JP2007214525A - 超薄膜金属酸化膜をゲート絶縁体として利用した低電圧有機薄膜トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】プラスチック基板やガラス基板などに低温工程で形成するものの、数nmの厚みでゲート絶縁膜を形成することによって、低電圧で動作が可能であり、且つ商用化が容易な有機薄膜トランジスタ及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】超薄膜金属酸化膜をゲート絶縁体として利用した低電圧有機薄膜トランジスタ及びその製造方法に関し、プラスチックまたはガラス基板10上に酸化が可能な金属でゲート電極12をパターニングして形成し、O2プラズマ工程でゲート電極を直接酸化してゲート電極の表面に沿って数nm厚みの金属酸化物を成長させることによってゲート絶縁膜13を形成する。ゲート絶縁膜13上に有機半導体膜14を形成した後、その上にソース/ドレイン電極15,16を互いに一定の距離をもって離隔するように形成する。
【選択図】 図1
【解決手段】超薄膜金属酸化膜をゲート絶縁体として利用した低電圧有機薄膜トランジスタ及びその製造方法に関し、プラスチックまたはガラス基板10上に酸化が可能な金属でゲート電極12をパターニングして形成し、O2プラズマ工程でゲート電極を直接酸化してゲート電極の表面に沿って数nm厚みの金属酸化物を成長させることによってゲート絶縁膜13を形成する。ゲート絶縁膜13上に有機半導体膜14を形成した後、その上にソース/ドレイン電極15,16を互いに一定の距離をもって離隔するように形成する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、有機薄膜トランジスタ(organic thin film transistor;OTFT)技術に関し、より詳細には、金属ゲート電極をO2プラズマ工程で直接酸化して形成した超薄膜金属酸化膜をゲート絶縁体として利用する低電圧有機薄膜トランジスタの素子構造及びその製造方法に関する。
近年、ペンタセン(pentacene)のような有機半導体(organic semiconductor)の研究が盛んに進行されてきている。有機半導体は、合成方法が多様で且つ繊維やフィルム形態に成形が容易であり、柔軟性及び導電性に優れているだけでなく、相対的に製造コストが低い。このように多様な利点を有することから、有機半導体は、最近、新しい電気電子材料として機能性電子素子や光素子などの広範囲な分野において活発に研究されている。
有機薄膜トランジスタは、非晶質シリコンを利用する伝統的なシリコン薄膜トランジスタとは異なって、半導体領域に有機半導体を利用する。有機薄膜トランジスタは、構造的な面から、シリコン薄膜トランジスタとほぼ同様の形態を維持しつつ、製造的観点から、シリコン薄膜トランジスタに比べて工程が簡単で且つ費用が安価であるという長所を有する。このため、フレキシブルディスプレイ(flexible display)、電子タグ(RFID;radio frequency identification)などの電子製品に有機薄膜トランジスタを適用するための試みが続いている。
しかしながら、有機薄膜トランジスタは、現在いくつかの技術的問題を抱いている。それらのうち1つは、低温で形成可能なゲート絶縁膜を開発しなければならないという点である。ゲート絶縁膜に主に使われているシリコン酸化膜やシリコン窒化膜は、高温で形成されるので、ガラス基板やプラスチック基板に適用することが難しい。
有機薄膜トランジスタの別の問題点は、動作電圧を減少させなければならないという点である。フレキシブルディスプレイ、電子タグなどに核心素子として使用するためには、低電力消耗が必ず求められるが、既存の有機薄膜トランジスタは、20V以上の大きい動作電圧を有している。これは、ゲート絶縁膜の厚みに起因するもので、通常のゲート絶縁膜は、100nm以上の大きい厚みを有する。
前述のような問題を解決するために、本発明の属する技術分野において多様な研究が進行されてきている。例えば、特許文献1には、25〜150℃の温度でスパッタリング(sputtering)、スピニング(spinning)などの方法を用いてタンタル酸化物Ta2O3、バナジウム酸化物V2O3、チタニウム酸化物TiO2などをゲート絶縁膜に形成する技術が開示されており、特許文献2には、常温〜100℃の温度でスパッタリングでアルミニウム酸化物Al2O3を蒸着してゲート絶縁膜を形成する技術が開示されている。また、特許文献3及び特許文献4には、タンタルTa、アルミニウムAlなどのゲート電極を陽極処理(anodize)して、タンタル酸化物、アルミニウム酸化物などのゲート絶縁膜を形成する技術が開示されている。
