JP2008071867A - 有機トランジスタおよび有機トランジスタの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高いトランジスタ性能が得られると共に、製造が容易な有機トランジスタおよびその製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明の有機トランジスタ１０によれば、ソース電極上面１８ａおよびドレイン電極上面２０ａが、有機単分子膜２４で被覆されているので、有機単分子膜２４で被覆されてない場合に比較して、ソース電極１８上およびドレイン電極２０上においても、結晶粒２２ａが大きく成長する。よって、有機半導体層２２を電流が効率良く流れ、高いトランジスタ性能が得られる。
【選択図】図４
【解決手段】本発明の有機トランジスタ１０によれば、ソース電極上面１８ａおよびドレイン電極上面２０ａが、有機単分子膜２４で被覆されているので、有機単分子膜２４で被覆されてない場合に比較して、ソース電極１８上およびドレイン電極２０上においても、結晶粒２２ａが大きく成長する。よって、有機半導体層２２を電流が効率良く流れ、高いトランジスタ性能が得られる。
【選択図】図４
Description
本発明は有機トランジスタおよび有機トランジスタの製造方法に関し、特に、高いトランジスタ性能が得られると共に、製造が容易な有機トランジスタおよびその製造方法に関するものである。
有機半導体をチャネル層に利用した有機電界効果トランジスタが近年注目を集めている。シリコンなど無機半導体をチャネルとした従来型の電界効果トランジスタと比べると、有機トランジスタは、その製造プロセスにおいて、真空装置などの大規模な設備が不要であるため、低コストプロセスを実現できるという特徴を有する。
図９を参照して、従来の有機トランジスタ１００の製造プロセスについて説明する。図９は、従来の有機トランジスタ１００の製造プロセスを説明する図である。図９（ａ）に示すように、例えば、有機トランジスタのソース・ドレイン電極の製造プロセスは、まず、ゲート電極１０４を埋設するゲート絶縁層１０６上に電極材料層１１６を形成後、その上に、レジスト１１８を塗布する。次に、図９（ｂ）に示すように、その上にマスクパターン１２０を載せて露光し、図９（ｃ）に示すように、レジスト１１８のパターンを形成する。次に、エッチングによってレジスト１１８で被覆されていない金属層１１６を除去し、図９（ｄ）に示すように、ソース・ドレイン電極１２４のパターンを形成する。次に、図９（ｅ）に示すように、レジスト１１８を剥離し、最後に、図９（ｆ）に示すように、有機半導体層１２６を、ソース・ドレイン電極１２４上に形成する。
特開２００５−２４３７３１号公報
しかしながら、従来の製造プロセスは、レジスト１１８を塗布し、且つ、そのレジスト１１８を剥離しなければならないので、工程数が多く、また露光工程においては、露光装置など高価な設備が必要となるため、製造コストが高く、また作成時間が長くかかるという問題点があった。
また、可溶性の有機半導体材料を用いて有機半導体層１２６を形成する場合は、有機半導体層１２６を形成する工程（図９（ｆ）参照）において、有機半導体材料を溶かした溶剤を選択的に塗布することにより、ソース・ドレイン電極１２４上に有機半導体層１２６を形成することが試みられている。このようにすれば、簡便な設備で有機半導体層１２６を形成することができるが、一方、金属で構成されるソース・ドレイン電極１２４と、溶剤との密着性が乏しいために、ソース・ドレイン電極１２４上に塗布した溶剤がにじみ広がり、的確な塗布ができないという問題点があった。
図１０は、従来の有機トランジスタの製造プロセスにおいて、塗布により形成した、有機半導体層１２６を上面から見た図である。図１０に示すように、塗布した溶剤がにじみにより広がると、有機半導体層１２６が、ソース・ドレイン電極１２４よりも広い範囲に形成され、有機半導体層１２６におけるキャリアの移動経路が大回りとなり、トランジスタ性能（移動度）の低下を招く。
また、例えば、ペンタセンなど、結晶構造を形成し易い有機半導体材料を選択した場合、形成される有機半導体層１２６は、単結晶構造を形成させることは非常に困難で、実際は、多くの結晶粒１２６ａを有した多結晶構造であることがほとんどである。この場合、結晶粒１２６ａが大径である程、電流が良く流れることが知見されている。よって、高いトランジスタ性能を得るためには結晶粒１２６ａが大きく成長することが望ましい。
図１１は、従来の有機トランジスタ１００において、有機半導体層１２６が結晶粒１２６ａの集合で構成される場合の概略断面を示す断面図である。図１１においては、有機半導体層１２６の結晶粒１２６ａの一部を模式的に図示している。上述したように、各結晶粒１２６ａが大きく成長することが理想的であるが、ソース・ドレイン電極１２４が金属で構成されることから、表面エネルギーとの差が大きく、ソース・ドレイン電極１２４に接する界面では、結晶粒１２６ａが大きく成長しない。その結果、電流が効率良く流れず、高いトランジスタ性能が得られないという問題点があった。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、高いトランジスタ性能が得られると共に、製造が容易な有機トランジスタおよびその製造方法を提供することを目的としている。
