JP2007110007A - 有機電界効果トランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】 均質で、電界効果移動度が高く、簡便に製造できるボトムコンタクト型デバイス構造の有機電界効果トランジスタを提供する。
【解決手段】 有機電界効果トランジスタは、ゲート電極基板１に付されたゲート絶縁層２と、その層２上で形成され金属酸化物含有導電材でできたソース電極４およびドレイン電極５とが、有機半導体層３により被覆されている。前記金属酸化物含有導電材が、酸化インジウムと酸化亜鉛との混合物、酸化インジウムと酸化スズとの混合物、またはアルミニウムドープ酸化亜鉛である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、薄膜ディスプレイや携帯小型電子機器や電子情報タグなどのための電子デバイスとして用いられる有機電界効果トランジスタに関するものである。

電界効果トランジスタは、液晶や有機半導体発光ダイオードなどの平面ディスプレイ類を駆動するスイッチ素子として用いられる電子デバイスである。中でも、有機電界効果トランジスタは、可撓性がある薄膜ディスプレイのための電子デバイスとして不可欠である。

このような有機電界効果トランジスタの構造として、いわゆるトップコンタクト型デバイス構造と、ボトムコンタクト型デバイス構造とが知られている。

トップコンタクト型デバイス構造の有機トランジスタが、特許文献１に記載されている。この構造の有機トランジスタは、図３に示すように、ゲート電極基板１に付されたゲート絶縁層２上に、有機トランジスタ材料で成膜させて薄い有機半導体層３とし、さらにその上に金でできたソース電極４とドレイン電極５とを形成させたものである。この構造の有機トランジスタ同士をソース電極４とゲート電極５とで接続する場合、有機トランジスタ材料の膜にビアホールを形成して接続しなければならない。しかし、薄い有機半導体層３にビアホールを形成することが難しいため、有機トランジスタの集積回路化が困難である。

一方、ボトムコンタクト型デバイス構造の有機トランジスタが、特許文献２に記載されている。この構造の有機トランジスタは、図１に示すように、ゲート電極基板１に付されたゲート絶縁層２上に、金でできたソース電極４とドレイン電極５とを、トランジスタ同士間の接続に必要な形状に予め形成させ、次いで有機トランジスタ材料で成膜させて有機半導体層３で被覆したものである。この有機トランジスタは、集積回路を形成させ易い点で、優れている。しかし、この構造の有機トランジスタは、有機トランジスタ材料で成膜する際に、ソース電極上およびドレイン電極上で有機トランジスタ材料の結晶性が低下するので、チャンネル部に電界効果の低移動度領域すなわち低性能領域が形成されてしまうという問題があった。そのため、電極の表面処理や電極・絶縁膜間修飾を行なう煩雑な方法が提案されている。また非特許文献１に有機トランジスタ材料としてビフェニル基含有テルチオフェンを用いた有機電界効果トランジスタが記載されている。

特開２００４−３５６４２２号公報 特開２００５−８５９４５号公報 菅沼ら、「第６３回応用物理学会学術講演会講演予稿集」、２５ａ−ＺＦ−２，ｐ.１０９２，（２００２）

本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、均質で、電界効果移動度が高く、簡便に製造できるボトムコンタクト型デバイス構造の有機電界効果トランジスタを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するためになされた特許請求の範囲の請求項１に記載の有機電界効果トランジスタは、ゲート電極基板に付されたゲート絶縁層と、その層上で形成され金属酸化物含有導電材でできたソース電極およびドレイン電極とが、有機半導体層により被覆されていることを特徴とする。

請求項２に記載の有機電界効果トランジスタは、前記金属酸化物含有導電材が、酸化インジウムと酸化亜鉛との混合物、酸化インジウムと酸化スズとの混合物、またはアルミニウムドープ酸化亜鉛であることを特徴とする。

