JP2007180131A

JP2007180131A - 有機ｆｅｔおよびその製造方法

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Publication number: JP2007180131A
Application number: JP2005374414A
Authority: JP
Inventors: Kenji Toyoda; 健治豊田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2007-07-12

Abstract

【課題】従来の構成では、半導体層と電極の界面に同一の吸着分子層を挿入したため、キャリアの注入効率は改善したが、撥水性を十分上げることができないという課題があった。
【解決手段】本発明の有機FETでは、ソース電極３およびドレイン電極５の上面に絶縁層４と第一の有機分子層６を、ソース電極３およびドレイン電極５の側面に第二の有機分子層７を挿入する。第一の有機分子層６にシランカップリング剤を用いるため、電極表面の撥水性が上がり、第二の有機分子層７にチオール化合物を用いるため、キャリアの注入効率が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機FETに関わり、特に有機半導体で形成された活性層と電極との界面に関する。

近年、有機半導体を用いたデバイスの研究開発が盛んに行なわれている。その中で、有機エレクトロルミネッセンス(Electroluminescence: EL)は、ディスプレイ装置用として実用化されつつある。また、有機半導体を活性層に用いた有機電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor: FET)もスイッチング素子として注目されている。これらの有機半導体を用いたデバイスは、有機半導体を印刷法によって作製できるため、低温プロセス、低コストの利点がある。また、プラスティックなどのフレキシブル基板上にデバイスを作製できるため、機械的な柔軟性がある。これらの特徴を活かし、従来の無機半導体を用いたデバイスとは異なった応用が期待されている。

有機FETは、無機半導体と同様に、ゲート、ソース、ドレインの三つの電極を備えた構成になっている。ゲート電極に印加される電圧により、ドレイン・ソース電極間を流れる電流を制御する。しかし、有機半導体は無機半導体に比べ導電性が低いため、有機FETの活性層で誘起されるキャリアが少ない。活性層のチャネルを形成するためには、ドレイン、ソース電極からのキャリア注入が必要になる。

ドレイン電極またはソース電極からのキャリア注入を向上させるために、活性層とドレイン電極またはソース電極との間に界面層を挿入した有機FETが提案されている(特許文献１を参照)。図3は、前記特許文献１に記載された従来例の有機FETの断面図を示す。

図3を用いて、従来例の有機FETの製造方法について説明する。絶縁基板１０１としてガラス基板を用い、その上に厚さ100nmのクロムをスパッタで成膜後、フォトリソグラフィーでゲート電極１０２を形成した。次に、厚さ300nmのSiNをCVDで成膜し、ゲート絶縁膜１０３を形成した。次に、逆テーパーのエッジをもったレジストパターンを形成した後、厚さ1nmのクロム、厚さ100nmの金を前記レジストパターン上に順次蒸着し、リフトオフ法によってソース電極１０４、ドレイン電極１０５を形成した。次に基板を0.1mmol/lのオクタデカンチオール溶液に1分間浸液後、前記ソース電極１０４、ドレイン電極１０５上に吸着分子層７０１を形成した。最後に、厚さ50nmのペンタセンを２．６６６４４×１０^-4Ｐａの雰囲気下、０．１ｎｍ/sで蒸着し、半導体層１０６を形成した。

吸着分子層７０１の効果について説明する。ソース電極１０４およびドレイン電極１０５上に吸着分子層７０１が形成されることで、電極表面の撥水性が上がり、半導体層１０６のグレインが大きくなる。浸液時間を1分間、1日間とすると、撥水性の指標となる接触角は、それぞれ95度、101度となった。電極表面の撥水性を上げるために、浸液時間を1日間とすると、ドレイン・ソース間電流が吸着分子層７０１を挿入しないものに比べ、2桁低下した。これは、吸着分子層７０１の厚さが２．３ｎｍ程度になり、キャリアがソース電極１０４から吸着分子層７０１を介して半導体層１０６へ注入する効率が減少したためである。浸液時間を１分間と短くすると、吸着分子層７０１の厚さが１．０ｎｍ以下になり、ソース電極１０４から半導体層１０６へのキャリアの注入効率を向上させることが出来る。以上のようなことから、吸着分子層７０１をソース電極１０４およびドレイン電極１０５と半導体層１０６の間に挿入することで、有機FETのドレイン・ソース間電流が増加する。
特開２００５−９３５４２号公報（第７−９頁）特開２００４−２８８８３６号公報（段落番号００３１）