この目的を達成するために、請求項１記載の有機トランジスタは、基板上に形成されたゲート電極と、そのゲート電極の上に形成されたゲート絶縁層と、ゲート絶縁層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、そのソース電極およびドレイン電極の少なくとも一部を覆う有機半導体層とを備えたものであって、前記ソース電極上面と前記有機半導体層との間、および前記ドレイン電極上面と前記有機半導体層との間には、有機単分子膜が介在すると共に、ソース電極側面と有機半導体層との間、およびドレイン電極側面と有機半導体層との間には、有機単分子膜が介在していないことを特徴とする。
請求項２記載の有機トランジスタは、基板上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、そのソース電極およびドレイン電極の上に形成された有機半導体層と、有機半導体層の上に形成されたゲート絶縁層と、そのゲート絶縁層の上にゲート電極を備えたものであって、前記ソース電極上面と前記有機半導体層との間、および前記ドレイン電極上面と前記有機半導体層との間には、有機単分子膜が介在すると共に、ソース電極側面と有機半導体層との間、およびドレイン電極側面と有機半導体層との間には、有機単分子膜が介在していないことを特徴とする。
請求項３記載の有機トランジスタは、請求項１または２に記載の有機トランジスタにおいて、前記有機単分子膜は、ソース電極およびドレイン電極に選択的に吸着する結合基と、撥水性の末端基とを備えた有機分子で構成されることを特徴とする。
請求項４記載の有機トランジスタの製造方法は、基板上に形成されたゲート電極と、そのゲート電極の上に形成されたゲート絶縁層と、ゲート絶縁層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、そのソース電極およびドレイン電極の少なくとも一部を覆う有機半導体層とを備えた有機トランジスタを製造する方法であって、ゲート絶縁層上に形成された電極材料層上に、撥水性有機単分子パターン膜を形成するパターン膜形成工程と、その有機単分子パターン膜の空隙部の露出した電極材料層をウェットエッチングにより除去し、前記有機単分子パターン膜で上面が被覆されたソース電極およびドレイン電極を形成するソース・ドレイン電極形成工程と、前記有機単分子パターン膜で上面が被覆されたソース電極およびドレイン電極の上に有機半導体層を形成する有機半導体層形成工程とを備えることを特徴とする。
請求項５記載の有機トランジスタの製造方法は、基板上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、そのソース電極およびドレイン電極の上に形成された有機半導体層と、有機半導体層の上に形成されたゲート絶縁層と、そのゲート絶縁層の上にゲート電極を備えた有機トランジスタを製造する方法であって、基板上に形成された電極材料層上に、撥水性有機単分子パターン膜を形成するパターン膜形成工程と、その有機単分子パターン膜の空隙部の露出した電極材料層をウェットエッチングにより除去し、前記有機単分子パターン膜で上面が被覆されたソース電極およびドレイン電極を形成するソース・ドレイン電極形成工程と、前記有機単分子パターン膜で上面が被覆されたソース電極およびドレイン電極の上に有機半導体層を形成する有機半導体層形成工程とを備えることを特徴とする。
請求項６記載の有機トランジスタの製造方法は、請求項４または５に記載の有機トランジスタの製造方法において、前記パターン膜形成工程は、有機単分子パターン膜を形成する有機分子の溶液をスタンプの凸部に塗布し、その凸部を前記電極材料層に押し付けることにより、前記有機単分子パターン膜を形成するものであることを特徴とする。
請求項７記載の有機トランジスタの製造方法は、請求項６記載の有機トランジスタの製造方法において、ナノメートルサイズの金属粒子を、スピンコート法またはバーコート法により塗布して、前記電極材料層を形成する電極材料層形成工程を備えることを特徴とする。
請求項１記載の有機トランジスタによれば、ボトムゲート構造の有機トランジスタにおいて、ソース電極上面と有機半導体層との間、およびドレイン電極上面と有機半導体層との間には、有機単分子膜が介在しているので、有機半導体層が結晶粒の集合で構成される場合、ソース電極およびドレイン電極上においても、有機半導体層の結晶粒が大きく成長する。よって、有機半導体層において電流が効率良く流れ、高いトランジスタ性能が得られるという効果がある。
また、ソース電極側面と有機半導体層との間、およびドレイン電極側面と有機半導体層との間には、有機単分子膜が介在していないので、ソース電極側面と有機半導体層との間、およびドレイン電極側面と有機半導体層との間において、電流が効率良く流れ、高いトランジスタ性能が得られるという効果がある。
請求項２記載の有機トランジスタによれば、トップゲート構造の有機トランジスタにおいて、ソース電極上面と有機半導体層との間、およびドレイン電極上面と有機半導体層との間には、有機単分子膜が介在しているので、有機半導体層が結晶粒の集合で構成される場合、ソース電極およびドレイン電極上においても、有機半導体層の結晶粒が大きく成長する。よって、有機半導体層において電流が効率良く流れ、高いトランジスタ性能が得られるという効果がある。
