JP2008010676A

JP2008010676A - 有機薄膜トランジスタ

Info

Publication number: JP2008010676A
Application number: JP2006180314A
Authority: JP
Inventors: Makoto Mizukami; 誠水上
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2006-06-29
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2008-01-17

Abstract

【課題】ソース電極やドレイン電極としてＡｕの様な高価な材料を用いずに、低コスト材料を用いることにより、従来のＡｕソース電極並の高い電界効果移動度を発揮することができる有機薄膜トランジスタを提供する。
【解決手段】導電性を有する基板２２であるゲート電極２４と、前記基板の一面側に形成されたゲート絶縁膜２６と、該ゲート絶縁膜上に互いに離間して形成されたソース電極２４及びドレイン電極３０と、該ソース電極及びドレイン電極に接続する有機半導体層３２とを備え、前記ソース電極は、表面を含むその近傍領域がニッケル酸化物３０Ａからなり、内部がニッケル金属からなる有機薄膜トランジスタである。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁性基板上にゲート電極、有機半導体膜、ソース電極、ドレイン電極等が形成されている有機薄膜トランジスタに関するものである。

従来、電界効果トランジスタとしては、シリコン単結晶基板（ウエハ）やガラス基板上に形成したアモルファスシリコン、ポリシリコンなどの無機材料を用いたものが多く作製されている。しかし、シリコン単結晶基板を用いたものは、その製造装置による制約からウエハサイズを大きくすることが困難であり、大面積化には不向きである。またアモルファスシリコンやポリシリコンよりなる薄膜を形成するには、３５０℃以上の加熱処理工程が必要であるため耐熱性を有する基板が必要となり、この基板材料として通常は耐熱性ガラス基板を用いなければならない。

また、これらの無機半導体用の絶縁層および半導体層を作製するためには、高価なプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）装置やレーザアニール装置等を用いなければならず、製造コストが高くなってしまっている。以上のように無機半導体を用いた電界効果型のトランジスタは製造上の制約から低コスト化は難しくなっている。

これに対して、最近、有機半導体層を用いた電界効果型の有機薄膜トランジスタが提案されている（特許文献１及び非特許文献１）。この有機半導体層を利用した有機薄膜トランジスタは無機半導体を利用したものに比べ、低温成膜と大面積化が可能であり、製造が簡単なことから低コスト化も可能となる。ここで従来の一般的な有機薄膜トランジスタの構造について図４を参照して説明する。図４はボトムコンタクト型の従来の電界効果型の有機薄膜トランジスタを示す概略構成図である。図４に示すように、この有機薄膜トランジスタ２においては、絶縁性基板４上にゲート膜６が形成されており、このゲート膜６上には、これを覆うようにしてゲート絶縁膜８が形成される。

そして、このゲート絶縁膜８上にソース電極１０とドレイン電極１２とが互いに離間させて形成されている。これらの電極１０、１２と接続する有機半導体層１４が形成されて有機薄膜トランジスタ２が構成される。ここでは両電極１０、１２が有機半導体層１４よりも絶縁性基板４側に位置するボトムコンタクト型のトランジスタを示したが、有機半導体層１４がこの両電極１０、１２よりも絶縁性基板４側に位置するトップコンタクト型のトランジスタも知られている。上記有機半導体層１４は低分子材料のペンタセンを用いる場合が多く、このペンタセンはｐ型の有機半導体であり、移動度もアモルファスシリコン（Ｓｉ）と略同様の値を有する。

特開２００４−６３９７５号公報「Ｆｌｅｘｉｂｌｅｓｅｍｉｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔｐｅｎｔａｃｅｎｅｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓｗｉｔｈｐｏｌｙｍｅｒｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｌａｙｅｒｓａｎｄＮｉＯｘｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８７，０２３５０４（２００５）

ところで、上述したような有機薄膜トランジスタにおいては、ソース電極１０やドレイン電極１２としては金（Ａｕ）を使用する場合が多い。しかしながら、貴金属であるＡｕをソース電極１０やドレイン電極１２に使用することは、有機薄膜トランジスタの特徴である低コスト化に反するものである。