しかしながら、従来技術の一例として挙げた特許文献１では、浸液時間を短くすることで、吸着分子層７０１の厚さを小さくし、キャリア注入の効率が向上している。しかし、この場合、電極１０４・１０５の表面の撥水性を十分に上げることが出来ず、半導体層１０６のグレインが小さくなり、キャリアの伝導度が向上しない。また、電極１０４・１０５の表面の撥水性を十分上げると、吸着分子層７０１の厚さが大きくなり、キャリア注入の効率が劣化してしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電極表面の撥水性を十分に上げつつ、キャリア注入の効率を向上させる有機FETを提供することを目的とする。

本発明の第一の実施形態は、ドープされた基板上に、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、および半導体層を順に積層した有機FETにおいて、
前記ソース電極およびドレイン電極の上面と前記半導体層の間に、絶縁膜と第一の有機分子層が挿入され、前記ソース電極およびドレイン電極の側面と前記半導体層の間に、第二の有機分子層が挿入され、
前記第一の有機分子層がシランカップリング剤によって構成され、前記第二の有機分子層がチオール化合物によって構成され、
前記第二の有機分子層のチオール化合物の分子長が０．５８ｎｍ以下であり、
前記絶縁層がスパッタによって作製されるSiO₂であることを特徴とする。

本発明の有機FETによれば、電極表面の撥水性を十分に上げつつ、ソース電極から活性層へのキャリア注入の効率を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本実施形態の有機FETの断面図である。１は基板、２はゲート絶縁膜、３はソース電極、４は絶縁膜、５はドレイン電極、６は第一の有機分子層、７は第二の有機分子層、８は半導体層である。

本実施形態では、一例として、基板１にSi基板を用いる。Si基板にn型の不純物をドープすることで、基板１をゲート電極として用いる。ゲート絶縁膜２として、熱酸化膜のSiO₂を用いる。FETの構造として、ソース電極３およびドレイン電極５が半導体層８の下部に構成されるボトムコンタクト型FET構造を用いた。ソース電極３およびドレイン電極５の上面と半導体層８の間に絶縁層４と第一の有機分子層６を積層し、それらの電極３・５の側面と半導体層８の間に第二の有機分子層７を形成する。一例として、ソース電極３およびドレイン電極５にAuを用い、絶縁膜４にスパッタで成膜されるSiO₂を用い、第一の有機分子層６にシランカップリング剤であるヘキサメチルジシラザンを用い、第二の有機分子層７にπ共役結合を有するチオール化合物であるチオクレゾールを用いる。半導体層８としてp型の有機半導体であるペンタセンを用いる。キャリアである正孔は、図１の中の矢印に示すように、ソース電極３から第二の有機分子層７を介して半導体層８に注入され、ゲート絶縁膜２付近にチャネル層が形成される。正孔はそのチャネル層を通って、ドレイン電極５に達する。第一の有機分子層６であるヘキサメチルジシラザンによって、電極３・５の表面の撥水性が上がることで、半導体層８であるペンタセンのグレインが大きくなり、キャリアの伝導度が向上する。また、第二の有機分子層７であるチオクレゾールの分子長は、約０．５８ｎｍであるので、分子中の伝導度は大きい。さらに、電極とはチオール基によって結合しているので、電極から半導体層へのキャリア注入の効率を向上する。

このような構成にすることで、電極表面の撥水性を十分に上げつつ、キャリア注入の特性を向上させることが可能となる。

＜製造方法＞
本実施形態の製造方法について説明する。

まず、ゲート絶縁膜２の形成前までの段階の製造方法について説明する。

基板１として、Si基板を用いた。その表面にn型の不純物、例えばヒ素(As)をドーピングすることで、ゲート電極として用いる。その基板の表面を酸化することで、SiO₂を形成し、それをゲート絶縁膜２にする。