また、ソース電極側面と有機半導体層との間、およびドレイン電極側面と有機半導体層との間には、有機単分子膜が介在していないので、ソース電極側面と有機半導体層との間、およびドレイン電極側面と有機半導体層との間において、電流が効率良く流れ、高いトランジスタ性能が得られるという効果がある。
請求項３記載の有機トランジスタによれば、請求項１又は２に記載の有機トランジスタの奏する効果に加え、前記有機単分子膜は、ソース電極およびドレイン電極に選択的に吸着する結合基と、撥水性の末端基とを備えた有機分子で構成されるので、撥水性の末端基が有機単分子膜の最上面を構成する。有機半導体を塗布する際、有機溶剤を用いるが、この有機溶剤の分子の一部と撥水性の末端基とが吸着しやすい知見が得られている。したがって、有機半導体層を形成するために、有機半導体材料を溶かした溶剤を塗布する場合には、有機単分子膜が定着剤として機能し、塗布した溶剤のにじみ（広がり）が抑制され、高いトランジスタ性能が得られるという効果がある。
請求項４記載の有機トランジスタの製造方法によれば、パターン膜形成工程により、電極材料層上に撥水性有機単分子パターン膜が形成され、ソース・ドレイン電極形成工程により、その有機単分子パターン膜の空隙部の露出した電極材料層がウェットエッチングにより除去され、有機単分子パターン膜で上面が被覆されたソース電極およびドレイン電極が形成される。そして、有機半導体層形成工程により、有機単分子パターン膜で上面が被覆されたソース電極およびドレイン電極の上に有機半導体層が形成されるので、従来の製造方法に比べて工程数が減少し、容易に製造できるという効果がある。すなわち、本発明では、有機単分子パターン膜をウェットエッチングの際にレジスト層として機能させると共に、この有機単分子パターン膜を剥離せずに、有機半導体層を形成するので、レジスト層剥離工程が必須であった従来の製造方法に比べて、工程数が減少するのである。
また、有機単分子パターン膜で上面が被覆された状態で、ソース電極およびドレイン電極上に、有機半導体層が形成されるので、有機半導体層が結晶粒の集合で構成される場合、ソース電極およびドレイン電極上においても、有機半導体層の結晶粒が大きく成長する。よって、有機半導体層において電流が効率良く流れ、トランジスタ性能が向上した有機トランジスタを得ることができる効果がある。
また、有機半導体層を形成するために、有機半導体材料を溶かした溶剤を塗布する場合、撥水性の有機単分子パターン膜が定着剤として機能し、塗布した溶剤のにじみ（広がり）が抑制され、トランジスタ性能が高い有機トランジスタを得ることができるという効果がある。また、塗布によるパターニング精度が向上するため、有機トランジスタの微細化にも効果的な手法である。
また、請求項４記載の有機トランジスタの製造方法により得られるトランジスタは、ソース電極側面と有機半導体層との間、およびドレイン電極側面と有機半導体層との間には、有機単分子パターン膜が介在していないので、ソース電極側面と有機半導体層との間、およびドレイン電極側面と有機半導体層との間において、電流が効率良く流れ、高いトランジスタ性能が得られるという効果がある。
請求項５記載の有機トランジスタの製造方法によれば、パターン膜形成工程により、電極材料層上に撥水性有機単分子パターン膜が形成され、ソース・ドレイン電極形成工程により、その有機単分子パターン膜の空隙部の露出した電極材料層がウェットエッチングにより除去され、有機単分子パターン膜で上面が被覆されたソース電極およびドレイン電極が形成される。そして、有機半導体層形成工程により、有機単分子パターン膜で上面が被覆されたソース電極およびドレイン電極の上に有機半導体層が形成されるので、従来の製造方法に比べて工程数が減少し、容易に製造できるという効果がある。すなわち、本発明では、有機単分子パターン膜をウェットエッチングの際にレジスト層として機能させると共に、この有機単分子パターン膜を剥離せずに、有機半導体層を形成するので、レジスト層剥離工程が必須であった従来の製造方法に比べて、工程数が減少するのである。
また、有機単分子パターン膜で上面が被覆された状態で、ソース電極およびドレイン電極上に、有機半導体層が形成されるので、有機半導体層が結晶粒の集合で構成される場合、ソース電極およびドレイン電極上においても、有機半導体層の結晶粒が大きく成長する。よって、有機半導体層において電流が効率良く流れ、トランジスタ性能が向上した有機トランジスタを得ることができる効果がある。
また、有機半導体層を形成するために、有機半導体材料を溶かした溶剤を塗布する場合、撥水性の有機単分子パターン膜が定着剤として機能し、塗布した溶剤のにじみ（広がり）が抑制され、トランジスタ性能が高い有機トランジスタを得ることができるという効果がある。
また、請求項５記載の有機トランジスタの製造方法により得られるトランジスタは、ソース電極側面と有機半導体層との間、およびドレイン電極側面と有機半導体層との間には、有機単分子パターン膜が介在していないので、ソース電極側面と有機半導体層との間、およびドレイン電極側面と有機半導体層との間において、電流が効率良く流れ、高いトランジスタ性能が得られるという効果がある。
