を有機薄膜で形成するようにすれば、形成が極めて容易である。
この構成により、ゲート絶縁膜によって有機半導体層が保護されるため、信頼性の向上を図ることができる。
この構成により、ゲート電極下では薄く形成され、他では2層膜で構成されているため、駆動電圧を上昇することなく、ゲート絶縁膜によって有機半導体層を保護することができ、信頼性の向上を図ることができる。
本発明は、ソース電極およびドレイン電極の少なくとも一方の電極を無機材料からなる電荷注入層を介して有機半導体材料からなる有機半導体膜に当接させるようにして、特性の安定化を図るものである。以下、図1を参照して説明する。
図7はもっとも単純な有機トランジスタ素子の電荷のエネルギー状態を説明するための概略説明図である。また、図8は図7の素子構成に電荷注入層としてのPEDOT層を追加した素子の電荷のエネルギー状態を説明するための簡易説明図、図9は図8の素子構成に電荷注入層としてのモリブデン酸化物層を追加した素子の電荷のエネルギー状態を説明するための概略説明図である。
有機トランジスタ素子のスイッチングは無機トランジスタ素子と同様にホールあるいは電子がそれぞれ有機半導体層内を通過し、ソース・ドレイン電流となることで生じる。まず、図7に示すように、ソース上のホール126が半導体層のHOMO124に注入され、ドレインに取り出される。半導体層に注入されたホール127は印加された電界にしたがって半導体層内をドレイン電極側に移動し、この電荷の移動量が電流となる。
図7においてソースのエネルギーレベルを示す線120と半導体層のHOMOを示す線124に注目する。図7中におけるこれらの線の位置はそのまま電場のエネルギーを示しており、線120と線124の高さの違いはそのまま両者のエネルギーレベルの違いを示しているものとする。エネルギーレベルが異なるということはそれぞれのエネルギーレベルにあるホールは異なるエネルギーを持っていることを意味しており、一般に図7のような表現においてホールはより下方にあるものが高いエネルギーを持ち、電子はより上方にあるものが高いエネルギーを持つと定義されている。よって、半導体層内のホール127はソース上のホール126よりも高いエネルギーを持っていることになる。このとき、よりエネルギーの低いソース上のホール126を半導体層内に注入するためには、エネルギーレベル120をもつソース上のホール126とエネルギーレベル124をもつ半導体層内のホール127の差に見合ったエネルギーを外部より与える必要があり、素子に印加される電圧の一部がこれに充当される。
なお、半導体層にあるホールは容易にドレイン側に取り出されるが、ドレイン側にもモリブデン酸化物層160などの、複数の値からなるエネルギーレベルの段状構造を生じる無機物層を介在させることにより後述するようにドレイン側でのホールの取り出しが容易になる。この場合は半導体層を中心にしてソース側とドレイン側とで対称なバンド構造をもつことになる。
次に本発明の実施の形態2について説明する。前記実施の形態1ではソース側電荷注入層4および、ドレイン側電荷注入層5はソース電極6、ドレイン電極7と同一のパターン形状をなすようにパターニングして用いられたが、本実施の形態では、図4に示すように、ソース側電荷注入層14および、ドレイン側電荷注入層15は有機半導体膜12の表面全体を覆うように形成された電荷注入層14Sとして一体的に形成されたことを特徴とする。作用としては実施の形態1と同様にソースおよびドレイン電極16、17と有機半導体膜12との間で電荷注入効果を得ることができるものであるが、この電荷注入層14Sは有機半導体膜12表面全体を覆っているため、水分や熱によって劣化を生じ易い有機半導体膜への空気の接触を断つことができ、有機半導体膜の劣化を防ぐことができる。
また、製造工数の増大を招くこともないため、製造も容易である。なお必要に応じて、ソース・ドレイン電極16,17の形成された基板表面全体をパッシベーション膜で被覆することにより、より信頼性の向上を図ることができる。
次に本発明の実施の形態3について説明する。前記実施の形態1および2ではゲート電極が基板側に形成されたが、本実施の形態では、ソース・ドレイン電極26,27を基板側に形成したことを特徴とする。
この例では、図5に示すように、シリコン基板21表面に形成された多結晶シリコン層とタングステンシリサイドからなるポリサイド構造のソース・ドレイン電極26,27にそれぞれソース側電荷注入層24および、ドレイン側電荷注入層25として膜厚1nm程度の窒化チタン(TiN)層を形成する。そしてこの上層にPPVからなる有機半導体膜22を形成し、更にこの上層に酸化シリコン膜23aと窒化シリコン23bとの2層膜からなるゲート絶縁膜23を形成すると共に、その一部の窒化シリコン23bを除去し、多結晶シリコンからなるゲート電極28を形成したものである。この構造によれば有機半導体膜22上は2層構造のゲート絶縁膜で被覆されているため、耐水性も高く、有機半導体膜の酸化を防止することができる。
次に本発明の実施の形態4について説明する。本実施の形態でも実施の形態3と同様、ソース・ドレイン電極6,7を基板側に形成しているが、ゲート絶縁膜33をポリイミド膜で形成しこの上にゲート電極38を形成した後、ポリイミド膜からなるパッシベーション膜39を形成したことを特徴とする。