しかしながら、前述のような従来の技術は、有機薄膜トランジスタのゲート絶縁膜として金属酸化物を低温で形成する技術を提示しているが、ゲート絶縁膜の厚みを縮小できる方案は提示していない。特許文献1の場合、ゲート絶縁膜の厚みは約0.5μmであり、特許文献2の場合、ゲート絶縁膜の厚みは最小61nm、最大450nmである。また、特許文献3及び特許文献4には、ゲート絶縁膜の厚みは例えば85.64nmであると記載されている。
他方、有機薄膜トランジスタにおいてゲート絶縁膜の厚みを画期的に低減するための努力が続いている。例えば、“Low−voltage organic transistors with an amorphous molecular gate dielectric,Marcus Halik et al.,Nature,vol.431,2004,pp.963−966”には、P+−Si基板に約2.5nm厚みの単分子膜(monolayers of molecular)を自己組立(self−assembled)工程で形成する技術が提示されている。しかし、この技術は、P+−Si基板をゲート電極として使用しているので、回路を構成するためには個別素子を電気的に隔離させる素子分離及び形状化工程が必要であるが、これに関する方案が記載されていないし、商用化するに不適切な問題がある。
また、他の例として、“Onevolt organic transistor,L.A.Majewskietal.,Adv.Mater.2005,17,No.2,pp.192−196”には、陽極酸化(anodization)方法を用いて数nm厚みの金属酸化物をゲート絶縁膜として形成する技術が紹介されている。しかし、この技術で使用する陽極酸化方法は、湿式工程であって、工程中に金属膜が剥離されるおそれがあるので、商用化が難しいものと判断される。
従って、低温工程で超薄膜ゲート絶縁膜を形成することによって、低電圧で動作可能であり、且つ集積回路を製作することができ、ディスプレイやRFIDなど商用化が可能な有機薄膜トランジスタの開発が要求されている。本発明の目的は、このような要求に応ずるためのもので、プラスチック基板やガラス基板などに低温工程で形成するものの、数nmの厚みでゲート絶縁膜を形成することによって、低電圧で動作が可能であり、且つ商用化が容易な有機薄膜トランジスタ及びその製造方法を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明の一態様に係る有機薄膜トランジスタは、基板と、前記基板上に酸化が可能な金属でパターニングされて形成されるゲート電極と、O2プラズマ工程により前記ゲート電極上に成長される金属酸化膜で形成されるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成される有機半導体膜と、前記有機半導体膜上に互いに一定の距離をもって離隔するように形成されるソース/ドレイン電極と、を備えることを特徴とする。
また、本発明の他の態様に係る有機薄膜トランジスタの製造方法は、基板上に酸化が可能な金属でゲート電極をパターニングして蒸着する段階と、O2プラズマ工程で前記ゲート電極を直接酸化して前記ゲート電極上のゲート絶縁膜として金属酸化膜を成長させる段階と、前記ゲート絶縁膜上に有機半導体膜を蒸着する段階と、前記有機半導体膜上にソース/ドレイン電極を互いに一定の距離をもって離隔するように形成する段階と、)備えることを特徴とする。
本発明の有機薄膜トランジスタは、ゲート絶縁膜と前記有機半導体膜との間に自己組立工程で形成される有機単分子膜をさらに備えることによって、性能を改善させることができる。前記有機単分子膜は、(Benzyloxy)alkyltrimethoxysilaneからなることができる。
前記基板は、プラスチックまたはガラスからなることができ、前記ゲート電極は、アルミニウムからなることができ、前記ゲート絶縁膜は、アルミニウム酸化膜であってもよい。前記ゲート絶縁膜は、常温乃至100℃以下で形成されることができ、前記ゲート絶縁膜は、数nmの厚さを有することができる。
本発明による低電圧有機薄膜トランジスタは、従来の有機薄膜トランジスタに比べて次のようないろいろな利点を有する。
第一に、常温乃至100℃以下の低温工程で製造できるので、プラスチック、ガラスのように高温工程に脆弱な基板を使用することができる。