請求項６記載の有機トランジスタの製造方法によれば、請求項４または５に記載の有機トランジスタの製造方法の奏する効果に加え、前記パターン膜形成工程は、有機単分子パターン膜を形成する分子の溶液をスタンプの凸部に塗布し、その凸部を前記電極材料層に押し付けることにより、撥水性有機単分子パターン膜を形成するものであるので、微細構造の有機単分子パターン膜であっても大規模な装置を必要とせず、容易且つ高精度に形成することができ、製造が容易となるという効果がある。
請求項７記載の有機トランジスタの製造方法によれば、請求項６記載の有機トランジスタの製造方法の奏する効果に加え、電極材料層形成工程により、ナノメートルサイズの金属粒子を、スピンコート法またはバーコート法により塗布して形成した前記電極材料層においても、スタンプ凸部を電極材料層に密着させ、撥水性有機単分子パターン膜を電極材料層に転写することができる。したがって、前記手法により形成するソース電極、ドレイン電極作製プロセスは真空プロセスを全く用いずに、かつ、簡便に形成することができる。よって、プロセス全体のコストを大幅に削減できるという効果がある。
以下、本発明の好ましい実施例について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施例である有機トランジスタ１０を断面方向から見た構成を概略的に示す断面図と、有機単分子膜２４の部分拡大図である。なお、図１においては、有機トランジスタ１０の構成上の特徴を明確にすべく、いくつかの構成要素においては、その大きさなどについて互いに異なるようにして描いている。
図１に示す有機トランジスタ１０は、基板１２と、基板１２上にパターン状に形成されたゲート電極１４、基板１２上において、ゲート電極１４を覆うように形成されたゲート絶縁層１６と、ゲート絶縁層１６上においてパターン状に形成されたソース電極１８とドレイン電極２０と、ソース電極１８及びドレイン電極２０の少なくとも一部を覆う有機半導体層２２と、有機単分子膜２４とを備えた、いわゆるボトムゲート構造の有機トランジスタである。
基板１２は、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などのプラスチックシート及びガラス類など、種々の材料で構成することができる。
ゲート電極１４は、金、銀、銅などの導電性材料、あるいはＩＴＯなどの透明導電材料から構成することができる。ゲート電極１４に制御電圧を印加することで、ソース電極１８とドレイン電極２０との間に流れる電流を制御することができる。ゲート絶縁層１６は、ゲート電極１４を埋設する層であって、ポリイミドの高分子材料あるいはガラス樹脂などから構成することができる。
ソース電極１８及びドレイン電極２０は、ゲート絶縁層１６上面から突設された電極である。なお、ソース電極１８の基板１２と反対側の面をソース電極上面１８ａと称し、ソース電極１８ａの幅方向（図１紙面左右方向）端面および長さ方向（図１紙面垂直方向）端面をソース電極側面１８ｂと称する。また、ドレイン電極２０の基板１２と反対側の面をドレイン電極上面２０ａと称し、ドレイン電極２０ａの幅方向（図１紙面左右方向）端面および長さ方向（図１紙面垂直方向）端面を、ドレイン電極側面２０ｂと称する。これらソース電極１８及びドレイン電極２０は、ゲート電極１４の上方の有機半導体層２２の領域を挟んで対峙して配置される。ソース電極１８およびドレイン電極２０は、図２を参照して後述する製造方法に従って形成される。
有機半導体層２２は、ソース電極１８およびドレイン電極２０上に形成される層であって、正孔または電子をキャリアとして伝導する半導体特性を有する有機半導体材料で構成される。有機半導体材料としては、例えば、ペンタセンまたはナフタセンなどの低分子有機化合物や、ポリチオフェンやポリフェニレンビニレンの高分子有機化合物が挙げられるが、これらの材料に限定されるものではない。
有機単分子膜２４は、撥水性を有する略均一な薄膜であって、自己組織化単分子膜（Ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ：以下、ＳＡＭ）と称されるものである。図１向かって右側に拡大して図示するように、有機単分子膜２４は、厚み方向には一分子のみで幅方向に有機分子２３が配列した膜であるため、膜厚が極めて薄い。有機単分子膜２４を構成する有機分子２３は、それぞれ、一端にソース電極１８およびドレイン電極２０に選択的に吸着する結合基２４ａを有し、他端に撥水性の末端基２４ｂとを備えている。よって、各有機分子２３の結合基２４ａをソース電極１８またはドレイン電極２０に化学吸着させることにより、撥水性の末端基２４ｂが最上面に密集した状態で、有機分子２３が規則的に配列する。
なお、結合基２４ｂは、ソース電極１８およびドレイン電極２０の材料に併せて種々選択され得るが、例えば、ソース電極１８およびドレイン電極２０が、金、銀または銅などの金属で構成される場合は、結合基２４ｂとしては、チオール基（ＳＨ）、ジスルフィド基（ＳＳ）が好適に用いられる。また、撥水性の末端基２４ｂとしては、メチル基（ＣＨ３）、フッ素（Ｆ）が好適に用いられる。また、有機単分子膜２４の整列性を保つため、有機分子２３は、直鎖状であることが好ましい。