この例では、図6に示すように、ポリイミドフィルムからなる可撓性の基板31表面に形成されたPEDOTからなるソース・ドレイン電極36,37にそれぞれソース側電荷注入層34および、ドレイン側電荷注入層35として膜厚1nm程度の酸化モリブデン(MoO3)層を形成する。そしてこの上層にAlqからなる有機半導体膜32を形成し、更にこの上層に酸化シリコン膜33からなるゲート絶縁膜33を形成する。そしてPEDOTからなるゲート電極38を形成し、更にこの上層をスピンコート法によって形成したポリイミド膜からなるパッシベーション膜39で被覆したものである。
この例では有機半導体膜32上はゲート絶縁膜33とパッシベーション膜39で被覆されているため、耐水性も高く、有機半導体膜の酸化を防止することができる。
2 有機半導体膜
3 ゲート絶縁膜
4 ソース側電荷注入層
5 ドレイン側電荷注入層
6 ソース電極
7 ドレイン電極
8 ゲート電極
Claims (17)
- 有機半導体材料からなる有機半導体膜にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記有機半導体膜に当接するように設けられたソース電極およびドレイン電極とを備えた有機電界効果トランジスタにおいて、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の少なくとも1方が、無機物からなる電荷注入層を介してホールをキャリアとする前記有機半導体膜と当接していることを特徴とする有機電界効果トランジスタ。 - 請求項1に記載の有機電界効果トランジスタであって、
前記電荷注入層が酸化物を含む有機電界効果トランジスタ。 - 請求項1に記載の有機電界効果トランジスタであって、
前記電荷注入層が遷移金属の酸化物を含む有機電界効果トランジスタ。 - 請求項1に記載の有機電界効果トランジスタであって、
前記電荷注入層がモリブデンまたはバナジウムの酸化物からなることを特徴とする有機電界効果トランジスタ。 - 請求項1に記載の有機電界効果トランジスタであって、
前記電荷注入層が窒化物を含む有機電界効果トランジスタ。 - 請求項1に記載の有機電界効果トランジスタであって、
前記電荷注入層が遷移金属の窒化物を含む有機電界効果トランジスタ。 - 請求項1に記載の有機電界効果トランジスタであって、
前記電荷注入層が酸窒化物を含む有機電界効果トランジスタ。 - 請求項1に記載の有機電界効果トランジスタであって、
前記電荷注入層が遷移金属の酸窒化物を含む有機電界効果トランジスタ。 - 請求項1に記載の有機電界効果トランジスタであって、
前記電荷注入層が遷移金属を含む複合酸化物を含む有機電界効果トランジスタ。 - 請求項1乃至9のいずれかに記載の有機電界効果トランジスタであって、
前記有機半導体層は、高分子層で構成される有機電界効果トランジスタ。 - 請求項1乃至10のいずれかに記載の有機電界効果トランジスタであって、
表面に前記ゲート電極が形成された基板を備え、
前記有機半導体層は、前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜を介して形成され、
前記ソースおよびドレイン電極は、前記有機半導体層上に、前記電荷注入層を介して形成された有機電界効果トランジスタ。 - 請求項11に記載の有機電界効果トランジスタであって、
前記電荷注入層は前記有機半導体層表面全体を覆うように形成された有機電界効果トランジスタ。 - 請求項1乃至10のいずれかに記載の有機電界効果トランジスタであって、
表面に前記ソース電極およびドレイン電極が形成された基板を備え、
前記有機半導体層は前記ソース電極およびドレイン電極を覆うように形成され、
前記ゲート電極は、前記有機半導体層上に前記ゲート絶縁膜を介して形成された有機電界効果トランジスタ。 - 請求項13に記載の有機電界効果トランジスタであって、
前記ゲート絶縁膜は、前記有機半導体層全体を覆うように形成されており、ソース・ドレイン電極下で他の領域よりも薄くなるように構成される有機電界効果トランジスタ。 - 請求項14に記載の有機電界効果トランジスタであって、
前記ゲート絶縁膜は、2層膜で構成され、前記ゲート電極下では単層膜で構成される有機電界効果トランジスタ。 - ゲート絶縁膜を形成する工程と、
ゲート電極を形成する工程と、
ホールをキャリアとする有機半導体層を形成する工程と、
ソース・ドレイン電極を形成する工程とを含む有機電界効果トランジスタの製造方法であって、
前記ソース・ドレイン電極と前記有機半導体層との界面に電荷注入層を形成する工程を含む有機電界効果トランジスタの製造方法。 - 請求項16に記載の有機電界効果トランジスタの製造方法であって、
前記電荷注入層を形成する工程は、
前記有機半導体層上に前記有機半導体層表面全体を覆うように電荷注入層を形成する工程である有機電界効果トランジスタの製造方法。
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