第二に、ゲート絶縁体として利用される金属酸化膜を数nmの超薄膜で形成できるので、有機薄膜トランジスタ素子の動作電圧を減少させることができ、フレキシブルディスプレイ、電子タグなどの基本素子として商用化することができる。
第三に、素子分離のためにゲート絶縁膜を形状化する工程が不要なので、製造工程が簡単となる。
第四に、金属酸化膜と有機半導体膜との間に有機単分子膜を自己組立工程で形成することによって、有機薄膜トランジスタ素子の性能を向上させることができる。
以下、添付の図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。したしがら、本発明の要旨を不明確にする公知の機能及び構成についての詳細な説明は省略する。なお、図面において、構成要素の一部は、誇張されて表現されたり、省略したり、概略的に図示されており、各構成要素の大きさは、実際大きさを反映するものではない。
有機薄膜トランジスタの素子構造
図1は、本発明の実施例に係る有機薄膜トランジスタを示す断面図である。
図1は、本発明の実施例に係る有機薄膜トランジスタを示す断面図である。
図1を参照すれば、プラスチックまたはガラスからなる基板10上に、ゲート電極12が形成され、ゲート電極12の表面に沿ってゲート絶縁膜13が形成される。ゲート電極12は、酸化が可能な金属、例えばアルミニウムAl、チタニウムTi、タンタルTaなどからなり、ゲート絶縁膜13は、ゲート電極12を直接酸化して成長させたアルミニウム酸化物Al2O3、チタニウム酸化物TiO2、タンタル酸化物Ta2O5などの金属酸化物である。本発明のゲート絶縁膜13は、後述するように、低温工程を用いて数nmの厚みで形成され、別途の形状化工程を必要としない。
ゲート絶縁膜13上に、有機半導体膜14、例えばペンタセン(pentacene)薄膜が形成される。有機半導体膜14上に、ソース電極15とドレイン電極16を互いに一定の距離をもって離隔して形成する。ソース電極15とドレイン電極16は、例えば金AuまたはアルミニウムAlのような金属からなる。
一方、本発明の有機薄膜トランジスタは、図2に示されたように、ゲート絶縁膜13と有機半導体膜14との間に形成された有機単分子膜17をさらに含むことができる。有機単分子膜17は、有機薄膜トランジスタの性能を向上させるために、公知の自己組立工程で形成される。有機単分子膜17は、金属酸化膜であるゲート絶縁膜13の表面を親水性から疎水性に変化させて、高密度の有機半導体膜14を形成できるように助ける。これにより、有機薄膜トランジスタの粒子移動度、オフ状態電流などの性能特性が向上することができる。
有機単分子膜17を構成する物質は、例えば(Benzyloxy)alkyltrimethoxysilaneであり、その分子構造が図3に示されている。図3に示されたように、有機単分子膜の分子構造は、ヘッド部分、中間部分、末端部分から構成される。頭部分は、有機半導体膜14と低い表面エネルギーを持つ構造を有し、中間部分は、高絶縁特性を示すアルキル鎖(alkyl chain)構造を有する。末端部分は、自己組立工程で単分子膜が形成され得るように、シラン(silane)構造を有する。
有機薄膜トランジスタの製造方法
次に、本発明の実施例に係る有機薄膜トランジスタの製造方法を説明する。製造方法に関する以下の説明から、有機薄膜トランジスタの構造が一層明確になるだろう。図4a乃至図4dは、図1に示された有機薄膜トランジスタの製造方法を示す断面図である。
次に、本発明の実施例に係る有機薄膜トランジスタの製造方法を説明する。製造方法に関する以下の説明から、有機薄膜トランジスタの構造が一層明確になるだろう。図4a乃至図4dは、図1に示された有機薄膜トランジスタの製造方法を示す断面図である。
まず、図4aを参照すれば、プラスチックまたはガラスからなる基板10上に、ゲート電極12をパターニングして蒸着する。ゲート電極12のパターニング方法は、シャドウマスク(shadow mask)又はフォトリソグラフィ(photolithography)工程を利用し、蒸着方法は、熱蒸着(thermal evaporation)、電子ビーム蒸着(E−beam evaporation)、スパッタリング(sputtering)工程を利用する。ゲート電極12は、例えばアルミニウムからなる。しかし、ゲート電極12の材質が必ずこれに限定されるものではなく、酸化が可能な金属ならいずれも可能である。