次に、第１実施例の有機トランジスタ１０の製造方法について説明する。図２は、図１に示す有機トランジスタ１０の製造方法を説明する図である。なお、基板１２上にゲート線１４を形成し、その上にゲート絶縁層１６を形成するまでの工程は、公知の工程と同様であるので、ここでは説明を省略し、ゲート絶縁層１６形成後の工程から説明する。
次に、第１実施例の有機トランジスタ１０の製造方法について説明する。図２は、図１に示す有機トランジスタ１０の製造方法を説明する図である。なお、基板１２上にゲート線１４を形成し、その上にゲート絶縁層１６を形成するまでの工程は、公知の工程と同様であるので、ここでは説明を省略し、ゲート絶縁層１６形成後の工程から説明する。
最初に、図２（ａ）に示すように、ゲート絶縁層１６上の略全面に、均一厚みを有する金属層２６を形成する（電極材料層形成工程）。この金属層２６は、例えば、ナノメートルサイズの金属粒子を、スピンコート法またはバーコート法により塗布することにより形成される。このようにすれば、凹凸のない平坦な金属層２６が形成されるので、後のパターン膜形成工程において有利となるのだが、詳細は図３を参照して後述する。なお、スピンコート法は、円盤上に設置した塗布対象物上に塗布材を落として、その遠心力で全面に塗布材を広げて均一に塗布する方法である。また、バーコート法は、バー（図示せず）と塗布対象物との隙間を調整し、滴下された塗布材によって塗布材溜を形成した状態で、塗布対象物を走行させることによって塗布材を略一定の厚みで塗布する方法である。
次に、図２（ｂ）に示すように、ソース電極１８およびドレイン電極２０を形成すべき領域のみを覆うパターンの有機単分子膜２４を、金属層２６上に形成する（パターン膜形成工程）。なお、このパターン膜形成工程の詳細については、図３を参照して後述する。
次に、図２（ｃ）に示すように、その有機単分子膜２４の空隙部２５の露出した金属層２６（すなわち、有機単分子膜２４で保護されていない領域の金属層２６）をウェットエッチングにより除去する（ソース・ドレイン電極形成工程）。上述したように、有機単分子膜２４は、最上面が撥水性を有するので、ウェットエッチングの際にはレジスト層として機能する。よって、空隙部２５の金属層２６のみが除去されて、有機単分子膜２４で上面が被覆されたソース電極１８およびドレイン電極２０が形成される。
次に、図２（ｄ）に示すように、有機単分子膜２４で上面が被覆されたソース電極１８およびドレイン電極２０の上に有機半導体層２２を形成する（有機半導体層形成工程）。有機半導体層２２を形成するための材料および手法は何ら限定するものではないが、例えば、ペンタセン、ナフタセンなどの低分子系の有機半導体材料を用いる場合は、真空蒸着法により有機半導体層２２を形成することができる。また、ポリチオフェンやポリフェニレンビニレンの高分子系の有機半導体材料を用いる場合は、クロロホルム、ジクロロベンゼン、トルエン、キシレンなどの有機溶剤に上記有機半導体材料を溶かし、その溶剤をインクジェットやスクリーン印刷装置により塗布することにより、有機半導体層２２を形成することができる。
本実施例の製造方法によれば、製造工程が減少し、製造コストおよび作業時間を低減することができると共に、有機トランジスタ１０を容易に製造することができる。すなわち、従来の製造方法においては、ソース電極１８およびドレイン電極２０のパターニングのために、レジスト層を積層し、且つ、パターニング後は、そのレジスト層を剥離してから有機半導体層２２を形成していたのに対し、本実施例の製造方法によれば、レジスト層として機能させた有機単分子膜２４を剥離せずに、そのまま有機半導体層２２を形成するので、その分、製造工程数が少なくなり、製造コストおよび作業時間が低減するのである。
次に、図３を参照して、パターン膜形成工程について説明する。図３は、パターン膜形成工程を示す図である。パターン膜形成工程では、まず、図３（ａ）に示すように、有機単分子膜２４の形成領域に対応した凸部を有する高分子スタンプ２８を準備する。この高分子スタンプ２８は、電子線リソグラフィーやフォトリソグラフィーなどを用いてシリコンなどを微細加工して作成されたマスター盤に、液状のＰＤＭＳ（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）を塗布し、固体化したＰＤＭＳをマスター盤から剥がすことにより作製される。
そして、準備した高分子スタンプ２８の凸部２８ａに、有機分子２３（図１参照）を含む溶液２９を塗布し、その凸部を金属層２６に押し付ける（図３（ｂ）参照）。これにより、有機分子２３が金属層２６に転写され、有機分子２３が自己組織的に有機単分子膜２４を形成する（図３（ｃ）参照）。このようにすれば、非常に微細な構造（パターン）の有機単分子膜２４であっても、上記凸部を前記電極材料層に押し付けることにより、容易且つ高精度に形成することができる。