本発明の有機電界効果トランジスタに使用される有機半導体は、例えばペンタセン、テトラセン、アントラセンなどのアセン類およびその誘導体や、クオーターチオフェンやセキシチオフェンやオクチチオフェンなどのオリゴチオフェンおよびその誘導体や、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）などのポリチオフェン類、チオフェン／フェニレンオリゴマー類、銅フタロシアニンやニッケルフタロシアニンなどのフタロシアニン誘導体、C60などのフラーレン類、ペリレンイミド誘導体、ナフタレンイミド誘導体などである。

なかでも下記化学式（１）のペンタセン、化学式（２）のテトラセン、化学式（３）のルブレン、化学式（４）α、ω―ジヘキシルセキシチオフェン、化学式（５）のα、ω―ジフェニルセキシチオフェン、化学式（６）のα、ω―ビス（ビフェニル）ターチオフェン、化学式（７）のα、ω―ビス（ビフェニル）クオーターチオフェン、化学式（８）のポリ（３−ヘキシルチオフェン）、化学式（９）の銅フタロシアニン

が好ましい。

本発明の有機電界効果トランジスタは、均質で、電界効果移動度が高い電子デバイスである。

以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。

本発明の有機電界効果トランジスタは、図１を参照して説明すると、以下のようにして製造される。

シリコンウエハのゲート電極基板１に、ＳｉＯ_２からなるゲート絶縁層２を形成させる。その上に酸化インジウムと酸化亜鉛との混合物で金属酸化物含有導電材の層を形成させた後、フォトリソグラフィ工程によりこの導電材層からソース電極４とドレイン電極５とを形成させる。次いで絶縁体層２とこれら電極４・５とに、前記化学式（１）で示されるペンタセンを蒸着させ、有機半導体層３を形成させて、被覆させると、有機電界効果トランジスタが得られる。

なお、シリコンウエハは、リンがヘビードープされていてもよい。

ゲート絶縁層は、例えば熱酸化、水蒸気酸化またはプラズマ酸化でＳｉＯ_２を層形成させたものであってもよく，Ｔａ_２Ｏ_５などの高誘電率絶縁材料、またはポリイミドなどのポリマー絶縁材料であってもよい。

金属酸化物含有導電材は、酸化インジウムと酸化亜鉛との９５：５〜７０：３０の重量比の混合物であることが好ましい。酸化インジウムと酸化スズとの９５：５〜７０：３０の重量比の混合物、または１〜５ｗｔ％の濃度でアルミニウムがドープされた酸化亜鉛であってもよい。

有機半導体層は、ペンタセン類、より具体的には前記化合物（１）の未置換ペンタセンを例えば真空蒸着させたものである。ペンタセン類に代えて、フェニル基および／またはフェニレン基含有チエニレンコオリゴマー類、例えば、ベンゼン環とチオフェン環とが交互に結合した化合物、より具体的には前記化合物；チオフェン環や、ビチオフェン環、テルチオフェン環、クアテルチオフェン環、キンクエチオフェン環、セキシチオフェン環のような環集合系骨格の片末端の５位または両末端の５位に、フェニル基やビフェニル基が結合した化合物、より具体的には前記化合物（4）〜（７）が用いられてもよい。また、前記化合物（８）のようなポリチオフェンなどのポリマー半導体溶液を塗布し作製したものでもよい。

以下に、本発明の有機電界効果トランジスタを試作した例を実施例１〜４に、また本発明を適用外の有機電界効果トランジスタを試作した例を比較例１に示す。

（実施例１）
ゲート電極基板として、リンをヘビードープしたｎ型シリコンウエハを用いた。その上側表面を熱酸化して４００ｎｍのＳｉＯ_２のゲート絶縁層にした。その絶縁層上に、電子サイクロトロン共鳴プラズマスパッタ製膜法により酸化インジウムと酸化亜鉛との９０：１０の重量比の混合物を１００ｎｍの厚さで成膜し層を形成した。この層上に、フォトレジストを塗布して１．５μｍの厚さで成膜した後、マスクを通して回路パターンを露光し焼付けてから現像するフォトリソグラフィ工程により、チャンネル長４８μｍでチャンネル幅１．７５ｍｍのソース電極とドレイン電極とを形成した。次いで、ゲート絶縁層、ソース電極およびドレイン電極に、有機トランジスタ材料であるペンタセンを真空蒸着させると、ボトムコンタクト型有機電界効果トランジスタが得られた。