この場合、Ａｕ以外のソース電極１０、ドレイン電極１２の材料としてＩＴＯ（インジウム錫酸化膜）やＮｉＯｘ（Ｘ：正の有理数）等の導電材料を用いることが報告されているが、この場合にはＡｕ電極並みの高い電界効果移動度はまだ得ることができない。また、これらの導電材料は金属に比べて電気抵抗がかなり高いため、回路の配線材料として利用することは困難である。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、ソース電極やドレイン電極としてＡｕの様な高価な材料を用いずに、低コスト材料を用いることにより、従来のＡｕソース電極を用いた場合と同等の電界効果移動度を発揮することができる有機薄膜トランジスタを提供することにある。

請求項１に係る発明は、導電性を有する基板であるゲート電極と、前記基板の一面側に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に互いに離間して形成されたソース電極及びドレイン電極と、該ソース電極及びドレイン電極に接続する有機半導体層とを備え、前記ソース電極は、表面を含むその近傍領域がニッケル酸化物からなり、内部がニッケル金属からなることを特徴とする有機薄膜トランジスタである。
請求項２に係る発明は、絶縁性を有する基板と、該基板の一面側に形成されたゲート電極と、該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に互いに離間して形成されたソース電極及びドレイン電極と、該ソース電極及びドレイン電極に接続する有機半導体層とを備え、前記ソース電極は、その表面及び表面近傍部がニッケル酸化物からなり、その内部がニッケル金属からなることを特徴とする有機薄膜トランジスタである。

本発明に係る有機薄膜トランジスタによれば、ソース電極やドレイン電極に高価な貴金属材料であるＡｕを用いずにＮｉを用い、その表面のみをＮｉＯｘ膜にすることで、電界効果移動度をＡｕ電極並みに高く維持し、しかも電気抵抗値をＮｉ並に低く維持することができる。また、この構造は電気回路の配線にも利用が可能となり、従来使用していたＡｕによる電極以上の低コスト化が可能となる。

以下に、本発明に係る有機薄膜トランジスタの一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
まず本発明の第１実施例について説明する。
図１は本発明に係る有機薄膜トランジスタの第１実施例の製造工程を示す図であり、図１（Ｅ）は完成品である第１実施例の有機薄膜トランジスタを示す断面図である。

まず、図１（Ｅ）を参照して第１実施例の有機薄膜トランジスタについて説明する。図１（Ｅ）に示すように、この有機薄膜トランジスタ２０は、薄い基板２２を有しており、この上面にゲート電極２４が形成されている。このゲート電極２４は、例えば低抵抗の不純物ドープ型のシリコン膜よりなる。この場合、上記基板２２は、例えば絶縁性基板が用いられる。そして、上記ゲート電極２４を埋め込むようにして、上記基板２２上にゲート絶縁膜２６が形成されている。このゲート絶縁膜２６は、例えばシリコン酸化膜よりなる。

このゲート絶縁膜２６上に、所定のチャンネル長になるように離間させてソース電極２８とドレイン電極３０とがそれぞれ形成されている。ここで上記ソース電極２８とドレイン電極３０の内の少なくともソース電極２８は、ニッケル（Ｎｉ）金属で形成されていると共に、その表面はニッケル酸化物であるニッケル酸化膜（ＮｉＯｘ：ｘは正の有理数）２８Ａで形成されている。ここでは、ソース電極２８のみならず、ドレイン電極３０もニッケル金属で形成されていると共に、その表面はニッケル酸化膜３０Ａで形成されている。

そして、上記ソース電極２８とドレイン電極３０との間の間隙であるチャネル部分上に上記両電極２８、３０と接続する有機半導体層３２が形成されており、これにより、第１実施例の有機薄膜トランジスタ２０が完成されている。

次に、上記第１実施例の有機薄膜トランジスタ２０の製造方法について説明する。
まず、図１（Ａ）に示すように、絶縁性を有するガラス板よりなる基板２２上に、ゲート電極２４としてし不純物がドープされて低抵抗になされたシリコン膜を形成した。
次に、上記ゲート電極２４を埋め込むようにして、上記基板２２上にゲート絶縁膜２６としてシリコン酸化膜を形成した。このゲート絶縁膜２６の厚さは例えば４００ｎｍ程度である。