また、上述したように、金属層２６は、ナノメートルサイズの金属粒子を、スピンコート法またはバーコート法により塗布することにより形成されているので、表面が極めて平坦である。よって、凸部２８ａ全面を金属層２６に密着させ、凸部２８ａ形状に正確に対応したパターンの有機単分子膜２４を形成することができる。その結果、高精細なソース電極１８およびドレイン電極２０（図３参照）であっても、容易且つ高精度に形成することができる。
次に、図４から図６を参照して、第１実施例の有機トランジスタ１０の効果について説明する。図４は、有機半導体層２２が結晶粒２２ａの集合で構成される場合の有機トランジスタ１０を示す断面図である。例えば、ペンタセン、ナフタセンなどの低分子系の有機半導体材料を用いた場合、図４に示すような構造の有機半導体層２２が形成される。ここで、「結晶粒」とは、原子が同一方向に並ぶ単結晶の粒を意味する用語である。なお、図面を見易くするために、図４においては、有機半導体層２２を構成する結晶粒２２ａのうち一部のみを図示する。また、図４に図示した結晶粒２２ａは模式的なものであって、大きさ及び形状は、必ずしも正確には図示していない。
第１実施例の有機トランジスタ１０によれば、ソース電極上面１８ａと有機半導体層２２との間およびドレイン電極上面２０ａと有機半導体層２２との間に、有機単分子膜２４が介在しているので、有機単分子膜２４が介在していない場合に比較して、表面エネルギーの差異が抑制される。その結果、図４に示すように、ソース電極１８上およびドレイン電極２０上においても、結晶粒２２ａが大きく成長する。よって、有機半導体層２２を電流が効率良く流れ、高いトランジスタ性能が得られる。
図５は、有機トランジスタ１０を上から見た図であり、ソース電極１８とドレイン電極２０との間におけるキャリアの移動経路を矢印にて模式的に示す図である。例えば、ポリチオフェンなど、高分子系有機半導体材料で有機半導体層２２を形成する場合、有機半導体材料を溶剤に溶かして塗布することにより、有機半導体層２２を形成することができる。有機トランジスタ１０によれば、ソース電極上面１８ａおよびドレイン電極上面２０ａは、有機単分子膜２４で被覆されているので、有機単分子膜２４が溶剤の定着剤として機能し、塗布した溶剤のにじみ（広がり）が抑制される。すなわち、ソース電極１８およびドレイン電極２０上に形成される有機半導体層２２の拡大が抑制される。よって、図５に示すように、ソース電極１８およびドレイン電極２０において、キャリアが最短距離を移動するので、高いトランジスタ性能を得ることができる。
さらに、第１実施例の有機トランジスタ１０によれば、ソース電極側面１８ｂと有機半導体層２２との間、およびドレイン電極側面２０ｂと有機半導体層２２との間には、有機単分子膜２４が介在していないので、電流が効率良く流れ、高いトランジスタ性能が得られる。
図６は、有機トランジスタ１０において、仮に、ソース電極側面１８ｂおよびドレイン電極側面２０ｂを有機単分子膜２４で被覆した場合を示す断面図である。有機単分子膜２４は本質的には絶縁体であるものの、その厚みが極めて薄いため、図６に示すように、ソース電極１８およびドレイン電極２０の全面が有機単分子膜２４で被覆されていても、トンネル効果により、電流は流れる。しかしながら、有機トランジスタ１０において、ゲート電極１４に制御電圧が印加されると、ゲート絶縁層１６を介してキャリアが集まるので、ゲート絶縁層１６に近接するソース電極側面１８ｂとドレイン電極側面２０ｂとの間が最も電流が流れ易い。よって、図６に示すように、ソース電極側面１８ｂとドレイン電極側面２０ｂとが、有機半単分子２４で被覆されていると、電流の流れが大きく阻害されるのである。
これに対し、第１実施例の有機トランジスタ１０によれば、ソース電極側面１８ｂと有機半導体層２２との間、およびドレイン電極側面２０ｂと有機半導体層２２との間には、有機単分子膜２４を介在させないので、電流が効率良く流れ、高いトランジスタ性能が得られる。
図７および図８を参照して、第２実施例の有機トランジスタ５０について説明する。図７は、本発明の第２実施例である有機トランジスタ５０を断面方向から見た構成を概略的に示す断面図である。図１を参照して説明した第１実施例の有機トランジスタ１０は、ゲート電極１４およびゲート絶縁層１６が、有機半導体層２２よりも基板１２側（下側）に設けられた、いわゆるボトムゲート構造のトランジスタであったが、図７を参照して説明する本第２実施例の有機トランジスタ５０は、ゲート電極５４およびゲート絶縁層５６が、有機半導体層６２よりも上側に設けられた、いわゆるトップゲート構造のトランジスタである。なお、第２実施例の有機トランジスタ５０の各部材は、第１実施例の有機トランジスタ１０における同一名称の各部材と同様の材料で構成可能であるため、本第２実施例では、各部材の詳細な説明は省略する。
図７に示すように、第２実施例の有機トランジスタ５０は、基板５２と、基板５２上に形成されたソース電極５８およびドレイン電極６０と、そのソース電極５８およびドレイン電極６０の上に形成された有機半導体層６２と、有機半導体層６２の上に形成されたゲート絶縁層５６と、そのゲート絶縁層５６の上にゲート電極５４を備えている。なお、第１実施例の有機トランジスタ１０（図１参照）は、ゲート絶縁層１６上にソース電極１８およびドレイン電極２０が突設されていたのに対し、第２実施例の有機トランジスタ５０は、基板５２上にソース電極５８およびドレイン電極６０が突設されている。