次に、図4bに示されたように、ゲート電極12の表面に沿ってゲート絶縁膜13を形成する。O2プラズマ工程を利用してゲート電極12を直接酸化させると、数nmの厚さ(例えば、5nm)の金属酸化膜が低温(常温乃至100℃以下)で成長してゲート絶縁膜13を形成する。O2プラズマ工程は、例えばO2流量が10sccm、圧力が30mtorr、パワーが50Wである条件下で10分間実施する。
このような工程条件でO2プラズマ工程を進行して形成されたアルミニウム酸化膜のTEM写真を図5に示した。この際、アルミニウムゲート電極の上部に形成されたアルミニウム酸化膜の厚さは、約5nmであった。しかし、前記O2プラズマ工程条件は、ただ一例として提示されたものに過ぎず、本発明がこれに限定されるものではない。
O2プラズマ工程を用いて低温でゲート電極12を直接酸化してゲート絶縁膜13を形成する場合、プラスチックやガラスのように高温工程に脆弱な基板10を使用することができる。また、O2プラズマ工程を利用した直接酸化法で金属酸化膜を成長させると、ゲート絶縁膜13の厚みを数nm水準に減少させることができ、2V以下の低電圧で動作する有機薄膜トランジスタを具現することができる。また、パターニングされたゲート電極12上にゲート絶縁膜13を成長させるので、個別素子を電気的に隔離させる素子分離及び形状化工程が不要である。
前述したようなO2プラズマ工程により形成されたアルミニウム酸化膜のTEM写真を図5に示した。アルミニウムゲート電極の上部に形成されたアルミニウム酸化膜の厚みは、約5nmであった。
次に、図4cに示されたように、ゲート絶縁膜13の上部に熱蒸着を実施して、有機半導体膜14を形成する。有機半導体膜14は、例えばペンタセン薄膜である。しかし、有機半導体膜14の材質が必ずこれに限定されるものではない。有機半導体膜14を形成する前に、選択的に公知の自己組立工程を用いて前述した有機単分子膜17を形成することができる。
次に、図4dに示されたように、有機半導体膜14上に公知技術を用いてソース電極15とドレイン電極16を互いに一定の距離をもって離隔するように形成する。
実験例1:アルミニウム酸化膜の電気的特性実験
図5に示されたアルミニウム酸化膜の電気的特性を調べるために、I−V、C−V測定実験を実施した。I−V測定実験は、HP4155A装備を利用し、C−V測定実験は、HP4280A装備を利用した。図6乃至図8は、その実験結果であり、図6は、アルミニウム酸化膜のI−V特性曲線を示すグラフであり、図7は、アルミニウム酸化膜の降参電圧を示すグラフであり、図8は、アルミニウム酸化膜のキャパシタンス曲線を示すグラフである。
図5に示されたアルミニウム酸化膜の電気的特性を調べるために、I−V、C−V測定実験を実施した。I−V測定実験は、HP4155A装備を利用し、C−V測定実験は、HP4280A装備を利用した。図6乃至図8は、その実験結果であり、図6は、アルミニウム酸化膜のI−V特性曲線を示すグラフであり、図7は、アルミニウム酸化膜の降参電圧を示すグラフであり、図8は、アルミニウム酸化膜のキャパシタンス曲線を示すグラフである。
特に、図6は、A1/Al2O3/Al構造とAl/Al2O3/Au構造のI−V曲線を示しているが、漏洩電流密度が互いに異なることが分かる。例えば、Al/Al2O3/Al構造は、1Vで漏洩電流密度が5.87×10−7A/cm2であり、 Al/Al2O3/Au構造は、1Vで漏洩電流密度が2.4×10−7A/cm2であった。これは、アルミニウムと金の仕事関数の差異によるものである。
図7を参照すれば、Al/Al2O3/Au構造においてアルミニウム酸化膜の降伏電圧が3MV/cmであることが分かる。
図8は、A1/Al2O3/Al構造のC−V曲線であり、アルミニウム酸化膜のキャパシタンス値が1.1μF/cm2であることが分かる。図5のTEM写真上に現れたアルミニウム酸化膜の厚みを考慮して計算すれば、誘電定数は、約6.2と算出された。
実験例2:ペンタ力強い有機薄膜トランジスタの電気的特性
図5に示されたアルミニウム酸化膜を有するペンタセン有機薄膜トランジスタのIDS−VGS、IDS−VDS特性曲線を図9a及び図9bに示し、その電気的特性をまとめると、次の表1に示した通りである。
図5に示されたアルミニウム酸化膜を有するペンタセン有機薄膜トランジスタのIDS−VGS、IDS−VDS特性曲線を図9a及び図9bに示し、その電気的特性をまとめると、次の表1に示した通りである。
表1から明らかなように、有機薄膜トランジスタは、粒子移動度(mobility)が0.1cm2/V・sec、点滅比(Ion/Ioff)が6.3×103、スレショルド電圧(Vt)が−1.13V、サブスレショルド傾き(sub−threshold slope)が0.206V/dec、オフ状態電流(OFF state current)が0.25pA/μmであった。また、VGS=−2Vにおいて、ソース/ドレイン飽和電圧(VDS、sat)が−0.7Vであって、低電圧で動作することを確認した。