次に、ゲート絶縁膜２の形成以後の製造方法について、図２を用いて説明する。

(1) 図２（A）を参照しながら説明する。ゲート絶縁膜２上にメタルマスク２１を通して、蒸着によって密着層としてCrを成膜後、Auを成膜することで、ソース電極４およびドレイン電極５を形成する。本実施形態では、Crを約2nm、Auを約150nmとする。また、ソース電極４とドレイン電極５との間の距離であるゲート長を約30μmとする。その後、メタルマスク２１をつけたまま、スパッタによってSiO₂を成膜させ、絶縁膜４を形成する。

(2) 図２（B）を参照しながら説明する。メタルマスク２１を取り外し、基板表面にヘキサメチルジシラザンを滴下し、スピンコートによって約3000rpm、60秒間回転させることで乾燥させる。これにより、ゲート絶縁膜２および絶縁膜４上に第一の有機分子層６が形成される。その後、エタノールを溶媒とした約0.1mmol/lのチオクレゾール溶液に約3時間浸液させることで、ソース電極４とドレイン電極５の側面に、チオール結合によって、第二の有機分子層７が形成される。

(3) 図２（C）を参照しながら説明する。ペンタセンを２．６６６４４×１０^-6Ｐａの雰囲気下、０．０４ｎｍ/sのレートで約50nm蒸着する。これにより、半導体層１０６を形成される。

このようにすることによって、本実施形態の構成の有機FETを作製することができる。なお、本実施形態では、ゲート電極としてドープされた基板を用いたが、基板上にパターニングされた金属電極を用いても構わない。ゲート絶縁膜として、熱酸化膜を用いたが、p-TEOSやスパッタで形成されるSiO₂やポリイミド等の絶縁材料を用いても構わない。第一の有機分子層として、ヘキサメチルジシラザンを用いたが、オクタデシルトリメトキシシラン等のシランカップリング剤を用いても構わない。第二の有機分子層として、チオクレゾールを用いたが、チオール化合物で分子長が０．５８ｎｍ以下の分子を用いても構わない。半導体層として、ペンタセンを用いたが、キャリアを伝導する有機半導体材料を用いても構わない。

以上説明したように、本発明の第一の実施形態の有機FETによって、電極上面に形成する第一の有機分子層によって電極表面の撥水性を十分に上げつつ、電極側面に形成する第二の有機分子層によってキャリア注入の効率を向上させることが可能となる。

本発明にかかる有機FETは、低電圧駆動用デバイス等として有用である。例えば、無線IDタグの用途にも応用できる。

本発明の第一の実施形態を表わした図本発明の第一の実施形態の製造方法を表わした図従来例の有機FETの断面図

符号の説明

１基板
２ゲート絶縁膜
３ソース電極
４絶縁膜
５ドレイン電極
６第一の有機分子層
７第二の有機分子層
８半導体層
２１メタルマスク
１０１絶縁基板
１０２ゲート電極
１０３ゲート絶縁膜
１０４ソース電極
１０５ドレイン電極
１０６半導体層
７０１吸着分子層

Claims

ドープされた基板上に、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、および半導体層を順に積層した有機FETにおいて、
前記ソース電極およびドレイン電極の上面と前記半導体層の間に、絶縁膜と第一の有機分子層が挿入され、前記ソース電極およびドレイン電極の側面と前記半導体層の間に、第二の有機分子層が挿入されることを特徴とする有機FET。
前記第一の有機分子層がシランカップリング剤によって構成され、前記第二の有機分子層がチオール化合物によって構成されることを特徴とする請求項１に記載の有機FET。
前記第二の有機分子層のチオール化合物の分子長が０．５８ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の有機FET。
前記絶縁層がスパッタによって作製されるSiO₂であることを特徴とする請求項３に記載の有機FET。
絶縁基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、および半導体層を順に積層した有機FETにおいて、
前記ソース電極およびドレイン電極の上面と前記半導体層の間に、絶縁膜と第一の有機分子層が挿入され、前記ソース電極およびドレイン電極の側面と前記半導体層の間に、第二の有機分子層が挿入されることを特徴とする有機FET。
前記第一の有機分子層がシランカップリング剤によって構成され、前記第二の有機分子層がチオール化合物によって構成されることを特徴とする請求項５に記載の有機FET。
前記第二の有機分子層のチオール化合物の分子長が０．５８ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の有機FET。
前記絶縁層がスパッタによって作製されるSiO₂であることを特徴とする請求項７に記載の有機FET。