また、第２実施例においては、ソース電極５８の基板５２と反対側の面をソース電極上面５８ａと称し、ソース電極５８ａの幅方向（図７紙面左右方向）端面および長さ方向（図７紙面垂直方向）端面をソース電極側面５８ｂと称する。また、ドレイン電極６０の基板５２と反対側の面をドレイン電極上面６０ａと称し、ドレイン電極６０ａの幅方向（図７紙面左右方向）端面および長さ方向（図７紙面垂直方向）端面を、ドレイン電極側面６０ｂと称する。ソース電極５８およびドレイン電極６０は、図８を参照して後述する製造方法に従って形成される。
さらに、ソース電極上面５８ａとそのソース電極上面５８ａを覆う有機半導体層６２との間、およびドレイン電極上面６０ａとそのドレイン電極上面６０ａを覆う有機半導体層６２との間には、有機単分子膜６４が介在すると共に、ソース電極側面５８ｂと有機半導体層６２との間、およびドレイン電極側面６０ｂと有機半導体層６２との間には、有機単分子膜６４が介在していない。
第２実施例の有機トランジスタ５０によれば、第１実施例の有機トランジスタ１０と同様の効果が得られる。
次に、第２実施例の有機トランジスタ５０の製造方法について説明する。図８は、図７に示す第２実施例の有機トランジスタ５０の製造方法を説明する図である。最初に、図８（ａ）に示すように、基板５２上の略全面に、均一厚みを有する金属層２６を形成する（電極材料層形成工程）。この金属層２６は、第１実施例と同様に、例えば、ナノメートルサイズの金属粒子を、スピンコート法またはバーコート法により塗布することにより形成される。
次に、第２実施例の有機トランジスタ５０の製造方法について説明する。図８は、図７に示す第２実施例の有機トランジスタ５０の製造方法を説明する図である。最初に、図８（ａ）に示すように、基板５２上の略全面に、均一厚みを有する金属層２６を形成する（電極材料層形成工程）。この金属層２６は、第１実施例と同様に、例えば、ナノメートルサイズの金属粒子を、スピンコート法またはバーコート法により塗布することにより形成される。
次に、図８（ｂ）に示すように、ソース電極１８およびドレイン電極２０を形成すべき領域のみを覆うパターン形状の有機単分子膜６４を、金属層２６上に形成する（パターン膜形成工程）。なお、このパターン膜形成工程は、第１実施例と同様に、例えば、高分子スタンプ２８（図３参照）を用いて形成することができるが、他の方法により、有機単分子膜６４を形成しても良い。
次に、図８（ｃ）に示すように、その有機単分子膜６４の空隙部６５の露出した金属層２６（すなわち、有機単分子膜２４で保護されていない領域の金属層２６）をウェットエッチングにより除去する（ソース・ドレイン電極形成工程）。上述したように、有機単分子膜２４は、最上面が撥水性を有するので、ウェットエッチングの際にはレジスト層として機能する。よって、空隙部６５の金属層２６のみが除去されて、有機単分子膜６４で上面が被覆されたソース電極５８およびドレイン電極６０が形成される。
次に、図８（ｄ）に示すように、有機単分子膜６４で上面が被覆されたソース電極５８およびドレイン電極６０の上に有機半導体層６２を形成する（有機半導体層形成工程）。有機半導体層２２を形成する手法は第１実施例と同様であるため、詳細な説明は省略する。
次に、図８（ｅ）に示すように、有機半導体層６２上に、ゲート絶縁層５６を形成し、その上にゲート電極５４を形成する。これにより、第２実施例の有機トランジスタ５０が製造される。なお、ゲート絶縁層５６およびゲート電極５４を形成する工程は、公知の工程と同様であるため、説明を省略する。
第２実施例の有機トランジスタ５０の製造方法によれば、第１実施例の有機トランジスタ１０の製造方法と同様の効果が得られる。すなわち、製造工程が減少し、製造コストおよび作業時間を低減することができると共に、有機トランジスタ５０を容易に製造することができる。
また、第２実施例の有機トランジスタ５０によれば、ソース電極上面５８ａおよびドレイン電極上面６０ａと有機半導体層６２との間に有機単分子膜６５が介在し、ソース電極側面５８ｂとドレイン電極側面６０ｂと有機半導体層６２との間には、有機単分子膜６４が介在していないので、第１実施例の有機トランジスタ１０と同様に、有機半導体層６２を電流が効率良く流れ、高いトランジスタ性能が得られる。
以上、実施例に基づき本発明を説明したが、本発明は上述した実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能であることは容易に推察できるものである。
例えば、上述した第１実施例および第２実施例では、電極材料層（金属層２６）を、スピンコート法またはバーコート法により形成するものとして説明したが、電極材料を蒸発させて素材の表面に付着させる蒸着法、スパッタリング、気相での化学反応により層を堆積する化学気相成長法（ＣＶＤ法）、メッキ法など、他の方法により電極材料層を形成しても良い。
また、上述した第１実施例では、ペンタセンやナフタセンなどの低分子有機半導体材料を用いた場合に、結晶粒２２ａが形成されるものとして説明したが、高分子有機半導体材料により、結晶粒２２ａが形成される場合を除外するものではない。
１０ 有機トランジスタ（ボトムゲート型）
１２，５２ 基板
１４，５４ ゲート電極