次にチャネル長が２００μｍ、チャネル幅が３ｍｍであるソース・ドレイン電極パターンを作製するために、ネガレジスト（ＺＰＮ１１５０）をスピンコート法を用いて塗布し、９０℃で９０秒間ポストベークした後、アライナーによりソース・ドレイン電極パターン形成用Ｃｒマスクをセットして露光した。そして、８５℃で６０秒、Ｐｏｓｔ．ＥｘｐｏｓｕｒｅＢａｋｅ（ＰＥＢ）を行い現像液を用いて現像し、ソース・ドレイン電極形成用レジストパターンを作製した。このレジストパターン上にＮｉを厚さが６０ｎｍとなるように真空蒸着法により成膜し、リフトオフ法により上記レジストパターンを除去することによって、図１（Ｃ）で示すようにソース電極２８及びドレイン電極３０をそれぞれ形成した。

その後、この基板全体をアッシング装置により４００Ｗで酸素プラズマ処理を８分間行い、上記Ｎｉよりなるソース電極２８及びドレイン電極３０の各最表面を含む最表面近傍を酸化させて図１（Ｄ）に示すように、ＮｉＯｘ膜２８Ａ、３０Ａをそれぞれ形成した。この基板上に有機半導体層２８としてペンタセンを成膜することにより、図１（Ｅ）に示すような有機薄膜トランジスタ２０を完成した。上記ペンタセンの蒸発速度は０．０５ｎｍ／ｓとし、厚さを５０ｎｍとした。この時、作製した電界効果型の有機薄膜トランジスタ２０の電界効果移動度は０．３６ｃｍ^２／Ｖｓが得られた。この有機薄膜トランジスタ２０の電界効果移動度はＡｕ電極を用いて作製したものと同等の値であることを確認した。

尚、図１に示す場合には、基板２２を例えば絶縁性を有するガラス基板で形成した場合を例にとって説明したが、これに代えて、図２に示す変形例のように、例えば半導体基板に不純物をドープしてなる導電性の半導体基板２３を用いてもよい。これによれば、この導電性の半導体基板２３の全体をゲート電極２４として用いることができ、図１（Ｅ）に示す位置にゲート電極２４を設ける必要をなくすことができる。

次に、本発明の第２実施例について説明する。
図３は本発明に係る有機薄膜トランジスタの第２実施例の製造工程を示す図であり、図３（Ｆ）は完成品である第２実施例の有機薄膜トランジスタを示す断面図である。尚、図１に示す構成部分と同一構成部分については、同一参照符号を付して説明する。

まず、図３（Ｆ）を参照して第２実施例の有機薄膜トランジスタについて説明する。図３（Ｆ）に示すように、この有機薄膜トランジスタ４０は、薄い基板２２を有しており、この上面にゲート電極に対する付着力強化用の下地膜４２を形成している。この下地膜４２として、例えばシリコン酸化膜を用いることができる。そして、この下地膜４２上にゲート電極２４が形成されている。このゲート電極２４としては、例えばタンタル（Ｔａ）金属を用いている。そして、このゲート電極２４の周囲を覆って囲むようにしてゲート絶縁膜２６が形成されている。このゲート絶縁膜２６としては、例えばタンタル酸化膜（Ｔａ_２Ｏ_５）を用いることができる。

このゲート絶縁膜２６上の両側に、所定のチャンネル長になるように離間させてソース電極２８とドレイン電極３０とがそれぞれ形成されている。ここで上記ソース電極２８とドレイン電極３０の内の少なくともソース電極２８は、ニッケル（Ｎｉ）金属で形成されていると共に、その表面はニッケル酸化膜（ＮｉＯｘ：ｘは正の有理数）２８Ａで形成されている。ここでは、ソース電極２８のみならず、ドレイン電極３０もニッケル金属で形成されていると共に、その表面はニッケル酸化膜３０Ａで形成されている。