以上において説明した本発明は、本発明が属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形及び変更が可能であるので、上述した実施例及び添付された図面に限定されるものではない。
10 基板
12 ゲート電極
13 金属酸化膜
14 有機半導体膜
15 ソース電極
16 ドレイン電極
17 有機単分子膜
12 ゲート電極
13 金属酸化膜
14 有機半導体膜
15 ソース電極
16 ドレイン電極
17 有機単分子膜
Claims (14)
- 基板と、
前記基板上に酸化が可能な金属でパターニングされて形成されるゲート電極と、
O2プラズマ工程により前記ゲート電極上に成長される金属酸化膜で形成されるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成される有機半導体膜と、
前記有機半導体膜上に互いに一定の距離をもって離隔するように形成されるソース/ドレイン電極と、を備えることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。 - 前記基板は、プラスチックまたはガラスからな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。
- 前記ゲート電極は、アルミニウムからなり、前記ゲート絶縁膜は、アルミニウム酸化膜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。
- 前記ゲート絶縁膜は、常温乃至100℃以下で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。
- 前記ゲート絶縁膜は、 数nmの厚さを有す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膜との間に自己組立工程で形成される有機単分子膜をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記有機単分子膜は、(Benzyloxy)alkyltrimethoxysilaneからなることを特徴とする請求項6に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 基板上に酸化が可能な金属でゲート電極をパターニングして蒸着する段階と、
O2プラズマ工程で前記ゲート電極を直接酸化して前記ゲート電極上のゲート絶縁膜として金属酸化膜を成長させる段階と、
前記ゲート絶縁膜上に有機半導体膜を蒸着する段階と、
前記有機半導体膜上にソース/ドレイン電極を互いに一定の距離をもって離隔するように形成する段階と、を備えることを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記基板は、プラスチックまたはガラスからなることを特徴とする請求項8に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記ゲート電極は、アルミニウムからなり、前記ゲート絶縁膜は、アルミニウム酸化膜であることを特徴とする請求項8に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記ゲート絶縁膜は、常温乃至100℃以下で形成されることを特徴とする請求項8に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記ゲート絶縁膜は、数nmの厚さを有することを特徴とする請求項8に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記有機半導体膜の蒸着段階前に、前記ゲート絶縁膜上に自己組立工程で有機単分子膜を形成する段階をさらに備えることを特徴とする請求項8乃至12のいずれか1項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記有機単分子膜は、(Benzyloxy)alkyltrimethoxysilaneからなることを特徴とする請求項13に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
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