１６，５６ ゲート絶縁層
１８，５８ ソース電極
１８ａ，５８ａ ソース電極上面
１８ｂ，５８ｂ ソース電極側面
２０，６０ ドレイン電極
２０ａ，６０ａ ドレイン電極上面
２０ｂ，６０ｂ ドレイン電極側面
２２，６２ 有機半導体層
２４，６４ 有機単分子膜（撥水性有機単分子パターン膜）
２４ａ 結合基
２４ｂ 末端基
２４ｃ 有機分子
２５，６５ 空隙部
２６ 金属層（電極材料層）
２８ 高分子スタンプ（スタンプ）
２８ａ 凸部
２９ 溶液
５０ 有機トランジスタ（トップゲート型）
１２，５２ 基板
１４，５４ ゲート電極
１６，５６ ゲート絶縁層
１８，５８ ソース電極
１８ａ，５８ａ ソース電極上面
１８ｂ，５８ｂ ソース電極側面
２０，６０ ドレイン電極
２０ａ，６０ａ ドレイン電極上面
２０ｂ，６０ｂ ドレイン電極側面
２２，６２ 有機半導体層
２４，６４ 有機単分子膜（撥水性有機単分子パターン膜）
２４ａ 結合基
２４ｂ 末端基
２４ｃ 有機分子
２５，６５ 空隙部
２６ 金属層（電極材料層）
２８ 高分子スタンプ（スタンプ）
２８ａ 凸部
２９ 溶液
５０ 有機トランジスタ（トップゲート型）
Claims (7)
- 基板上に形成されたゲート電極と、そのゲート電極の上に形成されたゲート絶縁層と、ゲート絶縁層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、そのソース電極およびドレイン電極の少なくとも一部を覆う有機半導体層とを備えた有機トランジスタであって、
前記ソース電極上面と前記有機半導体層との間、および前記ドレイン電極上面と前記有機半導体層との間には、有機単分子膜が介在すると共に、ソース電極側面と有機半導体層との間、およびドレイン電極側面と有機半導体層との間には、有機単分子膜が介在していないことを特徴とする有機トランジスタ。 - 基板上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、そのソース電極およびドレイン電極の上に形成された有機半導体層と、有機半導体層の上に形成されたゲート絶縁層と、そのゲート絶縁層の上にゲート電極を備えた有機トランジスタであって、
前記ソース電極上面と前記有機半導体層との間、および前記ドレイン電極上面と前記有機半導体層との間には、有機単分子膜が介在すると共に、ソース電極側面と有機半導体層との間、およびドレイン電極側面と有機半導体層との間には、有機単分子膜が介在していないことを特徴とする有機トランジスタ。 - 前記有機単分子膜は、ソース電極およびドレイン電極に選択的に吸着する結合基と、撥水性の末端基とを備えた有機分子で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の有機トランジスタ。
- 基板上に形成されたゲート電極と、そのゲート電極の上に形成されたゲート絶縁層と、ゲート絶縁層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、そのソース電極およびドレイン電極の少なくとも一部を覆う有機半導体層とを備えた有機トランジスタの製造方法であって、
ゲート絶縁層上に形成された電極材料層上に、撥水性有機単分子パターン膜を形成するパターン膜形成工程と、
その有機単分子パターン膜の空隙部の露出した電極材料層をウェットエッチングにより除去し、前記有機単分子パターン膜で上面が被覆されたソース電極およびドレイン電極を形成するソース・ドレイン電極形成工程と、
前記有機単分子パターン膜で上面が被覆されたソース電極およびドレイン電極の上に有機半導体層を形成する有機半導体層形成工程とを備えることを特徴とする有機トランジスタの製造方法。 - 基板上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、そのソース電極およびドレイン電極の上に形成された有機半導体層と、有機半導体層の上に形成されたゲート絶縁層と、そのゲート絶縁層の上にゲート電極を備えた有機トランジスタの製造方法であって、
基板上に形成された電極材料層上に、撥水性有機単分子パターン膜を形成するパターン膜形成工程と、
その有機単分子パターン膜の空隙部の露出した電極材料層をウェットエッチングにより除去し、前記有機単分子パターン膜で上面が被覆されたソース電極およびドレイン電極を形成するソース・ドレイン電極形成工程と、
前記有機単分子パターン膜で上面が被覆されたソース電極およびドレイン電極の上に有機半導体層を形成する有機半導体層形成工程とを備えることを特徴とする有機トランジスタの製造方法。 - 前記パターン膜形成工程は、有機単分子パターン膜を形成する有機分子の溶液をスタンプの凸部に塗布し、その凸部を前記電極材料層に押し付けることにより、前記有機単分子パターン膜を形成するものであることを特徴とする請求項４または５に記載の有機トランジスタの製造方法。
- ナノメートルサイズの金属粒子を、スピンコート法またはバーコート法により塗布して、前記電極材料層を形成する電極材料層形成工程を備えることを特徴とする請求項６記載の有機トランジスタの製造方法。
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