そして、少なくとも上記ソース電極２８とドレイン電極３０との間の間隙であるチャネル部分上に上記両電極２８、３０と接続する有機半導体層３２が形成されており、これにより、第２実施例の有機薄膜トランジスタ４０が完成されている。

次に、上記第２実施例の有機薄膜トランジスタ４０の製造方法について説明する。
まず、図３（Ａ）に示すように、ガラス基板２０よりなる基板２２上に、ＲＦスパッタ法によりＳｉＯ_２膜をゲート膜の付着力強化用の下地膜４２として１５０ｎｍの厚さで形成する。次に、この下地膜４２上にＲＦスパッタ法によりスパッタ圧４ＰａでＴａ膜を２５０ｎｍの厚さで形成する。そして、ポジレジスト（ＯＦＰＲ８００）をスピンコート法で塗布して１１０℃で９０秒プリベークし、アライナーで所望のゲート形状を有するＣｒマスクを用いてコンタクト露光し、続いて現像してゲート形状のレジストパターンを形成する。次にＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）法によりレジストの部分のＴａ膜のみを残し、図３（Ｂ）に示すようにＴａ膜よりなるゲート電極２４を形成する。

次に、Ｔａ膜よりなるゲート電極２４上のレジストを除去し、図３（Ｃ）に示すようにこのＴａ膜表面を陽極酸化法により酸化して表層から約１５０ｎｍの厚さでＴａ_２Ｏ_５膜を形成してゲート絶縁膜２６とする。以下は第１実施例と同様に行って、図３（Ｃ）〜図３（Ｆ）に示すように、表面がＮｉＯｘ膜２８Ａ、３０Ａでそれぞれ覆われたＮｉ金属よりなるソース電極２８及びドレイン電極３０を形成し、これら両電極２８、３０と接続する有機半導体層３２を形成し、有機薄膜トランジスタ４０を完成した。この時、作製した電界効果型の有機薄膜トランジスタ４０では、電界効果移動度は０．４０ｃｍ^２／Ｖｓを得ることができ、この電界効果移動度を、第１実施例の場合よりも更に高くすることができた。

上述した第１及び第２実施例において、電界効果移動度が増加した理由は、Ｎｉよりなるソース電極２８及びドレイン電極３０を酸素プラズマ処理によりＮｉ膜の表面及びその近傍をＮｉＯｘ膜２８Ａ、３０Ａとすることで仕事関数が増加し、ペンタセンよりなる有機半導体層３２へのホールの注入効率が増加したために電界効果移動度が増加したものと推定される。光電子分光装置（理研計器：ＡＣ−１）により、ソース電極２８及びドレイン電極３０の仕事関数をそれぞれ測定した結果、蒸着直後のＮｉ膜の仕事関数は４．６２ｅＶであったが、酸素プラズマ処理をすることにより５．９ｅＶに高まっていることを確認することができた。

上記第１及び第２実施例の酸素プラズマ処理で形成されたＮｉＯｘ膜の膜厚はそれぞれ５ｎｍ程度である。この膜厚は１ｎｍ程度に薄くすることも可能であるが、それ以下に薄くするとホールの注入効率が低下するため、ＮｉＯｘ膜２８Ａ、３０Ａの厚さは１ｎｍ以上が望ましい。また、ソース電極２８は表面のみＮｉＯｘ膜２８Ａになっているが、そのためほとんどがＮｉ金属で形成されており、導電性が高い状態を保っている。従って、ソース電極２８、ドレイン電極３０の部分だけではなく、回路の配線部にもこのＮｉ配線を共用することが可能である。導電性を維持するためには、ＮｉＯｘ膜を初期に形成したＮｉ膜の全厚の半分までにとどめておく必要がある。更に、Ｎｉ膜表面を酸化させる方法の効率を考えると、ＮｉＯｘ膜２８Ａ、３０Ａの厚さは、それぞれ５０ｎｍ以下にしておく必要がある。