このトランジスタについて、異なるゲート電圧毎でのドレイン電圧とドレイン電流とを測定した。その結果を図２に示す。図２から明らかな通り、ドレイン電流−ドレイン電圧曲線に明澄な飽和領域が認められたことから、典型的なｐ型電界効果トランジスタとして駆動することが、示された。この曲線から算出される電界効果移動速度は、０．０６２（ｃｍ^２／Ｖｓ）と、大きな値を示した。
酸化インジウムと酸化亜鉛との混合物の電極上も、ゲート絶縁層上と同様に、ペンタセンの結晶成長が良好で、電界効果の低移動領域が認められなかった。

（比較例１）
実施例１の酸化インジウムと酸化亜鉛との混合物に代えて、金を用いたこと以外は、実施例１と同様にして、有機電界効果トランジスタを得た。実施例１と同様に電界効果移動度を測定したところ、僅か０．０１ｃｍ^２／Ｖｓにも満たなかった。

（実施例２）
有機トランジスタ材料としてペンタセンに代えて、前記化学式（６）の５，５'''−ジビフェニルテルチオフェンを用いたこと以外は、実施例１と同様にして、有機電界効果トランジスタを得た。このトランジスタの電界効果移動度は、０．００５（ｃｍ^２／Ｖｓ）であった。

（比較例２）
実施例２の酸化インジウムと酸化亜鉛との混合物に代えて、金を用いたこと以外は、実施例２と同様にして、有機電界効果トランジスタを得た。実施例２と同様に電界効果移動速度を測定したところ、僅か０．００１ｃｍ^２／Ｖｓにも満たなかった。

（実施例３）
ゲート電極付基板の原材としてタンタル薄膜付ガラス基板を用いた。そのタンタル薄膜の一部を、濃度２％のＫＯＨ水溶液中、電圧７０Ｖで２時間陽極酸化することにより，ゲート絶縁膜としてＴａ_２Ｏ_５が１３３ｎｍ形成されたゲート電極付基板を調製した．この基板を用いたことと、有機トランジスタ材料としてペンタセンに代えて、前記化学式（６）の５，５'''−ジビフェニルテルチオフェンを用いた実施例１と同様のデバイスを作製した．このトランジスタの電界効果移動度は、０．００６（ｃｍ^２／Ｖｓ）であった。

本発明の有機電界効果トランジスタは、薄膜ディスプレイのための電子デバイスのような表示用電子機器、プラスチックＩＣカードや情報タグのようなウエアラブル電子機器、バイオセンサのような医療機器や測定装置に用いられる。

本発明を適用する有機電界効果トランジスタの断面図である。

本発明を適用する有機電界効果トランジスタのドレイン電圧とドレイン電流との相関を示す図である。

本発明を適用外の有機電界効果トランジスタの断面図である。

符号の説明

１はゲート電極基板、２はゲート絶縁層、３は有機半導体層、４はソース電極、５はドレイン電極である。

Claims (2)

1. ゲート電極基板に付されたゲート絶縁層と、その層上で形成され金属酸化物含有導電材でできたソース電極およびドレイン電極とが、有機半導体層により被覆されていることを特徴とする有機電界効果トランジスタ。
2. 前記金属酸化物含有導電材が、酸化インジウムと酸化亜鉛との混合物、酸化インジウムと酸化スズとの混合物、またはアルミニウムドープ酸化亜鉛であることを特徴とする請求項１に記載の有機電界効果トランジスタ。

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