上記Ｎｉ膜の形成は、上記第１及び第２実施例で説明した方法の他にスパッタ法、メッキ法などで形成しても良い。その膜厚は５ｎｍ〜５００ｎｍ程度の範囲で電気抵抗をあまり高くないように設定すれば良い。また、Ｎｉ膜表面を酸化させてＮｉＯｘ膜とする方法は上記各実施例以外に大気圧酸素プラズマ処理やＵＶオゾン法等のドライ法、陽極酸化法などのウエット法を用いても良い。但し、得られる膜の表面粗さＲａは１０ｎｍ以下にする必要がある。表面粗さが大きすぎる場合はペンタセンとの接触抵抗が増加してしまい、高い電界効果移動度が得られない。

また、上記第１及び第２実施例ではドレイン電極３０もソース電極２８と同じＮｉＯｘ／Ｎｉ構成としたが、ドレイン電極３０の材料は導電性の材料であれば良く、今回の材料に限定されるものではない。
また、上記第１及び第２実施例において、基板２２は実施例で説明したものに限定されるものではなく、無機基板、有機基板共に使用することができる。具体的にはガラス基板、Ｓｉ基板等の表面平滑性に優れている無機材料の基板であれば使用可能である。またポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）等の有機材料から作られるプラスチック基板を用いることもできる。

またゲート電極２４は低抵抗Ｓｉ膜やＴａ膜を用いたが、導電性を持つものであれば実施例に限定されることはない。更にゲート絶縁膜２６には絶縁性が高く、比誘電率の高いものが望まれる。そのため無機材料に限定されるものではなく、有機絶縁膜でも可能である。具体的には蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などにより酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコン、等の薄膜を用いることができる。また、スピンコート法、ＬＢ単分子累積法等によりポリエチレン、ポリビニールカルバゾール、ポリイミド、ポリパラキシレンなどの薄膜も用いることができる。これらゲート絶縁膜の膜厚は１０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度が多く用いられる。

また有機半導体層３２は蒸着法やスピンコート法、インクジェット法などによりペンタセン、テトラセン、ペリレン等の縮合芳香族炭化水素、及びこれらの縮合芳香族炭化水素の誘導体と高分子系材料、例えばやポリアセチレン、ポリアセンなどの共役炭化水素ポリマー、ポリアニリン、ポリピロル、ポリチオフェン等の共役複素環式ポリマーなどを用いることができる。
本発明により、高価なＡｕ電極を用いることなく、安価なＮｉ電極を用い、その最表面のみを酸化させただけでＡｕ電極並みの性能を有する電界効果型の有機薄膜トランジスタを得ることができ、更にはＮｉ表面のみ酸化されているため回路の電極配線自体にも利用することができる。

本発明に係る有機薄膜トランジスタの第１実施例の製造工程を示す図である。本発明に係る有機薄膜トランジスタの変形例を示す断面図である。本発明に係る有機薄膜トランジスタの第２実施例の製造工程を示す図である。ボトムコンタクト型の従来の電界効果型の有機薄膜トランジスタを示す概略構成図である。

符号の説明

２０…有機薄膜トランジスタ、２２…基板（絶縁性）、２３…基板（導電性）、２４…ゲート電極、２６…ゲート絶縁膜、２８…ソース電極、２８Ａ…ＮｉＯｘ膜、３０…ドレイン電極、３０Ａ…ＮｉＯｘ膜、３２…有機半導体層、４０…有機薄膜トランジスタ。

Claims

導電性を有する基板であるゲート電極と、
前記基板の一面側に形成されたゲート絶縁膜と、
該ゲート絶縁膜上に互いに離間して形成されたソース電極及びドレイン電極と、
該ソース電極及びドレイン電極に接続する有機半導体層とを備え、
前記ソース電極は、表面を含むその近傍領域がニッケル酸化物からなり、内部がニッケル金属からなることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
絶縁性を有する基板と、
該基板の一面側に形成されたゲート電極と、
該ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、
該ゲート絶縁膜上に互いに離間して形成されたソース電極及びドレイン電極と、
該ソース電極及びドレイン電極に接続する有機半導体層とを備え、
前記ソース電極は、その表面及び表面近傍部がニッケル酸化物からなり、その内部がニッケル金属からなることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。